CN101391141B - 模拟自行车野外环境训练及健身设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟自行车野外环境训练及健身设备，包括机械部分和控制部分，机械部分和控制部分通过电路连接，机械部分包括路况模拟装置和设于其上的自行车体，自行车体通过支撑装置固定于路况模拟装置上，自行车体上设有加载装置。与已有技术比较其优点：1)能在室内实现模拟特定环境，减少了环境污染，更环保、更节能、更安全。2)既是训练器又是健身器，可模拟多种真实路况与环境，并能有一定程度的视觉和听觉上的虚拟现实功能。3)利用车轮带动一发电机发电，运动员训练的同时发出的电可驱动风机等，并可实现提供不同大小的风速等，节省能源。4)该训练器采用简单易实现的结构实现功能，使用时能节省电能，成本低，性价比高。

Description

模拟自行车野外环境训练及健身设备

技术领域

本发明涉及一种健身设备，具体地说是一种模拟自行车野外环境训练及健身设备。

背景技术

长期以来，自行车运动员都在与比赛真实环境相同或接近的野外环境中训练，如真实路面环境，包括上坡、下坡、转弯、极度颠簸、刮风、严寒和酷暑的温度、高原缺氧等恶劣的环境。这样，运动员往往需要长途跋涉去昆明等训练基地，训练器材的搬运也是一个繁琐的任务，而且运动员在这些环境中训练也会涉及到安全问题。同时，一个训练团队在野外生活以及训练器械搬运时交通工具都会对环境造成污染。

目前市场上的健身器功能较少，且很少能模拟野外真实训练环境。设计自行车训练器需要同时考虑自行车自身设计和运动员身体状况变化，国内在这方面研制比较少，只有大连交通大学为国家自行车队开发出了一款用于训练的自行车模拟器，大部分产品都是国外研制的。

欧美国家对自行车模拟训练装置的研究比较早，早在七八十年代就出现了许多自行车模拟训练器专利产品。目前国外新加坡的南洋大学和韩国科技大学都研制出了先进的交互式的模拟训练器。

Max-Plank学会开发出了一款自行车模拟器，该模拟器有一个视觉模拟器组成，含有一个大的截锥形投影屏和能产生简单运动的系统。梅隆卡耐基大学也研制了一款简单的自行车模拟器，它包括一个头盔显示器和简单的踏板装置。这些技术设备比较复杂，成本较高，不利于推广使用，而且功能较少，很少能模拟野外真实环境。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种能够模拟风、温度和缺氧等野外环境和不同路况，运动强度可调，自发电、节能，成本低，应用范围广的模拟自行车野外环境训练及健身设备。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：一种模拟自行车野外环境训练及身设备，包括机械部分和控制部分，机械部分和控制部分通过电路连接，机械部分包括路况模拟装置和设于其上的自行车体，自行车体通过支撑装置固定于路况模拟装置上，自行车体上设有加载装置。

所述的自行车体包括车把、车座、车架、中轴、后轮、脚蹬和链传动系统，车座和车把设于车架上，中轴、后轮、脚蹬和链传动系统设于车架的下部。

所述的支撑装置包括前支撑架和后支撑架，前支撑架上端与车架前部固定连接，下端固定于路况模拟装置上；后支撑架上端与后轮的轴固定连接，下端固定于路况模拟装置上；前、后支撑架均呈梯形，其下部连接有支撑加强杆。

所述的路况模拟装置包括上、下平板和中间支撑部分，中间支撑部分包括与自行车车把对应的大气缸、与自行车后轮对应的三个支杆和安全装置，大气缸和三个支杆的上下两端分别与上、下平板连接，安全装置分别与上、下平板及三个支杆的中间支杆连接。

所述的三个支杆包括中间支杆和左、右支杆，三个支杆两端分别与上、下平板铰接；左支杆从上而下由钢筋、小气缸、杆端轴承组成；右支杆从上而下由钢筋、弹簧、杆端轴承组成。

所述的安全装置包括一之字形支架、一气缸和一斜杆，之字形支架呈倾斜设置并与上下平板铰接，斜杆一端与下、平板连接，另一端与三个支杆中的中间支杆连接；气缸一端与之字形支架中的横杆铰接，另一端与斜杆铰接。

所述的下平板下部两侧分别设置一个大于下平板长度的角钢，角钢下部的四个角上分别设有一个滚轮。

所述的上平板上部自行车体后轮处设置一励磁发电机，励磁发电机通过摩擦轮与自行车后轮接触连接，励磁发电机的输出端通过线路与固定在车把上的风机连接。

所述的加载装置为磁粉制动器，磁粉制动器固定于上平板下部，通过链条与自行车后轴上的一链轮连接。

所述的控制部分包括数据采集器、显示装置和控制装置，数据采集器、显示装置、磁粉制动器分别与控制装置连接，数据采集器包括固定于支架下底板的环境温度传感器、置于使用者头盔中体温传感器、夹在使用者手指上心率传感器、固定于路况模拟装置上的中间支杆与上平板铰接处的的上下坡角度传感器、置于自行车体车把转动处的转弯角度传感器和通过置于自行车后支架上的漫反射光电开关测量计计算的速度传感器；显示装置为一显示面板，显示面板设置于自行车体车把的中间，其上有设有显示上下坡、左右摆指示灯，气缸到达上极限位置和下极限位置时的指示灯；控制装置为PLC或单片机。

本发明在普通自行车的基础上，设计了路况模拟装置和气候环境模拟装置，该产品能模拟上坡、下坡、转弯和颠簸等真实路况，还能模拟高温、风、缺氧等野外训练环境，运动员在室内的训练器上运动克服来自磁粉制动器器加载的不同运动阻力来体会野外训练环境，使模拟的环境更真实，并达到野外环境的训练效果。该设计利用控制系统实现各种模拟功能和训练过程的数字化控制。采用人性化控制界面，通过传感器采集运动员训练过程中身体的各种指标，如体温、心率、能量消耗量等，以及车速、阻力、行程、坡度和温度等环境条件数据，并实时显示。通过这些数据，教练员可制定适合运动员训练的科学的训练方案。运动员在该训练器的虚拟训练环境中，还可有一定程度视觉和听觉的虚拟现实功能。用该训练器训练与在野外真实环境训练的功能和效果基本相似，而且节省了运动员去昆明、青藏等高原地区训练的长途旅行和运动器材的搬运，更节能，运动员训练更安全。

该产品即可用于自行车运动员的训练器，也可作为普通大众的健身器。具有广泛的实用性和可行性。另外，在训练器上安装电机，该电机由运动员踩蹬带动自行车后轮来驱动，可为调节环境温度、风力的风机等用电器供电，不但节能，而且利用其发出电的大小与车速成正比来调节风速随车速变化。

通过对训练器上发电机的改装，该训练器还可带动豆浆机等小家电设备，实现健身及做家务同时进行的功能。因此，该产品具多功能于一身，节能、环保，制造成本和使用费用低，适用人群广，将具有很大推广应用价值。

该训练器功能较多。1)能模拟野外真实环境，包括真实路况模拟、气候环境模拟。其中，真实路况模拟包括上下坡、转弯、颠簸；气候环境的模拟包括有风、缺氧、高温环境，并能设定特定环境如昆明环境、高原缺氧环境等。2)该训练器在训练过程中训练强度可调。可调节上下坡角度、转弯角度、颠簸程度及阻力大小。3)训练过程中，自行车车速、加速度、行程、道路坡度、转弯角度；外部环境温度；人体温度、脉搏数可实时地显示在微机上；教练员可根据这些对数据的分析，调整训练方案。4)训练器可在视觉、听觉上实现一定程度的虚拟现实功能。5)运动员可通过安装在自行车前部的显示面板得知当前的训练状态。在训练器断电及出现紧急情况时，安全装置可自动升起起保护作用，并可按急停按钮。训练器工作有手动和自动两种方式。在自动系统出现故障时，运动员只要手动操作按钮，就能在一定程度上实现相关功能。

该训练器采用简单、易实现的结构实现各部分功能，主要由两个部分组成：底座和自行车。训练时，训练器在一个透明的密封空间内。各部分结构实现方式如下：1)上下坡、转弯、颠簸、安全装置利用气缸行程的变化实现；在各路况下的阻力由磁粉制动器提供；2)风采用一风机实现，由后轮带动发电机提供风机电源，风的大小可随车速的不同而变化；高温采用加热电热丝实现；缺氧环境可用口罩实现；3)该训练器安装有多个传感器及不同的外部电路：如测车速的光电传感器，测坡度的电位器，测环境温度、测人体脉搏数等的外部电路等。4)传感器将采集到的数据传给单片机，然后储存在数据库中，利用组态软件编写微机界面显示各数据：利用分析软件分析数据，教练员可根据分析结果制定科学的训练方案。各训练强度的调节用单片机控制。

与已有技术比较其优点：

1)能在室内实现模拟特定环境如昆明、青藏高原等野外环境训练，免除了运动员(训练者)远距离旅行、器械搬运等耗时和费用，减少了环境污染，更环保、更节能、更安全。

2)与同类产品比较，该设计功能更多，既是训练器又是健身器，可模拟多种真实路况：如上下坡、转弯、颠簸，和多种野外环境：如风、温度、缺氧等功能；并能有一定程度的视觉和听觉上的虚拟现实功能。

3)利用车轮带动一发电机发电，运动员训练的同时发出的电可驱动风机等，并可实现提供不同大小的风速等，节省能源。

4)该训练器采用简单易实现的结构实现功能，使用时还能节省电能，成本低，性价比高。训练和健身功能可自由选择，参数可任意设定，适用群体广，更具灵活性。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是控制功能结构图；

图3是电气原理图；

图4是气动回路原理图；

图5是磁粉制动器控制电路；

其中1.自行车体，2.支撑装置，3.路况模拟装置，4.加载装置，5.车把，6.车座，7.车架，8.中轴，9.后轮，10.脚蹬，11.链传动系统，12.前支撑架，13.后支撑架，14.支撑加强杆，15.上平板，16.下平板，17.大气缸，18安全装置，19.中间支杆，20.左支杆，21.右支杆，22.钢筋，23.小气缸，24.杆端轴承，25.弹簧，26.之字形支架，27.气缸，28.斜杆，29.横杆，30.角钢，31.滚轮，32.磁粉制动器，33.励磁发电机，34.风机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1-5中，机械部分和控制部分通过电路连接，机械部分包括路况模拟装置3和设于其上的自行车体1，自行车体1通过支撑装置2固定于路况模拟装置3上，自行车体1上设有加载装置4。

自行车体1包括车把5、车座6、车架7、中轴8、后轮9、脚蹬10和链传动系统11，车座6和车把5设于车架7上，中轴8、后轮9、脚蹬10和链传动系统11设于车架7的下部。

支撑装置2包括前支撑架12和后支撑架13，前支撑架12上端与车架7前部固定连接，下端固定于路况模拟装置3上；后支撑架13上端与后轮9的轴固定连接，下端固定于路况模拟装置3上；前、后支撑架12、13均呈梯形，其下部连接有支撑加强杆14。

路况模拟装置3包括上、下平板15、16和中间支撑部分，中间支撑部分包括与自行车车把5对应的大气缸17、与自行车后轮9对应的三个支杆和安全装置18，大气缸17和三个支杆的上下两端分别与上、下平板15、16连接，安全装置18分别与上、下平板15、16及三个支杆的中间支杆19连接。

三个支杆包括中间支杆19和左、右支杆20、21，三个支杆两端分别与上、下平板15、16铰接；左支杆20从上而下由钢筋22、小气缸23、杆端轴承24组成；右支杆21从上而下由钢筋、弹簧25、杆端轴承组成。

安全装置18包括一之字形支架26、一气缸27和一斜杆28，之字形支架26呈倾斜设置并与上、下平板15、16铰接，斜杆28一端与下平板16连接，另一端与三个支杆中的中间支杆19连接；气缸27一端与之字形支架26中的横杆29铰接，另一端与斜杆28铰接。

下平板16下部两侧分别设置一个大于下平板16长度的角钢30，角钢30下部的四个角上分别设有一个滚轮31。

上平板15上部自行车体1后轮处设置一励磁发电机33，励磁发电机33通过摩擦轮与自行车后轮9接触连接，励磁发电机33的输出端通过线路与固定在车把5上的风机34连接。

加载装置4为磁粉制动器32，磁粉制动器32固定于上平板15下部，通过链条与自行车后轴上的一链轮连接。

控制部分包括数据采集器、显示装置和控制装置，数据采集器、显示装置、磁粉制动器32分别与控制装置连接，数据采集器包括固定于支架下底板的环境温度传感器、置于使用者头盔中体温传感器、夹在使用者手指上心率传感器、固定于路况模拟装置3上的中间支杆19与上平板15铰接处的的上下坡角度传感器、置于自行车体车把5转动处的转弯角度传感器和通过置于自行车后支架上的漫反射光电开关测量计计算的速度传感器；显示装置为一显示面板，显示面板设置于自行车体车把5的中间，其上有设有显示上下坡、左右摆指示灯，气缸到达上极限位置和下极限位置时的指示灯；控制装置为PLC或单片机。

1、路况模拟装置：真实路况模拟装置3能模拟骑行时的真实路况，可以使骑手获得上坡、下坡、转弯倾斜、颠簸振动和惯性滑行等行车体感，其中，上下坡角度、转弯角度及颠簸振动程度可实现自动调节。同时，在各种训练状况下，运动员都可感受到不同的阻力大小。

路况模拟装置3总体由上、下平板15、16、中间支撑部分组成。上、下平板15、16尺寸根据总体设计，并能符合自行车车体及其他附加器件的大小要求，上架表面铺有木板，下平板16下面装有轮子，以便于移动运输。上、下平板15、16后部由三支杆支撑，其主要起支撑作用，中间支杆19固定，中间支杆19左边的左支杆20从上而下由钢筋22、小气缸23、杆端轴承24组成，右支杆21从上而下由钢筋、弹簧25、杆端轴承组成。在水平状态时，小气缸23处于充气状态，伸长量为总伸长量的一半为2.5cm；弹簧25处于压缩状态，压缩量和气缸伸长量相等；大气缸17处于半充气状态，以实现转弯时的左右倾斜摆动；前轮位置有一63x300的大气缸17，可以上下伸缩，以实现上下坡时的前后俯仰。后面三个支杆和前面的大气缸17与上平板15间用球铰相连，与下平板16用铰链相连。

模拟上下坡时，后面三个支杆处于水平状态，调节大气缸17伸长量，来实现不同角度上下坡。模拟左右摆时，大气缸17处于半充气状态，调节左边小气缸23伸长量，右边弹簧25随着左边伸长压缩而压缩深长，实现左右摆功能。

模拟振动时，通过调节大气缸17伸长压缩的速度快慢，已达到一定的频率，进而可调节频率的大小，实现不同的振动情况。

图4是气动回路原理图，以大气缸17为例说明工作原理：当要实现上坡运动时，将阀1打开，阀2关闭，有空气压缩机向汽缸充气，汽缸杆伸长，实现上坡运动；当要实现下坡运动时，将阀2打开，阀1关闭，汽缸内空气排入大气，汽缸杆缩短，实现下坡运动。

由于在不工作时，气缸很难保持水平状态，这样有可能导致整个底座不平稳。而且，运动员在骑行时有可能发生一些突发事件。因此，在底座上添加一个安全装置18使得整个设备更安全、更科学。该装置在训练器不工作时，起支撑上平板15的作用，使整个设备处于水平稳定的状态；在训练器工作时，该装置放下。

2、自行车车体：

为了增强运动员在训练器上骑行时的真实感觉，车体采用成品自行车车体，尽量保留赛车原有的形式，特别要保证中轴8、车座6、车把5间的相互位置关系。并且自行车和上平板15稳固相连，固定在路况模拟装置3上。另外，自行车后轮9经改造成为惯性轮。

3、加载装置：

采用后轮加载，加载器通过链传动把载荷施加到后轮上，加载器要根据载荷的变化进行加载，选择磁粉制动器32加载。调节输入到磁粉制动器32中电流的大小，就可改变输出力矩的大小，从而实现对阻力变化状况的模拟。

4、其他设备：

本设计除模拟不同路况外，还可以模拟不同的野外环境情况。利用风扇来模拟有风环境，并可控制风的大小及风向；利用对电阻丝加热来模拟高温环境，并可控制温度的大小；用加口罩或头盔的方法来模拟高原缺氧环境。用投影仪播放路况画面，使人有真实的视觉感受。此外，加各种传感器如温度传感器、心率传感器等来测量运动员身体状况，还配有触摸屏，将这些数据显示出来。并希望能通过增加电脑，可通过输入不同的参数来实现人性化控制。

5、控制部分：

本训练器功能较多，机械结构紧凑，控制部分可采用PLC和触摸屏联合控制，能控制上下坡角度，左右摆，振动程度，通过控制磁粉制动器32电流来控制不同阻力大小。实现不同路况的真实模拟。当训练器不工作或遇到紧急情况时，如上下坡角度或转弯角度超过预设数值时，可控制安全机构升起，对运动员起到一定的保护作用。

在该训练器上安装有不同的传感器，如光电传感器、电位器等。可采集不同的数据。

该训练器能采集训练过程中自行车速度、加速度和行以及路面坡度大小；能显示运动员体温、脉搏数；显示周围环境温度等，并将数据实时地显示在微机屏幕上，教练可根据对这些数据的分析，制定科学合理的训练方案，提高训练效率。

运动员在训练过程中，可通过观察自行车前部显示盘来得知当前训练环境，如上下坡、转弯等，减少了运动员在不知情的情况下训练时的恐惧感。

另外，教练员(或运动员)可在微机端输入不同的训练参数，调节改变训练强度，使该训练器功能更强大。该训练器有手动和自动两种操作方式，当自动装置出现故障时，运动员只要操作手动按钮，就能实现训练器的部分功能。

Claims (7)

1.一种模拟自行车野外环境训练及健身设备，包括机械部分和控制部分，其特征在于：机械部分和控制部分通过电路连接，机械部分包括路况模拟装置和设于其上的自行车体，自行车体通过支撑装置固定于路况模拟装置上，自行车体上设有加载装置；

所述自行车体包括车把、车座、车架、中轴、后轮、脚蹬和链传动系统，车座和车把设于车架上，中轴、后轮、脚蹬和链传动系统设于车架的下部；

所述的路况模拟装置包括上、下平板和中间支撑部分，中间支撑部分包括与自行车车把对应的大气缸、与自行车后轮对应的三个支杆和安全装置，大气缸和三个支杆的上下两端分别与上、下平板连接，安全装置分别与上、下平板及三个支杆的中间支杆连接。

2.根据权利要求1所述的模拟自行车野外环境训练及健身设备，其特征在于：所述的支撑装置包括前支撑架和后支撑架，前支撑架上端与车架前部固定连接，下端固定于路况模拟装置上；后支撑架上端与后轮的轴固定连接，下端固定于路况模拟装置上；前、后支撑架均呈梯形，其下部连接有支撑加强杆。

3.根据权利要求1所述的模拟自行车野外环境训练及健身设备，其特征在于：所述的三个支杆包括中间支杆和左、右支杆，三个支杆两端分别与上、下平板铰接；左支杆从上而下由钢筋、小气缸、杆端轴承组成；右支杆从上而下由钢筋、弹簧、杆端轴承组成。

4.根据权利要求1所述的模拟自行车野外环境训练及健身设备，其特征在于：所述的安全装置包括一之字形支架、一气缸和一斜杆，之字形支架呈倾斜设置并与上、下平板铰接，斜杆一端与下平板连接，另一端与三个支杆中的中间支杆连接；气缸一端与之字形支架中的上部横杆铰接，另一端与斜杆铰接。

5.根据权利要求1所述的模拟自行车野外环境训练及健身设备，其特征在于：所述的下平板下部两侧分别设置一个大于下平板长度的角钢，角钢下部的四个角上分别设有一个滚轮。

6.根据权利要求1所述的模拟自行车野外环境训练及健身设备，其特征在于：所述的上平板上部自行车体后轮处设置一励磁发电机，励磁发电机通过摩擦轮与自行车后轮接触连接，励磁发电机的输出端通过线路与固定在车把上的风机连接。

7.根据权利要求1所述的模拟自行车野外环境训练及健身设备，其特征在于：所述的加载装置为磁粉制动器，磁粉制动器固定于上平板下部，通过链条与自行车后轴上的一链轮连接。

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