RU2731793C1 - Устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма - Google Patents
Устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма Download PDFInfo
- Publication number
- RU2731793C1 RU2731793C1 RU2019129370A RU2019129370A RU2731793C1 RU 2731793 C1 RU2731793 C1 RU 2731793C1 RU 2019129370 A RU2019129370 A RU 2019129370A RU 2019129370 A RU2019129370 A RU 2019129370A RU 2731793 C1 RU2731793 C1 RU 2731793C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- client device
- receiving
- processing information
- client
- kinematic characteristics
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
- A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Dentistry (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Physiology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- User Interface Of Digital Computer (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области медицины, а именно к биомеханике, физической культуре и спорту. Предложено устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма. Устройство включает в себя объект исследования, по крайней мере, одно клиентское устройство, устройство приема и обработки информации о действиях объекта исследования, устройство отображения обработанных данных, которые последовательно соединены между собой. При этом клиентское устройство содержит микроконтроллер, акселерометр, гироскоп, магнитометр. Микроконтроллер имеет аккумулятор, устройство запуска, USB вход, а выходы всех перечисленных устройств соединены с входами микропроцессора. Кроме того, все элементы клиентского устройства помещены в гипоаллергенный корпус, а само клиентское устройство посредством беспроводных сетей соединено с устройством приема и обработки информации. Причем количество клиентских устройств и место их установки зависит от характера выполняемых движений объектом исследования, а база данных движений объекта исследования находится в устройстве приема и обработки информации. Изобретение обеспечивает увеличение точности измерения кинематических характеристик 3D движения. 3 ил.
Description
Устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма.
Изобретение относится к области биомеханики, физической культуры и спорту, в частности, может быть использовано для измерения координат, скоростей, ускорений и углов, угловых скоростей и угловых ускорений движения звеньев 3D стержневой модели человека или антропоморфного механизма (в дальнейшем объект исследования) в реальном масштабе времени, а также для совершенствования процесса тренировки спортсменов в сложно координационных видах спорта.
Кроме того, решение может быть использовано в области робототехники при проектировании антропоморфных механизмов различного назначения.
В настоящее время существует необходимость в контроле и анализе движений человека, а также антропоморфного механизма, например, для анализа движений спортсмена во время тренировки или антропоморфного механизма, что является достаточно сложной задачей. Наиболее точно проконтролировать движения объекта исследования можно с помощью измерения кинематических характеристики 3D движения человека [1].
В современном мире очень сложно точно измерить кинематические характеристики 3D движения, но их измерение необходимо для изучения движений человека и прогнозирования ошибок при их выполнении, например, в спорте, чтобы избежать травмирования человека или порчу антропоморфного механизма. Именно поэтому необходим полный анализ и контроль за движениями человека или антропоморфного механизма.
Известны, например, следующие способы измерения кинематических характеристик 3D движений.
Так в способе и устройстве [2] измеряют кинематические характеристики, фотографируя каждое движение и обрабатывая его. Однако данный способ может быть использован только в ограниченном пространстве с хорошим освещением.
В другом известном способе [3] «Methods and computing devices to measure musculoskeletal movement deficiencies» захват движения осуществляют через обработку изображения, полученного через видеозахват, например Microsoft Kinect. Этот способ обладает высокой точностью обработки информации, но может быть использован только в случае, если в эксперименте участвует один человек, так как при большем количестве людей, каждый из участников эксперимента может загораживать камеру и в этом случае будет потеря данных.
Еще в одной известной системе и способе для медицинского использования отображения и захвата движения [4] используется захват движения и сопоставление осуществленного движения с имеющейся базой данных. Эта система является наиболее близкой к заявляемому и выбрана в качестве прототипа.
Эта система детектирования движений содержит датчик, выполненный с возможностью детектирования шаблона движений, выполняемых пользователем, а также устройство управления, выполненное с возможностью приема данных движения, представляющих детектированный шаблон движений.
В одном варианте осуществления изобретения датчик представляет собой: датчик ускорения, датчик положения, датчик скорости и гироскопический датчик. Каждый из таких датчиков предоставляет данные, из которых можно вывести шаблон движения.
В другом варианте осуществления изобретения датчик представляет собой датчик ускорения, детектирующий ускорение движения, выполняемого пользователем в, по меньшей мере, одном направлении. Датчик ускорения в особенности пригоден для предоставления данных о том, является ли шаблон движения ритмическим и/или плавным.
В третьем варианте осуществления изобретения датчик представляет собой датчик ускорения, детектирующий скорость движения, выполняемого пользователем в, по меньшей мере, двух направлениях, при этом устройство управления выполнено с возможностью определения среднего значения ускорения, усредняя ускорения в упомянутых направлениях. Это обеспечивает повышение точности детектирования шаблона движений.
Несмотря на разнообразие в этом способе систем видео захвата, эти комплексы имеют следующие недостатки:
1. Комплексы занимают много пространства и пригодны только к определенным помещениям, оборудованным под условия использования камер;
2. Используемая приборная база является сложной и дорогостоящей;
3. На теле человека располагаются специальные маркеры, которые позволяют камере увидеть части тела человека и получить данные о перемещении, но если маркеры будут перекрыты и станут невидимы для камеры, то данные не будут получены и обработаны;
4. Определяют только траекторию движения. Для того чтобы получить ускорение, необходимо преобразовать полученные данные через формулы, а это приводит к искажению полученных данных.
На этом основании применение систем видео захвата для решения наиболее актуальных задач биомеханики, например прямая и обратная задача механики, представляется весьма сомнительным, по этим же причинам ограничено применение существующих систем видеозахвата в робототехнике [5]. Прямая задача механики - по характеру движения определить действующую на тело силу. Обратная задача механики - по заранее измеренной силе определить характер движения.
Указанные недостатки не снижают важности получаемых на них результатов, однако показывают на ограничение в их широком использовании, делающие практически невозможным определения сил и моментов, формирующих исследуемое движение.
Задачей, которую решает предлагаемое устройство, является увеличение точности измерения кинематических характеристик 3D движения за счет использования устройства непосредственно на объекте исследования, а также расширение его функциональных возможностей и упрощение устройства.
Указанная задача в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что в устройстве дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма, включающем объект исследования, по крайней мере, одно клиентское устройство, устройство приема и обработки информации о действиях объекта исследования, устройство отображения обработанных данных, которые последовательно соединены между собой, клиентское устройство содержит микроконтроллер, акселерометр, гироскоп, магнитометр, при этом микроконтроллер имеет аккумулятор, устройство запуска, USB вход, при этом выходы всех перечисленных устройств соединены с входами микропроцессора, кроме того, все элементы клиентского устройства помещены в гипоаллергенный корпус, а само клиентское устройство посредством беспроводных сетей соединено с устройством приема и обработки информации, причем количество клиентских устройств и место их установки зависит от характера выполняемых движений объектом исследования, база данных движений объекта исследования находится в устройстве приема и обработке информации.
Таким образом, предлагаемое устройство осуществляет прямое измерение в режиме реального времени пространственных координат, скоростей, ускорений, угловых координат, скоростей и ускорений в точке крепления и передает их по Bluetooth на компьютер со специальным программным обеспечением, что позволяет решить поставленную в предлагаемом способе задачу.
На фиг. 1 представлена блок-схема, реализующая автоматизированный способ дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма, где:
1. Объект исследования
2. Клиентское устройство
3. Устройство приема и обработки информации
4. Устройство отображения информации
На фиг. 2 представлена блок-схема клиентского устройства (2), где:
5. Микроконтроллер
6. Bluetooth
7. Датчик акселерометра
8. Датчик гироскопа
9. Датчик магнитометра
10. Аккумулятор
11. Устройство запуска
12. USB-вход для зарядки устройства.
На фиг. 3 изображены траектории движения руки объекта исследования, полученные во время физической активности объекта исследования, где:
а - распрямление руки (плоскость z),
b - вращение руки вокруг своей оси (плоскость у),
с - подъем руки (плоскость х).
На верхнем графике изображены ускорения кулака во время первого удара. Ускорения изображены в трех плоскостях х, у, z. На нижнем графике изображены изменения угловой скорости кулака.
Уствройство работает следующим образом.
Клиентское устройство (2) закрепляют на объекте исследования (1), объект исследования (1) совершает двигательную деятельность. Клиентское устройство (2) собирает данные о движениях, совершенных объектом исследования (1), и передает данные посредством беспроводных сетей Bluetooth на устройство приема и обработки информации (3). Программа обработки информации, установленная на устройстве приема и обработки информации (3), обрабатывает и анализирует полученные данные от клиентского устройства (2). Далее эти данные сохраняются в базе данных, расположенной в устройстве приема и обработки информации(З).
Обработанные данные готовы для просмотра и анализа специалистом. Далее специалист составляет рекомендацию для объекта исследования (1), с учетом его индивидуальности.
Клиентские устройства (2) (по числу узлов механизма) закрепляют на стержнях механизма. С клиентского устройства (2) снимают координаты, скорости и ускорения точки крепления, и углы, угловые скорости и угловые ускорения стержня, т.е. полный комплект 3D кинематических характеристик. Сигнал с каждого клиентского устройства (2) по Bluetooth передают на экран компьютера, который восстанавливает все кинематические характеристики в проекциях на оси OXYZ.
Устройство прошло апробацию на кафедре бокса НГУ им. П.Ф. Лесгафта. Исследовался прямой удар, клиентское устройство (2) были закреплены на предплечье и плече. Информация, выводимая на монитор, представлена на фиг. 3 - Траектории точек крепления клиентских устройств (2) (пересчитаны в узлы модели): пространственное изображение (слева), проекции на оси (справа, по оси абсцисс отложено время в мкс). Для проверки была вычислена интегральная характеристика - время удара (фиг. 3), оно совпала с прямым результатом, полученным при скоростной видеосъемке.
Таким образом, задача увеличения точности измерения кинематических характеристик 3D движения решена за счет возможности расположения клиентского устройства непосредственно на объекте исследования.
Измерения можно выполнять сразу на нескольких объектах исследования, т.к. данные о выполнении движения человека передаются непосредственно в устройство приема и обработки информации, что расширяет функциональные возможности способа.
Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет управлять тренировочным процессом спортсмена.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. http://medtechcenter.ifmo.ru/index.php/informatsionnye-tekhnologii-v-meditsine/biomekhanicheskoe-modelirovanie.
2. Патент US 9700242 B2 Motion information processing apparatus and method) Kazuki UTSUNOMIYA, KousukeSakaue, Satoshi Ikeda, Yoshihisa Yoshioka.
3. Патент US 20150130841 A1 Methods and computing devices to measure musculoskeletal movement deficiencies Navjot Kohli, Jivtesh Singh, Christopher Rogers, Miroslav Smukov.
4. Пат. №2603047 Российская Федерация МПК А61В 5/11, А61Н 5/00, G06T 7/20 Система и способы для медицинского использования отображения и захвата движения / Вараклис Джон, Смит Крэйг, патентообладатель Новартис Аг (СН), завл. 23.01.2012, опубл. 20.11.2016. Бюл. №32 - прототип.
5. Вукобратович, М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы: / М. Вукобратович; пер. с англ. А.Ю. Шнейдера; под ред. В.С. Гурфинкеля. - Москва: Мир, 1976. - 541 с.
Claims (1)
- Устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма, включающее объект исследования, по крайней мере, одно клиентское устройство, устройство приема и обработки информации о действиях объекта исследования, устройство отображения обработанных данных, которые последовательно соединены между собой, отличающееся тем, что клиентское устройство содержит микроконтроллер, акселерометр, гироскоп, магнитометр, при этом микроконтроллер имеет аккумулятор, устройство запуска, USB вход, при этом выходы всех перечисленных устройств соединены с входами микропроцессора, кроме того, все элементы клиентского устройства помещены в гипоаллергенный корпус, а само клиентское устройство посредством беспроводных сетей соединено с устройством приема и обработки информации, причем количество клиентских устройств и место их установки зависит от характера выполняемых движений объектом исследования, база данных движений объекта исследования находится в устройстве приема и обработки информации.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019129370A RU2731793C1 (ru) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019129370A RU2731793C1 (ru) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2731793C1 true RU2731793C1 (ru) | 2020-09-08 |
Family
ID=72421713
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019129370A RU2731793C1 (ru) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | Устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2731793C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2134193C1 (ru) * | 1997-04-03 | 1999-08-10 | Псковский государственный педагогический институт им.С.М.Кирова | Способ дистанционного управления антропоморфным шагающим копирующим роботом |
| RU2607953C2 (ru) * | 2011-05-16 | 2017-01-11 | дакадоо аг | Захват оптических данных об упражнениях в дополнение к расчету оценки здоровья |
| RU169865U1 (ru) * | 2016-07-12 | 2017-04-04 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Очувствленный захват манипулятора |
| RU2680628C2 (ru) * | 2014-04-17 | 2019-02-25 | Софтбэнк Роботикс Юроп | Всенаправленный колесный человекоподобный робот, основанный на контроллере положения и скорости с линейным прогнозированием |
-
2019
- 2019-09-17 RU RU2019129370A patent/RU2731793C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2134193C1 (ru) * | 1997-04-03 | 1999-08-10 | Псковский государственный педагогический институт им.С.М.Кирова | Способ дистанционного управления антропоморфным шагающим копирующим роботом |
| RU2607953C2 (ru) * | 2011-05-16 | 2017-01-11 | дакадоо аг | Захват оптических данных об упражнениях в дополнение к расчету оценки здоровья |
| RU2680628C2 (ru) * | 2014-04-17 | 2019-02-25 | Софтбэнк Роботикс Юроп | Всенаправленный колесный человекоподобный робот, основанный на контроллере положения и скорости с линейным прогнозированием |
| RU169865U1 (ru) * | 2016-07-12 | 2017-04-04 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Очувствленный захват манипулятора |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109579853B (zh) | 基于bp神经网络的惯性导航室内定位方法 | |
| JP5870969B2 (ja) | 運動解析装置および運動解析プログラム | |
| US20100228487A1 (en) | Postural information system and method | |
| US20200205698A1 (en) | Systems and methods to assess balance | |
| WO2009007917A2 (en) | Object motion capturing system and method | |
| Seifert et al. | Pattern recognition in cyclic and discrete skills performance from inertial measurement units | |
| Nakashima et al. | Development of a swimming motion display system for athlete swimmers’ training using a wristwatch-style acceleration and gyroscopic sensor device | |
| JP2020151267A (ja) | 人等の身体動作推定システム | |
| Callejas-Cuervo et al. | Capture and analysis of biomechanical signals with inertial and magnetic sensors as support in physical rehabilitation processes | |
| JP2020174787A (ja) | 手指運動推定システム | |
| RU2731793C1 (ru) | Устройство дистанционного измерения кинематических характеристик 3D движения человека, в том числе антропоморфного механизма | |
| JP2018099452A (ja) | 選択支援装置、選択支援システムおよび選択支援方法 | |
| US11497962B2 (en) | System and method for human motion detection and tracking | |
| KR101398193B1 (ko) | 캘리브레이션 장치 및 방법 | |
| Luo et al. | A virtual reality system for arm and hand rehabilitation | |
| JP2016209212A (ja) | 運動分析装置 | |
| KR102643876B1 (ko) | 모션 패턴에 따른 근력 운동 자세 분석 시스템 및 방법 | |
| JP2014117409A (ja) | 身体関節位置の計測方法および装置 | |
| Rossanigo | Analysis of spatial parameters during gait with magneto-inertial sensors and infrared proximity sensors | |
| Krupicka et al. | Motion camera system for measuring finger tapping in parkinson’s disease | |
| JP2021099666A (ja) | 学習モデルの生成方法 | |
| JP2016011951A (ja) | 仮想マーカーの位置情報の取得方法及び装置、動作計測方法 | |
| US20240061512A1 (en) | Computer-implemented method and apparatus for determining reaction time processes | |
| JP7027745B2 (ja) | 打具の挙動の解析装置 | |
| JP6897447B2 (ja) | 弾性体の挙動の解析装置 |