ES2665309A1

ES2665309A1 - Sensor de fuerza a tracción para el registro y la monitorización del ejercicio físico

Info

Publication number: ES2665309A1
Application number: ES201631367A
Authority: ES
Inventors: Ramon Bragos Bardia; Miguel Angel GONZALEZ GARCIA; Juan Jose Ramos Castro; Sergio Rodriguez Jimenez; Gerard Moras Feliu; Montserrat SUBIRANA CLÈRIC
Original assignee: Estel SL
Current assignee: Estel SL
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: WO2018078197A1; ES2665309B1; US11027171B2; CN110168331B; EP3534127A4; US20190275371A1; CN110168331A; EP3534127A1

Abstract

Sensor de fuerza a tracción para el registro y la monitorización del ejercicio físico. Comprende al menos una galga extensométrica (3) en una pieza tensora (1) que comprende un segmento rectilíneo central (11) y dos pliegues en ángulo (10), significativamente más gruesos que el segmento rectilíneo central. La galga extensométrica (3) está dispuesta en dicho segmento rectilíneo central, todo ello de manera que una fuerza detracción en los extremos de fijación (12) de la pieza tensora (1) se transforme en una deformación en "U" (4) en el segmento rectilíneo central. Comprende también un módulo procesador (5) conectado a la galga extensométrica (3), adaptado para detectar y procesar en datos las deformaciones elásticas producidas en el segmento rectilíneo central por los esfuerzos longitudinales generados por la tracción de los extremos de fijación (12) de la pieza tensora. Permite la realización de un sensor inalámbrico, portátil y de bajo coste.

Description

Sensor de fuerza a tracción para el registro y la monitorización del ejercicio físico

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención se encuadra en el sector de la actividad física y el entrenamiento deportivo, tanto en el ámbito de la salud como en el del alto rendimiento.

La presente invención se refiere a un sensor de fuerza a tracción para el registro y la monitorización del ejercicio físico, dotado de una galga extensométrica, de suficiente exactitud, peso mínimo y reducido coste, para la monitorización y el análisis del ejercicio físico.

El sensor de la presente invención encuentra también aplicación en otros usos, tales como por ejemplo, medida de deformaciones en estructuras resistentes, el pesaje de artículos, la dosificación de materiales, etc.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Existen diversas soluciones para la medida de tensión mecánica aunque todas se basan en la transducción de la fuerza a una deformación que, posteriormente, será estimada mediante sensores resistivos, capacitivos, inductivos o piezoeléctricos.

En el sector de la actividad física y el deporte, y en el entrenamiento deportivo, existen diversos tipos de transductores de fuerza. Algunos dispositivos se integran en máquinas fijas de grandes dimensiones, y por tanto no portátiles, para monitorizar las fuerzas que se aplican en los movimientos específicos para los que se ha diseñado la máquina.

Existen también sensores portátiles para la valoración de la fuerza ejercida por el cuerpo humano o partes del mismo. Por ejemplo, la patente EP0083568B1 describe un clásico sensor manual de fuerza a compresión unidireccional, basado en galgas extensométricas.

De forma similar, la patente US5090421 describe un aparato para su uso en pruebas de valoración muscular que comprende un transductor de fuerza, basado en galgas extensométricas, para proporcionar lecturas de deflexión precisas, incluso en diferentes direcciones de aplicación de la fuerza. El aparato se conecta mediante un cable a un dispositivo externo, un ordenador, que recoge y presenta los datos de fuerza obtenidos.

El documento US4307608A describe un aparato que permite visualizar digitalmente el valor de la fuerza muscular ejercida en compresión o tracción, y que consiste en una consola con un circuito electrónico que recibe la señal de salida de una célula de carga independiente, conectada por cable a la consola, que es capaz de transformar las deformaciones elásticas de una pieza rígida en cambios eléctricos a partir del uso de galgas extensométricas.

El documento de solicitud de patente WO2014125424A1 da a conocer un sistema para el entrenamiento en suspensión que puede además incluir un sensor de registro de la fuerza (supuestamente a tracción) generada durante los ejercicios de suspensión del cuerpo o partes de éste, y que interactúa con el usuario o el entrenador mediante interfaz gráfica o audio. Además, el sensor de registro de la fuerza puede incluir un acelerómetro para determinar los movimientos o las vibraciones, u otro tipo de sensores externos adicionales, tales como ECG, EMG, medidores de frecuencia cardiaca, etc. Los sensores pueden interactuar con ordenadores, dispositivos móviles

o tabletas.

La solicitud US20140148317A1 describe un sistema para el ejercicio muscular que comprende un clip para la fijación de bandas elásticas a un punto fijo, y una fundas o manguitos para su fijación a partes del cuerpo cilíndricas como una pierna o un brazo. El manguito presenta al menos un aparato de fijación para su anclaje a las bandas elásticas. La forma de una parte del clip permite el enrollado en espiral o helicoidalmente de la banda elástica. El clip puede incluir un sistema medidor de carga a tracción, por ejemplo una galga extensométrica, para medir la fuerza pico o media generada en la banda elástica.

La solicitud de patente GB2528234A, que se considera como el “closest prior art” describe un dispositivo sensor compuesto de dos carcasas, carcasa derecha y carcasa izquierda, que contienen cada una de ellas un sensor de fuerza basado en una célula de carga, que permite medir de forma separada las fuerza ejercida en el lado derecho y el izquierdo. Ambas carcasas presentan puntos de anclaje para su fijación a sistemas de resistencia externos como gomas, poleas, etc. Ambas carcasas se fijan entre sí mediante un sistema pivotante o bisagra que les permite rotar y alinearse con la dirección de la fuerza de tracción a la que el sistema sea sometido. Un último punto de fijación facilita la fijación del dispositivo a un punto fijo cualquiera. Los registros aportados por las células de carga se pueden enviar de forma inalámbrica a un dispositivo remoto, como un ordenador o un smartphone. Un software asociado al dispositivo permite el análisis de los registros, así como valorar la actividad realizada por el usuario, y sugerir diversos ejercicios para mejorar el estado de forma.

Como puede apreciarse de la descripción del estado del arte más cercano, el mayor inconveniente, de carácter general, es construir un sistema sensor de reducido coste y mínimo peso (<0,175 kg) pero con suficiente exactitud (resolución en la medida <0,3 kg) y capacidad de carga nominal suficiente (hasta 250-300 kg) para monitorizar de forma inalámbrica los niveles de fuerza ejercidos durante acciones y ejercicios típicos del entrenamiento de la fuerza. Además, el documento GB2528234A describe un sensor que precisa de dos galgas extensométricas, lo cual presenta el inconveniente de encarecer el dispositivo y dar complejidad a su gestión.

Se descarta el uso de células de carga comerciales por tener un coste demasiado elevado para cumplir los requisitos de la aplicación, y no adaptarse a las necesidades funcionales de mínimo peso y tamaño reducido.

Otro inconveniente más concreto es diseñar una pieza tensora, de forma, material, y dimensiones adecuados para que, a un bajo coste de fabricación, cumpla los requisitos de exactitud en la medida, peso mínimo y suficiente funcionalidad.

EXPLICACION DE LA INVENCIÓN

La finalidad de la presente invención es dar solución a los anteriores problemas e inconvenientes. Para tal finalidad, el objeto de la presente invención, de acuerdo con la reivindicación 1, es un sensor de fuerza a tracción para el registro y la monitorización del ejercicio físico, del tipo descrito al inicio, que en su esencia se caracteriza porque comprende una pieza tensora (que lleva a cabo la transducción primaria fuerza-deformación), hecha de un material duro con una determinada constante de elasticidad, y que comprende un segmento rectilíneo central y dos pliegues en ángulo, significativamente más gruesos que el segmento rectilíneo central, estando una galga extensométrica dispuesta en dicho segmento rectilíneo central. Una fuerza de tracción en los extremos de fijación de la pieza tensora se transforme en una deformación en U en el segmento rectilíneo central, que es medida por la galga extensométrica.

En las reivindicaciones 2 y sucesivas se describen realizaciones preferidas de la presente invención.

Por todo ello, de la invención resultan unas características ciertamente novedosas y ventajosas, en especial puesto que permite realizar sensores de reducido peso en una sola pieza, de reducido tamaño y materiales ligeros, en comparación con los del estado del arte, diferenciándose respecto de los dispositivos ya existentes con funciones similares, entre otras razones, porque puede fabricarse por estampación, reduciendo las necesidades de mecanizado.

El sistema sensor según la presente invención, aúna altas prestaciones, basadas en una alta precisión, gran capacidad de carga máxima, y alta funcionalidad a un coste reducido, que permite la monitorización inalámbrica de los niveles de fuerza a tracción ejercidos durante acciones y ejercicios dinámicos y estáticos típicos del entrenamiento de la fuerza.

Otra ventaja competitiva es la ausencia en el mercado, a día de hoy, de sensores de fuerza a tracción de bajo coste como el de la presente invención, que permitan controlar el dispositivo y manipular los datos obtenidos de forma amigable mediante aplicaciones para móviles y tabletas u otros dispositivos móviles.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

A continuación, se realiza la descripción detallada de un modo de realización preferido del sensor de fuerza a tracción inalámbrico de la presente invención, para

cuya mejor comprensión se acompaña de unos dibujos, dados a título meramente

ilustrativo y no limitativo, en los cuales:

La Fig. 1 es una vista en perspectiva de un diseño preferente de la pieza tensora del sensor de la presente invención;

La Fig. 2 es una vista en planta superior del dibujo de la pieza tensora de la Fig. 1;

La Fig. 3 es una vista en perfil de la pieza tensora de la Fig. 1, exenta de solicitaciones;

La Fig. 4 es una vista análoga, pero sobre cuya pieza tensora se ejerce un esfuerzo de tracción (F), indicado por las flechas, y en las que se aprecia la deformación del segmento rectilíneo centra de la pieza tensora según la presente invención;

La Fig. 5 es una vista en perfil y de detalle de dicho segmento rectilíneo central, con dos pliegues en ángulo de la pieza tensora, significativamente más gruesos que el segmento rectilíneo central. Nótese que el segmento rectilíneo central es el destinado a la adhesión de la galga extensométrica;

La Fig. 6 es una vista en planta superior del segmento rectilíneo central de la Fig. 5;

La Fig. 7 es una vista en perspectiva de un ejemplo de sistema tensor completo, que incorpora la pieza tensora según la invención, recubierta por una carcasa;

La Fig. 8 es una vista en explosión del sistema tensor de la Fig. 7, con la carcasa removida en la que se ha representado el módulo procesador y se aprecia el módulo emisor inalámbrico; y

La Fig. 9 muestra un ejemplo de utilización del sistema sensor de fuerza de la presente invención, adaptado a un curl de bíceps.

DESCRIPCION DETALLADA DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA DE LA INVENCIÓN

En dichos dibujos puede verse la constitución y el modo operativo del sistema sensor de fuerza de la presente invención.

Este sistema sensor objeto de la invención consta de una pieza tensora (1), que lleva a cabo la transducción primaria fuerza-deformación”, y que consiste en cuerpo simple de material duro con una determinada constante de elasticidad y que se puede obtener por estampación, basado en un segmento rectilíneo central (11) con dos pliegues en ángulo (10) significativamente más gruesos que el segmento rectilíneo central (11). Ello permite que una fuerza de tracción en los extremos de fijación (12) de la pieza tensora (1), se transforme en una deformación en “U” (4) en el segmento rectilíneo central (11), yendo adherido en el mencionado segmento rectilíneo central

(11) un único sensor de deformación, como puede ser una galga extensométrica (3), conectado a su vez a un módulo procesador (5) capaz de detectar y procesar en datos las ligeras deformaciones elásticas de dicho segmento rectilíneo central (11) por los esfuerzos longitudinales generados por la tracción de los extremos de fijación (12) de la pieza tensora (1). En la Fig. 6 se muestra un ejemplo en que la galga está montada en la cara superior del segmento rectilíneo central (11), si bien se contempla el caso en que pueda ir montada también en su cara inferior, o incluso en ambas caras (ejemplos no mostrado en los dibujos).

Además, los dos extremos de fijación (12) de la pieza tensora (1) del sistema sensor disponen de espacios destinados a su fijación mediante sistemas convencionales de anclaje, como pueden ser mosquetones, a máquinas y sistemas de resistencia convencionales para el ejercicio físico con sobrecargas externas, como pueden ser máquinas de resistencia con poleas gravitacionales, gomas elásticas, o cinchas rígidas para el entrenamiento en suspensión, entre otros.

De acuerdo con una característica esencial de la presente invención, el sistema sensor de fuerza comprende un módulo procesador (5) (Fig. 8), conectado a la galga extensométrica (3), adaptado para detectar y procesar en datos las deformaciones elásticas producidas en el segmento rectilíneo central (11) por los esfuerzos longitudinales generados por la tracción (F) de los extremos de fijación (12) de la pieza tensora (1). El módulo procesador (5) puede estar dispuesto cerca del segmento rectilíneo central (11) de la pieza tensora (1).

En la Fig. 8 puede verse que el sistema cuenta asimismo con un módulo emisor inalámbrico (13) que envía los datos sobre las deformaciones elásticas, a un dispositivo externo, tal como por ejemplo un teléfono inteligente o una tableta o un servidor que los procesa. Este procesamiento se realiza preferiblemente mediante una App específica para presentar la información al usuario y guardar los resultados del registro en dicho dispositivo externo.

En asociación con el módulo procesador (5), se dispone de un circuito acondicionador de la galga extensométrica (3), un módulo memoria para el almacenamiento de los datos, un módulo emisor inalámbrico de bajo consumo (módulo Bluetooth LE), una batería recargable que alimenta al sistema, un puerto USB para la recarga de la batería, un acelerómetro triaxial, y un pulsador secuencial, yendo todos estos componentes, junto con el segmento rectilíneo central (11) y los pliegues en ángulo (10) de la pieza tensora (1), integrados en espacios realizados en el interior de una carcasa (6) rígida y ligera (Fig. 7), formando un conjunto compacto que oculta y protege al segmento rectilíneo central (11) de la pieza tensora (1) y al módulo procesador (5) y dota al sistema sensor de la consistencia necesaria para soportar caídas e impactos indeseados durante su funcionamiento en el entorno habitual de uso.

Además, la carcasa (6) rígida está compuesta de dos partes separadas, la base (8), en el interior de la cual se ensambla a la pieza tensora (1) y el módulo procesador (5) con todos sus componentes, y la tapa (9), que presentan en su contorno un sistema de juntas de goma que posibilita el cierre estanco de la carcasa

(6) rígida y es capaz de absorber, gracias a sus propiedades elásticas, la deformación necesaria de la pieza tensora (1) al someterse a fuerzas de tracción dentro del rango nominal de trabajo.

Con todo ello, se obtiene un sistema sensor que permite realizar medidas de las tensiones generadas en cualquier tipo de acción que implique una tracción (F), y enviar los datos registrados a tiempo real mediante el módulo emisor inalámbrico (13) a un dispositivo externo como un smartphone o una tableta que los procesa mediante una App específica que puede presentar los resultados al usuario a tiempo real ofreciendo un feedback instantáneo de los niveles de fuerza media y máxima alcanzados, el número de repeticiones realizadas, el ritmo de ejecución de repeticiones, o la duración, entre otras variables de interés.

El sistema sensor de la invención se puede anclar entre dos puntos donde se genere una fuerza a tracción (F), pudiendo éste medir los niveles de tensión instantáneos tanto en condiciones dinámicas, en las cuales el sistema sensor se mueve acorde con la acción u ejercicio en el que se genera la tensión a medir, como en condiciones estáticas, en las que el sistema sensor se ancla por uno de los extremos de fijación (12) de la pieza tensora (1), por ejemplo a través de un mosquetón, a un punto fijo inamovible a partir del cual se genera la tensión.

En la Fig. 9 se muestra un ejemplo de utilización en una acción de registro en condiciones dinámicas, en las que el sistema sensor se ancla por uno de sus extremos de fijación (12) de la pieza tensora (1) a un extremo de una banda elástica a partir de la cual se genera la tensión, y por el otro de sus extremos de fijación (12) se ancla la asadera de tracción del sujeto. En este caso, el sistema sensor registraría la fuerza de tracción que es capaz de realizar el sujeto al estirar la banda elástica durante el ejercicio de curl de bíceps.

Otro ejemplo (no mostrado en los dibujos) es otra acción de registro en condiciones estáticas en las que el sistema sensor se ancla por uno de sus extremos de fijación (12) de la pieza tensora (1) a un punto fijo inamovible a partir del cual se genera la tensión, y por el otro de sus extremos de fijación (12) se ancla, por ejemplo, a uno de los extremos de una cadena. En este caso, el sistema sensor registraría la fuerza de tracción que es capaz de realizar el sujeto al tensionar el extremo libre de la cadena.

Por todo ello, el sensor de la invención resulta de unas características ciertamente novedosas y ventajosas, adquiriendo vida propia y carácter preferente respecto de los dispositivos ya existentes con funciones similares. De acuerdo con la

invención se propone un sistema sensor inalámbrico para el registro de fuerzas a tracción, para su aplicación en una gran variedad de máquinas convencionales de resistencia variable disponibles en el sector de la actividad física y el deporte con las que se pueden realizar ejercicios con diferentes niveles de fuerzas de tracción, con el 5 cual se obtienen unas características funcionales ventajosas, ya que el diseño estructural de sus componentes esenciales permite obtener un sistema sensor a un reducido coste, con un peso mínimo (<0,175 kg) y de suficiente exactitud en un amplio rango de tensión (Capacidad nomimal: 300 kg; resolución en la medida: <0,3 kg), permitiendo además una rápida y fácil colocación del sensor y la transmisión

10 inalámbrica de los datos a tiempo real a un smartphone o tableta electrónica que gestionará la información mediante una App específica, aportando así una solución eficaz a los problemas planteados en el estado del arte actual.

El objeto de invención se puede utilizar también en otras aplicaciones donde

15 sea interesante medir la fuerza de tracción realizada tanto por humanos como por cualquier otro elemento que desarrolle una fuerza inferior al límite máximo pensado para el dispositivo. Como ejemplo práctico de otras aplicaciones, fuera del contexto del ejercicio físico, podría usarse para el pesaje de objetos.

Claims

REIVINDICACIONES

1.-Sensor de fuerza a tracción para el registro y la monitorización del ejercicio físico, del tipo de los que están dotados de al menos una galga extensométrica (3), caracterizado porque comprende una pieza tensora (1) hecha de un material duro con unas determinadas constantes de elasticidad, y que comprende un segmento rectilíneo central (11) y dos pliegues en ángulo (10), significativamente más gruesos que el segmento rectilíneo central (11), estando dicha galga extensométrica (3) dispuesta en dicho segmento rectilíneo central (11), todo ello de manera que una fuerza de tracción en los extremos de fijación (12) de la pieza tensora (1) se transforme en una deformación en U en el segmento rectilíneo central (11).
2.-Sensor según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende

-

un módulo procesador (5) conectado a la galga extensométrica (3), adaptado para detectar y procesar en datos las deformaciones elásticas producidas en el segmento rectilíneo central (11) por los esfuerzos longitudinales generados por la tracción de los extremos de fijación (12) de la pieza tensora (1);

-

y un modulo emisor inalámbrico que envía los datos sobre las deformaciones elásticas, a un dispositivo externo, tal como por ejemplo un teléfono inteligente o una tableta o un servidor que los procesa.
3.-Sensor según la reivindicación 2, caracterizado porque el procesamiento se realiza mediante una aplicación específica para móvil o tableta para presentar la información al usuario y guardar los resultados del registro en dicho dispositivo externo.
4.-Sensor según la reivindicación 2, caracterizado porque los componentes del módulo procesador (5), junto con el segmento rectilíneo central (11) y los pliegues en ángulo (10) de la pieza tensora (1), se integran y ensamblan en espacios realizados en el interior de una carcasa (6) rígida, resistente y ligera, formando un conjunto compacto que oculta y protege al segmento central de la pieza tensora (1) y al módulo procesador (5) y dota al sistema sensor de la consistencia necesaria para soportar caídas e impactos indeseados durante su funcionamiento en el entorno habitual de uso.
5.-Sensor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende extremos de fijación (12) en la pieza tensora (1) con espacios destinados al anclaje de mosquetones, elementos de roscado, o asas para

5 su fijación de forma segura a sistemas de resistencia convencionales para el ejercicio físico.
6.-Sensor según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pieza tensora (1) está fabricada de una aleación de un metal. 10

FIG. 1

FIG. 2

FIG. 4

FIG. 6

FIG. 7

FIG. 9