УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕНИРОВКИ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ
DEVICE FOR TRAINING CYCLISTS

Предлагаемое изобретение относится к спортивным тренажерам, в частности, для тренировки велосипедистов в несезонное время года и перед предстоящими соревнованиями.
Известно устройство (а.с. №1423129, кл. A63B 69/16, 1986), содержащее раму, установленную в основании с возможностью качания относительно оси и несущую катки для опоры колес велосипеда. Ведущий каток связан через гибкую связь со средством для создания постоянной нагрузки и средством для создания дополнительной регулируемой нагрузки, включающим конический барабан и контактирующий с его поверхностью тормоз. Тормоз установлен на направляющей, параллельной образующей конического барабана. Направляющая посредством ходового винта и редуктора связана с реверсивным электродвигателем. Устройство имеет средство для изменения угла наклона рамы, выполненное в виде подъемника, и опору для поддержки рамы велосипеда. Подъемник, электродвигатель, средство для создания постоянной нагрузки и тормоз связаны с программным пультом управления (ЭВМ) и информационным табло (дисплеем) через датчики медико-биологических характеристик и датчик силы давления на педаль. Устройство снабжено датчиком числа оборотов (скорости).
Достоинствами этого устройства являются:
- имитация велосипедной трассы;
- наличие датчиков и управляемой тормозной системы, которые обеспечивают работу в адаптивном режиме (то есть автоматическое, непосредственно в ходе тренировки, изменение величины нагрузки в зависимости от физического состояния спортсмена);
- отображение срочной информации о скорости, времени движения, профиле трассы, энергозатратах спортсмена на информационном экране (дисплее)
Недостатки данного устройства состоят в том, что, во-первых, применение контактного торможения с помощью контактного тормоза ведет к стиранию тормозного элемента; во-вторых, отсутствует имитация сопротивления воздуха для велосипедиста и велосипеда; в-третьих, отсутствует ускоряющее воздействие, имитирующее спуск с горки; в-четвертых, программное обеспечение устройства не предусматривает принципа управления тренировкой по оптимальной частоте сердечных сокращений.
Другим аналогом заявляемого устройства является устройство Cotege cyclosimulator Model CS-1000 (см. патент США №5382208, кл. 63В 69/16, 1995), содержащее раму для закрепления велосипеда, состоящую из узла крепления вилки переднего колеса и узла фиксированной опоры заднего колеса велосипеда, при этом заднее колесо фрикционно связано с роликом, размещенным на оси, установленной на упомянутой раме. На оси с одной стороны от ролика находится крыльчатка вентилятора, а на другой от него стороне - ступенчато изменяемая нагрузка, создаваемая с помощью постоянного магнита, надвигаемого бесконтактно ступенчато на медный диск, вращаемый вместе с колесом. Содержится также датчик условного перемещения велосипеда, выходной сигнал которого привязан к вращению упомянутого ролика, и дисплей, на который выводятся скорость, путь, время - необходимые характеристики.
Достоинства этого технического решения заключаются в следующем:
- имитация сопротивления воздуха, воздействующего на велосипедиста и велосипед;
- бесконтактное формирование нагрузки магнитно-вихревым методом в зависимости от скорости вращения колеса;
- отображение на дисплее характеристик скорости, времени и пути.
Недостатками данного устройства являются, во-первых, ручное дискретное изменение нагрузки; во-вторых, невозможность отследить физическое состояние спортсмена, то есть отсутствие биологической обратной связи в устройстве; в-третьих, отсутствие оптимального ориентира, по которому строится тренировочный процесс спортсмена; в-четвертых, не создается облегчение для велосипедиста, имитирующее спуск с горки; в-пятых, невозможность отслеживания трассы, что составляет определенное неудобство для спортсмена.
Наиболее близким аналогом, взятым в качестве прототипа заявляемого устройства, является известное устройство для тренировки велосипедиста (патент RU №2264246, C1 А63В 69/16, 2004), содержащее раму для закрепления велосипеда, состоящую из узла крепления вилки переднего колеса и узла фиксированной опоры заднего колеса велосипеда, при этом заднее колесо фрикционно связано с роликом, размещенным на оси, установленной на этой раме, и на этой же оси с одной стороны от ролика находится крыльчатка вентилятора, а с другой - ступенчато изменяемая нагрузка, создаваемая с помощью постоянного магнита, надвигаемого ступенчато на вращающийся вместе с упомянутым колесом медный диск, датчик условного перемещения велосипеда, выходной сигнал которого привязан к вращению указанного ролика, достигается тем, что в него дополнительно введены динамическая нагрузка, создаваемая с помощью и благодаря взаимодействию вихревых токов, наводимых во вращающемся медном (металлическом) диске регулирующей обмоткой, намотанной на сердечнике магнитопровода, охватывающего часть поверхности упомянутого диска, и подключенной через первый усилитель и первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) к системному блоку персонального компьютера, электрический двигатель, обмотка возбуждения которого через второй усилитель и второй ЦАП подключена к указанному системному блоку, датчик измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС), измерительный щуп которого, надеваемый на велосипедиста во время тренировки, и упомянутый датчик условного перемещения велосипеда, подсоединенные к системному блоку упомянутого персонального компьютера, соответственно, через первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), при этом ось введенного электрического двигателя механически связана с упомянутым задним колесом велосипеда, все узлы и датчики, требующие для своей работы электропитания, подключены к источнику электропитания, и работа устройства осуществляется под управлением пакета прикладных программ и видеофильмов.
Недостатком данного устройства является, во-первых, ручное переключение положения постоянного магнита при имитации большой нагрузки и, во-вторых, отсутствие отражения данных о характере подъемов и спусков конкретной соревновательной трассы, что весьма важно знать велосипедисту во время соревнования.
Техническим результатом заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков.
Указанный технический результат в устройстве для тренировки велосипедиста, содержащем раму для закрепления велосипеда, состоящую из узла крепления вилки переднего колеса и узла фиксированной опоры заднего колеса велосипеда, при этом заднее колесо фрикционно связано с роликом, размещенным на оси, установленной на раме, на этой оси с одной стороны от ролика находится крыльчатка вентилятора, а с другой - ступенчато изменяемая нагрузка, создаваемая с помощью постоянного магнита, надвигаемого ступенчато на вращающийся вместе с упомянутым колесом металлический диск, датчик условного перемещения велосипеда, выходной сигнал которого связан с вращением указанного ролика, также в него введены динамическая нагрузка, создаваемая с помощью взаимодействия вихревых токов, возникающих во вращающемся металлическом диске посредством электрического тока в регулирующей обмотке, намотанной на сердечнике магнитопровода, охватывающего часть поверхности упомянутого диска, и подключенной через первый усилитель и первый цифроаналоговый преобразователь к системному блоку персонального компьютера, электрический двигатель, обмотка возбуждения которого через второй усилитель и второй цифроаналоговый преобразователь подключена к указанному системному блоку, а его ось механически связана с задним колесом, датчик измерения частоты сердечных сокращений, надеваемый на велосипедиста во время тренировки, и упомянутый датчик условного перемещения велосипеда также подсоединены к системному блоку персонального компьютера, все узлы и датчики, требующие электропитания, подключены к источнику электропитания, и работа устройства осуществляется под управлением пакета программ и видеофильмов, достигается тем, что в него введен второй электродвигатель постоянного тока, связанный нерастяжимой нитью через микроредуктор и миниворот с узлом перемещения постоянного магнита, обмотка управления данного электрического двигателя через третий цифроаналоговый преобразователь и третий усилитель, а также дополнительный датчик оборотов якоря электродвигателя подключены к системному блоку упомянутого персонального компьютера, упомянутые датчик условного перемещения велосипеда и измеритель частоты сердечных сокращений, надеваемый на ухо велосипедиста, содержащий миниатюрные микросхему и светодиод с гасящим резистором, многожильный электрический кабель и ответную часть USB-разъема, которые подключены к системному блоку, а в пакете управляющих программ, связанных с отображением на дисплее видеофильма о трассе предполагаемого соревнования велосипедистов, отображены количественные и качественные характеристики всех или основных подъемов и спусков указанной трассы.
Отличительными признаками заявляемого технического решения является следующее:
- введен второй электродвигатель постоянного тока, связанный нерастяжимой нитью через микроредуктор и минивороток с узлом перемещения постоянного магнита;
- обмотка управления данного электродвигателя через третий цифроаналоговый преобразователь и третий усилитель подключена к системному блоку ПК;
- введен также дополнительный датчик оборотов данного электродвигателя, который подключен к USB-порту системного блока ПК;
- датчик условного перемещения велосипеда и измеритель частоты сердечных сокращений (ЧСС), надеваемый на ухо велосипедиста, также подключены к USB-порту системного блока ПК;
- измеритель ЧСС содержит клипсу, в которой размещены миниатюрные микросхема, например, TSL 230R-LF, и светодиод с гасящим резистором, многожильный электрический кабель и ответная часть USB-разъема;
- в пакете управляющих программ, связанных с отображением на дисплее ПК видеофильма о предполагаемой трассе соревнования велосипедистов, должны быть отображены характеристики всех или основных ее подъемов и спусков.
В заявляемом устройстве отличительные признаки проявляют известные в других областях науки и техники свойства, а взятые в совокупности с признаками прототипа проявляют свойства, которые позволяют грубо и плавно бесконтактно регулировать нагрузку, ввести более глубокую биологическую отрицательную обратную связь по ответной реакции организма велосипедиста, расширить функциональные возможности устройства, введя более глубокую имитацию подъема велосипедиста в гору, программировать тренировочный процесс спортсмена по оптимальному значению ЧСС с учетом того, что трасса соревнования знакома по видеофильму, что указывает на соответствие заявляемого решения критерию «существенные отличия».
Предлагаемое устройство поясняют схематические чертежи.
На фиг.1 изображен общий вид компьютерного велотренажерного устройства.
На фиг.2, 3 и 4 показаны элементы регулировки компьютерного велотренажерного устройства, соответственно, со стороны крыльчатки вентилятора, металлического диска и вид их сзади со снятыми защитными кожухами.
На фиг.5 представлен второй электродвигатель и его механическая связь с постоянным магнитом.
На фиг.6 изображены датчик оборотов второго реверсивного электродвигателя и его возможная электрическая схема подключения.
На фиг.7 дано изображение измерителя ЧСС и его электрическая схема.
Устройство включает в себя (фиг.1) раму 1 для закрепления велосипеда 2, состоящую из узла крепления вилки переднего колеса 3 и узла фиксированной опоры 4 заднего колеса 5 велосипеда 2, при этом заднее колесо 5 фрикционно связано с роликом 6 (см. фиг.4), размещенным на оси 7, установленной на раме 1, на оси 7 с одной стороны от ролика 6 находится крыльчатка вентилятора 8 (показана на фиг.2 более четко), а на другой стороне от ролика 6 размещена грубо изменяемая нагрузка (грубый канал), создаваемая с помощью постоянного магнита 9 (см. фиг.3), надвигаемого на вращающийся вместе с колесом 5 и роликом 6 медный диск 10, датчик 11 условного перемещения велосипеда 2, выходной сигнал которого привязан к вращению указанного ролика 6 (см. фиг.4), динамическая плавная нагрузка (точный канал), создаваемая с помощью и благодаря взаимодействию вихревых токов, наводимых во вращающемся металлическом (медном) диске 10 регулирующей обмоткой 12, намотанной на сердечнике магнитопровода 13, охватывающего часть поверхности упомянутого диска 10, и подключенной через первый усилитель 14 (см. фиг.1) и первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 15 к системному блоку 16 персонального компьютера (ПК), имеющего в своем составе дисплей 17 и клавиатуру 18, электродвигатель 19, обмотка возбуждения которого через второй усилитель 20 и второй ЦАП 21 подключена к указанному системному блоку 16 ПК, измеритель ЧСС 22, надеваемый на ухо велосипедиста во время тренировок, и упомянутый датчик 11 условного перемещения велосипеда 2 подсоединены к USB-порту 23 системного блока 16 ПК. Второй (см. фиг.3) дополнительный реверсивный электродвигатель 24 через третий усилитель 25 и третий ЦАП 26 (см. фиг.1) подключен к системному блоку 16, а дополнительный датчик оборотов 27 дополнительного электродвигателя 24 подключен к USB-порту 23 системного блока 16. При этом ось электродвигателя 19 связана механически (в данном случае фрикционно) с задним колесом 5 велосипеда 2. Программы, управляющие датчиками 11 и 27, электродвигателями 19, 24 и измерителем ЧСС 22, активизируются с дискеты, вставляемой в дисковод 28 системного блока 16 ПК. Все узлы, датчики и электродвигатели, для работы которых необходимо электрическое питание, подключены к источнику питания 29.
Грубый канал управления, кроме постоянного магнита 9 со своим механическим узлом реверсивного электродвигателя 24 с датчиком оборотов 27, содержит дополнительно защитный рычаг 30, установленный на основании 31, на котором расположены реверсивный электродвигатель 24, микроредуктор, образованный шестерней 32 и червяком 33, миниворот, образованный осью 34, являющейся валом миниворота, закрепленной на двух стойках 35 и 36. Шестерня 32, насаженная на ось 34, соединена с червяком 33, который соединен с одной стороны с якорем 37 реверсивного электродвигателя 24, а с другой стороны опирается на упорную стойку 38. В продолжение червяка 33 сделано сквозное отверстие 39 датчика оборотов якоря 37 реверсивного электродвигателя 24, осуществляемое посредством оптического датчика оборотов 27 с согласующим и усилительным каскадами 40, сигнал с которого подается в системный блок 16 ПК. Кроме того, относительно указанного рычага 30 установлены на основании 31 датчик 41 нейтрального положения постоянного магнита 9 и датчик 42 положения полностью введенного магнита 9. Сигналы с этих датчиков также подаются в системный блок 16 ПК. Ось 34 миниворота связана с механическим узлом постоянного магнита 9 с помощью гибкой нерастяжимой нити 43 через рычаг 30.
Работают с устройством следующим образом.
нижн.
верхн.
Перед началом тренировки велосипедиста на ПК с помощью клавиатуры 18 задается «коридор здоровья» на ЧСС [Р, Р], который подбирается индивидуально при соответствующем полном обследовании каждого спортсмена и является отображением оптимальной зоны работы его сердца. Спортсмен садится на велосипед 2 и закрепляет на ухе измеритель ЧСС 22, сигнал с которого подключается через USB-порт 23 системного блока 16 ПК. Датчик 11 условного перемещения велосипеда 2 подсоединен к системному блоку 16 также через USB-порт 23 системного блока 16 ПК. Таким образом, на экране дисплея 17 отображаются: текущее значение ЧСС, «пройденное» расстояние, время в «пути», а также воображаемая трасса и «местоположение» на ней велосипедиста в каждый момент времени.
i
нижн.
верхн.
Велосипедист начинает крутить педали велосипеда 2. Нагрузка на педали меняется в зависимости от текущего значения ЧСС спортсмена и P относительно заданного «коридора здоровья» [Р, Р]. При малой ЧСС соответствующая компьютерная программа по гиперболе повышает напряжение, подаваемое через первый ЦАП 15 и усилитель 14 на регулирующую обмотку 12, тем самым увеличивая нагрузку, пока ЧСС спортсмена не достигнет данного «коридора»:
i
где U - текущее напряжение;
i
P - текущее значение ЧСС.
Если мощности точного канала недостаточно, то в программе, заложенной в системный блок 16 ПК, подключается грубый канал - формируется напряжение на выходе третьего ЦАП 26 и подается через третий усилитель 25 на обмотку возбуждения реверсивного электродвигателя 24. Измеритель ЧСС отслеживает это изменение.
i+1
При чрезмерно большой ЧСС, наоборот, указанная программа по гиперболе понижает напряжение U, пока ЧСС спортсмена не войдет в заданную зону:
i
гр
Помимо этого нагрузка меняется в зависимости от характера трассы. При «подъеме в гору» в системном блоке формируется сигнал, преобразуемый первым ЦАП 15 в электрическое напряжение U, усиливаемое первым усилителем 14 и подаваемое на регулирующую обмотку 12, нагрузка на педали увеличивается. Если этого увеличения нагрузки недостаточно для преодоления «подъема», то программой предусмотрено подключение «грубого канала» регулирования, а именно: системный блок 16 формирует для него сигнал, преобразуемый ЦАП 26 в электрическое напряжение U, усиливаемое усилителем 25 и подаваемое на обмотку возбуждения реверсивного электродвигателя 24.
i
При «спуске с горки», наоборот, системный блок 16 формирует сигнал на первый ЦАП 15, уменьшая нагрузку, и сигнал на второй ЦАП 21, преобразуемый в напряжение U, усиливаемое вторым усилителем 20 и подаваемое на обмотку возбуждения электродвигателя 19, что еще больше помогает спортсмену в преодолении препятствия (сопротивления). То есть расширяются функциональные возможности устройства при проведении тренировки велосипедиста.
Важное значение в данном устройстве играет точный канал регулировки нагрузки, одним из элементов которого является магнитопровод. Чтобы потери были минимальными и меньше энергии уходило в тепло, магнитопровод должен быть выполнен из изолированных ферромагнитных пластин.
Для велосипедиста также важна трасса соревнования с ее количественными характеристиками рельефа и дорожного покрытия, снятыми видеокамерой, чтобы он мог, в случае необходимости, на данном устройстве усвоить эту трассу у себя дома и быть готовым к соревнованиям именно на этой трассе. Это значительно расширяет качественные и количественные характеристики заявляемого устройства.
Рассмотрим подробнее состав и принцип действия отдельных узлов этого устройства.
Датчик оборотов 27 электродвигателя 24 грубого канала.
Важной характеристикой является уровень нагрузки грубого канала, который определяется положением постоянного магнита 9. Прямое измерение возможно, но затруднительно. Проще об уровне нагрузки судить по вращению якоря 37 реверсивного электродвигателя 24 с использованием программных средств ПК.
В составе данного узла (см. фиг.6а) оптический датчик 44, в котором светоизлучающий элемент 45 и световоспринимающий элемент 46 расположены на одной линии друг относительно друга, что обеспечивает засвечивание световоспринимающего элемента 46 только при прохождении отверстия 39, сделанного в продолжение червяка 33 между ними. Это выполнено механически в виде колодочки 44, где соответствующим образом просверлены два канальца, в которых размещены указанные элементы. Эти элементы электрически связаны с согласующим и усилительным каскадами 40 и подключены к системному блоку 16 ПК.
На фиг.6б показана одна из возможных электрических схем данного узла. Излучающий элемент 45 включен в прямом направлении. Ток через него задается резистором 47. Световоспринимающий элемент 46 включен в обратном направлении и ток через него в освещенном состоянии задается резистором 48. Изменение потенциала в темновом и световом состоянии точки соединения резистора 48 и световоспринимающего элемента 46 воспринимается усилительным (согласующим) каскадом 49, коллектор выходного ключевого транзисторного канала 50 подключен к ПК с помощью электрического кабеля 51.
Работа данного узла осуществляется следующим образом. При вращении якоря 37 реверсивного электродвигателя 24 и, соответственно, червяка 33 световое окно 39 в нем периодически оказывается между светочувствительным элементом 46 и светоизлучающим элементом 45, на которые светочувствительный элемент 46 реагирует скачкообразным изменением потенциала на входе усилительного (согласующего) каскада 49 и на выходе ключевого транзисторного каскада 50. И этот потенциал передается по кабелю 51 в системный блок 16 ПК.
Измеритель частоты сердечных сокращений (ЧСС) 22.
Данный измеритель ЧСС построен на основе специализированной интегральной микросхемы TSL230R - LF, разработанной и выпускаемой серийно фирмой Texas Advanced Optoelektronic Solutions Inc. - семейство микросхем TSL230R - LF, TSL230AR - LF, TSL230BR - LF - программируемые светочастотные конверторы [www.taoiinc.com.]. Они объединяют возможности кремниевых фотодиодов и токочастотных конверторов и выполнены на КМОП интегральных чипах.
Измеритель ЧСС 22 (фиг.7а, б) содержит клипсу с микросхемой TSL230R - LF, светодиод с гасящим резистором, электрический кабель и USB-разъем. Клипса 52 состоит из двух разъемных деталей 53 и 54, скрепленных осью 55 и пружиной 56. В верхней детали 53 встроены светодиод 57 и гасящий резистор 58. В нижней детали 54 установлена микросхема TSL 230R - LF 59, вставленная в панельку 60. Кабель 61 электрически соединяет микросхему 59 и светодиод 57 с USB-разъемом 62.
Работают с измерителем ЧСС 22 следующим образом.
Клипсу 52 измерителя ЧСС 22 надевают на ухо спортсмена (см. фиг.1) во время тренировки, при этом кабелем 61 (см. фиг.7а) через USB-разъем 62 соединяют измеритель ЧСС с системным блоком 16 ПК (см. фиг.1 и фиг.7в) через USB-порт 23. ЧСС, измеренная данным узлом, участвует в управлении работой системы регулирования нагрузки.
Функциональные возможности устройства расширяются и еще более конкретизируются, так как в его программном обеспечении предусмотрен во время тренировки показ на дисплее 17 всей соревновательной трассы или наиболее трудных ее участков, отснятых видео- или кинокамерой с проставлением рельефа трассы (качественные и количественные характеристики) и дорожного покрытия. Таким образом, к программному обеспечению формирования сигнала по «пути» добавляется формирование конкретного сигнала на показ трассы или наиболее сложных ее участков на дисплее, что облегчает спортсмену подготовку к соревнованию: трудно на тренировке - легче в соревновании.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности устройства и повысить эффективность тренировки и качественную готовность спортсмена к предстоящему соревнованию. Это подтверждено следующими доводами.
Принципиальное отличие заявляемого устройства заключается в том, что обеспечивается бесконтактное автоматическое регулирование нагрузки посредством двух каналов: грубое регулирование с помощью постоянного магнита, надвигаемого автоматически на металлический диск - грубый канал, и точное плавное регулирование с помощью электромагнита за счет изменения протекающего через него тока на тот же диск и плавное изменение вихревого тока в этом же диске - точный канал. При этом отслеживается непрерывно физическое состояние велосипедиста по ответной реакции его организма и относительно этой реакции осуществляется регулирование нагрузки, то есть используется биологическая отрицательная обратная связь. Осуществляется также ориентация на оптимальное значение ЧСС велосипедиста в программном обеспечении. Кроме того, добавление имитации «подъема в гору» и «спуска с горы» и формирование сигналов по «пути» и по показу «трассы» на дисплее усложняет программное обеспечение, но позволяет более качественно решить проблему.
Возможность регистрировать, а в последующем и анализировать весь ход тренировки на предлагаемом устройстве позволяет прослеживать и корректировать тренировочный процесс, способствуя повышению мастерства спортсмена.