ITRM960464A1 - Dispositivo di misurazione della distanza percorsa a piedi (camminan= do o correndo) applicabile all'interno di calzature o di un dispositi= - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: DISPOSITIVO DI MISURAZIONE DELLA DISTANZA PERCORSA A PIEDI (CAMMINANDO O CORRENDO), APPLICABILE ALL'INTERNO DI CALZATURE 0 DI UN DISPOSITIVO PORTATILE;

La presente invenzione riguarda la misurazione delle distanze percorse e delle velocità raggiunte da una persona che passeggia e/o corre.

Come è facilmente intuibile, misurare la distanza percorsa da una persona che si sta muovendo a piedi, è un'operazione molto più complessa di quelle necessarie per misurare le distanze percorse e le velocità raggiunte da veicoli che si muovono su ruote.

Sono noti alcuni dispositivi elettronici per sportivi, disponibili in commercio, capaci di contare i passi effettuati e, con grande approssimazione, anche le distanze.

Si osservi, a tale proposito, che il problema non è tanto contare i passi, ma la determinazione delle distanze coperte e delle velocità con cui esse vengono percorse.

E' quindi chiaro che, per realizzare un sistema valido e sufficientemente preciso, è necessario misurare la lunghezza del passo, ovvero la distanza che di volta in volta si crea tra i due piedi della persona in movimento.

Tale operazione può essere effettuata in uno dei seguenti modi:

- A) Trasmissione e Ricezione di un Segnale Ultrasonico {tramite appositi trasduttori), misurando i tempi impiegati dal segnale stesso, e successivo calcolo della distanza, essendo nota la velocità (S=VxT; V=velocità del suono).

- B) Utilizzo di un sistema a Radio Frequenza, di portata ridottissima, con un elemento Trasmettitore da un lato ed un elemento Ricevitore dall'altro, entrambi con antenne direzionali. In tal modo si ottiene, all'uscita del Ricevitore, un segnale direttamente proporzionale alla distanza.

- C) Misurazione di un Flusso Magnetico, con rilevazione della distanza in base all'ampiezza letta (principio della bussola).

- D) Utilizzo di un sistema di trasmissionericezione a Raggi Infrarossi modulati, con uno schieramento di led trasmettitori e di fotodiodi ricevitori, in modo tale da rendere direzionale la rilevazione del segnale e quindi proporzionale alla distanza .

In ogni caso, qualunque sia il metodo scelto, è necessario effettuare delle compensazioni automatiche, che siano in grado di mantenere il segnale costante al variare delle condizioni esterne, che spesso possono modificarsi. Si tenga presente che tali mutazioni possono anche essere, lungo uno stesso percorso, di tipo differente.

Per meglio chiarire questo aspetto, nell'ipotesi che si stia utilizzando il sistema a radiofrequenza, basta pensare alla differenza tra una corsa su un prato, e quella su di una pavimentazione in cemento armato. L'armatura metallica di quest'ultima, infatti, provocherebbe un'attenuazione del segnale disturbando il funzionamento del sistema stesso.

Si noti che tutte le operazioni necessarie alla procedura di rilevazione, devono essere sincronizzate con particolari stati fisici dei piedi (in appoggio o sollevati) .

Per quanto riguarda i diversi metodi sopra menzionati, si osservi che il sistema A), basato sull’utilizzo di ultrasuoni, è da scartare sia a causa della fragilità dei trasduttori che non possono sopportare le sollecitazioni meccaniche a cui sarebbero soggetti in questa applicazione, che della difficoltà di proteggerli da spruzzi d'acqua {pioggia, pozzanghere, ecc.).

Il sistema B), basato sull'utilizzo di radio frequenze, presenta grosse difficoltà di applicazione, perchè richiede tarature ed è particolarmente sensibile alle variazioni termiche. Per superare tali problemi sarebbe necessario ricorrere ad un apparato molto costoso e quindi sconsigliabile ai fini della produzione commerciale.

Il punto debole del sistema C), che utilizza un flusso magnetico, è la forte dipendenza dal tipo di pavimentazione sulla quale l'utente corre o cammina, che ne varia notevolmente i parametri e le caratteristiche .

In sostanza, il metodo che comporta meno problemi nella realizzazione del sistema di misurazione e visualizzazione, è quello di cui al punto D), ovvero quello che utilizza un sistema di trasmissione/ricezione a raggi infrarossi.

Scopo della presente invenzione, è superare i problemi e le difficoltà sopra elencate fornendo un dispositivo portatile in grado di calcolare, con elevata precisione, la distanza percorsa e le velocità raggiunte.

Il dispositivo secondo il trovato, comprende sostanzialmente due apparati elettronici distinti e complementari, dei quali uno (slave) è atto ad emettere dei segnali tramite appositi mezzi emettitori, mentre l'altro (master) è atto a ricevere detti segnali tramite appositi mezzi di ricezione nonché a memorizzarli ed elaborarli per calcolare la distanza percorsa e le velocità media e massima.

Una migliore comprensione del trovato si avrà con la seguente descrizione dettagliata e con riferimento alle figure allegate che illustrano, a solo titolo esemplificativo e non già limitativo, una preferita forma realizzativa.

Nei disegni:

la figura 1 è uno schema a blocchi del dispositivo "slave";

la figura 2 è una vista schematica dall'alto della zona spazzata dai raggi infrarossi emessi dallo "slave ";

la figura 3 è uno schema a blocchi del dispositivo "master";

la figura 4 mostra il modo con cui i raggi infrarossi trasmessi dallo "slave" vengono ricevuti dal "master";

la figura 5 è un grafico della relazione esistente tra segnale rilevato e distanza;

la figura 6 è un diagramma di flusso del modo con cui il dispositivo esce/rientra in stand-by;

la figura 7 è un diagramma di flusso di funzionamento dello "slave";

la figura 8 è un diagramma di flusso del "master" per il riconoscimento dell'andatura passo/corsa;

la figura 9A è un diagramma di flusso del "master" per la rilevazione e memorizzazione della distanza, valido per l'andatura al passo;

la figura 9B è un diagramma di flusso del "master" per la rilevazione e memorizzazione della distanza, valido per l'andatura in corsa;

la figura 10 è un diagramma di flusso del master per la visualizzazione dei dati rilevati.

Per semplicità di descrizione, nel seguito indicheremo con "FDM" il Sistema completo di misurazione e visualizzazione, con "sx" il piede sinistro, con "dx" il piede destro, con "display" il sistema di visualizzazione dati, e con "I.R." il raggio infrarosso.

E' importante notare che le scelte costruttive e progettuali del FDM sono condizionate dal fatto che, nel caso in cui il dispositivo venga inserito all'interno di calzature, le sollecitazioni meccaniche che esso deve subire comportano l'eliminazione a priori delle componentistiche che richiedono tarature (quali trimmer resistivi e capacitivi) , così come di tutti quegli elementi sensibili agli shock meccanici e alle vibrazioni.

Bisogna inoltre considerare che si possono verificare brusche variazioni di temperatura (ad es. quando il piede termina accidentalmente in una pozza d'acqua a temperatura più bassa), pertanto l'involucro del FDM deve essere a tenuta stagna, inoltre la parte dei sensori esterni non deve essere influenzata e/o danneggiata da spruzzi anche violenti e ripetuti d'acqua.

Nella preferita forma realizzativa che si descrive, l'FDM è costituito da due apparati complementari: il "master" e lo "slave", alimentati a batteria, che ora analizzeremo nei loro componenti fondamentali .

Il master comprende sostanzialmente:

1) Una unità logica (C.P.U.) costituita da un microcontrollore in grado di effettuare elaborazioni matematiche. Le caratteristiche di tale componente devono comprendere: un intervallo di temperature di funzionamento sufficientemente ampio; una tensione di alimentazione molto bassa (2÷3 V); un bassissimo assorbimento in stand-by (dell'ordine di frazioni di microampere); una interfaccia per pilotare un display a cristalli liquidi con relativo generatore di onda quadra per gli stessi; un convertitore analogico/digitale per la misurazione dell'ampiezza del segnale; una risoluzione almeno di 8 bit; un generatore di tensione di riferimento stabile in temperatura; un oscillatore a risuonatore ceramico (che è più robusto di quelli al quarzo), avente una frequenza il più vicina possibile a quella massima ammissibile dal microcontrollore e dal risuonatore.

2) Un display a cristalli liquidi per la visualizzazione dei dati relativi alle distanze percorse, alla velocità media, alla velocità massima, eco..

3) Un sensore di pressione per rilevare l'effettivo movimento del piede dx, in grado di sincronizzare la lettura del segnale, e di effettuare l'accensione/spegnimento automatico.

4) Uno schieramento (array) di sensori (ricevitori I.R.) disposti in un contenitore che li maschera ai raggi solari e forma, preferibilmente, un semicerchio che avvolge la parte interna della caviglia dx.

5) Un filtro che seleziona il segnale infrarosso modulato all'uscita dei sensori I.R..

6) Un amplificatore di segnale, il cui guadagno è tale da non saturare il convertitore analogico/digitale, in modo da non provocare errori di lettura. Ciò significa che il valore massimo del segnale amplificato è sempre minore o uguale a quello massimo ammissibile dalla C.P.U.. Detto amplificatore deve avere buone caratteristiche di stabilità termica e un bassissimo assorbimento di corrente (tipo CMOS).

7) Un sensore di luce esterna per la compensazione automatica del segnale nelle varie ore del giorno (o nel caso di attraversamenti improvvisi di tratti bui).

Lo slave comprende sostanzialmente:

1) Un generatore di impulsi che vengono inviati ai dei led emettitori I.R..

2) Un amplificatore (buffer) in corrente, necessario al pilotaggio dei led emettitori I.R..

3) Uno schieramento (array) di led emettitori I.R., disposti preferibilmente a semicerchio su di un contenitore che avvolge la parte interna della caviglia sx.

4) Un sensore di pressione con funzione di attivazione/spegnimento della emissione dei raggi I .R.

5) Una unità logica (C.P.U.) che gestisce il funzionamento dell'apparato.

Con riferimento alle figure sopra elencate, analizziamo ora il principio di funzionamento del dispositivo secondo il trovato.

Entrambe le unità (master e slave) sono provviste di un sistema di auto-accensione ed auto-spegnimento, in modo da eliminare qualunque azionamento da parte dell 'utilizzatore e, contemporaneamente, ottimizzare il consumo delle batterie di alimentazione.

Questo è reso possibile dalla presenza di due sensori di pressione SP, che attivano la rispettiva unità non appena si verifica una modifica di stato del singolo sensore.

Lo stato di attivazione delle rispettive unità viene mantenuto fino a che viene percepita una variazione di stato del relativo sensore SP entro un tempo di margine stabilito (time-out).

Pertanto, non appena inizia il movimento dei piedi, entrambi gli apparati (master e slave) attivano le loro funzioni.

In particolare, per quanto riguarda il funzionamento dello slave, si ha che ogni modifica dello stato del sensore di pressione SP, provoca l'uscita dallo stato "sleep" (stato di attesa ad assorbimento minimo di energia).

Da questo istante inizia il conteggio per il time-out (fig. 3), che viene azzerato da ogni successivo mutamento di stato del sensore di pressione SP, ed inizia la generazione di un treno di impulsi che viene amplificato dal buffer.

Tale segnale viene poi inviato ai led emettitori di infrarossi.

A questo punto si effettua un "loop" di proseguimento, ciò significa che l'emissione dei raggi infrarossi continua fino a che non si attiva la procedura di "time-out". In altre parole, se non vengono rilevati mutamenti di stato del sensore SP prima della fine del conteggio, l'apparato si disattiva ponendosi nello stato di assorbimento minimo (sleep).

Diverso, invece, è il funzionamento del master, nel quale il sensore di pressione SP svolge una duplice funzione. Infatti, oltre a determinare l'uscita dell'apparato dallo stato di "sleep", sincronizza il momento in cui viene effettuata la lettura dell'ampiezza del segnale infrarosso modulato proveniente dallo slave.

Anche in questo caso, il ritorno dell’apparato in condizione di riposo (basso consumo) avviene quando non si verifica un cambiamento di stato, del sensore di pressione SP, entro un certo tempo (time-out). Per semplificare le figure 9A e 9B, si è supposto che la sequenza di cambiamenti di stato, del sensore SP, sia quella accettata dal sistema, ovvero che non si incorra in un time-out.

Si noti che la sequenza di posizionamento dei singoli piedi, è differente secondo il tipo di andatura che si tiene: passo o corsa.

Nella preferita forma realizzativa che si descrive, lo slave è posto nella calzatura di sx, mentre il master è posto in quella di dx.

Nel caso si stia camminando al passo, si ha una sequenza che possiamo schematizzare come nella tabella che segue alla pagina successiva:

Il primo stato é quello che si verifica all'inizio del movimento, i due piedi sono fermi e in appoggio .

Il secondo stato si verifica quando si alza il piede sinistro per iniziare un passo. In tale fase il sensore di pressione SP cambia il suo stato e si attiva l'unità slave, che emette di conseguenza un'onda infrarossa mantenendola anche al riappoggio del piede stesso.

La terza situazione si verifica alla fine del passo del piede sx ed al conseguente sollevamento del piede dx, che provoca l'attivazione del master.

In questa condizione l'unità master, attivata dal cambiamento di stato del sensore di pressione SP, capta il segnale I.R. e, in funzione della sua ampiezza, memorizza un valore numerico.

L'operazione di lettura del segnale, da parte del master, avviene ad ogni cambiamento di stato del sensore di pressione ad esso associato (ovvero effettua una lettura sia al sollevamento che al riappoggio del piede dx).

Nel caso si verifichi la sequenza inversa, ovvero si sollevi per primo il piede dx, non si hanno inconvenienti perchè in questo caso, al momento del sollevamento del piede sx, il master è già attivo, e quindi rileva il segnale I.R. modulato non appena lo slave inizia ad emetterlo.

L'unità master, quindi, analizza il valore dell'ampiezza del segnale I.R. (analogico), lo converte in digitale e, confrontandolo con la tensione di riferimento, ottiene un numero binario compreso tra 0 e 255. Questo significa che l'errore

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sulla misura è inferiore a 1000 (1/255=0,00392) della lunghezza massima del passo.

Il numero binario, così ottenuto, viene memorizzato in un registro (figg. 9A e 9B). I successivi valori letti saranno sommati ai precedenti e, quando si raggiunge il valore massimo del registro, avviene l'incremento dei registri successivi, i quali rappresentano le decine, le centinaia e le migliaia dell'unità di misura.

Quando il master ritorna nella posizione di stand-by vengono visualizzati, in modo automatico, i dati relativi alla distanza totale percorsa, alla velocità media e a quella massima.

Per eseguire tali operazioni, il master effettua un confronto tra i numeri binari memorizzati ed una tabella di conversione inserita nel suo programma di lavoro .

Tali dati rimangono in memoria e possono essere incrementati da successivi movimenti, oppure possono essere azzerati tramite un pulsante reset.

Nel caso in cui l'utente stia correndo, si ha una sequenza in più nella tabella di stati riportata precedentemente, infatti si presenta la situazione in cui entrambi i piedi risultano sollevati da terra. In ogni caso, nella corsa i piedi possono effettuare una rotazione all'indietro con conseguente mascheramento del segnale I.R..

L'unità master è in grado di valutare se si sta correndo o camminando (fig. 9), semplicemente rilevando la sequenza e la frequenza di successione dei cambiamenti di stato del suo sensore di pressione.

In tal caso, in funzione della velocità, la procedura di misurazione del segnale viene attivata in anticipo rispetto al momento in cui l'unità master (nell'esempio descritto il piede dx) si ripoggia a terra .

L'entità di questo anticipo è proporzionale alla velocità e può variare istante per istante. In pratica, la misurazione avviene prima della rotazione all' indietro del piede.

Lo stesso avverrà prima dello stacco: la misurazione del segnale viene anticipata rispetto al momento in cui il piede dx si stacca dalla superficie di appoggio.

In altri termini, l'anticipo con il quale viene letto il segnale modulato I.R. durante la corsa, è calcolato dalla C.P.U. in funzione della frequenza di appoggio/sollevamento del piede (a cui è solidale il master) , ed in funzione di una serie di dati predisposti nella memoria e/o nel programma di gestione della C.P.U. stessa.

Una seconda forma realizzativa dell'invenzione che si descrive, prevede ulteriormente un calcolo delle calorie consumate durante un determinato percorso .

Poiché il consumo calorico dipende dal peso della persona, della distanza coperta e delle velocità con le quali detta distanza è stata percorsa, l'apparato master prevede anche un sensore di peso, quale ad esempio una cella di carico, in grado di valutare il peso della persona che sta utilizzando il dispositivo stesso .

La C.P.U. del master quantifica le calorie spese, durante la passeggiata e/o la corsa, comparando i valori acquisiti del peso, della distanza percorsa e della velocità, con i dati presenti nel suo programma di calcolo e/o nella sua memoria.

Questi dati prefissati, ricavati a priori (ad esempio per via sperimentale), forniscono il consumo calorico in funzione del peso e dei parametri della specifica attività motoria.

Per ridurre la mole di questi dati prememorizzati e quindi la necessità di memoria fisica dell'apparato, è anche possibile prevedere un algoritmo di calcolo del consumo calorico che effettui delle interpolazioni utilizzando una mole di dati inferiore.

La presente invenzione è stata descritta ed illustrata in alcune sue preferite forme realizzative, ma si intende che qualunque tecnico del ramo potrà apportarvi modifiche e sostituzioni equivalenti senza peraltro uscire dall'ambito di protezione della presente provativa industriale.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per la misurazione della distanza percorsa a piedi (camminando o correndo), applicabile all'interno di calzature o di un dispositivo portatile, caratterizzato dal fatto di comprendere sostanzialmente due apparati elettronici distinti e complementari, alimentati a batterie, dei quali uno (slave) è atto ad emettere dei segnali tramite appositi mezzi emettitori, mentre l'altro (master) è atto a ricevere detti segnali tramite appositi mezzi di ricezione nonché a memorizzarli ed elaborarli per calcolare la distanza percorsa e le velocità media e massima; detti segnali essendo modulati e direzionali in modo che la ricezione sia proporzionale alla distanza tra mezzi emettitori e mezzi ricevitori; ed essendo ulteriormente previsti mezzi per la visualizzazione dei dati elaborati.
2. 2. Dispositivo di cui alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli apparati emettitore (slave) e ricevitore (master) sono dotati di mezzi di auto-accensione ed auto-spegnimento automatico allo scopo da eliminare la necessità di qualunque azionamento da parte dell'utilizzatore e, contemporaneamente, ottimizzare il consumo delle batterie di alimentazione.
3. 3. Dispositivo di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti segnali direzionali sono raggi infrarossi modulati.
4. 4. Dispositivo di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi emettitori sono costituiti led trasmettitori di infrarossi e detti mezzi ricevitori sono costituiti da fotodiodi ricevitori.
5. 5. Dispositivo di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'apparato emettitore (slave) comprende sostanzialmente: - Un generatore di impulsi che vengono inviati ai dei led emettitori I.R.; - Un amplificatore (buffer) in corrente, necessario al pilotaggio dei led emettitori I.R.; - Uno schieramento (array) di led emettitori I.R., disposti preferibilmente a semicerchio su di un contenitore che avvolge la parte interna della caviglia sx; - Un sensore di pressione (SP) con funzione di attivazione/spegnimento della emissione dei raggi I.R.; - Una unità logica (C.P.U.) che gestisce il funzionamento dell'apparato stesso; e dal fatto che l'apparato ricevitore (master) comprende sostanzialmente: - Una unità logica costituita da un microcontrollore in grado di effettuare elaborazioni matematiche e gestire un display; - Un display a cristalli liquidi atto a visualizzre i dati relativi alle distanze percorse, alla velocità media, alla velocità massima, ecc.; - Un sensore di pressione (SP) atto a rilevare l'effettivo movimento del piede dx, in grado di sincronizzare la lettura del segnale, e di effettuare l'accensione/spegnimento automatico; - Uno schieramento (array) di sensori (ricevitori I.R.) disposti in un contenitore che li maschera ai raggi solari e forma, preferibilmente, un semicerchio che avvolge la parte interna della caviglia dx; - Un filtro che seleziona il segnale infrarosso modulato all'uscita dei sensori I.R.; - Un amplificatore di segnale, il cui guadagno è tale che il valore massimo del segnale amplificato è sempre minore o uguale a quello massimo ammissibile dalla C.P.U., ottenendo così di non saturare il convertitore analogico/digitale e di evitare errori di lettura; - Un sensore di luce esterna per la compensazione automatica del segnale nelle varie ore del giorno (o nel caso di attraversamenti improvvisi di tratti bui ).
6. 6. Dispositivo di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le caratteristiche di detta unità logica (C.P.U.) dell'apparato ricevitore (master) comprendono: un intervallo di temperature di funzionamento sufficientemente ampio; una tensione di alimentazione molto bassa (2÷3 V); un bassissimo assorbimento in stand-by (dell'ordine di frazioni di microampere); una interfaccia per pilotare un display a cristalli liquidi con relativo generatore di onda quadra per gli stessi; un convertitore analogico/digitale per la misurazione dell'ampiezza del segnale; una risoluzione almeno di 8 bit; un generatore di tensione di riferimento stabile in temperatura; un oscillatore a risuonatore ceramico (che è più robusto di quelli al quarzo), avente una frequenza il più vicina possibile a quella massima ammissibile dal microcontrollore e dal risuonatore.
7. 7. Dispositivo di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto amplificatore di segnale ha buone caratteristiche di stabilità termica e un bassissimo assorbimento di corrente (tipo CMOS).
8. 8. Dispositivo di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di auto-accensione ed auto-spegnimento automatico sono costituiti da sensori di pressione (SP) associati alle unità logiche (C.P.U.), che accendono i rispettivi apparati non appena rilevano un cambiamento di stato nel sensore (SP) e li rispengono se, tra un cambiamento di stato ed il successivo, trascorre un intervallo di tempo maggiore di un dato valore (time-out).
9. 9. Dispositivo di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'unità logica del master è in grado di discriminare il tipo di andatura (passo o corsa) in base ai dati rilevati dal sensore di pressione e, nel caso l'utente stia procedendo in corsa, la lettura dei segnali ricevuti dai fotodiodi viene anticipata sia rispetto al momento dell'appoggio che al momento del sollevamento del piede.
10. 10. Dispositivo di cui alla rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che l'entità dell'anticipo viene valutata dall'unità logica (C.P.U.) dell'apparato ricevitore (master), confrontando i dati rilevati con quelli predisposti nel suo programma di gestione.
11. 11. Dispositivo di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'apparato ricevitore (master) prevede ulteriormente un sensore (ad esempio una cella di carico) atto a valutare il peso dell 'utilizzatore, la sua unità logica comprendendo inoltre un programma per il calcolo del consumo calorico in funzione del peso, della distanza percorsa e delle velocità mantenute.
12. 12. Dispositivo di cui alla rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che la quantificazione del consumo calorico viene effettuata comparando i dati acquisiti con quelli presenti nel programma stesso.
13. 13. Dispositivo di cui alla rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detto programma di calcolo comprende un algoritmo di interpolazione tra i dati, riducendo così la mole di dati necessari e quindi la richiesta di memoria fisica dei componenti elettronici .