УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ВЫПОЛНЯЕМОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ РАБОТЫ
APPARATUS FOR DETERMINING POWER OF PERFORMED PHYSICAL WORK

Изобретение относится к области медицины и кардиологии, в частности, к спортивной медицине, лечебной физкультуре и медицинской функциональной диагностике, и может быть использовано для контроля физической работоспособности человека и его толерантности к физической нагрузке, а также при оценке физической работоспособности как здоровых, так и больных людей и для моделирования дозированной нагрузки спортсмена.
Уровень техники
Известно автоматизированное устройство (патент RU №2441580 от 19.08.2010 по классу А61В 5/0205), предназначенное для оценки резервов физического здоровья и работоспособности населения, содержащее блок ввода личной информации: возраста, пола и т.д. и регистрации, блок измерения частоты сердечных сокращений (далее ЧСС) в покое, блок измерения ЧСС релаксации, блок измерения артериального давления (далее АД), блок измерения жизненной емкости легких (ЖЕЛ), блок измерения роста, блок измерения веса, блок проведения теста Штанге, блок проведения теста Руффье, блок оценки зрительно-двигательной реакции, блок оценки гибкости позвоночника, блок оценки координационно-двигательной функции, блок оценки работоспособности мышц плечевого пояса, блок оценки мышц брюшного пресса, блок проведения теста PWC170, составляющие группу измерительных модулей, данные из которых сводят в таблицы и по ним в блоке вычисления определяют индекс физического здоровья, который наблюдают в блоке отображения информации.
Недостатки известного устройства связанны со значительным использованием в нем ручного труда медицинского персонала, проводящего обследование, а также с недостаточной точность оценки уровня резервов здоровья и работоспособности человека, по причине низкой мотивации обследуемого.
Известно автоматизированное устройство (см. патент RU 2447834 от 08.12.2010 г. кл. МПК А61В 5/02) для оценки физической работоспособности человека, содержащее блок измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС), блок ввода исходных данных, первый выход которого соединен с первым входом блока определения физической работоспособности, выходы которого соединены с блоком отображения информации, а второй вход - с выходом блока задания темпа вставания, а также последовательно соединенный цифровой акселерометр и блок предварительной обработки сигнала, блок задания темпа вставания, первым входом подключенный ко второму выходу блока ввода исходных данных, соединенному со вторым входом блока предварительной обработки сигнала.
Недостатком известного устройства является ограниченность комплекса выполняемых движений и групп мышц, вовлеченных в двигательный процесс, поскольку нагрузка в нем задается в виде перемещения центра тяжести тела испытуемого при вставании с сидения определенной высоты на расстояние, равное разности между ростом испытуемого в положении стоя и его ростом в положении сидя, который регистрирует с помощью акселерометра закрепленного на туловище человека, что не обеспечивает получение достоверных и достаточно точных данных при скрининге населения.
Известно автоматизированное устройство (патент РФ №140166 на полезную модель от 27.12.2013 г.) для определения работоспособности человека, которое содержит датчики съема биометрической информации на фазе пассивной диагностики, и на фазе активной диагностики, содержащее блок измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС), блок измерения артериального давления (АД), блок измерения роста, блок измерения веса, блок ввода личной информации: возраста, пола и т.д., блок измерения параметров человека при выполнении упражнения на тестирующем устройстве.
Недостатком известного устройства является то, что расчет мощности нагрузки при нашагивании на ступеньках осуществляется по формуле, содержащей поправочный коэффициент, который при вычислении может создавать систематическую погрешность.
Известно автоматизированное устройство (патент РФ №156151 на полезную модель от 29.12.2014 г.) для определения физической работоспособности и резервов здоровья человека, которое представляет собой автоматизированную систему, содержащую блок ввода личной информации и регистрации, группу измерительных модулей, определяющих показатели физического состояния человека, по которым в блоках обработки информации, а именно в первой и второй группах блоков выбора существующего значения, в блоках анализа и памяти таблицы, в блоке вычисления формируются, запоминаются и сравниваются с предыдущими показателями здоровья человека, а итоговая информация выводится на блок отображения информации.
Недостатком известного устройства является наличие возможной систематической погрешности при вычислении мощности нагрузки во время нашагиваний на ступеньках, создаваемой поправочным коэффициентом введенным в формулу расчета.
Прототипов по способу реализации измерения смещения центра масс посредством весов (тензодатчиков) в доступных источниках не найдено.
Целью изобретения является устройство с возможностью динамического измерения веса тела индивидуума и передачей этих данных на персональный компьютер (ПК)/мобильное устройство, что является показателем определения мощности выполняемой физической работы.
Технической задачей, на решение которой направленно данное изобретение, является создание универсальной конструкции для определения веса тела человека в динамике, предусматривающей съем показателей давления на платформу устройства во время выполнения физической нагрузки, с последующей обработкой данных на ЭВМ для вычисления мощности выполненных нагрузок и уровня физической работоспособности.
Для выполнения технической задачи предлагается устройство сбора данных, содержащее платформу весов, используемую как платформу для выполнения упражнений, тензодатчики, сглаживающий фильтр (например, конденсатор, емкостью 0,01 мкФ), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), где данные оцифровываются с частотой 200Гц, связанные с микроконтроллером соединительным звеном (например, кабелем,) модуль Wi-Fi, с помощью которого передаются данные на ПК/мобильное устройство, соединительное звено - кабель. Устройство может включать в себя подзаряжаемый аккумулятор. Передача данных возможна также беспроводным путем. В отличие от стандартных схем измерения веса, в данном устройстве вес измеряется в динамике, на входе АЦП установлен конденсатор, выполняющий роль простейшего С-фильтра, снижающего наведенный шум и обеспечивающего точность измерений.
Сущностью изобретения является то, что использование оригинальной конструкции позволяет неинвазивным методом определять вес тела человека в динамике, на основании чего вычисляется мощность выполненной нагрузки и уровня физической работоспособности по тесту PWCno (PWCaf).
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения мощности выполняемой физической работы путем определения веса тела человека в динамике за счет регистрации переменного давления в цифровом (численном) выражении.
Технический результат достигается конструкцией устройства для определения мощности выполняемой физической работы, характеризующейся тем, что содержит тензодатчики, аналогово-цифровой преобразователь, микроконтроллер, модуль Wi-Fi, источником исходной информации является платформа для выполнения упражнений (платформа весов) с возможностью регистрации переменного давления на платформу весов, механически соединенную с массивом из мостовых тензорезистивных датчиков, включенных параллельно, с возможностью поступления переменного электрического сигнала на вход АЦП, с функцией предварительного усиления и оцифровки аналогового сигнала, на входе АЦП установлен конденсатор, выполняющий роль простейшего С-фильтра, снижающего наведенный шум и обеспечивающего точность измерений, микросхема АЦП связана с микроконтроллером через последовательный интерфейс SPI, для предварительной обработки получаемых данных и отправки на вычислительный комплекс по проводным или беспроводным интерфейсам, визуализации и хранения. Как частный случай в качестве простейшего С-фильтра, снижающего наведенный шум и обеспечивающий точность измерений используется конденсатор, емкостью 0,01 мкФ. Другой частный случай, при котором платформа весов соединена с массивом из 4-х мостовых тензорезистивных датчиков YZC-1B, включенных параллельно. Также, в качестве АЦП с возможностью поступления переменного электрического сигнала на вход используется АЦП AD7793 с функцией предварительного усиления и оцифровки аналогового сигнала с частотой 200 Гц и глубиной квантования 24 бита. Кроме того, микросхема АЦП связана с AVR-микроконтроллером ATMega328 через последовательный интерфейс SPI, для предварительной обработки получаемых данных и отправки на вычислительный комплекс по проводным или беспроводным интерфейсам, последующей обработки, визуализации и хранения.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют успешно реализовать поставленную цель.
Заявляемое техническое решение поясняют изображения на фиг. 1-3.
На фиг. 1 приведена структурная схема технического решения устройства; на фиг. 2 изображен пример платформы устройства (весы); на фиг. 3 приведен пример формы результата исследования.
Где 1 - комплекс тензодатчиков;
2 - конденсатор;
3 - аналогово-цифровой преобразователь;
4 - микроконтроллер;
5 - модуль Wi-Fi;
6 - устройство обработки (ПК или смартфон). Пример осуществления.
Устройство выполнено в форме напольных весов; оно содержит тензодатчики (1); конденсатор (2) емкостью 0,01 мкФ, выполняющий роль простейшего С-фильтра, снижающего наведенный шум; аналогово-цифровой преобразователь AD7793 (3); микроконтроллер (4); модуль Wi-Fi (5); источником питания может быть аккумулятор, и подключается к стационарному компьютеру или мобильному устройству (6) по USB-интерфейсу, либо через беспроводную сеть Wi-Fi.
Принцип работы устройства для определения веса тела человека в динамике заключается в следующем.
Динамическая нагрузка в форме приседания объекта диагностики оказывает переменное давление на платформу весов, механически соединенную с массивом из 4-х мостовых тензорезистивных датчиков YZC-1B, включенных параллельно. Массив необходим для увеличения допустимой нагрузки на платформу весов. Максимальное выходное напряжение тензорезистивного моста пропорционально напряжению его возбуждения и составляет 2 мВ/В. При питании моста напряжением 5 В, полная шкала составит 10 мВ.
Переменный электрический сигнал поступает на вход АЦП AD7793, который производит предварительное усиление и оцифровку аналогового сигнала с частотой 200 Гц и глубиной квантования 24 бита. На входе АЦП установлен конденсатор, выполняющий роль простейшего С-фильтра, снижающего наведенный шум и обеспечивающего точность измерений.
170
AF
Микросхема АЦП связана с AVR-микроконтроллером ATMega328 через последовательный интерфейс SPI. Программируемый микроконтроллер необходим для автономного управления АЦП, предварительной обработки получаемых данных и их отправки на вычислительный комплекс по проводным или беспроводным интерфейсам для дальнейшей обработки данных, с вычислением механической работы, совершенной при приседании (при подъеме), мощности выполненной нагрузки и уровня физической работоспособности по тесту PWC (PWC). Количество приседаний, время, в течение которого они выполняются, темп с которым они осуществляются (под метроном или ритмичный сигнал из ПК/мобильное устройство) - могут быть произвольными.
Расчет физической работоспособности производится по следующей формуле
где PWC170 - мощность физической нагрузки, при которой достигается ЧСС = 170 в минуту;
1
2
W, W - мощность первой и второй нагрузок, Вт;
1
2
f, f - ЧСС в конце первой и второй нагрузок, уд/мин.