PL222610B1 - Inteligentny mobilny czujnik ruchu - Google Patents

Description

(21) Numer zgłoszenia: 400494 ^{(51) IntCl}·

G01C 21/16 (2006.01)

Urząd P^atentowy (22) Data zgłoszenia: 24.08.2012

Rzeczypospolitej Polskiej (54)

Inteligentny mobilny czujnik ruchu

(43) Zgłoszenie ogłoszono: 03.03.2014 BUP 05/14	(73) Uprawniony z patentu: FRĄCZKOWSKI KAZIMIERZ JÓZEF, Wrocław, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.08.2016 WUP 08/16	(72) Twórca(y) wynalazku: KAZIMIERZ JÓZEF FRĄCZKOWSKI, Wrocław, PL

PL 222 610 B1

Opis wynalazku

Tytuł wynalazku

Inteligentny mobilny czujnik ruchu

Określenie dziedziny techniki

Przedmiotem wynalazku jest inteligentny mobilny czujnik ruchu, znajdujący zastosowanie w kilku dziedzinach techniki, takich jak: inżynieria biomedyczna, w której może służyć do obrazowania części lub całości sylwetki ciała ludzkiego w czasie rzeczywistym, czy też elektronika użytkowa, w której wykorzystywany może być zarówno jako narzędzie służące nadzorowaniu treningów sportowych jak i dostarczaniu rozrywki. Pomimo szerokiego spektrum możliwości, za najbardziej korzystne przewiduje się zastosowanie inteligentnego mobilnego czujnika ruchu w pierwszej z powyżej wymienionych dziedzin, czyli inżynierii biomedycznej.

Opis stanu techniki

Jednostki wyznaczające pozycję lub położenie względem ziemi za pomocą układów inercyjnych są znane na świecie i szeroko wykorzystywane. Z opisu patentowego US4711125 znane jest połączenie trzech jednoosiowych akcelerometrów i dwóch dwuosiowych żyroskopów w jeden trójosiowy system utrzymywania równowagi urządzenia. Twórca bierze pod uwagę wykorzystanie czujników trójosiowych, jednak ze względu na wady ówczesnych rozwiązań w tym zakresie, nie zdecydował się na to.

Określenie istoty wynalazku

Istotą inteligentnego mobilnego czujnika ruchu, według wynalazku, jest możliwość określania orientacji w przestrzeni, zapewniona użyciem trzech trójosiowych czujników: akcelerometru, żyroskopu i magnetometru, z których odczyty połączone są za pomocą mikroprocesora wykorzystującego inteligentne techniki obliczeń. Po umiejscowieniu urządzeń na ciele człowieka, maszynie lub innym przedmiocie, możliwe staje się wygenerowanie jego sylwetki w przestrzeni trójwymiarowej, a także odtwarzanie i śledzenie jego ruchu bez angażowania zewnętrznych obserwatorów, takich jak kamery.

Główne cechy urządzenia to zintegrowanie niezależnych, miniaturowych urządzeń pomiarowych, jakimi są żyroskop, magnetometr i akcelerometr, za pomocą oprogramowania korzystającego z technik inteligentnych, do jednego sensora w urządzeniu bezprzewodowym z zasilaniem akumulatorowym, umożliwiającym pomiar charakterystyki położenia i ruchu punktów w przestrzeni trójwymiarowej, z możliwością śledzenia dynamiki zmian i wykorzystania go w warunkach polowych i obszarach zastosowań wskazanych na wstępie opisu, ze względu na jego miniaturowe wymiary i przenośność.

Korzystne skutki wynalazku

Korzystnym jest, że przedstawione rozwiązanie umożliwia łatwe i wygodne podejście do procedury rehabilitacji, dzięki zintegrowaniu urządzeń pomiarowych: żyroskopu, magnetometru i akcelerometru, w całość będącą urządzeniem bezprzewodowym, zasilanym akumulatorowo i umożliwiającym pełną analizę ruchu wykonywanego przez punkt ciała człowieka, do którego urządzenie jest przym ocowane. Bezprzewodowy charakter urządzenia i jego niewielkie zapotrzebowanie energetyczne powoduje, że może być ono używane w terenie pozamiejskim, w warunkach domowych i szpitalnych, nie czyniąc rehabilitacji niebezpieczną z powodu nadmiaru okablowania.

Korzystnie urządzenie obsługuje transmisję bezprzewodową w paśmie 433 MHz umożliwiającą mu komunikację z różnego rodzaju odbiornikami, przykładowo z odbiornikiem wyposażonym w port USB podłączonym do komputera i obsługiwanym przez specjalne oprogramowanie, bądź stacji bazowej.

Objaśnienie figur rysunku

Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania, jest odtworzony na rysunku, na którym figura przedstawia schemat blokowy urządzenia wraz z przepływem danych wewnątrz urządzenia i z urządzenia do odbiornika. Inteligentny mobilny czujnik ruchu jest w przykładzie wykonania urządzeniem składającym się z następujących elementów: trójosiowego żyroskopu (1) pozwalającego na pomiar zmian prędkości kątowej, trójosiowego magnetometru (2) umożliwiającego mierzenie kierunku i siły pola magnetycznego, trójosiowego akcelerometru (3) służącego mierzeniu przyspieszeń, jednostki centralnej CPU (4)-mikrokontrolera sterująco-przetwarzającego, nadajnika z anteną (5) służącego przesyłaniu danych z urządzenia, programu sterującego (6) zapisanego w procesorze jednostki centralnej CPU (4) i integrującego działanie żyroskopu (1), magnetometru oraz akcelerometru (3), akumulatora zasilającego urządzenie (7), układu ładującego (8) oraz portu MicroUSB (9) zapewniającego ładowanie i umożliwiającego nastawę parametrów pracy urządzenia, umożliwiającym odwzorowanie i zapis sekwencji ruchu całej sylwetki człowieka lub poszczególnych jej części na podstawie przesłanych do odbiornika danych (10).

PL 222 610 B1

Przykład realizacji wynalazku

P r z y k ł a d: Zintegrowany w układzie pomiarowym MPU-9150 akcelerometr, żyroskop (1) i magnetometr (2) połączone są za pośrednictwem magistrali 12C z procesorem jednostki centralnej CPU (4), do którego poprzez interfejs UART połączony jest nadajnik z anteną (5) HM-TRP-868S przesyłający dane za pośrednictwem sygnału radiowego o częstotliwości 868 MHz do odbiornika (10), a do zapewniania odpowiedniego napięcia pracy dla wspomnianych układów służy układ stabilizujący napięcie na poziomie 3,3V i układ ładujący (8) akumulator litowo-jonowy 170 mAh (7) pobierający napięcie ładowania ze złącza MicroUSB (9). Prócz tego występują elementy pomocnicze powszechnie dostępne, takie jak rezystory, kondensatory i inne, umożliwiające nieprzerwaną i stabilną pracę wspomnianych układów. Wszystkie elementy prócz akumulatora umieszczone są na jednej płytce drukowanej PCB, akumulator jest do niej podłączony przewodami.

Wskazanie możliwości przemysłowego stosowania wynalazku

Możliwości przemysłowego stosowania przedmiotu wynalazku zostały przedstawione powyżej, przy czym potencjalnie zastosowanie znajdzie on w branży telerehabilitacyjnej. Inteligentny mobilny czujnik ruchu posiada zastosowania przemysłowe jako urządzenie służące do: posturografii, badania zakresu ruchomości stawów, badania postępów w treningu sportowym, sterowania urządzeniami za pośrednictwem gestów, określania wzajemnego ułożenia ruchomych elementów maszyn, przechwytywania ruchu w celu wygenerowania realistycznych efektów w filmach i grach komputerowych oraz podobne. Pomimo szerokiego spektrum możliwości przemysłowego stosowania inteligentnego mobilnego czujnika ruchu, za najbardziej korzystne przewiduje się jego zastosowanie w pierwszej z wymienionych powyżej dziedzin techniki, czyli inżynierii biomedycznej.

Podany powyżej opis nie powinien być interpretowany jako ograniczający ideę wynalazku i dla znawcy dziedziny obsługi inercyjnych urządzeń pomiarowych, takich jak akcelerometry, żyroskopy i magnetometry jest oczywiste, że opisany układ może podlegać wielu modyfikacjom, dostosowaniom i ulepszeniom, które nie będą jednak zbyt odległe od ich charakteru technicznego i nie doprowadzą do umniejszenia otrzymywanych rezultatów technicznych. Przykładem nieznacznych różnic jest użycie układów scalonych integrujących dwa lub więcej urządzeń pomiarowych. Możliwe konfiguracje to: osobne układy zawierające akcelerometr, żyroskop i magnetometr, połączenie akcelerometru i żyroskopu z osobnym układem zawierającym magnetometr lub układ integrujący wszystkie trzy przyrządy pomiarowe w jednym. Niniejszego opisu nie należy więc interpretować jako ograniczającego się do ujawnienia przykładu wykonania i określenia układu zastrzeżeniami patentowymi.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ inteligentnego mobilnego czujnika ruchu za pomocą mikroprocesora (4) i zapisanego w nim programu sterującego (6) łączy funkcjonalności czujników pomiarowych: żyroskopu (1), magnetometru (2) oraz akcelerometru (3) i umożliwia korzystanie z nich bezprzewodowo za pośrednictwem przesyłanych przez urządzenie fal radiowych i wbudowanego akumulatora.
2. 2. Układ wg zastrzeżenia 1, znamienny jest tym, że łączy w sobie funkcjonalności żyroskopu (1), magnetometru (2) i akcelerometru (3), które są wykorzystywane współbieżnie i wg programu (6) umożliwiają określenie położenia czujnika względem dobranego układu współrzędnych.
3. 3. Układ, znamienny jest tym, że posiada mikroprocesor (4) z zapisanym programem sterującym (6) umożliwiającym wstępną obróbkę danych z urządzeń pomiarowych: żyroskopu (1), magnetometru (2) oraz akcelerometru (3) i przesłanie ich do nadajnika (5), który wysyła je dalej drogą radiową do odbiornika.
4. 4. Układ, znamienny jest tym, że posiada możliwość zasilania i konfigurowania go poprzez połączenie z komputerem (4) z odpowiednim oprogramowaniem sterującym (6), w przykładzie wykonania za pośrednictwem złącza MicroUSB (9), a po odłączeniu działa dalej opierając się na zasilaniu akumulatorowym (7), podłączanym do układu ładującego (8).