DE102004020006B4

DE102004020006B4 - Trainingsgerät für eine Person mit fortlaufend rotatorisch bewegbaren Betätigungselementen

Info

Publication number: DE102004020006B4
Application number: DE102004020006.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: DE102004020006A1

Abstract

Trainingsgerät (1) für eine Person mit fortlaufend rotatorisch bewegbaren Betätigungselementen (18a, 18b, 25a, 25b, 34a, 34b) für jeweils ein Beinpaar und/oder ein Armpaar sowie einem Motor (20, 22, 29, 32) zum Antreiben und/oder Bremsen der Betätigungselemente (18a, 18b, 25a, 25b, 34a, 34b), dadurch gekennzeichnet, dass den Betätigungselementpaaren für ein Armpaar und ein Beinpaar jeweils wenigstens ein Motor (20, 22, 29, 32) zugeordnet ist und eine Kontrolleinheit zum gleichzeitigen Betreiben der wenigstens zwei Motoren (20, 22, 29, 32) vorgesehen ist und die Kontrolleinheit ausgebildet ist, ein passives Training der Extremitäten zu realisieren, wobei bei einem passiven Training die Antriebswirkung der Motoren (20, 22, 29, 32) für die Bewegung der Extremitäten überwiegt.

Description

Stand der Technik
In Industrieländern leiden etwa 15 bis 25% der Bevölkerung an Bluthochdruck (arterielle Hypertonie). Kommen zu diesem Gesundheitsrisiko weitere Faktoren wie z. B. eine Zuckerkrankheit, erhöhte Blutfette, Bewegungsmangel, ungesunde Ernährung oder Nikotin hinzu, steigt die Wahrscheinlichkeit von lebensbedrohlichen Komplikationen durch diese Risikosituation deutlich an. Dies führt häufig zu Herzinfarkt, Schlaganfall und Durchblutungsstörungen der Extremitäten. Als Präventionsmaßnahmen sind neben medikamentösen Behandlungen Bewegungstherapien von zentraler Bedeutung. Durch entsprechendes Training kann eine Senkung des Blutdrucks und eine Verbesserung der Herz-Kreislauf-Funktion und daraus folgend eine Verringerung der Medikamenteneinnahme mit deren meist negativen Nebenwirkungen erreicht werden.
Als geeignete Bewegungsformen kommen insbesondere Bewegungen in Betracht, die eine gleichmäßige Belastung abverlangen, wie es beispielsweise beim Radfahren oder Schwimmen der Fall ist. Es hat sich gezeigt, dass der Trainingserfolg gesteigert werden kann, je mehr Muskelgruppen gleichzeitig bewegt werden. Der Bewegung der Beine kommt dabei eine zentrale Rolle zu, denn dabei drücken die arbeitenden Muskeln auf die Venen und das Blut wird zum Herz gedrückt. Dabei findet ein Saug-Druck-Mechanismus statt, der die Grundlage für die sogenannte Wadenmuskel-Pumpe darstellt.
Bisher sind beispielsweise Trainingsgeräte bekannt, bei denen in erster Linie eine Bewegung der Beine stattfindet. Es sind auch Arm-Bein-Trainer DE 60131258 T2 bekannt. Insbesondere sind Arm-Bein-Trainer bekannt, bei welchen insbesondere die Arm- und Beinkurbel US 3213852 A gekoppelt sind.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bewegungsgerät bereitzustellen, das im Vergleich zu bekannten Trainingsgeräten ein flexibleres und intensiveres passives Training erlaubt, bei welchem eine große Anzahl von Muskeln gleichzeitig aktiv sein kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Trainingsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes gezeigt.
Die Erfindung geht von einem Trainingsgerät für eine Person mit fortlaufend rotatorisch bewegbaren Betätigungselementen für jeweils ein Beinpaar und ein Armpaar sowie einem Motor zum Antreiben und/oder Bremsen der Betätigungselemente aus, das sich dadurch auszeichnet, dass den Betätigungselementpaaren für ein Armpaar und ein Beinpaar jeweils wenigstens ein Motor zugeordnet ist und eine Kontrolleinheit zum gleichzeitigen Betreiben der wenigstens zwei Motoren vorgesehen ist.
Durch ein Trainingsgerät, welches mit mindestens zwei motorgetriebenen Betätigungselementpaaren ausgerüstet ist und für das gleichzeitige Training mit Beinen und Armen konzipiert ist, kann ein Bewegungstraining besonders effektiv und unter ganzheitlicher Betrachtung des menschlichen Körpers vorteilhaft ausgebildet werden. Jedes Betätigungselementpaar besteht beispielsweise aus einer drehbar gelagerten Abtriebswelle mit mindestens einem Kurbelarm, in der Regel aber zwei Kurbelarmen, mit je einem Aufnahmeelement zur Aufnahme einer Extremität sowie wenigstens einem Motor z. B. einem Elektromotor, der beispielsweise über ein Getriebe oder einen Riemenantrieb ein Antriebs- und/oder Bremsmoment auf die wenigstens eine Abtriebswelle übertragen kann.
Die Steuerung und/oder Regelung der Betätigungselementpaare wird von einer z. B. zentralen Kontrolleinheit, z. B. einem Mikrocomputersystem durchgeführt werden, welches in der Lage ist, die einzelnen Antriebe auf einander abzustimmen bzw. unabhängig voneinander zu kontrollieren.
Insbesondere kann ein Training durch gleichzeitige Bewegung der Arme und Beine mit separaten Einstellmöglichkeiten für die beiden Extremitätenpaare realisiert werden.
Dies ist besonders vorteilhaft, weil damit eine optimale Bewegungstherapie durch individuelle Anpassung des Arm- bzw. Beintrainings an die trainierende Person möglich ist.
Insbesondere kann die Effektivität mit dem erfindungsgemäßen Trainingsgerät auch dadurch deutlich erhöht werden, dass die Anzahl der gleichzeitig beanspruchten Muskelgruppen bei einer entsprechenden Arm- und Beinbewegung gegenüber herkömmlichen Trainingsgeräten erhöht ist.
Die Kontrolleinheit kann für jedes Betätigungselementpaar einen eigenen Parametersatz für Sollgrößen wie z. B. Brems-, Antriebsmoment, Winkelgeschwindigkeit, Drehrichtung bzw. Trainingszeit vorgeben und den gleichzeitigen Betrieb der Betätigungselementpaare in unterschiedlichen Betriebsarten unterstützen.
Außerdem liegt die Erfindung darin, dass ein Trainingsgerät für eine Person mit fortlaufend rotatorisch bewegbaren Betätigungselementen für jeweils ein Beinpaar und/oder ein Armpaar sowie einem Motor zum Antreiben und/oder Bremsen der Betätigungselemente vorgeschlagen wird, das sich dadurch auszeichnet, dass dem rechten und linken Betätigungselement jeweils ein Motor zugeordnet und eine Kontrolleinheit zum gleichzeitigen Betreiben der wenigstens zwei Motoren vorgesehen ist. Ein solches Trainingsgerät kann für ein Training der Arme oder der Beine oder auch der Arme und Beine gleichzeitig konzipiert sein. Durch die Zuordnung eines Motors für jedes Betätigungselement kann jede Extremität gezielt und insbesondere auch unabhängig von der anderen Extremität des gleichen Extremitätenpaars motorgestützt trainiert werden. Ein solches Trainingsgerät kann sehr vielseitig einsetzbar sein, z. B. wahlweise als Arm- oder Beintrainer, z. B. mit austauschbaren und unterschiedlichen Aufnahmen für Arme und Beine an den Betätigungselementpaaren, womit auf einfache Weise mit einem Gerät z. B. nacheinander die Arme und dann die Beine oder umgekehrt vorteilhaft trainierbar sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes umfasst die Kontrolleinheit eine übergeordnete Kontrolleinheit und wenigstens eine Unterkontrolleinheit, die genau einem Motor zugeordnet ist. Durch diese modulare Anordnung können die Motoren besonders flexibel betrieben werden, da die übergeordnete Kontrolleinheit mit ggf. speziell auf die jeweiligen Motoren genau abgestimmte Unterkontrolleinheit kommunizieren kann. Dies kann beispielsweise bei Einsatz verschiedener Motortypen in einem Trainingsgerät von Vorteil sein. Insbesondere weisen alle in einem Trainingsgerät eingesetzten Motoren eine eigene Unterkontrolleinheit auf. Die übergeordnete Kontrolleinheit und die Unterkontrolleinheiten sind im Zusammenwirken für eine optimierte Steuerung und/oder Regelung der Motoren konzipiert. Im Folgenden wird unter der Kontrolleinheit sowohl die Anordnung mit einer Kontrolleinheit verstanden, als auch die Anordnung mit einer übergeordneten Kontrolleinheit und wenigstens einer Unterkontrolleinheit eines der Motoren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist die Kontrolleinheit so ausgebildet, dass ein synchroner Betrieb der Betätigungselemente möglich ist. Eine synchrone Betriebsweise kann sich prinzipiell auf unterschiedliche Parameter des Bewegungstrainings beziehen, insbesondere ist darunter eine Bewegung mit gleicher Winkelgeschwindigkeit zu verstehen. Beispielsweise kann die rotatorische Bewegung des Betätigungselementpaares für die Arme mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit ablaufen wie die Bewegung der Betätigungselementpaare für die Beine.
Vorteilhafterweise kann die Synchronisierung der Antriebe durch die beiden Motoren elektronisch erfolgen, wobei durch eine übergeordnete Positionsregelung mit Interpolator in der Kontrolleinheit die Winkellage und die Winkelgeschwindigkeit für die Antriebe konstant gehalten werden kann, womit ein Gleichlauf der Kurbeln einstellbar ist.
Die Synchronisierung der Antriebe auf die gleiche Winkelgeschwindigkeit kann auch bei entgegengesetzter Drehrichtung der Betätigungselemente eingestellt werden. Die Synchronisation erfolgt in diesem Fall auf einen definierten Punkt der Kreisbahn, z. B. linkes Betätigungselement des Bein- und Armbetätigungselements zeigen zum gleichen Zeitpunkt senkrecht nach oben. Bei dieser Bewegungsform stellt das Training an den Patienten vorteilhafterweise besondere Anforderungen hinsichtlich Konzentration und Koordination. Beispielsweise kann die Drehrichtung für linken und rechten Arm oder für Beine und Arme unterschiedlich und synchron eingestellt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Kontrolleinheit ist es somit auch möglich, in synchroner Betriebsweise der Betätigungselementpaare bei fester Kopplung der Betätigungselemente eines Betätigungselementpaars, eine Winkelbeschleunigung, welche durch einen Kraftimpuls an einer Kurbel resultiert, direkt auf die weiteren Kurbelsysteme des Synchronsystems zu übertragen. Es besteht somit eine wechselseitige Beeinflussung der Antriebssysteme durch aktives Training.
Ist die Bewegung der beiden Extremitäten eines Extremitätenpaars voneinander unabhängig möglich, beispielsweise bei getrennter Antriebswelle, wenn für jede Extremität ein separater Motor zugeordnet ist, kann sich die synchrone Betriebsweise auf die Bewegung der jeweils anderen gleichen Extremität oder auf eine der beiden anderen Extremitäten des anderen Extremitätenpaars beziehen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, einen asynchronen Betrieb der Betätigungselemente zu ermöglichen. Alternativ zu einer synchronen Betriebsweise kann eine asynchrone Betriebsweise für das Arm- bzw. Beintraining vorteilhaft sein. Grundsätzlich können auch hier unterschiedliche Parameter, insbesondere aber die Winkelgeschwindigkeit asynchron zueinander in Bezug gebracht werden. Damit kann ein Trainingsprogramm besonders flexibel auf jeden Einzelfall abgestimmt werden, wenn z. B. für die Armbewegung eine niedrigere Drehzahl der Betätigungselemente erforderlich ist, als für die Bewegung der Betätigungselemente für die Beine.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist die Kontrolleinheit ausgebildet, ein aktives und/oder passives Training der Extremitäten zu realisieren. Beim aktiven Training überwiegt für eine rotatorische Bewegung der Betätigungselementpaare die Betätigung durch die trainierende Person selbst. Dabei steht normalerweise die Bremswirkung des entsprechenden Motors im Vordergrund. Beim passiven Training überwiegt die Antriebswirkung der Motoren für die Bewegung der Extremitäten, was für das Training ausschlaggebend ist.
Neben der gleichen Betriebsweise von Arm- und Beintraining, z. B. beide Extremitätenpaare arbeiten aktiv bzw. passiv, ist auch ein Training denkbar, bei welchem die Beine und Arme unabhängig voneinander angetrieben oder gebremst werden. Zum Beispiel kann der Patient mit den Armen aktiv arbeiten und die Beine passiv motorgestützt bewegen lassen oder umgekehrt. Auch hierbei kann die passive bzw. aktive Betriebsweise für ein Betätigungselementpaar gleich oder für die beiden Extremitäten eines Betätigungselementspaars unterschiedlich realisiert werden. Bei einer Trainingsform, bei welcher die Beine passiv bewegt werden, kann ggf. der lineare Anstieg des systolischen Blutdruckes verlangsamt werden, da der Gefäßwiderstand in den Beinen durch die passive Bewegung und die Aktivierung der Wadenmuskelpumpe verringert wird. Vorteilhafterweise erhält der Patient verbesserte Trainingsbedingungen durch ein Trainingsgerät, mit dem aktives und passives Training kombinierbar sind.
Ungeachtet des aktiven bzw. passiven Betriebs kann außerdem eine synchrone bzw. asynchrone Fahrweise wie oben gezeigt eingestellt werden.
Vorteilhafterweise lassen sich die Belastungsstufen der einzelnen Betätigungselementeinheiten getrennt voneinander regeln, so dass eine optimale Anpassung an die Kraftentfaltung der jeweiligen Extremität gegeben ist. Das Training kann somit mit einer gleichmäßigen muskulären Dynamik durchgeführt werden. Insbesondere können dadurch Überlastungen vermieden werden und Folgerisiken für Personen, die an Herz-, Gefäß-, Muskel- oder Lungenerkrankungen bzw. Lähmungen leiden, reduziert werden.
Vorteilhafterweise ist durch das vorgeschlagene Trainingsgerät durch die motorgetriebenen Betätigungselementpaare mit der zentralen, mikrocomputergestützten Kontrolleinheit und ggf. den Unterkontrolleinheiten der Motoren eine sehr fein dosierbare Belastungsstufe des Trainings einstellbar. Dabei können im Aktiv-Modus schon sehr kleine Kraftimpulse an den Betätigungselementen von der Kontrolleinheit registriert und entsprechend verstärkt werden. Vorteilhafterweise können damit auch Kranke mit einer sehr eingeschränkten Leistungsfähigkeit, für die ein Training an herkömmlichen Bewegungstrainern ohne erfindungsgemäße Antriebsunterstützung nahezu nicht möglich ist, eine runde geführte und harmonische Drehbewegung erreichen.
Zum Beispiel bewirken Kraftimpulse an den Betätigungselementpaaren eine Winkelbeschleunigung an an der entsprechenden Kurbel, wobei die Kraftimpulse mit einem Faktor V_n getrennt für jedes Betätigungselementpaar verstärkt werden können und für jede Kurbel ein Trägheitsmoment J_n konfigurierbar ist: α_n = V_n·M/J_n = V_n·F·r/J_n
In synchroner Betriebsart werden Kraftimpulse z. B. nur an einem Betätigungselementpaar berücksichtigt oder die Summe der Kraftimpulse an beiden Betätigungselementpaaren und daraus die resultierende Winkelbeschleunigung berechnet.
Die Steuerung bzw. Regelung der Motoren kann derart erfolgen, dass z. B. eine definierte Solldrehzahl für den passiven Betrieb an einem Betätigungselementpaar der Beine und/oder Arme in Abhängigkeit von der aktuellen, aktiven Dreh- bzw. Trittfrequenz an diesem Betätigungselementpaar in einem definierten Verhältnis nachgeführt wird.
Durch die erfindungsgemäß erreichbare gleichmäßig geführte Bewegung der Extremitäten kann insbesondere bei Venenerkrankungen vorteilhafterweise erreicht werden, dass der venöse Rückfluss zum Herzen kontinuierlich gefördert wird. Kurze, schnelle Bewegungen mit längeren Stehphasen werden vermieden, was bei Venenerkrankungen positiv ist. Durch die körperliche Aktivität wird hierbei zwar der Blutfluss erhöht, aber das vermehrte Blutvolumen versackt während der Stehphasen in den vorgeschädigten Venen und bewirkt eine weitere Ausdehnung der Blutgefäße.
Beispielsweise wird beim aktiven Training die Intensität der von der trainierenden Person auf die Betätigungselementpaare übertragenen Kraftimpulse vom Motorstrom abgeleitet. Der Motorstrom wird z. B. in der zentralen Kontrolleinheit zur Nachbildung einer Schwungmasse verarbeitet. Bei definiertem Trägheitsmoment kann aufgrund der physikalischen Beziehungen: M = J·α mit M: Drehmoment, J: Massenträgheitsmoment, α: Winkelbeschleunigung und M = F·r mit F: Kraft, r: Pedalradius,
die aus der einwirkenden Kraft F_k und einer einstellbaren Bremskraft F_b eine resultierende Winkelbeschleunigung α α = (M_k – M_b)/J = (F_k – F_b)·r/J berechnet werden.
Durch Interpolation können nun unter Berücksichtigung der Ist-Positionen der Kurbeln und der errechneten Winkelbeschleunigung neue Positionsstellgrößen für die Antriebe berechnet werden.
Ist beispielsweise auch die Synchronisierung der Betätigungselementeinheit für die Arme mit der Einheit für die Beine gefordert, stehen für die Berechnung der Winkelbeschleunigung durch aktives Training folgende Verfahren zur Verfügung:

a) Nur Kraftimpulse an mindestens einem Betätigungselement der Armeinheit werden berücksichtigt, um die Beinbewegung mit der Armarbeit zu koppeln, oder
b) nur Kraftimpulse an mindestens einem Betätigungselement für die Beine werden ausgewertet, um die Armbewegung mit der Beinarbeit zu koppeln, oder
c) es wird die Summe der Kraftimpulse an den Betätigungselementen ermittelt und die resultierende Winkelbeschleunigung für beide Betätigungselementpaare berechnet.

Jeder Antrieb kann den zyklisch vom Interpolator gelieferten Sollwerten mittels einer eigenen digitalen Kaskadenregelung folgen, welche aus Positionsregelung mit unterlagerter Drehzahl- und Ankerstromregelung besteht.
Eine vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, jeden Motor separat im Hinblick auf wenigstens einen Sollparameter zu betreiben. Mit dieser Anordnung können die unterschiedlichen Motoren flexibel und unabhängig voneinander betrieben werden. Insbesondere kann dies erreicht werden, wenn mehr als ein Sollparameter eines Motors unterschiedlich zu entsprechenden Sollparametern des anderen Motors bzw. der anderen Motoren vorgebbar ist.
Als Sollparameter für jedes Betätigungselementpaar bzw. für jeden Motor kommen neben anderen beispielsweise das Bremsmoment, Antriebsmoment, die Winkelgeschwindigkeit, Drehrichtung und Trainingszeit in Frage.
Vorteilhafterweise lässt sich das Trainingsgerät damit so betreiben, dass dieses exakt an den jeweiligen Gesundheitszustand des Patienten angepasst werden kann und somit für eine Bewegungstherapie bei unterschiedlichen Krankheitsbildern wie Herz-Kreislauferkrankungen, COPD (chronic obstructive pulmonary disease), Bluthochdruck, Venenleiden oder Diabetes Mellitus und zur Kräftigung der verschiedensten Muskelpartien der Extremitäten und der Wirbelsäulenmuskulatur ausgebildet ist.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn Sensormittel vorgesehen sind, wenigstens einen Momentanwert eines Sollparameters für jeden Motor während des Trainings zu erfassen und bereitzustellen. Durch die Sensormittel lässt sich für jeden Motor wenigstens ein herausragender Sollparameter, z. B. die Solldrehzahl, insbesondere auch unterschiedliche relevante trainingsbezogene Daten erfassen und für die Kontrolleinheit zur Steuerung und/oder Regelung der Motoren bereitstellen. Dies erhöht die Effektivität des Trainings deutlich.
Es können auch solche trainingsbezogene Daten erfasst werden, beispielsweise zur Weiterverarbeitung und Abspeicherung, die nicht unmittelbar auf den Trainingsbetrieb einwirken, sondern zur späteren Nutzung bzw. zur Dokumentation des Trainings Informationen über das Training bzw. die trainierende Person bereitstellen.
Beispielsweise können mit Sensormitteln, die einen Motorstrom eines Motors des Trainingsgeräts kontinuierlich erfassen und bereitstellen, auch weitergehende Informationen daraus abgeleitet werden. Zum Beispiel kann aus Gründen der Sicherheit die Kontrolleinheit mit einer Funktion zur Erkennung von Tonuserhöhungen der Muskulatur (Spastik) ausgestattet werden (Spasmussteuerung), um auch Behinderten mit Lähmung bzw. mit Spasmen eine optimale Trainingsmöglichkeit zur Verfügung stellen zu können. Tritt ein erhöhter Muskeltonus in den Beinen oder Armen auf, der indirekt z. B. durch eine Erfassung des Motorstroms erkennbar ist, kann das Betätigungselementpaar, gegebenenfalls beide Paare, gestoppt werden, um es dann wieder anlaufen zu lassen, in gleicher oder entgegengesetzter Richtung. Des Weiteren sind folgende Bewegungsmuster abhängig von der jeweiligen Betriebsart denkbar:

1. Bei synchroner Betriebsart: Tritt an einer Betätigungselementeinheit der Arme oder Beine ein konfigurierbares, maximales Antriebsmoment auf, werden Arm- und Beintrainereinheit gestoppt und insbesondere nach einem konfigurierbaren Zeitintervall z. B. rampenförmig bis zum Betrag der Solldrehzahl in jeweils umgekehrter Richtung beschleunigt und synchronisiert. In einer weiteren Ausführung wird nur die Einheit gestoppt, an deren Betätigungselementen ein maximales Antriebsmoment erkannt wurde. Nach z. B. einem konfigurierbaren Zeitintervall wird die im Ruhezustand befindliche Einheit wieder in umgekehrter Richtung beschleunigt und mit der zweiten Einheit auf einen definierten Punkt der Kreisbahn synchronisiert.
2. Mit asynchroner Betriebsart: In dieser Betriebsart wird der Richtungswechsel entweder nur für die betreffende Einheit der Arme oder Beine durchgeführt, bei welcher ein erhöhtes Antriebsmoment auftrat, oder ebenfalls für beide Einheiten.

Unabhängig von der Betriebsart ist es bevorzugt, wenn für jedes Betätigungselementpaar ein maximales Antriebsmoment eingestellt werden kann und ein dynamischer Schwellenwert, der von dem Ist-Antriebsmoment und somit von der Schwergängigkeit des Patienten abgeleitet wird, beim passiven Training kontinuierlich nachgeführt wird, so dass entweder bei Überschreiten des dynamischen Schwellenwertes durch ein abruptes Ansteigen des Antriebsmoments, z. B. bei auftretender Muskelverkrampfung, oder des definierten Maximalwertes das Betätigungselementpaar stromlos geschaltet und nach einem vorgegebenen Zeitintervall in gleicher oder umgekehrter Drehrichtung wieder aktiviert wird. Der Offset des dynamischen Schwellenwertes zum Ist-Antriebsmoment ist vorzugsweise frei wählbar.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Sensormittel ausgebildet sind, physiologische Daten der trainierenden Person zu erfassen und bereitzustellen. Darunter sind insbesondere sogenannte Biofeedback-Daten wie Puls, Blutdruck, Sauerstoffsättigungsgehalt des Blutes und andere Parameter zu verstehen, die Rückschlüsse auf den Zustand des menschlichen Organismus zulassen. Mit den entsprechenden Sensormitteln lassen sich verschiedene Vorteile erzielen. Einerseits lassen sich Daten während des Trainings für eine optimale Adaption des Trainingsgeräts an den physischen Zustand des Patienten bereitstellen und andererseits können vitale bzw. lebenswichtige Parameter des Patienten überwacht werden und beispielsweise bei Über- bzw. Unterschreiten von frei definierbaren Maximal- bzw. Minimalwerten von vitalen Parametern, wie z. B. Herzfrequenz, Blutdruck und Sauerstoffsättigung des Blutes, ein Training sofort abgebrochen werden. Zusätzlich dienen die erfassten Werte für die Dokumentation des Trainings bzw. des Trainingserfolgs und zur besseren Trainingsabstimmung, insbesondere zur Anpassung der Belastungsstufe, Trainingsdauer und Sprunggelenksbewegung. Zur Trainingsdokumentation kann eine Datenspeicherung auf portablen und/oder festen Speichermedien erfolgen. Die erbrachte Leistung einer Person kann auch getrennt für jedes Betätigungselementpaar bzw. als Summe ermittelt, dargestellt und auf einem Speicher abgelegt werden.
Die Kontrolleinheit kann so ausgebildet sein, dass die durchschnittliche Leistung des Trainierenden innerhalb von mindestens zwei frei definierbaren Segmenten der Kreisbahn gleichzeitig und getrennt für jedes Betätigungselementpaar ermittelt, dargestellt und abgespeichert werden kann.
Beispielsweise wird durch die Messung der Sauerstoffsättigung des Blutes und der Herzfrequenz eine Regelung der Trainingsintensität bzw. -dauer abhängig von der Lungen- und Herzfunktion erreicht. Diese Funktionalität ist vor allem bei Patienten mit Lungenerkrankungen wie COPD oder cystischer Fibrose (CF) von entscheidender Bedeutung, da bei diesen Patienten verstärkt mit einem Abfall der Sauerstoffsättigung unter körperlicher Belastung zu rechnen ist.
Zu hohe Trainingsintensitäten, die zum Sauerstoffmangel in den Körpergeweben (Hypoxie), zu einem Anstieg des pulmonalen Druckes und so langfristig zu einer Schädigung des Herzens führen, können so unmittelbar erkannt und im weiteren Trainingsverlauf vermieden werden. Auf diese Weise kann die Belastung genau dosiert werden und Überforderungen und Gefährdungen für den Patienten ausgeschlossen werden.
Optimale Belastungsformen für Lungenkranke sind solche, die möglichst viele Muskelgruppen vor allem im Bereich der Skelettmuskulatur einbeziehen. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass die Atmung in Folge des körperlichen Trainings ökonomischer wird. Für die gleiche Belastung muss viel weniger Luft ventiliert werden. Die Ökonomisierung der Atmung ist neben trainingsbedingten Veränderungen der Skelettmuskulatur möglicherweise auch auf die Anpassungen der Atemmuskulatur zurückzuführen.
Es wird vermutet, dass die Hyperventilation während körperlicher Belastung ein Trainingsreiz für die Atemmuskulatur darstellt und es dadurch zu einer Zunahme der Atemmuskulatur sowie deren Ausdauer kommt. Daraus resultiert eine Verbesserung der körperlichen Leistungsfähigkeit und insbesondere eine Verringerung der Atemnot für den Trainierenden.
Als weitere physiologische Parameter neben den bereits genannten ist die körperliche Leistung des Trainierenden, der periphere Blutdruck und der Blutfüllungsgrad des Venensystems als von den Sensormitteln zu erfassenden Parametern zu nennen. Auch mit diesen Parametern kann eine Adaption der Trainingsparameter wie Belastungsstufe, Trainingszeit und Winkelgeschwindigkeit der Kurbeln an die Kondition des Patienten angepasst werden.
Die Beurteilung des Blutdrucks während submaximalen Belastungen kann wichtige Ergebnisse zur Früherkennung von Bluthochdruck und Herz-Kreislauferkrankungen liefern. Unter Belastung gemessenes Blutdruckverhalten ist entschieden aufschlussreicher als in Ruhe gemessener Blutdruck. Häufig tritt ein behandlungsbedürftiger Bluthochdruck unter Belastung auf, der bislang unentdeckt blieb. Vorteilhafterweise bietet ein vorgeschlagenes Trainingsgerät die Möglichkeit, die während eines Trainings gemessene Blutdruckwerte über eine Schnittstelle von einem Blutdruckmessgerät einzulesen und zusammen mit den Trainingsergebnissen wie Trainingszeit, Leistungsverlauf, Belastungsstufe, Trittfrequenz auf einen portablen Speicher zu schreiben oder direkt an ein übergeordnetes Computersystem zu transferieren und in numerischer bzw. grafischer Form anzuzeigen. Besonders aufschlussreich ist die Zuordnung von Blutdruckwerten zu erbrachter Leistung.
Die Kontrolleinheit kann außerdem über Schnittstellen verfügen, über die von externen Geräten vitale Parameter, z. B. Blutflussgeschwindigkeit oder Änderung des Blutvolumens im Venengeflecht der Beine, übertragen und ggf. auf Anzeigeeinheiten dargestellt werden können. Die externen Messwerte können auch zur Optimierung der Trainingsparameter wie Winkelgeschwindigkeit und Bewegungsausmaß des Sprunggelenks, was weiter unten näher erläutert wird, für linke und rechte Seite getrennt verarbeitet werden.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass die beiden Betätigungselemente eines Betätigungselementpaares an einer gemeinsamen oder jeweils einer separaten Drehwelle festgelegt sind. Damit kann die Trainingsbewegung auf jede einzelne Extremität bzw. auf die jeweilige Körperseite bezogen individuell für den Trainierenden abgestimmt werden.
Vorteilhafterweise kann damit auch ein beliebiges Drehzahlverhältnis der Betätigungselemente bzw. -paare und folglich eine Anpassung an die Bewegungsfähigkeit der Extremitäten des Patienten auch seitenbezogen ohne weiteres vorgegeben werden. Beispielsweise kann die Drehzahl für linken und rechten Arm bzw. für linkes und rechtes Bein bzw. für Beine und Arme unterschiedlich eingestellt werden.
Es ist möglich, die Betätigungselementpaare nach einem Typ A und B zu unterscheiden, wobei verschiedene Ausführungen bezüglich des Gesamtantriebsystems zur Verfügung gestellt werden können. Bei Typ A ist nur ein Betätigungselement über ein Kurbelarm einseitig mit der Antriebswelle verbunden, im Gegensatz zu Typ B, bei welchem an beiden Enden der Abtriebswelle, z. B. um 180 Grad versetzte Kurbelarme mit Betätigungselementen angebracht sind.
Daraus ergeben sich vier Antriebskombinationen für ein Trainingsgerät:

– Arm- und Beinbetätigungselementpaar ist jeweils mit einer Bewegungseinheit des Typs B ausgestattet,
– für jedes Bein und jeden Arm wird eine eigene Bewegungseinheit des Typs A eingesetzt, wobei die Anordnung der beiden Bewegungseinheiten für das Arm- bzw. Beinbetätigungselementpaar parallel erfolgt,
– Armbetätigungselementpaar besteht aus zwei parallel angeordneten Bewegungseinheiten des Typs A, für den Beintrainer wird Typ B verwendet,
– Armbetätigungselementpaar besteht aus einer Bewegungseinheit des Typs B, für das Beinbetätigungselementpaar werden Bewegungseinheiten des Typs A verwendet.

Wird ein Arm- und/oder Beinbetätigungselementpaar mit Bewegungseinheiten des Typs A ausgerüstet, bestehen die Vorteile darin, dass die Winkelgeschwindigkeit bzw. die Winkellage der Betätigungselemente frei programmierbar ist und das Motormoment direkt der Kraftentfaltung bzw. der Schwergängigkeit einer Extremität entsprechen kann. Wird die Kraftentfaltung bzw. Leistung des Patienten positionsbezogen für jede Extremität kontinuierlich erfasst und im Weiteren die durchschnittliche Leistung für frei definierbare Segmente der Kreisbahn ermittelt, ist eine direkte Zuordnung der durchschnittlichen Leistung innerhalb eines Segmentes zu einer bestimmten Muskelgruppe möglich. Beispielsweise durch eine direkte visuelle Rückkopplung der segmentbezogenen Leistungsdaten an einer Anzeigeeinheit des Trainingsgerätes kann der Patient gezielt bestimmte Muskelgruppen der Beine und Arme gleichzeitig trainieren.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Winkellage der Kurbeln zueinander frei einstellbar ist und durch die Kontrolleinheit konstant gehalten wird. Aufgrund dieser Funktionalität ist es möglich, eine große Anzahl von Bewegungsmustern zu generieren, die vor allem auf dem Gebiet der automatisierten Rehabilitation von Schlaganfallpatienten zunehmende Bedeutung gewinnen könnten. Wird z. B. eine Phasendifferenz zwischen Arm- und Beinbetätigungselementpaar von 180 Grad eingestellt, erhält man einen Bewegungsablauf, der vergleichbar im Bewegungsablauf beim Gehen ist und somit zu Beginn einer Gangrehabilitation eingesetzt werden kann.
Außerdem ist eine Synchronisierung beispielsweise nur zwischen den beiden Bewegungseinheiten des Typs A eines Arm- oder Beinbetätigungselementpaares möglich oder es findet eine Synchronisierung aller Antriebssysteme statt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind einstellbare Bewegungselemente zur Beeinflussung einer Sprunggelenksbewegung der trainierenden Person vorgesehen. Die Bewegungselemente können beispielsweise mechanische Komponenten zur Bewegungssteuerung des Sprunggelenks umfassen, die elektromechanisch von der Kontrolleinheit bedient werden. Insbesondere kann damit ein Bewegungsausmaß für die Beugung bzw. Streckung des Sprunggelenks elektromechanisch eingestellt werden. Vorteilhafterweise wird das maximale Bewegungsausmaß des Sprunggelenks über Stellantriebe mechanisch und/oder elektronisch angepasst. Für die Aktivierung der Wadenmuskelpumpe ist eine Streckung und Beugung des Sprunggelenks notwendig, wie dies beispielsweise beim Gehen oder Radfahren stattfindet. Vorteilhafterweise kann damit eine gute Kreislaufunterstützung erreicht werden, wobei die Einstellmöglichkeiten so abgestimmt sind, dass die Sprunggelenksbewegung während einer Pedalumdrehung des entsprechenden Betätigungselementpaares der des Laufens bzw. Gehens möglichst nahe kommt. Eine Steuerung der Sprunggelenksbewegung ist auf unterschiedliche Weise möglich:

1. Die Sprunggelenkssteuerung wird mit gummielastischen Bändern (Expander) erreicht, die an geeigneten Fixpunkten am Geräterahmen und an geeigneten Fußschalenfixpunkten eingehängt werden. Durch die Spannkraft der elastischen Bänder wird während einer Pedalumdrehung ein wechselndes Moment an den Betätigungselementen erzeugt. Bei dieser Form ist eine nachträgliche Veränderung der Spannkraft nur bedingt gegeben.
2. Die Sprunggelenkssteuerung wird mit gummielastischen Bändern erreicht, die zusätzlich über entsprechend angebrachte Umlenkrollen geführt sind. Die Steuerung jeder Fußschale erfolgt über zwei Bänder bzw. Expander. Ein Ende jedes Expanders ist an einem Angriffspunkt an der jeweiligen Fußschale fixiert, das zweite Ende wird über eine Umlenkrolle geführt und ist an einer jeweiligen drehbaren Einstellspule fixiert.

Durch die Spannkräfte wird während einer Pedalumdrehung ein wechselndes Moment bezüglich des Sprunggelenks erzeugt. Dieses Moment bewirkt eine gezielte, fortlaufende Bewegung des Sprunggelenks. Die Einstellung der Spannkraft erfolgt je nach Ausführung durch ein manuelles Verdrehen der jeweiligen Spule oder aber über einen elektromechanischen Stellantrieb, welcher die Spule bewegt. Bei der manuellen Ausführung sind die Spulen mit einem Rastmechanismus ausgeführt, der ein Lösen bzw. Verdrehen der Spule vermeidet.

3. Bei dieser Ausführung wird die Sprunggelenksteuerung über eine Hebelmechanik erreicht. Der Grundaufbau besteht für jede Fußschale aus zwei Hebeln, deren Länge und Position zueinander durch stufenloses Verschieben über Führungen verändert werden kann. Dadurch ändern sich die Hebellängen und somit der Bewegungsablauf. Die starre Hebelmechanik ermöglicht eine besonders exakte Sprunggelenksteuerung. Die Verstellung der Hebeleinstellungen kann von Hand oder auch automatisch über Stellmotoren erfolgen.

Um Verletzungen zu vermeiden, sind bei allen Varianten der Sprunggelenksteuerung zusätzlich mechanische Begrenzungen vorgesehen, deren Positionen von Hand oder über einen elektromechanischen Stellantrieb verändert werden können. Dadurch ist die individuelle Einstellung der maximal gewünschten Sprunggelenkbewegung elektronisch möglich. Die Einstellungen können für die linke und rechte Seite unabhängig voneinander vorgenommen werden.
Ferner kann die Einstellung bzw. Steuerung des Bewegungsausmaßes für Beugung und Streckung des Sprunggelenkes von externen hämodynamischen Parametern wie Blutflussgeschwindigkeit und/oder Veränderungen des Blutvolumens durch Vergleichsmessungen an linkem und rechtem Bein abgeleitet werden. Das Trainingsgerät bietet beispielsweise für diesen Zweck Schnittstellen zur Anbindung eines entsprechenden Lichtreflexreografie- oder Dopplersonografie-Gerätes.
Beim Lichtreflexreografie-Verfahren werden die Volumenschwankungen des Venengeflechts, das direkt unter der Haut liegt mit einer Infrarotsonde gemessen. Mit Hilfe der Dopplersonografie kann die Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit des Blutes in den Arterien oder Venen gemessen werden.
In Verbindung mit zusätzlichen Messgeräten ist eine Aufzeichnung und Anzeige der gemessenen Blutströmungswerte in Echtzeit am Trainingsgerät möglich. Der Benutzer erhält auf diese Weise eine umfassende Analyse über den aktuellen Durchblutungszustand seiner Beinvenen und der direkte Einfluss der gesteuerten Sprunggelenkbewegung kann gemessen und dokumentiert werden. Ferner ist von Vorteil, dass beispielsweise die hämodynamischen Messwerte als Grundlage für die Anpassung von bestimmten Trainingsparametern, wie Winkelgeschwindigkeit und Bewegungsumfang des Sprunggelenks automatisch verarbeitet werden können.
Durch die Unterstützung der Sprunggelenksteuerung mit ihren positiven Auswirkungen auf das Herz-Kreislauf-System ist der Patient in der Lage, seine Oberkörperbelastung in Verbindung mit passivem Beintraining und gesteuerter Sprunggelenksbewegung zu steigern, um mit geringstem Risiko die Oberkörpermuskulatur und die körperliche Ausdauer einer Person effektiver aufzubauen und zu erhalten.
Ein weiterer Vorteil des Bewegungs-Therapie-Gerätes mit integrierter Sprunggelenksteuerung ist die Prävention von Venenerkrankungen. Bereits bestehende Venenbeschwerden können zwar nicht mehr vollständig geheilt werden, aber ein weiteres Voranschreiten der Venenerkrankung kann durch den richtigen Bewegungsablauf verhindert und die Beschwerden gelindert werden. Zusätzlich wird der Effekt der Sprunggelenksteuerung durch die rotatorische Bewegung der Beine positiv unterstützt, da auch die Bewegung von Gelenken eine ähnliche Wirkung wie die Wadenmuskelpumpe entfaltet. Größere Venen verlaufen meist an der Beugeseite von Gelenken, z. B. in der Kniekehle, so dass es beim Strecken der Gelenke zu einer Dehnung der Gefäße kommt. Diese Dehnung wiederum führt zu einer Einengung des Venendurchmessers und damit zu einem erhöhten Blutfluss. Der venöse Rückstrom des Blutes zum Herzen wird also stark von aktiven und passiven Bewegungen der Beine beeinflusst.
Eine Entlastung für das Herz-Kreislauf-System wird auch durch die Verbesserung des venösen Blutrückflusses vor allem aus den Beinvenen erreicht. Die Beinvenen müssen entgegen der Schwerkraft das Venenblut auf Herzniveau pumpen, damit es in der Lunge wieder neu mit Sauerstoff angereichert werden kann. Die Saugwirkung des Herzens ist dafür nicht ausreichend. Entscheidend für diese Aufgabe ist das Zusammenspiel von Muskelpumpen und Venenklappen, wobei die wichtigste Muskelpumpe die Wadenmuskelpumpe der Unterschenkelmuskulatur ist. Durch die Aktivierung der Wadenmuskelpumpe wird die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes in den Venen erhöht und das Herz wird weniger belastet. Ein sukzessiver Wechsel von Wadenmuskelan- und -entspannung übt einen Pumpdruck auf die Venen aus.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist die Kontrolleinheit ausgebildet, für Arm- und/oder Bein-Betätigungselementpaar eine nachgebildete Schwungmasse bereitzustellen, durch insbesondere Betreiben des Motors in einer Weise, dass unterschiedliche Trägheitsmomente simuliert werden können oder für eine Drehzahländerung unterschiedliche Bremsmomente vorgegeben werden können. Dies ermöglich es insbesondere bewegungsbehinderten Personen, bereits mit geringsten Restmuskelkräften ein weitgehend vom Behinderten selbst bestimmbares kontinuierliches Training durchzuführen.
Beispielsweise kann damit in einer Phase, in welcher die trainierende Person versucht, die Betätigungselemente aktiv anzutreiben, ein kleines Trägheitsmoment vorgegeben werden, und sobald die Person keinen aktiven Beitrag mehr leistet, kann das Trägheitsmoment hochgesetzt werden, so dass die Bewegung vergleichsweise langsamer abklingt.
Eine Modifikation des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass Verstellmittel zur Anpassung der Betätigungselementpaare an die trainierende Person vorgesehen sind. Vorteilhafterweise kann das Trainingsgerät durch entsprechende Einstellung der Bein- bzw. Armbetätigungselementpaare so auf den Trainierenden abgestimmt werden, dass dieser eine aufrechte Körperhaltung beim Trainieren einnehmen muss. Für eine Anpassung der Armbetätigungselemente an die Größe des Patienten ist zusätzlich eine vertikale und/oder horizontale Verstellmöglichkeit vorgesehen. Die in Sitzposition aufrechte Stellung des Oberkörpers verhindert ein Zusammendrücken der Atemmuskulatur und somit eine Reduzierung der Atmungsleistung. Durch Studien wurde nachgewiesen, dass die zusammengekauerte Position beim Radfahren oder auf einem herkömmlichen Fahrradergometers selbst bei geringer Intensität vor allem die Inspirationsmuskulatur ermüden lässt und somit zum leistungslimitierenden Faktor werden kann.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontrolleinheit so ausgebildet ist, dass erfasste Daten aufgenommen, verarbeitet und gespeichert werden können. Insbesondere können die während dem Training ermittelten und empfangenen Messwerte zur Trainingsdokumentation auf ein portables Speichermedium zur späteren Trainingsanalyse transferiert werden. Dazu verfügt die Kontrolleinheit beispielsweise über eine Schnittstelle, über welche Messwerte aus dem Speicher eines speziellen Messgerätes, z. B. ein Blutdruckmessgerät, eingelesen werden können und zur Dokumentation des Therapieverlaufs auf einen portablen Speicher abgelegt werden können. Als erfasste Messwerte bzw. Trainingsdaten sind die körperliche Leistung, Herzfrequenz, Blutdruck, Sauerstoffsättigung des Blutes, Trittfrequenz und Trainingsdauer beispielsweise direkt über eine bidirektionale Schnittstelle an ein übergeordnetes Computersystem zur Archivierung, Auswertung und Darstellung übertragbar.
Das Trainingsgerät verfügt in der Regel über eine Anbindungsmöglichkeit an ein portables Speichermedium, mit der auch patientenspezifische Informationen wie Trainingsprogramme, Trainingsstartwerte und Grenzwerte verfügbar sind, die bei Trainingsbeginn von der Kontrolleinheit eingelesen werden und es ermöglichen, die Bedienung des Trainingsgerätes wesentlich zu vereinfachen. Beispielsweise können sämtliche Sollparameter bzw. Bewegungsmuster der einzelnen Bewegungseinheiten abhängig von dem Krankheitsbild eines Patienten durch den Therapeuten am Computer festgelegt werden und anschließend auf ein portables Speichermedium des jeweiligen Patienten gespeichert werden.
Auf diese Weise wird auch sichergestellt, dass ein Patient nur mit den Einstellungen trainiert, die zuvor von seinem Therapeuten festgelegt wurden. Zusätzlich könne auch alle trainingsrelevanten Einstellungen über die bidirektionale Schnittstelle an das Bewegungstherapiegerät übertragen werden. Eine Trainingssteuerung ist somit auch über ein externes Computersystem in Echtzeit möglich.
Schließlich wird weiter vorgeschlagen, dass eine Anzeigeeinheit vorgesehen ist, mit der Informationen über Trainingsdaten im Hinblick auf jedes Betätigungselementpaar, insbesondere sogar auf jedes einzelne Betätigungselement, vorgesehen ist. Auf diese Weise kann für die trainierende Person und beispielsweise einen Therapeuten, in Echtzeit sämtliche trainingsrelevanten Parameter, insbesondere für jede Extremität gesondert, zur Verfügung gestellt werden. Dabei können Informationen zu jeder Extremität z. B. gleichzeitig oder nacheinander angezeigt werden. Hierdurch lässt sich das Training effektiver gestalten und jederzeit aufgrund der erhaltenen Daten anpassen. Des Weiteren kann der Verlauf aller Messwerte am Ende der Trainingssitzung in Kurvenform oder numerisch an der Anzeigeeinheit abgerufen werden. Dies betrifft beispielsweise die gemessenen Ist-Parameter wie Leistung, Antriebsmoment und Winkelgeschwindigkeit jeder Antriebseinheit. Zusätzlich können Informationen über gemessene physiologische Parameter wie Puls, Blutdruck, Sauerstoffsättigung des Blutes, Blutflussgeschwindigkeit und Änderung des Blutvolumens im Venengeflecht der Beine dargestellt werden. Sämtliche Informationen können über entsprechende Druckereinrichtungen ausgedruckt und z. B. in Papierform dokumentiert werden.
Durch die verschiedenartigsten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Trainingsgerätes, kann es sich bei entsprechender Ausgestaltung auch hervorragend für ein Aufwärmtraining des gesamten Körpers beispielsweise durch das gleichzeitig passive Bewegen von Beinen und Armen mit unterschiedlichen Umdrehungsgeschwindigkeiten einsetzten. Das Aufwärmen verstärkt die Muskeldurchblutung und verbessert die Sauerstoffversorgung und den Stoffwechsel. Ebenso lässt es sich nach der eigentlichen aktiven Trainingseinheit zum Zwecke der Muskelentspannung nach der Trainingsbelastung nutzen. Dadurch wird die Regenerationsfähigkeit des Körpers verbessert. Für Trainierende mit eingeschränkter Belastungsfähigkeit bietet das passive Bewegungstraining eine Alternative zu gymnastischen Lockerungs- und Dehnübungen.
Beschreibung der Figuren
Weiter Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Im Einzelnen zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Trainingsgerät in perspektivischer Darstellung,
2 einen Teil einer Arm-Trainingseinheit mit Lager- und Antriebseinheit für ein Trainingsgerät gemäß 1,
3 einen Teil einer Bein-Trainingseinheit mit Lager- und Antriebseinheit für ein Trainingsgerät gemäß 1,
4a eine zu der in 2 gezeigten Ausführung alternative Ausführung einer Arm-Trainingseinheit mit getrennter Abtriebswelle und jeweils zugehöriger Lager- und Antriebseinheit in perspektivischer Ansicht,
4b eine Draufsicht auf die Arm-Trainingseinheit mit Lager- und Antriebseinheit gemäß 4a,
5a bis 5c stark schematisch verschiedene Anordnungen einer übergeordneten Kontrolleinheit im Zusammenwirken mit Arm- bzw. Bein-Trainingseinheiten.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Trainingsgerät 1 zum gleichzeitigen Trainieren von Armen und Beinen einer trainierenden Person. Das Trainingsgerät 1 weist einen Grundkörper 2 mit zwei nahezu parallel verlaufenden Auflage-Rundprofilen zur stabilen und sicheren Aufstellung auf einem ebenen Untergrund auf. Ein hinteres Auflageprofil 3 mit Fahrrollen 3a und ein im Vergleich zum Auflageprofil 3 geringer dimensioniertes vorderes Auflageprofil 4 sind zueinander im Abstand verstellbar ausgebildet, beispielsweise durch eine Verschiebeanordnung 5 mit einem in etwa mittig am vorderen Auflageprofil fest angebrachten Vierkantholms 6, der verschiebbar und festlegbar im Grundkörper 2 angeordnet ist.
Am Grundkörper 2, nahe am hinteren Auflageprofil 3 ist ein vertikal nach oben ausgerichteter Trageholm 7 etwas zur Senkrechten geneigt ausgebildet. Der Trageholm 7 besteht aus einem oberen Holmabschnitt 7a, der verschiebbar in einem unteren Holmabschnitt 7b zur Höhenverstellbarkeit eines Teils des Trainingsgeräts 1 angeordnet ist. Zum Lösen bzw. wieder Feststellen der beiden ineinander angeordneten Holmabschnitte 7a, 7b ist eine Feststelleinrichtung 8 am Trageholm 7 eingerichtet. Die Feststelleinrichtung 8 wird im gezeigten Beispiel durch eine Einsteckanordnung zur Sicherung der eingestellten Länge des Trageholms 7 realisiert, bei der ein Einsteckstift über entsprechende Bohrungen in den Holmabschnitten 7a und 7b durchsteckbar ist.
Am oberen Ende des Holmabschnitts 7a ist ein in etwa horizontal verlaufender Träger 10 mittels einer Auflageplatte 9 gehalten. Zur zumindest teilweisen horizontalen Verschwenkung des Trägers 10 um eine senkrechte Achse kann die Auflageplatte 9 verdrehbar ausgebildet sein, wobei ein Arretierstift 9a u. a. zur Sicherung einer Verdrehposition vorgesehen sein kann. Zur Verschiebung der Arm-Trainingseinheit 40 in horizontaler Richtung kann in Längsrichtung des Trägers 10 dieser an der Auflageplatte 9 verschiebbar verstellt werden.
Am Träger 10 sind zwei in etwa U-förmig gebogene Haltegriffe 11a und 11b angebracht. Auf der Oberseite des Trägers 10 ist eine von einem Gehäuse 12 umschlossene Elektronikeinheit untergebracht, beispielsweise eine Kontrolleinheit bestehend aus Mikrocomputersystem mit Steuer- und/oder Regeleinheit. Auf einer Bedienseite 12a am Gehäuse 12 sind verschiedene Bedienelemente 13 zur Bedienung des Trainingsgeräts 1 bzw. der Elektronikeinheit eingerichtet. Außerdem ist als Anzeigeeinheit ein Display 14 oder dgl. vorgesehen, über das beispielsweise trainingsbezogene Informationen für die trainierende Person oder einen Therapeuten sichtbar gemacht werden können.
Am vorderen Ende des Trägers 10 ist eine Arm-Trainingseinheit 40 fest angebracht bzw. für ein Beintraining ist am Grundkörper 2 eine Bein-Trainingseinheit 50 ausgebildet. Das Trainingsgerät 1 ist so gestaltet, dass dieses beispielsweise von einer in einem Rollstuhl oder dgl. sitzenden Person als Bewegungstherapiegerät für Beine und Arme genutzt werden kann. Hierzu muss sich die trainierende Person in Pfeilrichtung P dem Trainingsgerät 1 nähern. Die Arm- bzw. Bein-Trainingseinheiten 40 bzw. 50 sind so positioniert, dass es für eine Person problemlos möglich ist, die Hände bzw. Füße an den entsprechenden Trainingseinheiten 40 bzw. 50 anzuordnen. Zur individuellen Anpassung an eine trainierende Person kann die höhenverstellbare Anordnung des Trageholms 7 und die verstellbare Anordnung des Trägers 10 dienen.
In 1 ist der motorische Antrieb der Arm- bzw. Bein-Trainingseinheiten 40 bzw. 50 nicht zu erkennen, der beispielsweise innerhalb des Gehäuses 41 der Arm-Trainingseinheit 40 bzw. eines Gehäuses 51 der Bein-Trainingseinheit 50 untergebracht ist.
2 zeigt eine Detailansicht eines Teils der Arm-Trainingseinheit 40 aus 1. An einer gemeinsamen Abtriebswelle 16 sind jeweils um 180 Grad versetzt zwei Kurbelarme 17a bzw. 17b angeordnet. An dem Kurbelarm 17a bzw. 17b ist jeweils ein rechtwinklig dazu angebrachtes Betätigungselement, hier als Handgriff 18a bzw. 18b drehbar befestigt. Die Abtriebswelle 16 dient zur Momenten-übertragung für die rotatorisch fortlaufende Bewegung der beiden Handgriffe 18a, 18b und wird von einem Motor 20, beispielsweise Elektromotor über ein Getriebe 19 bzw. in einer alternativen Ausführungsform (hier nicht dargestellt) einen Riemenantrieb betrieben. Der Elektromotor 20 kann auf die Abtriebswelle 16 ein Antriebs- bzw. Bremsmoment übertragen, je nach gewählter Betriebsart bzw. Trainingssituation.
3 zeigt in ganz ähnlicher Weise eine Detailansicht eines Teils der Bein-Trainingseinheit 50 mit einer Abtriebswelle 23, die von einem Elektromotor 22 über ein Getriebe 21 angetrieben bzw. abgebremst werden kann. An den beiden Enden der Abtriebswelle 23 sind jeweils um 180 Grad versetzt ein Kurbelarm 24a und eine weiterer Kurbelarm 24b ausgebildet. An den beiden Kurbelarmen 24a, 24b sind drehbar gelagerte Betätigungselemente in Form von Fußpedalen 25a und 25b auf bekannte Weise angebracht. Die Fußpedale 25a und 25b können verschieblich verstell- und festlegbar an den Kurbelarmen 24a bzw. 24b angeordnet sein.
In 4a ist in perspektivischer Ausschnittsansicht ein Detail einer alternativen Arm-Trainingseinheit 60 gezeigt, die aus unabhängig zu betreibenden Betätigungselementen für jeden Arm besteht. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Abtriebswelle nicht durchgängig sondern zweigeteilt und für jeden Arm separat ausgebildet. Die beiden Abtriebswellen 27 und 30 werden jeweils von einem eigenen Elektromotor 29 bzw. 32 über ein Getriebe 28 bzw. 31 angetrieben und/oder abgebremst. An der Abtriebswelle 27 ist in gleicher Weise, wie in 2 gezeigt, ein Kurbelarm 33a mit einem daran drehbar angebrachten Handgriff 34a befestigt. Ebenfalls weist die Abtriebswelle 30 eine Kurbelarm 33b und einen daran ebenfalls drehbar angebrachten Handgriff 34b auf. Die verstellbare umfängliche Festlegung der Kurbelarme 33a bzw. 33b an der jeweilig zugeordneten Abtriebswelle 27 bzw. 30 kann wie angedeutet durch Einschraubstifte 26 realisiert werden. Aus z. B. Sicherheitsgründen sind an den Handgriffen 34a bzw. 34b Griffbegrenzungen 35a bzw. 35b zur sicheren Positionierung der die Handgriffe 34a, 34b umgreifenden Hand der trainierenden Person vorgesehen.
In 4b wird deutlich, dass insbesondere die getrennte Ausbildung der Abtriebswellen 27 und 30 und deren motorische Komponenten auf engstem Raum möglich ist. Die koaxial zueinander verlaufenden Abtriebswellen 27 und 30 sind lediglich durch eine schmalen Bereich 36 voneinander beabstandet. Damit lässt sich ohne Weiteres eine vergleichsweise platzsparende Anordnung der beiden Antriebsmotoren 29, 30 bzw. der dazugehörigen Getriebe 28, 31 in der gezeigten Arm-Trainingseinheit verwirklichen bzw. analog für eine Bein-Trainingseinheit realisieren.
5a zeigt eine schematisierte Darstellung des Zusammenwirkens der Motoren mit den jeweils dazugehörigen Unterkontrolleinheiten bestehend aus Steuer- und/oder Regeleinheiten mit einer übergeordneten Kontrolleinheit, die mit allen Unterkontrolleinheiten kommuniziert. Bei den gezeigten Anordnungen gemäß 5a bis 5c ist jeder einzelne Motor mit einer eigenen zugeordneten Unterkontrolleinheit bzw. Steuer- und/oder Regeleinheit ausgestattet. Im Ausführungsbeispiel gemäß 5a sind stark schematisiert jeweils zwei voneinander unabhängige Arm- bzw. Bein-Trainingseinheiten im Zusammenwirken mit einer übergeordneten Kontrolleinheit 70 dargestellt. Mit der Kontrolleinheit 70 findet ein Datenaustausch statt, durch Pfeile P1 und P2 dargestellt, mit einer Arm-Trainingseinheit 71 für den linken Arm und einer Arm-Trainingseinheit 72 für den rechten Arm. Die Arm-Trainingseinheiten 71 und 72 umfassen jeweils einen Motor mit dazugehöriger Unterkontrolleinheit, die für ein Betreiben einer jeweils zugeordneten Kurbelanordnung 71a und 72a ausgebildet sind. In analoger Weise kommuniziert eine Bein-Trainingseinheit 73 für das linke Bein mit der Kontrolleinheit 70, durch Pfeil 23 symbolisiert, bzw. eine Bein-Trainingseinheit 74 für das rechte Bein mit der Kontrolleinheit 70, was durch Pfeil 24 angedeutet ist. In gleicher Weise wie bei den Arm-Trainingseinheiten 71, 72 ist den Bein-Trainingseinheiten 73 bzw. 74 jeweils eine dazugehörige Kurbelanordnung 73a bzw. 74a zugeordnet.
Durch den erfindungsgemäßen modularen Aufbau der Trainingseinheiten für das vorgeschlagene Trainingsgerät kann das Gesamtantriebssystem auf unterschiedlichste Zielsetzungen abgestimmt werden. Im gezeigten Beispiel gemäß 5a können vorteilhafterweise entweder die Winkelgeschwindigkeit oder die Winkellage der Betätigungselemente der Kurbelanordnungen 71a, 72a, 73a und 74a frei programmiert werden, wobei die Abstimmung und Ausführung des Zusammenwirkens gemäß der Pfeile P1 bis P4 durch die Kontrolleinheit 70 und die Unterkontrolleinheiten der Trainingseinheiten 71 bis 74 umgesetzt werden.
In 5b ist ausgehend von der übergeordneten Kontrolleinheit 70 eine Anordnung dargestellt, bei der eine Arm-Trainingseinheit 75 und Bein-Trainingseinheit 76 jeweils miteinander verbundene Betätigungselemente aufweisen. Sowohl die Arm-Trainingseinheit 75 als auch die Bein-Trainingseinheit 76 umfassen jeweils einen Motor mit dazugehöriger Unterkontrolleinheit, an denen jeweils Kurbelanordnungen 75a, 75b für einen linken und rechten Arm bzw. 76a, 76b für ein linkes und rechte Bein vorgesehen sind.
Der Informationsfluss zur Steuerung und/oder Regelung zwischen der Arm-Trainingseinheit 75 und Kontrolleinheit 70 bzw. zwischen der Bein-Trainingseinheit 76 und der Kontrolleinheit 70 findet gemäß Pfeil P5 bzw. gemäß Pfeil P6 statt. Das Steuerungs- und/oder Regelungssystem gemäß 5b ist besonders einfach und kompakt für eine Vielzahl von Bewegungstherapien mit gleichzeitiger Bewegung der Arme und Beine ausreichend.
In 5c ist schließlich eine Kombination der Steuer- und/oder Regelsysteme gemäß 5a und 5b gezeigt. Dabei sind getrennt für linken und rechten Arm die Arm-Trainingseinheiten 71 und 72 mit jeweils zugeordneter Kurbelanordnung 71a bzw. 72 vorgesehen. Über Verbindungen gemäß P1 und P2 werden die jeweiligen Motoren und Unterkontrolleinheiten der Arm-Trainingseinheiten 71, 72 mit der Kontrolleinheit 70 abgestimmt. Die Beintrainingseinheit 76 wird von einem Motor mit einer entsprechenden Unterkontrolleinheit bzw. über die Verbindung P6 mit der Kontrolleinheit 70 betrieben und kontrolliert. Diese Anordnung ermöglicht es insbesondere das Arm-Training sehr flexibel und getrennt für linken und rechten Arm mit unterschiedlichen Einstellmöglichkeiten durchzuführen und gleichzeitig das Bein-Training für beide Beine synchron und passiv bzw. aktiv zu betreiben.
Bezugszeichenliste

1: Trainingsgerät
2: Grundkörper
3: Auflageprofil
3a: Fahrrolle
4: Auflageprofil
5: Verschiebeanordnung
7: Trageholm
7a: Holmabschnitt
7b: Holmabschnitt
8: Feststelleinrichtung
9: Auflageplatte
9a: Arretierstift
10: Träger
11a: Haltegriff
11b: Haltegriff
12: Gehäuse
12a: Bedienseite
13: Bedienelement
14: Display
15: Abtriebswelle
17a: Kurbelarm
17b: Kurbelarm
18a: Handgriff
18b: Handgriff
19: Getriebe
20: Elektromotor
21: Getriebe
22: Elektromotor
23: Abtriebswelle
24a: Kurbelarm
24b: Kurbelarm
25a: Fußpedal
25b: Fußpedal
26: Eindrehstift
27: Abtriebswelle
28: Getriebe
29: Elektromotor
30: Abtriebswelle
31: Getriebe
32: Elektromotor
33a: Kurbelarm
33b: Kurbelarm
34a: Handgriff
34b: Handgriff
35a: Griffbegrenzung
35b: Griffbegrenzung
36: Spaltbereich
37–39
40: Arm-Trainingseinheit
41: Gehäuse
42–49
50: Bein-Trainingseinheit
51: Gehäuse
52–59
60: Arm-Trainingseinheit
70: Kontrolleinheit
71: Arm-Trainingseinheit
71a: Kurbelanordnung
72: Arm-Trainingseinheit
72a: Kurbelanordnung
73: Bein-Trainingseinheit
73a: Kurbelanordnung
74: Bein-Trainingseinheit
74a: Kurbelanordnung
75: Arm-Trainingseinheit
75a: Kurbelanordnung
75b: Kurbelanordnung
76: Bein-Trainingseinheit
76a: Kurbelanordnung
76b: Kurbelanordnung

Claims

Trainingsgerät (1) für eine Person mit fortlaufend rotatorisch bewegbaren Betätigungselementen (18a, 18b, 25a, 25b, 34a, 34b) für jeweils ein Beinpaar und/oder ein Armpaar sowie einem Motor (20, 22, 29, 32) zum Antreiben und/oder Bremsen der Betätigungselemente (18a, 18b, 25a, 25b, 34a, 34b), dadurch gekennzeichnet, dass den Betätigungselementpaaren für ein Armpaar und ein Beinpaar jeweils wenigstens ein Motor (20, 22, 29, 32) zugeordnet ist und eine Kontrolleinheit zum gleichzeitigen Betreiben der wenigstens zwei Motoren (20, 22, 29, 32) vorgesehen ist und die Kontrolleinheit ausgebildet ist, ein passives Training der Extremitäten zu realisieren, wobei bei einem passiven Training die Antriebswirkung der Motoren (20, 22, 29, 32) für die Bewegung der Extremitäten überwiegt.
Trainingsgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem rechten und linken Betätigungselement jeweils ein Motor zugeordnet und eine Kontrolleinheit zum gleichzeitigen Betreiben der wenigstens zwei Motoren vorgesehen ist.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit eine übergeordnete Kontrolleinheit (70) und wenigstens eine Unterkontrolleinheit, die genau einem Motor zugeordneten ist, umfasst.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit so ausgebildet ist, dass ein synchroner Betrieb der Betätigungselemente (18a, 18b, 25a, 25b, 34a, 34b) möglich ist.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, einen asynchronen Betrieb der Betätigungselemente (18a, 18b, 25a, 25b, 34a, 34b) zu ermöglichen.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, ein aktives Training der Extremitäten zu realisieren.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, jeden Motor (20, 22, 29, 32) separat im Hinblick auf wenigstens einen Sollparameter zu betreiben.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensormittel vorgesehen sind, wenigstens einen Momentanwert eines Sollparameters für jeden Motor (20, 22, 29, 32) während des Trainings zu erfassen und bereitzustellen.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel ausgebildet sind, physiologische Daten der trainierenden Person zu erfassen und bereitzustellen.
Trainingsgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellten physiologischen Daten für die Steuerung und/oder Regelung der Motoren (20, 22, 29, 32) und/oder von Sprunggelenksbewegungsgrößen eingesetzt werden.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Betätigungselemente (18a, 18b, 25a, 25b, 34a, 34b) eines Betätigungselementpaars an einer gemeinsamen oder jeweils einer separaten Drehwelle (16, 23, 27, 30) festgelegt sind.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einstellbare Bewegungselemente zur Beeinflussung einer Sprunggelenkbewegung der trainierenden Person vorgesehen sind.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, für Arm- und/oder Bein-Betätigungselementpaar eine nachgebildete veränderbare Schwungmasse bereitzustellen.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeigeeinheit (14) vorgesehen ist, mit der Informationen über Trainingsdaten im Hinblick auf jedes Betätigungselementpaar vorgesehen ist.
Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (70) derart ausgebildet ist, bei Überschreiten eines Schwellwertes, insbesondere eines Moments, die Bewegung der Betätigungselemente (18a, 18b, 25a, 25b, 34a, 34b) für die Arme und/oder Beine zu stoppen und nach vorgegebener Zeit wieder in derselben oder entgegengesetzten Drehrichtung anlaufen zu lassen.