формула изобретения
1. способ тренировки, заключающийся в том, что в ходе выполнения разучиваемого движения, данное движение оцифровывается, сравнивается с оцифрованной моделью эталонного движения и, в случае, если обучаемый допустил отклонение от эталонного движения, он получает тактильный сигнал, корректирующий его движения в реальном режиме времени.
2. способ по п.l, отличающийся тем, что модель эталонного движения получается путем оцифровки движений эксперта. 3. способ по п.l, отличающийся тем, что модель эталонного движения получается путем моделирования с помощью эвм.
4. способ по п.l, отличающийся тем, что модель эталонного движения получается путем оцифровки собственных движений обучающегося.
5. способ по п.l, отличающийся тем, что тактильный сигнал включается при превышении заданного для данного движения порога срабатывания по отклонению.
6. способ по п.l, отличающийся тем, что тактильный сигнал включается при превышении заданного для данного движения порога срабатывания по отклонению, а величина порогового отклонения уменьшается по мере освоения движения.
7. способ по п.l, отличающийся тем, что интенсивность тактильного сигнала увеличивается с увеличением отклонения движения ученика от эталонного движения.
8. способ по п.l, отличающийся тем, что тактильный сигнал подается на поверхность тела, противолежащую от верной траектории.
9. способ по п.l, отличающийся тем, что тактильный сигнал подается на поверхность тела, ближайшую к верной траектории.
10. способ по п.l, отличающийся тем, что с уменьшением ошибочных движений, увеличивается темп движений. 11. способ по п.l, отличающийся тем, что движения для изучения периодически повторяются блоками, а с уменьшением ошибочных движений увеличивается количество повторяемых в одном блоке движений.
12. способ по п.l, отличающийся тем, что темп движений задается звуковым сигналом.
13. способ по п.l, отличающийся тем, что темп движений задается оптическим сигналом.
14. способ по п.l, отличающийся тем, что движения для повторения задаются тренером. 15. способ по п.l, отличающийся тем, что движения для повторения задаются видеорядом.
16. способ по п.l, отличающийся тем, что движения для повторения задаются на экране эвм.
17. способ по п.l, отличающийся тем, что движения для повторения задаются в печатном виде.
18. способ по п.l, отличающийся тем, что при отклонении движения обучающегося от эталонного движения, обучающемуся дается пауза для нахождения верного положения на данном этапе движения, после чего движение продолжается.
19. устройство для реализации способа тренировки, характеризующееся наличием датчиков для оцифровки движения, эвм для сравнения полученного оцифрованного движения с эталонным и элементов обратной тактильной связи для корректировки движения ученика в реальном режиме времени.
20. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для оцифровки движения использованы оптические датчики. 21. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для оцифровки движения использованы механические датчики.
22. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для оцифровки движения использованы магнитные датчики.
23. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для оцифровки движения использованы датчики на базе микромеханических акселерометров и/или микромеханических гироскопов.
24. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для оцифровки движения использованы датчики на базе оптического волокна.
25. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для оцифровки движения использованы датчики, использующие эффект доплера.
26. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для оцифровки движения использованы датчики, использующие для определения координат части тела время прохождения волны от точки с известными координатами до датчика.
27. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для оцифровки движения использована комбинация оптических, механических, магнитных датчиков, датчиков на базе микромеханических акселерометров, микромеханических гироскопов, датчиков на базе оптического волокна, датчиков, использующих для определения координат эффект доплера или время прохождения сигнала от источника с известными координатами до датчика.
28. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для создания обратной тактильной связи использованы виброэлементы.
29. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для создания обратной тактильной связи использованы термоэлементы.
30. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для создания обратной тактильной связи использованы разряды электрического тока.
31. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для создания обратной тактильной связи использованы механизмы, осуществляющие надавливание, например с помощью надувного элемента.
32. устройство по п. 19, отличающееся тем, что для каждой части тела используется один и более элемент обратной тактильной связи.
33. устройство по п. 19, отличающееся тем, что элементы устройства связаны проводной шиной данных. 34. устройство по п. 19, отличающееся тем, что элементы устройства связаны беспроводной шиной данных.
35. устройство по п. 19, отличающееся возможностью оцифровывать движение на одном устройстве и оперативно передавать его на другое аналогичное устройство в качестве эталонного. 36. устройство по п. 19, отличающееся наличием связи с эвм, позволяющей синхронизировать движения и их скорость, заданные на мониторе
эвм, и модель эталонного движения в устройстве. |
способ тренировки и устройство для его осуществления
область техники, к которой относится изобретение изобретение относиться к обучению и может быть использовано для формирования и/или развития двигательных навыков, закрепления динамических стереотипов, тренировки координации движений.
изобретение может быть применимо для отработки движений в различных видах спорта, единоборствах, танцах, для подготовки артистов театра, балета, цирка, в играх, и т.п.
уровень техники
существует множество видов деятельности, в той или иной степени требующих владения специфическими двигательными навыками. к таким видам деятельности можно отнести танцы, спорт, боевые искусства, театр, пантомиму, актерскую деятельность и др. физиологические основы формирования двигательных навыков заключаются в том, что: на первоначальном этапе обучения движениям в
цнс образуются нестойкие временные связи между нервными центрами, регулирующими деятельность различных мышц и органов. в дальнейшем эти связи дифференцируются и закрепляются.
формирование двигательного навыка принято делить на три стадии.
первая стадия характеризуется тем, что при изучении нового упражнения физические движения плохо координированы и в техническом плане малоэффективны. в основе второй стадии формирования навыка лежит концентрация возбуждения в определенных центрах нервной системы.
третья стадия формирования двигательного навыка - это свобода движений, высокая степень их координации и стабилизации.
многократное выполнение упражнений в строго определенном порядке вырабатывает динамический стереотип. выработка динамического стереотипа требует длительных кропотливых тренировок. стабильность выполнения двигательных навыков теснейшим образом связана со степенью овладения ими. как и другие условные рефлексы, двигательные навыки в начале недостаточно устойчивые, но в дальнейшем становятся все более и более стойкими. чем проще
навыки по своей структуре, тем они прочнее усваиваются. основная проблема у обучающегося на начальном этапе разучивания движений со сложной структурой - координация всех частей тела в процессе отработки движении для выработки верного динамического стереотипа. обычная практика в процессе обучения тому или иному двигательному действию - многократное его повторение под руководством тренера, который корректирует траектории движения различных частей тела с целью добиться технически безупречного выполнения. после закрепления двигательного стереотипа нарабатывается скорость и свобода в исполнении действия. очевидно, что достижение успеха при таком подходе зависит в первую очередь от компетентности и мастерства тренера. кроме того, такой подход эффективен при небольшом количестве обучающихся с одним тренером, при возрастании количества обучающихся в группе, эффективность обучения с тренером падает.
из уровня техники известны системы видеоанализа для обучения спортивным движениям и совершенствования техники двигательных действий (например разработка компании Siliсопсоасh). системы видеоанализа используют видеозапись спортсмена для анализа различных фаз его движения (траектории, углы и скорости см. http://www.acrosport.ш/items/zifrovie-tehnologii/video.htm ) а так же для сравнения движения обучающегося с движениями профессиональных спортсменов с целью их корректировки.
основным недостатком таких систем является отсутствие обратной связи непосредственно в процессе выполнения движения (обучающийся не чувствует верную траекторию в процессе обучения), что снижает эффективность обучения. еще одним недостатком, снижающим эффективность обучения, является то, что обратная связь дается по визуальному каналу (на экране монитора). в процессе перевода видеоряда и картинок в собственные движения, у обучаемого могут возникать значительные искажения. кроме того, информация о движениях обучающегося требует предварительной ручной обработки.
сущность изобретения
предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении оперативной корректирующей тактильной обратной связи ученику во время изучения и совершенствования
техники и скорости выполнения движений максимально приближая его к эталонному движению.
для достижения указанного технического результата предлагается способ тренировки, заключающийся в том, что в ходе выполнения разучиваемого движения, данное движение оцифровывается, сравнивается с оцифрованной моделью эталонного движения и, в случае, если обучаемый допустил отклонение от эталонного движения, обучаемый получает обратную тактильную связь (тактильное воздействие), корректирующую его движения в реальном режиме времени.
согласно другому варианту осуществления изобретения, для достижения указанного технического результата, предлагается устройство реализации способа тренировки, характеризующееся наличием датчиков для оцифровки движения, эвм для сравнения полученного оцифрованного движения с эталонным и элементов обратной тактильной связи для корректировки движения ученика в реальном режиме времени. эталонные модели движения могут быть заданны либо компетентным в данной области экспертом (например, спортсменом) с помощью какого-либо регистрирующего оборудования, либо смоделированы с помощью эвм.
в случае если в процессе выполнения разучиваемого движения, та или иная часть тела обучаемого выходит за допустимый коридор отклонений от заданной тpaeктopии(Cм. фиг.2 (I)), ученик получает об этом сигнал с помощью включения элемента тактильной обратной связи в той зоне, где произошло критичное отклонение (см. фиг.2). причем сигнал может подаваться с той стороны, в которую произошло отклонение (как бы «вытaлкивaя» часть тела из недопустимой зоны (фиг. 2 (2)), или со стороны, куда часть тела должна вернуться (как бы «втягивaя» ее). это позволяет практически мгновенно корректировать весь комплекс движений обучающегося с минимальным привлечение или вообще без привлечения эксперта (тренера) к процессу обучения. интенсивность тактильного воздействия зависит от величины отклонения, возрастая с увеличением отклонения.
краткое описание чертежей
предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими изображениями, на которых показано:
- на фиг. 1 - действие корректирующего тактильного воздействия в процессе изучения движения;
- на фиг. 2 - иллюстрация действия тренажера при выходе конечности за допустимый коридор отклонения;
- на фиг. 3 - возможные места расположения датчиков движения и элементов обратной связи на теле обучающегося; - на фиг. 4 - возможное расположение вибро-варианта элементов обратной связи на конечности.
подробное описание изобретения
способ тренировки может быть проиллюстрирован на следующем примере. при изучении боевых искусств одна из самых распространенных ошибок начинающих заключается в том, что при отработке удара одной рукой, они забывают о том, что вторая рука должна обеспечивать защиту лица. верное положение второй руки во время отработки удара показано на фиг. 1 (1-3). во время отработки удара, начинающий спортсмен часто опускает вторую руку (фиг.l (5)). в этом случае, как только рука, обеспечивающая защиту, опускается ниже критической точки, срабатывает тактильный сигнал элемента обратной связи с нижней стороны кисти, заставляя вернуть руку в верное положение (фиг.l (5-6)).
посредством передачи тактильного сигнала об отклонении той или иной части тела от заданной траектории, можно добиться согласованной работы всех частей тела. обучающийся, сосредоточившийся на движении ноги уже не забудет про положение рук, т.к. тактильный сигнал тут же напомнит ему об отклонении.
темп движений задается звуковым, оптическим или тактильным сигналом (музыкальное сопровождение, повторяющийся в определенном темпе одиночный звуковой сигнал, видеоряд, мигание светового индикатора, периодические вибрации и т.д.)
варианты проведения тренировки:
1. совместно с видеокурсом - движения для повторения задаются видеорядом, оцифрованная модель эталонного движения создается заранее и прилагается к видеокурсу;
2. совместно с программным обеспечением для персонального компьютера (пк). такой вариант позволит синхронизировать видеоряд (на мониторе пк), задающий движения, и оцифрованную модель эталонного движения, вести статистику и анализ движений на экране пк;
3. автономно, когда пользователь задает в качестве эталонного то движение, которое выполняет сам.
4. в группах, когда движение, заданное одним человеком (например, тренером), в реальном режиме времени становиться эталонным для другого/других людей. таким образом, можно организовывать совместные тренировки людей находящихся в одном помещении или находящимися далеко друг от друга (посредством телекоммуникационных технологий). тренеру достаточно самому делать верные движения - все ошибки в движениях учеников мгновенно будут скорректированы через тактильные ощущения. 5. совместно с комплексами виртуальной реальности для привнесения в тренировку разнообразия и более глубокого погружения обучающегося в тренировочный процесс.
для достижения указанного технического результата предлагается устройство (далее «TPEHAжEP»), характеризующееся наличием датчиков для оцифровки движения в реальном режиме времени, эвм для сравнения полученного оцифрованного движения с эталонным (заданным экспертом, либо смоделированным на эвм) и управления элементами тактильной обратной связи и элементов тактильной обратной связи, обеспечивающих корректирующее воздействие. тренажер может включать в себя следующие основные элементы:
- датчики перемещения частей тела обучающегося в пространстве для оцифровки движений, которые могут быть выполнены, например, в виде оптических, магнитных, механических датчиков, микромеханических акселерометров, гироскопов, других типов датчиков, определяющих положение частей тела в пространстве, или их комбинации. конкретные места крепления датчиков, их количество и состав зависят от специфики изучаемых движений; элементы тактильной обратной связи, в качестве которых могут быть использованы, например, виброэлементы, термоэлементы, разряды электрического тока, другие элементы, обеспечивающие тактильное воздействие; конкретные места воздействия элементов обратной связи, их количество и состав зависят от специфики выполняемых движений;
- эвм (вычислительный блок), реализованная, например, на базе кпк, стационарного пк, либо выполненная как специализированное устройство; необходима для обработки сигналов от датчиков движения, преобразования
сигналов датчиков в оцифрованную модель движения, сравнения эталонного движения с движением пользователя, управления элементами обратной связи и т.д.; запоминающее устройство, хранящее информацию об эталонной модели разучиваемого движения; может использоваться с целью сохранения движения обучающегося для последующего использования (в качестве модели эталонного движения, для анализа с помощью вычислительных средств и т.д.); не является обязательным, если тренировка проходит в режиме, когда тренер выполняет движения, а ученик повторяет его - в этом случае оцифрованное движение тренера передается в тренажер ученика в качестве модели эталонного движения мгновенно и без сохранения; шину данных для передачи информации между элементами тренажера, несколькими тренажерами и между тренажером и внешними устройствами (проводная, либо беспроводная, например, по технологии вluеtооth или с применением чипов мiсгосhiр rfрIс™); - источник питания для тренажера (например, аккумуляторные элементы); может быть как единый для всех элементов тренажера, так и индивидуальный для каждого/группы элементов.
приведенный выше перечень компонентов тренажера является примерным, т.к. вариантов комплектации тренажера может быть множество и зависит она от специфики разучиваемых движений и механизмов подачи обучающего материала. так, в состав тренажера могут быть включены датчики давления на стопу и элементы, сигнализирующие об ее избыточности или недостаточности, механизмы, синхронизирующие тренажер с персональным компьютером, который может служить экраном для обучающего видеоряда и другие компоненты, обеспечивающие расширение его сервисных функций и более комфортную работу с тренажером.
алгоритм работы с тренажером следующий:
1. эталонная модель двигательного навыка создается с помощью специализированного программного обеспечения или снимается с тела эксперта
(непосредственно с помощью тренажера или его упрощенного варианта, в котором отсутствуют элементы обратной связи; с использованием других доступных средств и способов).
2. созданная на первом этапе модель движения тем или иным образом передается в запоминающее устройство, с которым связан вычислительный блок тренажера ученика.
3. ученик повторяет разучиваемые движения, заданные, например, с помощью видеоряда или показанные преподавателем либо предоставленные иным доступным способом.
4. с помощью датчиков движения, тренажер отслеживает движения ученика и сравнивает их с эталонным движением, полученным на этапе 1. наиболее удобными зонами для размещения датчиков и элементов обратной связи являются области суставов, но возможны и другие варианты размещения.
5. в зависимости от уровня освоения движения, может задаваться так называемая ((свободная зoнa» (или «кopидop отклонения)) фиг.2(l)) - зона, в пределах которой тренажер не будет реагировать на разницу между эталонным движением и движением обучающегося. 6. при отклонении траектории движения того или иного датчика от эталонного на недопустимую величину, тренажер сигнализирует об этом с помощью элемента обратной связи, обозначая зону, в которой произошло отклонение и заставляя обучаемого корректировать движение в процессе его выполнения. 7. на начальном этапе разучивания движения тренажер может не реагировать на отклонения в достаточно больших пределах, но, по мере овладения движением, свободная зона может сокращается, в результате чего тренажер корректирует все меньшие отклонения от эталонного движения.
8. в процессе тренировки возможна запись трехмерной модели движения ученика для его последующего анализа и сравнения с эталонным движением на мониторе пк.
9. исполнение тренажера может предусматривать возможность сохранения модели движения посредством записи движений на одном тренажере и передачу его на другой тренажер как эталонное движение в процессе тренировки.
10. в случае реализации тренажера с режимом ((запись движения)), пользователь может использовать тренажер в процессе поиска наиболее подходящего движения для выбранного вида активности (танцы, пантомима, боевые
искусства и т.д.) включив его на запись движений. в дальнейшем можно восстановить проделанное движение, переведя тренажер в режим обучения.
11. для анализа безошибочности выполнения того или иного движения с высоким темпом (когда физически невозможно своевременно реагировать на сигналы тренажера), может быть реализована возможность записать быстрое движение для дальнейшего анализа.
согласно требованиям, здесь подробно изложен вариант осуществления настоящего изобретения; однако должно быть ясно, что изложенный вариант осуществления является просто возможным вариантом изобретения, которое может быть реализовано в различных видах. следовательно, изложенные здесь конкретные структурные и функциональные подробности должны интерпретироваться не как ограничивающие, а просто в качестве основания для формулы изобретения.
дополнительно, использованные здесь термины и фразы скорее предназначены не для ограничения, а для обеспечения понятного описания изобретения.
для специалистов в данной области техники очевидно, что части изобретения могут быть реализованы аппаратно, или программно, или в их комбинации. программы, осуществляющие изобретение или его части, могут храниться на разных видах носителей информации, считываемой компьютером, включая оптические диски, накопители на жестких дисках, ленты, микросхемы программируемой постоянной памяти и другие. сетевые схемы также могут временно служить в качестве носителя информации, считываемой компьютером, с которого считывается программы, соответствующие принципам настоящего изобретения.
в предпочтительном варианте реализации тренажер, соответствующий настоящему изобретению, содержит следующие основные элементы:
- датчики перемещения частей тела обучающегося в пространстве, выполненные на базе микромеханических акселерометров. акселерометры расположены в районе основных суставов (фиг.з) конечностей группами по 3 штуки ортогонально и служат для определения координат каждого сустава конечности. обработка данных акселерометров производиться аппаратными средствами, расположенными в корпусе датчика перемещения. результатом обработки являются координаты датчика (а соответственно и конечности), которые передаются в вычислительный блок тренажера для дальнейшей обработки;
- элементы тактильной обратной связи, реализованные в виде отдельных или сгруппированных по 2-х, 3-х или более электромоторов, на валу каждого из которых закреплен эксцентрик и блока обработки управляющего сигнала. электромоторы (фиг. 4(1)) расположены равномерно вокруг конечности (фиг. 4(2)) в районе сустава. комбинация включенных с различной силой виброэлементов задает направление (фиг. 4(3)), в котором необходимо переместить конечность, чтобы вернуть ее на верную траекторию. виброэлементы расположены в районе основных суставов (фиг.з) конечностей.
управляющий сигнал, указывающий какому мотору и с какой скоростью вращаться (для создания необходимого тактильного воздействия), принимается от вычислительного блока и обрабатывается аппаратными средствами элемента тактильной обратной связи;
- блок датчика перемещения и элемента обратной связи, крепящийся на запястье левой руки, содержит панель управления тренажером. - вычислительный блок, содержащий запоминающее устройство, закрепленный на теле обучающегося;
- шину данных для передачи информации между элементами тренажера, выполненную по технологии вluеtооth;
датчики перемещения и элементы тактильной обратной связи для отслеживания одной части тела в предпочтительном варианте конструктивно выполнены в одном корпусе и имеют общий источник питания и интерфейс шины данных, образуя блок регистрации и обратной связи, который может крепиться на теле с помощью застежек типа «peпeйник».
вычислительный блок, запоминающее устройство, интерфейс шины данных и источник питания для них в предпочтительном варианте конструктивно выполнены в одном корпусе и образуют блок вычислений, который крепиться на поясе обучающегося.
в предпочтительном варианте реализации тренажер работает следующим образом:
посредством шины данных в тренажер загружается эталонная модель разучиваемого движения. тренажер закрепляется на теле тренирующегося. тренирующийся принимает определенную позу инициализации (например, стоя прямо, ноги вместе, левая рука опущена вдоль тела, пальцы правой руки - на
запястье левой руки), и производит инициализацию тренажера, путем нажатия соответствующей клавиши на панели управления. после инициализации тренирующийся принимает исходную позицию для разучиваемого движения и начинает его выполнение. начальная скорость выполнения движения устанавливается на пульте управления тренажером. движения тренирующегося отслеживаются датчиками тренажера и сравниваются с эталонной моделью движения. если движения тренирующегося не соответствуют эталонной модели, тренажер корректирует их, подавая сигнал тактильной обратной связи на соответствующие блоки обратной связи. если движения выполняются верно, тренажер при необходимости увеличивает скорость выполнения движения, сигнализируя о каждом увеличении скорости все более и более высоким звуковым сигналом. если движения на необходимой скорости выполняются верно, тренажер сигнализирует об этом определенным звуковым сигналом. движение считается выученным, можно переходить к разучиванию нового движения или комплекса движений.
следует упомянуть, что отслеживание информации о перемещениях частей тела не представляет принципиальной сложности, т.к. подобные устройства уже реализованы и используются в системах оцифровки движения актеров. в данный момент существует три типа таких систем - механические, электромагнитные и оптические (например, продукция компаний X-IST Rеаltimе тесhпоlоgiеs Gmbн, аsсепsiоп тесhпоlоgу соrроrаtiоп, роlhеmus, Iпс и др.).
реализация элементов тактильной обратной связи также не представляет сложности. подобные устройства уже разработаны. например, интерфейс под названием GуrосubеSепsuоus, который способен передавать такие ощущения, как «тoлчoк, волочение и пoкaчивaниe», который разработан японским институтом (Jарап's Nаtiопаl Iпstitutе оf аdvапсеd Iпdustгiаl Sсiепсе апd тесhпоlоgу - AIST), совместно с университетом цукуба (Uпivегsitу оf тsukubа).
анализ совпадения траектории движения частей тела и эталонного движения с целью обнаружения областей критического расхождения в траекториях для посылки сигнала обратной связи представляет, на взгляд автора, в основном тривиальную задачу программирования.
налаживания обмена данными между элементами тренажера при настоящем уровне техники - так же тривиальная задача.
таким образом показано, что для реализации тренажера нет принципиальных сложностей. тренажер может быть реализован множеством конкретных вариантов в том числе в зависимости от того, для обучения в какой именно области деятельности он будет применяться. хотя был изложен и проиллюстрирован предпочтительный вариант осуществления изобретения, ясно, что изобретение не ограничено им. не удаляясь от сущности и объема настоящего изобретения, определенных в соответствии с последующей формулой изобретения, специалисты в данной области техники распознают многочисленные модификации, изменения, вариации, замены и эквиваленты.