Hosmann Dominik - Messen des Wirkungsgrades beim Fahrradfahren

BI BE BU VA BSc in Maschinentechnik
Messen des Wirkungsgrades beim Fahrradfahren
Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie / Betreuer: Prof. Dr. Kenneth J. Hunt
Experte: Beat Schär
Die funktionelle Elektrostimulation erlaubt querschnittsgelähmten Patienten durch stimuliertes Anspannen
e inzelner Muskelgruppen Bewegungen ausführen zu können. Wird die Stimulation der Muskelgruppen in
Abhängigkeit der Pedalposition durchgeführt, kann der Patient so Fahrradfahren. Der Wirkungsgrad ist
dabei aber um etwa ein Drittel kleiner als beim normalen Fahrradfahren [1]. Dieser wird aus dem Quotienten
d er mechanischen Leistung an der Tretkurbel und der metabolischen Leistung, der aufgenommenen Leistung aus der Umgebungsluft bestimmt.
Dominik Hosmann
Ausgangslage
In der Thesis musste ein System
aufgebaut werden, mit dem es
möglich ist die Wirkungsgrade
beim stimulierten und normalen
Fahrradfahren zu erfassen und so
vergleichen zu können. Als Basis
diente ein Liegedreirad, das mit
den nötigen Komponenten erweitert wurde. Da eine signifikante
Differenz der beiden Werte zu erwarten war, basierte der Vergleich
der Wirkungsgrade auf einer Studie mit n = 6 Probanden.
Durchführung
Die Gesetzgebung setzt voraus,
dass bei Forschungen am Menschen ein sogenannter Ethikantrag bei der Ethikkommission des
entsprechenden Kantons beantragt werden muss. Dieser umfassende Antrag stand am Anfang
der Thesis und wurde genehmigt.
Die Grundlage für das Erfassen
des Wirkungsgrades ist das Messen einer Differenz zwischen zwei
Niveaus der Tretleistung. Wichtig
dabei ist, dass dadurch beim Probanden ein unterschiedlicher metabolischer Aufwand hervorgerufen wird.
Da es sich beim System um einen Laboraufbau handelt, fehlte
der nötige Fahrwiderstand. Aus
diesem Grund wurde am Fahrradrahmen ein Elektromotor ange-
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ti.bfh.ch
baut, der über den Kettentrieb
ein Bremsmoment erzeugt. Zusätzlich gibt er auch die Drehzahl
der Pedale vor und ist über einen
Drehzahlregler geregelt. Ein Winkelsensor misst über ein Zahnrad die Geschwindigkeit der Kette und kann so die Position der
Pedale bestimmen. Der absolute
Winkel der Pedale ist die Grundlage für das Ansteuern der einzelnen Muskelgruppen, die für die
Tretbewegung bei der Stimulation
verantwortlich sind (Quadriceps,
Hamstring, Gluteus Maximus).
Die Messungen wurden in zwei
Sitzungen abgehalten:
- Fahrradfahren durch willkürliche
Muskelkontraktion
- Fahrradfahren durch stimulierte
Muskelkontraktion
Beim normalen Fahrradfahren
soll der Proband die Tretleistung
selbständig auf den geforderten
Niveaus halten. Ein Biofeedback
in Form eines Bildschirmes zeigt
ihm ein Vergleich der Ist- und der
Soll-Leistung an. So ist er in der
Lage die Differenz durch Ändern
der Tretkraft selbständig auszugleichen. Die Leistungsregelung
beim stimulierten Fahrradfahren
übernimmt das System durch anpassen der Pulsbreite. Für das
Einlesen und Verarbeiten der Signale wurde Matlab/Simulink verwendet.
Ergebnis
Die Kernaussage, dass der Wirkungsgrad bei der funktionellen
Elektrostimulation tiefer ist konnte
durch die Studie bestätigt werden.
Es hat sich aber gezeigt, dass es
schwierig ist allgemeine Parameter für funktionelle Elektrostimulation zu bestimmen, so dass die
Probanden bei den Messungen
ein ähnliches Verhalten ausweisen und somit ein Vergleich aussagekräftig ist. Das war besonders durch die zum Teil extrem en
unterschiedlichen Reaktionen auf
die Stimulation erkennbar. Während einige Probanden kaum die
geforderten Tretleistungsniveaus
erreichten, konnten andere dies
bereits mit einer sehr niedrigen
Pulsbreite. Der Aufbau bietet nun
die Grundlage um in weiteren Projekten den Wirkungsgrad bei der
FES verbessern zu können.
[1]
K. J. Hunt, B. A. Saunders, C. Perret, H. Berry, D. B.
Allan, N. Donaldson, T. H. Kakebeeke.
Energetics of paraplegic cycling: a new theoretical
framework and efficiency characterisation for untrained
subjects. Eur. J. Appl. Physiol. (2007) 101: 277–285.

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