СПОСОБ ТРЕНИРОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
TRAINING METHOD AND DEVICE FOR ITS REALISING

Изобретение относиться к обучению и может быть использовано для формирования и/или развития двигательных навыков, закрепления динамических стереотипов, тренировки координации движений.
Изобретение может быть применимо для отработки движений в различных видах спорта, единоборствах, танцах, для подготовки артистов театра, балета, цирка, в играх, и т.п.
Существует множество видов деятельности, в той или иной степени требующих владения специфическими двигательными навыками. К таким видам деятельности можно отнести танцы, спорт, боевые искусства, театр, пантомиму, актерскую деятельность и др. Физиологические основы формирования двигательных навыков заключаются в том, что:
на первоначальном этапе обучения движениям в ЦНС образуются нестойкие временные связи между нервными центрами, регулирующими деятельность различных мышц и органов. В дальнейшем эти связи дифференцируются и закрепляются.
Формирование двигательного навыка принято делить на три стадии.
Первая стадия характеризуется тем, что при изучении нового упражнения физические движения плохо координированы и в техническом плане малоэффективны.
В основе второй стадии формирования навыка лежит концентрация возбуждения в определенных центрах нервной системы.
Третья стадия формирования двигательного навыка - это свобода движений, высокая степень их координации и стабилизации.
Многократное выполнение упражнений в строго определенном порядке вырабатывает динамический стереотип. Выработка динамического стереотипа требует длительных кропотливых тренировок. Стабильность выполнения двигательных навыков теснейшим образом связана со степенью овладения ими. Как и другие условные рефлексы, двигательные навыки в начале недостаточно устойчивые, но в дальнейшем становятся все более и более стойкими. Чем проще навыки по своей структуре, тем они прочнее усваиваются. Основная проблема у обучающегося на начальном этапе разучивания движений со сложной структурой - координация всех частей тела в процессе отработки движении для выработки верного динамического стереотипа.
Обычная практика в процессе обучения тому или иному двигательному действию - многократное его повторение под руководством тренера, который корректирует траектории движения различных частей тела с целью добиться технически безупречного выполнения. После закрепления двигательного стереотипа нарабатываются скорость и свобода в исполнении действия. Очевидно, что достижение успеха при таком подходе зависит в первую очередь от компетентности и мастерства тренера. Кроме того, такой подход эффективен при небольшом количестве обучающихся с одним тренером, при возрастании количества обучающихся в группе эффективность обучения с тренером падает.
Из уровня техники известны системы видеоанализа для обучения спортивным движениям и совершенствования техники двигательных действий (например, разработка компании SiliconCoach; исследования кандидата педагогических наук, преподавателя кафедры вычислительной техники и автоматизированных систем управления Кубанского государственного технологического университета Д.А.Романова). Системы видеоанализа используют видеозапись спортсмена для анализа различных фаз его движения (траектории, углы и скорости см. http://www.acrosport.ru/items/zifrovie-tehnologii/video.htm), а также для сравнения движения обучающегося с движениями профессиональных спортсменов с целью их корректировки.
Основным недостатком таких систем является отсутствие обратной связи непосредственно в процессе выполнения движения (обучающийся не чувствует верную траекторию в процессе обучения), что снижает эффективность обучения. Еще одним недостатком, снижающим эффективность обучения, является то, что обратная связь дается по визуальному каналу (на экране монитора). В процессе перевода видеоряда и картинок в собственные движения у обучаемого могут возникать значительные искажения. Кроме того, информация о движениях обучающегося требует предварительной ручной обработки.
Наиболее близким аналогом заявленного предложения являются способ тренировки и устройство для его осуществления, известные из заявки US №2002/0077189, кл. А63B 67/02, 2002.
Известный способ тренировки заключается в том, что в ходе выполнения разучиваемого движения данное движение оцифровывается, сравнивается с оцифрованной моделью эталонного движения и в случае, если обучающийся допустил отклонение какой-либо части тела, контролируемой в разучиваемом движении от эталонного движения, он получает тактильный сигнал, корректирующий движение соответствующей части тела в реальном режиме времени.
Известное устройство для тренировки содержит датчики для оцифровки в реальном режиме времени перемещений частей тела обучающегося, ЭВМ для сравнения в реальном режиме времени полученного оцифрованного движения с цифровой моделью эталонного движения и элементы обратной тактильной связи для корректировки перемещений каждой из частей тела, участвующих в изучаемом движении, в реальном режиме времени.
Техническим результатом изобретения является повышение точности оперативной корректирующей тактильной обратной связи ученику во время изучения и совершенствования техники и скорости выполнения движений, максимально приближая его к эталонному движению.
Указанный технический результат достигается тем, что способ тренировки заключается в том, что в ходе выполнения разучиваемого движения данное движение оцифровывается, сравнивается с оцифрованной моделью эталонного движения и, в случае, если обучаемый допустил отклонение в объеме каких-либо частей тела, контролируемых в разучиваемом движении, от эталонного движения, он получает тактильные сигналы, корректирующие движения соответствующих частей тела в объеме в реальном режиме времени.
Модель эталонного движения могут получать путем оцифровки движений эксперта, моделирования с помощью ЭВМ или оцифровки собственных движений обучающегося.
Тактильный сигнал может включаться при превышении заданного для данного движения порога срабатывания по отклонению, а величина порогового отклонения уменьшается по мере освоения движения.
Интенсивность тактильного сигнала может увеличиваться с увеличением отклонения движения обучающегося от эталонного движения.
Тактильный сигнал может подаваться на поверхность тела обучающегося, противолежащую от верной траектории или ближайшую к верной траектории.
С уменьшением ошибочных движений темп движений может увеличиваться.
Движения для изучения периодически повторяют блоками, а с уменьшением ошибочных движений увеличивают количество повторяемых в одном блоке движений.
Темп движений может задаваться звуковым или оптическим сигналом.
Движения для повторения могут задаваться тренером, видеорядом, на экране ЭВМ, в печатном виде.
При отклонении движения обучающегося от эталонного движения обучающемуся дают паузу для нахождения верного положения на данном этапе движения, после чего движение продолжают.
Указанный технический результат также достигается тем, что устройство для реализации способа тренировки содержит датчики для оцифровки перемещения в объеме частей тела, участвующих в изучаемом движении, ЭВМ для сравнения полученного оцифрованного движения с эталонным движением и элементы обратной тактильной связи для корректировки в объеме в реальном режиме времени траекторий перемещения частей тела, участвующих в изучаемом движении.
Датчики для оцифровки движения могут быть выполнены оптическими, механическими, магнитными, выполнены на базе микромеханических акселерометров и/или микромеханических гироскопов, на базе оптического волокна, выполнены с использованием эффекта Доплера, а также с возможностью использования для определения координат части тела время прохождения волны от точки с известными координатами до датчика.
Датчиками для оцифровки движения может служить комбинация оптических, механических, магнитных датчиков, датчиков на базе микромеханических акселерометров, микромеханических гироскопов, датчиков на базе оптического волокна, датчиков, использующих для определения координат эффект Доплера или время прохождения сигнала от источника с известными координатами до датчика.
Для создания обратной тактильной связи в устройстве могут быть использованы виброэлементы, термоэлементы, разряды электрического тока и механизмы, осуществляющие надавливание, например с помощью надувного элемента.
Для каждой части тела может использоваться по меньшей мере один элемент обратной тактильной связи.
Элементы устройства могут быть связаны проводной или беспроводной шиной данных.
Устройство может быть выполнено с возможностью оцифровывания движения на одном устройстве и оперативной передачи его на другое аналогичное устройство в качестве эталонного.
Устройство может быть выполнено с возможностью обеспечения связи с внешней ЭВМ, позволяющей синхронизировать движения и их скорость, заданные на мониторе ЭВМ, и модель эталонного движения в устройстве и передачи во внешнюю ЭВМ информации о выполнении разучиваемого движения для последующего анализа.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими изображениями, на которых показано:
- на фиг.1 - действие корректирующего тактильного воздействия в процессе изучения движения;
- на фиг.2 - иллюстрация действия тренажера при выходе конечности за допустимый коридор отклонения;
- на фиг.3 - возможные места расположения датчиков движения и элементов обратной связи на теле обучающегося;
- на фиг.4 - возможное расположение виброварианта элементов обратной связи на конечности.
Для достижения указанного технического результата предлагается способ тренировки, заключающийся в том, что в ходе выполнения разучиваемого движения, данное движение оцифровывается, сравнивается с оцифрованной моделью эталонного движения и, в случае, если обучаемый допустил отклонение от эталонного движения, обучаемый получает обратную тактильную связь (тактильное воздействие), корректирующую его движения в реальном режиме времени.
Для более ясного понимания сути изобретения ниже раскрыты некоторые понятия, используемые в описании изобретения:
«Траектория движения части тела». Под «траекторией движения части тела» подразумевается перемещение части тела в объеме, описанное изменением во времени координат части тела в трехмерной системе координат либо описанное изменением во времени углов между частями тела.
«Движение обучающегося». Под «движением обучающегося» понимается совокупность траекторий движения всех частей тела обучающегося в объеме.
«Оцифрованное движение обучающегося». Под «оцифрованным движением обучающегося» понимается совокупность информации о траекториях движения всех частей тела обучающегося в объеме в процессе выполнения, например, разучиваемого движения, которая (совокупность информации) представлена в цифровом формате. «Разучиваемое (эталонное) движение». Под «разучиваемым (эталонным) движением» понимается совокупность эталонных траекторий движения всех частей тела в объеме, контролируемых и корректируемых для данного движения.
«Модель эталонного движения». Под «моделью эталонного движения» понимается совокупность информации об эталонных траекториях движения всех частей тела человека в объеме в процессе выполнения разучиваемого движения, которые контролируются и корректируются для данного движения. Для использования в работе тренажера модель эталонного движения может быть представлена в цифровом формате. «Контроль отклонения от эталонного движения». Под «контролем отклонения от эталонного движения» понимается контроль отклонений между оцифрованным движением обучающегося и моделью эталонного движения. Т.е. контроль отклонения траекторий частей тела обучающегося в объеме в процессе выполнения разучиваемого движения.
«Корректировка движения обучающегося». Под «корректировкой движения обучающегося» понимается тактильное воздействие на части тела обучающегося, отклонившиеся от эталонных траекторий и выявленные с помощью контроля отклонения от эталонного движения. Оно (тактильное воздействие) направлено на приведение движения обучающегося к разучиваемому (эталонному) движению и прилагается в любом необходимом направлении в объеме.
Эталонные модели движения могут быть заданны либо компетентным в данной области экспертом (например, спортсменом) с помощью какого-либо регистрирующего оборудования, либо смоделированы с помощью ЭВМ.
В случае, если в процессе выполнения разучиваемого движения та или иная часть тела обучаемого выходит за допустимый коридор отклонений от заданной траектории (см. Фиг.2 (1)), ученик получает об этом сигнал с помощью включения элемента тактильной обратной связи в той зоне, где произошло критичное отклонение (см. Фиг.2). Причем сигнал может подаваться с той стороны, в которую произошло отклонение (как бы «выталкивая» часть тела из недопустимой зоны (Фиг.2 (2)), или со стороны, куда часть тела должна вернуться (как бы «втягивая» ее). Это позволяет практически мгновенно корректировать весь комплекс движений обучающегося с минимальным привлечением или вообще без привлечения эксперта (тренера) к процессу обучения. Интенсивность тактильного воздействия зависит от величины отклонения, возрастая с увеличением отклонения.
Способ тренировки может быть проиллюстрирован на следующем примере.
При изучении боевых искусств одна из самых распространенных ошибок начинающих заключается в том, что при отработке удара одной рукой они забывают о том, что вторая рука должна обеспечивать защиту лица. Верное положение второй руки во время отработки удара показано на Фиг.1 (1-3). Во время отработки удара начинающий спортсмен часто опускает вторую руку (Фиг.1 (5)). В этом случае, как только рука, обеспечивающая защиту, опускается ниже критической точки, срабатывает тактильный сигнал элемента обратной связи с нижней стороны кисти, заставляя вернуть руку в верное положение (Фиг.1 (5-6)).
Посредством передачи тактильного сигнала об отклонении той или иной части тела от заданной траектории можно добиться согласованной работы всех частей тела. Обучающийся, сосредоточившийся на движении ноги, уже не забудет про положение рук, т.к. тактильный сигнал тут же напомнит ему об отклонении.
Темп движений задается звуковым, оптическим или тактильным сигналом (музыкальное сопровождение, повторяющийся в определенном темпе одиночный звуковой сигнал, видеоряд, мигание светового индикатора, периодические вибрации и т.д.)
Варианты проведения тренировки:
1. Совместно с видеокурсом - движения для повторения задаются видеорядом, оцифрованная модель эталонного движения создается заранее и прилагается к видеокурсу.
2. Совместно с программным обеспечением для персонального компьютера (ПК). Такой вариант позволит синхронизировать видеоряд (на мониторе ПК), задающий движения, и оцифрованную модель эталонного движения, вести статистику и анализ движений на экране ПК.
3. Автономно, когда пользователь задает в качестве эталонного то движение, которое выполняет сам.
4. В группах, когда движение, заданное одним человеком (например, тренером), в реальном режиме времени становиться эталонным для другого/других людей. Таким образом можно организовывать совместные тренировки людей, находящихся в одном помещении, или находящимися далеко друг от друга (посредством телекоммуникационных технологий). Тренеру достаточно самому делать верные движения - все ошибки в движениях учеников мгновенно будут скорректированы через тактильные ощущения.
5. Совместно с комплексами виртуальной реальности для привнесения в тренировку разнообразия и более глубокого погружения обучающегося в тренировочный процесс.
Для достижения указанного технического результата предлагается устройство (далее «тренажер»), характеризующееся наличием датчиков для оцифровки движения в реальном режиме времени, ЭВМ для сравнения полученного оцифрованного движения с эталонным (заданным экспертом либо смоделированным на ЭВМ) и управления элементами тактильной обратной связи и элементов тактильной обратной связи, обеспечивающих корректирующее воздействие.
тренажер может включать в себя следующие основные элементы:
- датчики перемещения частей тела обучающегося в пространстве для оцифровки движений, которые могут быть выполнены, например, в виде оптических, магнитных, механических датчиков, микромеханических акселерометров, гироскопов, других типов датчиков, определяющих положение частей тела в пространстве, или их комбинации. Конкретные места крепления датчиков, их количество и состав зависят от специфики изучаемых движений;
- элементы тактильной обратной связи, в качестве которых могут быть использованы, например, виброэлементы, термоэлементы, разряды электрического тока, другие элементы, обеспечивающие тактильное воздействие; конкретные места воздействия элементов обратной связи, их количество и состав зависят от специфики выполняемых движений;
- ЭВМ (вычислительный блок), реализованная, например, на базе КПК, стационарного ПК либо выполненная как специализированное устройство, необходима для обработки сигналов от датчиков движения, преобразования сигналов датчиков в оцифрованную модель движения, сравнения эталонного движения с движением пользователя, управления элементами обратной связи и т.д.;
- запоминающее устройство, хранящее информацию об эталонной модели разучиваемого движения, может использоваться с целью сохранения движения обучающегося для последующего использования (в качестве модели эталонного движения, для анализа с помощью вычислительных средств и т.д.); не является обязательным, если тренировка проходит в режиме, когда тренер выполняет движения, а ученик повторяет его - в этом случае оцифрованное движение тренера передается в тренажер ученика в качестве модели эталонного движения мгновенно и без сохранения;
- шину данных для передачи информации между элементами тренажера, несколькими тренажерами и между тренажером и внешними устройствами (проводная, либо беспроводная, например, по технологии Bluetooth или с применением чипов Microchip rfPIC™);
- источник питания для тренажера (например, аккумуляторные элементы); может быть как единый для всех элементов тренажера, так и индивидуальный для каждого/группы элементов.
Приведенный выше перечень компонентов тренажера является примерным, т.к. вариантов комплектации тренажера может быть множество и зависит она от специфики разучиваемых движений и механизмов подачи обучающего материала. Так, в состав тренажера могут быть включены датчики давления на стопу и элементы, сигнализирующие об ее избыточности или недостаточности, механизмы, синхронизирующие тренажер с персональным компьютером, который может служить экраном для обучающего видеоряда и другие компоненты, обеспечивающие расширение его сервисных функций и более комфортную работу с тренажером.
Алгоритм работы с тренажером следующий:
1. Эталонная модель двигательного навыка создается с помощью специализированного программного обеспечения или снимается с тела эксперта (непосредственно с помощью тренажера или его упрощенного варианта, в котором отсутствуют элементы обратной связи, с использованием других доступных средств и способов).
2. Созданная на первом этапе модель движения тем или иным образом передается в запоминающее устройство, с которым связан вычислительный блок тренажера ученика.
3. Ученик повторяет разучиваемые движения, заданные, например, с помощью видеоряда или показанные преподавателем либо предоставленные иным доступным способом.
4. С помощью датчиков движения тренажер отслеживает движения ученика и сравнивает их с эталонным движением, полученным на этапе 1. Наиболее удобными зонами для размещения датчиков и элементов обратной связи являются области суставов, но возможны и другие варианты размещения.
5. В зависимости от уровня освоения движения может задаваться так называемая «свободная зона» (или «коридор отклонения» Фиг.2 (1)) - зона, в пределах которой тренажер не будет реагировать на разницу между эталонным движением и движением обучающегося.
6. При отклонении траектории движения того или иного датчика от эталонного на недопустимую величину тренажер сигнализирует об этом с помощью элемента обратной связи, обозначая зону, в которой произошло отклонение и заставляя обучаемого корректировать движение в процессе его выполнения.
7. На начальном этапе разучивания движения тренажер может не реагировать на отклонения в достаточно больших пределах, но, по мере овладения движением, свободная зона может сокращается, в результате чего тренажер корректирует все меньшие отклонения от эталонного движения.
8. В процессе тренировки возможна запись трехмерной модели движения ученика для его последующего анализа и сравнения с эталонным движением на мониторе ПК.
9. Исполнение тренажера может предусматривать возможность сохранения модели движения посредством записи движений на одном тренажере и передачу его на другой тренажер как эталонное движение в процессе тренировки.
10. В случае реализации тренажера с режимом «Запись движения», пользователь может использовать тренажер в процессе поиска наиболее подходящего движения для выбранного вида активности (танцы, пантомима, боевые искусства и т.д.) включив его на запись движений. В дальнейшем можно восстановить проделанное движение, переведя тренажер в режим обучения.
11. Для анализа безошибочности выполнения того или иного движения с высоким темпом (когда физически невозможно своевременно реагировать на сигналы тренажера), может быть реализована возможность записать быстрое движение для дальнейшего анализа.
Согласно требованиям, здесь подробно изложен вариант осуществления настоящего изобретения; однако должно быть ясно, что изложенный вариант осуществления является просто возможным вариантом изобретения, которое может быть реализовано в различных видах. Следовательно, изложенные здесь конкретные структурные и функциональные подробности должны интерпретироваться не как ограничивающие, а просто в качестве основания для формулы изобретения.
Дополнительно, использованные здесь термины и фразы скорее предназначены не для ограничения, а для обеспечения понятного описания изобретения.
Для специалистов в данной области техники очевидно, что части изобретения могут быть реализованы аппаратно, или программно, или в их комбинации. Программы, осуществляющие изобретение или его части, могут храниться на разных видах носителей информации, считываемой компьютером, включая оптические диски, накопители на жестких дисках, ленты, микросхемы программируемой постоянной памяти и другие. Сетевые схемы также могут временно служить в качестве носителя информации, считываемой компьютером, с которого считывается программы, соответствующие принципам настоящего изобретения.
В предпочтительном варианте реализации тренажер, соответствующий настоящему изобретению, содержит следующие основные элементы:
- Датчики перемещения, частей тела обучающегося в пространстве, выполненные на базе микромеханических акселерометров. Акселерометры расположены в районе основных суставов (Фиг.3) конечностей группами по 3 штуки ортогонально и служат для определения координат каждого сустава конечности. Обработка данных акселерометров производится аппаратными средствами, расположенными в корпусе датчика перемещения. Результатом обработки являются координаты датчика (а соответственно и конечности), которые передаются в вычислительный блок тренажера для дальнейшей обработки;
- Элементы тактильной обратной связи, реализованные в виде групп из 3-х, 4-х или более электромоторов, на валу каждого из которых закреплен эксцентрик и блока обработки управляющего сигнала. Электромоторы (Фиг.4 (1)) расположены равномерно вокруг конечности (Фиг.4 (2)) в районе сустава. Комбинация включенных с различной силой виброэлементов задает направление (Фиг.4 (3)), в котором необходимо переместить конечность, чтобы вернуть ее на верную траекторию. Виброэлементы расположены в районе основных суставов (Фиг.3) конечностей.
Управляющий сигнал, указывающий, какому мотору и с какой скоростью вращаться (для создания необходимого тактильного воздействия), принимается от вычислительного блока и обрабатывается аппаратными средствами элемента тактильной обратной связи;
- Блок датчика перемещения и элемента обратной связи, крепящийся на запястье левой руки, содержит панель управления тренажером.
- Вычислительный блок, содержащий запоминающее устройство, закрепленный на теле обучающегося;
- Шину данных для передачи информации между элементами тренажера, выполненную по технологии Bluetooth;
Датчики перемещения и элементы тактильной обратной связи для отслеживания одной части тела в предпочтительном варианте конструктивно выполнены в одном корпусе и имеют общий источник питания и интерфейс шины данных, образуя блок регистрации и обратной связи, который может крепиться на теле с помощью застежек типа «репейник».
Вычислительный блок, запоминающее устройство, интерфейс шины данных и источник питания для них в предпочтительном варианте конструктивно выполнены в одном корпусе и образуют блок вычислений, который крепиться на поясе обучающегося.
В предпочтительном варианте реализации тренажер работает следующим образом: Посредством шины данных в тренажер загружается эталонная модель разучиваемого движения. тренажер закрепляется на теле тренирующегося. Тренирующийся принимает определенную позу инициализации (например, стоя прямо, ноги вместе, левая рука опущена вдоль тела, пальцы правой руки - на запястье левой руки), и производит инициализацию тренажера, путем нажатия соответствующей клавиши на панели управления. После инициализации тренирующийся принимает исходную позицию для разучиваемого движения и начинает его выполнение. Начальная скорость выполнения движения устанавливается на пульте управления тренажером. Движения тренирующегося отслеживаются датчиками тренажера и сравниваются с эталонной моделью движения. Если движения тренирующегося не соответствуют эталонной модели, тренажер корректирует их, подавая сигнал тактильной обратной связи на соответствующие блоки обратной связи. Если движения выполняются верно, тренажер при необходимости увеличивает скорость выполнения движения, сигнализируя о каждом увеличении скорости все более и более высоким звуковым сигналом. Если движения на необходимой скорости выполняются верно, тренажер сигнализирует об этом определенным звуковым сигналом. Движение считается выученным, можно переходить к разучиванию нового движения или комплекса движений.
Следует упомянуть, что отслеживание информации о перемещениях частей тела не представляет принципиальной сложности, т.к. подобные устройства уже реализованы и используются в системах оцифровки движения актеров. В данный момент существует три типа таких систем - механические, электромагнитные и оптические (например, продукция компаний X-IST Realtime Technologies GmbH, Ascension Technology Corporation, Polhemus, Inc и др.).
Реализация элементов тактильной обратной связи также не представляет сложности. Подобные устройства уже разработаны. Например, интерфейс под названием GyroCubeSensuous, который способен передавать такие ощущения, как «толчок, волочение и покачивание», который разработан японским институтом (Japan's National Institute of Advanced Industrial Science and Technology - AIST), совместно с университетом Цукуба (University of Tsukuba).
Анализ совпадения траектории движения частей тела и эталонного движения с целью обнаружения областей критического расхождения в траекториях для посылки сигнала обратной связи представляет, на взгляд автора, в основном тривиальную задачу программирования.
Налаживание обмена данными между элементами тренажера при настоящем уровне техники - также тривиальная задача.
Таким образом показано, что для реализации тренажера нет принципиальных сложностей. тренажер может быть реализован множеством конкретных вариантов, в том числе в зависимости от того, для обучения в какой именно области деятельности он будет применяться.
Хотя был изложен и проиллюстрирован предпочтительный вариант осуществления изобретения, ясно, что изобретение не ограничено им. Не удаляясь от сущности и объема настоящего изобретения, определенной в соответствии с последующей формулой изобретения, специалисты в данной области техники распознают многочисленные модификации, изменения, вариации, замены и эквиваленты.