Программно-аппаратный комплекс контроля взаимодействия стопы спортсмена с опорой при выполнении упражнений

В настоящее время результаты, которые спортсмены показывают на мировой арене приблизились к порогу возможностей человеческого организма. Изучены и апробированы различные подходы к учебно-тренировочному процессу, расчёту нагрузки, методам восстановления, но стоит отметить, что среди огромного количества факторов, влияющих на спортивные достижения, ключевую роль занимает совершенствование, прежде всего, физической и технической подготовленности [1-3]. И если первый фактор имеет обширную базу знаний и позволяет чётко формировать условия для роста спортивных результатов, то второй носит рекомендательный характер, т.к. количественные характеристики технического исполнения упражнений у спортсменов, а также их антропометрические данные могут быть различны, а результаты сопоставимы. Следовательно, и построение модельных характеристик в отношении углов в отдельных фазах и дальнейшее использование данных при подготовке спортсменов осложнено. Кинематические характеристики, получаемые путём видеосъёмки, дают представление о геометрии движения, при этом не учитывают фактора движущейся массы и действующей силы, которые влекут за собой изменения в балансе системы спортсмен- сна- ряд. Такие характеристики не позволяют ответить на вопрос о причинах изменения траектории движения в процессе выполнения упражнения. Лишь динамические характеристики могут внести ясность в происхождение ошибок. Использование синхронизированных систем позволяет ответить на некоторые вопросы, но применяемые для этого тензоплат-формы не дают конкретного представления о изменениях, происходящих в процессе движений. Измерения, проводимые научными группами, требуют обработки. Нет возможности оперативного вмешательства в учебнотренировочный процесс. Используемое оборудование требует длительной установки, настройки, определённых навыков работы с ним. Исправление ошибок в технике тяжелоатлетических упражнений сводится к теоретическому объяснению, при этом не оцениваются количественные параметры элементов техники и их взаимосвязь в целостном движении [4].

Таким образом, уровень спортивных результатов в какой-либо стране характеризует существующую в ней систему подготовки спортсменов высокого класса. Это является одной из наиболее существенных причин небывалого обострения конкуренции в спорте высших достижений, стимулирующей науч- ные поиски неиспользованных резервов в области методики подготовки спортсменов-тяжелоатлетов. В современном тренировочном процессе тяжелоатлетов важное место занимают вопросы совершенствования технического мастерства. Усвоение рациональной техники во многом зависит от понимания спортсменом и тренером объективных законов, лежащих в основе организации тяжелоатлетических упражнений. При этом особенно важно формирование у спортсменов правильного представления о фазовом составе и структурах этих упражнений [5].

Совокупность всех этих обстоятельств требует универсальных, простых в обращении устройств, внедрение которых позволяет корректировать технику выполнения в условиях учебно-тренировочного процесса. Внедрение таких комплексов позволит более эффективно взаимодействовать тренеру со спортсменом.

Научная идея состоит в поиске рациональных решений, по количественной и качественной оценке, динамических характеристик техники выполняемых упражнений в ходе учебно-тренировочного процесса.

Цель работы – разработка программноаппаратного комплекса оперативного биомеханического анализа взаимодействия стопы спортсмена с опорой при выполнении упражнений.

Научная новизна разработанного программно-аппаратного комплекса заключается в расширенном представлении о биомеханических особенностях выполняемых упражнений. Основным недостатком общепринятых методик по постановке и коррекции технического момента является отсутствие данных об оптимальных параметрах при выполнении упражнений. Данных по взаимодействию спортсменов с опорой, которые возможно получить при использовании описываемого программно-аппаратного комплекса, фактически не существует. Оборудование, используемое ранее, при решении подобных задач не позволяет выделить видимых различий в опорном моменте, а он, в свою очередь, является одним из основных критериев для развития максимальных усилий. Изучение технических особенностей спортсменов различных спортивных квалификаций, является фундаментом к построению модельных характеристик, которые помогут тренерам как в исправлении ошибок, так и постановке техники на начальных этапах. Данные, получаемые в результате измерений, качественным образом отличаются, легко обрабатываемы и визуализированы.

Технические характеристики:

Питание: от USB- порта компьютера (5В)

Датчики давления: пьезоэлектрические с высокой точностью и быстродействием ST-5.103

Контроллер-обработчик:      на     базе

ATmega 328.

Частота измерений: 100 Гц.

Максимальная нагрузка на платформу: 400 кг.

Пиковая нагрузка на измерительный элемент платформы: 260 кг.

Программно-аппаратный комплекс состоит из:

• -    Пневмоплатформа.

• -    Контроллер- обработчик.

• -    Программное обеспечение.

Пневмоплатформа представляет собой помост размером 1500 мм × 500 мм. Представлена на рисунке 1.

Состоит из пяти элементов (деревянных досок). Доски, расположенные по краям платформы закреплены неподвижно, под тремя средними элементами размещены пневмоподушки, на каждой из которых установлен высокоточный датчик давления.

Датчики давления имеют удобные, пронумерованные разъемы с защитой от некорректного подключения, высокую энергоэффективность и быстродействие. Представлены на рисунке 2.

Контроллер-обработчик.      Связующее устройство на базе микроконтроллера AT-MEGA 328. Представляет собой герметичный корпус с 4 выведенными кабелями, 3 из которых оснащены разъёмами и пронумерованы для подключения к датчикам давления пневмоплатформы и кабель с USB-разъёмом, для подключения к ПК (рис. 3). При необходимости есть возможность модернизации устройства под конкретное использование: увеличение количества датчиков до 8, использование от аккумулятора с записью данных на карту памяти, изменение дискретизации, согласование с другими устройствами, применение беспроводных модулей связи и т.д.

Рис. 1. Пневмоплатформа

Рис. 2. Датчики давления

Рис. 3. Контроллер-обработчик

Программное обеспечение. Для отображения поступающей информации используется специализированная программа – она является ключевым звеном при обработке получаемых массивов данных (рис. 4). Достаточно минималистичный интерфейс ПО позволяет быстро получить навыки обращения. Программа имеет минимальные системные требования и, как правило, не требует установки дополнительных компонентов для использования. Необходимо лишь последнее обновление библиотек Visual Studio.

В информационном поле, желтого цвета, описана краткая инструкция по использованию. В поле слева можно наблюдать текущие значения, поступающие с датчиков с пометкой времени. После проведенных измерений есть возможность детально изучить полученный график. При установке курсора в точки графика на шкале справа можно видеть распределение нагрузки по стопе, при выполнении упражнения. Прямоугольные индикаторы размещены сверху вниз, от носка к пятке и изменяют цвет в соответствии с максимальными и минимальным показаниями с конкретного датчика. Так же для использования массива полученных данных в сторонних обработчиках есть функция выгрузки файла в MS Excel, что позволяет построить необходимые графики, сопоставить данные, отредактировать массив в соответствии с необходимыми требованиями. Пример обработки данных, полученных при тестировании представлен на рисунке 5.

Практическое применение.

Программно-аппаратный комплекс имеет довольно широкую область применения. Простота и удобство использования позволяет проводить измерения, при наличии ноутбука, в полевых условиях. Нет необходимости в дополнительных источниках питания. Возможность модернизации под любые задачи расширяет область применения пневматических систем.

Рис. 4. Представление результатов взаимодействия стопы с опорой на экране монитора

Носок ----Плюсне-фаланговый сустав ----Пятка

Рис. 5. Пример обработки данных, полученных при тестировании

Заключение. Конечный продукт, полученный в рамках поставленной цели исследования – программно-аппаратный комплекс, может успешно решать задачи количественного и качественного анализа техники тяжелоатлетических упражнений, а также сравнения различных вариантов исполнения. Использова- ние данного комплекса в совокупности с видеокамерами позволит решать задачи технического совершенствования на ином уровне. Использование комплекса в учебнотренировочном процессе и научной деятельности позволит выявить новые количественные биомеханические показатели техники упражнений. Результаты исследования могут быть использованы в учебном процессе студентами факультетов физической культуры, в учебно-исследовательской работе магистрантов и аспирантов. Данный комплекс прошел серию тестовых проверок на корректность получаемых данных. Результаты тестирований показали эффективность при использовании для исследований техники спортивных упражнений. Так же использование пневматических систем может стать новым инструментом для решения различных задач, т.к. об- ладает существенными преимуществами по сравнению с тензодатчиками. Лёгкость установки, подушки могут быть различных форм и размеров, большой диапазон измеряемых величин позволяет проводить измерения со значительной нагрузкой, высокая дискретность даёт детальное представление об объекте исследования. Использование пневматических систем не ограничено применением в платформе. Они могут быть применены практически в любой области, где необходима регистрация давления.