Устройство для изучения и тренировки устойчивости тела человека
Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к устройствам для изучения и диагностики равновесия, а также к области спорта для оценки психофизиологического состояния человека при биомеханических исследованиях опорно-двигательного аппарата и тренировки устойчивости. Предлагаемое в качестве полезной модели устройство для исследования и тренировки равновесия решает задачи повышения достоверности информации и объективности диагностики с учетом физиологических процессов удержания равновесия, а также совершенствования процесса тренировки устойчивости путем оперативно создаваемых комфортных, естественных условий работы биологической системы. Указанные задачи достигаются тем, что в известном устройстве для исследования и тренировки равновесия, содержащем подвижную платформу, включающую верхнюю и нижнюю пластины, а также измерительные устройства наклона на стойках, верхняя и нижняя пластины подвижной платформы упруго соединены через центральный блок жесткости, а измерительные устройства наклона верхней пластины подключены к введенному в устройство электронно-логическому блоку измерения времени условного равновесия и количества коррекций позы.
Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к устройствам для изучения и диагностики равновесия, а также к области спорта для оценки психофизиологического состояния человека при биомеханических исследованиях опорно-двигательного аппарата и тренировки устойчивости.
В известных устройствах исследования и тренировки равновесия традиционно используют неподвижные конструкции стабилографов [2, 3], реже применяют подвижные платформы, основной недостаток которых состоит в нарушении естественного процесса удержания равновесия и необходимости "балансирования" в процессе измерения или тренировки [1] из-за отсутствия привычного стабилизирующего момента.
В известном устройстве [4] для тренировки мышц спортсменов, содержащем подвижную платформу для размещения спортсмена, установленную на основании посредством подпружиненной к ней шаровой опоры, размещенной в корпусе, тренировка осуществляется за счет изменения угла наклона платформы по заданной программе.
В указанном выше устройстве исследование и тренировка равновесия идет в режиме вынужденных колебаний, что не позволяет получить достоверные данные о естественном состоянии механизма удержания равновесия и путей его тренировки.
В известном устройстве [5] для регистрации колебаний тела человека используется подвижная площадка с ограничителем перемещений несущей пластины и амортизатором в виде системы пружин сжатия.
Рассматриваемая конструкция выступает в роли своеобразного механического усилителя колебаний за счет положительной обратной связи и обладает существенным дестабилизирующим моментом вместо естественного стабилизирующего, что также не позволяет получить объективные данные о процессе удержания равновесия, способах его совершенствования и тренировки.
В известном устройстве [6, 7] оценивается способность сохранять равновесие в условиях максимально приближенных к естественным. Конструкция устройства [6, 7] содержит две одинаковые пластины, верхняя - установлена в центре на шарике и подперта по углам спиральными пружинами так, что может совершать вращательные движения, необходимые для адекватного способа исследования колебаний тела человека.
Недостатком данного устройства [6, 7] является нарушение механизма удержания равновесия из-за отсутствия привычного стабилизирующего момента, что требует неестественного "балансирования" в утрированных условиях.
Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является "Устройство для исследования и тренировки равновесия" [8]. Конструкция устройства содержит подвижную площадку, включающую не менее двух недеформируемых пластин, верхняя из которых - подвижная и опирается на центральную шаровую опору. стянутых упруго блоками жесткости, обладающую естественным для биологической системы стабилизирующим моментом.
Кроме того, ее пластины упруго соединены таким образом, чтобы результирующая вращательная жесткость платформы, адекватная интегральной суставной жесткости опорно-двигательного аппарата испытуемого, была связана с углом наклона верхней пластины относительно нижней в соответствии с экспоненциальным законом.
С этой целью, блоки жесткости содержат две крепежные рамки, имеющие отверстия под крепежные крючки платформы, на рамки надеты, по крайней мере, пять спиральных пружин различной длины, имеющих соответствующие крючки на свои концах, пружины одной длины объединены в группы попарно и расположены симметрично относительно центральной оси рамки, концы их закреплены на верхней и нижней рамках.
А также за счет того, что измерительные устройства наклона верхней пластины являются многоуровневыми и снабжены дискретными датчиками.
Недостатками данного устройства [8] являются низкая технологичность конструкции платформы, вызванная необходимостью точного подбора четырех комплектов пружин строго определенной длины, а также низкая оперативность при замене всех блоков жесткости в случае адаптации устройства под решение конкретных задач.
Предлагаемое в качестве полезной модели устройство для изучения и тренировки устойчивости тела человека решает задачи повышения достоверности информации и объективности диагностики, а также совершенствования процесса тренировки устойчивости за счет расширения функциональных возможностей устройства.
Эти задачи достигаются за счет того, что в известным устройстве для исследования и тренировки равновесия [8], содержащем подвижную платформу, образованную верхней и нижней пластинами, а также не менее трех измерительных устройств наклона на стойках, верхняя и нижняя пластины подвижной платформы упруго соединены между собой через центральный блок жесткости, выполненный в виде набора крестообразных пластинок чашеобразной формы с различной кривизной основания, изготовленных из пружинной стали.
Кроме того, центральный блок жесткости в предлагаемой модели состоит из набора пластинок, каждая из которых в свою очередь имеет радиус кривизны основания, обеспечивающий наличие зазоров между свободными концами пластинок в соответствии с зависимостью:
i=A0[(i+1)ln(i+1)-ilni-1],
где i - величина "i"-го зазора между свободными концами пластинок, считая от верха;
i - натуральные числа, начиная с 1, являющиеся порядковыми номерами зазоров, начиная с верхнего;
А0 - постоянный коэффициент для конкретной конструкции.
Также в предлагаемой полезной модели измерительные устройства наклона верхней пластины являются многоуровневыми и снабжены дискретными датчиками, при этом указанные датчики соединены с введенным в устройство электронно-логическим блоком измерения времени условного "равновесия" и количества коррекций позы.
С этой целью центральный блок жесткости выполнен в виде по крайней мере трех упругих пластинок чашеобразной формы с различной кривизной основания из пружинной стали и скрепляющий обе пластины, что позволяет получить высокотехнологичную, простую, надежную конструкцию платформы. Упругие пластинки чашеобразной формы могут быть различной конфигурации, в частности, разрезные из не менее чем четырех лепестков.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявленная полезная модель обладает новизной.
Предлагаемая конструкция устройства по п.1, 2 изображена на фиг.1, где
1 - нижняя пластина,
2 - верхняя пластина,
3 - центральная опора,
4i-j - упругие пластинки центрального блока жесткости,
5 1-4 - крепежные винты,
6 - фиксирующая шайба,
71-4 - измерительные устройства наклона верхней пластины (показаны условно).
Платформа состоит из недеформируемых нижней (1) и верхней (2) пластин, имеющих не менее трех углов. В геометрическом центре пластин установлена центральная опора (3), состоящая из стального стержня, скругленным концом упирающегося в сферическое углубление верхней пластины. Нижний резьбовой конец центральной опоры вворачивается в резьбовое отверстие нижней пластины (1). Центральная опора (3) поджимает фиксирующую шайбу (6), которая удерживает центральный блок жесткости, выполненный в виде набора чашеобразных пластинок крестообразной формы (4i-j). Верхняя пластинка центрального блока жесткости соединяется к верхней пластиной (2) платформы крепежными винтами (51-4). Высота центральной опоры (3) регулируется подбором толщины фиксирующей шайбы (6) так, чтобы при установке в конструкцию имелось начальные натяжение, обеспечивающее фиксацию верхней пластины (2) на центральной опоре (3) при наклонах платформы, вызванных транспортировкой или условиями эксперимента.
В свободном пространстве между пластинами (1) и (2) платформы располагаются не менее трех измерительных устройств наклона (71-4), которые снабжены дискретными датчики с любым возможным принципом действия (оптические, магнитные, механические), установленные на стойках.
На фиг.2 представлен вид сверху пластинок (4i-j ) центрального блока жесткости устройства.
Центральный блок жесткости выполнен из набора чашеобразных пластинок крестообразной формы (41-3) и создает нелинейную вращательную жесткость измерительной платформы. Материалом для изготовления последних служит пружинная сталь, обеспечивающая стабильную и линейную характеристику жесткостных свойств отдельных пластинок. Все пластинки полностью симметричны и идентичны между собой по всем параметрам, кроме радиуса округления основания. В результате свободные концы пластинок (4i-j) отстоят друг от друга на некоторое расстояние. Величина этого зазора i между свободными концами пластинок должна обеспечивать изменение результирующей жесткости центрального блока при наклонах верхней пластины (2) в соответствии с экспоненциальным законом [8]. В случае использования всех пластинок (4 i-j) с одинаковым модулем упругости величина зазора, начиная с первого сверху зазора, определяется в соответствии с зависимостью:
i-A0[(i+1)ln(i+1)-ilni-1],
где i - величина "i"-го зазора, считая от верха;
i - натуральные числа, начиная с 1, являющиеся порядковыми номерами зазоров, начиная с верхнего;
А 0 - постоянный для конкретной конструкции коэффициент.
Жесткость пластинок (4i-j) центрального блока подбирается адекватно весу испытуемого и целевым задачам эксперимента, что обеспечивает усредненную величину угловой вращательной жесткости всей платформы в пределах 1÷5 Нм/град.
Индивидуальный подбор жесткостных параметров измерительной платформы обеспечивается заменой центрального блока на аналогичный, но с другой жесткостью пластинок (4i-j), которыми комплектуется предлагаемое устройство полезной модели.
Предлагаемая полезная модель - устройство для изучения и тренировки устойчивости тела человека - работает следующим образом. Перед началом эксплуатации измерительные устройства наклона (71-4) подключают к электронно-логическому блоку и устройству отображения информации (на фиг.1. не указаны). Испытуемый встает на платформу так, чтобы геометрический центр пластин (1, 2) находился между стоп, а переднезадняя и боковая оси установки совпадали с фронтальной и сагиттальной осями тела человека соответственно. Верхняя пластина (2) качается на центральной опоре (3) за счет естественных колебаний тела в процессе удержания вертикальной позы. При этом возникает привычный стабилизирующий момент, вызванный нелинейной результирующей вращательной жесткостью платформы, определяемый центральным блоком жесткости за счет последовательного прижатия дополнительных пластин (4i-j) при увеличении относительного угла наклона пластин (1, 2) платформы, в процессе удержания равновесия.
Измерительные устройства наклона (71-4 ) снабжены дискретными датчиками, их срабатывание определяется углом наклона верхней пластины (2). Высота расположения датчиков в измерительных устройствах наклона на всех стойках такова, что срабатывание последних происходит при одинаковом превышении угла наклона в любом направлении.
Кроме того, измерительные устройства наклона (71-4) являются многоуровневыми: на стойке устанавливают несколько (по количеству уровней) дискретных датчиков на разной высоте. Срабатывание всех равновысотных датчиков происходит при одинаковом угле наклона идентично для всех стоек.
Информация от измерительных устройств наклона (7 1-4) через электронно-логический блок поступает на табло устройства отображения информации, где наглядно демонстрирует процесс удержания равновесия.
В случае правильной ориентации осей тела испытуемого и платформы при наклоне тела зажигаются индикаторные лампы соответствующего направления. Интенсивность свечения ламп увеличивается по мере увеличения угла наклона верхней пластины, что сигнализирует о снижении устойчивости в данном направлении.
Электронно-логический блок также измеряет время условного "равновесия" в заданном интервале углов наклона верхней пластины (2), когда соответствующие индикаторные
лампы не горят, и также подсчитывает количество условных коррекций позы, когда индикаторные лампы зажигаются и гаснут, за назначенное таймером время эксперимента.
Рассматриваемое устройство позволяет оценивать, диагностировать и тренировать устойчивость как в естественных условиях за счет мышечных ощущений, так и с введением зрительной обратной связи по индикаторному табло, что расширяет функциональные возможности устройства.
Предлагаемая конструкция устройства, с предварительным напряжением, является автономно независимой и может быть установлена в любом положении относительно горизонта, что позволяет проводить измерения и тренировку равновесия в том числе и на наклонной поверхности. Эта особенность устройства необходима для оценки качества выполнения спортивных упражнений и изучения механизмов отталкивания, а также при проектировании эргономичной обуви для здоровых людей, или при протезировании. Тренировка устойчивости на наклонной поверхности является необходимой не зависимо от рода деятельности человека, что снижает травматизм и повышает надежность и эффективность двигательных действий.
Предлагаемая модель позволяет оперативно адаптировать параметры платформы под испытуемых с различным весом тела, а также с учетом целевых задач исследования путем быстрой замены центрального блока с требуемыми параметрами жесткости, которыми комплектуется устройство. Данная операция не требует дополнительной юстировки и настройки устройства, что особенно важно при использовании этого устройства в условиях детских учреждений и массовой физической культуре.
Конструкция платформы оказывается очень простой и надежной с минимальным количеством деталей, что определяет технологичность ее изготовления и низкую себестоимость.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Гурфинкель, B.C. Регуляция позы человека / B.C.Гурфинкель, Я.М.Коц, М.Л.Шик // - М.: Наука, 1965. - С.256.
2. Пат 2270603 РФ, МКИ А61В 5/103, A61G 11/00. Платформа для исследования опорных реакций /А.Г.Биленко, Г.П.Иванова. - №2004121230; Заявлено 12.07.2004; Опубл. 27.02.2006. - 7 с.: 4 ил.
3. Пат. 561556 СССР, МКИ А61В 5/10. Устройство для регистрации параметров движения центра тяжести тела человека / B.C.Гурфинкель, Е.В.Гурфинкель, М.И.Липшиц. К.Е.Попов. - №2134465/13; Заявлено 16.05.1975; Опубл. 15.06.1977.- 4 с.: 3 ил.
4. Пат. 1222288 А СССР, МКИ А63В 23/04. Устройство для тренировки мышц спортсменов / С.И.Габа, B.C.Бартош. - №3805076/28-12; Заявлено 25.10.1984; Опубл. 07.04.1986. - 2 с.: 2 ил.
5. Пат.843949 СССР, МКИ А61В 5/10. Устройство для регистрации колебаний тела человека /В.Г.Стрелец, А.С.Корнеев. - №2777956/28-13; Заявлено 04.07.1979; Опубл. 07.07.1981. - 6 с.: 4 ил.
6. Пат. 42668 СССР, МКИ А61В 5/10. Устройство для определения устойчивости человека / Л.С.Соскин. - №155546; Заявлено 1610.1934; Опубл. 30.04.1935. - 2 с.3 ил.
7. Иванова, Г.П. Тренажер-анализатор равновесия «ТАРИУС» / Г.П.Иванова, А.Г.Биленко // Теория и практика физ. культуры. - 1989. - №8. - С.45-46.
8. Пат. 59955 РФ на полезную модель, МКИ А61В 5/16, А61В 5/103, А61G 11/00. Устройство для исследования и тренировки равновесия / А.Г.Биленко, Г.П.Иванова. - №2006132796; Заявлено 12.09.2006; Опубл. 10.01.2007. - 9 с.: 4 ил.
1. Устройство для исследования и тренировки равновесия, содержащее подвижную платформу, образованную верхней и нижней пластинами, а также не менее трех измерительных устройств наклона на стойках, отличающееся тем, что верхняя и нижняя пластины подвижной платформы упруго соединены между собой через центральный блок жесткости, выполненный в виде набора крестообразных пластинок чашеобразной формы с различной кривизной основания, изготовленных из пружинной стали.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центральный блок жесткости состоит из набора пластинок, каждая из которых в свою очередь имеет радиус кривизны основания, обеспечивающий наличие зазоров между свободными концами пластинок в соответствии с зависимостью:
i=A0[(i+1)ln(i+1)-ilni-1],
где i - величина i-го зазора между свободными концами пластинок, считая от верха;
i - натуральные числа, начиная с 1, являющиеся порядковыми номерами зазоров, начиная с верхнего;
А0 - постоянный коэффициент для конкретной конструкции.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительные устройства наклона верхней пластины являются многоуровневыми и снабжены дискретными датчиками, при этом указанные датчики соединены с введенным в устройство электронно-логическим блоком измерения времени условного "равновесия" и количества коррекций позы.
