RU2672482C1

RU2672482C1 - Способ стимуляции произвольного сокращения мышц и устройство его реализации

Info

Publication number: RU2672482C1
Application number: RU2015139386A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Гладченко
Original assignee: Владимир Николаевич Гладченко
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2018-11-15

Abstract

Настоящее изобретение относится к методам стимуляции сократительной способности мышц, находящихся в состоянии различной степени напряжения, посредством генерации в них управляемых по амплитудно-частотному спектру колебаний, при одновременном воздействии внешней приложенной нагрузки. Отличительной особенностью изобретения является совокупное использование для стимуляции двух внешних сил с параметрами, соответствующими данным индивидуальных биомеханических зависимостей спортсмена, и воздействие поперечно-продольными вибрационными колебаниями, при этом устройство содержит регулятор колебаний амплитуды, трособлочную систему суммирования действующих сил и направляющие действия этих сил для дифференцированной нагрузки на различные группы мышц. Существенно снижены осевые нагрузок на суставы и позвоночник, локальная и общая вибронагрузки. Способ применяется в профессиональном спорте, в практике оздоровительно-спортивной тренировки и лечебно-профилактических мероприятий. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 17 ил.

Description

Изобретение относится к способам активации произвольной сократительной способности нервно-мышечного аппарата человека посредством стимуляции большого количества кратковременных близких к максимальным, максимальных и субмаксимальных рефлекторных усилий напряженной мышцы, вызываемых совокупным воздействием вибрационной и внешней регулируемой нагрузок. Известен способ СБА-способ биологической активности (Михеев А.А. Развитие физических качеств спортсменов с применением метода стимуляции биологической активности организма: Дисс. д-ра пед. наук: 13.00.04. - М., 2004. - 424 с.). По определению автора, «метод СБА является одним из альтернативных методов стимуляция биологической активности организма путем генерации продольных вибрационных волн в мышцах, сухожилиях и связках во время выполнения физических упражнений», «от своего прототипа метода биомеханической стимуляции, метод СБА отличается тем, что в его основу положено специфическое средство физического воспитания - физическое упражнение, выполняемое на фоне биомеханической стимуляции мышц». Для генерации продольных вибрационных волн в мышцах применяется вибромеханические тренажеры, например А.с. 1447385 СССР, МКИ A63B 21/06. Устройство для тренировки мышц / Михеев А.А., Нигреев B.C., Казаков С.Ф., Карпович И.И. (СССР). - №4223674/28-12; Заявлено 09.04.87; Опубл. 30.12.88, Бюл. №48 // Открытия. Изобретения. - 1988. - №48. - С. 28. В описании метода СБА заявлено, что этот метод предлагает выполнение упражнений на фоне вибрации с частотой 28-30 Гц при амплитуде 4-5 мм и ускорениях 0,6-0,7 g. Недостатками метода являются: 1) выбор в качестве биологической основы вибрационной тренировки исключительно лонгитудных (продольных) вибраций (Михеев А.А. Лонгитудные вибрационные воздействия как естественно-биологическая основа метода стимуляции биологической активности организма // Актуальные проблемы физиического воспитания, спорта и туризма начала III тысячелетия: Материалы I Междунар. науч.-практич. конф., г. Мо-зырь, 13-14 апреля 2006 г. - Мозырь, 2006. - С. 107-108.); 2) отсутствие доказательной базы, в том числе, с точки зрения биомеханики, преимущества стимулирующего воздействия лонгитудных вибраций над трансверсальными (поперечно-волновыми); 3) отсутствие доказательств предпочтения такого выбора для всего разнообразия мышц, отличающихся своими физиологическими и биомеханическими свойствами, только при частоте 28-30 Гц и амплитуде 4-5 мм.; 4) отсутствие взаимосвязи между выбором внешней нагрузки и параметрами вибрационной стимуляции; 5) использование поз положений тела, в которых действие вектора продольно-волновой вибрационной стимуляции ориентировано вдоль осевого направления конечностей и позвоночника, что сопровождается ударной деформацией сжатия-растяжения (Михеев А.А., Прилуцкий П.М. Обучение ударным действиям в восточных единоборствах с применением методики СБА. Мн., 2000. - 102 с., рис. 36-39, стр. 41); 6) отсутствие алгоритма определения величины силовой нагрузки, выполняемой стимулируемой группой мышц на вибрационных перемещениях.

Известен метод биомеханической стимуляции - БМС Назарова В.Т. По определению автора «Биомеханическая стимуляция (БМС) - новое направление в физической культуре, спорте и медицине …Она осуществляется путем воздействия на мышцы.. вибрацией, а в результате получаются психофизиологические эффекты, которые составляют различные аспекты тренировки мышц» (Оптимизация человека. - Рига: Ин-т стимуляции Назарова, 1997. - 188 с. стр. 11). Далее на той же странице автор поясняет различия между вибрационным массажем и БМС. «При вибромассаже механическое воздействие происходит перпендикулярно мышечным волокнам … механическое воздействие (БМС) осуществляется вдоль мышечных волокон, то есть в направлении, характерном для обычного мышечного сокращения.». Откуда следует, что поперечные колебания, возникающие при вибромассаже, противопоставляются колебаниям БМС и, следовательно, рассматриваемые колебания при БМС вдоль мышечных волокон отождествляются с продольными колебательными процессами, вызывающими деформацию растяжения-сжатия. К недостаткам метода биомеханической стимуляции - БМС Назарова В.Т. относятся перечисленные недостатки 1), 2), 3) метода БСА А.А. Михеева, поскольку с точки зрения биомеханического обоснования они являются аналогами, а также 4), 5), 6) как следствие отсутствия анализа нагрузок. Также недостаток методов СБА и БМС состоит в том, что вибрационная нагрузка, а вместе с ней и внешнее усилие, если таковое имеется, не меняются, а выдерживается постоянное значение частоты и амплитуды и нагрузки на всем изменении суставного угла, хотя биомеханические характеристики мышц изменяются существенно. Никак не доказана биомеханическая или физиологическая целесообразность такого подхода. В этих условиях получить постоянную эффективную стимуляцию, за исключением отдельных случаев, представляется проблемным, поскольку постоянные значения параметров вибростимуляции не могут быть эффективны при всех значениях изменения суставного угла и постоянной внешней приложенной силе, так как не учитывают зависимость частоты колебаний от жесткости мышц и другие биомеханические закономерности мышц.

Задачей предлагаемого изобретения является создание альтернативного метода стимуляции нервно-мышечного аппарата, вызывающего сокращение мышц, соответствующее спектру естественных колебаний, не меньшее, чем в известных аналогах, при равных параметрах частотно-амплитудного спектра, близкое к предельным, обеспечение комфортного биомеханически адекватного, атравматичного воздействия на опорно-двигательный аппарат при одновременном снижении ударных продольных осевых нагрузок на суставы и позвоночник и снижающий общую и локальную вибрационную нагрузку, применяя для этого одновременно, продольно-волновые и поперечно-волновые колебания и внешнюю регулируемую силовую нагрузку; при этом для выбора параметров стимуляции использовать данные о значении физических величин, характеризующие свойства мышц в активном состоянии.

Поставленные задачи в заявляемом способе решены действием основных факторов: регулируемой по скорости и силе внешней электромеханической нагрузки и устройства вибрационной нагрузки - виброустройства (вибростимулятора) с изменяющимися частотно-амплитудными характеристиками, которые взаимодействуют со спортсменом, либо совокупно и разно направленно, будучи приложенными к различным частям тела, так что стимулируемая группа мышц находится в центре приложения сил, либо совокупно и однонаправлено, когда в точке контакта одновременно и суммарно действуют обе силы, при этом вибрационная и внешняя силы воздействуют на контактную часть тела суммарно через трос, закрепленный на виброустройстве и являющийся одновременно частью троса блочной системы, центрально соединенный с внешней нагрузкой, Рис. 1, Рис. 2; наличием совокупности условий, определяющих формирование преимущественно поперечных колебаний, а именно позы положения тела, Рис. 1 - Рис.8, в которых осуществляется стимуляция; способа контакта вибродота - элемента, передающего колебания вибростимулятора, к контактной части тела. Фото. 1, Фото. 2, Рис. 1 - Рис. 8; ортогональности направления продольной оси контактной части тела к направлению вибрационного усилия, Фото. 1, Фото. 2, Рис. 1 - Рис. 8.

Необходимость биомеханического обоснования заявляемого метода объясняется существующей практикой выбора в основных методах биомеханической стимуляции - БМС и СБА в качестве биологической основы вибрационной тренировки лонгитудных вибраций. Для доказательства обоснованности применения заявляемого способа с позиции биомеханики необходимо показать, что поперечные колебания мышц являются естественным процессом, сопровождающим двигательные акты, и могут вызывать удлинение мышцы, сравнимое с удлинением при продольно-волновых деформациях, рассматриваемых как основной фактор стимуляции мышц в БМС и СБА. На Рис. 9 схематически показаны отрезки (KB) и (КС) смещения точки В мышцы плеча (АВ) в идеализированном случае неподвижности точек А и О, соответствующих плечевому и локтевому суставам, в случае отклонения предплечья ОМ на угол ϕ. Угол α, изменяющийся от 0 до π, при каждом значении угла ϕ, считается постоянным. При перемещении точки В в точку С образуется треугольник ВКС с углом δ при вершине С с ортогональными ВК и КС при равных ОВ и ОС. При гармонических колебаниях деформации растяжения (КС), происходящие вдоль направления мышечной ткани, образуют продольные колебания, а деформации сдвига (KB), происходящие в перпендикулярном направлении мышечной ткани, образуют поперечные колебания аналогично волнам, бегущим по натянутому резиновому жгуту или струне. Относительная деформация сдвига и растяжения при значении амплитуды внешнего воздействия а=1-4 мм является величиной порядка 10^(-3) по отношению к длине мышцы, поэтому Sin(ϕ)=ϕ. Выражения для значений λ - поперечной деформации и Δl - продольной деформации имеют вид:

Таким образом, величины поперечной и продольной деформаций выражаются одной зависимостью, но сдвинутой по отношению обеих деформаций на величину π/2, и все значения этих величин, включая минимум и максимум, равны и отстоят друг от друга на π/2.

Согласно найденным выше выражениям для поперечной и продольной деформаций есть значения межзвенного угла - α, при которых один из процессов ничтожно мал, а другой проявляется максимально, а также углы, в которых процессы имеют равные значения амплитуд. Вычисление длины дуги одиночного импульса поперечного колебания на длине его волны дает увеличение длины дуги на величину, сравнимую с деформацией удлинения при продольном колебании. Для более точного расчета используется более сложная модель с наличием вязкого трения (Механико-математическая модель поперечнополосатой мышцы, # 09, сентябрь 2010, Галямова Е.В., Гуськов А.М., Сюзев В.В., УДК: 61, 612, 612.7, 612.74, 612.741, 51-7, 57.087, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл №ФС 77-48211. ISSN 1994-0408.) и уточненным расчетом параметров собственных колебаний мышц. Было установлено, что вклад продольных и поперечных колебаний в динамическое деформирование и нагружение гибких связей имеют один порядок. (Малашин А.А. Взаимовлияние волновых и колебательных процессов в предварительно напряженных элементах и системах. 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. УДК 539.3: 534.1. Московский Государственный университет имени М.В. Ломоносова. На правах рукописи. Москва 2011.).

Вибрационные воздействия в заявляемом способе и в приведенных аналогах могут быть сравнены на основе приведенных доказательств сопоставимости деформаций. В качестве параметров стимулирующих сил в заявляемом способе применяются данные индивидуальных биомеханических зависимостей (характеристик) спортсмена: сила (момент силы) - суставной угол

; частота импульсации собственных колебаний мышц - сила сокращения

; сила сокращения - амплитуда собственных колебаний мышц

; зависимость между углом и длиной пути

; скоростью укорочения (удлинения) - величина внешней нагрузки

. Эти зависимости определяются в процессе двигательных действий полностью идентичным тренировочным. В процессе стимуляции величина внешнего воздействия определяется для каждого значения суставного угла из полученной зависимости, а параметры вибростимулирующего воздействия определяются из зависимостей частоты, амплитуды от величины внешней нагрузки с учетом режима работы. Для формирования колебаний мышц, близких к резонансным, частота стимуляции выбирается из соображения кратности частоты собственных мышц частоте вибрационных колебаний. Это следует из представления решения дифференциального уравнения колебаний, когда внешняя сила является периодической функцией времени в виде ряда Фурье, при этом числитель имеет вид (k^2 - (i*p)^2), где k, I, р - соответственно собственная частота, целое число, частота вынужденных колебаний. Резонанс наступает при k=i*p, или i=k/p т.е. при значениях частоты вынужденных колебаний в i-раз меньших, чем собственная.

Заявляемый способ позволяет применять простой алгоритм при подсчете количества механической работы (мощности, и т.д.), выполненной стимулируемыми мышцами непосредственно в колебательном процессе на всей траектории движения и сравнения полученного результата с работой в этом же движении, выполненной без вибрационной стимуляции. Это позволяет применять различные тесты физической работоспособности, например, тест PWC170. При выполнении тяги на бицепс (Рис. 8) - подъема груза на высоту 0,52 см - с одновременной вибрационной стимуляцией мышц плеча частотой 25 Гц и амплитудой 2 мм за время 42 сек и при 7 повторениях достигается примерно в 3,3 большая нагрузка, чем при подъеме груза, которая может быть увеличена в зависимости от изменения амплитудно-частотных характеристик тренажера и методики выполнения.

Стимуляция мышц поперечными колебаниями вызывает напряжения, сравнимые по значениям при продольных колебаниях, при этом являющихся ортогонально направленными, а стимулирующие нагрузки приложены, как правило, непосредственно в области стимулируемых мышц или дистально, и не включают центр масс или его значительную часть в процесс вибрационного перемещения, совпадающего с направлением вектора вибрации. Это минимизирует ударную осевую нагрузку сжатия-растяжения на суставы и позвоночник, характерную для продольной вибрации, повышает комфортность и тренировочный эффект. Поскольку для стимуляции мышц конечностей и туловища нет необходимости в перемещении центра масс тренирующегося или его значительной части в направлении действия вибрационной силы, как это происходит в методах БМС и СБА, то можно использовать виброустройства более низкой мощности, достигая поставленной цели и не подвергая суставы и позвоночник излишнему вибрационному воздействию. Заявляемый метод содержит следующие существенные признаки новизны: 1) в качестве стимулирующих предполагается одновременное совокупное воздействие двух видов сил, которые реализуются в различных комбинации приложения либо совокупно и разнонаправленно, либо совокупно и однонаправлено; 2) вибрационное воздействие предполагает преимущественно ортогональное направление продольным осям контактных частей тела, а в частях тела, имеющих суставные соединения с контактным, могут генерироваться колебания обоих видов; 3) в качестве параметров стимулирующих нагрузок являются данные индивидуальных биомеханических зависимостей (характеристик) – значений, связанных между собой физических свойств самого объекта стимуляции); 4) в случае колебаний мышц, близких к резонансным, частота стимуляции подбирается из соображения кратности частоты собственных колебаний мышц частоте вынуждающих колебаний. Из перечисленных признаков следует, что заявляемый метод обладает совокупностью свойств, отличающих его от известных аналогов, и доказательной базой его реализации. В то же время метод указывает способы технической реализации метода и разнообразия педагогических приемов его применения. Из перечисленных признаков следует, что заявляемый метод обладает совокупностью свойств, отличительных от известных аналогов, и доказательной базой его реализации. В то же время метод указывает способы технической реализации метода и разнообразие педагогических приемов его применения.

Устройство для реализации заявляемого метода

Заявляемое тренажерное устройство относится к средствам воздействия на опорно-двигательный аппарат с целью восстановления и тренировки его физиологических функций посредством генерации в нервно-мышечном аппарате волновых процессов, соответствующих частотно-амплитудному спектру естественных колебаний. Известно «устройство для стимуляции мышц ног» и его модификация - «стимулятор для мышц плечевого пояса». (Назаров В.Т. «Биомеханическая стимуляция: явь и надежды». - Мн. Полымя, 1986. - 95 с: ил.). Тренажер содержит электродвигатель, эксцентриковый механизм, посаженный на валу электродвигателя, и платформу - вибродот, шарнирно соединенную с толкателем (шатуном) эксцентрикового механизма. Перемещение платформы происходит в направлении, параллельном направлению силы тяжести. Недостатками устройства является отсутствие конструктивных элементов для дифференцированного воздействия на различные группы мышц; невозможность плавного или дискретного изменения амплитуды колебания без замены эксцентрикового механизма, что исключает индивидуальный подбор тренировочной нагрузки по амплитудному спектру; ограничение частоты колебаний интервалом 28-30 Гц, что, с одной стороны, исключает индивидуальный подбор тренировочной нагрузки по частотному спектру, а с другой, ограничивает развитие максимальной силы посредством прямой частотной стимуляции быстрых мышечных волокон. Известно (А.с. 1447385 СССР, МКИ A63B 21/06. Устройство для тренировки мышц / Михеев А.А., Нигреев B.C., Казаков С.Ф., Карпович И.И. (СССР). №4223674/28-12; Заявлено 09.04.87; Опубл. 30.12.88, Бюл. №48 // Открытия. Изобретения. - 1988. - №48. - С. 28.), в котором вибратор и присоединенный к нему груз перемещаются по вертикальным направляющим под действием силы тяги спортсмена. К недостаткам следует отнести все перечисленные для приведенного выше тренажера. Недостатком также является используемый прием отягощения виброустройства гравитационной силой. Ввиду односторонней гибкой наложенной связи, без закрепления на опоре, вибратор и прикрепленный к нему груз, строго говоря, не обязаны совершать гармонические колебания во всем спектре указанных частотно-амплитудных характеристик. Это утверждение также справедливо для случая стимуляции мышц во всех безопорных позах, используемых в обоих методах. Известно тренажерное устройство (А.с. 1584965 СССР, МКИ A63B 21/06, 23/00. Устройство для тренировки мышц ног / Михеев А.А., Казаков С.Ф. (СССР). №4483022/30-12; Заявлено 19.09.88; Опубл. 15.08.90, Бюл. №30 // Открытия. Изобретения. - 1990. - №30. - С. 44.), в котором либо вибратор совместно с отягощением перемещается по вертикальным направляющим под действием силы ног спортсмена, спина которого опирается на неподвижную опору, либо стопы опираются на неподвижную опору, а груз перемещается по вертикальным направляющим под действием силы ног. Тренажер обладает всеми перечисленными недостатками для двух приведенных выше тренажеров. Ближайшим из известных устройств является «устройство для стимуляции мышц ног» и его модификация - «стимулятор для мышц плечевого пояса». (Назаров В.Т. «Биомеханическая стимуляция: явь и надежды». - Мн. Полымя, 1986. - 95 с.). Заявляемое тренажерное устройство содержит: 1) узел электромеханической силовой нагрузки (в случае механической силовой нагрузки она представляет собой набор грузов, действующих через троса блочную систему); 2) устройство вибрационной нагрузки - виброустройство с регулятором величины амплитуды; 3) конструктивные элементы передачи действия стимулирующих сил - вибродоты различной конструкции, крепежные ремни; 4) монтажную тумбу с виброгасящей платформой; 5) опорные конструкции для обеспечения поз положения тела при различных видах упражнений, включая конструкцию для закрепления нижних конечностей; 6) конструкции, задающие движение стимулирующих сил по дугам окружностей различных радиусов; 7) блок электронного управления.

На Рис. 1 и Рис. 2 показаны варианты схем расположения силовых источников заявляемого тренажера - схема одностороннего, совокупного и однонаправленного приложения сил, когда в точке контакта одновременно и суммарно действуют обе силы, и схема раздельного приложения сил, когда совокупно и разнонаправленно, будучи приложенными к различным частям тела, действуют обе силы так, что стимулируемая группа мышц находится в центре приложения сил. В схеме одностороннего приложения сил Рис. 1 устройство вибрационной нагрузки - (4) может располагаться, например, у нижнего основания опорной рамы (1) с внешней стороны ее стойки, а узел электромеханической силовой нагрузки (2) - между ее стойками и посредством троса блочного устройства, соединяющего трос (3) с вибродотом-штангой (10), на конце эти две силовые нагрузки через систему блоков (6) оказывают стимулирующее воздействие, обладающее свойствами обеих нагрузок одновременно на человека (5), закрепленного на неподвижной опорной конструкции (7 - кресле с электроподъемником (9), с возможностью дополнительного ограничения перемещения человека, осуществляющего кистевой захват вибродота-штанги. На схеме Рис. 2 раздельного приложения сил показаны опорная рама (1), узел электромеханической силовой нагрузки (2), трос (3) и направляющие ролики (6), устройство вибрационной нагрузки (4), человек (5), соединенный с тросом в верхней части туловища крепежными ременными устройствами (11) на опорной конструкции - подвижном кресле (7) с электроподъемником (9) и выполняющий кистевой захват вибродота (10) на виброплатформе (8) устройства вибрационной нагрузки (4) на тумбе (12) с виброгасящей платформой (13). На Рис. 10(а, б) схематически показан корпус (36) виброустройства, виброплатформа (10), на которую передается колебательный процесс от электродвигателя с эксцентриком, закрытых в кожухе (34), закрепленном крепежными болтами (26), через толкатель (шатун) (24). Платформа с одной стороны имеет механическое, например, шарнирное соединение (25) с корпусом, допускающее только вращательное движение, и, следовательно, угловое перемещение, а со стороны установки толкателя (24), платформа по направлению ее продольной оси через проушины (27), крепящиеся на монтажной пластине (28) и к платформе через болты в резинометаллических втулках (29), имеет механическое, например, шарнирное закрепление на стяжном болту (30) с гайкой (31), во втулке толкателя (33), лежащей в той же плоскости, в виде вращательной кинематической пары, при этом резинометаллический шарнир (32), запрессованный во втулку (33) включает эластичный элемент цилиндрической формы. Инерционность перемещения платформы регулируется действием упругой силы пружин двух видов - сжатия (35) и растяжения (23), установленных по периметру платформы. На Рис. 10.б показана профильная проекция крепления головки толкателя к платформе. Платформа тренажера перемещается радиально на величину угла, определяемую величиной хода толкателя и расстоянием между шарнирным закреплением платформы и толкателем, что позволяет изменять амплитуду вибрационного воздействия в зависимости от расположения точки контакта на платформе. Регулятор величины амплитуды Рис. 11 крепится на виброплатформе (8) вибростимулятора, расположенного в его корпусе (36), и состоит из направляющих валов (46) произвольного сечения и винта (37) между ними, расположенными параллельно продольной оси платформы по всей ее длине. Гайка винта (38) и втулки (39) направляющих валов жестко соединены между собой планкой (40), а на одном из концов винта, вращающегося в подшипниках (41), установленных в стойках (42), находится малая шестерня (43), образующая с большой шестерней (44) редукторную передачу на валу электродвигателя (45), закрепленного вертикально на задней стенке корпуса. При включенном электродвигателе гайка перемещается по винту вдоль платформы вместе с двумя втулками и планкой. Устройство вибрационной нагрузки (4) может крепиться либо жестко на любой опоре, например, Рис. 1, либо на специальную монтажную тумбу (12), оборудованную виброгасящей платформой (13), Рис. 2 - Рис. 6. Вибрационное воздействие передается человеку с помощью вибродотов различной конструкции, которые крепятся на платформе при помощи специальных монтажных разъемов или на тросе. Контакт может происходить, например, посредством кистевого захвата вибродота - Фото. 1, Рис. 1 - Рис. 3, Рис. 7, Рис. 8 через опирание тазобедренной областью на спинально-бедренный вибродот - Рис 5, Рис. 6, посредством опоры обеих стоп на ножной вибродот - Рис. 4, Фото. 2. Опорные конструкции выполнены с возможностью изменения углов их наклона, перемещения их в вертикальном и горизонтальном направлениях и оборудованы ременными приспособлениями для закрепления на них спортсмена. Для обеспечения поз положения тела, в которых проводится стимуляция, используются опорные конструкции (7), например кресло - Рис. 1 - Рис. 3, стол - Рис. 4, Рис. 5, конструкция (15) для закрепления нижних конечностей - Рис. 4, Рис. 5. Эти конструкции выполнены с возможностью изменения углов их наклона, перемещения их в вертикальном направлении. Для перемещения в вертикальном направлении может быть использован электроподъемник (9), Рис. 1 - Рис. 4, закон движения которого определяется программно в зависимости от значения суставного угла. Монтажная тумба (12) на Рис. 2 - Рис. 6 с виброгасящей платформой (13) предназначена для установки на ней устройства вибрационной нагрузки (4), также она имеет специальные монтажные разъемы (16) для установки съемных опорных конструкций (7), (15), (17) - Рис. 5, Рис. 6. Для передачи ортогонального к контактирующей поверхности действия по схеме одновременного и суммарного приложения сил, например к голени человека (5), находящегося на опорном устройстве - кресле (7) - Рис. 7, или к предплечью Рис. 8, используются радиально изогнутые направляющие (18) Рис. 7, Рис. 8, Рис. 12 перемещения этих сил, представляющие собой части окружностей различного диаметра, изготовленные из труб различного профиля. Эти изогнутые по радиусу трубы - направляющие перемещения имеют прорезь (22) Рис. 12 по всей длине внутренней или внешней кривизны. Другой же, диаметрально противоположной не имеющей прорези стороной, они закреплены неподвижно на жестком основании (21), Рис. 7, Рис. 8. Внутрь радиально согнутой трубы через один из ее концов по направляющему блоку (20) входит трос (3) с установленными на нем сферами (19) по линии их диаметра, а на конце троса, выходящего из пространства трубы, закреплен вибродот-штанга (10), Рис. 7, Рис. 8, Рис. 12, лежащий в плоскости, перпендикулярной плоскости радиально согнутой трубы, вне пространства трубы, Рис. 7, Рис. 8, Рис. 12. Такая конструкция может быть максимально адаптирована со всеми доказавшими свою эффективность упражнениям на «изолированную тренировку мышц».

Возможны самые разнообразные пространственные расположения таких конструкций, удовлетворяющих практически всему многообразию одно- или двухсуставных вращательных движений. В этих случаях существенно упрощается выбор оптимальных нагрузок на рабочую группу мышц в связи с известными величинами плеча прикрепления мышцы при каждом значении суставного угла. При этом вибрационное воздействие будет происходить с максимальной амплитудой при каждом значении суставного угла и при минимизации осевых вибрационных нагрузках сжатия-растяжения на суставы. Управление тренировочным процессом схематически показано на Рис. 13. После выбора программы в блоке программного управления (47) и начала сократительной деятельности мышц все управляющие параметры стимуляции - частота, амплитуда, нагрузка, значения суставных углов, биомеханические зависимости, изменяющиеся под нагрузкой, передаются в блок измерения и сравнения (48) с заданными программно параметрами стимуляции, затем в блоке управления текущими параметрами стимуляции (49) происходят сравнение и коррекция программных параметров с текущими и их исправление, в соответствии с критериями данной программы и с применением данных индивидуальных биомеханических зависимостей и передачей исполнительных команд в (50) - блок управления электромеханической силовой нагрузкой, (51) - блок управления устройством вибрационной нагрузки, блок управления приводами эдектроподъемников - (52), откуда все данные поступают в блок программного управления и происходит корректировка программы.

Таким образом, непрерывно осуществляется процесс оптимального сокращения рабочих мышц. На Рис. 3 (а, б) схематично показан вариант практической реализации устройства для случая раздельного приложением сил, при котором внешняя нагрузка, приложенная к тросу (3), стимулируемая группа мышц (преимущественно мышцы плеча, плече-лопаточной и грудной области) и узел вибрационной нагрузки (4) расположены последовательно, так что стимулируемая группа мышц находится в центре приложения сил к различным частям тела человека. Спортсмен (5), на которого при помощи ременной системы (11), охватывающей верхнее-грудную и плече-лопаточную области и соединенной с тросом (3), действует внешняя сила, размещается на опорной конструкции (7), высота которой регулируется электрическим или механическим подъемником (9), с возможностью перемещения по поверхности этой конструкции в горизонтальном направлении, в результате силового взаимодействия с вибродотом (10), установленным на платформе (8) виброустройства (4) на монтажной тумбе (12) с виброгасящей платформой (13), осуществляемого посредством кистевого захвата и одновременного изменения величины угла в локтевом суставе, как следствие изменения силы натяжения мышц. Вибрационная стимуляция осуществляется при перемещении спортсмена из положения а) в положение б), происходящее под действием силы тяги рук против приложенной внешней силы. В самом простом случае в этом упражнении устанавливается величина внешней нагрузки и параметры вибровоздействия, которые не изменяются при всей амплитуде движения. В случае программного управления процессом стимуляции при величине натяжения троса, соответствующей индивидуальной биомеханической зависимости

, параметры вибростимуляции определяются, например, на основании текущего значения силы натяжения и соответствующего этой силе значений частоты

и амплитуды как функции обратной к

.

На Рис. 4(а, б) показана реализация схемы раздельного приложения сил при выполнения упражнений на развитие силы мышц ног. Спортсмен (5), лежа на опорной конструкции - столе (7) с электроподъемником (9) с согнутыми в коленях ногами, опирается на вибродот (10) на виброплатформе (8) виброустройства (4) с возможностью его вращения стопами, закрепленными ременным устройством (11). При разгибании ног против внешней силы, приложенной к тросу (3), соединенному с набедренным ременным устройством (11), происходит тренировка мышц бедра и голени. В сравнении с упражнениями аналогичной направленности в методах БСМ и СБА (например, упражнение 33, рис. 78-82, стр. 61-63, Михеев А.А., Прилуцкий П.М. Обучение ударным действиям в восточных единоборствах с применением методики СБА. Мн., 2000. - 102 с.) практически исключена ударная осевая нагрузка сжатия-растяжения на голеностопные, коленные, тазобедренные суставы. На Рис. 5, Рис. 6 показаны варианты реализации схемы с раздельным приложением сил и горизонтальным расположением спортсмена на опорной конструкции - столе (7), регулируемом по высоте, например, электроподъемником (17), установленным в монтажном разъеме (16) на монтажной тумбе (12), оборудованной виброгасящей платформой (13). Спортсмен опирается на вибродот (10 в крестцово - подвздошной или бедренной области с закреплением ног на регулируемой разновысокой конструкции для закрепления нижних конечностей (15), установленной в монтажном разъеме (16). Внешняя электромеханическая (механическая) нагрузка действует через трос (3) с закрепленной на его конце штангой-рукоятью (14), захватываемой кистями рук, так что спортсмен и вибродот расположены последовательно, при этом стимулируемая группа мышц туловища (плечевого пояса, груди, спины) находится в центре приложения стимулирующих сил к различным частям тела спортсмена. Спортсмен осуществляет последовательно напряжение различных групп мышц с последующей тягой троса, при этом происходят преимущественно поперечные колебания напряженных мышц всего тела, распространяющиеся от места взаимодействия с вибродотом.

На Рис. 7 показана схема одностороннего приложения сил, при этом устройство вибрационной нагрузки закреплено неподвижно, например, как на Рис. 1, в отличие от перемещающегося вибратора под действием силы тяги спортсмена и действующей силы тяжести у Михеева А.А. (А.с. 1447385 СССР, МКИ A63B 21/06. Устройство для тренировки мышц / Михеев А.А., Нигреев B.C., Казаков С.Ф., Карпович И.И. (СССР). №4223674/28-12; Заявлено 09.04.87; Опубл. 30.12.88, Бюл. №48 // Открытия. Изобретения. - 1988. - №48. - С. 28.), а перемещение вибродота-штанги (10), закрепленного на тросе (3) с расположенными на нем сферами (19), катящимися через блок (20) по окружности радиально изогнутой трубы - направляющей перемещения (18), закрепленной на основании (21), к которой приложена вибрационная и электромеханическая нагрузки, происходит при вращательном движении голени в коленном суставе. При этом вибрационное воздействие происходит при минимизации осевых вибрационных нагрузок на суставы. На Рис. 8 показана поза человека (5), выполняющего стоя сгибание в локтевых суставах по схеме одностороннего и одновременного приложения сил. Перемещение вибродота-штанги (10), захваченного кистями рук, который расположен ортогонально плоскости радиально изогнутой трубы - направляющей перемещения (18), осуществляется против действия внешней и вибрационной нагрузок, соединенных с тросом (3), с закрепленными на нем сферами (19), катящимися через блок (20), при движении вибродота по окружности радиально изогнутой трубы, закрепленной на основании (21). Подробно движение троса с шарами через блок по радиально изогнутой трубе показано на Рис. 12.

Заявляемое тренажерное устройство содержит следующие существенные признаки новизны как технологического решения, реализующего «способ стимуляции произвольного сокращения мышц»: 1) физическое наличие двух источников силы, осуществляющих стимуляцию, которые размещены в различных вариантах взаимодействия между собой и человеком; 2) наличие троса блочной системы, объединяющей обе силовые нагрузки и преобразующей их воздействие в однонаправленное суммарное; 3) угловое колебание виброплатформы; 4) наличие регулятора амплитуды колебаний с электроприводом; 5) применение изогнутых по радиусу полых труб (направляющих перемещения стимулирующих сил). Заявленное устройство отличается от прототипа совокупностью перечисленных выше новых признаков, реализованных в техническом устройстве, прошедшем сертификацию, что подтверждает Сертификат соответствия №РОСС RU.АГ88.В05917 (Рис. 14). Техническое решение заявляемого устройства соответствует критерию «новизна», так как оно не известно из уровня техники на дату подачи заявки. Техническое решение заявленного устройства соответствует критерию «изобретательский уровень», так как не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками, и не обнаружено доказательства влияния этих отличительных признаков на получаемый технический результат.

Описание рисунков и фото

На Рис. 1 показана схема одностороннего приложения двух сил, именно, вибрационной, задаваемой узлом вибрационной нагрузки (4), и электромеханической (механической) нагрузки (2) к человеку (5), располагающемуся на опорной конструкции (7) с электроподъемником (9). Трос (3) закреплен на виброустройстве (4) и проходит через систему подвижных блоков (6) и закрепляется на вибродоте (10) - металлической штанге, ортогональной к направлению движения, предназначенной для кистевого захвата руками и осуществления тяги; (1) - опорная рама.

На Рис. 2 показана схема раздельного приложения двух сил к человеку (5), находящемуся на опорной конструкции (7) с электроподъемником (9), электромеханическая сила (2), действие которой передается через трос (3) и опорную раму (1), одним концом соединенный с внешней силой, а второй крепится к ременному устройству (11), охватывающему верхнюю часть грудного отдела; вибрационная сила действует на человека через вибродот (10) на виброплатформе (8) виброузла (4), крепящегося на тумбе (12) с виброгасящей платформой (13).

На Рис. 3 (а, б) показана реализация тяги на бицепс, (3) - трос, (4) - виброустройство, (5) - человек, (7) - опорное устройство, (8) - виброплатформа, (9) - электроподъемник, (10) - вибродот, (11) - крепежное ременное устройство, (12) - тумба, (13) - виброгасящая платформа. На Рис. 4 (а, б) показан жим ноги человека лежа на спине, (3) - трос, (4) - виброустройство, (5) - человек, (6) - система подвижных блоков, (7) - опорное устройство - стол, (8) - виброплатформа, (9) - электроподъемник, (10) - вибродот, (11) - крепежное ременное устройство, (12) - тумба, (13) - виброгасящая платформа.

На Рис. 5, Рис. 6 показаны позы с использованием конструкция для закрепления нижних конечностей: (3) - трос, (4) - виброустройство, (5) - человек, (7) - опорное устройство - стол, (8) - виброплатформа, (9) - электроподъемник, (10) - вибродот, (12) - тумба, (13) - виброгасящая платформа, (14) - рукоять-штанга электромеханической нагрузки, (15) - регулируемая разновысокая конструкция для закрепления нижних конечностей (16) - монтажные разъемы, (17) - подъемник механический или электро.

На Рис. 7 показаны (3) - трос, (5) - человек, (7) - кресло, (10) - вибродот-штанга, (18) - направляющая перемещения, (19) - сферы, (20) - блок, (21) - жесткое основание. На Рис. 8 показаны (3) - трос, (5) - человек, (10) - вибродот - штанга, (18) - направляющие перемещения, (19) - сферы, (20) - блок, (21) - жесткое основание. На рис. 9 показана принципиальная схема реализации поперечно-волновых колебаний в гибком шнуре - мышцах передней поверхности плеча.

На Рис. 10 (а, б) показана схема виброустройства: (8) - виброплатформа, (23) - пружина растяжения, (24) - толкатель (шатун), (25) - шарнирное соединение, (26) - крепежные болты, (27) - проушины, (28) - монтажная пластина, (29) - болты в резинометаллических втулках, (30) - стяжной болт, (31) - гайка, (32) - резинометаллический шарнир, (33) - втулка, (34) - кожух, (35) - пружина сжатия (36) - корпус виброустройства. На Рис. 11 показана схема регулятора величины амплитуды: (8) - виброплатформа, (36) - корпус виброустройства, (37) - винт, (38) - гайка, (39) - втулка, (40) - планка, (41) - подшипник, (42) - стойка, (43) - малая шестерня, (44) - большая шестерня, (45) - электродвигатель, (46) - направляющие валы.

На Рис. 12 показана схема организации движения в радиально изогнутых направляющих перемещения: (3) - трос, (10) вибродот - (18) - радиально изогнутые направляющие, (19) - сферы, (20) - блок, (22) - прорезь. На Рис. 13 показана схема управления: (47) - блок программного управления, (48) - блок измерения и сравнения текущих параметров стимуляции, (49) - блок управления текущими параметрами, (50) - блок управления электромеханической силовой нагрузкой, (51) - блок управления устройством вибрационной нагрузки, (52) - блок управления приводами электроподъемников. На Рис. 14 представлен Сертификат соответствия №РОСС RU.АГ88.B05917 на заявляемое устройство. Фото. 1 - кистевой захват вибродота, крепящегося на платфоме виброустройства. Фото. 2 - крепление ременным устройством стоп на вибродоте с возможностью его вращения. Фото. 3 – вибродот, крепящийся на виброплатформе с изменяемым углом наклона.

Claims

1. Способ стимуляции произвольной сократительной способности мышц, использующий в качестве стимулирующих сил источник гармонических колебаний и внешнюю нагрузку, отличающийся тем, что стимулирующие воздействия осуществляют совокупным одновременным приложением двух видов сил - регулируемой внешней силовой нагрузки и вибрационной нагрузки с параметрами вибрации, соответствующими спектру естественных колебаний мышц; при этом стимулирующие силы располагают в различных комбинациях их взаимодействия со спортсменом, а именно, либо совокупно, разнесенно и разнонаправленно, когда внешняя нагрузка, стимулируемая группа мышц и вибростимулятор расположены последовательно, так, что стимулируемая группа мышц находится в центре приложения сил к различным частям тела спортсмена, либо совокупно, совмещенно и однонаправленно, когда в точке контакта одновременно однонаправленно и суммарно действуют обе стимулирующие силы, а в качестве параметров стимулирующих сил используют значения связанных между собой различными зависимостями физических величин самого объекта стимуляции (мышц) - данных индивидуальных биомеханических зависимостей; при этом значения параметров частоты, амплитуды и внешней нагрузки изменяют непрерывно; в частности, при колебаниях, близких к резонансным, частоту стимуляции задают, в том числе, из соображения кратности частоты собственных колебаний мышцы частоте колебаний вибровоздействия; само же вибрационное воздействие осуществляют преимущественно ортогонально к направлению продольной оси контактных конечностей или туловища, что генерирует в них поперечные колебания, а в частях тела, соединенных с ними, поперечные и продольные колебания, причем интенсивность каждого колебательного процесса зависит от значений суставных углов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что благодаря особенности воздействия поперечными колебаниями используют специальные позы положения тела, исключающие возможность перемещения центра масс или минимизирующих перемещение значительной его части в направлении действия вибрационной силы, существенно снижают осевую ударную нагрузку сжатия-растяжения на позвоночник и суставы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что благодаря особенности воздействия поперечными колебаниями существенно снижают вибронагрузку без уменьшения усилий, развиваемых мышцами.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что благодаря особенности воздействия поперечными колебаниями подсчет физической нагрузки в колебательном движении производят по перемещению внешней нагрузки.

5. Тренажерное устройство способа стимуляции произвольного сокращения мышц, включающее виброустройство и внешнюю нагрузку, отличающееся тем, что содержит два различных источника силы - электромеханическое устройство с регулируемым по величине вращающим моментом и скоростью вращения электродвигателя и виброустройство с частотой колебаний до 50 Гц и амплитудой до 4 мм, при этом источники силы для организации различных форм силовых воздействий конструктивно расположены в тренажере в различных комбинациях их взаимодействия между собой и со спортсменом, а именно таким образом, что при этом осуществляется либо раздельный контакт между разными силовыми устройствами и различными частями тела спортсмена, например электромеханическое устройство и виброустройство размещены по разные стороны относительно спортсмена, находящегося в горизонтальном или вертикальном положении, либо совмещенный суммарный контакт обоих источников с контактной частью тела через трособлочное устройство, включающее оба силовых устройства, опорную раму, блок и трос и в котором виброустройство и электромеханическое устройство закреплены неподвижно на нижнем основании опорной рамы, при этом электромеханическое устройство находится внутри стоек опорной рамы, а виброустройство - снаружи боковой стойки, трос же от виброустройства поднимается на верхнюю перекладину, проходя через опорные ролики и спускаясь вниз, между стойками опорной рамы, огибает одношкивный блок и, поднимаясь на верхнюю перекладину, своим свободным концом выходит за пределы опорной рамы, при этом ось блока одновременно соединена с тросом регулируемой электромеханической нагрузки таким образом, что на свободном конце троса при его нагружении действуют одновременно электромеханическая и вибрационная силы; при этом свободный конец троса блочного устройства с закрепленной рукоятью входит в радиально изогнутые направляющие перемещения стимулирующих сил - изогнутые с определенным радиусом трубы различного профиля на длине полуокружности, которые направляют действие сил, приложенных к тросу, по касательной в точках кривизны этих окружностей при перемещении внутри пространства трубы, троса с закрепленными на нем сферическими элементами, центрирующими положение троса, по всей же длине этих окружностей по линиям внутренней или внешней кривизны изогнутые трубы имеют прорезь, ширина которой больше диаметра троса, но меньше диаметра сфер, которые входят по касательной в трубу по желобу вращающегося блока, расположенного на одном из концов трубы, а рукоять, прикрепленная к тросу, выходящему в прорезь из полости трубы наружу, и лежащая в плоскости, перпендикулярной плоскости направляющих, перемещается по поверхности кривизны под воздействием силы тяги спортсмена, воздействуя на контактирующие с ней части тела суммой приложенных внешних сил электромеханического устройства и виброусройства, величина силы которого зависит от значений его частоты и амплитуды платформы; сама же платформа, с одной стороны, имеет механическое, например шарнирное, соединение с корпусом, внутри которого закреплено виброустройство, а на его боковой грани с механическим соединением платформы и корпуса вертикально установлен электродвигатель с редуктором; с противоположной же стороны платформа по направлению ее продольной оси имеет механическое, например шарнирное, закрепление с толкателем виброустройства в виде вращательной кинематической пары, при этом резинометаллический шарнир на оси вращения включает эластичный элемент цилиндрической формы, сама же платформа перемещается на величину угла, определяемую величиной хода шатуна и расстоянием между шарнирным закреплением платформы и шатуном виброустройства, что позволяет в зависимости от выбора расположения точки контакта на виброплатформе изменять амплитуду вибрационного воздействия; на самой же платформе установлен регулятор амплитуды, включающий два закрепленных в специальных стойках направляющих вала, по которым могут перемещаться втулки, и винт, посаженый в подшипники с обеих сторон в тех же стойках, с перемещающейся по нему гайкой и шестерней на его конце, входящей в редукторную передачу электродвигателя, расположенные параллельно продольной оси платформы по всей ее длине и лежащие в плоскости, параллельной плоскости основания корпуса, а также жесткую планку, соединяющую обе втулки и гайку, на которой расположены разъемы для установки вибродотов и крепления троса.