динамометрический тренажер для бокса и других видов единоборств

Формула изобретения

1. Динамометрический тренажер для бокса и других видов единоборств, содержащий подвешиваемый ударный снаряд, внутри которого расположена эластичная капсула, связанная с блоком индикации с помощью датчика давления, установленного внутри капсулы, и одного или нескольких функциональных преобразователей сигнала датчика давления, отличающийся тем, что эластичная капсула выполнена из вязкоупругого несжимаемого материала, а в качестве датчика давления в нем установлен звуковой пьезоэлектрический излучатель мембранного типа, снабженный подмембранной камерой, при этом входы функциональных преобразователей связаны с пьезоэлектрическим слоем звукового пьезоэлектрического излучателя непосредственно или через согласующий элемент.

2. Динамометрический тренажер по п.1, отличающийся тем, что функциональные преобразователи и блок индикации выполнены на базе компьютера, при этом в качестве входа функциональных преобразователей использована звуковая карта компьютера.

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 силовых структур, отборе перспективных кандидатов для работы в указанных структурах, контроле за уровнем подготовки единоборцев, оборудовании спортивных аттракционов, компьютерных игр и т.п.

Известен динамометрический тренажер для силовых единоборств, содержащий способную деформироваться упругую подвеску, которая имеет сжимающуюся под действием удара область и растягивающиеся области, охватываемые пьезоэлектрической лентой, соединенной с блоком индикации. По периметру платы, реагирующей на прилагаемую к ней силу, проходит пьезоэлектрический датчик волн, возникающих при ударном воздействии на плату (РСТ 89/10166, А 63 В 69/20). Для измерения и записи общей силы нанесенных ударов тренажер содержит подвешиваемую боксерскую грушу, к которой прикреплен датчик давления, два видеоканала и контрольно-измерительную систему на базе компьютера, связанную с датчиком через функциональные преобразователи (US 4941660, А 63 В 69/00, 1990). К данному направлению проектирования относится также динамометрический тренажер, содержащий программно управляемую модель боксерского мешка с ударными подвижными конечностями, снабженного средствами координатного подведения его к спортсмену по сигналам о координатах местоположения последнего на ринге, и систему непрерывного контроля функционального состояния спортсмена по датчикам, расположенным в модели боксерского мешка, а также и психофизического состояния спортсмена по датчикам, расположенным на его теле и экипировке в виде параметров частоты сердечных сокращений, кровяного давления, кожного сопротивления и температуры (RU 2201784, А 63 В 69/00, 69/32, 2003).

Известен также динамометрический тренажер для бокса и других видов единоборств, включающий набивной снаряд, представляющий собой ударную подушку с основанием и расположенной на нем эластичной квазизакрытой пневмокамерой, снабженной отводом, в котором установлен микроэлектронный полупроводниковый тензодатчик (МПТД). При этом ударная подушка жестко закреплена в вертикальной плоскости, а микроэлектронный полупроводниковый тензодатчик связан с блоком индикации с помощью пороговых функциональных преобразователей силовых и/или психофизических характеристик единоборца: силы, резкости (производной силы удара по времени), количества и темпа эффективных ударов, а также быстроты реакции спортсмена на сигнал атаки или защиты от внезапного нападения (RU 2118194, А 63 В 69/00, 69/20, 69/34, 24/00, 1998).

Близким к заявляемому в отношении конструкции снаряда является динамометрический тренажер, содержащий смонтированный на упругой подвеске ударный набивной снаряд, внутри которого установлена эластичная гидрокапсула, внутри которой расположен пьезоэлектрический датчик давления сферической формы, связанный с блоком индикации через один или два функциональных преобразователя для измерения силы и/или силы и числа ударов (SU 1718994, А 63 В 69/20, 1992).

Для повышения точности и информативности обследования единоборцев, обладающих высокой силой и частотой ударов, тренажер содержит подвешиваемый ударный набивной снаряд, внутри которого установлена эластичная гидрокапсула, связанная с блоком индикации с помощью МПТД давления, расположенного внутри гидрокапсулы, и одного или нескольких функциональных преобразователей сигнала датчика давления порогового типа. Оболочка гидрокапсулы может быть выполнена из полиамида, а внутри гидрокапсулы может быть дополнительно установлен пневмокомпенсатор давления (RU 42960, А 63 В 69/00, 69/20, 69/34, 2004).

Однако конструкция данного тренажера является сложной, вследствие чего он нетехнологичен в изготовлении и использовании. Кроме того, известная конструкция не позволяет непосредственно использовать ее в комплекте с универсальными средствами контроля и измерения, выполненными на базе ЭВМ.

Технической задачей заявляемого тренажера является упрощение конструкции, а также повышение технологичности ее изготовления и расширение сферы использования.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что в конструкцию динамометрического тренажера для бокса и других видов единоборств, содержащего подвешиваемый ударный снаряд, внутри которого расположена эластичная капсула, связанная с блоком индикаций с помощью датчика давления, установленного внутри капсулы, и одного или нескольких функциональных преобразователей сигнала датчика давления, вносятся следующие изменения:

1) в качестве датчика давления в нем установлен звуковой пьезоэлектрический излучатель (ЗПИ) мембранного типа, снабженный подмембранной камерой;

2) входы функциональных преобразователей связаны с пьезоэлектрическим слоем ЗПИ непосредственно или через согласующий элемент;

3) эластичная капсула выполнена из вязкоупругого несжимаемого материала.

Функциональные преобразователи и блок индикации тренажера могут быть выполнены на базе компьютера, при этом в качестве входа функциональных преобразователей удобно использовать звуковую карту компьютера. Такая возможность обеспечивается звуковым диапазоном эквивалентной частоты ударов. Более того, при приеме сигналов звуковых частот от используемого датчика имеется возможность их непосредственного озвучивания компьютером, что удобно при реализации тренажера в соответствующих компьютерных играх и аттракционах.

Для расширения диапазона измеряемых силовых характеристик тренажер может быть оснащен пороговыми функциональными преобразователями из ряда преобразователей силы, резкости, количества и темпа эффективных ударов. Для определения психофизической характеристики единоборца возможен также вариант исполнения тренажера с дополнительным функциональным преобразователем быстроты реакции спортсмена на сигнал атаки или защиты от внезапного нападения.

Для исключения кабельного соединения электрических элементов, расположенных в снаряде, с элементами, находящимися во внешней электрической цепи, целесообразно использовать радиоканал связи.

Причинно-следственная связь внесенных изменений с достигнутым техническим результатом заключается в следующем. В ранее известных тренажерах использовались пьезоэлектрические датчики полосковой (SU 1261679, А 63 В 69/34, 1985), ленточной (РСТ 89/10166, А 63 В, 69/20, 71/12, 1989) и сферической (SU 1718994, А 63 В 69/20, 1992) конструкций. Они обладают низкой чувствительностью и требуют индивидуального изготовления, так как не являются стандартными. Конструкция же используемого в предлагаемом устройстве звукового пьезоэлектрического излучателя является мембранной для возможности излучения звука. Она является стандартной. Для использования в составе тренажера наиболее приемлемы ЗПИ марки ЗП-1, предназначенные для подачи звукового сигнала в электронных часах, так как эта ЗПИ не требует доработок при применении по новому назначению в качестве датчика давления. Другие марки ЗПИ требуют несложных доработок при монтаже, что поясняется приводимыми ниже чертежами.

При применении по предлагаемому назначению входной и выходной сигналы ЗПИ мембранного типа меняются местами, а именно на ЗПИ подают ударный импульс, который, как установлено автором, имеет эквивалентную частоту от 0,1 до 3 кГц, входящую в звуковой диапазон. Это и дает возможность использовать ЗПИ в качестве датчика давления, снимая выходной сигнал с пьезоэлектрического слоя ЗПИ, по форме и значению которого судят о силе и других параметрах удара. При этом работоспособность ЗПИ определяется наличием подмембранной камеры, а его чувствительность напрямую зависит от площади мембраны. Этому требованию в наибольшей степени удовлетворяет ЗПИ марки ЗП-1.

Для передачи удара на мембрану ЗПИ эластичная капсула выполнена из вязкоупругого несжимаемого материала, например, из силиконового герметика, заключенного в кожаную оболочку требуемой формы. Возможно также использование упругих марок каучука и т.п.

Спортивный снаряд может быть выполнен целиком из вязкоупругого несжимаемого материала. Возможен вариант исполнения снаряда, где упругая капсула расположена внутри слоя набивки.

На фиг.1 приведена схема расположения элементов в однослойном ударном снаряде; на фиг.2 и 3 приведены варианты функциональных схем тренажеров; на фиг.4 и 5 представлены схемы вариантов датчика давления.

В табл.1 приведены технические характеристики предлагаемого и известных тренажеров.

Простейший вариант ударного снаряда для работы в составе предлагаемого тренажера (фиг.1) содержит подвешиваемый к опоре 1 ударный снаряд, включающий эластичную капсулу 2, выполненную из вязкоупругого несжимаемого материала и помещенную в кожаный кожух 3. Внутри эластичной капсулы 2 расположен датчик 4 давления, выполненный на базе ЗПИ, оснащенного мембраной, выполненной над подмембранной камерой. В данном варианте исполнения внутри эластичной капсулы 2 расположен также согласующий элемент 5, вход которого подключен к выходу датчика 4. Выход элемента 5 (на фиг.1 не показан) предназначен для подключения к внешней электрической цепи, включающей функциональные преобразователи и блок индикации. Исполнение согласующего элемента 5 определяется характеристиками используемого канала связи и функциональных преобразователей. Например, при подключении к компьютеру с помощью кабеля элемент 5 представляет собой усилитель-преобразователь.

В варианте фиг.2 ударный снаряд имеет набивку 6, внутри которой расположена эластичная капсула 2, выполненная из вязкоупругого несжимаемого материала и связанная с блоком 7 индикации с помощью датчика 4 давления, выполненного на базе ЗПИ мембранного типа, снабженного подмембранной камерой и установленного внутри капсулы 2, и функциональных преобразователей 8-11 сигнала датчика 4 давления. Для передачи сигнала датчика 4 к функциональным преобразователям 8-11 силы, резкости, количества эффективных ударов и быстроты ударов, соответственно, находящимся во внешней электрической цепи, используется телеметрическая система, включающая радиопередатчик 12, вход которого подключен к выходу датчика 4 давления, и радиоприемник 13, к выходу которого присоединены входы функциональных преобразователей 8-11 (в данном примере установлены функциональные преобразователи силы, резкости, количества эффективных ударов и быстроты ударов соответственно). Выходы функциональных преобразователей 8-11 подключены к соответствующим входам блока 7 индикации. Наружная поверхность ударного снаряда защищена оболочкой 3, выполненной из кожезаменителя. Участок схемы, включающий элементы 7-11 выполнены согласно (RU 2118194, А 63 В 69/00, 69/20, 69/34, 24/00, 1998).

В варианте фиг.3 ударный снаряд имеет набивку 6, внутри которой расположена эластичная капсула 2, выполненная из вязкоупругого несжимаемого материала и связанная с блоком 7 индикации с помощью датчика 4 давления, выполненного на базе ЗПИ мембранного типа, снабженного подмембранной камерой и установленного внутри капсулы 2, и функциональных преобразователей 8-11 сигнала датчика 4 давления. Выход датчика 4 давления через согласующий элемент 5 подключен с помощью кабеля к входу звуковой карты 14 компьютера 15. В данном варианте исполнения на базе компьютера программным способом выполнена система индикации 16, включающая блоки функциональных преобразователей и индикации.

Вариант датчика 4 давления (фиг.4) выполнен на базе ЗПИ марки ЗП-2, включающего металлическую мембрану 17, выполненную в виде чашки, и пьезоэлектрический слой 18, нанесенный на рабочую поверхность мембраны 17. К элементам 17 и 18 припаяны электрические выводы 19 и 20 для подключения к измерительной цепи. К чашке мембраны 17 приклеена металлическая крышка 21 для образования подмембранной камеры 22, герметизированной с помощью клеевого слоя 23.

Предпочтительный вариант датчика 4 давления (фиг.5) выполнен на базе ЗПИ марки ЗП-1, включающего две симметрично расположенные металлические мембраны 17, выполненные в виде чашки, на рабочие поверхности которых нанесен пьезоэлектрический слой 18. Мембраны запаяны с образованием герметичной подмембранной камеры 22. К слоям 18 и чашкам 17 припаяны электрические выводы 19 и 20 для подключения к измерительной цепи. Такая конструкция является полностью готовой для применения ЗПИ марки ЗП-1 по рассматриваемому назначению. Для использования в составе тренажера ЗПИ залита вязкоупругим несжимаемым материалом (силиконовым герметиком) в оболочку 3 с образованием эластичной капсулы 2.

При нанесении удара по любому участку снаряда в эластичной капсуле 2 возникает импульс давления, который, благодаря несжимаемости материала, из которого изготовлена эта капсула, воздействует со всех сторон на датчик 4 давления. Последний вырабатывает электрический импульс U_вых, пропорциональный силе нанесенного удара. Фронты импульса содержат дополнительную информацию о резкости удара. Импульсы последовательно поступают по соответствующему каналу связи к функциональным преобразователям 8-11, обрабатываются ими и передаются на блок 7 индикации (фиг.2). Аналогично происходит обработка и регистрация импульсов U_вых при реализации блоков 7-11 на базе компьютера 15 (фиг.3).

Сравнительные стендовые испытания известных (RU 2118194 и RU 42960) и предлагаемого (вариант фиг.2 со снарядом в форме цилиндрического боксерского мешка диаметром 30 см и высотой 100 см) динамометрических тренажеров проводились при ударах высокой силы (450±50 кг) и частоты (7±1 c^-1) в трех диапазонах длительностей импульсов ударов: 0,5-1; 1-5 и 5-10 мс.

Учитывали относительные приведенные погрешности (в %) определения силы и резкости эффективных ударов, а также быстроты реакции на предъявление светового сигнала угрозы нападения.

Результаты испытаний точности измерительных систем тренажеров приведены в табл.1. Как видно из таблицы, погрешности определения силы, резкости и времени реакции предлагаемого и известного (RU 42960) устройств значимо не различаются и составляют, %:

Устройство	Импульс удара, мс	Сила	Резкость	Время реакции
	от 0,5 до 1	12,8	14,5	14,8
ПМ RU 42960	св. 1 до 5	10,2	11,4	8,1
	св. 5 до 10	7,6	6,8	5,8
	от 0,5 до 1	14,4	16,6	13,6
Предлагаемое	св. 1 до 5	10,5	12,3	9,0
	св. 5 до 10	6,8	6,5	5,5

В то же время точность работы устройства, выполненного согласно RU 2118194, оказалась в 2-3 раза ниже заявляемого.

Как пояснено приведенными примерами, основным техническим результатом использования предлагаемого тренажера является упрощение конструкции ударного снаряда, вплоть до возможности изъятия его набивки, а также датчика давления (исключена гидрокапсула). Техническим результатом, производным от достигнутого упрощения, является повышение технологичности изготовления соответствующих элементов конструкции. Отсутствие гидрокапсулы имеет следствием повышение надежности устройства, так как принципиально исключен разрыв данного элемента под действием мощных ударов или температурных условий хранения. Кроме того, в варианте с подключением датчика к компьютеру обеспечена универсальность реализации блоков функциональных преобразователей и индикации, что имеет следствием, в частности, расширение сферы использования тренажера, вплоть до встраивания его в состав компьютерных игр. Достигнута также универсальность конструкции датчика давления в вариантах с реализацией его на базе серийно выпускаемых ЗПИ, например, марки ЗП-1.

Таблица 1 Сравнительные значения относительной приведенной погрешности определения характеристик удара различными динамометрическими тренажерами
УСТРОЙСТВО	ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСА УДАРА, МС	ПОГРЕШНОСТЬ, %
		силы	резкости	времени реакции
ПМ RU 42960 с пневмокомпенсатором давления	от 0,5 до 1	12,8+2,0	14,5+2,6	14,8±2,7
	св. 1 до 5	10,2±1,4	11,4±1,6	8,1±2,0
	св. 5 до 10	7,6±0,9	6,8±0,9	5,8±1,2
RU 2118194	от 0,5 до 1	26,8±3,8	23,5±2,7	19,6±2,5
	св. 1 до 5	21,5±2,2	23,3±2,3	17,4±2,3
	св. 5 до 10	14,7±1,6	16,5±1,6	14,8±2,6
Предлагаемое	от 0,5 до 1	14,4±5,8	16,6±3,6	13,6±2,4
	св. 1 до 5	10,5±2,6	12,3+1,9	9,0±2,3
	св. 5 до 10	6,8±1,5	66,5±1,2	5,5±1,4