ТРЕНАЖЕР ДЛЯ РАЗВИТИЯ БИОМЕХАНИКИ МЫШЦ ВЕРХНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

Полезная модель относится к спортивным устройствам, в частности к тренажерам для развития мышц кистевого сустава и мышц предплечья, и предназначена для физического развития и спортивных тренировок при занятиях армрестлингом, а также для пациентов страдающих заболеваниями опорно двигательной системы, нуждающихся в дозированных нагрузках в период реабилитации.
Известны устройства, которые способствуют развитию и укреплению мышц кистевого сустава и мышц предплечья, необходимые при занятии армрестлингом. К таким устройствам относятся тренажеры, основанные на растягивании резиновых лент, поднятии груза через блок с упором в локтевом суставе, сжимании пружинных и резиновых эспандеров (http://www.pumorisport.ru/trenager-4.htm - офиц. сайт, дата обращения 02.12.2015 г.) - [1].
Использование этих устройств развивает тянущие функции мышц, а в армрестлинге необходимы толкающие функции мышц. Следовательно, известные устройства тренажеров не в полной мере соответствуют биомеханике работы рук при занятии армрестлингом. Кроме того, такие устройства имеют постоянные силовые характеристики, а переналаживание связано с установлением добавочных грузов, что изменяет характеристики устройств ступенчато. Использование тренажеров с грузами сопровождается большим шумом и грохотом, которые вызваны падением грузов при прекращении цикла тяги и освобождении груза.
Известно устройство (Патент на полезную модель №125477, МПК А63В 69/00, Бюл. №7 опуб. 10.03.2013. Тренажер для развития рук / И.X. Мингазетдинов, Л.Т. Хамидуллина, Р.И. Гайнутдинова, М.Л. Рубиновская, С.В. Смирнова.) - [2], содержащее гидроцилиндр двустороннего действия с корпусом, заполненным рабочей жидкостью, и перемещающиеся в нем поршни посредством рычага, оборудованного выдвижной штангой, регулируемой по высоте, и имеющей рукоятку с установленными в ней спиральными пружинами, для развития кистевых мышц рук, гидравлическую магистраль, связывающую полости гидроцилиндров, соединительный канал с регулятором расхода потока рабочей жидкости.
Данное устройство принято нами за прототип. Недостатками известной конструкции тренажера для развития рук являются: возникновение изгибающего момента в механизме передачи из вращательного движения рычага в возвратно-поступательное движение поршней, который может привести к выходу из строя тренажера; изменение усилия на рычаге за счет возникновения нежелательного нагрева рабочей жидкости в полостях гидроцилиндров, образующегося от взаимодействия (трения) с поршнями и приводящего к изменению характеристик (вязкости) рабочей жидкости; недостаточная реализация нагрузки на рукоятке для развития мышц кисти, хотя для армрестлинга очень важно развивать кистевые мышцы.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель - повышение эффективности тренажера: плавное регулирование и дозирование нагрузок, сохранение усилия на рычаге за счет сохранения характеристик рабочей жидкости, увеличение нагрузки на развиваемые мышцы кисти, удобство в эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в тренажере, содержащем гидроцилиндр двустороннего действия с корпусом, заполненным рабочей жидкостью, и перемещающиеся в нем поршни посредством рычага, оборудованного выдвижной штангой, регулируемой по высоте и имеющей рукоятку с установленными в ней спиральными пружинами для развития кистевых мышц рук, гидравлическую магистраль, связывающую полости гидроцилиндров, соединительный канал с регулятором расхода потока рабочей жидкости, новым является то, что в соединительный канал введен датчик давления для измерения усилия на рычаге, подключаемый к микропроцессору электрической измерительной схемы, обеспечивающему управление работой тренажера. Тренажер содержит систему охлаждения, включающую в себя датчик температуры для контроля температуры рабочей жидкости, установленный в соединительном канале, программный блок системы охлаждения, вход которого соединен с датчиком температуры, а выходы - с элементами охлаждения гидроцилиндров и микропроцессором электрической измерительной схемы. Также, тренажер снабжен баком-ресивером, связанным через предохранительный клапан с гидравлической системой, и с насосом, связанным с гидравлической системой и управляемый микропроцессором электрической измерительной схемы.. Помимо этого, тренажер оснащен системой регистрации биомеханики мышц, содержащей электроды, фиксирующие биопотенциал мышц пользователя, подключенные к нормирующему преобразователю, который соединен с входом микропроцессора электрической измерительной схемы для обработки информации, выводы которого связаны со средством отображения информации и цифровым интерфейсом. В выдвижную штангу рычага введен упругий элемент, который через подпятник с упором на подвижный изогнутый рычаг осуществляет передачу вертикального усилия на мышцы кистей рук.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1 - фиг. 3, где:
фиг. 1 - Схема тренажера для развития биомеханики мышц верхних конечностей рук.
фиг. 2 - Схема тренажера для развития биомеханики мышц верхних конечностей рук (вид сбоку).
фиг. 3 - Рукоятка со спиральными пружинами тренажера для развития биомеханики мышц верхних конечностей рук.
Здесь: 1, 18 - гидроцилиндры; 2, 17 - поршни; 3 - опорная площадка; 4, 15 - штоки; 5, 16 - элементы охлаждения гидроцилиндров; 6 - ползун жестко связанный со штоками 4 и 15; 7 - штифт; 8 - рычаг; 9 - шарнир; 10 - электроды, фиксирующие биопотенциал; 11 - регулировочный винт; 12 - выдвижная штанга; 13 - рукоятка со спиральными пружинами; 14 - подвижный изогнутый рычаг; 19 - гидравлическая магистраль; 20 - соединительный канал гидравлической системы; 21 - бак-ресивер; 22 - упругий элемент; 23 - подпятник; 24 - датчик температуры; 25 - датчик давления; 26 - регулятор расхода; 27 - насос; 28 - программный блок системы охлаждения; 29 - нормирующий преобразователь; 30 - микропроцессор; 31 - пульт управления; 32 - средство отображения информации; 33 - цифровой интерфейс; 34 - установочный винт; 35 - предохранительный клапан.
Предложенное устройство (фиг. 1) представляет собой рычажно-гидравлическую систему двустороннего действия, содержащую два гидроцилиндра 1 и 18, внутри которых расположены подвижные поршни 2 и 17, соединенные штоками 4 и 15, полости гидроцилиндров 1 и 18 соединены между собой гидравлической магистралью 19 и соединительным каналом 20, заполненные рабочей жидкостью, в соединительном канале 20 установлены регулятор расхода 26, датчик температуры 24 и датчик давления 25, также в гидравлическую систему входит бак-ресивер 21 с насосом 27 и предохранительный клапан 35. На гидроцилиндрах 1 и 18 установлены элементы охлаждения 5 и 16, управляемые программным блоком системы охлаждения 28 электрической измерительной схемы. В центре штоки 4 и 15 жестко связаны между собой ползуном 6. В ползуне 6 имеется штифт 7, соединяющий его с рычагом 8. Рычаг 8, закрепленный на опорной площадке 3 через шарнир 9, имеет возможность двухстороннего перемещения в вертикальной плоскости гидроцилиндров 1 и 18. На рычаге 8 находится выдвижная штанга 12 для регулирования высоты регулировочным винтом 11 относительно опорной площадки 3. В верхней части конструкции выдвижной штанги 12 (фиг. 2) установлены упругий элемент 22, который через подпятник 23 выполнен с упором в подвижный изогнутый рычаг 14, угол наклона α подвижного изогнутого рычага 14 составляет примерно 30-90° между его осью и плоскостью, перпендикулярной к вертикальной оси выдвижной штанги 12. На подвижном изогнутом рычаге 14, крепящемся к выдвижной штанги 12 с помощью винта 34, установлена рукоятка со спиральными пружинами 13 (фиг. 3). Управление насосом 27 (фиг. 1) осуществляется через микропроцессор 30 электрической измерительной схемы, входы которого связаны с пультом управления 31, программным блоком системы охлаждения 28, нормирующим преобразователем 29, к которому подключены электроды 10, а выходы микропроцессора 30 связаны со средством отображения информации 32 и цифровым интерфейсом 33.
Тренажер работает следующим образом. Перед использованием осуществляется подключение тренажера к сети электрического питания необходимого для работы электроники тренажера. Затем, осуществляется регулирование по двум составляющим: регулирование выдвижной штанги 12 по высоте с помощью регулировочного винта 11 и установление необходимого усилия на рычаге регулятором расхода 26 потока жидкости. После регулирования приступают к тренировкам. Одной рукой (правой или левой) сжимают рукоятку со спиральными пружинами 13 и путем надавливания на нее, преодолевают сопротивление пружин и упругого элемента 22, и из вертикального положения рычаг 8 начинают перемещать его в направление к плоскости опорной площадки 3. В соответствии с перемещением рычага 8 начинают перемещаться штоки 4 и 15 и связанные с ними поршни 2 и 17, перекачивая жидкость из полостей гидроцилиндра 1 в полость гидроцилиндра 18 через гидравлическую магистраль 19 и соединительный канал 20. Усилие на рычаге 8 определяется скоростью протекания (прокачки жидкости), которая зависит от проходного сечения регулятора расхода 26 (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. 4-е изд., перераб. И доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - 10-42 с.) - [3]. Полученное усилие на рычаге 8 снимается датчиком давления 25 и после преобразования микропроцессором 30 в цифровой сигнал передается на средство отображения информации 32, а также на цифровой интерфейс 33.
После окончания тренировки одной рукой устанавливают рычаг 8 в вертикальное положение и проводят тренировку другой рукой, перемещая рычаг 8 в противоположном направлении. При достаточной тренированности, при необходимости, регулятором расхода 26 уменьшают или увеличивают (дросселируют) проходное сечение в соединительном канале гидравлической системы 20, при этом усилие на рычаге 8 возрастает или уменьшается, и тренировочный цикл повторяют при увеличенных или уменьшенных нагрузках.
Во время длительной тренировки рабочая жидкость начинает нагреваться, вследствие чего меняются ее характеристики, а значит и скорость протекания рабочей жидкости увеличивается и приводит к уменьшению нагрузки на рычаге 8. Во избежание этого в тренажере предусмотрена система охлаждения, которая работает следующим образом: при нагреве жидкости сигнал с датчика температуры 24 приходит на программный блок системы охлаждения 28, в котором осуществляется сравнение сигнала с заданным и в случае необходимости, программный блок подает сигнал на элементы охлаждения гидроцилиндров 5 и 16 (http://kryothermtec.com/ru/ - офиц. сайт, дата обращения 01.12.2015 г.) - [4], работающие для охлаждения рабочей жидкости до заданного состояния.
Процессы управления, обработки и передачи осуществляются через микропроцессор 30 электрической измерительной схемы, который также управляет включением насоса 27, осуществляющим подачу рабочей жидкости из бака-ресивера 21 во всю гидравлическую систему. Необходимость введения насоса 27 и бака-ресивера 21 с встроенным в него предохранительным клапаном 35 в гидравлическую систему связано с тем, что при длительной работе тренажера могут возникнуть изменения характеристик рабочей жидкости, для восстановления которых требуется время. Поэтому, чтобы не выключать тренажер, микропроцессор 30, согласовав с сигналами программного блока системы охлаждения 28, автоматически включает насос 27, временно останавливая работу тренажера. На средстве отображения информации 32 в это время отображается ОСТАНОВ. В баке-ресивере 21 рекомендуется рабочую жидкость периодически обновлять.
В ходе тренировки осуществляется мониторинг процессов, происходящих в мышцах через электроды 10 (А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика: учебник. - 4-е изд., испр. и перераб. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. - 377-398 с.) - [5], фиксирующих биопотенциал мышц. Информация с электродов нормируется преобразователем 29 и оцифровывается микропроцессором 30 электрической измерительной схемы, а далее подается на средство отображения информации 32 и на цифровой интерфейс 33, позволяющий подключить тренажер к компьютеру, в совокупности они образуют систему регистрации биомеханики мышц, предназначенную для мониторинга и удобства снятия силовых характеристик медицинским персоналом.
Для того, чтобы увеличить нагрузку на развиваемые мышцы кисти, в верхнюю часть конструкции выдвижной штанги 12 установлен упругий элемент 22, который через подпятник 23 выполнен с упором в подвижный изогнутый рычаг 14, угол наклона α подвижного изогнутого рычага 14 составляет примерно 30-90° между его осью и плоскостью, перпендикулярной к вертикальной оси выдвижной штанги 12. На подвижном изогнутом рычаге 14, крепящемся к выдвижной штанги 12 с помощью винта 34, установлена рукоятка со спиральными пружинами 13, внутри которой установлены плоские спиральные пружины, плоскости которых перпендикулярны оси рукоятки и выполненные чередующимися с закруткой в двух взаимно-противоположных направлениях. Пружины могут быть расположены попарно с закруткой пружин, составляющих пару, в двух взаимно противоположных направлениях соответственно.
Таким образом, разработанный тренажер позволяет тренировать и развивать одновременно силу кистевого сустава и мышц предплечья с возможностью регулирования характеристик тренажера, как по высоте, так и по необходимым усилиям на рычаге в широком диапазоне параметров; следить за ходом тренировки и фиксировать процессы, происходящие в мышцах, и регулировать дозирование нагрузок в период реабилитации. К тому же, благодаря своей конструкции, он позволяет спортсмену тренироваться самостоятельно и максимально приблизить при этом тренировку к реальному поединку; безопасен в использовании, так как он работает в преодолевающем режиме, т.е. сопротивляется пользователю в тот момент, когда он пытается максимально опустить рукоятку вниз, но стоит ему расслабить мышцы, как сопротивление исчезнет. Это отличие по сравнению с другими тренажерами, сводит практически на нет риск травматизма у спортсменов или ухудшения состояния у пациентов с заболеваниями опорного двигательного аппарата; малые габариты и вес, шумоизоляция за счет компактности гидравлической системы.