DE4338958C2

DE4338958C2 - Verfahren zum Festlegen einer für das Einhalten einer Sollpulszahl optimalen Leistung

Info

Publication number: DE4338958C2
Application number: DE4338958A
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Maruo; Akiko Ono; Mototaka Nagai; Satsuki Saeki
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-11-16
Filing date: 1993-11-15
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2013-11-16
Also published as: DE4338958A1; US5853351A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Festlegen der für das Einhalten einer Sollpulszahl optimalen Leistung eines Benutzers, das dazu verwendet wird, für ein sicheres Trai ning oder eine genaue Bestimmung der körperlichen Belastbar keit eines Benutzers zu sorgen.

In der Vergangenheit wurden ein Tretmühle-Übungsgerät zum Gehen oder Laufen auf einem bandförmigen Boden sowie ein Fahrradergometer usw. als Übungsgerät für das Training oder zur Untersuchung der körperlichen Belastbarkeit eines Benut zers verwendet. Beim Tretmühle-Übungsgerät wird die dem Be nutzer abverlangte Leistung dadurch festgelegt, daß die Be wegungsgeschwindigkeit und die Neigung des bandförmigen Bo dens eingestellt werden. Andererseits weist, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, ein Fahrradergometer 1 ein Paar Pedale 2, einen Sattel 3, eine Haltestange 4, einen Sensor zum Messen des Pulsschlags des Benutzers während des Tret vorgangs sowie einen Leistungsregler 6 für die Leistung auf, die über die Pedale 2 übertragbar ist.

Übungsprogramme für ein Fahrradergometer können grob in zwei Kategorien unterteilt werden. Bei einer der Kategorien wird die auf die Pedale 2 übertragene Leistung vom Benutzer ein gestellt und dann radelt der Benutzer für eine erforderliche Zeitspanne unter Erbringung der Leistung auf dem Ergometer. Die andere Kategorie ist diejenige, daß eine Sollpulszahl (HR_soll) vom Benutzer eingestellt wird und der Benutzer dann für eine erforderliche Zeitspanne auf dem Ergometer ra delt, während die Leistung so eingestellt wird, daß die Sollpulszahl während des Tretens erreicht und beibehalten wird. Beim ersteren Übungsprogramm radelt der Benutzer üb licherweise auf dem Ergometer für länger als 10 Minuten bei einer Leistung im Bereich von 40 bis 120 W, um sein Gewicht zu verringern. Beim letzteren Übungsprogramm wird dagegen die Leistung im allgemeinen abhängig von einer statistisch er haltenen maximalen Pulszahl (HR_max) abhängig vom Alter und dem Geschlecht des Benutzers sowie vom Körpergewicht usw. eingestellt. Die maximale Pulszahl wird z. B. durch die fol genden Regressionsgleichungen [1] und [2] wiedergegeben:

männlich: HR_max (Schläge/min) = 209-0,69×Alter [1]

weiblich: HR_max (Schläge/min) = 205-0,75×Alter [2].

Genauer gesagt ist die maximale Pulszahl als diejenige Puls zahl definiert, bei der maximale Sauerstoffaufnahme (V_O₂_max) im Körper pro 1 kg Körpergewicht und pro Minute auftritt. Zusätzlich wird die Sollpulszahl (HR_soll) im all gemeinen gemäß der folgenden Gleichung [3] definiert:
HR_soll = (HR_max - HR_normal)×EL/100 + HR_normal [3], wobei HR_normal die in Ruhe gemessene Pulszahl ist und EL ein Übungsniveau (%) ist, das gewöhnlich im Bereich von 30% bis 70% gewählt wird.

Übrigens ist es für das letztere Übungsprogramm bekannt, daß die Leistung mit vorgegebener Steigung schrittweise erhöht wird, z. B. mit 10 W pro 30 sec, um die Sollpulszahl des Be nutzers zu erreichen, und in jedem Schritt wird die Statio närpulszahl vom Sensor 5 gemessen. Da die Leistung mit fest gelegter Steigerung unabhängig davon festgelegt wird, daß jeder Benutzer eine individuelle körperliche Belastbarkeit aufweist, entsteht jedoch die Schwierigkeit, daß die Puls zahl eines Benutzers mit geringer körperlicher Belastbarkeit bereits die Sollpulszahl erreicht, wenn er für relativ kurze Zeit auf dem Ergometer radelt, wohingegen es relativ lang dauert, bis die Pulszahl eines Benutzers mit hoher körperli cher Belastbarkeit die Sollpulszahl erreicht. Daher ist zu erwarten, daß eine solche schrittweise Erhöhung der Leistung mit festgelegter Steigerung nicht immer zu einem wirkungs vollen Training für einen einzelnen Benutzer führt. Darüber hinaus würde sich dann, wenn die Leistung schrittweise mit erhöhter Geschwindigkeit vergrößert wird, ein wirkungsvolles Training nur für einen Benutzer mit hoher körperlicher Belastbarkeit ergeben. Dagegen besteht bei einem Benutzer mit geringer körperlicher Belastbarkeit die Wahrscheinlich keit, daß es zu ernsthaften Schwierigkeiten kommt, da dem Benutzer die nächste erhöhte Leistung auferlegt wird, bevor seine Pulszahl die Stationärpulszahl erreicht hat, die der eingestellten Leistung entspricht, weswegen der Benutzer mit überhöhter Leistung auf dem Ergometer radeln muß. Im allge meinen wird angegeben, daß es mehr als drei Minuten benö tigt, um in jeder Stufe die stationäre Pulszahl zu messen.

Das US-Patent 4,678,182 offenbart ein Übungsgerät unter Ver wendung eines Fahrradergometers sowie ein Verfahren, bei dem das Fahrradergometer dazu verwendet wird, einen optimalen Belastungswert und eine stationäre Anzahl von Pulsschlägen pro Minute für kontinuierliches Training des Benutzers zu erhalten.

Aus der DE 41 07 323 A1 ist weiter ein Trainingsgerät bekannt, bei dem die individuellen Daten des Benutzers von einem Datenspeichermedium eingelesen werden können. Die Bela stung für den Benutzer durch das Trainingsgerät wird dann auf der Grundlage der eingelesenen individuellen Daten und der vom Benutzer ermittelten Pulswerte gesteuert.

In der DE 38 10 042 ist ein Verfahren zur Vorgabe einer Trainingsleistung beschrieben, bei dem ein Vergleich zwischen der Soll-Pulsfrequenz und der Ist-Pulsfrequenz des Benutzers durchgeführt und in Abhängigkeit von diesem Vergleich die zu erbringende Leistung vorgegeben wird. Die Soll-Pulsfrequenz wird hierbei aus der Ist-Pulsfrequenz des Benutzers bei einer sportlichen Betätigung unter bestimmten vorgegebenen Bedin gungen ermittelt.

Aus der DE 35 46 569 C2 ist weiterhin ein Verfahren zur Steuerung der Trainingsleistung bekannt, bei dem die Bela stung auf der Grundlage eines Vergleiches zwischen der Soll- Pulsfrequenz und der Ist-Pulsfrequenz des Benutzers ausge führt wird. Zur Ermittlung der Sollfrequenz wird das Trai ningsgerät in wenigstens zwei Zeitintervallen auf verschie dene Geschwindigkeiten eingestellt und die entsprechenden zeitabhängigen Ist-Pulsfrequenzen des Benutzers ermittelt. Aus dem Verlauf der Ist-Pulsfrequenzen wird dann die Soll- Pulsfrequenz gebildet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Festle gung einer optimalen Belastung für den Benutzer bereitzustel len, mit der einem gewünschten Übungsniveau entsprechend, für den Trainierenden eine individuelle Belastung verfügbar ist, die die gewünschte Soll-Pulszahl erzeugt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird, nachdem die Sollpuls zahl für den Benutzer eingestellt ist, eine erste Stationär pulszahl des Benutzers während eines anfänglichen Übungs zyklus gemessen, bei dem der Benutzer mit einer ersten Lei stung belastet wird. Die erste Leistung wird abhängig von der Sollpulszahl und einer statistisch erhaltenen Beziehung zwischen der Leistung und der Pulszahl entsprechend minde stens einem Faktor erhalten, der aus Größen ausgewählt ist, zu denen das Alter des Benutzers, sein Geschlecht, sein Kör pergewicht, seine Körpergröße, sein Gesamtkörperfett usw. gehören. Darüber hinaus wird eine zweite Stationärpulszahl des Benutzers während mindestens eines anschließenden Übungszyklus gemessen, in dem dem Benutzer eine zweite Lei stung auferlegt wird. Die zweite Leistung wird dadurch ge wonnen, daß die auferlegte Leistung und die im direkt davor liegenden Übungszyklus gemessene Pulszahl in eine erste Mo dellgleichung mit mehreren Variablen als Eingangsparameter eingegeben werden. Die optimale Leistung wird dadurch fest gelegt, daß die auferlegte Leistung und die gemessene Puls zahl im letzten Übungszyklus in die erste Modellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden.

Es ist möglich, daß beim Anfangsübungszyklus die erste Lei stung dadurch gewonnen wird, daß als Eingangsparameter min destens zwei Faktoren in eine Anfangsmodellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden, die unter Größen aus gewählt sind, zu denen die oben angegebenen Größen gehören.

Andererseits ist es weiterhin möglich, daß nach dem Anfangs übungszyklus die optimale Leistung dadurch festgelegt wird, daß die erste Leistung und die erste Pulszahl in die erste Modellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben wird.

Es ist auch möglich, daß die zweite Leistung dadurch gewon nen wird, daß ein Übungsniveau EL (%)/100 mit dem maximalen aeroben Aufnahmevermögen des Benutzers multipliziert wird, das dadurch vorhergesagt wird, daß die auferlegte Leistung und die gemessene Pulszahl im direkt vorangehenden Übungs zyklus in eine zweite Modellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden, und auch die optimale Leistung wird da durch festgelegt, daß das Übungsniveau EL (%)/100 mit dem maximalen aeroben Aufnahmevermögen multipliziert wird, das dadurch vorhergesagt wird, daß die auferlegte Leistung und die gemessene Pulszahl im letzten Übungszyklus in die zweite Modellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden. Das maximale aerobe Aufnahmevermögen ist als maximale Leis tung bei der maximalen Pulszahl (HR_max) eines einzelnen Benutzers definiert. Das Übungsniveau EL (%) wird durch die folgende Gleichung [3′] definiert, d. h.:

EL (%) = 100×(HR_soll - HR_normal)/(HR_max) - HR_normal [3′],

wobei HR_normal die normale, bei Ruhe gemessene Pulszahl des Benutzers ist. Es ist bevorzugt, daß das Übungsniveau EL (%) im Bereich von 30% bis 80% gewählt wird. In diesem Fall ist es auch bevorzugt, daß die Eingangsparameter für die zweite Modellgleichung mindestens einen Faktor enthalten, der aus Größen ausgewählt ist, zu denen das Alter des Benut zers, sein Geschlecht, seine Körpergröße, sein Körperge wicht, sein Gesamtkörperfett, der integrierte Wert seiner Pulszahl, der integrierte Wert der Leistung, die Leistungs auferlegungszeit und das maximale aerobe Leistungsvermögen, wie es im direkt vorangehenden Übungszyklus festgelegt wurde, gehören.

Darüber hinaus ist es eine andere Möglichkeit, daß die zwei te Leistung dadurch ermittelt wird, daß das Übungsniveau EL (%)/100 mit der maximalen Sauerstoffaufnahme durch den Be nutzer multipliziert wird, die dadurch abgeschätzt wird, daß die auferlegte Leistung und die gemessene Pulszahl im direkt vorangehenden Übungszyklus als Eingangsparameter in eine dritte Modellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden, und es wird auch die optimale Leistung dadurch fest gelegt, daß das Übungsniveau EL (%)/100 mit der maximalen Sauerstoffaufnahme multipliziert wird, wie sie dadurch abge schätzt wird, daß die auferlegte Leistung und die gemessene Pulszahl im letzten Übungszyklus in die dritte Modellglei chung mit mehreren Variablen eingegeben werden. In diesem Fall ist es auch bevorzugt, daß die Eingangsparameter für die dritte Modellgleichung ferner mindestens einen Faktor beinhalten, der aus den im vorigen Absatz aufgeführten Grö ßen ausgewählt ist. Darüber hinaus ist es möglich, daß das maximale aerobe Aufnahmevermögen durch z. B. die folgende Gleichung [4] in die maximale Sauerstoffaufnahme (V_O₂_max) umgewandelt wird:

V_O₂_max(ml/kg/min)×Körpergewicht (kg) = 233 + 13,08× maximales aerobes Aufnahmevermögen (W) [4].

Wann eine nicht lineare Beziehung zwischen einem Sollwert, z. B. dem maximalen aeroben Aufnahmevermögen, und den Eingangs parametern besteht, ist es bevorzugt, daß eine Neuronalnetzwerkanalyse dazu verwendet wird, eine Modellgleichung mit mehreren Variablen aufzustellen. Z. B. zeigt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, die Struktur für eine Neuronalnetzwerkanalyse an, daß die optimale Leistung über mehrere versteckte Schichten festge legt wird, von denen jede alle Arten von Eingangsparametern enthält. Z. B. wird die Beziehung zwischen dem Sollwert und den Eingangsparametern gemäß der Neuronalnetzwerkanalyse durch die folgenden Gleichungen [6] bis [10] repräsentiert:

W = 1/(1 + e^-Z) [6]

W: Sollwert
Z: Wert, der durch die Gleichung [7] bestimmt wird:

Bi: Koeffizient
Θe: Konstante
k: Anzahl der versteckten Schichten
Yi: Wert, der durch die Gleichung [8] bestimmt wird:

Yi = 1/(1 + e^-Xi) [8]

Xi: Wert, der durch die Gleichung [9] bestimmt wird:

Ai: Koeffizient
Θ: Konstante
Vi: Wert, der durch die Gleichung [10] normiert wird:

Vi = (vi-vi_min)/(vi_max - vi_min) [10],

wobei vi einer der Eingangsparameter ist, vi_min der Minimalwert von vi ist und vi_max der Maximalwert von vi ist.

Da es einer relativ langen Be triebszeit bedarf, wenn die Neuronalnetzwerkanalyse verwendet wird, wird eine linear vereinfachte Gleichung [11] ver wendet, wie sie nachstehend wiedergegeben ist, um die Be triebsgeschwindigkeit zu erhöhen:

wobei C eine Konstante ist, Di ein jedem Eingangsparameter zugeordneter Koeffizient ist und n die Anzahl der Eingangs parameter ist.

Daher wird jede Modellgleichung mit mehreren Variablen da durch erstellt, daß die die Neu ronalnetzwerkanalyse verwendet wird, wie auch Versuchsdaten, die durch ein Verfahren unter Auferlegen einer weniger als maximalen Leistung erhalten werden, bei dem es sich um eine Untersuchungsart für die körperliche Belastbarkeit handelt. Bei der Erfindung wurden die Versuchsdaten z. B. von 70 ge sunden männlichen und weiblichen Personen im Alter zwischen 20 und 60 Jahren ermittelt. Beim Verfahren mit mehr als auf erlegter maximaler Leistung wird eine der Person auferlegte variable Leistung schrittweise erhöht, und in jedem Schritt wird die Stationärpulszahl der Person gemessen. Nach dem letzten Schritt des Anlegens einer Leistung, in dem die Pulszahl der Person die Sollpulszahl erreicht, wird der Wert V_O₂_max oder das maximale aerobe Aufnahmevermögen jeder Person aus einer Regressionslinie ermittelt, die aus der so aufgestellten Beziehung zwischen der Leistung und der Puls zahl erhalten wurde. Zur Bezugnahme ist das Alter der Per sonen in fünf Altersstufen eingeteilt, und in Tabelle A sind die mittleren Pulszahlen, die Übungsniveaus von 40% bis 80% für die Personen in jeder Altersstufe entsprechen, aufgelistet.

TABELLE A

Es ist auch möglich, daß ein Verfahren mit auferlegter maxi maler Leistung anstelle des Verfahrens mit weniger als maxi maler Leistung verwendet wird. Beim Verfahren mit auferleg ter maximaler Leistung wird die Leistung schrittweise er höht, und in jedem Schritt wird die Stationärpulszahl der Person gemessen. Nach dem Schritt des Auferlegens der maxi malen Leistung, bei dem die Person trotz verbaler Aufmunte rung nicht mehr weitermachen konnte, wird der Wert V_O₂_max oder das maximale aerobe Aufnahmevermögen der Person be stimmt. Darüber hinaus ist es zum Verbessern der Genauigkeit der Modellgleichung mit mehreren Variablen bevorzugt, wenn eine Ausatmungsanalyse und das Verfahren mit auferlegter maximaler Leistung oder das Verfahren mit auferlegter Lei stung unter der maximalen zusammen ausgeführt werden, um die Versuchsdaten zu erhalten.

Es ist ferner bevorzugt, daß die einem Benutzer auferlegte Leistung frühzeitig während jedes Übungszyklus in solcher Weise gemäß einer Einstelltabelle oder einem Fuzzy-Einstell verfahren eingestellt wird, um das Auftreten eines gefähr lichen Zustandes zu verhindern, bei dem ein Benutzer über eine lange Zeitspanne mit übermäßiger Leistung belastet wird, die einer Pulszahl entspricht, die über der Sollpuls zahl liegt. D. h., daß selbst dann, wenn bei einem der Übungszyklen dem Benutzer eine übermäßige Leistung auferlegt wird, frühzeitig eine solche Einstellung während des Übungs zyklus erfolgt, daß eine lange Tätigkeit des Benutzers bei der übermäßigen Leistung verhindert wird. Das Einstelltabel lenverfahren ist für den Fall einer kleinen Anzahl von Ein gangsparametern nützlich. Tabelle B zeigt eine Einstellta belle unter Verwendung eines Leistungsbereichs und der Dif ferenz zwischen der Sollpulszahl und der Istpulszahl als Eingangsparametern, wobei die Eingangsparameter jeweils in drei Bereiche klassifiziert sind. Wenn z. B. die auferlegte Leistung im Bereich "Mittel" und die Differenz zwischen den Pulszahlen im Bereich "Klein" liegt, wird ein Einstellwert E21 zum Einstellen der Leistung ausgewählt.

TABELLE B

Darüber hinaus ist ein Fuzzy-Einstellverfahren zum Einstel len der Leistung im Fall einer großen Anzahl von Eingangs parametern von Nutzen. Die Einstellung erfolgt unter Verwen dung von Mitgliedsfunktionen für Eingangsparameter des Fuzzy-Einstellverfahrens. Es ist bevorzugt, daß zu den Ein gangsparametern für das Fuzzy-Einstellverfahren oder die Einstelltabelle die Differenz zwischen der Soll- und der Ist-Pulszahl die Leistung und die Leistungsauferlegungszeit gehören. Andererseits ist es weiter bevorzugt, daß zum Ein stellen der Belastung eine Einstelltabelle verwendet wird, die dadurch erstellt wurde, daß die Mitgliedsfunktionen mit einem "Min-Max" -Verfahren oder einem "Mittlere-Last"-Verfah ren analysiert werden.

Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin dung wird dem Benutzer für sicheres Training eine modifi zierte Leistung auferlegt, die dadurch erhalten wird, daß die bei jedem Übungszyklus ermittelte Leistung mit einem Sicherheitskoeffizienten unter 1 multipliziert wird. Da die modifizierte Leistung leicht dadurch eingestellt werden kann, daß die modifizierte Leistung gemäß dem Fuzzy-Ein stellverfahren oder der Einstelltabelle leicht erhöht wird, wird dem Benutzer in keinem Fall eine übermäßige Leistung auferlegt, so daß dies für sicheres Training und sichere Untersuchung der körperlichen Belastbarkeit des Benutzers führt.

Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fest legen der optimalen Leistung kann eine Untersuchung für die körperliche Belastbarkeit eines Benutzers ausgeführt werden, wie dies nachfolgend erläutert wird. Vorzugsweise werden mindestens zwei Übungsniveaus (%) aus dem Bereich von 30% bis 80% ausgewählt, und es wird eine Sollpulszahl ein gestellt, die jedem Übungsniveau entspricht. Die optimale Leistung, die jeder Sollpulszahl entspricht, wird durch das oben angegebene, erfindungsgemäße Verfahren festgelegt, um dadurch eine für den einzelnen Benutzer individuelle Regres sionslinie für die Leistung über der Pulszahl zu erhalten.

Wenn die körperliche Belastbarkeit als maximales aerobes Aufnahmevermögen des Benutzers definiert ist, kann sie leicht durch Extrapolation der Regressionslinie abgeschätzt werden, wie in Fig. 2 dargestellt.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren arbeitendes Übungsgerät weist einen Sensor zum Überwachen der Pulszahl des Benutzers, eine Einstelleinheit zum Einstellen der Sollpulszahl, eine Belastungseinheit zum Auferlegen einer variablen Leistung mit einer ersten und zweiten Leistung, eine erste Leistungsfestlegeeinheit zum Festlegen der ersten Leistung, die dem Benutzer in einem Anfangsübungszyklus auferlegt wird, in dem eine erste Sta tionärpulszahl vom Sensor gemessen wird, eine zweite Lei stungsfestlegeeinheit zum Festlegen der zweiten Leistung, die dem Benutzer in mindestens einem anschließenden Übungs zyklus auferlegt wird, in dem eine zweite Stationärpulszahl vom Sensor gemessen wird, und eine Einheit zum Festlegen der optimalen Leistung auf. In der ersten Leistungsfestlegeein heit wird die erste Leistung abhängig von der Sollpulszahl und einer statistisch erhaltenen Beziehung zwischen der Lei stung und der Pulszahl entsprechend mindestens einem Faktor festgelegt, der aus Größen ausgewählt ist, zu denen das Alter des Benutzers, sein Geschlecht, sein Körpergewicht, seine Körpergröße und sein Gesamtkörperfett gehören. In der zweiten Leistungsfestlegeeinheit wird die zweite Leistung dadurch festgelegt, daß die auferlegte Leistung und die gemessene Pulszahl im direkt vorangehenden Übungszyklus als Eingangsparameter in eine Modellgleichung mit mehreren variablen eingegeben werden. Darüber hinaus wird in der Festlegeeinheit für die optimale Leistung die optimale Leistung dadurch festgelegt, daß die auferlegte Leitung und die gemessene Pulszahl im letzten Übungszyklus in die Mo dellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden.

Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung zu bevorzugten Ausführungs beispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.

Fig. 1 zeigt schematisch die Struktur einer Neuronalnetzwerk analyse, wie sie bei der Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 ist ein Diagramm zu einer Regressionslinie für die Leistung über der Pulszahl, wie es zur Erläuterung verwendet wird;

Fig. 3 zeigt zur Erläuterung Diagramme von Mitgliedsfunk tionen, wie sie bei der Erfindung bei einem Fuzzy-Einstell verfahren verwendet werden; und

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung eines Fahrrad ergometers.

Beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel wird die der Sollpulszahl eines Benutzers entsprechende optimale Leistung abhängig vom vorliegenden Verfahren durch ein Fahrradergo meter 1 festgelegt, das ein Paar Pedale 2, einen Sattel 3, eine Haltestange 4, einen Sensor 5 zum Messen der Pulszahl des Benutzers, während dieser auf dem Ergometer radelt, und und einen Leistungsregler 6 für die auf die Pedale 2 zu übertragende Leistung aufweist, wie in Fig. 4 dargestellt. Beim dritten bis neunten Ausführungsbeispiel wird die kör perliche Belastbarkeit des Benutzers unter Verwendung des Ergometers 1 untersucht.

ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Festlegen der der Soll pulszahl eines Benutzers entsprechende optimalen Leistung erläutert. Der Benutzer ist eine gesunde weibliche Person von 45 Jahren mit 45 kg Körpergewicht und einer Körpergröße von 152 cm. Die maximale Pulszahl (HR_max) des Benutzers wird durch die Gleichung [2] erhalten, und die normale Puls zahl (HR_normal) wird in Ruhe gemessen. Das bei diesem Aus führungsbeispiel ausgewählte Übungsniveau ist 50%, das wirksam ist, um das Körpergewicht des Benutzers zu verrin gern. Daher beträgt die Sollpulszahl für den Benutzer 124 Schläge/min, was durch Gleichung [3] repräsentiert ist. Zum Verfahren gehören vier aufeinanderfolgende Übungszyklen, wo bei in jedem Zyklus die Pulszahl des Benutzers und die auf die Pedale 2 des Ergometers 1 übertragene Leistung vom Sen sor 5 gemessen werden, und es werden auch der Integrations wert der Pulszahl und der Integrationswert der Leistung be rechnet. Im ersten Übungszyklus wird dem Benutzer über 1 min eine erste Leistung auferlegt. Die erste Leistung wird da durch festgelegt, daß der Übungsgrad (%)/100 aus einem ersten maximalen aeroben Aufnahmevermögen bestimmt wird, das dadurch abgeschätzt wird, daß das Alter, das Geschlecht, die Körpergröße und das Körpergewicht des Benutzers - in eine erste Modellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden. Anschließend wird dem Benutzer im zweiten Übungszyk lus eine zweite Leistung für 2 min auferlegt. Die zweite Leistung wird dadurch festgelegt, daß der Übungsgrad (%)/100 mit einem zweiten maximalen aeroben Aufnahmevermögen multi pliziert wird, das dadurch abgeschätzt wird, daß das Ge schlecht, das Alter, die Körpergröße und das Körpergewicht des Benutzers, der Integrationswert, die gemessene Pulszahl und die im direkt vorangehenden Übungszyklus auferlegte Leistung als Parameter in eine zweite Modellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden. Im dritten Übungszyk lus wird dem Benutzer eine dritte Leistung für 3 min aufer legt. Die dritte Leistung wird dadurch festgelegt, daß der Übungsgrad (%)/100 mit einem dritten maximalen aeroben Aufnahmevermögen multipliziert wird, das dadurch abgeschätzt wird, daß die Eingangsparameter in die zweite Modellglei chung eingegeben werden. Nach dem dritten Übungszyklus wird dem Benutzer eine vierte Leistung für 14 min auferlegt. Die vierte Leistung wird dadurch als optimale Leistung festge legt, daß der Übungsgrad (%)/100 mit einem vierten maximalen aeroben Aufnahmevermögen multipliziert wird, das dadurch abgeschätzt wird, daß die Eingangsparameter in die zweite Modellgleichung eingegeben werden. Details für das erste Ausführungsbeispiel sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

TABELLE 1

*1: Die Differenz zwischen der Sollpulszahl (HR_soll) und der Istpulszahl (HR) des Benutzers wird durch die fol gende Gleichung repräsentiert:

Differenz (%) =|100 × (HR - HR_soll)/HR_soll|

*2: Beim vierten Übungszyklus wurde die Pulszahl des Benut zers nicht gemessen.

ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Die der Sollpulszahl eines Benutzers entsprechende optimale Leistung wird im wesentlichen durch dasselbe Verfahren wie beim ersten Ausführungsbeispiel unter Ausnahme des Folgenden festgelegt. Im vorliegenden Fall ist der Benutzer eine gesunde männliche Person von 19 Jahren mit 60 kg Körperge wicht. Die Maxiinalpulszahl (HR_max) des Benutzers wird durch Gleichung [1] erhalten, und seine Normalpulszahl (HR_normal) wird in Ruhe gemessen. Das bei diesem Ausführungsbeispiel gewählte Übungsniveau ist 50%. Daher beträgt die Sollpuls zahl des Benutzers 124 Schläge/min, was durch Gleichung [3] repräsentiert ist. Zusätzlich wird die erste Leistung ge trennt aus statistisch erhaltenen Daten abhängig vom Alter und Geschlecht bestimmt, was in Tabelle 2 aufgelistet ist, und in einem Speicher des Leistungsreglers 6 des Fahrrader gometers 1 abgespeichert. Details für das zweite Ausfüh rungsbeispiel sind in Tabelle 3 aufgelistet.

TABELLE 2

TABELLE 3

DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Die körperliche Belastbarkeit eines Benutzers wird als maxi males aerobes Aufnahmevermögen desselben abgeschätzt, bei dem es sich um die maximale Leistung entsprechend der Maxi malpulszahl des Benutzers handelt. Die Maximalpulszahl wird durch Gleichung [1] oder [2] repräsentiert. Die maximale Leistung wird dadurch bestimmt, daß die Regressionslinie der Leistung über der Pulszahl des Benutzers extrapoliert wird. Die Regressionslinie wird durch das folgende Verfahren er stellt. Eine variable Leistung wird in fünf aufeinanderfol genden Übungsschritten erhöht, und in jedem Übungsschritt werden die Pulszahl des Benutzers und die Leistung gemessen. Beim ersten Übungsschritt wird dem Benutzer eine erste Lei stung für 1 min auferlegt. Die erste Leistung wird dadurch festgelegt, daß ein erstes Übungsniveau (%)/100 mit einem ersten maximalen aeroben Aufnahmevermögen multipliziert wird, das dadurch abgeschätzt wird, daß das Alter, das Ge schlecht und das Körpergewicht des Benutzers als Parameter in eine erste Modellgleichung mit mehreren Variablen einge geben werden. In jedem der Übungsschritte 2 bis 5 wird die dem Benutzer auferlegte Leistung dadurch festgelegt, daß ein Übungsniveau (%)/100 für den Übungsschritt mit einem maxima len aeroben Aufnahmevermögen multipliziert wird, das dadurch abgeschätzt wird, daß das Alter, das Geschlecht, das Körper gewicht, die gemessene Pulszahl, die auferlegte Leistung und das abgeschätzte maximale aerobe Aufnahmevermögen im vorigen Übungsschritt, der Integrationswert der Pulszahl, der Inte grationswert der Leistung als Parameter in eine zweite Mo dellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden. Das Übungsniveau (%) und die Leistungsauferlegungszeit für jeden Übungsschritt sind in Tabelle 4 aufgelistet. Die Summe der Leistungsauferlegungszeiten beträgt 16 min. Aus den so er haltenen Daten wird die körperliche Belastbarkeit des Benut zers dadurch abgeschätzt, daß die Regressionslinie für die Leistung über der Pulszahl erstellt wird, und durch Extra polation der Regressionslinie die maximale Leistung ermit telt wird, die der maximalen Pulszahl des Benutzers ent spricht.

Übrigens wurde die beim dritten Ausführungsbeispiel verwen dete zweite Modellgleichung gemäß einer Neuronalnetzwerkana lyse erstellt, und es wurde dafür gesorgt, daß 40.000 Mal aus statistisch erhaltenen Daten gelernt wurde, um die Ge nauigkeit für das abgeschätzte maximale aerobe Aufnahmever mögen zu erhöhen. Darüber hinaus wurde die Modellgleichung zum Verbessern der Betriebsgeschwindigkeit in eine verein fachte Modellgleichung abgeändert. Details zum dritten Aus führungsbeispiel sind in Tabelle 4 zusammengefaßt.

TABELLE 4

VIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Die körperliche Belastbarkeit eines Benutzers wird im we sentlichen mit demselben Verfahren wie beim dritten Ausfüh rungsbeispiel bestimmt, mit der Ausnahme, daß die erste Lei stung im Bereich von 20 bis 40 W abhängig vom Alter und dem Geschlecht des Benutzers gewählt wird und die Eingangspara meter für die zweite Modellgleichung mit mehreren Variablen die auferlegte Leistung und die gemessene Pulszahl im direkt vorausgehenden Übungsschritt sind. Details zum vierten Aus führungsbeispiel sind in Tabelle 5 zusammengefaßt.

TABELLE 5

FÜNFTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Die körperliche Belastbarkeit eines Benutzers wird im we sentlichen mit demselben Verfahren wie beim dritten Ausfüh rungsbeispiel bestimmt, mit der Ausnahme, daß die erste Lei stung aus der maximalen Sauerstoffaufnahme bestimmt wird, und zwar durch Eingeben des Alters, des Geschlechts und des Körpergewichts des Benutzers in eine dritte Modellgleichung mit mehreren Variablen, und auch dadurch, daß in jedem der Übungsschritte 2 bis 5 die dem Benutzer auferlegte Leistung aus einer maximalen Sauerstoffaufnahme bestimmt wird, die dadurch abgeschätzt wird, daß das Alter, das Geschlecht, das Körpergewicht, die gemessene Pulszahl, die auferlegte Lei stung und die abgeschätzte maximale Sauerstoffaufnahme im vorigen Übungsschritt, der Integrationswert der Pulszahl, der Integrationswert der Leistung in eine vierte Modellglei chung mit mehreren Variablen als Eingangsparameter eingege ben werden. Die für jeden Schritt abgeschätzte maximale Sauerstoffaufnahme (V_O₂_max) wird durch Gleichung [4] wie oben beschrieben in das maximale aerobe Aufnahmevermögen um gewandelt.

Details zum fünften Ausführungsbeispiel sind in Tabelle 6 zusammengefaßt.

TABELLE 6

SECHSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Die körperliche Belastbarkeit eines Benutzers wird im we sentlichen mit demselben Verfahren wie beim dritten Ausfüh rungsbeispiel abgeschätzt, mit der Ausnahme, daß die erste Leistung aus einer maximalen Sauerstoffaufnahme bestimmt wird, die dadurch abgeschätzt wird, daß das Alter, das Ge schlecht und das Körpergewicht des Benutzers als Parameter in eine dritte Modellgleichung mit mehreren Variablen einge geben werden und daß in jedem der Übungsschritte 2 bis 5 die dem Benutzer auferlegte Leistung aus einer maximalen Sauer stoffaufnahme bestimmt wird, die dadurch abgeschätzt wird, daß eine Altersstufe, das Geschlecht, eine Körpergewichts stufe, die gemessene Pulszahl, die auferlegte Leistung und die abgeschätzte maximale Sauerstoffaufnahme im vorigen Übungsschritt, der Integrationswert der Pulszahl, der Inte grationswert der Leistung als Eingangsparameter in eine vierte Modellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Alter in zwei Stufen unterteilt, mit einer Gruppe Älterer mit 45 Jahren oder darüber und einer Gruppe Jüngerer mit unter 45 Jahren. Andererseits ist das Körpergewicht der männlichen Benutzer in zwei Stufen mit einer Gruppe schwerer Benutzer mit 60 kg oder mehr und eine Gruppe leichter Benutzer mit unter 60 kg aufgeteilt. Zusätzlich ist das Körpergewicht der weiblichen Benutzer in zwei Stufen unterteilt, mit einer Gruppe schwe rer Benutzer mit 50 kg oder mehr und einer Gruppe leichter Benutzer mit weniger als 50 kg. Einzelheiten zum sechsten Ausführungsbeispiel sind in Tabelle 7 zusammengefaßt.

TABELLE 7

SIEBTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Die körperliche Belastbarkeit eines Benutzers wird im we sentlichen mit demselben Verfahren wie beim dritten Ausfüh rungsbeispiel abgeschätzt, mit Ausnahme der folgenden Punk te. Die Leistung wird frühzeitig und fein während jedes Übungsschritts gemäß dem dritten Ausführungsbeispiels da durch eingestellt, daß als Fuzzy-Einstellverfahren eine Ein stelltabelle verwendet wird, die dadurch erstellt wurde, daß Mitgliedsfunktionen mit einem "Mittlere-Last"-Verfahren ana lysiert wurden. Die Einstellung erfolgt doppelt, d. h. nach 1 min und 2 min nach Beginn jedes Übungsschritts.

Als Beispiel wird eine Analyse für Mitgliedsfunktionen kurz anhand von Fig. 3 erläutert. Wenn die dem Benutzer auferleg te Leistung z. B. 90 W beträgt und die Differenz (Herz schläge) zwischen der Soll- und der Istpulszahl des Benut zers z. B. -8 Schläge in einem Übungsschritt beträgt, werden Koeffizienten α1 und β1, die der Leistung bzw. der Differenz zwischen den Pulszahlen entsprechen, aus Diagrammen (a)-I und II erhalten. Der kleinere der Koeffizienten wird mit +10 (W) multipliziert, was ein mittlerer Einstellwert (Δ_mittel) ist, der aus der folgenden Gleichung erhalten wird:

Δ_mittel = (W_max + W_min)/2,

wobei W_max und W_min Maximal- und Minimaleinstellwerte im Diagramm (a)-III sind. In diesem Fall wird, da diese Koeffi zienten α1 und β1 jeweils ungefähr 0,8 bzw. 0,5 sind, 0,5 mit +10 multipliziert. Ein ähnlicher Ablauf wird für die Diagramme (b) bis (d) wiederholt., so daß der optimale Ein stellwert (Δ_optimal) für diesen Fall durch die folgende Gleichung repräsentiert wird:

α_optimal = (α1×10 + β2×-10 + α3×15 + α4×-15)/ (α1 + β2 + α3 + β4),

wobei α1 bis α4 und β1 bis β4 Koeffizienten sind, die aus den Diagrammen (a)-I, II, (b)-I, II, (c)-I, II und (d)-I, II mit der folgenden Beziehung erhalten werden β1 < α1, α2 < β2, β3 < α3, α4 < β4. Daher wird die dem Benutzer auferlegte Leistung, 90 (W), durch die Analyse der Mitgliedsfunktionen auf 90 + Δ_optimal (W) eingestellt.

Im Ergebnis wird selbst dann, wenn dem Benutzer eine über mäßige Leistung auferlegt wird, diese während des Übungs schritts angemessen so eingestellt, daß eine lange Tätigkeit des Benutzers bei der überhöhten Leistung verhindert wird.

ACHTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Die körperliche Belastbarkeit eines Benutzers wird im we sentlichen mit demselben Verfahren wie beim siebten Ausfüh rungsbeispiel abgeschätzt, mit Ausnahme der folgenden Punk te. Dem Benutzer wird bei jedem Übungsschritt beim achten Ausführungsbeispiel eine modifizierte Leistung auferlegt, die durch Multiplizieren der in jedem Übungsschritt beim siebten Ausführungsbeispiel bestimmten Leistung mit einem Sicherheitskoeffizienten kleiner 1 erhalten wird, wie in Tabelle 8 aufgelistet. In diesem Fall wird, da eine Einstel lung leicht nur durch Erhöhen der modifizierten Leistung gemäß dem Fuzzy-Einstellverfahren erfolgen kann, dem Benut zer in keinem Fall eine übermäßige Leistung auferlegt, so daß dies für sicheres Training und eine sichere Untersuchung der körperlichen Belastbarkeit des Benutzers sorgt.

TABELLE 8

NEUNTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Die körperliche Belastbarkeit eines Benutzers wird aus sei ner maximalen Sauerstoffaufnahme bestimmt. D. h., daß dem Benutzer eine erste Leistung für 1 min auferlegt wird und die erste Pulszahl des Benutzers unter der ersten Leistung gemessen wird. Die erste Leistung wird dadurch festgelegt, daß ein Übungsniveau (%)/100 mit einer ersten maximalen Sauerstoffaufnahme multipliziert wird, die dadurch abge schätzt wird, daß das Alter, das Geschlecht und das Körper gewicht des Benutzers als Eingangsparameter in eine erste Modellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt das Übungsniveau 30%. Anschließend wird eine zweite maximale Sauerstoffauf nahme dadurch abgeschätzt, daß das Alter, das Geschlecht, das Körpergewicht, die erste Leistung, die erste Pulszahl und die erste maximale Sauerstoffaufnahme als Eingangspara meter in eine zweite Modellgleichung mit mehreren Variablen eingegeben werden. Die zweite maximale Sauerstoffaufnahme wird durch Gleichung [4] in ein maximales aerobes Aufnahme vermögen umgewandelt. Das so erhaltene maximale aerobe Auf nahmevermögen wird als körperliche Belastbarkeit des Benut zers festgelegt. Übrigens wird die zweite Modellgleichung mit mehreren Variablen gemäß einer Neuronalnetzwerkanalyse er stellt, und es wird dafür gesorgt, daß 40.000 Mal mit stati stisch erhaltenen Daten gelernt wird, um die Genauigkeit für die abgeschätzte maximale Sauerstoffaufnahme zu verbessern. Einzelheiten für das neunte Ausführungsbeispiel sind in Ta belle 9 zusammengefaßt.

TABELLE 9

Claims

1. Verfahren zum Festlegen einer einer Sollpulszahl eines Benutzers entsprechenden optimalen Belastung gemäß eines ge wünschten Übungsniveaus mit den Verfahrensschritten:
Messen einer ersten stationären Pulszahl des Benutzers während eines ersten Übungszyklus, bei dem dem Benutzer eine erste Belastung auferlegt wird, die abhängig von der ge wünschten Sollpulszahl, experimentell aus bei Versuchsperso nen ermittelten Daten über die Beziehung zwischen der aufer legten Belastung, der Pulszahl des Benutzers sowie mindestens einer der Größen Alter, Geschlecht, Körpergewicht, Körper größe und Gesamtkörperfett festgelegt wird; und
Eingeben der ersten Belastung und der bei dem ersten Übungszyklus gemessenen stationären Pulszahl als Eingangspa rameter in eine Modellgleichung, die eine Beziehung zwischen einer dem Benutzer auferlegten Belastung und mehreren Varia blen aus bei Versuchspersonen experimentell ermittelten Daten herstellt, wobei die Variablen bereits erfolgten Belastungen des Benutzers, die bei diesen Belastungen gemessenen Pulszah len sowie mindestens eine der Größen Alter, Geschlecht, Kör pergröße, Körpergewicht, Gesamtkörperfett, für die bereits erfolgte Belastung abgeschätztes maximales aerobes Aufnahme vermögen oder maximale Sauerstoffaufnahme und bereits erfolg te Belastungszeiten sind, und die durch die folgende Bezie hung wiedergegeben wird: wobei W die Belastung, C eine Konstante, vi eine Variable, Di ein jeder Variablen zugeordneter Koeffizient und n die Anzahl der Variablen ist, um dadurch eine optimale zweite Belastung für den Benutzer zu bestimmen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende weitere Verfahrensschritte aufweist:
Messen mindestens einer zweiten stationären Pulszahl des Benutzers während mindestens eines zweiten Übungszyklus, bei dem dem Benutzer die optimale zweite Belastung auferlegt wird; und
Eingeben der im zweiten Übungszyklus auferlegten Bela stung und der gemessenen stationären Pulszahl in die Modellgleichung, um dadurch eine optimale dritte Belastung zu bestimmen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Sollpulszahl HR_soll durch die folgende Glei chung festgelegt wird: HR_soll = (HR_max - HR_normal)×EL/100 + HR_normal,wobei HR_normal eine bei Ruhe gemessene Normalpulszahl des Benutzers, HR_max eine Maximalpulszahl des Benutzers und EL ein gewünschtes Übungsniveau (%) ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übungsniveau EL (%) im Bereich von 30 bis 80 liegt.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die dem Benutzer auferlegte Belastung mit tels eines eine Mitgliedsfunktion verwendenden Fuzzy-Ein stellverfahrens während des Übungszyklus angepaßt wird, wobei als Parameter die Differenz zwischen der Soll- und der Ist pulszahl während des Übungszyklus oder die auferlegte Bela stung im Übungszyklus und die Belastungsdauer dienen.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die dem Benutzer auferlegte Belastung mit tels einer Einstelltabelle angepaßt wird, wobei als Parameter die Differenz zwischen der Soll- und der Istpulszahl während des Übungszyklus oder die auferlegte Belastung im Übungszy klus und die Belastungsdauer dienen.

7. Verfahren gemäß einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß dem Benutzer im Übungszyklus eine modifizierte Belastung auferlegt wird, die dadurch erhalten wird, daß die Belastung mit einem Sicherheitskoeffizienten < 1 multipli ziert wird.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens eine weitere Sollpulszahl fest gelegt und für diese Sollpulszahl die optimale Belastung mit Hilfe der Modellgleichung ermittelt wird, so daß eine Regres sionslinie des Benutzers für die optimale Belastung bezogen auf die Sollpulszahl erhalten wird, die die körperliche Be lastbarkeit des Benutzers festlegt.