Trainingsgerät
Trainingsgeräte finden ihre Anwendung sowohl im Fitness- / 5 Wellnessbereic als .auch im medizinisch- / therapeutischen Bereich zur Rehabilitation sowie vorbeugenden Behandlung von Patienten.
Die Trainingsgeräte beinhalten Widerstandsgeber, die als
10 elastische Elemente, " Gewichte, magnetisch oder elektromagnetische Bremsen (Ergometer) oder hydraulische Elemente ausgebildet sein können. Bei Trainingsgeräten die zur Erzeugung des Widerstandes mit Gewichten ausgestattet sind, ;.kann - beim Training nur An einer. Wirkrichtung gearbeitet
15 werden, so dass zu . raining sowohl des Agonisten als auch des Antagonisten einer Muskelgruppe zwei Geräte benötigt werden. Bei Widerstandsgebern die als magnetische oder elektromagnetische Bremsen ausgebildet sind ist der Stromverbrauch / Energieverbrauch sehr hoch. Trainingsgeräte
20- in- denen- ein -.hydraulischer. Widerstandsgeber integriert ist, wobei der Widerstand, über hydraulische Drosseln eingestellt werden kann, besitzen durch die eingebauten Hydraulikelemente eine- Vielzahl bewegter Teile-, die. verschleißbehaftet sind. Des weiteren ist die Ansteuerung zur Einstellung eines gezielten
25 Widerstandes aufwendig.
. In Fitnessstudios oder auch Therapiezentren werden meist mehrere Geräte zum Trainieren- unterschiedlicher Muskelpartien gleichzeitig an einem Ort zur Verfügung gestellt.. Eine 30 besonders effektive und hochmotivierende Methode bietet das ■ • effective® circuit . training,--. das als- Gruppentraining konzipiert ist. Hierzu werden acht unterschiedliche Gerätetypen An einem .Zirkel zusammengestellt, so dass ein effektives Training aller wichtigen Muskelgruppen erzielt 35 wird. Diese Geräte beinhalten als Widerstandsgeber das
sogenannte isodynamische Widerstandssystem, das als hydraulischer Widerstandsgeber ausgebildet ist und in der DE 37 04 841 C2 näher beschrieben ist.
-Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Trainingsgerät der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, dass -eine trainierende Person in beiden Wirkrichtungen arbeiten -kann und der mittels des Widerstandsgebers erzeugte' Widerstand stufenlos eingestellt werden kann, wobei insbesondere schnelle Traingszyklen möglich sein sollen.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch.1 angegebenen Merkmale gelöst.
Der in den Trainigsgeräten integrierte Widerstandsgeber umfasst dabei eine Kolben- / Zylinderanordnung sowie ein ■ Ventil auf Basis elektrorheologischer / magnetorheologischer Flüssigkeiten. Durch die Verwendung einer magnetorheologischen und/oder elektrorheologischen Flüs-sigkeit in dem Widerstandsgeber kann eine schnelle Reaktionszeit erzielt werden, da z.B. der elektrorheologische Effekt in Millisekundenbereich abläuft- und reversibel ist. Das System weist einen geringen Verschleiß auf, da das Ventil ohne bewegliche Teile realisiert werden kann.
Die Erfindung nutzt die Eigenschaften von elektrorheologischen bzw. magnetorheologischen Flüssigkeiten aus. Bei derartigen Flüssigkeiten handelt es sich in der Regel um Suspensionen, d.h. in einem Trägermedium. suspendierte Festpartikel, die über das elektrische bzw. magnetische Feld polarisierbar sind. . Durch Einwirken eines elektrischen Feldes bzw. magnetischen . Feldes • kann die Viskosität von elektrorheologischen bzw. magnetorheologischen Flüssigkeiten in weiten Bereichen sehr schnell und reversibel eingestellt werden. Bei elektrorheologischen Flüssigkeiten wird hierfür an
Elektrodenanordnungen .eine elektrische Steuerspannung ' zur Erzeugung .eines elektrischen Feldes gelegt. Bei dem erfindungsgemäßen Widerstandsgeber kann somit der zu' ' erzeugende Widerstand durch Veränderung der rheologischen Eigenschaften des Fluids variabel, eingestellt werden..
Die trainierenden Personen können über eine elektronische ■ Bedieneinheit' die gewünschten Lastziele vorgeben .und diese in zwei Belastungsrichtungen trainieren. Hierbei wird die Muskelkraft der trainierenden ' Person z.B. über Hebel in den Widerstandsgeber eingeleitet, bzw. gegen den jeweils wirkenden Widerstand gearbeitet.
Der Widerstand kann in beiden Wirkrichtungen stufenlos eingestellt werden. Dies wird erreicht durch ein mechatronisches System, bestehend aus einem mechanischhydraulischen Drehverdränger, über . den unmittelbar ' mittels einer Welle . ein Moment eingeleitet wird. Die verdrängte elektrorheologische Flüssigkeiten- (ERF) strömt dann durch in einem elektrorheologischen Ventil gebildete Ventilspalte. Über ein Netzteil, wird das Ventil mit .-der• elektrischen Spannung beaufschlagt, die- für den frei einstellbaren „Widerstandw gewünscht, wird..
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt in Schnittdarstellung den , in einem Trainingsgerät ' integrierten Widerstandsgeber 1 auf. Basis elektrorheologischer Flüssigkeiten und/oder magnet'orheologischer Flüssigkeiten. Der Widerstandsgeber.1. ümfasst einen Drehverdränger 2 sowie .ein elektrorheologisches Ventil 3.- er Drehverdränger 2.besteht aus einem Drehkolben A , der ein..als Drehwelle 5 ausgebildetes Mittelteil mit einem radial nach außen ragenden Flügel 6 aufweist, der drehbar um die Drehachse D in einem Gehäuse 7' gelagert ist. Die Drehwelle 5 ist zumindest einseitig zur
Einleitung eines Drehmomentes- aus dem Gehäuse 7 flüssigkeitsdicht herausgeführt.- Anstelle der Drehwelle kann die Einleitung des Drehmomentes auch über Mitnehmerflansche • realisiert werden. Das Gehäuse 7 weist zur Aufnahme des 5 Drehkolberis . . eine zylindrische Bohrung auf, die durch einen radial nach innen ragenden Gehäusesteg 8 (Sperrrippe) unterbroche 'ist.
Zwischen. D'rehkσlben 4 und. Gehäuse 7 werden durch die oben 0 beschriebene Anordnung zwei • volumenveränderliche
Arbeitskammern 9,10 gebildet, die als erste und zweite Arbeitskammer bezeichnet werden. Die Arbeitskammern 9,10 sind jeweils mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit und/oder magnetorheologischen, Flüssigkeit als Arbeitsfluid gefüllt und ' 5 weisen jeweils eine in die Gehäusewand eingebrachte
Durchgangsbohrung 11,12 für das Arbeisfluid auf. Die -Bohrung 11,12 der ersten und der zweiten Arbeitskammer 9,10 stehen über das elektrorheologische Ventil 3 miteinander in Verbindung. . 0
Ventile für .elektrorheologische Flüssigkeiten sind beispielsweise aus der DE-A 3808521 bekannt und sind. in der Regel aus koaxial angeordneten Zylinderelektroden oder, aus Anordnungen paralleler Platten ausgebildet, zwischen denen die -5 elektrorheologische Flüssigkeit hindurchströmt. Durch an die Elektroden gelegte elektrische Spannung ist die Viskosität der zwischen den- Elektroden 'befindlichen, elektrorheologischen Flüssigkeit -und somit der' Durchflusswiderstand durch den . Ventilspalt. ^.steuerbar .. 0
Das bei dem ..in Figur 1 dargestellten 'Widerstandsgeber 1 eingesetzte elektrorheologische Ventil 3 ist als Doppelringspaltventil -ausgebildet und besteht aus zwei konzentrisch angeordneten. Hülsen 13,14, die von einem mit dem 5 Gehäuse verbundenen rohrförmigen Gehäuseabschnitt 15 umgeben
sind. Zwischen der inneren Mantelfläche des Gehäuseabschnittes 15 sowie der äußeren Mantelfläche der äußeren Hülse 13, wird ein erster Ringspalt Rl gebildet, der sich über die gesamte axiale Baulänge des Gehäuseabschnittes erstreckt, wobei die begrenzenden Mantelflächen- die Elektrodenflächen bilden.
Zwischen der inneren Mantelfläche der äußeren Hülse 13 und der äußeren Mantelfläche der inneren Hülse 14 wird ein zweiter Ringraum R2 gebildet, der sich über die gesamte axiale Baulänge des Gehäuseabschnittes erstreckt, wobei die den .zweiten Ringspalt begrenzenden Mantelflächen als
Elektrodenflächen ausgebildet sind. Die innere Mantelfläche der inneren Hülse 14.begrenzt, einen zylindrischen Raum 1.6. Die äußere Hülse 13 ist als elektrisch ansteuerbare Elektrode ausgebildet und weist einen elektrischen Anschluß 17, der aus dem Gehäuse herausgeführt ist, auf.
Wie es aus der Schnittdarstellung zu ersehen ist, steht die in die erste Arbeitskammer 10 eingebrachte Bohrung 12 mit dem ersten und zweiten Ringspalt Rl, R2 in Verbindung. Die zweite Arbeitskamme.r 9 steht über die Bohrung 11 mit dem zylindrischen Raum 16 in Verbindung. Die Ringspalte Rlf R2 sowie der zylindrische Raum 16 sind ebenfalls mit elektrorheologischer Flüssigkeit bzw. magnetorheologischer Flüssigkeit gefüllt.
Durch die Einleitung eines Drehmomentes über die Drehwelle 5 im Uhrzeigersinn, wird das Arbeitsfluid mittels des Drehkolbens ■ 4 aus der zweiten Arbeitskammer 9 durch die Bohrung 11 in den zentralen zylindrischen Raum 16 verdrängt - und wird dann über im unteren Endbereich der ersten und zweiten Hülse 13,14 eingebrachte -.radiale Durchgangsbohrungen 18,19 in den ersten und zweiten Ringraum Rl,R2 verdrängt. Durch die Ringräume R1,R2 strömt dann das Arbeitsfluid über die Bohrung 12 in die erste Arbeitskammer 10. Der oben beschriebene Strömungsweg des Arbeitsfluids bei
Momenteneinleitung im Uhrzeigersinn ist schematisch durch die Pfeile 20 dargestellt. Bei umgekehrter Drehrichtung wird das Arbeitsfluid entsprechend von der ersten Arbeitskammer 10 durch die Ringspalte R1,R2, den zylindrischen Raum 1.6, in- die zweite Arbeitskammer 9 verdrängt.-
Wie bereits oben stehend beschrieben, ist der Fließwiderstand der elektrorheologischen Flüssigkeiten und damit der Druckabfall über das Ventil kontinuierlich steuerbar, so dass das Ventil 3 eine elektrisch einstellbare Drossel darstellt.
In einer alternativen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann der Widerstandsgeber auch als Längsverdränger mit elektrorheologischem / magnetorheolσgischem Ventil ausgebildet sein. Hierbei besteht der Längsverdränger im wesentlichen aus einem, in einem Gehäuse axial verschiebbar gelagerten Kolben.
Der Kolben unterteilt hierbei das Gehäuse in zwei volumenveränderliche Arbeitskammern, wobei die Arbeitskammern über das elektrorheologische -/ magnetorheologische Ventil miteinander in Verbindung stehen.
Es ist selbstverständlich, dass bei der Verwendung von magnetorheologischen Flüssigkeiten anstelle von Elektrodenanordnungen Spulenanordnungen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes vorgesehen seih müssen.
Fig. 2 zeigt schematisch eine als Bedienelement 21 'für die trainierende Person ausgebildete Steuerung, ein mit der Steuerung verbundenes Netzteil 22 sowie den Widerstandsgeber 1 mit Handhabe.23'. Die Handhabe' 23 ist. in-, der vereinfachten Darstellung als Hebel angedeutet, . der drehfest an der Drehwelle. des Drehkolbens fixiert, ist. Die trainierende -Person kann über das Bedienelement 21 gewünschte Lastziele vorgeben, die als Sollwerte dem Netzteil 22 zugeführt und in
Signale umgewandelt werden, die über eine Verbindungsleitung 17 die Elektrode des Ventils 3 mit der entsprechenden Steuerenergie zur Einstellung des elektrischen bzw. magnetischen Feldes ansteuert.. Über die ' Beaufschlagung des . Ventils 3 mit einer vorgebbaren elektrischen Spannung ' önnen nun variable Widerstände eingestellt und somit ein stufenlose Variation (Kennfeld) an mechanischer Leistung abgenommen werden. Über die Ventillänge ■ kann konstruktiv die Kennfeldbreite festgelegt werden, welche dann auch ein Maß für die erforderliche elektrische Leistung des Netzteils 22 ist.-
Der von der trainierenden Person voreingestellte Widerstand, der auch geschwindigkeitsabhängig und/oder hubabhängig . variabel sein kann>. muß dann beim Training durch Einsatz von Muskelkraft überwunden, werden.
Der Widerstandsgeber 1 ist mit Sensoren ausgestattet, wobei Sensoren zur Messung kinetischer und/oder kinematischer Größen eingesetzt werden können. Im vorstehenden Beispiel könnte beispielsweise über einen Drehimpulsmesser Signale bzgl. Drehrichtung und Geschwindigkeit des Drehverdrängers 2 ermittelt werden, wobei diese Signale sowie die an dem Ventilspalt R1,R2 angelegte Spannung, als Ist-Werte der Steuereinheit 21 zurückgeführt werden.
Nachfolgend werden anhand von schematischen Zeichnungen unterschiedliche Ausführungsformen von Fitnessgeräten mit dem bereits in der Figur .1 beschriebenen Widerstandsgeber dargestellt und kurz erläutert: Die Fig. 3a und 3b zeigen das Träiniήgsgerät 25 mit der Bezeichnung „Double FlyA das ein
Training der Brust und oberen .Rückenmuskulatur ermöglicht. Das Trainingsgerät 25 besteht' aus einer, wie es schematisch dargestellt ist, Grundplatte 26 mit einem Sitz 27 bestehend aus einer Sitzfläche und einer Rückenlehne. Auf der Grundplatte 26 ist unterhalb des Sitzes 27 ein
Widerstandsgeber 1 angeordnet, wobei die Drehwelle 5 in senkrechter Richtung angeordnet ist und aus dem Gehäuse" nach oben ragt. Seitlich neben dem Widerstandsgeber 1 ist"' eweils eine Drehwelle 28. gelagert,- die eine seitlich an der. Sitzflä-che' nach oben ragend angeordnete Hebelanordnung 29 mit endseitig angebrachten Griffen aufweist. Die Betätigungshebel 29 weisen im oberen Drittel Armpolster 30 auf. Wie es aus der Draufsicht .des Trainingsgerätes 25 zu erkennen ist, ist die Drehwelle 5 des Widerstandsgebers 1 über eine kreuzförmig geführte Kette 31 mit den Drehwellen 28 gekoppelt, so dass über diese Getriebeanordnung die Betätigungshebel 29 gemäß der eingezeichneten, Pfeile 32 verschwenkt werden können. Die auf dem Trainingsgerät 25 sitzende Person kann somit eine Auswärts- bzw. Einwärtsbewegung der angewinkelt vor dem Körper gehaltenen Arme trainieren.
Die Figuren 4a und 4b zeigen das Trainingsgerät 35 „Add Ab", das zum Training der äußeren und inneren Oberschenkel eingesetzt wird. Das Trainingsgerät 35 besteht aus einem auf einer Grundplatte 36 angeordneten Sitz 37 mit Sitzfläche und Rückenlehne. Wie es bereits zu der Fig. 3 beschrieben ist, ist hierbei ebenfalls ein Widerstan-dsgeber 1 unterhalb der Sitzanordnung auf der Grundplatte 36 angeordnet, wobei die Drehwelle 5 aus dem Gehäuse nach oben stehen herausgeführt ist und über eine Getriebeanordnung mit einer rechts und links seitlich des Widerstandsgebers 1 gelagerten Drehwelle 38 in Verbindung steht. Die Drehwellen.38 sind jeweils mit einer Hebelanordnung 39 verbunden, die .eine Aufnahme der . Unterschenkel der trainierenden Person ermöglichen. Hierzu sind die. Hebel .39 jeweils mit einem' Polster 40 und seitlichen Fixierungselementen 41 zur Knie-, und Wadenfixierung versehen. Aus der Fig-...4a sind die B.ewegungsmöglichkeiten der Hebelanordnungen mitteis der Pfeile 42. angedeutet .
Die Fig. 5 zeigt in einer Seitenansicht schematisch das Trainingsgerät 45 „Big Tricλλ mit dem die Muskulatur des vorderen und hinteren Oberarms trainiert werden kann.. Hierbei besteht das Trainingsgerät 45 im wesentlichen aus 'einer Grundplatte 46 und einem auf der Grundplatte 46 fixiertem Sitzelement 47. Seitlich vor dem Sitzelement 47 ist 'ein ' weiteres mit der Grundplatte 46 verbundenes Rahmenelement 48 angeordnet, das zum einen eine schräggestellte Platte 49 -mit Polsterung zur Abstützung der Ellebogen der trainierenden Person, sowie' den Widerstaridsgeber 1 enthält. Der
Widerstandsgeber 1 ist' derart angeordnet, dass die ''Drehwelle .5 in horizontaler Richtung aus dem Gehäuse herausgeführt ist und mit einer Hebelanordnung 50 mit Handgriffstange verbunden ist. Die B'ewegungsmöglichkeiten, d.h. -der Verschwenkradius der Hebelanordnung 50 mit Handgriffstange ist durch die Pfeile 51 angedeutet.
Die Fig. 6 zeigt schematisch das Trainingsgerät 55 „Hip Machine" mit dem die Bauchmuskulatur und die Muskulatur des unteren Rückens trainiert werden kann. Hierbei ist ein- Sitz 56 auf einer .Grundplatte 57 angeordnet. Der Widerstandsgeber 1 ist in einem Rahmenelement 58, das mit der Grundplatte 57 in Verbindung . steht seitlich neben der trainierenden Person • integriert. Die Bewegungsmöglichkeiten, -die über die mit dem Widerstandsgeber 1- gekoppelte Hebelanordnung 59 erzielbar ist, sind durch die Pfeile 60 dargestellt. Mit dem Trainingsgerät 55 können die Übungen Hüftbeugen und Rückenstreckeri ausgeführt werden.
In Fig. 7 ist das .Trainingsgerät 65. „Sprint Master" in
Seitenansicht- in schemätischer ..Darstellung dargestellt. Die trainierende Person steht dabei auf der Grundplatte .66,- wobei in" einer Rahmenanordnung 67. hinter der trainierenden Person in einer nach oben weisenden- Konstruktion der Widerstandsgeber 1 integriert angeordnet ist. Die Drehwelle 5 ist hierbei in
horizontaler Richtung aus dem Gehäuse herausgeführt und mit einer schräg nach vorne weisenden Hebelanordnung 68 versehen.
Die Hebelanordnung 68 ist dabei im vorderen Bereich gabelförmig ausgestaltet und mit zwei seitlich beabstandeten gepolsterten Griffelementen versehen, so dass die Griffelemente seitlich vor dem Kopf der trainierenden Person gehalten werden können. Die Bewegungsmöglichkeiten des „Sprint Masters" sind in der Fig. 7 mit den Pfeilen 69 angedeutet, wobei die Übung als Kniebeuge und -strecken ausgeführt wird.
Fig. 8 zeigt in Seitenansicht das Trainingsgerät 70 „Lat Neck", mit dem die Schulter und die untere Rückenmuskulatur trainiert werden kann. Die trainierende Person kann auf einer mit einer Grundplatte 71 befestigten Sitzanordnung 72 bestehend aus Grundfläche und Rückenlehne sitzen. Der Widerstandsgeber 1 ist hinter der Sitzanordnung 72 in etwa in Schulterhöhe in einem Rahmenelement 73 des Trainingsgerätes 70 integriert, wobei die Drehwelle horizontal aus dem Gehäuse herausgeführt ist und mit einer schräg nach vorne über den
Kopf der trainierenden Person ragenden Hebelanordnung 74, die im vorderen Bereich gabelförmig ausgebildet ist und ein Anfassen mit den Händen der trainierenden Person rechts und links oberhalb des Kopfes ermöglicht wird. Die Bewegungsmöglichkeiten des „Lat Neck" sind in der Fig.8 mit Pfeilen 75 angedeutet. Die' Übung besteht aus einem Ziehen der Griffstange bis Kinnhöhe sowie Zurückdrücken der Griffstange bis in die Ausgangsposition.
In Fig. 9. ist schematisch in Seitenansicht das Trairiingsgerät 80 „Leg Master" dargestellt, das aus einer auf einer Grundplatte 81 angeordneten Sitzanordnung 82 bestehend aus Sitzfläche und Rückenlehne besteht. Unterhalb der Sitzanordnung ist eine schräg nach oben weisende Gestängeanordnung 83 mit integriertem Widerstandsgeber 1
vorgesehen, wobei die Drehwelle 5 des .Widerstandsgebers 1 in horizontaler Richtung nach außen geführt ist und mit einer Hebelanordnung 84 zum Trainieren der vorderen und hinteren Oberschenkelmuskulatur ausgestattet ist. Hierzu können die Waden der trainierenden Person zwischen vorderen und hinteren Schienbeinfixierungen 85 aufgenommen werden. Die Übung besteht in einem Beinbeugen und Beinstrecken, wobei die Bewegungsmöglichkeiten der' Hebelanordnung 84 durch die Pfeile 86 angedeutet ist.
Fig'. 10 zeigt in Seitenansicht das Trainingsgerät '90 „Press and Row", das aus einer auf einer Grundplatte 91 angeordneten Sitzanordnung 92 bestehend aus .Sitzfläche und Rückenlehne besteht. Seitlich neben der Sitzanordnung 92 ist auf der Grundplatte 91 der Widerstandsgeber 1 angeordnet, wobei die Drehwelle 5 des Widerstandsgebers 1 in horizontaler Richtung aus dem Gehäuse herausgeführt ist und mit einer seitlich nach vorne sowie schräg nach, oben gerichteten Hebelanordnung 93 mit waagrechter Griffstange zum Fassen mit den Händen versehen ist. Die Bewegungsmöglichkeiten der Hebelanordnung 93 sind in der Figur 10.mit den Pfeilen 94 dargestellt wobei die Übung in einem Heranziehen der Ellebogen bis zum Körper und drücken der Arme nach vorne in die Ausgangsposition besteht.