DE102011082027A1

DE102011082027A1 - Trainingsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine und Verfahren

Info

Publication number: DE102011082027A1
Application number: DE102011082027A
Authority: DE
Inventors: Mattias Hallor; Ulrich Vollmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2012-08-09
Also published as: WO2012107337A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Trainingsvorrichtung. Die Trainingsvorrichtung weist eine insbesondere mechanische Benutzerschnittstelle und einen mit der Benutzerschnittstelle wirkverbundenen Antrieb auf. Der Antrieb umfasst wenigstens eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine ist ausgebildet, ein Drehmoment, insbesondere ein unterstützendes Moment oder ein Bremsmoment, zu erzeugen und dieses auf die Benutzerschnittstelle zu übertragen. Erfindungsgemäß weist die Trainingsvorrichtung einen mit der elektrischen Maschine verbundenen Energiespeicher für elektrische Energie auf. Die Trainingsvorrichtung ist ausgebildet, die elektrische Maschine im Generatorbetrieb zu betreiben und im Generatorbetrieb erzeugte Energie in dem Energiespeicher zu speichern und die elektrische Maschine mit der gespeicherten Energie zum Erzeugen des Drehmoments während des Trainings im Motorbetrieb zu betreiben.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Trainingsvorrichtung. Die Trainingsvorrichtung weist eine insbesondere mechanische Benutzerschnittstelle und einen mit der Benutzerschnittstelle wirkverbundenen Antrieb auf. Der Antrieb umfasst wenigstens eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine ist ausgebildet, ein Drehmoment, insbesondere ein unterstützendes Moment oder ein Bremsmoment, zu erzeugen und dieses auf die Benutzerschnittstelle zu übertragen.
Aus der EP 1 614 448 A2 ist ein Trainingsgerät bekannt, welches eine Drehmomenterzeugungseinrichtung mit einem Elektromotor und einem Untersetzungsgetriebe aufweist. Die Drehmomenterzeugungseinrichtung ist ausgangsseitig mit einem Übungsorgan verbunden, wobei der Elektromotor als Drehstrommotor ausgebildet ist und einen Frequenzumrichter umfasst, mittels dessen die Frequenz und eine Stärke des dem Elektromotor zugeführten Drehstromes einstellbar sind.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß weist die Trainingsvorrichtung der eingangs genannten Art einen mit der elektrischen Maschine verbundenen Energiespeicher für elektrische Energie auf. Die Trainingsvorrichtung ist ausgebildet, die elektrische Maschine bevorzugt während wenigstens eines Trainings, insbesondere eines Trainingszyklus, im Generatorbetrieb zu betreiben und im Generatorbetrieb erzeugte Energie in dem Energiespeicher zu speichern und die elektrische Maschine mit der gespeicherten Energie zum Erzeugen des Drehmoments während des Trainings im Motorbetrieb zu betreiben.
So kann vorteilhaft eine netzunabhängige Trainingsvorrichtung gebildet sein, bei der die elektrische Maschine während eines Trainingszyklus im Generatorbetrieb gewonnene Energie – beispielsweise während eines Ziehen eines Seilzuges als Bestandteil der Benutzerschnittstelle, bei dem mittels der elektrischen Maschine als Generator elektrische Energie erzeugt wird – wobei die sodann gespeicherte elektrische Energie während desselben Trainingszyklus oder eines darauffolgenden Trainingszyklus zum mindestens unterstützenden Zurückziehen des Seilzuges mittels der elektrischen Maschine im Motorbetrieb verwendet werden kann.
Der Generatorbetrieb der elektrischen Maschine wird im Folgenden auch generatorischer Betrieb genannt, der Motorbetrieb der elektrischen Maschine wird im Folgenden auch motorischer Betrieb genannt.
Bevorzugt weist die Benutzerschnittstelle wenigstens ein Übungselement auf, welches mit der elektrischen Maschine wirkverbunden ist. Die Trainingsvorrichtung ist bevorzugt ausgebildet, dass das Übungselement von einer Ausgangsposition in eine Endposition (20') und wieder zurück in die Ausgangsposition bewegt werden kann.
Ein Trainingszyklus umfasst bevorzugt eine Hinbewegung eines Übungselements der Benutzerschnittstelle von der Ausgangsposition in die Endposition und eine Herbewegung des Übungselementes von der Endposition in die Ausgangsposition. Die Bewegung des Übungselements kann eine Translationsbewegung und/oder eine Rotationsbewegung sein.
Beispielhafte Ausführungsformen für die Trainingsvorrichtung sind wie folgt beschrieben. Bei einem Rudertrainer, ist das Übungselement mit einem Seilzug mit dem Antrieb verbunden. Bei einer Schulterpresse oder einem Latissimuszug ist das Übungselement jeweils mittels eines Schwenkarmes mit dem Antrieb verbunden. Bei einer eine Bizeps- und/oder Trizeps-Trainingsvorrichtung ist das Übungselement mittels eines Schwenkarmes mit dem Antrieb verbunden. Bei einer Trainingsvorrichtung zum Trainieren des großen Brustmuskels oder einer Trainingsvorrichtung der Rückenmuskulatur, welche auch „Butterfly-Trainingsmaschine“ beziehungsweise „Butterfly-Reverse-Trainingsmaschine“ genannt wird, sind zwei Übungselemente mit dem Antrieb mittels jeweils eines Schwenkarmes verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trainingsvorrichtung ausgebildet, netzunabhängig zu arbeiten.
Weiter bevorzugt kann die Trainingsvorrichtung beim netzunabhängigen Arbeiten während des Trainings von einem Benutzer der Trainingsvorrichtung aufgebrachte mechanische Energie in elektrischer Form zwischenspeichern, welche dann zum Unterstützen eines Bewegungsablauf des Trainingszyklus wiederverwendet werden kann. Weiter vorteilhaft kann so ein Aufstellort der Trainingsvorrichtung unabhängig gewählt werden.
Die elektrische Maschine ist beispielsweise eine insbesondere bürstenkommutierte Gleichstrommaschine, eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine, insbesondere mit einem Käfigrotor. Die elektrische Maschine ist ausgebildet, im generatorischen Betrieb mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln und in einem motorischen Betrieb elektrische Energie in mechanische Energie zu wandeln.
In einer anderen Ausführungsform weist die Trainingsvorrichtung einen Elektromotor und einem Generator anstelle der elektrischen Maschine auf.
Bevorzugt weist die Trainingsvorrichtung eine Steuereinheit auf, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, eine Position eines Übungselements der Benutzerschnittstelle zu erfassen und das Drehmoment in Abhängigkeit der Position des Übungselements zu erzeugen.
Bevorzugt weist die elektrische Maschine, bevorzugt eine elektronisch kommutierte Maschine, einen mit der Steuereinheit verbundenen Rotorpositionssensor auf, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Position des Übungselements in Abhängigkeit einer Rotorposition eines Rotors der elektrischen Maschine zu ermitteln.
Beispielsweise kann die Steuereinheit dazu ein mit dem Rotorpositionssensor verbundenes Zählwerk aufweisen, wobei das Zählwerk ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Rotorpositionssignals des Rotorpositionssensors und eines Übersetzungsverhältnisses zwischen einer Rotorumdrehung und eines Übungselements der Benutzerschnittestelle die Umdrehungen des Rotors zu ermitteln und so eine Position des Übungselements der Benutzerschnittstelle zu erfassen und das Drehmoment – insbesondere durch entsprechendes Ansteuern der elektrischen Maschine – in Abhängigkeit der Position des Übungselements zu erzeugen.
In einer anderen Ausführungsform weist die Trainingsvorrichtung einen mit der Steuereinheit verbundenen Positionssensor für das Übungselement auf, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, eine Position eines Übungselements der Benutzerschnittstelle in Abhängigkeit eines Positionssignals des Positionssensors zu erfassen und das Drehmoment in Abhängigkeit der Position des Übungselements zu erzeugen. Der Positionssensor kann beispielsweise durch einen optischen Sensor wie Lichtschranke, einen magnetischen Sensor, einen kapazitiven Sensor oder einen induktiven Sensor gebildet sein. Beispielsweise ist der Positionssensor angeordnet und ausgebildet, einen Schwenkwinkel eines mit dem Übungselement verbundenen Armes der Trainingsvorrichtung – beispielsweise einer Schulterpresse oder Latissimuszug – zu erfassen.
Bevorzugt ist der Energiespeicher dazu durch wenigstens einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator gebildet. So kann der Energiespeicher vorteilhaft wartungsfrei ausgebildet sein. Der Energiespeicher kann in einer anderen Ausführungsform – oder zusätzlich zu der Ausführungsform des Energiespeichers als Kondensator, durch wenigstens einen Akkumulator gebildet sein. Der Akkumulator ist beispielsweise ein Lithium-Ionenakkumulator, ein Bleiakkumulator, ein Mittel-Metallhybridakkumulator oder ein Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator. Mittels des Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulators kann vorteilhaft während eines Trainingszyklus schnelle elektrische Energie zum Erzeugen eines Drehmoments zur Verfügung gestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Benutzerschnittstelle eine Zugvorrichtung mit einem Übungselement auf. Das Übungselement ist bevorzugt mit der elektrischen Maschine wirkverbunden. Das Übungselement ist weiter bevorzugt ausgebildet, mit wenigstens einem Körperteil eines insbesondere erwachsenen Menschen als Benutzer der Benutzerschnittstelle zusammenzuwirken. Das Übungselement kann beispielsweise durch einen Handgriff, ein Fußpedal, ein Betätigungsarm oder vergleichbares Übungselement sein, welches ausgebildet ist, mit wenigstens einem Körperteil zusammenzuwirken.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Trainingsvorrichtung einen Anschluss für ein elektrisches Netz auf und ist ausgebildet, im motorischen Betrieb wenigstens einen Teil der elektrischen Energie aus dem Energiespeicher zu entnehmen und einen übrigen Teil der elektrischen Energie aus einem elektrischen Netz zu entnehmen. Das elektrische Netz ist beispielsweise ein Wechselstromnetz. Die so gebildete Trainingsvorrichtung kann vorteilhaft zum akzentuierten Negativtraining ausgebildet sein. Dabei ist die Trainingsvorrichtung ausgebildet, bei einem Zurückbewegen eines Übungselements in eine Ausgangsposition mehr motorische Energie zu verbrauchen als bei einem Hinbewegen generatorische Energie zu erzeugen.
Die Erfindung betrifft auch ein Trainingssystem mit wenigstens einer Trainingsvorrichtung der vorbeschriebenen Art. Das Trainingssystem weist wenigstens eine weitere Trainingsvorrichtung, insbesondere Rudertrainer oder Fahrradtrainer umfasst, wobei die weitere Trainingvorrichtung ausgebildet ist, wenigstens oder nur in einem generatorischen Betrieb mittels Muskelkraft elektrische Energie zu erzeugen und die weitere Trainingsvorrichtung mit dem Energiespeicher der Trainingsvorrichtung verbunden ist. Dadurch kann in einem Trainingssystem umfassend wenigstens zwei oder mehrere Trainingsvorrichtungen vorteilhaft Energie eingespart werden, insbesondere braucht mittels Trainingsvorrichtungen mittels Muskelkraft erzeugte Energie nicht in Verlustwärme gewandelt werden, sondern kann generatorisch in elektrische Energie gewandelt werden, die in dem Energiespeicher zwischengespeichert und von einer Trainingsvorrichtung im motorischen Betrieb – beispielsweise während eines akzentuierten Negativtrainings – verbraucht werden kann. Dadurch braucht beispielsweise in einem Fitnessstudio von Trainingsvorrichtungen erzeugte Wärme nicht mittels einer Klimaanlage abgeführt werden, so dass durch das so ausgebildete Trainingssystem vorteilhaft Energie eingespart werden kann, die sonst beispielsweise mittels fossiler Energieträger, insbesondere Öl, Gas oder Kohle erzeugt werden müsste. Wenn beispielsweise mittels zwanzig Trainingsvorrichtungen eines Trainingssystems eine Verlustwärme von jeweils 150 Watt erzeugt wird, so müsste eine von den Trainingsvorrichtungen gemeinsam erzeugte Verlustwärme von 3000 Watt von einer Klimaanlage abgeführt werden.
Der Energiespeicher des Trainingssystems ist bevorzugt mit der Trainingsvorrichtung verbunden. Der Energiespeicher ist bevorzugt im Bereich der Trainingsvorrichtungen angeordnet. Dadurch können Verbindungswege elektrischer Verbindungsleitungen von den Trainingsvorrichtungen zu dem Energiespeicher vorteilhaft entlang einer kürzesten Verbindung zwischen den Trainingsvorrichtungen ausgebildet sein. Die Trainingsvorrichtungen sind bevorzugt in einem gemeinsamen Raum, beispielsweise eines Fitnessstudios angeordnet. Dadurch können die Trainingsvorrichtungen des Trainingssystems vorteilhaft miteinander elektrische Energie austauschen. Weiter vorteilhaft kann beispielsweise eine Raumtemperatur nicht durch Abwärme der Trainingsvorrichtungen ansteigen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Trainingsvorrichtung. Bei dem Verfahren wird mittels einer bevorzugt elektronisch kommutierten elektrischen Maschine ein Drehmoment, insbesondere ein unterstützendes Moment oder ein Bremsmoment erzeugt. Das so erzeugte Drehmoment wird an einer Benutzerschnittstelle, insbesondere an ein Übungselement der Benutzerschnittstelle abgegeben. Bevorzugt wird bei dem Verfahren während eines Trainings in einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine gewonnene Energie – bevorzugt in einem Energiespeicher der Trainingsvorrichtung – gespeichert. Weiter bevorzugt wird die zuvor gespeicherte Energie während des Trainings zum Antreiben der elektrischen Maschine in einem motorischen Betrieb wenigstens teilweise wieder abgegeben. So kann die Trainingsvorrichtung vorteilhaft netzunabhängig betrieben werden.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren während eines Trainingszyklus bei einem Bewegtwerden eines mit der elektrischen Maschine verbundenen Übungselements in dem generatorischen Betrieb ein Bremsmoment erzeugt und das Übungselement mittels der gespeicherten Energie im motorischen Betrieb mindestens unterstützend zurückgeführt. So kann vorteilhaft ein zurückbewegendes Übungselement, beispielsweise eines mit einem Seilzug verbundenen Handgriffs, mittels der zuvor gespeicherten Energie unterstützt werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsvariante ist eine Kombination des zuvor beschriebenen Verfahrens der elektrischen Energiespeicherung mit dem Verfahren einer mechanischen Energiespeicherung, beispielsweise mittels einer Feder. So kann beispielsweise das Zurückführen des Übungselements mittels einer zuvor während des Trainingszyklus gespannten Feder mittels der in der Feder gespeicherten Federenergie und/oder mittels der zuvor gespeicherten elektrischen Energie mittels der elektrischen Maschine erfolgen.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren das Drehmoment in Abhängigkeit einer Position des Übungselements und/oder einer Bewegungsgeschwindigkeit des Übungselements mittels der elektrischen Maschine erzeugt. So kann vorteilhaft eine von einem Benutzer des Trainingsgeräts aufzubringende Kraft zum Bewegen des Übungselements bei einem Hin- und/oder bei einem Herbewegen des Übungselements während des Trainingszyklus variiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens wird während eines Trainingszyklus, insbesondere bei einem Hinbewegen eines Übungselements, weniger generatorische Energie erzeugt als motorische Energie verbraucht. Eine Differenz aus der motorischen Energie und der generatorischen Energie wird aus einem elektrischen Netz oder dem elektrischen Energiespeicher empfangen. Bevorzugt wird dazu der Energiespeicher von einer weiteren Trainingsvorrichtung mit generatorisch erzeugter elektrischer Energie geladen.
Unabhängig oder zusätzlich zu dem elektrischen Netz kann die Differenz aus der motorischen Energie und der generatorischen Energie aus einem Energiespeicher entnommen werden, der aus einem Verbund umfassend wenigstens zwei Trainingsvorrichtungen gespeist wird. So kann beispielsweise von einer weiteren Trainingsvorrichtung, beispielsweise einem Fahrradtrainer oder Rudertrainer generatorisch elektrische Energie erzeugt werden, die in einem mit allen Trainingsvorrichtungen verbundenen Energiespeicher, insbesondere Akkumulator und/oder Kondensator zwischengespeichert ist. Die zwischengespeicherte Energie kann von einer Trainingsvorrichtung im motorischen, elektrische Energie verbrauchenden Betrieb aus dem Energiespeicher entnommen werden.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmalen als auch aus den in den Figuren beschriebenen Merkmalen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Trainingsvorrichtung, bei der ein Übungselement mittels eine Seilzuges mit einer elektrischen Maschine wirkverbunden ist und beim Ziehen des Übungselements von der elektrischen Maschine sowohl elektrische Energie generatorisch gewonnen wird als auch ein Bremsmoment in Abhängigkeit der Position des Übungselements entlang eines Übungsweges erzeugt werden kann.
2 zeigt die in 1 gezeigte Trainingsvorrichtung, bei der bei einem Rückbewegen des Übungselements von der elektrischen Maschine ein das Rückbewegen unterstützendes Drehmoment mittels der zuvor generatorisch erzeugten elektrischen Energie in Abhängigkeit der Position des Übungselements entlang des Übungsweges erzeugt wird.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Betreiben einer Trainingsvorrichtung, beispielsweise der in den 1 und 2 dargestellten Trainingsvorrichtung.
4 zeigt ein Trainingssystem umfassend drei Trainingsvorrichtungen;
5 zeigt ein Diagramm einer Energiebilanz einer Trainingsvorrichtung über drei Trainingszyklen bei einem akzentuierten Negativtraining.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Trainingsvorrichtung 1. Die Trainingsvorrichtung 1 weist einen Antrieb auf, wobei der Antrieb eine elektrische Maschine 5 und ein Getriebe 7 umfasst. Das Getriebe 7 ist ausgangsseitig mit einer Welle 9 verbunden, wobei die Welle 9 mit einem Rad 14 drehverbunden ist. Das Rad 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Spulenrad ausgebildet, welches mit einem Seilzug 16 verbunden ist. Das Spulenrad 14 ist ausgebildet, den Seilzug 16 – beispielsweise in einer in Umfangsrichtung des Rades 14 verlaufenden Nut – wenigstens abschnittsweise aufzunehmen und aufzuwickeln.
Das Rad 14 ist über das Seil 16 mit einem Übungselement 20 verbunden. Das Übungselement 20 bildet in diesem Ausführungsbeispiel wenigstens teilweise eine Benutzerschnittstelle. Weitere Bestandteile der Benutzerschnittstelle sind beispielsweise ein Sitz für einen Benutzer, welcher derart angeordnet ist, dass der Benutzer während eines Sitzens auf dem Sitz das Übungselement 20 greifen kann. Die Trainingsvorrichtung 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Rahmen 38, welcher einen Sitz 39 für einen Benutzer aufweist. Der Benutzer 45 ist beispielhaft dargestellt.
Die elektrische Maschine 5 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 30 mit einer Steuereinheit 10 verbunden. Die Steuereinheit 10 ist ausgebildet, die elektrische Maschine 5, insbesondere einen Stator der elektrischen Maschine zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes zum Drehbewegen eines Rotors der elektrischen Maschine anzusteuern. Das Ansteuern des Stators der elektrischen Maschine, welcher beispielsweise eine elektronisch kommutierte elektrischen Maschine ist, kann beispielsweise in Abhängigkeit eines von einem Rotorpositionssensor erzeugten Rotorpositionssignals mittels einer feldorientierten Regelung erfolgen.
Die Steuereinheit 10 ist über eine Verbindungsleitung 32 mit einem Energiespeicher 12 verbunden. Der Energiespeicher 12 ist beispielsweise durch einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator, oder durch einen Akkumulator, beispielsweise durch einen lithiumhaltigen Akkumulator gebildet.
Dargestellt sind zwei Ladungsniveaus des Energiespeichers, nämlich ein Ladungsniveau 37 in einem geladenen Zustand und ein Ladungsniveau 35 in einem wenigstens teilweise entladenen Zustand des Energiespeichers 12. Das Ladungsniveau wird im Folgenden auch Energieniveau genannt.
Der Seilzug 16 verläuft in diesem Ausführungsbeispiel von dem Rad 14 über eine Seilrolle 18 und eine Seilrolle 19 bis hin zum Übungselement 20. Die Seilrollen 18 und 19 sind mit dem Rahmen 38 verbunden.
Der Benutzer 45 hat in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel das Übungselement 20 – gestrichelt angedeutet – in eine Position 20' mit einer Geschwindigkeit 47 gezogen und hat dazu eine Kraft 49 aufgewendet.
Die Steuereinheit 10 ist ausgebildet, die elektrische Maschine 5 gemäß einer vorbestimmten Funktion 40 derart anzusteuern, dass mittels der elektrischen Maschine 5 ein Drehmoment, insbesondere ein Bremsmoment derart erzeugt wird, dass die von dem Benutzer 45 aufzubringende Kraft 49 entlang eines Übungsweges zwischen der Position des Übungselements 20 und der Position 20' der Funktion 40 entspricht. Dazu kann die Steuereinheit 10 mit einem Rotorpositionssensor der elektrischen Maschine 5 verbunden sein und die Position des Übungselements in Abhängigkeit einer Anzahl von Umdrehungen eines Rotors der elektrischen Maschine 5 ermitteln. Die Funktion 40 repräsentiert somit einen von der elektrischen Maschine 5 zu erzeugenden Drehmomentverlauf während einer Trainingsperiode, zuvor auch Trainingszyklus genannt.
Die Steuereinheit 10 ist auch ausgebildet, die elektrische Maschine 5 während des Erzeugens des Bremsmoments zum Erzeugen von elektrischer Energie anzusteuern und die so im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 5 gewonnene elektrische Energie über die Verbindungsleitung 32 an den Energiespeicher 12 zu senden und darin abzuspeichern. Dargestellt ist das Energieniveau 35, welches niedriger ist als das Energieniveau 37. Während des Generatorbetriebs der elektrischen Maschine 5 wird die von dem Benutzer 45 entlang des Übungsweges zwischen der Position des Übungselements 20 und der Position 20' des Übungselements 20 vom Benutzer 45 erzeugte Energie von der elektrischen Maschine 5 im generatorischen Betrieb in elektrische Energie umgesetzt und über die Verbindungsleitung 30 und weiter über die Steuereinheit 10, weiter über die Verbindungsleitung 32 in den Energiespeicher 12 überführt. Das Energieniveau 37 zeigt in diesem Ausführungsbeispiel das Energieniveau des Energiespeichers 12, wenn der Benutzer 45 das Übungselement 20 von seiner Ausgangsposition in die Position 20' gezogen hat.
2 zeigt die in 1 bereits dargestellte Trainingsvorrichtung 1. Die Trainingsvorrichtung 1 weist die in 1 bereits dargestellten Elemente auf, wobei Elemente mit demselben Bezugszeichen wie in 1 dieselbe Funktion haben. 2 zeigt die Trainingsvorrichtung 1, in welcher der Benutzer 45 das Übungselement 20 von der Position 20' in die Ausgangsposition zurückbewegt hat. Das Zurückbewegen des Übungselements 20 von der Position 20' in die Ausgangsposition entlang des – gestrichelt angedeuteten – Übungsweges erfolgt mit einer Geschwindigkeit 46. Die Geschwindigkeit 46 kann von der Steuereinheit 10 mittels eines Drehzahlsensors der elektrischen Maschine 5 erfasst werden. Die Steuereinheit 10 kann beispielsweise eine Kraft 48, welche der Benutzer 45 während des Zurückbewegens des Übungselements 20 von der Position 20' in die Ausgangsposition aufbringen muss, in Abhängigkeit der Position des Übungselements 20 entlang des Übungsweges zwischen der Position 20' und der Ausgangsposition durch entsprechendes Ansteuern der elektrischen Maschine 5 erzeugen. Die Funktion 40 repräsentiert dabei den Kraftverlauf entlang des Übungsweges zwischen der Position 20' und der Ausgangsposition des Übungselements 20. Zusätzlich zu der vorab erwähnten positionsabhängigen Kraft 48 kann die Steuereinheit 10 ausgebildet sein, die positionsabhängige Kraft 48 in Abhängigkeit von der Momentangeschwindigkeit 46 des Übungselements entlang des Übungsweges zwischen der Position 20' und der Ausgangsposition zu erzeugen. So kann beispielsweise verhindert werden, dass das Übungselement 20 zusammen mit den das Übungselement 20 haltenden Gliedmaßen des Benutzers 45 mit einer zu großen Geschwindigkeit in die Ausgangsposition zurückgeführt wird.
Die Steuereinheit 10 ist ausgebildet, zum Zurückbewegen, insbesondere zum Unterstützen des Zurückbewegens des Übungselements 20 von der Position 20' in die Ausgangsposition, der elektrischen Maschine 5 zum Erzeugen eines unterstützenden Drehmoments anzusteuern. Die Steuereinheit 10 ist auch ausgebildet, die zum Zurückbewegen des Übungselements erforderliche elektrische Energie zum Ansteuern der elektrischen Maschine 5 aus dem Energiespeicher 12 über die Verbindungsleitung 32 zu entnehmen und die elektrische Maschine 5 mit dieser Energie anzusteuern. So kann die zuvor von dem Benutzer 45 während einer ersten Hälfte des Trainingszyklus während des generatorischen Betriebs der elektrischen Maschine 5 erzeugte und im Energiespeicher 12 abgespeicherte elektrische Energie, gekennzeichnet durch das Energieniveau 37 in den 1 und 2, zum Unterstützen des Rückführens des Übungselements 20 während einer zweiten Hälfte des Trainingszyklus verwendet werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen für eine Trainingsvorrichtung sind eine Schulterpresse und Latissimuszug, welche in einer Trainingsvorrichtung vereinigt sind.
Dazu kann das in den 1 und 2 dargestellte Übungselement 20 anstelle des in den 1 und 2 dargestellten Seilzuges und des Rades 40 mit einem Hebelarm mit dem Getriebe und mit der Welle 9 verbunden sein, wobei die Welle 9 einen Drehpunkt des Hebelarmes bildet.
Die Steuereinheit 10 kann in der Ausführungsform der Trainingsvorrichtung als Latissimuszug und während des Ziehens des Übungselements 20 von der Ausgangsposition in die Position 20' mittels der elektrischen Maschine 5 generatorische Energie erzeugen und diese im Energiespeicher 12 zwischenspeichern. In der Funktion als Schulterpresse kann die Trainingsvorrichtung die generatorische Energie während eines drückenden Bewegens des Übungselements von der Position 20' in die Ausgangsposition erzeugen und in dem Energiespeicher 12 zwischenspeichern.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Betreiben einer Trainingsvorrichtung, beispielsweise der in den 1 und 2 dargestellten Trainingsvorrichtung 1. In einem Schritt 50 wird mittels der Trainingsvorrichtung während eines ersten Teils einer Trainingsperiode, zuvor auch Trainingszyklus genannt, während eines Hinbewegens eines Übungselements mittels der elektrischen Maschine generatorische Energie erzeugt und dabei ein auf das Übungselement 20 wirkendes Bremsmoment erzeugt. Die generatorische Energie wird in einem Schritt 52 in einem Energiespeicher zwischengespeichert. In einem Schritt 54 wird während einer zweiten Hälfte des Trainingszyklus das Übungselement wieder zurückbewegt und dabei das Zurückbewegen von der elektrischen Maschine durch ein Drehmoment unterstützt. Zum Unterstützen des Zurückbewegens des Übungselements mittels der elektrischen Maschine 5 wird die zuvor in dem Energiespeicher zwischengespeicherte generatorische Energie verwendet.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Trainingssystem 60. Das Trainingssystem 60 weist eine Trainingsvorrichtung 1 auf, welche beispielsweise wie die in 1 dargestellte Trainingsvorrichtung 1 ausgebildet ist. Das Trainingssystem 60 weist auch eine Trainingsvorrichtung 2 auf, welche beispielsweise wie die in 1 dargestellte Trainingsvorrichtung 1 ausgebildet ist. Das Trainingssystem 60 weist auch den in 1 bereits dargestellten Energiespeicher 12 auf. Der Energiespeicher 12 ist mit der Trainingsvorrichtung 1 über eine Verbindungsleitung 31 verbunden. Der Energiespeicher 12 ist beispielsweise Bestandteil der Trainingsvorrichtung 1. Der Energiespeicher 12 ist beispielsweise durch einen Akkumulator oder einen Kondensator, insbesondere einen Superkondensator gebildet. Der Superkondensator weist wenigstens ein Doppelschicht-Elektrodenpaar auf. Das Doppelschicht-Elektrodenpaar ist bevorzugt zusätzlich als Redox-Elektrodenpaar ausgebildet. Gestrichelt dargestellt ist ein Energieniveau 36 und ein im Vergleich zum Energieniveau 36 kleineres Energieniveau 34 des Energiespeichers 12. Die Energieniveaus 34 und 36 repräsentieren jeweils einen Energiefüllstand des Energiespeichers 12, insbesondere einer vorrätiggehaltenen Ladungsmenge, von der eine elektrische Spannung des Energiespeichers 12 abhängig ist. Der Energiespeicher 12 ist auch über eine Verbindungsleitung 33 mit der Trainingsvorrichtung 2 verbunden. Der Energiespeicher 12 ist auch über eine Verbindungsleitung 68 mit der Trainingsvorrichtung 3 verbunden. Die Trainingsvorrichtung 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Rudertrainer gebildet. Die Trainingsvorrichtung 3 kann in einer anderen Ausführungsform beispielsweise durch einen Fahrradtrainer gebildet sein. Die Trainingsvorrichtung 3 ist ausgebildet, mittels Muskelkraft generatorisch elektrische Energie zu erzeugen. Dazu weist die Trainingsvorrichtung 3 beispielsweise eine elektrische Maschine auf, welche ausgebildet ist, im Generatorbetrieb die bereits erwähnte generatorische elektrische Energie zu erzeugen. Die Trainingsvorrichtung 2 kann – wie die Trainingsvorrichtung 1 – von dem Energiespeicher 12 elektrische Energie entnehmen und im motorischen Betrieb – beispielsweise zum aktiven Rückführen eines Übungselements der Trainingsvorrichtung 2 – entnehmen. Während eines generatorischen Betriebes kann die Trainingsvorrichtung 2 über die Verbindungsleitung 33 die generatorisch erzeugte elektrische Energie an den Energiespeicher 12 abgeben. Die Trainingsvorrichtung 3 kann in diesem Ausführungsbeispiel nur generatorisch elektrische Energie erzeugen und diese über die Verbindungsleitung 68 an den Energiespeicher 12 abgeben und diesen mit der elektrischen Energie aufladen. In einer anderen Ausführungsform ist die Trainingsvorrichtung 3 ausgebildet, – beispielsweise zum Erzeugen eines Anlaufdrehmoments – motorisch Energie zu verbrauchen und diese aus dem Energiespeicher zu entnehmen. Die Verbindungsleitung 68 kann dann wie die Verbindungsleitungen 31 und 33 bidirektional ausgebildet sein.
Mittels des so gebildeten Trainingssystems kann – wie im Folgenden in 5 beschrieben – von der Trainingsvorrichtung 1 oder der Trainingsvorrichtung 2 während eines Trainings, insbesondere eines sogenannten akzentuierten Negativtrainings, während eines Trainingszyklus, umfassend ein Hinbewegen und ein Zurückbewegen des Übungselements, während des motorischen Betriebes mehr elektrische Energie verbraucht werden als während des Trainingszyklus generatorisch erzeugt wird. Die Differenzenergie der so über den Trainingszyklus hinweg benötigten elektrischen Energie der Trainingsvorrichtung 1 kann von dem Energiespeicher 12 entnommen werden, der von der Trainingsvorrichtung 3 gespeist wird.
Das Trainingssystem 60 kann auf diese Weise vorteilhaft netzunabhängig betrieben werden, wobei einzelne Trainingsvorrichtungen mehr Energie verbrauchen als sie erzeugen, wobei die mehr verbrauchte Energie von einer anderen Trainingsvorrichtung aufgebracht werden kann. Auf diese Weise kann das Trainingssystem 60 netzunabhängig betrieben werden.
In einer anderen Ausführungsform ist der Energiespeicher 12 mittels eines Netzladegerätes 62 über eine gestrichelt dargestellte Verbindungsleitung 69 mit einem Netzanschluss 64 verbunden. In dieser Ausführungsform kann das Trainingssystem 60 zusätzlich von einem mit dem Netzanschluss 64 verbundenen Versorgungsnetz, beispielsweise einem Wechselspannungsnetz 66 elektrische Energie beziehen. Das Ladegerät 62 ist dazu ausgebildet, den Energiespeicher 12 in Abhängigkeit des Energieniveaus des Energiespeichers 12 aufzuladen. Wenn beispielsweise das Energieniveau des Energiespeichers 12 durch Entnahme der Trainingsvorrichtung 1 und/oder der Trainingsvorrichtung 2 unter das Energieniveau 34 sinkt, so kann der Energiespeicher 12 mittels des Ladegerätes 32 bis zum Erreichen des Energieniveaus 34 oder 36 wieder aufgeladen werden. Der Energiespeicher 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel unterhalb des Energiefüllstandes 34 tiefentladen. Bei einem Energiefüllstand 42 ist der Energiespeicher vollgeladen und kann keine weitere Ladung mehr aufnehmen. Der Energiespeicher 12 hat zum Empfangen von generatorisch erzeugter elektrischer Energie der Trainingsvorrichtungen 1, 2 oder 3 zwischen dem Energiefüllstand 34 und 42 noch Kapazität, um die von den Trainingsvorrichtungen 1, 2 oder 3 oder allen erzeugte generatorische Energie zu speichern. So braucht von den Trainingsvorrichtungen erzeugte generatorische Energie vorteilhaft nicht in Verlustwärme gewandelt werden. Für den Fall, dass die Trainingsvorrichtung 1 und die Trainingsvorrichtung 2 jeweils mehr Energie verbrauchen als sie erzeugen, und die Trainingsvorrichtung 3 nicht in Betrieb ist oder nur soweit betrieben wird, dass die von den Trainingsvorrichtungen 1 und/oder 2 verbrauchte Energie von der Trainingsvorrichtung 3 nicht aufgebracht werden kann, so kann der Energiespeicher 12 von dem Wechselstromnetz 66 über den Netzanschluss 64 und das Ladegerät 62 soweit geladen werden, dass der Energiefüllstand 34 nicht unterschritten wird. So kann der Energiespeicher 12 vorteilhaft nicht in einen tiefentladenen Zustand geraten. Im Falle eines Akkumulators als Energiespeicher 12 könnte der tiefentladene Zustand dem Akkumulator schaden. Im Falle eines Kondensators als Energiespeicher stellt das Energieniveau 34 beispielsweise eine Grenze, insbesondere eine Spannungsgrenze dar, unterhalb derer angeschlossene Trainingsvorrichtungen nicht mehr motorisch arbeiten können.
In einer in 4 gestrichelt dargestellten weiteren Ausführungsvariante des Trainingssystems 60 sind die Trainingsvorrichtungen 1, 2 und 3 jeweils – mittels gestrichelt dargestellten Verbindungsleitungen 31', 33' beziehungsweise 68' – über einen Laderegler 80 mit dem Energiespeicher 12 verbunden. Die Verbindungsleitung 68' tritt dann anstelle der Verbindungsleitung 68, die Verbindungsleitungen 31' und 33' anstelle der Verbindungsleitungen 31 und 33 zum Laden des Energiespeichers 12, so dass die Verbindungsleitungen 31 und 33 die Trainingsvorrichtungen 1 beziehungsweise 2 im motorischen Betrieb mit Energie aus dem Energiespeicher 12 versorgen.
Der Laderegler 80 ist ausgangsseitig mit einer Beleuchtungsvorrichtung 82 und mit dem Energiespeicher 12 verbunden. Der Laderegler 80 ist ausgebildet, den Energiespeicher 12 bis zum Erreichen eines vorbestimmten Energiefüllstandes, beispielsweise dem Energiefüllstand 36, zu laden und weitere von den Trainingsvorrichtungen erzeugte elektrische Energie an die Beleuchtungsvorrichtung 82 abzugeben. So kann vorteilhaft verhindert werden, dass der Energiespeicher 12 überladen wird. Die von den Trainingsvorrichtungen überschüssig erzeugte elektrische Energie kann sinnvoll in Licht gewandelt werden. Die Beleuchtungsvorrichtung 82 weist dazu beispielsweise wenigstens eine Gasentladungslampe und/oder Lumineszenzdioden auf. Mittels des so gebildeten Trainingssystems wird auch mittels der zuvor erwähnten überschüssigen Energie die Raumtemperatur eines Raumes, in dem das Trainingssystem 60 angeordnet ist, nicht oder nicht wesentlich erhöht. Vorteilhaft weist die Beleuchtungsvorrichtung, welche beispielsweise Lumineszenzdioden aufweist, eine Lichtausbeute größer als bei Glühlampen auf, sodass mittels der überschüssigen Energie weniger Wärme erzeugt wird, als im Vergleich zu Trainingsvorrichtungen, die ausgebildet sind, von einem Benutzer mittels Muskelkraft aufgewendete Energie – beispielsweise mittels eines Reibungsmechanismus – nur in Verlustwärme zu wandeln.
5 zeigt ein Diagramm 70. Das Diagramm 70 weist eine Zeitachse 72 auf und eine Amplitudenachse 74. Die Amplitudenachse 74 repräsentiert das Energieniveau des in 4 bereits dargestellten Energiespeichers 12. Dargestellt ist auch das Energieniveau 36 und das Energieniveau 34, welches kleiner ist als das Energieniveau 36. Das Energieniveau 34 repräsentiert in diesem Ausführungsbeispiel eine Grenze, unterhalb derer der Energiespeicher 12 tiefentladen ist. Das Energieniveau 36 repräsentiert einen Energiefüllstand, in dessen Bereich der Energiespeicher sowohl Energie bis zum Erreichen des Energieniveaus 34 abgeben kann, als auch noch weitere Energie bis zum Energieniveau 42 aufnehmen kann. Die in 4 dargestellten Trainingsvorrichtungen 1 und 2 können beispielsweise im Bereich um das Energieniveau 36 mit einem guten Wirkungsgrad arbeiten. Dargestellt ist auch eine Kurve 76. Die Kurve 76 repräsentiert einen Trainingszyklus, beispielsweise der Trainingsvorrichtung 1 in 4. Während eines Zeitabschnitts 77 des Trainingszyklus 78 wird – beispielsweise durch Ziehen eines Übungselements, insbesondere des in 1 bereits dargestellten Übungselements 20 – von der Trainingsvorrichtung 1 generatorisch elektrische Energie erzeugt und in den Energiespeicher 12 über die Verbindungsleitung 31 eingespeist. Während des Zeitintervalls 79 wird elektrische Energie von dem Energiespeicher 12 entnommen. Während des Trainingszyklus 78 wird von der Trainingsvorrichtung 3 generatorisch erzeugte elektrische Energie in den Energiespeicher 12 eingespeist.
Das Unterschreiten eines vorbestimmten Energieniveaus, beispielsweise des Energieniveaus 34, kann durch Zuladen des Energiespeichers 12 über das Ladegerät 62 verhindert werden. Bis zum Erreichen des Energieniveaus 34 verbleibt so vorteilhaft noch Gelegenheit, vor Erreichen des tiefentladenen Zustandes den Energiespeicher 12 mit generatorisch erzeugter Energie einer anderen Trainingsvorrichtung zu laden, bevor Energie aus einem fremden Wechselstromnetz entnommen werden muss, um den tiefentladenen Zustand des Energiespeichers 12 zu verhindern. Im Falle eines Nachladens aus dem Wechselstromnetz bei Unterschreiten des Energieniveaus 36 kann der Energiespeicher vorteilhaft in einem für den Wirkungsgrad der Trainingsvorrichtungen 1 und 2 im motorischen Betrieb optimalen Arbeitsspannung gehalten werden.
Dargestellt ist auch eine Kurve 75, welche den Energiefüllstand des Energiespeichers 12 repräsentiert, der von der Trainingsvorrichtung 1 während eines akzentuierten Negativtrennens über mehrere Trainingszyklen hinweg entladen werden würde. Ein Kurvenabschnitt 75' kennzeichnet einen Kurvenverlauf der Kurve 75 für eine Ausführungsform des Trainingssystems gemäß 4, bei dem das Ladegerät 62 ausgebildet ist, den Energiespeicher 12 bei einem Unterschreiten des Energiefüllstands 36 mit elektrischer Energie aus dem Wechselstromnetz 66 nachzuladen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1614448 A2 [0002]

Claims

Trainingsvorrichtung (1) mit einem mit einer Benutzerschnittstelle (20) wirkverbundenen Antrieb (5, 7), wobei der Antrieb (5, 7) wenigstens eine elektrische Maschine (5) umfasst, welcher ausgebildet ist, ein Drehmoment, insbesondere unterstützendes Moment oder Bremsmoment, zu erzeugen und dieses auf die Benutzerschnittstelle (20) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Trainingsvorrichtung (1) einen mit der elektrischen Maschine verbundenen Energiespeicher für elektrische Energie aufweist und ausgebildet ist, die elektrische Maschine (5) insbesondere während wenigstens eines Trainings, insbesondere Trainingszyklus, im Generatorbetrieb zu betreiben und im Generatorbetrieb erzeugte Energie in dem Energiespeicher (12) zu speichern und die elektrische Maschine (5) mit der gespeicherten Energie zum Erzeugen des Drehmoments während des Trainings im Motorbetrieb zu betreiben.
Trainingsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Benutzerschnittstelle wenigstens ein Übungselement (20) aufweist, welches mit der elektrischen Maschine wirkverbunden und die Trainingsvorrichtung ausgebildet ist, dass das Übungselement (20) von einer Ausgangsposition in eine Endposition (20') und wieder zurück in die Ausgangsposition bewegt werden kann.
Trainingsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trainingsvorrichtung eine Steuereinheit (10) aufweist, wobei die Steuereinheit (10) ausgebildet ist, eine Position eines Übungselements (20) der Benutzerschnittstelle zu erfassen und das Drehmoment in Abhängigkeit der Position des Übungselements (20) zu erzeugen.
Trainingsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (5) einen mit der Steuereinheit (10) verbundenen Rotorpositionssensor aufweist, und die Steuereinheit (10) ausgebildet ist, die Position des Übungselements (20) in Abhängigkeit einer Rotorposition eines Rotors der elektrischen Maschine (5) zu ermitteln.
Trainingsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (12) durch wenigstens einen Kondensator, insbesondere Doppelschichtkondensator gebildet ist.
Trainingsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (12) durch wenigstens einen Akkumulator gebildet ist.
Trainingsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Benutzerschnittstelle eine Zugvorrichtung (14, 16) mit einem Übungselement (20) aufweist, wobei das Übungselement (20) mit der elektrischen Maschine (5) wirkverbunden ist.
Trainingsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trainingsvorrichtung einen Anschluss für ein elektrisches Netz aufweist und ausgebildet ist, im motorischen Betrieb wenigstens einen Teil der elektrischen Energie aus dem Energiespeicher zu entnehmen und einen übrigen Teil der elektrischen Energie aus einem elektrischen Netz zu entnehmen.
Trainingssystem mit wenigstens einer Trainingsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trainingssystem wenigstens eine weitere Trainingsvorrichtung, insbesondere Rudertrainer oder Fahrradtrainer umfasst, wobei die weitere Trainingvorrichtung ausgebildet ist, wenigstens in einem generatorischen Betrieb mittels Muskelkraft elektrische Energie zu erzeugen und die weitere Trainingsvorrichtung mit dem Energiespeicher der Trainingsvorrichtung verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Trainingsvorrichtung (1), bei dem mittels eines insbesondere elektronisch kommutierten Elektromotors (5) ein Drehmoment, insbesondere unterstützendes Moment oder Bremsmoment erzeugt wird und dieses an eine Benutzerschnittstelle (20) abgeben wird, wobei während eines Trainings in einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine gewonnene Energie (37) in einem Energiespeicher (12) der Trainingsvorrichtung (1) gespeichert wird und während des Trainings zum Antreiben der elektrischen Maschine (5) in einem Motorbetrieb wenigstens teilweise wieder abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem während eines Trainingszyklus bei einem Bewegtwerden eines mit der elektrischen Maschine (5) verbundenen Übungselements (20) in dem Generatorbetrieb ein Bremsmoment erzeugt wird und das Übungselement (20') mittels der gespeicherten Energie im Motorbetrieb mindestens unterstützend zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem das Drehmoment in Abhängigkeit einer Position des Übungselements (20) und/oder einer Bewegungsgeschwindigkeit des Übungselements (20) mittels der elektrischen Maschine (5) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, bei dem während eines Trainingszyklus, insbesondere bei einem Hinbewegen eines Übungselements, weniger generatorische Energie erzeugt wird als motorische Energie verbraucht wird und eine Differenz aus der motorischen Energie und der generatorischen Energie aus einem elektrischen Netz (66) oder dem Energiespeicher (12) zum Speichern elektrischer Energie empfangen wird, wobei der Energiespeicher von einer weiteren Trainingsvorrichtung (2, 3) mit generatorisch erzeugter elektrischer Energie geladen wird.