EP0865804B1 - Trainingsgerät für Bewegungsbehinderte - Google Patents

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EP0865804B1
EP0865804B1 EP98104648A EP98104648A EP0865804B1 EP 0865804 B1 EP0865804 B1 EP 0865804B1 EP 98104648 A EP98104648 A EP 98104648A EP 98104648 A EP98104648 A EP 98104648A EP 0865804 B1 EP0865804 B1 EP 0865804B1
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EP
European Patent Office
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speed
crank
regulating
controlling
training apparatus
Prior art date
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EP98104648A
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English (en)
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Martin Reck
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP0865804B1 publication Critical patent/EP0865804B1/de
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    • A63B71/0009—Games or sports accessories not covered in groups A63B1/00 - A63B69/00 for handicapped persons
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    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B21/00—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices
    • A63B21/00181—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices comprising additional means assisting the user to overcome part of the resisting force, i.e. assisted-active exercising
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    • A63B21/005—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices using electromagnetic or electric force-resisters
    • A63B21/0058—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices using electromagnetic or electric force-resisters using motors
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    • A63B22/0002—Exercising apparatus specially adapted for conditioning the cardio-vascular system, for training agility or co-ordination of movements involving an exercising of arms
    • A63B22/0005—Exercising apparatus specially adapted for conditioning the cardio-vascular system, for training agility or co-ordination of movements involving an exercising of arms with particular movement of the arms provided by handles moving otherwise than pivoting about a horizontal axis parallel to the body-symmetrical-plane
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    • A63B22/0002—Exercising apparatus specially adapted for conditioning the cardio-vascular system, for training agility or co-ordination of movements involving an exercising of arms
    • A63B22/0007—Exercising apparatus specially adapted for conditioning the cardio-vascular system, for training agility or co-ordination of movements involving an exercising of arms by alternatively exercising arms or legs, e.g. with a single set of support elements driven either by the upper or the lower limbs
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    • A63B22/06—Exercising apparatus specially adapted for conditioning the cardio-vascular system, for training agility or co-ordination of movements with support elements performing a rotating cycling movement, i.e. a closed path movement
    • A63B22/0605—Exercising apparatus specially adapted for conditioning the cardio-vascular system, for training agility or co-ordination of movements with support elements performing a rotating cycling movement, i.e. a closed path movement performing a circular movement, e.g. ergometers
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    • A63B2220/50—Force related parameters
    • A63B2220/54—Torque
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S482/00—Exercise devices
    • Y10S482/904—Removably attached to wheelchair, home furnishing, or home structure

Definitions

  • the invention relates to a training device with a crank for the disabled according to the preamble of claim 1.
  • Exercise equipment with a crank are in diverse Embodiments have become known and regularly a mechanical structure with a large flywheel.
  • the flywheel has the task of a balanced one To ensure rotation of the crank. Through this However, flywheel is the size and shape of a Training device determined in a disadvantageous manner.
  • a movement trainer is disclosed in US Pat. No. 5,256,115, in which the flywheel is also electronically simulated to have the properties of a physically actually present flywheel.
  • a change in speed ⁇ n, whether positive or negative, is therefore proportional to this over the entire value range of the torque on the pedal, since the other variables are adjustable, but then remain unchanged during many revolutions.
  • This movement trainer is designed as a training device for competitive athletes and thus for people who have unimpaired mobility. A drive of the pedals generated by the movement trainer is not provided.
  • the invention has for its object a training device to provide for the disabled, with which on remaining movement options or residual muscle strength can be responded to in order to be as effective as possible To ensure the training process.
  • the invention is based on a training device with a crank for people with reduced mobility, pedals or the like being provided on the crank arms for connection to the feet or arms of the exercising person. Furthermore, the training device comprises an electric motor which is connected to the crank, power electronics and means for regulating and / or controlling the speed n of the crank.
  • the essence of the invention lies in the fact that the power electronics are designed at least to drive the motor and the means for regulating and / or controlling the speed of the crank with regard to a change in the speed of the crank are designed such that with a previous energy supply E K by a Torque M K applied by the exerciser to the crank, which has led to an increase in speed, there remains an increase in speed ⁇ n if the mechanical system present in the training device or electronically simulated immediately after the supply of energy has an amount of energy due to a braking torque M B and / or due to frictional moments M R and / or is withdrawn by the exerciser, which corresponds to a value which results from the energy supply E K minus the energy loss during this energy supply due to a braking torque M B and / or friction moments M R.
  • the resolution is determined from the sampling time T when the torque or a parameter proportional to the torque is detected, the sampling time T being able to be significantly less than the period of a crank revolution.
  • a braking torque M B is defined, which can also have the value "zero", with a value M K > M B of the torque on the crank, the means for regulating and / or controlling the speed n are designed for an increase in speed and for M K ⁇ M B for decreasing the speed, and the amount of the speed change caused by the means for regulating and / or controlling the speed ⁇ n for M K > M B is greater than for M K ⁇ M B.
  • a base speed can be set by means of regulating and / or controlling the speed. This measure allows a patient to be moved passively without having to apply any torque to the crank itself. However, as soon as he B. overcomes a preset braking torque M B , he can also increase the speed.
  • the means for regulating and / or controlling the speed switch off the basic speed specification when a previously set limit torque M K, limit on the crank occurs when the crank is driven by the engine. This avoids injuries that can occur when a rotation z. B. would be forced if the trainee cramps.
  • the means for regulating and / or controlling the speed are designed for slowly swinging the crank and resuming the basic speed. The pendulum process of the crank or a rocking movement of the crank can begin with a small angular deflection, which is increased until the rocking movement changes into a rotary movement again.
  • An embodiment in which the means for regulating and / or controlling the rotational speed for starting in the direction opposite to the previous direction of rotation is designed is also favorable. This corresponds to the antagonistic principle for solving a spasm.
  • the figure shows the block diagram of a preferred circuit to control or regulate an inventive Training device.
  • the figure is intended to illustrate the function of a training device according to the invention on the basis of a schematically illustrated block diagram of a circuit 1 for control and / or regulation.
  • circuit 1 the flow of information is represented by arrows drawn in solid lines, whereas the flow of energy is to be symbolized by arrows drawn in bold.
  • the circuit according to the invention comprises an operating unit 2 via which a basic speed n 0 , a braking torque M B , a maximum permitted torque on the crank M K, max and various other parameters can be entered. These values are passed on to a general control unit 3 in accordance with the arrows labeled n 0 , M B , M K, max and 100 in circuit 1.
  • the general control unit 3 is also supplied with a signal 101 that the actual rotational speed corresponds to the crank (not shown) connected to an electric motor 4, which is used to hold the feet of a trainee.
  • the general control unit 3 also receives a signal 102 for information and, if necessary, adaptation purposes, which corresponds to the actual torque M K on the crank.
  • the torque signal 102 is further fed to a control unit 5 for the speed change ⁇ n and a control unit 6 for the speed and the torque on the crank.
  • the speed signal 101 also supplies the control unit 6 for the speed and the torque.
  • a core element of the circuit 1 is the control unit 5 for the speed change ⁇ n.
  • M K represents the torque on the crank
  • M B the braking torque
  • A a factor
  • k a value dependent on the difference value M K - M B.
  • the basic speed n 0 entered by the control unit 2 is used as the basis for this calculation. That means for a first speed change ⁇ n the new target speed n new results from the sum of n 0 and ⁇ n. This value then serves as the old target speed for the next calculation of the new target speed. In the event that there is a negative speed change ⁇ n, the speed does not fall below the value n 0 due to the basic speed setting.
  • the respective current target speed n new is passed on to the control unit 6 for the speed and the torque, which, by processing the speed signal 101, transmits a manipulated variable 103 to power electronics 7, which then energize the electric motor 4 connected to the crank in order to achieve the target speed.
  • a maximum crank torque M K, max can be set on the control unit 2 that passes through the control unit 3 to the control unit. If the torque signal 102 exceeds this permissible torque, the basic speed specification is switched off and the crank comes to a standstill. The control unit 3 then starts to run up from standstill. With the appropriate presetting, the direction of rotation can be changed. This is useful, for example, when the torque limitation is used for spastic disabled people in cramped conditions. The opposite start of the crank corresponds to the antagonistic principle of the cramp solution.
  • control units 3, 5, 6 are implemented in a microcontroller 8, which implements digital signal processing.
  • a speed change .DELTA.n and a new target rotational speed from n recalculated after every sampling time T.
  • the sampling time T is much smaller than the period of the rotary movement on the crank, speed changes are made during small angular rotations of the crank. This creates a highly dynamic relationship between a moment M K at the crank and a subsequent change in speed.
  • a training device for movement-impaired persons, with which a continuous training sequence largely determined by the handicapped person himself can be guaranteed even with the smallest residual muscle forces. If the patient has only very small residual muscle forces, the braking torque M B can be reduced to such an extent that the value M K - M B becomes positive even with a very small torque on the crank, but causes a large speed change by means of a correspondingly small value for k . As soon as the patient is no longer able to apply torque to the crank, the speed does not drop with this small value for k.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Trainingsgerät mit einer Kurbel für Bewegungsbehinderte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Trainingsgeräte mit Kurbel sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt geworden und weisen regelmäßig einen mechanischen Aufbau mit einer großen Schwungmasse auf. Die Schwungmasse hat die Aufgabe, eine ausgeglichene Drehbewegung der Kurbel zu gewährleisten. Durch diese Schwungmasse wird jedoch die Baugröße und Bauform eines Trainingsgerätes in nachteiliger Weise bestimmt. Die Vorgabe eines Bremsmomentes erfolgt dagegen bei einigen Ausführungsformen auf elektronischem Wege. Das Bremsmoment stellt ein Moment dar, welches der Kurbel entgegenwirkt.
In der US-Patentschrift 5,256,115 ist ein Bewegungstrainer offenbart, bei dem ebenfalls das Schwungrad auf elektronischem Wege simuliert wird, daß die Eigenschaften eines physikalisch tatsächlich vorhandenen Schwungrades aufweist. Das heißt eine Drehzahländerung Δn kann über den gesamten Wertebereich eines Drehmoments MPedal an den Pedalen durch die folgende Funktion beschrieben werden:
Δn = (MPedal - MB) * A / J wobei MB ein einstellbares Bremsmoment, A eine Konstante und J ein Trägheitsmoment darstellen. Eine Drehzahländerung Δn, ob nun positiv oder negativ ist somit über den gesamten Wertebereich des Drehmoments am Pedal zu diesem proportional, da die übrigen Größen zwar einstellbar sind, jedoch dann während vieler Umdrehungen unverändert bleiben. Dieser Bewegungstrainer ist als Übungsgerät für Leistungssportler und somit für Personen konzipiert, die eine unbeeinträchtigte Bewegungsfähigkeit besitzen. Ein vom Bewegungstrainer erzeugter Antrieb der Pedale ist nicht vorgesehen.
Bei Kranken mit geringen Restkräften, auch bei einseitigen Lähmungen (z. B. als Folge eines Schlaganfalls) besteht jedoch die Schwierigkeit, daß überhaupt eine Bewegung, womöglich sogar eine runde Bewegung zustande kommt. Solche Patienten können meistens nur auf einem Teil einer Umdrehung Muskelkraft ausüben. Daher wurden aktiv/passiv-Trainer entwickelt, die die Möglichkeit haben, eine Drehbewegung weiterzuführen, auch wenn der Patient nicht mehr in der Lage ist, ein Drehmoment auf eine Kurbel aufzubringen.
Der Nachteil dieser Geräte besteht jedoch darin, daß ein Trainierender mit wenig Restmuskelkräften durch ein aktives Mittreten, die Drehbewegung im wesentlichen nicht beeinflussen kann.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trainingsgerät für Bewegungsbehinderte bereitzustellen, mit welchem auf verbleibende Bewegungsmöglichkeiten bzw. Restmuskelkräfte reagiert werden kann, um einen möglichst effektiven Trainingsablauf zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Trainingsgeräts angegeben.
Die Erfindung geht von einem Trainingsgerät mit einer Kurbel für Bewegungsbehinderte aus, wobei an den Kurbelarmen Pedale oder dergleichen zur Verbindung mit den Füßen oder Armen der trainierenden Person vorgesehen sind. Ferner umfaßt das Trainingsgerät einen Elektromotor, der mit der Kurbel verbunden ist, eine Leistungselektronik und Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl n der Kurbel. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, daß die Leistungselektronik wenigstens zum Antreiben des Motors ausgelegt ist und die Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl der Kurbel im Hinblick auf eine Drehzahländerung der Kurbel derart ausgelegt sind, daß bei vorangegangener Energiezufuhr EK durch ein vom Trainierenden aufgebrachtes Drehmoment MK an der Kurbel, die zu einer Drehzahlerhöhung geführt hat, eine Drehzahlerhöhung Δn verbleibt, wenn dem im Trainingsgerät vorhandenen oder elektronisch nachgebildeten mechanischen System unmittelbar nach der Energiezufuhr eine Energiemenge aufgrund eines Bremsmoments MB und/oder durch Reibmomente MR und/oder durch den Trainierenden entzogen wird, die einem Wert entspricht, der sich aus der Energiezufuhr EK abzüglich des Energieverlusts während dieser Energiezufuhr aufgrund eines Bremsmoments MB und/oder von Reibmomenten MR ergibt. Als Haupteffekt dieser Vorgehensweise klingt eine durch ein vom Trainierenden aufgebrachtes Drehmoment MK aufgetretene kurzfristige Drehzahlerhöhung nur langsam wieder ab. Bei herkömmlichen Trainingsgeräten ist der oben beschriebene Energiezusammenhang im Hinblick auf die Drehzahl anders gelagert. Wird einem solchen System derjenige Anteil der Energie entnommen, der sich aus der Differenz der vom Tretenden dem System zugeführten Energie und der vom System absorbierten Brems- und/oder Reibungsenergie ergibt, dreht die Kurbel wieder mit der Drehzahl, wie vor der Energiezufuhr durch den Tretenden (sofern ein Freilauf, der die Kurbel in Tretrichtung nicht mitnimmt, außer Betracht bleibt).
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl für eine Drehzahländerung Δn als Funktion eines Drehmoments MK an der Kurbel gemäß Δn = f (MK) ausgelegt, wobei sich eine neue Drehzahl nneu aus der alten Drehzahl nalt nach dem Zusammenhang nneu = nalt + Δn ergibt, und wobei die Funktion Δn = f (MK) für bestimmte vorher festgelegte Wertebereiche von MK unterschiedlich ist.
Auf diese Weise lassen sich insbesondere unterschiedliche Beträge einer Drehzahländerung bei der Beschleunigung und bei der Verlangsamung der Kurbel derart erzielen, daß durch Wahl der Funktion Δn = f(MK) in einem bestimmten Bereich des Drehmoments MK z. B. bereits ein minimales vom Patienten aufgebrachtes Drehmoment ausreicht, um eine starke Drehzahlerhöhung herbeizuführen. Dabei können impulsartige, übergroße vom Patienten auf die Kurbel übertragene Drehmomentanteile "ausgeblendet" werden, so daß eine starke Drehzahlerhöhung nur in einem bestimmten Wertebereich des Kurbeldrehmoments MK zugelassen ist.
Änderungen der Drehzahl können in Abhängigkeit von der Auflösung der Drehzahlregelung bereits bei kleinen Winkelbereichen innerhalb einer Kurbelumdrehung stattfinden. Beispielsweise wird bei einer diskreten Signalverarbeitung die Auflösung von der Abtastzeit T bei einer Erfassung des Drehmoments bzw. eines zum Drehmoment proportionalen Parameters bestimmt, wobei die Abtastzeit T wesentlich kleiner als die Periodendauer einer Kurbelumdrehung sein kann. Bei einer solchen Abtastung kann z. B. die Funktion für die Drehzahländerung Δn in Form von Δn = n(ti) - n(ti-1) = F(MK,ti-1) geschrieben werden, wobei (ti) - (ti-1) die Zeit zwischen zwei Abtastungen also der Abtastzeit T entspricht.
Um über ein einfaches Kriterium für das Beschleunigen und langsamer werden der Kurbel zu verfügen, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, daß ein Bremsmoment MB definiert wird, welches auch den Wert "Null" aufweisen kann, wobei für einen Wert MK > MB des Drehmoments an der Kurbel die Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl n für eine Drehzahlzunahme und für MK < MB zur Abnahme der Drehzahl ausgelegt sind und wobei der Betrag der von den Mitteln zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl bewirkten Drehzahländerung Δn für MK > MB größer als für MK<MB ist. Durch diese Maßnahme wird eine Art "Restmuskelkraftverstärkung" realisiert. Das bedeutet, daß die Drehzahl, sofern der Patient ein vorher festgelegtes Bremsmoment überschreitet, eine starke Drehzahlerhöbung bewirken kann, die bei Unterschreitung des Bremsmoments nur langsam abfällt. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt neben einem erst möglich werdenden kontinuierlichen Trainingsablauf bei selbst winzigen Restmuskelkräften in nicht zu unterschätzender Weise auch in der positiven psychologischen Wirkung. Denn der Patient realisiert möglicherweise zum ersten Mal, daß er überhaupt über Restmuskelkräfte verfügt und darüber hinaus imstande ist, damit eine runde Tretbewegung zu erzeugen.
Für eine einfache Realisierungsmöglichkeit der Erfindung wird außerdem vorgeschlagen, daß die Funktion der Drehzahländerung Δn der nachstehenden Gesetzmäßigkeit folgt: Δn ∼ (MK - MB) / k wobei "∼" für proportional steht und "k" ein Faktor ist, der für MK - MB > 0 wenigstens einen Wert k = ki und für MK - MB < 0 wenigstens einen Wert k = kj mit ki < kj annimmt, so daß für MK - MB > 0 die Drehzahl stärker zunimmt als sie für MK - MB < 0 abnimmt. Für eine derartige Regelung läßt sich in besonders einfacher Weise z. B. ein Mikroprozessor entsprechend programmieren.
Besonders vorteilhaft ist die Weiterbildung der Erfindung dahingehend, daß über die Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl eine Grunddrehzahl einstellbar ist. Durch diese Maßnahme kann ein Patient passiv durchbewegt werden, ohne selbst ein Drehmoment auf die Kurbel aufbringen zu müssen. Sobald er jedoch z. B. ein voreingestelltes Bremsmoment MB überwindet, kann er darüber hinaus die Drehzahl erhöhen.
Bei einer Grunddrehzahlvorgabe ist es außerdem günstig, wenn die Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl bei Auftreten eines vorher eingestellten Grenzmoments MK,Grenz an der Kurbel bei vom Motor angetriebenen Kurbel die Grunddrehzahlvorgabe abschalten. Dadurch werden Verletzungen vermieden, die auftreten können, wenn durch die Grunddrehzahlvorgabe eine Drehung z. B. bei einer Verkrampfung des Trainierenden erzwungen werden würde. In diesem Zusammenhang ist es im weiteren bevorzugt, wenn bei Abschaltung der Grunddrehzahlvorgabe die Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl zum langsamen Anpendeln der Kurbel und Wiederaufnahme der Grunddrehzahl ausgelegt sind. Der Anpendelvorgang der Kurbel bzw. eine Wippbewegung der Kurbel kann mit einem kleinen Winkelausschlag beginnen, der so lange vergrößert wird, bis die Wippbewegung wieder in eine Drehbewegung übergeht. Ebenfalls günstig ist eine Ausführungsform, bei der die Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl zum Anlauf in die zur vorhergehenden Drehrichtung entgegengesetzten Richtung ausgelegt sind. Dies entspricht dem antagonistischen Prinzip zur Lösung eines Krampfes.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn über die Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl die Kurbeldrehrichtung z. B. für eine Grunddrehzahl vorgegeben werden kann. Für unterschiedliche Kurbeldrehrichtungen können am Patienten unterschiedliche Muskelbereiche trainiert werden.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden dargestellt und wird in der nachstehenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.
Die Figur zeigt das Blockdiagramm einer bevorzugten Schaltung zur Steuerung bzw. Regelung eines erfindungsgemäßen Trainingsgerätes.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die Figur soll anhand eines schematisch dargestellten Blockdiagromms einer Schaltung 1 zur Steuerung und/oder Regelung die Funktion eines erfindungsgemäßen Trainingsgerätes verdeutlichen. In der Schaltung 1 ist der Informationsfluß durch einfach ausgezogene Pfeile dargestellt, wogegen der Energiefluß mit fett ausgezogenen Pfeilen symbolisiert werden soll. Die erfindungsgemäße Schaltung umfaßt eine Bedieneinheit 2 über die eine Grunddrehzahl n0, ein Bremsmoment MB, ein maximal zugelassenes Moment an der Kurbel MK,max sowie verschiedene andere Parameter eingegeben werden können. Diese Werte werden gemäß der in der Schaltung 1 mit n0, MB, MK,max und 100 bezeichneten Pfeile an eine allgemeine Kontrolleinheit 3 weitergegeben. Zu Informations- und Anpassungszwecken wird der allgemeinen Kontrolleinheit 3 außerdem ein Signal 101 zugeführt, daß der Ist-Drehzahl der mit einem Elektromotor 4 verbundenen Kurbel (nicht gezeigt), die zur Aufnahme der Füße eines Trainierenden dient, entspricht. Darüber hinaus erhält die allgemeine Kontrolleinheit 3 ebenfalls zu Informations- und ggf. Anpassungszwecken ein Signal 102, das dem Ist-Drehmoment MK an der Kurbel entspricht. Das Drehmomentsignal 102 wird im weiteren einer Kontrolleinheit 5 für die Drehzahländerung Δn sowie einer Kontrolleinheit 6 für die Drehzahl und das Drehmoment an der Kurbel zugeführt. Mit dem Drehzahlsignal 101 wird neben der allgemeinen Kontrolleinheit 3 auch die Kontrolleinheit 6 für die Drehzahl und das Drehmoment versorgt.
Ein Kernstück der Schaltung 1 bildet die Kontrolleinheit 5 für die Drehzahländerung Δn. Beispielhaft ergibt sich eine Drehzahländerung Δn aus dem Zusammenhang
Δn = (MK - MB) * A / k. Wobei MK das Moment an der Kurbel, MB das Bremsmoment, A ein Faktor und k ein vom Differenzwert MK - MB abhängiger Wert darstellt. Für MK - MB > 0 wird ein Wert k = ki und für MK - MB < 0 ein Wert k = kj eingesetzt, wobei ki < kj ist. Das hat zur Folge, daß sofern an der Kurbel das Bremsmoment MB, welches die Kontrolleinheit 5 von der Kontrolleinheit 3 erhält, überschritten wird, sich eine Drehzahlzunahme Δni einstellt, die betragsmäßig größer ist, als eine Drehzahlabnahme Δnj, wenn das resultierende Moment MK - MB wieder negativ ist. Anders ausgedrückt ist der Betrag für Δn für MK - MB > 0 größer als für MK - MB < 0. Die Drehzahländerung Δn wird in der Kontrolleinheit 3 zu einer alten Solldrehzahl nalt addiert und ergibt somit die neue Solldrehzahl nneu.
Sofern eine Grunddrehzahlvorgabe aktiv ist, wird als Basis für diese Berechnung die von der Bedieneinheit 2 eingebene Grunddrehzahl n0 herangezogen. Das heißt für eine erste Drehzahländerung Δn ergibt sich die neue Solldrehzahl nneu aus der Summe von n0 und Δn. Für die nächste Berechnung der neuen Solldrehzahl dient dann dieser Wert als alte Solldrehzahl. Für den Fall, daß sich eine negative Drehzahländerung Δn ergibt, fällt aufgrund der Grunddrehzahlvorgabe die Drehzahl jedoch nicht unter den Wert n0.
Die jeweils aktuelle Solldrehzahl nneu wird der Kontrolleinheit 6 für die Drehzahl und das Drehmoment weitergeben, die unter Verarbeitung des Drehzahlsignals 101 eine Stellgröße 103 an eine Leistungselektronik 7 weitergibt, die den mit Kurbel verbundenen Elektromotor 4 dann entsprechend bestromt, um die Solldrehzahl zu erreichen.
Um bei einer Grunddrehzahlvorgabe mit der Grunddrehzahl n0 Verletzungen bei einem Trainierenden, dessen Füße z. B. mit den Pedalen der Kurbel verbunden sind, zu vermeiden, kann an der Bedieneinheit 2 ein maximales Kurbelmoment MK,max eingestellt werden, daß über die Kontrolleinheit 3 zur Kontrolleinheit gelangt. Überschreitet das Drehmomentsignal 102 dieses zulässige Drehmoment wird die Grunddrehzahlvorgabe abgeschaltet und die Kurbel kommt zum Stillstand. Die Kontrolleinheit 3 beginnt dann den Hochlauf aus dem Stillstand. Bei entsprechender Voreinstellung kann dabei die Drehrichtung geändert werden. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die Momentenbegrenzung für spastisch behinderte Personen bei Krampfzuständen zum Einsatz kommt. Der entgegengesetzte Anlauf der Kurbel entspricht dem antagonistischen Prinzip der Krampflösung.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Kontrolleinheiten 3, 5, 6 in einem Mikrokontroller 8 implementiert, der eine digitale Signalverarbeitung realisiert. Dazu wird das Drehzahlsignal 101 bzw. das Drehmomentsignal 102 mit einer Abtastfrequenz f = 1 / T abgetastet und dem Mikrokontroller 8 zugeführt. Zweckmäßigerweise wird daraus nach jeder Abtastzeit T eine Drehzahländerung Δn und eine neue Solldrehzahl nneu berechnet. Unter der Voraussetzung, daß die Abtastzeit T sehr viel kleiner ist, als die Periodendauer der Drehbewegung an der Kurbel werden Drehzahländerungen während kleiner Winkeldrehungen der Kurbel vorgenommen. Damit wird ein hochdynamischer Zusammenhang zwischen einem Moment MK an der Kurbel und einer daraus folgenden Drehzahländerung verwirklicht.
Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird für bewegungsbehinderte Personen ein Trainingsgerät bereitgestellt, mit welchem bereits bei kleinsten Restmuskelkräften ein weitgehend vom Behinderten selbst bestimmter kontinuierlicher Trainingsablauf gewährleistet werden kann. Verfügt der Patient über nur sehr kleine Restmuskelkräfte kann das Bremsmoment MB so weit herabgesetzt werden, daß der Wert MK - MB schon bei einem sehr kleinen Drehmoment an der Kurbel positiv wird, jedoch mittels eines entsprechend kleinen Wertes für k eine große Drehzahländerung bewirkt. Sobald der Patient nicht mehr in der Lage ist, auf die Kurbel ein Drehmoment aufzubringt, fällt die Drehzahl nicht mit diesem kleinen Wert für k ab. Denn für MK - MB < 0 kann erfindungsgemäß ein großer Wert für k eingesetzt werden, so daß ggf. die Drehzahl bis zum nächsten Kraftimpuls des Patienten, mit welchem der Wert MK - MB wieder positiv wird, nur geringfügig abgefallen ist. Auf diese Weise kann eine ungeheure psychologische Motivation für die Behinderten bewirkt werden, die möglicherweise zum ersten Mal verspüren, daß sie noch Restmuskelkräfte besitzen.

Claims (9)

  1. Trainingsgerät mit einer Kurbel für Bewegungsbehinderte, wobei an den Kurbelarmen Pedale oder dergleichen zur Verbindung mit den Füßen oder Armen der trainierenden Person vorgesehen sind, ferner mit einem Elektromotor (4), der mit der Kurbel verbunden ist, einer Leistungselektronik (7), und mit Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl der Kurbel, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungselektronik wengistens zum Antreiben des Motors ausgelegt ist und die Mittel zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl der Kurbel im Hinblick auf eine Drehzahländerung der Kurbel derart ausgelegt sind, daß bei vorangegangener Energiezufuhr EK durch ein vom Trainierenden aufgebrachtes Drehmoment MK an der Kurbel, die zu einer Drehzahlerhöhung geführt hat, eine Drehzahlerhöhung Δn verbleibt, wenn dem im Trainingsgerät vorhandenen oder elektronisch nachgebildeten mechanischen System unmittelbar nach der Energiezufuhr eine Energiemenge aufgrund eines Bremsmoments MB und/oder durch Reibmomente MR und/oder durch den Trainierenden entzogen wird, die einem Wert entspricht, der sich aus der Energiezufuhr EK abzüglich des Energieverlusts während dieser Energiezufuhr aufgrund eines Bremsmoments MB und/oder von Reibungsmomenten MR ergibt.
  2. Trainingsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (1) zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl für eine Drehzahländerung Δn als Funktion eines Drehmoments MK an der Kurbel gemäß Δn = f (MK) ausgelegt sind, wobei sich eine neue Drehzahl nneu aus der alten Drehzahl nalt nach dem Zusammenhang nneu = nalt + Δn ergibt, und dass die Funktion Δn = f(MK) für bestimmte vorher festgelegte Wertebereiche von MK unterschiedlich ist.
  3. Trainingsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bremsmoment MB definiert ist, wobei für einen Wert MK > MB des Drehmoments an der Kurbel die Mittel (1) zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl für eine Drehzahlzunahme und für MK < MB zur Abnahme der Drehzahl ausgelegt sind, wobei der Betrag der Drehzahländerung Δn für MK > MB größer ist als für MK < MB.
  4. Trainingsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion der Drehzahländerung Δn der nachstehenden Gesetzmäßigkeit folgt. Δn ∼ (MK - MB)/k, wobei "∼" für proportional steht und k ein Faktor ist, der für MK - MB > 0 wenigstens einen Wert k = ki und für MK - MB < 0 wenigstens einen Wert k = kj mit ki < kj annimmt, so daß für MK - MB > 0 die Drehzahl stärker zunimmt, als sie für MK - MB < 0 abfällt.
  5. Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die Mittel (1) zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl eine Grunddrehzahl einstellbar ist.
  6. Trainingsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1) zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl bei Auftreten eines einstellbaren Grenzmoments MK,Grenz an der Kurbel bei vom Motor angetriebener Kurbel die Grunddrehzahlvorgabe abschalten.
  7. Trainingsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abschaltung der Grunddrehzahlvorgabe die Mittel (1) zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl zum langsamen Anpendeln der Kurbel und Wiederaufnahme der Grunddrehzahl ausgelegt sind.
  8. Trainingsgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel(1) zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl zum Anlauf in die zur vorhergehenden Drehrichtung entgegengesetzten Richtung ausgelegt sind.
  9. Trainingsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die Mittel (1) zur Regelung und/oder Steuerung der Drehzahl die Kurbeldrehrichtung vorgebbar ist.
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