УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕНИРОВКИ МЫШЦ НОГ
DEVICE TO TRAIN LEG MUSCLES

Изобретение относится к спортивным тренажерам и может быть использовано для тренировки мышц ног штангистами и для специальных тренировок спортсменов в прыжковых движениях для развития прыжковой силы.
Из уровня техники известно изобретение [1], содержащее основание, смонтированную на нем стойку, выполненную трубчатой из телескопически сочлененных между собой частей, установленные на ней четыре ползуна, трособлочную систему, включающую рукоятку, один из блоков которой установлен на ползуне, и средство создания нагрузки, выполненное в виде пружины, имеющей держатели, а нагружение достигается за счет того, что средство создания нагрузки имеет дополнительно пружины, ползуны установлены на части трубчатой стойки с наибольшим диаметром, а один из держателей пружин смонтирован на первом начиная сверху ползуне посредством оси для обеспечения его углового поворота в вертикальной плоскости и имеет фиксатор его углового положения, установленный на втором ползуне, при этом второй держатель пружин смонтирован на четвертом ползуне с возможностью перестановки последнего по высоте, а блок трособлочной системы установлен на третьем ползуне.
Трособлочная система выполнена в виде системы полиспастов, включающей трос, огибающий три блока, два из которых неподвижные и установлены на свободном конце части стойки с наименьшим диаметром, а третий подвижный блок соединен с держателем пружин, установленным с возможностью углового поворота в вертикальной плоскости посредством его перестановки по длине последнего, при этом трос одним концом соединен с рукояткой, а вторым - с верхним концом части стойки с наименьшим диаметром.
Держатели пружин имеют отверстия для размещения концов пружин, при этом количество отверстий превышает количество пружин. Трос трособлочной системы выполнен составным из двух разъемно соединенных между собой частей.
Недостатком данного изобретения является следующее:
во-первых, нет возможности получать информацию о силовых характеристиках выполняемого упражнения;
во-вторых, не предусмотрена их регистрация, чтобы можно было проанализировать выполненное упражнение по его окончании.
Наиболее близким известным из уровня техники и взятым в качестве прототипа является изобретение [2], содержащее пояс, закрепляемый на теле спортсмена, амортизаторы, выполненные в виде тяг, связанных с поясом и представляющих собой трос, площадку для размещения ног, в котором создание нагрузки достигается за счет того, что трос закреплен свободными концами на поясе и огибает четыре неподвижных и один подвижный блок, щечки которого соединены посредством второго троса с тренажером, обладающим возможностью задания начальной отягощающей нагрузки и многократного динамического ее уменьшения при движении второго троса, а также обратного изменения нагрузки при возвращении в исходное положение, при этом два неподвижных блока разнесены и установлены в одной плоскости на дополнительно введенном основании под площадкой для размещения ног, в которую вмонтирована тензометрическая платформа, и кроме того, в него введены дополнительно датчик силы натяжения второго троса, датчик перемещения, механически связанный с поясом, и регистрирующее устройство, электрически связанное с этими датчиками и тензометрической платформой.
Щечки подвижного блока соединены со вторым тросом через датчик силы натяжения второго троса.
Тренажер установлен на основании рядом с площадкой для размещения ног.
Длину второго троса изменяют в зависимости от роста спортсмена.
Основными недостатками данного изобретения являются следующие:
во-первых, при его использовании получают интегральные силовые характеристики, обобщенное влияние воздействия на мышцы бедер и нижних конечностей;
во-вторых, относительная сложность устройства: в основном тренажере необходимо использовать дополнительный тренажер.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение рассмотренного выше тренажера за счет исключения второго дополнительного тренажера и приближение силового узла к мышцам спортсмена, на которые необходимо воздействовать, т.е. дифференцированный подход к приложению и измерению параметров силовых воздействий на мышцы ног, и расширение функциональных возможностей.
Технический результат, заключающийся в устранении указанных недостатков в устройстве для тренировки мышц ног, содержащем средство создания нагрузки, выполненное в виде пружин, имеющих держатели, и обладающее возможностью задания начальной отягощающей нагрузки и многократного динамичного ее уменьшения при движении, а также обратного изменения нагрузки при возвращении в исходное положение, достигается за счет того, что оно содержит два силовых узла, закрепляемых с помощью ремней на левой и правой ноге спортсмена, датчик силы, гониометр, уровнемер - по одному на каждом силовом узле, измеритель частоты сердечных сокращений, четыре аналого-цифровых преобразователя, персональный компьютер (ПК) в полном наборе и источник электропитания, причем силовой узел составлен из трехлучевой звезды, выполненной в виде основания, крайние лучи которой прикрепляются с помощью указанных ремней: верхний луч - к бедру, нижний - к голени спортсмена, а средний луч является основой, относительно и на которой крепится средство создания нагрузки: один его конец закрепляется с помощью блочка и продольной прорези в этом луче, а второй конец пружины или резинового амортизатора через датчик силы с регулятором - к нижнему лучу основания, гониометр прикрепляется в точке соединения трех лучей, совпадающей с осью вращения коленного сустава, к верхнему и нижнему лучам, уровнемер расположен на среднем луче, и с его помощью задается необходимый уровень начального положения этого луча посредством подвижной планки с продольной прорезью, соединяющей верхний луч со средним и фиксируемой гайкой-барашком, при этом датчики силы и гониометры подключены к источнику электропитания, а вместе с измерителем частоты сердечных сокращений подсоединены электрически к системному блоку персонального компьютера по проводному или радиоканалу: гониометры и датчики силы - к общей шине системного блока каждый через свой аналого-цифровой преобразователь, а измеритель частоты сердечных сокращений - к USB-порту системного блока персонального компьютера, и эти соединения предусмотрены в программном обеспечении.
Отличительными признаками заявляемого технического решения являются следующие:
во-первых, оно содержит два силовых узла, закрепляемых с помощью ремней на левой и правой ноге спортсмена;
во-вторых, наличие датчика силы, гониометра и уровнемера - по одному на каждом силовом узле;
в-третьих, устройство содержит измеритель частоты сердечных сокращений, четыре аналого-цифровых преобразователя и персональный компьютер в полном наборе;
в-четвертых, силовой узел составлен из трехлучевой звезды, выполненной в виде основания, крайние лучи которой прикрепляются с помощью указанных ремней: верхний луч - к бедру, нижний - к голени спортсмена, а средний луч является основой, относительно и на которой крепится средство создания нагрузки: один его конец закрепляется с помощью блочка и продольной прорези в этом луче, а второй его конец через датчик силы с регулятором крепится к нижнему лучу основания, гониометр прикрепляется относительно точки соединения трех лучей, совпадающей с осью вращения коленного сустава, к верхнему и нижнему лучам, уровнемер расположен на среднем луче, и с его помощью задается необходимый уровень начального положения этого луча посредством подвижной планки с продольной прорезью, соединяющей верхний луч со средним и фиксируемой гайкой-барашком;
в-пятых, датчик силы, гониометр и измеритель частоты сердечных сокращений подсоединены к системному блоку ПК по проводному или радиоканалу каждый через свой аналого-цифровой преобразователь.
В заявляемом устройстве отличительные признаки проявляют свойства, известные в других областях науки и техники, а взятые в совокупности с признаками прототипа проявляют свойства, которые позволяют упростить устройство и приблизить силовые узлы к мышцам спортсмена, на которые необходимо воздействовать, то есть осуществляется дифференцированный подход к приложению и измерению силовых характеристик, воздействующих на мышцы ног, что указывает на соответствие заявляемого технического решения критерию «существенные отличия».
Заявляемое устройство поясняют схематические чертежи.
На фиг.1 изображен общий вид устройства в целом со связью, например, по проводному каналу.
На фиг.2 представлен силовой узел с его связями.
На фиг.3 изображена часть среднего луча силового узла.
На фиг.4 показана модификация устройства связи по радиоканалу.
На фиг.5 представлена часть крепления силового узла на ноге спортсмена.
На фиг.6 показан датчик силы, а на фиг.7 - его электрическая принципиальная схема.
На фиг.8 изображено построение гониометра на силовом узле.
На фиг.9 представлен измеритель ЧСС.
Устройство для тренировки мышц ног (фиг.1) содержит два силовых узла 1 и 2 (узел 1 оконтурен пунктирной линией, узел 2 не показан), закрепляемых с помощью ремней 3, 4, 5, 6 на правой ноге и с помощью ремней 7, 8, 9 и 10 на левой ноге спортсмена 11, датчики силы 12, 13, гониометры 14, 15, уровнемеры 16, 17 - по одному на каждом силовом узле 1 и 2, измеритель частоты сердечных сокращений 18, четыре аналого-цифровых преобразователя 19, 20, 21, 22, персональный компьютер 23 (оконтурен штрихпунктирной линией) в полном наборе: дисплей 24, оптическая мышь 25, клавиатура 26 и системный блок 27, установленные на подставке 28, источник стабилизированного электропитания 29, к которому подключены датчики силы 12, 13 и гониометры 14, 15. Датчики силы 12, 13 и гониометры 14, 15 через аналого-цифровые преобразователи 19, 20, 21, 22 электрически подсоединены к общей шине 30 системного блока 27, а измеритель частоты сердечных сокращений 18 электрически подсоединен к USB-порту 31 системного блока 27 ПК 23.
Силовой узел (фиг.2), например, 1 составлен из звезды, выполненной в виде основания из трех лучей 32, 33, 34, исходящих из одной точки, выполненной в виде трубчатой оси 35, крайние лучи 32 и 34 которого прикрепляются с помощью указанных ремней: луч 32 ремнями 3 и 4 - к бедру, луч 34 ремнями 5 и 6 - к голени ноги спортсмена 11, а средний луч 33 является основой, которая участвует в креплении средства создания нагрузки: один его конец закрепляется с помощью блочка 36 и продольной прорези 37 в луче 33, а второй конец резинового амортизатора 38 через датчик силы 12 с регулятором - к нижнему лучу 34 основания 1, гониометр 14 прикрепляется в точке соединения трех лучей 35 (совпадающей с осью вращения коленного сустава) к верхнему 32 и нижнему 34 лучам, уровнемер 16 расположен на среднем луче 33, и с его помощью задается необходимый уровень начального положения этого луча 33 посредством подвижной планки 39 с продольной прорезью 40, соединяющей верхний луч 32 со средним лучом 33 и фиксируемой болтом и гайкой-барашком 41.
Рассмотрим подробнее крепление средства создания нагрузки (фиг.3), той ее части, которая находится на луче 33. Продольная прорезь 37 задает блочку 36 сложное движение: в первый момент оказывает сопротивление его движению (выемка в начале пути), а после выхода на прямолинейный участок - движение без сопротивления (кроме трения блочка о луч 33). Блочок 36 связан с первым концом резинового амортизатора 38 с помощью рамы, образованной стяжками 42, 43, скрепленными винтами 44, 45, 46, 47, 48 и 49 и опорными стойками 50, 51, 52. На стойку 52 может быть надета трубка, чтобы заменить трение скольжения на трение качения при регулировке резинового амортизатора 38.
Устройством пользуются следующим образом.
В основу работы заявляемого устройства положена следующая концепция. Физиологическими экспериментами доказано, что предварительно растянутая (до определенной степени) мышца сокращается сильнее и быстрее. Согласно И.М.Сеченову, «…груз действует на мышцу одновременно в двух противоположных направлениях - растягивает ее, как всякое упругое тело, и усиливает в то же время развитие в ней сократительных сил…». Наибольшую силу проявит мышца, растянутая в напряженном состоянии. Следовательно, для развития стартовой силы штангиста и прыжковой силы спортсмена-прыгуна или волейболиста (баскетболиста) необходимо с помощью технических средств создать оптимальные условия для развития тех мышц, с помощью которых осуществляются двигательные действия. Необходимо применять дозированное отягощение, причем прикладывать его до и в момент начала выполнения двигательного действия, после чего нагрузка должна резко и динамично уменьшаться (в идеале до нуля). Во время приземления у прыгуна (или волейболиста, например) картина должна быть обратной - нагрузка должна постепенно увеличиваться, достигая наибольшего заданного значения в момент сгибания ног перед очередным отталкиванием. При тренировках необходимо руководствоваться принципом постепенного наращивания отягощающей нагрузки.
Для реализации данной концепции в предлагаемом устройстве перед выполнением указанных двигательных действий необходимы предварительные процедуры, а именно: закрепить ремнями 3, 4, 5 и 6 силовой узел 1 и ремнями 7, 8, 9 и 10 силовой узел 2 на ногах таким образом, чтобы трубчатая ось 35 совпадала с осью вращения коленного сустава на правой и левой ноге, по уровнемеру 16 выставить положение луча 33 по отношению к лучу 32 и зафиксировать это положение на планке 39 с помощью болта и гайки-барашка 40, с помощью резинового амортизатора 38 выставить отягощающую нагрузку. Это надо выполнить на обеих ногах. Проверить работу персонального компьютера 23, его составных частей: дисплея 24, оптической мыши 25, клавиатуры 26 и системного блока 27, а также аналого-цифровых преобразователей 19, 20, 21 и 22, подключенных к общей шине системного блока 27, и измерителя частоты сердечных сокращений 18, подключенного к USB-порту 31 системного блока 27. После этого можно приступать к выполнению упражнений.
Нагрузка спортсмена регулируется количеством повторений двигательных действий. Персональный компьютер 23 обеспечивает регистрацию, обработку и запись информации от измерителя частоты сердечных сокращений 18, датчиков силы 12, 13, гониометров 14, 15. Могут быть при необходимости применены гониометрические датчики на тазобедренном и голеностопном суставах, информация от которых дает дополнительные сведения о перемещении, скорости и ускорении отдельных участков тела спортсмена при выполнении двигательных действий.
Выше рассмотрена передача информации по проводному каналу. Этот способ является наиболее простым, но ему присущи недостатки, как то: привязка к месту или малая площадь исследования. Более удобен способ передачи информации по радиоканалу. Радиоканал 53 (фиг.4) содержит: передающую часть канала 54, приемную часть канала 55, передающую антенну 56, приемную антенну 57 и эфир 58 (среда, через которую осуществляется передача информации).
Работают с радиоканалом 53 следующим образом.
Сигналы от измерителя частоты сердечных сокращений 18, от датчиков силы 12, 13, гониометров 14, 15 поступают в передающую часть канала 54, преобразуются в сигнал, который можно передать с помощью передающей антенны 56 через эфир 58 и который принимается приемной антенной 57, преобразуется в приемной части канала 55 и распределяется по аналого-цифровым преобразователям 19, 20, 21, 22, USB-порту 31, в дальнейшем преобразуясь по типу проводного канала.
Лучи 32 и 34 основания, например, силового узла 1 прикрепляются ремнями 3, 4, 5, 6 на правой ноге спортсмена 11. Рассмотрим на примере ремня 3 крепление луча 32. Остальные крепежные элементы устроены аналогично.
Основой крепления (фиг.5) является планка 59 с двумя цилиндрическими выпуклостями в средней ее части, которым на луче 32, также в средней его части, сделаны четыре ответных отверстия для настройки крепления в этой зоне. К планке 59 прикрепляются ремни 60 и 61, в нашем случае, например, «липучки», с помощью которых подбирается крепление индивидуально по ноге спортсмена 11.
Пользуются креплением следующим образом. Луч 32 прикладывают к ноге спортсмена 11, затем планкой 59 фиксируют это положение луча 32. Липучками 60 и 61 закрепляют выбранное положение. При необходимости передвигают планку 59 влево или вправо по лучу 32.
Датчики силы 12, 13
Поскольку датчики силы 12 и 13 идентичны, их конструкцию и принцип действия рассмотрим на примере датчика силы 12.
Одна из возможных конструкций датчика силы 12, построенного, например, на основе динамометра, показана на фиг.6, а его электрическая принципиальная схема - на фиг.7. Датчик силы 12 включает в себя основание 62, пружинный динамометр 63, потенциометр 64 с линейным перемещением его движка, сочлененного с указателем (стрелкой) пружинного динамометра 63, параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из стабилитрона 65 и гасящего резистора 66, размещенных на электроизолирующих втулках 67, 68, 69, планку 70 для закрепления первого конца резинового амортизатора 38 и фиксатор 71 для фиксирования второго конца резинового амортизатора 38 при настройке силового узла.
Работает датчик силы 12 следующим образом.
Как работает пружинный динамометр 64, известно и очевидно из фиг.6 и фиг.7. Только перед началом измерений инженер-исследователь тарирует датчик силы 12 с помощью образцового динамометра, проверяет работоспособность аналого-цифрового преобразователя 22, программного обеспечения, управляющего работой данного узла, и источника стабилизированного электропитания 29. Убедившись в правильной работоспособности данного узла, смежных с ним узлов и программного обеспечения, инженер-исследователь переходит к проверке работоспособности других узлов.
Гониометры 14, 15
Поскольку гониометры 14 и 15 должны быть идентичны по конструкции и своим характеристикам, достаточно рассмотреть конструкцию и принцип действия одного гониометра, например 14. Конструктивно гониометр можно построить на основе миниатюрного вращающегося трансформатора, тензометрического моста, высокоточного переменного резистора и др. Наиболее просто в нашем случае гониометр решается на основе высокоточного переменного резистора с линейной характеристикой изменения сопротивления, так как можно использовать лучи 32 и 34 как несущие элементы гониометра. И тогда достаточно (фиг.8) в луче 34 сделать соответствующий отгиб 72, на луче 32 установить кронштейн 73, закрепив на нем потенциометр 74, движок которого проходит строго по оси через отверстие в центре отгиба 72. От потенциометра 74 тонким кабелем 75 отводится информация на аналого-цифровой преобразователь 21, и запитывается он от источника стабилизированного электропитания (см. фиг.2). Тонкий кабель 75 закрепляется поводком 76 на одном из крепящих кронштейн 73 винтов (фиг.8).
Принцип действия данного гониометра предельно прост. Когда лучи 32 и 34 начинают свое движение по окружности, то движок потенциометра 74 начинает свое вращение. Остается только оттарировать поворот движка потенциометра с помощью образцового транспортира. Необходимо убедиться в правильности работы программного обеспечения, управляющего работой данного узла.
Измеритель частоты сердечных сокращений (ЧСС) 18
Данный измеритель ЧСС построен на основе специализированной интегральной микросхемы типа TSL 230 R-LF, разработанной и выпускаемой серийно американской фирмой Texas Advanced Optoelectronic Solutions Inc. - семейство микросхем TSL 230 R-LF, TSL 230 AR-LF, TSL 230 BL-LF - программируемые светочастотные конверторы [3]. Они объединяют возможности кремниевых фотодиодов и токо-частотных конверторов и выполнены на отдельных CMOS интегральных чипах.
Измеритель ЧСС 18 (фиг.9а) содержит: клипсу с микросхемой TSL 230 R-LF, светодиод с гасящим резистором, электрический кабель и USB-разъем. Клипса 77 состоит из двух разъемных деталей 78 и 79, скрепленных осью 80 и пружиной 81. В верхней детали 78 встроены светодиод 82 и гасящий резистор 83. В нижней детали 79 установлена микросхема TSL 230 R-LF 84, вставленная в панельку 85. Кабель 86 электрически соединяет микросхему 84 и светодиод 82 с USB-разъемом 87 (в случае проводной связи), если используется для связи радиоканал 53 (фиг.4), то этим кабелем 86 и разъемом 87 подсоединяются к передающей части канала 54 и запитываются от источника стабилизированного электропитания 29 (см. фиг.2).
Работают с измерителем ЧСС следующим образом.
Клипсу 77 измерителя ЧСС 18 надевают на ухо спортсмена 11 (см. фиг.1), при этом кабель 86 (см. фиг.9, а) через разъем USB-порта 87 соединяет измеритель ЧСС 18 с системным блоком 27 (см. фиг.1) через USB-порт 31 (в случае проводной связи) или в случае связи через радиоканал 53 - с помощью передающей части канала 54 (см. фиг.4). ЧСС, измеренная прибором, управляет работой системы регулирования и управления нагрузкой (см. фиг.9, б).
Расширение функциональных возможностей и приближение силового узла к мышцам, на которые необходимо воздействовать, обеспечивается устройством, во-первых, конструктивным исполнением и, во-вторых, путем динамичного изменения нагрузочного сопротивления. Штангисты в стартовом движении и волейболисты, баскетболисты, прыгуны, а также акробаты и др. спортсмены могут пользоваться предлагаемым устройством для развития стартового разгона и прыжковой силы.
Для эффективности тренировок и наблюдения за динамикой результатов необходимо знать силовые характеристики стартового разгона тяжелоатлета и отталкивания прыгуна и характеристики перемещения тела спортсмена и отдельных его частей (путь, скорость, ускорение и изменение углов в суставах), а также регистрировать их с целью анализа во время и после проведения тренировки. Это обеспечивается введенным персональным компьютером, создающим с помощью комплекса программ возможность получения, регистрации и обработки необходимой информации.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство более совершенно и обладает расширенными функциональными возможностями, поскольку позволяет тренироваться спортсменам разных видов спорта, связанных со стартовым разгоном и прыжковыми движениями, где требуется динамичное и многократное изменение нагрузки в начале и последующем движении.
Возможность определять биомеханические характеристики движения тела спортсмена и отдельных его звеньев в реальном масштабе времени позволяет прослеживать, контролировать и корректировать тренировочный процесс в динамике, что способствует повышению эффективности тренировок и, соответственно, мастерства спортсменов.
Источники информации
1. Патент РФ №2097083 С1, 6 А63В 21/00, 23/00. Устройство для тренировки мышц.
2. Патент РФ №2201781 С2, 7 А63В 5/00, 21/068. Устройство для развития прыжковой силы спортсменов.
3. www.taosinc.com