Intelligent Weight Machines with Load Adjustment Based on Servo Drive (Project Under Development)
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Journal of Siberian Federal University. Humanities & Social Sciences
2021 14(2): 241–249
DOI: 10.17516/1997-1370-0715
УДК 685.6
Intelligent Weight Machines
with Load Adjustment Based on Servo Drive
(Project Under Development)
Vitaliy V. Episheva, Dmitriy G. Maksakovb,
Кonstantin V. Korovinb, Vadim V. Erlikha,
Alexey A. Petrova and Lina N. Petrovaa*
a
South Ural State University (National Research University)
Chelyabinsk, Russian Federation
b
Dzhimnes company
Chelyabinsk, Russian Federation
Received 27.10.2020, received in revised form 05.11.2020, accepted 04.02.2021
Abstract. The study aims to create a new generation weight machine for obtaining
objective information (digital control) about the performed load and the response of the
cardiovascular system and the musculoskeletal system during exercise. Patent search,
publication analysis, marketing research, and three research and development activities
were carried out. Technical requirements for intelligent weight machines were formulated.
Based on the Gravitron training machine, 2 prototypes were created, where traditional
weight stacks were replaced by a system consisting of a servo drive and control system
components. To control the biomechanics of movement, a prototype consisting of a force
platform integrated into the seat of the weight machine was developed. Biofeedback
is implemented by displaying data on the center of pressure in the initial position and
during exercise. A prototype of an ECG monitoring system in standard lead I was created,
which is software and hardware built into the bar of a weight machine. The primary
results demonstrate the technical feasibility of creating a new class of training machines
with biofeedback and continuous monitoring of the user’s state. Combining several
intelligent machines into a single gym ecosystem will allow developing fundamentally
new approaches to the training process.
Keywords: weight machine, servo drive, ECG monitoring, control of the center of
pressure, intelligent training machine.
This work was accomplished as part of the state assignment of the Ministry of Science
and Higher Education of the Russian Federation FENU-2020-0022, No. 2020072.
Research area: theory and methodology of physical education, sports training, health-
improving and adaptive physical culture.
© Siberian Federal University. All rights reserved
* Corresponding author E-mail address: epishevvv@susu.ru
ORCID: 0000-0002-7284-7388 (Epishev)
– 241 –
Vitaliy V. Epishev, Dmitriy G. Maksakov… Intelligent Weight Machines with Load Adjustment Based on Servo Drive…
Citation: Epishev, V.V., Maksakov, D.G., Korovin, K.V., Erlikh, V.V., Petrov, A.A., Petrova, L.N. (2021).
Intelligent weight machines with load adjustment based on servo drive (project under Development).
J. Sib. Fed. Univ. Humanit. Soc. Sci., 14(2), 241–249. DOI: 10.17516/1997-1370-0715.
Интеллектуальные силовые тренажеры
с изменяемой нагрузкой на основе сервопривода
(перспективный проект)
В. В. Епишева, Д. Г. Максаковб, К. В. Коровинб,
В. В. Эрлиха, А.А. Петрова, Л. Н. Петроваа
а
Южно-Уральский государственный университет
(Национальный исследовательский университет)
Российская Федерация, Челябинск
б
ООО «Джимнес»
Российская Федерация, Челябинск
Аннотация. Цель исследования – создание тренажера «нового поколения»,
функционал которого направлен на получение объективной информации
(цифрового контроля) о выполняемой нагрузке, реакциях сердечно-сосудистой
системы и опорно-двигательного аппарата во время физических упражнений. Был
проведен патентный поиск, анализ публикаций, маркетинговые исследования и три
научно-исследовательские опытно-конструкторские работы. Были сформированы
технические требования к «интеллектуальным» силовым тренажерам. На базе
тренажера «Гравитрон» созданы два прототипа, в которых грузоблочная система
заменена на систему, состоящую из сервопривода и компонентов системы управления.
Для контроля биомеханики движения был разработан прототип стабилометрической
платформы, интегрированной в сиденье тренажера. Реализована функция
биологической обратной связи, осуществляемая при помощи вывода на экран
данных о положении центра давления в исходном положении и во время выполнения
упражнений. Был создан прототип системы ЭКГ-мониторинга в I стандартном
отведении, представляющий собой программно-аппаратный комплекс, встроенный
в гриф силового тренажера. Первичные результаты свидетельствуют о технической
возможности создания нового класса тренажерных устройств, обладающих
функцией биологической обратной связи и функцией постоянного мониторинга
состояния пользователя. Объединение нескольких интеллектуальных тренажеров
в экосистему тренажерного зала позволит разработать принципиально новые подходы
к тренировочному процессу.
Ключевые слова: силовой тренажер, сервопривод, мониторинг ЭКГ, контроль центра
давления, интеллектуальный тренажер.
Работа выполнена в рамках госзадания Министерства науки и высшего образования
РФ FENU‑2020–0022 (№ 2020072ГЗ).
Научная специальность: 13.00.04 – теория и методика физического воспитания,
спортивной тренировки, оздоровительной и адаптивной физической культуры.
– 242 –
Vitaliy V. Epishev, Dmitriy G. Maksakov… Intelligent Weight Machines with Load Adjustment Based on Servo Drive…
Введение ные выполняемой работы, ЭКГ и положе-
В «дорожной карте» национальных ния центра давления человека (стоя/сидя).
проектов «Демография» и «Здравоохра- Оценка техники выполнения упражнений,
нение», а также федерального проекта анализ реакции сердечно-сосудистой си-
«Спорт – норма жизни» отведена большая стемы на нагрузку позволят системе строго
роль привлечению населения к регулярным индивидуализировать тренировочный про-
занятиям физической культурой и спортом цесс, рекомендовать последовательность
(Passport of the Federal Project…, 2019). Для выполнения, время восстановления между
решения поставленной задачи необходимо подходами, а также проводить сравнитель-
разработать принципиально новые под- ный анализ эффективности занятий.
ходы к тренировочному процессу, создать Цель исследования – создание си-
тренажеры «нового поколения». Современ- лового тренажера «нового поколения»,
ные силовые тренажеры фактически только функционал которого направлен на по-
задают нагрузку и условную траекторию лучение объективной информации (циф-
движения, степень которой определяется рового контроля) о нагрузке, реакциях
лишь по субъективным критериям. сердечно-сосудистой системы и опорно-
Развитие спортивного рынка спорта двигательного аппарата во время выполне-
и фитнеса в мире будет происходить в сто- ния физических упражнений.
рону постепенного увеличения сбора ана-
литических данных за счет накопления Материалы и методы
статистического материала, алгоритмов С использованием баз данных Scopus,
моделирования индивидуальных заклю- Web of Science и Google Scholar нами осу-
чений и системы команд, направленных ществлен патентный поиск и анализ пу-
на коррекцию тренировочных процессов. бликаций по теме исследования. Про-
Это, в свою очередь, будет стимулировать ведены маркетинговые исследования
развитие индустрии технологий онлайн- и три научно-исследовательских опытно-
тренингов, в которых нагрузка будет стан- конструкторских работы: «Разработка
дартизированной, с учетом индивидуаль- опытного исследовательского стенда сило-
ной реакции организма человека. Система вого тренажера по типу «Гравитрон», «Раз-
будет глобальной, и ее распространение работка стабилометрической платформы
будет происходить путем внедрения еди- для интеграции в конструкцию силового
ных стандартов, протоколов и унифика- тренажера», «Разработка унифицированно-
ции платформ для подключения к ним го модуля съема ЭКГ в I стандартном отве-
устройств для сбора информации, с одной дении для интеграции в линейку тренаже-
стороны, и выдачи тренировочных реко- ров нового поколения».
мендаций – с другой.
В 2019 году стартовал перспектив- Результаты
ный проект «Силовые тренажеры нового По данным IHS Technology, текущий
поколения», участниками которого явля- рынок гаджетов оценивается в $7,5 млрд
ются ученые Института спорта, туризма и продолжает стремительно расти (World
и сервиса ЮУрГУ и индустриальные пред- Markets Healthcare, 2020). Согласно иссле-
приятия – ООО «Джимнес» и ООО «Ве- дованию IDTechEx географическая сегмен-
литек». Реализация проекта направлена тация мировых лидеров по поставке гадже-
на создание тренажеров нового поколения тов в области здравоохранения выглядит
с применением технологий «персонального следующим образом: США – 47 %, Евро-
спорта». В тренажерах нагрузка будет ре- па – 25 %, Восточная Азия – 22 %, дру-
гулироваться сервоприводом, работа кото- гие – 6 %. В целом сегмент «Спорт и здоро-
рого будет управляться интеллектуальной вье» в последние годы растет со скоростью
системой с биологически обратной связью, 40–80 % в год в основном за счет инду-
анализирующей в реальном времени дан- стрии технологий «персонального спорта»
– 243 –
Vitaliy V. Epishev, Dmitriy G. Maksakov… Intelligent Weight Machines with Load Adjustment Based on Servo Drive…
и спортивной медицины. Россия имеет вы- – US4865315A Dedicated microproces-
сокие шансы занять существенную долю sor controlled exercise resistance machine (Pa-
новых рынков спортивных товаров и ус- terson, DuPont, 1989).
луг, а также рынков продукции в области – US5346452A Adjustable air resistance
укрепления и развития здоровья («здоровье system for fitness equipment (Ku, 1994).
для здоровых») благодаря долговременным – US4678184A Constant force exercise
масштабным инвестициям в технологии device (Neiger et al., 1987).
спорта высоких достижений (олимпийско- – US6447431B1 Weightlifting device
го спорта) и бурного развития ИТ‑отрасли and method (Milburn, Courchesne, Andreatta,
в стране. Согласно расчетам рабочей груп- 2002).
пы в 2018 году глобальный объем сегмен- – US5015926A Electronically controlled
та «Спорт и здоровье» достигнет $55 млрд force application mechanism for exercise ma-
в 2025 – $241 млрд в 2035 – $391 млрд. Объ- chines (Casler, 1991).
ем российских товаров и услуг спортивного Все указанные патенты схожи по на-
здоровья в 2016 году составит $3,66 млрд правленности, но имеют принципиальные
в 2020 – $22,78 млрд в 2035 – $39,7 млрд. различия в конструкции и схеме управле-
Предполагается, что доля российского ния, срок действия патентов истек. Следова-
сегмента от глобального сегмента «Спорт тельно, предлагаемый алгоритм и разрабо-
и здоровье» рынка «Хелснет» будет равна танный испытательный стенд в настоящее
не менее 10 % в 2035 году (Plan meropriyatij время являются инновационным продук-
«Helsnet», 2016). том, обладающим научной новизной.
Целевыми сегментами потребителей Ближайшими конкурентами на рынке
создаваемого продукта были определены являются тренажеры HUR и Milon, в ко-
фитнес-организации и спортивные органи- торых нагрузка в одном случае регулиру-
зации (в том числе профессионального сек- ется пневматической системой, в другом –
тора). электронным сопротивлением (технология
Разработаны требования к необходи- не раскрывается, предположительно элек-
мым для реализации в тренажерах «нового тромагнит). Разработанный нами принцип
поколения» технологическим решениям, дозирования нагрузки и алгоритм управле-
определяющие его уникальность: ния обладают значительно большим функ-
1. Алгоритм управления сервоприво- ционалом и возможностью интеграции
дом тренажера для дозирования нагрузки в существующие тренажеры.
с шагом 0,5 кг в секунду и контролем ко- 2. Алгоритм контроля положения
личества повторений в режиме реального центра давления человека в положении стоя
времени. и сидя с помощью тензометрических ков-
Научный поиск в Google Scholar по за- риков (платформ), позволяющих анализи-
просам «силовой тренажер-сервопривод», ровать положение стоп, положение центра
«тренажер-сервопривод» не выявил ни од- давления как в исходном положении, так
ной научной публикации, в т. ч. патен- и при выполнении упражнений.
тов. По запросам «Gym equipment servo», Разрабатываемый алгоритм базируется
«strength machine servo» найдено несколько на исследованиях постурального баланса
патентов: (posture balance) и контроля за биомехани-
– US5435798A Exercise apparatus with кой движения человека при помощи стаби-
electronically variable resistance (Habing, лометрической платформы (force platform),
Habing, Goodman, 1995). а также стелек с датчиками давления (smart
– US4358105A Programmed exerciser insole). Главным принципом алгоритма яв-
apparatus and method (Sweeney Jr, 1982). ляется контроль за положением общего
– US20120053014A1 Apparatus and центра давления человека (center of pressure)
System for a Resistance Training System (Zhu, во время выполнения упражнений с функ-
2012). цией обратной связи.
– 244 –
Vitaliy V. Epishev, Dmitriy G. Maksakov… Intelligent Weight Machines with Load Adjustment Based on Servo Drive…
3. Устройство контроля ЭКГ. Пред- Была проведена НИОКР «Разработка
ставляет собой интегрированные в гриф/ опытного исследовательского стенда си-
ручки тренажеров датчики ЭКГ (второе лового тренажера по типу «Гравитрон»
стандартное отведение) и расположенную (Maksakov, 2019) и созданы два прототипа,
в основании тренажера микросхему, позво- в которых грузоблочная система замене-
ляющие в реальном времени фиксировать на на систему, состоящую из сервопри-
частоту сердечных сокращений и ритм вода и компонентов системы управления
сердца. (рис. 1). Характеристика сервопривода
Научный поиск в Google Scholar и редуктора:
по запросу «strength machine with ECG – редуктор соосно-цилиндрический
measurement» (с учетом перестановки клю- производства Varvel. Передаточное отноше-
чевых слов) не выявил ни одной научной ние 31,5; выходной момент 95,3 Нм;
публикации, в т. ч. патентов. В настоящее – электродвигатель 0,75 кВт; номи-
время на рынке не представлено силовых нальная частота вращения 3000 об/мин. Но-
тренажеров с функцией регистрации ЭКГ минальный момент 2,39 Нм.
в реальном времени. Тренажер «Гравитрон» был взят за ос-
4. Алгоритм биологической обратной нову ввиду того, что он может применяться
связи. С помощью монитора, находящегося как в составе спортивного зала, так и инди-
на уровне глаз выполняющего упражнения видуально в домашних условиях. Помимо
человека, будет отображаться информация интеллектуального наполнения, тренажер
о нагрузке, числе повторений, ЧСС, по- отличается компактностью, сопоставимой
ложении центра давления. Система перед со шведской стенкой.
выполнением упражнений будет рекомен- В настоящее время на его базе отра-
довать занять правильное исходное поло- батываются все алгоритмы управления
жение (центр давления не смещен вправо/ и приводов для будущих тренажеров, в том
влево, назад/вперед) и контролировать его числе:
смещение, динамику ЧСС. 1) единая экосистема тренажерного
5. Алгоритмы искусственного интел- зала. Зал (тренажер) имеет систему распоз-
лекта, которые «ведут» тренировку с кли- навания – лица, отпечатка пальца, браслета,
ентом, выбирают программу и уровень ин- смартфона и т. д. (в зависимости от выбран-
тенсивности, следят за изменениями и дают ных решений). Тренирующийся устанавли-
обратную связь через монитор. вает у себя в телефоне приложение, в кото-
6. Алгоритмы управления последо- ром отражается его индивидуальный план
вательностью выполнения упражнений тренировок. Все клиенты имеют приложе-
на разных тренажерах по типу «электрон- ние на телефоне, которое синхронизирует-
ной очереди». На каждом тренажере будет ся с каждым тренажером и автоматически
установлено информационное табло, на ко- устанавливает нагрузку;
тором исходя из рекомендованной методи- 2) система «страховки». Если во время
ки тренировок будет загораться номер оче- выполнения упражнения человек не может
редного клиента. выполнить тренировочный подход, то си-
Предлагаемые технологические реше- стема управления постепенно снизит на-
ния позволят осуществлять сбор и анализ грузку для того, чтобы пользователь смог
данных, в т. ч. неструктурированной инфор- закончить упражнение.
мации, которая будет использоваться для В результате проведения НИОКР
определения индивидуально-оптимальной по теме «Разработка стабилометрической
программы тренировок. Уникальность со- платформы для интеграции в конструкцию
бираемой информации даст возможность силового тренажера» разработана аппарат-
выявить наличие неочевидных, «скрытых ная часть и программное обеспечение си-
закономерностей» определяющих эффек- стемы управления нижнего уровня. В част-
тивность тренировочного процесса. ности, для контроля движения применен
– 245 –Vitaliy V. Epishev, Dmitriy G. Maksakov… Intelligent Weight Machines with Load Adjustment Based on Servo Drive…
Рис. 1. Прототипы тренажера «Гравитрон» с сервоприводной системой нагружения:
А – прототип № 1; B – прототип № 2
Fig. 1. Prototypes of «Gravitron» exercise machines with a servo-driven load system:
A – prototype No. 1; B – prototype No. 2
принцип стабилометрической платформы, торое используется для сбора данных сс
интегрированной в сиденье тренажера стабилометрической платформы, реализа-
(рис. 2). ции биологической обратной связи, а также
Стабилометрическая платформа пред- отправки данных в веб-приложение.
ставляет собой программно-аппаратный Характеристики платформы:
комплекс, предназначенный для определе- – масса тела спортсмена: от 40
ния центра давления во время выполнения до 120 кг;
упражнений и состоящий: – частота измерения: до 10 раз в се-
• из четырех тензодатчиков, распо- кунду.
ложенных в углах силовой рамы и жестко В результате работы стабилометриче-
связанных с рамой тренажера; ской платформы тренирующийся может
• микроконтроллерного блока, вклю- наблюдать отклонение центра давления
чающего в себя аналогово-цифровые преоб- во фронтальной и сагиттальной плоско-
разователи, необходимые для функциони- стях, что позволяет занять «правильное»
рования тензодатчиков, а также 8-битный исходное положение перед выполнением
микроконтроллер; упражнения и контролировать технику вы-
• программного обеспечения микро- полнения упражнения (механизм биологи-
контроллера нижнего уровня, осуществля- ческой обратной связи).
ющего сбор данных с тензодатчиков, их В результате проведения НИОКР
преобразование, фильтрацию, применение по теме «Разработка унифицированного
первичных алгоритмов обработки и от- модуля съема ЭКГ в I стандартном отве-
правку в устройство верхнего уровня; дении, предназначенного для интеграции
• планшетного компьютера с уста- в линейку тренажеров нового поколения»
новленным специализированным ПО, ко- были сформированы требования к аппарат-
– 246 –Vitaliy V. Epishev, Dmitriy G. Maksakov… Intelligent Weight Machines with Load Adjustment Based on Servo Drive…
Рис. 2. Прототип стабилометрической платформы, интегрированной
в конструкцию силового тренажера
Fig. 2. A prototype of a stabilometric platform integrated into the weight machine structure
ной части и осуществлена частичная сборка рованы датчики регистрации ЧСС и все мо-
и испытания. дули аппаратной части устройства (рис. 5).
Модуль съема ЭКГ представляет собой Характеристики устройства съема
программно-аппаратный комплекс, инте- ЭКГ:
грированный в гриф тренажера и состоя- – гриф диаметром 20 мм;
щий (рис. 3): – постоянный мониторинг ЧСС, ЭКГ
1) из модуля съема ЭКГ; в I стандартном отведении;
2) акселерометра с барометром; – частота измерения ЭКГ: до 100 раз
3) микроконтроллерного блока на базе в секунду;
Arduino Nano с WiFi; – определение количества подъемов/
4) модуля питания. опусканий грифа, асимметрий в положении
На макетной плате были проведены грифа относительно горизонтальной пло-
первичные испытания устройства (рис. 4), скости не менее 3 градусов;
показавшие устойчивую работоспособ- – частота опроса акселерометра и ба-
ность и заявленную функциональность рометра: до 100 раз в секунду;
устройства. Применение акселерометра – время автономной работы до 36 ч.
с барометром с функцией определения
углов позволило дополнить устройство Заключение
дополнительной функцией: определение Описанный перспективный проект
асимметрии движения грифа и подсчет ко- НИР и НИОКР направлен на создание но-
личества движений во время выполнения вого класса тренажерных устройств, обла-
упражнения. дающих функцией биологической обрат-
В дальнейшем в стандартный гриф верх- ной связи и постоянным мониторингом
ней тяги силового тренажера были интегри- состояния пользователя. Наше представле-
– 247 –Vitaliy V. Epishev, Dmitriy G. Maksakov… Intelligent Weight Machines with Load Adjustment Based on Servo Drive…
Рис. 3. Аппаратная часть модуля съема ЭКГ Рис. 4. Пример функциональных
в I стандартном отведении испытаний модулей на макетной плате
Fig. 3. Hardware component Fig. 4. An example of modules functional tests
of the I standard lead ECG scoring system on a prototype board
Рис. 5. Процесс интеграции аппаратной части в стандартный гриф силового тренажера
Fig. 5. The process of integrating hardware component into a standard weight machine bar
ние о «тренажерах будущего» базируется 2. Тренирующийся устанавливает
на следующих возможностях интеллекту- у себя в телефоне приложение, в котором
ального спортзала: отражается его индивидуальный план тре-
1. Перед началом тренировочного нировок. В будущем в процессе тренировок
процесса с человека снимаются его функци- он наблюдает динамику показателей тре-
ональные возможности на данный момент нированности, а также может видеть вы-
(тесты физической подготовленности, ана- бранные группы друзей, с которыми идет
лиз состава тела, ЧСС/ЭКГ в покое и т. п.). соревновательный процесс в достижениях
Производится анализ данных и выдаются поставленных целей.
рекомендации по тренировочному процес- 3. Перед началом упражнения на дис-
су в зависимости от поставленных целей. плее тренажера высвечивается информа-
– 248 –Vitaliy V. Epishev, Dmitriy G. Maksakov… Intelligent Weight Machines with Load Adjustment Based on Servo Drive…
ция, где могут быть отражены предыдущие менять нагрузку, если констатирует, что че-
достигнутые показатели в этом упражне- ловек не справляется с заданной нагрузкой
нии, правильность выполнения, количество или, наоборот, нагрузка недостаточна.
подходов на сегодня, весь цикл на данном 4. После окончания тренировочного
тренажере. Программа на основе значений процесса все данные автоматически загру-
ЧСС определяет и подсказывает, когда необ- жаются на сервер для хранения и анализа,
ходимо закончить упражнение, дает коман- выдачи рекомендаций. Данные отправ-
ду к новому подходу/другому упражнению, ляются на учетную запись пользователя
если определяет, что сердечный ритм вос- и отображаются в веб-приложении или
становился. Тренажер в момент может из- в приложении на смартфоне.
Список литературы / References
Casler, J.A. (1991). U.S. Patent No. 5,015,926. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
Draft Strategy 2030. The Development Strategy of Physical Education and Sports in the Russian Fed-
eration Until 2030. Available at: https://www.minsport.gov.ru/activities/proekt-strategii-2030/
Habing, T.G., Habing, D.J., & Goodman, H. (1995). U.S. Patent No. 5,435,798. Washington, DC: U.S.
Patent and Trademark Office.
Ku, T F. (1994). U.S. Patent No. 5,346,452. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
Milburn, S.D., Courchesne, M.J., & Andreatta, T.J. (2002). U.S. Patent No. 6,447,431. Washington,
DC: U.S. Patent and Trademark Office.
Neiger, H.J., Genot, C.M., Prud’Hon, G.C., & Schoens, M. (1987). U.S. Patent No. 4,678,184. Washing-
ton, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
Passport of the Federal Project Creating Conditions for All Categories and Population Groups to En-
gage in Physical Education and Sports, Mass Sports, Including Increasing the Level of Provision of the
Population with Sports Facilities and Preparing a Sports Reserve (Sport is the Norm of Life). Available at:
https://rosmintrud.ru/ministry/programms/demography/5
Patent RU 193289 U1 Maksakov, D.G. (2019). Sportivnyj trenazher.
Paterson, D.F., & DuPont, M. (1989). U.S. Patent No. 4,865,315. Washington, DC: U.S. Patent and
Trademark Office.
PLAN meropriyatij («dorozhnaya karta») «Helsnet» Nacional’noj tekhnologicheskoj iniciativy. Avail-
able at: https://nti2035.ru/markets/docs/DK_healthnet.pdf
Sweeney Jr, J.S. (1982). U.S. Patent No. 4,358,105. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
World Markets Healthcare. Available at: https://ihsmarkit.com/products/world-healthcare-markets.
html
Zhu, Z. (2012). U.S. Patent Application No. 12/874,130.Вы также можете почитать
