基于跑臺(tái)的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度自適應(yīng)控制方法

嚴(yán) 明，吳新麗，王銳銳，張 文，楊文珍，潘志庚

基于跑臺(tái)的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度自適應(yīng)控制方法

嚴(yán) 明1，吳新麗1，王銳銳1，張 文1，楊文珍1，潘志庚2,3

(1. 浙江理工大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018；2. 杭州師范大學(xué)數(shù)字媒體與人機(jī)交互研究中心，浙江 杭州 311121；3. 廣州玖的數(shù)碼科技有限公司，廣東 廣州 510623)

針對(duì)目前跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度控制方法存在個(gè)性化健身缺失、運(yùn)動(dòng)的安全性和有效性難以兼顧等問(wèn)題，提出一種基于跑臺(tái)的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度自適應(yīng)控制方法。首先依據(jù)跑者的體質(zhì)和健身目標(biāo)，獲得個(gè)性化健身的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，然后實(shí)時(shí)測(cè)量和反饋跑者的心率，全自動(dòng)調(diào)整跑臺(tái)的坡度和速度，讓跑者處在有效健身的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度區(qū)間。40名測(cè)試對(duì)象實(shí)驗(yàn)獲得的運(yùn)動(dòng)心率比平均值在(0.678，0.834)范圍內(nèi)，心率標(biāo)準(zhǔn)差在(3.156，6.312)范圍內(nèi)，測(cè)試對(duì)象的運(yùn)動(dòng)心率穩(wěn)定控制在最佳健身心率區(qū)間內(nèi)，而且其心率波動(dòng)較小，不僅保證了運(yùn)動(dòng)的有效性，而且降低了跑步健身危險(xiǎn)發(fā)生的可能性。

運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度；心率監(jiān)測(cè)；最佳健身心率；運(yùn)動(dòng)心率比

戶(hù)外跑步受到天氣、時(shí)間和場(chǎng)地等條件的限制，而跑步機(jī)可以擺脫這些局限，讓人們?cè)谑覂?nèi)隨時(shí)進(jìn)行跑步健身，因而受到大眾的喜愛(ài)。但是，目前大多數(shù)跑臺(tái)都是由跑者自己設(shè)定運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度(包括跑臺(tái)的坡度、速度和運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)等)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并不是一種科學(xué)的健身方式[1]。由于大多數(shù)跑者并不清楚適合自己體質(zhì)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，存在著運(yùn)動(dòng)健身的盲目性，影響了健身效率。因此，跑臺(tái)需要一種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度自適應(yīng)的控制方法，能夠依據(jù)個(gè)人的體質(zhì)和鍛煉目標(biāo)，自動(dòng)調(diào)整跑步的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的科學(xué)健身，提升健身效果[2]。

目前，基于跑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度控制方法可分為開(kāi)、閉環(huán)系統(tǒng)控制方法。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制方法是通過(guò)預(yù)設(shè)靶心率設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，制定跑臺(tái)的坡度和速度調(diào)整方案[3]。該控制方法無(wú)需心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋機(jī)制，相對(duì)簡(jiǎn)單和方便使用，但是，其跑步健身的有效性與科學(xué)性難以保證。而且，如果跑者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生身體不適，跑臺(tái)無(wú)法及時(shí)調(diào)整其速度和坡度，存在較大的運(yùn)動(dòng)安全隱患。

閉環(huán)系統(tǒng)控制方法是通過(guò)監(jiān)測(cè)跑者的心率，自動(dòng)調(diào)整跑臺(tái)的速度和坡度，從而達(dá)到控制運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的目的。MAZENC等[4]提出了一種心率反饋非線性模型的控制技術(shù)，以跑步機(jī)速度為控制輸入，以心率追蹤的參考軌跡為控制目標(biāo)，利用Lyapunov函數(shù)分析，設(shè)計(jì)新的狀態(tài)和輸出反饋跟蹤控制器，使誤差動(dòng)態(tài)全程呈指數(shù)穩(wěn)定。SU等[5]提出了一種識(shí)別和控制Hammerstein系統(tǒng)的控制方法，實(shí)現(xiàn)跑臺(tái)的心率追蹤功能，首先通過(guò)輸入偽隨機(jī)二進(jìn)制序列分離出非線性輸入中的動(dòng)態(tài)線性部分，再利用向量回歸方法獲得靜態(tài)非線性逆矩陣的稀疏表示，以獲得Hammerstein系統(tǒng)的近似線性模型，最后設(shè)計(jì)近似線性模型的控制器實(shí)現(xiàn)其魯棒跟蹤性能。此類(lèi)閉環(huán)系統(tǒng)控制方法設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高且不易操作，很難實(shí)際應(yīng)用于跑臺(tái)，且沒(méi)有針對(duì)不同用戶(hù)的個(gè)性化跑步健身指導(dǎo)功能。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于跑臺(tái)的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度自適應(yīng)控制方法，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量和反饋跑者的心率，控制運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，以確保運(yùn)動(dòng)的安全性和有效性，降低系統(tǒng)控制的復(fù)雜度，同時(shí)，針對(duì)不同的健身用戶(hù)，能給出不同的個(gè)性化健身方案。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的可行性和有效性。

1 個(gè)性化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的生成和自適應(yīng)控制

基于跑臺(tái)個(gè)性化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度自適應(yīng)控制方法的整體構(gòu)架，如圖1所示，主要包括個(gè)性化最佳健身心率區(qū)間的確定、跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的調(diào)整計(jì)算和自適應(yīng)控制方法實(shí)現(xiàn)等。

圖1 個(gè)性化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度自適應(yīng)控制方法的整體構(gòu)架

1.1 個(gè)性化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的生成

1.1.1 個(gè)性化最佳健身心率區(qū)間

首先，對(duì)于不同的健身用戶(hù)，應(yīng)根據(jù)其體質(zhì)情況，進(jìn)行不同的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度規(guī)劃。健身用戶(hù)需要填寫(xiě)個(gè)人基本信息和體質(zhì)信息，包括身高、體重、年齡、性別等[6]。心率是運(yùn)動(dòng)生理學(xué)中最常用的一項(xiàng)指標(biāo)，而最大心率的測(cè)試比較繁瑣而且具有一定的危險(xiǎn)性[7]。目前，最大心率的推算公式有很多，雖然每項(xiàng)研究根據(jù)年齡推算最大心率的公式各不相同，但絕大多數(shù)研究都認(rèn)為，最大心率與年齡呈負(fù)相關(guān)，也有部分研究認(rèn)為，年齡是最大心率唯一的影響因子[8]。本文中最大心率HRmax計(jì)算采用現(xiàn)在比較通用的“卡式公式”，即

其次，健身用戶(hù)選擇不同的健身目標(biāo)，其對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不同。目前，跑臺(tái)主要提供2種健身目標(biāo)：

(1) 有氧運(yùn)動(dòng)。人體在氧氣充分供應(yīng)的情況下進(jìn)行的體育鍛煉，其運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度適中，能夠有效地改善和提高心肺機(jī)能[9]。在該健身目標(biāo)下，用戶(hù)的最佳健身心率區(qū)間[10]為

(2) 燃脂訓(xùn)練。身體主要通過(guò)燃燒脂肪、碳水化合物和蛋白質(zhì)的方式為運(yùn)動(dòng)供能。在該健身目標(biāo)下，用戶(hù)的最佳健身心率區(qū)間[10]為

最后，根據(jù)訓(xùn)練者的個(gè)人信息及健身目標(biāo)，由式(1)~(3)求出最佳健身心率區(qū)間。

1.1.2 運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的計(jì)算

根據(jù)心率和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的線性關(guān)系，先計(jì)算出給定健身目標(biāo)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度范圍，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與速度、坡度之間的關(guān)系，把運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的量值轉(zhuǎn)換成為跑臺(tái)的速度和坡度量值，并通過(guò)平臺(tái)程序控制跑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和升降電機(jī)的推力，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)調(diào)整跑臺(tái)的速度和坡度。其中，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與速度和坡度之間的關(guān)系根據(jù)ACSM的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度推算如下[11]：

(1) 步行運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算公式。

(2) 跑步運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算公式。