Исследование механики спортивных и оздоровительных тренажеров

Объектами исследования в данной диссертации являются спортивные и оздоровительные тренажеры, составляющие особую группу пассивных механизмов, а иногда и машин с самостоятельным приводом. В последние годы тренажеры получили широкое распространение. Тренажерами оснащаются многочисленные спортивные залы, клиники и больницы. Тренажеры широко используются для задания дозированных нагрузок в периоды реабилитации людей, перенесших тяжелые заболевания, и для укрепления мышц опорно-двигательного аппарата. Специализированные тренажеры используют также классные спортсмены для сохранения спортивной формы в межсезонье, а также представители бодибилдинга для наращивания определенных групп мышц. Обычные тренажеры нередко приобретаются для установки дома людьми, которые стараются поддерживать хорошую спортивную форму при минимальных потерях времени. Нередко тренажеры устанавливаются в организациях в помещениях, близких к рабочим местам, чтобы предоставить персоналу возможность чередовать основную работу с краткими интервалами выполнения упражнений на тренажерах.

В течение многих лет тренажеры изготавливались как в нашей стране, так и за рубежом полукустарно, в соответствии с пожеланиями тренеров. В последнее десятилетие положение существенно изменилось, тренажеры серийно выпускаются крупными фирмами, такими, как «Kettler» (Германия), «Sport House» (США) и «Tuntury» (Финляндия), причем проектирование осуществляется в Западной Европе и США, а само серийное производство налажено в странах Юго-Восточной Азии.

Пока тренажеры выпускались полукустарно, типаж тренажеров был необозрим, при их создании большую роль играли возможности производства, как правило, достаточно скромные, традиции в этой области еще не складывались. При организации серийного выпуска тренажеров встали обычные для новой области техники задачи обоснованного выбора и оптимизации типажа, типизации элементов конструкции, создания фирменного стиля дизайна, расчета основных параметров, предоставление возможности переналадки и регулировки, оснащения электроникой и т. д.

Этот большой комплекс вопросов оказался поработай ным очень неравномерно. Если над внешним видом работали прекрасные специалисты — дизайнеры, с каждым годом совершенствовалось сенсорно-компьютерное оснащение, вплоть до самых современных средств отображения информации и устройств программирования режимов тренировки, то вопросы механики тренажеров серьезно не прорабатывались. Схемы нагружения тренирующихся по группам мышц конечно выбирались в соответствии с накопленным опытом, рекомендациями тренеров и методистов. При этом помогала аналогия с условиями тренировки и со спортивным инвентарем в различных видах спорта.

При проектировании и проведении испытаний тренажеров представляется перспективным развить традиционный подход, обычный при создании новых механизмов, машин и их модификаций. При таком подходе, в соответствие с назначением, определяются кинематические схемы, затем формулируются требования к параметрам и характеристикам, и по этим требованиям выбираются параметры механизмов. Такой подход позволяет разделить вопросы проектирования тренажеров, как технических устройств, от проблематики методик тренировки и вопросов наилучшего согласования тренажера с человеком. Согласование тренажера с человеком, конечно, необходимо, но оно происходит при использовании обычных методов эргономики. Таким образом, при проектировании тренажеры рассматриваются, как обычные механизмы или обычные машины, но конечно, раздельно по типам и видам. В силу сказанного, задачи качественного и количественного описания тренажеров, как специализированных механизмов и машин, проектируемых по определенным техническим требованиям, представляются актуальными.

Целью диссертации является разработка рекомендаций по оптимизации конструкций тренажеров различных типов на базе предложенных обобщенных математических моделей, анализа геометрии, кинематики и динамики тренажеров, рассматриваемых как специализированные механизмы.

Для достижения сформулированной цели в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Систематизация сведений и данных о существующих схемных и конструктивных решениях спортивных и оздоровительных тренажеров, разработка их общей классификации.

2. Формулирование совокупности требований к тренажерам.

3. Разработка обобщенных математических моделей, описывающих силовое взаимодействие человека с тренажером, и энергетические аспекты этого взаимодействия.

4. Конкретизация требований к отдельным группам тренажеров (велотренажеров, гребных тренажеров, «наездников», степперов, беговых дорожек).

5. Решение ряда задач статики и динамики для типовых тренажеров с целью выявления их силовых характеристик.

6. Разработка предложений по расширению возможностей тренажеров и лучшей приспосабливаемости к тренирующемуся.

На защиту выносятся следующие основные положения:

— требования к спортивным и оздоровительным тренажерам разносторонни, но во всех случаях особую роль играют требования к геометрии, кинематике и силам противодействия движениям, выполняемым тренирующимся;

— рабочая классификация тренажеров должна быть многоаспектной и должна отражать особенности кинематики (в первую очередь, порядок и расположение осей кинематических пар) и способы создания сил;

— предлагаемая общая математическая модель тренажеров предусматривает разделение обобщенных сил на четыре составляющих: постоянную, зависящую от обобщенных координат, скорости и ускоренияэтими составляющими можно достаточно полно описывать тренажеры как механизмы, предназначенные для создания сил противодействия человеку;

— тренажеры некоторых типов можно рассматривать, как механизмы, предназначенные для поглощения и частично аккумуляции энергии, в этих случаях основными для тренажеров являются соотношения мощностей;

— при расчетном определении силовых характеристик целесообразно использовать методику, которая отработана на примере тренажера типа «наездник»;

— сформулированные предложения по совершенствованию по разным группам механизмов тренажеров позволяют наилучшим образом приспосабливаться к особенностям человека, более полно отражать особенности тренировки в естественных условиях и регулировать нагрузки.

Практическая ценность. В результате проведенных теоретических исследований сформулированы общие требования и намечены пути совершенствования схем и конструкций по каждому типу тренажеров, что позволяет механизмам тренажера более полно отражать особенности тренировки в естественных условиях и различным образом регулировать нагрузки.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы доложены на международной научно-технической конференции.

Метромед-99″ (Санкт-Петербург, 1999), ежегодных научно-технических конференциях в Санкт-Петербургском государственном техническом университете (СПбГТУ), заседаниях и семинарах кафедры «Автоматы» СПбГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы, перечень которых представлен в списке литературы.

Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе рассмотрена история развития тренажеров, многообразие их типов и видов, сформулированы общие требования, предъявляемые ко всем тренажерам. Разработана многоаспектная классификация тренажеров по различных признакам, основное внимание уделено кинематическим схемам тренажеров, их типовым элементам и способам создания сил противодействия. Разработана обобщенная математическая модель тренажера, в которой силы сопротивления представлены в виде слагаемых, зависящих от обобщенной координаты, скорости и ускорения. Рассмотрены особенности энергетических соотношений при работе на тренажерах, как со стороны самого механизма, так и со стороны тренирующегося, особенности при прямом и обратном ходе тренажера.

Во второй главе рассмотрены общие принципы построения велотренажеров и гребных тренажеров на основе анализа кинематических схем механизмов, серийно выпускаемых ведущими фирмами мира. Рассмотрены принципы создания тормозных сил и моментов с помощью различных устройств, используемых в велотренажерах, и возможные способы управления этими силами и моментами. Выполнен расчет инерционности маховика велотренажера, используя критерии соответствия механики тренировки на велотренажере и на велосипеде. Предложены пути совершенствования конструктивных и схемных решений механизмов велотренажеров с целью расширения возможностей изменения параметров сил сопротивления и инерционных параметров, возможностей их изменения в пределах оборота. Для гребных тренажеров поставлены задачи силового расчета их механизмов и также предложены пути их совершенствования с целью наиболее полного приближения тренировки на гребном тренажере к тренировке на академических лодках.

В третьей главе рассмотрены различные варианты схемных и конструктивных решений механизмов степперов и беговых дорожек. Разработана математическая модель силового взаимодействия человека со степперами и в результате ее расчета была выявлена зависимость высоты «ступенек лестницы» от частоты ходьбы и настройки сопротивления тормозных гидроцилиндров. Рассмотрены эллиптические тренажеры, которые получили свое название из-за эллиптической траектории движения ступней ног при тренировке. Предложены пути изменения схемных и конструктивных решений механизмов степперов с целью изменения законов поворота подножек и создания нагрузки на руки во время тренировки. Проанализировано многообразие существующих беговых дорожек, общие принципы их построения и сформулированы теоретические и конструктивные задачи, которые необходимо учитывать при их расчете, проектировании и изготовлении. Аналитически получено свойство независимости средней мощности сил трения между лентой и опорной поверхностью тренажера от закона изменения нормальной реакции опоры при беге.

В четвертой главе рассмотрены различные виды тренажеров «наездники», их кинематические схемы, а также принцип их работы. Проведены статические расчеты «наездников» двух групп и получены зависимости сил, прикладываемых тренирующимся, от угла поворота механизма. Предложены пути совершенствования схемных и конструктивных решений механизмов «наездники» с целью получения различных зависимостей прикладываемых сил от положения тренажера.

В заключении сформулированы основные положения и выводы.

Выводы по главе 4.

1. Тренажеры типа «наездник» отличаются тем, что силы сопротивления в них создаются за счет сил веса тренирующегося человека и сил веса звеньев самого механизма, преобразуемых системой рычагов.

2. Тренажеры «наездники» можно разделить на две группы, однако все они характеризуются существенными изменениями сил сопротивления от обобщенной координаты.

3. Предложенная методика силового расчета тренажеров типа «наездники», основанная на определенных гипотезах относительно направления сил, прикладываемых тренирующимся человеком к звеньям тренажера, позволяет сводить задачу определения сил к статически определимой.

4. Для автоматизированного расчета одного из «наездников» составлена программа, написанная в Visual Basic, которая позволяет вычислять требуемые силы и строит графики зависимости этих сил от угла положения механизма.

5. Проведенные расчеты для «наездников», иллюстрирующие общую методику исследования тренажеров, позволили оценить изменчивость сил сопротивления при перемещении звеньев.

6. Предложенные варианты изменения механизмов «наездников» позволяют получать различные зависимости прикладываемых сил от положения звеньев тренажера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Общим итогом работы является разработка вариантов модернизации и усовершенствования различных типов и видов спортивных и оздоровительных тренажеров на основе полученных в диссертационной работе теоретических исследований геометрии, кинематики и динамики с целью их наилучшей приспособленности к имитации естественных условий тренировки и возможности регулирования нагрузок. При этом тренажеры рассмотрены с позиции теоретической механики и теории машин и механизмов.

Конкретные выводы формулируются следующим образом:

1. Несмотря на многообразие типов и видов тренажеров, сформулированы общие требования, предъявляемые к ним, составлена многоаспектная классификация, в которой основное внимание сосредоточено на способах приложения сил со стороны тренирующегося, особенностях кинематических схем тренажеров. Приведены их наиболее часто встречающиеся кинематические схемы.

2. Построена обобщенная математическая модель тренажера, при этом тренажеры представлены как механизмы для создания сил противодействия тренирующемуся человеку, обобщенные силы представлены в унифицированной форме в виде составляющих, зависящих соответственно от обобщенной координаты, скорости и ускорения.

3. Рассмотрены особенности энергетических соотношений при работе на тренажерах, как со стороны самого механизма, так и со стороны тренирующегося, учтены особенности при прямом и обратном ходе тренажера.

4. Для механизмов велотренажеров рассчитан момент инерции устанавливаемого маховика и передаточное отношение цепной передачи. Предложены пути совершенствования механизмов велотренажеров с целью расширения возможностей изменения параметров сил сопротивления и инерционных параметров, возможностей их изменения в пределах оборота.

5. Для гребных тренажеров предложены некоторые изменения кинематических схем, которые позволяют наиболее полно имитировать механику гребли на академических лодках, в частности, предлагается имитировать вес весла, его инерционность и инерционность самой лодки.

6. Для степперов предложена математическая модель в виде дифференциального уравнения первого порядка, при этом кажущаяся высота «ступенек» оказалась зависимой от частоты ходьбы и задается тормозными цилиндрами.

7. Для беговых дорожек аналитически получено свойство независимости средней мощности сил трения между лентой и опорой от закона изменения нормальной реакции опоры при беге при условии постоянства коэффициента трения.

8. Для тренажеров «наездники» предложена методика силового расчета, основанная на гипотезах относительно направления сил, прикладываемых тренирующимся человеком. При этом получены типовые зависимости этих сил от углов положения звеньев механизмов «наездников». Предложены варианты усовершенствования механизмов «наездников», реализующих различные зависимости прикладываемых тренирующимся человеком сил от углов положения механизмов.