Artec Leo помогает специалистам центра Vorteq создавать самые быстрые в мире велокостюмы

Автор: Мэттью Макмиллион

Кратко: Научно-исследовательский центр физической культуры и спортивных технологий выбрал 3D-сканирование для создания индивидуальных, идеально подходящих аэродинамичных костюмов для велосипедистов любого уровня подготовки.

Цель: С помощью портативного 3D-сканера за шесть минут полностью оцифровать тело велогонщика. На основе полученных 3D-снимков сконструировать одни из наиболее быстрых велокостюмов в мире.

Инструменты: Artec Leo, Geomagic Wrap

В мире велоспорта главное – это скорость. Даже во время соревнований на закрытом велотреке спортсмены сражаются с сопротивлением воздуха, стараясь победить трение с каждым оборотом. 90% энергии велосипедист тратит на преодоление сопротивления воздуха, поэтому снижение трения играет важнейшую роль. Как профессиональные велогонщики, так и заядлые любители не обретают преимущества от нового велосипеда с улучшенной аэродинамикой за десять тысяч долларов. Примерно 80% сопротивления во время заезда приходится на тело спортсмена, а на велосипед – всего лишь 20%. Поэтому гораздо больший смысл имеет сосредоточиться на велогонщике, биомеханике его тела в различных положениях, его физической подготовке и, конечно же, костюме.

Велогонщик в аэродинамическом тоннеле тренировочного центра Silverstone Sports Engineering Hub

Vorteq для создания индивидуальных профессиональных велокостюмов использует полномасштабный тренировочный аэродинамический тоннель, аэротоннель для испытания материалов и новейшие технологии 3D-сканирования. Костюм обладает лучшими аэродинамическими свойствами среди всех предметов экипировки велогонщика: его задачей является максимально возможное снижение сопротивления воздуха – практически до уровня сопротивления кожи человека. Качественный костюм также должен быть комфортным, лёгким, дышащим и идеально прилегающим к телу спортсмена, для которого был создан. В противном случае он будет морщиться и заминаться, а в мире аэродинамики каждая складочка создаёт колоссальное сопротивление. А в случае избыточного натяжения некоторые материалы могут рваться, что также ведёт к увеличению сопротивления. Из всего этого следует, что вид материала и тип шва должны тщательно выбираться для каждого участка тела, чтобы обладать необходимой степенью натяжения в соответствии с уникальным строением тела велогонщика. Это обеспечит оптимальное обтекание воздухом, создавая наименьшее сопротивление. Существенные различия телосложения спортсменов наводят на мысль о невозможности выбора костюма из общепринятых размеров S, M и L.

Команда Huub Wattbike в костюмах Vorteq забрала домой три золотые, две серебряные и три бронзовые медали на Британском национальном чемпионате по велоспорту в Манчестере в январе 2020 года.

Vorteq является дочерней компанией TotalSim, обладающей десятилетним опытом работы с профессиональными велогонщиками, олимпийскими командами, гонщиками Tour de France и другими выдающимися велосипедистами. Специалисты TotalSim смогли создать, по мнению Vorteq, самые быстрые велокостюмы на сегодняшний день. В их разработку за пределами вчерашних возможностей Vorteq вложили $500 000 – в исследования и испытания, включая тестирование более 45 тысяч различных материалов, их натяжения и сопротивления в специализированных аэродинамических тоннелях в Silverstone Sports Engineering Hub (SSEH). В результате каждый спортсмен получает велокостюм, созданный по уникальным лекалам из индивидуально подобранных материалов – всё для максимальной скорости.

Разработка и изготовление велокостюмов Vorteq

Несмотря на то, что Vorteq работает в основном с олимпийскими велогонщиками и другими известными велоспортсменами, с 1 января 2020 года индивидуальные велокостюмы их производства будут доступны и непрофессиональным велосипедистам любого уровня подготовки. Это значит, что любой желающий имеет шанс при пересечении финишной прямой быть одетым в такой же высокотехнологичный костюм от Vorteq, что другие клиенты компании – олимпийские чемпионы.

В процессе создания индивидуальных велокостюмов 3D-сканер играет ключевую роль – он за несколько минут в точности оцифровывает очертания тела спортсмена, и в последующие несколько часов с помощью программы для расчёта поведения материалов тщательно подбираются размеры, лекала и виды тканей. Результаты затем обрабатываются и воплощаются специалистами Vorteq в уникальном велокостюме.

Раньше в TotalSim применяли сканер, закрепленный на манипуляторе, для оцифровки гоночных автомобилей, велосипедов и других объектов. Но когда речь зашла о сканировании людей, специалисты компании столкнулись со значительными трудностями, препятствовавшими дальнейшему использованию прежнего метода.

И тогда Vorteq обратились к представителю Artec – компании Central Scanning – специалистам во всех аспектах 3D-сканирования. Во время консультации сотрудники Central Scanning посоветовали Artec Leo – революционный портативный 3D-сканер со встроенным сенсорным экраном и скоростью считывания 80 кадров в секунду; он также является полностью беспроводным устройством, превосходно копирующим объекты средней величины, например, людей, за считанные минуты. В прошлом TotalSim пользовались двумя сканерами Artec – Eva и Artec Spider – для газодинамического и метрологического расчетов, поэтому уже были знакомы с высоким уровнем решений от Artec.

3D-сканер Artec Leo и программа Artec Studio: отображение 3D-снимка велогонщика в аэротоннеле Silverstone Sports Engineering Hub

Когда Сэм Килтер и его коллеги в Vorteq увидели, насколько точно и быстро Leo считывает анатомическое строение тела, тут же поняли, что выбрали для своей работы правильный инструмент. Как только сканер Leo был доставлен, они приступили к работе, которую Quilter описывает так:

“Велогонщик со своим велосипедом заходит в аэродинамический тоннель, закрепляет байк на специальной платформе, садится на него, и всего за 5-6 минут с Leo мне удается в точности, в высоком разрешении и превосходном цвете сканировать спортсмена в 3D в двух положениях. Затем за минуту я сканирую обувь, также со всех сторон, - продолжает Килтер. – Как правило, это означает, что я могу сделать всё за десять минут и отпустить спортсмена. С этого момента у меня есть всё необходимое для конструирования анатомически точного быстрого, как пуля, велокостюма от Vorteq. Никаких повторных сканирований! – Еще ни разу не потребовалось”.

Инженер в области метрологии Сэм Килтер сканирует велогонщика в 3D с помощью Artec Leo

“Как правило, мы сканируем спортсменов в нижнем белье для получения максимально точных данных, - продолжает Килтер, - чтобы сконструированный костюм прилегал к телу идеально. Этого невозможно было бы добиться, если опираться на 3D-снимок со слоем ткани, скрывающим точные очертания”.

3D-сканирование велогонщика с Artec Leo в аэротоннеле Silverstone Sports Engineering Hub

“В процессе конструирования наших костюмов мы работаем непосредственно с 3D-изображениями, полученными с Leo, а не с результатами измерений. Мы используем точные анатомические данные – и это поразительная разница. Т.е. если вы возьмете данные измерений и введете их в САПР или программу для расчета поведения материала, наподобие нашей, вы сильно потеряете в этом процессе. Это приведет к потерям в точности параметров костюма, что совершенно для нас неприемлемо. Даже минимальное отклонение может привести к тому, что ткань будет морщиться то тут, то там или, наоборот, натяжение будет слишком сильным. Поэтому тот факт, что Leo обеспечивает точные данные об анатомии спортсмена, решает всё”.

“С момента, как велосипедист заходит в эту дверь и мы начинаем сканировать его с помощью Leo, затем используем Artec Studio для постобработки снимков и производим 3D-моделирование в Geomagic Wrap до момента выгрузки 3D-модели для изготовления костюма – всё вместе занимает около двух часов, - рассказывает Килтер. – В прошлом это было абсолютно нереально, даже близко. На сегодня срок изготовления костюма, готового к велогонкам, составляет два дня, и этот срок сокращается: мы стремимся свести его к 24 часам и уверены, что достигнем этого уже в скором времени”.

3D-сканирование гонщика в тренировочном аэродинамическом тоннеле в SSEH

Килтер рассказал о процессе работы в Artec Studio: “Leo всё упрощает. В Artec Studio остается совсем немного манипуляций. Я только буквально проверяю данные Leo визуально, беру “ластик” и удаляю пару лишних случайных изображений – всего несколько щелчков. Обычно я оставляю изображение велосипеда на снимке: он служит отличным ориентиром для помещения в систему координат XYZ. Затем я иду в раздел “Глобальная регистрация”, где применяю настройки по умолчанию – они подходят идеально. В основном я не пользуюсь инструментом для удаления лишних изображений, так как данные уже достаточно чистые. Затем я применяю гладкую склейку (Smooth Fusion) и после нескольких штрихов выгружаю файл в Geomagic Wrap в формате STL”.

“В Geomagic Wrap я использую инструмент Decimate для уменьшения количества треугольников. Чтобы избавиться от складок, которых, в целом, не должно быть в скане, но в редких случаях они все же могут присутствовать, я использую команду Relax, а далее команды Smooth, которые позволяют избавиться от любых огрех. Дело в том, что иногда сканируемый может шевелить пальцами, последствия чего мы потом исправляем в программе. После того, как мы всё сделали, экспортируем файл OBJ в программу для расчета поведения материалов”, - рассказал Килтер.

Одна из новых идей Vorteq – применение Leo для создания сканов и 3D-печати анатомически точных манекенов спортсменов. Такие манекены нужны для разработки новых костюмов без их присутствия в офисе Vorteq. Скажем, например, велогонщик тренируется по другую сторону земного шара, и ему нужен костюм специально для предстоящего велозабега; трек в основном проходит по ровной местности, но включает и несколько длинных спусков. Имея в распоряжении 3D-манекен этого велогонщика, команда Vorteq может создать для него индивидуальный велокостюм, испытать многочисленные виды материалов и различный крой в аэротоннеле и через несколько часов изготовить новый костюм, заказать срочную доставку туда, где бы ни находился заказчик. На сегодня, производство такого манекена занимает менее двух дней, но и этот срок с каждой неделей уменьшается. Целевое время – 24 часа с момента 3D-сканирования до завершения процесса 3D-печати.

Фрагменты манекена Vorteq, готовые к сборке и испытаниям в аэротоннеле

Килтер рассказывает о преимуществах 3D-печати манекенов: “Манекен в полный рост позволяет проводить испытания материалов в аэротоннеле на какой-либо отдельной части тела, например, на руке, чтобы понять, как различный крой и ткани могут снизить сопротивление спортсмена. Вот, где мы получаем еще одно преимущество: живой спортсмен во время съемки может шевелиться, пусть это даже едва заметные движения, но их последствия нам придётся устранять на этапе постобработки в программе. Таким образом, с живым велосипедистом невозможно добиться такого точного результата, как с неподвижным манекеном, когда единственный изменчивый фактор – это поведение материала.”

“Манекены не устают, всегда сидят неподвижно, что позволяет нам точно определить, какие из изменений в части кроя или материала влияют на степень сопротивления”.

Профессионалы TotalSim также предоставляют консультации по биомеханике и рассказывают велосипедистам, какие положения тела, настройки оборудования, экипировка и привычки могут как уменьшить, так и увеличить выносливость, сопротивление, запас энергии спортсмена, и влиять на другие важные факторы.

Тренировочный аэродинамический тоннель в центре Silverstone Sports Engineering Hub

“Наша цель – помогать серьезным спортсменам, многие из которых находятся на пределе своих возможностей или близки к нему, обрести те многочисленные небольшие дополнительные преимущества, которые в совокупности способны привести их к победе”, - говорит Килтер.

Наряду с велокостюмами Vorteq и консультациями по биомеханике от TotalSim, они также предоставляют услуги сканирования своим клиентам, в том числе велосипедным командам. Сканер Leo играет важнейшую роль в их способности осуществлять 3D-сканирование везде, где это необходимо – будь это у себя в офисе или где-либо еще в Великобритании, или даже по другую сторону океана.

Как объясняет Килтер, “По сравнению с нашими предыдущими сканерами, Leo обеспечивает свободу в работе – просто берешь его с собой и отправляешься сканировать куда угодно без необходимости иметь под рукой дополнительное оборудование – только Leo. Такая степень свободы – это потрясающе, особенно, когда необходимо работать в таких местах, где условия далеки от лабораторных”.

Связаться с нами