Дев'яткіна М.Є., Мілих М.М.

Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара, Україна

ВИКОРИСТАННЯ АКСЕЛЕРОМЕТРУ ДЛЯ АНАЛІЗУ ФІЗИЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ

Застосування приладів для контролю фізичних навантажень під час виконання фізичних вправ є актуальним як у спорті, так і у медицині. Наприклад, для забезпечення контролю фізичних навантажень з метою профілактики серцево-судинних захворювань, для зняття кардіограм та міограм під навантаженням, а також для відновлення пацієнтів з ураженням кінцівок або після інсульту. З метою контролю рухів використовується багато приладів із застосуванням різноманітних методик [ 1 ].

Метою роботи є розробка приладу для контролю та аналізу рухів, шляхом реєстрації прискорень частин тіла людини під час виконання фізичних вправ.

Для контролю параметрів динамічних фізичних навантажень використовується датчик акселерометра, що реагує на прискорення або силу, що діє на сенсорний елемент датчика. Прискорення, статичне або динамічне, виникає під дією сили, що прискорює датчик, наприклад, внаслідок дії гравітації. Отже, акселерометри можуть застосовуватися для виміру сили, прискорення, вібрації, руху або переміщення, а також положення й кута нахилу [2]. Для здійснення контролю рухів людини було застосовано трьохосьовий MEMS-акселерометр компанії Analog Devices ADXL345, що має низку переваг відносно інших датчиків: наднизьке живлення, малі розміри, велику розподільчу здатність (4mg/LSB), великий діапазон вимірювань, цифровий вихідний сигнал [3]. Для первинної обробки сигналу з акселерометра використовується мікропроцесор компанії Atmel Atmega256. Зв'язок акселерометра з мікропроцесором здійснюється за допомогою послідовного інтерфейсу I2C. Також прилад має рідкокристалічний екран для виводу інформації, такої як швидкість, час, за який виконується вправа та ін.. Для подальшої обробки та візуалізації сигналу з метою отримання більш широкої інформації використовується ПК та програмне забезпечення MatLab. Передача сигналу від процесора до ПК здійснюється через порт USB, за допомогою USB-контроллера Mega8u2 (рис.1).

Рис.1 Структурна схема приладу

Для реєстрації руху здійснюється фіксація кута нахилу частини тіла (кінцівки) людина та подальше відновлення траєкторії цього руху. Метод, що використовується – це метод визначення збільшення кута між векторами в сусідні моменти часу. Розроблена методика реєстрації базується на визначенні величини та напрямку прискорення зимного тяжіння в кожний момент часу. Нерухомо закріплений на тілі датчик під час руху здійснює таке саме переміщення, що і тіло людини. Якщо вважати три перпендикулярні вісі акселерометра нерухомими, то при русі тіла вектор прискорення тяжіння буде змінювати свій напрямок, а як наслідок будуть змінюватись його проекції на вісі акселерометру. Тобто визначивши напрямок руху вектора прискорення тяжіння, можна сказати, що напрямок руху системи координат (системи осей акселерометра), а як наслідок і тіла, протилежний напрямку руху вектора. Для визначення траєкторії руху вектора було вирішено знаходити кут між виміряними векторами прискорення земного тяжіння в попередній та теперішній момент часу. Кут між векторами розраховується за правилами векторної алгебри і дорівнює:

,

де x_i , y_i , z_i - проекції вектора прискорення на відповідні вісі x, y, z в теперішній момент часу; x_i-1 , y_i-1 , z_i-1 - проекції вектора прискорення на відповідні вісі x, y, z в попередній момент часу.

Апробація методики та роботи приладу здійснювались для контролю рухів людини, що виконує вправи з гантелями. Що запобігти надлишку або недостачі даних, було необхідно визначити найбільш оптимальну частоту зняття даних з акселерометра. Шляхом експерименту було визначено, що мінімальний час підняття рук через сторони приблизно дорівнює 200мс, тобто необхідно знімати данні через кожні 20мс аби на один рух припадало мінімум 10 значень вектора прискорення. Графік отриманих кутів при підйомі та опусканні руки наведений на рис.2 в залежності від часу.

Отримані дані (час та переміщення кінцівок) використовуються для визначення, аналізу та візуалізації силового впливу руху з навантаженням на суглоби опорно-рухового апарату людини. Сила розраховується за стандартною формулою

,

де m – маса гантелі, а – результуюче прискорення земного тяжіння та доцентрового під час руху руки по колу. Окрім сили за допомогою вторинної обробки можна визначити максимальне та мінімальне навантаження, частоту рухів та її зміну через втомлюваність людини. Для отримання даних більш високої якості зменшення впливу шумів та помилкових даних, для вторинної обробки використовується згладжуючи фільтрація.

Отримані результати роботи приладу можуть бути використані для оптимізації тренувань, з метою досягнення кращих результатів, або в комплексі з кардіограмою, для виявлення закономірностей між серцевим ритмом і виконуваними в цей час фізичними вправами.

Рис.2 Графіки залежності кута нахилу руки від часу швидких і повільних рухів.

Література

1. Зациорский В. М., Арутин А. С, Селуянов В. Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. -М.: Физкультура и спорт, 1981. — 143 с.

2. Zhao N. Full-Featured Pedometer Design Realized with 3-Axis Digital Accelerometer // Analog Dialogue, V.43, June, 2010.

3. Analog Devices' Data Sheet: ADXL345, Rev.D 2/13

4. Ольховский И. И. Курс теоретической механики для физиков. М., Наука, 1970