DE102006032081B4

DE102006032081B4 - Ergometer, Laufschuh und Fahrradpedal

Info

Publication number: DE102006032081B4
Application number: DE200610032081
Authority: DE
Inventors: Prof.Dr. Schneider Peter
Original assignee: Julius Maximilians Universitaet Wuerzburg
Current assignee: Julius Maximilians Universitaet Wuerzburg
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2026-07-12
Also published as: WO2008006482A1; DE102006032081A1

Abstract

Ergometer mit einem Kraftaufnehmer (1), mit dem auf ihn einwirkende Kräfte zeitaufgelöst erfassbar sind und in ein zeitabhängiges Ausgangssignal umsetzbar sind, und einer mit dem Kraftaufnehmer signalausgangsseitig verbundenen Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7), mit welcher das zeitabhängige Ausgangssignal des Kraftaufnehmers erfassbar ist und welche eine Integriereinheit (7) aufweist, mit der das Betragsquadrat des zeitabhängigen Ausgangssignals über ein definierbares Zeitintervall integrierbar ist und/oder mit der das Leistungsspektrum dieses Ausgangssignals berechenbar ist und dieses Leistungsspektrum oder eine daraus abgeleitete frequenzabhängige Größe über ein definierbares Frequenzintervall integrierbar ist.

Description

Der Stand der Technik WO 2006/005279 A1 kennt eine Kraftauswertevorrichtung mit mindestens drei Kraftaufnehmern, mit welcher die Kräfte der Kraftaufnehmer zeitaufgelöst erfasst werden können. In einer Auswerteeinheit befindet sich eine Leistungsspektrum-Berechnungseinheit, mit der das Leistungsspektrum eines aus der Summe der Ausgangssignale mindestens eines der Kraftaufnehmer gebildeten Gesamtsignals berechnet werden kann.
Aus der US 4,195,643 A ist eine ähnliche Vorrichtung (als „diagnostic force analysis system” bezeichnet) bekannt, bei der ebenfalls ein Spektrum gebildet wird („fast fourier transformed device”).
Schließlich ist aus der FR 2 690 613 A1 eine Vorrichtung bekannt, bei der an entsprechender Stelle eine Fourier-Transformation durchgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Leistung von mechanischen Kraftquellen bzw. der durch eine bekannte Masse, die von einer motorischen Kraftquelle bewegt wird, erzeugten Leistung, insbesondere der Arbeitsleistung von Muskeln bzw. der Muskelleistung. Die Quelle der Kraft kann der menschliche Muskel, der tierische Muskel oder ganz allgemein eine technische Kraftquelle sein. Die Kraft kann auch außerhalb der Erdgravitation (z. B. im Weltraum oder auf einem Planeten) einwirken und so eine Leistung bewirken. Die Erfindung kann insbesondere auch zur Bestimmung der Muskelleistung dienen, die jemand vollbringt, wenn er im sog. Tandem-Stand versucht, das Gleichgewicht zu halten und somit der Erfassung von Funktionen und von Störungen des motorischen und sensorischen Gleichgewichtssystems beim Menschen dienen.
Das Gleichgewicht eines Menschen im Stand wird durch das harmonische Zusammenspiel der Motorik und Sensorik des menschlichen Bewegungsapparates und von speziellen Funktionen des Zentralnervensystems, dem spinalmotorischen und dem supraspinalmotorischen System gewährleistet. Das Gleichgewicht im Stand wird gegenwärtig durch verschiedene Tests geprüft, die lediglich ein subjektives Beurteilen durch den Beobachter erlauben, ggf. unter Zuhilfenahme einer Stoppuhr.
Störungen im spinalmotorischen und im supraspinalmotorischen System sind einerseits bedingt durch Krankheiten oder Verletzungen, andererseits unterliegen sie biologischen Auf- und Abbauprozessen in der Kindheit bzw. im Alter. Alle Komponenten, die einen sicheren Stand oder zielsichere willkürliche und unwillkürliche Bewegungen gewährleisten, können davon betroffen sein. Im Endresultat führt hauptsächlich die Feinregulation der Muskelgruppen der unteren Extremitäten, insbesondere der Fußbeuger und Fußstrecker zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts im Stehen.
Wird somit die Muskelleistung berechnet, die ein Mensch vollbringt, wenn er das Gleichgewicht hält oder auch wenn er Kniebeugen macht, Hanteln stemmt oder einfach nur die Arme hebt, so lässt sich erfassen, ob beispielsweise Muskelkrankheiten vorliegen oder auch wie weit diese ggf. fortgeschritten sind und auch welche Extremitäten (Arme oder Beine) sie betreffen. Denn je nach körperlichem Zustand treten bei der Muskelleistung große Unterschiede auf: So bringt es ein durchtrainierter Mann mittleren Alters durchaus auf eine Leistung von etwa 3000 W, während ältere oder körperlich nicht geforderte Personen dadagegen lediglich etwa 100 W erbringen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Ergometer und ein Ergometrieverfahren zur Verfügung zu stellen, mit der auf einfache, robuste und zuverlässige Art und Weise die Muskelleistung des Menschen quantitativ berechnet werden kann.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe basiert auf einem Ergometer, wie es in Anspruch 1 beschrieben ist. Dabei wird der Kraftaufnehmer nachfolgend, auch als Kraftsensor oder Kraftmessdose bezeichnet. Ein zeitabhängiges Ausgangssignal ist ein sich im Verlauf der zeit in der Amplitude bzw. in seiner Größe änderndes Ausgangssignal. Eine von dem zeitabhängigen Ausgangssignal abgeleitete zeitabhängige Größe, die über ein festlegbares Zeitintervall integrierbar ist, kann beispielsweise das quadrierte Ausgangssignal sein. Bevorzugt wird jedoch das Leistungsspektrum des zeitabhängigen Ausgangssignals des Kraftaufnehmers berechnet und dieses Leistungsspektrum oder eine daraus abgeleitete frequenzabhängige Größe (beispielsweise das Quadrat des Leistungsspektrums) über ein definierbares Frequenzintervall integriert. Es können jedoch kumulativ auch beide Integrationsfunktionen (im Zeitraum wie im Frequenzraum) realisiert sein.
Vorteilhafterweise wird mit dem erfindungsgemäßen Ergometer die mechanisch in den Sensor eingebrachte Leistung, z. B. Muskelleistung, mittels Integration des Betragsquadrates des Leistungsspektrums anhand der folgenden Formel berechnet:
Hierbei bezeichnet Lsp(f) das Leistungsspektrum des zeitabhängigen Ausgangssignals des Kraftaufnehmers und f-max eine frei definierbare maximale Erfassungsfrequenz. Gemäß dem Shannonschen Abtasttheorem wird für f-max vorteilhafterweise mindestens die halbe Abtastfrequenz der Auswerteeinheit gewählt. Die Abtastfrequenz der Auswerteeinheit ist hierbei diejenige Abtastfrequenz, mit der die Auswerteeinheit das zeitabhängige Ausgangssignal des Kraftaufnehmers zu dessen Digitalisierung abtastet.
Basis der vorliegenden Erfindung ist somit der Grundgedanke, dass das Integral über das Betragsquadrat des Leistungsspektrums innerhalb der durch die Frequenzbandbreiten limitierten Fehlergrenzen identisch mit der geleisteten Arbeit entgegen der Schwerkraft oder entgegen eines Widerstands in der verstrichenen Zeit ist und damit identisch mit der physikalischen körperlichen Leistung in Watt ist. Das Leistungsspektrum lässt sich mittels der Fourier-Transformation aus dem zeitabhängigen Ausgangssignal des Kraftaufnehmers gewinnen. Hierbei kann vorteilhafterweise eine Fast-Fourier-Transformation eingesetzt werden. Alternativ ist auch die Berechnung des Leistungsspektrums mittels der Methode der maximalen Entropie möglich.
Gemäß dem Parsevalschen Theorem gilt:
Hierbei ist A(t) das zeitabhängige Ausgangssignal des Kraftaufnehmers bzw. dessen Amplitude (t bezeichnet somit die Zeit). Lsp(f) ist das aus dieser zeitabhängigen Funktion mittels der Fourier-Transformation berechnete Leistungsspektrum (f bezeichnet somit die Frequenz). Durch die beschriebene Integration über das Leistungsspektrum (genauer: über dessen Betragsquadrat) ergibt sich somit wie vorbeschrieben die Gesamtleistung gegen die Schwerkraft oder gegen einen mechanischen Widerstand in Watt. Die vorbeschriebene Einheit aus einem Kraftaufnehmer und der damit signalausgangsseitig verbundenen Auswerteeinheit stellt somit ein dynamisches, praktisch verlustfrei messendes Ergometer dar. Wie bereits erwähnt, wird hierbei im praktischen Anwendungsfall die Integration im Frequenzraum über ein Frequenzintervall von 0 Hz bis zu einer Maximalfrequenz f-max durchgeführt, wobei letztere vorteilhafterweise in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz der Auswerteeinheit für das Ausgangssignal des Kraftaufnehmers gewählt wird.
Wie aus dem Parsevalschen Theorem unmittelbar erkennbar, kann die Muskelarbeitsleistung jedoch alternativ dazu mit der vorliegenden Erfindung auch durch Integration über das Betragsquadrat des zeitabhängigen Ausgangssignals A(t) des Kraftaufnehmers berechnet werden. Hierzu wird das Signal A(t) über ein Zeitintervall [t1, t2] erfasst. Die Muskelarbeitsleistung ergibt sich dann proportional zu
Die Berechnung der Muskelarbeitsleistung wird mit der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft mittels Integration im Frequenzraum durchgeführt, kann jedoch alternativ auch wie beschrieben im Zeitraum (bzw. durch Integration über ein entsprechendes Zeitintervall) durchgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, kumulativ beide Berechnungen durchzuführen und beispielsweise als Ergebnis für die Muskelarbeitsleistung den Mittelwert hieraus zu bilden.
Inputfunktion ist dabei eine Zeitreihe [Sekunden] der Kraft [Newton]. Wenn das System exakt mittels einer bekannten Masse kalibriert oder geeicht ist, ergibt sich als Ergebnis das Leistungsspektrum aus der Fouriertransformierten in [Watt/Sekunden], die Integration ergibt dann [Watt]. Eine Normierung ist somit nicht erforderlich. Lediglich Ungenauigkeiten existieren wegen der Bandbreitenbegrenzung bei der Frequenzzerlegung. Diese liegen jedoch im Bereich von wenigen Prozent (erkennbar an Unterschieden bei der Anwendung verschiedener Filtermethoden, wie Ramp, Wiener etc.) und sind somit vernachlässigbar. Bei der Methode der maximalen Entropie wird ein Normierungsfaktor eingeführt, auf der Basis eines Experiments mit bekannter Masse, Zeitmessung und definierter Krafteinwirkung, um die tatsächliche Leistung in [Watt] zu erhalten.
In der vorliegenden Erfindung wird somit die auf eine Kraftmessdose einwirkende Kraft mittels einer Auswerteeinheit als Zeitreihe erfasst. Die Zeitreihe enthält somit die Kraft an einer biologischen oder technischen Quelle, insbesondere die Muskelkraft, welche über das betrachtete Zeitintervall auf die Kraftmessdose eingewirkt hat. Einer über ein Zeitintervall längs eines Weges einwirkenden Kraft liegt jedoch eine Leistung zugrunde. Zur Berechnung dieser Leistung aus der quasi-periodischen Zeitreihe kommt wie vorbeschrieben die Methode der Fourier-Transformation, vorteilhafterweise in Form der bandbreitenbegrenzten Fast-Fourier-Transformation (FFT) zum Einsatz. Wie später noch genauer beschrieben wird, kann die konkrete Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mittels Einzelmessdosen z. B. in den Pedalen eines Fahrrads oder in den Sohlen eines Laufschuhs bestehen. Alternativ hierzu können jedoch, wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben wird, auch drei oder mehr Kraftmessdosen, welche an einer stabil gestützten Plattform angeordnet sind, eingesetzt werden. Im letzteren Fall sind dann alle Kraftmessdosen signalausgangsseitig mit der Auswerteeinheit verbunden. Die Ausgangssignale der einzelnen Kraftmessdosen können dann einzeln oder auch als Summensignal ausgewertet bzw. integriert werden. Bei den Kraftmessdosen handelt es sich vorzugsweise um Piezosensoren mit Maximallastwerten, welche für Kräfte in der Größenordnung der Gewichtskraft des menschlichen Körpers geeignet sind. Die Abtastung des Ausgangssignals des oder der Kraftaufnehmer mittels der Auswerteeinheit geschieht bevorzugt mit Abtastraten zwischen wenigen 10 und einigen 100 Hz oder einem Mehrfachen der maximal auftretenden mechanischen Frequenzen.
Genaue Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Ergometers und des erfindungsgemäßen Ergometrieverfahrens sowie weitere alternative Ausgestaltungsmöglichkeiten werden nachfolgend mittels der Beispiele beschrieben.
Die Erfindung weist eine Reihe erheblicher Vorteile auf;

• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auf einfache Art und Weise möglich, die Arbeitsleistung von Muskeln des menschlichen Körpers oder anderer biologischer Kraftquellen (z. B. von kleinen Tieren, wie Mäusen, oder großen Tieren, wie Pferden, je nach Spezifizierung der konkreten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung) oder die Leistung von nicht-biologischen Kraftquellen quantitativ zu erfassen.
• Das erfindungsgemäße Ergometer lässt sich in einer Vielzahl von Ausgestaltungsformen einsetzen. So lässt sich bei Integration in einen Laufschuh beim Joggen oder Walken die tatsächlich geleistete Wattzahl messen und aufzeichnen. Bei Integration in ein Fahrradpedal ist es ebenso möglich, die beim Fahrradfahren geleistete Wattzahl zu erfassen.
• Wird die Auswerteeinheit des Ergometers geeignet ausgestaltet, so lassen sich mit ihr auch Muskelfrequenzanalysen durchführen. So können beispielsweise Mittelwerte oder Maximalwerte im Leistungsspektrum detektiert werden. Durch eine solche Muskelfrequenzanalyse lässt sich z. B. feststellen, ob ein schlechtes Gleichgewicht eher nervlich oder eher durch die Muskelfunktion bedingt ist.
• Ebenso können durch geeignete Auswertung des bzw. der zeitabhängigen Ausgangssignale beispielsweise auf den Körper einwirkende Spitzenkräfte erfasst werden, die nach neueren Erkenntnissen für den Erhalt und Zuwachs der Knochen ausschlaggebend sind.
• Wird das erfindungsgemäße Ergometer mit drei oder mehr Kraftaufnehmern in einer Ebene eingesetzt (siehe nachfolgend noch beschriebene Ergometrievorrichtungen), so kann es auch zur quantitativen Erfassung und Auswertung des Gleichgewichtsverhaltens des Menschen im Stehen dienen. Aus den quantitativ berechneten Muskelleistungen lassen sich auch Aussagen über die Sturzwahrscheinlichkeit des Probanden treffen.

In den nachfolgenden zu den Beispielen gehörenden Figuren sind identische oder einander entsprechende Vorrichtungsbestandteile mit identischen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ergometer mit Kraftaufnehmer und Auswerteeinheit in schematischer Ansicht.
2 zeigt ein Beispiel für ein Leistungsspektrum, wie es mit einem erfindungsgemäßen Ergometer integrierbar ist.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ergometer, welches in eine Schuhsohle eines Laufschuhs integriert ist.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Ergometer in Form einer Ergometrievorrichtung mit drei Kraftmessdosen.
5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Ergometrievorrichtung nach 4.
6 zeigt ein Diagramm von Ausgangssignalen der drei Kraftmessdosen der Ergometrievorrichtung nach 4 sowie das daraus gebildete Summensignal G.
7 zeigt eine Ergometrie durch Kniebeugen.
1 zeigt ein Blockschaltbild bzw. eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Ergometers. Das Ergometer weist einen Kraftaufnehmer 1 auf, mit dem auf ihn einwirkende Kräfte (beispielsweise Druckkräfte, wie die Gewichtskraft einer Person) zeitaufgelöst erfassbar sind. Ein der momentan zum Zeitpunkt t auf den Kraftaufnehmer 1 einwirkenden Kraft proportionales analoges Ausgangssignal a(t) wird vom Signalausgang des Kraftaufnehmers 1 einem Operationsverstärker 4 einer signalausgangsseitig mit dem Kraftaufnehmer verbundenen Auswerteeinheit zugeführt. Der Operationsverstärker 4 verstärkt das analoge Signal a(t) um den Faktor 150 oder 300. Es können jedoch auch andere Verstärkungsfaktoren verwendet werden. Das verstärkte analoge Ausgangssignal des Operationsverstärkers va(t) wird einen dem Operationsverstärker 4 nachgeschalteten Analog-Digital-Konverter ADC 5 zugeführt. Der Operationsverstärker 4 kann jedoch auch in den Kraftaufnehmer 1 integriert sein. Je nach Sichtweise entspricht somit das Signal a(t) oder das verstärkte Signal va(t) dem vorstehend erwähnten Signal A(t), dessen auf das betrachtete Zeitintervall normierte Betragsquadratintegration eine der gesuchten Muskelleistung proportionale Kenngröße liefert.
Der ADC 5 ist ausgangsseitig mit einer Integriereinheit 7 verbunden. Im gezeigten Fall ist die Auswerteeinheit (bestehend aus dem Operationsverstärker 4, dem ADC 5 und der Integriereinheit 7) als Mikrocontroller 6 ausgebildet.
Der ADC 5 erzeugt somit aus den elektrischen Spannungen, die aufgrund der Kraftausübung auf die Messdose 1 am Signalausgang der Kraftmessdose anliegen und mittels Operationsverstärker 4 verstärkt werden, digitale Signale, die in die Integriereinheit 7 der Auswerteeinheit eingespeist werden. Das verstärkte zeitabhängige Ausgangssignal va(t) wird hierbei in Echtzeit von dem ADC 5 digitalisiert. Hierbei wird eine Abtastfrequenz von 50 Hz verwendet (es können jedoch auch andere Abtastfrequenzen, bevorzugt zwischen 40 und 250 Hz, verwendet werden).
Es erfolgt jedoch nicht nur eine Datenübertragung vom ADC 5 zur Integriereinheit 7, umgekehrt kann die Integriereinheit 7 auch das Zeitfenster der Öffnung des Messkanals des ADC 5 ansteuern. Somit wird das Messintervall, über das die mittels Kraftsensor 1 erfassten Kraftwerte digitalisiert und ausgewertet werden, festgelegt. Beispielsweise wird ein Zeitfenster von 10 s verwendet. Der ADC 5 erzeugt somit eine Messwertzeitreihe des Kraftsensors 1, welche zur weiteren Verarbeitung in der Integriereinheit 7 zur Verfügung steht.
Im vorliegenden Fall weist die Integriereinheit 7 eine Recheneinheit 7a und eine Speichereinheit 7b auf. In der Speichereinheit 7b werden die einzelnen Messdaten abgelegt. Zudem weist die Speichereinheit 7b eine darin gespeicherte Befehlsfolge 7c auf, mittels derer die von der Integriereinheit zu integrierende Größe zunächst berechnet und dann integriert wird.
Im vorliegenden Fall wird durch die Einheit 7 aus der verstärkten, digitalisierten Messwertzeitreihe der Kraftmesswerte des Signalaufnehmers 1 zunächst die Fourier-transformierte (Leistungsspektrum) berechnet. Nach Berechnung des Betragsquadrates des Leistungsspektrums, wird diese Größe anschließend durch die Integriereinheit 7 über ein Frequenzintervall von [0, f-max] (siehe auch nachfolgende 2) integriert.
Wie vorbeschrieben ist die dergestalt mittels der Integration berechnete Größe ein Maß für die körperliche Leistung in Watt, die zur Generierung des entsprechenden Ausgangssignals a(t) am Kraftsensor 1 geleistet wird. Die berechnete Muskelleistung wird dann mit Hilfe eines Ausgabegerätes 8 (beispielsweise ein einfaches Display oder auch ein Monitor) angezeigt.
2 zeigt das Leistungsspektrum bzw. Powerspektrum des Ausgangssignals a(t) des Aufnehmers 1 aus 1. Dieses Leistungsspektrum wurde mittels der Recheneinheit 7a mit der in der Speichereinheit 7b abgelegten Befehlsfolge 7c berechnet. Basis der Berechnung ist hier eine Abtastung des analogen Ausgangssignals va(t) durch den ADC 5 mit einer Abtastrate von 50 Hz. Der Mindestwert von 50 Hz entspricht hierbei etwa dem Vierfachen der durch die Krafteinwirkung zu erwartenden Frequenzen.
Zur Berechnung des Leistungsspektrums wurde die Messwertzeitreihe der Kräfte des Sensors 1 einer Frequenzzerlegung unterzogen. Dies wurde im vorliegenden Fall mittels der Methode der Fourier-Transformation in Form einer Fast-Fourier-Transformation FFT durchgeführt. Alternativ zum FFT-Verfahren kann jedoch auch eine Frequenzzerlegung mit der Methode der maximalen Entropie mittels der Integriereinheit 7 durchgeführt werden (zur Methode der maximalen Entropie sowie der Fast-Fourier-Transformation siehe beispielsweise „Numerical Recipes” in Pascal: The art of Scientific Computing, William H. Preis, Brian P. Flannery, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Cambridge University Press, 1989).
Die Methode der maximalen Entropie bietet hierbei den Vorteil einer höheren Auflösung.
Von der Recheneinheit 7a der Integriereinheit 7 wird anschließend die Quadrierung des Leistungsspektrums (Betragsquadrat) durchgeführt. Anschließend erfolgt die Integrierung über das Frequenzintervall [0, f-max]. Der Wert von f-max beträgt hier 25 Hz, dies ist das 0,5-fache der Abtastfrequenz, mit der das Ausgangssignal des Kraftaufnehmers 1 durch die Auswerteeinheit abgetastet wird (gemäß dem Shannonschen Abtasttheorem). Das so berechnete Integral über das Betragsquadrat des Leistungsspektrums wird dann wie vorbeschrieben als quantitative Kenngröße, die proportional zur Muskelleistung ist, verwendet und auf der Anzeigevorrichtung 8 dargestellt.
Im vorliegenden Fall führt die Integriereinheit 7 mittels des Programmcodes 7c auch noch eine weitere Analyse der Frequenzen im Leistungsspektrum durch. So können z. B. arithmetische oder geometrische Mittelwerte der auftretenden Frequenzen bzw. Durchschnittsfrequenzen bestimmt werden (wie die Figur zeigt, finden sich hier im Beispiel Muskelkraftaktionen hauptsächlich im Bereich von 0 bis etwa 13 Hz). Auch können diejenigen Frequenzen bestimmt werden, bei denen lokale Spitzen im Frequenzspektrum auftreten. Solche weitergehenden Analysen erlauben Aussagen über die Reaktionsfähigkeit der Testperson oder des Testobjektes (Tier oder andere motorisch bewegte Masse). Je höher die Durchschnittsfrequenzen sind, desto höher ist die Reaktionsfähigkeit der Person.
3 zeigt nun eine Ausgestaltungsform, in der das erfindungsgemäße Ergometer in einem Laufschuh integriert ist.
3A zeigt den Schnitt durch die Schuhsohle 3 des Laufschuhs. Wie zu sehen ist, ist im Fersenbereich der Schuhsohle der Kraftaufnehmer 1 integriert. Alternativ zum gezeigten Beispiel kann der Aufnehmer 1 jedoch auch so ausgestaltet und in die Schuhsohle integriert sein, dass die Kraftaufnahme über die gesamte Schuhsohle erfolgt. Die wie vorbeschrieben als Mikrocontroller 6 ausgestaltete Auswerteeinheit ist im Bereich der Sohlenmitte und der Sohlenspitze in die Schuhsohle 3 integriert. Die Integriereinheit 7 ist hier über eine Signalleitung mit einem Ausgangsanschluss 9 verbunden. Über diesen Ausgangsanschluss 9 können die vom Ergometer berechneten Muskelleistungswerte abgefragt werden.
3B zeigt den erfindungsgemäßen Laufschuh mit integriertem Ergometer in einer Seitenansicht.
In entsprechender Art und Weise lässt sich ein erfindungsgemäßes Ergometer auch in ein Fahrradpedal integrieren. In diesem Fall wird dann nicht die beim Laufen erbrachte Muskelleistung quantitativ bestimmt, sondern diejenige Muskelleistung, die beim Fahrradfahren erbracht wird.
Die nachfolgenden 4 bis 6 zeigen eine beispielhafte Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Ergometers als Ergometrievorrichtung. Diese Vorrichtung erlaubt es, mittels dreier in einer Ebene angeordneter Kraftmessdosen diejenige Muskelleistung zu quantifizieren, welche von einer Versuchsperson zur Haltung des Gleichgewichts aufgebracht wird. Hierzu wird auf den bekannten Tandem-Stand-Test zurückgegriffen. Beim Tandem-Stand-Test (nachfolgend auch als Tandemtest oder Tandemstand bezeichnet) wird die Fähigkeit getestet, bei voreinander angeordneten Füßen (Ferse des einen Fußes unmittelbar vor der Fußspitze des anderen Fußes angeordnet bzw. Anordnung beider Füße auf einer Geraden) den Stand über etwa 10 s halten zu können, ohne einen Ausfallschritt zu machen. Die erfindungsgemäße Ergometrievorrichtung erlaubt es somit, die hierzu aufgewendete Muskelleistung zu erfassen.
Die erfindungsgemäße Ergometrievorrichtung weist drei in einer Ebene (Kraftaufnehmerebene) angeordnete Kraftaufnehmer bzw. Kraftsensoren 1a bis 1c auf (es können auch mehr als drei Sensoren sein). Mit diesen Kraftaufnehmern ist eine starre, begehbare Trägerplatte 2 gekoppelt. Wird auf diese Trägerplatte auf der den Kraftaufnehmern abgewandten Seite während eines Zeitintervalls (Messintervall) eine Druckkraft (beispielsweise Gewichtskraft einer Person) ausgeübt, so nehmen die voneinander entkoppelten Kraftaufnehmer jeweils über die Trägerplatte auf die Kraftaufnehmer übertragene, aufgrund der Druckkraft resultierende Kräfte zeitaufgelöst auf. Mit den Kraftaufnehmern 1 ist signalausgangsseitig die Auswerteeinheit verbunden. Diese weist eine Integriereinheit 7 auf, mit der zunächst das Leistungsspektrum eines aus einer Summe der Ausgangssignale der Kraftaufnehmer gebildeten Gesamtsignals berechenbar ist. Das Gesamtsignal kann hierbei aus der Summe der Ausgangssignale aller drei Kraftaufnehmer gebildet werden, es ist jedoch auch möglich, die Summe lediglich über einen Teil der Kraftaufnehmer bzw. der zugehörigen Ausgangssignale zu bilden. Es kann als Gesamtsignal auch das Ausgangssignal eines einzelnen Kraftaufnehmers herangezogen werden.
4A zeigt eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Ergometrievorrichtung senkrecht zur Kraftaufnehmerebene. 4B zeigt eine Aufsicht auf diese Vorrichtung bzw. eine Aufsicht auf die Kraftaufnehmerebene. In 4 sind lediglich die zur Krafterfassung notwendigen Bestandteile der Vorrichtung (also die Bestandteile der Messeinheit der Vorrichtung) gezeigt. Die Auswerteeinheit zur Auswertung der erfassten Kräfte ist im Blockschaltbild von 5 (siehe nachfolgend) gezeigt. Die Messeinheit und die Auswerteeinheit stehen miteinander in Verbindung, um Daten auszutauschen. Die Ergometrievorrichtung weist eine starre, ebene, dreieckförmige Bodenplatte 10 auf. Diese ist im vorliegenden Fall aus Aluminium gefertigt. Die Dreiecksform ist durch ein gleichseitiges Dreieck mit einer Kantenlänge von hier 60 cm definiert. Die drei Dreiecksspitzen der Bodenplatte sind abgerundet. Die Bodenplatte 10 weist eine Dicke (senkrecht zur Kraftaufnehmerebene, also in z-Richtung) von 1 cm auf. Die Bodenplatte ist im gezeigten Fall oberhalb einer ebenen Bodenfläche B und angrenzend an diese angeordnet. Auf der Bodenplatte 10 sind im Bereich der Dreiecksspitzen drei Kraftaufnehmer 1a bis 1c angeordnet. Die Kraftmessdosen sind auf der Bodenplatte 10 angeschraubt, können jedoch beispielsweise auch aufgeklebt werden. Die drei Kraftmessdosen sind in einer Ebene (Kraftaufnehmerebene) in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet. Jede Kraftmessdose ist hierbei im Bereich der Dreiecksspitze der Bodenplatte geringfügig (wenige cm) vom umlaufenden Rand der Bodenplatte beabstandet, angeordnet, so dass das gleichseitige Dreieck, welches durch die drei Kraftmessdosen 1a bis 1c gebildet wird, eine Seitenlänge von etwa 55 cm aufweist. Oberhalb der drei Kraftmessdosen 1a bis 1c ist eine ebenfalls in Form eines gleichseitigen Dreiecks ausgebildete Trägerplatte 2 angeordnet. Bei der Trägerplatte handelt es sich um eine bruchsichere, von einer Person mit einem Gewicht bis ca. 200 kg betretbare Platte, welche verrutschsicher auf die drei Kraftmessdosen 1a bis 1c aufgelegt ist. Von oben (d. h. von der den Kraftmessdosen gegenüberliegenden Seite) auf die Trägerplatte 2 einwirkende Kräfte bzw. Drücke können somit auf die drei entkoppelten Kraftmessdosen 1a bis 1c anteilig übertragen werden. Die starre, betretbare Trägerplatte 2 weist parallel zur Kraftaufnehmerebene (die durch die Anordnung der drei Kraftaufnehmer 1 ausgebildet wird) dieselbe Form und Größe auf wie die Bodenplatte 10. Bei der Trägerplatte 2 handelt es sich hier um eine doppelte ESG-Glasplatte nach DIN 1249 mit einer Dicke von 16 mm.
Die Aufnehmerachsen der drei Kraftaufnehmer 1a bis 1c sind hier parallel zueinander und in z-Richtung bzw. senkrecht zur Kraftaufnehmerebene (x-y-Ebene) angeordnet. Die Aufnehmerachse eines Kraftaufnehmers ist dadurch definiert, dass eine längs dieser Achse auf dem Kraftaufnehmer 1 einwirkende Kraft oder Kraftkomponente vom Kraftaufnehmer bestimmt bzw. erfasst wird.
Bei den zwischen der Bodenplatte 10 und der Trägerplatte 2 angeordneten Kraftaufnehmern 1a bis 1c handelt es sich um kommerziell erhältliche Kraftmessdosen. Im vorliegenden Fall werden Messdosen verwendet, welche eine maximale Last von 2000 N bzw. 2 kN bei einer Deformation bzw. einem Nennmessweg in Aufnehmerachsrichtung von 0,2 mm aufweisen. Die verwendeten Kraftmessdosen weisen bezüglich der erfassten Kräfte eine Genauigkeitsklasse von < 0,1% auf. Der Nennkennwert (Sensitivität) bzw. die Signalspannung der drei Messdosen beträgt jeweils 2 mV/V. Im vorliegenden Fall werden die Kraftmessdosen „K-450” der Firma „ATP Messtechnik + Waagen” verwendet.
In 4B ist darüberhinaus der Tandem-Stand T skizziert, den eine auf der Trägerplatte 2 stehende Person während der Erfassung und Auswertung der auf die Kraftaufnehmer 1a bis 1c ausgeübten Kräfte einnehmen sollte.
5 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Ergometrievorrichtung der 4, bei dem sowohl die Messdosen der in 4 gezeigten Messeinheit als auch die zur Signalauswertung nachgeschalteten Bestandteile 4, 5, 6, 7 der Auswerteeinheit sichtbar sind. Jeder der Kraftmessdosen 1a bis 1c ist jeweils ein Operationsverstärker 4a bis 4c signalausgangsseitig nachgeschaltet. Betritt somit eine Person die Trägerplatte 2, so werden die von den Kraftmessdosen 1a bis 1c generierten analogen Ausgangssignale A1a bis A1c mittels geeigneter Signalleitungen an die Operationsverstärker 4 übertragen. Die Operationsverstärker verstärken die analogen Signale um den Faktor 150 oder 300 (es können jedoch auch andere Verstärkerfaktoren verwendet werden). Die drei nunmehr verstärkten analogen Signale VA1a bis VA1c werden über geeignete Signalleitungen einem den Operationsverstärkern 4 nachgeschalteten Analog-Digital-Konverter ADC 5 mit drei Eingangskanälen zugeführt.
Der ADC 5 ist ausgangsseitig mit einer Integriereinheit 7, hier in Form eines Steuercomputers (PC) verbunden. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem ADC um den Typ „miniLAB 1008” der Firma Measurement Computing Corporation. Im vorliegenden Fall sind die Operationsverstärker 4 sowie der ADC 5 zwischen der Bodenplatte 10 und der Trägerplatte 2 innerhalb des durch die drei Kraftmessdosen 1a bis 1c gebildeten Dreiecks angeordnet (in 4 nicht gezeigt). Dies hat den Vorteil, dass die Datenleitungen zur Übertragung der Signale A1a bis A1c bzw. VA1a bis VA1c kurz sind. Die ADC-Ausgangssignale werden dann über eine USB-Leitung über einen USB-Anschluss der Integriereinheit 7 bzw. des PC in letzteren übertragen. Der ADC 5 kann jedoch auch als mehrkanalige Datenaquisitionskarte ausgebildet sein, welche innerhalb des Computers 7 angeordnet ist. Der ADC 5 erzeugt somit aus den elektrischen Spannungen, die aufgrund der Druckbelastung der Trägerplatte 2 von den Messdosen 1a bis 1c generiert werden, USB-konforme Signale, die in den Steuercomputer 7 eingespeist werden. Die Messwerte der Kraftmessdosen 1 bzw. die entsprechenden Spannungen werden hierbei in Echtzeit von dem ADC 5 digitalisiert.
Es erfolgt jedoch nicht nur eine Datenübertragung vom ADC 5 zum Computer 7, umgekehrt kann der Steuercomputer 7 auch das Zeitfenster der Öffnung der Messkanäle des ADC 5 über zugehörige Hilfssoftware ansteuern. Somit wird das Messintervall, über das die mittels der Kraftsensoren 1 erfassten Kraftwerte digitalisiert und ausgewertet werden, festgelegt. Der ADC 5 erzeugt somit Messwertzeitreihen der drei Messdosen 1a bis 1c, die zur weiteren Verarbeitung im Computer 7 zur Verfügung stehen. Die Spannungsversorgung des ADC erfolgt hier mit einem Schaltnetzteil, das stabilisiert 12 V abgibt.
Im vorliegenden Fall ist die Integriereinheit somit der erfindungswesentliche Bestandteil des Steuercomputers (beide wurden vorstehend mit dem Bezugszeichen 7 versehen). Die Integriereinheit bzw. der Steuercomputer 7 weist eine Recheneinheit 7a sowie eine Speichereinheit 7b mit einer darin gespeicherten Befehlsfolge 7c auf.
Die drei mittels der drei Kraftmessdosen 1a bis 1c, drei Operationsverstärkern 4 und des ADC 5 erfassten und digitalisierten Messwert-Zeitreihen über das Messintervall [t1, t2] (also die Messkurven über eine einstellbare Zeitspanne bzw. ein einstellbares Zeitintervall) werden zunächst durch die Integriereinheit 7 aufaddiert (siehe auch nachfolgende 6). Aus diesem addierten Summensignal bzw. Gesamtsignal berechnet die Integriereinheit 7 dann zunächst das Leistungsspektrum des Gesamtsignals. Dies geschieht mit der im Speicher 7b abgelegten Befehlsfolge 7c. Die Befehlsfolge 7c wird hier mittels der Programmiersprache Delphi erzeugt bzw. kompiliert. Es können jedoch auch andere Programmiersprachen, wie beispielsweise C++ eingesetzt werden. Das verwendete Betriebssystem ist im vorliegenden Fall Windows XP der Firma Microsoft, Seattle.
Die Ergebnisse der Berechnung können graphisch von dem Computer 7 auf der Ausgabeeinheit 8 (beispielsweise einem Bildschirm) dargestellt werden. Die beschriebenen Programme bzw. Befehlsfolgen können darüberhinaus auch die kalibrierten Sollwerte der Sensoren 1 überprüfen. Mit den beschriebenen Programmen können darüberhinaus auch die Verstärkungsfaktoren der Vorverstärker, die Abtast- bzw. Samplingraten des ADC 5 und die Messdauer bzw. das Zeitintervall der Datenerfassung angepasst werden. Im vorliegenden Fall beträgt die Samplingrate 100 Hz (generell: mindestens 50 Hz), die Verstärkungsfaktoren wie bereits beschrieben 150 oder 300 und die Messdauer 10 s. Es können jedoch auch andere Werte, insbesondere eine beliebige andere Messdauer, verwendet werden.
Wie 6 zeigt, errechnet die Integriereinheit 7 über das Zeitintervall aus den einzelnen abgetasteten bzw. gemessenen Kraftmesswerten der drei Kraftaufnehmer 1a bis 1c zu jedem Abtastzeitpunkt im Messintervall die Summe der Messwerte. Hierdurch ergibt sich das Gesamtsignal G (hier gezeigt über ein Messintervall von 10 s, x-Achse in 6).
Die in 6 gezeigte Gesamtmesswert-Zeitreihe G (oder aber alternativ auch die einzelnen Messwert-Zeitreihen 1a bis 1c bzw. beliebige Summenkombinationen dieser drei Messwert-Zeitreihen) werden nun in der Integriereinheit 7 wie folgt weiterverarbeitet:
Zunächst wird wie bereits beschrieben mittels der Fast-Fourier-Transformation FFT das Leistungsspektrum der Gesamtmesswertzeitreihe G(t) berechnet (Ergebnis: Lsp(f)). Anschließend wird das Betragsquadrat dieses Leistungsspektrums, also |Lsp(f)|² berechnet. Dieses Betragsquadrat wird dann über das Frequenzintervall [0, f-max] integriert. Die maximale Integrationsfrequenz f-max wird hierbei wie bereits beschrieben als das 0,5-fache der Abtastrate für das Ausgangssignal der Kraftmessdosen 1a bis 1c gewählt. Die somit errechnete Kenngröße
quantifiziert somit die Muskelarbeitsleistung, welche im betrachteten Zeitintervall aufgewendet wird, um das Gleichgewicht auf der Plattform 2 zu halten. Das Integral des Betragsquadrates des Leistungsspektrums ist innerhalb der durch die Frequenzbandbreiten limitierten Fehlergrenzen somit identisch mit der geleisteten Arbeit entgegen der Schwerkraft in der verstrichenen Zeit und damit identisch mit der physikalischen körperlichen Leistung in Watt.
Der Zweck der erfindungsgemäßen Ergometrievorrichtung besteht somit darin, die in das System durch Muskelkraft eingebrachte mechanische Leistung zu berechnen. Mit Hilfe des beschriebenen Ergometers oder der beschriebenen Ergometrievorrichtung kann sowohl die anaerobe Spitzenleistung als auch die im cardiorespiratorischen Gleichgewicht auftretende aerobe Dauerleistung aufgezeichnet werden. Es ergibt sich somit eine Ergometerfunktion auf der Basis reiner Kraftmessung über der Zeit, wobei die Kraft die Körpermasse gegen die Schwerkraft oder gegen einen Widerstand beschleunigt und dabei Arbeit verrichtet. Eine kurzzeitige anaerobe Ergometrie kann ebenso wie eine langzeitige aerobe Ergometrie insbesondere mit Hilfe der in den 4 bis 6 beschriebenen Ergometrievorrichtung mit den oberen und unteren Extremitäten einzeln oder zugleich, einseitig oder beidseitig an einer Person mit oder ohne Zuhilfenahme von Zusatzgewichten durchgeführt werden. Dabei kann die muskuläre Leistung der Extremitäten im jeweiligen Zeitintervall berechnet werden. Gegenläufige Massebewegungen (in Richtung der Schwerkraft) neutralisieren sich jedoch, da sich dabei die Kräfte aufheben, es sei denn, die Messdosen sind an der Masse und nicht an der Plattform angebracht.
Mit Hilfe der in den 4 bis 6 gezeigten Ergometrievorrichtung kann die Muskelleistung berechnet werden, welche durch Halten des Gleichgewichts auf der Trägerplatte aufgewendet wird. Ebenso lässt sich jedoch die Muskelleistung quantifizieren, welche bei willkürlicher kurz- oder langzeitiger Bewegung des Körpers oder der Extremitäten auf der Platte in positiver und negativer Richtung zur Schwerkraft (beispielsweise durch Kniebeugen, Arme auf und ab oder Gewichte stemmen) erbracht wird.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ergometrievorrichtung der 4 bis 6 lässt sich auch ein Testverfahren zum geriatrischen Assessment digitalisieren und objektivieren und für einen späteren Vergleich mit einer anderen oder derselben Person im Original zur Verfügung stellen.
Wird darüberhinaus das bestimmte Leistungsspektrum auch hinsichtlich seiner anteiligen Frequenzen ausgewertet, so lassen sich Rückschlüsse auf die Eigenschaften der langsamen und schnellen Muskelfasern bei der Testperson ziehen, und somit Rückschlüsse auf den körperlichen Krankheits- oder Trainingszustand der Testperson ziehen.
7 zeigt das Beispiel einer Ergometrie mit dem erfindungsgemäßen Ergometer durch Kniebeugen mit maximaler Kraft über ein Zeitintervall von 10 Sekunden (Ausdruck der Bedienungsoberfläche für eine Befehlsfolge mit Ergebnissen der Auswerteinheit). Das obere Diagramm der Figur zeigt analog zu 6 das Ausgangssignal (Kraft in Newton) des die durch die Kniebeugen ausgeübte Kraft aufnehmenden Kraftaufnehmers 1 über der Zeit in Sekunden. Das untere Diagramm der Figur zeigt analog zu 2 das Leistungsspektrum des darüber gezeigten Ausgangssignals, wie es mit der Integriereinheit 7 berechnet worden ist.

Claims

Ergometer mit einem Kraftaufnehmer (1), mit dem auf ihn einwirkende Kräfte zeitaufgelöst erfassbar sind und in ein zeitabhängiges Ausgangssignal umsetzbar sind, und einer mit dem Kraftaufnehmer signalausgangsseitig verbundenen Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7), mit welcher das zeitabhängige Ausgangssignal des Kraftaufnehmers erfassbar ist und welche eine Integriereinheit (7) aufweist, mit der das Betragsquadrat des zeitabhängigen Ausgangssignals über ein definierbares Zeitintervall integrierbar ist und/oder mit der das Leistungsspektrum dieses Ausgangssignals berechenbar ist und dieses Leistungsspektrum oder eine daraus abgeleitete frequenzabhängige Größe über ein definierbares Frequenzintervall integrierbar ist.
Ergometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als abgeleitete frequenzabhängige Größe das Betragsquadrat des Leistungsspektrums integrierbar ist.
Ergometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße für die mechanische Leistung
berechenbar ist, wobei f die Frequenz, Lsp(f) das Leistungsspektrum des zeitabhängigen Ausgangssignals des Kraftaufnehmers (1) und f-max eine definierbare maximale Erfassungsfrequenz ist.
Ergometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass f-max gleich der halben Abtastfrequenz der Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) für das zeitabhängige Ausgangssignal des Kraftaufnehmers (1) ist.
Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße für die mechanische Leistung
berechenbar ist, wobei t die Zeit, t1 der Zeitpunkt des Beginns einer Krafterfassung durch den Kraftaufnehmer (1), t2 der Zeitpunkt des Endes dieser Krafterfassung und A(t) das zeitabhängige Ausgangssignal des Kraftaufnehmers (1) im Krafterfassungsintervall [t1, t2] ist.
Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Integriereinheit (7) eine Recheneinheit (7a) und eine Speichereinheit (7b) samt einer darin gespeicherten Befehlsfolge (7c), mittels derer die zu integrierende Größe integrierbar ist, aufweist.
Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehr als einen Kraftaufnehmer (1), wobei jeder dieser Kraftaufnehmer signalausgangsseitig mit der Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) zur Erfassung des jeweiligen Ausgangssignals und zur Integration des jeweiligen Ausgangssignals oder eines Summensignals aus mehreren Ausgangssignalen oder einer von dem Ausgangssignal oder dem Summensignal abgeleiteten zeitabhängigen Größe und/oder des Leistungsspektrums des jeweiligen Ausgangssignals oder des Leistungsspektrums eines Summensignals aus mehreren Ausgangssignalen oder einer von dem Leistungsspektrum abgeleiteten frequenzabhängigen Größe verbunden ist.
Ergometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kraftaufnehmer (1) ein Piezosensor ist und/oder dass mindestens einer der Kraftaufnehmer einen Maximallastwert von über 0.01 N und/oder unter 100 kN und/oder eine Messgenauigkeit von kleiner als 1 und/oder einen Nennkennwert von über 1 mV/V und/oder unter 10 mV/V aufweist und/oder dass mindestens einer der Kraftaufnehmer (1) längs seiner Aufnehmerachse eine maximale Deformation von kleiner als 0.3 mm aufweist.
Ergometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kraftaufnehmer (1) einen Maximallastwert von über 0.5 kN und/oder unter 5 kN und/oder eine Messgenauigkeit von kleiner als 0.1% und/oder einen Nennkennwert von 2 mV/V aufweist und/oder dass mindestens einer der Kraftaufnehmer (1) längs seiner Aufnehmerachse eine maximale Deformation kleiner als 0.3 mm aufweist.
Ergometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kraftaufnehmer (1) einen Maximallastwert von über 1 kN und/oder unter 2 kN aufweist.
Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) oder ein Teil derselben als Microcontroller (6) ausgebildet ist.
Ergometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal mindestens eines Kraftaufnehmers (1) mittels der Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) mit einer Abtastrate von über 50 Hz und/oder unter 250 Hz abtastbar ist.
Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsspektrum des Ausgangssignals mittels der Fourier-Transformation und/oder mittels der Methode der maximalen Entropie berechenbar ist.
Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsspektrum des Ausgangssignals in der Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) hinsichtlich der in ihm enthaltenen Frequenzen auswertbar ist, insbesondere dass das arithmetische und/oder geometrische Mittel der enthaltenen Frequenzen und/oder Maxima im Leistungsspektrum berechenbar ist.
Laufschuh gekennzeichnet durch ein Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kraftaufnehmer (1) in die Schuhsohle (3) integriert und/oder an der Schuhsohle (3) angeordnet ist.
Fahrradpedal gekennzeichnet durch ein Ergometer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der Kraftaufnehmer (1) in das Fahrradpedal integriert und/oder an ihm angeordnet ist.
Ergometrievorrichtung mit einem Ergometer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Ergometer mindestens drei in einer Ebene angeordnete Kraftaufnehmer (1a, 1b, 1c) aufweist und mit einer mit den Kraftaufnehmern (1a, 1b, 1c) gekoppelten, starren, begehbaren Trägerplatte (2), wobei die Kraftaufnehmer (1a, 1b, 1c) auf einer Seite der Trägerplatte (2) angrenzend an diese angeordnet sind, wobei die aus einer auf die Trägerplatte (2) einwirkenden Druckkraft an den Kraftaufnehmern (1a, 1b, 1c) resultierenden Kräfte von den Kraftaufnehmern (1a, 1b, 1c) zeitaufgelöst erfassbar sind, wobei mittels der mit den Kraftaufnehmern (1a, 1b, 1c) signalausgangsseitig verbundenen Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) das zeitabhängige Ausgangssignal mindestens eines der Kraftaufnehmer (1a, 1b, 1c) erfassbar und ein Gesamtausgangssignal aus der Summe mindestens eines dieser Ausgangssignale berechenbar ist, und wobei mittels der Integriereinheit (7) dieses zeitabhängige Gesamtausgangssignal oder eine davon abgeleitete zeitabhängige Größe über ein definierbares Zeitintervall integrierbar ist und/oder das Leistungsspektrum des Gesamtausgangssignals berechenbar und dieses Leistungsspektrum oder eine daraus abgeleitete frequenzabhängige Größe über ein definierbares Frequenzintervall integrierbar ist.
Ergometrievorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnehmerachsen der Kraftaufnehmer (1a, 1b, 1c) im wesentlichen parallel zueinander und im wesentlichen senkrecht zur Kraftaufnehmerebene angeordnet sind, wobei die Aufnehmerachse eines Kraftaufnehmers (1a, 1b, 1c) dadurch definiert ist, dass elne längs dieser Achse auf den Kraftaufnehmer (1a, 1b, 1c) einwirkende Kraft oder Kraftkomponente vom Kraftaufnehmer (1a, 1b, 1c) bestimmbar ist.
Ergometrievorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch genau drei Kraftaufnehmer (1a, 1b, 1c), welche in der Kraftaufnehmerebene in Form eines Dreiecks angeordnet sind.
Ergometrievorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreieck ein gleichschenkliges oder ein gleichseitiges Dreieck ist,
Ergometrieverfahren, mit dem die Arbeitsleistung von Muskeln bestimmt wird, wobei mit einem Kraftaufnehmer (1) auf ihn einwirkende Kräfte zeitaufgelöst erfasst werden und in ein zeitabhängiges Ausgangssignal umgesetzt werden, und wobei mit einer mit dem Kraftaufnehmer (1) signalausgangsseitig verbundenen Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) das zeitabhängige Ausgangssignal des Kraftaufnehmers (1) erfasst wird und das Betragsquadrat des zeitabhängigen Ausgangssignals über ein festgelegtes Zeitintervall integriert wird und/oder das Leistungsspektrum dieses Ausgangssignals berechnet wird und dieses Leistungsspektrum oder eine daraus abgeleitete frequenzabhängige Größe über ein festgelegtes Frequenzintervall integriert wird.
Ergometrieverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Ergometer, Laufschuh oder Fahrradpedal oder mit einer Ergometrievorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23 durchgeführt wird.
Ergometrieverfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass als abgeleitete frequenzabhängige Größe das Betragsquadrat des Leistungsspektrums integriert wird.
Ergometrieverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße für die Muskelarbeitsleistung
berechnet wird, wobei f die Frequenz, Lsp(f) das Leistungsspektrum des zeitabhängigen Ausgangssignals des Kraftaufnehmers (1) und f-max eine definierbare maximale Erfassungsfrequenz ist.
Ergometrieverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass f-max gleich der halben Abtastfrequenz der Auswerteeinheit für das zeitabhängige Ausgangssignal des Kraftaufnehmers (1) ist.
Ergometrieverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass als abgeleitete zeitabhängige Größe das Betragsquadrat des zeitabhängigen Ausgangssignals des Kraftaufnehmers (1) integriert wird.
Ergometrieverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße für die Muskelarbeitsleistung
berechnet wird, wobei t die Zeit, t1 der Zeitpunkt des Beginns einer Krafterfassung durch den Kraftaufnehmer (1), t2 der Zeitpunkt des Endes dieser Krafterfassung und A(t) das zeitabhängige Ausgangssignal des Kraftaufnehmers (1) im Krafterfassungsintervall [t1, t2] ist.
Ergometrieverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Kraftaufnehmers (1) mittels der Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) mit einer Abtastrate von über 40 Hz abgetastet wird.
Ergometrieverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Abtastrate von über 50 Hz und/oder unter 250 Hz abgetastet wird.
Ergometrieverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsspektrum des Ausgangssignals mittels der Fourier-Transformation und/oder mittels der Methode der maximalen Entropie berechnet wird.
Ergometrieverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsspektrum des Ausgangssignals in der Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) hinsichtlich der in ihm enthaltenen Frequenzen ausgewertet wird.
Ergometrieverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das arithmetische und/oder geometrische Mittel der enthaltenen Frequenzen und/oder Maxima im Leistungsspektrum berechnet wird/werden.
Verwendung eines Ergometers, Laufschuhs, Fahrradpedals oder einer Ergometrievorrichtung oder eines Ergometrieverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Bestimmen von Kenngrößen für die körperliche Fitness von Personen oder Tieren oder zum Bestimmen der mechanischen Leistungsangabe einer Vorrichtung oder einer bewegten Masse.
Ergometer nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) mindestens einen mit mindestens einem der Kraftaufnehmer (1) auf dessen Signalausgangsseite verbundenen Operetionsverstärker (4) aufweist.
Ergometer nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) einen Analog-Digital-Konverter ADC (5), mit welchem mindestens einer der Kraftaufnehmer (1) signalausgangsseitig verbunden ist, aufweist.
Ergometer nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal mindestens eines Kraftaufnehmers (1) mittels der Auswerteeinheit (4, 5, 6, 7) mit einer Abtastrate von über 40 Hz abtastbar ist.