DE102004051806A1

DE102004051806A1 - Konzept zum Antreiben eines Ruderergometers mit Hilfe eines elektromechanischen Antriebes

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Publication number: DE102004051806A1
Application number: DE200410051806
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ruderergometer, der in der Lage ist, den vom Trainierenden aufgebrachten Kräften mit einem elektromechanischen Antrieb entgegenzuwirken. DOLLAR A Im Bereich des Ruderwettkampfsportes kann ein Trainingsgerät angeboten werden, das speziell dem Riemenruderer ein realistischeres Ergometerrudern ermöglicht. DOLLAR A Der Bewegungsablauf beim Ergometerrudern wird identisch sein mit dem Rudern in realen Ruderbooten. Alle Einstellungen aus dem Ruderboot (Stemmbrettposition, Dollenabstand, Dollehöhe und Innenhebel) können eins zu eins auf das Ergometer übertragen werden. DOLLAR A Der Widerstand wird nicht durch eine Schwungmasse mit mechanischer Bremse erzeugt, sondern es wird von einem elektromechanischen Antrieb ein Moment abgegeben, das im Drehpunkt des Skulls/Riemens dem Trainierenden entgegenwirkt. Dieser Antrieb wird von einer Software gesteuert und kann die Kinematik des Ruderns, den hydrodynamischen Widerstand eines Ruderbootes in Abhängigkeit einer virtuellen Geschwindigkeit und in gewissen Grenzen das Gewicht des Ruderers und Gegen-/Schiebewindbedingungen berücksichtigen. Das "Rudergefühl" wird realistischer sein. DOLLAR A Bei einem Ruderergometer mit zwei Ruderplätzen können die Drehmomentverläufe beider Ruderer, die sich dann auch gegenseitig beeinflussen können, gleichzeitig dargestellt werden. Die Ruderer haben dann die Möglichkeit, ihre Rudertechnik aufeinander abzustimmen. DOLLAR A Zusammenfassend bedeutet das für den Ruderer, dass er den sehr anspruchsvollen ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Ruderergometer, der in der Lage ist, die vom Trainierenden aufgebrachten Kräfte mit einem elektromechanischen Antrieb entgegenzuwirken.

Übliche Ruderergometer besitzen eine rotierende Schwungmasse, die vom Trainierenden über einen Seil- oder Kettenzug angetrieben wird. Die Schwungmasse wird z.B. durch Windräder oder Wirbelstrombremsen abgebremst. Der Bremswiderstand ist einstellbar.

Zumeist kann die geleistete Arbeit in Form einer virtuellen Bootsgeschwindigkeit oder als Zahlenwert in [W] oder [kcal] sowie die Schlagfrequenz auf einem Display angezeigt werden. Zieht man die Herzfrequenz hinzu, lässt sich der Trainingszustand beurteilen. Einige Ruderergometer können darüber hinaus das Drehmoment über den Ruderzug als Graph darstellen. Anhand des Drehmomentverlaufes lässt sich zum einen der Ruderzug analysieren und korrigieren, zum anderen kann man die Zusammenarbeit in einem Mannschaftsboot verbessern, indem man die Drehmomentverläufe der Mannschaft qualitativ angleicht.

Allerdings bleibt die Kinematik des realen Ruderns unberücksichtigt. Der Winkel zwischen dem Riemen/Skull und der Fahrtrichtung ändert sich während des Ruderzuges kontinuierlich.

Herkömmliche Ruderergometer wirken dem Trainierenden mit einem Widerstand entgegen, der sich exponentiell verändert. Durch die Winkeländerung des Ruderblattes im Wasser wird aber dem exponentiellen Widerstandsverlauf eine Sinuskurve überlagert.

Der Bewegungsablauf beim Riemenrudern, man rudert nur mit einem Ruder und folgt dem Riemengriff um den Drehpunkt des Riemens herum, unterscheidet sich deutlich von dem des Ergometerruderns.

Die Erfindung zielt darauf ab, im Bereich des Ruderwettkampfsportes ein Trainingsgerät anzubieten, dass speziell dem Riemenruderer ein realistischeres Ergometerrudern ermöglicht.

Der Bewegungsablauf beim Ergometerrudern wird identisch sein mit dem Rudern in realen Ruderbooten. Alle Einstellungen aus dem Ruderboot (Stemmbrettposition, Dollenabstand, Dollenhöhe und Innenhebel) können eins zu eins auf das Ergometer übertragen werden.

Der Widerstand wird nicht durch eine Schwungmasse mit mechanischer Bremse erzeugt, sondern es wird von einem elektromechanischem Antrieb ein Moment abgegeben, dass im Drehpunkt des Skulls/Riemens dem Trainierenden entgegenwirkt. Dieser Antrieb wird von einer Software gesteuert und kann die Kinematik des Ruderns, den hydrodynamischen Widerstand eines Ruderbootes in Abhängigkeit einer virtuellen Geschwindigkeit und in gewissen Grenzen das Gewicht des Ruderers und Gegen-/Schiebewindbedingungen berücksichtigen. Das „Rudergefühl" wird realistischer sein.

Das vom Trainierenden aufgebrachte Drehmoment ist über den gesamten Drehwinkel des Skulls/Riemens bekannt. Alle Bewegungen des Ruderergometers (Rollsitzposition, Drehwinkel und Höhe des Skulls/Riemens) können abgefragt werden. Mit diesen Daten lassen sich Verläufe wie Drehmoment/Drehwinkel, Skull-, Riemenhöhe/ Drehwinkel oder Rollsitzposition/Drehwinkel graphisch in Echtzeit anzeigen.

Bei einem Ruderergometer mit zwei Ruderplätzen können die Drehmomentverläufe beider Ruderer, die sich dann auch gegenseitig beeinflussen können, gleichzeitig dargestellt werden. Die Ruderer haben dann die Möglichkeit, ihre Rudertechnik aufeinander abzustimmen. Unterschiedliche Drehmomentverläufe führen vor allem im 2- (Riemenboot mit zwei Plätzen) zu einem Richtungswechsel des Ruderbootes und damit zu einer Reduzierung der Geschwindigkeit. Dieser Effekt kann bei einem Riemenruderergometer mit zwei Plätzen ebenfalls berücksichtigt werden.

Zusammenfassend bedeutet das für den Ruderer, dass er den sehr anspruchsvollen Bewegungsablauf über den Winter – das Rudern auf dem Wasser ist über Wochen nicht oder nur begrenzt möglich – besser konservieren kann.

In den Großbooten findet die Mannschaftsbildung erst im Frühjahr nach ersten Ergebnissen im Kleinboot (1x, 2-) statt. Dem Trainer bietet die neuartige Ruderergometertechnik die Möglichkeit, schon im Winter geeignete Ruderer für ein Großboot auszuwählen und ihre Bewegungsabläufe sowie Drehmomentverläufe anzugleichen.

Nicht zuletzt können für bestimmte äußere Bedingungen (Gegen-, Schiebewind) Einstellungen wie Innenhebel und Dollenabstand, sowie Schlagfrequenz und Bewegungsablauf so aufeinander abgestimmt werden, dass bei einer Renndistanz über 2000 Meter die durchschnittliche Leistung [W] optimiert wird.

Im Fitnessbereich werden andere Anforderungen an ein Ruderergometer gestellt. Zumeist trainieren Nichtruderer an den Geräten, die oft von mangelhaft geschulten Fitnesstrainern eingewiesen werden. Die neuartige Ruderergometertechnik sollte hier in Form eines Skullergometers (pro Hand ein Ruder) eingesetzt werden. Der Bewegungsablauf ist nicht so komplex wie beim Riemenrudern und ähnelt dem herkömmlicher Ruderergometer. Ist der Ergometersoftware die Größe des Trainierenden, Dollenabstand, -höhe, Innenhebel, Stemmbrettposition sowie vordere und hintere Rollsitzposition bekannt, lässt sich der Bewegungsablauf und die Körperhaltung kontrollieren und visuell korrigieren. Haltungsschäden werden reduziert.

Im Lernmodus überwacht das Ergometer den Drehwinkel des Skulls und die Rollsitzposition. Durch Abbremsen oder Beschleunigen der Skulls kann Einfluss auf die Körperhaltung genommen werden. Der Trainierende wird im Lernmodus mit wenig Kraft beginnen zu Rudern, um den Bewegungsablauf zu erfühlen. Zusätzlich wird graphisch der Soll- und Ist-Zustand der Riemenhöhe angezeigt. Videos und Bilder zur korrekten Körperhaltung ergänzen den Lernmodus. Die Kraft wird dann allmählich gesteigert, bis die Trainingsintensität erreicht ist.

Dies wird dadurch erzielt, dass ein Antriebsstrang (1, 3) das Drehmoment, welches der Ruderer im Drehpunkt (2) des Skulls/Riemens (8, 9) erzeugt, aufnimmt. Der Drehpunkt (2) entspricht der Dolle eines Ruderbootes und kann sowohl in der Höhe (3), als auch im Abstand (4) zum Trainierenden eingestellt werden. Der Trainierende sitzt auf einem Rollsitz (5) und kann sich an einem Stemmbrett (6) mit den Füßen abstoßen. Die Lage des Trainierenden zum Antriebsstrang (1, 3) ist über die Stemmbrettposition (7) einstellbar. Eine Ausarbeitungsvariante zeigt eine Möglichkeit das Drehmoment in den Antriebsstrang (1, 3) einzuleiten. Hierbei nimmt eine Gelenkkonstruktion (2), die mit der Abtriebsseite des Antriebsstranges (1, 3) verbunden ist, den Holm (8) mit Griff (9) auf. Man kann dem Trainierenden ein realistischeres Rudergefühl vermitteln, indem der Skull/Riemen (8, 9) durch eine Gasdruckfeder (10) hochgehalten wird. Das Eintauchen des Ruderblattes in das Wasser wird mit einem Stoßdämpfer (11) simuliert. Der Winkel (12), in dem sich ein Gleichgewicht zwischen Gasdruckfeder (10) und Stoßdämpfer (11) einstellt (Ruderblatt schwimmt im Wasser), ist einstellbar. Somit ist es möglich alle Einstellungen aus dem Ruderboot zu übernehmen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Antriebsstranges ist in 3 zu sehen. Die elastische Kupplung (25) ist so gestaltet, dass ihr Federmechanismus (13, 4), der beide Kupplungshälften (14, 15) verbindet, einseitig wirkt. Der vorgeschaltete Freilauf (16) ist an der oberen Kupplungshälfte (14) befestigt und überträgt Drehmomente nur in der Richtung, die zu einem Einfedern des Federmechanismus (13, 4) und damit zu einer Relativdrehung zwischen den Kupplungshälften (14, 15), führt. Die untere Kupplungshälfte (15) ist an einem Servogetriebemotor (17), der ortsfest und verdrehsicher an dem Ruderergometergestell (18) angeflanscht ist, befestigt.
Die Kupplungshälften sind mit einem Rillenkugellager (Festlager) in sich gelagert. Die Gelenkkonstruktion (2) ist an der oberen Kupplungshälfte (14) befestigt und stützt sich nochmals in der unteren Kupplungshälfte (15) über ein weiteres Rillenkugellager (Loslager) ab. Dadurch wird in das Festlager kein Kippmoment eingeleitet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Federmechanismus (13, 4) so gestaltet, dass die Feder (19) lediglich Druckkräfte und keine Biegemomente oder Querkräfte überträgt. Er besteht im Wesentlichen aus zwei Federanschlagbolzen (20) einer Feder (19) und einem Stift (21), der als Endanschlag im entspannten Zustand dient. Die beiden Federanschlagbolzen (20) sind jeweils über ein Rillenkugellager mit den Kupplungshälften (14, 15) verbunden. Der Stift ist in den Federanschlagbolzen (20) gleitgelagert (22). Die Toleranz der ungespannten Federlänge kann mit Pass-Scheiben ausgeglichen werden, so dass die Kupplung (25) annähernd spielfrei ist. Die Anzahl der um die Antriebsachse (2) angeordneten Federmechanismen (13, 4) und die Dimensionierung der Feder (19) kann an das maximal zu übertragende Drehmoment angepasst werden.
Das Ruderergometer wird mit einer Software gesteuert, deren Hauptaufgabe darin besteht, die momentane virtuelle Bootsgeschwindigkeit auf Basis des eingeleiteten Drehmomentes zu errechnen. Dazu wird die Relativdrehung zwischen den beiden Kupplungshälften (14, 15) mit einem Drehgeber (23) gemessen. Der Unterschied der Differenzen zwischen Drehgeber- und Motorresolversignal zu Zeitpunkt A und Zeitpunkt B ist proportional zum eingeleiteten Drehmoment. Der Gradient der Differenzen sagt aus, wie schnell ein Drehmoment aufgebaut wird. Unter Berücksichtigung der Kinematik des Ruderns, dem hydrodynamischen Widerstand eines Ruderbootes in Abhängigkeit der Geschwindigkeit, des Gewichtes des Ruderers und Gegen-/Schiebewindbedingungen kann jetzt eine virtuelle Bootsgeschwindigkeit berechnet werden. In Abhängigkeit der Winkellage des Skulls/Riemens (8, 9) wird die virtuelle Bootsgeschwindigkeit in eine Motordrehzahl umgerechnet, die proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Skulls/Riemens (8, 9) ist.
Ein Positionsschalter (24) dient als Referenzpunkt für den Skull/Riemen (8, 9), so dass seine Winkellage eindeutig bleibt.
Die Winkellage des Skulls/Riemens (8, 9) und das Drehmoment sind bekannt und können graphisch dargestellt werden. Außerdem können die Skull-/Riemenhöhe mit einem Drehgeber in der Drehachse der Gelenkkonstruktion (2) und die Position des Rollsitzes mit einem Wegmesssystem gemessen werden. Dadurch sind Verläufe wie Riemenhöhe über Winkellage oder Winkellage über Rollsitzposition darstellbar.
Die Ruderergometersteuerung reagiert auf das von dem Trainierenden aufgebrachte Drehmoment. Dieses Drehmoment ist wiederum davon abhängig, ob die Ruderergometersteuerung den Skull/Riemen (8, 9) beschleunigt oder abbremst. Der Drehzahlverlauf wird zwangsläufig in Schwingung geraten. Eine aktive Schwingungskompensation regelt nach dem Vorbild eines „Arbeitsarmes, insbesondere für einen Roboter" (Patent-Nr. DE 197 19931 A1 ), die Schwingungen aus (5).
Die Abhängigkeit zwischen Winkel der eingefederten Kupplung (25) und eingeleitetem Drehmoment kann mittels Drehmomentschlüssel genau erfasst werden. Dazu wird der Drehmomentschlüssel in der Antriebsachse (2) angesetzt und ein definiertes Drehmoment eingeleitet. So können auch Federkennlinien durch Interpolation eingegeben werden.

Claims

Elektromechanisches Ruderergometer, dadurch gekennzeichnet, dass der Ruderer im Drehpunkt (2) des Skulls/Riemens (8, 9), vergleichbar mit der Dolle eines Ruderbootes, ein Moment in einen Antriebsstrang (1, 3) einleitet. Der Antriebsstrang besteht aus einer „elastischen Kupplung" (25), die das Drehmoment aufnimmt und über einen Federmechanismus (13, 4) an ein Getriebe mit Servomotor (17) oder einen Torque-Motor weiterleitet. Eine Änderung des Drehmomentes bewirkt eine Relativdrehung zwischen den beiden Kupplungshälften (14, 15). Bei bekannter Federkennlinie der elastischen Kupplung (25), lässt sich das Drehmoment berechnen.
Ruderergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ruderergometersteuerung die Relativdrehung der Kupplungshälften z.B. über Drehgeber (23) und Motorresolver (17) abfragt und in Verbindung mit der Kinematik des Ruderns, den hydrodynamischen Widerstand eines Ruderbootes in Abhängigkeit der Geschwindigkeit, dem Gewicht des Ruderers und Gegen-/Schiebewindbedingungen eine virtuelle Bootsgeschwindigkeit errechnet. Die Winkelgeschwindigkeit des Skulls/Riemens (8, 9) ist abhängig von seiner Winkellage zum Ergometer und proportional zur Motordrehzahl.
Ruderergometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man z.B. mit einem elektronischen Drehmomentschlüssel der Ergometersoftware die Federkennlinie (mathematische Beziehung zwischen Relativwinkel der Kupplung (25) und Drehmoment) eingibt.
Ruderergometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (17) vorzugsweise durch eine Steuereinrichtung nach Vorbild eines bionischen Roboterarmes (Patent-Nr. DE 197 19931 A1 ), zur aktiven Kompensation von Skul-, Riemenschwingungen, angesteuert wird.
Ruderergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der „elastischen Kupplung" ein Freilauf (16) angeordnet sein kann. Das Zurückführen des Skulls/Riemens (8, 9) in die Ausgangsstellung erfolgt ohne Unterstützung des Motors (17). Das Nenndrehmoment des Motors (17) wird so erhöht. Außerdem kann das Drehmoment des Antriebes dann nicht in Richtung des Trainierenden wirken und stellt keine Gefahr mehr für ihn dar.
Ruderergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Skull/Riemen (8, 9) über ein Feder-Dämpfer-System (10, 11) hochgehalten werden kann.
Ruderergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenhebel durch Verschieben des Griffs (9) im Holm (8) verändert werden kann.
Ruderergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass elektromechanische Ruderergometer hintereinander angeordnet und damit alle Bootsgattungen nachempfunden werden können.
Ruderergometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Drehmomente der einzelnen Ergometerplätze gegenseitig beeinflussen können.
Ruderergometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergometersteuerung Fehler der Körperhaltung und des Bewegungsablaufes durch Abfragen z.B. der Rollsitzposition, des Skull-, Riemenwinkel und der Skull-, Riemenhöhe (12) erkennen und über eine Drehmomentkorrektur entgegenwirken kann.
Ruderergometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das komplette Ergometer linear in Bewegungsrichtung geführt und angetrieben werden kann. Damit lassen sich die dynamischen Kräfte zwischen Ruderboot und Ruderer simulieren.
Ruderergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch Federelemente (19) aus Elastomerwerkstoffen für die Kupplung (25) verwendet werden können.
Ruderergometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Positionsschalter (24) die Lage des Skulls/Riemens (8, 9) während jeden Ruderschlages referenziert.