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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Trainingsgerät zum Training eines Benutzers, insbesondere von dessen Extremitäten, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein gattungsgemäßes Trainingsgerät zum Training eines Benutzers ist in
EP3323473A1 beschrieben. Dieses Trainingsgerät weist zunächst einen ersten Sokkel und einen zweiten Sockel zum, insbesondere ortsfesten, Positionieren des Trainingsgeräts bezüglich der Umgebung auf. An dem ersten Sockel ist ein erster Rotor und an dem zweiten Sockel ist ein zweiter Rotor jeweils drehbar angebracht. Der erste Rotor weist ein erstes Betätigungselement zum drehenden Antreiben durch eine erste Extrem ität eines Benutzers und der zweite Rotor weist ein zweites Betätigungselement zum drehenden Antreiben durch eine zweite Extremität des Benutzers auf. Zum Messen eines vom Benutzer auf den ersten Rotor angewendeten Drehmoments oder einer angewendeten Kraft ist eine erste Messeinrichtung und zum Messen eines vom Benutzer auf den zweiten Rotor angewendeten Drehmoments oder einer angewendeten Kraft ist eine zweite Messeinrichtung vorhanden. Zum Antreiben des ersten Rotors ist ein erster Antrieb und zum Antreiben des zweiten Rotors ist ein zweiter Antrieb vorhanden. Schließlich ist eine Steuer- und Regeleinheit zum Auswerten der Messdaten der ersten Messeinrichtung und der zweiten Messeinrichtung und zum Ansteuern des ersten und des zweiten Antriebs vorhanden.
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In
EP3335767B1 ist ein Trainingsgerät beschrieben, bei dem zwei mechanisch gekoppelte Drehvorrichtungen in Rotation versetzt werden, wobei idealerweise der ganze Körper in das Training mit einbezogen wird und die Kraftübertragung mittels der Hände erreicht wird.
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JP2008194424A bezieht sich auf ein Trainingsgerät, bei dem die Rotationsbewegungen, die mit dem linken Arm und dem rechten Arm ausgeführt werden, aneinander gekoppelt sind.
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US4611807A betrifft ein Trainingsgerät, bei dem beide Arme drehende Übungsbewegungen ausführen können.
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Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, ein Trainingsgerät zu schaffen, bei dem besonders viele unterschiedliche Übungen und Trainingsmodi möglich sind und unaufwändig zwischen den einzelnen Trainingsmodi gewechselt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch das Trainingsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das Trainingsgerät der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Steuer- und Regeleinheit dazu eingerichtet ist, den ersten Antrieb und den zweiten Antrieb unter Verwendung der erhobenen Messdaten der ersten Messeinrichtung und der zweiten Messeinrichtung dergestalt anzusteuern, dass eine Drehkopplung zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor simuliert wird.
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Ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Trainingsgeräts ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinheit abhängig von einem vom Benutzer auf den ersten Rotor angewendeten Drehmoment oder einer angewendeten Kraft und abhängig von einem vom Benutzer auf den zweiten Rotor angewendeten Drehmoment oder einer angewendeten Kraft den ersten Antrieb und den zweiten Antrieb dergestalt ansteuert, dass eine Drehkopplung zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor simuliert wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts werden im Folgenden insbesondere im Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen und den Figuren erläutert.
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Das erfindungsgemäße Trainingsgerät und insbesondere dessen Steuer- und Regeleinheit sind bevorzugt dazu eingerichtet, die hier beschriebenen Verfahren in allen hier beschriebenen Varianten durchzuführen.
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Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei dem in
EP3335767B1 beschriebenen Trainingsgerät ist, dass die beiden Dreheinrichtungen mechanisch gekoppelt sind. Bei den mit diesem Gerät durchzuführenden Übungen hängen deshalb die Bewegungen, die der linke Arm und der rechte Arm durchführen, voneinander ab, und zwar im Einzelnen abhängig von der individuellen Konfiguration des Geräts. Eine Umstellung auf eine andere Übung, beispielsweise von gegensinniger Drehkopplung, bei der die beiden Dreheinrichtungen in unterschiedliche Richtungen gedreht werden, zu gleichsinniger Drehkopplung, bei der die beiden Dreheinrichtungen in dieselbe Richtung gedreht werden, ist bei dem Gerät der
EP3335767B1 zwar möglich, aber vergleichsweise aufwändig.
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Als eine Grundidee der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, anstelle einer realen mechanischen Kopplung für beide Rotoren einen Antrieb vorzusehen und eine mechanische Kopplung zwischen den beiden Rotoren durch einen geregelten Antrieb der Rotoren zu simulieren. Wichtig ist dabei, dass erfindungsgemäß die von einem Benutzer auf den ersten Rotor und den zweiten Rotor eingetragenen Drehmomente oder Kräfte gemessen werden und dass der erste Rotor und der zweite Rotor von den jeweils zugeordneten Antrieben in Abhängigkeit dieser Drehmomente oder Kräfte so bewegt werden, als ob die Drehbewegungen des ersten Rotors und des zweiten Rotors mechanisch gekoppelt wären.
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Mit dem ersten Antrieb und dem zweiten Antrieb können jedwede Art von Bewegungen und Kopplungen verwirklicht oder simuliert werden. Beispielsweise können die Rotoren, je nach gemessenen Kräften oder Drehmomenten, gedreht werden. Insbesondere können aber auch dissipative Effekte, wie Reibung, und auch allgemein negative Beschleunigungen, mithin Verzögerungen oder Bremsen, simuliert werden. In diesem Zusammenhang sind viele Varianten möglich, von denen im Folgenden zahlreiche im Einzelnen beschrieben werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Trainingsgerät können also die beiden Rotoren durch Extremitäten, beispielsweise die Arme, eines Benutzers in eine drehende Bewegung versetzt werden. Andererseits ist auch möglich, dass das erfindungsgemäße Trainingsgerät die Extremitäten, beispielsweise die Arme, eines Benutzers in drehende Bewegungen versetzt.
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Details, wie Parameter der Drehkopplung (starr, gleitend, gleichsinnig, gegensinnig, Verhältnis der Drehzahlen des ersten Rotors und des zweiten Rotors), Trägheitsmomente des ersten und des zweiten Rotors und Parameter der Reibung (konstant, abhängig von Drehgeschwindigkeit), können der Steuerungs- und Regeleinheit als Parameter vorgegeben werden. Die Steuer- und Regeleinheit kann insbesondere zum numerischen Lösen der jeweils relevanten mechanischen Bewegungsgleichungen eingerichtet sein.
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Als wesentlicher Vorteil wird bei der Erfindung erreicht, dass im Vergleich zur mechanischen Lösung Änderungen der Konfiguration des Trainingsgeräts einfacher möglich sind, weil nur die Ansteuerung der Antriebe geändert werden muss. Darüber hinaus sind Betriebsvarianten möglich, die bei einem Gerät mit mechanischer Kopplung nur mit großem Aufwand verwirklicht werden können, beispielsweise Varianten mit stark erhöhten Trägheitsmomenten der Rotoren
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Das hier beschriebene Gerät wird als Trainingsgerät bezeichnet. Es kann auch für Zwecke der Physiotherapie verwendet werden.
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Unter den Extremitäten eines Benutzers werden dessen Arme und Beine verstanden.
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Das Trainingsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung eignen sich insbesondere zum Training der Extremitäten eines Benutzers. Es ist aber klar, dass im allgemeinen viele andere Muskelgruppen, insbesondere Teile der Rücken- und der Bauchmuskulatur ebenfalls beansprucht und trainiert werden, wenn die Rotoren mit den Extremitäten betätigt oder mit den Rotoren die Extremitäten bewegt werden.
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Mit den Begriffen des ersten Sockels und des zweiten Sockels sollen diejenigen Teile des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts bezeichnet werden, die beispielsweise auf dem Boden stehen oder montiert sind, auf einem Tisch liegen oder montiert sind oder an einer Wand montiert sind und mit denen das erfindungsgemäße Trainingsgerät in der Regel ortsfest bezüglich der Umgebung positioniert wird. Der erste und der zweite Sockel können jeweils ein Gehäuse sein, in dem insbesondere jeweils der erste beziehungsweise der zweite Antrieb und/oder die Steuer- und Regeleinheit oder Teile davon und gegebenenfalls weitere Komponenten aufgenommen sind.
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In bevorzugten Ausgestaltungen können der erste Sockel und der zweite Sockel starr miteinander verbunden oder können als ein einheitlicher Sockel oder als ein einheitliches Gehäuse gebildet sein.
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In diesem Zusammenhang kann auch zweckmäßig sein, dass der erste Sockel und der zweite Sockel jeweils Befestigungseinrichtungen aufweisen zum Bereitstellen einer, insbesondere von Hand, lösbaren starren Verbindung miteinander, also einer Verbindung des ersten Sockels mit dem zweiten Sockel.
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Solche Befestigungseinrichtungen können insbesondere an unterschiedlichen Seiten des ersten und des zweiten Sockels vorhanden sein, sodass unterschiedliche Relativpositionen des ersten Sockels und des zweiten Sockels verwirklicht werden können.
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Mit den Begriffen des ersten Rotors und des zweiten Rotors sollen mechanische Komponenten bezeichnet werden, die relativ zu dem jeweiligen Sockel drehbar sind und mit dem Sockel, typischerweise jeweils über eine Welle und ein Drehlager verbunden sind. Der erste Rotor und/oder der zweite Rotor können beispielsweise durch eine Kurbei oder eine Drehscheibe gebildet sein. Zum Reduzieren der Belastung der Drehlager ist es von Vorteil, wenn die Rotoren in ihrem Schwerpunkt drehend gelagert sind. Dieses ist in
EP3335767B1 beschrieben.
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Als erstes und zweites Betätigungselement zum drehenden Antreiben durch eine erste beziehungsweise zweite Extremität des Benutzers werden diejenigen Einrichtungen bezeichnet, über die der Benutzer mit seinen Extremitäten, also seinen Armen oder Beinen, Kräfte in den ersten Rotor beziehungsweise zweiten Rotor einträgt. Üblicherweise übt der Benutzer über seine Hände oder seine Füße Kräfte auf die Rotoren aus. Zu diesem Zweck können die Betätigungselemente als, insbesondere drehbarer, Griff oder als Pedal ausgebildet sein. Möglich ist aber auch, dass die Betätigungselemente als Schlaufen zur Aufnahme einer Extremität ausgebildet sind, in welchen eine Hand, ein Arm, ein Fuß oder ein Schenkel des Benutzers fixiert werden kann. Grundsätzlich können die Betätigungselemente individuell auf Bedürfnisse und Anforderungen des jeweiligen Benutzers anpassbar und einstellbar sein.
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Bei weiteren Varianten können auch eine radiale Position des ersten Betätigungselements auf dem ersten Rotor und/oder eine radiale Position des zweiten Betätigungselements auf dem zweiten Rotors verstellbar sein.
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Als erster Antrieb zum Antreiben des ersten Rotors und als zweiter Antrieb zum Antreiben des zweiten Rotors können grundsätzlich jedwede Antriebe zum Einsatz kommen, mit welchen die von der Regelung vorgegebenen Drehstellungen und/oder Drehgeschwindigkeiten hinreichend schnell verwirklicht werden können. Besonders bevorzugt werden Elektromotoren verwendet. Möglich sind auch hydraulische Antriebe.
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Als erste Messeinrichtung und zweite Messeinrichtung zum Messen eines von dem Benutzer auf den ersten beziehungsweise den zweiten Rotor angewendeten Drehmoments oder einer angewendeten Kraft können grundsätzlich alle Messkomponenten und Messsensoren verwendet werden, die zur Kraftmessung und zur Messung von Drehmomenten in den hier relevanten Größenordnungen geeignet sind. Beispielsweise kann oder können die erste Messeinrichtung und/oder die zweite Messeinrichtung gebildet sein durch einen Sensor aus der Gruppe der folgenden Sensoren: Dehnungsmessstreifen, Piezoaufnehmer, Federkraftmesser, interferometrischer Kraftsensor oder Drehmomentsensor, induktiver Kraftsensor oder Drehmomentsensor, kapazitiver Kraftsensor oder Drehmomentsensor, auf Widerstandsmessung beruhender Kraftsensor oder Drehmomentsensor, auf dem Effekt der Magnetostriktion beruhender Kraftsensor oder Drehmomentsensor.
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Die erste Messeinrichtung und/oder die zweite Messeinrichtung kann oder können bei dem erfindungsgemäßen Trainingsgerät im Bereich der jeweiligen Betätigungselemente am ersten Rotor beziehungsweise am zweiten Rotor positioniert sein. Bei einer vorteilhaften Variante ist die erste Messeinrichtung an einer Welle des ersten Rotors und/oder die zweite Messeinrichtung ist an einer Welle des zweiten Rotors angeordnet. Die erste Messeinrichtung und/oder die zweite Messeinrichtung kann oder können bei dem erfindungsgemäßen Trainingsgerät auch im Bereich des ersten beziehungsweise des zweiten Betätigungselements angeordnet sein.
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Ergänzend oder alternativ kann die erste Messeinrichtung in den ersten Antrieb und/oder die zweite Messeinrichtung kann in den zweiten Antrieb integriert sein.
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Als Steuer- und Regeleinheit können alle Rechenkomponenten zum Einsatz kommen, mit welchen die notwendigen Datenverarbeitungs- und Regelaufgaben, beispielsweise die numerische Lösung der Bewegungsgleichungen, für die Zwecke des erfindungsgemäßen Trainingsgerät hinreichend rasch möglich ist. Zweckmäßig kann die Steuer- und Regeleinheit mindestens eine der folgenden Komponenten aufweisen: Mikrocontroller, PC, insbesondere ein Laptop. Typischerweise kann eine Bedienoberfläche in einer App für ein Smartphone bereitgestellt werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts ist die Steuer- und Regeleinheit in einem separaten Gehäuse, also räumlich getrennt von den Sockeln mit den Rotoren und den Antrieben, angeordnet. Die Steuer- und Regeleinheit kann mit den Antrieben über Kabel verbunden sein. Besonders vorteilhaft können aber auch drahtlose Verbindungstechniken, wie Bluetooth oder NFC, zum Einsatz kommen. Zum Beispiel können die Aufgaben der Steuer- und Regeleinheit durch ein Mobiltelefon oder ein Laptop verwirklicht werden.
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Zur Verwirklichung der Erfindung ist ausreichend, wenn nur die von einem Benutzer auf den ersten Rotor und den zweiten Rotor eingetragenen Kräfte gemessen werden. Eine Verbesserung der Simulation ist möglich bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts, bei der zum Messen von Drehgeschwindigkeit und/oder Drehposition des ersten Rotors eine dritte Messeinrichtung vorhanden ist und/oder zum Messen von Drehgeschwindigkeit und/oder Drehposition des zweiten Rotors eine vierte Messeinrichtung vorhanden ist und bei der die Steuer- und Regeleinheit dazu eingerichtet ist, den ersten Antrieb und den zweiten Antrieb unter Verwendung auch der erhobenen Messdaten der dritten Messeinrichtung und/oder der vierten Messeinrichtung anzusteuern.
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Die dritte Messeinrichtung und/oder die vierte Messeinrichtung kann oder können gebildet sein durch einen Sensor aus der folgenden Gruppe von Sensoren: optische Inkrementalgeber, induktive Inkrementalgeber, kapazitive Inkrementalgeber, Hallsensoren. Zweckmäßig können die dritte Messeinrichtung und/oder die vierte Messeinrichtung an dem jeweiligen Sockel jeweils unterhalb der Rotoren angeordnet sein und auf den Rotoren können geeignete, von den Messeinrichtungen abfragbare, insbesondere optische, dielektrische, metallische und/oder magnetische, Marker angebracht sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts ist oder sind eine Lage und/oder eine Richtung einer Drehachse des ersten Rotors und/oder Lage und/oder eine Richtung einer Drehachse des zweiten Rotors verstellbar. Vorteilhaft kann oder können können auch die Relativposition zwischen dem ersten Rotor und dem ersten Betätigungselement und die Relativposition zwischen dem zweiten Rotor und dem zweiten Betätigungselement verstellbar sein. Details hierzu sind in
EP3323473A1 beschrieben.
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Unterschiedliche Orientierungen der Drehachse des ersten Rotors relativ zu der Drehachse des zweiten Rotors können bei der vorliegenden Erfindung beispielsweise verwirklicht werden, wenn der erste Sockel und der zweiten Sockel, jeweils auf unterschiedlichen Seiten Befestigungseinrichtungen aufweisen, mit denen die beiden Sokkel in unterschiedlichen Relativpositionen starr miteinander verbunden werden können.
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Für bestimmte Übungen kann auch von Vorteil sein, wenn sich der erste Rotor und der zweite Rotor in unterschiedlichen Ebenen befinden.
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Die beiden Dreheinrichtungen oder Rotoren können also bevorzugt in sinnvollen Grenzen je nach gewünschter Trainings- oder Physiotherapiezielsetzung über entsprechende Vorrichtungen prinzipiell beliebig im Raum positioniert und orientiert werden. Dies ermöglicht insbesondere eine Betätigung in verschiedenen anatomischen Ebenen.
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Weitere unterschiedliche Trainingsmodi sind möglich bei vorteilhaften Varianten, bei denen für unterschiedliche Betriebsmodi variable Trägheitsmomente des ersten Rotors und/oder des zweiten Rotors simuliert werden. Bei der vorliegenden Erfindung sind die Trägheitsmomente des ersten Rotors und des zweiten Rotors festzulegende Parameter und können mithin einfach verändert werden.
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Weitere unterschiedliche Trainingsmodi sind sodann möglich bei Varianten, bei denen für unterschiedliche Betriebsmodi variable Drehwiderstände des ersten Rotors und/oder des zweiten Rotors simuliert werden. Die Drehwiderstände können beispielsweise von der Drehgeschwindigkeit, insbesondere monoton, beispielsweise linear, abhängen oder unabhängig sein von der Drehgeschwindigkeit. Die Drehwiderstände können für den ersten Rotor und den zweiten Rotor jeweils individuell eingestellt werden. Letzteres ermöglicht beispielsweise ein individuelles Training für den linken und den rechten Arm oder das linke und das rechte Bein. Auch die Drehwiderstände und deren Charakteristika sind festzulegende Parameter und können als solche ohne Umbauaufwand verändert werden.
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Nach Vorgabe durch einen Benutzer kann die Steuer- und Regeleinheit den ersten Rotor und den zweiten Rotor gleichsinnig oder gegensinnig antreiben.
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Die Drehkopplung kann gleichsinnig oder gegensinnig sein. Bei gleichsinniger Drehkopplung drehen sich der erste Rotor und der zweite Rotor in derselben Richtung, bei gegensinniger Drehkopplung in entgegengesetzten Richtungen.
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Die Drehzahl des ersten Rotors kann grundsätzlich von der Drehzahl des zweiten Rotors verschieden sein. Bei der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis der Drehzahlen ein einzustellender Parameter, kann also ohne Umbau verändert werden. Für die meisten Fälle wird aber die Drehzahl des ersten Rotors gleich der Drehzahl des zweiten Rotors sein.
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Bei einer weiteren Variante steuert die Steuer- und Regeleinheit den ersten Antrieb für den ersten Rotor und den zweiten Antrieb für den zweiten Rotor dergestalt an, dass zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor ein vorgebbarer Winkelversatzes besteht.
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Beispielsweise kann über die Steuer- und Regeleinheit ein fester Winkelversatz der Handgriffe (z.B. 0° oder 180°) als eine Vorgabe eingestellt werden.
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Für die meisten Übungsvarianten wird es bevorzugt sein, wenn die simulierte Drehkopplung zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor eine starre Drehkopplung ist. Als starre Drehkopplung soll allgemein die Situation bezeichnet werden, in der die Drehbewegungen des ersten Rotors und die Drehbewegungen des zweiten Rotors starr aneinander gekoppelt sind, insbesondere also Situationen, in denen der erste Rotor und der zweite Rotor mit derselben Drehzahl drehen, aber auch solche, wo die Drehzahlen unterschiedlich sind, also ein Übersetzungsverhältnis von ungleich eins vorliegt.
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Grundsätzlich sind aber auch Varianten möglich, bei denen die Drehkopplung zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor nicht starr ist und eine Verstellung der relativen Drehposition zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor bei der Betätigung des Trainingsgeräts gegen ein, insbesondere einstellbares, Widerstandsdrehmoment, möglich ist.
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Beispielsweise kann das Widerstandsdrehmoment ein Rückstelldrehmoment sein, welches mit einer Differenz der relativen Drehposition zu einer Sollposition, insbesondere monoton oder linear, zunimmt.
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Insgesamt bietet das erfindungsgemäße Trainingsgerät im Vergleich zu Geräten aus dem Stand der Technik, bei denen die beiden Rotoren mechanisch gekoppelt sind, erhebliche Vorteile. Ohne aufwändige Umbauten oder Umgestaltungen wird eine große Vielfalt an Trainingsmöglichkeiten erreicht.
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Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts werden im Folgenden im Zusammenhang mit den Figuren erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Trainingsgeräts;
- 2 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel der 1 und
- 3 eine typische Situation einer Betätigung des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts durch einen Benutzer.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Trainingsgeräts 80 zum Trainieren von Extremitäten eines Benutzers wird mit Bezug auf die schematischen 1 und 2 erläutert. Identische Komponenten sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt schematisch eine Ansicht eines vertikalen Schnitts durch das Trainingsgerät 80 und 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf das Trainingsgerät 80 in einer von vielen möglichen Positionierungen des Rotors 20 und des Rotors 40 relativ zueinander und relativ zur Umgebung. Das erfindungsgemäße Trainingsgerät 80 weist als wesentliche Komponente zunächst einen einheitlichen Sockel 10 auf zum Positionieren des Trainingsgeräts 80 bezüglich der Umgebung, der im gezeigten Beispiel als Gehäuse gebildet ist. Durch den einheitlichen Sockel 10 sind in diesem Ausführungsbeispiel der erste Sockel 11 und der zweite Sockel 12 verwirklicht. Möglich ist aber auch, dass der erste Sockel 11 und der zweite Sockel 12, etwa über geeignete Befestigungseinrichtungen, starr miteinander verbunden sind. An dem einheitlichen Sockel 10 sind ein erster Rotor 20 und ein zweiter Rotor 40 angebracht. Der erste Rotor 20 ist über eine erste Welle 25 und der zweite Rotor 40 über eine zweite Welle 45 drehbar. Der erste Rotor 20 und der zweite Rotor 40 sind jeweils als kreisscheibenförmige Platte, also als flacher Zylinder, gebildet, beispielsweise aus Aluminium. Die Rotationsachse 28 des ersten Rotors 20 und die Rotationsachse 48 des zweite Rotors 40 fällt jeweils mit der Zylinderachse zusammen.
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Zum drehenden Antreiben des ersten Rotors 20 mit einer ersten Extremität eines Benutzers, im Beispiel der 3 mit einem Arm 92 des Benutzers 90, ist an dem ersten Rotor 20 ein erstes Betätigungselement 22 vorhanden. Ganz entsprechend ist an dem zweiten Rotor 40 zum drehenden Antreiben mit einer zweiten Extremität des Benutzers 90, hier mit dem zweiten Arm 94 des Benutzers 90, ein zweites Betätigungselement 42 vorhanden. Das erste Betätigungselement 22 und das zweite Betätigungselement 42 sind als drehbare Griffe ausgestaltet, die zum Halten mit der Hand ausgestaltet sind. Erfindungsgemäß ist zum Antreiben des ersten Rotors 20 sodann ein Elektromotor als erster Antrieb 24 und zum Antreiben des zweiten Rotors 40 ein weiterer Elektromotor 44 als zweiter Antrieb vorhanden. Der erste Antrieb 24 und der zweite Antrieb 44 werden jeweils von der Steuer- und Regeleinheit 60, die im gezeigten Beispiel ebenfalls in dem einheitlichen Sockel 10 aufgenommen ist, angesteuert.
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Für die Verwirklichung der Erfindung unerläßlich sind außerdem eine erste Messeinrichtung 30 zum Messen eines von dem Benutzer mit seinem ersten, beispielsweise dem linken Arm auf den ersten Rotor 20 angewendeten Drehmoments oder einer angewendeten Kraft und eine zweite Messeinrichtung 50 zum Messen eines von dem Benutzer mit seinem zweiten Arm, im betrachteten Beispiel dem rechten Arm, auf den zweiten Rotor 40 angewendeten Drehmoments oder einer angewendeten Kraft.
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Die erste Messeinrichtung 30 und die zweite Messeinrichtung 50 können beispielsweise als ein den Piezoeffekt ausnutzender Kraftsensor gebildet sein, und jeweils in unmittelbarer Nähe des Griffs 22 beziehungsweise des Griffs 42 angeordnet sein. Viele andere Varianten von Kraft- und Drehmomentsensoren können für die erste und die zweite Messeinrichtung, wie oben beschrieben, zum Einsatz kommen.
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Zum Auswerten der Messdaten der ersten Messeinrichtung 30 und der zweiten Messeinrichtung 50 und zum Ansteuern des ersten Antriebs 24 und des zweiten Antriebs 44 ist die Steuer- und Regeleinheit 60 vorhanden. Die Steuer- und Regeleinheit 60 ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, den ersten Antrieb 24 und den zweiten Antrieb 44 unter Verwendung der erhobenen Messdaten der ersten Messeinrichtung 30 und der zweiten Messeinrichtung 50 dergestalt anzusteuern, dass eine Drehkopplung zwischen dem ersten Rotor 20 und dem zweiten Rotor 40 simuliert wird.
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Erfindungsgemäß werden die vom rechten und linken Arm des Benutzers auf den ersten Rotor 20 beziehungsweise den zweiten Rotor 40 eingetragenen Drehmomente oder Kräfte gemessen und der erste Rotor 20 und der zweite Rotor 40 werden von den jeweils zugeordneten Antrieben 24, 44 angesteuert von der Steuer- und Regeleinheit 60 und in Abhängigkeit der gemessenen Drehmomente oder Kräfte so bewegt, als ob die Drehbewegungen des ersten Rotors 20 und des zweiten Rotors 40 mechanisch gekoppelt wären.
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Insbesondere können dabei die jeweils relevanten Bewegungsgleichungen von der Steuer- und Regeleinheit 60 numerisch gelöst werden, wobei Parameter der Drehkopplung (starr, gleitend, gleichsinnig, gegensinnig, Verhältnis der Drehzahlen des ersten Rotors und des zweiten Rotors), Trägheitsmomente des ersten und des zweiten Rotors und Parameter der Reibung (konstant, abhängig von Drehgeschwindigkeit), als Parameter in sinnvollen Grenzen frei gewählt werden können.
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Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts 80 sind außerdem bei dem ersten Rotor 20 eine dritte Messeinrichtung 33 und bei dem zweiten Rotor 40 eine vierte Messeinrichtung 54 vorhanden. Die dritte Messeinrichtung 33 und die vierte Messeinrichtung 54 sind jeweils als induktive Inkrementalgeber gebildet, wobei der messende Teil jeweils ortsfest unterhalb der Rotoren 20 und 40 an dem Sockel 10 angeordnet ist. An der Unterseite des ersten Rotors 20 und des zweiten Rotors 40 sind magnetische Marker angebracht, deren Annäherung durch den ortsfesten induktiven Inkrementalgeber gemessen wird. So können Drehstellung und Drehgeschwindigkeit der Rotoren 20, 40 gemessen werden. Die Daten der dritten Messeinrichtung 33 und der vierten Messeinrichtung 54 werden ebenfalls der Steuer- und Regeleinheit 60 zugeführt, die diese Daten bei der Ermittlung der Ansteuerung für den ersten Antrieb 24 und den zweiten Antrieb 44 mit berücksichtigt. Die Regelung kann durch die Rückführung der tatsächlichen Drehstellung und der tatsächlichen Drehgeschwindigkeit der Rotoren 20, 40 an die Steuer- und Regeleinheit 60 stabilisiert und verbessert werden.
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Die radialen Positionen der Betätigungselemente 22, 42 auf dem ersten Rotor 20 beziehungsweise dem zweiten Rotor 40 können bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in der durch die horizontalen Doppelpfeile in 2 veranschaulichten Richtung verstellt werden.
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Weil die Drehung des ersten Rotors 20 nicht mechanisch an die Drehung des zweiten Rotors 40 gekoppelt ist, kann bei dem erfindungsgemäßen Trainingsgerät 80 der Steuer- und Regeleinheit 60 vorgegeben werden, ob die Rotoren 20, 40 gleichsinnig oder gegensinnig rotieren. Die Bewegungsrichtungen beim gleichsinnigen Rotieren der Rotoren 20, 40 sind in 2 durch die beiden gestrichelten Pfeile veranschaulicht. Beim gegensinnigen Rotieren bewegen sich die Rotoren 20, 40 in den durch die durchgezogenen Pfeile dargestellten Richtungen.
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3 zeigt schematisch eine typische Stellung eines Benutzers 90 beim Training mit dem erfindungsgemäßen Trainingsgerät 80. Das Trainingsgerät 80 kann in dieser Situation beispielsweise auf einem Tisch abgelegt oder befestigt sein. Mit der Hand seines linken Arms 92 greift der Benutzer 90 das erste (in den 1 und 2 das linke) Betätigungselement 22 und mit der Hand seines rechten Arms 94 greift er das zweite (rechte) Betätigungselement 42.
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Wenn bei dem erfindungsgemäßen Trainingsgerät mit der ersten und der zweiten Messeinrichtung 30, 50 die mit den Extremitäten eingetragenen Drehmomente oder Kräfte permanent erfasst werden, kann die Steuer- und Regeleinheit 60 nach Wahl von vorgebbaren Parametern, wie Drehträgheitsmomenten, Reibung oder Drehwiderstand (von Drehgeschwindigkeit abhängig oder unabhängig), Winkelversatz usw., und unter Verwendung der Messdaten der ersten und zweiten Messeinrichtung 30, 50 die Bewegungsgleichungen eines mechanisch gekoppelten Systems in einem Zeitschrittverfahren in Echtzeit lösen. Dazu können die Bewegungsgleichungen geeignet parametrisiert werden. Im Ergebnis wird so die Reaktion des durch die Bewegungsgleichungen und die gewählten Parameter beschriebenen mechanischen Systems auf die eingetragenen Drehmomente oder Kräfte, die durch die Messeinrichtung 30, 50 gemessen werden, bestimmt.
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Diese Reaktion, mithin die durch Lösung der Bewegungsgleichungen erhaltenen Drehpositionen der beiden Rotoren 20, 40 in Abhängigkeit der Zeit werden sodann als Sollvorgabe auf die den Rotoren zugeordneten Antriebe 24 und 44 gegeben. Dieses erfolgt kontinuierlich, so dass die in Wirklichkeit mechanisch nicht gekoppelten Rotoren sich letzten Endes so verhalten, als ob sie mechanisch gekoppelt wären. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts im Vergleich zu einem tatsächlich mechanisch gekoppelten System ist, dass die Parameter vom Benutzer unkompliziert vorgegeben werden können und variantenreich kombinierbar sind.
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Bei einer bevorzugten Verwendung des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts werden mit den beiden über Motoren (z.B. Elektromotoren) angetriebenen Rotoren 20, 40 gezielte Trainingsprogramme eingestellt oder gezielte Aktivierungen des Körpers durchgeführt, wobei dabei, wie erläutert, viele Trainings- oder Übungsvarianten möglich sind. Erfindungsgemäß simuliert dabei die Steuer- und Regeleinheit 60 eine in Wirklichkeit nicht vorhandene mechanische Kopplung der beiden Rotoren 20, 40.
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Der Drehwinkel sowie die Drehwinkelgeschwindigkeit können hierbei errechnet werden und gegebenenfalls ergänzend mit der dritten und vierten Messeinrichtung 33, 54 gemessen werden. Mit entsprechenden parametrisierten Bewegungsgleichungen, die Bestandteil des Algorithmus sein können, lassen sich zum Beispiel mechanisch gekoppelte Dreheinrichtungen mit unterschiedlichen Formen von Widerständen (etwa drehgeschwindigkeitsabhängig oder -unabhängig) und/oder einer variablen Drehträgheit simulieren. Hierbei kann über die Steuerung/Regelung auch ein fester Winkelversatz der Handgriffe (z.B. 0° oder 180°) als eine Vorgabe eingestellt und durch die Steuer- und Regeleinheit 60 im Rahmen der Genauigkeit des Algorithmus und der Leistungsfähigkeit der Antriebe sichergestellt werden. Beispielsweise kann das Drehmoment für die Antriebe 24, 44 als Ausgangsgröße der Regelung derart vorgegeben werden, dass das Verhalten der Rotoren dem parametrisch hinterlegten System unter den durch Extremitäten des Benutzers, beispielsweise seine Arme/Hände, aufgebrachten Drehmomente oder Kräfte, entspricht. Ein Differenzdrehmoment beispielsweise aus Drehmomenten der Antriebe 24, 44, den vom Benutzer eingetragenen Drehmomenten oder Kräften sowie Trägheits- und Reibungskräften kann beispielsweise über weitere, jeweils an den Wellen 25, 45 angebrachten Sensoren ermittelt werden. Diese Differenzdrehmomente können ihrerseits als Eingangsgröße für die Regelung verwendet werden.
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Die Parameter für die Steuer- und Regeleinheit können beispielsweise über ein am Gerät befindliches Touch-Display, eine Smart-Phone-App eine Computer-Schnittstelle oder anhand von ins Gerät integrierten Elementen eingestellt werden. Die Steuerung/Regelung kann beispielweise leisten:
- (i) Simulation von Kopplung oder Entkopplung der beiden Rotoren;
- (ii) Simulation von variabel einstellbaren Trägheitsmomenten der beiden Rotoren;
- (iii) einen für jeden Rotor individuell einstellbaren Drehwiderstand mit Simulation von variabel einstellbarer drehgeschwindigkeitsunabhängiger oder drehgeschwindigkeitsabhängiger Reibung (Drehwiderstand);
- (iv) eine für jeden Rotor individuell einstellbare Drehgeschwindigkeit;
- (v) Drehen der beiden Rotoren mit gleichsinniger oder gegensinniger Drehrichtung;
- (vi) Drehkopplung der beiden Rotoren ohne Winkelversatz oder mit variabel einstellbarem Winkelversatz.
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Viele weitere Geometrien und Konfigurationen zum Trainieren von Armen und Beinen eines Benutzers sind möglich. Zu den unterschiedlichen Möglichkeiten, die Rotoren 20, 40 und deren Rotationsachsen anzuordnen, verweisen wir auf
EP3335767B1 .
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Erfindungsgemäß werden zwar die Ansteuerungen der Antriebe 24 und 44 aufgrund der Messdaten der ersten Messeinrichtung 30 und der zweiten Messeinrichtung 50 errechnet. Das erfindungsgemäße Trainingsgerät 80 ermöglicht aber auch einfache Betriebsvarianten, bei denen die Rotoren 20, 40 weitestgehend oder im Extremfall ganz ohne Berücksichtigung der Krafteinwirkung des Benutzers zum Drehen, beispielsweise mit konstanter Geschwindigkeit und einem vorzugebenden Winkelversatz zwischen den Betätigungselementen 22, 42, angesteuert werden. Damit können die Hände und/oder die Arme des Benutzers im wesentlichen ohne Krafteinwirkung des Benutzers geführt und damit mobilisiert werden. Ähnliches ist auch für die Beine möglich. Für diese Zwecke können an den Betätigungselementen 22, 42 Befestigungsmittel, wie beispielsweise per Klettverschluss verschließbare Gurte, für die Extremitäten, die Hände, Arme, Unterarme, Schenkel, Unterschenkel und/oder die Füße eines Benutzers vorhanden sein.
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In einer bevorzugten Variante beinhaltet das erfindungsgemäße Trainingsgerät einen ersten Sockel mit einem ersten Rotor und einem ersten Antrieb sowie einen zweiten Sockel mit einem zweiten Rotor und einem zweiten Antrieb sowie den jeweiligen Messeinrichtungen.
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Eine Einheit mit einem Sockel, einem Rotor, einem dem Rotor zugeordneten Antrieb und einer dem Rotor zugeordneten Messeinrichtung zum Messen eines von einem Benutzer eingetragenen Drehmoments oder einer eingetragenen Kraft, kann als Rotoreinheit bezeichnet werden.
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Bei weiteren Varianten der Erfindung sind mehr als zwei Rotoreinheiten vorhanden, die alle von derselben Steuer- und Regeleinheit dergestalt angesteuert werden, dass eine Drehkopplung der Drehbewegungen von allen oder fast allen Rotoreinheiten simuliert wird. Beispielsweise können für einen Benutzer drei oder vier Rotoreinheiten vorhanden sein, die beispielsweise von beiden Armen und beiden Beinen des Benutzers betätigt werden, und eine Kopplung der Drehbewegungen aller drei oder vier Rotoreinheiten kann von der Steuer- und Regeleinheit simuliert werden. Beispielsweise könnte ein querschnittsgelähmter Patient mittels Trainierens seiner Arme seine Beine mobilisieren.
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Bei einer anderen Variante können zwei verschiedene Benutzer jeweils mit zwei Extremitäten mit einem Trainingsgerät mit vier erfindungsgemäß gekoppelten Rotoreinheiten trainieren. Hier sind viele Varianten möglich.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiges Trainingsgerät 80 geschaffen, bei welchen viele unterschiedliche Trainingsvarianten für alle Extremitäten möglich sind und außerdem mit geringem Aufwand zwischen diesen einzelnen Varianten gewechselt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- einheitlicher Sockel/Gehäuse
- 11
- erster Sockel (Teil des einheitlichen Sockels 10)
- 12
- zweiter Sockel (Teil des einheitlichen Sockels 10)
- 20
- erster Rotor
- 22
- erstes Betätigungselement
- 24
- erster Antrieb
- 25
- Antriebswelle für ersten Rotor 20
- 28
- Drehachse des ersten Rotors 20
- 30
- erste Messeinrichtung
- 33
- dritte Messeinrichtung
- 40
- zweiter Rotor
- 42
- zweites Betätigungselement
- 44
- zweiter Antrieb
- 45
- Antriebswelle für zweiten Rotor 40
- 48
- Drehachse des zweiten Rotors 40
- 50
- zweite Messeinrichtung
- 54
- vierte Messeinrichtung
- 60
- Steuer- und Regeleinheit
- 80
- Trainingsgerät
- 90
- Benutzer
- 92
- erste Extremität des Benutzers 90
- 94
- zweite Extremität des Benutzers 90
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3323473 A1 [0002, 0036]
- EP 3335767 B1 [0003, 0012, 0025, 0069]
- JP 2008194424 A [0004]
- US 4611807 A [0005]
