Устройство для определения фаз ходьбы и бега Советский патент 1993 года по МПК A63B69/00 

Предлагаемое изобретение относится к спортивному приборостроению, в частности, к измерительным средствам, повышающим эффективность тренировочного процесса, и может быть использовано в исследованиях биомеханических механизмов движения спортсмена, а также может найти применение в ортопедии для обработки движений конечности пациента.

Цель изобретения - создание устройства, позволяющего использовать любую обувь, а также тонкую стельку, не мешающую тренировочному процессу.

Для этого в известном устройстве для определения фаз ходьбы и бега, содержащем стельку с электродами и блок измерения с индикатором, согласно настоящему изобретению, электроды выполнены в виде гибких пластин, фиксированные параллельно друг другу вдоль всей стопы от области носка до пяточной области, а блок измерения включает в себя дифференцирующий усилитель, блок сравнения с порогом и формирователь временного интервала. Выполнение электродов в виде гибких пластин,

фиксированных вдоль стопы, позволяет получить новые качества, а именно, значительное уменьшение его влияния на тренировочный процесс. Это становится возможным вследствие того, что в предлагаемом устройстве используется для отделения фазы опоры от фазы полета, например, в беге, не размыкание контактных групп, как в прото- типе а явление резкого изменения (уменьшения) сопротивления участка электрод-кожа при увеличении давления на электрод в фазе опоры, за счет изменения площади контакта электрода со слоем эпидермиса, покрывающего собственно кожу. Вторым существенным отличием является выполнение измерительной схемы в виде дифференцирующего усилителя, блока сравнения с порогом, формирователя временного интервала и индикатора. Такое выполнение измерительной схемы позволяет уменьшить влияние на результат измерения пленки пота, шунтирующей участок электрод-кожа- электрод, т.к. -на выход схемы, благодаря наличию дифференцирующего усилителя, приходят толь ко быстрые изменения сопро(Л

С

со

Сл 4 О х|

СО

тивления участка электрод-кожа-электрод, вызванные постановкой стопы на грунт и толчком. Это позволяет, например в беге, отделить фазу опоры от фазы полета, несмотря на наличие шунтирующей пленки пота между электродами.

Такое построение предлагаемого устройства для решения поставленной задачи, а именно: определение фаз ходьбы и бега с минимальным влиянием на тренировочный процесс и несмотря на наличие пленки пота, в описанном виде неизвестно и очевидно не вытекает из известных решений.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства; на фиг,2 - эквивалентная схема участка электрод-кожа-электрод; на. фиг.З - временная диаграмма работы устройства.

Как видно из фиг.1 предлагаемое устройство содержит электроды 1, фиксированные вдоль стоны, параллельно друг другу, источник питания 2, дифференцирующий усилитель 3, блок сравнения с порогом 4, формирователь временных интервалов 5, и индикатор 6..

Электроды должны быть выполнены из неокисляющ.ихся или слабо окисляющихся электронопроводных материалов, например, сплава меди с никелем. Расположение электродов вдоль всей стопы от области носка до области пятки, необходимо при определении фазы полета для того, чтобы .фиксировать полный отрыв ноги от грунта (в случае точечных электродов существует вероятность получения ложного сигнала при отрыве стопы от грунта).

Строго параллельное расположение электродов предлагаемого устройства несущественно, также как и небольшие перемещения электродов относительно стопы. Электроды должны выполняться возможно более тонкими для уменьшения вредного влияния на тренировочный процесс. Один из возможных способов фиксации - запрессовка в стельку..

Источник питания 2, через электроды 1, подсоединен на вход дифференцирующего усилителя 3, выход которого соединен с блоком сравнения с порогом 4, например, с компаратором, выход которого соединен с формирователем временных интервалов 5, к которому в свою очередь, подсоединен индикатор длительности этих интервалов 6. . Эквивалентная схема участка электрод- кожа-электрод {см.фиг.2) по постоянному току состоит из параллельно соединенных активных сопротивлений: кожи (Рк), пленки пота (Rn), и последовательно соединенного с ним входного сопротивления дифференцирующего усилителя (Rex). При этом RK меняется от 100 Ком до 10 Ком, в зависимости

от силы, прижимающей электрод к поверхности кожи; Rn 10-20 Ком, Rox 100 Ком.

Работа устройства поясняется временными диаграммами (см.фиг,3), где а изменение сигнала на входе дифференцирующего усилителя во времени, б - сигнал на выходе дифференцирующего усилителя, в - сигнал на выходе блока сравнения с порогом, г - сигнал на выходе схемы

0 формирования временных интервалов.

Устройство-работает сл едующим образом. В момент постановки стопы на грунт и отрыва ее от грунта происходит быстрое (1- 10 мс.) изменение сопротивления участка

5 электрод-кожа-электрод, что ведет к появлению на выходе дифференцирующего усилителя сигнала, амплитуда которого пропорциональна скорости изменения сопротивления . участка электрод-кожа-электрод. Так как ско0 рость потоотделения невелика (десятки секунд на приращение), изменение сигнала на выходе дифференцирующего усилителя также будет незначительно. Пороговое устройство (компаратор) служит для дополнительного

5 подавления этого паразитного сигнала, путем выбора соответствующего порога срабатывания, а также для создания прямоугольного импульса с крутым фронтом, необходимого для работы схемы формирования временного ин0 тервала.

Все вышеизложенное можно пояснить примером. При УПИТ 5 В при наличии пленки пота сигнал на входе дифференцирующего усилителя Увх.д. (см.фиг.За) меняется

5 примерно на 2.5 В за время постановки стопы на грунт 10 мс,, т.е. скорость изменения V 250 мв/мс. Скорость потоотделения невелика и влияние этого фактора составляет 2,5 В за -10 сек, т.е. 0,25 мв/мс, т.е. 0,1% и

0 ею можно пренебречь (см.эквивалентную схему фиг.2). При отсутствии пленки пота Увх.д. меняется в этот же момент времени примерно на 5 В за 10 мс., но амплитуда импульсов на выходе дифференцирующего

5 усилителя также будет меняться в 2 раза при наличии пленки пота и при ее отсутствии в момент постановки стопы на грунт, т.к. Урых.д: V. И в том и в другом случае этот сигнал может быть выделен блоком сравнения с порогом,

0 т.к. порог может быть установлен заведомо ниже минимальной амплитуды Лшх.д. Сформированный временной интервал пропорционален фазе опоры, Его длительность может быть проиндицирована любым из стандарт5 ных методов, например, методом цифрового счета. Благодаря тому, что информативным параметром является не абсолютное значение сопротивления, а его скачок при постановке ноги на грунт, смешение электродов и перекат стопы в фазе опоры на результат не сказывается.

С помощью телеметрии информация о длительности может быть передана тренёРУНесмотря на некоторое усложнение измерительной схемы по сравнению с прототипом, в предлагаемом устройстве достигается положительный эффект за счёт того, что вместо электродов-контактов, замыкающихся в фазе опоры, использованы электроды, выполненные в виде гибких пластин, фиксированные вдоль стопы, что позволяет уменьшить влияние на тренировочный процесс, благодаря уменьшению толщины стельки.

Отсутствие движущихся контактов под Стопой спортсмена способствует усилению этого положительного эффекта по сравнению с прототипом, а также увеличивает надежность предлагаемого устройства.

Измерительная схема, включающая в себя источник питания, дифференцирующий усилитель, пороговую схему, формирователь временных интервалов и индикатор позволяет уменьшить влияние на результаты измерения пленки пота..

Для подтверждения полезности приводим пример.

Предлагаемое устройство применялось в тренировочном процессе подготовки бегунов на дистанции 800 м. Для поддержания определенной скорости бега важным показателем является частота шагов. Умение управлять ею расширяет технико-тактические возможности спортсмена.

Использовалась следующая методика обучения. В правый наушник на голове спортсмена подавался звуковой сигнал, соответствующий заданной частоте шагов, а в левый - звуковой сигнал момента отрыва ноги от поверхности опоры. Использовались следующие частоты: 170, 190, 210 ударов в минуту. Перед спортсменом ставилась задача пробегать фиксированный участок дистанции в таком темпе, чтобы в наушниках создавался стереофонический эффект. Обучение начиналось с частоты 190 уд./мин., затем переходили к частоте 170 уд,/мин., заканчивали частотой 210 уд./мин. Момент окончания обучения фиксировали по самооценке бегуна. После этого отмечали время пробегания с фиксированной частотой .шагов фиксированного отрезка дистанции, что играло роль

эталона. Эффект обучения умению управлять частотой шагов проверяли следующим образом. В процессе пробегания дистанции спортсмен должен был пробежать три фиксированных участка с разной частотой шагов. Фиксировалось время пробегания этих участков. Данное задание повторяли три раза. Сравнение полученных результатов с эталоном показало несущественность различий (р 0,1). На основании проведенного анкетного опроса спортсменами отмечалось: уменьшение субъективных отрицательных ощущений во время бега при использовании предлагаемого устройства, вследствие малой толщины стельки по сравнению с прототипом. Показателями этой реакции спортсмена являлись его самооценка и возможность поддержания высокой частоты шагов,

Формула изобретения

Устройство для определения фаз ходьбы и бега, содержащее стельку с установленным контактным датчиком, формирователь, выходом соединенный € индикатором, источник питания, отличающееся тем, что в

устройство дополнительно введены соединенные последовательно дифференцирующий усилитель и блок сравнения, выходом подключенный к формирователю, причем контактный датчик соединен с источником

питания и входом дифференцирующего усилителя, а контактный датчик выполнен в виде электродов - гибких пластин, размещенных вдоль стельки от пяточной до мысочной областей.

Использование: спортивное приборостроение. Сущность изобретения: устройство содержит контактный датчик фаз ходьбы и бега, выполненный в виде гибких пластин- электродов, фиксированных вдоль стопы, а определение указанных фаз основано на изменении сопротивления участка электрод- кожа-электрод при постановке .стопы на грунт. Выход датчика подключен к последовательно соединенным дифференцирующему усилителю, блоку сравнения, формирователю, индикатору. 3 ил.

Ч n Rtx

«Wi

Фйгг2