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WO2003076023A1 - Sistema electronico para la realizacion de ejercicio fisico - Google Patents

Sistema electronico para la realizacion de ejercicio fisico Download PDF

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WO2003076023A1
WO2003076023A1 PCT/ES2003/000101 ES0300101W WO03076023A1 WO 2003076023 A1 WO2003076023 A1 WO 2003076023A1 ES 0300101 W ES0300101 W ES 0300101W WO 03076023 A1 WO03076023 A1 WO 03076023A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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physical exercise
electronic system
performing physical
user
tsi
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/ES2003/000101
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Antonio Ivorra Cano
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to AU2003219173A priority Critical patent/AU2003219173A1/en
Publication of WO2003076023A1 publication Critical patent/WO2003076023A1/es
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B24/00—Electric or electronic controls for exercising apparatus of preceding groups; Controlling or monitoring of exercises, sportive games, training or athletic performances
    • G—PHYSICS
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    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/04—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by terrestrial means
    • G01C21/08—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by terrestrial means involving use of the magnetic field of the earth
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B2220/00—Measuring of physical parameters relating to sporting activity
    • A63B2220/40—Acceleration
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B71/00—Games or sports accessories not covered in groups A63B1/00 - A63B69/00
    • A63B71/06—Indicating or scoring devices for games or players, or for other sports activities
    • A63B71/0619—Displays, user interfaces and indicating devices, specially adapted for sport equipment, e.g. display mounted on treadmills
    • A63B71/0622—Visual, audio or audio-visual systems for entertaining, instructing or motivating the user

Definitions

  • the present invention relates to an electronic system with capabilities for monitoring, instructing, and prompting physical activities carried out by one or more users carrying acceleration and magnetic field sensors.
  • the objective of the present invention is to provide an electronic system with computing capabilities that allows physical exercise to be carried out and that has the following minimum characteristics: a) it must capture certain parameters related to the user's movement without significantly limiting its ability to move , b) must instruct the user on the physical activity to be performed, c) must be able to indicate to the user an assessment of the physical activity carried out and d) must allow the execution of virtual games or sports in which the control is carried out by means of the movements of the user and in which it is possible to compete alone or against other players.
  • these objectives are met with a system consisting, roughly, of a set of sensors (acceleration and magnetic field), an information technology equipment (computer) and indicator elements. (screen, headphones, speakers ).
  • the information technology equipment and indicator elements correspond to a laptop-type computer, especially of the PDA (Personal Digital Assistant) or electronic agenda type.
  • Patents US5516105 and US59899157 refer to the use of acceleration sensors on the human body to transform its movements into movements of objects or characters in video games. These inventions can be understood as physical exercise systems that meet the aforementioned objectives. However, in both cases they do not include magnetic field sensors or portable or display computing devices.
  • Patent US6059576 refers to an accelerometer movement monitoring system that includes a portable computing element and that is capable of indicating the moment in which an incorrect or inappropriate movement occurs. Unlike the present invention, in this case the system does not allow the execution of games or the instruction on the exercises to be performed. The use of magnetic sensors is also not contemplated.
  • Accelerometers have also been used in computer or video game controllers with the aim of achieving more intuitive responses, without seeking the goal of physical exercise.
  • the following patents detail some of these systems: EP1062994, EP1082981, US6183365, US6312335, US5734371 and US6072467. In these cases, the user interacts with an object that he generally carries in his hand. DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the present invention aims to meet the objectives set in the background section and overcome some of the drawbacks shown by existing systems.
  • the user (1) carries a User Unit (2) attached to his body by means of a fastening system (8) that may consist of a tape, strap or any other known method.
  • Said User Unit (UU) contains the sensors that capture movement and, optionally, other parameters such as heart rate and temperature.
  • the UU is responsible for transmitting (by radio frequency, infra-red, cable or any other known method) the measured values to an Information Technology Equipment (ETI) that can be carried by the user (3) or be located at a certain distance (4.5).
  • ETI Information Technology Equipment
  • the ETI interacts with the user through a television screen, monitor or projector (6) or through signals and auditory sounds that can be transmitted through speakers or headphones worn by the user ( 7).
  • the simplest configuration of the UU will be: a) power supply system (batteries or rechargeable batteries), b) sensors to capture movements, c) electronic signal conversion and d) electronic information transmission element (radio frequency, infra- red, ultrasound or cable).
  • the sensors for capturing movement will be accelerometers and magnetic field sensors.
  • Electronic accelerometers are capable of providing information about changes in speed or the inclination of one of the user's axes.
  • Magnetic field sensors can provide information about the direction of the Earth's magnetic field, or an artificially created external magnetic field.
  • the sensors do not need to be placed inside the UU, they can be placed anywhere on the body and be connected to the UU by cables. In this way, the obtained movement information can be configured based on the activity performed.
  • Other elements and resources that can be included in the UU are: a) heart rate measurement using optical sensors placed on the ear or fingers, b) heart rate measurement using electrodes, c) temperature measurement using temperature sensors, d) generation of sound, music or voice signals, and e) capturing the user's voice.
  • An ETI can also communicate with other teams through telematic communication to share information about the movements of users and create a certain degree of interaction between them. Data can also be transmitted to other TSIs simply for informational purposes, for example to quantify the level of performance of a particular physical exercise.
  • the software executed by the ETI can be installed from any of the known methods (floppy disks, CDs, download connection with another ETI, from the Internet ). This software may correspond to exercise programs, games with associated physical effort, databases or any other of the known categories.
  • the Exercise Programs are not limited to the communication of a series of instructions on the exercises to be performed by the user depending on some parameters such as age, weight and the objective pursued. Based on the measurements captured by the sensors, the PE can modify their execution and communicate information, advice, stimuli or orders to the user, either audibly or graphically. In this way, PE can emulate the work done by fitness trainers or monitors. There are different acceleration sensors depending on the measurement principle
  • piezoelectric, capacitive, inductive, resistive, thermal Another classification at the level of functional characteristics divides them into those capable of measuring continuous accelerations and those that are only capable of detecting acceleration variations. The former, apart from providing velocity and position values
  • first and second integration of the acceleration signal can provide information about its inclination since they capture the Earth's gravitational field.
  • the second ones can be cheaper but they will only be useful to detect movements and, in general, they will only be preferred to detect especially sudden movements (jumps, kicks, punches ).
  • the information provided by the acceleration sensors is not enough to detect certain movements or changes in position.
  • the measurements provided by the magnetic field sensors will allow identifying these movements or positions. For example, if magnetic sensors are mounted to indicate the angle between the front of the body and the earth's magnetic field (azimuth), it will be possible to detect gyratory movements from variations in that angle.
  • the response of the acceleration sensors is conditioned both by the movements and by the position relative to the gravitational field, so that it can be difficult or impossible to carry out routines that discern between certain types of movements. In this sense, the magnetic field sensors will help to solve the problem since their response only depends on their position with respect to the external magnetic field, that is, they will not be conditioned by the speed or acceleration in the execution of the movement.
  • a trunk flexion can be detected as an alteration of the acceleration components due to a change in the relative inclination with respect to the gravitational axis, but it will also manifest itself as alterations in the different magnetic components due to a similar change with respect to the vector. of local terrestrial magnetic field.
  • Procedures to determine the positions and movements of different parts of the human body from the measurements of the magnetic and acceleration sensors have been previously described. Especially significant is the dissertation that ER Bachmann made to obtain the title of doctor ("Inertial And Magnetic Angle Tracking Of Limb Segments For Inserting Humans Into Synthetic
  • the receiving module (4) which receives the measurements from the UU and relays them to the ETI, may include processing and programming capabilities.
  • the objective would be to provide adequate, or simplified, signals to the software running on the ETI.
  • the ETI could install a program in the transmission module (4) that made it behave like a joystick that responded to the user's movements (jump ⁇ up, duck ⁇ down, left turn giro left and turn right ⁇ right). In this way, it would even be possible to use the existing gaming software.
  • Figure 1 shows the main elements of the system. Attached to the user's chest (1) by means of a belt (8) is the User Unit (2). An external information technology equipment (5) connected to a screen (6) communicates with the UU through an RF transmission module (4). Also shown is the placement of a portable information technology (ETI) equipment around the user's waist (3).
  • ETI portable information technology
  • the battery (9) is responsible for supplying current to all circuits.
  • the bi-axial acceleration sensor (10) and the magnetic field sensors in perpendicular position (11) provide information related to movement to the microcontroller (12). This is responsible for encoding and transmitting the resulting information to the external ETI (5) through the RF link consisting of a transmission module (16) and an antenna (14) or to the
  • the UU can receive directions from the ETIs to generate sounds, voices or music.
  • the manager of this generation is the digital signal processor (DSP) (15) that transmits the resulting signals to headphones (7) through an output connector (17).
  • DSP digital signal processor
  • the bi-axial acceleration sensor (ADXL202E from Analog Devices, Inc.) (10) is placed on the main board of the User Unit so that it is sensitive to movements made in the parallel plane of the UU (see arrows ). In this way, and taking into account that the UU will usually be placed on the chest, this sensor will be able to provide information on jump movements, transverse movements and trunk inclination. It can also be used to detect turning movements, however this task is preferably reserved for magnetic field sensors.
  • the chosen sensor provides the measured values by means of pulse width modulation, immediately converting them to numerical values by the microcontroller.
  • the direction of the magnetic field is determined from measurements provided by two orthogonally placed magnetic sensors (Philips Semiconductors KMZ10A1) on a perpendicular plate (11) to the main plate.
  • the output values are adapted by means of two differential amplifiers and transformed to numerical values by means of ADC converters included in the microcontroller.
  • One of the values provides the intensity of the field on the left-right axis of the UU while the other provides the intensity on the orthogonal axis (back-front). In this way, it is possible to calculate the angle between the UU and the magnetic field and detect the turning movements made by the user.
  • An important limitation of the sensors used is the fixed deviation (offset) they present. To correct this effect, simply compensate the measured values with reference values.
  • Reference values can be obtained in different situations, examples: a) if the user remains immobile in a straight position, it is known that the longitudinal acceleration sensor must measure 1 g (9.8 N) while the transversal must measure 0 g and b) the sum of the vectors corresponding to two user angles separated 180 ° must be null. These situations can be forced by the ETI through orders directed to the user.
  • the microcontroller (12) initiates the transmission of the data corresponding to the reading of the sensors through the RF link (14, 16). Said transmission is cyclical and follows a fixed rate (10 ms). If at any time the microcontroller determines that a PDA has been connected (reception of a specific command through the serial port (13)), the transmission over the RF link is canceled and the communication begins to be carried out exclusively with the PDA through the port Serie.
  • the hearing capabilities of the UU will be especially useful in cases where communication is carried out with a portable ETI since the capacity for interactivity through the screen will be reduced or will be null.
  • the simplest embodiment of the sound generator may consist of a digital-to-analog converter (DAC) followed by an amplifier.
  • Other more sophisticated versions may comprise a Digital Signal Processor (DSP) to generate sounds, music and voices from digital signals with a low transmission rate (eg LPC and MPEG systems).
  • DSP Digital Signal Processor
  • the RF link is made using an Ericsson ROK 101 007 module
  • Microelectronics AB This subsystem contains all the elements necessary to implement the functionality of a Bluetooth TM link in portable devices. Among other possibilities, these components allow data and voice communication between various equipment located within a radius of 10 meters.
  • the user is instructed on the exercise to be performed and the position in which the UU must be positioned to obtain correct measurements.
  • the ETI processes the measures and provides the user with different information (level achieved in the execution of the exercise, number of cycles to complete, calories consumed %)
  • Exercises can be part of an Exercise Program (PE) appropriate to the characteristics of the user (weight, age, sex %) and the objective pursued by it (weight loss, increased aerobic capacity, increased coordination %)
  • This application can be especially useful in rehabilitation exercise programs.
  • the information provided by the User Units can be used to control the movements of objects and characters in a fictional space in the same way that joysticks, keyboards and other computer input peripherals are currently used.
  • These scenarios can represent real cases (sports emulation) or totally fictitious situations.
  • the angle to the magnetic field determines the pitch, or the synthesized instrument, and the jump force determines the intensity of the sound generated. This application is useful in itself or can be used as an accompaniment to physical exercise.

Landscapes

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Abstract

Sistema electrónico para la realización de ejercicio y para la participación en juegos que impliquen un cierto grado de esfuerzo físico. El usuario (1) porta un módulo (2) que contiene sensores de aceleración y de campo magnético capaces de captar determinados movimientos. La señal resultante es transmitida a un equipo de tecnología de la información (5) que interacciona con el usuario a través de una pantalla (6) o mediante sonidos que pueden ser reproducidos por auriculares (7). En determinadas aplicaciones, el equipo de tecnología de la información será totalmente portátil (3). En función del software y de la configuración de los componentes, es posible particularizar el sistema para diferentes aplicaciones: a) sistema de entrenamiento físico guiado, b) sistema de medición del rendimiento físico, c) sistema de ayuda para la realización ejercicios de rehabilitación, d) sistema de juegos computerizados que responden a los movimientos de los jugadores y e) instrumento musical.

Description

Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico
La presente invención se refiere a un sistema electrónico con capacidades para la monitorización, instrucción e incitación de actividades físicas llevadas a cabo por uno o más usuarios que portan sensores de aceleración y campo magnético.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El objetivo de la presente invención es el de proveer un sistema electrónico con capacidades informáticas que permita la realización de ejercicio físico y que posea las siguientes características mínimas: a) debe captar ciertos parámetros relacionados con el movimiento del usuario sin limitar significativamente su capacidad de movimiento, b) debe instruir al usuario sobre la actividad física a realizar, c) debe ser capaz de indicar al usuario una valoración de la actividad física realizada y d) debe permitir la ejecución de juegos o deportes virtuales en los que el control se realice mediante los movimientos del usuario y en los que sea posible competir sólo o contra otros jugadores. Tal y como se detalla en la descripción, estos objetivos se cumplen con un sistema formado, a groso modo, por un conjunto de sensores (de aceleración y de campo magnético), un equipo de tecnología de la información (ordenador) y unos elementos indicadores (pantalla, auriculares, altavoces...). En una de las variantes de la invención, el equipo de tecnologías de la información y los elementos indicadores corresponden a un ordenador de tipo portátil, especialmente del tipo PDA (Personal Digital Assistant) o agenda electrónica.
Actualmente es posible identificar algunos sistemas que cumplen en cierto grado los objetivos que arriba se indican. Por ejemplo, es posible adquirir bicicletas estáticas en las que el pedaleo y la dirección del manillar permiten viajar al usuario por un mundo virtual. También existen máquinas en las que la fuerza ejercida por el usuario compite con fuerzas artificiales controladas por un sistema informático que emula la interacción con objetos virtuales. Relacionadas con este tipo de sistemas podemos encontrar las siguientes patentes: US5466200, US5577981 y US5591104. Sin embargo, este tipo de dispositivos limitan la capacidad de movimiento del usuario y la gama de ejercicios a realizar. Esto ha motivado la aparición de sistemas medición de movimiento alternativos. Entre las estrategias a las que se recurre con este propósito se encuentra la utilización de sensores electrónicos de aceleración (acelerómetros).
La utilización de acelerómetros electrónicos para la monitorización de actividades físicas no es novedosa. Existen numerosos precedentes en los que este tipo de sensores han sido utilizados para contar pasos, detectar inicio de movimientos, medir fuerzas, comprobar trayectorias... Las siguientes patentes detallan algunos de estos sistemas: US4192000, US4962469, US6002336, US6132337, US6135951, US6245014, WO0033031 y US5984796. Las restricciones más significativas de estas patentes en relación a la presente invención son: a) limitación a actividades físicas concretas, b) ausencia de sensores para detección de campo magnético y c) ausencia de equipo de tecnología de la información portátil de altas prestaciones.
Las patentes US5516105 y US59899157 hacen referencia a la utilización de sensores de aceleración sobre el cuerpo humano para transformar los movimientos de éste en movimientos de objetos o personajes en videojuegos. Estas invenciones pueden entenderse como sistemas de ejercicio físico que cumplen los objetivos anteriormente señalados. Sin embargo, en ambos casos no incluyen sensores de campo magnético ni dispositivos informáticos portátiles o de visualización.
La patente US6059576 hace referencia a un sistema de monitorización de movimientos mediante acelerómetros que incluye un elemento portátil de computación y que es capaz de indicar el instante en que se produce un movimiento incorrecto o inapropiado. A diferencia de la presente invención, en este caso el sistema no permite la ejecución de juegos o la instrucción sobre los ejercicios a realizar. Tampoco se contempla la utilización de sensores magnéticos.
Los acelerómetros también han sido utilizados en controladores para ordenador o videojuegos con el objetivo de lograr respuestas más intuitivas, sin buscar el objetivo de la realización de ejercicio físico. Las siguientes patentes detallan algunos de estos sistemas: EP1062994, EP1082981, US6183365, US6312335, US5734371 y US6072467. En estos casos el usuario interacciona con un objeto que, generalmente, porta en la mano. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención pretende cumplir los objetivos fijados en la sección de antecedentes y superar algunos de los inconvenientes mostrados por los sistemas existentes.
La información que aquí se proporciona es suficiente para que cualquier persona experta en la materia sea capaz de reproducir la invención.
El usuario (1) lleva sujeta a su cuerpo una Unidad de Usuario(2) mediante un sistema de sujeción (8) que puede consistir en una cinta, correaje o cualquier otro método conocido. Dicha Unidad de Usuario (UU) contiene los sensores que captan el movimiento y, opcionalmente, otros parámetros como pueden ser el ritmo cardiaco y la temperatura. La UU se encarga de transmitir (por radiofrecuencia, infra-rojos, cable o cualquier otro método conocido) los valores medidos a un Equipo de Tecnología de la Información (ETI) que puede ser portado por el usuario (3) o bien estar situado a una cierta distancia (4,5). En función de los valores transmitidos y según un programa en ejecución, el ETI interacciona con el usuario mediante una pantalla de televisión, monitor o proyector (6) o mediante señales y sonidos auditivos que pueden ser transmitidos mediante altavoces o auriculares portados por el usuario (7).
Dependiendo del tipo de aplicación a la que se oriente la invención, es posible realizar diferentes configuraciones de los elementos y recursos. Así mismo, la distribución comercial del sistema también condicionará su configuración siendo previsible que dicha comercialización se realice mediante la venta de Unidades de Usuario y estaciones receptoras que el usuario final conectará a su propio ETI.
La configuración más simple de la UU será: a) sistema de alimentación (pilas o baterías recargables), b) sensores para la captación de movimientos, c) electrónica de conversión de señales y d) elemento electrónico de transmisión de información (radiofrecuencia, infra-rojos, ultrasonidos o cable). Los sensores para la captación del movimiento serán acelerómetros y sensores de campo magnético. Los acelerómetros electrónicos son capaces de proporcionar información sobre los cambios de velocidad o sobre la inclinación de uno de los ejes del usuario. Los sensores de campo magnético pueden proporcionar información sobre la dirección del campo magnético terrestre, o de un campo magnético externo creado artificialmente. No es necesario que los sensores se dispongan en el interior de la UU, estos pueden colocarse en cualquier parte del cuerpo y estar conectados a la UU mediante cables. De esta forma, puede configurarse la información de movimiento obtenida en función de la actividad realizada.
Otros elementos y recursos que pueden incluirse en la UU son: a) medición de ritmo cardíaco mediante sensores ópticos colocados en oreja o dedos, b) medición de ritmo cardíaco mediante electrodos, c) medición de temperatura mediante sensores de temperatura, d) generación de señales de sonido, música o voz, y e) captación de la voz del usuario.
Si los recursos que se exigen no son excesivos y la tecnología lo permite, existe la posibilidad de integrar la UU y el ETI en un mismo dispositivo portátil. El usuario puede portar múltiples UU para captar los movimientos de diferentes partes del cuerpo. Así mismo, también existe la posibilidad de que diferentes usuarios con diferentes UU interaccionen con el mismo ETI. La realización técnica de estos sistemas no debe plantear ningún problema puesto que existen diversos protocolos de comunicación que permitan la comunicación de varios emisores compartiendo un mismo medio físico para cualquiera de los sistemas de transmisión citados (radiofrecuencia, infra-rojos o cable).
Un ETI también puede comunicarse con otros equipos mediante una comunicación telemática para compartir información sobre los movimientos de los usuarios y crear un cierto grado de interacción entre ellos. Los datos también puede transmitirse a otros ETI simplemente con un objetivo informativo, por ejemplo, para cuantificar el nivel de ejecución de un ejercicio físico concreto.
El software ejecutado por el ETI puede instalarse a partir de cualquiera de los métodos conocidos (disquetes, CD, conexión de descarga con otro ETI, desde Internet...). Este software puede corresponder a programas de ejercicio, juegos con esfuerzo físico asociado, bases de datos o cualquier otra de las categorías conocidas. En la presente invención, los Programas de Ejercicio (PE) no están limitados a la comunicación de una serie de instrucciones sobre los ejercicios a realizar por parte del usuario en función de algunos parámetros como la edad, el peso y el objetivo perseguido. A partir de la medidas captadas por los sensores, los PE pueden modificar su ejecución y comunicar información, consejos, estímulos o ordenes al usuario auditivamente o gráficamente. De este modo, el PE puede emular el trabajo realizado por los entrenadores o monitores de ejercicio físico. Existen diferentes sensores de aceleración en función del principio de medida
(piezoeléctricos, capacitivos, inductivos, resistivos, térmicos...). Otra clasificación a nivel de características funcionales los divide en aquellos capaces de medir aceleraciones continuas y aquellos que sólo son capaces de detectar variaciones de aceleración. Los primeros, aparte de proporcionar los valores de velocidad y posición
(primera y segunda integración de la señal de aceleración), pueden proporcionar información sobre su inclinación puesto que captan el campo gravitatorio terrestre. Los segundos pueden ser más económicos pero sólo serán útiles para detectar movimientos y, en general, sólo se preferirán para detectar movimientos especialmente bruscos (saltos, patadas, puñetazos...).
La información proporcionada por los sensores de aceleración no es suficiente para detectar ciertos movimientos o cambios de posición. En algunos de estos casos, las medidas proporcionadas por los sensores de campo magnético permitirán identificar dichos movimientos o posiciones. Por ejemplo, si los sensores magnéticos se montan de forma que indiquen el ángulo entre la parte frontal del cuerpo y el campo magnético terrestre (azimut), será posible detectar los movimientos de giro a partir de las variaciones de dicho ángulo. Además, la respuesta de los sensores de aceleración viene condicionada tanto por los movimientos como por la posición relativa al campo gravitatorio con lo que puede ser difícil o imposible la realización de rutinas que disciernan entre ciertos tipos de movimientos. En este sentido los sensores de campo magnético ayudarán a resolver el problema puesto que su respuesta únicamente depende de su posición respecto al campo magnético externo, es decir no estarán condicionados por la velocidad o aceleración en la ejecución del movimiento.
En numerosas ocasiones la información proporcionada por ambos tipos de sensores será redundante. Así, por ejemplo, una flexión del tronco podrá detectarse como una alteración de las componentes de aceleración debido a un cambio en la inclinación relativa respecto al eje gravitatorio pero también se manifestará como alteraciones en las diferentes componentes magnéticas debido a un cambio similar respecto al vector de campo magnético terrestre local. Procedimientos para determinar las posiciones y movimientos de diferentes partes del cuerpo humano a partir de las medidas de los sensores magnéticos y de aceleración han sido descritos con anterioridad. Resulta especialmente significativa la disertación que realizó E.R. Bachmann para la obtención del titulo de doctor ("Inertial And Magnetic Angle Tracking Of Limb Segments For Inserting Humans Into Synthetic
Environments", Eric R. Bachmann (Supervisor Michael J. Zyda), Naval Postgraduate
School, Monterey, California, EUA, Diciembre 2000).
El módulo de recepción (4), que recibe las medidas desde las UU y las retransmite al ETI, puede incluir capacidades de procesamiento y programación . El objetivo sería el de proporcionar unas señales adecuadas, o simplificadas, al software que se ejecuta en el ETI. Así, por ejemplo, el ETI podría instalar un programa en el módulo de transmisión (4) que hiciese que éste se comportase como un joystick que respondiese a los movimientos del usuario (salto ≡ arriba , agacharse ≡ abajo, giro izquierda ≡ izquierda y giro derecha ≡ derecha). De esta forma, sería incluso posible utilizar el software de juegos actualmente existente.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para la mejor comprensión de cuanto queda escrito en la presente memoria, se acompañan unos dibujos en los que se representan esquemas asociados a una realización práctica del sistema.
La figura 1 muestra los principales elementos del sistema. Sujeta al pecho del usuario (1) mediante un cinturón (8) se encuentra la Unidad de Usuario (2). Un equipo de tecnología de la información externo (5) conectado a una pantalla (6) se comunica con la UU mediante un módulo de transmisión RF (4). También se muestra la colocación de un equipo de tecnología de la información (ETI) portátil en la cintura del usuario (3). La figura 2 muestra los principales elementos incluidos en una realización de la
Unidad de Usuario (2).
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
El sistema que aquí se propone está destinado a las aplicaciones en las que un único usuario, o un grupo de usuarios, interacciona con un ETI que puede ser externo (5) o portado por el usuario (3). En el segundo caso se considerará que se trata de una PDA. La figura 2 presenta los principales componentes de la Unidad de Usuario (2).
La batería (9) se encarga de suministrar corriente a todos los circuitos. El sensor bi-axial de aceleración (10) y los sensores de campo magnético en posición perpendicular (11) proporcionan información relativa al movimiento al microcontrolador (12). Éste se encarga de codificar y transmitir la información resultante al ETI extemo (5) a través del enlace por RF constituido por un módulo de transmisión (16) y una antena (14) o al
ETI portátil a través de un puerto serie RS-232 (13). La UU puede recibir indicaciones desde los ETI para generar sonidos, voces o música. El encargado de esta generación es el procesador digital de señales (DSP) (15) que transmite las señales resultantes a unos auriculares (7) a través de un conector de salida (17).
El sensor de aceleración bi-axial (ADXL202E de Analog Devices, Inc.) (10) se sitúa sobre la placa principal de la Unidad de Usuario de forma que es sensible a los movimientos realizados en el plano paralelo de la UU (ver la flechas). De esta forma, y teniendo en cuenta que la UU se colocará habitualmente en el pecho, este sensor podrá proporcionar información sobre los movimientos de salto, de movimiento transversal y de inclinación del tronco. También puede utilizarse para detectar movimientos de giro, sin embargo, esta tarea se reservará preferentemente a los sensores de campo magnético. El sensor elegido proporciona los valores medidos mediante una modulación de anchura de pulsos haciendo inmediata su conversión a valores numéricos por parte del microcontrolador.
La dirección del campo magnético se determina a partir de las medidas proporcionadas por dos sensores magnéticos colocados ortogonalmente (KMZ10A1 de Philips Semiconductors) en una placa perpendicular (11) la placa principal. Los valores de salida son adaptados mediante dos amplificadores diferenciales y transformados a valores numéricos mediante conversores ADC incluidos en el microcontrolador. Uno de los valores proporciona la intensidad del campo en el eje izquierda-derecha de la UU mientras que el otro proporciona la intensidad en el eje ortogonal (atrás-delante). De esta forma, es posible calcular el ángulo que forma la UU con el campo magnético y detectar los movimientos de giro realizados por el usuario. Una limitación importante de los sensores utilizados es la desviación fija (offset) que presentan. Para corregir este efecto basta con compensar los valores medidos con valores de referencia. Los valores de referencia pueden obtenerse en diferentes situaciones, ejemplos: a) si el usuario se mantiene inmóvil en posición recta se conoce que el sensor de aceleración longitudinal debe medir 1 g (9.8 N) mientras que el transversal debe medir 0 g y b) la suma de los vectores correspondientes a dos ángulos del usuario separados 180 ° debe ser nula. Estas situaciones pueden ser forzadas por el ETI mediante ordenes dirigidas al usuario.
Una vez que la Unidad de Usuario (2) se activa, el microcontrolador (12) inicia la transmisión de los datos correspondientes a la lectura de los sensores mediante el enlace RF (14, 16). Dicha transmisión es cíclica y sigue una cadencia fija (10 ms). Si en algún momento el microcontrolador determina que se ha conectado una PDA (recepción de comando concreto a través del puerto serie (13)), la transmisión por el enlace RF se anula y la comunicación pasa a realizarse exclusivamente con la PDA a través del puerto serie.
Las capacidades auditivas de la UU serán especialmente útiles en los casos en los que la comunicación se realice con un ETI portátil puesto que la capacidad de interactividad mediante la pantalla se reducirá o será nula. La realización más simple del generador de sonidos puede consistir en un conversor digital a analógico (DAC) seguido de un amplificador. Otras versiones más sofisticadas pueden comprender un Procesador Digital de Señales (DSP) para generar sonidos, música y voces a partir de señales digitales con una tasa de transmisión reducida (ej. sistemas LPC y MPEG).
El enlace por RF se realiza mediante un módulo ROK 101 007 de Ericsson
Microelectronics AB. Este sub-sistema contiene todos los elementos necesarios para implementar la funcionalidad de un enlace Bluetooth™ en dispositivos portátiles. Entre otras posibilidades, estos componentes permiten la comunicación de datos y voz entre varios equipos situados en un radio de 10 metros.
A continuación se describen algunas posibles aplicaciones del sistema:
1) Entrenador de ejercicio físico.
Utilizando las capacidades visuales y/o auditivas del ETI y de la UU, se indica al usuario el ejercicio a realizar y la posición en que debe situarse la UU para obtener una medidas correctas. Durante la realización del ejercicio, el ETI procesa las medidas y proporciona al usuario diferentes informaciones (nivel logrado en la ejecución del ejercicio, numero de ciclos a completar, calorías consumidas...)
Los ejercicios pueden formar parte de un Programa de Ejercicio (PE) adecuado a las características del usuario (peso, edad, sexo...) y al objetivo perseguido por éste (perdida de peso, aumento de la capacidad aeróbica, aumento de la coordinación...)
Esta aplicación puede resultar especialmente útil en los programas de ejercicios de rehabilitación.
2) Medición del rendimiento físico. Actuando de la misma forma que en el caso anterior, es posible utilizar el sistema para valorar el estado físico de una o varias personas. Una de las principales ventajas del sistema, respecto a los sistemas clásicos de medición, es que permite obtener con precisión el tiempo de respuesta para algunos movimientos del usuario que anteriormente era difícil cronometrar (movimientos de giro, saltos, velocidades de arranque...).
3) Juegos.
La información proporcionada por las Unidades de Usuario puede utilizarse para controlar los movimientos de objetos y personajes en un espacio ficticio de la misma forma que actualmente se utilizan los joysticks, teclados y otros periféricos de entrada para ordenador. Así pues, es posible implementar juegos en los que el usuario compite contra personajes virtuales o otros usuarios en un escenario virtual. Estos escenarios pueden representar casos reales (emulación de deportes) o situaciones totalmente ficticias.
4) Instrumento musical.
Utilizando las capacidades auditivas de la UU o las propias del ETI, es posible generar sonidos musicales que estén relacionados con el movimiento del usuario. Ejemplo: el ángulo respecto al campo magnético (azimut) determina el tono, o el instrumento sintetizado, y la fuerza de salto determina la intensidad del sonido generado. Esta aplicación es útil en si misma o puede utilizarse como acompañamiento a la realización de ejercicio físico.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico caracterizado por estar compuesto de: a) una o más unidades portátiles que contienen uno o más sensores de aceleración y uno o más sensores de campo magnético y que son portadas por un usuario mediante un sistema de sujeción b) un equipo de tecnología de la información (ETI) c) un enlace de información entre la o las unidades portátiles y el ETI.
2. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico caracterizado por estar compuesto de: a) unidades portátiles que contienen uno o más sensores de aceleración y uno o más sensores de campo magnético y que son portadas por varios usuarios mediante sistemas de sujeción b) un equipo de tecnología de la información (ETI) c) un enlace de información entre las unidades y el ETI.
3. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico según la reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que el ETI es portado por el usuario.
4. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico según la reivindicación 3 caracterizado por el hecho de que el ETI es del tipo conocido como Personal Digital Assistant (PDA).
5. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico según la reivindicaciones 1 o 2 caracterizado por el hecho de que el ETI incluye o se conecta a una pantalla de televisión, monitor o proyector para interactuar con los usuarios.
6. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico según la reivindicaciones 1, 2 o 5 caracterizado por el hecho de que el ETI incluye o se conecta a un sistema de generación o reproducción de sonidos para interactuar con los usuarios.
7. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5 o 6 caracterizado por el hecho de que la unidades portátiles contienen los siguientes elementos: a) sistema de alimentación eléctrica. b) sensores de aceleración y campo magnético. c) electrónica de acondicionamiento y procesado de las señales de los sensores. d) sistema de transmisión de las señales procesadas.
8. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico según la reivindicación 7 donde el sistema de transmisión consiste en un módulo de transmisión por radiofrecuencia.
9. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico según la reivindicación 7 donde el sistema de transmisión consiste en un módulo de transmisión por rayos infra-rojos.
10. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico según la reivindicación 7 caracterizado por el hecho de que la disposición de los sensores de campo magnético permite calcular el ángulo del usuario respecto a la dirección del campo magnético terrestre.
11. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico según la reivindicación 7 caracterizado por el hecho de que la unidad portátil contiene los elementos necesarios para la reproducción de sonidos, voces o música.
12. Sistema de juego caracterizado por utilizar de cualquiera de los sistemas según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 o 11.
13. Sistema electrónico para la realización de ejercicio físico caracterizado por el hecho de emitir sonidos con cierto grado de musicalidad en repuesta los movimientos realizados por los usuarios y por hacer uso de cualquiera de los sistemas según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 o 11.
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