DE69331819T2

DE69331819T2 - Übungssystem zur Überwachung des physiologischen Übungsgrades

Info

Publication number: DE69331819T2
Application number: DE69331819T
Authority: DE
Inventors: Donald J. Alexander; Emil S. Golen; Robert L. Hood; Tomas F. Leon; Gary E. Oglesby; Robert E. Quast; David J. Thum
Original assignee: Life Fitness LLC
Current assignee: Life Fitness LLC
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1993-05-07
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2013-05-08
Also published as: CA2095999C; DE69333940T2; US5403252A; CA2095999A1; DE69333940D1; EP0569879B1; DE69333959T2; EP1029506A3; EP1029507A3; EP1029506A2; DE69333959D1; EP1029507A2; EP0569879A2; EP0569879A3; EP1029506B1; DE69331819D1; EP1029507B1

Description

Bereich der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Aerob-Trainingsgeräte, insbesondere auf Trainingsgeräte mit Belastungen, die variabel sind, um den Herzschlag bzw. den Puls des Benutzers oder andere physiologische Bedingungen auf eine voreingestellten Niveau zu halten.

Hintergrund der Erfindung

Training im allgemeinen und insbesondere aerobes Training ist für den Menschen wertvoll, weil es das Atmungs- und Kreislaufsystem beeinflußt und verbessert. Training wird teilweise durch Intensität und teilweise durch Dauer charakterisiert. Intensität, welche als die von einem Menschen aufgebrachte Anstrengung angesehen werden kann, wird in der physiologischen Verfassung des Menschen reflektiert. Zum Beispiel erhöhen sich der Puls, die Atmung und der Stoffwechsel mit der Trainingsintensität und sie werden im folgenden als die "physiologischen Indikatoren der Intensität" bezeichnet.
Während die Trainingsintensität ein physiologisches Phänomen ist und durch eine der physiologischen Indikatoren in geeigneter Weise gemessen wird, ist sie auch außerhalb des Körpers durch die physikalische Bewegung oder die physikalisch meßbare Arbeit feststellbar, die von dem Menschen verrichtet wird. ZUM BEISPIEL gibt bei einem festgelegten Widerstandsniveau die Anzahl der Pedalumdrehungen auf einem stationären Trainingsfahrrad ein Anzeichen für das Niveau der Trainingsintensität eines Menschen. Diese Art von Anzeichen wird im folgenden als von außen meßbarer "physikalischer Indikator der Intensität" bezeichnet.
Während physikalische Indikatoren der Intensität, wie zum Beispiel Ergometer oder Tachometer, leichter anzubringen sind als physiologische Indikatoren der Intensität, ist ihre Verwendbarkeit aufgrund der Subjektivität des Trainings begrenzt. ZUM BEISPIEL würde man meinen, daß zwei Personen, die ein stationäres Fahrrad mit derselben Geschwindigkeit und demselben Widerstand fahren, das gleiche Niveau der Trainingsintensität, basierend auf von außen meßbaren physikalischen Indikatoren, wie zum Beispiel Pedalumdrehung, haben. Abhängig von dem Fitneßniveau ihrer Person, könnten ihre jeweiligen Niveaus der Trainingsintensität (wie sie mit einem der physiologischen Indikatoren gemessen werden) sehr unterschiedlich sein.
Für ein effektives aerobes Training ist es notwendig, daß die physiologische Intensität eine bestimmte minimale Schwelle erreicht. Gleichzeitig wird das Training, falls es zu intensiv ist, hauptsächlich anaerob (d. h. es herrscht Sauerstoffmangel). Training auf einem exzessiven Intensitätsniveau führt nicht zu zusätzlichen Verbesserungen der aeroben Fitneß des Körpers.
Aus diesem Grund liegt zwischen der oberen und der unteren Schwelle der Trainingsintensität der aerobe Trainingsbereich. Es ist aus diesem Grund wichtig, die Intensitätsniveaus zu überwachen, um sicherzustellen, daß die Intensität in diesem Trainingsbereich fällt. Um die Intensität zu überwachen, kann eine Vielzahl von physiologischen Zuständen bzw. Bedingungen inspiziert werden, einschließlich des Pulses, der Atmung als ein Prozentsatz von maximaler Sauerstoffzufuhr und Stoffwechsel.
Typischerweise erfordert eine solche Überwachung einen Sensor, der in physikalischem Kontakt mit einer Person steht, um den Puls oder ähnliches der Person zu messen. Die Person kann dann von seinem oder ihrem Niveau der Trainingsintensität in Kenntnis gesetzt werden. Ein einfaches Beispiel hiervon ist jemand auf einem stationären Trainingsfahrrad, der seinen oder ihren eigenen Puls nach dem Training mißt, um festzustellen, ob er oder sie ein ausreichendes Niveau von aerober Intensität erreicht hat.
Ein besser geeigneter Versuch ist jedoch, Biofeedback- Techniken zum periodischen Anpassen der Trainingsintensität als Reaktion auf die physiologischen Indikatoren der Intensität, wie zum Beispiel des Pulses, zu verwenden. Beispiele solcher Vorrichtungen sind angegeben in den US-Patenten Nr. 3,395,698 und 3,744,480. Obwohl theoretisch jeder der physiologischen Indikatoren verwendet werden kann, ist es am praktischsten, den Puls zu verwenden, weshalb die hierin angegebenen Beispiele sämtliche den Puls als den physiologischen Indikator der Intensität verwenden.
Vorrichtungen, welche Biofeedback-Techniken verwenden, beinhalten Trainingsfahrräder mit variablem Belastungswiderstand gegen die Pedalbewegung. Dieser Widerstand kann durch allgemein bekannte mechanische und elektrische Einrichtungen aufgebracht werden, einschließlich Generatoren (Wechselstromgeneratoren), welche mittels Ketten oder Riemen mit den Pedalen verbunden werden können.
Bei solchen Vorrichtungen ist ein Pulsmesser mit dem Benutzer verbunden, typischerweise mittels eines Ohrclips. Ein Zielpuls wird ausgewählt und zwar entweder durch den Benutzer oder automatisch durch die Vorrichtung. Während der Benutzer trainiert, wird sein oder ihr Puls periodisch gemessen und mit dem Zielpuls verglichen. Falls der Puls des Benutzers unterhalb des Ziels liegt, wird der Belastungswiderstand erhöht. In umgekehrter Weise wird der Belastungswiderstand verringert, falls der Puls des Benutzers oberhalb des Zielpulses liegt.
Auf diese Art und Weise funktionieren diese Trainingsgeräte als "Biofeedback-Typ-Systeme". Sie verändern den Belastungswiderstand als eine Funktion des Pulses, um den Puls (d. h. die physiologische Trainingsintensität) des Benutzers an oder im Bereich des gewünschten Zielniveaus zu etablieren und zu halten. Aus einer Vielzahl von Gründen sind diese Vorrichtungen weniger als optimal.
Insbesondere für einen effektiven Betrieb hängen diese Systeme von der kontinuierlichen Zugänglichkeit von Daten bezüglich des Pulses ab. Beispielsweise, falls der Benutzer einen Ohrclip trägt, könnten die Daten bezüglich des Pulses während des gesamten Trainings zugänglich sein.
Es gab jedoch in letzter Zeit Fortschritte in der Technologie zur Ermittlung des Pulses, wie in der US- A-5,243,993 beschrieben (angemeldet vom Anmelder dieser Anmeldung). Im Gegensatz zu älteren Techniken zur Ermittlung des Pulses, welche lästige Ohrclips oder ähnliches erforderten, mißt diese neue Ermittlungstechnologie den Puls eines Benutzers, sobald seine oder ihre Hände sich auf den Handgriffen des Trainingsgerätes befinden. Solche Handgriffe können zum Beispiel am Lenker eines Trainingsfahrrads angeordnet sein.
Ein Nachteil des Anbringens der Detektoren auf den Handgriffen bei einem Pulsmeßsystem ist jedoch, daß der Benutzer dazu tendiert, seine Hände von Zeit zu Zeit von den Handgriffen zu nehmen. Wenn die Hände des Benutzers entfernt sind, erhält das Gerät des Biofeedback-Typs keine Information über den Puls des Benutzers. Um für die Praxis geeignet zu sein, sollte ein Pulsmanagementsystem auch weiterhin einen effektiven Betrieb gewährleisten, wenn der Fluß der Pulsdaten für eine Zeitdauer von bis zu 90 Sekunden unterbrochen ist. Bestehende Systeme sind nicht so ausgeführt, daß sie mit unterbrochenen Pulssignalen umgehen können.
Des weiteren wurde es erwünscht, daß Systeme nicht nur in der Lage sein sollen, unterbrochene Pulsdaten zu verarbeiten, sondern sie sollten auch die Benutzer von Zeit zu Zeit dazu auffordern, ihre Hände von den Handgriffen zu nehmen (oder auf andere Art und Weise den Sensor außer Eingriff zu nehmen). Auf diese Art und Weise fühlt sich der Benutzer nicht an das Pulsmeßgerät "angekettet" und ist frei, seine oder ihre Augenbrauen abzuwischen, die Seiten eines Buches umzublättern, einen persönlichen Kassettenspieler einzustellen oder jedes beliebige der vielen Dinge zu tun, die eine Person, die ein Trainingsfahrrad fährt, gerne tut, um sich von dem ansonsten langweiligen Training abzulenken.
Wie bereits oben erläutert, sind von außen meßbare Indikatoren der Trainingsintensität (wie zum Beispiel Pedalgeschwindigkeit) auf das tatsächliche physiologische Niveau der Trainingsintensität des Benutzers bezogen, sie sind jedoch von begrenztem Wert als Werkzeuge zum Messen dieser Intensität, weil sie nicht für jeden individuellen Benutzer kalibriert sind. Aus diesem Grund haben sich Geräte des Biofeedback-Typs in der Vergangenheit auf den Puls verlassen und haben keine externen Indikatoren (wie zum Beispiel Pedalumdrehung) in Verbindung mit physiologischen Daten verwendet, um die höchstmögliche Leistung zu erreichen.
Des weiteren tendieren in bekannten Geräten die Belastungsänderungen dazu, zu abrupt und zu häufig zu sein. Vorzugsweise sollten für die meisten Menschen Belastungswechsel allmählich und stufenweise sein. Andererseits kann es wünschenswert sein, die Belastungsänderungen für Personen mit besserer physischer Kondition dramatischer zu machen. Es ist außerdem wünschenswert, daß das Gerät Veränderungen bezüglich des Pulses des Benutzers voraussieht, so daß die Belastung früher und damit noch allmählicher angepaßt werden kann.
Treppensteigen wird als eine besonders effektive Art des aeroben Trainings angesehen und aus diesem Grund werden Trainingsgeräte, die diese Art des Trainings anwenden, mehr und mehr populär.
Es wurde eine Vielzahl von Versuchen bezüglich der Konstruktion von Treppensteige-Geräten unternommen, einschließlich der Simulation eines echten Treppenaufgangs, wie in den US-Patenten Nr. 3,497,21 und 4,687,195 beschrieben. Ein weiterer Versuch lag darin, die Bewegung des Treppensteigens durch die Verwendung eines Paares von reziprokierenden bzw. sich auf- und abwärts bewegenden Pedalen zu simulieren.
Ein Beispiel eines jüngeren Versuchs ist in dem US- Patent Nr. 5,135,447 beschrieben, welches an Robards, Jr. et al. am 4. August 1992 ausgegeben wurde. Andere Beispiele dieses Maschinentyps sind beschrieben in den US-Patenten Nr. 3,316,819, 3,529,474, 3,628,791, 3,979,302, 4,496,147, 4,600,187, 4,676,501 und 4,720,093.
Wie beispielhaft im US-Patent Nr. 5,135,447 beschrieben, beinhalten diese Maschinen ein Paar Pedale, welche für eine vertikale, hin- und hergehende Bewegung vorgesehen sind, um für den Benutzer, der auf den Pedalen steht, eine simulierte Steigübung bereitzustellen. Die vertikale, hin- und hergehende Bewegung wird typischerweise durch geeignete Systeme, zum Beispiel aus Riemen, Zahnrädern und Kupplungen, in eine Drehbewegung umgewandelt.
Dieser Drehbewegung (welche auf eine Welle, ein Schwungrad oder ähnliches aufgebracht werden kann) wird eine Widerstandskraft mittels einer variablen Quelle entgegengerichtet, typischerweise einem Generator, einer Wirbelstrombremse oder ähnliches. Der Generator reagiert auf ein Kontroll- bzw. Steuersignal zur selektiven Variation des Widerstandsniveaus. Wenn die Trainingsrate bzw. das Trainingsniveau des Benutzers eine vorbestimmte Schwelle erreicht, führt das Kontrollsignal dazu, daß sich der Widerstand deutlich erhöht. Der höhere Widerstand zwingt den Benutzer dazu, seine oder ihre Trainingsrate zu verringern. Auf diese Art und Weise wurden variable Widerstandsgeräte, wie zum Beispiel Generatoren, verwendet, um die Trainingsrate des Benutzers zu steuern. Die Trainingsrate des Benutzers wird auch dadurch gesteuert, daß der Benutzer dazu bewegt wird, die Pedale schneller oder langsamer zu betätigen. Als Konsequenz werden Veränderungen in der Trainingsintensität durch Verändern der Rate, mit welcher der Benutzer die Pedale betätigt, erreicht.
Die US 4,898,182 beschreibt ein Trainingsgerät, welches Informationen über einen Benutzer erlangt, um ein Zielniveau für die Trainingsintensität festzulegen.
Im allgemeinen ist die Aufgabe dieser Systeme, das Treppensteigen zu simulieren. Treppensteigen ist durch seine gleichförmige, sich wiederholende Natur charakterisiert. Idealerweise sollten Treppensteige-Geräte eine dynamischere Steigesimulation zur Verfügung stellen, um das Interesse des Benutzers zu erhöhen.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Trainingsgerät zum Steuern der physiologischen Intensität des Trainings zu schaffen. Das Gerät ist nicht nur sehr effektiv, sondern ermöglicht dem Benutzer den Komfort und die Bequemlichkeit, in der Lage zu sein, die Pulssensoren periodisch abzunehmen und mit verschiedenen Geschwindigkeiten zu trainieren. Des weiteren arbeiten Geräte, die gemäß der Erfindung gebaut sind, auch dann effektiv, wenn das Signal, das den Puls repräsentiert, für eine Zeitdauer von bis zu neunzig Sekunden unterbrochen wird. Die Erfindung verwendet extern meßbare physikalische Indikatoren der Trainingsintensität, wie zum Beispiel Pedalumdrehungen, in Verbindung mit physiologischen Indikatoren, wie zum Beispiel Herzrate bzw. Puls, für eine verbesserte Kontrolle der Trainingsintensität.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Trainingsgerät, wie zum Beispiel ein stationäres Fahrrad, um den Puls des Benutzers während des Trainings in die Nähe des Zielpulses zu bringen und dort zu halten, vorgesehen. Das Gerät weist Pedale oder andere geeignete Elemente auf, welche durch den Benutzer in einer Trainingsbewegung bewegt werden. Eine Belastungseinrichtung arbeitet entgegen der Bewegung der Pedale mit auswählbaren Widerstandsniveaus. Somit ist die Schwierigkeit des Tretens der Pedale einstellbar, um die Trainingsintensität zu variieren.
Ein Sensor, vorzugsweise an dem Lenker des Fahrrads angebracht, mißt den Puls des Benutzers, während ein Tachometer die Geschwindigkeit mißt, mit der der Benutzer die Pedale betätigt. Ein interner Computer oder ein anderer geeigneter Steuerkreis ist mit dem Sensor, dem Tachometer und der Belastungseinrichtung verbunden. Ein Steuerpult, welches ebenfalls mit dem Computer verbunden ist, stellt dem Benutzer eine Anzeige mit Informationen zur Verfügung, einschließlich Puls, Drehzahl und Belastungsniveau. Eine Tastatur auf dem Steuerpult ermöglicht es dem Benutzer, Informationen wie zum Beispiel sein oder ihr Alter oder den gewünschten Zielpuls einzugeben.
Während des Anfangsabschnitts des Trainings liest der Computer den Puls des Benutzers und stellt die Belastungseinrichtung ein, um das Betätigen der Pedale schwerer oder leichter zu machen, um den Puls des Benutzers in die Nähe des Zielniveaus zu bringen und dort zu halten. Zum Beispiel, falls der Puls des Benutzers unterhalb des Zielpulses lag und sich nicht erhöhte, würde der Computer die Belastungseinrichtung so einstellen, daß das Betätigen der Pedale schwieriger wird, was dazu führt, daß der Puls des Benutzers erhöht wird.
Wenn der Benutzer den Zielpuls erreicht hat, fordert der Computer den Benutzer von Zeit zu Zeit auf, durch das Entfernen seiner oder ihrer Hände von dem Lenker für eine begrenzte Zeitdauer mit dem Sensor außer Eingriff zu gehen. Dies gibt dem Benutzer die Freiheit, seine oder ihre Hände während des Trainings zu verwenden, ohne an die Sensoren "gefesselt" zu sein. Die Zeitdauer, während welcher es dem Benutzer erlaubt ist, seine oder ihre Hände von dem Sensor entfernt zu halten, wird durch den Computer, basierend auf vorhergehenden Änderungen des Pulses des Benutzers, ermittelt.
Wenn die Hände des Benutzers von den Sensoren entfernt sind, fährt der Computer fort, den Puls des Benutzers basierend auf Änderungen in dem Drehzahlniveau des Benutzers in der Nähe des Zielniveaus zu halten. Auf diese Art und Weise verwendet der Computer die Pedaldrehzahl (einen physikalischen Indikator der Trainingsintensität), um den Puls (einen physiologischen Indikator der Trainingsintensität) zu ergänzen. Der Computer stellt den Belastungswiderstand in Übereinstimmung mit der Pedaldrehzahl ein, um den Puls des Benutzers in der Nähe des Zielniveaus zu halten.
Insbesondere reduziert der Computer den Belastungswiderstand, falls der Benutzer über eine gewisse Zeitdauer die Pedale schneller betätigt, um die Erhöhung des Pulses des Benutzers vorherzusehen. Umgekehrt, falls der Benutzer die Pedale langsamer betätigt, erhöht der Computer den Belastungswiderstand, um den Rückgang des Pulses des Benutzers vorauszusehen.
Wie bereits oben diskutiert, ermöglicht die Drehzahl allein kein ausreichendes Anzeichen des wahren Niveaus der physiologischen Intensität eines individuellen Benutzers. Es wurde jedoch festgestellt, daß von außen meßbare physikalische Indikatoren, wie zum Beispiel Drehzahl, eine Bedeutung beim Steuern von physiologischer Trainingsintensität haben, wenn sie in Verbindung mit den physiologischen Indikatoren, wie zum Beispiel dem Puls, verwendet werden.
Somit verwendet der Computer, sobald der Pulssensor anzeigt, daß der Benutzer den Zielpuls erreicht hat, die Pedaldrehzahl, um die von dem Pulssensor erhaltene Information zu ergänzen, insbesondere während Zeiten, wenn die Pulsdaten nicht zugänglich sind (zum Beispiel wenn die Hände des Benutzers von den Pulssensoren entfernt sind). Auch wenn sich die Hände des Benutzers auf den Sensoren befinden, verwendet der Computer die Pedaldrehzahl, um Änderungen im Puls vorherzusehen. Durch das Vorhersehen von Änderungen im Puls werden die Belastungsanpassungen mehr stufenweise und der Puls gleichmäßiger. Wenn der Computer neue Pulsdaten benötigt, fordert er den Benutzer über ein visuelles Display auf, seine oder ihre Hände auf die Sensoren zu legen. Falls der Benutzer dies nicht innerhalb einer bestimmten Zeitdauer tut, startet der Computer ein Warnsignal, wie zum Beispiel eine Glocke. Falls der Benutzer die Aufforderung weiterhin ignoriert, verringert der Computer den Belastungswiderstand. Dies bringt den Benutzer dazu, seine Hände auf die Sensoren zu legen und hält den Benutzer davon ab, über sein aerobes Niveau zu trainieren.
Die Erfindung kann auch als Zubehörsatz ausgeführt sein, welcher Sensoren, Steuerungen und Computer aufweist und zum Aufrüsten von bestehenden Trainingsgeräten separat verkauft werden könnte.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Trainingsintensitäts-Managementsystem zu schaffen, welches es nicht erfordert, daß der Benutzer dauerhaft mit einem Pulsmeßgerät verbunden ist. Des weiteren fordert das System den Benutzer tatsächlich auf, das Meßgerät loszulassen bzw. außer Eingriff zu bringen und fordert den Benutzer periodisch auf, das Meßgerät je nach Bedarf wieder in Angriff zu bringen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Trainings-Managementsystem zu schaffen, welches den Belastungswiderstand des Trainingsgeräts als Reaktion auf Änderungen des Trainingsniveaus des Benutzers (oder andere von außen zugängliche physikalische Indikatoren) und des Pulses des Benutzers anpaßt.
Ein bevorzugtes Ziel der Erfindung ist es, ein Trainingsgerät zur dynamischen Simulation des Bergsteigetrainings zu schaffen.
Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Treppensteige-Trainingsgerät vorgesehen, welches einen Rahmen aufweist, an welchem zwei Pedale gelenkig angebracht sind, um einem Benutzer eine in vertikaler Richtung hin- und hergehende Trainingsbewegung anzubieten, und eine Steuereinrichtung bzw. -panel zur Eingabe und Ausgabe für den Benutzer. Eine dynamische Bremse, Generator oder ähnliches bringt ein variables Widerstandsniveau (über eine geeignete Übersetzung) gegen die Bewegung des Benutzers auf. Der Widerstand verändert sich automatisch über die Zeit gemäß einem Kontrollsignal, welches von einem Computer erzeugt wird. Der Wert des Kontrollsignals ist unabhängig von der Rate bzw. Frequenz, mit der der Benutzer die Pedale bedient.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung selektiert ein Computer oder ein anderer Regelkreis nacheinander eine Serie von verschiedenen Werten, welche Berg- bzw. Anstiegshöhen, Größen, Schwierigkeitsgrade oder ähnliche Maßnahmen zur Veränderung der Schwierigkeit entsprechen. Ein erstes Display zeigt nacheinander Bilder von Hügeln bzw. Bergen bzw. Anstiegen an. Jedes angezeigte Bild eines Anstiegs ist mit dem jeweils ausgewählten einer Serie von Schwierigkeitsgraden verbunden und dieser Wert wird graphisch als Teil von oder in visueller Verbindung mit dem Bild des Anstiegs repräsentiert.
Zum Beispiel zeigt bei der bevorzugten Ausführungsform ein LED-Display aufeinanderfolgende Anstiege durch Beleuchten einer vertikalen Säule von LEDs an. Der Wert oder "Höhe" des Anstiegs wird -durch die Anzahl der LEDs repräsentiert, welche in der Säule beleuchtet sind. Alternativ können hochentwickeltere Wiedergaben verwendet werden, einschließlich der Videodarstellung von Anstiegen.
Während jeder Anstieg angezeigt wird, erzeugt ein Steuerkreis ein Steuersignal, um den Belastungswiderstand gegen den Benutzer als eine Funktion des Schwierigkeitsgrads des angezeigten Anstiegs zu variieren.
Auf diese Art und Weise wird die Trainingsbewegung schwieriger, wenn die von dem ersten Display dargestellten Anstieg "höher" erscheinen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Steuersignal eine Impulsfolge. Jeder Impuls wird mit regelmäßigen Abständen von ungefähr 50 Millisekunden erzeugt. Die Breite (oder "Arbeitszyklus") von jedem Impuls wird jedoch vom Computer moduliert, um den Belastungswiderstand, der von dem Generator gegen die Bewegung des Benutzers aufgebracht wird, effektiv zu steuern.
Das Gerät kann auch eine Tastatur oder ähnliches zum Eingeben von Daten, wie zum Beispiel das Gewicht des Benutzers und/oder eines Belastungsniveaus aufweisen, welcher aus einem vorbestimmten Bereich ausgewählt wird. Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung wird der Arbeitszyklus des Steuersignals als eine Funktion des Schwierigkeitsgrades des angezeigten Anstiegs, dem Quadrat des Gewichts des Benutzers und dem eingegebenen Belastungsniveau des Benutzers moduliert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Trainingsfahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Trainings-Laufbandes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Trainingsgeräts zum Simulieren des Treppensteigens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 ist ein verallgemeinertes Blockdiagramm eines Trainingsgeräts gemäß der Erfindung;
Fig. 5 ist eine Darstellung eines Steuer- und Anzeigepults gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 bis Fig. 15 sind Logikflußdiagramme des Softwareprogrammiervorgangs in dem Speicher des Mikrocomputers von Fig. 4, welcher die durch die Erfindung festgelegten Funktionen aufführt;
Fig. 16 ist eine perspektivische Ansicht eines Treppensteige-Trainingsgeräts gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 17 ist ein Blockdiagramm des in Fig. 16 dargestellten Trainingsgeräts;
Fig. 18 ist eine Draufsicht auf ein Steuerpult, welches Teil des in Fig. 16 dargestellten Trainingsgeräts ist; und
Fig. 19 und 20 sind logische Flußdiagramme, welche den Betrieb des in Fig. 16 dargestellten Trainingsgeräts zeigen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

A. Technisches Umfeld

Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Puls-Managementsystem des Biofeedback-Typs mit neuen, nützlichen Merkmalen und einer überlegenen Leistung vorgesehen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 sind computergesteuerte Trainingsgeräte 20, 22 und 24 dargestellt, welche eine Ausführungsform der Erfindung bilden. Mit Ausnahme der im folgenden beschriebenen, erfindungsgemäßen Aspekte ist jedes der Geräte bekannt und von Herstellern, wie zum Beispiel Life Fitness aus Franklin Park, Illinois, kommerziell erhältlich.
Das Gerät 20 ist ein typisches Trainingsfahrrad und weist einen Rahmen 26 auf, auf welchem ein Benutzer sitzen kann. Der Benutzer trainiert durch Bewegen von Pedalen 28 in einer Trainingsbewegung. Ein Widerstands-Belastungsgerät (in Fig. 1 nicht dargestellt) ist innerhalb des Rahmens 26 aufgenommen und mit den Pedalen 28 mittels eines Riemens, einer Kette oder ähnlichem verbunden. Das Belastungsgerät bringt einen selektiv variablen Widerstand gegen die Bewegung der Pedale 28 auf. Das Belastungsgerät kann mechanisch oder elektromechanisch sein. Ein Beispiel eines solchen Geräts ist in dem US-Patent Nr. 4,817,938 angegeben, welches am 4. April 1989 veröffentlicht wurde.
Ein Steuerpult 30 weist eine Datenanzeige 32 und eine Tastatur 34 auf, welche eine Kommunikation zwischen einem internen Computer und dem Benutzer ermöglicht. Der interne Computer erzeugt ein Belastungssteuersignal, welches mit dem variablen Widerstandsbelastungsgerät verbunden ist. Auf diese Weise kann ein Benutzer ein spezielles Belastungsniveau über die Tastatur 34 auswählen. Der interne Computer erzeugt dann das geeignete Belastungssteuersignal.
Das Fahrrad 20 weist auch einen Pulsmonitor 36 auf, bei welchem es sich vorzugsweise um das Pulsermittlungssystem handelt, welches in der US-A-5,243,993 veröffentlicht ist. Der Monitor 36 weist vier Elektroden oder "Biopotential-Sensoren" 38 auf, welche auf einem Lenker 40 des Fahrrads 20 angebracht sind. Um den Monitor 36 in Eingriff zu bringen bzw. anzuschalten, berührt ein Benutzer, der das Fahrrad 20 fährt, die Elektroden 38 mit der Handfläche oder den Fingern seiner Hände.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist das Gerät 22 ein typisches Laufband, welches einen Rahmen 42 aufweist, der mit einem endlosen Band 44 versehen ist, auf welchem ein Benutzer rennt oder läuft. Die Bewegung des Bandes 44 hat die gleiche Funktion wie die Bewegung der Pedale 28 in dem Fahrrad 20. Das Laufband 22 weist auch einen Motor auf, welcher innerhalb des Rahmens 42 untergebracht und mit dem Band 44 verbunden ist. Der Motor treibt, unter der Steuerung eines Computers, das Band 44 mit einer voreingestellten Geschwindigkeit an. Ein Beispiel eines solchen Gerätes ergibt sich aus der US-A-5,382,207, angemeldet vom Anmelder der vorliegenden Anmeldung.
Wie oben in Verbindung mit dem Fahrrad 20 beschrieben, weist das Laufband 22 ebenfalls ein Schaltpult 46 auf, welches die Kommunikation zwischen einem Computer und dem Benutzer ermöglicht. Der Computer oder Benutzer erzeugt ein Geschwindigkeitssteuersignal, welches die Geschwindigkeit des Bandes 44 des Laufbandes 22 steuert. Der Computer erzeugt auch ein Neigungs-Steuersignal, welches es ermöglicht, daß das Band 44 nach Wahl mit einer Neigung relativ zu der Horizontalen angeordnet sein kann. Je steiler die Neigung bzw. der Anstieg, desto intensiver ist das Training eines Benutzers bei gegebener Geschwindigkeit des Bandes. Somit dient die Neigung als ein Belastungswiderstandsgerät zum Aufbringen eines selektiv variablen Widerstandes gegen die Trainingsbewegung des Benutzers. Das Laufband 22 weist auch einen Pulsmonitor auf, wie zum Beispiel den Pulsmonitor 36 des Fahrrads 22 (nicht dargestellt).
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist das Gerät 24 eine typische Treppensteige-Simulationsmaschine, welche einen Rahmen 48 aufweist, der mit sich in vertikaler Richtung auf- und abbewegenden Pedalen 50 versehen ist, auf welchen ein Benutzer steht, um eine aerobe Treppensteigebewegung zu simulieren. Ein Beispiel eines solchen Geräts ist in der US-A-5,238,462 angegeben, welche von dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung angemeldet ist. Die Bewegung der Pedale 50 weist eine vergleichbare Funktion wie die Bewegung der Pedale 28 bei dem Fahrrad 20 und des Bandes 44 bei dem Laufband 22 auf. Die Treppensteigemaschine 24 weist ebenfalls ein Widerstandsbelastungsgerät auf, welches innerhalb des Rahmens 48 untergebracht und mit den Pedalen 50 verbunden ist. Das Belastungsgerät bringt einen selektiv variablen Widerstand gegen die Bewegung der Pedale 50 auf. Das Belastungsgerät kann mechanisch oder elektromechanisch sein und dient dazu, die Trainingsintensität des Benutzers zu vergrößern. Alternativ könnte das Belastungsgerät die vertikale Distanz, um welche sich die Pedale 50 auf- und abbewegen, variieren, um eine größere Anstrengung pro Schritt zu schaffen.
Wie oben unter Bezugnahme auf das Fahrrad 20 beschrieben, weist die Treppensteigemaschine 24 auch ein Steuerpult 51 auf, welches die Kommunikation zwischen einem internen Computer und dem Benutzer ermöglicht. Der Computer erzeugt ein Belastungssteuersignal, welches mit dem variablen Belastungswiderstandsgerät verbunden ist. Das Gerät 24 weist auch einen Pulsmonitor auf (nicht dargestellt in Fig. 3), wie zum Beispiel den Pulssensormonitor 36 des Fahrrades 20.
Wie deutlich wird, können Geräte des Biofeedback-Typs, die die vorliegende Erfindung verwenden, eine Vielzahl von Formen aufweisen, einschließlich derjenigen von jeder der Geräte 20, 22 und 24. Jedes dieser Geräte weist ein bewegliches Element auf, wie zum Beispiel die Pedale 28 oder das Band 44, welches dem Benutzer eine Trainingsbewegung schafft. Die Bewegung des Geräts kann durch Hand oder Fuß erfolgen und kann kreisförmig, auf- und abwärts usw. erfolgen. Jedes Gerät weist auch einen Mechanismus zum Steuern der Schwierigkeit oder des Widerstands des Trainings auf. Dieser Mechanismus ist selektiv einstellbar, um die von dem Benutzer erfahrene Trainingsintensität zu variieren. Durch die gesamte Anmeldung wird auf solche Geräte als Belastungsgeräte Bezug genommen, es wird jedoch deutlich, daß die Bezeichnung Belastungsgerät jede Vorrichtung (wie die oben beschriebenen) umfaßt, die verwendet werden kann, um die Intensität des Trainings des Benutzers zu erhöhen oder zu verringern.
Jedes Gerät 20, 22 und 24 weist auch einen Pulsmonitor zusammen mit analogen oder digitalen Verarbeitungsschaltungen auf zum Vergleichen des mittels des Pulssensors gemessenen Pulses mit einem voreingestellten oder Zielpuls. Wie oben beschrieben, ist der Puls nur einer der physiologischen Indikatoren der Trainingsintensität und wurde in den vorhergehenden Illustrationen aus Gründen der Bequemlichkeit verwendet. Es sollte deutlich sein, daß die Monitore auch andere physiologische Indikatoren messen können.
Schließlich ist jedes Gerät 20, 22 und 24 mit einem Niveausensor (nicht dargestellt in den Fig. 1 bis 3) ausgerüstet, welcher das Niveau der Trainingsaktivität (zum Beispiel Pedaldrehzahl) mißt. Es ist noch aus der Diskussion zum Hintergrund der Erfindung bekannt, daß außerhalb des Körpers observierbare Phänomene, wie zum Beispiel Pedalgeschwindigkeit, ein Anzeichen für die Trainingsintensität des Benutzers sind, und werden als von außen observierbare physikalische Indikatoren der Intensität bezeichnet. Sie können als ungefähre Annäherungen der wahren physiologischen Intensität angesehen werden, welche am besten durch einen physiologischen Indikator, wie zum Beispiel den Puls, gemessen werden.
Weil die Trainingsbewegungen bei den Geräte 20, 22 und 24 dazu tendieren, sich zu wiederholen, ist es hilfreich, diese Bewegungen bezüglich der Umdrehungen oder Zyklen pro Sekunde zu beschreiben. Zum Beispiel trainiert bei dem Trainingsfahrrad 20 der Benutzer durch das Rotieren der Pedale 28. Die Trainingsrate bzw. das Trainingsniveau ist einfach die Rate, mit welcher die Pedale 28 rotieren und wird in Umdrehungen pro Minute (U/min) ausgedrückt. Es ist deutlich, daß die Bezugnahmen in diesem Dokument auf U/min nicht nur jede Messung von Zyklen pro Sekunde von sich wiederholenden Trainingsbewegungen (wie zum Beispiel Treppensteigen) umfassen, sondern auch das breitere Konzept von von außen observierbaren physikalischen Indikatoren der Trainingsintensität.

B. Allgemeiner Betrieb der Erfindung

Der Einfachheit halber wird der Betrieb der Erfindung lediglich unter Bezugnahme auf das Fahrrad 20 beschrieben. Es sollte deutlich sein, daß bei dem Fahrrad 20 die Pedaldrehzahl als der von außen observierbare physikalische Indikator der Trainingsintensität ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung hält das Fahrrad 20 den Puls (oder einen anderen physiologischen Indikator der Trainingsintensität) des Benutzers in der Nähe eines Zielniveaus durch Anpassen des Belastungswiderstands als Reaktion auf den Puls des Benutzers. Das Fahrrad 20 kann den Puls des Benutzers sogar dann in der Nähe des Zielniveaus halten, wenn die Pulsdaten für eine begrenzte Zeitdauer nicht zugänglich sind.
Wenn der Benutzer den Zielpuls erreicht hat, verwendet das Fahrrad 20 auch die Pedaldrehzahl, um die Information, die es über den Puls erhält, zu unterstützen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform beginnt der Benutzer eine Trainingssitzung durch Eingabe seines Alters auf der Tastatur 34 des Steuerpults 30. Das System ermittelt dann einen Zielpuls basierend auf dem Alter des Benutzers gemäß einer geeigneten Formel. Alternativ kann der Benutzer einen Zielpuls festlegen. Der Benutzer gibt dann ein Anfangsniveau der Belastung ein.
Das Fahrrad 20 stellt dann den Belastungswiderstand auf das vom Benutzer ausgewählte Belastungsniveau für eine Aufwärmperiode von drei Minuten ein. Mit dem Abschluß der Aufwärmperiode fordert das Fahrrad 20 den Benutzer mittels der Datenanzeige 32 auf, seine Hände auf die Pulssensoren 38 zu legen. Wenn sich die Hände des Benutzers auf den Sensoren 38 befinden, wird der Puls des Benutzers auf der Datenanzeige 32 angezeigt und der Pulsmonitor 36 beginnt, den Puls des Benutzers periodisch aufzuzeichnen. Das Fahrrad 20 stellt die Belastung in Übereinstimmung mit dem Puls des Benutzers ein, um den Puls des Benutzers in die Nähe des Ziels zu bringen.
Wenn der Benutzer den Zielpuls erreicht oder überschritten hat, beginnt das Fahrrad 20 die Pedaldrehzahl (physikalischer Indikator der Trainingsintensität) zu benutzen, um den Puls (ein physiologischer Indikator der Trainingsintensität) zu ergänzen. Somit verringert das Fahrrad 20, wenn der Benutzer die Pedaldrehzahl erhöht, den Belastungswiderstand, um die Zunahme des Pulses des Benutzers vorherzusehen. Umgekehrt, falls der Benutzer die Pedaldrehzahl verringert, erhöht das Fahrrad 20 den Belastungswiderstand, um den sich verringernden Puls des Benutzers vorherzusehen.
Wie oben diskutiert, erzeugen auf physikalischen Gegebenheiten basierende Indikatoren der Trainingsintensität (wie zum Beispiel Pedaldrehzahl) nicht von selbst geeignete Indikatoren des wahren Niveaus der physiologischen Intensität des einzelnen Benutzers. Wir haben jedoch festgestellt, daß auf physikalischen Gegebenheiten basierende Indikatoren einen Wert beim Managen von physiologischer Trainingsintensität haben, wenn sie in Verbindung mit den physiologischen Indikatoren benutzt werden.
Im Falle des Fahrrads 20 wird der Puls verwendet, um die physiologische Trainingsintensität zu messen, und die Pedaldrehzahl wird verwendet, um das physikalische Niveau der Trainingsintensität zu messen. Wenn der Benutzer den Zielpuls erreicht hat, steht der Puls des Benutzers in enger Verbindung mit der Pedaldrehzahl des Benutzers. Dies bedeutet, daß was vorher Daten mit begrenztem Wert waren (zum Beispiel Pedaldrehzahl), ist nun sehr nützlich, weil es mit der wahren physiologischen Kondition (zum Beispiel des Pulses) des Benutzers in Verbindung gebracht wurde.
Somit kann Information, die von der Pedaldrehzahl zur Verfügung gestellt wurde, effektiv genutzt werden, um die durch den Puls zur Verfügung gestellte Information zu ergänzen. Weil das Steuersystem des Fahrrads 20 zwei Informationsquellen über die Trainingsintensität des Benutzers hat, wird seine Leistung verbessert. Falls Pulsdaten zeitweise nicht zugänglich sind, können Veränderungen in der Pedaldrehzahl verwendet werden, um die Trainingsbelastung anzupassen, um einen konstanten Puls beizubehalten. Des weiteren tendieren Änderungen bezüglich der Drehzahl (d. h. physikalische oder externe Intensität) dazu, Änderungen bezüglich des Pulses (d. h. der wahren physiologischen Intensität) vorauszusehen. Durch das Reagieren auf die Veränderungen der Drehzahl können Belastungsanpassungen schrittweiser durchgeführt werden und der Puls gleichmäßiger gehalten werden.
So lange bis der Benutzer den Zielpuls erreicht hat, versucht das Fahrrad 20 den Puls des Benutzers kontinuierlich zu überwachen. Sobald der Benutzer den Zielpuls erreicht hat, erlaubt (oder fordert vorzugsweise dazu auf) es das Fahrrad 20 jedoch dem Benutzer, seine Hände von den Sensoren 38 für eine Zeitdauer von zum Beispiel neunzig Sekunden zu entfernen. Wenn das Fahrrad 20 neue Pulsdaten benötigt, zeigt es dies dem Benutzer mittels der Datenanzeige 32 an. Der Benutzer plaziert dann seine Hände auf den Sensoren 38, so daß das Fahrrad 20 neue Pulswerte nehmen kann. Falls sich der Puls des Benutzers auf einem geeigneten Niveau befindet, wird der Benutzer wiederum aufgefordert, seine Hände von den Sensoren 38 zu nehmen. Dieser Zyklus wird während des gesamten Trainings wiederholt.
Falls das System den Benutzer auffordert, seine Hände auf den Sensoren 38 zu plazieren und der Benutzer die Aufforderung länger als fünfundvierzig Sekunden ignoriert, wird eine Glocke oder ein Piepser aktiviert. Falls der Benutzer die Aufforderung für weitere fünfzehn Sekunden ignoriert, wird der Belastungswiderstand wesentlich reduziert. Es wird deutlich, daß während Perioden, in denen die Pulsdaten des Benutzers nicht zur Verfügung stehen, das System die Drehzahldaten verwenden kann, um den Zielpuls beizubehalten.

C. Hardware-Beschreibung

Fig. 4 ist ein Verallgemeinertes Blockdiagramm eines Systems 52 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welches verwendet wird, um den zuvor beschriebenen Betrieb der Erfindung umzusetzen. Das System 52 ist im folgenden als Teil des Trainingsfahrrads 20 dargestellt. Selbstverständlich kann das System 52 in jedem Trainingsgerät 20, 22 und 24 oder in jeder anderen Art von Gerät betriebsfertig eingesetzt werden, welches einen variablen Belastungswiderstand oder eine Geschwindigkeitssteuerung für die Trainingsbewegung zur Verfügung stellt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 sind die Hardware-Elemente des Systems 52 dargestellt. Ein Mikrocomputer 54 steuert das System 52 und weist einen Speicher 58 und einen Timer bzw. Zeitnehmer 60 auf. In der Praxis sollte der Speicher 58 sowohl einen Direktzugriffsspeicher bzw. RAM-Speicher als auch einen Lese- oder Permanentspeicher zum permanenten Speichern der Software- Programme, welche es dem Mikrocomputer 54 ermöglichen, den Betrieb gemäß der Erfindung auszuführen. Der Mikrocomputer 54 kann jedes geeignete Gerät sein, wie zum Beispiel der Motorola 68HC05. Der Mikrocomputer 54 kommuniziert mit einem Benutzer über das Steuerpult 30 (dargestellt in Fig. 4 durch die gestrichelten Linien), welcher nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Der Mikrocomputer 54 steuert eine Belastungseinrichtung 62, welche in dem Rahmen 26 (hier durch gestrichelte Linien dargestellt) montiert ist. Wie oben beschrieben, ist die Belastungseinrichtung 62 betriebsfertig mit den Pedalen 28 des Systems 52 verbunden, um eine selektiv variable Widerstandsbelastung gegen die Trainingsbewegung der Pedale 28 durch den Benutzer zur Verfügung zu stellen. Eine Einrichtung 64 zum Messen des Trainingsniveaus, welches vorzugsweise ein Tachometer ist, mißt die Drehzahl der Pedale 28 und ist für den Mikrocomputer 54 über einen konventionellen Eingangs/Ausgangs-Anschluß zugänglich. In einigen Ausführungsformen, bei denen die Belastungseinrichtung 62 ein Generator ist, kann der Tachometer 64 in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß die Frequenz des Ausgangs des Tile-Generators gemessen wird. Es wird deutlich, daß der Tachometer 64 einen von außen überwachbaren physikalischen Indikator der Tile-Trainingsintensität des Benutzers mißt (nämlich die Pedaldrehzahl).
Es wird für den Fachmann im Bereich der Mikrocomputer deutlich, daß ein Eingangs/Ausgangs-Schnittstelle- Schaltkreis notwendig sein kann, um die Kommunikation zwischen dem Mikrocomputer 54 und den externen Einrichtungen 62 oder 64 zu ermöglichen. Die exakte Ausführung dieses Schnittstellen-Schaltkreises variiert jedoch abhängig von der Hardware, welche zur Verwirklichung der Erfindung verwendet wird.
Vorzugsweise sollte die Schnittstelle zwischen dem Mikrocomputer 54 und der Belastungseinrichtung 62 es dem Mikrocomputer 54 erlauben, in einfacher Weise eine 8-Bit-Zahl zwischen 0 und 250 zu einem Ausgangsanschluß 66 zu schreiben. Die Zahl stimmt mit einem von 251 gleichmäßig beabstandeten Abstufungen des Belastungsniveau-Widerstandes überein, welcher den Arbeitsbereich der Belastungseinrichtung 62 abdeckt. Auf diese Art und Weise kann der Ausgang des Mikroprozessors 54 zu dem Anschluß 66, welcher zur Steuerung der Belastungseinrichtung 62 verwendet wird, als ein Belastungssignal betrachtet werden. Vom Gesichtspunkt der Programmierung betrachtet kann das Belastungssignal durch den Inhalt einer Stelle in dem Speicher 58 repräsentiert werden. Eine Antriebsroutine wird dann durch eine Unterbrechung periodisch aufgerufen, um den gespeicherten Wert des Belastungswiderstandes zu dem Anschluß 66 zu schreiben bzw. einzuspeichern.
Selbstverständlich gibt es unzählige Wege, auf die ein Mikrocomputer und eine Belastungseinrichtung miteinander verbunden werden können, und die vorliegende Erfindung schließt alle solche Alternativen in dem Umfang ein, indem sie es erlauben, daß der Mikrocomputer 54 das Widerstandsniveau der Belastungseinrichtung 62 selektiv anpassen kann.
Der Mikrocomputer 54 ermöglicht eine bequeme und praktische Art und Weise der Verwirklichung der Erfindung. Es wird für den Fachmann deutlich, daß die zur Durchführung der Erfindung notwendigen logischen Funktionen auch durch die Verwendung anderer Arten von digitalen und analogen Schaltungsbauteilen verwirklicht werden könnten.
Das System 52 weist auch den Pulsmonitor 36 auf, der in Fig. 4 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Der Monitor 36 beinhaltet einen Pulssensor, welcher durch die in Fig. 1 dargestellten Elektroden 38 gebildet sein kann, und einen Pulsdetektor 68. Es existieren unzählige, kommerziell zugängliche Systeme zum Messen des Pulses, jedoch ist, wie bereits oben angegeben, das bevorzugte System in der US-A-5,243,993 angegeben.
Der Pulsdetektor 68 verstärkt und filtert das von den Sensoren 38 erhaltene Pulssignal. Das Pulssignal kann einer digitalen Signalverarbeitung unter Verwendung der Schaltung innerhalb des Pulsmonitors 36 oder des Mikroprozessors 54 selbst unterzogen werden. Um diese Darstellung zu vereinfachen, wird vorausgesetzt, daß die gesamte Verarbeitung des Pulssignals innerhalb des Pulsmonitors 36 stattfindet, welcher wiederum einen 8- Bit-Wert des Pulses über eine Linie 70 und einen Einfach-Bit (das "Eingriffssignal") über eine Linie 72 zur Verfügung stellt, welcher anzeigt, ob der Benutzer zum jeweiligen Zeitpunkt mit dem Sensor verbunden ist bzw. in Eingriff steht.
In einigen Systemen kann das oben beschriebene Eingriffssignal nicht zugänglich sein. Als eine Alternative kann das System 52 annehmen, daß der Benutzer nicht in Eingriff mit dem Monitor steht (d. h. durch Entfernen seiner Hände, Entfernen eines Ohrclips oder in anderer Weise Unterbrechen des Flusses der Pulsdaten), und zwar in jedem Fall, in dem der Monitor nicht in der Lage ist, einen Puls innerhalb des Bereichs von 50 bis 200 zu liefern.
Fig. 5 ist ein Diagramm eines Steuerpults, welches aus Gründen der Darstellung das in Fig. 1 gezeigte Steuerpult 30 ist. Das Steuerpult 30 ist mit dem Mikrocomputer 54 auf geeignete Art und Weise verbunden, wie zum Beispiel durch einen seriellen oder parallelen Anschluß. Weil in der Praxis der Mikrocomputer 54 zusätzlich zum Steuern des Pulses auch andere Funktionen des Fahrrades 20 steuert, sind in Fig. 5 auch andere Merkmale, einschließlich einer Anzeige der vergangenen Zeit und einer Anzeige des Kalorienverbrauchs dargestellt. Im Gegensatz dazu sind in Fig. 4 nur ausgewählte Elemente des Steuerpults 30 dargestellt.
Zur Klarheit sind Kommunikationssignale zwischen dem Mikrocomputer 54 und verschiedenen Elementen des Steuerpults 30 in Fig. 4 durch separate Pfeile dargestellt. In der Praxis kann eine geeignete Eingabe/Ausgabe-Schnittstellenschaltung verwendet werden, um die Kommunikation zwischen dem Mikrocomputer 54 und dem Steuerpult 30 zu ermöglichen. Wie bereits erwähnt, kann eine solche Kommunikation eine serielle oder parallele Verbindung umfassen.
Das Steuerpult 30 umfaßt die Tastatur 34, eine LED- Pulsanzeige 74, eine LED-Herzanzeige 76, eine LED- Handberührungsanzeige 78, eine Hochdrehzahl-LED 80, eine Niedrigdrehzahl-LED 82, eine LED-Drehzahlanzeige 84 und eine Alarmglocke 85. Die spezielle Ausgestaltung des Steuerpults 30 einschließlich seiner Auslegung und des Protokolls, welches zur Kommunikation mit dem Benutzer verwendet wird, werden in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wie sie bei dem Trainingssystem 52 eingesetzt ist. Es besteht eine unendliche Auswahl von Audio- und visuellen Designs und Techniken zum Erreichen der Kommunikation zwischen dem Mikrocomputer 54 und dem Benutzer, und die vorliegende Erfindung schließt die Benutzung jedes geeigneten Designs oder Technik ein, welches die durch die Erfindung festgelegte Funktionalität erreicht.
Die Tastatur 34 wird von dem Benutzer verwendet, um mit dem Mikrocomputer 54 zu kommunizieren. Normalerweise hat ein computergesteuertes Trainingsfahrrad 20 verschiedene Betriebsarten. Deshalb kann ein existierendes Programm oder eine Betriebsart es dem Benutzer erlauben, die Pedale mit einem konstanten Belastungswiderstandsniveau zu treten. Eine andere Betriebsart kann es dem Benutzer ermöglicht, sich auf zufällig ausgewählten Widerstandsniveaus zu bewegen. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung als eine zusätzliche Betriebsart beschrieben, welche als Pulsmanagement-Betriebsart bezeichnet werden kann.
Die verschiedenen Betriebsarten, einschließlich der neuen Pulsmanagement-Betriebsart, können durch Drücken einer Auswahltaste 86 ausgewählt werden. Jedesmal, wenn die Auswahltaste 86 gedrückt wird, wird eine der möglichen Betriebsarten ausgewählt. Eine Tafel 88 oberhalb der Auswahltaste 86 zeigt eine Anzeige von jeder der zugänglichen Betriebsarten. Bei der Darstellung sind die zugänglichen Betriebsarten durch die Anzeigen "Zufall", "Manuell" und "Puls (Management)" dargestellt. Diese Betriebsarten sind ausschließlich beispielhaft dargestellt. Eine kleine LED neben jeder Anzeige zeigt an, wenn die der Anzeige entsprechende Betriebsart ausgewählt worden ist.
Die LED-Pulsanzeige 74 zeigt den gerade gemessenen Wert des Pulses des Benutzers an, wenn der Benutzer seine oder ihre Hände auf die Sensoren 38 gelegt hat. Falls der Benutzer aus den oben genannten Gründen die Sensoren 38 angelegt hat, ein gültiger Puls jedoch nicht ermittelt werden kann, wird "Hr" oder ein anderes Symbol in der LED-Pulsanzeige 74 angezeigt, um deutlich zu machen, daß noch keine gültigen Daten zugänglich sind.
Die herzförmige LED-Handauflage-Anzeige 78 wird durch den Mikrocomputer 54 immer dann beleuchtet, wenn der Pulsmonitor 36 über die Verbindung 72 anzeigt, daß der Benutzer die Sensoren 38 angelegt hat bzw. mit denselben in Eingriff steht. Im vorliegenden Fall wird ein solcher Eingriff dadurch erreicht, daß der Benutzer seine oder ihre Hände auf die Sensoren 38 legt. Zur Vereinfachung wird dieser Eingriff als Handauflage- Bedingung bezeichnet, obwohl es selbstverständlich auch möglich ist, daß andere Arten des Eingriffs (wie zum Beispiel durch einen Ohrclip), von der Erfindung umfaßt sind.
Falls der Pulsmonitor 36 anzeigt, daß die Hände des Benutzers mit den Sensoren 38 in Eingriff stehen, schaltet der Mikrocomputer 54 die herzförmige LED- Handauflage-Anzeige 78 ein. Im allgemeinen ist die herzförmige LED-Handauflage-Anzeige 78 gleichzeitig mit der Anzeige der Pulsdaten (oder dem "Hr"-Symbol) in der LED-Pulsanzeige 74 beleuchtet.
Die LED-Herzanzeige 76 ist vorzugsweise eine Zeile oder Spalte von LEDs, auf welchen ein Herz 90 oder ein anderes geeignetes Symbol angezeigt werden kann. Eine Reihe 91 von LEDs kann als eine Meßanzeige zum Anzeigen des relativen Niveaus des Belastungswiderstands verwendet werden. Wie nachfolgend erläutert wird, wird das Herzsymbol 90 durch den Mikrocomputer 54 während denjenigen Zeiten angezeigt, wenn der Benutzer seine oder ihre Hände auf den Sensoren 38 hat. Wenn das Herzsymbol nicht angezeigt wird, ist es dem Benutzer freigestellt, seine oder ihre Hände von den Sensoren 38 zu entfernen. Falls der Mikrocomputer 54 ermittelt, daß der aktuelle Puls des Benutzers benötigt wird und die Hände des Benutzers sich nicht auf den Sensoren befinden, kann der Mikrocomputer 54 das Herzsymbol kurzzeitig beleuchten bzw. aufflackern lassen, um den Benutzer anzuweisen, seine oder ihre Hände auf die Sensoren 38 zu legen.
Die LED-Drehzahlanzeige 84 zeigt die aktuelle Drehzahl oder einen anderen Meßwert des Niveaus der Trainingsbewegung an, die von dem Benutzer durchgeführt wird. Die Hochdrehzahl-LED 80 und die Niedrigdrehzahl-LED 82 werden verwendet, um den Benutzer aufzufordern, die Pedale mit voreingestellten Hoch- und Niedrigdrehzahl- Niveaus zu treten. Die Anzeigen 92 und 94 neben den Hoch- und Niedrigdrehzahl-LEDs 80 und 82 zeigen an, daß die voreingestellten Hoch- und Niedrigdrehzahl- Niveaus jeweils 100 und 80 U/min betragen.

D. Software-Beschreibung

1. Hauptroutine bzw.-ablauf

Die Software-Abläufe, welche den oben beschriebenen Betrieb der Erfindung ermöglichen, sind in dem Speicher 58 des Mikrocomputers 54 enthalten. Unter Bezugnahme auf die Fig. 6-15 werden logische Flußdiagramme der in dem Speicher 58 enthaltenen Software angegeben. Zur Vereinfachung sind ausgewählte Variablenbezeichnungen, die in den Fig. 6-15 verwendet werden, in der gesamten Beschreibung in Klammern angeführt. Der Hauptablauf, welcher die anderen Haupt- Software-Module aufruft, ist in Fig. 6 dargestellt. Beginnend bei einem Block 96 fordert der Mikrocomputer 54 den Benutzer auf, sein Alter (AGE) einzugeben. Der Mikroprozessor kann die LED-Pulsanzeige 74 zum Auffordern verwenden und der Benutzer kann die Tastatur 34 zum Eingeben von Daten verwenden.
Bei einem Block 98 ermittelt der Mikrocomputer 54 einen Zielpuls gemäß einer vorgegebenen Formel. Eine Vielzahl von Formeln sind weithin bekannt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Zielpuls (HR~TGT) folgendermaßen eingestellt:
HR_TGT = 220 - AGE * 0,7
Alternativ kann der Benutzer einen Zielpuls nach seiner oder ihrer eigenen Wahl eingeben.
Bei einem Block 99 gibt der Benutzer ein gewünschtes Anfangs-Trainings-Belastungswiderstandsniveau (LEVEL) ein. Typischerweise geht der Bereich der möglichen Trainingsniveaus von 0 bis 12.
Bei einem Block 100 tritt der Mikrocomputer in eine Hauptantriebsschleife 102 ein, in welcher die Haupt- Softwaremodule aufgerufen werden, die die Erfindung in dem System 52 ausführen. Es wird deutlich, daß die in dem Speicher 58 enthaltene Software auch andere Funktionen beinhalten kann, die keinen Bezug zu der Erfindung haben. Diese Funktionen können in der Hauptantriebsschleife 102 ausgeführt werden, wie durch einen Block 104 angedeutet.
An dem Block 100 wird der Benutzer aufgefordert, das Fahrrad 20 für eine voreingestellte Aufwärmperiode, wie zum Beispiel drei Minuten, zu fahren, wobei während dieser Zeit das Belastungsniveau erreicht und auf dem konstanten Niveau LEVEL gehalten wird, welches der Benutzer in dem Block 99 ausgewählt hat. Nach Beendigung des dreiminütigen Aufwärmens wird die Aufwärmroutine 100 unterdrückt und während jeder Wiederholung der Hauptantriebsschleife 102 nicht mehr aufgerufen.
Wie nachfolgend detaillierter beschrieben, sind die hauptsächlichen Softwareelemente, die die Erfindung verwirklichen, das in einem Block 106 dargestellte Belastungssteuermodul, das in einem Block 108 angezeigte Anzeigemodul und das in einem Block 110 dargestellte Sicherheitsmodul. Abhängig von der Ausführgeschwindigkeit des Mikrocomputers 54 werden pro Sekunde eine Vielzahl von Wiederholungen der Hauptantriebsschleife 102 vervollständigt. In der Praxis ist es wünschenswert, das Belastungssteuermodul 106 ungefähr einmal pro Sekunde auszuführen. Die Anzeige- und Sicherheitsmodule 108 und 110 können häufiger ausgeführt werden. Eine Unterbrechung wird einmal pro Sekunde ausgelöst und setzt eine Markierung (nicht dargestellt). Das Belastungssteuermodul 106 wird von der Hauptantriebsschleife 102 nur dann aufgerufen, wenn diese Markierung gesetzt ist. Es wird deutlich, daß während der dreiminütigen Aufwärmphase die Belastungssteuerroutine unterdrückt wird und nicht bei jeder Wiederholung der Hauptantriebsschleife 102 aufgerufen wird.

2. Belastungssteuermodul

Fig. 7 ist ein logisches Flußdiagramm des Belastungssteuermoduls 106. An einem Block 112 trägt der Mikrocomputer 54 den Pulsmonitor 36 ab, um festzustellen, ob eine aktuelle Messung des Pulses des Benutzers zugänglich ist. Falls eine solche Messung zugänglich ist, wird sie in einer Variablen HR_NEW gespeichert.
Falls an dem Block 112 eine neue Messung durchgeführt wurde, schreitet die Steuerung an einem Entscheidungsblock 114 weiter zu einem Block 116, an welchem der Wechsel des Belastungswiderstands (die "Belastungsantwort") auf der Basis des neu gemessenen Pulses und anderer oben beschriebener Variablen berechnet wird. Anderenfalls überspringt die Steuerung den Block 116 und springt zu einem Block 130, der unten beschrieben ist. Nach der Durchführung des Blocks 116 verzweigt sich die Steuerung an einem Entscheidungsblock 120, und zwar abhängig davon, ob die Belastungsantwort positiv oder negativ ist. Falls die Belastungsantwort negativ ist, verringert der Mikrocomputer 54 den Belastungswiderstand durch Aufrufen einer in einem Block 122 dargestellten Belastungsverringerungsroutine. Falls die Belastungsantwort positiv ist, erhöht der Mikrocomputer 54 den Belastungswiderstand durch Aufrufen einer in einem Block 124 dargestellten Belastungserhöhungsroutine.
Nachdem der Belastungswiderstand eingestellt ist, bewegt sich die Steuerung zu einem Block 118, an dem der Mikrocomputer 54 ermittelt, ob der Benutzer den Zielpuls erreicht hat (die "Zielpulsbedingung"). Vorzugsweise zeigt eine Bool'sche Markierung (TARGET) an, ob die Zielpulsbedingung besteht oder bestanden hat. Die TARGET-Markierung wird an dem Block 112 gesetzt, sobald der aktuelle Puls des Benutzers größer oder gleich dem Zielpuls ist. Sobald die Zielpulsbedingung erreicht ist, verbleibt die TARGET-Markierung für die Dauer des Trainings gesetzt, auch wenn der aktuelle Puls des Benutzers nachfolgend unterhalb den Zielpuls fällt.
Falls der Benutzer die Zielpulsbedingung noch nicht erreicht hat, springt die Steuerung zu dem nachfolgend beschriebenen Block 130. Falls der Benutzer jedoch den Zielpuls erreicht hat, ruft der Mikrocomputer eine Hände-weg-Zeitnahme-Routine auf, die an dem Block 128 dargestellt und nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Die Hände-weg-Zeitnahme-Routine prüft die Veränderung in dem Puls des Benutzers über der Zeit und setzt auf der Basis dieser Prüfung eine Zeitdauer, während welcher der Benutzer die Hände von den Sensoren 38 entfernen darf.
Nachdem die Hände-weg-Zeitnahme gesetzt ist, stellt der Mikrocomputer 54 den Belastungswiderstand als eine Funktion der Veränderung der Drehzahl des Benutzers ein, wie durch den Block 130 dargestellt. Wie oben beschrieben, ist die Idee, die hinter der Einstellung des Belastungwiderstands als eine Funktion der Drehzahl steckt, einen Vorteil aus der Information über die Trainingsintensität des Benutzers zu ziehen, die aus der Drehzahl ermittelt werden kann.
Wenn der Benutzer bei einem bestimmten Niveau des Belastungswiderstands die Pedale schneller oder langsamer tritt, fluktuiert bzw. verändert sich der Puls des Benutzers. Die Veränderung des Trainingsniveaus ist ein von außen überwachbarer, physikalischer Indikator der Trainingsintensität und ist tatsächlich in der Lage, Vorhersagen über zukünftige Veränderungen bezüglich der wahren physiologischen Trainingsintensität des Benutzers zu machen, wie sie beispielsweise durch den Puls gemessen wird. Durch Erhöhen der Belastung, wenn die Drehzahl sich verringert (und umgekehrt, Verringerung der Belastung, wenn sich die Drehzahl erhöht) kann der Mikrocomputer 54 Schwankungen in dem Puls des Benutzers reduzieren, welche sich ansonsten durch die Veränderungen der Pedaldrehzahl ergeben würden.
Durch Verwendung der Drehzahl als ein Indikator der Trainingsintensität kann das System 52 den Puls des Benutzers auch dann beibehalten, wenn Pulsdaten nicht zugänglich sind, beispielsweise dann, wenn der Händeweg-Zeitnehmer gesetzt ist. Dies ermöglicht es dem System 52, den Hände-weg-Zeitnehmer (wie oben beschrieben) für relativ lange Perioden, wie zum Beispiel neunzig Sekunden, zu setzen. Des weiteren kann der Benutzer die Pedaldrehzahl verändern, um das Trainieren interessanter zu machen.
Nach dem Setzen des Hände-weg-Zeitnehmers und Anpassen des Belastungswiderstandes als eine Funktion der Drehzahl, führt der Mikrocomputer 54 Verwaltungs-Funktionen aus, die durch den Block 126 dargestellt sind. Insbesondere werden die aktuellen Werte der Drehzahl und des Pulses (RPM_NEW und HR_NEW) in den Speicher (in RPM_OLD bzw. HR_OLD) gespeichert, so daß die Veränderungen der Drehzahl und des Pulses während der nächsten Wiederholung des Belastungssteuermoduls 126 ermittelt werden können.
Die Funktionen des Belastungssteuermoduls 106, die oben beschrieben wurden, werden nun detaillierter betrachtet. Unter Bezugnahme auf Fig. 6 ist die Pulsfeststellungs-Routine 112 vollständig beschrieben. In Übereinstimmung mit dieser Routine nimmt der Mikrocomputer 54 den Ausgang des Pulsmonitors 36 periodisch ab. Es sollte erwähnt werden, daß festgestellt wurde, daß die in Verbindung mit der Feststellroutine 112 beschriebenen speziellen Techniken sehr gut arbeiten, jedoch lediglich eine von vielen Alternativen darstellen, die für den Fachmann deutlich sind.
Beginnend bei einem Block 132 wird der Zustand des Ausrüstungssignals oder "Hände-an"-Bit (durch den Pulsmonitor 36 über die Verbindung 72 zur Verfügung gestellt) ermittelt. Falls der Benutzer die Sensoren 36 nicht angelegt hat, bedeutet dies, daß keine aktuellen Pulsdaten zugänglich sind. Wie mit einem Block 134 dargestellt, setzt der Mikrocomputer 54 die LED- Pulsanzeige 74 zurück und sperrt den LED-Hände-an- Indikator 78 des Steuerpults 30 (wie in Fig. 5 dargestellt). Der Mikrocomputer 54 setzt dann die Neue- Feststellung-Markierung (in Verbindung mit dem oben beschriebenen Block 114 verwendet) auf falsch, wie in einem Block 136 dargestellt.
Falls jedoch der Benutzer die Pulssensoren 38 angelegt hat (die "Hände-an-Bedingung"), liest der Mikrocomputer 54 den Puls des Benutzers (durch den Pulsmonitor 36 über die Verbindung 70 zur Verfügung gestellt), wie an einem Block 138 dargestellt. Dieser Puls wird dann in einer Speichervariablen (HR_NEW) gespeichert und in der LED-Pulsanzeige 74 angezeigt. Der LED-Hände-an- Indikator 78 ist ebenfalls eingeschaltet. Somit wird jedes Mal, wenn der Benutzer seine Hände auf die Pulssensoren 38 legt, sein Puls auf dem Steuerpult 30 angezeigt.
Falls, wie am Anfang der Fall sein kann, sich die Hände des Benutzers auf den Pulssensoren 38 befinden, der Pulsmonitor 36 jedoch noch keine gültige Pulsausgabe erzeugt hat (d. h. einen Wert zwischen 50 und 200 Schlägen pro Minute), erzeugt der Mikrocomputer 54 ein "Hr" oder ein anderes geeignetes Symbol in der LED- Pulsanzeige 74.
Falls der neue gemessene Puls nicht gültig ist, springt der Mikrocomputer 54 an einem Entscheidungsblock 142 zu dem Block 136, wo die neue Meßmarkierung auf falsch gesetzt wird. Wie oben beschrieben, ist der zur Einstellung der Belastung verwendete Pulswert ein Durchschnitt des aktuellen und des zuletzt gemessenen Pulswertes (HR
, HR_OLD). Somit schreitet der Mikrocomputer 54, falls die aktuelle Pulsmessung gültig ist, zu einem Entscheidungsblock 144, wo er den zuletzt gemessenen Puls (HR_OLD), der in dem Speicher 58 gespeichert ist. Falls der zuletzt gemessene Puls ungültig ist, springt der Mikrocomputer 54 zu einem Block 146, wo der Wert HR_OLD durch den Wert HR_NEW ersetzt wird. Die Steuerung schreitet zu dem Block 136 fort, wo die neue Meßmarkierung auf falsch gesetzt wird.
Falls der zuletzt gemessene Puls gültig ist, schreitet der Mikrocomputer 54 zu einem Block 148 fort, wo er einen Zähler inkrementiert. Die Funktion des Zählers ist es, Wiederholungen der Pulsermittlungsroutine 112 zu verfolgen. Abhängig von der Leistung des Pulsmonitors 36 kann es wünschenswert sein, jede andere Art der Pulsermittlung zu verwenden. In diesem Fall, falls der Wert des Zählers eine gerade Zahl ist, benutzt der Mikrocomputer 54 an einem Block 150 den aktuell gemessenen Puls, um einen Durchschnittspuls zu berechnen, wie an einem Block 152 dargestellt. Ansonsten wird die aktuelle Messung verworfen und die Steuerung springt zu dem Block 136, an dem die neue Messungsmarkierung auf falsch gesetzt wird.
Eine weitere Verwendung des Zählers ist es, die allererste Ermittlung der Pulsdaten, nachdem der Benutzer seine Hände auf die Sensoren 38 gelegt hat, zu unterdrücken. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Zähler an dem Block 146 auf -1 gestellt wird. Auf diese Art und Weise wird, nachdem der Pulsmonitor 36 begonnen hat, gültige Pulsdaten an den Mikrocomputer 54 zu liefern, die erste gültige Messung (entsprechend einem Zählerstand von -1) abgelegt bzw. verworfen wird.
Der durchschnittliche Puls, der an dem Block 152 berechnet wird, wird durch Verwendung des Durchschnitts der alten und der aktuellen Pulswerte (d. h. (HR_OLD plus HR_NEW)/2) und speichern des Ergebnisses eines den aktuellen Puls berechnet. Durch die Berechnung dieses laufenden Durchschnitts werden geringe Abweichungen und Fluktuationen in den Pulsdaten gefiltert, um die Stabilität des Systems zu verbessern.
Der Mikrocomputer vergleicht dann den berechneten Durchschnittspuls (HR_NEW) mit dem in dem Speicher 58 gespeicherten Zielpuls (HR-TGT), wie an einem Block 154 dargestellt. Falls der berechnete Durchschnittspuls (HR_NEW) größer oder gleich dem Zielpuls ist, wird eine Markierung (TARGET) als richtig gesetzt, wie in einem Block 156 dargestellt. Die TARGET-Markierung verbleibt auf richtig während der Dauer der Trainingsperiode und zeigt an, daß der Benutzer seine Zielpulsbedingung erreicht hat.
Nach dem Abschluß der Blocks 156 oder 136, je nachdem welcher Fall eintritt, wird die Pulsermittlungsroutine 124 beendet und die Steuerung kehrt zu dem in Fig. 7 dargestellten Belastungssteuermodul 106 zurück. Wie oben beschrieben, wird, falls die Pulsermittlungsroutine erfolgreich einen Puls ermittelt hat, die neue Ermittlungsmarkierung auf richtig gesetzt und, wie in dem Block 114 von Fig. 7 dargestellt, der Mikrocomputer 54 schreitet fort, eine Veränderung in dem Belastungssignal oder "Belastungsantwort" zu berechnen, wie in dem Block 116 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 9 wird der Betrieb der Belastungsanwort-Routine 116 detaillierter dargestellt. Die Funktion der Belastungsantwort-Routine 116 ist es, eine Belastungsantwort zu ermitteln, d. h. den Wert, um welchen der Mikroprozessor 54 den Wert des Belastungssignals ändert, um den Zielpuls zu halten oder zu erreichen.
Der Mikroprozessor 54 ermittelt zuerst an einem Block 158, ob es an der Zeit ist, das Belastungssignal zu erneuern. Während die Belastungsantwort bei jeder Wiederholung der Belastungsantwort-Routine erneuert werden kann, kann es vorteilhaft sein, das Update nicht so häufig durchzuführen, um starke Veränderungen bezüglich des Belastungswiderstandes zu verhindern. In diesem Zusammenhang kann die Belastungsantwort bei jeder n-ten Wiederholung erneuert werden, wobei n eine Zahl wie zum Beispiel 6 ist. Dies kann durch Prüfen des inkrementierten Werts des Zählers (HR_CTR) an dem Block 148 ermittelt werden, um festzustellen, ob der aktuelle Wert des Zählers ein ganzes Vielfaches von n ist.
Falls es nicht an der Zeit ist, das Belastungssignal 66 zu erneuern, setzt der Mikrocomputer 54 die Belastungsantwort-Variable (D_LOAD) auf Null, wie an einem Block 160 dargestellt, und beendet die Belastungsantwort-Routine 116. Falls es an der Zeit ist, das Belastungssignal 66 zu erneuern, berechnet der Mikrocomputer 54 die Belastungsantwort (D LOAD), wie durch die Blocks 162 bis 170 von Fig. 9 dargestellt. Zuerst wird die aktuelle Veränderung (D_HEART) im Puls des Benutzers durch Subtrahieren des aktuellen Pulswertes (HR_NEW) von dem alten Pulswert (HR_OLD) berechnet. Als nächstes wird die gewünschte Veränderung des Pulses (D_TARGET) durch Subtrahieren des Zielpulswertes (HR_TGT) von dem aktuellen Pulswert (HR_NEW) berechnet. Schließlich wird die Belastungsantwort (D_LOAD) als Differenz zwischen der gewünschten Veränderung (D_TARGET) des Pulses minus der aktuellen Veränderung (D_HEART) des Pulses multipliziert mit einer Skalierungskonstanten (K&sub1;) berechnet (d. h. (D_TARGET - D_HEART) * K&sub1;).
Die Skalierungskonstante K&sub1; wird durch eine empirische Kalibrierung des jeweiligen Geräts, in dem die Erfindung verwirklicht ist, ermittelt und dient in einfacher Weise dazu, die berechnete Differenz zwischen D_TARGET und D_HEART in Einheiten des Belastungswiderstandes umzurechnen. In einigen Fällen kann die Leistung durch das Gewichten von D_TARGET im Verhältnis von D_HEART verbessert werden.
Es wird deutlich, daß die oben beschriebene Technik die Belastungsantwort als Funktion der Differenz des Pulses berechnet. Andere Techniken zum Berechnen der Belastungsantwort als eine Funktion des Pulses sind bekannt und die oben beschriebene ist eine, welche als besonders effektiv angesehen wird. Die vorliegende Erfindung umfaßt jedoch die Verwendung von jeder geeigneten Technik. Gemäß einer Alternativen könnte die Belastungsantwort zum Beispiel als eine Funktion der Differenz zwischen dem aktuellen und dem Zielpuls berechnet werden (obwohl dies weniger effektiv wäre).
Als Vorsichtsmaßnahme wird die berechnete Belastungsantwort mit einem voreingestellten Maximalwert (D_MAX) verglichen, wie in einem Block 168 dargestellt. Falls die Belastungsantwort (D_LOAD) den voreingestellten Maximalwert überschreitet, wird die Belastungsantwort auf den voreingestellten Maximalwert eingestellt. Es wird deutlich, daß die Belastungsantwort im Gegensatz zu der Gesamthöhe der Belastung die Veränderung bezüglich der Belastung darstellt. Deshalb stellt das voreingestellte Maximum (D_MAX) nicht die maximale Belastung dar, welcher ein Benutzer ausgesetzt sein kann, sondern den maximalen Anstieg, der während einer Wiederholung des Belastungssteuermoduls 106 auftreten kann. Dies verhindert, daß die Belastung um einen erheblichen Betrag ansteigt, was ansonsten den Benutzer vorzeitig erschöpfen könnte.
Unter Rückbezug auf Fig. 7 verzweigt sich die Steuerung, nachdem die Belastungsantwort (D_LOAD) an dem Block 116 berechnet wird, an dem Entscheidungsblock 120, abhängig davon, ob die Belastungsantwort positiv, negativ oder Null ist. Falls die Belastungsantwort negativ ist, wird das Belastungssignal so eingestellt, daß der gesamte Belastungswiderstand verringert wird, wie in dem Block 122 dargestellt. Falls die Belastungsantwort positiv ist, wird das Belastungssignal so eingestellt, daß der gesamte Belastungswiderstand erhöht wird, wie in dem Block 124 dargestellt. Falls die Belastungsantwort Null ist, ist keine Veränderung des Belastungswiderstandes erforderlich und die Steuerung schreitet zu dem Block 118 fort.
Unter Bezugnahme auf Fig. 10 ist die Belastungsverringerungsroutine, die an dem Block 122 von Fig. 7 dargestellt ist, detaillierter dargestellt. Vor dem Einstellen des Belastungssignals berechnet der Mikrocomputer 54 einen Skalierungsfaktor K&sub2;, welcher lediglich eine Konstante, wie zum Beispiel 1,25, sein kann. Der Skalierungsfaktor K&sub2; wird durch eine empirische Kalibrierung des jeweiligen Geräts ermittelt, in dem die Erfindung eingesetzt ist, und dient in einfacher Weise dazu, die berechnete Belastungsantwort (D_LOAD) in die gewünschte Einheit des Belastungswiderstands zu konvertieren.
Der Skalierungsfaktor K&sub2; kann auch eine Funktion des vom Benutzer eingegebenen Belastungsniveaus (LEVEL) sein. Es ist der Fall, daß Benutzer, die höhere Anfangsbelastungsniveaus eingeben, typischerweise drastischere Anpassungen des Niveaus benötigen, um nicht den Zielpuls zu überschreiten. Um dieses Phänomen zu kompensieren, kann der Skalierungsfaktor K&sub2; gemäß der folgenden Formel berechnet werden:
K&sub2; = 1,25 + LEVEL/6,9
In der Praxis sollten spezielle Ausführungsformen kalibriert werden und es können anstatt der oben angegebenen 1,25 und 6,9 empirisch ermittelte Werte verwendet werden.
Nachdem der Skalierfaktor K&sub2; berechnet ist, wird das Belastungssignal, wie durch einen Block 174 aus Fig. 10 dargestellt, angepaßt. Insbesondere wird der Wert der Belastung in dem Speicher 58 (LOAD) arithmetisch verringert durch einen Wert, der dem Skalierfaktor multipliziert mit der Belastungsantwort entspricht (LCAD_= LOAD - (K&sub2; * D_LOAD)). Falls der resultierende Wert des Belastungswiderstandes geringer als Null ist, dann wird der Belastungswiderstand auf Null gesetzt, wie in den Blöcken 176 und 178 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 11 wird die an dem Block 124 von Fig. 7 dargestellte Belastungserhöhungsroutine detaillierter dargestellt. Bevor das Belastungssignal angepaßt wird, berechnet der Mikrocomputer 54 einen Skalierfaktor K&sub3;. Der Skalierfaktor wird durch eine empirische Kalibrierung des jeweiligen Geräts ermittelt, in welchem die Erfindung eingesetzt ist, und dient in einfacher Weise dazu, die berechnete Belastungantwort (D_LOAD) in die gewünschte Einheit des Belastungwiderstands zu konvertieren. Der Skalierfaktor K&sub3; kann auch gesetzt werden, um die Belastungserhöhung in beliebiger Weise zu reduzieren. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, auch wenn die Belastungsanwort keine Skalierung notwendig macht, aus Gründen der Sicherheit und der Bequemlichkeit für K&sub3; einen Wert von 0,75 zu verwenden, um die Erhöhung der Belastungsantwort zu verringern.
Der Mikrocomputer 54 kann auch einen Drehzahlüberflußzähler (RPM_CTR) zurücksetzen, wie in einem Block 180 dargestellt. Die Funktion des Drehzahlüberflußzählers wird nachfolgend detaillierter beschrieben.
Nachdem der Skalierfaktor K&sub3; berechnet ist, wird das Belastungsignal, wie durch einen Block 182 aus Fig. 11 dargestellt, angepaßt. Insbesondere wird der Wert des Belastungswiderstands in dem Speicher 58 (LOAD) arithmetisch erhöht durch einen Wert, der dem Skalierfaktor K&sub3; multipliziert mit der Belastungsantwort entspricht (LOAD = LOAD + (K&sub3; · D_LOAD)). Falls der resultierende Wert des Belastungswiderstands (LOAD) einen voreingestellten Soft-Maximum-Wert (SOFT_MAX) nicht überschreitet, endet die Belastungserhöhungsroutine 124.
Falls der resultierende Wert des Belastungswiderstandes (LOAD) das weiche bzw. Soft-Maximum (SOFT_MAX) überschreitet, kann der Belastungswiderstand gleich dem Soft-Maximum gesetzt werden, wie in einem Block 186 dargestellt. Das Soft-Maximum wird vorzugsweise zu Beginn des Trainings als eine Funktion des vom Benutzer ausgewählten Trainingsniveaus (LEVEL) berechnet, welches bei dem Block 98 von Fig. 6 eingegeben wird. Es wird deutlich, daß der vom Benutzer ausgewählte Schwierigkeitsgrad es Trainingsniveaus (LEVEL) typischerweise hinweisend für das gesamte Fitnessniveau des Benutzers ist (oder zumindest für die von dem Benutzer empfundene Fitness). Somit kann der Wert des Soft-Maximums höher sein, wenn der Benutzer ein schwierigeres Anfangs-Trainingsniveau (LEVEL) ausgewählt hat.
Zum Beispiel, falls der Belastungswiderstand einen Bereich von 0 bis 255 aufweist (entsprechend möglichen numerischen Werten des Belastungssignals) und der Benutzer ein Anfangs-Belastungsniveau (LEVEL) von 6 (von insgesamt 12) auswählt, könnte angenommen werden, daß das von dem Benutzer ausgewählte Belastungsniveau einem Belastungssignal von 125 entspricht (ungefähr der Hälfte von 250). Vorzugsweise würde das Soft-Maximum (SOFT_MAX) auf 127 gesetzt.
Wie an einem Block 188 von Fig. 11 dargestellt, ist es möglich, daß ein Puls des Benutzers sich verringert (d. h. HR_NEW < HR_OLD), auch wenn der Belastungswiderstand das Soft-Maximum erreicht hat. In diesem Fall ist es wünschenswert, das Soft-Maximum schrittweise zu erhöhen, wie durch einen Block 190 dargestellt. Somit wird bei jeder Wiederholung des Blocks 190 der Wert des Soft-Maximums inkrementiert, wie zum Beispiel um eins, bis der Wert des Soft-Maximums ein voreingestelltes hartes bzw. Hart-Maximum (HARD_MAX) erreicht.
Der Wert des Hart-Maximums wird in Übereinstimmung mit der folgenden Formel ermittelt:
HARD_MAX = SOFT_MAX + (0,25 * (MAX - SOFT_MAX),
wobei SOFT_MAX dem Anfangswert des Soft-Maximums (d. h. dem vom Benutzer gewählten Niveau) entspricht, und MAX dem größten Wert des Belastungswiderstands entspricht, welches die Belastungseinrichtung 62 auf den Benutzer aufbringen kann.
Durch Einstellen des Belastungswiderstands in Übereinstimmung mit dem Puls des Benutzers, wie oben beschrieben, tendiert das System 52 dazu, den Puls des Benutzers an oder in der Nähe des Zielpulses zu bringen und dort zu halten. Vorzugsweise sollte während eines gleichbleibenden Trainingszustandes der Puls des Benutzers innerhalb von fünf Schlägen pro Minute von dem Zielpuls sein. Es wurde jedoch festgestellt, daß mit Geräten, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebaut wurden, noch bessere Ergebnisse erreichbar waren.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 ermittelt der Mikrocomputer 54, nachdem das Belastungssignal an den Blocks 122 und 124 eingestellt worden ist, wie dies der Fall sein kann, ob eine Zielpulsbedingung existiert, wie durch den Block 118 dargestellt. Bevor ein Benutzer seinen Zielpuls erreicht, ist es notwendig, den Puls des Benutzers genau zu überwachen, so daß der geeignete Belastungswert ausgewählt werden kann. Sobald der Benutzer seinen Zielpuls erreicht, ist es nicht mehr notwendig, den Puls kontinuierlich zu überwachen. Dies ist wichtig, weil es im Interesse des Benutzers liegen kann, seine Hände von den Sensoren 38 zu entfernen.
Auf diese Weise ermittelt, wenn der Benutzer einen Zielpuls erreicht hat, der Mikrocomputer 54, ob es für den Benutzer möglich ist, seine Hände von den Pulssensoren 38 zu entfernen, und wenn dies der Fall ist, für wie lange. Diese Ermittlung wird durch die Hände-weg- Zeitnahme-Routine durchgeführt, die an dem Block 128 dargestellt ist. Die Details der Hände-weg-Zeitnahme- Routine sind in Fig. 12 dargestellt. Der Mikrocomputer 54 berechnet den Unterschied zwischen den aktuellen und gewünschten Veränderungsraten des Pulses (D_TARGET - D-HEART), wie in einem Block 192 dargestellt. Falls der absolute Wert der Differenz unterhalb einer voreingestellten Schwelle ist (vorzugsweise 8), fährt die Steuerung zu einem Block 194 fort. Anderenfalls wird die Routine beendet. An dem Block 194 wird ein Zeitlimit gemäß der nachfolgenden Hände-weg-Zeitlimit- Tabelle ausgewählt:
Vorzugsweise wird das Zeitlimit für die erste Wiederholung des Blocks 194 auf 15 Sekunden gesetzt, unabhängig von der tatsächlichen Differenz zwischen D- HEART und D_TARGET.
Das ausgewähltes Zeitlimit wird verwendet, um einen Hände-weg-Zeitnehmer zu stellen bzw. setzen, welcher ein Speicher sein kann, der durch eine von dem Zeitnehmer 60 erzeugte Unterbrechung periodisch verringert wird. Somit repräsentiert der Inhalt des Hände-weg- Zeitnehmers (HR_TMR) zu jedem gegebenen Zeitpunkt die verbleibende Zeitdauer in Sekunden, in welcher der Benutzer nicht in Eingriff mit den Pulssensoren 38 stehen muß. Der in dem Hände-weg-Zeitnehmer enthaltene Wert wird um eins pro Sekunde automatisch verringert. Vorzugsweise wird der Hände-weg-Zeitnehmer auf Null zurückgesetzt, falls der Mikrocomputer 54 eine Händean-Bedingung bzw. Handauflage-Bedingung an dem Block 132 feststellt.
Es sollte festgehalten werden, daß die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf Pulsdetektoren beschränkt ist, in welchen der Benutzer seine Hände auf Elektroden plaziert. Die oben genannten Routinen bzw. Abläufe sind bei jeder Art eines Systems anwendbar, bei welchem der Benutzer in irgendeiner Weise mit einem Pulssensor in Eingriff steht. ZUM BEISPIEL würde bei einem konventionellen Detektor des Ohrclip-Typs das oben beschriebene Hände-an-Signal durch eine Signal ersetzt, welches anzeigt, ob der Detektor in Eingriff mit dem Ohr des Benutzers steht. Wenn der Hände-weg-Zeitnehmer einen positiven Wert hat, wäre es dem Benutzer erlaubt, den Ohrclip zu entfernen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 schreitet der Mikrocomputer 54 nachdem der Hände-weg-Zeitnehmer gestellt worden ist, zu dem Block 130 fort, an dem der Belastungswiderstand als eine Funktion von Veränderungen in der Pedaldrehzahl oder einer anderen Messung der Trainingsrate eingestellt wird. Es wird deutlich, daß die Pedaldrehzahl ein von außen überwachbarer physikalischer Indikator der Trainingsintensität des Benutzers ist (im Gegensatz zu einem physiologischen Indikator, wie zum Beispiel dem Puls). Es wird deutlich, daß die auf der Drehzahl basierende Einstellung bei dem Block 130 auch stattfindet, falls keine Pulsdaten zugänglich sind (d. h. die Neue-Messung-Bedingung falsch ist). Auf diese Art und Weise schafft die Erfindung eine Pulsüberwachung auch während Zeiten, in denen keine Pulsdaten zugänglich sind.
Der Betrieb der auf einer Umdrehungseinstellung basierenden Routine 130 ist durch Fig. 13 detaillierter dargestellt. Wie in Blocks 196 und 198 gezeigt, liest der Mikrocomputer 54 am Anfang den aktuellen Wert der Drehzahl von dem Tachometer 64 ab. Der aktuelle Wert (RPM_NEW) wird mit dem letzten Wert (RPM_OLD) verglichen. Wenn die Änderung der Drehzahl (D_RPM = RPM_NEW - RPM_OLD) größer als eine voreingestellte Schwelle (wie zum Beispiel 6 Umdrehungen) ist, wird der Händeweg-Zeitnehmer auf die minimale Zeitdauer (in diesem Fall 15 Sekunden), welche in der oben beschriebenen Tabelle des Hände-weg-Zeitlimits angegeben ist, und zwar so lange, bis der Hände-weg-Zeitnehmer bereits einen Wert unterhalb dieser minimalen Zeit aufweist. Das Prinzip, das hinter dem Zurücksetzen des Händeweg-Zeitnehmers steckt, ist, daß große Veränderungen der Pedaldrehzahl sehr wahrscheinlich mit großen Veränderungen des Pulses einhergehen und aus diesem Grund zusätzliche Pulsdaten benötigt werden.
Der Mikrocomputer 54 ermittelt dann, ob eine Zielpulsbedingung erreicht worden ist, wie in dem Block 200 dargestellt. Falls die Bedingung nicht erreicht worden ist, endet die auf einer Drehzahländerung basierende Routine 130 ohne weiteres Vorgehen. In diesem Fall ist keine auf der Drehzahl basierende Anpassung erforderlich, weil, bis der Zielpuls ermittelt worden ist, der Benutzer seine Hände auf den Sensoren 38 läßt, und so einen stetigen Strom von Pulsdaten zur Verfügung stellt, welche durch die Belastungsantwortroutine 116 verwendet werden kann, um den Puls zu steuern.
Wie an einem Block 202 bis 206 dargestellt, wird, falls sich die Drehzahl verringert (D_RPM < 0), der Belastungswiderstand aufwärts durch arithmetisches Addieren der Veränderung der Drehzahl (multipliziert mit einer Skalierungskonstanten, K&sub4;, falls notwendig) zu dem Wert des in dem Speicher gespeicherten Belastungswiderstandes. Somit ist
LOAD = LOAD + (K&sub4; · D_RPM)
Es wird deutlich, daß, bevor die Veränderung der Drehzahl zu dem Wert der Belastung addiert wird, sie zuerst von dem Wert des Drehzahl-Überschußzählers (RPM_CTR) subtrahiert wird, wie in dem Block 204 dargestellt. Der Drehzahl-Überschußzähler ist nachstehend detaillierter beschrieben.
An dem Block 204 wird der Drehzahl-Überschußzähler auf einen Wert von nicht weniger als Null reduziert, und zwar um die Menge der Änderung der Drehzahl (D_RPM). Falls die Veränderung der Drehzahl größer oder gleich dem Wert des Drehzahl-Überschußzählers ist, wird die Veränderung der Drehzahl um den Wert des Drehzahl- Überschußzählers reduziert,
D_RPM = D_RPM - RPM_CTR
und der Drehzahl-Überschußzähler wird auf Null gesetzt. Andernfalls wird der Wert des Drehzahlzählers um die Veränderung der Drehzahl reduziert,
RPM_CTR = RPM_CTR - D_RPM,
und die Veränderung der Drehzahl wird auf Null gesetzt.
Nachdem der Wert des Belastungswiderstandes durch die Änderung der Drehzahl angepaßt worden ist, wird der resultierende Wert des Belastungswiderstandes (LOAD) mit dem aktuellen Wert des Maximums (SOFT_MAX) verglichen, wie in einem Block 208 dargestellt. Falls der resultierende Wert des Belastungswiderstandes das Soft-Maximum überschreitet, wird der Belastungswiderstand gleich dem Soft-Maximum gesetzt.
Alternativ, falls die Drehzahl sich an dem Block 202 erhöht, schreitet die Steuerung zu einem Block 210 fort, wo der Belastungswiderstand nach unten durch arithmetisches Subtrahieren der Veränderung der Drehzahl (multipliziert mit einer Skalierungskonstanten, K&sub5;, falls notwendig) von dem Wert des in dem Speicher gespeicherten Belastungswiderstand abgezogen. Somit ist
LOAD = LOAD - (K&sub5; · D_RPM).
Wie in Blocks 210 und 214 dargestellt, wird, falls der resultierende Wert des Belastungswiderstands geringer als Null ist (d. h. LOAD < 0), der Belastungswiderstand auf Null gesetzt und der Drehzahl-Überschußzähler wird um die Menge, um welche der Term K&sub5; · D_RPM den Eingangswert der Belastung überschreitet, inkrementiert.
Es wird deutlich, daß, weil der Belastungswiderstand keinen negativen Wert einnehmen kann, der Drehzahl- Überschußzähler die Menge, um welche der Belastungwiderstand ansonsten negativ sein würde, erhält. Wenn der Mikrocomputer 54 zu dem Belastungswiderstand auf der Basis der sich verringernden Drehzahl addiert (wie zum Beispiel bei den Blocks 204 bis 206), versucht er zunächst, wie oben beschrieben, den Überschuß, der durch den Drehzahl-Überschußzähler wie oben beschrieben repräsentiert wird, zu entleeren. Es kann zum Beispiel angenommen werden, daß eine Benutzer das Treten der Pedale über eine bestimmte Zeitdauer beschleunigt (d. h. die Drehzahl erhöht) und an einem bestimmten Punkt während dieser Beschleunigung durch wiederholte Iterationen bzw. Näherungen der Blocks 210 und 214 der Belastungswiderstand auf Null gesetzt wird.
Weil der Drehzahl-Überschußzähler einen Wert ungleich Null enthält, wird der Belastungwiderstand nicht unmittelbar erhöht, wenn die Beschleunigung des Benutzers einen Höhepunkt erreicht und beginnt, sich zu verringern. Vielmehr verbleibt der Belastungswiderstand bei Null, während der Drehzahl-Überschußzähler die Veränderung der Drehzahl absorbiert. Wenn der Wert des Drehzahl-Überschußzählers auf Null reduziert wird, beginnen aufeinanderfolgende Verringerungen der Pedaldrehzahl in einem höheren Belastungswiderstand zu resultieren.

3. Anzeigemodul

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird deutlich, daß das Anzeigemodul 108 bei jeder Wiederholung der Hauptantriebsschleife 102 aufgerufen wird. Das Anzeigemodul steuert die Anzeige von Information für den Benutzer über das Steuerpult 30. Unter Bezugnahme auf Fig. 14 wird der Betrieb des Anzeigemoduls 108 detaillierter dargestellt. Die primäre Funktion des Anzeigemoduls 108 ist es, dem Benutzer mitzuteilen, wann er seine Hände auf den Pulssensoren 38 plazieren muß, und den Benutzer anzuweisen, wenn er seine Hände wegnehmen darf.
Wie in Blocks 216 bis 222 dargestellt, ermittelt der Mikrocomputer 54 am Anfang, ob der Hände-weg- Zeitnehmer einen Wert aufweist, der gleich Null ist (HR_ TMR = 0). Wie oben angeführt, wird der Hände-weg- Zeitnehmer durch das Belastungssteuermodul 106 (unter Bezugnahme auf Fig. 12 oben beschrieben) gesteuert, um diejenigen Zeitabschnitte anzugeben, in denen der Benutzer seine Hände von den Sensoren 38 entfernen darf. Somit ist, wenn der Hände-weg-Zeitnehmer bei Null steht, der Zeitabschnitt des Hände-Wegnehmens vorbei.
Das System 52 benötigt zusätzliche Pulsdaten und es ist für den Benutzer an der Zeit, seine Hände wieder auf die Sensoren 38 aufzulegen. Falls sich der Händeweg-Zeitnehmer nicht bei Null befindet, benötigt das System 52 noch keine aktuellen Pulsdaten. Der Mikrocomputer 54 schaltet den LED-Herz-Bildschirm aus, wie in dem Block 218 dargestellt, wodurch er den Benutzer darauf hinweist, daß er seine Hände von den Sensoren entfernen darf.
Falls der Hände-weg-Zeitnehmer gleich Null ist, ermittelt der Mikrocomputer, ob eine Handauflage-Bedingung existiert, wie an dem Block 220 dargestellt. Falls sich die Hände des Benutzers nicht auf den Sensoren 38 befinden, stellt der Mikrocomputer 54 ein Blinken des LED-Herz-Bildschirms 76 ein, wie an dem Block 222 dargestellt. Der Mikrocomputer 54 schaltet auch den herzförmigen LED-Handauflege-Anzeiger 78 aus und löscht die LED-Pulsanzeige 74. Dies fordert den Benutzer dazu auf, seine Hände auf die Pulssensoren 38 aufzulegen.
Falls sich jedoch die Hände des Benutzers bereits auf den Sensoren 38 befinden, schaltet der Mikrocomputer den LED-Handauflage-Indikator 78 ein, zeigt den aktuellen Wert des Pulses (HR_NEW) oder das "Hr"-Symbol auf der LED-Pulsanzeige 74 an und schaltet den LED- Herzbildschirm ein. Es kann auch wünschenswert sein, den Puls des Benutzers anzuzeigen, wann immer der Benutzer die Pulssensoren berührt, unabhängig davon, ob sich der Hände-weg-Zeitnehmer bei Null befindet.
Wie in Blocks 228 bis 236 dargestellt, prüft das Anzeigemodul auch den Wert des Belastungswiderstandes (LOAD) und ermittelt, ob die Belastung sich auf dem Wert des Soft-Maximums (SOFT_MAX) befindet oder auf dem Wert Null, wie an dem Block 228 dargestellt. Falls der Belastungswiderstand gleich dem Hart-Maximum ist, wird die TARGET-Markierung an dem Block 229 geprüft, um zu ermitteln, ob der Benutzer jemals den Zielpuls erreicht hat. Falls TARGET falsch ist, endet das Anzeigemodul. Anderenfalls, falls TARGET richtig ist, wird der aktuelle Puls geprüft, um herauszufinden, ob er niedriger als der Zielpuls ist, wie in dem Block 230 dargestellt. Falls der Benutzer den Zielpuls erreicht hat, endet das Anzeigemodul. Anderenfalls wird der aktuelle Wert der Drehzahl geprüft, wie in dem Block 230 dargestellt. Wie an dem Block 232 dargestellt, wird die Hochdrehzahl-LED 80 eingeschaltet, falls die Drehzahl des Benutzers unter 103 beträgt. Dies fordert den Benutzer dazu auf, eine Pedaldrehzahl im Bereich des Hochniveaus von 100 zu halten (angedeutet durch die Anzeige 92 auf dem Pult 30, wie in Fig. 5 dargestellt). Falls sich das Drehzahlniveau des Benutzers unter 98 befindet, wird die Hochdrehzahl-LED auf Blinken gesetzt, um den Benutzer aufzufordern, die Pedaldrehzahl auf 100 zu erhöhen.
Im Gegensatz dazu, falls sich der Belastungswiderstand auf einem Minimum befindet und der Puls des Benutzers an oder unter dem Zielpuls ist, endet das Anzeigemodul, wie durch den Block 234 dargestellt. Falls jedoch der Puls des Benutzers über dem Zielpuls liegt, wird der aktuelle Wert der Drehzahl geprüft, wie durch den Block 234 dargestellt. Wie an dem Block 236 illustriert, wird, falls die Drehzahl des Benutzers über 82 ist, die Niedrigdrehzahl-LED 82 auf Blinken gesetzt. Dies fordert den Benutzer dazu auf, die Pedaldrehzahl auf das niedrige Drehzahlniveau von 80 zu reduzieren (angedeutet durch die Anzeige 94 auf dem Puls 30, wie in Fig. 5 dargestellt). Falls das Drehzahlniveau des Benutzers zwischen 77 und 82 beträgt, wird die Niedrigdrehzahl-LED 82 eingeschaltet. Dies fordert den Benutzer dazu auf, seine Pedaldrehzahl in der Nähe von 80 Umdrehungen zu halten.
Falls die Drehzahl des Benutzers unter 77 beträgt, wird die Niedrigdrehzahl-LED 82 ausgeschaltet.

4. Sicherheitsmodul

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird deutlich, daß das Sicherheitsmodul 110 mit jeder Wiederholung der Hauptantriebsschleife 102 aufgerufen wird. Die Funktion des Sicherheitsmoduls ist es, sicherzustellen, daß das System 52 nicht ohne ausreichende Pulsdaten weiterbetrieben wird. Im Gegensatz zu einigen bestehenden Systemen schalten die Sicherheitsmerkmale der vorliegenden Erfindung das Fahrrad 20 aus oder warnen den Benutzer, wenn der Puls des Benutzers ein kritisches Niveau erreicht. Vielmehr greifen die Sicherheitsmerkmale der vorliegenden Erfindung dann ein, wenn für eine längere Zeitdauer keine neuen Pulsdaten zugänglich sind.
Der Betrieb des Sicherheitsmoduls 110 ist durch Fig. 15 detaillierter dargestellt. Wie in einem Block 240 dargestellt, ermittelt der Mikrocomputer 54, ob der Hände-Weg-Zeitnehmer (HR_TMR) gerade auf Null gestellt ist. Falls nicht, ist es für den Benutzer erlaubt, seine Hände von den Sensoren 38 entfernt zu haben und es ist kein weiterer Eingriff notwendig. Das Sicherheitsmodul stellt die Glocke 85 ab, wie an einem Block 242 dargestellt, und endet.
Falls jedoch der Hände-weg-Zeitnehmer gleich Null ist, wird das Hände-an-Signal geprüft, wie in einem Block 244 dargestellt. Falls das Hände-an-Signal eine Händean-Bedingung anzeigt, stellt das Sicherheitsmodul die Glocke 85 ab, wie am Block 242 dargestellt, und endet.
Falls stattdessen der Hände-weg-Zeitnehmer Null ist und die Hände des Benutzers entfernt sind, setzt das Sicherheitsmodul eine Sicherheitsmarkierung und startet einen Sicherheitszeitnehmer, wie in Blocks 246 und 248 dargestellt. Der Sicherheitszeitnehmer kann unter Verwendung des Zeitnehmers 60 des Mikrocomputers 54 in einer geeigneten Art und Weise realisiert werden und ist in der Praxis ein Zähler, der durch eine Zeitnehmerunterbrechung periodisch inkrementiert wird. Der Sicherheitszeitnehmer sollte nicht mit dem Hände-weg- Zeitnehmer verwechselt werden.
Während dieser und jeder weiteren Wiederholung des Sicherheitsmoduls 110 wird der Wert des Sicherheitszeitnehmers geprüft, wie in Blocks 250 bis 256 dargestellt. Wenn der Zeitnehmer 45 Sekunden erreicht, schaltet der Mikrocomputer 54 die Glocke 85 ein, wie in dem Block 252 dargestellt. Das Piep-Geräusch verstärkt die blinkende LED-Herzanzeige (gesetzt durch das Anzeigemodul 108) darin, den Benutzer anzuweisen, seine Hände auf die Pulssensoren 38 zu legen. Falls der Benutzer seine Hände nicht auf den Pulssensoren 38 plaziert, bleibt die Sicherheitsmarkierung an und der Zeitnehmer fährt fort zu inkrementieren. Falls der Zeitnehmer 60 Sekunden erreicht, wird der Belastungswiderstand auf einen voreingestellten Wert K&sub6; gesetzt, welcher Null oder ein anderer niedriger Belastungswert sein kann, wie in dem Block 256 dargestellt, um den Benutzer zusätzlich aufzufordern, seine Hände auf die Sensoren 38 zu legen und das Risiko zu verringern, daß der Benutzer einen unangemessen hohen Puls erreicht.
Es wird deutlich, daß, wenn der Benutzer seine Hände auf die Sensoren 38 legt, die Sicherheitsmarkierung auf die nächste Wiederholung des Sicherheitsmoduls zurückgesetzt wird, wie in dem Block 242 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 16 ein Trainingsgerät 310 des Kletter- bzw. Treppensteige-Typs, der einen Rahmen 312, in Schaltpult 314 und ein Paar Pedale 316 und 318 aufweist. Der Rahmen 312 kann von einer beliebigen geeigneten Konstruktion sein. In der dargestellten Ausführungsform weist der Rahmen 312 ein Grundelement 320, einen röhrenförmigen Abschnitte 322, der als Handlauf verwendet werden kann, und ein Gehäuse 324 auf. Die Pedale 316 und 318 sind jeweils mit Aufnahmen 326 und 328 versehen, welche die Tritte eines simulierten Treppenhauses oder Hügels bilden.
Die Pedale 316 und 318 sind gelenkig an dem Grundelement 320 angebracht, um es dem Benutzer zu erlauben, die Aufnahme 326 und 328 in einer Trainingsbewegung vertikal auf- und abzubewegen. Wie am besten in Fig. 17 erkennbar ist, ist eine geeignete Übertragungseinrichtung 330 in dem Gehäuse 324 angeordnet und konvertiert die vertikale Auf- und Abbewegung der Pedale 316 und 318 in eine Rotationsbewegung eines Schwungrades 332. Der Rotationsbewegung des Schwungrades 332 leistet ein Generator 334 Widerstand, welcher mit dem Schwungrad 332 über einen geeigneten Riemen 336 verbunden ist.
Die Übertragungseinrichtung weist eine Länge der Kette 338 auf, welche die Pedale 316 und 318 überkreuz miteinander verbindet. In Fig. 17 ist lediglich ein Abschnitt der Kette 338 dargestellt. Die Kette 338 steht in Antriebsverbindung mit einem Paar Kettenräder 340, welche koaxial an einander gegenüberliegenden Seiten des Schwungrades 332 angebracht sind. Aus Gründen der Klarheit ist in Fig. 17 lediglich eines der Kettenräder 340 dargestellt. Einwegkupplungen (nicht dargestellt) sind mit jedem der Kettenräder 340 verbunden, so daß das Schwungrad 332 ungeachtet der Tatsache, daß die Kettenräder 340 aufgrund der Auf- und Abwärtsbewegung der Kette 338 in zwei Richtungen rotieren, nur in einer Richtung rotiert. Die Erfindung kann auch durch andere geeignete Übertragungseinrichtungen in die Praxis umgesetzt werden.
Der Generator 334 ist ein handelsüblicher Generator, wie er zum Beispiel in Automobilanwendungen für gewöhnlich verwendet wird, und weist ein Feldspulen- Terminal 342, ein Antriebsspulen-Terminal 344, welches über einen 0,5 Ohm Widerstand 346 geerdet ist, und ein Abgriffsterminal 348 auf. Der Generator 334 weist auch eine rotierende Welle 350 auf, welche durch den Riemen 336 angetrieben wird. Wenn der Benützer die Pedale 316 und 318 in vertikaler Richtung auf- und abbewegt, treibt er oder sie das Schwungrad 332 an, welches wiederum die Generatorwelle 350 antreibt. Die Rotation der Welle 350 führt dazu, daß der Generator 334 ein Spannungspotential an dem Antriebsspulen-Terminal 344 erzeugt. Der resultierende Strom fließt durch den Widerstand 346, wodurch er die kinetische Energie des Benutzers in Wärme umwandelt. Die der Rotation der Welle 342 (und folglich der auf- und abwärts gerichteten Trainingsbewegung des Benutzers) entgegengesetzte Widerstandskraft oder "Belastung" wird durch den Strom bestimmt, der durch das Feldspulen-Terminal 342 fließt.
Der Betrieb des Trainingsgeräts 310 wird durch ein Paar von Computern 352 und 354 gesteuert, welche miteinander über eine serielle Kommunikationsverbindung 356 verbunden sind. Jeder der Computer 352 und 354 weist dynamische Speicher- und Eingangs-Ausgangs- Schnittstellen-Schaltkreise auf und der Computer 348 weist auch einen Permanentspeicher 358 auf. Der Computer 352 steuert den Belastungswiderstand des Generators 334 und ist vorzugsweise ein MotorolaTM 68HC05- Mikrocontroller. Der Computer 352 berechnet auch das Trainingsniveau des Benutzers, die verbrauchten Kalorien und andere trainingsbezogene Daten. Der Computer 354 managt die Eingaben und Ausgaben des Benutzers über das Pult 314 und ist vorzugsweise ein MotorolaTM 68HC05-Mikrocontroller. Alternativ kann ein einzelner, integrierter Computer verwendet werden.
Der Computer 352 erzeugt als Ausgabe ein Steuersignal 360, welches durch einen Verstärker 362 verstärkt wird. Die Ausgabe 364 des Verstärkers 362 wird mit dem Feldspulen-Terminal 342 verbunden und die Eingabe des Verstärkers 362, die nicht mit dem Steuersignal 360 verbunden ist, ist mit einer festen Spannungsquelle 366 verbunden.
Das Steuersignal 360 ist eine Impulsfolge. Die Pulse werden mit regelmäßigen Intervallen von ungefähr 350 Millisekunden erzeugt. Die Dauer (oder "Arbeitszyklus") jedes Impulses wird jedoch durch den Computer 352 variiert, um das effektive Stromniveau durch das Feldspulen-Terminal 342 zu modulieren.
Es wird deutlich, daß der Computer 352 den Belastungswiderstand durch Modulieren des Arbeitszykluses des Steuersignals 360 steuern kann. Insbesondere erhöht ein größerer Arbeitszyklus den effektiven Strom durch das Feldspulen-Terminal 342 und bringt den Generator 334 dazu, einen größeren Belastungswiderstand entgegen der Rotation der Welle 340 zu übertragen (und demzufolge gegen die Auf- und Abwärtstrainingsbewegung des Benutzers). Bei der bevorzugten Ausführungsform überschreitet der Arbeitszyklus 50 Prozent nicht.
Eine Eingabe bzw. Eingang 368 des Computers 352 ist mit dem Abgriffsterminal 348 des Generators 334 verbunden. Wenn die Generatorwelle 350 rotiert, geht von dem Abgriffsterminal 348 ein sinusförmiges Signal aus. Die Spitzenabschnitte dieses Stroboskopsignaleingangs 368 erzeugen eine Hardware-Unterbrechung bei einer Frequenz, die der Drehzahl der Welle 350 entspricht. Der Computer 352 kann die Zeitdauer zwischen diesen Unterbrechungssignalen bestimmen, um das Niveau der Trainingsbewegung des Benutzers zu berechnen.

Steuerpult

Unter Bezugnahme auf die Fig. 17 und 18 wird deutlich, daß der Computer 354 mit dem Steuerpult 314 zum Management des Eingangs-Ausgangs des Benutzers verbunden ist. Das Pult 314 weist Anzeigen auf, die so konstruiert sind, daß sie den Betrieb des Trainingsgeräts 310 in einem "regulären" und einem "Kletter"-Modus aufnehmen, auch wenn die Erfindung ohne den regulären Modus ausgeführt werden kann. Im regulären Modus arbeitet das Trainingsgerät 310 als ein konventionelles System, bei welchem das Anstrengungsniveau des Benutzers durch Regulieren der Rate, bei welcher der Benutzer trainiert, gesteuert wird. Zu diesem Zweck weist das Pult 314 eine Anzeige 370 zum Auffordern des Benutzers, mit einer bestimmten Rate bzw. einem bestimmten Niveau zu trainieren (ausgedrückt in Stockwerken pro Minute), und eine Anzeige 372 für das tatsächliche Trainingsniveau des Benutzers.
Das Pult 314 beinhaltet Informationsanzeigen 374 und 376 für jeweils die abgelaufene Zeit und die verbrauchten Kalorien sowie Anzeigen 378 und 380 für jeweils den Prozentsatz der Anstrengung und die Stufenhöhe. Eine alphanumerische Anzeige 382 zeigt Nachrichten für den Benutzer einschließlich Anleitungen, wie das Gerät 310 verwendet wird, an.
Die Anzeige 378 ist eine Spalte von LEDs, bei welcher individuelle LEDs aufeinanderfolgend beleuchtet werden, um dem Benutzer den Prozentsatz der Anstrengung anzuzeigen, den er oder sie aufbringt. In diesem Fall beträgt der Prozentsatz der Anstrengung diejenigen Prozente, die das tatsächliche Trainingsniveau von der Zielrate beträgt.
Die Anzeige 380 ist ebenfalls eine Spalte von aufeinanderfolgend beleuchteten LEDs, welche auf graphische Art und Weise den Prozentsatz anzeigt, die die tatsächliche Verschiebung der Pedalelemente 316 und 318 von einer Zielverschiebung beträgt. Die tatsächliche Verschiebung kann durch einen Positionssensor (nicht dargestellt) gemessen werden.
Im Treppensteige-Modus wird das Trainingsgerät 310 gemäß der Erfindung betrieben. Die Anzeigen 370, 378 und 380 brauchen nicht verwendet werden, weil in dem Treppensteige-Modus das Trainingsgerät 310 das Trainingsniveau des Benutzers nicht reguliert. Vielmehr reguliert das Trainingsgerät 310 (unabhängig von dem Trainingsniveau) die Belastung, welche der Generator 334 gegen die Auf- und Abwärts-Trainingsbewegung des Benutzers aufbringt. Wie oben detaillierter beschrieben, werden das aktuelle und nachfolgende Widerstandsniveau in einer Programmprofil-Lampenmatrix 384 angezeigt. Die Matrix 384 weist eine Reihe von LEDs 385 auf. Aus Gründen der Klarheit sind nicht alle LEDs 385 in Fig. 18 dargestellt. Alternativ können andere Anzeigequellen, wie zum Beispiel LCD, verwendet werden.
Das Pult 314 weist auch eine Tastatur 386 auf, welche es dem Benutzer ermöglicht, Programme und Betriebsarten auszuwählen und Daten, wie zum Beispiel Gewicht, einzugeben. Wie in Fig. 18 dargestellt, weist die Tastatur 386 Tasten A und B zum Auswählen einer der oben beschriebenen normalen und Treppensteige-Betriebsarten auf. Die Tasten H, M und R ermöglichen es dem Benutzer, ein Programm zum Betrieb in der jeweils ausgewählten Treppensteige- oder normalen Betriebsart. Die zugänglichen Trainingsprogramme sind Berg bzw. Anstieg, Manuell und Zufall und werden durch Drücken der Tasten H, M und R jeweils ausgewählt. Diese Programme sind unter Bezugnahme auf den Treppensteige-Modus nachfolgend beschrieben.
Ein periodisches Update der auf dem Pult 314 angezeigten Informationen wird durch den Computer 354 durchgeführt, und zwar unter Verwendung von Informationen, die durch den Computer 352 zur Verfügung gestellt und über die Verbindung 356 zu dem Computer 352 übertragen werden. Die Tastatur 386 wird von dem Computer 354 überwacht und die Eingabe des Benutzers wird über die Verbindung 356 zu dem Computer 352 übertragen.

Treppensteige- bzw. Klettermodus

Die Erfindung kann am besten verstanden werden, durch die Beschreibung des Betriebs des Trainingsgeräts 310 in dem Treppensteige-Modus. Am Anfang wählt der Benutzer den Treppensteige-Modus durch Drücken der Taste B aus. In dem Permanentspeicher 358 des Computer 354 enthaltene Software-Programme werden dann ausgeführt, um (i) den Benutzer nach verschiedenen Daten zu fragen und (ii) ein Trainingsprogramm gemäß der Erfindung durchzuführen. Alternativ könnte der Benutzer den Treppensteige-Modus beispielsweise nach dem Eingeben der Daten oder sogar während des Trainings auswählen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 19 und 20 werden diese Software-Programme nun beschrieben.
Wie an einem Block 386 von Fig. 19 dargestellt, fordert der Computer 354 über das Pult 314 den Benutzer auf, sein Gewicht in Kilogramm (Pfund) einzugeben. An einem Block 388 wird der Benutzer dazu aufgefordert, eines der Berg-, Zufall- oder manuellen Programme durch Drücken von einer der Tasten H, R und M auszuwählen.
An einem Block 390 wird der Benutzer dazu aufgefordert, ein Abschlußkriterium einzugeben. Das Abschlußkriterium bildet die Basis zum Beenden des Trainings in dem Zufalls- und manuellen Programm. Geeignete Kriterien beinhalten die abgelaufene Trainingszeit, die verbrauchten Kalorienmenge und die zurückgelegte Distanz (ausgedrückt in Stockwerken).
In dem Fall, in dem das Abschlußkriterium die Menge der verbrauchten Kalorien ist, berechnet der Computer 352 die von dem Benutzer verbrauchten Kalorien auf der Basis des Belastungswiderstands, der gekletterten Distanz und dem Gewicht des Benutzers. Der Computer 352 vergleicht periodisch die kumulierten verbrauchten Kalorien bis zu einem von dem Benutzer eingegebenen Ziel. Wenn die tatsächlich kumulierten verbrauchten Kalorien das Ziel überschreiten, alarmiert der Computer 352 den Benutzer mittels eines Alarms, eines blinkenden Lichts oder einer geeigneten Einrichtung. Der Computer 352 kann auch den Belastungswiderstand unterbrechen, um den Benutzer darauf hinzuweisen, daß das Abschlußkriterium erreicht worden ist.
Der Treppensteige-Modus des Anmelders erlaubt die Verwendung des Kalorienverbrauchs als ein Abschlußkriterium, weil, im Gegensatz zum Stand der Technik, der Treppensteige-Modus des Anmelders den Belastungswiderstand während des Trainings steuert.
An einem Block 392 wird der Benutzer dazu aufgefordert, ein Anstrengungsniveau einzugeben. Bei der bevorzugten Ausführungsform gibt es zwölf Anstrengungsniveaus mit steigender Schwierigkeit. Jedes Niveau ist verbunden mit einem Bereich eines Belastungswiderstands und die Bereiche können aufeinanderfolgend oder überlappend sein.
An einem Block 394 wird das Trainingsprogramm so lange durchgeführt, bis das ausgewählte Abschlußkriterium eintritt, oder im Falle des Bergprogramms, ein voreingestellter Ablauf vervollständigt ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 20 wird der Betrieb des Trainingsgeräts 310 an dem Block 394 detaillierter beschrieben. Beginnend bei einem Block 396 ermittelt der Computer 352, welches der Programme Berg, Zufall oder manuell der Benutzer eingegeben hat.
Wie oben beschrieben, steuert das Trainingsgerät 310 in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den Belastungswiderstand (im Gegensatz zum Trainingsniveau), was es dem Benutzer erlaubt, mit jeder gewünschten Rate in einer natürlicheren Simulation des Kletterns zu trainieren. Der Widerstand wird in Übereinstimmung mit dem jeweils ausgewählten Programm Berg, Zufall oder manuell variiert. In jedem Fall eines Programms wählt der Computer 352 eine oder mehr Zahlen (oder "Schwierigkeitsgrade"), welche verbunden sind mit Berghöhe, Steilheit oder einem anderen Indikator für Schwierigkeit. Der Belastungswiderstand ist eine Funktion dieser ausgewählten Werte. Somit ist, je höher der Schwierigkeitsgrad des Berges, um so höher der Belastungswiderstand gegen die Trainingsbewegung des Benutzers. Zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung werden die Bezeichnungen "Berghöhe", "Berggröße" und "Bergschwierigkeit" manchmal untereinander vertauschbar verwendet.
In dem Bergprogramm werden die Schwierigkeitsgrade des Berges in Übereinstimmung mit einem voreingestellten Ablauf ausgewählt, der in dem Permanentspeicher 358 gespeichert ist. Dieser Ablauf wird auf einer Anzeige 398 graphisch angezeigt, welche an dem Pult 314 angebracht ist (wie in Fig. 18 dargestellt). Die Höhe der vertikalen Säulen, welche von der Anzeige 398 angezeigt werden, entsprechen der Amplitude des Belastungswiderstands unter Bezugnahme auf die Zeit, welche entlang der horizontalen Achse von links nach rechts repräsentiert wird. (Das Bergprogramm kann auch eine Vielzahl von Abläufen mit variierenden, jedoch voreingestellten Zeitdauern beinhalten). Eine Legende auf der Anzeige 398 kann die Größe der vertikalen Säulen mit dem Konzept der Berghöhe oder -schwierigkeit in Verbindung bringen.
In dem Zufallsprogramm werden die Bergschwierigkeitswerte zufällig aus einem voreingestellten Bereich durch den Computer 352 ausgewählt. In der Praxis kann der Computer 352 eine Serie von Zufallszahlen generieren, wenn das Training beginnt, und kann die generierten Zahlen in einer Reihe zum seriellen Zurückholen während des Trainings speichern. Wenn die Zufallszahlen in dem Speicher gespeichert sind, werden sie tatsächlich zu einem Ablauf, wie zum Beispiel einem voreingestellten Ablauf, der während des Betriebs des Bergprogramms herangezogen wird.
In dem manuellen Programm wird der Belastungswiderstand auf einem festen Schwierigkeitsniveau gehalten. Im Gegensatz dazu wählt der Computer 358 in den Berg- und Zufallsprogrammen nacheinander (entweder zufällig oder in Übereinstimmung mit einem vorher ausgewählten Ablauf) eine der (vorzugsweise) sieben Werte der Bergschwierigkeit aus.
Unter Bezugnahme auf Fig. 19 fährt die Steuerung, abhängig davon, welches Programm ausgewählt wurde, von dem Block 396 zu einem der Blöcke 398, 400 oder 402 fort. Falls das manuelle Programm ausgewählt wird, berechnet der Computer 358 den Belastungswiderstand an einem Block 398. Nach der Verzögerungsperiode bei Block 404 (welche von einer beliebigen geeigneten Länge, wie zum Beispiel eine Sekunde, sein kann) prüft der Computer 358 das Abschlußkriterium an einem Block 400, um festzustellen, ob das Training vollständig ist. Falls das Training vollständig ist, endet das Programm. Anderenfalls fährt die Steuerung zu dem Block 404 zurück und die Wiederholung der Blocks 404 und 406 wird so lange wiederholt, bis das Abschlußkriterium eingetreten ist.
Falls das Zufallsprogramm ausgewählt ist, erzeugt der Computer 352 an einem Block 400 eine Zufallszahl, die einem Bergschwierigkeitswert entspricht. Wie bereits erwähnt, kann eine Reihe von Zufallszahlen zur selben Zeit erzeugt und in einer Reihe gespeichert werden. In diesem Fall würde der Computer 352 an dem Block 400 den nächsten Bergschwierigkeitsgrad aus der Reihe holen.
Alternativ kann der Computer am Anfang zufällig eine voreingestellte Anzahl an Nummern erzeugen, welche FIFO-Weise in einem Rundpuffer gespeichert sind. Mit jeder Wiederholung des Blocks 400 wird die am frühesten erzeugte Nummer aus dem Speicher genommen und eine neue, zufällig erzeugte Nummer wird in dem Speicher plaziert. Auf diese Art und Weise werden zumindest einige der nachfolgenden, zufällig ausgewählten Bergschwierigkeitswerte in dem Speicher zur Anzeige auf der Programmprofil-Matrix 384 gespeichert, wie oben beschrieben.
Der Computer 352 berechnet dann den Belastungswiderstand an einem Block 408. Nach einer Verzögerungszeit von irgendeiner geeigneten Dauer (repräsentiert durch einen Block 410) prüft der Computer 354 das Abschlußkriterium an einem Block 412, um festzustellen, ob das Training abgeschlossen ist. Falls das Training abgeschlossen ist, endet das Programm. Anderenfalls kehrt die Steuerung zu dem Block 400 zurück und die Wiederholung der Blocks 400 und 408-412 wird so lange fortgeführt, bis das Abschlußkriterium eintritt. In der Praxis sollte ein neuer Schwierigkeitswert nur bei jeder N-ten Wiederholung des Blocks 400 ausgewählt werden, wobei N eine Zahl ist, die ausreichend groß ist, damit das Schwierigkeitsniveau nicht zu häufig wechselt.
Falls das Bergprogramm ausgewählt ist, holt der Computer 352 an einem Block 402 den nächsten Bergschwierigkeitswert aus dem gespeicherten Ablauf bzw. Routine. Der Computer 352 berechnet dann den Belastungswiderstand an einem Block 414. Nach einer Verzögerungszeit von irgendeiner geeigneten Dauer (repräsentiert durch einen Block 416) berechnet der Computer 352 an dem Block 117, ob der voreingestellte Ablauf vollständig ist. Falls der vorausgewählte bzw. voreingestellte Ablauf vollständig ist, endet das Training. Anderenfalls kehrt die Steuerung zu dem Block 402 zurück und die Wiederholung der Blocks 402 und 404 bis 418 wird wiederholt.
Der mittels des Computers 352 an den Blocks 398, 408 und 414 berechnete Belastungswiderstand wird als ein Arbeitszyklus des von dem Computer 352 erzeugten Steuersignals 360 ausgedrückt. Der Arbeitszyklus ist eine berechnete Funktion aus dem Gewicht des Benutzers, dem von dem Benutzer ausgewählten Anstrengungsniveau und dem aktuellen Bergschwierigkeitsgrad (oder "Größe"). Mathematisch ausgedrückt bedeutet dies
Arbeitszyklus = F (Gewicht, Anstrengungsniveau, Berggröße).
In dem manuellen Programm ist die Berggröße (und deshalb der Belastungswiderstand) konstant. In den Berg- und Zufallsprogrammen wird jedoch die Berggröße variiert, wodurch der Belastungswiderstand über der Zeit moduliert wird.
Durch empirisches Testen wurde eine Vielzahl von Formeln gefunden, welche verwendet werden können, um den Arbeitszyklus als eine Funktion des Gewichst in Kilogramm (Pfund), des Anstrengungsniveaus und der Berggröße zu berechnen. Es wurde jedoch herausgefunden, daß die folgende Formel besonders effektiv ist:
K&sub1; * (K&sub2; + Gewicht * Gewicht/K&sub3; + Niveau * K&sub4; + [(Niveau * K&sub5; + K&sub6;)/K&sub7;] * [Berg - K&sub8;];
wobei K&sub1; gleich 0,33; K&sub2; gleich 19; K&sub3; gleich 2500; K&sub4; gleich 2; K&sub5; gleich 2; K&sub6; gleich 30; K&sub7; gleich 8; und K&sub8; gleich 2 ist. Wenn das höchste Niveau ausgewählt ist, kann K&sub4; auf drei gesetzt werden, um erfahrenen Benutzern ein besonders anstrengendes Training zu bieten.
Die tatsächlichen Werte der oben genannten Konstanten sollten für besondere Ausführungsformen der Erfindung kalibriert werden. Von besonderer Bedeutung ist jedoch, daß der Arbeitszyklus eine Funktion des Quadrats des Gewichts des Benutzers sein kann. Es wird davon ausgegangen, daß das Erlebnis des Kletterns bzw. Treppensteigens realistischer und bequemer ist, wenn das Gewicht auf diese Weise quadriert wird.
Der oben genannte Arbeitszyklus ist im allgemeinem proportional zu dem Widerstand, den der Benutzer fühlt, wenn er auf den Pedalen 316 und 326 nach unten tritt. Dieser durch die oben genannte Formel bezeichnete Arbeitszyklus wird unabhängig von der durch die Anzeige 372 angezeigten Schrittfrequenz des Benutzers berechnet.
Die Programmprofil-Lampenmatrix-Anzeige 384 zeigt nacheinander eine Vielzahl von Bildern, die Berge repräsentieren. Jedes Bild eines Berges steht in Verbindung mit einem Schwierigkeitsniveau, welches durch das Bild graphisch dargestellt wird. Insbesondere zeigt die Anzeige 384 die aktuellen und zukünftigen Bergschwierigkeitswerte in einer Matrix aus LEDs 385 an. Jede vertikale Säule der Matrix 384 weist aufeinanderfolgend beleuchtete LEDs 385 auf, welche das Bild eines einzelnen "Berges" definieren. Der Schwierigkeitsgrad oder "Höhe" des Bergs wird durch die Anzahl von LEDs 385 repräsentiert, welche in der jeweiligen Säule beleuchtet sind.
Der aktuelle Bergwert wird in der ganz linken Säule 420 (oder "primäre Anzeige") angezeigt. Von rechts nach links werden die nächsten N-Bergwerte, welchen der Benutzer begegnet, in dem Anzeigebereich 422 (oder "sekundäre Anzeige") angezeigt, wobei N die Anzahl der verbleibenden Säulen ist.
Während jeder Wiederholung der Berg- und Zufalls- Abläufe wird der ausgewählte Bergwert in der ganz linken Säule als der "aktuelle Bergwert" angezeigt, wenn ein Bergschwierigkeitswert an den Blocks 400 oder 402 (wie in Fig. 20 dargestellt) ausgewählt ist. Auf diese Art und Weise stellt die ganz linke Säule dem Benutzer eine grafische Echtzeit-Darstellung des Niveaus des Belastungswiderstands zur Verfügung, welche er oder sie erlebt. Je höher der angezeigte Bergschwierigkeitswert ist, um so größer ist der Belastungswiderstand.
Auf diese Art und Weise verstärkt die visuelle Assoziation der Berghöhe in Verbindung mit dem Niveau des Belastungswiderstands in den Gedanken des Benutzers die Bedeutung der Steilheit und das Erlebnis, Berge zu erklettern. Alternativ kann die Erfindung auch mit noch anspruchsvolleren Anzeigen in die Praxis umgesetzt werden, einschließlich dreidimensionaler oder lebensechter Video-Repräsentationen von Bergen.
Die nächsten N anstehenden Bergschwierigkeitswerte, die in dem Bereich 422 angezeigt werden, werden ebenfalls jedesmal erneuert, wenn ein neuer Bergwert durch den Computer 352 ausgewählt wird. In dem Bergprogramm erhält der Computer 352 diese Werte von dem voreingestellten Programm. Im Zufallsprogramm muß der Computer 352 mindestens N Zufalls-Bergwerte im voraus erzeugen und steuern, falls sie in dem Bereich 422 angezeigt werden sollen.
Es wird deutlich, daß die nachfolgenden Bergwerte über den Anzeigebereich 422 von rechts nach links sich zu bewegen erscheinen und somit eine weitere visuelle Verstärkung des Erlebnisses bieten, das der Benutzer ein hügliges Terrain überquert.

Claims

1. Trainingsgerät, welches folgendes aufweist:

(a) eine Bewegungseinrichtung (28; 44; 50; 316;. 318), welche so ausgebildet ist, daß sie bei einem Eingriff durch den Benutzer eine Trainingsbewegung für den Benutzer schafft, wobei die Bewegungseinrichtung (28; 44; 50; 316, 318) selektiv einstellbar ist, um die Trainingsintensität für den Benutzer zu variieren;

(b) eine Sensoreinrichtung (38) welche dafür vorgesehen ist, selektiv mit dem Benutzer in Eingriff zu stehen zum Ermitteln eines Pulses des Benutzers und Erzeugen eines Signals, welche den Grad der Trainingsintensität des Benutzers basierend auf dem Puls anzeigt; und

(c) eine Steuereinrichtung (30; 46; 51; 314) welche im Betrieb mit der Bewegungseinrichtung (28; 44; 50; 316, 318) und der Sensoreinrichtung (38) in Verbindung steht zum Einstellen der Bewegungseinrichtung (28; 44; 50; 316, 318) in Übereinstimmung mit dem Signal, um die Trainingsintensität des Benutzers in die Nähe des Zielniveaus zu bringen und dort zu halten,

gekennzeichnet durch

das Halten des Niveaus der Trainingsintensität des Benutzers während Zeitabschnitten in der Nähe des Zielniveaus, wenn der Benutzer die Sensoreinrichtung (38) außer Eingriff gebracht hat durch Beibehalten des Pulses des Benutzers in der Nähe eines voreingestellten Pulses, einschließlich einer Niveaumeßeinrichtung (64) zum Messen der Trainingsrate des Benutzers.

2. Trainingsgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Display (32), welches betriebsfähig mit der Steuereinrichtung (30; 46; 51; 314) verbunden ist, um den Benutzer dazu aufzufordern, die Sensoreinrichtung (38) für eine Zeitdauer außer Eingriff zu bringen, sobald das Niveau der Trainingsintensität des Benutzers das Zielniveau erreicht.

3. Trainingsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30; 46; 51; 314) auf die Niveaumeßeinrichtung (64) reagiert, um die Trainingsintensität des Benutzers an oder in der Nähe des Zielniveaus zu halten.

4. Trainingsgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Zeitdauer eine Funktion des Niveaus der Trainingsintensität des Benutzers ist.

5. Trainingsgerät nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Display (32) eine Veranlassungs-Einrichtung (108) zum Veranlassen des Benutzers, die Sensoreinrichtung (38) wieder in Eingriff zu bringen, wenn die Zeitdauer abgelaufen ist, aufweist.

6. Trainingsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer ersten und zweiten Pedaleinrichtung (28; 50; 316, 318), welche gelenkig an einem Rahmen (26, 48; 312) angebracht und dafür vorgesehen ist, dem Benutzer eine sich in vertikaler Richtung wiederholende Trainingsbewegung anzubieten;

eine Widerstandseinrichtung zum Aufbringen eines variablen Widerstandsniveaus entgegen der sich wiederholenden Trainingsbewegung, wobei die Widerstandseinrichtung selektiv einstellbar als Reaktion auf ein Belastungssteuersignal (66) zum Verändern des Widerstandsniveaus ist;

eine Steuereinrichtung (30; 46; 51; 314) zum Erzeugen des Steuersignals, um den Widerstand unabhängig von dem Niveau der Trainingsbewegung aufzubringen.

7. Trainingsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung (28; 44; 50; 316, 318) Pedale (28) aufweist, und daß die Niveaumeßeinrichtung (64) das Trainingsniveau durch Messen der Rotationsgeschwindigkeit der Pedale (28) mißt.

8. Trainingsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung (28; 44; 50; 316, 318) ein Laufband (22) mit einem endlosen Band (44) aufweist, und daß die Niveaumeßeinrichtung (64) das Trainingsniveau durch Messen der Geschwindigkeit des endlosen Bandes (44) mißt.

9. Trainingsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung (28; 44; 50; 316, 318) einen Rahmen (312) aufweist, welcher in vertikaler Richtung sich auf- und abbewegende Pedale (316, 318) aufweist, auf welchen der Benutzer zur Simulation von Treppensteigen steht, und daß die Niveaumeßeinrichtung (64) das Trainingsniveau durch Messen der Rate, um welche sich die Pedale (316, 318) auf- und abbewegen, mißt.

10. Trainingsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch, eine Einrichtung zur Ermittlung, ob der Benutzer in Eingriff mit der Sensoreinrichtung (38) steht; und eine Alarmeinrichtung (85), welche beriebsfähig mit der Ermittlungseinrichtung verbunden ist, zum Alarmieren des Benutzers, wenn der Benutzer die Sensoreinrichtung (38) nicht innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer nachdem die Zeitdauer abgelaufen ist wieder in Eingriff gebracht hat