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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Trainingskraft
für einen Benutzer eines Trainingsgeräts.
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Ein
derartiges Trainingsgerät ist aus der
DE 20 2007 008 887 des Anmelders
bekannt. Der Benutzer des Trainingsgeräts stützt
sich hierbei mit mindestens einer seiner Extremitäten oder
mit seinem Rumpf auf einem Grundelement des Trainingsgeräts ab.
In der Regel steht oder kniet der Benutzer auf diesem. Durch die
Wirkung der Schwerkraft wird er gegen das Grundelement des Trainingsgeräts gedrückt, so
dass eine Wirkverbindung zwischen dem Benutzer und dem Trainingsgerät
hergestellt wird, welche bewirkt, dass die vom Grundelement des
Trainingsgeräts erzeugte Anregung, z. B. periodische und/oder
aperiodische Schwingungen, auf den Benutzer einwirken und derart
dessen Bewegungsapparat stimulieren.
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Insbesondere
bei Langzeitaufenthalten von Astronauten oder Kosmonauten in einer
Raumstation ist es erforderlich, dass deren Bewegungsapparat regelmäßig
trainiert wird, um einem Muskelschwund entgegenzuwirken. Da aber
im Weltall keine Schwerkraft wirkt, stößt der
Einsatz bekannter Trainingsgeräte auf Schwierigkeiten,
da in Folge des dort herrschenden schwerelosen Zustands keine sich
von selbst einstellende Wirkverbindung zwischen dem Grundelement
des Trainingsgeräts und dem Benutzer gegeben ist. Es ist
daher erforderlich, auf den Benutzer des Trainingsgeräts
eine definierte Trainingslast aufzubringen, welche die Wirkung der
Schwerkraft simuliert, so dass wiederum eine Wirkverbindung zwischen
dem Trainingsgerät und dem Benutzer gegeben ist.
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Das
Erfordernis, auf einen Benutzer eines Trainingsgeräts eine
definierte Trainingskraft (oder auch „Trainingslast”)
aufzubringen, tritt aber nicht nur bei extraterrestrischen Anwendungen
auf. Auch bei einem Training, insbesondere zu therapeutischen oder
Rehabilitationszwecken, ist es erforderlich, dass der Trainierende
mit einer definierten Trainingskraft beaufschlagt wird. Bisher werden
hierfür Trainingsgewichte zur Erzeugung der Trainingskraft
eingesetzt. Eine derartige Maßnahme hat den Nachteil, dass
diese Gewichte bei der Trainingsbewegung beschleunigt und abgebremst
werden müssen, so dass in diesem dynamischen Fall Kräfte
zur Beschleunigung und/oder zur Abbremsung der Trainingsgewichte
benötigt werden, welche deutlich größer
sind als die Gewichtskraft der Trainingsgewichte. Gerade bei einem
therapeutischen Training wird hierdurch eine sicheres Training mit
definierten Maximalkräften erschwert, wie dies z. B. bei
einer Rehabilitation bei reduzierter erlaubter Belastung gegeben
ist.
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Die
EP 92 904 430 beschreibt
eine Übungsvorrichtung mit einer Bewegungseinheit, einem
Bewegungsübertragungsmechanismus, der mit der Bewegungseinheit
verbunden ist, und einem hydraulischen System, welches mit dem Bewegungsübertragungsmechanismus
verbunden ist, um die Bewegungen der Bewegungseinheit zu kontrollieren.
Das die Trainingskraft der bekannten Übungsvorrichtung
erzeugende hydraulische System weist einen Kolben mit einem Kolbenzylinder
und einer durchgehenden Kolbenstange auf. Der Kolben hat eine dem
oberen Ende des Kolbenzylinders zugewandte Oberfläche, welche
dasselbe Maß hat, wie die Fläche in Richtung auf
das untere Ende desselben. Die Enden sind mithilfe von zugehörigen
Konstantströmungsventilen in einem Kreislauf miteinander
verbunden. Diese Konstantströmungsventile gewährleisten
eine konstante Geschwindigkeit der Bewegungseinheit, die unabhängig
von der aufgebrachten Kraft ist. Je größer die Last,
die auf die Kolbenstange und auf das damit zusammenwirkende Konstantströmungsventil
aufgebracht wird, ist, desto größer ist die von
dem Ventil bereit gestellte Reaktionskraft. Der Widerstand entsteht
dabei als Reaktionskraft, die sich kontinuierlich und automatisch
an die Last des Benutzers anpasst, die sich während des Übens
verändert.
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Die
bekannte Übungseinrichtung und die bei ihr zur Erzeugung
der Trainingskraft verwendete Vorrichtung besitzen den Nachteil,
dass die Trainingskraft zwar unabhängig von der Geschwindigkeit,
mit der sich der Benutzer im Trainingsgerät bewegt oder dieses
beaufschlagt, ist. Jedoch ermöglicht die bekannte Vorrichtung
zur Erzeugung einer Trainingskraft nicht, eine im wesentlichen konstante
Trainingskraft, wie sie etwa der Simulation der Schwerkraft im schwerelosen
Raum dient, zu erzeugen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, dass in einfacher Art und Weise
eine definierte Trainingslast auf den Benutzer eines Trainingsgeräts
erzeugbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Vorrichtung eine mit Druck beaufschlagbare Zylindereinrichtung
oder einen geregelten Elektromotor aufweist, durch welche die Trainingskraft
für den Benutzer des Trainingsgeräts erzeugbar
ist, dass ein Ausgang der Zylindereinrichtung oder der Elektromotor
mit einem Ende eines Krafttransferelements verbunden ist, und dass
durch das Krafttransferelement der Benutzer des Trainingsgeräts
mit der Trainingskraft beaufschlagbar ist, wobei die von der Vorrichtung
erzeugte Trainingskraft einen im wesentlichen konstanten Verlauf
besitzt oder gemäß einer definierten, vorzugsweise
wegabhängigen, Kraftkennlinie verläuft.
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird
in vorteilhafter Art und Weise erreicht, dass in einfacher Art und
Weise eine Wirkverbindung zwischen dem Benutzer eines Trainingsgeräts
und letzterem hergestellt werden kann, indem durch die Zylindereinrichtung
oder der Elektromotor der Vorrichtung eine Kraft erzeugt wird, die über
das Krafttransferelement auf den Benutzer übertragen wird.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen
Maßnahmen besteht darin, dass die durch die Zylindereinrichtung
oder den geregelten Elektromotor erzeugte Kraft im wesentlichen
konstant oder nach einer vorgegebenen Kernlinie verläuft,
ist, so dass eine definierte Trainingskraft erzeugbar ist, die relativ
einfach einstellbar und damit auf individuelle Bedürfnisse
des Benutzers abstimmbar ist. Die Verwendung eines Zylinders oder
eines geregelten Elektromotors, insbesondere eines Linearmotors,
besitzt den Vorteil, dass die durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung erzeugbare, definierte Trainingskraft im wesentlichen
unabhängig vom Weg, der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung
des im oder durch das Trainingsgerät bewegten Körpers
oder Körperteils des Benutzers ist. Das ist ein deutlicher
Vorteil gegenüber Trainingsgeräten, die zur Erzeugung
einer Trainingskraft Trainingsgewichte verwenden. Im dynamischen
Fall treten aufgrund der geringen Masse der bewegten Teile und der
weitgehend geschwindigkeitsunabhängigen Reibung zwischen
Kolben und Zylinderwand keine wesentlichen geschwindigkeits- und
beschleunigungsabhängigen Kräfte auf, wie dies
bei den bekannten, Trainingsgewichte, also träge Massen
verwendenden Vorrichtungen der Fall ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich des
weiteren durch ihre universelle Einsetzbarkeit auf, da sie über
einfach und schnell zu variierende Betriebsmodi verfügt.
Außerdem weist sie eine kompakte und leichte Bauform auf,
so dass auch ein mobiler Einsatz möglich ist. Viele Trainingsgeräte können
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung leicht nachgerüstet
werden, um die bisher verwendeten Trainingsgewichte zu ersetzen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als
einfaches Trainingsgerät verwendet werden.
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Durch
die Beaufschlagung des Benutzers mit der derart erzeugten definierten
Trainingskraft wird dieser dann im Fall eines extraterrestrischen Trainingsgeräts – vergleichbar
mit der Wirkung der Schwerkraft – auf ein Grundelement
des Trainingsgeräts gedrückt, so dass der Benutzer
das Grundelement des Trainingsgeräts beaufschlagt. Hierdurch
ist es wieder möglich, die durch das Grundelement des Trainingsgeräts
erzeugte Anregung, z. B. periodische und/oder aperiodische Schwingungen,
in den Körper des Benutzers einzuleiten und derart seinen
Bewegungsapparat zu trainieren.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zylindereinrichtung
als eine Überdruck-Zylindereinrichtung ausgebildet ist.
Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, dass verschiedene
Druckwerte und somit unterschiedliche Trainingskräfte einfach
mittels eines Druckminderers einstellbar sind.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Zylindereinrichtung als eine Unterdruck-Zylindereinrichtung
ausgebildet ist. Die Verwendung von Unterdruck zur Erzeugung der Trainingskraft
besitzt den Vorteil, dass eine derartige Vorrichtung sehr kompakt
und leicht baut. Dies ist insbesondere aufgrund der beschränkten
Nutzlast von Weltraumtransportern, durch welche die Vorrichtung
zu einer Raumstation gebracht werden muss, von Vorteil. Ein weiterer
Vorteil der Verwendung von Unterdruck zur Erzeugung der Trainingskraft
ist dadurch gegeben, dass der zur Erzeugung der Trainingskraft erforderliche
Unter druck relativ rasch aufgebaut werden kann. Dies ist insbesondere
dann der Fall, wenn die Unterdruck-Zylindereinrichtung hierfür in
der Ruheposition bei minimalem Unterdruckvolumen positioniert ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Vorrichtung einen Ausgleichsbehälter aufweist, dessen
Volumen deutlich größer ist als das Volumen der
Zylindereinrichtung. Eine derartige Maßnahme besitzt den
Vorteil, dass hierdurch eine weitgehend konstante Trainingskraft ausgebildet
werden kann. Zudem kann gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung mit geringem oder minimalen Aufwand mittels eines
optional vorsehbaren zusätzlichen Ventils zwischen Ausgleichsbehälter und Überdruck-
bzw. Unterdruck-Zylindereinrichtung die Charakteristik von einer
annähernd konstanten (wegunabhängigen) Kraft zu
einer definierten Kraftkennlinie (wegabhängige Kraft) umgeschaltet
werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
der Elektromotor, insbesondere der Linearmotor, kraft- oder drehmomentgeregelt
ist. Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, dass
der mittels eines Steuergeräts kraft- oder drehmomentgeregelte
Elektromotor leicht über eine Kennliniensteuerung an die
aktuelle Trainingssituation angepasst werden kann, wobei die vom
Elektromotor erzeugte Trainingskraft wiederum im wesentlichen unabhängig
von der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung des im oder durch
das Trainingsgerät bewegten Körpers oder Körperteils
des Benutzers ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Trainingsgerät
eingesetzt wird, das eine Schlittenanordnung aufweist, zu deren
Bewegung der Benutzer die Trainingskraft überwinden muss
oder hierbei von der Trainingskraft unterstützt wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die beschriebene
Vorrichtung als Trainingsgerät als solches verwendet, wobei die
von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte
Kraft auf die trainierende Person übertragen und somit
ein resistives Training ermöglicht wird.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen
zu entnehmen, die im folgenden anhand der Figuren beschrieben werden.
Es zeigen:
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1:
ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung
einer Trainingskraft zusammen mit einem Trainingsgerät,
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2:
eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung,
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3:
eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung,
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4:
ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung
einer Trainingskraft zusammen mit einem Trainingsgerät,
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5:
ein fünftes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
zur Erzeugung einer Trainingskraft zusammen mit einem Trainingsgerät,
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6:
ein sechstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung
einer Trainingskraft zusammen mit einem Trainingsgerät,
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7:
die Verwendung des fünften Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung als ein Trainingsgerät,
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8:
ein siebtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung
einer Trainingskraft zusammen mit einem Trainingsgerät,
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9–12: ein achtes Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung zur Erzeugung einer Trainingskraft zusammen mit einem
Trainingsgerät,
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13a, 13b:
ein neuntes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zusammen
mit einem Trainingsgerät,
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14a, 14b:
ein zehntes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung
einer Trainingskraft zusammen mit einem Trainingsgerät, und
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15:
ein elftes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung
einer Trainingskraft zusammen mit einem Vibrationstrainingsgerät.
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In 1 ist
nun ein erstes Ausführungsbeispiel einer allgemein mit 1 bezeichneten
Vorrichtung zur Erzeugung einer Trainingskraft zusammen mit einem
Trainingsgerät T dargestellt, auf dessen Grundelement G
ein Benutzer B mit seinen unteren Extremitäten steht. Das
Grundelement G wird von einer Antriebseinrichtung A angetrieben,
durch welche das Grundelement G in periodische und/oder aperiodische
Schwingungen versetzbar ist. Es ist dem Fachmann klar ersichtlich,
dass eine derartige Ausgestaltung des Trainingsgeräts T
aber nicht zwingend erforderlich ist.
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Eine
durch die Vorrichtung 1 – wie nachstehen beschrieben – erzeugte
Trainingskraft wird durch ein Krafttransferelement 2 auf
den Benutzer B übertragen. Im hier gezeigten Fall besteht
das Transferelement 2 im wesentlichen aus zwei Seilen 2a und 2b, welche
mit einem Ausgang 1' der Vorrichtung 1 verbunden
sind und über Umlenkrollen 3a, 3b geführt sind.
Die anderen Enden der Seile 2a, 2b sind jeweils mit
einem Haltegriff 4a, 4b versehen, so dass der
Benutzer B des Trainingsgeräts T sich daran festhalten und
sich derart gegen das Grundelement G des Trainingsgeräts
T drücken und dieses dadurch beaufschlagen kann.
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Die
Vorrichtung 1 weist eine mit Druck beaufschlagbare Zylindereinrichtung 10 auf,
die bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 1 als eine Überdruck-Zylindereinrichtung 10 ausgebildet
ist. Zur Erzeugung der über das Krafttransferelement 2 auf
den Benutzer B übertragbaren Trainingskraft weist die Zylindereinrichtung 10 einen Zugzylinder 11 auf,
in dessen Kolbenkammer 12 ein Kolben 13 mit einer
Kolbenstange 14 angeordnet ist, welche den Ausgang 1' der
Vorrichtung 1 darstellt. Folglich ist das Krafttransferelement 2 mit
der Kolbenstange 14 verbunden; im hier gezeigten Fall sind also
die beiden Seile 2a, 2b mit ihrem ersten Ende
an der Kolbenstange 14 befestigt. Eine Druckbeaufschlagung
des Kolbens 13 bewirkt, dass sich die Kolbenstange 14 in 1 nach
links verschiebt und derart eine Trainingskraft für den
Benutzer des Trainingsgeräts T ausgebildet wird. Diese
Druckbeaufschlagung des Kolbens 13 erfolgt im einfachsten
Fall dadurch, dass von einer Überdruck-Erzeugungseinheit 15,
z. B. einen Kompressor, erzeugte Druckluft über eine Leitung 15a zu
einem Eingang 1'' des Kolbenraums 12 geleitet
wird.
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Durch
eine entsprechende Steuerung oder Regelung der Überdruck-Erzeugungseinheit 15 kann der
Druck im Kolbenraum 12 – also der Quotient aus der
die Kolbenfläche des Kolbens 13 beaufschlagenden
Kraft und der Fläche der Kolbenfläche – und
somit die auf den Benutzer B des Trainingsgeräts T einwirkende
Trainingskraft gesteuert oder geregelt werden.
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Aufgrund
der gering bewegten Massen müssen bei der beschriebenen
Vorrichtung 1 in vorteilhafter Art und Weise keine zusätzlichen
Kräfte zur Beschleunigung der trägen Masse von
sonst benötigten Trainingsgewichten aufgebracht werden.
Dies wird aus folgenden Überlegungen ersichtlich: Wird
beispielsweise eine Trainingskraft von 100 kg mit Hilfe eines Trainingsgewichts
mit einer trägen Masse von 100 kg erzeugt, muss der Benutzer
im statischen Fall eine Kraft von ca. 1.000 N aufbringen. Soll nun
das Trainingsgewicht bewegt werden, muss es beschleunigt werden.
Je nach Beschleunigung würden in diesem dynamischen Fall
deutlich höhere Kräfte als die 1.000 N des statischen
Falls vom Benutzer aufgebracht werden müssen. Werden aber
anstelle der trägen Massen aber die beschriebenen Maßnahmen eingesetzt,
so bleibt auch im dynamischen Fall des Trainings die benötigte
Kraft weitgehend konstant, da bei der beschriebenen Vorrichtung
die bewegten Massen im Bereich weniger Kilogramm liegen und darüber
hinaus die bei deren Bewegung auftretende Reibung reduziert oder
minimiert werden kann.
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In 2 ist
nun schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Zylindereinrichtung 10 dargestellt,
die sich von dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel – bei
dem die Überdruck-Erzeugungseinheit 15 direkt
mit der Kolbenkammer 12 verbunden ist – dadurch
unterscheidet, dass zwischen der Überdruck-Erzeugungseinheit 15 und
der Kolbenkammer 12 ein Druckspeicher 16 und ein
Ausgleichsbehälter 17 angeordnet sind, wobei zwischen dem
Druckspeicher 16 und dem Ausgleichsbehälter 17 vorzugsweise
ein Druckminderer 18 angeordnet ist. Die Verwendung eines
Druckspeichers 16 besitzt den Vorteil, dass es nicht erforderlich
ist, dass die Überdruck-Erzeugungseinheit 15 ständig
in Betrieb ist, da durch den Druckspeicher 16 eine hinreichend große
Druckreserve aufbaubar ist. Außerdem bewirkt der Druckspeicher 16,
dass von der Überdruck-Erzeugungseinheit 15 hervorgerufene
Druckschwankungen reduziert werden.
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Der
Ausgleichsbehälter 17 ist dabei vorzugsweise derart
dimensioniert, dass sein Volumen deutlich größer
als das Volumen der Kolbenkammer 12 ist, so dass eine durch
eine Auslenkung des Kolbens 13 bewirkte Änderung
des mit Druckluft beaufschlagten Volumens der Kolbenkammer 12 nur
zu einer geringen Änderung der von der Vorrichtung 1 erzeugten Trainingskraft
führt. Ist z. B. das Volumen des Ausgleichsbehälters 17 das
Zehnfache des Volumens der Kolbenkammer 12, so variiert
die Trainingskraft bei einem vorgegebenen Überdruck maximal
um 10%. Die Verwendung eines Ausgleichsbehälters 17 besitzt
also den Vorteil, dass hierdurch weitgehend konstante Trainingskräfte
erzeugbar sind.
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Die
Verwendung eines Druckminderers 18 besitzt den Vorteil,
dass hierdurch in einfacher Art und Weise bei konstantem Druck im
Druckspeicher 16 unterschiedliche Drücke in der
Kolbenkammer 12 und somit unterschiedliche Trainingskräfte
eingestellt werden können.
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Beim
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird davon
ausgegangen, dass sowohl ein Druckspeicher 16, ein Ausgleichsbehälter 17 und ein
Druckminderer 18 vorgesehen sind. Dies ist natürlich
nicht zwingend. Es kann also für gewisse Anwendungen durchaus
ausreichend sein, dass nur ein Druckspeicher 16 oder nur
ein Ausgleichsbehälter 17 vorgesehen sind. Wenn
man auf eine variable Einstellung der Trainingskraft verzichten
möchte, kann auch dann der Druckminderer 18 entfallen.
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Wie
ebenfalls aus 3 ersichtlich ist, wird bevorzugt,
dass zwischen der Zylindereinrichtung 10 und dem Ausgleichsbehälter 17 in
der Leitung 15a ein Absperrventil 19 angeordnet
ist. Dieses dient dazu, die Kraftkennlinie der Zylindereinrichtung 10 zu verändern,
indem durch ein Betätigen des Absperrventils 19 die
Charakteristik der Vorrichtung 1 von einer annähernd
konstanten (wegunabhängigen) Kraft zu einer definierten
Kraftkennlinie (wegabhängige Kraft) umgeschaltet werden
kann: Wird das Absperrventil 19 geschlossen, so ist die
Verbindung zwischen der Kolbenkammer 12 und dem Ausgleichsbehälter 17 unterbrochen,
so dass bei einer Verkleinerung des Volumens der Kolbenkammer 12 durch
eine Auslenkung der Kolbenstange 11 der Druck in dieser und
somit die von der Vorrichtung 1 erzeugten Kraft zunimmt,
da das Produkt aus dem in der Kolbenkammer 12 herrschenden
Druck und dem Volumen der Kolbenkammer 12 konstant bleibt,
mit der Folge, dass bei einem verkleinerten Volumen der Kolbenkammer 12 der
Druck und somit die Trainingskraft ansteigt. Ist hingegen das Absperrventil 19 geöffnet, so
bewirkt der Ausgleichsbehälter 17, dass – wie
vorstehend beschrieben – die von der Vorrichtung 1 erzeugte
Kraft annähernd konstant bleibt.
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In 3 ist
nun schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 dargestellt,
welches sich von den ersten beiden Ausführungsbeispielen
dadurch unterscheidet, dass anstelle des Zugzylinders 11 ein
Druckzylinder 11' verwendet wird. Die Funktionsweise einer
derartigen Vorrichtung 1 zur Erzeugung einer Trainingskraft
für den Benutzer B des Trainingsgeräts T ist dem
Fachmann leicht aus der vorstehenden Beschreibung ableitbar, so
dass es nicht mehr erforderlich ist, hierauf detailiert einzugehen.
Von Vorteil ist bei einer mit Überdruck arbeitenden Vorrichtung 1,
dass die Verbindung zwischen dem Zylinder 10 und dem Ausgleichsbehälter 17 einen
sehr großen Durchmesser aufweist, der – wie aus 3 ersichtlich
ist – vorzugsweise dem Durchmesser des Zylinders 11' entspricht oder
nur geringfügig kleiner ist. Es ist auch möglich, dass
der Zylinder 11' direkt mit dem Ausgleichsbehälter 17,
also ohne Zwischenschaltung einer Leitung, verbunden ist. Eine derartige
Maßnahme besitzt den Vorteil, dass die geschwindigkeitsabhängige
Reibungskraft aufgrund der Luftmasse, welche vom Ausgleichsbehälter 17 zum
Zylinder 11' strömt, nur äußerst
gering ist.
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In 4 ist
nun ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur
Erzeugung einer Trainingskraft für den Benutzer B eines
Trainingsgeräts T dargestellt. Dessen grundsätzlicher
Aufbau entspricht im wesentlichen demjenigen der 1,
so dass einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und nicht mehr näher beschrieben werden. Der wesentliche
Unterschied zwischen dem vierten Ausführungsbeispiel und
dem ersten Ausführungsbeispiel besteht nun darin, dass die
Zylindereinrichtung 20 mit Unterdruck arbeitet. Demzufolge
weist sie einen Unterdruck-Zugzylinder 21 auf, dessen Ausgang 21' mit
dem Krafttransferelement 2 verbunden ist. Ein Eingang 21'' des
Unterdruck-Zugzylinders 21 ist folglich nicht – wie
beim ersten Ausführungsbeispiel – mit ei ner Überdruck-Erzeugungseinheit,
sondern mit einer Unterdruck-Erzeugungseinheit 25, vorzugsweise
mit einer Unterdruckpumpe, verbunden, so dass der dem Eingang 21'' benachbarte
Bereich der Kolbenkammer 22 mit einem Unterdruck beaufschlagbar
ist. Diese Beaufschlagung bewirkt, dass ein Kolben 23 in 4 nach links
bewegt wird, so dass eine Trainingskraft für den Benutzer
B ausgebildet und über das Krafttransferelement 2 auf
diesen übertragen wird.
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Die
Verwendung von Unterdruck besitzt den Vorteil, dass hierdurch die
Zylindereinrichtung 20 und somit die Vorrichtung 1 sehr
kompakt und leicht baut. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass
der Unterdruck wegen des sehr kleinen benötigten Volumens mit
einer einfachen kleinen Pumpe schnell aufgebaut werden kann und
auch bei sehr langen Hüben des Kolbens relativ konstant
bleibt. Auch mit einer einfachen und günstigen Elektropumpe
mit einer geringen Förderleistung oder mit einer einfachen
Handpumpe können somit leicht Unterdrücke von
0,1 bis 0,05 bar erzeugt werden. Da der maximale Unterdruck bei
0 bar liegt und der die Vorrichtung 1 umgebende Druck im
wesentlichen durch den Atmosphärendruck bestimmt und somit
bei 1 bar liegt, ergibt sich somit ein maximaler Fehler in der Konstanz
der Kraftabhängigkeit der Kolbenposition im Zylinder von
unter 10% bzw. unter 5%. Mit aufwendigeren Pumpen können leicht
Unterdrücke von 0,01 bar erreicht werden, wobei dann der
Fehler bei der Konstanz der Kraft unter 1% liegt.
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Ein
weiterer Vorteil bei der Verwendung von Unterdruck besteht darin,
dass zur Erzeugung einer annähernd konstanten Kraft kein
zusätzlicher Druckregler erforderlich sind, da der im Kolben
oder im System „Kolben-Ausgleichsbehälter” einmal
eingestellte Unterdruck während der gesamten Übung konstant
bleibt. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Unterdruck besteht
darin, dass die Zylindereinrichtung 20 sehr einfach aufgebaut
ist und eine hohe Betriebssicherheit aufweist, da sie mit Arbeitsdrücken
von kleiner als 1 bar arbeitet und nicht – wie z. B. eine
mit Überdruck arbeitende Druckerzeugungseinrichtung – mit
typischen Arbeitsdrücken von 8 bis 10 bar.
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Die
Verwendung von Unterdruck besitzt den weiteren Vorteil, dass auf
einen Druckregler verzichtet werden kann. Bei der Verwendung eines
Druckreglers, der kontinuierlich einen Druck in der Zylindereinrichtung 20 abhängig
von der momentanen Position des Kolbens 23 in der Kolbenkammer 22 nachregeln
müsste, würde ständig ein Über-
bzw. Unterdruckvolumen nachgeführt werden müssen,
was einen erheblich größeren Aufwand gegenüber
der beschriebenen Vorrichtung 1 bezüglich der
zur Erzeugung des Drucks eingesetzten Einrichtung, also bezüglich
eines aufwendigen Regelventils bzw. dessen Ansteuerung/Regelung
bedeuten würde.
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In 5 ist
ein fünftes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 dargestellt,
welch sich von dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
dadurch entscheidet, dass zur Realisierung des vorstehend angesprochenen
Systems „Kolben-Ausgleichsbehälter” dem
Eingang 21' des Unterdruck-Zugzylinders 21 der
Ausgleichbehälter 17 vorgeschaltet ist, der über
ein optional vorsehbaren Druckminderer 18 mit dem Druckspeicher 16 verbunden
ist, welcher seinerseits wiederum über die Druckleitung 15a mit
der Unterdruckpumpe 25 verbunden ist. Das fünfte
Ausführungsbeispiel ist somit das Unterdruck-Pendant des in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel, bei dem die Zylindereinrichtung 10 mit
einem Überdruck beaufschlagt wird.
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Vorzugsweise
wird sowohl beim vierten als auch beim fünften Ausführungsbeispiel,
die Vorrichtung 1 derart ausgebildet, dass sie mit vollem
Unterdruck (–1 bar) arbeiten kann, um einen konstanten Verlauf
der Trainingskraft zu erreichen. Es ist aber auch möglich,
die Zylindereinrichtung 20 derart auszubilden, dass nur
ein Teilunterdruck im Zugzylinder 21 und damit ein definierter,
wegabhängiger Verlauf der Trainingskraft erzielbar ist.
Ein derartiger Teilunterdruck ist insbesondere bei dem in 5 dargestellten
fünften Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 von
Vorteil, da durch den Ausgleichsbehälter 17 ein annähernd
konstanter Verlauf der Trainingskraft erzielt werden kann, welche
aber durch den Druckminderer 18 einstellbar ist.
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Sowohl
beim vorstehend beschriebenen fünften Ausführungsbeispiel
als auch beim zweiten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen
sein, dass der Ausgleichsbehälter 17 in den Zylinder 11, 21 integriert
ist. Die Darstellung der 3 und 5 sind somit
als funktionale Darstellungen zu verstehen und beschränken
diese nicht auf einen separaten, vom Zylinder 11, 21 separierten
Ausgleichsbehälter 17.
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In 6 ist
nun ein sechstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 dargestellt,
welche sich von der in 4 dargestellten Ausführungsform
dadurch unterscheidet, dass das Krafttransferelement 2 nicht
derart ausgebildet ist, dass der Benutzer B des Trainingsgeräts
T dieses mit seinen Händen ergreifen muss: Es ist vorgesehen,
dass das Krafttransferelement 2 an seinen zweiten Enden
Schulterpolster 4c, 4d aufweist, so dass die Trainingskraft
an den Schultern des Benutzers B einleitbar ist. Dem Fachmann ist
aber aus obiger Beschreibung klar ersichtlich, dass die hier beschriebenen
beiden Ausbildungen des Transferelements 2, nämlich
einerseits mit Griffen 4a, 4b, andererseits mit
Schulterpolstern 4c, 4d oder bei gebeugtem Oberkörper über
das Rückenpolster nicht zwingend sind. Vielmehr ist jede Ausgestaltung,
z. B. auch ein Hüftgurt möglich, der es erlaubt,
die von der Vorrichtung 1 erzeugte Trainingskraft auf den
Benutzer B zu übertragen.
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Die 7 zeigt
nun die Verwendung der Vorrichtung 1 gemäß dem
fünften Ausführungsbeispiel als ein Trainingsgerät
als solches. Die Vorrichtung 1 zur Erzeugung der Trainingskraft
wird hierbei als ein Trainingsgerät, in dem hier beschriebenen
Fall als ein einfaches Trainingsgerät zum Kraft- bzw. Leistungstraining
der Armmuskulatur eines Benutzers B eingesetzt. Hierzu ist das Krafttransferelement 2 mit einem
Seilzug 2c verbunden, der über zwei Umlenkrollen 3a und 3b,
welche an einem Gestell oder beispielsweise einer Wand 26 fixiert
sind, zu einem Haltegriff 4c geführt wird, der
somit Kraft auf die Hand bzw. den Arm des Benutzers B aufbringt.
Somit dient die Vorrichtung 1 in diesem Fall als Ersatz
für ein ansonsten eingesetztes Trainingsgewicht.
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Die
beschriebene Vorrichtung 1 ist somit in vorteilhafter Art
und Weise auch als einfaches Trainingsgerät einsetzbar.
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Dieses
Ausführungsbeispiel ist somit exemplarisch für
die mögliche Kombination der Vorrichtung 1 mit
einem beliebigen Trainingsgerät, welches zur Erzeugung
des gewünschten Trainingseffekts Kräfte in den
Körper des Benutzers B einleiten muss. Somit kann die Vorrichtung 1 beispielsweise
bei Trainingsgeräten, die bislang fixe oder variable Gewichte
zur Erzeugung der Trainingskraft einsetzen, eben diese Gewichte
mit den zuvor beschriebenen Vorteilen bezüglich geringer
bewegter Massen ersetzen.
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Die 8 zeigt
nun ein siebtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur
Erzeugung einer definierten Trainingskraft. Die über das
Transferelement 2 auf den Benutzer übertragene
Trainingskraft wird dadurch erzeugt, dass ein geregelter, hier kraft-
oder drehmomentgesteuerter Elektromotor 40 verwendet wird,
der mit einem Übertragungselement 41 mit einer
Seilrolle 42 verbunden ist, auf der das das Krafttransferelement 2 ausbildende
Seil 2c aufgerollt ist. Das Seil 2 verläuft
dann über zwei Rollen 3a, 3b und beaufschlagt über
einen Griff 4e den Arm des Benutzers. Bevorzugt wird, dass
der Elektromotor 40 als kraftgeregelter Linearmotor ausgebildet
ist.
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In
den 9 bis 12 ist nun
ein Trainingsgerät T zusammen mit einem achten Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 1 zur Erzeugung einer Trainingskraft dargestellt.
Das Trainingsgerät T weist eine Schlittenanordnung 60 mit
einem auf Führungen 61 verschiebbaren Schlitten 62 auf,
auf welchem der Benutzer – wie aus den 9a und 9b ersichtlich ist – während
des Trainings auf einem Auflagepolster 66 liegt und sich
dabei mit seinen Schultern auf einem Polster 63 abstützt.
Seine Füße beaufschlagen eine Basisplatte 64.
Der Schlitten 62 ist über ein über Umlenkrollen 68a, 68b geführtes
Krafttransferelement 2, das hier ebenfalls als Seil 2a ausgebildet
ist, mit der Vorrichtung 1 verbunden. Führt der
Benutzer nun – wie in den 10a und 10b dargestellt – eine sprungartige Bewegung
durch, indem er eine Ausholbewegung durch Abwinkeln des Oberkörpers
und der Beine durchführt und sich mit seinen Füßen
vom Basiselement 64 abstößt, so muss
er dabei die von der Vorrichtung 1 erzeugte Trainingskraft überwinden, um
in die in 11 dargestellte Lage zu gelangen.
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In
den 12a und 12b sind
nun zwei weitere Varianten des Schlittens 62 dargestellt,
welche sich in der Art und Weise unterscheiden, in der das den Benutzer
tragendes Auflagepolster 66 ausgebildet ist. Während
bei der Variante der 12a das Polster 66 beweglich
in einem Auflager 67 angeordnet ist, ist bei der in 12b dargestellten Variante vorgesehen, dass das
Auflagepolster 66 mittels Gurte 69 am Schlitten 62 befestigt
ist.
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Die 13a und 13b zeigen
nun ein weiteres Trainingsgerät T, welches die Schlittenanordnung 60 der 9 bis 12 verwendet. Der Schlitten 62 ist
wie in den 12a und 12b dargestellt ausgebildet,
so dass er einer Bewegung des Oberkörpers des Benutzers
B folgen kann. Hierbei ist vorgesehen, dass die Schlittenanordnung 60 an
einem Kipptisch 70 angeordnet ist und mit diesem über
ein Gelenk 71 verbunden ist, so dass die Schlittenanordnung 60 schräggestellt
werden kann. Der Kipptisch kann optional mit einem elektromotorischen
Spindeltrieb 72 mit Arretierung ausgestattet werden, der
die Verstellung des Kippwinkels des Kipptischs 70 ermöglicht.
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In
den 14a und 14b ist
nun ein weiteres Trainingsgerät T dargestellt, welches
wiederum die Schlittenanordnung 60 verwendet. Der Unterschied
zum Trainingsgerät T der 13a und 13b ist, dass das Krafttransferelement 2 eine dritte
Umlenkrolle 68c aufweist, die am oberen Ende der Schlittenanordnung 60 angeordnet
ist und somit am oberen Ende des Schlittens 62 angreift.
Hierdurch wird eine Reduktion der Trainingskraft erreicht, indem
die Vorrichtung 1 einen Teil der vom Benutzer ausgeübten
Schwerkraft kompensiert. In diesem Fall wird also die Vorrichtung 1 zur
Verminderung der auf einen Benutzer einwirkenden Trainingskraft.
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In
der 15 ist nun ein weiteres Trainingsgerät
T dargestellt, welches wiederum eine Schlittenanordnung 60 verwendet.
Der Unterschied zum Trainingsgerät T der 13a und 13b ist,
dass ein Vibrationstrainingsgerät V eingesetzt wird, wodurch zusätzlich
zur Trainingskraft der Vorrichtung 1 ein Vibrationsreiz
auf den Benutzer B aufgebracht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202007008887 [0002]
- - EP 92904430 [0005]