Устройство для тренировки виндсерфингиста

Авторы патента:


 

Полезная модель относится к устройствам для тренировки спортсменов, занимающихся виндсерфингом Технический результат использования полезной модели заключается в повышении безопасности тренировки спортсмена. Устройство содержит стойку, горизонтальный настил для опоры ног спортсмена, мачту и гик, причем мачта подвижно соединена с настилом, с возможностью отклонения от вертикали в любом направлении и вращения вокруг своей оси, привод возвратно-поступательного движения для нагружения мачты, набор датчиков углового положения мачты, систему управления для обработки сигналов датчиков углового положения мачты и подачи на привод сигнала управления для получения требуемой величины усилия на гике, соответствующего угловому положению мачты. Техническое решение заключается в том, что подвижное соединение мачты со стойкой представляет собой первый шарнир; настил имеет проем, в котором установлен указанный первый шарнир; мачта имеет продолжение ниже первого шарнира; привод установлен в пространстве под настилом, при этом подвижное звено привода посредством второго шарнира соединено с упомянутым продолжением мачты, а неподвижное звено привода соединено со стойкой посредством третьего шарнира. В отдельном варианте исполнения центр второго шарнира смещен от продольной оси мачты, например путем изгиба продолжения мачты. Упомянутые первый, второй и третий шарниры могут быть шаровыми шарнирами. Набор датчиков углового положения мачты может состоять из датчиков углового положения в горизонтальной и вертикальных плоскостях, а так же из датчика азимута и датчика отклонения мачты от вертикали. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Область техники, к которой относится полезная модель.

Полезная модель относится к устройствам для тренировки спортсменов, занимающихся виндсерфингом.

Уровень техники.

Виндсерфинг - вид парусного спорта и водного развлечения, в основе которого лежит мастерство управления на водной поверхности доской небольшого размера с установленным на ней парусом. Обучение приемам управления парусом и доской начинается на суше, для чего доска устанавливается на подставку. Из уровня техники известны тренажеры для таких занятий (С. Борнхофт "Виндсерфинг. Полное руководство по снаряжению и техническим приемам" ФАИР, Москва 2008, стр. 26, П.Д. Пастухов "Доска под парусом" Л. "Судостроение" 1988, стр. 95-97). Для повышения мастерства, отработки различных приемов управления парусной доской и поддержания спортивной формы спортсмена необходимы постоянные тренировки. Однако занятия на открытом воздухе не всегда доступны из-за погодных условий и требуемого ветра. Более того, для большинства географических мест виндсерфинг является сезонным видом спорта и в зимний период вообще недоступен. Для расширения возможности тренировки создаются тренажеры в закрытых помещениях, где настоящий ветер заменяют большими вентиляторами. Такие тренажеры требуют очень больших помещений, поскольку необходимо исключить неизбежные отраженные от стен воздушные потоки и завихрения.

Известны компактные тренажеры для закрытых помещений, где воздействие ветра на парус имитируют механическим воздействием на рангоут. Отказ от истинного аэродинамического воздействия позволяет обойтись без настоящего рангоута, включающего полноразмерные мачту и гик, и заменить его более компактной функциональной моделью рангоута. Моделируемыми функциями при этом являются функции мачты: крепление рангоута к доске, с возможностью поворота рангоута вокруг точки крепления; функции гика: возможность удержания рангоута руками для поворота его в требуемое положение и удержания вблизи этого положения. Моделирование указанных функций требует наличия, как минимум, участка трубы, удобного для удержания руками в горизонтальном или наклонном положении, и элемента, жестко связывающего указанный участок трубы с точкой крепления рангоута к доске. Также необходим элемент, передающий на рангоут механическое воздействие от нагружающего устройства. Остальные элементы, например, верхняя часть мачты, в рангоуте тренажера могут отсутствовать или быть меньших размеров, по сравнению с рангоутом парусной доски.

Наиболее простой комнатный тренажер (патент US 4660828) выполнен в виде рамы с горизонтальным участком, имитирующим часть гика, соединенной с вертикальной сжатой пружиной, и группы датчиков углового положения. Компьютерная программа по данным датчиков демонстрирует на экране положение паруса и траекторию движения судна. Недостатком такого тренажера является отсутствие сходства сил и моментов, воздействующих на конструкцию, с силами и моментами от аэродинамического воздействия ветра на парус.

Известны тренажеры (патенты US 4838540, CA 2011137), где силу прикладывают к рангоуту посредством троса, приводимого в натяжение электродвигателем. Точка крепления троса расположена в верхней части рангоута, в подразумеваемом центре парусности, для правдоподобной имитации аэродинамических сил. Рангоут составлен из мачты, реи и гика, связанных в жесткую конструкцию (фиг. 1). Система управления, с помощью датчиков углового положения определяет пространственное положение мачты и в зависимости от наклона и поворота мачты изменяет силу натяжения троса.

Тренажер по патенту CA 2011137 является развитием устройства по патенту US 4838540 с целью совершенствования механизма и уменьшения габаритов тренажера. Устройство по патенту US 4838540 является наиболее более близким аналогом предложенной полезной модели и выбрано прототипом.

Следующие существенные признаки прототипа совпадают с признаками предложенной полезной модели:

1. Устройство содержит функциональную модель рангоута парусной доски, которая включает в себя мачту и гик;

2. Мачта устройства имеет шарнирное соединение с доской, допускающее вращение мачты вокруг своей оси и отклонение от вертикали;

3. Устройство содержит силовой привод, предназначенный для приложения к рангоуту горизонтального усилия и момента вращения вокруг оси мачты;

4. Устройство содержит набор датчиков углового положения мачты в горизонтальной и вертикальных плоскостях;

5. Устройство содержит систему управления для обработки сигналов датчиков углового положения мачты и формирования сигналов управления приводом.

Недостатком такого тренажера является опасность, которую представляет потенциальная возможность контакта спортсмена с подвижными элементами привода, например, при обрыве троса.

Раскрытие полезной модели.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, - создание безопасного тренажера для тренировки спортсменов, занимающихся виндсерфингом.

Решение поставленной задачи заключается в создании тренажера, в котором имитация аэродинамического воздействия ветра на парус виндсерфера производится за счет привода и передаточных звеньев, расположенных в отдельном от спортсмена отсеке устройства.

Технический результат использования этой полезной модели заключается в повышении безопасности тренировки спортсмена.

Полезная модель характеризуется следующими существенными признаками:

1. Устройство содержит стойку, которая включает в себя горизонтальный настил для опоры ног спортсмена и пространство под настилом для размещения части элементов устройства;

2. Устройство содержит функциональную модель рангоута парусной доски, которая включает в себя мачту и гик, причем гик жестко соединен с мачтой, а мачта посредством первого шарнира соединена со стойкой на уровне настила, с возможностью отклонения от вертикали в любом направлении и вращения вокруг своей оси;

3. Настил тренажера имеет сквозной проем, в котором установлен указанный первый шарнир, неподвижное звено которого соединено со стойкой, а подвижное звено соединено с мачтой;

4. Мачта тренажера имеет продолжение вдоль своей оси ниже первого шарнира;

5. Устройство содержит привод возвратно-поступательного движения, установленный в пространстве под настилом, при этом подвижное звено привода посредством второго шарнира соединено с упомянутым продолжением мачты, а неподвижное звено привода соединено со стойкой посредством третьего шарнира;

6. Устройство содержит набор датчиков углового положения мачты;

7. Устройство содержит систему управления усилием на гике, вход которой соединен с упомянутыми датчиками, а выход соединен с упомянутым приводом. Система управления сконфигурирована для обработки сигналов датчиков углового положения мачты и выдачи на привод сигнала управления для получения требуемой величины усилия на гике, соответствующего угловому положению мачты.

Каждый из перечисленных признаков определяет получение указанного технического результата:

1. Стойка устройства служит для крепления элементов тренажера и восприятия сил при его работе. Элемент стойки - горизонтальный настил служит для опоры ног спортсмена, а пространство под настилом позволяет разместить привод и другие подвижные части устройства;

2. Функциональная модель рангоута парусной доски, включающая в себя мачту и гик, является той частью устройства, посредством которой спортсмен взаимодействует с тренажером;

3. Сквозной проем в настиле обеспечивает возможность установки мачты так, что она имеет продолжение ниже шарнирного соединения со стойкой на уровне настила;

4. Наличие у мачты продолжения ниже шарнирного соединения ее со стойкой, расположенного на уровне настила, позволяет соединить мачту с приводом в изолированном от спортсмена отсеке устройства;

5. Размещение привода и других движущих частей устройства под настилом позволяет отделить и удалить от спортсмена потенциально опасные для него движущиеся (подвижные) элементы привода;

6. Набор датчиков углового положения мачты обеспечивает определение текущего положения рангоута в пространстве;

7. Система управления тренажера обеспечивает определение текущего положения рангоута и мнимого паруса в пространстве и выдачу управляющих сигналов на привод тренажера.

От ближайшего аналога полезную модель отличают следующие существенные признаки:

1. Настил тренажера имеет сквозной проем, в котором установлен первый шарнир мачты.

2. Мачта устройства имеет продолжение вдоль своей оси ниже первого шарнира.

3. Подвижное звено привода посредством второго шарнира соединено с продолжением мачты.

В отдельных вариантах исполнения полезная модель характеризуется следующими дополнительными признаками:

1. Центр второго шарнира смещен от продольной оси мачты. Это позволяет нагружать мачту усилием привода и одновременно передавать на нее момент вращения. Величина смещения определяется из расчета величины момента вращения моделируемого аэродинамического воздействия для имитируемого паруса, а направление соответствует направлению действия силы привода.

2. В одном варианте исполнения устройства со смещением центра шарнира от продольной оси мачты, указанное смещение достигнуто путем изгиба продолжения мачты ниже первого шарнира.

3. В предпочтительном варианте исполнения устройства указанные первый, второй и третий шарниры являются шаровыми, как наиболее отвечающие требованиям конструкции по количеству степеней свободы вращения.

4. В частном варианте исполнения, набор датчиков углового положения мачты состоит из датчиков углового положения в горизонтальной и вертикальных плоскостях.

5. В еще одном варианте исполнения, набор датчиков углового положения мачты состоит из датчика азимута и датчика отклонения мачты от вертикали.

Краткое описание чертежей.

Полезная модель поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства-прототипа.

На фиг. 2 изображен вид механической части устройства. Неподвижная стойка включает в себя настил 3, установленный на опорах 8. Настил имеет сквозной проем, в который установлен первый шаровой шарнир 5 мачты 2, позволяющий ей отклонятся от вертикали в любом направлении и вращаться вокруг своей оси. Мачта 2 имеет продолжение 6 вдоль своей оси ниже шарнира 5. Силовой привод 4 закреплен под настилом неподвижным звеном с помощью третьего шарнира 9. Подвижное звено привода соединено вторым шаровым шарниром 7 с продолжением мачты 6. Продолжение мачты 6 изогнуто так, что центр шарнира 7 смещен от продольной оси мачты. На фиг. 3 изображен пример исполнения шарового шарнира настила и мачты, позволяющего ей отклонятся от вертикали в любом направлении.

Осуществление полезной модели.

Настил 3 (см. фиг. 2) изготовлен из прочного листового материала, способного выдержать нагрузки при выполнении упражнений спортсмена с мачтой и гиком и удерживать крепление шарнира мачты. Настил закреплен на неподвижных опорах 8 таким образом, чтобы под ним было достаточно места для размещения других элементов устройства. В центре настила выполнен сквозной проем, куда установлен первый шаровой шарнир мачты 5, жестко скрепленный неподвижной частью с настилом, а подвижной с мачтой. Шарнир позволяет мачте отклоняться от вертикали в любом направлении и вращаться вокруг своей оси. Так как угол отклонения мачты от вертикали ограничен конструкцией устройства и должен быть конкретизирован при проектировании, то для данной реализации принято ограничение не более 45 градусов. Выполнению этого условия соответствует выбор размера шарового шарнира и величины поперечного сечения настила в области размещения шарнира. Выбор такого значения объясняется тем, что он охватывает все основные действия спортсмена по управлению мачтой.

Мачта 2 тренажера имеет форму стержня с продольной осью и выполнена из прочного материала, устойчивого к поперечным и продольным деформациям. Гик жестко закреплен на мачте перпендикулярно продольной оси мачты. Мачта имеет продолжение 6 вдоль своей оси ниже первого шарового шарнира 5. На продолжении мачты установлен второй шаровой шарнир 7, который имеет подвижное соединение с приводом. Механизм моделирования воздействия ветра на мнимый парус посредством привода в вертикальной плоскости представляет собой рычаг с неподвижной точкой в центре первого шарового шарнира мачты 5, а плечами рычага являются расстояние между центрами первого и второго шаровых шарнира и расстояние от центра первого шарнира до точки проекции центра парусности на продольную ось мачты. Поэтому эти расстояния пропорциональны с коэффициентом моделирования равным отношению значений моделируемой силы ветра к силе привода. Продолжение мачты 6 между первым 5 и вторым шаровым шарниром 7 имеет изгиб, так что центр второго шарового шарнира смещен от продольной оси мачты. Изгиб продолжения мачты расположен в плоскости мнимого паруса в противоположную сторону от гика относительно оси мачты, что обеспечивает правильное направление передаваемого момента вращения на мачту. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения штока привода во вращательное движение мачты в горизонтальной плоскости представляет собой кривошип с неподвижной осью, совпадающей с продольной осью мачты, и с точкой вращения в центре второго шарового шарнира мачты 7. Величина смещения центра второго шарового шарнира относительно продольной оси мачты пропорциональна расстоянию от центра парусности до продольной оси мачты с тем же коэффициентом моделирования силы ветра.

В качестве привода устройства может быть выбран пневмо-, гидро-, пневмо-гидропривод или электропривод. В данной реализации выбран гидропривод, для которого использован гидроцилиндр производства ООО «ГК Пневмоавтоматика» г. Ижевск (ГЦС 50-28-430-02-0-0 толкающий односторонний со сферическим шарниром на неподвижном конце) и гидронасос. Неподвижное звено (корпус) гидроцилиндра посредством третьего шарового шарнира 9 соединено со стойкой под настилом 3. Подвижная часть гидроцилиндра (шток) соединена с продолжением мачты вторым шаровым шарниром 7. Для обеспечения работы гидроцилиндра используется асинхронный электродвигатель, а для изменения его частоты вращения частотный преобразователь, соединенный с выходом системы управления тренажером. Конструкцией предусмотрено объемное регулирование рабочей жидкости с помощью изменения оборотов электродвигателя. Рабочая жидкость при работающем двигателе циркулирует по контуру насос-дроссель-бак. К нагнетающей части контура подключен гидроцилиндр. Дроссель настроен на отсутствие подачи рабочей жидкости в гидроцилиндр при минимальных оборотах двигателя. При увеличении оборотов двигателя увеличивается расход, давление в системе поднимается и происходит подача рабочей жидкости как в контур, так и в гидроцилиндр. Под действием усилий спортсмена шток гидроцилиндра может двигаться в обратном направлении. В этом случае работая жидкость будет поступать из гидроцилиндра в контур.

Набор датчиков углового положения мачты расположен в нижней части продолжения мачты и состоит из датчика азимута и датчика отклонения от вертикали. В качестве примера использования могут служить датчики производства НПО «Резонанс» г. Челябинск - датчик азимута ДУА360.13 и датчики угла наклона ДУГ50 с цифровым интерфейсом передачи данных. Датчик угла наклона может быть использован как в одноосевом варианте измерения угла наклона, так и измерения в двух взаимно перпендикулярных осях относительно гравитационной вертикали. Указанные датчики соединены с входом системы управления. В других возможных вариантах исполнения устройства возможно использование набора датчиков углового положения в других системах координат - в горизонтальной и вертикальных плоскостях, а так же непрямоугольной системе координат.

Система управления тренажера представляет собой вычислительное устройство с установленным программным обеспечением, соединенное входами с набором датчиков углового положения мачты, а выходом с контроллером управления силовым приводом. В предложенном варианте исполнения устройства система управления представляет собой персональный компьютер с установленной операционной системой и программой управления тренажером. Программа управления при работе циклически исполняет следующую последовательность действий:

1. Учет заданной перед тренировкой скорости ветра,

2. Поочередный опрос и обработка сигналов датчиков азимута и наклона мачты,

3. Вычисление положения мачты относительно системы координат тренажера,

4. Вычисление величин силы и момента, прикладываемых к мнимому парусу в центре парусности, моделируемого аэродинамического воздействия на мачту,

5. Вычисление величины требуемого усилия привода,

6. Опрос датчика давления рабочей жидкости в гидроцилиндре,

7. Вычисление величины необходимых оборотов электродвигателя,

8. Подача сигнала на частотный преобразователь изменения оборотов электродвигателя.

В аналогичной последовательности действий работает система управления тренажера по патенту US 4838540 с учетом отличия типа используемого силового привода и вида набора датчиков углового положения мачты.

Работает заявленное устройство следующим образом:

В системе управления тренажера задается значение скорости ветра, определяющее интенсивность моделируемого аэродинамического воздействия на рангоут. Спортсмен стоит на настиле 3, держит двумя руками гик и удерживает мачту 2 в желаемом положении. Поворачивая мачту вокруг оси, он изменяет направление мнимого паруса относительно ветра. Система управления устройства по данным датчиков углового положения мачты определяет величину моделируемого аэродинамического воздействия на мнимый парус и соответствующее ему требуемое усилие привода 4. На основе обработки сигнала датчика давления в гидроцилиндре 4 система управления определяет величину необходимых оборотов электродвигателя и подает соответствующий сигнал на частотный преобразователь. С изменением оборотов двигателя меняется давление рабочей жидкости в контуре и гидроцилиндре. С повышением давления в гидроцилиндре 4 шток передает усилие на второй шаровой шарнир мачты 7, которое посредством рычажно-кривошипного механизма через первый шаровой шарнир 5 передается на мачту и гик. В результате, мачта стремится отклониться от спортсмена. Спортсмен удерживает гик и препятствует отклонению мачты. Все подвижные элементы привода: электродвигатель, насос, гидроцилиндр, тяга, второй и третий шаровой шарниры отделены от спортсмена настилом и не представляют для него потенциальной опасности при штатной работе устройства. Возникновение любой неисправности этих элементов (разрыв шлангов и труб гидравлической системы, разрушение деталей и узлов механизма, остановка электродвигателя) по той же причине не может угрожать здоровью спортсмена. Возможен физический контакт спортсмена только с одной подвижной частью тренажера - рангоутом, аналогично тому, как это происходит при тренировках на воде с настоящей парусной доской. В случае неисправности какого-либо элемента привода, рангоут, в худшем случае, будет обездвижен.

Таким образом, конструкция предложенной полезной модели позволяет спортсмену имитировать управление парусом и не создает дополнительной угрозы здоровью от элементов устройства как при штатной работе тренажера, так и в случае его неисправности.

1. Устройство для тренировки виндсерфингиста, содержащее:

- стойку, которая включает в себя горизонтальный настил для опоры ног спортсмена и пространство под настилом для размещения части элементов устройства,

- функциональную модель рангоута парусной доски; модель рангоута включает в себя мачту и гик, причем гик жестко соединен с мачтой, а мачта подвижно соединена со стойкой на уровне настила, с возможностью отклонения от вертикали в любом направлении и вращения вокруг оси мачты,

- привод возвратно-поступательного движения для нагружения мачты,

- набор датчиков углового положения мачты,

- систему управления, сконфигурированную для обработки сигналов датчиков углового положения мачты и подачи на привод сигнала управления для получения требуемой величины усилия на гике, соответствующего угловому положению мачты,

отличающееся тем, что

- подвижное соединение мачты со стойкой представляет собой первый шарнир,

- настил имеет проем, в котором установлен указанный первый шарнир,

- мачта имеет продолжение ниже первого шарнира,

- привод установлен в пространстве под настилом, при этом подвижное звено привода посредством второго шарнира соединено с упомянутым продолжением мачты, а неподвижное звено привода соединено со стойкой посредством третьего шарнира,

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центр второго шарнира смещен от продольной оси мачты.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что смещение центра второго шарнира осуществлено путем изгиба упомянутого продолжения мачты.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутые первый, второй и третий шарниры являются шаровыми шарнирами.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что набор датчиков углового положения мачты состоит из датчиков углового положения в горизонтальной и вертикальных плоскостях.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что набор датчиков углового положения мачты состоит из датчика азимута и датчика отклонения мачты от вертикали.



 

Похожие патенты:
Наверх