СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ МЫШЕЧНОЙ РАБОТЫ СПОРТСМЕНОВ ПРИ ПОМОЩИ КОРОТКИХ ТЕСТОВ
METHOD AND DEVICE FOR EVALUATION OF MUSCLE WORK OF SPORTSMEN USING SHORT TESTS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области способов и устройств, предназначенных для оценки мышечной работы, в частности для спорта и реабилитации. В частности, настоящее изобретение касается устройств оценки мышечных физиологических величин, например мышечной силы и мощности, основанных на измерении ускорения.
Уровень техники
Во время спортивных тренировок и реабилитации после травмы все чаще применяют приборы измерения показателей. Например, при тренировке сердечно-сосудистой системы (бег трусцой, езда на велосипеде и т.д.) уже несколько лет применяют устройства измерения частоты сердечных сокращений («пульсометры») и педометры. Эти портативные приборы осуществляют измерения во время силовой нагрузки, которые позволяют спортсмену согласовать тренировку с объективными данными. Полученные величины обычно указывают на ритм сердечных сокращений, пройденное расстояние, продолжительность тренировки, среднюю или максимальную скорость и т.д. Вместе с тем они не выдают никакого прямого измерения мышечной работы спортсмена или группы мышц спортсмена.
В документе US 5788655 (Omron) описан прибор, предназначенный для крепления на теле и оборудованный акселерометром и жидкокристаллическим дисплеем. Прибор измеряет в постоянном режиме перемещения пользователя для определения уровня его физической активности и другие величины, зависящие от обмена веществ, например, ежедневный расход калорий пользователя. Этот тип прибора представляет интерес для более объективного измерения степени сидячего образа жизни пациентов. Однако он не приспособлен для мышечной тренировки и для измерения коротких силовых нагрузок и не позволяет определять, например, максимальную мощность группы мышц спортсмена.
В документе WO 2005074795 (Nokia) описан измерительный терминал, оборудованный акселерометром и закрепленный на теле спортсмена. Данные измерений оцениваются, чтобы получить величину, характеризующую интенсивность получаемой физической нагрузки. Здесь тоже ставится целью определение уровня активности за длительный период, например за день или неделю.
В документе WO 03/032826 (Philips) описана сравнимая система, оборудованная трехосным акселерометром для определения уровня физической активности пациента. Предложенное устройство показывает величины, такие как ежедневный метаболический показатель, ежедневные энергетические затраты или расход энергии при выполнении упражнения. Таким образом, этот прибор можно использовать для измерения ускорений за период в несколько часов и даже несколько дней.
Устройства вышеуказанного типа можно использовать в основном для измерения активности во время длительных упражнений, например, в течение сеанса бега трусцой, матча бадминтона или обычного дня. Существуют также достаточно похожие устройства для обнаружения падений пожилых людей, определения времени, которое они проводят сидя, стоя или лежа, и т.д.
Однако существует потребность в измерении параметров во время коротких мышечных нагрузок или даже коротких тестов. Например, мышечная тренировка и измерение мышечной работы спортсменов часто связаны с короткими движениями, например, простым поднятием груза на мышечном тренажере или прыжком в высоту. Калибровочная частота, применяемая для таких приборов, как правило, не позволяет их применять для измерения кинематических параметров во время таких коротких нагрузок;
например, знание количества калорий, сгоревших во время одного движения, не представляет особого интереса. Зато существует потребность в приборах, адаптированных, в частности, для мышечных тренировок и позволяющих измерять, например, прибавление силы или мощности на тренируемой мышце или группе мышц.
В предшествующем уровне техники уже известны некоторые устройства измерения, специально предназначенные для тренировки и измерения коротких движений. Например, в документе US 5474083 описана система, предназначенная для контроля за короткими движениями поднятия тяжестей пациентом. Система использует электроды для измерения активности мышц пациента во время движения, а также детектор движения груза. В случае ненадлежащего движения включается сигнал тревоги. Эта система представляет интерес для предупреждения травм во время неправильного поднятия тяжести или для обучения поднятию тяжести без травм. Однако он не приспособлен для измерения мышечных показателей спортсменов. Кроме того, использование электродов делает использование мало практичным.
В документе US 6397151 описаны часы-браслет, содержащие акселерометр для измерения цикла ускорения предплечья во время нанесения удара в боевых искусствах. После этого вычисляется приложенная сила. Акселерометр измеряет ускорение только по одной оси, которая должна идеально совпадать с направлением перемещения предплечья. Если во время нанесения удара часы смещаются, акселерометр измеряет только составляющую силы в векторе направления акселерометра.
В документе US 2004/134274 описано устройство для измерения мышечной силы. Устройство содержит измеритель угла своего наклона и получения значения силы в выбранном направлении. Измерители углов наклона являются чувствительными и дорогими механическими устройствами.
В документе US 6148280 (Virtual Technologies) описано устройство, оборудованное акселерометром и гироскопами, располагаемыми на всем теле спортсмена. Данные, поступающие от нескольких датчиков, передаются на персональный компьютер, который позволяет анализировать траекторию и другие характеристики движения. Эта система является сложной, так как в ней применяют множество датчиков, включая дорогостоящие гониометры, которые к тому же являются относительно хрупкими. Соединение датчиков между собой и с компьютером делает устройство громоздким, а его установку неудобной. Оно предназначено для тренировки точных движений, например, удара клюшкой в гольфе, но не позволяет определять напрямую мощность мышечной работы, развиваемую спортсменом во время этих движений.
В документе DE 4426302 описан акселерометр, используемый в боевых видах спорта для измерения ускорения ударной поверхности. Прибор не является портативным и может применяться только для спортивных противоборств, таких как бокс, карате и т.д. Для оценки результатов измерения и их вывода на монитор можно использовать внешний компьютер.
Существуют и другие устройства, основанные на применении акселерометров и гироскопов и позволяющие, например, проверять траекторию удара в гольфе, чтобы усовершенствовать движение. Например, в документе US 5056783 описана бейсбольная бита, оборудованная трехосным акселерометром для спецификации движения биты в пространстве. Этот тип устройств позволяет получить большое число данных, например, положение и скорость датчика в каждый момент, которые часто требуют наличия дисплея большого размера или внешнего устройства для визуального наблюдения. Однако они не позволяют вычислять и моментально выводить на дисплей устройства одну или несколько величин, характеризующих мышечную работу спортсмена.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является способ и устройство измерения, позволяющие производить оценку мышечной работы спортсменов. Целью настоящего изобретения также является быстрый тест с использованием простого, автономного и экономичного инструмента, выполненного с возможностью немедленно предоставлять данные, характеризующие мышечные показатели спортсменов, например, моментальное напряжение, мощность, моментальное мышечное расслабление и т.д.
Целью настоящего изобретения является прибор для измерения спортивных показателей, специально предназначенный для мышечных тренировок и реабилитации, с применением, например, известных мышечных тестов, таких как прыжки или поднятия тяжестей. В частности, прибор должен позволять производить оценку моментального расслабления, моментального напряжения, степени наращивания силы (TAF) спортсменов при помощи коротких и неинвазивных тестов.
Согласно изобретению предлагается способ оценки мышечной работы спортсменов при помощи коротких тестов, таких как, например, поднятие тяжестей и/или прыжки, содержащий следующие этапы:
закрепление на грузе, движущемся во время теста, съемного и электрически автономного устройства измерения, при этом упомянутое устройство измерения основано на трехосном акселерометре,
определение последовательности значений ускорения упомянутого груза во время теста,
по завершении этого теста выведение на упомянутый дисплей, по меньшей мере, одной величины, характеризующей упомянутую мышечную работу и определенной на основании упомянутой последовательности значений ускорения.
Мышечную работу можно вычислить и показать по завершении теста, например, в виде максимальной мощности, степени приращения силы и т.д.
Трехосный акселерометр позволяет определять направление вертикальной силы тяжести и, следовательно, направление ускорения в этом направлении или в любом выбранном направлении, предпочтительно соответствующем направлению перемещения груза. В предпочтительном варианте величину, характеризующую мощность мышечной работы, определяют на основании последовательности значений ускорения только по одной оси, например, по вертикальной оси во время вертикального прыжка или по оси перемещения груза. Вертикальное направление и направление акселерометра в пространстве предпочтительно определяют заранее, например, во время фазы калибровки, в ходе которой акселерометр должен удерживаться в неподвижном положении. Во время этой фазы калибровки могут выдаваться визуальные и/или звуковые сигналы, позволяющие пользователю держать акселерометр неподвижно и в направлении, соответствующем началу упражнения.
Устройство выполнено с возможностью измерения ускорения в зависимости от времени и с возможностью оценки результатов, например, во время, по меньшей мере, следующих тестов:
поднятие тяжести;
прыжок из приседа и/или прыжок с движением в противоположном направлении;
прыжок вниз.
Можно также использовать другие тесты, включая тесты с поясами (брюшными), жим лежа, плиометрические тесты и т.д.
Вычисление показываемых величин учитывает изначальное знание значений функции ускорения во время этих стандартных мышечных тестов. Устройство использует это первоначальное знание для определения величин, которые известное устройство не смогло бы измерить. Например, в варианте выполнения настоящего изобретения устройство может разлагать движение на ключевые фазы и вычислять максимальную мощность во время отдельной фазы. Например, прыжок может содержать фазу мышечной экстензии с последующей фазой флексии; устройство может разделить измеренные данные для определения начала и конца этих двух фаз и затем вычислить, например, мощность во время экстензии и максимальную скорость во время флексии.
Обычно устройство выполняют с возможностью сбора данных ускорения по трем осям, по меньшей мере, каждые 1/100 секунды во время короткого усилия, то есть усилия, которое обычно длится менее 10 секунд, но вместе с тем его продолжительность может доходить до нескольких минут.
Использование трехосного акселерометра позволяет вычислять ускорение в любом направлении, в частности, в направлении перемещения нагрузки, например, в вертикальном направлении во время прыжка. В предпочтительном варианте для вычисления выводимых на дисплей величин используют только один цикл ускорений в этом предпочтительном направлении.
Предпочтительно, что, по меньшей мере, одна выводимая на дисплей величина содержит, по меньшей мере, одну величину, пропорциональную максимальной скорости упомянутого груза во время теста.
Предпочтительно, если упомянутый тест является прыжком, то параметр, пропорциональный весу спортсмена, вводят в упомянутое устройство, причем упомянутое устройство закрепляют на талии или на туловище спортсмена, а вертикальное направление определяют перед прыжком на основании показаний акселерометра в неподвижном положении перед прыжком, при этом упомянутая отображаемая величина предназначена для оценки моментального если тест является поднятием груза, в котором параметр, пропорциональный весу поднимаемого груза, вводят в упомянутое устройство, причем упомянутое устройство устанавливают подвижно с возможностью перемещения вместе с упомянутым грузом, а вертикальное направление определяют перед поднятием груза на основании показаний акселерометра в неподвижном положении и причем упомянутая отображаемая величина предназначена для оценки мощности спортсмена.
Краткое описание чертежей
Примеры применения изобретения представлены в нижеследующем описании со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематичный вид различных фаз движений спортсмена во время поднятия тяжести типа «жим лежа».
Фиг.2 - график высоты поднятия груза в зависимости от времени (h(t)) во время упражнения «жим лежа», показанного на фиг.1.
Фиг.3 - график скорости поднятия груза в зависимости от времени (h(t)) во время упражнения «жим лежа», показанного на фиг.1.
Фиг.4 - график ускорения поднятия груза в зависимости от времени (h(t)) во время упражнения «жим лежа», показанного на фиг.1.
Фиг.5 - максимальное усилие, максимальная скорость и максимальная мощность, которые может развивать спортсмен в зависимости от перемещаемой тяжести.
Фиг.6 - ускорение a(t) в зависимости от времени во время упражнения.
Фиг.7 - тест при прыжке из приседа.
Фиг.8 - тест при прыжке с движением в противоположном направлении.
Фиг.9 - тест при прыжках вниз.
Фиг.10 - вид устройства оценки мышечной работы в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.11 - блок-схема основных электронных компонентов устройства, показанного на фиг.10.
Фиг.12 - блок-схема параметризации устройства.
Фиг.13 - блок-схема теста мышечной работы во время применения способа.
Пример(ы) варианта выполнения изобретения
На фиг.1-4 показано изменение различных кинематических параметров во время движения поднятия груза типа «жим лежа». Это движение, широко распространенное в упражнениях на развитие мышц, состоит в поднятии груза 2 двумя руками из положения лежа на спине. Груз поднимают как можно выше, комбинируя аддукцию плеча и экстензию локтя. На фиг.1 показаны пять ключевых моментов теста. Тест начинается в Т1 в исходном положении, показанном на первой картинке слева на фиг.1. Груз находится в самой нижней точке, локти спортсмена 3 согнуты.
Во время фазы А между моментами Т1 и Т2 спортсмен 3 поднимает груз, скорость которого постоянно увеличивается, как показано на фиг.2-4. Развиваемое усилие толчка во время этой фазы является максимальным, и руки выпрямляются.
Во время фазы В между моментами Т2 и Т3 толчок продолжается, но скорость поднятия снижается; следовательно, ускорение становится отрицательным, как показано на фиг.4. Высота груза является максимальной в точке Т3.
Затем спортсмен ослабляет усилие во время фазы С между моментами Т3 и Т4. Груз слегка опускается, поэтому его скорость становится отрицательной. За этим этапом следует фаза D стабилизации между моментами Т4 и Т5, во время которой спортсмен удерживает свои руки в состоянии экстензии, но стремится опустить плечи. Ускорение, которое претерпевает груз 2 во время этой фазы, постепенно стремится к 1G (земное притяжение).
Ключевые моменты Т1-Т5 можно однозначно определить на основании данных a(t), v(t) и h(t). Как будет показано ниже, эти величины можно измерить во время усилия при помощи устройства 1, связанного с грузом, в идеале расположенного в центре массы; эти величины будут использованы, для определения и выведения на дисплей показателей мышечной работы спортсмена.
max
max
max
На фиг.5 схематично показано возможное изменение максимальной силы F, максимальной скорости V и максимальной мощности P, которые может развивать спортсмен, поднимающий тяжесть переменной массы. Сила земного притяжения (m·g), действующая на поднимаемый груз, линейно увеличивается с массой груза.
Что же касается силы (m·a), прикладываемой спортсменом, чтобы оторвать эту массу от земного притяжения, то она напрямую зависит от силы спортсмена в перемещении груза. Действительно, спортсмен имеет возможность изменять ускорение, действующее на груз.
max
Максимальная скорость поднятия V стремится к уменьшению с увеличением поднимаемой массы; спортсмен поднимает легкие массы быстрее. Максимальную мощность Р, развиваемую спортсменом во время усилия, определяют формулой:
Эта формула применима в том случае, когда ускорение и скорость являются параллельными, например, во время чисто вертикальных перемещений. В случае непараллельных векторов вычисление должно быть векторным.
max
Как правило, максимальная мощность P во время усилия проходит через оптимум при данном значении m. Слишком тяжелый груз заставляет спортсмена в основном развивать противодействующие усилия, чтобы противодействовать силе притяжения mg, и в незначительной степени силе ускорения ma (груз поднимается медленнее). Таким образом, становится понятно, что знание максимальной мощности, которое может быть получено путем измерения ускорения и скорости груза, позволяет определить максимальный груз, с которым должен тренироваться спортсмен, чтобы развивать максимальную мощность во время упражнения.
На фиг.6 показано изменение ускорения a(t) в течение времени во время типового короткого усилия, например, поднятия тяжести или прыжка. Во время первой фазы продолжительностью ΔТ между моментами Т0 и Т1 ускорение увеличивается на Δа. Если поднимаемая масса является постоянной, ускорение пропорционально силе. Таким образом, коэффициент увеличения силы (TAF или моментальное напряжение), применяемый в измерениях в спорте, просто пропорционален Δa/Δt. Коэффициент увеличения силы пропорционален также мощности, развиваемой спортсменом, по крайней мере, когда расстояние h, проходимое грузом, является постоянным.
max
Можно также определить максимальную мощность P(t) на основании значения da/dt в каждой точке кривой a(t) и определить максимальную мощность P(t)=max(P(t)). Однако такое значение более чувствительно к погрешностям и к помехам при измерении; для уменьшения паразитных влияний следует производить сглаживание кривой a(t) при помощи фильтра помех.
На фиг.7 показан другой тест, применяемый для определения мышечной работы спортсмена 3. Этот тест, называемый "прыжок из приседа", предназначен, в частности, для оценки моментального расслабления спортсменов и их способности развивать большое усилие за очень короткое время (моментальное напряжение). Спортсмен начинает прыжок с коленями, согнутыми под углом 90°, и руками на бедрах, затем старается прыгнуть как можно выше. Чтобы достигнуть требуемой высоты, необходимо развить хорошее первоначальное ускорение.
Похожий тест, при прыжке с движением в противоположном направлении, показан на фиг.8. В этом тесте спортсмен начинает прыжок на прямых ногах и может осуществить флексию перед экстензией и прыжком. Разница между результатом, получаемым при прыжке из приседа, и обычно более значительной высотой, достигаемой при прыжке с движением в противоположном направлении, зависит от качества упругости мышц спортсмена и/или от его способности развивать более значительную силу во время амортизации.
Были осуществлены также похожие тесты, во время которых спортсмену разрешили помогать себе руками во время прыжка, в частности, чтобы проверить координацию рук и ног. Качество прыжка можно измерить путем многократных прыжков, как правило, производимых с места, с включением в движение рук. Иногда производят также тесты при прыжке из приседа и прыжке с движением в противоположном направлении с грузом на плечах спортсмена.
Прыжок вниз, показанный на фиг.9, состоит в прыжке в высоту после прыжка вниз с известной высоты. Таким образом, импульсу предшествует существенное напряжение, которое приводит к удлинению сухожилий и разной мышечной работе. Таким образом, спортсмены улучшают свои показатели в прыжках. Как правило, тест производят с высотой прыжка вниз 20 см, 40 см, 60 и 80 см, чтобы определить оптимальную рабочую высоту для каждого индивидуума.
Вышеупомянутые прыжки можно разделить на отдельные фазы, разделенные ключевыми моментами. Обычно прыжок из приседа содержит следующие фазы: старт, изготовка, импульс, полет, контакт, амортизация, конец.
Вышеуказанные тесты можно повторять, например, осуществляя серию из 10 прыжков или 20 поднятий груза, чтобы измерить, например, изменение мышечных показателей и усталостную стойкость спортсмена. Режим работы и/или индикация на дисплее устройства предпочтительно указывают число производимых тестов; после этого, в зависимости от теста, устройство может производить вычисления, основанные либо на среднем значении во время последовательных тестов в одной серии, либо на наиболее показательном или показательных тестах серии, либо на некоторых заранее определенных тестах в серии, например, исключая первый(ые) и/или последний(ие) тесты.
Можно также производить измерения мышечной асимметрии на руках или на ногах, например, сначала осуществляя поднятие левой рукой или ногой, затем соответствующей прямой конечностью. Наконец, некоторые тесты позволяют измерять дисбаланс между мышцами или группами мышц, например, анормальную разность силы между бицепсами и трицепсами. Эти различные тесты предполагают осуществление нескольких последовательных измерений, которые заносят в память и затем сравнивают. Результат сравнения может быть выведен на дисплей, например, в процентном выражении, например, 20% разности мощности между левой ногой и правой ногой. В предшествующем уровне техники показатели спортсменов во время описанных выше прыжковых тестов часто определяли на контактном коврике, который включает хронометр, когда спортсмен отрывается от коврика, и останавливает его, когда спортсмен опять касается коврика. Время между этими моментами позволяет оценить высоту прыжка спортсмена. Однако эти устройства являются громоздкими, дорогими и позволяют получать искомые данные только в опосредованном виде на основании измерений времени.
Небольшой дисплей устройства не позволяет выводить детально вычисляемые результаты. В варианте выполнения устройство показывает только обобщенные результаты, например, максимальную мощность. Более детальные результаты, включая, например, последовательность значений ускорения в направлении перемещения тяжести или в любом другом направлении можно просмотреть и обработать, подсоединив устройства к внешнему компьютеру, например, через соединение USB или аналогичное соединение.
Согласно способу изобретения более существенное измерение получают, присоединив к спортсмену 3 устройство 1, оборудованное трехосным акселерометром, который позволяет измерять вертикальное ускорение спортсмена во время поднятия груза или во время прыжка. Как правило, акселерометр позволяет измерять составляющую ускорения в направлении перемещения тяжести.
Пример соответствующего устройства 1 показан на фиг.10. Устройство 1 содержит корпус, например, пластиковый корпус весом менее 100 граммов, предпочтительно менее 50 граммов (включая содержимое), и, в зависимости от упражнения, спортсмен может его закрепить на своем теле или на поднимаемом грузе при помощи съемного средства 12 крепления, например, застежки «липучки», ремешка и т.д. В варианте устройство просто помещают в предусмотренный для этого карман одежды, достаточно узкий, чтобы удерживать устройство; в этом случае средства крепления просто образованы формой и размером внешнего корпуса. Предпочтительно корпус является герметичным и позволяет использовать устройство на открытом воздухе, не пропуская внутрь пот спортсмена. Предпочтительно средства 12 крепления содержат пояс для крепления устройства вблизи центра массы спортсмена, например, на бедре, на талии или предпочтительно на уровне крестца в положении, в котором оно практически не имеет наклона во время усилия. Действительно, испытания показали, что пояс 12, позволяющий носить устройство на крестце, позволяет свести к минимуму влияние движений туловища в направлении спереди назад. Максимальная ширина пояса предпочтительно является большой, например, более 10 сантиметров, чтобы улучшить его удержание и избежать его сползания при движениях кожи и мышц на скелете.
Как вариант, средства крепления позволяют крепить устройство на уже имеющемся поясе. Вместе с тем, необходимо использовать пояс, который не перемещается во время упражнений. Крепление на запястье мало подходит для большинства мышечных тестов, в частности, вышеописанных тестов, так как ускорения рук или запястья добавляются к ускорению тела и так как во время большинства усилий запястье не сохраняет вертикального положения.
Устройство содержит также дисплей 11, например, буквенно-цифровой или матричный жидкокристаллический дисплей, который позволяет выводить меню команд, состояние запоминающего устройства, состояние батарейки, а также цифровые значения, определенные в ходе теста или по его завершении. Органы 13 управления, например, кнопки и/или органы перемещения курсора позволяют пользоваться выведенными на дисплей меню, выбирать опции, вводить данные и выбирать выведенные результаты. В предпочтительном варианте устройство содержит четыре кнопки для использования меню, расположенные вокруг центральной кнопки подтверждения.
На фиг.11 показана блок-схема основных электронных компонентов устройства 1. Кроме наружных органов, описанных со ссылками на фиг.10, оно содержит трехосный акселерометр 14, например акселерометр, выполненный в виде компонента MEMS и соединенный с аналого-цифровым преобразователем 140 или содержащий прямо или косвенно интегрированный в него такой преобразователь, для получения последовательных измерений ускорения по трем осям. Акселерометр 14 может иметь одну или несколько приоритетных осей, которые обеспечивают более высокую точность, разрешение и/или более широкий диапазон измерения, чем другие оси. Предпочтительно эта приоритетная ось имеет вертикальное направление, когда устройство находится в своем обычном рабочем положении, чтобы улучшить измерение в вертикальном направлении. Диапазон измерения приоритетной оси или приоритетных осей предпочтительно превышает +-8G и даже +-10G; разрешение этой оси предпочтительно превышает 10 и даже 12 бит. Предпочтительно устройство не содержит гироскопа, чтобы снизить его стоимость, потребление энергии и объем производимых данных; вместе с тем, для некоторых тестов мышечной работы или для более надежной калибровки вертикального положения можно предусмотреть использование одноосного или даже трехосного гироскопа.
Предпочтительно устройство 1 является электрически автономным и питается, например, от батарейки 15 или от аккумулятора, подзаряжаемого, например, через разъем USB 19 или при извлечении из корпуса. Батарейка 15 питает, в частности, микропроцессор 16 или микроконтроллер, оборудованный запоминающим устройством 160 типа ОЗУ или ЭСППЗУ. Микропроцессор исполняет программу, предпочтительно записанную в ЭСППЗУ и заменяемую через один из интерфейсов, чтобы анализировать данные измерения, получаемые от акселерометра 14, и управлять дисплеем 11 для выведения на него необходимых величин. Можно также применять внешнюю память, например, ОЗУ и/или флэш-память. Можно также использовать взаимозаменяемые устройства флэш-памяти, например, типа CompactFlash, SD, MemoryStick и т.д., чтобы обеспечить более быструю передачу данных или программ между устройством и внешним компьютером.
Устройство 1 содержит также часы 20 реального времени (RTC), которые позволяют, в частности, измерять интервалы времени Δt, а также зуммер или громкоговоритель для генерирования сигналов тревоги или других звуков. Приемопередающий модуль (UART) 162 позволяет микропроцессору 16 обмениваться данными с внешними устройствами, например, для его перепрограммирования или для передачи результатов измерения в персональный компьютер, мобильный телефон или другое внешнее устройство обработки данных. Модуль 162 позволяет также в любой момент вводить параметры новых типов тестов и определять способ, по которому данные измерения для этих новых тестов будут использованы для получения требуемых характеристических величин.
Модуль 162 соединен с интерфейсом 19, например, с разъемом USB или мини-USB, беспроводным интерфейсом типа Bluetooth и т.д. Интерфейс 19 позволяет подзаряжать батарейку, соединять устройство с внешним компьютером, перепрограммировать микропрограммное обеспечение микроконтроллера и/или загружать новые тесты и новые физические упражнения в устройство.
На фиг.12 показана блок-схема программы начальной установки «setup», которая автоматически исполняется во время первого использования устройства или по запросу пользователя. Программа начальной установки предпочтительно записана в ЭСППЗУ 160 и исполняется микропроцессором 16. Она запускается на этапе 100 и затем выполняет процедуру 101, в ходе которой пользователь имеет возможность загрузить информацию, постоянно хранящуюся в памяти устройства. Во время этапа 102 пользователь может ввести свою идентификацию (идентификатор или имя пользователя) и, в случае необходимости, факультативный пароль, который не позволяет использовать устройство при краже. На этапе 103 он может ввести предпочтительные единицы измерения (кг/см или фунт/дюйм), которые позволяют ему определить на этапе 103 свою массу для вычисления силы, работы и мощности, в частности, при прыжковых упражнениях.
После этого пользователь может ввести текущую дату и время, которые будут затем постоянно изменяться часами 20.
Другие постоянные данные, которые можно ввести на этой стадии, содержат, например, предпочтительный язык меню, тип выводимого результата, тип упражнения по умолчанию и т.д.
Цифровые данные можно вводить, например, путем приращения значений при помощи клавиш + и - или при помощи не показанной цифровой клавиатуры, или при помощи любого другого соответствующего средства ввода данных.
Процедура начальной установки заканчивается на этапе 106 и предпочтительно сразу переходит в режим теста для проверки мышечной работы спортсмена. Процедура теста показана в виде блок-схемы на фиг.13.
Во время этапа 201 пользователь выбирает в меню тип теста, который он хочет осуществить. Этот этап может быть имплицитным, если выбор по умолчанию внесен в память устройства среди постоянных параметров; может быть также предложен по умолчанию последний проведенный тест. В предпочтительном варианте пользователю предлагается сделать выбор среди следующих возможностей или подтвердить выбор, предложенный из этих возможностей:
1. Поднятие тяжести
2. Прыжок из приседа или с движением в противоположном направлении
3. Прыжок вниз.
Пользователю предлагается также выбрать или подтвердить параметры, зависящие от типа теста. В случае поднятия тяжести он должен указать вес груза в единицах, предлагаемых устройством по умолчанию. В случае прыжка он должен подтвердить свой вес (m). В случае прыжка вниз устройство предложит ему ввести или подтвердить высоту прыжка, а также его собственный вес.
Собственно тест начинается на этапе 203, во время которого пользователь (спортсмен) нажимает кнопку, например, кнопку "ENTER" или "START" (не показана). После этого на этапе калибровки 204 устройство определяет свое положение по отношению к вертикали. Для этого спортсмену предлагается, например сообщением на дисплее 11, сохранять неподвижность в течение времени, например, по меньшей мере, двух секунд. В этом положении ускорение на трехосном акселерометре 14 зависит только от силы земного притяжения. На этом этапе происходит вычисление матрицы преобразования системы отсчета для преобразования измерений трех осей в системе координат, правильно ориентированной по отношению к вертикали. Если акселерометр обнаруживает, что во время интервала калибровки 204 пользователь пошевелился, калибровка отменяется, и появляется визуальное и/или звуковое сообщение на дисплее 11 и/или в зуммере 17. В этом случае пользователю предлагается возобновить калибровку. Это же может произойти, если положение прибора имеет слишком большой наклон по отношению к идеальному вертикальному положению, например, если измерение вертикального ускорения слишком зависит от результатов неприоритетных осей акселерометра.
Можно предусмотреть и другие методы калибровки и определения вертикального положения, включая методы, основанные на действии пользователя, которому может быть предложено установить устройство на строго горизонтальной поверхности или прижать его к вертикальной стене, или способы, использующие дополнительные датчики, например, гониометр для определения наклона тела спортсмена, многоосный гироскоп, спутниковое приемное устройство типа GPS и т.д.
В случае успешной калибровки на этапе 206 издается звуковой сигнал, приглашающий пользователя к осуществлению теста. Производимый звуковой сигнал может зависеть от выбранного теста и, кроме того, может сопровождаться сообщением на дисплее 11. Сбор последовательности данных ускорения сразу же начинается затем на этапе 207 и заканчивается на этапе 208 по истечении заранее определенного времени (например, 10 секунд), когда память устройства оказывается заполненной или когда пользователь нажимает на кнопку устройства, например, кнопку с обозначением "END" или "START/STOP". Прекращение сбора данных может быть также автоматическим в зависимости от измеренных данных, например, когда устройство определяет, что спортсмен приземлился после прыжка и что вертикальное ускорение опять равно нулю или равно 1G.
Предпочтительно ускорение измеряется по трем осям, по меньшей мере, каждую сотую долю секунды или предпочтительно каждые 2 миллисекунды. В память микропроцессора 16 записываются три последовательности значения ускорения, которые затем преобразуются в один цикл ускорения согласно оси перемещения тяжести (как правило, вертикальной оси) с использованием матрицы преобразования системы отсчета, определенной во время калибровки.
В одном из вариантов данные ускорения по трем осям преобразуются по мере поступления процессором или даже напрямую логическими средствами на акселерометре в цикл вертикального ускорения, записываемый в память. Преобразование данных перед введением в память требует более значительной мощности вычисления, но позволяет уменьшить объем памяти хранения или увеличить максимально возможную продолжительность сбора данных при данном объеме памяти.
По завершении сбора данных или, в случае необходимости, уже в ходе сбора данных процессор 16 выполняет этап 209 вычисления, по меньшей мере, одной величины, характеризующей мышечную работу спортсмена. Вычисляемая величина и режим вычисления могут зависеть от типа теста, выбранного на этапе 201. Например, можно определять следующие величины:
inst
- Максимальная моментальная мощность (max (P)) во время упражнения или отдельной фазы упражнения (например, во время первоначальной фазы вертикального ускорения при прыжке).
- Максимальная мощность во время заранее определенного интервала времени (ΔТ), например, максимальная мощность во время n моментов калибровки.
i
- Максимальная мощность во время заранее определенной фазы теста между двумя ключевыми моментами T, например, мощность, развиваемая во время жима, во время флексии и для удержания поднятого груза.
- Максимальный коэффициент увеличения силы TAF (показатель моментального напряжения) во время всего теста или определенной фазы теста.
- Максимальная сила, развиваемая в вертикальном направлении во время всего теста или определенной фазы теста.
- Энергия, затрачиваемая в вертикальном направлении во время всего теста или во время фазы теста, например, в джоулях или в калориях.
- Максимальная скорость, развиваемая во время всего теста или во время любой фазы теста.
- Максимальная высота, достигаемая во время прыжка (тесты II и III).
- Продолжительность некоторых фаз теста, например, продолжительность контакта с полом во время прыжка «вниз» или продолжительность полета во время прыжка.
- Энергетическая отдача, например, в виде соотношения между работой, произведенной спортсменом, и кинетической энергией перемещаемой тяжести.
- Разность между измеренными или вычисленными значениями после нескольких тестов, например, чтобы определить усталость во время повторяемого упражнения, дисбаланс между мышцами, асимметрию между левой и правой сторонами, улучшение показателей спортсмена и т.д. Величина, вычисленная по завершении серии упражнений, может быть выражена и выведена на дисплей, например, в процентах.
- И т.д.
По завершении на дисплей могут быть выведены несколько величин. Однако, чтобы уменьшить объем и вес устройства, лучше использовать цифровой или буквенно-цифровой дисплей небольшого размера и небольшой энергоемкости, например, буквенно-цифровой дисплей на четыре строки. В этом случае множественные данные можно просматривать, меняя окна просмотра результатов.
Вычисление некоторых из этих величин может предполагать определение временного положения некоторых ключевых моментов и продолжительность периода между двумя ключевыми моментами. На фиг.1-4 представлены примеры ключевых моментов Т1-Т5 для случая поднятия тяжести. В случае прыжка вниз ключевыми моментами являются, например, старт, первый контакт с полом, момент, в который спортсмен отрывается от пола при отскоке, момент достижения максимальной высоты и момент, когда спортсмен второй раз приземляется после отскока. Таким образом, автоматическое определение ключевых моментов на основании данных ускорений зависит от выбранного типа упражнения и от изначального знания формы последовательности данных ускорения или, по меньшей мере, части этой последовательности. Часто ключевыми моментами движения являются моменты, во время которых ускорение, скорость или положение проходят через отдельную точку, например, минимум, максимум, прохождение через ноль, прохождение через отдельное значение (например, 1G ускорения) или точку перегиба.
Можно также определять фазы, на основании которых определяются выводимые на дисплей величины, исходя из знака некоторых значений, производных от ускорения. Например, можно определять максимальное ускорение всех моментов, во время которых скорость является положительной, то есть направлена вверх. Определение ключевых моментов и фаз движения может также зависеть от данных ускорения в невертикальных направлениях.
Ключевые моменты и/или продолжительность между двумя ключевыми моментами («ключевая продолжительность») могут быть также выведены на дисплей по завершении теста в качестве дополнительной величины, характеризующей мышечную работу спортсмена.
Измерение может быть аннулировано, например, если форма полученного цикла ускорения не соответствует искомой модели по выбранному типу теста и не позволяет получить искомые величины. В этом случае предпочтительно появляется визуальный и/или звуковой сигнал ошибки, который предлагает спортсмену возобновить тест.
В конце завершающего теста на этапе 210 на дисплей 11 могут быть незамедлительно выведены одна или несколько вышеуказанных величин. Несколько данных могут быть выведены на нескольких строках или на нескольких дисплеях, которые может выбирать пользователь. Вычисленные величины могут быть также записаны в память устройства для сравнения с величинами, вычисленными во время других тестов.
После этого на этапе 211 пользователю предлагается подтвердить тест, например, путем нажатия на кнопку "ENTER" или "ОК". Если он не хочет подтвердить тест, на этапе 212 ему предлагается возобновить его, вернувшись на этап 203, или прекратить тест, перейдя непосредственно к этапу 213. Программа переходит непосредственно к этапу 213, когда пользователь подтверждает результаты.
Во время этапа 213 подтвержденные результаты тестов заносятся в полупостоянное ЗУ 160, предпочтительно связывая их с идентификацией пользователя, датой и временем теста и с идентификацией типа теста. В первом варианте, предназначенном для устройств с большим объемом памяти, в память вводится вся последовательность данных ускорения по одной оси или даже по трем осям.
Этот вариант позволяет в дальнейшем вычислять другие величины на основании этой последовательности или передавать ее через приемопередающий модуль 162 и интерфейс 19 во внешний блок обработки (PC, PDA, мобильный телефон и т.д.) для дальнейшего использования или для вычисления и отображения других величин и других графиков. Передача может происходить автоматически сразу же после установления соединения с внешним устройством или путем выбора команды в меню или другим действием пользователя устройства 1.
Во внешнее устройство может быть загружена прикладная программа для вычисления других величин, для их другого отображения и для получения на их основе более полной информации, чем базовая информация, выводимая сразу на дисплей устройства. Программа позволяет, например, просматривать величины в виде графика или связывать их с предыдущими измерениями для этого же спортсмена или для других спортсменов, или с целями тренировочного плана, который может быть загружен через Интернет. Эта программа может также выдавать персональные рекомендации по тренировкам в зависимости от результатов измерения каждого спортсмена и с учетом успехов спортсмена в ходе нескольких датированных тестов. Предлагаемый тренировочный план может учитывать результаты, полученные во время разных тестов и в разные дни.
Предпочтительно программа позволяет также классифицировать и упорядочить различные результаты теста при помощи метаданных, передаваемых устройством, включая дату и время теста, идентификацию спортсмена, идентификацию типа теста, возможную идентификацию применяемого устройства, и/или при помощи дополнительных данных, вводимых оператором для классификации и группировки результатов.
Старые тесты, которые больше не нужны или которые были переданы во внешний блок обработки, предпочтительно могут быть стерты из памяти устройства 1 либо автоматически во время передачи или записи новых результатов, либо при помощи специальной команды, вводимой пользователем.
В описанном выше способе сбор новой серии данных ускорения возобновляется при каждом тесте, например, при каждом прыжке или каждом поднятии тяжести. Вместе с тем, часто тест осуществляют несколько раз подряд и принимают во внимание только лучший результат. Например, многие спортивные тренеры рекомендуют измерять "лучший прыжок из приседа", то есть лучший прыжок в серии, как правило, из трех прыжков в течение короткого периода. Если объем памяти устройства позволяет, можно запрограммировать устройство таким образом, чтобы за счет одного сбора данных охарактеризовать несколько последовательных тестов; после этого устройство можно запрограммировать для дифференцирования трех тестов во время цикла измерения и автоматического определения, например, лучшего теста. Этот тип теста позволяет также определять при помощи только одной последовательности данных ускорения усталость или, наоборот, приращивание моментального напряжения между последовательными и близкими по времени тестами и, таким образом, отображать другую интересную информацию, связанную с работой мышц спортсмена.
Объектом настоящего изобретения является также система, содержащая описанное выше устройство 1 измерения, связанное с носителем данных, содержащим компьютерную программу для внешнего блока, такого как компьютер, PDA или телефон. Носителем данных может быть CD-ROM, полупостоянная память (флэш-память, ЭСППЗУ и т.д.), жесткий диск и т.д. Как было указано выше, выполняемая компьютерная программа позволяет сообщаться с устройством 1 измерения, осуществлять дополнительные вычисления и выводить на дисплей дополнительную информацию на основании полученных данных.