WO1989007964A1 - Device for training and/or determining motor capabilities - Google Patents
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- A63B23/0417—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for limbs, i.e. upper or lower limbs, e.g. simultaneously for lower limbs involving a bending of the knee and hip joints simultaneously with guided foot supports moving parallel to the body-symmetrical-plane by translation
Definitions
- the invention relates to a device for training and / or detecting motor performance, with at least one linear drive attached to a frame for one of the extremities of a subject and with an electronic control unit connected to the linear drive and connected to a position sensor assigned to the linear drive.
- An exercise device with a hydraulic linear drive in the form of a hydraulic cylinder with electronic control of the type specified above is known from US-A-4 063 726.
- the resistance opposed to movement by the piston of the hydraulic cylinder is automatically regulated, whereby not only an automatic reversal is accomplished at the stroke ends with the aid of a position sensor, but also the pressure of the hydraulic medium can be regulated depending on the piston position.
- a speed control with the specification of certain translation speeds for the piston movement is not possible with this known exercise device. An increase in speed can only be achieved by increasing the force exerted by the test person. As a result, exercises for muscle training can only be carried out to a limited extent.
- Another, also hydraulically driven, exercise device is known from WO-A-80/00124.
- Two swivel arms are connected to one another in an articulated manner, one of which is articulated on a frame and the other carries handles for the test person at its free end.
- Each swivel arm can be swiveled around its respective articulation axis on the frame or on the other swivel arm with the aid of a hydraulic cylinder, and an electronic control is provided for these two hydraulic cylinders, with the aid of which the subject's point of action (i.e.
- WO-A-87/01601 describes a device with a total of four gear units attached to a frame with a movement guide for the arms or legs of a subject, each gear unit consisting of a hydraulic cylinder pivotable about a fixed gear wheel, the piston rod of which has a has the fixed gear in meshing tooth segment, and consists of a rocker arm, which rotates with a rotatably mounted gear on the cylinder housing is connected, which meshes with another toothed segment on the piston rod of the hydraulic cylinder.
- This special gear design mechanically simulates the respective extremities - arms or legs - in order to enable movement control at a constant angular velocity (in the shoulder or hip joint).
- the invention has for its object to provide a device of the type mentioned, in which a consideration of the personal data of the subjects is made possible with as little mechanical effort as possible, furthermore, despite the provision of a simple linear drive, a specification of the angular velocity of the respective upper arm or Thigh around the associated shoulder joint or hip joint should also be possible; in particular, such a control should be possible that this angular velocity is kept constant (so-called isokinematic operation).
- the inventive device of the type mentioned is characterized in that the at least one linear drive from the control unit with one of the desired, e.g. constant angular velocity of the extremity and the extremity longitudinal dimensions can be controlled in the manner of a thrust crank or straight steering guidance dependent translation speed.
- the principle of a computational modeling of movement parameters for the extremities in the control unit is thus used in the present device, that is to say the respective extremity is compared with a crank mechanism or more precisely with a push crank or straight steering, and the speed of the linear movement of the hand or foot is accordingly the function of the control unit on the one hand the angular velocity ⁇ of the thrust crank, ie the upper arm or the thigh around the shoulder or hip joint, and on the other hand, controlled by the lengths of the upper and lower arm or upper and lower leg.
- the angular velocity mentioned can be varied during the translational movement, it can also be specified to be constant for isokinematic operation, ie the translational velocity of the hand or foot is controlled by the control unit depending on the path or position in such a way that the upper arm or thigh with the desired angular velocity is pivoted.
- the outlay on equipment in the present device is extremely low, although individual parameters or length dimensions of the limbs of the test subjects can be taken into account without problems for the first time.
- a major advantage of the device according to the invention compared to the known devices is that with. the type of control described above enables a more controllable angular velocity of the upper arm or thigh and thus a more controllable muscle contraction velocity of the extremities.
- the subject is also positioned relative to the frame in such a way that his or her shoulder and / or hip joint (the fulcrum of the imaginary crank drive) corresponds to the reference point on the frame of the device, from which the stroke movements of the linear drive are controlled.
- the distance between the point of application of the test person's hand or foot being continuously recorded from this reference point and transmitted to the control unit.
- Thigh is, A is the length of the upper arm or thigh, B is the length of the forearm or lower leg and oc is the instantaneous angle between the upper arm or thigh and the longitudinal axis of the linear actuator.
- oc is the instantaneous angle between the upper arm or thigh and the longitudinal axis of the linear actuator.
- A is the length of the upper arm or upper leg
- B is the length of the forearm or lower leg
- ⁇ is the current angle between the upper arm or thigh and the longitudinal axis of the linear drive
- n is the specified number of double strokes of the extremity per minute
- H max is the distance of the point of attack of the
- H min is the distance of the point of application of the limb on the linear drive from the shoulder or hip joint with the limb flexed.
- the number of double strokes per minute must also be specified, with this variable indirectly specifying the angular velocity.
- the linear drive is designed with a servo-controlled electric motor, preferably a brushless DC motor.
- the linear drive contains a toothed belt driven by the electric motor, which is connected to a toothed belt linearly guided slide is firmly connected, which carries a handle or pedal element for the extremity.
- this embodiment is also characterized by an extremely low noise level.
- Ee is further advantageous if the handle or pedal element is adjustably attached to the slide to adapt to the body size of the subject. In this way, the desired grip or pedal distance can be achieved. This is particularly important when linear drives are provided in two pairs (for arms and legs).
- force measuring elements for example strain gauges
- a connecting arm connecting the handle or pedal element to the slide, to which the control unit is connected is attached.
- a type of control would be conceivable, for example, in which the translation speed is set higher, the more force is applied by the test subject, a maximum value being expediently specified for this purpose.
- linear drives or generally actuators are provided, somewhat similar to the device according to WO-A-87/01601, but where, as mentioned, however, four mechanical gear units are provided as actuators, a central control unit can be provided for all actuators controls the speed of the individual actuators.
- a central control unit can be provided for all actuators controls the speed of the individual actuators.
- each actuator has its own intelligent control, and accordingly is an advantageous embodiment of the device according to the invention characterized in that a plurality of linear drives, preferably two pairs of linear drives assigned to the arms or legs, are provided, and that each of the linear drives "is assigned a separate control unit for independent control of its translation speed.
- control units are connected to a central processor unit, for example in a master-slave relationship, for their control and evaluation of measurement data.
- the independent, individual control units which carry out the control of the respective actuators independently, relieve the central processor unit, but the respective desired parameters can be entered or predefined via this central processor unit, as well as the start or the start point there the end of an exercise is determined and the output and evaluation of measurement data is carried out.
- the design of the central process unit there are a wide variety of options available for the actuators whose own control units take over the actual control of the linear drives, or, conversely, the same hardware and software are also available for the most varied configurations or different numbers of actuators possible in the central processor unit. This achieves a high degree of flexibility and expandability in terms of both software and hardware.
- the exercises according to the invention can be provided without particular apperative difficulties, the desired exercises in the most varied positions of the extremities relative exercise on the subject's torso. Accordingly, in a further development of the invention, it is particularly expedient if the or each linear drive is attached to a support arm pivotably mounted on the frame. It has proven to be particularly advantageous if the or each support arm for the linear drive assigned to an arm is continuously adjustable in a range of -45 ° to + 45 ° with respect to the horizontal is.
- the or each support arm for the linear drive assigned to a leg is continuously adjustable in a range from -90 ° to 0 ° with respect to the horizontal.
- the or each support arm is assigned an angular position transmitter which is connected to the (respective) control unit.
- the positioning of the respective actuator can thus be recorded or carried out automatically for each subject and for the respective exercise.
- the means for positioning such as electromechanical or hydraulic swivel drives, can be of a type known per se, and they are controlled accordingly, for example, by the respective control unit on the command of the central processor unit, which previously received the position data.
- each support arm for the linear drive assigned to an arm is pivotably mounted on a support which is horizontally and vertically displaceably mounted on the frame.
- the position of the shoulder joint relative to the hip joint is thus adjusted horizontally and / or vertically with the aid of the carrier mentioned.
- the carrier is assigned position transmitters for the horizontal and vertical position, which are connected to the (respective) control unit.
- the control unit again receives the details from the central processor unit, for example, and this processor unit can then, in a later exercise with the same subject, issue a command to the respective control unit in order to actuate the actuators for the carrier in a conventional manner control to automatically re-position the carrier.
- an advantageous embodiment of the invention is then characterized in that an optionally vertically adjustable support for the test subject, for example a seat, is attached to the frame and optical adjustment devices with light points for determining the shoulder and hip joints of the test subject relative to the frame are provided as reference points .
- an optionally vertically adjustable support for the test subject for example a seat
- optical adjustment devices with light points for determining the shoulder and hip joints of the test subject relative to the frame are provided as reference points .
- Fig. 1 is a schematic side view of an inventive device
- Fig. 2 is an associated front view of this device
- 3 and 4 are schematic representations of the "crank mechanism" given by an arm or a leg, in the manner of a push crank or straight steering, with the assumption that the axis of the linear movement of the hand or foot through the center of the shoulder joint or hip joint runs
- 5 shows a corresponding diagram of a push crank
- 6 schematically shows a view of a linear drive or actuator provided in the device according to FIGS. 1 and 2, with a cover being omitted;
- FIG. 7 shows an associated top view of this actuator according to FIG. 6;
- Fig. 8 is an associated cross-sectional view along the line VIII-VIII in Fig. 6;
- FIG. 9 is a general control scheme for the device of FIG. 1 and 2;
- FIG. 10 shows a diagram to illustrate the control of an actuator with the aid of an individual control unit, essentially corresponding to the detail X in FIG. 9;
- 11 to 16 show diagrammatic side views of different settings of the device and thus different exercise options, with one half of the device being omitted for better illustration of the position of the subject; and
- Fig. 17 is a flowchart showing an example of an exercise flow.
- the present device for training and / or detecting the human motor system has a frame 1 on which four actuators 2, 3, 4, 5 - two actuators each for the arms and legs of a test subject - are pivotably attached are.
- Handles 6 and 7 are fastened to the actuators 2, 3 of the upper pair, and pedals 8 and 9 are attached to the lower actuators 4, 5 in a corresponding manner.
- each actuator 2 to 5 contains a linear drive with which the respective handle 6 or 7 or the respective pedal 8 or 9 is connected. As a result, these handle or pedal elements 6 to 9 are driven back and forth.
- FIGS. 15 and 16 There is also a support on frame 1, e.g. a seat 10 attached. This edition can be replaced, i.e. Instead of the seat 10, a lying surface 11 can also be attached, cf. the representation in FIGS. 15 and 16.
- the actuators 2 to 5 consist of housing-like support arms, e.g. made of cast aluminum, as illustrated, for example, in FIGS. 7 and 8 at 12, and on or in these housing-like support arms 12, the respective linear drives indicated in FIGS. 6 and 7 are attached as 13.
- the two upper support arms or generally actuators 2, 3 are attached to an elongated, approximately horizontal support 14 or 15, which on the one hand is attached to the frame 1 by means known per se, such as electromechanical adjusting mechanisms or hydraulic cylinders, vertically and horizontally adjustable is attached.
- This horizontal and vertical displaceability is indicated in FIG. 1 by double arrows.
- the associated actuator 2 or 3 is pivotably mounted on the respective carrier 14 or 15, any angular position between a position inclined downwards by 45 ° and a position inclined upwards by 45 ° can be set in steps.
- the lower actuators 4, 5 or linear drive support arms are continuously adjustable between a vertical position and a horizontal position.
- an arm or leg can be mechanically regarded as a thrust crank when the hand or foot is moved in a straight line, as shown in FIG. 5, and the general relationship known per se applies to this
- ⁇ is the angle (in °) of one crank arm, i.e. of the upper arm or thigh, relative to the axis X-X of movement, i.e. to the direction of the movement of the hand or foot or generally to the axis of the linear drive, which runs through the reference point 0 - the shoulder joint or the hip joint.
- the stroke length H results from FIG. 5 with
- H H max - H min - (A + B) - (A cos ⁇ 0 + B cos ⁇ 1 ) (3)
- ⁇ t is the angle between the forearm or lower leg and the direction of movement X-X with the limb bent.
- the stroke reversal points CH max are therefore used to control the linear drive or actuator.
- H min and on the other hand the stroke frequency, ie the number of strokes per min (n), apart from taking into account the lengths of the limbs (A for the length of the upper arm or thigh and B for the length of the forearm or lower leg).
- the control unit specifies the translation speed v as a function of the path, that is, according to the respective value of ⁇ . The control will be explained in more detail below with reference to FIGS. 9 and 10.
- actuators 2, 3, 4, 5 are basically constructed the same, so that it is sufficient to explain the structure of a single actuator in more detail.
- each actuator for example actuator 2
- Two guide axes 15, 16 are fixedly attached to this support arm 12, and a carriage 17 can be moved back and forth along these guide axes 15, 16.
- This carriage 17 is his the reciprocating drive is firmly coupled to a toothed belt 18, which in the present case is designed as an endless toothed belt and rotates over a Yordere, idler pulley 19.
- the toothed belt 18 is driven by a brushless, electro-controlled direct current motor 20 via a reduction gear 21 serving for speed reduction with an output-side drive roller 22 for the toothed belt 18.
- This rotary potentiometer 25 is designed as a conductive plastic potentiometer and serves as an analog displacement sensor or position transmitter: depending on the position of the potentiometer 25, depending on the position of the linear drive 13 or the position of the slide 17, an analog voltage signal is emitted which is used for the Translation speed control and, if necessary, for the evaluation of the measurement results is used, as will be explained in more detail below with reference to FIG. 10.
- Fig. 8 it can be seen how the carriage 17 is guided on the guide axes 15, 16, wherein ball bushings 26 not shown in detail are provided for storage.
- the slide 17 carries, for example, the stylus element 6 (or else a pedal element or other fastening elements which enable the respective extremity to be gripped) via a connecting arm 27, on which strain gauges 28 in serve to measure the force exerted by the test subject (or more precisely the applied torque) are attached in a conventional manner.
- the handle 6 or generally the respective fastening element can be attached to the slide 17 in an adjustable manner both in the longitudinal direction and in the transverse direction, as indicated in FIGS. 7 and 8 by double arrows.
- a corresponding scale not shown in the drawing, can also be provided, by hand To be able to make the adjustment as precisely and reproducibly as possible.
- FIGS. 7 and 8 also show a cover 29 belonging to the support arm 12, in which a longitudinal slot is provided, through which the connecting arm 27 protrudes, and in which this connecting arm 27 can be moved back and forth during the lifting movements of the linear drive 13.
- FIG. 9 illustrates a very general control scheme for the present device, the four actuators and associated control units described being illustrated schematically with blocks 2 to 5.
- the actuators 2 to 5 are each intelligently designed, i.e. they have their own control units, which carry out the speed control or the necessary engine control independently.
- FIG. 10 in which such an individual control unit 30, for example for the actuator 2, is illustrated echematically.
- Each such control unit 30 can be formed by a conventional microprocessor, for example, and it is a so-called “slave” via a bit bus 34 (with an RS485 interface) with a central process unit 35 (FIG. 9), for example a personal computer (PC ) connected, which acts as a so-called "master” in the present tax scheme.
- PC personal computer
- additional operating elements 36 and display elements 37 can then be provided on the PC 35 and, in a corresponding manner, additional operating and display elements 40, 41 can be connected as "slaves" for the actuators.
- each control unit 30 controls the associated DC motor 20 via a control circuit 31, which is conventional per se and therefore not to be explained in more detail, depending on the default values for the actuator position and actuator movement or on the actual actuator values from the displacement sensor 25 are transmitted to the control unit 30 via an analog / digital converter and amplifier circuit 32. Furthermore, the values detected by the strain gauges 28 are also sent to the control unit 30 via a corresponding converter and amplifier circuit 33. Finally, the control unit 30 also receives the data from Angular position transmitters 42, which are assigned to the support arms 12 of the actuators 2 to 5 for detecting their angular position, and optionally supplied by position transmitters 43 which support the arms 14, 15 for the armature support arms (actuators 2, 3) for detecting their horizontal and vertical position are assigned.
- the central processor unit 35 sends data for specifying the actuator position, data for specifying the actuator movement (form of movement, period, etc.) to the respective actuators via the bit bus 34 (whereby, for example, only two actuators can also be present or else activated). Stroke length and reference point setting) as well as general control parameters such as start / stop of the actuator movement and, if necessary, actuator synchronization.
- System inputs / outputs in the present control scheme can firstly be via the PC 35, secondly via the input / output elements or devices 38, 39 connected to the PC 35 and thirdly via the input / output devices connected to the Bitbus 34 (with Bitbue interface) 40, 41 take place.
- the central processor unit 35 gives the or each actuator, ie the respective control unit 30, separately Commands and default values as mentioned above, each actuator 2 to 5 being controllable independently of the others.
- the actuators 2 to 5 independently execute the commands received with the aid of their separate control units 30, cf. also the control diagram of FIG. 10, whereby the central processor unit 35 is substantially relieved.
- the recorded measured values are transmitted in packaged form from the control unit 30 via the bit bus 34 to the central processor unit 35 in a compressed and filtered form.
- This configuration achieves a high degree of flexibility and expandability in terms of both hardware training and programming options.
- This makes it possible, on the one hand, to control different actuator configurations or different numbers of actuators with the same hardware and software in the PC 35, and conversely, with given actuators with control units, different processors can also be used as central processor units with different programming.
- the intelligent design of the actuators also enables a faster function, and the number of options for the exercises is further increased. For example, it would also be theoretically conceivable to control the speed of another actuator for certain coordination exercises by means of the force exerted by a subject on one actuator.
- the present device therefore not only conceives a wide variety of exercises for muscle training par excellence, but above all also a wide variety of exercises for coordination training, i.e. practice to coordinate the movements of the different extremities.
- the parameters: path (stroke), translation speed or angular speed, force or power per extremity and the overall performance can be recorded, shown and documented.
- the positions of the respective subject are recorded (cf. the angular position and position sensors 42, 43 mentioned; a corresponding position sensor, which is not shown in detail, can also be assigned to the vertically adjustable seat 10), recorded by the PC 35, and these positions are by controlling the corresponding, not shown in the drawing
- Actuators can also be reproduced automatically using the PC 35.
- the only exception here is the adjustment of the handle and pedal elements, ie the distance between the handle and pedal elements, which is done manually.
- test subject may also have emergency stop switches on each handle, and the DC motors 20 of the individual actuators 2 to 5 are provided with mesh brakes.
- the individual settings when positioning a subject are expediently carried out at a low speed and, for example, are effected by pressing a trigger button by a trained operator.
- Brushless DC motors 20 equipped with rare earth magnets can be used to achieve good dynamic behavior.
- the base frame 1 made of sheet metal carries the entire poioning system as described above, including the displaceable and adjustable seat 10. This allows a test person to be automatically positioned as soon as he gets on the device, and this positioning can also be carried out by means of an optical adjustment - Or adjustment device with light points 44, 45 (cf. FIGS. 11 and 12) which correspond to the aforementioned reference points 0 or the shoulder joint and hip joint of the test subject.
- the lower actuators for example the actuator 5
- a vertical downward extending position Fig. 11, Fig. 13
- a horizontally forwardly extending position Fig. 14, 15
- an intermediate pivot position for example in Fig. 12 is illustrated.
- the upper actuators are used - here for exercising the legs in the test subject's lying position.
- step 47 the subject is positioned at block 47, the master (PC 35) via the individual control units 30, to which the corresponding data are transmitted via bitbue 34 Activation of the actuators (not shown) (eg linear motors) for the support arm 12 and carrier 14, 15 causes.
- the desired exercise parameters are entered on the PC 35, and at 49 the PC 35 then sends the data relating to the desired movements (form of movement, stroke H or Hmax, H min , zero point 0; period duration or stroke frequency n). to the individual actuators, ie their control units 30; As mentioned, the period duration is given globally for all actuators, whereas the other parameters can be individually different.
- the PC 35 then waits (at block 50) for the start input by the system operator, after which it sends a synchronization pulse to all actuators (step 51). With this, the linear drives of the individual actuators begin to move under the control of their respective control units 30 (slaves), and the PC 35 retrieves data from the slaves 30 (step 52), which are then displayed on the PC 35 (step 53).
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Abstract
Description
Vorrichtung zum Trainieren und/oder Erfassen der motorischen Leistungsfähigkeit Device for training and / or recording motor performance
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trainieren und/oder Erfassen der motorischen Leistungsfähigkeit, mit wenigstens einem an einem Gestell angebrachten Linearantrieb für eine der Extremitäten eines Probanden und mit einer mit dem Linearantrieb verbundenen elektronischen Steuereinheit, die mit einem dem Linearantrieb zugeordneten Positiorisgeber verbunden ist.The invention relates to a device for training and / or detecting motor performance, with at least one linear drive attached to a frame for one of the extremities of a subject and with an electronic control unit connected to the linear drive and connected to a position sensor assigned to the linear drive.
Eine Übungsvorrichtung mit einem hydraulischen Linearantrieb in Form eines Hydraulikzylinders mit elektronischer Steuerung von der Art, wie vorstehend angegeben, ist aus der US-A- 4 063 726 bekannt. Bei dieser bekannten Übungsvorrichtung wird der durch den Kolben des Hydraulikzylinders einer Bewegung entgegengesetzte Widerstand automatisch geregelt, wobei nicht nur eine automatische Umsteuerung an den Hubenden mit Hilfe eines Positionsgebers bewerkstelligt wird, sondern auch der Druck des Hydraulikmediums abhängig von der Kolbenposition geregelt werden kann. Eine Geschwindigkeitsregelung mit der Vorgabe bestimmter Translationsgeschwindigkeiten für die Kolbenbewegung ist jedoch bei dieser bekannten Übungsvorrichtung nicht möglich. Eine Geschwindigkeitserhöhung kann nur durch Erhöhung der vom Probanden aufgebrachten Kraft erreicht werden. Dadurch lassen sich nur begrenzt Übungen zum Muskeltraining durchführen.An exercise device with a hydraulic linear drive in the form of a hydraulic cylinder with electronic control of the type specified above is known from US-A-4 063 726. In this known exercise device, the resistance opposed to movement by the piston of the hydraulic cylinder is automatically regulated, whereby not only an automatic reversal is accomplished at the stroke ends with the aid of a position sensor, but also the pressure of the hydraulic medium can be regulated depending on the piston position. A speed control with the specification of certain translation speeds for the piston movement is not possible with this known exercise device. An increase in speed can only be achieved by increasing the force exerted by the test person. As a result, exercises for muscle training can only be carried out to a limited extent.
Eine andere, ebenfalls hydraulisch angetriebene Übungsvorrichtung ist aus der WO-A-80/00124 bekannt. Dabei sind zwei miteinander gelenkig verbundene Schwenkarme vorgesehen, von denen der eine an einem Gestell angelenkt ist und der andere an seinem freien Ende Griffe für den Probanden trägt. Jeder Schwenkarm ist um seine jeweilige Anlenkachse am Gestell bzw. am anderen Schwenkarm mit Hilfe eines Hydraulikzylinders schwenkbar, und für diese beiden Hydraulikzylinder ist eine elektronische Steuerung vorgesehen, mit deren Hilfe der Angriffspunkt für den Probanden (also die erwähnten Griffe längs einer gewüschten Bahn abhängig von den vom Probanden ausgeübten Kräften bewegt wird, wobei gleichzeitig abhängig von der Position, Geschwindigkeit, Zeit und der vom Probanden ausgeübten Kraft variierende Wider Standskräfte aufgebracht werden können. Diese übungsvorrichtung ist somit verhältnismäßig aufwendig und kompliziert, wobei insbesondere auch die koordinierte Ansteuerung der beiden Hydraulikzylinder zur Erzielung bestimmter Bewegungen bzw. Widerstandsmomente problematisch ist.Another, also hydraulically driven, exercise device is known from WO-A-80/00124. Two swivel arms are connected to one another in an articulated manner, one of which is articulated on a frame and the other carries handles for the test person at its free end. Each swivel arm can be swiveled around its respective articulation axis on the frame or on the other swivel arm with the aid of a hydraulic cylinder, and an electronic control is provided for these two hydraulic cylinders, with the aid of which the subject's point of action (i.e. the handles mentioned along a desired path depends on) the forces exerted by the test subject is moved, while at the same time varying resistance depending on the position, speed, time and the force exerted by the test subject Permanent forces can be applied. This exercise device is therefore relatively complex and complicated, and in particular the coordinated control of the two hydraulic cylinders to achieve certain movements or moments of resistance is problematic.
Eine weitere Vorrichtung zum Muskeltraining ist aus der DE-B-1478056 bzw. der entsprechenden US-A-3465592 bekannt. Dabei handelt es sich jedoch um ein bloß passives Hydrauliksystem, durch das einer vom Probanden ausgeführten Schwenk- oder Translationsbewegung ein Widerstand entgegengesetzt wird. Die Vorgabe von bestimmten Bewegungs- und Kraftmustern ist dabei nicht möglich, so daß auch hier nur in sehr eingeschränkter For ein Muskeltraining möglich ist.Another device for muscle training is known from DE-B-1478056 or the corresponding US-A-3465592. However, this is a purely passive hydraulic system, by means of which a resistance to a swiveling or translational movement carried out by the test person is opposed. The specification of certain movement and strength patterns is not possible, so that muscle training is only possible in a very limited form.
Ähnliches gilt für das Übungsgerät gemäß der US-A-3 998 100, bei dem ein Gestell mit einer Griffstange mit Hilfe von zwei Hydraulikzylindern hinsichtlich der Geschwindigkeit und der Gegenkräfte bei den Übungsbewegungen gesteuert wird. Dabei werden im Hydrauϊiksystem mit Hilfe von einstellbaren Strömungsreglern obere Grenzwerte für die Geschwindigkeit der Aufwärtsbzw. Abwärtsbewegung der Griffstange eingestellt, wobei die eingestellten Grenzwerte während der Übung verändert werden können, ebenso wie die mit Hilfe von Druckreglern eingestellten Kraftwerte. In der US-A-3 869 121 ist ferner ein Proportional-Widerstands-übungsgerät beschrieben, bei dem eine Griffstange über Kabel mit einer Art Seilwinde verbunden ist, die von einem Elektromotor angetrieben wird, der entweder die Kabel entgegen dem Widerstand eines Probanden aufwickelt, oder aber ein Bremsmoment beim Abwickeln der Kabeln durch den Probanden liefert. Auch bei diesen bekannten Übungsgeräten sind somit nur in beschränkter Form Muskelübungen (Hebeübungen) möglich.The same applies to the exercise device according to US-A-3 998 100, in which a frame with a handle bar is controlled with the aid of two hydraulic cylinders with regard to the speed and the counterforce during the exercise movements. Here, in the hydraulic system with the aid of adjustable flow controllers, upper limit values for the speed of the upward or Downward movement of the handlebar set, whereby the set limit values can be changed during the exercise, as well as the force values set with the help of pressure regulators. US Pat. No. 3,869,121 also describes a proportional resistance exercise device in which a handle bar is connected via cable to a type of cable winch which is driven by an electric motor which either winds the cables against the resistance of a test subject, or provides a braking torque when the test person unwinds the cables. Even with these known exercise devices, muscle exercises (lifting exercises) are therefore only possible to a limited extent.
Schließlich ist in der WO-A-87/01601 eine Vorrichtung mit insgesamt vier an einem Gestell angebrachten Getriebeeinheiten mit einer Bewegungsführung für die Arme bzw. Beine eines Probanden beschrieben, wobei jede Getriebeeinheit aus einem um ein festes Zahnrad schwenkbaren Hydraulikzylinder, dessen Kolbenstange ein mit dem festen Zahnrad in Eingriff stehendes Zahnsegment besitzt, sowie aus einer Schwinge besteht, die drehtest mit einem am Zylindergehäuse drehbar gelagerten Zahnrad verbunden ist, welches mit einem anderen Zahnsegment an der Kolbenstange des Hydraulikzylinders kämmt. Durch diese spezielle Getriebeausbildung werden die jeweiligen Extremitäten - Arme bzw. Beine-mechanisch nachgebildet, um so insbesondere eine Bewegungsführung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (im Schulter- oder Hüftgelenk) zu ermöglichen. Die insgesamt vier Getriebeeinheiten benötigen jedoch verhältnismäßig viel Platz, und dementsprechend ist diese bekannte Vorrichtung verhältnis- mäßig voluminös, überdies ist es nicht möglich, individuelle Daten von Probanden, d.h. verschiedene Längen von Oberarm und Unterarm bzw. Oberschenkel und Unterschenkel, zu berücksichtigen, da die beschriebenen Getriebeeinheiten feste Hebellängen mit sich bringen.Finally, WO-A-87/01601 describes a device with a total of four gear units attached to a frame with a movement guide for the arms or legs of a subject, each gear unit consisting of a hydraulic cylinder pivotable about a fixed gear wheel, the piston rod of which has a has the fixed gear in meshing tooth segment, and consists of a rocker arm, which rotates with a rotatably mounted gear on the cylinder housing is connected, which meshes with another toothed segment on the piston rod of the hydraulic cylinder. This special gear design mechanically simulates the respective extremities - arms or legs - in order to enable movement control at a constant angular velocity (in the shoulder or hip joint). However, the total of four gear units require a relatively large amount of space, and accordingly this known device is relatively voluminous, moreover it is not possible to take into account individual data from test subjects, ie different lengths of upper arm and forearm or thigh and lower leg, since the bring fixed lever lengths with them.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs angeführten Art vorzusehen, bei der eine Berücksichtigung der persδnlichen Daten der Probanden bei einem mechanisch möglichst geringem Aufwand ermöglicht wird, wobei überdies, trotz Vorsehen eines einfachen Linearantriebs, eine Vorgabe der Winkelgeschwindigkeit des jeweiligen Oberarms oder Oberschenkels um das zugehörige Schultergelenk oder Hüftgelenk ebenfalls möglich sein soll; insbesondere soll dabei eine solche Steuerung möglich sein, daß diese Winkelgeschwindigkeit konstant gehalten wird (sog. isokinematischer Betrieb).The invention has for its object to provide a device of the type mentioned, in which a consideration of the personal data of the subjects is made possible with as little mechanical effort as possible, furthermore, despite the provision of a simple linear drive, a specification of the angular velocity of the respective upper arm or Thigh around the associated shoulder joint or hip joint should also be possible; in particular, such a control should be possible that this angular velocity is kept constant (so-called isokinematic operation).
Die erfindungegemäße Vorrichtung der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Linearantrieb von der Steuereinheit mit einer von der gewünschten, z.B. konstanten Winkelgeschwindigkeit der Extremität und den Extremitäten-Längsabmessungen in der Art einer Schubkurbel bzw. Lenkergeradführung abhängigen Translationsgeschwindigkeit steuerbar ist.The inventive device of the type mentioned is characterized in that the at least one linear drive from the control unit with one of the desired, e.g. constant angular velocity of the extremity and the extremity longitudinal dimensions can be controlled in the manner of a thrust crank or straight steering guidance dependent translation speed.
Bei der vσrliegenden Vorrichtung wird somit das Prinzip einer rechnerischen Modellierung von Bewegungsparametern für die Extremitäten in der Steuereinheit angewandt, d.h. die jeweilige Extremität wird mit einem Kurbelgetriebe oder genauer mit einer Schubkurbel bzw. Lenkergeradführung verglichen, und die Geschwindigkeit der linearen Bewegung der Hand oder des Fußes wird demgemäß von der Steuereinheit als Funktion einerseits der Winkelgeschwindigkeit ω der Schubkurbel, d.h. der Oberarms oder des Oberschenkels um das Schulter- bzw. Hüftgelenk, und andererseits von den Längen des Ober- und Unterarms bzw. Ober- und Unterechenkels gesteuert. Die genannte Winkelgeschwindigkeit kann dabei während der Translationsbewegung variiert werden, sie kann auch für einen isokinematischen Betrieb konstant vorgegeben werden, d.h. die Translationsgeschwindigkeit der Hand bzw. des Fußes wird weg- oder positionsabhängig derart von der Steuereinheit gesteuert, daß der Oberarm bzw. Oberschenkel mit der gewünschten Winkelgeschwindigkeit geschwenkt wird. In der Folge ist der apparative Aufwand bei der vorliegenden Vorrichtung außerordentlich niedrig, wobei doch erstmals individuelle Parameter bzw. Längenabmessungen der Gliedmaßen der Probanden problemlos mitberücksichtigt werden können.The principle of a computational modeling of movement parameters for the extremities in the control unit is thus used in the present device, that is to say the respective extremity is compared with a crank mechanism or more precisely with a push crank or straight steering, and the speed of the linear movement of the hand or foot is accordingly the function of the control unit on the one hand the angular velocity ω of the thrust crank, ie the upper arm or the thigh around the shoulder or hip joint, and on the other hand, controlled by the lengths of the upper and lower arm or upper and lower leg. The angular velocity mentioned can be varied during the translational movement, it can also be specified to be constant for isokinematic operation, ie the translational velocity of the hand or foot is controlled by the control unit depending on the path or position in such a way that the upper arm or thigh with the desired angular velocity is pivoted. As a result, the outlay on equipment in the present device is extremely low, although individual parameters or length dimensions of the limbs of the test subjects can be taken into account without problems for the first time.
Eine wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu den bekannten Geräten liegt darin, daß mit. der vorstehend beschriebenen Art der Steuerung eine besser kontrollierbare Winkelgeschwindigkeit des Oberarms bzw. des Oberschenkels und damit eine besser kontrollierbare Muskelkontraktionsgeschwindigkeit der Extremitäten ermöglicht wird.A major advantage of the device according to the invention compared to the known devices is that with. the type of control described above enables a more controllable angular velocity of the upper arm or thigh and thus a more controllable muscle contraction velocity of the extremities.
Für einen korrekten Übungsablauf wird ferner der Proband relativ zum Gestell derart in Position gebracht, daß sein jeweiliges Schulter- und/oder Hüftgeienk (der Drehpunkt des imaginären Kurbelantriebs) dem Bezugspunkt am Gestell der Vorrichtung entspricht, von dem aus die Hubbewegungen des Linearantriebs gesteuert werden, wobei laufend der Abstand des Angriffspunktes der Hand oder des Fußes des Probanden von diesem Bezugspunkt erfaßt und der Steuereinheit übermittelt wird. Diese Istweg-Daten stehen in fester Beziehung zum jeweiligen momentanen Winkel zwischen dem Oberarm oder Oberschenkel einerseits und der Achse des Linearantriebs andererseits, da die Längen der Gliedmaßen bekannt sind, so daß während der Ausführung der Hubbewegungen wegabhängig die Translationsgeschwindigkeit im gewünschten Sinn geregelt werden kann.For a correct exercise sequence, the subject is also positioned relative to the frame in such a way that his or her shoulder and / or hip joint (the fulcrum of the imaginary crank drive) corresponds to the reference point on the frame of the device, from which the stroke movements of the linear drive are controlled. the distance between the point of application of the test person's hand or foot being continuously recorded from this reference point and transmitted to the control unit. These actual travel data are closely related to the respective instantaneous angle between the upper arm or thigh on the one hand and the axis of the linear drive on the other hand, since the lengths of the limbs are known, so that the translation speed can be regulated as required depending on the travel during the execution of the stroke movements.
Dabei besteht eine vorteilhafte Möglichkeit darin, daß einfach der Linearantrieb von der Steuereinheit mit einer Translationsgeschwindigkeit v gemäß der BeziehungThere is an advantageous possibility that simply the linear drive from the control unit with a translation speed v according to the relationship
v = A.ω.[sin α + (A/2B) sin 2 α]v = A.ω. [sin α + (A / 2B) sin 2 α]
steuerbar ist, wobei ω die Soll-Winkelgeschwindigkeit des Oberarms oderis controllable, whereby ω the target angular velocity of the upper arm or
Oberschenkels ist, A die Länge des Oberarms oder Oberschenkels ist, B die Länge des Unterarms oder Unterschenkels ist und oc der momentane Winkel zwischen dem Oberarm oder Oberschenkel und der Längsachse des Linearantriebs ist. Anderereeite ist es vielfach auch praktisch, die Größe der Hübe bzw. den maximalen Hub und minimalen Hub, gemessen in Relation zum vorgenannten Bezugspunkt, vorzugeben, und demgemäß ist es günstig, wenn der Linearantrieb von der Steuereinheit mit einer Tranelationegeechwindigkeit v gemäß der BeziehungThigh is, A is the length of the upper arm or thigh, B is the length of the forearm or lower leg and oc is the instantaneous angle between the upper arm or thigh and the longitudinal axis of the linear actuator. On the other hand, it is often also practical to specify the size of the strokes or the maximum stroke and minimum stroke, measured in relation to the aforementioned reference point, and accordingly it is advantageous if the linear drive from the control unit has a tranelating speed v in accordance with the relationship
steuerbar ist, wobei is controllable, whereby
A die Länge des Oberarms oder Oberechenkels ist, B die Länge des Unterarms oder Unterschenkels ist, α der momeηtane Winkel zwischen dem Oberarm oder Oberschenkel und der Längsachse des Linearantriebes ist, n die vorgegebene Anzahl von Doppelhüben der Extremität pro min ist, a ein Näherungswert A=B ist unter der Annahme, daß A~B ist, Hmax der Abstand des Angriffpunktes derA is the length of the upper arm or upper leg, B is the length of the forearm or lower leg, α is the current angle between the upper arm or thigh and the longitudinal axis of the linear drive, n is the specified number of double strokes of the extremity per minute, a is an approximate value A = B assuming that A ~ B, H max is the distance of the point of attack of the
Extremität am Linearantrieb vom Schulter- oder Hüftgelenk bei gestreckter Extremität ist, und Hmin der Abstand des Angriffpunktes der Extremität am Linearantrieb vom Schulter- oder Hüftgelenk bei gebeugter Extremität ist. Außer der Hublänge ist dabei also auch die Anzahl der Doppelhübe pro Minute vorzugeben, wobei diese Größe indirekt die Winkelgeschwindigkeit vorgibt.Limb on the linear drive from the shoulder or hip joint with the limb extended, and H min is the distance of the point of application of the limb on the linear drive from the shoulder or hip joint with the limb flexed. In addition to the stroke length, the number of double strokes per minute must also be specified, with this variable indirectly specifying the angular velocity.
Im Hinblick auf die erfindungsgemäß vorgesehene Antriebe-Ansteuerung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Linearantrieb mit einem servogesteuerten Elektromotor, vorzugsweise einem bürstenlosen Gleichstrommotor, ausgebildet ist.With regard to the drive control provided according to the invention, it has proven to be advantageous if the linear drive is designed with a servo-controlled electric motor, preferably a brushless DC motor.
Dabei ist es weiters günstig, wenn der Linearantrieb einen vom Elektromotor getriebenen Zahnriemen enthält, der mit einem linear geführten Schlitten fest verbunden ist, der ein Griff- oder Pedalelement für die Extremität trägt. Diese Ausführungsform zeichnet sich, abgesehen von dem Vorteii einer einfachen Ausbildung bei gutem dynamischen Verhalten, auch durch eine außerordentlich geringe Geräuschentwicklung aus. Selbstverständlich wäre es an sich jedoch auch denkbar, den Linearantrieb anders, etwa mit einer Kugelgewindeepindel, auszuführen, längs der eine Spindelmutter verschiebbar ist, an der das Griff- oder Pedalelement befestigt ist.It is also advantageous if the linear drive contains a toothed belt driven by the electric motor, which is connected to a toothed belt linearly guided slide is firmly connected, which carries a handle or pedal element for the extremity. Apart from the advantage of a simple design with good dynamic behavior, this embodiment is also characterized by an extremely low noise level. Of course, it would also be conceivable in itself to design the linear drive differently, for example with a ball screw spindle, along which a spindle nut can be displaced, to which the handle or pedal element is attached.
Ee ist weitere vorteilhaft, wenn das Griff- oder Pedalelement zur Anpassung an die Körperabmessung des Probanden verstellbar am Schlitten angebracht ist. Auf diese Weise kann der gewünschte Griff- bzw. Pedalabstand erreicht werden. Dies ist insbesondere bei Vorsehen von Linearantrieben in zwei Paaren (für Arme und Beine) von Bedeutung.Ee is further advantageous if the handle or pedal element is adjustably attached to the slide to adapt to the body size of the subject. In this way, the desired grip or pedal distance can be achieved. This is particularly important when linear drives are provided in two pairs (for arms and legs).
Für eine kraftabhängige Steuerung des Linearantriebe kann auch vorgesehen werden, daß an einem das Griff- oder Pedalelement mit dem Schlitten verbindenden Verbindungsarm Kraftmeßelemente, z.B Dehnmeßstreifen, angebracht sind, mit denen die Steuereinheit verbunden ist.For a force-dependent control of the linear drives, it can also be provided that force measuring elements, for example strain gauges, are attached to a connecting arm connecting the handle or pedal element to the slide, to which the control unit is connected.
Dabei wäre beispielsweise eine Steuerungsart denkbar, bei der die Translationsgeschwindigkeit umso höher eingestellt wird, je mehr Kraft vom Probanden aufgebracht wird, wobei zweckmäßigerweise ein Maximalwert hiefür vorgegeben wird. Andererseits kann auch vorgesehen werden, daß eine Bewegung des Linearantriebs eret ausgelöst wird, wenn eine vorgegebene Minimalkraft vom Probanden aufgebracht wird. Zufolge einer solchen Kraftmessung und Rückmeldung der gemessenen Kraftwerte an die Steuereinheit ist es im weiteren auch möglich, schlagartige Beanspruchungen in den Umkehrpunkten zu vermeiden.A type of control would be conceivable, for example, in which the translation speed is set higher, the more force is applied by the test subject, a maximum value being expediently specified for this purpose. On the other hand, provision can also be made for a movement of the linear drive to be triggered when a predetermined minimum force is applied by the subject. As a result of such a force measurement and feedback of the measured force values to the control unit, it is furthermore also possible to avoid sudden stresses in the reversal points.
Wenn mehrere Linearantriebe oder allgemein Aktoren vorgesehen sind, etwa ähnlich wie bei der Vorrichtung gemäß der WO-A-87/01601, wo allerdings wie erwähnt vier mechanische Getriebeeinheiten als Aktoren vorgesehen sind, kann an eich eine zentrale Steureinheit für alle Aktoren vorgeeehen werden, die die Geschwindigkeit der einzelnen Aktoren steuert. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwieeen, wenn jeder Aktor eine eigene intelligente Steuerung besitzt, und demgemäß ist eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Linearantriebe, vorzugsweise zwei Paare von den Armen bzw. Beinen zugeordneten Linearantrieben, vorgesehen sind, und daß jedem der Linearantriebe "eine eigene Steuereinheit zur unabhängigen Steueruπg seiner Translationsgeschwindigkeit zugeordnet ist.If several linear drives or generally actuators are provided, somewhat similar to the device according to WO-A-87/01601, but where, as mentioned, however, four mechanical gear units are provided as actuators, a central control unit can be provided for all actuators controls the speed of the individual actuators. However, it has proven to be advantageous if each actuator has its own intelligent control, and accordingly is an advantageous embodiment of the device according to the invention characterized in that a plurality of linear drives, preferably two pairs of linear drives assigned to the arms or legs, are provided, and that each of the linear drives "is assigned a separate control unit for independent control of its translation speed.
Im weiteren ist es hierbei vorteilhaft, wenn alle Steuereinheiten zu ihrer Ansteuerung sowie zur Auswertung von Meßdaten mit einer zentralen Prozessoreinheit, beispielsweise in einem Master-Slave-Verhältnis, verbunden sind.Furthermore, it is advantageous if all control units are connected to a central processor unit, for example in a master-slave relationship, for their control and evaluation of measurement data.
Bei einer derartigen Konzeption entlasten die unabhängigen, individuellen Steureinheiten, die die Steuerung der jeweiligen Aktoren selbständig durchführen, die zentrale Prozessoreinheit, wobei aber doch über diese zentrale Prozessoreinheit die jeweiligen gewünschten Parameter ein- bzw. vorgegeben werden können, ebenso wie dort zentral der Beginn bzw. das Ende einer Übung festgelegt und die Ausgabe und Auswertung von Meßdaten durchgeführt wird. Hinsichtlich der Gestaltung der zentralen Prozessσreinheit stehen im Hinblick darauf, daß für die Aktoren deren eigene Steuereinheiten die eigentliche Steuerung der Linearantriebe übernehmen, die verschiedensten Möglichkeiten offen, bzw. sind umgekehrt auch bei den verschiedensten Konfigurationen bzw. verschiedensten Anzahlen von Aktoren die gleiche Hardware und Software in der zentralen Prozessoreinheit möglich. Dadurch wird ein hohes Maß an Flexibilität und Erweiterbarkeit sowohl softwaremäßig als auch hardwaremäßig erreicht.With such a conception, the independent, individual control units, which carry out the control of the respective actuators independently, relieve the central processor unit, but the respective desired parameters can be entered or predefined via this central processor unit, as well as the start or the start point there the end of an exercise is determined and the output and evaluation of measurement data is carried out. With regard to the design of the central process unit, there are a wide variety of options available for the actuators whose own control units take over the actual control of the linear drives, or, conversely, the same hardware and software are also available for the most varied configurations or different numbers of actuators possible in the central processor unit. This achieves a high degree of flexibility and expandability in terms of both software and hardware.
Da bei der vorliegenden Vorrichtung einfache Linearantriebe verwendet werden, die zur Erzielung der gewünschten Bewegungsmuster hinsichtlich ihrer Translationsgeschwindigkeit in Entsprechung zur mathematischen Modellierung des Kurbelgetriebes angesteuert werden, kann erfindungsgemäß im weiteren ohne besondere apperative Schwierigkeiten vorgesehen werden, die gewünschten Übungen in den verschiedensten Positionen der Extremitäten relativ zum Rumpf des Probanden auszuüben. Demgemäß ist es in Weiterbildung der Erfindung besonders günstig, wenn der bzw. jeder Linearantrieb an einem am Gestell schwenkbar gelagerten Tragarm angebracht ist. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der bzw. jeder Tragarm für den einem Arm zugeordneten Linearantrieb in einem Bereich von -45º bie +45° bezüglich der Horizontalen etufenlos verstellbar ist. Andererseits iet es zweckmäßig, wenn der bzw. jeder Tragarm für den einem Bein zugeordneten Linearantrieb in einem Bereich von -90º bis 0° bezüglich der Horizontalen stufenlos verstellbar ist. Um eine hohe Reproduzierbarkeit bei den Übungen sicherzu- etellen, ist es dabei auch vorteilhaft, wenn dem bzw. jedem Tragarm ein Winkelstellungsgeber zugeordnet ist, der mit der (jeweiligen) Steuereinheit verbunden ist. Damit kann für jeden Probanden und für die jeweilige Übung die Positionierung des jeweiligen Aktors erfaßt bzw. selbsttätig vorgenommen werden. Die Mittel für die Positionierung, wie etwa elektromechanische oder hydraulische Schwenkantriebe, können dabei von an sich bekannter Bauart sein, und sie werden beispielsweise von der jeweiligen Steuereinheit auf Befehl der zentralen Prozessoreinheit, die zuvor die Positionsdaten zugeführt erhalten hat, entsprechend ςesteuert.Since simple linear drives are used in the present device, which are controlled in order to achieve the desired movement patterns with regard to their translation speed in correspondence with the mathematical modeling of the crank mechanism, the exercises according to the invention can be provided without particular apperative difficulties, the desired exercises in the most varied positions of the extremities relative exercise on the subject's torso. Accordingly, in a further development of the invention, it is particularly expedient if the or each linear drive is attached to a support arm pivotably mounted on the frame. It has proven to be particularly advantageous if the or each support arm for the linear drive assigned to an arm is continuously adjustable in a range of -45 ° to + 45 ° with respect to the horizontal is. On the other hand, it is expedient if the or each support arm for the linear drive assigned to a leg is continuously adjustable in a range from -90 ° to 0 ° with respect to the horizontal. In order to ensure a high level of reproducibility in the exercises, it is also advantageous if the or each support arm is assigned an angular position transmitter which is connected to the (respective) control unit. The positioning of the respective actuator can thus be recorded or carried out automatically for each subject and for the respective exercise. The means for positioning, such as electromechanical or hydraulic swivel drives, can be of a type known per se, and they are controlled accordingly, for example, by the respective control unit on the command of the central processor unit, which previously received the position data.
Zur Anpassung an verschiedene Körpergrößen der einzelnen Probanden ist es weiters von Vorteil, wenn der bzw. jeder Tragarm für den einem Arm zugeordneten Linearantrieb an einem am Gestell horizontal und vertikal verschiebbar gelagerten Träger schwenkbar gelagert ist. Bei dieser Ausführungsform wird somit die Position des Schultergelenkes relativ zum Hüftgelenk mit Hilfe des genannten Trägers horizontal und/oder vertikal eingestellt.To adapt to different body sizes of the individual test subjects, it is furthermore advantageous if the or each support arm for the linear drive assigned to an arm is pivotably mounted on a support which is horizontally and vertically displaceably mounted on the frame. In this embodiment, the position of the shoulder joint relative to the hip joint is thus adjusted horizontally and / or vertically with the aid of the carrier mentioned.
Auch hier ist es im übrigen wieder zweckmäßig, wenn dem Träger Positionsgeber für die horizontale und vertikale Lage zugeordnet sind, die mit der (jeweiligen) Steuereinheit verbunden sind. Die Steuereinheit erhält auch hier beispielsweise wieder die Einetel idaten von der zentralen Prozeseoreinheit, un diese Prozessoreinheit kann dann wieder, bei einer späteren Übung mit demselben Probanden, einen Befehl an die jeweilige Steuereinheit abgeben, um in an sich herkömmlicher Weise die Stellantriebe für den Träger zu steuern, um dieselbe Positionierung des Trägers automatisch wieder vorzunehmen.Here, too, it is again expedient if the carrier is assigned position transmitters for the horizontal and vertical position, which are connected to the (respective) control unit. The control unit again receives the details from the central processor unit, for example, and this processor unit can then, in a later exercise with the same subject, issue a command to the respective control unit in order to actuate the actuators for the carrier in a conventional manner control to automatically re-position the carrier.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist sodann dadurch gekennzeichnet, daß am Gestell eine gegebenenfalls vertikal verstellbare Auflage für den Probanden, z.B ein Sitz, angebracht ist und optische Justiereinrichtungen mit Lichtpunkten für die Festlegung von Schulter- und Hüftgelenk des Probanden relativ zum Gestell als Bezugspunkte vorgesehen sind. Für die erfindungsgemäße Ansteuerung der Linearantriebe abhängig von der Position, d.h. für die wegabhängige Geschwindigkeitseinstellung, hat es sich schließlich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der dem (jeweiligen) Linearantrieb zugeordnete, mit der (jeweiligen) Steuereinheit verbundene Positionsgeber ein analoger Wegaufnehmer ist.An advantageous embodiment of the invention is then characterized in that an optionally vertically adjustable support for the test subject, for example a seat, is attached to the frame and optical adjustment devices with light points for determining the shoulder and hip joints of the test subject relative to the frame are provided as reference points . For the inventive control of the linear drives depending on the position, ie for the travel-dependent speed setting, it has finally proven to be particularly advantageous if the position transmitter assigned to the (respective) linear drive and connected to the (respective) control unit is an analog displacement sensor.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles, auf das sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im einzelnen zeigen in der Zeichnung;The invention is explained in more detail below with reference to an especially preferred exemplary embodiment illustrated in the drawing, to which, however, it should not be limited. In detail show in the drawing;
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erf indungsgemäßen Vorrichtung;Fig. 1 is a schematic side view of an inventive device;
Fig. 2 eine zugehörige Vorderansicht dieser Vorrichtung; die Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen der durch einen Arm bzw. ein Bein gegebenen "Kurbelgetriebe" in der Art einer Schubkurbel bzw. Lenkergeradführung, mit der Annahme, daß die Achse der linearen Bewegung der Hand bzw. des Fußes durch die Mitte des Schultergelenks bzw. Hüftgelenks verläuft; Fig. 5 ein entsprechendes Schema einer Schubkurbel; Fig. 6 schematisch in einer Ansicht einen bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 vorgesehenen Linearantrieb oder Aktor, wobei eine Abdeckung weggelassen wurde;Fig. 2 is an associated front view of this device; 3 and 4 are schematic representations of the "crank mechanism" given by an arm or a leg, in the manner of a push crank or straight steering, with the assumption that the axis of the linear movement of the hand or foot through the center of the shoulder joint or hip joint runs; 5 shows a corresponding diagram of a push crank; 6 schematically shows a view of a linear drive or actuator provided in the device according to FIGS. 1 and 2, with a cover being omitted;
Fig. 7 eine zugehörige Draufsicht auf diesen Aktor gemäß Fig. 6;FIG. 7 shows an associated top view of this actuator according to FIG. 6;
Fig. 8 eine zugehörige Querschnittsdarstellung gemäß der Linie VIII-VIII in Fig. 6;Fig. 8 is an associated cross-sectional view along the line VIII-VIII in Fig. 6;
Fig. 9 ein allgemeines Steuerschema für die Vorrichtung gemäß Fig . 1 und 2;9 is a general control scheme for the device of FIG. 1 and 2;
Fig. 10 ein Schema zur Veranschaulichung der Steuerung eines Aktors mit Hilfe einer individuellen Steuereinheit, im wesentlichen entsprechend dem Detail X in Fig. 9; die Fig. 11 bis 16 in schematischen Seitenansichten verschiedene Einstellungen der Vorrichtung und damit verschiedene übungsmöglichkeiten, wobei die eine Hälfte der Vorrichtung zur besseren Veranschaulichung der Position des Probanden weggelassen wurde; und10 shows a diagram to illustrate the control of an actuator with the aid of an individual control unit, essentially corresponding to the detail X in FIG. 9; 11 to 16 show diagrammatic side views of different settings of the device and thus different exercise options, with one half of the device being omitted for better illustration of the position of the subject; and
Fig. 17 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels eines Übungsablaufs. Gemäß Fig. 1 und 2 besitzt die vorliegende Vorrichtung zum Trainieren und/oder Erfassen der menschlichen Motorik ein Gestell 1, an dem vier Aktoren 2. 3, 4, 5 - je zwei Aktoren für die Arme und für die Beine eines Probanden - schwenkbar angebracht sind. An den Aktoren 2, 3 des oberen Paares sind Handgriffe 6 bzw. 7 befestigt, und in enteprechender Weiee sind an den unteren Aktoren 4, 5 Pedale 8 bzw. 9 angebracht. Wie nachstehend noch näher anhand der Fig. 6 bis 8 erläutert werden wird, enthält jeder Aktor 2 bis 5 einen Linearantrieb, mit dem der jeweilige Griff 6 bzw. 7 bzw. das jeweilige Pedal 8 bzw. 9 verbunden ist. Dadurch werden diese Griff- bzw. Pedalelemente 6 bis 9 hin- und hergehend angetrieben.Fig. 17 is a flowchart showing an example of an exercise flow. 1 and 2, the present device for training and / or detecting the human motor system has a frame 1 on which four actuators 2, 3, 4, 5 - two actuators each for the arms and legs of a test subject - are pivotably attached are. Handles 6 and 7 are fastened to the actuators 2, 3 of the upper pair, and pedals 8 and 9 are attached to the lower actuators 4, 5 in a corresponding manner. As will be explained in more detail below with reference to FIGS. 6 to 8, each actuator 2 to 5 contains a linear drive with which the respective handle 6 or 7 or the respective pedal 8 or 9 is connected. As a result, these handle or pedal elements 6 to 9 are driven back and forth.
Am Gestell 1 ist weiters eine Auflage, z.B. ein Sitz 10, angebracht. Dabei kann diese Auflage ausgetauscht werden, d.h. an Stelle des Sitzes 10 kann auch eine Liegefläche 11 angebracht werden, vgl. die Darstellung in den Fig. 15 und 16.There is also a support on frame 1, e.g. a seat 10 attached. This edition can be replaced, i.e. Instead of the seat 10, a lying surface 11 can also be attached, cf. the representation in FIGS. 15 and 16.
Mehr im einzelnen bestehen die Aktoren 2 bis 5 aus gehäuseartigen Tragarmen, z.B. aus Aluminium-Guß, wie beispielsweise in Fig. 7 und 8 bei 12 veranschaulicht ist, und an bzw. in diesen gehäuseartigen Tragarmen 12 sind die jeweiligen, in Fig. 6 und 7 insgesamt mit 13 angegebenen Linearantriebe angebracht.More specifically, the actuators 2 to 5 consist of housing-like support arms, e.g. made of cast aluminum, as illustrated, for example, in FIGS. 7 and 8 at 12, and on or in these housing-like support arms 12, the respective linear drives indicated in FIGS. 6 and 7 are attached as 13.
Die beiden oberen Tragarme bzw. allgemein Aktoren 2, 3 sind gemäß Fig. 1 und 2 an einem länglichen, ungefähr horizontalen Träger 14 bzw. 15 angebracht, der eeinerseits am Gestell 1 mit Hilfe an sich bekannter Mittel, wie elektromechanischer Stellmechanismen oder hydraulischer Zylinder, vertikal und horizontal verstellbar angebracht ist. Diese horizontale und vertikale Verschiebbarkeit ist in Fig. 1 mit Doppelpfeilen angedeutet. Am jeweiligen Träger 14 bzw. 15 ist der zugehörige Aktor 2 bzw. 3 schwenkbar gelagert, wobei jede beliebige Winkelstellung zwischen einer um 45° nach unten geneigten Position und einer um 45° nach oben geneigten Position stufenloe eingestellt werden kann.1 and 2, the two upper support arms or generally actuators 2, 3 are attached to an elongated, approximately horizontal support 14 or 15, which on the one hand is attached to the frame 1 by means known per se, such as electromechanical adjusting mechanisms or hydraulic cylinders, vertically and horizontally adjustable is attached. This horizontal and vertical displaceability is indicated in FIG. 1 by double arrows. The associated actuator 2 or 3 is pivotably mounted on the respective carrier 14 or 15, any angular position between a position inclined downwards by 45 ° and a position inclined upwards by 45 ° can be set in steps.
Die unteren Aktoren 4, 5 bzw. Linearantrieb-Tragarme sind stufenlos zwischen einer vertikalen Stellung und einer horizontalen Stellung einstellbar.The lower actuators 4, 5 or linear drive support arms are continuously adjustable between a vertical position and a horizontal position.
Diese Verstellmδglichkeiten sind in Fig. 1 mit gestrichelten Linien echmematisch veranschaulicht und ergeben sich im übrigen auch aus den verschiedenen Darstellungen in Fig. 11 bis 16. Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, arbeitet die vorliegende Vorrichtung nach dem Prinzip einer mathematischen Modellierung von Bewegungsparametern, wobei die jeweilige Extremität mit einem Kurbelgetriebe verglichen wird; die einzuregelnde Translationsgeschwindigkeit v des jeweiligen Linearantriέbee 13 ergibt sich daher unter Zugrundelegung der für ein solches Kurbelgetriebe bzw. genauer eine Schubkurbel geltenden Bedingungen.These adjustment options are illustrated schematically in FIG. 1 with dashed lines and, moreover, also result from the various representations in FIGS. 11 to 16. As already mentioned above, the present device works according to the principle of mathematical modeling of movement parameters, the respective extremity being compared with a crank mechanism; The translation speed v to be regulated of the respective linear drive 13 therefore results on the basis of the conditions applicable to such a crank mechanism or more precisely a push crank.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 wird nun die Beziehung für die Translationsgeschwindigkeit v der Hand oder des Fußes als Funktion der Winkelgeschwindigkeit ω (t) im Schulter -(Fig.3) bzw. Hüftgelenk (Fig. 4) sowie der. Längen A, B des Oberarms und Unterarms (Fig. 3) bzw. des Oberschenkels und Unterschenkels (Fig. 4) erläutert. Dabei gelten für beide Fälle, Arm (Fig. 3) bzw. Bein (Fig. 4), die gleichen Verhältnisse, so daß es genügt, die Beziehung für die Translationsgeschwindigkei v einmal herzuleiten, vgl. insbesondere auch Fig. 5 .3 to 5, the relationship for the translation speed v of the hand or foot as a function of the angular speed ω (t) in the shoulder (Fig. 3) or hip joint (Fig. 4) and the. Lengths A, B of the upper arm and forearm (Fig. 3) or the thigh and lower leg (Fig. 4) explained. The same conditions apply to both cases, arm (Fig. 3) and leg (Fig. 4), so that it is sufficient to derive the relationship for the translation speed once, cf. in particular also FIG. 5.
Wie die Fig. 3 bis 5 zeigen, kann ein Arm oder Bein bei geradliniger Bewegung der Hand oder des Fußes mechanisch als Schubkurbel angesehen werden, wie in Fig. 5 gezeigt ist, und hiefür gilt die allgemeine, an sich bekannte BeziehungAs shown in FIGS. 3 to 5, an arm or leg can be mechanically regarded as a thrust crank when the hand or foot is moved in a straight line, as shown in FIG. 5, and the general relationship known per se applies to this
v = A ω [sin α + (A/2B) sin 2 α] (1).v = A ω [sin α + (A / 2B) sin 2 α] (1).
Darin ist α der Winkel (in °) des einen Kurbelarms, d.h. des Oberarms oder Oberschenkels, relativ zur Achse X-X der Bewegung, d.h. zur Richtung der Bewegung der Hand oder des Fußes oder allgemein zur Achse des Linearantriebes, die durch den Bezugspunkt 0 - das Schultergelenk oder aber das Hüftgelenk -verläuft.Where α is the angle (in °) of one crank arm, i.e. of the upper arm or thigh, relative to the axis X-X of movement, i.e. to the direction of the movement of the hand or foot or generally to the axis of the linear drive, which runs through the reference point 0 - the shoulder joint or the hip joint.
Es wird nun angenommen, daß n Doppelhübe pro Minute ausgeführt werden sollen, woraus sich die Zeit T (in s) für einen einfachen Hub, z.B. von Hm£n nach Hιnax in Fig. 5, wie folgt ergibt:It is now assumed that n double strokes per minute are to be carried out, from which the time T (in s) for a single stroke, e.g. from Hm £ n to Hιnax in Fig. 5, as follows:
T = 60/2nT = 60 / 2n
(Hmax - maximaler Hub; Hmin - minimaler Hub).(H max - maximum stroke; H min - minimum stroke).
Die konstante bzw. gemittelte Winkelgeschwindigkeit ω während eines solchen Hubes kann wie folgt angeschrieben werden: ω = (αmax - αmin) /τ ,The constant or averaged angular velocity ω during such a stroke can be written as follows: ω = (α max - α min ) / τ,
wobei αmax bzw. αmin die Werte für den Winkel α an den Hübenden (bei ümιn bzw. Hmax eind. Da normalerweiee die jeweilige Extremität bis zur Streckung (Hmax) bewegt werden soll, wobei αmin = 0 iet, kann mit αmax = α0 (Winkel bei gebeugtem Arm bzw. Bein, bei Hmin gemäß Fig. 5) die Winkelgeschwindigkeit ω wie folgt angegeben werden:where α max or α min are the values for the angle α at the attractive ones (at ümιn or Hmax in. Since the respective extremity should normally be moved to the extension (H max ), where α min = 0 iet, α max = α 0 (angle with arm or leg bent, with H min according to FIG. 5) the angular velocity ω can be given as follows:
ω = α0/Tω = α 0 / T
Nach Umrechnung des Winkels α0 in rad und Einsetzen von T = 60/2n ergibt sich hieraus:After converting the angle α 0 into rad and inserting T = 60 / 2n, the following results:
ω = 0,0175 α0 . (n/30) = 5,83.10-4 . n . α0 (2)ω = 0.0175 α 0 . (n / 30) = 5.83.10 -4 . n. α 0 (2)
Die Hublänge H ergibt sich gemäß Fig. 5 mitThe stroke length H results from FIG. 5 with
H = Hmax - Hmin - (A+B) - (A cosα0 + B cosα1) (3),H = H max - H min - (A + B) - (A cosα 0 + B cosα 1 ) (3),
wobei αt der Winkel zwischen dem Unterarm oder Unterschenkel und der Bewegungsrichtung X-X bei gebeugter Extremität ist.where αt is the angle between the forearm or lower leg and the direction of movement X-X with the limb bent.
Im allgemeinen kann nun angenommen werden, daß die Längen von Ober- und Unterarm bzw. von Ober- und Unterschenkel ungefähr gleich sind, so daß gilt:In general, it can now be assumed that the lengths of the upper and lower arm or of the upper and lower leg are approximately the same, so that the following applies:
A = B = a;A = B = a;
weiters ergibt sich dann: α0 = α1} so daß sich aus der Beziehung (3) ergibt:furthermore we get: α0 = α1} so that from the relation (3) we get:
H = 2a - 2a cosα0 H = 2a - 2a cosα 0
bzw.respectively.
cosα0 - (2a - H)/2acosα 0 - (2a - H) / 2a
Durch Einsetzen in (2) wird nun erhalten: ω = 5 , 83.10-4 . n . arccos [ (2a-H) /2a] (4) .By inserting in (2) we now get: ω = 5, 83.10 -4 . n. arccos [(2a-H) / 2a] (4).
Wenn nun Gleichung (4) in Gleichung (1) eingesetzt wird, ergibt eich für die Tranelationsgeehwindigkeit die folgende Beziehung:If equation (4) is now used in equation (1), the following relationship is obtained for the rate of tranlation:
Gemäß dieser Gleichung (5) werden daher zur Steuerung des Linearantriebs bzw. Aktors einerseite die Hub-Umkehrpunkte CHmax. Hmin) und anderereeits die Hubfrequenz, d.h. die Anzahl der Hübe pro min, (n) vorgegeben, abgesehen von der Berücksichtigung der Längen der Gliedmaßen (A für die Länge des Oberarms oder Oberschenkels und B für die Länge des Unterarms oder Unterschenkels). Die Steuereinheit gibt nach diesen Vorgaben die Tranlationsgeschwindigkeit v wegabhängig, also entsprechend dem jeweiligen Wert von α, vor. Mehr im einzelnen wird die Steuerung nachstehend noch anhand der Fig. 9 und 10 erläutert werden.According to this equation (5), the stroke reversal points CH max . Are therefore used to control the linear drive or actuator. H min ) and on the other hand the stroke frequency, ie the number of strokes per min (n), apart from taking into account the lengths of the limbs (A for the length of the upper arm or thigh and B for the length of the forearm or lower leg). According to these specifications, the control unit specifies the translation speed v as a function of the path, that is, according to the respective value of α. The control will be explained in more detail below with reference to FIGS. 9 and 10.
In den Fig. 6 bis 8 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Aktors, beispielsweise des Aktors 2, mit einem Linearantrieb 13 veranschaulicht. Es sei erwähnt, daß alle Aktoren 2, 3, 4, 5 grundsätzlich gleich aufgebaut sind, so daß es genügt, den Aufbau eines einzigen Aktors näher zu erläutern.6 to 8 illustrate a preferred embodiment of an actuator, for example actuator 2, with a linear drive 13. It should be mentioned that all actuators 2, 3, 4, 5 are basically constructed the same, so that it is sufficient to explain the structure of a single actuator in more detail.
Wie bereits erwähnt, weist jeder Aktor, z.B der Aktor 2, einen schwenkbaren Tragarm 12 auf, der ein längliches, im Querschnitt C-förmiges Gehäuseelement aus Aluminiumguß bildet. An diesem Tragarm 12 sind zwei Führungsachsen 15, 16 fest angebracht, und längs dieser Führungsachsen 15, 16 ist ein Schlitten 17 hin-und hergehend bewegbar. Dieser Schlitten 17 ist zu seine hin- und hergehenden Antrieb fest mit einem Zahnriemen 18 gekuppelt, der im vorliegenden Fall als Endlos-Zahnriemen auege- bildet ist und über eine Yordere, freilaufende Umlenkrolle 19 umläuft. Angetrieben wird der Zahnriemen 18 von einem bürstenloeen, eervogesteuerten Gleichstrommotor 20 über ein zur Drehzahlreduktion dienendes Vorgelege 21 mit einer ausgangsseitigen Antriebsrolle 22 für den Zahnriemen 18. Auf der Welle der Antriebsrolle 22 sitzt ferner ein Ritzel 23, das mit einem Ritzel 24 auf der Welle eines Drehpotentiometers 25 kämmt. Dieses Dreh- potentiometer 25 ist als Leitplastik-Potentiometer ausgebildet und dient als analoger Wegaufnehmer bzw. Positionsgeber: je nach Stellung des Potentiometers 25, abhängig von der Stellung des Linearantriebes 13 bzw. Lage des Schlittens 17, wird ein analoges Spannungssignal abgegeben, welches für die Translationsgeschwindigkeitssteuerung sowie gegebenenfalls für die Auswertung der Meßergebnisse herangezogen wird, wie nachstehend noch anhand der Fig. 10 näher erläutert werden wird.As already mentioned, each actuator, for example actuator 2, has a pivotable support arm 12 which forms an elongated housing element made of cast aluminum with a C-shaped cross section. Two guide axes 15, 16 are fixedly attached to this support arm 12, and a carriage 17 can be moved back and forth along these guide axes 15, 16. This carriage 17 is his the reciprocating drive is firmly coupled to a toothed belt 18, which in the present case is designed as an endless toothed belt and rotates over a Yordere, idler pulley 19. The toothed belt 18 is driven by a brushless, electro-controlled direct current motor 20 via a reduction gear 21 serving for speed reduction with an output-side drive roller 22 for the toothed belt 18. On the shaft of the drive roller 22 there is also a pinion 23, which has a pinion 24 on the shaft of a Rotary potentiometer 25 combs. This rotary potentiometer 25 is designed as a conductive plastic potentiometer and serves as an analog displacement sensor or position transmitter: depending on the position of the potentiometer 25, depending on the position of the linear drive 13 or the position of the slide 17, an analog voltage signal is emitted which is used for the Translation speed control and, if necessary, for the evaluation of the measurement results is used, as will be explained in more detail below with reference to FIG. 10.
An sich wäre es sicherlich auch möglich, andere Wegaufnehmer oder allgemein Positionsgeber zu verwenden, wie etwa einen Inkrementalgeber, bei dem aber ein zusätzlicher Zählvorgang erforderlich wäre. Mit dem beschriebenen Leitplastikpotentiometer konnten jedoch bei praktischen Versuchen gute Ergebnisse erzielt werden.As such, it would certainly also be possible to use other displacement transducers or general position encoders, such as an incremental encoder, but which would require an additional counting process. With the conductive plastic potentiometer described, however, good results could be achieved in practical tests.
Aus Fig. 8 iet ereichtlich, wie der Schlitten 17 an den Führungsachsen 15, 16 geführt ist, wobei nicht im Detail veranschaulichte Kugelumlaufbücheen 26 zur Lagerung vorgesehen sind. Der Schlitten 17 trägt beispielsweise das Griffelernent 6 (oder aber ein Pedalelement oder andere Befestigungselemente, die ein Angreifen der jeweiligen Extremität ermöglichen) über einen Verbindungsarm 27, an dem zur Messung der vom Probanden ausgeübten Kraft (oder genauer des aufgebrachten Drehmoments) dienende Dehnmeßstreifen 28 in an sich herkömmlicher Weise befestigt sind. Der Handgriff 6 oder allgemein das jeweilige Befestigungselement kann dabei am Schlitten 17 sowohl in Längsais auch in Querrichtung einstellbar angebracht sein, wie in Fig. 7 und 8 mit Doppelpfeilen angedeutet ist. Für diese Verstellung der Griffe 6 (und 7) sowie auch Pedalelemente 8, 9 (Fig. 2) kann auch eine entsprechende, in der Zeichnung nicht näher dargestellte Skala vorgesehen werden, um die händische Verstellung möglichst genau und gut reproduzierbar vornehmen zu können.From Fig. 8 it can be seen how the carriage 17 is guided on the guide axes 15, 16, wherein ball bushings 26 not shown in detail are provided for storage. The slide 17 carries, for example, the stylus element 6 (or else a pedal element or other fastening elements which enable the respective extremity to be gripped) via a connecting arm 27, on which strain gauges 28 in serve to measure the force exerted by the test subject (or more precisely the applied torque) are attached in a conventional manner. The handle 6 or generally the respective fastening element can be attached to the slide 17 in an adjustable manner both in the longitudinal direction and in the transverse direction, as indicated in FIGS. 7 and 8 by double arrows. For this adjustment of the handles 6 (and 7) and also pedal elements 8, 9 (FIG. 2), a corresponding scale, not shown in the drawing, can also be provided, by hand To be able to make the adjustment as precisely and reproducibly as possible.
Aus Fig. 7 und 8 ist schließlich noch eine zum Tragarm 12 gehörende Abdeckung 29 ersichtlich, in der ein Längsschlitz vorgesehen ist, durch den der Verbindungsarm 27 ragt, und in dem dieser Verbindungsarm 27 bei den Hubbewegungen des Linearantriebee 13 hin-und herbewegbar ist.Finally, FIGS. 7 and 8 also show a cover 29 belonging to the support arm 12, in which a longitudinal slot is provided, through which the connecting arm 27 protrudes, and in which this connecting arm 27 can be moved back and forth during the lifting movements of the linear drive 13.
In Fig. 9 ist ein ganz allgemeines Steuerschema für die vorliegende Vorrichtung veranschaulicht, wobei die beschriebenen vier Aktoren samt zugehörigen Steuereinheiten schematich mit den Blöcken 2 bis 5 veranschaulicht sind. Wie bereits mehrfach erwähnt, sind die Aktoren 2 bis 5 je für sich intelligent ausgebildet, d.h. sie haben eigene Steuereinheiten, die die Geschwindigkeitssteuerung bzw. die hiefür notwendige Motor- regelung unabhängig durchführen. In diesem Zusammenhang wird auch auf das Schema gemäß Fig. 10 verwiesen, in dem eine solche individuelle Steuereinheit 30, beispielsweise für den Aktor 2, echematisch veranschaulicht ist. Jede solche Steuereinheit 30 kann beispielsweise durch einen herkömmlichen Mikroprozessor gebildet sein, und sie ist als sog. "Slave" über einen Bitbus 34 (mit einer Schnittstelle RS485) mit einer zentralen Prozeeeor- einheit 35 (Fig. 9), beispeilsweise einem Personalcomputer (PC) verbunden, der im vorliegenden Steuerschema ale sog. "Master" fungiert.FIG. 9 illustrates a very general control scheme for the present device, the four actuators and associated control units described being illustrated schematically with blocks 2 to 5. As already mentioned several times, the actuators 2 to 5 are each intelligently designed, i.e. they have their own control units, which carry out the speed control or the necessary engine control independently. In this context, reference is also made to the diagram according to FIG. 10, in which such an individual control unit 30, for example for the actuator 2, is illustrated echematically. Each such control unit 30 can be formed by a conventional microprocessor, for example, and it is a so-called “slave” via a bit bus 34 (with an RS485 interface) with a central process unit 35 (FIG. 9), for example a personal computer (PC ) connected, which acts as a so-called "master" in the present tax scheme.
Gemäß Fig. 9 können sodann noch zusätzliche Bedienelemente 36 und Anzeigeelemente 37 am PC 35 vorgesehen werden und in entsprechender Weise können für die Aktoren als "Slaves" zusätzliche Bedien- und Anzeigeelemente 40, 41 angeschlossen sein.According to FIG. 9, additional operating elements 36 and display elements 37 can then be provided on the PC 35 and, in a corresponding manner, additional operating and display elements 40, 41 can be connected as "slaves" for the actuators.
Jede Steuereinheit 30 steuert gemäß Fig. 10 den zugehörigen Gleichstrommotor 20 über einen an sich herkömmlichen und daher nicht näher zu erläuternden Regelkreis 31 an, und zwar abhängig von den Vorgabewerten für die Aktorposition und Aktorbewegung bzw. von den Aktorpositione -Istwerten, die vom Wegaufnehmer 25 über einen Analog/Digital-Wandler- und Verstärkerkreis 32 an die Steuereinheit 30 übermittelt werden. Ferner werden auch die von den Dehnmeßstreifen 28 erfaßten Werte über einen entspr.echenden Wandler- und Verstärkerkreis 33 an die Steuereinheit 30 gesandt. Schließlich erhält die Steuereinheit 30 noch die Daten von Winkelstellungsgebern 42, die den Tragarmen 12 der Aktoren 2 bis 5 zur Erfassung von deren Winkelstellung zugeordnet eind, eowie gegebenenfalls von Positionsgebern 43 zugeführt, die den Trägern 14, 15 für die Armaktoren-Tragarme (Aktoren 2, 3) zur Erfassung von deren horizontaler und vertikaler Lage zugeordnet sind. Steuerleitungen zu Stellantrieben für diese Tragarme 12 und Träger 14 sowie die die Stellantriebe selbst wurden der Einfachheit halber weggelassen; diese Kreise können in an eich herkömmlicher Weise ausgebildet sein, vgl. z.B. auch die bereits genannte WO-A-87/01601. Die Ansteuerung dieser Stellantriebe kann dabei vorzugsweise ebenfalls über die jeweilige Steuereinheit 30 - auf Befehl der zentralen Prozeseoreinheit 35 hin - erfolgen, es wäre aber an sich auch dankbar, die Stellantriebe direkt durch die zentrale Prozessoreinheit 35 anzusteuern.According to FIG. 10, each control unit 30 controls the associated DC motor 20 via a control circuit 31, which is conventional per se and therefore not to be explained in more detail, depending on the default values for the actuator position and actuator movement or on the actual actuator values from the displacement sensor 25 are transmitted to the control unit 30 via an analog / digital converter and amplifier circuit 32. Furthermore, the values detected by the strain gauges 28 are also sent to the control unit 30 via a corresponding converter and amplifier circuit 33. Finally, the control unit 30 also receives the data from Angular position transmitters 42, which are assigned to the support arms 12 of the actuators 2 to 5 for detecting their angular position, and optionally supplied by position transmitters 43 which support the arms 14, 15 for the armature support arms (actuators 2, 3) for detecting their horizontal and vertical position are assigned. Control lines to actuators for these support arms 12 and supports 14 and the actuators themselves have been omitted for the sake of simplicity; these circles can be formed in a conventional manner, see. eg also the already mentioned WO-A-87/01601. These actuators can preferably also be controlled via the respective control unit 30 - at the command of the central processor unit 35 - but it would also be grateful in itself to control the actuators directly by the central processor unit 35.
Im Betrieb sendet die zentrale Prozeseoreinheit 35 (Maeter) über den Bitbus 34 an die jeweiligen Aktoren (wobei auch beispielsweise nur zwei Aktoren vorhanden oder aber aktiviert sein können) Daten für die Vorgabe der Aktorposition, Daten für die Vorgabe der Aktorbewegung (Bewegungsform, Periodendauer, Hublänge und Bezugspunkteinstellung) sowie allgemeine Steuerparameter, wie Start/Stop der Aktorbewegung und gegebenenfalls Aktoreynchronisation.In operation, the central processor unit 35 (Maeter) sends data for specifying the actuator position, data for specifying the actuator movement (form of movement, period, etc.) to the respective actuators via the bit bus 34 (whereby, for example, only two actuators can also be present or else activated). Stroke length and reference point setting) as well as general control parameters such as start / stop of the actuator movement and, if necessary, actuator synchronization.
Von der jeweiligen Steuereinheit 30 (Slave) werden über den Bitbus 34 zur zentralen Prozessoreinheit 35 (Master) umgekehrt Daten betreffend den Weg-Istwert, Kraft-Ietwert sowie AktorStatusinformationen übermittelt. In beiden Richtungen laufen über den Bitbue 34 Informationen bei einem Test der Netzwerkkompόnenten und der übertragungsstrecke.Conversely, data relating to the actual travel value, force actual value and actuator status information are transmitted from the respective control unit 30 (slave) via the bit bus 34 to the central processor unit 35 (master). Information runs in both directions via bitbue 34 during a test of the network components and the transmission link.
Von Bedeutung ist auch, daß die Informationsübertragung vom Slave zum Maeter, aleo von der jeweiligen Steuereinheit 30 zum PC 35, nicht automatisch, sondern bloß auf Anforderung durch den PC 35 (sogenanntes "Polling") erfolgt.It is also important that the information transmission from the slave to the meter, aleo from the respective control unit 30 to the PC 35, does not take place automatically, but only on request by the PC 35 (so-called "polling").
Syetem-Ein/Auegaben können beim vorliegenden Steuerschema erstens über den PC 35, zweitens über die an den PC 35 angeschlossenen Ein/Ausgabeelemente oder -geräte 38, 39 sowie drittens über die an den Bitbus 34 angeschlossenen Ein/Ausgabegeräte (mit Bitbue-Interface) 40, 41 erfolgen.System inputs / outputs in the present control scheme can firstly be via the PC 35, secondly via the input / output elements or devices 38, 39 connected to the PC 35 and thirdly via the input / output devices connected to the Bitbus 34 (with Bitbue interface) 40, 41 take place.
Die zentrale Prozeesoreinheit 35 gibt an den bzw. jeden Aktor, d.h. an die jeweilige Steuereinheit 30, gesondert die Befehle und Vorgabewerte wie vorstehend erwähnt ab, wobei jeder Aktor 2 bie 5 unabhängig von den anderen steuerbar ist. Die Aktoren 2 bis 5 führen mit Hilfe ihrer gesonderten Steuereinheiten 30 die erhaltenen Befehle selbständig aus, vgl. auch das Steuerschema von Fig. 10, wobei dadurch die zentrale Prozessor- einheit 35 wesentlich entlastet wird. Die aufgenommenen Meßwerte (Position, Kraft) werden in einer koprimierten und gefilterten Form paketweise von der Steuereinheit 30 über den Bitbus 34 zur zentralen Prozessoreinheit 35 übertragen.The central processor unit 35 gives the or each actuator, ie the respective control unit 30, separately Commands and default values as mentioned above, each actuator 2 to 5 being controllable independently of the others. The actuators 2 to 5 independently execute the commands received with the aid of their separate control units 30, cf. also the control diagram of FIG. 10, whereby the central processor unit 35 is substantially relieved. The recorded measured values (position, force) are transmitted in packaged form from the control unit 30 via the bit bus 34 to the central processor unit 35 in a compressed and filtered form.
Durch diese Konfiguration wird ein hohes Maß an Flexibilität und Erweiterbarkeit sowohl hinsichtlich der hardwaremäßigen Ausbildung als auch der Programroierungsmöglichkeiten erreicht. Dadurch ist es einerseits möglich, bei gleicher Hardware und Software im PC 35 verschiedene Aktorkonfigurationen bzw. verschiedene Anzahlen von Aktoren anzusteuern, und umgekehrt können bei vorgegebenen Aktoren mit Steuereinheiten auch verschiedene Prozessoren als zentrale Prozessoreinheiten, mit unterschiedlichen Programmierungen, angewandt werden. Durch die intelligente Ausbildung der Aktoren wird auch eine schnei lere Funktion eichergeetel 1t, und Uberdies wird die Zahl der Möglich- keiten bei den Übungen weiter erhδht. Beispielsweise wäre es auch theoretisch denkbar, für bestimmte Koordinationsübungen durch die von einem Probanden an einem Aktor aufgebrachte Kraft die Geschwindigkeit eines anderen Aktors zu steuern. Wie ersichtlich sind daher mit der vorliegenden Vorrichtung nicht nur die verschiedensten ϋbungen zum Muskeltraining schlechthin denkbar, sondern vor allem auch die verschiedensten übungen für ein Koordinationstraining, d.h. ein ϋben zum Koordinieren der Bβwegungen der verschiedenen Extremitäten.This configuration achieves a high degree of flexibility and expandability in terms of both hardware training and programming options. This makes it possible, on the one hand, to control different actuator configurations or different numbers of actuators with the same hardware and software in the PC 35, and conversely, with given actuators with control units, different processors can also be used as central processor units with different programming. The intelligent design of the actuators also enables a faster function, and the number of options for the exercises is further increased. For example, it would also be theoretically conceivable to control the speed of another actuator for certain coordination exercises by means of the force exerted by a subject on one actuator. As can be seen, the present device therefore not only conceives a wide variety of exercises for muscle training par excellence, but above all also a wide variety of exercises for coordination training, i.e. practice to coordinate the movements of the different extremities.
Bei Durchführung der verschiedenen Übungen können beispielsweise die Parameter: Weg (Hub), Translationsgeschwindigkeit bzw Winkelgeschwindigkeit, Kraft bzw. Leistung pro Extremität sowie die Leistung insgesamt erfaßt, gezeigt und dokumentiert werden. Die Positionen des jeweiligen Probanden werden erfaßt (vgl. die erwähnten Winkelstellungs- und Positionsgeber 42, 43; ein entsprechender Positionegeber, der nicht näher gezeigt ist, kann auch dem vertikal verstellbaren Sitz 10 zugeordnet sein), vom PC 35 festgehalten, und diese Positiσnen sind durch Ansteuerung der entsprechenden, in der Zeichnung nicht näher dargestellten Stellantriebe durch den PC 35 auch automatisch reproduzierbar. Eine Ausnahme bildet hier nur die Einstellung der Griff- und Pedalelemente, d.h. der Abstand zwischen den Griff- bzw. Pedalelementen, die händisch erfolgt.When carrying out the various exercises, for example, the parameters: path (stroke), translation speed or angular speed, force or power per extremity and the overall performance can be recorded, shown and documented. The positions of the respective subject are recorded (cf. the angular position and position sensors 42, 43 mentioned; a corresponding position sensor, which is not shown in detail, can also be assigned to the vertically adjustable seat 10), recorded by the PC 35, and these positions are by controlling the corresponding, not shown in the drawing Actuators can also be reproduced automatically using the PC 35. The only exception here is the adjustment of the handle and pedal elements, ie the distance between the handle and pedal elements, which is done manually.
Aus Sicherheitsgründen können ferner für den Probanden an jedem Griff Notausschalter vorhanden sein, und die Gleichstrommotoren 20 der einzelnen Aktoren 2 bis 5 sind mit Sieherheϊtsbremsen versehen. Die einzelnen Verstel lungen beim Positionieren eines Probanden werden zweckmäßig mit geringer Geschwindigkeit durchgeführt und beiepieleweiee durch Drücken einer Auslösetaste von einer geschulten Bedienungspereon bewirkt.For safety reasons, the test subject may also have emergency stop switches on each handle, and the DC motors 20 of the individual actuators 2 to 5 are provided with mesh brakes. The individual settings when positioning a subject are expediently carried out at a low speed and, for example, are effected by pressing a trigger button by a trained operator.
An den Pedalen 8, 9 können beispielsweise Befeetigungebügel od. dgl. Fixierungselemente, wie sie von Rennfahrrädern her bekannt sind, oder aber Fixierungen ähnlich Schibindungen etc. verwendet werden.On the pedals 8, 9, for example, mounting brackets or the like. Fixing elements, as are known from racing bicycles, or fixations similar to ski bindings, etc. can be used.
Zur Erzielung eines guten dynamischen Verhaltens können bürstenlose Gleichstrommotoren 20 verwendet werden, die mit Seltenerdmagneten ausgerüstet eind.Brushless DC motors 20 equipped with rare earth magnets can be used to achieve good dynamic behavior.
Das aus Blech bestehende Grundgestell 1 trägt das gesamte Poeitioniereystem wie vorstehend beschrieben, einschließlich des verschieb- und verstellbaren Sitzes 10. Damit kann ein Proband, wenn er auf das Gerät steigt, sofort automatisch positioniert werden, und diese Positionierung kann ferner mit Hilfe einer optischen Einstell- oder Justiereinrichtung mit Lichtpunkten 44, 45 (vgl. Fig. 11 und 12) vorgenommen werden, die den vorerwähnten Bezugspunkten 0 bzw. dem Schultergelenk und Hüftgelenk des Probanden entsprechen.The base frame 1 made of sheet metal carries the entire poioning system as described above, including the displaceable and adjustable seat 10. This allows a test person to be automatically positioned as soon as he gets on the device, and this positioning can also be carried out by means of an optical adjustment - Or adjustment device with light points 44, 45 (cf. FIGS. 11 and 12) which correspond to the aforementioned reference points 0 or the shoulder joint and hip joint of the test subject.
In den Fig. 11 bis 16 sind schließlich einige Beiepiele von übungsmδglichkeiten an der beschriebenen Vorrichtung veranschaulicht, wobei ersichtlich ist, daß die oberen Aktoren, z.B der Aktor 3, eine horizontale Lage (Fig. 11, 12 und 14), eine um 45° nach unten geschwenke Lage (Fig. 13) und eine um 45° nach oben geschwenkte Lage (Fig. 16) einnehmen können. Selbstver- ständlich sind auch alle Winkeletel lungen für die oberen Aktoren zwischen den erwähnten Schenklagen gemäß Fig. 13 und Fig. 16 möglich.11 to 16 finally show some examples of possible exercises on the device described, it being evident that the upper actuators, for example the actuator 3, have a horizontal position (FIGS. 11, 12 and 14), one around 45 ° down position (Fig. 13) and 45 ° up position (Fig. 16). Of course, all angular settings for the upper actuators between the mentioned leg positions according to FIGS. 13 and 16 are also possible.
In ähnlicher Weise kδnnen die unteren Aktoren, z.B. der Aktorr 5, stufenloe zwischen einer sich vertikalen nach unten erstreckenden Lage (Fig. 11, Fig. 13) und einer sich horizonta nach vorne erstreckenden Position (Fig. 14, 15) stufenloe eingestellt werden, wobei eine Zwischen-Schwenkstellung, beispielsweise in Fig. 12 veranschaulicht ist. Bei der Übung gemäß Fig. 15 sind nur die unteren Aktoren in Funktion, und bei der Übung gemäß Fig. 16 werden nur die oberen Aktoren - hier zum Trainieren der Beine in liegender Stellung des Probanden - eingesetzt.In a similar way, the lower actuators, for example the actuator 5, can step down between a vertical downward extending position (Fig. 11, Fig. 13) and a horizontally forwardly extending position (Fig. 14, 15) can be set steplessly, an intermediate pivot position, for example in Fig. 12 is illustrated. In the exercise according to FIG. 15 only the lower actuators are in operation, and in the exercise according to FIG. 16 only the upper actuators are used - here for exercising the legs in the test subject's lying position.
Selbstveretändlich ist es bei den verschiedenen Übungen möglich, nicht nur unterschiedliche Hublängen und Hubfrequenzen an den jeweiligen Aktoren einzuetellen, oder ganz allgemein die Aktoren völlig unabhängig voneinander zu steuern, es kann vielmehr auch, wie bereits vorstehend angedeutet wurde, eine gegenseitige Funktionsabhängigkeit vorgesehen und demgemäß abhängig von bestimmten Meßparametern eine abhängige Steuerung einzelner Aktoren in Einzelfällen vorgesehen werden. Wesentlich ist vor allem die beschriebene mathematische Modellierung der Bewegungsparameter bei den Extremitäten unter Berücksichtigung der persönlichen Daten des jeweiligen Probanden, so daß ein äußerst individuelles, spezifisch abgestimmtes üben ermöglicht wird.Of course, it is possible with the various exercises not only to set different stroke lengths and stroke frequencies on the respective actuators, or to control the actuators completely independently of one another in general, but, as already indicated, a mutual function dependency can also be provided and accordingly dependent Depending on certain measurement parameters, dependent control of individual actuators can be provided in individual cases. What is particularly important is the described mathematical modeling of the movement parameters in the extremities, taking into account the personal data of the respective subject, so that an extremely individual, specifically coordinated practice is made possible.
Aus dem Flußdiagramm gemäß Fig. 17 ergibt eich ein beispielsweiser Übungsablauf an der vorstehend beschriebenen Vorrichtung mit den einzelnen Steuerungsfunktionen, mehr im Detail; ausgegangen wird dabei von dem Fall, daß vier Aktoren 2-5 vorhanden sind und aktiviert werden, wobei ein synchronisierter Bewegungs ablauf der zugehörigen vier Linearantriebe herbeigeführt wird, jedoch andere übungsparameter, wie Hub H, Nullpunkt 0, Bewegungsform (z.B. konstante Winkelgeschwindigkeit und sich verschieden ändernde Winkelgeschwindigkeiten) für jeden Aktor gesondert und verschieden vorgegeben werden können.From the flowchart according to FIG. 17, an example exercise sequence on the device described above with the individual control functions is shown, in more detail; It is assumed that four actuators 2-5 are present and are activated, whereby a synchronized movement sequence of the associated four linear drives is brought about, but other exercise parameters, such as stroke H, zero point 0, form of movement (e.g. constant angular velocity and different ones) changing angular velocities) can be specified separately and differently for each actuator.
Im einzelnen folgt gemäß dem Schema nach Fig. 17 nach einem Initialisierschritt (bei 46) beim Block 47 das Einpositionieren des Probanden, wobei der Master (PC 35) über die individuellen Steuereinheiten 30, denen die entsprechenden Daten über den Bitbue 34 übermittelt werden, die Ansteuerung der nicht dargestellten Stellantriebe (z.B Linearmotoren) für die Tragarm 12 und Träger 14, 15 veranlaßt. Danach werden (im Schritt 48) die gewünechten übungeparameter am PC 35 eingegeben, und bei 49 sendet der PC 35 danach die Daten betreffend die gewünschten Bewegungen (Bewegungsform, Hub H bzw. Hmax, Hmin, Nullpunkt 0; Periodendauer bzw. Hubfrequenz n) an die Einzel-Aktoren, d.h. deren Steuereinheite 30; wie erwähnt wird dabei die Periodendauer global für alle Aktoren angegeben, wogegen die anderen Parameter individuell verschieden sein können.17, after an initialization step (at 46) at block 47, the subject is positioned at block 47, the master (PC 35) via the individual control units 30, to which the corresponding data are transmitted via bitbue 34 Activation of the actuators (not shown) (eg linear motors) for the support arm 12 and carrier 14, 15 causes. Then (in step 48) the desired exercise parameters are entered on the PC 35, and at 49 the PC 35 then sends the data relating to the desired movements (form of movement, stroke H or Hmax, H min , zero point 0; period duration or stroke frequency n). to the individual actuators, ie their control units 30; As mentioned, the period duration is given globally for all actuators, whereas the other parameters can be individually different.
Sodann wartet (bei Block 50) der PC 35 die Starteingabe durch den Syetembediener ab, wonach er an alle Aktoren einen Synchronisierimpuls eendet (Schritt 51). Damit beginnen eich di Linearantriebe der einzelnen Aktoren unter Aneteuerung durch ihre jeweiligen Steuereinheiten 30 (Slavee) zu bewegen, und der PC 35 ruft Daten von den Slavee 30 ab (Schritt 52), die sodann am PC 35 angezeigt werden (Schritt 53).The PC 35 then waits (at block 50) for the start input by the system operator, after which it sends a synchronization pulse to all actuators (step 51). With this, the linear drives of the individual actuators begin to move under the control of their respective control units 30 (slaves), and the PC 35 retrieves data from the slaves 30 (step 52), which are then displayed on the PC 35 (step 53).
Danach wird bei 54 abgefragt, ob die Übung beendet werden soll, und wenn nicht ("N"), wird zum Schritt 51 zurückgekehrt. Im Fäll eines Abbruchs hingegen ("Y") erfolgt bei 55 eine abechließende Auswertung und Anzeige der aufgenommenen Daten. Dabei ist auch das Abspeichern folgender Daten auf einem Maseenepeicher möglich:Thereafter, a question is asked at 54 whether the exercise should be ended, and if not ("N"), a return is made to step 51. However, in the event of an abort ("Y"), a final evaluation and display of the recorded data takes place at 55. It is also possible to save the following data on a lake:
- Probandendaten (Personaldaten, Bemerkungen)- Subject data (personal data, comments)
- Aktorpositionen (für spätere automatieche Positionierung der Träger 14, 15 und Tragarme 12 durch die Stel lantriebe)- Actuator positions (for later automatic positioning of the supports 14, 15 and support arms 12 by the actuator drives)
- Meßdaten (Datum; Parameter der Aktorbewegungen, wie Hub,- Measurement data (date; parameters of actuator movements, such as stroke,
Frequenz, Bewegungsform etc; Leistung)Frequency, form of movement etc; Power)
Denkbar ist ferner auch eine grafische Auswertung und Darstellung der aufgenommenen Daten etwa wie folgt:A graphic evaluation and representation of the recorded data is also conceivable, for example as follows:
- Kraft/Winkel (kontraktiv und distraktiv für jeweils- Force / angle (contractive and distractive for each
- Kraft/Zeit } einen Hub)- force / time} one stroke)
- Leietung über jeweils einen Hub (Summenleistung an allen- Rental through one hub each (total output at all
Aktoren)Actuators)
- Summenleistung an allen Aktoren global über den ganzen Meßzeitraum.- Total power at all actuators globally over the entire measurement period.
Bei 56 in Fig. 17 erfolgt schließlich die Beendigung der durchgeführten Übung. Finally, at 56 in FIG. 17, the exercise performed is ended.
Claims
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|---|---|---|---|
| AT49788 | 1988-02-26 | ||
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0700694A1 (en) * | 1994-09-06 | 1996-03-13 | Rudolf Presl GmbH & Co. Klinik Bavaria Rehabilitations KG | Method for diagnosis and training |
| EP0646035A4 (en) * | 1992-06-12 | 1997-05-28 | Loredan Biomed Inc | Linear tracking programmable exerciser. |
| US12377301B2 (en) * | 2022-09-26 | 2025-08-05 | Roger Allen, JR. | Exercise device and method of use thereof |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4462252A (en) * | 1982-09-23 | 1984-07-31 | The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services | Trunk dynamometer |
| EP0152995A1 (en) * | 1984-01-06 | 1985-08-28 | Loredan Biomedical, Inc. | Muscle exercise and diagnostic apparatus and method |
| US4621620A (en) * | 1984-04-16 | 1986-11-11 | Gene Anderson | Human limb manipulation device |
| FR2581552A1 (en) * | 1985-05-13 | 1986-11-14 | Bacoux Lucien | Programming device for a muscle-development apparatus |
| EP0205059A2 (en) * | 1985-06-14 | 1986-12-17 | Bähr, Heinz | Active-passive continuous motion rail for knee and hip |
| EP0255487A2 (en) * | 1986-08-01 | 1988-02-03 | Carlo Petralli | Physiotherapeutic electronic device to recover the limbs and to restore the skeleton and muscular functions |
-
1989
- 1989-02-24 WO PCT/AT1989/000018 patent/WO1989007964A1/en not_active Ceased
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4462252A (en) * | 1982-09-23 | 1984-07-31 | The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services | Trunk dynamometer |
| EP0152995A1 (en) * | 1984-01-06 | 1985-08-28 | Loredan Biomedical, Inc. | Muscle exercise and diagnostic apparatus and method |
| US4621620A (en) * | 1984-04-16 | 1986-11-11 | Gene Anderson | Human limb manipulation device |
| FR2581552A1 (en) * | 1985-05-13 | 1986-11-14 | Bacoux Lucien | Programming device for a muscle-development apparatus |
| EP0205059A2 (en) * | 1985-06-14 | 1986-12-17 | Bähr, Heinz | Active-passive continuous motion rail for knee and hip |
| EP0255487A2 (en) * | 1986-08-01 | 1988-02-03 | Carlo Petralli | Physiotherapeutic electronic device to recover the limbs and to restore the skeleton and muscular functions |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0646035A4 (en) * | 1992-06-12 | 1997-05-28 | Loredan Biomed Inc | Linear tracking programmable exerciser. |
| EP0700694A1 (en) * | 1994-09-06 | 1996-03-13 | Rudolf Presl GmbH & Co. Klinik Bavaria Rehabilitations KG | Method for diagnosis and training |
| US12377301B2 (en) * | 2022-09-26 | 2025-08-05 | Roger Allen, JR. | Exercise device and method of use thereof |
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