Detailkonstruktion, Steuerungskonzept und Trainingsvorteile des Kraftdynamometers MDS

Abstract

Die Entlastung des Bewegungsapparates unter dem Einuss der Mikrogravitation während eines Weltraumaufenthaltes führt zu Atrophie von Muskeln und Knochen. Durch den fehlenden Gravitationsdruckgradienten im Blutkreislauf kommt es zu einer Flüssigkeitsverlagerung von den Beinen zum Kopf und zu einer verringerten Herzleistung. Das abnehmende Leistungsvermögen eines Astronauten durch die zuvor genannten Umstände stellen ein Risiko für die Gesundheit des Astronauten sowie ein Sicherheitsrisiko für Raummissionen dar. Physisches Training ist zur Zeit die effizienteste Gegenmaßnahme den oben beschriebenen Symptomen vorzubeugen.<br />Im Projekt Multifunktionelles Dynamometer für die Anwendung in der Schwerelosigkeit (MDS)wurde ein Trainingsdynamometer entwickelt, welches im Projekt "Mars 500" eingesetzt wird, um es für eine mögliche Anwendung in der Schwerelosigkeit an Bord der ISS zu testen. Das Gerät ermöglicht die Durchführung von mehreren verschiedenen Krafttrainingsübungen, wobei der Schwerpunkt auf der Belastung von langen Muskelschlingen der unteren Extremität und des Rumpfes liegt, welche am Stärksten von der Atrophie betroffen sind. Als Antrieb wurde ein Servo Synchron Motor verwendet, welcher über Seilzüge die Trainingslast aufbringt. Dies ermöglicht es in der exzentrischen Bewegungsphase die Trainingslasten entsprechend der menschlichen Physiologie zu erhöhen und dadurch einen höheren Trainingsreiz für Muskel und Knochen zu setzten.<br />Mit Hilfe der Regelung kann auch der physiologische Kraft-Weg-Verlauf der Trainingskraft berücksichtigt und ein Ausdauertraining ähnlich einen Ruderergometer realisiert werden. Über einen isometrischen und einen isokinetischen Modus kann die Leistungsfähigkeit der Probanden mit Hilfe des integrierten Kraft- und Wegmesssystems beurteilt werden und die geeigneten Trainingslasten bestimmt werden. Diese Modi ermöglichen besonders in Kombination mit dem Lienar- und dem Rotationsführungssystems des MDS eine reproduzierbare Traininsdiagnosik für eine Dokumetation des Kraftvermögens der Beine, des Rumpfes und der oberen Extremität.<br /> In dieser Arbeit wird die Detailkonstruktion des Stemmbrettes für die Beinpresse, der Lehne und des Ruderstemmbrettes genauer betrachtet. Des weiteren wird das elektrotechnische Konzept genauer beschrieben sowie die Auslegung der verwendeten Komponenten angeführt und auf die verwendete Mess- und Regelungstechnik eingegangen. Es wird auf die Bedienung des Gerätes mit Hilfe des Graphical User Interface (GUI) beschrieben. Abschlieend wird auf die Eigenschaften eines exzentrischen Trainings und dessen Vorteile eingegangen, sowie die Ergebnisse der mit dem MDS durchgeführten Studien angegeben.<br />

Unloading of the muscle-skeletal system under the eect of microgravity during space flight provokes bone loss and muscle atrophy.<br />The changed pressure conditions in the body cause a fuid shift from the legs to the head and lead to decreased cardiac output and reduced exercise capacity. The deteriorating performance of an astronaut due to these facts is a great risk for the health of the astronauts as well as for the security of a space mission. In the project MDS - Multifunctional Dynamometer for Application in Space a training dynamometer was developed, which should be used and tested in the isolation project "Mars 500" for an possible use under microgravity on board the International Space Station (ISS). The device provides various resistance training exercises with a special attention to the lower extremities and the trunk which are the most affected areas of the atrophy. A servo synchron motor was used as drive, which applies the training load via ropes. This enables elevated eccentric loads according to the physiological behavior and provides a high stimuli for the muscle and the bones. With the help of the motor control also the physiological force-way behavior can be taken in account and an endurance training similar to the rowing exercise can be fulfilled.<br />Via an isokinetic and an isometric mode, the performance of the subject can be evaluated and the appropriate training load can be defined. These modi in combination with the linear and rotational guiding mechanism of the MDS enables a reproducible diagnostic and a documentation of the force behavior especially for the lower extremities and the trunk. The measurement data are provided by force and displacement sensors which are integrated in the device.<br />In this paper the construction of the back rest, the rowing stem board and the leg press mechanism will be discussed. Further the electric concept and the dimensioning of the components as well as the measurement and control technique will be described. Also the operation of the device with the help of the GUI will be explained. Finally the properties and advantages of an eccentric training will be described and the results of the training studies with the MDS will be illustrated.