МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СПОРТИВНЫЙ ТРЕНАЖЕР

Полезная модель относится к спортивному оборудованию и направлена на целевую тренировку изолированных групп мышц пользователя динамическим способом с максимальной нагрузкой в единицу времени.
В современных условиях задача снижения последствий гиподинамии является наиболее актуальной для обеспечения здоровья населения всех возрастных категорий. Известно большое количество тренажеров, обеспечивающих физическую разминку в качестве средства снижения последствий гиподинамии.
Известен переносной мини-тренажер для физической разминки рук и ног, содержащий круглый кожух, внутри которого размещено фрикционное вращающееся нагрузочное устройство, к которому с двух сторон присоединены откидные элементы, посредством которых нагрузочное устройство приводится во вращение с помощью рук и ног (см., например, описание изобретения к патенту США №5490824, кл. A63B 22/06, опубл. 13.02.1996).
Такой тренажер удобен при перевозке и может быть установлен на любой плоской поверхности, однако пользователь не может использовать его, если сам находится в движении. Кроме того, это устройство обеспечивает только один вид физической нагрузки.
Известен также тренажер для физической разминки, содержащий корпус, внутри которого установлено реверсивное вращающееся нагружающее устройство, систему передачи усилия на нагружающее устройство с гибким рабочим органом, включающую шкив, взаимодействующий со шкивом незамкнутый гибкий рабочий орган с захватами, выходные ролики и средство крепления на опоре (см., например, описание изобретения к патенту США №5755650, кл. A63B 21/00, опубл.1998).
Данный тренажер конструктивно связан с креслом, что исключает возможность использования его в качестве переносного, при этом схема нагружения обеспечивает только одно движение руками.
Известен спортивный тренажер, содержащий платформу для размещения пользователя, установленную через упорный шарикоподшипник на неподвижном основании, и средство для изменения реактивного вращательного момента, включающее стержни и размещенные на них грузы (см., например, описание изобретения к патенту США N 4538807, кл. A63B 23/02, опубл. 1985).
Недостатком этого тренажера являются его большие размеры.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа многофункциональный спортивный тренажер, содержащий рабочее место пользователя, рамную конструкцию с силовыми опорными стойками, на которых закреплен персональный компьютер, установленный с возможностью перемещения по вертикали и отображения сформированного виртуального пространства с непрерывным преобразованием виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве с учетом взаимодействия с объектами в виртуальном пространстве (см., например, описание к патенту РФ на полезную модель №97928, кл. A63B 21/00, опубл. 27.09.2010).
Такое устройство обеспечивает дистанционную передачу данных в режиме реального времени на монитор компьютера, что позволит вести оперативную корректировку хода занятий индивида. Однако такой тренажер имеет ограниченные функциональные возможности.
Сущность заявляемой полезной модели выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемой полезной моделью технического результата, выражающегося в расширении функциональных возможностей тренажера за счет обеспечения возможности отображения на мониторе компьютера виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве, а также моделирования изокинетического режима мышечного сокращения в концентрической фазе движения и моделирования изокиентического режима мышечного сокращения в эксцентрической фазе движения опорно-двигательного аппарата пользователя, что расширяет функциональные возможности устройства и повышает общий морфо-биологический статус пользователя.
Указанный технический результат достигается тем, что в многофункциональном спортивном тренажере, содержащем рабочее место пользователя, рамную конструкцию с силовыми опорными стойками, на которых закреплен персональный компьютер, установленный с возможностью перемещения по вертикали и отображения сформированного виртуального пространства с непрерывным преобразованием виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве с учетом взаимодействия с объектами в виртуальном пространстве, рабочее место пользователя выполнено в виде неподвижной платформы, на которой с возможностью углового поворота в обе стороны и изменения угла наклона смонтирована подвижная платформа с подвижными площадками для ног пользователя, установленными с возможностью перемещения по выполненным в верхнем торце подвижной платформы направляющим прорезям для обеспечения имитации на мониторе компьютера движения пользователя вперед-назад, вертикального подъема ног пользователя с возможностью отображения имитации на мониторе компьютера подъема пользователя по лестнице и отображения на мониторе компьютера движения пользователя по пересеченной местности при комбинации упомянутых перемещений пользователя.
Кроме того, направляющие прорези расположены параллельно или оппозитно друг другу, подвижная и неподвижная платформы выполнены цилиндрическими, а механизм изменения угла наклона подвижной платформы содержит, как минимум, три электропривода, пневмо- или гидроцилиндра.
Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи к достигаемому результату. Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники. Предложенное устройство является промышленно применимым, т.к. может быть реализовано существующими техническими средствами.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности полезной модели.
Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.
На фиг.1 представлен многофункциональный спортивный тренажер, общий вид, на фиг.2 то же, вид сзади, на фиг.3 - то же, вид сбоку, на фиг.4 - то же, при положении пользователя сидя, на фиг.5 - то же, при положении пользователя, имитирующем на мониторе перемещение пользователя вверх по лестнице, на фиг.6 - расположение прорезей на верхнем торце подвижной платформы.
Предложенный многофункциональный спортивный тренажер содержит рабочее место пользователя, рамную конструкцию 1 с силовыми опорными стойками 2, на которых закреплен персональный компьютер 3, установленный с возможностью перемещения по вертикали и отображения сформированного виртуального пространства с непрерывным преобразованием виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве с учетом взаимодействия с объектами в виртуальном пространстве.
Рабочее место пользователя выполнено в виде неподвижной платформы 4, на которой с возможностью углового поворота к горизонту в обе стороны и изменения угла наклона смонтирована подвижная платформа 5 с фланцем 6 и подвижными площадками 7 и 8 для ног пользователя, установленными с возможностью перемещения по выполненным в верхнем торце подвижной платформы направляющим прорезям 9 для обеспечения имитации на мониторе компьютера движения пользователя вперед-назад, вертикального подъема ног пользователя с возможностью отображения имитации на мониторе компьютера подъема пользователя по лестнице и отображения на мониторе компьютера движения пользователя по пересеченной местности при комбинации упомянутых перемещений пользователя.
Кроме того, направляющие прорези 9 могут быть расположены параллельно или оппозитно, подвижная 5 и неподвижная 4 платформы выполнены цилиндрическими, а механизм изменения угла наклона подвижной платформы содержит, как минимум, три электропривода, пневмо- или гидроцилиндра 10.
В заявленном тренажере персональный компьютер имеет, как правило, несколько дополнительных мониторов 11, закрепленных к закрепленных, также как и основной монитор, на силовых вертикальных опорных стойках 2, которые в нижней части укреплены к круговым рельсовым направляющим рамной конструкции 1 для их перемещения по кругу с образованием панорамного широкого экрана.
Пользователь может быть оснащен шлемом 12 виртуальной реальности при перемещении по установленному наклонно рабочему месту и имитации движения пользователя по пересеченной местности. При размещении пользователя в положении сидя пользователь размещается в кресле 13, оснащенном ручными манипуляторами 14 управления.
Заявленный многофункциональный тренажер обеспечивает отображение на мониторе компьютера различные реальные физические движения пользователя: вперед-назад, вверх-вниз, повороты корпуса пользователя в обе стороны, а также реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве при минимально занятом объеме.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Предложенный спортивный тренажер обеспечивает перемещение пользователя в пределах поворачивающейся платформы за счет перемещения двух или более поворачивающихся площадок для ног от края к краю или от края к середине поворачивающейся платформы, при этом площадки поворачиваются на одинаковый градус, но в противоположную сторону относительно поворота платформы.
Процесс перемещения площадок происходит циклично и начинается с их расположения относительно подвижной платформы 5. Площадка, на которую в данный момент происходит опора несущей ноги, плавно отводится к краю подвижной платформы 5 в противоположную сторону от движения пользователя, и в случаи поворота платформы площадка совершает поступательное движение, то есть проворачивается в другую сторону от поворота платформы ровно настолько, насколько изменился угол поворота самой платформы. Благодаря этому повороту пользователь сохраняет выбранное направление движения. Также, одновременно, в этот интервал шага одна из свободных площадок перемещается под поднятой ногой и при переносе на нее веса тела, то есть когда эта нога становится опорной, цикл повторяется. Поворот необходим только для площадки, на которую поставлена опорная нога, так как шагающая нога находится в отрыве и не соприкасается с площадкой, вращение свободной площадки не обязательно. Необходимо условие, когда обе ноги пользователя находятся на площадках, при этом поворота и движения площадок не происходит. При отрыве от площадки одной из ног при начале движения пользователя эта площадка перемещается под поднятой ногой, а площадка с опорной ногой отводится к краю платформы в противоположную сторону от направления движения пользователя ровно настолько, насколько перемещена свободная площадка с занесенной над ней ногой. Один из вариантов устройства состоит из несущей поворачивающейся платформы, на которой расположены две или более площадки для ног, способные совершать прямолинейные перемещения от края платформы до ее середины. В данном варианте поворот платформы и поворот площадки происходит после сведения площадок в центре в крайнем их положении в прямолинейном движении, что необходимо для того, чтобы пользователь не смещался в сторону при отведении опорной подвижной площадки в противоположную сторону от направления движения пользователя. Возможно также перемещение площадок от края до края платформы. Перемещение площадок от края до края платформы возможно как по прямой, так и по изогнутой траектории, причем не прямолинейные перемещения площадок применимы и к варианту с перемещением от края к середине платформы. В обоих вариантах площадки должны иметь возможность поворота в противоположную сторону от вращения платформы, то есть поворот должен быть возможен в обе стороны на любой угол поворота из 360 градусов. Наиболее целесообразным вариантом является использование двух площадок для ног и их перемещение от края к краю платформы. Увеличение количества площадок больше двух усложняет конструкцию в виду добавления приспособлений для независимого перемещения площадок в пределах поворачивающейся платформы. Габариты устройства также вырастают, потому что опорная площадка с расположенной на ней несущей ногой и площадка, которая подводится под поднятую ногу, должны разойтись на максимально возможную длину шага. Диаметр вращающейся платформы для варианта с двумя площадками берется также из расчета максимально возможного шага, примерно 1 метр 20 сантиметров, использование более двух площадок для ног увеличивает эти габариты. Перемещение площадок от края к краю платформы предпочтительнее, чем перемещение от края платформы к ее середине, так как в этом варианте скорость и угол поворота платформы значительно увеличиваются, что может повысить шансы получения травм на данном устройстве. Площадки, перемещаясь по платформе вперед-назад и при повороте платформы, поворачиваются в противоположную сторону, не должны мешать друг другу для этого их можно сделать круглой формой, в этом случае диаметр площадки выбирается исходя из максимальной длины ступни пользователя с небольшим запасом, примерно 30 сантиметров, а ноги пользователя располагаются на площадках так, чтобы середина ступней находилась по центру этих площадок. Минимальный просвет в этом случаи между ступнями левой и правой ноги будет примерно 20 сантиметров, так как ширина подошвы в ее средней части примерно 10 сантиметров, а подошва располагается по центру площадки. Данный просвет дает возможность комфортного перемещения пользователя на данном устройстве с круглыми площадками, при этом, когда ноги сводятся вместе, то есть ближе, чем на 20 сантиметров, пользователь должен начать движение с той же ноги, которую он подводил к опорной, потому что опорная ступня будет находиться по центру своей площадки, а подводимая нога заступит на чужую и сместится с центра своей площадки. В другом варианте площадки для ног оборудуются специальными приспособлениями, смещающими вращающиеся площадки влево и вправо примерно на 30 сантиметров, что предотвращает их соприкосновение при повороте площадок. Данное приспособление дает возможность сузить площадки до ширины подошвы пользователя. В этом варианте, когда ноги сводятся вместе, пользователь может начать движение с любой ноги, так как ступни будут находиться всегда по центру своих площадок. Добавление приспособлений, смещающих площадки, и необходимость дополнить систему, отслеживающую перемещение ног блоками для определения положения ступни, чтобы подставлять площадку, точно ориентируя ее относительно расположения носка и пятки пользователя, усложнит конструкцию, поэтому применение в устройстве для всенаправленного передвижения круглых площадок целесообразнее по причине упрощения конструкции. Перемещение поднятой ноги в пространстве отслеживается специальным устройством управляющим перемещением площадок и поворотом платформы. Данное устройство помогает точно подводить одну из площадок под поднятую ногу и не дает пользователю сбиться с ритма ходьбы или бега. Для уменьшения времени отклика устройства и упрощения системы управления в варианте с двумя площадками для ног, выгодно использовать модернизированный джойстик, состоящий из обычного джойстика с проведенной внутри его рычага управления упругой леской или проволокой, также возможно применение телескопически складных мини- цилиндров. Одна из сторон лески или телескопии через подвижное соединение закрепляется на центральной части подошвы пользователя при помощи ремешка. Другая сторона лески или проволоки оборудуется пружиной скручивания или возврата, в случае применения телескопии складные мини- цилиндры располагаются внутри рычага джойстика, и в подвижное соединение с ремешком добавляется возможность не только прокручивания, но и изменения угла по принципу шарового соединения. Необходимая длина лески и телескопии вычисляется замером расстояния между площадкой и подошвой ноги в максимально отведенном положении. Данный джойстик располагают в центе нижней неподвижной части площадки, сверху устанавливают вращающуюся площадку для ног с отверстием посередине, сквозь которое проходит рычаг управления джойстика (так называемый, джойстик с выдвижным рычагом). Данный джойстик можно применять только в варианте устройства при использовании двух площадок для ног. В комплексе с программируемым блокам управления джойстик с выдвижным рычагом производит позиционирование площадок в пределах поворачивающейся платформы при помощи электроприводов в роли, которых желательно использовать шаговые двигатели или серводвигатели для точного и плавного перемещения площадок вперед-назад, верх, вниз, а также поворота платформы в обе стороны и ее наклона. Электропривода, отвечающие за поворот площадок, оборудуют трубчатым валом для того, чтобы через него проходило соединение джойстика с нижней площадкой, которая перемещается по платформе, но не поворачивается в отличие от подвижной площадки, которая находится над ней. Для отслеживания перемещения поднятой ноги могут применяться и другие существующие технические средства, такие как системы, состоящие из нескольких видео камер для определения местоположения объекта, а также лазерные, инфракрасные или ультразвуковые датчики слежения. Примером этих так называемые трекинг-систем являются разработки от таких компаний как A.R.T., InterSense, WorldViz, PhoeniX Technologies, Ascension, PhaseSpace, EligoVision. Но на данный момент эти средства являются медлительными и дорогими, поэтому использование джойстика с выдвижным рычагом является оптимальным вариантом для применения в устройстве с двумя площадками для ног. Направляющие, по которым перемещаются площадки, а также направляющие для поворота платформы и уменьшения шума при работе, желательно оборудовать подшипниками скольжения, что во много раз уменьшит производимый шум при работе устройства, чем применение подшипников качения. Также для перемещения площадок для ног по линейным направляющим целесообразно применять армированные зубчатые ремни передач, что также уменьшит уровень шума в отличие от использования трапецеидальных винтов. Уменьшение шумового загрязнения в данном устройстве необходимо в виду того, что оно может быть установлено в жилых домах и квартирах. Имитация всенаправленного перемещения по пересеченной местности происходит при помощи подъема и опускания платформы минимум тремя электроприводами, пневмоцилиндрами или гидроцилиндрами, соединенными с компьютером или игровой приставкой. Подъем и спуск по ступеням имитируется плавным перемещением вверх и вниз площадок для ног пользователя с занесенной ногой, когда одна из площадок перемещается под ней и одновременно поднимается на высоту ступени при перенесении на поднятую площадку веса тела, когда она отводится назад, при этом происходит плавное ее опускание (поочередное поднятие) и опускание имитирует подъем и спуск пользователя по ступеням. Установив на одну из площадок кресло с рулем или штурвалом, и оборудовав соответствующими манипуляторами для управления, данное устройство переоборудуется в симулятор управления машиной, самолетом, вертолетом или космическим аппаратом. Площадка с установленным на нем креслом и возможностью перемещения вперед назад, а также поворачивающаяся платформа способная изменять угол наклона во всех направлениях, подсоединенная к компьютеру или игровой приставки этот комплекс в полной мере может обеспечить ощущение полета или езды на разнообразных видах транспорта. Для более полного погружения в виртуальную среду, с которой взаимодействует пользователь, визуальное отображение виртуальных объектов в устройстве происходит через панорамный телевизор с функцией 3D или виртуальный шлем с 3D отображением. Для того, чтобы телевизор находился перед пользователем, когда изменяется направление движения пользователя, система телевизоров располагается на рельсовых направляющих, оборудуется устройством, отслеживающим изменение положения головы пользователя и через блок управления электродвигателем происходит перемещение телевизоров и расположение их перед пользователем. На данный момент развития техники существуют системы отслеживания движений головы такие как - TrackIR применяет инфракрасную камеру с подсветкой инфракрасными диодами; в качестве маркера используется специальная отражающая наклейка, отслеживает движение по 6 степеням свободы. RUCAP UM-5 - применяется активный ультразвуковой маркер. Движение головы отслеживается с высокой точностью по шести степеням свободы. HeadJoy - устройство имеет активный маркер с четырьмя светодиодами, закрытыми специальной шторкой; приемник сравнивает интенсивность света от каждого из них и соответственно вычисляет поворот головы пользователя. Работает по трем координатам - поворот головы и приближение. A.R.T. - профессиональная система, применяющаяся в научных исследованиях, системах виртуальной реальности. Система построена на инфракрасном оптическом принципе. FaceTrackNoIR - программа для отслеживания головы через вэб-камеру. Также изменение положения телевизоров происходит по высоте вверх и вниз, это необходимо, потому что имеется разница в росте пользователей, а также при изменении функции ходьбы, бега на функцию езды или полета, мониторы должны находиться на уровни глаз пользователя. Оптимизируя данное устройства для применения в квартирах и домах, оно оборудуется подъемным устройством, которое уменьшает его габариты в сложенном виде. Для взаимодействия пользователя с виртуальной реальностью возможно применение манипулятора Kinect (ранее Project Natal) - игровой «контроллер без контроллера» для Xbox 360. Разработан фирмой Microsoft. Данный манипулятор даст возможность задействовать в играх все тело пользователя и управлять виртуальным аватаром.
Таким образом, применение предложенного устройства обеспечивает расширение функциональных возможностей тренажера за счет обеспечения возможности отображения на мониторе компьютера виртуального пространства в соответствии с реальными физическими движениями руки, ноги, головы, туловища и глаз пользователя в реальном пространстве и повышает общий морфо-биологический статус пользователя.