VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES TRAININGSGERäTS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Trainingsgeräts, bei dem die von einer trainierenden Person aufgebrachte Leistung approximiert wird, insbesondere gemäß ausgewählten Merkmalen des Patentanspruchs 1 , 2 oder 13.

STAND DER TECHNIK

Die Erfindung findet Einsatz zum Betrieb eines Trainingsgeräts, bei dem es sich beispielsweise um

ein Ergometer, welches einer physischen Rehabilitierung oder zur Bestimmung der physiologischen Leistungsfähigkeit von Personen dient,

ein stationäres Trainingsgerät für den Radsport (insbesondere ein Gerät mit Schwung- scheibe und festem Rahmen oder ein Gerät mit einer Basis, in die ein für den Betrieb auf der Straße oder im Gelände geeignetes Fahrrad eingespannt werden kann, wobei als Bewegungsorgan eine Schwungscheibe oder das Hinterrad des Fahrrads Einsatz finden kann) oder

ein stationäres Rudergerät zur Simulation einer Ruderbewegung mit alleiniger Armtätigkeit oder kombinierter Arm- und Beintätigkeit der trainierenden Person

handelt.

Beispielhafte Ausgestaltungen derartiger Trainingsgeräte sind den Druckschriften US 2004 005 3751 A1 , DE 196 46 799 A1 , US 2005 008 992 A1 , WO 02/41952 A2 und EP 0 995 466 A1 zu entnehmen, für die die Erfindung einsetzbar ist. Die vorgenannten Trainingsgeräte besitzen

üblicherweise ein Bewegungsorgan, bei dem es sich beispielsweise um eine rotierende Scheibe oder ein rotierendes Rad handelt, auf welches von einer trainierenden Person, insbesondere unter Zwischenschaltung einer mechanischen, elektrischen oder hydraulischen Wirkkette, Leistung aufgebracht wird. Zumindest ein Teil der auf das Bewegungsorgan aufgebrachten Leistung wird über eine Bremseinheit definiert abgeleitet, wodurch eine Belastung der trainierenden Person simuliert werden kann.

Aufwendige Lösungen für eine Erfassung der von der trainierenden Person aufgebrachten Leistung beinhalten die Auswertung der Spannung in einer Kette, über die die von der trainierenden Person aufgebrachte Kraft ermittelt werden kann, die in Verbindung mit einer Winkelgeschwindigkeit auf die Leistung umgerechnet werden kann.

Aus DE 37 22 728 C1 ist es bekannt, die von der trainierenden Person aufgebrachte Kraft über eine Erfassung einer Deformation im Bereich der Kurbel oder einer Kurbelscheibe zu erfassen und in eine Leistung umzurechnen.

Mit der Erfassung und Dokumentation der von der trainierenden Person während des Trainings aufgebrachten Leistung beschäftigt sich beispielsweise Druckschrift DE 196 11 470 Al gemäß welcher eine über einen Zeitraum gemittelte Leistung aus

an mehreren Zeitpunkten gewonnenen Geschwindigkeiten,

dem Abstand der Zeitpunkte für die erfassten Geschwindigkeiten,

der reduzierten Masse des Trainingsgeräts und

- einem Formfaktor, der sich aus der Kurvenform des von der trainierenden Person abgegebenen Drehmoments ergibt,

ermittelt wird.

Da die vorgenannten Systeme üblicherweise infolge der eingesetzten Sensorik und der Abfuhr der Signale von den bewegten Bauelementen aufwendig sind, findet vorwiegend eine Auswertung im Bereich einer Bremseinheit des Trainingsgeräts abgeleiteten Leistung Einsatz.

Aus US 2003/0181293 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem vor einem Trainingsbeginn die ordnungsgemäße Funktion des Trainingsgeräts und dessen Leistungsvorgabe während des Trainings überprüft wird. Hierzu bringt die den Test durchführende Person ein Schwungrad auf eine definierte Winkelgeschwindigkeit. Ist diese Winkelgeschwindigkeit erreicht, wird die Antriebsleistung der den Test durchführenden Person eingestellt. Hieran anschließend wird in der Bremseinheit eine definierte Bremswirkung erzeugt. Der Zeitpunkt oder der zurückgelegte Weg des Schwungrads bis zum vollständigen Stillstand des Schwungsrads infolge der Bremswirkung wird erfasst und mit einer firmenseitig vorgegebenen Zeitdauer oder einem vorgegebenen Weg verglichen. Weicht die durch den Test ermittelte Zeitdauer oder der Weg von der firmenseitig vorgegebenen Zeit oder dem Weg ab, wird bei diesem bekannten Trainingsgerät eine Anzeige erzeugt, die indiziert, dass das Trainingsgerät nicht ordnungsgemäß funktioniert.

Ein weiterer derartiger "Sicherheitstest" ist aus DE 41 37 526 A1 bekannt, wobei eine überprüfung dahingehend erfolgen soll, ob die Ergometerleistung noch der herstellerseitig vorgenommenen, eingestellten Ergometerleistung entspricht oder ob eine erneute Kalibrierung des Ergometers erforderlich ist. Nachdem auch für dieses überprüfungsverfahren durch die den Test durchführende Person ein Schwungrad auf eine definierte Winkelgeschwindigkeit gebracht wird, nimmt infolge eines Energieentzugs durch eine innere Reibung und ggf. durch ein gewolltes zusätzliches Bremsmoment die Drehzahl der Schwungscheibe ab. Sobald die Drehzahl auf eine definierte Start-Drehzahl n, abgesunken ist, startet ein Zeitzähler. Sobald die Drehzahl des Schwungrads eine definierte niedrigere End-Drehzahl n ₂ erreicht hat, wird der Zeitzähler gestoppt. Der im Zeitzähler gemessene Zeitwert t ist ein Maß für die Leistung, welche den bewegten Teilen des Ergometers zwischen den definierten Drehzahlwerten n-, und n ₂ durch die Bremseinheit entzogen worden ist. Vorzugsweise können bei jedem Ergometer mehrere derartige Zeitwerte ermittelt werden, beispielsweise ein Zeitwert t für einen Leerlauf und Zeitwerte t für verschiedene eingestellte Bremsmomente. Stimmen die während des Tests erfassten Werte t mit den herstellerseitig gemessenen Sollwerten überein, dann ist das Ergometer in Ordnung und ein Training kann beginnen. Bei relevanten Abweichungen muss vor einem Beginn des Trainings eine Nachkalibrierung erfolgen.

Weiterer Stand der Technik ist aus DE 25 40 492 C2 sowie DD 156 047 A3 bekannt.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Approximation der tatsächlich von einer trainierenden Person auf ein Trainingsgerät aufgebrachten Leistung während des Trainingsbetriebs des Trainingsgeräts vorzuschlagen.

LöSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist durch die Merkmale des Verfahrens gemäß Patentanspruch 2 gegeben. Eine alternative oder kumulative Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist durch die Merkmale des Verfahrens gemäß Patentanspruch 13 gegeben. Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösungen ergeben sich entsprechend den abhängigen Patentansprüchen 3 bis 12.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Erfassung der in der Bremseinheit abgeführten Leistung nicht hinreichend genau die tatsächlich von der trainierenden Person aufgebrachte Leistung widerspiegelt.

Eine exakte Ermittlung der von der trainierenden Person aufgebrachten Leistung ist aus mehreren alternativen oder kumulativen Gründen von Bedeutung:

Für Ergometer sollen beispielsweise Reaktionen der physiologischen Werte wie die Herzfrequenz oder ein Blutdruck der trainierenden Person für eine medizinische

Diagnostik ausgewertet werden. Die gewünschte Erfassung der Abhängigkeit der

änderung der physiologischen Werte von der Leistung erfordert eine exakte Erfassung der von der Person aufgebrachten Leistung. Die Anforderungen an eine derartige

Leistungserfassung sind in DIN 13 405 niedergelegt. Weiterhin erfordert u. U. ein deutsches Eichgesetz eine Bauartzulassung und eine turnusgemäße überprüfung. Für den Fall, dass bei einem Ergometer, insbesondere im Zusammenhang mit einer

Rehabilitierung, die tatsächlich an der Bremseinheit erzeugte Leistung und damit die von

der trainierenden Person aufgebrachte Leistung fehlerhaft ist und über einer therapeutisch gebotenen Leistung liegt, kann es zu einer Störung des Gesundungsprozesses kommen bis hin zu einer Beeinträchtigung des Gesundheitszustands des Patienten.

Von weiterer Bedeutung ist eine exakte Erfassung der Leistung im Sportbereich, bei der während einer Trainingseinheit eine temporär aufgebrachte Leistung und/oder eine aufgebrachte Gesamtleistung angezeigt oder dokumentiert werden soll. Weiterhin soll für ein wiederholtes Training eine Leistungsänderung der trainierenden Person dokumentiert werden, wobei auch geringfügige Leistungszuwächse von Interesse sind.

Für eine Studie der Bewegungsabläufe einer trainierenden Person, insbesondere im Amateur- und Profisportbereich, ist auch eine exakte Erfassung der Leistungsverläufe über die Bewegungsverläufe von Interesse. Für ein Trainingsgerät für den Radsport bedeutet dies beispielsweise, dass u. U. die Leistung des Trainierenden als Funktion des Pedalwinkels erfasst werden soll, woraus Rückschlüsse über den Tretrhythmus der trainierenden Person gezogen werden sollen.

Erhöhte Anforderungen an die Erfassung der Leistung sind auch dann zu stellen, wenn eine Bremseinheit, über die die Energie des Bewegungsorgans abgeführt werden soll, über eine Steuerung oder Regelung angesteuert wird, bei der eine fehlerhaft erfasste Leistung zu zusätzlichen Regelungsproblemen und Regelungsabweichungen führen kann. Ist die Steuerung oder Regelung auf das "Nachfahren" eines vorgegebenen Leistungsprofils ausgerichtet, kann dies u. U. erhöhte Anforderungen an die Erfassung der tatsächlich erbrachten Leistung bedingen.

Ebenfalls möglich ist, dass eine Steuerung oder Regelung der Bremseinheit derart erfolgen soll, dass ein Zielpuls einer trainierenden Person erreicht werden soll oder ein definiertes Pulsprofil "nachgefahren" werden soll, wofür auch eine exakte Erfassung der Leistung der trainierenden Person erforderlich ist.

Ein wesentlicher Aspekt beim stationären Training ist die überwindung des so genannten oberen und unteren Totpunkts bei der Pedalbewegung. Infolge des gebildeten Kurbeltriebs und der Physiognomie der trainierenden Person ist eine kontinuierliche Kraftausübung auf das Pedalsystem nicht möglich. Die Beinmuskulatur wird zumeist nur

zum "Drücken" und, in vermindertem Ausmaß, zum "Ziehen" am Pedal - nicht jedoch zu einem waagerechten "Schieben" im Bereich der vorgenannten Totpunkte eingesetzt. Beim Radfahren auf der Straße fällt dies nicht auf, da eine im Körper des Benutzers gespeicherte kinetische Schwungenergie eine Fortbewegung über den Totpunkt ermöglicht, ohne dass hierzu unmittelbare Muskelkraft erforderlich ist. Bei Betrieb von stationären Trainingsgeräten kann die überwindung der Totpunkte allerdings als ungewöhnlich oder anstrengend empfunden werden. Das vorgenannte Problem kann durch den Einsatz von Schwungrädern gemindert werden, wobei in jedem Fall die Antriebsleistung der trainierenden Person nicht über die Verdrehung der Kurbel konstant ist, sondern oszilliert. Eine Erfassung derart oszillierender Leistungen kann ebenfalls von

Bedeutung sein. Eine Erfassung der Abweichung zwischen der vom Benutzer abgegebenen und der am Bremssystem abgeführten Leistung ist insbesondere bei Rudergeräten, welche eine Schwungmasse verwenden, erheblich.

Infolge der Bedeutung einer exakten Erfassung der von der trainierenden Person aufgebrachten Leistung hat die Erfindung Möglichkeiten von Fehlerquellen bei einer Erfassung der Leistung untersucht. Im Vorfeld der Erfindung ist hierbei festgestellt worden, dass infolge

einer Beschleunigung des Bewegungsorgans (und u. U. der Wirkkette zwischen der trainierenden Person und dem Bewegungsorgan) und/oder

einer Verlustleistung, beispielsweise infolge von Reibung in der Wirkkette bis zu der Bremseinheit

eine Leistung aufzubringen ist, die sich nicht in einer Bremsleistung einer Bremseinheit unmittelbar widerspiegelt. Beispielsweise bedeutet dies, dass für eine u. U. starke Beschleunigung eines Schwungrads hohen Massenträgheitsmoments die über die Bremseinheit erfasste Leistung der trainierenden Person zu niedrig ist, während beispielsweise für Einstellung der Leistungseinbringung durch die trainierende Person und einen Auslauf der Schwungmasse unter Ausnutzung eines Freilaufes und unter Erzeugung einer Bremswirkung eine Leistung der trainierenden Person vorgespiegelt wird, die tatsächlich nicht erbracht wird.

Der Erfindung liegt damit die Erkenntnis zugrunde, dass die Verlustleistung und/oder die Beschleunigungsleistung je nach Betriebsart einen signifikanten Einfluss auf die von der Person

zu erbringende Leistung haben, so dass die Vernachlässigung dieser Leistungsanteile gemäß den bekannten Lösungen nicht gerechtfertigt ist. Andererseits hat die Erfindung erkannt, dass eine Berücksichtigung der genannten Leistungsanteile möglich ist, u. U. unter Verwendung einfacher Erfassungsmethoden, Kalibrierverfahren und Berechnungsverfahren.

Gemäß einem ersten Vorschlag der Erfindung wird daher die von der trainierenden Person aufgebrachte Leistung nicht ausschließlich unter Berücksichtigung der erfassten, von der Bremseinheit abgeleiteten Leistung approximiert. Vielmehr wird zusätzlich für die Approximation eine bestimmte Verlustleistung in dem Trainingsgerät berücksichtigt. Diese Verlustleistung kann hierzu zeitgleich mit der Approximation bestimmt werden. Insbesondere wird die Verlustleistung aber zeitlich vor der Erfassung der von der Bremseinheit abgeleiteten Leistung erfasst und dann später bei der Approximation der Leistung wieder verwendet. Hierzu kann eine zuvor erfasste Verlustleistung in dem Trainingsgerät abgespeichert sein, beispielsweise als funktionale Abhängigkeit, Konstante oder in Form eines Kennfelds. Die Verlustleistung kann auch werk- seitig mit der Herstellung auf einem Prüfstand exakt gemessen worden sein oder in weiterer Ausgestaltung der Erfindung von dem Benutzer des Trainingsgeräts vor einer Erstinbetriebnahme und/oder vor jedem Training erfasst werden.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung erfolgt die Approximation der von der trainierenden Person aufgebrachten Leistung unter Berücksichtigung der bestimmten Beschleunigungsleistung in dem Trainingsgerät zusätzlich zu der erfassten, von der Bremseinheit abgeleiteten Leistung.

Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine Erfassung oder Approximation der Beschleunigungsleistung. Diese Erfassung oder Approximation kann in Form eines Zeitsignals erfolgen, zu diskreten Zeitpunkten oder aber in Form eines integralen oder mittleren Wertes für die Beschleunigungsleistung, vorzugsweise für einen Zeitraum, der kürzer ist als eine gesamte Pedalumdrehung oder eine Umdrehung des Schwungrades.

Für eine hinsichtlich der Genauigkeit der Approximation der von der trainierenden Person erbrachten Leistung verbesserte Ausgestaltung wird sowohl die von der Bremseinheit abgeleitete Leistung als auch die Beschleunigungsleistung als auch die Verlustleistung berücksichtigt, so dass sämtliche wesentliche Leistungsanteile erfasst sind.

Vorzugsweise wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest eine Betriebsgröße messtechnisch während des Trainingsbetriebs des Trainingsgeräts erfasst. Hierbei kann es sich um eine beliebige Betriebsgröße handeln, die einen Einfluss auf die interessierenden Leistungsanteile in dem Trainingsgerät hat, beispielsweise

- eine kinematische Größe wie ein zurückgelegter Weg oder Winkel, eine Winkelgeschwindigkeit oder eine Winkelbeschleunigung,

eine änderung der vorgenannten kinematischen Größen mit der Zeit,

eine Temperatur,

eine Kraft oder ein Moment,

- eine Viskosität für den Fall eines Einsetzens einer hydraulischen Bremseinheit oder eine elektrische Größe für den Einsatz einer elektrischen Bremseinheit.

Auf Grundlage der erfassten Betriebsgröße kann über eine Funktion oder ein Kennfeld die Bremsleistung, die Beschleunigungsleistung und/oder die Verlustleistung zumindest approximiert werden. Beispielsweise kann werkseitig eine Funktion oder ein Kennfeld vorgegeben sein, wie eine Verlustleistung in Form von Reibung von einer Geschwindigkeit der Reibpartner abhängen kann. Andererseits korreliert eine Beschleunigungsleistung mit einer änderung der Winkelgeschwindigkeit des Bewegungsorgans oder die Bremsleistung von einem elektrischen Signal in einer elektrischen Bremse oder von einer Viskosität oder Strömungsgeschwindigkeit von einem Fluid in einer hydraulischen Bremse. Ebenfalls möglich ist die Verwendung eines magnetischen Signals einer Wirbelstrombremse, wobei dieses ein durch einen Magnetfeldwirbel hervorgerufener Strom oder auch direkt die Stärke des magnetischen Feldes sein kann. Mit der genannten Funktion oder einem Kennfeld kann die Abhängigkeit der Leistungsanteile von der Betriebsgröße besonders einfach abgebildet werden, wobei über die Wahl der Funktion bzw. des Kennfelds die Charakteristik des Leistungsanteils hinreichend genau approximiert werden kann. Andererseits wird eine Vielzahl von Betriebsgrößen bei herkömmlich bekannten Trainingsgeräten ohnehin erfasst. So findet beispielsweise üblicherweise eine Auswertung der Winkelgeschwindigkeit des angetriebenen Rads oder der hiermit korrelierenden Winkelgeschwindigkeit des Pedals und/oder der Trittfrequenz Einsatz.

Eine besonders individuelle Anpassung an die bei Trainingsbeginn, insbesondere mit einem Ersttraining oder mit jedem Training, vorgefundenen Bedingungen des Trainingsgeräts ist dadurch möglich, dass vor diesem Trainingsbeginn ein Kalibrierverfahren eingesetzt wird, welches der Gewinnung von Kenntnissen dient, die während des Trainings zur Erfassung der Bremsleistung, zur Bestimmung der Verlustleistung und/oder zur Bestimmung der Beschleunigungsleistung ausgenutzt werden können. Beispielsweise kann unter Anwendung der aus US 2003/0181293 A1 und/oder DE 41 37 526 A1 gewonnenen Erkenntnisse die mit der Kalibrierung gewonnene Charakteristik der Bremseinheit für den Trainingsbetrieb, u. U. abweichend zu einer werkseitig vorgegebenen Charakteristik, verwendet werden, ohne dass eine Rücksendung des Trainingsgeräts an den Hersteller erforderlich ist. Andererseits können beliebige Kenndaten für Kennfelder während einer Kalibrierung gewonnen werden, die im späteren Betrieb zur Ermittlung der Leistungsanteile herangezogen werden. Ebenfalls möglich ist die Anpassung von Parametern für den Fall, dass die Leistungsanteile in Form einer funktionalen Abhängigkeit modelliert werden.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird im Zuge der zuvor erwähnten Kalibrierung zunächst Energie in das Bewegungsorgan eingebracht. Ein derartiges Einbringen von Energie erfolgt beispielsweise durch motorischen Antrieb des Bewegungsorgans. Im einfachsten Fall wird die Energie allerdings von der trainierenden Person in das Bewegungsorgan eingebracht. Hieran anschließend erfolgt ohne weitere Energieerzeugung durch die trainierende Person eine Dissipation der Energie infolge der Verlustleistung, wobei die Bremseinheit deaktiviert ist. Damit wird das Bewegungsorgan lediglich durch Verluste, beispielsweise infolge von Reibung in Lagern o. ä. oder Strömungsverluste abgebremst. Aus der Energieänderung mit der Zeit kann dann auf die Verlustleistung in dem Trainingsgerät geschlossen werden.

Eine weitere Ausgestaltung dieses Kalibrierschritts nutzt die Erkenntnis aus, dass die Verlustleistung nicht zwingend konstant ist, sondern unter Umständen von der Geschwindigkeit abhängig sein kann. Weiterhin nutzt diese Ausgestaltung die Tatsache aus, dass für ein Abbremsen des Bewegungsorgans infolge der Verlustleistung ein breiter Geschwindigkeitsbereich überdeckt wird. Demgemäß kann die Verlustleistung für einzelne unterschiedliche Drehzahlen oder Drehzahlbereiche erfasst werden, wodurch auf einfache Weise ein Kennfeld oder eine funktionale Abhängigkeit erzeugt werden kann, welches abhängig ist von der Winkelgeschwindigkeit des Bewegungsorgans.

In alternativer Ausgestaltung wird für eine Kalibrierung zunächst ebenfalls Energie in das Bewegungsorgan eingebracht. Hieran anschließend wird die Energie des Bewegungsorgans ohne weitere Einbringung externer Energie durch die aktivierte Bremseinheit abgebaut, wobei die Bremseinheit definiert konstant oder entsprechend einem vorgegebenen Profil beaufschlagt werden kann. Mit der Zeit ergibt sich infolge der aktivierten Bremseinheit eine Veränderung der Energie des Bewegungsorgans, die die von der Bremseinheit abgeleitete Bremsleistung bestimmt. Somit kann in einem derartigen Kalibrierschritt die Abhängigkeit der Bremsleistung von der Beaufschlagung der Bremseinheit erfasst werden, wobei die Kalibrierung auch eine Detektion einer sich infolge eines dauerhaften Betriebs des Trainingsgeräts verändernde Charakteristik der Bremseinheit ermöglicht. Diese gewonnenen Erkenntnisse können anschließend in einem Trainingsbetriebgenutzt werden.

Auch zur Erfassung der Bremsleistung durch den vorgenannten Kalibrierschritt kann eine Drehzahlabhängigkeit, beispielsweise in Form eines Kennfelds oder in Form einer funktionalen Abhängigkeit, modelliert werden. Ein mehrdimensionales Parameterfeld oder funktionales Feld kann sich ergeben, wenn sowohl eine Abhängigkeit der Bremsleistung von der Beaufschlagung der Bremse als auch von der Drehzahl modelliert wird. In diesem Fall ist u. U. eine mehrfache Wiederholung des Kalibrierschritts für unterschiedliche Beaufschlagungen der Bremseinheit erforderlich.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung hat erkannt, dass bei einer Erfassung der Brems- leistung in einem Kalibrierschritt ebenfalls die Verlustleistung in dem Trainingsgerät wirksam ist. Um diese Effekte für eine exakte Ermittlung der Leistungsanteile zu trennen, erfolgt zunächst ein erster Kalibrierschritt, in dem die Bremseinheit nicht aktiviert ist, so dass in dem ersten Kalibrierschritt die Verlustleistung erfasst wird. Hieran anschließend erfolgt in einem zweiten Kalibrierschritt die Erfassung der Bremsleistung, wobei in diesem Kalibrierschritt die Verlust- leistung herausgerechnet werden kann. Der erste und zweite Kalibrierschritt können hierbei separat ausgeführt werden, so dass für jeden Kalibrierschritt Energie in das Bewegungsorgan eingebracht wird und ein Abbremsen des Bewegungsorgans auf eine untere Grenzgeschwindigkeit oder die Geschwindigkeit 0 erfolgt. Alternativ kann eine Durchführung beider Kalibrierschritte für ein einziges Abbremsen des Bewegungsorgans auf die Geschwindigkeit 0 erfolgen in jeweils voneinander getrennten Phasen unterschiedlicher Geschwindigkeitsbereiche. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Drehzahlabhängigkeit der Verluste durch eine Parameterfunktion approximiert wird. Andererseits erfolgt bei einer direkten Speicherung und

Verwendung der tatsächlichen Messdaten die Messung bei gleichen Geschwindigkeitsbereichen.

Für die vorgenannten Erfassungen der Leistungsanteile ist u. U. die Kenntnis des Massenträgheitsmoments des Schwungrads, eines Fahrzeugrads und/oder der Wirkkette zwischen der trainierenden Person und dem Bewegungsorgan erforderlich. Ein derartiges Massenträgheitsmoment kann werkseitig implementiert sein, von dem Benutzer eingegeben werden, beispielsweise anhand von separat ausgeführten Messungen oder anhand von Kenndaten, die das Trainingsgerät und ggf. das Fahrrad der trainierenden Person beschreiben. Für den Fall des Einsatzes eines Schwungrads mit großer Masse können u. U. übrige Teile der Wirkkette, die eine verhältnismäßig kleine Masse auch bei Umrechnung auf die Rotation des Schwungrads besitzen, vernachlässigt werden, so dass als Massenträgheitsmoment lediglich das Massenträgheitsmoment des Schwungrads berücksichtigt wird, welches sich üblicherweise auch bei dauerhaftem Betrieb nicht ändert. Zur Erhöhung der Genauigkeit, insbesondere für den Fall eines Bewegungsorgans in Form eines Fahrrad-Hinterrads, kann in einem alternativen oder zusätzlichen Kalibrierschritt das Massenträgheitsmoment des Bewegungsorgans einschließlich oder ausschließlich der Wirkkette erfasst werden. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass auf die Wirkkette und/oder das Bewegungsorgan eine definierte Kraft, ein definiertes Moment oder eine definierte Energie aufgebracht wird und die sich einstellende Winkelgeschwindigkeit des Bewegungsorgans erfasst wird, aus der dann das Massenträgheitsmoment errechnet werden kann. Beispielsweise kann bei einem Pedal eines Trainingsgeräts für den Radsport eine definierte Gewichtskraft in einer definierten Position des Pedals aufgebracht werden. Alternativ sind Rückschlüsse auf das Massenträgheitsmoment dadurch möglich, dass das Bewegungsorgan mit einem definierten Zusatz-Massenträgheitsmoment oder einer Zusatzmasse versehen wird und aus einem Vergleich des Bewegungsverhaltens des Bewegungsorgans mit und ohne Zusatz-Massenträgheitsmoment Rückschlüsse auf das Massenträgheitsmoment des Bewegungsorgans gezogen werden. Beispielsweise kann von einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit ein Abbremsen des Bewegungsorgans ohne Aktivierung der Bremseinheit einmal mit und einmal ohne Zusatz-Massenträgheitsmoment ausgewertet werden. Ebenfalls möglich ist eine definierte Energieeinbringung über ein Antriebsaggregat zur Ermittlung des Massenträgheitsmoments.

Bei einem weiteren Verfahren zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird neben einer Erfassung der Bremsleistung der Bremseinheit zumindest in Teilbetriebsbereichen

die Wirksamkeit eines Freilaufs in der Wirkkette zwischen der trainierenden Person und dem Bewegungsorgan überprüft. Ist ein derartiger Freilauf wirksam, so bedeutet dies, dass über die Wirkkette keine Leistung übertragen wird und somit die von der trainierenden Person erbrachte Leistung Null ist, konstant ist oder lediglich mit einer Leistung zur Bewegung der Wirkkette ("Leerbewegung") korreliert. Eine überwachung des Freilaufs kann über eine überwachung der Wirksamkeit oder Schaltstellungen der mechanischen Elemente des Freilaufs selber erfolgen. Eine besonders einfache überwachung des Freilaufs ist durch einen Vergleich der Winkelgeschwindigkeit des Schwungrads und der Winkelgeschwindigkeit des Betätigungsorgans für die trainierende Person, beispielsweise der Winkelgeschwindigkeit eines Pedals oder einer Kurbel, gegeben, da die vorgenannten Winkelgeschwindigkeiten für nicht wirksamen Freilauf über die übersetzungsverhältnisse der Wirkkette miteinander zusammenhängen, während sich für eine Aktivierung des Freilaufs das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit des Bewegungsorgans und der Winkelgeschwindigkeit des Betätigungsorgans ändert. Wird somit eine Aktivierung des Freilaufs detektiert, so wird erfindungsgemäß erkannt, dass die von der trainierenden Person aufgebrachte Leistung nicht mehr mit der in der Bremseinheit abgeleiteten Bremsleistung korreliert. In diesem Fall kann die Leistung auf 0 gesetzt werden, eine konstante, geringe Leistung angenommen werden oder auf eine andere Leistungsberechnung über die Erfassung der Vorgänge in der Wirkkette umgeschaltet werden. Beispielsweise kann nach einer derartigen Umschaltung eine Verlustleistung in der Wirkkette weiter Berücksichtigung finden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Trainingsgeräts mit Peripheriegeräten für einen Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 zeigt ein Kalibrierverfahren, welches für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum

Betrieb eines Trainingsgeräts Einsatz finden kann.

Fig. 3 zeigt ein alternatives oder kumulatives Kalibrierverfahren, welches für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Trainingsgeräts Einsatz finden kann.

FIGURENBESCHREIBUNG

Die Erfindung ist im Zusammenhang mit einem beliebigen stationären Trainingsgerät einsetzbar, welches ein Bewegungsorgan sowie eine Bremseinheit aufweist. Beispielsweise handelt es sich hierbei um einen Rudertrainer oder ein Trainingsgerät für den Radsport mit einer Schwungscheibe oder einem angetriebenen Hinterrad eines Rades. Beispielhaft ist in den Figuren die Anwendung der Erfindung auf ein Trainingsgerät für den Radsport dargestellt, ohne dass dieses den Einsatz der Erfindung für weitere Trainingsgeräte einschränken soll.

Fig. 1 zeigt ein Trainingsgerät 1 für den Radsport, bei dem ein Fuß 2 auf ein Pedal 3 eine Kraft ausübt, wodurch im Zusammenhang mit der Rotation des Pedals 3 um eine Kurbelachse Arbeit verrichtet und Leistung erbracht wird. Das Pedal 3 ist über eine Kurbel in einem Tretlager gelagert, in dem Verlustleistung 4 erzeugt wird infolge von Reibung oder hydrodynamischer Verluste. Das Pedal 3 treibt über die Kurbel ein Antriebsrad 5 an, welches beispielsweise als Antriebskettenrad oder als Antriebsriemenrad ausgebildet ist. über ein Zugmittel 6, beispielsweise eine Kette oder einen Riemen, wird die Antriebsleistung auf ein Abtriebsrad 7 übertragen, welches wiederum die Antriebsleistung, ggf. unter Zwischenschaltung eines Freilaufs, an ein Bewegungsorgan 8 weitergibt. Verlustleistung 9 wird im Bereich eines Lagers für das Abtriebsrad 7 und das Bewegungsorgan 8 und ggf. durch einen Freilauf erzeugt. Weitere Verlustleistung 10 kann im Bereich der Kette 6 erzeugt werden. Das Bewegungsorgan 8 steht in

Wirkverbindung mit einer Bremseinheit 11 , in der entsprechend einer Beaufschlagung 12 eine Bremse 13 betätigt wird. Möglicherweise wird in der Bremseinheit 11 weitere Verlustleistung 14 erzeugt.

In dem Trainingsgerät 1 wird durch einen Sensor 15 im Bereich des Pedals 3 oder abweichend zu Fig. 1 im Bereich des Tretlagers 4 oder des Antriebsrads 5 die von der trainierenden Person aufgebrachte Kraft ermittelt und einer Steuerungs- oder Regelungseinheit 16 (im Folgenden Steuerungseinheit) zugeführt. Alternativ oder kumulativ erfolgt im Bereich des Zugmittels eine Erfassung der Kraft in dem Zugmittel über einen Sensor 17, die dann der Steuerungseinheit 16 zugeführt wird.

Alternativ oder zusätzlich können der Sensor 15 und der Sensor 17 eine Geschwindigkeit oder Winkelgeschwindigkeit oder eine andere kinematische Größe erfassen. Ein Sensor 18 erfasst eine kinematische Größe des Bewegungsorgans 8, beispielsweise einen zurückgelegten Weg oder Winkel, eine Geschwindigkeit oder Winkelgeschwindigkeit oder eine Beschleunigung oder Winkelbeschleunigung, die der Steuerungseinheit 16 zugeführt wird. In der Bremseinheit 11 erfolgt über einen Sensor 19 eine Erfassung eines mit der erzielten Bremswirkung korrelierenden Signals, welches der Steuerungseinheit 16 zugeführt wird. Die Steuerungseinheit 16 steuert über eine Beaufschlagung 12 die Bremse 13 an.

Die Steuerungseinheit 16 kommuniziert mit einer Speichereinheit 20, in der beispielsweise von der Steuerungseinheit 16 erfasste und/oder berechnete Parameter, Funktionen oder Kennfelder abgespeichert werden können und abrufbar sind.

Weiterhin beaufschlagt die Steuerungseinheit 16 eine Ausgabeeinheit 21 , auf der der trainierenden Person Informationen während oder nach Abschluss des Trainings Informationen bereitgestellt werden können. Bei der Ausgabeeinheit handelt es sich beispielsweise um einen Monitor oder einen Drucker.

Eine Kommunikation der trainierenden Person mit der Steuerungseinheit 16 ist über ein Nutzerinterface 22 vor, während und nach dem Training möglich.

Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungsmöglichkeiten des Trainingsgeräts 1 und der Peripheriegeräte wird auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen. Hinsichtlich der

Peripheriegeräte und deren Vernetzung miteinander und der Gestaltung der Rechnerstruktur wird beispielsweise auf die in der Patentanmeldung US 2003/0181293 A1 enthaltene diesbezügliche Offenbarung verwiesen.

Bezeichnet

P _τ die Leistung der von der trainierenden Person an dem Pedal 3 aufgebrachten

Leistung,

Pv die in dem Trainingsgerät erzeugte Verlustleistung, beispielsweise die Verlustleistungen 4, 9, 10, 14, und

P _B die Leistung zur Herbeiführung einer Beschleunigung und P _BR die von der Bremse 13 abgeleitete Leistung,

so stellt die folgende Gleichung eine gute Approximation der Bilanz der Leistungsanteile in dem Trainingsgerät 1 dar:

PV

Fig. 2 zeigt ein Verfahren zur Approximation der Leistung P _v in einem ersten Kalibrierverfahren, welches vor einem Training eingesetzt wird. Nach einem Start oder Reset der Steuerungseinheit 16 wird in einem Verfahrensschritt 23 dem Bewegungsorgan 8 Leistung zugeführt, bis dieses eine definierte Winkelgeschwindigkeit erreicht, was beispielsweise durch den Sensor 18 in Verbindung mit der Steuerungseinheit 16 überwacht wird und bei Erreichen der Zielgeschwindigkeit eine entsprechende Anzeige auf der Ausgabeeinheit 21 erzeugt. Die Leistungszufuhr wird beispielsweise durch eine Person an dem Pedal 3 aufgebracht oder durch eine externe Antriebseinrichtung.

Mit Erreichen der Zielgeschwindigkeit wird in einem Verfahrensschritt 24 die Leistungszufuhr deaktiviert und das eigentliche Kalibrierverfahren beginnt. Sowohl während des Verfahrensschritts 23 als auch für den folgenden Verfahrensschritt erfolgt eine Beaufschlagung 12 der Bremse 13 derart, dass eine minimale oder keine Bremswirkung erzeugt wird.

In einem Verfahrensschritt 25 wird die kinetische Energie des Bewegungsorgans 8, beispielsweise durch Erfassung der Winkelgeschwindigkeit durch den Sensor 19, die im Quadrat mit dem Massenträgheitsmoment J des Bewegungsorgans 8 in der Steuerungseinheit 16 zu einer Energie umgerechnet wird, mit der Verringerung der Winkelgeschwindigkeit des Bewegungs- organs 8 E _{kin 8} (t, ω, ...) in Abhängigkeit der Zeit, der Winkelgeschwindigkeit, ... erfasst mit

woraus unmittelbar die Verlustleistung 14 und - je nach Ankopplung der weiteren Wirkkette - die Verlustleistungen 4, 9 und 10 ermittelt werden können. Hierzu erfolgt insbesondere eine Ableitung des erfassten Energiesignals oder errechneten Energiesignals nach der Zeit bzw. eine Erfassung der zeitlichen änderung des Energiesignals. Es gilt:

Pv (t, ω, ...) = d/dt (E _kin , ₈ (t, ω, ...)) .

Ergebnis des Schritts 25 kann ein temporärer Wert, ein mittlerer Wert oder/oder ein Gesamtwert für die Verlustleistung sein. In alternativer Ausgestaltung erfolgt eine Auswertung jeweils für einzelne Geschwindigkeiten oder Geschwindigkeitsintervalle, so dass die Verlustleistung in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit des Bewegungsorgans, die durch den Sensor 19 erfasst wird, ermittelbar ist.

In einem Verfahrensschritt 26 erfolgt eine Speicherung der ermittelten Daten, beispielsweise der Verlustleistung als Funktion der Geschwindigkeit in einem Kennfeld, in der Speichereinheit 20. Aus der Speichereinheit 20 sind die gewonnenen Daten während der Durchführung des Trainings von der Steuerungseinheit 16 abrufbar, um die von der trainierenden Person aufgebrachte Leistung zu ermitteln.

In einem zweiten Kalibrierverfahren gemäß Fig. 3 erfolgt zunächst ein Start oder ein Reset der Steuerungseinheit 16 zur Durchführung des zweiten Kalibrierverfahrens. Hieran anschließend wird, entsprechend Verfahrensschritt 23, in einem Verfahrensschritt 27 das Bewegungsorgan 8 auf eine Anfangsenergie, insbesondere eine vordefinierte Geschwindigkeit gebracht.

In einem Verfahrensschritt 28 erfolgt der eigentliche Start des Kalibriervorgangs. Dieser erfolgt zunächst unter definierter Beaufschlagung der Bremse in einem Verfahrensschritt 29 durch die

Steuerungseinrichtung 16. Infolge der Bremswirkung sowie der Verlustleistung verringert sich die Winkelgeschwindigkeit des Bewegungsorgans 8, wobei während dieser änderung die Beaufschlagung der Bremse 13 in einem Verfahrensschritt 30 durch die Steuereinheit 16 konstant gehalten wird oder gemäß einem vorgegebenen Verlauf variiert werden kann. In dem Verfahrensschritt 31 wird in der Steuerungseinheit 16 eine Leistungsbilanz erstellt, wobei die Verlustleistung als Ergebnis des ersten Kalibrierverfahrens gemäß Fig. 2 erhalten werden kann, so dass P _v bekannt ist. Es gilt damit:

Wird die kinetische Energie

E _kin,8 =0.5 J ω ²

aus der Winkelgeschwindigkeit des Bewegungsorgans 8 und dem Massenträgheitsmoment des Bewegungsorgans 8 ermittelt, so kann die Bremswirkung, beispielsweise in Abhängigkeit der Beaufschlagung der Bremse gemäß Verfahrensschritt 30 und/oder in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit des Bewegungsorgans 8, ermittelt werden und in der Speichereinheit 20 abgespeichert werden.

Erfolgt in einem späteren Training die Beaufschlagung des Pedals mit einer Leistung durch die trainierende Person, können aus der eingangs genannten Leistungsbilanz die von der trainierenden Person aufgebrachte Leistung ermittelt werden, wobei die Beschleunigungsleistung aus der zeitlichen Ableitung der kinetischen Energie des Bewegungsorgans 8 berechnet werden kann. Damit ergibt sich eine Ermittlung der von der trainierenden Person erbrachten Leistung mit erhöhter Genauigkeit gegenüber dem Stand der Technik.

Für den Fall, dass in einem weiteren Kalibrierverfahren das Massenträgheitsmoment J des Bewegungsorgans 8, ggf. mit weiteren Bestandteilen der Wirkkette, ermittelt werden soll, kann dies beispielsweise durch Erzeugung einer definierten Kraft im Bereich des Pedals 3 erfolgen, wobei über die Höhe, die das Pedal betätigt wird, und die Kraft eine potentielle Energie ermittelt werden kann, die - unter Abzug der Verlustleistung - dem Bewegungsorgan 8 zugeführt wird, ohne dass die Bremse 13 wirksam ist. über die Gleichung

ω ²

kann mit einer Messung der Winkelgeschwindigkeit des Bewegungsorgans 8 das Massenträgheitsmoment bestimmt werden. Alternativ ist es möglich, das Kalibrierverfahren gemäß Fig. 2 einmal mit dem Bewegungsorgan 8 und einmal mit dem Bewegungsorgan 8 mit einem Zusatz-Massenträgheitsmoment durchzuführen, woraus zwei Bestimmungsgleichungen resultieren, die als Unbekannte die Verlustleistung sowie das Trägheitsmoment beinhalten und aus denen somit sowohl die Verlustleistung als auch das Massenträgheitsmoment in der Steuerungseinheit 16 berechnet werden können.

Für den Fall, dass Verluste in einem Kalibrierverfahren drehzahlabhängig erfasst werden, können diese in eine Winkelgeschwindigkeitsabhängigkeit umgerechnet werden, die dann für oszillierende oder veränderliche Winkelgeschwindigkeitsverläufe während des Trainings verwendet werden kann.

Die erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren können zu dem Vorteil führen, dass Sensoren für eine Erfassung der Bremsleistung in der Bremseinheit eingesetzt werden können, an die gegenüber den Sensoren in den an sich bekannten Trainingsgeräten verringerte Anforderungen gestellt werden müssen hinsichtlich der Streuung der Sensoren unterschiedlicher Trainingsgeräte und/oder der Nichtlinearität der Sensoren, da über die Kalibrierung die Streuung und/oder Nichtlinearität erfasst und geeignet berücksichtigt werden kann. Hierdurch können Sensoren und eine Bremseinheit mit deutlich verringerten Kosten Einsatz finden.

Die angesprochene Berücksichtigung der Wirksamkeit eines Freilaufes ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung möglich, aber infolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nicht zwingend erforderlich. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann infolge der Kalibrierung die Verlustleistung drehzahlabhängig ermittelt werden. Wird während eines Betriebes des Trainingsgerätes von einem Benutzer weniger oder keine Leistung erbracht, so kann dies aus der Differenz- oder Summenbildung der Gesamtleistung unter Berücksichtigung der an der Bremseinheit abgeführten Bremsleistung, der dem Schwungrad entnommenen Leistung sowie der Drehzahl abhängigen Verluste erfasst werden. Für den Fall einer Wirksamkeit eines Freilaufes führt eine derartige Berechnungsmethode zu einer vom Benutzer aufgebrachten Leistung, die ungefähr Null ist. Somit kann auch ohne Erfassung der Wirksamkeit eines Freilaufes die von dem Benutzer aufgebrachte Leistung gut approximiert

werden. Messfehler können allerdings zusätzlich dadurch ausgeschlossen werden, dass für eine Besondere Ausgestaltung die Wirksamkeit des Freilaufes erfasst wird und der geringe Wert der ermittelten Leistung für eine Wirksamkeit des Freilaufes auf exakt Null gesetzt wird.

Eine Abweichung zur exakten, vom Benutzer erbrachten Leistung in der Höhe von Null ergibt sich für das erfindungsgemäße Verfahren unter Umständen dadurch, dass die Verlustleistung für die Wirksamkeit des Freilaufes erhöht ist. Derartige Abweichungen können durch eine Erfassung der Wirksamkeit des Freilaufes erfasst werden. Die vorgenannten Abweichungen treten nicht oder in einem verringerten Ausmaß auf, wenn die Kurbel eines Fahrrades teilweise oder vollständig mitbewegt wird.

Eine Erfassung der Freilaufaktivität ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin aus einer Summen- oder Differenzbildung möglich: Ist die an der Bremseinheit abgeführte Leistung größer als die Leistung, die aus der Schwungmasse entnommen wird, so ist der Freilauf nicht aktiv. Ist hingegen die an der Bremseinheit abgeführte Leistung geringer als die aus der Schwungmasse entnommene Leistung, vermindert um etwaige Drehzahl abhängige Verluste (ohne Berücksichtigung der Freilaufverluste), so ist der Freilauf aktiv.

BEZUGSZEICHENLISTE

Trainingsgerät 11 Bremseinheit

Fuß 12 Beaufschlagung

Pedal 13 Bremse

Verlustleistung 14 Verlustleistung

Antriebsrad 15 Sensor

Zugmittel 16 Steuerungseinheit

Abtriebsrad 17 Sensor

Bewegungsorgan 18 Sensor

Verlustleistung 19 Sensor

Verlustleistung 20 Speichereinheit

Ausgabeeinheit 31 Verfahrensschritt

Nutzerinterface 32 Verfahrensschritt

Verfahrensschritt

Verfahrensschritt

Verfahrensschritt

Verfahrensschritt

Verfahrensschritt

Verfahrensschritt

Verfahrensschritt

Verfahrensschritt