WO2022131969A1 - Система ограничения перемещений пользователя в водной среде - Google Patents

Система ограничения перемещений пользователя в водной среде Download PDF

Info

Publication number
WO2022131969A1
WO2022131969A1 PCT/RU2021/050443 RU2021050443W WO2022131969A1 WO 2022131969 A1 WO2022131969 A1 WO 2022131969A1 RU 2021050443 W RU2021050443 W RU 2021050443W WO 2022131969 A1 WO2022131969 A1 WO 2022131969A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
swimmer
user
elastic element
movement
swimming
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/050443
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Алексей Владимирович ЛЫСЕНКО
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ВИАРДАЙВЕР" (ООО "ВИАРДАЙВЕР")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2020142025A external-priority patent/RU2773114C1/ru
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ВИАРДАЙВЕР" (ООО "ВИАРДАЙВЕР") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ВИАРДАЙВЕР" (ООО "ВИАРДАЙВЕР")
Priority to CN202180085157.7A priority Critical patent/CN116648291A/zh
Priority to US18/268,044 priority patent/US20240075369A1/en
Publication of WO2022131969A1 publication Critical patent/WO2022131969A1/ru

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B69/00—Training appliances or apparatus for special sports
    • A63B69/12—Arrangements in swimming pools for teaching swimming or for training
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B2225/00—Miscellaneous features of sport apparatus, devices or equipment
    • A63B2225/09—Adjustable dimensions

Definitions

  • the invention relates to swimming systems and can be used in educational, recreational or rehabilitation swimming systems, including virtual reality simulation systems.
  • the inventive system is intended mainly for snorkeling, that is, swimming under the surface of the water with a mask and breathing tube, but can also be used for other types of movement of the user (swimmer) in the aquatic environment.
  • the resulting vertical force component does not introduce significant problems in terms of simulation calculations.
  • this component can have a negative effect directly on the swimmer.
  • a swimmer When a swimmer is attached to a brace located below, it can be pulled quite strongly under water, which will lead to a change in the angle of the body (deviation of the user's body from a horizontal position, the swimmer's belt is tightened to a depth), and at the maximum depth - to breathing problems through the snorkel (the swimmer's head is also tightened to the depth).
  • Top-secured stretching is less of a problem, as stretching while swimming pulls the user up. In this case, the body first assumes a more horizontal position under water, which, as a rule, does not interfere with swimming, and when the body is pulled above the water surface, the Archimedes force decreases, which leads to an effective counteraction to further stretching.
  • the implementation of a snorkeling system with the swimmer attached to the top brace is preferable and provides sufficient comfort for the user's small swimming efforts.
  • pulling the swimmer to the surface of the water and stretching the brace leads to a decrease in the effect of presence in virtual reality, expressed in the heterogeneity of physical sensations when the user overcomes homogeneous areas in virtual space.
  • the tension of the stretch is minimal and the user receives sensations close to those of free swimming.
  • the problems associated with keeping a swimmer within a certain swimming area are solved by known systems designed for training swimmers and learning to swim. In particular, they are aimed at solving the problems of keeping a swimmer at a certain depth, preventing him from involuntarily going underwater with insufficient swimming skills, as well as reducing the necessary swimming area (length of the pool), mainly ensuring the movement of the swimmer on the spot.
  • These are devices that create a flow of water that impedes movement, or which are a system of braces that hold the swimmer in place, which ensure its buoyancy at a certain depth and in a certain direction. They usually include a support on which is mounted an element designed to hold the swimmer directly or through intermediaries.
  • one end of the retaining element is connected to the swimmer, and the other end is attached to the supports at the edge of the pool (CN206616898U, US7185598B1, US2010009813A1, US4527795A, US7442151B1, US4109905A, US4530497A, etc.) or held ashore by a container with a significant weight (US582496)2 mobile restraint (US2020122812A1, US5244393A, WO2017034939A1).
  • a swimming training device comprising an elastic element mounted on a bracket (for example, in the form of a spring), enclosed in a housing to which an elastic cable connected to the user is attached.
  • the swimming device according to US2010009813A1 contains a flexible retaining cable (elastic cord, elastic strap) connected to the swimmer and capable of elastic stretching, which on the other hand is connected to the fastening rod.
  • the device according to US7273444B2 includes a suspended retaining element made in the form of an elastic tube, inside which is placed a retaining cable, and the cable may be less elastic than the tube, and is designed to limit the elongation of the tube; moreover, the holding element is connected to the bracket so that it can move along the bracket.
  • the element directly connected to the user is a stretch, that is, a tensile element with significant elasticity.
  • the use of stretching can be associated with a number of problems.
  • the stretcher is not able to maintain orientation in space and only limits the movement of its user-associated end.
  • the stretch does not create a restoring force, but only deviates, and the restoring force arises as a result of gravity or buoyancy.
  • a body that is suspended on a stretch in water, which has neutral buoyancy, will not be subject to the action of a restoring force during displacement until its buoyancy decreases with some deflection of the body and its rise from the water.
  • Neutral buoyancy will disappear, and the body will begin to sink back into the water. In some cone-shaped area under the rope, no forces act on the body, and it is in free float. When deflected, depending on the radius of the rope, an action of forces arises, which can be quite sharp.
  • brace fastening directly to the side of the pool which limits movement only in the direction of movement from the side of the pool (US5816982A, US4109905A, US4527795A);
  • an elastic rod for example, made of fiberglass, to which an extension (cable) is connected, can be used.
  • the device allows you to create an upward force A, close to the force of gliding, holding the swimmer on the surface of the water. At the same time, the holding force B, directed back, keeps the swimmer in a certain zone.
  • a similar approach is used in the simulator according to US7563206B1, where, through the use of an elastic support element, a force is also created to lift the swimmer to the surface.
  • Known swimmer retention systems provide elastic fixation and the ability to move in one direction. When the swimmer turns and moves back to the shore, such systems are not able to perform the function of holding and limiting the swimmer in a given space. That is, known systems do not solve the problem of restricting the movement of a swimmer in all directions in a certain selected area.
  • the claimed invention allows you to create a force that returns the user (swimmer) to a certain swimming area when he moves in any direction on the surface of the water - from the side of the pool and back to it.
  • the system has less effect on the swimmer along the vertical axis and this effect does not depend on the swimmer's deviation from the equilibrium position. This increases the effect of the user's presence when used in virtual reality simulation systems, and also reduces the requirements for the supporting part of the proposed system.
  • the inventive system for limiting the movement of a user (swimmer) in the aquatic environment contains a bending-elastic element, one end of which (retaining end) is designed to be connected to the swimmer, and the second end (retained end) is designed to be fixed using a support system.
  • the restoring force in this case is generated by the element holding the swimmer, which defines a swimming area around itself.
  • the system is organized in such a way that allows such movement of the elastic element as a whole without its deformation, in which the height of the holding end changes within the limits of the natural change in the depth of the user when swimming along the water surface.
  • the entire elastic element moves without deformation, and its position changes so that the position of its holding end changes vertically, following the movements of the swimmer.
  • the swimmer thus has a vertical degree of freedom and is not affected in this direction by the restoring strain force of the elastic element.
  • the system provides a uniform feel to the swimmer as it does not pull the swimmer underwater or forcefully out of the water in response to approaching the edge of the swim zone.
  • the system does not actually restrict the swimmer's vertical movement while swimming along the water surface.
  • the elastic element must be installed so that a significant displacement of the swimmer in any horizontal direction causes the elastic element to bend. That is, the response of the elastic element to the user's movement along the water surface is precisely its bending, and not, for example, stretching, as in known systems.
  • the system continues to perform its function, that is, to keep the swimmer in a certain swimming area, creating a return force in relation to the swimmer.
  • the entire holding element moves vertically, or its orientation in space changes slightly.
  • the holding element which provides uniform restoring forces in all horizontal directions at the same depth of the user's position, moving upwards in parallel or almost parallel with a change in depth, will also maintain uniformity of restoring forces for all horizontal directions.
  • the horizontal coordinates of its holding end do not change, which means that the depth changes without shifting the user, and the center of the simulation zone, where the system returns the user, is in the same horizontal coordinates regardless of the depth.
  • the freedom of the user in the vertical direction can be achieved, for example, by placing the system of supports on the supporting surface with the possibility of their rotational movement relatively close to the horizontal axis, remote from the center of the navigation zone.
  • the freedom of rotation of the support about the specified axis is transferred to the elastic element, making it possible to move around the circumference in a vertical plane, which changes the height of the holding end of the support element.
  • the retained end of the elastic element is rigidly connected to the ends of two inclined supports, the opposite ends of which are fixed at points spaced apart from each other, remote from the center of the navigation zone.
  • the rotation of the support system and the elastic element is provided relative to a straight line passing through the support fixing points.
  • the resilient element is slidably connected to a system of at least two supports resting on different points remote from the center of the navigation area.
  • the elastic element can be connected (associated) with the swimmer through a module attached to his body or held by him in his hands.
  • the elastic element can be made bent in the direction opposite to the swimmer's head, in a place corresponding to the level of the swimmer's head, and have freedom of rotation about an axis close to vertical.
  • the elastic element can be connected to the swimmer through an intermediary element, which ensures the rotational mobility of the swimmer around the elastic element.
  • the system is used for virtual reality simulation systems to reduce the impact on the user of unwanted forces and increase the effect of presence.
  • the horizontal force acting on the swimmer changes more smoothly when he changes the direction of his movement and moves near the equilibrium point.
  • the homogeneity of sensations increases when deviating from the equilibrium position, due to a more uniform vertical load on the user, that is, a load that does not depend or weakly depends on the horizontal displacement of the swimmer.
  • Figures 1-4 show the first version of the system with hinged support:
  • FIG. 1 implementation of a system with one support
  • FIG. 2 the behavior of the system in dynamics when the swimmer rises (hereinafter, arrows of increased thickness indicate the direction of deflection of the system elements in response to the user's actions);
  • FIG. 5 the preferred implementation of the system according to the first variant with two spaced supports
  • FIG. 6-9 show the second version of the system:
  • FIG. 8 - with rigid fastening of two supports opposite each other with the possibility of translational movement of the elastic element during the vertical movement of the swimmer;
  • FIG. 11 - elastic element in the form of a C-shaped bracket
  • FIG. 12 an elastic element of a trapezoidal shape
  • FIG. 14 the action of forces on the user when he is fixed with a suspension (stretch), for comparison.
  • the movement limitation system allows you to keep the user (in particular, the swimmer) in a certain zone of the water space (swimming zone, simulation zone) with an elastic bending element 1.
  • swimming means any user activity in the aquatic environment with the application of forces that can cause the user to move.
  • the elastic element 1 is connected with the swimmer with one of its ends (retaining end 2), and the second end (retained end 3) is fixed on the support system (see Fig. ), for example, above or below the water surface.
  • a support system for the elastic element 1 a system can be used in the form of a single support element 4 or several support elements 4 interconnected and fixed on the support surface 5, as well as the support surface itself - the side of the pool, its bottom or ceiling.
  • the fixation of the retained end 3 should be such that a significant displacement of the swimmer in any horizontal direction would lead to bending of the elastic element 1. That is, for any depth of the retaining end 2 there is such an area in the horizontal plane at the depth of its placement that the extension of the retaining end 2 beyond the limits of this area leads to bending of the elastic element 1.
  • the reaction of the elastic element 1 to the horizontal displacement of the swimmer is precisely bending, and not stretching.
  • any restraint system it is possible to define a zone that the user must not leave, and, as a rule, some displacement of the user within this zone is allowed.
  • the size and shape of the swimming area is determined by the size and shape of the pool, and outside of this area there may be physical obstacles, such as the edge of the pool, from which the user must be protected from touching.
  • the fixation system must respond by returning force to prevent further displacement.
  • the elastic element 1 can be connected to the swimmer in a way that allows it (the swimmer) to rotate about the vertical axis, independently or together with the elastic element 1.
  • the connection to the swimmer can be articulated or elastic, using a short flexible mediator element (for example, from a rope or rubber) or other known compound that provides rotational mobility of the swimmer at the attachment point of the elastic element 1 within the limits sufficient for its free swimming.
  • the system is organized in such a way that allows the movement of the elastic element 1 as a whole without its deformation (for example, stretching).
  • the height of the holding end 2 relative to the selected horizontal surface changes, that is, it moves vertically.
  • the displacement is made at least within the limits of the natural change in the depth at which the swimmer is located when he swims along the surface of the water.
  • the holding end 2 should preferably not move horizontally or only slightly when the depth changes. Otherwise, when changing the depth, the user will feel horizontal pressure from the side of the holding end 2, which is not associated with the user's swimming activity, and the center of the swimming zone at different depths will have different horizontal coordinates, which is meaningless for pools with vertical walls.
  • the reference points of the system are not required to support the weight of the swimmer, and in the version with supports that can rotate about the horizontal axis - and most of the entire weight of the system, since it "relies" on the water, the swimmer, buoyancy element. This allows you to significantly reduce the requirements for securing the system on the shore. It is sufficient to limit its movement along the coast, the movement of the ends under the action of small forces. Since the system does not respond to the swimmer's weight, it does not have a destructive effect on it; the effect of the swimmer's weight is not transferred to the system, which further reduces the requirements for the system's supports.
  • the inventive system has a more uniform effect on the swimmer; does not keep it from sinking, does not “pull” it out of the water and does not “pull” it under water, that is, it does not have an extra effect that does not have visual or other reinforcement in virtual reality by reducing the negative impact of the vertical component of the force.
  • the vertical component of the force acting on the swimmer from the side of the system increases as the swimmer deviates from the center of the swimming area. This negative impact is associated with the heterogeneity of the vertical component.
  • the system quickly absorbs the vertical component of the forces (especially sharp forces) of the user's movements, such a vertical effect creates a feeling of an imposed restriction.
  • the claimed system achieves minimization of the vertical component of the force from the holding system, for example, by creating vertical freedom of movement of the system's attachment point on the user's body, at least within the limits of changing the depth of its location in the process of free floating of the user along the water surface.
  • the limits of the vertical movement of this point during natural navigation we call the limits of the natural change in the depth of the user's location.
  • the elastic element 1 is the main element that ensures a smooth return of the swimmer to the center of the swimming area. It can be a rod of the required length.
  • the elastic element 1 is made of a material that allows it to return to its original shape after bending deformation under conditions of horizontal mobility with the force expected from the user. Due to its elasticity, the element 1 ensures the return of the system to the central equilibrium position when the swimming efforts are removed.
  • the elastic element 1 can be made, for example, of fiberglass, carbon fiber, metal.
  • the elasticity of the element 1 can be selected based on the size of the pool (the area of the desired swimming area) and the nature of the efforts of the swimmer. For smaller sizes and/or a more sporty style of swimming, this item can be stiffer. For larger pools and/or relaxed swimming, the stiffness can be reduced instead. This adjustment can also be made by increasing or decreasing the active length of the elastic element 1 by shifting the connection point of the elastic element 1 and supporting elements 4.
  • the vertical mobility of the holding end 2 of the elastic element 1 can be achieved by allowing the translational movement of the elastic element 1 along a nearly vertical axis in response to the movement of the swimmer.
  • the support element 4 can be installed with the possibility of rotational movement relatively close to the horizontal axis, remote from the center of the navigation area.
  • the load is removed from the supporting part of the system (system attachment points on the supporting surface), they do not need to support their own weight, which is especially important when using long, heavy and massive supports.
  • Anchoring points can be located near the perimeter of the pool, that is, in the vicinity of the water boundary, the water separation zone and the shore / sides of the pool, or in the case of use in an open water body, on another movable or immovable object (pier, boat, etc.) .
  • the height of their location can be different, both above the water level and below the floor level of the pool; that is, an indication of the location "near” can refer to both vertical and horizontal displacement relative to the surface of the water.
  • Indications of an axis close to the vertical or horizontal imply the possibility of placing the element both on the corresponding axis - horizontal or vertical, and on an inclined axis close to it. At the same time, the location as close as possible to or on such an axis is preferred, and the deviation is acceptable as long as sufficient uniformity of the generated force is ensured.
  • a rigid or rigidly elastic support element 4 can act as a support.
  • at least one support element 4 is connected with the support surface 5 at its first end, and with the elastic retaining element 1 with its second end.
  • the connection can be rigid or allow rotation and/or shift of the elastic element 1 along an axis close to vertical.
  • the support element 4 must have sufficient strength and rigidity to prevent significant horizontal displacement of the connection point of the support element 4 with the elastic element 1 under the action of the swimmer's swimming efforts, and the displacement is significant compared to the horizontal displacement of the swimmer itself.
  • the support element 4 may have some elasticity.
  • the rigidity of a single support element 4, for example, attached to the side, bottom or ceiling of the pool must be significantly higher than the rigidity of the elastic element 1.
  • two support elements 4 for example, forming a triangular shape, relying on one side of the pool, their rigidity can be reduced due to the greater rigidity of the structure.
  • Still less rigid support elements 4 can be used if three or more support elements 4 form a pyramidal or domed shape, for example, resting on different sides of the pool.
  • the supporting elements 4 can be made, for example, of tubes of aluminum alloy, fiberglass or carbon fiber. For ease of storage and transportation, the supporting elements 4 can also be made of separate shorter knees.
  • the system has such a geometry that its elements do not interfere with free swimming in any direction.
  • the height of the supporting elements 4 above the surface must be sufficient for the free passage of the snorkel tube under them when the swimmer turns.
  • the support elements 4 should be located in a zone where they are not touched by the swimmer's legs.
  • the system can be implemented in various ways.
  • connection of the support element 4 with the support surface 5 is chosen, which makes it possible to rotate it about a horizontal axis passing through the point / points of connection with the support surface 5.
  • the support element 4 can be fixed with a swivel joint. Since the system is not designed to keep the swimmer from moving in the vertical direction, no support is required in that direction.
  • the opposite end of the hinged support element 4 is movable in the vertical plane and, together with the elastic element 1 and the swimmer, can move freely in the vertical plane along a large radius circle determined by the length of the support element 4, thus allowing the swimmer to freely change the depth of the swimmer with any deviation from the center. zones.
  • the weight of the support can be offset by creating additional buoyancy, for example, by placing buoyancy elements on the swimmer's belt or at the end of the support element 4.
  • the support element 4 (bracket) is fixed by means of an axial hinge on the shore (on the side of the pool).
  • the shape of the bracket allows the swimmer to swim freely under it without touching it with the snorkel, and the elasticity of the retaining element 1 allows the swimmer to return to its original central position in the pool when deviating from it.
  • the system allows the swimmer to move in the vertical direction ( ) and remains operational when the swimmer turns ( , ).
  • the preferred implementation of the system according to the first embodiment is shown in .
  • the system contains two inclined support elements 4 installed on the support surface 5 at a distance from each other and rigidly connected to the elastic element 1 to form a triangular pyramid.
  • the reference points of the elements 4 are removed from the center of the navigation zone, and the rotation of the elements 1 and 4 occurs relative to the straight line passing through them.
  • the rigid triangle formed by the supporting elements 4 can rotate relative to the axis of fastening on the shore.
  • the mutual arrangement of the support elements 4 improves the stability of the structure in the main working horizontal direction. This results in a light, quick-detachable and stable design.
  • the support surfaces 5 can be any two attachment points, for example, the handrails of the pool or its side. Fixation to the supporting surface 5 can be carried out using suction cups. This design can be installed using only one side of the pool, does not require other walls and elevations, therefore it is suitable for use in large and outdoor pools.
  • the vertical mobility of the swimmer is realized due to the possibility of translational movement of the elastic element 1 in response to the movement of the swimmer relative to the fixed support element 4 (or the system of support elements 4) at their junction in a direction close to vertical.
  • the immobility of the supports in the place of fixing the elastic element 1 in this case can be achieved in various ways. For example, by rigidly fixing a rigid support element-bracket 4 with a sufficient support base on the support surface 5 (see Fig. ), which can be the side or the bottom of the pool ( ), wall or ceiling of the room.
  • Immobility can also be achieved by creating a rigid structure of several supporting elements 4, based on spaced points in space (for example, on opposite sides of the pool), the ends of which are connected above the center of the swimming area.
  • Such an implementation is effective when it is possible to create a fixed or slow-moving point directly above or below the center of the movement zone using the support elements.
  • This option can be most effectively implemented using support elements 4 installed on opposite sides (shores) (see Fig. , ).
  • the supporting elements 4 are interconnected above the water surface to form a "dome", at the top of which an elastic element 1 is installed with the ability to move forward.
  • This design reduces the requirements for the rigidity of fastening of the supporting elements 4 on the supporting surface 5 and limiting their mobility, since their rotation is blocked by mutual fixation.
  • it is optimal to use a system of three or more support elements 4 ( ), which are interconnected and rest on different points of the pool perimeter, and the connection with the elastic element 1 is made sliding with the possibility of its translational movement in response to the movements of the swimmer.
  • the support element 4 can be connected to the swimmer directly or using an intermediary element.
  • the elastic element 1 can be connected to the swimmer through the module 6, which is held by the swimmer in his hands or fixed on his body, for example, placed on a vest.
  • Module 6 can be equipped with handles for holding it with two hands in front of you (see fig. , ), which allows you to abandon the use of a swimmer's belt, harness. In this way, the process of preparing a swimmer for swimming using the system can be simplified and accelerated.
  • the module can perform the functions of a hand-held game controller, simulating the virtual space of the action of various weapons and tools held with two hands (weapon, camera), which expands the range of possible game scenarios without complicating the system and adding new monitored devices.
  • it is possible to provide it with greater freedom of vertical displacement (in comparison with other versions of the proposed system) for the possibility of free movement of the module in front of the user.
  • the shape and method of connecting the support element 4, the elastic element 1 and the module 6 can be selected to ensure the best mobility of the swimmer with the least risk of collision with the elements of the system.
  • the bent shape of the elastic element 1 allows the swimmer to avoid a collision of the head and the snorkel while holding the module 6 in the hands.
  • the elastic element must have freedom of rotation about an axis close to vertical, so that the position of its bend corresponds to the direction of the user's navigation.
  • the elastic element 1 can be made in the form of a C-shaped bracket ( ) or have a trapezoidal shape ( ).
  • FIG. 13 shows the forces acting on a swimmer held in the central zone by an elastic element in the form of an elastic bending rod at the moment of the swimmer's maximum deviation from the equilibrium position when applying the maximum swimming force in the horizontal direction.
  • Fig. 14 shows the forces acting on the swimmer at his maximum displacement from the equilibrium position while holding him with the help of a suspension (stretching).
  • the swimmer also applies force in the horizontal direction.
  • Strength stretching tension directed to the point of attachment of the brace fixed at a height deviated from the vertical by an angle .
  • buoyancy begins to decrease only when the user deviates, partially lifting him out of the water (then, with the same weight, the Archimedes force begins to decrease).
  • the brace begins to lift the user out of the water, the user is not subjected to any horizontal forces from the brace, resulting in the above-described jerk effect when the brace is loaded.
  • an elastic retaining element makes it possible to reduce the required area of the reservoir, in particular, the simulation zone, as well as to achieve a more uniform distribution of forces.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)
  • Professional, Industrial, Or Sporting Protective Garments (AREA)

Abstract

Система ограничения перемещений пользователя в водной среде относится к системам для плавания и может быть использована для систем симуляции виртуальной реальности (ВР). Она позволяет создавать возвращающее пловца усилие при его движении в любом направлении, а также повысить эффект присутствия в ВР, снизить требования к опорной части, используемой площади бассейна. Система содержит упругий на изгиб элемент, удерживающий пловца (напрямую или через посредник) и закрепляемый системой опор. Под воздействием перемещений пловца упругий элемент перемещается целиком без деформации с изменением высоты расположения его конца. На горизонтальное смещение пловца система реагирует изгибом упругого элемента. Для вертикальной свободы упругий элемент устанавливают на опоры с возможностью их вращения. Либо обеспечивают возможность его движения поступательно. Упругий элемент может быть связан с пловцом через закрепленный на нем или удерживаемый в руках модуль. Для предотвращения столкновений с пользователем упругий элемент может быть выполнен изогнутым

Description

СИСТЕМА ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
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 [WO2019027358A1, опубл. 07.02.2019, приор. по RU2017127259A от 31.07.2017, A63F13/428; G09B9/00] 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 путём 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.
 Сущность изобретения
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 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 существенное смещение пловца 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. 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.
На фигурах 1-4 изображен первый вариант исполнения системы с шарнирным закреплением опоры:
Фигура.1
[Фиг. 1] - реализация системы с одной опорой;
Фигура.2
[Фиг. 2] поведение системы в динамике при подъеме пловца (здесь и далее стрелки увеличенной толщины указывают направление отклонения элементов системы в ответ на действия пользователя);
Фигура.3
[Фиг. 3] - поведение системы при движении пловца к борту бассейна;
Фигура.4
[Фиг. 4] - поведение системы при движении пловца от борта бассейна;
Фигура.5
[Фиг. 5] - предпочтительная реализация системы по первому варианту с двумя разнесенными опорами;
На фигурах 6-9 изображен второй вариант исполнения системы:
Фигура.6
[Фиг. 6] - жесткое закрепление опоры с достаточной опорной базой;
Фигура.7
[Фиг. 7] - с жестким закреплением двух опор друг напротив друга с возможностью поступательного движения упругого элемента при горизонтальном движении пловца;
Фигура.8
[Фиг. 8] - с жестким закреплением двух опор друг напротив друга с возможностью поступательного движения упругого элемента при вертикальном движении пловца;
Фигура.9
[Фиг. 9] - в предпочтительной реализации - с использованием трех дуг с их фиксацией на бортах круглого каркасного бассейна;
Фигура.10
[Фиг. 10] закрепление пловца ко дну бассейна;
На фигурах 11-12 - использование изогнутого кронштейна в качестве упругого элемента:
Фигура.11
[Фиг. 11] - упругий элемент в виде С-образного кронштейна;
Фигура.12
[Фиг. 12] - упругий элемент трапециевидной формы;
Фигура.13
[Фиг. 13] - действие сил на пользователя при его закреплении упругим элементом;
Фигура.14
[Фиг. 14] - 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. ), 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 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.
Для любой удерживающей системы можно определить зону, которую не должен покинуть пользователь, при этом, как правило, допустимо некоторое смещение пользователя в пределах этой зоны. Часто размеры и форма зоны плавания определяются размерами и формой бассейна, а за пределами этой зоны могут находиться физические препятствия, такие, как борт бассейна, от касания которых требуется оградить пользователя. Таким образом, при смещении пользователя (а значит и точки закрепления системы на его теле), при котором возникает возможность касания пользователем физических препятствий или выхода какой либо части тела пользователя (чаще всего вытянутой вперед руки) из обозначенной зоны плавания, система закрепления должна реагировать возвращающим усилием, не допускающим дальнейшего смещения. Такое отклонение, при котором возникает риск выхода пользователя из зоны плавания, мы называем существенным отклонением от центра зоны плавания. Естественно, что для выполнения системой удерживающей функции, при существенном смещении возвращающее усилие должно создаваться в обязательном порядке. Отметим, что в практической реализации при ограничении зоны плавания для широкого круга пользователей, имеющих разный рост, длину рук, и физические данные, система обычно должна создавать достаточное возвращающее усилие до достижения существенного смещения пользователя.
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 за счет снижения негативного воздействия вертикальной составляющей силы.
Для систем, использующих растяжки, вертикальная составляющая силы, действующей на пловца со стороны системы, возрастает по мере отклонения пловца от центра плавательной зоны. Это негативное воздействие связано с неоднородностью вертикальной составляющей. В системах, в которых пользователь жестко закреплен на определенной глубине, при быстром гашении системой вертикальной составляющей усилий (особенно резких усилий) перемещений пользователя такое вертикальное воздействие создает ощущение наложенного ограничения.
При естественном плавании в ответ на выталкивающие усилия, создаваемые ногами, руками и телом пользователя при плавании, на изменение расположения центра масс при движениях рук и ног и изменение плавучести при дыхании, неизбежно возникает вертикальная составляющая силы. Поэтому в отсутствие ограничений даже при плавании вдоль поверхности воды (без целенаправленного заныривания), любая точка на теле пользователя меняет глубину своего расположения в некоторых пределах, которые мы называем пределами изменения глубины расположения этой точки при естественном плавании. В частности, стремится к изменению глубины расположения и точка на теле пользователя, где закрепляется удерживающая система.
Препятствование этому изменению глубины со стороны удерживающей системы также нарушает ощущение естественного плавания, создает ощущение жесткого упора, не дает принять телу то положение относительно поверхности воды, которое оно имело бы при естественном плавании.
Для устранения такого негативного эффекта заявляемой системой достигается минимизация вертикальной составляющей усилия со стороны удерживающей системы, например, за счет создания вертикальной свободы перемещения точки закрепления системы на теле пользователя, как минимум в пределах изменения глубины ее расположения в процессе свободного плавания пользователя вдоль поверхности воды. Пределы вертикального перемещения этой точки при естественном плавании мы называем пределами естественного изменения глубины расположения пользователя.
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 . 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 ( ) и остается работоспособной при разворотах пловца ( , ).
Предпочтительная реализация системы по первому варианту исполнения представлена на . 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 счёт 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. ), в качестве которой может выступать борт или дно бассейна ( ), 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. , ). 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 ( ), 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. , ), 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 , 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 ( ) или иметь трапециевидную форму ( ).
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. 13 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
Figure pctxmlib-appb-M000001
 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
Figure pctxmlib-appb-M000002
, где
Figure pctxmlib-appb-M000003
 - смещение пловца относительно точки равновесия при максимальном приложенном усилии,
Figure pctxmlib-appb-M000004
 – 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:
Figure pctxmlib-appb-M000005
откуда
Figure pctxmlib-appb-M000006
Так как величина
Figure pctxmlib-appb-M000007
 ограничена сверху физическими возможностями человека, то, увеличивая коэффициент
Figure pctxmlib-appb-M000008
 путем выбора более жесткого упругого элемента можно добиться сколь угодно малого максимального допустимого смещения
Figure pctxmlib-appb-M000009
, то есть ограничить минимально допустимый размер зоны, необходимой для плавания.
Для сравнения на фиг. 14 изображены силы, действующие на пловца при его максимальном смещении от положения равновесия при его удержании с помощью подвеса (растяжки). Пловец также прилагает силу
Figure pctxmlib-appb-M000010
 в горизонтальном направлении. Сила
Figure pctxmlib-appb-M000011
 натяжения растяжки
Figure pctxmlib-appb-M000012
направлена к точке закрепления растяжки, закрепленной на высоте
Figure pctxmlib-appb-M000013
 отклоненной от вертикали на угол
Figure pctxmlib-appb-M000014
. Пусть величина отрицательной плавучести пловца в точке максимального отклонения равна
Figure pctxmlib-appb-M000015
 Тогда в проекциях на горизонтальную и вертикальную оси второй закон Ньютона принимает вид:
Figure pctxmlib-appb-M000016
Figure pctxmlib-appb-M000017
Таким образом,
Figure pctxmlib-appb-M000018
Откуда
Figure pctxmlib-appb-M000019
Следовательно, уменьшить
Figure pctxmlib-appb-M000020
 при заданной высоте точки закрепления растяжки (подвеса) и максимальной силе пловца
Figure pctxmlib-appb-M000021
 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 (9)

  1. Система ограничения перемещений пользователя в водной среде, содержащая упругий на изгиб элемент, один конец которого предназначен для соединения с пользователем, а второй конец предназначен для закрепления с помощью системы опор, таким образом, что:
    позволяет перемещение упругого элемента целиком без его деформации, при котором изменяется высота расположения конца упругого элемента, предназначенного для соединения с пользователем, в пределах естественного изменения глубины расположения пользователя при плавании вдоль поверхности воды;
    существенное смещение пользователя 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 конец упругого элемента, предназначенный для закрепления с помощью системы опор, 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 используется для систем симуляции виртуальной реальности.
PCT/RU2021/050443 2020-12-18 2021-12-20 Система ограничения перемещений пользователя в водной среде WO2022131969A1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202180085157.7A CN116648291A (zh) 2020-12-18 2021-12-20 用于限制用户在水生介质中移动的系统
US18/268,044 US20240075369A1 (en) 2020-12-18 2021-12-20 System for restricting user movements in an aquatic medium

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020142025A RU2773114C1 (ru) 2020-12-18 Система ограничения перемещений пользователя в водной среде
RU2020142025 2020-12-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022131969A1 true WO2022131969A1 (ru) 2022-06-23

Family

ID=82057995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050443 WO2022131969A1 (ru) 2020-12-18 2021-12-20 Система ограничения перемещений пользователя в водной среде

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20240075369A1 (ru)
CN (1) CN116648291A (ru)
WO (1) WO2022131969A1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4095657A (en) * 1975-10-10 1978-06-20 George Hohwart Swimming apparatus
US4530497A (en) * 1983-04-21 1985-07-23 William Moran Exercising device
US6247935B1 (en) * 1998-08-28 2001-06-19 Charles V. Martin Swim start training apparatus
US20090298652A1 (en) * 2008-06-02 2009-12-03 Michel Lessard Swim Training Device and Method
CN206715250U (zh) * 2017-05-11 2017-12-08 黑龙江科技大学 一种游泳辅助训练装置
US20200226946A1 (en) * 2017-07-31 2020-07-16 Alexey Vladimirovich Lysenko The system and method for controlling the virtual object

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4095657A (en) * 1975-10-10 1978-06-20 George Hohwart Swimming apparatus
US4530497A (en) * 1983-04-21 1985-07-23 William Moran Exercising device
US6247935B1 (en) * 1998-08-28 2001-06-19 Charles V. Martin Swim start training apparatus
US20090298652A1 (en) * 2008-06-02 2009-12-03 Michel Lessard Swim Training Device and Method
CN206715250U (zh) * 2017-05-11 2017-12-08 黑龙江科技大学 一种游泳辅助训练装置
US20200226946A1 (en) * 2017-07-31 2020-07-16 Alexey Vladimirovich Lysenko The system and method for controlling the virtual object

Also Published As

Publication number Publication date
US20240075369A1 (en) 2024-03-07
CN116648291A (zh) 2023-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11524223B2 (en) System and method for controlling virtual objects
US2908141A (en) Marine platforms
WO2017098515A1 (en) Lifesaving system and method for swimming pool
US6439149B1 (en) Watercraft mooring system
WO2022131969A1 (ru) Система ограничения перемещений пользователя в водной среде
RU2773114C1 (ru) Система ограничения перемещений пользователя в водной среде
JP2023546750A (ja) 洋上風力タービンの動きの最小化
US10065709B2 (en) Cradle assembly for boats
JP2514487B2 (ja) 脚付き浮体構造物
US9278734B2 (en) Tether device for pool floats
PT1750994E (pt) Sistema de ancoragem para construção flutuante.
US7927163B2 (en) Recreational flotation device
AU2016313426A1 (en) Underwater recreation system
US3123845A (en) Swimmer s buoy
KR20170034230A (ko) 구조물의 동요를 저감하기 위한 장치 및 이를 포함하는 구조물
US20080026656A1 (en) Floating device for play on the water
US11173369B1 (en) Stationary swimming device and method
Tang et al. Development of study on the dynamic characteristics of deep water mooring system
GB1599666A (en) Buoyancy aids for swimmers
Jeong et al. Investigation of mooring stability due to structural modification of barge ship
CN2843554Y (zh) 游泳训练及学习动态调整浮力装置
JP6853515B2 (ja) 水上遊戯施設
JP3907320B2 (ja) プール構造
JP2019105043A (ja) 汚濁防止用フェンスの係留構造及び係留方法
JP2021054140A (ja) 救命梯子及び船舶

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21907229

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202180085157.7

Country of ref document: CN

Ref document number: 18268044

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202337048042

Country of ref document: IN

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 13/11/2023)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21907229

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1