CZ307524B6

CZ307524B6 - Zařízení pro měření sil působících na brusli

Info

Publication number: CZ307524B6
Application number: CZ2017-274A
Authority: CZ
Inventors: Petr Šťastný; Petr Kubový; František Lopot; Karel Jelen
Original assignee: Univerzita Karlova, Fakulta tělesné výchovy a sportu
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-11-07
Also published as: US20180333628A1; US10500463B2; CZ2017274A3; WO2018210357A1

Abstract

Předmětem vynálezu je zařízení pro měření sil působících na brusli, který zahrnuje držák (1) nože (2) brusle a nůž (2) brusle, přičemž držák (1) nože (2) zahrnuje přední nosník a zadní nosník a nůž (2) zahrnuje alespoň jeden snímač nastavený k měření sil působících na nůž (2) a současně lze nůž (2) vyjmout z držáku (1) nože (2). Zařízení dále ve výhodném provedení zahrnuje alespoň jednu komponentu ze skupiny sestávající z kinetické jednotky (6), dataloggeru (7), A/D převodníku (8), zdroje (9) energie a zesilovače (10), která může být umístěna v předním nebo zadním nosníku, popř. připevněna k nastavitelné úchytce (14) nebo umístěna ve vnější jednotce (19).

Description

Zařízení pro měření sil působících na brusli

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká oblasti zařízení pro měření sil, které působí na brusli v průběhu bruslení. Přesněji řečeno, předkládaný vynález poskytuje nové možnosti detekce, uchovávání a přenosu dat týkajících se kinetiky a sil působících na brusli při bruslení. Tento přístroj je navržený, aby kromě těchto kontaktních sil měřil i jiné parametry pohybu, jako jsou zrychlení, rychlost nebo relativní poloha.

Dosavadní stav techniky

Jelikož vědecká a zdravotní (medicínská) data zaujímají důležitou roli při vyhodnocování výkonu profesionálních sportovců, začaly být vyvíjeny výrazné snahy k zabudování různých snímačů přímo do sportovního vybavení. Obecně jsou takové snímače používané k měření sil působících na sportovce i vybavení, stejně jako k měření ostatních parametrů, nápomocných při optimalizaci výkonů sportovců a způsobů tréninku.

Velká pozornost je věnovaná obuvi sportovců. Důvodem této pozornosti je to, že interakce mezi obuví a povrchem představuje v mnoha případech celkové síly působící na sportovce. Podrobná analýza interakcí mezi obuví a povrchem je poměrně důležitá k další optimalizaci výkonu sportovců, jelikož podává hodnotné informace o technice, zátěži a zvycích sportovců.

Je zaznamenaný výrazný trend ve využívání různých snímačů v podrážkách běžecké či atletické obuvi. Mimo jiné mohou snímače měřit tlak (sílu) působící na nohu či zatížení uvnitř podrážky obuvi. Příkladem takového vynálezu je dokument CN 105725355, ve kterém jsou popsány tlakové snímače uvnitř obuvi. Tento dokument popisuje přední tlakový snímač v podrážce a zadní tlakové snímače v patě. Oba snímače jsou připojeny k centrální jednotce, ve které je vyhodnocený celkový tlak. Popsaný vynález je využívaný jako systém včasného upozornění na poranění kolenního kloubu.

Další příklad zmíněné skupiny vynálezů je popsaný v patentové přihlášce CN 103355831. Zmíněný dokument popisuje běžeckou obuv vybavenou snímači pro zrychlení. Sportovci tedy mají okamžité informace o svém běžeckém výkonu. Snímače akcelerace jsou umístěny v podrážce obuvi.

Dalším příkladem využití snímačů jako zdroje informací o silách působících na obuv je užitný vzor CN 203969383. Toto snímací zařízení je připevněno k podrážce obuvi. Hlavní funkcí zmíněného snímacího zařízení je poskytnutí informací o horizontální zátěži působící na obuv. Nicméně je také využíváno ke sběru informací o vertikální složce síly, k výpočtu doby dopadu a odrazu.

Kromě běžecké či atletické obuvi existují také vynálezy vztahující se k použití snímačů na obuvi pro bruslení na ledě. Takové snímače jsou použity v mnoha variacích, ale obecným záměrem je poskytnutí stejných informací jako snímače na běžecké či atletické obuvi.

Jedno takové snímací zařízení je popsáno v patentové přihlášce US 2011/0166821. Snímač, který je nastavený k měření zrychlení a zpomalení brusle při bruslení, je připevněný ke straně obuvi při bruslení na ledě. Informace přenášené snímačem jsou vysílány do ovládací jednotky připevněné ke sportovcově noze. Očividnou nevýhodou tohoto vynálezu je nutnost umístění snímače i ovládací jednotky na boční stranu obuvi, v tomto případě dolní končetiny. Další nevýhodou takového zařízení je omezený rozsah informací získaných snímačem.

- 1 CZ 307524 B6

Další příklad snímače pro bruslení na ledě je popsaný v dokumentu US 2016/0038788. Zmíněný dokument popisuje měřicí zařízení zahrnující snímače a ovládací jednotky. Zmíněné snímače jsou umístěny mezi botou brusle a držákem nože brusle, zatímco ovládací jednotky jsou umístěny pod snímačem, uvnitř držáku nože brusle. Očividnou nevýhodou je umístění snímačů mezi obuví a držákem nože. Bruslař tedy musí v případě, že by chtěl změnit druh snímače či obuvi brusle, vyměnit buď obuv, nebo držák nože.

Ještě dalším příkladem takového zařízení, které je nastavené k monitorování pohybu bruslaře, je popsané v patentové přihlášce WO 2009146525. Patentová přihláška popisuje zařízení k měření různých druhů vlastností pohybu. Zařízení se skládá ze dvou částí: ovládací jednotky a snímačů. Tyto snímače mohou být připevněny ktělu bruslaře nebo i kjeho vybavení, jako jsou helma či hokejka. Zmíněné snímače jsou nastaveny k měření informací o zrychlení, době bruslení atd. Ovládací jednotka je nastavena ke sběru informací vysílaných snímači. Očividnou nevýhodou popsaného zařízení je umístění ovládací jednotky mezi nosníky nože brusle, kvůli zvýšené možnosti poškození. Popsané zařízení je zamýšleno k použití v ledním hokeji, při němž je vysoká pravděpodobnost zasažení ovládací jednotky hokejovým pukem. Zmíněný dokument také neposkytuje prostředky k měření sil působících na brusli.

Podstata vynálezu

Výše zmíněné nevýhody jsou překonány předkládaným vynálezem zařízení pro měření sil, které působí na brusli, zahrnujícího držák nože brusle a nůž brusle. Zmíněný držák nože brusle zahrnuje přední nosník a zadní nosník, přičemž nůž zahrnuje alespoň jeden snímač nastavený k měření sil působících na nůž. Dalším významným prvkem vynálezu je možnost vyjmutí nože z držáku nože.

Správného fungování předkládaného vynálezu je dosaženo pomocí alespoň jednoho snímače ze skupiny odporových tenzometrů, kapacitních dráhových snímačů, polovodičových tenzometrů nebo piezoelektrických snímačů. Další výhodou je, že signál z alespoň jednoho snímače je získaný jako samostatný signál.

Ještě dalšího vylepšení předkládaného vynálezu je dosaženo pomocí teplotního čidla. Navíc může být alespoň jeden snímač umístěný v drážce nože.

Zařízení pro měření sil dále zahrnuje alespoň jednu elektrickou součástku vybranou ze skupiny sestávající se z kinetické jednotky, dataloggeru, A/D převodníku, zdroje energie a zesilovače, přičemž alespoň jedna elektrická součástka ze zmíněné skupiny je umístěna v předním nosníku nebo zadním nosníku.

Další výhodou předkládaného vynálezu je, že kinetická jednotka a zesilovač mohou být připevněny nastavitelnou úchytkou, přičemž tato nastavitelná úchytka je umístěna mezi předním nosníkem a zadním nosníkem, přičemž kinetická jednotka a zesilovač jsou připojeny k dataloggeru, přičemž A/D převodník a zdroj energie jsou umístěny ve vnější jednotce.

Dalším významným prvkem předkládaného vynálezu je, že nůž zařízení pro měření sil zahrnuje alespoň jeden snímač ze skupiny sestávající z předního mediálního snímače, předního laterálního snímače, zadního mediálního snímače a zadního laterálního snímače. Navíc může být signál z předního mediálního snímače, předního laterálního snímače, zadního mediálního snímače nebo zadního laterálního snímače měřený jako samostatný signál.

V ještě dalším provedení jsou signály ze snímačů synchronizované a snímané společně s daty z kinetické jednotky, která obsahuje alespoň jeden měřič ze skupiny sestávající z tříosého gyroskopu, tříosého akcelerometru a snímače vzdálenosti.

-2CZ 307524 B6

Spojení všech elektrických součástek je provedeno pomocí vodičů nebo jiného elektrického spojení tak, že snímače na noži jsou připojeny k zesilovačům a tyto zesilovače jsou připojeny k

A/D převodníku, který je dále připojený k dataloggeru a zdroji energie a zároveň je kinetická jednotka připojena k A/D převodníku, který je dále připojený k dataloggeru a zdroji energie.

V dalším provedení by připojení mohlo být provedeno následujícím způsobem. Snímače na noži jsou připojeny k zesilovačům a tyto zesilovače a kinetická jednotka jsou připojeny ke zdroji energie, dále jsou zesilovače a kinetická jednotka připojeny k A/D převodníku, který je dále připojený k dataloggeru.

Objasnění výkresů

Obrázek 1 je schematickým pohledem na držák nože brusle s umístěním elektroniky uvnitř držáku nože.

Obrázek 2 je schematickým pohledem na nůž brusle s připojenými snímači.

Obrázek 3 je schematickým pohledem na držák nože brusle s umístěním části elektroniky do nastavitelné úchytky.

Obrázek 4 je schematickým pohledem na brusli s vnější jednotkou.

Obrázek 5 je schematickým diagramem propojení jednotlivých elektrických komponent.

Příklady uskutečnění vynálezu

Obrázek 1 je schematickým nákresem držáku J_ nože 2 brusle, přičemž nůž 2 má mediální stranu a laterální stranu. Držák 1 nože 2 zahrnuje přední nosník 13 a zadní nosník 15. Oba nosníky 13, 14 jsou navrženy stejně jako jakékoliv komerčně používané držáky nožů bruslí na lední hokej, přičemž elektrické součástky mohou být umístěny uvnitř těchto nosníků j_3,14.

Měřicí zařízení podle tohoto vynálezu zahrnuje alespoň jeden snímač nastavený k měření sil, výhodně pak sadu alespoň čtyř takových snímačů 16, 17, 20, 21 umístěných na noži 2. V jednom provedení je přední mediální snímač 20 umístěný na horní části mediální strany nože 2, v oblasti pod předním nosníkem 13 a zadní mediální snímač 21 je umístěný na horní části mediální strany nože 2 v oblasti pod zadním nosníkem 15.

V dalším provedení jsou přední laterální snímač 16 a zadní laterální snímač 17 umístěny na laterální straně nože 2. Příklad těchto laterálních snímačů je poskytnutý na obrázku 2. Přední mediální snímač 20 a zadní mediální snímač 21 jsou umístěny v přibližně stejné pozici jako přední laterální snímač 16 a zadní laterální snímač 17, ale jsou umístěny na mediální straně nože 2.

Přední mediální snímač 20 je navržený k měření sil působících na nůž 2. Síly působící mezi povrchem (kluzištěm) a nožem 2 při bruslení jsou přenášeny skrze nůž 2, což umožňuje jejich měření jako síly působící mezi nožem 2 a držákem 1 nože 2. Takové síly mohou být měřeny pomocí odporových tenzometrů, polovodičových tenzometrů, piezoelektrických čidel nebo jakýchkoliv jiných tenzometrů. Snímače 16, 17, 20, 21 jsou navrženy k měření tahové, tlakové a ohybové napjatosti a působících sil. Výhodně může být měřicí zařízení vybaveno teplotním čidlem 18, které se používá k měření teploty v těsné blízkosti snímačů 16, 17, 20, 21 a které je využito ke kompenzaci termálního efektu. Existuje množství často používaných teplotních čidel 18, které mohou být umístěny poblíž snímačů 16, 17, 20, 21 na noži 2. Takové teplotu snímající prvky 18 mohou být zahrnuty v uspořádání snímačů 16, Γ7, 20, 21 k měření sil.

- d —

Přední mediální senzor 20 je dále připojený k zesilovači 10, který je umístěný uvnitř předního nosníku 13. Signál přicházející z předního mediálního senzoru 20 je zde zesílený a dále shromážděný či vysílaný skrze další elektrické součástky umístěné uvnitř předního nosníku 13. Takovými elektrickými součástkami mohou být kinetická jednotka 6, datalogger 7 a A/D převodník 8. Navíc je zásadním požadavkem poskytnutí zdroje 9 energie, jako je baterie či bateriový box.

Zadní mediální snímač 21, přední laterální snímač 16 a zadní laterální snímač 17 jsou použity stejným způsobem jako přední mediální snímač 20, popsaný výše. Síly působící na nůž 2 mohou být měřeny pomocí odporových tenzometrů, polovodičových tenzometrů, piezoelektrických snímačů nebo jakýchkoliv jiných tenzometrů. Signál je zesílený v zesilovači 10 a poté je shromážděný či vysílaný skrze další elektrické součástky, jako jsou kinetická jednotka 6, datalogger 7 a A/D převodník 8. Přední snímače 16, 20 jsou připojeny k elektrickým součástkám skrze přední propojovací otvor 4, zatímco zadní snímače 17, 21 jsou připojeny k elektrickým součástkám skrze zadní propojovací otvor 5. Kinetická jednotka 6 dále zahrnuje alespoň jeden měřič ze skupiny sestávající ze synchronizovaného tříosého gyroskopu 23, tříosého akcelerometru 24 a snímače 25 vzdálenosti. Signál z kinetické jednotky 6 je synchronizovaný a získaný společně se signálem ze senzorů 16, 17, 20, 21 na noži 2 brusle.

Výhodně jsou snímače 16, 17, 20, 21 zapojeny do Wheatstoneových čtvrtmůstků. Takové spojení umožňuje jak teplotní kompenzaci, tak zpracování signálu až v softwaru. Uspořádání čtyř snímačů 16, 17, 20, 21 podél nože 2 je výhodné, protože takové uspořádání umožňuje upřesnění bodu, ve kterém působí síla, např. zda síla působí na přední část nože 2 nebo na zadní část nože 2 a také k upřesnění směru působení síly, tj. medio-laterální či latero-mediální směr.

Spojení mezi zadním nosníkem 15 a předním nosníkem J_3, které je využito k přenosu signálu ze zadního mediálního snímače 21 a zadního laterálního snímače 17 na přední nosník 13, je provedeno pomocí vodičů vedoucích mezi zadním spojovacím průchodem 12 a předním spojovacím průchodem j_L Následně je zpracovaný signál přenesený do portu 3, kde může být buď vysílaný pomocí Wifi, nebo stažený přes USB modul.

Významným prvkem popsaného vynálezu je možnost rychlé výměny nože 2. Jelikož jsou snímače 16, 17, 20, 21 umístěny na noži 2, je možné použít buď různé druhy snímačů 16, 17, 20, 21, nebo různé druhy nožů 2. Z tohoto důvodu mohou být elektrické součástky umístěny uvnitř nosníků permanentně a bruslař si může vybrat, zda bude snímače 16. 17. 20, 21, případně druh snímače, používat či nikoliv.

Další výhodou popsaného vynálezu je, že elektrické součástky jsou ukryty uvnitř nosníků j_3,15, aby byly také ochráněny před poškozením. Pokud je pravděpodobné, že mohou být snímače 16, 17, 20, 21 umístěné na noži 2 poškozené, je vyjmutí, a tedy i snadná výměna, nože 2 z držáku 1 nože 2 velkou výhodou.

Obrázek 2 je schematickým nákresem nože 2. Po boční neboli laterální straně nože 2 jsou umístěny dva laterální snímače 16, 17 a dva mediální snímače 20, 21 jsou umístěny na opačné straně nože 2. Přední laterální snímač 16 je umístěný v oblasti pod předním nosníkem 13 a zadní laterální snímač 17 je umístěný v oblasti pod zadním nosníkem 15. Přední mediální snímač 20 je umístěný v oblasti pod předním nosníkem 13 a zadní mediální snímač 21 je umístěný v oblasti pod zadním nosníkem 15. Všechny snímače 16,17, 20, 21 jsou navrženy k měření laterálních sil působících na nůž 2 a jsou také navrženy k rozlišování medio-laterálních či latero-mediálních směrů. Výhodně jsou oba laterální snímače 16, 17 připojeny k teplotnímu čidlu 18, které je použito k měření a vyvážení vlivu teploty. V ještě dalším výhodném provedení jsou snímače 16, 17, 20, 21 umístěny v drážkách 22 snímačů 16,17, 20, 21. Takové uspořádání výrazně zvyšuje životnost snímačů 16, 17, 20, 21.

-4CZ 307524 B6

Obrázek 3 je schematickým nákresem držáku 1 nože 2 brusle. Držák 1 nože 2_zahmuje přední nosník 13 a zadní nosník 15, mezi kterými je umístěna nastavitelná úchytka 14. Ktéto nastavitelné úchytce 14 jsou připevněny kinetická jednotka 6 a zesilovač 10. Toto uspořádání umožňuje použití snímačů 16. 17. 20, 21 bez elektroniky umístěné uvnitř nosníků 13. 15 držáku 1 nože 2, což může být za určitých podmínek výhodné. V tomto provedení jsou snímače 16, 17, 20, 21 připojené k zesilovači 10 a kinetické jednotce 6 propojovacími vodiči.

Obrázek 4 je schematickým nákresem bruslařské obuvi. Tato bruslařská obuv zahrnuje držák 1 nože 2 a nůž 2. Tento nůž 2 zahrnuje sadu snímačů 16, 17, 20, 21, které jsou připojeny ke kinetické jednotce 6 a zesilovači 10, připevněným k nastavitelné úchytce 14, umístěné mezi nosníky držáku 1 nože. Kinetická jednotka 6 a zesilovač 10 jsou dále připojeny k vnější jednotce 19, ve které jsou umístěny datalogger 7, A/D převodník 8 a zdroj 9 energie. Vnější jednotka 19 může být připevněna k bruslařské obuvi nebo k bruslaři.

Obrázek 5 schematicky znázorňuje propojení jednotlivých elektrických prvků. Senzory 16. 17. 20, 21 umístěné na bočních stranách nože 2 jsou propojeny do Wheatstoneových čtvrtmůstků, přičemž generovaný signál je zesílen v zesilovači 10. Přes tyto komponenty jsou sensory 16,Γ7, 20. 21 připojeny k A/D převodníku 8. Součástí tohoto provedení je kinetická jednotka 6, která obsahuje alespoň jeden měřicí prvek ze skupiny tříosého akcelerometru 23, tříosého gyroskopu 24, bezkontaktního snímače vzdálenosti 25 nebo jakéhokoliv jiného prvku schopného měřit zrychlení, rychlost nebo relativní polohu. Ve výhodném provedení jsou zesilovače 10 a kinetická jednotka 6 připojeny ke zdroji 9 energie. A/D převodník 8 je dále připojen k dataloggeru 7, který je napájen ze zdroje 9 energie.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení pro měření sil působících na brusli, zahrnující držák (1) nože (2) brusle a odnímatelný nůž (2) brusle, přičemž držák (1) nože (2) zahrnuje přední nosník (13) a zadní nosník (15), vyznačující se tím, že odnímatelný nůž (2) zahrnuje alespoň jeden snímač.
2. Zařízení pro měření sil působících na brusli podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jeden snímač (16, 17, 20, 21) je vybraný ze skupiny drátových a fóliových tenzometrů, kapacitních dráhových snímačů, polovodičových tenzometrů nebo piezoelektrických snímačů.
3. Zařízení pro měření sil působících na brusli podle nároku 1, vyznačující se tím, že signál z alespoň jednoho snímače (16, 17, 20, 21) je získaný jako samostatný signál.
4. Zařízení pro měření sil působících na brusli podle nároku 1, vyznačující se tím, že měřicí zařízení dále zahrnuje teplotní čidlo (18).
5. Zařízení pro měření sil působících na brusli podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jeden snímač (16, 17, 20, 21) je umístěný v drážce (22).
6. Zařízení pro měření sil působících na brusli podle nároku 1, vyznačující se tím, že zmíněné měřicí zařízení dále zahrnuje alespoň jednu elektrickou komponentu ze skupiny sestávající z kinetické jednotky (6), dataloggeru (7), A/D převodníku (8), zdroje (9) energie a zesilovače (10).
7. Zařízení pro měření sil působících na brusli podle nároku 6, vyznačující se tím, že alespoň kinetická jednotka (6) nebo datalogger (7) nebo A/D převodník (8) nebo zdroj (9) energie nebo zesilovač (10) jsou umístěny v předním nosníku (13) nebo zadním nosníku (15).

-5CZ 307524 B6
8. Zařízení pro měření sil působících na brusli podle nároku 6, vyznačující se tím, že zmíněná kinetická jednotka (6) a zesilovač (10) jsou připevněny k nastavitelné úchytce (14), přičemž tato nastavitelná úchytka (14) je umístěna mezi předním nosníkem (13) a zadním nosníkem (15), přičemž kinetická jednotka (6) a zesilovač (10) jsou připojeny k dataloggeru (7), přičemž A/D převodník (8) a zdroj (9) energie jsou umístěny ve vnější jednotce (19).
9. Zařízení pro měření sil působících na brusli podle nároku 1, vyznačující se tím, že nůž (2) zahrnuje alespoň jeden snímač ze skupiny sestávající z předního mediálního snímače (20), předního laterálního snímače (16), zadního mediálního snímače (21) a zadního laterálního snímače (17).
10. Zařízení pro měření sil působících na brusli podle nároku 1, vyznačující se tím, že signál ze snímačů (16, 17, 20, 21) je synchronizovaný a získaný společně s daty z kinetické jednotky (6), která obsahuje alespoň jeden měřič ze skupiny sestávající z tříosého gyroskopu (23), tříosého akcelerometru (24) a snímače (25) vzdálenosti.
11. Zařízení pro měření sil působících na brusli podle nároků 1 a 8, vyznačující se tím, že snímače (16, 17, 20, 21) na noži (2) jsou připojeny k zesilovačům (10) a tyto zesilovače (10) jsou připojeny k A/D převodníku (8), který je dále připojený k dataloggeru (7) a zdroji (9) energie, a zároveň je kinetická jednotka (6) připojena k A/D převodníku (8), který je dále připojený k dataloggeru (7) a zdroji (9) energie.
12. Zařízení pro měření sil působících na brusli podle nároků 1 a 7, vyznačující se tím, že snímače (16, 17, 20, 21) na noži (2) jsou připojeny k zesilovačům (10) a tyto zesilovače (10) a kinetická jednotka (6) jsou připojeny ke zdroji (9) energie, dále jsou zesilovače (10) a kinetická jednotka (6) připojeny k A/D převodníku (8), který je dále připojený k dataloggeru (7).