динамометрический тренажер для бокса и других видов единоборств

Формула изобретения

1 1. Динамометрический тренажер для бокса и других видов единоборств, включающий ударную подушку с основанием и расположенной на нем эластичной пневмокамерой, снабженной отводным каналом, и измерительную систему, содержащую пневмодатчик, присоединенный к свободному концу отводного канала, и функциональный преобразователь сигнала пневмодатчика с индикатором и узлом сброса показаний, отличающийся тем, что в ударную подушку введены ударная и демпфирующая пластины, эластичное кольцо и кожух, выполненный из мягкого материала, причем эластичное кольцо расположено между основанием и жесткой ударной пластиной с образованием квазизакрытого объема в камере, а в качестве пневмодатчика измерительной системы в отводном канале установлен микроэлектронный полупроводниковый тензодатчик. 2 2. Тренажер по п.1, отличающийся тем, что его измерительная система выполнена многоканальной и дополнительно содержит задатчик, функциональные преобразователи, пиковые детекторы, аналого-цифровые преобразователи и индикаторы по числу измерительных каналов, а ее узел сброса включает первый компаратор и одновибратор, при этом входы функциональных преобразователей связаны с выходом пневмодатчика, выходы функциональных преобразователей подключены к информационным входам соответствующих пиковых детекторов, выходы пиковых детекторов подключены к индикаторам через соответствующий аналого-цифровой преобразователь, первый вход первого компаратора подключен к выходу одного из функциональных преобразователей, второй вход первого компаратора подключен к первому выходу задатчика, выход первого компаратора соединен с входом одновибратора, а выход одновибратора связан с входами обнуления пиковых детекторов. 2 3. Тренажер по п. 2, отличающийся тем, что для определения быстроты реакции единоборца и темпа эффективных ударов в измерительную систему дополнительно введены ступенчатый импульсный прерыватель, второй компаратор, RS-триггер, стартовый сигнализатор, таймер, электронный ключ и счетчики импульсов с индикаторами, подключенными к выходам счетчиков, при этом первый вход второго компаратора соединен с выходом одного из функциональных преобразователей, второй вход второго компаратора соединен с вторым выходом задатчика, выход второго компаратора соединен с входом первого счетчика, S-входом триггера и информационным входом электронного ключа, первый выход ступенчатого импульсного прерывателя подключен к R-входу триггера, стартовому сигнализатору и входам обнуления таймера и второго счетчика, второй выход ступенчатого импульсного прерывателя подключен к управляющему входу электронного ключа, выход триггера соединен с входом управления таймера, а выход электронного ключа соединен с информационным входом второго счетчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к спорту и касается конструкции учебно-тренировочных снарядов для контроля и отработки ударов в боксе и других видах силовых единоборств. Оно может использоваться также при обследовании профессионалов, работающих в силовых структурах.

Известен динамометрический тренажер для силовых единоборств, содержащий способную деформироваться упругую подвеску, которая имеет сжимающуюся под воздействием удара область и растягивающиеся области, охватываемые пьезоэлектрической лентой, соединенной с блоком индикации. По периметру платы, реагирующей на прилагаемую к ней силу, проходит пьезоэлектрический датчик, который принимает волны, возникающие при ударном воздействии на плату (патент PCT N 89/10166, A 63 B 69/20). Для измерения и записи общей силы ударов, нанесенных пользователем во время тренировки, тренажер содержит грушу, подвешенную за верхний конец, к которой прикреплен датчик, два видеоканала, и контрольно-измерительную систему на базе компьютера, связанную с датчиком через функциональные преобразователи (патент США N 4941660, A 63 B 69/00, 1990).

Известен также динамометрический тренажер, включающий укрепленный на подвеске набивной снаряд, внутри которого расположена эластичная капсула с наполнителем, соединенная с индикатором через размещенный в ее центре датчик давления, в частности, пьезоэлемент сферической формы (патент США N 4208048, A 63 B 69/32, 1980; а.с. СССР N 1718994, A 63 B 69/20, 1992).

Эти устройства сложны, громоздки и обладают низкой точностью из-за нелинейной характеристики датчика, смонтированного на упругой подвеске, особенно пьезоэлектрического. Они подвержены влиянию стоячих волн и демпфирующих свойств наполнителя камеры. Кроме того, выполнение спортивного снаряда на подвеске не позволяет в принципе определять энергетические характеристики ударов.

Наиболее близким к заявляемому является динамометрический тренажер для бокса и других видов силовых единоборств, содержащий основание, расположенную на нем сферическую пневмокамеру из эластичного материала с отводным каналом, пьезоэлектрический датчик давления с корпусом в виде полого цилиндра и упругой мембраной, присоединенный к свободному концу отводного канала, и одноканальная измерительная система, связанная с датчиком давления через функциональный преобразователь в виде интегратора, в цепь обратной связи которого параллельно включены конденсатор и механический контакт сброса показаний. При этом вход интегратора соединен с пьезоэлементом, а его выход - с регистрирующим прибором (а.с. СССР N 1261679, A 63 B 69/34, 1985).

Данное устройство дает наглядное представление об интегральном скоростно-силовом характере усилий, затраченных при проведении боксером серий ударов. Однако оно не позволяет оценивать статические, динамические и временные характеристики каждого из ударов, а именно, силу, резкость, скорость ударов, быстроту реакции единоборца, количество и темп наносимых эффективных ударов и т. п. Отмеченные недостатки обусловлены интегрирующими свойствами цепочки "пьезоэлектрический датчик - интегратор". Кроме того, приемник ударов нетехнологичен из-за сложной конструкции пневмокамеры и отличается от привычных боксерских снарядов в отношении восприятия удара, так как удар наносится непосредственно по амортизирующей пневмокамере.

Задачей предлагаемого технического решения является упрощение устройства и повышение информативности обследования силы, резкости, темпа и эффективности как серии, так и каждого из ударов.

Сущность изобретения состоит в том, что в динамометрический тренажер, содержащий ударную подушку, включающую основание, расположенную на нем пневмокамеру со стенками из эластичного материала, снабженную отводным каналом, и измерительную систему, включающую пневмодатчик, присоединенный к свободному концу отводного канала, функциональный преобразователь сигнала пневмодатчика, индикатор и узел сброса показаний, внесены следующие изменения:

1) ударная подушка дополнительно содержит ударную и демпфирующую пластины, эластичное кольцо и кожух, выполненный из мягкого материала;

2) эластичное кольцо расположено между основанием и ударной пластиной с образованием квазизакрытого объема в камере;

3) в качестве пневмодатчика в отводном канале установлен микроэлектронный полупроводниковый тензодатчик.

Принцип действия предлагаемого устройства основан на способности квазизакрытого объема осуществлять импульсную передачу механического воздействия. Этот принцип реализован впервые.

Квазизакрытый объем в пневмокамере создается за счет свободного прилегания основания и/или жесткой ударной пластины к заключенному между ними кольцу, выполненному из эластичного материала. Образованная внутри кольца камера, является герметичной только в момент передачи импульса удара, после чего принимает исходное состояние под действием эластичного элемента при потере герметичности в статике. Для объединения указанных незакрепленных элементов в конструкцию ударной подушки служит кожух.

Установленная в ударной подушке демпфирующая пластина создает привычное для единоборца смягчение удара.

Использование в качестве преобразователя давления микроэлектронного полупроводникового тензодатчика обеспечивает высокую точность определения дифференциальных характеристик принимаемого импульсного воздействия. Наиболее целесообразно использовать микроэлектронный тензодатчик типа УСП-Д32 ТУ25-7262.0011-89, представляющий собой монокристалл кремния со сформированной на нем мембраной путем анизотропного травления и микротензоструктурой, выполненной по планарной интегральной технологии. В отличие от пьезодатчиков, а также от тензодатчиков других типов, микроэлектронный полупроводниковый тензодатчик обладает безинерционностью в диапазоне действующего частотного спектра импульса удара, передаваемого с помощью квазизакрытого объема. Это и позволяет, как пояснено приведенным ниже примером, ввести в каналы измерительной системы пропорциональный и даже дифференцирующий преобразователи, формируя таким образом информацию о силе и резкости отдельных ударов, тогда как в известном устройстве принципиальным было использование интегратора, что не позволяло определять данные характеристики.

Передача сигнала давления из квазизакрытой камеры с достаточной для динамометрического обследования единоборца точностью возможна только с помощью микроэлектронного полупроводникового тензодатчика, причем частотные характеристики этого типа датчиков не дают искажения принимаемого из квазизакрытой камеры сигнала как при проводной, так и при беспроводной (с помощью радиоканала) связи с блоками измерительной системы.

Для одновременного определения нескольких характеристик ударов целесообразно многоканальное исполнение измерительной системы тренажера с одним пневмодатчиком, связанным с функциональными преобразователями различных типов (пропорциональным, дифференциальным, интегральным, пороговым и пр.). Такая измерительная система дополнительно содержит задатчик, функциональные преобразователи, пиковые детекторы, аналого-цифровые преобразователи и индикаторы по числу измерительных каналов, а ее узел сброса включает первый компаратор и одновибратор. При этом выходы функциональных преобразователей подключены к информационным входам соответствующих пиковых детекторов, выходы пиковых детекторов подключены к индикаторам через соответствующий аналого-цифровой преобразователь, первый вход первого компаратора подключен к выходу одного из функциональных преобразователей, второй вход первого компаратора подключен к первому выходу задатчика, выход первого компаратора соединен с входом одновибратора, а выход одновибратора связан с входами обнуления пиковых детекторов для автоматического сброса показаний при каждом ударе.

Для определения быстроты реакции единоборца и темпа эффективных ударов в измерительную систему дополнительно введены ступенчатый импульсный прерыватель (СИП), второй компаратор, RS-триггер, стартовый сигнализатор, таймер, электронный ключ и счетчики импульсов с индикаторами, подключенным к выходам счетчиков, при этом первый вход второго компаратора соединен с выходом одного из функциональных преобразователей, второй вход второго компаратора соединен с вторым выходом задатчика, выход второго компаратора соединен с входом первого счетчика, S-входом триггера и информационным входом электронного ключа, первый выход ступенчатого импульсного прерывателя подключен к R-входу триггера, стартовому сигнализатору и входам обнуления таймера и второго счетчика, второй выход ступенчатого импульсного прерывателя подключен к управляющему входу электронного ключа, выход триггера соединен с входом управления таймера, а выход электронного ключа соединен с информационным входом второго счетчика.

В качестве СИП может использоваться общеупотребительный командный прибор, задающий циклограмму работы управляемого объекта, например таймер, снабженный формирователями длительности выходных импульсов.

В описанной схеме измерительной системы оригинальными являются решения функциональных узлов запоминания и автоматического сброса информации по каналам определения силы и резкости удара, а также реализация концепции учета эффективных ударов по каналам определения быстроты реакции, количества и начального темпа засчитанных ударов.

На фиг. 1 представлена конструкция ударной подушки.

На фиг. 2 приведена аппаратная схема измерительной системы.

Ударная подушка содержит монтируемое на стене основание 1, эластичное кольцо 2, ударную пластину 3, демпфирующую пластину 4 и наружный диск 5, скрепленные кожухом 6 из мягкого материала (кожи, брезента, ткани типа "болонья" и т.п.). Кожух затянут с помощью шнура (на схеме не показан). Пространство внутри эластичного кольца 2 образует квазизакрытую камеру 7 за счет свободного наложения элементов 1, 2 и 3. В основании 1 выполнен отводной канал 8, сообщающий пневмокамеру 7 с тензодатчиком 9, установленным внутри свободного конца отводного канала 8 (на фиг. 1 тензодатчик 9 для наглядности вынесен за пределы ударной подушки).

Основание 1 и ударная пластина 3 выполнены из многослойной фанеры, эластичное кольцо 2 - из резины, демпфирующая пластина 4 - из поролона, а наружный диск 5 - из полипропилена.

В качестве тензодатчика 9 в отводном канале 8 установлен тензометрический микроэлектронный интегральный полупроводниковый преобразователь давления типа УСП-Д32 ТУ25-7262.0011-89.

Измерительная система (фиг.2) выполнена многоканальной и включает каналы определения силы удара, резкости удара (максимального значения производной силы удара по времени dU/dt), количества эффективных ударов (превышающих заданное пороговое значение по выбранному параметру, например, по силе удара), быстроты реакции (интервала времени от старта до момента фиксации эффективного удара), начального темпа ударов (количества эффективных ударов, нанесенных в течение первой секунды цикла). Количество измерительных каналов при необходимости может быть дополнено параллельным включением соответствующих преобразователей, например интегратора для измерения мощности и энергии ударов, с блоками запоминания и индикации.

Канал определения силы удара образован на базе нормирующего преобразователя 10, представляющего собой инструментальный операционный усилитель. В этот канал входят также пиковый детектор 11 для запоминания максимального значения измеряемого параметра, АЦП 12 и жидкий кристаллический индикатор 13 силы удара. Для обнуления показаний данного и других измерительных каналов в системе установлен узел сброса, включающий задатчик 14, первый компаратор 15 и одновибратор 16. Задатчик 14 представляет собой источник опорных напряжений. Информационный вход пикового детектора 11 связан с тензодатчиком 9 через нормирующий преобразователь 10. Выход пикового детектора 11 через АЦП 12 связан с входом индикатора 13 силы удара. Вход обнуления пикового детектора 11 подключен к выходу одновибратора 16. При этом выход нормирующего преобразователя 10, а также выходы других функциональных преобразователей включены с возможностью соединения любого из них с первым входом первого компаратора 15 с помощью переключателя 17; ко второму входу первого компаратора 15 подключен первый выход задатчика 14.

Канал определения резкости удара выполнен аналогично и содержит дифференцирующий преобразователь 18 (микросхема К1401УД2 с емкостным входом), пиковый детектор 19, АЦП 20 и индикатор резкости 21.

Для управления каналами определения быстроты реакции, количества и начального темпа эффективных ударов в системе установлен второй компаратор 22, первый вход которого выполнен с возможностью соединения его с выходом одного из функциональных преобразователей 10 или 18 с помощью переключателя 17. Второй вход второго компаратора 22 подключен к второму выходу задатчика 14.

Канал регистрации засчитанных ударов содержит первый декадный счетчик 23 и индикатор 24 засчитанных ударов. При этом информационный вход первого счетчика 23 подключен к выходу второго компаратора 22, а выход первого счетчика 23 подключен к индикатору 24 засчитанных ударов.

Каналы определения быстроты реакции единоборца и начального темпа наносимых ударов выполнены соответственно на базе RS-триггера 25 и СИП 26, задающего циклограмму работы тренажера. Они содержат также стартовый сигнализатор 27, электронный ключ 28, таймер 29, второй декадный счетчик 30 и жидкостные кристаллические индикаторы 31 и 32 для вывода информации о быстроте реакции и начальном темпе ударов соответственно. В качестве стартового сигнализатора 27 установлен светодиод.

Тренажер работает следующим образом.

При нанесении удара в подушку его импульс через ударную пластину 3 сжимает эластичные стенки квазизакрытой камеры 7, которая при этом становится герметичной. Давление в ней повышается пропорционально силе удара и отслеживается тензодатчиком 9. Далее пневмокамера принимает исходное состояние под действием эластичного кольца 2 при потере герметичности в статике и оказывается готовой к передаче очередного удара. Время восстановления атмосферного давления в камере не превышает 10 мс, что обеспечивает ее готовность к передаче очередного удара без искажения.

Импульс давления, преобразованный в электрический сигнал, поступает с выхода тензодатчика 9 через нормирующий преобразователь 10 на пиковый детектор 11, который выполняет функцию регистра памяти - запоминает максимальное значение напряжения импульса и выводит его через АЦП 12 на индикатор 13. Таким образом, индикатор 13 показывает максимальное значение силы нанесенного удара, сохраняя показание до поступления следующего удара. При нанесении очередного удара его передний фронт, поступив на первый вход первого компаратора 15, сравнивается с пороговым значением, выставленным на первом выходе задатчика 14 из расчета 2-3% от номинальной силы удара, и при превышении порогового значения запускает одновибратор 16, который подает импульс длительностью 10 мкс к контактам сброса пиковых детекторов 11 и 19.

Канал определения резкости удара работает аналогично. При этом на выходе дифференциатора 18 сигнал пропорционален скорости изменения переднего фронта удара.

На входе канала учета общего числа эффективных ударов происходит сравнение действующего значения подключенного к первому входу второго компаратора 22 с помощью переключателя 17 сигнала выбранной характеристики удара с поступающим к второму входу этого компаратора заданным от второго выхода задатчика 14 его порогового значения, при превышении которого удар засчитывается как эффективный. В указанном на фиг. 2 положении переключателя 17 эффективность удара задают по его силе. Импульс засчитанного удара с выхода второго компаратора 22 поступает на первый счетчик 23, показания которого выводятся на индикатор 24.

Циклограмма работы СИП 26 предусматривает выдачу по выходу 1 прямоугольных импульсов длительностью 0,1 с через каждые 5-10 с, чем определяется период между сериями ударов. По выходу 2 задается длительность начального периода (1 с) внутри каждого цикла, установленного на выходе 1, для учета начального темпа ударов в цикле. Поэтому СИП 26 настроен таким образом, чтобы передние фронты импульсов по обоим выходам совпадали.

Как видно из схемы, канал определения начального темпа ударов отличается от канала общего числа засчитанных ударов введением управляемого электронного ключа 28 между выходом второго компаратора 22 и входом второго счетчика 30. По управляющему входу электронного ключа 28 через каждые 5-10 с поступает со 2-го выхода СИП 26 импульс длительностью 1 с, в течение которого второй счетчик 30 суммирует поступившие от компаратора 22 засчитанные удары.

Светодиод 27 через каждые 5-10 с дает стартовую вспышку длительностью 0,1 с по команде от импульса с первого выхода СИП 26. Одновременно с включением вспышки передний фронт этого импульса обнуляет таймер 29 и счетчик 30.

Стартовый импульс 1-го выхода СИП 26, поступив на R-вход триггера 25, запускает таймер 29, который начинает отсчет времени реакции единоборца на сигнал старта, выданный светодиодом 27. Отсчет времени реакции прекращается по поступлении на S-вход триггера 25 сигнала с выхода компаратора 22 о нарастании выбранной характеристики удара до заданного порогового значения, которое устанавливают на втором выходе задатчика 14 в зависимости от возрастной группы и степени тренированности единоборца.

В связи с тем, что индикаторы 31 и 32 в данном варианте устройства через каждые 5-10 с автоматически обнуляются по команде от СИП 26, в случае необходимости длительного сохранения результатов по данным каналам выходы блоков 30 и 31 могут быть дополнительно связаны с регистрами памяти (на схеме не показаны).

Электронная часть измерительной системы может быть реализована программным способом с использованием универсального или специализированного вычислительного устройства.

Использование предлагаемого тренажера вместо прототипа повышает информативность динамометрического обследования единоборца, поскольку позволяет определять не только интегральные, но и другие не менее важные характеристики ударов: их силу, резкость, эффективность (превышение порогового значения), интенсивность (общее число эффективных ударов), темп, быстроту реакции на стартовый сигнал и т.п.

Как показали стендовые испытания, выполненные в Санкт-Петербургском Центре микроэлектронных технологий и диагностики, точность предлагаемого устройства характеризуется относительной приведенной погрешностью от 4 до 8% по каналам определения силы ударов, резкости, быстроты реакции и энергии ударов. В то же время точность работы прототипного устройства, которая может быть определена лишь по каналу измерения энергии ударов, значительно ниже и составляет 22%. При замене тензодатчика в предлагаемом тренажере на эпитаксиальный, изготовленный путем осаждения кремния на сапфире (типа "Сапфир-22"), точность работы также снижается и составляет 10-14% по указанным измерительным каналам (таблица).

Как пояснено приведенным примером, в предлагаемом тренажере достигнута полная автоматизация динамометрического контроля наносимых ударов. Конструкция ударной подушки имеет привычные для боксерского снаряда форму и набивку. Она высокотехнологична за счет исключительной простоты технической реализации квазизакрытого объема вместо герметичной пневмокамеры.