Устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3d движения человека, в том числе антропоморфного механизма

Изобретение относится к области медицины, а именно к биомеханике, физической культуре и спорту. Предложено устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма. Устройство включает в себя объект исследования, по крайней мере, одно клиентское устройство, устройство приема и обработки информации о действиях объекта исследования, устройство отображения обработанных данных, которые последовательно соединены между собой. При этом клиентское устройство содержит микроконтроллер, акселерометр, гироскоп, магнитометр. Микроконтроллер имеет аккумулятор, устройство запуска, USB вход, а выходы всех перечисленных устройств соединены с входами микропроцессора. Кроме того, все элементы клиентского устройства помещены в гипоаллергенный корпус, а само клиентское устройство посредством беспроводных сетей соединено с устройством приема и обработки информации. Причем количество клиентских устройств и место их установки зависит от характера выполняемых движений объектом исследования, а база данных движений объекта исследования находится в устройстве приема и обработки информации. Изобретение обеспечивает увеличение точности измерения кинематических характеристик 3D движения. 3 ил.

 

Устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма.

Изобретение относится к области биомеханики, физической культуры и спорту, в частности, может быть использовано для измерения координат, скоростей, ускорений и углов, угловых скоростей и угловых ускорений движения звеньев 3D стержневой модели человека или антропоморфного механизма (в дальнейшем объект исследования) в реальном масштабе времени, а также для совершенствования процесса тренировки спортсменов в сложно координационных видах спорта.

Кроме того, решение может быть использовано в области робототехники при проектировании антропоморфных механизмов различного назначения.

В настоящее время существует необходимость в контроле и анализе движений человека, а также антропоморфного механизма, например, для анализа движений спортсмена во время тренировки или антропоморфного механизма, что является достаточно сложной задачей. Наиболее точно проконтролировать движения объекта исследования можно с помощью измерения кинематических характеристики 3D движения человека [1].

В современном мире очень сложно точно измерить кинематические характеристики 3D движения, но их измерение необходимо для изучения движений человека и прогнозирования ошибок при их выполнении, например, в спорте, чтобы избежать травмирования человека или порчу антропоморфного механизма. Именно поэтому необходим полный анализ и контроль за движениями человека или антропоморфного механизма.

Известны, например, следующие способы измерения кинематических характеристик 3D движений.

Так в способе и устройстве [2] измеряют кинематические характеристики, фотографируя каждое движение и обрабатывая его. Однако данный способ может быть использован только в ограниченном пространстве с хорошим освещением.

В другом известном способе [3] «Methods and computing devices to measure musculoskeletal movement deficiencies» захват движения осуществляют через обработку изображения, полученного через видеозахват, например Microsoft Kinect. Этот способ обладает высокой точностью обработки информации, но может быть использован только в случае, если в эксперименте участвует один человек, так как при большем количестве людей, каждый из участников эксперимента может загораживать камеру и в этом случае будет потеря данных.

Еще в одной известной системе и способе для медицинского использования отображения и захвата движения [4] используется захват движения и сопоставление осуществленного движения с имеющейся базой данных. Эта система является наиболее близкой к заявляемому и выбрана в качестве прототипа.

Эта система детектирования движений содержит датчик, выполненный с возможностью детектирования шаблона движений, выполняемых пользователем, а также устройство управления, выполненное с возможностью приема данных движения, представляющих детектированный шаблон движений.

В одном варианте осуществления изобретения датчик представляет собой: датчик ускорения, датчик положения, датчик скорости и гироскопический датчик. Каждый из таких датчиков предоставляет данные, из которых можно вывести шаблон движения.

В другом варианте осуществления изобретения датчик представляет собой датчик ускорения, детектирующий ускорение движения, выполняемого пользователем в, по меньшей мере, одном направлении. Датчик ускорения в особенности пригоден для предоставления данных о том, является ли шаблон движения ритмическим и/или плавным.

В третьем варианте осуществления изобретения датчик представляет собой датчик ускорения, детектирующий скорость движения, выполняемого пользователем в, по меньшей мере, двух направлениях, при этом устройство управления выполнено с возможностью определения среднего значения ускорения, усредняя ускорения в упомянутых направлениях. Это обеспечивает повышение точности детектирования шаблона движений.

Несмотря на разнообразие в этом способе систем видео захвата, эти комплексы имеют следующие недостатки:

1. Комплексы занимают много пространства и пригодны только к определенным помещениям, оборудованным под условия использования камер;

2. Используемая приборная база является сложной и дорогостоящей;

3. На теле человека располагаются специальные маркеры, которые позволяют камере увидеть части тела человека и получить данные о перемещении, но если маркеры будут перекрыты и станут невидимы для камеры, то данные не будут получены и обработаны;

4. Определяют только траекторию движения. Для того чтобы получить ускорение, необходимо преобразовать полученные данные через формулы, а это приводит к искажению полученных данных.

На этом основании применение систем видео захвата для решения наиболее актуальных задач биомеханики, например прямая и обратная задача механики, представляется весьма сомнительным, по этим же причинам ограничено применение существующих систем видеозахвата в робототехнике [5]. Прямая задача механики - по характеру движения определить действующую на тело силу. Обратная задача механики - по заранее измеренной силе определить характер движения.

Указанные недостатки не снижают важности получаемых на них результатов, однако показывают на ограничение в их широком использовании, делающие практически невозможным определения сил и моментов, формирующих исследуемое движение.

Задачей, которую решает предлагаемое устройство, является увеличение точности измерения кинематических характеристик 3D движения за счет использования устройства непосредственно на объекте исследования, а также расширение его функциональных возможностей и упрощение устройства.

Указанная задача в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что в устройстве дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма, включающем объект исследования, по крайней мере, одно клиентское устройство, устройство приема и обработки информации о действиях объекта исследования, устройство отображения обработанных данных, которые последовательно соединены между собой, клиентское устройство содержит микроконтроллер, акселерометр, гироскоп, магнитометр, при этом микроконтроллер имеет аккумулятор, устройство запуска, USB вход, при этом выходы всех перечисленных устройств соединены с входами микропроцессора, кроме того, все элементы клиентского устройства помещены в гипоаллергенный корпус, а само клиентское устройство посредством беспроводных сетей соединено с устройством приема и обработки информации, причем количество клиентских устройств и место их установки зависит от характера выполняемых движений объектом исследования, база данных движений объекта исследования находится в устройстве приема и обработке информации.

Таким образом, предлагаемое устройство осуществляет прямое измерение в режиме реального времени пространственных координат, скоростей, ускорений, угловых координат, скоростей и ускорений в точке крепления и передает их по Bluetooth на компьютер со специальным программным обеспечением, что позволяет решить поставленную в предлагаемом способе задачу.

На фиг. 1 представлена блок-схема, реализующая автоматизированный способ дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма, где:

1. Объект исследования

2. Клиентское устройство

3. Устройство приема и обработки информации

4. Устройство отображения информации

На фиг. 2 представлена блок-схема клиентского устройства (2), где:

5. Микроконтроллер

6. Bluetooth

7. Датчик акселерометра

8. Датчик гироскопа

9. Датчик магнитометра

10. Аккумулятор

11. Устройство запуска

12. USB-вход для зарядки устройства.

На фиг. 3 изображены траектории движения руки объекта исследования, полученные во время физической активности объекта исследования, где:

а - распрямление руки (плоскость z),

b - вращение руки вокруг своей оси (плоскость у),

с - подъем руки (плоскость х).

На верхнем графике изображены ускорения кулака во время первого удара. Ускорения изображены в трех плоскостях х, у, z. На нижнем графике изображены изменения угловой скорости кулака.

Уствройство работает следующим образом.

Клиентское устройство (2) закрепляют на объекте исследования (1), объект исследования (1) совершает двигательную деятельность. Клиентское устройство (2) собирает данные о движениях, совершенных объектом исследования (1), и передает данные посредством беспроводных сетей Bluetooth на устройство приема и обработки информации (3). Программа обработки информации, установленная на устройстве приема и обработки информации (3), обрабатывает и анализирует полученные данные от клиентского устройства (2). Далее эти данные сохраняются в базе данных, расположенной в устройстве приема и обработки информации(З).

Обработанные данные готовы для просмотра и анализа специалистом. Далее специалист составляет рекомендацию для объекта исследования (1), с учетом его индивидуальности.

Клиентские устройства (2) (по числу узлов механизма) закрепляют на стержнях механизма. С клиентского устройства (2) снимают координаты, скорости и ускорения точки крепления, и углы, угловые скорости и угловые ускорения стержня, т.е. полный комплект 3D кинематических характеристик. Сигнал с каждого клиентского устройства (2) по Bluetooth передают на экран компьютера, который восстанавливает все кинематические характеристики в проекциях на оси OXYZ.

Устройство прошло апробацию на кафедре бокса НГУ им. П.Ф. Лесгафта. Исследовался прямой удар, клиентское устройство (2) были закреплены на предплечье и плече. Информация, выводимая на монитор, представлена на фиг. 3 - Траектории точек крепления клиентских устройств (2) (пересчитаны в узлы модели): пространственное изображение (слева), проекции на оси (справа, по оси абсцисс отложено время в мкс). Для проверки была вычислена интегральная характеристика - время удара (фиг. 3), оно совпала с прямым результатом, полученным при скоростной видеосъемке.

Таким образом, задача увеличения точности измерения кинематических характеристик 3D движения решена за счет возможности расположения клиентского устройства непосредственно на объекте исследования.

Измерения можно выполнять сразу на нескольких объектах исследования, т.к. данные о выполнении движения человека передаются непосредственно в устройство приема и обработки информации, что расширяет функциональные возможности способа.

Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет управлять тренировочным процессом спортсмена.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. http://medtechcenter.ifmo.ru/index.php/informatsionnye-tekhnologii-v-meditsine/biomekhanicheskoe-modelirovanie.

2. Патент US 9700242 B2 Motion information processing apparatus and method) Kazuki UTSUNOMIYA, KousukeSakaue, Satoshi Ikeda, Yoshihisa Yoshioka.

3. Патент US 20150130841 A1 Methods and computing devices to measure musculoskeletal movement deficiencies Navjot Kohli, Jivtesh Singh, Christopher Rogers, Miroslav Smukov.

4. Пат. №2603047 Российская Федерация МПК А61В 5/11, А61Н 5/00, G06T 7/20 Система и способы для медицинского использования отображения и захвата движения / Вараклис Джон, Смит Крэйг, патентообладатель Новартис Аг (СН), завл. 23.01.2012, опубл. 20.11.2016. Бюл. №32 - прототип.

5. Вукобратович, М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы: / М. Вукобратович; пер. с англ. А.Ю. Шнейдера; под ред. В.С. Гурфинкеля. - Москва: Мир, 1976. - 541 с.

Устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма, включающее объект исследования, по крайней мере, одно клиентское устройство, устройство приема и обработки информации о действиях объекта исследования, устройство отображения обработанных данных, которые последовательно соединены между собой, отличающееся тем, что клиентское устройство содержит микроконтроллер, акселерометр, гироскоп, магнитометр, при этом микроконтроллер имеет аккумулятор, устройство запуска, USB вход, при этом выходы всех перечисленных устройств соединены с входами микропроцессора, кроме того, все элементы клиентского устройства помещены в гипоаллергенный корпус, а само клиентское устройство посредством беспроводных сетей соединено с устройством приема и обработки информации, причем количество клиентских устройств и место их установки зависит от характера выполняемых движений объектом исследования, база данных движений объекта исследования находится в устройстве приема и обработки информации.