Тренажер с высоким уровнем симуляции процесса езды на велосипеде
Полезная модель направлена на достоверную симуляцию процесса езды за счет расширенных возможностей моделирования свойств реальной езды на велосипеде: имитация рельефа, достоверное изменение нагрузки, встречный воздушный поток, возможность свободного обзора виртуального окружения. Это дает возможность совмещения пользователем процесса занятия спортом с развлечением: путешествия по различным местностям как полностью виртуальным, так основанным на реальных ландшафтах, что в свою очередь улучшит качество тренировок на велотренажере и увеличит мотивации к их проведению. Велотренажер включена механизм вертикальной ориентации (±30°) и горизонтального наклона (±30°), система спутного воздушного потока, система электромагнитной нагрузки или разгона. Программно-электронная часть велотренажера включает в себя системы вывода стереоизображения, расчет физических параметров велотренажера и местности, кинематики процесса движения велосипеда, позиционирования рамы и руля, головы, ног и рук пользователя.
Полезная модель относится к спортивному инвентарю, а именно к велотренажерам. Настоящее устройство может быть применено в фитнес-центрах, спортивных секция, в личном пользовании для занятий общефизической специальной подготовкой, а также в целях развлечения и в реабилитационной медицине.
Задача полезной модели заключается в возможности совмещения пользователем процесса занятия спортом с развлечением: путешествия по различным местностям как полностью виртуальным, так основанным на реальных ландшафтах. В данной модели развлечение выполняет мотивационную функцию, позволяющую добиться более продуктивных занятий физическими упражнениями на велотренажере. Пакетом программного обеспечения полезной модели возможна поддержка режима езды с виртуальными соперниками или другими пользователями через сеть Internet.
Технический результат, который достигается при осуществлении полезной модели, заключается в создании тренажера достоверно моделирующего процесс езды с расширенными возможностями за счет моделирования многих свойств реальной езды на велосипеде. К данным свойствам относятся имитация рельефа, достоверное изменение нагрузки, имитация встречного воздушного потока, возможность визуального обзора окружения. Приведенная совокупность признаков улучшит качество тренировок на велотренажерах и увеличит мотивации к их проведению.
По своей структуре полезная модель может быть отнесена к таким патентам как патент РФ RU 2191432 C1, который относится к области авиационных тренажеров, а более конкретно к системам имитации элементов пилотажа по реальным записям полетной информации. Рабочее место летчика находится в кабине реального самолета. Имеются блоки систем объективного контроля и управления вооружением, адаптер, соединенный с защитным шлемом летчика с виртуальными очками, система передача/приема данных с блока наземной обработки полетной информации, анимацией приборной доски и закабинного пространства. Недостатком данной модели является отсутствие визуальной информации о реальном окружении и собственном теле.
Наиболее близок к представленной полезной модели патент USA 005240417 A. Патент представляет собой полезную модель для симуляции поездки на велосипеде. Система симуляции обеспечивает электромеханическую коммуникацию между физическим состоянием велотренажера и установленным дисплеем, отражая изменения в скорости, положения велосипеда в пространстве. Переднее и заднее колеса имитируют элементы местности, такие как подъем, поворот. Специальная система позволяет симулировать поперечное перемещение и запоминать вертикальное положение велосипедиста относительно вертикали для имитации подъемов. Все изменения положения велосипедиста обрабатываются, и информация о них передается в компьютер, который рассчитывает положение велосипедиста. Компьютер рассматривает влияние сил действующий в реальности на велосипед и на пользователя, контролирует состояние трассы, включая склоны. Также в наличии система циркуляции воздуха с возможностью изменения скорости потока, позволяющая улучшить симуляцию поездки. Недостатком данной модели является невозможность имитации больших углов горизонтального отклонения, отсутствие поперечного наклона велосипеда, громоздкость конструкции, примитивная система циркуляции воздуха.
Имитация виртуальных условий поездки велосипеда была так же выполнена в патентах USA 7455627 B2, USA 7806810 B2, USA 7585257 B2, но все они позволяют моделировать условия реальной езды лишь в некоторых аспектах.
Наиболее интересный патент, позволяющий велотренажеру имитировать поперечные наклоны это патент USA 7326151 B2, но недостатком конструкции является отсутствие горизонтального подъема, отсутствие визуальной информации.
Строение предлагаемого устройства поясняется на фиг. 1, на котором изображена полезная модель - велотренажер с возможностью достоверной имитации езды но виртуальной местности. Данный велотренажер, состоит из механико-электрической и программно-электронной составляющих.
В механико-электрическую часть велотренажера включена опорная рама 1, на которую монтируется рама велосипеда 2 с сопутствующими компонентами, механизм вертикальной ориентации и горизонтального наклона, система спутного воздушного потока, система электромагнитной нагрузки. В механизме вертикальной ориентации располагается несущий вал 3 с резьбовой передачей, к которой крепится подвижная тележка 4, перемещаемая посредством вращения вала 3. Вал 3 приводится в движение электродвигателем 5 через коническую передачу (6). Вилка велотренажера 7 крепится к подвижной тележке 4 за счет карданной передачи 8 через гильзу 9. Данный механизм позволит менять вертикальную ориентацию велотренажера в диапазоне углов от -30° до +30° к горизонту. Для имитации воздушного напора и улучшения теплообмена велосипедиста в передней части велотренажера к подвижной тележке 4 на штанге 10 крепятся вентиляторы 11. В задней части велотренажера на опорную раму 1 посредством системы двухсторонней подвески за счет пружин 12 и амортизаторов 13 крепится рама велосипеда 2 с установленным вместо заднего колеса маховиком 14 посредством крепления 15. Маховик закреплен в раме на оси втулки 16, оборудованной трещоткой со звездой. Система двухсторонней подвески обеспечивает возможность поперечного наклона велосипеда от -30° до +30° градусов относительно вертикали. К креплению 15 велотренажера монтируется электродвигатель 17, обеспечивающий сопротивление вращению маховика 14, через вал 18. Электродвигатель 17 может работать как в режиме оказания необходимого сопротивления (реостатное торможение), так и в номинальном режиме работы - вращение маховика 14. Так же велотренажер включает стандартные компоненты классического велосипеда: каретка, передняя звезда с шатунами, педалями, регулируемым подседельным штырем, седлом, рулевой, рулем, ремнем вместо цепи (на схеме не указаны).
Программно-электронная часть включает в себя системы вывода стереоизображения, расчета параметров движения, позиционирования рамы и руля, головы, ног и рук пользователя. Руль оборудован рычагом тормоза 18, передающим сигнал об осуществлении торможения. Также к рулю крепится гироскоп 19, а к шатунам педалей датчик скорости вращения 20. К маховику велотренажера 14 подключается датчик скорости вращения маховика 21. Визуальное погружение в виртуальную реальность осуществляется за счет стереоочков виртуальной реальности 22. Очки 22 (стороннее устройство) оборудованы системой позиционирования в пространстве за счет трехосевого акселерометра, гироскопа и магнитометра. Устройством ввода информации является виртуальная клавиатура, с которой взаимодействует пользователь посредством очков виртуальной реальности и системы позиционирования пальцев рук (установлены в очках виртуальной реальности) на основе пары инфракрасных камер и системы инфракрасной подсветки (стороннее устройство). Также в комплект входит беспроводной кардиодатчик.
Принципиальная блок-схема полезной модели изображена на фиг. 2. Полезная модель комплектуется программным обеспечением 23, установленным на компьютере и рассчитывающим физические параметры велосипеда в виртуальном пространстве, получающим сигналы с различных датчиков и управляющим электромеханическими устройствами велотренажера.
Программное обеспечение генерирует визуальное изображение окружения виртуальной местности, по которой происходит движение. Изображение окружения выводится на стереоэкран очков виртуальной реальности 24. Данное изображение зависит от показаний датчиков, отвечающих за различные системы 25. Система позиционирования головы 26 определяет положения головы в пространстве, сектор обзора велосипедиста. Датчик скорости вращения педалей 27 отвечает за вычисление положения ног велосипедиста. Система позиционирования руля 28 отвечает за изображение руля, его положения в пространстве: угол поворота, угол вертикальной и горизонтальной ориентации рамы велосипеда. Система позиционирования рук 29 вычисляет положение пальцев рук и их отображение, в том числе как элемента взаимодействия с виртуальным интерфейсом. Кардиодатчик 30 осуществляет мониторинг состояния сердечнососудистой системы.
Кроме того программное обеспечение 23 рассчитывает физические параметры местности 31, кинематики процесса движения велосипеда. Рассчитывает угол вертикального наклона рамы велосипеда и управляет механизмом системы вертикальной ориентации 32. Система переключения передач 33 посылает сигнал о повышении или понижении передаточного соотношения виртуального велосипеда. При помощи математической модели, сигналов с системы переключения передач 33, датчика скорости вращения маховика 34 и угла вертикального наклона, угла поворота руля определяет скорость 35 и направление движения виртуального велосипеда. Управление скоростью воздушного потока 36 согласовано со скоростью движения велосипедиста 35 па виртуальной местности. В зависимости от скорости движения велосипеда 35, сигнала с рычага тормоза 37, угла наклона тела пользователя, коэффициента сопротивления, соответствующего типу поверхности, вертикальному углу наклона пути, по которой осуществляется движение, рассчитывается величина сопротивления 38, оказываемого системой реостатного торможения маховика. Это позволяет поддерживать усилие торможения заданной величины. Для имитации спуска под горку на электродвигатель посылается сигнал для работы в номинальном режиме - раскручивание маховика до необходимой скорости.
Недостатками полезной модели но сравнению с ездой на реальном велосипеде является отсутствие влияния центростремительного ускорения, ускорения при торможении, малый диапазон изменения углов вертикальной и горизонтальной ориентации, невозможность осуществления прыжков и преодоления препятствий, отсутствия влияния неровностей дороги, отсутствие полной симуляции метеоусловий, акустического окружения, примитивная модель взаимодействия с окружением.
1. Тренажер для симуляции процесса езды на велосипеде характеризуется тем, что он состоит из механико-электрической и программно-электронной составляющих: в механико-электрическую часть велотренажера включена опорная рама, на которую монтируется рама велосипеда, механизм вертикальной ориентации и горизонтального наклона, система спутного воздушного потока, система электромагнитной нагрузки; программно-электронная часть включает в себя системы генерации и вывода стереоизображения посредством очков виртуальной реальности, расчета параметров движения, позиционирования рамы и руля, головы, ног и рук пользователя.
2. Тренажер для симуляции процесса езды на велосипеде по п.1, отличающийся тем, что используется система вывода стереоизображения окружения, согласованного с параметрами движения как пользователя, так и виртуального велосипеда на местности.
3. Тренажер для симуляции процесса езды на велосипеде по п.2, обладает возможностью выбора виртуальной местности для движения и системы взаимодействия с другими пользователями.
4. Тренажер для симуляции процесса езды на велосипеде по п.1, отличающийся тем, что использована система ввода информации посредством виртуального интерфейса и системы позиционирования пальцев рук пользователя.
5. Тренажер для симуляции процесса езды на велосипеде по п.1, отличающийся тем, что применяется система нагрузки, позволяющая создавать усилие торможения реалистичной величины в зависимости от многих параметров.
6. Тренажер для симуляции процесса езды на велосипеде по п.1, отличающийся тем, что позволяет симулировать разгон при спуске велосипеда вниз.
7. Тренажер для симуляции процесса езды на велосипеде по п.1 оборудован механизмом изменения продольной и поперечной ориентации тренажера.
8. Тренажер для симуляции процесса езды на велосипеде по п.7 имеет широкий диапазон углов изменения вертикальной ориентации от - 30 до 30° к горизонту.
9. Тренажер для симуляции процесса езды на велосипеде по п.1, отличающийся тем, что использована система симуляции спутного воздушного потока.
10. Тренажер для симуляции процесса езды на велосипеде по п.1, отличающийся тем, что использована система симуляции переключения передач и тормоза.
