КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НАГРУЗОЧНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СПОРТИВНЫХ ТЕСТИРОВАНИЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНО-ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРОБ

Предлагаемая полезная модель относится к системам управления и может использоваться для задания паттернов физической нагрузки с использованием различных тренажерных устройств, режим работы которых может определяться внешними аналоговыми или цифровыми сигналами.
Для функциональной диагностики и оценки физической работоспособности человека, а также при проведении спортивных и реабилитационных тренировок для задания нагрузки широко используются различные тренажеры (велоэргометры, бегущие дорожки, ручные эргометры, тренажеры для подготовки боксеров и другие устройства). Такие тренажерные устройства, как правило, имеют блок управления, с помощью которого можно запрограммировать режим изменения нагрузки во время тренировки или тестирования. Известно большое число технических решений на уровне изобретений в области разработки тренажеров (а.с. СССР 1423129, кл. A63B 69/16, 1986, US 5382208, кл. 63B 69/16, 1995, RU 2264246, C1 A63B 69/16, 2004, WO 97/05926 A1, 20.02.1997. RU 2111037 C1, 20.05.1998. WO 98/08572 A1, 05.03.1998. WO 95/32032 A1, 30.11.1995. US 5752897 A, 19.05.1998. FR 2756744 A1, 12.06.1998. DE 19710955 A1, 30.10.1997., а.с. СССР 467746, МКИ А63В 69/20, бюл. 15, 1975 г.; а.с. СССР 598613, МКИ А63В 71/00, бюл. 11, 1978 г.; а.с. СССР 674751, МКИ А63В 69/20, бюл. 27, 1979 г.; а.с. СССР 856473, МКИ А63В 69/32, бюл. 31, 1981 г.; а.с. СССР 867384, МКИ А63В 69/00, 1981 г.; а.с. СССР 963534, МКИ А63В 71/00, бюл. 37, 1982 г.; а.с. СССР 1063424, МКИ А63В 69/00, бюл. 48, 1983 г.; а.с. СССР 1151252, МКИ А63В 71/06; а.с. СССР 1183132, МКИ А63В 69/00, бюл. 37, 1985 г.; а.с. СССР 1430042, МКИ А63В 69/20, бюл. 38, 1988 г.; а.с. СССР 1632439, МКИ А63В 69/00, бюл. 9, 1991 г.; а.с. СССР 1636981, МКИ А63В 69/00, бюл. 13, 1991 г.; а.с. СССР 1768193, МКИ А63В 69/24, бюл. 38, 1992 г.; а.с. СССР 1773423, МКИ А63В 69/20, бюл. 41, 1992 г.; патенты РФ 2019229, 2019230, МКИ А63В 69/34, бюл. 17, 1994 г.; патент РФ 2024268, МКИ А63В 69/00, бюл. 23, 1994 г.; патент РФ 2036678, МКИ А63В 69/20, бюл. 16, 1995 г.; патент Украины 13785, МКИ А63В 69/24, бюл. 2, 1997 г.; патент Украины 18106, МКИ А63В 69/00, бюл. 5, 1997 г. и др.).
Изучение вышеприведенных источников информации показывает, что в процессе развития тренажеров за последние 25 лет прослеживается тенденция обеспечения многофункциональности тренажеров, усложнение оборудования и электроники в части ответных реакций с целью совершенствования процесса тренировки спортсмена. Однако набор предлагаемых паттернов нагрузки невелик и в медицинской и спортивной практике часто возникает необходимость в более широких возможностях управления тренажерными устройствами. Многие производители предусмотрели возможность управления тренажерными устройствами при помощи внешних сигналов, как цифровых (обычно используются протоколы RS-232), так и аналоговых. Подавая соответствующие сигналы на цифровые или аналоговые входы тренажерного устройства с помощью внешней компьютерной программы можно реализовать любые алгоритмы изменения нагрузки.
К таковым относится тренажер (патент RU 2201783), включающий закрепленный на несущей конструкции манекен, снабженный приводными подвижными конечностями и датчиками, кинематически связанный с блоком пространственных перемещений, соединенный через блок управления с блоком программ, блок датчиков и блок обработки и отображения информации, отличающийся тем, что несущая конструкция выполнена в виде секционной стойки с элементами фиксации, манекен выполнен в виде имитаторов туловища с подвижными конечностями и датчиками в упорядоченно нанесенных уязвимых точках и головы с датчиками в упорядоченно нанесенных уязвимых точках, причем голова закреплена на секционной стойке посредством пружин, снабжена средствами для ограничения замахов и наклона туловища спортсмена, дополнительно введены генератор случайных чисел, таймер, блок формирования световых сигналов и акустической обратной связи, усилителей, аналого-цифровых преобразователей, причем первый выход блока управления через последовательно соединенные указанные генератор случайных чисел и таймер соединены с первым выходом блока световых сигналов, второй вход которого непосредственно связан с другим выходом блока управления, вторые выходы генератора случайных чисел и таймера соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления, а третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого соединены соответственно с блоками акустической обратной связи, пространственных перемещений, первыми входами блоков усилителей, обработки и отображения информации, аналого-цифровых преобразователей, второй вход и выход которого соединены соответственно с выходом блока обработки и отображения информации и третьим входом блока управления, блок подвижных конечностей первым выходом соединен с размещенными в разных частях тренажера подвижными конечностями, а вторым выходом соединен с первым входом блока датчиков, второй, третий, четвертый входы которого соединены соответственно с жизненно важными уязвимыми точками головы и туловища секционного манекена и ограничителями замахов и наклона, а выход блока датчиков через другой вход блока усилителей соединен со вторым входом блока обработки и отображения информации. Однако для сопряжения тренажера с современными персональными компьютерами все вышеуказанные подключения слишком сложны и дороги, чтобы их устанавливать на какой-либо отдельный тренажер, имеющий узкое функциональное назначение. Чтобы сделать более универсальной систему контроля и сопряжения тренажеров с современными персональными компьютерами, необходим электронный блок, который преобразует подающиеся через порт USB команды с компьютера в цифровой или аналоговый сигнал, предназначенный для управления данным тренажерным устройством. Следует отметить, что управляющие аналоговые сигналы можно формировать с использованием широко распространенных на рынке универсальных внешних модулей АЦП/ЦАП (например, USB модуль Е14-440 производства ООО «Л-Кард» (Москва) [http://www.lcard.ru/e-440.php3]. Данное решение выбрано за прототип. Универсальный модуль АЦП/ЦАП на шину USB 1.1 (совместима с USB 2.0), особенно удобен для создания портативных измерительных систем на базе ноутбука. Имеет программно-управляемую настройку параметров сбора данных: числа и последовательности опроса входных каналов, диапазонов измерения, частоты преобразования АЦП. Возможна синхронизация сбора данных по внешнему синхросигналу или по уровню входного сигнала. Дополнительно имеются цифровые входы и выходы. Предусмотрена возможность установки двухканального ЦАП. Применение цифрового сигнального процессора и возможность загрузки прикладных программ позволяют реализовывать различные функциональные алгоритмы и специализированные режимы работы модуля.
Особенности изделия:
АЦП: 14 бит/400 кГц;
Входных каналов: 16 диф. или 32 с общей "землей";
Цифровой сигнальный процессор;
Цифровые входы/выходы: 16/16;
2 канала ЦАП (опция).
Однако недостатком такого решения является высокая стоимость этих модулей, предназначенных, в основном, для создания многоканальных систем сбора экспериментальных данных и поэтому обладающих рядом функций (функции управления частотой АЦП, синхронизации сбора данных по внешнему синхросигналу или по уровню входного сигнала и другие функции), не имеющих отношения к задаче управления тренажерными устройствами. Поэтому применение подобных модулей АЦП/ЦАП для обеспечения систем биологической обратной связи в системах человек-тренажер экономически нецелесообразно.
Предлагаемый контроллер предназначен для управления с помощью ПК характеристиками нагрузки при использовании различных тренажерных устройств, а также для измерения фактических параметров нагрузки и их передачи на аналоговые многоканальные системы сбора данных, что позволяет регистрировать динамику изменения физиологических показателей испытуемого синхронно с изменением физической нагрузки.
Техническим результатом полезной модели является более конструктивно простой и дешевый контроллер, имеющий возможность управления характеристиками нагрузки при использовании различных тренажерных устройств с помощью ПК, а также для измерения фактических параметров нагрузки и их передачи на аналоговые многоканальные системы сбора данных, что позволяет регистрировать динамику изменения физиологических показателей испытуемого синхронно с изменением физической нагрузки.
Указанный технический результат достигается за счет того, что контроллер для управления нагрузочными устройствами, содержащий микропроцессор, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП), два аналоговых входа на АЦП, два цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), два порта выхода с ЦАП и порт USB, отличающийся тем, что дополнительно имеет цифровой выход, имеющий функцию подключения к тренажерному устройству с целью передачи ему команд управления от микропроцессора. Наличие не только аналогового, но и цифрового выхода существенно расширяет список тренажерных устройств, которыми можно управлять с помощью данного контроллера. Так, например, широко использующимися в спортивной и медицинской практике велоэргометрами фирмы Ergoline (Германия) можно управлять с помощью цифровых сигналов (протокол RS-232), подающихся с компьютера на соответствующий порт тренажера. Следует, однако, отметить, что современные персональные компьютеры, как правило, уже не имеют последовательного порта стандарта RS-232. Наличие аналоговых выходов, сигналы с которых пропорциональны величине нагрузки, позволяет интегрировать тренажерные устройства в многоканальные системы регистрации физиологических данных, что дает возможность точного сопоставления динамики физиологических показателей с изменением интенсивности физической нагрузки. Кроме того, поскольку сигнал с одного из выходов пропорционален величине нагрузки, которая должна быть в данный момент времени согласно протоколу тестирования, а сигнал со второго выхода - реальному текущему значению нагрузки, появляется возможность измерения динамических характеристик используемого тренажера для последующей коррекции протоколов тестирования. В отличие от прототипа многоканальная система сбора данных и система регистрации физиологических показателей выведены из контроллера. Исключение многоканальной системы сбора данных объясняется тем, что с использованием одного и того же тренажерного устройства можно проводить различные виды спортивного тестирования и функционально-диагностических проб, отличающихся по набору регистрируемых физиологических показателей, типу измерительных приборов, способу их подключения и т.д. Предлагаемая схема интеграции контроллера, управляющего работой тренажерного устройства, в многоканальную систему регистрации физиологических показателей при проведении спортивных и медицинских обследований является более гибкой, ее проще адаптировать под конкретный тип функционального тестирования.
На Фиг.1 показана блок-схема контроллера и его интеграция в работу многоканальной системы регистрации физиологических показателей при проведении функциональных тестирований.
В состав котроллера (12) входит (см. Фиг.1): микропроцессор (1), два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) (2), два цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) (3) для создания аналоговых сигналов и выходной цифровой порт (4). Питание контроллера осуществляется от источника питания шины USB (5).
Во время работы ЭВМ (11) по шине USB (5) передает в контроллер необходимые параметры нагрузки. Контроллер (12) с помощью одного из ЦАП (3) формирует управляющее напряжение, которое поступает на аналоговый вход (13) управления тренажерным устройством (8). Сигналы с датчиков (6, 7), измеряющих текущие значения параметров нагрузки (в случае бегущей дорожки, например, это скорость движения полотна и угол его наклона), поступают на АЦП (2) контроллера (12) и затем в микропроцессор (1), который управляет цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) (3), сигнал с одного из которых управляет работой тренажерного устройства (8) в соответствии с заданным паттерном изменения нагрузки. Кроме того, этот сигнал подается в многоканальную аналоговую систему сбора информации (10), которая собирает также данные с системы непрерывной регистрации физиологических показателей испытуемого (9). Сигнал со второго ЦАП (3), соответствующий текущему значению нагрузки, также подается на вход системы регистрации. Такая схема регистрации позволяет контролировать соответствие реального изменения нагрузки запланированному паттерну. Для управления тренажерными устройствами можно использовать также предусмотренный в контроллере цифровой выход (4). Контактный кабель от цифрового выхода (4) подключается к цифровому входу (14) тренажера (8). Использование специализированного контроллера (12) позволяет использовать любые паттерны изменения физической нагрузки, упрощает процедуру регистрации физиологических показателей в случае сложных нагрузочных протоколов и облегчает процесс сопоставления параметров нагрузки и функционального состояния испытуемого. Предлагаемое устройство может использоваться при создании тренажерных устройств с биологической обратной связью, в которых величина нагрузки изменяется в зависимости от значения выбранного физиологического показателя (например, нагрузка задается таким образом, чтобы частота сердечных сокращений находилась в заданном диапазоне значений). Кроме того оно может использоваться для управления нагрузочными устройствами при проведении экспериментальных исследований на животных.