EP2451541B1 - Dispositif d'aide à la pratique d'une séance d'activité physique et appareil d'activité physique équipé d'un tel dispositif - Google Patents

Dispositif d'aide à la pratique d'une séance d'activité physique et appareil d'activité physique équipé d'un tel dispositif Download PDF

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EP2451541B1
EP2451541B1 EP10736754.2A EP10736754A EP2451541B1 EP 2451541 B1 EP2451541 B1 EP 2451541B1 EP 10736754 A EP10736754 A EP 10736754A EP 2451541 B1 EP2451541 B1 EP 2451541B1
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Definitions

  • the invention relates to a device for assisting the practice of a physical activity, as well as to a physical activity device equipped with such a device.
  • the invention finds particular application to allow the practice of physical exercise in fragile people for whom this practice may present health risks, limiting these risks.
  • sports medical tests are useful for detecting contraindications to the practice of sport, or even for controlling a state of fitness to improve the physical condition of an athlete.
  • these tests are based on the measurement of a physiological parameter (heart rate, or parameter related to breathing) and require the use of a measuring device such as cardio frequency meter, electrocardiogram, or others.
  • the main risk is sudden cardiac arrest.
  • the level of the instantaneous effort is compared to a target effort and the user is guided by the system to increase, decrease or maintain one's effort.
  • the instantaneous effort is measured by means of various input parameters that are collected by portable electronics.
  • the input parameter is the heart rate.
  • Other parameters can be collected, such as body temperature, breathing rate, air temperature, air humidity, or speed of travel (running).
  • control law implemented in the document system US 2005/0070809 therefore determines, in real time, the effort that must provide the user only from these objective parameters, which do not directly take into account the perceptions of the user (such as pain, fatigue, ).
  • the principle of the present invention is to propose a device for assisting the practice of a physical activity session whose control law depends not only on objective parameters collected by various sensors as known from the prior art, but also of subjective parameters - the indices of hardness of the effort - which will be indicated by said individual during the effort.
  • the purpose of the present invention is therefore to provide a device for assisting the practice of a physical activity session which overcomes the aforementioned drawbacks.
  • the object of the present invention is to provide a help device enabling a person to progressively achieve his effort, according to a pre-established plan and under permanent automatic monitoring of physiological parameters.
  • Another object of the present invention is to provide a physical activity apparatus equipped with a device according to the invention.
  • the invention also relates to a physical activity device equipped with a device according to the invention.
  • the invention relates to a device 1 for assisting the practice of a physical activity session by an individual presenting electronic means for determining the physical effort, in real time, to be provided by said individual during said session, implementing a control law.
  • the invention comprises means for informing the values of the force strain index (s) which may comprise, for example, a touch screen or a microphone.
  • EVA 1 general difficulty
  • EVA 2 dyspnoea
  • EVA 3 lower limb pain
  • these values are three in number ( 1M EVA for general difficulty, 2M EVA for dyspnea, 3M EVA for lower limb pain).
  • the control law thus makes it possible to define, periodically, for example every five seconds, said parameter corresponding to said physical effort to be supplied EPF in such a way that each of the data collected complies with the programmed plan and remains below their danger threshold. , stably, smoothly.
  • control law can be a control law called robust control.
  • robust control include a regulation, based on a control law using quasi-LPV type models or Takaji-Sugeno type.
  • a hierarchy is then established between these equations, for example: the first equation has priority, of hierarchy 1, the second equation is of hierarchy 2, and so on.
  • the first equation has priority, the parameter corresponding to the physical effort to be provided being determined on this basis at the beginning of the session, in relation to the heart rate.
  • the device can present learning means, during a first phase of the physical activity session, coefficients of the control law connecting the parameters corresponding to said physical effort to provide, the heart rate, the respiratory rate as well as the index or indices of hardness of the perceived effort.
  • the calculation of the coefficients may possibly be refined over time after said first phase.
  • the learning can be done during a prior session, only for this purpose.
  • the device may have means 2, 3 for periodically issuing instructions for physical activities to maintain physical effort, increase physical effort or on the contrary reduce the physical effort of the individual in correlation, on the one hand, with the physical effort to be provided by said individual, determined by said aid device during the instant preceding said activity instruction, and secondly, the actual effort provided by said individual during the instant preceding said instruction physical activity.
  • the heart rate is chosen as a parameter of physical effort.
  • the device determines the physical effort to supply EPF at 120 beats / min and the actual physical effort is 115 beats / min, the device issues a command to increase the physical effort (increase the rate, run faster, pedal faster, ).
  • the device issues a command to reduce the physical effort (decrease the pace, run less quickly, pedal less quickly, ).
  • the instruction may be to maintain the pace.
  • the device may have means 51, 52 for recording in a file said programmed data of the session as well as the data collected during the session.
  • the collected data are the HR heart rate, the respiratory rate FR, and even the EVA X hardness level indices, collected periodically during the session.
  • a summary of the session is established and automatically recorded after calculation of summary indices such as the maximum heart rate, the maximum respiratory rate, and average hardness indices.
  • the programmed data can be the duration of the session, the desired physical effort, the maximum heart rate FC M , the maximum respiratory rate FR M , and the level or levels of hardness of the maximum effort EVA xM , which have been programmed.
  • This personal sheet makes it possible to follow the shape of the individual and his progress during the sessions. These data can be used and stored by a health professional.
  • the device may have means 6 for viewing in real time said data collected during the effort, or even said programmed data.
  • This screen displays the HR heart rate, the FR respiratory rate, and even the EVA X effort hardness indices, in real time, during the session.
  • This visualization means can be used to display the activity instructions that are displayed on the screen.
  • the invention also relates to a physical activity apparatus, equipped with a device according to the invention.
  • This device can be chosen from the following list (non-exhaustive): indoor bike 10, elliptical trainer, electric bike 20, treadmill, stepper, rower, weight bench.
  • the apparatus may have means 41; 42 to periodically adjust the load of the physical activity apparatus 10; 20 in order to maintain the physical effort, increase the physical effort, or on the contrary, reduce the physical effort of the individual correlated, on the one hand, with said physical effort to be provided by said individual, determined by the device aid of the invention during the moment before the adjustment, and secondly, the actual effort provided by said individual during the moment preceding said adjustment.
  • the load of the apparatus will be increased by the means 41; 42, for example by increasing the braking force of a controlled brake 11, or in decreasing the assistance provided by a variable assistance motor 21.
  • the adjustment will consist of reducing the load of the physical activity apparatus. for example by decreasing the braking force of a control brake 11 or by increasing the assistance provided by a variable assistance motor 21.
  • This device comprises a housing 50 incorporating electronics and a helmet 3 provided with a heart rate sensor, a respiratory rate sensor, a microphone, an earphone and a transmission / reception system.
  • radio frequency wireless transmission
  • the heart rate sensor can be a commercial model with measurement to the lobe of the ear or the finger.
  • the respiratory rate sensor placed in front of the mouth, may consist of a thermistor and an electronics measuring the average time interval between two successive temperature peaks or a microphone measuring the noise of breathing.
  • the microphone may be a small commercial microphone connected to the transmitter / receiver.
  • All the data collected namely heart rate FC, respiratory rate FR, the auditory signal, is transmitted by radio frequency to the housing 50 which has for this purpose a transceiver, such as in particular "microchip MRF24J40MA 2.4 GHz", coupled with microcontroller type dsPic33.
  • a transceiver such as in particular "microchip MRF24J40MA 2.4 GHz", coupled with microcontroller type dsPic33.
  • control law is a so-called robust control law using quasi-LPV type or Takagi-Sugeno type models.
  • This box is connected by a connection, wired or wireless, to a computer 51 for entering the programmed data, such as the duration of the session, the desired intensity of activity, expressed in particular in the form of work, and the thresholds, in particular the maximum heart rate FC M not to be exceeded, the maximum respiratory frequency FR M not to be exceeded, and the index or indices of hardness of the maximum effort EVA xM not to be exceeded.
  • programmed data such as the duration of the session, the desired intensity of activity, expressed in particular in the form of work, and the thresholds, in particular the maximum heart rate FC M not to be exceeded, the maximum respiratory frequency FR M not to be exceeded, and the index or indices of hardness of the maximum effort EVA xM not to be exceeded.
  • This data is transmitted to the electronics of the housing.
  • the HR heart rate, the respiratory rate FR, as well as the hardness indices of the perceived effort EVA are data collected in digital form on a regular basis.
  • the housing 50 can also be connected to a screen 6 via a video card and the connectors adapted to said screen.
  • the transceiver 2 also makes it possible to send instructions for physical activity, sound, via the acoustic headset 3.
  • the apparatus may further comprise means 41; 42 to periodically adjust the load of the physical activity apparatus 10; 20 in order to maintain the physical effort, increase the physical effort or on the contrary reduce the physical effort of the individual in correlation, on the one hand with said physical effort to be provided by said individual, determined by the aid device during the instant preceding the adjustment, and secondly, the actual effort provided by said individual during the instant preceding said adjustment.
  • the device can be, as shown on the left side of the figure 1 , an exercise bike equipped with an eddy current brake (electromagnetic brake) or a torque-controlled electric motor acting as a brake.
  • the device can be embedded on an electric bicycle, the means for periodically adjusting the load including the variable-assist motor 21 of the electric bicycle.
  • the load adjustment is to increase the load, increasing the braking torque, or decreasing the engine assistance. electric.
  • the adjustment consists, on the contrary, in decreasing the braking torque or increasing the assistance of the variable assistance motor 21.
  • the figure 3 illustrates the data collected during the session for an individual.
  • the data shown is purely illustrative and does not reflect a real case.
  • the graph of the figure 3 also illustrates the physical effort to be provided determined by the device 1 during the session.
  • the data of the figure 2 may be programmed by a health professional using the computer 51 and then communicated to the housing 50 of the device 1 according to the invention.
  • the health care professional decides that the user must make 30 minutes of effort at a constant heart rate at 120 beats / min.
  • the respiratory rate should not exceed 45 expirations / min and the heart rate should not exceed 140 beats / min.
  • the user should not experience any level of general difficulty greater than 12 on a scale of 6 to 20, dyspnea level of more than 4 on a scale of 0 to 10, upper limb pain greater than 5 on a scale of 0 to 10.
  • the algorithm Given the age, weight and other physical criteria of the individual, the algorithm will first calculate an initial value of physical effort provided during the learning phase.
  • the sensor measurements (respiratory rate FR, heart rate FR and EVA indices x ) will make it possible to calculate the coefficients of the equations (first equation, second equation, following equations) of the control law.
  • the heart rate sensor measures the heart rate. It can be a commercial model with measurement to the lobe of the ear or the finger.
  • the respiratory rate sensor can be placed in front of the mouth, consist of a thermistor and electronics measuring the interval between two peaks of temperature or a microphone and an electronic measuring the sound of breathing.
  • the hardness indices of effort indicated by the user during the effort can be given by voice instructions.
  • the sensor can then consist of a microphone and electronics that can translate the voice instructions into the values of hardness indices of effort (analog voice scale).
  • the hardness indices of the effort can be indicated by the user by means of a touch screen which displays for each index a visual scale analogue, each level of which corresponds to a value of the index.
  • the user indicates each index value by pressing the corresponding level on the visual scale.
  • the calculation can possibly be refined over time, after this first learning phase.
  • the model calculates the load of the apparatus necessary to reach the 120 pulsations / min. As illustrated, the heart rate increases gradually to reach the desired target of 120 beats / min.
  • the device 1 gradually decreases the physical effort to provide and therefore the braking torque of the controlled brake 11 (or on the contrary increases the assistance of the engine 21) until the respiratory rate becomes lower than or equal to the maximum allowed respiratory rate.
  • the device reduces the physical effort to provide, for example, by decreasing the braking torque or by increasing the assistance of the electric motor 21 variable assistance.
  • control law respects the programmed respective thresholds not to be exceeded, and corrects the physical effort to be provided in such a way as to respect said thresholds.

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  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Description

  • L'invention est relative à un dispositif d'aide à la pratique d'une activité physique, ainsi qu'à un appareil d'activité physique équipé d'un tel dispositif.
  • L'invention trouve une application particulière afin de permettre la pratique de l'exercice physique chez les personnes fragiles pour qui cette pratique peut présenter des risques pour la santé, en limitant ces risques.
  • Dans le domaine du sport, il est connu des appareils d'activité physique, tels que notamment vélo d'intérieur, tapis de course, rameur, qui sont couramment employés, dans les salles de sport ou encore pour la mise en oeuvre de tests médicaux sportifs.
  • Par ailleurs, les tests médicaux sportifs sont utiles pour dépister des contre-indications à la pratique du sport, voire également pour contrôler un état de forme en vue d'améliorer la condition physique d'un sportif.
  • Bien souvent, ces tests reposent sur la mesure d'un paramètre physiologique (rythme du coeur, ou paramètre lié à la respiration) et requièrent l'utilisation d'un appareil de mesure tel que cardio fréquence mètre, électrocardiogramme, ou autres.
  • Certains de ces tests sont délicats et ne doivent être réalisés que sous contrôlé médical.
  • Cela étant, dans le cas de personnes fragiles, la pratique de l'activité physique peut être recommandée, mais présente toutefois un risque. Le risque principal est l'arrêt cardiaque brutal.
  • Aujourd'hui, il n'existe pas à la connaissance de l'inventeur, d'outil spécifique permettant d'accompagner une personne fragile dans la pratique d'une activité physique afin d'en limiter les risques.
  • L'art antérieur connaît toutefois du document US 2005/0070809 un système pour réguler l'exercice physique d'un utilisateur.
  • Dans ce système, le niveau de l'effort instantané est comparé à un effort cible et l'utilisateur est guidé par le système pour augmenter, diminuer ou maintenir son effort.
  • L'effort instantané est mesuré au moyen de divers paramètres d'entrée qui sont collectés par une électronique portative.
  • Selon l'exemple développé dans le document US 2005/0070809 le paramètre d'entrée est la fréquence cardiaque. D'autres paramètres peuvent être collectés, tels que la température du corps, le rythme de la respiration, la température de l'air, l'humidité de l'air, ou encore la vitesse d'avancement (course à pied).
  • On note que tous ces paramètres sont des données « objectives » qui sont mesurées scientifiquement par divers capteurs.
  • La loi de commande mise en oeuvre dans le système du document US 2005/0070809 détermine donc, en temps réel, l'effort que doit fournir l'utilisateur uniquement à partir de ces paramètres objectifs, qui ne prennent pas en compte directement les perceptions de l'utilisateur (telles que douleurs, fatigue, ...).
  • Le principe de la présente invention est de proposer un dispositif d'aide à la pratique d'une séance d'activité physique dont la loi de commande dépend non seulement de paramètres objectifs collectés par divers capteurs tels que connus de l'art antérieur, mais également de paramètres subjectifs - les indices de pénibilité de l'effort - qui seront indiqués par ledit individu pendant l'effort.
  • Le but de la présente invention est donc de proposer un dispositif d'aide à la pratique d'une séance d'activité physique qui pallie les inconvénients précités.
  • Plus particulièrement, le but de la présente invention est de proposer un dispositif d'aide permettant à une personne de réaliser progressivement son effort, selon un plan préétabli et sous surveillance automatique permanente de paramètres physiologiques.
  • Un autre but de la présente invention est de proposer un appareil d'activité physique équipé d'un dispositif conforme à l'invention.
  • D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter.
  • A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'aide à la pratique d'une séance d'activité physique par un individu, présentant des moyens électroniques pour la détermination de l'intensité de l'effort physique, en temps réel, à fournir par ledit individu pendant ladite séance, mettant en oeuvre une loi de commande présentant pour sortie un paramètre correspondant audit effort physique à fournir, et pour signaux d'entrée des données collectées pendant l'effort, consistant essentiellement en :
    • la mesure de ladite fréquence cardiaque dudit individu,
    • la mesure de ladite fréquence respiratoire dudit individu,
    • un ou plusieurs indice(s) de pénibilité de l'effort perçue par ledit individu (ie difficulté générale, dyspnée, douleur des membres inférieurs), destiné(s) à être indiqué(s) par ledit individu pendant l'effort,
      et dans lequel la loi de commande dépend également de seuils programmés, à ne pas dépasser, consistant essentiellement en :
    • la fréquence cardiaque maximale,
    • la fréquence respiratoire maximale,
    • la ou les valeurs maximales associée(s) au(x)dit(s) indice(s) de pénibilité de l'effort,
    • et dans lequel ledit dispositif comprend:
    • un capteur pour la mesure de ladite fréquence cardiaque.
    • un capteur pour la mesure de la fréquence respiratoire,
    • des moyens pour renseigner les valeurs du ou des indices de pénibilité d'effort perçue par l'individu, indiqués par ledit individu pendant l'effort
  • Selon des caractéristiques optionnelles prises seules ou en combinaison :
    • le dispositif présente des moyens pour renseigner les valeurs du ou des indices de pénibilité de l'effort comprenant un écran tactile ou encore un micro,
    • le dispositif peut présenter des moyens d'apprentissage, lors d'une séance préalable ou pendant une première phase de la séance d'activité physique, des coefficients de la loi de commande reliant le paramètre correspondant à l'intensité de l'effort physique à fournir, la fréquence cardiaque mesurée, la fréquence respiratoire mesurée, ainsi que le ou les indices de pénibilité de l'effort perçue ;
    • la loi de commande peut être une loi de régulation dite à commande robuste ;
    • ledit dispositif peut présenter des moyens pour émettre périodiquement des consignes d'activité physique pour maintenir l'effort physique, augmenter l'effort physique ou au contraire diminuer l'effort physique de l'individu en corrélation, d'une part, avec l'effort physique à fournir par ledit individu, déterminé par ledit dispositif d'aide pendant l'instant précédent ladite consigne d'activité physique, et d'autre part, l'effort réel fourni par ledit individu pendant l'instant précédent ladite consigne d'activité physique ;
    • le dispositif peut présenter des moyens pour enregistrer dans un fichier lesdites données programmées de la séance ainsi que les données collectées au cours de la séance.
  • L'invention concerne également un appareil d'activité physique équipé d'un dispositif d'aide conforme à l'invention.
  • Selon des caractéristiques optionnelles dudit appareil, prises seules ou en combinaison :
    • l'appareil peut présenter des moyens pour ajuster périodiquement la charge de l'appareil d'activité physique afin de maintenir l'effort physique, augmenter l'effort physique ou au contraire diminuer l'effort physique de l'individu en corrélation, d'une part, avec ledit effort physique à fournir par ledit individu, déterminé par le dispositif d'aide pendant l'instant précédent l'ajustement, et d'autre part, l'effort réel fourni par ledit individu pendant l'instant précédent ledit ajustement ;
    • les moyens pour ajuster périodiquement la charge dudit appareil peuvent comprendre un frein commandé (dispositif électromagnétique ou moteur) ou encore un moteur à assistance variable ;
    • l'effort réel fourni peut être donné par la mesure au niveau de l'appareil utilisé pour l'exercice physique, d'un couple de résistance ou d'assistance, d'un travail ou d'une puissance ;
    • l'appareil peut être choisi parmi la liste suivante : vélo d'intérieur, vélo elliptique, vélo électrique, tapis de course, stepper, rameur, banc de musculation.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels :
    • La figure 1 illustre schématiquement un appareil d'activité physique équipé d'un dispositif d'aide conforme à l'invention.
    • La figure 2 est un tableau reprenant les caractéristiques programmées d'une séance d'activité physique,
    • La figure 3 est un graphique, multiple, de la séance programmée selon les caractéristiques du tableau de la figure 2, présentant pour abscisse le temps, et illustrant respectivement ladite mesure de fréquence cardiaque dudit individu au cours du temps, la fréquence respiratoire dudit individu au cours du temps, les indices de pénibilité de l'effort perçu par ledit individu au cours du temps, ainsi que l'effort physique à fournir (en prenant pour hypothèse que l'effort physique réel correspond à l'effort physique à fournir).
  • L'invention concerne un dispositif d'aide 1 à la pratique d'une séance d'activité physique par un individu présentant des moyens électroniques pour la détermination de l'effort physique, en temps réel, à fournir par ledit individu pendant ladite séance, mettant en oeuvre une loi de commande.
  • La loi de commande présente pour sortie un paramètre correspondant audit effort physique à fournir EPF et pour signaux d'entrée des données collectées pendant l'effort, consistant essentiellement en :
    • la mesure de la fréquence cardiaque FC dudit individu,
    • la mesure de la fréquence respiratoire FR dudit individu,
    • un ou plusieurs indice(s) EVA de pénibilité de l'effort perçu par ledit individu, destiné(s) à être indiqué(s) par ledit individu pendant l'effort notamment mesuré(s) par échelles visuelles analogiques et/ou des échelles auditives analogiques.
  • L'invention comprend des moyens pour renseigner les valeurs du ou des indice(s) de pénibilité d'effort qui peuvent comprendre, par exemple, un écran tactile ou encore un micro.
  • Selon l'exemple non limitatif de la figure 3, les indices sont au nombre de trois (EVA1 : difficulté générale, EVA2: dyspnée, EVA3 : douleurs des membres inférieurs).
  • La loi de commande dépend également de seuils respectifs programmés, à ne pas dépasser, consistant essentiellement en :
    • la fréquence cardiaque maximale FCM,
    • la fréquence respiratoire maximale FRM,
    • la ou les valeurs maximales EVAxM associée(s) au(x)dit(s) indice(s) de pénibilité de l'effort.
  • Selon l'exemple non limitatif de la figure 3, ces valeurs sont au nombre de trois (EVA1M pour la difficulté générale, EVA2M pour la dyspnée, EVA3M pour les douleurs des membres inférieurs).
  • La loi de commande permet ainsi de définir, périodiquement, par exemple toutes les cinq secondes, ledit paramètre correspondant audit effort physique à fournir EPF de telle façon à ce que chacune des données collectées respecte le plan programmé et reste en dessous de leur seuil de danger, de manière stable, sans à-coup.
  • A cet effet, avantageusement la loi de commande peut être une loi de régulation à commande dite robuste. Il s'agit notamment d'une régulation, basée sur une loi de commande utilisant des modèles du type quasi-LPV ou du type Takaji-Sugeno.
  • La loi de commande peut consister essentiellement en les équations de modélisation suivantes :
    • une première équation reliant :
      • l'effort physique à fournir EPF et la fréquence cardiaque FC : EPF = f (FC)
    • une deuxième équation reliant l'effort physique à fournir EPF et la fréquence respiratoire FR : EPF = g FR
      Figure imgb0001
    • une troisième équation, ou une série d'équations, reliant l'effort physique à fournir EPF et l'indice ou les indices de pénibilité de l'effort perçue par ledit individu EVAx. EPF = h EVA
      Figure imgb0002
  • Une hiérarchie est alors établie entre ces équations, par exemple : la première équation est prioritaire, de hiérarchie 1, la deuxième équation est de hiérarchie 2, et ainsi de suite.
  • La première équation est prioritaire, le paramètre correspondant à l'effort physique à fournir étant déterminé sur cette base au commencement de la séance, en relation avec la fréquence cardiaque.
  • Toutefois, dès qu'une entrée (la fréquence respiratoire FR ou l'un des indices de pénibilité de l'effort perçue EVA) dépasse son seuil associé (FR>FRM ou EVAx>EVAxM) l'équation correspondante à l'entrée du seuil dépassé devient prioritaire.
  • Par exemple :
    • FR>FRM, la deuxième équation devient prioritaire et le paramètre correspondant à l'effort physique à fournir est déterminé sur cette base,
    • si EVAx> EVAM l'équation correspondante devient prioritaire et le paramètre correspondant à l'effort physique à fournir est déterminé sur cette base.
  • Compte tenu de l'âge, du poids et d'autres critères physiques de l'individu, l'algorithme de la loi de commande est propre à chaque individu.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif peut présenter des moyens d'apprentissage, pendant une première phase de la séance d'activité physique, des coefficients de la loi de commande reliant les paramètres correspondant audit effort physique à fournir, la fréquence cardiaque, la fréquence respiratoire ainsi que le ou les indices de pénibilité de l'effort perçue.
  • Le calcul des coefficients peut éventuellement s'affiner au cours du temps après ladite première phase.
  • Selon un autre mode de réalisation, l'apprentissage peut se faire lors d'une séance préalable, uniquement destinée à cet effet.
  • Le dispositif peut présenter des moyens 2, 3 pour émettre périodiquement des consignes d'activités physiques pour maintenir l'effort physique, augmenter l'effort physique ou au contraire diminuer l'effort physique de l'individu en corrélation, d'une part, avec l'effort physique à fournir par ledit individu, déterminé par ledit dispositif d'aide pendant l'instant précédent ladite consigne d'activité, et d'autre part, l'effort réel fourni par ledit individu pendant l'instant précédent ladite consigne d'activité physique.
  • Par exemple, en prenant pour hypothèse que la fréquence cardiaque est choisie comme paramètre de l'effort physique.
  • Si ledit dispositif détermine l'effort physique à fournir EPF à 120 pulsations/min et que l'effort physique réel est de 115 pulsations/min, le dispositif émet une consigne pour augmenter l'effort physique (augmenter la cadence, courir plus vite, pédaler plus vite, ...).
  • Si au contraire, l'effort physique réel est supérieur à 120 pulsations/min, tel que par exemple 130 pulsations/min, le dispositif émet une consigne pour diminuer l'effort physique (diminuer la cadence, courir moins vite, pédaler moins vite, ...).
  • Si l'effort physique réel correspond à l'effort physique à fournir, selon une tolérance (+ ou - 4 pulsations/min) tel que par exemple 114 pulsations/min, la consigne peut être de maintenir la cadence.
  • Le dispositif peut présenter des moyens 51, 52 pour enregistrer dans un fichier lesdites données programmées de la séance ainsi que les données collectées au cours de la séance. Les données collectées sont la fréquence cardiaque FC, la fréquence respiratoire FR, voire les indices de niveau de pénibilité EVAX, collectées périodiquement au cours de la séance.
  • Un résumé de la séance est établi et enregistré automatiquement après calcul d'indices récapitulatifs comme la fréquence cardiaque maximum, la fréquence respiratoire maximum, et les indices moyens de pénibilité.
  • Les données programmées peuvent être la durée de la séance, l'effort physique souhaité, la fréquence cardiaque maximale FCM, la fréquence respiratoire maximale FRM, ainsi que le niveau ou les niveaux de pénibilité de l'effort maximum EVAxM, qui ont été programmés.
  • Cette fiche personnelle permet de suivre la forme de l'individu et ses progrès au fil des séances. Ces données peuvent être utilisées et conservées par un professionnel de la santé.
  • Le dispositif peut présenter des moyens de visualisation 6 en temps réel desdites données collectées pendant l'effort, voire desdites données programmées. Cet écran affiche la fréquence cardiaque FC, la fréquence respiratoire FR, voire les indices de pénibilité EVAX de l'effort, en temps réel, au cours de la séance. Ce moyen de visualisation peut permettre de visualiser les consignes d'activités qui sont affichées sur l'écran.
  • L'invention concerne également un appareil d'activité physique, équipé d'un dispositif d'aide conforme à l'invention. Cet appareil peut être choisi parmi la liste suivante (non exhaustive) : vélo d'intérieur 10, vélo elliptique, vélo électrique 20, tapis de course, stepper, rameur, banc de musculation.
  • Cela étant, l'appareil peut présenter des moyens 41 ; 42 pour ajuster périodiquement la charge de l'appareil d'activité physique 10 ; 20 afin de maintenir l'effort physique, augmenter l'effort physique, ou au contraire, diminuer l'effort physique de l'individu en corrélation, d'une part, avec ledit effort physique à fournir par ledit individu, déterminé par le dispositif d'aide conforme à l'invention pendant l'instant précédent l'ajustement, et d'autre part, l'effort réel fourni par ledit individu pendant l'instant précédent ledit ajustement.
  • Par exemple, en prenant comme hypothèse que le paramètre correspondant à l'effort physique à fournir est le rythme cardiaque, supposons qu'à l'instant précédent l'ajustement, l'effort physique à fournir déterminé par le dispositif d'aide 1 est de 120 pulsations/min et qu'à cet instant l'effort physique réel fourni par ledit individu est seulement de 110 pulsations/min, la charge de l'appareil va être augmentée par les moyens 41 ; 42, par exemple en augmentant l'effort de freinage d'un frein commandé 11, ou encore en diminuant l'aide fournie par un moteur 21 à assistance variable.
  • Si au contraire l'effort réel est supérieur à l'effort physique à fournir, déterminé par le dispositif d'aide, par exemple de 130 pulsations/min, l'ajustement va consister à diminuer la charge de l'appareil d'activité physique en diminuant par exemple l'effort de freinage d'un frein commande 11, ou encore, en augmentant l'aide fournie par un moteur 21 à assistance variable.
  • Nous décrivons maintenant l'appareil d'activité physique conforme à l'invention équipé du dispositif d'aide 1 selon l'exemple de la figure 1. Ce dispositif comprend un boîtier 50 intégrant une électronique et un casque 3 muni d'un capteur de fréquence cardiaque, d'un capteur de fréquence respiratoire, d'un micro, d'un écouteur et d'un système d'émission/réception par radio fréquence (émission sans fil).
  • Le capteur de fréquence cardiaque peut être un modèle du commerce avec mesure au lobe de l'oreille ou au doigt. Le capteur de fréquence respiratoire, placé devant la bouche, peut être constitué d'une thermistance et d'une électronique mesurant l'intervalle de temps moyen entre deux pics de températures successifs ou d'un micro mesurant le bruit de la respiration. Le micro peut être un micro du commerce de petite dimension connecté à l'émetteur/récepteur.
  • L'ensemble des données collectées, à savoir fréquence cardiaque FC, fréquence respiratoire FR, le signal auditif, est transmis par radio fréquence au boîtier 50 qui présente à cet effet un émetteur récepteur, tel que notamment « microchip MRF24J40MA 2,4 GHz », couplé avec microcontrôleur du type dsPic33.
  • Dans ce boîtier est également programmé un microprocesseur mettant en oeuvre l'algorithme de la loi de commande du dispositif. La loi de commande est une loi de régulation à commande dite robuste utilisant des modèles du type quasi-LPV ou du type Takagi-Sugeno.
  • Il peut s'agir de la loi précédemment développée consistant essentiellement en plusieurs équations hiérarchisées avec changement de hiérarchie lorsqu'une entrée (FR ; FC ; EVAx) dépasse son seuil correspondant (FRM, FCM, EVAxM).
  • Ce boîtier est connecté par une liaison, filaire ou sans fil, à un ordinateur 51 permettant d'y rentrer les données programmées, telles que la durée de la séance, l'intensité d'activité souhaitée, exprimée notamment sous la forme de travail, et les seuils notamment la fréquence cardiaque maximale FCM à ne pas dépasser, la fréquence respiratoire maximale FRM à ne pas dépasser et l'indice ou les indices de pénibilité de l'effort maximal EVAxM à ne pas dépasser. Ces données sont transmises à l'électronique du boîtier.
  • Au cours de la séance la fréquence cardiaque FC, la fréquence respiratoire FR ainsi que les indices de pénibilité de l'effort perçu EVA sont des données recueillies, sous forme numérique, à temps régulier.
  • Le boîtier 50 peut être également connecté à un écran 6 via une carte vidéo et la connectique adaptée audit écran. L'émetteur récepteur 2 permet également d'émettre des consignes d'activité physique, sonores, par l'intermédiaire du casque acoustique 3.
  • Ces consignes, telles que précédemment décrites (augmenter cadence, diminuer cadence, maintenir cadence) sont émises périodiquement pour maintenir l'effort physique ou augmenter l'effort, ou au contraire diminuer l'effort physique de l'individu en corrélation avec l'effort physique à fournir par ledit individu déterminé par le dispositif d'aide pendant l'instant précédent ladite consigne d'activité et, d'autre part, l'effort réel fourni par ledit individu pendant l'instant précédent ladite consigne d'activité physique.
  • Alternativement ou additionnellement, l'appareil peut en outre présenter des moyens 41 ; 42 pour ajuster périodiquement la charge de l'appareil d'activité physique 10; 20 afin de maintenir l'effort physique, augmenter l'effort physique ou au contraire diminuer l'effort physique de l'individu en corrélation, d'une part avec ledit effort physique à fournir par ledit individu, déterminé par le dispositif d'aide pendant l'instant précédent l'ajustement, et d'autre part, l'effort réel fourni par ledit individu pendant l'instant précédent ledit ajustement.
  • L'appareil peut être, tel qu'illustré sur la partie gauche de la figure 1, un vélo d'intérieur équipé d'un frein à courant de Foucault (frein électromagnétique) ou d'un moteur électrique à couple contrôlé agissant comme frein. Alternativement, le dispositif peut être embarqué sur un vélo électrique, les moyens pour ajuster périodiquement la charge comprenant le moteur 21 à assistance variable du vélo électrique.
  • Dans le cas où l'effort réel est inférieur à l'effort physique à fournir EPF, déterminé par le dispositif, l'ajustement de charge consiste à augmenter la charge, en augmentant le couple de freinage, ou en diminuant l'assistance du moteur électrique. Dans le cas où l'effort réel est supérieur audit effort à fournir EPF, déterminé par le dispositif d'aide, l'ajustement consiste, au contraire, à diminuer le couple de freinage ou augmenter l'aide du moteur 21 à assistance variable.
  • Nous décrivons maintenant, selon l'exemple des figures 2 et 3, une séance d'activité physique mise en oeuvre au moyen du dispositif d'aide 1 conforme à l'invention.
  • Tel qu'illustré selon le tableau de la figure 2, il s'agit d'une séance programmée présentant les caractéristiques suivantes :
    • durée 30 minutes,
    • effort physique à fournir souhaité 120 pulsations/min,
    • fréquence cardiaque maximale 140 pulsations/min,
    • fréquence respiratoire maximale 45 cycles/min,
    • indices de niveau de pénibilité maximum EVA1M : 12 sur une échelle de 6 à 20 (difficulté générale), EVA2M : 4 sur une échelle de 0 à 10 (dyspnée), EVA3M : 5 par une échelle de 0 à 10 (douleurs membres inférieurs).
  • La figure 3 illustre les données collectées pendant la séance pour un individu. Les données illustrées sont purement illustratives et ne reflètent pas un cas réel. Le graphique de la figure 3 illustre également l'effort physique à fournir déterminé par le dispositif 1 au cours de la séance.
  • Dans cet exemple, il est fait comme hypothèse que l'effort fourni réel par l'utilisateur correspond à l'effort physique à fournir déterminé par le dispositif 1.
  • Les données de la figure 2 peuvent être programmées par un professionnel de la santé au moyen de l'ordinateur 51 puis communiquées au boîtier 50 du dispositif d'aide 1 conforme à l'invention. Dans cet exemple, le professionnel de santé décide que l'utilisateur doit faire 30 minutes d'effort à un rythme cardiaque constant à 120 pulsations/min. La fréquence respiratoire ne doit pas excéder 45 expirations/min et la fréquence cardiaque ne doit pas excéder 140 pulsations/min. L'utilisateur ne doit pas ressentir de difficulté générale de niveau supérieur à 12 sur une échelle de 6 à 20, de sensation de dyspnée de niveau supérieur à 4 sur une échelle de 0 à 10, de douleur dans les membres inférieurs de niveau supérieur à 5 sur une échelle de 0 à 10.
  • Compte tenu de l'âge, du poids et d'autres critères physiques de l'individu, l'algorithme va d'abord calculer une valeur initiale d'effort physique fourni pendant la phase d'apprentisage. Lors de cette phase, les mesures des capteurs (fréquence respiratoire FR, fréquence cardiaque FR et indices EVAx) vont permettre de calculer les coefficients des équations (première équation, seconde équation, équations suivantes) de la loi de commande. Plus particulièrement, le capteur de fréquence cardiaque mesure la fréquence cardiaque. Il peut s'agir d'un modèle du commerce avec mesure au lobe de l'oreille ou du doigt.
  • Le capteur de fréquence respiratoire peut être placé devant la bouche, être constitué d'une thermistance et d'une électronique mesurant l'intervalle entre deux pics de température ou encore d'un micro et d'une électronique mesurant le bruit de la respiration.
  • Les indices de pénibilité de l'effort indiqués par l'utilisateur pendant l'effort peuvent être donnés par des instructions vocales. Le capteur peut alors être constitué d'un micro et d'une électronique qui permet de traduire les instructions vocales en les valeurs des indices de pénibilité de l'effort (échelle vocale analogique).
  • Alternativement, selon un autre mode de réalisation non illustré, les indices de pénibilité de l'effort peuvent être indiqués par l'utilisateur au moyen d'un écran tactile qui affiche pour chaque indice une échelle visuelle analogique dont chaque niveau correspond à une valeur de l'indice.
  • L'utilisateur indique chaque valeur d'indice en pressant le niveau correspondant sur l'échelle visuelle.
  • Le calcul peut éventuellement s'affiner au cours du temps, après cette première phase d'apprentissage.
  • A partir des équations obtenues, le modèle calcule la charge de l'appareil nécessaire pour atteindre les 120 pulsations/min. Telles qu'illustrées, la fréquence cardiaque augmente progressivement pour atteindre la cible souhaitée de 120 pulsations/min.
  • Si au cours de l'effort, la fréquence respiratoire dépasse 45 cycles/min telle qu'illustrée selon l'échantillonnage repéré 7, le dispositif 1 diminue progressivement l'effort physique à fournir et donc le couple de freinage du frein commandé 11 (ou au contraire augmente l'assistance du moteur 21) jusqu'à ce que la fréquence respiratoire redevienne inférieure ou égale à la fréquence respiratoire maximale autorisée.
  • Durant l'effort, l'individu est invité à indiquer les indices de pénibilité de l'effort perçu. Si par exemple un de ces indices est supérieur ou égal à la douleur maximale autorisée, le dispositif diminue l'effort physique à fournir, par exemple, en diminuant le couple de freinage ou en augmentant l'assistance du moteur électrique 21 à assistance variable.
  • A la figure 3, on remarque que le seuil EVA3M (douleur des membres inférieurs) est dépassé, au point référencé 8.
  • Dans tous les cas la loi de commande respecte les seuils respectifs programmés à ne pas dépasser, et corrige l'effort physique à fournir de telle façon à respecter lesdits seuils.
  • Naturellement, d'autres modes de réalisation auraient pu être envisagés par l'homme du métier sans pour autant sortir du cadre des revendications définies ci-après.

Claims (15)

  1. Dispositif d'aide (1) à la pratique d'une séance d'activité physique par un individu,
    ledit dispositif (1) présentant un capteur pour la mesure de ladite fréquence cardiaque (FC) dudit individu, et des moyens électroniques pour la détermination de l'intensité de l'effort physique, en temps réel, à fournir par ledit individu pendant ladite séance, mettant en oeuvre une loi de commande présentant pour sortie un paramètre correspondant audit effort physique à fournir (EPF) et pour signaux d'entrée des données collectées pendant l'effort, ledit dispositif (1) étant caractérisé en ce que les données collectées desdits signaux d'entrée consistent essentiellement en :
    - la mesure de ladite fréquence cardiaque (FC) dudit individu,
    - la mesure de ladite fréquence respiratoire (FR) dudit individu,
    - un ou plusieurs indice(s) (EVAx) de pénibilité de l'effort perçue par ledit individu, destiné(s) à être indiqué(s) par ledit individu pendant l'effort,
    en ce que la loi de commande dépend de seuils respectifs programmés, à ne pas dépasser, consistant essentiellement en :
    - la fréquence cardiaque maximale FCM,
    - la fréquence respiratoire maximale FRM,
    - la ou les valeurs maximales EVAxM associée(s) au(x)dit(s) indice(s) de pénibilité de l'effort,
    et en ce que ledit dispositif (1) comprend:
    - un capteur pour la mesure de la fréquence respiratoire (FR), et
    - des moyens pour renseigner les valeurs du ou des indices (EVAx) de pénibilité d'effort perçue par l'individu, indiqués par ledit individu pendant l'effort.
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens pour renseigner les valeurs du ou des indices de pénibilité d'effort, comprennent un écran tactile, ou encore un micro associé à une électronique et permettant de traduire des instructions vocales en les valeurs des indices de pénibilité de l'effort.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, présentant des moyens d'apprentissage, lors d'une séance préalable ou pendant une première phase de la séance d'activité physique, des coefficients de loi de commande reliant le paramètre correspondant audit effort physique à fournir, la fréquence cardiaque mesurée, la fréquence respiratoire mesurée, ainsi que le ou les indices de pénibilité de l'effort perçue.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la loi de commande est une loi de régulation à commande, dite robuste, utilisant un modèle du type quasi-LPV ou Takagi-Sugeno.
  5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la loi de commande définit périodiquement ledit paramètre correspondant audit effort à fournir de telle façon que chacune des données collectées (FC, FR, EVAx) reste en dessous de leur seuil respectif (FCM, FRM, EVAxM).
  6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la loi de commande comprend :
    - une première équation (f) reliant l'effort physique à fournir (EPF) et la fréquence cardiaque (FC),
    - une deuxième équation (g) reliant l'effort physique à fournir (EPF) et la fréquence respiratoire (FR),
    - une troisième équation (h) reliant l'effort physique à fournir (EPF) et ledit indice de pénibilité de l'effort perçue par ledit individu (EVAx).
  7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les équations (f, g, h) sont hiérarchisées.
  8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel ladite première équation (f) est prioritaire par rapport aux autres équations (g, h) de sorte que la loi de commande détermine le paramètre correspondant à l'effort physique à fournir (EPF) en fonction de ladite fréquence cardiaque mesurée.
  9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la hiérarchie entre lesdites équations change lorsqu'une donnée collectée (FR, FC, EVAx) dépasse le seuil (FRM, FCM, EVAxM) associé à ladite donnée de sorte que l'équation correspondant à l'entrée du seuil dépassé devient prioritaire.
  10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel ledit dispositif présente des moyens (2, 3) pour émettre périodiquement des consignes d'activité physique pour maintenir l'effort physique, augmenter l'effort physique ou au contraire diminuer l'effort physique de l'individu en corrélation, d'une part, avec l'effort physique à fournir par ledit individu déterminé par le dispositif d'aide pendant l'instant précédent ladite consigne d'activité physique, et d'autre part, l'effort réel fourni par ledit individu pendant l'instant précédent ladite consigne d'activité physique.
  11. Appareil d'activité physique (10; 20) équipé d'un dispositif d'aide selon l'une des revendications 1 à 10.
  12. Appareil selon la revendication 11, présentant des moyens (41 ; 42) pour ajuster périodiquement la charge de l'appareil d'activité physique (10 ; 20) afin de maintenir l'effort physique, augmenter l'effort physique ou au contraire diminuer l'effort physique de l'individu en corrélation, d'une part, avec ledit effort physique à fournir par ledit individu, déterminé par le dispositif d'aide (1) pendant l'instant précédent l'ajustement, et d'autre part, l'effort réel fourni par ledit individu pendant l'instant précédent ledit ajustement.
  13. Appareil selon la revendication 12, dans lequel lesdits moyens (41 ; 42) pour ajuster périodiquement la charge dudit appareil comprennent un frein commandé (11) ou encore un moteur (21) à assistance variable.
  14. Appareil selon l'une des revendications 11 à 13, dans lequel l'effort réel fourni est donné par la mesure au niveau de l'appareil utilisé pour l'exercice physique, d'un couple de résistance ou d'assistance, d'un travail ou d'une puissance.
  15. Appareil selon l'une des revendications 11 à 14, dans lequel ledit appareil est choisi parmi la liste suivante : vélo d'intérieur (10), vélo elliptique, vélo électrique (20), tapis de course, stepper, rameur, banc de musculation.
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