一种智慧健身教练系统的研制_孙尚云
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通常一个完整的运动周期分为三个阶段：暖身期、训练 期和缓和期。各个阶段可以设置不同的运动强度，式（3） 通过设定的运动强度及年龄计算各阶段的目标心率，式中：
生命科学仪器 2015 第13卷/12月刊
技术与应用
图2 系统架构图 Fig.2 Structure of system
图3 系统工作流程图 Fig.3 Workflow chart of system
生命科学仪器 2015 第13卷/12月刊
技术与应用
一种智慧健身教练系统的研制
孙尚云1，林仲志2，吴水才1*
（1. 北京工业大学生命科学与生物工程学院，北京 100124；2. 台湾长庚大学资讯工程系，台湾 333）
摘要 目的：研制一种智慧健身教练系统，让使用者可以随时随地享受教练服务，达到科学健身效果。方法：通过实 验收集17位自愿者的哈佛登阶(HST)与脚踏车数据，建立不同心肺耐力等级人群（状况分布为不好1人、稍差3人、普通 3人、尚好3人、很好7人）运动强度（脚踏车转速）与心跳模型，实现通过目标心跳推算运动强度；并通过理论推导构 建音乐速度与运动强度模型，实现以调节音乐速度来控制运动强度；最终结合穿戴式设备、移动智能平台以及Web技 术，设计智慧健身教练系统。结果：各人群选择自身对应的运动心跳模型，在不同运动强度下心跳预测效果优于通用 模型预测。测试者使用本系统参加实际健身时，各阶段的心跳都被很好地控制在预先设定的目标区域内。结论：本文 研制的教练系统可以有效地帮助使用者达到科学健身的效果。 关键词 智慧健身；教练系统；心跳控制；运动心跳模型；音乐运动模型
天内完成，避免时间拉长导致心肺耐力产生过大变化。
1.3.2 实验流程
（1）使用者筛选
使用体育活动准备量表[13]（Physical Activity Readiness
岁。采用45公分台阶进行HST[12]测试（如图4(a)所示），利用
原地脚踏车（Monark 839e，如图4(b)所示）进行实验，测验
过程中皆需穿戴心率感测器（miCoach，如图4(c)所示）进行
wk.baidu.com
心率收集。过程中需注意受试者的体能状况，使用者心肺耐
力分级以及运动心跳模型建立不得于同一天进行，但需在15
括号内的120是BPM值，表示每分钟演奏120个四分音符，即
每个四分音符的长度等于0.5秒（1分钟除以120等分），1小
节就是2秒长（0.5秒乘以4拍）。BPM的数值越大代表速度越
快。
所有的正规节拍中，每小节第一下为强拍，第三下为
弱强拍，其余节拍为弱拍。因此，如果训练者每次将惯用脚
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都踩在每小节的重拍上（强拍和弱强拍），那么训练者踩踏
Abstract: Objective: A smart coach system is designed to let users freely enjoy coaching services and scientifically achieve fitness. Methods: To establish the models which were used to calculate exercise intensity through target heart rate, the data of Harvard-step-test and bicycle experiments of 17 volunteers were collected and specific sport heart-rate models were established for different group (separated into five levels base on cardiorespiratory endurance, 1 in bad level, 3 in less-ordinary level, 3 in ordinary level, 3 in good level, 7 in extremely good level). The Music-sport model also has been built by theoretical derivation, to achieve exercise intensity control by adjusting the music tempo. Finally, we designed a smart coach system, that combined wearable devices, mobile intelligence platform and web technology. Results: The specific sport heart-rate model was more effective in calculating exercise intensity, through target heart rate, than the average sport heart-rate model. In practical verification, subject heart rate was well controlled within the target scale among each phrase. Conclusion: This coach system can effectively help users achieve scientific fitness results. Key Words: Coach system; Heartbeat control; Sport-heartbeat model; Music-sport model
1 智慧健身教练系统设计方法
1.1 教练系统工作原理
本系统的原理在于通过音乐速度控制人体的运动强度
以达到目标心率，实现运动心跳控制。所以需要建立两个模
型：（1）运动心跳模型，量化运动强度与心跳变化的关系，
用以计算目标心率所需的运动强度；（2）音乐运动模型，量
化音乐速度与运动强度的关系，实现通过目标运动强度计算
63.3~78.3转左右，将RPM带入式（2）可知：将音乐速度设
为126~156拍，使用者会更容易达到理想心率。
HR=(220-age)*I
（3）
1.3 实验
1.3.1 实验对象与实验装置
通过半年的实验共收集17位男性自愿者数据，所有的自
愿者皆已告知实验内容并签署同意书，平均年龄为22.45±1.66
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技术与应用
生命科学仪器 2015 第13卷/12月刊
age为年龄，I为训练期强度百分比。例如一个40岁成年人，
训练期强度百分比设定为70~80%，则此人训练期理想心率应
介于126~144之间。假如该使用者所在人群的运动心跳模型为
HR=1.2*PPM+50，将126~144带入HR，得到RPM约为每分钟
合适的运动强度、取得较好的效果。 现今市场上的穿戴式健身教练设备主要通过心跳信号
（如：polar心率表[4]）和加速度信号（如：小米手环[5]）来帮 助使用者实现对运动强度的控制。由于运动心跳是确定运动 负荷强度的理想参数[6,7]，所以通过心跳控制运动强度成为了 一种科学健身的指导方法。这种方法的优点在于实时性强， 使用者可以通过查看及时心率与目标心率的差距来对自己的 运动强度做出调整；缺点在于信号采集不够稳定，易受干 扰，使用者也不可能频繁地查看目标心率达成度，且主观调
本研究采用控制心跳的方法来让使用者达到合理运动强 度（本文以脚踏车转速代表运动强度），并建立运动强度与 心跳模型（运动心跳模型），实现通过目标心率推算出运动 强度，让使用者不再需要靠主观感觉去盲目调节。考虑到部 分研究提出音乐节拍可调节人体动作[9]、改变训练者运动表 现[10,11]、增进身体协调性。本文建立音乐速度与运动强度模 型（音乐运动模型），实现以音乐控制运动强度，让运动者 可以安心的投入到健身中，不再需要反复的查看心率表。结 合心跳带、智能手机、运动耳机和Web服务器，研制一种智 慧健身教练系统，让使用者可以随时随地的享受科学健身。
Design of a Wisdom Coach System
Sun Shangyun1, Lin Zhongzhi2, Wu Shuicai1* (1. College of Life Science and Bio-engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124; 2.Department of Computer Science and Information Engineering,Changgung University ,Taiwan 333)
音乐速度。
1.1.1 运动心跳模型
运动时的心率难以保持稳定状态，这是由于运动强度及
心肺耐力状况所致。本研究探寻各心肺耐力人群的运动强度
与心跳变化的关系，并建立运动心跳模型。预测心率与运动
强度的关系如式（1），其中HR表示运动心率，Div表示不同
心肺耐力群体差异常数，OnSet为初始化常数，RPM（转/每
* 基金项目：国家自然科学基金 (7151101018) 通讯作者：吴水才，教授，研究方向：生物医学信号与图像处理、生物医学电子与医疗仪器，E-mail：wushuicai@bjut.edu.cn
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生命科学仪器 2015 第13卷/12月刊
整运动强度并不容易。加速度信号则大多用来计步以实现运 动强度的评估[8]，这种方法的优点在于信号采集简单，缺点 是计步的算法不够精确，而且运动强度靠计步累积起来，实 时性不够强。
分）为脚踏车转速，用来表示运动强度。
HR=Div*RPM+OnSet
（1）
1.1.2 音乐运动模型
运动心跳模型可以计算不同心率对应的运动强度，但要
想借助音乐的节拍来引导运动者达到某一运动强度，还需要
建立音乐运动模型来计算对应的音乐速度。
音乐速度（单位：拍每分钟，BPM）一般都会以文字或
数字标记于一首乐曲的开端。如图1中的Allegro英文记号，其
完两圈的时间就等于每小节演奏完的时间，如此即可引导运
动时的速度，达到目标运动强度。假设目标心率需要转速30
RPM，也就是2秒1转，选择4/4音乐的话，每个音符演奏时间
应为1秒（2秒除以2），则需要推荐的音乐速度等于60拍（1
分钟/1秒）。得到脚踏车转速与音乐节拍数的关系：
BPM=RPM*2
（2）
图1 音乐速度 Fig.1 The tempo of music
系统的工作流程如图3所示。（1）运动者进行简单的心 肺耐力分级，以确定其所属的心肺耐力人群；（2）匹配数据 库中对应人群的运动心跳模型，结合预先设定的心率，计算 目标运动强度；（3）通过音乐运动模型计算音乐速度，并推 荐相应速度的音乐给运动者；（4）根据实时心率与目标心率 差距对音乐速度进行调整，若当前心率大于目标心率3分钟， 则选择更低速的音乐；当前心率小于目标心率3分钟，则选择 更高速的音乐。
1.2 健身教练系统架构与工作流程 1.2.1 系统架构
系统主要由四部分组成（如图2所示）：（1）Web服务 器，提供注册、运动历史浏览、音乐数据库管理、运动心跳 模型和音乐运动模型的实现等功能，可以依据使用者的心肺 耐力等级给予推荐的音乐。（2）智能平台，执行Web服务器 所提供的音乐，同时通过计算运动中即时心率与目标心率差 距来对音乐速度微调，引导使用者的运动速度，使其向目标 心率靠近，并于运动结束后将数据上传到Web服务器。（3） 穿戴式设备， 包括心率感测器和高品质运动耳机。心率感测 器用于对运动者进行实时心率监测，基于蓝牙4.0传输协议设 计。（4）健身设备，脚踏车或者跑步机。 1.2.2 系统工作流程
引言
随着生活水平的提高和健康意识的增强，越来越多的人 加入到健身运动队伍中来。健身运动不仅可以增强体质、提 高免疫力，还可缓解压力[1]、增进心理健康[2]。掌握科学的健 身方法至关重要[3]，科学健身要求从个人的实际情况出发， 有针对性的选择最适合个体的健身方式和运动强度。目前穿 戴式设备和智能移动平台正快速发展，先进的电子技术和信 号处理技术逐渐被应用到健身运动中来，以帮助使用者达到
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图2 系统架构图 Fig.2 Structure of system
图3 系统工作流程图 Fig.3 Workflow chart of system
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一种智慧健身教练系统的研制
孙尚云1，林仲志2，吴水才1*
（1. 北京工业大学生命科学与生物工程学院，北京 100124；2. 台湾长庚大学资讯工程系，台湾 333）
摘要 目的：研制一种智慧健身教练系统，让使用者可以随时随地享受教练服务，达到科学健身效果。方法：通过实 验收集17位自愿者的哈佛登阶(HST)与脚踏车数据，建立不同心肺耐力等级人群（状况分布为不好1人、稍差3人、普通 3人、尚好3人、很好7人）运动强度（脚踏车转速）与心跳模型，实现通过目标心跳推算运动强度；并通过理论推导构 建音乐速度与运动强度模型，实现以调节音乐速度来控制运动强度；最终结合穿戴式设备、移动智能平台以及Web技 术，设计智慧健身教练系统。结果：各人群选择自身对应的运动心跳模型，在不同运动强度下心跳预测效果优于通用 模型预测。测试者使用本系统参加实际健身时，各阶段的心跳都被很好地控制在预先设定的目标区域内。结论：本文 研制的教练系统可以有效地帮助使用者达到科学健身的效果。 关键词 智慧健身；教练系统；心跳控制；运动心跳模型；音乐运动模型
天内完成，避免时间拉长导致心肺耐力产生过大变化。
1.3.2 实验流程
（1）使用者筛选
使用体育活动准备量表[13]（Physical Activity Readiness
岁。采用45公分台阶进行HST[12]测试（如图4(a)所示），利用
原地脚踏车（Monark 839e，如图4(b)所示）进行实验，测验
过程中皆需穿戴心率感测器（miCoach，如图4(c)所示）进行
wk.baidu.com
心率收集。过程中需注意受试者的体能状况，使用者心肺耐
力分级以及运动心跳模型建立不得于同一天进行，但需在15
括号内的120是BPM值，表示每分钟演奏120个四分音符，即
每个四分音符的长度等于0.5秒（1分钟除以120等分），1小
节就是2秒长（0.5秒乘以4拍）。BPM的数值越大代表速度越
快。
所有的正规节拍中，每小节第一下为强拍，第三下为
弱强拍，其余节拍为弱拍。因此，如果训练者每次将惯用脚
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都踩在每小节的重拍上（强拍和弱强拍），那么训练者踩踏
Abstract: Objective: A smart coach system is designed to let users freely enjoy coaching services and scientifically achieve fitness. Methods: To establish the models which were used to calculate exercise intensity through target heart rate, the data of Harvard-step-test and bicycle experiments of 17 volunteers were collected and specific sport heart-rate models were established for different group (separated into five levels base on cardiorespiratory endurance, 1 in bad level, 3 in less-ordinary level, 3 in ordinary level, 3 in good level, 7 in extremely good level). The Music-sport model also has been built by theoretical derivation, to achieve exercise intensity control by adjusting the music tempo. Finally, we designed a smart coach system, that combined wearable devices, mobile intelligence platform and web technology. Results: The specific sport heart-rate model was more effective in calculating exercise intensity, through target heart rate, than the average sport heart-rate model. In practical verification, subject heart rate was well controlled within the target scale among each phrase. Conclusion: This coach system can effectively help users achieve scientific fitness results. Key Words: Coach system; Heartbeat control; Sport-heartbeat model; Music-sport model
1 智慧健身教练系统设计方法
1.1 教练系统工作原理
本系统的原理在于通过音乐速度控制人体的运动强度
以达到目标心率，实现运动心跳控制。所以需要建立两个模
型：（1）运动心跳模型，量化运动强度与心跳变化的关系，
用以计算目标心率所需的运动强度；（2）音乐运动模型，量
化音乐速度与运动强度的关系，实现通过目标运动强度计算
63.3~78.3转左右，将RPM带入式（2）可知：将音乐速度设
为126~156拍，使用者会更容易达到理想心率。
HR=(220-age)*I
（3）
1.3 实验
1.3.1 实验对象与实验装置
通过半年的实验共收集17位男性自愿者数据，所有的自
愿者皆已告知实验内容并签署同意书，平均年龄为22.45±1.66
47
技术与应用
生命科学仪器 2015 第13卷/12月刊
age为年龄，I为训练期强度百分比。例如一个40岁成年人，
训练期强度百分比设定为70~80%，则此人训练期理想心率应
介于126~144之间。假如该使用者所在人群的运动心跳模型为
HR=1.2*PPM+50，将126~144带入HR，得到RPM约为每分钟
合适的运动强度、取得较好的效果。 现今市场上的穿戴式健身教练设备主要通过心跳信号
（如：polar心率表[4]）和加速度信号（如：小米手环[5]）来帮 助使用者实现对运动强度的控制。由于运动心跳是确定运动 负荷强度的理想参数[6,7]，所以通过心跳控制运动强度成为了 一种科学健身的指导方法。这种方法的优点在于实时性强， 使用者可以通过查看及时心率与目标心率的差距来对自己的 运动强度做出调整；缺点在于信号采集不够稳定，易受干 扰，使用者也不可能频繁地查看目标心率达成度，且主观调
本研究采用控制心跳的方法来让使用者达到合理运动强 度（本文以脚踏车转速代表运动强度），并建立运动强度与 心跳模型（运动心跳模型），实现通过目标心率推算出运动 强度，让使用者不再需要靠主观感觉去盲目调节。考虑到部 分研究提出音乐节拍可调节人体动作[9]、改变训练者运动表 现[10,11]、增进身体协调性。本文建立音乐速度与运动强度模 型（音乐运动模型），实现以音乐控制运动强度，让运动者 可以安心的投入到健身中，不再需要反复的查看心率表。结 合心跳带、智能手机、运动耳机和Web服务器，研制一种智 慧健身教练系统，让使用者可以随时随地的享受科学健身。
Design of a Wisdom Coach System
Sun Shangyun1, Lin Zhongzhi2, Wu Shuicai1* (1. College of Life Science and Bio-engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124; 2.Department of Computer Science and Information Engineering,Changgung University ,Taiwan 333)
音乐速度。
1.1.1 运动心跳模型
运动时的心率难以保持稳定状态，这是由于运动强度及
心肺耐力状况所致。本研究探寻各心肺耐力人群的运动强度
与心跳变化的关系，并建立运动心跳模型。预测心率与运动
强度的关系如式（1），其中HR表示运动心率，Div表示不同
心肺耐力群体差异常数，OnSet为初始化常数，RPM（转/每
* 基金项目：国家自然科学基金 (7151101018) 通讯作者：吴水才，教授，研究方向：生物医学信号与图像处理、生物医学电子与医疗仪器，E-mail：wushuicai@bjut.edu.cn
45
技术与应用
生命科学仪器 2015 第13卷/12月刊
整运动强度并不容易。加速度信号则大多用来计步以实现运 动强度的评估[8]，这种方法的优点在于信号采集简单，缺点 是计步的算法不够精确，而且运动强度靠计步累积起来，实 时性不够强。
分）为脚踏车转速，用来表示运动强度。
HR=Div*RPM+OnSet
（1）
1.1.2 音乐运动模型
运动心跳模型可以计算不同心率对应的运动强度，但要
想借助音乐的节拍来引导运动者达到某一运动强度，还需要
建立音乐运动模型来计算对应的音乐速度。
音乐速度（单位：拍每分钟，BPM）一般都会以文字或
数字标记于一首乐曲的开端。如图1中的Allegro英文记号，其
完两圈的时间就等于每小节演奏完的时间，如此即可引导运
动时的速度，达到目标运动强度。假设目标心率需要转速30
RPM，也就是2秒1转，选择4/4音乐的话，每个音符演奏时间
应为1秒（2秒除以2），则需要推荐的音乐速度等于60拍（1
分钟/1秒）。得到脚踏车转速与音乐节拍数的关系：
BPM=RPM*2
（2）
图1 音乐速度 Fig.1 The tempo of music
系统的工作流程如图3所示。（1）运动者进行简单的心 肺耐力分级，以确定其所属的心肺耐力人群；（2）匹配数据 库中对应人群的运动心跳模型，结合预先设定的心率，计算 目标运动强度；（3）通过音乐运动模型计算音乐速度，并推 荐相应速度的音乐给运动者；（4）根据实时心率与目标心率 差距对音乐速度进行调整，若当前心率大于目标心率3分钟， 则选择更低速的音乐；当前心率小于目标心率3分钟，则选择 更高速的音乐。
1.2 健身教练系统架构与工作流程 1.2.1 系统架构
系统主要由四部分组成（如图2所示）：（1）Web服务 器，提供注册、运动历史浏览、音乐数据库管理、运动心跳 模型和音乐运动模型的实现等功能，可以依据使用者的心肺 耐力等级给予推荐的音乐。（2）智能平台，执行Web服务器 所提供的音乐，同时通过计算运动中即时心率与目标心率差 距来对音乐速度微调，引导使用者的运动速度，使其向目标 心率靠近，并于运动结束后将数据上传到Web服务器。（3） 穿戴式设备， 包括心率感测器和高品质运动耳机。心率感测 器用于对运动者进行实时心率监测，基于蓝牙4.0传输协议设 计。（4）健身设备，脚踏车或者跑步机。 1.2.2 系统工作流程
引言
随着生活水平的提高和健康意识的增强，越来越多的人 加入到健身运动队伍中来。健身运动不仅可以增强体质、提 高免疫力，还可缓解压力[1]、增进心理健康[2]。掌握科学的健 身方法至关重要[3]，科学健身要求从个人的实际情况出发， 有针对性的选择最适合个体的健身方式和运动强度。目前穿 戴式设备和智能移动平台正快速发展，先进的电子技术和信 号处理技术逐渐被应用到健身运动中来，以帮助使用者达到