Тренажерно-моделирующее устройство для спортсменов

 

Изобретение относится к тренажерным устройствам для спортсменов, а именно для борцов, преимущественно вольного и классического стилей. Данное устройство позволяет имитировать реальные физические нагрузки на мышцы спортсмена - борца по определенной программе и за счет этого осуществлять как специальное тестирование уровня специальной физической и скоростно-силовой подготовленности борцов, так и совершенствование этих качеств в моделируемых экстремальных условиях борцовского поединка. Оно состоит из управляемого манекена, блока датчиков и задатчиков усилий при выполнении борцовских приемов и их комбинаций, блоков измерения и отображения биомеханических и медико-биологических характеристик приемов, образующих биологические обратные связи в системе "тренажер - спортсмен". 1 табл., 3 ил.

Предлагаемое тренажерное устройство предназначено для тренировки спортсменов-борцов высокой квалификации в моделируемых специфических условиях реального борцовского поединка.

Известно устройство для тренировки борцов, содержащее манекен, состоящий из двух установленных одна над другой шарнирно закрепленных частей посредством кинематической пары, звенья которой закреплены на соответствующих частях манекена, при этом подвижное звено кинематической пары связано с приводом, неподвижное звено кинематической пары выполнено в виде замкнутого сердечника электромагнита, смонтированного в нижней части манекена, а подвижное в виде катушки одной из его обмоток, закрепленной в верхней части манекена, причем размещенный в верхней части манекена участок сердечника выполнен дугообразным с геометрическим центром дуги на оси шарнира для обеспечения свободного перемещения катушки обмотки и несет амортизационные пружины. Известное устройство позволяет имитировать атакующие действия соперника и отрабатывать защитные действия против него.

Работает известное устройство следующим образом. Тренирующийся спортсмен захватывает манекен за подвижную верхнюю часть, после чего через обмотки электромагнита пропускается ток с тем расчетом, чтобы на боковых поверхностях неподвижно закрепленных обмоток, направленных к подвижной обмотке, возникли одноименные магнитные полюса. Одновременно ток, проходящий через подвижную обмотку, вызывает на ее боковых поверхностях возникновение разноименных полюсов. В результате подвижная обмотка начинает перемещаться к одной из неподвижных. Указанное перемещение продолжается до тех пор, пока не остановится амортизационной пружиной. Вместе с подвижной обмоткой перемещается и верхняя часть туловища манекена, а вместе с ней и захвативший ее спортсмен. Таким образом, изменение взаимной ориентации верхней и нижней частей туловища манекена, имитирующее выполнение активного атакующего движения, сообщает телу тренирующегося спортсмена перемещение, характерное для осуществляемого против него броска, и создает условия для тренировки защитных действий.

К недостаткам известного устройства относится следующее.

1. Имитация активного атакующего движения за счет изменения взаимной ориентации верхней и нижней частей туловища манекена может осуществляться только в одной (боковой) плоскости (влево вправо), что, конечно, недостаточно и отличается от реального перемещения (действия) соперника.

2. Управление перемещением подвижной части манекена осуществляется вручную, без возможности программирования величин амплитуды и мощности имитируемого атакующего движения.

3. Отсутствует возможность измерения затраченной тренирующимся энергии (работы) и развиваемых усилий, т. е. отсутствуют обратные связи в системе"тренажер-спортсмен." Известно также устройство для тренировки спортсменов, содержащее установленную на стойках штангу и соединенный с ним посредством пояса манекен с регулируемыми конечностями, и средства для возвратно-поступательного, вращательного и радиального перемещения штанги, включающие подпружиненный фиксатор с захватами, подпружиненный П образный рычаг, дополнительную стойку, программный блок и пульт управления. Средство для возвратно-поступательного и вращательного движения штанги выполнено в виде закрепленных на стойке соленоидов и электромагнитов, а средство для радиального перемещения штанги в виде установленных на дополнительной стоке приводных кинематических пар, выполненных в виде свободно установленных на штанге взаимно перпендикулярных стержней, каждый из концов которых несет винтовые пары, привод выполнен в виде электродвигателей, взаимодействующих с винтовыми парами, а подпружиненный фиксатор имеет соленоиды, соединенные с концами захватов.

Известное устройство работает следующим образом.

Манекен устанавливается в рабочее положение. Установив программу маневрирования манекена, тренер нажимает на кнопку "Пуск" пульта управления. Посредством средств для возвратно-поступательного, вращательного и радиального перемещения штанги манекен может выполнять следующие движения: перемещение вперед назад (атакующие и ретирующие движения), перемещения вправо, влево, вверх вниз, уходы, прыжки и приседания, наклоны вправо влево.

К недостаткам известного устройства относится следующее.

1. Большая громоздкость и недостаточная надежность устройства в работе, обусловленные большим количеством механических сочленений, винтовых пар, соленоидов электромагнитов и т.д. По этим же причинам работа такого устройства неизбежно должна сопровождаться значительным, мешающим спортсменам шумом.

2. В блоке управления перемещениями манекена отсутствуют обратные связи в системе "спортсмен тренажер", что не позволяет обеспечить надежное, гибкое изменение (регулирование) перемещений манекена как по амплитуде, так и по развиваемым усилиям, мощности и т.д.

3. Отсутствует возможность оперативного (автоматического) контроля за переносимостью тренирующимся создаваемых устройством физических нагрузок, а также отсутствует возможность измерения и регистрации развиваемых спортсменом усилий, мощности при взаимодействии с манекеном.

Известное устройство наиболее близко по своему техническому решению к предлагаемому. Поэтому мы взяли его за прототип.

Целью предлагаемого тренажерного устройства является повышение эффективности тренировки борцов путем создания (имитации) специфических для борцовского поединка противоборствующих усилий соперника, фиксации момента и усилия захвата, введения биологической обратной связи в системе "тренажер - спортсмен", а также за счет полуавтоматического управления (программирования) тренировочных режимов.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое тренажерное устройство имеет (см. фиг.1): 1 манекен, имитирующий борца-соперника, выполненный из упругого материала и имеющий металлическое основание-площадку (см. фиг. 2,3) 2 электромагнит, на верхнюю часть которого устанавливается манекен 1; 3 тензометрический датчик усилий захвата манекена тренирующимся борцом, встроенный в боковую поверхность манекена; 4 задатчик усилия на манекен во фронтальном направлении, выполненный в виде гидроцилиндра; 5 - задатчик усилий на манекен в вертикальном направлении, выполненный также в виде гидроцилиндра; 6, 7 мембранные датчики усилия, прилагаемого тренирующимся борцом к манекену в вертикальном направлении (вверх датчик -6, вниз датчик-7); 8 мембранный датчик усилия, прилагаемого к манекену во фронтальном направлении; 9 нагрузочный элемент для рук тренирующегося борца, выполненный в виде ручного эргометра, имеющего две приводные ручки и корпус; 10 фотометрический датчик темпа вращения ручек эргометра-9; 11 задатчик усилия на ручках эргометра 9, выполненный в виде электромагнитной муфты, величина сопротивления которой регулируется изменением величины тока в обмотке возбуждения электромагнитной муфты, с возможностью установки ручки и корпуса эргометра в разных заданных положениях по высоте относительно манекена, например: "на уровне бедер", "на уровне груди", "на уровне плеч"; 12 - мембранный датчик величины усилия, прилагаемого тренирующимся к ручкам эргометра 9; 13 блок управления величиной давления в гидроцилиндрах 4, 5, 11; 14 блок преобразования сигналов, поступающих с датчиков 3, 6, 7, 8, 10, 12, выполненный в виде многоканального интерфейса АЦП; 15 блок отображения информации, выполненный в виде цифрового табло с принтером; 16 персональный компьютер для управления элементами тренажерного устройства; 17 пульт управления; 18 блок съема ЧП и АД.

При этом корпус манекена 1 за счет электромагнитной силы своим металлическим основанием соединен с сердечником электромагнита 2, вход (обмотка) которого электрически соединен с первым выходом компьютера 16, второй выход которого соединен с первым входом блока отображения 15, а третий с входом блока управления гидроцилиндрами 13, первый выход которого соединен с входом гидроцилиндра 4, второй выход блока 13 соединен с входом гидроцилиндра 5, а третий выход с входом гидроцилиндра 11, выход которого соединен с входом нагрузочного элемента 9, первый выход задатчика усилия 4 соединен с основанием манекена 1, второй выход задатчика 4 соединен с входом датчика 8, выход которого соединен с первым входом блока измерения 14, первый выход задатчика усилия 5 соединен с основанием манекена 1, второй выход задатчика 5 соединен с входом датчика усилия 6, выход которого соединен с третьим входом блока 14, выход нагрузочного элемента 9 соединен с входом датчика усилия 12, выход которого подключен к четвертому входу блока 14, второй выход задатчика 5 соединен с входом датчика усилия 7, выход которого соединен со вторым входом блока 14, вход фотодатчика 10 соединен с выходом нагрузочного элемента 9, а выход фотодатчика-10 подключен к пятому входу блока 14, шестой вход которого соединен с выходом датчика усилия 3, вмонтированного в боковую поверхность корпуса манекена-1, выход блока 14 соединен со вторым входом блоком отображения 15, четвертый выход компьютера 16 соединен с седьмым входом блока 14, второй вход компьютера 16 соединен с выходом пульта управления 17, а третий с выходом блока 18.

Работает предлагаемое тренажерно-моделирующее устройство следующим образом.

После наибольшей разминки борца определяется его индекс функционального состояния ИФС, вычисляемый по следующему алгоритму: где: ЧП частота пульса (уд/мин); СД/ДД артериальное давление крови (ед. рт. ст.); В возраст тренирующегося (лет); MT масса тела (или вес) (кг); P рост (см).

В зависимости от полученной величины индекса ИФС компьютер выдает допустимые режимы (программы) тренировки данного спортсмена. В таблице приведены 5 основных режимов тренировки, выбираемых тренером и спортсменом в зависимости от текущего функционального состояния борца (т.е. величины ИФС).

Далее в зависимости от величины ИФК устанавливается заданное усилие сопротивления на ручках эргометра 9 с помощью электромагнитной муфты 11. Усилия сопротивления на ручках эргометра задаются 20, 40, 60, 80% от максимального. При этом величина этого усилия сопротивления, в зависимости от того справляется или не справляется спортсмен с заданной программой тренировки, автоматически уменьшается или увеличивается на 10 в каждом минутном цикле опроса компьютером всех датчиков.

При этом предлагаемое тренажерно-модулирующее устройство позволяет реализовать следующие специфические двигательные действия и приемы борца: движение манекена вверх (отрыв);
движение манекена вниз (посадка);
движение от себя (швунг);
движение (рывок) на себя (швунг);
разнонаправленные движения манекена:
вниз-вверх (посадка-отрыв);
вверх-вниз (отрыв-посадка);
вперед-назад (швунг-швунг);
назад-вперед (швунг-швунг).

После предварительной установки заданной величины усилия сопротивления на ручках эргометра 9 с помощью электромагнитной муфты 11 и пульта управления компьютером 16, тренирующийся борец, вращая ручки эргометра 9, имитирует специфическую работу с сопротивляющимися руками борца-соперника (борьба "за захват"). При этом величина и темп усилий, развиваемых тренирующимся на ручках эргометра 9, измеряются и преобразуются с помощью датчиков 10, 12 и блока 14. Результаты измерения выводятся на экран блока отображения 15 для экспресс-информации тренирующегося борца о соответствии развиваемых им усилий и темпа на ручках эргоментра 9 заданным программой тренировки (тренером) величинам темпа и усилий, т.е. реализуется первый контур цепи обратной связи (визуальный) в системе "тренажер-спортсмен". При этом в случае, когда спортсмен не справляется с запрограммированным двигательным режимом, величина и темп нагрузки на ручках эргометра 9 корректируется (уменьшаются) компьютером оперативно на 10% с помощью блоков11 и 16, а в случае превышения тренирующимся запрограммированного двигательного режима величину и темп нагрузки соответственно увеличивают с помощью тех же блоков 11, 16 также на 10% в минутном цикле работы (реализация) первого контура обратной связи.

Вместе с тем одновременно с вращением ручек эргометра 9, тренирующийся борец своим корпусом создает фронтальное усилие на корпус манекена 1, величина которого регулируется (задается) с помощью задатчика (гидроцилиндра) 4 и блока 16. При этом величина реально развиваемого фронтального усилия, прлагаемого борцом к манекену, измеряется с помощью датчика 8 и блока 14 и выводится на экран блока отображения экспресс-информации 15, т.е. таким образом реализуется второй контур цепи обратной связи в системе "тренажер-спортсмен".

Кроме того, предлагаемое тренажерное устройство позволяет отрабатывать такие важные приемы, как "посадка", "отрыв" и др. При проведении указанных приемов тренирующийся борец, захватив корпус манекена 1, прилагает к нему импульсное усилие, направленное либо вертикально вниз "посадка", либо вертикально вверх "отрыв" соперника при выполнении приема "бросок через грудь". Величина этого усилия задается с помощью гидроцилиндра 5, а величина усилия, прилагаемого тренирующимся к корпусу манекена вдоль его вертикальной оси измеряется датчиками 6, 7 и блоком 14, а результаты измерения выводятся в виде экспресс-информация на экран блока 15. Величина усилия "захвата" тренирующимся корпуса манекена 1 измеряется с помощью датчика 3 и блока 14.

Предлагаемый тренажер позволяет имитировать (моделировать) режим активных действий борца-соперника на тренирующегося борца, например: "ответный натиск", "осаживание", "бросок через грудь" и др. При этом соответствующие двигательные действия манекена 1 обеспечиваются гидроприводами (гидроцилиндрами) 4, 5 электромагнитом 2 и блоками 13, 16.

Кроме того, с помощью датчиков 3, 6, 7, 8, 10 и блоков 14, 15 обеспечивается возможность измерения и регистрации времени специфической реакции переключения тренирующегося борца от одного технического действия (приема) к другому, например: "захват рук соперника" (ручек эргометра 9), Затем "захват туловища соперника" (захват корпуса манекена), далее - "посадка" и "бросок через грудь". При этом с помощью электромагнита 2 манекен жестко фиксируется на опорной плите и во время проведения броска через грудь с помощью блока 16 электромагнит отключается в завершающей фазе отрыва от блока питания (на фиг. 2 не показан) и освобождает манекен от фиксации, чем обеспечивается свободный бросок манекена тренирующимся борцом.

Кроме того, в процессе тренировки, т.е. в процессе вращения речек эргометра 9 борцом, в него одновременно снимается информация о частоте пульса (ЧСС) и АД борца, что осуществляется с помощью блока съема ЧП и АД 18, размещенного на спортсмене. Информация о величине частоты сердечных сокращений и АД борца подается на компьютер 16, который сравнивает заданные (допустимые) значения частоты пульса борца с текущими значениями ЧП и АД, которые характеризуют переносимость спортсменом тренировочных нагрузок. При этом, если текущие измеренные величины ЧП и АД борца превышают допустимые их значения, то компьютер 16 уменьшит величину нагрузки и величину сопротивления на ручках эргометра 9 на 10% а в экстренных случаях может заблокировать работу тренажера. В случае превышения измеренных текучих значений ЧП и АД на экране дисплея 15 высвечивается сигнал тревоги (световой красный и звуковой).

Таким образом, формируется 3-й контур биологической обратной связи в системе "транежер-спортсмен" по критериям, характеризующим функциональное состояние тренирующегося.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемый тренажер позволяет, с одной стороны, осуществлять комплексное тестирование специальной работоспособности, силовой выносливости, скоростно-силовой подготовленности борцов, а с другой, -тренировать (совершенствовать) специальные двигательные и физические качества борцов в модулируемых ситуациях реального борцовского поединка.

Формула изобретения

Тренажерно-моделирующее устройство для спортсменов, содержащее манекен, электромагнит, связанный с блоком управления, соединенным с пультом управления, отличающееся тем, что манекен выполнен из упругого материала, в нижней внутренней части которого выполнена металлизированная полость в виде усеченного конуса, в котором установлен электромагнит, а в устройство введены тензометрический датчик силы захват манекена, встроенный в его боковую поверхность, задатчики усилия, прилагаемого к манекену тренирующимся во фронтальном и в вертикальном направлениях, выполненные в виде гидроцилиндров, два мембранных датчика усилия, прикладываемого к манекену в вертикальном направлении, мембранный датчик усилия, прикладываемого к манекену во фронтальном направлении, нагрузочный элемент для рук тренирующегося, выполненный в виде ручного эргометра, имеющего две приводные ручки и корпус, фотометрический датчик темпа вращения ручек эргометра, задатчик усилия на ручках эргометра, выполненный в виде электромагнитной муфты с возможностью установки ручек и корпуса эргометра в различных заданных положениях по высоте относительно манекена, мембранный датчик величины усилия, прилагаемого тренирующимся к ручкам эргометра, блок управления величиной давления в гидроцилиндрах, блок преобразования сигналов, выполненный в виде многоканального интерфейса, блок отображения информации, выполненный в виде табло с принтером, блок измерения частоты пульса и артериального давления, а блок управления выполнен в виде персонального компьютера, второй выход которого соединен с первым входом блока отображения информации, а третий выход с входом блока управления гидроцилиндрами, выходы которого подключены соответственно к задатчикам усилия на манекен во фронтальной плоскости, в вертикальной плоскости и на ручках эргометра, выход которого соединен с входом нагрузочного элемента для рук тренирующегося, первый выход задатчика усилия на манекен во фронтальной плоскости соединен механически с основанием манекена, второй выход этого задатчика соединен с входом мембранного датчика усилия, прикладываемого тренирующимся к манекену во фронтальной плоскости, выход которого соединен с первым входом блока преобразования сигналов, первый выход задатчика усилия на манекен в вертикальном направлении соединен с основанием манекена, второй выход этого задатчика соединен с входом датчика усилия, прикладываемого тренирующимся к манекену в вертикальном направлении, выход которого соединен с третьим входом блока преобразования сигналов, выход нагрузочного элемента для рук тренирующегося соединен с входом датчика усилия на ручках эргометра, выход этого датчика подключен к четвертому входу блока преобразования сигналов, второй выход задатчика усилия на манекен в вертикальном направлении соединен с входом датчика усилия, прикладываемого тренирующимся к манекену вертикально вниз, выход которого соединен с вторым входом блока преобразования сигналов, вход фотометрического датчика темпа вращения ручек эргометра соединен с выходом нагрузочного элемента для рук, а выход фотометрического датчика подключен к пятому входу блока преобразования сигналов, шестой вход которого соединен с выходом датчика усилия захвата манекена тренирующимся, вмонтированного в боковую поверхность корпуса манекена, выход блока преобразования сигналов соединен с вторым входом блока отображения информации, четвертый выход персонального компьютера соединен с седьмым входом блока преобразования сигналов, а второй вход компьютера соединен с выходом блока измерения частоты пульса и артериального давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4