RU225810U1 - Мобильное измерительное устройство "Инструмент хореографа" для определения в трехосевой системе координат базовых модельных характеристик при отработке технических элементов различного уровня сложности - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области устройств, используемых для измерения параметров движения спортсменов, а также объективного подтверждения корректности их выполнения. Мобильное измерительное устройство для определения в трехосевой системе координат базовых модельных характеристик при отработке технических элементов различного уровня сложности, представляющее собой мобильный блок с внутренними модулями, выполненный в прозрачном пластмассовом корпусе, необходимом для контроля работы прибора на основе макетной платы с установленными на ней разъемами для быстрой замены при необходимости модулей устройства, включающими в себя зуммер, позволяющий подавать звуковой сигнал с различной частотой и длительностью для звукового подтверждения начала режимов работы устройства, плату на базе программируемого микроконтроллера, мультиплексор для подключения к устройству не менее восьми однотипных датчиков, модуль часов реального времени с автономным питанием для обеспечения точной синхронизации времени измерений показаний с датчиков и модулей устройства, блок питания, состоящий из аккумулятора и модуля заряда с дополнительной защитой от токовой перегрузки и перезаряда с отдельным разъемом для зарядки MicroUSB, при этом присутствует защита блока питания, состоящая из чипа и транзисторной сборки, с возможностью присоединения к измерительному устройству через типовые телефонные разъемы RJ-11, установленные на защитном корпусе измерительного устройства с помощью «пружинных» телефонных кабелей типа 4Р-4С, выносных модулей с датчиками, заключенными в защитные прозрачные плоские корпуса в виде капсул с возможностью их размещения на теле гимнастки и возможностью установки в ключевых анатомических точках на теле гимнастки для получения в трехосевой системе координат биомеханических модельных характеристик базовых движений тела гимнастки, при этом непосредственно на самом мобильном блоке установлен датчик движения на основе технологии МЭМС, выполненный на основе модуля, включающий в себя следующие датчики: трехосевой гироскоп, трехосный акселерометр, магнитометр, измеряющий трехосное магнитное поле, барометр и датчик температуры окружающего воздуха, аналого-цифровой преобразователь для предварительной обработки данных получаемых с гироскопа, акселерометра и магнитометра по трем осям (каналам): х, у и z, а также датчик частоты сердечных сокращений (ЧСС) и уровня SpO2 (степень насыщения кислорода в крови), модуль электрокардио- и электромиограммы (ЭКГ и ЭМГ) и датчик вибрации, позволяющий точно зафиксировать время выполнения технического элемента. Техническим результатом заявленной полезной модели является создание мобильного измерительного устройства для определения в трехосевой системе координат базовых модельных характеристик при отработке в эстетической гимнастике технических элементов различного уровня сложности. 8 ил.

Description

Область техники

Полезная модель относится к области устройств, предназначенных для измерения параметров движения спортсменов, а также объективного подтверждения корректности их выполнения.

Уровень техники

Эстетическая гимнастика основана на стилизованных, естественных движениях всего тела, включающего гармонические, ритмические и динамические технические элементы, выполняемые с естественной грацией и силой, которые выполняются непрерывным потоком от одного движения к другому, как если бы каждое новое движение происходило от предыдущего.

В состав эстетической гимнастики входят выполняемые под специально подобранную музыкальную композицию различные гимнастические и танцевальные групповые упражнения, в которые входят равновесия и повороты, прыжки и скачки, различные движения тела, движения рук, движения ног, ритмические и танцевальные шаги, вращения.

Развитие современных информационных технологий позволяет сегодня в системе комплексной хореографической подготовки эстетической гимнастики перейти на качественно-новый уровень развития в части оценки результатов учебно-тренировочной и соревновательной деятельности.

В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений развития современной портативной микроэлектроники являются различные типы устройств спортивного и медицинского назначения, отслеживающие один или несколько критичных параметров жизнедеятельности человеческого организма и обладающих такими функциями, как снятие ЭКГ, измерение частоты сердечных сокращений, частоты дыхания, температуры тела, скорости и ускорения, координат, подсчет количества шагов, отслеживание трассы движения, измерение количества сахара в крови, потраченных организмом калорий и т.д.

Однако, учитывая, что даже в таких, достаточно близких к эстетической гимнастике видах спорта, как художественная и спортивная гимнастика, фигурное катание, синхронное плавание, спортивные танцы и т.п. имеются принципиальные различия в выполнении различных технических элементов, для эффективного развития эстетической гимнастики, требуются разработка специализированных измерительных устройств, полностью учитывающих специфику и ключевые потребности эстетической гимнастики, позволяющих сформировать на основе получаемых разнородных базовых модельных характеристик уникальный «электронный след» выполнения технического элемента различного уровня сложности.

Эстетическая гимнастика является еще сравнительно молодым видом спорта, поэтому в ней до настоящего времени отсутствовали специализированные измерительные устройства, полностью учитывающие основную специфику и ключевые потребности в измерении определенных критичных параметров технических элементов различного уровня сложности, имеющих важное прикладное значение для развития данного вида спорта.

Рассмотрим близкие аналоги специализированных измерительных устройств спортивного и медицинского назначения:

Из уровня техники известен мобильный комплекс БиоАватар - мобильный мониторинг биологического профиля человека. Ссылка на сайт: https://research.spbstu.ru/scientific-projects/bioavatar_mobile_monitoring_of_human_biological_profile/.

Данные проект был реализован в СПбПУ в подразделении Института передовых производственных технологий. Мобильный мониторинг биологического профиля человека реализован в виде программно-аппаратного комплекса, который формирует профиль человека на основе получаемых биометрических данных (ЭЭГ-электроэнцефалограммы, ЭКГ-электрокардиограммы, ЭМГ-электромиограммы и др.).

Назначение мобильного комплекса состоит в создании для медицинских учреждений экономичного решения по реабилитации пациентов, позволяющего проводить наблюдения, получать, оценивать и накапливать статистические физиологические данные пациентов в реальном времени не только в стационаре, но и в обычных домашних условиях.

Мобильный комплекс позволяет записывать данные во встроенную память, передавать их на компьютер пользователя и в облачный сервис медицинской службы. Система может работать и в режиме прямого, кабельного подключения к компьютеру пользователя.

Основное функциональное преимущество описываемого мобильного комплекса состоит в обеспечении дистанционного мониторинга широкого спектра физиологических данных (ЭЭГ, ЭМГ, ЭКГ и т.д.) с целью быстрой реабилитации пациентов.

Технологическим преимуществом разрабатываемой системы является возможность интеграции с техническими информационно-аналитическими комплексами, робототехническими комплексами, системами сбора и обработки медицинских данных, объединения результатов различных видов исследований в единой программной платформе для обеспечения унификации и стандартизации данных, методов и подходов к их обработке и анализу.

Области применения: реабилитация больных в домашних условиях. Проектируемая унифицированная архитектура мобильного комплекса позволяет применить данный комплекс как встраиваемое решение в компьютерные, электронные, электро-механические и роботизированные системы. Мобильный комплекс будет обеспечен базовым SDK для применения внешними разработчиками и для интеграции в другие технологии.

Недостатками вышеуказанного комплекса являются:

узкая специализация проводимых измерений только под определенные задачи медицинского назначения, которая не позволяет использовать его для других целей в области спорта (например, измерение в трехосевой системе координат определенных критичных параметров модельных характеристик технических элементов различного уровня сложности);

значительные габариты и вес мобильного комплекса, который предназначен исключительно для малоподвижных людей, проходящих длительную реабилитацию, и не предназначен для людей активно занимающихся гимнастическими видами спорта;

аппаратная и программная совместимость мобильного комплекса только в пределах своей линейки медицинских измерительных устройств, исключающая совместное использование нескольких измерительных средств разных производителей для решения одной задачи в сфере спорта.

Из уровня техники также известно устройство POLAR TEAM PRO, предназначенное для игровых видов спорта (специализация футбол). Ссылка на сайт: https://www.polar.com/ru/b2b_products/team-pro.

Компания POLAR имеет многолетнюю историю развития и специализируется на мониторах сердечного ритма, фитнес-трекерах и спортивных часах с GPS навигацией.

Оборудование POLAR TEAM PRO разработано для футбола. Прибор создает тепловую карту и описывает состояние каждого игрока футбольной команды. Зоны скорости позволяют определить интенсивность тренировки с помощью показателей скорости и темпа, проводить сравнение спортсменов.

Специализированный датчик Polar Pro, размещаемый на грудине футболиста с помощью специального жилета, измеряет показатели активности игрока и в режиме реального времени отправляет их на устройство iPad® посредством технологии Bluetooth® Smart, позволяя отслеживать текущую информацию прямо во время проведения тренировки.

Возможен одновременный просмотр ключевых показателей результативности игроков (до 60 чел.) в режиме реального времени, сравнение показателей игроков, а также добавление примечаний и маркеров во время тренировки. Общие сведения по тренировке можно увидеть сразу же после ее завершения, а по теплокарте проанализировать местоположение игрока на футбольном поле. Характеристики датчика Polar Pro:

совместимость с технологией Bluetooth Smart;

передача данных в режиме реального времени непосредственно в приложение Polar Team Pro для iPad;

радиус действия (до 200 м) и буферизация оперативных данных;

измерение скорости бега, дистанции, спринтов, ускорения и частоты шагов (на улице и в закрытом помещении) с использованием GPS (на улице);

ЧСС (вариабельность сердечного ритма);

датчик движения на основе технологии МЭМС (акселерометр, гироскоп, цифровой компас);

время работы датчика 10 ч;

память датчика до 72 ч;

время зарядки (с полностью разряженной батареи до полностью заряженной) - 3 ч;

регулируемый красный нагрудный ремень Polar Pro Soft;

обновляемая прошивка датчика.

Недостатками данного устройства являются:

узкая специализация только под определенные задачи футбола, которая не позволяет использовать его для других целей даже в смежных игровых видах спорта;

определение положения игроков только на открытой местности (на футбольном поле) по сигналам навигационных систем GPS/ГЛOHACC которые практически не принимаются в закрытых спортивных помещениях;

использование только одного канала передачи данных Bluetooth® Smart (устойчивый прием сигнала не более 300 м), исключая канал передачи данных Wi-Fi (устойчивый прием сигнала до 1000 м);

передача данных только с одного датчика, закрепленного в районе грудного отдела спортсмена (для точного измерения пульса), и отсутствие информации с других анатомически значимых ключевых для футбола точках тела (например, ноги и руки футболиста);

передача данных измерений по только специальному закрытому протоколу Bluetooth® Smart и только на специализированные устройства обработки и визуализации полученных результатов измерений производства компании POLAR, со строгой привязкой их к сайту производителя.

Из уровня техники также известно устройство SABEL Sense system Ссылка на сайт: https://www.eurekalert.org/news-releases/856337.

Группа австралийских исследователей из университета Гриффита реализовала проект SABEL Sense system, который является более точным аналогом навигационных систем GPS/ГЛОНАСС. Разработанное устройство использует гироскоп и акселерометр для получения максимально точных данных во время тренировок профессиональных спортсменов.

Недостатками данного устройства являются:

-узкая специализация только под определенные задачи исследования, которая не позволяет использовать его для других целей;

для определения положения спортсменов устройство SABEL Sense system использует только гироскоп и акселерометр, исключая использование данных магнитометра, который позволяет измерять трехосное магнитное поле Земли и получить (с учетом данных гироскопа и акселерометра) более точное определение координат подвижного объекта, в том числе и в закрытых спортивных помещениях, где сигналы навигационных систем GPS/ГЛОНАСС не принимаются;

не проводит измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС) (пульс) и уровня SpO₂ (степень насыщения кислородом крови), электрокардио- и электромиограммы (ЭКГ и ЭМГ) спортсмена;

передача данных только с одного датчика и отсутствие информации с других анатомически значимых точек тела спортсмена, установленных для определенного вида спорта.

Наиболее близким аналогом к заявленному устройству (прототипом) является патент RU 2319531 С2, 20.03.2008, из которого известна система обучения и измерения параметров движения фигуриста при выполнении сложно-координационных двигательных действий вращательного характера, содержащая блок звуковой индикации, при этом в нее введены также датчик группировки, закрепленный на корпусе фигуриста в области требуемого положения звеньев тела и подключенный к блоку звуковой индикации, блок замыкания датчиков группировки и подключенные к нему дополнительные датчики группировки, закрепленные в областях требуемого положения звеньев тела, закрепленные, например, на коньках датчики контакта коньков со льдом, блок распознавания прыжка, блок измерения и индикации длительности прыжка, при этом датчики контакта коньков со льдом и датчик группировки подключены к блоку распознавания прыжка, соединенному с блоком измерения и индикации длительности прыжка, линейный акселерометр и подключенный к нему блок расчета и индикации угловой скорости вращения фигуриста, при этом линейный акселерометр закреплен на корпусе фигуриста так, что его ось чувствительности перпендикулярна продольной оси корпуса фигуриста, монтажная одежда, например жилет, при этом датчик группировки, блок звуковой индикации и соединительные провода закреплены на жилете, блок измерения и индикации длительностей удержания группировок и замыкания датчиков группировок, соединенный с датчиками группировки и блоком замыкания датчиков группировок, световые индикаторы, подключенные к блоку замыкания датчиков группировок, при этом количество световых индикаторов равно количеству датчиков группировки, блок расчета разностей, подключенный к блоку измерения и индикации длительностей удержания группировок и замыкания датчиков группировок.

Недостатками данного патента являются:

узкая специализация измеряемых параметров только под определенные задачи фигурного катания, передача данных только с нескольких специализированных датчиков, установленных на фигуристе в анатомически значимых для фигурного катания точках тела и его коньках (датчики контакта коньков со льдом, датчики на корпусе и руках фигуриста и т.д.), полностью исключающее их использование для других целей даже в смежных сложно-координационных видах спорта;

монтажная одежда (жилет) не позволяет изменять положения датчиков для проведения измерений в других частях тела спортсмена;

не проводит измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС) (пульс) и уровня SpO₂ (степень насыщения кислородом крови), электрокардио- и электромиограммы (ЭКГ и ЭМГ) спортсмена, фиксацию начала и окончания выполнения технического элемента отдельным датчиком движения;

использование только одного канала передачи данных Bluetooth (устойчивый прием сигнала не более 300 м), исключая канал передачи данных Wi-Fi (устойчивый прием сигнала до 1000 м);

не проводит измерения положения фигуриста на ледовом поле (как общей точки на корпусе фигуриста, так и отдельных элементов тела);

не проводит измерения при парном катании фигуристов синхронности выполнения как отдельного технического элемента, так и всего спортивного выступления в целом.

Главные функциональные отличия патента (RU 2319531 С2, 20.03.2008) и заявляемого устройства.

Следует учитывать, что разные виды сложно-координационного спорта (имеются существенные принципиальные различия в технике выполнения различных гимнастических элементов) в которые кроме эстетической гимнастики входят: художественная (одиночная и групповая) гимнастика, спортивная гимнастика, акробатика, фигурное катание, синхронное плавание (при отработке элементов хореографии), спортивные танцы и т.п.

Кроме того, отдельно к сложно-координационной деятельности, не связанной со спортом, но используемой для учебно-тренировочной спортивной хореографической подготовки относят: классический балет (различные национальные школы и течения) и различные виды национальных танцев народов мира.

Патент (RU 2319531 С2, 20.03.2008) на устройство используется только в фигурном катании для измерения различных параметров модельных характеристик многооборотных прыжков, а именно:

Основные параметры измеряемых модельных характеристик:

средняя угловая скорость полета;

длительность полета, высота прыжка;

время принятия группировки спортсменом;

время удержания группировки спортсменом;

количество оборотов и т.д.

Второстепенные параметры измеряемых модельных характеристик:

максимальная угловая скорость полета,

угловая скорость отрыва фигуриста от льда;

угловая скорость приземления фигуриста;

коэффициент скорости группировки и т.д.

Заявляемое устройство разработано и используется для измерения в трехосевой системе координат определенных критичных для эстетической гимнастики параметров модельных характеристик технических элементов различного уровня сложности, а также для объективного подтверждения корректности их выполнения в соответствии с правилами соревнований IFAGG (2017 - 2023 гг.) эстетической гимнастики, а именно:

Основные параметры измеряемых модельных характеристик:

углы наклона корпуса тела и анатомически значимых частей тела гимнастки по трем осям координат (х, у и z.) при выполнении технических элементов различного уровня сложности;

среднее и максимальное отклонение тела;

средняя и максимальная скорость рук и тела гимнастки;

время удержания промежуточных фаз;

ускорение гимнастки и ее отдельных элементов тела в ключевых анатомических значимых точках;

угловая скорость гимнастки и ее отдельных частей тела в ключевых анатомических точках;

время выполнения отдельного технического элемента и всей соревновательной композиции в целом;

формирование «электронного следа» (совокупность критичных параметров модельных характеристик) выполнения технических элементов различного уровня сложности для создания базы данных модельных характеристик;

сводная оценка в режиме реального времени корректности выполнения технических элементов различного уровня сложности и всей спортивной композиции в целом в соответствии с правилами соревнований IFAGG (2017 - 2023 гг.) эстетической гимнастики;

рисунок выполнения технического элемента на плоскости (х, у) или в трехосевой системе координат (х, у и z.) отдельной гимнастки и всей спортивной команды на гимнастической площадке (как рисунок движения общей точки на корпусе гимнастки, так и ее отдельных элементов тела);

синхронность выполнения спортивной командой отдельного технического элемента и всей соревновательной композиции в целом (при использовании нескольких устройств);

температура в ключевых анатомических точках тела;

частота сердечных сокращений (ЧСС).

Второстепенные параметры измеряемых модельных характеристик:

оценка общего уровня SpO₂ (степень насыщения крови кислородом) гимнастки и производных на его основе (работа легких, отдельных групп мышц и т.д.);

мониторинг тренированности гимнастки (мониторинг сердечного ритма) на основе обобщения данных измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС) до, во время и после тренировки с привязкой данных к продолжительности тренировки, дате, месяцу и году ее проведения (в форме электронного дневника спортсмена в виде обобщенных таблиц (txt и excel);

легкое изменение положения датчиков с помощью «пружинных» телефонных кабелей типа 4Р-4С длиной 2 и 4 м (в зависимости от места установки датчика на теле гимнастки);

измерение температуры воздуха (в Цельсиях и Фаренгейтах),

измерение атмосферного давления и высоты над уровнем моря;

подсчет количества выполненных шагов;

на основе обобщения данных измерения и исходных данных определение потраченных гимнасткой калорий;

измерение времени синхронизации движения отдельной гимнастки и всей спортивной команды на гимнастической площадке (на основе датчика вибрации и движения и обобщения данных измерений) с привязкой к музыкальному сопровождению;

построение 3D-модели гимнастки по ключевым анатомическим точкам с помощью программы анимации Unreal Engine для анализа в режиме реального времени выполнения технических элементов различной степени сложности с разных «точек наблюдения»;

электрокардио- и электромиограммы (ЭКГ и ЭМГ) при различных нагрузках;

мониторинг Wi-Fi и Bluetooth сетей (дальность приема от 300 м до 1000 м зависит от выбора режима работы) для передачи в установленном порядке измеряемых параметров с датчиков и сенсоров;

оценка общего уровня магнитного поля в месте проведения тренировки.

Раскрытие полезной модели

Техническим результатом заявленной полезной модели является создание измерительного устройства для определения в трехосевой системе координат базовых модельных характеристик при отработке технических элементов различного уровня сложности, а также для объективного подтверждения корректности их выполнения.

Вышеуказанный технический результат достигается мобильным измерительным устройством для определения в трехосевой системе координат базовых модельных характеристик при отработке технических элементов различного уровня сложности, представляющим собой мобильный блок с внутренними модулями, выполненный в прозрачном пластмассовом корпусе, необходимом для контроля работы прибора на основе макетной платы с установленными на ней разъемами для быстрой замены при необходимости модулей устройства, включающими в себя зуммер, позволяющий подавать звуковой сигнал с различной частотой и длительностью для звукового подтверждения начала режимов работы устройства, плату на базе программируемого микроконтроллера, мультиплексор для подключения к устройству не менее восьми однотипных датчиков, модуль часов реального времени с автономным питанием для обеспечения точной синхронизации времени измерений показаний с датчиков и модулей устройства, блок питания, состоящий из аккумулятора и модуля заряда с дополнительной защитой от токовой перегрузки и перезаряда с отдельным разъемом для зарядки MicroUSB, при этом присутствует защита блока питания, состоящая из чипа и транзисторной сборки с возможностью присоединения к измерительному устройству через типовые телефонные разъемы RJ-11, установленные на защитном корпусе измерительного устройства с помощью «пружинных» телефонных кабелей типа 4Р-4С, выносных модулей с датчиками, заключенными в защитные прозрачные плоские корпуса в виде капсул, с возможностью их размещения на теле гимнастки и возможностью установки в ключевых анатомических точках на теле гимнастки для получения в трехосевой системе координат биомеханических модельных характеристик базовых движений тела гимнастки, при этом непосредственно на самом мобильном блоке установлен датчик движения на основе технологии МЭМС, выполненный на основе модуля, включающий в себя следующие датчики: трехосевой гироскоп, трехосный акселерометр, магнитометр, измеряющий трехосное магнитное поле, барометр и датчик температуры окружающего воздуха, аналого-цифровой преобразователь для предварительной обработки данных получаемых с гироскопа, акселерометра и магнитометра по трем осям (каналам): х, у и z, а также датчик частоты сердечных сокращений (ЧСС) и уровня SpO₂ (степень насыщения кислорода в крови), модуль электрокардио- и электромиограммы (ЭКГ и ЭМГ) и датчик вибрации, позволяющий точно зафиксировать время выполнения технического элемента.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан внешний вид платы на базе программируемого микроконтроллера.

На фиг.2 показан внешний вид мультиплексора.

На фиг.3 показан внешний вид модуля ч реального времени с автономным питанием.

На фиг.4 показан внешний вид блока питания.

На фиг.5 показан внешний вид платы с установленным датчиком движения.

На фиг.6 показан процесс обработки данных получаемых с гироскопа, акселерометра и магнитометра по трем осям (каналам): х, у и z.

На фиг.7 показан подвижный объект, выполняющий технические элементы с размещенным на поясе заявленным измерительным устройством.

На фиг.8 показан внешний вид заявленного мобильного измерительного устройства и структурная схема проведения измерений сего помощью.

Осуществление полезной модели

В состав мобильного измерительного устройства для определения в трехосевой системе координат базовых модельных характеристик при отработке в эстетической гимнастике технических элементов различного уровня сложности, выполненного в виде мобильного блока, размещаемого на поясе гимнастки, входят:

плата Wemos ESP32 на базе программируемого 32-х битного микроконтроллера Espressif ESP32-WROOM-32 с OLED дисплеем (128x64 пикселя) с тактовой частотой 240 МГц, который обеспечивает связь по стандартным протоколам сетей Wi-Fi: 802.11b/g/n (802.11n до 150 Мбит/с) и Bluetooth: 4.2 BR/EDR (Low Energy) и поддерживает интерфейсы: UART, I2C, SPI, VP/VN, DAC, что позволяет обеспечить уверенный прием данных измерений на расстоянии от 300 м до 1000 м до устройства (в зависимости от использования для передачи данных канала связи Bluetooth или Wi-Fi);

мультиплексор ТСА9548А интерфейса I2C для подключения к мобильному блоку устройства не менее восьми однотипных датчиков (в зависимости от характера решаемых задач устанавливается один (на 8) или два (на 16) мультиплексора. Протокол I2C использует два провода для обмена информацией (SCL - для тактового сигнала и SDA - для отправки и получения данных) с датчиков и модулей устройства;

модуль часов реального времени RTC (RTC - англ. Real Time Clock) с автономным питанием (на микросхеме DS3231) для обеспечения точной синхронизации времени измерений показаний с датчиков и модулей устройства и ПЭВМ с установленным авторским специальным программным обеспечением (СПО) «Программный комплекс формирования базовых модельных характеристик в сложно-координационных видах спорта «Инструмент хореографа» (Свидетельство №2023662443 от 04.04.2023 г.) (далее по тексту - СПО «Инструмент хореографа»). При первичном включении устройства через выделенную сеть проводится автоматическая синхронизация времени устройства с ПЭВМ. В дальнейшем, благодаря автономному питанию, даже при выключении устройства (или замене аккумуляторной батареи) модуль RTC продолжит функционировать;

блок питания устройства обеспечивает не менее 60 мин непрерывной работы в режиме передачи данных и состоит из Li-Ion аккумуляторной батареи 18650 емкостью 2500mAh и модуля заряда на микросхеме ТР4056, с дополнительной защитой от токовой перегрузки и перезаряда с отдельным разъемом для зарядки MicroUSB. Защита блока питания состоит из чипа DW01A, и транзисторной сборки 8205А, что позволяет выдерживать кратковременную переполюсовку (при неправильной установке аккумуляторной батареи в гнездо платы). Защита блока питания от перегрузки по току двухступенчатая: срабатывает при нагрузке 27 А в течении 3 мкс, или же при токе 3А в течение 10 мс. Защита от перезаряда срабатывает при напряжении на аккумуляторе свыше 4.25 В. Блок питания обеспечивает стабильное питание 3,3 В. Время зарядки около 3 ч.

Датчики и сенсоры устройства, используемые для измерений:

Непосредственно на самом устройстве (размещаемом на поясе гимнастки) установлен датчик движения на основе технологии МЭМС, выполненный на основе модуля MPU-9250/BMP280 (GY-91), включающий в себя следующие датчики: трехосевой гироскоп, трехосный акселерометр, магнитометр, измеряющий трехосное магнитное поле, барометр и датчик температуры окружающего воздуха, а также собственный 16-битный АЦП (аналого-цифровой преобразователь - DMP (Digital Motion Processor) (далее -DMP) для предварительной обработки данных получаемых с гироскопа, акселерометра и магнитометра по трем осям (каналам): х, у и z. Причем, следует учитывать, что в MPU-9250/BMP280 (GY-91) определение осей у гироскопа и акселерометра одно, а у магнитометра другое.

Установленный в модуле дополнительный магнитометр позволяет получить наиболее точное определение координат подвижного объекта на гимнастической площадке. Модуль обеспечивает измерение с частотой 400 кГц и передачу по шине данных I2C следующих параметров:

Рабочий диапазон гироскопа: ±250, ±500, ±1000, ±2000 °/с;

Чувствительность гироскопа (программно): 131, 65.5, 32.8, 16.4 LSB;

Рабочие диапазоны акселерометра: ±2, ±4, ±8, ±16 g;

Рабочий диапазон магнитометра: ±4800 мкТл;

Барометр: 300-1100 ГПа с точностью до 0,12 Па и погрешностью ±1Па.

Рабочий диапазон температуры: - 40°С - +85°С.

Данные обрабатываются встроенным сигнальным процессором DMP с помощью алгоритмов Motion Fusion и передаются по интерфейсу I2C через роутер на ПЭВМ.

Для съема информации в анатомически значимых точках тела гимнастки используются различные типы датчиков и сенсоров, позволяющие проводить измерения и предварительную обработку в режиме реального времени базовых модельных характеристик при отработке технических элементов различного уровня сложности.

Датчики модулей MPU-6050 (GY-521) размещаются в анатомически значимых точках на теле гимнастки (не менее 8) и аналогичны датчику модуля MPU-9250/BMP280 (GY-91), объединяют в себе гироскоп и акселерометр, а также датчик температуры тела в точке измерения и обеспечивает измерение с частотой 400 кГц и передачу по шине данных I2C следующих параметров:

Рабочий диапазон гироскопа: ±250, ±500, ±1000, ±2000 °/сек;

Чувствительность гироскопа: 131, 65.5, 32.8, 16.4 LSB;

Рабочие диапазоны акселерометра: ±2, ±4, ±8, ±16 g;

Рабочий диапазон температуры: - 40°С - +85°С.

Для достижения максимальной точности измерений датчиков модулей MPU-9250 и MPU-6050 перед началом их работы проводится калибровка акселерометра, и гироскопа с помощью внутреннего DMP, что позволяет выставить «ноль» для вектора силы тяжести акселерометра, а у гироскопа значительно уменьшает его «дрифт» (статическое отклонение в режиме покоя). Для исключения постоянной калибровки магнитометра и упрощения вычислений в прошивку микроконтроллера Espressif ESP32-WROOM-32 уже записаны поправочные коэффициенты магнитометра (офсеты) для местоположения автора проекта 162х, 69у, 92z (г. Москва и Подмосковье).

Для определения ключевых показателей тренированности гимнасток спортивной команды в эстетической гимнастике необходимо определять частоту сердечных сокращений (ЧСС) (пульс) и уровень SpO2 (степень насыщения крови кислородом). Помимо этого, в сенсор встроен температурный датчик, с помощью которого можно получить значение температуры (в Цельсиях и Фаренгейтах) окружающей среды. В состав микросхемы датчика входят светодиоды (ПК- и красного цвета), а так же фотоприемник и оптические элементы благодаря чему полученные сигналы имеют низкий уровень шума.

В ходе измерений интенсивность испускаемого красного и инфракрасного света регулируется встроенными программными методами за счет изменения интенсивности его свечения и длительности. Во время измерения необходимо, чтобы палец находился в постоянном зафиксированном положении или же, в случае с расположения на запястье (или грудине), находился в неподвижном положении все время измерений.

Модуль сердечного ритма и ЭКГ AD8232 (устанавливается на обратной стороне платы мобильного блока устройства), разработанный компанией Analog Devices состоит из платы AD8232, набора электродов и кабеля для их подключения к плате AD8232 и используется для обработки электрокардио- и электромиограмм (ЭКГ и ЭМГ). Для снятия ЭКГ электроды крепятся в определенные области тела, а для ЭМГ на различные группы скелетных мышц, в зависимости от поставленных задач исследования.

Модуль предназначен для получения, усиления и фильтрации слабых биопотенциальных сигналов в условиях сильных помех. AD8232 включает в себя двухполюсный фильтр высоких частот и нескоммутированный операционный усилитель, который позволяет использовать технологию многополюсной низкочастотной фильтрации для удаления шума линии и других помех и подключать датчик напрямую к осциллографу через отдельный контакт OUTPUT.

Данный датчик снимает показания ЭКГ по методу двухполюсных отведений, при котором фиксируется разность потенциалов между двумя точками электрического поля электродов. Эти данные можно использовать для отслеживания ритмов сердца при статических и динамических нагрузках при занятиях спортом, а так же в целом для непрерывного мониторинга работы кардиосистемы спортсмена во время тренировки.

Помимо этого, датчик позволяет снимать ЭМГ (электромиограмма), а полученный сигнал возможно использовать в бионике и протезировании, в управлении виртуальными джойстиками и клавиатурами в игровых симуляторах.

Для определения начала и окончания движения подвижного объекта на плате устройства размещен датчик вибрации KEYES KY-002 позволяющий точно фиксировать начало и окончание времени выполнения технического элемента.

Зуммер устройства позволяет подавать звуковой сигнал с различной частотой и длительностью для звукового подтверждения начала режимов работы устройства: включение; установка соединения и начало передачи данных измерений на ПЭВМ под управлением СПО «Инструмент хореографа» и разрыв установленного соединения с ПЭВМ.

Конструктивно устройство выполнено в стандартном прозрачном пластмассовом корпусе необходимом для контроля работы прибора (дисплей и светодиодные индикаторы работы блоков) на основе макетной платы (9×7 см) с установленными на ней разъемами для быстрой замены (при необходимости) модулей прибора (модуля процессора с прошивкой, установка дополнительного мультиплексора и т.д.). Вес прибора составляет не более 140 гр., размеры мобильного блока 11×11×3,5 см.

Все выносные модули с датчиками устройства, выполненные с возможностью присоединения к измерительному устройству через типовые телефонные разъемы RJ-11, установленные на защитном корпусе измерительного устройства с помощью «пружинных» телефонных кабелей типа 4Р-4С и с возможностью размещения на подвижном объекте, заключены в прозрачные плоские защитные корпуса (используются капсулы для монет 027 мм) и подключаются к устройству с помощью «пружинных» телефонных кабелей типа 4Р-4С длиной 2 и 4 м (в зависимости от места установки датчика на теле гимнастки) через типовые телефонные разъемы RJ-11 установленные на защитном корпусе капсул и устройстве.

Для обеспечения работы устройства в микроконтроллер Espressif ESP32-WROOM-32 через отдельный разъемом MicroUSB введена прошивка (исходный код) специальной авторской программы (версия 21), которая позволяет микроконтроллеру по заданным алгоритмам проводить измерения и подключаться к сетям для передачи в установленном порядке измеряемых параметров с датчиков и сенсоров подвижного объекта.

При первом включении устройства проводится синхронизация модуля ч реального времени RTC со временем, установленным на ПЭВМ.

С момента включения на OLED дисплее платы Wemos ESP32 отображается текущее время работы устройства, указываются имя выделенной сети и IP адрес устройства в сети, а также состояние соединения устройства с ПЭВМ с установленным СПО «Инструмент хореографа». Все режимы работы устройства дублируются подачей зуммером серий звуковых сигналов с различной частотой и длительностью.

В трехосевой системе координат возможны измерения различных параметров (наклоны вперед/назад); (наклоны вправо/влево) и вращение вокруг вертикальной оси, благодаря размещенным на теле гимнастки различных типов измерительных датчиков, установленных в ключевых анатомических точках на теле гимнастки (белый цвет - основные, серый - вспомогательные) (фиг. 8), позволяющие получать в трехосевой системе координат (в месте размещения датчиков) различные биомеханические модельные характеристики базовых движений тела гимнасток (скорость, ускорение, угол наклона, рисунок технического элемента и т.п.), а также ряд вспомогательных (частота сердечных сокращений (ЧСС), уровень кислорода в крови (SpO₂), температуру тела и т.д.).

С помощью с установленного на типовой ПЭВМ (ноутбук, планшет) авторского специального программного обеспечения «Программный комплекс формирования базовых модельных характеристик в сложно-координационных видах спорта «Инструмент хореографа» (Свидетельство №2023662443 от 04.04.2023 г.), в режиме реального времени проводится прием, обработка и графическая визуализация данных в виде наглядных таблиц и графиков (фигура 8).

В дальнейшем, планируется оснастить устройство встроенной памятью (модуль записи на стандартную флешкарту объемом до 32 ГБ) с записью всех включений прибора (фиксируется год, месяц, день, время включения, время работы и все заданные параметры в установленном порядке в форме обобщенных таблиц (txt и excel), а также оснастить звуковым модулем (прием звукового сигнала начала выполнения технического элемента, подача гимнастке кратких звуковых команд устройством и т.д.). В данной версии устройства данные функции не реализованы для получения максимально возможного времени его работы. Кроме того, для проведения простых локальных измерений в нескольких ключевых анатомических точках (подключения не более двух однотипных датчиков на теле гимнастки) реализован вариант устройства (мини) на базе микромодуля Wemos Lolin32 и нескольких датчиков модулей MPU-9250 и MPU-6050.

Заявленное измерительное устройство хорошо зарекомендовало себя в ходе проведения практических исследований (2022-2023 гг.) на базе кафедры ТиМ гимнастики РУС «ГЦОЛИФК» по выявлению специфических характеристик однофазных движений тела гимнасток спортивной команды «Аймант» (РУС «ГЦОЛИФК») в трехосевой системе координат (в части допустимого диапазона значений технических элементов).

Claims (1)

1. Мобильное измерительное устройство для определения в трехосевой системе координат базовых модельных характеристик при отработке технических элементов различного уровня сложности, представляющее собой мобильный блок с внутренними модулями, выполненный в прозрачном пластмассовом корпусе, необходимом для контроля работы прибора на основе макетной платы с установленными на ней разъемами для быстрой замены при необходимости модулей устройства, включающими в себя зуммер, позволяющий подавать звуковой сигнал с различной частотой и длительностью для звукового подтверждения начала режимов работы устройства, плату на базе программируемого микроконтроллера, мультиплексор для подключения к устройству не менее восьми однотипных датчиков, модуль часов реального времени с автономным питанием для обеспечения точной синхронизации времени измерений показаний с датчиков и модулей устройства, блок питания, состоящий из аккумулятора и модуля заряда с дополнительной защитой от токовой перегрузки и перезаряда с отдельным разъемом для зарядки MicroUSB, при этом присутствует защита блока питания, состоящая из чипа и транзисторной сборки с возможностью присоединения к измерительному устройству через типовые телефонные разъемы RJ-11, установленные на защитном корпусе измерительного устройства с помощью «пружинных» телефонных кабелей типа 4Р-4С, выносных модулей с датчиками, заключенными в защитные прозрачные плоские корпуса в виде капсул, с возможностью их размещения на теле гимнастки и возможностью установки в ключевых анатомических точках на теле гимнастки для получения в трехосевой системе координат биомеханических модельных характеристик базовых движений тела гимнастки, при этом непосредственно на самом мобильном блоке установлен датчик движения на основе технологии МЭМС, выполненный на основе модуля, включающий в себя следующие датчики: трехосевой гироскоп, трехосный акселерометр, магнитометр, измеряющий трехосное магнитное поле, барометр и датчик температуры окружающего воздуха, аналого-цифровой преобразователь для предварительной обработки данных, получаемых с гироскопа, акселерометра и магнитометра по трем осям (каналам): х, у и z, а также датчик частоты сердечных сокращений (ЧСС) и уровня SpO₂ (степень насыщения кислорода в крови), модуль электрокардио- и электромиограммы (ЭКГ и ЭМГ) и датчик вибрации, позволяющий точно зафиксировать время выполнения технического элемента.