Устройство для управления двигательными функциями спортсмена в процессе обучения Советский патент 1980 года по МПК A61B5/10 

1

Изобретение относится к биотехническим системам, предназначено для спортивно-технического обучения и может быть применено в медицине 5 для восстановления двигательных функций человека.

Известно устройство для управления двигательными функциями спортсмена в процессе обучения, включаю- Q щее блок датчиков биомеханических характеристик, усилитель, связанные между собой вычислительный узел и регистрирующий прибор, блок задания пороговых значений и пульт оператора 1 .

Недостатком данного устройства является отсутствие оценки характеристик движений спортсмена, световой и звуковой индикации оценок дви- JQ жений и коррекции движений.

Цель изобретения - сокращение срока обучения.

Для этого в устройство для управления двигателышми функциями спорт- 25 смена в процессе обучения, включающее блок датчиков биомеханических характеристик, усилитель, связанные между собой вычислительный узел и регистрирующий прибор, блок задания

пороговых значений и пульт оператора, введены блок задания эталонных характеристик, вход которого связан с пультом оператора и блоком задания пороговых значений, соединенные между собой блок биостимуляции и блок регулирования биостимуляции, первый релейный блок, подключенный к блоку биостимуляции, блок звуковой индикации, последовательно соединенные регистр, дешифратор, второй релейный блок и блок световой индикации, связанный с блоком звуковой индикации, и коммутатор, при этом вычислительный узел представляет собой цифровую вычислительную машину с циф{ю аналоговым и аналого-цифровым преобразователями, входы которой связаны с блоком задания порогового значения, блоком эталонных характеристик и коммутатором, а выходы с пультом оператора, первым релейным блоком, блоком регулирования биостимуляции и регистром, причем датчик биомеханических характеристик, усилитель и коммутатор связаны между собой.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Устройство содержит блок 1 датчиков биомеханических характеристик, усилитель 2, коммутатор 3, аналогоцифровой преобразователь 4, цифровую вычислительную машину 5, блок :б задания пороговых значений, регистрирующий прибор 7, пульт 8 оператора, цифроаналоговый преобразователь 9, блок 10 задания эталонных характеристик, блок 11 биостимуляции, блок 12 регулирования биостимуляцией, блок 13 световой индикации, блок 14 звуковой индикации, два релейных блока 15 и 16, дешифратор 17 и регистр 18.

Блок 1 датчиков биомехани еских характеристик подключен к усилителю 2, выходы которого подключены к |ВЫходам коммутатора 3. Аналого-цифровой преобразователь 4 подключен входом к выходу коммутатора 3 и выходом к первому входу цифровой вычислительной машины 5, второй вход которой подключен к выходу блока 6 задания пороговых значений. Первый выход цифровой вычислительной машины 5 подключен к входам регистрирующего прибора 7 и пульта 8 оператора ,Щ1фровая вычислительная машина 5 подключена вторым выходом к входу цифроаналогового преобразователя 9 и третьим входом к выходу блока 10 задания эталонных характеристик. Выход пульта 8 оператора подключен к входам блока б задания пороговых значений и блока 10 задания эталонHtdx характеристик. Блок 11 биостимуляции подключен входами к выходам блока 12 регулирования биостимуляцией и релейного блока 15, Выход цифроаналогового преобразователя 9 подт ключей к входу блока 12 автоматического регулирования бистимуляцией. Блок 13 световой индикации и блок 14 звуковой индикации подключены к выходам релейного блока 16, входы которого подключены к выходам дешифратора 17. Релейный блок 15 подключен входом к третьему выходу цифровой вычислительной машины 5, четвертый выход которой подключен к входу регистра 18,.подключенного выходами и входами дешифратора 17.

Устройство работает следующим образом.

Блок 1 датчиков биомеханических хецрактеристик, содержащий гониометp j (датчики суставных углов), акселерометры (датчики ускорений движени биозвеньев), тензодинамометры (датчики опорных реакций) и датчики .электрической активности ьолшц, вырабатывает электрические сигналы, пропорциональные углам в суставах, ускорениям движения биозвеньев, силам опорных взаимодействий и электрической активности мышц. Датчики биомеханических характеристик закрепляются в несколы их точках биозвеньев спортсмена, которые участвуют в выполнении им определенного вида упражнения. Выходные сигналы блока 1 датчиков биомеханических характеристик усиливаются усилителем 2 и с помощью коммутатора 3 подключаютс к входу аналого-цифрового преобразователя 4, который выполняет преобразование аналоговых сигналов в двоичный код. С выхода аналого-цифрового преобразователя 4 сигналы датчиков биомеханических характеристик в цифровой форме записываются по первому входу в память цифровой вычислительной машины 5. В цифровой вычислительной машине 5 сигналы акслерометров дважды интегрируются, в результате чего вырабатывается информация о скорости движения и пути точки биозвена.

Таким образом, в цифровой вычисли-тельной машине 5 происходит накопление, информации о линейных и угловых движениях биозвеньев и об усилиях, paзвивae ыx спортсменом в процессе выполнения упражнений. Спортсмен высокого класса выполняет исследуемое упражнение определенное количество раз. Информация о выполненных упражнениях накапливается в цифровой вычислительной машине 5 и усредняется. Усредненные биомеханические характеристики спортсмена высокого класса выводятся по первому выходу из цифровой вычислительной машины 5 в регистрирующий прибор 7, /где осуществляется их регистрация в виде печати с помощью цифропечатающей машинки, и на пульт 8 оператора, где отображаются на экране дисплея.

На основании комплексного биомеханического анализа упражнений, выполняемых спортсменами высокого класса; вырабатываются эталонные образцы техники выполнения этих упражнений в виде кривых изменений во времени параметров линейных и угловых движений биозвеньев и развиваемых усилий. Затем определяется набор критериев оценки для каждой такой характеристики движения спортсмена, включающий допустимые отклонения и весовые коэффициенты, который позволяет оценить качество выполнения упражнения.

Поскольку цифровая вычислительная машина 5 осуществляет обработку дискретной информации, то для каждой биомеханической характеристики эталонного движения спортсмена можно установить дискретные моменты времени, в которые контролируемые параметры движения принимают определенные значения. Таким образом, эталонное движение спортсмена определяется из п ряда наборов контролируемых параметров и ряда наборов чисел для каждого контролируемого параметра.

Так как в разных попытках исполнения упражнения имеет место разброс контролируемых параметров, то эталонной характеристикой движения спортсмена может служить среднеарифметические значения.

Располагая численными характеристиками эталонного движения, можно количественно оценить степень близости к нему того движения, которое в данный времени выполняется спортсменом. При сопоставлении различных вариантов выполнения движений спортсменом в сравнении с эталонным образцом используется метод оценки близости двух функций по среднему квадратичному отклонению. Для каждого контролируемого биомеханического параметра цифровая вычислительная машина 5 вычисляет оценку.

Эталонные характеристики задаются с пульта 8 оператора путем записи в блок 10 задания этгшонных характеристик соответствующих наборов чисел которые поступают по третьему вх-рду в память цифровой вычислительной машины 5. В зависимости от степени подготовленности спортсмена оператор с пульта 8 задает пороговые значения которые не должны превышать оценки. Выбор конкретного порогового значения осуществляется путем анализа матриалов педагогических наблюдений в том или ином виде спорта, учета мнений тренеров, спортсменов высокого класса, анализа результатов выступлений ведущих спортсменов мира. Учитываются также значения оценки степени близости, которые она принимает при многократном выполнении упражнения спортсменом, характеристики движения которого приняты в качестве эталона. Числовые значения пороговых значений вводятся с пульта 8 в блок задания пороговых значений, с выхода которого по второму входу поступают в память вычислительной машины 5.

В процессе обучения спортсмена цировая вычислительная машина 5 осуществляет прием информацииJ поступающей от блока 1 датчиков биомеханических характеристик, сравнивает натурные значения контролируемых параметров движения спортсмена с эталонными характеристиками, поступающими от блок 10 задания эталонных характеристик, расчитывает оценки отклонений по каждому контролируемому параметру, вычисляет интегральную оценку за упражнение, вычисляет время выполнения упражнения и отклонение его от заданного. Кроме того, цифровая вы;Числительная машина S осуществляет локализацию и прогнозирование возможной ошибки, определяет ее весовое значение. Результаты оценок качества выполнения упражнения спортсменом с указанием допущенных ошибок и их весового значения выводятся из цифровой вычислительной машины 5 в блок 7,где распечатываются на цифропечатающей машинке в виде протокола и отображаются на экране дисплея пульта 8.

Цифровая вычислительная машина 5 вырабатывает по четвертому выходу цифровые команды, которые поступают в регистр 18 и дешифруются дешифратором 17, вызывая срабатывание определенных реле релейного блока 16. йлходы релейного блока 16 управляют

o блоком 13 световой индикации и блоком 14 звуковой индикации.

Блок 13 представляет собой экран мнемосхемы, на которойвысвечивается ряд символов, отрешающих количе5ственную оценку качества выполнения того или иного упражнения или отдельных его элементов, понятную для спортсмена и воспринимаемую им как объективную и беспристрастную педагогическую оценку его действий с

0 одновременным и последующим объяснением ошибок, отключений в выполнении изучаемого движения. Экран мнемосхемы блока 13 разбит на ряд квадратов. В левом углу высвечиваемых кващратов

5 отображаются общие интегральные оценки движения (упражнения). отлично (зеленый), хорошо (желтый), плохо (красный). Правый ряд квадратов индицирует обозначение наименований био0механических характеристик движений,: LS - угол в суставе, путь точки био звена, А - ускорение движения точки биозвена, Kw - линейная, и угловая скорость движения точки биозвена,

5 F - усилия, опорные взаимодействия, t - время движения. Средний ряд квадратов содержит наименования дифференциальных оценок за качество исполнения каждого из перечисленных в правом ряду параметров. Большой

0 квадрат в центре экрана мнемосхемы, высвечиваемый на протяжении всего движения, символически изображает фигуру спортсмена (на ней .индицируются все суставные точки крупнейших био5кинематических звеньев). На таком схематическом изображении двигательного аппарата вьаделяются индикаторные лампочки, высвечивающие упомянутые ориентирные точки.

0

В процессе обучения физическому упражнению по командам цифровой вычислительной машины 5, которые поступают в регистр 18 и дешифрируются дешифратором 17, релейный блок 16 включает необходимые лампочки блока

5 13, на экране мнемосхемы которого отображается комплексная визуальная информация для спортсмена и тренера о качестве выполнения поставленного задания и соответственно об измене0ниях, которые при необходимости еледут внести в педагогический процесс. Релейный блок 16 управляет также.. блоком 14 звуковой индикации оценок, который состоит из трех магнитофонов. На магнитной ленте каждого из магни тофонов записывается предварительна слозесная педагогическая оценка ва рианта выполнения упражнения, соответствующая отличному, хорошему и плохому качеству движений. При этом в каждом из трех вариантов подаются общие характеристики возможных ошибок, изученных при предварительном биомеханическом исследовании рассмат риваемого физического упражнения. Педагогические управляющие воздей ствия на световой и звуковой анализа торы обучаемого спортсмена выполняются блоком 13 световой индикации и блоком 14 звуковой индикации, в авто матизированном режиме непосредственно по завершению обучаемым того или иного движения или физического упрш нения. ЭтГодает возможность спортсме ну самостоятельно проанализировать по многим критериям и биомеханически параметрам каждую попытку выполнения любого сложнейшего движения. Высокая скорость такого анализа, объективность данных, целевая направленность управляющих воздействий и дублирование их по различным сенсорным канапс1М обеспечивает повышение эффек тивности процесса обучения движениям и двигательному совершенствованию. В процессе движения на определенных этапах выполнения обучаемым физического упражнения воздействие на звуковой и световой анализаторы обуч емого спортсмена вырабатываются с помощью блока 13 световой индикации и блока 14 звуковой индикации в виде яркой краткой вспышки и в виде короткого звукового сигнала в том случае, если какой-то определенный параметр соответствующей фазы или элемента изучаемого упражнения дости гает или превышает (в зависимости от целей), пределы допустимого значения При одних условиях тренировки перед обучаемым ставится задача не допустить вспышки света, в других выполнить ту или иную фазу упражнения с такими биомеханическими показателями которые вызовут вспышку. В процессе построения различных по своим целям и направленности педагогических программ обучения и двигательного совершенствования создаются различные чередования алгоритмов звуковых и световых корректирующих управляющих воздействий. Третий канал создания педагогических коррекций в течение процесса исполнения обучаемым отдельных движений или целого упражнения образован блоком 11 биостимуляции, блоком 12 регулирования бирстимуляцией и релейным блоком 15. Предварительные исследования биомеханических характеристик двигательного аппарата, его состояний при выполнении спортсменом физических упражнений, а также анализ электрической активности различных мышечных групп послужили основанием для разработки программ . внешней активации мышечной системы спортсмена при педагогическом управлении двигательным совершенствованием на системно-интегрирующей основе. Блок 11 биостимуляции генерирует по четырем независиь ым каналам специфические электрические стимулирующие сигналы, которые, поступая на исполнительные электроды, корректируют нейромоторные элементы двигательного аппарата спортсмена и способствуют повышению эффективности функцио(нирования локомоторных механизмов обучаемого. Управление блоком 11 биостимуляции осуществляют блок 12 регулирования биостимуляцией и релейный блок 15 по сигналам от цифровой вычислительной машины 5. Релейный блок 15 управляет включением того или иного канала блока 11 биостимуляции. При включении релейным блоком 15 определенного канала блока 11 биостимуляции в данном канале возникает стимулирунждай сигнал, который достигает максимального значения по экспоненциальному закону. При отключении релейным блоком 15 данного канала блока 11 биостимуляции стимулирующий сигнал падает по обратноэкспоненциальному закону. Уровень стимулирующих сигналов задается блоком 12 регулирования биостимуляцией, который получает аналоговый сигнал от цифроаналогового преобразователя 9, управляемого вторым выходом цифровой вычислительной машины 5. Цифровая вычислительная машина 5 вырабатывает цифровые команды биостимуляции, которые преобразуют цифроаналоговым преобразователем 9 в аналоговый сигнал и отрабатываются блоком 12 регулирования биостимуляцией, устанавливая требуемый уровень стимулирующих сигналов, генерирующихся блоком 11 стимуляции. Уровень стимулирующих сигналов достаточен для стимуляции мышц конечностей и туловища (поверхностного и глубокого слоев) при помощи поверхностных накожнух электродов. Обычно биостимуляция используется в случаях, когда спортсмену необходимо создать в нужный момент такое мышечное усилие, какого обычным способом он не может достигнуть и когда в необходимый момент времени движения биомеханические параметры отклоняются от установленных требований по причинам недостаточной активности определенных групп мышц. Технические преимущества предлоенного устройства по сравнению с известными устройствами для регистраии двигательных функций спортсмена заключаются в снижении срока обучения сложнокоординированным движениям повьваении качества овладевания движе ниями и интеисивности группового обучения. Формула изобретения Устройство для управления двигательными функциями спортсмена в процессе обучения, включающее блок датчиков биомеханических характеристик, усилитель, связанные между собой вычислительный узел и регистрирующий прибор, блок задания пороговых значений и пульт оператора, о т л и ч. а ю щ е е с я тем, что, с сокращения срока обучения, в него введены блок задания эталонных харак теристик, вход которого связан с пул том оператора и блоком задания пороговых значений, соединенные между со бой блок биостимуляции и блок регулирования биостимуляции, первый релейный блок, подключенный к блоку биостимуляции, блок звуковой индикации, последовательно соединенные регистр, дешифратор, второй релейный блок и блок световой индикации, связанный с блоком звуковой индикации, и коммутатор, при этом вычислительный узел представляет собой цифровую вы(числительную Мсшщну с цифроаналоговым и аналого-цифровым преобразователями, входы которой связаны с блоком задания порогового значения, блоком эталонных характеристик и коммутатором, а выходы с пультом оператора, первым релейным блоком, блоком регулирования биостимуляции и регистром, причем датчик биомеханических характеристик, усилитель и коммутатор связаны между собой. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1, Авторское свидетельство СССР №578061, кл. А 61 В 5/10, 1976.