ЭЛЕКТРОВЕЛОСИПЕД В КАЧЕСТВЕ ТРЕНАЖЁРА

Гуляев Т.М.

ORCID: 0000-0001-7604-1819, Аспирант, кафедры «Автоматы» Института металлургии, машиностроения и транспорта Санкт-Петербургского государственного политехнического университета им. Петра Великого

ЭЛЕКТРОВЕЛОСИПЕД В КАЧЕСТВЕ ТРЕНАЖЁРА

Аннотация

В данной статье автор обосновывает необходимость контроля уровня нагрузки, оказываемой на организм людей преклонного возраста, во время регулярных велопрогулок. Проведён краткий анализ на тему, предоставляют ли подобную возможность существующие на данный момент обычные или электро-велосипеды.  Приводится сравнение медицинских велотренажёров, велосипедов и велосипедов с электроприводом, анализируются различия в их функциональных задачах. Автор обосновывает факт непригодности велосипеда для проведения реабилитационных занятий и предлагает собственное аппаратное решение для поставленной задачи. В статье описывается основной алгоритм работы этого устройства и теоретический расчёт его эффективности.  

Ключевые слова: велотренажёр; электровелосипед; велосипед; здоровье; лечебно-спортивная реабилитация; фитнес; электромотор; мотор-колесо.

Gulyaev T.M.

ORCID: 0000-0001-7604-1819, Postgraduate student of the "Automatics" department, Institute of Metallurgy, Machine Building and Transport, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University.

ELECTRIC BICYCLE AS A MEDICAL EXERCISE MACHINE

Abstract

The author justifies the need to control the level of stress exerted on the bodies of elderly people during regular cycling in the paper. A brief analysis has been carried out on whether such a possibility is provided by conventional or electric bicycles being currently used. The comparison of medical exercise bicycles, bicycles and bicycles with electric drive is given, the differences in their functional tasks are also analyzed. The author justifies the fact that the bicycle is not suitable for rehabilitating classes and offers its own hardware solution of this problem. The article describes the basic algorithm for the operation of this device and the theoretical calculation of its effectiveness.

Keywords: exercise bicycle; electric bicycle; bicycle; health; medical and sports rehabilitation; fitness; electric drive; motor-wheel.

Введение. Людям преклонного возраста, а также людям, находящимся в процессе реабилитации после перенесённых травм или тяжёлых заболеваний (диабет, перенесённый инсульт, хронические болезни сердца) регулярные физические нагрузки критически необходимы для предотвращения ухудшения состояния, поддержания жизненных сил.

Но с другой стороны, чрезмерные физические нагрузки, при подобных обстоятельствах могут опасны для здоровья и жизни тренирующегося. Велосипед для пожилых, ослабленных после инсульта или страдающих пороком сердца в качестве тренажёра не подходит - поскольку в случае подъёма в гору или езды по пересечённой местности, нагрузка на пользователя может резко возрасти до критического или недопустимого уровня, как показывают исследования [1, С. 20-24].

Для подобных случаев были разработаны специальные спортивные снаряды: велотренажёры, беговые дорожки, лыжные симуляторы и пр. Технические задачи этих устройств одинаков – обеспечение точно контролируемого уровня физической нагрузки и частичный мониторинг состояния организма пользователя. Такой эффект достигается методом комбинирования в тренажёре электронно-цифрового устройства управления (микроконтроллер, ARM), и механических узлов, использующих различные законы физики (гидравлику, законы механики, электромагнетизм). Специалисты здравоохранения рекомендуют регулярное использование велотренажёра в качестве нагрузки на опорно-двигательный аппарат, для поддержания его здорового функционирования. Особенно рекомендуются регулярные тренировки на велотренажёре лицам преклонного возраста или ведущим малоподвижный образ жизни в силу своей профессии.

К недостаткам велотренажёров можно отнести:

• крупные габариты – велотренажёры как правило много весят или крепятся к полу стационарно, с помощью врезанных в пол анкерных болтов;
• стационарность – перемещать тренажёр довольно сложно, в случае стационарной установки, снаряд невозможно переместить невозможно без специальных инструментов.

Цель исследования. Целью исследования является создание мобильного тренажёра, на базе электровелосипеда, путём добавления возможности контроля уровня физической нагрузки на организм, во время передвижения. Это позволит использовать получившееся устройство для проведения лечебно-профилактических занятий физически ослабленных пациентов, ежедневных тренировок людей преклонного возраста и выполнения различных фитнес-программ на открытом воздухе.

Обзор предметной области. Электровелосипед – одна из разновидностей персонального электротранспорта, представляет собой велосипед с электрическим приводом, который частично или полностью обеспечивает его движение. Его отличительной особенностью является возможность использования в качестве движущей силы как электропривод, так и мускульную силу ног водителя. В отличие от электроскутера или мотоцикла, электровелосипед может приводиться в движение педалями. Существующие на рынке электровелосипеды, не имеют методов отслеживания и учёта таких показателей, как частота пульса и уровень артериального давления пользователя. Электровелосипеды предлагают три варианта управления крутящим моментом двигателя:

• рычаг газа – функционирует в точности как в конструкции мотоцикла, повышая и понижая обороты при сжатии и разжатии рычага;
• цифровая панель управления – подключается к драйверу электродвигателя; на панели с помощью кнопок можно задать точное значение частоты вращения двигателя;
• PAS («Pedal Assistant» – «Помощь педалированию») – способ, при котором на колесе велосипеда устанавливается тахометр, включающий электродвигатель в случае, если пользователь прекратил вращать педали и количество оборотов колеса снизилось.

Электровелосипед не является тренажёром для оздоровительной реабилитации в полной мере и является скорее транспортным средством. Что бы использоваться в качестве снаряда для лечебно-оздоровительных занятий, ему необходима функция контроля уровня нагрузки, оказываемой на наездника.

Алгоритмы разрабатываемого автором устройства позволят предотвратить возникновение чрезмерной нагрузки на организм, включая в работу установленный на велосипед электродвигатель. Но при этом крутящий момент добавляется плавно, под управлением бортового компьютера, подключаемого к драйверу электродвигателя. Бортовой компьютер позволит задавать более гибкую программу тренировок. PAS – практически удовлетворяет задачам исследования, но на практике электровелосипед оборудованный PAS работает крайне неточно (Pedal Assiatant лишь включает и отключает двигатель) – поэтому в качестве тренажёра с выбором уровня нагрузки, данное устройство использовать невозможно.

Во время передвижения на велосипеде, как показывают исследования кинематики велосипеда [2], нагрузка на наездника резко возрастает при:

• движении по зыбкому грунту;
• подъёме в гору;
• движении на высоких скоростях (из-за сопротивления воздуха).

В подобных случаях, бортовая логика устройства, исходя из данных с установленных датчиков, вычисляет точное количество необходимой дополнительной энергии, и подаёт её в передачу устройства, в виде крутящего момента установленного электродвигателя. Генерируемая вспомогательная мощность должна быть равна:

  (1)

где P_p - реальное усилие, необходимое для приведения велосипеда в движение с заданной скоростью, а  – заданный программой тренировок уровень нагрузки.

Нормативные ограничения Согласно действующему законодательству Российской Федерации [3, С2], к категории «электровелосипед» относятся только велосипеды, оборудованные электродвигателем (навесным, подключенным к цепной передаче, или мотор-колесом) с номинальной максимальной мощностью, не превышающей 250 Вт в режиме длительной нагрузки, и автоматически отличающимся на скорости более 25 км/ч.

В случае, если номинальная мощность двигателя превышает установленные нормой 250 Вт – транспортное средство определяется, как «электро-мотоцикл \ электро-скутер» и требует от пользователя получения соответствующих водительских прав в ГИБДД РФ. То есть значение дополнительной мощности, предоставляемой на компенсацию дополнительных затрат, ограничено значением

  (2)

где  P_max – предельно-допустимое значение мощности электродвигателя.

Найдём зависимость мощности, необходимой для перемещения велосипеда, от скорости его перемещения. Мощность определяется по формуле:

  (3)

Поскольку L - пройденной расстояние, а t - время, за которое оно было пройдено, зависимость необходимой мощности от собственной скорости движения велосипедиста имеет следующий вид:

   (4)

Построим графики зависимостей мощности необходимой для совершения подъёма по склону, от скорости движения велосипеда, при различных значениях угла ∞ (10°(1), 15°(2), 20°(3) и 25°(4). На графике, заданный уровень нагрузки P₃ установлен на 200 Вт. Значение максимально-допустимого программой тренировки уровня суммарной мощности электромотора и наездника для вычисляется по формуле:

   (5)

Рис. 1 – Зависимость затрачиваемой мощности (Вт) от скорости перемещения велосипеда (км/ч)

Из графика следует, что для перемещения для подъёма по трассе с уклоном 25° со скоростью 25 км/ч мощности электромотора будет недостаточно, и система должна будет оповестить пользователя о том, что он подвергает свой организм перегрузкам, с помощью звукового сигнала, светового индикатора или графического экрана. Длительные перегрузки, согласно медицинским исследованиям [4], способны причинить ослабленному организму непоправимый вред. Разрабатываемая концепция позволит людям со слабым здоровьем наслаждаться велопрогулками, которых прежде для них были недоступны, ввиду риска ухудшения здоровья и самочувствия.

Нагрузка на организм. Проектируемое устройство, как и велотренажёр, относится к классу кардиотренажёров – то есть тренажёров, основная нагрузка при работе на которых приходится на сердечно – сосудистую систему пользователя. Кардиотренировка крайне важна для восстановления и поддержания нормального функционирования организма человека, но приносит пользу только в том случае, если человек следит за своим пульсом, относительно его верхней и нижней границы. Чтобы высчитать верхнюю и нижнюю границу сердечного пульса, необходимо от 220 (пульс, с которым рождается ребенок) отнять возраст, затем это число умножить на 65% и на 85%. Получившиеся числа — нижняя и верхняя границы пульса, за которые нежелательно выходить во время тренировки.

Для изменения частоты пульса и уровня артериального давления (далее – АД)  предлагается использовать кардио-браслет, который не сложно приобрести в виде отдельного носимого устройства или получить в составе функционала самрт-часов. Данные поступающие со смарт-часов или кардиобраслета могут поступать как на смартфон/планшет пользователя, так и на бортовой компьютер электровелосипеда-тренажёра по интерфейсу  Bluetooth. Размещение датчиков частоты пульса и уровня АД на руле, подобно конструкции стационарных велотренажёров в нашем случае недопустимо, поскольку предполагает неподвижное состояние ладоней на датчиках, что в условиях езды по оживлённой улице может подвергнуть пользователя риску попадания в аварию.

Вывод. Модернизация электровелосипеда в тренажёр возможна, путём дополнения конструкции устройства рядом технических решений, которые не существенно повысят себестоимость самого устройства. В дальнейшем автор планирует сконструировать опытный образец электровелосипеда-тренажёра.

Список литературы / References

1. Кобяко Ю. П. Концепция нормальной двигательной активности человека/ Ю.П.Кобяко // Теория и практика физической культуры - 2015 - №11(203) – С.20-24.
2. Любовицкий В. П. Кинематика и динамика системы гонщик - велосипед / В. П. Любовицкий // Гоночные велосипеды - 1989 г - С.254-294.
3. Правительство РФ. Правка в абзац 15. / Правительство РФ // Постановление Правительства РФ от 22.03.2014 N 221 О внесении изменений в постановление Совета Министров - Правительства Российской Федерации от 23 октября 1993 г. - 2014 - № 1090 - С.2.
4. Семёнов В. В., Ананьин У. Ю. Оценка и сравнительный анализ привычной двигательной активности в различных возрастных и социальных группах / В.В. Семёнов, У.Ю. Ананьин// Медицина и охрана здоровья, материалы Международного симпозиума Научный вестник Тюменской медицинской академии - 2002 - №7-8 - С.81.

Список литературы на английском / References in English

1. Kobjako Ju. P. Koncepcija normal'noj dvigatel'noj aktivnosti cheloveka [The Conception of Regular Human Motion Activity] / Ju.P.Kobjako// Teorija i praktika fizicheskoj kul'tury [The Theory and Practice of Physical Training] - 2015 - #11(203) - P. 20-24. [In Russian]
2. Ljubovickij V. P. Kinematika i dinamika sistemy gonshhik - velosiped [The Kinematics of The Rider/Bicycle System] / V.  Ljubovickij // Gonochnye velosipedy [Race Bicycles] - published by Mashinostroenie-Leningrad, 1989 - P. 254-294. [In Russian]
3. Russian Federation Government, Pravka v abzac 15 [Changes in the Paragraph 15] // Postanovlenie Pravitel'stva RF ot 22.03.2014 N 221 O vnesenii izmenenij v postanovlenie Soveta Ministrov - Pravitel'stva Rossijskoj Federacii ot 23 oktjabrja 1993 g. [Federal Order #221 of 22 May 2014 ‘About Implementing Changes in the Russian Federal Law #1090 of 23 October 1993’] - 2014 - P. 2. [In Russian]
4. Semjonov V. V., Anan'in U. Ju. Ocenka i sravnitel'nyj analiz privychnoj dvigatel'noj aktivnosti v razlichnyh vozrastnyh i social'nyh gruppah [Checking Analyzing and Comparing Comfortable Physical Activity Level during Different Ages]// Medicina i ohrana zdorov'ja, materialy Mezhdunarodnogo simpoziuma Nauchnyj vestnik Tjumenskoj medicinskoj akademii [Medicine and Healthcare - Science News of the Tyumen Medical Academy] - 2002 - № 7, 8 – P. 81 [In Russian]