AT509002A1 - Verfahren zum trainieren der muskulatur einer person - Google Patents

Description

Λ • φ φ φφ φφ φφ φ • Φ ΦΦΦφ· φ·φ φ φ φφ ·φφ·φ φφ· Φ Φ Φ # Φ φ φ ΦΦΦ Μ·· -1 - (36 922)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trainieren der Muskulatur einer Person, mit einer von der Person zum Trainieren zu manipulierenden, entlang einer Bewegungsbahn verlagerbaren mit einem Trainingswiderstand beaufschlagbaren Betätigung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein virtuelles mathematisch physikalisches Lastmodell für die Berechnung von Bewegungsbahnen.

Gemäß bekannter Vorrichtung (DE 103 08 210 A1) zum Durchführen derartiger Verfahren trainiert eine Person mit Muskelkraft gegen einen hydraulischen Widerstand einer mit der Trainingseinrichtung gekoppelten hydraulischen Einheit, der eine Steuereinheit zum Einstellen des hydraulischen Widerstandes zugehört. Diese hydraulische Einheit umfasst einen hydraulischen Aktuator, der von einer hydraulischen Antriebseinheit zum Erzeugen von Linearkräften und/oder Drehmomenten entsprechend antreibbar ist. Dabei steuert die Steuereinheit die hydraulische Antriebseinheit derart an, dass der Aktuator in Abhängigkeit von der Betätigungsrichtung, in der die Person die Trainingseinrichtung betätigt, zumindest zeitweise der Muskelkraft der Person entgegenwirkende Linearkräfte und/oder Drehmomente aufbringt. Von Nachteil ist bei diesen bekannten Vorrichtungen allerdings, dass diese stets einen erheblich eingeschränkten Trainingsbereich aufweisen und so beispielsweise lediglich von einer Führung abhängige linear- oder bogenförmige Bewegungen erlauben. Mit derartigen Bewegungen lassen sich zwar feinere und aktivere Dosierungen von Trainingswiderständen als mit rein gewichtsbelasteten Kraftmaschinen realisieren, allerdings sind die möglichen Bewegungsbahnen, insbesondere zur Anpassung an physiologische Gegebenheiten eines Trainierenden, erheblich eingeschränkt. -2

Die gleichen Nachteile gelten für ein aus der DE 10 2006 052 502 A1 bekanntes Trainingsgerät, mit einem an einem Gestell über einen Seilzug aufgehängten, veränderlichen Satz an Gewichten mit denen das Seils belastbar ist. Trainiert wird an einer am freien Seilende angebrachten und vom Trainierenden zu betätigenden Handhabe. Am Gewicht greifen zudem Mittel an, die dem Gewichtsatz beim Absenken eine zusätzliche Kraft aufprägen. Dazu ist gegebenenfalls ein Elektromotor vorgesehen, dessen Drehmoment diese zusätzliche Kraft bestimmt. Die zusätzlich aufgeprägte Kraft ist dabei derart bemessen, dass die gesamte auf den Seilzug wirkende Kraft im mittleren Bereich des Absenkungsweges des Gewichtsansatzes um einen gewünschten Betrag erhöht ist. Es wird also ein Trainingsgerät vorgeschlagen, welches den Widerstand für den Trainierenden durch einen zusätzlich an der Trainingsvorrichtung angebrachten Motor in Abhängigkeit von der Gewichtslage verändert.

Um einen gewünschten Trainingserfolg zu erzielen, ist es nötig, die einzelnen Körpersegmente eines Trainierenden entlang definierter Bahnen zu bewegen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, mit dem einerseits eine positions- bzw. winkelabhängige Regelung des Trainingswiderstandes möglich ist und zudem eine Vielzahl an Bewegungsbahnen einer Betätigung und verschiedenartige Lastzyklen vorteilhaft realisiert werden können.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass zunächst die von der trainierenden Person in eine Trainingsvorrichtung eingebrachten Kräfte gemessen werden, dass in die Betätigung einzuleitende Reaktionskräfte im Sinne einer Erzielung gewünschter Trainingskräfte aus dem mathematischen Modell einer Trainingsvorrichtung in Abhängigkeit der eingebrachten Kräfte und von vorgebbaren Parametern, wie Bewegungsbahn, gegebenenfalls Abweichungstoleranzen und/oder Kraftschwellen, für Bewegungen in wenigstens zwei erlaubten und der Bewegungsbahn zugeordneten Freiheitsgraden der Trainingsvorrichtung errechnet werden und die errechneten

Reaktionskräfte den einzelnen Freiheitsgraden der Bewegungsbahn zugeordneten, vorzugsweise elektromechanischen Aktuatoren aufgeprägt werden.

Gemäß der Erfindung werden die für den Trainierenden fühlbaren Belastungen mit einem mathematisch physikalischem Lastmodell berechnet. Die Komponenten der vom Trainierenden aufgebrachten Kraft werden gemessen, beispielsweise durch Messung der Motorströme oder durch Vorsehen entsprechender Sensoren. Diese gemessenen Kraftkomponenten werden dann als Eingang für das Lastmodell herangezogen. Die unabhängige Messung der einzelnen Kraftkomponenten in den erlaubten und möglichen Achsen gestattet darüber hinaus eine Errechnung der vom Trainierenden aufgebrachten Kraftrichtung und damit eine gezielte Trainingssteuerung. Die gemessene Kraftrichtung kann mit einer Sollkraftrichtung verglichen werden und das Verhalten des Trainingsgerätes (Sollkräfte, Sollbewegungsrichtung) durch entsprechende Eingriffe bzw. Regelungen vom Lastmodell aktiv beeinflusst werden. Durch die Verfügbarkeit der Messwerte der Kräfte bzw. Kraftrichtungen und der sich daraus ergebenden Positionen und Geschwindigkeiten der mit dem Trainingswiderstand beaufschlagten Betätigung sowie der Bewegungsbahnen, kann der Trainingserfolg bei Aufzeichnung der Daten jederzeit, auch nachträglich, objektiviert und nachvollzogen werden. Messung und Training können somit an einem Gerät vorgenommen werden.

Vorteilhaft ist es dabei, wenn die positions- und/oder winkelabhängige Steuerung des Trainingswiderstandes und/oder der Bewegungsbahn über einen Regkreis erfolgt, wobei die Betätigung bei einem Überschreiten einer vorgegebenen, vom Trainierenden aulzubringenden und vom Kraftsensor aufgenommenen Kraft von den Aktuatoren in Richtung der Bewegungsbahn verlagert wird. Dabei kann es je nach Trainingszweck vorgesehen sein, eine Verlagerung der Betätigung lediglich entlang einer exakt vorgegebenen Bewegungsbahn zu erlauben, die Betätigung genau in die vom Trainierenden aufgeprägten Richtungen zu verlagern, oder aber beliebige Zwischenvarianten zuzulassen. tf · ·· ·· »t · • ···· ·· · ·· • · · · · «·· · · · · • · · · · · · ··· ····

Üblicherweise wird vom Trainierenden eine entsprechende Kraft auf die Betätigung ausgeübt und von den Aktuatoren unmittelbar eine entsprechende Gegenkraft bis zu einem vom Lastmodell errechneten Maximalwert entgegengesetzt. Erst bei Überschreiten des jeweiligen Maximalwertes wird die Betätigung in der beschriebenen Weise mit den Aktuatoren verlagert.

Sollen konkrete Bewegungsbahnen nachgebildet werden, empfiehlt es sich die gemessene Kraftrichtung der eingebrachten Kraft mit einer Sollkraftrichtung zu vergleichen und die Aktuatoren im Sinne eines Erzielens einer der Sollkraftrichtung zugeordneten Bewegungsbahn anzusteuem. Dazu können die Bewegungsbahnen der Betätigung bei voreinstellbarem Trainingswiderstand in wenigstens einer Ebene frei programmiert oder parametriert werden, womit eine maximale Flexibilität im Hinblick auf eine Anpassung des jeweiligen Trainings an eine konkrete Person bzw. deren physiologischen Möglichkeiten gegeben ist. Dazu werden üblicherweise die von der trainierenden Person in eine Trainingsvorrichtung eingebrachten Kräfte von den einzelnen Freiheitsgraden zugehörenden Aktuatoren aufgenommen und an den Reglereingang des Lastmodells weitergeleitet.

Vorzugsweise können die zu erzielende und die tatsächliche Bewegungsbahn der Betätigung auf einer Ausgabeeinrichtung, insbesondere auf einem Bildschirm, dargestellt werden. Damit kann die trainierende Person den Bewegungsablauf selbst überwachen und aber auch anhand der ausgegebenen Bewegungskurven korrigieren. Zudem können die Körperhaltung der trainierenden Person von Sensoren erfasst werden und die erfassten Körperhaltungsdaten zusammen mit allen anderen Trainingsdaten und -parametem in einen Datenspeicher zur Auswertung eingelesen werden.

Zur Beschränkung möglicher Bewegungsbahnen der Betätigung in Abhängigkeit vom jeweiligen Training können Bereiche für erlaubte Bewegungsbahnen (Geschwindigkeiten) aufspannende Grenzlinien errechnet und vorgegeben werden. Dies dient insbesondere dazu um Verletzungen bzw. um unerwünschte Bewegungen zu vermeiden. Werden die Trägheits- und Reibungskräfte der Vorrichtung ·· ····«·*· • 9 99 9 · · · · · 9 9 · · · ··♦ · · · · • · 0 9 9 9· 999 9999 9 9 9 9 9 9 9 9 9 99 999 99 ·· ·· · -5- zudem vom mathematischen Modell der Trainingsvorrichtung durch entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren kompensiert, so können Vorrichtungen, auf denen das erfindungsgemäße Lastmodell implementiert ist, einen wesentlich größeren Trainingsbereich bezogen auf minimal und maximal einstellbare Kräfte realisieren. Zudem können die Trainingskräfte in weiten Bereichen variiert werden, wobei sich als Trainingswiderstand insbesondere das mathematische Modell einer Feder und/oder eines Pendels bzw. einer bewegten Masse empfiehlt. Natürlich können den Bewegungen der Betätigung entlang der Bewegungsbahnen auch beliebige Schwingungen überlagert werden.

Durch die mathematische Nachbildung des Gesamtsystems einer Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Lastmodell können vor einem tatsächlichen Training verschiedenen Lastszenarien simuliert und optimiert bzw. auf die Physiologie des jeweiligen Trainierenden abgestimmt werden. Die Simulation dient dazu, sowohl die mechanische Konstruktion wie auch das Lastmodell so gut wie möglich im Bezug auf die jeweiligen Trainingserfordernisse optimieren bzw. mit diesen abzugleichen.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch dargesteilt. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in teilgeschnittener Seitenansicht,

Fig. 2 ein Funktionsschema der Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der Funktion des erfindungsgemäßen Trainingsgerätes am Trainingsbeispiel Beinmuskulatur und Fig. 4 ein Schaubild eines möglichen erfindungsgemäßen virtuellen mathematisch physikalischen Lastmodells.

Eine Vorrichtung zum Trainieren der Muskulatur einer Person umfasst eine von der Person zum Trainieren zu manipulierende, entlang einer Bewegungsbahn 1 veria-gerbaren Betätigung 2. Die Betätigung 2 ist auf einem Kreuzschlitten 3 angeordnet. Dieser Kreuzschlitten 3 ist in einem Gestell 4 gelagert und umfasst Längsführungen 5 und Querführungen 6. Die Schlitten 3, einer in Richtung der x- und der andere in Richtung der y- Koordinate verlagerbar, sind mit elektromechanischen Aktuatoren 7 entlang der Führungen 5, 6 verlagerbar, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel als Aktuatoren 7 Elektromotoren Verwendung finden, die beispielsweise über Zahnriemen 8 mit den Schlitten 3 antriebsverbunden sind. Die Aktuatoren 7 bestimmen den jeweiligen Trainingswiderstand, wobei die Aktuatoren 7 von einer Steuereinheit 9 zur Vorgabe der Trainingswiderstände angesteuert werden, in welcher Steuereinheit ein mathematisches Modell der Vorrichtung hinterlegt ist.

Die Betätigung 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Ebene entlang frei vorgebbarer Bewegungsbahnen 1 entlang der Führungen 3 verlagerbar, wobei jedem der zwei der Bewegungsbahn zugeordneten Freiheitsgrade der Betätigung 2, der x- und der y-Koordinate, je ein elektromechanischer Aktuator 7 zugeordnet ist. Die Aktuatoren 7 sind von der Steuereinheit 9 dabei im Sinne einer Erzielung einer der von der trainierenden Person 10 auf die Betätigung übertragenen Kraft entgegenwirkenden, errechneten und den Trainingswiderstand bestimmenden, Reaktionskraft angesteuert. Zudem ist jedem Aktuator 7 ein Kraftsensor zugeordnet, im vorliegenden Fall ist dies der Einfachheit halber ein Stromsensor, aus dessen Meßwerten das jeweilige Motordrehmoment und somit die Betätigungskraft errechnet wird. Ais Bediengerät 11 ist ein berührungsempfindlicher Bildschirm vorgesehen, der eine Ein- sowie eine Ausgabeeinrichtung zur visualisierten Ein- und Ausgabe von Daten umfasst. So kann vorzugsweise eine visualisierte Ausgabe der tatsächlichen und einer zu erzielenden Bewegungsbahn der Betätigung 2 auf dieser Ausgabeeinrichtung erfolgen. In Fig. 2 sind die Aktuatoren 7 samt zugehörigen Aktuator-reglem 12 dargestellt, die von der Steuereinheit 9 entsprechend angesteuert werden. Die gemessenen Trainingskräfte werden von den Aktuatoren 7 an die Steuereinheit 9 übermittelt.

Fig. 3 deutet eine mögliche Bewegungsbahn 1 für ein Beintraining an, wobei diese Bewegungsbahn 1 innerhalb eines erlaubten, von Grenzlinien 13 aufgespannten Bereiches über die Steuerung frei vorgegeben werden kann, oder aber von der trainierenden Person durch entsprechende Betätigung der Betätigung 2 frei abgefahren werden kann. Die Bewegungsbahn 1 kann über Parametrisierung von Trai- -7- ningskräften, also von lageabhängig aufzubringenden Kräften bzw. durch Programmierung der Bahn innerhalb erlaubter frei Bereiche vorgegeben werden.

Mit dem in Fig. 4 schematisch dargestellten mathematischen Lastmodell, das Teil der Steuerung 9 ist, werden die für einen Trainierenden an der Betätigung 2 fühlbaren Belastungen bestimmt. Dazu wird eine Übertragungsfunktion G(s) der Vorrichtung nachgebildet und erfolgt eine Kraftkompensation abhängig von gewünschten, voreinstellbaren Sollwerten, wie minimalen und maximalen Kraftgrenzen bzw. vorgegebenen Bewegungsbahnen. Als Eingangsgröße für das Lastmodell werden die den einzelnen Achsen zugeordneten Motormomente Mx bzw. My oder die den einzelnen Achsen zugeordneten Kräfte Fx bzw. Fy verwendet. Aus den Sollwerten, einer virtuellen Masse bzw. einer virtuellen Reibung und virtuellen Feder wird In Abhängigkeit der Vorgaben eine Kraftkompensation errechnet und erfolgt innerhalb einer vorgegebenen Bewegungsbahn, je nach Trainingsart, eine Bestimmung der Sollkoordinaten x, y für die Betätigung, die dann mit den Aktuatoren in die entsprechende Solllage verlagert wird.

Damit können bestehende Kräfte, die sich aus der Bewegung bzw. aus den mechanischen Gegebenheiten des Gerätes ergeben, beispielsweise Trägheit, Reibung und dgl., mit dem mathematischen Modell in einfacherWeise kompensiert werden. Durch die frei programmier- und parametrierbaren Modelleigenschaften sind zudem die verschiedensten Lastsituationen einstellbar. Beispielsweise können durch mathematische Abbildungen eine Feder als Gegenkraft bei Zug oder Druck, die Bewegung eines Pendels oder einer Masse dargestellt werden. Ebenso können mit dem erfindungsgemäßen Lastmodell vorab verschiedene Lastszenarien und Bewegungsszenarien an einer Vorrichtung simuliert und optimiert werden, bevor ein Training gestartet wird.

Claims (10)

1. Patentanwalt Dipl.-Ing. Karl Winfried Hellmich Spittelwiese 7, A 4020 Linz (36 922) Patentansprüche: 1. Verfahren zum Trainieren der Muskulatur einer Person, mit einer von der Person zum Trainieren zu manipulierenden, entlang einer Bewegungsbahn verlagerbaren mit einem Trainingswiderstand beaufschlagbaren Betätigung, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die von der trainierenden Person in eine Trainingsvorrichtung eingebrachten Kräfte gemessen werden, dass in die Betätigung einzuleitende Reaktionskräfte auf die eingebrachten Kräfte im Sinne einer Erzielung gewünschter Trainingskräfte aus dem mathematischen Modell einer Trainingsvorrichtung in Abhängigkeit der eingebrachten Kräfte und von vorgebbaren Parametern, wie Bewegungsbahn, gegebenenfalls Abweichungstoleranzen und/oder Kraftschwellen, für Bewegungen in wenigstens zwei erlaubten und der Bewegungsbahn zugeordneten Freiheitsgraden der Trainingsvorrichtung errechnet werden und die errechneten Reaktionskräfte den einzelnen Freiheitsgraden der Bewegungsbahn zugeordneten, vorzugsweise elektromechanischen Aktuatoren aufgeprägt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die positions-und/oder winkelabhängige Steuerung des Trainingswiderstandes und/oder der Bewegungsbahn über einen Regelkreis erfolgt, wobei die Betätigung bei einem Überschreiten einer vorgegebenen vom Trainierenden aufzubringenden und vom Kraftsensor aufgenommenen Kraft von den Aktuatoren in Richtung der Bewegungsbahn verlagert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Kraftrichtung der eingebrachten Kräfte mit einer Sollkraftrichtung verglichen und die Aktuatoren im Sinne eines Erzielens einer der Sollkraftrichtung zugeordneten Bewegungsbahn angesteuert werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsbahnen der Betätigung bei voreinstellbarem Trainingswiderstand in wenigstens einer Ebene frei programmiert und/oder parametriert werden. ·· · ·· ·* ·· » • · ·* · · · · · · • · · · · *·· · · · » V C · ·· · ······» ··-····· · · ·· ··· ·· ·· #· · -2-
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der trainierenden Person in eine Trainingsvorrichtung eingebrachten Kräfte von den den einzelnen Freiheitsgraden zugeordneten Aktuatoren aufgenommen und an den Reglereingang weitergeleitet werden.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche und vorzugsweise die zu erzielende Bewegungsbahn der Betätigung auf einer Ausgabeeinrichtung, insbesondere einem Bildschirm, dargestellt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperhaltung der trainierenden Person von Sensoren erfasst wird und die erfassten Körperhaltungsdaten in einen Datenspeicher zur Auswertung eingelesen werden.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschränkung möglicher Bewegungsbahnen der Betätigung, in Abhängigkeit vom jeweiligen Training Bereiche für erlaubte Bewegungsbahnen aufspannende Grenzlinien errechnet und vorgegeben werden.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägheits- und Reibungskräfte der Trainingsvorrichtung vom mathematischen Modell der Trainingsvorrichtung durch entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren kompensiert werden.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Trainingswiderstand das mathematische Modell einer Feder, eines Pendels und/oder einer bewegten Masse verwendet wird. Linz, am 23. Oktober 2009 Michael Barth durch: