Тренажер формирования двигательных навыков человека
Полезная модель относится к тренажерам и может быть использована как средство обеспечения базовых двигательных навыков, необходимых для обеспечения целенаправленного обучения различным профессиям в ходе индивидуальной или групповой подготовки и переподготовки рабочих, машинистов и операторов. Технический результат заключается в повышении равномерности движений, увеличении степени их вариативности, снижении количества повторений двигательных упражнений, необходимых для формирования двигательного навыка, возможности одновременного использования тренажера группой обучаемых, возможности организации самостоятельной работы обучаемых, а также снижения энергетических затрат. Указанный технический результат достигается за счет того, что при помощи механизма визуальной обратной связи обеспечивается компенсация дефицита перцептивных механизмов учащегося, необходимых для коррекции двигательного навыка на стадии его формирования.
Полезная модель относится к тренажерам и может быть использована как средство формирования базовых двигательных навыков в ходе индивидуальной или групповой подготовки и переподготовки рабочих, машинистов и операторов.
Известны обучающие системы, в основу которых положен комплексный подход к формированию навыков в определенной профессиональной сфере, и не обеспечивающие целенаправленного воздействия на двигательные навыки. В качестве примера можно привести полезную модель «Система автоматизированного обучения базовым навыкам управления технологическим процессом» [1], а также «Многоцелевой учебно-тренажерный комплекс для подготовки специалистов в области организации и управления дорожным движением» [2].
Известны тренажеры, предназначенные для формирования двигательных навыков рабочего, например «Тренажер для привития практических навыков по регулировке зазора между поверхностями носка коромысла и торца клапана» [3], или «Тренажер для обучения приемам нарезания наружной резьбы» [4]. Точная направленность этих тренажеров, позволяющих обеспечить целенаправленное действие обучаемого на выполнение определенной производственной операции, одновременно может рассматриваться и как недостаток, ограничивающий сферу их применения. Недостаток, заключающийся в низкой информативности показателей, используемых для организации обратной связи, более существенен. Проблема заключается в том, что используются данные об ограниченном числе степеней свободы механической системы, образуемой использующимися инструментами или приспособлениями и объектом, на изменение состояния которого направлены действия человека, в то время как эти действия имеют принципиально более высокую степень свободы.
Так, резьбонарезной инструмент должен иметь одну степень свободы, контролируемую тремя радиально расположенными герконами («Тренажер для обучения приемам нарезания наружной резьбы»), величина зазора между двумя поверхностями деталей в механизмах, узлах и агрегатах автомобиля, зависима от механической системы с одной степенью свободы и контролируется при помощи переменного резистора, жестко соединенного с исполнительной частью механизма тренажера («Тренажер для привития практических навыков по регулировке зазора между поверхностями носка коромысла и торца клапана»), в то время как подвижность кончиков пальцев руки, принимающей участие в этих процессах, составляет относительно грудной клетки 16 степеней свободы. Таким образом, механизм снижения числа степеней свободы, который должен обеспечивать тренажер не раскрывается и не корректируется в достаточной степени.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание технической системы, выполняющей функции мастера производственного обучения, обеспечивающего сенсомоторную коррекцию движений учащихся и реализующего долговременный план занятий по формированию двигательного навыка в групповой форме обучения для рабочих, машинистов и операторов.
Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, заключается в повышении степени равномерности ускорения движения носимого мобильного модуля, закрепленного какой-либо части тела человека, выполняющего повторяющееся двигательное упражнение, снижении количества повторений двигательных упражнений, необходимых для формирования двигательного навыка, увеличении вариативности движений, совершаемых обучаемым, возможности одновременного использования тренажера группой обучаемых, возможности самостоятельного возобновления обучаемым процесса формирования двигательного навыка, в случае его запланированного или непланового прерывания, а также снижения энергетических затрат, необходимых для выполнения движения, обеспеченного автоматизированным навыком.
Указанный технический результат достигается за счет того, что при помощи механизма визуальной обратной связи обеспечивается компенсация дефицита перцептивных механизмов учащегося, необходимых для коррекции двигательного навыка на стадии его формирования. Визуальное представление всего набора двигательных упражнений доступно для анализа в масштабе реального времени и в любое время после их выполнения за счет сохранения истории действий обучаемых.
Тренажер состоит из N носимых мобильных модулей (1), N персональных компьютеров (2), центрального компьютера (3), локальной сети персональных компьютеров (4), маршрутизатора локальной сети (5), беспроводной локальной сети носимых мобильных модулей с координатором, установленном в центральном компьютере (6), программного обеспечения носимых мобильных модулей, серверного программного обеспечения центрального компьютера, программного обеспечения клиента для персональных компьютеров.
Носимый мобильный модуль представляет собой портативное устройство, которое можно закрепить на поверхности какой-либо части тела человека, например, на запястье ведущей руки. Каждый пользователь тренажера должен иметь хотя бы один модуль и один персональный компьютер. Основой мобильного модуля является микромеханический трехосевой акселерометр, результаты работы которого в виде акселерограммы передаются в беспроводную сеть носимых мобильных модулей в соответствии с логикой, обеспечиваемой микроконтроллером, работающим под управлением программного обеспечения носимых мобильных модулей. В состав носимого мобильного модуля может быть включен также микромеханический трехосевой гироскоп для дополнения акселерограммы информацией об угловых перемещениях модуля, а также датчик частоты сердечных сокращений, используемый для оценки качества формирования двигательных навыков.
Беспроводная сеть носимых мобильных модулей обеспечивает передачу данных, поступающих от каждого мобильного модуля через координатор в память центрального компьютера.
Центральный компьютер, а также персональные компьютеры объединены в локальную проводную или беспроводную сеть при помощи маршрутизатора.
Серверное программное обеспечение центрального компьютера состоит из блока базы данных образцов движений, блока базы данных результатов тренировки, блока базы учетных данных пользователей и блока управления упражнениями, обеспечивающего изменение, добавление и удаление образцов движений в блоке базы данных образцов движений.
Программное обеспечение клиента для персонального компьютера предназначено для идентификации персонального компьютера с пользователем и носимым мобильным модулем, а также для передачи пользователю тренажера графических образцов упражнений и визуальных образов выполняемого или выполненного упражнения для оценки пользователем на экране персонального компьютера в реальном масштабе времени, или отсрочено.
Для задания образцов движений может быть использован дополнительно мобильный стенд в виде вертикально устанавливаемой плоскости, с изображением направляющих линий и отметок для моделирования элементов рабочего пространства. В этом случае мобильный стенд помещается перед пользователем тренажера таким образом, чтобы не перекрывать обзор экрана персонального компьютера, идентифицированного с пользователем.
Тренажер работает следующим образом:
Обучаемый получает один носимый мобильный модуль тренажера и один персональный компьютер. При необходимости также может быть использован мобильный стенд с метками.
При помощи клиентского программного обеспечения персонального компьютера выполняется аутентификация пользователя в соответствии с его профилем, хранящимся в блоке базы учетных данных программного обеспечения центрального компьютера, и его идентификация с носимым мобильным модулем и мобильным стендом. Для этого пользователь должен ввести учетное имя, пароль, числовой идентификатор мобильного носимого устройства и числовой идентификатор мобильного стенда.
В случае успешного прохождения процедуры аутентификации обучаемый получает доступ к набору визуальных образов образцов движений из соответствующего блока. Образцы движений передаются в виде потока мультимедийных данных по локальной сети персональных компьютеров от центрального компьютера к компьютеру пользователя и отображаются на его экране.
При выполнении учащимся движения по доставленному на персональный компьютер образцу, данные о двигательной активности обучаемого, при помощи носимого мобильного модуля передаются по беспроводной сети через координатор, подключенный к центральному компьютеру в блок базы данных результатов и по сети персональных компьютеров к персональному компьютеру пользователя, идентифицированного с данным мобильным модулем. Персональный компьютер пользователя при помощи клиентского программного обеспечения выводит на экран компьютера визуальный образ, соответствующий данным, полученным от акселерометра, гироскопа и датчика частоты сердечных сокращений.
Таким образом, реализуется визуальная обратная связь, позволяющая пользователю вносить коррекции в его движения на основании изменения визуального образа, доступного ему для просмотра непосредственно в процессе выполнения упражнения, или сразу после выполнения упражнения.
Для оценки и самооценки двигательной активности обучаемого используются данные об угловых перемещениях и ускорении мобильного носимого модуля. Эти данные используются непосредственно, без необходимости реконструировать с их помощью параметры траектории движения мобильного носимого модуля в пространстве. Это объясняется тем, что движение субъективно воспринимается обучаемым в рамках перцептивного пространства [5]. Субъективная реконструкция трехмерного образа движения в евклидовой модели пространства требует дополнительных усилий от обучаемого с одной стороны, и проведения процедуры двойного интегрирования для восстановления траектории движения мобильного носимого модуля из акселерограммы, с другой. Таким образом, оказывается возможным отказаться от этих операций, известных своей высокой погрешностью, упрощая тем самым процедуру визуализации двигательной активности обучаемого, повышая информативность канала обратной связи и снижая время ее задержки.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Пат. 81831 U1 Российская Федерация, МПК 8 G09B 19/00, G09B 9/00. Система автоматизированного обучения базовым навыкам управления технологическим процессом / Ермолаев А.Д. и др.; патентообладатель ГОУ ВПО «Российский Государственный Университет нефти и газа им. И.М. Губкина». - 
2008148911/22; заявл. 12.12.2008; опубл. 27.03.2009, Бюл. 9.
2. Пат. 115952 U1 Российская Федерация, МПК 8 G09B 9/005. Многоцелевой учебно-тренажерный комплекс для подготовки специалистов в области организации и управления дорожным движением / Егоров А.А. и др.; патентообладатель ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», ЗАО «РИПАС». - 2011131844/11; заявл. 28.07.2011; опуб. 10.05.2012, Бюл 13.
3. Пат. 86779 U1 Российская Федерация, МПК 8 G09B 9/00. Тренажер для привития практических навыков по регулировке зазора между поверхностями носка коромысла и торца клапана / Кутовой С.С.и др.; патентообладатель ГОУ ВПО «Рязанский военный автомобильный институт имени генерала армии В.П.Дубинина». -2009117408/22; заявл. 07.05.2009; опубл: 10.09.2009, Бюл. 25.
4. Пат. 70398 U1 Российская Федерация, МПК 8 G09B 19/24. Тренажер для обучения приемам нарезания наружной резьбы / Гриневич А.Д.; патентообладатель Гриневич А.Д. - 2007129480/22; заявл. 31.07.2007; опубл. 20.01.2008, Бюл. 2.
5. Прохоров С.А., Баланев Д.Ю. Исследование многомерного мира человека в его пространственных составляющих // Вестник БГПУ. 2004. - Выпуск 4. - С.34-37
1. Тренажер для формирования двигательных навыков человека, содержащий N носимых мобильных модулей, каждый из которых идентифицирован цифровым кодом и предназначен для измерения ускорений по трем пространственным осям, N+1 персональных компьютеров, один из которых выполняет роль центрального, включающий беспроводную локальную сеть, обеспечивающую передачу данных от носимых мобильных модулей в локальную сеть персональных компьютеров при помощи координатора беспроводной сети, установленного в центральном компьютере, проводную или беспроводную локальную сеть, объединяющую персональные компьютеры при помощи маршрутизатора, программное обеспечение носимых мобильных модулей, серверное программное обеспечение центрального компьютера, состоящее из блока базы данных образцов движений, блока базы данных результатов тренировки, блока базы учетных данных пользователей, а также программного обеспечения клиента для персональных компьютеров, характеризующийся тем, что данные об ускорении носимого мобильного модуля, закрепленного на внешней поверхности какой-либо части тела человека, выполняющего двигательное упражнение по образцу из хранящегося на центральном компьютере блока базы данных образцов движений, передаются в блок базы данных результатов на центральный компьютер и на один из персональных компьютеров, предварительно идентифицированный при помощи базы учетных данных на центральном компьютере с мобильным модулем и его носителем, и отображающего ускорения движения носимого мобильного модуля в виде визуального образа, для организации обратной связи и оценки пользователем на экране персонального компьютера в реальном масштабе времени, или отсрочено, при этом персональный компьютер используется также для визуального предъявления образца упражнения.
2. Тренажер для формирования двигательных навыков человека по п.1, отличающийся тем, что дополнительно используется трехосевой микромеханический гироскоп для оценки изменения углов поворота носимого мобильного модуля.
3. Тренажер для формирования двигательных навыков человека по п.1, отличающийся тем, что мобильный носимый модуль дополнительно содержит датчик частоты сердечных сокращений пользователя, используемый для оценки качества формирования двигательных навыков.
4. Тренажер для формирования двигательных навыков человека по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит мобильный стенд в виде вертикально устанавливаемой плоскости с изображением направляющих линий и отметок для моделирования элементов рабочего пространства.
5. Тренажер для формирования двигательных навыков человека по п.4, отличающийся тем, что изображение на плоской поверхности мобильного стенда может быть оперативно изменено в соответствии с заранее подготовленным набором изображений, каждое из которых имеет числовой идентификатор.
6. Тренажер для формирования двигательных навыков человека по п.1, отличающийся тем, что программное обеспечение центрального компьютера содержит блок управления упражнениями, обеспечивающий изменение, добавление и удаление образцов движений в блоке базы данных образцов движений.
