本發(fā)明涉及一種運(yùn)動(dòng)頭盔，特別地涉及一種向穿戴者提供反饋以用于提高空氣動(dòng)力的頭盔。

背景技術(shù)：

計(jì)時(shí)賽自行車運(yùn)動(dòng)是非常特殊的自行車運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，其中，空氣動(dòng)力是成功的非常重要的關(guān)鍵，并且其中，空氣動(dòng)力極大地取決于騎手在其自行車上的位置和姿勢(shì)。計(jì)時(shí)賽頭盔被專門設(shè)計(jì)成用于在自行車運(yùn)動(dòng)期間最小化對(duì)騎手的拖拽，并證明了其效率。然而，計(jì)時(shí)賽頭盔相對(duì)于騎行方向的位置對(duì)于最小化拖拽(阻力，drag)是關(guān)鍵的，因?yàn)轭^盔的非最佳位置將會(huì)對(duì)騎手的拖拽具有負(fù)面影響。

專門從事計(jì)時(shí)賽自行車運(yùn)動(dòng)的自行車運(yùn)動(dòng)員在改善他們?cè)谧孕熊嚿蠒r(shí)的位置(包括他們的頭部位置)的過程中花費(fèi)很多時(shí)間和精力，以確定最佳位置并使他們自身在騎行時(shí)采用并維持該最佳位置。

通常通過試錯(cuò)法進(jìn)行練習(xí)，諸如在賽車場(chǎng)中訓(xùn)練，記錄騎行并隨后用專用圖像分析軟件分析記錄的圖像，以計(jì)算最佳位置，該最佳位置被傳達(dá)給騎手，騎手可以在隨后的騎行中或在循環(huán)訓(xùn)練期間調(diào)整他的位置。其他方法包括行駛下小坡并調(diào)整頭部位置，以尋找導(dǎo)致最快下坡時(shí)間的位置，由此通過設(shè)置在自行車運(yùn)動(dòng)員的頭部上的傳感器拍攝并記錄頭部位置。

通過反復(fù)重復(fù)該練習(xí)，自行車運(yùn)動(dòng)員真正使自己適應(yīng)采用最高效的頭部位置。其他方法包括在風(fēng)道中訓(xùn)練并且通過設(shè)置在頭盔上的傳感器或通過允許確定自行車運(yùn)動(dòng)員的頭部周圍的空氣移動(dòng)的攝像機(jī)測(cè)量拖拽。

由于需要人員在練習(xí)期間對(duì)自行車運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行考察以進(jìn)行測(cè)量并解釋結(jié)果，因此這種練習(xí)非常耗時(shí)，具有緩慢的學(xué)習(xí)曲線，并且是昂貴的。除了上述事實(shí)外，還需要在更換自行車或頭盔時(shí)重復(fù)該練習(xí)，以使自行車運(yùn)動(dòng)員適應(yīng)重新調(diào)整的位置。

綜上所述，很明顯，需要存在向自行車運(yùn)動(dòng)員提供即時(shí)反饋以用于調(diào)整其頭部位置以提高空氣動(dòng)力的計(jì)時(shí)賽頭盔。

US5158089公開了一種包括傳感器的頭帶，該傳感器用于確定和即時(shí)通知穿戴者其在矢狀平面中的頭部位置，以改善其姿勢(shì)和舒適度。

US20040171969公開了一種頭盔，包括運(yùn)動(dòng)和/或位置傳感器以及指示器，用以向穿戴者提供指示頭部或運(yùn)動(dòng)位置的可識(shí)別反饋信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在獨(dú)立權(quán)利要求中限定了本發(fā)明。在從屬權(quán)利要求中限定了優(yōu)選的實(shí)施方案。特別地，本發(fā)明涉及一種用于在騎行期間使騎手的頭部位置最優(yōu)化的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

頭部穿戴物，包括：

-傳感器單元，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)確定對(duì)應(yīng)于騎手頭部在由方向X和重力場(chǎng)限定的平面內(nèi)的傾斜度I₁的值；

-處理單元，被配置成將實(shí)時(shí)I₁值與參考值I_REF進(jìn)行實(shí)時(shí)比較；

-輸出單元，根據(jù)由處理單元進(jìn)行(執(zhí)行)的比較向騎手提供(實(shí)時(shí))輸出信號(hào)。

根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方案，頭部穿戴物是下述中的一種：騎手穿戴的頭盔、眼鏡或耳塞(耳機(jī))。

更優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的用于在騎行期間最優(yōu)化騎手的頭部位置的系統(tǒng)包括：

頭盔，所述頭盔包括：

-外殼，被設(shè)計(jì)成具有方向X₁，所述頭盔在該方向上的拖拽(系數(shù))低于所述頭盔在其他任何方向上的拖拽(系數(shù))；

-傳感器單元，被集成在頭盔中，能夠?qū)崿F(xiàn)確定對(duì)應(yīng)于方向X₁與在由重力場(chǎng)和方向X₁限定的平面內(nèi)限定的預(yù)定方向X_REF之間的角度的值。

輸出單元，根據(jù)由傳感器單元確定的值向頭盔穿戴者提供輸出信號(hào)。

頭盔優(yōu)選地為自行車運(yùn)動(dòng)頭盔、滑雪頭盔或滑板滑雪頭盔、或者馬術(shù)頭盔或摩托車頭盔，并且特別地為計(jì)時(shí)賽自行車運(yùn)動(dòng)頭盔、公路自行車運(yùn)動(dòng)頭盔或鐵人三項(xiàng)頭盔。

該系統(tǒng)優(yōu)選地還包括確定騎手在移動(dòng)方向上騎行所在平面的傾斜度的傳感器。在甚至更優(yōu)選的實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括允許確定騎手和其頭盔與車輛的相對(duì)位置的至少三個(gè)傳感器，一個(gè)集成在頭盔中，一個(gè)設(shè)置在騎手上且與頭盔分離，一個(gè)設(shè)置在騎手的車輛上。

該系統(tǒng)可能還包括允許確定相對(duì)于頭盔位置的風(fēng)向以及可能地還確定騎手的前進(jìn)速度的至少一個(gè)傳感器。

頭盔可以包括信號(hào)發(fā)射器，該信號(hào)發(fā)射器用于向提供視覺、聽覺和/或觸覺反饋的輸出單元發(fā)射輸出信號(hào)。

根據(jù)替選實(shí)施方案，該系統(tǒng)包括可移動(dòng)地安裝在頭盔的尾部的配重(平衡塊，weight)以及允許根據(jù)傳感器單元的輸出在所述尾部中移動(dòng)該配重的致動(dòng)和導(dǎo)向裝置。

附圖說明

圖1示意性地示出了具有根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的計(jì)時(shí)賽頭盔。

圖2示意性地示出了本發(fā)明的替選實(shí)施方案。

圖3示意性地示出了適用于本發(fā)明中的傳感器的一種實(shí)施方案。

圖4至圖6示出了本發(fā)明的替選實(shí)施方案。

定義

拖拽系數(shù)(阻力系數(shù))：拖拽系數(shù)C_d被定義為：

其中：

F_d是拖拽力，其由流動(dòng)速度的方向上的力分量限定，

ρ是流體的質(zhì)量密度，

υ是物體相對(duì)于流體的速度，并且

Α是參考面積。

具體實(shí)施方式

圖1示意性地示出了一種計(jì)時(shí)賽自行運(yùn)動(dòng)頭盔1，用于保護(hù)騎手的頭部不受頭部損傷，其包括被設(shè)計(jì)成在比賽期間降低對(duì)騎手的拖拽的外殼。

已知的是將具有外殼2的這種頭盔1設(shè)計(jì)成在比賽期間具有優(yōu)選的定向，在該位置中，殼體設(shè)計(jì)具有最小的拖拽系數(shù)并且在比賽期間提高(降低)對(duì)騎手的拖拽。為了最佳效果，騎手應(yīng)使其頭部維持在與頭盔的最佳位置對(duì)應(yīng)的位置處，以得到最大增益。

頭盔在移動(dòng)方向上的最佳定向由方向X₁限定，所述頭盔在該方向上的拖拽(系數(shù))低于所述頭盔在任何其他方向上的拖拽(系數(shù))。

為了持續(xù)幫助騎手將其頭部維持在最佳(最低拖拽)位置，本發(fā)明涉及一種包括至少一個(gè)傳感器單元3的系統(tǒng)，該至少一個(gè)傳感器單元被集成在頭盔中或設(shè)置在頭盔上。最基礎(chǔ)的形式的傳感器單元是傾斜傳感器(inclination sensor，傾角傳感器，傾斜度傳感器)(機(jī)械的或電子的)，其允許確定對(duì)應(yīng)于X₁方向與在由重力場(chǎng)和方向X₁限定的平面內(nèi)限定的預(yù)定方向X_REF之間的角度的值。很明顯，對(duì)于最佳拖拽條件，應(yīng)根據(jù)頭盔的安全指南來穿戴頭盔。當(dāng)根據(jù)如EN1078:2012、CPSC 1203或AS-NZS 2063中描述的這些安全指南穿戴頭盔時(shí)，在該情況下X_REF方向指向騎手前方的地平線。

根據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)還包括允許基于通過使用傳感器確定的值提供輸出信號(hào)的輸出單元4，該輸出單元可以被集成在頭盔中或者可以與頭盔分離，并向騎手提供直接反饋，從而允許騎手根據(jù)輸出信號(hào)立即調(diào)整其頭部位置，以回到其在自行車上具有最低拖拽的最佳位置，在該位置上，X1對(duì)應(yīng)于XREF，因此角度α等于0°。

輸出信號(hào)可以對(duì)騎手可視化，即，在其眼睛佩戴物上可視化，或者可以提供為聲頻信號(hào)或在騎手的皮膚上振動(dòng)。

如圖3所示，傳感器單元3包括限定內(nèi)腔的殼體5，其中設(shè)置有在腔中自由滾動(dòng)的球6。該腔的界線由彎曲壁部分7劃定，當(dāng)根據(jù)安全指南穿戴頭盔時(shí)，在正常情況下(騎手坐在其自行車上)，球在該彎曲壁部分上滾動(dòng)。

在內(nèi)腔的至少一側(cè)，但優(yōu)選地在兩側(cè)沿X₁方向設(shè)置有傳感器8，該傳感器在接觸球時(shí)生成輸出信號(hào)。這樣，當(dāng)頭盔在重力場(chǎng)中沿X₁方向傾斜并且X₁和X_REF之間的角度增加時(shí)，球沿該方向滾動(dòng)并將接觸兩個(gè)傳感器8中的一個(gè)，從而致動(dòng)傳感器中的一個(gè)，以生成轉(zhuǎn)移給騎手的實(shí)時(shí)輸出的信號(hào)。

很明顯，彎曲壁部分7的坡度和傳感器8在傳感器單元3的腔中的位置將在信號(hào)生成之前確定X₁可能相對(duì)于X_REF傾斜的角度α的閾值。

根據(jù)其他實(shí)施方案，傳感器單元包括陀螺儀或加速計(jì)，其允許測(cè)量頭盔在由方向X₁和重力場(chǎng)限定的平面內(nèi)的傾斜，因?yàn)閷?duì)于騎手來說這是在比賽期間最難維持的角度，即，頭部在上下方向上的傾斜度?？商鎿Q地，傳感器單元包括IR距離傳感器或聲音傳感器，當(dāng)根據(jù)頭盔的安全說明來穿戴頭盔時(shí)這些傳感器指向騎手的后面。這些傳感器允許計(jì)算頭盔相對(duì)于騎手的身體的距離和位置，并且由此確定或估計(jì)對(duì)應(yīng)于方向X₁和預(yù)定方向X_REF之間的角度的值。

根據(jù)另一種實(shí)施方案并且如圖2所示，該系統(tǒng)包括至少兩個(gè)傳感器單元3、3’，第一傳感器單元3被集成在頭盔中，而第二傳感器單元3’被設(shè)置在騎手上，優(yōu)選地被設(shè)置在其背面靠近計(jì)時(shí)賽頭盔的尾部的地方。

在這種情況下，兩個(gè)傳感器單元可以是確定兩個(gè)傳感器單元之間的距離的距離測(cè)量單元，由此測(cè)得的距離對(duì)應(yīng)于指示方向X₁的值，并且預(yù)設(shè)距離對(duì)應(yīng)于值X_REF。作為系統(tǒng)的一部分的生成輸出信號(hào)的輸出單元將向騎手提供實(shí)時(shí)反饋，從而允許騎手在比賽期間維持或保持其最佳最低拖拽位置。

在又一替選實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括被集成在頭盔中或設(shè)置在頭盔上的至少一個(gè)傳感器單元(傾斜傳感器)以及與頭盔分離的兩個(gè)傳感器單元，一個(gè)設(shè)置在騎手身體上的預(yù)定位置中，一個(gè)設(shè)置在自行車上的預(yù)定位置上，由此這兩個(gè)分離的傳感器單元允許指示騎手在其自行車上的位置以及其頭部位置。該實(shí)施方案提供了更多的關(guān)于騎手的整體位置的信息，并且允許較詳細(xì)且廣泛的反饋，以用于通過輸出單元在比賽期間最優(yōu)化騎手的位置。

除了上述系統(tǒng)的不同實(shí)施方案以外，可以在頭盔上設(shè)置額外的傳感器單元，允許在比賽期間實(shí)時(shí)確定風(fēng)向和作用在頭盔上的力，并且可能地還確定騎手的前進(jìn)速度(獨(dú)立于風(fēng)速)。在給定的情況下，可以對(duì)來自這些額外傳感器單元的輸出進(jìn)行處理并且與用頭盔生成的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定對(duì)應(yīng)于頭盔的最佳定向的最佳X_REF。在這種情況下，測(cè)得的X₁值與最能代表實(shí)際比賽情況的可變X_REF進(jìn)行比較，并且允許對(duì)比賽者更精確的反饋。

可以在系統(tǒng)中集成的另一額外傳感器單元是設(shè)置在自行車上的傾斜傳感器或者GPS接收器，其允許確定騎手騎行所在路徑的傾斜度。由這些傳感器單元確定的值再次允許更準(zhǔn)確地確定頭盔在比賽情況下的X_REF。

在上述實(shí)施方案中，除了作為視覺、聽覺或振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)反饋以外，輸出單元可以包括在改變頭盔的質(zhì)量中心的機(jī)制方面對(duì)騎手的額外幫助。這種輸出單元包括沿方向X1可移動(dòng)地集成在計(jì)時(shí)賽頭盔的尾部中的配重元件。移動(dòng)的致動(dòng)裝置優(yōu)選地是由根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的傳感器單元(包括處理器)控制的發(fā)動(dòng)機(jī)。通過改變頭盔的質(zhì)量中心，可以在比賽期間提高騎手的舒適度，同時(shí)使其頭部維持在最佳的低拖拽位置。

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的使用包括確定用于指定騎手的頭盔的X_REF。這種確定通常將在風(fēng)道中進(jìn)行或者在道路測(cè)試上廣泛進(jìn)行。一旦確定了X_REF，就將其存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，以用于與X₁方向的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

在系統(tǒng)包括允許確定比賽條件的多個(gè)傳感器單元的情況下，用于特定騎手及其頭盔的X_REF理想地在廣泛的條件下確定，使得對(duì)于這些條件中的每一種，最佳的X_REF對(duì)于系統(tǒng)都是可用的并且可以與實(shí)時(shí)測(cè)得的X₁進(jìn)行比較。

雖然上文所述的系統(tǒng)用于在騎行期間利用計(jì)時(shí)賽頭盔最優(yōu)化騎手的頭部位置，但是很明顯，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以用于多種頭盔，諸如其他類型的自行車運(yùn)動(dòng)頭盔，包括鐵人三項(xiàng)、滑雪頭盔或滑板滑雪頭盔。

根據(jù)如圖4至圖6中所示的其他替選實(shí)施方案，該系統(tǒng)可以設(shè)置在頭部穿戴物上或集成在該頭部穿戴物中，諸如耳塞9(圖4)、眼鏡10(圖5)，或者可以簡(jiǎn)單地通過粘合劑直接應(yīng)用至騎手的頭部(圖6)。

很明顯，在系統(tǒng)設(shè)置在頭部穿戴物諸如耳塞、眼鏡上或集成在其中或者直接設(shè)置在騎手的頭部上的情況下，系統(tǒng)可以包括多于一個(gè)的傳感器，例如，設(shè)置成遠(yuǎn)離頭部穿戴物的第二傳感器，如上述關(guān)于頭盔的距離測(cè)量傳感器更詳細(xì)描述的。