DE3486014T2

DE3486014T2 - Verfahren zum erhalten eines optimalen belastungswertes fuer einen uebungsgeraetbenutzer.

Info

Publication number: DE3486014T2
Application number: DE9090103652T
Authority: DE
Inventors: C O Combi Co Itoh; Shinroku Nakao; C O Combi Co Takano; C O Combi Co Tsuchiya
Original assignee: Combi Corp
Current assignee: Combi Corp
Priority date: 1983-07-08
Filing date: 1984-03-21
Publication date: 1993-05-13
Anticipated expiration: 2004-03-22
Also published as: EP0131088B1; EP0131088A2; EP0131088A3; EP0379227A3; KR850001429A; DE3485165D1; DE3486014D1; ATE68640T1; EP0379227B1; KR920004800B1; ATE83386T1; EP0379227A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, bei dem ein Ergometer benutzt wird, um einen optimalen Belastungswert und eine gleichmäßige Anzahl von Pulsen pro Minute für das kontinuierliche Training des Benutzers zu erhalten.
Ein Ergometer und ein Trainingsverfahren sind bekannt aus der EP-A-0 028 209.
Ein Ergometer ist kommerziell erhältlich, welches umfaßt: ein Schwungrad, welches angetrieben wird durch die Beine des Betreibers, und einen Riemen zum Anwenden von Belastung auf das Schwungrad durch Reibung. Die Menge der angewandten Belastung wird gesteuert durch Einstellen eines Gewichts, das an dem Ende des Riemens vorgesehen ist. Das Ergometer ist insofern vorteilhaft, als daß in dem Fall, wenn das Schwungrad mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird, die Menge der Belastung direkt erhalten werden kann aus dem Gewichtswert. Es ist jedoch nachteilig in der Beziehung, daß die Messung der Belastung relativ lange Zeit benötigt, die Größe der Belastung groß ist und die Einstellung der Belastung kompliziert ist.
In jüngerer Zeit ist auch ein Ergometer mit einer elektrischen Belastungseinrichtung auf dem Markt erhältlich. Ein solches Ergometer umfaßt ein Schwungrad aus grauem Gußeisen, einen Drehsensor zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit des Schwungrades und ein Drehmomenterfassungs-Dehnungsmeßgerät. Um ein vorbestimmtes Drehmoment in dem Ergometer zu erhalten, wird der der elektromagnetischen Bremse zugeführte Strom entsprechend einer Beziehung zwischen der Ausgabe des Dehnungsmessers und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Schwungrades gesteuert.
Bei einem weiteren Beispiel wird die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des Schwungrades und dem Drehmoment und dem Steuerstromwert durch einen Computer oder dergleichen im voraus berechnet und in einer Speichereinheit gespeichert. Gemäß dem Anweisungscode eines Programms wird ein an die Bremsspule anzulegender Strom bestimmt aus der Drehgeschwindigkeit des Schwungrades und eine gewünschte Bremskraft, um ein vorbestimmtes Drehmoment zu erhalten.
Die Drehmomenterfassungseinrichtung des früheren Ergometers ist mechanisch und eine komplizierte Einstellung muß ausgeführt werden, bevor das Ergometer betrieben wird oder nachdem es eine lange Zeit betrieben worden ist. Beim letzteren Ergometer müssen komplizierte Berechnungen durchgeführt werden, und es ist nötig, eine weitere Speichereinheit zum Speichern der Resultate der Berechnungen als Daten vorzusehen. Bei diesen Ergometern wird die Belastungseinrichtung elektrisch gesteuert, um das vorbestimmte Drehmoment zu erhalten.
Jedes der elektrischen Ergometer hat den weiteren Nachteil, daß, da das Schwungrad aus einem Stator und einem innerhalb des Stators vorgesehenen Rotor gemacht ist, der Stator Erregerspulen haben muß, die groß sind.
Dementsprechend ist die Belastungsvorrichtung ebenfalls groß und der Rotor innerhalb des Stators wird auf hoher Temperatur gehalten.
Eine Vielzahl von Fahrradergometern ist als Trainingseinheit vorgeschlagen worden, bei denen nach einer Anweisung von einem darin eingegliederten Mikrocomputer körperliche Merkmale (Alter, Gewicht, Geschlecht und Pulsanzahl pro Minute) einer Person eingegeben und verarbeitet werden, um einen optimalen Belastungswert und die Pulsanzahl zur Steuerung unter dem optimalen Belastungswert zu berechnen. Die Aufgabe ist, das Training des Benutzers kontinuierlich gemäß den so berechneten Daten zu steuern.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Benutzung von Ergometern wird die optimale Belastung mit den statischen Elementen (Alter, Geschlecht, Gewicht und Ruhepuls) der körperlichen Bedingungen als Daten berechnet und kann als Referenz benutzt werden, wenn der Benutzer kontinuierlich trainiert.
Jedoch wird bei der Bestimmung des optimalen Belastungswerts keine Veränderung der körperlichen Eigenschaften des Benutzers, welche während des kontinuierlichen Trainings auftreten, berücksichtigt. Deshalb kann der optimale Belastungswert, der berechnet wird, nicht für alle Benutzer benutzt werden. Das heißt, abhängig von dem Benutzer erreicht die Pulszahl pro Minute die athletische maximale Pulszahl pro Minute, bevor sie die Gleichgewichtspulszahl pro Minute erreicht, welche unter der optimalen Belastung vorgesehen ist.
Um die Gleichgewichtspulszahl pro Minute für eine Person unter genau optimaler Belastung zu erhalten, sollte das folgende Verfahren angewandt werden. Zunächst wird die Belastung einer rotierenden Trainingsvorrichtung, die durch einen Benutzer angetrieben wird, schrittweise erhöht, so daß die Gleichgewichtspulszahl pro Minute unter einer ansteigenden Belastung gemessen wird bis der Benutzer anzeigt, daß das Training nicht länger fortgesetzt werden kann. Als nächstes wird ein Belastungswert entsprechend etwa 70% der Pulszahl pro Minute des athletischen Maximums berechnet, was im allgemeinen die "athletische Optimalpulszahl pro Minute" genannt wird.
Das oben beschriebene Verfahren ist genau. Jedoch leidet es von den Nachteilen, daß der Benutzer das Training fortsetzen muß, bis die athletische optimale Pulszahl pro Minute erreicht ist. Das Ausüben dieses Verfahrens kann deshalb gefährlich für den Benutzer sein. Ebenfalls nimmt die Messung eine relativ lange Zeit zur Vervollständigung ein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen optimaler athletischer Bedingungen zu schaffen, bei dem ein allgemeiner Ausdruck für eine Belastung gegen Pulszahl-Darstellung erhalten wird durch Benutzen von Daten, die statistisch separat entsprechend dem Alter erhalten werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen des Belastungswertes einer rotierenden Belastungsvorrichtung auf eine Art und Weise zu schaffen, daß sie schrittweise erhöht wird entsprechend der Darstellung und die Gleichgewichtspulszahl pro Minute bei jedem Schritt gemessen wird, um eine Belastung gegen Pulszahl-Näherungskurve zu erhalten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, wobei ein optimaler Belastungswert und eine Gleichgewichtspulszahl pro Minute zu dieser Zeit sicher und in einer kurzen Zeit erhalten werden, bevor die Pulszahl pro Minute des Benutzers die athletische maximale Pulszahl pro Minute erreicht.
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe gelöst nach Anspruch 1 durch ein Verfahren zum Erhalten eines optimalen Belastungswert für einen Benutzer einer Trainingsvorrichtung, bei der die Beine des Benutzers gebeugt und gestreckt werden, um eine Dreheinheit zum Drehen zu bringen mit einer darauf angewandten variablen Belastung während des kontinuierlichen Trainings durch den Benutzer, wobei der athletische Belastungswert schrittweise erhöht wird und bei jedem Schritt ein Belastungswert und eine Gleichgewichtspulszahl des Benutzers gemessen werden, um eine lineare Belastung gegen Pulsrate-Korrelationsdarstellung zu schaffen, wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist:
Messen der Pulsrate des Benutzers, wenn der Benutzer in Ruhe ist, um einen ersten Datenwert zu erzeugen;
Messen der Gleichgewichtspulsrate des Benutzers unter einer ersten Belastung, um einen zweiten Datenwert zu erzeugen;
Vergleichen des zweiten Datenwerts mit einem ersten Referenzwert, welches die Gleichgewichtspulsrate unter der ersten Belastung auf einer Belastung gegen Pulsraten-Korrelationsdarstellung ist, die berechnet wird durch einen Minimalquadratgesetz-Mittelwert, der statistisch erhalten wird, um einen zweiten Belastungswert zu bestimmen;
Messen der Gleichgewichtspulsrate des Benutzers unter der zweiten Belastung, um einen dritten Datenwert zu erzeugen;
Vergleichen des dritten Datenwerts mit einem zweiten Referenzwert, welcher die Gleichgewichtspulsrate unter der zweiten Belastung auf einer Belastung gegen Pulsraten-Darstellung ist, die berechnet wird durch einen Minimalquadratgesetz-Mittelwert, der statistisch erhalten wird, um einen dritten Belastungswert zu bestimmen;
Messen der Gleichgewichtspulsrate des Benutzers unter dem dritten Belastungswert, um einen vierten Datenwert zu erzeugen, wobei die Obergrenze der gemessenen Gleichgewichtspulsrate begrenzt ist durch eine athletische Sicherheitspulsrate für den Benutzer; und
Bestimmen des optimalen Belastungswerts für den Benutzer entsprechend den zweiten bis vierten Datenwerten oder den ersten bis dritten Datenwerten, falls die athletische Sicherheitspulsrate erreicht wurde, bevor der vierte Datenwert erhalten wurde.
Die Natur, das Prinzip und die Nützlichkeit der Erfindung werden klarer aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung erscheinen.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Bremskraft gegen Erregerstrom-Charakteristikkurven für Schwungräder aus verschiedenen Materialien;
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Bremskraft gegen Erregerstromcharakteristikkurven von reinem Eisen;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der W gegen IS-Charakteristik einer herkömmlichen Wirbelstrombremse;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der W gegen IS-Charakteristik einer Wirbelstrombremse, die bei der vorliegenden Erfindung benutzt wird;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Drehmoment gegen Geschwindigkeits-Charakteristik der herkömmlichen Wirbelstrombremse;
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Drehmoment gegen Geschwindigkeitcharakteristik der bei der vorliegenden Erfindung benutzten Wirbelstrombremse;
Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die Drehmoment gegen Erregerstrom-Charakteristik der herkömmlichen Wirbelstrombremse zeigt;
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Drehmoment gegen Erregerstrom-Charakteristik der bei der vorliegenden Erfindung benutzten Wirbelstrombremse;
Fig. 9 ein Beispiel der Struktur der bei der vorliegenden Erfindung benutzten Wirbelstrombremse;
Fig. 10 ein erstes Beispiel eines Fahrradergometers mit einer Belastungsvorrichtung, die bei der vorliegenden Erfindung benutzt wird;
Fig. 11 ein zweites Beispiel eines Fahrradergometers, das in der vorliegenden Erfindung benutzt wird;
Fig. 12 ein Blockdiagramm, das einen Mikrocomputer und die Belastungsvorrichtung des in Fig. 11 gezeigten Fahrradergometers zeigt;
Fig. 13 das Bedienungspult einer Eingabe-Ausgabe-Box des in Fig. 11 gezeigten Fahrradergometers;
Fig. 14 einen Flußplan des Betriebs des in Fig. 11 gezeigten Fahrradergometers;
Fig. 15 bis 18 graphische Darstellungen, welche Minimalquadratgesetz-Mittelwert-Belastung gegen Pulszahl charakteristische Darstellungen zeigen, welche separat nach Alter und Geschlecht vorgesehen sind;
Fig. 19A, 19B, 20A und 20B erklärende Diagramme, die Testprogramme für körperliche Stärke zeigen;
Fig. 21 eine rotierende Belastungsvorrichtung zum Praktizieren eines Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 22 ein Blockdiagramm, das arithmetische Verarbeitungs- und peripherische Einheiten bei der in Fig. 21 gezeigten Vorrichtung zeigt;
Fig. 23 das Bedienungspult einer Eingabe-Ausgabe-Box in der in Fig. 21 gezeigten Vorrichtung;
Fig. 24A und 240 zwei Teile eines Flußplans für ein Meßprogramm für körperliche Stärke;
Fig. 25A bis 25C und 26A bis 26C erklärende Diagramme, welche Testprogramme für körperliche Stärke zeigen; und
Fig. 27A bis 27G einen Flußplan für das Meßprogramm für körperliche Stärke von Fig. 25A bis 25C und 26A bis 26C.
Im Laufe der Entwicklung der vorliegenden Erfindung zur Anwendung wurde eine extensive Forschung über die Charakteristik einer Wirbelstrombremse durchgeführt. Es wurde herausgefunden, daß von den verschiedenen Parametern der spezifische Widerstand und die Permeabilität wesentlich als Materialeigenschaften die Eigenschaften der Wirbelstrombremse beeinflussen. Schwungräder wurden dann hergestellt unter Benutzung verschiedener Materialien, die ausgesucht wurden auf der Basis der oben beschriebenen, Ergebnisse betreffend den spezifischen Widerstand (Ohm·cm) und die Permeabilität (H/m) und die gemessenen Bremskräfte und Erregerströme der Erregerspulen.
Die Resultate der Messungen sind in Fig. 1 gezeigt. In Fig. 1 bezeichnen Bezugszeichen 1, 2 und 3 Bremskraft gegen Erregerstrom-Charakteristikkurven von Schwungrädern, welche jeweils aus reinem Eisen, Gußeisen und grauem Gußeisen hergestellt sind. Beim Aufnehmen der Daten war die Geschwindigkeit des Pedals der Belastungsvorrichtung 50 Upm (Umdrehungen pro Minute) und, da das Übersetzungsverhältnis auf 15 eingestellt war, war die Geschwindigkeit des Schwungrads 750 Upm.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist das Schwungrad aus reinem Eisen am größten in seiner Funktionstüchtigkeit, da es eine hohe Belastungskraft mit einem schmalen Strom bietet. Das Schwungrad aus Gußeisen ist das nächstbeste hinsichtlich der Funktionstüchtigkeit. Das Schwungrad aus grauem Gußeisen, welches bis jetzt benutzt wurde, ist viel niedriger in seiner Funktionstüchtigkeit als die oben beschriebenen zwei Schwungräder. Daher kann gesagt werden, daß reines Eisen oder Gußeisen geeigneter zum Herstellen des Schwungrades ist.
Als nächstes wurde eine Erforschung durchgeführt über die Beziehung zwischen den Komponenten dieser Eisenmaterialien und den Bremscharakteristiken mit den folgenden Resultaten.
Der Gehalt an Silizium (Si) steht in Verbindung mit dem spezifischen Widerstand, und wenn der Gehalt an Silizium abnimmt, nimmt der spezifische Widerstand ebenfalls ab. Andererseits betrifft der Gehalt von Kohlenstoff die Permeabilität und wenn der Gehalt an Kohlenstoff abnimmt, nimmt die Permeabilität zu. Eine Analyse der Komponenten der Schwungräder ist in nachstehender Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Reines Eisen Gußstahleisen Gußeisen Graues Gußeisen Kohlenstoff Silikon Mangan Phosphor Schwefel
Somit kann beim Herstellen der Belastungsvorrichtung, i.e. der Wirbelstrombremse, eine exzellente Charakteristik und eine große Belastung mit einem schmalen Strom erhalten werden durch Auswählen einer spezifischen Zusammenstellung des Materials für das Schwungrad. Die beste Charakteristik und die maximale Belastung mit einem kleinen Strom können erhalten werden durch Bilden des Schwungrads aus reinem Eisen, welches unter den Eisenmaterialien am niedrigsten im Kohlenstoff und Siliziumgehalt ist.
Da es jedoch ziemlich schwierig ist, reines Eisen zu einem niedrigen Preis zu erhalten, kann das Schwungrad hergestellt werden mit Gußeisen, welches ähnlich dem reinen Eisen in seiner Charakteristik ist. Die Funktionstüchtigkeit eines so hergestellten Schwungrades hat sich als zufriedenstellend erwiesen. In diesem Zusammenhang wurde herausgefunden, daß sogar wenn angesichts des Drehmoments des Schwungrads und der Verfügbarkeit des Materials auf dem Markt eine strukturierte Kohlenstoffstahlröhre (STK oder STKM in JIS), als das innere Bestandteil benutzt wird, das den Erregerspulen gegenüberliegt, während das äußere Bestandteil aus grauem Gußeisen zum Schwungradeffekt gemacht ist, das Resultat im wesentlichen gleich dem ist, welches erhalten wird wenn das innere und das äußere Bestandteil aus Gußeisen hergestellt sind. In diesem Zusammenhang sollte bemerkt werden, daß, da die JIS nur die oberen Grenzwerte für die Zusammenstellungskomponenten von strukturiertem Kohlenstoffstahlröhren STK oder STKM definiert, aus den Röhren, die hergestellt werden als Standardröhren, eine mit dem gewünschten Gehalt an Kohlenstoff und Silizium ausgewählt werden muß.
Herkömmliche Schwungräder aus grauem Gußeisen werden als A-Typ-Schwungräder bezeichnet und Schwungräder mit einem inneren Bestandteil aus strukturierten Kohlenstoffstahlröhren STK-50 (C = 0,12% oder weniger und Si = 0,35% oder weniger) und das äußere Bestandteil aus grauem Gußeisen haben, werden als B-Typ-Schwungräder bezeichnet. Die Charakteristika dieser Schwungräder werden verglichen in Fig. 3 bis 8.
Fig. 3 und 4 zeigen, wie gegen IS-Charakteristikkurven der Wirbelstrombremsen jeweils nach dem Stand der Technik und nach der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 1 angedeutet, erzeugt das Schwungrad der vorliegenden Erfindung mit dem gleichen Strom eine größere Belastung. Die Unterschiede zwischen den Belastungen bei verschiedenen Drehzahlen pro Minute sind geringer und die Charakteristikkurven können durch ein Quadratgesetz angenähert werden. Speziell in Fig. 3 ist die Kurve mit 40 Upm wesentlich verschoben von den anderen Kurven.
Fig. 5 und 6 zeigen Drehmoment gegen Drehzahl pro Minute Charakteristikkurven der Wirbelstrombremsen jeweils nach dem Stand der Technik und nach der vorliegenden Erfindung. Wenn der Bereich der praktischen Drehzahl pro Minute des Pedals der Belastungsvorrichtung mit der Wirbelstrombremse 40 bis 60 Upm ist, ist der Bereich der Variation vom Drehmoment gegen Strom wie in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Stand der Technik Erfindung
Wie aus Tabelle 2 oben ersichtlich, ist unter der Bedingung, daß der Erregerspulenstrom konstant ist, das Schwungrad der Belastungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weniger variabel als das nach dem Stand der Technik in dem Bereich praktischer Drehzahlen pro Minute des Pedals des Schwungrads und sieht eine höhere Belastung vor.
Fig. 7 und 8 zeigen Drehmoment gegen Erregerstrom charakteristische Kurven mit Drehzahlen pro Minute als Parameter. Bei jeder von Fig. 7 und 8 zeigt ein linierter Teil die Variationen der Drehzahl pro Minute und des Drehmoments im Bereich praktischer Drehzahlen pro Minute und in dem Fall, in dem es erforderlich ist, die Belastung genau konstant aufrecht zu erhalten, wobei der linierte Teil kompensiert werden sollte durch Steuern des Stroms.
Unter der Annahme, daß das praktische Drehmoment kleiner als 38,8 kg·cm entsprechend 300 W mit 50 Upm ist, kann der linierte Teil in Fig. 8 im wesentlichen vernachlässigt werden im Vergleich mit dem linierten Teil in Fig. 7. Das heißt, daß die Wirbelstrombremse mit dem Schwungrad nach der vorliegenden Erfindung eine praktisch konstante Drehmomentscharakteristik im wesentlichen mit der Quadratgesetzcharakteristik des Erregerstroms ohne Kompensation durch einen speziellen extern vorgesehenen Kompensationsschaltkreis bieten kann.
Fig. 9 zeigt ein Beispiel der Wirbelstrombremse nach der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 9 gezeigt, ist der innere Rotor 6, der aus strukturierten Kohlenstoffstahlröhren (STK-50) hergestellt ist, in den äußeren Rotor 5, der aus grauem Gußeisen hergestellt ist, eingepaßt. Sechs Erregerspulen 8 sind radial auf einem Stator 7 in solche einer Weise angeordnet, daß sie dem Rotor 6 gegenüberstehen. Die Erregerspulen 8 sind hintereinandergeschaltet und beide Enden des Reihenschaltkreises sind mit einer Leistungsquelle 15 verbunden, welche extern vorgesehen ist.
Fig. 10 zeigt ein Fahrradergometer, das mit der Wirbelstrombremse nach der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist. Im Betrieb setzt sich der Benutzer auf den Sattel 1, plaziert seine Füße auf die Pedale 2 und greift den Handgriff 3. Wenn er seine Beine beugt und streckt, wird die Pedalantriebskraft übertragen vom Zahnrad auf der Pedalwelle über die Kette oder dergleichen auf eine Geschwindigkeitsänderungseinheit 4, wo sie in einen brauchbaren Wert umgewandelt wird und dann auf die Rotoranordnung 5 und 6 übertragen wird.
Das Schwungrad der Wirbelstrombremse, welches die Belastungsvorrichtung des Fahrradergometers ist, besteht aus der dualen konzentrischen Radstruktur. Das Schwungrad hat einen äußeren Rotor 5 aus grauem Gußeisen und einen inneren Rotor 6, der in den äußeren Rotor 5 eingepaßt ist. Der innere Rotor 6 besteht aus einer strukturierten Kohlenstoffstahlröhre STK-50, welche 0,12% Kohlenstoff oder weniger und 0,35% Silizium oder weniger enthält. Ein Stator 7 ist innerhalb des inneren Rotors 6 so angeordnet, daß er koaxial mit dem inneren Rotor 6 ist. Im Fall von Fig. 10 sind sechs Erregerspulen 8 radial auf dem Stator 7 angeordnet. Diese Erregerspulen 8 sind reihengeschaltet und beide Enden des Reihenschaltkreises sind verbunden mit einem Konstantstrom-Antriebsstromkreis 9, so daß Strom den Erregerspulen 8 zugeführt wird.
Der Konstantstrom-Antriebsschaltkreis 9 umfaßt einen D/A-Wandler zum Wandeln eines digitalen Werts, der einen Belastungswert repräsentiert, welcher durch Betreiben einer Zehntastentastatur auf einer Eingabe/Ausgabe-Box 11 spezifiziert wird, in einen analogen Wert, einen Quadratwurzelfunktionsgenerator 24 zum Erzeugen der Quadratwurzel der Ausgabe des D/A-Wandlers als Einspeisestrombefehlswert, und eine Konstantstrom-Antriebseinheit 23 zum Steuern des an die Erregerspulen 8 ansprechend auf die Ausgabe des Quadratwurzelfunktionsgenerators zugeführten Stroms. Der Konstantstrom-Antriebsschaltkreis ist mit einer Leistungsquelle 22 zum Versorgen der Erregerspulen mit Energie verbunden.
Fig. 11 zeigt ein weiteres Beispiel des Fahrradergometers nach der vorliegenden Erfindung und illustriert einen Teil seiner Belastungsvorrichtung. Fig. 13 zeigt das Bedienungspult einer Eingabe/Ausgabe-Box 11 in Fig. 11.
Der Benutzer erklimmt den Sattel 1 des Fahrradergometers 10 und trägt auf seinem Ohr einen Pulssensor 12, der aus der Seite der Eingabe/Ausgabe-Box 11 herausgeführt ist. Unter dieser Bedingung drückt der Benutzer die Tasten der Box 11 entsprechend einem Trainingsablauf, wie angezeigt auf dem unteren Teil des Bedienungspultes in Fig. 13. Nach Befestigen des Pulssensors 12 an einem Ohr drückt der Benutzer eine Rücksetztaste und wählt ein gewünschtes Trainingsprogramm, i.e. ein allgemeines Trainingsprogramm oder in Gewichtreduzierungs-Trainingsprogramm, wie angedeutet im mittleren Teil des Bedienungspults. Dann werden die körperlichen Merkmale Benutzers, wie z. B. Alter und Geschlecht, und ein Trainingswert eingegeben durch Drücken der zehn Tasten, die vorgesehen sind auf dem mittleren Teil des Bedienungspults 11. Falls nötig, können eine Zieltrainingszeit und ein zu verbrauchender Zielbrennwert ebenfalls eingegeben werden.
Nach Niederdrücken des Startknopfes, werden die Füße des Benutzers auf die Pedale 2 plaziert und die Beine werden gebeugt und gestreckt, während der Handgriff 3 mit den Händen festgehalten wird. Das treibt die Belastungsvorrichtung an und startet das Training.
Die Pedalantriebskraft wird von dem Zahnrad der Pedalwelle über eine Kette oder dergleichen auf eine Geschwindigkeitsänderungseinheit 4 übertragen, wo sie in einen brauchbaren Wert geändert wird und dann über einen Riemen oder dergleichen auf die Rotoranordnung 5 und 6 der Belastungsvorrichtung mit der Wirbelstrombremse der vorliegenden Erfindung übertragen wird. Somit kann der Benutzer den Trainingsablauf entsprechend dem Belastungswert durchführen und die Zieltrainingszeit und/oder den zu verbrauchenden Zielbrennwert, welche von dem Bedienungspult in Fig. 13 eingegeben worden sind, absolvieren.
Ein arithmetisches Steuerverfahren für das Fahrradergometer in Fig. 11 wird beschrieben werden mit Bezug auf Fig. 12 und 13.
Bei dem Fahrradergometer der vorliegenden Erfindung werden nach Alter, Geschlecht und von dem Bedienungspult eingegebenem Belastungswert und dem ausgewählten Trainingsprogramm die Obergrenzensteuerpulszahl, die Untergrenzensteuerpulszahl, ein Anfangsbelastungswert hinsichtlich des eingegebenen Belastungswerts und ein angelegter Belastungswert, der zum Aufwärmen benutzt wird, i.e. bis 3 Minuten vom Start des Trainings vorübergegangen sind, jeweils bestimmt.
Durch die Eingabe/Ausgabe-Box 11 eingegebene Daten werden in dem Schreib-/Lesespeicher (RAM) in dem Mikrocomputer gespeichert. Auf Drücken des Startschalters hin wird eine allgemeine Gleichung zum Erhalten einer Maximalpulszahl für eingegebenes Alter (220 - 0,7 · Alter für Männer, und 215 - 0,7 · Alter für Frauen), welche in dem Lesespeicher (ROM) gespeichert sind, an die zentrale Steuereinheit (CPU = central processing unit) übertragen. Unter Benutzung dieser Gleichung wird die Maximalpulszahl berechnet entsprechend dem Alter des Benutzers, welches zuvor eingegeben worden ist. Dann wird entsprechend der Auswahl des allgemeinen Trainings oder des Gewichtreduzierungstrainings die Obergrenzensteuerpulszahl und die Untergrenzensteuerpulszahl berechnet, im Fall des allgemeinen Trainings die Maximalpulszahl -55 (Obergrenze) und die Maximalpulszahl -65 (Untergrenze) und im Fall des Gewichtsreduzierungstrainings die Maximalpulszahl -70 (Obergrenze) und die Maximalpulszahl -80 (Untergrenze).
Das Fahrradergometer nach der vorliegenden Erfindung hat ein Programm zur Messung der körperlichen Ausdauer. Deshalb können alle der vorher erwähnten Daten erhalten werden durch Ausführen der notwendigen Messungen für körperliche Ausdauer im voraus.
Ein Beispiel eines Verfahrens zum Erhalten der oben beschriebenen Daten durch Durchführen der Messung für körperliche Ausdauer ist wie folgt beschrieben.
Zunächst wird die Pulszahl des Benutzers in Ruhe als erster Datenwert gemessen. Als nächstes wird die Gleichgewichtspulszahl unter einer ersten Belastung als zweiter Datenwert gemessen und wird mit einem ersten Referenzwert, welcher die Gleichgewichtspulszahl unter der ersten Belastung anhand der Minimalquadratgesetz-Mittelwertsbelastung gegen Pulszahl-Darstellung, die separat statistisch erhalten wird, gemäß dem Geschlecht verglichen, um einen zweiten Belastungswert zu bestimmen.
Als nächstes wird die Gleichgewichtspulszahl unter der zweiten Belastung als dritter Datenwert erhalten und wird mit einem zweiten Referenzwert, der die Gleichgewichtspulszahl unter der zweiten Belastung anhand der Minimalquadratgesetz-Mittelwert Belastung gegen Pulszahl-Darstellung ist, welche separat statistisch erhalten wird, verglichen gemäß dem Geschlecht, um einen dritten Belastungswert zu bestimmen.
Als nächstes wird die Gleichgewichtspulszahl unter der dritten Belastung als Fehlerdatenwert gemessen und seine Obergrenze wird begrenzt durch die Pulszahl für athletische Sicherheit, welche nach Alter und Geschlecht berechnet wird. Wenn der vierte Datenwert erhalten wird, wird nach dem zweiten, dritten und vierten Datenwert und, wenn die Pulszahl für athletische Sicherheit erreicht wird, bevor der vierte Datenwert erhalten wurde, wird nach dem ersten, zweiten und dritten Datenwert, eine Belastung gegen Pulszahl-Näherungsdarstellung erhalten und ihre Obergrenze begrenzt durch die Maximalpulszahl, die berechnet wird nach dem Alter und Geschlecht des Benutzers.
Schließlich wird ein erster Wert, der erhalten wird durch Subtrahieren von 55 von der Maximalpulszahl bestimmt als Obergrenzensteuerpulszahl und ein zweiter Wert, der erhalten wird durch Subtrahieren von 65 von der Maximalpulszahl bestimmt als Untergrenzensteuerpulszahl. Diese Pulszahlen werden beim allgemeinen Training benutzt. In diesem Fall entspricht der optimale Belastungswert dem Untergrenzensteuerpulswert.
Im Fall des Gewichtsreduzierungstrainings, zum Beispiel in dem Fall, wo eine übergewichtige Person beabsichtigt, ihre körperliche Ausdauer aufrecht zu erhalten oder zu steigern und ihr Gewicht zu reduzieren, wird ein Wert erhalten durch Subtrahieren von 70 von der Maximalpulszahl benutzt als Obergrenzensteuerpulszahl und ein Wert erhalten durch Subtrahieren von 80 von der maximalen Pulszahl benutzt als Untergrenzensteuerpulszahl. Ein Belastungswert entsprechend der Untergrenzensteuerpulszahl wird benutzt als Optimalpulszahl, wie beim allgemeinen Training.
Wenn die Ausgabe des Pulssensors die Belastungssteuerbedingung (Steuerpulsbereich) während des Aufwärmens erreicht, wird der Belastungssteuerung Priorität gegeben. Im folgenden werden die folgenden Verfahren ausgeführt:
1. Wenn die Untergrenzensteuerpulszahl innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne nach Start erreicht wird, wird die Belastung um einen brauchbaren Wert abgesenkt;
2. wenn die Obergrenzensteuerpulszahl innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Start überschritten wird, wird die Belastung sofort um einen brauchbaren Wert abgesenkt; und
3. wenn die Untergrenzensteuerpulszahl nicht innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Start erreicht wird, wird die Belastung um einen brauchbaren Wert angehoben. Wenn eine gewisse Zeitspanne nach einer Belastungserniedrigung oder Erhöhung vorübergegangen ist, wird derselbe Entscheidungsprozeß wiederholt.
Auf diese Art und Weise wird die Pulszahl pro Minute für einen Benutzer aufrecht erhalten im Bereich der Steuerpulszahl durch wiederholtes Erhöhen oder Erniedrigen der Belastung. Dieses Training wird fortgesetzt, bis die ausgewählte Trainingszeit vorübergegangen ist oder bis der zu verbrauchende Trainingsbrennwert (welcher wie folgt berechnet wird) den ausgewählten zu verbrauchenden Brennwert erreicht.
Der verbrauchte Brennwert kann wie folgt berechnet werden. Der Belastungswert wird alle 30 Sekunden nach dem Start des Trainings ermittelt. Dann wird der Kalorienwert, der alle 30 Sekunden verbraucht wird, anhand der folgenden Gleichung erhalten:
E = Belastungswert (W) · 0,014 (Kcal/min) · 1/0,233 (fahrradathletische Effizienz) · Zeit (Minuten).
Die erhaltenen Brennwerte werden bis zum Ende des Trainings integriert. Das oben beschriebene Training läuft wie gezeigt im Flußplan von Fig. 14.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen benutzt die Belastungsvorrichtung die Wirbelstrombremse der vorliegenden Erfindung. Der elektrische Schaltkreis der Belastungsvorrichtung, wie in Fig. 12 gezeigt, umfaßt: eine Leistungsquelle zum Zuführen von Strom an die Wirbelstrombremse 21; einen Stromsteuerschaltkreis 23, der zwischen der Wirbelstrombremse 21 und der Leistungswelle 22 angeschlossen ist, um den Strom zu steuern; und einen Erzeugungsschaltkreis für ein charakteristisches Signal 24 zum Zuführen der Quadratwurzel des Belastungswerts (W) als Befehlswert an den Stromsteuerschaltkreis 23, der durch Drücken der zehn Tasten der Eingabe/Ausgabe-Box 11 ist.
Der Befehl von der Eingabe/Ausgabe-Box 11 wird durch einen D/A-Wandler (I/O = in/out = Ein/Aus) angelegt an den Erzeugungsschaltkreis für das charakteristische Signal 24, wenn es ein digitales Signal ist, und wird direkt angelegt an den Schaltkreis 24, wenn es ein analoges Signal ist.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich, sind bei der Belastungsvorrichtung des Ergometers nach der vorliegenden Erfindung die Zusammenstellung des Materials des Schwungrads in der Wirbelstrombremse, i.e. der Kohlenstoffgehalt und Siliziumgehalt auf vorbestimmte Werte oder weniger eingestellt, um eine wesentlich verbesserte Konstantdrehimpulscharakteristik überragend im Vergleich zu der nach dem Stand der Technik zu schaffen. Daraus resultierend kann die Steuerstrom-Charakteristik im wesentlichen angenähert werden durch eine Quadratgesetzcharakteristik. Dementsprechend ist es bei der Erfindung anders im Vergleich zum Stand der Technik nicht notwendig, ein kompliziertes Steuerverfahren zu benutzen. Die Belastungsvorrichtung kann im Bereich praktischer Drehzahlen pro Minute des Pedals mit Hilfe eines Signals, das nur basiert auf dem Quadratgesetz des durch die Eingabeeinrichtung spezifizierten Werts gesteuert werden. Weiterhin ist die durch die Wirbelstrombremse der Belastungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung vorgesehene Belastung höher als die durch eine herkömmliche Vorrichtung vorgesehene, wenn die Steuerströme die gleichen sind.
Die Menge erzeugter Hitze ist klein und es ist nicht nötig, die Abstrahlung von Hitze mitzuberücksichtigen. Somit kann die Vorrichtung kleiner in ihrem Größenumfang gemacht werden. Zusätzlich ist der äußere Rotor des Schwungrades aus grauem Gußeisen hergestellt und der innere Rotor aus einer strukturierten Kohlenstoffstahlröhre. Beide dieser Materialien sind schon zu günstigen Preisen erhältlich.
Bei der Erfindung ist der Stator innerhalb der Rotoranordnung vorgesehen. Das heißt, das wärmeerzeugende Element wird gedreht. Dementsprechend wird die erzeugte Wärme durch Konvektion mit der Drehung der Rotoranordnung abgestrahlt. Der äußere Rotor kann aus Nichteisenmaterial wie z. B. Beton gemacht werden, so daß er nur dazu dient, einen Schwungradeffekt für den inneren Rotor zu bewirken.
Wenn eine Drehmomenterfassungseinrichtung, wie z. B. ein Dehnungsmesser, in solch einer Art und Weise hinzugefügt wird, daß seine Ausgabe an einen Mikrocomputer zur Korrektur eingegeben wird, dann kann ein präzises Fahrradergometer mit den oben beschriebenen spezifischen Merkmalen geschaffen werden.
Ein Verfahren zum Bestimmen einer optimalen athletischen Bedingung wird als weitere Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben werden. Verschiedene Terme werden wie folgt definiert:
Gleichgewichtspulszahl: Die Pulszahl pro Minute, die konstant aufrechterhalten wird unter einer vorgegebenen Belastung, repräsentiert durch die Gleichgewichtspulszahl pro Minute, die erhalten wird zwei Minuten nachdem die vorbestimmte Belastung angelegt worden ist.
Maximalpulszahl: Die Maximalpulszahl pro Minute eines Individuums entsprechend der maximal eingenommenen Sauerstoffmenge. Sie kann im wesentlichen aus den folgenden Ausdrücken ermittelt werden:
Männer: 220 - 0,7 · Alter
Frauen: 215 - 0,7 · Alter
Athletische Optimalpulszahl: Sie ist im allgemeinen etwa 70% der Maximalpulszahl. Ein Belastungswert bei der athletischen Optimalpulszahl auf der Belastung gegen Pulszahl-Darstellung wird "optimaler Belastungswert" genannt.
Athletische Sicherheitspulszahl: Sie wird im allgemeinen erhalten durch Subtrahieren einer vorbestimmten Anzahl (45) von der Maximalpulszahl. Im allgemeinen kann die Person mit der athletischen Sicherheitspulszahl kontinuierlich ohne Furcht vor körperlichem Schaden trainieren.
Athletische Maximalpulszahl: Die Maximalpulszahl pro Minute für die Person zum Trainieren. Bei der athletischen Maximalpulszahl kann das Individuum für eine sehr kurze Zeit trainieren. Sie wird im allgemeinen erhalten durch Subtrahieren eines vorgegebenen Werts (25) von der Maximalpulszahl.
Körperliche Ausdauertests wurden angewendet auf viele Personen zur Verallgemeinerung der Belastung gegen Pulszahl-Kurve einer Person. Bei der Messung würde das Ergometer von der Monach Company, welches bekannt ist als Einrichtung für eine Person zum Beugen und Strecken der Beine, um eine Belastung zu erhalten, benutzt. Die Belastung wurde schrittweise erhöht, so daß mehr als ein Wert zwischen der athletischen Maximalpulszahl und der athletischen Sicherheitspulszahl gemessen wurde für die Obergrenzenpulszahl. Die Belastung gegen Pulszahl-Darstellungen dieser Personen wurden aufbereitet.
Zusätzlich wurden Minimalquadratgesetz-Mittelwert-Belastung gegen Pulszahl-Darstellungen separat aufbereitet gemäß dem Alter (10 Jahre pro Schritt) und Geschlechtern. Diese Kurven sind wie in Fig. 15 (männlich) und Fig. 17 (weiblich) gezeigt. Wie aus diesen Figuren deutlich wird, sind die Belastung-gegen-Pulszahl-Darstellungen, die durch den Minimalquadratgesetz-Mittelwert erhalten werden, bei den verschiedenen Altern nicht unterschiedlich voneinander. Die Frauen in der Gruppe der 50er zeigten einen ziemlich großen Anstieg in der Pulszahl bezüglich der Erhöhung der Belastung im Vergleich mit denen der anderen Altersgruppen. Somit kann verstanden werden, daß bei der Messung körperlicher Ausdauer das Alter nicht ein wesentlicher Faktor ist.
Um die Unterschiede in der körperlichen Ausdauer, die durch das Alter verursacht werden, zu untersuchen, wurden eine Pulszahl kleiner als die athletische Sicherheitspulszahl und der Belastungswert zu dieser Zeit (109 Schläge und 50 W für Männer und 107 Schläge und 27 W für Frauen) benutzt als Referenzwert. Eine Person mit einer Pulszahl kleiner als dem Referenzwert unter der Belastung wurde klassifiziert als Person mit hoher körperlicher Ausdauer (H).
Eine Person mit einer Pulszahl gleich oder größer als dem Referenzwert wurde klassifiziert als eine Person mit einer niedrigeren körperlichen Ausdauer (L). Die Daten wurden benutzt, um die Belastung-gegen-Pulszahl-Darstellungen separat entsprechend hoher und niedriger körperlicher Ausdauer aufzubereiten, welche berechnet wurden durch Minimalquadratgesetzmittelwerte entsprechend Alter und Geschlechtern. Diese Darstellungen sind, wie in Fig. 16 (Männer) und Fig. 18 (Frauen) dargestellt.
Wie aus diesen Figuren deutlich wird, liegen die charakteristischen Darstellungen der Personen mit hoher und niedriger körperlicher Ausdauer des gleichen Alters parallel zueinander und die charakteristischen Darstellungen der körperlichen Ausdauer der Personen, die separat nach dem Alter geschaffen wurden, sind im wesentlichen einander gleich (die charakteristischen Darstellungen der Männer mit niedriger körperlicher Ausdauer der Gruppe der 50er und 60er und dies der Frauen mit niedriger und hoher körperlicher Ausdauer sind leicht verschieden, d. h. stärker geneigt).
Dementsprechend kann durch allgemeines Benutzen der Informationen, die in den Fig. 15 bis 18 aufgestellt sind, verstanden werden, daß bei der Messung der körperlichen Ausdauer der Unterschied der körperlichen Ausdauer eines Individuums ein wichtigerer Parameter als das Alter ist. Bei der Messung des Unterschieds der körperlichen Ausdauer wird zunächst die anfänglich Belastung auf einen brauchbaren Wert festgelegt und die Gleichgewichtspulszahl unter der Anfangsbelastung gemessen. Das Resultat dieser Messung wird verglichen mit der Pulszahl, die erhalten wird bei dem Anfangsbelastungswert auf der Belastung-gegen-Pulszahl-Darstellung, welche erhalten wird durch Bezug auf die Fig. 15 bis 18, um so zu bestimmen, ob die körperliche Ausdauer der der Messung obliegenden Person hoch, niedrig oder durchschnittlich ist. Da eine Person mit durchschnittlicher körperlicher Ausdauer zwischen einer Person mit hoher körperlicher Ausdauer und einer Person mit niedriger körperlicher Ausdauer einzuordnen ist, kann die charakteristische Darstellung der Person mit mittlerer körperlicher Ausdauer angenähert werden durch die der Person mit hoher oder niedriger körperlicher Ausdauer.
Im allgemeinen kann die Belastung-gegen-Pulszahl-Darstellung bestimmt werden durch Erhalten und zumindest drei Belastungswerten, vorzugsweise mehr als zwei Belastungswerten, und ihre Obergrenze (Maximalpulszahl) kann leicht erhalten werden entsprechend Alter und Geschlecht. In diesem Fall ist es vorzuziehen, zumindest drei Arten von Pulszahlen außer der Pulszahl, die erhalten wird in der Ruhephase, zu messen. Dementsprechend war mit Bezug auf die aus diesen Figuren erhaltenen charakteristischen Darstellungen der Maximalbelastungswert mit der athletischen Optimalpulszahl begrenzt und die Meßprogramme für körperliche Ausdauer wurden aufbereitet innerhalb des Bereichs, wie gezeigt in Fig. 19 und 20.
In Fig. 19a ist die erste Belastung auf 25 W gesetzt und die Entscheidungsbezugspulszahl 90 wird gewählt aus dem Bereich der Gleichgewichtspulszahl HR&sub2;&sub5;= 90-95 unter einer Belastung von 25 Watt. Als nächstes wird die zweite Belastung auf 50 W und 65 W gesetzt.
Die Gleichgewichtspulszahlen bei diesen Punkten in Fig. 16 sind jeweils 118-127 (L-Klasse) und 108 bis 112 (H-Klasse). Nach diesen Werten werden 120 und 110 als zweite Referenzwerte gewählt. Sogar wenn die Maximalpulszahl 190 ist für die 20er (29 Jahre alt), 182 für die 30er (39 Jahre alt) und 175 für die 40er (49 Jahre alt), werden die athletische Optimalpulszahl (etwa 70%) und die athletische Sicherheitspulszahl (-45) berücksichtigt. Die drei Belastungswerte und die Referenzpulszahlen sind in dem Bereich.
In Fig. 190 sind, da die charakteristischen Darstellungen der Personen mit niedriger körperlicher Ausdauer der 50er und der 60er steil sind, obwohl der erste Belastungswert und der Referenzwert derselbe bleiben, die zweiten Belastungswerte auf 35 W und 50 W reduziert. Die Referenzgleichgewichtspulszahl unter 50 W ist auf 110 gesetzt, ähnlich wie im Fall von Fig. 19A. Belastungswerte, die auf eine Person mit niedriger körperlicher Ausdauer angewandt werden, werden in 10 W Schritten erhöht und die Referenzpulszahl ist die athletische Optimalpulszahl.
In Fig. 20A wird, da die charakteristischen Darstellungen von Frauen steiler als die von Männern sind und die Ruhepulszahlen von Frauen höher sind, der Anfangsbelastungswert auf 25 W gesetzt, der Referenzgleichgewichtspulswert zu dieser Zeit auf 95 und die zweiten Belastungswerte auf 35 W und 40 W gesetzt. Die Referenzwerte einer Person mit hoher körperlicher Ausdauer unter den zweiten Belastungswerten sind auf 55 W und 65 W gesetzt. Wie bei den Belastungswerten für eine Person mit niedriger körperlicher Ausdauer, werden 35 W und 40 W rangierend in 10 W Schritten von dem ersten Belastungswert als zweiter und dritter Belastungswert gesetzt. Die Obergrenzenpulszahl für die Person mit niedriger körperlicher Ausdauer ist begrenzt durch die athletische Optimalpulszahl.
In Fig. 200 werden, da die charakteristischen Darstellungen steil sind wie in Fig. 18 gezeigt, gemäß den charakteristischen Darstellungen die Belastungswerte vorgesehen in Intervallen von 10 W, ähnlich wie in dem Fall der Person mit niedriger körperlicher Ausdauer in Fig. 20A, und die Obergrenzenpulszahl wird begrenzt durch die athletische Optimalpulszahl.
Basierend auf den Meßprogrammen für körperliche Ausdauer, die vorgesehen wurden nach Fig. 19A, 190, 20A und 20B, wurden die Belastung-gegen-Pulszahl-Charakteristika der Personen simuliert. Die Resultate der Simulation sind in Tabelle 3 (Männer) und in Tabelle 4 (Frauen) gezeigt. Tabelle 3 20 bis 49 Jahre alt (96 Personen) 50 Jahre alt und älter (19 Personen) Insgesamt (115 Personen) (a) Personen, für die der Test in 10 Min. bewerkstelligt wird und die Regressionskurve erhalten wird. Personen (b) Personen, für die der Obergrenzenalarm in 7 bis 10 Min. ausgelöst wird, aber die Kurve durch Regression einschl. Pause erhalten wird. Person (c) Personen, für die der Obergrenzenalarm in weniger als 7 Minuten ausgelöst wird und die Regressionskurve nicht erhalten werden kann. Tabelle 4 20 bis 49 Jahre alt (154 Personen) 50 Jahre alt und älter (18 Personen) Insgesamt (172 Personen) (a) Personen, für die der Test in 10 Min. bewerkstelligt wird und die Regressionskurve erhalten wird. Personen (b) Personen, für die der Obergrenzenalarm in 7 bis 10 Min. ausgelöst wird, aber die Kurve durch Regression einschl. Pause erhalten wird. (c) Personen, für die der Obergrenzenalarm in weniger als 7 Minuten ausgelöst wird und die Regressionskurve nicht erhalten werden kann.
Wie in Tabelle 3 gezeigt, konnte nur eine männliche Person nicht seine Belastung-gegen-Pulszahl-Darstellung nach dem Programm durch Regression erreichen. Deshalb kann gesagt werden, daß das Programm genutzt werden kann zum Messen der körperlichen Ausdauer von fast allen männlichen Personen und zum Erhalten der athletischen Optimalbelastungswerte und der Gleichgewichtspulszahlen.
In Tabelle 4 konnten zwölf Personen (8%) von 20 bis 49 Jahren nicht zurückgeführt werden auf jeweilige Belastung-gegen-Pulszahl-Darstellungen nach dem Programm und fünf Personen (28%) im Alter von 50 Jahren oder älter konnten es ebenfalls nicht. Auf Erforschung der Daten dieser Personen hin stellte sich heraus, daß von den zwölf Personen von 20 bis 49 Jahren sieben Personen die athletische Optimalpulszahl unter der Belastung von 25 W erreichten und die übrigen fünf Personen die athletische Optimalpulszahl unter der Belastung von 35 W erreichten. Das kann nicht angenähert werden durch den allgemeinen Ausdruck oder durch Ändern des Belastungswerts. Von den fünf Personen mit 50 Jahren oder älter, erreichten drei Personen die athletische Optimalpulszahl unter der Belastung von 25 W und die übrigen zwei Personen erreichten die athletische Optimalpulszahl unter der Belastung von 35 W. Dasselbe kann von diesen Personen gesagt werden.
Der Inhalt von Fig. 15 bis 20 zeigt die Tatsache, daß die Meßprogramme für körperliche Ausdauer, die in Fig. 19A, 19B, 20A und 20B gezeigt sind, benutzt werden können zum Erhalten der athletischen Optimalbelastungswerte und der Gleichgewichtspulszahlen für fast alle Personen, ohne Erhöhen der Belastungswerte auf diejenigen welche die athletischen Maximalpulswerte schaffen (oder die athletischen Optimalpulswerte für Personen von 20 bis 49 Jahren). Wenn die Belastung-gegenPulszahl-Darstellung erhalten worden ist, kann der Belastungswert PWC 130 oder 150 mit der Pulszahl 130 oder 150, der als allgemeiner Entwicklungswert für körperliche Ausdauer benutzt wird, leicht aus der Kurve erhalten werden.
Die Programme der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf ein weiteres Beispiel des Fahrradergometers beschrieben werden.
Das in Fig. 21 gezeigte Fahrradergometer ist eine Vorrichtung, die es einer Person gestattet, ihre Beine zu beugen und zu strecken unter einer Belastung, um ihre körperliche Ausdauer zu messen. Das Fahrradergometer 10 umfaßt einen Rahmen 100, eine Belastungseinrichtung 200, wie z. B. eine Wirbelstrombremse, die drehbar gelagert ist auf dem Rahmen 100, und ein Paar Pedale 2 zum Drehen der Belastungseinrichtung 200. Die Pedale 2 sind so gestaltet, daß die Antriebskraft über einen Riemen (nicht gezeigt) und ein Reduktionsgetriebe (nicht gezeigt) an den Rotor der Belastungseinrichtung 200 übertragen wird.
Das Fahrradergometer 10 umfaßt weiterhin einen Sattel 1, befestigt auf einem tragenden Element, das sich von dem Rahmen 100 erstreckt. Der Sattel ist vertikal beweglich und ein Handgriff 3 ist befestigt auf einem tragenden Element, das sich von dem Rahmen 100 vor dem Sattel 1 erstreckt. Eine Eingabe/Ausgabe-Box 11 ist vorgesehen auf der Mitte des Handgriffs 3 zum Eingeben körperlicher Bedingungen (später beschrieben) und Ausgeben und Anzeigen gewünschter Daten. Ein Pulssensor 12 zum Erfassen der Pulse, i.e. Herzfrequenz, des Benutzers ist installiert auf der Seite der Eingabe/Ausgabe-Box 11. Eine Leistungsquelle 22 zum Antreiben der Belastungseinrichtung 200 und eine Steuervorrichtung 90 zum Steuern der Eingabe/Ausgabe-Box 11 und der Belastungseinrichtung sind in den Rahmen 100 eingebaut. Die Belastungseinrichtung 200 hat einen Drehsensor zum Erfassen der Geschwindigkeit des Rotors (nicht gezeigt).
Fig. 22 zeigt eine arithmetische Steuervorrichtung und ihre peripherische Ausstattung nach der vorliegenden Erfindung. Die Steuervorrichtung und die peripherische Ausstattung beinhalten eine Eingabe/Ausgabe-Einheit 31, eine zentrale Steuereinheit 32 (im weiteren als CPU (= central processing unit) 32 bezeichnet), einen Schreib/Lese-Speicher 33 (RAM = random access memory), und einen Lesespeicher (ROM = read-only memory) 34. Die Elemente 31 bis 34 bilden einen Mikrocomputer 20. Der Mikrocomputer 20 empfängt nach einem in dem ROM 34 gesteuerten Betriebsablauf die körperlichen Merkmale des Benutzers, e.g. Alter und Geschlecht, von der Eingabe/Ausgabe-Box 11 und Signale von dem Pulssensor 12 und dem Rotationssensor 25 durch die Eingabe/Ausgabe-Einheit 31, verarbeitet sie und speichert die Resultate in dem RAM. Der Mikrocomputer 20 ruft weiterhin das Meßprogramm für körperliche Leistungsfähigkeit, das in dem ROM 34 gespeichert ist, auf und steuert die Belastungsmenge des Belastungsschaltkreises 200 durch die Eingabe/Ausgabe-Einheit 31 und einen Stromsteuerschaltkreis 23 entsprechend dem aufgerufenen Programm.
Fig. 23 zeigt das Bedienungspult der Eingabe/Ausgabe-Box 11, welches aus drei Teilen besteht. Die Tasten zum Eingeben der körperlichen Merkmale des Benutzers (e.g. Alter und Geschlecht) sind auf der rechten Seite des mittleren Teils des Bedienungspults angeordnet; und die Tasten zum Auswählen einer Messung der für die körperliche Ausdauer oder Training sind auf der linken Seite angeordnet. Ein Tonknopf ist vorgesehen, um es dem Benutzer zu ermöglichen, daß er hörbarer Piepston erzeugt wird. Der Benutzer synchronisiert die Drehung der Pedale 2 mit dem Piepsen des Tons, so daß das Ergometer mit einer im wesentlichen konstanten Rate betrieben wird. Um die Messung für körperliche Ausdauer zu starten, drückt der Benutzer die Taste für den körperlichen Ausdauertest und gibt dann Alter und Geschlechtsdaten entsprechend dem Betriebsablauf ein, welcher in dem unteren Abschnitt des Bedienungspults angezeigt wird.
Der Benutzer erklimmt den Sattel 1 des Fahrradergometers 10, wie gezeigt in Fig. 21, und trägt den Pulssensor 12 an einem Ohr. Unter dieser Bedingung drückt der Benutzer die Rücksetztaste, betreibt die Taste für den körperlichen Ausdauertest, gibt Alter und Geschlecht ein und drückt die Starttaste. Wenn die Taste für den körperlichen Ausdauertest gedrückt wurde und die Alters- und Geschlechtsdaten eingegeben worden sind, wird eines der in den Fig. 19A, 19B, 20A, 20B illustrierten Programme von dem ROM an das RAM übertragen. Der allgemeine Ausdruck zum Erhalten der Maximalpulszahl und der athletischen Optimalpulszahl anhand des Alters und Geschlechts wird von dem ROM an die CPU übertragen. Als nächstes werden Berechnungen in der CPU durchgeführt und die Resultate der Berechnungen werden in dem RAM gespeichert.
Wenn die Starttaste gedrückt wird, startet der Zeittaktschaltkreis 27 den Betrieb und die CPU zählt die Ausgabepulse des Pulssensors 12. Dieser Zählwert wird gespeichert in dem RAM als Pulszahl in Ruhe. Um die korrekte Pulszahl zu speichern, wird die Pulszahl n-mal m Sekunden lang aufgenommen, zum Beispiel dreimal 20 Sekunden lang, und wird in die Pulszahl pro Minute umgewandelt. Die Pulszahlen pro Minute können gemittelt werden.
Wenn ein Signal, das das Verstreichen einer Minute anzeigt, auf die CPU durch den Zeittaktschaltkreis 27 angewendet wird, wendet die CPU nach dem an das RAM übertragenen Betriebsablauf ein digitales Signal entsprechend dem ersten Belastungswert durch die Eingabe/Ausgabe 131 auf den Stromsteuerschaltkreis 21 an. Der Stromsteuerschaltkreis 23 hat einen D/A-Wandler, um den Strom, der der Belastungseinrichtung 200 von der Leistungsquelle 22 ansprechend auf das Signal von der Eingabe/Ausgabe-Einheit 31 angewandt wird, zu steuern.
Die Belastungseinrichtung 200 ist versehen mit einem Rotationssensor 25, der mit der CPU durch die Eingabe/Ausgabe-Einheit 31 verbunden ist, um zu erfassen, ob oder ob nicht der Benutzer die Belastungseinrichtung in dem bevorzugten Geschwindigkeitsbereich zum Drehen bringt. Wenn der Zeittaktschaltkreis ein Signal repräsentierend dem Verstreichen von drei Minuten unter der ersten Belastung anlegt, zählt die CPU das Ausgabesignal des Pulssensors 12 n mal m Sekunden lang innerhalb des Bereichs von 4 Minuten und wandelt die gezählten Pulszahlen in die Pulszahlen Pro Minute um. Die Pulszahlen pro Minute werden gemittelt und die gemittelte Pulszahl pro Minute wird als zweiter Datenwert in dem RAM 33 gespeichert.
In der CPU 32 wird der erste aus dem RAM 33 aufgerufene Bezugswert verglichen mit dem zweiten Datenwert, um den zweiten Belastungswert zu bestimmen. Ein digitales Signal entsprechend dem zweiten Belastungswert wird durch die Eingabe/Ausgabe-Einheit 31 an den Stromsteuerschaltkreis 23 angelegt.
Wie im Fall des ersten Belastungswerts wird die Belastungseinrichtung 200 gesteuert und wenn ein Signal, repräsentierend das Verstreichen von 6 Minuten vorgesehen wird durch den Zeittaktschaltkreis 27, wird das Ausgabesignal des Pulssensors 12 n mal m Sekunden lang innerhalb des Bereichs von 7 Minuten gezählt. Die gezählten Pulszahlen werden in die Pulszahlen pro Minute umgewandelt. Die Pulszahlen pro Minute werden gemittelt, so daß die mittlere Pulszahl als dritter Datenwert in dem RAM 33 gespeichert wird.
In der CPU 32 wird der zweite aus dem RAM 33 aufgerufene Bezugswert verglichen mit dem dritten Datenwert, um den dritten Belastungswert zu bestimmen. Unter dem dritten Belastungswert zählt die CPU 32 das Ausgabesignal des Pulssensors 12, um die Pulszahl pro Minute zu berechnen und vergleicht sie mit der athletischen Optimalzahl von Pulsen, die in dem Rahmen 33 gemäß dem Alter und Geschlecht des Benutzers gespeichert ist. Nur wenn die nach dem Verstreichen von neun Minuten gezählte Pulszahl gleich der athletischen Optimalpulszahl ist, wird die CPU 32 Signale von dem Pulssensor n mal m Sekunden lang innerhalb des Bereichs von 10 Minuten zählen.
Die gezählten Pulszahlen werden in die Pulszahlen pro Minute umgewandelt. Die erhaltene Pulszahl pro Minute wird gemittelt und die mittlere Pulszahl pro Minute wird gespeichert als vierter Datenwert in dem RAM 33. Wenn der Zeittaktschaltkreis 27 ein Signal, repräsentierend das Verstreichen von 10 Minuten, ausgibt, werden der zweite, dritte und vierte Datenwert an die CPU von dem RAM übertragen, während ein Belastungs-Pulszahl-Näherungsausdruck (H = bx + a) aus dem ROM 34 aufgerufen wird.
Gemäß dem resultierenden Ausdruck wird ein Belastungswert entsprechend der Maximalpulszahl, welche erhalten wird gemäß den Alter- und Geschlechtsdaten, die in dem RAM 33 gespeichert sind, erhalten. Die Produkte dieser Werte und 0,7 (Konstante) als athletische Optimalpulszahl und die Belastung werden gespeichert in dem RAM 33. Diese Werte werden ebenfalls durch die Eingabe/Ausgabe-Einheit 11 angelegt an die Anzeigeeinheit der Eingabe/Ausgabe-Box 11, um somit als allgemeine Trainingswerte (W) angezeigt zu werden.
Wenn die Pulszahl des Benutzers die athletische Optimalpulszahl, die im RAM gespeichert ist, erreicht, bevor der Zeittaktschaltkreis das Signal, repräsentierend das Verstreichen von 9 Minuten, an die CPU anlegt, werden die folgenden Schritte ausgeführt:
Die CPU 32 treibt einen Signalerzeugungsschaltkreis (nicht gezeigt) in der Eingabe/Ausgabe-Box 11 an, um einen Summton oder dergleichen zu erzeugen, um den Benutzer über die oben beschriebene Bedingung zu informieren und um anzuzeigen, daß das Meßprogramm für körperliche Ausdauer unterbrochen werden sollte. Weiterhin werden der erste, zweite und dritte Datenwert, die im RAM 33 gespeichert sind, an die CPU 32 übertragen, während die Belastung gegen Pulszahl-Näherungsausdruck aus dem ROM 34 aufgerufen wird. Wie im oben beschriebenen Fall wird die Belastung-gegen-Pulszahl-Darstellung angenähert, um die athletische Optimalbelastung und die Pulszahl zu berechnen und sie auf der Anzeigeeinheit der Eingabe/Ausgabe-Box anzuzeigen.
Wenn es bei der oben beschriebenen Messung der Pulszahlen für den ersten bis vierten Datenwert erkannt wird, daß die Pulszahl den Gleichgewichtspulswert erreicht, werden die Pulszahlen n mal m Sekunden lang gezählt, z. B. dreimal 20 Sekunden lang. Die gezählte Pulszahl wird umgewandelt in die Pulszahl pro Minute und die erhaltene Pulszahlen pro Minute werden gemittelt, um die mittlere Pulszahl zu erhalten.
Das Verfahren kann jedoch zu einem beträchtlichen Fehler führen, da die gezählten Pulszahlen mit einem Faktor 3 (oder 60/m) multipliziert werden müssen, um die Pulszahl pro Minute zu erhalten. Dementsprechend sollte, um die Gleichgewichtspulszahl unter einer vorbestimmten Belastung präziser zu messen, die Pulszahlen mit der Methode der gleitenden Durchschnitte gemittelt werden. Das heißt, nachdem erfaßt worden ist, daß die Gleichgewichtspulszahl erreicht worden ist unter der vorgegebenen Belastung, werden die Zeitspannen erfußter Pulse durch den Pulssensor fortwährend gemessen und der arithmetische Mittelwert von n (ganze Zahl) vorherigen Daten gemittelt als Pulsperiode zum vorliegenden Zeitpunkt. Dann wird der arithmetische Mittelwert der fortschreitenden Mittelwerts-Pulszeitspannen, die nacheinander erhalten werden, berechnet, um die Pulszahl pro Minute zu bilden.
Vorzugsweise sollte das folgende Verfahren angewendet werden. Von den fortschreitenden Mittelwert-Pulszeitspannen werden der minimale und der maximale Wert eliminiert und der arithmetische Mittelwert der übrigen gleitenden Mittelwertspulszeitspannen wird berechnet, um die Anzahl von Pulsen pro Minute zu erhalten.
Wie oben beschrieben, wird bei der Messung der körperlichen Ausdauer gemäß dem Verfahren der Erfindung die Belastung-gegen-Pulszahl jedes Individuums in dem RAM 33 gespeichert. Der Belastungswert (Entwicklungswerte) z. B. mit den Pulszahlen 150 oder 130, nämlich PWC 150 oder 130, kann leicht errechnet werden.
Wie oben beschrieben, sind die Kategorien für das Programm für körperliche Ausdauer männlich und weiblich und Alter von 20 bis 49 Jahren und Alter von mehr als 50 Jahren. Jedoch ist es möglich, die Alterswerte in kleine Gruppen zu trennen, um so die athletische Optimalbedingung präziser zu messen. Eine allgemeine Gleichung für die Belastung-gegen-Puls-Darstellung für jede Generation ist erhältlich und es ist möglich, die Maximalpulszahl zu berechnen, die athletische Optimalpulszahl, die athletische Sicherheitspulszahl und die maximale athletische Pulszahl. Deshalb ist es möglich, ein Programm für körperliche Ausdauer für viele Geschlechts- und Alterskombinationen zu erstellen.
Zum Beispiel zeigen
Fig. 25A bis 25C und 26A bis 26C Programme für körperliche Ausdauer für Benutzer von 20 bis 24 Jahre alt und 35 bis 49 Jahre alt, separat von denen von 20 bis 49 Jahre als, wie gezeigt in Fig. 19A, 19B, 20A und 20B. Fig. 27A bis 27D zeigen einen Flußplan für jedes Programm.
Nach der offenbarten Erfindung werden der gemessene optimale Belastungswert und der Gleichgewichtspulswert zu dieser Zeit PWC 150 oder 130 und die Belastung-gegen-Pulswert-Darstellung durch die Anzeigeeinheit angezeigt. Sie werden jedoch ausgelöscht, wenn der Leistungsschalter abgeschaltet wird. Deshalb mag es vorzuziehen sein, einen Drucker zum Ausdrucken dieser Daten zu verwenden.
Wenn diese Daten in einer Speichereinrichtung, die intern oder extern vorgesehen ist, gespeichert werden, so daß sie wenn nötig gelesen werden können, dann können diese Werte als Vergleichsdaten benutzt werden, wenn der Benutzer den Test für körperliche Ausdauer erneut durchführt. Zusätzlich ist es nicht nötig, die Daten für das tägliche Training einzugeben. Somit ist dieses Verfahren vorteilhaft.
Um die Einrichtung innerhalb der Vorrichtung zu veranlassen, die Daten zu speichern, kann ein Speicher, der gesichert ist durch Trockenzellen oder dergleichen, separat so vorgesehen werden, daß die Daten zusammen mit einem Identifikationcode, der von dem Benutzer eingegeben wird, dort gespeichert werden. Alternativ dazu kann ein nichtflüchtiger Speicher benutzt werden. Eine Steuerung würde so durchgeführt werden, daß durch bloßes Eingeben des Identifikationscodes alle Daten aus dem Speicher aufgerufen und an das RAM 33 übertragen werden. Um einer Einrichtung außerhalb der Vorrichtung zu ermöglichen, die Daten zu speichern kann eine Magnetkarte zum Speichern der Daten angewendet werden. Dieses Verfahren ist bequemer, da es nicht nötig ist, den Identifikationscode einzugeben, da die Daten auf der Magnetkarte gespeichert werden.
Während die herausragenden Merkmale der Erfindung beschrieben worden sind mit Bezug auf die Zeichnung, sollte verstanden werden, daß die Ausführungsformen und Verfahren, die hierin beschrieben worden sind, modifizierbar und änderbar sind im Rahmen der folgenden Patentansprüche.

Claims

1. Verfahren zum Erhalten eines optimalen Belastungswerts für einen Benutzer einer Trainingsvorrichtung, bei der die Beine des Benutzers gebeugt und gestreckt werden, um eine Dreheinheit zum Drehen zu bringen, auf die eine variable Belastung während dem kontinuierlichen Training vom Benutzer angewendet wird, wobei der athletische Belastungswert schrittweise erhöht wird und bei jedem Schritt ein Belastungswert und eine Gleichgewichtspulsrate des Benutzers gemessen werden, um eine lineare Belastung-gegen-Puls raten Korrelationsdarstellung zu schaffen, wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist:

Messen der Pulsrate des Benutzers, wenn der Benutzer in Ruhe ist, um einen ersten Datenwert zu erzeugen;

Messen der Gleichgewichtspulsrate des Benutzers unter einer ersten Belastung, um einen zweiten Datenwert zu erzeugen;

Vergleichen des zweiten Datenwerts mit einem ersten Referenzwert, der die Gleichgewichtspulsrate unter der ersten Belastung auf einer Belastung-gegen-Pulsraten-Korrelationsdarstellung ist, die berechnet wird durch einen Minimalquadratgesetz-Mittelwert, der statistisch erhalten wird, um einen zweiten Belastungswert zu bestimmen;

Messen der Gleichgewichtspulsrate des Benutzers unter dem zweiten Belastung um einen dritten Datenwert zu erzeugen;

Vergleichen des dritten Datenwerts mit einem zweiten Referenzwert, der die Gleichgewichtspulsrate unter der zweiten Belastung auf einer Belastung-gegen-Pulsraten-Darstellung ist, die berechnet wird durch einen Minimalquadratgesetz-Mittelwert, der statistisch erhalten wird, um einen dritten Belastungswert zu bestimmen;

Messen der Gleichgewichtspulsrate des Benutzers unter dem dritten Belastungswert, um einen vierten Datenwert zu erzeugen, wobei der obere Grenzwert der gemessenen Gleichgewichtspulsrate begrenzt ist durch eine athletische Sicherheitspulsrate für den Benutzer; und

Bestimmen des optimalen Belastungswerts für den Benutzer entsprechend dem zweiten bis vierten Datenwert oder dem ersten bis dritten Datenwert, wenn die athletische Sicherheitspulsrate erreicht wurde, bevor der vierte Datenwert erhalten wurde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte: Speichern des ersten, zweiten, dritten und optimalen Belastungswerts in einer Speichereinrichtung (RAM), wodurch die gespeicherten Belastungswerte von der Speichereinrichtung in Übereinstimmung mit den Anweisungen eines Programms gelesen werden können.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Schritte: Auswählen des ersten Referenzwertes und des zweiten Referenzwertes in Übereinstimmung mit dem Alter und Geschlecht des Benutzers.