CN101450255A - 模拟一脚踏车沿一道路行驶的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了模拟一脚踏车沿一道路行驶的系统，包含一部具一飞轮的固定式脚踏车、一大型显示屏及一控制该大型显示屏的计算机，大型显示屏用于播放一系列沿该路线拍摄的景观画面，其拨放速度一该受踏板踩动的飞轮的速度而定。

Description

模拟一脚踏车沿一道路行驶的系统

技术领域

本发明关于一种固定式脚踏车式的健身房系统，尤指一种半虚拟式脚踏车环游世界系统，其具有一大显示屏，使用者在踩动脚踏车时，显示屏上的画面也随着改变，以模拟脚踏车的实际旅游环境。

背景技术

现有技术中开发出汽车或机车等动力车的视讯模拟驾驶游戏，但使用者的操作只限于踩油门、刹车、转方向盘(车把)等动作，其所能达到的运动量很小，对于使用者身体健康帮助很少，且因前述视野画面为近距离者(不到一公尺)，故眼睛易疲劳。又视野画面只是简单的跑道，不但单调，且无助于增加见闻。目前日本任天堂公司所出品的热门游戏主机wii提供多种大运动量游戏的视讯模拟，像是一般模仿打击球类如棒球、高尔夫球、网球的虚拟游戏，但其一大缺点为：这些运动并非有氧运动，而是一阵阵的爆发力的运动，出力非连续恒定低值，而是间歇性尖峰高值(挥棒瞬间)，因此运动伤害的危险性本来就大，加之使用者面对虚拟的球是用与打真球一样的力气挥臂，但在“打到”时，能量并不能大部分转到该虚拟的球上被它吸收使它高速飞出而消散掉，而是变成手臂中的拉力由身体吸收，正如棒球挥棒落空，使运动伤害的危险性更大增(试想，连续挥棒落空一百次，其下场很可能脱臼和扭伤腰)。因此为了避免这些爆发力运动可能造成的运动伤害，有氧运动的脚踏车运动即为不错的选择。惟，一般室内(静态固定式)脚踏车固然有很好的运动效果，但单调无趣，容易厌倦，而活动于室外的真实脚踏车运动可较室内的脚踏车运动兼具娱乐休闲的功能。

古人说：“读万卷书，行万里路”，骑脚踏车环游世界，固然是许多人的梦想，但真要付诸实现，则要克服许多困难以及承受许多辛苦和未知的危险。例如：

一、出国动辄要数周到数月，必需有钱有闲，还要有家人亲友认同支持。

二、所谓“在家百日好”，而出国在陌生地方，一切都不习惯，因此想象得到和想象不到的麻烦、危险、不舒适的事物不计其数，例如：在治安不佳、政局不稳的国家容易遭遇偷窃、抢劫、拐骗、强暴以及碰到手续上的麻烦，不谙当地法律而被拘留判刑，或遇上道路施工，交通阻塞；在卫生不佳的地区容易生病且未必有好的医院，在荒郊野外可能连住宿地都没有，而且有毒蛇猛兽或土匪、野蛮土人的威胁及各种蚊虻虱蚤蜱螨等的骚扰。此外还要面对各种天气的因素如：风吹日晒雨淋、严寒炎热、暴雨、台风、风沙、大水造成山崩路断、积雪路滑、道路泥泞...等等。而且许多事都得摆一边，造成失学、失业、失恋...，且许多事须交代别人，如代收代缴、宠物要寄养...不胜枚举。

三、身上要带许多必备品如：水、火种、干粮、药品、金钱、证件、笔和笔记本、地图、换洗衣物、相机、修车工具、零件、气泵...这些东西可能遗失或被偷，增加身体及心理负担。

四、如果旅游地点位于不同母语的国家，语言不通将造成种种不便，遇叉路时，如无指标又不会问路，容易迷路。

五、要走某热门路线，可能须先花许多时间不论骑车、转车或搭车、船、飞机到起点(例如要骑中部横贯公路，要先从台北到太鲁阁)，骑完后再从终点花许多时间回家。而且太长的路线即使再累，往往得忍耐一次骑到下个休息站，而且不能只挑精华路段骑，也不能选择天气或最佳季节。

六、在偏僻地区，路面往往崎岖不平，不但不舒服，且对身体和车子都有损害。

七、食衣住行须随遇而安，不得挑剔。

八、在外长时间不免思乡之苦。

九、各地的风土自然人文，无专人介绍，往往走马看花过目即忘，不能有较深入认识。

十、除非是脚踏车专用道，否则在途中可能有许多机动车辆，对自己的路权，安全及健康(废气及扬起的尘砂)造成威胁。

十一、许多地方常有如陡下坡路段，不但危险，刹车磨损很厉害，要常更换，或节制使用(例如不让车子滑下坡而下车牵车走)，因而影响到安全及乐趣。

十二、有些慢性病患者不宜出国，有人被限制出入境。

十三、骑车一般限于白天，夜间则需有路灯照明或用车灯。

十四、不同季节景观，例如雾社及奥万大公路，雾社樱花和奥万大红枫不可兼得。

十五、路上常会遇到煞风景的事物，如乱倒垃圾、牛粪、焚烧稻草、挂抗议布条、蹓鸟侠...等。

其它缺点不胜枚举。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种半虚拟式脚踏车环游世界系统，它能避免前述先前技术的缺点，提供一种高量有氧运动、高度趣味性、安全性及舒适性的健身装置。

以上目的，依本发明达成之道，利用一种半虚拟式脚踏车的环游世界健身房系统，此半虚拟式脚踏车环游世界系统具有一个巨大显示屏(例如W＝5m，H＝3m)及一设于该显示屏前的固定式脚踏车，使用者在踩动脚踏车时，显示屏上的画面也依虚拟的车速而定随着改变(向使用者移动过来)，以模拟脚踏车的实际旅游环境者。

所谓“半虚拟式”，指该脚踏车有实体的踏板、刹车、变速器(换档器)、座位及车把(龙头)等真实硬件输入装置及外围设备，并搭配虚拟的景观，而非像一般视讯游乐器用鼠标、键盘、控制台(console)、游戏棒(joystick)等一般计算机输入装置输入。

前述虚拟的景观可由一与显示屏连结的系统输入(例如藉由计算机读取一数据光盘)一条路线(例如花东海岸公路)从头到尾的景观，使显示屏可呈一连串连续的画面，且随着脚踏车踩动，显示屏上的画面也依车子的假想速度快慢而定随着递换，使其中的景物向使用者产生相对运动，造成身处实地骑车的感觉。这一连串的画面事先沿该道路现场拍摄者。

要让使用者产生逼真有如身历其境的现场感，除了相对移动的景观外，还要加诸速度感、惯性感、刹车感、转向感、体重的负荷感、上下坡负荷感及倾斜感、变速感、风速感、海拔感及湿度感等感官效果施予使用者。

以下说明该系统如何实现上述感官效果：

A.速度惯性感：使用者踩动得越快，则画面也要递换得更快，才能有逼真感。为此，于脚踏车上设一飞轮及一飞轮转速检出器，该飞轮与脚踏车的踏板呈机械连结，可受踏板带动，该飞轮转速检出器则可检出飞轮的转速产生一转速信号d(s)，计算机根据飞轮的转速d(s)作为假想的车速d(r)来控制显示屏上画面递换的快慢；此外，在停止踩踏板时，飞轮并不立刻停下，而仍可因惯性而空转一段时间逐渐变慢而使画面递换渐慢以呈现车速渐缓的模拟效果。

B.刹车感：当刹车扳下时，该飞轮则慢下而停住，画面亦然。为了加强效果，在刹车时可产生一刹车信号d(b)造成音效。

C.转向感：当画面中的道路转弯时，例如向左转时，使用者会自然地将脚踏车把向左转(同时上身也会自然左转)。在实际行车时，为了使车子经常保持在道路中而不跑出路外，车把转动一角度θ所造成的回转半径，需正好等于道路的曲率半径，骑车者看前方道路的曲率，会依经验判断将车把转一适当角度θ。因此车把方向需经常与道路的切向一致。而所正在走的路段前端的切向，在显示屏中央必然是垂直于显示屏者，因此车把必须经常垂直于显示屏。当车把向左/右转了θ角时，为了使车把方向保持垂直于显示屏，因此固定脚踏车的车体需向右/左转θ角。(请见图9A～9C)，例如道路左弯时，车把向左转θ角，而车身遂向右转了θ角，此时踩动踏板，后面的一帧帧图面并非垂直地向使用者跑来，而是以道路曲率半径呈圆运动弯曲地向使用者弯转过来，且每画面中道路切向正好都垂直于显示屏，因此造成景观对使用者的相对转动。由于储存的连续画面，总要使正前方的道路位在画面正中央，而车把左转，则车体向右转，而使用者的脸也自然左转而保持正视显示屏中央。由于景观转动造成的视觉错觉，可产生身体左转的感觉(正如坐在不动的火车中，看对面的火车反向起动时会有己方火车起动的错觉)，而前方道路变直时，自然会将车把回复朝正前方，脸也跟着转回朝正前方。为了模拟此种动作，固定脚踏车固定在一个可绕一垂直轴Z自转的转台上。

使用者如不依此正常习惯操作，例如当道路左弯时，如不将车把对应曲率半径作左转，则在对应显示屏的画面中，脚踏车将会“跑出右边路外”，此时系统将有一套跑出路外的处罚模式。由于在光盘所储的画面中，画面中间永远显示正前方的道路，因此，为了让使用者往右边路外，因为将该脚踏车固设于一个可自转的转台上，当使用者在应左转处未将车把左转适当角度θ，则转台会向右转一个比θ更大的对应角度(θ+Δθ)，使他朝向画面中右边路外部分，造成车子即将跑出路外的感觉。由于此种情况下，再往前去，偏离道路渐远，眼前所应见的区域景象，已不包含在所欲储存的数据中(因为它只能包含道路两侧附近景观)，亦即画面再也模拟不下去了，因此这时即马上中断画面(例如画面变黑，使使用者眼前一黑)，并判使用者出局或作其它处罚性警告显示(例如出现死神画面，并阴森森地冷笑道“小子，你挂了”)，或回到冲出之前的原点。这种跑出路外的惩罚模式的实施方法和细节，在传统视讯游戏的赛车或机车游戏已有之，故不赘述。

如果使用者在冲出路外前及时将车把向左转动一大于θ的角度，则转台就向左转而让车把再度正面朝向显示屏。如果使用者不左转车把而及时紧急刹车，则画面将很快慢下来并停住。这时左转车把，即可使底座向左转回，让车把再度正面朝向显示屏，以再度出发。

为了达到上述作用，因此各画面除了其地点视野的影像数据V外，还包含该地点道路的方位角D(θ)，当方位角D(θ)有变时，就会发出指令给计算机，要求将车把向右或向左转一个对应角度d(θ)，如果这种要求未被达成，则就转动底座并作上述处罚性反应。[注：道路各点的曲率可由其方位或朝向的变化得知，因此在下文，道路曲率和方位都用D(θ)表示以求简明]

D.体重负荷感：行车的负荷和使用者体重成正比，为了模拟此点，可在座位下设一重量传感器，使用者一坐上该座位，该重量传感器即可测知使用者的体重并可藉此调整踏板的负荷大小。如不用自动方式，此体重也可由使用者自己输入。(注：由于在固定脚踏车，踏板负荷只和变速器所选档位有关，而无关体重，因此可依体重比例减少播放速度，如此，较重的使用者要在同样的踩动踏板转速下达到和较轻的人相同播放速度，只能选增速比(increasing ratio)较大的较重的高档(例如第七、八档)，如此可达到依体重增加而升高负荷的目的。)

E.上下坡负荷感：为了产生上坡的劳累与下坡的轻松感，在上坡时，依坡度而定，将踩踏板的负荷提高，下坡时，依坡度

而定，减少负荷，甚至可不出力踩踏板而滑行下坡，此时不踩动踏板画面也能自动前进，甚至要扳紧刹车以免跑太快转弯冲出路外而出局。为了得知各地点坡度，故各画面除了方位角D(θ)外，还要有该地点的海拔资料，由前后的海拔差

即可知道坡度升降及缓陡。[注：由于道路斜度可由海拔差求出，因此在下文，各地点的斜度和海拔数据都视为同一数据

，以求简明]

F.上下坡后/前倾感：可在座位下设一前后倾台，可依道路的上/下坡度[与海拔差

有关]产生对应的后/前倾d(

)动作。

G.变速感：于固定脚踏车上进一步设置一现有的多档(如十档变速)变速器或齿轮箱，该变速器具有一入力轴及一出力轴，其入力轴接踏板，其出力轴经一现有的自由轮(freewheel)接飞轮，该变速器在换档时依减速比将负荷及速度增高/降低。

H.风速感：为了在不同车行速度时，迎面吹来不同风速的风，故于显示屏旁设有至少一鼓风装置，该鼓风装置可产生不同风速，且其风速大致等于车速d(r)，这种迎面而来的风不但造成逼真前进感，更可将骑车身体产生的热吹散掉，比空调的冷气更有利于健康。风的方向则永远和车把平行，亦即垂直于显示屏吹出。

I.海拔感：为了造成高海拔处(以及高纬度)“高处不胜寒”的感觉，计算机可依随光盘中画面所在地的标高D(

)及纬度增加而产生一空调信号D(T)，该空调信号D(T)可调整室内空调使温度略降(光盘中不必有空调信号D(T)，因为它可由计算机从海拔D(

)得出)。(注意：对沙漠的酷热及高山的严寒等不舒适的极端环境的模仿点到为止，只能在不致使人体不舒适的上下限间作差别变化)

J.湿度感：同样，为了模仿雨林或大雾中的潮湿及沙漠的干燥，可在鼓风装置的出风口装设加湿机/除湿机，该加湿机/除湿机依光盘中相关湿度数据D(H)而定吹出略湿或略干的风。(这种模仿当然也要在不造成人体不适的限度内)

K.转向时向内倾：由于在本发明的模拟系统，车子在转向并未真的作曲线运动，实际上没有离心力以将倾斜所受重力抵消，因此在固定脚踏车只能稍微左倾或右倾一很小的角度ω作有限的模拟。此时使用者会本能地拉直身体以平衡，但这种下意识的本能的施力自己可能不会认为是自主施力，而觉得像是受离心力作用而造成平衡的。如此可成功模拟转弯时的离心力感。上述的前后倾台可设在一左右倾台上，如此可达成此一功能。

(注：有一些不利的因素，例如路面颠簸崎岖不平，固然可利用凸轮造成转台振动模仿，但我们宁可不要这种不舒服又有损健康的模拟。其它不利因素如酷热严寒，空气稀薄等亦然)

此外，还可在展示风景的同时，用语音或字幕说明相关的自然生态及人文信息。

上述模拟的实施如下：

A.风景影像数据V来自一高密度光盘，它由光盘公司在世界各地的专家在相关路线(例如富士五湖环湖道路)挑选最佳季节天气时辰及无车道路净空的时候沿线一路直进拍摄，例如每10公分拍一张景观画面，如此则在慢骑时速10.8km(每秒3米)每秒有30幅画面，相当于电视的扫瞄。在制作光盘时，各画面需垂直于道路切向且水平地拍摄，如此才能正确反映出方位及道路斜度。摄影机可装在一特别设计的摄影车上，该车子的一有自动维持水平的功能的平台上，且随车子每前进10cm就自动拍摄一幅画面。这种在上下坡时都能保持水平的平台是已知技术，例如坦克车的主炮的陀螺仪(gyroscope)稳定系统。如此可使路线景观的摄取工作简单迅速。在拍摄景观时，同时也将各路段的声音、坡度(海拔)、道路曲度(方位)等自动纪录并与景观作关联(association)。画面更换速度正比于车速，亦即与飞轮转速d(s)及体重d(w)有关。故设有一播放速度控制器以控制播放速度，其二输入端分别接收来自计算机的飞轮速度d(s)及体重d(w)的相关信号。在先行技术中，将数据流用不同速度再生的技术早在合成音乐及VCD播放机已有之，而在视讯游戏的汽机车游戏也能依油门踩踏的深浅控制画面速度，故其细节兹不赘述。在播放景观时，同时可用字幕D(S)及附加视讯(例如当地保育类动物的图片)(以分割画面方式)及声讯A透过一扬声器介绍正经过的路段处理的自然人文生态相关信息或产生现场自然音效(如鸟叫蝉鸣，海浪声，水声，瀑布声)。注意，字幕D(S)及附加视讯及声讯A的播放速度为一定而不受车速影响，例如从阳明山-小油坑-马槽-金山的路线，如骑太快，阳明山-小油坑的信息未报完车己过小油坑，则停止原来的字幕D(S)、附加视讯及声讯A的播放显示，而开始下一路段小油坑-马槽的信息的播放显示，反之如骑太慢，未到小油坑前已报完，则等到抵达小油坑后再报小油坑-马槽的信息。为了避免骑快或骑慢时音效变跟不上或超前而与景观不一致，因此路段音效的分段宜很短，例如每50公尺就换成下一段路段的音效。注意，这些字幕D(S)声讯A并非不可或缺者。也可只在一些路段才有。又，现场自然音效可重复循环，如此，使用者可择风景佳处休息“野餐”，一面享受大自然的田园交响曲。如有必要，还可设一气味产生器，内储芬多精，在适当地点时释出。

B.刹车经一现有的纯机械机构[例如波登索(Bowden cable)]及一刹车块控制飞轮，刹车停住的距离和扳动力量以及飞轮转速d(s)有关，而与档位殆无关，这点纯为机械性，无关电信号。而为了产生刹车噪音，设有一电子式刹车信号产生器，在扳下刹车时，产生一刹车信号d(b)。故刹车的信号d(b)经一噪音产生器接到扬声器。(此外刹车信号d(b)和下坡时的操作有关，这点下文将说明。)

C.如前所述，脚踏车要循路线行走不跑出路外，则其车把的角度d(θ)(和回转半径有关)要经常和路的曲率D(θ)一致。路线的各段的曲率D(θ)(它和方位或朝向变化D(θ)变化有关)也和影像数据V相关联地一同存在光盘中，车把的偏转角度d(θ)和路线的各段曲率D(θ)分别接一比较器的二输入端，比较器输出端接底座的转台。如比较器的二输入端的输入不一致，表示车把太偏左或右，则底座的转台会向左或向右转一个额外的对应角度，该转台系可用一步进马达驱动。由于在骑车时，骑车者在转动把手时，其头部也会自然地随车把转动到和车把相同的朝向，因此他的脸经常会正对着大显示屏。

D.传统的固定脚踏车已可选择轻重不同的负荷以供不同体力的使用者选择，本发明也利用现成的具有多档的变速器和飞轮产生不同的负荷。并设一除法器将飞轮速度d(s)除以体重d(w)得到播放速度d(r)，使在一定车速时踩踏的负荷和体重有相依性。

E.踏板负荷还和坡度D(

)有关，在真实情形上坡时负荷依坡度(％)而增大，下坡时负荷为负值，不但不须出力，甚至还得扳住刹车以免一泻千里。在固定式脚踏车虽可设一前后倾台将车身后倾/前倾以模仿上下坡时的倾斜感，但负荷不会凭空因此增减，因此要设至少一负荷轮及一驱动轮，当后倾/前倾达一程度时，脚踏车的飞轮就和该负荷轮/驱动轮呈弹性接触，使负荷增加或受驱动而使负荷减少甚至变成负值。此外，飞轮可接一发电机，该发电机可受飞轮带动发电并将所产生的电能储存在一蓄电池中，此蓄电池的电能可供应该驱动轮运转。在踩动踏板时，踏板上的负荷由齿轮箱及飞轮的惯性以及发电机的电枢在磁场中所受到的阻力而造成者。由于驱动轮驱动飞轮时，只有飞轮空转，变速箱的齿轮并不被带动(因为飞轮经由自由轮与变速箱的出力轴连接)，因此所用能量很少，而且同时飞轮还在发电回馈到电池，因此蓄电池的电量足以供应驱动轮运转很久，即使如果蓄电池没电了，只要再踩一阵子发电，蓄电池就有电供应驱动轮运转以驱动飞轮。注意，如在下坡时扳刹车，则驱动轮的供电要立刻停住以免磨损，为此可设一逻辑电路(例如，它可包含一XOR闸及一AND闸)。驱动轮也经一自由轮与自身马达连接，因此，在下坡时，使用者不必踩踏板，飞轮也能受驱动轮驱动而渐加速，当扳下刹车时，飞轮马达立刻停下，但驱动轮(此时仍和飞轮接触)则仍可随飞轮空转到完全刹住为止，如此可防止驱动轮的磨损。刹车后，在放开刹车时，驱动轮的马达立刻回复运转，故飞轮再受驱动。这一切和实际下坡时情形一样。当然，在下坡时，如又踩动踏板，则飞轮受到踏板和马达双重驱动而转得更快，这种情形就像电动辅助脚踏车的情形一样。

F.在播放景观数据的同时，路线的各段的坡度数据D(

)也传至该前后倾台，造成相关斜度的前倾/后倾。此倾台也用另一步进马达驱动而倾转。(注意，路的曲率D(θ)和坡度资料D(

)不必像景观数据V那么密集，可以数公尺取一个即可，因此一个曲率D(θ)或海拔数据D(

)可对应于几十幅或更多的景观资料V画面。)

G.变速器是一现有的齿轮箱，其入力轴接踏板，出力轴一如已知脚踏车的后轮经一自由轮(freewheel)和飞轮连接，故在踏了一段之后，如停下不踩踏板，飞轮虽不再受驱动，仍可因惯性而空转一段。有一飞轮检出器将飞轮的转速d(s)检出经计算机送到一播放速度控制器，除以体重d(w)得到画面播放速度d(r)。

H.正面而来的风可于显示屏上方及下方设置各三个朝向使用者的鼓风装置产生，其一同产生的六股气流斜向中央前方吹，如此，其上下及左右分量相抵消，其合力即为一股迎面而来的风。风速与车速d(r)(播放速度)相同或成正比，因此播放速度控制器的输出端也分路到鼓风装置以使该鼓风装置可配合车速d(r)调整其风速。

I.在播放景观数据V的同时，路线的各路段的海拔数据D(

)可由计算机转换成相关的空调数据D(T)送到健身房的空调系统。在高海拔处可将空调略增强，在模拟低海拔处可将空调降低，在模拟炎热地区如撒哈拉沙漠，甚至可关冷气，只留通风以使温度上升。但这种模拟只宜在20OC～26OC之间作变化，以免造成不适。

J.至少一鼓风装置的出口可设一除湿/加湿机，在特别干燥或潮湿的路段，计算机在播放景观数据V的同时，可将一除湿/加湿信号D(H)送到该除湿/加湿机，使该鼓风装置配合除湿/加湿机而吹出干燥/潮湿的风。

K.为了使上述的前后倾台也可作左右倾，故可将它装在一左右倾台上，并设另一步进马达使左右倾台作左右倾转。只在道路左转/右转时才需做小幅左倾/右倾一小角度ω，车把向左或向右转动而不在中央时就产生相关的左右倾信号d(ω)。由于左/右倾和车把左转/右转直接关联，因此光盘中不需特别放入左右倾的相关数据。

本发明适用较大场所如健身房、学校、大公司、工厂、政府机关、医院、邮轮、赡养院...等。例如在医院，手术患者的焦虑不安的家属在等待时特别可藉此打发时间和消除紧张情绪。

本发明人早在二十年前已有构想，唯当时电子信息业的现成技术尚无法实施本发明(至少无法使之合理化)，因为当时影像处理技术方面与今日相差甚远，记忆载体与内存的容量太小，CPU速度太慢，蓝色LED亮度低，无法制出无辐射低发热且高分辨率的巨型显示器，而单一片光盘也无法以高分辨率储存一条路线上的全部信息...而近几年来，影像处理技术突飞猛进，而数据压缩技术也使许多影像数据能以高分辨率储存在一片DVD中，使用者只要更换光盘即可选择要游走的路线，如北中南横公路、海岸公路等。

本发明的脚踏车也可改装成固定式协力车(tandem bicycle)供二人、三人乘骑，其中只要再增设一对踏板及一座位，其余都大致一样。

本发明可超越季节限制，例如可异想天开地把雾社早春的樱花盛开和奥万大深秋的红枫组合在一起，使鱼与熊掌兼得。

本发明还可超越时空，将景象不限于现代世界，而可回溯到罗马帝国时代的罗马、或侏罗纪的古大陆，甚至不限于地球，而可作月球、火星、金星或木星卫星之旅(影片的布景、道具甚至恐龙都是用摄影技术及影像合成技术造成者)。

本发明的影像可作成立体电影式，使用者可戴上互补色型或偏光型眼镜，以产生更逼真的立体感。

本发明取景的地点不一定要有真实的现成道路，只要摄影者能步行一路连续摄取美景影像，再用合成技术把道路影像放入风景中即可，如此亦可骑脚踏车漫游一些只有步道无车路或难以做道路的更偏僻的胜地如八通关古道，能高越岭古道、富士山登顶、长江三峡(路做在山壁)、北极冻原、佛罗里达沼泽地、塔克拉马干沙漠、死海盐漠、喜玛拉雅山、巴塔哥尼亚冰川...等，而无危险且不会破坏自然环境。

在拍摄过程，路上遭遇到的一切煞风景的情节，如垃圾、牛粪...可在拍摄后利用影像处理技术将之从画面除去。

本发明的构想不限于脚踏车，还可以扩充到步行机、划船机这些有氧运动的设备。在步行机的场合，甚至可将步行履带作成像自助扶梯的可压缩阶梯形式，如此更可模拟登梯阶(例如泰山的十八盘)，且阶梯陡度也可随山路坡度而改变。而在划船机的场合要注意，因划船者面向船尾，因此景观画面离划船者而去，而非朝向划船者来。在脚踏船的场合则相反。在船的场合，左右倾台的功能可大大发挥，以模拟船身左右摆动的情形。

附图说明

图1为本发明的立体示意图；

图2为本发明电性及机械连结方块图；

图3为本发明实施状态图；

图4A为本发明一前后倾台动作图；

图4B为本发明另一前后倾台动作图；

图4C为本发明又一前后倾台动作图；

图5为本发明的前后倾台控制流程图；

图6为本发明的飞轮与负荷轮动作示意图；

图7为本发明的飞轮与驱动轮动作示意图；

图8A为本发明的马达控制逻辑电路图；

图8B为本发明另一马达控制逻辑电路图；

图9A为本发明一左右倾台动作图；

图9B为本发明另一左右倾台动作图；

图9C为本发明又一左右倾台动作图；

图10为本发明的转台控制流程图；

图11为本发明的左右倾台控制流程图

图中，。

1     计算机             11      比较器

12    播放速度控制器     2       固定式脚踏车

21    踏板               22      车把

23    刹车               24      变速器(变速齿轮箱)

25    飞轮               25’    外壳

26    座位               27      发电机

28    底柱               31      大显示屏

32    扬声器             33      底座

33’  罩台               331     转台

332   前后倾台           333     左右倾台

34    鼓风机             35      空调系统

36    加/除湿机          37      蓄电池

371   电流控制器         38、38’负荷轮

381   轴                 382     导引架

383   预力压缩弹簧       39      驱动轮

391   轴                 392     杠杆

393   压缩弹簧           394     带轮

395   杠杆的固定端       396     皮带

397       小轮         4      光盘

M         马达

具体实施方式

请配合参考图1及图2所示，本发明主要包含：

零)外记忆载体4，本实施例中它为一高密度的光盘4，其内含一道路所有相关数据。

一)中央系统，为一计算机1，可读取该光盘4的道路数据。

二)输入装置，为一固定式脚踏车2，与计算机1连结，该固定式脚踏车2包含：

一对踏板21；

一车把22，车把有一电子检出器，可检出车把左右偏移角度而送出一角度信号d(θ)；

一飞轮25，受踏板21带动运转，飞轮25经一现有的自由轮251与一变速器的出力轴连接，并具有一飞轮转速检出器(图未示)，该飞轮转速检出器连结至前述计算机1，可根据飞轮转速而传送一转速信号d(s)予该计算机1，再者，该飞轮25外侧可设一外壳25’(用虚线表示)以免与身体接触，飞轮25可用轻质坚硬材质制成，如铝或补强塑料(FRP)；

一刹车23，设于车把22上，该刹车23可抑制飞轮25转动且有一刹车信号产生器(图未示)，当扳紧刹车时，可传送一刹车信号d(b)到该计算机1；

一变速器24，具有一入力轴及一出力轴(图未示)，该入力轴与踏板21连接，该出力轴经一自由轮251和飞轮25连接，该变速器24可为一现有的多档链轮链条驱动器或齿轮箱，但以齿轮箱为佳；

一座位26，设于飞轮25与车把22之间，以供使用者骑乘，座位下方可设一重量传感器(图未示)，可根据使用者重量传送一体重信号d(w)到前述计算机1；及

一发电机27(图1中未示)，受飞轮25所驱动而发电，产生的电可储到一蓄电池37。

三)<输出装置>，包含：

一大显示屏31，设于前述固定式脚踏车前方至少3公尺处，该大显示屏31宜为冷光型低辐射显示器，例如大型LED显示器，该显示屏31连结计算机1，并可播放前述计算机1所读取的道路数据，且前述固定式脚踏车2经由计算机1控制该显示屏31的播放速度；显示屏宽度宜造成左右约120度的视野角度，因此如距使用者3公尺，则其宽度约为5公尺。

一扬声器32，连结至前述计算机1，可受计算机1控制而播放声音；

一底座33，本实施例中，该底座33有沿X.Y.Z三方向的轴在一角度范围内转动的三种自由度，因此包含一转台331、一左右倾台332和一前后倾台333，该转台331支承成可绕一垂直轴Z水平旋转的方式；该左右倾台332前后利用水平纵轴Y支承在转台331内，成为可绕轴Y作左右倾转的方式；前后倾台333具有一水平横轴X支承在左右倾台332中成为可前后倾斜的方式，前述固定脚踏车的底柱28固定在前后倾台333中央；为了安全，底座33上方也用一罩台(用虚线表示)33’罩住；使用者可踏上罩台33’而登上脚踏车；为了使底柱28能无碍地作前后左右倾转，该罩台33’中心有一开口(图未示)，直径大约为底柱28的两三倍，为了防止东西掉入开口中，可用一已知蛇腹(bellows)围住该开口并与底柱28连接，正如汽车的变速杆的设置；

多个鼓风装置34，分别设于显示屏31的上方及下方，受计算机1控制而改变送风强度；

一空调系统35，受计算机1控制而可调整空调温度；

至少一加湿/除湿机36，设于鼓风装置34的出风口，受计算机1控制而使鼓风装置34所送出的风湿度增加或降低；

一蓄电池37，储存前述发电机27所产生的电能；

一负荷轮38，设于飞轮25旁；

一驱动轮39，设于飞轮25旁。

前述装置之间的连接关系如图2所示，其中纯机械连接用虚线表示，实线表示电性连接。

前述光盘4，如图2所示，包含有：

景观影像数据(视讯V)；

相关信息及配乐，现场音效等的声讯数据A；

其它光盘数据D，包含：

D(S)，字幕及附加视讯；

D(T)，高海拔或高纬度处的温度数据；

D(H)，湿度资料；

D(θ)，道路曲率(方位，朝向)；及

D(

)，道路坡度(海拔)。

本实施例中，该光盘4储存实施本发明所用的道路数据(例如阳金公路风光)，从阳明山到金山有23km＝23000m，该光盘4内含的道路数据为每0.1公尺储存一画面V(S)，因此该光盘4包含了230000个画面V(1)～V(230000)，并于每50公尺时，设一组音效及语音数据A(S)，因此共有460组音效语音数据A(1)...A(460)以及字幕D(S1)～D(S460)。因为音效A、字幕D(S)并非绝对需要，因此A(1)...A(460)及D(S1)～D(S460)中可能有许多缺如的空号。同样，湿度数据D(H)只要在最湿的地方例如小油坑鞍部经常雾气很重之处设，因此只在6公里附近有D(H)资料。各路段的曲率数据(方位数据)D(θ)与斜度数据(海拔数据)D(

)可分别以每三公尺设一个，如此共有约7600个曲率资料D(θ)及斜度数据(海拔数据)D(

)。由于最高点小油坑(海拔820m)比平地温度低了4～5℃，因此可在这附近2～3公里中设以空调资料D(H)以将空调降低1～2度以模仿高处的寒冷感(模仿以不造成不舒适为限度)。

使用该系统的流程如述：欲模拟阳金公路之旅，先将光盘4放入计算机1的光驱(图未示)中；如图3所示然后使用者骑到固定脚踏车上，此时显示屏31上显示出阳明山的阳金公路起点的静止画面(V1)，只要使用者踩动踏板21，使飞轮25转动，则画面景物开始以一播放速度d(r)向使用者作相对移动。同时最初50公尺内的有关声音资料A(1)及字幕D(S1)(如果有的话)也被以一定速度播放，同时鼓风机34也产生风，吹向使用者风速与播放速度d(r)成比例。

当由阳明山到小油坑一路上坡时，如图4A所示，前后倾台333依路面斜度向后倾一对应角度

，此斜度约在3％～10％间变化，过了小油坑后，一路下坡，如图4B及4C所示，前后倾台333变成前倾。(注意：图4A～4C中所画的斜坡及有轮脚踏车为了帮助了解而如此画，事实上本发明的影像是在XZ平面上的二维图，在Y方向并无深度，而固定式脚踏车也无车轮。同理图9A～9C亦然。)上述前后倾台333控制流程如图5所示，包含下列步骤：

读取相关路段的海拔数据或斜度数据D(

)(步骤500)；

在上下坡处，D(

)不等于零(步骤501)。而在平路时D(

)等于零。因此，平路时前后倾台保持水平，而计算机继续读取D(

)，反之遇上、下坡路时则进行下一步骤；

上坡或下坡(步骤502)，如果D(

)小于零则判断为下坡，进行步骤(503)，反之如果D(

)大于零，则判断为上坡，进行步骤(504)；

下坡时前后倾台依下坡斜度D(

)前倾至负

角度并随以后的D(

)变化而继续改变倾角(步骤503)；

上坡时，前后倾台后倾至正

角度并随之后D(

)变化而继续倾角(步骤504)。

在下坡时，由电池37送出电流E至驱动马达M(步骤505)。我们可依下坡之坡度陡缓而调整该电流E。

当路又变平时，D(

)为零。如果D(

)如不为零，则判断路仍不平，前后倾台333继续一前面路段的新坡度变化倾角(步骤506)，反之如路变平了，则倾台回复水平

＝0(步骤507)，并继续读取D(

)(步骤501)。

为了产生上坡的负荷增加以及下坡的零负荷甚至负的负荷，请参考图6及图7，可于飞轮25旁可设有至少一个负荷轮38和一个驱动轮39。

负荷轮38、驱动轮39和飞轮25的轮面都做成磨擦轮(friction gear)的高摩擦系数形式。为了使飞轮25在接触到负荷轮38或驱动轮39后在坡度继续增加时仍能继续位移(继续上扬或下降)，故负荷轮38/驱动轮39的轮轴不能固定死在一定位置，而要支承在一弹簧或一弹性臂上。

图6中，在平路时，飞轮25与负荷轮38间保持一间隙，但上坡的当坡度超过一值(例如2％)时，飞轮25(用虚线表示)就与负荷轮38接触。此时负荷轮38被飞轮25带动而沿相反转向转动。因此飞轮25能量被分散一部分，速度减慢，要维持原速，必须加力踩动，因此造成负荷上升感觉。

为了使负荷轮38在与飞轮25接触时，使负荷大大增加，因此负荷轮用很重的材料作成具相当质量者，此外，负荷轮的轴承也作成具大摩擦力者，如此，在“上坡”时，负荷明显增加，而且一但停止踩踏板，则负荷轮因其轴承的摩擦力大而立刻停住，不致因为其惯性大而造成飞轮继续转动的怪事。

负荷轮38的轴381保持位于一导引架382，导引架382下方固定在左右倾台332上。导引架382中有一条导引槽孔，并有一预力压缩弹簧(PrestressedCompression Spring)383，因此当路斜度再增加时，负荷轮38及其轴381再被往下压，使轴381在导引槽孔中向下移，并将预力压缩弹簧压缩得更多。由于此时受到弹簧力影响，飞轮25与负荷轮38接触得更紧，因此转动时负荷更大。如此造成“上坡的坡度越大，负荷越大”的感觉。当然，还可设第二负荷轮38’、甚至设第三负荷轮(图未示)，当坡度更大时，例如大于10％，就和第二负荷轮38’开始接触，则负荷随坡度加大的感觉继续随坡度增加更加大。

相反地，在下坡时，负荷变小，变零甚至变负如此可产生上坡时值，为此目的，设有一驱动轮39，如图7所示，它在坡度为零时，与飞轮25保持一间隙。当下坡斜度超过例如2％时，飞轮25就碰到驱动轮39(图中用虚线表示)。驱动轮39的轴391浮动地支承在一杠杆392的自由端，杠杆392另一端395固定枢设在左右倾台332上，且有一带轮394与它同轴设置，带轮(pulley)394经一皮带396驱动一个和驱动轮39共轴的小轮397。带轮394受到一马达M(图未示)驱动，该马达M可由蓄电池37供电。

有一压缩弹簧393将杠杆392保持在图7所示位置，当坡度更大时，则飞轮25将驱动轮39及杠杆392逆着压缩弹簧393的力量往上顶。

为了使得在坡度更大时，驱动力量更大，可在坡度超过10％时，和第二个驱动轮(图未示)接触而得到又一个驱动力量，因此车子空跑(滑下坡)得更快。

另一种使驱动力量随坡度增加的方法，控制马达M的电流E。请参考图2，坡度数据D(

)也旁路到一个电流控制器371，当D(

)变大时，电流E对应地加强(例如正比于sec(

))，使驱动力量加大。

这种不用机械方式而用电子方式改变负荷的方式也可用在上坡，亦即在上坡时，可依斜度将播放速度(车速)d(r)，例如除以sec(

)，则车速变慢，间接达到依坡度增加负荷的目的。

为了防止在下坡时扳下刹车时，马达M继续驱动飞轮，造成较大磨损，故马达M上游设有一逻辑电路13，它包含一XOR闸和一AND闸(见图8A)刹车信号d(b)和电池电流E分别接到XOR闸的二输入端，XOR输出端接到一AND闸的一输入端，电流E也旁路到AND闸的另一输入端，AND闸输出端则接到马达M。在另一种等效电路，前述XOR闸亦可以用一NOT(反相)闸替代，如图8B所示，刹车信号d(b)连接到NOT闸的输入端，NOT闸的输出端则连接AND闸的一输入端，电流E则连接AND闸的另一输入端，AND闸输出端则接到马达M。

如此只要刹车扳下时，AND闸输出立刻变0。由于驱动轮39也是经由一个自由轮(图未示)受到小带轮397驱动，因此电流E中断时，带轮394及小带轮397立刻停住不作驱动，但驱动轮39仍可空转，被渐慢的飞轮25带动沿反向转动，直到飞轮停住为止。

负荷轮38、38’和驱动轮39都固设在左右倾台332上，如此，不论底座33转动或左右倾，它们和飞轮25的相对位置都不会改变。如图9A、9B及9C所示，在转弯时，使用者须对应地转动车把22，以免跑出路外。如车把角度d(θ)和路的曲率(方位角)D(θ)不一致，则比较器11输出一偏差信号+Δθ或-Δθ，使转台331再向右或向左转了Δθ的角度，此时，车把就不是面对显示屏31中央，因此他需快修正车把角度回到中央以免跑出路外，遭到惩罚程序的修理。

上述转台331控制流程如图10所示，包含下列步骤：

在每一个路段，计算机除了将画面一一播出外，同时一直读取D(θ)及检出d(θ)。(步骤1000)

如车把转动，例如左/右偏转一θ角，则信号d(θ)不为零，如果车把未转动，d(θ)等于零，则继续读取D(θ)并检出d(θ)。(步骤1001)

当车把向右偏或左偏转时(步骤1002)，如果信号d(θ)小于零则判断车把左偏，进行步骤(1003)，反之则判断车把右偏，进行步骤(1004)。

车把左转一角度θ时，转台右转至θ角处，并随车把的变动而一直改变其角度位置(步骤1003)。

车把右转一角度θ时，转台左转至θ角处并随车把以后的变动而一直改变其角度位置(步骤1004)。

在正确的驾驶时，车把转动θ造成的回转半径要经常和道路曲率半径D(θ)一致(步骤1005)。有一比较器(11)将车把角度信号d(θ)和D(θ)做比较。如果D(θ)-d(θ)＝0则判断车回转半径等于车道曲率半径。则继续进行下一步骤(1008)，否则进行步骤(1006)。

在步骤(1006)中，如果在跑出车道前修正车把偏角，则回复到步骤(1003)或(1004)的正常作业。

否则就会冲出路外，而被判出局(步骤1007)，执行惩罚程序，再回设到最初开始偏差前的状态。

在步骤(1005)中，如果车把偏角修正成功，则回到步骤(1003)或(1004)的正常作业。但在这以前须先在一步骤(1008)看车把是否转直。如果前面路变直，车把转直，则回到最初状态。

图10中的流程和现有的视讯游戏的汽机车驾驶大致相似，因此其进一步细节无须赘述。

再者，当车把右转或左转时，车把的电子检出器除了送出角度信号d(θ)，同时也可依左右转而定产生一个左右倾信号d(ω)送到左右倾台332，它的相关步进马达就将左右倾台转一小角度ω(在5°以内)以产生一些离心感。此偏移角度可依车速[即播放速度d(r)]高低而得大一点或小一点，但不能大到使得使用者感到不舒适。

上述左右倾台(332)控制流程如图11所示，包含下列步骤：

在每一路段，计算机一直读取d(θ)(步骤1100)。如果车把没有偏转则d(θ)＝0，判断车把没有偏转则继续读取d(θ)(步骤1001)。如d(θ)≠0则进一步判断车把右转或左转(步骤1102)，d(θ)小于零则判断车把为左转，进行步骤(1103)，反之如果d(θ)大于零，则判断车把为右转，进行步骤(1104)，对应于此左右倾台左倾一小角度ω(步骤1103)或左右倾台右倾一小角度ω(步骤1004)。如有必要此ω角还可依车速d(r)而大一些或小一些以产生不同的离心感。在车把偏移后，继续检测车把是否转直d(θ)＝0(步骤1005)，如果判断车把尚未转直，则左右倾台继续维持左倾或右倾，反之则进行下一步骤(1006)

使左右倾台回复至中间直立位置，判断车把已转至中央，则倾台回复至中间并继续读取d(θ)。

当使用者坐到座位上时，座位下的重量传感器就测出其体重(例如60Kg)，并将体重信号d(w)送到播放速度控制器12。以后飞轮速度d(s)就除以此值d(w)以得到实际的播放速度。因为此人属中等体重，因此他适用3～6档。(如为小孩，则适用1～4档，如为大块头，则适用于5档以上的高档)。

由于本发明中各参数大多互相独立操作，因此计算机中需规划的控制程序都很简单，故不需再更进一步详细说明，只由以上说明即可完全了解。

相较于真实的脚踏车旅游，本发明完全没有先前技术所提及(一)～(十五)的缺点，可以轻松舒适地在任何时刻空手到健身房去享受所喜欢的路线。口渴了，可就旁边的自动贩卖机买一罐清凉的饮料，饿了可以到旁边的餐厅享受一顿美食。累了，可以随时停下，到一边的躺椅上休息。还可一面骑车，一面打行动电话聊天，或用MP3听喜欢的音乐。

本发明的飞轮25可做得很轻。在实际的脚踏车，在刹车时，刹车来令片要将车子与骑车者的高速惯量刹止住，因此受到很大磨损，尤其下坡时要一路使用，因此需常更换，但本发明中，当不踩踏板时，飞轮是在自由轮上空转，所以刹车只需将飞轮的惯量刹止住，因此磨损极小。而且本发明实施时，道路都是一路净空的安全路况，很少要用到刹车，因此刹车来令片可以完全不用更换。由于刹车的摩擦很小，产生的机械式噪音太小，因此必须另外利用电子刹车声音产生器，依刹车信号d(b)产生够大的虚拟刹车声音，从扬声器32发出。

本发明由于兼有健身、益智、娱乐三重功能，而且世界上的美景道路数辈子也骑不完，因此它一旦普遍化，可以持续几十年或更久而不会过时被淘汰。而一般视讯游乐器汰旧换新极快，因此投资风险很大。而本发明只要做出一台自动摄影车，即可很快地将各地美景制成许多光盘。而使用者就像上健身房或电影院，只要付少许租金，即可使用该系统的设备及相关光盘，从而健身、益智、娱乐一举三得。

Claims (10)

1.一种模拟一脚踏车沿一道路行驶的系统，包含：

一道路沿途隔一间隔沿道路沿切向水平拍摄的一连串景观影像数据，呈可被计算机读取的形式储存；

一计算机，可读取该道路景观数据；

一大显示屏，连结该计算机，用于播放该计算机所读取的道路的景观数据；

一固定式脚踏车，具有一飞轮，可受固定式脚踏车踩动而驱动，该脚踏车设于该显示屏前且连结该计算机，经由该计算机控制依飞轮的转速而定控制显示屏画面播放的速度。

2.如权利要求1所述的模拟一脚踏车沿一条道路行驶的系统，其中该固定式脚踏车设于一底座上并包含：

一对踏板；

一车把；

一飞轮，受踏板带动运转，并具有一飞轮检出器，该飞轮检出器连结至前述计算机，可根据飞轮转速而传送一转速信号予该计算机；

一刹车，设于车把上，该刹车可抑制飞轮转速且可传送一刹车信号予该计算机；

一变速器，可选择不同增速比的多个档位，且具有一入力轴及一出力轴，该入力轴与踏板连接，该出力轴经一自由轮和飞轮连接；

一座位，设于飞轮与车把之间，以供使用者骑乘，并可根据使用者重量传送一重量信号予前述计算机，使该画面播放速度与该重量成反比；及

一发电机，受飞轮所驱动而发电。

3.如权利要求2所述的模拟一脚踏车沿一条道路行驶的系统，其中该底座具有绕三方向的轴转动的三种自由度，且包含：

一转台，可绕一垂直轴Z方向旋转；

一左右倾台，前后利用纵方向Y的一水平纵轴支承在该转台内，该左右倾台可绕该水平纵轴作左右倾转；

一前后倾台，具有横方向X的一水平横轴支承在该左右倾台内，该前后倾台可绕该水平横轴前后倾斜，前述固定脚踏车下方有一底柱，固定于该前后倾台中心。

4.如权利要求1所述的模拟一脚踏车沿一条道路行驶的系统，其中该景观影像数据存在一光盘中，该光盘另外还包含：

与该景观影像数据相关的该道路各路段的声讯资料；及

字幕及附加视讯；以及

湿度资料、道路曲率或海拔、道路坡度或方位。

5.如权利要求4所述的模拟一脚踏车沿一条道路行驶的系统，其中还包含一扬声器，连结至所述计算机，可受计算机控制而播放该声讯数据。

6.如权利要求1所述的模拟一脚踏车沿一条道路行驶的系统，其中还包含多个鼓风装置，分别设于显示屏的上方及下方，受计算机控制依景观影像数据播放速度而定，而改变送风强度，且其设置方式使其吹出的风合力成为朝向该固定式脚踏车者。

7.如权利要求1所述的模拟一脚踏车沿一条道路行驶的系统，还包含一空调系统，受计算机控制而可调整空调温度。

8.如权利要求2所述的模拟一脚踏车沿一条道路行驶的系统，其中该固定式脚踏车还包含一蓄电池，以储存所述发电机所产生的电能。

9.如权利要求3所述的模拟一脚踏车沿一条道路行驶的系统，其中该固定式脚踏车还包含一负荷轮，其轴支承在一具弹簧力的导引架中而设于飞轮旁，并于飞轮保持一间隙，当前后倾台后倾超过一预定倾斜角度时可与飞轮进行弹性接触，该导引架固定在该左右倾台上。

10.如权利要求3所述的模拟一脚踏车沿一条道路行驶的系统，其中该固定式脚踏车进一步包含一驱动轮，其轴浮动支承在一受弹簧力的杠杆的自由端上而设于飞轮旁，并于飞轮保持一间隙，该驱动轮受一马达驱动而与飞轮转动方向相反，当前后倾台前倾超过一预定倾斜角度时可与飞轮进行弹性接触，该杠杆的固定端固定在该左右倾台上。

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