DE2349212A1

DE2349212A1 - Trainingsgeraet

Info

Publication number: DE2349212A1
Application number: DE19732349212
Authority: DE
Inventors: Keene Paul Dimick
Original assignee: LIFECYCLE Inc
Current assignee: LIFECYCLE Inc
Priority date: 1969-06-20
Filing date: 1973-10-01
Publication date: 1975-04-03
Also published as: GB1406342A; US3621948A

Description

Trainingsgerät

Die Erfindung betrifft allgemein Trainingsgeräte und insbesondere ein Gerät dieser Art, das selbsttätig eine optimale physiologische und psychologische Trainingszeit vorgibt.

Zur Ableistung bekannter Trainingsprogramme ist ein großer Zeitaufwand erforderlich, die Programme sind wenig ansprechend, führen nur zu geringem und manchmal sogar wirkungslosem Training. Außerdem stehen für Trainingsprogramme mit Springoder Laufübrungen oft nicht die geeigneten Örtlichkeiten zur Verfügung, oder diese Übungen können nicht zur passenden Tageszeit ausgeführt werden. Die bekannten Trainingsgeräte geben keinen Anreiz zu ihrer Benutzung und führen im allgemeinen nicht zu einem wirkungsvollen Training.

Jedes Trainingsprogramm muß von einer körperlichen Beanspruchung ausgehen, bei welcher die trainierende Person nicht in gefährdender Weise überfordert wird, und bei fortlaufendem Training sollte der erzielte Fortschritt genau meßbar sein. Das stellt natürlich einen erheblichen physiologischen Anreiz dar. Bekannte Trainingsprogramme und -geräte erlauben keine hinreichend genaue Messung des Trainingsfortschritts, welcher nur im Labor beispielsweise anhand des sich bei körperlicher·Anstrengung ergebenden Sauerstoffbedarfs gemessen werden'kann.

Zwar wird angenommen, daß Laufen oder Springen allgemein zu einer Steigerung der als Fitness bezeichneten körperlichen Leistungsfähigkeit führt, die Kenneth H. Cooper in dem Buch

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"Aerobics" (M. Evans and Co., 1968) als "Trainingseffekt" bezeichnet, so sind diese Tätigkeiten doch zeitraubend und nicht jederzeit ausführbar, insbesondere in klimatisch kälteren Gebieten, in denen aufgrund der Außentemperaturen Laufen nicht empfehlenswert ist. Viele Personen sind auch nicht an Laufen oder Springen interessiert. Der "Trainingseffekt" ist jedoch in jedem Trainingsprogramm ein erstrebenswertes Ziel, da dadurch wie von Cooper beschrieben der Wirkungsgrad der Lungen und des Herzes gesteigert wird. Bei einer in guter Kondition befindlichen Person schlägt das Herz bei gleicher Leistung oder Anstrengung langsamer. Außerdem führt der Trainingseffekt zu weiteren, willkommenen Nebenwirkungen.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges, verbessertes Trainingsgerät zu schaffen, das wissenschaftlich meßbar optimales Training zur Steigerung der körperlichen Leistungsfähigkeit bei kürzestem Zeitaufwand gestattet und darüber hinaus folgenden Anforderungen gerecht wird: Das Gerät soll den Benutzer zur Steigerung seiner Leistungsfähigkeit anspornen, an beliebigem Aufstellungsort und zu beliebiger Zeit verwendbar, d.h. also beispielsweise auch für kleine Räume und unter ungünstigen Beleuchtungsverhältnissen geeignet sein, eine einfache Messung des bei fortlaufendem Training erzielten Fortschritts und des Beanspruchungsgrades der trainierenden Person zur Berechnung des Sauerstoffbedarf-Höchstwerts des Benutzers, sowie täglich gleichbleibende Leistung bei selbsttätig vorgegebener, fortschreitend gesteigerter Intervallbeanspruchung gestatten.

Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Trainingsgerät für den menschlichen Körper weist von einer trainierenden Person betätigbare Pedale und eine zur veränderlichen Einstellung der zur Betätigung der Pedale erforderlichen Kraftanstrengung dienende Lasteinstellvorrichtung auf und ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung

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eines Bremsdrehmoments an den Pedalen dienende Lasteinstellvorrichtung einen Servomotor mit einer Steuervorrichtung umfaßt, vermittels welcher selbsttätig nacheinander wenigstens drei unterschiedliche, fortlaufend höhere Drehmomentwiderstandswerte einstellbar sind, und die aus einem Steuerkreis mit einer zwei Zweige aufweisenden elektrischen Brückenschaltung besteht, wobei im einen Zweig eine zur Einstellung dreier, den Drehmomentwiderstandswerten entsprechender Bezugsspannungen dienende Potentiometerschaltung, und im anderen Zweig ein mit der Lasteinstellvorrichtung gekoppeltes und zur Erzeugung einer dem Bremsdrehmoment proportionalen Rückkopplungsspannung dienendes Potentiometer angeordnet ist, vermittels der Brückenschaltung aus Rückkopplungs- und Bezugsspannungen ein Fehlersignal erzeugbar, dieses dem Servomotor zuführbar und das an den Pedalen vorhandene Bremsdrehmoment selbsttätig steuerbar ist, und daß der erste Brückenzweig eine zur Veränderung der Bezugsspannung und zur entsprechenden, proportionalen Veränderung der drei Drehmomentwiderstandswerte dienende Vorrichtung aufweist.

Bei diesem Trainingsgerät wird an die Pedale ein Drehmomentwiderstand angelegt, der beim Treten der Pedale vom Benutzer durch entsprechende Kraftanstrengung überwunden werden muß. Die Größe des angelegten Drehmomentwiderstands wird automatisch gesteuert, indem in zeitlicher Reihenfolge mehrere unterschiedlich hohe Drehmomentwiderstandswerte mit zwischengeschalteten Zeitintervallen von verhältnismäßig niedrigen Drehmomentwiderstandswerten vorgegeben werden.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Trainingsgerät wird im nachfolgenden anhand des in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Aufriß eines teilweise im Schnitt

dargestellten, vereinfachten Trainingsgeräts nach der Erfindung.

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Fig. 2 ist eine vereinfachte Darstellung nach Fig. 1 mit sehematischer Schaltungsdarstellung.

Fig. 3 zeigt in Einzelheiten die schematische Schaltung von Fig. 2.

Fig. 3A ist ein Blockschaltbild eines Geräteteils.

Fig. H ist eine Ansicht eines Teils der Schaltung von Fig. 3.

Fig. 5 ist eine Draufsicht auf ein an dem Gerät angeordnetes Armaturenbrett.

Fig. 6 ist eine zur Erläuterung der Arbeitsweise des Geräts dienende grafische Darstellung.

Figur 1 zeigt ein sogenanntes Trainingsfahrrad, wobei hier nur die wichtigsten Teile wie z.B. ein Tretzahnrad 10 und die Pedale 11 und 11' dargestellt sind. Das Tretzahnrad 10 ist über eine Kette 13 mit einem Schwungrad 12 verbunden. Tretzahnrad 10 und Schwungrad 12 sind in einem Gestell Ik drehbar gelagert. Ein endloser Riemen 16 ist um das Schwungrad 12 herumgeführt und an der Stelle 18 fest mit einer Rolle 17 verbunden. Eine Spannrolle oder ein Nocken 19 liegt gegen den Riemen 16 an und in seiner Stellung vermittels einer an dem Gestell Ik befestigten Lasteinstellvorrichtung 21 verstellbar, um die Riemenspannung zu verändern. Die Rolle 17 ist vermittels einer Feder 22 gegen den Uhrzeigersinn beaufschlagt. Die Feder 2 2 ist an einem Ende an der Rolle 17 und an ihrem anderen Ende an dem Gestell IU befestigt.

Bei Benutzung des Geräts ist bei Betätigung der Pedale 11 und II¹ ein Drehmomentwiderstand oder Bremsdrehmoment zu überwinden, das durch Einstellung der Spannung im Riemen 16 vermittels der Spannrolle 19 und der Lasteinstellvorrichtung 21 einstellbar ist. Je höher die Riemenspannung, desto größer ist die Reibungskraft zwischen Riemen 16 und Schwungradober-

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fläche, und dementsprechend ergibt sich ein höherer Drehmomentwiderstand an den Pedalen 11 und II¹. Durch eine höhere Reibungskraft am Riemen 16 wird dieser in Pfeilrichtung bewegt, wodurch die Rolle.17 gegen die Spannung der Feder 2 2 im Uhrzeigersinn gedreht wird. Die Rolle 17 wird um so stärker gedreht, je höher die Reibungskraft oder das auf das Schwungrad 12 ausgeübte Bremsdrehmoment ist. Die Winkelstellung der Rolle 17 ist daher ein Maß für den an den Pedalen 11 herrschenden Drehmomentwiderstand. Das so weit beschriebene und in Fig. 1 dargestellte Trainingsfahrrad ist bekannt und wird als Ergometer bezeichnet. Die Lasteinstellvorrichtung 21 besteht im allgemeinen aus einem mechanischen Handrad, welches vom Benutzer des Fahrrads in der sitzenden und die Pedale betätigenden Stellung verstellbar ist.

Entsprechend der Erfindung wird die Lasteinstellvorrichtung 21 automatisch gesteuert, so daß zeitlich nacheinander mehrere unterschiedliche Bremsdrehmomente oder Drehmomentwiderstandswerte vorgegeben sind. Die zu diesem Zweck dienende Steuervorrichtung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, welche die interessierenden Elemente von Fig. 1 zeigt. Die Lasteinstellvorrichtung 21 besteht hier aus dem schematisch dargestellten Servomotor. Die Servomotorwicklung 2 3 ist mit den Spannungsspeiseleitungen V_L verbunden, und eine Steuerwicklung 24 ist mit einem Verstärker 2 6 verbunden. Durch ein Ausgangssignal des Verstärkers 26 wird der Servomotor 21 in Tätigkeit gesetzt und verstellt die Spannrolle 19 so lange, bis das entsprechende Fehlersignal verschwunden oder praktisch gleich null geworden ist.

Der Steuerkreis des Servomotors 21 besteht aus einer allgemein mit 27 bezeichneten Brückenschaltung, an die durch eine Spannungsquelle 28 eine verhältnismäßig niedrige Wechselspannung angelegt ist. Ein Zweig 2 9 der Brückenschaltung weist einen (in Einzelheiten in Fig. 3 dargestellten) Programmwider-

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stand 31 mit einem durch einen Schaltuhrmotor angetriebenen beweglichen Kontakt 32 auf. In Reihe mit dem Programmwiderstand 31 ist ein als "Trainingsgrad" bezeichneter Regelwiderstand 30 geschaltet. Der andere Zweig 3 3 der Brückenschaltung 27 besteht aus einem Potentiometer 34 mit einem beweglichen Kontakt oder Abgreifer 35, der durch ein Gestänge 36 mit der Rolle 17 gekoppelt ist. Da der Drehwinkel der Rolle 17 die Größe des auf das Schwungrad 12 einwirkenden Drehmomentwiderstandes angibt, fühlt das Gestänge 3 6 diesen Drehwinkel ab und verstellt den beweglichen Kontakt 35 entsprechend.

Die Brückenschaltung 27 erzeugt ein Potentialdifferential zwischen den beweglichen Kontakten 3 2 und 3 5 und damit am Eingang des Verstärkers 26, wenn sich die beweglichen Kontakte in bezug auf ihren jeweiligen Widerstand 31 oder 34 nicht in der gleichen Stellung befinden. Normalerweise wird der mit der Bezeichnung "Trainingsgrad" versehene Regelwiderstand 30 zusammen mit dem Programmwiderstand .31 zu einem einzigen Widerstand zusammengefaßt. Somit gibt die unabhängig durch den (in Fig. 3 dargestellten) Schaltuhrmotor vorgegebene Stellung des beweglichen Kontakts 3 2 einen Bezugswert vor, entsprechend dem der bewegliche Kontakt 35 durch die Steuerung verstellt werden muß, welche aus dem Verstärker 26, dem Servomotor 21, der Spannrolle 19, der Rolle 17 und dem Gestänge besteht.

Wenn der bewegliche Kontakt 32 nach oben in die Stellung "geringster Anstrengungsgrad" verstellt wird, wird der bewegliche Kontakt 35 entsprechend nachgeführt, so daß die Spannrolle 19 kaum noch einen Druck auf den Riemen 16 ausübt. Damit ist die an dem Schwungrad 12 ausgeübte Reibungskraft verringert, so daß der Drehmomentwiderstand an den mit dem Schwungrad 12 gekoppelten Pedalen 11 einen Mindestwert aufweist. Wenn der bewegliche Kontakt 32 dagegen nach unten gegen die Stellung "maximaler Anstrengungsgrad" verstellt wird, nimmt

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die Spannung im Riemen 16 einen Höchstwert an.

In Fig. 3 ist die Schaltung von Fig. 2 in Einzelheiten dargestellt. Der Zweig 29 der Brückenschaltung 27 besteht im einzelnen aus einer Reihenschaltung von Programmwiderständen 31, die hier mit Rl bis R9 bezeichnet und deren Widerstandswerte in Ohm angegeben sind. Die in Klammern an den Anschlußstellen der Widerstände angegebenen Zahlenwerte geben den Relativwert des Bremsdrehmoments (oder des Anstrengungsgrades bei konstanter Drehzahl) an, der bei dem erfindungsgemäßen Trainingsgerät erzeugt wird,.wenn sämtliche Widerstände oberhalb des in Klammern angegebenen Zahlenwertes im Stromkreis liegen. Wenn im Stromkreis kein Widerstand liegt, sollte der Anstrengungsgrad beispielsweise theoretisch (0) betragen, wie am oberen Ende der Widerstands-Reihenschaltung angegeben ist. Die Absolutwerte des Arbeits- oder Anstrengungsgrades, welche durch die Widerstands-Reihenschaltung vorgegeben sind, werden sämtlich vermittels des zur Einstellung des Trainingsgrades dienenden RegelwiderStandes 30, der hier aus neun wahlweise ansteuerbaren Widerständen RIl bis Rl9 mit den jeweils angegebenen ohmschen Widerstandswerten besteht, proportional verringert. Auf der Kontaktseite jedes Widerstands, welche in Kontakt mit dem beweglichen Kontakt 30' gebracht wird, ist der jeweilige Prozentsatz vom höchstmöglichen Anstrengungsgrad angegeben, welcher in der jeweiligen Stellung des Trainingsgradschalters vorgegeben ist. Wenn sich der bewegliche Kontakt 30» in der Stellung 100 % befindet, besteht natürlich eine unmittelbare Verbindung zu den Programmwiderständen 31. Die absoluten Anstrengungsgrade (welche natürlich auf einen Anstrengungsgrad von 100 % bezogen sind) sind so bemessen, daß sie einer stärkeren Beanspruchung eines in guter Kondition befindlichen Sportlers entsprechen.

Die Programmwiderstands-Reihenschaltung 31 ist über eine Reihe fortlaufend von 1 bis 21 durchnumerierter Kontaktsegmente Ul,

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welche zur Erzielung der in Fig. 6 dargestellten Anstrengungsgrade in unterschiedlichen Kombinationen mit der Reihenschaltung 31 verbunden sind, mit dem beweglichen Kontakt 32 gekoppelt. Die 24 KontaktSegmente 41 stellen die waagerechte Achse der grafischen Darstellung dar, während der Anstrengungsgrad in mit 1, 2, 3 und 4 bezeichneten Einheiten auf der senkrechten Achse aufgetragen ist. Die Anstrengungsgrade entsprechen den in Klammern an der Reihenschaltung 31 angegebenen Werten. Wenn der bewegliche Kontakt 32 beispielsweise in Kontakt mit dem mit 16 bezeichneten Kontaktsegment 41 steht, beträgt der Anstrengungsgrad in der grafischen Darstellung 3,5 , was der Stelle der Reihenschaltung 31 entspricht, mit welcher das betreffende Segment verbunden ist. Die waagerechte Achse der grafischen Darstellung von Fig. 6 stellt gleichzeitig die Zeitachse dar, da der bewegliche Kontakt 32 durch einen Schaltuhrmotor 42 mit vorbestimmter und konstanter Drehzahl angetrieben wird. Diese Drehzahl beträgt vorzugsweise 1 Umdrehung in 12 Minuten, so daß jedes in Fig. 6 dargestellte Zeitintervall genau 30 Sekunden entspricht.

Zur kontinuierlichen Wiederholung eines Ablaufs, bei dem die Kontaktsegmente 41 verwendet werden, sind diese Kontaktsegmente entsprechend der Darstellung in Fig. 4 auf einer Isolatorunterlage 43 auf einem Kreis angeordnet. Jedes Kontaktsegment hat die Formgebung eines Parallelogramms, so daß der bewegliche Kontakt 32 vorübergehend (während 1 Sekunde) gleichzeitig beim Obergang von einem zum nächsten Kontaktsegment mit zwei Kontaktsegmenten in Eingriff steht. Dadurch wird das Auftreten eines unendlich hohen Widerstands in der Schaltung verhindert, welcher in Abhängigkeit von dem Ansprechverhalten der Lasteinstellvorrichtung vorübergehend ein sehr hohes Bremsdrehmoment zur Folge haben könnte. Der gleichzeitige Kontakt mit zwei nebeneinander angeordneten Kontaktsegmenten stellt jedoch trotz der damit verbundenen Verringerung des Widerstands (und des Bremsdrehmoments) aufgrund der effektiven

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Parallelschaltung keine Störung dar. Das ist darauf zurückzuführen, daß wie anhand Fig. 6 ersichtlich, in den meisten Zeitintervallen bereits eine Bremsdrehmoraentänderung erfolgt.

Ein mit dem Schaltuhrmotor 42 gekoppelter Dreharm 44 läuft mit der oben genannten konstanten Drehzahl um. Der bewegliche Kontakt 32 ist über einen Leiter 45 mit einem zweiten.Kontaktfinger 32' verbunden, der in Eingriff mit einem in den Fig. 3 und 4 als "gemeinsamer Kontaktstreifen" bezeichneten Kontaktstreifen steht, der wie in Fig. 3 dargestellt, über den Schalter 47 mit der Eingangsseite des Verstärkers 2 6 verbunden ist. In der Darstellung befindet sich der Schalter 47 in der "Programmstellung", in welcher der bewegliche Kontakt des Brückenzweigs 2 9 mit dem Verstärker 26 verbunden ist. In der "Aussehaltstellung" des Schalters ist die Verbindung zu dem Verstärker 2 6 unterbrochen, und in der "Handstellung" ist der Verstärker 26 mit einem Hand-Bremsdrehmoment-Potentiometer 48 verbunden, das in diesem Falle den Zweig 29 der Brückenschaltung 27 ersetzt und im Gegensatz zur selbsttätig programmierten Einstellung des Anstrengungsgrades vermittels des Schaltuhrmotors 42 und des Brückenzweiges 29 eine Handeinstellung ermöglicht.

Ein Relaisschalter 49 dient zur Abschaltung der Steuerung und Vorgabe des geringsten Anstrengungsgrades. Der Relaisschalter 49 ist in Reihe mit den zur Servomotorwicklung 2 3 führenden Speiseleitungen (siehe Fig. 2) geschaltet, und die Speisespannung für die Brückenschaltung wird ebenfalls über die Leitung V_L geliefert. Der Relaisschalter 49 befindet sich normalerweise in der öffnungsstellung und wird bei Erreichen einer vorbestimmten Mindestdrehzahl vermittels einer Belaiswicklung 51 geschlossen. Die Relaiswicklung 51 ist mit einem Tachometer 52 verbunden, dem ein am Schwungrad 12 angeordneter Drehzahlfühler 53 (Fig. 2) ein die Drehzahl des Schwungrads anzeigendes Signal zuführt. Drehzahlfühler dieser Art

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sind bekannt· und können beispielsweise aus einem Reedschalter bestehen, der durch einen am Schwungrad 12 befestigten Magneten betätigt wird. Der Tachometer 5 2 ist-gleichfalls von bekannter Ausführungsform und besteht beispielsweise aus einem monostabilen Multivibrator, dem die von dem Drehzahlfühler 53 gelieferten Impulse zugeführt werden und wobei die vom Multivibrator erzeugten Ausgangssignale integriert und in eine Analogspannung von drehzahlabhängiger Größe umgesetzt werden.

Die Relaiswicklung 51 schließt den Relaisschalter 49 bei einer vorbestimmten Mindestdrehzahl, wodurch die Stromkreise zur Brückenschaltung 27 und der Servomotorwicklung 23 geschlossen werden. Diese Drehzahl beträgt vorzugsweise 15-18 U/min und gestattet dem Benutzer des Trainingsgeräts, die Pedale in Gang zu setzen, bevor ein Drehmomentwiderstand an diese angelegt wird. Der Tachometer 52 ist mit dem Drehzahlmesser 54 gekoppelt und zeigt dem Benutzer die tatsächlich erreichte Drehzahl an.

Zur Anzeige der tatsächlich geleisteten Arbeit ist ein KaIorien-pro-Stunde-Anzeigegerät 56 vorgesehen, dem ein Signal vom Drehzahlmesser 54 und außerdem ein Bremsdrehmomentsignal von der Rolle 17 zugeführt wird, welche über das Gestänge 36 mit einem Potentiometer 57 gekoppelt ist. Die beiden Eingangssignale werden miteinander multipliziert und stellen ein Maß der tatsächlich geleisteten Arbeit dar, welches auf einfache Weise in Kalorien pro Stunde umgerechnet oder umgesetzt werden kann.

Der SchaItuhrmotor 42 wird von der mit V_L bezeichneten Spannungsquelle über einen Schalter 58 gespeist, welcher durch eine Relaiswicklung 59 betätigt wird. Eine Seite der Relaiswicklung 59 ist unmittelbar mit einer Klemme einer Gleichspannungsquelle V_DC , und die andere Seite mit einem mit Masse verbundenen, umlaufenden Kontaktfinger 62 verbunden, der in

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Kontakt mit einem "Sehaltuhr-Kontaktstreifen" steht. Die negative Klemme der Gleichspannungsquelle ist zunächst über einen Startschalter 61 mit der Relaiswicklung 59, und dann über den "Schaltuhr-Kontaktstreifen" mit dem Kontaktfinger 62 verbunden. Das ist am besten aus Fig. 4 ersichtlich, aus welcher hervorgeht, daß der Kontaktfinger 62 in Eingriff mit dem "Sehaltuhr-Kontaktstreifen" steht, der eine Unterbrechung 63 aufweist, die nach jedem Programmablauf zur selbsttätigen Ausschaltung dient. Vermittels des Startschalters 61 wird daher der Dreharm 44 aus der Haltestellung herausbewegt, wonach der Arm aufgrund des "Schaltuhr-Kontaktstreifens" bis zum Ende eines Trainingsprogramms umläuft. In der Praxis ist der Kontaktfinger durch die den Dreharm 44 drehbar lagernde Welle 71 mit Masse verbunden.

Die negative Klemme der Gleichspannungsquelle ist ebenfalls durch den Startschalter 61 über einen zweiten Abschnitt 47' des Schalters 47 mit entsprechenden Kontakten angeschlossen. Wenn sich der Schalter 47 in der "Programmstellung" befindet, ist der Stromkreis zur Relaiswicklung .59 geschlossen. In der "Handstellung¹¹ verbindet der Schalter 47' über eine Leitung 50 die negative Gleichspannungsquellenseite beim Schließen des Startschalters 61 mit der Relaiswicklung 51. Der Relaisschalter 49 wird aufgrund der an der Schaltklemme der Relaiswicklung 51 anliegenden positiven Spannung ⁺V_DC geschlossen. Wenn nun der Hand-Bremsdrehmoment-Potentiometer 48 auf geringsten Anstrengungs- oder Arbeitsgrad eingestellt wird, lassen sich die Pedale des Trainingsgeräts leicht treten, wobei jede ggf. im Servosystem vorhandene Sperrung beseitigt wird. Die Schalter 47 und 47' bewirken daher in der Handstellung zusammen mit dem Startschalter 61 eine Rückstellfunktion.

Wie anhand Fig. 4 ersichtlich, ist der innerste, mit "Funktionen" bezeichnete Kontaktstreifen ebenfalls in Segmenten ausgeführt und über einen umlaufenden Kontaktfinger 65 mit Masse verbunden. Jedes Kontaktsegment kann in gleicher Weise

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wie bei dem Schaltuhr-Kontaktstreifen mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sein. Dadurch wird beim Abtasten des Segments eine gewünschte Funktion erhalten, indem beispielsweise beim Überfahren des mit 100 U/min bezeichneten Segments eine Lampe angeschaltet wird, welche' dem Benutzer des Trainingsgeräts anzeigt, daß er von nun an die Pedale des Trainingsgeräts mit dieser Drehzahl betätigen soll. Das mit "Pulsüberwachung" bezeichnete Kontaktsegment schaltet ebenfalls eine Lichtanzeige an, um den Benutzer darauf aufmerksam zu machen, daß er an dieser Stelle des Trainingsprogramms seine Pulsfrequenz ablesen soll. Weitere, nicht dargestellte Funktionen wie z.B. die Anschaltung eines Kühllüfters usw. können ebenfalls ausgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Trainingsgerät umfaßt außerdem den in Fig. 3A dargestellten Pulsfrequenzanzeiger 64, der mit dem Benutzer des Trainingsgeräts durch einen kopfhörerartigen Fühler 66 verbunden ist, welcher die Pulsfrequenz am Ohrläppchen abtastet, die im Pulsfrequenztachometer 67 aufbereitet und verstärkt und dann im Pulsfrequenzanzeiger 64 angezeigt wird. Geräte dieser Art sind an sich bekannt. Eine mit "zu Pulslampe" bezeichnete Leitung ist vom Pulsfrequenztachometer 67 zu einer Anzeigelampe geführt, welche in der jeweiligen Pulsfrequenz des Benutzers aufleuchtet. Anstelle des kopfhörerartigen
Fühlers kann zur Beobachtung der Pulsfrequenz auch ein EKG gemessen oder eine Finger-Plethysmograftechnik angewandt werden.

Sämtliche Anzeige- und Steuervorrichtungen des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts sind auf dem in Fig. 5 dargestellten Armaturenbrett 70 zusammengefaßt. Auf diesem befinden sich ein Pulsfrequenzanzeiger 64, ein Drehzahlmesser 54, ein
Kalorien-pro-Stunde-Anzeigegerät 56, eine Lichtanzeige für 100 U/min, eine Trainingsgrad-Einstellscheibe 30' und ein
Hand-Bremsdrehmoment-SteHer 48, sowie eine "Pulsüberwachungslampe" und eine Pulsfrequenzanzeigelampe. Zur Anzeige des

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durch das Gerät vorgegebenen Anstrengungsgrades ist außerdem die grafische Darstellung von Fig. 6 auf einen Ausschnitt 72 in Polarkoordinaten übertragen, der drehbar auf der Welle 71 des Schaltuhrmotors 42 gelagert ist. Die Markierung 7 3 zeigt den jeweiligen Anstrengungsgrad in Verbindung mit dem sich jeweils gegenüber der Markierung 73 befindlichen Teil des Ausschnitts 72 an. Der Wählschaltknopf 74 hat die Einstellungen "Aus", "Hand" und "Automatik" (Programmablauf) und ist mit den Schaltern 47 und 47' von Fig. 3 gekoppelt. Der Starttaster bildet einen Teil des Startschalters 61.

Das Trainingsgerät sollte zunächst mit einem verhältnismäßig niedrigen Anstrengungsgrad von beispielsweise höchstens 20 % benutzt werden. Zu diesem Zweck dreht der Benutzer die Wählr scheibe für den Trainingsgrad 30' auf den Wert 20 %. Dieser Wert ist verhältnismäßig niedrig im Vergleich zu den normalerweise für die Benutzung in Frage kommenden Werten von 50 bis 80 %. Ein Spitzensportler würde den Trainingsgrad 100 % erreichen. Dann wird der Wählschaltknopf 74 in die Stellung "Automatik" gebracht und der Taster des Startschalters 61 niedergedrückt. Damit beginnt der Ausschnitt 72 sich zu drehen und das Trainingsprogramm beginnt. Wie anhand Fig. 6 ersichtlich, hat während der Aufwärmzeit das Bremsdrehmoment zunächst den Relativwert 1, und steigt über einen Zeitraum von 2 Minuten, der hier als Trainingsintervalle 1-4 bezeichnet ist, auf einen über 2 liegenden Wert an. Dabei sollte unter Beachtung des Drehzahlmessers 54 eine Drehzahl von 80 ■ U/min eingehalten werden. Auf die Anwärmzeit folgt eine Ruhezeit 5, während welcher der Anstrengungsgrad auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert abfällt, um dem.Benutzer eine kurze Verschnaufmöglichkext zu bieten.

Die nächste Phase ist die Prüfphase und erstreckt sich von den Zeitintervallen 5-10. In dieser Zeit sollte bei Aufleuchten der Pulsüberwachungslampe die Pulsfrequenz auf dem

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Pulsfrequenzanzeiger 64 während der ganzen 9 bis 10 folgenden Zeitintervallen abgelesen werden. Die dabei abgelesene Pulsfrequenz ist eine Anzeige für den im ganzen Trainingsprogramm erzielten Fortschritt. Wenn das erfindungsgemße Trainingsgerät täglich entsprechend den Anweisungen benutzt wird, stellt sich der oben beschriebene "Trainingseffekt" ein, d.h. die Herzschlaggeschwindigkeit nimmt von Tag zu Tag oder von Woche zu Woche während dieser Prüfphase ab. Sobald der Herzschlag unter einen vorbestimmten Wert kommt, der vom physischen Zustand des Benutzers abhängig ist, sollte der Trainingsgrad gesteigert und das Programm in gleicher Weise wie zuvor absolviert werden. Dabei nimmt der Sauerstoffbedarf zu. Dieser Wert ist bekannt als Bezugsstandard für Herz-Atmungs-Fitness und wird im allgemeinen in Millilitern Sauerstoff pro Kilogramm Körpergewicht, multipliziert mit der Zeit in Minuten ausgedrückt. Während der Prüfzeit steigt die Pulsfrequenz notwendigerweise entsprechend der geleisteten Arbeit an. Aus dieser Information (d.h. der Pulsfrequenz und der geleisteten Arbeit) läßt sich anhand des Körpergewichts, Alters und Geschlechts des Benutzers der Maximale Sauerstoffbedarf näherungsweise ermitteln. Ein Verfahren zur näherungsweisen Bestimmung des Sauerstoffbedarfs ist in einem Artikel von Dr. Astrand, veröff. in "Journal Applied Physiology", 7218 (1954), anhand mehrerer Tabellen beschrieben. Die Tabellen können auf einem Rechenschieber zusammengefaßt werden, um dem Benutzer des Trainingsgeräts eine einfache Berechnungsmöglichkeit seines maximalen Sauerstoffbedarfs zu ermöglichen.

In der nächsten und wichtigsten Phase des Trainingsprogramms sind die Zeitintervalle il - 20 mit Herzgefäßstimulxerung bezeichnet. Dabei handelt es sich um den denjenigen Programmabschnitt, welcher zur Erzielung des "Träiningseffekts" und der damit verbundenen Steigerung der maximalen Sauerstoffauf nähme führt. Das auf die Fahrradpedale einwirkende Bremsdrehmpment ist so programmiert, daß die trainierende Person

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in den Zeit-''Intervallen 12, 14, 16 und 18 gleichsam über vier gedachte "Berge" hinwegfährt, die jeweils fortlaufend höher sind und bis zum Erreichen ihres Kamms jeweils 30 Sekunden benötigen. Zwischen den Phasen eines verhältnismäßig hohen Drehmomentwiderstands befinden sich in den Zeitintervallen 13, 15 und 17 sogenannte "Ruhe- oder VerschnaufIntervalle", in denen der Anstrengungsgrad auf den Wert 1 abgesenkt ist. Diese "VerschnaufIntervalle¹! erlauben dem Benutzer gleichzeitig, sein Sauerstoffgleichgewicht wiederzugewinnen, wenn an dem jeweils vorangegangenen Berg ein Sauerstoffmangel .aufgetreten sein sollte. "Zur Erzielung des gewünschten "Trainingseffekts¹¹ und Verbesserung der maximalen Sauerstoffaufnahme sollte der Trainingsgrad so eingestellt werden, daß wenigstens am "höchsten Berg" im Zeitintervall 18 ein gewisser Sauerstoffmangel entsteht. Dieser Sauerstoffmangel sollte jedoch nicht zu groß sein. Außerdem kann der im Zeitintervall 16 zu überfahrende "Berg" ebenfalls zu einem gewissen Sauerstoffmangel führen, wohingegen der niedrigste "Berg" im Zeitintervall 12 so niedrig ist (und einem relativen Anstrengungsgrad von 2,5 entspricht), daß .das Sauerstoffgleichgewicht aufrecht erhalten werden kan. Somit bleibt auch der Anreiz erhalten, da der erste "Berg" für einen durchschnittlichen Benutzer des Trainingsgeräts nicht zu schwierig und in jedem Falle zu bewältigen ist.

Nach dem letzten "Berg" nimmt der Anstrengungsgrad in den Zeitintervallen 19 und 20 wiederum auf einen niedrigen Wert ab. In den Zeitintervallen 21 und 2 2 erfolgt ein kinästhetisches Training, bei welchem Muskeln und Nervenenden durch die leicht gesteigerte Arbeitsbeanspruchung stimuliert werden. In diesem Zeitintervall wird die Pedaltretgeschwindigkeit auf 100 U/min gesteigert, wozu die auf "100 U/min" hinweisende Anzeigelampe aufleuchtet. Es wird angenommen, daß die Steigerung der Drehzahl von 80 auf 100 U/min das kinästhetische Training steigert. Die letzten beiden Zeitintervalle 2 3 und 2 H stellen das Ende der Abregungszeit dar.

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Zur Ermittlung des Trainingsfortschritts steht nicht nur die Prüfperiode in den Zeitintervallen 5-10 zur Verfügung, sondern es kann auch die Pulsfrequenz beim Erreichen der ¹¹ Bergeshöhen" abgelesen und ggf. aufgezeichnet werden. Wenn diese Meßwerte aufgezeichnet werden, sollte festzustellen sein, daß die Pulsfrequenz mit sich einstellendem "Trainingseffekt" niedriger wird. Weiterhin kann der Pulsfrequenzanzeiger 64 dazu benutzt werden, den Trainingsgrad beispielsweise in Abhängigkeit vom Gesundheitszustand und nach ärztlichem Rat bei Benutzung des Geräts auf einen unter 150 Pulsschläge pro Minute liegenden Wert zu beschränken.

Aufgrund der hinterI liegenden "Berge" wird ein sehr wirksames Training erzielt, das zu dem sogenannten "Trainingseffekt" führt, die maximale Sauerstoffaufnähme verbessert und dem Benutzer die Messung des erreichten Fortschritts vermittels der Prüfphasen gestattet und aufgrund des automatischen Trainingsprogramms leicht und mühelos durchführbar ist.

- Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche :

ι 1.) Trainingsgerät für den menschlichen Körper, mit von einer trainierenden Person betätigbaren Pedalen und einer zur veränderlichen Einstellung der zur Betätigung der Pedale erforderlichen Kraftanstrengung dienenden Lasteinstellvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung eines Bremsdrehmoments an den Pedalen (11, 11') dienende Lasteinste11vorrichtung einen Servomotor (21) mit einer Steuervorrichtung (17, 19, 21, 26, 36) umfaßt, vermittels welcher selbsttätig nacheinander wenigstens drei unterschiedliche, fortlaufend höhere Drehmomentwiderstandswerte einstellbar sind, und die aus einem Steuerkreis mit einer zwei Zweige (29, 33) aufweisenden elektrischen Brückenschaltung (27) besteht, wobei im einen Zweig (29) eine zur Einstellung dreier, den Drehmomentwiderstandswerten entsprechender Bezugsspannungen dienende Potentiometerschaltung (30), und im anderen Zweig (33) ein mit der Lasteinstellvorrichtung gekoppeltes und zur Erzeugung einer dem Bremsdrehmoment proportionalen Rückkopplungsspannung dienendes Potentiometer (34) angeordnet ist, vermittels der Brückenschaltung aus Rückkopplungs- und Bezugsspannungen ein Fehlersignal erzeugbar, dieses dem Servomotor zuführbar und das an den Pedalen vorhandene Bremsdrehmoment selbsttätig steuerbar ist, und daß der erste Brückenzweig (29) eine zur Veränderung der Bezugsspannung und zur entsprechenden, proportionalen Veränderung der drei Drehmomentwiderstandswerte dienende Vorrichtung (30) aufweist.
2. Trainingsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiometerschaltung (31) aus einer Reihenschaltung mehrerer, mit Kontaktsegmenten .(ti) verbundener, zur ■Vorgabe unterschiedlicher Drehmomentwiderstandswerte dienender ohmscher Widerstände (R1-R9) und eines ersten Ausgangsanschlusses in Form eines zur Veränderung des Bremsdreh-

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moments über die Kontaktsegmente gleitend hinwegführbaren beweglichen Kontaktfingers (32) besteht.
3. Trainingsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur entsprechenden, proportionalen Veränderung der drei Drehmomentwiderstandswerte dienende Vorrichtung aus einer in Reihe mit der Widerstands-Reihenschaltung geschalteten Potentiometerschaltung (30) besteht.
4. Trainingsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktsegmente (41) auf einem Kreis angeordnet sind und die Steuervorrichtung für die Drehmomentwiderstandswerte im Taktbetrieb ansteuerbar ist.
5. Trainingsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktsegmente (41) eine parallelogrammförmige Formgebung aufweisen, derart, daß der bewegliche Kontaktfinger (32) bei Fortbewegung von einem zum angrenzenden Kontaktsegment gleichzeitig in Berührung mit einander benachbarten Kontaktsegmenten steht.
6. Trainingsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Einstellung der Drehmomentwiderstandswerte dienende Steuervorrichtung (30) zur Vorgabe eines vierten, unter den drei Drehmomentwiderstandswerten liegenden Drehmomentwiderstandswerts nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne nach Vorgabe der drei Drehmomentwiderstandswerte ausgelegt, sowie ein Drehzahlfühler (53) für die Pedale (11) mit einem Drehzahlmesser (54), der zur Kontrolle der Pedalbetätigung mit einer ersten, konstanten Drehzahl bei drei unterschiedlichen Drehmomentwiderstandswerten dient, und eine auf die Steuervorrichtung für den Drehmomentwiderstand ansprechbare und zur Anzeige eines erwünschten Obergangs zu einer zweiten, höheren, konstanten Drehzahl bei Anliegen des vierten Drehmomentwiderstandswerts dienende Anzeigevorrichtung vorgesehen ist.

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