ITRM20090058A1 - Metodo per la misura della potenza muscolare e relativo apparato. - Google Patents
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Description
METODO PER LA MISURA DELLA POTENZA MUSCOLARE E RELATIVO
APPARATO.
*****
La presente invenzione riguarda un metodo per la misura della potenza muscolare e relativo apparato.
Più dettagliatamente l’invenzione concerne un metodo eseguito da un apparato indossabile da un utilizzatore, in grado di misurare la potenza muscolare a seguito dell’esecuzione di un’attività motoria.
Com’à ̈ ben noto attualmente, durante l’esecuzione di attività motorie (corsa, salto, etc.) à ̈ possibile valutare la potenza mediante differenti sistemi.
Un primo sistema sfrutta la tecnica della stereofotogrammetria (videocamere) ed à ̈ basata sull’uso di telecamere digitali per la misura della traiettoria di sfere riflettenti (marcatori) collocati sul corpo dell’utilizzatore. Tali sistemi possono essere utilizzati all’interno di un laboratorio o uno studio, comportando tuttavia un set up complesso. Tra l’altro questo tipo di sistema non à ̈ portatile.
Un altro approccio concerne l’impiego di una piattaforma dinamometrica, che comprende principalmente una bilancia, che si poggia sul terreno, per la misura delle reazioni vincolari scambiate tra la sua superficie e la superficie del corpo in contatto con essa (ad esempio i piedi). Tali strumenti sono tuttavia assai pesanti ed ingombranti, difficilmente trasportabili e necessitano di un elaboratore per funzionare.
Sempre secondo la tecnica nota, à ̈ possibile impiegare interruttori di diversa natura (tappeti rilevatori di contatto e barre ad emissione di luce), adibite sostanzialmente alla rilevazione di tempi di contatto/volo. Questi sistemi possono impiegare strumentazioni trasportabili e poco costose, ma presentano dei notevoli limiti relativamente alla quantità di informazioni fornite legate al movimento. Queste ultime hanno quindi bisogno di essere integrate con ipotesi circa l’evoluzione del fenomeno e modelli matematici che rendono la stima della potenza muscolare poco accurata. Inoltre, in funzione della distanza che si vuole ricoprire, si ha la necessità di installare in serie un numero elevato di barre ottiche o tappeti rilevatori di contatto. Ciò fa aumentare linearmente il prezzo della strumentazione peggiorandone allo stesso tempo la trasportabilità . Pertanto, ad esempio, la strumentazione suddetta non potrebbe essere utilizzata già su distanze ridotte (anche di 20 metri), in quanto richiederebbe il montaggio d’interruttori lungo tutto il percorso.
Infine, un’ulteriore metodo secondo la tecnica nota impiega sensori inerziali (accelerometri e giroscopi), sensori magnetici (magnetometri) e GPS miniaturizzati. L’interpretazione dei segnali misurati da tali sensori (accelerazioni lineari, velocità angolari, campo magnetico locale e coordinate geodesiche) durante l’esecuzione di un determinato compito motorio non à ̈ immediata, ma necessita di elaborazioni che costituiscono il processo di trasformazione dell’informazione misurata dal sensore in variabili e indici facilmente utilizzabili da parte di personale clinico e preparatori atletici per l’interpretazione del movimento.
Secondo questa soluzione, sono noti sensori inerziali che contengono accelerometri, giroscopi, e magnetometri, ma sono utilizzati come strumento di misura e non finalizzati alla valutazione della potenza muscolare. Inoltre, sono noti sensori inerziali finalizzati alla valutazione della potenza muscolare ma che contengono al loro interno soltanto accelerometri. Questi ultimi consentono una tale valutazione esclusivamente se il corpo su cui à ̈ posizionato il sensore effettua un moto puramente traslatorio.
Appare evidente come i sistemi sopra esposti sono onerosi in termini economici, nonché poco flessibili.
Alla luce di quanto sopra à ̈, pertanto, scopo della presente invenzione quello di proporre un metodo per la misura della potenza muscolare e relativo apparato per il rilevamento di movimenti traslatori e rotatori.
È anche scopo della presente invenzione che detto apparato possa essere portatile.
Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un metodo per la misura della potenza muscolare di un utilizzatore per mezzo di un apparato fissabile sul corpo in movimento di detto utilizzatore, comprendente le seguenti fasi:
(a) rilevazione di uno stato di inizio acquisizione, in cui detto utilizzatore si trova in una postura sostanzialmente statica, ottenendo una prima costante di accelerazione iniziale di offset di accelerazione lineare ed una seconda costante di velocità angolare iniziale di offset;
(b) acquisizione di uno o più segnali di variabili cinematiche durante l’esecuzione di un movimento da parte di detto utilizzatore;
(c) rilevazione di uno stato di fine acquisizione, in cui detto utilizzatore si trova in una postura sostanzialmente statica; e
(d) calcolo di almeno un parametro relativo della potenza muscolare di detto utilizzatore sulla base delle rilevazioni di dette variabili cinematiche.
Sempre secondo l’invenzione, i segnali di dette variabili cinematiche possono comprendere l’accelerazione e la velocità angolare e detta fase di acquisizione (b) comprende le seguenti sottofasi:
(b1) rilevazione di un segnale di accelerazione rilevato vettoriale campionato e di un segnale di velocità angolare vettoriale campionato;
(b2) filtraggio di detto segnale di accelerazione rilevato di detto segnale di velocità angolare;
(b3) trasformazione del segnale di accelerazione rilevato in un segnale di accelerazione in un sistema di riferimento globale;
(b4) determinazione del numero di cicli di un movimento o esercizio eseguito da detto utilizzatore; e
(b5) segmentazione di detto segnale di accelerazione in modo da distinguere i diversi stadi di un movimento, in particolare relativi a fasi di volo e/o di transizione.
Ancora secondo l’invenzione, detta fase (b3) può comprendere il calcolo della matrice di rotazione da un sistema di riferimento locale a uno globale ad ogni istante di tempo di campionamento, mediante l’integrazione numerica di detto segnale di velocità angolare, e la correzione di un errore di compensazione (offset).
Ulteriormente secondo l’invenzione, detta fase (b3) può comprendere le seguenti sottofasi:
- lettura di detto segnale di accelerazione rilevato, sottrazione da detto segnale di accelerazione rilevato di detta prima costante di accelerazione iniziale di offset, filtraggio mediante un filtro passabasso, calcolo dell’arcocoseno ottenendo un primo vettore di segnali di rollio e beccheggio, calcolo della matrice di rotazione iniziale rispetto ad un sistema di riferimento globale;
- lettura di detto segnale di velocità angolare, sottrazione da detto segnale di velocità angolare di detta seconda costante di velocità angolare vettoriale iniziale di offset, filtraggio mediante un filtro passa-alto, integrazione di detto segnale vettoriale e moltiplicazione di detto segnale vettoriale ottenuto con detta matrice di rotazione iniziale, ottenendo un secondo vettore di segnali di rollio e beccheggio e un vettore di segnali di imbardata;
- sottrazione di detto primo vettore di segnali di rollio e beccheggio e detto secondo vettore di segnali di rollio e beccheggio, ottenendo un vettore di segnali di errore;
- correzione di detto secondo vettore di segnali di rollio e beccheggio mediante detto vettore di segnali di errore di rilevazione, ottenendo un vettore di segnali di rollio e beccheggio finale;
- ottenimento di una matrice di rotazione finale per la trasformazione di un sistema di riferimento locale a uno globale mediante detto vettore di segnali di rollio e beccheggio finale; e
- moltiplicazione di detta matrice di rotazione finale con detto segnale di accelerazione rilevato, in modo da ottenere un segnale di accelerazione trasformato.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detta fase (b4) può comprendere le seguenti sottofasi:
- sostituzione dei valori negativi di detto segnale di accelerazione con un valore costante negativo logico normalizzato -1 e quelli positivi con un valore costante positivo logico normalizzato 1, ottenendo una curva di onda quadra; e
- calcolo della derivata rispetto al tempo di detta onda quadra, ottenendo una curva a picchi; e
- rilevazione di cicli relativi ad uno specifico esercizio.
Sempre secondo l’invenzione, detta fase (b5) può comprendere le seguenti sotto fasi:
- calcolo del valor medio dei valori dei campioni della porzione di curva che si trova tra una sequenza di uno o più picchi negativi ed una sequenza di uno o più picchi positivi;
- se detto valor medio à ̈ al di sotto di una soglia predefinita, detta soglia predefinita essendo preferibilmente la costante di accelerazione gravitazionale (g), allora si rileva una fase di volo e/o di transizione ed à ̈ eseguito il calcolo della stima dei valori di detto segnale vettoriale di spostamento campionato in dette fasi di volo e/o di transizione.
Ancora secondo l’invenzione, il calcolo della stima dei valori di detto segnale di spostamento campionato in dette fasi di volo e/o di transizione à ̈ effettuato secondo il seguente algoritmo:
- integrazione di detto segnale accelerazione in modo da ottenere un segnale vettoriale di velocità campionato;
- integrazione di detto segnale di velocità in modo da ottenere detto segnale di spostamento;
- rilevazione del valore finale della velocità e dello spostamento di ciascuna fase di transizione antecedente a ciascuna fase di volo; e
- calcolo dello spostamento in fase di volo e/o di transizione secondo la formula s = s0 v0·t 0,5·g·t<2>, in cui g à ̈ la costate di accelerazione gravitazionale.
Ulteriormente secondo l’invenzione, detta fase (d) può comprendere le seguenti sottofasi:
- calcolo di un segnale vettoriale di velocità campionato, come integrazione di detto segnale di accelerazione, preferibilmente come v = 1/6 * [acc*(i-1) 4* acc(i) acc(i+1)] * dt, in cui dt à ̈ l’intervallo di tempo tra due campioni consecutivi ed i l’indice di numerazione dei campioni; e
- calcolo del segnale vettoriale di spostamento, come integrazione di detto segnale di velocità , preferibilmente come s= 1/6 * [v(i-1) 4*v(i) v(i+1)] * dt;
così da effettuare il calcolo di almeno parametro relativo della potenza muscolare di detto utilizzatore, selezionato tra i seguenti:
- potenza, calcolata come P = m·acc·v, con m essendo la massa corporea di detto utilizzatore;
- energia meccanica, calcolata come E = K U, con K essendo l’energia cinetica e U l’energia potenziale, con K = 0,5 * v<2>e U = s_vert*g, con s_vert essendo la componente verticale di detto segnale vettoriale di spostamento.
Sempre secondo l’invenzione, le operazioni di integrazione possono essere effettuate su uno o più di detti cicli relativi ad uno specifico esercizio, preferibilmente tre cicli.
Ancora secondo l’invenzione, detta fase (b2) può prevedere il filtraggio mediante uno o più filtri passa basso, con frequenza di taglio di circa 20 Hz.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, dette fasi (a) e (c) possono comprendere le seguenti sottofasi:
- acquisizione del segnale di accelerazione rilevato e di detto segnale di velocità angolare;
- calcolo della media e della deviazione standard dei campioni di ciascuno di detti segnali; e
- confronto delle misure di dette deviazioni standard con rispettive soglie predefinite;
se dette misure di dette deviazioni standard sono maggiori della rispettiva soglia predefinita, allora continua detta fase (a) o (c), altrimenti fine dell’acquisizione così da determinare rispettivamente l’inizio o la fine dell’acquisizione, detta prima co stante di accelerazione iniziale di offset e detta seconda costante di velocità angolare iniziale di offset di detta fase (a) essendo proporzionali rispettivamente a detti valori medi di detti segnali.
Forma ulteriore oggetto della presente invenzione un apparato per la misura della potenza muscolare di un utilizzatore, detto apparato essendo fissabile sul corpo di detto utilizzatore, comprendente almeno un accelerometro a tre dimensioni, atto a rilevare un segnale di accelerazione rilevato vettoriale campionato del corpo di detto utilizzatore su cui à ̈ posizionato detto apparato, almeno un giroscopio a tre dimensioni, atto a rilevare un segnale di velocità angolare vettoriale campionato del corpo di detto utilizzatore su cui à ̈ posizionato detto apparato, e un’unità di elaborazione collegata a detto almeno un accelerometro e detto almeno un giroscopio, caratterizzato dal fatto che detta un’unità di elaborazione à ̈ atta ad eseguire il metodo per la misura della potenza muscolare come definito sopra, elaborando detto segnale di accelerazione rilevato e detto segnale di velocità angolare, in modo da determinare la potenza muscolare normalizzata calcolata rispetto alla massa corporea di detto utilizzatore.
Sempre secondo l’invenzione, detto almeno un giroscopio tridimensionale può essere realizzato mediante un primo ed un secondo giroscopio bidimensionale, disposti in modo tale da avere un asse allineato.
Ancora secondo l’invenzione, detto apparato può comprendere un magnetometro atto a rilevare il campo magnetico terrestre, per consentire una più accurata correzione dell’imbardata dell’apparato stesso.
Ulteriormente secondo l’invenzione, detto apparato può comprendere: un ricevitore GPS per la rilevazione della posizione; mezzi di interazione con detto utilizzatore, come un display a diodo organico ad emissione di luce e/o una tastiera e/o un LED (Light Emitting Diode) e/o un buzzer; un’unità di ricetrasmissione senza fili, preferibilmente di tipo bluetooth, atta a trasmettere e/o ricevere dati a/da un elaboratore esterno; una memoria, preferibilmente di tipo microSD, per memorizzare e visualizzare i risultati delle misure; e una batteria ricaricabile ed un ingresso per la carica di detta batteria ricaricabile.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detto apparato può comprendere una fascia elastica allacciabile a detto utilizzatore, detta fascia elastica comprendendo una tasca in cui à ̈ collocabile detto apparato.
La presente invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, secondo le sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:
la figura 1 mostra uno schema a blocchi di un apparato per la misura della potenza muscolare secondo la presente invenzione;
la figura 2 mostra una forma di realizzazione dell’apparato secondo la figura 1;
la figura 3 mostra un diagramma di flusso di una parte del metodo di funzionamento dell’apparato per la misura della potenza muscolare secondo la presente invenzione;
la figura 4 mostra un algoritmo in grado di combinare i segnali di un accelerometro e di un giroscopio per una stima dell’orientamento dell’apparato secondo l’invenzione;
le figure 5a-5c mostrano una procedura di elaborazione di un segnale di accelerazione per la determinazione del numero di cicli di un movimento; e
la figura 6 mostra un diagramma di flusso dell’elaborazione dati secondo la presente invenzione.
Nelle varie figure le parti simili verranno indicate con gli stessi riferimenti numerici.
Facendo riferimento alla figura 1 à ̈ possibile osservare uno schema a blocchi funzionale dell’apparato 1 per la misura della potenza muscolare secondo la presente invenzione.
Detto apparato 1 comprende un’unità di elaborazione 2, come un microprocessore programmabile, un accelerometro tridimensionale 3 ed un giroscopio tridimensionale 4. Detto giroscopio tridimensionale 4 à ̈ realizzato mediante un primo ed un secondo giroscopio bidimensionale 4’ e 4’’, disposti in modo tale che l’asse del primo giroscopio 4’ sia allineato con un asse del secondo giroscopio bidimensionale 4’’. Detto giroscopio tridimensionale 4 à ̈ atto misurare le velocità angolari del segmento su cui à ̈ posizionato l’apparato 1, intendendo con segmento la porzione corporea di un utilizzatore (non mostrato nelle figure) in cui l’apparato 1 à ̈ fissato.
Detto accelerometro 3 e detto giroscopio 4 sono collegati ad un convertitore analogico digitale 5, col legato mediante un bus a detta unità di elaborazione 2. L’apparato 1 comprende anche un una memoria 6 di tipo microSD e un visore o display a diodo organico ad emissione di luce 7, rispettivamente per memorizzare e visualizzare i risultati delle misure ottenute.
Inoltre, l’apparato 1 comprende, oltre al display a diodo organico ad emissione di luce 7, anche ulteriori mezzi di interazione con l’utilizzatore, come una tastiera 8, un LED (Light Emitting Diode) 9 e un buzzer 10. L’apparato 1 comprende anche una batteria ricaricabile 11 ed un ingresso 12 per la carica di detta batteria 11.
L’apparato 1 comprende, infine, un’unità di ricetrasmissione senza fili (wireless) 13, ad esempio di tipo bluetooth, mediante per trasmettere e ricevere dati a/da un elaboratore esterno. Naturalmente, à ̈ possibile anche effettuare anche la ricetrasmissione dati via cavo con protocollo USB. I dati ricevuti sono poi memorizzati nella memoria 6.
In tal modo, detto apparato 1 può presentare principalmente:
- un funzionamento autonomo, in cui effettua le acquisizioni e i calcoli senza dover ricorrere all’utilizzo di una stazione esterna (elaboratore);
- un funzionamento mediante trasmissione con o senza fili dei dati, in cui l’apparato 1 viene utilizzato insieme con una stazione esterna (laptop, PDA, cellulare, etc…) dove à ̈ installato un software dedicato per acquisire detti dati ed effettuare i calcoli, con la quale si collega anche mediante detta unità di ricetrasmissione senza fili 13.
Preferibilmente, l’apparato 1 può comprendere anche un ricevitore GPS (Global Position System, non mostrato nelle figure) per la registrazione della posizione dell’utilizzatore durante ogni esercizio.
Infine, in una preferita forma di realizzazione, detto apparato 1 comprende un magnetometro (anch’esso non mostrato nelle figure), atto a rilevare il campo magnetico terrestre, per consentire una determinazione più accurata dell’imbardata dell’apparato 1 stesso durante l’esecuzione di un esercizio fisico da parte di utilizzatore.
La figura 2 mostra un apparato 1 in cui si osservano facilmente il display a diodo organico ad emissione di luce 7, il LED 9 e la tastiera 8.
Nel seguito viene descritto il funzionamento dell’apparato 1, utilizzando le seguenti notazioni: acc-r= vettore di accelerazione rilevato da detto accelerometro 3;
acc= vettore di accelerazione trasformato da un sistema di riferimento locale ad uno globale;
v= vettore di velocità ;
s= vettore di posizione;
m= massa corporea;
P= potenza;
K= energia cinetica;
U= energia potenziale;
g= costante di accelerazione di gravità .
L’apparato 1 viene in genere indossato e disposto sul tronco di un utilizzatore, collocandolo all’interno di una tasca di un’apposita fascia elastica. Tale fascia à ̈ in genere stretta in modo tale da farla aderire completamente al corpo di detto utilizzatore.
Grazie all’accelerometro 3 e a detto giroscopio 4, il posizionamento dell’apparato 1 può essere arbitrario, in quanto il suo orientamento viene rilevato automaticamente dall’apparato 1, come sarà descritto nel seguito.
Il metodo per la misura della potenza muscolare di un utilizzatore per mezzo di detto apparato 1 presenta principalmente le seguenti fasi:
(a) rilevazione di uno stato di inizio acquisizione in cui viene ottenuta una prima costante di accelerazione vettoriale iniziale di offset ed una seconda costante di velocità angolare vettoriale iniziale di offset;
(b) acquisizione di uno o più segnali di variabili cinematiche durante l’esecuzione di un movimento da parte di detto utilizzatore;
(c) rilevazione di uno stato di fine acquisizione; e
(d) calcolo dei parametri relativi alla potenza muscolare di detto utilizzatore sulla base delle rilevazioni di dette variabili cinematiche.
La procedura di calcolo può, pertanto, essere divisa in due parti principali:
- una prima parte (fasi (a) – (c)) di acquisizione ed elaborazione dei segnali, atta principalmente alla rilevazione ed al controllo della qualità dei segnali; e
- una seconda parte (fase (d)) eseguita dopo il termine di acquisizione segnali, comprendente diversi algoritmi di calcolo per ottenere i risultati desiderati indicativi dell’energia meccanica e della potenza muscolare, che vengono poi visualizzati sul display 7.
All’inizio ed al termine di ogni acquisizione dati (i.e. di ogni esercizio fisico), sono eseguite le fasi (a) e (c), in cui si determina una condizione di postura statica. Con postura statica s’intende una condizione nella quale il segnale di accelerazione (analizzato in una finestra temporale breve, dell’ordine di 1 – 1,5 secondi) à ̈ poco variabile. Pertanto, l’utilizzatore rimane fermo, finché non sente un segnale acustico dall’apparato 1, che indica il termine di una fase rilevazione di uno stato di inizio acquisizione, di calibrazione dell’orientamento iniziale dell’apparato 1.
In ciascuna di dette fasi (a) e (c) di rilevazione della postura statica, viene acquisito un segnale vettoriale di accelerazione acc-r rilevato da detto accelerometro 3 e un segnale vettoriale di velocità angolare ω da detto giroscopio 4. Poi sui campioni di detti segnali sono calcolati la media e la deviazione standard. La misura della deviazione standard à ̈ confrontata con una soglia predefinita, in modo che, se à ̈ maggiore di detta soglia predefinita, allora continua detta fase di rilevazione di postura statica, altrimenti l’acquisizione viene iniziata in fase (a) o terminata in fase (c). In tal modo, viene ottenuta una prima ed una seconda costante di offset dell’accelerazione iniziale, relative a detto segnale di accelerazione rile vato acc-r e a detto segnale di velocità angolare ω, proporzionali ai loro valori medi in detto intervallo di tempo in cui la deviazione standard à ̈ inferiore a detta soglia predefinita.
Facendo riferimento ora alla figura 3, Ã ̈ possibile osservare le sottofasi di detta fase (b), di seguito descritte.
Fase di rilevazione (b1), in cui un segnale vettoriale di accelerazione rilevato acc-r campionato à ̈ ottenuto in tempo reale da detto accelerometro 3 ed un segnale vettoriale di velocità angolare ω campionato à ̈ rilevato, sempre in tempo reale, da detto giroscopio 4.
Fase di filtraggio (b2) passa basso, che viene eseguita sui segnali rilevati da detto accelerometro 3 e da detto giroscopio 4, con frequenza di taglio che dipende dal tipo di movimento eseguito (tipicamente a 20Hz).
Fase di trasformazione (b3) del segnale di accelerazione rilevato acc-r in un segnale di accelerazione acc in un sistema di riferimento globale. Considerando che durante il movimento il segmento corporeo sul quale à ̈ stato fissato l’apparato 1 può deviare dal suo orientamento iniziale, à ̈ necessario trasformare le accelerazioni misurate da un sistema di riferimento solidale con l’apparato 1 ad uno inerziale globale.
Per effettuare tale operazione, viene calcolata una matrice di rotazione da locale a globale ad ogni istante di tempo di campionamento. Tipicamente, l’orientamento di detto segmento corporeo viene determinato attraverso l’integrazione numerica del segnale vettoriale di velocità angolare ω del giroscopio 4, fissato a detto utilizzatore.
Tuttavia, un errore di offset relativamente piccolo dovuto all’effetto della temperatura o a rumore sul segnale del giroscopio 4 introdurrà grandi errori nell’integrazione numerica, che si incrementano molto rapidamente nel tempo. L’accelerometro 3 à ̈ in grado di correggere il calcolo dell’orientamento grazie alla sua capacità di fornire una misura dell’inclinazione sul piano orizzontale attorno all’asse medio - laterale (beccheggio) ed antero - posteriore (rollio) del sistema di riferimento solidale all’involucro dell’apparato 1.
Lo schema a blocchi della figura 4 à ̈ un esempio di un algoritmo che permette di combinare i segnali di accelerazione rilevata acc-r e velocità angolare ω rispettivamente rilevati dall’accelerometro 3 e dal giroscopio 4 per una più accurata e stabile stima dell’orientamento dell’apparato 1. Secondo detto algoritmo, sul segnale di accelerazione rilevato acc-r e su detto segnale di velocità angolare ω sono effettuate le seguenti operazioni:
- lettura di detto segnale di accelerazione rilevato (acc-r), sottrazione di detta prima costante di accelerazione vettoriale iniziale di offset, filtraggio mediante un filtro passa basso, calcolo dell’arcocoseno ottenendo un primo vettore di segnali di rollio e beccheggio, calcolo della matrice di rotazione iniziale Gi rispetto ad un sistema di riferimento globale;
- lettura del segnale di velocità angolare ω, sottrazione di detta seconda costante di velocità angolare vettoriale iniziale di offset, filtraggio mediante un filtro passa alto, integrazione di detto segnale vettoriale e moltiplicazione di detto segnale vettoriale ottenuto con detta matrice di rotazione iniziale Gi ottenendo un secondo vettore di segnali di rollio e beccheggio e un vettore di segnali di imbardata;
- sottrazione di detto primo vettore di segnali di rollio e beccheggio e detto secondo vettore di segnali di rollio e beccheggio, ottenendo un vettore di segnali di errore di rilevazione;
- correzione di detto secondo vettore di segnali di rollio e beccheggio mediante detto vettore di segnali di errore di rilevazione, ottenendo un vettore di segnali di rollio e beccheggio finale;
- ottenimento mediante detto vettore di segnali di rollio e beccheggio finale di una matrice di rotazione finale Gf per la trasformazione di un sistema di riferimento locale a uno globale; e
- moltiplicazione della matrice di rotazione finale Gf con detto segnale di accelerazione rilevato acc-r ottenendo un segnale di accelerazione trasformato acc trasformato.
Successivamente viene eseguita una eventuale fase di determinazione del numero di cicli (b4) del movimento o esercizio eseguito da un utilizzatore.
Poiché i movimenti eseguiti durante alcuni tipi di esercizi possono consistere in movimenti ripetuti più di un ciclo, si determina per prima cosa se esiste più di un ciclo di movimento ripetuto. In caso positivo, si determina il regime stazionario del movimento su finestre temporali, preferibilmente ma non limitatamente, di tre cicli.
Tra l’altro, l’apparato 1 può essere programmato in modo da selezionare la rilevazione dei cicli di uno specifico esercizio o movimento (programmato nell’unità di elaborazione 2 per specifici esercizi).
Detta fase (b4) presenta le seguenti sottofasi che possono essere osservate facendo in particolare riferimento alle figure 5a – 5c. In particolare, partendo da un segnale di accelerazione acc di un movimento tipico di salto verticale sul posto (figura 5a), si sostituiscono i valori negativi con un valore costante normalizzato a -1 e quelli positivi con un valore costante normalizzata a 1, così da arrivare ad una curva di onda quadra come illustrato nella figura 5b.
Successivamente, si calcola la derivata rispetto al tempo di detta onda quadra, per ottenere una curva a picchi come illustrato nella figura 5c.
Infine, si effettua una rilevazione di cicli relativi ad uno specifico esercizio in base ad un algoritmo predefinito e preselezionato sull’apparato 1.
Poi, Ã ̈ prevista la fase di segmentazione automatica dei segnali (b5), in cui sono effettuate le stime dei segnali in corso di rilevazione (acc e quindi v o s) in fasi particolari di un movimento partendo dal segnale di accelerazione acc.
Ad esempio, durante un movimento di un salto verticale sul posto, si possono distinguere 4 fasi: una prima fase eccentrica, una seconda fase concentrica, una terza fase di volo, e una quarta fase di atterraggio. Tipicamente, pertanto, si ha una determinazione automatica (i) di una fase di volo intesa come una fase nella quale non c’à ̈ contatto tra soggetto e terreno; oppure (ii) di una fase di transizione (ad esempio velocità verticale zero durante il cammino al punto più elevato della traiettoria del corpo).
Per il riconoscimento, quindi, di queste condizioni durante particolari tipi di esercizi il criterio utilizzato à ̈ che sul segnale ricavato come in figura 5c, la parte della curva che si trova tra una sequenza di uno o più picchi negativi ed una sequenza di uno o più picchi positivi con valor medio al di sotto di una soglia (tipicamente la costante di accelerazione gravitazionale g) rappresenta una fase di volo.
Successivamente può essere applicato un algoritmo di calcolo ibrido alle eventuali fasi di volo per stimare lo spostamento s (informazione che serve per il calcolo dell’energia meccanica) o la velocità v.
Detto algoritmo ibrido fa uso della velocità e spostamento calcolati nell’ultimo istante di contatto come dati sostituiti all’equazione del moto balistico, per cui, partendo dall’accelerazione acc: si integra il segnale di accelerazione acc per calcolare la velocità v; si integra il segnale di velocità v per calcolare lo spostamento s; si ottiene il valore finale di v (v0) e s (s0) della fase di transizione antecedente ad ogni fase di volo, che vengono poi usate nella seguente equazione:
ottenendo lo spostamento in fase di volo.
Infine nella fase di calcolo (d) si ricavano le variabili di interesse. La potenza à ̈ calcolata come:
P = m·acc·v
e l’energia meccanica come:
E = K U
Per calcolare sia l’energia che la potenza muscolare, à ̈ necessario calcolare sia la velocità lineare v, sia lo spostamento s durante tutto l’esercizio, partendo dai segnali dell’accelerometro 3 acc-r trasformati in un segnale di accelerazione acc rispetto ad un sistema di riferimento globale.
La velocità lineare v à ̈ calcolata integrando numericamente il segnale accelerazione acc:
v = 1/6 * [acc(i-1) 4* acc(i) acc(i+1)] * dt dove dt à ̈ l’intervallo di tempo tra due campioni consecutivi.
Lo spostamento à ̈ calcolato integrando numericamente il segnale della velocità :
s= 1/6 * [v(i-1) 4*v(i) v(i+1)] * dt,
dove dt à ̈ l’intervallo di tempo tra due campioni consecutivi.
L’energia meccanica E, come detto sopra, à ̈ calcolata normalizzata rispetto alla massa corporea come la somma dell’energia potenziale U e quella cinetica K:
E = K U
dove K = 0,5 * v<2>e U = S_vert*g
e s_vert à ̈ la componente verticale di s.
La potenza muscolare à ̈ calcolata normalizzata rispetto alla massa corporea:
P = v*acc.
La figura 6 mostra sinteticamente il procedimento delle diverse fasi di elaborazione dei segnali di accelerazione acc e del segnale di velocità angolare (ω).
Come si osserva in tal caso à ̈ prevista anche la valutazione della posizione mediante il ricevitore GPS (Global Position System).
La presente invenzione à ̈ stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo le sue forme preferite di realizzazione, ma à ̈ da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.
Claims (17)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la misura della potenza muscolare di un utilizzatore per mezzo di un apparato (1) fissabile sul corpo in movimento di detto utilizzatore, comprendente le seguenti fasi: (a) rilevazione di uno stato di inizio acquisizione, in cui detto utilizzatore si trova in una postura sostanzialmente statica, ottenendo una prima costante di accelerazione iniziale di offset di accelerazione lineare ed una seconda costante di velocità angolare iniziale di offset; (b) acquisizione di uno o più segnali di variabili cinematiche durante l’esecuzione di un movimento da parte di detto utilizzatore; (c) rilevazione di uno stato di fine acquisizione, in cui detto utilizzatore si trova in una postura sostanzialmente statica; e (d) calcolo di almeno un parametro relativo della potenza muscolare di detto utilizzatore sulla base delle rilevazioni di dette variabili cinematiche.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i segnali di dette variabili cinematiche comprendono l’accelerazione (acc) e la velocità angolare (ω) e detta fase di acquisizione (b) comprende le seguenti sottofasi: (b1) rilevazione di un segnale di accelerazione rilevato (acc-r) vettoriale campionato e di un segnale di velocità angolare (ω) vettoriale campionato; (b2) filtraggio di detto segnale di accelerazione rilevato (acc-r) di detto segnale di velocità angolare (ω); (b3) trasformazione del segnale di accelerazione rilevato (acc-r) in un segnale di accelerazione (acc) in un sistema di riferimento globale; (b4) determinazione del numero di cicli di un movimento o esercizio eseguito da detto utilizzatore; e (b5) segmentazione di detto segnale di accelerazione (acc) in modo da distinguere i diversi stadi di un movimento, in particolare relativi a fasi di volo e/o di transizione.
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta fase (b3) comprende il calcolo della matrice di rotazione da un sistema di riferimento locale a uno globale ad ogni istante di tempo di campionamento, mediante l’integrazione numerica di detto segnale di velocità angolare (ω), e la correzione di un errore di compensazione (offset).
- 4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detta fase (b3) comprende le seguenti sottofasi: - lettura di detto segnale di accelerazione rilevato (acc-r), sottrazione da detto segnale di accelerazione rilevato (acc-r) di detta prima costante di accelerazione iniziale di offset, filtraggio mediante un filtro passa-basso, calcolo dell’arcocoseno ottenendo un primo vettore di segnali di rollio e beccheggio, calcolo della matrice di rotazione iniziale (Gi) rispetto ad un sistema di riferimento globale; - lettura di detto segnale di velocità angolare (ω), sottrazione da detto segnale di velocità angolare (ω) di detta seconda costante di velocità angolare vettoriale iniziale di offset, filtraggio mediante un filtro passa-alto, integrazione di detto segnale vettoriale e moltiplicazione di detto segnale vettoriale ottenuto con detta matrice di rotazione iniziale (Gi), ottenendo un secondo vettore di segnali di rollio e beccheggio e un vettore di segnali di imbardata; - sottrazione di detto primo vettore di segnali di rollio e beccheggio e detto secondo vettore di segnali di rollio e beccheggio, ottenendo un vettore di segnali di errore; - correzione di detto secondo vettore di segnali di rollio e beccheggio mediante detto vettore di segnali di errore di rilevazione, ottenendo un vettore di segnali di rollio e beccheggio finale; - ottenimento di una matrice di rotazione finale (Gf) per la trasformazione di un sistema di riferimento locale a uno globale mediante detto vettore di segnali di rollio e beccheggio finale; e - moltiplicazione di detta matrice di rotazione finale (Gf) con detto segnale di accelerazione rilevato (acc-r), in modo da ottenere un segnale di accelerazione (acc) trasformato.
- 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 - 4, caratterizzato dal fatto che detta fase (b4) comprende le seguenti sottofasi: - sostituzione dei valori negativi di detto segnale di accelerazione (acc) con un valore costante negativo logico normalizzato -1 e quelli positivi con un valore costante positivo logico normalizzato 1, ottenendo una curva di onda quadra; e - calcolo della derivata rispetto al tempo di detta onda quadra, ottenendo una curva a picchi; e - rilevazione di cicli relativi ad uno specifico esercizio.
- 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta fase (b5) comprende le seguenti sotto fasi: - calcolo del valor medio dei valori dei campioni della porzione di curva che si trova tra una sequenza di uno o più picchi negativi ed una sequenza di uno o più picchi positivi; - se detto valor medio à ̈ al di sotto di una soglia predefinita, detta soglia predefinita essendo preferibilmente la costante di accelerazione gravitazionale (g), allora si rileva una fase di volo e/o di transizione ed à ̈ eseguito il calcolo della stima dei valori di detto segnale vettoriale di spostamento (s) campionato in dette fasi di volo e/o di transizione.
- 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il calcolo della stima dei valori di detto segnale di spostamento (s) campionato in dette fasi di volo e/o di transizione à ̈ effettuato secondo il seguente algoritmo: - integrazione di detto segnale accelerazione (acc) in modo da ottenere un segnale vettoriale di velocità (v) campionato; - integrazione di detto segnale di velocità (v) in modo da ottenere detto segnale di spostamento (s); - rilevazione del valore finale della velocità (v0) e dello spostamento (s0) di ciascuna fase di transizione antecedente a ciascuna fase di volo; e - calcolo dello spostamento in fase di volo e/o di transizione secondo la formula s = s0 v0·t 0,5·g·t<2>, in cui g à ̈ la costate di accelerazione gravitazionale.
- 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase (d) comprende le seguenti sottofasi: - calcolo di un segnale vettoriale di velocità (v) campionato, come integrazione di detto segnale di accelerazione (acc), preferibilmente come v = 1/6 * [acc(i-1) 4* acc(i) acc(i+1)] * dt, in cui dt à ̈ l’intervallo di tempo tra due campioni consecutivi ed i l’indice di numerazione dei campioni; e - calcolo del segnale vettoriale di spostamento (s), come integrazione di detto segnale di velocità (v), preferibilmente come s= 1/6 * [v(i-1) 4*v(i) v(i+1)] * dt; così da effettuare il calcolo di almeno parametro relativo della potenza muscolare di detto utilizzatore, selezionato tra i seguenti: - potenza (P), calcolata come P = m·acc·v, con m essendo la massa corporea di detto utilizzatore; - energia meccanica (E), calcolata come E = K U, con K essendo l’energia cinetica e U l’energia potenziale, con K = 0,5 * v<2>e U = s_vert*g, con s_vert essendo la componente verticale di detto segnale vettoriale di spostamento (s).
- 9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7 o 8, quando dipendenti dalla 5, caratterizzato dal fatto che le operazioni di integrazione sono effettuate su uno o più di detti cicli relativi ad uno specifico esercizio, preferibilmente tre cicli.
- 10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 - 9, caratterizzato dal fatto che detta fase (b2) prevede il filtraggio mediante uno o più filtri passa basso.
- 11. Metodo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che la frequenza di taglio di detti uno o più filtri passa basso à ̈ di circa 20 Hz.
- 12. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette fasi (a) e (c) comprendono le seguenti sottofasi: - acquisizione del segnale di accelerazione rilevato (acc-r) e di detto segnale di velocità angolare (ω); - calcolo della media e della deviazione standard dei campioni di ciascuno di detti segnali; e - confronto delle misure di dette deviazioni standard con rispettive soglie predefinite; se dette misure di dette deviazioni standard sono maggiori della rispettiva soglia predefinita, allora continua detta fase (a) o (c), altrimenti fine dell’acquisizione così da determinare rispettivamente l’inizio o la fine dell’acquisizione, detta prima costante di accelerazione iniziale di offset e detta seconda costante di velocità angolare iniziale di offset di detta fase (a) essendo proporzionali rispettivamente a detti valori medi di detti segnali.
- 13. Apparato (1) per la misura della potenza muscolare di un utilizzatore, detto apparato (1) essendo fissabile sul corpo di detto utilizzatore, comprendente almeno un accelerometro (3) a tre dimensioni, atto a rilevare un segnale di accelerazione rilevato (acc-r) vettoriale campionato del corpo di detto utilizzatore su cui à ̈ posizionato detto apparato (1), almeno un giroscopio (4) a tre dimensioni, atto a rilevare un segnale di velocità angolare (ω) vettoriale campionato del corpo di detto utilizzatore su cui à ̈ posizionato detto apparato (1), e una unità di elaborazione (2) collegata a detto almeno un accelerometro (3) e detto almeno un giroscopio (4), caratterizzato dal fatto che detta una unità di elaborazione (2) à ̈ atta ad eseguire il metodo per la misura della potenza muscolare come definito nelle rivendicazioni 1 – 12, elaborando detto segnale di accelerazione rilevato (acc-r) e detto segnale di velocità angolare (ω), in modo da determinare la potenza muscolare normalizzata calcolata rispetto alla massa corporea (m) di detto utilizzatore.
- 14. Apparato (1) secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detto almeno un giroscopio tridimensionale (4) à ̈ realizzato mediante un primo ed un secondo giroscopio bidimensionale (4’, 4’’), disposti in modo tale da avere un asse allineato.
- 15. Apparato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13 o 14, caratterizzato dal fatto di comprendere un magnetometro atto a rilevare il campo ma gnetico terrestre, per consentire una più accurata correzione dell’imbardata dell’apparato (1) stesso.
- 16. Apparato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13 - 15, caratterizzato dal fatto di comprendere: un ricevitore GPS per la rilevazione della posizione; mezzi di interazione con detto utilizzatore, come un display a diodo organico ad emissione di luce (7) e/o una tastiera (8) e/o un LED (Light Emitting Diode) (9) e/o un buzzer (10); un’unità di ricetrasmissione senza fili (13), preferibilmente di tipo bluetooth, atta a trasmettere e/o ricevere dati a/da un elaboratore esterno; una memoria (6), preferibilmente di tipo microSD, per memorizzare e visualizzare i risultati delle misure; e una batteria ricaricabile (11) ed un ingresso (12) per la carica di detta batteria ricaricabile (11).
- 17. Apparato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13 - 16, caratterizzato dal fatto di comprendere una fascia elastica allacciabile a detto utilizzatore, detta fascia elastica comprendendo una tasca in cui à ̈ collocabile detto apparato (1).
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