RU2773114C1 - Система ограничения перемещений пользователя в водной среде - Google Patents

Abstract

Система ограничения перемещений пользователя в водной среде относится к системам для плавания и использована для систем симуляции виртуальной реальности. Система ограничения перемещений пользователя в водной среде содержит упругий на изгиб элемент, один конец которого, удерживающий, предназначен для соединения с пользователем, а второй конец, удерживаемый, предназначен для закрепления с помощью системы опор, таким образом, что позволяет посредством движений пользователя перемещение упругого элемента целиком без его деформации, при котором изменяется высота расположения удерживающего конца в пределах естественного изменения глубины расположения пользователя при плавании вдоль поверхности воды. Дополнительно второй конец, удерживаемый, закреплен с помощью системы опор таким образом, что существует такая область в горизонтальной плоскости, выход удерживающего конца посредством движений пользователя за пределы которой в любом горизонтальном направлении приводит к изгибу упругого элемента. Технический результат направлен на создание возвращающего пользователя в определенную зону плавания усилия при его движении в любом направлении по поверхности воды – от борта бассейна и обратно к нему. 8. з.п. ф-лы, 14 ил.

Description

Изобретение относится к системам для плавания и может быть использовано в обучающих, рекреационных или реабилитационных плавательных системах, в том числе в системах симуляции виртуальной реальности. Заявляемая система предназначена главным образом для сноркелинга, то есть плавания под поверхностью воды с маской и дыхательной трубкой, но может также использоваться для другого рода перемещений пользователя (пловца) в водной среде.

Известна система управления виртуальным объектом [WO 2019027358 A1, опубл. 07.02.2019, приор. по RU 2017127259 A от 31.07.2017, A63F 13/428; G09B 9/00] посредством усилий пользователя, направленных на перемещение ассоциированного с виртуальным объектом физического тела, закрепленного с помощью системы из растяжек, так, что растяжки удерживают тело в положении устойчивого равновесия с возможностью вращения тела вокруг оси, проходящей вблизи от его центра. Описан физический принцип действия системы для измерения усилия пловца, который может быть использован для симуляции перемещения аватара пловца в виртуальном пространстве. При этом рассмотрены два основных применения системы: для симуляции дайвинга и сноркелинга.

Применение принципов функционирования системы для сноркелинга отличается от применения их для дайвинга в связи с физическими ограничениями на перемещения пловца в реальном мире. Если в случае дайвинга пловец имеет свободу в перемещении относительно всех трех координатных осей, то в случае сноркелинга его основные перемещения фактически ограничены плаванием вдоль плоскости воды, то есть двумерным пространством. Поэтому вертикальная составляющая усилия, измеряемого контроллером на теле пловца, как правило, не имеет отношения к плавательному намерению пользователя, а связана с особенностями реализации системы закрепления пользователя в бассейне.

Например, при закреплении пользователя растяжкой, установленной над бассейном, при отклонении пользователя от центра зоны плавания он движется по сфере с радиусом равным длине растяжки. При отклонении его от положения равновесия изменяется его глубина погружения в воде. При некотором отклонении от положения равновесия тело пользователя начинает подниматься из воды, уменьшается сила Архимеда, соответственно увеличивается воздействие на растяжку, и возрастает вертикальная составляющая натяжения растяжки, что приводит к достижению устойчивого равновесия. Целенаправленное изменение вертикальной составляющей силы пловцом может быть вызвано лишь его заныриванием, вызывающим прекращение подачи воздуха через сноркель, и поэтому нежелательным для систем виртуальной реальности. Противоположное же изменение (плавание вверх) практически невозможно в связи с невозможностью принять диагональное положение тела.

В связи с этим, при симуляции сноркелинга вертикальной составляющей измеренной силы можно пренебречь, ограничившись измерением горизонтальной составляющей.

Таким образом, возникающая вертикальная составляющая силы не привносит существенных проблем с точки зрения расчетов симуляции. Однако, при интенсивном плавании, эта составляющая может оказывать негативный эффект непосредственно на пловца. При закреплении пловца на растяжке, расположенной снизу, его может достаточно сильно затягивать под воду, что будет приводить к изменению угла наклона тела (отклонение тела пользователя от горизонтального положения, пояс пловца затянут на глубину), а на предельной глубине (к проблемам дыхания через сноркель (голова пловца также затянута на глубину). При верхнем закреплении растяжки проблема выражена в меньшей степени, так как растяжка при плавании вытягивает пользователя наверх. При этом тело сначала принимает более горизонтальное положение под водой, что как правило, не препятствует плаванию, а при вытягивании тела над поверхностью воды уменьшается сила Архимеда, что приводит к эффективному противодействию дальнейшему вытягиванию.

Таким образом реализация сноркелинг-системы с закреплением пловца на верхней растяжке предпочтительна и при небольших плавательных усилиях пользователя обеспечивает достаточный комфорт. Однако, при средних и больших плавательных усилиях вытягивание пловца на поверхность воды и натяжение растяжки приводит к уменьшению эффекта присутствия в виртуальной реальности, выраженное в неоднородности физических ощущений при преодолении пользователем однородных участков в виртуальном пространстве. Например, при изменении направления движения пользователя, когда в физическом пространстве он плывет вблизи точки равновесия, натяжение растяжки минимально и пользователь получает ощущения близкие к ощущениям от свободного плавания. При интенсивном плавании после такого участка вскоре достигается максимальное отклонение пловца от положения равновесия, что приводит к достаточно резкому увеличению натяжения растяжки по диагонали вверх и изменению характера плавания в связи с большей поддержкой тела со стороны системы закрепления. Физические ощущения рывка, а также неоднородность физических ощущений в процессе изменения направления движения не имеют подкреплений в виртуальном пространстве, что приводит к снижению эффекта присутствия. Описанные негативные явления могут быть уменьшены путем увеличения эластичности растяжки, однако, в этом случае потребуется соответствующее увеличение радиуса физической области плавания (размер бассейна), что снижает экономическую эффективность системы.

Задачи, связанные с удержанием пловца в пределах определенной зоны плавания, решаются известными системами, созданными для тренировок пловцов, обучения плаванию. В частности, они нацелены на решение проблем удержания пловца на определенной глубине с предотвращением его непроизвольного ухода под воду при недостаточных навыках плавания, а также уменьшения необходимой зоны плавания (длины бассейна), главным образом, обеспечивая движение пловца на месте. Это устройства, которые создают поток воды, препятствующий движению, либо представляющие собой систему растяжек, удерживающих пловца на месте, которые обеспечивают его плавучесть на определенной глубине и в определенном направлении. Они обычно включают опору, на которой установлен элемент, предназначенный для удерживания пловца непосредственно либо через посредников. То есть один конец удерживающего элемента соединяется с пловцом, а другой присоединяется к опорам у бортика бассейна (CN206616898U, US7185598B1, US2010009813A1, US4527795A, US7442151B1, US4109905A, US4530497A и др.) или удерживается на берегу контейнером со значительным весом (US5816982A, US4962923) или мобильным удерживающим устройством (US2020122812A1, US5244393A, WO2017034939A1).

Из US7185598B1 известно устройство для тренировки плавания, содержащее установленный на кронштейн упругий элемент (например, в виде пружины), заключенный в корпус, к которому присоединен соединяемый с пользователем упругий трос. Устройство для плавания по US2010009813A1 содержит соединяемый с пловцом и способный к упругому растяжению гибкий удерживающий трос (упругий шнур, эластичный ремень), который с другой стороны соединен с крепежным стержнем. Устройство по US7273444B2 содержит подвесной удерживающий элемент, выполненный в виде эластичной трубки, внутри которой размещен удерживающий трос, причем трос может быть менее эластичным, чем трубка, и предназначен для ограничения удлинения трубки; причем удерживающий элемент соединен с кронштейном так, что он может двигаться вдоль кронштейна.

Таким образом, в известных устройствах непосредственно связанный с пользователем элемент представляет собой растяжку, то есть элемент, работающий на растяжение, обладающий значительный эластичностью. При этом использование растяжки может быть сопряжено с рядом проблем. Сама по себе растяжка не способна сохранять ориентацию в пространстве и ограничивает лишь перемещение ее связанного с пользователем конца. При маятниковом отклонении растяжка не создает возвращающую силу, а лишь отклоняется, и возвращающая сила возникает как следствие силы тяжести или плавучести. Тело, которое подвешено на растяжке в воде, обладающее нейтральной плавучестью, при смещении не будет подвержено действию возвращающего усилия до тех пор, пока не уменьшится его плавучесть при некотором отклонении тела и его подъеме из воды. Исчезнет нейтральная плавучесть, и тело начнет погружаться обратно в воду. В некоторой конусообразной области под веревкой на тело не действуют силы, и оно находится в свободном плавании. При отклонении в зависимости от радиуса веревки возникает действие сил, которое может быть достаточно резким.

Кроме того, одной из основных задач систем удерживания пловца является создание надежной точки закрепления растяжки, которая выдерживала бы усилия пловца, например, над центром плавательной зоны бассейна. В известных системах эта задача решается следующим образом:

крепление растяжки непосредственно к борту бассейна, что ограничивает перемещения только в направлении движения от борта бассейна (US5816982A, US4109905A, US4527795A);

использование систем с рычагом противодействия, не требующих большой базы крепления, но действующих также в одном направлении от борта (US7442151B1);

использование жестких кронштейнов с достаточной базой крепления, препятствующей переворачиванию кронштейна, фиксируемых либо большим весом на базе, либо точками фиксированного закрепления базы к полу, либо иным способом, при этом требования к закреплению кронштейна существенно повышаются при удалении точки от берега на расстояние порядка двух метров, требуемое для реализации решаемой задачи (US7185598B1, US5244393A, US7175569B1, US4247096A);

использование противоположного борта или нескольких бортов бассейна (CN206616898U, US5192256A), или стены/потолка помещения, что подходит для бассейнов фиксированного размера, например, каркасных, но плохо применимо к бассейнам произвольного размера и конфигурации, особенно к большим бассейнам.

В качестве опорного кронштейна может использоваться упругая штанга (US4530497A), например, из стекловолокна, с которой соединена растяжка (трос). Устройство позволяет создать направленную вверх силу А, близкую к силе глиссирования, удерживающую пловца на поверхности воды. В то же время удерживающая сила В, направленная назад, удерживает пловца в определенной зоне. Аналогичный подход используется в тренажере по US7563206B1, где за счет использования упругого опорного элемента также создается поднимающая пловца на поверхность сила.

Большинство используемых в качестве опор решений представляют собой массивные, сложные в установке, маломобильные системы. Возникают также проблемы, связанные с процессом установки опорной части системы. Бассейны и водоемы имеют различные размеры, особенности конструкции и другие характеристики, накладывающие ограничения на установку опор. Сложные системы креплений ограничивают выбор водоемов для использования системы.

Известные системы удерживания пловца обеспечивают его упругую фиксацию и возможность движения в одном направлении. При повороте и движении пловца обратно к берегу такие системы не способны выполнять функцию удержания и ограничения пловца в заданном пространстве. То есть известные системы не решают задачу ограничения движения пловца во всех направлениях в определенной выбранной зоне.

Изобретение направлено на решение следующих технических проблем:

- негативное действие вертикальной силы со стороны системы крепления, обуславливающее уменьшение эффекта присутствия и неоднородность ощущений пользователя при использовании системы для систем симуляции виртуальной реальности;

- работоспособность известных систем только в одном направлении движения пловца;

- использование значительной по площади зоны для плавания;

- использование массивных, сложных в установке конструкций для создания точки опоры;

- ограничения, связанные с размером, формой и другими характеристиками бассейнов, влияющие на выбор опорной конструкции.

Заявляемое изобретение позволяет создавать возвращающее пользователя (пловца) в определенную зону плавания усилие при его движении в любом направлении по поверхности воды - от борта бассейна и обратно к нему. Система оказывает меньшее воздействие на пловца по вертикальной оси и это воздействие не зависит от отклонения пловца от положения равновесия. При этом повышается эффект присутствия пользователя при использовании в системах симуляции виртуальной реальности, а также снижаются требования к опорной части заявляемой системы.

Заявляемая система ограничения перемещения пользователя (пловца) в водной среде содержит упругий на изгиб элемент, один конец которого (удерживающий конец) предназначен для соединения с пловцом, а второй конец (удерживаемый конец) предназначен для закрепления с помощью системы опор. Возвращающее усилие при этом генерируется удерживающим пловца элементом, определяющим вокруг себя зону для плавания.

Причем система организована таким образом, что позволяет посредством движений пользователя такое перемещение упругого элемента целиком без его деформации, при котором изменяется высота расположения удерживающего конца в пределах естественного изменения глубины расположения пользователя при плавании вдоль поверхности воды. Весь упругий элемент перемещается без деформации, а его положение изменяется так, что изменяется положение его удерживающего конца по вертикали, следуя движениям пловца. У пловца таким образом есть вертикальная степень свободы и на него не действует в этом направлении возвращающая сила деформации упругого элемента. В результате, система обеспечивает однородные ощущения пловца, так как не затягивает его под воду и не вытягивает из воды принудительно в ответ на приближение к краю зоны плавания. Система фактически не ограничивает вертикальное перемещение пловца в процессе плавания вдоль поверхности воды.

Кроме того, упругий элемент должен быть установлен так, что существует такая область в горизонтальной плоскости, выход из которой удерживающего конца посредством движений пользователя за пределы которой в любом горизонтальном направлении приводит к изгибу упругого элемента. То есть реакцией упругого элемента на движение пользователя вдоль поверхности воды является именно его изгиб, а не, например, растяжение, как в известных системах, а существенное смещение пловца в любом горизонтальном направлении без изменения глубины приводит к изгибу упругого элемента. При изменении пловцом направления движения (поворот, разворот) система продолжает выполнять свою функцию, то есть удерживать пловца в определенной зоне плавания, создавая возвращающее усилие в отношении пловца.

При перемещении удерживающего конца упругого элемента в вертикальном направлении без деформации предпочтительно, чтобы весь удерживающий элемент перемещался вертикально, либо его ориентация в пространстве изменялась незначительно. В этом случае удерживающий элемент, обеспечивающий равномерные возвращающие усилия во всех горизонтальных направлениях на одной глубине расположения пользователя, параллельно или почти параллельно переместившись вверх с изменением глубины, также сохранит равномерность возвращающих усилий для всех горизонтальных направлений. Также при вертикальном перемещении всего удерживающего элемента не изменяются горизонтальные координаты его удерживающего конца, а значит смена глубины происходит без сдвига пользователя, и центр зоны симуляции, куда система возвращает пользователя, находится в одних и тех же горизонтальных координатах независимо от глубины.

Свобода пользователя в вертикальном направлении (для изменения глубины) может достигаться, например, размещением системы опор на опорной поверхности с возможностью их вращательного движения относительно близкой к горизонтальной оси, удаленной от центра зоны плавания. Свобода вращения опоры относительно указанной оси передается упругому элементу, делая возможным его перемещение по окружности в вертикальной плоскости, при котором изменяется высота удерживающего конца опорного элемента. Предпочтительно, удерживаемый конец упругого элемента жестко соединен с концами двух наклонных опор, противоположные концы которых закреплены в разнесенных друг от друга точках, удаленных от центра зоны плавания. При этом вращение системы опор и упругого элемента обеспечивается относительно прямой, проходящей через точки закрепления опор.

Другой путь обеспечения вертикальной подвижности упругого элемента и пловца -обеспечение возможности поступательного движения упругого элемента вдоль близкой к вертикальной оси. Предпочтительно упругий элемент соединен скользящим соединением с системой из по крайней мере двух опор, опирающихся на разные точки, удаленные от центра зоны плавания.

Упругий элемент может быть соединен (связан) с пловцом через модуль, закрепленный на его теле или удерживаемый им в руках. Для предотвращения столкновений головы пловца с упругим элементом при удержании модуля в руках упругий элемент может быть выполнен изогнутым в сторону, противоположную голове пловца, в месте, соответствующем уровню головы пловца, и обладать свободой вращения относительно оси, близкой к вертикальной.

При этом упругий элемент может быть соединен с пловцом через элемент-посредник, обеспечивающий вращательную подвижность пловца вокруг упругого элемента.

Предпочтительно система используется для систем симуляции виртуальной реальности, позволяя снизить влияние на пользователя нежелательных сил и повысить эффект присутствия. Более плавно изменяется горизонтальное усилие, действующее на пловца при изменении направления его движения и перемещении вблизи точки равновесия. Увеличивается однородность ощущений при отклонении от положения равновесия, за счет более равномерной вертикальной нагрузки на пользователя, то есть нагрузки, не зависящей или слабо зависящей от горизонтального смещения пловца.

Заявляемая система характеризуется следующими возможностями:

− ограничивает горизонтальное смещение пловца в любом направлении относительно центральной точки, создавая возвращающее усилие при отклонении пользователя от заданной зоны;

− не ограничивает или несущественно по сравнению с ограничением в горизонтальном направлении ограничивает вертикальное перемещение пловца относительно поверхности воды.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

- на фиг. 1 - первый вариант исполнения системы с шарнирным закреплением опоры:

1a - реализация системы с одной опорой;

1b - поведение системы в динамике при подъеме пловца (здесь и далее стрелки увеличенной толщины указывают направление отклонения элементов системы в ответ на действия пользователя),

1c, 1d - поведение системы при движении пловца в разные стороны;

- на фиг. 2 - предпочтительная реализация системы по первому варианту с двумя разнесенными опорами,

- на фиг. 3 - второй вариант исполнения системы:

3a - жесткое закрепление опоры с достаточной опорной базой;

3b, 3c - с жестким закреплением двух опор друг напротив друга с возможностью поступательного движения упругого элемента (в динамике);

3d - в предпочтительной реализации - с использованием трех дуг с их фиксацией на бортах круглого каркасного бассейна;

- на фиг. 4 - закрепление пловца ко дну бассейна;

- на фиг. 5 - использование изогнутого кронштейна в качестве упругого элемента:

5а - упругий элемент в виде С-образного кронштейна,

5b - упругий элемент трапециевидной формы;

- на фиг. 6 - действие сил на пользователя при его закреплении упругим элементом;

- на фиг. 7 - действие сил на пользователя при его закреплении подвесом (растяжкой), для сравнения.

Система ограничения перемещений позволяет удерживать пользователя (в частности, пловца) в определенной зоне водного пространства (зона плавания, зона симуляции) упругим на изгиб элементом 1. При этом под плаванием подразумевается любая активность пользователя в водной среде с приложением усилий, способных вызвать перемещение пользователя.

Упругий элемент 1 одним своим концом (удерживающим концом 2) соединяется с пловцом, а вторым концом (удерживаемым концом 3) закреплен на системе опор (см. фиг. 1а), например, над поверхностью воды или под ней. В качестве системы опор для упругого элемента 1 может использоваться система в виде единственного опорного элемента 4 или нескольких опорных элементов 4, связанных между собой и закрепленных на опорной поверхности 5, а также сама опорная поверхность - борт бассейна, его дно или потолок.

Закрепление удерживаемого конца 3 должно быть таким, что существенное смещение пловца в любом горизонтальном направлении без изменения глубины приводило бы к изгибу упругого элемента 1. То есть для любой глубины нахождения удерживающего конца 2 существует такая область в горизонтальной плоскости на глубине его размещения, что выход удерживающего конца 2 за пределы этой области приводит к изгибу упругого элемента 1. Так реакцией упругого элемента 1 на горизонтальное смещение пловца является именно изгиб, а не растяжение. Таким образом, в отличие от системы с растяжкой, при отклонении от положения равновесия не возникает силы, вытягивающей пловца из воды или затягивающей его под воду.

Упругий элемент 1 может быть соединен с пловцом способом, позволяющим его (пловца) вращение относительно вертикальной оси, самостоятельное либо вместе с упругим элементом 1. Соединение с пловцом может быть шарнирным или эластичным, с использованием короткого гибкого элемента-посредника (например, из веревки или резины) или другого известного соединения, обеспечивающего вращательную подвижность пловца в точке крепления упругого элемента 1 в пределах, достаточных для его свободного плавания.

Система организована таким образом, что позволяет перемещение упругого элемента 1 целиком без его деформации (например, растяжения). При таком перемещении изменяется высота расположения удерживающего конца 2 относительно выбранной горизонтальной поверхности, например, дна бассейна, то есть он смещается по вертикали. Смещение производится как минимум в пределах естественного изменения глубины, на которой находится пловец при его плавании вдоль поверхности воды. При этом удерживающий конец 2 при изменении глубины предпочтительно не должен перемещаться по горизонтали или перемещаться лишь незначительно. В противном случае при изменении глубины пользователь будет ощущать со стороны удерживающего конца 2 горизонтальное давление, не связанное с плавательной активностью пользователя, а также центр зоны плавания на разных глубинах будет иметь разные горизонтальные координаты, что лишено смысла для бассейнов с вертикальными стенами.

Благодаря свободе упругого элемента 1 в вертикальном направлении к опорным точкам системы не предъявляется требование выдерживать вес пловца, а в исполнении с опорами, имеющими возможность вращения относительно горизонтальной оси - и большую часть всего веса системы, так как она «опирается» на воду, пловца, элемент плавучести. Это позволяет существенно снизить требования к закреплению системы на берегу. Достаточным является ограничение ее перемещения по берегу, перемещение концов под действием небольших сил. Поскольку система не реагирует на вес пловца, он не оказывает на нее деструктивного влияния; воздействие веса пловца не передается на систему, что дополнительно снижает требования к опорам системы.

Для систем виртуальной реальности предпочтительно минимальное ограничение активности пловца. Заявляемая система оказывает более равномерное воздействие в отношении пловца; не удерживает его от погружения, не «вытягивает» из воды и не «затягивает» под воду, то есть не оказывает лишнего влияния, не имеющего визуального или иного подкрепления в виртуальной реальности.

Испытания заявляемой системы совместно с системами симуляции виртуальной реальности показали, что в отличие от устройств, использующих растяжки (веревки, тросы и др. элементы, реагирующие на движение натяжением), ощущения пловца становятся более равномерными и ожидаемыми, повышается эффект присутствия в виртуальной реальности. При использовании растяжек в качестве удерживающего элемента пользователь ощущает ее натяжение и ограниченность передвижения в пространстве, невозможность, например, достигнуть борта бассейна. При использовании заявляемой системы пользователи отмечают отсутствие ощущений ограничения такое, что теряют представление о реальном расстоянии до борта бассейна.

Упругий элемент 1 является основным элементом, обеспечивающим плавное возвращение пловца в центр зоны плавания. Он может представлять собой стержень необходимой длины. Упругий элемент 1 выполняется из материала, позволяющего ему возвращать свою исходную форму после деформации изгиба в условиях горизонтальной подвижности при ожидаемой от пользователя силе. За счет своей упругости элемент 1 обеспечивает возвращение системы в центральное положение равновесия при снятии плавательных усилий. Упругий элемент 1 может быть выполнен, например, из стеклопластика, углепластика, металла.

Упругость элемента 1 может подбираться исходя из размеров бассейна (площади желаемой зоны плавания) и характера усилий пловца. Для меньших размеров и/или более спортивного стиля плавания этот элемент может быть более жестким. Для больших бассейнов и/или расслабленного плавания жесткость может быть наоборот уменьшена. Эта регулировка может производиться также за счет увеличения или уменьшения активной длины упругого элемента 1 путем смещения точки соединения упругого элемента 1 и опорных элементов 4. Увеличивая длину упругого элемента 1 или уменьшая его жесткость, можно обеспечить более мягкие нагрузки на точку закрепления тела пловца за счет увеличения радиуса зоны плавания; и наоборот, уменьшая длину или увеличивая жесткость упругого элемента 1, можно добиться почти полной неподвижности горизонтальных координат положения тела в бассейне, значительно уменьшив размер зоны, достаточной для плавания, что актуально, например, при инсталляции системы в небольших каркасных бассейнах радиуса 3-4 м.

Вертикальная подвижность удерживающего конца 2 упругого элемента 1 может достигаться обеспечением возможности поступательного движения упругого элемента 1 вдоль близкой к вертикальной оси в ответ на движение пловца.

Кроме того, в целях обеспечения вертикальной подвижности, опорный элемент 4 может быть установлен с возможностью вращательного движения относительно близкой к горизонтальной оси, удаленной от центра зоны плавания. При этом снимается нагрузка с опорной части системы (точки крепления системы на опорной поверхности), им не требуется выдерживать свой вес, что особенно актуально при использовании длинных, тяжелых и массивных опор.

Говоря о расположении элементов системы, точек, осей удаленными от центра зоны плавания предполагается, что они размещены на некотором расстоянии от точки равновесия, соответствующей положению пловца при отсутствии деформации упругого элемента. В условиях оптимального использования водного пространства это расстояние обычно соизмеримо с радиусом зоны плавания, так что точки закрепления опор не создают помех пользователю, находясь за пределами зоны плавания. Точки закрепления могут быть расположены вблизи периметра бассейна, то есть в окрестностях границы воды, зоны раздела воды и берега/бортов бассейна, либо в случае использования в открытом водоеме - на другом подвижном или неподвижном объекте (пирс, катер, и т.д.). Например, на поручнях, бортах, полу, стенах бассейна и т.д. При этом высота их расположения может быть различной, как выше уровня воды, так и ниже уровня пола бассейна; то есть указание на расположение «вблизи» может относиться и к вертикальному, и к горизонтальному смещению относительно поверхности воды.

Указания на близкую к вертикальной или горизонтальной оси подразумевают возможность расположения элемента как на соответствующей оси - горизонтальной или вертикальной, так и на близкой к ней наклонной оси. При этом расположение как можно ближе к такой оси или на ней является предпочтительным, а отклонение допустимым до тех пор, пока обеспечивается достаточная равномерность создаваемого усилия.

В качестве опоры может выступать жесткий или жестко-упругий опорный элемент 4. В таком случае по крайней мере один опорный элемент 4 своим первым концом соединяется с опорной поверхностью 5, а вторым концом (с упругим удерживающим элементом 1. Соединение может быть жестким или позволять вращение и/или сдвиг упругого элемента 1 вдоль оси, близкой к вертикальной.

Опорный элемент 4 должен обладать достаточной прочностью и жесткостью, чтобы не допускать существенного горизонтального смещения точки соединения опорного элемента 4 с упругим элементом 1 под действием плавательных усилий пловца, причем смещения существенного по сравнению с горизонтальным смещением непосредственно пловца. Опорный элемент 4 может обладать некоторой упругостью. При этом жесткость единственного опорного элемента 4, например, прикрепленного к борту, дну или потолку бассейна, должна быть существенно выше, чем жесткость упругого элемента 1. В случае использования двух опорных элементов 4, например, образующих треугольную форму, опираясь на один борт бассейна, их жесткость может быть уменьшена в связи с большей жесткостью структуры. Еще менее жесткие опорные элементы 4 могут быть использованы, если три и более опорных элемента 4 образуют пирамидальную или куполообразную форму, например, опираясь на разные стороны бассейна. Опорные элементы 4 могут быть выполнены, например, из трубок из алюминиевого сплава, стеклопластика или углепластика. Для удобства хранения и транспортировки опорные элементы 4 могут также быть выполнены сборными из отдельных более коротких колен.

Система имеет такую геометрию, чтобы ее элементы не мешали свободному плаванию в любом направлении. В частности, при закреплении системы над поверхностью воды, высота опорных элементов 4 над поверхностью должна быть достаточной для свободного прохождения под ними трубки сноркеля при разворотах пловца. В случае размещения под водой опорные элементы 4 должны находиться зоне, где их не задевают ноги пловца.

Система может быть реализована различными способами.

В первом варианте исполнения выбирают соединение опорного элемента 4 с опорной поверхностью 5, обеспечивающее возможность его вращения относительно горизонтальной оси, проходящей через точку/точки соединения с опорной поверхностью 5. Например, опорный элемент 4 может быть закреплен шарнирным соединением. Поскольку система не предназначена для удержания пловца от перемещения в вертикальном направлении, не требуется создания опоры в этом направлении. Противоположный конец шарнирно закрепленного опорного элемента 4 обладает подвижностью в вертикальной плоскости и может вместе с упругим элементом 1 и пловцом свободно перемещаться в вертикальной плоскости по окружности большого радиуса, определяемой длиной опорного элемента 4, таким образом позволяя свободное изменение глубины пловца при любых его отклонениях от центра зоны. Чем дальше от центра зоны плавания (симуляции) находится горизонтальная ось (чем длиннее опора), тем больше радиус окружности, и тем ближе к вертикальному перемещение удерживающего конца 2 упругого элемента 1. Вертикальная нагрузка на пояс пловца со стороны кронштейна (опорного элемента 4) в этом случае определяется весом опорного элемента 4 и практически не зависит от величины отклонения пловца от положения равновесия.

Вес опоры (опорного элемента 4) может быть компенсирован созданием дополнительной плавучести, например, путем размещения элементов плавучести на поясе пловца либо на конце опорного элемента 4.

Один из способов реализации системы по первому варианту исполнения представлен на фигуре 1а. В этом случае опорный элемент 4 (кронштейн) закреплен с помощью осевого шарнира на берегу (на бортике бассейна). Форма кронштейна позволяет пловцу свободно проплывать под ним, не задевая его сноркелем, а упругость удерживающего элемента 1 позволяет возвращать пловца в исходное центральное положение в бассейне при отклонениях от него. При этом система позволяет пловцу перемещения в вертикальном направлении (фиг. 1b) и остается работоспособной при разворотах пловца (фиг. 1с, 1d).

Предпочтительная реализация системы по первому варианту исполнения представлена на фигуре 2. Система содержит два наклонных опорных элемента 4, установленных на опорную поверхность 5 на расстоянии друг от друга и жестко соединенных с упругим элементом 1 с образованием треугольной пирамиды. Опорные точки элементов 4 при этом удалены от центра зоны плавания, а вращение элементов 1 и 4 происходит относительно проходящей через них прямой. Образованный опорными элементами 4 жесткий треугольник может вращаться относительно оси закрепления на берегу. Взаимное расположение опорных элементов 4 позволяет повысить устойчивость конструкции в основном рабочем горизонтальном направлении. При этом получается легкая, быстросъемная и устойчивая конструкция. Опорными поверхностями 5 в таком случае могут выступать любые две точки крепления, например, поручни бассейна или его борт. Фиксация к опорной поверхности 5 может осуществляться с использованием присосок. Такая конструкция может быть установлена с использованием только одного борта бассейна, не требует других стен и возвышений, поэтому подходит для использования в больших и открытых бассейнах.

Во втором варианте исполнения вертикальная подвижность пловца реализуется за счет возможности поступательного движения упругого элемента 1 в ответ на движение пловца относительно неподвижного опорного элемента 4 (или системы опорных элементов 4) в месте их соединения в направлении, близком к вертикальному. Неподвижность опор в месте закрепления упругого элемента 1 в этом случае может достигаться различными способами. Например, путем жесткого закрепления жесткого опорного элемента-кронштейна 4 с достаточной опорной базой на опорной поверхности 5 (см. фиг. 3а), в качестве которой может выступать борт или дно бассейна (фиг. 4), стена либо потолок помещения. Неподвижность также может быть достигнута путем создания жесткой структуры из нескольких опорных элементов 4, опирающихся на разнесенные в пространстве точки (например, по противоположным бортам бассейна), концы которых соединены над центром зоны плавания. Такая реализация эффективна, когда есть возможность создания с помощью опорных элементов неподвижной или малоподвижной точки непосредственно над или под центром зоны перемещения.

Этот вариант наиболее эффективно может быть реализован с использованием опорных элементов 4, установленных на противоположных бортах (берегах) (см. фиг. 3b, 3c). Опорные элементы 4 соединяют между собой над поверхностью воды с образованием «купола», в вершине которого устанавливают упругий элемент 1 с возможностью двигаться поступательно. Такое исполнение снижает требования к жесткости закрепления опорных элементов 4 на опорной поверхности 5 и ограничению их подвижности, так как их вращение блокируется взаимной фиксацией. При применении для небольших каркасных бассейнов оптимально использование системы из трех и более опорных элементов 4 (фиг. 3d), которые соединены между собой и опираются на разные точки периметра бассейна, а соединение с упругим элементом 1 выполнено скользящим c возможностью его поступательного движения в ответ на движения пловца.

Опорный элемент 4 может быть соединен с пловцом непосредственно или с использованием элемента-посредника.

Упругий элемент 1 может быть связан с пловцом через модуль 6, который удерживается пловцом в руках или фиксируется у него на теле, например, размещается на жилете. Модуль 6 может быть оснащен ручками для удерживания его двумя руками перед собой (см. фиг. 5), что позволяет отказаться от использования пояса пловца, обвязки. Так может быть упрощен и ускорен процесс подготовки пловца для плавания с использованием системы. В этом случае модуль может исполнять функции ручного игрового контроллера, имитируя виртуальном пространстве действия различных орудий и инструментов, удерживаемых двумя руками (оружие, фотокамера), что расширяет спектр возможных игровых сценариев без усложнения системы и добавления новых отслеживаемых устройств. При удержании модуля 6 в руках возможно обеспечение ему большей свободы вертикального смещения (в сравнении с другими исполнениями заявляемой системы) для возможности свободного перемещения модуля перед пользователем.

Форма и способ соединения опорного элемента 4, упругого элемента 1 и модуля 6 могут быть подобраны для обеспечения наилучшей подвижности пловца с наименьшим риском столкновения его с элементами системы. Например, на фиг. 5 изображена реализация системы, где изогнутая форма упругого элемента 1 позволяет пловцу избежать столкновения головы и сноркеля при удержании в руках модуля 6. Для этого изгиб выполняется в противоположную голове пользователя сторону в той части упругого элемента 1, где голова пользователя могла бы соприкасаться с упругим элементом 1. А упругий элемент должен обладать свободой вращения относительно оси, близкой к вертикальной, чтобы положение его изгиба соответствовало направлению плавания пользователя. Например, упругий элемент 1 может быть выполнен в виде С-образного кронштейна (фиг. 5a) или иметь трапециевидную форму (фиг. 5b).

Рассмотрим работу заявленной системы в сравнении с известными системами, использующими растяжки в качестве элемента, удерживающего пловца и генерирующего возвращающую силу.

При отклонении от положения равновесия тела, закрепленного с помощью упругого на изгиб элемента, такой элемент генерирует возвращающие к центру силы тем более, чем более отклонение.

На фиг. 6 изображены силы, действующие на пловца, удерживаемого в центральной зоне упругим элементом в виде упругого изгибающегося стержня в момент максимального отклонения пловца от положения равновесия при приложении максимального плавательного усилия

в горизонтальном направлении. При достаточно длинном по сравнению со смещением пловца упругом элементе его сила упругости, стремящаяся вернуть пловца в положение равновесия в этот момент, приближенно может быть вычислена как

, где

- смещение пловца относительно точки равновесия при максимальном приложенном усилии,

- коэффициент упругости стержня. В описанном положении пловец неподвижен, следовательно его ускорение равно нулю, тогда второй закон Ньютона в проекции на горизонтальную ось смещения принимает вид:

откуда

Так как величина

ограничена сверху физическими возможностями человека, то, увеличивая коэффициент

путем выбора более жесткого упругого элемента можно добиться сколь угодно малого максимального допустимого смещения

, то есть ограничить минимально допустимый размер зоны, необходимой для плавания.

Для сравнения на фиг. 7 изображены силы, действующие на пловца при его максимальном смещении от положения равновесия при его удержании с помощью подвеса (растяжки). Пловец также прилагает силу

в горизонтальном направлении. Сила

натяжения растяжки

направлена к точке закрепления растяжки, закрепленной на высоте

отклоненной от вертикали на угол

. Пусть величина отрицательной плавучести пловца в точке максимального отклонения равна

Тогда в проекциях на горизонтальную и вертикальную оси второй закон Ньютона принимает вид:

,

Таким образом,

Откуда

Следовательно, уменьшить

при заданной высоте точки закрепления растяжки (подвеса) и максимальной силе пловца

можно только путем увеличения величины его отрицательной плавучести (добавлением дополнительного веса), что имеет ряд существенных минусов. Во-первых, большой дополнительный вес негативно также повышает нагрузку и требования к точке закрепления растяжки (подвеса). Во-вторых, отрицательная плавучесть повышает опасность несчастных случаев при обрыве растяжки. В-третьих, добавленная масса добавляет инерцию при перемещениях пловца, не только поступательных, но и вращательных. Поэтому практически имеет смысл использовать закрепление верхней растяжкой при плавучести пользователя близкой к нейтральной. В этом случае плавучесть начинает уменьшаться лишь при отклонении пользователя, частично поднимающем его из воды (тогда при неизменном весе начинает уменьшаться сила Архимеда). В этом случае, до достижения угла, при котором растяжка начинает приподнимать пользователя из воды, на пользователя со стороны растяжки не действует никаких сил в горизонтальном направлении, что приводит к описанному выше эффекту рывка при нагрузке на растяжку.

Таким образом, использование упругого удерживающего элемента позволяет уменьшить необходимую площадь водоема, в частности, зону симуляции, а также достичь более равномерного распределения усилий.

Claims (11)

1. Система ограничения перемещений пользователя в водной среде, содержащая упругий на изгиб элемент, один конец которого, удерживающий, предназначен для соединения с пользователем, а второй конец, удерживаемый, предназначен для закрепления с помощью системы опор таким образом, что:

- позволяет посредством движений пользователя перемещение упругого элемента целиком без его деформации, при котором изменяется высота расположения удерживающего конца в пределах естественного изменения глубины расположения пользователя при плавании вдоль поверхности воды;

- существует такая область в горизонтальной плоскости, выход удерживающего конца посредством движений пользователя за пределы которой в любом горизонтальном направлении приводит к изгибу упругого элемента.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что система опор размещена с возможностью вращательного движения относительно близкой к горизонтальной оси, удаленной от центра зоны плавания.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что удерживаемый конец жестко соединен с концами двух наклонных опор, противоположные концы которых закреплены в разнесенных друг от друга точках, удаленных от центра зоны плавания, с возможностью вращения опор и упругого элемента относительно прямой, проходящей через точки закрепления опор.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что упругий элемент размещен с возможностью его поступательного движения вдоль близкой к вертикальной оси.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что упругий элемент соединен скользящим соединением с системой из по крайней мере двух опор, опирающихся на разные точки, удаленные от центра зоны плавания.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что упругий элемент предназначен для соединения с пользователем через модуль, закрепленный на теле пользователя или удерживаемый пользователем в руках.

7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что модуль предназначен для удерживания в руках пользователя, а упругий элемент выполнен изогнутым в сторону, противоположную голове пользователя, в месте, соответствующем ее уровню, и обладает свободой вращения относительно оси, близкой к вертикальной.

8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что упругий элемент соединен с пользователем через элемент-посредник, обеспечивающий вращательную подвижность пользователя вокруг упругого элемента.

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она при этом используется для систем симуляции виртуальной реальности.

Images