CN108671479A - 一种人力单车式负压体能训练仪及训练方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种人力单车式负压体能训练仪及训练方法，包括负压舱体、连接舱、人体固定密封装置、能量转换器和控制箱，负压舱体与连接舱相连，连接舱上端设置人体固定密封装置；负压舱体一侧设置控制箱；负压舱体内设置能量转换器和功量计系统；能量转换器将训练者做功转化为电能，存储在蓄电池；功量计系统主要采用脚踏阻力进行计算，脚踏阻力由可调磁滞阻尼器提供，并通过改变档位进行控制。本发明所述人力单车式负压体能训练仪可广泛用于航空航天领域。

Description

一种人力单车式负压体能训练仪及训练方法
技术领域
本发明属于航空航天医学领域，涉及一种人力单车式负压体能训练系统。
背景技术
在深空探测任务中，航天员将在失重和低重力环境中停留更长时间，航天器或空间站内的航天员长时间待在外太空会导致肌肉之间的调节出现不适应。为此，提出和制订行星际航天飞行条件下的训练方案将是一项重要任务。
在失重状态下，常用的力量锻炼方法不能达到效果，在太空中航天员主要采用的锻炼方法有以下4种：拉力器锻炼、自行车功量计锻炼、太空跑步机锻炼、穿企鹅服锻炼。
负压体能训练系统是在其密闭舱体内利用真空泵将舱体内部气压降至负压，利用负压使航天员恢复类似于地面重力下的血液分布状态并在失重状态下进行体能训练，从而达到恢复体能，增强体质的效果。中国专利201610046664.0提供了一种负压体能训练仪，其采用的训练方式为下肢负压下的躯体转动，导致装置整体需要较大的安装和运行空间，不利于在模拟航空器或空间站内布置，且缺乏对训练过程中做功的能量回收。中国专利02114423.0提供了一种人工动力下体负压训练舱，其采用的训练方式为下肢负压下的自行车坐姿骑行，但是，负压环境由人力驱动气缸中的活塞完成，导致训练前期无法在负压下进行，而且其功能简单，无法用于定量评价训练效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人力单车式负压体能训练仪及训练方法，可通过能量转换将训练过程中做功产生的能量回收、储存，并作为负压舱体抽真空的动力源，而且系统占用空间小，充分体现节能、集约设计理念，可广泛用于航空航天和载人航天领域。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种人力单车式负压体能训练仪，该训练仪包括负压舱体、连接舱以及蓄电池，所述负压舱体与连接舱相连，连接舱上设置有人体腰部固定密封装置，负压舱体内设置有功量计系统以及用于将功量计系统的脚踏旋转运动的动能转换为电能的能量转换器，所述能量转换器与蓄电池相连。
优选的，所述训练仪还包括设置于负压舱体一侧的控制箱，控制箱内设置有用于对负压舱体抽真空的真空泵，真空泵与蓄电池相连，真空泵、蓄电池以及功量计系统与设置于负压舱体上的控制板相连，控制板的两侧设置有脚踏辅助装置。
优选的，所述控制板包括参数显示电子表、负压显示表和负压数字控制表，参数显示电子表及负压数字控制表与设置于负压舱体上的航空头相连，负压显示表通过气路与负压舱体相连。
优选的，所述航空头与控制箱相连，蓄电池设置于控制箱内。
优选的，所述控制箱上设置有用于使负压舱体恢复压力以及停止所述真空泵运转的应急按钮。
优选的，所述控制箱上还设置有用于控制蓄电池供电状态的手动开关。
优选的，所述蓄电池与外部辅助供电电源相连。
一种利用上述训练仪进行的人力单车式负压体能训练方法，包括以下步骤：
1)训练者下半身进入负压舱体内并坐于负压舱体内设置的功量计系统的座椅上；
2)利用固定密封装置将训练者腰部固定在负压舱体上并封闭负压舱体；
3)训练者在负压舱体内压力达到训练预设的第一负压值后，通过驱动功量计系统的脚踏旋转装置进行下肢训练；
4)训练一定时间后，使负压舱体内压力达到训练预设的下一个负压值，然后继续进行下肢训练；
5)重复步骤4)，直至训练者在负压舱体内完成所有预设负压值下的下肢训练；
在下肢训练进行中，利用脚踏旋转装置带动能量转换器的飞轮转动，将脚踏旋转运动的动能转换为电能，并将电能存储在蓄电池中。
优选的，所述训练者在完成一个负压值下的下肢训练后或者在任意一个负压值下的下肢训练过程中，通过设置在负压舱体上的控制板对负压舱体内负压值进行重新设定，由设置在负压舱体一侧的真空泵根据重新设定的负压值调整负压舱体内压力，真空泵通过蓄电池驱动。
优选的，在任意一个负压值下的下肢训练过程中，通过控制位于负压舱体一侧的应急按钮使负压舱体内压力恢复至常压并停止真空泵。
本发明的有益效果体现在：
本发明利用设置于负压舱体内的功量计系统，可实现下肢体负压、脚踏计量做功，达到有效的训练及恢复目的，并且节省空间；利用能量转换器将做功产生的能量转换为电能并存储在蓄电池，由蓄电池供电，降低了能耗，增加了适用场合。
进一步的，通过设置控制板，可以对负压条件以及仪器状态进行精确控制，有利于提高训练效果，以及提高训练仪的可靠性和安全性。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明压力控制系统框图；
图中：负压舱体1，连接舱2，固定密封装置3，参数显示电子表4，负压显示表5，负压数字控制表6，脚踏辅助装置7，控制箱8，能量转换器9，蓄电池10，应急按钮11，航空头12，手动开关13，继电器14，真空泵15，功量计系统16，脚踏旋转装置17，控制板18，座椅19，车轮20。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种人力单车式负压体能训练仪，在密闭舱体内利用真空泵将舱体内部气压降至负压，使训练者适应负压下的体力变化，检验和监测训练者在使用时的身体数据的变化，并达到训练的效果。
参见图1以及图2，所述人力单车式负压体能训练仪包括负压舱体1、连接舱2、控制板18、功量计系统16、真空泵15、蓄电池10以及能量转换器9。负压舱体1与连接舱2相连；连接舱2上端设有固定密封装置3。控制板18设于负压舱体1上，位于连接舱2前侧，控制板18上设有参数显示电子表4、负压显示表5和负压数字控制表6，控制板18的两侧设有脚踏辅助装置7。负压舱体1一侧设有控制箱8，真空泵15位于控制箱8内一侧，用于对负压舱体1抽真空，并与负压数字控制表6相连，负压数字控制表6用来调节负压大小并控制真空泵15启停，蓄电池10位于控制箱8内另一侧，与真空泵15连接；蓄电池10还与作为辅助供电的外部电源连接。能量转换器9设于负压舱体1内，与蓄电池10相连，作用是将飞轮旋转产生的动能(即脚踏做功的能量)转换为电能储存在蓄电池10中，为真空泵15和控制板18提供电能。功量计系统16设于负压舱体1内，与连接舱2下端正对，功量计系统18包括脚踏旋转装置17，其与能量转换器9的飞轮连接为一体，主要采用脚踏阻力和车轮旋转圈数进行做功量的计算，脚踏阻力由电控定量无极可调磁滞阻尼器提供，脚踏阻力可以通过调节档位进行控制，作用于功量计系统16的车轮20，车轮20由脚踏旋转装置17驱动。
所述固定密封装置3用于固定人体腰部，并封闭负压舱体1，例如可采用“一种负压体能训练装置用的入孔密封装置”(公开号：CN105148481A)。
所述脚踏辅助装置7，例如可采用握把，与控制箱8在位置上进行配合，便于训练者顺利进入训练工位。
所述负压显示表5通过气路与负压舱体1连接，作用是监测负压舱体1实时压力值。负压舱体1上设有航空头12，航空头12一端与控制板上的参数显示电子表4、负压数字控制表6连接，另一端与控制箱8内真空泵15、蓄电池10以及负压舱体1内的功量计系统16连接，从而连接训练仪的电气线路。
通过负压数字控制表6可进行按钮控制(暂停、重启等功能)、负压监控、参数设置，通过参数显示电子表可进行做功监控。
所述控制箱8上设有手动开关13，手动开关13与继电器14连接，利用手动开关13和继电器14控制蓄电池10供电。所述控制箱8上还设置有应急按钮11，利用应急按钮11可以使得负压舱体1直接与外部相连通，从而恢复压力。训练过程中受训者一旦出现气短、胸痛、胸闷或任何不适，可以通过应急按钮11一键清空负压状态(泄压)，并使训练仪停止运转。
人力单车式负压体能训练仪属于体能测试、训练类产品，在机械设计过程中，部分部件尺寸的选择和材料的选择需要考虑特征人群的身体特征。人力单车式负压体能训练仪外形尺寸长、宽和高分别为1650mm、1100mm和1200mm，压力调节范围为0～-70mmHg，脚踏阻尼做功功率为0～180W(档位调节时，档位越大阻力越大，阻力越大单位时间做功越多，功率越大)，训练体位为坐位。训练时间任意，功量计系统的座椅19高度可调，真空泵电机功率为0.2kw；固定密封装置外径为550mm，外部电源电压采用AC220V/50Hz；人力单车式负压体能训练仪总重量为240kg。
人力单车式负压体能训练仪是以负压为核心的系统控制中心，利用负压体能训练系统，通过负压舱体向人体下体提供负压，使得人体体能得到有效锻炼，其中负压体能训练系统的运行可以通过训练者在负压数字控制表上直接控制，系统启动后，训练者可以设定压力参数(负压值的大小可由负压数字控制表进行设定，其设定值可以在运行过程中随时通过再次设定而改变)，系统即可自动控制负压舱体内部压力，通过调节压力上限和下限，可以控制真空泵的自动启停，并且受训者可以随时对启停状态进行控制，使训练人员始终处于一个理想且合适的负压环境中。负压体能训练系统使压力设定与负压舱体内实际压力始终保持一致，自动调节由负压数字控制表完成。
人力单车式负压体能训练仪的使用过程如下：
将人力单车式负压体能训练仪固定放置于空间站地板表面，训练者进入工位，即训练者下半身进入负压舱体1内部并端坐于功量计系统的座椅19上，调节好训练体位后利用固定密封装置3将人体腰部定位并密封负压舱体1。在打开主电源(即蓄电池10)开关(即手动开关13与继电器14)前，确认一键泄压按钮(即应急按钮11)已经复位。打开主电源开关，负压体能训练系统程序运行；同时，调节阻力档位。通过负压数字控制表6设定压力上、下限，并点击启动按钮后训练仪根据设定的压力参数自动控制将负压舱体1内部气压降至负压，并使负压舱体1内部压力保持与设定压力一致，可从负压显示表5中读取对应的实际压力；在参数显示电子表4上实时显示训练仪运行状态(例如蓄电池状态等)、运行时间和相应的参数(例如在做功、非做功状态下人体的功能状态，功量计功率)；系统运行过程中，如需暂停真空泵15，则点击暂停按钮，点击继续按钮后系统重新正常运行。
运行人力单车式负压体能训练仪进行训练和测试，每次训练时间为20～30min。
本发明可以应用于研究在负压状态下人体的功能状态和在负压状态下进行体能训练情况。为保证航天员在失重环境下维持肌肉功能，保持良好的健康状况和工作状态，通过负压训练以及自行车功量计系统训练，采用个人最大心率相对值作为强度指标，为每名航天员开出不同的运动处方。
本发明具有以下优点：
1)可实现下体负压、脚踏计量做功的训练试验。
2)通过脚踏辅助装置可以快速进入训练工位，用固定密封装置密封，保证负压环境的形成和稳定。
3)可以通过调节负压数字控制表的上、下限，根据需求对压力进行调节，控制并驱动真空泵来实现设定压力。
4)通过人体下肢脚踏旋转锻炼的做功能量可以转换为电能，为真空泵提供动力，也可用外接电源供能，属于绿色环保锻炼设备。
5)功量计系统做功功率可以通过档位设定调节。
6)可以通过控制箱上的按键一键泄压，防止意外情况的发生。
7)通过参数显示电子表可以直接读取运动参数并监测训练者的身体情况。
8)通过训练者直接调节负压数字控制表，可以直接改变负压舱体内的压力。

Claims (10)

1.一种人力单车式负压体能训练仪，其特征在于：该训练仪包括负压舱体(1)、连接舱(2)以及蓄电池(10)，所述负压舱体(1)与连接舱(2)相连，连接舱(2)上设置有人体腰部固定密封装置(3)，负压舱体(1)内设置有功量计系统(16)以及用于将功量计系统(16)的脚踏旋转运动的动能转换为电能的能量转换器(9)，所述能量转换器(9)与蓄电池(10)相连。
2.根据权利要求1所述一种人力单车式负压体能训练仪，其特征在于：所述训练仪还包括设置于负压舱体(1)一侧的控制箱(8)，控制箱(8)内设置有用于对负压舱体(1)抽真空的真空泵(15)，真空泵(15)与蓄电池(10)相连，真空泵(15)、蓄电池(10)以及功量计系统(16)与设置于负压舱体(1)上的控制板(18)相连，控制板(18)的两侧设置有脚踏辅助装置(7)。
3.根据权利要求2所述一种人力单车式负压体能训练仪，其特征在于：所述控制板(18)包括参数显示电子表(4)、负压显示表(5)和负压数字控制表(6)，参数显示电子表(4)及负压数字控制表(6)与设置于负压舱体(1)上的航空头(12)相连，负压显示表(5)通过气路与负压舱体(1)相连。
4.根据权利要求3所述一种人力单车式负压体能训练仪，其特征在于：所述航空头(12)与控制箱(8)相连，蓄电池(10)设置于控制箱(8)内。
5.根据权利要求2所述一种人力单车式负压体能训练仪，其特征在于：所述控制箱(8)上设置有用于使负压舱体(1)恢复压力以及停止所述真空泵(15)运转的应急按钮(11)。
6.根据权利要求2所述一种人力单车式负压体能训练仪，其特征在于：所述控制箱(8)上还设置有用于控制蓄电池(10)供电状态的手动开关(13)。
7.根据权利要求1所述一种人力单车式负压体能训练仪，其特征在于：所述蓄电池(10)与外部辅助供电电源相连。
8.一种人力单车式负压体能训练方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)训练者下半身进入负压舱体(1)内并坐于负压舱体(1)内设置的功量计系统(16)的座椅上；
2)利用固定密封装置(3)将训练者腰部固定在负压舱体(1)上并封闭负压舱体(1)；
3)训练者在负压舱体(1)内压力达到训练预设的第一负压值后，通过驱动功量计系统(16)的脚踏旋转装置(17)进行下肢训练；
4)训练一定时间后，使负压舱体(1)内压力达到训练预设的下一个负压值，然后继续进行下肢训练；
5)重复步骤4)，直至训练者在负压舱体(1)内完成所有预设负压值下的下肢训练；
在下肢训练进行中，利用脚踏旋转装置(17)带动能量转换器(9)的飞轮转动，将脚踏旋转运动的动能转换为电能，并将电能存储在蓄电池(10)中。
9.根据权利要求8所述一种人力单车式负压体能训练方法，其特征在于：所述训练者在完成一个负压值下的下肢训练后或者在任意一个负压值下的下肢训练过程中，通过设置在负压舱体(1)上的控制板(18)对负压舱体(1)内负压值进行重新设定，由设置在负压舱体(1)一侧的真空泵(15)根据重新设定的负压值调整负压舱体(1)内压力，真空泵(15)通过蓄电池(10)驱动。
10.根据权利要求9所述一种人力单车式负压体能训练方法，其特征在于：在任意一个负压值下的下肢训练过程中，通过控制位于负压舱体(1)一侧的应急按钮(11)使负压舱体(1)内压力恢复至常压并停止真空泵(15)。
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