Беговая дорожка с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна Российский патент 2023 года по МПК A63B22/02 

Предлагаемое изобретение относится к области устройств для упражнений, специально предназначенных для регулирования деятельности сердечно-сосудистой системы, для тренировки быстроты или координации движений, в частности с подвижными бесконечными лентами, и может быть использовано для медицинской реабилитации (ортопедия, лечебная гимнастика), занятий спортом, игр или развлечений.

Медицинская реабилитация осуществляется после травм (например, ортопедическая реабилитация после перелома) или при отдельных заболеваниях (например, кардиореабилитация при заболеваниях сердца, неврологическая реабилитация при парезах) для полного или частичного восстановления функций человеческого организма. При этом довольно часто используются беговые дрожки с управляемыми скоростью движения и углом наклона полотна.

По патенту на полезную модель RU 202320 U1, МПК A63B 22/02, опубл. 11.02.2021г. известна беговая дорожка, содержащая раму с валами и установленную на ней деку, на которую натянуто беговое полотно, включающее два слоя, соединенные между собой, отличающаяся тем, что соединение слоев бегового полотна выполнено разъемным. Известны варианты вышеописанной беговой дорожки в которых: соединение слоев бегового полотна выполнено в виде крючков, расположенных на поверхности одного из слоев, и ворсистого материала на поверхности второго слоя; соединение слоев бегового полотна выполнено в виде выступов, выполненных на поверхности одного из слоев, и соответствующих им углублений на поверхности второго слоя; для соединения концов бегового полотна на одном из них выполнены крепежные элементы, а на другом - отверстия с установленными в них кольцами; один из слоев бегового полотна содержит поверхность, имитирующую природный материал; один из слоев бегового полотна выполнен рельефным; один из слоев бегового полотна содержит разделенные сектора, наполненные микрогранулами; к раме закреплены поручни, расположенные параллельно друг другу; поручни выполнены с возможностью прикрепления элементов, имитирующих природные материалы; рама выполнена с возможностью прикрепления элементов, имитирующих природные материалы. Техническим результатом беговой дорожки является повышении технологичности.

Недостатком беговой дорожки по патенту RU 202320 U1 является недостаточная эффективность использования в задачах медицинской реабилитации, обусловленная отсутствием адаптивной подстройки скорости и угла наклона полотна.

По патенту на изобретение RU 2563789 C2, МПК A63B 22/02, опубликованному 20.09.2015 г. известна всенаправленная беговая дорожка с одной лентой, содержащая: множество поперечных балок, связанных друг с другом для образования непрерывного контура, имеющего, по существу, плоскую верхнюю поверхность, причем каждая из множества поперечных балок имеет внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, приводной механизм поперечных балок, смонтированный на раме и соединенный с множеством поперечных балок, для приведения в движение непрерывного контура, единую конвейерную ленту, проходящую по внешней поверхности каждой поперечной балки и проходящую по спирали от первого конца внутренней поверхности каждой поперечной балки ко второму, противоположному первому, концу внутренней поверхности соседней поперечной балки, приводной механизм конвейерной ленты, соединенный с конвейерной лентой. Известные варианты всенаправленной беговой дорожки с одной лентой в которых: множество поперечных балок соединено друг с другом посредством установки на первой и второй приводных цепях, при этом первая приводная цепь смонтирована между первой парой цепных колес, а вторая приводная цепь смонтирована между второй парой цепных колес, причем первый конец каждой поперечной балки смонтирован на первой приводной цепи, а второй конец каждой поперечной балки смонтирован на второй приводной цепи, при этом каждое противоположное цепное колесо из первой и второй пары цепных колес смонтировано на общей оси, поддерживаемой посредством рамы оси, соединенной с рамой; приводной механизм поперечных балок содержит приводной двигатель, соединенный с одной из общих осей цепных колес; каждая поперечная балка имеет отверстие, образованное на одной боковой грани в выбранном положении вдоль ее длины, и стержень, выступающий из второй грани, противоположной первой грани, в выбранном положении, при этом стержень каждой поперечной балки проходит в отверстие соседней поперечной балки; приводной механизм конвейерной ленты содержит приводной двигатель ленты, соединенный с одной конвейерной лентой; исполнительный механизм наклона, подсоединенный между рамой и рамой оси, для наклона, по существу, плоской верхней поверхности непрерывного контура на угол относительно горизонтальной плоскости; рама оси смонтирована на раме в паре противоположных точек поворота; дополнительно содержится снаряжение пользователя, смонтированное на раме; дополнительно содержится интерфейс динамического управления, который включает в себя плавающую раму, имеющую скользящие крепления к четырем вертикальным опорам, один трос, перемещающийся ко всем четырем из вертикальных опор с помощью шкивов для побуждения плавающей рамы оставаться на уровне относительно всенаправленной беговой дорожки и исполнительный механизм, соединенный с одной из вертикальных опор, для регулирования величины вертикального усилия, прикладываемого к плавающей раме. Техническим результатом всенаправленной беговой дорожки с одной лентой является имитация эффекта инерции, которую пользователь нормально ощущал бы при действительном движении.

Недостатком всенаправленной беговой дорожки с одной лентой по патенту RU 2563789 C2 является недостаточная эффективность использования в задачах медицинской реабилитации, обусловленная отсутствием адаптивной подстройки скорости и угла наклона полотна.

Ближайшим аналогом (прототипом) разработанной беговой дорожки с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна является реабилитационная беговая дорожка (патент US 8956268 B2, МПК A63B 22/00 и A63B 2/00, опубл. 17.02.2015г.), включающая в себя: каркас, беговую платформу, прикрепленную к каркасу и имеющую беговое полотно для прерывистого перемещения, по меньшей мере две пары датчиков темпа, закрепленных на каркасе и расположенных с двух сторон бегового полотна, при этом первая пара датчиков темпа определяет точку начала движения для генерации сигнала активации, а вторая пара датчиков темпа определяет точку остановки движения и генерации сигнала остановки, панель управления, установленную на каркасе и электрически соединенную с беговой платформой и датчиками темпа, при этом панель управления получает сигнал активации или сигнал остановки, причем для обеспечения прерывистого перемещения бегового полотна наличие сигналов активации и остановки перепроверяется с заданной частотой. Известны варианты реабилитационной беговой дорожки в которых, используется по меньшей мере три пары датчиков темпа; первая пара датчиков темпа определяет точку начала движения для генерации сигнала активации, а вторая и третья пары датчиков темпа определяет точку остановки движения и генерации сигнала остановки; первая и вторая пары датчиков темпа определяют точку начала движения для генерации сигнала активации, а третья пара датчиков темпа определяет точку остановки движения и генерации сигнала остановки; датчики темпа представляют собой фотопрерыватели. Техническим результатом реабилитационной беговой дорожки является повышение эффективности имитации физиологии бега за счет обеспечения прерывистого движения пациента при попеременной опоре то на одну, то на другую ногу.

Недостатком реабилитационной беговой дорожки по патенту US 8956268 B2 является недостаточная эффективность использования в задачах медицинской реабилитации, обусловленная отсутствием адаптивной подстройки скорости и угла наклона полотна.

Технической задачей беговой дорожки с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна является повышение эффективности использования в задачах медицинской реабилитации за счет использования шагового электродвигателя постоянного тока, пневматических цилиндров с электромеханическими приводами возвратно-поступательного линейного и поворотного (в ограниченном угловом диапазоне) движения, магнитного тормоза, а также блока геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных.

Поставленная техническая задача достигается тем, что беговая дорожка с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна, как и устройство, которое является ближайшим аналогом включает в себя: каркас, беговую платформу, прикрепленную к каркасу и имеющую беговое полотно, по меньшей мере две пары датчиков темпа, закрепленных на каркасе и расположенных с двух сторон бегового полотна, при этом первая пара датчиков темпа определяет точку начала движения для генерации сигнала активации, а вторая пара датчиков темпа определяет точку остановки движения для генерации сигнала остановки, панель управления, установленную на каркасе и электрически соединенную с беговой платформой, при этом панель управления получает сигнал активации или сигнал остановки, причем для обеспечения прерывистого перемещения бегового полотна наличие сигналов активации и остановки перепроверяется с заданной частотой.

Новым в разработанной беговой дорожке с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна является то, что беговая платформа содержит под беговым полотном частично деформируемую область в виде совокупности исполнительных пластин, причем верхняя сторона каждой исполнительной пластины изготавливается выпуклой и гладко отшлифованной, а c нижняя сочленена с электромеханическим приводом возвратно-поступательного линейного и поворотного движения, при этом приводы жестко сочленены с беговой платформой, блок геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных электрически связан с панелью управления, датчиками темпа и электромеханическими приводами, панель управления сконфигурирована таким образом, что позволяет задавать рельеф имитируемой поверхности, заданный рельеф преобразуется блоком геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных в совокупность электрических команд для электромеханических приводов возвратно-поступательного линейного и поворотного движения, получив соответствующие команды частично деформируемая область изгибается, реечная зубчатая передача механически связывает каркас беговой дорожки и беговую платформу, каркас беговой дорожки содержит шаговый двигатель постоянного тока для изменения угла наклона беговой платформы относительно пола посредством линейного перемещения ротора с фиксацией его в заданном положении, при этом угол наклона задается панелью управления, анализируется блоком геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных и через соответствующую электрическую связь передается шаговому двигателю постоянного тока, движение бегового полотна по беговой платформе организовано посредством верхнего и нижнего вала, причем верхний вал содержит магнитный тормоз для адаптивной подстройки скорости движения полотна, магнитный тормоз электрически связан и управляется блоком геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных, в качестве управляющего параметра используются создаваемый магнитным тормозом уровень сопротивления движению.

Рассмотрим причинно-следственную связь поставленной технической задачи и конструктивных особенностей беговой дорожки с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна. Одним из ключевых отличий привычных для человеческого организма пеших перемещений в природной среде от движений на беговой дорожке является рельеф поверхности. Что осложняет задачу медицинской реабилитации. Например, хроническая латеральная нестабильность голеностопного сустава практически не проявляется при движении по ровной поверхности. Подавляющее большинство жалоб на смещении касаются попыток двигаться по неровной поверхности. В связи с этим в устройстве беговой дорожки с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна предусмотрено наличие частичного деформируемого участка, позволяющего преобразовать часть полотна в неровную поверхность. При этом, чем больше исполнительных пластин, тем выше достоверность имитации рельефа (но и сложнее конструкция). В связи с чем, в конкретной реализации, авторы использовали двенадцать пластин.

Следует отметить, что речь идет об относительно небольших неровностях (не более 3 см высотой относительно общего уровня), которые с одной стороны дополнительно не травмируют пациента, а с другой стороны чрезмерно не усложняют конструкцию беговой дорожки (сильные деформации будут мешать движению полотна, приводить к чрезмерному истиранию исполнительных пластин и т.п.). Для расширения доступных для реабилитации вариантов дополнительно предусмотрено изменения уклона полотна (вместе с беговой платформой) посредством реечной зубчатой передачи и шагового двигателя.

В ситуации привычных для человеческого организма пеших перемещений в природной среде человек, как правило, адаптирует темп своего шаге не только под социальные потребности (более быстрый шаг в ситуации опоздания, более медленных на прогулках и т.п.), но и под рельеф местности. В связи с этим в предлагаемом устройстве беговой дорожки с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна предусмотрено магнитное торможение бегового полотна. Уровень сопротивления беговой дорожки движения может меняться в зависимости от пользовательских настроек (в том числе синхронно с изменением рельефа). Для этого блок геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных снабжен специальным программным обеспечением, разработанным и сконфигурированным для сбора данных с панели управления и датчиков темпа и формирования управляющих сигналов для электромеханических приводов возвратно-поступательного линейного и поворотного движения, шаговому двигателю постоянного тока и магнитного тормоза.

Беговая дорожка с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна в конкретной реализации была изготовлена из нержавеющей стали, в качестве датчиков темпа были использованы двухблочные оптические датчики для бесконтактного определения наличия или отсутствия препятствия, вместо электромеханических приводов возвратно-поступательного линейного и поворотного движения использованы актуаторы линейного и кругового движения, блок геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных представлял собой однокристальный микрокомпьютер, вместо магнитного тормоза использован электродвигатель постоянного тока с магнитопорошковой муфтой, панель управления представляла собой емкостный сенсорный экран.

Дополнительно отметим, что предложенный подход к деформированию «рабочей поверхности» (в контексте заявки – полотна беговой дорожки) имеет отдаленную межотраслевую аналогию с адаптивными оптическими системами. Например, состоящими из множества субэлементов (с чаще всего пьезоэлектрическим или электромеханическим управлением) зеркалами современных телескопов и офтальмологических медицинских диагностических систем.

Оценки эффективности предложенного технического решения выполнена посредством анализа результатов серии лабораторных экспериментов. При этом в качестве критерия оценки эффективности использования разработанной беговой дорожки использовалась толерантность к физической нагрузке на примере 20 добровольцев. Соответственно 10 человек на протяжении одного месяца шесть дней в неделю занимались по 30 минут с использованием устройства-прототипа, а 10 других с использованием устройства в соответствии с формулой изобретения.

Серия лабораторных экспериментов показала повышение эффективности использования разработанной беговой дорожки с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна в задачах медицинской реабилитации по меньшей мере на 14% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о достижении поставленной технической задачи.

Предлагаемое изобретение относится к области устройств для упражнений, специально предназначенных для регулирования деятельности сердечно-сосудистой системы, для тренировки быстроты или координации движений, в частности с подвижными бесконечными лентами, и может быть использовано для медицинской реабилитации (ортопедия, лечебная гимнастика), занятий спортом, игр или развлечений. Беговая дорожка с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна содержит шагового электродвигателя постоянного тока, пневматических цилиндров с электромеханическими приводами возвратно-поступательного линейного и поворотного (в ограниченном угловом диапазоне) движения, магнитного тормоза, а также блока геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных. Вышеуказанные усовершенствования позволяют имитировать рельеф поверхности и адаптивность шага (под этот рельеф), как у привычных для человеческого организма пеших перемещений в природной среде. Серия лабораторных экспериментов показала повышение эффективности использования разработанной беговой дорожки с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна в задачах медицинской реабилитации по меньшей мере на 14% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о достижении поставленной технической задачи. Обеспечивается повышение эффективности использования в задачах медицинской реабилитации.

Беговая дорожка с адаптивной подстройкой скорости и угла наклона полотна, включающая в себя каркас, беговую платформу, прикрепленную к каркасу и имеющую беговое полотно, по меньшей мере две пары датчиков темпа, закрепленных на каркасе и расположенных с двух сторон бегового полотна, при этом первая пара датчиков темпа определяет точку начала движения для генерации сигнала активации, а вторая пара датчиков темпа определяет точку остановки движения для генерации сигнала остановки, панель управления, установленную на каркасе и электрически соединенную с беговой платформой, при этом панель управления получает сигнал активации или сигнал остановки, причем для обеспечения прерывистого перемещения бегового полотна наличие сигналов активации и остановки перепроверяется с заданной частотой, отличающаяся тем, что беговая платформа содержит под беговым полотном частично деформируемую область в виде совокупности исполнительных пластин, причем верхняя сторона каждой исполнительной пластины изготавливается выпуклой и гладко отшлифованной, а нижняя сочленена с электромеханическим приводом возвратно-поступательного линейного и поворотного движения, при этом приводы жестко сочленены с беговой платформой, блок геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных электрически связан с панелью управления, датчиками темпа и электромеханическими приводами, панель управления сконфигурирована таким образом, что позволяет задавать рельеф имитируемой поверхности, заданный рельеф преобразуется блоком геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных в совокупность электрических команд для электромеханических приводов возвратно-поступательного линейного и поворотного движения, получив соответствующие команды частично деформируемая область изгибается, реечная зубчатая передача механически связывает каркас беговой дорожки и беговую платформу, каркас беговой дорожки содержит шаговый двигатель постоянного тока для изменения угла наклона беговой платформы относительно пола посредством линейного перемещения ротора с фиксацией его в заданном положении, при этом угол наклона задается панелью управления, анализируется блоком геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных и через соответствующую электрическую связь передается шаговому двигателю постоянного тока, движение бегового полотна по беговой платформе организовано посредством верхнего и нижнего вала, причем верхний вал содержит магнитный тормоз для адаптивной подстройки скорости движения полотна, магнитный тормоз электрически связан и управляется блоком геометрических преобразований и обработки биомедицинских данных, в качестве управляющего параметра используются создаваемый магнитным тормозом уровень сопротивления движению.