Способ определения двигательной активности человека (спортсмена) и устройство для его реализации

011540 Изобретение относится к области спортивной медицины и касается способа определения двигательной активности человека (спортсмена), а точнее отдельной его части (руки или ноги), и устройства для его осуществления. Известен способ регистрации движения человека, заключающийся в проведении высокоскоростной фотосъемки, ввода изображений в ЭВМ и его последующей обработки с целью вычисления параметров движения, в том числе и двигательной активности. Такой способ имеет ряд недостатков: низкую точность определения параметров за счет различных ракурсов положения объекта съемки во времени; длительный процесс произведения вычислений, связанный с необходимостью ввода большого числа кадров изображений в ЭВМ и его анализа; предполагает определенные условия освещения человека в ходе съемки; предполагает нахождение человека в пределах прямой видимости кинокамер(ы); имеет высокую стоимость. Известен другой способ регистрации движений человека или его отдельных частей, состоящий в том, что в значимых точках тела человека размещают элементы, чувствительные к изменению их положения в пространстве, с помощью известных средств записывают и обрабатывают полученную информацию с помощью ЭВМ с получением данных о характере движений человека. В известном способе используют ряд пассивных отражающих элементов - меток, которые подсвечивают и проводят высокоскоростную съемку с помощью 3 и более телевизионных камер, соединенных с помощью высокоскоростных аналоговых каналов ввода со специализированной ЭВМ. Этот способ имеет более высокую точность определения параметров, однако также обладает рядом недостатков, так как требует обязательного нахождения человека в пределах видимости, требует облучения человека различного рода электромагнитными излучениями (подсветкой) и предполагает наличие дополнительного оборудования для подсветки меток, устройство для осуществления этого способа характеризуется высокой стоимостью. Также известен ряд аналогичных способов, основанных на измерении расстояний до меток на определенных частях тела человека с помощью измерения других физических величин, основанные на применении датчиков Холла, электромагнитных, электростатических и других датчиков. Все эти способы и устройства, их реализующие, имеют общие недостатки: необходимость воздействия на человека электромагнитным или электростатическим полями; ограниченная область действия, обусловленная конечной чувствительностью датчиков; более низкая, чем у оптических способов, точность, высокая стоимость. Наиболее близкими по сути изобретения являются способ и устройство - RU 2257846 С 1 Способ регистрации движений человека и устройство для его осуществления. Описываемый способ состоит в том, что в значимых точках тела человека размещают элементы,чувствительные к изменению их положения в пространстве, с помощью чувствительных к сигналам этих элементов средств записывают полученную от них информацию и обрабатывают записанную информацию с помощью ЭВМ с получением данных о характере движений человека, согласно изобретению, на теле человека (например, на руке) размещают одно трехкоординатное устройство измерения угловых отклонений, включающее три датчика угловой скорости, каждый из которых ориентируют в направлении одной из трех взаимно перпендикулярных осей (X, Y, Z) и записывают сигналы с выхода этих датчиков в энергонезависимую память, информацию из которой затем используют для последующей обработки. Целью настоящего изобретения является создание более простого и низкостоимостного способа регистрации двигательной активности человека (спортсмена), а точнее отдельной его части (руки), который не требовал бы для своего осуществления обязательного внешнего облучения (подсветки) испытуемого, привязки испытуемого к определенной ограниченной территории - зоне действия датчиков, не требовал бы определенной ориентации относительно средств, принимающих сигналы датчиков, а также целью изобретения является создание устройства для реализации такого способа, которое обеспечивало бы достаточную точность регистрации двигательной активности и не требовало бы больших затрат для изготовления. Поставленная задача достигается тем, что в способе определения двигательной активности человека, в значимой точке (например, на руке) вместо трехкоординатного устройства измерения угловых отклонений, включающего три датчика угловой скорости, каждый из которых ориентируют в направлении одной из трех взаимно перпендикулярных осей (X, Y, Z) размещают двухкоординатное устройство определения линейных перемещений в плоскости взаимно перпендикулярных осей (X и Y) - двухкоординатный акселерометр, данные с выхода которого оцифровывают с помощью аналого-цифрового преобразователя и обрабатывают непосредственно в измерительном устройстве, эти же данные могут быть считаны во внешнюю ЭВМ для сохранения результатов (например, в базе данных спортсменов). Известно,что двухкоординатный акселерометрhttp://www.analog.com/en/prod/0%2C2877%2CADXL202%2C00.html) позволяет измерять как наклон плоскости XY, так и линейные перемещения вдоль этих осей. Он не позволяет измерять только перемещения плоскости XY строго вертикально, т.е. перпендикулярно оси Z. Допустим, что устройство с таким акселерометром закреплено на запястье руки человека (спортсмена). Напряжение на аналоговых выходах-1 011540 акселерометров изменяется относительно средней точки питания. Кроме того, на аналоговых выходах акселерометров сигнал статический (т.е. держится до тех пор, пока существует наклон или линейное перемещение). Для того чтобы не измерять напряжение средней точки, мы будем вычислять абсолютную величину разности между выходными напряжениями в два последовательных момента времени t и t+1, а также суммировать показания с выходов X и Y, умножать ее на некий масштабирующий коэффициент K: где Xti, Xti+1, Yti, Yti+1 - оцифрованные сигналы с аналоговых выходов X и Y акселерометров для моментов времени t и t+1;K - некий масштабирующий коэффициент. Очевидно, что результирующая величина А будет эквивалентна как любым движениям акселерометра как вдоль осей X и Y, так и любым динамическим изменениям наклона плоскости XY. Исключением будет только движение плоскости строго вдоль оси Z. Теперь рассмотрим возможные движения акселерометра, закрепленного на запястье руки человека. Допустим, что человек находится в состоянии покоя, и двигается только его рука. Очевидно, что при движении акселерометр будет испытывать как наклоны плоскости XY, так и линейные перемещения вдоль этих осей. При этом, вычисляемая величина А будет эквивалентна интенсивности движений во всех случаях, кроме движения строго перпендикулярно плоскости XY, т.е. вдоль оси Z. Такое движение возможно только при попытке поднятия вертикально вверх согнутой в локтевом суставе руки. При вытянутой руке за счет того, что рука зафиксирована в плечевом суставе, движение вертикально вверх (вдоль оси Z) без смещения по осям (X и Y) вообще невозможно. В реальности тело спортсмена также двигается, поэтому акселерометр будет также фиксировать линейные перемещения, являющиеся следствием и движений тела. Причем, чем интенсивнее будет движение человека (его руки), тем большая величина А будет вычислена. Если эту величину накапливать в течение определенного времени Т=nt, то она может служить определенной мерой двигательной активности (интенсивности движения). Использование двухкоординатного акселерометра вместо трехкоординатного измерителя угловых перемещений значительно упрощает как аппаратную реализацию устройства (предполагает меньшее количество узлов и связей), так и алгоритм вычисления двигательной активности. Естественно также,что двухкоординатный акселерометр (акселерометр ADXL202E стоит 8,5 [http://www.analog.com]) имеет значительно меньшую стоимость, чем три датчика угловых ускорений (3 гироскопа ADXRS150 стоят 330 [http://www.analog.com]). Таким образом очевидно как упрощение устройства, так и снижение его стоимости. Кроме того, предлагаемые способ и устройство обеспечивают достаточно высокую точность измерений; не требуют жестких условий освещения или облучения человека какими-либо полями; не ограничивают область нахождения человека; обеспечивают более высокую скорость записи данных, чем высокоскоростная фотосъемка; позволяют регистрировать движения человека (или его частей) значительное время и на значительном расстоянии. В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его осуществления и прилагаемым чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства для определения двигательной активности человека согласно изобретению. На чертеже представлена функциональная схема устройства определения двигательной активности человека, а точнее отдельной его части (руки, ноги) - двухкоординатное автономное носимое измерительное микроконтроллерное устройство, содержащее два полупроводниковых датчика 1, 2 линейных перемещений (полупроводниковый двухкоординатный акселерометр), расположенных на взаимно перпендикулярных осях (X, Y), аналоговый мультиплексор 3, аналого-цифровой преобразователь 4, микроконтроллер 5, блок оперативной памяти 6 и высокоскоростной интерфейс USB 7. Выходы двух датчиков линейных перемещений (акселерометров) 1 и 2, расположенных на двух взаимно перпендикулярных осях X и Y, соединены во входами аналогового мультиплексора 3, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 4, выход которого подключен к соответствующим входам микроконтроллера 5, одна группа выходов которого соединена с управляющими входами аналогового мультиплексора 3, вторая группа входов/выходов микроконтроллера 5 соединена с входами/выходами блока оперативной памяти 6, а третья группа входов/выходов микроконтроллера 5 соединена с входами/выходами быстродействующего USB интерфейса 7, выход которого может быть соединен с внешней ЭВМ. Способ регистрации движений человека станет понятным из описания работы устройства. Устройство работает следующим образом. Полупроводниковые датчики линейных перемещений 1 и 2 - полупроводниковые акселерометры(например, ADXL202E фирмы Analog Devices) расположены на взаимно перпендикулярных осях (X и Y) в значимой точке тела человека, например на запястье руки. При движениях тела, в том числе и руки на сигнальных выходах акселерометров генерируются напряжения, эквивалентные линейным сдвигам или наклонам плоскости XY, эти значения поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 4 через аналоговый мультиплексор 3, которым управляет микроконтроллер 5. Сигналы оцифровываются в аналого-цифровом преобразователе 4 и с его выхода подаются на входы микроконтроллера 5, в котором-2 011540 происходит вычисление по вышеприведенной формуле и накопление полученной величины в блоке оперативной памяти 6. Другие входы/выходы микроконтроллера 5 соединены с входами/выходами высокоскоростного интерфейса USB 7, выход которого может быть соединен с внешней ЭВМ для быстрого считывания накопленных данных. Узлы аналогового мультиплексора 3, аналого-цифрового преобразователя 4, микроконтроллер 5, блок оперативной памяти 6, интерфейс USB 7 являются внутренними узлами используемой современной микросхемы C8051F342 фирмы Silicon Laboratories. Преимуществами предлагаемого способа и устройства состоят в следующем: сокращение аппаратных затрат по сравнению с прототипом; сокращение стоимости устройства по сравнению с прототипом; отсутствие необходимости в воздействии на человека внешними электростатическими, электромагнитными или иными полями, вредными для здоровья; испытуемый человек полностью свободен от территориальных ограничений (ни креплениями, ни используемым оборудованием, ни зоной видимости или уверенного радиоприема); испытуемый человек свободен от определенной ориентации в пространстве, например, чтобы датчики были освещены или повернуты к приемной антенне или фотоприемнику; скорость регистрации при данном способе и устройстве существенно выше, чем в противопоставляемых устройствах, так как не ограничивается необходимостью в ручных измерениях, пропускной способностью каналов связи и т.п. Используемые в заявляемом способе устройства автономны, т.е. не имеют во время измерений и регистрации ни связи с компьютером, ни с внешним питанием, следовательно, не имеют проводов и других элементов, мешающих естественному движению испытуемого человека. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ определения двигательной активности человека, состоящий в том, что в значимых точках тела человека размещают элементы, чувствительные к изменению их положения в пространстве, с помощью чувствительных к сигналам этих элементов средств записывают полученную от них информацию и обрабатывают записанную информацию с помощью ЭВМ с получением данных о характере движения человека, отличающийся тем, что на теле человека, а точнее на запястье руки размещают по одному автономному микроконтроллерному устройству, включающему два измерителя линейных перемещений и наклонов, ориентированных в направлении перпендикулярных осей X и Y, а полученные с их выходов сигналы оцифровывают, вычисляют на их основе величину, эквивалентную двигательной активности, и накапливают ее в оперативной памяти, данные из которой могут быть считаны через высокоскоростной интерфейс во внешнюю ЭВМ, например, для сохранения в базе данных. 2. Устройство для определения двигательной активности человека, содержащее средство определения перемещения, аналоговый мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер,высокоскоростной интерфейс USB, отличающееся тем, что средство определения перемещения выполнено в виде двух ориентированных по взаимно перпендикулярным осям X и Y датчиков линейных перемещений, связанных с входами аналогового мультиплексора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входами микроконтроллера, выходы которого соединены с входами аналогового мультиплексора, блока оперативной памяти и высокоскоростного интерфейса USB.