УСТРОЙСТВО ДЛЯ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Изобретение относится к области медицины и спорта и может быть использовано как для спортивных занятий (в частности, для развития двигательно-координационных навыков и возможностей), так и для общеоздоровительных и восстановительных занятий (в частности, для уменьшения и профилактики физической усталости и стрессов) у людей, обладающих различной двигательной активностью и двигательными способностями.

В настоящее время широко известны различные устройства для биомеханического воздействия на организм человека (см., например, http://www.studio-pilates.ru, 2009).

Однако не все подобные устройства можно считать адекватными природной биомеханике человека.

Известно устройство для биомеханического воздействия на организм человека, содержащее опору, предназначенную для размещения на ней человека, слой пружин, на которых установлена опора с возможностью обеспечения колебательного движения вдоль координатных осей х, у и z и вращения относительно координатных осей х и у при воздействии на нее человека, и основание, на котором установлен слой пружин (см. DE 102009035809 А1, 03.02.2011. А63В 22/16, фиг.1-3). В указанном источнике описано колебательное движение с частотой от 4 Гц и амплитудой около 10 см.

Известное устройство принято в качестве ближайшего аналога к заявленному изобретению.

Недостатки известного устройства состоят в том, что его конструктивное выполнение ограничивает область применения только до спортивных занятий, вследствие того, что частота и амплитуда колебательного движения (от 4 Гц и 10 см) таковы, что являются некомфортными для человека, в особенности для человека со сниженной активностью, и в большинстве случаев не позволяют самостоятельно выполнять упражнения, что, кроме этого, снижает эффективность использования устройства.

Задачей заявленного изобретения является создание устройства для биомеханического воздействия на организм человека, обладающего повышенной эффективностью воздействия при одновременном расширении области его применения.

В результате достигается технический результат, состоящий в обеспечении простоты и комфортности использования устройства и возможности использования его для людей с различной двигательной активностью и двигательными возможностями для самостоятельных занятий.

Указанный технический результат достигается посредством создания устройства для биомеханического воздействия на организм человека, содержащего базовую опору, предназначенную для размещения на ней, по меньшей мере, нижних конечностей человека, и слой пружин, на которых установлена базовая опора с возможностью обеспечения колебательного движения вдоль координатных осей х, у и z и вращения относительно координатных осей х и у при воздействии на нее человека, которое снабжено, по меньшей мере, одним дополнительным слоем пружин, на которых установлена базовая опора, и, по меньшей мере, одной промежуточной опорой, установленной с разделением, по меньшей мере, двух упомянутых слоев пружин, или каждая из пружин выполнена в форме усеченного конуса с меньшим основанием, обращенным к базовой опоре, при этом диаметр большего основания конуса составляет от 1,05 до 2,7 диаметра меньшего основания, или каждая из пружин имеет цилиндрический участок «а», обращенный от базовой опоры, конический участок «b», переходящий в него, и цилиндрический участок «с», переходящий в участок «b», при этом суммарная длина каждой пружины на участках «а» и «с» составляет от 0,1 до 0,7 от общей длины каждой пружины, а диаметр каждой пружины на участке «а» составляет от 1,05 до 2,7 от диаметра пружины на участке «с», а жесткость пружин всегда выбрана из условия:

,

где G - жесткость одной пружины, кг/см,

k - коэффициент, учитывающий интенсивность движений человека, причем k=0,3-0,8 для движений малой интенсивности, k=0,8-1,5 для движений умеренной интенсивности, k=1,5-2,0 для энергичных движений, k≥2,0 для движений с элементами бега и прыжков,

m - масса человека, кг,

l - число слоев пружин, причем l=1-4,

n - число пружин в одном слое, причем n≥3.

Согласно частному варианту выполнения, устройство дополнительно содержит основание, на котором установлен соответствующий слой пружин.

Согласно частному варианту выполнения, при l=2-4 каждая из пружин выполнена в форме цилиндра.

Согласно частному варианту выполнения, базовая опора выполнена из упругого материала.

Согласно частному варианту выполнения, базовая опора выполнена из жесткого материала, что дополнительно позволяет повысить амплитуду колебательного движения и адаптивность устройства при движениях малой интенсивности.

Согласно частному варианту выполнения, базовая опора имеет плоскую поверхность, предназначенную для размещения, по меньшей мере, нижних конечностей человека.

Согласно частному варианту выполнения, базовая опора имеет наклонную поверхность, предназначенную для размещения, по меньшей мере, нижних конечностей человека.

Согласно частному варианту выполнения, базовая опора имеет криволинейную поверхность, предназначенную для размещения, по меньшей мере, нижних конечностей человека.

Согласно частному варианту выполнения, концы пружин закреплены на опорах жестко.

Согласно частному варианту выполнения, концы пружин закреплены на опорах с возможностью смещения при воздействии на базовую опору, что дополнительно позволяет повысить адаптивность устройства и, следовательно, комфортность его использования, и улучшить его механические свойства.

Согласно предпочтительному варианту выполнения, концы пружин закреплены с помощью элементов, образующих петлю, в которой они расположены с зазором.

Согласно частному варианту выполнения, при l=2-4 пружины слоев расположены соосно.

Согласно частному варианту выполнения, базовая опора имеет в продольном сечении форму прямоугольника, квадрата или круга, эллипса.

Согласно частному варианту выполнения, пружины слоев расположены в периодическом порядке.

Согласно предпочтительному варианту выполнения, пружины расположены в шахматном порядке.

Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения, пружины расположены в узлах прямоугольной решетки.

Согласно частному варианту выполнения, пружины расположены симметрично относительно центральной оси.

Согласно частному варианту выполнения, устройство снабжено поручнем, что дополнительно позволяет повысить удобство его использования.

Согласно частному варианту выполнения, базовая опора представляет собой в проекции прямоугольник, квадрат или круг, эллипс.

Выполнение каждой пружины с диаметром на участке «а», меньшим чем 1,05 от диаметра на участке «с» (или диаметром большего основания конуса, меньшим, чем 1,05 от диаметра меньшего основания), нецелесообразно из-за практического отсутствия; адаптивности к изменению веса тела занимающегося человека.

Выполнение каждой пружины с диаметром на участке «а», большим чем 2,7 от диаметра на участке «с» (или диаметром большего основания конуса, большим чем 2,7 от диаметра меньшего основания), нецелесообразно из-за смещения адаптационных свойств устройства в область малых весов занимающихся людей.

Выполнение каждой пружины с длиной на участке «а» и участке «с», большей чем 0,7 от общей длины пружины нецелесообразно из-за снижения стабильности работы устройства при различном весе тела занимающихся людей.

Выполнение каждой пружины с суммарной длиной на участке «а» и участке «с», меньшей чем 0,1 от общей длины пружины, нецелесообразно из-за снижения влияния на характеристики устройства.

На фиг.1 показано схематичное изображение заявленного устройства (вид сверху).

На фиг.2 показано схематичное изображение заявленного устройства, согласно первой альтернативе (вид сбоку в разрезе).

На фиг.3 показано схематичное изображение заявленного устройства, согласно второй альтернативе (вид сбоку в разрезе).

На фиг.4 показано жесткое закрепление концов пружин на опорах.

На фиг.5 показано закрепление пружин на опорах с возможностью смещения их концов.

На фиг.6 показано схематичное изображение пружины, состоящей из участков «а», «b» и «с».

Устройство для биомеханического воздействия на организм человека, показанное на фиг.1, содержит базовую опору 1, предназначенную для размещения на ней человека (или, по меньшей мере, его нижних конечностей, например, при использовании устройства в положении сидя на стуле), и слой пружин 2, на которых установлена базовая опора 1.

Базовая опора 1, согласно частному варианту, имеет плоскую поверхность 1а.

Согласно первой альтернативе выполнения, показанной на фиг.2, устройство снабжено дополнительным слоем пружин 2а, на которых установлена базовая опора 1, и промежуточной опорой 3, установленной с разделением двух упомянутых слоев пружин 2 и 2а.

Согласно частному варианту, устройство также содержит основание 4, на котором установлен слой пружин 2 или 2а (см. фиг.2 и 3), а пружины 2 и 2а расположены симметрично относительно центральной оси.

Согласно частному варианту первой альтернативы, показанному на фиг.2, каждая из пружин 2 и 2а выполнена в форме цилиндра, при этом пружины 2 и 2а слоев расположены соосно.

Согласно второй альтернативе выполнения, каждая из пружин 2 выполнена в форме усеченного конуса с меньшим основанием, обращенным к базовой опоре 1 (см. фиг.3).

Диаметр большего основания конуса составляет от 1,05 до 2,7 диаметра меньшего основания.

Согласно третьей альтернативе, каждая из пружин 2 имеет цилиндрический участок «а», обращенный от базовой опоры 1, конический участок «b», переходящий в него, и цилиндрический участок «с», переходящий в участок «B» (см. фиг.6).

Суммарная длина каждой пружины 2 на участках «а» и «с» составляет от 0,1 до 0,7 от общей длины L каждой пружины 2. Диаметр D каждой пружины 2 на участке «а» составляет от 1,05 до 2,7 от диаметра d пружины 2 на участке «с».

Во всех альтернативах концы пружин 2 и 2а могут быть закреплены на опорах 1 и 3 жестко (как показано на фиг.4), например, посредством болтового соединения 5 и элемента 6 (шайбы или скобы), или с возможностью смещения при воздействии на базовую опору 1. В последнем случае могут быть использованы болтовое соединение 4 и элемент 7, имеющий петлю 8, в которой последние витки пружин 2 и 2а располагают с зазором (например, как показано на фиг.5).

В этом случае улучшаются механические свойства устройства, в частности, уменьшаются «паразитные» напряжения в пружинах 2 и 2а вследствие допусков при сборке, снижается трение. Также улучшается адаптивность устройства к усилиям, возникающим при воздействии человека на базовую опору 1 в выбранном им режиме занятий.

Допустимо выполнение устройства в любом альтернативном варианте, определяемом исходя из материалоемкости, а следовательно, и стоимости устройства, конструирования его для различных занимающихся, для некоторых из которых присутствуют повышенные требования к эргономичности устройства, возможности использования только серийно выпускаемых конструктивных элементов и т.п.

Жесткость пружин всегда, во всех альтернативах выполнения, выбрана из условия

,

где G - жесткость одной пружины, кг/см,

k - коэффициент, учитывающий интенсивность движений человека, причем k=0,3-0,8 для движений малой интенсивности, k=0,8-1,5 для движений умеренной интенсивности, k=1,5-2,0 для энергичных движений, k≥2,0 для движений с элементами бега и прыжков,

m - масса человека, кг,

l - число слоев пружин, причем l=1-4,

n - число пружин в одном слое, причем n≥3.

Базовая опора 1 всегда установлена на пружинах 2 и 2а с возможностью обеспечения колебательного движения вдоль координатных осей х, у и z и вращения относительно координатных осей х и у при воздействии на нее человека.

Заявленное конструктивное выполнение устройства (во всех альтернативах) позволяет обеспечить нелинейность рабочих характеристик пружин, что, в свою очередь, обеспечивает многомерность, вариативность и адаптивность возникающих колебаний, т.е. ответную реакцию устройства при воздействии на него человека, наиболее соответствующую естественной биомеханике человека. Это обеспечивает комфортность и эффективность использования устройства и расширяет область его применения.

Конструктивное выполнение устройства также обеспечивает удобство его использования, что дает возможность использовать его самостоятельно (например, при занятиях больных дома).

Конкретно, заявленное конструктивное выполнение устройства (во всех альтернативах) обеспечивает возможность:

1) колебательного движения с частотой от 1 до 6 Гц, соответствующей частоте естественных колебаний, возникающих при движениях человека «малой и средней интенсивности», и амплитудой от 1 до 12 см, что является наиболее комфортным для человека;

2) колебательного движения с частотой от 6 до 100 Гц, что востребовано при спортивных упражнениях и беге, сопровождающихся резкими движениями, прыжками и т.п., или при использовании спортивного снаряда, средства для массажа и т.п.;

3) колебательного движения с амплитудой ниже, чем 1 см, которое нецелесообразно в «спортивно-оздоровительных» целях, поскольку в этом случае колебания слабо ощущаются человеком, и воздействие малоэффективно, но может быть целесообразно для снятия эмоционального утомления и стресса или тренировки равновесия;

4) ритмичного и аритмичного колебательного движения с частотой от 0,1 до 1 Гц, соответствующей ритму смены положения при произвольном и непроизвольном смещении центра тяжести, и амплитудой от 1 до 12 см, что является наиболее естественным и комфортным для человека при поддержании равновесия.

Колебательное движение с амплитудой выше, чем 12 см, нецелесообразно, т.к. возникает чрезмерное снижение устойчивости, которое может привести к травмам или избыточным усилиям по удержанию равновесия, что нежелательно.

Длина и ширина базовой опоры выбираются, исходя из конкретного предполагаемого применения устройства, также как и форма базовой опоры.

Заявленное устройство в зависимости от его частного выполнения может использоваться следующим образом:

а) в положении стоя (сидя или лежа) на соответствующем устройстве, размещенном на полу;

б) в положении сидя на стуле, диване, офисном кресле и т.п. при использовании соответствующего устройства в качестве опоры для нижних конечностей;

в) при размещении соответствующего устройства на вертикальной или наклонной поверхности (стене, тренажере и т.п.).

Заявленные устройства могут быть объединены с образованием дорожки для ходьбы, беговой дорожки или тренировочной площадки, что обеспечивает возможность их использования для группы занимающихся людей.

Таким образом, заявленное устройство может быть использовано как для активных занятий, связанных с различной двигательной активностью (различных спортивных и оздоровительных упражнений), так и для пассивных занятий (например, для стояния или стояния с покачиванием для снятия мышечного напряжения и напряжения позвоночника и снижения психологического напряжения), а также для тренировки равновесия.

Заявленное устройство обеспечивает сочетаемость режимов колебаний, биомеханически адекватно для сочетания собственных активных движений человека, пассивных ответных мышечных реакций человека и опорных реакций, внешних возмущений и других возможных усилий при применении тренажеров и других устройств. При этом:

а) колебания с частотой менее 1 Гц определяются, в основном, усилиями человека;

б) колебания с частотой 1-6 Гц определяются, в основном, усилиями человека и диапазоном собственных частот системы «человек-устройство»;

в) колебания с частотой 6-15 Гц определяются, в основном, активными усилиями человека и пассивными реакциями системы «человек-устройство»;

г) колебания с частотой более 15 Гц, а также колебания с меньшей частотой с амплитудой менее 1 см определяются, в основном, пассивными и регуляторными реакциями в системе «человек-устройство».

Примером применения заявленного устройства может служить его использование для реабилитации людей после травм, пожилых людей и людей, имеющих ограничения в самостоятельном передвижении (например, очень пожилые или ослабленные люди, больные в постинсультном периоде или с ДЦП).