CN112915509A - 一种用于残疾人坐姿滑雪训练与测试的模拟滑雪机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于残疾人坐姿滑雪训练与测试的模拟滑雪机，包括两个带传动机构、固定于两传动带机构之间的垫台及滑雪椅以及电控系统；带传动机构包括机架、传动带、主动轮、从动轮、伺服电机、同步带传动机构和多个三维力传感器；从动轮和主动轮分别位于机架的前后端，伺服电机通过同步带传动机构、主动轮和传动带带动从动轮转动；多个三维力传感器固定于机架的内侧壁上且顶部被一传动带支撑板覆盖，传动带支撑板的顶部与传动带相接触，当滑雪杖对传动带产生作用力时，该作用力通过传动支撑板传递后被各三维力传感器采集并输出至所述电控系统，电控系统根据接收的三维力数据控制伺服电机的转速。本发明能够实现坐姿越野滑雪动作的全过程模拟。

Description

一种用于残疾人坐姿滑雪训练与测试的模拟滑雪机

技术领域

本发明涉及滑雪模拟机械技术领域，特别涉及一种用于残疾人坐姿滑雪训练与测试的模拟滑雪机。

背景技术

我国健全人冬季项目在世界处于领先地位，科技含量处于较高层次，但是残疾人奥运会雪上项目的训练科技含量低，运动技术和器材尚未得到科研上的支持，几乎没有科研理论和训练手段的研究，运动成绩的提高受到限制。目前，我国残疾人冬季雪上项目训练方法手段相对比较滞后，训练时间短、比赛活动机会又少，很难在训练和比赛成绩上有更大的提高，这些问题都会制约我国残疾人冬季体育运动的发展。

下肢残疾的冬残奥运动员比较特殊，不能依靠腿部力量进行滑雪运动，只能坐在滑雪器上依靠上肢力量进行撑杖滑行。目前，我国用于冬残奥会运动员坐姿滑雪训练的专用器材较少，用于坐姿滑雪运动员运动数据采集测试的器材更少之又少。因此，亟需设计一种用于残疾人坐姿滑雪训练与测试的模拟滑雪机，提高残疾人坐姿滑雪运动员的训练水平。

已有的室内模拟滑雪机，如中国实用新型专利CN208541771U(授权公告日2019.02.26)公开了一种结构简单、设计合理、外形美观、可靠性高、稳定性好、能够满足冰雪运动的发展和需要的室内模拟滑雪机。不足在于该滑雪机不适合于残疾人坐姿滑雪运动员训练使用，占地面积大，使用者只能被动得在给定速度下运动，且不能检测撑杆力数据。

发明内容

本发明的目在于克服现有技术的不足之处，提供一种用于残疾人坐姿滑雪训练与测试的模拟滑雪机。本发明的模拟滑雪机能够让下肢残疾的冬残奥运动员不再受季节和场地因素的约束，在室内就可以进行滑雪训练和能力测试。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种用于残疾人坐姿滑雪训练与测试的模拟滑雪机，其特征在于，包括两个左右对称的带传动机构、固定于两个传动带机构之间且靠近带传动机构一端的垫台及滑雪椅、以及电控系统；各带传动机构均分别包括机架、传动带、主动轮、从动轮、伺服电机、同步带传动机构和多个三维力传感器；所述从动轮套设在固定于机架前端的从动轴上，所述主动轮套设在转动连接于机架后端的主动轴上，所述伺服电机依次通过所述同步带传动机构和主动轴带动主动轮转动，所述主动轮通过传动带带动从动轮转动；多个所述三维力传感器沿传动带长度方向均匀分布且固定于机架的内侧壁上，多个所述三维力传感器顶部被一传动带支撑板覆盖且各三维力传感器与传动带支撑板之间固定连接，所述传动带支撑板的顶部与传动带相接触，当滑雪杖对所述传动带产生作用力时，该作用力通过传动支撑板传递后被各三维力传感器采集并输出至所述电控系统，电控系统根据接收的三维力数据控制伺服电机的转速；

所述三维力传感器采集的三维力与传动带的运转速度满足下式：

式中，a为当前时刻传动带的运转加速度，v为当前时刻传动带的运转速度，v₀为上一时刻传动带的运转速度，T为当前时刻，t₀为当前时刻与上一时刻的时间间隔，F_Y1和F_Y2分别为左右两侧的三维力传感器所采集到的沿前进方向的撑杆力，f为模拟的滑雪板与雪地之间的摩擦系数，M为使用者和所述模拟滑雪机的质量之和，F_Z1和F_Z2分别为右两侧的三维力传感器所采集到的沿竖直方向的撑杆力，g为重力加速度。

与现有技术相比，本发明具有以下特点及有益效果：

本发明采用分体式双皮带传动结构，使用者的身体可以固定不动，进行滑雪上肢撑杆动作模拟。本发明可以为无法依靠腿部力量、只能坐在滑雪椅上依靠上肢力量进行撑杖滑行的滑雪者提供一个安全可靠的滑雪模拟平台。

相比于传统的传动带式室内模拟滑雪机，本发明的占地空间更小、制造成更低、重量更轻、安全性更高。本发明对工作环境的要求较低，可安放于大多数室内环境，同时，由于本发明体积小、质量轻，使用者可根据实际要求挪动位置。

运动员在利用本发明的模拟滑雪机时，滑雪杖可以自由抬起进行正常滑雪运杆，从而克服现有的滑轨拉绳式越野滑雪模拟器的滑雪杖无法正常抬起的问题，实现坐姿越野滑雪动作的全过程模拟，给使用者以更加真实的坐姿越野滑雪感受。

另外，本发明还可以实时检测并保存运动员撑杆时施加在装置上的撑杆力数据，用于使用者的运动数据分析，从而帮助使用者更清楚地认识自己的能力。同时，本发明中的三维力传感器将检测到的三维力数据输入到电控系统软件中，电控系统软件根据实际滑雪中的力学函数，将采集到的三维力数据转化成加速度，再通过积分运算得到速度，进而控制伺服电机的转速变化。从而，使滑雪机更加智能化，能够提高滑雪机模拟的真实感，运动员能够获得更加真实的滑雪感受。

附图说明

图1是本发明实施例的一种模拟滑雪机的整体结构示意图；

图2是图1所示模拟滑雪机中带传动机构的结构示意图；

图3是将图2所示带传动机构中的传动带除去后的结构示意图；

图4是图1所示带传动机构前端的皮带支撑板及三维力传感器处的结构示意图；

图5是图1所示模拟滑雪机调整速度的流程图。

图中：10-机架保护罩、20-传动带、30-伺服电机、40-带轮罩、50-电机安装板、60-机架、61-4080皮带线固定块、62-4080皮带线张紧块、70-脚杯、80-传动带支撑板、90-主动轮、100-同步带张紧螺杆、110-同步带传动机构、111-同步带张紧螺杆、112-同步带主动轮、113-同步带从动轮、114-同步带、120-从动轮、130-传感器连接板、140-三维力传感器、150-传动带张紧螺杆、160-传感器支撑板、170-滑雪椅、180-带传动机构、190-垫台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提出的一种用于残疾人坐姿滑雪训练与测试的模拟滑雪机的技术方案进行详细说明。

如图1～图4所示，本发明提出的一种用于残疾人坐姿滑雪训练与测试的模拟滑雪机，包括两个左右对称且相互独立的带传动机构180、固定于两个传动带机构之间且靠近带传动机构一端的垫台190、固定于垫台190之上的滑雪椅170以及电控系统(该电控系统在图中未示意出)。使用时，残疾人坐姿滑雪运动员的滑雪架固定于两个带传动机构之间、靠近从动滚筒一端的位置。残疾人运动员坐在滑雪椅170上，手持滑雪杖在两个带传动机构180的传动带上做撑杆动作。本模拟滑雪机还可以根据坐姿滑雪运动员的撑杆习惯及左右两根滑雪杖的杖尖距离，对滑雪椅170的固定位置、两个带传动机构180的间距进行灵活调整，以满足不同运动员的需求。与已有的模拟滑雪机相比，本发明使用者的滑雪椅不需要安装在传动带上，只需牢牢固定在地面上即可，这样安全性更好，降低了使用者的心理负担，让他们能够更加安心地使用本发明；同时，本发明还具有占地空间小、移动方便的优点。

本发明实施例两个带传动机构180的结构相同，现以其中一侧的带传动机构为例进行说明。带传动机构180包括机架60、传动带20、主动轮90、从动轮120、伺服电机30、同步带传动机构110和多个三维力传感器140。从动轮120套设在固定于机架60前端的从动轴(从动轴与机架之间保持相对静止)上，主动轮90套设在转动连接于机架60后端的主动轴上，伺服电机30依次通过同步带传动机构110和主动轴带动主动轮90转动，主动轮90通过传动带20带动从动轮120转动。多个三维力传感器140沿传动带20长度方向均匀分布且固定于机架60的内侧壁上，多个三维力传感器140顶部被一传动带支撑板80覆盖且各三维力传感器140与传动带支撑板80之间不产生相对运动，传动带支撑板80的顶部与传动带相接触，当滑雪杖对传动带20产生作用力时，该作用力通过传动支撑板80传递后被各三维力传感器140采集并输出至电控系统，电控系统根据接收的三维力数据控制伺服电机30的转速。

本发明实施例中各部件的具体实现方式及功能分别描述如下：

本实施例的机架60为由质量轻、刚性好的框架结构，本实施例采用4080铝型材，该框架结构上设有4080皮带线固定块61和4080皮带线张紧块62，具体地，4080皮带线固定块61用于安装主动轮90的轮轴(即主动轴)，4080皮带线固定块61上设有轴承，使得主动轴可以在4080皮带线固定块61内自由转动；4080皮带线张紧块62用于安装从动轮120的轮轴(即从动轴)，从动轴在4080皮带线张紧块62中可通过旋转传动带张紧螺杆来调整从动轴的位置。机架60的两侧还设有机架保护罩10，用来防止装置在使用过程中人员与机架60的框架结构发生碰撞而造成人员受伤。机架60后端的下方固定有电机安装板50，用于安装伺服电机30。机架60的后端通过转动轴承安装主动轴，使得主动轴与机架60之间可产生相对转动；机架60的前端安装从动轴，从动轴与机架60之间不会发生相对转动，但可以通过调整从动轴的前后位置来实现传动带的张紧。

进一步地，机架60的底部设有均匀分布的多个脚杯70，用于本模拟滑雪机的水平调整。

参见图3，同步带传动机构110设置于机架60后端，包括固定于电机安装板50上的同步带张紧螺杆111、与伺服电机30输出轴键连接的同步带主动轮112、套设在主动轴一端的同步带从动轮113和连接于同步带主动轮112和同步带从动轮113之间的同步带114。伺服电机30的输出轴与其中一个同步带轮112通过键连接，可以通过转动同步带张紧螺杆111来调节伺服电机30输出轴与同步带主动轮112之间的相对位置，从而张紧同步带113。同步带传动机构110外侧还设有带轮罩40，用于防止装置在使用过程中外界环境对伺服电机30传动造成影响及保护人员安全。伺服电机30带有刹车机构，该刹车机构更能保证使用者的人身安全，当发生意外情况按急停按钮时，可实现瞬间紧急刹车。

主动轮90和从动轮120上均设有挡边，用于防止传动带20在运行过程中出现跑偏现象。从动轮120的定轴两端设有螺纹孔，分别与一个传动带张紧螺杆150的一端连接，传动带张紧螺杆150的另一端穿过机架，可以通过转动传动带张紧螺杆150穿过机架的另一端来张紧传动带20，来保持传动带20的张紧度，以防止发生打滑现象，提高传动带20运动的平稳性。

如图4所示，机架60前后端的内侧壁处分别固定设有一传感器支撑板160，在各传感器支撑板160上分别固定一三维力传感器140，各三维力传感器140的顶部均与一传感器连接板130的底部通过螺栓固定连接，该传感器连接板130的顶部与传动带支撑板80的底部之间连通过螺栓固定连接。

进一步地，传动带支撑板80采用铝合金T型槽板，具有刚度好，质量轻的特点，同时T型槽板属于标准件，不需要订制，便于生产运输。传动带支撑板80前后端的T型槽可以锁住用于连接传感器连接板130和三维力传感器140之间的螺栓，使两者不会发生相对滑移。传动带支撑板80的上表面经过聚四氟乙烯热喷涂处理。聚四氟乙烯涂层在传动带20和传动带支撑板80之间能够起到润滑作用，降低摩擦系数，从而延长了传动带20的寿命，降低了传动带20和传动带支撑板80之间摩擦力对三维力传感器140的影响。同时，聚四氟乙烯具有良好的电绝缘性，可以避免传动带20摩擦时产生静电，对本装置造成影响。

如图5所示，当残疾人坐姿越野滑雪运动员在本模拟滑雪机上撑杆时，运动员通过滑雪杖将力施加到传动带支撑板80上，位于传动带支撑板80下方的三维力传感器140将采集到的运动员撑杆力数据输入到电控系统中，控制端根据实际滑雪中的力学函数，将所采集到的三维力数据转化成加速度，再通过积分运算得到伺服电机30的转速，然后电控系统给伺服电机30的控制器发送指令，伺服电机30的控制器控制伺服电机30的转速变化，伺服电机30带动传动带20按照电控系统所计算出的速度运转，从而对使用者的撑杆力产生一个相对应的速度反馈。

由采集到的三维力数据转化为传动带的运转速度计算公式如下：

式中，a为当前时刻传动带20的运转加速度，v为当前时刻传动带20的运转速度，v₀为上一时刻(间隔t₀时间，一般取10ms)传动带20的运转速度，T为当前时刻，F_Y1和F_Y2分别为左右两侧的三维力传感器140所采集到的沿前进方向的撑杆力，f为模拟的滑雪板与雪地之间的摩擦系数(f的值可以在系统中设定)，M为使用者及其使用的设备的质量之和(使用者使用本套设备前需先在系统中设置自己的M值)，F_Z1和F_Z2分别为右两侧的三维力传感器所采集到的沿竖直方向的撑杆力，g为重力加速度。

这种根据传动带支撑板80下方的三维力传感器140所采集到的残疾人坐姿滑雪运动员的撑杆力数据来控制模拟滑雪机的滚筒转速变化的方法使滑雪机更加智能化，提高了滑雪机模拟的真实感，残疾人运动员能够获得更加真实的滑雪感受。同时，电控系统还可以将三维力传感器140采集到的数据保存下来，用于残疾人坐姿滑雪运动员运动数据采集分析，帮助他们提高滑雪技术水平。

Claims (9)

1.一种用于残疾人坐姿滑雪训练与测试的模拟滑雪机，其特征在于，包括两个左右对称的带传动机构、固定于两个传动带机构之间且靠近带传动机构一端的垫台及滑雪椅、以及电控系统；各带传动机构均分别包括机架、传动带、主动轮、从动轮、伺服电机、同步带传动机构和多个三维力传感器；所述从动轮套设在固定于机架前端的从动轴上，所述主动轮套设在转动连接于机架后端的主动轴上，所述伺服电机依次通过所述同步带传动机构和主动轴带动主动轮转动，所述主动轮通过传动带带动从动轮转动；多个所述三维力传感器沿传动带长度方向均匀分布且固定于机架的内侧壁上，多个所述三维力传感器顶部被一传动带支撑板覆盖且各三维力传感器与传动带支撑板之间固定连接，所述传动带支撑板的顶部与传动带相接触，当滑雪杖对所述传动带产生作用力时，该作用力通过传动支撑板传递后被各三维力传感器采集并输出至所述电控系统，电控系统根据接收的三维力数据控制伺服电机的转速；

所述三维力传感器采集的三维力与传动带的运转速度满足下式：

式中，a为当前时刻传动带的运转加速度，v为当前时刻传动带的运转速度，v₀为上一时刻传动带的运转速度，T为当前时刻，t₀为当前时刻与上一时刻的时间间隔，F_Y1和F_Y2分别为左右两侧的三维力传感器所采集到的沿前进方向的撑杆力，f为模拟的滑雪板与雪地之间的摩擦系数，M为使用者和所述模拟滑雪机的质量之和，F_Z1和F_Z2分别为右两侧的三维力传感器所采集到的沿竖直方向的撑杆力，g为重力加速度。

2.根据权利要求1所述的模拟滑雪机，其特征在于，所述传动带支撑板为T型槽板。

3.根据权利要求1所述的模拟滑雪机，其特征在于，所述传动带支撑板为铝合金T型槽板。

4.根据权利要求1所述的模拟滑雪机，其特征在于，所述传动带支撑板的上表面喷涂有聚四氟乙烯。

5.根据权利要求1所述的模拟滑雪机，其特征在于，所述机架前后端的内侧壁处分别固定设有一传感器支撑板，在各传感器支撑板上分别固定一个所述三维力传感器。

6.根据权利要求1所述的模拟滑雪机，其特征在于，所述主动轮和从动轮上均设有挡边。

7.根据权利要求1所述的模拟滑雪机，其特征在于，所述同步带传动机构包括位于机架上的同步带张紧螺杆、与所述伺服电机的输出轴键连接的同步带主动轮、套设于所述主动轴一端的同步带从动轮、以及连接于所述同步带主动轮和同步带从动轮之间的同步带，通过转动所述同步带张紧螺杆来调节伺服电机输出轴与同步带主动轮之间的相对位置，从而张紧同步带。

8.根据权利要求1所述的模拟滑雪机，其特征在于，所述机架为框架结构，在机架的后端下方设置有电机安装板，在机架上位于传动带的两侧设有机架保护罩。

9.根据权利要求1所述的模拟滑雪机，其特征在于，所述机架底部设有均匀分布的多个脚杯。

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