RU141040U1

RU141040U1 - SIMULATOR WITH A HIGH LEVEL OF SIMULATION OF THE PROCESS OF Riding A BIKE

Info

Publication number: RU141040U1
Application number: RU2013141862/12U
Authority: RU
Inventors: Игорь Анатольевич Козулин; Дмитрий Андреевич Губанов; Анастасия Борисовна Бархатова; Антон Юрьевич Черцов
Original assignee: Игорь Анатольевич Козулин; Дмитрий Андреевич Губанов; Анастасия Борисовна Бархатова; Антон Юрьевич Черцов
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2014-05-27

Abstract

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 проце1. The simulator for simulating the cycling process is characterized in that it consists of mechanical-electrical and software-electronic components: the support frame is mounted on the mechanical-electrical part of the exercise bike, on which the bicycle frame is mounted, the mechanism of vertical orientation and horizontal inclination, the satellite system air flow; electromagnetic load system; the software and electronic part includes systems for generating and outputting stereo images through virtual reality glasses, calculating motion parameters, positioning the frame and the steering wheel, head, legs and hands of the user. 2. A simulator for simulating the cycling process according to claim 1, characterized in that a stereo stereo image output system is used that is consistent with the motion parameters of both the user and the virtual bike on the ground. The simulator for simulating the cycling process according to claim 2, has the ability to select a virtual area for movement and a system of interaction with other users. 4. The simulator for simulating the cycling process according to claim 1, characterized in that the system of inputting information through the virtual interface and the positioning system of the user's fingers is used. A simulator for simulating the cycling process according to claim 1, characterized in that a load system is used that allows you to create a braking force of a realistic value depending on many parameters. The simulator for simulating the cycling process according to claim 1, characterized in that it allows you to simulate acceleration when the bike is lowering. 7. Training simulator

Description

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.The utility model relates to sports equipment, namely to exercise bikes. This device can be used in fitness centers, sports section, for personal use for general physical training, as well as for entertainment and rehabilitation medicine.

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.The objective of the utility model is to allow the user to combine the process of playing sports with entertainment: traveling to different places, both completely virtual and based on real landscapes. In this model, entertainment performs a motivational function that allows you to achieve more productive physical exercises on a stationary bike. The utility model software package supports riding mode with virtual rivals or other users via the 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.The technical result that is achieved in the implementation of the utility model is to create a simulator that reliably simulates the riding process with advanced features by modeling many of the properties of real cycling. These properties include imitation of the relief, significant change in load, imitation of the oncoming air flow, the possibility of a visual overview of the environment. The given set of signs will improve the quality of training on exercise bikes and increase the motivation to conduct them.

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.The structure of the utility model can be assigned to patents such as RF patent RU 2191432 C1, which relates to the field of flight simulators, and more specifically to systems for simulating aerobatics elements using real flight information records. The pilot's seat is in the cockpit of a real aircraft. There are blocks of objective control and weapon control systems, an adapter connected to the pilot's helmet with virtual glasses, a system for transmitting / receiving data from the ground processing unit for flight information, animation of the dashboard and the cockpit. The disadvantage of this model is the lack of visual information about the real environment and your own body.

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.US 005240417 A is closest to the utility model presented. The patent is a utility model for simulating a bicycle ride. The simulation system provides electromechanical communication between the physical condition of the exercise bike and the installed display, reflecting changes in speed, the position of the bicycle in space. The front and rear wheels imitate terrain elements such as lifting, turning. A special system allows you to simulate lateral movement and remember the vertical position of the cyclist relative to the vertical to simulate lifts. All changes in the position of the cyclist are processed, and information about them is transmitted to a computer that calculates the position of the cyclist. The computer considers the effect of forces acting in reality on the bicycle and on the user, monitors the condition of the track, including slopes. There is also an air circulation system with the ability to change the flow rate, which allows to improve the simulation of the trip. The disadvantage of this model is the impossibility of simulating large angles of horizontal deviation, the absence of a transverse tilt of the bicycle, the bulkiness of the structure, and the primitive air circulation system.

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.Simulation of the virtual conditions of a bicycle ride was also performed in the patents USA 7455627 B2, USA 7806810 B2, USA 7585257 B2, but all of them allow simulating the conditions of real riding only in some aspects.

Наиболее интересный патент, позволяющий велотренажеру имитировать поперечные наклоны это патент USA 7326151 B2, но недостатком конструкции является отсутствие горизонтального подъема, отсутствие визуальной информации.The most interesting patent that allows the bicycle trainer to simulate lateral inclinations is US 7326151 B2, but the design flaw is the lack of horizontal lift and the lack of visual information.

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.The structure of the proposed device is illustrated in FIG. 1, which depicts a utility model - an exercise bike with the possibility of reliable simulation of driving but in a virtual area. This exercise bike consists of mechanical-electrical and software-electronic components.

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).The mechanical-electrical part of the exercise bike includes a support frame 1, on which a bicycle frame 2 with associated components is mounted, a vertical orientation and horizontal tilt mechanism, a satellite airflow system, and an electromagnetic load system. In the vertical orientation mechanism, there is a bearing shaft 3 with a threaded gear, to which a movable trolley 4 is mounted, which is moved by rotating the shaft 3. The shaft 3 is driven by an electric motor 5 through a bevel gear (6). The fork of the exercise bike 7 is attached to the movable trolley 4 due to the cardan gear 8 through the sleeve 9. This mechanism will allow you to change the vertical orientation of the exercise bike in the range of angles from -30 ° to + 30 ° to the horizontal. To simulate the air pressure and improve the heat transfer of the cyclist in the front of the exercise bike, fans 11 are mounted to the movable trolley 4 on the rod 10. At the rear of the exercise bike, on the support frame 1, by means of a two-way suspension system, a bicycle frame 2 is mounted with springs 12 and shock absorbers 13 with the rear frame installed instead of the rear the wheels with the flywheel 14 by means of fastening 15. The flywheel is fixed in the frame on the axis of the sleeve 16, equipped with a ratchet with a star. The two-way suspension system provides the possibility of a transverse tilt of the bicycle from -30 ° to + 30 ° degrees relative to the vertical. An electric motor 17 is mounted to the fastener 15 of the exercise bike, which provides resistance to the rotation of the flywheel 14 through the shaft 18. The electric motor 17 can operate both in the mode of providing the necessary resistance (rheostatic braking) and in the nominal operating mode - rotation of the flywheel 14. Also, the exercise bike includes standard components classic bicycle: carriage, chainring, connecting rods, pedals, adjustable seatpost, saddle, steering wheel, steering wheel, belt instead of chain (not shown in the diagram).

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.The software and electronic part includes systems for stereo output, calculation of motion parameters, positioning of the frame and steering wheel, head, legs and hands of the user. The steering wheel is equipped with a brake lever 18, transmitting a signal about the implementation of braking. A gyroscope 19 is also attached to the steering wheel, and a speed sensor 20 is connected to the pedal connecting rods. A flywheel speed sensor 21 is connected to the flywheel of the exercise bike 14. Visual immersion in virtual reality is achieved through stereo glasses of virtual reality 22. Glasses 22 (third-party device) are equipped with a positioning system space due to a three-axis accelerometer, gyroscope and magnetometer. The information input device is a virtual keyboard with which the user interacts through virtual reality glasses and a finger positioning system (installed in virtual reality glasses) based on a pair of infrared cameras and an infrared illumination system (third-party device). Also included is a wireless heart rate monitor.

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.A schematic block diagram of a utility model is depicted in FIG. 2. The utility model is completed with software 23 installed on a computer and calculating the physical parameters of the bicycle in virtual space, receiving signals from various sensors and controlling the electromechanical devices of the exercise bike.

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.The software generates a visual image of the environment of the virtual terrain along which the movement takes place. The image of the environment is displayed on the stereo screen of the virtual reality glasses 24. This image depends on the readings of the sensors responsible for the various systems 25. The head positioning system 26 determines the position of the head in space, the viewing sector of the cyclist. The cadence sensor 27 is responsible for calculating the position of the legs of the cyclist. The positioning system of the handlebar 28 is responsible for the image of the handlebar, its position in space: the angle of rotation, the angle of vertical and horizontal orientation of the bicycle frame. The positioning system of the hands 29 calculates the position of the fingers and their display, including as an element of interaction with the virtual interface. The cardiac sensor 30 monitors the state of the cardiovascular system.

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.In addition, the software 23 calculates the physical parameters of the terrain 31, the kinematics of the process of bicycle movement. It calculates the vertical angle of the bicycle frame and controls the mechanism of the vertical orientation system 32. The gear shift system 33 sends a signal to increase or decrease the gear ratio of the virtual bicycle. Using a mathematical model, signals from the gear shift system 33, the flywheel speed sensor 34 and the vertical angle, the steering angle determines the speed 35 and the direction of movement of the virtual bicycle. The control of the air velocity 36 is consistent with the speed of the cyclist 35 PA virtual terrain. Depending on the speed of the bicycle 35, the signal from the brake lever 37, the angle of inclination of the user's body, the resistance coefficient corresponding to the type of surface, the vertical angle of inclination of the path along which the movement is carried out, the resistance value 38 exerted by the flywheel rheostatic braking system is calculated. This allows you to maintain the braking force of a given value. To simulate the descent downhill, a signal is sent to the electric motor for working in the nominal mode - spinning the flywheel to the required speed.

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.The disadvantages of the utility model compared to riding a real bicycle are the lack of centripetal acceleration, acceleration during braking, a small range of changes in the angles of vertical and horizontal orientation, the inability to jump and overcome obstacles, the absence of the influence of road irregularities, the lack of a complete simulation of weather conditions, acoustic environment, primitive model of interaction with the environment.

Claims

1. The simulator for simulating the cycling process is characterized in that it consists of mechanical-electrical and software-electronic components: the support frame is mounted on the mechanical-electrical part of the exercise bike, on which the bicycle frame is mounted, the mechanism of vertical orientation and horizontal inclination, the satellite system air flow; electromagnetic load system; the software and electronic part includes systems for generating and outputting stereo images through virtual reality glasses, calculating motion parameters, positioning the frame and steering wheel, head, legs and hands of the user.

2. A simulator for simulating the cycling process according to claim 1, characterized in that a stereo stereo image output system is used that is consistent with the motion parameters of both the user and the virtual bike on the ground.

3. The simulator for simulating the cycling process according to claim 2, has the ability to select a virtual area for movement and a system of interaction with other users.

4. The simulator for simulating the cycling process according to claim 1, characterized in that the system of inputting information through the virtual interface and the positioning system of the user's fingers is used.

5. A simulator for simulating the cycling process according to claim 1, characterized in that a load system is used that allows you to create a braking force of a realistic value depending on many parameters.

6. A simulator for simulating the process of cycling according to claim 1, characterized in that it allows you to simulate acceleration when the bike goes down.

7. The simulator for simulating the cycling process according to claim 1 is equipped with a mechanism for changing the longitudinal and lateral orientation of the simulator.

8. The simulator for simulating the cycling process according to claim 7 has a wide range of angles of change of vertical orientation from - 30 to 30 ° to the horizon.

9. A simulator for simulating the cycling process according to claim 1, characterized in that a system for simulating a satellite air flow is used.

10. A simulator for simulating the cycling process according to claim 1, characterized in that a gear shift and brake simulation system is used.