УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕНИРОВКИ МЫШЦ
MUSCLE TRAINING DEVICE

Изобретение относится к спортивным и игровым тренажерам и может быть использовано для тренировки мышц и специальных тренировок (в тяговых, координационных двигательных действиях, в том числе в компьютерных играх).
Известно устройство - «силовой джойстик» [1], имеющий практически все элементы электрической схемы обычного «джойстика», но сама конструкция рассчитана на приложение значительных усилий к рычагу «игрового стержня», выполненному на возможность изменения величин оказываемого сопротивления, для чего используются спиральные рессорные пружины, закрепляемые на массивном основании. Изменение величин сопротивления усилиям 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), подключаемого к компьютеру посредством этого силового устройства, полностью выполняющего функции «джойстика» при приложении к нему дозируемых по величине и направлениям усилий.
Недостатком данного устройства является то, что нет возможности плавно регулировать дозированное сопротивление нагрузки, 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» [2], 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 компьютера в зависимости от перемещения игрового стержня, клавиши которой электрическими отводами соединены с кнопками каждой 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 нижнем трущемся элементе и неподвижной пластине выполнены круговые сквозные отверстия для перемещения игрового стержня, а оптическая «мышь» сканирует поверхность шара через отверстия в неподвижной пластине и нижнем трущемся элементе.
Недостатком этого устройства является узкий диапазон регулировки, обеспечиваемый стягивающим механическим узлом, и связанная с этим трудность задания требуемой величины оказываемого дозированного сопротивления.
Наиболее близким техническим решением [3], выбранным в качестве прототипа, является «Устройство для тренировки мышц», содержащее «игровой стержень», выполненный с возможностью изменения величины оказываемого сопротивления, обеспечиваемого посредством изменения длины рабочей части «игрового стержня», несколько модификаций рукояток для присоединения к одному концу «игрового стержня», каждая из которых оснащена кнопками, электрический кабель для подключения к системному блоку персонального компьютера, основание для крепления на нем устройства с помощью крепежных элементов, оптическую «мышь», управляющую положением курсора на экране монитора персонального компьютера 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, размешенного в стакане, образующем среду регулируемого трения для шара, обеспечиваемого с помощью стягивающего узла и трущихся о шар элементов, расположенных в верхних и нижних 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, в нем стягивающий узел наряду с известными включает в себя также введенные дополнительно n конусообразных пружин, одетых на n тяговых стержней и расположенных между первой подвижной пластиной и верхним трущимся элементом на суммирующей пластине, шток, закрепленный во второй подвижной пластине равноудаленно от крепления в ней тяговых стержней, расположенный 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 лыски по всей ее длине и проходящей через направляюще-тяговое приспособление, имеющее в своем составе направляющую и тяговую «гайку-барашек», и которое установлено на внешней боковой поверхности стакана в его верхней части, кроме того, в суммирующей пластине выполнено круговое отверстие и в верхней половине упомянутого шара увеличено трение между шаром и трущимся элементом.
Недостатками этого устройства является следующее:
- использование n-ого (четыре или три) количества одинаковых конических пружин;
- не всякая оптическая мышь пригодна для применения в данном устройстве по своим габаритным размерам и величине зазора между шаром и мышью;
- трудности с ее заменой;
- применение шпильки с лыской по всей длине и, как результат, перемещение этой шпильки в продольном направлении посредством гайки-барашка.
Задачей, решаемой данным предполагаемым изобретением, является: использование одной конусообразной пружины, обеспечивающей равномерное сопротивление игровому стержню во всем секторе его перемещения, применение оптической мыши в миниатюрном исполнении и выбор ее зазора по отношению к шару, а также извлечение ее в боковое окошко, использование механической системы «винт-гайка» в задании сопротивления игровому стержню с помощью миниворота.
Указанная задача в «Устройстве для тренировки мышц», содержащем игровой стержень, выполненный с возможностью изменения величины оказываемого сопротивления, обеспечиваемого посредством изменения длины рабочей части игрового стержня, несколько модификаций рукояток для присоединения к одному концу игрового стержня, каждая из которых оснащена кнопками, электрический кабель для подключения к системному блоку персонального компьютера, основание для крепления на нем устройства с помощью крепежных элементов, оптическую мышь, управляющую положением курсора на экране монитора персонального компьютера 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, обеспечиваемую с помощью стягивающего узла и трущихся о шар элементов, расположенных в верхней и нижней частях шара, через нижний трущийся элемент упомянутый шар опирается на нижнюю неподвижную, а верхний трущийся элемент прижимается к шару с помощью первой подвижной пластины посредством тяговых стержней, соединяющих эту пластину со второй подвижной пластиной, причем в верхнем трущемся элементе, 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, стягивающий узел с использованием конусообразной пружины и тяговых стержней, охватывающих первую подвижную пластину и проходящих через суммирующую пластину, верхний и нижний трущиеся элементы, нижнюю неподвижную пластину и закрепленные во второй подвижной пластине, на которой расположен шток равноудаленно от крепления в ней тяговых стержней, и сама вторая подвижная пластина размещена ниже оптической мыши, рычаг, закрепленный на уголках, установленных на внутренней боковой стенке стакана, и соединенный одним концом со штоком, а другой конец выведен через прорезь в стенке стакана наружу, 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 оптическая мышь в миниатюрном исполнении, закрепленная в стакане таким образом, чтобы ее при необходимости можно было извлекать через окошко в боковой стенке стакана и при этом зазор между шаром и мышью должен быть не больше гарантированного изготовителем оптической мыши для ее нормальной работы, первый конец рычага подсоединен к штоку через соединительную планку, а второй его конец раздвоен в горизонтальной и вертикальной плоскостях и в вертикальный зазор вставляется прямоугольная гайка с двумя цилиндрическими фиксаторами ее положения в горизонтальных зазорах рычага, в гайку вкручивается шпилька, закрепленная вертикально и параллельно боковой стенке стакана: в верхней ее части - с помощью держателя, прикрепленного к боковой стенке стакана, и посредством колесика большего диаметра, чем шпилька, сочлененного с ней, образуя миниворот, а в нижней части шпилька закреплена с помощью держателя, предусмотренного и установленного на уголке и выведенного за пределы стакана, при этом перемещение указанного колесика в рабочем положении только вращательное, ограниченное соответствующим винтом.
Отличительными признаками заявляемого технического решения является следующее.
Во-первых, в нем изменен стягивающий узел, который включает в себя вместо n-ого количества конусообразных пружин только одну конусообразную пружину, преобразован рычаг, крепежные уголки и использована механическая система «винт-гайка» для управления сопротивлением игровому стержню и усилена эта система миниворотом, образованным колесиком, шпилькой и гайкой.
Во-вторых, в боковой стенке устройства сделано окошко для извлечения, при необходимости, оптической мыши.
В-третьих, использована оптическая мышь в миниатюрном исполнении и решен вопрос о зазоре между шаром и оптической мышью.
В заявляемом устройстве отличительные признаки проявляют известные в других областях науки и техники свойства, а взятые в совокупности с признаками прототипа проявляют дополнительно свойства, которые позволили упростить пружинную систему, применить оптическую мышь в миниатюрном исполнении, решить вопрос об ее извлечении из устройства без разборки всего устройства и выполнить стягивающий узел таким образом, чтобы из устройства во время его работы не выдвигалась за его пределы шпилька, что в целом указывает на соответствие заявляемого технического решения критерию «существенные отличия».
Предлагаемое устройство поясняют схематические чертежи.
На фиг.1 и 2 изображено устройство со стаканом, выполненным в виде прямоугольной призмы с квадратом в поперечном сечении, на фиг.1 - вид спереди, на фиг.2 - вид сверху.
На фиг.3 и 4 изображено устройство со стаканом, выполненным в виде цилиндра с окружностью в поперечном сечении, на фиг.3 - вид спереди, на фиг.4 - вид сверху.
На фиг.5, 6 и 7 представлена возможная конструкция сочленения системы «винт-гайка» с рычажно-силовой системой устройства, где на фиг.5 показан вид спереди, на фиг.6 - вид сверху, на фиг.7 - вид сбоку слева.
Устройство включает (фиг.1 и 2): прочный игровой стержень 1 с несколькими модификациями сменных рукояток 2, подсоединяемых с помощью разъема 3 к одному концу игрового стержня 1, другой конец которого выполнен в виде шара 4 и помещен в стакан 5, в котором образована среда регулируемого трения для шара 4, например, с помощью верхнего 6 и нижнего 7 трущихся элементов и стягивающего механического узла, состоящего из верхней первой подвижной пластины 8 и нижней 9 неподвижной пластины, второй подвижной пластины 10, стягиваемых четырьмя тяговыми стержнями 11, 12, 13 и 14 с крепежными гайками, стакана 5, выполненного в виде призмы с квадратным поперечным сечением, одной конусообразной пружины 15, размещенной между первой подвижной пластиной 8 и суммирующей пластиной 16, штока 17 с крепежной гайкой, рычага 18, закрепленного на уголке 19, установленного на внутренней боковой стенке стакана 5 и соединенного одним концом со штоком 17 с помощью соединительной планки 20, а другим концом через прорезь в стенке стакана 5 выведен наружу и при этом второй его конец раздвоен в горизонтальной и вертикальной плоскостях и в вертикальный зазор вставлена гайка 21 с двумя цилиндрическими фиксаторами положения в горизонтальных зазорах рычага 18, в гайку 21 вкручивается шпилька 22, закрепленная вертикально и параллельно боковой стенки стакана 5: в верхней части - с помощью держателя 23, прикрепленного к боковой стенке стакана 5 и посредством колесика 24, большего диаметра, чем шпилька 22, сочлененного с ней, например, с помощью короткой трубчатой шпильки 25, образуя миниворот, а в нижней части шпилька 22 закреплена с помощью держателя 26, установленного на уголке 19 и выведенного за пределы стакана 5, и для прочности второй конец рычага 18 зафиксирован запорной планкой 27. Вблизи неподвижной пластины 9 устанавливается оптическая мышь 28, сканирующая поверхность шара 4, для чего в боковой стенке стакана 5 вырезается окошко 29, а на противоположной стороне стакана 5 - два продолговатых отверстия для направляющих и закрепляющих миниатюрный держатель 30 оптической мыши 28. От клавиш оптической мыши 28 сделаны электрические отводы, оканчивающиеся кнопками 31 и 32, соответственно от правой и левой клавиш. Оптическая мышь 28 соединяется также с системным блоком персонального компьютера с помощью электрического кабеля 33. В верхнем 6 трущемся элементе, верхней 8 подвижной пластине и суммирующей пластине 16 сделаны сквозные круговые отверстия для перемещения игрового стержня 1. В нижнем 7 трущемся элементе и нижней 9 неподвижной пластине также сделаны сквозные круговые отверстия для сканирования поверхности шара 4. Устройство крепится на основании 34 с помощью, например, винтов или шурупов 35, 36, 37 и 38. И шпилька 22 в рабочем положении совершает только вращательное движение, что достигается с помощью винта 39.
Работают с устройством следующим образом.
С помощью винтов или шурупов 35, 36, 37 и 38 закрепляют устройство на основании 34. С помощью колесика 24 задают требуемое сопротивление игрового стержня 1. С помощью кабеля 33 подключают устройство к системному блоку персонального компьютера, после чего начинают перемещать игровой стержень 1, управляя положением курсора на экране дисплея. Перемещая игровой стержень 1 от себя - к себе, передвигают курсор в вертикальной плоскости экрана дисплея. Перемещая игровой стержень 1 влево, а затем вправо, передвигают курсор в горизонтальной плоскости экрана, соответственно. Таким образом, передвигая игровой стержень 1 в пространстве, перемещают курсор по экрану дисплея, задавая тем самым физические нагрузки на мышцы плечевого пояса и частично на мышцы спины.
Вторая модификация устройства содержит (фиг.3 и 4): игровой стержень 1 с несколькими модификациями сменных рукояток 2, подсоединяемых с помощью разъема 8 к одному концу игрового стержня 1, другой конец которого выполнен в виде шара 4 и помещен в цилиндрический стакан 40, в котором образована среда регулируемого трения для шара 4, например, с помощью верхнего 41 и нижнего 42 трущихся элементов и стягивающего механического узла, состоящего из верхней первой подвижной пластины 43 и нижней 44 неподвижной пластины, второй подвижной пластины 45, стягиваемых четырьмя тяговыми стержнями 11, 12, 13 и 14 с крепежными гайками, стакана 40, выполненного в виде цилиндра с окружностью в поперечном сечении, одной конусообразной пружины 35, размещенной между первой подвижной пластиной 43 и суммирующей пластиной 46, штока 17 с крепежной гайкой, рычага 18, закрепленного на уголке 47, установленном на внутренней стенке стакана 40, соединенного одним концом со штоком 17 через соединительную планку 20, а второй его конец выведен наружу и раздвоен в горизонтальной и вертикальной плоскостях и в вертикальный зазор вставлена гайка 21 с двумя цилиндрическими фиксаторами положения в горизонтальных зазорах рычага 18, в гайку 21 вкручивается шпилька 22, закрепленная вертикально и параллельно боковой стенке стакана 40: в верхней ее части - с помощью держателя 48, прикрепленного к боковой наружной стенке стакана 40 и посредством колесика 24, большего диаметра, чем шпилька 22, сочлененного с ней, например, с помощью короткой трубчатой шпильки 25, образуя миниворот, а в нижней части шпилька 22 закреплена с помощью держателя 26, установленного на уголке 47 и выведенного за пределы стакана 40, а для прочности второй конец рычага 18 зафиксирован запорной планкой 27. От клавиши оптической мыши 28 сделаны электрические отводы, оканчивающиеся кнопками 31 и 32, соответственно от правой и левой клавиш. Оптическая мышь 28 соединяется с системным блоком персонального компьютера с помощью электрического кабеля 33. В верхнем 41 трущемся элементе, верхней 43 подвижной пластине и суммирующей пластине 46 сделаны сквозные круговые отверстия для перемещения игрового стержня 1. В нижнем 42 трущемся элементе и нижней 44 неподвижной пластине также сделаны сквозные круговые отверстия для сканирования поверхности шара 4. Устройство крепится на основании 34 с помощью, например, винтов или шурупов 35, 36, 37 и 38. Шпилька 22 в рабочем положении совершает только вращательное движение, что достигается винтом 39.
Работают с устройством следующим образом.
С помощью винтов или шурупов 35, 36, 37 и 38 закрепляют устройство на основании 34. С помощью колесика 24 задают требуемое сопротивление игрового стержня 1. С помощью кабеля 33 подключают устройство к системному блоку персонального компьютера, после чего начинают перемещать игровой стержень 1, управляя положением курсора на экране дисплея. Перемещая игровой стержень 1 от себя и к себе, передвигают курсор в вертикальной плоскости экрана дисплея. Перемещая игровой стержень 1 влево, а затем вправо, передвигают курсор в горизонтальной плоскости экрана соответственно. Таким образом, двигая игровой стержень 1 в пространстве, передвигают курсор по экрану дисплея и одновременно задают физические нагрузки на мышцы плечевого пояса и спины, а в зависимости от программного обеспечения - интеллектуальные нагрузки.
Если твердое тело перемещается относительно другого твердого тела, причем их поверхности соприкасаются, то возникает сила, препятствующая этому перемещению. Такая сила называется силой трения. Она объясняется неровностью трущихся поверхностей, а также силами молекулярного взаимодействия. Если между поверхностями соприкасающихся твердых тел отсутствует прослойка жидкости, то такое трение называют сухим. Сухое трение разделяется по характеру движения на трение скольжения (одно тело скользит по поверхности другого) и трение качения (одно тело катится по поверхности другого). Нас будет интересовать сухое трение скольжения.
тр
н.д.
Величина силы трения (F) скольжения зависит от природы и качества обработки соприкасающихся поверхностей, а также от величины силы, прижимающей трущиеся поверхности (силы нормального давления F), и не зависит от величины поверхности соприкосновения:
;
где k - коэффициент трения, зависящий от природы и качества обработки трущихся поверхностей и незначительно - от скорости движения (этой зависимостью обычно пренебрегают).
н.д.
Таким образом, силу нормального давления F находят по формуле:
.
С другой стороны, под воздействием внешних сил всякое твердое тело изменяет свою форму - деформируется. Деформация, исчезающая с прекращением действия сил, называется упругой. При упругой деформации тела возникают внутренние силы упругости, стремящиеся вернуть телу первоначальную форму. Величина этих сил пропорциональна деформации тела. Возникающее удлинение или укорочение образца (Δl) под действием внешней силы (F) пропорционально величине действующей силы, первоначальной длине l и обратно пропорционально площади сечения (S):
где  - коэффициент пропорциональности.
Формула (3) выражает закон Гука.
Величина Е называется модулем упругости первого рода или модулем Юнга и характеризует упругие свойства материала.
н.д.
В нашем случае F=F, т.е. подставив в формулу (3) все величины, получим укорочение пружины (Δl) (поскольку она работает на сжатие). Это перемещение увеличивается с помощью рычага, в котором точка опоры находится между точками приложения действующих на него сил, т.е.
,
у
где F - уравновешивающая сила, создаваемая винтом,
а
- второе плечо рычага.
у
3
Кроме того, при отсутствии трения в винтовой паре F, действующая по оси винта, уравновешивается силой F, приложенной к колесику 24, направленной по касательной к окружности, очерчиваемой этим колесиком, и равной
,
где h - шаг винта, R - радиус окружности, очерчиваемой «гайкой-барашком».
С помощью формул (1)-(5) можно рассчитать физические параметры заявляемого устройства, а также руководствоваться в выборе материала и обработке поверхностей соприкасаемых тел, регулируя таким образом величину сопротивления.
В предполагаемом изобретении применен ряд новых технических решений, а именно: рычажно-силовая система на основе одной пружины и четырех тяговых стержней, новое построение миниворота на принципе «винт-гайка» с вращающейся шпилькой, без ее продольного перемещения, и перемещающейся продольно гайкой без ее вращения, а также сочленение рычажно-силовой системы с миниворотом.
Рассмотрим одну из возможных конструкций сочленения (фиг.5, 6, 7) и ее работу в устройстве 1. Она содержит шпильку 22, выполненную способной вращаться без продольного перемещения, и гайку 21 прямоугольной формы с возможностью перемещаться в продольном направлении без вращения и снабжена двумя цилиндрическими фиксаторами 51 и 52, закрепленными в ней короткими шпильками 53 и 54. Гайка 21 с вкрученной шпилькой 22 размещена в вертикальном зазоре рычага 18, в котором цилиндрические фиксаторы 51 и 52 установлены в горизонтальных зазорах указанного рычага 18. Для прочности крышка 27 замыкает четыре выступа этого рычага (фиг.5, 6, 7).
Работает сочленение следующим образом.
Вращением колесика 24 (см., например, фиг.1) гайкой 21 задают нагрузку игровому стержню 1, воздействуя на шар 4, через посредство рычага 18, соединительной планки 20, штока 17, второй подвижной планки 10, четырех тяговых стержней 11, 12, 13 и 14, второй подвижной пластины 8, пружины 15, суммирующей пластины 16 и трущихся элементов 6, 7. Винтом 39 фиксируется вращение колесика 24, даже если будет быстрый сброс нагрузки, а цилиндрические фиксаторы 51 и 52 служат для выборки радиуса перемещения рычага 18 в сочленении.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство проявляет дополнительные свойства, которые позволили упростить пружинную силовую систему, применить оптическую мышь в миниатюрном исполнении, решить вопрос о зазоре между поверхностью шара и оптической мышью и о ее извлечении из устройства без его разборки, а стягивающий узел выполнить таким образом, чтобы во время работы устройства шпилька не выдвигалась за его пределы, при этом сохранив облегченное задание требуемой величины оказываемого дозированного сопротивления при равномерном сопротивлении игровому стержню в пределах всего заданного сектора его перемещения и плавной регулировке величины этого сопротивления.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Перспективы управления процессом силовых взаимодействий человека с объектами предметной среды в режиме компьютерных игр / Ю.Т.Черкесов, И.П.Ратов и др. // Наука - Адыгее: Материалы науч.-практ. конф. ученых Адыгеи. - Майкоп, 1994.
2. Патент РФ №2266768 С2, А63В 21/22, 24/00: Устройство для тренировки мышц.