DE3022536A1 - Ergometer - Google Patents

Ergometer

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DE3022536A1 DE19803022536 DE3022536A DE3022536A1 DE 3022536 A1 DE3022536 A1 DE 3022536A1 DE 19803022536 DE19803022536 DE 19803022536 DE 3022536 A DE3022536 A DE 3022536A DE 3022536 A1 DE3022536 A1 DE 3022536A1
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Description

  • Ergometer
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Ergometer, mit einem vom Probanden zu betätigenden Antrieb, insbesondere Treteinrichtung, und einer dem Antrieb zugeordneten Bremseinrichtung für die vom Probanden aufzubringende Tretleistung, wobei durch simultane Erfassung von Drehzahl und Drehmoment am Ergometergetriebe die Bremseinrichtung bei Vorgabe eines teistungssollwertes über eine zugehörige Steuer- und Regeleinrichtung drehzahlunabhängig arbeiten soll.
  • Ergometer dienen zur Bestimmung der physiologischen Leistungsfähigkeit eines Probanden. Ein häufig verwendetes Ergomter ist das Fahrradergometer, bei dem der Proband durch Treten der Pedale, die über ein Übersetzungsgetriebe od. dgl. mit einer Bremseinrichtung verbunden sind, Arbeit verrichtet. Die Größe der vom Probanden pro Zeiteinheit aufzubringenden Arbeit, d. h.
  • die aufgebrachte Beistung,kann dabei mit der Bremseinrichtung durch mehr oder weniger starkes Abbremsen der angetriebenen Teile vorgegeben werden.
  • Speziell bei medizinisch zu verwendenden Ergometern soll nach Möglichkeit die Leistung von der Tretfrequenz des Probanden, d.h. von der Drehzahl der bewegten Teile, unabhängig vorgebbar sein. Dazu muß mit zunehmender Drehzahl n die Bremswirkung verringert bzw. bei abnehmender Drehzahl die Bremswirkung erhöht werden. Das mit der Bremseinrichtung erzeugte Bremsmoment M ist also im Arbeitsbereich des Ergometers in entsprechender, umgekehrt proportionaler Abhängigkeit von der Drehzahl n auszuregeln. Dazu sind entsrpechende Steuer- und Regeleinrichtungen notwendig, wobei wegen der Vielzahl der verschiedenen Einflußfaktoren bei vertretbaren technischen Aufwand eine exakte Konstant regelung der Tretleistung meist nicht erreichbar ist.
  • Entscheidender drehzahlabhängiger Faktor ist bei herkömmlichen Ergometern die sog. Verlustleistung. Verlustleistung entsteht bei Ergometern im wesentlichen durch Reibung in den Lagern, Ubertragungsgliedern wie Kette, Zahnriemen u. dgl., oder auch durch Luftbewegung an schnell rotierenden Elementen des Ergometergetriebes.
  • Die Verlustleistung hat eine exponentielle Drehzahlabhängigkeit, deren funktionalen Parameter im wesentlichen konstruktionsbedingte Größen sind.
  • Bei Ergometern des Standes der Technik wird beispielsweise das Drehmoment M als auf einen definierten Hebelarm wirkende Grafit und die zugehörige Drehzahl n gemessen, woraus die Leistung durch Multiplikation zu ermitteln ist. Dabei bietet sich die Möglichkeit an, dem in der Meßeinrichtung gemessenen Drehmoment ein simuliertes Drehmoment auzuaddieren, wedul-ch der drehzahlabhängigen Verlustleistung schon im wesentliche Rechnung getragen it. Obwohl beim Stand der Technik eine solche Kompensation bereits als hinreichend angesehen wird, haben doch neuere Messungen bestätigt, daß auWh im Falle einer optimalen Justierung immer noch ein beträchtlicher systematischer Fehler verbleibt.
  • Neben den durch die Verlustleistung bewirkten Verzerrungen der Beistungs-Drehzahl-Eennlinien können im Arbeitsbereich eines Ergometers auch bei der Tretleistung Veränderungen auftreten. Für unterschiedliche Sollwertleistungen ergeben sich dadurch voneinander abweichende funktionale Abhängigkeiten der Tretl.eStung ton der Drehzahl, insbesondere bei hohen SollwerGeistungen. Erfahrungsgemäß muß deswegen bei drehzahlunabhängigen Ergometern das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen größer sein als bei höheren, so daß es hier Bu einer lastabhängigen Vergrößerung der Verlustleistung speziell im niedrigen Drehzahlbereich kommt. Im Ergebnis verlaufen deswegen verschiedene Leistungskurven im Arbeitsbereich des Ergometers trotz erfolgter Kompensation nicht exakt parallel.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Betriebsschaltung mit Steuereinrichtung bei drehzahl unabhängigen Ergometern so zu verbessern, daß auch1 Restfehler kompensiert werden. Dabei soll die bereits vorhandene Steuer-und Regeleinrichtung weiter verwendet werden, so daß die Schaltung insgesamt leicht und ohne zusätzlichen Aufwand realisiert werden kann.
  • Die Aufgabe wrd erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß außer zur Durchführung einer Grundkompensation der Getriebeverlustleistung zusätzliche Mittel vorhanden sind, mit denen eine weitgehend vollständige Kompensation der Drehzahlabhängigkeit der Verlustleistung und/oder der lastabhängigen Veränderung der Verlustleistung und damit verursachten Abweichungen der vom Probanden aufzubringenden Tretleistung vom Sollwert innerhalb des Arbeitsbereichs des Ergometers bewirkt wird.
  • Mit der Erfindung ist nun eine weitestgehende Kompensation der bisher noch störenden Restabhängigkeit der Verlustleistung und/oder Tretleistung selbst von der Drehzahl erreicht. Durch Beibehaltung der bei drehzahl- unabhängigen Ergometer bewährten, bereits vorhandenen Schalt- und Steuermittel zur Grundkompensation können vorhandene Ergometer einfach komplettiert werden.
  • Bei einem erfindungsgemäß ausgestaltetern Ergometer bietet es sich nun darüber hinaus an, die Betriebsschaltung mit Steuereinrihtung so auszulegen, daß bei Vorgabe von Sollwerten der Tret' ng die L stung stetig von Nwllw auf den Sollwert im Arbeitsbereich einzuregeln, wodurch außerhalb des Arbeitsbereichs ein stationärer Betrieb, der von der Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl unabhängig ist, möglich ist. Damit sind in einfachster Weise die bei beispielsweise vorgegebener Drehzahl sonst üblichen Anlaufschwierigkeiten des hohen Drehmomentes bei verschwindender Drehzahl beseitigt.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen.
  • Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltung zur weitghend vollständigen Kompensation der Verlustleistung, Fig. 2 eine spezielle Muliiplikationsschaltung, Fig. 3 eine Schaltung zur Einlaufregelung des Sollwertgebers für die Tretleistung bei vorgegebener Drehzahl und Fig. 4 zwei Diagramme mit Beistungs-Drehzahl-Kennlinien.
  • In der Fig. 1 bedeuten 1 eine Dehnungsmeßstreifenbrücke, deren Signal über die nachgeschalteten Widerstände 2 und 3 auf einen Differenzverstärker 4 gegeben wird. Der Brücke sind üblicherweise Mittel zum Brückenabgleich zugeordnet, auf die hier nicht näher eingegangen wird.
  • Das verstärkte Signal ist über einen Widerstand 5 an eine Spannungs quelle UO mit äustierbarem Widerstand 6 und einem weiteren Vorwiderstand 7 angeschlossen. Über die Spannungsquelle Um mit justierbarem Vorwiderstand 6 kann also das Meßsignal in bereits dem Sinne beeinflußt werden, daß das von der Dehnungsmeßstreifenbrücke 1 gelieferte Signal mit einem Korrektursignal beaufschlagt wird. Dieses so korrigierte Signal wird auf einen Multiplikator 8 geschaltet, der das Verstärkersignal mit der Drehzahl n multipliziert.
  • Wenn man davon ausgeht, daß das Signal der Dehnungsmeßstreifenbrücke 1 proportional dem Drehmoment Md ist und das Beaufschlagungssignal der Spannungsquelle Uo mit MdS bezeichnet wird, so läßt sich das Gesamtsignal nach Multiplikation mit der Drehzahl n folgendermaßen darstellen N - (Md + Mds) n " (1) oder N nun Mdn + Md n (la) Beide Summanden beinhalten also eine Leistung, wobei der erste die tatsächlich gemessene Leistung ist und der zweite die Kompensationsleistung darstellen kann, die durch Verluste verloren geht. Berücksichtigt man die exponentielle Drehzahlabhängigkeit der Verlustleistung, die durch No = A nB (2) beschrieben ist, wobei A und B Gerätekonstanten sind, so läßt sich zwar bei der oben dargestellten Signaladdition die Verlustleistung im wesentlichen eliminieren; da aber der Exponent B / 1 ist, verbleibt ein systematischer Fehler, der auch bei optimaler Justierung bis zu 10 $ betragen kann.
  • In der Fig. 1 wird nun das Signal des Multiplizierers 8 auf einen Eingang eines Addierverstärkers 9 angeschaltet, von dem eine Steuereinrichtung 10 angesteuert wird, auf die hier nicht im einzelnen eingegangen wird.
  • Auf den zweiten Eingang des Verstärkers 9 wird eine variable Korrekturspannung gegeben. Durch Anschaltung an ein Widerstandsnetzwerk ist nun diese Korrekturspannung im erwünschten Sinne frei einstellbr. Es sind drei Widerstandszweige angeschaltet. Über den Widerstand 11 mit Wert R2 ist der zweite Eingang des'Verstärkers 9 an den Abgleichwiderstand 12 mit Wert R4 und eine Spannungsquelle UO zum Offset-Abgleich angeschlossen. Dieser Spannung wird über die Widerstände 13 und 14 mit Widerstandswerten R1 und R3 eine weitere drehzahlabhängige Spannung Un aufgeschaltet. Es ergibt sich so insgesamt eine Korrekturspannung Ukorr = D (E - n) (3) wobei D und E durch Widerstandswerte R1 bis R der Widerstände 11 bis 14 bestimmte Spannungsparameter sind. Als Nebenbedingung für die Widerstandswerte gilt noch R1 44R2, R3.
  • Insgesamt ergibt sich also am Ausgang des Verstärkers eine Signalspannung, für die gilt kow (Md + Mds) ) ' n + D (E -n) (4) Mit einem solchen Signal kann die Steuereinrichtung 10 des Ergometers weitgehend vollständig geregelt werden, wobei sich eine ín Fig. 4 mit /X2 b-æeichnete Kennlinie ergibt.
  • In Fig. z bedeuten 20 ein Differenzverstärker, llf den ein drehmolueIltbhangiges Spannungssignal UMd aufgeschaltet ist. In einer Eingangsleitung des Verstärkers 20 ist ein Schalter 21 über einen Widerstand 22 rnit Widerstandswert R5 angeschaltet. Weiterhin sind noch die Widerstände 23 und 24 mit Werten R6 und R7 sowie ein Kondensator 25 zur Beschaltung des Verstärkers 20 notwendig. Soll am Ausgang des Verstärkers 20 ein leistungsproportionales Signal UMd n erhalten werden, so läßt sich dieses Nultiplikationasignal durch drehzahlproportionales Schließen des Schalters 21 bilden. Verwendet man als Schalter 21 einen elektronisch steuerbaren Schalters so lassen sich dessen Schaltfreqzens und Schaltdauer einfach beeinflussen. Der Schalter 21 wird dazu von einem Monoflop 26 angesteuert, dessen Zeitimpuls T1 einstellbar ist. Um nun die Lastabhängi.gkeit der Leistung auszuregeln, ist zusätzlich vorgesehen, die Schaltzeit T des Schalters 21 drehzahlabhängig zu verändern, so daß sich T = T1 + # T ergibt, Dies kann ganz einfach durch Beeinflussung des veränderbaren Zeitimpulses T1 des Monoflop 26 zur Ansteuerung des Schalters 21 erfolgen, welches von einem drehzahlabhängigen Signal des Ergometers angesteuert ist. Eine geeignete Versorgungsspannung des Monoflops 26 wird über einstellbare Spannungsteiler in der Spannungseinheit 27 drehzahlabhängig gewonnen. Durch Wabl verschiedener Polarität kann dadurch das teistungssignal in Abhängigkeit von der Drehzahl sowohl negativ als auch positiv korrigiert werden.
  • Mit der Schaltung gemäß Fig. 2 läßt sich also durch Multiplikation einer drehmomenten abhängigen Spannung mit der Drehzahl ein Leistungssignal erzeugen, das im Sinne der Kennlinienkorrektur beeinflußbar ist.
  • Damit lassen sich Abweichungen der Kennlinien bei hoher Last zusätzlich auskompensieren.
  • In der Fig. 3 bedeuten 30 ein Sollwertgeber mit Innenwiderstand Ri. Über die Widerstände 31 und 32 mit Werten R8 und R9 und dazwischengeschaltetem Schalter 33 sowie Kapazität 34 wird das Sollwertsignal zur Steuereinrichtung 10 gegeben. Als Schalter 33 wird wiederum ein elektronisch steuerbarer Schalter verwendet. Der Schalter 33 wird also mit einem weiteren Monoflop 36 mit Zeitimpuls T2 angesteuert, das vom Drehzahlgeber des Ergometergetriebes getriggert wird. Ist der Schalter 33 geschlossen, wird die Ausgangsspannung des Sollwertgebers über den Widerstand R8 kurz geschlossen; der an die Steuereinrichtung 10 weitergeleitete Wert ist also Null.
  • Wird nun der Schalter 33 mit drehzahlabhängiger Periodizität angesteuert, so läßt sich bei Drehzahl Null beim Schließen des Schalters und damit bewirkten Kurzschluß der Sollwert unabhängig vom gewählten Lastwert auf Null einstellen, wogegen mit steigender Drehzahl der Sollwert entsprechend den Öffnungszeiten des Schalters 33 ansteigt. Die Periodenzahl ist dabei der Drehzahl proportional. Oberhalb einer vorgegeEenen Drehzahl, die die Untergrenze des Arbeitsbereiches darstellt, wird die Periodenzeit kleiner als die Schaltdauer d.h. also der Schalter 33 ist dauernd geöffnet. Über das Gl,ittungsglied mit Widerstand 32 mit Wert Rg und Kapazität 34 mit Wert C entsteht dann die Steuerspannung für die Steuereinrichtung 10; die Spannung bleibt bei geöffnetem Schalter 33 konstant auf dem mit dem Sollwertgeber eingestellten Wert und ändert sich auch bei höheren Drehzahlen nicht mehr.
  • Durch die so beschriebene Schaltung läßt sich bei Vorgabe eines Sollwertes der Tretleistung die Leistung sttig von Nullwert auf den Sollwert im Arbeitsbereich des Ergometers einregeln. Die Schaltung arbeitet dabei stationär, d.h. sie ist unabhängig von der Antretgechwindigkeit des Ergometerantriebs.
  • In der Fig. 4 bedeuten N die Tretleistung als Funktion der Drehzahl n. Der Arbeitsbereich des Ergometers ist schraffiert mit 40 gekennzeichnet; er liegt üblicherweise zwischen 35 und 90 U/min. Verwendet man lediglich eine Grundkompensation, so liegt aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit der Verlustleistung keine exakte Drehzahlunabhängigkeit vor. Die entsprechende Kennlinie im Arbeitsbereich ist durch 41 gekennzeichnet. Wird nun eine zusätzliche Kompensation mittels Schaltung nach Fig. 1 benutzt, so wird die Leistungskurve gedreht und verschoben. Die Verdrehung bzw. Verschiebung läßt sich im einzelnen durch die Parameter D und e gezielt einstellen, so daß im Ergebnis weitestgehende Parallelität der Kennlinie 43 zur Abzisse vorliegt. Mit einer Schaltung nach Fig. 2 wird dabei die Parallelität der Kennlinien bei unterschiedlichen Leistungswerten gewährleistet..Mit 43 ist weiterhin eine Anlaufkennlinie bis zum Einlaufen in den Arbeitsbereich des Ergometers dargestellt, die durch eine Schaltung nach Fig. 3 erzielt wird. Diese gewährlist ein kontinuierliches Ansteigen von Null auf den mit dem Sollwertgeber 30 des Ergometers vorgegebenen Sollwert der Tretleistung.
  • Mit der Erfindung ist also nun die Regelung eines Ergometers mit großer Genauigkeit möglich. Dabei sind insgesamt nur solche technischen Mittel verwendet, die keinen nennenswerten Mehraufwand für die Steuereinrichtung des Ergometers erfordern.
  • 4 Figuren 14 Patentansprüche Zusammenfassung Ergometer Die Erfindung bezieht sich auf ein Ergometer mit einem vom Probanden zu betätigenden Antrieb, insbesondere Treteinrichtung. Bei den Ergometern des Standes der Technik ist dem Antrieb eine Bremseinrichtung zur Definition der vom Probanden aufzubringenden Leistung zugeordnet. Durch simultane Erfassung von Drehzahl und Drehmoment am Ergometergetriebe kann die Bremseinrichtung bei Vorgabe eines leistungssollwertes über eine zugehörige Steuer- und Regeleinrichtung weitgehend drehzahlunabhängig arbeiten. Dabei wird im wesentlichen die Verlustleistung kompensiert. Erfindungsgemäß sind nun neben der bekannten Grundkompensation der Verlustleistung zusätzliche Mittel (9-14, 20-28) zur vollständigen Kompensation der Drehzahlunabhängigkeit der Leerlaufleistung und/oder lastabhängigen Verlustleistung und damit bewirkten Veränderung der Bremsleistung im Arbeitsbereich des Ergometers vorhanden. Neben der Elnminierung der Restfehler läßt sich so auch ein kontinuierliches Einregeln der Leistung von Nullwert bis zum Sollwert im Arbeitsbereich bewirken.
  • FIG 1

Claims (14)

  1. Patentansprüche Ergometer mit einem vom Probanden zu betätigenden Antrieb, insbesondere Treteinrichtung, und einer dem Antrieb zugeordneten Bremseinriohtung für die vom Probanden aufzubringende Tretleistung, wobei durch simultane Erfassung von Drehzahl und Drehmoment am Ergometergetriebe die Bremseinrichtung bei Vorgabe eines Leistungssollwertes über eine zugehörige Steuer- und Regeleinrichtung drehzahlunabhängig arbeiten soll, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß außer zur Durchführung einer Grundkompensation der Getriebeverlustleistung zusätzliche Mittel (9-14, 20-28) vorhanden sind, mit denen eine weitgehend vollständige Kompensation der Drehzahlabhängigkeit der Veriustleistung und/oder auch der lastabhängigen Veränderung der Verlustleistung und damit verursachten Abweichungen der vom Probanden aufzubringenden Tretleistung vom Sollwert innerhalb des Arbeitsbereichs des Ergometers bewirkt wird.
  2. 2. Ergometer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß mit den zusätzlichen Mitteln (9-14, 20-28) ein Verschieben und/oder Verschwenken der Leistungs-Drehzahl-Kennlinie (41, 42) im Sinne einer Parallelstellung der Kennlinie zur Abszisse im Leistung-Drehzahl-Diagramm erfolgt.
  3. 3. Ergometer nach den AnsprUchen 1und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zusätz35then Mittel (9-14, 20-28) eine Beaufschlagung des Signals für die Steuereinrichtung (10) bewirken, wobei die Beaufschlagungsparameter (E, D) gezielt justierbar sind.
  4. 4. Ergometer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Drehmoment am Ergometergetriebe über Dehnungsmeßstreifen erfaßt wird, die Teil einer Dehnungsmeßstreifenbrücke (1) sind, wobei das dem Drehmoment proportionale Meßsignal zusammen mit einem Korrektursignal (Grundkompensation) einer Hilfsspannungsquelle (5, 6) in einem Multiplikationsglied (8) mit der Drehzahl (n) zur Bildung einer Leistung (N) proportionalen Steuersignals mulEplizierbar ist.
  5. 5. Ergometer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die zusätzlichen Mittel (8-16, 20-28) über die Grundkompensation des Bremsmomentes hinaus das Signal für die Steuereinrichtung (10) gegensinnig in Abhängigkeit von der Drehzahl (n) beeinflußt.
  6. 6. Ergometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zusätzlichen Mittel wenigstens einen Addierverstärker (8) umfassen, an dem das grundkompensierte Signal einerseits und ein spannungsbeaufschlagtes Widerstandsnetzwerk (11-14) andererseits angeschaltet sind, wodurch das Signal für die Steuereinrichtung (10) mit dem gegensinnig drehzahlabhängigen Korrektursignal überlagert wird.
  7. 7. Ergometer nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Widerstandsnetzwerk (11-14) an der Spannungsquelle (Un) für den Offset-Ausgleich des Addierverstärkers (9) einerseits und an einer zusätzlichen drehzahlabhängigen Spannung (44) andererseits angeschaltet ist.
  8. 8. Ergometer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine drehmomentenabhängige Spannung (UMd) mit einer der Drehzahl (n) ent- sprechenden Frequenz getaktet wird, um durch Multiplikation von Spannungd) und Drehzahl (n) ein Leistungssignalsignal (N) zu erhalten.
  9. 9. Ergometer nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zur Erzeugung der frequenzabhängigen Takt folge ein elektrunisch gesteuerter Schalter (21) verwendet wird, der von einer Kippstufe (26) mit steuerbarer Schaltzeit (T1) drehzahlabhängig triggerbar ist.
  10. 10. Ergometer nach Anspruch 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Kippstufe (26) ein monostabiler Multivibrator (Monoflop) ist, dessen Schaltzeit drehzahlgesteuert ist.
  11. 11. Ergometer nach Anspruch 10, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Versorgungsspannung für das Monoflop (26) eine Einheit (27) zur Beiflussung der Schaltzeit (T1 + T) enthält, die von einer drehzahlabhängigen Spannung beaufschlagt wird.
  12. 12. Ergometer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e.n n z e i c h n e t , daß die Steuereinrichtung (10) bei Vorgabe von Sollwerten der Tretleistung die Leistung (N) stetig von Nullwert auf den Sollwert im Arbeitsbereich (41) einregelt, wodurch außerhalb des Arbeitsbereiches (41) ein stationärer Betrieb, der von der Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl (n) unabgängig ist, möglich ist.
  13. 13. Ergometer nach den Ansprüchen 1 und 12, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Sollwertgeber (30) zur Vorgabe des Beistungssollwertes unterhalb des Arbeitsbereiches (40) des Ergo- meters über einen elektronisch getakteten Schalter (31) drehzahlabhängig gegensinnig kurzschließbar ist.
  14. 14. Ergometer nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Schalter (31) mit einer der Drehzahl (n) entsprechenden Frequenz und vorgegebener Schaltzeit (T2) zyklisch aufgesteuert wird und im Arbeitsbereich (40) des Ergometers offen ist.
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AT394806B (de) * 1990-04-17 1992-06-25 Bumba Walter Ing Vorrichtung zur messung von muskelkraft
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