УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОПРЯЖЕННОГО ВЗАИМОЗАВИСИМОГО РАЗВИТИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СПОСОБНОСТЕЙ РЕБЕНКА
DEVICE FOR ASSOCIATED INTERDEPENDENT PHYSICAL AND INTELLECTUAL CHILD DEVELOPMENT

Предлагаемое изобретение относится к области педагогики и медицины, а также к средствам организации физкультурно-оздоровительной работы на основе сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей ребенка на мотивационной основе.
Известно устройство обучения саморегуляции физиологических параметров [1], включающее непрерывное измерение физиологических параметров у обучающегося, предъявление ему значения этого параметра на экране дисплея в реальном масштабе времени в виде графика динамики регистрируемого параметра с указанием желаемого значения, которого необходимо достичь в процессе обучения двигательным действиям.
Достоинством названного устройства является то, что у обучающегося направленно измеряется физический параметр и на экране отображается текущее и желаемое его значение.
Недостатком этого устройства является монотонность занятий на нем, снижающая уровень мотивации к обучению. Это обусловлено тем, что значение физиологического параметра предъявляется обучаемому в графическом виде, что при необходимости многократного повторения сеансов обучения приводит к быстрому утомлению.
Известно другое устройство, названное «Мотивом» [2]. В предметном исполнении это устройство содержит: велотренажер в качестве средства нагружения мышц ног, специальную насадку, создающую регулируемую нагрузку для манипулятора, выполненного в виде руля велотренажера и служащую для нагружения мышц плечевого пояса, подставку с размещенными на ней системным блоком, дисплеем, клавиатурой персонального компьютера (ПК) и электронным блоком устройства для регистрации частоты сердечных сокращений (ЧСС), датчик которого закрепляется на лбу или мочке уха занимающегося, датчик условного «перемещения» на велотренажере, который, как и устройство для регистрации ЧСС, подключен через плату аналого-цифрового преобразователя к системному блоку ПК.
Нагрузку на мышцы туловища на данном устройстве осуществляют с помощью упомянутых специальной насадки и манипулятора при возвратно-поступательном перемещении руля выпрямленными руками. При этом курсор на экране дисплея должен перемещаться в вертикальной плоскости по всему экрану.
Это физическое упражнение так же, как и физическое нагружение мышц ног и плечевого пояса, дополняется выполнением подобранного интеллектуального задания, сопровождается сигналами блока художественных, звуковых, музыкальных и иных средств, совмещенного с ПК и управляемого соответствующей программой. Программный блок может быть размещен на дискете, диске или винчестере ПК.
Достоинствами данного устройства являются: возможность развивать физические способности мышц плечевого пояса и ног занимающегося раздельно, развивать его интеллектуальные способности при сопровождении выполняемых упражнений и заданий художественными, звуковыми, музыкальными и др. сигналами.
Недостатками этого устройства является то, что воздействие на мышцы левой и правой ноги одинаково, поскольку инерционное колесо одно. Имеется также возможность опрокидывания велотренажера вперед, отсутствует фиксатор положения руля.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Устройство для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей человека на мотивационной основе» [3], взятое за прототип. Оно содержит: персональный компьютер, в состав которого входят системный блок, «мышь», дисплей и клавиатура, фотодатчик непрерывно регистрирующий длительность межпульсового интервала и входящий в состав детектора пульса, подключенного к системному блоку персонального компьютера, и датчик перемещения инерционного колеса велотренажера, снабженного также подставками для ног, закрепленными на его передней опоре, и рулем, снабженным фиксатором положения руля, включающим фиксирующую втулку и крепежные винты. На рукоятке руля закреплена кнопка, связанная отводом с левой клавишей оптической мыши, установленной на нижней неподвижной пластине «силовой мыши», размещенной в стакане между основанием руля и его рукояткой, и включающей «игровой стержень», один конец которого соединен с рулем, а на втором конце установлен шар, оптически связанный с оптической мышью и охватываемый элементами регулируемого трения в виде верхнего и нижнего трущихся элементов. Стягивающий узел состоит из верхней подвижной пластины, суммирующей пластины, при этом в них и в верхнем трущемся элементе выполнены круговые отверстия для перемещения «игрового стержня». В нижней неподвижной пластине и в нижнем трущемся элементе выполнены круговые отверстия для сканирования шара оптической мышью. Датчик перемещения и детектор связаны с источником электропитания. «В силовой мыши» дополнительно установлены четыре стержня, стягивающие верхнюю первую подвижную пластину, суммирующую пластину, нижнюю неподвижную пластину и вторую подвижную пластину. На стержнях между первой подвижной пластиной и суммирующей пластиной надеты пружины, во второй подвижной пластине равноудаленно от крепления в ней тяговых стержней и ниже оптической мыши закреплен шток, соединенный с одним концом рычага, закрепленного в уголках на боковой стенке стакана, второй конец которого через прорезь в стенке стакана и соединительную планку соединен с тяговой шпилькой, имеющей лыску по всей длине и проходящей через установленное на внешней боковой поверхности стакана в верхней его части направляюще-тяговое приспособление, включающее направляющий элемент и тяговую гайку с насечкой на боковой поверхности. Стакан «силовой мыши» имеет поперечное сечение в виде квадрата.
Достоинством этого устройства является относительная простота конструктивного решения и возможность развивать физические и интеллектуальные способности человека, причем на мотивационной и игровой основах.
К основным недостаткам данного устройства можно отнести, во-первых, одинаковое воздействие на мышцы нижних конечностей, которое невозможно разделить, поскольку инерционное колесо у велотренажера одно, во-вторых, нет возможности воздействовать на мышцы пресса и спины, и, в-третьих, используется в нем четыре одинаковых конических пружины, надеваемые на тяговые стержни, что вызывает некоторые трудности в их изготовлении.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей в развитии физических и интеллектуальных способностей ребенка, достигаемое, во-первых, разработкой нагрузочного узла для мышц нижних конечностей, выполненного раздельно для левой и правой ноги, во-вторых, усовершенствованием «силовой мыши» посредством замены в ней четырех конусообразных пружин, надеваемых на тянущие стержни, на одну конусообразную пружину большей жесткости, охватывающую «игровой стержень», в-третьих, разработкой узла для мышц верхних конечностей, выполненного для одной руки: левой или правой, и, в-четвертых, обеспечением возможности одновременного развития мышц спины и пресса.
Указанная задача в «Устройстве для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей ребенка», содержащем персональный компьютер (ПК), к порту системного блока которого подключены оптическая мышь, детектор пульса с фотодатчиком через усилитель-формирователь и датчик перемещения, подключенные также к стабилизированному источнику электропитания, нагрузочный узел в виде педалей велотренажера, две дискретно переставляемые телескопические подставки для ног и руль с фиксатором положения руля, выполненный в виде цилиндра и фиксируемый плоской пружиной, а на рукоятке руля закреплена первая кнопка, связанная отводом с левой клавишей оптической мыши, установленной на нижней неподвижной пластине «силовой мыши», включающей стержень, один конец которого соединен с рулем, а другой конец оканчивается шаром, оптически связанным с оптической мышью и охватываемым элементами регулируемого трения, прижимаемыми к шару прижимным средством, состоящим из первой подвижной пластины, конусообразной пружины, суммирующей пластины, четырех тяговых стержней с крепежными гайками, неподвижной пластины, второй подвижной пластины, штока, первой соединительной планки, связывающей первый конец рычага, закрепленного на уголке на внутренней боковой стенке стакана, со штоком, второй конец которого через прорезь в боковой стенке стакана и вторую соединительную планку соединен с тяговой шпилькой, имеющей проточку по всей длине и проходящей через направляюще-тяговое приспособление, включающее направляющий элемент и тяговую гайку, установленное на внешней боковой поверхности стакана в верхней его части, решаемая тем, что в нем нагрузочный узел для нагружения мышц нижних конечностей выполнен раздельно для левой и правой ноги и состоит из двух трособлочных систем, каждая из которых включает подстроечный элемент, вспомогательный блочок, трос, три основных блочка, один из которых совершает вращательное движение в пространстве, резиновый амортизатор и силовую пару «винт-гайка», педальная зубчато-цепная передача - общая для обеих ног выполнена с возможностью вращения одного из основных блочков в каждой трособлочной системе, педали которой снабжены фиксаторами, кроме того, упомянутая конусообразная пружина охватывает стержень и установлена между первой подвижной пластиной и суммирующей пластиной, к седлу велотренажера прикреплены две рукоятки для левой и правой руки, при этом вторая кнопка размещена на одной из них, третья кнопка установлена на захвате в средней горизонтальной части руля и подключены они параллельно первой кнопке к левой клавише оптической мыши. Воздействуя на сердечно-сосудистую систему и органы восприятия ребенка, развивают его способности: физические - с помощью велотренажера, дозированно нагружая мышцы ног, спины и пресса, и с помощью силовой мыши, руля и захвата, дозированно нагружая туловище и раздельно мышцы левой и правой руки, плечевого пояса и мышцы, образующие мышечный корсет позвоночника, и интеллектуальные - с помощью интеллектуальных заданий, задаваемых с помощью ПК соответствующим программным обеспечением и решаемых занимающимся ребенком посредством силовой мыши и ПК, при этом выполняя указанные интеллектуальные задания одновременно с преодолением физических нагрузок и физические упражнения, дополненные интеллектуальными заданиями, - развивают способности ребенка сопряженно и взаимозависимо.
Отличительными признаками заявляемого технического решения являются следующие:
- в нем нагрузочный узел для раздельного нагружения мышц левой и правой ноги состоит из двух трособлочных систем;
- каждая система включает подстроечный элемент, вспомогательный блочок, трос, три основных блочка, один из которых совершает вращательное движение в пространстве, резиновый амортизатор и силовую пару «винт-гайка»;
- усовершенствована пружинная часть силовой мыши: четыре конусообразные пружины, надеваемые на тянущие стержни, заменены на одну конусообразную пружину повышенной жесткости, охватывающую стержень и установленную между первой подвижной и суммирующей пластинами;
- к седлу велотренажера прикреплены две рукоятки для левой и правой руки, при этом вторая кнопка размещена на одной из них;
- в средней горизонтальной части руля установлен захват для одной руки и третья кнопка установлена в середине захвата;
- все три кнопки подключены параллельно первой кнопке, то есть к левой клавише оптической мыши.
В заявляемом устройстве отличительные признаки проявляют свойства, известные в других областях науки и техники, а взятые в совокупности с признаками прототипа позволяют сопряженно и взаимозависимо развивать физические и интеллектуальные способности ребенка на игровой и мотивационной основах, причем в целях реабилитации физически развивать раздельно мышцы левой и правой руки и ноги, что указывает на соответствие заявляемого технического решения критерию «существенные различия».
Заявляемое устройство поясняют схематические чертежи:
- на фиг.1 и фиг.2 показано устройство в целом: вид спереди (фиг.1) и вид сверху (фиг.2);
- на фиг.3 приведена блок-схема устройства с его связями;
- на фиг.4 показан алгоритм одного занятия или соревнования;
- на фиг.5, 6 и 7, изображена одна из возможных конструкций системы для натяжения троса: вид спереди (фиг.5), вид сверху (фиг.6) и вид сбоку слева (фиг.7);
- на фиг.8, 9 и 10 показаны педальная зубчато-цепная передача: вид спереди (фиг.8), вид сверху (фиг.9) и электрическая схема для измерения условного «перемещения» велотренажера;
- на фиг.11 и 12 представлена силовая мышь: вид спереди (фиг.11) и вид сверху (фиг.12);
- на фиг.13 и 14 изображен захват для одной руки (левой или правой): вид спереди (фиг.13) и вид сверху (фиг.14).
Устройство включает велотренажер, персональный компьютер и программное обеспечение к нему.
Велотренажер 1 (на фиг.1 оконтурен пунктирными линиями) содержит раму, изготовленную из двух согнутых в двух местах труб 2 и 3, скрепленных двумя опорными элементами - передним 4 и задним 5, трубу 6, в поперечном сечении - параллелепипед, соединяющую опорные элементы 4 и 5 и на каждой трубе 2 и 3 прикреплены по три силовых косынки: на трубе 2 - 7, 8 и 9, на трубе 3-10, 11 и 12 (8 и 11 - не показаны), седло 13, прикрепленное к раме (к трубам 2, 3) и регулируемое по высоте дискретно, а по местоположению - плавно двумя крепежными винтами с гайками, нагрузочный узел для нагружения мышц нижних конечностей занимающего ребенка (далее - занимающегося), осуществляемый с помощью двух трособлочных систем 14 и 15, содержащих резиновые амортизаторы, силовые пары «винт-гайка», и общую для обеих ног педальную зубчато-цепную передачу 16 для обеспечения вращательного движения в пространстве двух блочков, нагрузочный узел выполнен раздельно для левой правой ноги и в составе трособлочных систем 14 и 15 включает (нумерация для правой ноги указана в скобках): подстроечный элемент 17 (18), вспомогательный блочок 19 (20), трос 21 (22), три основных блочка 23 (24), 25 (26), 27 (28), один из которых 23 (24) совершает вращательное движение в пространстве, а также силовую пару «винт-гайка» 29 (30) и резиновый амортизатор 31 (32). Кроме того, педальная зубчато-цепная передача 16 состоит из ведущей звездочки 33, закрепленной вращательно на силовых косынках 9, 12, и ведомой звездочки 34 (показана пунктиром только на фиг.1), закрепленной аналогично на силовых косынках 7, 10 и связанных между собой велосипедной цепью 35. Между силовыми косынками 8 и 11 закреплена платформа 36 (показана только на фиг.1), на которой установлена силовая мышь 37 с выходящим из нее игровым стержнем 38 с рулем 39, а в средней горизонтальной части руля 39 выполнен захват 40 для одной руки, чтобы можно было управлять раздельно левой и правой рукой, а чтобы исключить опрокидывание велотренажера 1, к трубе 6 прикреплена опорная труба 41, на которой размещены две подставки для ног 42 и 43 (для левой и правой соответственно).
Персональный компьютер 44 (оконтурен на фиг.1 штрихпунктирными линиями) содержит системный блок 45, дисплей 46, клавиатуру 47 и оптическую мышь 48, которая размещена в силовой мыши 37, установленной в велотренажере 1. Дисплей 46 персонального компьютера 44 размещен на регулируемой по высоте столешнице 50, закрепляемой в выбранном положении фиксатором 51, а системный блок 45 установлен постоянно в нижней части подставки 49. Оптическая мышь 48 размещена в средней части силовой мыши 37 (показано пунктиром на фиг.1).
В детекторе пульса 52 ребенка используется усилитель-формирователь 53 и датчик пульса 54, запитываемые от источника электропитания 55. Усилитель-формирователь 53 и источник электропитания 55 размещены на полочке внизу подставки 49, а датчик пульса 54 вынесен кабелем 56 таким образом, чтобы его можно закрепить на мочке уха ребенка.
В датчике 57 условного «перемещения» велотренажера 1 (см. фиг.3) применены, например, фотоизлучатель 58 и фотоприемник 59, соединенные с помощью многожильного кабеля 60 с источником электропитания 55 и усилителем 61. Между фотоизлучателем 58 и фотоприемником 59 вращается ведущая звездочка 33 с двумя отверстиями, выполненными в ней по разные стороны от оси, но по одному диаметру и на равном от оси расстоянии. Фотоизлучатель 58 и фотоприемник 59 размещены в держателях подшипников 62 и 63, прикрепленных к силовым косынкам 9 и 12 (на фиг.1 показаны пунктиром, один - в силовой косынке 9).
Программное обеспечение для персонального компьютера 44 размещено на дискете или диске, вставляемых соответственно в гнезда 64 и 65 системного блока 45. В нем заложены операции для работы устройства в целом и его составных частей, интеллектуальные задания, а также перемещения курсора-указателя по экрану дисплея 46, по которому судят о количестве и правильности перемещений игрового стержня 38, и цифровое значение этих перемещений отображается на экране дисплея 46, и все озвучивается голосом.
Рассматривая устройство в целом (фиг.1 и фиг.2) и его блок-схему (фиг.3), можно выделить электрические, механические и оптические связи. От левой клавиши оптической мыши 48 сделан электрический отвод на три параллельно включенные кнопки 66, 67, 68, размещенные: одна - 66 в упомянутом руле 39, вторая - 67 в захвате 40, а третья - 68 в одной из дополнительно введенных рукояток 69, 70, например в 70, а сама оптическая мышь 48 электрически подключена к USB-порту 71 системного блока 45 персонального компьютера 44.
Усилитель-формирователь 53, предназначенный в детекторе пульса 52 ребенка для измерения пульса, электрически соединен входом с датчиком пульса 54 через многожильный кабель 56 и выходом - с USB-портом 71 системного блока 45 персонального компьютера 44. Усилитель-формирователь 53 и датчик пульса 54 запитаны от источника электропитания 55, подключаемого к промышленной электросети 220 В.
Усилитель 61 и входящий в него датчик 57 условного «перемещения» велотренажера 1 (фиг.1 и 2) входом соединен через многожильный кабель 60 с фотоприемником 59, а выходом - с USB-портом 71 системного блока 45 и запитан от источника электропитания 55, от которого также запитан фотоизлучатель 58. При нажатии занимающимся на кнопки 66, 67 и 68 электрическим закорачиванием захватывается оптическая мышь 48 и с ее помощью выполняется интеллектуальное задание.
Несколько сложнее с механическими, оптическими и другими связями. Используется три типа связи: электрическая, рассмотренная выше, механическая и оптическая, а также их комплексное применение, например, оптическая и механическая типы связи или оптическая и электрическая. С помощью двух отверстий в ведущей звездочке 33 и оптической связи фотоизлучателя 58 и фотоприемника 59 датчиком 57 измеряется условное «перемещение» велотренажера 1. А посредством оптической мыши 48 и шара на стержне 38 в силовой мыши 37 сканируется поверхность этого шара при выполнении интеллектуальных заданий. В детекторе же пульса 52 ребенка в датчике пульса 54 используются приливы крови в мочке уха в такт с пульсом, которые преобразуются в нем в электрические колебания, усиливаемые усилителем-формирователем 53, и с помощью электрической связи они подаются в системный блок 45 персонального компьютера 44. Применение двух рычагов, установленных на ведомой звездочке 34, на которых размещены блочки 23 и 24, позволило разделить посредством трособлочных систем 14 и 15 воздействие раздельно на левую и правую ноги, что особенно важно при реабилитации опорно-двигательной системы. А изменение величины этого воздействия достигается с помощью двух резиновых амортизаторов 31, 32 двух силовых пар «винт-гайка» 29, 30, что позволило подойти количественно к реабилитации опорно-двигательного аппарата ребенка.
Решению этой задачи способствовала механическая связь ведущей звездочки 33 педальной зубчато-цепной передачи 16 с педалями 72 - для правой ноги и 73 - для левой ноги.
Прежде чем рассмотреть принцип работы с данным устройством, необходимо определиться с мотивом и мотивацией действий и поведения ребенка, особенно при его реабилитации. 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 факторам можно отнести, например, потребность познания необычного устройства. Этот фактор может побудить ребенка ознакомиться с предлагаемым устройством и позаниматься на нем, а если сценарий занятия, показанный воспитателем, яркий и интересный, - какое удовольствие получит ребенок!
К внутренним факторам и стимулам может быть отнесено, например, соревнование с кем-то. Победить в соревновании - извечный стимул поведения человека, в том числе и ребенка. И проще всего это обеспечивается в игровых ситуациях. Взрослый человек, а дети особенно способны играть в компьютерные игры часами.
Этот фактор и интерес следует использовать при определении как внешних, так и внутренних потребностей в процессе практической реализации. 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 велотренажера 1, персонального компьютера 44 и программного обеспечения к нему. Велотренажер 1 предназначен для развития мышц - разгибателей и сгибателей ног и туловища, сгибателей рук и мышц брюшного пресса. На данном тренажере можно выполнять интеллектуальные задания при одновременном сгибании и разгибании указанных мышц в положении сидя. Для этого занимающийся садится на 13, ступни ног ставит на педали 72 и 73 зубчато-цепной передачи 16, кистями рук захватывает рукоятки руля 39 и смотрит на экран дисплея, установленный на уровне глаз на столешнице 50 подставки 49. Воспитатель, отжав пружину 74, опускает фиксатор положения руля 75 вниз, чтобы зафиксировать положение стержня 38 и руля 39. Из этого исходного положения осуществляется первое физическое воздействие, дополненное выполнением интеллектуального задания.
Перед началом занятия инженер-исследователь или воспитатель проверяет работоспособность устройства: тарирует перемещение стержня 38 и измеряет силовую нагрузку на него, для чего к рулю 39 прикрепляется динамометр и органом управления силовой мыши 37 изменяется силовая нагрузка; проверяет работу узла для нагружения мышц нижних конечностей занимающегося, выполненный раздельно для левой и правой ноги, для чего поочередно к правой 72 и левой 73 педалям прикрепляет динамометр и посредством регулировочных средств левой и правой стороны определяется возможность силового нагружения устройства; проверяет работу детектора пульса 52 ребенка, датчика пульса 54, усилителя-формирователя 53 и его связь с USB-портом 71 системного блока 45 персонального компьютера 44, для чего вставляет дискету или диск в гнезда 64 или 65, соответственно, системного блока 45 и с помощью клавиатуры 47 инициирует ввод программного обеспечения в системный блок 45; проверяет работу датчика 57 измерителя условного «перемещения» велотренажера 1 от педалей 72 и 73 до экрана дисплея 46, с помощью кнопок 66, 67 и 68 проверяет захват курсора-указателя на экране дисплея 46 персонального компьютера 44. Убедившись в работоспособности устройства в целом, отдельных его узлов и программного обеспечения, можно начинать занятие.
Из упомянутого исходного положения занимающийся начинает выполнять задание, которое высвечивается на экране дисплея 46 персонального компьютера 44 под воздействием программы, находящейся в блоке программ. Например, дается задание «проехать» как можно быстрее на велотренажере 1 n-ное количество десятков метров. Занимающийся начинает интенсивно крутить педали 72 и 73, стараясь развить наибольшую скорость. Детектор пульса 52 ребенка следит за пульсом занимающегося. Численные значения пройденного «пути», отмеченные измерителем условного «перемещения» велотренажера 1 и пульс, отображаются на экране дисплея 46 и дублируются голосом воспитателя. Причем в системном блоке 45 под управлением соответствующей программы эти значения сравниваются с оптимальными, измеренными заранее при предварительном обследовании занимающегося, и отображение производится относительно минимального, оптимального, порогового и критического значений. Требование задания не только в том, чтобы значения пульса не выходили за пределы зоны оптимальных значений «коридора здоровья» для данного занимающегося. Если пульс ниже зоны оптимального значения, высвечиванием на экране дисплея 46 и голосом дается рекомендация увеличить нагрузку, которая может сопровождаться музыкальной мелодией. Если значение пульса находится в пороговой зоне, аналогично дается рекомендация уменьшить нагрузку, но музыкальная мелодия уже иная. Если же значение пульса вошло в критическую зону, на экране дисплея 46 высвечивается световой тревожный сигнал, сопровождаемый звуковым сигналом, которым предупреждают занимающегося о недопустимости работы в этом режиме. Через некоторое заданное время, если нагрузка и соответственно пульс не войдут в норму, технические средства выключаются и занятие прекращается.
При «перемещении» устройства из упомянутого исходного положения, то есть при движении на экране дисплея 46 при нажатии кнопки 66 высвечивается интеллектуальное задание, например, на внимание и память (птицы, животные…), и занимающемуся рекомендуется запомнить их, так как по окончании «пути» ему предложат назвать встретившихся животных и/или птиц. Оценивается выполненное задание по затраченному времени. Неправильные ответы на вопросы интеллектуального задания оцениваются, например, штрафным временем, которое прибавляется к основному, как в биатлоне, прохождением дополнительных кругов.
Следующий этап занятия. Зафиксировав правую ногу на педали 72 с помощью фиксатора ноги 76 в педали, а левую - с помощью фиксатора 77 в педали 73 и установив нагрузочное сопротивление на каждую ногу в пределах необходимой коррекционной величины, воспитатель просит «проехать» как можно быстрее заданный «путь», не забыв нажать на кнопку 66, в результате чего на экране дисплея 46 высвечивается сопутствующее интеллектуальное задание, например, на внимание или память. Во время работы на комплексе необходимо обращать внимание на пульс и «пройденное» расстояние.
На этом же этапе занятия при указанном положении ног занимающийся охватывает рукоятки 69 и 70, и воспитатель предлагает ему «проехать» очередной заданный отрезок «пути» и одновременно, нажав кнопку 68, выполнить очередное сопутствующее интеллектуальное задание.
Основные интеллектуальные задания, высвечиваемые на экране дисплея 46 данного устройства, выполняются либо с помощью двух рук, кисти которых охватывают рукоятки руля 39 и большой или указательный палец руки нажимает кнопку 66, либо одной рукой - левой, а затем правой, кисть которой охватывает захват 40 и средний палец нажимает кнопку 67, ноги при этом освобождаются от фиксаторов ног 76 и 77 и устанавливаются на подставках для ног 42 и 43, соответственно, для правой и левой ноги. Воспитатель, отжав пружину 74, поднимает фиксатор положения руля 75, закрепляет его пружиной 74 и просит занимающегося выполнить интеллектуальное задание. Задания составляются таким образом, чтобы при их выполнении курсор-указатель на экране дисплея 46 перемещался по нему сверху донизу по всему экрану. Поскольку игровой стержень 38 имеет сопротивление, которое можно изменять, занимающемуся приходится прикладывать определенные физические усилия, получая дозированную нагрузку на мышцы рук, плечевого пояса, ног, спины и пресса. Выполнение интеллектуальных заданий также может сопровождаться звуковыми и музыкальными сигналами и мелодиями. Здесь соблюдается тот же принцип - как можно быстрее выполнить интеллектуальное задание, оцениваемое по времени, затраченному на его решение. Неправильное выполнение его отдельных позиций также штрафуется дополнительным временем, добавляемым к основному по принципу биатлона.
На велотренажере 1 можно также выполнять следующие упражнения:
- сгибание и разгибание туловища при выпрямленном положении рук, установленных на рукоятках руля 39, при этом ступни ног находятся на подставках для ног 42 и 43;
- сгибание и разгибание туловища при выпрямленном положении правой руки, установленной на захвате 40, при этом ступни ног находятся на подставках для ног 42 и 43;
- то же для левой руки.
Каждое из этих упражнений позволяет воздействовать на те или иные группы мышц. Это важно для реабилитации отстающих в развитии мышц тела ребенка или для преимущественного развития отдельных групп мышц с учетом специализации и потребности в движениях.
С помощью датчика пульса 54 и усилителя-формирователя 53 детектора пульса 52 следят за физическим и психическим состоянием занимающегося и, как в предыдущем случае, управляют его действиями таким образом, чтобы его пульс находился в оптимальной зоне «коридора здоровья». Победит тот из занимающихся, кто затратит наименьшее время на выполнение физических и интеллектуальных упражнений. При этом воспитатель должен следить, чтобы пульс занимающегося не выходил из зоны оптимальных значений.
Из этого следует, что занимающийся для победы в одиночных и групповых занятиях, а также в соревнованиях должен обладать не только физической силой, чтобы перемещать стержень 38 и вращать педали 72 и 73, но и иметь интеллект, достаточно развитый, чтобы быстро и без ошибок выполнять интеллектуальные задания. А развитие достигается постепенным наращиванием дозированных физических нагрузок и постепенным усложнением интеллектуальных заданий по принципу «от простого к сложному» при непрерывном контроле за физическим и психическим состоянием занимающегося.
Алгоритм одного занятия или соревнования показан на фиг.4. На ней видно, что каждое физическое воздействие перемежается с интеллектуальной добавкой и, наоборот, - интеллектуальное воздействие дополняется физической нагрузкой. Время, затраченное на все воздействия, суммируется и к нему добавляется штрафное время (если оно есть). Фактическое время занятия не должно превышать 15-20 минут.
Принципы постепенности и регулярности должны соблюдаться неукоснительно при работе с описанным устройством для осуществления сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей ребенка на игровой, мотивационной и оздоровительной основах. Постепенно и регулярно необходимо наращивать нагрузку на мышцы рук, ног, плечевого пояса, спины и пресса, используя возможности велотренажера 1. Постепенно и регулярно надо усложнять интеллектуальные задания от простого к более сложному. Постепенно увеличивать длительность занятия до допустимого предела, учитывая возрастные, физические и психические возможности занимающегося.
В заявляемом устройстве несколько нестандартных узлов. Рассмотрим основные из них, уделив внимание их конструкции, принципу действия и участию в работе всего устройства.
Система для натяжения троса.
Одна из возможных конструкций системы для натяжения троса на базе силовой пары «винт-гайка» и резинового амортизатора показана на фиг.5, 6 и 7. В устройстве применены две такие системы. Рассмотрим конструкцию одной из них подробнее.
Узел 31 резинового амортизатора содержит упругие элементы 78 и 79, соединенные одним концом с подвижной частью 80 силовой пары «винт-гайка» 29, а другим - с помощью элемента сочленения 81 с тросом 21. Подвижная часть 80 силовой пары «винт-гайка» 29 представляет собой квадратную гайку с резьбой, перемещаемую посредством винта 82 в трубе 83 квадратного сечения и задающую нагрузочное сопротивление на трос 21 через блочки 23, 25, 27. Дополнительный блочок 19 и подстроечный элемент 17 расширяют возможности системы в части предварительного задания нагрузочного сопротивления.
Кроме того, винт 82 и колесико 84 большего диаметра с насечкой на боковой поверхности, зафиксированные как единое целое трубочкой 85, образуют мини-ворот, увеличивающий силу воспитателя при настройке системы, а переходной элемент 86 и дополнительный винт 87 обеспечивают стабильное продольное положение мини-ворота.
Работает система для натяжения троса 29 следующим образом.
Вращая педаль 73, занимающийся перемещает в пространстве и блочек 23, который огибается тросом 21, то есть растягивается и сжимается резиновый амортизатор 31, увеличивая или уменьшая первоначальное натяжение троса 21, преодолевая сопротивление амортизатора. Тогда сила F будет равна:
0
F=F+kx,
0
где F - первоначальное натяжение резинового амортизатора 31;
k - коэффициент пропорциональности упругих элементов 78 и 79;
х - удлинение и укорочение гибких элементов 78 и 79.
0
Зная коэффициент пропорциональности k, удлинение и укорочение х и начальное натяжение F узла 31, можно определять и задавать механические характеристики устройства.
Тарировка системы для натяжения троса 21 заключается в предварительном изменении состояния гибких элементов 78 и 79, винта 82, гайки 80 и колесика 84 большего диаметра. Прикрепляя динамометр к педали 73, поворачивают ее до максимального показания измерительного прибора и поворотом колесика 84 задают первоначальную силовую нагрузку.
Педальная зубчато-цепная передача 16 и электрическая схема измерения условного «перемещения» велотренажера 1.
Одна из возможных конструкций узла условного «перемещения» велотренажера 1 и электрическая схема его измерения представлена на фиг.8, 9 и 10.
Ее основу составляют ведущая 33 и ведомая 34 звездочки, огибаемые велосипедной цепью 35 и насаженные на осях вращения: первая на оси 88, а вторая - на оси 89. Оси закреплены с помощью подшипников: первая (ведущая) ось на подшипниках 90 и 91, установленных на силовых косынках 9 и 12, а вторая (ведомая) - на подшипниках 92 и 93, установленных на силовых косынках 7 и 10. Держатели 62 и 63 фиксируют подшипники 90 и 91 неподвижно на силовых косынках 9 и 12, а держатели 94 и 95 подшипников 92 и 93 имеют возможность перемещаться по поверхности силовых косынок 7 и 10 и фиксироваться, выбирая слабину цепи 35 с помощью винтов 96 и 97, направляющих 98 и 99, закрепленных на силовых косынках 7 и 10, и тянущих гаек 100 и 101, входящих в пазы 102 и 103, предусмотренные в силовых косынках 7 и 10.
В электрической схеме узла измерения условного «перемещения» велотренажера 1 применены усилитель 61 (фиг.1), фотоизлучатель 58 и фотоприемник 59 (фиг.9). Между фотоизлучателем 58 и фотоприемником 59 вращается ведущая звездочка 33 с двумя отверстиями 106 и 107, выполненными на равном от оси расстоянии и на одном диаметре. Образованы два световых окна при вращении указанной звездочки, через которые засвечивается фотоприемник 59. Усилитель 61 соединен входом с фотоприемником 59 через кабель 60 и выходом - с USB-портом системного блока 45 (см. фиг.1). Фотоизлучатель 58, соединенный с источником электропитания 55, в электрической схеме включен в прямом направлении, так как он выполнен на базе фотодиода. Ток через него задается резистором 108, а фотоприемник 59, выполненный по такой же технологии, включен в обратном направлении и ток через него в освещенном состоянии задается резистором 109. Изменения сигнала в световом и темновом состояниях точки соединения резистора 109 и фотоприемника 59 воспринимаются усилительным каскадом 110, а коллектор транзисторного каскада 111 подключен к системному блоку 45 персонального компьютера 44 с помощью электрического кабеля 112 (фиг.10).
Работа данного узла состоит в следующем. При вращении звездочки 33 световые окна 106 и 107 периодически оказываются между фотоизлучателем 58 и фотоприемником 59, на которые последний реагирует скачкообразным изменением потенциала на входе каскада 110 и на выходе каскада 111 (фиг.10). Этот сигнал передается в системный блок для обработки.
Силовая мышь 37.
Силовая мышь 37 на фиг.11 оконтурена, а на фиг.12 приведена без оконтуривания. Она состоит из стакана 113, в который встраивается стержень 38 и на него пристраивается руль 39 с установленной на нем кнопкой 66. Стержень выполнен из частей: «тонкого» 38 и в виде шара 114, размещенного в стакане 113, образующем среду регулируемого трения для шара 114. Эта среда обеспечивается с помощью стягивающего узла и двух трущихся о шар 114 элементов 115 и 116, расположенных соответственно в верхней и нижней частях шара 114. Опираясь на неподвижную пластину 117 и шар 114, трущиеся элементы 115 и 116 прижимаются к шару 114 стягивающим узлом, образованным первой подвижной пластиной 118, нижней неподвижной пластиной 117 и второй подвижной пластиной 119, стягиваемых четырьмя тяговыми стержнями 120, 121, 122 и 123 с крепежными гайками 124, конусообразной пружиной 125, размещенной между первой подвижной пластиной 118 и суммирующей пластиной 126, охватывая «тонкий» стержень 38, штоком 127 с крепежной гайкой, рычагом 128, закрепленным на уголке 129, установленным на внутренней боковой стенке стакана 113, выполненного в виде призмы с квадратным поперечным сечением и соединенного одним концом со штоком 127 через первую соединительную планку 130, а другим концом через прорезь в боковой стенке стакана 113 и вторую соединительную пластину 131 - с тяговой шпилькой 132, проходящей через направляющетяговое приспособление 133, имеющее в своем составе направляющую, состоящую из винта 134, проточки 135 на шпильке 132 и тяговую гайку 136 со вспомогательными элементами: винтом 137 и цилиндрической канавкой 138. К нижней неподвижной пластине 117 прикрепляется оптическая мышь 48 персонального компьютера 44, сканирующая поверхность шара 114. От левой клавиши оптической мыши 48 сделаны отводы, оканчивающиеся кнопками 66 и 68 (фиг.1 и 2). С помощью разъема 139 меняют при необходимости руль 39. Оптическая мышь 48 соединяется с помощью электрического кабеля 140 также с системным блоком 45 персонального компьютера 44. В верхнем трущемся элементе 115, в первой подвижной пластине 118 и в суммирующей пластине 126 сделаны сквозные круговые отверстия для перемещения «тонкого» стержня 38. В нижнем трущемся элементе 116 и нижней неподвижной пластине 117 также сделаны сквозные круговые отверстия, но для сканирования оптической мышью 48 поверхности шара 114. Стакан 113 крепится к посадочной платформе 36 (фиг.1) с помощью, например, винтов 141, 142, 143 и 144.
Работает силовая мышь 37 следующим образом.
С помощью винтов 141, 142, 143 и 144 стакан 113 крепится к посадочной платформе 36 (фиг.1). С помощью электрического кабеля 140 подключают оптическую мышь 48 к системному блоку 45 персонального компьютера 44. С помощью тянущей гайки 136 направляющетягового приспособления 133 задают требуемое сопротивление «тонкого» стержня 38. После этого начинают перемещать стержень 38, управляя положением курсора на экране дисплея 46 персонального компьютера 44.
Перемещая стержень 38 от себя, перемещают курсор в верхнюю часть экрана дисплея 46 по вертикали, перемещая стержень 38 себе, передвигают курсор в нижнюю часть экрана по вертикали. Передвигая стержень 38 за руль 39 влево (фиг.1), перемещают курсор по горизонтали в левую часть экрана дисплея 46, передвигая стержень 38 вправо, перемещают курсор по горизонтали в правую часть экрана дисплея 46. Таким образом, перемещая стержень 38 в пространстве, передвигают курсор по всему экрану дисплея 46 и одновременно создают физические нагрузки на различные мышцы и группы мышц плечевого пояса и частично мышцы спины занимающегося, а при соответственном программном обеспечении выполнять одновременно и интеллектуальные задания.
Захват для одной руки 40.
Одна из возможных конструкций захвата для одной руки 40 показана на фиг.13 и оконтурена пунктирными линиями, а на фиг.14 приведена без них. Захват для одной руки 40 состоит из короткого цилиндрического патрубка 145, который надстраивается, например, привариванием над рулем 39 с помощью двух прямоугольных патрубков 146 и 147, в которые вставляются и закрепляются выполненные из прочного и скользкого на ощупь материала, например, капролона две опоры 148 и 149, на которые опирается цилиндрический патрубок 145 и в который вставляются крепежные винты 150, 151, и 152, 153 с гайками, с помощью которых фиксируются стяжки 154 и 155, служащие для крепления цилиндрического патрубка 145 и обеспечения возможности его вращения вокруг собственной оси на угол, задаваемый пазами 156 и 157 в стяжках 154 и 155, в которые вставляются штифты 158 и 159, вкручиваемые в цилиндрический патрубок 145 и на которой также размещена пластмассовая защитная рамка 161, через которую кнопка 67 подключается электрически параллельно кнопке 66 через паз 162 в цилиндрическом патрубке 145 и через канал 163 в опоре 149, а для удобства занимающегося на патрубок 145 надевают резиновые демпферы 164 и 165, а на руль 39 - демпферы 166 и 167.
Работа с захватом для одной руки 40 осуществляется следующим образом.
Занимающийся охватывает левой или правой рукой патрубок 145 (фиг.13 и 14) за среднюю часть и средним пальцем руки нажимает кнопку 67, после чего выполняет физические упражнения или интеллектуальные задания, при этом устанавливается нагрузочное сопротивление соответственно для левой или правой руки с помощью силовой мыши 37 (фиг.11).
Зная коэффициент передачи мини-ворота (отношение диаметров гайки 136 и шпильки 132) рычага 128 и коэффициент трения шара 114 о трущиеся элементы 115 и 116, можно определить механические характеристики (фиг.11) захвата для одной руки 40.
Тарировка силовой мыши 37 сопровождается предварительным сжатием пружины 125. Прикрепляя динамометр, например, за руль 39 натягивают его и плавно перемещают, отмечая показания. Аналогично тарируют другое нагрузочное сопротивление, закрепляя динамометр за захват для одной руки 40.
Программное обеспечение.
С помощью программного обеспечения осуществляется решение интеллектуальных заданий и выполнение физических упражнений. Поэтому оно должно быть занимательным и вызывать у занимающегося интерес и желание выполнять эти задания. При этом программное обеспечение должно состоять из комплекса программ. В комплекс программ, например, автоматизированной обработки информации с датчиков, входят программы: автоматический ввод и регистрация данных, предварительная обработка (сглаживание), тарировка входных сигналов, вывод графического изображения входных и выходных сигналов, математическая обработка характеристик выполняемых физических упражнений.
Программа математической обработки характеристик физического упражнения позволяет выполнить расчет следующих биомеханических параметров: длительность всего движения и отдельных его фаз и периодов, величины «перемещения» и «скорости» движения, выполняемая работа во время всего движения и по всей дистанции, силовые характеристики и другие данные.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает новым качеством - позволяет раздельно развивать левые и правые руку и ногу, задавать и увеличивать до оптимального уровня нагрузку на них, сопряженно и взаимозависимо развивать физические и интеллектуальные способности ребенка на мотивационной и оздоровительной основа с целью его гармоничного развития.
Источники информации
1. Сохадзе Э.М. Микрокомпьютерная система биомеханической обратной связи [Текст] / Э.М.Сохадзе, М.Б.Штарк, Е.И.Шульман // Вестник медицинских наук СССР. - 1998. - №3. - С.75-83.
2. Черкесов Ю.Т. Искусственная мотивоуправляемая воздействующая среда, основные положения и принципы ее реализации [Текст] / Ю.Т.Черкесов, В.В.Афанасенко, Е.В.Пискунова, С.А.Харенко // Физическая культура: воспитание, образование, тренировка. - 2004. - №2. - С.31-37.
3. Патент №2402269, Российская Федерация, С2 МПК А61В 5/16. Устройство широкодиапазонное для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей на мотивационной основе/ Афанасенко В.В., Черкесов Т.Ю., Черкесова В.П., Козлов С.И.