УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕНИРОВКИ ВЕЛОСИПЕДИСТА Российский патент 2005 года по МПК A63B69/16 

Изобретение относится к спортивным тренажерам, в частности для тренировки велосипедистов в несезонное время года.

Известно устройство 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) (а.с. №1423129, кл. А 63 В 69/16, 1986).

Достоинством этого устройства является: во-первых, имитация велосипедной трасы; во-вторых, наличие датчиков и управляемой тормозной системы, которые обеспечивают работу в адаптивном режиме (то есть в зависимости от физического состояния спортсмена автоматически, непосредственно в ходе тренировки, изменяется величина нагрузки); в-третьих, на информационном экране (дисплее) отображается срочная информация о скорости, профиле трассы, времени движения, энергозатратах спортсмена.

Недостатками данного устройства являются: во-первых, применение контактного торможения с помощью контактного тормоза, что ведет к стиранию тормозного элемента; во-вторых, отсутствие имитации сопротивления воздуха для велосипедиста и велосипеда; в-третьих, отсутствие ускоряющего воздействия, имитирующего спуск с горки; в-четвертых, непредусмотренность в программном обеспечении устройства принципа управления тренировкой по оптимальной частоте сердечных сокращений.

Наиболее близким аналогом заявленного устройства для тренировки велосипедиста является устройство, 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 ступенчато изменяемая нагрузка, создаваемая с помощью постоянного магнита, надвигаемого бесконтактно, ступенчато на металлический диск, вращаемый вместе с колесом (см. патент США №5382208, Кл. А 63 В 69/16,1995).

Недостатками данного устройства является, во-первых, ручное дискретное изменение нагрузки; во-вторых, не отслеживается физическое состояние спортсмена, т.е. нет биологической обратной связи в устройстве; в-третьих, нет оптимального ориентира, по которому строится тренировочный процесс спортсмена; в-четвертых, не учитывается облегчение для велосипедиста при имитации спуска с горки; в-пятых, невозможность отслеживания трассы, что составляет определенное неудобство для спортсмена.

Техническим результатом заявленного изобретения является:

- расширение функциональных возможностей устройства и повышение эффективности тренировки велосипедистов;

- обеспечение плавного бесконтактного автоматического регулирования нагрузки;

- непрерывное отслеживание физического состояния велосипедиста по ответной реакции организма и, относительно этой реакции организма, регулирование нагрузки;

- ориентация на оптимальное значение частоты сердечных сокращений в программном обеспечении;

- наличие имитации спуска велосипедиста с горок, встречающихся на трассе;

- высвечивание трассы на дисплее персонального компьютера, снятой видео- или кинокамерой.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для тренировки велосипедиста, 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 раме, на 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 привязан к вращению указанного ролика, согласно изобретению, дополнительно введены динамическая нагрузка, создаваемая с помощью взаимодействия вихревых токов, возникающих во вращающемся металлическом диске регулирующей обмоткой, 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, измерительный щуп которого, надеваемый на велосипедиста во время тренировки, и упомянутый датчик условного перемещения велосипедиста, подсоединены к системному блоку упомянутого персонального компьютера соответственно через первый и второй аналого-цифровые преобразователи, все узлы и датчики, требующие электропитания, подключены к источнику электропитания, и работа устройства осуществляется под управлением пакета прикладных программ и видеофильмов. Магнитопровод динамической нагрузки может быть выполнен из изолированных ферромагнитных пластин. Ось электрического двигателя фрикционно связана с упомянутым колесом велосипеда. Заданное программное обеспечение частоты сердечных сокращений оптимально подобрано индивидуально для каждого спортсмена. В программном обеспечении во время тренировки предусмотрен показ на дисплее персонального компьютера всей трассы или ее части, отснятой видеокамерой или кинокамерой.

Отличительными признаками заявленного технического решения является следующее:

- введение плавного бесконтактного динамического регулирования нагрузки, создаваемого с помощью взаимодействия вихревых токов, возникающих во вращающемся металлическом диске регулирующей обмоткой, намотанной на сердечнике магнитопровода, охватывающего часть поверхности упомянутого диска;

- подключение обмотки через первый усилитель и первый цифроаналоговый преобразователь к системному блоку персонального компьютера;

- введение электрического двигателя, обмотка возбуждения которого через второй усилитель и второй цифроаналоговый преобразователь подключена к системному блоку персонального компьютера;

- датчик измерения частоты сердечных сокращений и датчик условного перемещения велосипеда подсоединены к системному блоку персонального компьютера соответственно через первый и второй аналого-цифровые преобразователи;

- ось введенного электрического двигателя механически связана с задним колесом велосипеда;

- отображение на дисплее трассы, по которой «едет» велосипедист;

- работа устройства осуществляется под управлением пакета прикладных программ.

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 плавно и бесконтактно регулировать нагрузку, ввести биологическую отрицательную обратную связь по ответной реакции организма велосипедиста, расширить функциональные возможности устройства, вводя имитацию спуска велосипедиста с горки, программировать тренировочный процесс по оптимальному значению ЧСС спортсмена, 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 изображены элементы регулировки компьютерного велотренажерного устройства соответственно со стороны крыльчатки вентилятора, металлического диска и вид их сзади со снятыми защитными кожухами.

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 ступенчато изменяемая нагрузка, создаваемая с помощью постоянного магнита 9 (см. фиг.3), надвигаемого ступенчато на вращающийся вместе с колесом 5 медный диск 10, датчик 11 условного перемещения велосипеда 2, выходной сигнал которого привязан к вращению указанного ролика 6 (см. фиг.4), динамическая нагрузка, создаваемая с помощью и благодаря взаимодействию вихревых токов, наводимых во вращающемся (медном) металлическом 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, имеющего в своем составе также дисплей 17 и клавиатуру 18, электрический двигатель 19, обмотка возбуждения которого через второй усилитель 20 и второй ЦАП 21 подключена к указанному системному блоку 16, датчик измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС) 22, измерительный щуп 23 которого, надеваемый на велосипедиста во время тренировки, и упомянутый датчик 11 условного перемещения велосипеда 2 подсоединены к системному блоку 16 через первый 24 и второй 25 аналого-цифровые преобразователи (АЦП) соответственно. При этом ось электрического двигателя 19 механически (в данном случае - фрикционно) связана с задним колесом 5 велосипеда 2. Дискета, управляющая системным блоком 16, вставляется в дисковод 26 этого блока. Все узлы и датчики, которым для работы необходимо электрическое питание, подключены к источнику питания 27.

Работают с устройством следующим образом.

Перед началом тренировки велосипедиста на компьютере с помощью клавиатуры 18 задается коридор ЧСС [Р нижн., Р верх.], который подбирается индивидуально при соответствующем полном обследовании каждого спортсмена, и является отображением оптимальной зоны работы его сердца. Спортсмен садится на велосипед 2, и на нем закрепляется измерительный щуп 23 датчика считывания ЧСС 22, сигнал с которого подключается к системному блоку 16 через первый АЦП 24. Датчик 11 условного перемещения велосипеда 2 подсоединен к системному блоку 16 через второй АЦП 25. Таким образом, на экране дисплея 17 отображаются: текущее значение ЧСС, «пройденное» расстояние, время в «пути», а также воображаемая трасса и «местоположение» велосипедиста на ней в каждый момент времени.

Велосипедист начинает крутить педали велосипеда 2. Нагрузка на педали меняется в зависимости от текущего «положения» ЧСС спортсмена и Pi относительно заданного коридора [Р нижн., Р верх.]. При малой ЧСС программа, заложенная в системный блок 16, 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:

где U₁ - текущее напряжение;

Р₁ - текущее значение ЧСС.

При чрезмерно большой ЧСС, наоборот, указанная программа по гиперболе понижает напряжение U_i+1, пока ЧСС тренирующегося не войдет в заданную зону:

Помимо этого, нагрузка меняется в зависимости от характера трассы. При «подъеме в гору» системный блок 16 формирует сигнал, преобразуемый первым ЦАП 15 в электрическое напряжение U_i, усиливаемое первым усилителем 14 и подаваемое на регулирующую обмотку 12. Нагрузка на педали увеличивается. При «спуске с горы», наоборот, системный блок 16 формирует сигнал на первый ЦАП 15, уменьшая нагрузку, и сигнал на второй ЦАП 21, преобразуемый в напряжение, усиливаемое вторым усилителем 20 и подаваемое на обмотку возбуждения электродвигателя 19, еще больше помогает спортсмену. Кроме того, для увеличения диапазона нагрузок предусмотрено дискретное изменение нагрузки с помощью постоянного магнита 9, надвигаемого на диск 10. То есть расширяются функциональные возможности устройства при проведении тренировки велосипедистов.

Важное значение в данном устройстве играет динамическая нагрузка, одним из элементов которой является ее магнитопровод. Чтобы потери были минимальными и меньше энергии уходило в тепло, магнитопровод динамической нагрузки должен быть выполнен из изолированных ферромагнитных пластин.

Ось электродвигателя 19 механически связана с колесом 5 велосипеда 2. Наиболее простым соединением в этом случае является фрикционное. Ролик надет и закреплен на оси электродвигателя. Электродвигатель установлен таким образом, чтобы была достигнута надежная фрикционная связь между колесом 5 и роликом, закрепленным на оси электродвигателя.

Функциональные возможности устройства еще более расширятся, если в его программном обеспечении будет предусмотрен во время тренировки показ на дисплее 17 всей «трассы» или части ее, отснятых с помощью видео- или кинокамеры. К обработке «трассы» для формирования сигнала по «пути» добавляется формирование сигнала на показ «трассы» на дисплее.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности устройства и повысить эффективность тренировки спортсменов. Это подтверждено следующими доводами.

Принципиальное отличие заявляемого устройства заключается в том, что обеспечивается плавное бесконтактное автоматическое регулирование нагрузки, отслеживается непрерывно физическое состояние велосипедиста по ответной реакции организма и относительно этой реакции организма осуществляется регулирование нагрузки - т.е. биологическая отрицательная обратная связь, осуществляется также ориентация на оптимальное значение ЧСС велосипедиста в программном обеспечении. Кроме того, добавление имитации спуска велосипедиста с горки и анализ «трассы» для формирования сигналов по «пути» и по «показу» ее на дисплее усложняет программное обеспечение, но позволяет более качественно решить проблему.

Возможность регистрировать, а в последующем и анализировать весь ход тренировки позволяет прослеживать и корректировать тренировочный процесс, способствуя повышению мастерства спортсмена.

Устройство предназначено для тренировки велосипедистов в несезонное время года и позволяет обеспечить плавное бесконтактное регулирование нагрузки, непрерывное отслеживание физического состояния спортсмена по ответной реакции организма и регулирование нагрузки относительно этой реакции организма, ориентацию на оптимальное значение частоты сердечных сокращений в программном обеспечении. Рама для закрепления велосипеда состоит из узла крепления вилки переднего колеса и узла фиксированной опоры заднего колеса велосипеда. Заднее колесо фрикционно связано с роликом, размещенным на оси, установленной на раме. На оси с одной стороны от ролика находится крыльчатка вентилятора, а с другой стороны - ступенчато изменяемая нагрузка, создаваемая с помощью постоянного магнита, надвигаемого ступенчато на вращающийся вместе с колесом металлический диск. Выходной сигнал датчика условного перемещения велосипеда привязан к вращению ролика. Динамическая нагрузка создается с помощью взаимодействия вихревых токов, возникающих во вращающемся металлическом диске регулирующей обмоткой, намотанной на сердечнике магнитопровода, охватывающего часть поверхности 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 системному блоку. Ось электрического двигателя механически связана с задним колесом велосипеда. Датчик измерения частоты сердечных сокращений, измерительный щуп которого надевается на велосипедиста во время тренировки, и датчик условного перемещения велосипеда подсоединены к системному блоку персонального компьютера, соответственно, через первый и второй аналого-цифровые преобразователи. Все узлы и датчики, требующие для своей работы электропитания, подключены к источнику электропитания, и работа устройства осуществляется под управлением пакета прикладных программ и видеофильмов. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для тренировки велосипедиста, 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 раме, на 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, отличающееся тем, что в него дополнительно введены динамическая нагрузка, создаваемая с помощью взаимодействия вихревых токов, возникающих во вращающемся металлическом диске регулирующей обмоткой, 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, измерительный щуп которого, надеваемый на велосипедиста во время тренировки, и упомянутый датчик условного перемещения велосипедиста, подсоединены к системному блоку упомянутого персонального компьютера, соответственно, через первый и второй аналого-цифровые преобразователи, все узлы и датчики, требующие электропитания, подключены к источнику электропитания, и работа устройства осуществляется под управлением пакета прикладных программ и видеофильмов.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем магнитопровод динамической нагрузки выполнен из изолированных ферромагнитных пластин.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось электрического двигателя фрикционно связана с упомянутым колесом велосипеда.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем заданное программное обеспечение частоты сердечных сокращений оптимально подобрано индивидуально для каждого спортсмена.5. Устройство по п.1 или 3, отличающееся тем, что в его программном обеспечении во время тренировки предусмотрен показ на дисплее персонального компьютера всей трассы или ее части, отснятой видеокамерой или кинокамерой.