Тренажер для подготовки водолазов
DIVER TRAINING SIMULATOR

Изобретение относится к тренажерной технике и может использоваться для подготовки и последующей тренировки водолазов.
Известен стенд-тренажер водолаза [1] предназначенный для первоначального обучения и тренировки водолазов, а также для отбора кандидатов в водолазы в процессе медицинских комиссий. Стенд-тренажер водолаза состоит из дыхательного контура и пульта управления и контроля. Дыхательный контур включает клапанную коробку с полумаской (или загубником), трубку вдоха с вмонтированным внутри датчиком легочной вентиляции и частоты дыхания, датчик сопротивления дыхательного контура вдоху, регулятор-задатчик (дроссельная заслонка) с дистанционным электроприводом, дыхательный мешок с травящепредохранительным клапаном, регенеративный (поглотительный) патрон, трубку выдоха с датчиком сопротивления выдоху, регулятор-задатчик (дроссельная заслонка) с дистанционным электроприводом. К дыхательному контуру относятся также баллон с запасом водолазного воздуха, воздушный редуктор, блок дюз постоянной подачи воздуха и легочный автомат. Элементы дыхательного контура размещены в корпусе. Пульт управления и контроля состоит из корпуса на передней панели которого расположены указатель положения дроссельной заслонки в трубке выдоха, приборы, показывающие величину сопротивления выдоху, легочную вентиляцию, частоту дыхания, величину сопротивления вдоху, указатель положения дроссельной заслонки вдоха, органы управления и регуляторами-задатчиками, указатели величины давления воздуха в баллоне и за редуктором, вольтметр и тумблер включения электропитания. Пульт соединен кабелем с источником электропитания, а трубками с трубопроводом подачи воздуха из баллона в дыхательный контур. Датчики и электромагнитные клапаны дыхательного контура соединены с пультом кабелями.
Недостаток стенда-тренажера водолаза заключается в отсутствие возможности имитации проведения водолазных работ в условиях ограниченной видимости, а так же отсутствие возможности имитации отказа водолазного оборудования, средств для отработки действий водолаза при имитации отказа водолазного оборудования.
Известен тренажер для подготовки водолазов к действиям в аварийных ситуациях [2] состоящий из сборно-разборного бассейна с дополнительным резервуаром, расположенным под днищевым модулем с герметично закрывающимися задвижками, оборудованными пневмозамками для аварийного их открытия, сливного и заливного патрубков для подачи и слива воды, радиаторов охлаждения и нагрева воды, мультимедийного экрана размерами во всю стену, установленного с внешней стороны фронтальной стенки бассейна, тренажерных стендов и их крепежные элементы, расположенных по периметру бассейна, кран-балки с подъемным механизмом, рабочей площадки с леерным ограждением и съемным трапом, подъемной стрелой для опускания оборудования и снаряжения водолаза внутрь бассейна, медицинским постом и барокамерой, подключенной к водолазному пульту, рабочее место оператора, включающее компьютер, к которому подключены мультимедийный экран, камеры видеонаблюдения, приборы ночного видения и осветительные приборы, установленные в разных местах бассейна, монитор, станции водолазной связи, водолазного пульта, пульта управления водяным насосом, пульта управления радиаторами охлаждения и нагрева воды, датчиками регистрации физического состояния человека, расположенные на гидрокостюме и снаряжении водолаза и подключенные к компьютеру на рабочем месте оператора, мониторами наблюдения за действиями водолаза.
Недостатком тренажера для подготовки водолазов к действиям в аварийных ситуациях является ограниченная возможность (только на естественной глубине сборно-разборного бассейна) имитации внешнего давления среды на водолаза при выполнении работ в аварийных ситуациях, а также отсутствие возможности имитации аудио связи.
Известен тренажер для подготовки водолазов [3] состоящий из двух отсечных камер высокого давления, каждая из которых имеет жилой и санитарный отсеки, водолазного колокола и гидрокамеры, расположенной под колоколом, шлюзовые приспособления с крышками предназначенные для перехода водолазов из камер в колокол и обратно. На нижней части колокол имеет выходную шахту с крышками, соединяющую его с гидрокамерой.
Недостатком тренажера для подготовки водолазов является его неприспособленность для первоначального обучения и первоначальной тренировки водолазов, отсутствие возможности имитации проведения водолазных работ в различных условиях, в том числе в условиях отработки технологии производства работ под водой в нестандартных и экстремальных условиях, отсутствие медицинского поста для отработки работ в экстремальных условиях.
Известен тренажер для подготовки водолазов [4] состоящий из бассейна, сообщающуюся с ним камеру, выполненную высотой не более 1,2 метра, в которых выполнены окна наблюдения, стенд для отработки навыков погружения и всплытия в стесненных условиях с преодолением преграды; стенд для отработки навыков перемещения в горизонтальном положении в стесненных условиях с преодолением преграды; стенд для отработки навыков заделки пробоины; стенд для отработки навыков проведения подводной резки и разрушения конструкций, стенд для отработки навыков сборки и разборки трубопровода, стенд для отработки навыков проведения слесарных работ.
Недостатком тренажера для подготовки водолазов является отсутствие возможности имитации проведения водолазных работ в различных условиях, в том числе в условиях повышенной степени риска.
К водолазным работам в различных условиях, в том числе в условиях повышенной степени риска относятся работы на течении (имеется ввиду течение воды - проф. термин), в условиях ограниченной видимости и низких температур, в неудобном пространственном положении и в стесненных условиях, а также при негативном визуальном и аудиальном воздействии.
Известен Тренажер для подготовки водолазов к работе с аварийно-спасательным инструментом [5] состоящий из тренажерных стендов, сборно-разборный бассейн с осветительными приборами, выполненный как минимум из одного переднего торцевого модуля, как минимум из одного заднего торцевого модуля, как минимум из четырех боковых и как минимум одного днищевого модулей и снабженный как минимум одной видеокамерой и съемной рабочей площадкой с двумя съемными трапами и леерным ограждением, при этом в крайних вертикальных стойках и в нижней горизонтальной балке боковых и торцевых модулей, а также в балках, расположенных по периметру днищевого модуля, выполнены отверстия, в которые установлены крепежные элементы, кроме того, в боковых и переднем торцевом модулях выполнены окна наблюдения, а тренажерные стенды закреплены на днищевом модуле в районе их видимости из окон наблюдения, рабочего места оператора включающего двухпостовую мобильно-стационарную станцию водолазной связи, водолазный пульт, монитор, баллон высокого давления.
Недостатком тренажера для подготовки водолазов к работе с аварийно-спасательным инструментом является ограниченные функциональные возможности тренажера выражающиеся в отсутствие возможности имитации проведения водолазных работ в различных условиях, в том числе в условиях повышенной степени риска, отсутствие устройств и приспособлений для обеспечения безопасности работающего водолаза при имитации отказа водолазного оборудования и снаряжения и отработке действий в аварийных ситуациях, отсутствие медицинского поста, необходимого для безопасного проведения тренировочных спусков и отработки навыков оказания первой медицинской помощи аварийному водолазу.
Известен учебно-тренировочный комплекс для водолазов [6] состоящий из бассейна, оборудованного трапами, мишенями для подводной стрельбы и стенд-макетами, комплекс оборудован также рабочим местом для инструктора, системой видеонаблюдения и контроля, отличающийся тем, что является сборно-разборным и выполнен из однотипных модулей, установленных друг на друга и образующих функциональные отсеки, верхний из которых является отсеком управления и оборудован рабочим местом для инструктора, грузоподъемным оборудованием, системой видеоконтроля, и трап для спуска в бассейн, который представляет собой объединенные, по меньшей мере, два нижних модуля, образующие единую чашу бассейна, в бассейне установлены стенд-макеты для подводно-технических работ, иллюминаторы наблюдения. Также верхний модуль может быть снабжен макетом надводного борта судна, а в качестве стенд-макетов использованы действующий макет торпедного аппарата и/или винто-рулевой группы судна.
Недостатком учебно-тренировочный комплекс для водолазов является его ограниченная возможность (только на естественной глубине бассейна) имитации внешнего давления среды на водолаза при выполнении работ, отсутствие возможности имитации аудио связи, отсутствие медицинского поста, необходимого для безопасного проведения тренировочных спусков и отработки навыков оказания первой медицинской помощи аварийному водолазу.
Также известны комплекс специальный тренажерный водолазов «Тренажер ВВ», специальный тренажерный водолазов «Тренажер КСТ» фирмы АО «КАМПО» обладающие описанными выше недостатками, например, отсутствие возможности имитации внешнего давления среды на водолаза при выполнении работ.
Наиболее близким к предлагаемому устройству, то есть прототипом, является [7] устройство реализующее способ погружения пользователя в виртуальную реальность. Устройство для погружения пользователя в виртуальную реальность содержит связанные между собой оболочку с люком для доступа (1), имеющую внутреннюю поверхность и являющейся сферой, то есть закрытой выпуклой поверхностью с отверстиями, средство для формирования виртуального пространства (2), содержащего виртуальные объекты, средство для отображения сформированного виртуального пространства пользователю (3) и связанного со средством формирования виртуального пространства (2), блок для изменения виртуального пространства в соответствии с физическими перемещениями пользователя, принимая во внимание взаимодействие пользователя с объектами в виртуальном пространстве (4), средство для определения величины и направления движения пользователя относительно центра оболочки (5), причем средство для определения связано с блоком для изменения виртуального пространства в соответствии с физическими перемещениями пользователя, принимая во внимание взаимодействие пользователя с объектами в виртуальном пространстве (4), средство для вращения оболочки, соединенное с опорными средствами (6) датчики определяющих положение рук, ног, головы пользователя (7), пользователя (8), так же может быть манипулятор (9), обычно располагаемый в руке пользователя фиг.1.
На фиг. 3 приведен внешний вид устройства для погружения пользователя в виртуальную реальность.
Средство для вращения оболочки, соединенное с опорными средствами (6) предназначено для уменьшения отклонение центра тяжести пользователя от вертикальной оси, проходящей через центр оболочки (по меньшей мере три шаровые опоры). Оболочка (1) выполнена из прозрачного материала с возможностью вращения, при котором оболочка поворачивается, когда центр тяжести пользователь, находящегося внутри нее, смещен относительно вертикальной оси, проходящей через центр оболочки, оболочка поворачивается в направлении, противоположном направлению перемещение пользователя.
Недостаток прототипа заключается в его не приспособленности для обучения водолазов. Подготовка водолазов должны охватывать как первоначальную подготовку водолаза, так и проведение водолазных работ в различных условиях, в том числе в условиях повышенной степени риска, отработку технологии производства работ в нестандартных и экстремальных условиях, подготовку водолазов к работе с аварийно-спасательным инструментом, выполнению сварочных работ, специальную подготовку, например, выполнение подводной стрельбы.
В основу изобретения положена задача повышение безопасности обучения водолазов при подготовке (тренировках) водолазов для выполнения водолазных работ различных типов в различных условиях (водолазного поиска, водолазного обследования, остропки и подъема затопленных грузов, остропке судоподъемных понтонов и гаков гиней, корабельных водолазных работ), обеспечение круглогодичной подготовки водолазов независимо от метеорологических условий, снижение стоимости обучения водолазов.
Поставленная задача достигается введением в схему прототипа устройства искусственного дыхания (10), устройства имитации давления внешней среды (11), устройства аудиосвязи (12), автоматизированное рабочее место оператора (инструктора) (13), медицинский пост (14).
На фиг. 2 представлена структурная схема тренажера для подготовки водолазов.
Предлагаемый тренажер для подготовки водолазов состоит из оболочки с люком для доступа (1), имеющую внутреннюю поверхность и являющейся сферой, то есть закрытой выпуклой поверхностью с отверстиями, средство для формирования виртуального пространства (2), содержащего виртуальные объекты, средство для отображения сформированного виртуального пространства пользователю (3) и связанного со средством формирования виртуального пространства (2), блок для изменения виртуального пространства в соответствии с физическими перемещениями пользователя, принимая во внимание взаимодействие пользователя с объектами в виртуальном пространстве (4), средство для определения величины и направления движения пользователя относительно центра оболочки (5), причем средство для определения связано с блоком для изменения виртуального пространства в соответствии с физическими перемещениями пользователя, принимая во внимание взаимодействие пользователя с объектами в виртуальном пространстве (4), средство для вращения оболочки, соединенное с опорными средствами (6), датчики определяющих положение рук, ног, головы пользователя (7),пользователя (8), так же может быть манипулятор (9), обычно располагаемый в руке пользователя, устройства искусственного дыхания (10), устройства имитации давления внешней среды (11), устройства аудиосвязи (12), автоматизированное рабочее место оператора (инструктора) (13).
Предлагаемый тренажер для подготовки водолазов, работает следующим образом: Оболочка с люком для доступа (1), образует замкнутое пространство в виде сферы ограничивающая физическое пространство. Оболочка с люком для доступа (1) помещена на средство для вращения оболочки, соединенное с опорными средствами (6), таким образом обеспечивается возможность поворота оболочки с люком для доступа (1) вокруг ее центра в трех направлениях свободы перемещения. Пользователь (9) через люк помещается в оболочку с люком для доступа (1). Виртуальное пространство, в котором объекты, например, конструкции, рельеф местности, корпуса судов, пловцы, водолазы и т.д. появляются и перемещаются в заданной или случайной форме, формируются с помощью средства для формирования виртуального пространства (2).
Образованное виртуальное пространство, в котором пользователь (8) видит трехмерное изображение виртуального мира, отображается пользователю (8) в средстве для отображения сформированного виртуального пространства пользователю (3),при этом средство для отображения сформированного виртуального пространства пользователю (3) располагается на голове пользователя (8). Пользователь (8), делая реальные шаги в оболочке с люком для доступа (1), приближается или удаляется к/от объектам в виртуальном пространстве, совершая движения рук, ног и головы в реальном пространстве изменяет положения объектов в виртуальном пространстве, тем самым средство для определения величины и направления движения пользователя относительно центра оболочки (5) измеряет положения пользователя (8) в реальном пространстве оболочки с люком для доступа (1), а блок для изменения виртуального пространства в соответствии с физическими перемещениями пользователя, принимая во внимание взаимодействие пользователя с объектами в виртуальном пространстве (4), меняется положение пользователя (8) и объектов в виртуальном пространстве. Непрерывное преобразование виртуального пространства, рельеф местности, объекты выполняется в соответствии с программой задаваемой на автоматизированным рабочем месте оператора (инструктора) (13). Данные для определения величины и направление движения пользователя (8) относительно оболочки с люком для доступа (1), в соответствии с которой средством для определения величины и направления движения пользователя относительно центра оболочки (5) выполняется определение перемещения пользователя (8) передаются от датчиков определяющих положение рук, ног, головы пользователя (7) и манипулятора (9).
Манипулятор (9) применяется для имитации в виртуальном пространстве и отслеживания его перемещения снаряжения водолаза, обеспечивающего выполнение подводных работ - например, инструмента из комплекта инструмента ИЯ-365 или Гкс-Зм, подводной телевизионной установки, например, АПТ-2п, водолазных ножниц типа ВНРТ, пистолета или автомат для поражения подводных целей, буксировщика водолазов-разведчиков.
Допустимые глубины погружений в соответствии с требованиями водолазных профессий в основном составляю от 20 м до 60 м, лишь специалисты "водолаз- глубоководник" могут погружаться до 300 м [8].
Следовательно, тренажер должен обеспечивать подготовку до практической глубины 60 м.
При погружении водолаза, вода оказывает на него давлении рассчитываемое по формуле
Р = ρ × g × h
где Р - величина давления на глубине h, ρ - плотность жидкость, h - глубина погружения, g - ускорение свободного падения.
Устройства имитации давления внешней среды (11) имитирует внешне давление воды заданной глубины.
Если симитированное давление отличается от заданного (расчетного) больше чем на 0,02 МПа (20000 Па), устройство имитации давления внешней среды (11) корректирует его до расчетного заданного (расчетного).
Практическая реализация устройства имитации давления внешней среды (11) может быть осуществлена основываясь на идеологии высотного компенсирующего костюма. Высотно-компенсирующий костюм представляет собой комбинезон с перчатками и носками, который плотно подгоняется по фигуре человека шнуровкой, надевается и снимается с помощью застежек типа «молния» и изготавливается из малорастяжимой ткани. Равномерное давление на всю поверхность тела человека обеспечивается подачей воздуха под давлением в натяжные устройства - пневмотрубки, идущие по бокам рукавов, штанин и по спинке высотного компенсирующего костюма и в дыхательно-компенсирующую камеру (так называемый брюшной компенсатор, размещенный под оболочкой комбинезона в области грудной клетки и живота и соединенный с системой дыхания). Пневмотрубки увеличиваются в диаметре при подаче в них давления, натягивают тесемки, которые стягивают оболочку комбинезона и создают механическое давление на тело человека.
Для целей его применения в качестве устройство имитации давления внешней среды (11), костюм должен обеспечивать имитацию давления до 3031.29 кПа (давление морской воды на глубине 300 м), иметь устройство для подачи давления, клапан для регулировки давления и для имитации температуры окружающей среды, иметь возможность применять рабочее вещество с достаточным КПД теплоотдачи.
Расчетное значение давления, которое должно быть сымитировано, задается автоматизированным рабочем местом оператора (инструктора) (13).Давление в устройстве имитации давления внешней среды (11) также может изменяться устройством искусственного дыхания (10).
Температура воды на глубине зависит от типа водоема (река, озеро, море, океан), его географического местоположения, термического режима, времени года и т.д. На фиг. 4 приведена зависимость температура воды на глубине для океана. В случае необходимости, для имитации температуры окружающей среды значение температуры задается автоматизированным рабочем местом оператора (инструктора) (13).
Автоматизированное рабочее место оператора (инструктора) (13), основывается на персональном компьютере и производит расчеты имитацию подводной среды, полезной нагрузки, сценария обучения и прочих элементов, параметров и условий, необходимых для обучения в виртуальной реальности. Устройство искусственного дыхания (10), обеспечивает дыхание обучаемого (тренируемого) смесью газов с содержанием кислорода. Устройство аудиосвязи (12) обеспечивает тональную (голосовую) связь обучаемого (тренируемого), при этом имитируя ослабление (по отношение к нормальному) интенсивности звука до 60 дБ.
Пользователь (тренируемый водолаз), который имеет возможность свободного перемещения по внутренней поверхности оболочки, помещается в оболочку. Из-за влияния момента силы, создаваемо при смещении центра тяжести пользователя относительно вертикали, проходящей через центр оболочки оболочка поворачивается в направлении, противоположном направлению движения пользователя. Сформированное виртуальное пространство, в котором объекты появляются и перемещаются, отображается пользователю, а его непрерывное преобразование осуществляется в соответствии с реальными физическими движениями руки, стопы и головы пользователя в реальном пространстве, принимая во внимание взаимодействие с объектами в виртуальном пространстве. Давление внешней среды имитируется за счет обжатия теля пользователя.
Подготовка (тренировка) водолазов на предложенном тренажере для подготовки водолазов обеспечит повышение безопасности обучения водолазов при их подготовке (тренировках) для выполнения водолазных работ различных типов в различных условиях (водолазного поиска, водолазного обследования, остропки и подъема затопленных грузов, остропки судоподъемных понтонов и гаков гиней, корабельных водолазных работ), позволит обеспечить круглогодичную подготовку водолазов независимо от метеорологических условий.
Источники информации:
1. Патент №2094300 «Стенд-тренажер водолаза», дата публикации 27.10.1997.
2. Полезная модель №127713 «Тренажер для подготовки водолазов к действиям в аварийных ситуациях», дата публикации 10.05.2013 Бюл. №13.
3. Авторское свидетельство №617322 «Тренажер для подготовки водолазов», дата публикации 30.07.1978 Бюл. №28.
4. Полезная модель №110063 «Тренажер для подготовки водолазов», дата публикации 10.11.2011 Бюл. №31.
5. Полезная модель №98735 «Тренажер для подготовки водолазов к работе с аварийно-спасательным инструментом», дата публикации 27.10.2010 Бюл. №30.
6. Полезная модель №66505 «Учебно-тренировочный комплекс для водолазов», дата публикации 10.09.2007 Бюл. №25.
7. Патент №US5846134A «Method and apparatus for immersion of a user into virtual reality», дата публикации 8.12.1998.
8. Методические рекомендации по проведению предварительных и периодических медицинских осмотров (обследований) водолазов и других работников, работающих в условиях повышенного давления. Утверждены заместителем руководителя Федерального медико-биологического агентства, председателем Центральной водолазно-медицинской комиссии при Федеральном медико-биологическом агентстве В.А. Рогожниковым 14 марта 2011 г.