DE19653896A1

DE19653896A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen physikalischer Größen an Trainings- und Therapiegeräten

Info

Publication number: DE19653896A1
Application number: DE19653896A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Ferstl; Dietmar Ferstl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-21
Filing date: 1996-12-21
Publication date: 1998-06-25

Description

Unter Trainings-/Therapiegeräten versteht man:
Kraftmaschinen, die der menschlichen Muskelkraft einen meist einstellbaren Widerstand bieten. Durch diesen Widerstand erreicht man eine bessere Stabilisierung der bewegten Gelenke und vor allem eine Erhöhung der Trainingsreize (Muskelaufbau).

Unter den Trainings-/Therapiegeräten gibt es zahlreiche Variationen, die das Training unterschiedlichster Muskeln und Gelenke ermöglichen.

Die zur Erzeugung des Widerstandes verbreiteste Methode ist die "Gewichtsstapelmethode". Die Gewichtsscheiben laufen hierbei in der Regel zwischen zwei Führungsschienen. Über Seile und Umlenkrollen wird der Angriffspunkt der Kraft (Gewichtsscheiben) an die verschiedenen Gerätetypen angepaßt. Mit einem einfachen Steck-Mitnahme-System legt man fest, mit wievielen Gewichtsscheiben gearbeitet wird, und kann dadurch die Belastung rasch auf die individuellen Leistungsniveaus der Probanden anpassen. Siehe Fig. 1-3.

Problemstellung

Um das Training und die Therapie auf obengenannten Geräten effektiver und kontrollierbarer zu machen, ist es nötig, das Training zu visualisieren. Die physikalischen Größen des Training sollen für den Trainierenden (Effektivität) und den Therapeuten (Kontrolle) dargestellt werden.

Stand der Technik 1. Geräte ohne Visualisierungsmöglichkeit

In der Praxis werden größtenteils Geräte ohne Visualisierungsmöglichkeit verwendet. Der Therapeut übernimmt hierbei die Aufgabe, den Trainierenden zu instruieren und den Trainingsverlauf zu kontrollieren, was ohne Visualisierung nur sehr ungenau möglich ist. Der Therapeut muß aufgrund der Verletzungsstruktur des Patienten sehr genau abwägen, mit welcher Belastung die Übungen ausgeführt werden.

- Vor allem die Einhaltung bestimmter Beschleunigungskräfte (Belastungsintensität!) während des Trainings ist für den Patienten ohne Visualisierung unmöglich.

Beispiel

Da der Therapeut die Belastung (Widerstand, Kraft) bei den hier beschriebenen Geräten auf der Basis von Gewichtsscheiben einstellt, und nicht über einen masselosen (bzw. massearmen) Aktor (z. B. Feder, Gummiband, pneumatischer Druckzylinder o. ä.), legt er im Grunde genommen nur die statische Belastung bzw. die Belastung bei konstanter Bewegungsgeschwindigkeit fest. (Reibungskräfte sind hier nicht berücksichtigt).

An den Bewegungswendepunkten und in den Beschleunigungsphasen werden Kräfte erzielt, die ein mehrfaches der rein statischen Belastung betragen können.

(Gewichtskraft (N) = m(Kg)×g(m/s²)
F(N) = m(Kg)×(g(m/s²)+a(m/s²)
F = Kraft die auf den Patienten wirkt (N)
m = Masse der Gewichtsscheiben (Kg)
g = Erdbeschleunigung 9.81 m/s²
a = Beschleunigung der Gewichtscheiben entgegen der Schwerkraftrichtung in (m/s²).

Um diesem Nachteil entgegen zu wirken, gibt der Therapeut dem Patienten häufig die Anweisung an den Bewegungswendepunkten nur "langsam zu beschleunigen".

Da dieser Hinweis besonders bei älteren Patienten, Patienten die keine sportliche Tätigkeit ausführen oder motorisch anderweitig eingeschränkt sind, nicht richtig verstanden wird und dem entsprechend auch nicht richtig umgesetzt werden kann, sagt man solchen Patienten, sie sollen mit nur langsamer Geschwindigkeit die Übungen ausführen.

Dadurch werden kleine Beschleunigungskräfte erzielt, wobei allerdings die Geschwindigkeit durchgehend gering bleibt, was für die Therapie nicht unbedingt wünschenswert ist.

Da in der Muskulatur und auch in den Gelenken bei langsamen Bewegungen andere physiologische Zustände herrschen als bei schnelleren; z. B. Gleit- und Reibungsverhalten der sich kontrahierenden Muskelfasern; Roll-Gleit-Verhalten der beanspruchten Gelenkflächen; Koordinationsfähigkeit, ist es therapeutisch häufig notwendig, im "höheren" Geschwindigkeitsbereich zu trainieren.

Dies bewirkt aber gleichzeitig auf Grund der vorher geschilderten Zusammenhänge, ein höheres Verletzungsrisiko

- Die Bewegungsamplitude, d. h. das Bewegungsausmaß in cm, bei Bewegungen in der geschlossenen Kette oder in Winkelgrad bei isolierten Bewegungen im offenen System muß bei einem schonenden Training und vor allem in der Therapie sehr genau festgelegt und eingehalten werden, was ohne Visualisierung des Bewegungsausmaßes kaum gewährleistet werden kann.

Beispiel

Bei manchen Verletzungen ist es wichtig, daß ein exakter Bewegungsbereich eingehalten wird um den Patienten bzw. das betroffene Gelenk (z. B. postoperativ) nicht zu überlasten.

Bei den moderneren Therapiegeräten, steht zwar oft eine mechanische Bereichsabgrenzung zur Verfügung, jedoch kann diese vom Patienten während der Übung nicht eingesehen werden. Dadurch wird ein unangenehmes, hartes und zugleich auch unphysiologisches Abbremsen verursacht. Außerdem ist die Bereichsabgrenzung meistens nur auf einer Bewegungsrichtung einstellbar, die andere Bewegungsrichtung bleibt hingegen offen.

Um auf die Muskulatur einen ausreichenden Trainingsreiz auszuüben, bedarf es nicht nur die richtige Belastungsintensität (Kraft), sondern auch einen ausreichenden Belastungsumfang (Arbeit). Dieser bleibt ohne Trainingsvisualisierung ebenfalls unbekannt.

2. Visualisierung einiger Trainingsdaten durch eine Kraft-Meßdose

Ein bereits existierender technischer Lösungsversuch für das oben geschilderte Problem ist die Anbringung einer Kraft-Meßdose mit entsprechender Auswertung. Diese Kraft-Meßdosen können die wirkenden Kräfte visualisieren. Dem Patienten kann eine Belastungsgrenze vorgegeben werden, die er über ein Display während des Trainings einsehen kann.

Durch Anschluß der Kraft-Meßdose an eine entsprechende Rechnereinheit und Software können auch Kraft-Zeitverläufe protokolliert werden.

Da allerdings folgende Daten nicht visualisiert werden können:

- Geschwindigkeit
- Beschleunigung
- Bewegungsausmaß
- Leistung
- Arbeit
- Anzahl der Wiederholungen
sind die Kraft-Meßdosen zur Beseitigung der oben geschilderten Probleme nicht in der Lage.

Weitere Nachteile der Kraft-Meßdosen:

- Der Sensor wird in der Regel zwischen Gewichtsstapel und Seil bzw. Zugriemen angebracht und ist deshalb in der Regel nicht ohne größeren Umbauaufwand in ein anderes Trainingsgerät umzusetzen.
- Die am Markt erhältlichen Kraft-Meßdosen sind teuer.

Ziel der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung ist es

1. Die Nachteile der unter "Stand der Technik" beschriebenen Geräte durch ausreichende Visualisierung der Trainingsdaten zu beseitigen
2. dem Therapeuten jederzeit den Leistungsstand des Patienten an den Geräten transparent zu machen, damit er bei Bedarf, sofort regulierend auf die Behandlung einwirken kann.
3. dem Patienten Therapie- und Trainingsziele an den einzelnen Trainings-/ Therapiegeräten erkennbar und nachvollziehbar zu machen (=Selbstüberwachung und Motivation).
4. eine korrekte und effektive Übungsausführung durch Kontrolle zu gewährleisten.
5. Den Therapieverlauf (Therapiefortschritt) zu dokumentieren und statistisch auszuwerten (Therapieforschung und -planung).
6. einen Leistungsnachweis gegenüber den Kostenträgern zu ermöglichen. Die Erfindung stellt eine Meß-Aparatur dar, die bei allen oben geschilderten Problemen Abhilfe schaffen kann und zwar auf einfache und kosteneffektive Weise
7. Im Therapiewesen ist derzeit der Trend zu beobachten, Behandlungen zu quantifizieren und zu dokumentieren um letztendlich eine höhere, kosteneffektive Qualität "=Produktivität" zu erreichen.

Diese Ziele wurden durch die Erfindung erreicht.

Die Meß-Aparatur besteht aus einem Weg-/Winkelaufnehmer, einem Anzeigegerät, einer CPU mit Timer und einem Ausgabegerät z. B. Drucker.

Der Wegaufnehmer wird so mit dem Trainings-/Therapiegerät in Verbindung gebracht, daß der Hub des Gewichtstapels bei der Übungsausführung erfaßt werden kann. Siehe Fig. 4 u. 5.

Das kostengünstige, flexible System kann an alle herkömmlichen Trainings- /Therapiegeräte angeschlossen werden, so daß mit einem sehr geringen Aufwand die Effektivität dieser Geräte um ein Vielfaches angehoben wird. Das System ist also sehr ökonomisch und gut an den bestehenden Markt angepaßt.

Aus der erfaßten Wegänderung und der Angabe der gesteckten Gewichtsplatten, kann die Meßeinrichtung folgende Informationen über die ausgeführten Bewegungen geben:

Geschwindigkeit(m/s²): = WEG/Zeit
- aktuelle Geschwindigkeit
- max. Geschwindigkeit
- durchschnittl. Geschwindigkeit
Beschleunigung (m/s²): = Geschwindigkeitsänderung pro Zeit
- aktuelle Beschleunigung
- max. Beschleunigung
- durchschnittl. Beschleunigung
Kraft (N) oder Kg×m/s²: = Masse×(g+a)
g = Erdbeschleunigung m/s²
a = Beschleunigung parallel und entgegen der Erdbeschleunigung.
- aktuelle Kraft
- max. Kraft
- min. Kraft
- durchschnittl. Kraft
Bewegungsbereich
- Bewegungsstartpunkt(m)
- Bewegungsendpunkt (m)
- Bewegungsamplitude(m) = B.-Endpunkt-B.-Start
Arbeit (Joule) = Kraft (N)×Weg(m)
- Arbeit pro Wiederholung
- Gesamtarbeit pro Serie (Serie = beliebig festlegbare Anzahl von Wiederholungen die ohne Pause nacheinander durchgeführt werden können. (Wiederholung = das heben der Gewichtscheiben vom B.-Startpunkt bis zum B.- Endpunkt).
- Gesamtarbeit aller Serien der Trainingseinheit.
Leistung (Watt) oder (Joule/s) = Arbeit/Zeit
- aktuelle Leistung
- maximale Leistung
- durchschnittl. Leistung
Kardiologische Überwachung:
Durch die Kombination mit einem Pulsmesser lassen sich die auch Trainingsparameter wie
- die Anzahl der Wiederholungen/Serie
- Anzahl der Serien
- und Pausenzeiten zwischen den Serien permanent korrigieren.

Alle oben aufgeführten Parameter lassen sich aufzeichnen und können bei Bedarf in Form eines Trainingsprotokolls ausgedruckt werden.

Fig. 1 Meßapparatur bestehend aus einem herkömmlichen Therapiegerät, einem Weg-Geschwindigkeits-Meßgerät.

Fig. 2 Weg-Geschwindigkeits-Meßgerät bestehend aus Aufnahmering, Weg-Winkel- Sensor, Meßseil und Seilwindenbox. Der Wegaufnehmer wird so mit dem Trainings-/Therapiegerät in Verbindung gebracht, daß der Hub des Gewichtstapels bei der Übungsausführung erfaßt werden kann.

Fig. 3 Konventioneller Zugapparat für Therapie und Sport.

Fig. 4 Gewichtsstapel eines konventionellen Therapiegerätes in Ruhestellung.

Fig. 5 Gewichtsstapel eines konventionellen Therapiegerätes im hochgezogenen Zustand. Einstellung des Gewichtes mit Hilfe des Steckstiftes.

Claims

1. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen physikalischer Größen an Trainings- und Therapiegeräten, dadurch gekennzeichnet, daß:
ein Weg-/Winkelaufnehmer-System die Hubbewegungen der Gewichtsplatten in einem Therapie-/Trainingsgerät registriert und verrechnet.

2. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen physikalischer Größen an Trainings- und Therapiegeräten nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:
ein Weg-/Winkelaufnehmer-System auf der Abtastung einer Codierscheibe (rotatorisch) oder eines Codierstreifens (translatorisch) basiert. Dieser Vorgang beruht auf Feststellung einer Widerstandsänderung oder optischer, magnetischer, induktiver, kapazitiver oder anderer Änderungen.

3. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen physikalischer Größen an Trainings- und Therapiegeräten nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß:
der Weg-/Winkelaufnehmer absolute oder auch nur relative Positionsänderungen anzeigen kann.

4. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen physikalischer Größen an Trainings- und Therapiegeräten nach Patentanspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß:
der Weg-/Winkelaufnehmer als fest integriertes Meßsystem in den Trainings- /Therapiegeräten eingebaut sein kann oder als flexibles System an- und abmontiert werden kann.

5. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen physikalischer Größen an Trainings- und Therapiegeräten nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß:
Der Weg-/Winkelaufnehmer im fest integrierten System entweder die Rotationsbewegung einer Rolle (Riemenscheibe, eines Zahn- /Kettenrades o. ä.) mit bekannten Durchmesser, über die das Zugseil (bzw. der Zugriemen o. ä.) bei der Übungsausführung abrollen muß, oder direkt die Hub- oder Wegänderung, die mit einem Meßstab aufgenommen wird, registriert.

6. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen physikalischer Größen an Trainings- und Therapiegeräten nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß:
Der Weg-/Winkelaufnehmer im flexiblen System so auf einer Platte montiert ist, daß diese auf einer oder beiden Gewichtsführungsschienen aufgesteckt und festgeklemmt werden kann. Oder:
Ein Meßrad im flexiblen System direkt oder indirekt mit dem Weg-/Winkelaufnehmer verbunden ist, und so in den Seilgang justiert wird, daß bei Bewegung des Seils (Riemen, Kette o. ä.) eine schlupffreie Abrollbewegung am Meßrad entsteht. Oder:
der Weg-/Winkelaufnehmer im flexiblen System auf dem Meßseilprinzip basiert, so daß auf den Gewichtsmitnahmezapfen ein Aufnahmering gesteckt wird, der wiederum mit dem Meßseil verbunden ist und dadurch die Hubänderung (Weg) der Gewichtsscheiben registriert. Das Meßseil wird hierbei mit einem Federmechanismus wieder auf die Seiltrommel zurückgespult.