WO1998013107A1

WO1998013107A1 - Fitnessgerät in verbindung mit der steuerung eines computerspiels

Info

Publication number: WO1998013107A1
Application number: PCT/EP1997/005199
Authority: WO
Inventors: Hans-Jürgen KRAMER
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-25
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 1999-03-25
Also published as: AU4776997A; DE19641202B4; DE19641202A1

Abstract

Bei den üblichen Fitnessgeräten zur Stärkung des Herz-Kreislauf-Systems oder bestimmter Muskelgruppen ist der Akteur sich jeder Körperbewegung und auch seiner Mühsal voll bewußt. Er ist auf diese voll konzentriert. Mit einem Fitnessgerät nach Art der Erfindung wird die Konzentration auf die Bewältigung eines Computerspiels umgelenkt und somit von der Mühsal der anstrengenden Körperbewegung gezielt abgelenkt. Aus einem harten, langweiligen Training wird ein kurzweiliger Spielspaß. Aus eine gewählten Körpergrundhaltung heraus sind mehrere separate Kraftübungen durchführbar. Beim Computerspiel Tetris z.B. wären vier separate Kraftübungen notwendig. Zu jeder durchgeführten Kraftübung wird mit einem Sensor ein elektrischer Impuls erzeugt, einem Computer zugeführt und zur Steuerung eines digitalen Computerspiels (z.B Tetris) benutzt. Einem sonst üblichen Tastendruck auf der Computertastatur mit einem Finger entspricht dann hier z.B. die Kraftübung - Beine anwinkeln und wieder unter Überwindung eines Kraftwiderstandes von etwa 600 Newton ausstrecken.

Description

Beschreibung

FΪTNESSGERAT IN VERBINDUNG MIT DER STEUERUNG EINES COMPUTER SPIELS

Es gibt eine Vielzahl von Frtnessgeraten vorwiegend zur Stärkung des Herz- Kreislauf- Systems und der Muskulatur bzw von speziellen Muskelgruppen Bei Benutzung dieser Gerate ist man voll auf jede Kraftanstrengung konzentriert und jede Anstrengung ist voll im Bewußtsein des Akteurs

Es ist bekannt daß körperliche Anstrengungen, wenn sie im Rahmen eines Spieles stattfinden, den Akteuren viel leichter fallen, weil die ganze Konzentration (das Bewußt- sein) auf das Spiel und das wesentliche Spielelement (z.B den Ball) gerichtet ist und erst nach dem Ende des Spiels das Erschopftsein (mit dem gedanklichen Ruckschluß, daß eine große körperliche Anstrengung stattgefunden haben muß) bewußt wahrgenommen wird Man spncht vom 'harten Training' (u a auch unter Verwendung von Fitnessgeraten bzw von Apparaturen, die als Bestandteile von Fitnessgeraten bekannt sind) und von der 'Freude auf das Spiel , wobei die körperliche Anstrengung (pro Zeiteinheit) im Rahmen eines Spiels meist noch weit über der des Trainings hegt

Genau diese menschliche Besonderheit wird im Fitnessgerat nach Patentanspruch 1 und 2 ausgenutzt Aus dem harten Fitnesstraining wird dadurch ein Fitnesstraining, das Spaß macht und als kurzweiiig empfunden wird

Viele Computerspiele wie z.B. auch Tetris lassen sich gleichzeitig von zwei Personen in Form eines Wettkampfes bestreiten Mit zwei Geraten nach Patentanspruch 1 und 2 ist dies natürlich auch möglich

Da die Kraftwiderstände als variabel einstellbar ausgeführt werden können kann das Gerat für das Spiel auf eine bestimmte Pulsfrequenz, die für die Belastungsintensitat steht eingestellt werden Dadurch ist ein fairer Wettkampf zwischen Spielern mit den unterschiedlichsten körperlichen Vorau Setzungen mit gleichen Gewinnchancen möglich Auch diese Wirkung und Möglichkeit bei einer Betonung nicht auf Fitness sondern auf spielerischen Wettkampf ist mit dem Fitnessgerat beabsichtigt

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden beschrieben Es wurde das Computerspiel Tetris gewählt, das mit vier verschiedenen Tasten der Computertastatur (bzw mit einem digitalen Joystick) gesteuert wird Den vier Tasten werden somit hier vier seperate Kraftübungen zugeordnet - Kraftübung AS Arme aus der angewinkelten Grundstellung unter Kraftaufwand nach vorn strecken und wieder anwinkeln (Bei den als Kraftwiderstande gewählten Öldruck - Dampfungszylindern wird bei der Rückführung etwa 10 bis 15% der Kraft in Hauptrichtung benotigt Das wäre hierbei beim Anwinkeln der Arme der Fall )

- Kraftübung AB Arme zur Seite strecken und unter Überwindung des Kraftwiderstandes wieder beugen, d h anwinkeln

- Kraftübung BS Beine aus der gestreckten Grundhaltung anwinkeln und unter Kraft wieder strecken

- Kraftübung BH Beine im gestreckten Zustand gegen die Schwerkraft anheben und wieder absenken

Das in den Zeichnungen dargestellte Ausfuhrungsbeispiel ist noch durch zwei Zusatzforderungen (außerhalb der Patentansprüche) geprägt

- Das Gerat soll gleichzeitig ein Sitzmobel sein, z B der Stuhl vor dem Computer Geeignet als Heimgerat für kleinere Wohnungen, da kein zusätzlicher Platzbedarf notwendig ist Oder wenn die Sichtbarkeit eines Fitnessgerates nicht gewünscht ist - Die Aktionen mit dem Gerat sollen die Wirbelsaule nicht belasten

Fig 1 stellt die Korpergrundhaltung dar, aus der jede Kraftübung gestartet und in die dann wieder zurückgekehrt wird

Fig 4 zeigt das Gerat ohne seitliche Abdeckung, wo noch keine weitere Maßnahmen bezüglich der Betriebsbereitschaft stattfanden Die Neigung der Ruckenlehne gegenüber der Senkrechten betragt im Ruhezustand 15 Grad Das Gerat ist so konzipiert, daß durch Umklappen, Drehen, gefederte Einrastungen die Betriebsbereitschaft in kürzester Zeit erbracht werden kann Nur die Fußpedalen ( (2) in Fig 8) müssen ihrer Anbringung unter dem Sitz entnommen und in die entsprechende Halterung an der Spitze der Beinstreckvorrichtung eingesetzt werden

Fig 5 zeigt u a eine Kippung des ganzen Stuhls um 10 Grad nach vorn Damit soll erreicht werden, daß die resultierende Kraft aus dem wirksamen Korpergewicht und der Gegenkraft durch die Beinstreckung etwa senkrecht in die Ruckenlehne im Bereich des Korperbeckens hineinweist Zusammen mit der dort stärkeren Polsterwolbung werden diese Kräfte also voll vom Becken des Korpers abgefangen und belasten nicht die Wir- belsaule

Die Ruckenlehne ist im Betriebszustand um weitere 30 Grad nach hinten weggedreht sodaß der Winkel zwischen gestreckten Beinen (Sitzebene) und Ruckgrat 135 Grad betragt Kleinere Winkel wurden der freien Entfaltung von Beinstreckung und -anhebung hinderlich sein

Fig 6 und Fig 7 stellen die Vorπchtung für die Armbewegungen isoliert dar

Dann gibt (1) die Position der Sensoren für die Bewegungsmeldung und Impulserzeugung der Kraftübungen AB, AS und BH an (2) ist die Vorπchtung, die durch Umklappen um etwa 110 Grad die Kippung des

'Stuhles' um 10 Grad gestattet

Die Armhebel (8) befinden sich in dieser Darstellung in der Position 'Arme seitlich ausgestreckt' im Rahmen der Kraftübung AB Die zugehongen zwei Öldruck - Dampfungszylinder (3) sind miteinander (in der Mittelebene der Vorrichtung) fest verbunden Der Kraftwiderstand ist beim Einschieben der beweglichen Stangen (5) in den Zylinder wirksam, im Gegensatz zu allen anderen Zylindern, wo beim Herausziehen die entscheidende Arbeit zu leisten ist An den Zylindern für AB sind die Stangen der Dampfungszyiinder (4) für AS fest gekoppelt Dabei wird ausgenutzt, daß sich die Stange eines Zylinder in diesem immer frei drehen kann Die Zylinder von AB haben dadurch immer die gleiche seitliche Richtung zu der von den Zylindern für AS gebildeten Ebene

Die untere Achse (6) dreht sich im Stuhlgerust und liegt immer in der Ebene der Armhebel, die sich also (was die Bewegung im Sinne der Kraftübung AS betrifft) immer synchron bewegen

Gelenke befinden sich jeweils bei (7) Sie erlauben Drehungen immer nur in einer Ebene

Anmerkung

Das Gerat erlaubt noch eine weitere seperate Kraftübung Arme seitlich ausstrecken die gestreckten Arme unter Kraftausubung (die Kombination der Kraftwiderstande von AB und AS) vor den Korper fuhren und wieder anwinkeln Somit wäre mit diesem Ausfuhrungsbeispiel auch ein Computerspiel, das fünf verschiedene Impulse benotigt, steuerbar Dies wurde nur noch eine zusatzliche Anforderung an die Sensorenschaltung bedeuten Fig 8 und Fig.9 stellen die Vorrichtung für die Kraftübungen BS und BH gesondert dar

Für die Beinanhebungsubung BH ist maßgebend die drehbare Lagerung in (3) und die Abfederung (1) beim Absenken der gestreckten Beine Die Füße sitzen in um eine Achse drehbaren Pedalen (2) und werden z B durch Bander mit Klettverschluß dort fixiert Für die Beinstreckung ist bei einem 'normalen' Erwachsenen etwa ein Bewegungsspiel von 500 mm (510 mm sind in den Zeichnungen dargestellt) notwendig Die marktub chen Dampfungszylinder erlauben immer einen Bewegungsspiel- raum von etwa 60% ihrer Gesamtlange Für 600 mm Lange (Dies ist die Lange des 'Stuhlinneren' des Ausfuhrungsbeispiels Ein 600 mm langer Zylinder wäre also gerade noch unterbringbar ) ergäbe sich also nur ein Bewegungsspielraum von 360 mm Deshalb müssen zwei Zylinder (7) e 530 mm Lange) kraftemäßig in Reihe geschaltet' werden Dies wird realisiert durch die Elemente (4) (Feste Verbindung mit unterem Zylinder Oberer Zylinder verschiebbar in vier Rollen gefuhrt ) und 4a (oberer Zylinder fest mit beweglicher Stange (7a) des unteren Dampfungszylinders verbunden)

Die Spiralfedern (8) dienen der schnellen Zuruckfuhrung in den Zustand der Bein- anwmklung, indem sie der Überwindung der 'Ruckstellkraft' des Dampfungszylm- ders (10 bis 15% der Hauptkraft) dienen

Für die bezuglich ihres Kraft-Weg-Verhaltnisses nichtlinearen (der Dampfungszylinder hat eine quasi lineare Kraft-Weg-Beziehung bei einer konstanten Bewegungsgeschwindigkeit) Federn sind im gespannten Zustand etwa Kraftwiderstande von 40 (obere Feder) bis 60 (untere Feder) Newton vorgesehen Für jeden der vier Dampfungszylinder ist als Mittelwert (da vanabel einstellbare

Kraft) etwa 250 Newton zu wählen

(9) zeigt die Halterung für die Fußpedalachse Mit der Schiene (6) wird der individuelle (lange oder kurze Beine) Betriebsbereich der Beinstreckung vor Beginn der Benutzung eingestellt, d h die Zylinder können als Ganzes nach vorn verschoben und dort für die Aktion fixiert werden

(5) zeigt die Position des Bewegungssensors Vorgeschlagen wird eine Lichtschranke auf Reflexionsbasis (Emittor und Empfanger nebeneinander Nur wenig fremdlichtabhangig ) mit weiterer Verarbeitung durch eine Monoflop-Schaltung Der Sensor befindet sich fest am oberen Zylinder und nimmt das reflektierte Licht einer stark reflektierenden, am unteren Zylinder fixierten Flache auf Kurz vor Erreichung des Umkehrpunktes des Bewegungszyklus sollte der Sensor in den Bereich der Refexionsflache eintreten und ihn naturlich bei der Ruckkehr wieder verlassen (Erzeugung eines Impulses und mit Monoflop-Schaltung computergerechte Verarbeitung ) Der Umkehrpunkt sollte aber immer noch innerhalb der Reflexions- zone liegen Ansonsten wurden zwei Impulse entstehen

Hier ist auch der Grund zu finden, warum die untere Feder etwas starker sein sollte als die obere, damit nämlich beim Anwinkeln der Beine sich der oberen Zylinder mit dem Sensor sicher innerhalb der Reflexionszone befindet, d h der Umkehrpunkt des Bewegungszyklus ist hier genau definiert Die genaue Position der Fußpedalhalterung, d.h. das Zurückschieben in den obereren Zylinder, bezüglich der Impulserzeugung ist dann ohne Belang.

Die reflektierende Fläche sollte zur individuellen Anpassung des Aktionsbereiches verschiebbar sein.

Fig.10 bis Fig.65 stellen eine ganze Spielrunde mit Erfassung aller vier Kraftübungen dar:

- Kraftübung AS (Fig.10 bis Fig.23). Auf dem mittleren Bild der Seite (Fig 16 und Fig.17) am Umkehrpunkt des Bewegungszyklus Impulsauslösung mit Verschiebung des 'Spieisteines' (Spielobjektsymbols) um eine Position nach links.

- Kraftübung AB (Fig.24 bis Fig.37). Auf dem mittleren Bild der Seite (Fig.30 und Fig.31) am Umkehrpunkt des Bewegungszyklus Impulsauslösung mit Verschiebung des Spielsteines um eine Position nach rechts.

- Kraftübung BS (Fig.38 bis Fig.51). Auf dem mittleren Bild der Seite (Fig 44 und Fιg.45) am Umkehrpunkt des Bewegungszykius Impulsauslosung mit Drehung des Spielsteines um 90 Grad gegen den Uhrzeigersinn

- Kraftübung BH (Fig.52 bis Fιg.65). Auf dem mittleren Bild der Seite (Fig.58 und Fig.59) am Umkehrpunkt des Bewegungszyklus Impulsauslösung mit Absenkung des Spielsteines bis ganz unten.

In Fig.66, Fig.67 bis 70 bzw. Fig.71 bis 74 ist die bevorzugte Ausführung ohne die beiden oben erwähnten Zusatzforderungen (Gerät gleichzeitig Sitzmöbel und wirbelsäulenschonend) dargestellt. Das entsprechende Gerät wäre dann erheblich einfacher in der Herstellung. Zur leistungsmäßigen Auslegung des Ausführungsbeispieles des Fitnessgerätes wäre Folgendes festzustellen. Es wird vorgeschlagen zwecks individueller Anpassung denjenigen Typ der Öldruck - Dämpfungszylinder zu verwenden, dessen Kraftwiderstand variabel einstellbar ist. Zur richtigen Wahl müssen aber trotzdem die Kraftmitteiwerte für den 'Normalbürger' bekannt sein.

1.Öldruck - Dämpfungszylinder und Spiralfeder (oder Gummifeder) für die Kraftübung BS

Von beiden Beinen muß - aus rein mechanischer Sicht - eine Kraft (Dämpfungszylinder plus Feder) von 600 Newton bei einem Weg von 510 mm , d.h. eine Arbeit von 306 Joule aufgebracht werden. Bei einer Ablaufdauer der Bewegungszyklen in der Größenordnung von 1 ,5 Sekunden, wobei für die eigentliche Kraftaktion 1 Sekunde und die Rückführung (bei AS) d.h. das 'in - Ausgangs Position - zur - Aktion - bringen' (bei BS und AB) 0.5 Sekunden zu veranschlagen sind, entspricht dies einer Leistung von 306 Watt.

2. Öldruck - Dämpfungszylinder für die Kraftübung AS

Der Abstand zwischen Armhebelgelenk bis Mitte Hand des Akteurs beträgt

910 mm und bis Ansatzpunkt des Dämpfungszylinders 172 mm, d.h. der an der Hand wirksame Kraftwiderstand ist um den Faktor 5,29 bezogen auf den Widerstand des Dämpfungszylinder vermindert. Für einen Widerstand von 500 Newton erhält man wirksam also 94.5 Newton und mit einem Weg von 425 mm eine Arbeit von rund 40 Joule. Für beide Arme zusammen also 80 Joule Arbeit und bei einer Sekunde Dauer der Hauptkraftaktion 80 Watt Leistung. Für die Armhebelrückfüh- rung sind 15% von der Hauptkraft anzusetzen, d.h. eine Leistung bei 0.5 Sekunden von 24 Watt. Zusammen also eine Leistung von 104 Watt.

3. Öldruck - Dämpfungszylinder für die Kraftübung AB Bei einem Kraftwiderstand von 250 Newton pro Dampfungszylinder und einem Weg von 465 mm erhalt man für beide Arme eine Arbeit von rund 44 Joule und bei 1 ,5 Sekunden eine Leistung von rund 29 Watt

Zusammen mit der Leistung für die zweite Halbpeπode von rund 13 Watt also 42 Watt

4 Kräfte für die Kraftübung BH

Bei einem wirksamen Beingewicht von 100 Newton und einem wirksamen Gewicht der Vorrichtung von 40 Newton sowie einem Weg von 476 mm ergibt sich eine Arbeit von rund 67 Joule und eine Leistung von 67 Watt

Dies sind alles Arbeits- und Leistungswerte aus einer rein mechanischen Betrachtungsweise heraus Die entsprechenden biomechanischen Energie- und Leistungsquantita- ten, die stark abhangig von den eingesetzten Muskelgruppen sind, konnten unter Verwendung von spezieller Literatur daraus abgeleitet werden

Bei einem mechanischen Leistungsbereich zwischen 42 und 306 Watt und einem ge- wichteten Mittelwert e nach Anteil der Zyklen im Tetπsspiel) von 124 Watt kommt der Normalburger im unteren Levelbereich von Tetris auf einen Pulsschlag zwischen etwa 120 und 140 Schlagen pro Minute

Der hohe Levelbereich (hohe Sinkgeschwindigkeit der Spielbiocke) von Tetris ist mit dem beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel - bei den heute vorhandenen Personalcom- putern mit ihrer sehr hohen Taktfrequenz - nicht erreichbar Wenn also ein großer fein- gestufter Levelbereich (bei der Windowsversion z B 10 Level) für diese Anwendung auch zur Verfugung stehen soll mußte eine einfache Softwareanderung stattfinden Eine Gesamtminderung der Sinkgeschwindigkeit um den Faktor 3 (mit Bezug auf die z B relativ schnelle Windowsversion) wäre angebracht Unter den inzwischen zahlreichen Versionen des Tetπsorgmals gibt es Varianten, besonders die 3D-Versιon, die diesbezüglich besser geeignet sind

Claims

Patentansprüche

Fitnessgerät zur Absolvierung des Trainings des Herz-Kreislaufsystems und der Muskulatur in Verbindung mit der Steuerung eines Computerspiels dadurch gekennzeichnet, daß a) mehrere seperate (räumlich unterschiedlich positionierte/orientierte) Kraftübungen in Überwindung von Kraftwiderstanden (Kraftwiderstande, das sind Spiralfedern, Blattfedern, Öldruck-Dämpfungszylinder, Gewichte usw.) im Wechsel durchführbar sind, b) jede Kraftübung in zyklischer Weise als jeweils ein einzelner Ubungszyklus absolviert wird, d.h. ein Übungszyklus ist zu Ende, wenn die dem Beginn der Übung entsprechende Körperhaltung wieder erreicht ist und c) jeder seperaten Kraftübung ein elektromechanischer Schalter oder elektronischer Sensor zugeordnet ist derart, daß zu jedem einzelnen, absolvierten Ubungszyklus ein Steuersignal zur Steuerung eines digitalen (digital, d.h durch digitale Steuergerate wie z.B. Computertastatur bzw digitalen Joystick steuerbare Computerspiele wie z.B. das populäre TETRIS) Computerspiels erzeugt wird 2. Fitnessgerät nach Anspruch 1 , daurch gekenzeichnet, daß die Kraftwiderstände derart angeordnet sind, daß alle seperaten Kraftübungen in ein und derselben, gemeinsamen Körpergrundhaltung beginnen und enden, wodurch ein nahtloser, unmittelbarer Übergang von einer Kraftübung zur anderen gewährleistet und somit eine Steuerung des Computerspiels in optimaler Geschwindigkeit gegeben ist