СПОРТИВНЫЙ ТРЕНАЖЕР Российский патент 1999 года по МПК A63B21/00 A63B23/00 

Тренажер относится к тренировочным и лечебным устройствам и предназначен для активного развития мышц рук, ног, брюшного пресса, плечевого пояса и других групп мышц.

Известны спортивные тренажеры [1,2,3] , недостатками которых является сложность дозировки нагрузки и ограниченность применения.

Наиболее близким по своей технической сущности и решаемой задаче к предлагаемому устройству является спортивный тренажер [4], состоящий из исполнительного органа, соединенного через кинематическую схему с нагрузочным устройством, содержащим задатчик скорости, регуляторы скорости и нагрузки, электродвигатель, вал которого механически соединен со входом кинематической схемы и датчиком скорости, а также датчик нагрузки, индикатор нагрузки и датчик положения исполнительного органа.

Недостатком прототипа является сложность дозирования нагрузки, непостоянство нагрузки в различных фазах тренировочного движения, ограниченность применения.

Новые положительные свойства заявляемого устройства достигаются благодаря тому, что в спортивном тренажере, состоящем из исполнительного органа, соединенного через кинематическую схему с нагрузочным устройством, содержащим задатчик скорости исполнительного органа, регуляторы скорости и нагрузки исполнительного органа, электродвигатель, вал которого механически соединен со входом кинематической схемы и датчиком скорости электродвигателя, а также датчик и индикатор нагрузки исполнительного органа и датчик положения исполнительного органа, нагрузочное устройство содержит первый, второй и третий узлы суммирования, первый и второй задатчики нагрузки исполнительного органа, управляемый преобразователь напряжения, задатчик порога изменения нагрузки исполнительного органа, нелинейное звено и блок переключений, причем задатчик скорости исполнительного органа, первый узел суммирования, регулятор скорости исполнительного органа, первый задатчик нагрузки исполнительного органа, второй узел суммирования, регулятор нагрузки исполнительного органа, управляемый преобразователь напряжения и электродвигатель включены последовательно, при этом первый выход датчика положения исполнительного органа соединен со вторыми входами регуляторов скорости и нагрузки исполнительного органа, второй вход первого узла суммирования соединен с датчиком скорости электродвигателя, выход датчика нагрузки исполнительного органа подключен к индикатору нагрузки исполнительного органа и ко второму входу второго узла суммирования, задатчик порога изменения нагрузки исполнительного органа через третий узел суммирования, нелинейное звено и второй задатчик нагрузки исполнительного органа подключен к третьему входу второго узла суммирования, второй вход третьего узла суммирования соединен с датчиком скорости электродвигателя, первый и второй выходы датчика положения исполнительного органа соединены с входами блока переключений, а выход последнего подключен к задатчику порога изменения нагрузки исполнительного органа и второму входу нелинейного звена.

Отличия предложенного устройства от известного состоят в том, что нагрузочное устройство содержит первый, второй и третий узлы суммирования, первый и второй задатчики нагрузки, управляемый преобразователь напряжения, задатчик порога изменения нагрузки, нелинейное звено и блок переключении, задатчик скорости, первый узел суммирования, регулятор скорости, первый задатчик нагрузки, второй узел суммирования, регулятор нагрузки, управляемый преобразователь напряжения и электродвигатель включены последовательно, при этом первый выход датчика положения исполнительного органа соединен со вторыми входами регуляторов скорости и нагрузки, второй вход первого узла суммирования соединен с датчиком скорости, выход датчика нагрузки подключен к индикатору нагрузки и ко второму входу второго узла суммирования, задатчик порога изменения нагрузки через третий узел суммирования, нелинейное звено и второй задатчик нагрузки подключен к третьему входу второго узла суммирования, второй вход третьего узла суммирования соединен с датчиком скорости, первый и второй выходы датчика положения исполнительного органа соединены с входами блока переключений, а выход последнего подключен к задатчику порога изменения нагрузки и второму входу нелинейного звена.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Совокупность признаков, характеризующих данное изобретение, обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в упрощении дозирования нагрузки, постоянстве нагрузки в различных фазах тренировочного движения и расширении области применения.

На фиг. 1 представлена блок-схема нагрузочного устройства спортивного тренажера; на фиг. 2 - вариант реализации кинематической схемы устройства; на фиг. 3 - схемы выполнения упражнений с использованием заявляемого устройства; на фиг. 4 - характеристики нагрузочного устройства; на фиг. 5 - пример реализации конструкции датчика положения исполнительного органа; на фиг. 6 - пример конкретной реализации электрической схемы нагрузочного устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит: задатчик 1 скорости исполнительного органа, первый узел 2 суммирования, регулятор 3 скорости исполнительного органа, первый задатчик 4 нагрузки исполнительного органа, второй узел 5 суммирования, регулятор 6 нагрузки исполнительного органа, управляемый преобразователь напряжения 7, электродвигатель 8, кинематическую схему 9, исполнительный орган 10, датчик 11 нагрузки исполнительного органа, датчик 12 положения исполнительного органа 10, датчик 13 скорости двигателя, индикатор 14 нагрузки исполнительного органа, задатчик 15 порога изменения нагрузки исполнительного органа, третий узел 16 суммирования, нелинейное звено 17, второй задатчик 18 нагрузки исполнительного органа, блок 19 переключения.

Задатчик 1 скорости исполнительного органа через последовательно включенные первый узел 2 суммирования, регулятор 3 скорости исполнительного органа, первый задатчик 4 нагрузки исполнительного органа, второй узел 5 суммирования, регулятор 6 нагрузки исполнительного органа и управляемый преобразователь 7 напряжения соединен с электродвигателем 8, вал которого соединен со входом кинематической схемы 9 и датчиком 13 скорости двигателя. Выход кинематической схемы 9 механически соединен с исполнительным органом 10. Второй вход первого узла 2 суммирования соединен с датчиком 13 скорости двигателя. Вторые входы регулятора 3 скорости и регулятора 6 нагрузки исполнительного органа подключены к первому выходу датчика 12 положения исполнительного органа, который механически соединен с исполнительным органом 10. Выход датчика 11 нагрузки исполнительного органа подключен к индикатору 14 нагрузки и ко второму входу второго узла 5 суммирования. Задатчик 15 порога изменения нагрузки исполнительного органа через третий узел 16 суммирования, нелинейное звено 17 и второй задатчик 18 нагрузки исполнительного органа подключен к третьему входу второго узла 5 суммирования. Второй вход третьего узла 16 суммирования соединен с выходом датчика 13 скорости. Первый и второй выходы датчика 12 положения исполнительного органа 10 подключены к блоку переключений 19, а выход последнего соединен с задатчиком 15 порога изменения нагрузки исполнительного органа и вторым входом нелинейного звена 17.

Пример реализации кинематической схемы 9 устройства и исполнительного органа 10 поясняет фиг. 2. Вал электродвигателя 8 соединен через зубчатые колеса 20, 21 с валом исполнительного органа 10, выполненного в виде дугообразного рычага. Электродвигатель 8 и вал дугообразного рычага 10 смонтированы на основании 22, закрепленном на стойках 23 и платформе 24. Плечи дугообразного рычага 10 и стойки 23 выполнены в виде телескопических конструкций с возможностью изменения их длины. Установленная длина плеч дугообразного рычага 10 и стоек 23 фиксируется зажимными винтами 25.

На фиг. 3 показаны примеры выполнения упражнений на предлагаемом устройстве.

Поясним принцип работы устройства на примере выполнения упражнения на развитие бицепсов (фиг. 3а).

Исходное положение спортсмена - стоя на платформе 24, руки опущены, хват рукоятки дугообразного рычага "с низу", локтевой сустав на уровне оси вращения дугообразного рычага 10.

Перед выполнением упражнения задатчиком 1 скорости устанавливается величина скорости ω₁ (фиг. 4) движения исполнительного органа 10. Первым задатчиком 4 нагрузки исполнительного органа задается величина минимальной нагрузки М_min. Вторым задатчиком 18 нагрузки устанавливается величина максимальной нагрузки М_max. Задатчиком 15 порога изменения нагрузки исполнительного органа задается скорость ω₂, при достижении которой величина нагрузки начинает изменяться в пределах от минимальной заданной до максимальной заданной.

В исходном положении с первого выхода датчика 12 положения исполнительного органа 10 на вторые входы регуляторов скорости и нагрузки 3, 6 исполнительного органа поступает блокирующий сигнал. При этом напряжение, подаваемое через управляемый преобразователь 7 напряжения на электродвигатель 8, равно нулю, и создаваемая устройством нагрузка равна нулю.

После начала тренировочного движения "на подъем" с датчика 12 положения исполнительного органа 10 на регуляторы 3, 6 скорости и нагрузки исполнительного органа поступает деблокирующий сигнал. При этом на электродвигатель 8 с управляемого преобразователя 7 напряжения поступает напряжение, и на исполнительном органе 10 возникает усилие (нагрузка), препятствующее выполнению движения.

График зависимости усилия (момента М) на валу исполнительного органа 10 в зависимости от его угловой скорости ω показан на фиг. 4. Начальное заданное значение скорости на графике обозначено ω₁. При настройке тренажера направление вращения исполнительного органа 10 задается противоположным направлению его вращения при движении "на подъем", т.е. при выполнении движения "на подъем" знак скорости ω отрицательный, а при выполнении движения "на опускание" знак скорости ω положительный.

После начала движения "на подъем" скорость движения исполнительного органа становится отрицательной. Если спортсмен совершает движение со скоростью, не превышающей по модулю скорости порога изменения нагрузки ω₂, то создаваемое нагрузочным устройством усилие остается неизменным, равным минимальному заданному М_min (линия АВ на графике). Если же движение "на подъем" осуществляется со скоростью, по модулю большей ω₂, то усилие начинает возрастать пропорционально скорости (отрезок ВС на графике). Далее усилие достигает максимального заданного значения М_max и остается неизменным (отрезок СЕ на графике).

После достижения верхней точки движения "на подъем" спортсмен начинает движение "на опускание". При этом возможны два варианта работы нагрузочного устройства, которые задаются соответствующей настройкой датчика 12 положения исполнительного органа 10.

При работе по первому варианту после начала движения "на опускание", когда знак скорости ω изменяется с отрицательного на положительный, устройство переходит на участок характеристики BFA, и пока скорость опускания ниже заданной ω₁ нагрузочное устройство создает постоянное усилие, равное минимальному заданному.

При работе по второму варианту после достижения верхней точки движения "на подъем" блок 19 переключения выдает сигнал на задатчик 15 порога изменения нагрузки и на нелинейное звено 17, в результате устройство переходит на характеристику ECD.

При работе на этой характеристике и скорости опускания меньшей ω₂ нагрузочное устройство создает максимальное заданное усилие М_max. Если спортсмен начинает опускать исполнительный орган 10 со скоростью большей ω₂, усилие снижается по линейному закону (участок DF характеристики). Далее на участке FA усилие остается постоянным, равным минимальному заданному M_min.

Таким образом, при использовании спортивного тренажера обеспечивается изменение нагрузки с учетом возможностей тренирующегося: если спортсмен не в состоянии выполнять движение с заданным максимальным усилием, то оно автоматически снижается.

Сравним характер нагрузки при выполнении рассматриваемого движения с отягощением и с использованием заявляемого тренажера. При выполнении упражнения с отягощением величина усилия, преодолеваемого спортсменом зависит от фазы движения: при горизонтальном положении предплечий усилие максимально, а в нижнем и верхнем положении нагрузка на бицепс близка к нулю. В связи с этим для эффективной проработки мышц необходимо выполнять упражнение при различных исходных углах наклона плечевого сустава, что снижает эффективность тренировки. При использовании заявляемого устройства величина нагрузки (усилия) на тренируемую группу мышц во всех фазах движения (при неизменной скорости движения) остается постоянной. Кроме того, в заявляемом устройстве обеспечена возможность оперативного плавного изменения величины нагрузки.

Показанные на фиг. 4 характеристики спортивного тренажера реализуются при работе устройства следующим образом. Нагрузочное устройство спортивного тренажера содержит внутренний замкнутый контур, образованный вторым узлом 5 суммирования, регулятором 6 нагрузки исполнительного органа, управляемым преобразователем 7 напряжения, электродвигателем 8, датчиком 11 нагрузки исполнительного органа, а также внешний замкнутый контур, в который входит внутренний замкнутый контур, а кроме того датчик 13 скорости, первый узел 2 суммирования, регулятор 3 скорости исполнительного органа и первый задатчик 4 нагрузки исполнительного органа.

Внутренний замкнутый контур, как и любая замкнутая система, работает в режиме стабилизации задающего сигнала, поступающего на его вход. Этот сигнал определяется выражением:
U₂ = U_здн1 + U_здн2 (1)
где U_здн1 - задающее напряжение, снимаемое с первого задатчика 4 нагрузки исполнительного органа;
U_здн2 - задающее напряжение, поступающее со второго задатчика 18 нагрузки исполнительного органа.

Напряжение на выходе второго узла 5 суммирования, поступающее на регулятор 6 нагрузки исполнительного органа, равно
U_δ2 = U₂-U_дн, (2)
где U_дн - напряжение на выходе датчика 11 нагрузки исполнительного органа.

Напряжение, поступающее на вход регулятора 3 скорости исполнительного органа с выхода первого узла 2 суммирования, равно
U_δ1 = U_здс1-U_дс, (3)
где U_здс1 - напряжение на выходе задатчика 1 скорости;
U_дс - выходное напряжение датчика 13 скорости.

После того, как спортсмен, преодолевая усилие, создаваемое нагрузочным устройством, начинает движение "на подъем" направление скорости вращения электродвигателя 8 становится противоположным заданному. Поэтому сигнал датчика 13 скорости U_дс изменяет свой знак и, согласно выражению (3), складывается с U_здс1. При этом напряжение U_δ1 становится значительно больше номинального значения, и регулятор 3 скорости входит в насыщение: напряжение на его выходе достигает уровня насыщения и далее остается постоянным. Часть этого напряжения через первый задатчик 4 нагрузки исполнительного органа поступает в виде сигнала U_здн1 на вход второго узла 5 суммирования. При скорости, меньшей по модулю значения ω₂, сигнал U_здн2 на выходе второго задатчика 18 нагрузки исполнительного органа равен нулю, так как при этом равен нулю сигнал на выходе нелинейного звена 17. В результате, в соответствии с выражением (1), сигнал на входе внутреннего замкнутого контура равен U₂=U_здн1, и этот контур работает в режиме стабилизации заданного минимального значения нагрузки М_min.

Если спортсмен выполняет движение "на подъем" с повышенной скоростью, и ω превышает по модулю значение ω₂, то на выходе нелинейного звена 17 и, соответственно, на выходе второго задатчика 18 нагрузки исполнительного органа формируется сигнал U_здн2, пропорциональный приращению скорости. Задающий сигнал U₂ на входе внутреннего замкнутого контура, в соответствии с (1), начинает возрастать, и нагрузочное усилие возрастает по линейному закону в функции приращения скорости.

В точке С характеристики (фиг. 4) нелинейное звено 17 входит в насыщение, и при дальнейшем возрастании скорости его выходной сигнал, и соответственно напряжение U_здн2, остаются неизменными. В результате внутренний контур нагрузочного устройства работает в режиме стабилизации максимальной нагрузки M_max.

Рассмотрим работу нагрузочного устройства при движении "на опускание". В случае работы по первому варианту спортсмен при приближении к верхней точке замедляет движение, при этом усилие, создавамое нагрузочным устройством, плавно изменяется, в соответствии с участком характеристики ЕСВ (фиг. 4) аналогично тому, как описано выше. В верхней точке скорость становится равной нулю, а затем, после начала движения "на опускание", скорость становится положительной. Если спортсмен совершает движение "на опускание" со скоростью, меньшей заданной ω₁, то регулятор 3 скорости продолжает оставаться в насыщении, сигнал на выходе первого задатчика 4 нагрузки исполнительного органа U_здн1 остается неизменным, и внутренний замкнутый контур работает в режиме стабилизации заданного минимального значения нагрузки.

Если устройство настроено на работу по второму варианту, то при достижении верхней точки движения блок 19 переключений выдает сигнал на переключение задатчика 15 порога переключения нагрузки и нелинейного звена 17. В результате переключений характеристика нелинейного звена 17 видоизменяется так, что его выходное напряжение становится равным напряжению насыщения и остается неизменным до тех пор, пока скорость не превысит значение ω₂. Поэтому при движении на опускание со скоростью, меньшей ω₂, задающий сигнал на входе внутреннего замкнутого контура равен максимальному значению, и нагрузочное устройство создает максимальное заданное усилие М_max.

Если спортсмен начинает выполнять движение на "опускание" со скоростью, большей ω₂, то выходной сигнал нелинейного звена 17 и, соответственно, второго задатчика 18 нагрузки начинает уменьшаться. В результате снижается задающий сигнал U₂ на входе внутреннего замкнутого контура, определяемый выражением (1), и снижается усилие, создаваемое нагрузочным устройством.

В точке F характеристики (фиг. 4) напряжение на выходе нелинейного звена 17 и, соответственно, второго задатчика 18 нагрузки исполнительного органа снижается до нуля, и при дальнейшем возрастании скорости остается неизменным. При этом задающий сигнал на входе внутреннего замкнутого контура равен U_здн1, и нагрузочное устройство создает усилие, равное минимальному заданному M_min.

Как при первом, так и при втором вариантах работы устройства, если скорость опускания достигает значения ω₁, то регулятор скорости выходит из насыщения, и нагрузочное устройство переходит в режим стабилизации заданного значения скорости. То есть, например, если спортсмен не оказывает противодействующего усилия, то исполнительный орган 10 (дугообразный рычаг) будет вращаться в сторону "опускания" с заданной скоростью. После достижения крайнего нижнего положения с датчика 12 положения на регуляторы 3 скорости и 6 нагрузки исполнительного органа поступает блокирующий сигнал, нагрузка снимается, и нагрузочное устройство возвращается в исходное состояние.

Снятие нагрузки в заданном крайнем положении исполнительного органа 10 обеспечивает повышенную безопасность спортсмена при использовании спортивного тренажера.

При выполнении других упражнений нагрузочное устройство работает аналогично.

Поясним реализацию датчика 12 положения исполнительного органа 10. Датчик 12 положения содержит два путевых выключателя. Конструктивное расположение первого из них показано на фиг. 5. Корпус 26 путевого выключателя закреплен на основании 22 (фиг. 2). Рычаг 27 с роликом 28 путевого выключателя кинематически сопряжен с кулачком 29. Кулачок 29 выполнен с возможностью его поворота относительно диска 30, закрепленного на исполнительном органе 10 (дугообразном рычаге). Угловое положение кулачка 29 при настройке тренажера устанавливается и фиксируется винтом 31 так, чтобы в исходном положении для выполнения конкретного упражнения ролик 28 путевого выключателя находился в пазу кулачка 29. При этом размыкающие контакты SQ1 этого путевого выключателя находятся в замкнутом состоянии, а замыкающие - в разомкнутом.

Аналогично на втором основании 22 монтируется второй путевой выключатель. Причем положение второго кулачка в случае настройки спортивного тренажера на работу по описанному выше первому варианту устанавливается так, что замыкающий контакт SQ2 второго путевого выключателя в процессе выполнения упражнения остается постоянно разомкнутым, а в случае настройки на работу по второму варианту это контакт замыкается только при достижении исполнительным органом 10 крайней "верхней" точки в выполняемом упражнении.

Пример конкретной реализации электрической схемы нагрузочного устройства заявляемого спортивного тренажера приведен на фиг. 6. Отдельные блоки устройства выполнены по известным схемам, описанным, например, в литературе [5,6] .

Задатчик скорости исполнительного органа реализован на потенциометре RP1, первый и второй задатчики 4, 18 нагрузки исполнительного органа - на потенциометрах RP2, RP3 соответственно. Задатчик 15 порога изменения нагрузки выполнен на потенциометре RP4. Регулятор 3 скорости исполнительного органа и первый узел 2 суммирования реализован на операционном усилителе DA1, в цепь обратной связи которого включены емкость C1 и резистор R3. Сигнал задатчика 1 скорости и датчика 13 скорости исполнительного органа алгебраически суммируются на входе DA1 с помощью резисторов R1, R2. Второй узел 5 суммирования и регулятор 6 нагрузки исполнительного органа выполнены на операционном усилителе DA2, в цепь обратной связи которого включены емкость С2 и резистор R7. Сигналы первого задатчика 4 нагрузки, второго задатчика 18 нагрузки и датчика 11 нагрузки исполнительного органа алгебраически суммируются на входе DА3 с помощью резисторов R5, R6, R4, соответственно.

Включение в цепи обратной связи операционных усилителей DA1, DA2 емкостей C1, C2 и резисторов R3, R7 придает регуляторам скорости 3 и нагрузки 6 исполнительного органа свойства пропорционально-интегральных регуляторов, что обеспечивает высокие динамические качества системы регулирования.

В качестве управляемого преобразователя 7 напряжения в схеме использован типовой комплектный реверсивный тиристорный преобразователь, в качестве электродвигателя 8 - двигатель постоянного тока независимого возбуждения М, обмотка возбуждения M, которого подключена к источнику постоянного тока.

Датчиком 13 скорости служит тахогенератор BR постоянного тока с постоянными магнитами.

Датчик 11 нагрузки исполнительного органа выполнен в виде трансформатора тока ТА, первичная обмотка которого включена в цепь питания тиристорного преобразователя, и выпрямительного моста VM.

В качестве индикатора 14 нагрузки исполнительного органа используется вольтметр PV.

Нелинейное звено 17 и третий узел 16 суммирования реализованы на операционном усилителе DA3. В цепь обратной связи этого усилителя включены диод VD, емкость С3 и резистор R12. На входе DA3 с помощью резисторов R14, R11 алгебраически суммируются сигналы датчика 13 скорости и задатчика 15 порога изменения нагрузки. Кроме того, на вход нелинейного звена 17 через замыкающий контакт реле KV и резистор R13 может подаваться напряжение смещения.

В блок 19 переключений входит RS-триггер на микросхеме DA4, транзистор VT, в эмиттерную цепь которого включена обмотка реле KV, а также контакты путевых переключателей SQ1, SQ2 и резисторы R8, R9, R10.

Блок 19 переключений работает следующим образом. Когда исполнительный орган 10 находится в исходном положении, замыкающие контакты SQ1, SQ2, как описано выше, разомкнуты. При этом на вход R RS-триггера через резистор R9 поступает сигнал логического нуля, а на вход S через резистор R8 - сигнал логической единицы. На выходе RS-триггера устанавливается сигнал логического нуля, транзистор VT закрыт, и напряжение на обмотку реле KV не поступает.

После начала тренировочного движения замыкающий контакт SQ1 замыкается, и на вход R RS-триггера поступает сигнал логической единицы. RS-триггер находится в режиме хранения, и на его выходе поддерживается сигнал логического нуля.

В случае работы нагрузочного устройства по первому варианту настройки в течение всего тренировочного движения контакт SQ2 на входе RS-триггера остается разомкнутым, состояние RS-триггера не изменяется, и напряжение на обмотку реле KV не подается.

При работе нагрузочного устройства по описанному выше второму варианту настройки в крайнем "верхнем" положении исполнительного органа 10 замыкается замыкающий контакт SQ2 второго путевого выключателя, и на вход S RS-триггера подается сигнал логического нуля. Это приводит к переключению триггера: на его выходе устанавливается сигнал логической единицы. Этот сигнал сохраняется и после начала движения исполнительного органа 10 "на опускание", когда контакт SQ2 размыкается, т. к. при этом на входе RS-триггера присутствует комбинация логических сигналов 1,1, и он находится в режиме хранения. В результате после достижения крайней "верхней" точки тренировочного движения отпирается транзистор VT и на обмотку реле KV подается напряжение.

При обоих вариантах настройки в конце движения "на опускание", когда исполнительный орган 10 возвращается в исходное положение, контакт SQ1 на входе R RS-триггера вновь размыкается, и блок 19 переключений возвращается в исходное состояние.

Поясним работу нелинейного звена 17 на примере описанного выше тренировочного движения.

В исходном положении обмотка реле KV обесточена, размыкающий контакт реле KV замкнут, и на задатчик 15 порога изменения нагрузки подано положительное напряжение питания.

С помощью резисторов R11 и R14 на входе операционного усилителя DA3 алгебраически суммируются сигналы задатчика 15 (потенциометр RP4) порога изменения нагрузки и датчика 13 скорости.

После начала тренировочного движения "на подъем" скорость исполнительного органа 10 и электродвигателя 8 становится отрицательной, и сигнал на выходе датчика 13 скорости имеет отрицательный знак. Если скорость движения ω по модулю меньше заданной ω₂, то результирующий сигнал на входе DA3 больше нуля. При этом диод VD находится в проводящем состоянии, сопротивление в цепи обратной связи DA3 равно нулю, и сигнал на выходе этого операционного усилителя равен нулю. Благодаря этому напряжение U_здн2, снимаемое с потенциометра RP3, также равно нулю, и, как описано выше, нагрузочное устройство работает в режиме стабилизации минимального заданного усилия М_min (фиг. 4).

Когда скорость движения превышает по модулю ω₂, сигнал датчика 13 скорости возрастает по модулю на столько, что знак результирующего сигнала на входе DA3 меняется на отрицательный, диод VD запирается, и коэффициент усиления операционного усилителя DA3 определяется величиной сопротивления R12. На выходе нелинейного звена 17 появляется напряжение положительного знака (операционный усилитель инвертирует входной сигнал), величина которого возрастает пропорционально приращению скорости. Напряжение с потенциометра RP3, пропорциональное выходному сигналу нелинейного звена 17, складывается с напряжением первого задатчика нагрузки 4 исполнительного органа (потенциометр RP2). В результате задающий сигнал на входе замкнутого внутреннего контура регулирования нагрузки меняется в функции приращения скорости, и формируется участок ВС характеристики (фиг. 4).

При определенном повышении скорости (оно задается при настройке схемы величиной сопротивлений резисторов R14, R12) операционный усилитель DA3 входит в насыщение, и напряжение на его выходе и, следовательно, на втором задатчике нагрузки 18 (RP3) перестает изменяться. Нагрузочное устройство переходит в режим стабилизации максимального значения усилия М_max (участок СЕ характеристики на фиг. 4).

В случае настройки тренажера на работу по первому варианту каких-либо переключений в схеме нелинейного звена 17 не происходит, и после достижения верхней точки движения "на подъем" и последующем "опускании" исполнительного органа 10 сигналы в схеме изменяются аналогично описанному выше.

При настройке спортивного тренажера по второму варианту схема работает аналогично изложенному выше до момента достижения крайней "верхней" точки движения "на подъем". После достижения этой точки срабатывает, как описано выше, реле KV, его замыкающие контакты замыкаются, а размыкающие - размыкаются. На задатчик 15 порога изменения нагрузки (RP4) подается отрицательное напряжение, которое через резистор R11 поступает на вход операционного усилителя DA3. Кроме того, на вход DA3 дополнительно подается отрицательное напряжение смещения через резистор R13. В результате DA3 остается в насыщении, и на его выходе поддерживается максимальное положительное напряжение. При этом сигнал на выходе второго задатчика 18 нагрузки исполнительного органа (RP3) максимален, и устройство работает на участке CD характеристики (фиг. 4).

После начала движения "на опускание" электродвигатель начинает вращаться в заданном (положительном) направлении, и сигнал датчика 13 скорости становится положительным, т.е. противоположным знаку сигналов смещения и задатчика 15 порога изменения нагрузки. Далее по мере возрастания скорости результирующий сигнал на входе операционного усилителя DA3, оставаясь отрицательным, уменьшается по модулю.

В точке D нагрузочной характеристики результирующий сигнал на входе операционного усилителя DA3 становится равным порогу насыщения усилителя, а при дальнейшем возрастании скорости операционный усилитель DАЗ выходит из насыщения, и сигнал на его выходе начинает уменьшаться пропорционально приращению скорости. Благодаря этому уменьшается сигнал на выходе второго задатчик 18 нагрузки, и формируется участок DF характеристики (фиг. 4).

В точке F нагрузочной характеристики сигнал датчика 13 скорости возрастает на столько, что результирующий сигнал на входе DA3 становится равным нулю, а при дальнейшем возрастании ω результирующий сигнал на входе DA3 становится положительным. Диод VD переходит в проводящее состояние, и напряжение на выходе операционного усилителя DA3 и, соответственно, второго задатчика 18 нагрузки исполнительного органа становится равным нулю. В результате нагрузочное устройство работает на участке FA характеристики.

После достижения исполнительным органом 10 крайнего "нижнего" положения, как описано выше, обмотка реле KV теряет питание. Замыкающий контакт реле KV размыкается, а замыкающий - замыкается, и схема возвращается в исходное состояние.

Емкость C3 в цепи обратной связи операционного усилителя DA3 обеспечивает плавное изменение напряжения на втором задатчике 18 нагрузки исполнительного органа (RP3) при переключениях реле KV, и исключает скачки нагрузки на исполнительном органе 10.

Таким образом, спортивный тренажер при его использовании позволяет: обеспечить адаптацию создаваемой нагрузки к возможностям спортсмена; организовать точное дозирование и оперативное изменение нагрузки; обеспечить безопасность спортсмена и высокую эффективность тренировочного процесса.

Учитывая, что в спортивном тренажере для создания нагрузки не используется сила тяжести, он может быть использован в условиях невесомости для тренировки космонавтов.

Требуемая мощность электродвигателя для заявляемого тренажера, как показывают расчеты, составляет порядка 0,5 кВт.

Источники информации
1. Авт. свид. СССР N 1466763, 1989, Бюл. N 11.

2. Петров В.К. Ваш помощник тренажер. - М.: Сов. спорт, 1991.

3. Авт. свид. СССР N 1258442, 1986, Бюл. N 35.

4. Патент США N 4691694, кл. A 63 B 23/00, 1987.

5. Чиликин М.Г. и др. Теория автоматизированного электропривода. - М.: Энергия, 1979.

6. Сабинин Ю. А. Электромашинные устройства автоматики. - М.: Энергоатомиздат, Ленинград. отд-ние, 1988.3

Изобретение относится к спортивным тренажерам и предназначено для активного развития различных групп мышц. Сущность изобретения заключается в том, что в тренажере, состоящем из исполнительного органа, соединенного через кинематическую схему с нагрузочным устройством, нагрузочное устройство содержит электродвигатель, вал которого механически соединен со входом кинематической схемы, последовательно включенные задатчик скорости, первый узел суммирования, регулятор скорости, первый задатчик нагрузки, второй узел суммирования, регулятор нагрузки, управляемый преобразователь напряжения, а также датчик и индикатор нагрузки, датчик положения исполнительного органа, датчик скорости, задатчик порога изменения нагрузки, третий узел суммирования, нелинейное звено, второй задатчик нагрузки и блок переключений. Применение устройства позволяет повысить эффективность тренировочного процесса за счет высокой степени универсальности устройства, возможности оперативного плавного изменения задаваемой нагрузки и адаптации величины нагрузки к возможностям спортсмена. 6 ил.

Спортивный тренажер, состоящий из исполнительного органа, соединенного через кинематическую схему с нагрузочным устройством, содержащим задатчик скорости исполнительного органа, регуляторы скорости и нагрузки исполнительного органа, электродвигатель, вал которого механически соединен со входом кинематической схемы и датчиком скорости электродвигателя, а также датчик и индикатор нагрузки исполнительного органа и датчик положения исполнительного органа, отличающийся тем, что нагрузочное устройство содержит первый, второй и третий узлы суммирования, первый и второй задатчики нагрузки исполнительного органа, управляемый преобразователь напряжения, задатчик порога изменения нагрузки исполнительного органа, нелинейное звено и блок переключений, причем задатчик скорости исполнительного органа, первый узел суммирования, регулятор скорости исполнительного органа, первый задатчик нагрузки исполнительного органа, второй узел суммирования, регулятор нагрузки исполнительного органа, управляемый преобразователь напряжения и электродвигатель включены последовательно, при этом первый выход датчика положения исполнительного органа соединен со вторыми входами регуляторов скорости и нагрузки исполнительного органа, второй вход первого узла суммирования соединен с датчиком скорости электродвигателя, выход датчика нагрузки исполнительного органа подключен к индикатору нагрузки исполнительного органа и ко второму входу второго узла суммирования, задатчик порога изменения нагрузки исполнительного органа через третий узел суммирования, нелинейное звено и второй задатчик нагрузки исполнительного органа подключен к третьему входу второго узла суммирования, второй вход третьего узла суммирования соединен с датчиком скорости электродвигателя, первый и второй выходы датчика положения исполнительного органа соединены с входами блока переключений, а выход последнего подключен к задатчику порога изменения нагрузки исполнительного органа и второму входу нелинейного звена.