基于自适应运动处方的智能运动助手的设计

邓开连　丁宇超　华一村　卢学民

摘 要：运动处方是根据个人身体状况而制定的一种科学、定量的体育锻炼方法。经过长时间的研究及应用，运动处方的效用渐漸得到认可。但运动处方的制定往往需要全面复杂的评定，无法得到广泛应用，因此我们简化运动处方的制作过程，通过电子设备对锻炼者日常锻炼数据进行采集，由电脑对电子设备返回的数据进行建模，拟合出适合锻炼者自身的运动成长曲线，从而制作出适宜锻炼者的运动处方即自适应运动处方。

关键词：自适应运动处方；电子设备；数据拟合；建模

中图分类号：TP23；TH773 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）09-00-02

0 引 言

随着社会发展速度的加快，人们的生活、工作压力越来越大，以致人们的身体负担越来越重，拥有健康的身体便成为了大家共同的期望。经常锻炼身体便是众所周知的方法。凡事都需要有合适的度，健身也不例外。20世纪50年代美国著名的生理学家卡波维奇提出了运动处方的概念。运动处方是针对人的身体状况而采用的一种科学的、定量化的体育锻炼方法。运动处方就像药物处方，是医师结合人体的健康状况、身体机能状况、运动项目特点进行研究，开出适合人体的运动项目[1]。该处方因人而异，其最终目的是避免锻炼者不合理的健身，在锻炼者进行体育运动时更好的进行辅助作用。运动处方种类繁多，健身运动处方是其中之一。根据健身、体育从事者的身心条件和特点，以处方的形式确定体育锻炼的内容、生理负荷量、运动强度、持续时间、锻炼频率等，以发展身体，增强体质。但影响健身者锻炼的重要因素是人的毅力，所以规律性的提醒比一套完整的健身设备、充足的锻炼时间都重要[2]。

运动处方具有5个要素，即安全性、运动方式、运动强度、运动时间和运动频率[3]。在如今经济化、智能化的时代，智能电子设备在很多领域都发挥了关键性作用，特别是各种传感器技术以及微型计算机的广泛应用使得运动数据的测量变得简单方便。但由于每个人的身体素质不同，所以还没有一种“地毯式”运动处方，可适用于各年龄段、各种身体状况的人群。因此，结合单片机技术设计一种基于自适应运动处方的方案并结合单片机和计算机技术制作一个可穿戴式智能健身电子设备前景广阔。

1 智能电子设备架构及模块

智能电子设备主要包括主控MCU、电源、无线通信、传感器和人机交互部分。传感器部分包括光电式心率传感器以及加速度传感器，这些是获取锻炼者运动数据的重要器件。智能电子设备架构图如图1所示。

（1）光电式心率传感器具有结构简单、无损伤、可重复性好等优点，通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并用单片机技术加以处理，从而实现智能化的心率监测已经成为应用较为广泛的技术方案[4]。

（2）3轴加速度传感器可感知运动中锻炼者重心位置的变化，还可作为计步器，结合锻炼者的身高等信息得到运动距离，是运动处方制定准确性的关键[5]。

（3）无线模块选用ZigBee无线通信。ZigBee具有低功耗、自组织、低复杂度的特点，在低功耗待机模式下，2节5号干电池可支持一个节点工作6～24个月，相比较之下，蓝牙只能工作几周，而WiFi只能工作几个小时[6]。

（4）人机交互模块采用TFT-LCD触摸屏实现，薄膜晶体管式液晶显示器是一类有源矩阵液晶显示设备。该显示屏具有响应度高、亮度高、对比度高等优点。用于实时显示锻炼者的锻炼数据、实现人机交互操作等。

（5）MSP430F5529单片机集成了USB层和物理层，支持USB2.0，有4个16位定时器，1个高性能12位模拟数字转换器（ADC）。主要用于锻炼者锻炼数据的发送和监测。

2 智能电子设备工作流程

MCU片内ADC采集光电式心率传感器输出信号，实时反馈锻炼者的心率信息；同时采集3轴加速度传感器输出信号，根据锻炼者的身高等因素转换为运动距离数据。然后通过ZigBee模块将采集的数据发送到PC端，PC端软件对数据进行拟合得到锻炼者的运动成长曲线，由此制定锻炼者的运动处方。智能电子设备工作流程如图2所示。

3 自适应运动处方的设计

运动量由三个因素决定，即运动强度、运动持续时间和运动频率，运动强度的安排是体现运动处方科学性、针对性和安全性的重要部分，一般用耗氧量的绝对值或相对值来表示，但耗氧量需要专业的设备来检测，而心率容易通过脉搏测量获得，所以选择心率作为运动强度的指标。靶心率（运动最佳心率）=（最大心率-休息心率）×70%+休息心率，但由于最大心率的检测非常危险，所以现在多用推算法，即最大心率=210-年龄。根据年龄和安静时的心率就可以计算出靶心率[7]。每次锻炼的持续时间不能少于15 min，并且每次锻炼心率达到靶心率以上10 min较为适宜。可以以此为标准[8]，每天锻炼者锻炼心率达到靶心率以上且持续时间约10 min，就完成了每日目标，然后通过3轴加速度传感器数据的转化得到锻炼者的运动距离与运动距离和锻炼天数的对应数据，通过PC端拟合运动距离和锻炼天数就可以得到运动距离和锻炼天数之间的方程式，即适宜该锻炼者的运动处方。由于每个人的身体素质不同，因此，仅由靶心率获取的运动数据并不一定适用于每一位锻炼者，需要锻炼者根据自身的疲劳反应再对依据靶心率安排的运动量做出反馈修改。人体的疲劳反应可以通过自我感觉和生理指标测定法来评定，生理指标测量可根据心率及血乳酸评定，其中心率是评定运动性疲劳最简易的指标[9]；可通过自我感觉评定运动性疲劳，运动可以使锻炼者出现心率加快、呼吸量增加等生理指标的变化，同时也会有主观身体感觉的变化。根据锻炼者运动时主观感受的疲劳程度，可以判定运动强度大小是否适宜，分为“较轻、稍累、累、很累、非常累”五个等级，适宜的疲劳状态应当为：当心率在运动结束后数分钟内恢复至安静时心率，且次日锻炼前，安静心率稳定则说明运动量稳定，设定的靶心率较为合适，否则需要修改靶心率，调整运动处方[10]。智能电子设备训练数据流向图如图3所示。endprint

4 综合训练分析

数据拟合的可靠性与数据量的大小有关，要得到可靠的运动处方，就需要锻炼者完成锻炼指标，坚持锻炼1个月以上，每周3～5次[11]，且锻炼者锻炼时按照自身疲劳情况，通过智能电子设备对PC端进行实时反馈，以便实时调整运动处方内容，使得到的运动处方更加适合锻炼者。

由于该设备并未设置疾病检测功能，所以，只适用于需要维持体型、减肥及处于一些亚健康状态的普通人群，制定的处方为健身性的运动处方。

5 结 语

随着时代的发展，人们的生活水平亦逐步提高，运动处方作为预防疾病的方法，将出现在将信息技术与医疗技术相结合的医疗保健领域，满足人们对于健康生活的关注以及锻炼的需求[12]。该系统的设计结合靶心率及锻炼者的主观疲劳分级反馈，其他更多相关因素的利用比如摄氧量、血氧量以及血乳酸等都属于该设计的研究范围，随着测量方法的不断发展，不断改进该系统的測量方案，并且结合更多相关因素以建立更好的数据处理方法来制定运动处方，使系统得出的运动处方更加适合锻炼者，使锻炼者能够得到更加科学有效的锻炼。

参考文献

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[12] Sunyoung Kang.The Application of Healthcare Device for Exercise Prescription[C].2015 5th International Conference on IT Convergence and Security （ICITCS）. Kuala Lumpur， Malaysia： IEEE Conference Publications，2015：1-4.endprint