устройство для тренировки мышц

Формула изобретения

1. Устройство для тренировки мышц, содержащее игровой стержень, выполненный с возможностью изменения величины оказываемого сопротивления, обеспечиваемого посредством изменения длины рабочей части игрового стержня, несколько модификаций рукояток для присоединения к одному концу игрового стержня, каждая из которых оснащена кнопками, электрический кабель для подключения к системному блоку персонального компьютера, основание для крепления на нем устройства с помощью крепежных элементов, оптическую «мышь», управляющую положением курсора на экране монитора персонального компьютера в зависимости от перемещения игрового стержня, клавиши которой электрическими отводами соединены с кнопками подсоединенной рукоятки, при этом другой конец игрового стержня выполнен в виде шара, размещенного в стакане, образующем среду регулируемого трения для шара, обеспечиваемого с помощью стягивающего узла и трущихся о шар элементов, расположенных в верхних и нижних частях стакана, нижний из них размещен на неподвижной пластине и на него опирается упомянутый шар, а верхний трущийся элемент с помощью первой подвижной пластины прижимается к шару посредством тяговых стержней, соединяющих первую подвижную пластину со второй подвижной пластиной, причем в верхнем трущемся элементе и первой подвижной пластине, а также в нижнем трущемся элементе и нижней неподвижной пластине выполнены сквозные круговые отверстия, первые для перемещения игрового стержня, а вторые - для сканирования поверхности шара оптической «мышью», прикрепленной снизу к неподвижной пластине, отличающееся тем, что в нем стягивающий узел наряду дополнительно включает n конусообразных пружин, надетых на n тяговых стержней и расположенных между первой подвижной пластиной и верхним трущимся элементом на суммирующей пластине, шток, закрепленный во второй подвижной пластине равноудаленно от крепления в ней тяговых стержней, расположенной ниже оптической «мыши», рычаг, закрепленный на уголках, установленных на внутренней боковой стенке стакана, и соединенный одним концом со штоком, а другим концом через прорезь в стенке стакана и соединительную планку - с тяговой шпилькой, имеющей лыски по всей ее длине, и проходящей через направляюще-тяговое приспособление, имеющее в своем составе направляющую и тяговую гайку, представляющую собой барашек, и которое установлено на внешней боковой поверхности стакана в его верхней части, при этом в суммирующей пластине выполнено круговое отверстие.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стакан и элементы стягивающего узла выполнены цилиндрическими.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стакан выполнен в виде призмы, имеющей в поперечном сечении форму равнобедренной трапеции, к большей боковой поверхности которой прикреплена оптическая «мышь», сканирующая через окно в стенке стакана поверхность шара.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к спортивным и игровым тренажерам и может быть использовано для тренировки мышц и специальных тренировок (в тяговых, координационных двигательных действиях, в том числе в компьютерных играх).

Известно устройство - «силовой джойстик» [1], имеющий практически все элементы электрической схемы обычного «джойстика», но сама конструкция расчитана на приложение значительных усилий к рычагу «игрового стержня», выполненному на возможность изменения величин оказываемого сопротивления, для чего используются спиральные рессорные пружины, закрепляемые на массивном основании. Изменение величин сопротивления усилиям занимающегося обеспечивается как посредством изменения длины рычага (рабочей части «игрового стержня»), так и путем управления «жесткостью» спиральной пружины.

Достоинство этого технического решения заключается в том, что осуществляется управление перемещениями фигурок на экране монитора (дисплея), подключаемого к компьютеру посредством этого силового устройства, полностью выполняющего функции «джойстика» при приложении к нему дозируемых по величине и направлениям усилий.

Недостатком данного устройства является то, что нет возможности плавно регулировать дозированное сопротивление нагрузки, поэтому используются съемные рукоятки, обеспечивающие разные условия захвата и приложения силы, и, кроме того, наибольшая сила проявляется при максимальном отведении «игрового стержня» от положения равновесия.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является «Устройство для тренировки мышц» [2], содержащее игровой стержень, выполненный с возможностью изменения величины оказываемого сопротивления, обеспечиваемого посредством изменения длины рычага - рабочей части игрового стержня, несколько модификаций съемных рукояток для присоединения к одному концу игрового стержня, каждая из которых оснащена кнопками, электрический кабель для подключения к системному блоку персонального компьютера и основание для крепления на нем устройства с помощью крепежных элементов, оптическую «мышь», управляющую положением курсора на экране монитора компьютера в зависимости от перемещения игрового стержня, клавиши которой электрическими отводами соединены с кнопками каждой рукоятки, при этом другой конец игрового стержня выполнен в виде шара, размещенного в стакане, образующем среду регулируемого трения для шара, причем среда регулируемого трения обеспечивается с помощью стягивающего узла и трущихся о шар элементов, расположенных в верхней и нижней частях стакана, стягивающий узел включает в себя верхнюю подвижную пластину, нижнюю неподвижную пластину и резиновую демпферную пластину, в верхнем трущемся элементе, в верхней подвижной пластине и демпферной резиновой пластине, а также нижнем трущемся элементе и неподвижной пластине выполнены круговые сквозные отверстия для перемещения игрового стержня, а оптическая «мышь» сканирует поверхность шара через отверстия в неподвижной пластине и нижнем трущемся элементе.

Достоинством данного устройства является создание равномерно сопротивления игровому стержню в пределах заданного сектора его перемещения и плавная регулировка этого сопротивления.

Недостатком этого устройства является узкий диапазон регулировки, обеспечиваемый стягивающим механическим узлом, и связанная с этим трудность задания требуемой величины оказываемого дозированного сопротивления.

Целью данного изобретения является расширение диапазона регулировки, обеспечиваемое новым стягивающим механическим узлом, и соответствующее облегчение задания требуемой величины оказываемого дозированного сопротивления при сохранении равномерного сопротивления игровому стержню в пределах всего заданного сектора его перемещения и плавной регулировки величины этого сопротивления, а также увеличение сопротивления за счет увеличения трения между шаром и верхним трущимся элементом.

Технический результат, заключающийся в устранении указанных недостатков в устройстве для тренировки мышц, содержащем игровой стержень, выполненный с возможностью изменения величины оказываемого сопротивления, обеспечиваемого посредством изменения длины рабочей части игрового стержня, несколько модификаций рукояток для присоединения к одному концу игрового стержня, каждая из которых оснащена кнопками, электрический кабель для подключения к системному блоку персонального компьютера, основание для крепления на нем устройства с помощью крепежных элементов, оптическую «мышь», управляющую положением курсора на экране монитора персонального компьютера в зависимости от перемещения игрового стержня, клавиши которой электрическими отводами соединены с кнопками подсоединенной рукоятки, при этом другой конец игрового стержня выполнен в виде шара, размещенного в стакане, образующем среду регулируемого трения для шара, обеспечиваемого с помощью стягивающего узла и трущихся о шар элементов, расположенных в верхних и нижних частях стакана, нижний из них размещен на неподвижной пластине и на него опирается упомянутый шар, а верхний трущийся элемент с помощью первой подвижной пластины прижимают к шару посредством тяговых стержней, соединяющих первую подвижную пластину со второй подвижной пластиной, причем в верхнем трущемся элементе и первой подвижной пластине, а также в нижнем трущемся элементе и нижней неподвижной пластине выполнены сквозные круговые отверстия, первые для перемещения игрового стержня, а вторые - для сканирования поверхности шара оптической «мышью», прикрепленной снизу к неподвижной пластине, достигается тем, что стягивающий узел дополнительно включает n конусообразных пружин, надетых на n тяговых стержней и расположенных между первой подвижной пластиной и верхним трущимся элементом на суммирующей пластине, шток, закрепленный во второй подвижной пластине равноудаленно от крепления в ней тяговых стержней, расположенной ниже оптической «мыши», рычаг, закрепленный на уголках, установленных на внутренней боковой стенке стакана, и соединенный одним концом со штоком, а другим концом через прорезь в стенке стакана и соединительную планку с тяговой шпилькой, имеющей лыски по всей ее длине и проходящей через направляюще-тяговое приспособление, имеющее в своем составе направляющую и тяговую гайку, представляющую собой барашек, и которое установлено на внешней боковой поверхности стакана в его верхней части, при этом в суммирующей пластине выполнено круговое отверстие. Стакан и элементы стягивающего узла выполнены цилиндрическими. Стакан выполнен в виде призмы, имеющей в поперечном сечении форму равнобедренной трапеции, к большей боковой поверхности которой прикреплена оптическая «мышь», сканирующая через окно в стенке стакана поверхность шара.

Отличительными признаками заявленного технического решения является следующее:

Во-первых, в нем изменен стягивающий узел, который включает в себя также введенные дополнительно n конусообразных пружин, надетых на n тяговых стержней и расположенных между первой подвижной пластиной и верхним трущимся элементом, шток, закрепленный во второй подвижной пластине равноудалено от крепления в ней тяговых стержней и расположенной ниже оптической «мыши», рычаг, закрепленный на уголках, установленных на внутренней боковой стенке стакана, и соединенный одним концом со штоком, а другим концом через прорезь в стенке стакана и соединительную пластину с тяговой шпилькой, имеющей лыски по всей ее длине и проходящей через направляюще-тяговое приспособление, имеющее в своем составе направляющую и тяговую гайку в виде барашка и которое установлено на внешней боковой поверхности стакана в его верхней части;

Во-вторых, в верхней половине упомянутого шара увеличено трение между шаром и верхним трущимся элементом.

В заявляемом устройстве отличительные признаки проявляют известные в других областях науки и техники свойства, а взятые в совокупности с признаками прототипа проявляют свойства, которые позволяют расширить в несколько раз (в зависимости от соотношения рычага) диапазон регулировки, обеспечиваемый стягивающим механическим узлом, и обеспечить соответствующее облегчение задания требуемой величины оказываемого дозируемого сопротивления при сохранении равномерного сопротивления «игровому стержню» в пределах всего заданного сектора его перемещения и плавной регулировки величины этого сопротивления за счет увеличения трения между шаром и верхним трущимся элементом, что указывает на соответствие заявляемого решения критерию «существенные отличия».

Предлагаемое устройство поясняют схематические чертежи.

На фиг.1 изображено устройство со стаканом, выполненным в виде пряоугольной призмы с квадратом в поперечном сечении, и оптическая «мышь» размещена на неподвижной пластине устройства.

На фиг.2 изображено устройство со стаканом, выполненным в виде цилиндра с окружностью в поперечном сечении, и оптическая «мышь» размещена на неподвижной пластине устройства.

На фиг.3 изображено устройство со стаканом, выполненным в виде призмы с равнобедренной трапецией в поперечном сечении, и оптическая «мышь» расположена на боковой поверхности в средней части устройства.

Устройство включает (фиг.1): прочный «игровой стержень» 1 с несколькими модификациями сменных рукояток 2, подсоединяемых к одному концу «игрового стержня» 1, другой конец которого выполнен в виде шара 3 и помещен в стакан 4, в котором образована среда регулируемого трения для шара 3, например, с помощью верхнего 5 и нижнего 6 трущихся элементов и стягивающего механического узла, состоящего из верхней первой подвижной пластины 7 и нижней 8 неподвижной пластины, второй подвижной пластины 9, стягиваемых четырьмя тяговыми стержнями 10, 11, 12, 13 с крепежными гайками, стакана 4, выполненного в виде призмы с квадратным поперечным сечением, четырех конусообразных пружин 14, 15, 16, 17 (14 и 16 показаны на фиг.1, а 15 и 17 не показаны, но они надеты на тяговые стержни 11 и 13), размещенных между первой подвижной пластиной 7 и верхним 5 трущимся элементом на суммирующей пластине 18, штока 19 с крепежной гайкой, рычага 20, закрепленного на двух уголках 21 и 22, установленных на внутренней боковой стенке стакана 4, и соединенного одним концом со штоком 19, а другим концом через прорезь в стенке стакана и соединительную пластину 23 с тяговой шпилькой 24, проходящей через направляюще-тяговое приспособление 25, имеющее в своем составе направляющую 26 и «гайку-барашек» 27. К нижней 8 неподвижной пластине прикрепляется оптическая «мышь» 28, сканирующая поверхность шара 3. От клавиш оптической «мыши» 28 сделаны электрические отводы, оканчивающиеся кнопками 29 и 30, соответственно от левой и правой клавиш. Оптическая «мышь» соединяется также с системным блоком персонального компьютера с помощью электрического кабеля 31. В верхнем 7 трущемся элементе, верхней 8 подвижной пластине и суммирующей пластине 18 сделаны сквозные круговые отверстия для перемещения «игрового стержня» 1. В нижнем 6 трущемся элементе и нижней 8 неподвижной пластине также сделаны сквозные круговые отверстия для сканирования поверхности шара 3. Устройство крепится на основании 32 с помощью, например, винтов или шурупов 33, 34, 35, 36.

Работают с устройством следующим образом.

С помощью винтов и шурупов 33, 34, 35, 36 закрепляют устройство на основании 32. С помощью «гайки-барашка» 27 направляюще-тягового приспособления 25 задают требуемое сопротивление «игрового стержня» 1. С помощью кабеля 31 подключают устройство к системному блоку персонального компьютера, после чего начинают перемещать «игровой стержень» 1, управляя положением курсора на экране дисплея. Перемещая «игровой стержень» 1 от себя - к себе, передвигают курсор в вертикальной плоскости экрана дисплея. Перемещая «игровой стержень» 1 влево, а затем вправо, передвигают курсор в горизонтальной плоскости экрана, соответственно. Таким образом, передвигая «игровой стержень» 1 в пространстве, перемещают курсор по экрану дисплея, задавая тем самым физические нагрузки на мышцы плечевого пояса и частично на мышцы спины.

Вторая модификация устройства содержит (фиг.2): «игровой стержень» 1 с несколькими модификациями сменных рукояток 2, подсоединяемых к одному концу «игрового стержня» 1, другой конец которого выполнен в виде шара 3 и помещен в цилиндрический стакан 37, в котором образована среда регулируемого трения для шара 3, например, с помощью верхнего 38 и нижнего 39 трущихся элементов и стягивающего механического узла, состоящего из верхней первой подвижной пластины 40 и нижней 41 неподвижной пластины, второй подвижной пластины 42, стягиваемых четырьмя тяговыми стержнями 43, 44, 45, 46 с крепежными гайками, стакана 37, выполненного в виде цилиндра с окружностью в поперечном сечении, четырех конусообразных пружин 47, 48, 49, 50 (47 и 49 показаны на фиг.2, а 48 и 50 не показаны, но они надеты на тяговые стержни 44 и 46), размещенных между первой подвижной 40 и верхним 38 трущимся элементом на суммирующей пластине 47, штока 48 с крепежной гайкой, рычага 49, закрепленного на двух уголках 50 и 51, установленных на внутренней стенке стакана 37, и соединенного одним концом со штоком 48, а другим концом через прорезь 52 в стенке стакана 37 и соединительную планку 23 с тяговой шпилькой 24, проходящей через направляюще-тяговое приспособление 25, имееющее в своем составе направляющую 26 и «гайку-барашек» 27. К нижней 41 неподвижной пластине прикрепляется оптическая «мышь» 28, сканирующая поверхность шара 3. От клавиши оптической «мыши» 28 сделаны электрические отводы, оканчивающиеся кнопками 29 и 30, соответственно от левой и правой клавиш. Оптическая «мышь» соединяется с системным блоком персонального компьютера с помощью электрического кабеля 31. В верхнем 38 трущемся элементе, верхней 40 подвижной пластине и суммирующей пластине 47 сделаны сквозные круговые отверстия для перемещения «игрового стержня» 1. В нижнем 39 трущемся элементе и нижней 41 неподвижной пластине также сделаны сквозные круговые отверстия для сканирования поверхности шара 3. Устройство крепится на основании 53 с помощью, например, винтов или шурупов 54, 55, 56, 57.

Работают с устройством следующим образом.

С помощью винтов или шурупов 54, 55, 56, 57 закрепляют устройство на основании 53. С помощью «гайки-барашка» 27 направляюще-тягового приспособления 25 задают требуемое сопротивление «игрового стержня» 1. С помощью кабеля 31 подключают устройство к системному блоку персонального компьютера, после чего начинают перемещать «игровой стержень» 1, управляя положением курсора на экране дисплея. Перемещая «игровой стержень» 1 от себя и к себе, передвигают курсор в вертикальной плоскости экрана дисплея. Перемещая «игровой стержень» 1 влево, а затем вправо, передвигают курсор в горизонтальной плоскости экрана соответственно. Таким образом, двигая «игровой стержень» 1 в пространстве, передвигают курсор по экрану дисплея и одновременно задают физические нагрузки на мышцы плечевого пояса и спины, а в зависимости от программного обеспечения - интеллектуальные нагрузки.

Третья модификация устройства содержит (фиг.3): «игровой стержень» 1 с несколькими модификациями сменных рукояток 2, подсоединяемых к одному концу «игрового стержня» 1, другой конец которого выполнен в виде шара 3 и помещен в стакан 58, выполненный в виде призмы с равнобедренной трапецией в поперечном сечении и в котором образована среда регулируемого трения для шара 3, например, с помощью верхнего 59 и нижнего 60 трущихся элементов и стягивающего механического узла, состоящего из верхней первой подвижной пластины 61 и нижней 62 неподвижной пластины, второй подвижной пластины 63, стягиваемых тремя тяговыми стержнями 64, 65, 66 с крепежными гайками, стакана 58, выполненного в виде призмы с равнобедренной трапецией в поперечном сечении, трех конусообразных пружин 67, 68, 69 (пружины 67 и 69 показаны на фиг.3, а пружина 66 - не показана, но все они надеты на тяговые стержни соответственно), размещенных между первой подвижной 61 и верхним 59 трущимся элементом на суммирующей пластине 70, штока 71 с крепежной гайкой и шайбами, рычага 72, закрепленного на двух уголках 73 и 74, установленных на внутренней стенке стакана 58, и соединенного одним концом со штоком 71, а другим концом через прорезь 75 в стенке стакана 53 и соединительную планку 23 с тяговой шпилькой 24, проходящей через направляюще-тяговое приспособление 25, имеющее в своем составе направляющую 26 и «гайку-барашек» 27. К боковой стенке стакана 58 прикреплена оптическая «мышь» 28, сканирующая поверхность шара 3 через окно 76 в большем основании стакана 58. От клавиш оптической «мыши» 28 сделаны электрические отводы, оканчивающиеся кнопками 29 и 30 соответственно от левой и правой клавиши. Оптическая «мышь» 28 соединяется также с системным блоком персонального компьютера с помощью электрического кабеля 31. В верхнем 59 трущемся элементе, в верхней первой подвижной пластине 61 и суммирующей пластине 70 сделаны сквозные круговые отверстия для перемещения «игрового стержня» 1. Устройство крепится на основании 77 с помощью, например, винтов или шурупов 78, 79, 80, 81.

Работают с данным устройством следующим образом. С помощью винтов или шурупов 78, 79, 80, 81 закрепляют данное устройство на основании 77. С помощь электрического кабеля подключают его к системному блоку персонального компьютера. С помощью «гайки-барашка» 27 направляюще-тягового приспособления 25 задают требуемое сопротивление «игрового стержня» 1. После этого начинают перемещать «игровой стержень» 1, управляя положением курсора на экране дисплея персонального компьютера. Перемещая «игровой стержень» 1 от себя, перемещают курсор в верхнюю часть экрана по вертикали, перемещая «игровой стержень» 1 к себе, перемещают курсор в нижнюю часть экрана по вертикали. Поворачивая «игровой стержень» 1 за рукоятку 2 влево, перемещают курсор по горизонтали в левую часть экрана дисплея, поворачивая «игровой стержень» 1 вправо, перемещают курсор по горизонтали в правую часть экрана дисплея. В принципе, повернув устройство на 90°, можно добиться того, что, перемещая «игровой стержень» 1 от себя и на себя, передвигать курсор по вертикали. Таким образом, двигая «игровой стержень» 1 в пространстве и поворачивая его, передвигают курсор по экрану дисплея и одновременно задают физические нагрузки на различные мышцы плечевого пояса и частично мышцы спины, а при соответствующем программном обеспечении задают интеллектуальные нагрузки.

Если твердое тело перемещается относительно другого твердого тела, причем их поверхности соприкасаются, то возникает сила, препятствующая этому перемещению. Такая сила называется силой трения. Она объясняется неровностью трущихся поверхностей, а также силами молекулярного взаимодействия. Если между поверхностями соприкасающихся твердых тел отсутствует прослойка жидкости, то такое трение называют сухим. Сухое трение разделяется по характеру движения на трение скольжения (одно тело скользит по поверхности другого) и трение качения (одно тело катится по поверхности другого). Авторов будет интересовать сухое трение скольжения.

Величина силы трения (F_тр ) скольжения зависит от природы и качества обработки соприкасающихся поверхностей, а также от величины силы, прижимающей трущиеся поверхности (силы нормального давления F_н.д ), и не зависит от величины поверхности соприкосновения:

где k - коэффициент трения, зависящий от природы и качества обработки трущихся поверхностей и незначительно - от скорости движения (этой зависимостью обычно пренебрегают).

Таким образом, силу нормального давления F _н.д. находят по формуле:

Под воздействием внешних сил всякое твердое тело изменяет свою форму - деформируется. Деформация, исчезающая с прекращением действия сил, называется упругой. При упругой деформации тела возникают внутренние силы упругости, стремящиеся вернуть телу первоначальную форму.

Величина этих сил пропорциональна деформации тела. Возникающее удлинение образца ( l) под действием внешней силы (F) пропорционально величине действующей силы, первоначальной длине l и обратно пропорционально площади сечения (S):

где - коэффициент пропорциональности.

Формула (3) выражает закон Гука.

Величина Е называется модулем упругости первого рода или модулем Юнга и характеризует упругие свойства материала.

В данном случае F_н.д=F, т.е., подставив в формулу (3) все величины, получим укорочение пружины ( l) (поскольку она работает на сжатие). Это перемещение увеличивается с помощью рычага, в котором точка опоры находится между точками приложения действующих на него сил, т.е.

, или ,

где F_y - уравновешивающая сила, создаваемая винтом, а - второе плечо рычага.

При отсутствии трения в винтовой паре F_y, действующая по оси винта, уравновешивается силой F₃ , приложенной к «гайке-барашку», направленной по касательной к окружности, очерчиваемой этой гайкой и равной

,

где h - шаг винта, R - радиус окружности, очерчиваемой «гайкой-барашком».

С помощью формул (1)-(5) можно расчитать физические параметры заявляемого устройства, а также руководствоваться в выборе материала и обработке поверхностей соприкасаемых тел, регулируя таким образом величину сопротивления.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает расширенным диапазоном регулирования, которое обеспечивается новым стягивающим механическим узлом, соответствующим облегчением задания требуемой величины оказываемого дозированного сопротивления при сохранении равномерного сопротивления «игровому стержню» в пределах всего заданного сектора его перемещения и плавной регулировки величины этого сопротивления.

Источники информации

1. Перспективы управления процессом силовых взаимодействий человека с объектами предметной среды в режиме компьютерных игр / Ю.Т.Черкесов, И.П.Ратов и др. // Наука - Адыгее: Материалы науч. - практ. конф. ученых Адыгеи. - Майкоп, 1994.

2. Патент РФ № 2266768 С2, А63В 21/22, 24/00: Устройство для тренировки мышц.