DE4227586A1

DE4227586A1 - Ergometer

Info

Publication number: DE4227586A1
Application number: DE4227586A
Authority: DE
Inventors: Werner Wolfrum
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-08-20
Filing date: 1992-08-20
Publication date: 1994-02-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, in ihrer Art als Ergometer zu bezeichnen, die dem Auffinden und Trainieren des optimalen Bewegungsablaufs dient, welcher durch die Konstruktion des Sportgerätes, hier durch ein Fahrrad vorgegeben ist, durch Erfassung konstruktiver und destruktiver Kraftanteile, die der Radfahrer auf dem Fahrrad freisetzt.

Eine Vorrichtung der gleichen Gattung ist aus der PS 37 22 728 bekannt. In dieser Patentschrift wird eine Vorrichtung beschrieben, die in einer besonderen Ausführungsform zur Messung der an einer Fahrradkurbel angreifenden Leistung, bei der die Drehmomentübertragung von der Kurbel auf das Kettenblatt erfolgt, wobei die an der Kurbel angreifenden mechanischen Größen, Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit, in elektrische Signale, umgewandelt und durch Induktion von der bewegten Kurbel auf den Rahmen übertragen und dort einem Auswertegerät zugeführt werden.

Die in PS 37 22 728 beschriebene Leistungsmessung weißt jedoch folgende, unter anderem der wirtschaftlichen Nutzung entgegenwirkende Mängel auf:

Erstens bedingt der hohe konstruktive Aufwand, der durch die Gestaltung und Integration von gesonderten Verformungselementen, was deutlich durch die Fig. 2-4 dieser Patentschrift wiedergegeben wird, enorme Kosten, die insbesondere dadurch vergrößert werden, daß das zur Leistungsmessung herangezogene Fahrrad mit dieser Kurbelkonstruktion ausgestattet, d. h. umgebaut werden muß.

Zweitens läßt die Signalübertragung durch Induktion nur relativ niedrige Frequenzen zu. Hier ist die Beschränkung weniger in der Technik, als in den Bestimmungen des Fernmeldegesetzes zu suchen, da bei höheren Frequenzen die Übertragungsspule als Antenne wirkt und damit ein Störsignal abstrahlt. Eine niedrige Frequenz bedeutet aber, wie in der nachfolgenden Theorie noch dargestellt ist, niedrige Auflösung der Meßgröße und lange Integrationszeiten für eine Messung.

Drittens wird die Winkelgeschwindigkeit der Pedalkurbel aus der Tretfrequenz ermittelt, was aber bedeutet, daß sich die Winkelgeschwindigkeit über jeweils eine ganze Umdrehung der Pedalkurbel mittelt und damit auch die errechneten Größen Arbeit und Leistung.

Viertens bedarf es einer Hilfsenergie, die am Tretlager mitbewegt werden muß. Wie im beschriebenen Falle einer Trockenzelle oder eines Akkus bedeutet das aber, daß durch überprüfen oder auswechseln dieser Hilfsenergie an der Pedalkurbel ständig für genügend Ressourcen zu sorgen ist, und daß aufgrund der Austauschbarkeit dieser Hilfsenergie weitere konstruktive Maßnahmen notwendig sind, die Vorrichtung gegen Wasser und Schmutz zu schützen.

Des weiteren beschreibt die Offenlegungsschriftt DE 38 13 681 A1 ein Ergometer, insbesondere für Fahrräder oder andere Geräte, bei denen durch eine Dreh- oder Schwenkbewegung Arbeit einleitbar ist. Hierbei sind Dehnungsmeßstreifen am Rahmen bzw. am Tretlager appliziert, die dem Ziel dienen, die auf die Kurbel ausgeübte Kraft bzw. die Kettenkraft zu bestimmen.

Die Nachteile hierbei sind den obengenannten teilweise analog. Insbesondere wird auch hier keine genaue Quantisierung der Kräfte bezüglich Richtung und Zeit vorgenommen.

Weiterhin beschreibt die Offenlegungsschrift DE 38 13 792 A1 eine Vorrichtung zum Messen und Auswerten der Leistungsdaten eines Fahrradfahrers, die ausschließlich der Ermittlung und Anzeige des runden Tritts durch Bewerten der Gleichmäßigkeit der Winkelgeschwindigkeit dient. Hier wird nur die Winkelbewegung der Kurbel betrachtet, jedoch nicht, wie der Radfahrer die Kurbelbewegung zustande bringt, d. h. wie er seine Kraftentfaltung auf das Rad gestaltet.

Weiterhin ist in der europäischen Patentschrift EP 0 422 325 A1 ein Ergometer angegeben. Dabei handelt es sich aber um eine stationäre Vorrichtung, bei der die, dem Radfahrer entgegengesetzte Kraft durch ein Bremssystem erzeugt wird. Hier wird die Kraft bei verschiedenen Winkeln des Pedalhebels erfaßt, was aber konstruktionsbedingt nur stationär und nicht für beide Pedale getrennt möglich ist. Dieses Ergometer sei hier stellvertretend für alle anderen stationären genannt.

Letztlich ist in der Gebrauchsmusteranmeldung G 83 30 952.7 durch Fig. 2 ein Hebel wiedergegeben, auf dem DMS appliziert sind, der sich aber durch spezielle Formgebung auszeichnet und der Messung des Drehmoments in einem beschränkten Winkelbereich dient, also mit dem hier vorgestellten Erfindungsgegenstand ebenfalls nicht im Konflikt steht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben aufgeführten Nachteile und Einschränkungen zu beheben und insbesondere den durch das Trainingsgerät vorgegebenen optimalen Bewegungsablauf, hier bei einem Fahrrad, zu finden und zu trainieren, was durch die getrennte Erfassung konstruktiver und destruktiver Kraftanteile, die der Radfahrer auf dem Fahrrad freisetzt, realisierbar ist. Dies soll durch die Erfindung insbesondere in Echtzeit und unter realen Trainingsbedingungen ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach eingehender Analyse der am Pedalhebel relevanten elastischen Verformungen diese, durch geeignetes Anordnen von Dehnungsmeßstreifen auf dem Pedalhebel, selektiv und unabhängig voneinander erfaßt werden.

Zwar ist in der Druckschrift PS 37 22 728 ein Anspruch aufgeführt, daß ein Bereich der Pedalkurbel selbst als Biegeelement ausgebildet ist, auf dem die Dehnmeßstreifen appliziert sind, jedoch werden keine weitergehenden Einzelheiten und Erkenntnisse mitgeteilt, wie dieses Biegeelement zu gestalten ist und wie die Applikation zu erfolgen hat, respektive auch nicht welche Ergebnisse eine derartige Anordnung zu liefern vermag.

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Gesetz der Elastizitätstheorie: "Volumenelastitzität und Gestaltelastizität sind zwei voneinander verschiedene, sich gegenseitig nicht beeinflussende Wirkungen der atomaren Bindungskräfte." Mit dieser Information und dem zugehörigen mathematischen Formalismus lassen sich nun die Elastizitätsverhältnisse für kombinierte, sich aus Volumen- und Gestaltelastizität zusammensetzende Verformungen wie Biegung, Dehnung oder Torsion herleiten.

Angesichts der kleinen Kräfte, die auf den Pedalhebel wirken, sind auch nur geringe Deformationen zu erwarten. Dadurch aber erlangt das Hookesche Gesetz Gültigkeit (Verformungen sind in erster Ordnung zur Kraft), und es ist möglich, sog. Kleinwinkelnäherungen anzubringen, was z. B., wie in Fig. 2b an einem durch das Torsionsmoment T verdrillten Stab TS gezeigt, für kleine Schiebungswinkel SW bedeutet, daß cos (SW)≈1 ist und damit nahezu keinen Einfluß auf in Längsrichtung applizierte DMS hat. Auf dem daraus resultierenden und insbesondere durch die DMS-Technologie experimentell bestätigt und gesicherten Sachverhalt, daß im Rahmen der an einen einem Pedalhebel zu erwartenden Kräfte, vier elastische Verformungen relevant und zueinander unabhängig sind,

- Biegung in Drehrichtung (Fig. 1a),
- Biegung senkrecht dazu, d. h. in Richtung Drehachse (Fig. 1b),
- Dehnung in Längsrichtung des Pedalhebels (Fig. 1c),
- Torsion um Längsrichtung des Pedalhebels (Fig. 1d),

und getrennt und unabhängig voneinander erfaßt werden können, beruht der Gegenstand der Erfindung.

Da die einzelnen Verformungen am Pedalhebel als unabhängig betrachtet werden können, lassen sie sich auch getrennt analysieren. Als Ergebnis sei hier beispielhaft das einer Biegung (Fig. 1a) gezeigt: Die Kraft F verursacht am Biegestab auf der Oberseite eine positive D und auf der Unterseite eine negative Dehnung S (Stauchung). Dazwischen liegt die neutrale Faser NF, die ihre Länge L (freie Länge des Stabes) beibehält.

Durch Herleiten erhält man aus der Krümmung

wobei R der Krümmungsradius an der Stelle s und E der Elastizitätsmodul ist, für die Form des belasteten Biegestabes:

Den Biegepfeil a erhält man aus

In allen Formeln ist J_A das durch J_A=∫_A dA r² definierte Flächenträgheitsmoment des Stabes bzw. des Pedalhebels an der Querschnittsfläche, über deren Rand die DMS appliziert sind.

Für die Dehnung ε, welche auf der Oberseite positives und auf der Unterseite negatives Vorzeichen hat, ergibt sich im betrachteten Applikationsbereich (für relativ kurze DMS)

(Fig. 3a), woraus, durch multiplizieren mit dem k-Faktor der DMS und einsetzen in die Brückengleichung, die Brückendiagonalspannung an den Aschlüssen 1 und 4 der Wheatstoneschen Brücke (Fig. 3c) folgt. Dabei ist h der Abstand der DMS-Applikationsflächen von der neutralen Faser. In umgekehrter Richtung läßt sich damit einer Brückendiagonalspannung eindeutig die für die Biegung verantwortliche Kraft zuordnen.

Um die Biegung des Pedalhebels in Drehrichtung (Fig. 1a) selektiv zu erfassen, ist es am sinnvollsten, die DMS auf der Ober- und Unterseite des Pedalhebels, möglichst im hier als günstigen Applikationsbereich GAB bezeichneten Abschnitt zu applizieren (Fig. 3a, b), da in diesen Bereich durch den großen Hebelweg zwischen DMS und der Pedalachse PA die größte Verformung zu erwarten ist.

Bei zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Pedalhebels applizierten DMS Fig. 3b bewirkt eine Biegung durch das Biegemoment M_b, daß der DMS1 und ein ε_oben gedehnt und der DMS2 um das betragsgleiche ε_unten gestaucht wird. Eine überlagerte Normaldehnung dagegen dehnt beide DMS mit gleichem Vorzeichen um ein ε_n. Setzt man das in die Brückengleichung der nach (Tab. 1) geschalteten Brücke ein, so werden durch Vorzeichenumkehr des Signals eines DMS die Signale der Biegung addiert, während sich die Signale der Normaldehnung gegenseitig wegheben. Der Biegung überlagerte Normaldehnungen werden also nicht mit erfaßt.

Analoges gilt für die Applikation nach Fig. 4 und Tab. 2, die eine Biegung in Richtung der Drehachse (Fig. 1b) selektiv erfaßt.

Andererseits gehen bei einer nach Tab. 3 geschalteten Brücke die Dehnungen mit gleichem Vorzeichen ein, so daß sich hier die Biegesignale kompensieren und nur die Normaldehnung erfaßt wird, was ebenfalls für gemäß Fig. 3a und Fig. 4 applizierte DMS gleichermaßen gilt. Für Normaldehnungen ist dieser Sachverhalt in Fig. 5 nochmals zusammenfassend dargestellt, mit der Besonderheit, daß hier der günstige Applikationsbereich nahezu den ganzen Hebel einnimmt, da sich die Normaldehnung gleichmäßig über die ganze Hebellänge erstreckt.

Für Biegungen quer zur Drehrichtung (Fig. 1b) läßt sich bei einer Applikation nach Fig. 3a und Fig. 3b links die weiter oben angegebene Kleinwinkelnäherung übertragen, d. h. Querbiegungen werden nicht erfaßt. Für eine Vollbrückenapplikation etwa nach Fig. 3b rechts sind die Verhältnisse komplizierter. Hier werden durch Querbiegung z. B. die beiden DMS1 und 2 gestaucht (negatives ε) und die beiden DMS1′ und 2′ gedehnt (positives ε). Durch entsprechendes Anordnen der Brückenglieder läßt sich neben dem Normaldehnungs- auch das Querdehnungssignal kompensieren, so daß auch eine Vollbrückenanordnung für nur eine Biegerichtung selektiv bleibt.

Prinzipiell wäre es auch möglich einfache Viertelbrückenschaltungen zu verwenden und die damit erhaltenen Werte rechnerisch zu differenzieren, was aber wegen der potentiellen Fehlerträchtigkeit dieser Methode nicht weiter von Interesse ist. Auch ist anzumerken, daß bei Pedalhebeln, die auf der Ober- und Unterseite spitz zulaufen, wohl nur die Applikation nach Fig. 3b links Sinn macht.

Die Torsion wird üblicherweise mit sog. 90°-Rosetten oder durch allseitig applizierte, 45° gedrehte Linear-DMS bestimmt (Fig. 6).

Des weiteren lassen sich anstatt vieler Einzel-DMS sog. Mehrfach-DMS verwenden, die die für die verschiedenen Verformungen zu applizierenden DMS in sich vereinigen. Zum einfacheren Handhaben und Applizieren können die DMS auch auf Trägern, sog. Applikationshilfen AH, aufgebracht sein. So läßt sich z. B. ein Pedalhebel aus Stahl schnell und einfach durch Punktschweißen mit einem Blechstreifen als DMS-tragende Applikationshilfe ausrüsten. Andere Materialien lassen sich z. B. durch Kleben als Applikationshilfe AH heranziehen (Fig. 7).

Daß die Befestigung auch mittels Klemmelemente KE erfolgen kann (Fig. 8) ist insbesondere hochgradig von Interesse, daß jedes beliebige Fahrrad evtl. auch durch Laienhand mit derartig applizierten DMS-Trägern, die möglicherweise bereits kontaktiert und mit einer Umhüllung gekapselt sind, nachgerüstet werden kann, weshalb besondere Kettenblätter oder Pedalkurbelkonstruktionen hinfällig werden. Die Anwendung würde also nicht auf einen nur kleinen Fachkreis beschränkt bleiben. Bei geklemmten DMS-Applikationen ist zwar die oben angegebene Formel für die Dehnung nicht mehr ohne weiteres anwendbar, da die Biegung im Bereich zwischen den Klemmen in eine Normaldehnung des DMS-Trägers transformiert wird, was jedoch auf die erreichbare Genauigkeit keinen nennenswerten Einfluß hat.

Die von der Wheatstoneschen Brücke gelieferte, der Kraft proportionalen Spannung wird direkt von einer auf der Pedalkurbel mitbewegten Elektronik weiter aufbereitet. Die Versorgung dieser Elektronik, einschließlich der Speisung für die DMS-Brücken (Fig. 3c Anschlüsse 2 und 3) erfolgt auf induktivem Weg. Sie wird durch eine drehbare Transformatoranordnung realisiert, welche aus einem sich stirnseitig gegenüberstehenden Spulenpaar besteht, wovon eine T1 starr am Rahmen TL ruhend, von einem durch eine zentrale Versorgung bereitgestellten Wechselstrom (f<1 kHz) durchflossen wird und dadurch in der anderen T2, an der Pedalkurbel PK mitbewegten eine Spannung induziert (Fig. 10). Diese Spannung wird gleichgerichtet und von einem Kondensator gesiebt.

Die Elektronik besteht z. B. aus einer extrem leistungsarmen, durch die Brückendiagonalspannung direkt gesteuerten Quarz-Oszillatorschaltung, die vorwiegend aus Feldeffekttransistoren besteht und auch bei sehr niedrigen Betriebsspannungen sicher arbeitet, aber hier nicht weiter vorgestellt zu werden braucht. Wird sie in SMD-Technik realisiert, so nimmt sie pro Kanal nur etwa die Fläche einer 1-DM-Münze in Anspruch. Durch einen Custom-Chip ließe sie sich sogar in einem einzigen IC, also ohne Probleme an der Pedalkurbel unterbringen.

Die Übertragung der Daten von der sich drehenden Pedalkurbel auf den Rahmen wird in besonders vorteilhafter Weise durch einen drehbaren Optokoppler gelöst. Er besteht aus zwei Komponenten, die sich stirnseitig gegenüberstehen, wovon eine an der Pedalkurbel PK mitbewegt wird, während die andere starr am Rahmen TL befestigt ist (Fig. 10). Die an der Pedalkurbel mitbewegte Komponente, das Sendeteil ST, besteht aus einem Leuchtring LR, der z. B. als Diffusor- und Reflektorring RE ausgebildet sein kann und das von einem oder mehreren Lichtsendern, in den Ring LR eingetrahlte Signal über den ganzen Ring verteilt, stirnseitig ausstrahlt. Fig. 11a zeigt z. B. stirnseitig ein Sendeteil, dessen Leuchtring durch eine Leuchtdiode LED, mit einer, dem zu übertragenden Signal proportionalen Leuchtintensität ausgeleuchtet wird.

Durch Impulsbetrieb der Senderdiode LED, z. B. mit Hilfe eines Treiberkondensators, der in den Impulspausen langsam und gleichmäßig aufgeladen wird, und seine gespeicherte Energie bei einem Impuls schlagartig an die LED abgibt, ist es möglich, die induktive Spannungsversorgung an der Pedalkurbel gering und gleichmäßig zu belasten, und dennoch extrem hohe Leuchtdichten zu erzielen, weshalb im Versuchsaufbau bereits eine LED ausreichte, um den Leuchtring vollständig auszuleuchten.

Die starr am Rahmen befestigte Komponente, das Empfängerteil ET, wird aus einem oder einer Anordnung von Lichtempfängern LE, z. B. Fotodioden, gebildet. Er muß dabei so angeordnet sein, daß während einer vollständigen Umdrehung des Sendeteils immer ein Teil, der vom Lichtsender emittierten Lichtintensität auf einen Empfänger trifft, also die Übertragung nie abreißt (Fig. 11b).

Wird zur Übertragung Infrarotlicht IR verwendet, so kann durch einen einfachen IR-Filter vor dem Empfänger störendes Fremdlicht abgeblockt werden, so daß es nicht zwingend notwendig ist, den Spalt zwischen Sende- und Empfangsteil lichtdicht abzuschotten. Für die praktische Anwendung ist dies deshalb von Vorteil, weil die beiden Teile des Optokopplers, aber auch Versorgungsspule und Elektronik hermetisch vergossen werden können, womit in Verbindung mit gekapselten DMS-Trägern ein gegen Wasser und Schmutz völlig unempfindlicher Aufbau gegeben ist. Da die Übertragung durch Licht bewerkstelligt wird ist auch bei höchsten Frequenzen des Oszillators (z. B. mehrere 10 MHz) das Problem eines Störsenders gebannt.

Werden mehrere dieser Sender- und Empfangskomponenten zentrisch umeinander angeordnet, so lassen sich damit eine entsprechende Anzahl von Kanälen vom sich drehenden Teil auf ein Ruhendes übertragen.

Durch teilweises Abdecken des Senderinges und entsprechendes Anordnen von Empfangsfenstern mit getrennten Empfängern, kann dieser Optokoppler gleichzeitig als Winkelgeber dienen, was in Fig. 12 für einen impulsgebenden und in Fig. 13 für einen codegebenden Optokoppler beispielhaft dargestellt ist. Dabei sind die Sende- und Empfangsfenster so angeordnet, das immer mindestens ein Empfänger das Sendersignal sieht, also die Übertragung nie abreißt. Nachdem die Information der Winkelstellung gewonnen wurde, werden die Signale der Empfänger in eineme Punkt gesammelt und das somit erhaltene Empfangssignal weitergeleitet.

Das nun am Rahmen elektrisch verfügbare, mit der auf das Pedal wirkenden Kraft modulierte Frequenzsignal des VCOs f_vco=f₀+Δf kann nun am einfachsten mit einer zweiten, der Mittelfrequenz f₀ des VCOs entsprechenden Frequenz korelliert werden. Das kann nach entsprechender Vorbereitung entweder additiv oder multiplikativ geschehen. Mit Hilfe der Additionstheoreme für Winkelfunktionen zeigt sich:

für die Addition und

für die Multiplikation, wobei A jeweils die Amplitude und ω=2πf die Kreisfrequenz eines Signals ist. Nimmt man den hochfrequenten Schwingungsterm z. B. durch ein Tiefpaß-Filter heraus, so bekommt man ein Signal, daß nur von Δω bzw. nur von ΔF, also direkt von der Pedalbelastung abhängt und im folgenden als Lastsignal bezeichnet werden soll. Hier zeigt sich, der Vorteil einer multiplikativen Korellation. Zum einen hat der langsamperiodische Term, der Signalterm, die doppelte Frequenz, was bedeutet, daß mit einer Addition die halbe Auflösung verschenkt wird, und zum anderen brauchen die beiden Amplituden A₀ und A_vco der Signale nicht asolut übereinstimmen, wie es bei der Addition der Fall sein muß. Eine Multiplikation ist sehr einfach mit einem integrierten Analogmultiplizierer-Baustein realisierbar.

Durch den einfachen Trick, das Lastsignal vor dem Triggern gleichzurichten, also die negativen Halbwellen nach oben zu klappen, bringt nochmals eine Auflösungsverbesserung um den Faktor 2.

Das dadurch gegebene Auflösungsvermögen soll hier am Beispiel des zum Funktionsnachweis aufgebauten Testmodell erläutert werden. Die Mittelfrequenz des VCOs war 10 MHz und die maximale Frequenzshift auf 10% bei einer Pedalhebelbelastung von 100 kg (F_max=1000 N) in Drehrichtung (Fig. 1a) ausgelegt. Geht man davon aus, daß die Winkelgeschwindigkeit der Pedalkurbel wohl kaum über 5 Umdrehungen pro Sekunde liegen wird, und daß die Kraft an 100 Winkelpositionen der Pedalkurbel erfaßt (abgetastet) werden soll, so ergibt sich daraus eine Tastfrequenz von f_T=500 Hz. Die max. Frequenzshift Δf des VCOs und damit des Lastsignals beträgt 1 MHz. Durch gleichrichten und einbringen des Faktors 2 ergibt das 2 MHz, und damit eine mögliche Auflösung der Kraft am Pedalhebel zu ΔF=(500/2 · 10⁶) · F_max=0,25 N, was einem Gewicht von 25 g entspricht. Dieses Signal ergibt an einem Zähler mit der Torzeit T_Tor=1/f_T=2 ms die Kraft am Pedal direkt in 0,25-N-Einheiten.

Mit zwei engbandigen Hochpaßfiltern und einem nachgeschalteten Komperator oder einer einfachen PLL-Schaltung (Phase-Locked-Loop) läßt sich noch das Vorzeichen der Frequenzshift dedektieren und somit die genannte Auflösung für beide Richtungen, d. h. für Druck- und Zugkräfte gleichermaßen erreichen.

Das über diesen Pedalhebel an der Kurbel aufgebrachte Drehmoment M folgt dann aus der einfachen Multiplikation der gemessenen Kraft mit der Pedalhebellänge L. Durch das Vorzeichen der Kraft ist auch das Vorzeichen des Drehmomentes gegeben. Das Drehmoment M wiederum mit dem Winkelintervall zwischen zwei Messungen multipliziert liefert die in diesen Intervall abgegebene Arbeit. Summiert man diese Intervalle z. B. über eine volle Kurbelumdrehung oder einen Zeitraum, so gibt das die während einer Kurbelumdrehung oder während dem Zeitraum an das Fahrrad abgegebene Arbeit.

Mit der zusätzlich erfaßten Zeit sind weitere, sehr vielfältige Analysen und Auswertungen wie z. B. Leistung, verschiedene Durchschnitts-, Maxi- und Minimalwerte usw. errechen- und darstellbar.

Ein großer Vorteil ist, daß sich beide Pedalhebel getrennt mit den oben angegebenen Meß- und Übertragungsvorrichtungen ausstatten lassen, wodurch es möglich wird, die Kraftentfaltung für das rechte und das linke Bein getrennt zu erfassen. Dadurch werden Leistungs-, Bewegungs- oder andere Symmetrieunterschiede offenbar, auf deren Beseitigung dann gezielt hintrainiert werden kann (Fig. 17). Die Gesamtarbeit, Leistung usw. folgt jeweils durch Addieren von rechter und linker Seite.

Die gemessenen Größen wie Kraft, Drehmoment, Leistung usw. lassen sich besonders günstig in einem Polardiagramm darstellen. Ein guter Radsportler wird immer versuchen, möglichst viel Leistung auf die Pedale zu übertragen, was er unter anderem dadurch erreicht, daß er nicht nur den Winkelbereich zwischen 0° und 180° durch Treten nutzt, sondern auch im Bereich zwischen 180° und 360° "zieht". Führ ihn wird das Polardiagramm in etwa die in Fig. 15 wiedergegebene Gestalt annehmen, während ein Freizeitfahrer wohl auf das "Ziehen" verzichtet und den Fuß im hinteren Bereich einfach auf dem Pedal "stehen läßt" (Fig. 16). Das dadurch erzeugte negative Drehmoment, respektive auch die negative Arbeit darf natürlich nicht von der Energiebilanz abgezogen werden, weil der Radler dadurch keine Energie zurückgewinnt. Aber durch separates Aufsummieren läßt sich zeigen, wieviel Energie dadurch zusätzlich aufgezehrt wird.

An der Form des Polardiagramms wird für den Radsportler insbesondere ersichtlich, wie gut er den "runden Tritt" realisiert und kann sofort darauf reagieren und seinen Bewegungsablauf ändern (Fig. 17).

Dazu ist es notwendig, diese Daten in Echtzeit auf dem Fahrrad, z. B. in einem LCD-Rasterdisplay, bereitzustellen, was aber mit der heutigen hochintegrierten Computertechnologie bequem aufgebaut und programmiert werden kann. In einem derartigen Echtzeit-Diagramm (Fig. 15) ist z. B. die Pedalhebelstellung durch einen Strahl ST, ähnlich dem Sichtstrahl eines alten Radargerätes, symbolisiert, an dessen Position SP die Kurve jeweils durch die neuen Werte überschrieben wird.

Natürlich lassen sich auch zeitliche Mittel als Polardiagramm darstellen, wie in Fig. 16 geschehen. Der Winkel EW, der dem längsten, auf der Kurve liegenden Radiusvektor zugeordnet wird, ist dabei der effektivste Wirkungswinkel, bei dem im Mittel die größte Leistung erbracht wurde.

Es kann auch, z. B. vor dem Training eine zu erbringende Solleistung vorgegeben werden. Die momentane, z. B. über die letzten drei Kurbelumdrehungen gemittelte Leistung läßt sich mit der vorgegebenen vergleichen und die Abweichung davon als Anzeige ausgeben (Fig. 17). Derartige Sollvorgaben werden bisher fast ausschließlich über die Fahrgeschwindigkeit realisiert, wodurch aber Fehlerquellen wie etwa Wind und Fahrbahnbelag systematisch vernachlässigt werden mußten.

Die bis hierher beschriebenen Analysen und Auswertungen sind bereits mit einer Geräteausführung möglich, die nur die Biegung des Pedalhebels in Drehrichtung (Fig. 1a) erfaßt. Zur Ermittlung des optimalen Bewegungsablaufs bedarf es mindestens noch der Biegung in Richtung Drehachse (Fig. 1b), denn bereits durch diese beiden Biegungen kann die Kraft am Pedalhebel sehr gut charakterisiert werden, weil jeweils zwei der vier relevanten Verformungen (Fig. 1a-d) durch die Geometrie des seitlich angeordneten Pedals am Pedalhebel zusammen auftreten, was sich folgendermaßen erklären läßt. Steht der Pedalhebel z. B. im oberen Totpunkt (Fig. 14:0°-Stellung), so bewirkt eine senkrecht nach unten gerichtete Kraft am seitlichen Pedal sowohl eine Stauchung (negative Dehnung) in Hebellängsrichtung (Fig. 1c) als auch eine Biegung in Richtung der Kurbeldrehachse (Fig. 1b). Andererseits bewirkt bei einer 90°-Stellung eine senkrechte Kraft, daß der Pedalhebel in Drehrichtung gebogen (Fig. 1a) und um die Hebellängsachse tortiert (Fig. 1d) wird. Deshalb seien zur Vereinfachung zunächst nur die beiden Biegungen beachtet.

Der Begriff der konstruktiven und destruktiven Kraft leitet sich nun folgendermaßen ab. Konstruktiv ist einzig und allein die Kraftkomponente, die die Biegung in Drehrichtung (Fig. 1a) hervorruft, da nur sie über das Drehmoment in Vorwärtsbewegung umgesetzt wird. Die Kraftkomponente, die für die Biegung in Richtung der Drehachse verantwortlich ist, kann mechanisch nicht in Vorwärtsbewegung umgesetzt werden, sondern erzeugt im Pedalhebel nur eine statische Gegenkraft. Eine statische Belastung verbraucht zwar im physikalischen Sinne keine Arbeit, sehr wohl aber im physiologischen, was sich leicht vergegenwärtigen läßt, wenn man z. B. versucht, ein Gewicht längere Zeit mit ausgestrecktem Arm zu halten. Deshalb ist die letztere Kraft destruktiv. Durch das getrennte Erfassen kann die Information, wie diese beiden Komponenten beim Bewegungsablauf im Verhältnis zueinander stehen, in Echtzeit und z. B. sehr elegant in einem Polardiagramm bereitgestellt werden.

Den optimalen Bewegungsablauf zu finden und zu trainieren bedeutet nun, die Bewegung so zu gestalten, daß der konstruktive Kraftanteil maxi- und der destruktive Kraftanteil minimiert wird. Wenn auch die damit eingesparten, sonst nutzlos vergeudeten Energien im Vergleich zur insgesamt aufgewendeten Arbeit klein sein mögen, so sind es vielleicht gerade diese Reserven, die auf den letzten Metern vor dem Ziel für einen Sieg entscheidend sind.

Werden neben den Biegungen zusätzlich die beiden anderen Verformungen zur Krafterfassung herangezogen, so ist eine noch genauere Analyse des Bewegungsablaufs möglich, z. B. ob mit dem Fuß eine Dreh- oder Rollbewegung ausgeführt wird, was ebenfalls unnötig Kräfte zehrt oder ob und wie der Radfahrer auf den Pedalen steht.

Um nicht nur die Bewegung der Beine optimieren zu können, sondern die des ganzen Körpers, werden auch die Kräfte auf die Lenkstange und den Sattel als weitere Berührungspunkte des Radfahrers mit dem Fahrrad aufgenommen. Dies kann auch durch DMS, die an der Lenk- und Sattelstange appliziert sind (Fig. 18 und 19), für verschiedene Kraftrichtungen geschehen. Arbeitet der Radfahrer sehr viel mit dem Oberkörper wie etwa Wippen im Tret-Takt, so läßt sich das, da er sich an der Lenkstange abstützt oder festhält, durch die elastischen Verformungen derselben unter der wechselnden Last nachweisen und erfassen. Gleiches gilt für den Sattel. Auf diese Weise läßt sich der komplette Bewegungsablauf des ganzen Körpers in allen Einzelheiten erfassen, analysieren und optimieren, was eine fundamentale Grundlage für die Trainingsplanung schafft.

Da es fast unmöglich und auch nicht sinnvoll ist, die ganze Fülle der möglichen Analysen und Auswertungen auf dem Fahrraddisplay wiederzugeben, ließe sich der Datenstrom während dem Training z. B. auf ein Magnetband aufzeichnen. Die Möglichkeit dazu ist durch die sehr kompakte Walkman-Technik berreits unter Beweis gestellt. Mit der fortschreitenden Chipentwicklung rücken z. B. auch Halbleiterspeicher in Kartenform, in anwendbare Dimensionen, mit denen die gesammelten Daten dann ebenfalls zur weiteren Analyse auf einen stationären Computer übertragen werden können. Insbesondere können mit den gesammelten Daten über einen längeren Zeitraum der Trainingsstand und auch die gemachten Fortschritte aufs genaueste verfolgt und für die Trainingsplanung herangezogen werden.

Um eine hohe Genauigkeit und Güte der gemessenen Daten zu gewährleisten, ist es unumgänglich, Vorrichtung zu kalibrieren. Im besonderen ist es bei geklemmten DMS-Trägern an unterschiedlichen Pedalhebeln sehr schwierig, alle möglichen freien Parameter zu erfassen und in einer Abgleichschaltung zu kompensieren. Eine derartige Schaltung ist aber unter folgenden, technisch leicht umsetzbaren Voraussetzungen gar nicht notwendig.

Die DMS müssen für ihr Trägermaterial und den Pedalhebel selbstkompensierend sein, d. h., Wärmedehnung im Träger und Pedal und Widerstandsänderung des DMS mit der Temperatur heben sich gegenseitig auf. Die Mittelfrequenz des VCOs darf keine nennenswerte Temperaturdrift haben. Die Frequenzshift braucht nicht notwendigerweise linear mit dem Signal zu sein, aber darf sich mit der Temperatur ebenfalls nicht verändern. Die letzten beiden Bedingungen lassen sich durch Quarzoszillatoren und geschicktes Einfügen von temperaturempfindlichen Widerständen wie NTC- oder PTC-Widerständen oder zusätzlichen Halbleitern in die Oszillatorschaltungen einfach erfüllen.

Das Kalibrieren selbst geschieht per Software nach dem Anbau der Vorrichtung an das Fahrrad und dessen Pedalkurbel. Dazu ist im Programm des am Fahrrad mitgeführten Computers ein ausgleichspolynom, am elegantesten eine Tschebyscheff-Polynom oder eine Zuordnungstabelle vorgesehen, die einem Signal genau die richtige Größe der Kraft zuordnet. Diese Polynom kann im Prinzip als die Umkehrfunktion aller, durch die Messung und Übertragung entstandenen Verzerrungen und Fehler aufgefaßt werden. Die Vorteile für diese Art der Kalibrierung am Fahrrad sind, daß unterschiedliche E-Module und Flächenträgheitsmomente der Pedalhebel erfaßt und in die Messung mit einbezogen werden, was heißt, daß jeder individuell geeicht wird und Fertigungstoleranzen, Materialinhomogenität und sonstige Unterschiede nicht ins Gewicht fallen.

Das Kalibrieren selbst kann auf folgende Weise realisiert werden. Die Pedalkurbel wird nacheinander in die verschiedenen Richtungen sukzessive mit definierten Kräften, z. B. durch Anhängen von Gewichten, belastet. Die Gewichte können dabei entweder durch den Computer vorgegeben sein oder müssen eingegeben werden. Dadurch werden Stützpunkte vorgegeben und das jeweilige Signal dazu direkt gemessen. Die errechneten Polynomkoeffizienten oder Tabellendaten können dann in einem EE-PROM gesichert werden, worin sie auch bei Spannungsverlust nicht verloren gehen.

Die Vorrichtung ließe sich auch automatisch durch ein Hilfsgerät kalibrieren, das eine definierte Belastung am Pedalhebel erzeugt und den Wert, Art und Richtung der Belastung als Daten über eine Schnittstelle an den Computer weitergibt.

Tabelle 1: Brückenbeschaltung für Biegung in Drehrichtung (Fig. 1a)

Tabelle 2: Brückenbeschaltung für Biegung in Richtung Drehachse (Fig. 1b)

Tabelle 3: Brückenbeschaltung für Normaldehnung in Hebellängsachse (Fig. 1c), die gestrichelten DMS sind 90° gedreht zu den ungestrichenen angeordnet

Allgemeines zu den Tabellen:

R_E sind jeweils die Ergänzungswiderstände in der Wheatstoneschen Brücke.
ν ist die sog. Querdehnungszahl.
Brückenschaltungen, die sich durch Permutation der Anschlüsse 1 ↔ 4 und 2 ↔ 3 ergeben würden, sind nicht gesondert angeführt, da eine Permutation nur das Vorzeichen der Spannungen ändert, die Funktion der Brücke jedoch unverändert läßt.

Claims

1. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, in ihrer Art als Ergometer zu bezeichnen, die dem Auffinden und Trainieren des optimalen Bewegungsablaufs dient, welcher durch die Konstruktion des Sportgerätes, hier durch ein Fahrrad vorgegeben ist, durch Erfassung konstruktiver und destruktiver Kraftanteile, die der Radfahrer auf dem Fahrrad freisetzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine bis alle vier möglichen elastischen Verformungen, die am Pedalhebel relevant sind,

getrennt und unabhängig voneinander erfaßt werden, und aufgrund des Hookeschen Gesetzes bzw. der Elastizitätstheorie einen exakten Rückschluß auf die Richtung und den Betrag der vom Radfahrer auf das Pedal ausgeübten Kraft ermöglichen,
daß die Bestimmung dieser Kraft bei sehr vielen unterschiedlichen Winkelstellungen der Pedalkurbel erfolgt, was insbesondere bedeutet, daß eine Umdrehung der Pedalkurbel in eine große Anzahl kleiner Winkelintervalle unterteilt wird, zwischen denen jeweils eine Quantisierung der Kraft erfolgt,
daß die auf den Lenker einwirkende Kraft durch die elastische Verformung der Lenkstange oder der Lenkachse in den drei möglichen, zueinander linear unabhängigen Raumdichtungen erfaßt wird,
daß die auf den Sattel einwirkende Kraft durch die elastische Verformung der Sattelstange in den drei möglichen, zueinander linear unabhängigen Raumrichtungen erfaßt wird und
daß zu jeder Quantisierung der Kräfte auch der Zeitpunkt erfaßt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß nahezu alle handelsüblichen Pedalhebel ohne jegliche konstruktive Veränderung zur Signalerzeugung herangezogen werden können,
daß die Erfassung der Biegung des Pedalhebels in Drehrichtung (Fig. 1a) durch Dehnungsmeßstreifen (DMS) erfolgt, deren Mittelpunkte (Schwerpunkte) in der Ebene oder bei Vollbrückenapplikation in gleichem Abstand zur Ebene liegen, die durch die neutrale Faser der Querbiegung (Fig. 1b) im unbelasteten Zustand aufgespannt wird und die in einer Wheatstoneschen Brücke so verschaltet sind, daß sich die Signale der anderen Verformungen (Fig. 1b-d) kompensieren (Fig. 3 und Tab. 1),
daß die Erfassung der Biegung des Pedalhebels in Richtung der Drehachse (Fig. 1b) durch DMS erfolgt, deren Mittelpunkte (Schwerpunkte) in der Ebene oder bei Vollbrückenapplikation in gleichem Abstand zur Ebene liegen, die durch die neutrale Faser der Biegung in Drehrichtung (Fig. 1a) im unbelasteten Zustand aufgespannt wird und die in einer Wheatstoneschen Brücke so verschaltet sind, daß sich die Signale der anderen Verformungen (Fig. 1a, c, d) kompensieren (Fig. 4, 3b, 3c und Tab. 2),
daß die Erfassung der Normaldehnung des Pedalhebels in Richtung der Hebellängsachse (Fig. 1c) durch DMS erfolgt, die allseitig, jedoch immer paarweise gegenüberliegend appliziert sein können und die in der Wheatstoneschen Brücke so verschaltet sind, daß sich die Signale der anderen Verformungen (Fig. 1a, b, d) kompensieren (Fig. 5, 4 oder 3 ohne 3b rechts und Tab. 3),
daß die Erfassung der Torsion des Pedalhebels um die Richtung der Pedalhebellängsachse (Fig. 1d) durch spezielle Torsionsrosetten (90°- Rosetten) oder durch allseitig applizierte 45° geneigte Linear-DMS erfolgt (Fig. 6) und die in der Wheatstoneschen Brücke so verschaltet sind, daß sich die anderen Verformungen (Fig. 1a-c) kompensieren,
daß die DMS nicht notwendigerweise direkt auf dem Pedalhebel appliziert zu sein brauchen, sondern auf leichter handhabbaren bzw. robusteren sog. Applikationshilfen und Trägern aufgebracht sein können,
daß diese Applikationshilfen mittels geeigneter, evtl. an den jeweiligen Pedalhebel angepaßter Klemmelemente (Fig. 9a, b) am Pedalhebel befestigt werden (Fig. 8) oder
daß diese Applikationshilfen einfach auf den Pedalhebel aufgeklebt werden (Fig. 7).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die durch Belastung des Pedalhebels hervorgerufene Brückendiagonalspannung der durch die DMS aufgebauten bzw. ergänzten Wheatstoneschen Brückenschaltung direkt einen auf der Pedalkurbel mitbewegten, spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) verstimmt bzw. steuert und somit eine dem Meßsignal proportionale Frequenzshift erzeugt,
daß die DMS selbst Teil der Oszillatorschaltung sein können und
daß die vom VCO erzeugte, modulierte Frequenz optisch durch einen drehbaren Optokoppler von der bewegten Pedalkurbel auf den Rahmen übertragen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgung der auf der Pedalkurbel befindlichen elektronischen Komponenten, induktiv durch eine drehbare Transformamtoranordnung (Fig. 10) vom Rahmen TL auf die bewegte Pedalkurbel PK erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der drehbare Optokoppler aus zwei Komponenten besteht, die sich stirnseitig gegenüberstehen, wovon eine an der Pedalkurbel PK mitbewegt wird, während die andere starr am Rahmen TL befestigt ist (Fig. 10),
daß die an der Pedalkurbel mitbewegte Komponente, das Sendeteil ST, aus einem Leuchtring LR, z. B. Diffusor- oder Reflektorring, besteht, der von einem oder mehreren Lichtsendern LS, z. B. Leuchtdioden LED, mit einer, dem zu übertragenden Signal proportionalen Leuchtintensität ausgeleuchtet wird (Fig. 11a),
daß die am Rahmen starr befestigte Komponente, das Empfängerteil ET, aus einem oder einer Anordnung von Lichtempfängern LE, z. B. Fotodioden, derart besteht, daß auch bei einer vollständigen Umdrehung des Sendeteils immer ein Teil, der von den Lichtsendern emittierten Lichtintensität auf einen Empfänger trifft (Fig. 11b),
daß der drehbare Optokoppler mehrere getrennte Kanäle aufweisen kann und
daß der drehbare Optokoppler gleichzeitig als Winkelgeber konstruiert sein kann.

6. Vorichtung nach Anspruch 1, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der drehbare Optokoppler durch geeignetes Segmentieren bzw. stellenweises Abdecken des Leuchtringes im Sendeteil und durch geeignetes Anordnen von Empfangsfenstern mit den Leuchtempfängern im Empfangsteil für jeden Winkelschritt einen Impuls erzeugt (Fig. 12) oder
daß der drehbare Optokoppler durch geeignetes Segmentieren bzw. stellenweises Abdecken des Leuchtringes im Sendeteil und durch geeignetes Anordnen von Empfangsfenstern mit den Leuchtempfängern im Empfangsteil ein der Winkelstellung eindeutig zugeordnetes, z. B. binär codiertes, Signal erzeugt (Fig. 13).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anwendung des Optokopplers nicht nur auf das Fahrrad beschränkt, sondern allgemein da anwendbar ist, wo Signale von einem rotierenden Teil auf ein Ruhendes übertragen werden müssen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignalerfassung und Weiterleitung für den rechten und den linken Pedalhebel getrennt ausgeführt werden kann, also zwei unabhängige Signalsätze erhalten werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die absolute Winkelstellung der Pedalkurbel durch einen winkelgebenden Optokoppler erfaßt wird oder
daß die absolute Winkelstellung der Pedalkurbel z. B. mit Hilfe einer Schlitz- oder Reflexscheiben-Lichtschranken-Anordnung erfaßt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gkennzeichnet, daß die an Lenkstange, Lenkachse und Sattelstange auftretenden, durch die einwirkenden Kräfte verursachten Verformungen durch DMS erfaßt werden, die z. B. allseitig um die Lenk- und Sattelstange (Fig. 18 und 19) applliziert sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die vom VCO erzeugte und vom Optokoppler auf den Rahmen übertragene Frequenz mit einer zweiten, konstanten und der Mittelfrequenz des VCO entsprechenden Frequenz korreliert, d. h. addiert oder multipliziert, wird und
daß nach Ausfiltern der Mittelfrequenz des Oszillators die dabei erhaltene Einhüllende durch nachfolgendes triggern direkt als Eingangssignal für einen Zähler mit definierter Technik genutzt wird.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die im Rahmen der Erfindung dargestellte Vorrichtung erst nach der jeweiligen Montage am Fahrrad bzw. an der Pedalkurbel kalibriert zu werden braucht,
daß dieses Kalibrieren entweder per Hand durch sukzessives Belasten des Pedalhebels mit definierten Kräften, z. B. durch Anhägen von Gewichten, erfolgt oder
daß dieses Kalibrieren das Meßsystem durch ein automatisch arbeitendes Kalibriergerät erfolgt, das eine definierte Belastung am Pedalhebel erzeugt und den Wert, Art und Richtung der Belastung als Daten weitergibt und
daß das Kalbrieren dieses Meßsystems per Software erfolgt, z. B. durch Errechnen der Koeffizienten eines Ausgleichspolynoms oder durch Erstellen einer Zuordnungstabelle, die dem anliegenden Meßsignal die jeweils richtige Kraft zuordnet.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß aus den erhaltenen Daten in einem Computer der vollständige Bewegungsablauf des Radfahrers ebenso wie seine ergometrisichen Leistungsdaten rekonstruierbar und ermittelbar sind,
daß anhand dieser Daten analysierbar ist, welcher Teil der Fahrer auf das Fahrrad, im besonderen auf die Pedale ausgeübte Kraft, konstruktiv, d. h. zum optimalen Bewegungsablauf zu rechnen ist, und welcher Teil destruktiv, d. h. für die Fortbewegung nicht umsetzbar ist, weil dadurch nur statische Gegenkräfte erzeugt werden,
daß anhand dieser Daten analysierbar ist, ob der Fahrer unnötige energieverschwendende Bewegungen ausführt,
daß diese Auswertungen in Echtzeit in einem auf dem Fahrrad mitgeführten Computer erfolgen und damit sofort die Abweichungen vom optimalen Bewegungsablauf darstellbar sind,
daß diese Daten in Form von Polardiagrammen präsentiert werden (Fig. 15-17) und
daß eine Solleistung vorgebbar und die Abweichung von dieser Solleistung darstellbar ist (Fig. 17).