ERGOMETRISCHES TRAININGSGERÄT
Die Erfindung betrifft eine ergometrische stationäre Übungsvorrichtung mit einem manuell betriebenen Antrieb mit zwei wechselweise bedienbaren Antriebselementen, wobei der Antrieb über ein Getriebe mit einem Schwungrad verbunden ist, sowie mit einem Messmittel zur Messung der über den Antrieb aufgebrachten Antriebskraft bzw. dieser zugeordneten Drehmomentkraft und einer Messanordnung zur Messung der Bewegungsposition, insbesondere Winkelposition, des Antriebs. Die Antriebselemente sind vorzugsweise Pedale, ähnlich jenen eines Fahrrads, können jedoch auch anderer Art sein wie z.B. die Trittfelder eines sogenannten Steppers.
Eine Trainingsvorrichtung dieser Art ist in US 5,027,303 beschrieben.
Zur Messung von Parametern wie Drehmoment, Arbeit, Leistung, Winkelgeschwindigkeit und Dauer einer Umdrehung an einer Pedal-Anordnung wird das Drehmoment mittels Dehnmessstreifen gemessen, die an belasteten Komponenten der Pedal- Anordnung angebracht sind. Dadurch erfolgt eine Messung des gesamten Drehmoments sowie der Drehmomente am linken und rechten Pedal (linkes bzw. rechtes Bein); daraus kann die verrichtete Arbeit und die Leistung berechnet werden.
EP 0 925096 Bl beschreibt ein elektronisches Übungssystem mit einem Monitor für physische Aktivität, der eine Sensor- und Aufzeichnungs-Vorrichtung aufweist, welche während einer ersten Periode physischer Aktivität Daten erf asst und aufzeichnet.
Die Übungsvorrichtung weist einen Widerstandserzeuger, z.B. eine Wirbelstrombremse, und eine Steuerung auf, die die aufgezeichneten Daten der physischen Aktivitäten verwendet, um den Betrieb der Übungsvorrichtung zu steuern.
US 5,354,251 beschreibt eine Übungsmaschine, bei der auf einem lang gestreckten Rahmen ein Sitz und einer federbelasteten Drehwelle befestigt sind. Die Drehwelle ist mit einem Schwungrad verbunden und weist Widerstandsgeräte auf. Als Widerstandsgeräte sind beispielsweise eine Zentrifugalbremse, ein Windrad-artig durchbrochenes Schwungrad, sowie ein Wirbelstrom-Bremsrad, in das ein Windrad zur Kühlung integriert ist, offenbart.
Weitere Übungsgeräte sind in US 2002/0004439 AI, US 2007/0117680 AI, US 5,611,759 und US 5,749,807 beschrieben.
Aus der JP 05201374 A geht eine Drehmomentmessung an der Kette eines Fahrrads hervor.
Am oberen Kettenstrangteil ist ein Spannungsdetektor zur Messung der Spannkraft ange ordnet, nämlich ein Zahnrad, das die Kette von aussen berührt, und ein Dehnmessstreifen, der die von der Kette auf das Zahnrad ausgeübte Kraft misst.
DE 199 19154 AI beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Vorspannkraft auf ein Endlos-Treibelement, insbesondere eine Kette. Eine Andrückschiene wird mittels eines Kettenspanners mit einer vorbestimmten Kraft von aussen auf die Kette aufgedrückt. Die so entstehende Vorspannkraft an der Kette wird über eine Steuerelektronik in Abhängigkeit von Sensordaten betreffend Schwingungsdaten oder anderen massgebenden Kenngrössen eingestellt.
US 4,141,245 beschreibt ein Gerät zur Messung mechanischer Arbeit und Leistung, die an einem Treibelement zwischen zwei Antriebsrädern übertragen wird.
Ein Kraftmesselement mit einer Rolle wird mittels Federkraft gegen das Treibelement gedrückt, und das Ausmass der Auslenkung dient der Messung der übertragenen Zugkraft. Verschiedene Ausführungsformen enthalten eine innen oder aussen anliegende Rolle, oder eine Kombination von zumindest einer innen und zumindest einer aussen anliegenden Rolle.
Weitere Messeinrichtungen zum Messen des Antriebsdrehmoments bei einem Antriebssystem, z.B. eines Fahrrads, sind in US 4,909,086 und US 2007/0099735 AI vorgestellt.
Diese bekannten Übungs- und Messeinrichtungen erzielen die Messung der von dem Trainierenden aufgewendeten Kraft bzw. des zugeordneten Drehmoments auf verschiedene Wege, die jedoch häufig sehr aufwendig und komplex sind.
Besonders dann, wenn eine differenzierte Betrachtung verschiedener Abschnitte des Ablaufs, nämlich eine Aufteilung zwischen den beiden Füssen (oder bei handbetätigten Geräten zwischen den beiden Händen) erwünscht ist, sind die bekannten Methoden sehr aufwändig.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Übungsvorrichtung zu schaffen, bei der eine Messung der aufgebrachten Kraft/ Drehmomentkraft aufgeteilt auf die links/ rechts erfolgenden Bewegungen möglich ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Übungsvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäss die Messanordnung zur Messung der Bewegungsposition ein Paar von Sensormitteln aufweist, die in Bezug auf ein mit dem Antrieb bewegungssynchron verbundenes Rad an zueinander gegenüber liegenden Positionen angeordnet sind,
die jeweils einer Bewegungsposition eines Lastwechsels zwischen den beiden Antriebselementen entsprechen. Diese Lösung gestattet auf einfache Weise eine Detektion der Lastwechsel zwischen der linken und der rechten Extre ität, und somit eine Unterscheidung zwischen den von diesen aufgewendeten Kräften bzw. erbrachten Arbeit.
Das Rad ist z.B. ein auf der Pedalwelle drehfest angebrachtes Zahnrad, oder kann mit der Pedalwelle über ein Getriebe verbunden sein, sofern die Umsetzung einen hinreichenden Rückschluss von der Winkelstellung des Rades auf die Bewegungsstellung des Antriebs ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die eine besonders effektive Realisierung des der Erfindung zugrunde liegenden Lösungsweges darstellt, sind die beiden Sensormittel als auf dem Rad an zueinander gegenüber liegenden Positionen befestigter* Sensorstücke ausgebildet;
zudem ist zumindest ein Sensor ortsfest angeordnet, mithilfe dessen das Passieren der Sensorstücke bei einer spezifischen Winkelposition des Rades detektierbar ist, wobei die Winkelposition einer Bewegungsposition eines Lastwechsels zwischen den beiden Antriebselementen entspricht.
Es ist jedoch ebenfalls zweckmässig, wenn die beiden Sensormittel als ortsfest angeordnete Sensoren ausgebildet sind, und zudem zumindest ein auf dem Rad befestigtes Sensorstück vorgesehen ist, wobei mithilfe der Sensoren das Passieren des zumindest einen Sensorstücks an spezifischen, zueinander gegenüber liegenden Winkelpositionen des Rades detektierbar ist, wobei die Winkelpositionen jeweils einer Bewegungsposition eines Lastwechsels zwischen den beiden Antriebselementen entsprechen.
Für eine effektive berührungslose Detektion der beweglichen Teile ist es günstig, wenn die Sensorstücke Magnete,
insbesondere Permanentmagnete, sind und die Sensoren MagnetfeldSensoren sind.
Um darüber hinaus eine Vereinfachung der zur Messung der aufgebrachten Kraft verwendeten Messeinrichtungen zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn das Messmittel zur Messung der Antriebskraft ein an ein Zugmittel, insbesondere an eine Kette, des Getriebes angelegter Arm ist, der das Zugmittel seitlich geringfügig eindrückt und einen Messsensor zum Messen der dabei von dem Zugmittel ausgeübten Stellkraft aufweist.
Vorteilhafter Weise kann eine Auswerteeinrichtung vorgesehen sein, um Signale von dem Messmittel betreffend die aufgebrachte Antriebskraft bzw. dieser zugeordnete Drehmomentkraft entgegenzunehmen und aufgrund der von dem Messmittel gelieferten Signale den zeitlichen Verlauf der Antriebskraft bzw. der Drehmomenticraft sowie davon ableitbaren Grössen zu berechnen und laufend auszugeben.
Die Auswerteeinrichtung kann ausserdem Signale von der Messanordnung betreffend Zeiten der Lastwechsel entgegennehmen und die berechneten Grössen in Abhängigkeit von der von der Messanordnung gemeldeten Lastwechsel wechselweise einer rechten oder linken Extremität eines Trainierenden zuordnen. Die Ausgabe der so berechneten Grössen kann somit aufgrund des Signals der Messanordnung betreffend Zeiten der Lastwechsel aufgeteilt auf die rechte bzw. linke Extremität erfolgen. Durch diese Weiterbildung gelingt eine unkomplizierte Bestimmung und automatisierte Ausgabe der nach Links/ Rechts aufgeteilten Trainingsleistung.
Des Weiteren ist es wünschenswert, dass der geschwindigkeitsabhängige Widerstand, den der Trainierende auf dem erfindungsgemässen Übungsgerät überwinden muss, möglichst naturgetreu ist, d.h. dem Widerstand auf einem strassentauglichen Fahrrad entspricht.
Zu diesem Zweck ist es günstig, wenn das Schwungrad eine durch Luftreibung gebremste Vorrichtung aufweist und mit einer elektromagnetisch wirkenden Bremse verbunden ist. Die durch Luftreibung gebremste Vorrichtung kann ein mit dem Schwungrad drehfest verbundenes Schaufelrad sein. Zudem kann das Schaufelrad eine Vielzahl von parallel zur Drehachse ausgerichteten Schaufelflächen aufweisen.
Um darüber hinaus die Luftreibungswirkung nach Bedarf einstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die durch Luftreibung gebremste Vorrichtung sich in einem Gehäuse befindet, das Mittel zur Einstellung der Menge des infolge der Bewegung des Schwungrads bewegten Luftstroms aufweist.
Beispielsweise kann das Gehäuse Öffnungen aufweisen, deren Weite und/ oder Luftdurchlässigkeit verstellbar ist und mit deren Hilfe der durch das Gehäuse gehend Luftstrom einstellbar ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht (von rechts vorne) des Trainingsgeräts nach dem
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 und 3 das Trainingsgerät in einer weiteren Schrägansicht und einer Seitenansicht von der linken Seite;
Fig.4 das Getriebe des Trainingsgeräts in einer Detailansicht (Seitenansicht von rechts ohne Gehäuse);
Fig.5 ein Detail der Fig. 4 mit der Kraftmessung an der Kette des Getriebes;
Fig. 6 eine Schnittansicht der Radtrommel des Trainingsgeräts;
Fig. 7 eine Ansicht des Trainingsgeräts mit eröffneter Magnetbremse;
Fig. 8 und 9 Detailansichten von links auf den Bereich der Pedalanordnung, mit teilweise entferntem Gehäuse, sodass die Sensoren zur Messung der Pedalstellung sieht bar sind, wobei in Fig. 7 ausserdem der Trägerholm und das Achslager fortgelassen sind;
Fig. 10 ein Blockdiagramm der Signal- und Datenauswertung;
Fig. 11 eine Aufsicht auf das Griffteil des Trainingsgeräts mit einer Anzeige, und
Fig. 12 ein Beispiel einer Darstellung der Antriebskraft in Abhängigkeit von dem
Drehwinkel (Polarform).
Das im Folgenden eingehend behandelte Ausführungsbeispiel betrifft ein stationäres ergometrisches Fahrrad-Trainingsgerät, das in Fig. 1 bis 3 in verschiedenen Ansichten gezeigt ist. Das Trainingsgerät 10 kann beispielsweise als Heimtrainer, als Trainingsgerät in einem Fitness-Studio oder zur Verwendung im Spitzensport, oder auch im medizinischen Bereich verwendet werden.
Das Trainingsgerät 10 weist einen fahrradartigen Gestellrahmen 11 mit Sitz 12 und Griffteil 13 auf, deren Position jeweils einstellbar ist, während eines Trainingsablaufs jedoch fest ist. Im Fussbereich befindet sich ein Gehäuse 14, das im vorderen Bereich einen Radkasten 15 aufweist, sowie ein Paar Pedale 16.
Die Pedale 16 sind nach bekannter Art an einer Pedalwelle 17 befestigt und stehen über ein Getriebe mit Widerstandsmitteln in Verbindung, die wie nachstehend beschrieben in dem Radkasten 15 untergebracht sind.
Bezugnehmend auf Fig.4 ist das Getriebe 40 im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kombination zweier Zugmittelgetriebe, nämlich eines Zahnradgetriebes mit einem Riemengetriebe, wodurch eine hohe Übersetzung der Bewegung vom Pedal 16 auf das Schwungrad 18 erreicht wird. Die Pedale 16 sind über die Pedalwelle 17 starr mit einem Zahnrad 19 verbunden, das über eine Kette 41 ein Ritzelrad 42 antreibt. Das Ritzelrad 42 wiederum ist mit einem Scheibenrad 43 verbunden, das über einen mittels eines Hilfsrads 44 gespannten Riemen 45 das Schwungrad 18 antreibt.
Die gezeigte Ausführungsform verfügt über ein Messsystem mit einer Messgenauigkeit von 2% oder besser.
Es dient zur Messung der vom Benutzer aufgewendeten Kraft und der Pedalgeschwindigkeit und ist mit einem Computersystem zur Darstellung und Auswertung der Messdaten verbunden.
Kraftmessung
Wie in Fig. 5 gezeigt, ist vorzugsweise im ersten Zugmittelgetriebe vorgesehen ein Messmittel 50 zur Messung der Kraft vorgesehen, die der Trainierende über den Pedalantrieb auf die Kette 41 aufbringt. Da die Pedallänge fest und bekannt ist, ist die Antriebskraft in das wirkende Drehmoment ("Drehmomentkraft") direkt umzurechnen und insofern äquivalent.
Das Messmittel ist vorzugsweise als Biegebalken mit einem Messdehnstreifen realisiert, der die Kette geringfügig auslenkt und die Rückstellkraft isst. Ein am Rahmen 11 befestigter Arm 51 trägt an seinem Ende ein Gleitstück 52, das beispielsweise aus Kunststoff gefertigt ist.
Das Gleitstück ist an die Kette 41 beispielsweise von innen angelegt, ähnlich einem Kettenspanner, und drückt die Kette geringfügig nach aussen. Wenn die Kette infolge einer vom Trainierenden aufgebrachten Kraft unter Spannung steht, ergibt sich eine tangentiale Komponente der Kraft auf das Kunststoff gleitstück und auf das Gleitstück wirkt eine rückstellende Kraft, die proportional der Kettenspannung und somit der Drehmomentkraft ist. Die dadurch sich ergebende elastische Biegung des Armes 51 wird von einem Messsensor, z.B. einem Dehnungsmessstreifen 53, gemessen.
Das Signal des Messsensors wird elektronisch ausgewertet, wie weiter unten erläutert ist.
Zur Kalibrierung der Kraftmessung wird beispielsweise ein Gewicht bekannter Grösse an einem der Pedale 16 befestigt, und die Drehung wird an dem Schwungrad 18 bzw. der Schwungscheibe 27 (Fig. 7) rrdthilfe eines Blockiermittels (nicht gezeigt) mechanisch blockiert. Die in diesem Zustand gemessene Kraft dient durch Vergleich mit der bekannten, durch das Gewicht aufgeprägten Kraft als Grundlage für die Kalibrierung des Kraftmesssystems.
Widerstandsmittel
Bezugnehmend auf Fig. 6 weist das durch die Pedalbewegung über das Getriebe 60 angetriebene Schwungrad 18 ein Luftschaufelrad 21 auf, das in der gezeigten Ausführungsform drehfest dem Umfang des Schwungradblattes aufgesetzt ist.
Das Luftschaufelrad 21 befindet sich in einem eigenen Behälter als Teil des Radkastens 15.
Wie in Fig. 7 ersichtlich ist, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Wirbelstrombremse 20 auf derselben Achse wie das Schwungrad 18, vorzugsweise dieser gegenüber liegend, angeordnet. Die Wirbelstrombremse 20 ist beispielsweise eine Magnetbremse, bei der eine metallische Schwungscheibe 27 mit stellbaren (Permanent-)Magneten 28 nach bekannter Art zusammenwirkt; alternativ kann auch eine andere elektromagnetisch wirkende Bremse realisiert sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Magnete auf einem Stahlbügel entlang eines Umfangsstücks der Scheibe 27 angeordnet und werden rmthilfe eines Stellmechanismus 29 zu der Scheibe 27 hin bzw. von dieser weg positioniert. Die Scheibe 27 besteht beispielsweise aus Stahl, der mit einem Kupferring ummantelt ist.
Um die Drehung gänzlich blockieren zu können, sind beispielsweise in der Scheibe 27 zwei Löcher vorgesehen, in die ein (nicht gezeigter) im Gehäuse oder am Rahmen gehaltener Blockierstift von der Seite eingeführt werden kann.
Die Widerstandmittel der erfindungsgemässen Trainingsvorrichtung wurden denen nachgebildet, die bei einer Radfahrt auftreten. Die beim Radfahren wirkenden Widerstände sind (a) Luftwiderstand, (b) Reibung der mechanischen Teile innerhalb des Fahrrads und (c) Rollwiderstand zwischen Reifen und der Oberfläche der Fahrbahn oder Steigung des Geländes. Der Luftwiderstand macht in der Regel den überwiegenden Teil - häufig mehr als 90% - des Gesamtwiderstands aus und wächst quadratisch mit der Geschwindigkeit. Somit wächst die erbrachte Leistung mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit.
Die Reibung im Fahrrad und der Rollwiderstand wachsen linear mit der Geschwindigkeit, was einer Leistung mit quadratischer Geschwindigkeitsabhängigkeit entspricht.
Bei dem Trainingsgerät 10 wird zur Simulierung dieser beiden Widerstandsarten ein kombiniertes Bremssystem verwendet, welches zwei Bremsteilsysteme aufweist, nämlich wie bereits beschrieben ein über Luftbremsung wirkendes Bremsmittel in Form des Rads 21 und eine elektromagnetisch wirkende Bremse 20. Auf diese Weise gelingt eine realistische Modellierung des Widerstandsverhaltens eines Fahrrads, was das Gefühl vermittelt, sich auf einem "normalen" Fahrrad zu bewegen. Die beiden Teilsysteme können unabhängig voneinander eingestellt werden. Sie haben keinen Einfluss auf die weiter unten beschriebenen Messvorrichtungen.
Die Kombination der beiden Bremsteilsysteme ermöglicht eine grosse Widerstandsspanne, die sich in Abhängigkeit von der Trittfrequenz ergibt. Es sind keine externen Energiequellen notwendig.
Wieder bezugnehmend auf Fig. 6 hat das Luftschaufelrad 21 eine im Wesentlichen Zylinderring-artige Gestalt. Entlang des Umfangs ist zwischen zwei seitlichen Halteringen 24 in regelmässigen Abständen eine Anzahl von Schaufelflächen 25 angeordnet, die jeweils blattartig parallel zur Drehachse des Rads 21 und in einem von 90[deg.] verschiedenen Winkel zum Radius ausgerichtet sind. Wenn das Rad 21 sich dreht, so bewegen die Schaufelflächen 25 die umgebende Luft nach innen.
Auf diese Weise wird Luft durch das Seitenfenster 15b angesaugt und über die an der unteren Vorderseite des Radkastens 15 befindliche Öffnung 15a (Fig. 2) wieder hinausgedrückt; somit wird das Rad 21 durch die sich ergebende Luftumwälzung gebremst.
Im Gegensatz zu bekannten Trainingsvorrichtungen mit einer Luftradbremse kann der Widerstand bei der gezeigten Vorrichtung durch Regulierung der Luftzufuhr auf der Statorseite eingestellt werden (Fig. 3), nämlich durch mehr oder weniger weitgehendes Schliessen der Öffnung 15a mittels einer Klappe 22 und/ oder Einstellen des Seitenfensters 15b hinsichtlich seiner Luftdurchlässigkeit, beispielsweise nach Art einer Jalousie. Dadurch kann die vom Luftwiderstand herrührende Bremswirkung in einem weiten Bereich eingestellt werden.
Insbesondere kann durch Schliessen der Öffnung 15a und des Fensters 15b der Widerstand auf Minimalwert nahe Null gestellt werden, sodass im Wesentlichen lediglich die mechanische Reibung im System verbleibt.
Durch diese Massnahmen kann der Widerstand jeweils für beide Bremsteilsysteme eingestellt werden. Bei der gezeigten Ausführungsform kann eine Widerstandswirkung von 0 bis zu 5000 W gewählt werden.
Messung der Pedalgeschwindigkeit
In Fig. 8 und 9 ist die Sensoranordnung 30 zur Messung der Pedalgeschwindigkeit dargestellt. Zwei Magnetfeld-Sensoren 31, z.B. Reed-Schalter, sind ortsfest neben dem PedalZahnrad 19 angeordnet. Auf dem Zahnrad 19 befinden sich zwei Permanentmagnete 32 an genau gegenüber liegenden Positionen, sodass jeder Magnet 32 im Laufe einer Drehung des Zahnrads 19 je einmal die Sensoren 31 passiert und so z.B. einen Signalimpuls erzeugt.
Das sich so ergebende Signal wird einer Auswertung zugeführt und gestattet die genaue Messung der Drehzahl sowie - über die Kurbellänge der Pedale - der Pedalgeschwindigkeit.
Die beiden Sensoren 31 und die zugehörenden Magnete 32 entsprechend einander paarweise und sind jeweils (um eine gegenseitige Auslösung des einen Sensors durch den Magneten des anderen Sensors auszuschliessen) in verschiedenen Radialabständen zur Achse positioniert. Die Magnete sind hinsichtlich ihrer Winkellage zu den jeweils zugehörenden Sensoren in Bezug auf die Stellung der Pedale 16 so angeordnet, dass ein Signalinipuls eines Sensors 31 jeweils dann gegeben wird, wenn der Kraftwechsel von dem linken auf den rechten Pedal bzw. umgekehrt erfolgt.
Wie in Fig. 8 und 9 erkennbar, ist bei der gezeigten Stellung mit 0[deg.] (rechtes Pedal senkrecht nach oben) der eine Magnet gerade auf Position mit dem ihm zugeordneten Sensor, während der andere Magnet sich genau gegenüber dem ihm zugeordneten Sensor befindet. Dies gestattet eine Aufteilung der Messung und getrennte Zuordnung zu dem linken bzw. rechten Fuss, und eine Rechts/ Links- Auswertung der von jeweils von einem Fuss erbrachten Kraft und Leistung, sowie einen Vergleich der beiden Fussleistungen (Balance).
Auswertung
Wie in Fig. 10 dargestellt, werden die von dem Kraftmesssensor (Dehnmessstreifen) 53 und den der Pedalmessung zugeordneten Sensoren 31 gelieferten Sensorsignale verstärkt, mittels Analog-Digital-Wandlern digitalisiert und einer elektronischen Auswertung, z.B. einer auf dem Griff teil befindlichen Trainingsanzeige 33 (Fig. 11) und/ oder einem zugeordneten Computersystem 34, zugeführt. Auf dem Computersystem 34 werden die Signale in einen zeitabhängigen Verlauf der auf die Pedale aufgebrachten Antriebskraft umgerechnet, beispielsweise mit einer Datenrate von 100 Datenpunkten pro Sekunde, zudem können die Signale in Echtzeit dargestellt und/ oder gespeichert werden. Die Daten können dann zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen und bearbeitet werden.
Die Darstellung der Daten erfolgt vorteilhafter Weise in einer auf die Pedalumdrehung bezogenen Weise und/ oder in einer Polardarstellung wie in Fig. 12 gezeigt.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel einer gemessenen Pedalkraft Fp (in N; der äussere Kreis entspricht 250 N) über eine ganze Umdrehung mit dem Pedal, als Funktion des Drehwinkels in einem Polardiagramm. Die gezeigten Winkel entsprechen direkt dem Winkel des Pedals, das im Uhrzeigersinn bewegt wurde, wobei 0[deg.] einer Stellung des rechten Pedals senkrecht nach oben entspricht.
Es ist im Übrigen erwähnenswert, dass es bei der Antriebsbewegung insbesondere bei trainierten Sportlern zu einer Synergie zwischen den beiden Füssen kommt, und je besser die koordinative Fähigkeit beim Trainierenden ausgeprägt ist, desto runder ist die Figur der Kurve Fp.
Auf dem Computersystem 40 wird mittels geeigneter ergometrischer Software die Analyse der gemessenen Daten und graphische Darstellung am bildschirm durchgeführt, beispielsweise:
- Berechnung und Darstellung des Pedaldrehmoments,
- Kraft als Funktion der Fussposition,
<->Drehzahl,
- Geschwindigkeit (umgerechnet auf eine fiktive Fahrradgeschwindigkeit),
<->Leistung (W),
- Durc^dinittsleistung,
<->Energie (kj, durch Integration),
<->Balance zwischen linkem und rechtem Fuss (in %),
- Herzfrequenz (über zusätzlichen Sensorgurt, den der Benutzer trägt),
- statistische Analysen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern erstreckt sich auf alle Ausführungen, die unter den Bereich der Ansprüche fallen. Insbesondere kann die erfindungsgemässe Übungsvorrichtung auch andere Antriebselemente als Pedale aufweisen, beispielsweise Trittfelder wie bei einem Stepper oder ein Paar Handgriffe, die abwechselnd zu betätigen sind. Hierbei wird die Bewegung nach bekannter Art mechanisch über ein Getriebe in eine Drehbewegung eines Antriebsrades umgewandelt.
ERGOMETRIC TRAINING DEVICE
The invention relates to an ergometric stationary exercise device with a manually operated drive with two alternately operable drive elements, wherein the drive is connected via a gear with a flywheel, and with a measuring means for measuring the drive force applied via the drive or this associated torque force and a measuring arrangement for measuring the movement position, in particular angular position, of the drive. The drive elements are preferably pedals, similar to those of a bicycle, but may be of other types such as e.g. the treads of a so-called stepper.
A training device of this type is described in US 5,027,303.
To measure parameters such as torque, work, power, angular velocity, and duration of a turn on a pedal assembly, the torque is measured by strain gauges attached to loaded components of the pedal assembly. This results in a measurement of the total torque and the torque on the left and right pedal (left or right leg); From this, the work done and the performance can be calculated.
EP 0 925096 B1 describes an electronic training system with a physical activity monitor having a sensor and recording device which acquires and records data during a first period of physical activity.
The exercise device has a resistance generator, e.g. an eddy current brake, and a controller that uses the recorded data of the physical activities to control the operation of the exercise device.
US 5,354,251 describes an exercise machine in which a seat and a spring-loaded rotary shaft are mounted on an elongate frame. The rotary shaft is connected to a flywheel and has resistance devices. As resistance devices, for example, a centrifugal brake, a wind turbine-like perforated flywheel, and an eddy current brake wheel, in which a wind turbine is integrated for cooling disclosed.
Further training devices are described in US 2002/0004439 A1, US 2007/0117680 A1, US 5,611,759 and US 5,749,807.
JP 05201374 A discloses a torque measurement on the chain of a bicycle.
At the upper chain strand part, a voltage detector for measuring the clamping force is arranged, namely a gear which contacts the chain from the outside, and a strain gauge, which measures the force exerted by the chain on the gear force.
DE 199 19154 AI describes a method and a device for applying a biasing force to an endless drive element, in particular a chain. A pressure rail is pressed by means of a chain tensioner with a predetermined force from the outside to the chain. The resulting preload force on the chain is adjusted via an electronic control unit as a function of sensor data relating to vibration data or other relevant parameters.
US 4,141,245 describes a device for measuring mechanical work and power, which is transmitted to a drive element between two drive wheels.
A force measuring element with a roller is pressed by means of spring force against the driving element, and the extent of the deflection is used to measure the transmitted tensile force. Various embodiments include an inner or outer adjacent role, or a combination of at least one inside and at least one outer adjacent role.
Other measuring devices for measuring the drive torque in a drive system, e.g. of a bicycle, are presented in US 4,909,086 and US 2007/0099735 AI.
These known training and measuring devices achieve the measurement of the force exerted by the trainees or the associated torque in various ways, which, however, are often very complicated and complex.
Especially when a differentiated consideration of different sections of the process, namely a division between the two feet (or hand-operated devices between the two hands) is desired, the known methods are very complex.
It is an object of the present invention to provide an exercise device in which a measurement of the applied force / torque force is possible split to the left / right movements.
This object is achieved on the basis of an exercise device of the type mentioned at the beginning, in which, according to the invention, the measuring arrangement for measuring the movement position has a pair of sensor means which are arranged at mutually opposite positions with respect to a wheel which is synchronously connected to the drive.
each corresponding to a movement position of a load change between the two drive elements. This solution allows in a simple way a detection of the load changes between the left and the right extre ity, and thus a distinction between the forces expended by these or performed work.
The wheel is e.g. a non-rotatably mounted on the pedal shaft gear, or may be connected to the pedal shaft via a transmission, provided that the implementation allows a sufficient inference from the angular position of the wheel to the movement position of the drive.
In a preferred embodiment of the invention, which represents a particularly effective implementation of the approach underlying the invention, the two sensor means are designed as mounted on the wheel at mutually opposite positions * sensor pieces;
In addition, at least one sensor is arranged stationary, by means of which the passing of the sensor pieces is detectable at a specific angular position of the wheel, wherein the angular position corresponds to a movement position of a load change between the two drive elements.
However, it is also expedient if the two sensor means are designed as stationary arranged sensors, and also at least one sensor piece attached to the wheel is provided, wherein the sensors using the at least one sensor piece at specific, opposite angular positions of the wheel can be detected , wherein the angular positions each correspond to a movement position of a load change between the two drive elements.
For an effective contactless detection of the moving parts, it is advantageous if the sensor pieces magnets,
in particular permanent magnets, are and the sensors are magnetic field sensors.
Moreover, in order to achieve a simplification of the measuring devices used to measure the applied force, it is advantageous if the measuring means for measuring the driving force is an arm applied to a traction means, in particular a chain, of the transmission, which slightly presses the traction means laterally and a measuring sensor for measuring the force exerted by the traction means has.
Advantageously, an evaluation device can be provided in order to receive signals from the measuring means regarding the applied driving force or torque force associated therewith and to calculate and continuously output the time profile of the driving force or the torque force as well as the quantities derivable therefrom on the basis of the signals supplied by the measuring means.
The evaluation device can also receive signals from the measuring arrangement regarding times of load changes and alternately assign the calculated variables as a function of the load change reported by the measuring arrangement to a right or left extremity of a trainee. The output of the quantities calculated in this way can thus be divided into the right and left extremities based on the signal of the measuring arrangement relating to times of the load changes. Through this development, an uncomplicated determination and automated output of the left / right training performance is achieved.
Furthermore, it is desirable that the speed-dependent resistance, which the trainee must overcome on the exercise device according to the invention, as natural as possible, i. E. corresponds to the resistance on a roadworthy bicycle.
For this purpose, it is advantageous if the flywheel has a device braked by air friction and is connected to an electromagnetically acting brake. The braked by air friction device may be a non-rotatably connected to the flywheel paddle wheel. In addition, the impeller may have a plurality of parallel to the axis of rotation aligned blade surfaces.
In addition, in order to adjust the air friction effect as needed, it is advantageous if the braked by air friction device is located in a housing having means for adjusting the amount of moving due to the movement of the flywheel air flow.
For example, the housing may have openings whose width and / or air permeability can be adjusted and with the aid of which the air flow passing through the housing can be adjusted.
The invention will be explained in more detail below by means of a non-limiting embodiment, which is illustrated in the accompanying drawings.
The drawings show:
Fig. 1 is a perspective view (from the right front) of the exercise device after the
Embodiment of the invention;
2 and 3, the training device in a further oblique view and a side view from the left side.
4 shows the transmission of the training device in a detailed view (side view from the right without housing);
5 shows a detail of Figure 4 with the force measurement on the chain of the transmission ..;
6 is a sectional view of the wheel drum of the exercise machine;
7 shows a view of the training device with opened magnetic brake;
Fig. 8 and 9 detail views from the left on the area of the pedal assembly, with partially removed housing, so that the sensors for measuring the pedal position are seen bar, in Fig. 7 also the carrier spar and the axle bearing are omitted.
10 is a block diagram of the signal and data evaluation;
11 is a plan view of the handle portion of the training device with a display, and
Fig. 12 is an example of a representation of the driving force in response to the
Angle of rotation (polar shape).
The embodiment discussed in detail below relates to a stationary ergometric bicycle exerciser shown in different views in Figs. 1-3. The training device 10 can be used, for example, as a home trainer, as a training device in a gym or for use in elite sports, or even in the medical field.
The training device 10 has a bicycle-like frame frame 11 with seat 12 and handle portion 13, whose position is adjustable in each case, but during a training session is fixed. In the foot area is a housing 14, which has a wheel well 15 in the front area, and a pair of pedals 16th
The pedals 16 are fixed to a pedal shaft 17 in a known manner and are connected via a transmission with resistance means, which are housed in the wheel housing 15 as described below.
Referring to Figure 4, the transmission 40 in the embodiment shown is a combination of two traction mechanism, namely a gear transmission with a belt transmission, whereby a high translation of the movement from the pedal 16 to the flywheel 18 is achieved. The pedals 16 are rigidly connected via the pedal shaft 17 with a gear 19 which drives a pinion gear 42 via a chain 41. The pinion gear 42 in turn is connected to a disk wheel 43, which drives the flywheel 18 via a belt 45, which is tensioned by means of an auxiliary wheel 44.
The embodiment shown has a measuring system with a measuring accuracy of 2% or better.
It is used to measure the force applied by the user and the pedal speed and is connected to a computer system for displaying and evaluating the measurement data.
force measurement
As shown in FIG. 5, a measuring means 50 for measuring the force which the trainee applies to the chain 41 via the pedal drive is preferably provided in the first traction mechanism. Since the pedal length is fixed and known, the driving force is directly converted into the acting torque ("torque force") and thus equivalent.
The measuring means is preferably realized as a bending beam with a measuring stretch strip, which deflects the chain slightly and eats the restoring force. An arm 11 fixed to the frame 51 carries at its end a slider 52, which is made of plastic, for example.
The slider is applied to the chain 41, for example, from the inside, similar to a chain tensioner, and pushes the chain slightly outward. When the chain is under tension due to a force exerted by the exerciser, a tangential component of the force on the plastic sliding piece results and the slider acts on a restoring force that is proportional to the chain tension and thus the torque force. The resulting elastic bending of the arm 51 is detected by a measuring sensor, e.g. a strain gauge 53, measured.
The signal from the measuring sensor is evaluated electronically, as explained below.
To calibrate the force measurement, for example, a weight of known size is attached to one of the pedals 16, and the rotation is mechanically blocked on the flywheel 18 or flywheel 27 (FIG. 7) by means of a blocking means (not shown). The force measured in this condition serves as the basis for the calibration of the force measuring system by comparison with the known force impressed by the weight.
resistance means
Referring to FIG. 6, the flywheel 18 driven by the pedal movement via the gear 60 has an air impeller 21 which is rotatably mounted on the circumference of the flywheel blade in the embodiment shown.
The air impeller 21 is located in a separate container as part of the wheel arch 15th
As can be seen in FIG. 7, in the exemplary embodiment shown an eddy current brake 20 is arranged on the same axis as the flywheel 18, preferably lying opposite to it. The eddy current brake 20 is for example a magnetic brake, in which a metallic flywheel 27 with adjustable (permanent) magnet 28 cooperates in a known manner; Alternatively, another electromagnetic brake can be realized. In the embodiment shown, the magnets are mounted on a steel bracket along a peripheral portion of the disc 27 and are positioned by means of an actuating mechanism 29 toward and away from the disc 27. The disc 27 is made of steel, for example, which is covered with a copper ring.
In order to be able to completely block the rotation, for example, two holes are provided in the disk 27, into which a blocking pin (not shown) held in the housing or on the frame can be inserted from the side.
The resistance means of the training device according to the invention were simulated to those which occur during cycling. The resistances acting during cycling are (a) air resistance, (b) friction of the mechanical parts inside the bicycle and (c) rolling resistance between tires and the surface of the road or slope of the terrain. Air resistance usually accounts for the vast majority - often more than 90% - of the total resistance and grows quadratically with speed. Thus, the power produced increases with the third power of speed.
The friction in the bicycle and the rolling resistance grow linearly with the speed, which corresponds to a power with quadratic speed dependency.
In the training device 10, a combined brake system is used to simulate these two types of resistance, which, as already described, an air braking braking means in the form of the wheel 21 and an electromagnetically acting brake 20. In this way, a realistic modeling of the resistance behavior succeeds of a bicycle, which gives the feeling of moving on a "normal" bike. The two subsystems can be set independently of each other. They have no influence on the measuring devices described below.
The combination of the two Bremsteilsysteme allows a large resistance margin, which results in dependence on the cadence. There are no external sources of energy necessary.
Referring again to Fig. 6, the air impeller 21 has a substantially cylindrical ring-like shape. Along the circumference, a number of blade surfaces 25 are arranged between two lateral retaining rings 24 at regular intervals, which are each aligned like a blade parallel to the axis of rotation of the wheel 21 and at an angle different from 90 ° to the radius. When the wheel 21 rotates, the blade surfaces 25 move the surrounding air inwardly.
In this way, air is sucked in through the side window 15b and pushed out again via the opening 15a (Fig. 2) located at the lower front of the wheel house 15; Thus, the wheel 21 is braked by the resulting air circulation.
In contrast to known training devices with an air brake, the resistance in the device shown can be adjusted by regulating the air supply on the stator side (FIG. 3), namely by more or less closing the opening 15a by means of a flap 22 and / or adjusting the side window 15b with respect to its air permeability, for example in the manner of a blind. As a result, the braking effect resulting from the air resistance can be set within a wide range.
In particular, by closing the opening 15a and the window 15b, the resistance can be set to a minimum value close to zero, so that substantially only the mechanical friction remains in the system.
By these measures, the resistance can be set for both brake subsystems. In the illustrated embodiment, a resistance effect of 0 to 5000 W can be selected.
Measurement of pedal speed
In Fig. 8 and 9, the sensor assembly 30 is shown for measuring the pedal speed. Two magnetic field sensors 31, e.g. Reed switches are fixedly arranged next to the pedal gear 19. On the gearwheel 19 there are two permanent magnets 32 in exactly opposite positions, so that each magnet 32 passes through the sensors 31 once in each case of a rotation of the gearwheel 19, and so on e.g. generates a signal pulse.
The resulting signal is sent to an evaluation and allows the accurate measurement of the speed and - over the crank length of the pedals - the pedal speed.
The two sensors 31 and the associated magnets 32 corresponding to each other in pairs and are each (to exclude mutual triggering of a sensor by the magnet of the other sensor) positioned at different radial distances from the axis. The magnets are arranged with respect to their angular position to the respectively associated sensors with respect to the position of the pedals 16 so that a signal pulse of a sensor 31 is given in each case when the force is changed from the left to the right pedal or vice versa.
As can be seen in FIGS. 8 and 9, in the position shown with 0 [deg.] (Right pedal vertically upwards), one magnet is just in position with the sensor assigned to it, while the other magnet is exactly opposite the sensor assigned to it located. This allows a division of the measurement and separate assignment to the left or right foot, and a right / left evaluation of each performed by a foot force and power, and a comparison of the two foot powers (balance).
evaluation
As shown in Fig. 10, the sensor signals provided by the force measuring sensor (strain gauges) 53 and the pedal measurement sensors 53 are amplified, digitized by analog-to-digital converters and subjected to electronic evaluation, e.g. a training display 33 located on the handle (FIG. 11) and / or an associated computer system 34. On the computer system 34, the signals are converted into a time-dependent course of the applied to the pedals driving force, for example, with a data rate of 100 data points per second, also the signals can be displayed and / or stored in real time. The data can then be retrieved and edited at a later date.
The representation of the data takes place advantageously in a manner related to the pedal rotation and / or in a polar representation as shown in FIG. 12.
Fig. 12 shows an example of a measured pedal force Fp (in N, the outer circle corresponds to 250 N) over one complete revolution with the pedal, as a function of the angle of rotation in a polar diagram. The angles shown correspond directly to the angle of the pedal that has been moved clockwise, where 0 [deg.] Corresponds to a position of the right pedal vertically upwards.
It is also worth mentioning that there is a synergy between the two feet during the drive movement, especially in the case of trained athletes, and the better the coordinative ability of the exerciser, the rounder the figure of the curve Fp.
On the computer system 40, the analysis of the measured data and graphical representation on the screen is carried out by means of suitable ergometric software, for example:
- calculation and presentation of the pedal torque,
Force as a function of foot position,
<-> speed
- speed (converted to a fictitious bicycle speed),
<-> power (W),
- performance,
<-> energy (kj, by integration),
<-> balance between left and right foot (in%),
- heart rate (via additional sensor belt worn by the user),
- statistical analyzes.
Of course, the invention is not limited to the described embodiment, but extends to all embodiments that fall within the scope of the claims. In particular, the inventive exercise device can also have other drive elements as pedals, for example, treads as in a stepper or a pair of handles that are operated alternately. Here, the movement is mechanically converted by a transmission in a rotary motion of a drive wheel in a known manner.