DE3532444C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Trainingsgerätes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Steuerung eines Trainingsgerätes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die DE 32 44 023 A1 ist eine Vorrichtung für Trainings­ geräte bekannt geworden, die dem Trainieren der Muskulatur des menschlichen Körpers dient, wobei der vom Trainierenden aufzubringenden Kraft eine, von der Vorrichtung abgegebene Gegenkraft entgegenwirkt. Diese Gegenkraft wird von einem Elektromotor an einem vom Trainierenden zu bewegenden Trai­ ningsarm aufgebracht. Die Leistung des Motors mit ggf. nach­ geschaltetem Getriebe ist größer als das Leistungsvermögen des Trainierenden. Die Drehbewegung des Motors wird über ein Kurbelgetriebe auf den sich hin und her bewegenden Trainings­ arm übertragen, wodurch eine gleichmäßige und in den Umkehr­ punkten des Trainingsarms ruckfreie Bewegung erzielt wird.

Ein Verfahren zur Steuerung eines Trainingsgerätes ist der erwähnten Vorveröffentlichung nicht zu entnehmen.

Weiter ist es durch die DE 33 39 083 A1 bekannt, die vorbe­ schriebene Vorrichtung mit einer Drehmomentmeßwelle auszu­ rüsten und die von einem Trainierenden auf den Trainingsarm aufgebrachte Kraft zu messen und ggf. aufzuzeichnen oder anzuzeigen. Wie dies verfahrensmäßig im einzelnen durchge­ führt werden soll, ist auch dieser Vorveröffentlichung nicht zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren zur Steuerung eines Trainingsgerätes anzugeben, das es ermög­ licht, einen optimalen und verletzungssicheren Muskelaufbau zu erreichen. Zur Aufgabe der Erfindung gehört es außerdem, eine Vorrichtung zu schaffen, welche das Durchführen des Verfahrens auf einfache und verläßliche Weise gewährleistet.

Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird mit den Merkmalen a, b und c des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Da gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst festge­ stellt wird, was der Trainierende zu leisten bzw. an Kraft (Drehmoment) abzugeben vermag und dann die Antriebskraft so gesteuert wird, daß Überlastungen ausgeschlossen erschei­ nen, ist gewährleistet, daß tatsächlich ein verletzungs­ sicherer Muskelaufbau erreicht wird. Zu dieser vorteilhaften Erkenntnis ist man deshalb gekommen, weil erkannt wurde, daß es nicht genügt, irgendeine Art von Gegenkraft dem Trainie­ renden entgegenzusetzen, sondern daß ein sehr guter und ef­ fektiver Trainingserfolg dann erzielt wird, wenn der Motor unabhängig von der vom Trainierenden aufgebrachten Gegenkraft gleichmäßig weiterläuft und damit auch eine gleichmäßige, ständig andauernde Spannung im zu trainierenden Muskel ge­ halten werden kann.

In dem Anspruch 2 wird eine verfahrensmäßige Steuerung an­ gegeben, mit der eine isometrische Kraftaufnahme möglich ist. Dazu wird der Trainingsarm durch den Motor in eine vorbe­ stimmte Winkelposition gefahren und die Motorbremse arre­ tiert, so daß in dieser Winkelposition nur gegen die statio­ näre Drehmomentmeßwelle zur Anzeige oder Aufzeichnung der isometrischen Kraft gedrückt wird.

Im Anspruch 3 wird eine Steuerung vorgeschlagen, bei welcher (bei einem einmal eingestellten Fenster) die Geschwindigkeit des Trainingsarmes von einem Zyklus zum anderen (oder nach mehreren Zyklen) verändert wird. Es hat sich dabei gezeigt, daß bei größeren Geschwindigkeiten weniger große Drehmoment­ werte erreicht werden, so daß bei einem Eintrag in ein Ko­ ordinatensystem (oder entsprechende Anzeige auf einem Bild­ schirm) eine geneigte Gerade entsteht, wenn die erreichten Drehmomentmaximalwerte über die Geschwindigkeit des Trai­ ningsarms aufgetragen werden. Aus der Höhenlage dieser Ge­ raden, der Neigung dieser Geraden oder eventueller Krümmun­ gen lassen sich genaue Rückschlüsse auf den Zustand der trai­ nierten Muskeln und des Gelenkes ziehen.

Mit Anspruch 4 wird vorgeschlagen, die Schaltung so weiter­ zubilden, daß beim Eintritt des Trainingsarms in das Winkel­ fenster ein akustisches oder optisches Signal für den Trai­ nierenden erzeugt wird, damit dieser den Fensterbereich, in dem die Beschleunigung oder Abbremsung des Trainingsarmes erfolgen soll, besser findet.

Zweckmäßig werden vor Beginn des Trainings die isometrische und die dynamische Leistungsfähigkeit eines Trainierenden aufgenommen. Für das Training ist es dann besonders vorteil­ haft, entsprechend der erhaltenen Ergebnisse eine Trainings­ belastung in einem bestimmten Verhältnis unterhalb der Maxi­ malleistung, z. B. 50% anzusetzen. Um einem Trainierenden erkennen zu geben, wann er sich in diesem Belastungsbereich bewegt, und um zu verhindern, daß er diesen Bereich während des Trainings verläßt, ist eine vorteilhafte Steuerungs­ variante in Anspruch 5 angegeben. Dabei ist in Abhängigkeit des Winkelweges des Trainingsarmes ein Drehmomentgrenzwert­ band einspeicherbar. Dieses Grenzwertband wird somit nicht nur durch einen einfachen Grenzwertgeber für maximales und minimales Drehmoment gebildet, sondern die Grenzwerte wech­ seln in Abhängigkeit der Winkelstellung des Trainingsarmes. Zweckmäßig wird dabei eine Kurve gewählt, die der Maximal­ kurve in ihrer Kontur entspricht und lediglich nach tieferen Belastungen hin abgesenkt ist. Die Bandbreite soll zwar klein sein, aber muß so breit gewählt werden, daß der Trainierende ohne allzugroße Konzentration innerhalb der Bandbreite ver­ bleiben kann. Beim Über- oder Unterschreiten, d. h. zu großer oder zu geringer Kraftaufwand, wird von der Schaltung ein optisches oder akustisches Signal erzeugt. Eine solche Lei­ stungssollwertvorgabe ist optimal auf den zu trainierenden Muskel oder das Gelenk abgestimmt und daher besonders vor­ teilhaft auch in der Rehabilitation verwendbar.

Um ein meßbares Ergebnis für die in einem Training erbrachte Arbeitsleistung zu bekommen, um z. B. den Kalorienverbrauch bei einem Training für eine Gewichtsabnahme abschätzen zu können, wird in Anspruch 6 vorgeschlagen, in der Steuerung eine Multiplizierschaltung einzubauen, die das vom Trainie­ renden aufgebrachte Drehmoment (Kraft) mit dem durchlaufen­ den Winkel (Winkelweg) ständig multipliziert bzw. das Inte­ gral bildet. Der dabei ermittelte Wert kann angezeigt oder geschrieben werden und stellt direkt ein Maß für die gelei­ stete Arbeit dar und könnte direkt in Kalorien geeicht sein.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 hat sich ein elektrischer Drehstrom­ motor mit veränderlicher, einstellbarer Geschwindigkeit nach Anspruch 7 als vorteilhaft erwiesen. Ein Drehstrommotor er­ füllt im wesentlichen das Erfordernis eines Motorantriebs mit eingeprägter Kraft, d. h., bei einer Gegenkraft durch den Trainierenden entsteht nur ein geringer Schlupf. Zur Ver­ änderung und Einstellung unterschiedlicher Geschwindigkeiten kann eine an sich bekannte und bewährte Frequenzwandler­ ansteuerung verwendet werden.

Die bisher beschriebene Steuerung umfaßt noch keine Anzeige oder Aufzeichnung und es hat sich herausgestellt, daß ein Trainierender, besonders nach längerem Training, recht gut bereits ohne Anzeige die gegenüber dem Trainingsgerät auf­ gebrachte Gegenkraft im Verhältnis zu seiner Maximalkraft (z. B. 50%) abschätzen kann. Genauere Ergebnisse und bessere Erfolge, insbesondere auch im Hinblick auf ein sicheres Training bei der Rehabilitation, liefert eine Steuerung, die eine Möglichkeit zum Anschluß einer Anzeigevorrichtung (Bildschirm, Digitalanzeige, etc.) oder Aufzeichnungsvor­ richtung (Schreiber, etc.) enthält. Der Trainierende hat bei den verschiedenen Winkelstellungen des Trainingsarms ent­ sprechend den Beugewinkeln des zu trainierenden Gelenks unterschiedlich viel Kraft, die als Gegenkraft zum Trai­ ningsarm verwendet werden kann. Beispielsweise ist die Streckkraft des Beines im fast gestreckten Zustand und stark angewinkelten Zustand geringer als in etwa einer mittleren Winkelstellung, wo das Kraftmaximum liegt. Um Kraftmessungen oder Aussagen über die Leistungsfähigkeit eines Muskels oder Gelenks machen zu können, ist es daher notwendig, die aufge­ brachte Kraft in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Gelenks bzw. des Trainingsarms zu kennen. Weiter soll die Erkenntnis, daß bei verschiedenen Winkelstellungen die Kraft und Leistung des zu trainierenden Muskels unterschiedlich ist, im Training selbst berücksichtigt werden. Gemäß An­ spruch 8 wird daher eine an sich bekannte Meßwelle vorge­ schlagen, jedoch zusätzlich in Verbindung mit einem Stel­ lungsaufnehmer, bevorzugt Winkelaufnehmer, der die Winkel­ stellung des Trainingsarms wiedergibt. Die beiden Signale werden zweckmäßig einer Aufzeichnungs- oder Anzeigevorrich­ tung zugeführt, damit die aufgewendete Trainingskraft einer bestimmten Winkelstellung zugeordnet werden kann. Für be­ stimmte Steuerungsfunktionen, insbesondere Sicherheitsfunk­ tionen, ist es ebenfalls zweckmäßig, wie weiter unten gezeigt wird, die Signale auch der Motoransteuerung zuzuführen.

Wenn über den gesamten Bewegungsbereich eines Gelenks in ein­ zelnen Winkelpositionen Messungen durchgeführt werden, kann sehr schnell eine Erkenntnis über die Leistungsfähigkeit dieses Gelenks erzielt werden. Vorteilhaft wird ein Schritt­ schaltwerk (Anspruch 9) verwendet, mit dem bei jedem An­ steuerimpuls durch einen Handtaster der Trainingsarm um einen vorbestimmten Winkelweg für eine nächste isometrische Kraft­ messung durch den Motor weiterbewegt wird. Nachdem so der gesamte Verstellweg des Trainingsarms durchlaufen ist, kann der Trainingsarm mit Hilfe einer zusätzlichen Rückführungs­ schaltung wieder in eine Endlage zurückgeführt werden.

Eine besonders aussagefähige und leicht überschaubare und auswertbare Anzeige wird erreicht, wenn die maximalen Dreh­ momentwerte, die an den einzelnen Winkelpositionen erbracht wurden, gespeichert werden und über die Winkel in einem Ko­ ordinatensystem aufgetragen werden.

Die isometrische Kraftaufnahme oder Kraftmessung wird sta­ tisch durchgeführt. Sie gibt lediglich Hinweise auf die Hal­ tekraft, jedoch nicht auf das Vermögen eines Muskels, sich schnell zusammenzuziehen, auf die sogenannte Schnellkraft. In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung nach den An­ sprüchen 10, 11 und 12 läßt sich auch die Schnellkraft zur Aufnahme des Ist-Zustandes einfach und zeitgünstig testen. Dazu ist gemäß Anspruch 10 ein Fensterkomparator für einen kleinen Stellungswinkelbereich des Trainingsarms vorgesehen, wobei dieses Winkelfenster über den gesamten Bewegungsbe­ reich des Trainingsarms verschiebbar ist. Nur wenn der Trai­ nierende in diesen Fensterwinkelbereich eine Kraft aufwen­ det, erfolgt eine Drehmomentmessung. Die Schnellkraft ist ebenfalls stark vom Beugewinkel abhängig und kann durch die vorstehende Schaltung einem bestimmten Winkel bzw. kleinen Winkelfensterbereich zugeordnet werden. Für eine Messung wird der Trainingsarm vom Motor durch diesen Winkelbereich bewegt, wobei der Trainierende dann ruckartig den Trainings­ arm zu beschleunigen versucht. Das maximale dabei aufgebrach­ te Drehmoment wird durch eine bekannte Einrichtung (Speicher, Schleppzeiger, etc.) abgespeichert.

Besonders in der Rehabilitation ist es oft erforderlich, vor Beginn eines Trainings die maximale Beweglichkeit eines Ge­ lenks oder Muskels festzustellen. Auch dies ist bei einem Trainingsgerät mit einer Weiterbildung der Vorrichtung nach Anspruch 11 möglich. Dazu wird ein Drehmomentbegrenzer ver­ wendet, der auf ein sehr niedriges Drehmoment eingestellt ist. Wenn das Gelenk oder der Muskel den freien Bewegungsablauf sperrt, wird über den Drehmomentbegrenzer der Motor für den Antrieb des Trainingsarms abgeschaltet, so daß keine Über­ lastung des Trainierenden eintreten kann.

Bei einem Trainingsprogramm ist es in der Regel notwendig, den zu trainierenden Muskel eine bestimmte Zeit zu belasten und anschließend in einer Ruhezeit zu entspannen. Neben der Zeitdauer und der aufgewendeten Kraft spielt auch die Ge­ schwindigkeit,mit der der Muskel bzw. der Trainingsarm be­ wegt wird, eine erhebliche Rolle beim Trainingserfolg und Trainingsziel. Mit Anspruch 12 wird daher eine Weiterbildung der Steuerung dahingehend erreicht, daß die Motorlaufzeit (Trainingszykluszeit) und die Geschwindigkeit des Trainings­ arms bzw. des Motors veränderlich und vorwählbar sind.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Steuerung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 13 beim Einsatz in der Re­ habilitation erreicht. Dort ist es von Vorteil, bei einem Trainingszyklus ein Gelenk anfangs mit nur kleinen Winkel­ ausschlägen zu bewegen, und wenn die Muskulatur warm ist, diesen Winkelausschlag allmählich zu vergrößern. Dies wird mit den Merkmalen der Steuerung nach Anspruch 13 erreicht.

Da der erfindungsgemäße Trainingsarm mit einer eingeprägten Kraft bewegt wird, bewegt sich dieser wie ein schwerer Gegen­ stand auf den Trainierenden zu und wieder weg. Der Trainie­ rende kann sich zwar dagegen stemmen, kann den Trainingsarm aber auch bei Aufbietung aller Kräfte nicht abbremsen oder aufhalten. Ein Trainingsgerät in Verbindung mit der erfin­ dungsgemäßen Steuerung soll aber für eine Vielzahl von Kör­ pergruppen verwendbar sein, so daß der Körper für deren Training (Beine, Arme, Schultern, etc.) in verschiedene Stel­ lungen zum Trainingsarm gebracht werden muß. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß dabei wegen der ungebremsten Be­ wegung des Trainingsarms ein hohes Verletzungsrisiko ent­ stehen kann. Um dies zu vermeiden und das Trainingsgerät für einen Trainierenden risikolos beherrschbar zu machen, ist mit den Ansprüchen 14 und 15 eine Ergänzung der Vorrichtung zur Steuerung durch eine Sicherheitsschaltung vorgesehen. Gemäß Anspruch 14 werden über eine UND-Schaltung ein oder mehrere Taster zur Einschaltung des Motorlaufs verwendet. Die Taster müssen während des gesamten Trainingszyklus ge­ schlossen gehalten werden; beim Loslassen wird der Motor so­ fort gestoppt. Als Taster können sowohl handbetätigte Taster als auch z. B. Sitzkontakte verwendet werden. Weiter sind Dreh­ momentbegrenzer und/oder Winkelbereichsbegrenzer vorgeschla­ gen, die einstellbar diese Größen, bezogen auf den jeweils Trainierenden, begrenzen.

Mit Anspruch 15 wird erreicht, daß das Trainingsgerät nicht willkürlich gestartet werden kann, sondern von einem Trai­ nierenden bereits ein geringes Drehmoment auf den Trainings­ arm zur Vorbereitung des Trainingsbeginns aufgebracht wer­ den muß, damit der Motor anlaufen kann. Der Drehmoment­ begrenzer ist dabei über ein Zeitverzögerungsglied geführt, damit der Motor nicht während des Trainingszyklus sofort abgestellt wird, wenn während des Trainings kurzzeitig Dreh­ moment-Nullstellen auftreten.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung mit wei­ teren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Trainingsge­ räts mit einem Prinzipschaltplan der Steuerung,

Fig. 2 einen Schaltplan zur schrittweisen Verstellung eines Trainingsarms für eine isometrische Kraft­ aufnahme,

Fig. 3 ein Diagramm, das eine isometrische aufgenommene Kraftkurve in Abhängigkeit der Winkelstellung zeigt,

Fig. 4 eine Schaltung für eine dynamische Kraftmessung in einem bestimmten Winkelbereich,

Fig. 5 ein Diagramm bei einer dynamischen Kraftmessung an einem bestimmten Winkel mit unterschiedlichen Ge­ schwindigkeiten des Trainingsarms,

Fig. 6 eine Schaltung, mit der ein gekrümmtes Drehmoment­ sollwertband für ein Training eingegeben und vom Trainierenden überwacht werden kann,

Fig. 7 eine Schaltung, in der die wesentlichen Sicher­ heitseinrichtungen gezeigt sind.

In Fig. 1 ist schematisch ein Trainingsgerät 1 zum Trai­ nieren der Beinmuskulatur dargestellt, das aus einem Sitz 2 mit Sitzfläche 3 und Lehne 4, einem gepolsterten Trai­ ningsarm 5 an einer Trainingskurbel 6, einem Getriebe 7, einem Kurbeltrieb 8 und einem Elektromotor 9 besteht. In der Welle vom Getriebe 7 zur Trainingskurbel 6 ist eine Drehmomentmeßwelle 10 angebracht. Im Bereich des Sitzes 2 ist ein elektrischer Taster 11 für Handbedienung befe­ stigt. Der vorbeschriebene mechanische Aufbau wird mit nachfolgend erläuterter Steuerung betrieben.

Der Motor 9 erhält seine Spannung über die Signalleitung 12, in der ein FI-Schalter 13 und ein am Trainingsgerät gut sichtbar angebrachter Not-Aus-Schalter 14 liegen. Die Leitung 12 geht in eine an sich bekannte Frequenzwandler- Schaltung 15, mit der unterschiedliche Ansteuerfrequenzen für unterschiedliche vorwählbare Motorgeschwindigkeiten erzeugt werden. Über einen Motorsicherheitsschalter 16 wird der Motor über die Leitung 17 angesteuert. Mit dem Motorsicherheitsschalter ist eine Sicherheitslogik 18 ver­ bunden, mit der der Motor entweder abgeschaltet oder nicht in Betrieb genommen werden kann. Die Sicherheitslogik 18 ist über eine Leitung 19 mit dem Handtaster 11 über eine Leitung 20 mit einem Sitztaster 21 in der Sitzfläche 3 über die Leitung 22 mit der Drehmomentmeßwelle und über die Leitung 23 mit einer Drehmomentabschaltung 24 verbun­ den. Die Leitung 23 ist ebenfalls mit einer Bremssteuerung 25 verbunden, die noch an den Frequenzwandler 15 über die Leitung 26 angeschlossen ist und mit einer Bremse 27 für den Motor 9 über eine Leitung 28 Verbindung hat. Am Ge­ triebe 7 ist ein Winkelaufnehmer 29 angedeutet, dessen Signal über eine Leitung 30 zu einer Drehmomentsollwert- Überwachung 31 und zu einer Endabschaltlogik 32 führt. Die Endabschalt 32 ist auch mit einer Umschalteinheit 33 für Manuell/Computer verbunden. Ein Computer Interface 34 ist vor einen nicht dargestellten Computer geschaltet, wobei der Signalfluß zum Computer mit dem Pfeil 35 angedeutet ist. Das Computer Interface enthält einen Analog-Digital- Wandler 36, an den die Signalleitungen 22 und 30 von der Drehmomentmeßwelle 10 und dem Winkelaufnehmer 29 ange­ schlossen sind. Weiter ist ein Parallel-input/output mit der Leitung 37 und eine Leitung von einem Digital/Analog- Wandler zu der Umschalteinheit 33 mit der Leitung 38 ange­ deutet.

An den Eingängen der Drehmomentsollwert-Überwachung 31 sind ein Sollwertsteller 39 für minimales Drehmoment und ein Sollwertsteller 40 für maximales Drehmoment und am Ausgang eine Warnlampe 41, ein Lautsprecher 42 und/oder ein Anzeiger 43 angeschlossen.

Die Drehmomentabschaltung 24 wird über einen Sollwertstel­ ler 44 für maximales Drehmoment und einen Rücksetztaster 45 (Reset) gesteuert. Die Umschalteinheit 33 hat Verbin­ dung mit einer Zeitvorgabeeinrichtung 46 und einem Soll­ wertgeber 47 für die Geschwindigkeit des Motors 9.

Die im Signalflußplan beschriebene Steuerung hat folgende Funktion:

Vor Beginn eines Trainings mit dem Trainingsgerät 1 werden mit Hilfe der Zeitvorgabe 6 die gewünschte Trainingszeit und mit dem Sollwertgeber 47 die Geschwindigkeit des Mo­ tors bzw. des Trainingsarms 5 eingestellt. Weiter kann auch ein maximaler Winkelausschlag ggf. mit weiteren (nicht dargestellten) Sollwertgebern eingestellt werden. Diese Einstellungen lassen sich bei der Verwendung eines geeigneten Computers auch darüber (Signalleitung 37) durchführen. Die entsprechenden Signalleitungen führen über die Endabschaltlogik 32 über den Frequenzwandler 15 in den Motorsicherheitsschalter und die Bremsensteuerung. Die konkrete Schaltung ist so aufgebaut, daß der Motor mit der eingestellten Geschwindigkeit läuft und nach der ein­ gestellten Zeit ausgeschaltet wird und zugleich die Bremse 27 schließt.

Um aber den Motor 9 nach der vorbeschriebenen Einstellung starten zu können, ist der Handtaster 11 zu drücken und der Sitzkontakt 21 zugleich zu belasten. Eine genauere Ausführung der Sicherheitsschaltung ist in Fig. 7 wieder­ gegeben, wobei dort noch eine weitere Sicherheitsbedingung über ein minimales Drehmoment am Trainingsarm 5 mit aufge­ nommen wurde.

Wenn während des Trainings ein mit dem Sollwertsteller 44 eingestelltes maximales Drehmoment überschritten wird, schaltet die Sicherheitslogik 18 ebenfalls den Motor 9 ab. Zusätzlich ist die Signalleitung 23 mit der Bremssteuerung 25 verbunden, die in diesem Fall die Motorbremse 27 aber nicht schließt, sondern offen hält. Dadurch wird eine ruckartige Abbremsung vermieden und auch sichergestellt, daß ein eventuell eingeklemmter Körperteil wieder befreit werden kann.

Die Drehmomentsollwert-Überwachung 31 dient dazu, dem Trainierenden bestimmte Sollwerte für seine Belastung vor­ zugeben und dies beim Verlassen dieses Bereichs optisch oder akustisch anzuzeigen. Eine Schaltungsvariante, wie dies in Abhängigkeit der Winkelstellung des Trainingsarms 5 durchgeführt werden kann, ist in Fig. 6 im einzelnen an­ gegeben.

Die Signale des Winkelaufnehmers 29 und der Drehmomentmeß­ welle 10 werden im Computer Interface 34 aufbereitet, die jeweiligen Spitzenwerte des Drehmoments zugeordnet zu ent­ sprechenden Winkeln gespeichert und auf einem (nicht dar­ gestellten) Sichtschirm oder Schreiber angezeigt oder auf­ gezeichnet. Entsprechende Diagramme sind beispielsweise in den Fig. 3 und 5 dargestellt.

In Fig. 2 ist ein Schaltungsteil für eine Schrittschaltung des Trainingsarms 5 an verschiedene Winkelpositionen für eine isometrische Kraftaufnahme gezeigt. Es sind wiederum der Motor 9, die Motorbremse 27 mit Bremssteuerung 25 und der Winkelaufnehmer 29 zu erkennen. Im Motorstromkreis 48 liegt ein Schalter 49 zum Ein- und Ausschalten des Motors 9 und zur Ansteuerung der Bremssteuerung 25. Der Schalter 49 wird von einem Komparator 50 aktiviert, an dessen Ein­ gang über eine Leitung 51 der Winkelaufnehmer 29 und über eine Leitung 52 der Ausgang eines D/A-Wandlers 53 ange­ schlossen ist. Der D/A-Wandler 53 wird eingangsseitig von einem Zähler 54 beaufschlagt, an dessen Eingang eine Zähl­ taste 55 und eine Rücksetztaste 56 angeschlossen sind. Die Schaltung gemäß Fig. 2 hat folgende Funktion:

Für die isometrische Kraftmessung an bestimmten Winkel­ stellungen des Kraftarms 5 ist es erforderlich, diesen schrittweise (z. B. in 10 Schritten über seinen Verstell­ bereich) dort hinzubewegen und den Motor zu arretieren. Die Messung des Drehmoments wird nach der Arretierung freigegeben. Für die schrittweise Weiterbewegung wird die Zähltaste 55 gedrückt, wodurch der Zähler 54 einen be­ stimmten Betrag hochzählt und das dabei entstehende Signal über den D/A-Wandler 53 am Komparator 50 anliegt. Dieses Signal wird mit dem Signal aus dem Winkelaufnehmer 29 ver­ glichen und solange eine Differenz besteht, wird der Mo­ torstromkreisschalter 49 geschlossen und der Motor und da­ mit der Trainingsarm nachgeführt. Mit der Rücksetztaste 56 kann der Zählerinhalt wieder gelöscht werden, wodurch der Motor 9 und der Trainingsarm 5 in seine Ausgangslage zu­ rückgeführt werden. Es kann aber auch eine automatische Rückführung z. B. über einen Endschalter oder über einen maximal vorgegebenen Zählerinhalt erfolgen.

In Fig. 3 ist ein charakterischer Kurvenverlauf einer iso­ metrischen Kraftaufnahme bei verschiedenen Winkelstellun­ gen des Trainingsarms 5 bei der Kraftaufnahme der Bein­ muskulatur gezeigt. Der Winkel 0° entspricht einer Posi­ tion des Trainierenden, wenn er auf dem Sitz 2 sitzt und die Beine weit nach hinten gebeugt hat. Es ist zu erkennen, daß das auf dem Trainingsarm aufgebrachte Drehmoment in Positionen, wenn das Bein gestreckt wird, zunimmt und bei weiterer Streckung, insbesondere wenn Ober- und Unter­ schenkel fast eine Gerade bilden, wieder stark abnimmt. Dieser bei gesunden Muskeln und Gelenken charakteristische Kraftverlauf soll auch, wie in Verbindung mit Fig. 6 ge­ zeigt wird, beim Training berücksichtigt werden.

In Fig. 4 ist ein Schaltungsteil herausgezeichnet, der eine dynamische Messung der Kraft (Schnellkraft) an be­ stimmten Winkeln des Trainingsarms 5 zuläßt. Auch hier ist wieder der Motor 9, der Winkelaufnehmer 29 und die Drehmo­ mentwelle 10 angedeutet. Das Signal vom Winkelaufnehmer 29 geht in einen Fensterkomparator 57 der aus zwei Komparato­ ren 58 und 59 besteht. Beide Komparatoren sind mit Soll­ wertstellern 60, 61 für einen größeren und kleineren Win­ kel verbunden. Nur wenn der Trainingsarm in dem durch die Sollwertsteller 60, 61 eingestellten Winkelfenster läuft, wird die Messung des Drehmoments an der Drehmomentmeßwelle 10 freigegeben, was durch ein UND-Glied 62 und nachge­ schaltetem Maximalwertspeicher 63 angedeutet ist. Daran können sich übliche Anzeige- oder Aufzeichnungsgeräte an­ schließen. Die gezeigte Schaltung hat folgende Funktion:

Für die dynamische Kraftmessung wird mit Hilfe der Soll­ wertsteller 60, 61 ein Winkelbereich entlang des Bewe­ gungsbereichs des Trainingsarms herausgegriffen. Anschlie­ ßend wird die gewünschte Geschwindigkeit des Trainingsarms eingestellt. Wenn der Trainingsarm den eingestellten Win­ kelbereich durchläuft, muß der Trainierende den Trainings­ arm beschleunigen oder abbremsen. Nur in diesem Bereich wird die Messung registriert. Für eine Messung in anderen Winkelbereichen können die Sollwertsteller anders einge­ stellt werden. Es ist jedoch auch möglich, den Winkelbe­ reich mit der eingestellten Fensterbreite mit einer Schal­ tung, die im Prinzip der aus Fig. 2 entsprechen kann, durch Tastendruck zu verschieben.

In Fig. 5 ist ein charakteristisches Ergebnis einer dyna­ mischen Kraftmessung dargestellt. Dabei wird ein be­ stimmter Winkelbereich festgehalten und die Geschwindig­ keit des Trainingsarms von einer Messung zur anderen ver­ ändert. Bei der Messung wird mit einer relativ hohen Ge­ schwindigkeit begonnen, die etwa 40 Schwingungen pro Minu­ te des Trainingsarms entsprechend würde (linke Seite des Diagramms). Beim nächsten Zyklus wird die Geschwindigkeit verringert usw. Bei der Geschwindigkeit 0 entspricht die Messung dem Ergebnis bei der isometrischen Messung. Auf der linken Seite des Diagramms sind die Werte für eine Be­ schleunigung des Trainingsarms durch den Trainierenden und auf der rechten Seite für eine Abbremsung gezeichnet. Bei gesunden Muskeln und Gelenken ergibt sich etwa eine Ge­ rade, deren Steigung und Lage gezielt Rückschlüsse auf den Zustand von Muskeln und Gelenken und auf Trainingserfolge zulassen.

In Fig. 6 ist das Detail einer Schaltung dargestellt, die im wesentlichen der Drehmomentsollwert-Überwachung 31 aus Fig. 1 entspricht. Mit dieser Schaltung soll dem Trainie­ renden ein optisches oder akustisches Signal gegeben wer­ den, wenn er ein bestimmtes vorgegebenes Drehmomentband, innerhalb dem er sich beim Training bewegen soll, verläßt. Dieses Drehmomentband soll für gute Trainingserfolge im Krümmungsverlauf dem der Fig. 3 entsprechen, jedoch keine Maximalbelastung abfordern. Dazu sind zwei Speicher 64, 65 eingesetzt, wobei der Speicher 64 eine Maximalwert-Tabelle und der Speicher 65 eine Minimalwert-Tabelle in Abhängig­ keit der Winkelstellungen des Trainingsarms 5 enthält. Den Speichern 64 und 65 sind jeweils D/A-Wandler nachgeschal­ tet, die ihrerseits mit Komparatoren 68, 69 verbunden sind. Die Komparatoren 68, 69 erhalten an ihren anderen Eingängen das Signal von der Drehmomentmeßwelle 10. Von den Komparatoren 68, 69 werden ein Lautsprecher 70 und ein Lämpchen 71 angesteuert. Zur Adressierung der Speicher 64, 65 sind diese mit dem Winkelaufnehmer 29 verbunden, der hier als Winkeldekoder dargestellt ist, der bereits digi­ tale Signale abgibt.

Die Schaltung ist so aufgebaut, daß beim Verlassen des durch die Speicherwerte (in Abhängigkeit des Winkels) ge­ bildeten Drehmomentbereichs ein akustisches und optisches Signal als Hinweis für den Trainierenden, den Bereich wie­ der einzuhalten, abgegeben wird.

Die Speicherwerte für die Speicher 64, 65 können auf ver­ schiedene Wiese eingegeben werden. In Fig. 6 ist eine Va­ riante dargestellt, bei der direkt Belastungswerte über die Drehmomentmeßwelle 10, einen A/D-Wandler 72 und eine Schreibsteuerung in die Speicher 64, 65 gegeben werden. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, eine gespeicherte Kurve entsprechend der Fig. 3 abzusenken und zwei im Abstand verlaufende Kurven direkt in die Speicher 64, 65 winkelab­ hängig einzuschreiben. Weiter ist eine aufwendigere Spei­ cherbelegung mit Hilfe von handbetätigten Sollwertgebern möglich.

In Fig. 7 ist ein Teil der Sicherheitslogik 18 explizit dargestellt. Den wesentlichen Bestandteil bildet ein UND- Glied 74, das mit vier Signalleitungen von dem Handtaster 11, dem Körpertaster (Sitzkontakt) 21, der Abschaltung für maximales Drehmoment und einer Einschaltsperre für mini­ males Drehmoment 75 beaufschlagt ist. Die Drehmomentab­ schaltung 24 für maximales Drehmoment besteht im wesent­ lichen aus dem Komparator 76, an den das Drehmomentsignal und ein Sollwertsteller für maximales Drehmoment ange­ schlossen sind. Der Ausgang des Komparators ist mit dem UND-Glied 74 und zugleich mit der Bremsensteuerung 25 (zur Öffnung der Bremse, wie vorstehend beschrieben) verbunden.

Die Einschaltsperre 75 für minimales Drehmoment besteht aus einem entsprechenden Sollwertsteller 77, einem Kompa­ rator 78, einem Multivibrator 79, einem UND-Glied 80 und einem Monoflopp 81. Die Ausgänge des Komparators 78 und des Multivibrators 79 sind auf den Eingang des UND-Glied 80 geschaltet, wobei dessen Ausgang mit dem Monoflopp ver­ bunden ist, das wiederum an das UND-Glied 74 angeschlossen ist.

Am UND-Glied 74 müssen für den Motorlauf (Leitung 82 führt zum Motorsicherheitsschalter 16; Leitung 83 zur Bremssteuerung 25) die Bedingungen "Handtaster 11 und Kör­ pertaster 21 geschlossen, kein maximales Drehmoment vor­ handen, und minimales Drehmoment überschritten" erfüllt sein. Da aber während des Trainings Drehmoment-Nullstel­ len, insbesondere an den Umkehrpunkten auftreten können, ist es erforderlich, die Schaltung so auszugestalten, daß dann der Motor nicht sofort abgestellt wird. Dies wird da­ durch erreicht, daß der Monoflopp 81 verwendet wird, der eine bestimmte Zeit für seine Rücksetzung benötigt. Inner­ halb dieser Zeit wird er aber durch Impulse aus dem Multi­ vibrator 79 ständig nachgeladen. Wenn nun kurzzeitig das minimale Drehmoment während des Trainings unterschritten wird, d. h. das UND-Glied 80 sperrt die Impulsfolge aus dem Multivibrator 79, bleibt die Stellung des Monoflopp eine gewisse Zeit erhalten. Wenn in dieser Zeit das mini­ male Drehmoment wieder erreicht wird, geht die Impulsfolge aus dem Multivibrator 79 wieder an den Monoflopp, so daß insgesamt der Motorlauf erhalten bleibt.

Zusammenfassend wird festgestellt, daß mit der erfindungs­ gemäßen Steuerung für ein Trainingsgerät die Möglichkeit für eine zuverlässige isometrische und dynamische Kraft­ aufnahme eines Trainierenden als Istwertanalyse sowie eine effektive Trainingsmöglichkeit bei sicheren Bedingungen geschaffen wurde.

Claims (15)

1. Verfahren zur Steuerung eines Trainingsgerätes, bei dem ein schwenkbarer Trainingsarm vorhanden ist, der über eine Antriebswelle von einem Motor in Hin- und Herbewegungen versetzt wird, wobei das maximale Drehmoment des Motors größer ist als das vom Trainierenden aufbringbare, ent­ gegenwirkende Drehmoment, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) eine vom Trainierenden abhängige maximale Drehmoment­ sollwertkurve erstellt wird,
• b) eine von dieser maximalen Drehmomentsollwertkurve ab­ hängige, analoge niedrigere Trainingssollwertkurve be­ stimmt wird,
• c) der Motor (9) so gesteuert wird, daß er maximale Dreh­ momente abgibt, die jeweils der Trainingssollwertkurve entsprechen, so daß diese Kurve vom Trainierenden nach oben nicht überschritten werden kann.

2. Verfahren zur Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur isometrischen Kraftaufnahme in verschie­ denen Winkelpositionen eine Steuerschaltung vorgesehen wird, mit deren Hilfe der Trainingsarm (5) durch den Motorantrieb in eine gewünschte Winkelposition fahrbar ist, in der an­ schließend der Motor (9) arretiert und die Drehmoment­ messung aktiviert wird (Fig. 3).

3. Verfahren zur Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Motor (9) den Trainingsarm (5) für einen dynamischen Kraftaufnahmetest in mehrere Hin- und Herbewegungen versetzt, wobei der Motor (9) so angesteuert wird, daß die Geschwindigkeit pro Zyklus ab­ nimmt oder steigt und das maximale, vom Trainierenden im Fenster aufgebrachte Drehmoment pro Zyklus nacheinander in Abhängigkeit der Geschwindigkeit angezeigt oder aufge­ zeichnet wird (Fig. 5).

4. Verfahren zur Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß beim Durchlaufen der ersten in Bewegungsrichtung des Trainingsarms liegenden Fenster­ schwelle ein optisches oder akustisches Signal erzeugt wird.

5. Verfahren zur Steuerung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Abhängigkeit des Winkelweges des Trainingsarms (5) gekrümmt verlaufendes Drehmomentgrenzwertband einspeicherbar ist, wobei beim Über- oder Unterschreiten des Drehmoments während eines Trainingszyklus ein optisches oder akustisches Signal er­ zeugt wird (Fig. 6).

6. Verfahren zur Steuerung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Integral aus dem Drehmoment und dem durchlaufenen Winkel (Winkelweg) ge­ bildet und während eines Zyklus angezeigt oder aufgezeich­ net wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den An­ sprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der über ein Getriebe (7) auf eine Trainingskurbel (6) mit Trainings­ arm (5) einwirkende Motor (9) ein elektrischer Drehstrom­ motor mit veränderlicher, einstellbarer Geschwindigkeit ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Welle vom Getriebe (7) zur Trainingskurbel (6) eine Drehmomentmeßwelle (10) als Drehmomentaufnehmer angebracht ist und zusätzlich ein Winkelaufnehmer (29) oder Wegauf­ nehmer als Stellungsaufnehmer angebaut ist, der die Stel­ lung des Trainingsarms (5) wiedergibt und die Meßwerte des Drehmomentaufnehmers (10) und des Stellungsaufnehmers (29) einer Aufzeichnungs- oder Anzeigevorrichtung und/oder der Motoransteuerung zugeführt sind.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerschaltung ein Schrittschaltwerk (Fig. 2) enthält, mit dessen Hilfe der Trainingsarm (5) um bestimmte Winkelpositionen weiterbewegbar ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur dynamischen Kraftaufnahme (Test der Schnellkraft) ein an den Stellungsaufnehmer (29) ange­ schlossener Fensterkomparator (57) für einen bestimmten kleinen Stellungswinkelbereich des Trainingsarms (5) vor­ gesehen ist und das Fenster sich über den gesamten Stel­ lungsbereich des Trainingsarms (5) verschieben läßt, wo­ bei der Trainingsarm (5) vom Motor (9) mit einer vorgeb­ baren Geschwindigkeit durch den Fensterbereich bewegbar und nur beim Durchlaufen dieses Bereichs die Drehmoment­ messung möglich ist (Fig. 4).

11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Test der Beweglichkeit eines Gelenks eines Trainierenden eine mit der Motorab­ schaltung verbundene, tief einstellbare Drehmoment­ begrenzereinheit verbunden ist, die den jeweiligen Win­ kel anzeigt.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Motorsteuerung verbundene Zeitvorwahlschaltung (46) für eine vorwähl­ bare Motorlaufzeit und eine Geschwindigkeitsvorwahl­ schaltung (47) für eine vorwählbare Motorgeschwindigkeit pro Trainingszyklus vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung zur Um­ steuerung des Motorlaufs (vorwärts-rückwärts) bei vorge­ gebenen Winkelstellungen des Trainingsarms vorgesehen ist, sowie eine weitere Steuerschaltung, die die Winkel­ differenz der Umsteuerpunkte während eines Trainings­ zyklus auf vorgebbare maximal auseinanderliegende Umkehr­ punkte erhöht.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an eine mit der Motoransteue­ rung verbundene Sicherheitsschaltung ein oder mehrere von Hand oder mit anderen Körperteilen bewegbarer Taster (11, 21) und/oder ein auf ein maximales Drehmoment ein­ stellbarer Drehmomentbegrenzer (24) und/oder Winkelbe­ reichbegrenzer (32) angeschlossen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sicherheitsschaltung (Fig. 7) ein auf ein minima­ les Drehmoment einstellbarer Drehmomentbegrenzer (77, 78) über ein Zeitverzögerungsglied (81) angeschlossen ist.