Устройство для тренировки мышц спортсменов

 

Изобретение относится к спорту, а именно к устройству для оценки двигательных способностей спортсменов при выполнении ими заданных суставных движений. Целью изобретения является повышение эффективности тренировки спортсмена путем обеспечения контроля за проявлением Двигательных способностей. Устройство содержит удлиненный стол 5, на противоположных боковых сторонах которого имеются направляющие 3 с переставными вертикальными стойками 7 и рукояткой 8.' .'•''''•'•';.'•••''•''."" ••-.''

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,, БЦ„, 1710084 А1 (я)з А 63 В 21/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

f2.1 2

:. (21) 4722041/12 (57) Изобретение относится к" спарту, а (22) 24.07.89 именно к устройству для оценки двигатель(46) 07.02,92. Бел, М 5 ных способностей спортсменов при выпол. (71) Государственный институт физической . нении ими -заданных суставных движений. культуры им. 0.Ф.Лесгафта . Целью изобретения является повышение (72) И.Г;Воронович и С.fl,Åâñåås эффективности тренировки спортсмена пу(53) 685.648(088;8) .:: : тем обеспечения контроля за проявлением (56» Накутный И.Д, Технические средства в- двигательных способностей. Устройство соспорте. — Киев: Здоровье, 1977, с. 133 и 134. держит удлиненный стол 5, на противопоф4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ. ТРЕНИРОВКИ. ложных боковых сторонах которого

МЫШЦ C0OPTCMEKQB : имеются направляющие 3 с переставными

8 вертикальными стойками 7 и рукояткой 8.

1710084

Регулируемые по длине рычаги 10 соединены поперечными стержнями 14 с мягким покрытием. Платформа стола установлена с возможностью перемещения по направляющим рамы, а рама с направляющими и столом имеет возможность поворота из горизонтэльного в вертикальное положение и фиксации в нем и в промежуточных положениях (например, с помощью регулируемых по длине тяг). Рычаги снабжены расположенными перпендикулярно к ним стойками, причем поперечные стержни, закрепленные на рычагах и на расположенных перпендикулярно к ним стойкам, снабжены втулками, Изобретение относится к спорту, а именно к устройствам для тренировки мышц и оценки двигательных способностей спортсменов при выполнении-ими заданных суставных движений, 5

Известен прибор для определения двигательной способности спортсмена к восп- . роизведению пространственной характеристики — угла поворота звена. Прибор для определения мышечно-суставной 10 чувствительности. Данный способ сводится к измерению отклонений угла поворота биозвена спортсмена от выставляемого на приборе угла, величину которого ему дают вначале "прочувствовать". Критерием оцен- 15 ки мышечно-суставной чувствительности спортсмена является отклонение воспроизведенного им угла от выставленного на приборе значения угла (чем меньше это отклонение, тем выше чувствительность), 20

Однако этот способ тренировки, измерения и оценки двигательных способностей спортсмена имеет существенный недостаток, Он направлен на тренировку и измерение двигательных способностей 25 спортсмена безотносительно к виду деятельности, в которой он специализируется.

Определяя способности воспроизвести произвольно выбираемые заданные значения пространственных, временных, сило- 30 вых характеристик движений и других двигательных способностей, этот способ не позволяет непосредственно измерить и количественно оценить степень готовности спортсмена к выполнению конкретной дея- 35 тельности, конкретных суставных движений в процессе их осуществления. Поэтому информация о двигательных способностях, полученная с помощью данного прибора их измерения и оценки, позволяет лишь кос- 40 установленными с возможностью вращения вокруг стержней. На поперечных стержнях рычагов установлены датчики давления, электрически связанные с блоком управления.

Рычаги выполнены приводными. С учетом антропометрических данных спортсмена и скорректированных для него параметров суставных движений задают программу работы устройства, размещают на нем спортсмена и после включения устройства обеспечивают вращение биозвена с заданными для спортсмена кинематическими параметрами как при недостаточной, так и при черезмерной его активности. 2 з..п. ф-лы, 15 ил. венно, на качественном уровне судить o готовности (или неготовности) спортсмена к выполнению того или иного двигательного действия с заданным результатом. Это объясняется тем, что процедура измерения и оценки двигательных способностей ни коим образом не регламентируется и не обусловливается спецификой конкретной деятельности, ее целевыми параметрами.. Суть этого способа, подчеркнем еще раз, сводится к выявлению возможностей спортсмена независимо от того, где эти возможности будут им использоваться.

Известны устройства для тренировки и оценки двигательных воэможностей мышц рук и плечевого пояса спортсмена к выполнению конкретного гимнастического упражнения — упора руки в стороны ("креста") на кольцах.

Тренировка на данных устройствах сводится к следующему. Спортсмен, стоя на пружинных весах или тензометрической платформе с наклонной рабочей поверхностью, захватывает руками гимнастические кольца, находящиеся в нижнем положении на уровне плечевых суставов, и принимает положение упора, стоя руки в стороны "креста", Затем он нажимает руками на кольца вниз с максимальной силой. Если при этом пружинные весы или тензоплатформа зафиксируют отсутствие давления на них спортсмена, а он удерживает такое положение какое-то время, можно сделать вывод о том, что он способен развить усилия для фиксации упора руки в стороны "креста".и удержать эту позу какое-то время, Таким образом, данный способ тренировки и оценки двигательных способностей спортсмена позволяет судить о степени готовности гим1710084 наста к выполнению конкретного статиче-. ского упражнения.

Однако данный способ имеет недостат.. ки и ограничения.

Во-первых, способ пригоден для изме- 45 рения и оценки готовки спортсмена только . к статической позе;т.е. действию, s. котором отсутствуют перемещения (движения) биозвеньев. Во-вторых, данный способ позволяет измерить только степень уменьшения:-50 усйлия, которым спортсмен воздействует стопами на весы или.тенэоплатформу засчет давления руками на кольца (это усилие уменьшается от величины, равной силе тяжести спортсмена, до нуля), но не дает воз- 55 можности получения информации:. о величине усилий, превышающих силу тяжести спортсмена. В-третьих, данный способ, позволяя. получить обобщенную характеристику готовности спортсмена к.выполнению ".

"креста" в виде значения силы давления спортсмена на .весы или тензоплатформу при максимальном усилии рук на кольца, не. дает возможности получить количественную информацию о мышечных усйлиях не-. 5 посредственно в плечевых суставах, т .е.. усилиях, которыми собственно и управляет спортсмен. Однако именно информация о мышечных усилиях в тех или иных суставах имеет крайне важное значение, так как все- 10 ми перемещениями и вращениями. своего тела спортсмен управляет только за счет техили иных движений в суставах, за счет изме-нений или удержаний (фиксаций) суставных углов. 15

Таким образом, данный способ тренировки и оценки двигательных способностей спортСмена не позволяет получить количественную информацию î его гОтовности к выполнению конкретных суставных движе- 20 ний, а именно заданых во времени значений суставного момента мышечных сил, реализующих необходимые перемещения биоэ вен ьев спортсмена, Хотя, именно суставные момента мышечных сил, непос- 25 редственно отражают управление двигательным актом со стороны центральной нервной системы человека.

Данный способ тренировки, измерения и оценки двигательных способностей спорт- 30 сменов наиболее близок к предлагаемому, так как позволяет получить информацию о степени готовности спортсменов к выполнению конкретного статического упражнения. Способ реализуется с помощью 35 устройства М.Г.Лейкина. . Известно тренировочное устройство для силовых спортивных упражнений, Устройство предназначено для упражнений по укреплению мышц и представляет собой 40 скамью, на которой поворачивается скоба.

Она отличается тем, что на конце каждого стержня скобы расположена стойка, имеющая с наружной стороны крепление для гантелей. Между двумя стойками установлена дополнительная поворотная скоба.

Недостатком устройства является невозможность количественной оценки степени готовности спортсмена к выполнению конкретной деятельности, конкретных суставных движений, заданных во времени значений суставного момента мышечных сил, Известно также устройство для тренировки мышц спортсменов — универсальный тренажер.

Тренажер содержит основание, стойки из труб, платформу для спортсмена, стойкирукоятки для хвата руками, расположенные с обоих сторон платформы рычаги с противовесами и поперечными стержнями для образования окна для размещения конечностей.

Недостатком тренажера является невозможность контроля за проявлением двигательных способностей спортсмена, так как в нем отсутствуют датчики давления, программный, вычислительный и информационно-визуальный блоки, а рычаги не снабжены приводом.

Целью изобретения является повышение эффективности тренировки путем обеспечения контроля за проявлением двигательных способностей.

Цель достигается тем, что на корпусах рычагов установлены датчики давления, электрически связанные с электронным блоком управления, включающим программный, вычислительный и информационновизуальный блоки, при этом рычаги снабжены приводом.

Предлагаемая конструкция устройства обеспечивает при пассивном состоянии спортсмена принудительное, с заданными параметрами вращение биозвена, а в случае правильного воспроизведения спортсменом запрограммированных значений cyc-. тавного момента мышечных сил (и, как следствие, правильного вращения биозвена) обеспечивает параллельное движению биозвена перемещение взаимодействующих с биозвеньями спортсмена частей устройства. Последние воздействуют на биозвено спортсмена всякий раз, когда его действия расходятся с запрограммированными.

Таким образом, устройство обеспечиваег реализацию следующего способа тренировки и оценки двигательных способностей

1710084 спортсменов, которые включают в себя такие операции:

1) измерение масс-инерционных характеристик биозвена спортсмена;

2) корректировка заданных параметров суставных движений, исходя из масс-инерционных характеристик биозвена конкретного спортсмена;

3) задание программы работы устройства для осуществления тренировки;

4) размещение спортсмена на устройстве и его включение;

5) обеспечение с помощью устройства принудительного, с заданными параметрами вращения биозвена (или двух биозвеньев, выполняющих аналогичные движения, например сгибание обеих ног в тазобедренных суставах);

6) измерение силы вынужденного взаимодействия между биозвеном спортсмена и частями устройства;

7) определение момента силы вынужденного взаимодействия,биозвена с частями устройства относительно оси вращения биозвена и суставного момента мышечных сил, реализуемых спортсменом, а также импульсов этих моментов;

8) собственно оценку двигательных способностей спортсменов с помощью унифицированных для всех способностей показателей, Рассмотрим выделенные операции.

1. Измерение масс-инерционных характеристик биоэвена спортсмена (массы, момента инерции, расстояния от оси вращения биозвена до центра масс) может быть осуществлено с помощью прямых измерений и косвенным путем. В первом случае может быть использована радиоизотопная установка, а во втором— антропометрические измерения веса, роста, длин звеньев. спортсмена и определение масс-инерционных характеристик по данным статистики.

Необходимо подчеркнуть, что если для оценки двигательных способностей спортсмена потребуется использовать дополнительные отягощения (штангу, гантели и т.п.) для биозвена, то их масс-инерционные характеристики следует учитывать при определении масс-инерционных показателей биоэвена.

2. После определения по данным биомеханического анализа или моделирования значений задаваемых параметров суставных движений необходимо скорректировать эти значения для каждого конкретного спортсмена, исходя из масс-инерционных характеристик его биозвена (массы биозвена, расстояния от центра масс до оси вращения, момента инерции относительно оси вращения).

3. Программа работы устройства задается, исходя из скорректированных для. кон5 кретного спортсмена параметров суставных движений и его антропометрических дан ных, предопределяющих конструктивные особенности тех или иных частей устройства, 10 4. В зависимости от заданных суставных движений осуществляется размещение спортсмена на устройстве и фиксация его биозвеньев.

5. Подле размещения спортсмена ía ус15 тройстве осуществляют вращение его биозвена (или двух биозвеньев) с заданными для этого спортсмена параметрами. В зависимости от параметров, задаваемых устройством, можно производить оценку самых

20 разнообразных двигательных способностей спортсмена (силовых, скоростных и т.п.), используя унифицированные показатели.

6. Измерение силы вынужденного взаимодействия между биозвеном спортсмена и

25 частями устройства сводится к измерению, например с помощью тензометрической аппаратуры, деформаций частей устройства, являющихся следствием взаимодействия с ними биоэвена спортсмена.

30 7, Определение момента силы вынужденного взаимодействия биозвена с частями устройства относительно оси вращения биозвена и суставного момента мышечных сил, реализуемых спортсменом, а также им35 пульсов этих моментов.

Для иллюстрации этой операции обра-. тимся к фиг.1, на которой изображен спортсмен в момент измерения и оценки возможностей его мышц, ответственных эа

40 вращение ног относительно тазобедренных суставов (за движения ног относительно оси, перпендикулярной плоскости перемещения ног и проходящей через тазобедренные суставы).

45 Из уравнения движения физического маятника по известной литературе, а также из фиг.1 видно, что момент мышечных сил, реализуемых спортсменом при осуществлении движения ног в тазобедренных суставах

50 во время его работы в устройстве, определяется по следующей формуле:

Ц3о ф + Р(.. соэ ф+Ра +Рб( где M — момент мышечных сил в тазобедренных суставах в конкретное мгновение; J< — момент инерции ног относительно оси, проходящей через тазобедренные суставы и перпендикулярной плоскости движения ног;

P — сила тяжести ног;

1710084

15 противоположном случае, имеет отрицательный знак.

Данные о длине плеча лдпя каждого дискретного значения суставного угла (положения биозвена) применительно к задэваемой амплитуде вращения биозвена 20 вводятся в память устройства до начала процедуры измерения и оценки.

Поскольку устройство воспроизводит необходимые кинематические параметры

25 движения в каждое мгновение времени независимо от действий спортсмена, то определение момента сипы. вынужденного взаимодействия сводится к умножению зарегистрированного значения силы Fa (ипи

F6) на соответствующее для данного мгнове- ЗО ния и положения биозвена плечо f.

Именно потому, что для каждого мгйовения времени известны задаваемые устройством кинематические параметры

35 вращения ног, значения момента мышечных сил для случая самостоятельного выполнения спортсменом необходимого суставного движения10 ф+ P Leos сропредепяются заранее (до процедуры измерения и оценки) и вводятся в память устройства, 40

Следовательно, определение момента мышечных сил, реализуемых спортсменом в устройстве в каждое мгновение, сводится к суммированию с учетом знака к известной величине 4 ф + Р L-cos ф соответствующих

41= данному мгновению моментов сил вынужденного взаимодействия F, 3ипи Fe ((в зависимости от того, с какими частями устройства взаимодействует спортсмен в данное мгновение).. 50

Если же спортсмен выполняет движеwe ногами так, что силы их взаимодействия с частями устройства F> и Fg в конкретное " мгновение равны нулю, то реализуемый. спортсменом момент мышечных сил в дан- 55 ное мгновение совпадает с запрограммированным и равняется lo р + P.-L«cos p.

Кроме определения момента силы вынужденного взаимодействия биозвена

L — расстояние от оси тазобедренных суставов до центра масс ног; р- угол поворота ног; ф- угловое ускорение ног;

F<, Fe — сипы вынужденного взаимодей- 5 ствия биозвена с частями устройства а и б;

0- переменное плечо сил вынужденного взаимодействия.

Поскольку сила F> возникает в случае превышения спортсменом заданных знэче- 10 ний еуставного момента мышечных сип s направлении, совпадающем с направлением вращения биозвена, она имеет положительный знак. Сила Fe, возникающая в спортсмена с частями устройства (F> и

Рп 1) и суставного момента мышечных сил, реализуемых самим спортсменом (1 ф+ P Leos rp+ F>8+ Fg f), данная операция предусматривает определение с помощью устройства импульсов этих моментов зэ в ремя выполнения спортсменом одного суставного движения и за время осуществления им всех суставных движений, предусмотренных программой оценки двигательных способностей.

8. Собственно оценка двигательных способностей спортсменов с помощью унифицированных для всех способностей показателей, Оценка двигательных способностей спортсменов осуществляется по абсолютным и относительным показателям, причем и те и другие представлены дискретными и интегральными характеристиками.

Дпя оценки любых двигательных качеств спортсмена (силы, быстроты, выносливости, активной гибкости и т.п.) используют абсолютные показатели: дискретные — величины момента силы вынужденного взаимодействия биозвена с частями устройства в каждое мгновение (F f, Fg )и интегральные — импульс момента этой силы за время выполнения спортсменом одного суставного движения и за время осуществления им всех суставных движений, предусмотренных программой оценки двигательных способностей.

Кроме того, применяют относительные показатели: дискретнце — степень приближения суставного момента мышечных сип, реализуемых спортсменом, к характеристикам этого момента, которые должны быть . реализованы каждым спортсменом для осуществления вращения своего биозвена без взаимодействия с частями устройства в каждое мгновение

1О +Р 1 cos +F 3+Fg 6 !

ОФ+Р (Р и интегральные — степень приближения импульса суставного момента мышечных сил, реализуемых спортсменом, к импульсу необходимого суставного. момента. мышечных сил за время выполнения спортсменом одного суставного движения и за время осуществления им всех суставных движений, предусмотренных программой оценки способностей.

Описываемые абсолютные и относительные, дискретные и интегральные показатели являются унифицированными, так как могут применяться при измерении и оценки не только готовности спортсмена к выполнению заданных параметров сустав1710084

12 ных движений, но и любых других двигательных способностей.

Например, для измерения силовых способностей спортсмена перемещаемое биозвено спортсмена нагружают таким отягощением (штангой, гантелями, мешочками с песком, дробью и т.п.), которое обеспечивает, в случае выполнения суставного движения, рекордную для данного спортсмена величину суставного момента мышечных сил. После чего с помощью предлагаемого устройства для осуществления способа добиваются реализации заданного суставного движения (т.е. вращение биозвена спортсмена с конкретным отягощением). Причем о силовых возможностях спортсмена судят по абсолютным (дискретным и интегральным) показателям тех силовых "добавок", с помощью которых он выполняет необходимое перемещение биозвена, нагруженного отягощением, а также по относительным (дискретным и интегральным) показателям — степени приближения мышечных усилий спортсмена к программируемым устройством параметрам суставного момента мышечных сил и импульса момента этих сил.

Аналогичным образом поступают и при измерении и оценке быстроты, выносливости, активной гибкости, способности воспроизвести какой-либо параметр движения и др. двигательных способностей спортсмена. В этих случаях с помощью устройства программируют и обеспечивают либо выполнение рекордных параметров суставных движений {например, минимальное время одиночного суставного движения или их серии;максимальное время выполнения необходимого перемещения отягощенного или неотягощенного биозвена, максимальную амплитуду движения в суставе и т.п.), либо выполнение заданных, но не рекордных характеристик движения (временных, пространственных, ритмических и др.). Причем во всех перечисленных случаях измеряют и оценивают взаимодействия спортсмена с устройством, минимизация которых свидетельствует о степени приближения суставных движений, реализуемых спортсменом, к суставным движениям с заданными (рекордными или нерекордными) параметрами.

Таким образом, универсальными пока-. зателями (критериями оценки) любых двигательных способностей спортсмена являются описанные выше абсолютные и относительные (дискретные и интегральные) показатели,. получаемые при выполнении им заданных устройством параметров суставных движений. Критерием реализации спортсменом заданных параметров суставных движений является отсутствие в процессе всего суставного движения (или их серии) взаимодействий биозвена с частями

5 устройства (равенство нулю F+ 3и F6 Öè соответствие воспроизводимого спортсменом суставного момента мышечных сил тому суставному моменту, который приводит к запрограммированным параметрам враще10 ния биозвена (p, p, p ), В этом случае части устройства перемещаются вместе с биозвеном (параллельно с ним) и без взаимодействия с ним.

Если же спортсмен превышает эти зна15 чения суставного момента мышечных сил или, напротив, не в состоянии их воспроизвести, он непременно вступит в вынужденный контакт (во взаимодействие) либо с одной, либо с другой частями устройства, 20 так как оно обеспечивает воспроизведение необходимых кинематических характеристик вращения биозвена независимо отдействий спортсмена. Данные контакты (взаимодействия) приведут к возникнове25 нию силы вынужденного взаимодействия биозвена либо с одной, либо с другой частями устройства, Причем величина силы вынужденного взаимодействия биозвена с ними будет тем больше, чем больше реали30 зуемые спортсменом значения суставного момента мышечных сил отличаются от тех, которые обеспечивают задаваемое вращение биозвена без взаимодействия с частями устройства.

35 Все необходимые для оценки двигательных способностей показатели после их. вычисления в устройстве представляются в виде показаний приборов и графиков. Эти показатели анализируются тренером и

40 спортсменом, имеющими возможность получить количественную оценку двигательной активности спортсмена, которую он проявил во время работы в устройстве.

На фиг.1 изображен спортсмен в мо45 мент измерения и оценки возможностей его мышц, ответственных за вращение ног относительно тазобедренных суставов; нэ фиг,2 — устройство с указанием направлений перемещений узлов и деталей, аксоно50 метрия;.на фиг.3 — тоже, вид сбоку, на фиг,4 — вид А на фиг.3; на фиг.5 — разрез Б-Б на фиг.4.; на фиг.6 — устройство, вид сверху; на фиг.7 — принципиальная электрическая схема устройства; на фиг.8 — параметры сустав55 ного движения; на фиг.9 — значения суставного момента мышечных сил на фиг,10 — расчетные значения плеча на фиг, 11 — значения сил F и F6; на фиг. 12-, моменты сил вынужденного взаимодействия на фиг.13 — совмещения моментов сус1710084

14 тавных сил; на фиг.14 — двигательные действия, выполняемые при горизонтальном поло-, . жении платформы стола; на фиг.15 — то же, выполяемые при вертикальном положении: платформы стола. 5

Устройство для измерения и оценки двигательных способностей спортсменов при выполйении заданных параметров.суставн ых движений (фиг .3-6) представляет со-, бой каркас 1, на котором при помощи скоб 10

2 (фиг.4} подвижно укреплена рама 3 с направляющими, по которым перемещается . платформа удлиненного стола 5. Рама 3 с направляющими 4 и столом 5 имеет возмож ность поворота из горизонтального в верти- 15 кальное положение и фиксации в нем и в:. промежуточных положениях. На платформе удлиненного стола 5 установлены с возможностью перемещения в направляющих 6 вертикальные стойки 7 (первая пара) с гори- .. 20 зонтальной перекладиной 8. Вторая пара вертикальных стоек 9 установлена на платформе удлиненного стола 5 с возможностью перестановки в зависимости от антропометрических особенностей спортсмена. На кар- 25 касе 1 установлены с возможностьювращения регулируемые по длине рычап410 с расположенными перпендикулярно к ним стойками 11. И рычаги 10, и стойки 11 соединены (фиг.5) поперечными стержнями 12, 30 снабженными втулками 13, покрытыми мяг- ким материалом 14 и установленными на стержнях 12 с возможностью вращения вокруг стержней 12 посредством подшипников

15. На оси 16 регулируемых по длине рыча- 35 гов 10 установлен механизм 17 обеспечения вращения регулируемых по длине рычагов

10 (например, шаговый двигатель). Механизм 17 связан электрически с блоком 18 управления (фиг.3), который включает в себя. 40 программный блок 19 (фиг.7), вычислительный блок 20 и информационно-визуальный блок 21. Программный блок (выполнейный, например, на типовых элементах цифровой. микроэлектроники) содержит генератор 22 45 прямоугольных импульсов (изготовленный, например, на цифровых интегральных элементах 155 серии по типовой схеме. Выход генератора 22 прямоугольных импульсов подключен к входу двоичного счетчика 23, 50 выходы кото рого подкл ючен ы к адрес н ым входам первого 24, второго 25 и третьего 26 постоянных запоминающих устройств(ПЗУ) (выполненных, например, на микросхемах

556 РТ4). Информационные выходы первого

ПЗУ 24 подключены через транзисторные ключи 27 (могут быть выполнены на любых мощных транзисторах) к обмоткам 28 управ. ления механизма 17 обеспечения вращения регулируемых по. длине рычагов 10. Информационные выходы второго ПЗУ 25 и третьего ПЗУ 26 подключены к входам первого 29 и второго 30 цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) (например, типа 572 ПА1) соответственно.

Входы вычислительного блока 20 (выполненного, например, на типовых элементах аналоговой микроэлектроники, в, частности на микросхемах 140-й серии) связаны с измерительной частью устройства 31 и выходами программного блока 19 (выходы

ЦАП 30 и ЦАП 29). Вычислительный блок 20 содержит аналоговый умножитель 32 (выполненный, например, на микросхемах 140

МА), к входам которого подключены выход

ЦАП 30 программного блока 19 и выход измерительной части устройства 31, Выходы умножителя 32 подсоединены к входам блока 33 вычитания и блока 34 определения модуля (оба последних блока выполнены на операционных усилителях 140 УД 6 по типовым схемам), К второму входу блока 33 вычитания подключен выход ЦАП 29 программного блока 19. К выходу блока 34 определения модуля подсоединен интегратор 35 (собранный, например, на операционном усилителе 140УД8Б по типовой схеме). На корпусах, регулируемых по длине рычагов 10, укреплены датчики 36 измерения деформации (например, тензорезисторы), соединенные в тензомост 37 и электрически связанные с умножителем 32 вычислительного блока 20 через,тензоусилитель 38. Информационно-визуальный блок 21 состоит из осциллографа 39 (например, светолучевой осциллограф Н 115) и вольтметра 40 постоянного тока,.Осциллограф 39 связан с выходами ЦАП 29 программного блока 19 и блоком 33 вычитания вычислительного блока 20, а вольтметр 40— с интегратором 35 вычислительного блока

20, Рама 3 свободным от скоб 2 (фиг.2} торцом соединена регулируемыми по длине тягами 41 (фиг 3) с каркасом 1. В расположенных перпендикулярно к рычагам 10 стойках 11 предусмотрены пазы 42 для подстройки устройства к антропометрическим данным спортсмена. Регулируемые по длине рычаги 10 снабжены рычагами— противовесами 43 с подвижно закрепленными балансировочными грузами 44, платформа удлиненного стола 5 снабжена фиксаторами 45, с целью ее перемещения по направляющим 4 рамы 3 и фиксации.

Пример. Перед использованием устройства для тренировки мышц и оценки двигательных способностей спортсмена к выполнению заданных параметров суставных движений представим кинематические параметры, являющиеся компонентом эф15

1710084

16 фективной программы реализации сложного гимнастического упражнения (фиг.8, где

rp — угловое уско ; р- угловая скорость; р — угол йаклона ног к горизонтали), Для оценки готовности спортсмена к выполнению суставного движения — вращение прямых ног из положения лежа на спине (ноги расположены горизонтально(фиг.9) до вертикального положения (фиг.10) с параметрами, представленными на фиг.8, воспользуемся устройством, Для этого рассмотрим описанные ранее операции.

1. С помощю радиозотопной установки или по антропометрическим изменениям и среднестатическим данным находим массинерционные характеристики ног спортсмена: Al =29 Kf;1 =0,302 м; 4=2,97кг-м.

Зная ускорение "âîáîäíîãî падения (g =

9,8 м/с ), определяем вес ног Р = 284,5 н. (Приводятся данные спортсмена, принимавшего участие в конкретном измерении и оценивании), 2, Зная масс-инерционные характеристики ног конкретного спортсмена, осуществляем корректировку . значений суставного момента мышечных сил под данные этого спортсмена.

Ка фиг.11 представлены. значения суставного момента мышечных сил для спортсмена, ноги которого, например, имеют следующие характеристики: Р = 284,5 н; m =

29 кг, L = 0,302 м; 4 = 2,97 кг.м . Таким

2 образом, если спортсмен с приведенными выше характеристиками ног воспроизведет значения суставного момента, изображенные на фиг.11, то он осуществит вращение ног с кинемгтическими характеристиками, изображенными на фиг.8.

3. Задание алгоритма работы устройства для осуществления способа.

Данная операция наиболее сложная, она предусматривает решение ряда частных задач.

Прежде всего необходимо осуществить тарировку измерительной части устройства

31, т.е. установить взаимосвязь между величиной внешней силы, прикладываемой к стержням 12 и величиной электрических сигналов, снимаемых с датчиков 36 измерения деформаций (фиг.3) (например, тензорезисторов, соединенных в тензомост 37) (фиг.7) и усиленных с помощью тензоусилителя 38 (например, УТ-6 "Топаз" ). Тарировка для заданной длины рычагов 10 проводится один раз, а при последующем использовании устройства проводится проверка этой тарировки.

10

15 подготовка к работе блока управления. Вначале выбирается микроинтервал времени, 30

Затем находят плечо силы вынужденного взаимодействия для каждого положения биозвена, соответствующего выбранному микроинтервалу времени. Для этого измеряют расстояние от оси тазобедренного сустава до места соприкосновения биозвеньев (ног) с поперечным стержнем

12, Количество измерений обусловлено амплитудой суставного движения и выбранным микроинтервалом времени.

На фиг.12 показаны расчетные значения плеча для изображенных на фиг.9 и 10 длин рычагов устройства и амплитуды суставного движения. После чего проводится который будет задавать генератор 22 прямоугольных импульсов для обеспечения временной синхронизации работы вСех каналов. Величина этого микроинтервала обусловливается особенностями моделируемых устройством суставных движений. После чего в соответствии с выбранным микроинтервалом времени вводится информация в первое 24 (фиг.7), второе 25, третье

26 ПЗУ. В первое ПЗУ 24 вводится информация для управления механизмом 17 обеспечения вращения регулируемых по длине рычагов 10, во второе ПЗУ 25 — информация об изменении плеча силы и B третье ПЗУ 26 — информация об изменении значений суставного момента мышечных сил, которые должны быть реализованы спортсменом для осуществления вращения своего биозвена без взаимодействия с частями устройства (поперечными стержнями 12). Значения суставного момента, вводимые в ПЗУ 26, представлены на фиг.11, а значения плеча г. вводимые в ПЗУ 25 — на фиг.12. Информация по управлению механизмом 17 обеспечения вращения регулируемых по длине рычагов

10 строится, исходя из кинематических характеристик вращения биозвена, представленных на фиг.8, и которые должны воспроизводить устройство. При определении кинематических характеристик вращения регулируемых по длине рычагов, соответствующих кинематическим характеристикам вращения биозвена, необходимо учесть, что текущее значение угла наклона биозвена к горизонтали связано с текущим значением угла наклона регулируемых по длине рычагов 10 к горизонтали известными геометрическими соотношениями. Завершается подготовка к работе блока управления настройкой коэффициента передачи интегратора 35 для получения информации об относительных интегральных показателях готовности спортсмена. Для этого выход

ЦАП 29 замыкают на вход блока 34 опреде18

1710084

17 ления модуля, предварительно освободив его от связи с умножителем 32. После чего с помощью пропускания через блок 34, интег; ратор 35 и вольтметр 40 сигнала, пропорционального величине задаваемого суставного момента, представленного в

ПЗУ 25, и подбора коэффициента передачи усиления интегратора 35, добиваются максимального отклонения, стрелки вольтметра

40 при прохождении через него данного сигнала. Затем шкалу вольтметра 40 дополняют шкалой процентов, которая наклеивается на вольтметр 40 и в которой эа

100 принимается величина отклонения стрелки вольтметра 40 (причем весь сектор углового отклонения стрелки делится на 100 равных частей) при прохождении через него импульса, пропорционального задаваемым значениям суставного момента мышечных сил. Завершив настройку интегратора 35 и вольтметра 40, устройство собирается в со- ответствии с описанной ранее схемой (ЦАП

29 связывается с осциллографом 39, и умножитель 32 с блоком 34 определения модуля).

Завершить данную операцию необходимо проверкой работы устройства без спортсмена. Для этого запускается генера тор 22 прямоугольнь|х импульсов, счетчик

23 и все остальные части и блоки.19 программного, вычислительного 20, информа.ционно-визуального 21 блоков и механизма

17 обеспечения вращения регулируемых по длине рычагов 10. Правильность работы ус, тройства подтверждается воспроизведениемм с помощью механизма 17 заданного вращения регулируемых по длине рычагов

10, отсутствием движения стрелки вольтметра 40 и изображением на ленте осциллографа 39 графика задаваемых значений суставного момента мышечных сил, введенных в ПЗУ 25 и преобразованных в аналоговую форму ЦАП 29 (фиг.11).

4. Размещение спортсмена на устройстве проводят, исходя из заданных параметров суставных движений, описанных в операции 1. Устанавливаются горизонтально рама 3 с направляющими 4 и платформой . удлиненного стола 5. Платформа удлиненного стола 5 перемещается вдоль направляющих 4 и фиксируется так, чтобы обеспечить возможность описанного в операции 1 суставного движения при расположении. оси .. тазобедренных суставов спортсмена над осью 16 вращения регулируемых по длине рычагов 10 (фиг.3). После чего, исходя из антропометрических данных спортсмена, устанавливают необходимую длину рычагов

10, расстоя ние между поперечными стержнями 12, соединяющими регулируемые по длине рычаги 10 и расположенные перпендикулярно к ним стойки 11, и фиксируют их.

Расстояние между поперечными стержнями

12 регулируется за счет наличия в стойках 11

5 пазов 42. Затем в соответствии с антропометрическими данными спортсмена нв платформе удлиненного стола 5 в направляющих 6 устанавливаются и фиксируются вертикальные стойки 7 горизонтальной пе10 рекладиной 8 для осуществления хвата за нее спортсменом. После чего устанавливается, как продолжение регулируемых по длине рычагов 10 рычаг — противовес 43 и балайсировочный груз 44 (фиг.3).

15 Далее спортсмен принимает положение, изображенное на фиг.9 и по команде тренера (или ассистента) пытается выполнить заданные параметры суставного движения (принять положение, изображенное

20 на фиг.10), Между временем подачи команды для спортсмена и временем включения устройства предусматривается интервал, равный 250-350 мс и соответствующий латентному периоду двигательной реакции че25 ловека.

5. С помощью программного блока 19, механизма 17 обеспечения вращения регулируемых по длине рычагов 10, самих рычагов 10, рычага —. противовеса 43, 30 балансировочного груза 44 и поперечных стержней 12, соединяющих регулируемые по длине рычаги 10 и расположенные перпендикулярно к ним стойки 11, добиваются воспроизведения кинематических характе35 ристик вращения биозвеньев (ног)(у, ф, ф, изображенных на фиг.8).

При этом в программном блоке 19 генератор 22 прямоугольных импульсов обеспечивает временную синхронизацию работы

40 всех каналов, Двоичный счетчик 23, вход которого подключен к генератору 22 прямоугольных импульсов, а один из выходов связан с первым ПЗУ 24, обеспечивает .управление считыванием информации из

45 этого ПЗУ. Информационные выходы перво-го ПЗУ 25 подключены через транзисторные ключи 27 к обмоткам 28 управления механизма 17 обеспечения вращения регулируемых по длине рычагов 10 (шагового

50 двигателя). Транзисторные ключи 27 служат для усиления по току сигналов, снимаемых с информационных выходов первого ПЗУ

24. Регулируя работу обмоток 28 управления с помощью программы, заложенной в

55 ПЗУ 24, управляют работой механизма 17, обеспечивающего воспроизведение кинематических характеристик, регулируемых по длине рычагов 10, и, как следствие биозвеньев (ног) спортсмена.

1710084

6. С помощью датчиков 36 измерения деформаций (например, тензорезисторов), регулируемых по длине рычагов 10, измеряют силу вынужденного взаимодействия (Е, . и Ев) между ногами спортсмена и поперечными стержнями 12. Датчики 36 (тензорезисторы) соединены в тензомост 37 и связаны через тензоусилитель 38 (УТ-6 "Топаз" ) с уйножителем 32 вычислительного блока 20. В качестве примера на фиг.13 показаны значения сил Fa.è Fe, которые приложил спортсмен в одной из попыток к стержням 12 (соответственно а и б).

7. Определяют момент силы вынужден. ного взаимодействия ног спортсмена с поперечными стержнями 12 (Fa f è Fo @для каждого микроинтервала времени, задаваемого генератором 22 прямоугольных импульсов. Поскольку информация с измерительной части устройства 31 о значе,, ниях сил F и Fg поступает в умножитель 32 вычислительного блока 20 в аналоговой форме, данные о значениях плеча г, введенные в ПЗУ 26, преобразуются в аналоговую форму с помощью ЦАП 30 программного блока 19. В умножителе 32 осуществляется перемножение электрических сигналов, пропорциональных силе и плечу. В каждый заданный микроинтервал времени перемножается электрический сигнал, пропорциональный силе F или Fs. на сигнал, пропорциональных плечу 6. Выход умножителя 32 подсоединен к входам блока 33 вычитания и блока 34 определения модуля.

Для контроля промежуточных операций электрический сигнал из умножителя может быть выведен на осциллограф. На фиг.14 показаны графики моментов силы вынужденного взаимодействия для рассматриваемого примера.

Для вычисления суставного момента мышечных сил, реализуемых спортсменом в устройстве, предназначен блок 33 вычитания, в который помимо сигнала с умножителя 32 поступает электрический сигнал из

ЦАП 29, преобразовывающего в аналогичную форму информацию о задаваемых значениях суставного момента мышечных сил (фиг.11), хранящуюся в ПЗЧ 26 программного блока 19. В блоке 33 вычитания задаваемые значения суставного момента, поступающие из ЦАП 29 и характерные для конкретного мгновения времени, суммируются с учетом знака с соответствующим этому мгновению моментом силы вынужденного взаимодействия Fe 3 или моментом ЕД(Е г и Fyf,фиг.14). Сформированный на выходе блока 33 вычитания электрический сигнал пропорционален cyc-,à8íoìó моменту мышечных сил, реализуемых спортсменом в устройстве. Этот сигнал поступает на осциллограф 39 информационно-визуального блока 21. В блоке 34 определения модуля вычисляется модуль момента силы вынужденного взаимодействия, прикладываемого спортсменом к стержням .12, а подсоединенный к выходу блока 34 определения модуля интегратор 35 позволяет определить импульс этого момента.

10 8. По результатам измерений и вычислений осуществляется количественная оценка

1 готовности спортсмена к выполнению заданных параметров вращения ног. Информационно-визуальный блок 21 представляет

15 информацию с помощью двух приборов: светолучевого осциллографа (например, Н115) 39 и вольтметра 40 постоянного тока.

На осциллограф 39 выводится совмещенная графически информация из ЦАП 29 про20 граммного блока 19 и блока 33 вычитания.

Эта информация демонстрирует значения задаваемого суставного момента мышечных сил (из ЦАП 29) (фиг,11 и 15, сплошная линия) и суставного момента мышечных сил, 25 реализованных спортсменом в устройстве. (из блока 33 вычитания) (фиг.15, пунктирная линия). На вольтметр выводится информация о величине импульса момента силы вы-, нужденного взаимодействия без учета

30 знака (сумма площадей, заключенных между графиками F> 6 и Fe 5 и осью времени (фиг.14 — заштрихованные площади). Величина отклонения стрелки вольтметра 40 про порционал ьна величине и мпул ьса мо35 мента силы вынужденного взаимодействия биозвена спортсмена с поперечными стержнями 12 (пропорциональна заштрихован- ным площадям на фиг.14 и 15). Вся информация анализируется тренером и

40 спортсменом после выполнения упражнения в устройстве.

С помощью абсолютных дискретных показателей можно оценить какова в каждое мгновение величина добавочного момента

45 (момента силы вынужденного взаимодействия), с помощью которого спортсменом реализуются задаваемые параметры суставного движения, Так, например, максимальная величина добавочного момента

50 (Fs )равна 64 нм. Этот момент прикладывается к ногам спортсмена через 0,1 с после начала работы, когда ноги споотсмена прошли угловой путь 4О (фиг, 15, стекла А, а также фиг.8). Для различения совмещенных

55 на оси времени графиков, задаваемых и реализованных спортсменом значений суставного момента, представленных на осциллографе 39, целесообразно использовать заранее изготовленный трафарет графика задаваемых значений момента. Этот

1710084

22 график изготавливается на прозрачном материале и накладывается на совмещенный график, представленные на осциллографе

39, С помощью абсолютных интегральных 5 показателей можно оценить суммарную величину добавок к активным мышечным действиям спортсмена. О величине этих добавок тренер и спортсмен могут судить по показаниям вольтметра 40, величина откло- 10 нения стрелки которого демонстрирует им пульс модуля момента силы вынужденного взаимодействия за все время работы спортсмена в устройстве. Кроме того, о величине

15 импульса модуля момента силы вынужденного взаимодействия биозвена спортсмена со стержнями 12 можно судить по величине площади, заключенной между графиками, представленными на осциллографе 39 и показанными на фиг.15. Эта площадь на фиг.15 заштрихована.

Относительные дискретные показатели готовности спортсмена позволяют оценить степень приближения в каждое мгновение суставного момента, реализованного спорт-: 25 клонились от горизонтали на 13, он срабо40 тал приблизительно на 80 (точнее на 78 ) от того, как надо было сработать,.чтобы самостоятельно воспроизвести кинематические характеристики вращения биозвена, представленные на фиг,8, Такая оценка мо- 45 жет быть проведена тренером и спортсменом. для любого момента времени (0,05;

0 10; 0,20 и т.д) с помощью осциллографа 39.

Относительные интегральные показвте- 50 ли позволяют оценить степень приближения суммарных значений реализованного спортсменом суставного момента мышечных сил к величинам, необходимым для ре55

° ализации заданной кинематики вращения биозвена. Для такой оценки тренер и спортсмен используют вольтметр 40 со шкалой йроцентов. Если в процессе работы спортсмена в устройстве стрелка вольтметра. отклонилась от нулевого значения до сменом в устройстве, к задаваемому моменту. Так, например, через 0,15 с после начала работы при отклонении ног спортсмена от . горизонтали на 13 (фиг.8) суставной момент, который осуществил спортсмен 146, 30 нм (фиг. 1,5, стрелка Б) составляет примерно .0,8 от суставного момента, который он должен был осуществить 200 нм (фиг.15, сумма стрелок Б+ В 200 — 0,78). Друг м 35

146 нм

200 нм словами, анализ данных, представленных на осциллографе 39, позволяет тренеру и спортсмену сделать вывод о том, что в этот момент времени, когда ноги спортсмена отзначения, равного по шкале процентов 20, то суммарная мышечная активность спортсмена в этом случае составила 80 g от задаваемой величины. Такова активность спортсмена была зафиксирована в рассматриваемом нами примере. Для наглядности тренер и спортсмен могут обратиться к показаниям (фиг.15), представленным на осциллографе 39 (фиг.3 и 7). Отношение, площади между графиком, изображенным пунктирной линией, и осью времени и графиком, изображенным сплошной линией, и осью времени показывает, что спортсмен проявил суммарную мышечную актив locTb лишь на 80 от необходимой величины, Аналогичным образом производят измерение и оценку серии суставных движений. В этом случае с помощью устройства программируется не одно, а серия суставных движений. Измеряются силы вынужденного взаимодействия с поперечными стержнями 12 и вычисляются все описанные показатели (абсолютные и относительные,, дискретные и интегральные) как для одного суставного движения, так и для их серии, предусмотренной программой оценки двигательных способностей спортсменов.

Устройство, кроме приведенного в примере упражнения, может быть использовано для выполнения следующих двигательных действий:

1, Горизонтальное положение платформы (фиг.16): а) из положения лежа на спине (ноги расположены ниже горизонтали), сгибание в тазобедренных суставах.до положения согнувшись, и обратно. Руки вытянуты вверх захватом зз горизонтальную перекладину; б) из положения лежа на животе (ноги расположены ниже горизонтали) поднимание ного до положения прогнувшись и обратно, Руки вытянуты вверх, захват кистями за горизонтальную перекладину сверху, снизу, в обратном хвате;

° . в) из положения лежа на животе руки согнуты в локтях захватом за горизонтальную перекладину, край стола на уровне коленных суставов, сгибание — раэгибание в коленных суставах; г) из положения лежа на лопатках (ноги и таз расположены ниже горизонтали) одновременное поднимание таза и ног в вертикальное положение и обратно. Руки вверху хватом сверху за горизонтальную nepeknsдину; д) сидя на краю стола (руки вверху или за голову), ногами зацеп за горизонтальную перекладину, сгибание — разгибание туловища;

24

1710084

23 е) из положения лежа на бедрах на краю стола туловище наклонено вперед ниже горизонтали, руки вверху или за голову, сгибание — разгибакие туловища, ногами захват за горизонтальную перекладину; ж) из положения лежа на боку, край стола на уровне таза, туловище расположено ниже горизонтали, руки вверху или эа голову, поднимание и опускание туловища; з) из положения лежа на спине, плечи .расположены на краю стола, руки вверху, ногами зацеп за перекладину, сгибание— разгибание рук в плечевых суставах; и) из положения лежа на животе, руки вверху, кисти вывернуты наружу(край. стола на уровне локтевых суставов), сгибание— разгибание рук в локтевых суставах; к) иэ положения лежа на животе (край стола на уровне груди) руки опущены вниз— вперед, поднимание рук вверх; л) из положения сидя на краю стола (край стола на уровне коленного сустава), сгибание- разгибание в коленных суставах.

2. Вертикальное положение платформы (фиг.17): а) из виса на руках поднимание ног до положения виса согнувшись; б) иэ упора на руках поднимание ног до положения высокого угла; в) из виса вниз головой поднимание туловища в положение виса согнувшись; г,д,е) иэ положения стоя на полу одна нога между роликов, поднимание ее вперед (е), в сторону (д), назад(г), кистями рук взяться эа рукоятки спиной (е), боком (д), лицом (r) к платформе.

3. В промежуточных положениях платформы стола выполняются все вышеперечисленные упражнения, при этом подъем платформы удлиненного стола 5 иэ горизонтального положения в вертикальное осуществляется за счет скоб 2, рамы 3 с направляющими 4 и регулируемых по длине тяг 41.

4. Упражнения для рук и ног выполняют-.

5 ся как для обеих конечностей, так и для одной конечности.

Педагогический эффект от использования предлагаемого изобретения заключается в повышении уровня развития

10 двигательных способностей спортсменов в различных видах спорта. Предлагаемое изобретение также может быть использовано в области медицины, в частности для реабилитации больных после травм конечностей.

Формула изобретения

1. Устройство для тренировки мышц спортсменов, содержащее установленные на опоре платформу для спортсмена, стой20 ки-рукоятки и расположенные с-обеих сторон платформы рычаги с противовесами и поперечными стержнями для образования окна и размещения конечностей, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения

25 эффективности тренировки путем обеспече-. ния контроля за проявлением двигательных способностей, на рычагах установлены датчики деформации, электрически связанные с электронным блоком управления, включа30 ющим программный, вычислительный и информационно-визуальный блоки, при этом рычаги снабжены приводом.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что платформа, установлена íà опо35 рес воэможностью изменения угла наклона, а стойки-рукоятки установлены на платформе с возможностью перестановки.

3, Устройство по пп.1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что дополнительно снабжено

40 переставными рукоятками-жердями, размещенными на платформе е средней части. Риь. 1 иг.

f/-»

У

1У

1710084

1710084

СЪ, 1710084 (Ю

ЬЮ

ЮО

Гд

ka

О д

-20 ф

-60

-80

1/м)

04

ОЗ

02

005 010 015 0,2Р 025 0,30 ОЯ ОФО ОФ5 050 Фиг.10

1710084

Цн}

100

1710084

M(He)

270.

ЯОд

ИО

Ю

Þä

ЖО

Ю

0 ГО

-(A

-60

-80

-ЖО (с) 1710084

/ е Рмг. f5

Составитель С.Евсеев

Редактор Г. Гербер Техред М.Моргентал Корректор М. Шароши

Заказ 287 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г; Ужгород, ул,Гагарина, 101