Способ регистрации движений человека и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области спортивной гимнастики. Способ состоит в том, что на теле человека размещают по меньшей мере одно трех-координатное микроконтроллерное устройство измерения угловых отклонений, включающее три датчика угловой скорости. Каждый датчик ориентируют в направлении одной из трех взаимно перпендикулярных осей (X, Y, Z), записывают сигналы с выходов этих датчиков в энергонезависимую память. Информацию с памяти обрабатывают с помощью ЭВМ с получением данных о характере движений человека. Устройство содержит три датчика угловой скорости, аналоговый мультиплексор, подключенный входами к выходам датчиков углового отклонения и выходом ко входу аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллер, подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя, и блок памяти, подключенный к выходу микроконтроллера. Блок памяти включает в себя два соединенных параллельно массива буферной памяти и энергозависимую память. Способ и устройство обеспечивают высокую точность регистрации движений человека и не ограничивают зону его действия. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области спортивной медицины и более точно касается способа регистрации движений человека (спортсмена) и устройства для его осуществления.
Известен способ регистрации движений человека (спортсмена) или частей его тела (конечностей), заключающийся в проведении высокоскоростной фотосъемки, ввода изображений в ЭВМ и их последующей обработки с целью вычисления траекторий движения как человека в целом, так и отдельных его частей. Такой способ имеет ряд недостатков: низкую точность определения траектории движения за счет различных ракурсов положения объекта съемки и отсутствия точной привязки координат отдельных частей тела; длительный процесс проведения вычислений, связанный с необходимостью ввода большого числа кадров изображений в ЭВМ и их анализа; предполагает определенные условия освещения человека в ходе съемки; предполагает нахождение человека в пределах прямой видимости кинокамеры(ы); имеет высокую стоимость.
Известен также способ регистрации движений человека, состоящий в том, что в значимых точках тела человека (конечности, голова, туловище) 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. В известном способе используют ряд пассивных отражающих элементов - меток, которые подсвечивают и проводят высокоскоростную съемку с помощью 3-х и более телевизионных камер, соединенных с помощью высокоскоростных аналоговых каналов ввода со специализированной ЭВМ.
Данный способ реализуется с помощью устройства регистрации движений человека, содержащего средство определения перемещения заданной точки, средство преобразования сигналов средства определения перемещения в форму, удобную для хранения и обработки, и средство накопления и хранения информации (см. Human movement tracking technology: resources // Prepared by: Axel Mulder, School of Kinesiology, Simon Fraser University, 8 May 1998, в частности, Bioengineering Technology & Systems / Superfluo: ELITE Date; Selspot AB: SELSPOT II Date; Northern Digital Inc.: Optotrak Date: Log-In sri.: COSTEL Date и ряд других). Однако данный способ также требует обязательного нахождения человека в пределах видимости, наличия 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, например с использованием датчика Холла, пьезорезистивных, электромагнитных и электростатических датчиков. Все эти известные способы и устройства, их реализующие, имеют общие недостатки, состоящие в том, что требуют необходимого воздействия на человека электромагнитными или электростатическими полями, характеризуются ограниченной областью действия, обусловленной конечной чувствительностью датчиков, имеют более низкую, чем у оптических способов точность, высокую стоимость.
В основу изобретения поставлена задача создать способ регистрации движений человека, который не требовал бы для своего осуществления обязательного внешнего облучения (подсветки) испытуемого, привязки к определенной ограниченной территории (зоне действия датчиков), обязательного нахождения человека в зоне прямой видимости и определенной ориентации относительно принимающих сигналы датчиков средств, а также создать устройство для реализации такого способа, которое обеспечивало бы высокую точность регистрации и не требовало бы больших затрат для своего изготовления.
Поставленная задача решается тем, что в способе регистрации движений человека, состоящем 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 размещают по меньшей мере одно трехкоординатное микроконтроллерное 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 с которой затем используют для последующей обработки.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве регистрации движений человека, содержащем средство определения перемещения заданной точки, средство преобразования сигналов средства определения перемещения в форму, удобную для хранения и обработки, и средство накопления и хранения информации, согласно изобретению средство определения перемещения выполнено в виде трех ориентированных по трем взаимно перпендикулярным осям (X, Y, Z) датчиков угловой скорости с дифференциальными выходами, связанными со входами аналогового мультиплексора, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, при этом устройство содержит микроконтроллер, подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя, и блок памяти, подключенный к выходу микроконтроллера.
В предпочтительном варианте датчики являются пьезоэлектрическими датчиками скорости поворота.
Целесообразно также, чтобы блок памяти включал в себя два соединенных параллельно двухпортовых массива оперативной буферной памяти и энергонезависимую память, причем массивы буферной памяти были бы выполнены с возможностью поочередного подключения одним портом к выходу микроконтроллера и одновременно вторым портом ко входу энергозависимой памяти по мере заполнения соответствующего массива.
Способ согласно изобретению и устройство для его реализации обеспечивают 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, требуют для своей реализации значительно более низких затрат.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его осуществления и прилагаемым чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства для регистрации движений человека согласно изобретению.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства регистрации движений человека - трехкоординатного микроконтроллерного устройства измерения угловых отклонений, содержащего три пьезоэлектрических датчика 1, 2, 3 скорости поворота (угловой скорости) с дифференциальным выходом, расположенных на взаимно перпендикулярных осях (X, Y, Z), три неинвертирующих интегрирующих усилителя 4, 5 и 6, аналоговый мультиплексор 7, аналого-цифровой преобразователь 8, микроконтроллер 9, два массива 10 и 11 буферной памяти, энергонезависимую память 12 большого объема, интерфейс RS232C 13, считывающее устройство прибора iButton™ 14, три кнопки управления сброса 15, записи 16 и останова 17.
Первые сигнальные выходы датчиков 1, 2 и 3 скорости поворота (угловой скорости) соединены с первыми неинвертирующими входами интегрирующих усилителей 4, 5 и 6, выходы которых соединены с первым, третьим и пятым входами аналогового мультиплексора 7, а вторые инвертирующие входы интегрирующих усилителей 4, 5 и 6 соединены со вторыми опорными выходами датчиков 1, 2 и 3 скорости поворота и вторым, четвертым и шестым входами аналогового мультиплексора 7 соответственно, выход которого, в свою очередь, соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 8. Выход последнего подключен ко входу микроконтроллера 9, одна группа выходов которого соединена с управляющими входами аналогового мультиплексора 7, другая группа входов/выходов микроконтроллера 9 соединена с двумя массивами 10 и 11 буферной памяти, входы/выходы которых соединены с энергонезависимой памятью 12, кроме того, один вход микроконтроллера 9 соединен с выходом считывающего устройства прибора iButton 14, а еще три входа - выходами трех кнопок сброса 15, записи 16 и останова 17.
Два соединенных параллельно двухпортовых массива 10, 11 буферной памяти и энергозависимая память 12 образуют блок памяти. При этом массивы 10 и 11 буферной памяти соединены с энергозависимой памятью 12 с возможностью поочередного подключения одним портом (входом) к выходу микроконтроллера 9 и одновременно вторым портом (выходом) ко входу энергозависимой памяти 12, по мере заполнения соответствующего массива 10 или 11 памяти.
Прибор iButton представляет собой автономное микроконтроллерное устройство с энергозависимой памятью. В данном случае может быть использован один из двух типов приборов iButton - DS1991 или DS1994 (фирмы Dallas-Maxim Corp.) Указанный тип носителя содержит круглый стальной корпус, в который помещен кристалл памяти, микроконтроллер и миниатюрная литиевая батарейка. Помимо защитных свойств стальной корпус также выполняет функцию электрических контактов. Доступ к содержимому памяти прибора осуществляется только через две линии: земляную и двунаправленную сигнальную по двунаправленному оригинальному последовательному интерфейсу. Взаимодействие с прибором обеспечивается кратковременным касанием зонда (контактной площадки) с корпусом iButton.
Способ регистрации движений человека (спортсмена) станет понятным из описания работы устройства.
В значимых точках тела человека (конечностях, голове) размещают элементы, чувствительные к изменению их положения в пространстве. В данном случае закрепляют по меньшей мере одно трехкоординатное микроконтроллерное устройство согласно изобретению.
Устройство работает следующим образом. Все три пьезоэлектрических датчика 1, 2, 3 скорости поворота (угловой скорости) с дифференциальным выходом, расположенных на взаимно перпендикулярных осях (X, Y, Z), выполнены на элементах ENC03J фирмы Murata. Эти датчики имеют два выхода - первый сигнальный и второй опорный. При повороте датчика вокруг измерительной оси (при изменении положения контрольной точки в процессе движения человека) на сигнальном выходе относительно опорного генерируется напряжение, эквивалентное углу поворота датчика за единицу времени, т.е. скорости поворота датчика. Это напряжение подается на интегрирующие неинвертирующие усилители 4, 5 и 6 соответственно (выполненные на микросхемах, например, LM358), где усиливается и интегрируется с постоянной времени, равной одному периоду опроса аналого-цифрового преобразователя 8 для снижения собственных шумов датчика. Таким образом, на выходах усилителей 4, 5 и 6 появляются напряжения, эквивалентные угловым отклонениям устройства, и соответственно части тела человека, к которой устройство прикреплено. Эти напряжения поступают на первый, третий и пятый входы аналогового мультиплексора 7, а опорные напряжения датчиков 1, 2 и 3 поступают на второй, четвертый и шестой входы аналогового мультиплексора 7. Выход аналогового мультиплексора 7 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 8, а его выход - со входом микроконтроллера 9, группа выходов которого управляет аналоговым мультиплексором 7. Элементы функциональной схемы - аналоговый мультиплексор 7, аналого-цифровой преобразователь 8 и микроконтроллер 9 выполнены в виде одной микросхемы высокопроизводительного микроконтроллера фирмы Cygnal C8051F021. Микроконтроллер 9 с высокой скоростью, в несколько раз превышающей частоту регистрации движений человека, осуществляет последовательный опрос входов мультиплексора 7, аналого-цифровой преобразователь 8 осуществляет их преобразование в цифровую форму. Затем микроконтроллер производит цифровую фильтрацию данных, вычисляет разницу между сигнальным и опорным напряжением для каждого из датчиков и получает величины углов поворота устройства за интервал измерения по трем взаимно перпендикулярным осям координат X, Y и Z. Кроме того, он осуществляет свертку (уплотнение) полученных кодов для увеличения количества регистрируемых величин. Эти величины микроконтроллер 9 записывает в один из массивов 10 или 11 буферной памяти. При заполнении одного из массивов 10 или 11 памяти происходит его запись в энергонезависимую Flash память 12 и переключение на прием входного порта этого массива памяти (10 на 11 или наоборот). Таким образом, микроконтроллер 9 непрерывно посылает уплотненные данные в один из буферных массивов 10 или 11 без потери времени на запись в энергонезависимую память 12 с заданным шагом регистрации. Массивы 10 и 11 буферной памяти, а также энергонезависимая память 12 реализованы в одной микросхеме AT45DB642 фирмы Atmel. Эта микросхема предназначена для быстрой записи информации в энергонезависимую Flash память (DataFlash) и имеет объем 64 Мегабита или 8 Мегабайт. При заданном периоде регистрации, например 1 мс, количество байт, записываемых за 1 мс, составляет б (12-битовое число со знаком * 3 координаты). При этом в секунду регистрируется 6000 байтов, а полного объема одной микросхемы DataFlash (элементы 10, 11 и 12) достаточно для записи 1398 секунд или 23,3 минуты. Этого вполне достаточно для выполнения человеком-спортсменом любого упражнения, требующего регистрации. Поскольку для всесторонней регистрации движений может использоваться несколько таких трехкоординатных микроконтроллерных устройств, закрепленных, например, на туловище и конечностях, для синхронизации записи в микроконтроллере 9 используется программный таймер реального времени (Real Time Clock-RTC), который может синхронизироваться от прибора iButton DS1994, содержащего аппаратно реализованный таймер на 136 лет. Кроме того, этот прибор может также использоваться для идентификации человека-спортсмена. Для его использования предусмотрено устройство 14 считывания, соединенное с одним из входов микроконтроллера 9. Трехкоординатное устройство управляется тремя кнопками 15, 16 и 17, подключенными ко входам микроконтроллера 9. Кнопка 15 осуществляет программный сброс микроконтроллера 9, при этом устанавливается нулевой начальный адрес для записи данных в DataFlash (элементы 10, 11 и 12). Запись начинается при нажатии кнопки 16, останавливается при нажатии кнопки 17 и может быть продолжена при повторном нажатии кнопки записи 16. При нажатии кнопки 16 в DataFlash перед собственно регистрируемыми данными о движении человека записывается заголовок, содержащий идентификационные данные человека-спортсмена и реальное время начала записи, предварительно считанные с прибора iButton. Сохраненные данные устройство может передать для дальнейшей обработки на персональный компьютер (ЭВМ), для чего к микроконтроллеру 9 подсоединен интерфейс RS 232C, реализованный на микросхеме МАХ3232ЕЕАЕ. Передача данных может осуществляться по запросу персонального компьютера только после нажатия кнопки сброс 15 до включения режима записи кнопкой 16.
Преимущества способа и устройства согласно изобретению состоят в:
отсутствии необходимости воздействия на человека внешними электростатическими или электромагнитными полями,
независимости работы устройства от уровня освещенности,
отсутствии необходимости в нахождении человека в определенной ограниченной территории (зоне действия внешних датчиков),
отсутствии необходимости в определенной ориентации человека и нахождении его в зоне прямой видимости,
более высокой точности регистрации траектории движения человека, обусловленной прямым способом измерения угловых отклонений,
автономности устройства,
значительно более низкой стоимости устройства по сравнению с широко используемыми оптическими системами.
1. Способ регистрации движений 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 движений человека, отличающийся тем, что на теле человека размещают по меньшей мере одно трехкоординатное микроконтроллерное 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 выходов этих датчиков в энергонезависимую память, информацию с которой затем используют для последующей обработки.
2. Устройство регистрации движений человека, содержащее средство определения перемещения заданной точки, средство преобразования сигналов средства определения перемещения в форму, удобную для хранения и обработки, и средство накопления и хранения информации, отличающееся тем, что средство определения перемещения выполнено в виде трех ориентированных по трем взаимно перпендикулярным осям (X, Y, Z) датчиков угловой скорости с дифференциальными выходами, связанными со входами аналогового мультиплексора, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, при этом устройство содержит микроконтроллер, подключенный к выходу аналого-цифрового преобразователя, и блок памяти, подключенный к выходу микроконтроллера.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что датчики являются пьезоэлектрическими датчиками скорости поворота.
4. Устройство по любому из п. 2 или 3, отличающееся тем, что блок памяти включает в себя два соединенных параллельно двухпортовых массива оперативной буферной памяти и энергонезависимую память, причем массивы буферной памяти выполнены с возможностью поочередного подключения одним портом к выходу микроконтроллера и одновременно вторым портом ко входу энергозависимой памяти по мере заполнения соответствующего массива.
