УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕНИРОВКИ ВИНДСЕРФИНГИСТА

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.