TWI832095B - 虛擬運動教練系統及方法 - Google Patents

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TWI832095B
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陳世安
蔡志捷
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種虛擬運動教練系統，用以評估體能狀態以即時提供訓練回饋，包含:一訓練課程產生器，經設定產生一訓練課程；一使用者終端裝置，電性連接於該訓練課程產生器，用於在運動過程中即時監測使用者的一心率值以及一速度值；一即時體力評估裝置，電性連接於該使用者終端裝置；以及 一動態課程調整模組，電性連接於該即時體力評估裝置以及該訓練課程產生器；其中，當該即時體力評估裝置評估使用者的體力改變時，該動態課程調整模組產生一坡度配速修正值，該訓練課程產生器依據該坡度配速修正值更新該訓練課程。

Description

虛擬運動教練系統及方法
本發明涉及虛擬運動教練，特別是一種評估體能狀態以即時提供訓練回饋的系統及方法。
根據體育署數據，108年國內規律運動人口約有784萬，其族群又可分類為專業競賽、強健體魄、休閒興趣、老人復健等；目前國內的運動標的主要為提升運動表現、運動體驗提升、降低運動傷害等，為達上述標的而結合運動科技即為虛擬運動教練。
以跑步、自行車運動為目標族群為例，目前利用虛擬運動教練來提升運動效率都不夠聰明，問題在於無法依個人訓練要求同時滿足最佳訓練路線與體力調配，即無法依據及時當下狀態進行動態調整；以IBM專利(US20200118678A1)為例，所提及的虛擬運動教練技術雖可依照附近或特定區域的地理環境特徵提供個人化訓練路線推薦，但缺乏即時依照地形、體力以動態調整配速的功能。
有鑑於此，發展出一種虛擬運動教練技術，進一步結合AI判讀個人當下身體狀況(如體力)，以及地理特徵用以計算精準熱量消耗，提供使用者個人化訓練課程推薦，可透過AI以最佳化演算提出的智能建議，協助使用者提升運動效率。
依據本發明一實施例的一種虛擬運動教練系統，包含:一訓練課程產生器，經設定產生一訓練課程；一使用者終端裝置，電性連接於該訓練課程產生器，用於在運動過程中即時監測使用者的一心率值以及一速度值；一即時體力評估裝置，電性連接於該使用者終端裝置；以及 一動態課程調整模組，電性連接於該即時體力評估裝置以及該訓練課程產生器；其中，當該即時體力評估裝置評估使用者的體力改變時，該動態課程調整模組產生一坡度配速修正值，該訓練課程產生器依據該坡度配速修正值以更新該訓練課程。
依據本發明一實施例的一種虛擬運動教練方法，包含:以一訓練課程產生器產生一訓練課程；以一使用者終端裝置偵測使用者的一心率值以及一速度值；依據該心率值，一即時體力評估裝置產生一體力值；依據該體力值，當該即時體力評估裝置評估使用者的體力改變時；一動態課程調整模組產生一坡度配速修正值；該訓練課程產生器依據該坡度配速修正值更新該訓練課程。
以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參考圖1，其繪示本發明一實施例的虛擬運動教練系統1，用以評估體能狀態以即時提供訓練回饋，隨時監控運動員的體力，並依據目標體力調整課程；虛擬運動教練系統1內建於智慧手錶、手機等行動裝置。
虛擬運動教練系統1包含使用者終端裝置10，用於在運動起始點讓使用者輸入個人資料以及訓練要求，以及在運動過程中即時監測使用者的生理指標及速度。
虛擬運動教練系統1包含訓練課程產生器20，電性連接於該使用者終端裝置10，可接收使用者終端裝置10傳送個人資料以及訓練要求；訓練課程產生器20依據個人資料以及訓練要求並由從環境圖資資料庫22以及訓練課程資料庫24產生多個適合課程，個人資料包含心律、體力，訓練要求包含目標心率值、運動時間；將多個適合課程傳送至訓練課程評估裝置30進行排序以產生排序課程，訓練課程評估裝置30電性連接於該訓練課程產生器20，訓練課程產生器20從排序課程中選擇最適合的課程以產生訓練課程，以及提供訓練課程給使用者終端裝置10。
訓練課程產生器20還可依據運動過程中個人資料改變(例如體力改變)而動態調整訓練課程，若接收到坡度配速修正值，訓練課程產生器20可依據坡度配速修正值修改個人資料或訓練要求以從訓練課程資料庫24產生新的多個適合課程，課程評估裝置30將新的多個適合課程進行排序產生新的排序課程，訓練課程產生器20依據新的排序課程更新訓練課程。
其中，訓練課程評估模組30在接收訓練課程產生器20傳送之多個適合課程後，依據熱量消耗演算模組32以及坡度配速資料庫34進行排序以產生排序課程，並傳送排序課程到訓練課程產生器20；以及，當訓練課程開始後接收到訓練課程產生器20傳送之新的多個適合課程時，依據熱量消耗演算模組32以及坡度配速資料庫34進行排序，產生新的排序課程以傳送到訓練課程產生器20。
虛擬運動教練系統1還包含即時體力評估裝置40，電性連接於使用者終端裝置10，用於接收使用者裝置10即時監測使用者的生理指標，包含脈搏次數、心率值、呼吸頻率等，即時監測的頻率例如每5分鐘一次、每10分鐘一次、每30分鐘一次，可依據使用需求設定；即時體力評估裝置40可依據生理指標以及體力曲線資料庫42評估運動過程中的體力值；其中，體力曲線資料庫42包含多組與不同坡度相關的體力曲線，包含心率差值曲線、心率斜率曲線以及平均心率曲線。
虛擬運動教練系統1還包含動態課程調整模組50電性連接於即時體力評估裝置40以及訓練課程產生器20，可依據坡度調整配速；動態課程調整模組50可接收即時體力評估裝置40傳送之即時體力評估資料，其中，即時體力評估資料至少包含體力值以及速度值；依據坡度配速體力曲線資料庫52產生坡度配速修正值提供給訓練課程產生器20；其中，坡度配速體力曲線資料庫52包含各種坡度下的速度心率曲線，且不同體力對應不同的速度心率曲線；動態課程調整模組50可依據速度心率曲線以及體力值產生該坡度配速修正值。
據此，虛擬運動教練系統1可以即時體力評估裝置40隨時監控運動員體力，並加入動態課程調整模組50配合即時體力評估資料產生坡度配速修正值以進行課程之動態調整。
請參考圖2，其繪示本發明一實施例中虛擬運動教練系統1的操作方法。簡要而言，步驟S100~S400用以提出需求並提供訓練課程規劃；步驟S500~S600用以依運動過程中的生理數據計算體力值； 步驟S700~S900至步驟S200~S400用以當使用者體力改變時動態調整配速，以更新訓練課程。
詳細而言，在步驟S100~S400中，步驟S100:使用者終端裝置10將個人資料及訓練要求傳送至訓練課程產生器20；步驟S200: 訓練課程產生器20依據個人資料及訓練要求並由環境圖資資料庫22以及訓練課程資料庫24產生的多個適合課程；步驟S300: 訓練課程評估模組30依據熱量消耗演算模組32以及坡度配速資料庫34產生排序課程，傳送排序課程到訓練課程產生器20；步驟S400:產生訓練課程。
在步驟S500~S600中，步驟S500: 使用者終端裝置10測量使用者的心率值、速度；步驟S600: 即時體力評估裝置40依據心率值及其對應不同坡度的體力曲線產生成特徵參數；依據特徵參數、已運動時間以及身體訊息即時評估體力值是否改變；其中，即時體力評估裝置40依據心率值以及體力曲線資料庫42評估運動過程中的特徵參數；特徵參數與特定坡度有關，特徵參數包含特定坡度下的心率差值與運動時間的交點、特定坡度下的心率斜率與運動時間的交點、特定坡度下的平均心率與運動時間的交點之一或組合；若即時體力評估裝置40評估體力值未改變，則使用者終端裝置10持續監測使用者的心率值、速度；若體力值改變，則將更新後的體力值傳送到動態課程調整模組50。
在步驟S700~S900中，步驟S700:動態課程調整模組50取得更新後的體力值，依據更新後的體力值以及坡度配速體力曲線資料庫52產生坡度配速修正值；步驟S800: 動態課程調整模組50將坡度配速修正值傳送至訓練課程產生器20；步驟S900改變個人資料或訓練要求。
當即時體力評估裝置40接收到使用者的心率值且評估使用者的體力改變時；動態課程調整模組50依據更新後的體力值產生坡度配速修正值；訓練課程產生器20依據該坡度配速修正值，執行步驟S900改變個人資料或訓練要求，執行步驟S200~S400以產生訓練課程，此時的訓練課程為更新後的訓練課程。據此，虛擬運動教練系統1即可進行動態課程調整，可因使用者的體力改變調整配速以更新訓練課程。
請參考圖3，其繪示本發明一實施例的訓練課程產生與評估方法；訓練課程產生器20判斷是否已開始課程，若訓練課程產生器20判斷課程未開始，執行步驟S100以取得個人資料及訓練要求；步驟S110取得地形坡度資訊；步驟S120產生對應的訓練課程；步驟S250取得訓練課程。
詳細而言，若判斷課程未開始，使用者終端裝置10傳送個人資料及訓練要求給訓練課程產生器20，訓練課程產生器20執行步驟S100取得個人資料及訓練要求；訓練課程產生器20依據個人資料以及訓練要求並由從環境圖資資料庫22以及訓練課程資料庫24產生多個適合課程；執行步驟110，訓練課程資料庫24將多個適合課程傳送至訓練課程評估裝置30，並由環境圖資資料庫22取得地形坡度資訊將多個適合課程進行排序以產生排序課程，訓練課程資料庫24將排序課程傳送給課程產生器20，執行步驟S120產生對應的訓練課程；執行步驟S250，訓練課程產生器20傳送訓練課程至傳送至使用者終端裝置10。
若判斷課程已開始，執行步驟S210即時評估體力狀態；執行步驟S220，計算出體力狀態對應的訓練課程；執行步驟S230，取得訓練課程。其中步驟S210評估體力狀態包含評估體力值、心律值，可依據任意組合的特徵參數、已運動時間、身體訊息、體力演算模組等進行評估；步驟S220中，透過動態課程調整模組50更新配速以產生對應的訓練課程。
圖3-1其繪示本發明訓練課程產生與評估方法的一實施例，如圖3-1所示，課程曲線C1(實線)代表體力值S 1(t)對運動時間t之關係，即代表一個訓練課程，配速為第一速度V 1；課程曲線C2(實線)代表體力值S 2(t)對運動時間t之關係，即代表另一個訓練課程，配速為第二速度V 2 。其中，第一速度V 1為初始速度或更新前速度，第二速度V 2為更新後速度。
圖3-1中，當使用者的體力初始值為S 1(t=0)時，訓練課程產生器20建議配速為第一速度V 1；當經過一段運動時間t，使用者的體力值由課程曲線C1預測應為S 1(t)點，配速為第一速度V 1，若即時體力評估裝置40透過步驟S230評估使用者的體力值由S 1(t)降為S 2(t) (如虛線C1’所示)，則訓練課程產生器20依據課程C2重新建議配速為第二速度V 2；據此，訓練課程產生器20可依據即時偵測到的使用者體力值動態調整訓練課程的配速為第二速度V 2。
圖3-2其繪示本發明訓練課程產生與評估方法的一實施例，因心律改變配速的方法。訓練課程評估模組30由坡度配速資料庫34獲取多個心律坡度曲線，使用者依據課程曲線C3以第一速度V 1，當運動時間為t 1，位於特定坡度(n%)時，依據課程曲線C3(實線)，預期的心率值為HR 1(n%)，若即時體力評估裝置40透過步驟S210評估使用者的心律值由HR 1(n%)降為HR 2(n%)，則訓練課程評估模組30依據課程曲線C4(虛線)重新建議配速為第二速度V 2；據此，訓練課程產生器20可依據即時偵測到的使用者心律值動態調整訓練課程的配速為第二速度V 2。
請參考圖4，其繪示本發明一實施例中得到步驟S210的即時體力狀態評估的方法。請同時參考圖2，在步驟S500中，使用者終端裝置10測量使用者的心率值、速度；接著，即時體力評估裝置40在步驟S600中執行以下流程，步驟S610:計算心率差值、心率斜率、平均心率；步驟S620:取得地形坡度資訊；步驟S630:生成特徵參數；步驟S640:取得身體資訊；步驟S210: 評估即時體力狀態；其中，步驟S210中，可依據任意組合的特徵參數、已運動時間，身體訊息以進行即時體力評估。
其中，在步驟S210中，評估即時體力狀態為得到體力值S(t)，其中，體力值S(t)為已運動時間t 、特徵參數X1及身體訊息X2、X3、X4之線性組合，其中X2為BMI參數、X3為年齡參數、X4為性別參數。
請參考圖4-1~圖4-3說明運用心律數據評估體力的實施例；在步驟S620~S630 中，即時體力評估裝置40可依據心率值及其對應不同坡度的曲線產生成特徵參數；其中，不同坡度對應的體力曲線可由體力曲線資料庫42中得到；該特徵參數與特定坡度有關，該特徵參數包含特定坡度下的心率差值與運動時間的交點、該特定坡度下的心率斜率與運動時間的交點、該特定坡度下的平均心率與運動時間的交點的任意組合。
圖4-1~圖4-3說明運用心律數據評估體力的實施例中得到特徵參數的方法，以及說明心率與體力之關聯；圖4-1為在特地坡度下心率差值與運動時間t之關係，表示運動時間t 1時心率差值應為ΔHR 1，但若即時體力評估裝置40計算得到的心率差值為ΔHR 2，相當於運動時間t 2，依據特地坡度下心率差值與運動時間t的交點a、b可得到特徵參數X1，進而評估使用者的體力值由第一體力值S(t 1)改變為第二體力值S(t 2)，需進一步調整訓練課程；另一實施例中，圖4-2為在特地斜率的坡度下心率差值與運動時間t之關係，表示在表示運動時間t 1時心率斜率應為HR Slope_1，但若即時體力評估裝置40計算得到的心率斜率為HR Slope_2相當於運動時間t 2，由特地坡度下心率斜率與運動時間t的交點c、d可得到特徵參數X1，進而評估使用者的體力值由第一體力值S(t 1)改變為第二體力值S(t 2)，需進一步調整訓練課程；另一實施例中，圖4-3為在特地斜率的坡度下平均心率與運動時間t之關係，表示表示運動時間t 1時平均心率應為HR ave_1，但若即時體力評估裝置40計算得到的平均心律為HR Slope_2，則體力值S(t 2)，相當於運動時間t 2，由特地坡度下心率差值與運動時間t的交點e、f可得到特徵參數X1，進而評估使用者的體力值由第一體力值S(t 1)改變為第二體力值S(t 2)，需進一步調整訓練課程；所述得到特徵參數X1的方法亦可包含由特地坡度下心率差值與運動時間t的交點、特地坡度下心率差值與運動時間t的交點、特地坡度下心率差值與運動時間t的交點的任意組合；進而評估使用者的體力值由第一體力值S(t 1)改變為第二體力值S(t 2)，需進一步調整訓練課程。其中，第一體力值S(t 1)為初始體力值或更新前體力值；第二體力值S(t 2)為更新後體力值。
得到第二體力值S(t 2)後，體力評估裝置40將此第二體力值S(t 2)傳送至動態課程調整模組50。
請參考圖5，其繪示本發明一實施例中因體力改變配速的方法；詳細而言，動態課程調整模組50在步驟S700中執行以下流程，步驟S710:取得第二體力值；步驟S720:取得第二體力值對應之速度心率曲線；步驟S730:取得目標心率設定值；步驟S740: 計算出第二體力值對應的坡度配速修正值；步驟S750: 取得對應的坡度配速修正值；步驟S760: 將第二體力值與對應的坡度配速修正值傳送到訓練課程產生器20。坡度配速體力曲線資料庫52中，包含不同坡度對應的速度心律曲線，不同的體力對應不同曲線。據此，當使用者在運動時遇到路面坡度改變，虛擬運動教練系統1可依據坡度對應的坡度配速修正值調整配速，以達最佳的訓練效果。
圖5-1繪示本發明一實施例中體力改變時的配速調整方法。執行步驟S710 ~ S720，當動態課程調整模組50由體力評估裝置40收到第二體力值S(t 2)時，由坡度配速體力曲線資料庫52取得多個第二體力值對應之速度心率曲線；執行步驟S730，取得目標心率設定值，若使用者的目標心率設定值為A點(課程曲線C5，第一速度V 1，第一體力值S(t 1))，當偵測到心率值上升到F點(課程曲線C6)時，體力為第二體力值S(t 2) ，表示在相同坡度下，維持相同速度為第一速度V 1的課程C6，所需的體力為第二體力值S(t 2)；如此即可執行步驟S704，計算出第二體力值對應的速度值，由第二體力值S(t 2)之運動時間t 2推論當心律須維持為B點與第二體力值S(t 2)時，由目標心率設定值B點所在的課程曲線C7(虛線)建議配速為第二速度V 2；據此，動態課程調整模組50執行步驟S705: 取得對應的坡度配速修正值；執行步驟S760，將第二體力值與坡度配速修正值傳送到訓練課程產生器20，動態課程調整模組50將此第二體力值及坡度配速修正值傳送至訓練課程產生器20以更新訓練課程。據此，當使用者在運動時遇到路面坡度改變，虛擬運動教練系統1可依據運動過程中的坡度及對應的坡度配速修正值調整配速，以達最佳的訓練效果。
圖6繪示本發明一實施例中評估體能狀態以即時提供訓練回饋的方法，包含: 步驟S1000以一訓練課程產生器20產生訓練課程；步驟S1010以一使用者終端裝置10偵測使用者的一心率值以及一速度值；步驟S1020依據該心率值，即時體力評估裝置40產生一體力值；步驟S1030依據該體力值，當該即時體力評估裝置40評估使用者的體力改變時，一動態課程調整模組50產生一坡度配速修正值；步驟S1040該訓練課程產生器20依據該坡度配速修正值更新訓練課程。
綜上所述，本發明提出評估體能狀態以即時提供訓練回饋的系統，可以隨時因體力改變而即時調整訓練課程以達最佳化訓練成效，同時也可以保護使用者因體力不足而受傷。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1:虛擬運動教練系統 10:使用者終端裝置 20:訓練課程產生器 22:環境圖資資料庫 24:訓練課程資料庫 30:訓練課程評估模組 32:熱量消耗演算模組 34:坡度配速資料庫 40:即時體力評估裝置 42:體力曲線資料庫 50:動態課程調整模組 52:坡度配速體力曲線資料庫 S100、S200、S300、S400、S500、S600、S700、S800、S900、S1000:步驟 S110、S120、S210、S220、S230、S610、S620、S630、S640、S710、S720、S730、S740、S750、S760、S1010、S1020、S1030、S1040:步驟 C1、C1’、C2、C3、 C4、C5、C6、C7:課程曲線 A、B:交點 a、b、c、d、e、f:交點 V1:第一速度 V2:第一速度 t、t1、t2:運動時間 S、S(t1)、S(t2):體力值 S1(t):第一體力值 S2(t):第二體力值 n%:坡度 HR、HR1、HR2:心率值 HRSlope_1、HRSlope_2:心率斜率 ΔHR1、ΔHR2:心率差值 HR ave_1、HR ave_2:平均心率
圖1係依據本發明一實施例的虛擬運動教練系統； 圖2係本發明一實施例中虛擬運動教練系統的操作方法； 圖3係本發明一實施例中訓練課程產生與評估方法； 圖3-1~圖3-2係本發明中訓練課程產生與評估方法的實施例； 圖4係本發明一實施例中得到步驟S210的即時體力狀態評估的方法； 圖4-1~圖4-3係本發明運用心律數據評估體力的實施例； 圖5係本發明一實施例中因體力改變配速的方法； 圖5-1係本發明一實施例中體力改變時的配速調整方法； 圖6係本發明一實施例中評估體能狀態以即時提供訓練回饋的方法。
1:虛擬運動教練系統
10:使用者終端裝置
20:訓練課程產生器
22:環境圖資資料庫
24:訓練課程資料庫
30:訓練課程評估模組
32:熱量消耗演算模組
34:坡度配速資料庫
40:即時體力評估裝置
42:體力曲線資料庫
50:動態課程調整模組
52:坡度配速體力曲線資料庫

Claims (10)

  1. 一種虛擬運動教練系統，包含：一訓練課程產生器，經設定產生一訓練課程；一使用者終端裝置，電性連接於該訓練課程產生器，用於在運動過程中即時監測使用者的一心率值以及一速度值；一即時體力評估裝置，電性連接於該使用者終端裝置；以及一動態課程調整模組，電性連接於該即時體力評估裝置以及該訓練課程產生器；其中，當該即時體力評估裝置評估使用者的體力改變時，該動態課程調整模組產生一坡度配速修正值，該訓練課程產生器依據該坡度配速修正值更新該訓練課程。
  2. 如請求項1所述之系統，其中，該訓練課程產生器用於依據該使用者終端裝置傳送的一個人資料及一訓練要求，並由一環境圖資資料庫以及一訓練課程資料庫產生多個適合課程。
  3. 如請求項2所述之系統，其中，還包含一訓練課程評估模組，電性連接於該訓練課程產生器，用於接收該多個適合課程，依據一熱量消耗演算模組以及一坡度配速資料庫排序該多個適合課程以產生一排序課程。
  4. 如請求項3所述之系統，其中，該訓練課程產生器用於依據該排序課程產生該訓練課程。
  5. 如請求項1所述之系統，其中，該即時體力評估裝置用於依據該心率值以及一體力曲線資料庫評估運動過程中的一體力值；該體力 曲線資料庫包含多組與不同坡度相關的心率差值曲線、心率斜率曲線以及平均心率曲線。
  6. 如請求項5所述之系統，其中，該動態課程調整模組該動態課程調整模組依據該速度值、該體力值以及一坡度配速體力曲線資料庫之多個心率速度曲線產生該坡度配速修正值。
  7. 一種虛擬運動教練方法，包含：以一訓練課程產生器產生一訓練課程；以一使用者終端裝置偵測使用者的一心率值以及一速度值；依據該心率值，一即時體力評估裝置產生一體力值；依據該體力值，當該即時體力評估裝置評估使用者的體力改變時，以一動態課程調整模組產生一坡度配速修正值；及該訓練課程產生器依據該坡度配速修正值更新該訓練課程。
  8. 如請求項7所述之方法，其中，以該訓練課程產生器產生該訓練課程之前，該虛擬運動教練方法包含：以該使用者終端裝置將一個人資料及一訓練要求傳送至該訓練課程產生器；以該訓練課程產生器依據該個人資料及該訓練要求，並一環境圖資資料庫以及一訓練課程資料庫產生多個適合課程；以一訓練課程評估模組，依據一熱量消耗演算模組以及一坡度配速資料庫排序該多個適合課程以產生一排序課程，傳送該排序課程到該訓練課程產生器。
  9. 如請求項7所述之方法，其中，以該即時體力評估裝置依據該心率值產生該體力值包含： 該即時體力評估裝置依據該心率值及其對應不同坡度的曲線產生成一特徵參數以即時評估該體力值；其中，該特徵參數與一特定坡度有關，該特徵參數包含該特定坡度下的心率差值與運動時間的交點、該特定坡度下的心率斜率與運動時間的交點、該特定坡度下的平均心率與運動時間的交點之一或組合。
  10. 如請求項7所述之方法，其中，該動態課程調整模組產生該坡度配速修正值包含：該動態課程調整模組依據該速度值、該體力值以及一坡度配速體力曲線資料庫之多個心率速度曲線產生該坡度配速修正值；該動態課程調整模組將該坡度配速修正值傳送至訓練課程產生器。
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