DE68921200T2

DE68921200T2 - Übungsgerät und verfahren zur simulierung des treppengehens.

Info

Publication number: DE68921200T2
Application number: DE68921200T
Authority: DE
Inventors: Duane Stark; James Sweeney; Michael Sweeney
Original assignee: Tectrix Fitness Equipment Inc
Current assignee: Tectrix Fitness Equipment Inc
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-12-20
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: JPH03502772A; JP2809874B2; US4938474A; EP0402454B1; EP0402454A1; DE68921200D1; WO1990007363A1; EP0402454A4

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Übungsgerät, und insbesondere auf ein Gerät zum Simulieren des Treppengehens.
In einem solchen Gerät wird die Kraft des Benutzers ausgeübt, indem der Körper des Benutzers durch abwechselndes Verlagern des Gewichts von eineit Pedal auf ein anderes wiederholt hochgebracht wird. Jedes der beiden Pedale bewegt sich zwischen einer oberen und einer unteren Stellung. Während ein Fuß des Benutzers auf das erste Pedal in seiner oberen Stellung nach unten drückt, wird dieses Pedal durch das Gewicht des Benutzers nach unten bewegt und arbeitet dabei gegen einen Widerstand. Das Übungsgerät bringt sodann das zweite Pedal in seine obere Stellung, und der Benutzer drückt init dem anderen Fuß auf das zweite Pedal nach unten, wodurch das Gewicht des Benutzers hochgebracht, und das zweite Pedal nach unten bewegt wird. Die Anordnung ist dergestalt, daß eine einzelne Widerstandsvorrichtung den Widerstand fur beide Pedale bereitstellt, während sie getrennt nach unten gedrückt werden.
Ein Beispiel eines Übungsgeräts zum Simulieren des Treppengehens ist in der Potts US-Patentschrift Nr. 4,708,338 beschrieben. In diesem Patent wird jedes Pedal auf- und abbewegt, während es sich am Ende eines drehbar angelenkten Arms einen Bogen entlangbewegt. Der Widerstand wird durch eine Widerstandsbremse (Synchrongenerator) in Kombination init einer Transmission bereitgestellt, welche die Pedalbewegung am Synchrongenerator in eine weitaus schnellere Geschwindigkeit umwandelt. Jedes Pedal ist über eine Einwegkupplung mit der Transmission verbunden, welche in nur einer Bewegungsrichtung (die Abwärtsbewegung des Pedals) Kraft von jedem Pedalarm auf die Transmission überträgt. In der anderen Richtung der Pedalbewegung wird keine Kraft zwischen dem Pedal und der Widerstandsbremse übertragen, und das Pedal wird durch eine Feder in seine obere Stellung zurückgebracht.
Zwei bedeutsame Nachteile des soeben beschriebenen Treppengehgeräts sind seine hohen Kosten und sein begrenzter Geschwindigkeitsbereich. Die Bereichsbegrenzung führt zu innewohnenden Begrenzungen einer Transmission (Getriebe), welche die Widerstandsbremse antreibt.
Ein Übungsgerät zum Simulieren des Treppengehens, für das die Vorteile von Kompaktheit und Nutzen in schwerelosen Umgebungen angeführt werden, wird im US-Patent 4720093, Del Mar, Del Mar Avionics, Irvine, Kalifornien, USA, offenbart. Während das rechte und linke Fuß-Pedal des Del Mar Geräts abwechselnd niedergedrückt werden, wird die erzeugte Kraft auf ein rotierendes Schwungrad übertragen und durch eine Band(Riemen)bremse verbraucht, welche unter einer durch voreingestellte Gewichte festgesetzten Spannung den Umfang des Rads umfaßt. Das auf die Bandbremse aufgebrachte Gewicht kann vom Benutzer vor Beginn der Benutzung eingestellt werden, um die zur Aufrechterhaltung der Scheibendrehung gegen den Bandbremswiderstand erforderliche Kraft zum Niederdrücken der Pedale zu erhöhen oder zu vermindern.
Eine weitere Abwandlung eines Übungsgeräts zum Simulieren des Treppengehens wird in der veröffentlichten britischen Patentanmeldung GB 2202161 A, veröffentlicht am 21. September 1988, offenbart, die eine computergesteuerte Vorrichtung aufweist, welche programmierbar ist, um den Kraftaufwand zu kontrollieren, der erforderlich ist, um das Fahrrad-Schwungrad gegen Bremskräfte zu drehen und diese Kraft je nach Pedal/Kurbelstellung zu variieren, um sich der Anatomie und Kraft des Benutzers anzupassen.

Inhaltsangabe der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein "Treppengehgerät" bereit, das eine einfache Reibungsbremse, vorzugsweise in Form eines Reibungsbandes, aufweist, welche den Umfang des Schwungrads umfaßt. (Ein Schwungrad wird gewöhnlich in einer Dauerbewegungsvorrichtung benutzt, um Energie zu speichern und dadurch eine gleichmäßigere Bewegung herbeizuführen).
Das Drehmoment der Reibungsbremse wird durch eine Betätigungsvorrichtung, z.B. einen Motor, der sich in eine Richtung bewegt, um das Drehmoment zu erhöhen, und in die Gegenrichtung, um das Drehmoment zu verringern, automatisch erhöht oder verringert. Das Erfordernis des Erhöhens oder Verringern des Drehmoments wird durch einen Meßfühler bestimmt, der die effektive Umlaufgeschwindigkeit des Schwungrads mißt.
Zweck der automatischen Motorsteuerung ist die Aufrechterhaltung einer vorgewählten (vorgegebenen) Geschwindigkeit der Schwungradbewegung. Vorgegebene Geschwindigkeitswerte, gewünschte Variationen inbegriffen, können vorprogrammiert oder manuell gesteuert werden. Eine computerisierte Steuereinheit vergleicht die gewünschte Momentgeschwindigkeit und die tatsächliche Geschwindigkeit (wie vom Meßfühler angezeigt) und liefert einen Fehlerwert. Der Fehlerwert wird benutzt, um einen Steuermotor anzutreiben, der sich entweder in eine Richtung bewegt, um das Band auf dem Schwungrad zu spannen, oder in die Gegenrichtung, um das Band auf dem Schwungrad zu lösen.
Das Steuersystem wird digital betätigt, d.h. Impulssignale von einer Mikrosteuereinheit (Zentraleinheit) bestimmen den auf den Motor aufgebrachten Kraftaufwand und dessen Bewegungsrichtung. Das Digitalsteuersystem ist so angeordnet, daß es eine allmähliche Geschwindigkeitszunahme des Schwungrads bewirkt, wenn der Benutzer das Treppengehgerät besteigt, und eine allmähliche Geschwindigkeitsverringerung des Schwungrads, wenn der Benutzer von dem Treppengehgerät absteigt. Diese gesteuerten Start- und Stoppvorgänge tragen erheblich zum Komfort des Benutzers bei.
Es zeigen die
FIGUR 1 eine isometrische, schematische Ansicht der beweglichen Teile des Treppengehgeräts;
FIGUR 2 eine Seitenansicht des Geräts nach Figur 1, einschließlich der stützenden Seitenrahmenglieder;
FIGUR 3 eine Draufsicht auf das Gerät nach Figur 1;
FIGUR 4 einen Querschnitt auf der Achse der Antriebswelle, die durch den vom Benutzer auf eine der beiden Fußpedale ausgeübten Druck angetrieben wird;
FIGUR 5 ein Blockdiagramm des Elektroniksystems, we1ches die Schwungradgeschwindigkeit automatisch regelt;
FIGUR 6 eine Draufsicht auf das Anzeigefeld, welches die Mikrosteuereinheit (Zentraleinheit) enthält;
FIGUR 7A und 7B Details des Meßfühlers zur Messung von Spiel, der nahe am Motoranschlußende des Reibungsriemens angeordnet ist, und der Ankerfedern, welche eine nachgiebige Beziehung zwischen dem anderen Ende des Reibriemens und dessen Anker vorsehen.
FIGUR 7A den gelösten oder schlaffen Riemenzustand, und
FIGUR 7B den gespannten Riemenzustand, und
FIGUR 8, 9 und 10 zeigen Flußdiagramme, welche die Zentraleinheit-Logik umreißen, die den Motorbetrieb steuert. Wie in den Figuren 1-3 dargestellt, sind zwei Pedale vorgesehen, auf denen der Benutzer/die Benutzerin seinen/ihren Körper abwechselnd hochbringen kann, indem er/sie mit dem rechten Fuß auf ein Pedal 20, und dann mit dem linken Fuß auf ein Pedal 22 steigt. Die Pedale 20 und 22 sind auf Kurbelarmen 24 bzw. 26 drehbar gelagert, und die anderen Enden der Arme 24 und 26 sind auf einer Welle 28 drehbar befestigt. Die Welle 28 läuft in Lagern, die von zwei Tragkonstruktionen 30 und 32 (Figur 3) getragen werden, die auf gegenüberliegenden Seiten des Stützrahmens angeordnet sind, die nachstehend beschrieben werden.
Während jeder Kurbelarm 24 und 26 abwechselnd durch das Gewicht des Benutzers abwärts bewegt wird, bewegt sich sein Pedal einen an der Welle 28 zentrierten Bogen entlang. Wenn das Gewicht des Benutzers von einem Pedal auf das andere verlagert wird, wird der unbelastete Kurbelarm durch eine geeignete Rückholvorrichtung, wie z.B. eine Feder, in seine obere Stellung zurückgebracht. Die Bewegung der beiden Pedale ist daher eine unabhängige Hin- und Herbewegung entlang einem bogenförmigen Weg.
In den Figuren 1-3 ist das Pedal 20 in seiner oberen Stellung dargestellt. Eine Kette 34 ist an einer Halterung oder einem Anker 36, der auf dem nahe dem Pedal 20 befindlichen Arm 24 montiert ist, an seinem Kurbelarm 24 befestigt. Die Kette 34 greift in ein Kettenzannrad 38 ein und wird um dieses umschlungen (siehe Figuren 2 und 4), das auf einer Einweg- Antriebswelle 40 montiert ist. Die Antriebswelle 40 läuft in Lagern 42 und 44, die von den Seitenstützkonstruktionen des Rahmens getragen werden.
Das Ende der Kette 34, von der Halterung 36 entfernt, ist an einer Feder 46 befestigt, die am Rahmen des Geräts verankert, und um eine Spannrolle 50 umschlungen ist. Bei in seiner höchsten Stellung befindlichem Pedal 20 befindet sich die Feder 46, eine Spannfeder, in ihrer am wenigsten gestreckten Stellung. Sie hat dort das Pedal 20 in seine höchste Stellung, bereit für die Verlagerung des Gewichts des Benutzers auf das Pedal 20, zurückgeholt.
Das Pedal 22 ist in seiner unteren Stellung dargestellt, in die es das Körpergewicht des Benutzers, das auf den linken Fuß des Benutzers lastete, gedrückt hat. Eine Kette 52 ist an einer Halterung oder einem Anker 54, die bzw. der sich neben dem Pedal 22 befindet, an seinem Kurbelarm 26 befestigt. Die Kette 52 greift in ein Kettenzahnrad 56 ein und wird um dieses umschlungen (siehe Figur 4), das auf derselben Antriebswelle 40 montiert ist, wie das Kettenzahnrad 38.
Das Ende der Kette 52, von der Halterung 54 entfernt, ist an einer Feder 58 befestigt, die an dem Rahmen des Geräts verankert, und um eine Spannrolle 62 umschlungen ist. Bei in seiner niedrigsten Stellung befindlichem Pedal 22 befindet sich die Feder 58, eine Spannfeder, in ihrer voll gestreckten Stellung. Sie ist bereit, das Pedal 22 in seine höchste Stellung zurückzuholen, sobald das Gewicht des Benutzers vom Pedal 22 heruntergenommen wird. Eine von den beiden Seitenstützkonstruktionen 30 und 32 getragene Einzelwelle 64 kann als Achse beider Spannrollen 50 und 62 dienen.
Damit das Gerät dem Gewicht des Benutzers ausreichend standhält, um es dem Benutzer/der Benutzerin zu ermöglichen, seinen/ihren Körper abwechselnd mit dem linken und rechten Bein anzuheben, muß ein ausreichender Widerstand der Abwättsbewegung jedes Pedals 20 und 22 entgegenwirken. Ein Einzelwiderstandssystem ist ausreichend, weil jedes der Kettenzahnräder 38 und 56 so angeordnet ist, daß die Welle 40 über eine Einweg(Freilauf-)kupplung angetrieben wird.
Wie in Figur 4 dargestellt, ist das Kettenzahnrad 38 auf einer Einwegrollenkupplung 68 montiert, und das Kettenzahnrad 56 ist auf einer Einwegrollenkupplung 70 montiert. Die Antriebswelle 40 wird von ihren Kettenzahnrädern 38 und 56 nur im Gegenuhrzeigersinn gedreht, wie in Figur 2 gezeigt (im Uhrzeigersinn gemäß Darstellung in Figur 1). Wenn sich entweder das Pedal 20 oder das Pedal 22 abwärts bewegt, bringt es seine Einwegrollenkupplung dazu, die Welle 40 in derselben Richtung zu drehen. Wenn sich eines der beiden Pedale aufwärts bewegt, überträgt seine Einwegrollenkupplung keine Antriebskraft auf die Welle 40.
Wie in den Figuren 1, 2 und 4 gezeigt, ist an der Antriebswelle 40 ein größeres Antriebskettenrad 72 befestigt. Die Drehung des Kettenrads 72 treibt eine Kette 74 an, welche wiederum ein Kettenrad 76 antreibt (siehe Figur 1), das auf einer Antriebswelle 78 montiert ist. Die Antriebswelle 78 ist an einem Schwungrad 80 befestigt und bewirkt daher die Drehung dieses Schwungrads. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, werden die Drehrichtungen der Kettenräder 72 und 78 und des Schwungrads 80 durch die Pfeile angezeigt. Das Gewicht des Schwungrads 80 schafft einen gewissen Widerstand, jedoch besteht seine Hauptfunktion darin, Energie zu speichern und dadurch eine zügige Geschwindigkeitsreaktion bereitzustellen. In der Praxis hat es sich als besser erwiesen, das Element 78 als eine nichtrotierende Achse, anstatt als eine umlaufende Welle, fungieren und das Kettenrad 76 direkt am Schwungrad 80 befestigen zu lassen, um ihre gemeinsame Drehung (von Lagern unterstützt) um die Achse herbeizuführen.
Der Widerstand gegen die Abwärtsbewegung der Pedale 20 und 22, der nötig ist, um es dem Benutzer/der Benutzerin zu ermöglichen, sein/ihr Körpergewicht hochzubringen, wird durch einen Bremsmechanismus unter Ausnutzung von Veränderungen in der Reibung bereitgestellt, um die gewünschte Bewegungsgeschwindigkeit der Kurbelarme 24 und 26 aufrechtzuerhalten. Dieser Reibungswiderstand wird zweckdienlich durch einen Riemen 82 bereitgestellt, der um den Umfang des Schwungrads 80 liegt und im Reibungseingriff damit steht.
Die Benutzung einer Reibungsvorrichtung zum Variieren des Widerstands in einem Übungsgerät war allgemein üblich. In vielen Fällen wird die Reibung jedoch durch eine einfache mechanische Bremssteuereinrichtung von Hand eingestellt. So zeigt beispielsweise das Del Mar US-Patent Nr. 4,720,093 einen Riemen 40, der die Felge eines Schwungrads 30 berührt, "um eine Reibungskraft in einem Ausmaß aufrechtzuerhalten, das durch die aufgebrachte Last bestimmt wird." Eine solche Anordnung ist nicht genügend durchentwickelt, um das gewünschte "Gefühl" für den Benutzer eines Treppengehgeräts zu liefern.
In dem vorliegenden Gerät wird ein Reibriemen benutzt, um die Bewegungsgeschwindigkeit des Schwungrads und der das Schwungrad antreibenden Kurbelarme zu steuern. Vom Benutzer wird eine Vorgabegeschwindigkeit gewählt. Ein elektronisches Steuergerät (Zentraleinheit) vergleicht die Rückmeldung (Feedback) von einem Geschwindigkeitsmeßfühler mit der Vorgabegeschwindigkeit, entwickelt einen Fehlerwert, der entweder Über- oder Untergeschwindigkeit des Schwungrads darstellt, und steuert automatisch einen Motor, der in einer Richtung beweglich ist, um den Riemen zu spannen, und in einer anderen Richtung, um den Riemen zu lösen. Der Fehlerwert stellt die etwaige Differenz zwischen der in der Zentraleinheit gespeicherten Vorgabegeschwindigkeit und der durch den Geschwindigkeitsmeßfühler gemessenen tatsächlichen Geschwindigkeit dar.
Wie in den Figuren 1-3 gezeigt, treibt ein Riemenspannungs- Regelmotor 84 eine Riemenscheibe 86 an, um die ein Ende des Riemens 82 geschlungen ist. Der Motor 84 kann ein Gleichstrom- Getriebemotor sein, welcher den Riemen 82 spannt, wenn sich der Motor in eine Richtung dreht, und den Riemen 82 löst, wenn sich der Motor in die Gegenrichtung dreht (siehe Zweiwegpfeil 88 in Figur 1).
Die Bewegungsgeschwindigkeit des Schwungrads 80 kann durch einen optischen Meßfühler 90 abgefühlt werden, der auf dem Rahmen des Geräts angebracht ist und mit einer auf der Nabe des Schwungrads montierten Codiererscheibe zusammenwirkt. Jedes Mal, wenn eine Codiererzeile den optischen Meßfühler passiert, wird ein Digitalsignal erzeugt. Eine 50-Zeilen-Codiererscheibe hat sich als zufriedenstellend erwiesen. Die Zahl der Zeilen in der Codiererscheibe wird durch die gewünschte Feinheit der Auflösung in dem Geschwindigkeits-Feedbacksignal bestimmt.
Das Ende des Riemens 82, vom Spannungsregelmotor 84 entfernt, ist bei 94 am Rahmen des Geräts verankert. Mit dem Treppengehgerät gemachte Erfahrungen weisen aus, daß eine Ankerfederanordnung 96 wünschenswert ist, um eine elastische Verbindung zwischen dem Ankerpunkt 94 und dem Riemen 82 vorzusehen. Ein weiteres wertvolles Ausstattungsmerkmal, welches bestimmte zuweilen auftretende Probleme löst, ist ein Meßfühler zur Messung des Spiels im Riemen 98 (Figuren 2, 5, 7A und 7B), der sich nahe dem am Motor verbundenen Ende des Riemens 82 befindet und ein elektrischer Schalter ist, der dazu gebracht wird, sich um das Ausmaß des Spiels im Riemen 82 zwischen seinen EIN- und AUS-Stellungen zu bewegen.
Figuren 2 und 3 zeigen den Stützrahmen des Geräts. Unter Verweis auf die Benutzerseite des Treppengehgeräts als die Rückseite und auf die Schwungradseite als die Vorderseite erstreckt sich ein horizontaler Tragstab 100 quer über die Vorderseite, und ein horizontaler, U-förmiger Tragstab 102 erstreckt sich quer über die Rückseite des Stützrahmens. Da der rückseitige Stab 102 U-förmig ist, ist der Benutzerzugangsbereich offen, wodurch ein leichter und unbehinderter Zugang zu den Pedalen 20 und 22 ermöglicht wird. Horizontale Seitenstäbe 104 und 106 vereinigen sich auf gegenuberliegenden Seiten des Rahmens mit den vorderen und hinteren Stäben 100 und 102.
Der Vertikalrahmen, der ein Auflager für das Schwungrad 80 und für die Antriebskettenräder vorsieht, wie aus Figur 4 ersichtlich ist, besteht aus zwei auf jeder Seite (links und rechts) des Geräts angeordneten Rahmengliedern. Solche Rahmenglieder auf einer Seite des Geräts sieht man in Figur 2. Ein vorderes, sich nach oben erstreckendes Stützelement 108, und ein hinteres, sich nach oben erstreckendes Stützelement 110 sind durch ein von vorn nach hinten verlaufendes Stützelement 112 verbunden. Die Stützelemente 112 (links und rechts) sehen ein Auflager für die Schwungradwelle 78 vor. Die oberen Enden der Stützelemente 110 (links und rechts) sehen Lager für die pedalbetriebene Welle 40 vor. Zwei Stützscheiben 114 (links und rechts) tragen die Welle 28, auf der die Kurbelarme 24 und 26 drehbar gelagert sind. Die Scheiben 114 unterstützen auch die Welle 64, welche die Spannrollen 50 und 62 trägt.
Wie aus Figur 2 ersichtlich, wird die Aufwärtsbewegung jedes drehbar gelagerten Arms 24 und 26 unter der Vorspannung seiner Rückholfedern durch einen geeigneten, mechanischen Stab oder Stange 116 begrenzt, der bzw. die sich seitlich zwischen den beiden sich nach oben erstreckenden Stützelementen 100 erstreckt und daran befestigt ist. In Figur 2 ist die Schritthöhe des Benutzers durch die untere Position der Stange 116 begrenzt. Wird ein höherer Benutzerschritt gewünscht, kann der Stab 116 aus seiner unteren Stellung entfernt und in der in gestrichelten Linien gezeigten Position 116a gesichert werden. Auf Wunsch können zusätzliche Schritthöhen-Einstellpositionen benutzt werden. Um das Kontaktgeräusch auf ein Minimum zu begrenzen, ist jeder Arm in dem Bereich, der in die Stange 116 einrückt, abgepolstert.
Das automatische Geschwindigkeitssteuersystem ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung. Dieses System ist in Figur 5 schematisch dargestellt. Eine Mikrosteuereinheit (Zentraleinheit) ist über einen Datenbus 122 mit einer Frontplatte 124 und einem Speicher 126 verbunden. Die Frontplatte 124 stellt sowohl eine Anzeige bereit, die dem Benutzer Informationen liefert, als auch eine Tastatur, die es dem Benutzer gestattet, Befehlsauswahlen einzugeben. Die Befehlsoptionen sind in Figur 6 gezeigt, welche das Anzeigefeld wiedergibt.
Der Hauptbefehl ist die gewünschte Betriebsgeschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit kann auf einer ausgewählten Stufe bleiben oder sie kann gemäß einem ausgewählten, automatischen Programm variiert werden.
Neben dem Empfangen des Befehlssignals empfängt die Mikrosteuereinheit 120 zwei Feedbacksignale von den beweglichen Teilen des Treppengehgeräts. Ein Schwungrad-Geschwindigkeitssignal wird über die Leitung 128 auf die Mikrosteuereinheit gegeben, nachdem es von dem Verstärker 130 verstärkt wurde. Dieses Signal wird, wie bereits erwähnt, durch einen optischen Meßfühler 90 erzeugt, der mit der auf dem Schwungrad 80 angeordneten Codiererscheibe 92 zusammenwirkt. In der Mikrosteuereinheit 120 wird dieses die tatsächliche Geschwindigkeit darstellende Geschwindigkeits-Feedbacksignal, mit dem Befehlssignal verglichen, wodurch ein Fehlersignal erzeugt wird, das benutzt wird, um den Getriebemotor 84 zu steuern (der in Figur 5 doppelt gezeigt ist, um seine elektrischen Anschlüsse und seinen Anschluß an die Bandbremse (Riemen) 82 getrennt zu zeigen).
Ein weiterer Fühler ist der Schalter zum Messen des Spiels 98, der durch die Leitung 132 über den Verstärker 134 an die Mikrosteuereinheit 120 angeschlossen ist. Die Funktionen des Schalters 98 zum Messen des Spiels werden nachstehend ausführlich erörtert.
Die von der Mikrosteuereinheit 120 zum Motor 84 gesendeten Steuersignale sind möglichst Impulssignale mit variablen Impulsbreiten. Signale zum Motor 84 zum Spannen des Riemens 82 auf dem Schwungrad 80 folgen der Leitung 136, nach Verstärkung durch den Verstärker 138. Signale zum Motor 84 zum Lösen des Riemens 82 auf Schwungrad 80 folgen der Leitung 140, nach Verstärkung durch den Verstärker 142. Ein Impulssignal 80 auf Leitung 136 schaltet einen bipolaren Transistor 144 und einen FET (möglichst MOSFET) Transistor 146 ein, um die linke Seite des Motors 84 über die Leitung 150 an eine Spannungsquelle 148 und die rechte Seite des Motors 84 über die Leitung 154 an die Erde 152 anzuschließen. Dadurch wird bewirkt, daß sich der Motor 84 im Uhrzeigersinn dreht und den Riemen 82 spannt. Ein Impulssignal auf Leitung 140 schaltet einen bipolaren Transistor 156 und einen FET (möglichst MOSFET) Transistor 158 ein, um die rechte Seite des Motors 84 über die Leitung 154 an eine Spannungsquelle 148 und die linke Seite des Motors 84 über die Leitung 150 an die Erde 152 anzuschließen. Dadurch wird bewirkt, daß sich der Motor 84 im Gegenuhrzeigersinn dreht und den Riemen 82 löst.
Es ist wünschenswert, die Impulsbreite der Digitalsignale von der Zentraleinheit zum Motorsteuersystem zu variieren, um Motorantriebsleistung bereitzustellen, die (teilweise) von der Größe des Fehlersignals abhängt. Es ist ebenfalls erwünscht, höhere und niedrigere Frequenzen der Digitalsignale zu dem Motorsteuersystem bereitzustellen, was von bestimmten Faktoren abhängt. Wenn der Motor den Riemen spannt, wird ein Signal mit höherer Frequenz benutzt, als wenn er den Riemen löst. Dadurch wird der höhere Leistungsbedarf während des Spannens des Riemens aufgrund der Tatsachen aufgezeigt, daß die Schwungraddrehung der Riemenspannkraft reibungsmäßig entgegenwirkt und daß der Motor gegen die Riemenankerfeder arbeitet. Es ist ebenfalls wünschenswert, ein Signal mit höherer Frequenz zu benutzen, um zu bewirken, daß die nächste Aktualisierung eher stattfindet als sonst. Die Erfahrung hat gezeigt, daß ein Zwei-zu- Eins-Verhältnis der Motorzählrate wirksam funktioniert. Um ein Beispiel anzuführen, so hat es sich als zufriedenstellend erwiesen, eine Impulsfrequenz von 120 Hz als den höheren Wert zu benutzen (wenn der Motor Spannen bewirkt oder wenn er angehalten wird), und eine Impulsfrequenz von 60 Hz als den niedrigeren Wert (wenn der Motor Lösen bewirkt).
Ein weiterer, ungewöhnlicher Aspekt des Steuersystems ist die Benutzung des Schalters 98, der übermäßiges Spiel im Reibriemen 82 mißt. Dieser Schalter ist nötig, um zu verhindern, daß sich der Motor 84 so weit in die Riemenlöserichtung dreht, daß er den Riemen zu spannen beginnt. Der Sensorschalter 98 bietet zusätzliche Vorteile. Während des Verlangsamungsvorgangs verhindert der Meßfühler zur Messung des Spiels eine plötzliche Geschwindigkeitsverminderung. Mit anderen Worten: er bewirkt einen zyklischen Vorgang, in dem der Riemen abwechselnd mit dem Schwungrad eingerückt und aus ihm ausgerückt wird, wodurch eine andauernde, jedoch nicht abrupte Verminderung der Geschwindigkeit verursacht wird.
Dadurch wird das Absteigen des Benutzers erleichtert. Eine weitere Wirkung des Meßfühlers zur Messung des Spiels besteht darin, daß er den Motor abschaltet, wenn das Schwungrad zum Stillstand gekommen ist, und das System für einen anschließenden, allmählichen Betriebsstart positioniert. Wenn man den Riemen nach dem Heruntersteigen nicht in der Durchhangposition belassen würde, würde der nächste Benutzer einen vollen Anfangswiderstand vorfinden. Das würde dazu führen, die Schwungradbewegung und somit die zum Starten des Steuersystems erforderliche Bewegungsabfuhlung zu verhindern.
Figur 6 zeigt eine mögliche Anordnung des Anzeigefelds 124. Eine Reihe von LED-Anzeigen 162 stellt aufsteigende Werte der Benutzer-Steiggeschwindigkeit dar, wobei die Zahlen von 10 bis 150, in Stufen von 10, reichen. Die Zahlen zeigen die pro Minute gestiegene Anzahl Fuß an; somit stellt jede Leerstelle zwischen zwei benachbarten LED-Anzeigen 5 Fuß pro Minute dar. Das zwischen der 80-Fuß-pro-Minute-LED-Anzeige und der 85-Fuß- pro-Minute-LED- Anzeige gebildete "Knie" ist ein willkürlicher Aspekt der visuellen Konzeption.
Es steht ein numerisches Anzeigefenster 164 zur Verfügung, um mehrere mögliche Werte anzuzeigen. Der Benutzer kann sich stufenweise durch die vier aufgelisteten Werte bewegen, indem er eine "Modus"-Taste betätigt. "Altitude" (Höhe), wenn angezeigt, gibt auf dem Anzeigefeld 164 die vom Benutzer gestiegene Gesamtfußzahl an. "Time" (Zeit), wenn angezeigt, gibt auf dem Anzeigefeld 164 die abgeleistete Gesamtzeit der Übungsperiode an. "Mets" ist ein Wert, der das "metabolische Äquivalent" anzeigt, das auf einer theoretischen Sauerstoffaufnahme pro Kilo Gewicht basiert. "Pulse Rate" (Pulsfrequenz) ist ein dann zur Anzeige verfügbarer Wert, wenn ein Pulsfrequenzsensor zwischen dem Anzeigefeld 124 und dem Körper des Benutzers angeschlossen ist.
Eine "Clear" (Lösch-) Taste 168 wird betätigt, um den Zeitschalter und die Höhe auf Null zurückzustellen. Die beiden Tasten "fast" (Schnell) bei 170 und "slow" (Langsam) bei 172 sind vorgesehen, um es dem Benutzer zu gestatten, nach Belieben die gewählte Geschwindigkeit des Schwungrads (und somit den Arbeitsaufwand des Benutzers) einzustellen. Die "prog" Taste 174 wird benutzt, um ein vorherbestimmtes, automatisches Programm bereitzustellen. Das Programm kann aus einer Gruppe von eingebauten Programmen ausgewählt werden, oder es kann ein vom Benutzer konzipiertes Programm eingerichtet werden. Eine "Enter"-Taste 176 ermöglicht dem Benutzer die Auswahl zwischen einem eingebauten oder einem benutzerdefinierten Programm. Die eingebauten Programme, die zehn oder mehr sein könnten, werden in der Bedienungsanleitung als PR1, PR2 usw. bezeichnet. Um ein eingebautes Programm einzugeben, stellt ein numerisches Fenster eine Eingabeaufforderung bereit, die von aufeinanderfolgenden Betätigungen der "prog" Taste gesteuert wird. Um ein vom Benutzer konzipiertes Programm einzugeben, wird die manuelle Option über die "enter" (Eingabe-) Taste ausgewählt, und dann werden die Tasten "fast" (Schnell) und "slow" (Langsam) benutzt, um verschiedene Geschwindigkeiten auszuwählen. Da die willkürlich bestimmte Auflösung gewählter Geschwindigkeitswerte 5 Fuß pro Minute lautet, variieren die im Speicher der Mikrosteuereinheit 120 gespeicherten Vorgabewerte in Stufen von 5 Fuß pro Minute bis zu 150 Fuß pro Minute.
Die Figuren 7A und 7B zeigen den Schalter 98 zum Messen des Spiels und seine Relation zum Riemen 82 und zu der Ankerfederanordnung 96. Zu den Vorteilen der Ankerfederanordnung gehören eine Verbesserung des Riemeneingriffgefühls und eine Verbesserung der Motorfunktionslinearität (aufgrund des vergrößerten Motorarbeitswegs). Beim Prototypbetrieb gewonnene Erfahrungen haben zu mehreren Bevorzugungen in dieser Konstruktion geführt. Eine Bevorzugung ist die Benutzung einer Zweistufenfeder, in der eine der Federn nach etwas Riemenbewegung vom Anker 94 weggedrückt wird. Dadurch wird anfangs, während der Zusammendrückung einer leichten Feder 180, ein größeres Federungsvermögen (geringerer Widerstand) bereitgestellt. Wenn die Feder 180 zusammengedrückt wird, wird durch eine schwerere Feder 182 ein größerer Widerstand gegen die Riemenbewegung vorgesehen. Die Gründe für die Wünschbarkeit dieser Zweistufenfeder versteht man nicht ganz; jedoch scheint sie dazu zu tendieren, eine angenehmere Funktion des Geräts zu bewirken. Das verankerte Ende des Riemens 82 ist mittels zwei Muttern 185 auf einem Bolzen 186 mit einer Halterung 184 verbunden dargestellt. Die leichte Druckfeder 180 befindet sich zwischen dem Kopf des Bolzens 186 und einer U-Scheibe 187. Die schwere Druckfeder 182 befindet sich zwischen der U-Scheibe 187 und dem Flansch 188 des Ankers 94.
Am anderen Ende des Riemens 82 ist der Riemen an der Riemenscheibe 86 befestigt, die vom Motor 84 angetrieben wird. Der Sensor 98 zum Messen des Spiels weist einen internen Schalter (nicht dargestellt) und einen Schalter-Steuerarm 190 auf, der durch ein federvorgespanntes Element 192 gegen den Riemen 82 gehalten wird. Der Arm 190, der möglichst eine den Riemen einrückende Rolle hat, ist in Figur 7A in der Durchhang- Abfühlposition gezeigt. In Figur 7B hat der gespannte Riemen den Arm 190 nach rechts gedrückt, wodurch das federvorgespannte Element 192 in seine Einziehstellung bewegt wird. Der Schalter in dem Durchhangsensor 98 kann offen sein, wenn der Riemen gespannt wird, und geschlossen, wenn der Riemen gelöst wird, oder umgekehrt. Experimentelle Bemühungen zeigen eine Bevorzugung eines offenen Schalters in der Stellung gemäß Figur 7A an. Auf jeden Fall wird die Zentraleinheit durch den Durchhangsensor informiert, ob sich der Riemen zur Durchhang-Abfühlposition gelöst hat oder nicht.
Wie angeführt, zeigt Figur 7A den Riemen 82 in seiner mit Bezug auf die Riemenscheibe 80 gelösten Stellung. Die beiden Druckfedern 180 und 182 am Anker sind gestreckt, und der Schalter 98 befindet sich in seiner Durchhang-Abfühlstellung. Figur 7B zeigt den Riemen 82 in seiner vollständig gespannten Stellung mit Bezug auf die Riemenscheibe 80. Die beiden Druckfedern 180 und 182 am Anker sind vollständig zusammengedrückt, und der Schalter 98 befindet sich in seiner Riemenspannstellung. Es treten selbstverständlich häufig Zwischenbedingungen auf, unter denen sich der Riemen weder in der vollständig gespannten Stellung, noch in der Durchhang-Abfüblstellung befindet.
Die Figuren 8-10 zeigen Flußdiagramme von drei Teilen des Logiksystems der Mikrosteuereinheit 120, die bei der Steuerung der Arbeitsabläufe des Motors 84 benutzt werden. Figur 8 mit der Überschrift "Rev Sensed" zeigt, was geschieht, wenn die Mikrosteuereinheit 120 einen Impuls von dem optischen Codierer 90-92 auf der Nabe des Schwungrads 80 empfängt. Figur 9 mit der Überschrift "Millisecond Update" veranschaulicht drei Grundprozeduren: (a) Schwungradstopp-Erkennung, (b) Abschalten des Motors unter zwei Grenzbedingungen, und (c) Erzeugen eines Impulsbreiten-modulierten Motorantriebssignals. Figur 10 mit der Überschrift "16 Hz Service" zeigt einen Vor- und Rückwärtszählvorgang, der einen "Steuer"-Wert bestimmt, welcher zum Hinbewegen zu einem "Vorgabe"-Wert benutzt wird. Wie üblich bezeichnen rechteckige Blöcke Verfahren, rautenförmige Blöcke bezeichnen Entscheidungen, Parallelogramme bezeichnen Ein- /Ausgabevorgänge, und Linien mit Pfeilen zeigen den Logikfluß an (außer daß ein Fortschritt von oben nach unten durch zusammenhängende Blöcke angenommen wird).
In Figur 8 wird, wenn jeder neue Geschwindigkeits-Sensorimpuls am Prozeßblock 200 empfangen wird, die Dauer zwischen dem neuen Impuls, "Time" genannt, und des vorhergehenden Impulses, "Last" genannt, berechnet. Diese Dauer wird ermittelt, indem Taktsignale gezählt werden. Am Prozeßblock 202 wird die aktuelle Zeit als "Last" zur Benutzung bei der Ermittlung der Zeitdauer zwischen ihr und dem nächsten Impuls gespeichert. Am Prozeßblock 204 wird ein Wert V, der ein unbearbeiteter Geschwindigkeitswert ist, durch Dividieren eines "Factor" genannten Skalenfaktors durch die Zeitdauer errechnet. Der Skalenfaktor ist dergestalt, daß der errechnete Wert von V unter Einkalkulierung aller Meßwerte eine Zahl von Fuß pro Minute darstellt. Am Prozeßblock 206 wird ein "Geschwindigkeits"-Wert willkürlich dem Mittelwert der letzten beiden Geschwindigkeitswerte, V1 und V2, zugeordnet. Diese Mittelwertbildung ist nützlich, um Aberrationswerte zu vermeiden. Am Prozeßblock 208 wird ein beschleunigungsbezogener Wert A als die Differenz zwischen dem letzten Geschwindigkeitswert V2 und dem vorhergehenden Geschwindigkeitswert V1 errechnet. Der Wert A kann entweder positiv oder negativ sein. Am Prozeßblock 210 wird der letzte Geschwindigkeitswert V2 als der alte Geschwindigkeitswert V1 zur Benutzung mit dem nächsten Impuls gespeichert.
Am Prozeßblock 212 wird der Fehlerwert E, der entweder positiv oder negativ sein kann, als die aktuelle Geschwindigkeit (siehe Block 206), abzüglich eines willkürlichen, mit "Ctrl" bezeichneten Kontrollwerts, errechnet. Der Fehlerwert stellt Fuß pro Minute dar, weil sowohl die tatsächliche Geschwindigkeit als auch die Vorgabegeschwindigkeit in Fuß pro Minute ausgedrückt worden sind. Der Kontrollwert (ebenfalls in Fuß pro Minute ausgedrückt) ist nicht derselbe wie der vorher vom Benutzer eingestellte Vorgabe-Geschwindigkeitswert. Es ist ein Wert, der benutzt wird, um die Geschwindigkeit zu ermitteln, mit der ein Vorgabewert erreicht wird. Er dient somit dem wichtigen Zweck der Bereitstellung allmählicher anstatt abrupter Änderungen im Steuersystem.
Ein weiterer Wert, der als Zwischenwert anstatt als Endwert benutzt wird, ist "PW", der am Prozeßblock 214 als auf eineinhalb E plus A (Beschleunigung) eingestellt ist. Der PW-Wert wird anschließend benutzt, um die Impulsbreite zu bestimmen.
Am Prozeßblock 216 wird das Spann-Signal (flag) eingestellt. Wenn dieses Signal auf Spannen eingestellt ist, wird Spannen des Riemens gewählt. Wenn dieses Signal gelöscht wird, wird automatisch Lösen des Riemens gewählt.
Am Entscheidungsblock 218 wird bestimmt, ob die Schwungradgeschwindigkeit weniger beträgt als der Steuerwert, der durch einen negativen Wert von E angezeigt würde. Wird er das nicht, wird am Entscheidungsblock 220 bestimmt, ob der Wert PW negativ ist. Falls PW negativ ist, stellt der Prozeßblock 222 die Impulsbreite auf Null ein (und löscht somit die Impulsbreite), und der Ein-/Ausgabeblock 224 bewirkt, daß der Motor abgeschaltet wird. Falls PW am Entscheidungsblock nicht negativ ist, wird der Wert der Impulsbreite am Prozeßblock 226 dem Wert von PW zugeordnet.
Beträgt die Geschwindigkeit weniger als Ctrl (am Entscheidungsblock 218), jedoch PW ist positiv (am Entscheidungsblock 228), ist das Ergebnis genauso, wie wenn die Geschwindigkeit höher gewesen wäre als Ctrl. Mit anderen Worten: der Riemen könnte gespannt werden, wenn die tatsächliche Geschwindigkeit weniger beträgt als der Kontrollwert, jedoch zunimmt, um durch Erwartung einer zukünftigen, tatsächlichen Geschwindigkeit eine stabilere Kontrolle vorzusehen. Andererseits, wenn der PW-Wert (am Entscheidungsblock 228) negativ ist, wird er (am Prozeßblock 230) positiv eingestellt, und das Spann-Signal wird (am Prozeßblock 232) gelöscht. In beiden Fällen wird der PW-Wert (am Prozeßblock 226) der Impulsbreite zugeordnet.
In Figur 9 wird ein Stillstand erkannt, wenn innerhalb eines Zeitraums von 66 ms (welcher der Zeitraum ist, bei dem ein 16- Bit-Zeitschalterzähler überläuft) keine Impulse empfangen werden. Das entspricht etwa 2 Fuß pro Minute, was eine sehr langsame Steiggeschwindigkeit ist. Die Spannbewegung wird gestoppt, wenn das Schwungrad zum Stillstand kommt. Am Entscheidungsblock 240 wird ermittelt, ob die zwischen Impulsen abgelaufene Zeit 66 ms erreicht hat. Beträgt die Zeit nicht weniger als 66 ms, und wurde am Entscheidungsblock 242 kein Impuls abgetastet, ist ein Grenzzustand zur Herbeiführung eines Motorstopps erkannt worden. Am Prozeßblock 244 wird der Geschwindigkeit ein Nullwert zugeordnet, und es wird am Entscheidungsblock 246 ermittelt, ob der Spann-Modus wirksam ist. Lautet die Antwort "Ja", erreicht der nächste Schritt die Prozeßblöcke 248 und 250. Die Prozeßblöcke 248 und 250 stellen einen Grenzzustand dar, d.h. einen Zustand, in dem der Motor abgeschaltet werden sollte. Am Block 248 wird die Motor-Impulsbreite auf Null, und am Prozeßblock 250 die Impulszählung auf Eins eingestellt, so daß er sofort in Zeitsperre geht.
Die Prozeßblöcke 248 und 250 werden von zwei Verbindungswegen erreicht, von denen einer gerade eben verfolgt worden ist. Der andere Verbindungsweg zu den Blöcken 248 und 250 verläuft sowohl durch den Entscheidungsblock 252, falls er zeigt, daß vom Durchhang-Sensorschalter Spiel angezeigt wird, als auch durch den Entscheidungsblock 254, falls er zeigt, daß sich die Bremse nicht im Spann-Modus befindet. Mit anderen Worten: das Auftreten von Spiel, wenn sich die Bremse im Löse-Modus befindet, zeigt an, daß der Motor abgeschaltet werden sollte. Jeder einzelne von drei Verbingungswegen bewirkt, daß der Logikfluß den Entscheidungsblock 252 erreicht: (a) wenn die Antwort am Entscheidungsblock 240 anzeigt, daß die Zeit weniger als 66 ms beträgt, (b) wenn die Antwort am Entscheidungsblock 242 lautet, daß ein Geschwindigkeits-Sensorimpuls empfangen worden ist, oder (c) wenn die Antwort am Entscheidungsblock 246 lautet, daß sich die Bremse nicht im Spann-Modus befindet.
Falls am Entscheidungblock 252 kein Spiel angezeigt worden ist, oder falls am Entscheidungsblock 254 festgestellt wird, daß der Spann-Modus wirksam ist, umgeht der Logikfluß die Blöcke 248 und 250 und bewegt sich zum Prozeßblock 256, an dem die Impulszählung um Eins rückwärts gezählt wird. Als nächstes wird am Entscheidungsblock 258 ermittelt, ob die Impulszählung größer als Null ist. Falls nicht, bewirkt der Ein-/Ausgabeblock 260 Abschalten des Motors. Falls die Impulszählung am Entscheidungsblock 258 größer als Null ist, wird Block 260 umgangen, was zum Prozeßblock 262 führt, an dem die Motorzählung um Eins rückwärts gezählt wird. (Das findet auch nach Abschaltung des Motors am Block 260 statt). Am Entscheidungsblock 264 wird ermittelt, ob die Motorzählung größer als Null ist. Lautet die Antwort "Ja", werden die verbleibenden Blöcke in Figur 9 umgangen.
Die Impulsbreiten-Modulation wird unter Benutzung von zwei Zählern - Impulszählung, welche die Breite des Motorimpulses einstellt, und Motorzählung, welche die Frequenz regelt - durchgeführt. Wenn die Impulszählung auf Null rückwärts zählt, wird der Motor abgeschaltet. Wenn die Motorzählung auf Null rückwärts zählt, wird der Motor gemäß einem internen Signal (Flag) ('Spannen') abgeschaltet, die Impulszählung wird von der Impulsbreite geladen, und die Motorzählung wird auf einen Frequenzwert eingestellt, der je nach Motorrichtung 60 oder 120 Hz erbringt.
Die Impulszählung wird (am Block 256) rückwärts gezählt, und falle sie (am Block 258) Null beträgt, wird der Motor abgeschaltet. Die Motorzählung wird (am Block 262) rückwärts gezählt, und falls sie (am Block 264) nicht Null beträgt, wird der Rest der Prozedur übersprungen.
Falls die Motorzählung am Block 264 Null beträgt, wird die Impulszählung auf den Wert der Impulsbreite am Prozeßblock 266 eingestellt. Als nächstes wird am Entscheidungsblock 268 ermittelt, ob die Impulsbreite Null beträgt. Lautet die Antwort "Ja", ist der nächste Schritt die Motorabschaltung am Ein-/Ausgabeblock 270, mit anschließender Einstellung der Motorzählung auf 120 Hz am Prozeßblock 272. Die schnelle Motorzählung ist dann zur Benutzung im nächsten Motorbetriebsstart bereit.
Ist die Antwort am Block 268 negativ, d.h. falls die Impulsbreite nicht Null beträgt, wird der Motor eingeschaltet, und die Motorzählung wird gemäß dem Status des "Spann"-Signals zugeordnet. Am Entscheidungsblock 274 wird ermittelt, ob das Spann-Signal an ist. Falls ja, wird am Ein-/Ausgabeblock 276 bewirkt, daß sich der Motor in die Bremsspannrichtung bewegt, und die Motorzählung wird am Prozeßblock 278 auf den höheren Frequenzwert eingestellt. Falls das Spann-Signal am Entscheidungsblock 274 nicht an ist, wird am Ein-/Ausgabeblock 280 bewirkt, daß sich der Motor in die Bremslöserichtung bewegt, und die Motorzählung wird am Prozeßblock 282 auf den niedrigeren Frequenzwert eingestellt.
Eine weitere Erläuterung der Begriffe Impulszählung und Motorzählung dürfte nützlich sein. Wie in den Flußdiagrammen aufgezeigt, wird die Impulszählung an der Impulsbreite (Block 266) eingestellt, die auf PW (Block 226) eingestellt wurde. Wie bei Block 214 in Figur 8 gezeigt, ist der PW-Wert als E/2+A eingestellt worden, was einen fehlerbezogenen Wert E und einen beschleunigungsbezogenen Wert A einbezieht. Impulszählung ist ein numerischer Wert, der benutzt wird, um den Arbeitszyklus des Motors während der innerhalb einer gegebenen Motorzählung verfügbaren Zeit zu steuern. Impulszählung wird bei jeder Millisekunden-Aktualisierung um Eins (Block 256) rückwärts gezählt. Falls die Impulszählung während einer gegebenen Motorzählung genügend hoch ist (z.B. eine Zahl, die gleich oder größer ist als die Gesamtzahl in der Motorzählung), kann der Motorarbeitszyklus 100 % betragen. Für die nächste Motorzählung wird eine neue Impulszählung eingestellt. Die benutzten numerischen Werte sind von den erhaltenen Versuchsergebnissen abhängig, da Werte variiert werden.
Motorzählung wird durch die gewünschte Frequenz des Motors während des Spannens (120 Hz) und Lösens (60 Hz) des Reibriemens bestimmt. Diese Werte basieren ebenfalls auf Versuchsergebnissen. Die benutzten Motorzählungswerte sind dergestalt, daß die Millisekunden-Aktualisierungen, von denen jede die Motorzählung um Eins rückwärts zählt (Block 262 , die gewünschten Motorfrequenzen bereitstellen. So führt die Benutzung eines Binärwerts von 8 als die Motorzählung beispielsweise zu einer Motorfrequenz von ca. 120 Hz, und die Benutzung eines Binärwerts von 16 als die Motorzählung führt zu einer Motorfrequenz von ca. 60 Hz.
Es ist zu beachten, daß jede Millisekunden-Aktualisierung (Figur 9) sowohl die Impulszählung (Block 256) als auch die Motorzählung (Block 262) um Eins rückwärts zählt. Somit beträgt der Motorarbeitszyklus weniger als 100 %, wenn die Impulszählung niedriger ist als die Motorzählung.
Figur 10 mit der Überschrift "16 Hz Service" zeigt eine Überwachungs-Programmroutine, die einen Geschwindigkeitskontrollwert ('Ctrl') mit einer vorgewählten Geschwindigkeit von 10 Fuß/min/sek zu dem vom Benutzer gewählten Geschwindigkeits- Vorgabewert ('cmd') vortransportiert, solange das Schwungrad nicht angehalten wird und der Riemen nicht durchhängt. Wenn das Schwungrad zum Stillstand kommt, wird der Ctrl-Wert einem vorgewählten Mindestwert zugeordnet; wenn der Riemen durchhängt, wird der Ctrl-Wert auf den Mindestwert rückwärts gezählt. Die Auswirkung dieser Prozedur ist die Bereitstellung eines allmählichen, jedoch wirksamen Übergangs, während der Benutzer auf das Treppensteiggerät aufsteigt oder von ihm heruntersteigt. Außerdem werden durch den Inkrementalprozeß zur Nullung des Fehlerwertes hin Überschwingungs- und Nachlauftendenzen in dem Geschwindigkeitssteuersystem reduziert.
Die im vorhergehenden Absatz erwähnte, vorgewählte Rate ist ein Beschleunigungs- und Verlangsamungs-Grenzwert, der Änderungen in der Geschwindigkeit während des Startens und Stoppens des Treppensteiggeräts kontrolliert. Falls gewünscht, kann die Verlangsamungsrate während der Geschwindigkeitsverminderung höher sein als die Beschleunigungsrate während der Geschwindigkeitserhöhung. Wenn die tatsächliche Geschwindigkeit und die Vorgabegeschwindigkeit in etwa Übereinstimmung erreichen, beeinträchtigt die Begrenzung der Geschwindigkeitsrate nicht die Funktion des Geräts.
Am Entscheidungeblock 290 wird ermittelt, ob die Schwungradgeechwindigkeit größer als Null ist. Falls nicht, wird 'Control' am Prozeßblock 292 auf den Minimalwert eingestellt. Falle der Riemen den Durchhangsensor betätigt hat, steigt der Prozeß am Bntscheidungsblock 294 aus dem Zyklus aus. Hat der Riemen den Durchhangssensor nicht betätigt, wird am Prozeßblock 296 das Spann-Signal gelöscht, wodurch das System für die Lösefunktion eingestellt wird. Die Impulsbreite wird ebenfalls am Prozeßblock 298 auf 50 % ihres Maximalwerts eingestellt.
Falls am Prozeßblock 290 festgestellt wird, daß die Geschwindigkeit größer als Null ist, ist der nächste Schritt die Ermittlung am Entscheidungsblock 300, ob der Riemen den Durchhangsensor betätigt hat. Lautet die Antwort am Block 300 "Ja", ist der nächste Schritt eine Entscheidung am Block 302, ob sich 'Control' auf dem Minimalwert befindet. Falls ja, steigt der Prozeß aus dem Zyklus aus. Falls sich 'Control' nicht auf dem Minimalwert befindet, wird es am Prozeßblock 304 um Eins rückwärts gezählt, und der Prozeß steigt aus dem Zyklus aus.
Ist die Antwort am Entscheidungsblock 300 negativ, bewegt sich der Prozeß zum Entscheidungsblock 306 hin, der ermittelt, ob 'Control' gleich 'Command' (dem vom Benutzer gewählten Wert) ist. Lautet die Antwort am Block 306 "Ja", steigt der Prozeß aus dem Zyklus aus. Ist die Antwort am Block 306 negativ, bestimmt eine Entscheidung am Block 308, ob 'Control' größer ist als 'Command'. Lautet die Antwort am Block 308 "Ja", wird der Kontrollwert am Prozeßblock 304 um Eins rückwärts gezählt, bevor aus dem Zyklus ausgestiegen wird. Ist die Antwort am Block 308 negativ, wodurch angezeigt wird, daß 'Control' geringer ist als 'Command', wird der Kontrollwert am Block 310 um Eins vorwärts gezählt, bevor aus dem Zyklus ausgestiegen wird.
Die Vorwärts- und Rückwärtszähleinheit an den Blöcken 304 und 310 ist ein Fuß pro Minute auf der Basis der Art des errechneten Fehlerwerts (Block 212). Besteht ein größerer Fehlerwert, wie beim Starten und Stoppen des Geräts, kann die Zeit, die benötigt wird, um den Kontrollwert auf den Vorgabewert zu bringen, mehrere Sekunden betragen.
Nachfolgendes ist eine kurze Übersicht über die drei Logikdiagramme (Figuren 8-10). Die Geschwindigkeits-Steuerlogik, in 'Rev Sensed' gezeigt, wird durchgeführt, wenn neue Geschwindigkeitsinformationen empfangen werden, d.h. wenn der optische Sensor den Rand einer Zeile auf der Codiererscheibe erkennt. Sie errechnet die tatsächliche Geschwindigkeit, vergleicht sie mit der Kontrollgeschwindigkeit, und errechnet eine Motorimpulsbreite und ein Richtungs-Signal (flag), die sie sodann im Speicher abspeichert. 'Millisekunden-Aktualisierung', wie in dem Flußdiagramm gezeigt, führt zwei verschiedene Aufgaben durch: Begrenzungslogik und Motorsignalerzeugung. Diese Funktionen sind mechanisch und könnten problemlos in Hardware ausgeführt werden. '16 Hz Update' übernimmt die Anpassung der Kontrollgeschwindigkeit an die vom Benutzer programmierte Geschwindigkeit, und reagiert ebenfalls auf dieselben Grenzbedingungen wie die Millisekunden-Begrenzungslogik, bei angehaltenem Schwungrad und Riemendurchhang, jedoch auf einer etwas höheren Ebene. Ihre Reaktion auf einen Stopp besteht darin, mit dem Lösen des Riemens zu beginnen - eine Prozedur, die schließlich durch die Begrenzungslogik unterbrochen wird. Ihre Reaktion auf Durchhang besteht darin, die Kontrollgeschwindigkeit zu vermindern; die Millisekunden-Aktualisierung würde das zu schnell erledigen, um nützlich zu sein.
Das Motorsteuersystem muß die tatsächliche Schwungradgeschwindigkeit mit minimalen Veränderungen auf der vom Benutzer gewählten Geschwindigkeit aufrechterhalten, sobald sich das Treppensteiggerät in vollem Betrieb befindet. Das Motorsteuersystem sollte ebenfalls in der Lage sein, eine allmähliche Geschwindigkeitserhöhung des Schwungrades herbeizuführen, wenn der Benutzer die Übung beginnt, und eine allmähliche Geschwindigkeitsverminderung des Schwungrades, wenn der Benutzer die Übung beendet.
Das Ausmaß der Übung des Benutzers wird durch die Geschwindigkeit des "Steigens" von Stufen und durch die Höhe dieser Stufen bestimmt. In einer gegebenen Einstellung des Geräts wird ein schnellerer Wechsel der Pedale durch den Benutzer von einer geringeren Schwingung der Pedale zwischen deren oberer und unterer Stellung begleitet.
Wie bereits angeführt, sind die Auf- und Absteigefunktionen wichtige Aspekte eines Übungsgeräts zum Simulieren des Treppensteigens. Nachstehendes ist eine Rekapitulation dieser Funktionen in dem offenbarten Gerät.
Angenommen, der Benutzer steigt bei oder nahe der programmierten Geschwindigkeit von dem Gerät herunter. Der Motor könnte den Riemen zu diesem Zeitpunkt spannen; diese Reibung bewirkt bei fehlender Eingabe vom Benutzer, daß sich das Schwungrad langsamer dreht. Wenn es seine Geschwindigkeit bis unter die Kontrollgeschwindigkeit vermindert hat, löst der Motor den Riemen gemäß der Geschwindigkeits-Steuerlogik. Das Schwungrad versäumt es zu beschleunigen, weil niemand es antreibt, und der Riemen wird weiter gelöst, bis er durchhängt. An dieser Stelle wird der Motor durch die Millisekunden- Begrenzungslogik abgeschaltet.
Bei der nächsten 16 Hz-Aktualisierung wird diese Situation erkannt, und die Kontrollgeschwindigkeit wird vermindert. Liegt die tatsächliche Geschwindigkeit unter diesem Punkt, geschieht nichts, weil die Begrenzungslogik weiteres Lösen verhindert, wenn der Riemen durchhängt; somit wird bei aufeinanderfolgenden 16 Hz-Aktualisierungen die Kontrollgeschwindigkeit solange rückwärts gezählt, bis die Kontrollgeschwindigkeit weniger wird als die tatsächliche Geschwindigkeit. Sobald dies eintritt, wird der Riemen wieder entsprechend der Geschwindigkeits- Steuerlogik gespannt, und die Schwungradgeschwindigkeit vermindert sich weiter.
Es ist zu beachten daß, der Riemen, wenn er gespannt ist, nicht mehr durchhängt, und die 16 Hz-Logik zählt die Kontrollgeschwindigkeit solange vorwärts, bis wieder Durchhang erreicht ist. Trotzdem wird diese kurze Vorwärtszählung wieder rückwärts gezählt, wenn der Riemen durchhängt, weil die Geschwindigkeits- Steuerlogik das Spannen nicht eher wieder aufnimmt, bis die Kontrollgeschwindigkeit unter der tatsächlichen Geschwindigkeit liegt.
Diese Ereignisfolge wiederholt sich solange, bis das Schwungrad zum Stillstand kommt oder der Benutzer wieder auf das Gerät steigt. Beim Wiederaufsteigen beschleunigt der Benutzer das Schwungrad, falls der Riemen durchhängt, wodurch die Kontrollgeschwindigkeit überschritten und bewirkt wird, daß der Riemen gespannt wird. Während der Riemen nicht durchhängt, zählt die Kontrollgeschwindigkeit vorwärts, bis die programmierte Geschwindigkeit erreicht ist.
Steigt der Benutzer nicht wieder auf das Gerät, bremst das Schwungrad bis zum Stillstand ab, woraufhin der 16 Hz-Service den Motor mit halber Geschwindigkeit in Löserichtung einschaltet. Die Begrenzungslogik schaltet den Motor ab, wenn Durchhang erkannt wird.
Das Aufsteigen auf ein angehaltenes Steiggerät ist ein Sonderfall des erneuten Besteigens. Der Riemen hängt durch, und die Kontrollgeschwindigkeit ist minimal, wodurch bewirkt wird, daß der Riemen angezogen wird, und die Kontrollgeschwindigkeit zur programmierten Geschwindigkeit hinkommt.
Eine Analyse der Erfordernisse dieses Übungsgeräts zum Simulieren des Treppensteigens hat gezeigt, daß bestimmte Verhaltensmerkmale in dieser Maschine wünschenswert sind. Es sollte mit einer langsamen Geschwindigkeit anfangen, wenn der Benutzer erstmals auf eines der Pedale tritt. Die unerwünschten Alternativen wären (1), daß die Maschine den Benutzer wegen des mangelnden Widerstands abrupt auf den Boden fallen lassen würde, oder (2), daß die Maschine voll abgebremst würde und den Benutzer bis zur Ausgabe eines Startbefehls am oberen Hubende tragen würde. Auch sollte die Maschine von selbst anhalten und in ihren Ausgangszustand zurückkehren, wenn der Benutzer mit dem Steigen aufhört, und sie sollte in der Lage sein, den Betrieb bei ihrer vorherigen Einstellung wiederaufzunehmen.
Um diese Ziele zu erreichen, wird die Steuereinheit zusätzlich zu der grundlegenden Geschwindigkeits-Kontrollreaktion mit mehreren Verhaltensmaßregeln geliefert:
1) Wenn das Schwungrad angehalten wird, wird der Riemen langsam gelöst, und die Kontrollgeschwindigkeit wird auf den Minimalwert eingestellt.
2) Das Lösen hört auf, wenn Durchhang erkannt wird, und die Kontrollgeschwindigkeit wird zum Minimalwert rückwärts gezählt.
3) Die Kontrollgeschwindigkeit kommt allmählich an die Benutzervorgabe heran, während sich das Schwungrad in Bewegung befindet.
Die Auswirkung dieser Maßregeln besteht darin, daß die Maschine langsam startet, wenn der Benutzer auf sie hinaufsteigt, und sich allmählich auf die gewählte Geschwindigkeit beschleunigt (solange der Benutzer mit ihr mithält). Wenn der Benutzer absteigt, fällt die Geschwindigkeit unter die Kontrollrate ab, so daß der Riemen gelöst wird, bis Durchhang abgetastet wird, woraufhin die Kontrollrate stufenweise vermindert wird, bis sie weniger als die Schwungradgeschwindigkeit beträgt. Dann wird das Schwungrad solange abgebremst, bis seine Geschwindigkeit unter die Kontrollrate abfällt, undsoweiter. Dieser Zyklus wiederholt sich solange, bis das Schwungrad zum Stillstand kommt, woraufhin der Riemen gelöst wird, bis Durchhang erkannt wird. Falls der Benutzer während des Verlangsamungsprozesses wieder auf das Gerät steigt, nimmt das Schwungrad wieder eine sanfte Beschleunigung zur gewählten Geschwindigkeit auf.
Die einzigen Maßnahmen, die der Benutzer ergreifen muß, sind die Auswabl einer Steiggeschwindigkeit unter Benutzung der Frontplattenschalter, und das Steigen mit dieser Geschwindigkeit, bis die Übung beendet ist.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß das in dieser Anmeldung offenbarte Gerät und die darin offenbarte Methode die bedeutsamen funktionellen Vorteile bereitstellt, die im einleitenden Teil der Beschreibung zusammengefaßt sind.
Die nachstehenden Ansprüche sollen nicht nur die offenbarten spezifischen praktischen Ausführungsformen und Methoden erfassen, sondern ebenfalls Erfindungskonzepte, die hierin in dem durch den Stand der Technik erlaubten optimalen Umfang und Ausmaß erläutert sind.

Claims

1. Übungsgerät zum Simulieren des Treppengehens, welches (a) vom Benutzer betätigte Pedalen (20,22) aufweist, die von einer oberen zu einer unteren Stellung durch das Gewicht des Benutzers mit einer vorbestimmten Gehgeschwindigkeit bewegbar sind, und (b) ein bewegbares Element (80), dessen Bewegungsgeschwindigkeit mit der Gehgeschwindigkeit variiert und ein die Leistung des Benutzers kontrollierendes System aufweist, gekennzeichnet durch: eine mechanische Reibungsvorrichtung (82) zur Beaufschlagung einer Breinskraft auf das bewegbare Element, um seine Bewegungsgeschwindigkeit zu steuern;

eine Geschwindigkeitsmeßvorrichtung (Fig. 5,90) zur Darstellung der tatsächlichen Bewegungsgeschwindigkeit des bewegbaren Elements;

eine vom Benutzer gesteuerte Vorrichtung (166, 170, 172, 174) zur Einführung der vorgegebenen Geschwindigkeit als eine Geschwindigkeitsgröße, welche die vom Benutzer gewünschte Gehgeschwindigkeit darstellt;

eine den Fehlerwert bestimmende Vorrichtung (Fig.5) zur Anzeige der momentanen Differenz, falls eine solche zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit, dargestellt durch die Geschwindigkeitsmeßvorrichtung, und die vorgegebene Geschwindigkeit, welche durch die vom Benutzer betätigte Vorrichtung dargestellt wird, vorhanden ist, und eine Betätigungsvorrichtung (84) zur Erzeugung eines Reibungsanstiegs, wenn der Fehlerwert anzeigt, daß die tatsächliche Geschwindigkeit die vorgegebene Geschwindigkeit überschreitet und eine Abnahme der Reibung, wenn der Fehlerwert anzeigt, daß die vorgegebene Geschwindigkeit die tatsächliche Geschwindigkeit unterschreitet.

2. Übungsgerät nach Anspruch 1, bei dem das bewegbare Element als ein rotierendes Rad (80) ausgebildet ist und die Bremsvorrichtung zur Veränderung der Geschwindigkeit der Bewegung des bewegbaren Elements folgendes aufweist:

eine Bremse (82), welche so ausgebildet ist, daß sie das rotierende Rad umfaßt; und eine Betätigungsvorrichtung (84), die eine Kraft zur Erzeugung einer Bewegung in eine Richtung ausübt, um die Reibung zwischen der Bremse und dem Rad zu erhöhen, oder zur Erzeugung einer Bewegung in eine andere Richtung, um die Reibung zwischen der Bremse und dem Rad zu verringern.

3. Übungsgerät nach Anspruch 2, welche ferner folgendes aufweist:

eine Vorrichtung (Fig.5), welche bewirkt, daß die Größe der von der Betätigungsvorrichtung ausgeübten Kraft wesentlich größer ist, wenn die Reibung ansteigend ist als wenn sie abnehmend ist.

4. Übungsgerät nach den Ansprüchen 2 oder 3, bei der das rotierende Rad (80) ein Schwungrad ist und die Bremse (82) als ein Riemen ausgebildet ist, der den Umfang des Schwungrades umfaßt, um auf die Schwungradbewegung einen Widerstand auszuüben.

5. Übungsgerät nach Anspruch 4, bei der die Betätigungsvorrichtung (84) als ein Elektromotor ausgebildet ist, der mit einem Ende des Riemens (82) verbunden ist, so daß die Drehung des Motors in die eine Richtung ein Anziehen des Riemens und eine Drehung des Motors in die andere Richtung ein Lösen des Riemens bewirkt.

6. Übungsgerät nach den Ansprüchen 4 oder 5, welches ferner folgendes aufweist:

Vorrichtungen (98, 190) zur Messung des Spiels im Riemen; und Vorrichtungen (Fig. 5) zur Vermeidung einer Bewegung der Betätigungsvorrichtung in Löserichtung des Riemens, wenn ein Spiel des Riemens gemessen wird.

7. Übungsgerät nach Anspruch 5, welches ferner folgendes aufweist:

eine Vorrichtung zur Veränderung der Motorleistung (Figuren 5, 6 und 8) während einer vorgegebenen Zeitspanne; sowie Vorrichtungen (Figuren 5, 6, 8), die auf die Größe des Fehlerwertes ansprechen, um die Vorrichtung zur Veränderung der Motorleistung zu veranlassen Leistung zur Verfügung zu stellen, welche ab- oder zunimmt wenn die Größe des Fehlerwertes ab- oder zunimmt.

8. Übungsgerät nach Anspruch 7, bei der die Motorleistung durch Impuls-Breitenmodulation variiert wird.

9. Übungsgerät nach den Ansprüchen 4 bis 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen stabilen Anker (94), mit dem das Ende des Reibriemens, welches von der Betätigungsvorrichtung abgewandt ist, verbunden ist; und eine elastische Verbindung (182) zwischen dem Reibriemen und dem Anker, welche ein sanftes Eingreifen des Riemens und des Schwungrades ermöglicht.

10. Übungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch eine die Beschleunigungsrate begrenzende Vorrichtung (82, 84, Fig.5) welche sicherstellen soll, daß die Geschwindigkeitszunahme des bewegbaren Elements während der Perioden in denen das bewegbare Element durch den Benutzer angetrieben wird, langsam erfolgt.

11. Übungsgerät nach den Ansprüchen 2 bis 9, oder 10, gekennzeichnet durch:

eine Begrenzungsvorrichtung der angegebenen Rate (Fig. 5, 8), welche sicherstellen soll, daß ein langsamer werden des bewegbaren Elements während der Perioden, in denen das bewegbare Element nicht durch den Benutzer angetrieben wird, allmählich erfolgt.

12. Übungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

Mittel (Fig. 5, 8), welche bewirken, daß die Betätigungsvorrichtung die Reibung aufgrund des Anstiegs des Fehlerwertes erhöht, wenn die tatsächliche Geschwindigkeit größer als die vorgegebene Geschwindigkeit ist, und die Reibung aufgrund eines Anstiegs des Fehlerwertes verringert, wenn die vorgegebene Geschwindigkeit größer als die tatsächliche Geschwindigkeit ist.

13. Übungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder 11 gekennzeichnet durch:

Mittel (Fig.5,8), welche bewirken, daß die Betätigungsvorrichtung die Reibung aufgrund des Anstiegs der tatsächlichen Geschwindigkeit erhöht und die Reibung aufgrund der Abnahme der tatsächlichen Geschwindigkeit verringert.

14. Verfahren zur Steuerung der Übungsrate des Benutzers eines Übungsgerätes, welches das Treppengehen simuliert, wobei das Gerät folgendes aufweist: (a) vom Benutzer betätigte Pedalen, wobei jede durch das Gewicht des Benutzers von einer oberen in eine untere Stellung mit einer Gehgeschwindigkeit des Benutzers bewegbar ist und (b) ein bewegbares Element, dessen Geschwindigkeit mit der Gehgeschwindigkeit variiert.