Устройство регистрации двигательной активности

Изобретение относится к средствам сбора, обработки и передачи данных от датчиков и предназначено как для автономной регистрации двигательной активности пользователя, так и для передачи информации о его двигательной активности на персональный компьютер или иное внешнее вычислительное устройство в режиме реального времени (режиме «on-line»), с целью сбора данных о совершаемых пользователем движениях, принимаемых им динамических и статических положениях тела, о количестве и траектории перемещений, регистрации его абсолютных координат.

Известны способ отслеживания и отображения положения пользователя в пространстве и система для осуществления способа по патенту №2107328, МПК C09B 19/10, опубл. 20.03.1998 г.

Система отслеживания и отображения положения пользователя в пространстве содержит множество датчиков параметров движения, размещенных на частях тела пользователя, в качестве которых использованы датчики относительных углов поворота, размещенные в непосредственной близости от основных сочленений между сегментами опорно-двигательной системы пользователя, или на самих сегментах, средство преобразования сигналов датчиков в требуемую форму их представления, блок обработки измеренных данных, вход которого соединен с выходом средства преобразования, блок отображения пространственного положения и ориентации пользователя, связанный с блоком обработки измеренных данных, средство определения опорных направлений, размещенное по меньшей мере на одном из сегментов опорно-двигательной системы пользователя, блок спроса, соединенный каналами опроса с датчиками параметров движения и средством определения опорных направлений.

В известном способе определяются параметры перемещения частей тела пользователя, преобразуются полученные данные измерений в требуемую форму их представления и обрабатываются совокупности преобразованных данных для получения данных, определяющих положение и ориентацию пользователя в пространстве. Для этого у каждого из основных сочленений сегментов опорно-двигательной системы пользователя закрепляют средство определения по меньшей мере одного угла сегментами, примыкающими к соответствующему сочленению. Определяется ориентация и положение пользователя в целом в пространстве на основе полученных значений углов и ориентации по меньшей мере одного сегмента, на котором размещено средство определения опорных направлений.

Недостатком известной системы является невысокая точность определения параметров движения человека и большие габариты из-за использования в качестве датчика относительного угла поворота тензодатчика или оптико-волоконного датчика, а в качестве средства определения опорных направлений - датчика местной вертикали или датчика гравитации. Кроме того, данная конструкция немобильна, неудобна в использовании, так как предполагает для отслеживания и отображения положения и ориентации пользователя наличие специального оборудования.

Наиболее близким техническим решением является система захвата движения по патенту №121947, МПК G06F 17/40, опубл. 10.11.2012 г., которая включает по меньшей мере одно мобильное измерительное устройство для определения и передачи данных с параметрами захватываемого движения, по меньшей мере один приемник сигналов, связанный беспроводными каналами связи с по меньшей мере одним мобильным измерительным устройством, блок обработки, хранения, визуализации данных, соединенный с приемником данных, при этом мобильное измерительное устройство включает источник автономного питания, модуль беспроводной сенсорной сети, инерциальный измерительный модуль, соединенный каналами связи с модулем беспроводной сенсорной сети для калибровки и беспроводной передачи данных в блок обработки, хранения и визуализации данных.

Недостатком известной системы является необходимость наличия приемника сигналов и блока обработки, хранения и визуализации данных на определенном расстоянии от объекта, на котором крепятся датчики. Что не позволяет использовать вышеуказанную систему для захвата движения пользователя, перемещающегося в пространстве на расстояния, превышающие дальность действия сигнала по стандарту IEEE 802.15.4/ZigBee, то есть в устройстве нет режима автономной работы - нет приемника радиосигнала.

Технической задачей изобретения является создание мобильного и автономного регистратора двигательной активности пользователя, обеспечивающего накопление большого объема данных как в автономном режиме, так и при передаче их по радиоканалу на приемник, высокую точность и возможность захвата движения пользователя, перемещающегося в пространстве на большие расстояния, а также фиксацию параметров движения пользователя в абсолютных координатах для последующего анализа его двигательной активности при любых перемещениях и положениях.

Поставленная задача решается в устройстве регистрации двигательной активности, включающем по меньшей мере одно мобильное устройство для определения и передачи данных с параметрами захвата движения, по меньшей мере один приемопередатчик сигналов, при этом измерительное устройство включает источник автономного питания и инерциальный измерительный модуль, в котором согласно изобретению измерительное устройство выполнено в виде блоков сенсоров, имеющих беспроводную связь с по меньшей мере одним приемо-передающим устройством и проводную связь с центральным модулем, при этом центральный модуль содержит источник питания всего устройства и энергонезависимое постоянно запоминающее устройство, кроме того, центральный модуль содержит для определения абсолютных координат модуль глобальной навигационной спутниковой системы GNSS, а в состав блока сенсоров входит интегральный датчик, содержащий инерциальный и опциональный датчики.

Кроме того, в режиме передачи данных по радиоканалу используется разрешенный к применению в промышленности диапазон частоты 417…422 МГц или 433…447 МГц. А органы управления режимами работы снабжены световой и звуковой индикацией.

Техническим результатом является автономный сбор информации о двигательной активности в центральном модуле с последующим ее сохранением энергонезависимым постоянно запоминающим устройством центрального модуля, что в свою очередь обеспечивает пространственную независимость по отношению к персональному компьютеру; регистрацию координат пользователя в пространстве; наличие возможности подключения опциональных датчиков для регистрации дополнительных параметров, например высоты, влажности; возможность передачи данных на персональный компьютер о двигательной активности в режиме реального времени посредством модуля радиоканала, подключенного к блоку сенсоров, и трансивера радиоканала, подключенного к персональному компьютеру.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена информационная сеть устройства, на фиг. 2 - структура центрального модуля, на фиг. 3 -структура блока сенсоров, где:

1 - центральный модуль (ЦМ)

2 - блок сенсоров (БС)

3 – приемо-передающее устройство (ППУ)

4 - персональный компьютер (ПК)

5 - трехосевой гироскоп

6 - трехосевой акселерометр

7 - трехосевой магнитометр

8 - термодатчик

9 - вспомогательный процессор (ВП)

10 - опциональный датчик (ОД)

11 - интегральный датчик (ИНТ)

12 - интерфейсный модуль (ИМ)

13 - энергонезависимое постоянно запоминающее устройство (ЭПЗУ)

14 - модуль глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS-модуль)

15 - источник автономного питания (ИАП)

16 - микроконтроллер блока сенсоров (МК)

17 - блок управления (БУ)

18 - модуль радиоканала (МРК)

19 - инерциальный датчик (ИНР)

20 - интерфейсный модуль (ИМ)

21 - микроконтроллер блока управления (МК)

22 - пьезоизлучатель (ПИ)

А и Б - линии связи

Устройство регистрации двигательной активности содержит по меньшей мере одно мобильное устройство, состоящее по меньшей мере из одного блока сенсоров 2 для получения и передачи данных с параметрами двигательной активности, связанного посредством проводной линии связи с по меньшей мере одним центральным модулем 1, который является блоком обработки, хранения данных о двигательной активности и данных об абсолютных координатах пользователя для последующей их обработки на персональном компьютере 4, к которому подключено приемо-передающее устройство (например адаптер радиоканала) 3.

Кроме того, блок сенсоров 2 (фиг. 3) содержит интегральный датчик 11, в свою очередь, включающий в себя инерциальный датчик 19, опциальный датчик 10, микроконтроллер 16, интерфейсный модуль 12 и модуль радиоканала 18. В состав инерциального датчика 19 входит трехосевой гироскоп 5, трехосевой акселерометр 6, трехосевой магнитометр 7, термодатчик 8 и встроенный сигнальный вспомогательный процессор 9 (например DMP Digital Motion Processor). Данные с трехосевого гироскопа 5, трехосевого акселерометра 6, трехосевого магнитометра 7, термодатчика 8 и опциального датчика 10 обрабатываются вспомогательным процессором 9. Данные с интегрального датчика 11 по шинам связи, например SPI или 12С, поступают в микроконтроллер 16 для последующей обработки и передачи данных в центральный модуль 1 посредством интерфейсного модуля 20, подключенного к микроконтроллеру 16 по интерфейсу сопряжения UART. Интерфейсный модуль 12 блока сенсоров 2 связан с интерфейсным модулем 20, относящимся к центральному модулю 1, по проводной линии связи А-В, например RS-485. С помощью модуля радиоканала 18 блок сенсоров 2 может осуществлять информационный обмен с персональным компьютером 4 через адаптер радиоканала 3.

Интерфейсные связи узлов блоков сенсоров могут быть, например, такими:

МК------UART------ИМ

МК------SPI-------microSD

ИД------SPI или 12С, или UART-----GNSS-модуль.

Центральный модуль 1 состоит из блока управления 17, блока сенсоров 2 и блока питания 15, например аккумуляторной батареи (АКБ). Блок питания 15, например аккумуляторная батарея, вырабатывает напряжение Ubatt, необходимое для питания как самого блока управления 17, так и для питания блока сенсоров 2. Причем блок управления 17 является мастером (master) сети, блоки сенсоров 2 - абонентами сети (slave). Информационный обмен осуществляется по линиям связи А и В, например бифилярная пара - интерфейс связи RS-485. Параллельно с этим существует другая информационная сеть, где блоки сенсоров 2 также являются абонентами, а в роли мастера сети выступает персональный компьютер 4, осуществляющий информационный обмен с блоками сенсоров по радиоканалу с помощью адаптера радиоканала 3, подключенного к персональному компьютеру, например интерфейсу USB.

Блок управления 17 (фиг. 2) центрального модуля 1 содержит микроконтроллер 21 с подключенными к нему следующими компонентами: по линии UART - интерфейсный модуль 20 для осуществления информационного обмена с блоком сенсоров 2; по линии 12С - модуль глобальной навигационной спутниковой системы GNSS 14 для определения абсолютных координат пользователя; по линии SPI - энергонезависимое постоянно запоминающее устройство 13, например FLASH microSD, для сохранения данных, полученных от блока сенсоров 2 и модуля глобальной навигационной спутниковой системы GNSS 14; органы управления режимами работы (кнопку включения/выключения питания «Питание», кнопки «Работа/пауза», «Режим», светодиодные индикаторы «Работа», «Пауза», пьезоизлучатель (например BUZ)).

Устройство может работать как в автономном режиме регистрации данных, так и в режиме передачи данных посредством радиосвязи, для чего каждый из блоков сенсоров оснащен собственным модулем радиоканала, а также имеется адаптер радиоканала 3, подключенный к персональному компьютеру 4.

Заявляемое устройство регистрации двигательной активности работает следующим образом.

Одно или несколько мобильных устройств крепятся к частям (части) тела пользователя. После выбора оператором режима опроса датчиков (количества опрашиваемых блоков сенсоров) микроконтроллер 21 (фиг. 2) подает питание Ubat, вырабатываемое автономным источником питания 15, например аккумуляторной батареей, центрального модуля 1, на один или несколько выбранных оператором блоков сенсоров 2. Микроконтроллер 21, расположенный в центральном модуле 1, последовательно посылает включенным блокам сенсоров 2 запрос их телеметрических данных. Блок сенсоров 2 с помощью микроконтроллера 16 и интерфейсного модуля 20 осуществляет информационный обмен с центральным модулем по линии связи А и В, например бифилярная пара - интерфейс связи RS-485. С помощью модуля радиоканала 18 блок сенсоров 2 может осуществлять информационный обмен по радиоканалу с персональным компьютером 4 через адаптер радиоканала 3, подключенный к персональному компьютеру 4. На интерфейсный модуль 12 блока сенсоров 2, куда было подано питание Ubat, приходит запрос телеметрических данных от центрального модуля. Интерфейсный модуль 12 блока сенсоров 2 передает данный запрос на микроконтроллер 16. Микроконтроллер 16 посылает запрос вспомогательному процессору 9. Вспомогательный процессор 9 инерциального датчика 19, входящего в состав интегрального датчика 11, осуществляет постоянный автоматический опрос трехосевого гироскопа 5, трехосевого акселерометра 6, трехосевого магнитометра 7, термодатчика 8 и опционального датчика 10. Вспомогательный процессор 9 по запросу от микроконтроллера 16 передает ему данные от трехосевого гироскопа 5, трехосевого акселерометра 6, трехосевого магнитометра 7, термодатчика 8 и опционального датчика 10. Микроконтроллер 16 обрабатывает полученные данные о двигательной активности пользователя, производит их предварительную фильтрацию и математическую обработку, температурную коррекцию. Обработанные данные с микроконтроллера 16 подаются на интерфейсный модуль 12 блока сенсоров 2, затем по линиям связи А и В передаются на интерфейсный модуль 20 блока управления 17, находящегося в составе центрального модуля 1, а далее в микроконтроллер 21. Также в микроконтроллер 21 центрального модуля передается сигнал от модуля глобальной навигационной спутниковой системы GNSS 14. Полученные сигналы обрабатываются микроконтроллером 21 блока управления 17, после чего обработанная информация передается на энергонезависимое постоянно запоминающее устройство 13, например FLASH microSD, где сохраняется для последующей обработки на персональном компьютере.

Параллельно с этим возможно осуществление связи блока сенсоров 2 с персональным компьютером 4 по радиоканалу. Персональный компьютер 4 через подключенный к нему адаптер радиоканала 3 осуществляет запрос телеметрических данных блока сенсоров 2 посредством модуля радиоканала 18.

Полученные от блока сенсоров 2 информационные данные через адаптер радиоканала 3 поступают в персональный компьютер 4, где при помощи специализированного программного обеспечения обрабатываются, анализируются и интерпретируются в качественные и количественные характеристики двигательной активности пользователя.

Использование энергонезависимого постоянно запоминающего устройства для записи и хранения данных о двигательной активности пользователя обеспечивает полную автономность устройства при работе в автономном режиме.