CN116648291A - 用于限制用户在水生介质中移动的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于限制用户在水生介质中的移动的系统，涉及游泳系统，并且可以用于模拟虚拟现实(VR)的系统。通过使用该系统，可以响应于游泳者在任何方向上的移动而产生游泳者返回力，可以增加VR中的临场效果，并且可以减少对支撑部分和游泳池中所利用的区域的表面积的要求。该系统包括保持游泳者(直接地或经由中间物)并通过支撑件系统锚定的柔弹性构件。游泳者的移动导致弹性构件整体移动而不变形，使得其端部高度变化。该系统通过弹性构件的弯曲来响应游泳者在水平方向上的位移。为了提供竖直自由度，弹性构件安装在被配置成旋转的支撑件上。替代地，弹性构件被配置成平移地移动。弹性构件可以经由固定在游泳者身体上的模块或由游泳者手持的模块连接到游泳者。弹性构件可具有弯曲形状以防止其与用户碰撞。

Description

用于限制用户在水生介质中移动的系统

技术领域

本发明涉及游泳系统，并且可以用于训练、娱乐或康复游泳系统，尤其包括虚拟现实模拟系统。所要求保护的系统主要用于浮潜，即在水下游泳，同时配备有面罩和呼吸管，但是也可以用于用户(游泳者)在水生介质中的其他类型的移动。

背景技术

已知一种用于通过用户所施加的努力来控制虚拟对象的系统(WO2019027358A1，公开于2019年2月7日，优先权为2017年7月31日，RU2017127259A，A63F13/428；G09B9/00)，目的在于移动与虚拟对象相关联的物质身体，该物质身体由系绳系统固定，使得系绳将身体保持在稳定平衡的位置，该身体能够围绕靠近身体中心经过的轴旋转。描述了用于测量游泳者所施加的作用力的系统操作的物理原理，其可以用于模拟游泳者在虚拟空间中的化身移动。解决了该系统的两个主要用途：模拟潜水和模拟浮潜。

由于游泳者在现实世界中的移动受到物理限制，将系统操作原理应用于浮潜不同于将它们应用于潜水。当潜水时，游泳者相对于三个参考轴线中的任何一个自由移动，而当浮潜时，游泳者的移动限于沿水平面即二维空间游泳。这样，由控制器测量的力在游泳者身体上的竖直分量通常不与用户的游泳意图相关，而是取决于用于将用户固定在游泳池中的系统的特定特征。

例如，在用户被采用安装在游泳池上方的系绳固定的情况下，当用户离开游泳区中心时，他/她围绕半径等于系绳长度的球体移动。响应于他/她从他/她的平衡位置的偏离，他/她浸没在水中的深度发生变化。响应于从平衡位置的一定偏离，用户身体开始从水上浮，阿基米德力随着对系绳的作用的相应增加而减小，并且系绳张力的竖直分量增加，从而导致稳定的平衡。游泳者除了通过下潜并由此停止通过通气管的空气供应之外，不能有意地改变力的竖直分量，这对于虚拟现实系统是不期望的。由于不能采取对角的身体姿势，任何相反的变化(即，向上游泳)实际上是不可能的。

鉴于上述内容，浮潜模拟可能忽略所测量的力的竖直分量，并且可能仅限于水平分量测量。

这样，这样产生的力的竖直分量不会对模拟计算造成任何显著的问题。然而，在主动游泳的情况下，所述部件可能直接对游泳者产生不利的影响。如果游泳者被布置在低位处的系绳固定，则他/她可能被相当强地拖曳到水面下，这将导致身体倾斜角的改变(用户身体从水平姿势偏离，其中游泳者的带被拖曳到大的深度)，并且在极端深度处，会出现通过通气管呼吸中的问题(游泳者的头也被拖曳到大的深度)。在系绳被锚定在高点的情况下，上述问题不是如此严重，因为当用户游泳时，系绳将他/她向上拉。在这种情况下，身体首先在水下采取更水平的姿势，这通常不妨碍游泳，并且当身体被拉出到水面上时，阿基米德力减小，导致对进一步拉出的有效阻力。

因此，浮潜系统具有由顶置式系绳限制的游泳者，并且为施加较小游泳努力的用户提供足够的舒适度。然而，如果施加中等或高的游泳努力，被拉出到水面的游泳者和被拉紧的系绳导致虚拟现实中临场效果的降低，该降低在于当穿过虚拟空间中的均匀区域时的身体感觉的不均匀性。例如，在平衡点附近的物理空间中游泳时，在移动方向发生变化的情况下，系绳张力变得极小，用户感到与自由游泳的感觉接近的感觉。在主动游泳的情况下，在这种区域之后不久，游泳者从平衡位置的偏离达到其最大值，导致系绳张力沿对角向上相当急剧地增加，并且由于由约束系统提供给身体的增加的支撑而导致游泳状态的变化。物理急动感觉以及当改变移动方向时感觉的不均匀性在虚拟空间中不接收任何增强，这导致临场效果降低。上述不利影响可以通过增加系绳弹性来减轻；然而，在这种情况下，物理游泳区域半径(游泳池大小)将必须相应地增加，从而使得系统的成本效率较低。

通过为训练游泳者或教导游泳而开发的现有技术系统来解决与将游泳者保持在特定游泳区内有关的目的。具体地，它们旨在解决诸如将游泳者保持在一定深度，同时如果游泳者具有差的游泳技能，则防止他/她不自觉地进入水下的问题，以及主要通过提供静止游泳来减小所需的游泳区(游泳池长度)。这种系统代表产生阻碍游泳者移动的水流的装置或保持游泳者静止同时在一定深度和一定方向上浮起游泳者的系绳系统。它们通常包括支撑件，该支撑件承载被设计成直接或经由中间物保持游泳者的元件。也就是说，保持构件的一端连接到游泳者，另一端在水池侧板处连接到支撑件(CN206616898U、US7185598B1、US2010009813A1、US4527795A、US7442151B1、US4109905A、US4530497A等)，或者通过重物容器(US5816982A、US4962923)或便携式锚定装置(US2020122812A1、US5244393A、WO2017034939A1)保持在岸边上。

US7185598B1公开了一种游泳训练设备，包括安装在托架上的弹性元件(例如，呈弹簧的形式)，该弹性元件被封装在壳体中，弹性绳附接到该壳体，该绳被配置为连接到用户。根据US2010009813A1的游泳装置包括可弹性拉伸的保持缆线(弹性绳、弹性带)，其被配置为连接到游泳者，在其另一侧，连接到保持杆。根据US7273444B2的设备包括悬挂构件，该悬挂构件被配置为内部设置有约束缆索的弹性管，其中该缆索可以比该管弹性小并且适于约束该弹性管的延伸；其中，悬挂构件连接到托架，以便能够沿着托架移动。

因此，在现有技术的装置中，直接连接到用户的构件是系绳，即，拉伸的和高度弹性的构件。然而，使用系绳可能与各种问题相关联。这样，系绳不能保持空间定向，而是仅仅限制其连接到用户的端部的移动。在悬垂偏转的情况下，系绳不产生返回力，而是仅偏转，而返回力由重力或浮力的作用产生。返回力将不会作用于移动的身体，该身体通过系绳悬挂在水中并且具有中性浮力，直到身体的浮力响应于身体从水中的一定偏离和上浮而减小。中性浮力将丧失，并且身体将开始在水中下沉。在绳索下方的某个锥形区域中，没有力作用在身体上；因此，身体是自由浮动的。响应于偏离，力开始根据绳索半径而起作用；这种动作可以相当敏锐。

此外，游泳者保持系统的一个主要目的是提供可靠的绳索锚定点，其能够承受由游泳者施加的力，例如，在游泳池的游泳区中心上方。在现有技术的系统中，该目的是如下实现的：

通过将系绳直接附接到游泳池侧板，从而限制仅在远离游泳池侧板的方向上的移动(US5816982A、US4109905A、US4527795A)；

通过利用具有反作用杠杆的系统，其不需要大的附接基部；然而，这种系统也在远离侧板的单个方向上作用(US7442151B1)；

通过使用具有附接基部的刚性托架架，该附接基部足以防止托架滚动并且通过基部处的沉重重量、或经由基部固定地锚定到地板的点、或通过其他方法来固定，托架锚定要求随着所述点和岸边之间的距离增加到大约两米而显著增加，如实现要解决的目的所需的(US7185598B1、US5244393A、US7175569B1、US4247096A)；

通过使用游泳池的相对的侧板或各种侧板(CN206616898U、US5192256A)或室内空间的墙壁/天花板，其适用于固定大小的游泳池，例如带框架的游泳池，但不太适用于各种大小和结构的游泳池，尤其是大型游泳池。

弹性杆可以用作支撑托架(US4530497A)，例如，纤维玻璃杆，系绳(电缆)连接到该弹性杆。该装置被配置为提供近似于将游泳者保持在水面上的滑行力的向上力А。同时，该向后保持力B将游泳者保持在特定区域中。在根据US7563206B1的锻炼设备中使用了类似的方法，其中，通过使用弹性支承构件，当游泳者在水体中时向游泳者提供提升动作。

用作支撑件的大多数解决方案是笨重的，难以安装具有低移动性的系统。还出现了与系统的支撑部分安装过程有关的问题。游泳池和水体具有不同的尺寸、结构特征和限制支撑件安装的其它特性。对于复杂的紧固件系统，适于使用该系统的水体的选择是有限的。

现有技术的游泳者保持系统提供了弹性地固定并且能够在一个方向上移动的游泳者。当游泳者转向并移回到岸边时，这样的系统不能执行将游泳者保持并限制在特定空间内的功能。因此，现有技术系统没有解决游泳者在某一选定区域内的所有方向上的移动限制的问题。

本发明的目的是解决以下技术问题：

来自附接系统的竖直力的不利影响，这是在使用系统模拟虚拟现实时用户临场效果降低和用户感觉不均匀性的原因；

现有技术系统在单个游泳者移动方向上的可操作性；

利用大尺寸区域游泳；

体积大、难以安装用于形成支承点的结构；

涉及游泳者游泳池尺寸、形状以及在选择支撑件时被考虑在内的其他特性的限制。

发明内容

所要求保护的发明提供了当用户(游泳者)沿水面移动时，即远离游泳池侧板并回到游泳池侧板时，产生使用户返回到特定游泳区的力。由系统沿着竖直轴线施加在用户上的动作被减小并且不依赖于游泳者从平衡位置的偏离。此外，当在虚拟现实模拟系统中使用本发明时，增加了用户所感知的临场效果，并且降低了对所要求保护的系统的支撑部分的要求。

要求保护的用于限制用户(游泳者)在水生介质中的移动的系统包括柔弹性构件，该柔弹性构件具有被设计为连接到游泳者的第一端(保持端)和被设计为借助于支撑件系统被锚定的第二端(保持端)。在此，游泳者保持构件产生返回力并限定围绕其自身的游泳区。

该系统被布置成允许弹性构件整体移动而不变形，使得当沿着水面游泳时，保持端高度在用户位置深度的自然变化范围内变化。整个弹性构件在不变形的情况下移动，其位置以这样的方式变化，即，其保持端部位置根据游泳者的移动而在竖直方向上变化。因此，游泳者具有竖直自由度，并且在该方向上不受到由弹性构件变形引起的返回力。结果，该系统向游泳者提供了均匀的感觉，因为其既不将游泳者拖曳到水面下，也不响应于接近游泳区边缘而将他/她从水中强有力地拉出。实际上，当游泳者沿水面游泳时，该系统不限制游泳者的竖直移动。

此外，弹性构件必须被安装为使得游泳者在任何水平方向上的任何显著位移都将导致弹性构件弯曲。也就是说，弹性构件通过挠曲而不是例如像现有技术系统中那样通过拉伸来响应于用户沿水面的运动。当游泳者改变其运动方向(转向另一方向或向后)时，系统继续执行其功能，即，通过产生作用在游泳者上的返回力而将游泳者保持在特定的游泳区中。

优选地，当弹性构件保持端在竖直方向上移动而不变形时，整个弹性构件在竖直方向上移动，或者基本上不改变其空间取向。在这种情况下，在相同的用户位置深度处沿所有水平方向提供返回力、响应于深度变化而平行或几乎平行地向上移动的保持构件将保持所有水平方向的返回力的均匀性。此外，当整个保持构件在竖直方向上移动时，其保持端的水平坐标保持不变，这意味着在不使用户移位的情况下发生深度变化，并且系统使用户返回的模拟区域中心位置的水平坐标保持相同，而与深度无关。

例如，通过在支承面上设置支撑件系统，使得支撑件能够围绕远离游泳区中心的大致水平的轴线旋转地运动，可以获得用户在竖直方向上的自由度(用于深度变化)。围绕所述轴线的支撑旋转的自由度被传递到弹性构件，允许后者在竖直平面中周向地移动，从而导致支撑构件保持端高度变化。优选地，弹性构件的保持端固定地连接到两个倾斜支撑件的端部，所述两个倾斜支撑件的相对端部锚定在远离所述游泳区中心的间隔开的点处。此外，支撑件系统和弹性构件被配置成相对于穿过支撑锚定点的直线旋转。

替代地，弹性构件和游泳者竖直移动性可以通过将弹性构件配置成沿着大致竖直轴线平移地移动来提供。优选地，弹性构件滑动地联接到由至少两个支撑件构成的系统，所述至少两个支撑件搁置在远离游泳区中心的不同点上。

弹性构件可以经由固定在游泳者身体上的模块或由游泳者手持的模块连接(联接)到游泳者。为了防止游泳者头部与弹性构件碰撞，当他/她将模块握在他/她的手中时，弹性构件可以在对应于游泳者头部高度的区域处远离游泳者头部弯曲，并且被配置为围绕大致竖直轴线自由旋转。

此外，弹性构件可以经由中间元件连接至游泳者，从而提供游泳者围绕弹性构件的旋转移动性。

优选地，该系统用于虚拟现实模拟系统，从而使得可以减少不期望的力对用户的影响并且增加存在的效果。当他/她的运动方向改变时以及当他/她移动到平衡点附近时，作用在游泳者上的水平力更平稳地变化。通过在用户上提供更均匀分布的竖直负载，即，不依赖于或在小程度上依赖于游泳者的水平位移的负载，改善了当离开平衡位置时感觉的均匀性。

所要求保护的系统的特征在于以下能力：

其通过响应于用户偏离预定区域而产生返回力来限制游泳者相对于中心点在任何方向上的水平位移；

与水平方向上的限制相比，其不限制或在较小程度上限制游泳者相对于水面在竖直方向上的移动。

附图说明

图1至4示出了第一实施例，包括铰接连接的支撑件：

图1

图1示出了包括单个支撑件的系统的一种形式；

图2

图2示出了当游泳者向上移动时系统的动态行为(在下文中，较粗的箭头指示响应于用户动作的系统部件的离开方向)；

图3

图3示出了当游泳者朝向游泳池的侧板移动时的系统行为；

图4

图4示出了当游泳者远离游泳池侧板移动时的系统行为；

图5

图5示出了根据第一实施例的系统的优选实施方式，包括两个间隔开的支撑件；

图6至图9示出了系统的第二实施例：

图6

图6示出了具有足够的支承基部的固定锚定的支撑件；

图7

图7示出了彼此相对地固定地锚定的两个支撑件，其中，弹性构件能够响应于游泳者的水平移动而平移地移动；

图8

图8示出了彼此相对地固定地锚定的两个支撑件，其中，弹性构件能够响应于游泳者的竖直移动而平移地移动；

图9

图9示出了利用固定在圆形框架游泳池的侧板处的三个弧形结构的优选实施方式；

图10

图10示出了锚定到游泳池底部的游泳者；

图11至12示出了用作弹性构件的弯曲托架：

图11

图11示出了呈С形托架形式的弹性构件；

图12

图12示出了梯形弹性构件；

图13

图13示出了由弹性构件固定的作用在用户上的力；

图14

图14示出了作用在由悬挂装置(系绳)固定的用户上的力以进行比较。

具体实施方式

一种移动限制系统，其允许用户(特别是游泳者)借助于柔弹性构件1保持在水生空间的特定区域(游泳区、模拟区域)内。在此，术语“游泳”应当理解为表示用户在水生介质中的任何活动，其中用户施加可能引起他/她移动的努力。

弹性构件1在其第一端(保持端2)处连接到用户，并且在其第二端(保持端3)处锚定在支撑件系统(参见图1)处，例如在水面上方或下方。由单个支撑构件4或多个支撑构件4相互连接并锚定在支承面5处构成的系统，以及支承面，即游泳池的侧板、底部或天花板，可以用作弹性构件1的支撑件系统。

保持端3必须被锚定，使得游泳者在任何水平方向上的任何显著位移都将导致弹性构件1弯曲。也就是说，对于任何保持端部2的位置深度，在其位置深度处的水平面中存在一区域，该区域设置成使得保持端部2的任何离开超出该区域都会导致弹性构件1弯曲。因此，弹性构件1通过挠曲而不是通过拉伸来响应游泳者的水平位移。与利用系绳的系统相比，响应于从平衡位置的偏离，不产生将游泳者从水中拖曳出或拖曳到水下的力。

对于任何保持系统，可以定义用户不应该离开的区域；然而，用户在该区域内的一定位移通常是可允许的。在许多情况下，游泳区尺寸和形状由游泳池尺寸和形状确定；此外，在该区域之外可能存在物理障碍，例如游泳池的侧板，并且应当防止用户接触它们。这样，响应于用户的位移(以及系统固定在他/她身体上的点)，这可能导致用户接触物理障碍物或用户身体的任何部分(在大多数情况下，用户的伸出手臂)离开指定的游泳区，锚定系统应当产生防止任何进一步位移的返回力。任何导致用户离开游泳区风险的偏离在本文中被称为“从游泳区中心的显著偏离”。实际上，在显著位移的情况下，必须产生返回力以使系统执行其保持功能。应当注意，在实践中，在针对不同高度、臂长和身体质量的大范围用户定义游泳区的情况下，系统通常应当在用户位移变得显著之前产生足够的返回力。

弹性构件1可连接到游泳者，以允许他/她(游泳者)单独地或与弹性构件1一起围绕竖直轴线旋转。到游泳者的连接可以是铰接的或柔性的类型，并且可包括使用短的柔性中间元件(例如，由绳索或橡胶制成)或其他现有技术的接头，其在弹性构件1附接点处在足以使游泳者自由游泳的范围内提供游泳者的旋转移动性。

该系统被布置成允许弹性构件1整体移动而不变形(例如，被拉伸)。这种运动导致保持端2的高度相对于选定的水平表面例如游泳池底部变化，即保持端在竖直方向上移位。该移位至少发生在游泳者沿水面游泳时所处的深度的自然变化范围内。然而，保持端2不应响应于深度变化而移动或仅应在水平方向上较小程度地移动。否则，在深度变化的情况下，用户将从保持端2感测到与用户游泳活动无关的水平压力；此外，游泳区中心在不同深度将具有不同的水平坐标，这对于具有竖直壁的游泳池是没有意义的。

给定弹性构件1的竖直自由度，系统的支承点不需要支承游泳者重量；此外，在支撑件可绕水平轴线旋转的实施方式中，它们不需要支承整个系统重量的主要部分，因为其“支承”在水、游泳者和浮力构件上。这样，可以显著地降低对锚定在岸边的系统的要求。限制系统在岸边处的移动和限制由小的力引起的端部的移动就足够了。由于该系统对游泳者重量无反应，所以它不会对系统产生任何破坏性影响；游泳者重量动作不被传递到系统，因此进一步减少对系统支撑件的要求。

对于虚拟现实系统，游泳者活动的最小限制是优选的。所要求保护的系统以更一致的方式作用于游泳者；它不阻止他/她潜水，不从水中或水下“拖曳”他/她，因此在虚拟现实中不产生任何视觉上或其它方面未增强的过度效果，这是由于力的竖直分量的不利效果减小。

在利用系绳的系统中，由系统施加在游泳者上的力的竖直分量随着游泳者从游泳区中心的偏离的增加而增加。所述不利影响与竖直分量不均匀性有关。在用户被固定地锚定在一定深度的系统中，当系统快速缓冲用户运动的力(特别是急剧的力)的竖直分量时，这种竖直效应产生施加限制的感觉。

当自然游泳时，响应于由用户的腿、手臂和躯干产生的向外的力、由于手臂和腿的运动而产生的质心的位移、以及由于呼吸而产生的浮力变化，不可避免地产生竖直分力。这就是为什么在没有限制的情况下，即使当沿着水面游泳时(没有故意潜下)，用户身体上任何点的位置深度都在一定范围内变化，这里称为该点的自然游泳位置深度变化。具体地，保持系统所附接的用户身体部位趋于改变其位置深度。

此外，通过抵抗这种深度变化，保持系统破坏了自然游泳的感觉，产生固定的停止感觉，并且防止身体采取相对于水面的姿势，如果自然游泳，身体会采取这种相对于水面的姿势。

所要求保护的系统通过最小化由保持系统产生的力的竖直分量，例如通过当用户沿水面自然游泳时至少在其位置深度变化的范围内提供系统附接于用户身体的点的竖直移动自由度，来消除所述不利影响。在自然游泳中的这个点的自然位移的范围在本文中被称为自然用户位置深度变化的范围。

与虚拟现实模拟系统相结合的所要求保护的系统的测试已经证明，与利用系绳(通过跟随移动伸展而响应的绳、缆或其他元件)的装置相比，游泳者感觉变得更加均匀并且如所预期的那样更加均匀，因此增加了在虚拟现实中的临场效果。在使用系绳作为保持构件的情况下，用户感觉到系绳张力，感觉到他/她的空间运动受到限制，例如不可能到达游泳池侧板。所要求保护的系统的用户报告他们没有感觉到任何限制，使得他们不再理解到游泳池侧板的实际距离。

弹性构件1是提供游泳者到游泳区中心的平滑返回的主要部件。它可以是具有必要长度的杆。弹性构件1由允许其在用户期望的力的作用下在水平移动性的条件下在弯曲变形之后恢复其原始形状的材料制成。由于其弹性，构件1在游泳力释放时使系统恢复到平衡的中心位置。弹性构件1可由例如玻璃纤维、碳纤维增强塑料、金属制成。

构件1的弹性可以基于游泳池尺寸(期望的游泳区表面积)和游泳者努力的性质来选择。在尺寸较小和/或游泳的运动风格更强的情况下，所述构件可以更刚硬。在大型游泳池和/或放松游泳的情况下，刚度可能降低。这种调节也可以通过改变弹性构件1连接到支撑构件4的点的位置来增加或减少弹性构件1的有效长度来实现。通过增加弹性构件1的长度或通过减少其刚度，由于游泳区的半径大，可以减轻游泳者身体连接点上的负荷；相反，通过减小弹性构件1的长度或通过增加其刚度，可以使游泳池中的身体位置的水平坐标几乎完全固定，从而显著地减小足以游泳的区域的尺寸，这例如在系统安装在半径为3至4m的小框架游泳池中的情况下是相关的。

弹性构件1保持端部2的竖直移动性可通过提供弹性构件1响应于游泳者移动而沿大致竖直轴线的平移移动性来获得。

此外，为了提供竖直移动性，支撑构件4可以被安装为围绕远离游泳区中心的大致水平轴线旋转地移动。这样，负载从系统支撑部分(在支承面处的系统附接点)移除，它们不必支承它们自身的重量，这在长、重和笨重的支撑件的情况下是重要的。

关于系统构件、点或轴的术语“远离游泳区中心”应当理解为表示它们设置在距平衡点一定距离处，该平衡点对应于弹性构件未变形时的游泳者位置。在以最佳方式使用水中空间的情况下，所述距离通常与游泳区半径相当，因此位于游泳区外部的支撑锚定点不会对用户产生任何障碍。锚定点可以沿着游泳池的周界设置在游泳池附近，即在岸边/游泳池侧板界面区域的水边界附近，或者如果在室外水体中使用，则设置在其他移动或静止物体(码头、机动船等)处。例如，在游泳池扶手、侧板、地板、墙壁等处。此外，它们可以布置在不同的高度：在水平面之上或在游泳池地板水平之下；即，在提及位置“附近”的情况下，其可指示相对于水面的竖直或水平位移。

术语“大致竖直的轴线”或“大致水平的轴线”应该理解为表示构件可以设置在相应的即水平或竖直轴线上，或者设置在靠近该轴线的倾斜轴线上。此外，优选地，其被设置成更靠近所述轴线或在所述轴线上，而任何偏差仅在所产生的负载被提供足够的均匀性时才被允许。

刚性或硬弹性支撑构件4可以用作支撑件。在这种情况下，至少一个支撑构件4在其第一端连接到支承面5，并且在其第二端连接到弹性保持构件1。该连接可以是刚性的，或者可以允许弹性构件1沿着大致竖直的轴线旋转和/或移位。

支撑构件4必须足够坚固和刚性，以防止在游泳者产生的游泳力的作用下支撑构件4连接到弹性构件1的点的显著水平位移，其中，该位移与游泳者水平位移相比是显著的。支撑构件4可以在一定程度上是弹性的。然而，例如，连接到游泳池侧板、底部或天花板的单个支撑构件4的刚度必须比弹性构件1的刚度高得多。在使用两个支撑构件4的情况下，例如，那些搁置在游泳池的相同侧板上以形成三角形结构的支撑构件，考虑到结构的更高刚度，它们的刚度可以更低。在三个或更多支撑构件4形成金字塔形或圆顶形结构的情况下，例如，搁置在游泳池的不同侧上，甚至可以使用刚性更小的支撑构件4。支撑构件4可以包括例如由铝合金、玻璃纤维或碳纤维增强塑料制成的管。为了便于存储和运输，支撑构件4可以由可组装的较短弯头构成。

系统的几何形状使得其部件不阻止在任何方向上的自由游动。具体地，在系统被锚定在水面上方的情况下，支撑构件4在水面上方的高度必须足以使通气管在游泳者转弯时自由地从支撑构件下方通过。在置于水下的情况下，支撑构件4必须设置在它们不会被游泳者的腿接触的区域中。

该系统可以以各种方式实现。

在第一实施例中，选择支撑构件4和支承面5之间的连接，以允许其围绕通过与支承面5的连接点的水平轴线旋转。例如，支撑构件4可以通过铰接连接而锚定。由于该系统不旨在限制游泳者在竖直方向上的运动，所以不需要在该方向上提供支撑。铰接的支撑构件4的相对端可在竖直平面中移动，并且可与弹性构件1和游泳者一起围绕由支撑构件4的长度确定的大半径圆周在竖直平面中自由移动，从而允许游泳者位置深度响应于游泳者从区中心的任何偏离而自由地变化。游泳(模拟)区中心与水平轴之间的距离越大(支撑件越长)，圆周半径越大，并且弹性构件1的保持端2的移动越接近竖直。在这种情况下，由承载件(支撑构件4)施加在游泳者带上的竖直载荷由支撑构件4的重量确定，并且基本上与游泳者偏离平衡位置的幅度无关。

支撑件(支撑构件4)重量可以通过提供额外的浮力来抵消，例如，通过在游泳者带或支撑构件4端部处布置浮力元件。

图1示出了根据第一实施例的系统的一种实施方式。在此，支撑构件4(托架)通过轴向铰链锚定在岸边(游泳池侧板)处。托架的形状使得允许游泳者在其下方自由地游泳而不会将通气管撞击在其上，而如果游泳者离开保持构件1，则保持构件弹性地允许游泳者返回到游泳池中的初始中心位置。此外，该系统允许游泳者在竖直方向上移动(图2)并且当游泳者向后转动时保持可操作(图3、图4)。

图5示出了根据第一实施例的系统的优选实施方式。该系统包括两个倾斜的支撑构件4，它们彼此间隔开地安装在支承面5上，并固定地连接到弹性构件1，以形成三棱锥。此外，构件4支承点远离游泳区中心，并且构件1和4可围绕穿过它们的直线旋转。由支撑构件4构成的刚性三角形可绕岸边锚定轴线旋转。支撑构件4相对于彼此设置，以增强结构在主水平操作方向上的稳定性。结果，产生了重量轻、易拆卸且稳定的结构。在此，任何两个连接点，例如游泳池扶手或侧板，都可以用作支承面。吸盘可以用于固定支承面5。为了安装这种结构，可以仅使用一个游泳池侧板，而不需要其它壁或突出部；因此，该结构适用于大型和户外游泳池。

在第二实施例中，游泳者的竖直移动性由弹性构件1提供，该弹性构件响应于游泳者的移动而在其连接点处沿大致竖直方向相对于不可移动的支撑构件4(或支撑构件4的系统)可平移地移动。在此，以各种方式提供了支撑件在弹性构件1的锚定点处的不动性。例如，刚性支撑构件/托架4被固定地锚定，并且在支承面5处具有足够的支承基部(参考图6)，支承面可以是游泳池侧板或底部(图10)，或者室内空间的壁或天花板。还可以通过制造刚性结构来提供不动性，该刚性结构包括几个支撑构件4，这些支撑构件搁置在间隔开的点上(例如，在游泳池的相对的侧板处)，并且这些支撑构件的端部连接在游泳区中心的上方。在可以通过支撑构件产生直接位于移动区域中心上方或下方的不可移动或基本上不可移动的点的情况下，这种实施方式是有效的。

通过使用安装在相对的侧板(组)处的支撑构件4(参考图7、图8)，可以以最大效率实现该实施例。支撑构件4在水面上方彼此连接以形成“穹顶”，在该穹顶的顶点处安装有弹性构件1，使得该弹性构件能够平移运动。这种实施方式降低了对锚定在支承面5处的支撑构件4的刚度的要求，并且降低了对它们的移动性的限制，因为它们通过彼此固定而被防止旋转。对于小型框架游泳池，最优选的是使用三个或更多个支撑构件4(图9)的系统，所述支撑构件彼此连接并搁置在游泳池周界的不同点上，并且滑动地连接至弹性构件1，以提供弹性构件1响应于游泳者运动的平移运动。

支撑构件4可以直接或经由中间元件连接到游泳者。

弹性构件1可以经由由游泳者手持的或固定在游泳者身体上的模块6而联接到游泳者，例如，被布置在背心上。模块6可以配备有手柄，用于游泳者将其保持在他/她自己前方的两只手中(参考图11、图12)，从而消除对游泳者带或挽具的需要。这样，可以简化游泳者准备利用该系统进行游泳的过程。这里，模块可以用作游戏控制器，以在虚拟现实中模拟双手握持的各种工具(武器、照相机)的动作，从而提供更宽范围的游戏场景，而不使系统更复杂或添加新的被监视设备。在模块6是手持式的情况下，可以为其提供更多的竖直位移自由度(与所要求保护的系统的其他实施方式相比)，以使模块在用户的前面自由地可移动。

支撑构件4、弹性构件1和模块6连接的形状和方法可以被选择为提供最佳可能的游泳者移动性，而游泳者与系统部件碰撞的风险最小。例如，图11、图12示出了系统的实施方式，其中，利用弹性构件1的弯曲形状，游泳者可以在将模块6保持在他/她的手中时防止他/她的头部和呼吸管碰撞。为此，弹性构件在弹性构件1的用户头部与弹性构件1接触的部分处弯曲远离用户头部。弹性构件必须绕大致竖直的轴线自由地旋转，使得其弯曲位置与用户游泳方向一致。例如，弹性构件1可以被配置为C形托架(图11)或梯形(图12)。

现在将与利用系绳作为保持游泳者并产生返回力的构件的现有技术系统相比来描述所要求保护的系统的操作。

当通过柔性弹性构件固定的身体离开平衡位置时，这种构件产生中心指向的返回力，该力随着偏离的增加而增加。

图13示出了在游泳者响应于在水平方向上施加最大游泳力而从平衡位置偏离最大时施加在游泳者上的力，游泳者通过呈弹性弯曲杆形式的弹性构件保持在中心区域中。在弹性构件与游泳者位移相比足够长的情况下，弹性构件的趋于使游泳者在此时返回至平衡位置的弹力可以大致如下计算：其中，游泳者相对于施加最大力的平衡点的位移是杆的弹性系数。在上述位置，游泳者是静止的，因此他/她的加速度等于零，并且投影到位移的水平轴上的牛顿第二定律将写为：

[数学公式1]

F_max＝k·x_max

由此：

[数学公式2]

x_max＝F_max/k

由于该值由人类的体能从上面限制，因此，通过选择更刚性的弹性构件来增加系数，可以获得无限小的最大允许位移，从而限制游泳所需的区域的最小允许尺寸。

作为比较，图14示出了当游泳者被悬挂设备(系绳)保持时，响应于游泳者最大程度地偏离平衡位置而作用在游泳者上的力。游泳者还在水平方向上施加力。系绳张力指向系绳锚定点，系绳锚定点在离开竖直线一定角度的高度处锚定。使最大偏离点处的游泳者负浮力值等于牛顿第二定律，投影到水平轴和竖直轴上，写为：

[数学公式3]

|F_max|＝|T_x|

[数学公式4]

|P|＝|T_y|

因此，

[数学公式5]

由此

[数学公式6]

因此，在系绳(悬挂装置)的给定高度处，锚定点和最大游泳力仅可以通过增加他/她的负浮力值(通过增加更多重量)来减小，这在各种方面是显著不利的。首先，大的附加重量是不利的，因为它增加了系绳(悬挂装置)锚定点上的载荷和对系绳锚定点的要求。其次，负浮力增加了系绳断裂时发生事故的风险。第三，这种增加的质量将在游泳者移动期间增加惯性，无论是平移的还是旋转的。因此，在实践中，在用户浮力接近中立的情况下，通过顶置式系绳提供锚定是合理的。在这种情况下，浮力仅在用户离开时开始减小，使得他/她部分地从水中升起(然后，如果重量不变，则阿基米德力开始减小)。否则，在达到系绳开始将用户提升出水面的角度之前，没有力通过系绳在水平方向上施加到用户上，因此导致响应于施加到系绳上的负载的上述急动效果。

这样，通过使用弹性保持构件，可以减小所需的水体表面积，具体地，可以减小模拟区的水体表面积，并且可以获得更均匀的力分布。

Claims (9)

1.一种用于限制用户水生介质中的移动的系统，所述系统包括柔弹性构件，所述柔弹性构件具有设计成连接至用户的第一端和设计成借助于支撑件系统被锚定的第二端，使得：

允许弹性构件整体移动而不变形，以使得当沿着水面游泳时，被设计成连接到用户的弹性构件端部的高度在用户位置深度的自然变化范围内变化；

用户在任何水平方向上的任何显著位移导致所述弹性构件的弯曲。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述支撑件系统被设置为围绕远离游泳区中心的大致水平的轴线旋转地移动。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，被设计成借助于所述支撑件系统锚定的所述弹性构件端部固定地连接至两个倾斜支撑件的端部，所述支撑件具有的相对端部锚定在远离所述游泳区中心的间隔开的点处，使得所述支撑件和所述弹性构件能够相对于穿过所述支撑件锚定点的直线旋转。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述弹性构件设置成沿着大致竖直的轴线平移地移动。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述弹性构件滑动地联接至具有至少两个支撑件的系统，所述至少两个支撑件搁置在远离所述游泳区中心的不同点上。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述弹性构件被设计成经由固定在所述用户的身体上或由所述用户手持的模块连接到所述用户。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述模块被设计成由用户手持，并且所述弹性构件在与用户头部高度相对应的区域处远离用户头部弯曲并且能够围绕大致竖直的轴线自由旋转。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述弹性构件经由中间元件连接到所述用户，所述中间元件提供用户围绕所述弹性构件的旋转移动性。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统用于虚拟现实模拟系统。