调整跑步机速度和坡度的方法、运动训练方法和跑步机与流程

本发明涉及智能训练器械领域，尤其涉及一种根据心率变化实时调整跑步机速度和坡度的方法、基于用户心率控制跑步机的运动训练方法和根据心率调节速度和坡度的跑步机。

背景技术：

现如今随着经济水平的不断发展，人们的生活变得越来越便捷方便，生活中的体力消耗也变得越来越少。但伴随着的却是由于体力活动的不足而可能导致的一系列身体健康问题，如“三高”、糖尿病等典型症状，由此导致的死亡人数仅次于吸烟问题，已经成为了现代社会第二大人类非正常死亡原因。因此，运动锻炼是保持人体健康必不可少的条件。

中国专利公开号为cn110025928a公开了一种身体心率数据检测及智能运动跑步机及其控制方法，该方法通过测量用户的极限心率计算得到心率区间，运动处方的心率区间选择合适的目标心率，通过对比目标心率与监测到的用户实际心率偏差，如果实际心率与目标心率的差值过大，则调整跑台的工作方式(速度、频率等)纠正用户的锻炼方式，从而保证用户正确完成运动处方的训练计划。但是该方法存在以下缺点：

(1)通过一体机屏幕中的ui界面展示差异情况提醒用户调整的策略，实际是让用户对速度和频率进行手动调整，没有形成跑步机的自动调整功能。

(2)该方法并未指出如何具体调整跑台的工作方式来纠正用户的锻炼行为。

因此，亟需开发一种能够精细化、自适应调节人体运动强度的跑步机。

技术实现要素：

本发明的技术目的就在于解决上述现有技术的缺陷，提供一种根据心率变化实时调整跑步机速度和坡度的方法、基于用户心率控制跑步机的运动训练方法和根据心率调节速度和坡度的跑步机，能够精细自适应调节人体运动强度。

作为本发明的一个方面，提供一种根据心率变化实时调整跑步机速度和坡度的方法，包括如下步骤：

s201：实时监测并获取用户运动时的当前心率，如果用户的当前心率不在该用户的靶心率的范围内，则执行步骤s202至步骤s205；

s202：计算当前心率与所述靶心率范围均值的差距；

s203：根据该用户的测试心率、测试强度、静息心率和静息强度建立多项式公式；

s204：根据步骤s202中的当前心率与所述靶心率范围均值的差距和步骤s203中的多项式公式，计算得到跑步机的当前强度与目标强度的差值，并根据跑步机的当前强度和该差值获得目标强度；

s205：通过强度-速度/坡度转换公式将目标强度转换为目标速度和目标坡度，根据目标速度和目标坡度调整跑步机的速度和/或坡度。

用户在使用跑步机时，通过调整速度和坡度可以改变用户的运动强度。在适宜的运动强度下，可以让用户运动时的心率保持在一个合适的范围内，使用户高效、安全地运动。

根据本发明一示例实施方式，所述当前心率为当前时间之前的一预定时间的平均心率。

根据本发明一示例实施方式，所述靶心率为通过有氧运动提高心血管循环系统的机能时有效而安全的运动心率范围。

根据本发明一示例实施方式，所述测试强度为用户在进行测试时的物理运动负荷。

根据本发明一示例实施方式，所述测试心率为在预定的运动强度下的平均运动心率，通过心率表等设备进行检测。

测试心率、测试强度均通过心肺耐力测试获得，心肺耐力测试是指从静息状态到运动负荷下监测全导联心电图和血压变化，同时监测肺通气指标、摄氧量和二氧化碳排出量等代谢指标的一种运动试验。心肺耐力测试是目前唯一能够在一次试验中全面评估人体整体多系统功能的临床检测技术，是一级或二级预防及康复项目中的重要组成本部分。

该心肺耐力测试为三级增量心肺耐力测试，三级表示运动测试的最大次数，增量表示每级测试的运动强度是逐步递增的，即一级测试强度＜二级测试强度＜三级测试强度。进行测试时，如果仅进行一级心肺耐力测试，则该用户的测试结果只有一级测试心率和一级测试强度；如果进行二级心肺耐力测试，则该用户的测试结果包括一级测试心率、一级测试强度、二级测试心率和二级测试强度；如果进行三级心肺耐力测试，则该用户的测试结果包括一级测试心率、一级测试强度、二级测试心率、二级测试强度、三级测试心率和三级测试强度。

根据本发明一示例实施方式，所述静息心率是指在清醒、不活动的安静状态下，每分钟心跳的次数。

根据本发明一示例实施方式，所述静息强度为在静息情况下的物理负荷。一般在静息情况下每个人的物理负荷是一样的。

靶心率、测试心率、测试强度、静息心率和静息强度在用户运动之前获取。用户运动时的目标强度应当与用户的运动状态、心肺耐力的特征有关，而目标强度又会根据用户的运动状态而改变，只有全面评估用户的当前心率、靶心率、测试心率、测试强度、静息心率和静息强度，才能够获得更有针对性的目标强度，从而精确地调整用户的运动强度。

根据本发明一示例实施方式，当用户只进行一级心肺耐力测试时，该用户的测试心率包括一级测试心率，该用户的测试强度包括一级测试强度；当用户进行二级心肺耐力测试时，该用户的测试心率包括一级测试心率和二级测试心率，该用户的测试强度包括一级测试强度和二级测试强度；当用户进行三级心肺耐力测试时，该用户的测试心率包括一级测试心率、二级测试心率和三级测试心率，该用户的测试强度包括一级测试强度、二级测试强度和三级测试强度；一级测试心率＜二级测试心率＜三级测试心率，一级测试强度＜二级测试强度＜三级测试强度；

所述步骤s204中，

当该用户只进行一级心肺耐力测试时，所述多项式公式为

其中，

当该用户进行二级心肺耐力测试时，所述多项式公式为

其中，

当该用户进行三级心肺耐力测试时，所述多项式公式为

当采用公式时，

当采用公式时，

d为静息强度，单位为ml/(kg·min)；

d1为一级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

d2为二级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

d3为三级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

e为静息心率，单位为次/分钟；

e1为一级测试心率，单位为次/分钟；

e2为二级测试心率，单位为次/分钟；

e3为三级测试心率，单位为次/分钟；

c1和c2为最大摄氧量校正系数，单位为ml/(kg·min)；

y为跑步机当前强度与目标强度的差距，ml/(kg·min)；

x为当前心率与所述靶心率范围均值的差距，单位为次/分钟。

根据本发明一示例实施方式，所述强度-速度/坡度转换公式为

目标强度＝a*v*f+g+v*h，

其中，

f、g、h均为常数，

a为坡度，单位为％；

v为速度，单位为公里/小时，

目标强度的单位为ml/(kg·min)。

可以只调整速度或只调整坡度，也可以速度和坡度同时平衡调整。

根据本发明的第二方面，提供一种基于用户心率控制跑步机的运动训练方法，包括以下步骤：

s1：热身期：调整跑步机的强度为第一固定强度，使用户在第一预设时间内运动；

s2：动态调整期：调整跑步机的初始动态强度，根据所述的根据心率变化实时调整跑步机速度和坡度的方法实时调整跑步机的速度和/或坡度；

s3：恢复期：调整跑步机的强度为第二固定强度，使用户在第二预设时间内运动。

根据本发明一示例实施方式，在所述步骤s1之前，先获取用户的靶心率、测试心率、测试强度、静息心率和静息强度。

根据本发明一示例实施方式，在所述步骤s1之前，还获取用户的运动风险，所述运动风险包括低危、中危和高危；

如果该用户运动风险为低危时，所述动态调整期和所述恢复强度期之间还包括冲刺期，在所述冲刺期内，调整跑步机的强度为第三固定强度，使用户在第三预设时间内运动。

根据本发明一示例实施方式，所述第三固定强度为步骤s2中动态调整期结束时跑步机的动态强度的110％-130％。

根据本发明一示例实施方式，在所述步骤s1之前，还获取用户是否存在运动习惯，步骤s1中存在运动习惯的用户的第一预设时间长于不存在运动习惯的用户的第一预设时间，步骤s3中存在运动习惯的用户的第二预设时间长于不存在运动习惯的用户的第二预设时间。

根据本发明一示例实施方式，所述步骤s1中，

当该用户只进行一级心肺耐力测试时，所述第一固定强度为所述一级测试强度的50％-80％；

当该用户进行了二级心肺耐力测试或三级心肺耐力测试时，

当所述靶心率的最大值＜二级测试心率时，所述第一固定强度为所述一级测试强度的50％-80％；

当所述靶心率的最大值≥二级测试心率时，所述第一固定强度为所述二级测试强度的50％-80％。

根据本发明一示例实施方式，所述步骤s2中，

当该用户只进行一级心肺耐力测试时，所述初始动态强度为所述一级测试强度；

当该用户进行了二级心肺耐力测试或三级心肺耐力测试时，

当所述靶心率的最大值＜二级测试心率时，所述初始动态强度为所述一级测试强度；

当所述靶心率的最大值≥二级测试心率时，所述初始动态强度为所述二级测试强度。

根据本发明一示例实施方式，所述步骤s3中，所述第二固定强度为动态调整期结束时目标强度的50-80％。

根据本发明的第三方面，提供一种根据心率调节速度和坡度的跑步机，包括：心率监测模块、跑步机、速度和坡度计算调节模块；

所述心率监测模块与所述速度和坡度计算调节模块连接，用于监测用户的当前心率；

所述速度和坡度计算调节模块与所述跑步机连接，用于根据所述根据心率变化实时调整跑步机速度和坡度的方法或所述基于用户心率控制跑步机的运动训练方法调节跑步机的速度和坡度。

本发明的有益效果是：

本发明在用户使用跑步机之前，通过建立心率与运动负荷之间的多项式关系，将目标心率输入到公式中，就能输出相应的目标强度，随后将强度转换为对应的速度和坡度，相比较现有跑步机调整方法存在单一化、离散化问题，本方法更能满足个性化、精细化的调整需求。本发明使用户(心血管疾病高危人群、健康人群)在运动干预执行时能够达到最佳的训练效率，将有效节省用户运动干预的时间，即在最少的时间内完成规定的运动量。

此外，本发明依赖用户真实的运动测试情况(包括一级、二级、三级测试心率和测试强度)，这种结合用户在运动情况下的真实心率反应来调整强度的方法，更能快速完成恒定心率范围控制的目的。本发明在用户存在危险运动时，及时调整强度以保证用户长时间处在安全强度下运动，提高了运动干预的安全性。

附图说明

图1给出了基于用户心率控制跑步机的运动训练方法的流程图。

图2给出了热身期阶段的跑步机设置框图。

图3给出了动态调整期阶段设置方法的流程图。

图4给出了调整跑步机速度和坡度的流程图。

图5给出了建立多项式关系的流程图。

图6给出了冲刺期阶段的跑步机设置框图。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

根据本发明的第一个实施方式，提供一种基于用户心率控制跑步机的运动训练方法，如图1所示，包括以下步骤：

a：获取用户信息，包括运动靶心率、测试心率、测试强度、静息心率、静息强度、运动风险和运动习惯。

测试强度为用户在进行测试时物理运动负荷。测试心率为在预定的运动强度下的平均运动心率，通过心率表等设备进行检测。

测试心率、测试强度均通过心肺耐力测试获得，心肺耐力测试是指从静息状态到运动负荷下监测全导联心电图和血压变化，同时监测肺通气指标、摄氧量和二氧化碳排出量等代谢指标的一种运动试验。心肺耐力测验是目前唯一能够在一次试验中全面评估人体整体多系统功能的临床检测技术，是一级或二级预防及康复项目中的重要组成本部分。

用户通过进行心肺耐力的一级测试、二级测试和三级测试获得测试心率的结果，当用户只进行一级心肺耐力测试时，该用户的测试心率包括一级测试心率；当用户进行二级心肺耐力测试时，该用户的测试心率包括一级测试心率和二级测试心率；当用户进行三级心肺耐力测试时，该用户的测试心率包括一级测试心率、二级测试心率和三级测试心率；一级测试心率＜二级测试心率＜三级测试心率。

用户通过进行心肺耐力的一级测试、二级测试和三级测试获得测试强度的结果，当用户只进行一级心肺耐力测试时，该用户的测试强度包括一级测试强度；当用户进行二级心肺耐力测试时，该用户的测试强度包括一级测试强度和二级测试强度；当用户进行三级心肺耐力测试时，该用户的测试强度包括一级测试强度、二级测试强度和三级测试强度；一级测试强度＜二级测试强度＜三级测试强度。

静息心率是在清醒、不活动的安静状态下，每分钟心跳的次数。

静息强度为在静息情况下的物理负荷。一般在静息情况下每个人的物理负荷是一样的。运动风险根据对患者心血管、肺脏、代谢疾病的诊断、症状或体征，以及存在心血管疾病的危险因素来判断获得，将运动者分为三个危险类别：低危、中危、高危。

运动习惯通过体力活动水平问卷-短卷(ipaq-short)来评价，此问卷为国际上公认的问卷，该评价结果为低体力活动水平、中体力活动水平或高体力活动水平。评价为中体力活动水平或高体力活动水平时认为用户存在运动习惯，评价为低体力活动水平时认为用户没有运动习惯。

b：热身期：调整跑步机的强度为第一固定强度，使用户在第一预设时间内运动。

如图2所示，热身期阶段包括对跑步机进行两个方面的设置，一是跑步机的强度设置，二是跑步机的时间设置。

如果该用户只进行一级心肺耐力测试，则跑步机的强度即第一固定强度设置为一级测试强度的60％。如果该用户进行二级心肺耐力测试或三级心肺耐力测试，当用户的运动靶心率最大值＜二级测试心率时，跑步机的强度即第一固定强度设置为一级测试强度的60％；当用户的运动靶心率最大值≥二级测试心率时，跑步机的强度即第一固定强度设置为二级测试强度的60％。

本实施例中，目标心率的选择为靶心率范围上限和靶心率范围下限，但实际应用中不局限于此值，用户可以选择靶心率范围上限和下限之间的任意值，例如用户可以将目标心率设置为靶心率范围上限达到最高有效运动强度，也可以将目标心率设置为靶心率范围下限达到最低有效运动强度。

热身期的强度并不局限于一级测试强度或二级测试强度的60％，用户也可以根据自身情况自行选择热身期的强度例如一级测试强度或二级测试强度的50％、一级测试强度或二级测试强度的70％。

如果该用户没有运动习惯，则认为该用户属于提高期，此阶段的运动时间即第一预设时间设置为五分钟。如果该用户有运动习惯，则认为该用户属于提高期，此阶段的运动时间即第一预设时间设置为十分钟。也可以让用户通过跑步机展示页面自行选择提高期和适应期。

c：动态调整期：如图3所示，先调整跑步机的初始动态强度，然后根据心率变化实时调整跑步机的速度和/或坡度。

调整跑步机的初始动态强度：当该用户只进行一级心肺耐力测试时，用户的测试心率的信息只存在一级测试心率，初始动态强度设置为一级测试强度。当该用户进行了二级心肺耐力测试或三级心肺耐力测试时，当所述靶心率的最大值＜二级测试心率时，初始动态强度设置为一级测试强度；当所述靶心率的最大值≥二级测试心率时，初始动态强度设置为二级测试强度。

根据心率变化实时调整跑步机速度和/或坡度，如图4所示：

c1：实时监测并获取用户运动时的当前心率，如果用户的当前心率处在靶心率范围内，则不需要调整跑步机的速度和/或坡度；如果用户的当前心率不在该用户的靶心率的范围内，则执行步骤c2至步骤c5。其中，当前心率为当前时间前一分钟的平均心率。

c2：计算当前心率与靶心率范围均值的差距。

c3：如图5所示，根据该用户的测试心率、测试强度、静息心率和静息强度建立多项式公式。

当用户只进行一级心肺耐力测试时，其测试心率只有一级测试心率，测试强度只有一级测试强度，则建立静息心率、静息强度、一级测试心率和一级测试强度之间的多项式关系：

其中，

d为静息强度，单位为ml/(kg·min)；

d1为一级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

e为静息心率，单位为次/分钟；

e1为一级测试心率，单位为次/分钟；

c1和c2为最大摄氧量校正系数，单位为ml/(kg·min)；

y为跑步机当前强度与目标强度的差距，ml/(kg·min)；

x为当前心率与所述靶心率范围均值的差距，单位为次/分钟。

当用户进行二级心肺耐力测试时，其测试心率包括一级测试心率和二级测试心率，测试强度包括一级测试强度和二级测试强度，则建立一级测试心率、一级测试强度、二级测试心率和二级测试强度的多项式关系：

其中，

d1为一级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

d2为二级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

e1为一级测试心率，单位为次/分钟；

e2为二级测试心率，单位为次/分钟；

c1和c2为最大摄氧量校正系数，单位为ml/(kg·min)；

y为跑步机当前强度与目标强度的差距，ml/(kg·min)；

x为当前心率与所述靶心率范围均值的差距，单位为次/分钟。

当用户进行三级心肺耐力测试时，其测试心率包括一级测试心率、二级测试心率和三级测试心率，测试强度包括一级测试强度、二级测试强度和三级测试强度，则建立一级测试心率、一级测试强度、二级测试心率、二级测试强度、三级测试心率和三级测试强度的多项式关系：

其中，

d1为一级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

d2为二级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

d3为三级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

e1为一级测试心率，单位为次/分钟；

e2为二级测试心率，单位为次/分钟；

e3为三级测试心率，单位为次/分钟；

c1和c2为最大摄氧量校正系数，单位为ml/(kg·min)；

y为跑步机当前强度与目标强度的差距，ml/(kg·min)；

x为当前心率与所述靶心率范围均值的差距，单位为次/分钟。

步骤c2和步骤c3可以同时进行，也可以先进行步骤c2再进行步骤c3，还可以先进行步骤c3再进行步骤c2。

c4：将步骤c2中的当前心率与所述靶心率范围均值的差距输入到步骤c3中的多项式公式，计算得到跑步机的当前强度与目标强度的差值，并根据跑步机的当前强度和该差值获得目标强度。

c5：通过强度-速度/坡度转换公式将目标强度转换为目标速度和目标坡度，根据目标速度和目标坡度调整跑步机的速度和/或坡度。

强度-速度/坡度转换公式如下：

当速度≥6公里/小时，

当速度＜6公里/小时，

其中，

a为坡度，单位为％；

v为速度，单位为公里/小时，

目标强度单位为ml/(kg·min)。

可以只调整跑步机的速度、只调整跑步机的坡度或同时调整跑步机的速度和坡度。

在中高强度运动条件下，心率与运动负荷之间多项式关系，通过建立多项式关系，可以通过将目标心率输入到公式中就能输出相应的目标强度。基于公式进行调整，是一种连续性的调整方法，可以持续维持人体运动时在一定的强度范围内。多项式关系中，依赖于用户真实的运动测试情况(包括一级、二级、三级测试心率和测试强度)进行强度调整，更能反映用户在运动情况下的真实心率；同时，引入最大摄氧量调整系数c1和c2，基于真实的最大摄氧量对多项式公式进行校正，校正后的公式更为准确，更适应人体的运动。

d：冲刺期：调整跑步机的强度为第三固定强度，使用户在第三预设时间内运动。

如图6所示，冲刺期阶段包括对跑步机进行两个方面的设置，一是跑步机的强度设置，二是跑步机的时间设置。

如果该用户运动风险为低危时，第三预设时间为三分钟，第三固定强度为动态调整期结束时跑步机的动态强度的120％。冲刺期的强度并不局限于动态调整期结束时跑步机的动态强度的120％。用户也可以根据自身情况自行选择冲刺期的强度，例如动态调整期结束时跑步机的动态强度的110％、动态调整期结束时跑步机的动态强度的130％。

如果该用户运动风险为中危或高危时，第三预设时间为0分钟。

e：恢复期：调整跑步机的强度为第二固定强度，使用户在第二预设时间内运动。

恢复期阶段包括对跑步机进行两个方面的设置，一是跑步机的强度设置，二是跑步机的时间设置。

跑步机的强度即第二固定强度设置为动态调整期结束时的目标强度的60％。恢复期的强度并不局限于动态调整期结束时的目标强度的60％。用户也可以根据自身情况自行选择恢复期的强度，例如动态调整期结束时的目标强度的70％、动态调整期结束时的目标强度的65％。

如果该用户没有运动习惯，则认为该用户属于提高期，此阶段的运动时间即第二预设时间设置为五分钟。如果该用户有运动习惯，则认为该用户属于提高期，此阶段的运动时间即第二预设时间设置为十分钟。也可以让用户通过跑步机展示页面自行选择提高期和适应期。

通过以上方法，将用户的运动分为四个阶段，使用户能够根据运动的规律调整运动强度，提高运动效果。在动态调整期，根据用户自身的情况，动态且精确地调整用户的运动强度，进一步提高运动的有效性。

根据本发明的第二个实施方式，提供一种基于用户心率控制跑步机的运动训练方法，该方法与第一个实施方式的方法基本相同，不同之处在于，动态调整期步骤c3中，当用户进行三级心肺耐力测试时，其测试心率包括一级测试心率、二级测试心率和三级测试心率，测试强度包括一级测试强度、二级测试强度和三级测试强度，可以建立一级测试心率、一级测试强度、二级测试心率、二级测试强度、三级测试心率和三级测试强度的二次函数关系：

其中，

d1为一级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

d2为二级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

d3为三级测试强度，单位为ml/(kg·min)；

e1为一级测试心率，单位为次/分钟；

e2为二级测试心率，单位为次/分钟；

e3为三级测试心率，单位为次/分钟；

c1和c2为最大摄氧量校正系数，单位为ml/(kg·min)；

y为跑步机当前强度与目标强度的差距，ml/(kg·min)；

x为当前心率与所述靶心率范围均值的差距，单位为次/分钟。

根据本发明的第三个实施方式，提供一种根据心率调节速度和坡度的跑步机，包括：心率监测模块、跑步机、速度和坡度计算调节模块；

所述心率监测模块与所述速度和坡度计算调节模块连接，用于监测用户的当前心率；

所述速度和坡度计算调节模块与所述跑步机连接，用于根据第一个实施方式或第二个实施方式的方法调节跑步机的速度和坡度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。