УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕНИРОВКИ ПЛОВЦОВ
DEVICE FOR TRAINING SWIMMERS

Изобретение относится к спортивным тренажерам, а именно к устройствам для обучения и совершенствования двигательных действий, психологической устойчивости и волевой подготовки пловцов.
Наиболее близким устройством, взятым за прототип, является устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР №1192840 А63В 69/12.
Устройство содержит платформу, установленную в бассейне на направляющих с возможностью прямолинейного перемещения, на которой закреплены на подвесных гибких тягах пояса для спортсменов. Каждая гибкая тяга связана с платформой через подпружиненный барабан, имеющий конусную поверхность с винтовым ручьем для намотки гибкой тяги и установленный на платформе с возможностью вращения от усилия спортсмена. Платформа посредством тросо-блочной системы связана с ведущим барабаном, который с одной стороны через редуктор кинематически связан с электродвигателем, а другой - с датчиком перемещения. Электродвигатель и датчик перемещения электрически соединены с блоком управления, включающим в себя программное устройство.
Достоинством этого устройства является его относительная простота и возможность для одновременных занятий большого количества спортсменов.
Недостатком данного устройства является относительно малый диапазон воздействующей нагрузки и срыв гибкой тяги с винтового ручья для намотки при резких телодвижениях спортсмена.
Задачей данного предлагаемого изобретения является повышение эффективности тренировки благодаря приближению к реальным условиям соревнований посредством применения вычислительных средств и контролю физического и психического состояния спортсмена.
Указанная задача в «Устройстве для тренировки пловцов», содержащем подвесную гибкую тягу и пояс, крепящийся на теле спортсмена, трособлочную систему, огибающую блок, закрепленный с одной стороны бассейна, и связанную с ведущим барабаном, установленным с противоположной стороны бассейна, при этом ведущий барабан одной стороной через редуктор кинематически связан с электродвигателем, а другой стороной - с датчиком перемещения и, кроме того, электродвигатель электрически соединен с выходом блока управления, а подвесная гибкая тяга присоединяется механически к трособлочной системе через подпружиненный барабан, обеспечивающий возможность его вращения от усилия спортсмена, и автоматический возврат этого барабана решается тем, что в него дополнительно введены персональный компьютер в полном наборе, программное обеспечение к персональному компьютеру и в тренажер - стабилизированный источник электропитания, датчик силы, детектор пульса, составленный датчиком, предусилителем и усилителем-формирователем частоты сердечных сокращений, из которых датчик силы и подпружиненный синхронный барабан включены между тросом трособлочной системы и упомянутой подвесной гибкой тягой, а датчик детектора пульса находится на теле спортсмена выше пояса, к которому крепится указанная тяга, связаная с датчиком силы через подпружиненный синхронный барабан, при этом тросовая часть тросо-блочной системы выполнена составной: большая часть ее длины - поддерживающий трос, а остальная часть ее длины - нагрузочный трос, рядом с которым протянут многожильный электрический тонкий гибкий кабель, который сматывается и наматывается синхронно на трехсекционный ведущий барабан, на котором также размещена подвижная часть скользящего токопроводного узла на четыре провода, а неподвижная его часть электрически соединяет датчик силы и детектор пульса с USB-портом персонального компьютера, к которому также подключен датчик перемещения, а выход персонального компьютера соединен со входом блока управления, кроме того, подвесная гибкая тяга и многожильный электрический тонкий гибкий кабель датчика частоты сердечных сокращений идут вместе параллельно до указанного пояса, одновременно наматываясь и сматываясь с подпружиненного синхронного барабана, при этом указанный кабель, фиксируясь на поясе, продолжен до точки на теле спортсмена, где явно проявляется биение пульса, например, до мочки уха, на которой и устанавливается этот датчик, при этом провисание трособлочной системы убирается с помощью узла регулируемого перемещения местоположения указанного блока.
Отличительными признаками заявляемого технического решения являются следующие:
- в него дополнительно введены персональный компьютер, программное обеспечение к персональному компьютеру и в тренажер - стабилизированный источник электропитания, датчик силы, детектор пульса, составленный датчиком и усилителем-формирователем частоты сердечных сокращений;
- датчик силы включен между тросом трособлочной системы и подпружиненным синхронным барабаном;
- подвесная гибкая тяга связана с датчиком силы через подпружиненный синхронный барабан;
- тросовая часть трособлочной системы выполнена составной: большая часть ее длины - поддерживающий трос. А остальная часть ее длины - нагрузочный трос, рядом с которым протянут многожильный электрический тонкий гибкий кабель, который сматывается и наматывается синхронно на трехсекционный ведущий барабан, на котором также размещена и подвижная скользящая часть токопроводного узла на четыре провода, а неподвижная его часть электрически соединяет датчик силы и детектор пульса с USB-портом персонального компьютера, к которому также подключается датчик перемещения, и выход персонального компьютера соединен со входом блока управления;
- подвесная гибкая тяга и многожильный электрический тонкий гибкий кабель датчика частоты сердечных сокращений идут вместе параллельно до указанного пояса, одновременно наматываясь и сматываясь с подпружиненного синхронного барабана, при этом данный кабель, фиксируясь на поясе, продолжен до точки на теле спортсмена, где явно проявляется биение пульса, например до мочки уха, на котором и устанавливается этот датчик;
- провисание трособлочной системы убирается с помощью регулируемого перемещения местоположения указанного блока трособлочной системы.
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 повысить эффективность тренировки путем приближения к реальным условиям соревнований посредством вычислительных средств и на основе контроля физического и психического состояния спортсмена, что указывает на соответствие заявляемого технического решения критерию «существенные различия».
Заявляемое устройство поясняют схематические чертежи:
- на фиг.1 показано схематично устройство в целом;
- на фиг.2 представлен элемент сочленения 33 тросов 3 и 4;
- на фиг.3 и 4 - датчик силы;
- на фиг.5 и 6 - подпружиненный синхронный барабан 14: на фиг.5 -вид спереди, а на фиг.6 - вид сбоку слева;
- на фиг.7 - блок-схема детектора пульса;
- на фиг.8 - электрическая принципиальная схема датчика частоты сердечных сокращений 19 и предусилителя 20;
- на фиг.9 - одна из возможных конструкций датчика частоты сердечных сокращений 19.
Устройство включает в себя тренажер, персональный компьютер и программное обеспечение к нему.
Тренажер 1, оконтурен пунктирными линиями на фиг.1, содержит установленную над бассейном 2 трособлочную систему, состоящую из тросов 3, 4 и блока 5, закрепленного с одной стороны бассейна 2 с помощью узла регулируемого перемещения 6 местоположения блока 5 и связанную с ведущим трехсекционным барабаном 7, размещенным с противоположной стороны бассейна 2, при этом указанный ведущий барабан 7 одной стороной через редуктор 8 кинематически связан с электродвигателем 9, а другой стороной - с датчиком перемещения 10. Кроме того, электродвигатель 9 соединен с выходом блока управления 11, а подвесная гибкая тяга 12 присоединяется механически к трособлочной системе через датчик силы 13 и подпружиненный синхронный барабан 14, обеспечивающий возможность его вращения от усилия спортсмена и автоматический возврат этого барабана в исходное положение, причем тросовая связь трособлочной системы выполнена составной: большая часть ее длины 3 - поддерживающий трос, а остальная часть ее длины 4 - нагрузочный трос, рядом с которым протянут параллельно многожильный электрический тонкий гибкий кабель 15, который сматывается и наматывается синхронно с нагрузочным тросом 4 на трехсекционный ведущий барабан 7, на котором также размещена подвижная часть скользящего токопроводного узла на четыре провода 16, а неподвижная его часть 17 соединяет электрически датчик силы 13 и детектор пульса 18, составленный датчиком частоты сердечных сокращений (ЧСС) 19, предусилителем 20, размещенным на плате датчика силы 13, и усилителем-формирователем 21 ЧСС с USB-портом 22 персонального компьютера 23, к которому также подключен датчик перемещения 10, а выход персонального компьютера 23 соединен электрически со входом блока управления 11, и датчики: силы 13, ЧСС 19 и перемещения 10, а также усилители: предусилитель 20 и усилитель-формирователь 21 запитаны от стабилизированного источника электропитания 24. Кроме того, подвесная гибкая тяга 12 и многожильный электрический тонкий гибкий кабель 25 датчика ЧСС 19 идут вместе параллельно до пояса 26, закрепленного на спортсмене, одновременно наматываясь и сматываясь с подпружиненного синхронного барабана 14, при этом указанный кабель 25, фиксируясь на поясе 26, продолжен до точки на теле спортсмена. Где явно проявляется биение пульса, например на мочке уха, на котором и устанавливается этот датчик, при этом провисание трособлочной системы убирается с помощью узла регулируемого перемещения 6 местоположения блока 5 трособлочной системы.
Персональный компьютер 23 (оконтурен на фиг.1 штрихпунктирными линиями) содержит системный блок 27, дисплей 28, клавиатуру 29 и оптическую мышь 30.
Программное обеспечение для персонального компьютера 23 размещено на дискете или диске, вставляемых соответственно в гнезда 31 и 32. В нем заложены операции для работы устройства в целом и его составных частей, а также перемещения курсора на экране системного блока 27, по которому судят о перемещении спортсмена и параметрах его поведения.
Прежде чем рассмотреть принцип работы данного устройства, необходимо определиться с мотивом и мотивацией действий спортсмена. В обобщенном понятии мотив - побудительная причина, повод к какому-либо действию или бездействию, довод в пользу чего-либо или кого-либо, а мотивация - активное состояние мозговых структур, побуждающее человека совершать действие, направленное на удовлетворение своих потребностей. Мотивов и мотиваций великое множество, но их проявление можно определить как внешними, так и внутренними факторами, интересами и стимулами. К внешним можно отнести, например, потребность познания необычного устройства. Этот фактор может побудить спортсмена ознакомиться с предлагаемым устройством и позаниматься на нем.
К внутренним факторам и стимулам может быть отнесено, например, соревнование с кем-то. Победить в соревновании - извечный стимул поведения человека. Необходимо только помнить о разумном сочетании временных, внешних и внутренних факторов, интересов и стимулов.
Итак, пусть в качестве мотива берется интерес применения оригинального комплекса, состоящего из тренажера 1, персонального компьютера 23 и программного обеспечения к нему. Комплекс предназначен для повышения эффективности тренировок путем приближения к реальным условиям соревнований посредством вычислительных средств и на основе контроля физического и психического состояний спортсмена.
Перед началом занятия инженер-исследователь или тренер, вставив кассету или диск с программным обеспечением в гнездо 31 или 32 в системный блок 27, с помощью клавиатуры 29 инициирует ввод программного обеспечения в системный блок 27 и проверяет работоспособность устройства: тарирует датчик силы 13 и измеряет силовую нагрузку на него, для чего прикрепляет к нему образцовый динамометр и, прилагая усилие, воздействует на датчик силы 13, при этом на экране дисплея 28 отмечается приложенная нагрузка; проверяет работу подпружиненного синхронного барабана 14, для чего, воздействуя на подвесную гибкую тягу 12, отмечает ее удлинение и возвращение в исходное состояние; проверяет детектор пульса 18, составленный датчиком ЧСС 19, предусилителем 20 и усилителем-формирователем 21 через скользящий токопроводной узел на четыре провода 16 и 17, для чего размещает датчик ЧСС 19 на спортсмене, отмечает его пульс на дисплее 28 персонального компьютера 23; проверяет датчик перемещения 10 и вращение ведущего барабана 7, для чего с помощью клавиатуры 29 персонального компьютера 23 и блока управления задает вращение ведущего барабана 7 в одну и другую стороны и на дисплее 28 отмечает увеличение или уменьшение пройденного расстояния. Убедившись в работоспособности устройства в целом, отдельных его узлов и программного обеспечения, можно начинать занятие.
Устройство работает следующим образом.
Спортсмен, надев пояс, погружается в воду и принимает исходное положение. С клавиатуры 29 в соответствии с программным обеспечением включается электродвигатель 9 через блок управления 11. Направление перемещения тросо-блочной системы регулируется направлением вращения вала электродвигателя 9. Программа перемещения трособлочной системы, заложенная в программном обеспечении, реализуется с учетом информации, поступающей в системный блок 27 персонального компьютера 23 от датчика перемещения 10, датчика силы 13, детектора пульса 18. Управление перемещением трособлочной системы позволяет создавать различные режимы облегчения и сопротивления. Сила, обеспечивающая сопротивление или облегчение движению спортсмена, прикладывается через подвесную гибкую тягу 12, выполненную в виде упругого амортизатора. Режим сопротивления создается, когда подвесная гибкая тяга 12 присоединяется механически к тросо-блочной системе через датчик силы 13. Элемент сочленения 33 находится сзади спортсмена и движется со скоростью, меньшей скорости спортсмена. Режим облегчения создается, когда элемент сочленения 33 опережает спортсмена.
Возможность измерения силы, воздействующей на спортсмена, с помощью датчика силы 13 и его пульса - детектором пульса 18, позволяет контролировать физическое и психическое состояние спортсмена, то есть его физическую и волевую подготовку.
На стадии обучения устройство используется жесткое крепление подпружиненного синхронизированного барабана 14. На стадии совершенствования спортивного мастерства, а также при имитации условий соревнований с применением режимов сопротивления и облегчения постоянной интенсивности указанный барабан 14 устанавливается с возможностью вращения.
В заявляемом устройстве несколько нестандартных элементов и узлов. Рассмотрим основные из них, уделив внимание их конструкции, принципу действия и участию в работе всего устройства.
Элемент сочленения 33 тросов 3 и 4, показанный на фиг.2, представляет собой прямоугольный треугольник с закругленными углами, в вершинах острых углов которого крепятся тросы 3 и 4 с помощью крепежных узлов 34 и 35, а в вершине прямого угла - посредством крепежного приспособления 36 крепится ушко 37 датчика силы 13. В средней части элемента сочленения 33 размещается и крепится хомутиком 38 многожильный электрический тонкий гибкий кабель 15, соединенный с датчиком силы 13.
Датчик силы 13. Существует несколько способов измерения силы воздействия: на основе тензометрического элемента и тензометрического моста, на основе динамометра и рычажного способа и др. Одна из возможных конструкций датчика силы 13, построенного, например, на основе динамометра, показана на фиг.3, 4 (оконтуренного пунктирными линиями). Датчик силы 13 включает в себя основание 39, пружинный динамометр 40, потенциометр 41 с линейным перемещением движка, механически связанного с показателем (стрелкой пружинного динамометра 40), параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из стабилитрона 42 и гасящего резистора 43, размещенных на электроизоляционных втулках 44, 45, 46. На оставшейся части основания 39 размещен предусилитель 20, на который подается электропитание от многожильного электрического тонкого кабеля 15 через электроизоляционные втулки 47 и 48.
Работает датчик силы 13 по принципу пружинного динамометра, который известен из курса физики.
Подпружиненный синхронный барабан 14. Одна из многих возможных конструкций барабана 14 показана на фиг.5 и 6: на фиг.5 - вид спереди, на фиг.6 - вид сбоку слева. Подпружиненный синхронный барабан 14 включает в себя: щечки 49 и 50, левую и правую соответственно, которые являются и задающим центром для вращения червячного колеса 51, к которому прикрепляется первый конец спиральной пружины 52 двумя винтами 53 и 54, а ее второй конец входит в прорезь 55 оси 56 и закрепляется одним винтом 57, а сама ось 56 проходит через центр вращения щечек 49 и 50. Кроме того, на ось 56 одеваются неподвижно, например, с помощью шплинтов 58 и 59 два полубарабана 60 и 61, один - 60 - для электрической части, а второй 61 - для механической части, зафиксированные шайбами 62, 63 и отрезками нержавеющей проволоки 64, 65, и вблизи от полубарабана 60 размещен скользящий токопроводной узел 66 на три провода (оконтурен пунктирными линиями): его подвижная часть 67 размещена на оси 56, а неподвижная его часть 68, размещенная на щечке 49, соединяет датчик ЧСС 19 с предусилителем 20 через замок 69 тонким гибким электрическим кабелем 25 на три провода, размещенным на полубарабане 60, и входит в состав подвесной гибкой тяги 12, так как вторая его механическая составная часть наматывается на втором полубарабане 61 и после замка 70 соединяется механически с тонким гибким кабелем 25 на три провода, и для первоначальной настройки барабана 14 и ослабления пружины 52 применена червячная передача, состоящая из червячного колеса 51 с червячной резьбой по внешней поверхности и червячного болта 71, закрепленного в основании 72 с помощью крепления 73 с соединительным гнездом для датчика силы 13 и планки для установочного крепления 74 замков 69 и 70.
Использование подпружиненного синхронного барабана 14 обеспечивает постоянство силы, приложенной к спортсмену вне зависимости от того, опережает он точку соединения тросов 3 и 4 или отстает от нее. Это достигается благодаря вращению подпружиненного синхронного барабана 14, вследствие которого сохраняется равенство моментов натяжения гибкой тяги и силы противодействующей ей пружины. Например, при увеличении дистанции между спортсменом и точкой соединения тросов 3 и 4 за счет вращения подпружиненного синхронного барабана 14 происходит сматывание гибкой тяги, что вызывает увеличение момента силы натяжения гибкой тяги и одновременное раскручивание пружины, что вызывает увеличение момента силы, противодействующей силе натяжения гибкой тяги.
Устанавливая определенные исходные состояния пружины, можно создавать спортсменам неадекватные условия для осуществления индивидуального подхода в совершенствовании двигательных действий.
Детектор пульса. Существует несколько способов определения пульса человека, а именно: путем пальпирования руки вблизи кисти и в области сонной артерии, с помощью фонендоскопа и кратковременного передавливания потока крови на руке, оптическим приборным методом на лбу человека, на пальце руки и на мочке уха, акустическим методом и др. Наиболее простым, по нашему мнению, является оптический приборный метод на мочке уха, который не создает трудностей и неудобств для занимающегося.
Блок-схема детектора пульса показана на фиг.7, где использованы оптическая связь, электрическая информационная связь, электрическая связь по электропитанию и тросовая механическая связь, которые, начиная от датчика ЧСС 19 и до системного блока 27 персонального компьютера 23 решают проблему определения пульса спортсмена следующим образом. Источник электропитания 24 запитывает усилитель-формирователь 21 и через скользящий токопроводной узел на четыре провода 17 и 16 передает электропитание на предусилитель 20, а с него через скользящий токопроводной узел 66 на три провода, через подпружиненный синхронный барабан 14 и фиксатор 75 передает электропитание на датчик ЧСС 19. Информация с датчика ЧСС 19, получаемая при скачкообразном протекании крови в мочке уха спортсмена, передается через предусилитель 20 и усилитель-формирователь 21 в системный блок 27 персонального компьютера 23 (здесь не упоминаются описанные проходные звенья). Оптическая связь используется для преобразования скачков тока крови в мочке уха в электрический сигнал.
Датчик ЧСС 19 и предусилитель 20 состоит из (фиг.8): миниатюрной лампочки накаливания 76 яркого свечения и фотодиода 77, образующих пару «лампа накаливания - фотодиод». Ток, протекающий через лампу накаливания 76, задается резистором 78, а темновой ток через фотодиод 77 задается резистором 79. Предусилитель 20 построен по схеме подавления синфазной помехи на трех операционных усилителях 80, 81 и 82. Длитель напряжения на резисторах 83 и 84 задает потенциал на входе операционного усилителя 81. Функции логического блока выполняет программное обеспечение персонального компьютера 23, которое решает задачу, во-первых, определения количества ударов в одну минуту и, во-вторых, для уменьшения случайных помех заполняет случайные пропуски между ударами пульса.
Датчик ЧСС 19 наушного типа (фиг.9) состоит из двух элементов 85 и 86, скрепленных осью 87, и фиксируется на мочке уха с помощью пружины 88 и плоской резины 89, охватывающей ухо спортсмена и настраиваемой индивидуально под конкретного занимающегося.
Работают с данным узлом следующим образом.
Надевают датчик ЧСС 19 на мочку уха и закрепляют плоской резиной 89, охватывая ухо, и следят по дисплею 28 за частотой сердечных сокращений. В зависимости от величины этих сокращений (пульса) увеличивают или уменьшает нагрузку на занимающегося.
Что касается программного обеспечения, то с его помощью осуществляются работы комплекса, проведение физических упражнений и психологических заданий, и оно должно вызывать интерес и желание выполнять эти задания.
И поэтому должен быть комплекс программ. В комплекс программ автоматической обработки информации с периферийных датчиков входят: автоматический ввод и регистрация данных, предварительная обработка сигналов (сглаживание), тарировка входных сигналов, вывод графического изображения входных сигналов, математическая обработка характеристик выполняемых физических упражнений и психологических заданий.
Программа математической обработки характеристик физического упражнение позволяет выполнять расчет следующих биомеханических параметров: длительность всего движения и отдельных его фаз и периодов, величины перемещения и скорости движения, выполняемой работы во время одиночного движения и на всей дистанции. И, кроме того, выполнение психологических заданий позволяет совершенствовать волевую подготовку спортсмена.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает новым качеством - определять самочувствие спортсмена во время выполнения физических упражнений и психологических заданий и предупреждать опасные выходы за пределы «коридора здоровья», постепенно увеличивая интенсивность тренировки в пределах этого «коридора здоровья».