Тренажер для гребцов
Владельцы патента RU 2791091:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет физической культуры, спорта, молодежи и туризма (ГЦОЛИФК)" (РГУФКСМиТ) (RU)
Предполагаемое изобретение относится к устройствам для тренировки спортсменов в условиях, максимально приближенных к реальным, с имитацией усилий гребцов высокой квалификации. Технический результат заявленного изобретения заключается в расширении функциональных возможностей тренажера с учетом несимметричности сил, прикладываемых спортсменом на левое и правое весла, и с высокой точностью воспроизводящего задаваемые силы на веслах за счет компенсации «паразитных» сил нагружателя. Устройство содержит корпус (1) тренажера с располагающимся в нем спортсменом (2), перед которым установлен монитор (3), закрепленный на корпусе (1) перпендикулярно его продольной оси и электрически связанный с симметрично располагающимися как по левой руке спортсмена (2), так и по правой - выходами имитаторов нагрузки (4), а также выходами усилителей-преобразователей сигнала (5), входы которых соединены с выходами регистрирующих катушек индуктивности (6), внутри которых проходят сердечники (7), проходящие также и внутри соленоидов (8). При этом спортсмен (2) удерживает левой и правой рукой имитаторы (9), соответственно, правого и левого весел, противоположный конец которых шарнирно соединен с сердечниками (7), продольная ось которых параллельна продольной оси корпуса (1), а соосно установленные с каждой стороны корпусы катушек (6) и соленоиды (8) жестко соединены с корпусом (1) тренажера. Причем катушки соленоидов (8) электрически соединены с выходами сумматоров (10), один из входов которых соединен с имитаторами нагрузки (4), а второй - с компенсатором (11) электродвижущих сил самоиндукции, возникающих в соленоидах (8) при движении сердечников (7). 1 ил.
Предполагаемое изобретение относится к устройствам для тренировки спортсменов в условиях, максимально приближенных к реальным, с имитацией усилий гребцов высокой квалификации.
Известно, что при парной гребле существует разница в силах, прикладываемых спортсменами на правое и левое весла (позиция 1 на рисунке 1 в источнике «Никоноров, А.И. Фазовая структура движений в гребле на байдарках // Греб, спорт: Ежегодник. - М., 1983. - с. 44-48»). Вследствие этого имитировать нагрузку на мышцы спортсмена - как при скандинавской, так и центральной тяге - на тренажерах, использующих пружины, воздушные и водяные маховики, пневматические цилиндры, магнитные и электромагнитные механизмы действия, невозможно.
Известен способ тренировки гребцов и тренажер-эргометр для академической гребли, предназначенный для подготовки спортсменов-гребцов и позволяющий повысить эффективность тренировки [1]. С помощью программно-управляющего устройства создают дополнительные внешние нагрузки, имитирующие сопротивление водной среды. Исходные параметры внешних силовых добавок по силе, частоте, амплитуде и их изменениям во времени определяют по заранее рассчитанному алгоритму движений тренирующегося для рекордных показателей на реальной дистанции. При проведении тренировки учитывают раздельно энергию, затрачиваемую тренирующимся и производимую внешними силовыми добавками. Параметры внешних силовых добавок корректируют адекватно физическому состоянию тренирующегося. Программно-управляющее устройство соединено с электродвигателем постоянного тока с управляемыми характеристиками для создания дополнительных внешних силовых добавок. Электродвигатель смонтирован на валу барабана блока передачи усилий. Подвижная штанга несет рукоятку и гибкую тягу и пропущена сквозь трубу с возможностью продольного перемещения и поворота. Труба установлена на блоке передачи усилий. На станине смонтированы подвижное сиденье и упор для ног.
К недостаткам данного способа следует отнести высокую сложность конструкции, процедур ввода и контроля параметров, имитирующих сопротивление водной среды, а также инерционность нагружателя.
Наиболее близким к заявляемому объекту является тренажер для тренировки гребцов академической гребли, содержащий раму и опорную часть рамы, образованную опорами, скрепленными распоркой, нагрузочное устройство, представляющее собой свободно вращающуюся воздушную турбину, установленную на валу, который, в свою очередь, установлен на балке нагрузочного устройства, закрепленной на опорной части, выносную уключину, закрепленную на раме, имитатор весла, имеющий внутреннее и внешнее плечи с рукоятками на внутреннем плече, который устанавливается на выносную уключину с помощью вертлюга, звездочку, закрепленную на валу нагрузочного устройства, взаимодействующую с приводной цепью, кинематическую цепь, состоящую из последовательно соединенных между собой гибкой тяги, приводной цепи и резинового жгута, находящегося внутри балки нагрузочного устройства, при этом гибкая тяга огибает подвижный шкив, закрепленный на имитаторе весла посредством вращающейся втулки, подножку с упорами для ног, неподвижно закрепленную на раме, подвижную каретку с сиденьем, перемещающуюся по раме [2].
К недостаткам данного устройства следует отнести высокую сложность, а также проблемы с резкой сменой нагрузки вследствие инерционности нагружателя.
Предлагаемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей тренажера с учетом несимметричности сил, прикладываемых спортсменом на левое и правое весла, и с высокой точностью воспроизводящего задаваемые силы на веслах за счет компенсации «паразитных» сил нагружателя.
Это достигается тем, что в тренажере для гребцов, содержащем раму с сиденьем и упором для ног, нагружатели и связанные с ними имитаторы весел, согласно предлагаемому изобретению, нагружатели установлены по обе стороны лодки параллельно ее продольной оси и выполнены в виде соленоидов, длина которых больше, чем максимальный ход концов имитаторов весел, при этом они шарнирно соединены с сердечниками соленоидов, корпусы которых неподвижно закреплены на том же основании, что и рама тренажера, а входы обмоток каждого из соленоидов электрически соединены с выходом сумматора, на два входа которого подаются сигналы имитатора нагрузки, а на два других - сигнал, компенсирующий электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции, возникающую при движении сердечника вследствие силы, прикладываемой спортсменом на противоположном конце имитатора весла.
Технический результат достигается за счет того, что нагружатели установлены по обе стороны лодки параллельно ее продольной оси и выполнены в виде соленоидов, длина которых больше, чем максимальный ход концов имитаторов весел; концы имитаторов весел шарнирно соединены с сердечниками соленоидов, корпусы которых неподвижно закреплены на том же основании, что и рама тренажера; входы обмоток каждого из соленоидов электрически соединены с выходом сумматора, на два входа которого подаются сигналы имитатора нагрузки, а на два других - сигнал, компенсирующий ЭДС самоиндукции.
Такое исполнение предлагаемого изобретения позволит существенно расширить функциональные возможности тренажера и позволить осуществлять подготовку как начинающих спортсменов, так и высокой квалификации, задавая усилия на каждом из весел в соответствии с наилучшими показателями ведущих спортсменов-гребцов.
Предложенное изобретение поясняется чертежом, на котором показана принципиальная схема устройства и введены следующие обозначения:
1 - корпус тренажера;
2 - спортсмен;
3 - монитор с управляющим устройством (далее - монитор);
4 - имитатор нагрузки;
5 - усилитель-преобразователь сигнала;
6 - регистрирующая катушка индуктивности;
7 - сердечник;
8 - соленоид;
9 - имитатор весла (правый и левый);
10 - сумматор;
11 - компенсатор.
Заявляемое устройство (чертеж) содержит корпус 1 тренажера с располагающимся в нем спортсменом 2, перед которым установлен монитор 3, закрепленный на корпусе 1 перпендикулярно его продольной оси, и электрически связанный - с симметрично располагающимися как по левой руке спортсмена 2, так и по правой - выходами имитаторов нагрузки 4, а также выходами усилителей-преобразователей сигнала 5, входы которых соединены с выходами регистрирующих катушек индуктивности 6, внутри которых проходят сердечники 7, проходящие также и внутри соленоидов 8. При этом спортсмен 2 удерживает левой и правой рукой имитаторы 9, соответственно, правого и левого весел, противоположный конец которых шарнирно соединен с сердечниками 7, продольная ось которых параллельна продольной оси корпуса 1, а соосно установленные с каждой стороны корпусы катушек 6 и соленоиды 8 жестко соединены с корпусом 1 тренажера. Причем катушки соленоидов 8 электрически соединены с выходами сумматоров 10, один из входов которых соединен с имитаторами нагрузки 4, а второй - с компенсатором 11 электродвижущих сил самоиндукции, возникающих в соленоидах 8 при движении сердечников 7.
Монитор 3 визуализирует сигналы, приходящие с усилителей-преобразователей сигнала 5 и имитаторов нагрузки 4, при этом возможна как он-лайн визуализация, так и офф-лайн с накоплением графиков распределения силы по времени в памяти монитора 3. Монитор 3 работает в двух режимах: одновременной визуализации графиков сил по времени правого и левого имитаторов 9 весел (в этом случае площадь монитора 3 программно разделена на две равные части - в левой визуализируется распределение силы по времени для имитатора левого весла, в правой - правого) и поочередной визуализации графиков сил по времени для правого и левого имитаторов 9 весел. При этом на каждом из графиков разным цветом представлены как «эталонное» распределение силы (сигнал с имитаторов нагрузки 4), так и развиваемое спортсменом 2 (сигнал с усилителей-преобразователей сигнала 5) в процессе движения имитаторов 9 весел, синхронизированные относительно момента начала их движения.
Имитаторы нагрузки 4 содержат преобразованные в силу тока инвертированные данные распределения «эталонных» сил, развиваемых при гребке спортсменами высокой квалификации, при этом установленный с левой стороны от спортсмена 2 -распределение сил левого весла, а с правой - правого (позиция 1 на рисунке 1 в источнике «Никоноров, А.И. Фазовая структура движений в гребле на байдарках // Греб, спорт: Ежегодник. - М., 1983. - с. 44-48»). В имитаторы нагрузки 4 вводятся массивы значений силы тока I (или функциональная зависимость), полученные из формулы Максвелла (формула 5.8 из источника Буль Б.К. и др. Основы теории электрических аппаратов: учеб. пособие для электротехнических специальностей вузов / Под ред. Г.В. Буткевича. - М.: Высш. школа, 1970. - 600 с.):
с учетом того, что магнитное поле соленоида определяется формулой
получим:
где μ0 - магнитная проницаемость вакуума; I - сила тока; Ν - количество витков соленоида, S - площадь сечения солениода; 
- длина соленоида.
Откуда сила тока:
Усилители-преобразователи сигнала 5 получают сигнал с регистрирующих катушек индуктивности 6 в виде силы тока, пропорциональной развиваемой спортсменом силе, усиливают ее и передают на один из входов монитора 3 (левый от спортсмена 2 - слева, правый - справа).
Сумматоры 10 подают на соленоиды 8 ток, при этом сила тока, меняющаяся по времени, создает переменное магнитное поле соленоида 8, препятствующее перемещению сердечника 7 внутри него. Причем сила тока является суммой величин токов с выходов имитаторов нагрузки 4 и компенсаторов 11. Начало подачи сигнала с сумматоров 10 на соленоиды 8 синхронизировано с началом движения имитаторов 9 весел.
При этом сигнал с выхода каждого из компенсаторов 11 определяется следующим образом: зная распределение изменения силы, создаваемой спортсменом высокой квалификации во время гребка, определяется ускорение 
концов имитаторов 9 весел, соединенных со стержнями 7, входящими в соленоид 8. При этом ускорение с учетом электромеханической аналогии (с.86 источника Физика - 11 класс: учебник. Г.Я. Мякишев и др. 19 изд., М: Просвещение. - 2010. - 399 с.) будет соответствовать изменению тока ΔI в соленоиде 8 в формуле для нахождения ЭДС самоиндукции соленоида:
где L - индуктивность соленоида 8, определяемая по формуле:
где μ0 - магнитная проницаемость вакуума; μ - магнитная проницаемость материала сердечника 7; N - количество витков соленоида 8; S - площадь поперечного сечения соленоида 8; - длина соленоида 8.
Тогда сигнал с выхода каждого из компенсаторов 11 будет равен:
где Rакт - активное сопротивление соленоида 8; Rреак - реактивное сопротивление соленоида 8.
Влиянием ЭДС самоиндукции катушки индуктивности 6 на силу, развиваемую спортсменом 2 в процессе гребка, можно пренебречь вследствие ее небольших геометрических размеров.
Работа устройства осуществляется следующим образом. В имитаторы нагрузки 4 вводятся массивы значений (или функциональная зависимость), полученные согласно формуле (1), а в компенсаторы 11 - массивы значений (или функциональная зависимость), полученные согласно формулам (2)-(4). Данные передаются с имитаторов нагрузки 4 на монитор 3, где визуализируются для спортсмена 2 в виде графика (или графиков при применении обоих имитаторов 9 весел), например, синего цвета.
После этого спортсмен 2, находящийся в корпусе 1, берет руками имитаторы 9 весел и приступает к выполнению упражнения. Момент начала перемещения имитаторов 9 весел руками спортсмена 2 сопровождается подачей токов с имитаторов нагрузки 4 и компенсаторов 10 на входы сумматоров 11, а с его выходов - на соленоиды 8, формирующие силу противодействия перемещению сердечников 7 внутри соленоидов 8 по закону, соответствующему «эталоной» силе спортсмена высокой квалификации. При этом сумматор 11 добавляет к сигналу, противодействующему перемещению сердечника 7 в соленоиде 8, нивелирующий ЭДС индукции соленоида 8, сигнал, поступающий с компенсатора 11. Одновременно с этим с выходов катушек 6 на входы усилителей-преобразователей 5 поступает ток, характеризующий изменение силы, развиваемой спортсменом 2 в течение гребка имитаторами 9 весел. Поступивший сигнал усиливается усилителями-преобразователями 5 и подается на соответствующий вход монитора 3, где визуализируется, например, красным цветом. После чего спортсмен 2 может идентифицировать, где и насколько отклоняются показания силы его гребка от «эталонного».
Далее спортсмен 2 делает противоположное движение имитаторами 9 весел, приводя их в исходное состояние, при этом сердечники 7 занимают исходную позицию внутри соленоидов 8 и катушек индуктивности 6. В это же время монитор 3 передает визуализированные данные в память, очищая экран от изображения. Сигналы с выходов имитаторов нагрузки 4, компенсаторов 11 и сумматоров 10, а также усилителей-преобразователей 5 обнуляются. И утройство готово к новому циклу, который повторяется периодически в течение тренировки спортсмена 2.
Для предотвращения трения сердечников 7 о внутренние поверхности соленоидов 8 и катушек 6 сердечники 7 могут быть помещены в направляющие втулки, установленные, например, с обеих сторон каждого из соленоидов 8, и выполняющие роль подшипников скольжения.
При замене представленных имитаторов 9 весел для парной гребли или гребли на байдарках на имитаторы весел распашной лодки можно использовать тренажер для подготовки спортсменов академической гребли на распашных как левой стороны, так и правой. Причем, устанавливая вдоль продольной оси корпуса 1 два и более мест для спортсменов 2, и, соответственно, два и более наборов позиций 3-11, можно одновременно осуществлять подготовку двух и более человек.
Предлагаемое устройство, в отличие от известных, позволяет имитировать силу сопротивления движению весла в воде, прикладываемую как на левое весло спортивной лодки для академической гребли или байдарки, так и на правое, в том числе несимметричную по веслам.
Источники информации
1. Патент №2162003 RU МПК А63В 69/06 Способ тренировки гребцов и тренажер-эргометр для академической гребли / Ткачук А.П.; Духовской Е.А.; Астахов В.И.; Мороз В.Ю. Заявка: 99122262/12 от 22.10.1999, опубл. 20.01.2001.
2. Патент №2 606075 RU МПК А63В 69/06 Тренажер для тренировки гребцов академической гребли/ Луговой С.И. Заявка: 2016100700 от 13.01.2016, опубл. 10.01.2017 Бюл. №1.
Тренажер для гребцов, cодержащий раму с сиденьем и упором для ног, нагружатели и связанные с ними имитаторы весел, отличающийся тем, что нагружатели установлены по обе стороны лодки параллельно ее продольной оси и выполнены в виде соленоидов, длина которых больше, чем максимальный ход концов имитаторов весел, при этом они шарнирно соединены с сердечниками соленоидов, корпусы которых неподвижно закреплены на том же основании, что и рама тренажера, а входы обмоток каждого из соленоидов электрически соединены с выходом сумматора, на два входа которого подаются сигналы имитатора нагрузки, а на два других - сигнал, компенсирующий электродвижущую силу самоиндукции, возникающую при движении сердечника, вызванном силой, прикладываемой на противоположный конец имитатора весла.
