Устройство для тренировки и соревнований, преимущественно в спортивных локомоциях и играх

 

Изобретение относится к спортивным тренажерам и может быть использовано при организации спортивных мероприятий. Устройство включает тренажер, имеющий, по меньшей мере, один элемент для связи с тренируемым и фиксации его положения или положения его частей тела. Исполнительные блоки соответствующих механизмов тренажера связаны с выходами блока управления, ко входам которого подключены соответствующие датчики положения этих частей. Тренажер выполнен в виде двухмерного третбана, а средство фиксации спортсмена над третбаном выполнено в виде кронштейна с четырьмя степенями свободы. Устройство снабжено шлемом виртуальной реальности с установленными на нем в направлении взгляда двумя видеокамерами посредством соответствующих блоков сопряжения, подключенных к блоку управления, при этом в блоке управления проекция от видеокамер накладывается на программный виртуальный мир. Это позволяет имитировать игру или прохождение спортсменом трассы с учетом внешних воздействий на спортсмена. Устройство также может включать в блоке управления сетевую карту, через которую информация о движениях спортсмена, тренажера и их частей передается на другие такие же устройства и получается с других таких же устройств с помощью компьютерной сети. Техническим результатом изобретения является более полная имитация реальных движений спортсмена в различных видах спорта при полном взаимодействии с реальной средой, а также возможность полной имитации коллективной спортивной игры. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится преимущественно к области спорта, а именно к спортивным тренажерам.

Известно устройство, содержащее барабаны, охваченные транспортерной лентой (третбан), которые управляются посредством электропривода и снабжены средствами для имитации препятствий (1). Однако в данном случае невозможно осуществить имитацию прохождения спортсмена по трассе.

Также известны устройства, включающие третбан, установленный на раме, которая может изменять свои углы наклона к горизонту (2, 3), устройство, содержащее средство для отображения вида и профиля трассы (6), однако в данном случае также невозможно добиться хорошей степени имитации.

Известные устройства (4, 5), выполненные в виде двухмерного третбана и имеющие средство виртуальной реальности, не могут имитировать реальные усилия локомоторного акта. Кроме того, известное устройство (4), снабженное средством виртуальной реальности с видеокамерами, не позволяет использовать стереоскопию для полного погружения в виртуальное пространство.

Наиболее близким к заявленному является устройство для тренировки, преимущественно в спортивных локомоциях, включающее тренажер, имеющий, по меньшей мере, одно средство для связи с тренируемым и фиксации его положения или положения его части тела, причем исполнительные блоки соответствующих механизмов частей тренажера связаны с выходами блока управления, ко входам которого подключены соответствующие датчики положения этих частей, выполненное в виде двухмерного третбана, и имеющее шлем виртуальной реальности с установленными на нем видеокамерами, причем как шлем, так и видеокамеры посредством соответствующих блоков сопряжения подключены к блоку управления (4). Данное устройство позволяет спортсмену самому изменять в процессе тренировки скорость и углы наклона третбана, однако в данном случае имеет место неполная имитация движений спортсмена в различных видах спорта и отсутствие возможности соревноваться друг с другом. Кроме этого, данный тренажер не позволяет тренироваться в коллективных спортивных играх и соревноваться в них.

Техническим результатом настоящего изобретения является более полная имитация реальных движений спортсмена в различных видах спорта (например, реального бега, бега на роликах или лыжероллерах по трассе, в горнолыжном спорте, биатлоне и др.) при полном взаимодействии с реальной средой (т.е. для повышения эффективности тренировок), а также возможность полной имитации коллективной спортивной игры (теннис, гольф, футбол и т.д.).

Указанный результат достигается тем, что в устройстве для тренировки и соревнований, преимущественно в спортивных локомоциях и играх, включающем тренажер, имеющий, по меньшей мере, одно средство для связи с тренируемым и фиксации его положения или положения его части тела, причем исполнительные блоки соответствующих механизмов частей тренажера связаны с выходами блока управления, ко входам которого подключены соответствующие датчики положения этих частей, выполненном в виде двухмерного третбана, и имеющем шлем виртуальной реальности с установленными на нем видеокамерами, причем как шлем, так и видеокамеры посредством соответствующих блоков сопряжения подключены к блоку управления, согласно изобретению средство для связи с тренируемым и фиксации его положения или положения его части тела расположено над третбаном и выполнено в виде кронштейна с четырьмя степенями свободы, а третбан выполнен с возможностью установки результирующей приведенной массы вращающихся частей третбана приблизительно равной массе спортсмена, а видеокамеры на шлеме виртуальной реальности установлены по линии взгляда, а также тем, что блок управления выполнен с возможностью наложения проекции от видеокамер на программный виртуальный мир, а наушники шлема выполнены из двух блоков по четыре динамика, подключенных к блоку управления с возможностью позиционирования звуков тренирующихся игроков, судей согласно программе виртуального мира адекватно движениям спортсменов, и, кроме того, тем, что блок управления снабжен сетевой картой с возможностью передачи информации о движениях спортсменов, преобразуемой и внедренной в программный виртуальный мир с наложенными на него проекциями от видеокамер и микрофонов в реальном масштабе времени. Технический результат достигается еще и тем, что устройство снабжено средством для создания микроклимата с использованием пахучих микрочипов, вход которого связан с соответствующим выходом блока управления.

В данном устройстве двухмерный третбан выполнен с возможностью регулирования результирующей приведенной массы вращающихся частей, а средство фиксации спортсмена над третбаном выполнено в виде кронштейна с 4-мя степенями свободы: три угловые и одну по линии действия силы тяжести, причем с помощью тягового усилия вверх или вниз спортсмен может быть облегчен или утяжелен (оставшиеся 2 степени свободы в плоскости третбана обеспечивает транспортерная лента). Таким образом у спортсмена появляется возможность при движении использовать все шесть степеней свободы (т.е. спортсмен через реакцию опоры, обладая полной свободой действий, перемещает транспортерную ленту массой, приблизительно равной своей). Кроме того, сообразно рельефу программного трехмерного виртуального пространства регулируются углы наклона третбана, при этом два электропривода, кроме нейтрализации сил трения, создают соответствующую результирующую скатывающую силу.

Устройство снабжено шлемом виртуальной реальности (например, модель "Scuba" или "Glass Tron" компании Virtuality), комплектующимся двумя видеокамерами, установленными на данном шлеме в направлении взгляда каждого глаза, причем упомянутые видеокамеры, как и шлем, посредством соответствующего блока сопряжения подключены к блоку управления, при этом в блоке управления проекция от видеокамер с помощью известных технологий (рир-проецирования, например) накладывается на программный виртуальный мир (пейзаж) или видеозапись. Наушники шлема выполнены из двух блоков по четыре динамика, подключенных к блоку управления, где звуки тренирующихся игроков, судей позиционируется согласно программе виртуального мира (пейзажа) или видеозаписи адекватно виртуальным перемещениям источников звуков и вращениям головы тренирующегося. В случае использования вместо наушников восьми отдельных звуковых колонок, расположенных на равных расстояниях от головы спортсмена по углам куба, трехмерный угловой датчик шлема отключается от системы позиционирования звука.

В данном устройстве через сетевую карту блока управления кинематическая информация о движениях спортсменов, звеньев их тела, тренажеров и их частей передается на такие же устройства и получается с таких же устройств через компьютерную сеть (например, Интернет), накладывается (например, с помощью технологии Motion Capture) на программный виртуальный мир (пейзаж) или видеозапись с наложенными на него проекциями переднего плана от обеих видеокамер и микрофонов с целью игрового и (или) соревновательного взаимодействия (общения) в реальном масштабе времени.

На чертеже представлена функциональная блок-схема устройства.

Устройство включает двухмерную бегущую дорожку в виде, например, установленных на раме 1 двух электроприводов 2, создающих усилия вдоль продольной и поперечной осей двухмерного третбана и охваченных двухмернозамкнутой транспортерной лентой 3 (например, эластичной замкнутой сплюснутой трубой) с опорным корпусом 4, средство 5 для изменения угла наклона транспортерной ленты относительно ее продольной и поперечной осей, которое может быть выполнено, например, в виде соответствующих гидроподъемников, средство для отображения вида и профиля трассы, которое может быть выполнено в виде шлема виртуальной реальности 6, экрана с проектором, телевизора, голографической установки и т.д. (не показано), средство 7 для фиксации положения спортсмена над лентой с шестью степенями свободы для спортсмена, которое выполнено в виде кронштейна (с поясом), крепящегося на спортсмене и связанного с опорной рамой 8. По линии действия силы тяжести спортсмен может быть облегчен или утяжелен с помощью тягового усилия вверх или вниз, предусмотренного в средстве 7. Устройство также имеет средство 9 для создания микроклимата, которое может быть выполнено с помощью вентиляторов, калориферов, увлажнителей, пахучих микрочипов, и средство 10 для имитации препятствий, которое может быть выполнено в виде механических блоков для перемещения препятствий над лентой третбана или в виде голографической установки для создания голограмм над лентой третбана. Выходы блока управления 11 связаны с соответствующими входами перечисленных средств 5, 6, 7, 9, 10 и входами электроприводов 2. Блок управления 11 имеет пульт управления (не показан), с которого осуществляется запуск программ. Устройство также снабжено датчиками 12 для регистрации кинематической характеристики движения ленты по продольной и поперечной осям, датчиками 13 для регистрации кинематических характеристик движения звеньев тела спортсмена, выход которых связан со входом блока управления 11. Кроме того, устройство имеет шлем виртуальной реальности 6 с установленными на нем по линии взгляда каждого глаза двумя видеокамерами 14, микрофоном 15 и наушниками 16, состоящими из двух блоков по четыре динамика. Посредством соответствующих блоков шлем 6 с видеокамерами 14, микрофоном 15, наушниками 16 и трехмерным угловым датчиком (трекером) 17 подключены к соответствующим входам/выходам блока управления 11. При использовании вместо наушников 16 восьми акустических колонок 18, расположенных на равных расстояниях от головы спортсмена по углам куба, трекер 17 отключается от системы позиционирования звука. Через сетевые карты 19 информация с датчиков 12 и 13 передается через сеть (например, Интернет) на блок управления каждого игрока, где с помощью, например, технологии Motion Capture Systems накладывается в реальном масштабе времени на общее виртуальное пространство тренировки или игры (драйверы для различных систем Motion Capture включаются во все приложения виртуальной реальности и в большинство анимационных пакетов).

Устройство работает следующим образом.

Перед тренировкой спортсмен одевает шлем виртуальной реальности 6, пристегивается к средству 7 и после включения блока управления 11 начинает бег, ходьбу, любую другую спортивную локомоцию или игру. Синхронно с результирующей скоростью перемещения ленты средство 6 создает перед спортсменом общий вид трассы, который был подготовлен с помощью существующих трехмерных графических программ или был записан предварительно синхронно двумя видеокамерами, расположенными на расстоянии глаз (стереоскопическая видеозапись) на видеоленту или другой носитель (т.е. у спортсмена создается представление реального перемещения по трассе). Также в соответствии с профилем трассы осуществляется изменение угла наклона ленты третбана 3 посредством включения в работу средства 5. Для полноты имитации может быть использовано средство 10, которое имитирует препятствия на трассе, например, завалы или канавы, средство 9 может имитировать дождь, ветер или, например, лесной запах. Таким образом, перед спортсменом не только предстает видимая картина реальной трассы, но и имитируются ее наклоны, неровности, а также природные и погодные условия. С датчиков 12 информация поступает на блок управления и по ней осуществляется управление упомянутыми выше средствами, причем указанная информация является синхронизирующей для работы указанных средств. Средство 7 позволяет исключить насильственное задание скорости третбана электроприводом, поскольку спортсмен сам (через реакцию опоры) перемещает ленту третбана 3 (результирующая приведенная масса вращающихся частей третбана устанавливается приблизительно равной массе спортсмена), а электроприводы 2 имитируют разгон при перемещении спортсмена под гору и стопорят ленту при перемещении спортсмена в гору, что дает полное ощущение реальности спортивных локомоций. Кроме того, электроприводы 2 моделируют сопротивление ветра, нейтрализуют силу трения при вращении третбана. В процессе тренировки спортсмен видит на экранах шлема 6 не только программно заданный пейзаж, но и наложенную на него проекцию переднего плана от видеокамер 14, которые позволяют захватить часть тренажера, спортивного снаряда или снарядов, окружающей среды или часть тела тренируемого, что позволяет спортсмену ориентироваться в обстановке и воспринимать виртуальную реальность в ее соответствии с действительностью, что в принципе невозможно при использовании других тренажеров. При совместной тренировке, игре или соревновании через сетевую карту 19 каждый спортсмен с помощью датчиков 12, 13, и, например, технологии Motion Capture System видит на экранах шлема 6 своих партнеров также в реальном масштабе времени взаимодействующих друг с другом в общем виртуальном пространстве с виртуальным мячом или без (например, игра на теннисной площадке или бег по соответствующим дорожкам на стадионе).

Применение указанного устройства позволяет проводить тренировки с высокой эффективностью без каких-либо эмоциональных стрессов и с высокой степенью реальности воспринимаемой информации об окружающей среде. Данное устройство применимо для всех возрастных групп. Кроме того, при массовом применении оно повысит двигательную активность всех пользователей Интернета.

Источники информации: 1. Авторское свидетельство СССР 604562, кл. А 63 В 22/02, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР 1583111, кл. А 63 В 22/02, 1990.

3. Авторское свидетельство СССР 1496809, кл. А 63 В 22/02, 1989.

4. Заявка PCT WO 97/05926, кл. А 63 В 24/00,1997.

5. Заявка PCT WO 98/08572, кл. А 63 В 22/02, 1998.

6. Патент Российской Федерации 2110037 кл. А 63 В 22/02, 1998.

Формула изобретения

1. Устройство для тренировки и соревнований, преимущественно в спортивных локомоциях и играх, включающее тренажер, имеющий, по меньшей мере, одно средство для связи с тренируемым и фиксации его положения или положения его части тела, причем исполнительные блоки соответствующих механизмов частей тренажера связаны с выходами блока управления, ко входам которого подключены соответствующие датчики положения этих частей, выполненное в виде двухмерного третбана и имеющее шлем виртуальной реальности с установленными на нем видеокамерами, причем как шлем, так и видеокамеры посредством соответствующих блоков сопряжения подключены к блоку управления, отличающееся тем, что средство для связи с тренируемым и фиксации его положения или положения его части тела расположено над третбаном и выполнено в виде кронштейна с четырьмя степенями свободы, а третбан выполнен с возможностью установки результирующей приведенной массы вращающихся частей третбана, приблизительно равной массе спортсмена, а видеокамеры на шлеме виртуальной реальности установлены по линии взгляда.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления выполнен с возможностью наложения проекции от видеокамер на программный виртуальный мир, а наушники шлема выполнены из двух блоков по четыре динамика, подключенных к блоку управления с возможностью позиционирования звуков тренирующихся игроков, судей согласно программе виртуального мира адекватно движениям спортсменов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления снабжен сетевой картой с возможностью передачи информации о движениях спортсменов, преобразуемой и внедренной в программный виртуальный мир с наложенными на него проекциями от видеокамер и микрофонов в реальном масштабе времени.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено средством для создания микроклимата с использованием пахучих микрочипов, вход которого связан с соответствующим выходом блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1