CN103543648A

CN103543648A - 运动器械的控制方法及实现该方法的系统

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Publication number: CN103543648A
Application number: CN201310482387.4A
Authority: CN
Inventors: 王瑞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-10-15
Also published as: CN103543648B

Abstract

本发明所提供一种运动器械的控制方法及实现该方法的系统，方法包括步骤：A、实时检测运动用户的心率；B、将所检测心率不低于该用户等效基础心率时所对应的时间作为有效运动时间；根据有效运动时间与该用户总运动时间比值计算出运动密度；根据运动密度确定出所对应的运动效率；C、依据所述运动效率控制调整运动器械的工作状态。实现上述方法的系统包括心率检测装置和与其信号连接的运动器械控制装置。由上，通过采集实时心率并生成运动密度，以调整运动器械的工作状态，从而适应性的调整用户的运动强度，改善运动者健康状况。

Description

运动器械的控制方法及实现该方法的系统

技术领域

本发明涉及运动医学技术领域，特别涉及一种运动器械的控制方法及实现该方法的系统。

背景技术

随着物质生活质量的提高和生活节奏的加快，人们在不断抓紧工作学习的同时，往往会忽视运动，从而导致肥胖等一系列严重体质问题，尤其反映在青少年群体更为严峻。据教育部网站2011年公布了第6次全国多民族大规模的学生体质与健康调研的结果，在全国学生在形态发育水平继续提高、营养状况继续改善的同时，肥胖检出率持续上升。调研结果显示，7—22岁城市男生、城市女生、乡村男生、乡村女生肥胖检出率分别为13.33％、5.64％、7.83％、3.78％。而19—22岁年龄组大学生的爆发力、力量、耐力等身体素质水平持续下降。

因此，适宜并有效的运动至关重要。由此，如何正确的进行适宜的运动量便成为关键问题。现有运动健身中，主要依据运动过程中以及运动完成后运动者的心率来调整运动量。而检测常规心率普遍采用手摸脉的方法，一方面，完全依靠人手操作的技术熟练程度，缺乏必要的技术装备，由操作不便，导致费时费力影响课程进行，且手摸脉的方法在课程实践上实用性不强。而在临床医学上，人体基本体征如血压、心率等的检测是最常规的工作内容，而血压计、听诊器等基本的检测设备是临床医师的必备物品。然而，临床检查具有确定的限制条件，最基本的要求包括：检测对象要处于相对静止的状态，不能活动或者至少不能剧烈活动；但其检测结果是一段时间内的算术平均，无法反映实时连续情况，且需要他人协助检测，没有考虑穿戴便携特性等。因此，常规临床医疗检测设备不适合健康体质锻炼应用。另一方面，常规心率是否能够有效的反映运动状况有待商榷，因个人体质存在较大差异，而且在相对剧烈运动之后人的心率变化较剧烈，导致无法准确的检测出每个学生的心率指标。

由此导致无法有效针对不同个体实时调整运动量，特别是在目前基于运动器械运动过程中，无法基于运动者的自身运动效率调整运动器械，以使运动者无法充分运动，从而不能有效提高身体素质；或当运动者运动过量是无法及时提示，极端情况下还会造成严重运动伤害甚至猝死。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种运动器械的控制方法及实现该方法的系统，通过采集实时心率并生成运动密度，以调整运动器械的工作状态，从而适应性的调整用户的运动强度，改善运动者健康状况。

具体包括步骤为：

A、实时检测运动用户的心率；

B、将所检测心率不低于该用户等效基础心率时所对应的时间作为有效运动时间；

根据有效运动时间与该用户总运动时间比值计算出运动密度；

根据运动密度确定出所对应的运动效率；

C、依据所述运动效率控制调整运动器械的工作状态。

由上，通过采集实时心率并生成运动密度，以调整运动器械的工作状态，从而适应性的调整用户的运动强度，改善运动者健康状况。

其中，步骤B所述用户等效基础心率为：所述用户运动之前检测其一定时间内实时心率并取均值。

可选的，所述用户等效基础心率的计算包括：

B11：设置时间窗Tw和Tf，所述时间窗Tf的时间大于时间窗Tw；

B12：将时间窗Tw在时间窗Tf内滑动，每滑动一次均对时间窗Tw内实时心率数据取均值和方差；

B13：设定最小方差所对应的均值为等效基础心率。

由上，取运动前一段时间内的平均心率作为等效基础心率，通过统计算法减小计算误差。

可选的，所述运动器械包括跑步机；步骤C所述工作状态包括跑步机跑步带的运转速度。

由上，通过运动密度，以调整运动器械的工作状态，从而适应性的调整用户的运动强度，改善运动者健康状况。

本申请还提供一种运动器械的控制系统，包括：

心率检测装置，由运动用户佩戴，用于实时检测该运动用户的心率；

运动器械控制装置，设置于运动器械侧，与心率检测装置信号连接，用于将所检测心率不低于该用户等效基础心率时所对应的时间作为有效运动时间、根据有效运动时间与该用户总运动时间比值计算出运动密度、根据运动密度确定出所对应的运动效率、依据所述运动效率控制调整运动器械的工作状态。

较佳的，所述心率检测装置包括：

心率采集单元；

EMC保护单元，与心率采集单元连接，用于对所采集的心率进行滤波降噪处理；

模拟信号调理单元，与EMC保护单元连接，用于滤除工频干扰和肌电和呼吸干扰；

主控单元，与模拟信号调理单元连接，用于对调理后的心率进行模数转换处理、时间序列加权滤波处理、阈值点斜率补偿处理和分段微分/积分数值补偿处理，得出实时心率；

输出单元，与所述主控单元连接，以无线形式输出实时心率。

由上，对所采集的心率数据进行处理，以降低噪声干扰，得出准确实时心率。

较佳的，所述运动器械控制装置包括：

输入单元，与所述心率检测装置的输出单元无线耦合；

控制单元，与输入单元连接，用于将所检测心率不低于该用户等效基础心率时所对应的时间作为有效运动时间、根据有效运动时间与该用户总运动时间比值计算出运动密度、根据运动密度确定出所对应的运动效率、依据所述运动效率生产控制调整运动器械的工作状态的控制指令；

指令输出单元，与所述控制单元连接。

由上，通过计算运动密度，以调整运动器械的工作状态，从而适应性的调整用户的运动强度，改善运动者健康状况。

较佳的，所述心率检测装置为环形结构。

由上，其环形结构与腕表相同，佩戴于手腕处，可适宜性的调节松紧，适合体育运动中长时间佩戴。

附图说明

图1为运动器械的控制方法的流程图；

图2为QRS心电图中的R-R间隔示意图；

图3为QRS心电波群图；

图4为采集心电图原始数据以及数字处理后数据的对比示意图；

图5为实时心率、等效基础心率以及运动密度示意图；

图6为运动器械的控制系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明所提供的运动器械的控制方法及实现该方法的系统，通过心率检测装置采集实时心率并通过运动效率生成装置计算获得等效基础心率和运动密度，以这三个数据为依据，对个人体质特征、个人体质锻炼历史数据和群体运动历史数据进行数据挖掘，并通过运动器械控制装置控制调整运动器械的工作状态，从而适应性的调整用户的运动强度，以改善个人或群体健康。

如图1所示运动器械的控制方法的流程图，包括：

步骤10：检测实时心率。

心率检测装置检测用户心率，将所检测心率转换为实时心率，并将所计算出的实时心率通过无线网络上传至运动器械控制装置，较佳的，与实时心率一并上传的还包括心率检测装置的设备ID以及时间戳。

更优的，心率检测装置每隔5分钟将所转换的实时心率上传一次。运动器械控制装置分析出用户的运动效率，并据此调整运动器械的工作状态，以适应性的提高或降低用户的运动强度，还可避免对运动器械过于频繁的调整从而造成器械损耗。

本实施例中，所述运动器械包括有氧器械和无氧器械，其中，有氧运动器械包括跑步机、椭圆仪、动感单车等，无氧运动器械包括卧推哑铃、拉力器、深蹲架腿等。

所述运动器械控制装置可分别对应设置于运动器械上，实现一对一控制；亦可通过一服务器与所有运动器械无线连接，实现一对多控制。以下通过服务器控制一台跑步机为例进行说明。

如图2所示，所述实时心率定义为心电相邻两个QRS波群的R-R间期或者相邻两次脉搏跳动的间隔时间的倒数乘以60秒所得到的数值，心脏的每一次波动都可以检测出一个实时心率值。

如上所述，实时心率检测以一个R-R间期为单位，相比于现有检测常规心率的方法，实时心率误差较低。具体来说，如图3所示的两组不同的周期特征的心电波形图。上方为均匀心电波形图，R-R间期为t1、t2、……、tn；下方为非均匀心电波形，R-R间期T1、T2、……、TN。常规心率的检测周期为人工测量，因此在检测时难免出现计时误差，由此，W和W’分别代表检测周期边界的精确情况（轧R波形）和模糊情况（不轧R波形）。

常规心率检测方法的检测周期（W或W’）可以简化为60秒的公因数，通常取10秒或15秒的整数倍，例如，当实际检测周期小于预期检测周期时，常规心率=（N-1）*d，d=60/W’，若d取整数，则造成转换误差，若d取小数，则同时造成转换误差和舍入误差。又如，当实际检测周期大于预期检测周期时，常规心率=N*d，d=60/W’，若d取小数，则造成舍入误差。

实时心率检测仅需满足以及

即在实际检测周期内包括至少一次R-R间期即可，实时心率=N。由此，不存在转换误差和舍入误差，保证心率测量精确，且实时心率检测周期远小于常规心率检测周期，因而更加迅速和灵敏，反映心率即时变化情况。

本实施例中，所述心率采集装置为环形结构，其结构与腕表相同，佩戴于手腕处，可适宜性的调节松紧，适合体育运动中长时间佩戴。

步骤20：对检测数据进行数字处理。

运动器械控制装置接收所述实时心率数据，并进行数字处理。在中等强度甚至剧烈运动的情况下，由于身体电噪声、电极接触摩擦和运动伪差等干扰信号剧增。

如图4所示，通过虚线连接的采集点为原始数据，未用虚线连接的采集点为经过数字处理后的数据。所述数字处理包括：放大处理；通过比较器转换为方波信号、再对方波信号进行滤波降噪，使得在最大程度排除干扰的前提下尽可能真实的反映出数据真值。

步骤30：计算运动密度ρ。

运动器械控制装置依据ID信息计算分析不同实时心率所对应的不同个体的运动密度ρ，包括：

步骤301：计算等效基准心率。

基础心率为清晨起床前空腹心率。如心率慢而节律均匀，说明心血管系统功能强，如突然加快或减慢，表明有过度疲劳或患病。本实施例中，将剧烈运动之前，一段相对平稳心率的平均值作为基础心率的替代，称为等效基础心率。

设置两个时间窗口Tw和Tf，满足Tf>Tw。举例来说，Tw为30秒，Tf为120秒。设Tw时间窗口内有N个检测数据；Tf时间窗口内有M个检测数据。则按照从旧到新的顺序分别给这些检测数据命名为W(1)、W(2)、……W(N)和F(1)、F(2)、……F(M)。则W(x)=F(x)，其中x∈[1,N]，M≥N。

将Tw窗口在Tf窗口内滑动，即初始W(1)=F(1)、W(2)=F(2)……W(N)=F(N)；滑动一步W(1)=F(2)、W(2)=F(3)……W(N)=F(N+1)；则最后一步为W(1)=F(M-N+1)……W(N)=F(M)。从初始开始直到最后一步，每一次都对Tw窗口数据取均值A和方差D，即得到A(x)和D(x)，其中x∈[1,M-N+1]。方差表示各个数据与平均数之差的平方的平均数。在概率论和数理统计中，方差用来度量随机变量与其数学期望（即均值）之间的偏离程度。

选择min(D(x))所对应的A(x)作为等效基准心率。

步骤302：依据等效基准心率计算运动密度ρ。

所述运动密度ρ是指在运动过程中，有效运动时间T_总所占整个运动时间的百分比；其中，有效运动时间T_总是指实时心率超过等效基础心率所占的时间。运动密度ρ=T_总/运动时间T_运动。

步骤40：依据运动密度ρ对应生成运动效率，并调整运动器械的工作状态。

不同的运动密度ρ区间对应不同运动效率，举例来说，运动密度ρ为小于25%为无效锻炼；运动密度ρ为26～50%为轻微运动，运动效率较低；运动密度ρ为51～75%为适宜运动，运动效率最高；运动密度ρ大于75%即认为运动过量，运动效率反而降低。

实时心率以及运动密度ρ可应用于用户运动效率评价，参见图5所示。用户甲（图5左侧例1）和用户乙（图5右侧例2）为两名正在跑步的用户的心率实测数据以及等效的运动密度。分析图5数据可以得出如下结论：

用户甲的等效基础心率为107.10，用户乙的等效基础心率为120.85，说明用户甲的心脏比用户乙强壮；用户甲的运动密度ρ为18.18%，用户乙的运动密度ρ为71.90%较高，表示用户甲没有充分运动；而用户乙运动充分；由此运动器械控制装置进行如下控制：调整跑步机的工作状态，即：提高用户甲所使用的跑步机跑步带的电机的转速；降低用户乙所使用的跑步机跑步带的电机的转速。所述控制依据调节公式ν=ρ*ω实现，式中ν表示跑步带的电机的转速，ρ表示运动密度，ω表示控制系数。

另外，针对于无氧运动器械，运动器械控制装置可通过输出提示信息的方式告知用户，例如直接显示需增加卧推哑铃的重量，或通过语音提示用户降低拉力器的弹簧数量等。

更近一步的，运动器械控制装置针对同一用户建立运动效率数据库，对比同一用户每次的运动效率，通过该运动效率便可分析出该用户的身体状况以及运动极限值，并对应调整运动器械的起始频率。具体来说，当跑步机跑步带的电机的转速以相同速率转动，用户的心率有所降低，且运动效率下降时，便提高跑步机的起始速率，且调节所述控制系数ω相应增加；反之则控制降低跑步机的起始速率，并所控制述控制系数ω相应减小，由此以进一步提高用户的运动效果。

如图6所示，本申请还对应提出一种运动器械的控制系统，系统包括依次通信连接的心率检测装置50、运动器械控制装置60和运动器械70。所述心率检测装置50佩戴于用户的手腕处，检测运动过程中以及运动结束后待测人员的心率并输出，运动器械控制装置60接收上述数据，计算运动密度ρ并对应生成运动效率，并据此输出控制信息以控制运动器械70的工作状态。

所述心率检测装置50包括依次连接的心率采集单元51、EMC保护单元52、电极脱落检测单元53、模拟信号调理单元54、主控单元55和输出单元56。

其中，心率采集单元51通过电极采集心率，所述心率采集单元51包括与左右手对称设置的两对电极，包含一对采集电极和一对偏置电极。

EMC保护单元52，与心率采集单元51连接，用于对所采集的心率进行滤波降噪处理。

电极脱落检测单元53与EMC保护单元52连接，接收偏置电极信号，在正常情况下，偏置电极所采集的正负电极对人体皮肤形成的极化电压可以互相抵消。当一侧电极脱落时，将有较大的极化电压输入，通过电极脱落检测单元53，当电压超出范围时，认为电极导联脱落，所输出电平由正常时的高电平变为低电平。

模拟信号调理单元54与EMC保护单元52连接，接收采集电极信号，经过工频陷波器和低通、高通滤波器滤除主要干扰，包括：50/60Hz工频干扰、肌电和呼吸等人体自身信号干扰、以及极化干扰等。因此，EMC保护单元502包括50/60Hz工频陷波器、75Hz低通滤波器、3Hz高通滤波器。

主控单元55分别与电极脱落检测单元53和模拟信号调理单元54连接，用于对所采集的信号进行处理，得出实时心率。所述处理步骤包括：

模数转换处理，用于将所采集的模拟信号转换为数字信号。

时间序列加权滤波处理，用于消除运动状态人体自身信号干扰和电极接触噪声。

阈值点斜率补偿处理，根据心率变化的先验规律，对典型心率阈值点（80bpm、100bpm、120bpm、140bpm和160bpm）的心率变化斜率进行控制和补偿。

分段微分/积分数值补偿处理，根据心率变化先验规律，对典型心率区间（80bpm、80～100bpm、100～120bpm、120～140bpm、140～160bpm和160bpm）的心率数值进行微分/积分补偿，得到实时心率输出。

上述处理步骤属于心率检测的常规技术方案，且并非本申请重点，不再赘述。

时钟单元（未图示），与主控单元55连接，用于提供时间信息。

输出单元56与主控单元55连接，通过I/O端口或通过无线形式将实时心率输出。

运动器械控制装置60通过与输出单元56相匹配的输入单元接收上述实时心率，首先进行放大处理；通过比较器转换为方波信号、再对方波信号进行滤波降噪，使得在最大程度排除干扰的前提下尽可能真实的反映出数据真值，其次由控制单元依据前文步骤30所述方法计算运动密度ρ以及基于运动密度ρ对应生成运动效率。并通过指令输出单元输出控制信息或提示信息至运动器械70。针对有氧运动器械，依据调节公式ν=ρ*ω输出控制信息调整其工作状态；针对无氧运动器械，输出提示信息。

进一步的，所述运动器械控制装置60中还包括一存储单元（未图示），用于记录存储不同用户的效率数据库，包括运动心率、运动效率以及对应的运动器械70的工作状态。

所述运动器械控制装置60还用于基于存储单元所存储的内容，分析出该用户的身体状况以及运动极限值，并适应性的调整运动器械70的工作状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，例如，将上述装置以及方法用于青少年体育教学，具体来说，预设一充分运动密度ρ₁和一考评达标运动密度ρ₂，本实施例中，充分运动密度ρ₁为70%。

以班级为单位，计算得出男性和女性的平均运动密度ρ_平均。分析不同个体的运动成绩，个人体育课程运动成绩=100-|ρ_个人-ρ₁|，其中ρ_个人表示该名学生的运动密度。

将学生的体育课的成绩保存到对应的数据库表中，依据以往的体育课成绩，调整后续体育课运动内容和要求，并在学期末作为课程成绩，将体育课成绩面向学生进行纵向对比，考察学生锻炼改进情况。较佳的，还可将体育课成绩面向学校之间、地区之间进行横向对比，考察学校或地区学生健康体质锻炼水平。

进一步的，还可将上述方法用于体育教师考评。具体来说，教师体育课程教学成绩=(100-|ρ_平均–ρ₁|)*(1–ρ₂/ρ_平均)。由此可实现对体育教师教学质量的测评，敦促体育教师对青少年体育锻炼更加认真负责。

总之，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。换言之，可以在不脱离本发明主旨精神的范围内对上述实施方式进行适当的变更。

Claims

1.一种运动器械的控制方法，其特征在于，包括步骤：

A、实时检测运动用户的心率；

根据运动密度确定出所对应的运动效率；

C、依据所述运动效率控制调整运动器械的工作状态。

2.根据权利要求1所述的运动器械的控制方法，其特征在于，步骤B所述用户等效基础心率为：所述用户运动之前检测其一定时间内实时心率并取均值。

3.根据权利要求2所述的运动器械的控制方法，其特征在于，所述用户等效基础心率的计算包括：

B11：设置时间窗Tw和Tf，所述时间窗Tf的时间大于时间窗Tw；

B13：设定最小方差所对应的均值为等效基础心率。

4.根据权利要求1所述的运动器械的控制方法，其特征在于，所述运动器械包括跑步机；步骤C所述工作状态包括跑步机跑步带的运转速度。

5.一种运动器械的控制系统，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的运动器械的控制系统，其特征在于，所述心率检测装置包括：

心率采集单元；

7.根据权利要求6所述的运动器械的控制系统，其特征在于，所述运动器械控制装置包括：

输入单元，与所述心率检测装置的输出单元无线耦合；

指令输出单元，与所述控制单元连接。

8.根据权利要求5所述的运动器械的控制系统，其特征在于，所述心率检测装置为环形结构。