DE102004045140A1

DE102004045140A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung insbesondere von alternierenden Bewegungen

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Publication number: DE102004045140A1
Application number: DE102004045140A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-19
Filing date: 2004-09-19
Publication date: 2006-03-23
Also published as: WO2006029902A1; EP1863579A1; US20070219068A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung von Bewegungsmustern bei zyklischen oder alternierenden Bewegungen mit den Parametern der Amplitude und Frequenz der Bewegung, bei dem man diese Parameter in Beziehung zu einer mittleren Geschwindigkeit eines durch die Bewegung real oder fiktiv fortbewegten Körpers setzt, sowie Vorrichtung zu seiner Durchführung.

Description

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

Solche Verfahren sind bei Trainings- bzw. Therapiegeräte in Form von fahrrad- oder ruderbootähnlichen Vorrichtungen bekannt (Ergometer), bei denen der Proband Bewegungen gegen einen Widerstand und z.B. in Abhängigkeit von seinem Puls machen muss. Der Puls ist jedoch eine relativ unregelmässige Grösse 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 Dauerbelastungen können dabei unerwünschte Nebenwirkungen oder gar Schäden auftreten.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen umfassen insbesondere Pulsmessung, Leistungsmessung, Trittfrequenzmessung, Geschwindigkeitsdaten und Zeitmessungen.

Diese Messungen müssen durch komplexe medizinische Gleichungen in Beziehung gesetzt und abgeglichen werden, die sich dem Verständnis des betroffenen Probanden weithegend entziehen und somit zu Fehlern verleiten.

Ausserdem bedingen die heute bekannten Vorrichtungen, wie z.B. Ruder-Ergometer, einen relativ grossen und komplexen mechanischen Aufwand, umfassend ein Schwungrad zur Speicherung der Energie zwischen zwei Schlägen (Simulation des Trägheitsmoments des Bootes), ein mit dem Schwungrad über eine Kette, Riemen oder Kabel verbundenes Anfasselement (Simulation des Ruders), einen Dämpfmechanismus 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 Gesamtkombination mit Fehlern behaftet sind.

Aufgabe der Neuerung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei denen der apparative Aufwand der bekannten Geräte weitgehend vermieden wird, so dass die Methodik und Durchführbarkeit wesentlich erleichtert und dem Proband durch ein Minimum von Parametern verständlich gemacht werden und bei der ein Proband insbesondere bei Dauerbelastungen nicht nach der Pulszahl oder irgendwelchen Simulationen, sondern nach der optimalen Energieausbeute seines Körpers belastet wird, zu deren Kontrolle nur ein einziger, objektiver Parameter notwendig ist.

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

Bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung sind in diesem Zusammenhang drei Grössen 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 z.B. durch den Gesamtdurchmesser eines Pedallagers bestimmt, die Frequenz durch die Anzahl der Umdrehungen des Pedallagers pro Sekunde und die gewünschte Geschwindigkeit in km/h in z.B. 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 Körperenergie 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, die wie folgt definiert ist: S_t = A × F/V. Diese Gleichung gilt gleichwohl für zyklische wie für oszillierende Bewegungsmuster. Sie ist unabhängig von der zu bewegenden Masse und Umgebungswiderständen. Sie beschreibt ein reines Bewegungsmuster in Verbindung mit einer Geschwindigkeit.

Die Wissenschaft hat bestätigt, das die mit dieser Gleichung ermittelte 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.

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 alternierenden 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 z.B. mit 6 km/h. S_t ist mit 0,3 als Zielgrösse vorgegeben. Es gilt nun, A und F so abzustimmen, dass die Strouhal-Gleichung mit S_t = 0,3 erfüllt wird. Nimmt man für die Amplitude einen (fixen) Durchmesser des Pedallagers von z.B. 0,3 m an, so muss man die Frequenz auf 1,67 Hz einstellen, um die optimale Nutzung der körpereigenen Energie zu erreichen.

Stellt man sich bei dieser Einstellung vor, dass der Proband 1/2 Std. lang bei optimaler körperlicher Auslastung gehen soll, gilt es, die Frequenz der Tretbewegung bei 1,67 Hz unter Kontrolle zu halten. Massgebend ist also eine einzige, objektive Grösse, – 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. Es wird also eine objektive Vorgabe gemacht, die unabhängig von 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 vorhandenen 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 Kind, 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 z.B. 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 z.B. für das kontrollierte Training von Astronauten.

Darüber hinaus ist es mit der erfindungsgemässen Vorrichtung auch möglich, den Probanden bei optimaler Energieausbeute an die Grenzen der Belastbarkeit heranzuführen. So kann das erfindungsgemässe Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung zur Bestimmung der optimalen Langzeitenergieausbeute eines Probanden dienen. Mit dieser Kenntnis kann dann der Proband weitere und an sich bekannte Optimierungen vornehmen.

Dies gilt gemäss der Erfindung z.B. auch für einen Langstreckensportler. Die zur Erreichung einer bestimmten Leistung 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 Spitzenbelastungen bei der Startphase, für Zwischenspurts und den Endspurt trainieren.

Anders ist es bei einem Probanden, der z.B. nach einem Unfall wieder an sein Leistungsoptimum herangeführt werden soll. Die Zielvorgaben wären hier z.B. wieder Gehen, Traben, Rennen etc. und die optimale Strouhal-Zahl von 0,3. Bei feststehender Amplitude der Bewegung, z.B. Fahrrad oder auch Rudermaschine, kann man den Probanden progressiv an die optimale Frequenz heranführen. Pulsmessungen dienen dabei zur Kontrolle, um insbesondere im Rahmen einer Rehabilitation keine Überbeanspruchung des Herz-Kreislaufsystems zu riskieren. Der Puls wird jedoch hier nicht als Vorgabe benutzt, sondern eben nur als Kontrollgrösse. Bei der S_t = 0,3 und einer für den Probanden machbaren Einstellung von A und F wird sich der optimale Puls mit der Zeit soz. von selbst einstellen. Ebenso kann man sich einen übergewichtigen Probanden vorstellen, der auf Anhieb nicht in der Lage ist, die bei vorgegebener Bewegungsamplitude notwendige Schrittzahl (Frequenz) über längere Zeit zu erreichen oder zu halten. Es ist zwar sehr wohl möglich, diesen Probanden durch bereits bekannte Massnahmen zum schnellen und gezielten Gewichtsverlust zu verhelfen, das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt dann die Feststellung der Langzeitbelastbarkeit nach rein objektiven Kriterien.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. In diesen Zeichnungen sind:
1 eine Ausführunsgform der erfindungsgemässen Vorrichtung für eine Drehbewegeung;
2 eine Ausführunsgform der erfindungsgemässen Vorrichtung für eine hin- und hergehende Bewegung.
Eine Vorrichtung gemäss der Erfindung umfasst z.B. 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 z.B. die Drehzahl der Kurbel an die Steuereinheit 7 übertragen wird.
In dieser werden eine frei wählbare Geschwindigkeit V und z.B. die Amplitude A der Kurbel 5 eingestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Arme der Kurbel 5 in ihrer Länge einstellbar. Ferner beinhaltet die Steuereinheit 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 z.B. auf dem Grundrahmen 1 und betätigt die Kurbel 5 über die Pedale 4 mit seinen Füssen. Die Vorrichtung kann auch die Form eines Fahrrads aufweisen. An der Steuereinheit 7 wird in V eine gewünschte Fortbewegungsgeschwindigkeit, wie z.B. Gehen, Laufen, Rennen mit der Dimension km/h eingestellt. In A wird dann der eingestellte Durchmesser der Kurbel 5 in der Dimension Meter (m) eingestellt. 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 z.B. an einer Farbskala, umfassend einen optimalen 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 z.B. das Verhalten der Frequenz über die Zeit darstellt.
Bei fixer Kurbel 5 und somit fester Amplitude A kann an der Steuereinheit 7 selbstverständlich auch V variiert werden, um die optimale Frequenz F zu ermitteln. Ebenso kann die Frequenz F vorgegeben und die Amplitude A variiert werden.
In 2 ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung für geradlinige, alternierende Bewegungen gezeigt. Am Lagerbock 2 nach 1 ist hier eine Kurbelscheibe 10 drehbar gelagert, die mit einem Schubgestänge 11, 12 zusammenwirkt. Die Kurbelstange 11 ist dabei mit Ihrem Drehpunkt entlang einer Kulisse 13 der Kurbelscheibe 10 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 z.B. einen Griff 15 auf. Wie in Verbindung mit 1 beschrieben, ist die Vorrichtung mit einer Steuereinheit 7 verbunden, an der die oben beschriebenen Einstellungen getätigt werden können. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es z.B. möglich, bei entsprechender Ausgestaltung das Bewegen von Finger-, Kopf- oder Fussbewegungen zu steuern.
Da für die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung keinerlei Schwungsmassen 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 Langzeitbelastungen 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 zum Kontrolle der Bewegung über einen gewissen Zeitraum ist eine Fehlinterpretation durch den Probanden nicht möglich. An der Anzeige 8 sieht er genau, ob er sich im optimalen oder sub-optimalen Bereich des berechneten Wertes befindet.
Wegen der fehlenden Massen kann die erfindungsgemässe Vorrichtung auch im schwerelosen Raum zur Anwendung kommen. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung geht es vorrangig stets 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 Therapeut eine medizinisch indizierte Zeitvorgabe machen. Ein Proband wird auf jeden Fall dann die Bewegung beenden, wenn er meint, genügend „gegangen" oder „gelaufen" zu sein. 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 Ausführungsformen, die den Erfindungsgedanken verwirklichen. So sind das erfindungsgemässe 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 verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Auch sind andere mechanische Mittel denkbar, um das Bewegungsmuster mit Amplitude und Frequenz umzusetzen.

Claims

Verfahren zur Steuerung von Bewegungsmustern bei zyklischen oder alternierenden Bewegungen mit den Parametern der Amplitude und Frequenz der Bewegung, dadurch gekennzeichnet, dass man diese Parameter (A, F) in Beziehung zu einer mittleren Geschwindigkeit (V) eines durch die Bewegung real oder fiktiv fortbewegten Körpers setzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Beziehung zwischen den Parametern (A, F, V) entsprechend der Gleichung X = A × F/V einstellt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den Wert X auf 0,3 einstellt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend eine Einrichtung zur Durchführung einer zyklischen oder alternierenden Bewegung, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (5; 7) zur Einstellung der Amplitude (A), der Frequenz (F) und der gewünschten mittleren Fortbewegungsgeschwindigkeit (V) eines durch die Bewegung real oder fiktiv fortbewegten Körpers aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Einrichtung zur Durchführung einer zyklischen Bewegung einen Kurbeltrieb aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Kurbelarme (5; 11, 13) und somit die Amplitude (A) der Bewegung veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit (7) aufweist, an der die Amplitude (A), mittlere echte oder fiktive Fortbewegungsgeschwindigkeit (V) und die Frequenz (F) der Bewegung einstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) einen Rechner aufweist, der die Amplitude (A) der Bewegung entsprechend der Frequenz (F) und der Geschwindigkeit (V) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) eine Rechner aufweist, der die Frequenz (F) entsprechend der Amplitude (A) und der Geschwindigkeit (V) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) einen Rechner aufweist, der die Geschwindigkeit (V) entsprechend der Amplitude (A) und der Frequenz (F) ermittelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner Mittel zur Errechnung der jeweiligen Amplitude, Frequenz und/oder Geschwindigkeit unter Berücksichtigung der Strouhal-Gleichung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strouhal-Zahl den Wert 0,3 hat.