基于跑台的个性化运动强度自适应控制方法

严 明，吴新丽，王锐锐，张 文，杨文珍，潘志庚

基于跑台的个性化运动强度自适应控制方法

严 明1，吴新丽1，王锐锐1，张 文1，杨文珍1，潘志庚2,3

(1. 浙江理工大学虚拟现实实验室，浙江 杭州 310018；2. 杭州师范大学数字媒体与人机交互研究中心，浙江 杭州 311121；3. 广州玖的数码科技有限公司，广东 广州 510623)

针对目前跑台运动强度控制方法存在个性化健身缺失、运动的安全性和有效性难以兼顾等问题，提出一种基于跑台的个性化运动强度自适应控制方法。首先依据跑者的体质和健身目标，获得个性化健身的运动强度，然后实时测量和反馈跑者的心率，全自动调整跑台的坡度和速度，让跑者处在有效健身的运动强度区间。40名测试对象实验获得的运动心率比平均值在(0.678，0.834)范围内，心率标准差在(3.156，6.312)范围内，测试对象的运动心率稳定控制在最佳健身心率区间内，而且其心率波动较小，不仅保证了运动的有效性，而且降低了跑步健身危险发生的可能性。

运动强度；心率监测；最佳健身心率；运动心率比

户外跑步受到天气、时间和场地等条件的限制，而跑步机可以摆脱这些局限，让人们在室内随时进行跑步健身，因而受到大众的喜爱。但是，目前大多数跑台都是由跑者自己设定运动强度(包括跑台的坡度、速度和运动时长等)进行运动，并不是一种科学的健身方式[1]。由于大多数跑者并不清楚适合自己体质的运动强度，存在着运动健身的盲目性，影响了健身效率。因此，跑台需要一种运动强度自适应的控制方法，能够依据个人的体质和锻炼目标，自动调整跑步的运动强度，实现个性化的科学健身，提升健身效果[2]。

目前，基于跑台的运动强度控制方法可分为开、闭环系统控制方法。开环系统控制方法是通过预设靶心率设计运动强度，制定跑台的坡度和速度调整方案[3]。该控制方法无需心率的实时监测和反馈机制，相对简单和方便使用，但是，其跑步健身的有效性与科学性难以保证。而且，如果跑者在运动过程中发生身体不适，跑台无法及时调整其速度和坡度，存在较大的运动安全隐患。

闭环系统控制方法是通过监测跑者的心率，自动调整跑台的速度和坡度，从而达到控制运动强度的目的。MAZENC等[4]提出了一种心率反馈非线性模型的控制技术，以跑步机速度为控制输入，以心率追踪的参考轨迹为控制目标，利用Lyapunov函数分析，设计新的状态和输出反馈跟踪控制器，使误差动态全程呈指数稳定。SU等[5]提出了一种识别和控制Hammerstein系统的控制方法，实现跑台的心率追踪功能，首先通过输入伪随机二进制序列分离出非线性输入中的动态线性部分，再利用向量回归方法获得静态非线性逆矩阵的稀疏表示，以获得Hammerstein系统的近似线性模型，最后设计近似线性模型的控制器实现其鲁棒跟踪性能。此类闭环系统控制方法设计复杂、成本高且不易操作，很难实际应用于跑台，且没有针对不同用户的个性化跑步健身指导功能。

针对上述问题，本文提出了一种基于跑台的个性化运动强度自适应控制方法，通过实时测量和反馈跑者的心率，控制运动强度，以确保运动的安全性和有效性，降低系统控制的复杂度，同时，针对不同的健身用户，能给出不同的个性化健身方案。最后通过实验验证了本文方法的可行性和有效性。

1 个性化运动强度的生成和自适应控制

基于跑台个性化运动强度自适应控制方法的整体构架，如图1所示，主要包括个性化最佳健身心率区间的确定、跑台运动强度的调整计算和自适应控制方法实现等。

图1 个性化运动强度自适应控制方法的整体构架

1.1 个性化运动强度的生成

1.1.1 个性化最佳健身心率区间

首先，对于不同的健身用户，应根据其体质情况，进行不同的运动强度规划。健身用户需要填写个人基本信息和体质信息，包括身高、体重、年龄、性别等[6]。心率是运动生理学中最常用的一项指标，而最大心率的测试比较繁琐而且具有一定的危险性[7]。目前，最大心率的推算公式有很多，虽然每项研究根据年龄推算最大心率的公式各不相同，但绝大多数研究都认为，最大心率与年龄呈负相关，也有部分研究认为，年龄是最大心率唯一的影响因子[8]。本文中最大心率HRmax计算采用现在比较通用的“卡式公式”，即

其次，健身用户选择不同的健身目标，其对应的运动强度不同。目前，跑台主要提供2种健身目标：

(1) 有氧运动。人体在氧气充分供应的情况下进行的体育锻炼，其运动时间较长，运动强度适中，能够有效地改善和提高心肺机能[9]。在该健身目标下，用户的最佳健身心率区间[10]为

(2) 燃脂训练。身体主要通过燃烧脂肪、碳水化合物和蛋白质的方式为运动供能。在该健身目标下，用户的最佳健身心率区间[10]为

最后，根据训练者的个人信息及健身目标，由式(1)~(3)求出最佳健身心率区间。

1.1.2 运动强度的计算

根据心率和运动强度的线性关系，先计算出给定健身目标对应的运动强度范围，然后根据运动强度与速度、坡度之间的关系，把运动强度的量值转换成为跑台的速度和坡度量值，并通过平台程序控制跑台的驱动电机的转速和升降电机的推力，实现全自动调整跑台的速度和坡度。其中，运动强度与速度和坡度之间的关系根据ACSM的运动强度推算如下[11]：

(1) 步行运动强度计算公式。

(2) 跑步运动强度计算公式。