VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR STEUERUNG VON WIEDERKEHRENDEN BEWEGUNGEN

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von wiederkehrenden Bewegungen

Die voliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von wiederkehrenden Bewegungsmustern, insbesondere bei zyklischen oder alternierenden Bewegungen mit den Parametern der Amplitude und Frequenz der Bewegung sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung.

Solche Verfahren sind bei Trainingsgeräten in Form von fahrrad- oder ruderbootartigen Vorrichtungen bekannt (Ergometer), bei denen der Proband Bewegungen gegen einen Widerstand und zB in Abhängigkeit von seinem Puls machen muss. Der Puls ist jedoch eine relativ unregelmässige Grosse und hängt von der Gesamtkonstitution des Probanden ab. Ferner ist er erklärungsbedürftig und wird vom Probanden oft falsch interpretiert oder eingeschätzt. Das kann zu Falschbelastungen des Kreislaufes führen bzw. zu kontraindizierten Ergebnissen. Insbesondere bei Dauerbelastung können dabei unerwünschte Nebenwirkungen oder gar Schäden auftreten.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen umfassen insbesondere Pulsmessung, Leistungsmessung, Trittfrequenzmessung, Geschwindigkeitsdaten und Zeitmessung als Übungsvorgaben. Diese Messungen müssen durch komplexe medizinische Gleichungen in Beziehung gesetzt und abgeglichen werden, die sich dem Verständnis des betroffenen Probanden weitgehend entziehen und somit zu Fehlern verleiten. Darüberhinaus sprechen diese bekannten Vorrichtungen im wesentlichen nur die Bewegungsmuskulatur an, die bei mehr als 40 % der maximalen, willkürlichen Muskelkraft reagieren, während die bei wesentlich geringeren Belastungen ansprechende Stützmuskulatur mit ihnen nicht trainiert werden kann. Ausserdem bedingen die heute bekannten Vorrichtungen, wie zB Ruder-Ergometer, einen relativ hohen und komplexen mechanischen Aufwand, umfassend ein Schwungrad zur Speicherung der Energie zwischen zwei Schlägen (Simulation des Trägheitsmomentes des Bootes), ein mit dem Schwungrad über eine Kette, Riemen oder Kabel verbundenes Anfasselement (Simulation des Riemens), einen Dämpfungsmechanismus an dem Schwungrad (Simulation der Reibung zwischen dem Wasser und dem Rumpf) sowie einen Rückholmechanismus (Simulation der Startsituation). Es handelt sich also um zahlreiche Simulationen, die zwangsweise einzeln oder in ihrer Gesamkombination mit Fehlern behaftet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei denen der apparative Aufwand der bekannten Geräte vermieden wird, so dass die Methodik und Durchführbarkeit wesentlich erleichtert werden. Dem Probanden soll durch ein Minimum von Parametern verständlich gemacht werden, was und wie er trainiert. Insbesondere bei Langzeitübungen soll nicht nach der Pulszahl, irgendwelchen Simulationen oder gegen Widerstand, sondern nach der optimalen Energieausbeute der körpereigenen Kräfte vorgegangen werden, zu deren Konrolle nur ein einziger, objektiver Parameter notwenig ist.

Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung bei Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art vor, dass man die Parameter (A, F) in Beziehung zu der mittleren Geschwindigkeit (V) eines durch die Bewegung real oder fiktiv fortbewegten Körpers setzt.

Bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung sind in diesem Zsammenhang drei Grossen von Bedeutung, nämlich die Amplitude einer Bewegung, die Frequenz der Bewegung und die gewünschte echte oder auch fiktive Fortbewegungsgeschwindigkeit des durch die Bewegung fortbewegten Körpers. Die Amplitude ist hier zB durch den Gesamtdurchmesser einer Pedalkurbel bestimmt, die Frequenz durch die Anzahl der Umdrehungen der Pedalkurbel pro Sekunde und die gewünschte Geschwindigkeit in km/h in zB Anlehnung an Gehen, Traben, Laufen, Rennen eines Probanden. Es gilt nun, diese Parameter in einen optimalen Zusammenhang im Sinne einer für den Probanden optimalen Nutzung seiner körpereigenen Energie zu bringen. Vorbild für diesen optimalen Zusammenhang ist die Natur mit dem Flug von Zugvögeln. Diese müssen lange Distanzen ohne Überbelastung der körpereigenen Kräfte (Energie) überwinden. Andererseits erreichen sie ihr Ziel dann nicht, wenn sie ihre Energie nicht optimal ausnutzen. Aus der Physik ist im Bereich der Strömungsmechanik eine Gleichung bekannt, welche die oben genannten Parameter in ein optimales Verhältnis setzt, die sog. Strouhal-Gleichung/Zahl, die wie folgt definiert ist: S _t = A x F / V. Dabei ist A die Amplitude und F die Frequenz der Bewegung und V die mittlere Geschwindigkeit des durch die Bewegung fortbewegten Körpers oder Mediums. Diese Gleichung gilt gleichermassen für zyklische wie für oszillierende Bewegungsmuster. Sie ist unabhängig von der zu bewegenden Masse und äusseren Widerständen. Sie beschreibt ein reines Bewegungsmuster in Verbindung mit einer Geschwindigkeit bzw. einem Potential.

Daher ist in vorteilhafter Ausführung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäss der Erfindung vorgesehen, dass man die Beziehung zwischen der Amplidute, Frequenz und

Geschwindigkeit nach der Gleichung X = A x F / V einstellt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Wert X = 0,3.

Die Wissenschaft hat bestätigt, dass die dimensionslose Strouhal-Zahl S _t für optimale Energieausbeute für Fische und Vögel zwischen 0,2 und 0,4 liegt. Dies gilt für Sardinen ebenso wie für Wale, für Fledermäuse ebenso wie für Schwalben oder Gänse. Es ^' scheint sich um ein evolutionäres Optimum zu handeln, welches universumweit gilt. Dimensionslose Zahlen sind in der Biomechanik wichtig, weil sie duch ihre Konstanz auf dynamische Ähnlichkeiten trotz möglicher Unterschiede der Medien oder Grosse hinweisen können. Die zur Lösung der oben gestellten Aufgabe vorgesehene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur

Durchführung einer zyklischen oder alterniernden Bewegung und schlägt dabei vor, dass sie Mittel zur Einstellung der Amplitude, der Frequenz und der gewünschten mittleren Fortbewegungsgeschwindigkeit des durch die Bewegung real oder fiktiv fortbewegten Körpers aufweist. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung und dem damit realisierbaren Verfahren kann man nun V in Anlehnung an die Zielvorstellung Gehen, Laufen oder Rennen einstellen, Gehen zB mit 6 km/h, S _t ist zB mit 0,3 vorgegeben. Es gilt nun, A und F so abzustimmen, dass die Strouhal-Gleichung S _t xV = AxF mit S _t = 0,3 erfüllt wird. Nimmt man für die Amplitude einen (fixen) Durchmesser der Pedalkurbel die von zB 0,3 m an, so errechnet sich die Frequenz mit 1 ,67 Hz, um die optimale Nutzung der körpereigenen Energie zu erreichen.

Stellt man sich bei dieser Einstellung vor, dass der Proband Vi Stunde lang bei optimaler körperlicher Auslastung gehen soll, gilt es, die Frequenz der Tretbewegung bei 1,67 Hz unter Konrolle zu halten. Massgebend ist also eine einzige, objektive Grosse, - in diesem Fall die Frequenz -, die sich dem Ermessen oder der Willkür vollkommen entzieht und nicht mit Simulationsfehlern behaftet ist.

Andererseits ist es gemäss der Erfindung ebenso möglich, den Probanden ohne übermässige Belastung an ein Bewegungsmuster mit optimaler Energieausbeute heranzuführen. Ein geschwächter Patient wird nicht auf Anhieb eine für ihn ermittelte Frequenz über längere Zeit halten können oder gar erreichen. Erst durch wiederholte Übungen wird er langsam und behutsam an seine optimale Leistung herangeführt. Es wird also eine objektive Vorgabe gemacht, die unabhängig vom jeweiligen Zustand des Patienten ist.

Nach einer solchen Belastung können in an sich bekannter Weise Belastungsübungen, Energiebilanz, Puls und sonstige medizinische Kenngrössen bestimmt werden, um auf die Konstitution des Probanden zu schliessen. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung entfallen insbesondere

Energiespeichermassen und der damit verbundene apparative Aufwand, ebenso wie komplexe Steuerungen, die in den bekannten Vorrichtungen vohandene Energien und Verluste mit medizinischen Kenngrössen in Verbindung bringen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung arbeitet daher wesentlich genauer und ist weniger störanfällig.

Durch das Fehlen von zu bewegenden Massen ist die erfindungsgemässe Vorrichtung insbesondere für Kinder, ältere, kranke und solche Menschen geeignet, die ihren Bewegungsapparat nicht oder nur unzureichend kontrollieren können. Durch die Einfachheit ihres Aufbaues kann sie sogar von bettlägerigen Patienten in liegender Stellung betätigt werden. Durch den Wert V können zB Bewegungsmuster vom langsamen Gehen bis zum schnellen Laufen vorgegeben werden, ohne den Patienten energiemässig zu überfordern. Da die erfindungsgemässe Vorrichtung keine zu bewegenden Massen hat, ist sie auch in der Schwerelosigkeit anwendbar, so zB für das kontrollierte Training von Astronauten.

Darüberhinaus ist es mit der erfindungsgemässen Vorrichtung auch möglich, den Probanden bei optimaler Ausbeute der körpereigenen Energie an die Grenzen seiner

Belastbarkeit heranzuführen. So kann das erfindungsgemässe Verfahren und die Vorrichtung zu sener Durchführung zur Bestimmung der optimalen Energieausbeute eines Probanden über eine längere Zeit dienen. Mit dieser Kenntnis kann dann der Proband weitere und an sich bekannte Optimierungen vornehmen. Dies gilt gemäss der Erfindung zB für einen Langstreckensportler. Die zur Erreichung einer bestimmten Leistung/Strecke notwendige durchschnittliche Geschwindigkeit ist einfach zu ermitteln. Er wird nun mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäss der Erfindung zunächst mit dem Ziel trainieren, die für diese Geschwindigkeit optimale Frequenz oder Schrittlänge bei optimaler Energieausbeute zu erreichen. Von dieser Kenntnis ausgehend wird er dann mit den bereits bekannten Verfahren und Mitteln für Spezialbelastungen bei der Startphase, für Zwischenspurts und den Endspurt trainieren.

Anders ist es bei einem Patienten, der zB nach einem Unfall wieder an sein Leistungsoptimum herangeführt werden soll. Die Zielvorgabeen wären hier zB wieder Gehen, Traben, Rennen etc. sowie die optimale Strouhal-Zahl von 0,3. Bei bestehender Amplitude der Bewegung, zB Fahrrad oder Ruder- Vorrichtung, kann man den Patienten progressv an die optimale Frequenz heranführen. Pulsmessungen können dabei zur Kontrolle dienen, um insbesondere im Rahmen einer Rehabilitation keine Überbe-anspruchung des Herz- Kreislaufsystems zu riskieren. Der Puls wird jedoch hier nicht als Vorgabe benutzt, sondern eben nur als Kontrollmassnahme. Bei der S _t = 0,3 und einer für den Patienten machbaen Einstellung von A und F wird sich der optimale Puls mit der Zeit soz. von selbst einstellen.

Ebenso kann man sich eine übergewichtige Person vorstellen, die auf Anhieb nicht in der Lage ist, die bei vorge-gebener Bewegungsamplitude notwendige Schrittzahl (Frequenz) über längere Zeit zu erreichen oder zu halten. Es ist zwar sehr wohl möglich, diesem Probanden durch bereits bekannte Massnahmen zum schnellen und gezielten Gewichtsverlust zu verhelfen, das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt dann die Feststellung der Belastbarkeit über eine längere Zeit nach rein objektiven, reproduzierbaren und verifizierbaren Kriterien. Ebenso ist es gemäss der Erfindung möglich, Amplitude und Frequenz entsprechend den gegebenen Umständen und Möglichkeiten des Probanden einzustellen und mit S _t = 0,3 die mittlere Geschwindigkeit zu berechnen. In diesem Fall ist S ₁ = 0,3 direkt der einzige Parameter, mit dem die Bewegung gesteuert bzw. kontrolliert wird. Dadurch ist es mit dem erfindungsgemässen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung auch möglich, gezielt die Stützmuskulatur zu trainieren, die bei nur 20 bis 30 % der maximalen, willkürlichen Muskelkraft anspricht. Durch das Konstanthalten und die objektive Kontrolle bei S _t =0,3 kann gemäss der Erfindung auch vermieden werden, dass durch eine unbewusste oder unkontrollierte Belastung oder Bewegung grossere Muskelkräfte ins Spiel kommen (> 40 % der maximalen, willkürlichen Muskelkraft), die dann ungewollt die Bewegungsmuskulatur ansprechen und die Stützmuskulatur ausschalten würden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den heiligenden Zeichnungen. In diesen Zeichnungen sind:

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung für eine Drehbewegung;

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung für eine hin- und hergehende Bewegung.

Eine Vorrichtung gemäss der Erfindung umfasst zB einen Grundrahmen 1, auf dem ein

Lagerbock 2 angeordnet ist. An diesem Lagerbock 2 ist mittels eines Lagers 3 eine Kurbel 5 drehbar gelagert. Dabei kann es sich um ein Pedalpaar handeln aber auch um eine doppelarmige

Handkurbel. An den Enden der Kurbelarme sind Pedale oder Handgriffe 4 drehbar angelenkt. Diese Pedale oder Handgriffe können in an sich bekannter Weise mit Schlaufen versehen sein.

Über eine geeignete Kabelverbindung 6 ist die Vorrichtung mit einer Steuereinheit 7 verbunden, über die zB die Drehzahl der Kurbel an die Steuereinheit 7 übertragen wird. In diese Stuereinheit werden eine frei wählbare Geschwindigkeit V und zB die Amplitude A der Kurbel 5 eingegeben. Bei dieser Ausfuhrungsform sind die Arme der Kurbel 5 in ihrer Länge einstellbar. Ferner beinhaltet die Steuereinhaiet 7 eine Zeitmessvorrichtung T sowie eine Anzeige 8 für die optimale Arbeitsweise der Vorrichtung gemäss der Erfindung.

Darüber hinaus kann die Steuereinheit 7 mit einem Monitor 9 verbunden sein, an dem Aufzeichnungen sichtbar gemacht oder auch gespeichert und ausgedruckt werden können.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung ist wie folgt: Ein Proband liegt zB auf dem Grundrahmen 1 und betätigt die Kurbel 5 über die Pedale 4 mit seinen Füssen. Die Vorrichtung kann auch die Form eines Fahrrades aufweisen. An der Steuereinheit 7 wird in V eine gwünschte Fortbewegungsgeschwindigkeit, wie zB Gehen, Laufen, Rennen mit der Dimension km/h eingegeben. In A wird dann der eingestellte Durchmesser der Kurbel 5 in der Dimension Meter (m) eingegeben. Ein Rechner ermittelt nun entsprechend der Strouhal- Gleichung und mit der Strouhal-Zahl 0,3 die resultierende Frequenz F für die Umdrehungen an der Kurbel 5. An der Anzeige 8 wird zB an einer Farbskala, umfassend einen optimalen, grünen Zentralbereich und Bereiche zur Anzeige der Abweichungen nach oben und unten, die jeweilige Frequenz der Kurbel 5 sichtbar gemacht.

Der Proband kann nun bei seinen Tretbewegungen an der Anzeige 8 verfolgen, dass und ob er im optimalen Frequenzbereich ist bzw. bleibt. Die Zeit für die Übung kann in T eingestellt werden. Sie ist unabhängig von der Arbeit im Rechner. Für spätere Auswertungszwecke kann mittels des Monitors 9 ein Protokoll aufgezeichnet werden, das zB die Frequenz über die Zeit darstellt.

Bei fixer Kurbel 5 und somit fester Amplitude A kann entsprechend der Strouhal- Gleichung an der Steuereinhaeit 7 selbstverständlich auch V variiert werden, um die optimale Frequenz zu ermitteln. Ebenso kann die Frequenz F vorgegeben und die Amplitude variiert werden. In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung für geradlinige, alternierende Bewegungen gezeigt. Am Lagerbock 2 nach Fig. 1 ist hier eine Kurbelscheibe 10 drehbar gelagert, die mit einem Schubgestänge 11, 12 zusammenwirkt. Die Kurberlstange 11 ist dabei mit ihrem kreisenden Ende an der Kurbelscheibe 10 angelenkt und entlang einer Kulisse 13 verstellbar. Dadurch wird die Amplitude A der Bewegung eingestellt. Die Schubstange 12 ist hier in geeigneter Weise in einem Lagergehäuse 14 gelagert und weist an ihrem Betätigungsende zB einen Griff 15 auf. Wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, ist die Vorrichtung mit einer Steuereinheit 7 verbunden, an der die beschriebenen Einstellungen getätigt werden können. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es zB möglich, bei entsprechender Ausgestaltung das Bewegen von Finger-, Kopf- oder Fussbewegungen zu steuern und zu kontrollieren.

Da für die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung keinerlei Schwungmassen oder Reibungselemente mit dementsprechenden Mechaniken notwendig sind, kann die Vorrichtung extrem leicht gebaut werden. Sie wird nicht „belastet", sondern dient nur der Steuerung und Kontrolle von Bewegungen. Die Vorrichtung gemäss der Erfindung eignet sich besonders für Übungen über eine längere Zeit und zum „normalen" Training des Bewegungs- und Muskelapparates. Sie stellt bewusst nicht auf Bewegungen unter äusseren Belastungen ab, so dass bei ihrer Anwendung Fehlbelastungen weitgehend ausgeschlossen sind. Durch die Reduzierung auf einen von drei objektiven aber variierbaren Parametern zur Kontrolle der Bewegung über einen gewissen Zeitraum ist eine Fehlinterpretation durch den Probanden nicht möglich. An der Anzeige 8 sieht er direkt und genau, ob er sich im optimalen oder sub-optimalen Bereich des berechneten Wertes befindet.

Wegen der fehlenden Massen kann die erfinngsgemässe Vorrichtung auch im schwerelosen Raum zur Anwendung kommen. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung geht es vorrangig um die optimale Nutzung der körpereigenen Energie bei der Ausführung einer kontrollierten, vorgegebenen Bewegung über eine längere Zeit. Dadurch werden Fehlentwicklungen, wie übermässige Muskelbildung oder Gelenkabnutzungen, vermieden. Da es sich also um einen weitgehend natürlichen Bewegungsablauf handelt, wird der Umgang mit der Vorrichtung auch nicht als unangenehme Belastung empfunden.

Der einzige vom Probanden willkürlich einstellbare Parameter ist die Zeit. Ein gesunder Proband wird hier einen gewünschten Wert einstellen. Bei einem kranken Menschen oder Rekonvaleszenten wird ein Arzt oder Thrapeut eine medizinisch indizierte Zeitvorgabe machen. Ein Proband wird auf jeden Fall dann die Bewegung beenden, wenn er meint, genügend „gegangen'Oder „gelaufen" zu sein, oder wenn er einfach zu schwach ist. Da es bei der erfindungsgemässen Vorrichtung auch keine erzwungenen Bewegungen gibt, die vom Probanden als unnatürlich oder übermässig belästigend empfunden werden, fühlt er sich durch die Bewegungskontrolle auch nicht überbeansprucht.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten und beschriebenen Beispiele beschränkt. Sie umfasst vielmehr alle Ausfuhrungsformen, die den

Erfindungsgedanken verwirklichen. So sind das erfϊndungsgemässe Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung nicht sklavisch an den optimalen Faktor 0,3 gebunden.Sollte für einen spezifischen Fall oder Umstand ein anderer Wert für diesen Faktor sinnvoll sein, kann selbstverständlich dieser Wert verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Auch sind andere mechanische Mttel denkbar, um ein Bewegungsmuster mit den Parametern der Amplitude und Frequenz umzusetzen.

So kann gemäss der Erfindung insbesondere jene Variante von Vorteil sein, bei der die Amplitude und Frequenz vorgegeben werden und dann nach Berechnung der Geschwindigkeit als einzuhaltender Kontrollwert der Wert 0,3 auf der Anzeige 8 als grüner Bereich erscheint. Das ist zB auch bei einer Draisine anwendbar, bei der die Betätigung des Hebelarmes ähnlich einem Rudermechanismus gesteuert und kontrolliert wird.

Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, ist es auch möglich, dass in der Steuereinheit ein Kraft-Zeit-Diagramm ermittelt und dann an dem Monitor 9 dargestellt bzw. ausgedruckt werden kann, um die durch die Bewegung des Probanden geleistete Arbeit/Leistung festzuhalten.