ES2230831T3

ES2230831T3 - Metodo y sistema para medir el rendimiento durante una actividad de ejercicio fisico.

Info

Publication number: ES2230831T3
Application number: ES99901812T
Authority: ES
Inventors: Erik P. N. Damen; Christoph Schiller
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-02-25
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2005-05-01
Anticipated expiration: 2019-02-04
Also published as: WO1999044016A1; US6356856B1; EP0977974B1; JP2002500768A; DE69921040T2; JP4286328B2; DE69921040D1; EP0977974A1; CN1256752A

Abstract

Un sistema para la medida de la velocidad de una persona mientras corre o camina a lo largo de una superficie. Un sensor de aceleración único (8) mide la aceleración en dirección frontal y proporciona una señal de aceleración que se amplifica (10) y se muestrea a continuación mediante un convertidor analógico a digital (12). La señal digital se procesa en un microprocesador (14) que ejecuta un algoritmo que determina la longitud de zancada y la duración de la zancada a partir de la señal de aceleración digitalizada y calcula la velocidad y la distancia recorrida. La información así obtenida se transmite por medio de un transmisor de frecuencia de radio (16) y se recibe en un receptor de frecuencia de radio (18) en un reloj u otro dispositivo (2) que comprende un monitor (20) que puede ser visto por el corredor o caminante. La velocidad y la distancia recorrida son sustituidas en el monitor (20), junto con otra información útil, tal como velocidad media, velocidad máxima, distancia total recorrida, calorías consumidas y pulso cardíaco.

Description

Método y sistema para medir el rendimiento durante una actividad de ejercicio físico.

La invención se refiere a un método y a un sistema para determinar la velocidad, la distancia recorrida, el tiempo transcurrido, la velocidad media, y las calorías consumidas por una persona o animal mientras corre o camina.

En los últimos años ha sido demostrado claramente que el ejercicio regular constituye un importante factor frente a las enfermedades cardiovasculares. Además, se ha demostrado que el ejercicio regular tiene un efecto positivo sobre las condiciones mentales de una persona. Por tanto, muchos individuos volvieron a su propio programa de aptitud, haciendo marcha corriendo o caminando con regularidad. Se ha reconocido que correr tiene efectos terapéuticos sobre el cuerpo. Ello incrementa la capacidad cardiopulmonar, ayuda a mantener más baja la presión sanguínea, reduce el colesterol asociado a las enfermedades del corazón, y reduce el peso. Debido al incremento de la popularidad de caminar, hacer marcha y correr, también está creciendo el número de dispositivos que ayudan a la gente que camina, hace marcha o corre. Los dispositivos ya habituales en el mercado son aquellos denominados como contadores de pasos o podómetros. Si la longitud de la zancada de un corredor o caminante, es constante, el contador de pasos proporciona una medición de la velocidad del corredor o caminante, y también la distancia recorrida. Sin embargo, la longitud de la zancada no es, por lo general, constante, y por supuesto no lo es para las distintas velocidades, y por ello, estos dispositivos no son muy precisos.

Existen dispositivos conocidos en la técnica anterior que miden la velocidad del corredor sin tener que introducir la longitud de la zancada. Uno de estos métodos se encuentra descrito en la Patente estadounidense nº 4.578.769, que calcula la velocidad a la que se corre o camina mediante la medición del tiempo de contacto entre el zapato y el suelo. Sin embargo, la relación entre el tiempo de contacto y la velocidad solamente es lineal para velocidades de carrera superiores a 8 km/h. Con este dispositivo no es posible una determinación precisa de la velocidad a la que se camina y de la distancia recorrida mientras se camina. Además, dicha relación y dicha determinación dependen de la persona.

De la Solicitud internacional nº WO 97/21983 se conoce un dispositivo más preciso. En este dispositivo conocido, en la suela de uno de los zapatos del corredor están colocados los acelerómetros y los sensores rotacionales y un circuito electrónico que realiza los cálculos matemáticos para determinar la distancia y la altura de cada paso. Este dispositivo conocido emplea tres sensores de aceleración y tres rotacionales, para medir el desplazamiento del pie del corredor. Se apreciará que este dispositivo conocido es complicado y relativamente caro.

Otro instrumento para medir la actividad relativa al ejercicio físico con un sensor de aceleración, se encuentra descrito en el documento US 4.982.469.

Un objeto de la invención consiste en proporcionar un sistema y un método de medición nuevos y perfeccionados, para un equipamiento auxiliar para correr, que supera las desventajas de los dispositivos de la técnica anterior, y que es relativamente barato y simple y ventajoso de usar.

Otro objeto de la invención es proporcionar un equipamiento auxiliar para correr, con el que pueda determinarse la velocidad del corredor, de forma fácil y precisa.

Otro objeto más de la invención es proporcionar un equipamiento auxiliar para correr, con el que pueda determinarse la distancia recorrida por el corredor, de manera fácil y precisa.

Otro aspecto de la invención consiste en proporcionar un equipamiento auxiliar para correr, con el que pueda determinarse, de forma fácil y precisa, la velocidad media y máxima, la distancia total recorrida por el corredor, la longitud de la zancada del corredor, el tiempo transcurrido, y el número de calorías consumidas por el corredor.

Para conseguir los objetos anteriores y otros objetos, según la presente invención, se proporciona un sistema para medir el rendimiento durante una actividad de ejercicio físico, que comprende:

un sensor de aceleración para medir la aceleración en una dirección de movimiento de un pie de un practicante del ejercicio físico, y para proporcionar una señal de aceleración en respuesta a dicha aceleración;

medios de procesamiento de señales, que comprenden:

medios para analizar una forma de onda de la señal de aceleración, y para determinar a partir del análisis un principio y un fin del movimiento del pie durante una zancada efectuada por el pie del practicante de ejercicio físico;

medios para una integración simple y una integración doble de la señal de aceleración entre dicho principio y dicho final del movimiento, con el fin de calcular la velocidad del pie en función del tiempo que dura la zancada, y de la distancia recorrida por el pie en función del tiempo transcurrido durante la zancada, respectivamente;

medios para calcular un error de aceleración igualando el error de aceleración con la velocidad al final del movimiento del pie, dividido por el tiempo transcurrido entre el final y el principio de la zancada;

medios para calcular un error de distancia mediante una integración doble del error de aceleración durante dicho tiempo transcurrido entre el final y el comienzo del movimiento del pie;

medios para calcular una distancia corregida restando el error de distancia de la distancia recorrida durante la zancada.

El método utilizado en la invención para determinar la velocidad y la distancia recorrida mientras se corre o se camina, está basado en una monitorización constante de la aceleración de un pie del corredor o caminante. Esto se hace mediante apenas un acelerómetro sujeto al pie o al zapato, o montado en un zapato del corredor, el cual mide la aceleración en dirección hacia delante, en paralelo con la línea entre los dedos del pie y el talón del pie, o entre la punta y el tacón del zapato en caso de que se monitorice la velocidad hacia delante y la longitud de la zancada del corredor; o en una dirección perpendicular a esa dirección si ha de medirse la velocidad vertical y la altura del salto del corredor; o en cualquier dirección en la que se tenga interés por medir el rendimiento durante un ejercicio. La señal generada por el acelerómetro es procesada y analizada.

El algoritmo utilizado para interpretar la señal de aceleración consiste básicamente en tres funciones principales, es decir, la determinación del comienzo y del final de una zancada, la doble integración de la señal de aceleración, y la corrección de la señal integrada doble. La determinación del principio y del final de la zancada se realiza analizando la forma de onda de la señal de aceleración. La integración simple de la señal de aceleración entre el comienzo y el final da como resultado la velocidad del pie en función del tiempo, mientras que la doble integración de la señal de aceleración proporciona la distancia del pie en función del tiempo.

Sin embargo, la aceleración detectada por el sensor de aceleración no es la misma que la aceleración real del pie o del zapato en la dirección en que se corre o se camina. Debido al ángulo que cambia constantemente entre el pie o el zapato y el suelo, existe una relación complicada entre la aceleración en la dirección en que se camina o se corre y la aceleración detectada por el sensor de aceleración. Además, debido a este ángulo cambiante, la aceleración gravitacional también da como resultado una señal de complicación extra. Sin embargo, los inventores han comprobado que no hay necesidad de conocer el ángulo en función del tiempo cuando se hace uso de una condición adicional.

Al final de la zancada, la velocidad del pie o zapato es cero, debido a que está apoyado en el suelo. Sin embargo, el resultado de la integración simple de la señal de aceleración desde el comienzo de una zancada hasta el final de una zancada, es decir, la velocidad del pie o zapato al final de la zancada no es igual a cero, debido a la componente extra de la señal de aceleración. Esta componente extra se calcula a partir de la velocidad del final de la zancada y se utiliza para calcular una distancia corregida recorrida durante la zancada. La velocidad del corredor se calcula dividiendo la distancia corregida por el tiempo transcurrido entre zancadas sucesivas. De este modo, la distancia recorrida y la velocidad del corredor pueden medirse de forma precisa sin hacer uso de una pluralidad de sensores de aceleración y de rotación.

Introduciendo datos personales, tales como la masa del practicante de ejercicio físico, es posible calcular el número de calorías consumidas por el practicante de ejercicio físico. Añadiendo un monitor de frecuencia cardíaca y combinando los datos de frecuencia cardíaca y las calorías consumidas por el practicante de ejercicio físico por unidad de tiempo, se puede generar un número que es representativo de la aptitud o condición del practicante de ejercicio físico. El sistema de equipamiento auxiliar para correr puede comprender además una unidad de visualización, puesta alrededor de la muñeca o en cualquier otro sitio que muestre datos tales como la velocidad actual, longitud de la zancada, tiempo transcurrido, velocidad media, velocidad máxima, distancia total recorrida, calorías consumidas, e indicaciones de aptitud. La comunicación entre la unidad que comprende el sensor de aceleración y los medios de procesamiento de señales, y la unidad de visualización, se hace preferiblemente mediante un transmisor inalámbrico en la unidad de detección, y un receptor en la unidad de visualización.

El sensor de aceleración puede estar incorporado en una unidad a sujetar al pie del practicante de ejercicio físico. Esta unidad puede estar también incorporada en la suela de un zapato deportivo. Esta unidad puede comprender además los medios de procesamiento de señales y el transmisor.

Estas y otras características y ventajas de la invención, resultarán evidentes a partir de la descripción que sigue de ejemplos de realización de la invención, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una vista en perspectiva de un corredor que muestra la unidad de detección sujeta al pie, y una unidad de recepción y visualización sujeta a la muñeca;

la figura 2 es una vista en sección parcial de un zapato deportivo con un sensor de aceleración integrado, que opera según los principios de la invención;

la figura 3 muestra la aceleración del pie de un corredor en una dirección paralela a una línea entre la punta y el tacón de un zapato deportivo portado por el corredor;

la figura 4 muestra un diagrama de bloques de la unidad electrónica que constituye el sistema de equipamiento auxiliar para correr;

la figura 5 muestra un ejemplo de la forma de onda de la señal del sensor de aceleración mientras el corredor está caminando a 6 km/h;

la figura 6 muestra un ejemplo de la forma de onda de la señal del sensor de aceleración mientras el corredor está corriendo a 9 km/h;

la figura 7 muestra un diagrama de flujo del programa principal de un algoritmo para el cálculo de la velocidad y la distancia recorrida por el corredor; y

la figura 8 muestra un diagrama de flujo de una rutina para el cálculo de la velocidad del corredor.

Se emplean los mismos símbolos de referencia en los dibujos y en la descripción de las realizaciones preferidas para representar el mismo (o los mismos) elemento (o elementos) o muy similares.

La figura 1 muestra una persona que camina o corre, que lleva una unidad 2 de visualización alrededor de su muñeca, y que lleva zapatos 4 deportivos. A uno de los zapatos 4 se ha sujetado una unidad 6 de detección. Sin embargo, la unidad 6 de detección también puede incorporarse en la suela del zapato, según se muestra con mayor detalle en la figura 2. La unidad 6 de detección también puede sujetarse directamente al pie de la persona. La figura 4 muestra un diagrama de bloques de la electrónica de la unidad 2 de visualización, y de la unidad 6 de detección. La unidad 6 de detección comprende un sensor 8 de aceleración montado de tal modo que éste detecta la aceleración en una dirección sustancialmente paralela a una línea entre la punta y el tacón del zapato 4, o entre los dedos del pie y el talón del pie de la persona en caso de que la persona lleve la unidad 6 de detección sujeta directamente al pie. La figura 3 muestra una persona corriendo, que lleva el zapato 4 con la unidad 6 de detección integrada. La flecha indica la dirección de aceleración del zapato 4 a lo largo de la línea entre la punta y el tacón del zapato 4. El sensor 8 de aceleración debería estar montado de modo que sea sensible en la dirección indicada con la flecha de la figura 3. Un sensor de aceleración adecuado para este propósito es, por ejemplo, el acelerómetro piezoeléctrico tipo PKGS-00LA-TC fabricado por Murata. La unidad 6 de detección comprende además un amplificador 10 que amplifica la señal AS de aceleración procedente del sensor 8 de aceleración hasta un nivel adecuado para un convertidor 12 analógico / digital (ADC), el cual convierte la señal de aceleración analógica amplificada en una señal digital. La señal digital se alimenta a un microprocesador 14 que realiza el análisis de la forma de onda de la señal del sensor de aceleración, el cálculo de la velocidad, la longitud de la zancada, y otros parámetros de la persona que corre, y la generación de señales para activar un transmisor 16. La unidad 2 de visualización comprende un receptor 18 y un visualizador 20.

Los componentes electrónicos necesarios para llevar a cabo las funciones electrónicas anteriores de la unidad 6 de detección, pueden estar montados en una pequeña placa de circuito impreso, y acoplados en el interior de la suela del zapato o colocados en una pequeña carcasa sujeta a uno de los laterales o a la parte superior del zapato 4.

El corredor o caminante debe estar capacitado para leer la velocidad actual a la que corre o camina, la distancia recorrida, la velocidad media, el tiempo transcurrido, etc. A este efecto, se necesita un visualizador en un reloj de pulsera, en un pequeño dispositivo de mano, o disponible para el usuario de cualquier otra forma. La comunicación entre la unidad 6 de detección incorporada en, o sujeta al, zapato 4, y la unidad 2 de visualización dispuesta alrededor de la muñeca, o en cualquier otro lugar, es inalámbrica. La transmisión de datos puede ser muy similar a la transmisión de datos entre el sensor y la unidad de visualización de un ciclocomputador. Un ciclocomputador recibe una señal de impulsos repetitiva desde un sensor próximo a la rueda giratoria de la bicicleta, y calcula la velocidad de movimiento de la bicicleta basándose en esta señal y en la circunferencia de la rueda. Se puede utilizar el mismo principio en la presente invención. El microprocesador 14 de la unidad 6 de detección situada en o sujeta al zapato 4, convierte la velocidad en metros por segundo en un número de impulsos por segundo, equivalente a un determinado número de circunferencias de rueda virtual por segundo. Un pequeño circuito oscilador de RF, envía los impulsos a la unidad 2 de visualización, la cual contiene principalmente una electrónica similar a la de un ciclocomputador estándar. Otra posibilidad consiste en transmitir bytes de información con información de la velocidad y otros datos medidos.

En el visualizador 20 se monitorizan la velocidad, la velocidad media, la velocidad máxima, la distancia del recorrido, la distancia total, el tiempo del recorrido, el tiempo de reloj, y las calorías consumidas. Para calcular las calorías consumidas, se necesita la masa del usuario, la cual ha de ser introducida en el ordenador, en la unidad 2 de visualización, de una manera conveniente, por ejemplo con los botones 22 de la unidad 2 de visualización. Para evitar la interferencia con otro corredor o caminante con el mismo dispositivo de medición, la transmisión de radio debe estar codificada.

La señal AS de aceleración del sensor 8 de aceleración representa la aceleración del zapato 4 en dirección hacia delante, es decir, en la dirección de los dedos del corredor. Aunque la señal de aceleración es de tipo repetitivo, puesto que cada zancada en similar a la zancada anterior, la señal de salida varía considerablemente dependiendo de la velocidad y del estilo con que se corre o se camina. Sin embargo, un aspecto importante es común para todas las zancadas, y se refleja en la forma de onda de las señales de aceleración: el pie permanece estacionario al principio de una zancada, y permanece estacionario al final de una zancada. Esto parece evidente, pero es muy importante en la interpretación y análisis de las señales de aceleración.

La figura 5 muestra un ejemplo de la señal AS de aceleración amplificada durante 2,5 segundos de una persona que camina a 6 km/h. El pico BS negativo relativamentepequeño, indica el comienzo de una zancada que corresponde con el momento en que el zapato abandona el suelo y empieza a moverse. El cruce por cero ES tras el gran pico negativo indica el final de la zancada, que corresponde al momento en que el zapato se apoya en el suelo de nuevo, y detiene su movimiento. El tiempo entre los dos cruces por cero es el tiempo ST de zancada. La figura 6 muestra la señal AS de aceleración para una persona que corre a 9 km/h. También en esta señal, los picos negativos relativamente grandes marcan el comienzo de una zancada, y los cruces por cero el final de una zancada.

La señal AS de aceleración se somete a un algoritmo ejecutado por el microprocesador 14. La primera función principal del algoritmo consiste en encontrar el comienzo y el final de una zancada. Esto se hace analizando la forma de onda de la señal AS de aceleración, y encontrando los picos BS negativos relativamente pequeños de la señal, los cuales son indicativos del comienzo de una zancada, y los picos negativos relativamente grandes justamente antes de los cruces por cero ES que son indicativos del final de una zancada. Los picos negativos pueden ser detectados por monitorización cuando la primera derivada de la señal de aceleración cambia de negativa a positiva. Además, constantemente se monitoriza una versión suavizada de la señal AS de aceleración. Finalmente, se registran dos mínimos, el mínimo global y un mínimo local, en algún lugar alrededor del pico negativo BS más pequeño, en el momento en que el pie abandona el suelo. Cuando, a un cierto valor de pico negativo, el valor de la señal de aceleración está por debajo de un determinado límite, el pico se detecta. Este límite se extiende a medio camino entre la señal suavizada y el mínimo. El algoritmo de búsqueda de pico se explica con mayor detalle en relación con el diagrama de flujo de la figura 7. El final de la zancada puede ser reconocido de forma relativamente fácil en la señal AS de aceleración, debido a que el golpe del apoyo del pie sobre el suelo provoca picos de aceleración altos. Sin embargo, es más difícil encontrar el comienzo de la zancada. Mientras el pie se encuentra estacionario sobre el suelo, esperando a ser lanzado al aire durante la siguiente zancada, la señal AS de aceleración no es cero, según puede observarse a partir de las formas de onda, en los momentos BS de las figuras 5 y 6. Esto se debe a unas pocas razones: la lenta recuperación del golpe tras el apoyo del pie, el movimiento constante del pie durante la relajación del zapato entre el apoyo y el levantamiento del zapato desde el suelo, y la contribución de debilitamiento progresivo de la aceleración gravitacional debido al rápido movimiento angular del pie.

La segunda función principal del algoritmo consiste en la integración, simple y doble, de la señal AS de aceleración durante el tiempo IT de integración entre el comienzo BS y el final ES de la zancada. La integración simple de la señal de aceleración da como resultado la velocidad v(t) del pie que se mueve en función del tiempo, mientras que la integral doble de la señal de aceleración proporciona la distancia recorrida x(t) por el pie en función del tiempo:

v(t) \ = \int a(t) \ dt

x(t) \ = \int \int a(t) \ dt^{2}

Sin embargo, la señal AS de aceleración no solo es representativa de la aceleración del pie en la dirección en que se camina o se corre. Debido al ángulo que cambia constantemente entre el zapato y el suelo, existe una complicada relación entre la aceleración en la dirección en la que se camina o se corre, y la aceleración detectada por el sensor 8 de aceleración. Además, debido a este ángulo cambiante, también la aceleración gravitacional da como resultado una señal. Otra contribución proviene de la electrónica. La tensión de la señal para aceleración cero no es siempre la misma, o en otras palabras, la desviación de la señal de aceleración no se conoce de forma precisa debido a las desviaciones en el amplificador 10 y a las desviaciones de temperatura en el propio sensor de aceleración 8.

Sin embargo, un aspecto importante de esta invención consiste en que todas estas contribuciones de señal no son necesarias cuando se utiliza la condición de que al final ES de la zancada, la velocidad del zapato es cero, debido a que se ha apoyado en el suelo. La integración simple de la señal de aceleración desde el principio BS de la zancada cuando el pie empieza a moverse, hasta el final ES de la zancada cuando el pie deja de moverse, es decir, la velocidad v(t=ES) del zapato al final de la zancada, sin embargo, no es igual a cero, debido al error en la señal de aceleración causado por las contribuciones de señal mencionadas anteriormente. Este error a_{err} puede calcularse dividiendo la velocidad v(t=ES) obtenida al final de la zancada por el tiempo IT de integración:

a_{err}=v(ES)/IT

Conociendo el error de aceleración a_{err}, el error x_{err} en la longitud de la zancada es:

x_{err} \ = \ 1/2a_{err}(IT)^{2}

La longitud de zancada corregida x_{corr} se calcula restando el error x_{err} de la longitud de zancada x(t=ES) encontrada tras la doble integración de la señal de aceleración durante el tiempo IT de integración:

x_{corr} \ = \ x(ES) \ ^{\sim} \ x_{err}

La velocidad v al caminar o correr, se calcula a continuación dividiendo la longitud de zancada corregida por el tiempo ST de zancada:

v \ = \ x_{corr}/ST

Debido a que el modo de andar humano es algo irregular, y también a que la determinación de la velocidad puede experimentar pequeñas variaciones, el cálculo de la velocidad gana en precisión cuando la velocidad calculada está algo suavizada calculando el promedio de la velocidad calculada con la velocidad de la zancada anterior.

El sistema puede ser ampliado con un sensor de aceleración adicional que es sensible en dirección perpendicular a la dirección hacia delante del corredor, para medir la zancada o la altura del salto, en gran medida de la misma manera que se mide la longitud de la zancada.

Existe una relación razonablemente exacta entre la velocidad a la que se camina o se corre y el gasto de energía del corredor o caminante. Si la masa del corredor es conocida, el gasto total de energía puede ser calculado a partir de los datos de velocidad. La dependencia de calorías consumidas respecto a la velocidad, es lineal para caminar y lineal para correr, aunque ambas con pendiente e intersección diferentes. A este efecto, la unidad 2 de visualización puede estar dotada de botones 22 para introducir datos, y de una memoria 24 para almacenar el peso del corredor, y de algún tipo de medios 26 de cálculo para combinar los datos de velocidad recibidos desde la unidad 6 de detección y los datos de peso, y para calcular el número de calorías consumidas por el corredor. Sin embargo, el peso del corredor también puede medirse automáticamente por medio de un sensor montado en el zapato 4 deportivo, de una manera similar a las básculas de pesado personales.

Unos sistemas independientes que se pueden añadir al sistema descrito en lo que antecede son, por ejemplo, un monitor de frecuencia cardiaca o un altímetro. La relación entre la frecuencia cardiaca y el gasto de energía por unidad de tiempo, puede convertirse en un número que represente la aptitud o condición del usuario. Un ejercicio bien equilibrado, preparado por el equipamiento auxiliar para correr, puede medir el consumo de energía en función de la frecuencia cardiaca, a partir de la cual puede ser estimada la aptitud, expresada en VO_{2,max} (ml/min/kg) del usuario.

La invención no está limitada a la medición del rendimiento preciso de seres humanos. Debe observarse que la invención también puede utilizarse con animales, por ejemplocaballos y perros. En particular con los caballos, el sensor de aceleración adicional para detectar la altura del salto, constituye una característica útil.

El algoritmo mencionado en lo que antecede se presenta ahora en detalle con referencia a los diagramas de flujo que se muestran en las figuras 7 y 8. Los bloques de la figura 7 tienen las siguientes inscripciones:

1: leer AdcX

2: ai = (ai + AdcX)/2

\quad: IntervalodeCuenta = IntervalodeCuenta + 1

3: ai > aiantigua

3A: pendientex = Verdadera

3B: pendientex = Falsa

4: CuentSup = 3/4*TiempoDePaso

\quad: CuentInf = 1/4*TiempoDePaso

5: ai < minventanaloc

\quad: IntervalodeCuenta > CuentInf

\quad: IntervalodeCuenta < CuentSup

5A: minventanaloc = ai

6: ai < minloc

6a: minloc = ai

7: xav = (7*xav+ai)/8

8: NO pendientexantigua Y pendientex

\quad: aiantigua < minventana+xav-minventana)/2

\quad: IntervalodeCuenta > CuentInf

\quad: IntervalodeCuenta < CuentSup

8A: pp = Verdadero

\quad: vx = 0

\quad: xp = 0

\quad: n = 0

\quad: levantamiento = IntervalodeCuenta

9: aiantigua < desvx - (desvx – mín)/2

\quad: NO pendientexantigua Y pendientex

\quad: IntervalodeCuenta > CuentInf

9A: pico = verdadero

10: pico

\quad: aiantigua < desvx

\quad: ai > desvx

10A: mín = (minloc + min)/2

\quad: minventana = (minventana + ventanaloc)/2

\quad: minventanaloc = 1023

\quad: minloc = 1023

\quad: GOSUB Cálculo de velocidad

\quad: vx = 0

\quad: xp = 0

\quad: n = 0

\quad: pp = Falso

\quad: TiempoDePaso = IntervalodeCuenta

\quad: IntervalodeCuenta = 0

\quad: pico = Falso

11: pp

11A: vx = vx + ai/8

\quad: xp = xp + vx/8

\quad: n = n + 1

12: aiantigua = ai

\quad: pendientexantigua = pendientex

Los bloques de la figura 8 tienen las siguientes inscripciones:

20: Cálculo de velocidad

21: xpdes = (desvx/128)*n*(n + 1)

\quad: vxdes = (desvx/8)*n

22: n < > 0

23: vx > vxdes

23A: axoff = (vx – vxdes)/n

\quad: xpcor = 1/2*n*(n + 1)*axoff/8

\quad: xp = xp - xpdes – xpcor

23B: axoff = (vxdes – vx)/n

\quad: xpcor = 1/2*n*(n + 1)*axoff/8

\quad: xp = xp - xpdes + xpcor

24: NuevoValorDeVelocidad = 1024*TiempoDePaso/xp

25: levantamiento < TiempoDePaso/2

25A: NuevoValorDeVelocidad = 4/3*NuevoValorDeVelocidad

26: ValorDeVelocidad \hskip0.3cm = \hskip0.3cm (ValorDeVelocidad \hskip0.3cm + \hskip0.3cm NuevoValorDeVelocidad)/2

27: Retorno

En la explicación de los diagramas de flujo, los números situados a la izquierda del texto se refieren a los bloques de las figuras 7 y 8.

La figura 7 muestra el diagrama de flujo del programa principal del algoritmo.

1: El microprocesador 14 ordena al convertidor 12 analógico/digital, que adquiera un nuevo valor de la señal amplificada del sensor 8 de aceleración, y coloque el valor obtenido en la variable AdcX.

2: A continuación, se promedia el valor en la variable AdcX con el valor en la variable ai. El valor suavizado así obtenido se almacena en la variable ai de nuevo. Esta variable representa así el valor de aceleración suavizado en ese instante de tiempo. Además, el contador IntervalodeCuenta se incrementa en uno. Este contador realiza el conteo del número de bucles desde el comienzo de la zancada, es decir, desde el final de la zancada anterior.

3,3A,3B: El valor en la variable ai se compara con el valor de la variable aiantigua que almacena el valor de ai del bucle anterior. Si ai es mayor que aiantigua, entonces la pendiente de la señal de aceleración en ese instante de tiempo es positiva, y se establece una pendientex en bit (Bloque 3A). Si el valor de ai es más pequeño que el de aiantigua, entonces se resetea la pendientex en bit (Bloque 3B).

4: El valor en la variable TiempoDePaso representa el tiempo de zancada de la zancada anterior. Basándose en este valor, se establece una ventana en los valores de CuentSup, igual a 3/4 por el TiempoDePaso, y de CuentInf, igual a 1/4 por el TiempoDePaso.

5,5A: Si el IntervalodeCuenta de contador está en la ventana establecida por CuentSup y CuentInf, entonces el valor de ai se compara con el valor de la variable minventanaloc. Si ai es menor que minventanaloc, entonces minventanaloc se iguala con ai, de modo que esta variable mantiene el rastro del valor más pequeño de ai dentro de la ventana de tiempo.

6,6A: Si ai es más pequeño que minloc, entonces el valor de la última variable se iguala con ai, de modo que la variable minloc mantiene la pista del valor más bajo de ai dentro de la zancada completa.

7: Se calcula una media de carrera de los últimos ocho valores de la señal de aceleración, lo que da como resultado una versión muy suavizada de la señal de aceleración. La versión suavizada almacenada en xav se utiliza como herramienta para encontrar el pico negativo pequeño (BS en las figuras 5 y 6), al principio del movimiento del pie.

8,8A: Si el valor del IntervalodeCuenta de contador está en la ventana establecida por CuentSup y CuentInf, y está borrado en ese instante de tiempo, la señal de aceleración está en el mínimo de un pico negativo, lo que es el caso si pendientexantigua es Falso y pendientex es Verdadero, y si el valor de este mínimo está por debajo de medio camino entre minventana y xav (condiciones del Bloque 8), entonces (bloque 8A) se ha encontrado el pequeño pico negativo al principio del movimiento del pie. Ésta es la señal que puede iniciar la integración simple y doble de la señal de aceleración, la cual está reflejada en el establecimiento del pp en bit, y en la inicialización de las variables de integración vx y xp y del contador de integración n. Además, la variable levantamiento se iguala con el valor de IntervalodeCuenta, de modo que, cuando se conoce el TiempodePaso al final de la zancada, se puede determinar si se trata de una carrera o de una andadura. El valor de minventana es una versión suavizada de la variable local asociada a esta variable, es decir, minventanaloc. El suavizado tiene lugar al final de la zancada, y aparecerá después en el algoritmo.

9,9A: Si el valor del IntervalodeCuenta de contador es mayor que el valor de CuentInf, y si está borrado en ese instante de tiempo, la señal de aceleración está en el mínimo de un pico negativo, puesto que pendientexantigua es Falso y pendientex es Verdadero, y si el valor de este mínimo está por debajo de medio camino entre la línea de aceleración cero, almacenada en la variable 0ffx, y min, la cual es la versión suavizada de minloc, entonces hemos encontrado el pico negativo grande asociado al último pico negativo grande antes del final de la zancada (el pico a la izquierda del cruce por cero ES en las figuras 5 y 6). De hecho, el pico encontrado se conserva estableciendo el Pico en bit (Bloque 9A).

10,10A: Tras encontrar el pico negativo grande, el valor de la variable de aceleración ai cruza la línea de aceleración cero desvx. Este punto se encuentra cuando Pico es Verdadero y ai es mayor que desvx y aiantigua es más pequeño que desvx (Bloque 10). Este momento es muy importante, puesto que está asociado al final de la zancada. Muchas cosas han de ser tratadas al final de la zancada (Bloque 10A):

a.: Se calculan las versiones suavizadas de los detectores de mínimo min y minventana, y las versiones locales son reseteadas al valor máximo de 1023;

b.: Se resetean Pico y pp en bit;

c.: El nuevo valor de la variable TiempoDePaso puede ser ahora igualada al valor del contador IntervalodeCuenta, y el contador IntervalodeCuenta se resetea a cero;

d.: Se calcula la velocidad de caminar o correr, lo que se hace en una sub-rutina especial Calculo de velocidad, explicada en lo que sigue;

e.: Tras el cálculo de la velocidad, las variables de integración vx, xp y n son reseteadas a cero, aunque esto se hace también en el Bloque 8A en el momento en que se encuentra el pico negativo pequeño al comienzo del movimiento del pie.

11,11A: Si el ppen bit es Verdadero (Bloque 11), se permite que el procesador integre la aceleración ai con el fin de obtener la velocidad vx, e integre la velocidad con el fin de obtener la distancia xp (Bloque 11A). Los valores de ai y vx son divididos por ocho para evitar que las variables vx y xp se hagan mayores de 65535, el valor máximo que puede ser almacenado en una variable de 16 bits.

12.: La última etapa del algoritmo consiste en cambiar el valor de ai a aiantigua, y el valor de pendientex a pendientexantigua. Después, se inicia de nuevo este bucle, al comienzo del bucle del Bloque 1.

La figura 8 muestra el diagrama de flujo de la sub-rutina de Cálculo de velocidad.

21: El microprocesador sólo puede realizar cálculos con números enteros positivos. Por supuesto, durante el movimiento del pie, se producen tanto aceleraciones positiva como negativa. Esto implica que debe realizarse un determinado mapeo, de modo que ambos valores positivo y negativo de la aceleración sean mapeados hasta el régimen de 10 bits permitido por el convertidor analógico/ digital. El mapeo lógico consiste en igual la aceleración cero a 512, que es la mitad entre 2 y la décima potencia. Valores negativos de la aceleración son menores que 512, mientras que los valores positivos de la aceleración son mayores de 512. Esto significa también que durante la integración de la aceleración ai y de la velocidad vx, la integración no se lleva a cabo con respecto al cero real, sino con respecto a la desviación de 512, almacenada en la variable desvx. Estas áreas extra han de ser restadas de los valores obtenidos en vx y sp una vez que la integración está lista. El valor a ser restado en caso de integración simple, se almacena en la variable vxdes y se iguala a n veces la desviación desvx, dividida por ocho, lo que se introdujo durante la integración (figura 7, Bloque 11A) para evitar un desbordamiento. El valor que ha de ser restado en caso de doble integración, se almacena en la variable xpdes y es igual a 1/2 por n por (n+1) veces

22: la desviación desvx dividida por el cuadrado de ocho, es decir, 64. Si el contador de integración n no es cero, lo que significa que la integración ha tenido lugar realmente, puede iniciarse el cálculo de la velocidad, mientras que en otro caso el cálculo se omite.

23,23A,23B: El valor de vx menos el valor de vxdes en un sistema perfecto, sin gravedad, debería ser cero, debido a que el pie, al final de la zancada, permanece quieto sobre el suelo. Sin embargo, en la práctica, éste no es el caso. El valor de vx se utiliza, por lo tanto, para calcular una corrección de la longitud de zancada xp. Si vx es mayor que vxdes, la resta vx-vxdes puede tener lugar sin peligro alguno de obtener un número negativo. En caso de que la desviación virtual de la aceleración axoff se calcule dividiendo esta diferencia por n (Bloque 23A). Si el valor de vx es más pequeño que vxdes, la sustracción daría como resultado un número negativo. Por lo tanto, una rutina separada (Bloque 23B) calcula la desviación de la aceleración restando vx de vxdes, y dividendo por n. A continuación, la corrección de xp se calcula multiplicando (1/2)*n(n+1) y axoff/8 (Bloques 23A y 23B).

24: Ahora puede calcularse la velocidad a la que se corre o camina, puesto que el tiempo de zancada TiempoDePaso y la longitud de zancada xp son conocidos. Sin embargo, la velocidad no está expresada en km/h ni en mi/h, sino en el tiempo entre dos señales sucesivas para el ciclocomputador, suponiendo una circunferencia de rueda virtual conocida. Esto se calcula dividiendo TiempoDePaso por xp, y multiplicando el resultado por un determinado factor de calibración (1024 en este caso). El valor se almacena en la variable NuevoValorDeVelocidad.

25,25A: Esta parte del programa es una corrección de perfeccionamiento. A partir de las pruebas, parece que la velocidad a la que se corre es estimada demasiado alta en aproximadamente un 30%. Puesto que el algoritmo puede distinguir entre caminar y correr (Bloque 25), puede corregir este error multiplicando el NuevoValorDeVelocidad por 4/3 (Bloque 25A). A partir de las observaciones se puso de manifiesto que el tiempo que el zapato o el pie está sobre el suelo, es mayor que el 50% del tiempo de zancada mientras camina y menor que el 50% del tiempo de zancada mientras corre.

26: Finalmente, se realiza un alisamiento sobre dos, o más, zancadas, para reducir la variabilidad de los datos de velocidad. La velocidad real se almacena en la variable ValorDeVelocidad.

27: La sub-rutina está lista y el control vuelve al programa principal del algoritmo.

Obviamente, muchas modificaciones y variaciones de la realización preferida que antecede de la invención se pondrán de manifiesto a partir de esta descripción. Se comprenderá que la invención no queda limitada a la realización particular descrita, sino que está previsto que su alcance esté regulado solamente por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. Sistema para la medición del rendimiento durante una actividad de realización de ejercicio físico, que comprende:

un sensor (8) de aceleración para medir la aceleración en la dirección de movimiento de un pie de un practicante del ejercicio físico, y para proporcionar una señal de aceleración en respuesta a dicha aceleración;

medios (14, 26) de procesamiento de señales, que comprenden:

: medios (14) para analizar una forma de onda de la señal de aceleración, y para determinar a partir del análisis, un principio y un final del movimiento del pie durante una zancada realizada por el pie del practicante del ejercicio físico;

: medios (14) para la integración simple, y para la integración doble, de la señal de aceleración entre dicho principio y dicho final del movimiento para calcular la velocidad del piel en función del tiempo durante la zancada, y la distancia recorrida por el pie en función del tiempo durante la zancada, respectivamente,

: medios (14) para calcular un error de aceleración igualando el error de aceleración con la velocidad al final del movimiento del pie, dividido por el tiempo transcurrido entre el final y el comienzo de la zancada;

: medios (14) para calcular un error de distancia por doble integración del error de aceleración durante dicho tiempo transcurrido entre el final y el comienzo del movimiento del pie;

: medios (14) para calcular una distancia corregida restando el error de distancia de la distancia recorrida durante la zancada.

2. Sistema según se reivindica en la reivindicación 1, en el que los medios de procesamiento de señales comprenden además:

: medios (14) para calcular la velocidad del practicante del ejercicio físico, dividiendo la distancia corregida por el tiempo transcurrido entre zancada sucesivas.

3. Sistema según se reivindica en la reivindicación 1 ó 2, en el que la dirección de movimiento es sustancialmente paralela a una línea extendida entre el talón y los dedos del pie del practicante del ejercicio físico.

4. Sistema según se reivindica en la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que la dirección de movimiento es sustancialmente perpendicular a una línea entre el talón y los dedos del pie del practicante del ejercicio físico.

5. Sistema según se reivindica en la reivindicación 1, 2, 3 ó 4, que comprende además:

: medios (22, 24) para introducir datos personales del practicante del ejercicio físico en los medios (14, 26) de procesamiento de señales.

6. Sistema según se reivindica en la reivindicación 5, en el que los datos personales comprenden la masa del practicante del ejercicio físico, siendo los medios de procesamiento de señales operativos para calcular el número de calorías consumidas por el practicante del ejercicio físico a partir de la velocidad y de la masa.

7. Sistema según se reivindica en la reivindicación 6, en el que los datos personales comprenden la frecuencia cardiaca del practicante del ejercicio físico, siendo los medios (14, 26) de procesamiento de señal operativos para calcular una indicación de aptitud a partir de la frecuencia cardiaca y de las calorías consumidas por unidad de tiempo.

8. Sistema según se reivindica en la reivindicación 1, 2, 3, 4, 5, 6 ó 7, que comprende además:

: medios (20) de visualización, acoplados a los medios (14, 16) de procesamiento de señales, para una visualización de los parámetros del practicante del ejercicio físico.

9. Sistema según se reivindica en la reivindicación 8, en el que los parámetros del practicante del ejercicio físico comprenden al menos uno de: velocidad actual, velocidad media, velocidad máxima, longitud de zancada, distancia recorrida, tiempo transcurrido, número de calorías consumidas, e indicación de aptitud.

10. Sistema según se reivindica en la reivindicación 8, que comprende además un transmisor (16) y un receptor (18) inalámbricos, para acoplar los medios (14) de procesamiento de señales con los medios (20) de visualización.

11. Sistema según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el sensor (8) de aceleración se ha montado en un zapato (4) deportivo para medir la aceleración en la dirección de movimiento del zapato deportivo (4), y para proporcionar una señal de aceleración en respuesta a dicha aceleración.

12. Sistema según se reivindica en la reivindicación 11, en el que la dirección de movimiento es sustancialmente paralela con una línea entre el tacón y la punta del zapato (4).

13. Sistema según se reivindica en la reivindicación 11, en el que la dirección de movimiento es sustancialmente perpendicular a una línea entre el tacón y la punta del zapato (4).

14. Sistema según se reivindica en la reivindicación 11, 12 ó 13, que comprende además un transmisor (16) para la transmisión de datos relativos a o derivados de la señal de aceleración.

15. Método de medición del rendimiento durante una actividad de práctica de ejercicio físico, que comprende las etapas de:

: medir, a través del sensor (8) de aceleración, la aceleración en la dirección de movimiento del pie de un practicante del ejercicio físico, y proporcionar una señal de aceleración en respuesta a dicha aceleración;

procesar la señal de aceleración, comprendiendo el procesamiento las etapas de:

: analizar una forma de onda de la señal de aceleración, y determinar, a partir del análisis, un comienzo y un final del movimiento del pie durante una zancada efectuada por el pie del practicante del ejercicio físico;

: una integración simple e integración doble de la señal de aceleración, entre dicho principio y dicho final de movimiento, con el fin de calcular la velocidad del pie en función del tiempo durante la zancada, y la distancia recorrida por el pie en función del tiempo durante la zancada, respectivamente;

: calcular un error de aceleración igualando el error de aceleración con la velocidad al final del movimiento del pie, dividido por el tiempo transcurrido entre el final y el comienzo del movimiento del pie;

: calcular un error de distancia mediante doble integración del error de aceleración durante dicho tiempo transcurrido entre el final y el comienzo de la zancada;

: calcular una distancia corregida, restando el error de distancia de la distancia recorrida durante la zancada.

16. Método según se reivindica en la reivindicación 15, en el que el procesamiento de señal comprende además la etapa de:

: calcular la velocidad del practicante del ejercicio físico dividiendo la distancia corregida, por el tiempo transcurrido entre zancadas sucesivas.

17. Método según se reivindica en la reivindicación 15 ó 16, en el que la dirección de movimiento se elige de forma sustancialmente paralela con una línea entre el talón y los dedos del pie del practicante del ejercicio físico.

18. Sistema según se reivindica en la reivindicación 15, 16 ó 17, en el que la dirección de movimiento se elige de forma sustancialmente perpendicular a la línea entre el talón y los dedos del pie del practicante del ejercicio físico.