DE102016118920A1

DE102016118920A1 - Trainingsgerät

Info

Publication number: DE102016118920A1
Application number: DE102016118920.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Battlogg
Original assignee: Inventus Engineering GmbH
Current assignee: Inventus Engineering GmbH
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: EP3436717A2; CN109073030A; WO2017168004A3; DE102016118920B4; WO2017168004A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trainingsgerät (300) zur gezielten Muskelbetätigung. Das Trainingsgerät (300) umfasst ein muskelkraftbetriebenes Betätigungselement (301) und eine Dämpfereinrichtung (10) mit zwei relativ zueinander bewegbaren Komponenten (2, 3). Eine der Komponenten (2, 3) ist mit dem Betätigungselement (301) wirkverbunden, sodass eine Bewegung des Betätigungselementes (301) dämpfbar ist. Der Dämpfereinrichtung (10) sind ein feldempfindliches rheologisches Medium (5) und eine Felderzeugungseinrichtung (7) zur Erzeugung und Steuerung einer Feldstärke zugeordnet. Durch die Felderzeugungseinrichtung (7) ist eine Dämpfungseigenschaft beeinflussbar. Dabei ist eine Steuereinrichtung (302) dazu geeignet und ausgebildet, die Felderzeugungseinrichtung (11) in Abhängigkeit eines Trainingsparameters gezielt zu steuern, sodass die Bewegung des Betätigungselementes (301) unter Berücksichtigung des Trainingsparameters dämpfbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trainingsgerät zur gezielten Muskelbetätigung mit wenigstens einem wenigstens teilweise muskelkraftbetriebenen Betätigungselement und mit wenigstens einer Dämpfereinrichtung.
Ein entscheidendes Merkmal von Trainingsgeräten ist deren Anpassungsfähigkeit an bestimmte Trainingsvorgaben und an die individuellen Bedürfnisse der Trainingsperson. Daher weisen Trainingsgeräte in der Regel verschiedene Einstellmöglichkeiten auf. Beispielsweise kann eingestellt werden, welche Kraft die Trainingsperson aufbringen muss oder wie sehr sie sich strecken oder dehnen muss.
Allerdings ist die Einstellung von Trainingsgeräten oft sehr unkomfortabel und zeitaufwendig. In der Regel sind Fachkenntnisse vorausgesetzt, um die für ein gezieltes Training notwendigen Einstellungen optimal vornehmen zu können. Es kann sogar vorkommen, dass aufgrund von fehlerhaften Einstellungen Überbelastungen und Schmerzen auftreten.
Im Stand der Technik sind daher Trainingsgeräte bekannt geworden, bei denen die Trainingsbewegungen durch Dämpfer beeinflusst werden. Das ermöglicht in der Regel eine einfachere Einstellung bestimmter Trainingsvorgaben.
Für ein optimales Training und eine besonders komfortable Benutzung der Trainingsgeräte wäre es jedoch von Vorteil, wenn die Einstellung der entsprechenden Dämpfer noch gezielter und insbesondere auch wenigstens teilweise automatisiert erfolgen könnte.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Trainingsgerät zur Verfügung zu stellen, welches ein verbessertes Training ermöglicht und besonders unaufwendig und vorzugsweise auch wenigstens teilweise automatisiert eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Trainingsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
Das erfindungsgemäße Trainingsgerät dient zur gezielten Muskelbetätigung und umfasst wenigstens ein wenigstens teilweise muskelkraftbetriebenes Betätigungselement. Das Trainingsgerät umfasst wenigstens eine Dämpfereinrichtung mit wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren Komponenten. Eine der Komponenten ist mit dem Betätigungselement wirkverbunden, sodass eine Bewegung des Betätigungselements dämpfbar ist. Der Dämpfereinrichtung sind ein feldempfindliches rheologisches Medium und wenigstens eine Felderzeugungseinrichtung zu Erzeugung und Steuerung einer Feldstärke zugeordnet. Durch die Felderzeugungseinrichtung ist wenigstens eine Dämpfungseigenschaft beeinflussbar.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Trainingsgerät wenigstens eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, die Felderzeugungseinrichtung in Abhängigkeit wenigstens eines Trainingsparameters gezielt zu steuern. Vorzugsweise ist dadurch die Bewegung des Betätigungselements unter Berücksichtigung des Trainingsparameters dämpfbar.
Das erfindungsgemäße Trainingsgerät bietet viele Vorteile. Durch die entsprechende Dämpfereinrichtung des Trainingsgeräts kann das Training erheblich verbessert werden, da die Dämpfung sehr gezielt einstellbar ist. Zudem können die für das Training gewünschten Einstellungen besonders komfortabel und unaufwendig vorgenommen werden.
Besonders vorteilhaft ist auch die Steuereinrichtung. Durch diese kann die Felderzeugungseinrichtung so eingestellt werden, dass ein Training mit sehr gezielten Trainingsparametern möglich ist. Zudem kann über die Steuereinrichtung eine automatisierte Einstellung des Trainingsgerätes erfolgen. Dazu kann ein Trainer bzw. Therapeut die erforderlichen Trainingsparameter im Vorfeld ermitteln und im Trainingsgerät hinterlegen. Oder der Benutzer erhält die Trainingsparameter online bzw. aus dem Netz. Die Trainingsperson kann dann mit dem Training beginnen, ohne selbst Einstellungen vorzunehmen oder auf den Trainer warten zu müssen.
Insbesondere ist der Trainingsparameter in der Steuereinrichtung hinterlegt. Der Trainingsparameter kann auch auf einem Speichermedium hinterlegt sein, welches mit der Steuereinrichtung wirkverbunden ist. Beispielsweise kann der Trainingsparameter auf einem transportablen Speichermedium hinterlegt sein, welches die Trainingsperson mit sich führt. So kann durch Einlegen des Speichermediums oder auch durch eine Nahfeld-Erkennung eine automatisierte Einstellung der gewünschten Trainingsparameter erfolgen, wenn die Trainingsperson das Trainingsgerät nutzt.
Insbesondere ist in Abhängigkeit des Trainingsparameters eine zur Bewegung einer der beiden Komponenten aufzubringende Dämpfungskraft einstellbar. Durch die Dämpfungskraft ist insbesondere die Betätigungskraft des Betätigungselements einstellbar.
Vorzugsweise ist in Abhängigkeit des Trainingsparameters ein Weg und/oder ein Drehwinkel einstellbar, über welchen wenigstens eine der beiden Komponenten bewegbar ist. Dadurch ist insbesondere auch der Weg und/oder der Drehwinkel der Bewegung des Betätigungselements einstellbar. Möglich ist auch, dass über die Einstellung der Dämpfungskraft die Bewegbarkeit des Betätigungselements einschränkbar und/oder blockierbar ist. So kann beispielsweise eine Bewegung des Betätigungshebels außerhalb eines vorgegebenen Weges bzw. Drehwinkels verhindert werden. Das Blockieren des Betätigungselements erfolgt insbesondere durch Einstellen einer entsprechend hohen Dämpfungskraft, sodass beispielsweise das Betätigungselement nicht mehr durch Muskelkraft bewegbar ist.
Vorzugsweise ist die Dämpfungseigenschaft während einer einzelnen Betätigung des Betätigungselements variierbar. Insbesondere ist eine einzelne Betätigung des Betätigungselements mit unterschiedlichen Dämpfungseigenschaften und beispielsweise mit unterschiedlichen Dämpfungskräften ausführbar.
Beispielsweise ist die Betätigung ein Ziehen an einem Armhebel oder ein Schwenken eines Beinhebels. Dann können zu Beginn des Ziehens bzw. Schwenkens andere Dämpfungseigenschaften und vorzugsweise andere Dämpfungskräfte einstellbar sein als im weiteren Verlauf oder gegen Ende des Ziehens bzw. Schwenkens.
Die Einstellung der Dämpfungseigenschaft während einer Betätigung kann durch wenigstens eine Funktion beschreibbar sein. Die Funktion ist vorzugsweise in der Steuereinrichtung hinterlegt. Das bietet erhebliche Vorteile gegenüber einer Dämpfung, welche während der gesamten Betätigung auf einem bestimmten Wert verbleibt. Bei vielen Übungen ist es von großem Vorteil, wenn gerade zu Beginn oder gegen Ende der jeweiligen Bewegung bzw. Betätigung die Dämpfungskraft gezielt abgesenkt oder angehoben wird. Aufgrund der Dämpfereinrichtung mit dem rheologischen Medium bzw. mit der Felderzeugungseinrichtung kann die Dämpfungskraft während einer einzelnen Betätigung durch Anpassen der Feldstärke nahezu beliebig variiert werden. Das bietet erhebliche Vorteile gegenüber Trainingsgeräten, die über mechanische Ventile eingestellt werden müssen.
Der Trainingsparameter ist besonders bevorzugt einer Gruppe von Parametern entnommen, welche eine zur Betätigung des Betätigungselements vorgesehene Kraft bzw. Drehmoment, Geschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit, Beschleunigung, Strecke, Bewegungsrichtung bzw. Drehrichtung, Bewegungsbahn und einen zur Betätigung des Betätigungselements vorgesehenen Winkel umfasst. Die Berücksichtigung solcher Trainingsparameter bei der Steuerung der Dämpfereinrichtung ermöglicht eine besonders gezielte Anpassung an die individuellen Trainingsvoraussetzungen einer Trainingsperson. Der Winkel kann beispielsweise den Bereich vorgeben, um den das Betätigungselement mit einer bestimmten Kraft und/oder Geschwindigkeit verschwenkbar ist.
Möglich ist auch, dass der Trainingsparameter wenigstens ein Parameter der Gruppe als Funktion wenigstens eines anderen Parameters der Gruppe beschreibt. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit und/oder die Kraft als Funktion der Strecke und/oder des Winkels in der Steuereinrichtung hinterlegbar sein.
Die Steuereinrichtung ist bevorzugt dazu geeignet und ausgebildet, die Felderzeugungseinrichtung in Abhängigkeit wenigstens eines Trainingsparameters als Funktion wenigstens eines anderen Trainingsparameters zu steuern.
Beispielsweise kann der Trainer bestimmten Winkelstellungen des Betätigungselements bestimmte Kräfte zur Betätigung des Betätigungselements zuordnen. Die Steuereinrichtung berücksichtigt dann insbesondere die Kraft als Funktion des Winkels. Das hat den Vorteil, dass in bestimmten Stellungen des Betätigungselements eine höhere oder auch eine geringere Kraft von der Trainingsperson abverlangt wird. Besonders von Vorteil ist dies bei Rehaübungen, da in bestimmten Dehnungsstellungen hohe Kräfte vermieden werden müssen. So kann bei der Rehabilitation einer Knieverletzung mit zunehmendem Streckwinkel des Knies eine geringere Dämpfung und somit eine geringere Betätigungskraft vorgesehen sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, anhand wenigstens einer Sensoreinrichtung wenigstens eine Kenngröße für die Bewegung des Betätigungselements zu erfassen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, die Felderzeugungseinrichtung unter Berücksichtigung der Kenngröße gezielt zu steuern. Insbesondere ist die Dämpfungskraft zur Bewegung wenigstens einer der beiden Komponenten unter Berücksichtigung der Kenngröße einstellbar. Insbesondere betrifft die erfasste Kenngröße eine oder mehrere der Größen, welche auch als Trainingsparameter herangezogen werden. Insbesondere beschreibt die Kenngröße eine zur Betätigung des Betätigungselements vorgesehene Kraft bzw. Drehmoment, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Strecke, Bewegungsrichtung bzw. Drehrichtung, Bewegungsbahn und/oder einen Winkel.
Eine solche Ausgestaltung hat den besonderen Vorteil, dass die Einstellung der Dämpfungskraft nicht nur in Abhängigkeit eines zuvor festgelegten Trainingsparameters erfolgt, sondern auch durch eine sensorische Überwachung des Trainings anpassbar und besonders bevorzugt auch regelbar ist. So können z. B. falsch ausgeführte Übungen und zum Beispiel zu schnelle Bewegungen auch ohne Anwesenheit des Trainers erkannt werden können. Beispielsweise kann bei Erkennung von zu schnell ausgeführten Bewegungen die Dämpfungskraft so nach geregelt werden, dass die Trainingsperson aufgrund einer erhöhten Dämpfungskraft die Übung entsprechend langsamer ausführt.
Bevorzugt ist es auch möglich, dass die erfasste Kenngröße in der Steuereinrichtung hinterlegt wird. Dadurch hat der Trainer die Möglichkeit, den Trainingsverlauf im Nachhinein zu analysieren und das Training eventuell anzupassen.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, den Trainingsparameter in Abhängigkeit der Kenngröße anzupassen. Das ermöglicht eine intelligente bzw. adaptive Anpassung des Trainingsparameters. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Anpassung des Trainingsparameters durch die Steuereinrichtung erfolgt. Das erspart dem Trainer eine zeitaufwendige und mühsame Neubestimmung des Trainingsparameters. Besonders vorteilhaft an einer solchen Ausgestaltung ist auch, dass der Trainer zunächst einen Erfahrungswert bzw. einen Näherungswert als Trainingsparameter vorgeben kann. Sollte dieser Trainingsparameter einer Optimierung bedürfen, erkennt dies die Steuereinrichtung insbesondere aufgrund der sensorisch erfassten Kenngröße und nimmt z. B. eine selbstständige Anpassung des Trainingsparameters vor.
Beispielsweise gibt die sensorisch erfasste Kenngröße die Geschwindigkeit bei der Betätigung des Betätigungselements an. Übersteigt die Geschwindigkeit einen Schwellenwert, kann von einer eher einfachen Übung ausgegangen werden. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, bei Überschreiten eines Schwellenwertes den Trainingsparameter anzupassen. Beispielsweise stellt die Steuereinrichtung die zur Betätigung notwendige Kraft anhand der Dämpfungskraft auf einen höheren Wert ein. Dadurch wird das Trainingsniveau automatisch auf einem vorteilhaften Level gehalten.
Besonders bevorzugt ist Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, eine dauerhafte Anpassung des Trainingsparameters vorzunehmen. Dadurch kann auch bei späteren Trainingseinheiten der angepasste und nicht der ursprüngliche Trainingsparameter herangezogen werden. Möglich ist aber auch, dass durch die Steuereinrichtung nur eine zeitweise Anpassung des Trainingsparameters erfolgt. Beispielsweise wird der Trainingsparameter nur für eine Sitzung oder Betätigung angepasst.
In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass sie Dämpfereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet ist, die Dämpfungseigenschaft in Echtzeit einzustellen. Insbesondere ist die Dämpfereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, unter Berücksichtigung der Kenngröße die Dämpfungseigenschaft in Echtzeit einzustellen. Dadurch ist auch bei schnellen bzw. sehr dynamischen Trainingsabläufen eine optimale Anpassung an die individuellen Bedürfnisse der Trainingsperson möglich.
Ein erheblicher Vorteil eines Trainingsgeräts nach der Erfindung besteht darin, dass die Dämpfereinrichtung mit einem magnetorheologischen Fluid als Arbeitsfluid ausgerüstet ist. Es von der Steuereinrichtung gesteuert das Magnetfeld der elektrischen Spule in Echtzeit, d. h. in wenigen Millisekunden (kleiner 10 oder 20 ms) eingestellt werden. Somit kann in Echtzeit auch die Dämpfungskraft eingestellt werden.
Besonders bevorzugt ist die Dämpfungseigenschaft während einer einzelnen Betätigung des Betätigungselements unter Berücksichtigung der Kenngröße adaptiv variierbar. So kann einer falsch ausgeführten und zum Beispiel zu schnellen Betätigung des Betätigungselements besonders schnell durch Anpassung der Dämpfungseigenschaft entgegengewirkt werden. Das ist besonders bei einem Rehabilitationstraining von Vorteil, da bereits eine einzige zu kräftig oder zu sehr gestreckte Bewegung zu großen Schmerzen bei der Trainingsperson führen kann. So kann beispielsweise eine zu kräftig ausgeführte Bewegung bereits im Ansatz sensorisch erkannt und dadurch unterbunden werden, dass die Dämpfungskraft stark reduziert oder ganz zurückgenommen wird.
Es ist möglich und bevorzugt, dass sie Dämpfereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet ist, eine muskelkraftbetriebene Bewegung des Betätigungselements mittels der Felderzeugungseinrichtung und des feldempfindlichen rheologischen Mediums zu blockieren. Dadurch können bestimmte Bewegungen der Trainingsperson gezielt verhindert werden. Beispielsweise kann ein Bewegungsspielraum dadurch angepasst werden und/oder eine zu weitläufige Bewegung gestoppt werden. Bevorzugt ist die Dämpfereinrichtung dazu derart ausgelegt, dass die maximale Dämpfungskraft ein Mehrfaches der zu erwartenden Muskelkraft beträgt.
Besonders bevorzugt ist die Bewegung in Abhängigkeit des Trainingsparameters und/oder der Kenngröße blockierbar. Dadurch können ungünstige Trainingsbewegungen gezielt und vorteilhaft verhindert werden. Da ein solches Blockieren besonders schnell und vorzugsweise in Echtzeit erfolgen kann, werden ungünstige Bewegungen bereits im Ansatz verhindert. Beispielsweise kann der Trainer einen Winkel bzw. einen Winkelbereich festlegen, in denen die Bewegbarkeit des Betätigungselements gezielt blockiert wird. Durch die Blockierung in Abhängigkeit der erfassten Kenngröße kann eine ungünstige Bewegung besonders schnell und vorzugsweise in Echtzeit verhindert werden, wenn die Kenngröße auf eine solche Bewegung hinweist.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass das Betätigungselement einer Gruppe von Betätigungselementen entnommen ist, umfassend: Pedaltrieb, Beinhebel, Kniehebel, Armhebel, Rückenhebel, Bauchhebel, Rumpfhebel, Seilzug, Ruderhebel. Das Betätigungselement kann auch als ein Fingerhebel und/oder Handhebel und/oder Handgelenkhebel ausgebildet sein. Der Pedaltrieb kann als eine Trittplatte ausgebildet sein oder wenigstens eine solche umfassen. Vorzugsweise ist für jeden Finger und/oder jeden Fuß jeweils ein Betätigungselement vorgesehen.
Unter einem Hebel wird insbesondere auch eine Schwinge bzw. ein verschwenkbares und/oder drehbares Hebelelement oder auch ein Druck- oder Zughebel verstanden. Über das Betätigungselement erfolgt insbesondere ein Ziehen und/oder Drücken.
Das Trainingsgerät kann auch als ein Handtrainer ausgeführt sein oder wenigstens einen solchen umfassen. Dabei sind insbesondere zwei Betätigungselemente vorgesehen, welche an ihren Endabschnitten über eine Schwenklagereinrichtung miteinander verbunden sind. Vorzugsweise ist das eine Betätigungselement mit der einen Komponente und das andere Betätigungselement mit der anderen Komponente der Dämpfereinrichtung und z. B. des Drehdämpfers verbunden, sodass ein Verschwenken der beiden Betätigungselemente dämpfbar ist.
Das Trainingsgerät kann auch als ein Fingertrainer ausgeführt sein oder wenigstens einen solchen umfassen. Dabei ist für jeden Finger ein Betätigungselement mit jeweils wenigstens einem Dämpfer vorgesehen. Der Trainingsparameter gibt dann unter anderem die Anzahl der zu bewegenden Finger und/oder den Fingertyp vor. Die Dämpfer dieser Finger sind dann mit einer definierten Dämpfungskraft bzw. einer durch eine Funktion definierten Dämpfungskurve betätigbar. Die Dämpfer der anderen Finger sind dann insbesondere blockiert. Es können auch alle Finger freigegeben sein. Es können für jeden Finger individuelle Dämpfungskräfte bzw. Dämpfungskurven vorgesehen sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Trainingsgerät wenigstens eine Dämpfereinrichtung mit wenigstens einem Drehdämpfer. Insbesondere umfasst die eine Komponente eine Innenkomponente und die andere Komponente eine Außenkomponente. Insbesondere umgibt die Außenkomponente die Innenkomponente vorzugsweise wenigstens abschnittsweise radial. Insbesondere ist zwischen den Komponenten ein radial nach innen von der Innenkomponente und radial nach außen von der Außenkomponente begrenzter und wenigstens teilweise mit dem rheologischen Medium gefüllter ringförmiger und umlaufender Dämpfungsspalt angeordnet. Der Dämpfungsspalt ist insbesondere durch die Felderzeugungseinrichtung einem Magnetfeld aussetzbar, um eine Schwenkbewegung zwischen den beiden gegeneinander verschwenkbaren Komponenten um eine Achse zu dämpfen.
Besonders bevorzugt ist eine Mehrzahl an wenigstens teilweise radial verlaufenden Armen an wenigstens einer der Komponenten vorgesehen. Insbesondere ist wenigstens ein Teil der Arme mit einer elektrischen Spule mit wenigstens einer Wicklung ausgerüstet. Insbesondere erstreckt sich die Wicklung jeweils neben der Achse und beabstandet von der Achse.
Ein solcher Drehdämpfer eignet sich besonders gut zur Verwendung in dem Trainingsgerät, da er nur wenig Bauraum benötigt und sehr schnell einstellbar ist.
Insbesondere umfasst das Trainingsgerät wenigstens eine Getriebeeinrichtung. Die Getriebeeinrichtung ist vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, eine lineare Bewegung des Betätigungselements wenigstens teilweise in eine Schwenkbewegung einer der beiden Komponenten umzusetzen, sodass die lineare Bewegung durch den Drehdämpfer dämpfbar ist.
Möglich ist auch, dass das Betätigungselement selbst drehbar ist. Dann ist die Drehbewegung des Betätigungselements vorzugsweise direkt durch den Drehdämpfer dämpfbar.
Vorzugsweise umfasst das Trainingsgerät einen Drehdämpfer mit wenigstens einer Verdrängereinrichtung, wobei die Verdrängereinrichtung eine Dämpferwelle und ineinander eingreifende Verdrängerkomponenten aufweist, wobei eine Drehbewegung der Dämpferwelle dämpfbar ist. Dabei enthält die Verdrängereinrichtung vorzugsweise wenigstens ein magnetorheologisches Fluid als Arbeitsfluid und ist damit betreibbar. Es ist vorzugsweise eine Steuereinrichtung zugeordnet, mit der ein Magnetfeld einer wenigstens eine elektrische Spule umfassenden Magnetfeldquelle bzw. Magnetfelderzeugungseinrichtung steuerbar ist. Durch das Magnetfeld ist das magnetorheologische Fluid beeinflussbar, um eine Dämpfung der Drehbewegung der Dämpferwelle einzustellen.
Vorzugsweise umfasst das Trainingsgerät eine Dämpfereinrichtung mit wenigstens einer Dämpfereinheit, wobei eine Dämpfung der Drehbewegung zwischen den wenigstens zwei Komponenten einstellbar ist. Dabei ist wenigstens ein Kanal vorgesehen, wobei der Kanal ein magnetorheologisches Medium enthält. Es ist wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Magnetfeldes in dem Kanal vorgesehen, um mit dem Magnetfeld das magnetorheologische Medium in dem Kanal zu beeinflussen. In Kanal ist vorzugsweise wenigstens ein Drehkörper vorgesehen.
In einer Weiterbildung ist ein freier Abstand zwischen dem Drehkörper und der Komponente wenigstens zehnmal so groß ist wie ein typischer mittlerer Durchmesser der magnetisch polarisierbaren Partikel in dem magnetorheologischen Medium.
Vorzugsweise ist zwischen dem Drehkörper und wenigstens einer Komponente wenigstens ein spitzwinkliger und das magnetorheologische Medium enthaltender Bereich vorgesehen, der mit dem Magnetfeld der Magnetfelderzeugungseinrichtung beaufschlagbar ist, um die Partikel wahlweise zu verketten und/oder mit dem Drehkörper zu verkeilen oder freizugeben.
Dabei kann der spitzwinklige Bereich zwischen dem Drehkörper und einer Komponente sich in Richtung der Relativbewegung der Komponente relativ zu dem Drehkörper verjüngen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Dämpfereinrichtung wenigstens einen Lineardämpfer mit wenigstens einer ersten Dämpferkammer und wenigstens einer zweiten Dämpferkammer. Die erste und die zweite Dämpferkammer sind insbesondere über wenigstens ein steuerbares Dämpfungsventil miteinander gekoppelt. Dem Dämpfungsventil ist vorzugsweise die Felderzeugungseinrichtung zugeordnet. Die Felderzeugungseinrichtung dient insbesondere zur Erzeugung und Steuerung einer Feldstärke in wenigstens einem Dämpfungskanal des Dämpfungsventils. In dem Dämpfungskanal ist vorzugsweise das feldempfindliche rheologische Medium vorgesehen.
Ein solcher Lineardämpfer kann besonders gut zur Dämpfung von translatorischen bzw. linearen Bewegungen des Betätigungselements eingesetzt werden. Möglich ist auch, dass der Lineardämpfer über wenigstens eine Getriebeeinrichtung mit dem Betätigungselement wirkverbunden ist. Dabei ist die Getriebeeinrichtung insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, eine Drehbewegung des Betätigungselements wenigstens teilweise in eine translatorische Bewegung einer der beiden Komponenten umzusetzen.
Insbesondere umfasst der Lineardämpfer eine mit dem rheologischen Medium gefüllte Kammer und einen relativ zu der Kammer beweglichen Kolben. Der Kolben ist insbesondere mit dem Betätigungselement wirkverbunden.
In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen ist das Trainingsgerät bzw. Fitnessgerät mit wenigstens einem Drehdämpfer ausgestattet. Insbesondere wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einem Trainingsgerät auch ein Fitnessgerät verstanden und umgekehrt. Das Trainingsgerät ist zur kontrollierten Muskelbetätigung geeignet und ausgebildet. Es umfasst wenigstens ein wenigstens teilweise muskelkraftbetriebenes Betätigungselement. Dabei ist wenigstens eine Bewegung des Betätigungselementes durch den Drehdämpfer dämpfbar.
In einer möglichen Variante kommt ein Kunde z. B. ins Fitnessstudio und geht zu einem Körperscanner und/oder Analysegerät. Hier werden die „Hebelverhältnisse“ ermittelt und gespeichert (z. B. Oberarm, Unterarm, Schenkel, Körpergröße...). Der Kunde erhält einen Device (z. B. NFC Armband, Chip, Smartdevice wie Smartphone oder -watch oder dergleichen) welches bei der Benutzung des Geräts diese Daten an das Fitnessgerät übermittelt. Somit ist dieses immer optimal bezüglich des Trainings (z. B. Kraft über Weg; Moment über Winkel oder dergleichen) eingestellt bzw. sagt dem Benutzer, wie er es einstellen soll (z. B. Sitz mechanisch verstellen oder dergleichen) oder das Gerät stellt sich selber ein (z. B. mittels E-Motoren oder dergleichen).
In einer anderen möglichen Variante hat der Kunde die Daten dabei (z. B. anhand einer Smartwatch, Smartphone, Chipoder dergleichen). Er kann so in jedem Fitnessstudio (weltweit) gleich loslegen, welches diese Daten verwerten kann bzw. die passenden Fitnessgeräte dazu hat (Nutzerbindung).
In beiden Varianten oder einer weiteren Variante werden die Daten vom Fitnessgerät wieder an einen „Speicher“ übermittelt und ausgewertet (z. B. Cloud, interner Speicher oder dergleichen). Der Kunde kann dann Z. B. zu Hause die Daten verarbeiten.
Aufgrund der Daten wird das Nutzprofil vorzugsweise verfeinert (z. B. kann eine lernfähige Ausgestaltung vorgesehen sein). Die Daten können auch mit Kollegen vergleichen und optimiert werden (z. B. per Community, Cloud oder dergleichen). Bevorzugt wird eine Logdatei erstellt, die den Trainingsverlauf und -erfolg anzeigt. Die Daten können auch an Diagnosestellen, Ärzte, Betreuer oder Krankenkassen übermittelt werden, damit diese sehen, wie und was gemacht wurde.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Steuereinrichtung vorgesehen und dazu geeignet und ausgebildet, unter Berücksichtigung wenigstens eines vorgegebenen Parameters den Dämpfer gezielt einzustellen. Die Einstellung erfolgt vorzugsweise in Echtzeit. Beispielsweise kann als Parameter eine für eine Muskelübung gewünschte Kraft vorgesehen sein. Der Dämpfer wird dann so eingestellt, dass der Benutzer die Kraft zur Bewegung des Betätigungselementes aufbringen muss.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, wenigstens eine Kenngröße der Bewegung des Betätigungselements zu registrieren. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, in Abhängigkeit der Kenngröße den Drehdämpfer in seiner Dämpfung unter Berücksichtigung des Parameters gezielt einzustellen.
Die Kenngröße der Bewegung des Betätigungselements wird insbesondere durch wenigstens einen Sensor erfasst. Insbesondere erfolgt eine kontinuierliche Erfassung. Beispielsweise durch einen der hier beschriebenen Sensoren und vorzugsweise durch den Drehgeber. Der Parameter betrifft dann vorzugsweise einen Schwellenwert und/oder eine Vergleichsfunktion für die Kenngröße. Es kann auch eine Zuordnung von vorgegebenem Parameter und erfasster Kenngröße in der Art eines Kennfeldes erfolgen.
Beispielsweise kann der Betreuer einen Wert für eine bei der Übung gewünschte Kraft/Drehmoment als Parameter vorgeben. Als Kenngröße der Bewegung des Betätigungselements wird dann die vom Benutzer aufgebrachte Kraft/Drehmoment erfasst und mit dem vorgegebenen Wert verglichen. Überschreitet der Benutzer den Wert, kann der Dämpfer weicher bzw. leichter bewegbar eingestellt werden. So wird eine Überlastung des Muskels beim Training wirkungsvoll vermieden. Das ist besonders bei Rehabilitationsmaßnahmen von Vorteil, wo eine Überlastung unbedingt zu vermeiden ist. Alternativ kann auch ein haptisches Feedback durch den Dämpfer an den Benutzer ausgegeben werden. Bei einer registrierten Überlast kann der Dämpfer auch kraftlos oder sehr leichtgängig geschaltet werden.
Vorzugsweise beschreibt die Kenngröße eine Winkelstellung und/oder eine Bewegungsrichtung und/oder ein Bewegungsmoment und/oder eine Beschleunigung des Betätigungselementes. Diese Kenngrößen sind besonders vorteilhaft, da sie für die Muskelbetätigung des Benutzers am Trainingsgerät charakteristisch sind.
Besonders bevorzugt erfolgt die Einstellung des Dämpfers als Funktion der Kenngröße. Insbesondere erfolgt die Einstellung des Dämpfers dynamisch und/oder adaptiv. Das hat den Vorteil, dass ein viel individuelleres Training als bei Gewichtszügen oder einer herkömmlichen linearen Dämpfereinstellung möglich ist. So kann beispielsweise eine Trainingsbewegung mit leichter Kraft einsetzen und mit zunehmenden Hub und/oder Drehwinkel schwerer werden. Die aufzubringende Kraft kann auch in Echtzeit in Abhängigkeit einer als Kenngröße registrierten Beschleunigung eingestellt werden. Auch kann zwischen linker und rechter Körperhälfte unterschieden und entsprechend angepasst werden.
Das Trainingsprogramm kann auch innerhalb der Trainingszeit mehrmals und individuell variiert werden.
Beispielsweise beschreibt die Kenngröße den Drehwinkel beim Kniestrecken. Dann kann in Abhängigkeit des Drehwinkels der Dämpfer und somit die aufzubringende Muskelkraft eingestellt werden. Z. B. wird bei zunehmender Streckung des Knies die Kraft verringert. Das verhindert schädliche Trainingsbelastungen. Bei einem kritischen Drehwinkel kann der Dämpfer auch kraftlos eingestellt werden, sodass schädliche Überdehnungen verhindert werden.
Kritische Winkel oder Stellungen können auch verletzungsbedingt vorgegeben sein oder physiologischen Ursprung haben. Hier kann der Dämpfer genau auf diese Gegebenheiten voreingestellt werden (Personalisiertes Training).
Da Übungen oft zu hastig und zu schnell ausgeführt werden, was die Gelenke und die Muskulatur stärker oder sogar schädigend belastet, kann in einer solchen Situation der Dämpfer so eingestellt werden oder stellt sich automatisch ein, dass ein schnelles Verfahren/Bewegen nicht möglich ist bzw. nicht zugelassen wird. Der Dämpfer kann dann auch sehr weich eingestellt werden oder ein haptisches Feedback ausgeben.
Möglich ist auch, dass die Kenngröße die Bewegungsrichtung beschreibt. Dadurch kann z. B. für ein Kniestrecken eine andere Kraft eingestellt werden als für die Rückwärtsbewegung, das Kniebeugen. Bei vielen Muskelübungen ist es oft sehr entscheidend, dass die Rückbewegung leichter oder auch kraftaufwendiger erfolgt, als die Hinbewegung.
Es kann während des Trainings auch ein haptisches Feedback an den Benutzer auszugeben. Das erfolgt insbesondere durch eine gezielte Veränderung der Dämpfungseigenschaften und vorzugsweise wie zuvor beschrieben. Das Feedback wird insbesondere in Abhängigkeit der Kenngröße der Bewegung ausgegeben. Beispielsweise kann ein haptisches Rattern oder Ruckeln durch den Dämpfer eingestellt werden, wenn die Kenngröße erkennen lässt, dass der Benutzer eine Übung zu schnell oder zu stark ausführt. Das Feedback kann auch ausgegeben werden, wenn der Benutzer über einen Drehwinkel oder über eine Bewegungsstrecke hinausgeht oder innerhalb einer Bewegungstrecke was nicht richtig macht. So kann der Benutzer leicht und einfach die korrekte Ausführung der Übungen erlernen.
Möglich ist auch, dass das Feedback unter Berücksichtigung anderer als Kenngröße dienender Sensorwerte ausgegeben wird. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung Pulswerte, Herzfrequenz und andere Vitalparameter registrieren und zur Einstellung der Dämpfers heranziehen. Überanstrengt sich der Benutzer (Erschöpfungszustand) oder liegt er außerhalb eines sinnvollen Trainingsbereichs, wird er durch das haptische Feedback darauf hingewiesen und/oder der Dämpfer passt sich automatisch und adaptiv so an, dass der Benutzer wieder in einem sinnvollen und vorzugsweise gesundheitlich nicht schädlichen Trainingsbereich arbeitet.
Unter Berücksichtigung anderer Sensorwerte und beispielsweise der Vitalparameter als Kenngröße kann auch eine Anpassung der Dämpfereigenschaften erfolgen. So kann die aufzubringende Kraft erhöht werden, wenn der Puls einen aufgewärmten Muskelapparat anzeigt. Möglich ist auch, dass bis zur Registrierung eines bestimmten Werts der Vitalparameter oder anderer Kenngrößen der Dämpfer in bestimmten Drehwinkeln so hart eingestellt wird, dass der Benutzer das Betätigungselement nicht in diese Drehwinkel bringen kann. So wird eine Überdehnung der Muskeln zu Beginn des Trainings vermieden.
Der erfindungsgemäße Drehdämpfer kann in bevorzugten Weiterbildungen bei Fitnessgeräten als Dämpfer und insbesondere als Hybriddämpfer zu bestehenden Systemen eingesetzt werden. Hierbei kann z. B. der im Millisekundenbereich und stufenlos schaltende Drehdämpfer parallel zu einer bestehenden relativ trägen Bremse (z. B. Reibbremse, Wirbelstrombremse oder andere geeignete Bremsen) in einem Trainingsgerät und z. B. einem Fitness Fahrrad (z. B. Ergotrainer oder dergleichen) geschaltet werden. Dadurch können Lastspitzen (welche sich z. B. aus kinematischen Gegebenheiten ergeben), Ungleichförmigkeiten, Schwingungen, Verschleiß, Lagerspiel und andere Spiele usw. ausgeglichen werden. Vorteilhaft geschieht dies als geregeltes System.
Nachfolgend ist mit „einzelne Betätigung“ z. B. eine Pedalumdrehung bei einem Trainingsfahrrad, eine teilweise oder komplette Ruderbewegung (z. B. Auslage, Durchzug, Rücklage oder dergleichen) bei einer Bootstrainingsmachine, ein Öffnen und Schließen einer Tür uvm. gemeint. Es kann auch eine Bewegung des Betätigungselementes des Trainingsgerätes gemeint sein.
Der erfindungsgemäße Drehdämpfer kann auch als einziges Energieumwandlungselement (z. B. eine Bremse oder dergleichen) eingesetzt werden, wodurch bisher nicht mögliche bzw. sehr individuelle Kraft-/Momentenverläufe möglich werden. Es kann so z. B. die Betätigungskraft-/moment nicht nur von einzelner Betätigung zu einzelner Betätigung (nicht nur z. B. pro volle Umdrehung, pro vollen Hub) variiert werden, sondern auch während einer einzelnen Betätigung. Insbesondere kann die Kraft/Moment über Weg/Winkel verändert werden, sodass sich ein mehrfach änderndes Moment während einer Umdrehung und somit ein gezielter Momentenverlauf/-kennlinie während einer Umdrehung ergibt).
Bei einer Rudertrainingsmaschine kann so z. B. während einer vollständigen Ruderbewegung der genaue Momentenverlauf (z. B. Kraftverlauf an der Hand des Menschen), adäquat einer Ruderbewegung in einem Boot im Wasser, erzeugt werden. Der erfindungsgemäße Drehdämpfer simuliert hierbei vorzugsweise die Ruder- bzw. Betätigungskinematik, Eintauchtiefe, Verfahrgeschwindigkeit, Anstellwinkel des Paddels und viele andere Kraftverläufe der Sportart.
Die Anmelderin behält sich vor, ein Verfahren zum Betreiben eines Trainingsgeräts zur gezielten Muskelbetätigung zu beanspruchen. Insbesondere wird ein wenigstens teilweise muskelkraftbetriebenes Betätigungselement betätigt. Das Trainingsgerät umfasst insbesondere wenigstens eine Dämpfereinrichtung mit wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren Komponenten. Insbesondere ist eine der Komponenten mit dem Betätigungselement wirkverbunden, sodass eine Bewegung des Betätigungselementes dämpfbar ist. Insbesondere sind der Dämpfereinrichtung ein feldempfindliches rheologisches Medium und wenigstens eine Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung und Steuerung einer Feldstärke zugeordnet. Durch die Felderzeugungseinrichtung wird vorzugsweise wenigstens eine Dämpfungseigenschaft beeinflusst. Dabei wird vorzugsweise mit wenigstens einer Steuereinrichtung die Felderzeugungseinrichtung in Abhängigkeit wenigstens eines Trainingsparameters gezielt gesteuert, sodass die Bewegung des Betätigungselementes unter Berücksichtigung des Trainingsparameters gedämpft wird.
Vorzugsweise wird das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Trainingsgerät nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Drehdämpfers;
2 einen schematischen Querschnitt durch den Drehdämpfer nach 1;
3 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Drehdämpfers nach 1;
4 einen schematischen Querschnitt durch den Drehdämpfer nach 1;
5 schematisch eingezeichnete Magnetfeldlinien in dem Drehdämpfer nach 4;
6 einen Querschnitt durch einen weiteren Drehdämpfer;
7 einen schematischen perspektivischen Teilquerschnitt eines Drehdämpfers für ein erfindungsgemäßes Fitnessgerät;
8 einen Schnitt durch eine teilweise explodierte Darstellung nach 7;
9 eine stark schematisierte Skizze der Steuerung der Dämpfereinrichtung;
10 eine stark schematisierte Skizze einer weiteren Ausgestaltung der Steuerung der Dämpfereinrichtung;
11 ein Trainingsgerät bzw. Fitnessgerät;
12 ein weiteres Trainingsgerät bzw. Fitnessgerät;
13 noch ein Trainingsgerät bzw. Fitnessgerät;
14 ein anderes Trainingsgerät bzw. Fitnessgerät;
15 noch ein weiteres Trainingsgerät bzw. Fitnessgerät;
16 einen Dämpfer für das Trainingsgerät nach 15 im Schnitt;
17 eine schematische Schnittansicht für den Dämpfer nach 16;
18 einen linearen Dämpfer z. B. das Fitnessgerät nach 12.
In den 1 bis 18 werden unterschiedliche Trainingsgeräte 300 beschrieben. Ohne die Aufzählung zu beschränken, ist das Fitnessgerät als Gerät für den Muskelaufbau einsetzbar, beispielsweise als Beinpresse, als Hantelbank, als Kabelzugstation, als Lastzuggerät, als Multi-Press-Rack, als Stepper und als Kraftstation. Es ist auch an Hanteln einsetzbar. Möglich ist auch der Einsatz der Erfindung bei Fitnessgeräten für die Ausdauersteigerung, so bei Ergometern und Crosstrainern, bei Laufbändern und auch bei Rudergeräten.
Die Erfindung bietet z. B. bei Ausgestaltung als Beinpresse Vorteile, da es dort bei großen Gewichten in Kombination mit zu schwachen Muskeln und dem Durchstrecken der Beine zu einem Durchknicken der Beine nach hinten und damit zu schweren Verletzungen kommen könnte. Mit der Erfindung kann das vermieden werden. Ein erfindungsgemäßes Trainingsgerät mit einer (adaptiven) Dämpfereinrichtung kann dies gezielt verhindern, indem eine Positionserkennung erfolgt oder die Kraft abhängig von dem Winkel erzeugt wird. Es wird vorzugsweise nur dann (eine entsprechend angepasste) Kraft aufgebracht, wenn auch gedrückt wird.
Das Gleiche gilt auch beim Heben eines Gewichts. Auch hier kann die Körperstellung ungünstig sein, z. B. beim Anheben (Anreißen) der Gewichte ist der Rücken stärker gekrümmt, was hohe Belastungen auf die Wirbel erzeugt. Das Fitnessgerät mit der steuerbaren (adaptiven) Dämpfereinrichtung kann hier optimal angepasst werden.
Ein möglicher Einsatz in einer Variante A kann wie folgt sein: Der Kunde kommt ins Studio und geht zu einem Körperscanner. Hier werden die „Hebelverhältnisse“ ermittelt und gespeichert (Oberarm, Unterarm, Schenkel, Körpergröße..). Der Kunde erhält ein Gerät (Computer, Armband, Chip, Smartphone oder Smartwatch oder dergleichen) welches bei der Benutzung des Geräts diese Daten an das Gerät übermittelt. Somit ist dieses immer optimal eingestellt bzw. sagt dem Kunden, wie er einstellen soll (z. B. Sitz mechanisch verstellen ...) oder das Gerät stellt sich selber ein (Elektromotoren ...).
In einer Variante B kann folgendermaßen vorgegangen werden: Der Kunde hat die Daten dabei (Smartwatch, Smartphone, Chip ...). Er kann so in jedem Fitnessstudio (weltweit) gleich loslegen, welches diese Daten verwerten kann bzw. die passenden Geräte dazu hat (Nutzerbindung ...).
In beiden Varianten können die Daten vom Fitnessgerät auch wieder an den „Speicher“ übermittelt und ausgewertet werden. Der Kunde kann zu Hause die Daten verarbeiten. Aufgrund der Daten kann das Nutzprofil verfeinert (lernfähig) werden.
Beim Training ist es möglich, dass sich die Kraft (das Moment) und/oder die Verfahrgeschwindigkeit nicht nur während einer Bewegung, sondern auch während der Anzahl der Bewegungen anpasst (z. B. nimmt die Kraft zu). Dies ist vorzugsweise abhängig von z. B. dem Erschöpfungszustand, dem Profil des Nutzers, dem Herzschlag und/oder dem Blutdruck etc. Es kann auch abhängig von den Hebelverhältnissen der Maschine und des Nutzers (Beugewinkel der Gliedmaßen ...) sein.
Es kann in allen Ausgestaltungen entweder nur in eine Richtung gebremst oder in beide Richtungen gebremst werden. Es kann auch mit einem Speicher eine konstante Kraft erzeugt werden (Pumpe mit Druckspeicher). Dies oder alles kann auch abwechslungsweise erfolgen. Die linke und die rechte Seite können verschieden behandelt werden. Bestimmte Stellungen (Biegewinkel, Körperhaltungen ...) können anders als andere belastet werden, wenn z. B. eine Verletzung vorliegt, darf unter Umständen in dieser Stellung nicht so belastet werden.
Bei der Rehabilitation ergibt sich ein besonderer Nutzen: Besonders bei Nutzern mit/nach gesundheitlichen Problemen ist ein koordiniertes Training sehr wichtig. Je größer das von einem Unfall/Krankheit sich ergebende Defizit zum Standard ist, desto wichtiger ist das gezielte Training. Gezielt heißt hier: genau auf die Muskel-/Körperbeeinträchtigung angepasst. Z. B. ein (älterer) Patient kann nach einem Schlaganfall meist nur minimal das Training hinsichtlich Kraft, Dauer und Beweglichkeit ausführen, ein trainierter (Profi-)Sportler nach einem z. B. Beinbruch hat hier ein ganz anderes Trainingsspektrum. Dies kann das Trainingsgerät mit dem MRF-Dämpfer individuell berücksichtigen.
So ist z. B. eine Frühmobilisierung auf der Normalstation oder sogar auf der Intensivstation möglich.
Möglich sind adaptive und intelligente Therapie-Aktoren/Trainingsgeräte, welche eine Frühmobilisierung ermöglichen oder sogar automatisieren.
Nach einem Schlaganfall oder Ähnlichem sind meist einzelne Körperteile oder Körperhälften mehr beeinträchtigt wie andere Regionen. Deshalb ist es wichtig, dass die nicht so leistungsfähigen Gliedmaßen/Muskeln ... anders und insbesondere mit einer kleineren Kraft belastet werden. So kann ein anderer Kraft-über-Weg- oder Moment-über-Winkel-Verlauf eingesetzt werden. Auch die Zug- und Druckstufe können verschieden sein. So kann in Summe ein bestmögliches Ergebnis erzielt werden bzw. der Patient wird nicht überlastet und verliert nicht die Lust am Training. Hierbei kann der Genesungsfortschritt auch protokolliert werden (senden der Daten an die Versicherung oder eine Cloud zur Auswertung).
Es ist auch ein Trainingsgerät realisiert worden, welches als smarter Handtrainer bezeichnet werden kann.
1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Dämpfereinrichtung 10 bzw. eines Drehdämpfers 1 für das z. B. in 11 dargestelltes Trainingsgerät bzw. Fitnessgerät 300. Dabei sind in 1 die einzelnen Teile des Drehdämpfers 1 erkennbar sind.
Der Drehdämpfer 1 wird im Wesentlichen aus den Komponenten 2 und 3 gebildet, wobei an der Komponente 2 die Schwenkwelle 4 angeordnet oder ausgebildet ist. Die Schwenkwelle 4 weist ein erstes Ende 31 und ein zweites Ende 32 auf. Über dem Umfang der Komponente 2 sind hier mehrere Arme 21, 22 und 23 zu sehen, auf die in der Beschreibung der 3 bis 5 noch näher eingegangen wird.
An der Schwenkwelle 4 kann ein Mitnehmer 4a (z. B. Passfeder) angeordnet werden, um die Komponente 2 drehfest mit einem zu dämpfenden Teil zu verbinden. Statt der Passfeder kann auch eine Keilverzahnung, Polygonverbindung oder eine andere kraft- oder formschlüssige Verbindung verwendet werden. Bei der Montage wird die Komponente 3 über die Komponente 2 geschoben und schließlich mit dem Deckel 3a verschraubt, wobei das erste Ende 31 der Schwenkwelle 4 sich aus dem hier rechten Ende der Komponente 3 aus nach außen erstreckt. Distanzhülsen 38 können zur Einhaltung vorbestimmter Abstände eingesetzt werden.
Grundsätzlich sind hier zwei Variationen möglich, nämlich, dass sich auf der andern Seite der Komponente 3 das zweite Ende 32 der Schwenkwelle bis nach draußen erstreckt, oder aber, dass das zweite Ende 32 der Schwenkwelle 4 im Inneren der Komponente 3 und z. B. in dem Lager 37 des Deckels 3a aus z. B. Aluminium oder dgl. gelagert wird. Das Lager 37 kann ein kostengünstiges Gleitlager, aber auch bei hohen oder sehr hohen Anforderungen an die Grundreibung und Lebensdauer ein Kugel- oder Wälzlager sein. Bei geringen Anforderungen kann es auch weggelassen werden.
Ein Drehgeber bzw. Winkelsensor 17 dient zur Erfassung der relativen Winkelposition der Komponenten 2 und 3 zueinander. Der Winkelsensor 17 kann einen Magnetstack enthalten und berührungslos von außerhalb des Gehäuses 30 abgelesen werden. Die Sensoren können auch auf Koppelungselementen oder wirkverbundenen Teilen angebracht sein. Statt eines rotativen Messsystems kann auch ein lineares Messsystem verwendet werden.
Die Verbindungsleitungen 14 versorgen den Drehdämpfer 1 mit elektrischer Energie.
Des weiteren sind von links nach rechts eine Bundbuchse, eine Passscheibe, noch eine Bundbuchse, Dichtungen und Lager, Distanzhülse etc. zu sehen.
Die Komponenten 2 und 3 können auch eine kegelige Form haben. Der Dämpfungsspalt 6 muss über die axiale Erstreckung 16 nicht gleich groß oder gleichförmig sein.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt im zusammengebauten Zustand, wobei erkennbar ist, dass die Komponente 3 im zusammengebauten Zustand ein Gehäuse 30 des Drehdämpfers 1 bildet. Die Komponente 3 nimmt im Inneren den wesentlichen Teil der Komponente 2 auf, sodass nach der Verschraubung des Deckels 3a mit der Komponente 3 nur noch das erste Ende 31 der Schwenkwelle 4 aus dem Gehäuse 30 nach außen hervor steht. An dem nach außen vorstehenden Teil der Schwenkwelle 4 ist der Mitnehmer 4a angeordnet. Die Komponente 3 weist eine Außenkomponente 13 auf und bildet das Gehäuse 30. Die Komponente 2 weist eine Innenkomponente 12 auf, die von der Außenkomponente 13 umgeben ist.
Die Schwenkwelle 4 wird in der Nähe des ersten Endes 31 über ein Lager 37 gelagert und an dem anderen Ende 32 ist eine hier kugelförmige Lagerung mit einer Art Lager 37 vorgesehen, sodass nur eine Durchführung der Schwenkwelle 4 nach außen vorliegt. Dadurch kann die Grundreibung und somit das Grundmoment gesenkt werden, wodurch eine höhere Empfindlichkeit und besseres Ansprechverhalten des Drehdämpfers 1 bei Belastungen erzielbar ist.
Eine geometrische Achse 9 erstreckt sich zentral durch die Schwenkwelle 4. Durch die Schwenkwelle 4 erstrecken sich auch die elektrischen Verbindungsleitungen 14, die von außen (ohne Schleifring) durch die Schwenkwelle 4 zu den elektrischen Spulen 8 durchgeführt werden, die im Inneren des Gehäuses 30 angeordnet sind.
In dem hier stark schematischen Querschnitt des Drehdämpfers 1 sind zwei Arme 21, 22 an der Innenkomponente 12 der Komponente 2 zu erkennen.
Der Dämpfungsspalt 6 ist radial zwischen der Innenkomponente 12 und der Außenkomponente 13 vorgesehen und erstreckt sich über eine axiale Länge 16, die einen wesentlichen Teil der Länge der Innenkomponente 12 aufweist. Die Länge 16 des Dämpfungsspalts 6 beträgt vorzugsweise wenigstens die Hälfte und insbesondere wenigstens 2/3 der Länge der Komponente 3.
Insbesondere bei großen Durchmessern 27 des Dämpfungsspalts 6 ist es möglich, an den axialen Enden des Dämpfungsspalts 6 jeweils Dichtungen vorzusehen, um das magnetorheologische Medium im Wesentlichen und vorzugsweise vollständig innerhalb des Dämpfungsspalts 6 zurückzuhalten. In einfachen Ausgestaltungen kann eine magnetische Dichtung vorgesehen sein, bei der eine magnetische Abdichtung des dort zwischen den Komponenten 2 und 3 noch vorhandenen sehr dünnen Spalts erfolgt.
Es wird wenigstens eine Dichtung an dem Austritt der möglichst dünnen Schwenkwelle 4 aus dem Gehäuse 30 vorgesehen. Hier ist die Dichtung 11 zwischen der Schwenkwelle und der entsprechenden Durchführungsöffnung in dem Deckel 3a vorgesehen.
Ohne eine separate Dichtung an den axialen Enden des Dämpfungsspalts 6 ist die Grundreibung sehr gering. Das Volumen des magnetorheologischen Mediums bestimmt sich durch das Volumen des Dämpfungsspalts 6 und der etwa scheibenförmigen Volumina an den beiden axialen Stirnseiten zwischen der Innenkomponente 12 und der Außenkomponente 13 und ist insgesamt gering.
Das Volumen des Dämpfungsspalts 6 ist sehr gering, da die radiale Höhe des Dämpfungsspalts vorzugsweise kleiner als 2 % eines Durchmessers 27 des hier zylindrischen Dämpfungsspalts beträgt. Die radiale Höhe des Dämpfungsspalts beträgt insbesondere weniger als 1 mm und vorzugsweise weniger als 0,6 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,3 mm. Bei einer Länge 16 von zum Beispiel bis zu 40 oder 50 mm und einem Durchmesser 27 von bis zu 30 mm und einer Spalthöhe im Bereich von 0,3 mm ergibt sich so ein Spaltvolumen von < 2 ml, wodurch die Herstellkosten sehr gering gehalten werden können. Das Volumen des und des magnetorheologischen Mediums beträgt insbesondere weniger als 3 ml und vorzugsweise weniger als 2 ml.
Zwischen Schwenkwelle 4 und dem zu dämpfenden Element kann auch ein Getriebe nach dem Stand der Technik, vorzugsweise ein möglichst spielfreies Planetengetriebe, Microgetriebe oder Wellgetriebe (z. B. Harmonic Drive) angeordnet werden.
Statt der direkten Anbindung oder einer Anbindung über ein Koppelgestänge kann auch eine Scheibe auf der Eingangswelle angebracht werden. Die Scheibe bzw. der Scheibenaußendurchmesser kann über zumindest ein Seil, Riemen mit dem zu dämpfenden Element (kraft- oder wirkschlüssig) verbunden sein. Das Verbindungselement kann auch über Umlenkungen, Übersetzungen (z. B. Flaschenzugprinzip ...) mit dem zu dämpfenden Element wirkverbunden sein. Dadurch ist der Aufbau bezüglich der Anbringung sehr flexibel. Es kann aber auch eine Exzenter- oder Nockenscheibe verwendet werden, wodurch die Kräfte/Momente winkelpositionsabhängig werden. Es kann auch ein umlaufendes Seil mit Fixierstelle verwendet werden, wodurch eine Zwangssteuerung möglich wird, d. h., es können Zug- und Druckkräfte übertragen werden. Das Übertragungselement (z. B. das Seil) kann kraft- oder formschlüssig mit der Scheibe verbunden sein.
3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils des Drehdämpfers 1, wobei die Komponente 2 ohne die Schwenkwelle 4 dargestellt ist. Bei der Montage wird der abgebildete Teil der Komponente 2 mit der Schwenkwelle 4 drehfest gekoppelt.
Die Komponente 2 weist eine Mehrzahl von radial nach außen abstehenden Armen 21, 22, 23 etc. auf. Hier sind acht Arme vorgesehen. Möglich und bevorzugt sind aber auch 6 oder 10 oder 12 oder mehr Arme.
Um die jeweiligen Arme ist jeweils eine Spule 8 mit wenigstens einer und hier einer Mehrzahl von Windungen gewickelt. Dabei erfolgen die Wicklung und der Anschluss der elektrischen Spulen derart, dass sich an benachbarten Stellen benachbarter Arme unterschiedliche Pole des Magnetfelds ergeben, wenn die Spulen 8 mit Strom versorgt werden.
4 zeigt einen Querschnitt durch den Drehdämpfer 1, wobei die Komponente 2 die Innenkomponente 12 aufweist, die von der Außenkomponente 13 der Komponente 3 umgeben ist. Zwischen den beiden Komponenten 2 und 3 erstreckt sich hier ein im Wesentlichen zylindrischer Dämpfungsspalt 6, in dem ein magnetorheologisches Medium 5 vorhanden ist. Insbesondere ist der Dämpfungsspalt 6 vollständig mit dem magnetorheologischen Medium 5 gefüllt. Es kann wenigstens ein Reservoir 15 vorgesehen sein, in dem ein Vorrat des magnetorheologischen Mediums bevorratet wird, um über die Lebensdauer des Drehdämpfers 1 den Verlust einer gewissen Menge des Mediums kompensieren zu können. Ein solches Reservoir 15 kann beispielsweise in der Aussparung zwischen zwei Armen 22, 23 vorgesehen sein. Das Reservoir kann aber auch außerhalb der Komponente 3 sein.
Bei der Herstellung werden zunächst um die einzelnen Arme die Spulen 8 gewickelt. Anschließend können die verbleibenden Hohlräume zwischen den einzelnen Armen teilweise oder vollständig mit einem Medium aufgefüllt werden, damit dort kein magnetorheologisches Fluid eingefüllt werden muss. Beispielsweise kann dort Gießharz oder dergleichen eingefüllt werden, um die Hohlräume aufzufüllen. Gießharz oder dergleichen ist kostengünstiger wie das magnetorheologische Fluid. Das Ausfüllen der Hohlräume ist funktionsmäßig nicht notwendig. Möglich ist es aber auch, dass eine zum Beispiel dünne Schutzschicht in Form einer Abdeckung 34 übergezogen wird, um die Dämpfungsspalte 6 örtlich zu begrenzen, während die Aussparungen zwischen den armen hohl verbleiben.
Vorzugsweise ist der Dämpfungsspalt zylindrisch ausgebildet. Es ist aber auch möglich, dass Trennelemente 29 in dem Kopplungsspalt angeordnet sind, die den an sich zylindrischen Kopplungsspalt in mehrere Teilspalte aufteilen. Dabei werden die Trennelemente 29 vorzugsweise entweder mit der Komponente 2 oder der Komponente 3 verbunden.
Der Kopplungsspalt 6 kann selbst die Kammer 28 für das magnetorheologische Medium bilden oder aber der Kopplungsspalt 6 bildet zusammen mit dem Reservoir 15 wenigstens den wesentlichen Teil der Kammer 28.
5 zeigt eine stark schematische Ansicht eines Feldlinienverlaufs über den Querschnitt des Drehdämpfers 1 aus 6. Dabei treten die Feldlinien 36 etwa radial durch den Dämpfungsspalt 6 hindurch, verlaufen jeweils über einen Winkelabschnitt durch die Komponente 3, bevor sie beim benachbarten Arm wieder etwa senkrecht durch den Dämpfungsspalt 6 hindurch (in den benachbarten Arm) eintreten.
Anschaulich zeigt 5, dass praktisch über dem gesamten Umfang des Drehdämpfers eine hohe Feldliniendichte vorliegt, sodass eine effektive Dämpfung einer Schwenkbewegung ermöglicht wird.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Drehdämpfers 1 für ein Trainingsgerät 300, bei dem die Funktionalität grundsätzlich genauso ist, wie bei dem vorhergehenden Drehdämpfer 1. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausgestaltungen tritt bei dem Drehdämpfer 1 nach 6 die Schwenkwelle 4 sowohl an dem ersten Ende 31 als auch einem zweiten Ende 32 nach außen aus. Deshalb wird die Schwenkwelle 4 an beiden Enden gelagert und über Dichtungen 11 nach außen hin abgedichtet. Auch hier können wieder magnetische Dichtungen 11a den Dämpfungsspalt 6 in die axialen Richtungen hin abdichten.
Die Schwenkwelle 6 kann bei dieser wie auch den anderen Ausführungen stehend ausgeführt werden, d. h. also als Achse, wobei dann das Gehäuse 3 dämpfend schwenkt und mit dem zu dämpfenden Element wirkverbunden ist.
7 zeigt einen Drehdämpfer 1 eines Fitnessgeräts 300 z. B. aus 11, 13 oder auch 14.
7 zeigt dabei einen Teilschnitt des Drehdämpfers 1, wobei eine Außenverzahnung 411 der ersten Verdrängerkomponente 404 und auch die Innenverzahnung 413 der zweiten Komponente bzw. Verdrängerkomponente 405 erkennbar sind. Im Inneren ist ein magnetorheologisches Medium bzw. Fluid vorgesehen bzw. das Innere ist im Wesentlichen mit einem magnetorheologisches Fluid ausgefüllt, welches mit den elektrischen Spulen 8 einem Magnetfeld 408 aussetzbar ist.
Hier ist erkennbar, dass das Gehäuse 412 des Drehdämpfers 1 drei Abschnitte umfasst, nämlich einen ersten Endbereich 422, einen Mittelbereich 423 und einen zweiten Endbereich 424. Hier wird jeder Bereich durch ein separates Teil gebildet. Möglich ist es auch, dass noch mehr Teile vorgesehen sind, oder dass insgesamt nur zwei Gehäusehälften vorgesehen sind.
Das Gehäuse bildet eine Komponente 2 bzw. 3 und die Dämpferwelle 403 bildet die andere Komponente 3 bzw. 2. Eine Drehbewegung der Komponente 2 und 3 zueinander wird gesteuert gedämpft, um bei dem Trainingsgerät 300 die zu dem entsprechenden Zeitpunkt nötige Dämpfungskraft einzustellen.
In dem Gehäuse 412 des Drehdämpfers 1 sind in dem hier linken Endbereich 422 und in dem hier rechten zweiten Endbereich 424 jeweils eine elektrische Spule 8 jeweils in einem Spulenhalter 438 aufgenommen.
Axial benachbart zu jeder elektrischen Spule 8 ist ein Ring 420 vorgesehen, wobei die Ringe 420 zwischen den beiden Spulen 8 angeordnet sind und hier jeweils von außen an den Mittelbereich 423 angrenzen. Die Ringe 420 sind axial benachbart zu den elektrischen Spulen 8 angeordnet, um dort einen magnetischen Kurzschluss zu verhindern.
An der Dämpferwelle 403 ist ein Winkelsensor 432 vorgesehen, der beispielsweise als Absolutdrehwinkelgeber ausgeführt sein kann. Die Dämpferwelle 403 ist über eine Dichtung 428 zum Innenraum 416 hin abgedichtet. Zwischen den Gehäuseteilen der unterschiedlichen Bereiche sind umlaufenden Dichtungen 442 angeordnet, um den Austritt von magnetorheologischen Fluid aus dem Innenraum der Verdrängereinrichtung 402 nach außen zu verhindern.
Die zweite Verdrängerkomponente 405 mit einer insgesamt etwa zylindrischen Außenform weist auf dem Außenumfang mehrere Führungseinheiten 421 auf, die sich hier im Ausführungsbeispiel über die vollständige axiale Länge erstrecken, in anderen Ausführungen aber auch zum Beispiel kürzer ausgebildet sein können. Die Führungseinheiten 421 stehen radial nach außen über die zweite Verdrängerkomponente 405 bzw. das Kernmaterial der zweiten Verdrängerkomponente 405 nach außen über und sorgen für einen definierten radialen Abstand zwischen der Außenoberfläche des Kernmaterials der zweiten Verdrängerkomponente 405 und dem Innenumfang des Gehäuses 412 an dem Mittelbereich 423.
8 zeigt eine Explosionsdarstellung des Drehdämpfers 1 im Schnitt, wobei das hier linke Gehäuseteil mit dem ersten Endbereich 422 und auch die erste Verdrängerkomponente 404 und die zweite Verdrängerkomponente 405 jeweils ein Stück axial versetzt angeordnet dargestellt sind, um ein besseres Verständnis der technischen Funktion zu ermöglichen.
Die Dämpferwelle 403 ist hier einstückig mit der ersten Verdrängerkomponente 404 ausgebildet, die auf ihrem Außenumfang eine Außenverzahnung 411 aufweist, die mit einer Innenverzahnung 413 im Inneren der zweiten Verdrängerkomponente 405 kämmt. Radial umgeben wird die zweite Verdrängerkomponente 405 von einem Dämpfungskanal 417, durch den das hier im Inneren der zweiten Verdrängerkomponente 405 durchgeförderte magnetorheologische Fluid wieder zur axial anderen Seite zurückströmen kann.
Auf der Außenseite ist hier die Steuereinrichtung 407 abgebildet, die über einen Energiespeicher 437 oder Akkumulator oder dergleichen mit dem nötigen Strom versorgt werden kann, auch wenn eine elektrische Stromversorgung ausfällt.
Ein Ausgleichsvolumen 429 stets Verfügung, um einen Volumenausgleich bei unterschiedlichen Temperaturen zur Verfügung zu stellen.
Die Dämpferwelle 403 ist über ein Lager 444 gelagert. Die Drehachse 414 der ersten Verdrängerkomponente 404 stimmt mit der Drehachse der Dämpferwelle 403 überein. Die Drehachse 415 der zweiten Verdrängerkomponente 405 ist dazu parallel versetzt.
Ein Fitnessgerät 300 mit einem Drehdämpfer 1 nach 7 und 8 oder mit mehreren Drehdämpfern (gleichen oder unterschiedlichen) bietet hervorragende Eigenschaften und kann hohe Drehmomente erzeugen bzw. abbremsen. Dabei kann jederzeit in Echtzeit eine Einstellung und beliebige Veränderung der Dämpfungsstärke erfolgen. Die Dämpfung kann in Abhängigkeit wenigstens eines Trainingsparameters eingestellt werden.
Der Drehdämpfer 1 nach den 7 und 8 weist eine Verdrängereinrichtung 402 auf. Die Verdrängereinrichtung 402 weist eine Dämpferwelle 403 und ineinander eingreifende und insbesondere rotierende Verdrängerkomponenten 404 und 405 auf. Dabei ist eine Drehbewegung der Dämpferwelle 403 kontrolliert und gesteuert dämpfbar. Die Verdrängereinrichtung 402 enthält ein magnetorheologisches Fluid als Arbeitsfluid. Es ist wenigstens eine Steuereinrichtung 407 zugeordnet. Weiterhin ist wenigstens eine Magnetfeldquelle vorgesehen bzw. umfasst, die wenigstens eine elektrische Spule 8 aufweist. Die Magnetfeldquelle ist über die Steuereinrichtung 407 steuerbar und über das Magnetfeld ist das magnetorheologische Fluid beeinflussbar, um eine Dämpfung der Drehbewegung der Dämpferwelle 403 einzustellen.
Ein solcher Drehdämpfer 1 in einem Fitnessgerät 300 ist sehr vorteilhaft. Ein Vorteil besteht darin, dass die Verdrängereinrichtung 402 mit einem magnetorheologischen Fluid als Arbeitsfluid ausgerüstet ist. Dadurch kann von der Steuereinrichtung 407 gesteuert das Magnetfeld der Magnetfeldquelle in Echtzeit, d. h. in wenigen Millisekunden (kleiner 10 oder 20 ms) eingestellt werden und somit wird in Echtzeit auch das anliegende Bremsmoment an der Dämpferwelle 403 eingestellt, wenn das Fitnessgerät 300 ein entsprechendes Bremsmoment aufgeben soll. Der Aufbau des Drehdämpfers 1 ist einfach und kompakt und benötigt wenig Bauteile, sodass der Drehdämpfer 1 kostengünstig herstellbar und in das Fitnessgerät integrierbar ist.
Die Verdrängereinrichtung 402 ist insbesondere als eine Art von Verdichtereinrichtung oder Pumpe ausgeführt. Die Verdrängereinrichtung 402 weist ineinander eingreifende und im Betrieb rotierende Verdrängerkomponenten 404 und 405 auf. Im Inneren der Verdrängereinrichtung 402 ist ein Verdrängerraum vorgesehen, der auch als Verdichterraum bezeichnet werden kann. Im Inneren bzw. im Innenraum der Verdrängereinrichtung ist ein magnetorheologisches Fluid als Arbeitsfluid enthalten.
Die 9 und 10 zeigen stark schematisierte Ausführungsbeispiele eines Steuerungssystems der Dämpfereinrichtung 10 eines Fitnessgeräts 300 (oder mehrerer Fitnessgeräte 300).
Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff Steuerung auch eine Regelung verstanden, sodass das Steuerungssystem vorzugsweise auch zur Regelung geeignet und ausgebildet ist.
Als Beispiel sind hier nur drei verschaltete Drehdämpfer 1 als Aktoren gezeigt. Es können aber auch vier oder fünf oder auch 10 oder eine Vielzahl von angesteuerten Aktoren vorgesehen sein. Möglich ist aber auch, dass nur ein Aktor oder zwei Aktoren vorgesehen sind.
Die Dämpfer 1 sind hier mit einer Recheneinheit 201 wirkverbunden. Die Recheneinheit 201 empfängt für jeweils einen Dämpfer 1 wenigstens ein Aktorsignal 204, welches wenigstens eine für wenigstens einen Zustand des Dämpfers 1 charakteristische Größe beschreibt. Beispielsweise umfasst ein Aktorsignal eine charakteristische Größe, die von dem Drehgeber 17 erfasst wird. Das Aktorsignal kann auch eine charakteristische Größe umfassen, die von wenigstens einem Momentensensor und/oder wenigstens einem Stromsensor erfasst wird. Möglich sind auch andere geeignete Sensorarten. Besonders bevorzugt berücksichtigt die Recheneinheit 201 eine Mehrzahl Aktorsignalen 204, die von unterschiedlichen Sensoren stammen.
Vorzugsweise berücksichtigt die Recheneinheit 201 auch wenigstens eine Systeminformation 203, welche wenigstens eine Systemgröße beschreibt. Die Systeminformation 203 umfasst beispielsweise Beschleunigungswerte der Trommel 101 und/oder des Trommelgehäuses 109 und/oder weitere Systemgrößen.
Anhand der bereitgestellten Aktorsignale 204 ermittelt die Recheneinheit 201 für die Dämpfer 1 jeweils wenigstens eine Kenngröße für ein optimales Widerstandsmoment. Die Kenngrößen für die ermittelten Widerstandsmomente der Dämpfer 1 Aktors werden jeweils einer einem Dämpfer 1 zugeordneten Strom- /Drehmomentregelung 202 bereitgestellt.
Die Strom-/Drehmomentregelung 202 gibt in Abhängigkeit der bereitgestellten Widerstandsmomente für jeden Dämpfer 1 jeweils wenigstens eine Stellspannung 205 aus. Möglich sind auch Stellsignale mit anderen und/oder zusätzlichen zur Steuerung der Dämpfer 1 geeigneten Größen als der Spannung. Anhand der Stellspannung 205 wird der jeweilige Dämpfer 1 eingestellt.
Die in der 9 gezeigte Steuerung ist als eine Zentralsteuerung 200 ausgestaltet. Dabei umfasst die Zentralsteuerung 200 die Recheneinheit 201 und die den jeweiligen Dämpfern 1 zugeordnete Strom-/Drehmomentregelung 202.
In einer hier nicht gezeigten Ausgestaltung kann die den jeweiligen Dämpfern 1 zugeordnete Strom-/Drehmomentregelung 202 auch dezentral ausgebildet sein. Die Recheneinheit 201 bleibt dabei zentral. Dazu ist die Strom-/Drehmomentregelung 202 insbesondere separat und räumlich getrennt zur Recheneinheit 201 angeordnet.
In der 10 ist eine Steuerung gezeigt, die als eine dezentrale Steuerung 206 ausgestaltet ist. Dabei sind den Dämpfern 1 jeweils wenigstens eine eigene Recheneinheit 201 und wenigstens eine eigene Strom-/Drehmomentregelung 202 zugeordnet. Es ist möglich, dass die einem Dämpfer 1 zugewiesene Recheneinheit 201 sowie die Strom-/Drehmomentregelung 202 autonom agierend ausgebildet ist. Möglich ist aber auch eine Ausgestaltung, bei welcher die dezentrale Steuerung 206 auch Systeminformationen 203 berücksichtigt.
Die 11 zeigt ein Trainingsgerät 300 bzw. Fitnessgerät ausgebildete Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Dämpfereinrichtung 10. Dabei ist das Trainingsgerät 300 als ein Ergometer bzw. Heimtrainer ausgebildet. Es umfasst ein muskelkraftbetriebenes Betätigungselement 301, welches hier als eine Tretkurbeleinrichtung mit einer Pedale und einem Tretlager ausgebildet ist. Dabei ist die Bewegung des Betätigungselementes 301 durch den Drehdämpfer 1 dämpfbar.
Die Dämpfungseigenschaften des Drehdämpfers 1 können dabei auch während einer Umdrehung mehrfach angepasst werden. Insbesondere wird das zum Drehen des Betätigungselementes 301 benötigte Drehmoment angepasst. Zur Einstellung des Dämpfers 1 ist hier eine Steuereinrichtung 302 vorgesehen.
Die 11 zeigt ein Trainingsgerät 300 mit einer Dämpfereinrichtung 10. Dabei ist das Trainingsgerät 300 als ein Ergometer bzw. Heimtrainer ausgebildet. Es umfasst ein muskelkraftbetriebenes Betätigungselement 301, welches hier als eine Tretkurbeleinrichtung mit einer Pedale und einem Tretlager ausgebildet ist. Dabei ist die Bewegung des Betätigungselementes 301 durch den Drehdämpfer 1 dämpfbar. Zur Einstellung des Dämpfers 1 ist hier eine Steuereinrichtung 302 vorgesehen.
Die Dämpfungseigenschaften des Drehdämpfers 1 können dabei auch während einer Umdrehung mehrfach angepasst werden. Insbesondere wird das zum Drehen des Betätigungselementes 301 benötigte Drehmoment angepasst. Als Trainingsparameter ist somit das Drehmoment vorgesehen.
Die Steuereinrichtung 302 steuert die Felderzeugungseinrichtung hier so, dass eine bestimmte Dämpfungskraft für die Bewegung der zueinander bewegbaren Komponenten 2, 3 aufgebracht werden muss. Dabei berücksichtigt die Steuereinrichtung 302 den oder die vorgegebenen Trainingsparameter. Ist beispielsweise ein bestimmtes Drehmoment vorgegeben, stellt die Steuereinrichtung 302 die Dämpfungskraft so ein, dass die Trainingsperson den Pedaltrieb nur mit dem vorgegebenen Drehmoment drehen kann.
Als Trainingsparameter kann auch eine Winkelgeschwindigkeit bzw. Trittfrequenz vorgegeben werden, welche die Trainingsperson erreichen muss. Die Dämpfungskraft kann dabei auf einen Grundwert oder einen vom Trainer festgelegten Wert eingestellt werden. Die Trainingsperson muss die vorgegebene Trittfrequenz dann mit diesem Drehmoment erreichen.
Wird die als Trainingsparameter festgelegte Trittfrequenz über einen definierten Zeitraum erreicht oder um einen definierten Wert überschritten, kann die Steuereinrichtung 302 die Dämpfungskraft um einen definierten Wert erhöhen. Dazu überwacht die Steuereinrichtung 302 mittels einer hier nicht sichtbaren Sensoreinrichtung die Trittfrequenz als Kenngröße und berücksichtigt diese auch bei der Einstellung der Dämpfungskraft.
Das Erreichen bzw. das Überschreiten der geforderten Trittfrequenz zeigt an, dass ein bestimmter Trainingszustand erreicht wurde. Somit kann die Steuereinrichtung nun selbstständig eine Anpassung der Dämpfungskraft vornehmen, damit die Trainingsperson die geforderte Trittfrequenz bei einem höheren Drehmoment erreichen muss. Durch eine solche adaptive bzw. intelligente Anpassung können besonders gute Trainingsergebnisse erzielt werden.
Ebenso kann das erforderliche Drehmoment bzw. die Dämpfungskraft verringert werden, wenn die Trainingsperson die als Trainingsparameter gesetzte Trittfrequenz auch nach einem bestimmten Zeitraum nicht erreicht.
Das hier gezeigte Trainingsgerät 300 bietet zudem auch eine Anpassung der Dämpfungskraft während einer einzelnen Betätigung des Betätigungselements 301. Eine einzelne Betätigung meint in diesem Fall eine einzige Umdrehung des Pedaltriebs. Beispielsweise kann die Dämpfungskraft verringert werden, wenn sich der Pedaltrieb in einer Totpunktstellung befindet. Möglich ist auch, dass die Dämpfungskraft erhöht wird, wenn die Pedalstellung in einer für die Trainingsperson optimalen Hebelstellung oder außerhalb des Totpunktes steht.
Das wird hier dadurch erreicht, dass die Steuereinrichtung 302 die Einstellung der Dämpferkraft und somit des Drehmoments in Abhängigkeit der Winkelstellung des Betätigungselements 301 bzw. des Pedaltriebs vornimmt. Dazu wird die Winkelstellung des Betätigungselements 301 vorzugsweise fortlaufend während des Tretens als eine Kenngröße sensorisch erfasst.
Die 12 zeigt eine Ausgestaltung des Trainingsgerätes 300 als eine Rudermaschine. Das Betätigungselement 101 ist hier als der Sitz 305 bzw. das Ruder 306 ausgebildet. Dabei ist der Sitz 305 verschiebbar an einem Gestell 304 gelagert. Das Ruder 306 ist ebenfalls an dem Gestell 304 befestigt. In einer alternativen Ausgestaltung kann das Ruder 306 auch bewegbar bzw. verschiebbar an dem Gestell 304 aufgenommen sein.
Die Bewegung des Sitzes 305 ist hier über eine Dämpfereinrichtung 10 mit einem linearen Dämpfer gedämpft. Es kann auch die Bewegung des Ruders 306 über eine Dämpfereinrichtung 10 gedämpft sein.
Als Trainingsparameter kann hier zum Beispiel die zum Heranziehen des Sitzes 305 an das Ruder 306 benötigte Kraft eingestellt werden. Die Steuereinrichtung 302 stellt dann entsprechend die Dämpferkraft ein. Dabei kann für die Vorwärtsbewegung eine andere Dämpferkraft als für die Rückwärtsbewegung vorgesehen sein. So kann die Ruderbewegung besonders gut simuliert werden.
Zudem kann auch der Weg als Trainingsparameter vorgegeben sein, den der Sitz 305 bei einem Ruderzug zurücklegen kann. Dabei kann die Steuereinrichtung 302 die Stellung des Sitzes 305 in Bezug zu dem Gestell 304 sensorisch erfassen und die Dämpfungskraft als Funktion der Sitzposition anpassen. So kann die Bewegbarkeit des Sitzes 305 vollständig durch eine entsprechend hohe Dämpfungskraft blockiert werden, wenn der Sitz um eine als Trainingsparameter vorgegebene Länge in Richtung des Ruders 306 vorgezogen wurde. Dadurch kann eine falsche Haltung beim Rudertraining vermieden werden. Zudem kann die Ruderbewegung auf die Körpergröße bzw. Beinlänge der Trainingsperson optimal angepasst werden.
Das Trainingsgerät 300 bietet hier die Möglichkeit, die Dämpfungskraft während einer einzelnen Betätigung des Betätigungselements 301 unter Berücksichtigung einer Kenngröße adaptiv zu variieren. Die einzelne Betätigung des Betätigungselements 301 ist hier ein einzelner Ruderzug. Dabei wird als Kenngröße die Bewegungsgeschwindigkeit des Sitzes 305 entlang des Gestells 304 sensorisch erfasst. Erreicht bei einem einzelnen Ruderzug die Geschwindigkeit des Sitzes 305 einen Schwellenwert bzw. überschreitet den Schwellenwert, wird die Dämpfungskraft für die Bewegung des Sitzes 305 um einen bestimmten Wert erhöht. Ebenso kann die Dämpfungskraft um einen bestimmten Wert verringert werden, wenn der Sitz 305 einen Schwellenwert für eine Bewegungsgeschwindigkeit einmal oder auch wiederholt nicht erreicht.
In der 13 ist eine Ausgestaltung des Trainingsgerätes 300 als ein Seilzuggerät zum Trainieren der Arme und/oder des Rumpfes gezeigt. Dabei zieht die Trainingsperson mit den Händen an jeweils einem Seilzug 307 als Betätigungselement 301. Die Seilzüge 307 sind hier an jeweils einer Seilrolle 308 aufgenommen. Es kann auch ein durchgehender Seilzug 307 für beide Arme vorgesehen sein, welcher an nur eine Seilrolle 308 angebunden ist. Die Rückstellung der Seilzüge 307 erfolgt hier über eine Rollfeder.
Die Drehbewegung der Seilrolle 308 beim Ziehen an dem Seilzug 307 wird hier durch einen Drehdämpfer 1 gedämpft. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Bewegung des Seilzuges 307 auch über eine Dämpfereinrichtung 10 mit einem Lineardämpfer erfolgen.
Die Dämpfung für das Ziehen und Halten sowie Zurücklassen des Seilzugs 307 ist hier separat einstellbar. Das verbessert den Trainingseffekt erheblich. Beispielsweise kann der Seilzug 307 durch die Dämpfung gezielt langsam wieder zurückgelassen werden. Ein Zurückschnellen durch die Feder und hohe Haltekräfte können so z. B. bei Rehabilitationsübungen vermieden werden. Zugleich sind aber auch höhere Zugkräfte bei einem Herausziehen des Seilzugs 307 möglich.
Die 14 zeigt ein als Beinstrecker ausgebildetes Trainingsgerät 300. Die Trainingsperson befindet sich während des Trainings auf einem Sitz 305 und hebt durch Strecken der Beine bzw. der Knie einen Beinhebel 309 an. Der Beinhebel 309 dient hier als Betätigungselement 301 und ist verschwenkbar an dem Sitz 305 angebracht. Die Schwenkbewegung ist dabei durch eine Dämpfereinrichtung 10 dämpfbar. Als Dämpfereinrichtung 10 dient hier beispielsweise der mit Bezug zur 7, 8 Drehdämpfer 1 oder mit der Dämpfereinheit 80 gemäß 16.
Als Trainingsparameter sind hier der Schwenkwinkel und die zum Verschwenken des Beinhebels 309 notwendige Kraft vorgegeben. Als weiterer Trainingsparameter ist hier die Betätigungskraft des Beinhebels 309 als Funktion des Winkels vorgesehen.
Zu Beginn der Bewegung, also wenn das Knie noch gebeugt ist, wird eine an die Bedürfnisse der Trainingsperson angepasste Dämpfungskraft durch die Steuereinrichtung 302 eingestellt. Um eine ungünstige Belastung des Knies zu vermeiden, wird mit zunehmender Streckung des Knies die zum Bewegen des Beinhebels 109 erforderliche Kraft gesenkt. Dazu erfasst die Steuereinrichtung 302 fortlaufend die Winkelstellung des Beinhebels 309 und passt in Abhängigkeit des Winkels die Dämpfungskraft an.
Zudem kann hier als Trainingsparameter auch der Winkelbereich eingestellt werden, in welchem der Beinhebel 309 verschwenkbar ist. Das ist besonders bei der Rehabilitation von Knieverletzungen wichtig, da dann eine zu weite Streckung des Knies vermieden werden sollte. So kann der Trainer beispielsweise als Trainingsparameter angeben, bei welcher Winkelstellung des Beinhebels 309 die Dämpferkraft auf ein Maß heraufgesetzt wird, welches die Bewegbarkeit des Beinhebels 309 blockiert. Dazu überwacht die Steuereinrichtung 302 die Winkelstellung des Beinhebels 309.
Das Trainingsgerät 300 kann hier auch die Dämpfungseigenschaft während einer einzelnen Betätigung des Beinhebels 309 unter Berücksichtigung der Kenngröße adaptiv variieren. Dazu erfasst die Steuereinrichtung 302 die Winkelgeschwindigkeit bzw. die Bewegungsgeschwindigkeit des Beinhebels 309 als Kenngröße. So kann vermieden werden, dass die Trainingsperson das Knie zu schnell streckt und somit nicht das erforderliche Muskeltraining erzielt.
Erkennt die Steuereinrichtung 302 beispielsweise ein zu schnelles Bewegen des Beinhebels 309, erhöht sie selbstständig die Dämpfungskraft und bremst somit die unvorteilhafte Bewegung ab. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass diese adaptive Anpassung während einer einzelnen Betätigung bzw. einer einzelnen Kniestreckung erfolgen kann. Ansonsten kann bereits ein einmaliges Überstrecken Schmerzen verursachen. Besonders vorteilhaft bei der adaptiven Anpassung ist auch, dass diese von der Steuereinrichtung 302 selbst vorgenommen wird und der Trainer bzw. Therapeut somit nicht ständig die Trainingsperson überwachen muss.
Führt die Trainingsperson die nächste Bewegung wieder mit einer korrekten Geschwindigkeit aus, nimmt die Steuereinrichtung 302 keine Anpassung vor bzw. stellt den Trainingsparameter unverändert ein.
Die Steuereinrichtung 302 kann die zum Verschwenken des Beinhebels 309 notwendige Kraft auch dauerhaft erhöhen oder herabsetzen. Das kann erfolgen, wenn wiederholt zu schnelle Bewegungen des Beinhebels 309 sensorisch erfasst werden. So kann ein Trainingsparameter angepasst werden, ohne dass der Trainer die gesamte Übungseinheit verfolgen muss oder die aufgezeichneten Kenngrößen analysieren muss.
Mit Bezug auf die 15 bis 17 wird ein weiteres Trainingsgerät 300 und die darin eingesetzte Dämpfereinheit 80 erläutert. Die Dämpfereinheit 80 kann als Drehdämpfer 1 ausgeführt sein, aber auch als linearer Dämpfer realisiert werden. In 15 ist eine perspektivische Ansicht des als Handgreifgeräts ausgeführten Trainingsgeräts 300 dargestellt.
Das Trainingsgerät 300 umfast zwei Betätigungselemente 301, wobei jeweils ein Betätigungselement mit einer Komponente der Dämpfereinheit 80 verbunden ist. Die Betätigungselemente 301 sind schwenkbar miteinander verbunden. An dem Schwenkgelenk ist ein hier ein Drehdämpfer 1 als Dämpfereinheit 80 angeordnet.
Das Moment bzw. die Handkraft kann mittels des Drehdämpfers 1 stufenlos variiert werden. Die Handkraft kann auch über den Winkel variiert werden. Es sind auch fühlbare Raster oder Rippel usw. möglich. Die Steuerung kann intern oder extern untergebracht sein. Eine Ansteuerung kann auch via Bluetooth und Smartdevice (Smartphone, Smartwatch ...) oder Computer erfolgen. Auch über das Internet oder ein (firmeninternes) LAN kann gesteuert werden. Zur Steuerung kann ein Programm auf dem Computer dienen (auch als App). Die Handkraft wird dabei zwischen den Komponenten 2 und 3 eingestellt.
16 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Drehdämpfers 1 des Trainingsgeräts 300, wobei der Drehdämpfer auf magnetorheologischer Basis arbeitet, dessen Wirkprinzip mit Bezug auf 17 erläutert wird.
16 zeigt einen Querschnitt, wobei hier die Komponente 2 mit dem Grundkörper verbunden ist, gegenüber dem die Komponente 3 drehbar aufgenommen ist. Der Grundkörper weist ein Aufnahmegehäuse 561 auf, welches an einer separaten Grundplatte 560 befestigt ist. Beispielsweise kann das Aufnahmegehäuse 561 nach der Montage der darin angeordneten Teile mit der Grundplatte 560 verklebt werden. Relativ gegenüber dem Grundkörper ist die Komponente 3 drehbar bzw. verschwenkbar aufgenommen. Die Komponente 3 umfasst hier eine Welle 562 an der ein Halter 582 über eine Schraube 581 angeschraubt ist. An dem Halter 582 kann auch eine interne Anzeigeeinheit aufgenommen sein, die von der Komponente 3 umgeben ist. Dadurch können die Komponenten gegeneinander gedreht werden und die Anzeigeeinheit bleibt sichtbar. Bevorzugt ist es aber, eine Anzeige auf einem externen Gerät vorzusehen und die nötigen Daten dorthin über eine drahtgebundene oder drahtlose Schnittstelle zu übertragen.
Die Welle 562 ist über ein Lager 530 drehbar an dem Aufnahmegehäuse 561 gelagert. Das Lager 530 kann beispielsweise als Gleitlager ausgeführt sein, kann aber auch ein sonstiges Wälzlager umfassen.
Im Innenraum ist in der Komponente 2 und genauer in dem Aufnahmegehäuse 561 ein ringförmiger Aufnahmeraum 569 vorgesehen, der hier durch eine elektrische Spule 8 als Felderzeugungseinrichtung 7 ausgefüllt ist. Eventuelle Freiräume können durch beispielsweise eine Vergussmasse oder einen Füllstoff ausgefüllt werden, der gleichzeitig dazu dient, die elektrische Spule 8 in dem ringförmigen Aufnahmeraum zu halten.
Es ist möglich, wie auf der linken Seite von 16 eingezeichnet, dass ein zusätzlicher Dauermagnet 525 oder mehrere zusätzliche Dauermagnete 525 an dem Aufnahmegehäuse 561 vorgesehen sind, um unabhängig von einer Stromquelle ein permanentes Magnetfeld zu erzeugen. Gegebenenfalls kann die Magnetisierung des Dauermagneten 525 über entsprechende magnetische Impulse der elektrischen Spule 8 verändert werden.
In dem Innenraum 563 zwischen dem Aufnahmegehäuse 561 und der Welle 562 ist ein Kanal 505 vorgesehen, der teilweise mit hier zylinderförmigen Drehkörpern 511 ausgefüllt ist, die insbesondere symmetrisch über dem Umfang des Kanals 505 angeordnet sind. Die Drehkörper drehen bei der Rotation der beiden Komponenten 2, 3 gegeneinander mit, da die Drehkörper 511 regelmäßig mit dem Aufnahmegehäuse 561 und/oder der Welle 562 in Kontakt stehen und so darauf abrollen.
Zur Unterstützung des Abrollens und zur Gewährleistung eines rollenden Kontakts kann wenigstens ein Kontaktelement 559 in Form eines Kontaktrings 559 (Reibring) vorgesehen sein. Ein solcher Kontaktring kann insbesondere als O-Ring (rund oder eckig oder Rechteckring) ausgeführt sein und beispielsweise aus einem gummiartigen Material bestehen.
Ein derartiger Kontaktring 559 kann beispielsweise in einer umlaufenden Nut 567 auf der Lauffläche 565 des Aufnahmegehäuses 561 angeordnet sein. Möglich ist es auch, dass ein weiterer Kontaktring 559b in einer Nut 566 an der Lauffläche 564 an einem vergrößerten Umlaufring 568 der Welle 562 angeordnet ist.
Möglich und bevorzugt ist es, dass ein Kontaktring 559 in der Nut 567 angeordnet ist und dass ein Kontaktring 559b in der inneren Umfangsnut 566 an der Lauffläche 564 des Umlaufrings 568 angeordnet ist.
Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die einzelnen Drehkörper 511 jeweils mit einem Kontaktring 559c versehen sind, wobei ein Kontaktring 559c sich dann rings um einen Drehkörper 511 erstreckt. Auch bei einer solchen Ausgestaltung wird gewährleistet, dass die Drehkörper 511 bzw. deren Kontaktring 559 jeweils Kontakt zu der Welle 562 bzw. dem Aufnahmegehäuse 561 haben, sodass für eine fortlaufende Drehung der Drehkörper gesorgt wird, wenn die Komponente 3 (oder 2) gedreht wird.
Hier im Ausführungsbeispiel wird über einen Anschlagring 583 ein definierter axialer Abstand zwischen dem Aufnahmegehäuse 561 und einer axialen Fläche des Umlaufrings 568 gewährleistet. Der Innenraum 563 wird über eine Dichtung 546 abgedichtet, sodass das magnetorheologische Medium nicht aus dem Innenraum 563 entweichen kann.
Zwischen dem Deckel bzw. dem Halter zu 582 und dem Aufnahmegehäuse 561 ist ein umlaufender Spalt vorgesehen, an dem ein als Winkelsensor dienender Sensor 556 angeordnet ist. Vorzugsweise besteht der Winkelsensor 556 aus wenigstens zwei Teilen 557 und 558, wobei das Sensorteil 557 beispielsweise an bestimmten Winkelpositionen Magnete oder andere Positionsmarken oder dergleichen aufweist, sodass über das z. B. auf der Elektronik montierte Sensorteil 558 an dem Aufnahmegehäuse 561 eine Drehbewegung der Komponente 3 detektierbar ist. Dabei kann sowohl eine absolute Winkelposition als auch eine relative Winkelveränderung erfassbar sein. Mit dem Winkelsensor 556 oder mit einem separaten Betätigungssensor 554 kann eine Axialbewegung bzw. Axialkraft auf die Komponente 3 insgesamt erfasst werden. Beispielsweise kann durch Ausüben einer Axialkraft eine geringe Abstandsänderung zwischen dem Halter 582 und dem Aufnahmegehäuse 561 erreicht werden, die durch den Betätigungssensor 554 erfassbar ist. Möglich ist es auch, dass gewisse Teile oder der äußere Drehring der Komponente 3 gegen eine Federkraft axial verschiebbar sind, sodass eine axiale Betätigung erfassbar ist. Die Steuerung arbeitet vorzugsweise mit einem Regeltakt von 4kHz oder mehr.
Es ist möglich, dass eine Kabelzuführung 591 und ein zentraler Kanal vorgesehen sind, und dem benötigten elektrischen Strom zur Verfügung zu stellen. Es ist aber bevorzugt, dass ein Energiespeicher 528 insbesondere intern vorgesehen ist. Der Energiespeicher 528 (Batterie oder Akku) kann auch extern vorgesehen sein.
Es ist ein axialer Abstand 223 zwischen der Stirnfläche 570 an der Welle 562 und der Stirnfläche 571 an dem Aufnahmegehäuse 561 vorgesehen. Dieser axiale Abstand ist erheblich geringer als der radiale Abstand 574 zwischen dem Umlaufring 568 und der Lauffläche 565 in dem Aufnahmegehäuse 561. Ein geringer Abstand ist vorteilhaft, da das Magnetfeld 508 bzw. die Magnetfeldlinien in axialer Richtung durch den Spalt 572 durchtritt. Bei einem dünnen Spalt sind relativ geringe magnetische Verluste möglich.
Mit Bezug auf die 17 wird im Folgenden das Funktionsprinzip zur Erzeugung von Momenten des Drehdämpfers nach 16 beschrieben.
17 zeigt eine stark schematische Querschnittsansicht einer Dämpfereinheit 80, die als Drehdämpfer 1 oder als Lineardämpfer ausgeführt sein kann. Die Dämpfereinheit 80 dient zur Beeinflussung der Kraftübertragung zwischen den zwei Komponenten 2 und 3. Dabei ist zwischen den zwei Komponenten 2 und 3 in 17 jedenfalls ein Drehkörper 511 als separates Teil vorgesehen. Die Komponenten 2 und 3 können gegenüber einander drehen (vgl. 16) oder aber auch linear verschiebbar sein. Bei der Relativbewegung dreht sich jedenfalls der Drehkörper 511. Der Drehkörper 511 ist hier als Kugel 514 ausgebildet. Möglich ist es aber ebenso, Drehkörper 511 als Zylinder (16) oder Ellipsoide, Rollen oder sonstige rotierbare Drehkörper auszubilden. Auch im eigentlichen Sinn nicht rotationssymmetrische Drehkörper wie beispielsweise ein Zahnrad oder Drehkörper 511 mit einer bestimmten Oberflächenstruktur können als Drehkörper verwendet werden. Die Drehkörper 511 werden nicht zur Lagerung gegenüber einander eingesetzt, sondern zur Übertragung von Drehmoment.
Zwischen den Komponenten 2 und 3 des Drehdämpfers 1 ist ein Kanal 505 vorgesehen, der hier mit einem magnetorheologisches Fluid 5, welches beispielsweise als Trägerflüssigkeit ein Öl umfasst, in dem ferromagnetische Partikel 519 vorhanden sind. Glykol, Fett, dickflüssige Stoffe können auch als Trägermedium verwendet werden, ohne darauf beschränkt zu sein. Das Trägermedium kann auch gasförmig sein bzw. es kann auf das Trägermedium verzichtet werden (Vakuum). In diesem Fall werden lediglich durch das Magnetfeld beeinflussbare Partikel in den Kanal gefüllt.
Die ferromagnetischen Partikel 519 sind vorzugsweise Carbonyleisenpulver, wobei die Größenverteilung der Partikel vom konkreten Einsatzfall abhängt. Konkret bevorzugt ist eine Verteilung Partikelgröße zwischen ein und zehn Mikrometern, wobei aber auch größere Partikel von zwanzig, dreißig, vierzig und fünfzig Mikrometer möglich sind. Je nach Anwendungsfall kann die Partikelgröße aus deutlich größer werden und sogar in den Millimeterbereich vordringen (Partikelkugeln). Die Partikel können auch eine spezielle Beschichtung/Mantel (Titanbeschichtung, Keramik-, Karbonmantel etc.) aufweisen, damit sie die je nach Anwendungsfall auftretenden hohen Druckbelastungen besser aushalten. Die MR-Partikel können für diesen Anwendungsfall nicht nur aus Carbonyleisenpulver (Reineisen), sondern z. B. auch aus speziellem Eisen (härterem Stahl) hergestellt werden.
Der Drehkörper 511 wird durch die Relativbewegung 517 der beiden Komponenten 2 und 3 in Rotation um seine Drehachse 512 versetzt und läuft praktisch auf der Oberfläche der Komponente 3 ab. Gleichzeitig läuft der Drehkörper 511 auf der Oberfläche der anderen Komponente 2, sodass dort eine Relativgeschwindigkeit 518 vorliegt.
Genau genommen hat der Drehkörper 511 keinen direkten Kontakt zur Oberfläche der Komponente 2 und/oder 3 und wälzt sich deshalb nicht direkt darauf ab. Der freie Abstand 509 von dem Drehkörper 511 zu einer der Oberflächen der Komponente 2 oder 3 beträgt z. B. 140 µm. In einer konkreten Ausgestaltung mit Partikelgrößen zwischen 1 µm und 10 µm liegt der freie Abstand insbesondere zwischen 75 µm und 300 µm und besonders bevorzugt zwischen 100 µm und 200 µm.
Der freie Abstand 509 beträgt insbesondere wenigstens das zehnfache des Durchmessers eines typischen mittleren Partikeldurchmessers. Vorzugsweise beträgt der freie Abstand 509 wenigstens das zehnfache eines größten typischen Partikels. Durch den fehlenden direkten Kontakt ergibt sich eine sehr geringe(s) Grundreibung/-kraft/-moment beim relativen Bewegen der Komponenten 2 und 3 zueinander.
Wird der Drehdämpfer 1 mit einem Magnetfeld beaufschlagt, bilden sich die Feldlinien abhängig vom Abstand zwischen den Drehkörpern 511 und den Komponenten 2, 3 aus. Der Drehkörper besteht aus einem ferromagnetischen Material und z. B. hier aus ST 37. Der Stahltyp ST 37 hat eine magnetische Permeabilität µr von etwa 2000. Die Feldlinien treten durch den Drehkörper hindurch und konzentrieren sich in dem Drehkörper. An der hier radialen Ein- und Austrittsfläche der Feldlinien an dem Drehkörper herrscht eine hohe Flussdichte in dem Kanal 505. Das dort inhomogene und starke Feld führt zu einer lokalen und starken Vernetzung der magnetisch polarisierbaren Partikel 519. Durch die Drehbewegung des Drehkörpers 511 in Richtung auf den sich bildenden Keil in dem magnetorheologischen Fluid wird die Wirkung stark erhöht und das mögliche Brems- oder Kupplungsmoment wird extrem vergrößert weit über den Betrag hinaus, der normalerweise in dem magnetorheologischen Fluid erzeugbar ist. Vorzugsweise bestehen Drehkörper 511 und Komponente 2, 3 zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material, weshalb die magnetische Flussdichte umso höher wird, je kleiner der Abstand zwischen Drehkörper 511 und Komponente 2, 3 ist. Dadurch bildet sich ein im Wesentlichen keilförmiger Bereich 516 im Medium aus, in welchem der Gradient des Magnetfelds zum spitzen Winkel bei der Kontaktstelle/dem Bereich des geringsten Abstands hin stark zunimmt.
Trotz Abstand zwischen Drehkörper 511 und Komponente 2, 3 kann durch die Relativgeschwindigkeit der Oberflächen zueinander der Drehkörper 511 in eine Drehbewegung versetzt werden. Die Drehbewegung ist ohne und auch mit einem wirkenden Magnetfeld 508 möglich.
Wenn die magnetorheologische Übertragungsvorrichtung 1 einem Magnetfeld 508 einer hier in 17 nicht dargestellten Magnetfelderzeugungseinrichtung 7 ausgesetzt ist, verketten sich die einzelnen Partikeln 519 des magnetorheologischen Fluides 5 entlang der Feldlinien des Magnetfeldes 508. Zu beachten ist, dass die in 1 eingezeichneten Vektoren den für die Beeinflussung des MRF relevanten Bereich der Feldlinien nur grob schematisch darstellen. Die Feldlinien treten im Wesentlichen normal auf die Oberflächen der ferromagnetischen Bauteile in den Kanal 505 ein und müssen vor allem im spitzwinkligen Bereich 510 nicht geradlinig verlaufen.
Gleichzeitig wird auf dem Umfang des Drehkörpers 511 etwas Material von dem magnetorheologischen Fluid mit in Rotation versetzt, sodass sich ein spitzwinkliger Bereich 510 zwischen der Komponente 3 und dem Drehkörper 511 ausbildet. Auf der anderen Seite entsteht ein gleicher spitzwinkliger Bereich 510 zwischen dem Drehkörper 511 und der Komponente 2. Die spitzwinkligen Bereiche 510 können beispielsweise bei zylinderförmig ausgestalteten Drehkörpern 511 eine Keilform 516 aufweisen. Durch die Keilform 516 bedingt wird die weitere Rotation des Drehkörpers 511 behindert, sodass die Wirkung des Magnetfeldes auf das magnetorheologische Fluid verstärkt wird, da sich durch das wirkende Magnetfeld innerhalb des spitzwinkligen Bereiches 510 ein stärkerer Zusammenhalt des dortigen Mediums ergibt. Dadurch wird die Wirkung des magnetorheologischen Fluids im angesammelten Haufen verstärkt (die Kettenbildung im Fluid und damit der Zusammenhalt bzw. die Viskosität), was die weitere Rotation bzw. Bewegung des Drehkörpers 511 erschwert.
Durch die Keilform 516 können wesentlich größere Kräfte oder Momente übertragen werden, als es mit einem vergleichbaren Aufbau möglich wäre, der nur die Scherbewegung ohne Keileffekt nützt.
Die direkt durch das angelegte Magnetfeld übertragbaren Kräfte stellen nur einen kleinen Teil der durch die Vorrichtung übertragbaren Kräfte dar. Durch das Magnetfeld lässt sich die Keilbildung und somit die mechanische Kraftverstärkung steuern. Die mechanische Verstärkung des magnetorheologischen Effekts kann soweit gehen, dass eine Kraftübertragung auch nach Abschalten eines angelegten Magnetfeldes möglich ist, wenn die Partikel verkeilt wurden.
Es hat sich herausgestellt, dass durch die Keilwirkung der spitzwinkligen Bereiche 510 eine erheblich größere Wirkung eines Magnetfeldes 508 einer bestimmten Stärke erzielt wird. Dabei kann die Wirkung um ein Vielfaches verstärkt werden. In einem konkreten Fall wurde eine etwa zehnmal so starke Beeinflussung der Relativgeschwindigkeit zweier Komponenten 2 und 3 zueinander wie beim Stand der Technik bei MRF Kupplungen beobachtet. Die mögliche Verstärkung hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Gegebenenfalls kann sie durch eine größere Oberflächenrauhigkeit der Drehkörper 511 noch verstärkt werden. Möglich ist es auch, dass auf der Außenoberfläche der Drehkörper 511 nach außen ragende Vorsprünge vorgesehen sind, die zu einer noch stärkeren Keilbildung führen können. Die Keilwirkung bzw. der Keileffekt verteilt sich flächig auf den Drehkörper 511 und die Komponenten 2 oder 3.
18 zeigt einen Lineardämpfer 60, der mit einer Ventileinrichtung 69 ausgerüstet ist, die hier zwei Dämpfungskanäle 70 umfasst. Der Lineardämpfer 60 als Dämpfungseinrichtung 10 weist hier eine erste Komponente 2 und eine zweite Komponente 3 auf, die mit mit zwei unterschiedlichen Gehäuseteilen, Gehäusen oder Körpern verbunden werden können, um eine Relativbewegung bei einem Fitnessgerät zu dämpfen. Für eine solche Lineardämpfung eignet sich z. B. das Fitnessgerät aus 12.
Der Lineardämpfer 60 weist ein Dämpfergehäuse 63 auf, in dem ein Kolben 65 angeordnet ist. Der Kolben 65 ist mit einer Kolbenstange 64 verbunden, die hier fest mit der zweiten Komponente 3 verbunden ist.
Der Kolben 65 teilt das Innere des Dämpfergehäuses 63 in eine erste Dämpferkammer 66 und eine zweite Dämpferkammer 67, die wenigstens teilweise mit einem magnetorheologischen Medium und insbesondere einem magnetorheologischen Fluid 5 gefüllt sind.
Der Kolben 65 dient hier auch als Ventileinrichtung bzw. umfasst wenigstens eine solche. Dazu ist in dem Kolben 65 wenigstens ein Strömungskanal bzw. Dämpfungskanal 70 vorgesehen. Die Strömung des magnetorheologischen Fluids 5 wird beim Durchtritt durch den Strömungskanal 70 des Kolbens 65 gedämpft. Die Strömungsrichtung ist entweder von der ersten Dämpferkammer 66 zur zweiten Dämpferkammer 67 oder umgekehrt gerichtet. Über ein Kabel 68 kann die Stromzufuhr erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Drehdämpfer
2: Komponente
3: Komponente
3a: Deckel
4: Schwenkwelle
4a: Mitnehmer
5: magnetorheologisches Medium
6: Dämpfungsspalt
7: Magnetfelderzeugungseinrichtung
8: elektrische Spule
9: Achse
10: Dämpfereinrichtung
11: Dichtungseinrichtung
12: Innenkomponente
13: Außenkomponente
14: Verbindungsleitung
15: Reservoir
16: axiale Länge
17: Drehgeber
18: Wicklung
19: Ende von 21, 22
20: Federeinrichtung
21: Arm
22: Arm
23: Arm
24: Pol
25: Pol
26: radiale Höhe von 6
27: Durchmesser von 6
28: Kammer
29: Trennelement
30: Gehäuse
31: Ende von 4
32: Ende von 4
33: Dauermagnet
34: Abdeckung
35: Hohlraum, Füllmasse
36: Feldlinie
37: Lager
38: Distanzhülse
60: Lineardämpfer
63: Gehäuse
64: Kolbenstange
65: Kolben
66: erste Dämpferkammer
67: zweite Dämpferkammer
68: Kabel
69: Dämpfungsventil
70: Dämpfungskanal
80: Dämpfereinheit
200: Zentralsteuerung
201: Recheneinheit
202: Strom-/Drehmomentregelung
203: Systeminformation
204: Aktorsignal
205: Stellspannung
206: dezentrale Steuerung
300: Trainingsgerät
301: Betätigungselement
302: Steuereinrichtung
303: Getriebeeinrichtung
402: Verdrängereinrichtung
403: Dämpferwelle
404: Verdrängerkomponente
405: Verdrängerkomponente
407: Steuereinrichtung
408: Feldlinie
411: Außenverzahnung von 404
412: Gehäuse von 402
413: Innenverzahnung von 405
414: Drehachse von 404
415: Drehachse von 405
417: Dämpfungskanal
420: Ring in 412
421: Führungseinheit
422: erster Endbereich
423: Mittelbereich
424: zweiter Endbereich
428: Dichtung an 403
429: Ausgleichsvolumen
432: Winkelsensor
437: Energiespeicher
438: Spulenhalter
442: Dichtung von 423
444: Lager
505: Kanal
508: Feld
509: freier Abstand
510: spitzwinkliger Bereich
511: Drehkörper
512: Drehachse
513: Drehkörper
514: Kugel
515: Zylinder
516: Keilform
517: Richtung der Relativbewegung
518: Richtung der Relativbewegung
519: magnetische Partikel
520: Fluid
525: Dauermagnet
527: Steuereinrichtung
528: Energiespeicher
530: Lager
556: Winkelsensor
557: Sensorteil
558: Sensorteil, Elektronik
559: Kontaktring, Reibring
560: Grundplatte
561: Aufnahmegehäuse
562: Welle
564: Lauffläche von 562
565: Lauffläche von 561
566: Nut
567: Nut
568: Umlaufring mit 564 und
569: Aufnahmeraum für 8
570: Stirnfläche von 568
571: Stirnfläche von 561
572: Spalt
580: Deckel
581: Schraube
582: Halter
583: Anschlagring
591: Kabel

Claims

Trainingsgerät (300) zur gezielten Muskelbetätigung, umfassend wenigstens ein wenigstens teilweise muskelkraftbetriebenes Betätigungselement (301) und wenigstens eine Dämpfereinrichtung (10) mit wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren Komponenten (2, 3), wobei eine der Komponenten (2, 3) mit dem Betätigungselement (301) wirkverbunden ist, sodass eine Bewegung des Betätigungselementes (301) dämpfbar ist und wobei der Dämpfereinrichtung (10) ein feldempfindliches rheologisches Medium (5) und wenigstens eine Felderzeugungseinrichtung (7) zur Erzeugung und Steuerung einer Feldstärke zugeordnet sind und dass durch die Felderzeugungseinrichtung (7) wenigstens eine Dämpfungseigenschaft beeinflussbar ist gekennzeichnet, durch wenigstens eine Steuereinrichtung (302), welche dazu geeignet und ausgebildet ist, die Felderzeugungseinrichtung (11) in Abhängigkeit wenigstens eines Trainingsparameters gezielt zu steuern, sodass die Bewegung des Betätigungselementes (301) unter Berücksichtigung des Trainingsparameters dämpfbar ist.
Trainingsgerät (300) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in Abhängigkeit des Trainingsparameters eine zur Bewegung einer der beiden Komponenten (2, 3) aufzubringende Dämpfungskraft einstellbar ist.
Trainingsgerät (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Abhängigkeit des Trainingsparameters ein Weg und/oder Drehwinkel einstellbar ist, über welchen wenigstens eine der beiden Komponenten (2, 3) bewegbar ist.
Trainingsgerät (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungseigenschaft während einer einzelnen Betätigung des Betätigungselements (301) variierbar ist.
Trainingsgerät (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Trainingsparameter einer Gruppe von Parametern entnommen ist, welche eine zur Betätigung des Betätigungselementes (301) vorgesehene Kraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Strecke, Bewegungsrichtung, eine Bewegungsbahn und einen Winkel umfasst.
Trainingsgerät (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (302) dazu geeignet und ausgebildet ist, die Felderzeugungseinrichtung (7) in Abhängigkeit wenigstens eines Trainingsparameters als Funktion wenigstens eines anderen Trainingsparameters zu steuern.
Trainingsgerät (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (302) dazu geeignet und ausgebildet ist, anhand wenigstens einer Sensoreinrichtung wenigstens eine Kenngröße für die Bewegung des Betätigungselements (301) zu erfassen und die Felderzeugungseinrichtung (7) unter Berücksichtigung der Kenngröße gezielt zu steuern.
Trainingsgerät (300) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinrichtung (302) dazu geeignet und ausgebildet ist, den Trainingsparameter in Abhängigkeit der Kenngröße anzupassen.
Trainingsgerät (300) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfereinrichtung (10) dazu geeignet und ausgebildet ist, unter Berücksichtigung der Kenngröße die Dämpfungseigenschaft in Echtzeit einstellen.
Trainingsgerät (300) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungseigenschaft während einer einzelnen Betätigung des Betätigungselements (301) unter Berücksichtigung der Kenngröße adaptiv variierbar ist.
Trainingsgerät (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfereinrichtung (10) dazu geeignet und ausgebildet ist, eine wenigstens teilweise muskelkraftbetriebene Bewegung des Betätigungselementes (301) mittels der Felderzeugungseinrichtung (7) und des feldempfindlichen rheologischen Mediums (9) zu blockieren.
Trainingsgerät (300) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Bewegung in Anhängigkeit des Trainingsparameters und/oder der Kenngröße blockierbar ist.
Trainingsgerät (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Betätigungselement (301) aus einer Gruppe von Betätigungselementen entnommen ist, umfassend: Pedaltrieb, Beinhebel, Kniehebel, Armhebel, Rückenhebel, Bauchhebel, Rumpfhebel, Seilzug, Ruderhebel.
Trainingsgerät (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfereinrichtung (10) wenigstens einen Drehdämpfer (1) umfasst und wobei eine Komponente (2) eine Innenkomponente (12) und eine andere Komponente (3) eine Außenkomponente (13) umfasst und wobei die Außenkomponente (13) die Innenkomponente (12) wenigstens abschnittsweise radial umgibt, wobei zwischen den Komponenten (2, 3) ein radial nach innen von der Innenkomponente (12) und radial nach außen von der Außenkomponente (13) begrenzter und wenigstens teilweise mit dem rheologischen Medium (5) gefüllter ringförmiger und umlaufender Dämpfungsspalt (6) angeordnet ist, wobei der Dämpfungsspalt (6) durch die Felderzeugungseinrichtung (7) einem Magnetfeld aussetzbar ist, um eine Schwenkbewegung zwischen den beiden gegeneinander verschwenkbaren Komponenten (2, 3) um eine Achse (4) zu dämpfen.
Trainingsgerät (300) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Mehrzahl an wenigstens teilweise radial verlaufenden Armen (21, 22, 23) an wenigstens einer der Komponenten (2, 3) vorgesehen ist und dass wenigstens ein Teil der Arme (21, 22) mit einer elektrischen Spule (8) mit wenigstens einer Wicklung (18) ausgerüstet ist, wobei sich die Wicklung (18) jeweils neben der Achse (4) und beabstandet von der Achse (4) erstreckt.
Trainingsgerät (300) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, umfassend wenigstens eine Getriebeeinrichtung (303), welche dazu geeignet und ausgebildet ist, eine lineare Bewegung des Betätigungselementes (301) wenigstens teilweise in eine Schwenkbewegung einer der beiden Komponenten (2, 3) umzusetzen, sodass die Linearbewegung durch den Drehdämpfer (1) dämpfbar ist.
Trainingsgerät (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfereinrichtung (10) wenigstens einen Drehdämpfer (1) mit wenigstens einer Verdrängereinrichtung (402) umfasst, wobei die Verdrängereinrichtung (402) eine Dämpferwelle (403) und ineinander eingreifende Verdrängerkomponenten (404, 405) aufweist, wobei eine Drehbewegung der Dämpferwelle (403) dämpfbar ist.
Trainingsgerät (300) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verdrängereinrichtung (402) wenigstens ein magnetorheologisches Fluid (5) als Arbeitsfluid enthält und damit betreibbar ist, und wobei durch eine zugeordnete Steuereinrichtung (407) ein Magnetfeld einer wenigstens eine elektrische Spule (409) umfassenden Magnetfeldquelle steuerbar und durch das Magnetfeld das magnetorheologische Fluid (5) beeinflussbar sind, um eine Dämpfung der Drehbewegung der Dämpferwelle (403) einzustellen.
Trainingsgerät (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfereinrichtung (10) wenigstens einen Lineardämpfer (60) mit wenigstens einer ersten Dämpferkammer (66) und wenigstens einer zweiten Dämpferkammer (67) umfasst, welche über wenigstens ein steuerbares Dämpfungsventil (69) miteinander gekoppelt sind und wobei dem Dämpfungsventil (70) die Magnetfelderzeugungseinrichtung (7) zugeordnet ist, welche zur Erzeugung und Steuerung einer Feldstärke in wenigstens einem Dämpfungskanal (70) des Dämpfungsventils (69) dient, wobei in dem Dämpfungskanal (70) das feldempfindliche rheologische Medium (5) vorgesehen ist.
Trainingsgerät (300) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Lineardämpfer (60) eine mit dem rheologischen Medium (5) gefüllte Dämpferkammer (66, 67) und einen relativ zu der Dämpferkammer (66, 67) beweglichen Kolben (65) umfasst.