Vorrichtung zum Trainieren der Muskulatur einer Person

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trainieren der Muskulatur einer Person, mit einer von der Person zum Trainieren zu manipulierenden, entlang einer Bewegungsbahn verlagerbaren Betätigung, die mit einem einen Trainingswiderstand bestimmenden Aktuator antriebsverbunden ist und mit einer Steuereinheit, die den Aktuator zur Vorgabe des Trainingswiderstandes ansteuert.

Gemäß einer derartigen bekannten Vorrichtung (DE 103 08 210 A1) trainiert eine Person mit Muskelkraft gegen einen hydraulischen Widerstand einer mit der Trainingseinrichtung gekoppelten hydraulischen Einheit, der eine Steuereinheit zum Einstellen des hydraulischen Widerstandes zugehört. Diese hydraulische Einheit umfasst einen hydraulischen Aktuator, der von einer hydraulischen Antriebseinheit zum Erzeugen von Linearkräften und/oder Drehmomenten entsprechend antreibbar ist. Dabei steuert die Steuereinheit die hydraulische Antriebseinheit derart an, dass der Aktuator in Abhängigkeit von der Betätigungsrichtung, in der die Person die Trainingseinrichtung betätigt, zumindest zeitweise der Muskelkraft der Person entgegenwirkende Linearkräfte und/oder Drehmomente aufbringt. Von Nachteil ist bei diesen bekannten Vorrichtungen allerdings, dass diese stets einen erheblich eingeschränkten Trainingsbereich aufweisen und so beispielsweise lediglich von einer Führung abhängige linear- oder bogenförmige Bewegungen erlauben. Mit derartigen Bewegungen lassen sich zwar feinere und aktivere Dosierungen von Trainingswiderständen als mit rein gewichtsbelasteten Kraftmaschinen realisieren, allerdings sind die möglichen Bewegungsbahnen, insbesondere zur Anpassung an physiologische Gegebenheiten eines Trainierenden, erheblich eingeschränkt.

Die gleichen Nachteile gelten für ein aus der DE 10 2006 052 502 A1 bekanntes Trainingsgerät, mit einem an einem Gestell über einen Seilzug aufgehängten, veränderlichen Satz an Gewichten mit denen das Seils belastbar ist. Trainiert wird an einer am freien Seilende angebrachten und vom Trainierenden zu betätigenden Handhabe. Am Gewicht greifen zudem Mittel an, die dem Gewichtsatz beim Absenken eine zusätzliche Kraft aufprägen. Dazu ist gegebenenfalls ein Elektromotor vorgesehen, dessen Drehmoment diese zusätzliche Kraft bestimmt. Die zusätzlich aufgeprägte Kraft ist dabei derart bemessen, dass die gesamte auf den Seilzug wirkende Kraft im mittleren Bereich des Absenkungsweges des Gewichtsansatzes um einen gewünschten Betrag erhöht ist. Es wird also ein Trainingsgerät vorgeschlagen, welches den Widerstand für den Trainierenden durch einen zusätzlich an der Trainingsvorrichtung angebrachten Motor in Abhängigkeit von der Gewichtslage verändert.

Um einen gewünschten Trainingserfolg zu erzielen, ist es nötig, die einzelnen Körpersegmente eines Trainierenden entlang definierter Bahnen zu bewegen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art anzugeben, bei der einerseits eine positions- bzw. winkelabhängige Regelung des Trainingswiderstandes möglich ist und zudem mit einer Vorrichtung eine Vielzahl an Bewegungsbahnen einer Betätigung und verschiedenartige Lastzyklen realisiert werden können.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Betätigung in wenigstens einer Ebene entlang frei vorgebbarer Bewegungsbahnen mit einer Führung verlagerbar ist und jedem der wenigstens zwei den Bewegungsbahnen zugeordneten Freiheitsgrade der Betätigung ein Aktuator zugeordnet ist, wobei die Aktuatoren von der Steuereinheit im Sinne einer Erzielung einer der von der trainierenden Person auf die Betätigung übertragen Kraft entgegenwirkenden, errechneten Reaktionskraft angesteuert sind.

Erfindungswesentlich ist es somit, dass die Betätigung, die beispielsweise eine Aufstandsfläche für einen Fuß, ein Griffstück für eine Hand oder eine Anlagefläche für einen beliebigen Körperteil darstellt, mit der Führung zumindest in einer Ebene, vorzugsweise im Raum, entlang verschiedenster Bewegungsbahnen frei bewegbar ist, wobei die jeweiligen Bewegungsbahnen von der Steuereinheit und den davon angesteuerten Aktuatoren, gegebenenfalls in Abhängigkeit der vom Trainierenden aufgebrachten Kräfte, vorgegeben werden können. Gemäß der Erfindung können insbesondere mehr als zwei Trainingsrichtungen über die Steuereinheit gekoppelt sein, also räumliche Bewegungen trainiert werden, wobei jeder Koordinate der räumlichen Bewegung der Betätigung nahezu beliebige Trainingskräfte über die Aktuatoren aufgeprägt werden können.

Dazu ist es insbesondere von Vorteil, wenn jedem Aktuator ein Kraftsensor zugeordnet ist, also jeder Aktuator selbst einen Kraftsensor umfasst. Damit können in einfacher Weise die Richtungen und Beträge der vom Trainierenden in die Vorrichtung eingebrachten Kräfte gemessen bzw. berechnet und in Abhängigkeit dieser Daten mittels eines mathematischen Lastmodells der Vorrichtung berechnete, der Betätigung aufzuprägenden Reaktionskräfte ermittelt werden.

Besonders einfache Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn die Betätigung auf einem Schlitten, insbesondere auf einem Kreuzschlitten, angeordnet ist. Bei Verwendung eines Doppelkreuzschlittens sind räumliche Bewegungsbahnen möglich. Zudem kann die Betätigung nicht nur in wenigstens einer Ebene bzw. im Raum verlagert werden, sondern kann die Betätigung auch um die Koordinatenachsen verschwenkbar ausgebildet sein.

Damit die Steuereinrichtung stets die exakte Position der Betätigung für die Berechnungen zur Verfügung hat, kann es von Vorteil sein, wenn der Betätigung wenigstens ein Lagesensor zugeordnet ist. Diese Lagersensoren können gegebenenfalls den Aktuatoren zugeordnete Impulsgeber bzw. -zähler sein, aus deren Signalen die jeweilige Position eindeutig berechenbar ist. Um einen gewünschten Trainingserfolg zu erzielen ist es, wie bereits erwähnt, nötig, die Körpersegmente des Trainierenden entlang exakt definierter Bahnen zu bewegen. Diese Bewegungen sollen jedoch nur dann ausgeführt werden, wenn der Trainierende in Richtung aller relevanten Achsen vorgegebene Minimalkräfte aufbringt. Dazu ist eine Mehrachsenmechanik vorgesehen, welche dem Trainierenden das Training verschiedener Muskelgruppen bzw. Körperpartien und -segmente ermöglicht. Die Steuerung ermöglicht dabei das koordinierte Verfahren der Betätigung entlang einer Bewegungsbahn und die positions- bzw. winkelabhängige Regelung des Trainingswiderstandes.

Über ein Bedienteil kann das Trainingsgerät eingestellt und können die gewünschten Trainingsparameter angepasst werden. Zudem erfolgt gegebenenfalls eine Aufzeichnung und Überwachung des Trainings für spätere Auswertungen. Dazu ist es von Vorteil, wenn eine Ausgabeeinrichtung zur visualisierten Ausgabe der tatsächlichen und der vorzugsweise zu erzielenden Bewegungsbahn der Betätigung vorgesehen ist. Die Betätigung kann zum Lernen der Bewegungskurve bzw. zum Vorführen der Bewegungskurve beispielsweise automatisch mit den Aktuatoren entlang der voreingestellten Bewegungskurve verfahren werden. Bei einem aktiven Training versucht die trainierende Person die vorgegebene bzw. gelernte Bewegungskurve unter Aufbringung der Kraft nachzufahren bzw. nachzubilden. Eben diese nachgebildete Bewegungskurve kann an der Ausgabeeinrichtung visualisiert dargestellt werden, indem neben der voreingestellten, also der zu erzielenden Bewegungsbahn, jeweils die nachgebildete Bewegungsbahn dargestellt wird.

Je nach Trainingsfortschritt oder Trainingsart kann die Führung der Betätigung durch die Aktuatoren unterstützt werden, kann also mit den Aktuatoren vereinfacht gesagt, eine mechanische Führung nachgebildet (simuliert) werden. Sind zudem Sensoren zur Erfassung der Körperhaltung der trainierenden Person vorgesehen, so besteht die Möglichkeit, die Körperhaltung bei der Auswertung der Trainingsdaten miteinzubeziehen bzw. dem Trainierenden Anweisungen über eine Ausgabeeinrichtung bezüglich Haltungskorrekturen zu geben.

Für ein besonders effektives Training empfiehlt es sich, wenn der Steuereinheit zur positions- und oder winkelabhängigen Steuerung des Trainingswiderstandes ein Regelkreis zugehört und wenn die Aktuatoren bei einem Überschreiben einer vorgebbaren vom Trainierenden aufzubringenden und vom Kraftsensor aufgenommenen Kraft im Sinne eines Verlagerns der Betätigung entlang einer Bewegungsbahn angesteuert sind.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass unterschiedlichste Lasten, wie Federlasten, Pendelbewegungen oder Reibungen bzw. bewegte Massen, als Trainingswiderstände simuliert werden können. Zudem kann die Eigenträgheit des Gerätes kompensiert werden, was einen wesentlich größeren Trainingsbereich bezogen auf minimal und maximal einstellbare Trainingskräfte ermöglicht. Dazu sind die erlaubten Bewegungsbahnen der Betätigung über eine Eingabevorrichtung, beispielsweise einen Berührungsempfindlichen Bildschirm oder dgl., frei programmierbar und/oder parametrierbar. Somit lassen sich exakt auf die Physiologie eines Trainierenden abgestimmte Trainingsmethoden entwickeln. Auch können auf einem Rechner erstellte Trainingsprogramme oder Vorgaben vom Rechner in die Steuerung der Vorrichtung übertragen werden.

Um dabei unkontrollierte Bewegungen der Betätigung bzw. Verletzungen des Trainierenden zu vermeiden, empfiehlt es sich, wenn zur Beschränkung erlaubter Bewegungsbahnen und Geschwindigkeiten der Betätigung, vom jeweiligen Training abhängige, erlaubte Bereiche aufspannende Grenzlinien vorgesehen sind. Damit können in einfacher Weise unnatürliche Bewegungen und Vorrichtungsbedingte Verletzungen unterbunden werden.

Die erfindungsgemäße Steuerung ermöglicht erstmals ein winkel- bzw. positionsabhängiges Regeln des Trainingswiderstands bzw. eine bewusste Führung der zu trainierenden Körperteile zum gezielten Trainieren einzelner Muskelgruppen. Dadurch, dass wenigstens zwei Achsen nur über das Steuerungsprogramm und nicht über eine Mechanik gekoppelt sind, wird eine individuellere und einfache Anpassung der Bewegungsbahnen und Lasten an die Ergonomie des Sportlers möglich. Ebenso können Training, gleichzeitige Messung von Kräften und Bahnkurven und eine Aufzeichnung des Trainings, auf einem Gerät durchgeführt werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere zum Krafttraining, zur Leistungsverbesserung im Spitzensport und zur Rehabilitation nach Verletzungen verwendet werden.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch beschrieben. Es zeigen

Fig. 1

eine erfindungsgemäße Vorrichtung in teilgeschnittener Seitenansicht,

Fig. 2

ein Funktionsschema der Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 3

eine Prinzipdarstellung der Funktion des erfindungsgemäßen Trainings- gerätes am Trainingsbeispiel Beinmuskulatur.

Eine Vorrichtung zum Trainieren der Muskulatur einer Person umfasst eine von der Person zum Trainieren zu manipulierende, entlang einer Bewegungsbahn 1 verlagerbaren Betätigung 2. Die Betätigung 2 ist auf einem Kreuzschlitten 3 angeordnet. Dieser Kreuzschlitten 3 ist in einem Gestell 4 gelagert und umfasst Längsführungen 5 und Querführungen 6. Die Schlitten 3, einer in Richtung der x- und der andere in Richtung der y- Koordinate verlagerbar, sind mit elektromechanischen Aktuatoren 7 entlang der Führungen 5, 6 verlagerbar, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel als Aktuatoren 7 Elektromotoren Verwendung finden, die beispielsweise über Zahnriemen 8 mit den Schlitten 3 antriebsverbunden sind. Die Aktuatoren 7 bestimmen den jeweiligen Trainingswiderstand, wobei die Aktuatoren 7 von einer Steuereinheit 9 zur Vorgabe der Trainingswiderstände angesteuert werden, in welcher Steuereinheit ein mathematisches Modell der Vorrichtung hinterlegt ist.

Die Betätigung 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Ebene entlang frei vorgebbarer Bewegungsbahnen 1 entlang der Führungen 3 verlagerbar, wobei jedem der zwei der Bewegungsbahn zugeordneten Freiheitsgrade der Betätigung 2, der x- und der y-Koordinate, je ein elektromechanischer Aktuator 7 zugeordnet ist. Die Aktuatoren 7 sind von der Steuereinheit 9 dabei im Sinne einer Erzielung einer der von der trainierenden Person 10 auf die Betätigung übertragenen Kraft entgegenwirkenden, errechneten und den Trainingswiderstand bestimmenden, Reaktionskraft angesteuert. Zudem ist jedem Aktuator 7 ein Kraftsensor zugeordnet, im vorliegenden Fall ist dies der Einfachheit halber ein Stromsensor, aus dessen Messwerten das jeweilige Motordrehmoment und somit die Betätigungskraft errechnet wird. Als Bediengerät 11 ist ein berührungsempfindlicher Bildschirm vorgesehen, der eine Ein- sowie eine Ausgabeeinrichtung zur visualisierten Ein- und Ausgabe von Daten umfasst. So kann vorzugsweise eine visualisierte Ausgabe der tatsächlichen und einer zu erzielenden Bewegungsbahn der Betätigung 2 auf dieser Ausgabeeinrichtung erfolgen. In Fig. 2 sind die Aktuatoren 7 samt zugehörigen Aktuatorreglern 12 dargestellt, die von der Steuereinheit 9 entsprechend angesteuert werden. Die gemessenen Trainingskräfte werden von den Aktuatoren 7 an die Steuereinheit 9 übermittelt.

Fig. 3 deutet eine mögliche Bewegungsbahn 1 für ein Beintraining an, wobei diese Bewegungsbahn 1 innerhalb eines erlaubten, von Grenzlinien 13 aufgespannten Bereiches über die Steuerung frei vorgegeben werden kann, oder aber von der trainierenden Person durch entsprechende Betätigung der Betätigung 2 frei abgefahren werden kann. Die Bewegungsbahn 1 kann über Parametrisierung von Trainingskräften, also von lageabhängig aufzubringenden Kräften bzw. durch Programmierung der Bahn innerhalb erlaubter frei Bereiche vorgegeben werden.