устройство для повышения эффективности ходьбы

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХОДЬБЫ, содержащее опорную платформу со средством крепления к ноге, связанную с толкателем толчковую площадку, взаимодействующую с пяточной частью стопы и подпружиненную относительно платформы посредством толчковой пружины, механизм взвода толчковой пружины при опускании стопы на пятку, имеющий одностороннюю передачу, механизм спуска толчковой пружины при переносе опоры стопы на плюсну, выполненный в виде рычажной системы, взаимодействующей с подпружиненным спусковым рычагом, отличающееся тем, что толкатель выполнен в виде установленного на горизонтальной оси рычага первого рода, на коротком плече которого размещена толчковая площадка, толчковая пружина выполнена в виде консольной пластины, свободный конец которой взаимодействует с длинным плечом толкателя, механизм взвода толчковой пружины включает подпружиненную скобообразную педаль, охватывающую опорную площадку сзади и в передней части платформы через одностороннюю передачу, связанную с осью поворота, и жестко укрепленную на последней кулису, свободным концом поджимающую снизу толчковую пружину, механизм спуска толчковой пружины снабжен педалью, смонтированной на оси поворота механизма взвода, фигурным упором, установленным на оси толкателя, и спусковой консольной пластиной, выполненной с выступом на одном конце для взаимодействия с фигурным упором, при этом свободный конец консольной пластины взаимодействует со спусковым рычагом, рычажная система механизма спуска выполнена в виде шарнирного четырехзвенника, одно из звеньев которого взаимодействует со спусковой педалью, причем отношение плеч толкателя к длинам скобообразной педали и кулисы составляет 2,0 2,15.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что односторонняя передача механизма взвода выполнена в виде муфты свободного хода, обойма которой жестко связана со скобообразной педалью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству спортивного и бытового инвентаря, в частности к устройствам для повышения эффективности ходьбы.

Из уровня техники известны устройства для повышения эффективности, т.е. снижения энергозатрат и увеличения скорости ходьбы, выполненные в виде съемных, крепящихся к обуви снизу амортизирующих платформ, через упругие элементы связанных с опорными днищами [1-4]

Двигательный аппарат человека устроен таким образом, что при ходьбе центр тяжести тела перемещается по кривой циклоидного типа. При этом значительная часть энергетических затрат идет на подъем на восходящей ветви кривой, причем эта часть затраченной энергии практически не регенерируется.

Амортизирующие свойства стопы недостаточны, чтобы аккумулировать эту энергию при опускании стопы на землю. Часть энергии теряется безвозвратно, т.е. не используется для сообщения телу полезного количества движения в горизонтальном направлении. Таким образом, общая идея указанных выше устройств заключается в повышении амортизирующих свойств опорной части двигательного аппарата и тем самым повышении КПД при ходьбе. Практически это означает, что при той скорости могут быть снижены энергозатраты, либо при тех же энергозатратах может быть увеличена скорость.

Однако известные устройства не учитывают в полной мере анатомические особенности стопы и механику ее движений при ходьбе. Динамика процесса ходьбы определенным образом взаимосвязана с частотой собственных колебаний ног, представляющих собой физические маятники. Приспособлены к этой частоте и амортизирующие свойства стопы. Существенное изменение этих свойств может привести к рассогласованию взаимосвязи параметров механизма ходьбы, что вызовет дополнительные затраты энергии на корректировку частоты шага.

В связи с этим указанные устройства используются по преимуществу для получения одноразового эффекта, например, при прыжках, при использовании для ходьбы, эффективность их недостаточна.

Другая проблема заключается в том, что известные устройства не предусматривают задержку во времени ответной реакции амортизатора на активное усилие, прилагаемое к нему со стороны стопы в момент его зарядки. Такая задержка необходима для переноса опоры стопы с пяточной на плюсневую ее часть. При отсутствии такой задержки ответная реакция амортизатора может иметь зачастую иное направление, нежели это необходимо для движения вперед. Например, при опоре стопы на пятку амортизатор, расположенный под плюсневой частью стопы, может создать дополнительный противомомент, снижающий эффективность ходьбы.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство для повышения эффективности ходьбы, содержащее опорную платформу со средством крепления к ноге, связанную с толкателем толчковую площадку, взаимодействующую с пяточной частью стопы и подпружиненную относительно платформы посредством толчковой пружины, механизм взвода толчковой пружины при опускании стопы на пятку, имеющий одностороннюю передачу, механизм спуска толчковой пружины при переносе опоры стопы на плюсну, выполненный в виде рычажной системы, взаимодействующей с подпружиненным спусковым рычагом.

Данное устройство частично устраняет отмеченные выше недостатки устройств-аналогов, в частности обеспечивает задержку во времени ответного толчка благодаря использованию механизмов взвода и спуска толчковой пружины. Тем не менее и оно имеет свои недостатки. Толчковое усилие в этом устройстве не может превышать усилия зарядки, обеспечение достаточной величины толчкового усилия требует дополнительных энергозатрат на создание адекватного усилия сжатия толчковой пружины. Кроме того, жесткое крепления толчковой площадки к обуви препятствует естественным деформациям стопы в процессе ходьбы и требует усилий со стороны дополнительных групп мышц, особенно, если учесть, что пальцевая часть стопы практически в процессе ходьбы не задействована, что представляется противоестественным.

Техническим результатом изобретения является повышение толчкового усилия при снижении усилия зарядки пружины и обеспечение возможности свободных, естественных деформаций стопы в процессе ходьбы с использованием всего мышечного аппарата стопы.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для повышения эффективности ходьбы толкатель выполнен в виде установленного на горизонтальной оси рычага первого рода, на коротком плече которого размещена толчковая площадка, толчковая пружина выполнена в виде консольной пластины, свободный конец которой взаимодействует с длинным плечом толкателя, механизм взвода толчковой пружины включает подпружиненную скобообразную педаль, охватывающую опорную площадку сзади и в передней части платформы через одностороннюю передачу, связанную с осью поворота, и жестко укрепленную на последней кулису, свободным концом поджимающую снизу толчковую пружину, механизм спуска толчковой пружины снабжен педалью, смонтированной на оси поворота механизма взвода, фигурным упором, установленным на оси толкателя, и спусковой консольной пластиной, выполненной с выступом на одном конце для взаимодействия с фигурным упором, при этом свободный конец консольной пластины взаимодействует со спусковым рычагом, рычажная система механизма спуска выполнена в виде шарнирного четырехзвенника, одно из звеньев которого взаимодействует со спусковой педалью, причем соотношение плеч толкателя и длин скобообразной педали и кулисы составляет 2,0-2,15. Кроме того, односторонняя передача механизма взвода может быть выполнена в виде муфты свободного хода, обойма которой жестко связана со скобообразной педалью.

На фиг.1 представлен фронтальный продольный разрез устройства; на фиг.2 крепление устройства на ноге пользователя, вид сбоку; на фиг.3 устройство, вид сверху; на фиг.4 механизмы устройства, вид сверху.

Устройство содержит опорную платформу 1 со средствами крепления 2 к ноге 3, толчковую площадку 4, взаимодействующую с каблуком 5 обуви и подпружиненную относительно платформы 1 с помощью толчковой пружины 6, механизм взвода 7 толчковой пружины 6 при опускании стопы 8 на пятку 9, имеющий одностороннюю передачу 10, выполненную в виде муфты свободного хода, механизм спуска 11 толчковой пружины 6 при переносе опоры стопы 8 на плюсну 12, выполненный в виде рычажной системы 13, взаимодействующей с подпружиненным спусковым рычагом 14. Толчковая площадка 4 размещена на коротком плече 15 установленного на горизонтальной оси 16 рычага первого рода 17, толчковая пружина 6 выполнена в виде консольной пластины и свободным концом 18 взаимодействует с длинным плечом 19 рычага 17, при этом соотношение плеч 15 и 19 рычага 17 составляет 2,0-2,15. Механизм взвода 7 включает подпружиненную скобообразную педаль 20, охватывающую опорную платформу 1 сзади и связанную с осью поворота 21 в передней части платформы 1 через одностороннюю передачу 10, и две кулисы 22, жестко посаженные на ту же ось 21 и свободным концом 23 поджимающие снизу через валик 24 толчковую пружину 6, при этом соотношение длин скобообразной педали 20 и кулисы 22 составляет 2,0-2,15. Механизм спуска 11 снабжен фигурным упором 25, установленным на оси 16 толчкового рычага 17, спусковая консольная пластина 26 своим выступом 27 на свободном конце 28 взаимодействует с фигурным упором 25, а рычажная система 13 механизма спуска 11 выполнена в виде шарнирного четырехзвенника 29, взаимодействующего одним из звеньев 30 со спусковой педалью 31, смонтированной на оси поворота 21 механизма взвода 7. При этом средство крепления 2 смонтировано на спусковой педали 31 механизма спуска 11. Механизм спуска 11 снабжен также стопорным устройством 32, состоящим из ручки 33 с флажком 34 и профильного валика 35, вращающегося в опорной платформе 1. В устройстве, предназначенном для левой ноги, ручка 33 с флажком 34 расположена с левой стороны платформы 1, а в устройстве для правой ноги с правой стороны. Стопорное устройство 32 может находиться только в одном из двух возможных положений: первое механизм спуска 11 зафиксирован и флажок 34 находится в положении А, обозначенном на фиг. 2 одной штриховой линией, второе механизм спуска 11 зафиксирован и флажок 34 находится в положении В, обозначенном на фиг.2 двумя штриховыми линиями.

Конец 36 консольной спусковой пластины 26, противоположный ее свободному концу 28, закреплен в опорной платформе 1. Спусковой рычаг 14 закреплен шарнирно посредством оси 37, установленной неподвижно в опорной платформе 1. Угол поворота рычага 14-б (фиг.1). Фигурный упор 25 имеет две рабочие поверхности 38 и 39 (фиг.1). Поверхность 38 контактирует с выступом 27 спусковой пластины 26 при взведенном толчковом рычаге 17, поверхность 39 контактирует с выступом 27 при спущенном толчковом рычаге. Рабочие поверхности образуют между собой угол (фиг.1).

Р усилие, создаваемое толчковой пружиной 6 во взведенном состоянии;

Q усилие, с которым толчковая площадка 4 воздействует на каблук 5 обуви в спущенном состоянии толчкового рычага 17.

Скобообразная педаль 20 со стороны, противоположной месту ее соединения с муфтой односторонней передачи 10, соединена с витой пружиной 40, находящейся на оси 21 (фиг.1 и 4), служащей для постоянного поджатия с минимальным усилием педали 20 к каблуку 5 обуви. Верхнее положение педали 20 в поднятом состоянии каблука 5 обозначено С. W усилие, с которым каблук 5 воздействует на скобообразную педаль 20 при опускании ноги 3 на пятку 9. Р₁ вызванное усилием W усилие на кулисах 22, воздействующее снизу на толчковую пружину 6 для ее взвода.

Устройство работает следующим образом.

Устройство для левой и правой ног устанавливают на основании и укрепляют их на ногах посредством креплений 2. Исходное положение элементов устройства (перед началом ходьбы) обозначено сплошными линиями на фиг.1. Толчковая пружина 6 находится в сжатом состоянии, толчковая площадка 4 и скобообразная педаль 20 в нижнем положении, фигурный упор 26 контактирует своей рабочей поверхностью 38 с выступом 27 спусковой пластины 26.

Ручку 33 с флажком 34 переводят в положение В (фиг.1). Это создает возможность для движения вниз свободного конца 28 спусковой пластины 26 относительно ее закрепленного конца 36. При первом шаге, например, с правой ноги пользователь перемещает центр тяжести ноги 3 на плюсну 12 и воздействует частью массы своего тела на спусковую педаль 31, а через нее на спусковой рычаг 14 (фиг.1), который поворачивается относительно оси 37 на угол в направлении против часовой стрелки. Спусковой рычаг 14 воздействует при этом на спусковую пластину 26, перемещая ее конец 28 вниз. При этом выступ 27 пластины 26 перемещается вниз до тех пор, пока не выйдет из зацепления с рабочей поверхностью 38 фигурного упора 25 рычага 17. После этого рычаг 17 получает возможность движения под действием усилия Р, создаваемого толчковой пружиной 6, в результате кулисы 22 через валик 24 воспринимают силу Р толчковой пружины 7 и начинают проворачивать относительно оси 17 рычаг 16, который своей толчковой площадкой 4 импульсно воздействует на каблук 5 с усилием Q, превышающим силу Р в 2,0-2,15 раза, что обусловлено соотношением длин его плеч 15 и 19. Движение рычага 17 прекращается, когда с выступом 27 спусковой пластины 26 вступит в контакт рабочая поверхность 39 фигурного упора 25, при этом рычаг 17 повернется на рабочий угол.

Одновременно с вращением рычагов 17 относительно оси 16 происходит поворот кулис 22 относительно оси 21, причем вращение кулис 22 происходит независимо от движения скобообразной педали 20, поскольку односторонняя передача 10 обеспечивает рассоединение кинематической цепи на участке: кулисы 22 ось 21 педаль 20.

Под действием импульсного толчкового усилия Q, передаваемого на каблук 5 обуви толчковой площадкой 4, нога 3 поднимается и переносится на один шаг вперед с минимальной затратой усилий мышц. В процессе подъема ноги скобообразная педаль 20 поднимается вслед за каблуком обуви, прижимаясь к нему под воздействием пружины 40 и занимает положение С, причем усилия пружины 40 на 1-2 порядка меньше усилия Q.

После завершения подъема и переноса ноги вперед (нога еще не опустилась на землю) элементы устройства занимают положение, обозначенное на фиг.1 штриховыми линиями. Затем начинается опускание ноги, которое происходит на пятку (фиг. 2). При этом каблук обуви воздействует с усилием W на скобообразную педаль 21, находящуюся в верхнем положении С и включает в работу через одностороннюю передачу 10 механизм взвода 7 с кинематическим выигрышем в затрате усилия, достигаемым за счет указанного обратного соотношения, длин плеч скобообразной педали 21 и кулис 22. В результате толчковая пружина 7 изгибается под воздействием валика 24 с усилием Р₁, превышающим усилие упругой деформации Р. Валик 24 одновременно перемещает вверх длинное плечо 19 толчкового рычага 17, при этом короткое плечо 15 и фигурный упор 25 толчкового рычага 17 вращаются против часовой стрелки на угол толчковая площадка 4 опускается на опорную платформу 1.

При этом цилиндрическая часть поверхности фигурного упора 25, расположенная между рабочими поверхностями 38 и 39, скользит по выступу 27 спусковой пластины 26, находящейся в упругом состоянии до тех пор, пока выступ 27 не войдет в контакт с поверхностью 38. Таким образом, процесс взвода толчковой площадки и толчковой пружины 6 заканчивается, все элементы устройства займут исходное положение, показанное на фиг.1 сплошными линиями. После этого пользователь переносит нагрузку массы тела на завершившую движение правую ногу и подготавливает вторую (в рассматриваемом случае левую) ногу для свершения шага по описанному выше циклу.

Все этапы движения пользователя с помощью описанного выше устройства осуществляются путем естественного перемещения стопы 8 с плюсны 12 на пятку 9, причем благодаря указанным соотношениям плеч элементов устройства как при спуске толчковой пружины 6, так и при ее взводе пользователь затрачивает минимальные усилия. По окончании пешеходного перехода, перед освобождением обуви от устройства необходимо выключить рычажную систему, застопорить ее в исходном положении. Для этого ручку 33 с флажком 34 необходимо повернуть против часовой стрелки в положение А, после чего обувь освобождают от креплений 2, установленных на педали 31. Затем устройство очищают от загрязнений и укладывают в упаковку.