RU2344863C2 - Устройство с электроприводом для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей ребенка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области спорта, медицины и педагогики. Рама изготовлена из двух согнутых по дуге полуокружности труб, скрепленных двумя опорными элементами, задним и передним. Упоры для рук и для ног установлены на регулируемом по высоте и местоположению рычаге. На педалях упора для ног выполнены фиксаторы для ног ребенка. Силовой элемент соединен с тросом, огибающим блочки, один из которых размещен на нижнем конце рычага, второй - на трубе вблизи заднего опорного элемента, а третий укреплен на первом конце троса. Дополнительная опора для ног выполнена дискретно переставляемой на раме. Две рукоятки - под левую и правую руки размещены вблизи сиденья. Оптическая «мышь» персонального компьютера установлена на раме вблизи рычага. От левой клавиши оптической «мыши» выполнен отвод на две параллельно включенные кнопки, размещенные в упоре для рук и в одной из дополнительных рукояток. Усилитель-формирователь детектора пульса электрически соединен входом с датчиком пульса, а выходом - с USB-портом системного блока. Датчик перемещения рычага и счетчик оборотов электродвигателя соединены с LPT-портом системного блока. Техническим результатом изобретения является расширение возможности контроля состояния тренирующегося. 9 ил.

Description

Изобретение относится к области медицины и педагогики, а также к игровым тренажерам и может быть использовано для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей детей.

Известен стационарный тренажер для тренировки гребцов [1], предназначенный для имитации гребли. Устройство включает в себя установленные на раме подвижное сиденье, поворотную площадку для ног и закрепленное на стойке колесо со звездочкой цепной передачи. На одном конце цепь закреплена на ручке. Для создания воздушного сопротивления при работе на колесе по радиусам установлены лопасти. Имеется также тахометр и механизм возврата колеса.

Спортсмен садится на сиденье, берется за ручку и начинает выполнять гребковые движения. При этом колесо раскручивается, и лопасти создают воздушное сопротивление, сиденье перемещается. Возвратный механизм колеса возвращает цепь в исходное положение.

Достоинства устройства:

1. Оно относится к типу сопряженного воздействия;

2. Компактное и занимает мало места;

3. Его применение позволяет самостоятельно тренировать технику гребли;

4. Его целесообразно использовать в тренировке юных спортсменов.

К недостаткам устройства можно отнести следующее:

1. Хотя оно относится к типу сопряженного воздействия, но в нем не предусмотрено создание интеллектуальной нагрузки, что ограничивает возможности его применения;

2. Используется только одно физическое упражнение, т.е. тренируется только определенная группа мышц.

Известно устройство для выполнения гребковых движений [2], предназначенное для развития мышц-разгибателей туловища, ног и сгибателей рук.

Устройство содержит раму, состоящую из двух согнутых труб, стянутых трубой большего диаметра и двумя опорами. На раме размещено велосипедное седло, и в точке сгиба рамы установлена ось, на которую насажена рукоятка. На рукоятке имеются упор для рук, телескопически соединенный в ее верхней части, и упор для ног, выполненный в виде двух педалей в нижней части рукоятки. В передней части рамы закреплен дополнительный упор для ног. На рукоятке и в задней части рамы имеется крепление для пружин силового элемента.

Перед выполнением упражнения нужная нагрузка подбирается количеством пружин.

На устройстве можно выполнять одновременно сгибание и разгибание рук, туловища и ног в положении сидя. Для этого занимающийся садится на сиденье, ступни ног ставит на упор для ног, кистями захватывает упор для рук на рукоятке. Можно выполнять и другие физические упражнения.

Достоинствами устройства являются:

1) компактность и легкость по весу и эксплуатации, что позволяет применять его в любых условиях для занятий дома, в спортзале, детсаде, а также на занятиях в оздоровительных группах;

2) наибольшая эффективность от применения данного устройства может быть достигнута при занятиях греблей.

Недостатками данного устройства являются:

1) размещение силового элемента - возможность его срыва;

2) дискретность подбора нужной нагрузки - определенным количеством пружин;

3) отсутствие возможности интеллектуального воздействия на занимающегося.

Наиболее близким к заявляемому является тренажер для детей дошкольного возраста [3]. Он разработан с учетом силовых и антропометрических характеристик детей данного возраста.

Устройство включает раму, изготовленную из двух согнутых труб (прутков), сваренных с двумя опорами, и трубы, соединяющей данные опоры. На опоры с двух концов надеты смягчающие втулки. К раме крепится сиденье, которое можно регулировать по высоте и местоположению на раме. На раме также закреплена ось, на которой насажен рычаг с упорами для рук и для ног. Упор для рук телескопически соединен с рычагом, который регулируется по высоте и местоположению на раме. Дополнительный упор для ног крепится неподвижно к раме. В трубе установлен упругий элемент, например пружина растяжения, неподвижно закрепленная одним концом на указанной трубе, а другим соединенная с тросом, огибающим два блочка, один из которых расположен на рычаге. Натяжение пружины регулируется устройством натяжения.

Исходное положение занимающегося - сидя на сиденьи, ступни ног на дополнительном упоре или на упоре для ног на рычаге, кисти рук обхватывают упор для рук. Из данного исходного положения возможно одновременное разгибание и сгибание туловища, рук и ног. Для локального развития мышц можно выполнять следующие варианты упражнений:

1) сгибание и разгибание рук при фиксировании туловища и ног, ступни ног - на дополнительном упоре для ног;

2) сгибание и разгибание туловища при выпрямленных руках, ступни ног находятся на дополнительном упоре для ног;

3) одновременное сгибание и разгибание рук и туловища, ступни ног - на дополнительном упоре для ног;

4) одновременное сгибание и разгибание туловища и ног при выпрямленном положении рук, ноги находятся на упоре для ног на рычаге.

Достоинствами данного устройства являются следующие:

1) достаточно широкий круг физических упражнений, выполняемых на тренажере;

2) устройство компактное и легкое в обращении и эксплуатации, что позволяет применять его в любых условиях: на занятиях по физкультуре, при индивидуальных занятиях с ребенком, в самостоятельной двигательной деятельности в режимных моментах по желанию.

К недостаткам данного устройства можно отнести следующее:

1) дополнительный упор для ног приварен к раме;

2) большой ход пружины растяжения в упругом элементе может вызвать необратимую ее деформацию;

3) неудобная конструкция упора для ног на рычаге - педаль простая, но не надежная;

4) нет возможности оказывать на занимающегося интеллектуальное воздействие.

Целью данного изобретения является создание технических, психологических и программных средств для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей ребенка на мотивационной и оздоровительной основах, контролируемое без участия занимающегося.

Указанная цель в «Устройстве с электроприводом для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей ребенка», содержащем раму, изготовленную из двух согнутых по дуге полуокружности труб, скрепленных двумя опорными элементами, задним и передним, трубу, соединяющую эти опорные элементы, сиденье, прикрепленное к раме и регулируемое по высоте и местоположению, ось, закрепленную на раме и насаженный на нее рычаг, регулируемый по высоте и местоположению на раме, с упором для рук и упором для ног, при этом упор для рук телескопически соединен с рычагом в верхней его части, а упор для ног расположен в нижней части этого рычага, выполненный в виде двух педалей, левую и правую, дополнительную опору для ног, расположенную на раме в передней ее части, два блочка, один из которых размещен на нижнем конце рычага, а второй - на упомянутой трубе вблизи заднего опорного элемента, а в самой трубе размещен силовой элемент, соединенный с тросом, огибающим указанные блочки, достигается тем, что в нем на педалях упора для ног сделаны фиксаторы для ног ребенка, дополнительная опора для ног выполнена дискретно переставляемой на раме, а силовой элемент, одним концом закрепленный на неподвижной части электромеханического узла натяжения с платой управления электродвигателем, размещенных вблизи переднего опорного элемента, а другим концом - на подвижной части данного узла, и силовой элемент огибает третий блочек, укрепленный на первом конце упомянутого троса, второй конец этого троса соединен с рамой вблизи заднего опорного элемента, и в устройство дополнительно введены: две рукоятки - под левую и правую руки, размещенные вблизи сиденья, персональный компьютер, оптическая «мышь» которого установлена на раме вблизи рычага, на котором предусмотрена площадка для сканирования оптической «мышью», датчик перемещения рычага для измерения работы, совершаемой ребенком, детектор пульса ребенка, состоящий из наушного или пальцевого датчика пульса и усилителя-формирователя, ограничитель перемещения рычага, счетчик оборотов электродвигателя, источник электропитания и программное обеспечение для персонального компьютера, размещенное на дискете или диске, вставляемых в соответствующие гнезда системного блока персонального компьютера, при этом от левой клавиши оптической «мыши» сделан отвод на две параллельно включенные кнопки, размещенные одна в упомянутом упоре для рук, вторая - в одной из дополнительно введенных рукояток, причем усилитель-формирователь детектора пульса электрически соединен входом с датчиком пульса, а выходом с USB-портом системного блока, а датчик перемещения рычага и счетчик оборотов электродвигателя соединены с LPT-портом системного блока, при этом плата управления электродвигателя и сам электродвигатель, а также детектор пульса подключены к источнику электропитания.

Отличительными признаками заявляемого технического решения являются следующие:

- во-первых, в него дополнительно введены: две рукоятки - под левую и правую руки, размещенные вблизи сиденья, персональный компьютер, оптическая «мышь» которого сканирует положение рычага, датчик перемещения рычага и измерения совершаемой ребенком работы, датчик пульса ребенка и усилитель-формирователь для измерения пульса, ограничитель перемещения рычага, источник электропитания и программное обеспечение персонального компьютера, размещенное на дискете или диске, вставляемых в соответствующее гнездо системного блока персонального компьютера;

- во-вторых, сделаны новые связи между узлами и элементами: от левой клавиши переключателя оптической «мыши» персонального компьютера сделан отвод на две параллельно включенные кнопки, размещенные одна в упомянутом упоре для рук, а вторая - в одной из дополнительно введенных рукояток, усилитель-формирователь для измерения пульса электрически соединен входом с датчиком пульса и выходом - с USB-портом системного блока персонального компьютера, узлы, требующие электропитания, подключены к источнику электропитания;

в-третьих, воздействуя на сердечно-сосудистую систему и органы восприятия ребенка, развивают его физически и интеллектуально: физическими упражнениями с помощью гребкового тренажера, дозировано нагружая мышцы рук, спины и ног, решением интеллектуальных заданий, задаваемых с помощью персонального компьютера соответствующим программным обеспечением и решаемых ребенком с помощью оптической «мыши» и рычага, а выполняя указанные интеллектуальные задания одновременно с добавлением физических нагрузок и физические упражнения с добавлением интеллектуальных заданий - развивают интеллектуальные и физические способности ребенка сопряженно и взаимозависимо.

В заявляемом устройстве отличительные признаки проявляют свойства, известные в других областях науки и техники, а взятые в совокупности с признаками прототипа проявляют свойства, которые позволяют сопряженно и взаимозависимо развивать физические и интеллектуальные способности ребенка на мотивационной, контролируемой без участия занимающегося и оздоровительной основах, что указывает на соответствие заявляемого решения критерию «существенные отличия».

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 электрического соединения основных узлов устройства.

На фиг.4 показан алгоритм занятия и соревнования (одна группа).

На фиг.5 представлены конструкция датчика перемещения рычага и размещения оптической «мыши».

На фиг.6 показаны силовой элемент устройства и узел электромеханического натяжения.

На фиг.7 представлена схема измерения оборотов электродвигателя.

На фиг.8 приведена одна из возможных конструкций платы управления электродвигателем.

На фиг.9 показаны расширенная блок-схема и конструкция датчика пульса и усилителя-формирователя для определения пульса.

Устройство включает в себя тренажер, персональный компьютер и программное обеспечение. Тренажер 1 (фиг.1 и фиг.2) (оконтурено пунктирной линией) содержит раму, изготовленную из двух согнутых по дуге полуокружности труб 2, скрепленных двумя опорными элементами 3, 4, передним и задним соответственно, трубу 5, соединяющую опорные элементы 3, 4, сиденье 6, прикрепленное к раме (к дугам 2) и регулируемое по высоте и местоположению, ось 7, закрепленную на раме 2, и насаженный на ось 7 рычаг 8, регулируемый по высоте и местоположению на раме, с упором для рук 9 и упором для ног 10, при этом упор для рук 9 телескопически соединен с рычагом 8 в верхней его части, а упор для ног 10 расположен в нижней части рычага 8, выполнен в виде двух педалей, левой и правой, дополнительную опору для ног 11, расположенную в передней части рамы, и эта опора выполнена дискретно переставляемой на раме, два блочка 12 и 13, один из которых - блочек 12 - размещен на нижнем конце рычага 8, а второй блочек 13 - на трубе 5 вблизи заднего опорного элемента 4, а в самой трубе 5 размещен силовой элемент 14 (амортизатор), одним концом закрепленный на неподвижной части электромеханического узла натяжения 15, размещенного вблизи переднего опорного элемента 3, а другим концом - на подвижной части данного узла, и огибает третий блочек 16, укрепленный на первом конце троса 17, второй конец этого троса соединен с рамой вблизи заднего опорного элемента 4 и трос 17 огибает блочки 12 и 13, на педалях упора для ног 10 сделаны фиксаторы 18 и 19 для ног ребенка. И дополнительно введены: две рукоятки 20 и 21 - под левую и правую руки, размещенные вблизи сиденья 6.

Персональный компьютер 22 (см. фиг.3) имеет в своем составе системный блок 23, дисплей 24, клавиатуру 25 и оптическую «мышь» 26, которая установлена на раме вблизи рычага 8, на котором предусмотрена площадка 27 для сканирования оптической «мышью» 26. В устройстве также имеются: датчик перемещения рычага 28 и плата управления электродвигателем 29, датчик пульса 30 и усилитель-формирователь 31 для измерения пульса ребенка, ограничитель перемещения 32 рычага 8, источник электропитания 33, счетчик оборотов электродвигателя 38. Программное обеспечение для персонального компьютера 22 размещено на дискете или диске, вставляемых в гнездо 34 для дискеты и гнездо 35 для диска системного блока 23 персонального компьютера 22.

При этом от левой клавиши оптической «мыши» 26 сделан отвод на две параллельно включенные кнопки 36 и 37, размещенные (см. фиг.1 и фиг.2) одна - 36 в упомянутом упоре для рук 9, а вторая 37 - в одной из дополнительно введенных рукояток, например 20, усилитель-формирователь 31 для измерения пульса электрически соединен (фиг.3) входом с датчиком пульса 30 ребенка и выходом - с USB-портом 39 системного блока 23 персонального компьютера 22, плата управления электродвигателем 29 входом соединена электрически с общей шиной 40 системного блока 23 персонального компьютера 22, а выходом - с электромеханическим узлом натяжения 15, а выходы датчика перемещения рычага 28 и счетчика оборотов электродвигателя 38 - с LPT-портом 41 системного блока 23. И датчик перемещения рычага 28, и датчик пульса 30 ребенка, и усилитель-формирователь 31 для измерения пульса, и счетчик оборотов электродвигателя 38 подключены к источнику электропитания 33.

Работают с устройством следующим образом. Важно определиться с мотивом и мотивацией действия и поведения ребенка. В обобщенном понятии мотив - побудительная причина, повод к какому-либо действию, довод в пользу чего-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 потребность в новом необычном устройстве. Этот фактор может побудить малыша ознакомиться с предлагаемым новым устройством, сесть на него и позаниматься. Для ребенка старшего возраста к внешним факторам можно отнести его стремление походить на своего кумира - быть таким же сильным, ловким, быстрым, умелым и умным, а это значит, что он захочет воспользоваться представившейся возможностью достичь этого.

Другим фактором и стимулом может быть соревнование с кем-либо. Победить в соревновании - вот извечный стимул поведения человека. И проще всего это обеспечивается в игровых ситуациях. Человек, а дети особенно, способен играть в компьютерные игры часами. Вот этот фактор и интерес следует использовать при определении и стимулировании внешних мотивационных потребностей.

Такой обобщенный подход к учету мотивационных потребностей в процессе практической реализации приобретает большую конкретизацию. Необходимо только помнить о разумном сочетании внешних и внутренних факторов, интересов и стимулов.

Пусть в качестве мотива берется совместное использование гребкового тренажера 1 и персонального компьютера 22. Гребковый тренажер 1 предназначен для развития мышц-разгибателей туловища, ног и сгибателей рук, а также мышц пресса. На данном тренажере можно выполнять одновременно разгибание и сгибание рук, туловища и ног в положении сидя. Для этого занимающийся садится на сиденье 6, ступни ног ставит на педали упора для ног 10, кистями рук обхватывает упор для рук 9 и смотрит на экран дисплея 24 персонального компьютера 22. Из этого исходного положения осуществляется одновременное разгибание и сгибание рук, туловища и ног. Перед началом занятия инженер-исследователь или воспитатель проверяет работоспособность устройства и тарирует датчик перемещения рычага 28, для чего к упору для рук 9 прикрепляет динамометр, а электромеханическим узлом натяжения 15 выставляет силовую нагрузку, когда рычаг 8 находится в крайнем положении вблизи ограничителя перемещения 32 рычага 8. Проверяет работу датчика пульса 30 ребенка, усилителя-формирователя 31 и его связь с USB-портом 39 системного блока 23 персонального компьютера 22, вставляет дискету программного обеспечения в гнездо 34 или диск в гнездо 35 и с помощью клавиатуры 25 инициирует ввод программного обеспечения в системный блок 23 персонального компьютера 22. Оптической «мышью» 26 проверяет с помощью площадки 27 перемещение рычага 8 путем сканирования оптической «мышью» 26, а с помощью кнопок 36 и 37 проверяет захват курсора на экране дисплея 24 персонального компьютера 22. Убедившись в работоспособности устройства в целом и отдельных его узлов, можно начинать занятие.

На гребковом тренажере 1 можно также выполнять следующие упражнения:

- сгибание и разгибание рук при фиксации туловища и ног, при этом ступни находятся на дополнительном упоре для ног 11;

- сгибание и разгибание туловища при выпрямленном положении рук, ноги зафиксированы на дополнительном упоре для ног 11;

- одновременное сгибание и разгибание туловища и ног при выпрямленном положении рук, ноги находятся на упоре для ног 10;

- одновременное разгибание ног и воздействие на мышцы пресса, руки находятся на дополнительных рукоятках для рук 20 и 21.

Каждое из этих упражнений позволяет выборочно воздействовать на те или иные группы мышц. Это важно для реабилитации отстающих в своем развитии мышц тела или для преимущественного развития отдельных мышц с учетом специализации и потребности в движениях.

Из упомянутого исходного положения занимающийся начинает выполнять задание, которое высвечивается на экране дисплея 24 персонального компьютера 22 под воздействием программы, находящейся в блоке программ. Например, дается задание «проплыть» как можно быстрее на гребковом тренажере 1 n-ное количество метров. Занимающийся начинает интенсивно перемещать рычаг 8, стараясь развить наибольшую «скорость». Усилитель-формирователь 31 с помощью датчика пульса 30 ребенка следит за пульсом занимающегося, его численные значения отображаются на экране дисплея 24 персонального компьютера 22 и дублируются голосом воспитателя. Причем в системном блоке 23 персонального компьютера под управлением соответствующей программы блока программ эти значения сравниваются с оптимальными, измеренными заранее при предварительном обследовании занимающегося, и отображение производится относительно максимального, оптимального, порогового и критического значений, а под управлением другой программы блока программ выявленное отклонение ЧСС от оптимального значения в пределах «коридора здоровья» отрабатывается с помощью электропривода. Сигнал на отработку вырабатывается в системном блоке 23 и подается на плату управления электродвигателя 29, а с нее - на электромеханический узел натяжения 15. Ввиду инерционности реакции организма ребенка будут наблюдаться некоторые запаздывания ЧСС, но в пределах его «коридора здоровья». Можно процесс отработки сопровождать соответствующей мелодией.

При перемещении рычага 8, то есть при «движении» на экране дисплея 24 может высвечиваться и интеллектуальное задание, например, на внимание и память (водоплавающие птицы и животные...). По окончании «пути» занимающемуся предлагается назвать встретившихся птиц и животных. Оценивается выполненное задание по затраченному времени. Неправильные ответы на вопросы интеллектуального задания оцениваются, например, штрафным временем, которые прибавляются к основному, как в биатлоне, прохождением дополнительных кругов.

Интеллектуальные задания, высвечиваемые на экране дисплея 24, выполняются либо с помощью рук, кисти которых охватывают упор для рук 9, большой палец руки нажимает кнопку 36, ноги при этом устанавливаются на дополнительном упоре для ног, либо с помощью ног, установленных на упоре для ног 10 и зафиксированных фиксатором 18 и 19, кисти рук при этом охватывают дополнительные рукоятки для рук 20 и 21, большой палец (или указательный) руки нажимает кнопку 37. Задания составляются таким образом, чтобы при их выполнении курсор на экране дисплея 24 перемещался по всему экрану дисплея 24 сверху до низу, а поскольку рычаг 8 имеет сопротивление, которое можно изменять, то занимающемуся приходится прикладывать определенные физические усилия, получая дозированную нагрузку на мышцы рук, спины, ног и пресса, а также плечевого пояса. Выполнение интеллектуальных заданий также может сопровождаться звуковыми и музыкальными сигналами и мелодиями. Здесь также соблюдается принцип - как можно быстрее выполнить интеллектуальное задание, оцениваемое по затраченному времени. Неправильное выполнение его отдельных позиций также штрафуется дополнительным временем, добавляемым к основному.

С помощью датчика пульса 30 ребенка и усилителя-формирователя 31 следят за физическим и психическим состоянием занимающегося, и, как в предыдущем случае, устройство управляет действиями занимающегося таким образом, чтобы его пульс находился в оптимальной зоне. Победит тот из занимающихся, кто затратит наименьшее время на выполнение физических упражнений и интеллектуальных заданий.

Из этого следует, что занимающийся для победы в единичных и групповых занятиях, а также в соревнованиях должен обладать не только физической силой, чтобы перемещать рычаг 8, но и иметь развитый интеллект, чтобы быстрее и без ошибок выполнять интеллектуальные задания. Такой режим выполнения этих заданий в данном случае создает мотивацию и интерес их выполнения - стать победителем. А развитие достигается регулярным и постоянным воздействием на различные группы мышц и отделы головного мозга, постепенным наращиванием дозированных физических нагрузок и постепенным усложнением интеллектуальных заданий, от простого к сложному, при непрерывном контроле за физическим и психическим состоянием занимающегося.

Алгоритм одного занятия или соревнования показан на Фиг.4. Физическое воздействие дополняется с интеллектуальной добавкой и наоборот - интеллектуальное воздействие дополняется физической нагрузкой. Время, затраченное занимающимся, суммируется и к нему добавляется штрафное время (если оно есть). Фактическое время для занимающегося 4-6 лет не должно превышать 15-20 минут.

Принципы постепенности и регулярности должны соблюдаться при работе с описанным устройством для осуществления сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей ребенка на мотивационной и оздоровительной основах. Постепенно, но регулярно надо наращивать нагружение мышц рук, ног, мышц плечевого пояса, пресса и спины, используя возможности гребкового тренажера 1. Постепенно надо усложнять интеллектуальные задания - от простого к более сложному. Постепенно увеличивать длительность занятий до допустимого предела, учитывая возрастные, физические и психические особенности занимающихся. Обязательно регулярно проводить занятия.

В заявляемом устройстве много нестандартных узлов. Поэтому основные из них рассмотрим, уделив внимание их конструкции, принципу действия и их участию в работе всего устройства.

Датчик перемещения рычага 28. Принципы, на основе которых он может быть построен, самые разные. Это и тензометрический мост, выходные сигналы которого пропорциональны углу изгиба измерительной балки, и миниатюрный вращающийся трансформатор, и миниатюрный потенциометр, движок которого перемещается по кругу и т.д. Одна из возможных конструкций указанного датчика 28, построенного на основе магнитного геркона (Фиг.5), содержит: шарнир, образованный рычагом 8, насаженным на ось 7, закрепленную в трубах рамы 2, и кронштейн 42, размещенный на раме 2, на котором закреплен магнитный геркон 28, срабатывающий при приближении к нему постоянного магнита 43. Электропитание магнитный геркон 28 получает или от системного блока 23, или от источника электропитания 33.

Работает данный датчик следующим образом. При перемещении рычага 8 постоянный магнит 43 то приближается к геркону 28, то удаляется. С приближением магнита 43 контакты геркона 28 замыкаются и потенциал на них равен нулю (0В), а при удалении магнита 43 на рычаге 8 контакты размыкаются и потенциал на них равен потенциалу источника электропитания 33 или потенциалу подведенного системного блока 23.

Таким образом, получают первичную информацию о пространственном положении рычага 8. Прикрепив динамометр к рычагу 8 (или упору для рук 9) и потянув его с помощью динамометра практически к ограничителю перемещения 32 (см. фиг.1), тарируют датчик перемещения рычага 8 для измерения силовой нагрузки устройства с помощью электромеханического узла натяжения 15, зная количество замыканий и выставленное усилие силового элемента 14 (см. фиг.1), можно определить работу, выполняемую занимающимся.

Ограничитель перемещения 32 рычага 8. Необходимость ограничителя перемещения 32 рычага 8 вызвана двумя причинами. Во-первых, размах движения рычага 8 должен быть не больше величины экрана дисплея по вертикали. Во-вторых, для всех занимающихся должны быть одинаковые условия для проведения занятий. Одна из возможных конструкций ограничителя перемещения 32 содержит (фиг.5): основание 32, закрепленное в двух точках 44 и 45, ограничительные винты 46 и 47, которые вкручиваются в резьбовые отверстия в основании 32 и закрепляются контрогайками 48 и 49. На концах указанных винтов поставлены, например, резиновые опорные головки 50 и 51, выполненные из жесткой резины.

Работает данный ограничитель перемещения 32 следующим образом. Винтом 47 устанавливают начальное положение рычага 8 (курсор внизу экрана), закрепляют это положение контрогайкой 49. Затем, поворачивая рычаг 8, выставляют его другое крайнее положение, чтобы курсор находился в верхней части экрана дисплея 24, винтом 46 подводят головку 50 до плотного контакта с рычагом 8 и закрепляют положение винта 46 контрогайкой 48. Таким образом, выставлены начальное и конечное положения рычага 8.

Крепление оптической «мыши» 26 персонального компьютера 22 и сектора сканирования 27. Чтобы задавать и выполнять интеллектуальные задания, необходимо управлять курсором на экране дисплея 24 персонального компьютера 22 (фиг.3). С помощью курсора, магнитного геркона 8 и постоянного магнита 43 определяется «путь», «пройденный» занимающимся. Одна из возможных конструкций крепления оптической «мыши» 26 персонального компьютера 22 и сектора сканирования 27 содержит (фиг.5): планку 52, согнутую под прямым углом и установленную на одной из дуг 2, на планке 52 прикрепляется оптическая «мышь» 26, например, приклеиванием, а сама планка 52 имеет отверстие 53 для сканирования. Сектор сканирования 27 крепится на рычаге 8 напротив указанного отверстия в планке 52. Для надежности работы оптической «мыши» 26 на сектор сканирования 27 наклеивается соответствующий отражающий материал.

Работает этот узел следующим образом. Для выполнения интеллектуального задания с помощью кнопки 36 и 37 захватывается курсор на экране дисплея 24 персонального компьютера 22 (фиг.3), который передвигается занимающимся в нужное по заданию положение. По выполнении этого упражнения или задания кнопка 36 или 37 отпускается и на экране высвечивается новое задание. Одновременно определяются и биомеханические характеристики.

Силовой элемент 14 и электромеханический узел натяжения 15 устройства. Одна из возможных конструкций электромеханического узла натяжения 15 и силового элемента 14, построенного, например, на основе резинового амортизатора (фиг.6), содержит силовой элемент 14, в качестве которого взят резиновый амортизатор, закрепленный одним концом на неподвижной части электромеханического узла натяжения 15, а другим - к подвижной его части - поводку 54, соединенному с подвижным элементом 55, охватывающим шпильку 56 и винт 57, связанный с редуктором, составленным большой шестерней 58, надетой на хвостовик винта 57, и малой - 59, насаженной на вал электродвигателя 60. Подвижный элемент 55 перемещается по винту 57 посредством редуктора (шестерни 58 и 59) и электродвигателя 60, задающего нагрузочное сопротивление на трос 17 через блочек 16. Команда на электродвигатель 60 подается с компьютера 22 (фиг.3) через разъем 61.

Работает силовой элемент 14 и электромеханический узел натяжения 15 следующим образом. Перемещая рычаг 8 либо руками за упор для рук 9, либо ногами за упор для ног 10, либо руками и ногами одновременно, либо комплексно с участием и мышц спины, занимающийся растягивает силовой элемент 14, добавляя к тому натяжению, которое было первоначально, дополнительное натяжение, преодолевая сопротивление силового элемента 14, то есть сила F будет равна

F=F₀+kx,

где F₀ - первоначальная сила натяжения силового элемента 14;

k - коэффициент пропорциональности силового элемента 14;

х - удлинение силового элемента 14.

Зная коэффициент пропорциональности k, перемещение рычага 8, то есть удлинение х, и первоначальную силу натяжения силового элемента 14 - F₀, можно определить механические характеристики устройства.

Тарировка силового элемента 14 заключается в предварительной первоначальной силе натяжения силового элемента 14 - F₀. Прикрепляя динамометр, например, за упор для рук 9, натягивают динамометр до крайнего положения (не касаясь ограничителя 32) и посредством компьютера 22 задают силовую нагрузку.

Здесь в устройстве используются два полиспаста: полиспаст силы в силовом элементе 14 посредством блочка 16 и полиспаст в тросовом соединении - через блочек 12, что расширяет возможности устройства.

Датчик оборотов вала 38 электродвигателя 60

Важной характеристикой является уровень нагрузки, который определяется положением подвижного элемента 55 винта 57. Прямое измерение возможно, но затруднительно. Проще об этом судить, например, по вращению большой шестерни 58 редуктора с использованием программных средств персонального компьютера 22 (фиг.3). Рассмотрим состав и принцип действия этого узла. Узел 38 содержит (фиг.6) оптический датчик 62, в котором светоизлучательный элемент 63 и световоспринимающий элемент (светодиод) 64 расположены на одной линии друг относительно друга, обеспечивающей засвечивание световоспринимающего элемента 64 только при нахождении отверстия 65 в шестерне 58 между ними. Это выполнено механически в виде колодочки 62, в которой соответствующим образом просверлены два канальца на одной линии, в которых размещены указанные элементы. Эти элементы электрически связаны с усилителем-формирователем и ключом 66 (фиг.6) подключены к LPT-порту 41 системного блока 23 через разъем 61.

На фиг.7 показана одна из возможных электрических схем данного узла. Светоизлучательный элемент 63 включен в прямом направлении. Ток через него задается резистором 67. Световоспринимающий элемент (светодиод) 64 включен в обратном направлении, и ток через него в освещенном состоянии задается резистором 69. Изменение потенциала в темновом и световом состоянии точки соединения резистора 69 и световоспринимающего элемента 64 воспринимается усилителем-формирователем 70, коллектор выходного ключевого транзистора 71 подключен через разъем 61 к LPT-порту 41 системного блока 23 персонального компьютера 22.

Плата управления электродвигателем 29

Рассмотрим состав и принцип действия этого узла устройства. Узел 29 (фиг.8а) содержит: схему защиты 72 выходных силовых цепей, две оптопары 73 и 74, обеспечивающие гальваническую развязку цепей, связанных с системным блоком 23 персонального компьютера 22, от других цепей, два тиристора 75 и 76, осуществляющие выпрямление пониженного сетевого напряжения, понижающий трансформатор 77, первичная обмотка которого через предохранитель 78 подключается к однофазной промышленной сети. Схема защиты 72 связана с системным блоком 23 с помощью разъема 79, а силовая часть этого узла связана с электродвигателем с помощью разъема 80.

На фиг.8б показана одна из возможных электрических схем данного узла. Для связи компьютера 22 с узлом 29 и запитывания части его схемы через LPT-порт задействованы четыре линии регистра данных Data 0 - Data 3. Управляющие сигналы, выработанные программой, по линиям Data 0 - Data 1 подаются на входы логических элементов DD1.1 - DD1.3 микросхемы DD1 - 72. Данные логические элементы реализуют схему защиты выходных силовых цепей узла 29 от перегрузки по току в случае одновременной подачи управляющих сигналов сразу на оба входа. Такая ситуация возникает, например, при включении питания компьютера 22, когда происходит стандартная инициализация параллельного порта. Из таблицы истинности работы данного узла следует, что в случае подачи управляющего сигнала (лог.1) только на один из входов данного узла на выходе соответствующего элемента установится уровень логического 0, который «соединит» микромощную лампу накаливания оптопары 73 или 74 соответственно с общим приводом. Сопротивление резистора, входящего в эту оптопару, уменьшится, что приведет к замыканию цепи управляющего электрода 75 или 76. Таким образом на электродвигатель поступит питающее напряжение, полярность которого зависит от управляющего сигнала, его якорь придет во вращение. Нагрузка на тренажере 1 (фиг.1) возрастет или убудет в зависимости от полярности поданного на электродвигатель напряжения. Тиристор 75 или 76 будет находиться в открытом состоянии до тех пор, пока не будет снят управляющий сигнал. После снятия сигнала тиристор 75 или 76 отключит электродвигатель 60 (фиг.6) от источника питания, и изменение нагрузки прекратится. Направление электрического тока в цепи якоря электродвигателя 60 меняется в зависимости от того, какой тиристор 75 или 76 включен, то есть при смене управляющего сигнала. Выпрямление пониженного трансформатором 77 сетевого напряжения осуществляется непосредственно одним из двух тиристоров 75 или 76. В схеме нет сглаживающего конденсатора, форма тока имеет импульсный характер с частотой сетевого напряжения. Это приводит к периодическому выключению и включению питания тиристора и электродвигателя с той же частотой. Ввиду того, что эта частота сравнительно велика - 50 Гц по сравнению с инерционностью электродвигателя, на работе устройства данный факт не сказывается. Напротив, при снятии управляющего сигнала тиристор не может отключиться сразу, - выключение его происходит при переходе сетевого напряжения от одной полуволны к другой.

Расширенная блок-схема конструкции датчика пульса 30 и усилителя-формирователя 31 для определения пульса. Существует несколько способов определения пульса человека, а именно: путем пальпирования руки вблизи кисти и в области сонной артерии, с помощью фонендоскопа и кратковременного передавливания потока крови на руке, оптический приборный метод на лбу, пальце руки и на мочке уха, акустический метод и др. Наиболее простым является, по нашему мнению, оптический приборный метод на мочке уха, который не создает трудностей и неудобств для занимающегося.

Усилитель-формирователь 31 по расширенной блок-схеме содержит (фиг.9а): непосредственно усилитель сигналов 81, блок фильтрации 82 и логический блок 83.

Датчик пульса 30 состоит (Фиг.9б): из светодиода 84 и фотодиода 85, образующих пару «светодиод - фотодиод». Ток, протекающий через светодиод 84, задается резистором 86, а темновой ток через фотодиод 85 задается резистором 87. Непосредственно усилитель 81 построен по схеме подавления синфазной помехи на трех операционных усилителях 88, 89, 90. Делитель напряжения на резисторах 91 и 92 задает потенциал на входе операционного усилителя 89. Блок фильтрации 82 построен по известному принципу. Логический блок 83 решает задачу, во-первых, определения количества ударов в одну минуту и, во-вторых, для уменьшения случайных помех заполняет случайные пропуски между ударами пульса.

Датчик пульса 30, например, наушного или пальцевого типа (Фиг.9 в) состоит из двух элементов 93 и 94, скрепленных осью 95, и фиксируется на мочке уха или на пальце с помощью пружины 96. В элементе 93 установлен излучатель 84, а в элементе 94 - фотоприемник 85. Датчик пульса 30 подключается к усилителю-формирователю 31 с помощью кабеля 97 со штекером 98.

Работают с данным узлом следующим образом.

Надевают датчик пульса 30 на мочку уха занимающегося и следят по дисплею 24 за частотой сокращений пульса. В зависимости от его величины нагрузку или увеличивают, или уменьшают.

Что касается программного обеспечения, то с его помощью осуществляются интеллектуальные задания и физические упражнения. Поэтому оно должно вызывать интерес у занимающихся и желание выполнять их.

Должен быть комплекс программ. В комплекс программ автоматизированной обработки информации с периферийных датчиков входят: автоматический ввод и регистрации данных, предварительная обработка сигналов (сглаживание), тарировка входных сигналов, вывод графического изображения входных сигналов, математическая обработка характеристик выполняемых физических упражнений.

Программа математической обработки характеристик физического упражнения позволяет выполнять расчет следующих биомеханических параметров: длительность всего движения и отдельных его фаз и периодов, величины «перемещения» и «скорости» движения, выполняемой работы во время одного движения и на всей «дистанции».

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает новым качеством и позволяет сопряженно и взаимозависимо развивать физические и интеллектуальные способности ребенка на мотивационной и оздоровительной основах с применением современных компьютерных технологий и тренажерной техники, причем развивать ребенка гармонично, максимально используя принцип «учение с увлечением».

Источники информации

1. Dreissigacker P.D., Dreissigacker R.A. Williams J.V. Pat. №4396188 (USA). Stationary roroind unit. - Pull 02.08.83.

2. Устройство для выполнения гребковых упражнений // Буклет научно-производственного конструкторского предприятия «Резонанс» при Адыгейском государственном университете, г.Майкоп.

3. Тренажер для детей дощкольного возраста / А.А.Мазанова, Е.А.Антипова, В.В.Афанасенко, Ю.Т.Черкесов // Актуальные проблемы валеологии, воспитания учащихся в условиях новой концепции физкультурного образования. - Нальчик, 2002. - С.149-150.

Claims (1)

1. Устройство с электроприводом для сопряженного взаимозависимого развития физических и интеллектуальных способностей ребенка, содержащее раму, изготовленную из двух согнутых по дуге полуокружности труб, скрепленных двумя опорными элементами - задним и передним, трубу, соединяющую опорные элементы, сиденье, прикрепленное к раме и регулируемое по высоте и местоположению, ось, закрепленную на раме и насаженный на нее рычаг, регулируемый по высоте и местоположению на раме, с упором для рук и упором для ног, при этом упор для рук телескопически соединен с рычагом в верхней его части, а упор для ног расположен в его нижней части и выполнен в виде двух педалей - левой и правой, дополнительную опору для ног, расположенную на раме в передней ее части, два блочка, один из которых размещен на нижнем конце рычага, а второй - на упомянутой трубе вблизи заднего опорного элемента, а в трубе размещен силовой элемент, соединенный одним концом с тросом, огибающим указанные блочки, отличающееся тем, что в нем на педалях упора для ног выполнены фиксаторы для ног ребенка, дополнительная опора для ног выполнена дискретно переставляемой на раме, а силовой элемент одним концом закреплен на неподвижной части электромеханического узла натяжения с платой управления электродвигателем, размещенных вблизи переднего опорного элемента, а другим концом - на подвижной части данного узла, и силовой элемент огибает третий блочек, укрепленный на первом конце упомянутого троса, второй конец которого соединен с рамой вблизи заднего опорного элемента, и в устройство дополнительно введены: две рукоятки - под левую и правую руки, размещенные вблизи сиденья, персональный компьютер, оптическая «мышь» которого установлена на раме вблизи рычага, на котором расположена площадка для сканирования оптической «мышью», датчик перемещения рычага для измерения работы, совершаемой ребенком, детектор пульса ребенка, состоящий из наушного или пальцевого датчика пульса и усилителя-формирователя, ограничитель перемещения рычага, счетчик оборотов электродвигателя, источник электропитания и дискета или диск для программного обеспечения персонального компьютера, вставляемые в соответствующие гнезда системного блока персонального компьютера, при этом от левой клавиши оптической «мыши» выполнен отвод на две параллельно включенные кнопки, одна из которых размещена в упомянутом упоре для рук, вторая - в одной из дополнительно введенных рукояток, причем усилитель-формирователь детектора пульса электрически соединен входом с датчиком пульса, а выходом с USB-портом системного блока, а датчик перемещения рычага и счетчик оборотов электродвигателя соединены с LPT-портом системного блока, при этом электродвигатель, плата управления электродвигателя и детектор пульса подключены к источнику электропитания.

Images