TWI395599B

TWI395599B - 智慧型熱量預估與阻力控制之方法及系統

Info

Publication number: TWI395599B
Application number: TW98133384A
Authority: TW
Inventors: Ching Hua Chiu; Wen Goang Yang; Su Shiang Lee
Original assignee: Univ Chaoyang Technology
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2013-05-11
Also published as: TW201113065A

Description

智慧型熱量預估與阻力控制之方法及系統

本發明是有關於一種熱量預估與阻力控制之技術，特別是指一種應用類神經網路(Artificial Neural Network)，且提供使用者安全而效率之運動訓練的智慧型熱量預估與阻力控制之方法及系統。

由於現代人多半缺乏運動，體能有逐漸下降的趨勢，而體能之提昇，有賴於規律的運動習慣。為了便於規律運動，許多室內的健身器材也應運而生，阻力健身器材(例如，飛輪腳踏車)即是其中一種。

一般而言，阻力運動主要是用於增強肌肉力量及肌肉質塊，現有的阻力健身器材多半提供控制面板，以供使用者控制其阻力。此等阻力健身器材在使用的過程中，常需手動調整阻力。

故有必要尋求一解決之道，以達到自動控制阻力健身器材之阻力、預估熱量消耗時間，並提供使用者安全且而效率的運動訓練。

因此，本發明之目的，即在提供一種智慧型熱量預估與阻力控制之方法，適用於一阻力健身器材之一阻力控制單元。

於是，本發明智慧型熱量預估與阻力控制之方法包含下列步驟：(a)提供一輸入介面，以供一使用者輸入一體能條件組，及一預定熱量消耗值；(b)接收該使用者之一生理訊號組及一目前室溫；(c)根據該生理訊號組及該目前室溫進行監測，當該生理訊號組中有異常訊號，或該目前室溫異常時，發出訊息以警告該使用者；(d)根據該阻力健身器材之一目前轉速，及一目前阻力計算一熱量消耗率；(e)根據該熱量消耗率，預估達到該預定熱量消耗值所需之一剩餘運動時間；(f)將該剩餘運動時間提供給該使用者；(g)將該體能條件組、該生理訊號組、該目前室溫、該目前轉速，及該目前阻力輸入預先建立的一類神經網路模型，以求得一阻力調整參數組；(h)根據該阻力調整參數組以控制該阻力控制單元；(i)判斷該使用者是否結束運動；以及(j)若否，則偵測該目前室溫及該目前轉速，並回到該步驟(b)。

本發明之另一目的，即在提供一種智慧型熱量預估與阻力控制之系統，適用於一阻力健身器材之一阻力控制單元。

於是，本發明智慧型熱量預估與阻力控制之系統是包含一輸入介面、一生理訊號接收單元、一環境溫度感測單元、一輸出裝置，及一微電腦單元。

該輸入介面係用以供一使用者輸入一體能條件組，及一預定熱量消耗值。該生理訊號接收單元係用以接收該使用者之一生理訊號組。該環境溫度感測單元係用以感測一目前室溫。該輸出裝置係用以提供訊息給該使用者。該微電腦單元係用以執行下列步驟：(a)接收該生理訊號組及該目前室溫；(b)根據該生理訊號組及該目前室溫進行監測，當該生理訊號組中有異常訊號，或該目前室溫異常時，透過該輸出裝置提供訊息以警告該使用者；(c)根據該阻力健身器材之一目前轉速，及一目前阻力計算一熱量消耗率；(d)根據該熱量消耗率，預估達到該預定熱量消耗值所需之一剩餘運動時間，並將該剩餘運動時間透過該輸出裝置提供給該使用者；(e)將該體能條件組、該生理訊號組、該目前室溫、該目前轉速，及該目前阻力輸入預先建立的一類神經網路模型，以求得一阻力調整參數組；(f)根據該阻力調整參數組以控制該阻力控制單元；(g)判斷該使用者是否結束運動；以及(h)若否，則偵測該目前室溫及該目前轉速，並回到該步驟(a)。

藉由本發明，可預估達到該預定熱量消耗值所需之該剩餘運動時間，並提供該使用者安全而效率的運動訓練，且可自動控制該阻力控制單元，的確可以達成本發明之目的。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1、2，本發明智慧型熱量預估與阻力控制之系統2的較佳實施例，適用於一阻力健身器材1之一阻力控制單元3，該系統2包含一輸入介面21、一生理感測單元22、一生理訊號發射單元23、一生理訊號接收單元24、一環境溫度感測單元25、一微電腦單元26，及一包括一語音單元27及一顯示單元28的輸出裝置(圖未示)。

該輸入介面21用以供一使用者輸入一預定熱量消耗值、一體能條件組、一年齡，及一體重；其中該體能條件組包括一身體質量指數(Body Mass Index，簡稱B.M.I.)、一心肺耐力指數、一肌力指數、一肌耐力指數，及一柔軟度指數。

該生理感測單元22係裝設於該使用者上，並用以感測該使用者之一生理訊號組，感測到的該生理訊號組係透過該生理訊號發射單元23傳送。其中該生理訊號組包括一目前心跳、一目前體溫，及一目前呼吸率。該生理感測單元22包括一用以接收該目前心跳之一心跳感測器221、用以接收該目前體溫之一體溫感測器222、用以接收該目前呼吸率之一呼吸感測器223。該生理訊號接收單元24用以接收該生理訊號組。該環境溫度感測單元25用以感測一目前室溫。

該微電腦單元26包括一中央處理器(CPU)261、一唯讀記憶體(ROM)262，及一隨機存取記憶體(RAM)263。該唯讀記憶體262用以供複數程式指令儲存；當該等程式指令載入該中央處理器261時，使其執行熱量預估、異常警示，與阻力控制所需之相關步驟。該隨機存取記憶體263用以供預先建立的一類神經網路模型之複數加權值，及複數偏權值儲存。

該語音單元27用以在監測到該生理訊號組或該目前室溫異常時，提供語音訊息以警告該使用者。該顯示單元28用以顯示訊息給該使用者。

參閱圖2與圖3，本發明智慧型熱量預估與阻力控制之方法的較佳實施例，包含下列步驟。

首先，如步驟41~47所示，該微電腦單元26必須先進行學習演算以建立該類神經網路模型，其步驟如下。

在步驟41中，預先決定該類神經網路模型之一層數，以及每一層對應的一神經元數目。

在步驟42中，以均佈隨機亂數初始化並設定該類神經網路模型之該等加權值及該等偏權值。

在步驟43~45中，讀取包括一輸入向量及一目標輸出向量的各專家訓練樣本；然後進行該等加權值及該等偏權值之修正演算，並更新該等加權值及該等偏權值。

在步驟46~47中，判斷該類神經網路是否收斂；若是，則結束類神經網路之學習演算，並儲存該等加權值及該等偏權值；否則，重複步驟43~45。

其次，參閱圖2、圖4與圖5，如步驟501所示，該使用者透過該輸入介面21輸入該預定熱量消耗值、該體能條件組、該年齡，及該體重。

繼而，如步驟502所示，該使用者透過該輸入介面21設定該目前轉速及該目前阻力的初始值。

繼而，如步驟503~505所示，該微電腦單元26接收該生理訊號組及該目前室溫，並監測該生理訊號組中之該目前心跳、目前體溫、目前呼吸率，以及該目前室溫；若有異常值出現，則該語音單元27以語音方式警告該使用者，並回到步驟503繼續接收該生理訊號組及該目前室溫；否則，繼續步驟506之處理。其中，用來監測並判斷有無異常的判斷條件，可預先根據該使用者之年齡，及一些已知資訊設定，並儲存於該隨機存取記憶體263；舉例來說，根據該使用者之年齡可設定合理的心跳範圍值，當偵測到該目前心跳不在此範圍值內，即可判定異常發生；而體溫、呼吸率，以及室溫皆有已知的合理範圍值，當偵測到不在合理範圍值內，亦可判定異常發生。

繼而，如步驟506所示，該微電腦單元26根據該目前轉速，及該目前阻力，計算一熱量消耗率，然後，根據該熱量消耗率預估達到該預定熱量消耗值所需之該剩餘運動時間，並將該剩餘運動時間透過該顯示單元28顯示給該使用者。

舉例來說，假設使用者之預定熱量消耗值為500大卡(kcal)，所使用之阻力健身裝置為飛輪腳踏車，其目前轉速為50圈數/分鐘(rpm)，其目前阻力為2公斤，且每一滾輪所跑的水平距離為6公尺(m)；可先求出一負荷量；然後，根據負荷量求出該熱量消耗率；最後，根據熱量消耗率求出達到該預定熱量消耗值所需之該剩餘運動時間。其計算如式(1)~(4)所示。

負荷量=目前轉速×水平距離×目前阻力=50×6×2=600(kg．m．min^-1 )..................................................(1)

由於1kg．m=9.81焦耳(J)，且1大卡(kcal)=4186 (J)，所以，負荷量可進一步換算如式(2)所示。

負荷量=(600×9.81)/4186=1.406(kcal．min^-1 )..............................................................................(2)

又，假設淨效率=23.5%，則熱量消耗率計算如式(3)所示。

熱量消耗率=1.406×100%/23.5%=5.983(kcal．min^-1 )..............................................................................(3)

剩餘運動時間=預定熱量消耗值/熱量消耗率=500/5.983=83.57(min)........................................(4)

繼而，如步驟507所示，該微電腦單元26將該體能條件組(身體質量指數x1、心肺耐力指數x2、肌力指數x3、肌耐力指數x4、柔軟度指數x5)、該生理訊號組(目前心跳x6、目前體溫x7、目前呼吸率x8)、該目前室溫x9、該目前轉速x10，及該目前阻力x11輸入該類神經網路模型，以求得該阻力調整參數組(y1，y2)，其中y1為該增加參數，y2為該減少參數。

繼而，如步驟508~509所示，該微電腦單元26根據該阻力調整參數組傳出阻力控制指令給該阻力控制單元3之控制器31，使其透過其驅動器32驅動其阻力機構33，以達到控制該阻力控制單元3之阻力。其中若該增加參數為1，則增加該阻力控制單元3之該阻力，若該減少參數為1，則減少該阻力控制單元3之該阻力。

最後，如步驟510~511所示，該微電腦單元26判斷該使用者是否結束運動；若是，則結束；否則，偵測該目前轉速及該目前阻力；並回到該步驟503。

歸納上述，藉由本發明，可預估達到該預定熱量消耗值所需之剩餘運動時間，並自動控制該阻力健身裝置之阻力，且監測生理訊號組及目前室溫，當有異常時以語音方式警告，以提供該使用者安全而效率的運動訓練；的確可以達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧阻力健身器材

11‧‧‧控制面板

2‧‧‧智慧型熱量預估與阻力控制之系統

21‧‧‧輸入介面

22‧‧‧生理感測單元

221‧‧‧心跳感測器

222‧‧‧體溫感測器

223‧‧‧呼吸感測器

23‧‧‧生理訊號發射單元

24‧‧‧生理訊號接收單元

25‧‧‧環境溫度感測單元

26‧‧‧微電腦單元

261‧‧‧CPU

262‧‧‧ROM

263‧‧‧RAM

27‧‧‧語音單元

28‧‧‧顯示單元

3‧‧‧阻力控制單元

31‧‧‧控制器

32‧‧‧驅動器

33‧‧‧阻力機構

41~47‧‧‧步驟

501~511‧‧‧步驟

圖1是一示意圖，說明本發明智慧型熱量預估與阻力控制之系統的較佳實施例及其應用；圖2是一方塊圖，說明本發明智慧型熱量預估與阻力控制之系統的較佳實施例；圖3是一流程圖，說明本發明所使用之類神經網路之學習演算；圖4是一示意圖，說明本發明所使用之類神經網路模型；及圖5是一流程圖，說明本發明智慧型跑步機控制方法的較佳實施例。

501~511‧‧‧步驟

Claims

一種智慧型熱量預估與阻力控制之方法，適用於一阻力健身器材之一阻力控制單元，該方法包含下列步驟：(a)提供一輸入介面，以供一使用者輸入一體能條件組，及一預定熱量消耗值；(b)接收該使用者之一生理訊號組及一目前室溫；(c)根據該生理訊號組及該目前室溫進行監測，當該生理訊號組中有異常訊號，或該目前室溫異常時，發出訊息以警告該使用者；(d)根據該阻力健身器材之一目前轉速，及一目前阻力計算一熱量消耗率；(e)根據該熱量消耗率，預估達到該預定熱量消耗值所需之一剩餘運動時間；(f)將該剩餘運動時間提供給該使用者；(g)將該體能條件組、該生理訊號組、該目前室溫、該目前轉速，及該目前阻力輸入預先建立的一類神經網路模型，以求得一阻力調整參數組；(h)根據該阻力調整參數組以控制該阻力控制單元；(i)判斷該使用者是否結束運動；以及(j)若否，則偵測該目前室溫及該目前轉速，並回到該步驟(b)。
依據申請專利範圍第1項所述之智慧型熱量預估與阻力控制之方法，其中在該步驟(c)中，係以語音方式警告該使用者。
依據申請專利範圍第1項所述之智慧型熱量預估與阻力控制之方法，其中該生理訊號組包括一目前心跳、一目前體溫，及一目前呼吸率。
依據申請專利範圍第1項所述之智慧型熱量預估與阻力控制之方法，其中該體能條件組包括一身體質量指數、一心肺耐力指數、一肌力指數、一肌耐力指數，及一柔軟度指數。
依據申請專利範圍第1項所述之智慧型熱量預估與阻力控制之方法，其中該阻力調整參數組包括一增加參數及一減少參數，若該增加參數為1，則增加該阻力控制單元之一阻力，若該減少參數為1，則減少該阻力控制單元之該阻力。
一種智慧型熱量預估與阻力控制之系統，適用於一阻力健身器材之一阻力控制單元，該系統包含：一輸入介面，用以供一使用者輸入一體能條件組，及一預定熱量消耗值；一生理訊號接收單元，用以接收該使用者之一生理訊號組；一環境溫度感測單元，用以感測一目前室溫；一輸出裝置，用以提供訊息給該使用者；以及一微電腦單元，用以執行下列步驟：(a)接收該生理訊號組及該目前室溫；(b)根據該生理訊號組及該目前室溫進行監測，當該生理訊號組中有異常訊號，或該目前室溫異常時，透過該輸出裝置提供訊息以警告該使用者；(c)根據該阻力健身器材之一目前轉速，及一目前阻力計算一熱量消耗率；(d)根據該熱量消耗率，預估達到該預定熱量消耗值所需之一剩餘運動時間，並將該剩餘運動時間透過該輸出裝置提供給該使用者；(e)將該體能條件組、該生理訊號組、該目前室溫、該目前轉速，及該目前阻力輸入預先建立的一類神經網路模型，以求得一阻力調整參數組；(f)根據該阻力調整參數組以控制該阻力控制單元；(g)判斷該使用者是否結束運動；以及(h)若否，則偵測該目前室溫及該目前轉速，並回到該步驟(a)。
依據申請專利範圍第6項所述之智慧型熱量預估與阻力控制之系統，其中該輸出裝置包括一語音單元，當該生理訊號組中有異常訊號，或該目前室溫異常時，用以提供語音訊息以警告該使用者。
依據申請專利範圍第6項所述之智慧型熱量預估與阻力控制之系統，其中該輸出裝置包括一顯示單元，用以將該剩餘運動時間提供給該使用者。
依據申請專利範圍第6項所述之智慧型熱量預估與阻力控制之系統，其中該生理訊號組包括一目前心跳、一目前體溫，及一目前呼吸率。
依據申請專利範圍第6項所述之智慧型熱量預估與阻力控制之系統，其中該體能條件組包括一身體質量指數、一心肺耐力指數、一肌力指數、一肌耐力指數，及一柔軟度指數。
依據申請專利範圍第6項所述之智慧型熱量預估與阻力控制之系統，其中該阻力調整參數組包括一增加參數及一減少參數，若該增加參數為1，則增加該阻力控制單元之一阻力，若該減少參數為1，則減少該阻力控制單元之該阻力。