Модель сферического тренажера вестибулярного аппарата

Полезная модель относится к области авиации, космонавтики и может быть использована в устройствах для тренировок, имитирующих состояния, близких к перегрузкам в полете для пилотов и космонавтов, а также для тренировок спортсменов и выступающих в различных аттракционах со сложным комбинированным движением в пространстве, также может быть использовано культурно-развлекательных мероприятий.
Известен «тренажер для имитации перемещения и ориентации», патент RU 2520866, МПК G09B 9/12, опублик. 27.06.2014, БИ №18, состоящий из приводной установки, расположенной на прочном фундаменте, приводящей в движение гандолу салазок, при этом она выполнена крутильно-жесткой и может воспринимать большие усилия, причем действие гондолы салазок - это действие двустороннего рычага центрифуги, при этом салазки перемещаются вдоль гондолы салазок, совершающие вертикальные колебания, несущие карданный подвес, в центре карданного подвеса установлена кабина.
Недостатком данного тренажера являются вертикальные хаотичные колебании салазок вдоль гандолы, которые приводят к снижению качества и надежности устройства, а также невозможность регулировать заданные режимы в пространстве, что ограничивает технологические возможности тренажера, приводящие к снижению эффективности в целом. Сложная конструкция и большие габариты.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели и взятой в качестве прототипа является «аттракцион Абсолют», патент №2358789 RU, МПК A63G 31/02, автора Основина Е.В., опубл. 20.06.2009, БИ №17, предназначенного для создания эффекта свободного падения при вращении. Изобретение состоит из стойки, на которую устанавливают вертикальные балки, по центру вертикальных балок закрепляют наружное кольцо, в наружное кольцо по горизонтали с помощью шарниров надевают промежуточное кольцо, а в промежуточное кольцо вдоль вертикали также с помощью шарниров устанавливают центральное кольцо, в центральное кольцо жестко устанавливают кабину-капсулу. Данная схема «аттракциона Абсолют» позволяет совершать вращательное движение в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Недостаток данного технического решения заключается в том, что наружное, промежуточное и центральное кольца соединены между собой шарнирно и жестко относительно балок, что ограничивает функциональные возможности устройства, проявляющиеся в ограничении функций движения по траектории в пространстве, выполняющее только вращательное движение кабины-капсулы, при этом наружное кольцо вращается с помощью привода, а два других кольца вращаются свободно (хаотично) под действием сил тяготения, что не дает возможности регулирования скорости и частоты вращения двух других колец, снижающих технологические возможности устройства с одновременным снижением качества и эффективности установки в целом.
Решаемой задачей полезной модели является ограниченные технологические возможности устройства, необеспечивающие регулирования угловых скоростей и угловых ускорений звеньев и капсулы в пространстве, снижающих функциональные возможности устройства, что в целом снижает эффективность сферического тренажера вестибулярного аппарата.
Техническим результатом полезной модели является расширение технологических возможностей сферического тренажера, обеспечивающих регулирование угловых скоростей и угловых ускорений звеньев и капсулы в пространстве с одновременным расширением функциональных возможностей устройства, приводящих к повышению эффективности модели сферического тренажера вестибулярного аппарата.
Технический результат достигается тем, что модель сферического тренажера вестибулярного аппарата, состоящая из стойки, поддерживающей установку, звеньев, соединенных шарнирами, привода, капсулы, согласно которой, звенья выполнены в виде ведущего сферического кривошипа, ведущего сферического стержня, сферического шатуна и связаны между собой и капсулой шарнирно, оси которых выполнены с возможностью пересечения в одной точке, при этом каждое звено выполнено в форме дуги, а капсула - с возможностью вращения относительно всех звеньев дуг, и с одной стороны, шарнирно соединена с ведущим сферическим стержнем, который в свою очередь шарнирно соединен с ведущим сферическим кривошипом, с другой стороны, шарнирно соединена со сферическим шатуном, который соединен с ведущим сферическим кривошипом, причем длины звеньев выполнены неодинаковыми, при которых углы звеньев между осями шарниров капсулы и ведущего сферического стержня выполнены меньшими углов звеньев между осями шарниров ведущего сферического кривошипа и сферического шатуна, в качестве привода введен двуподвижный механизм, состоящий из пары мотор-редукторов, каждый из которых соединен со своим звеном, ведущим сферическим кривошипом или ведущим сферическим стержнем, закрепленным на стойке через вал мотор-редуктора сферического кривошипа, на который посажена шестерня, входящая в зацепление с зубчатым колесом, посаженным на полый вал, который установлен на центральный вал мотор-редуктора сферического стержня, с возможностью вращения относительно друг друга, образовав при этом траекторию движения капсулы по сфере.
Новизна
Предлагаемое техническое решение позволяет создать эффективную модель сферического тренажера, за счет его конструктивного выполнения и введения двуподвижного механизма, расширяющих технологичические возможности, с одновременным расширением функциональных возможностей устройства, то есть повысить степень подвижности устройства и обеспечить регулирование переменными по величине и направлению угловыми скоростями и угловыми ускорениями капсулы в пространстве, получив при этом траекторию движения ее по сфере.
Степень подвижности определяется по формуле Чебышева (для плоских и сферических механизмов):
1
2
W=3(m-1)-2p-1p=3(5-1)-2⋅5-1⋅0=2, где
m - число звеньев тренажера, а именно:
(ведущий сферический кривошип, сферический шатун, капсула, ведущий сферический стержень и стойка);
2
- p=0 - количество двуподвижных кинематических пар;
1
- p=5 - количество одноподвижных вращательных пар.
Вращательные пары находятся в точках A, B, C, D, E:
• в точке A соединены ведущий сферический кривошип и стойка
• в точке B соединены ведущий сферический стержень и стойка
• в точке C соединены ведущий сферический кривошип и сферический шатун
• в точке D соединены сферический шатун и капсула
• в точке E соединены капсула и ведущий сферический стержень.
С целью получения пространственного движения капсулы углы звеньев сферического тренажера вестибулярного аппарата должны удовлетворять условию Pierre М. La Rochelle:
с
кл
ш
кр
α+α<αα,
с
где α - угол между осями шарниров ведущего сферического стержня;
кл
α - угол между осями шарниров капсулы;
ш
α - угол между осями шарниров сферического шатуна;
кр
α - угол между осями шарниров ведущего сферического кривошипа.
Так как углы капсулы и ведущего сферического стержня ≤90°, а угол сферического шатуна ≥90°, угол ведущего сферического кривошипа =90°, то дуги звеньев DE+EB будут меньше дуг BC+CD, тем самым обеспечивая возможность вращения дуг DE+EB относительно дуг BC+CD.
Для пояснения технической сущности предлагаемого сферического тренажера вестибулярного аппарата представлены следующие чертежи:
На Фиг. 1 - представлен общий вид сферического тренажера;
На Фиг. 2 - представлена траектория движения капсулы при работе обоих мотор-редукторов;
На Фиг. 3 - представлена траектория движения шарниров при работе обоих редукторов,
где 1 - мотор-редуктор ведущего сферического кривошипа; 2 - вал; 3 - шестерня; 4 - зубчатое колесо; 5 - полый вал; 6 - ведущий сферический кривошип; 7 - сферический шатун, 8 - капсула; 9 - ведущий сферический стержень; 10 - центральный вал; 11 - стойка; 12 - мотор-редуктор ведущего сферического стержня.
Модель сферического тренажера вестибулярного аппарата (фиг. 1) состоит из стойки 11, на которую с помощью шарнира A установлен центральный вал 10, связанный с мотор-редуктором ведущего сферического стержня 12. На центральный вал 10 жестко посажен ведущий сферический стержень 9, шарнирно (E) соединенный с капсулой 8, которая с помощью шарнира D соединена со сферическим шатуном 7. Причем сферический шатун 7 посредством шарнира C связан с ведущим сферическим кривошипом 6. Зубчатое колесо 4 и ведущий сферический кривошип 6 жестко посажены на полый вал 5, который установлен с помощью шарнира В на центральный вал 10 мотор-редуктора 12 ведущего сферического стержня 9. При этом эти валы могут вращаться относительно друг друга. Зубчатое колесо 4, входящее в зацепление с шестерней 3, посажено на вал 2 мотора-редуктора ведущего сферического кривошипа 1. При вращении оси шарниров всех звеньев, то есть ведущего сферического кривошипа (bb' и cc'), сферического шатуна (dd' и cc'), капсулы (ee' и dd') и ведущего сферического стержня (ee' и bb') выполнены с возможностью пересечения в одной точке O. Причем, ведущий сферический кривошип 6 и ведущий сферический стержень 9 получают независимые вращательные движения относительно шарнира B, сообщая пространственное сферическое движение с переменными угловыми скоростями и угловыми ускорениями капсуле 8.
Сферический тренажер вестибулярного аппарата (Фиг. 1) работает с возможностью включения как одного из мотор-редукторов, так и обоих одновременно, при этом регулируя переменные по величине и направлению угловые скорости и угловые ускорения капсулы в пространстве, когда:
1. Мотор-редуктор ведущего сферического кривошипа 1 через вал 2 и шестерню 3, которая входит в зацепление с зубчатым колесом 4 посаженным на полый вал 5, передает вращательное движение ведущему сферическому кривошипу 6, а сферический шатун 7 благодаря ведущему сферическому кривошипу 6, совершает вращательно-качательное движение по сфере приводя капсулу 8 в движения, задавая ей вращение относительно шарнира E, описывая траекторию движения в виде окружности с центром в точке F, при том что сферический стержень остается неподвижным благодаря своему мотор-редуктору ведущего сферического стержня 12.
2. Мотор-редуктор ведущего сферического стержня 12 через центральный вал 10 передает вращательное движение ведущему сферическому стержню 9. Капсула 8 вращается относительно ведущего сферического стержня 9, описывая при этом траекторию движения в виде окружности, расположенной перпендикулярно ведущему сферическому кривошипу 6 и приводит в движение сферический шатун 7, который совершает вращательно-качательное движение в шарнире C, совершая работу в роли балансира, где ведущий сферический кривошип 6 остается неподвижным благодаря мотор-редуктору ведущего сферического кривошипа 1.
При одновременной работе обоих мотор-редукторов, повышающих степень подвижности устройства и регулирование переменными по величине и направлению угловыми скоростями и угловыми ускорениями капсулы в пространстве, получив при этом траекторию движения капсулы по сфере производят следующим образом:
В качестве звеньев введены ведущий сферический кривошип 6, ведущий сферический стержень 9, сферический шатун 7 и связаны между собой и капсулой 8 шарнирно, оси которых выполнены с возможностью пересечения в одной точке, при этом каждое звено выполнено в форме дуги, а капсула - с возможностью вращения относительно всех звеньев дуг 6, 7, 9, и с одной стороны, капсула 8 шарнирно соединена с ведущим сферическим стержнем 9, который в свою очередь шарнирно соединен с ведущим сферическим кривошипом 6, с другой стороны, капсула 8 шарнирно соединена со сферическим шатуном 7, который соединен с ведущим сферическим кривошипом, причем длины звеньев выполнены неодинаковыми, при которых углы звеньев между осями шарниров капсулы 8 и ведущего сферического стержня 9 выполнены меньшими углов звеньев между осями шарниров ведущего сферического кривошипа 6 и сферического шатуна 7, в качестве привода введен двуподвижный механизм, состоящий из пары мотор-редукторов, 1, 12 каждый из которых соединен со своим звеном, ведущим сферическим кривошипом 6 или ведущим сферическим стержнем 9, закрепленным на стойке 11 через вал 2 мотор-редуктора 1 сферического кривошипа 6, на который посажена шестерня 3, входящая в зацепление с зубчатым колесом 4, посаженным на полый вал 5, который установлен на центральный вал 10 мотор-редуктора 12 сферического стержня 9, с возможностью вращения относительно друг друга, образовав при этом траекторию движения капсулы по сфере.
По своим технико-экономическим преимуществам, по сравнению с известными аналогами, заявляемое техническое решение позволяет создать высокоэффективный тренажер за счет расширения технологических возможностей, повышающих степень подвижности устройства, с одновременным расширением функциональных возможностей, обеспечивающих вращение и перемещение капсулы по окружности с центром в точке "F", с переменными по величине и направлению угловыми скоростями и угловыми ускорениями, описывая при этом траекторию движения капсулой, позволяющей получать пространственно сферические движения.