СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ ПРЫЖКА СПОРТСМЕНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ СПОРТСМЕНА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING HEIGHT JUMPED BY ATHLETE AND DEVICE FOR DETERMINING CENTRE OF GRAVITY OF ATHLETE FOR IMPLEMENTING METHOD

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано спортсменами для измерения высоты прыжка.
Известно устройство определения положения центра тяжести человека как в продольном, так и в поперечном направлениях, содержащее жесткую платформу, два датчика нагрузки [Патент РФ №2271145, кл. А61В 5/103, 2006].
Недостатками устройства являются сложность определения центра тяжести, длительность промежутка времени от начала измерений до установки метки центра тяжести на поясе спортсмена.
Известно устройство измерения тока, содержащее стержневой феррозондовый магнитометр (градиентомер), полуэлементы которого отстоят друг от друга на расстоянии Δr [Патент РФ №2252422, кл. G01R 19/00, 2005].
Недостаток устройства заключается в необходимости точного ориентирования плоскости экваториального сечения градиентомера относительно вектора магнитного воздействия.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство лазерного измерителя высоты вертикального прыжка, содержащее штатив, датчик касания ступнями спортсмена пола, лазерный излучатель и датчик регистрации вертикального перемещения, расположенные на штативе, оптический отражатель, ремень, расположенный на поясе спортсмена [Мусаев Э.С. Оптоэлектронные устройства на полупроводниковых излучателях. - М.: Радио и связь, 2004. - с.93-94].
Недостатками известного устройства являются низкая достоверность получаемых данных, так как луч лазера может не попасть на отражатель из-за отсутствия жесткой механической связи "источник - приемник", невысокая точность измерения, что обусловлено свободой угловых перемещений оптического отражателя относительно штатива; опасность применения луча лазера, так как "выше оптического отражателя" находится голова спортсмена в стадии подготовки к прыжку.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ измерения высоты прыжка спортсмена. Согласно способу на поясе спортсмена закрепляется ремень, на котором установлен оптический отражатель. На регулируемый штатив устанавливают лазерный излучатель и датчик, регистрирующий вертикальное перемещение, при этом луч лазера находится выше оптического отражателя, закрепленного на ремне спортсмена. По мере вертикального перемещения спортсмена вверх оптический отражатель на его ремне перекрывает лазерный луч излучателя, отраженный луч попадает на датчик, регистрирующий вертикальное перемещение спортсмена. Спортсмен продолжает подниматься, отрывается от пола и достигает максимальной высоты прыжка. Во время приземления отражатель на ремне спортсмена вновь пересекает луч лазера. Высота прыжка определяется по длительности временного интервала между двумя сигналами датчика: в момент отрыва от пола и во время приземления [Мусаев Э.С. Оптоэлектронные устройства на полупроводниковых излучателях. - М.: Радио и связь, 2004. - с. 91-92].
Недостатками известного способа являются сложность алгоритма вычисления высоты прыжка, в частности из-за избыточного количества датчиков; возможность попадания луча лазера в глаза спортсмена; неопределенность способа точного совмещения оптического отражателя с центром тяжести спортсмена.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности и достоверности измерения высоты прыжка при исключении влияния индивидуальных особенностей спортсменов, оптимизация измерительного процесса в целом, а также исключение опасности попадания луча лазера в человека.
Оптимизация измерительного процесса достигается за счет устранения дополнительных датчиков касания ступнями спортсмена пола, что упрощает алгоритм вычисления высоты прыжка спортсмена. Оптимизация измерительного процесса обеспечивается также сокращением числа ложных попыток - при несрабатывании датчиков касания ступнями спортсмена пола.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения высоты прыжка спортсмена, заключающемся в том, что на поясе спортсмена закрепляют ремень, который механически связывают с оптическим отражателем, на который направляют луч лазера, в отличие от прототипа сначала определяют центр тяжести спортсмена, устанавливая на нем метку центра тяжести, затем, направляя луч лазерного измерителя перемещения внутри трубчатого штатива, с исключением дополнительных датчиков касания ступнями спортсмена пола, по перемещению центра тяжести спортсмена определяют высоту прыжка по формуле:
пр
мах
min
h=h-h,
пр
где h - высота прыжка;
мах
h - максимальное удаление центра тяжести от измерителя перемещения;
min
h - минимальное удаление центра тяжести от измерителя перемещения.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве определения положения центра тяжести спортсмена, содержащем жесткую платформу, два датчика нагрузки, в отличие от прототипа введены метка центра тяжести, закрепленная на жесткой платформе, выполненной в виде узкой доски, уравновешенной в горизонтальной плоскости на линейной центральной опоре, касающейся пола, относительно которой симметрично размещены на противоположных концах платформы первый и второй датчики нагрузки, соответственно соединенные с высокочастотным и низкочастотным звуковыми излучателями, генерирующими звуковой сигнал во время касания датчиком пола, при этом спортсмен, расположенный на платформе в положении лежа, имеет свободу перемещений вдоль нее до момента выключения обоих звуковых излучателей, что означает совмещение центра тяжести спортсмена, линейной центральной опоры и метки центра тяжести в одной вертикальной плоскости, в которой метка центра тяжести закрепляется на спортсмене.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве измерения высоты прыжка спортсмена, включающем штатив, ремень, закрепленный на поясе спортсмена, оптический отражатель, лазерный измеритель перемещения, в отличие от прототипа введены поршень при помощи креплений через вертикальную прорезь в трубчатом штативе, соединенный с поводками, которые механически соединены с подвесом на ремне спортсмена, лазерный измеритель перемещения, состоящий из лазерного источника и фотоприемника, размещенный внутри трубчатого штатива, в верхней части которого закреплен лазерный измеритель перемещения, который при помощи кабеля подключен к микрокомпьютеру с блоком индикации, а оптический отражатель закреплен в верхней части поршня, метка центра тяжести жестко закреплена на ремне спортсмена и механически соединена при помощи креплений и поводков с поршнем, и коврик для обозначения расположения ступней спортсмена.
Кроме того, в известное устройство измерения высоты прыжка по фиг.3а) введены градиентомер, полуэлементы которого расположены на полюсах поршня, трубчатый штатив, выполненный из немагнитного материала, фиксатор, расположенный на трубчатом немагнитном штативе, магнитная метка центра тяжести спортсмена, расположенная на ремне, измеритель перемещения в виде блока обработки сигнала градиентомера, который при помощи кабеля подключен к микрокомпьютеру с блоком индикации.
Существо устройства поясняется чертежами: на фиг.1 изображено устройство определения центра тяжести спортсмена в момент статического равновесия; на фиг.2а) изображено устройство определения высоты прыжка спортсмена по перемещению его центра тяжести, когда спортсмен находится в фазе подготовки к прыжку; на фиг.2б) изображено устройство в процессе определения высоты прыжка по перемещению центра тяжести спортсмена: основными линиями показан момент отрыва спортсмена от пола, пунктирными линиями показан момент в наивысшей точке прыжка; на фиг.3а) изображено устройство определения высоты прыжка спортсмена по перемещению магнитной метки, когда спортсмен находится в фазе подготовки к прыжку; на фиг.3б) изображено устройство в процессе определения высоты прыжка по перемещению магнитной метки центра тяжести спортсмена: основными линиями показан момент в наивысшей точке прыжка, пунктирными линиями показан момент отрыва спортсмена от пола.
Устройство определения центра тяжести (фиг.1) содержит жесткую платформу 1, выполненную в виде узкой доски размером 2,5×0,6 м, уравновешенную относительно линейной центральной опоры 2, длина которой равна ширине платформы 1. Под жесткой платформой 1 симметрично относительно линейной центральной опоры располагаются первый и второй датчики 3 и 4 нагрузки. Первый датчик 3 нагрузки соединен с высокочастотным звукоизлучателем 5. Второй датчик 4 нагрузки соединен с низкочастотным звукоизлучателем 6. Ремень 7 фиксируется в общей вертикальной плоскости с опорой 2. Метка 8 центра тяжести спортсмена 9 жестко закрепляется на ремне 7.
Устройство определения высоты прыжка по перемещению центра тяжести спортсмена (фиг.2а) содержит трубчатый штатив 10 длиной порядка 3 м, в верхней части которого закреплен лазерный измеритель 11 перемещения. Внутри трубчатого штатива 10 расположен поршень 12 длиной порядка 0,6 м, на котором закреплен отражатель 13. Поршень 12 через вертикальную прорезь 14 в стенке трубчатого штатива 10 при помощи креплений 15 и поводков 16 конструктивно соединен с подвесом 17, жестко закрепленным на ремне 7, находящимся на уровне метки 8 центра тяжести спортсмена 9. Лазерный измеритель 11 перемещения при помощи кабеля 18 подключен к микрокомпьютеру 19 с блоком индикации 20. Спортсмен 9 повернут спиной к трубчатому штативу 10 так, чтобы подвес 17, поводки 16 и вертикальная прорезь 14 в трубчатом штативе 10 располагались в общей вертикальной плоскости. Ступни спортсмена 9 находятся на коврике 21 размером 0,5×0,5 м. Коврик 21 прикреплен к полу на расстоянии порядка 80 см от трубчатого штатива 10.
Кроме того, устройство по фиг.3а) содержит немагнитный трубчатый штатив 10 длиной порядка 3 м, в верхней части которого закреплен блок 22 обработки сигнала градиентомера 23. Внутри немагнитного трубчатого штатива 10 расположен градиентомер 23 длиной порядка 0,6 м, который закреплен на немагнитном трубчатом штативе 10 при помощи фиксатора 24. Магнитная метка 25 центра тяжести спортсмена 9 расположена на ремне 7, находящемся на уровне центра тяжести спортсмена 9. Блок 22 обработки сигнала градиентомера 23 при помощи кабеля 18 подключен к микрокомпьютеру 19 с блоком индикации 20. Спортсмен 9 закрепляет градиентомер 23 на немагнитном штативе 10 на высоте, когда магнитная метка 25 совмещена с плоскостью экваториального сечения градиентомера 23.
Устройство определения центра тяжести работает следующим образом.
Спортсмен 9 горизонтально размещается на жесткой платформе 1 с закрепленным на ней ремнем 7, находящемся в разомкнутом состоянии. Положение спортсмена 9 случайно, поэтому нарушается баланс жесткой платформы 1 относительно линейной центральной опоры 2. При нарушении баланса в сторону верхних конечностей спортсмена 9 первый датчик 3 нагрузки, касаясь пола, формирует электрический сигнал, по которому высокочастотный звукоизлучатель 5 выдает звуковой сигнал. При нарушении баланса в сторону нижних конечностей спортсмена 9 второй датчик 4 нагрузки формирует электрический сигнал, по которому низкочастотный звукоизлучатель 6 выдает звуковой сигнал. Тон звукоизлучателя является указателем направления перемещения спортсмена 9 вдоль платформы 1. При восстановлении баланса жесткой платформы 1 со спортсменом 9 первый и второй датчики 3 и 4 нагрузки не касаются пола, следовательно, не формируют электрические сигналы, поэтому высокочастотный звукоизлучатель 5 и низкочастотный звукоизлучатель 6 одновременно выключаются. При отсутствии сигналов звукоизлучателей 5 и 6 ремень 7 закрепляется на поясе спортсмена 9.
Устройство определения высоты прыжка по перемещению центра тяжести спортсмена работает следующим образом.
На спортсмена 9 надевается ремень 7 таким образом, чтобы подвес 17 по фиг.2а совместился с меткой 8 центра тяжести, предварительно нанесенной на тело спортсмена 9. После того как спортсмен 9 встал на коврик 21, подвес 17 соединяется с поводками 16. В память микрокомпьютера 19 вводятся данные о спортсмене 9 и номер попытки. Спортсмену 9 дается команда принять вертикальное положение и подняться на носки стоп, при этом падающий и отраженный отражателем 13 лучи лазерного измерителя перемещения 11 преобразуются им в сигнал, эквивалентный расстоянию
мах
мах
мах
пp
h. Данные о величине h с лазерного измерителя перемещения 11 поступают по кабелю 18 на микрокомпьютер 19 для записи в память (фиг.2б). Микрокомпьютер 19 выдает звуковой сигнал готовности к измерению, разрешающий прыжок. Микрокомпьютер 19 принимает величину h за базовый уровень, относительно которого измеряется высота прыжка h спортсмена 9. После определения величины
мах
min
h программа микрокомпьютера 19 воспринимает перемещения метки 8 центра тяжести только выше базового уровня (ниже - зона нечувствительности). В фазе подготовки к прыжку, в процессе приседания спортсмена 9, метка 8 центра тяжести смещается ниже базового уровня, поэтому микрокомпьютер 19 не фиксирует показания лазерного измерителя 11 перемещения. В следующей фазе прыжка тело спортсмена 9 стремится к вертикальному положению, метка центра тяжести 8 приближается к базовому уровню. В момент отрыва спортсмена 9 от пола, согласно фиг.2б, микрокомпьютер 19 начинает фиксировать данные лазерного измерителя 11 перемещения. Одновременно с перемещением тела спортсмена 9 перемещается и поршень 12 внутри трубчатого штатива 10, так как поршень 12 конструктивно соединен с подвесом 17 посредством поводков 16 через вертикальную прорезь 14 в трубчатом штативе 10. Перемещения поршня 12 внутри трубчатого штатива 10 фиксируются лазерным измерителем 11 перемещения. Микрокомпьютер 19 производит запись данных лазерного измерителя 11 перемещения. Микрокомпьютер 19 также фиксирует h - расстояние от лазерного измерителя 11 до отражателя 13 в наивысшей точке прыжка. В фазе приземления в момент повторного прохождения меткой 8 центра тяжести базового уровня цикл измерения завершается, о чем свидетельствует звуковой сигнал микрокомпьютера 19, разрешающий следующую попытку. Результаты состоявшейся попытки автоматически выводятся на блок 20 индикации.
Конструктивное исполнение поводков 16 позволяет устранять различие антропометрических данных (в частности, объем талии), а также непопадание стоп точно в центр коврика 21.
min
min
пр
мах
пp
мах
min
Кроме того, по фиг.3а фиксатор 24, расположенный на поршне, перемещается спортсменом 9, находящимся в вертикальном положении на носках стоп (рисунок пунктиром по фиг.3а), вдоль оси немагнитного штатива 10 до момента появления звукового сигнала, выдаваемого микрокомпьютером 19. Данный момент соответствует положению магнитной метки 25 в плоскости экваториального сечения градиентомера 23 на высоте h. Это положение градиентомера 23 внутри немагнитного штатива 10 фиксируется при помощи фиксатора 24 и остается неизменным для всех фаз прыжка данного спортсмена 9. Затем спортсмен 9 встает на коврик 21, принимая вертикальное положение на носках стоп. При этом магнитная метка 25 совмещается с плоскостью экваториального сечения градиентомера 23, о чем свидетельствует контрольный звуковой сигнал микрокомпьютера 19. Блок 22 обработки сигнала градиентомера устроен таким образом, что отображает перемещение магнитной метки 25 центра тяжести только выше экваториального сечения (базового уровня) h. В память микрокомпьютера 19 вводят данные о спортсмене 9 и номер попытки. В момент отрыва магнитная метка 25 на поясе спортсмена находится в горизонтальной плоскости - плоскости экваториального сечения градиентомера 23. В процессе прыжка магнитная метка 25 совершает вертикальные перемещения параллельно вертикальной оси немагнитного штатива 10, следовательно, вдоль оси чувствительности градиентомера 23. Задачей спортсмена 9 является точное приземление на коврик 21. Тогда высота прыжка h пропорциональна величине информационного сигнала градиентомера 23, который достигает максимума в положении h магнитной метки 25. В фазе приземления в момент повторного прохождения магнитной меткой 25 центра тяжести базового уровня цикл измерения завершается, о чем свидетельствует звуковой сигнал, разрешающий следующую попытку. Результаты состоявшейся попытки: h=h-h автоматически выводятся на блок 20 индикации.
Тестируемый спортсмен 9 может совершать несколько попыток, результаты которых заносятся в память микрокомпьютера 19. Устройство может быть использовано для тестирования группы спортсменов с различными антропометрическими данными.
Способ осуществляется следующим образом.
При определении центра тяжести спортсмена (фиг.1) его размещают горизонтально на жесткой платформе, выполненной в виде узкой доски. Спортсмен первоначально располагается на жесткой платформе с ремнем, находящимся в разомкнутом состоянии, нарушая баланс жесткой платформы относительно линейной центральной опоры. О нарушении баланса в сторону нижних конечностей сигнализирует низкочастотный звукоизлучатель. О нарушении баланса в сторону верхних конечностей сигнализирует высокочастотный звукоизлучатель. Спортсмен совершает перемещения вдоль узкой доски до восстановления баланса жесткой платформы. При достижении баланса жесткой платформы низкочастотный звукоизлучатель и высокочастотный звукоизлучатель выключаются одновременно. При отсутствии сигналов звукоизлучателей ставят метку центра тяжести на спортсмене и закрепляют на нем ремень на уровне этой метки.
По завершении определения центра тяжести спортсмен с ремнем, закрепленным на уровне метки его центра тяжести переходит к действию по фиг.2а.
мах
мах
np
мах
Спортсмен встает на коврик и поворачивается спиной к трубчатому штативу. Далее подвес, который закреплен на поясе спортсмена и совмещен с меткой центра тяжести, соединяют с поводками. В память микрокомпьютера вводят данные о спортсмене и номер попытки. Спортсмену дают команду принять вертикальное положение и подняться на носки стоп, при этом на микрокомпьютер с лазерного измерителя по кабелю дают команду записи в память величины h (фиг.2б). Сигнал с микрокомпьютера разрешает спортсмену занять на коврике исходную позицию для прыжка. Микрокомпьютер принимает величину h за базовый уровень, относительно которого измеряют высоту прыжка h спортсмена. После определения величины h программа микрокомпьютера воспринимает перемещения метки центра тяжести только выше базового уровня (ниже - зона нечувствительности). В фазе подготовки к прыжку, в процессе приседания спортсмена, метка центра тяжести смещается ниже базового уровня, поэтому микрокомпьютер не фиксирует показания лазерного измерителя перемещения. Луч лазера находится внутри трубчатого штатива и не может быть направлен на спортсмена, что обеспечивает его безопасность в любой фазе прыжка. В момент отрыва спортсмена от пола (фиг.2б) микрокомпьютер начинает фиксировать данные лазерного измерителя перемещения. При перемещении тела спортсмена происходит перемещение поршня внутри трубчатого штатива. При этом лазерный измеритель определяет величину вертикального перемещения спортсмена, данные лазерного измерителя перемещения записываются в микрокомпьютер. В фазе приземления в момент повторного прохождения меткой центра тяжести базового уровня цикл измерения завершается, о чем свидетельствует звуковой сигнал, разрешающий следующую попытку. Результаты состоявшейся попытки автоматически выводятся на блок индикации.
В соответствии с реализацией способа по фиг.2 возможна реализация бесконтактным методом по фиг.3.
пp
пр
мах
min
Так (фиг.3а) на полюсах поршня, расположенного внутри немагнитного трубчатого штатива, закрепляют полуэлементы феррозондового градиентомера. Спортсмен, на поясе которого закреплена магнитная метка центра тяжести, перед началом прыжка принимает положение, соответствующее моменту отрыва от пола, вблизи немагнитного трубчатого штатива. Спортсмен перемещает поршень по оси штатива до момента выдачи микрокомпьютером сигнала о совмещении магнитной метки на поясе спортсмена с экваториальным сечением градиентомера. Сигнал разрешает спортсмену занять на коврике исходную позицию для прыжка. В момент отрыва магнитная метка на поясе спортсмена расположена в горизонтальной плоскости экваториального сечения градиентомера и определение высоты прыжка h (фиг.3б) сводится к h=h-h.