Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»
Скачать 0.81 Mb.
|
Министерство образования и науки Российской Федерации
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ о выполнении 5 этапа Государственного контракта № 14.740.11.0577 от 05 октября 2010 г. и Дополнению от 01 сентября 2011 г. № 1
Санкт-Петербург 2012 г. СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ по Государственному контракту 14.740.11.0577 от 05 октября 2010 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд Организация-Исполнитель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
Реферат Отчет 99 с., 1 ч., 31 рис., 3 табл., 31 источн., 1 прил. Системы контроля пространственно-временных и физиологических характеристик , сложные движения, электрическая активность мышц, датчики миографических сигналов , микромеханический акселерометр , микромеханический гироскоп , инерциальные навигационные системы , твердотельные сенсоры , пространственно-временная обработка В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 5 этапу Государственного контракта № 14.740.11.0577 "Система контроля пространственно-временных и физиологических характеристик механики движений человека" (шифр "2010-1.2.2-111-017") от 05 октября 2010 по направлению "Механика" в рамках мероприятия 1.2.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук.", мероприятия 1.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук и кандидатов наук" , направления 1 "Стимулирование закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий." федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы. Цель работы - Система контроля пространственно-временных и физиологических характеристик механики движений человека Методы биомеханики, физиологии и спортивных движений, методы синтеза оптимальных структур обработки и комплексирования биологической информации и информации о движении точек съема сигналов. Методы автоматизированного проектирования электрических схем. Методы визуального программирования. Базы данных записей реальных биомедицинских сигналов. Доступ к современным программно-вычислительным средствам, позволяющим проводить моделирование ситуаций, максимально приближенных к реальности. 5.1 Обобщение результатов предыдущих этапов работ. Оценка полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем. 5.2 Проведение дополнительных исследований 5.3 Оценка возможности создания конкурентоспособной продукции и услуг и разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР, включая предложения по коммерциализации. 5.4 Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс. 5.5 Выработка рекомендаций по направлениям дальнейших прикладных исследований, ставящих целью практическое применение полученных результатов. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..6 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ….…………………………………………………………..7 АННОТИРОВАННАЯ СПРАВКА ПО НАУЧНЫМ РЕЗУЛЬТАТАМ НИР...10 2. СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НИР В СМЕЖНЫХ ОБЛАСТЯХ НАУКИ И ЭКОНОМИКИ.……………………...……………..22 5.1. Обобщение результатов предыдущих этапов работ. Оценка полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.....................22 5.2 Проведение дополнительных исследований ………………..…….37 5.3 Оценка возможности создания конкурентоспособной продукции и услуг и разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных НИР, включая предложения по коммерциализации..........77 5.4 Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс……………………………………………….79 5.5 Выработка рекомендаций по направлениям дальнейших прикладных исследований, ставящих целью практическое применение полученных результатов………………………………….80 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….82 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………….....84 ПРИЛОЖЕНИЕ А…………………………………………………………….…88 ВВЕДЕНИЕ Жизнедеятельность человека реализуется через его физическую и умственную активность, которые обеспечивают решение всего многообразия задач возникающих как перед отдельным индивидуумом, так и перед человечеством в целом. В рамках данного исследования основное внимание уделялось исследованию физической деятельности человека, преимущественно в области спорта, предъявляющего максимальные требования к ресурсным возможностям человеческого организма. Разработка идеологии и инструментальных решений требовали глубокого ознакомления с биомеханическими принципами организации движения. Наукой изучающей кинематику и динамику движения живых систем, механические свойства биологических тканей, а так же механические процессы и явления, протекающие в живых объектах, является биомеханика [1, 2]. Особое значение биомеханика имеет в качестве естественнонаучной основы спортивных достижений, в том числе для моделирования новых, еще неосвоенных вариантов спортивных и трудовых движений [3-5]. В последнее время в нашей стране и за рубежом развивается адаптивная физическая культура и спорт для лиц с ограниченными двигательными возможностями. Одной из важнейшей задач этого направления биомеханики является естественнонаучное обоснование физической подготовки и техники спортивных достижений у лиц с нарушениями опорно-двигательного аппарата. Методическая база биомеханики весьма широка, для решения специфических задач она использует не только свой методический арсенал, но и средства, способы и теоретические положения смежных областей знаний: психологии, педагогики, физиологии, анатомии и др. [6-11] В настоящее время бурное развитие радиоэлектроники, видеотелевизионной и компьютерной техники значительно расширило возможности использования аппаратных методов исследования спортивных движений, сделало доступным регистрацию кинематических характеристик в условиях крупнейших спортивных соревнований в условиях спортивной борьбы, в условиях высших достижений, которые в лабораториях воспроизвести невозможно. Наиболее часто в биомеханическом исследовании применяются видео- и киносъемка, а также акселеро- и тензодинамография. Биомеханический анализ занимает важное место в решении задач физиологии труда и спорта. Удачные примеры решения биомеханических задач рассмотрены в работах заведующего кафедры биомеханики МГУ им. П.Ф. Лесгафта А.В. Самсоновой по исследованию в области влияния тренировок с большими отягощениями на гипертрофию скелетных мышц человека, профессоров этой же кафедры Г.П. Ивановой, Л.Л. Ципина и аспиранта Д.В.Спиридонова по электромиографическому исследованию асимметрии верхних конечностей, а так же профессора Г.П. Ивановой и аспиранта Д.В. Спиридонова по изучению биомеханической асимметрии двигательных систем и ее проявление в организации движения. Незаменимая роль в исследовании мышечной активности в спортивных движениях принадлежит электромиографии (ЭМГ) [12-17]. По характеру электрических потенциалов возможно судить о периодах напряжения и расслабления мышц о величине усилий, а также о их согласовании. Особенно продуктивной ЭМГ становится при одновременной регистрации биомеханических показателей, когда внешняя картина движения сочетается с оценкой мышечной работы. Система контроля пространственно-временных и физиологических характеристик сложных движений человека представляет из себя сложную систему взаимодействия аппаратной части касающейся регистрации, запоминания физиологической и пространственной информации с программными средствами анализа полученной информации. В рамках данной работы были рассмотрены основополагающие вопросы построения системы контроля пространственно-временных и физиологических характеристик сложных движений человека. В качестве инструмента для получения исходной информации был создан автономный модуль, рассчитанный на съем, первичную обработку и запоминание биологического сигнала (миограммы), характеризующей состояние контролируемой мышцы, а также электрокардиограммы, отражающей состояние сердечно-сосудистой системы. Аппаратная часть модуля основана на применении современных, малогабаритных, общедоступных и недорогих элементов. Основу модуля составляет микроконтроллер, который обеспечивает сбор и запись в память информации о состоянии контролируемой мышцы, информации от акселерометра о параметрах движения точки, в которой происходит съем биологической информации, а также сигнала ЭКГ. После окончания эксперимента автономный модуль подключается к компьютеру, в котором после считывания записанной информации реализуется комплексный алгоритм обработки физиологических и пространственных характеристик движения, проводится анализ ЭКГ. Для обеспечения эффективного контроля параметров движения в режиме реального времени использован инерциальный модуль, в состав которого входят микромеханические датчики инерциальных систем навигации и управления. В случае использования нескольких модулей, расположенных на различных мышцах кинематических звеньев, реализующих движение «в целом», производится совместная обработка информации, записанной в отдельных модулях такой системы. Такой модульный принцип позволяет легко адаптировать инструментальную часть комплекса под решаемую задачу с помощью варьирования числа используемых модулей. В этом плане предлагаемый подход выгодно отличается от использования миографической аппаратуры с фиксированным числом каналов, не говоря уже о проблемах связи измеряемого объекта с компьютером. Адекватные методы и алгоритмы совместной обработки биологических сигналов и сигналов о пространственно-временных характеристиках движения существенно упрощают задачу тренера в организации тренировки, а система с использованием обратной связи позволяет спортсмену самому контролировать и строить тренировочный процесс. В ходе работы были изготовлены опытные образцы автономных модулей и проведены их стендовые испытания. Модуль контроля физиологических характеристик человека испытан путем сравнительного анализа записей сигналов ЭМГ и ЭКГ, полученных с помощью сертифицированного медицинского оборудования и разработанного образца. Для модуля контроля пространственных характеристик были проведены статические и динамические испытания. Для повышения точности определения пространственного положения контролируемой точки на теле испытуемого, рассмотрены ошибки гироскопов и акселерометров, их источники и методы борьбы с ними. Для максимально эффективной работы изготовленного прототипа устройства оценена возможность комплексирования данного устройства со спутниковыми средствами навигации и системами мобильной связи для повышения точности определения текущего положения автономного модуля. Поскольку использование разработанных модулей предполагает наличие механических воздействий произведена разработка концепций построения специализированных вибро- и удароустойчивых датчиков на поверхностных акустических волнах и тонких пленках. Для измерения перегрузочных возможностей исследуемых объектов выполнена оценка вибро- и ударопрочности автономных модулей, а также оценка критических параметров измеряемых величин с учетом специфики носителя. АННОТИРОВАННАЯ СПРАВКА О РЕЗУЛЬТАТАХ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРЕДЫДУЩИХ ЭТАПОВ При решении многих задач, связанных с движением человека (трудовая деятельность, физическая культура и спорт) возникает необходимость в получении и последующей обработке биологических сигналов, связанных с реализацией двигательной активности. В первую очередь речь идет о сигналах электрической активности мышц, обеспечивающих реализацию двигательного акта. Для полноценного анализа всех сторон двигательного акта информация, содержащаяся в сигналах электрической активности мышц, должна быть дополнена данными о параметрах движения, как точки съема биологических сигналов, так и всей изучаемой кинематической системы, структура которой определяется решаемой задачей. Особый интерес данная информация представляет для областей деятельности человека, связанных с экстремальными состояниями (работа в условиях чрезвычайных ситуаций, спорт высших достижений). Для решения сформулированных задач требуется создание принципиально нового инструментария для получения исходной информации и адекватной методологии для обработки полученной информации. В качестве инструмента для получения исходной информации был создан автономного модуль, рассчитанный на съем, первичную обработку и запоминание биологического сигнала (миограммы), характеризующей состояние контролируемой мышцы. Параллельно с миограммой в устройстве памяти фиксируются параметры движения точки (малой области), в которой происходит съем биологической информации, а также сигналы, позволяющие «привязать» запоминаемую информацию к общей картине движения (сигналы синхронизации от внешних устройств). После окончания эксперимента автономный модуль подключается к компьютеру, в котором после считывания записанной информации реализуется комплексный алгоритм обработки физиологических и пространственных характеристик движения. На сегодняшний день в виду большого разнообразия элементной базы, аппаратная часть модуля основывается на применении современных, малогабаритных, общедоступных и недорогих элементах. В основе модуля используется микроконтроллер, который выполняет задачи сбора и записи в память информации о состоянии контролируемой мышцы, информации от акселерометра о параметрах движения точки, в которой происходит съем биологической информации, а также задачу передачи снятых параметров в компьютер для последующей обработки. Исходя из условий применения модулей (тренировки спортсменов в различных видах спорта, таких как легкая атлетика, фигурное катание, дайвинг и пр.) созданный модуль имеет компактные габариты, чтобы не мешать процессу тренировки и не вносить никаких особенностей и изменений в тренировочный процесс. Для более глубокого анализа движений в модуле заложена синхронизация с высокоскоростной видеокамерой. Для обеспечения эффективного контроля параметров движения в рамках решаемой задачи используются инерциальные модули, в состав которых входят микромеханические датчики инерциальных систем навигации и управления. Современные технологические решения в этой области, позволяют обеспечить требуемые по условиям поставленной задачи массогабаритные и надежностные характеристики, основаны на применении микромеханических гироскопов (ММГ) и акселерометров (ММА), которые получили название твердотельных. Бурный прогресс ММА в определенной степени был обеспечен возможностью переноса концепций построения их макроаналогов, т. е. “больших” акселерометров, на уровень микротехнологий. В связи с этим востребованными оказались маятниковые и осевые ММА. Наиболее популярна в настоящее время номенклатура унифицированного ряда акселерометров ADXL с различными точностными характеристиками и диапазонами измерений, выпускаемых фирмой Analog Devices. Концептуальную основу современных ММГ составляют вибрационные технологии, обеспечивающие колебательное движение инерционных масс (первичные колебания), которые при наличии угловой скорости благодаря эффекту Кориолиса перекачивают часть энергии первичных колебаний в ортогональные моды. Такие ММГ получили название вибрационных, и их технологическая база оказалась хорошо совместимой с технологией ММА. В случае использования нескольких модулей, расположенных на различных мышцах кинематических звеньев, реализующих движение «в целом», производится совместная обработка информации, записанной в отдельных модулях такой системы. Такой модульный принцип позволяет легко адаптировать инструментальную часть комплекса под решаемую задачу с помощью варьирования числа используемых модулей. В этом плане предлагаемый подход выгодно отличается от использования миографической аппаратуры с фиксированным числом каналов, не говоря уже о проблемах связи измеряемого объекта с компьютером. Варианты решения, связанные с применением радиоканала, для случаев сложных спортивных движений неприменимы, не говоря уже о проводной связи. Сложность создания адекватной методологии обработки миографических сигналов для широкого класса изучаемых движений состоит в том, что характер миографического сигнала, кго структурные особенности в зависимости от режима работы мышцы, претерпевают значительные изменения, ограничивающие адекватность описания исследуемого объекта в рамках спектрально-корреляционной теории и требуют для более полного описания привлечения нелинейных методов исследования биологических сигналов. Востребованность совместного контроля и обработки биологических сигналов мышечной активности и параметров движения, в первую очередь, относится к спортивным приложениям. Применение комплекса из автономных модулей регистрации мышечной активности и пространственного положения тела позволит исследовать биомеханические показатели при различной технике спортивных упражнений, что в свою очередь позволяет выбрать оптимальный процесс тренировок и на принципиально новом научном уровне обосновать выбор оптимальной техники выполнения ряда упражнений. Кроме того, постоянный контроль над параметрами биологических сигналов мышечной активности позволяет выбрать такой режим спортивных тренировок, который будет способствовать минимизации риска травм мышц вследствие перегрузки (растяжения). Заинтересованность в приобретении автономных модулей регистрации мышечной активности и пространственного положения тела подтверждают Национальный университет физической культуры, спорта и здоровья им. П. Ф. Лесгафта. Широкое использование таких систем ведущими специалистами Федераций спорта позволит решать такие задачи, как оптимизация режима тренировки национальных сборных команд, в том числе при подготовке к Сочинской зимней Олимпиаде 2014 года. Другим актуальным направлением применения таких модулей является сопровождение тренировок людей, работающих в экстремальных ситуациях, в том числе подразделений МЧС. Наконец, аналогичная концепция может быть использована для создания автономных модулей, контролирующих пространственное положение тела и иные биологические сигналы, в частности, электрокардиосигнал, что позволит решать ряд актуальных медицинских задач, в частности, позиционной кардиографии в условиях амбулаторного мониторирования для диагностики неспецифических изменений кардиосигнала, возникающих из-за различных положений тела. При этом на базе микромеханических чувствительных элементов (ММА и ММГ) возможно изготовление компактных инерциальных модулей невысокого ценового диапазона, комплексируемых с малогабаритными приемниками сигналов GPS и ГЛОНАСС. В этом случае будет обеспечиваться непрерывность навигационной информации в условиях действия естественных и организованных помех, затенения антенн потребителей и других возмущений, ограничивающих применение приемников спутниковых навигационных систем отдельно. Интегрирование GPS/ГЛОНАСС-приемников с достаточно точными и дешевыми инерциальными системами в состоянии обеспечить истинно глобальную навигационную систему в будущем. В рамках второго этапа были рассмотрены вопросы разработки структуры системы контроля пространственно-временных и физиологических характеристик движений человека в целом и автономного модуля как ее базовой единицы. Предполагается, что система строится как совокупность модулей различного функционального назначения позволяющих решать задачи различной степени сложности. В системе имеется общий для всех конфигураций стационарный модуль, подключенный к компьютеру. Его задачами являются диагностика исправности модулей, синхронизация временной шкал модулей с временной шкалой компьютера или других внешних устройств, сбор информации от модулей, задействованных в системе. Сформулированы общие требования, предъявляемые к модулям системы: • модули расположенные на теле спортсмена должны иметь минимальные размеры, и не влиять на тренировочный процесс; • передача данных от модулей к стационарному терминалу должна осуществляться по радиоканалу; • каждый модуль должен иметь систему временной синхронизации со стационарным терминалом или другими внешними устройствами; • модуль должен иметь энергонезависимую, долговременную память для записи регистрируемых физиологических или пространственных параметров; • модуль должен контролировать один или несколько ключевых физиологических и пространственных параметров спортсмена; • Каждый модуль должен иметь свой идентификационный номер, позволяющий различать модули между собой, что обеспечит создание простого и в тоже время гибкого протокола управления модулями и позволит выбрать топологию построения системы вида «звезда». Предложены варианты связи модулей с компьютером (проводной и беспроводной), синхронизации модулей системы с внешними устройствами в зависимости от выбора варианте связи с компьютером. Разработка состава отдельных элементов системы в части касающейся регистрации биологических сигналов мышц и архитектуры построения инерциальных модулей для измерения параметров движения потребовала детального изучения литературы посвященной тематике съема биологических потенциалов и принципов инерциальной навигации. Так же разработана концепция построения инерциальных модулей для измерения параметров движения и принципиальные схемы модулей, на основе которых ведется построение их полной электрической схемы. Структурные схемы разработаны для разных степеней сложности модулей. Проведена оценка физической реализуемости структуры модулей и системы в целом. Был разработан и изготовлен опытный образец модуля регистрации потенциалов электрической активности мышц, без синхронизации с компьютером и использованием USB интерфейса для переписывания данных в компьютер. Соответственно проведены практические испытания изготовленного модуля, с целью проверки его точностных характеристик. Испытания проводились следующим образом: сигнал ЭМГ одновременно, с одного электрода регистрировался сертифицированной медицинской аппаратурой и нашим прототипом. После эксперимента, проводился анализ и сопоставление записанных данных. В результате исследования выяснилось, что наш изготовленный образец отвечает заявленным характеристикам. Полученные с его помощью сигналы имеют статистические характеристики, такие как среднее значение, дисперсия, спектральная плотность мощности и др. отличающиеся от соответствующих характеристик полученных с помощью эталонного устройства, в пределах статистической погрешности определяемой длительностью анализируемой реализации. Результаты наглядно представлены на соответствующих характеристиках. При формировании требований к элементной базе проведено исследование на сертифицированном медицинском оборудовании, направленное на изучение влияния частоты дискретизации сигнала электрической активности мышц, на основные статистические параметры, в ходе которого выяснилось, что для разных статистических характеристик минимально допустимая частота дискретизации различна. В связи с этим в модуле регистрации биологических сигналов предусмотрено программное изменение частоты дискретизации, что сделает систему гибкой и менее требовательной к объему применяемой памяти и потребляемому току. Результаты проведенного исследования наглядно представлены в виде рисунков с соответствующими комментариями. Современная элементная база позволяет реализовать разработанные структурные схемы модулей, а использование заказных микросхем позволит создать микро-миниатюрные малопотребляющие модули с большим временем автономной работы. В рамках третьего этапа разработки функциональной схемы и устройства системы контроля пространственно-временных и физиологических характеристик сложных движений человека был рассмотрен важный теоретический момент связанный с разработкой концепции построения автономных модулей системы. В результате получили следующую концепцию построения системы - система состоит совокупности некоторого числа автономных, независимых модулей (датчиков), сопряженных с устройствами первичной обработки, и математического обеспечения включающего программные средства позволяющие решать биомеханические и физиологические задачи, связанные с двигательной активностью человека в различных условиях (лабораторные исследования, обычная жизнедеятельность, спортивные тренировки, работа в экстремальных условиях). В система предполагается несколько различных типов модулей: • Модуль контроля пространственных характеристик; • Модуль контроля физиологического состояния человека (контроль ЭКГ, ЭМГ); • Модуль с обратной связью; Были разработаны требования к объему памяти, встраиваемой в автономный модуль, в зависимости от основных параметров регистрируемых биологических сигналов и параметров движения. Рассмотрены возможные варианты исполнения памяти (SD карты, DataFlash микросхемы). Для разрабатываемой системы будет применятся память объемом 64 Мбайта, выполненная в виде миниатюрном корпусе SO8. Использование такого типа и объема памяти позволит создать универсальные модули. Обоснован выбор точек размещения измерительных модулей сигналов и параметров движения на различных участках тела с технической точки зрения и точки зрения получаемых данных. Выработаны следующие рекомендации для размещения модулей контроля физиологических и пространственно-временных параметров движения на теле человека: • размещать модуль в таких местах, где есть минимум вращения по трем осям одновременно • размещать модуль в дали от металлических предметов (часы, браслеты и т.д.) • стараться размещать модуль плотно к телу, исключать самопроизвольные повороты, шатания и т.д. • исключить силовые воздействия на модуль при тренировках ( удары, броски и др.) • прикреплять электрод плотно к коже • прикреплять электрод на чистую, незагрязненную кожу, лучше использовать специальные гели (клеи) • при исследовании состояния мышц закреплять электроды строго на исследуемой мышце • не объединять нулевые электроды • и др. Дана оценка предлагаемых объемов информационной емкости отдельных модулей и возможности их записи в долговременную память в соответствии с условиями тренировочного процесса и технических требований для съема физиологической информации, такой как электрокардиограмма и электромиограмма. Выбрана элементная база и исследованы точностные характеристики микромеханических сенсоров (акселерометров, гироскопов и др.) для изготовления опытных образцов автономных модулей. Исследованы характеристики ММА при работе в режиме задания фиксированных значений углов поворота (статическая градуировка), а так же при непрерывном вращении (динамическая градуировка). Снятие зависимости выходного напряжения от скорости вращения ММГ (выходной характеристики) проводится при различных угловых скоростях и направлениях вращения стенда (например, от 0 до ±75 град/с). При этом модуль должен быть расположен таким образом, чтобы измерительная ось ММГ z1 совпадала с осью вращения СИО и была направлена по оси y системы координат Oxyz (рисунок 3.8), где оси x и z расположены в горизонтальной плоскости, а ось y ортогональна ей. Разработаны методы и алгоритмы совместной обработки биологических сигналов и информации о пространственно-временном положении при различной технике выполнения упражнений и оптимизации спортивных тренировок на основании данных полученных с помощью существующего комплекса были получены электрокардиограмма и три составляющих вектора ускорения. Представлены результаты взаимного съема и обработки этих данных, сделаны соответствующие теоретические выводы о необходимости создании коэффициента оценки энергозатрат спортсмена и соответственно качества тренировочного процесса. Разработан пользовательский интерфейс программного обеспечения для съема и обработки данных с автономных модулей конечным пользователем (тренером, спортивным врачом). Пользовательский интерфейс не может быть универсальным для любого вида спорта и любого тренера. Пользовательский интерфейс должен быть гибким, легко перестраиваемым с учетом индивидуальных особенностей тренера. Разработаны методы и алгоритмы обработки миографических сигналов (на основании анализа свойств сигналов, зарегистрированных с помощью традиционных многоканальных миографов). Так же были проведены исследования о влиянии частоты дискретизации миографического сигнала на его статистические параметры. Даны объяснения получившимся результатам, построены соответствующие графики. В рамках четвертого этапа «Изготовление опытного образца системы контроля пространственно-временных и физиологических характеристик сложных движений» выполнена разработка принципов построения системы временной синхронизации автономных модулей. Рассмотрены два режима работы модулей: режим передачи данных в реальном времени, при котором происходит синхронизация принимаемых данных во время приема и режим автономной работы с записью всех данных в энергонезависимую память. Рассмотрены варианты исполнения синхронизации времени модуля с временной шкалой ПК, сделан обоснованный выбор в пользу микросхем часов реального времени, которые на современном этапе развития элементной базы позволяют сделать компактное и микропотребляющие устройство с относительно хорошей стабильностью хода. Разработаны принципиальные схемы модуля контроля физиологических параметров и модуля контроля пространственно-временных характеристик. В настоящее время достаточно хорошо разработана методика отведения потенциалов и регистрации биопотенциалов в лабораторных условиях. Основываясь на существующих схемотехнических решениях, нами доработана принципиальная схема регистрации биологических сигналов, в частности сигналов ЭМГ и ЭКГ. В состав принципиальной схемы модуля контроля физиологических характеристик движения человека входят следующие основные элементы: • усилитель биологических потенциалов; • микроконтроллер; • часы реального времени; • энергонезависимая память; • интерфейс связи с ПК. В состав принципиальной схемы модуля контроля пространственно-временных характеристик движения человека входят следующие основные элементы: • модуль инерциальной навигации; • микроконтроллер; • энергонезависимая память; • часы реального времени; • интерфейс связи с ПК. В качестве инерциального навигационного модуля используется стандартное решение разработанное американской фирмой CHRobotics и на его основе изготовлено два типа модулей, отвечающих общей концепции построения системы и отвечающих вышеизложенным требованиям. Проведены стендовые испытания модулей. Модуль контроля физиологических характеристик человека испытан путем сравнительного анализа записей сигнала ЭМГ, полученных с помощью сертифицированного медицинского оборудования и разработанного модуля. Для модуля контроля пространственных характеристик были проведены статические и динамические испытания. Рассмотрены алгоритмы оценивания статистических характеристик электромиограмм. Для повышения точности определения пространственного положения рассмотрены ошибки гироскопов и акселерометров, их источники и методы борьбы с ними. Для максимально эффективной работы изготовленного прототипа устройства оценена возможность комплексирования данного устройства со спутниковыми средствами навигации и системами мобильной связи для повышения точности определения текущего положения автономного модуля. Поскольку использование разработанных модулей предполагает наличие механических возмущений произведена разработка концепций построения специализированных вибро- и удароустойчивых датчиков на поверхностных акустических волнах и тонких пленках для измерения перегрузочных возможностей исследуемых объектов и произведена оценка вибро- и ударопрочности автономных модулей, а также оценка критических параметров измеряемых величин с учетом специфики носителя. Анализ последних публикаций позволяет говорить о несомненных тенденциях повышения точностных характеристик ТМГ из года в год. Вместе с тем, остается ряд нерешенных проблем, одной из которых является снижение температурной чувствительности таких сенсоров. Важность этих параметров вызвана потенциальным применением разрабатываемых датчиков для высокодинамичных объектов, которые требуют высокой устойчивости к вибро- и ударным нагрузкам. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... ... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программ «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур ран | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет учебно-научно-производственный... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет учебно-научно-производственный... | | 1. Банковский сектор2 Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет... |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук |
| Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет... | | Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет... |
