УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕНИРОВКИ МЫШЦ И ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ КОНДИЦИОННЫХ И КООРДИНАЦИОННЫХ СПОСОБНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА Российский патент 2012 года по МПК A63B21/00 

Изобретение относится к спортивным и игровым тренажерам, а также предназначено для определения и развития кондиционных (скоростных, скоростно-силовых качеств, выносливости и др.) и координационных (точность воспроизведения и дифференцирование пространственных, временных и силовых параметров движений, равновесие, быстрота и точность реагирования на изменяющуюся ситуацию, согласование движений, ориентирование в пространстве) способностей человека. Оно сочетает в себе достоинства игры и занятий на тренажерах.

Известно устройство [1], предназначенное для усиления мускулов живота на уровне талии, мышц, расположенных в задней части и ягодицах, а также всех остальных мускулов тела, включающее основание, стержень, который может перемещаться в любом направлении, один из концов которого имеет рукоятку, а другой его конец связан с основанием посредством механизма связи. Механизм связи включает шар на конце стержня, шар размещен в трубе, верхний конец которой выполнен так, чтобы соответствовать верхнему концу шара, нижний конец трубы прикреплен к основанию. Упомянутый шар может двигаться во всех направлениях в ответ на движение, придаваемое шару, в пределах места, ограниченного верхним концом трубы и частью, формирующей место для шара, установленного на основание, посредством регулировочного механизма, позволяющего регулировать трение шара.

Достоинство данного устройства состоит в том, что оно способно воздействовать на мускулы почти всего тела человека, в частности усилить брюшные мускулы на уровне талии и ягодиц. Устройство занимает мало места, компактное и не очень дорогое, предлагает непрерывное сопротивление движениям стержня во всех направлениях и позволяет приспосабливаться, осуществляя трение в зависимости от положения человека, выполняющего упражнение.

Недостатками этого устройства является следующее:

- использование трения металла по металлу;

- относительно сложное построение используемого шара;

- нет возможности получения биомеханических характеристик выполняемого движения;

- нет обратной связи - ответа организма человека на выполняемое двигательное действие или на получаемую нагрузку.

Известно техническое решение - «силовой джойстик» [2], имеющий практически все элементы электрической схемы обычного «джойстика», но сама конструкция рассчитана на приложение значительных усилий к прочному «игровому стержню», выполненному с расчетом на возможность изменения величин оказываемого сопротивления. Для этого используются спиральные рессорные пружины, закрепляемые на массивном основании. Изменение величин сопротивления усилием занимающегося обеспечивается как посредством изменения длины рычага (рабочей части «игрового стержня»), так и путем управления жесткостью спиральной пружины.

Достоинство этого технического решения заключается в том, что осуществляется управление перемещениями фигурок на экране монитора (дисплея) персонального компьютера посредством этого силового устройства, полностью выполняющего функции «Джойстика», приложением к нему дозируемого по величинам и направлениям усилия.

Недостатком данного устройства является то, что нет возможности плавно регулировать дозированное сопротивление нагрузки в зависимости от функционального состояния занимающегося, поэтому используются съемные рукоятки, обеспечивающие разные условия захвата и приложения силы, и, кроме того, наибольшая сила проявляется при максимальном отведении «игрового стержня» от положения равновесия.

Известно техническое решение «Устройство для тренировки мышц» [3], содержащее «игровой стержень», выполненный с возможностью изменения величины оказываемого сопротивления, обеспечиваемого посредством изменения длины рычага - рабочей части «игрового стержня», несколько модификаций съемных рукояток для присоединения к одному концу «игрового стержня», каждая из которых оснащена кнопками, электрический кабель для подключения к системному блоку персонального компьютера и основание для крепления на нем устройства с помощью крепежных элементов, оптическую «мышь», управляющую положением курсора на экране монитора в зависимости от перемещения «игрового стержня», клавиши которой электрическими отводами соединены с кнопками подсоединенной рукоятки, при этом другой конец «игрового стержня» выполнен в виде шара, размещенного в стакане, образующем среду регулируемого трения для шара, причем среда регулируемого трения обеспечивается с помощью стягивающего узла и трущихся о шар элементов, расположенных в верхней и нижней частях стакана, стягивающий узел включает в себя верхнюю подвижную пластину, нижнюю неподвижную пластину и резиновую демпферную пластину, в верхнем трущемся элементе, в верхней подвижной пластине и демпферной резиновой пластине, а также в нижнем трущемся элементе и неподвижной пластине выполнены круговые сквозные отверстия, первые для перемещения «игрового стержня», а вторые для сканирования поверхности шара оптической «мышью».

Достоинством данного устройства является создание равномерного сопротивления «игровому стержню» в пределах заданного сектора его перемещения и плавная регулировка этого сопротивления.

Недостатком этого устройства является узкий диапазон регулировки, обеспечиваемый стягивающим механическим узлом, и связанная с этим трудность задания требуемой величины оказываемого сопротивления.

Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является «Устройство для тренировки мышц и для определения и развития кондиционных и координационных способностей человека» [4], содержащее силовой блок, блок управления и блок программ, первый из которых имеет в своем составе «игровой стержень», выполненный с расчетом на возможность изменения длины рычага - рабочей части «игрового стержня», рукоятку, оснащенную двумя кнопками, подсоединяемую к одному концу «игрового стержня», другой конец «игрового стержня» выполнен в виде шара, размещенного в стакане, образующем среду регулируемого трения для шара, обеспечиваемого с помощью стягивающего узла и воздействующих на шар трущихся элементов, расположенных в верхней и нижней частях стакана, нижний из них размещен на неподвижной пластине и на него опирается упомянутый шар, а верхний трущийся элемент с помощью первой подвижной пластины прижимается к шару посредством тяговых стержней, соединяющих первую подвижную пластину со второй подвижной пластиной, причем в верхнем трущемся элементе и первой подвижной пластине, а также в нижнем трущемся элементе и нижней неподвижной пластине выполнены сквозные круговые отверстия, первые для перемещения «игрового стержня», а вторые для сканирования поверхности шара оптической «мышью», прикрепленной снизу к неподвижной пластине и входящей в блок управления и управляющей положением курсора на экране дисплея персонального компьютера в зависимости от перемещения «игрового стержня», клавиши которой электрическими отводами соединены с упомянутыми кнопками подсоединенной рукоятки, и с помощью электрического кабеля она подключена к системному блоку персонального компьютера, работающего под управлением программ, входящих в блок программ, кроме того, в нем стягивающий узел силового блока наряду с известными элементами также включает в себя дополнительно n тяговых стержней и n конусообразных пружин, надетых на стержни и расположенных между первой подвижной пластиной и верхним трущимся элементом на суммирующей пластине, шток, закрепленный во второй подвижной пластине равноудалено от крепления в ней тяговых стержней и расположенной ниже оптической «мыши», рычаг, закрепленный на уголках, установленных на внутренней боковой стенке стакана и соединенный одним концом со штоком, а другим концом через прорезь в стенке стакана и соединительную планку - с тяговой шпилькой, имеющей лыску по всей ее длине и проходящей через направляюще-тяговое приспособление, имеющее в своем составе направляющий элемент и тяговую «гайку-барашек», и которое установлено на внешней боковой поверхности стакана в его верхней части, кроме того, в суммирующей пластине также выполнено круговое отверстие и в верхней половине упомянутого шара увеличено трение между шаром и трущимся элементом, при этом силовой блок крепится к платформе, на которой стоит занимающийся, и упомянутая оптическая «мышь» подключена к системному блоку персонального компьютера через интерфейс USB - Universal Serial Bus, и в блоке управления добавлены видео и звуковой каналы и узел определения частоты сердечных сокращений, подключенный к LPT-порту системного блока, а для вывода на экран дисплея игровой сцены в блоке программ использована программа трехмерной графики, где в качестве объекта управления выбрана бабочка с изменяемой цветностью, и ее движения к кольцу сопровождаются подобранными музыкальными мелодиями, при этом в блок программ входят также служебные, информационно-регистрационные и математические программы, устанавливаемые перед работой устройства на жестком диске системного блока персонального компьютера.

Достоинством данного технического решения является:

- компактность и простота конструкции;

- применение видео и звукового каналов;

- применение принципа рычага и его модификации миниворота для усиления давления на шар;

- использование программы трехмерной графики для качественной картинки на экране дисплея персонального компьютера;

- наблюдение за самочувствием занимающегося.

Однако оно не лишено недостатков, а именно:

- использовано большое количество конусообразных пружин и, как результат, наблюдается прогиб суммирующей пластины;

- относительно малая нагрузка на мышцы ног занимающегося;

- неудобство с оптической мышью: чтобы ее извлечь, надо разобрать практически все устройство;

- не каждая оптическая мышь подходит для данного устройства, а только в миниатюрном исполнении.

Задачей данного изобретения является разработка устройства, в котором сохранены достоинства прототипа и устранены его недостатки.

Указанная задача в «Устройстве для тренировки мышц и для определения и развития кондиционных и координационных способностей человека», содержащем силовой блок, блок управления и блок программ, в блок управления входит оптическая мышь, подключенная к системному блоку персонального компьютера через USB-порт, а также видео и звуковой каналы и узел определения частоты сердечных сокращений занимающегося, подключенный к LTP-порту или USB-порту системного блока, а для вывода на экран дисплея игрового сценария в блоке программ использована программа трехмерной графики и, кроме того, в блок программ входят служебные, информационно-регистрационные и математические программы, устанавливаемые на жестком диске персонального компьютера перед работой на устройстве, а силовой блок, размещенный на основании, имеет в своем составе игровой стержень, выполненный с расчетом на возможность изменения длины рычага - рабочей части игрового стержня, рукоятку, оснащенную кнопками и подсоединяемую к одному концу игрового стержня, другой конец игрового стержня выполнен в виде шара, размещенного в стакане, образующем среду регулируемого трения для шара, обеспечиваемого с помощью стягивающего узла и воздействующих на шар трущихся элементов, расположенных в верхней и нижней частях шара, при этом нижний трущийся элемент размещен на неподвижной пластине и на него опирается упомянутый шар, а верхний трущийся элемент с помощью первой подвижной пластины прижимается к шару посредством тяговых стержней, соединяющих первую подвижную пластину со второй подвижной пластиной, причем в верхнем трущемся элементе, в суммирующей пластине и первой подвижной пластине, а также в нижнем трущемся элементе и нижней неподвижной пластине выполнены сквозные круговые отверстия, первые для перемещения игрового стержня, а вторые для сканирования поверхности шара оптической мышью, прикрепленной снизу к неподвижной пластине и управляющей положением курсора на экране дисплея персонального компьютера в зависимости от перемещения игрового стержня, клавиши которой электрическими отводами соединены с упомянутыми кнопками подсоединенной рукоятки, и с помощью электрического кабеля она подключена к системному блоку персонального компьютера, работающему под управлением программ, входящих в блок программ, при этом стягивающий узел содержит пружину и тяговые стержни, охватывающие первую подвижную пластину и проходящие через суммирующую пластину, верхний и нижний трущиеся элементы, нижнюю неподвижную пластину и закрепленные во второй подвижной пластине, на которой расположен шток, равноудалено от крепления в ней тяговых стержней, а сама вторая подвижная пластина размещена ниже оптической мыши, рычаг, закрепленный внутри стакана и связанный одним концом со штоком, а другим его концом через прорезь в боковой стенке стакана и первую соединительную планку - с тяговой шпилькой, проходящей через направляюще-тяговое приспособление, имеющее в своем составе направляющее средство и тяговую гайку и установленное на внешней боковой поверхности стакана, решается тем, что в нем в стягивающем узле применены четыре тяговых стержня и одна общая конусообразная пружина достаточной жесткости, расположенная в центре между первой подвижной пластиной и суммирующей пластиной, узким концом направленная к последней и охватывающая игровой стержень, использована миниатюрная оптическая мышь, закрепленная в стакане таким образом, что, при необходимости, ее можно извлекать через окошко в боковой стенке стакана, и зазор между поверхностью шара и оптической мышью не превышает гарантированного изготовителем оптической мыши для ее нормальной работы, при этом первый конец рычага, закрепленного на уголке внутри стакана, подсоединен к штоку через вторую соединительную планку, а указанная шпилька имеет проточку по всей длине ее нарезной части, в которую через направляющее средство приспособления вкручивается часть первого винта, исключающего вращение шпильки, в тяговой гайке выполнена цилиндрическая канавка, в которую через направляющее средство приспособления вкручивается часть второго винта, ограничивающего ее продольное перемещение, при этом диаметр тяговой гайки во много раз больше диаметра указанной шпильки, в результате чего образован миниворот, кроме того, в силовой блок введены дополнительно восемь узлов воздействия на мышцы ног занимающегося, размещенные в кассете равномерно по краям упомянутого основания и подсоединенные через USB-порты к системному блоку персонального компьютера, причем при работе этих узлов игровой стержень застопорен в вертикальном положении, а в блоке программ при работе с игровым стержнем в качестве объекта управления выбрана змейка изменяющегося цвета, движения которой к пище, перемещающейся хаотически, по закону случайных чисел, сопровождаются подобранными мелодиями, а при работе с указанными восемью узлами объектом управления является сам занимающийся, цветовая подсветка каждого узла может меняться и осуществляется также по закону случайных чисел, занимающийся должен наступать на каждый загорающийся узел левой или правой ногой, «гася» его, и все это учтено в программном обеспечении.

Отличительными признаками заявляемого технического решения является следующее.

В силовом блоке:

во-первых, стягивающий узел включает в себя четыре (4) тяговых стержня и одну общую конусообразную пружину достаточной жесткости, расположенную в центре между первой подвижной пластиной и суммирующей пластиной, узким концом направленную к последней и охватывающую игровой стержень;

во-вторых, использована миниатюрная оптическая мышь, закрепленная в стакане таким образом, что, при необходимости, ее можно извлечь через окошко в боковой стенке стакана, и зазор между поверхностью шара и оптической мышью не превышает гарантированного изготовителем оптической мыши для ее нормальной работы;

в-третьих, первый конец рычага, закрепленного на одном уголке внутри стакана, подсоединен к штоку через вторую соединительную планку;

в-четвертых, шпилька имеет проточку по всей длине ее нарезной части, в которую через направляющее средство приспособления вкручивается часть первого винта, исключающего вращение указанной шпильки, а в тяговой гайке выполнена цилиндрическая канавка, в которую через направляющее средство приспособления вкручивается часть второго винта, ограничивающего ее продольное перемещение;

в-пятых, введены дополнительно восемь (8) узлов воздействия на мышцы ног занимающегося, размещенные в кассете равномерно по краям упомянутого основания и подсоединенные через USB-порт к системному блоку персонального компьютера, причем при работе этих узлов игровой стержень застопорен в вертикальном положении.

В блоке программ:

при работе с игровым стержнем в качестве объекта управления выбрана змейка изменяющегося цвета, движения которой к пище, перемещающейся хаотически, по закону случайных чисел, сопровождаются подобранными мелодиями, а при работе с указанными восемью узлами объектом управления является сам занимающийся, так как цветовая подсветка каждого узла осуществляется также по закону случайных чисел, и занимающийся должен наступать на каждый «загорающийся» узел левой или правой ногой.

В заявляемом устройстве отличительные признаки проявляют известные в других областях науки и техники свойства, а взятые в соответствии с признаками прототипа проявляют свойства, которые позволяют создать равномерное дозированное сопротивление «игровому стержню» в пределах всего заданного сектора его перемещения, плавно расширенно регулировать величину этого сопротивления, определять и способствовать развитию кондиционных способностей человека, подстраивать нагрузку в зависимости от функционального состояния человека и увеличивать воздействие на мышцы ног занимающегося, что указывает на соответствие заявляемого технического решения критерию «существенные отличия».

Предлагаемое устройство поясняют схематические чертежи.

На фиг.1 и 2 изображено схематично устройство с узлами и элементами, их подключение к средствам вычислительной техники, поясняющими принцип действия.

На фиг.3 и 4 показана часть силового блока с игровым стержнем.

На фиг.5, 6, 7 и 8 изображена схематически конструкция и возможная схема узла воздействия на мышцы ног занимающегося, где на фиг.5 - вид на кассету сверху, на фиг.6 - вид узла спереди, на фиг.7 - вид на него сверху и на фиг.8 - возможная электрическая схема нагрузочного узла.

На фиг.9, 10 и 11 представлен узел определения частоты сердечных сокращений (ЧСС).

Заявляемое устройство содержит три блока: силовой блок, блок управления и блок программ.

Силовой блок (фиг.1, 2, 3, 4 и 5) состоит из основания 1, на которое крепится стакан 2, в который встраивается «игровой стержень» 3 с рукояткой 4 с установленными на ней двумя кнопками 5 и 6, и кассета 7 с нагрузочными узлами, на которую становится занимающийся.

Блок управления содержит персональный компьютер 8 (оконтурен штрихпунктирной линией) с дисплеем 9, клавиатурой 10, системным блоком 11 с дисководом 12, через который в персональный компьютер 8 вводится программное обеспечение. Дисплей 9, системный блок 11, видеоплата 13 и соответствующая часть программного обеспечения образуют видеоканал 14 устройства (оконтурен пунктирной линией). Звуковая плата 15, звуковые колонки 16 и соответствующая часть программного обеспечения образуют звуковой канал 17, связанный с общей шиной системного блока 11 (оконтурен пунктирной линией) и сопровождающий изображения видеоканала 14. Датчик пульса 18 и усилитель-формирователь 19 образуют узел определения ЧСС 20, связанный с USB-портом 21 системного блока 11. Информация о работе содержимого стакана 2 связана с системным блоком 11, с помощью, например, оптической мыши 24 вводится через интерфейс Uniwersal Serial Bus (USB) 22.

Усилитель-формирователь 19, датчик пульса 18 и восемь нагрузочных узлов 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 и 32 через кабель 33 и переключатель 34 запитаны от источника питания 23.

Управление нагрузочными узлами осуществляется персональным компьютером 8, т.е. его системным блоком 11, через многожильные кабели 35 и 36, соединяющие указанные узлы через USB-порты 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43 и 44, соответственно, кабеля 35 и USB-порты 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51 и 52 кабеля 36.

В блоке программ при работе с игровым стержнем в качестве объекта управления выбрана змейка изменяющегося цвета, движения которой к пище, перемещающейся хаотически, по закону случайных чисел, сопровождаются подобранными мелодиями, а при работе с указанными восемью узлами объектом управления является сам занимающийся, так как цветовая подсветка каждого узла осуществляется также по закону случайных чисел, и занимающийся должен наступать на каждый «загорающийся» узел левой или правой ногой.

Рассмотрим силовой блок подробнее (фиг.3, 4, 5, 6, 7, 8). Он выполнен в виде двух частей. Первая часть силового блока выполнена в виде нагрузочного сопротивления в основном для верхних конечностей и плечевого пояса занимающегося (фиг.3 и 4), а вторая часть - дополнительная нагрузка для его нижних конечностей и для развития кондиционных и координационных способностей (фиг.5, 6, 7 и 8).

В первой части (фиг.3, 4) другой конец «игрового стержня» 3 выполнен в виде шара 53, размещенного в стакане 2, образующем среду регулируемого трения для шара 53. Эта среда обеспечивается с помощью стягивающего узла и двух трущихся о шар 53 элементов 54 и 55, расположенных соответственно в верхней и нижней частях шара 53. Опираясь на неподвижную пластину 56 и шар 53, трущиеся элементы 54 и 55 прижимаются к шару 53 «игрового стержня» 3 стягивающим узлом, образованным верхней первой подвижной пластиной 57, нижней 56 неподвижной пластиной и второй подвижной пластиной 58, стягиваемыми четырьмя тяговыми стержнями 59, 60, 61, 62 с крепежными гайками 63, например, конусообразной пружины 64, размещенной между первой подвижной пластиной 57 и суммирующей пластиной 65, охватывая игровой стержень, штока 66 с крепежной гайкой, рычага 67, закрепленного на уголке 68, установленном на внутренней боковой стенке стакана 2, выполненного в виде призмы с квадратным поперечным сечением и соединенного одним концом со штоком 66 через первую соединительную планку 69, а другим концом через прорезь в боковой стенке стакана 2 и вторую соединительную планку 70 - с тяговой шпилькой 71, проходящей через направляюще-тяговое приспособление 72, имеющее в своем составе направляющую, состоящую из винта 73 и проточки 74 на шпильке 71, и тяговую гайку 75 со вспомогательными элементами: винт 76 и цилиндрическая канавка 77. К нижней 56 неподвижной пластине прикрепляется оптическая мышь 24, сканирующая поверхность шара 53. От левой клавиши оптической мыши 24 сделаны электрические отводы, оканчивающиеся кнопками 5 и 6 (фиг.1 и 2). С помощью разъема 79 меняют рукоятку 4. Оптическая мышь 24 соединяется с помощью электрического кабеля 78 также с системным блоком 11 персонального компьютера 8. В верхнем 54 трущемся элементе, первой подвижной пластине 57 и суммирующей пластине 65 сделаны сквозные круговые отверстия для перемещения игрового стержня 3. В нижнем 55 трущемся элементе и нижней 56 неподвижной пластине также сделаны сквозные круговые отверстия, но для сканирования оптической мышью 24 поверхности шара 53. Стакан 2 крепится к основанию 1 с помощью, например, винтов или шурупов 80, 81, 82 и 83.

Работает эта часть силового блока следующим образом.

С помощью винтов или шурупов 80, 81, 82, 83 закрепляют стакан 2 на основании 1.

С помощью электрического кабеля 78 подключают оптическую мышь 24 к системному блоку 11 персонального компьютера 8. С помощью тянущей гайки 75 направляюще-тягового приспособления 72 задают требуемое сопротивление игрового стержня 3. После этого начинают перемещать игровой стержень 3, управляя положением курсора на экране дисплея 9 персонального компьютера 8.

Перемещая игровой стержень 3 от себя, перемещают курсор в верхнюю часть экрана дисплея 9 по вертикали, перемещая игровой стержень 3 к себе, передвигают курсор в нижнюю часть экрана по вертикали. Передвигая игровой стержень за рукоятку 4 влево (фиг.1), перемещают курсор по горизонтали в левую часть экрана дисплея 9, передвигая игровой стержень 3 вправо, передвигают курсор по горизонтали в правую часть экрана дисплея 9. Таким образом, передвигая игровой стержень 3 в пространстве, передвигают курсор по всему экрану дисплея 9 и одновременно задают физические нагрузки на различные мышцы и группы мышц плечевого пояса и частично мышцы спины занимающегося, а при соответствующем программном обеспечении задают интеллектуальные нагрузки.

Прежде чем описать, как работает эта часть устройства, кратко опишем примененный способ управления.

Виртуальный объект управления - змейка, ее движения на экране дисплея. Направление ее движения изменяется перемещением силового манипулятора (игрового стержня). Скорость ее движения задается занимающимся или педагогом и зависит от уровня сложности задания. В зависимости от уровня сложности змейка меняет внешний вид, поддерживая интерес занимающегося к игре.

Перед занимающимся игроком ставится задача - за заданный промежуток времени провести змейку как можно к большему числу источников пищи, возникающих в случайных местах игрового пространства на дисплее. Число источников пищи, через которые игрок проводит змейку в единицу времени, будем называть скоростью прохождения источников пищи. Эта скорость является критерием, по которому ведется оценка психофизического состояния игрока.

В случайном месте игрового пространства возникает источник пищи. При приближении к нему змейки он исчезает и появляется новый уже в другом месте. Сюда же на экран выводятся: 1) номер уровня сложности; 2) число источников пищи, пройденных за последнее время; 3) время игры - тренировки в минутах и секундах.

Уровень сложности напрямую связан с физической нагрузкой и меняется по результатам игры (зависит от скорости прохождения змейкой источников пищи), с учетом физической подготовленности и реакции занимающегося и его двигательного опыта. Занимающийся испытывает нагрузку, управляя игрой посредством этой части силового блока.

Цель управления нагрузкой в данной части занятия состоит в том, чтобы по возможности поддерживать постоянную скорость, задаваемую педагогом или инженером-исследователем. В качестве критерия оптимальности управления выбрано отличие фактической скорости от заданной (чем меньше отличие, тем лучше). Отличие скорости определяется численным интегрированием модуля разности скоростей по времени после тренировки (игры).

Психологами доказано, что первой у человека утомляется кора больших полушарий. У каждого человека это происходит индивидуально. Поэтому скорость прохождения источников пищи индивидуальна для каждого человека и будет неправильным задавать общую для всех этой характеристики. Необходимо определять величину скорости индивидуально для каждого человека, лучше всего в условиях игры или во время тренировки.

Педагог или инженер-исследователь может задать требуемую величину скорости прохождения источников пищи, индивидуально для каждого занимающегося, основываясь на своем опыте и рекомендациях системы управления устройства. Основным измеренным результатом тренировки, используемым для принятия решения о требуемой индивидуальной величине скорости прохождения змейкой источников пищи, является максимальная скорость их прохождения. Эта скорость определяется после каждого занятия делением числа пройденных источников пищи на время тренировки. Максимальный результат сохраняется. Таким образом, в блоке базы данных для каждого занимающегося хранится максимальная и требуемая величина скорости прохождения источников пищи. Если требуемая величина скорости будет больше максимальной для данного занимающегося, то он не сможет подняться выше нулевого уровня. Поэтому необходимо, чтобы требуемая величина скорости прохождения источников пищи была меньше максимальной скорости для данного занимающегося.

Видеоканал 14 (см. фиг.1) участвует в игре или в выполнении тренировочного задания непосредственно, а звуковой канал 17 участвует, в основном, в сопровождении игры или тренировки, но он необходим для стимулирования интереса занимающихся.

Для вывода игровой сцены на дисплей 9 (см. фиг.1) используется качественная трехмерная графика, где в качестве объекта управления выбрана змейка. Над квадратной площадкой, покрытой текстурой травы и качающимися ромашками, в ограниченном пространстве внутри невидимого куба движется объект управления (змейка). Вокруг куба - облака и неподалеку большая радуга. По траве ползают божьи коровки. Над ромашками летают и иногда садятся на них бабочки.

Детализация. Количество деталей игрового или тренировочного пространства (ромашки, божьи коровки, бабочки) не влияет на игровую или тренировочную ситуацию, но повышает визуальное качество игры и системные требования: если 0, то минимальная детализация, минимальные системные требования, если 100, то максимальная детализация и большие системные требования, но выше качество.

Изменение внешнего вида змейки. В игре или тренировке заданы номера змеек и соответствующие им уровни, начиная с которых змейка принимает новый внешний вид.

Настройка камеры. В настройках камеры задают скорость движения камеры. Камера привязана к объекту управления (змейке) не жестко, при движении объекта камера отстает. Это выглядит более естественно. Чем больше число, тем жестче камера привязана к объекту управления (змейке). Задаваемый угол наклона - это угол, под которым камера возвышается над змейкой. Камера может подстраивать свою скорость автоматически под скорость змейки. Это может быть полезно при скорости игры или тренировки, зависящей от уровня.

Работают с устройством в этой частит следующим образом.

В начале занятия из блока программ его базы данных для занимающегося, который будет играть или тренироваться, выбираются все необходимые данные, и загружается соответствующий им уровень нагрузки. Педагог или инженер-исследователь производят все настройки до начала выполнения двигательных действий в тренировке (настройку графики, при необходимости, можно производить в любое время). Настройка игры и тренировки производится под возможности компьютера (скорость процессора, звуковая плата или карта, видеокарты или видеоплаты в настройках графики и звукового блока) и под имеющийся силовой манипулятор (игровой стержень) (чувствительность управления, время задержки при смене уровней и др.), а также с учетом оптимальных условий игры или тренировки (скорость течения времени, размеры змейки и др.). Устанавливают следующие настройки: продолжительность игры или тренировки, интервал времени подсчета источников пищи, требуемое количество источников пищи, скорость (постоянная или переменная).

После всех необходимых настроек и установок эта часть устройства готова к работе. Занимающийся становится на кассету 7 (см. фиг.1), берется обеими руками за поручни рукоятки 4, смотрит на дисплей 9, на экране которого картинки игрового пространства, змейка, положение которой определяется «игровым стержнем» 3, и источник пищи, местоположение которого держится заданное время. Задача занимающегося провести змейку через этот источник пищи за заданное время, так как вслед за ним появляется другой в новом неизвестном заранее месте игрового пространства. Если занимающийся укладывается в выделенное время, нагрузка не меняется. Если занимающийся опережает - нагрузка через некоторое время увеличивается. Если он отстает - нагрузка через некоторое время уменьшается. Инженер-исследователь или воспитатель изменяет нагрузку.

Не смотря на кажущуюся простоту, это довольно сложное двигательное действие, так как здесь участвуют разные мышечные группы и интеллектуальные возможности и способности человека: реакция на изображение на экране дисплея, быстрота и точность реагирования на изменение ситуации путем перемещения «игрового стержня».

В случае игры выигрывает тот занимающийся, который при более высоком уровне нагрузки проводит змейку через большее количество источников пищи. В случае тренировки наиболее интенсивно занимающимся считается тот, кто провел змейку через заданное количество источников пищи при высоком уровне нагрузки.

Во второй части силового блока (фиг.5, 6, 7, 8) все нагрузочные узлы 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32 размещены в кассете 7, установленной на основании 1. Кассета 7 соединена информационно с помощью электрических многожильных кабелей 35, 36 и разъемов 86, 87, соответственно, с системным блоком 11 персонального компьютера 8. Электрическое запитывание кассеты 7 осуществляется от источника электропитания 23 через трехжильный электрический кабель 33 и переключатель 34. Внутри кассеты электросиловая разводка электропитания (см. фиг.5) осуществляется от переключателя 34 на четыре переключаемых токоведущих провода 88, 89, 90, 91 к каждому нагрузочному узлу, например, в жгуте 93 или 94.

Рассмотрим нагрузочный узел, например, 31 более подробно. Одна из возможных его конструкций представлена на фиг.6, 7 (оконтурена пунктирной линией на фиг.7), а его электрическая принципиальная схема - на фиг.8. Опорой нагрузочного узла 31 является Г-образная планка 95, на которой размещены все силовые и тяжелые элементы. Основой этого узла является микропереключатель 96 с плоской пружиной 97, установленные на фланце 98, который размещен на Г-образной планке 95 через вспомогательную основу 99. Плавающее коромысло 100 соединяет шарнирно посредством шарнира 101 микропереключатель 96 с исполнительным органом, состоящим из прозрачного сигнального элемента 102, вставляемого в полый цилиндр 103, на поверхности которого закреплен шарнир 101 и внутри которого размещены четыре светоизлучающие элемента: красный 104, желтый 105, зеленый 106 световоды яркого свечения и миниатюрная лампочка яркого свечения на установленной подставке 108, закрепленной на полом цилиндре винтами 109 и 110, винтовой пружины 111 и подпятника 112 для установления пружины 111 точно по оси симметрии, укрепленного на Г-образной планке 95. Светодиод зеленого свечения 106 не показан. Свобода перемещения прозрачного сигнального элемента 102 вверх ограничивается верхней пластиной 113 кассеты 7. Транзисторно-резисторная токопроводящая и информационная части нагрузочного узла 31 сосредоточены в основном на платке 114, к которой подходят провода электрозапитывания 88, 89, 90, 91 и 92 (фиг.5) и две витые пары информационного подключения 115 и 116 (фиг.7).

Рассмотрим теперь электрическую и электронную часть кассеты 7. Одна из многих возможных электрических схем представлена на фиг.8. Провода 88, 89, 90, 91 подключают, соответственно, красный 104, желтый 105, зеленый 106 светодиоды яркого свечения и миниатюрную лампочку 107 яркого свечения. Причем переключатель 34 подключает по одному проводу из перечисленных. Витые пары 115 и 116 через разъем 87 и кабель 36 информационно соединяют нагрузочный узел 31 с системным блоком 11 персонального компьютера 8. Как только по витой паре 115 поступает сигнал на транзистор 117, включается транзистор 118 и через подключенный светодиод или миниатюрную лампочку протекает ток, ограничиваемый резистором 119, световой элемент загорается. Принудительно в микропереключателе 96 через некоторое время нормально замкнутое (НЗ) состояние переводится в разомкнутое, а нормально разомкнутое (HP) состояние переводится в замкнутое, и эта информация передается в системный блок 11 персонального компьютера 8. Через некоторое время все возвращается в исходное состояние.

Прежде чем описать, как работает эта часть и устройство в целом, коротко опишем выбранный способ управления.

Объект управления - сам занимающийся и его движения, которые зависят от загорающейся случайно подсветки на кассете 7, которую ему надо выключить левой или правой ногой. Скорость перемещения подсветки задается занимающимся или педагогом. При этом цвет подсветки может быть красным, желтым, зеленым или белым. Это, с одной стороны, вызывает интерес у занимающегося, а с другой стороны, проверяется воздействие на него цветовых условий подсветки (проверка дальтонизма).

Перед занимающимся ставится задача: в заданный промежуток времени «потушить» как можно больше очагов подсветки, возникающих в случайных местах на кассете. Число очагов, потушенных в единицу времени, будет называться скоростью «гашения» очагов. Эта скорость является критерием, по которому оценивается это психофизическое состояние занимающегося.

Указанная скорость напрямую связана с нагрузкой на нижние конечности и мышцы спины, которая изменяется по результатам игры (зависит от скорости «гашения») с учетом физической подготовленности, реакции занимающегося и его двигательного опыта.

Цель управления нагрузкой в этой части занятия состоит в том, чтобы по возможности поддерживать постоянную скорость, задаваемую педагогом или самим занимающимся. В качестве критерия оптимальности управления выбрано отличие фактической скорости от заданной (чем меньше отличие, тем лучше, как в предыдущем случае). Отличие скорости определяется численным интегрированием модуля разности скоростей по времени после тренировки (игры).

Психологами доказано, как отмечалось выше, что у человека утомляется кора больших полушарий, и у каждого человека это происходит индивидуально. Поэтому скорость «гашения» подсветки для каждого занимающегося индивидуальна. И будет неправильным задавать общую для всех ее величину. Необходимо определять величину скорости для каждого занимающегося индивидуально, и лучше всего делать это в условиях тренировки или игры.

Несмотря на кажущуюся простоту это довольно сложное двигательное действие, так как здесь участвуют разные мышечные группы и отделы головного мозга, и требуется быстрота и точность реагирования на изменение ситуации.

Работают с устройством в этой части следующим образом. По окончании работы с рычагом 3 и змейкой сам занимающийся или педагог стопорят рычаг 3, для чего отжимают пружину 85 и спускают стопорный элемент 84 в стакан 2 (см. фиг.1). Занимающийся берется за рукоятки 4 и смотрит себе под ноги на кассету 7 в ожидании загорания подсветки. При загорании занимающийся наступает на «загоревшийся» фрагмент и задерживает на нем ногу заданное время, пока в другом случайном месте кассеты 7 загорится другая подсветка, и так далее… При этом в зависимости от частоты его сердечных сокращений (ЧСС) звучит мелодия. Особенно внимательно надо следить за мелодией, сопровождающей переход ЧСС занимающегося в опасную зону «коридора здоровья». При необходимости педагог переключает цвет подсветки. Занятие длится заданное время. По истечении времени занятия сам занимающийся или педагог убирают стопорный элемент 84, подняв его и зафиксировав пружиной 85.

Работая на данном устройстве, занимающийся постепенно развивается физически, воздействуя на различные группы мышц и отделы головного мозга, и интеллектуально, развивая реакцию и укрепляя нервную систему, совместно со зрительным и музыкальным центрами.

Важной характеристикой является частота сердечных сокращений, которая напрямую зависит от физической и интеллектуальной нагрузки занимающегося.

Существует несколько способов определения пульса человека, а именно путем пальпирования руки вблизи кисти или в области сонной артерии, с помощью фонендоскопа и кратковременного передавливания потока крови на руке, оптический приборный метод на лбу, пальце руки и на мочке уха, акустический метод и др. Наиболее простым, по нашему мнению, является оптический приборный метод на мочке уха, который не создает трудностей и неудобств занимающемуся. Им и воспользуемся. В состав узла ЧСС входят усилитель-формирователь 19 и датчик пульса 18.

Усилитель-формирователь 19 содержит (фиг.9) непосредственно усилитель сигналов 120, блок фильтрации 121 и логический блок 122.

Датчик пульса 18 состоит (фиг.10) из светодиода 123 и фотодиода 124, образующих пару «светодиод-фотодиод». Ток, протекающий через светодиод 123, задается резистором 125, а темновой ток через фотодиод 124 задается резистором 126.

Непосредственно усилитель 120 построен по схеме подавления синфазной помехи на трех операционных усилителях 127, 128 и 129. Делитель напряжения на резисторах 130 и 131 задает потенциал на входе операционного усилителя 128. Блок фильтрации 121 построен по известному принципу. Логический блок 122 решает задачу, во-первых, определения количества ударов в одну минуту и, во-вторых, для уменьшения случайных помех заполняет случайные пропуски между ударами пульса.

Датчик пульса 18, например, наушного или пальцевого типа (фиг.11) состоит из двух элементов 132 и 133, скрепленных осью 134, и фиксируется на мочке уха занимающегося или на его пальце с помощью пружины 135. В элементе 132 установлен излучатель 123, а в элементе 133 - фотоприемник 124. Датчик пульса 18 подключается к усилителю-формирователю 19 с помощью кабеля 136 со штекером 137.

Сам усилитель-формирователь 19 запитан от источника электропитания 23 (фиг.1).

Работают с данным узлом следующим образом.

Надевают датчик пульса 18 на мочку уха занимающегося и следят по дисплею 9 за частотой сокращения пульса. В зависимости от его величины нагрузку увеличивают или уменьшают.

В блоке программ, кроме ранее рассмотренной части программ создания физической нагрузки, программное обеспечение условно можно разделить еще на три группы: 1) служебные и тестовые программы; 2) информационно-регистрационные; 3) математические для углубленной обработки характеристик спортивного упражнения.

Служебные и тестовые программы обеспечивают работу системного блока 11 персонального компьютера 8 и проверку его правильной работоспособности.

Регистрационные и информационные программы обеспечивают обработку информации, автоматический ее ввод и регистрацию данных, предварительную обработку сигналов, тарировку входных сигналов, запоминание и вывод графического изображения входных сигналов, первичную математическую обработку характеристик выполняемых спортивных и двигательных действий.

Углубленная математическая обработка характеристик упражнения обеспечивается программами, которые позволяют выполнять расчет следующих биомеханических параметров: длительность всего движения и отдельных его фаз и периодов, величины перемещения, скорости и ускорения, движения плечевого пояса и нижних конечностей занимающегося, механическую работу, проделанную занимающимся во время тренировки или игры.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет, сохраняя создаваемое равномерное дозированное сопротивление «игровому стержню» в пределах всего заданного сектора его перемещения, обеспечивать плавную регулировку величины этого сопротивления для мышц плечевого пояса и нижних конечностей, возможность определять и способствовать развитию кондиционных и координационных способностей человека и подстраивание нагрузки в зависимости от функционального состояния человека.

Возможность регистрировать, запоминать и выдавать по запросу зарегистрированное двигательное действие или какую-нибудь его часть в реальном масштабе времени, контролировать и выдавать необходимые рекомендации для устранения ошибок, прослеживать и контролировать тренировочный или игровой процесс в статике и динамике способствует повышению эффективности тренировки и развитию кондиционных и координационных способностей человека.

Источники информации

1. Патент США №4248727, МПК А63В 21/22.

2. Перспективы управления процессом силовых взаимодействий человека с объектами среды в режимах компьютерных игр / Ю.Т.Черкесов, И.П.Ратов и др. // Наука - Адыгее: Материалы научн. - практ. конф. ученых Адыгеи. - Майкоп, 1994. - С.170-174.

3. Патент РФ №2266768 С2, А63В 21/22, 24/00: Устройство для тренировки мышц.

4. Патент РФ №2349359 С2, МПК А63В 21/22, А63В 24/00: Устройство для тренировки мышц и для определения и развития кондиционных и координационных способностей человека.

Изобретение относится к спортивным и игровым тренажерам и предназначено для определения и развития кондиционных и координационных способностей человека. Устройство для тренировки мышц и для определения и развития кондиционных координационных способностей человека содержит силовой блок, блок управления и блок программ. Первый из них имеет в своем составе «игровой стержень», выполненный с расчетом на возможность изменения длины рычага - рабочей части «игрового стержня», рукоятку, снабженную двумя кнопками и подсоединенную к одному концу «игрового стержня», другой конец которого выполнен в виде шара и размещен в стакане, образующем среду регулируемого трения для шара. Она обеспечивается с помощью стягивающего узла и двух трущихся о шар элементов, расположенных в верхней и нижней частях шара. Опираясь на неподвижную пластину и шар, трущиеся элементы прижимаются к последнему стягивающим узлом, образованным двумя подвижными и одной неподвижной пластинами, четырьмя тяговыми стержнями, одной конической пружиной, штоком, рычагом, соединительной планкой, тяговой шпилькой с проточкой по всей длине передней части и направляюще-тяговым приспособлением, имеющим в своем составе направляющий элемент и тяговую гайку. В трущихся элементах, суммирующей, подвижной и неподвижной пластинах выполнены круговые отверстия. В блок управления добавлены видео и звуковой каналы и узел определения частоты сердечных сокращений, подключенный к LPT-порту системного блока. Технический результат заключается в создание равномерного дозированного сопротивления «игровому стержню» в пределах всего заданного сектора его перемещения. 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство для тренировки мышц и для определения и развития кондиционных и координационных способностей человека, содержащее силовой блок, блок управления и блок программ, в блок управления входит оптическая мышь, подключенная к системному блоку персонального компьютера через USB-порт, а также видео и звуковой каналы и узел определения частоты сердечных сокращений занимающегося, подключенный к LTP-порту или USB-порту системного блока, а для вывода на экран дисплея игрового сценария в блоке программ использована программа трехмерной графики и, кроме того, в блок программ входят служебные, информационно-регистрационные и математические программы, устанавливаемые на жестком диске персонального компьютера перед работой на устройстве, а силовой блок, размещенный на основании, имеет в своем составе игровой стержень, выполненный с расчетом на возможность изменения длины рычага - рабочей части игрового стержня, рукоятку, оснащенную кнопками и подсоединяемую к одному концу игрового стержня, другой конец игрового стержня выполнен в виде шара, размещенного в стакане, образующем среду регулируемого трения для шара, обеспечиваемого с помощью стягивающего узла и воздействующих на шар трущихся элементов, расположенных в верхней и нижней частях шара, при этом нижний трущийся элемент размещен на неподвижной пластине и на него опирается упомянутый шар, а верхний трущийся элемент с помощью первой подвижной пластины прижимается к шару посредством тяговых стержней, соединяющих первую подвижную пластину со второй подвижной пластиной, причем в верхнем трущемся элементе, в суммирующей пластине и первой подвижной пластине, а также в нижнем трущемся элементе и нижней неподвижной пластине выполнены сквозные круговые отверстия, первые для перемещения игрового стержня, а вторые - для сканирования поверхности шара оптической мышью, прикрепленной снизу к неподвижной пластине и управляющей положением курсора на экране дисплея персонального компьютера в зависимости от перемещения игрового стержня, клавиши которой электрическими отводами соединены с упомянутыми кнопками подсоединенной рукоятки, и с помощью электрического кабеля она подключена к системному блоку персонального компьютера, работающему под управлением программ, входящих в блок программ, при этом стягивающий узел содержит: пружину и тяговые стержни, охватывающие первую подвижную пластину и проходящие через суммирующую пластину, верхний и нижний трущиеся элементы, нижнюю неподвижную пластину, и закрепленные во второй подвижной пластине, на которой расположен шток, равноудалено от крепления в ней тяговых стержней, а сама вторая подвижная пластина размещена ниже оптической мыши, рычаг, закрепленный внутри стакана и связанный одним концом со штоком, а другим его концом через прорезь в боковой стенке стакана и первую соединительную планку - с тяговой шпилькой, проходящей через направляюще-тяговое приспособление, имеющее в своем составе направляющее средство и тяговую гайку и установленное на внешней боковой поверхности стакана, отличающееся тем, что в нем в стягивающем узле применены четыре тяговых стержня и одна общая конусообразная пружина достаточной жесткости, расположенная в центре и между первой подвижной пластиной и суммирующей пластиной, узким концом направленная к последней и охватывающая игровой стержень, использована миниатюрная оптическая мышь, закрепленная в стакане таким образом, что, при необходимости, ее можно извлекать через окошко в боковой стенке стакана, и зазор между поверхностью шара и оптической мышью не превышает гарантированного изготовителем оптической мыши для ее нормальной работы, при этом первый конец рычага, закрепленного на уголке внутри стакана, подсоединен к штоку через вторую соединительную планку, а указанная шпилька имеет проточку по всей длине ее нарезной части, в которую через направляющее средство приспособления вкручивается часть первого винта, исключающего вращение шпильки, в тяговой гайке выполнена цилиндрическая канавка, в которую через направляющее средство приспособления вкручивается часть второго винта, ограничивающего ее продольное перемещение, при этом диаметр тяговой гайки во много раз больше диаметра указанной шпильки, в результате чего образован миниворот, кроме того, в силовой блок введены дополнительно восемь узлов воздействия на мышцы ног занимающегося, размещенные в кассете равномерно по краям упомянутого основания и подсоединенные через USB-порты к системному блоку персонального компьютера, причем при работе этих узлов игровой стержень застопорен в вертикальном положении, а в блоке программ при работе с игровым стержнем в качестве объекта управления выбрана змейка изменяющегося цвета, движения которой к пище, перемещающейся хаотически, по закону случайных чисел, сопровождаются подобранными мелодиями, а при работе с указанными восемью узлами объектом управления является сам занимающийся, цветовая подсветка каждого узла может меняться и осуществляется также по закону случайных чисел, занимающийся должен наступать на каждый «загорающийся» узел левой или правой ногой, «гася» его, и все это учтено в программном обеспечении.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем опора нагрузочного узла выполнена в виде Г-образной планки, на которой размещены все силовые и тяжелые элементы, а основой этого узла взят микропереключатель с плоской пружиной, установленные на фланце, который размещен на упомянутой планке через вспомогательную основу, при этом плавающее коромысло соединяет посредством шарнира микропереключатель с исполнительным органом, состоящим из: прозрачного сигнального элемента, вставляемого в полый цилиндр, на поверхности которого закреплен указанный шарнир и внутри которого размещены четыре светоизлучающих элемента - красный, желтый, зеленый светодиоды яркого свечения и миниатюрная лампочка яркого свечения, установленные на подставке, закрепленной на полом цилиндре двумя винтами, винтовой пружины и подпятника для установления этой пружины точно по оси симметрии, причем свобода перемещения прозрачного сигнального элемента вверх ограничивается общей верхней пластиной кассеты, а транзисторно-резисторная токопроводящая и информационная части нагрузочного узла сосредоточены на платке, закрепленной на упомянутой планке, к которой подходят провода для запитывания указанного узла и две витые пары информационного подключения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введен узел для определения частоты сердечных сокращений занимающегося, в который входят усилитель-формирователь и датчик пульса, причем усилитель-формирователь содержит непосредственно усилитель сигналов, блок фильтрации и логический блок, а датчик пульса состоит из светодиода и фотодиода, образуя пару «светодиод-фотодиод».

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем непосредственно усилитель построен по схеме подавления синфазной помехи на трех операционных усилителях, блок фильтрации - по известному принципу подавления низкочастотной и высокочастотной помех, а логический блок решает задачу, во-первых, определения количества ударов в минуту и, во-вторых, для уменьшения случайных помех заполняет случайные пропуски между ударами пульса.