CH700783A2 - Adaptives Roboter-gestütztes Trainingssystem. - Google Patents

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Abstract

Eine adaptive robotergestützte Trainingsvorrichtung umfasst eine Anzeige (1), die über einen Bügel (2) mit dem Grundrahmen (9) verbunden ist, verschiedene Sensoren, voneinander unabhängig wirkende Pedale (4) und Fussplatten (3), die über Wellen (7, 8) und Hebel (5) mit kontraktilen Elementen (13) verbunden sind, welche am Grundrahmen (9) befestigt sind, sowie einen entsprechend positionierbaren Sitz (12) und eine Regelungshardware (10), die mit einem Computer (11) verbunden ist, auf welchem eine Software installiert ist, vorzugsweise verbunden mit einem Computernetzwerk, wobei die Software mit der Regelungshardware verknüpft ist.

Description


  Technisches Gebiet

  

[0001]    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein adaptives, interaktives, robotergestütztes Trainingssystem, das ein ganzheitliches, realitätsnahes, sowie motivationsfördendes Trainieren des Menschen unter Einbezug seiner kognitiven Fähigkeiten erlaubt. Das System dient der Verbesserung des Bewegungsapparates in den Bereichen Maximalkraft, Schnellkraft und Kraftausdauer, sowohl der Förderung und Verbesserung der Koordination und Reaktionszeit. Einsatzgebiete der vorliegenden Erfindung sind Prävention, Rehabilitation, Fitness und Spitzensport.

Stand der Technik

  

[0002]    Bei den heute auf dem Markt befindlichen Trainingsgeräten wird nur die Muskulatur gestärkt, wobei die Koordination nicht besonders gefördert wird.

  

[0003]    Bei Stärkung der Muskulatur mit den gängigen Trainingsgeräten wird besonderes Augenmerk auf isolierte, gleichförmige Bewegungsmuster gesetzt. Dieser Ansatz gewährt zwar in gewissem Umfang eine Leistungssteigerung und den Erhalt spezifischer Muskelgruppen, vernachlässigt aber das Zusammenspiel des Bewegungsapparates mit der propriozeptiven (körpereigenen) Information und dem extrozeptivem (visuellen und auditiven) Feedback des Menschen. Mit diesem Ansatz alleine kann man sich aber eher schlechter als besser bewegen.

  

[0004]    Bei den herkömmlichen computergestützten Koordinationstrainings wird auf Feedback seitens der Maschine verzichtet. Der Bewegungsapparat und die dazugehörigen Bewegungsmuster werden somit nicht gezielt oder nur sehr beschränkt aufgebaut. Darüber hinaus besitzen diese Systeme keine Diagnostiksoftware. Somit ist keine Information über Trainingsqualität, Leistung und Fortschritt des Trainierenden vorhanden.

  

[0005]    Das Zusammenspiel des Bewegungsapparates mit der Wahrnehmung, der muskulösen Spannung im Körper und der sensorischen Information aus der Umwelt, ist unabdingbar notwendig um sich sinnvoll, effizient und sicher in einer beliebigen Umgebung zu bewegen.

  

[0006]    Die heute auf dem Markt erhältlichen Trainingssysteme werden diesen gesamten Anforderungen nicht gerecht, weil sie die Synergie zwischen Bewegung, Wahrnehmung, Feedback und Motivation nicht auszunützen und umzusetzen vermögen.

Aufgabe

  

[0007]    Aufgabe der Erfindung ist es daher ein adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem zu schaffen, welches das Zusammenspiel zwischen Bewegung, Wahrnehmung, Motivation, und Kognition erhält, fördert und nachhaltig verbessert.

  

[0008]    Die Aufgabe wird durch die Merkmale der aufgeführten Patentansprüche gelöst.

Lösung/Darstellung der Erfindung

  

[0009]    Das System umfasst erfindungsgemäss einen computergesteuerten, interaktiven, Trainingsroboter, der sich an die Körperhaltung des Trainierenden und die von ihm erzeugten Kräfte adaptiert. Die Adaptation erfolgt durch eine Software-gesteuerte Änderung des multi-modalen Feedback am Trainierenden und an den Kräften, die der Roboter am Bewegungsapparat des Trainierenden ausübt.

  

[0010]    Somit wird ein adaptives Feedback/Feedforward Trainingssystem erzeugt, das es erstmals erlaubt höhere kognitive Prozesse zu üben und quantitativ zu messen. Ein Beispiel ist Vorhersagen zu treffen, um entsprechend zu reagieren bevor unerwünschte Ereignisse auftreten (wie z.B. Fallprävention).

  

[0011]    Weiter kann sich das System erfindungsgemäss an die muskulösen und koordinativen Fähigkeiten des Trainierenden anpassen und diese nachhaltig fördern und verbessern.

  

[0012]    Auch können Trainingsroutinen erstellt werden, die unter Einbezug notwendiger kognitiver Fähigkeiten, die Kräfte und Dynamik wiederspiegeln, denen unser Bewegungsapparat in Interaktion mit der von uns gewählten Umgebung (wie z.B. eine Ski Abfahrt für professionelle Athleten) ausgesetzt ist.

  

[0013]    So werden auch verschiedene Trainingsroutinen erzeugt, mittels denen man spezifische Schwachstellen im Koordinativen- und Bewegungssystem vorbeugen, beheben und verbessern kann.

  

[0014]    Die Trainingsroutinen zeichnen sich erfindungsgemäss dadurch aus, dass sie dem Trainierenden ermöglichen verschiedene Sensormodalitäten zu erleben und miteinander so zu verknüpfen, dass ein Lerneffekt oder ein Wiedererlernen in der Wechselwirkung zwischen Bewegungsapparat und Wahrnehmung entsteht. In dieser Weise kann die Koordination geschult werden.

  

[0015]    Somit wird ein adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem gewährt, welches die Aufgabe der Erfindung erfüllt.

  

[0016]    Das erfindungsgemässe Trainingskonzept dient ebenfalls als Experimentier-Plattform, um neue Trainingsroutinen zu entwickeln.

  

[0017]    Mittels einer Kraft-Regelungselektronik sind die Kräfte, die am Bewegungsapparat wirken, fliessend und frei einstellbar, unabhängig der Postur in dem sich der Bewegungsapparat befindet. Diese Kraft-Regelungselektronik beinhaltet eine Regelungssoftware, die die Werte von geeigneten Kraft-, Druck- und Positionssensoren mit einer geeigneten Ventiltechnik koppelt und die Aktuatoren vom Typ künstliche Muskeln in einer Gummiausführung oder anderen gewählten Ausführung.

  

[0018]    Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sich Kraft-Regelungselektronik und Antrieb eine modulare Einheit bilden. So kann diese in verschiedensten Auslegungen für verschiedene roboter-gestützte Trainingsgeräte eingesetzt werden.

  

[0019]    Das interaktive Lernsystem, das sich durch ein computergestütztes, multi-modales Feedbacksystem auszeichnet, ist mit einer Regelungselektronik gekoppelt und umfasst eine visuelle Anzeige und vorzugsweise Lautsprecher. Im Lernsystem werden Trainingsroutinen erstellt und Diagnostik-Programme, sowie Sensorwerte über verschiedene graphische Darstellungen über eine Anzeige visualisiert.

  

[0020]    Im Gegensatz zu den heute, am Markt erhältlichen Trainingssystemen, reagiert das interaktive Lernsystem zusammen mit dem roboter-gestützten Trainingsgerät gemäss der Erfindung 1) auf die Kräfte, die der Trainierende am Trainingsgerät ausübt und 2) auf die Haltung, die vom Trainierenden eingenommen wird, indem es, die am Bewegungsapparat ausübenden Kräfte variiert und den Gegebenheiten anpasst. Somit wird ein adaptives Trainingssystem erzeugt.

  

[0021]    Diese Kräfte werden von einem, im interaktiven Lernsystem eingebauten Simulator berechnet und an die Kraftregelungselektronik weitergeleitet. Die Kräfte werden durch kontraktile Elemente erzeugt.

Aufzählung der Figuren /Zeichnungen

  

[0022]    
<tb>Fig. 1<sep>Ausführungsbeispiel eines adaptiven robotergestütztes Trainingsgerät gemäss der Erfindung.

Ausführung der Erfindung

  

[0023]    Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert. Diese Darstellung soll die Erfindung jedoch nicht auf die konkret beschriebene Merkmalskombination beschränken, so wie auch die Erfindung nicht in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalskombinationen beschränkt sein soll.

  

[0024]    Das adaptive roboter-gestützte Trainingssystem ist für den unteren Rumpf und die Beine. Die Aufgabe ist mit einem Roboter in Form eines Trainingsgerätes, verknüpft mit einem interaktiven Lernsystem, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Roboter-Trainingskonzepts sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

  

[0025]    Anders als bei den heutigen, am Markt befindlichen Systemen, werden die Beine und Rumpfpartien über Pedale separat und voneinander unabhängig belastet. Dabei werden herkömmliche Gewichte, die an den Pedalen ziehen, durch kontraktile Elemente ersetzt.

  

[0026]    In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die kontraktilen Elemente durch pneumatisch angetriebene Fluidic Muskeln(c) von Festo realisiert. Diese werden über ein geeignetes, elektronisch gesteuertes Ventilsystem kontrolliert.

  

[0027]    In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Verbindung von Antrieb und Pedal mittels eines Kurvenradsegmentes gewährt.

  

[0028]    Anders als bei den heutigen, am Markt befindlichen Systemen, bei denen die Fusspedale starr am Pedal fixiert sind, wird durch die erfindungsgemässe Anordnung, bei der die Fussplatten um ihre Querachse frei an den Pedalen gelagert sind, eine offene kinematische Kette ermöglicht. So vermag diese Erfindung auch die gesamte untere Muskulatur der Beine zu stärken und diese mit den oberen Beinpartien in koordinativem Einklang zu bringen.

  

[0029]    Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beinhaltet auch eine freie Lagerung der Fussplatten um ihre Längsachsen. So kann auch die Muskulatur am Fersenansatz und im Fuss gekräftigt und koordinativ trainiert werden.

Claims (18)

1. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem, umfassend einer Anzeige (1), einem Computer (3) auf der die interaktive Lernsoftware installiert, in bevorzugter Ausführung mit dem Internet verbunden, den Pedalen (2), die in bevorzugter Ausführungsform über Kurvenradsegmente (4) mit den kontraktilen Elementen (7) verbunden, die am Rahmen (6) befestigt, einem entsprechend positioniertem Sitz (8) und einer Regelungshardware (5), dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive roboter-gestützte Trainingssystem verknüpft mit einem interaktiven Lernsystem durch die kontraktilen Elemente mit pneumatischen Muskeln angetrieben und durch ein elektronisches Regelsystem kontrolliert wird.
2. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Stuhl (8) mit einem Pedalhubbegrenzer gekoppelt ist.
3. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pedalen (2) in der Querachse (9) frei beweglich sind.
4. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pedalen (2) in bevorzugter Ausführung in der Längsachse (10) frei beweglich sind.
5. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die interaktive Lernsoftware in bevorzugter Ausführung in Echtzeit mit der Kraftregelung (5) gekoppelt ist.
6. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feedback/Feedforward System (11) zwischen Mensch und Maschine erzeugt wird.
7. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig der menschliche Bewegungsapparat gekräftigt und die Koordination geschult wird.
8. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass kognitive Prozesse über die Sinneswahrnehmung über eine Anzeige (1) verbessert werden können.
9. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Computerspiel erzeugt wird und somit die Motivation unterstützt wird.
10. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über das Internet ein Teletraining gewährt werden kann.
11. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trainingssysteme vernetzt werden können.
12. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass qualitative und quantitative Messungen der Trainingseinheiten vorgenommen und per Ferndiagnose ausgewertet werden können.
13. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass reale Kräfte, die im menschlichen Bewegungsapparat in Interaktion mit der Umwelt auftreten können simuliert werden.
14. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass erstmals ein Training erzeugt wird, dass die Synergie zwischen Bewegung, Wahrnehmung, Feedback und Motivation unterstützt und fördert.
15. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Kraft, die der Roboter in Form einer Trainingsmaschine entwickelt zum Eigengewicht des Roboters in Form einer Trainingsmaschine sehr hoch ist.
16. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in bevorzugter Ausführung, bei Verwendung der Fluidic Muskeln(c) von Festo, eine intrinsische Sicherheit des Roboters in Form eines Trainingsgerätes ohne zusätzliche Stopper gewährt wird.
17. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in bevorzugter Ausführung, bei Verwendung der Fluidic Muskeln(c) von Festo, eine intrinsische Dämpfung vorhanden ist, die ein schonendes Training für Gelenke, Sehnen und Bänder erlaubt.
18. Adaptives, roboter-gestütztes Trainingssystem nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in bevorzugter Ausführung, bei Verwendung der Fluidic Muskeln(c) von Festo, eine Dynamik und Kraft generiert wird, die es erlaubt, realitätsnahe Bedingungen zu simulieren.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015000919A1 (de) * 2015-01-26 2016-07-28 Kuka Roboter Gmbh Robotergestütztes Trainingssystem

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DE102015000919A1 (de) * 2015-01-26 2016-07-28 Kuka Roboter Gmbh Robotergestütztes Trainingssystem

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