DE102014003479A1 - Verfahren und System zur Bestimmung der Leistung, die von einem Nutzer auf ein Sportgerät übertragen wird - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein mobil nutzbares System zur Bestimmung der Leistung, die von einem Nutzer auf ein Sportgerät übertragen wird, umfassend die Berücksichtigung mindestens einer Referenztemperatur, die eine Approximation der Umgebungstemperatur des Sportgerätes darstellt, den Antrieb des Schwungrads des Sportgerätes durch einen Nutzer, die Übertragung eines Widerstands über eine Wirkfläche auf das Schwungrad zur Bremsung, die Erfassung mindestens einer Temperatur des Schwungrads außerhalb der Wirkfläche des Widerstands durch mindestens einen Temperatursensor und die Bestimmung der Leistung als Funktion von der mindestens einen Referenztemperatur und der Temperatur des Schwungrads.

Description

• Einleitung
• Die Erfindung betrifft ein mobil einsetzbares Verfahren zur Bestimmung der Leistung, die von einem Nutzer auf ein Sportgerät übertragen wird, gemäß dem ersten Patentanspruch. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein leicht montierbares System, welches zur praktischen Anwendung des Verfahrens geeignet ist.
• Stationäre Sportgeräte wie beispielsweise Spinning-Fahrräder, Stepper oder Rudergeräte werden heutzutage in vielen Fitnessstudios, Fitnesskursen sowie privat zur Erhöhung der persönlichen Leistungsfähigkeit und Ausdauer genutzt. Der Nutzer treibt dabei ein metallenes Schwungrad an, welches durch einen Widerstand gebremst wird. Der Widerstand und damit die vom Nutzer aufzubringende Leistung kann hierbei z. B. durch die Veränderung des Anpressdrucks eines Bremsklotzes angepasst werden. Die tatsächlich erbrachte Leistung des Nutzers jedoch, deren Kenntnis für ein gezielteres Trainingsprogramm notwendig ist, kann zurzeit nur mittels des Einsatzes von Messgeräten, die stationär mit dem Sportgerät verbunden, d. h. fest montiert und nicht mobil sind, ermittelt werden.
• Das Schwungrad wird während der Nutzung des Sportgerätes über die Einwirkung der Bremse erhitzt. Die Erfindung macht sich die Messung der Temperaturveränderung des Schwungrads zu Nutze, um auf die erbrachte Leistung des Nutzers zurück zu schließen. Die Temperaturermittlung erfolgt hierbei vorzugsweise über ein kleines integriertes somit mobiles und nachrüstbares Bauteil, welches leicht am Sportgerät z. B. magnetisch durch den Nutzer befestigt und auch wieder entfernt werden kann. Die Datenübermittlung erfolgt vorzugsweise drahtlos auf eine Auswerteeinheit. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Smartphone oder einen Fahrrad-/Fitnesscomputer mit Schnittstelle zur drahtlosen Datenübertragung handeln. Mittels der drahtlosen Datenübertragung lassen sich ebenso nutzerbezogene Daten oder auf das Sportgerät bezogene Daten, welche die Messung verbessern (z. B. Abkühlgeschwindigkeit und Emissionsgrad des Schwungrads), austauschen.
• Die ermittelten Messsignale/Leistungs-Informationen können auf der Auswerteeinheit weiter analysiert und dargestellt werden. Es besteht auch die Möglichkeit zur Integration in bereits verfügbare Fitnesscomputer der Sportgeräte-Hersteller. Des Weiteren ist es möglich, über ein Smartphone eine Anbindung an das Internet zu realisieren, wodurch benötigte und ermittelte Werte ausgetauscht werden können und Zugang zu sozialen Netzwerken besteht Dies ermöglicht einen schnellen Vergleich und eine schnelle Analyse der Daten.
• Die Erfindung bietet dem Nutzer eine mobile, nachrüstbare und kostengünstige Möglichkeit zur persönlichen Leistungskontrolle an Sportgeräten mit Schwungrad.
• Stand der Technik
• In den vergangen Jahren haben stationäre Sportgeräte eine tiefgreifende Evolution durchlaufen, wobei sie von herkömmlichen Rehabilitations- oder Leichttraining-Equipment umfunktioniert wurden auf ein Fitness- oder Schwertraining-Equipment (z. B. moderne Spin-Bikes oder auch Cross-Trainer), wie in den Dokumenten US-B6 482 130 und DE-A-3 031 313 beschrieben.
• Oft wird zum Trainieren durch den Nutzer auf stationäre Sportgeräte in Fitnessstudios zurückgegriffen. Dies hat den Vorteil, dass das Sportgerät nicht erworben werden muss, und dieses in der eigenen Wohnung keinen Platz beansprucht. Zudem kann heutzutage in jeder größeren Siedlung ein Fitnessstudio mit solchen Sportgeräten vorgefunden werden, wo an Kursen mit und ohne Trainer teilgenommen werden kann. Diese hohe Verfügbarkeit der Sportgeräte ermöglicht das Training an wechselnden Standorten. Auch die Art oder der Typ des Sportgerätes lässt sich ohne Mehrkostenaufwand für den Nutzer wechseln, sofern das Gerät im jeweiligen Fitnessstudio zur Verfügung steht.
• Die Effektivität des Trainings lässt sich signifikant verbessern, wenn zur Steuerung der Intensität eine Information über die vom Athleten erbrachte Leistung zur Verfügung steht sowie auf die Historie der in der Vergangenheit erbrachten Leistungen zurückgegriffen werden kann. Doch nur wenige der auf dem Markt erhältlichen und zumeist keine der in Fitnessstudios angeschafften Sportgeräte mit Schwungrad sind mit einem Leistungsmessgerät ausgestattet, da die Messtechnik aufwändig und zur Zeit erhältliche Messgeräte verhältnismäßig teuer sind. Eine Anbindung an Internetplattformen zur Protokollierung, Analyse und Einflussnahme auf das Training besteht nicht. Eine Nachrüstung eines Messsystems ist meist nur mit größerem Aufwand möglich. Bauliche Veränderungen an Sportgeräten in Fitnessstudios durch den Nutzer sind zudem üblicherweise von den Betreibern verboten.
• Eine bekannte Lösung die sich den Effekt der beim Training erzeugten Wärme zur Leistungsermittlung zu Nutze macht beschreibt Patent Nr.: US7878946 . Die Erfindung misst die Temperatur oder Temperaturveränderung in der Reibfläche der Bremse indem ein Temperatursensor in den Bremskörper eingebracht wurde.
• Offensichtlicher Nachteil der Erfindung ist die Notwendigkeit eines speziellen Bremskörpers, der verständlicherweise kompatibel mit dem verwendeten Sportgerät sein muss und somit speziell für jeden Typ eines Sportgerätes anzufertigen ist. Der spezielle Bremskörper muss zudem von Fachpersonal montiert werden. Somit ist diese Erfindung nicht mobil und nicht ohne Modifikationen an unterschiedlichen Sportgeräten einsetzbar. Des Weiteren ist der Ort der Messung ungünstig. Die Abwärme und somit die Abkühlung innerhalb des Bremskörpers gegenüber der Umgebung ist deutlich geringer als außerhalb des Bremskörpers. Dies hat eine geringe Sensitivität zur Folge, da sich Änderungen der durch den Nutzer aufgebrachten Leistung nicht oder nur mit deutlicher Verzögerung detektieren lassen. Hinzukommt die fehlende drahtlose Anbindung an ein Endgerät, was die Einbindung von Internetplattformen und somit moderne Trainingsanalysen und -methoden ausschließt. Andere Messmethoden zur Ermittlung der vom Nutzer erbrachten Leistung an stationären Sportgeräten, messen z. B. mit Hilfe einer speziellen Kurbel (z. B. US5816599 ), einer speziellen Hinterradnabe (z. B. US8336400 ) oder z. B. durch Messung der Kettenspannung ( FR2394790 ).
• Es existiert bisher jedoch keine Erfindungen, welche bei jedem Training durch den Nutzer kurzfristig mitgebracht und ohne bauliche Änderung angebracht werden kann. Vielmehr muss jede bekannte Lösung durch einen versierten Techniker fachgerecht montiert und ausgerichtet werden. Zudem sind die bekannten Erfindungen technisch aufwändig und nicht kostengünstig zu erwerben.
• Der in dieser Schrift präsentierten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinheit bereitzustellen, welche zugleich klein und transportabel ist sowie einfach durch den Nutzer an jedem Sportgerät mit Schwungrad angebracht und wieder entfernt werden kann. Die Mobilität der Messeinheit legt die Verwendung einer Auswerte- und Anzeigeeinheit nahe, welche dem Nutzer oft bereits zur Verfügung steht und nicht zusätzlich erworben werden muss. Smartphones bieten mit den zur Verfügung stehenden Anzeige-, Speicher- und Rechenkapazitäten eine geeignete Plattform und ermöglicht den Austausch von Trainings- sowie technischen Daten mit dem Internet. Ebenso eigenen sich bereits etablierte Fitnesscomputer z. B. in Sport-Armbanduhren mit schnurloser Schnittstelle als eine solche mobile Einheit, welche durch den Nutzer verwendet wird und in Fitnessstudios mitgebracht werden darf. Die Erfindung lässt sich mittels kostengünstiger Serienbauteile realisieren und kann damit zu einem Bruchteil der Kosten bereits erhältlicher Lösungen zur Leistungsermittlung produziert werden.
• Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist die Ermittlung der von einem Nutzer zum Antreiben eines Schwungrads an einem Sportgerät aufgebrachten Leistung mittels einer mobilen Messeinheit über die Messung thermischer Veränderungen des Schwungrads.
• Lösungsansätze
• Es wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 näher beschrieben, die Figuren zeigen:
• 1 ist eine schematische Zeichnung des Systems bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung (Der Antrieb des Schwungrads ist hier nur beispielhaft über eine Kette realisiert)
• 2 ist ein schematisches Blockdiagramm der Erfindung
• 3 ist eine schematische Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Systems zur Bestimmung der Leistung 104 (hier beispielhaft mit Magneten für die Montage direkt am Schwungrad)
• Zum besseren Verständnis wird zunächst die schematische Funktionsweise der Erfindung erläutert, anschließend findet eine detaillierte Darstellung des Verfahrens sowie des Systems statt.
• [Schematische Funktionsweise]
• Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Leistung, die von einem Nutzer auf ein Sportgerät übertragen wird mit einem Schwungrad, das von einem Nutzer angetrieben wird und auf das über eine Wirkfläche ein Widerstand zur Bremsung übertragen wird sowie ein mobiles und leicht montierbares System, welches zur praktischen Anwendung des Verfahrens geeignet ist.
• In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Leistung, die von einem Nutzer auf ein Sportgerät übertragen wird, mit einem Schwungrad, das von einen Nutzer angetrieben wird und auf das über eine Wirkfläche ein Widerstand zur Bremsung übertragen wird, mit folgenden Schritten: Erfassung mindestens einer Referenztemperatur, die eine Approximation der Umgebungstemperatur des Sportgerätes darstellt, Antrieb des Schwungrads des Sportgerätes durch einen Nutzer, Übertragung eines Widerstands über eine Wirkfläche auf das Schwungrad zur Bremsung, Erfassung mindestens einer Temperatur des Schwungrads außerhalb der Wirkfläche des Widerstands durch mindestens einen Temperatursensor und Bestimmung der Leistung als Funktion von der mindestens einen Referenztemperatur und der Temperatur des Schwungrads.
• In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Temperatur des Schwungrads ohne Kontakt zum Schwungrad gemessen.
• In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Kadenz oder die Drehzahl des Schwungrads bei der Bestimmung der Leistung mit berücksichtigt.
• Die Erfindung betrifft weiter ein leicht montierbares System zur Bestimmung der Leistung, die von einem Nutzer auf ein Sportgerät übertragen wird, mit einem Schwungrad, das von einen Nutzer angetrieben wird und auf das über eine Wirkfläche ein Widerstand zur Bremsung übertragen wird. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor zur Erfassung von mindestens einer Temperatur des Schwungrads außerhalb der Wirkfläche des Widerstands eingesetzt wird und eine Berechnungseinheit eingesetzt wird, welche die Leistung als Funktion der Temperatur des Schwungrads und mindestens einer Referenztemperatur, die eine Approximation der Umgebungstemperatur des Sportgerätes darstellt bestimmt. Die Berechnungseinheit kann beispielsweise als Mikrocontroller in lokaler Nachbarschaft zum Temperatursensor realisiert sein oder als Smartphone oder Fitnesscomputer, zu welchen die ermittelten Messwerte übertragen werden.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist das System lösbar mittels Klemmung, Magnetverbindung, Gummibändern, Klettbändern, Schnürung oder Klebung mit dem Sportgerät verbunden. Damit kann die Mobilität des Systems für den Einsatz an mehreren Sportgeräten gewährleistet werden.
• In einer Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Sensor zur Ermittlung der Kadenz oder der Drehzahl des Schwungrads eingesetzt und die dabei ermittelten Messwerte in der Berechnungseinheit bei der Bestimmung der Leistung mit berücksichtigt. Durch die Berücksichtigung dieser Werte kann die Genauigkeit der Bestimmung der Leistung erhöht werden.
• In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Referenztemperatur durch mindestens einen Temperatursensor ermittelt, durch einen Nutzer angegeben oder aus einer Datenquelle abgerufen. Eine Datenquelle kann beispielsweise das Internet sein.
• In einer Ausführungsform der Erfindung kommt zur Ermittlung der Temperaturen mindestens ein berührungslos messender Temperatursensor zum Einsatz.
• In einer Ausführungsform der Erfindung zeigt eine Ausgabeeinheit dem Nutzer die ermittelten und berechneten Werte an. Bei der Ausgabeeinheit kann es sich beispielsweise um ein Smartphone oder um einen Fitnesscomputer handeln.
• In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Messwerte der eingesetzten Sensoren drahtlos an die Ausgabeeinheit übermittelt. Eine drahtlose Verbindung kann beispielsweise über den Einsatz von Bluetooth-Sende/Empfangsmodule eingerichtet werden.
• In einer Ausführungsform der Erfindung tauscht das System benötigte oder ermittelte Werte mit dem Internet aus. Dadurch wird dem Nutzer beispielsweise das Erfassen von Trainingsständen oder der Vergleich mit anderen Nutzern erleichtert.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Sportgerät ein Spinning-Fahrrad, Rudergerät, Cross-Trainer oder Stepper.
• In einer Ausführungsform der Erfindung wird die ermittelte Leistung zur Anpassung des Widerstands zur Bremsung des Schwungrads verwendet.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 (Verfahren) bzw. 4 (System) gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• In 1 ist der für die vorliegende Erfindung relevante Teil eines Sportgerätes schematisch dargestellt. Ein Schwungrad 101 wird durch den Nutzer mittels eines Antriebsstrangs 103 angetrieben. Der Antriebsstrang ist in 1 an eine Kette eines Spinning-Fahrrades angelehnt. Zum Einsatz können hier jegliche Antriebslösungen kommen, welche das Schwungrad durch zyklische Bewegungen des Nutzers in Rotation versetzen, wie z. B. exzentrisch angebrachte Pedale eines Steppers oder eine Seilzugeinheit eines Rudergerätes. Das Schwungrad 101 wird gegen einen Widerstand betrieben, der über eine Wirkfläche 102 auf das Schwungrad 101 wirkt. Die Einwirkung des Widerstands erwärmt das Schwungrad 101. Ein mobiles System zur Bestimmung der Leistung 104 ermittelt die Temperatur des Schwungrads sowie eine Referenztemperatur, die eine Approximation der Umgebungstemperatur des Sportgerätes darstellt und bestimmt daraus die Leistung.
• Die Funktionsweise der Erfindung ist in 2 in einem Blockdiagramm schematisch dargestellt. Notwendige Blöcke sind mit durchgezogenen Linien gekennzeichnet. Zusätzliche Blöcke weiterer Ausführungsformen sind durch gestrichelte Linien gekennzeichnet. In einer bevorzugten Lösung werden in der Datenerfassungseinheit 213 Informationen von verschiedenen Sensoren erfasst und zur Ermittlung der Leistung in der Auswerteeinheit 200 verwertet. Die Sensoren sind: Ein Referenz-Temperatursensor 212, ein Schwungrad-Drehzahlsensor 201, ein Kadenzsensor 202, ein Schwungrad-Temperatursensor 203. Lediglich die Information des Schwungrad-Temperatursensors ist zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung zwingend notwendig, die weiteren Sensoren ermöglichen eine Verbesserung der Genauigkeit der bestimmten Leistung. Der Schwungrad-Temperatursensor 203 ermittelt die Temperatur des Schwungrads 101. Da sich die Drehzahl des Schwungrads auf die Abkühlgeschwindigkeit des Schwungrads auswirkt, welche in die Leistungsermittlung einfließt, ist die Kenntnis der Drehzahl von Vorteil. Diese wird in der bevorzugten Lösung mittels eines Schwungrad-Drehzahlsensors 201 bestimmt. Die zyklische Bewegung des Nutzers zum Antrieb des Schwungrads, z. B. die Trittfrequenz oder die Ruderfrequenz wird als Kadenz bezeichnet und in der bevorzugten Lösung mittels eines Sensors, dem Kadenzsensor 202, bestimmt.
• Die Messwerte werden mittels einer Datenübertragungseinheit 204 auf eine Datenübertragungseinheit 208 übermittelt, welche sich auf der Auswerteeinheit 200 befindet. Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise ein Smartphone oder ein Fahrradcomputer kann jedoch beispielsweise ebenfalls eine Sportuhr oder ein Mikrocontroller sein. Der zentrale Abschnitt auf der Auswerteeinheit ist der Leistungs-Schätzabschnitt 210. Dieser benötigt die Information über die Referenztemperatur, die Temperaturveränderung des Schwungrads 209 und vorzugsweise die Schwungrad-Drehzahl, die Kadenz und den Emissionsgrad des Schwungrads. Diese werden durch Sensoren 201, 202, 203, 212 ermittelt und über die Datenübertragungseinheit 208 sowie durch Berechnung im Abschnitt 209 dem Schätzabschnitt 210 bereitgestellt. Die nicht durch Sensoren ermittelbaren Werte werden in den Einstellabschnitten 205, 206 und 207 eingestellt und an dem Schätzabschnitt 210 bereitgestellt. Das Ergebnis ist die ermittelte Leistung, welche mittels der Datenübertragungseinheit 208 zur weiteren Verarbeitung wie z. B. Darstellung, Speicherung, Übermittlung an weitere Abschnitte übermittelt wird.
• Die weiteren Abschnitte sind vorzugsweise: Mindestens ein Weiterverarbeitungsabschnitt 211 zur Berechnung weiterer Leistungsdaten wie Maximalleistung, durchschnittlicher Leistung. Mindestens ein Darstellungsabschnitt 214 um den Nutzer über die Leistung und weitere ermittelte Daten zu informieren. Mindestens ein Datenspeicherabschnitt 215 um die ermittelten Daten für weitere Auswertung und zum Vergleich mit zukünftigen Daten zu speichern. In der bevorzugten Ausführung werden alle Schritte der Auswerteeinheit 200 sowie die folgenden Abschnitte 211, 214, 215 durch ein Smartphone durchgeführt, welches die ermittelten Informationen auch im Internet zur weiteren Verwendung bereitstellen kann.
• [Detaillierte Beschreibung des Verfahrens]
• Wird eine gleichbleibende Leistung durch den Nutzer erbracht, so stellt sich nach einiger Zeit eine konstante, gegenüber der Ausgangstemperatur erhöhte Temperatur des Schwungrads ein. Die Temperaturerhöhung des Schwungrads erfolgt dabei durch die Umwandlung der aufgebrachten Leistung des Nutzers in Wärme über Reibung an der Bremswirkfläche. Bei konstant bleibender Temperatur hat sich ein Gleichgewicht zwischen Abkühlung des Schwungrads und zugeführter Wärme eingestellt. Der Temperaturverlauf wird als Aufheizkurve bezeichnet. Wenn keine Leistung mehr erbracht wird kühlt das Schwungrad auf die Ausgangstemperatur ab. Der Temperaturverlauf kann als Abkühlkurve bezeichnet werden. Durch Kenntnis dieser Kurven kann über die Temperaturveränderung die vom Nutzer in das Schwungrad eingebrachte Energie ΔW_Nutzer berechnet werden. Unter der Annahme, dass die zugeführte Energie des Nutzers vollständig in Wärme umgesetzt wird, lässt sich diese als Summe der thermischen Energie des Rades zuzüglich der thermischen Energie, die an die Umgebung abgegeben wird, schreiben. ΔW_Nutzer = ΔW_th,Rad + ΔW_th,Umgebung (1)
• Bezogen auf die gesuchte Zielgröße P_Nutzer (erbrachte Leistung des Nutzers) ergibt sich damit analog P_Nutzer = P_th,Rad + P_th,Umgebung (2)
• Die Wärmeleistung des Schwungrads P_th,Rad also in das Schwungrad über die Reibungswirkfläche abgegebene thermische Energie pro Zeiteinheit Δt ist abhängig von der Temperaturänderung des Schwungrads, der Masse m und der spezifischen Wärmekapazität c des Schwungrads.
• 
• Das Produkt c·m kann als ein schwungradspezifischer Faktor k₀ betrachtet werden, d. h.
• 
• Gleichzeitig existiert auch ein Wärmeübergang des Schwungrads an die Umgebung, welcher einer bei konstanter Leistung des Nutzers stetigen Temperaturerhöhung des Schwungrads entgegenwirkt. Die Abwärme an die Umgebung P_th,Umgebung ist abhängig von der Temperaturdifferenz des Schwungrads zur Umgebungstemperatur und dem Abkühlverhalten des Schwungrads. Diese Wärmeübertragung an die Umgebung erfolgt durch Wärmestrahlung, über Konvektion durch Verwirbelungen der Luft am Schwungrad oder in geringem Maße auch über Konduktion/Wärmeleitung an der Aufhängung des Schwungrads. Die Eigenschaft, Wärme an die Umgebung abzugeben, ist abhängig von der Art (Material, Größe) des Schwungrads und kann in einem Faktor k₁ zusammengefasst werden. Die Abwärmeleistung ergibt sich dann als Funktion der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Schwungrads T₁ und der Umgebungstemperatur T_Umgebung sowie dem schwungradspezifischen Faktor k₁: P_th,Umgebung = f₁(T₁ – T_Umgebung, k₁) (5)
• Der Wärmeverlust über Konduktion ist zudem abhängig von der Drehzahl n des Schwungrads. Ist die Drehzahl bekannt so ist eine Berücksichtigung der selbigen bei der Berechnung der Abwärmeleistung möglich, d. h.: P_th,Umgebung = f₁(T₁ – T_Umgebung, k₁(n)) (6)
• Mittels der Gleichungen (4) und (6) lässt sich dann die vom Nutzer erbrachte Leistung ermitteln.
• Innerhalb des Modells werden folgende Annahmen getroffen:
• • Kein Wärmeverlust über Aufhängung des Schwungrads
• • Energieverlust zum Erreichen der Rotationsenergie des Schwungrads kann vernachlässigt werden
• • Unterschiedliche Abkühlung des Schwungrads in verschiedenen Abständen von der Drehachse wird vernachlässigt. (kann aber auch berücksichtigt werden, wenn Abstand immer gleich bzw. der Auswerteeinheit bekannt gegeben wird)
• Ein mögliches Vorgehen zur Ermittlung der erbrachten Leistung des Nutzers ist dann wie folgt:
• 1. Bestimmen oder Festlegen der Referenztemperatur bzw.
• Umgebungstemperatur T_Umgebung. Dies kann erfolgen durch:
• a. Messung der Umgebungstemperatur
• b. Messung der Temperatur des Schwungrads vor der Benutzung,
• c. manuelle Angabe einer Referenztemperatur,
• d. Festlegen einer Standardtemperatur (bspw. 20°C) als Umgebungstemperatur oder
• e. Bezug des Wertes aus einer Datenquelle (z. B. Internet).
• 2. Bestimmen oder Festlegen des materialspezifischen Faktors k₀
• a. anhand eines Standardfaktors oder
• sportgerätespezifisch b. z. B. über Abruf einer Online-Datenbank.
• 3. Bestimmen oder Festlegen des materialspezifischen Faktors k₁
• a. anhand eines Standardfaktors,
• sportgerätespezifisch b. z. B. über Abruf einer Online-Datenbank oder
• c. In Abhängigkeit der Drehzahl des Schwungrads k₁(n).
• 4. Messung der Temperatur des Schwungrads T₁ während des Betriebs an mindestens einer Stelle mittels mindestens eines Temperatursensors.
• 5. Übertragung der Temperaturmesswerte an eine Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit kann sich direkt am Temperatursensor befinden oder aber es erfolgt eine Übertragung der Messwerte an eine lokal entfernte Auswerteeinheit wie z. B. ein Smartphone mit entsprechender App oder ein Fitnesscomputer. Für die Auswertung direkt am Temperatursensor bietet sich ein Mikrocontroller an.
• 6. Wird als Auswerteeinheit ein Smartphone oder ein Fitnesscomputer genutzt kann eine Darstellung, Speicherung oder ein Vergleich mit Referenzwerten durchgeführt werden in Datenaustausch oder ez. B. mit anderen Nutzern oder für ein persönliches Fitnessprogramm über eine Online-Verbindung erfolgen.
• [Detaillierte Beschreibung des Systems]
• Im Folgenden werden die einzelnen Elemente des Systems in deren Eigenschaften und Ausführungsmöglichkeiten näher beleuchtet.
• • Schwungrad-Temperatursensor (203, 304)
• Für die vorliegende Aufgabe einsetzbare Temperatursensoren können sich in berührungsbehaftete sowie berührungslos messende Temperatursensoren unterteilen.
• Vorteile einer berührungsbehafteten Temperaturmessung sind eine höhere Genauigkeit der Messwerte und der nicht benötigte Emissionsgrad des Schwungrads. Nachteilig ist, dass der Temperatursensor direkt am Schwungrad angebracht werden muss und damit auch das gesamte Sensorsystem höheren Belastungen (Fliehkräfte, Temperaturschwankungen) unterworfen wird.
• Eine berührungslose (strahlungsbasierte) Temperaturmessung z. B. mit einem Pyrometersensor erlaubt die Anbringung des Sensors zum Beispiel an der Aufhängung des Schwungrads. Dadurch erfährt das Sensorsystem geringere Belastungen während des Einsatzes. Da jedoch Schwungräder unterschiedliche Beschichtungen/Oberflächen aufweisen können, muss vom jeweiligen Modell der Emissionsgrad des Schwungrads bekannt sein, um den Einfluss der von Störungen aus der Umgebung kompensieren zu können.
• In der bevorzugten Lösung kommt ein berührungsbehafteter Temperatursensor zum Einsatz, da hier keine Kenntnis des Emissionsgrades des Schwungrads notwendig ist.
• • Referenz-Temperatursensor (212)
• Die Referenztemperatur, vorzugsweise die Umgebungstemperatur wird zur Berechnung der Leistung genutzt. Es ist möglich den im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen Schwungradtemperatursensor einzusetzen, um die Temperatur des Schwungrads vor dessen Benutzung als Umgebungstemperatur zu betrachten. Hierzu ist keine weitere Sensorik notwendig. Ebenso ist ein weiterer Temperatursensor nicht notwendig, wenn eine feste Umgebungstemperatur z. B. 20°C angenommen wird oder wenn der Nutzer über eine Eingabeeinheit die Umgebungstemperatur manuell angeben kann. Weiter können lokale Temperaturwerte aus dem Internet abgerufen und verwendet werden.
• Die Kenntnis der momentanen Umgebungstemperatur ist von Vorteil für die Genauigkeit der Leistungsermittlung. Speziell in geschlossenen Räumen kann sich die Raumtemperatur über die Länge einer Trainingseinheit erhöhen (oder z. B. beim Öffnen eines Fensters ändern). Für die dauerhafte Ermittlung der Umgebungstemperatur ist ein weiterer Temperatursensor notwendig, beispielsweise ein strahlungsbasierter Temperatursensor (Pyrometer) mit großem Öffnungswinkel in abgewandter Richtung vom Schwungrad.
• • Kadenzsensor (202)
• Unter Kadenz wird die zyklische Frequenz, die für das Antreiben des Schwungrads aufgewendet wird, verstanden. Die Kenntnis der Kadenz ist für das vorgestellte Verfahren nicht zwingend notwendig, aber vorteilhaft, da die zusätzliche Information dazu genutzt werden kann, um bei schnellen Frequenzänderungen die Leistungsermittlung über Temperveränderungen des Schwungrads zu unterstützen.
• Gemessen wird die Kadenz z. B. bei Spinning-Fahrrädern über einen Magneten an der Tretkurbel. Der Messwert für die Kadenz kann drahtlos oder über Kabel an eine gemeinsame Auswerteeinheit gesendet werden.
• • Schwungrad-Drehzahlsensor (201)
• Die Bestimmung der Drehzahl des Schwungrads kann eine genauere Messung der Leistung ermöglichen, da die Abkühlung von der Drehzahl des Schwungrads beeinflusst wird. Bei Kenntnis der Drehzahl kann dieser Effekt in der Leistungsermittlung berücksichtigt werden. Als Schwungrad-Drehzahlsensoren eignen sich beispielsweise:
• a. Ein zusätzlicher Drehzahlsensor der z. B. über einen Magneten am Schwungrad und einen Magnetschalter am Rahmen die Drehzahl bestimmt.
• b. Der Schwungrad-Temperatursensor, wenn ein berührungsloser Temperatursensor zum Einsatz kommt. In diesem Fall kann beispielsweise über Anbringen einer Referenzfläche, mit einem vom Emissionsgrad des Schwungrads abweichenden Emissionsgrad, aus den ermittelten Temperaturmessungen, die Drehzahl des Schwungrads berechnet werden (beispielsweise über eine Fourieranalyse der Daten)
• c. Ein Beschleunigungssensor innerhalb des am Schwungrad angebrachten Messsystems 104. Bei bekanntem Abstand des Sensorsystems von der Drehachse kann die Drehzahl des Schwungrads aus den Beschleunigungsmessungen berechnet werden.
• d. Falls kein Sensor eingesetzt wird, kann auch eine mittlere Drehzahl des Schwungrads in den Berechnungen angenommen werden.
• • Mikrocontrollereinheit (305, 200, 211, 215)
• Eine Mikrocontrollereinheit wird benötigt, um die Messdaten des Sensors/der Sensoren auszulesen und an die Übertragungseinheit 204 weiterzugeben. Bevorzugt wird ein weiteres Gerät beispielsweise ein Smartphone zur Berechnung der Leistung d. h. als Auswerteeinheit 200 und zur Weiterverarbeitung 211, 215 verwendet. Optional kann auf der Mikrocontrollereinheit die Berechnung der Leistung erfolgen (beispielsweise wenn in der Darstellungseinheit keine Möglichkeiten zur Implementierung eigener Algorithmen existieren). In diesem Fall werden die hier berechneten Leistungswerte an die Übertragungseinheit zum Senden übermittelt. Eine weitere Aufgabe ist die Vorverarbeitung der zu übermittelnden Daten in solcher Weise, dass die Datenübertragungseinheit diese Daten verarbeiten kann. Bei der Mikrocontrollereinheit handelt es sich vorzugsweise um einen Mikrocontroller, der in einem geeigneten Gehäuse entweder direkt am Schwungrad (berührungsbehaftete Temperaturmessung) oder in dessen Nähe (berührungslose Temperaturmessung) angebracht wird.
• • Übertragungseinheit (204, 307)
• Die Übertragungseinheit ist notwendig, um die akquirierten Daten zur Weiterverarbeitung zu übermitteln. Möglich ist auch ein Empfang von eingegebenen Parametern wie die Mittlere-Schwungraddrehzahl 205, die Referenztemperatur 206 oder der Emissionsgrad 207 die in der Auswerteeinheit bei der Verarbeitung der Daten genutzt werden. Eine geeignete Realisierung der Übertragungseinheit ist beispielsweise mittels eines Bluetooth-Senders/-empfängers oder eines ANT+-Senders/-Empfängers machbar. Diese Schnittstelle hat eine hohe Verbreitung bei den möglichen Darstellungseinheiten (Smartphone, Fitnesscomputer) was eine gute Anbindung gewährleistet und andererseits auch der Mobilität des Systems förderlich ist.
• • Darstellungsabschnitt 214, Datenspeicherabschnitt 215, Weiterverarbeitungsabschnitt 211
• Über den Darstellungsabschnitt werden dem Nutzer die ermittelten Leistungswerte präsentiert. Ist die Implementierung eigener Algorithmen für die Darstellungseinheit möglich (z. B. Apps) dann ist die Darstellungseinheit gleichzeitig Auswerteeinheit 200 und wird für die Berechnung der Leistungswerte anhand der gemessenen Temperaturwerte verwendet. Zudem ergeben sich mittels eines Datenspeicherabschnitts sowie eines Weiterverarbeitungsabschnitts Möglichkeiten zur Leistungskontrolle über mehrere Trainingseinheiten hinweg oder auch zum Leistungsvergleich mit weiteren Nutzern (Social Workout).
• Vorteile/Anwendbarkeit der Erfindung
• Die Erfindung besitzt im Vergleich zu den verfügbaren Technologien die folgenden technischen und wirtschaftlichen Vorteile:
• – Deutlich geringere Herstellungskosten
• – Kleine Abmaße und daher hohe Mobilität
• – Leichtes Anbringen an vorhandene Sportgeräte
• – Individueller Einsatz eines Systems an mehreren Sportgeräten aufgrund der Flexibilität bei der Montage
• – Hohe Flexibilität bei der Anbindung an Darstellungs-/Auswerteeinheiten (Datenübertragung an vorhandene Fitnesscomputer und auch Smartphones mit speziellen neu programmierten Apps möglich)
• – individuelle Leistungsüberprüfung an unterschiedlichsten Sportgeräten mit Schwungrad mit nur einem System
• Ausführungsbeispiel
• Ein mögliches Ausführungsbeispiel ist wie folgt gegeben:
• Ein Sensorsystem nach mit
• – einem Temperatursensor zur berührungsbehafteten Messung der Temperatur des Schwungrads (304),
• – einem Mikrocontroller zur Verarbeitung der Messdaten und Aufbereitung für das Versenden (305)
• – einer Batterie (Knopfzelle) als Stromversorgung (306)
• – einem Bluetooth-Modul als Übertragungseinheit (307)
verbunden auf einer Platine (303) die in einem Kunststoffgehäuse (301) untergebracht ist, das mittels zweier Magneten (302) leicht an ein Schwungrad (101) an- und abmontiert werden kann. Ferner ist das Sensorsystem kabellos gekoppelt mit einem Smartphone mit einer speziellen App zum Verarbeiten, Speichern und Darstellen der gemessenen Daten.
• Der Temperatursensor misst im Abstand weniger Millisekunden die Temperatur des Schwungrads und gibt diese an den Mikrocontroller weiter. Die vom Mikrocontroller aufbereiteten Daten werden dann über das Bluetooth-Modul an das gekoppelte Smartphone des Nutzers weitergesendet. Dort wird nach dem aufgezeigten Algorithmus die Leistung ermittelt, die der Nutzer auf das Schwungrad überträgt. Die Leistungsinformation kann dann weiterverarbeitet, dargestellt (z. B. der Verlauf der Leistung oder Abweichungen von einem gewünschten Sollwert) und gespeichert werden.
• Obwohl die Erfindung oben unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen und Änderungen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele werden Fachleuten auf diesem Gebiet im Lichte der obigen Offenbarung in den Sinn kommen. Der Umfang der Erfindung ist unter Bezugnahme auf die folgenden Ansprüche definiert.
• Bezugszeichenliste

101

Schwungrad

102

Wirkfläche zur Bremsung

103

Antrieb

104

System zur Bestimmung der Leistung

301

Gehäuse

302

Magnete

303

Platine

304

Temperatursensor

305

Mikrocontrollereinheit

306

Stromversorgung/Batterie

307

Übertragungseinheit

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 66482130 [0006]
• DE 3031313 A [0006]
• US 7878946 [0009]
• US 5816599 [0010]
• US 8336400 [0010]
• FR 2394790 [0010]

Claims (13)

1. Ein Verfahren zur Bestimmung der Leistung, die von einem Nutzer auf ein Sportgerät übertragen wird, mit einem Schwungrad, das von einem Nutzer angetrieben wird und auf das über eine Wirkfläche ein Widerstand zur Bremsung übertragen wird, umfassend die folgenden Verfahrensschritte a) Berücksichtigung mindestens einer Referenztemperatur, die eine Approximation der Umgebungstemperatur des Sportgerätes darstellt, b) Antrieb des Schwungrads des Sportgerätes durch einen Nutzer, c) Übertragung eines Widerstands über eine Wirkfläche auf das Schwungrad zur Bremsung, d) Erfassung mindestens einer Temperatur des Schwungrads außerhalb der Wirkfläche des Widerstands durch mindestens einen Temperatursensor, e) Bestimmung der Leistung als Funktion von der mindestens einen Referenztemperatur und der Temperatur des Schwungrads.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des Schwungrads ohne Kontakt zum Schwungrad gemessen wird.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kadenz oder die Drehzahl des Schwungrads bei der Bestimmung der Leistung mit berücksichtigt werden.
4. Ein System zur Bestimmung der Leistung, die von einem Nutzer auf ein Sportgerät übertragen wird, mit einem Schwungrad, das von einen Nutzer angetrieben wird und auf das über eine Wirkfläche ein Widerstand zur Bremsung übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) mindestens ein Temperatursensor zur Erfassung von mindestens einer Temperatur des Schwungrads außerhalb der Wirkfläche des Widerstands eingesetzt wird, b) eine Berechnungseinheit eingesetzt wird, welche die Leistung als Funktion der Temperatur des Schwungrads und mindestens einer Referenztemperatur, die eine Approximation der Umgebungstemperatur des Sportgerätes darstellt, bestimmt.
5. Verwendung eines Systems nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das System lösbar mittels Klemmung, Magnetverbindung, Gummibändern, Klettbändern, Schnürung oder Klebung mit dem Sportgerät verbunden ist.
6. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor zur Ermittlung der Kadenz oder der Drehzahl des Schwungrads eingesetzt wird und die dabei ermittelten Messwerte in der Berechnungseinheit bei der Bestimmung der Leistung mit berücksichtigt werden.
7. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Referenztemperatur durch mindestens einen Temperatursensor ermittelt, durch einen Nutzer angegeben oder aus einer Datenquelle abgerufen wird.
8. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Temperaturen mindestens ein berührungslos messender Temperatursensor zum Einsatz kommt.
9. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgabeeinheit dem Nutzer die ermittelten und berechneten Werte anzeigt.
10. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte der eingesetzten Sensoren drahtlos an die Ausgabeeinheit übermittelt werden.
11. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System benötigte oder ermittelte Werte mit dem Internet austauscht.
12. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sportgerät ein Spinning-Fahrrad, Rudergerät, Cross-Trainer oder Stepper ist.
13. Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Leistung zur automatischen Anpassung des Widerstands zur Bremsung des Schwungrads verwendet wird.

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