Результат интеллектуальной деятельности: Тренажер для развития мышц верхних конечностей

Изобретение относится к спортивным устройствам, в частности к тренажерам для развития мышц кистевого сустава и мышц предплечья, и предназначено для физического развития и спортивных тренировок при занятиях армрестлингом и другими силовыми видами спорта, а также в лечебно-реабилитационных целях в физиотерапии и кинезитерапии пациентами, страдающими заболеваниями опорно-двигательной системы, нуждающимися в дозированных нагрузках в период восстановления после полученных травм и операций.

Известны устройства, которые способствуют развитию и укреплению мышц кистевого сустава и мышц предплечья в различных режимах сокращения мышц, необходимые при занятии армрестлингом. К таким устройствам относятся тренажеры, основанные на растягивании резиновых лент, поднятии груза через блок с упором в локтевом суставе, сжимании пружинных и резиновых эспандеров (www.pumorisport.ru/trenager-4.htm - офиц. сайт, дата обращения 20.12.2016 г. [1]).

Использование этих устройств, как правило, направлено на развивание тянущих функций мышц, а в армрестлинге необходимы толкающие функции мышц. Принимая во внимание эту особенность, очевидно, что известные устройства тренажеров не в полной мере соответствуют биомеханике работы рук при занятии армрестлингом. Кроме того, такие устройства имеют постоянные силовые характеристики, а переналаживание связано с установлением добавочных грузов, что изменяет характеристики устройств ступенчато, что приводит к невозможности быстрого изменения нагрузки во время выполнения тренировки. Использование тренажеров с грузами сопровождается большим шумом и грохотом, которые вызваны падением грузов при прекращении цикла тяги и освобождении груза.

Известно устройство (патент на полезную модель №164167, МПК А63В 23/12, Бюл. №23, опубл. 20.08.2016. Тренажер для развития биомеханики мышц верхних конечностей / Смирнова Светлана Васильевна, Мушарапов Рустем Наилевич, Мингазетдинов Идгай Хасанович [2]), содержащее два гидроцилиндра двустороннего действия, заполненных рабочей жидкостью, штоки которых жестко связаны друг с другом посредством ползуна и с перемещающимися возвратно-поступательно в них поршнями посредством рычага, оборудованного сменной рукояткой, гидрораспределительный канал, связывающий полости гидроцилиндров, насос с гидробаком в единую гидравлическую систему с помощью гидролиний и имеющий встроенный регулятор потока рабочей жидкости, датчик давления, установленный по одну сторону от регулятора потока рабочей жидкости, датчик температуры, электрическую измерительную схему тренажера, к входам которой подсоединены датчик давления и датчик температуры, а выходам - элементы охлаждения гидроцилиндров, насос, средство отображения информации, цифровой интерфейс и пульт управления.

Данное устройство принято нами за прототип. Недостатками известной конструкции тренажера для развития биомеханики мышц верхних конечностей являются низкая эффективность: процесс возвращения рычага в исходное положение (состояние) имеет длительный характер, что в результате длительной подготовки тренажера приводит к неэффективности тренировки; неавтоматизированный процесс регулирования нагрузки приводит к длительному регулированию усилия; недостаточная точность определения усилия на рычаге за счет установки датчика давления только в одной полости гидрораспредилительного канала; загрязнение рабочей жидкости в ходе эксплуатации тренажера вызывает повышение износа элементов гидравлической системы тренажера.

Проблема, на устранение которой направлено изобретение, заключается в повышении эффективности тренажера за счет автоматизации процесса регулирования нагрузки, повышения точности измерения нагрузки, повышения надежности системы, а также расширения функциональных возможностей и удобства в эксплуатации тренажера.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, - повышение эффективности тренажера: автоматизация процесса регулирования нагрузки; повышение точности измерения нагрузки; повышение надежности системы; расширение функциональных возможностей и удобства в эксплуатации.

Технический результат достигается тем, что в тренажере, содержащем два гидроцилиндра двустороннего действия, заполненных рабочей жидкостью, штоки которых жестко связаны друг с другом посредством ползуна и с перемещающимися возвратно-поступательно в них поршнями посредством рычага, оборудованного сменной рукояткой, гидрораспределительный канал, связывающий полости гидроцилиндров, насос с гидробаком в единую гидравлическую систему с помощью гидролиний и имеющий встроенный регулятор потока рабочей жидкости, датчик давления, установленный по одну сторону от регулятора потока рабочей жидкости, датчик температуры, электрическую измерительную схему тренажера, к входам которой подсоединены датчик давления и датчик температуры, а выходам - элементы охлаждения гидроцилиндров, насос, средство отображения информации, цифровой интерфейс и панель управления, новым является то, что в гидравлическую систему введен крановый распределитель, связывающий насос и гидробак с емкостями гидрораспределительного канала с образованием обратной связи для перераспределения рабочей жидкости в гидравлической системе тренажера, а регулятор потока рабочей жидкости оснащен управляемым от электрической измерительной схемы тренажера электроприводом регулятора потока для регулирования нагрузки на рычаге путем автоматического изменения проходного сечения в гидрораспределительном канале, кроме того, подключен второй датчик давления, расположенный по другую сторону от регулятора потока рабочей жидкости, введенный в гидрораспределительный канал, для измерения разности давлений между емкостями гидравлической системы.

Помимо этого, в гидробак гидравлической системы тренажера установлен сливной фильтр, связанный с гидролинией кранового распределителя, для очищения рабочей жидкости в ходе длительного использования.

Также дополнительно оснащен сменной рукояткой для проработки мышц рук, выполненной со сменной выдвижной штангой с V-образным концом, связанной ручкой.

Сущность изобретения иллюстрируется и поясняется на фиг. 1 - фиг. 6, где:

на фиг. 1 изображена полная схема тренажера общего вида (сменная рукоятка 1);

на фиг. 2 изображена схема тренажера вида сбоку (сменная рукоятка 1);

на фиг. 3 изображена рукоятка со спиральными пружинами в разрезе А (сменная рукоятка 1);

на фиг. 4 изображена упрощенная схема тренажера общего вида (сменная рукоятка 2);

на фиг. 5 изображена схема тренажера вида сбоку (сменная рукоятка 1).

Здесь: 1, 16 - гидроцилиндры; 2, 17 - элементы охлаждения гидроцилиндров; 3, 15 - поршни; 4, 14 - штоки; 5 - опорная площадка; 6 - ползун, жестко связанный со штоками 4 и 14; 7 - штифт; 8 - рычаг; 9 - сменная выдвижная штанга; 10, 44 - регулировочный винт; 11 - рукоятка со спиральными пружинами; 12 - подвижный изогнутый рычаг; 13 - шарнир; 18 - электрическая измерительная схема тренажера; 19 - канал измерения; 20 - микроконтроллер; 21 - канал управления; 22 - панель управления; 23 - средство отображения информации; 24 - цифровой интерфейс; 25, 39, 33, 35 - гидролинии; 26 - регулятор потока рабочей жидкости; 27 - датчик температуры; 28 - датчик давления; 29 - гидрораспределительный канал; 30 - электропривод регулятора потока; 31 - сужающие устройство; 32 - датчик давления; 34 - крановый распределитель; 36 - электропривод насоса; 37 - насос; 38 - гидробак; 40 - сливной фильтр; 41, 46 - установочный винт; 42 - упругий элемент; 43 - подпятник; 45 - сменная выдвижная штанга с V-образным концом; 47 - ручка.

Предложенное устройство (фиг. 1) представляет собой рычажно-гидравлическую систему двустороннего действия, содержащую два гидроцилиндра 1 и 16, внутри которых расположены подвижные поршни 3 и 15, соединенные штоками 4 и 14, полости гидроцилиндров 1 и 16 соединены между собой гидролиниями 25 и 39 и гидрораспределительным каналом 29, заполненными рабочей жидкостью, в гидрораспределительном канале 29 установлены регулятор потока рабочей жидкости 26, состоящий из сужающего устройства 31, электропривода регулятора потока 30, датчик температуры 27 и два датчика давления 28 и 32, расположенных в двух полостях гидрораспределительного канала 29, также в гидравлическую систему тренажера входит крановый распределитель 34, связывающий посредством гидролиний 33 и 35 гидробак 38 со сливным фильтром 40 и насос 37 с гидрораспределительным каналом 29. На гидроцилиндрах 1 и 16 установлены элементы охлаждения 2 и 17, управляемые соответствующим каналом управления 21, входящим в электрическую измерительную схему тренажера 18. В центре штоки 4 и 14 жестко связаны между собой ползуном 6. В ползуне 6 имеется штифт 7, соединяющий его с рычагом 8.

Рычаг 8, закрепленный на опорной площадке 5 через шарнир 13, имеет возможность двухстороннего перемещения в вертикальной плоскости гидроцилиндров 1 и 16. На рычаге 8 находится сменная выдвижная штанга 9 для регулирования высоты регулировочным винтом 10 относительно опорной площадки 5. В верхней части конструкции сменной выдвижной штанги 9 (фиг. 2) установлены упругий элемент 42, который через подпятник 43 выполнен с упором в подвижный изогнутый рычаг 12, угол наклона α подвижного изогнутого рычага 12 составляет примерно 30-90° между его осью и плоскостью, перпендикулярной к вертикальной оси сменной выдвижной штанги 9. На подвижном изогнутом рычаге 12, крепящемся к сменной выдвижной штанге 9 с помощью установочного винта 41, установлена рукоятка со спиральными пружинами 11 (фиг. 3).

В дополнение к сменной рукоятке (фиг. 2) вместо сменной выдвижной штанги 9 может устанавливаться другая сменная рукоятка (фиг. 4, 5), состоящая из сменной выдвижной штанги с V-образным концом 45, с возможностью регулировки по высоте с помощью регулировочного винта 44, ручки 47, крепящейся к сменной выдвижной штанге с V-образным концом 45 установочным винтом 46.

Электрическая измерительная схема тренажера 18 (фиг. 1) состоит из микроконтроллера 20, каналов измерения 19 и управления 21. Входом электрической измерительной схемы тренажера 18 являются входы канала измерения 19 и порты микроконтроллера 20, а выходом электрической измерительной схемы тренажера 18 являются выходы канала управления 21 и порты микроконтроллера 20. К входам микроконтроллера 20 электрической измерительной схемы тренажера 18 подключаются выходы с панели управления 22 и канала измерения 19, при этом входы канала измерения 19 подключены к датчику температуры 27 и двум датчикам давления 28 и 32, выходы - к портам микроконтроллера 20, а выходы микроконтроллера 20 связаны с выходами цифрового интерфейса 24, средства отображения информации 23 канала управления 21, при этом выходы канала управления 21 связаны с электроприводами регулятора потока 30 и насоса 36, а также с элементами охлаждения гидроцилиндров 2 и 17. Входы канала управления 21 соответственно подключены к портам микроконтроллера 20.

Тренажер работает следующим образом. Перед использованием осуществляется подключение тренажера к сети электрического питания 220 В, 50 Гц и блока питания (не показан), необходимого для работы электроники тренажера. Затем выбирается соответствующая сменная рукоятка 1 (фиг. 2) или 2 (фиг. 5), осуществляется регулирование по двум составляющим: регулирование сменной выдвижной штанги 9 или сменной выдвижной штанги с V-образным концом 45 по высоте с помощью регулировочного винта 10 или 44 и установление необходимого усилия на рычаге регулятором потока рабочей жидкости 26 с помощью панели управления 22. После этого приступают к тренировкам. Одной рукой (правой или левой) сжимают рукоятку со спиральными пружинами 11, путем надавливания на нее преодолевают сопротивление пружин и упругого элемента 42 и из вертикального положения рычага 8 начинают перемещать его в направлении к плоскости опорной площадки 5. В соответствии с перемещением рычага 8 начинают перемещаться штоки 4 и 14 и связанные с ними поршни 3 и 15, перекачивая жидкость из полостей гидроцилиндра 1 в полость гидроцилиндра 16 через гидролинии 25 и 39 и гидрораспределительный канал 29. Усилие на рычаге 8 определяется скоростью протекания жидкости, которая зависит от проходного сечения регулятора потока рабочей жидкости 26 (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: кн. 1. 5-е изд., перераб. и доп. - СПб: Политехника, 2002. - 105-140 с. 409 с.: ил. [3]). Полученное усилие на рычаге 8 снимается датчиками давления 28 и 32, расположенными в двух полостях гидрораспределительного канала 29.

Полученные информационные сигналы поступают в канал измерения 19 электрической измерительной схемы тренажера 18, где нормируются и поступают в микроконтроллер 20, который осуществляет обработку по заданному алгоритму и преобразование в цифровой сигнал, далее он передается на средство отображения информации 23, а также на цифровой интерфейс 24.

После окончания тренировки одной рукой устанавливают рычаг 8 в вертикальное положение и проводят тренировку другой рукой, перемещая рычаг 8 в противоположном направлении. Для быстрого возвращения рычага в вертикальное положение используется крановый распределитель 34, он позволяет перераспределить поток жидкости через гидролинии 33 из одной полости гидрораспределительного канала 29 в другую.

При достаточной тренированности, при необходимости, регулятором потока рабочей жидкости 26 уменьшают или увеличивают (дросселируют) проходное сечение в гидрораспределительном канале 29, при этом усилие на рычаге 8 возрастает или уменьшается, и тренировочный цикл повторяют при увеличенных или уменьшенных нагрузках.

Во время длительной тренировки рабочая жидкость начинает нагреваться, вследствие чего меняются ее характеристики, а значит, и скорость протекания рабочей жидкости увеличивается и приводит к уменьшению нагрузки на рычаге 8. Во избежание этого в тренажере предусмотрена система охлаждения, которая работает следующим образом: при нагреве жидкости сигнал с датчика температуры 27, проходя через канал измерения 19, поступает в микроконтроллер 20, в котором осуществляется сравнение сигнала с заданным значением, и в случае необходимости микроконтроллер 20 подает сигнал на запуск работы элементов охлаждения гидроцилиндров 2 и 17 (kryothermtec.com/ru/ - офиц. сайт, дата обращения 20.02.2017 г. [4]), работающие для охлаждения рабочей жидкости до заданного состояния, через канал управления 21.

Процессы управления, обработки и передачи осуществляются через микроконтроллер 20 электрической измерительной схемы тренажера 18, который также управляет включением насоса 37 посредством электропривода насоса 36, осуществляющим подачу рабочей жидкости из гидробака 38 во всю гидравлическую систему. Необходимость введения насоса 37 и гидробака 38 с встроенным в него сливным фильтром 40 для повышения надежности и отчистки рабочей жидкости от загрязнителя в гидравлическую систему связана с тем, что при длительной работе тренажера могут возникнуть изменения характеристик рабочей жидкости, для восстановления которых требуется время. Поэтому чтобы не выключать тренажер, микроконтроллер 20, автоматически включает насос 37, временно останавливая работу тренажера. На средстве отображения информации 23 в это время отображается ОСТАНОВ. В гидробаке 38 рекомендуется периодически обновлять рабочую жидкость. В основном это связано с тем, что в ходе эксплуатации тренажера рабочая жидкость начинает загрязнятся из-за попадания пыли и износа движущихся частей гидросистемы тренажера. Несоблюдение этих рекомендаций, может привести к повышению износа элементов гидравлической системы тренажера.

Для того чтобы увеличить нагрузку на развиваемые мышцы кисти, в верхнюю часть конструкции сменной выдвижной штанги 9 установлен упругий элемент 42, который через подпятник 43 выполнен с упором в подвижный изогнутый рычаг 12, угол наклона α подвижного изогнутого рычага 12 составляет примерно 30-90° между его осью и плоскостью, перпендикулярной к вертикальной оси сменной выдвижной штанги 9. На подвижном изогнутом рычаге 12, крепящемся к сменной выдвижной штанги 9 с помощью установочного винта 41, установлена рукоятка со спиральными пружинами 11, внутри которой установлены плоские спиральные пружины, плоскости которых перпендикулярны оси рукоятки и выполненные чередующимися с закруткой в двух взаимно противоположных направлениях. Пружины могут быть расположены попарно с закруткой пружин, составляющих пару, в двух взаимно противоположных направлениях соответственно.

Таким образом, разработанный тренажер позволяет тренировать и развивать одновременно силу мышц кистевого сустава и мышц предплечья с возможностью регулирования характеристик тренажера как по высоте, так и по необходимым усилиям на рычаге в широком диапазоне параметров; следить за ходом тренировки и регулировать дозирование нагрузок в период реабилитации. К тому же, благодаря своей конструкции он позволяет спортсмену тренироваться самостоятельно и максимально приблизить при этом тренировку к реальному поединку; безопасен в использовании, так как он работает в преодолевающем режиме, т.е. сопротивляется пользователю в тот момент, когда он пытается максимально опустить рукоятку вниз, но стоит ему расслабить мышцы, как сопротивление исчезнет. Это отличие по сравнению с другими тренажерами сводит практически на нет риск травматизма у спортсменов или ухудшения состояния у пациентов с заболеваниями опорно-двигательного аппарата; малые габариты и вес, шумоизоляция достигаются за счет компактности гидравлической системы.