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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fitness-Trainingsgeräts, insbesondere eines Laufbandes, sowie ein Fitness-Trainingsgerät zum Ausführen dieses Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Mit der
DE10 2011 082 027 A1 ist eine Trainingsvorrichtung bekannt geworden bei der eine elektrische Maschine ein elektrisches Antriebsmoment zur Verfügung stellt, das auf eine Benutzerschnittstelle übertragen wird. Dabei wird mittels eines Rotorposition-Sensors eine Position eines Übertragungselements ermittelt. Die Trainingsvorrichtung liefert jedoch keinerlei Daten über den Zustand oder die Trainings-Charakteristik des Benutzers. Die Erfindung soll möglichst Zustandsparameter des Fitnessgeräts und/oder dessen Benutzers zur Verfügung stellen, ohne dass hierfür eine zusätzliche, spezielle Sensorik notwendig ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Fitness-Trainingsgeräts, insbesondere eines Laufbandes, sowie das Fitness-Trainingsgerät zum Ausführen dieses Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass durch das Erfassen einer Motor-Messgröße, die der Verstellkraft des Motors entspricht - ohne eine zusätzliche externe Sensorik - der Zustand des Trainingsgeräts und/oder des Nutzers bestimmt werden kann. Dabei kann die Form des gemessenen Motorgrößen-Signals entsprechend ausgewertet werden, um beispielsweise Daten zu ermitteln, die für einen Läufer auf einem Laufband von Interesse sind. Eine solche Datenerfassung kann rein elektronisch in einer bereits vorhandenen Steuereinheit realisiert werden, ohne dass hierfür zusätzliche Sensoren benötigt werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung möglich. Als Motorgröße kann besonders bevorzugt der Motorstrom erfasst werden, der direkt mit dem Antriebsmoment des Elektromotors korreliert ist. Dieser Motorstrom kann ohne großen Aufwand im Steuergerät des Elektromotors gemessen werden, und einer Auswerteeinheit zugeführt werden. Dabei kann einerseits der absolute Betrag, und auch der zeitliche Verlauf des Motorstroms betrachtet werden.
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Beim Laufen eines Läufers auf einem Laufband ändert sich in regelmäßigen Abstand das erforderliche Antriebsmoment des Laufbands, da mit jedem Auftreten eines Fußes auf das bewegliche Band sich dessen Belastung ändert. Somit kann aus den zeitlichen Schwankungen des Motorstroms direkt auf den Laufrhythmus des Läufers geschlossen werden. Damit kann bei einer näherungsweise konstanten Laufgeschwindigkeit des Laufbandes eine durchschnittliche Schrittfrequenz des Läufers ermittelt werden, ohne dass am Läufer ein zusätzlicher Sensor angebracht werden muss.
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Die zeitlichen schwanken des Motorgrößen-Signals können beispielsweise mit einer vorgebbaren Signalschwelle detektiert werden, umso die Signal-Peaks zu identifizieren, die mit dem Auftreten eines Fußes auf das bewegliche Band korreliert sind. Wird nun die Anzahl der ermittelten Signal-Peaks bezogen auf eine bestimmte Zeiteinheit gezählt, ergibt sich daraus eine durchschnittliche Schrittfrequenz für die betrachtete Zeiteinheit.
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Wird hingegen das Motorgrößen-Signal nicht nur bezüglich eines vorgegebenen Schwellenwerts untersucht, sondern auch die Form und/oder der maximale Wert jedes Signal-Peaks analysiert, können daraus auch Informationen bezüglich des Laufstils des Läufers ermittelt werden. Beispielsweise kann aus dem zeitlichen Signalverlauf erkannt werden, ob der Laufstil des Läufers asymmetrisch ausgebildet ist, insbesondere, ob der linke und der rechte Fuß sich auf unterschiedliche Weise am beweglichen Band abstoßen.
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Bei der zeitlichen Analyse des gemessenen Motorgrößen-Signals kann auch sehr einfach festgestellt werden, wenn sich kein Läufer mehr auf dem Laufband befindet, um daraufhin beispielsweise das Laufband abzuschalten. Besonders vorteilhaft kann dies durch die Messung der Schrittfrequenz erkannt werden, wenn diese null wird. Es kann jedoch alternativ auch der Gesamtbetrag des Motorgrößen-Signals betrachtet werden. Sobald der Betrag des Motorstroms unter einen bestimmten Wert abfällt, kann daraus auch erkannt werden, dass das Band keine Last mehr sieht, und dann beispielsweise das Fitnessgerät entsprechend in einen Standby-Modus versetzt werden.
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Wird mittels einer bereits vorhandenen Rotorlagen-Sensorik auch die Geschwindigkeit des beweglichen Bandes erfasst, kann damit zusammen mit der errechneten Schrittfrequenz die korrespondierende Schrittlänge des Läufers berechnet und angezeigt werden.
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Um eine Umkehr der Drehrichtung des Laufbandes zu ermitteln, kann besonders günstig das Signal der Rotorlagen-Erfassung und/oder der Motorgröße analysiert werden. Dadurch kann ein solcher Richtungswechsel des Laufbandes beispielsweise in ein vorgebbares Trainingsprogramm integriert werden. Außerdem kann auch eine manuelle Änderung der Laufrichtung mittels der bereits integrierten Sensorik registriert werden.
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Um die Masse des Läufers mit der in der Antriebseinheit vorhandenen Sensorik abzuschätzen, kann beim Start des Laufbandes der zeitliche Verlauf der gemessenen Motorgröße untersucht werden. Da der Läufer dabei aus einer Ruheposition auf eine konstante Laufgeschwindigkeit beschleunigt wird, spiegelt sich diese Beschleunigung im zeitlichen Verlauf der Motorgröße wieder. Aus dieser Beschleunigung kann auf die Masse des Läufers geschlossen werden, und diese entsprechend angezeigt werden.
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Die gemessene Motorgröße und oder das Signal der Rotorlage-Erfassung kann auch dahingehend ausgewertet werden, dass plötzliche Abweichungen, und/oder Abweichungen über einen längeren Zeitraum von den zu erwartenden Normwerten erkannt werden. Somit kann beispielsweise aus einem langfristig ansteigenden Wert des Motorstroms auf einen zunehmenden internen Reibwiderstand des Laufbandes geschlossen werden. Dies kann als Indiz dafür gewertet werden, dass aufgrund von Verschleiß bestimmter mechanischer Teile eine Wartung initiiert werden sollte. Andererseits können auch plötzlich auftretenden Änderungen des Motorstroms als Störung identifiziert werden, deren Behebung dann empfohlen werden kann.
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Besonders vorteilhaft kann das Fitnessgerät mit einem elektronisch kommentierten EC-Motor angetrieben werden. Ein solcher EC-Motor weist eine Rotorlage-Sensorik auf, um ein entsprechendes Kommentierungs-Signal für die Bestromung der einzelnen Wicklungen bereitzustellen. Dazu ist beispielsweise in der Ansteuereinheit ein Mikroprozessor angeordnet, der das Ansteuer-Signal für die elektrischen Spulen generiert. Als Rotorlage-Erfassung ist auf dem Rotor ein Signalgeber angeordnet, dessen Signal von einem korrespondierenden Sensor erfasst wird, der ortsfest am Stator angeordnet ist. Beispielsweise kann die Rotorlagen-Sensorik mittels einem magnetischen, oder einem induktiven oder einem optischen System realisiert werden. Der Sensor für die Rotorlage-Erkennung kann dabei beispielsweise direkt auf einer elektronischen Leiterplatine angeordnet sein, die unmittelbar radial oder axial dem Signalgeber gegenüberliegend am Stator angeordnet ist.
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Alternativ kann das Fitnessgerät auch mittels einem mechanisch kommutierten DC-Motor angetrieben werden, der zur Positionserfassung des zu verstellen Teils, bzw. zur Geschwindigkeitsbestimmung des Laufbandes ebenfalls eine Rotorlage-Erfassung aufweist. Hierzu kann ebenfalls am Rotor der Signalgeber angeordnet sein, dessen Gebersignal von einem Sensor am Stator detektiert wird. Alternativ kann die Rotorlage auch „sensorlos“ ermittelt werden, indem beispielsweise das Motor-Ripple-Signal erfasst und ausgewertet wird. Hierzu wird bevorzugt der Motorstrom detektiert, und dessen Stromripple, der durch das Überstreichen der Kohlebürsten über die einzelnen Kommentator-Lamellen erzeugt wird. Somit kann mittels einer Strommessung sowohl die Rotorlage des Elektromotors erfasst werden, als auch gleichzeitig ein Motorgrößen-Signal zur Verfügung gestellt werden, das der Verstellkraft entspricht. Dabei weisen die Peaks des Motorgrößen-Signals, die durch das Auftreten eines Fußes auf dem beweglichen Band erzeugt werden, eine deutlich unterschiedliche Charakteristik auf, als die Stromripple der mechanischen Kommentierung. Insbesondere weisen die Peaks eine deutlich kleinere Frequenz auf, die von dem Stromripple mit der deutlich höheren Frequenz überlagert sind.
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Durch die Erfassung und Auswertung einer Motorgröße, die ein Abtriebsmoment des antreibenden Elektromotors repräsentiert, kann ohne zusätzliche Sensorik eine Vielzahl von Zuständen des Läufers und/oder des Fitnessgeräts zur Verfügung gestellt werden. Ein solches Fitness-Trainingsgerät ist vorteilhaft als motorisch angetriebenes Laufband ausgebildet, wobei in der Ansteuereinheit des Elektromotors die entsprechenden Zustandsparameter ermittelt werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert, ohne aber hierauf beschränkt zu sein.
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Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fitness-Trainingsgeräts mit den entsprechenden Verfahrensschritten zum Betreiben desselben,
- 2 eine weitere Variation der Verfahrensschritte gemäß 1.
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In 1 ist schematisch ein Verfahren dargestellt, mit dem ein Trainings-Fitnessgerät 10 betrieben werden kann. Dabei wird ein bewegliches Band 11 von einer Antriebseinheit 12 angetrieben. Die Antriebseinheit 12 weist einen Elektromotor 14 auf, der von einer an Steuereinheit 18 angesteuert wird. Die Antriebseinheit 12 weist eine Rotorlage-Erfassung 16 auf, die Bestandteil des Elektromotors 14 sein kann, oder in einer Ansteuereinheit 18 angesiedelt sein kann. In der Ansteuereinheit 18 ist eine Sensorik 20 ausgebildet, die eine Motorgröße erfasst, die mit einer Verstellkraft des Elektromotors 14 für das bewegliche Band 11 korreliert ist. Die Sensorik 20 ist bevorzugt als Stromsensor 20 ausgebildet, wobei der zeitliche Verlauf des Motorstroms des Elektromotors 14 erfasst wird. Die Antriebseinheit 12 wird beispielsweise über ein Bedien-Panel des Fitness-Trainingsgeräts 10 betätigt, wobei insbesondere auch spezifische Trainingsprogramme für den Läufer auf den beweglichen Band 11 einstellbar sind.
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Um im Trainings-Betrieb beispielsweise eine Schrittfrequenz des Läufers zu bestimmen, werden in einem eingeschwungenen Zustand - bei einer konstanten Drehgeschwindigkeiten des beweglichen Bandes 11 - die Stromschwankungen erfasst, die dadurch erzeugt werden, dass sich der Läufer mit einem Fuß am beweglichen Band 11 abdrückt. Um die Laufgeschwindigkeit des beweglichen Bandes 11 konstant zu halten, steigt hierbei kurzfristig das Abtriebsmoment am Elektromotor 14 an, was sich in einem Peak im zeitlichen Verlauf des Stromsignals widerspiegelt. Diese Strom-Peaks können beispielsweise mittels eines vorgebbaren Schwellwertes erkannt werden. Aus dem zeitlichen Abstand dieser aufeinander folgenden Strom-Peaks, kann die Schrittfrequenz des Läufers berechnet werden, wobei jeder einzelne Strom-Peak einem Schritt auf dem beweglichen Band 11 entspricht. Wird die Anzahl dieser Strom-Peaks über eine bestimmte Zeiteinheit gezählt, kann daraus die mittlere Schrittfrequenz des Läufers ermittelt werden.
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Beim Abdrücken des Fußes des Läufers auf dem beweglichen Band 11 ändert sich der Widerstand, den das bewegliche Band 11 erfährt, wodurch das benötigte Drehmoment des Elektromotors 14 erhöht wird, damit die Drehzahl des Elektromotors 14 - und damit des beweglichen Bandes 11 - konstant gehalten werden kann. Der Motorstrom kann ohne großen Aufwand direkt in der Ansteuereinheit 18 für den Elektromotor 14 gemessen, und auch ausgewertet werden. Dazu kann insbesondere der für die Ansteuerung des Motorstroms bereits vorhandene Mikroprozessor verwendet werden. Somit lässt sich die Schrittfrequenz des Läufers ohne zusätzliche externe Sensorik am Laufband 11 oder am Läufer mittels der Antriebseinheit 12 erfassen.
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In einer weiteren Ausführung können die Form und die Höhe der einzelnen Peaks, die einem Schritt entsprechen, genauer analysiert werden. Wird beispielsweise festgestellt, dass unmittelbar aufeinanderfolgende Peaks eine unterschiedliche Charakteristik aufweisen, kann dies als Indiz für ein asymmetrisches Laufverhalten gedeutet werden. Dadurch kann dem Läufer ein Hinweis gegeben werden, dass er beispielsweise immer das linke Bein stärker belastet, als das rechte Bein, oder dass sich das Abrollverhalten des Fußes auf dem beweglichen Band 11 seiner beide Füße unterscheidet. Dadurch kann der Läufer Hinweise für die Korrektur seines Laufstils erhalten und/oder dadurch seine Effizienz beim Lauftraining steigern.
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Wird bei der Analyse des Motorstrom-Signals festgestellt, dass beispielsweise über einen vorgegebenen Zeitraum kein Strom-Peak auftritt, der einem Schritt des Läufers entspricht, kann daraus geschlossen werden, dass derzeit kein Trainings-Betrieb stattfindet. Daher kann beispielsweise das bewegliche Band 11 heruntergefahren und/oder gestoppt werden, oder das Trainingsgerät in einen Standby-Modus geschaltet werden. Alternativ kann hierfür auch der Gesamtbetrag des Motorstrom-Signals ausgewertet werden. Wenn dieser Strombetrag unter einen bestimmten Wert fällt, kann dies dahingehend gedeutet werden, dass der Elektromotor 14 des Laufbandes 11 abgeschaltet werden kann.
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In 2 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführung für die Betriebsweise des Fitness-Trainingsgeräts 10 gemäß 1 dargestellt. Der Elektromotor 14 ist hier bevorzugt als elektronisch kommutierter EC-Motor 14 ausgebildet. Entsprechend 1 wird wieder gemäß dem Verfahrensschritt S1 das Motorstrom-Signal gemessen, und im Schritt S2 aufgrund der kurzzeitigen Änderungen des Motorstrom-Signals die entsprechenden Peaks erfasst. Im Schritt S3 werden dann die Peaks kontinuierlich über einen bestimmten Zeitraum gezählt und im Schritt S4 daraus die Schrittfrequenz errechnet. Des Weiteren wird gemäß 2 im Schritt R1 mittels einem Rotorlagen-Sensor 16 ein Rotorlagen-Sensorsignal erfasst, und im Schritt R2 entsprechend eine Drehzahl oder Drehgeschwindigkeit des Rotors des Elektromotors 14 bestimmt. Daraus wird im Schritt R3 bei einer bekannten mechanischer Übersetzung (Getriebe) die Laufgeschwindigkeit des beweglichen Bandes 11 bestimmt. Aus der Bandgeschwindigkeit kann zusammen mit der ermittelten Schrittfrequenz in einfacher Weise auch die durchschnittliche Schrittlänge des Läufers im Schritt R4 berechnet werden.
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Aus dem Rotorlage-Signal kann die Geschwindigkeit, und dadurch auch ein Richtungswechsel des beweglichen Bandes 11 erkannt werden. Gegebenenfalls kann hierzu auch das Stromsignal hinzugezogen werden, worin sich auch der Polwechsel des Motorstroms des Elektromotors 14 widerspiegelt. Eine solche Erkennung des Drehrichtungswechsels des beweglichen Bandes 11 kann beispielsweise für spezielle Trainingsprogramme genutzt werden, bei denen auch das Rückwärtslaufen Bestandteil des Programms ist. Auch ein manuelles Umschalten der Drehrichtung wird von der internen Sensorik erkannt und bei den weiteren Verfahrensabläufen berücksichtigt.
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Mit dem Verfahrensablauf gemäß 2 kann beispielsweise auch die Masse eines Läufers abgeschätzt werden. Hierzu wird in der Startphase, wenn der Elektromotor 14 in Bewegung versetzt wird, die Änderung der detektieren Motorgröße gemessen. Da diese Motorgröße die Verstellkraft des Elektromotors 14 repräsentiert, kann durch die Kraftänderung die Beschleunigung des Läufers auf dem beweglichen Band 11 aus dem Stillstand ermittelt werden. Aus dieser Beschleunigung des Läufers hin bis zu einer konstanten Bandgeschwindigkeit kann die Masse des Läufers abgeschätzt, und diesem angezeigt werden.
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Das detektiert Signal der Motorgröße und der Rotorlagenerfassung können einer Diagnoseeinheit 22 in der an Steuereinheit 18 zugeführt werden, in der diese Signale über einen längeren Zeitraum analysiert werden. Dadurch können beispielsweise auch Änderungen des Systems, beispielsweise ein Anstieg der Motorkraft über einen längeren Zeitraum, erkannt werden, die auf einen Verschleiß bestimmter mechanischer Bauteile schließen lassen. Ebenso können unerwartete kurzfristige Änderungen der gemessenen Sensorsignale auf eine Störung des Fitnessgeräts 10 hinweisen. Solche Auffälligkeiten kann die Diagnoseeinheit 22 anzeigen, damit der Läufer oder der Betreiber des Trainingsgeräts 10 entsprechend eine Wartung veranlassen kann.
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Bei der Verwendung eines elektronisch kommutierten EC-Motors 14 wird das Kommutierungs-Signal in der Steuereinheit 18 generiert, um die elektrischen Wicklungen des Elektromotors 14 entsprechend zu bestromen. Dazu wird die Rotorlage mittels des Rotorlagen-Sensors 16 erfasst. Hierzu ist auf dem Rotor ein Signalgeber angeordnet, der mit einem entsprechenden Signalsensor zusammenwirkt, der ortsfest am Stator des Elektromotors 14 angeordnet ist. Bevorzugt ist am Rotor beispielsweise ein Gebermagnet befestigt, dessen Magnetfeld von einem Magnetsensor am Stator - insbesondere auf einer Platine der Ansteuereinheit 18 - erfasst wird. Zum Erfassen der Motorgröße, die die Motorkraft repräsentiert, kann hierbei in sehr einfacher Weise der Motorstrom in der Ansteuereinheit 18 gemessen werden, mit dem die elektrische Wicklung des Elektromotors 14 versorgt wird.
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Wird für den Antrieb des Trainingsgeräts 10 - vorzugsweise eines Laufbandes - ein DC-Motor 14 verwendet, kann das Rotorlage-Signal wie bei dem oben beschriebenen EC-Motor ermittelt werden. Alternativ kann hierbei jedoch auch aus der Messung des Motorstrom-Signals ein Strom-Ripple bestimmt werden, der dem Wechsel der Kohlebürsten an den einzelnen mechanischen Kommutatorlamellen entspricht. Dabei kann dieses gemessene Stromsignal, das hier der Motorgröße entspricht, gleichzeitig auch für die Ermittlung der Strom-Peaks herangezogen werden, deren Frequenz der Schrittfrequenz des Läufers entspricht, die deutlich geringer ist, als die viel höhere Frequenz des Strom-Ripple-Signals der mechanischen Kommentierung. Die Strom-Ripple der mechanischen Kommutierung unterscheiden sich auch im Betrag und in der Form von den Peaks der Schrittfrequenz, und können so in einfacher Weise mittels entsprechender Filter deutlich voneinander unterschieden werden.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise der Elektromotor 14 als EC- oder als DC-Motor 14 ausgebildet sein, und mit unterschiedlichen Getriebebauformen kombiniert werden. Vorzugsweise wird für die Motorgröße, die die motorische Verstellkraft repräsentiert, der Motorstrom verwendet. Alternativ können jedoch auch andere Messgrößen erfasst werden, die mit der Motorkraft korrelieren, wie beispielsweise die Drehzahl des Rotors oder die entsprechende Motorspannung. Bei der Messung des Motorstroms kann dieses Signal relativ einfach bezüglich auftretender Peaks analysiert werden, die den einzelnen Schritten des Läufers auf dem Laufband entsprechen. Zusätzlich zur Identifikation dieser Peaks kann auch die Stromstärke für die Ermittlung von Zustandsparametern des Läufers und/oder des Laufbands 10 herangezogen werden. Die Motorgröße kann bevorzugt im Steuergerät 18 des Elektromotors 14 erfasst werden, wobei das Steuergerät 18 direkt im Elektromotor 14 integriert sein kann, oder als zentrale separate Steuereinheit 18 ausgebildet sein kann. Das Fitnessgerät 10 kann dabei einen einzigen Antriebsmotor 14 aufweisen, oder auch eine Kombination von mehreren Antriebsmotoren 14, die einen gewissen Bewegungsablauf eines beweglichen Teils 11 realisieren. Als Rotorlage-Sensorik 16 für die Ermittlung der Laufgeschwindigkeit des beweglichen Bandes 11 können unterschiedliche Sensorkonzepte verwendet werden, die für EC-Motoren 14 oder DC-Motoren 14 im Einsatz sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht für die Anwendung für ein Laufband 10 beschränkt, sondern kann auch für andere Fitnessgeräte 10 angewandt werden, bei denen der Nutzer entsprechend mit dem Fitnessgerät 10 interagiert, wie beispielsweise einem Stepper oder einem anderen Schritt-bezogenen Trainingsgerät.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011082027 A1 [0002]
