DE102007011855B4

DE102007011855B4 - Verfahren und Einrichtung zur Erfassung wenigstens eines Bewegungsparameters eines Läufers

Info

Publication number: DE102007011855B4
Application number: DE102007011855A
Authority: DE
Inventors: Detlef Grellert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: DE102007011855A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Bewegungsparameters eines Läufers (10), dessen Geschwindigkeit aus einer Proportionalität zu einer Kontaktzeit eines Fußes (12, 14) des Läufers (10) mit einem Untergrund (16) abgeleitet wird, zu dem sich der Läufer (10) in Relativbewegung befindet, wobei die Kontaktzeit mittels einer dem Fuß zugeordneten Sensorik gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Aufsetzen des Fußes (12, 14) eine Messung einer ersten Zeitspanne (tk1, tk2) aktiviert wird, die zum Zurücklegen einer vorgegebenen Messstrecke (20, 30) am Fuß des Läufers (10) benötigt wird und aus der ersten Zeitspanne (tk1, tk2) die aktuelle Geschwindigkeit des Läufers (10) bestimmt wird, wobei die erste Zeitspanne als Kontaktzeit (tk1) beim Abrollen des Fußes (12, 14) zwischen dem Aufsetzen des Fußes (12, 14) und dem Abheben des Fußes bestimmt wird und/oder die Kontaktzeit (tk2) von einem Teilbereich (24, 26) des Fußes (12, 14) bestimmt wird und hinsichtlich der Länge des Teilbereichs bewertet (24,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erfassung von wenigstens einem Bewegungsparameter eines Läufers nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Es sind verschiedenste Verfahren und Einrichtungen bekannt, die Geschwindigkeit und die gelaufene Wegstrecke von Läufern zu bestimmen. In der DE-A1-19734697 oder der DE-A1-3405081 wird eine zurückgelegte Wegstrecke und eine mittlere Geschwindigkeit errechnet, indem eine geschätzte mittlere Schrittlänge eingegeben wird.
Eine genauere Bestimmung der Bewegungsparameter gelingt mit einem gattungsgemäßen Verfahren, das in der Patentschrift US-A-4,578,769 offenbart ist. Es wird dort von der Erkenntnis ausgegangen, dass in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich, der mindestens für Jogger und Rennläufer typisch ist, die Geschwindigkeit des Läufers proportional zu einer Kontaktzeit ist, mit der dessen Fuß den Untergrund berührt. Die aktuelle Geschwindigkeit wird bei Kenntnis der Kontaktzeit, die über Sensoren im Schuh des Läufers bestimmt wird, aus einer linearen Eichkurve abgenommen. Die Eichkurve kann einmalig für einen Läufer bestimmt werden, indem eine bekannte Strecke mit zwei deutlich verschiedenen Geschwindigkeiten gelaufen und die jeweiligen Kontaktzeiten und Kontakte bestimmt werden. Es ergeben sich zwei Messpunkte, die auf der Eichkurve liegen, welche damit eindeutig bestimmt ist.
Aus der gattungsbildenden WO 01/25726 A1 ist bekannt, an einer Fußspitze und einem Fersenbereich einer Einlegesohle jeweils einen Drucksensor anzuordnen, mit denen eine Kontaktzeit des Fußes auf dem Untergrund bestimmt werden kann. Die mittlere Geschwindigkeit wird aus den Geschwindigkeiten bestimmt, die aus einer Beschleunigung in einer Flugphase des Fußes und aus der Kontaktzeit des Fußes mit dem Untergrund abgeleitet werden.
Die DE 35 05 521 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung von Bewegungsabläufen bei Laufdisziplinen. Ein Fußabstand wird bestimmt aus der Laufzeit eines ersten Signals im Augenblick des Auftreffens des Fußes auf den Untergrund und die Sprungzeit vom Abheben bis zum Auftreffen. Aus den Zeiten werden nach einer Näherungsformel die Schrittweite und daraus ableitbare Größen ermittelt.
Ein Verfahren und ein System zur Leistungsmessung während einer Übungsaktivität offenbart die DE 699 21 040 T2 . Dazu wird kontinuierlich die Beschleunigung des Fußes eines Läufers bestimmt. Dies erfolgt mit einem Beschleunigungsmesser, der z. B. die Beschleunigung des Fußes in Vorwärtsrichtung misst, wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit und die Schrittlänge des Läufers beobachtet werden sollen, oder z. B. in einer Richtung senkrecht zu dieser Richtung, wenn die vertikale Geschwindigkeit und die Sprunghöhe des Läufers bestimmt werden sollen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein genaues und komfortables Verfahren und eine dazu geeignete Einrichtung zu schaffen, mit denen wenigstens ein Bewegungsparameter eines Läufers bestimmt werden kann
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Bewegungsparameters, z. B. Geschwindigkeit, Beschleunigung, Schrittlänge, zurückgelegte Wegstrecke etc., eines Läufers wird dessen Geschwindigkeit aus einer Proportionalität zu einer Kontaktzeit eines Fußes des Läufers mit einem Untergrund abgeleitet, zu dem sich der Läufer in Relativbewegung befindet, wobei die Kontaktzeit mittels einer dem Fuß zugeordneten Sensorik gemessen wird. Bei einem Aufsetzen des Fußes wird eine Messung einer ersten Zeitspanne aktiviert, die zum Zurücklegen einer vorgegebenen Messstrecke benötigt und aus der ersten Zeitspanne die Geschwindigkeit bestimmt wird. Die vorgegebene Messstrecke ist dem Fuß des Läufers zugeordnet und befindet sich am Fuß des Läufers in einer geeigneten Messeinrichtung. Es kann sich um die Fußlänge handeln und/oder um ein Teilstück davon, insbesondere einen Vorderfuß. Bei Läufern kommt es häufig vor, dass beim Laufen nicht der ganze Fuß – und damit dessen ganze Fußlänge – auf dem Untergrund abgerollt wird, sondern nur mit dem Vorderfuß gelaufen wird, etwa an Steigungen. Vorteilhaft ist, wenn beide Messstrecken sensiert werden können. So kann das Aufsetzen des Fußes gleichzeitig mehrere Messungen aktivieren. Beim Aufsetzen des Fußes mit dem Hacken kann die Messung der Zeitspanne des Abrollens bis zum Abheben der Fußspitze aktiviert werden wie auch die Messung der Zeitspanne, in der der Läufer nur einen Teilbereich des Fußes, etwa den Vorderfuß abrollt. Sobald der aufgesetzte Fuß im Vorderfuß belastet wird, kann dieser über zwei aufeinanderfolgende Sensoren rollen. Die dafür benötigte Zeit in Kenntnis der Länge der jeweiligen Messstrecke ergibt jeweils die aktuelle Geschwindigkeit.
Vorzugsweise wird beim Abheben der Fußspitze vom Untergrund die Messeinrichtung gestartet und mit dem Erreichen des Ziels, einer vorgegebenen Wegstrecke, mit Beendigung der Geh- oder Laufbewegung, gestoppt. Die zurückgelegte Wegstrecke und die dazugehörige Laufzeit kann auf einer Anzeigeeinheit ausgegeben werden. Bei Erreichen einer voreingestellten Wegstrecke kann z. B. ein Informationssignal ertönen und die Gesamtlaufzeit ausgegeben werden. Bei Erreichen einer voreingestellten Laufzeit kann ein Informationssignal ertönen und die zurückgelegte Gesamtwegstrecke ausgegeben werden.
Unter Laufen soll im übrigen verstanden werden, dass zwei Füße des Läufers in Bewegungsrichtung so voreinander platziert werden, dass die Ferse des vorlaufenden Fußes mindestens auf gleicher Höhe wie die Fußspitze des nachlaufenden Fußes ist, d. h. eine Schrittlänge entspricht mindestens der Fußlänge des nachlaufenden Fußes, im Gegensatz etwa zum auf der Stelle Laufen oder zum Trippeln. Es handelt sich dabei um eine Laufbewegung zur Aufrechterhaltung der Bewegung. Der Läufer kann z. B. auf einem Weg oder einer Rennbahn laufen oder auf einem Laufband. Die erfassten Geschwindigkeiten können von einer Gehgeschwindigkeit eines Spaziergängers bis zur Sprintgeschwindigkeit eines Rennläufers reichen. Im übertragenen Sinne gilt die Erfindung auch für einbeinige Läufer, wobei derselbe Fuß den nachlaufenden und den vorlaufenden Fuß bildet. Grundsätzlich ist das Verfahren auch für Tiere einsetzbar, etwa bei Rennpferden, Kamelen, Hunden und dergleichen.
Die Kontaktzeit kann vorteilhaft beim Abrollen des Fußes als Zeitspanne zwischen dem Aufsetzen des Fußes vorzugsweise mit dem Hacken und dem Abheben des Fußes bestimmt werden.
Alternativ oder bevorzugt zusätzlich kann die Kontaktzeit von einem Teilbereich des Fußes bestimmt und hinsichtlich des Teilbereichs bewertet werden. Dazu wird zweckmäßigerweise das Längenverhältnis von Vorderfuß zu der gesamten Fußlänge herangezogen. Es ist möglich, wenn der Fuß mit dem Hacken aufsetzt, aus den Messwerten für das Abrollen der gesamten Fußlänge und des Vorderfußes einen Mittelwert der aktuellen Geschwindigkeit zu bilden mit dem Vorteil höherer Geschwindigkeit.
Es wird eine Schrittlänge bestimmt aus einer zweiten Zeitspanne zwischen einem gleichartigen Bewegungsablauf des zeitlich vorlaufenden Fußes und des zeitlich nachlaufenden Fußes, die mit der Geschwindigkeit des Läufers multipliziert wird. Dabei kann die zweite Zeitspanne zwischen einem Abheben des nachlaufenden Fußes und dem Abheben des vorlaufenden Fußes und/oder dem Aufsetzen des nachlaufenden Fußes und dem Aufsetzen des vorlaufenden Fußes bestimmt werden. Wird eine zweite Zeitspanne sowohl jeweils beim Aufsetzen als auch beim Abheben bestimmt, kann eine höhere Genauigkeit der Messwerte durch Mittelwertbildung erreicht werden.
Wenn nur ein Fuß mit einer Sensorik ausgestattet ist, kann die gemessene zweite Zeitspanne hinsichtlich der erfassten doppelten Schrittlänge bewertet werden. Dies entspricht der doppelten Schrittlänge.
Eine zurückgelegte Wegstrecke kann vorteilhaft mit hoher Genauigkeit durch Summation der gemessenen Schrittlängen bestimmt werden. Eine zurückgelegte Wegstrecke kann grundsätzlich jedoch auch durch Verknüpfung der gemessenen Geschwindigkeiten entlang einer Laufstrecke und einer gesamten Laufzeit bestimmt werden. Es können auch beide Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit herangezogen werden.
Vorteilhaft kann nach Zurücklegen vorgegebener Wegstrecken ein Informationssignal ausgegeben werden. So kann z. B. jeder zurückgelegte Kilometer mit einem entsprechenden Signal angezeigt werden, etwa ein Summton nach einem Kilometer, zwei Summtöne nach zwei Kilometern etc.
Die Geschwindigkeit des Läufers kann bestimmt werden, indem die fußspezifische Messstrecke vorgegeben und durch die Kontaktzeit dividiert wird. Bevorzugt kann als fußspezifische Messstrecke eine Fußgröße vorgegeben werden. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn jeweils ein Sensor an der Hacke und an der Fußspitze angeordnet ist. Als fußspezifische Messstrecke kann auch ein Sensorabstand vorgegeben werden. So kann vorteilhaft an dem Vorderfuß eine definierte Messstrecke angeordnet sein, deren Länge bekannt ist. Die Vorgabe kann durch eine Eingabetastatur eingegeben oder auf andere Weise in eine bevorzugte Messeinrichtung, der die Sensorik und/oder die Eingabetastatur zugeordnet ist, eingespeichert werden.
In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung kann ein zeitlicher Verlauf der Kontaktzeiten und/oder der schrittlängenspezifischen Zeitspannen registriert werden. Dies kann zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Messeinrichtung verwendet werden. Ferner kann der zeitliche Verlauf der Kontaktzeiten und/oder der schrittlängenspezifischen Zeitspanne besonders vorteilhaft zur Bewertung einer Beschleunigung herangezogen werden, etwa um ein Lauftraining des Läufers zu optimieren. Die Beschleunigung kann sowohl positiv sein (Geschwindigkeitszunahme) als auch negativ (Geschwindigkeitsabnahme).
Zweckmäßig kann als Beschleunigung bewertet werden, wenn sich der zeitliche Verlauf über einen Mittelwert eines vorgegebenen Intervalls von vorausgegangenen Schrittlängen um mindestens 10%, vorzugsweise um mindestens 20% ändert, oder wenn sich der zeitliche Verlauf über einer unmittelbar vorausgegangenen Schrittlänge um mehr als 10% ändert. Der letztere Fall ist für einen Rennläufer geeignet, bei dem signifikante Geschwindigkeitszuwächse bei jedem Schritt auftreten können, während eine Mittelwertbildung für langsamere Läufer oder Spaziergänger geeignet ist.
Es kann vorteilhaft eine Laufstärke des Läufers eingegeben werden. So kann ein bestimmter Geschwindigkeitsbereich vorgegeben werden. So kann mit entsprechenden, aus Erfahrungswerten bekannten Geschwindigkeitsbereichen, vorgegeben werden, ob es sich um einen langsamen Spaziergang handelt, einen Dauerlauf, einen Marathon, ob ein Geher seinen Sport ausübt und dergleichen.
Typische Werte für einen Fußgänger beim Spaziergang liegen zwischen 3–6 km/h, ein Jogger bewegt sich typischerweise mit rund 8 km/h, ein durchschnittlicher Geher bewegt sich üblicherweise mit 10 km/h, während ein sehr guter Geher sich mit mehr als 15 km/h bewegen kann. Ein Marathonläufer bewegt sich z. B. mit 20 km/h, streckenweise im Spurt auch mit höheren Geschwindigkeiten. So kann ein Läufer bei einem 100-m-Sprint im Anfangsbereich bis 60 m eine Spitzengeschwindigkeit um 48 km/h beschleunigen, die er bis etwa 90 m halten kann, um dann wieder langsamer zu werden. Auf diesen 30 m mit hoher Geschwindigkeit legt er typischerweise 10 bis 15 Schritte zurück. Auf diese Weise können Messewerte auf Plausibilität überprüft werden und eine korrekte Funktion der Sensorik getestet werden.
Ein anderer Aspekt der Erfindung geht aus von einer eine Bewegungsparameter-Messeinrichtung, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung wenigstens eines Bewegungsparameters eines Läufers. Die Messeinrichtung umfasst eine Sensorik zur Erfassung einer Kontaktzeit eines Fußes mit einem Untergrund, gegenüber dem ein dem Fuß zugeordneter Läufer eine Relativbewegung ausführt, wobei die Sensorik wenigstens einen Sensor sowie eine Recheneinheit zur Verarbeitung von Signalen des wenigstens einen Sensors und eine Speichereinheit zum Speichern von Daten umfasst, und mit einer Anzeigeeinheit zur Ausgabe von den Signalen zugeordneten Daten sowie mit einer Energieversorgungseinheit. Es wird vorgeschlagen, dass die Sensorik wenigstens eine Messstrecke umfasst, die für eine Fußlänge des Fußes charakteristisch ist. Die Messeinrichtung kann daher auf Eichmessungen verzichten, so dass die Anwendung für einen Läufer sehr komfortabel ist. Der Messeinrichtung können vorzugsweise mindestens zwei Messstrecken zugeordnet sein. Als Sensoren sind Schalter, die beispielsweise bei Belastung schließen, und/oder druckempfindliche Sensoren, Kontakte und dergleichen bevorzugt. Vorzugsweise umfasst die Messeinrichtung einen Mikrocontroller mit integrierter Zeitmessung, Recheneinheit und Speichereinheit, Sensoren, Anzeigeeinheit, Eingabetastatur, Sende-Empfangseinheit zur Datenübertragung bei einer Anzeige mit Eingabetastatur am Handgelenk des Läufers, Sende-Empfangseinheit zur Datenübertragung zwischen den Füßen, zur Ermittlung der Resultate bei jedem Schritt. Eine Kommunikation zwischen den Füßen erfolgt zweckmäßigerweise über Funk, oder auch über flexible Leitungen, die über die Anzeige am Handgelenk geführt sein können. Selbstverständlich kann die Sensorik auch andere bekannte Funktionen, wie etwa Kalorienverbrauch und dergleichen, bereitstellen.
Vorzugsweise kann an jedem Ende der wenigstens einen Messstrecke ein Sensor angeordnet sein, der ein Aufsetzen und/oder Abheben des Fußes sensiert.
Entspricht die wenigstens eine Messstrecke einer Fußlänge, kann ein Sensor an der Hacke und an der Fußspitze angeordnet sein. Entspricht die Messstrecke in einem Teilbereich des Fußes einem Sensorabstand, kann zweckmäßigerweise je ein Sensor beispielsweise in definiertem Abstand in einem Bereich des Vorderfußes angeordnet sein. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn ein weiterer Sensor vorgesehen ist, dessen Aktivierung die Messstrecke im Teilbereich anspricht und die Erfassung einer Zeitspanne aktiviert, die der Läufer zum Abrollen der Messstrecke im Teilbereich, etwa im Bereich des Vorderfußes, benötigt. Dann kann vorteilhaft unterschieden werden, ob der Läufer mit dem ganzen Fuß aufsetzt oder nur mit dem Vorderfuß, und die geeignete Messstrecke kann zur Kontaktzeitmessung herangezogen werden. Setzt der Läufer mit dem ganzen Fuß auf, können vorteilhaft als Messstrecke sowohl die ganze Fußlänge als auch die Messtrecke im Teilbereich zur Kontaktzeitmessung herangezogen werden, so dass die aktuelle Geschwindigkeit aus zwei Messwerten gemittelt werden kann.
In einer günstigen Ausgestaltung kann zwischen den Enden der wenigstens einen Messstrecke wenigstens ein Sensor vorgesehen sein. So kann, wenn die erste Messstrecke der ganzen Fußlänge entspricht, die zweite Messstrecke einer bestimmten Länge im Vorderfußbereich entsprechen. Der Sensor kann in regulärer Laufrichtung vor dieser zweiten Messstrecke platziert sein und so ein Aufsetzen des Fußes nicht mit der Hacke, sondern nur mit dem Vorderfuß erkannt werden. Wird dieser Sensor aktiviert, nicht aber der Sensor im Hackenbereich zu Beginn der ersten Messstrecke, kann die Einrichtung erkennen, dass nur die kürzere Messstrecke im Vorderfußbereich sensiert werden soll. Bei geringeren Anforderungen an die Genauigkeit kann, bei bekannter Gesamtfußlänge, die Länge des Vorderfußes (zweite Messstrecke) konstant mit 1/3 der Gesamtfußlänge vorgegeben werden.
Besonders vorteilhaft kann die Sensorik in ein Band integriert sein, das um einen Laufschuh legbar ist. Vorzugsweise ist das Band wenigstens bereichsweise elastisch ausgebildet. Ferner können Verstellmittel vorgesehen sein, um das Band an verschiedene Schuhe oder Schuhgrößen anpassen zu können.
Das Band kann in einem Fersenbereich und einem Fußspitzenbereich je eine Kappe aufweisen. Die Kappe ist vorzugsweise wenig elastisch, etwa in Form einer Gummikappe oder einer Kunststoffkappe. An der Kappe können Sensoren integriert sein, vorteilhafterweise können diese in die Kappe integriert sein. Bei einer Gummikappe kann ein oder mehrere Sensoren z. B. einvulkanisiert sein, bei einer Kunststoffkappe beispielsweise eingegossen oder umspritzt.
Vorzugsweise können die Kappen über elastische Abschnitte miteinander verbunden sein. In den elastischen Abschnitten können Schnallen oder dergleichen als Verstellmittel integriert sein.
Vorteilhaft können Teile der Sensorik in einem Mittelfußbereich zwischen den Kappen vorgesehen sein. Der Mittelfußbereich, insbesondere im Bereich der Fußhöhle, ist relativ erschütterungsarm, so dass eine Stoßbelastung und Vibrationsbelastung hier geringer ist als in anderen Bereichen des Fußes. So können beispielsweise eine Eingabetastatur, eine Anzeige, ein Sender und/oder Empfänger, ein Mikrocontroller, eine Energieversorgung, eine Schnittstelle, ein Kabelanschluss vorgesehen sein. Vorteilhaft ist auch ein Signalmittel zur Ausgabe eines Informationssignals, etwa ein Lautsprecher.
Die Sensorik kann zusätzlich oder alternativ ganz oder teilweise in eine Sohle eines Laufschuhs und/oder in eine Einlegesohle eines Laufschuhs integriert sein, dabei entspricht die Anordnung der Sensoren sinngemäß derjenigen bei dem Band. Denkbar ist auch, die Sensoren unter der Laufsohle des Laufschuhs anzubringen, etwa zu kleben oder zu festzunageln und die weiteren Komponenten außen am Schuh über dem Fußrücken anzubringen. Die weiteren Komponenten der Sensorik können am oder im Laufschuh oder am Läufer, z. B. am Hosenbund, angeordnet sein.
Mittels einer langbeinigen Laufhose mit integrierten flexiblen Signalleitungen lassen sich die Sensoren über Kontaktstecker im Hosenbein-Bund und in der Hosentasche mit dem Mikrocontroller und den weiteren Komponenten der Sensorik verbinden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
1 eine schematische Darstellung eines Bewegungsablaufs eines Läufers in Relativbewegung zu einem Untergrund; und
2a, b verschiedene Ansichten einer bevorzugten Messeinrichtung in Form eines elastischen Bands.
In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugzeichen beziffert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Bewegungsparameters eines Läufers 10, das in 1 grob schematisch skizziert ist, wird dessen Geschwindigkeit aus einer Proportionalität zu einer Kontaktzeit tk1 eines Fußes 12, 14 des Läufers 10 mit einem Untergrund 16 abgeleitet, zu dem sich der Läufer 10 in einer Bewegungsrichtung 18 in Relativbewegung befindet. Der Läufer 10 legt Schritte zurück, wobei in Bewegungsrichtung 18 eine Schrittlänge 40 zwischen einem nachlaufenden Fuß 12 und einem vorlaufenden Fuß 14 mindestens einer Fußlänge 22 entspricht.
Der Messvorgang wird zum Zeitpunkt t0 mit dem Abheben des Fußes 12 gestartet. Der Läufer 10 setzt in einer Laufbewegung zum Zeitpunkt t1 den Fuß 14 mit seiner Hacke auf, rollt während der Bewegung den Fuß 14 über seine gesamte Fußlänge 22 ab und hebt ihn zum Zeitpunkt t2 nach einer Kontaktzeit tk1 an der Fußspitze ab. Ist die Fußlänge 22 bekannt und wird die Kontaktzeit tk1 des Fußes 14 mit dem Untergrund 16 bestimmt, die zum Abrollen des Fußes 14 von Hacke bis Fußspitze benötigt wird, kann nach der einfachen Beziehung Geschwindigkeit = (Länge 22)/(Zeit tk1) die Geschwindigkeit v des Läufers 10 aus der Kontaktzeit tk1 bestimmt werden. Ebenso kann die Kontaktzeit tk1 zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 bestimmt werden und/oder zwischen den Zeitpunkten t5 und t6.
Bei üblichen Geschwindigkeiten, die von Fußgängern bis Rennläufern erreicht werden können, gilt diese Beziehung mit hinreichender Genauigkeit.
Die Kontaktzeit tk1 wird mittels einer dem Fuß 12, 14 zugeordneten Sensorik gemessen. Die Sensorik kann an jedem Fuß 12, 14 oder nur an einem Fuß 12 oder 14 vorgesehen sein. Im ersten Fall kann zusätzlich auch die Schrittlänge 40 bestimmt werden, im zweiten Fall kann die doppelte Schrittlänge 40 bestimmt werden.
Bei einem Aufsetzen des Fußes 12, 14 wird eine Messung der ersten Zeitspanne tk1, d. h. der Kontaktzeit tk1, aktiviert, die zum Zurücklegen einer vorgegebenen Messstrecke 20 (ganze Fußlänge 22) benötigt wird. Aus der ersten Zeitspanne tk1 wird, wie oben beschrieben, die Geschwindigkeit des Läufers 10 bestimmt.
Die Kontaktzeit tk1 wird beim Abrollen des Fußes 12, 14 als Zeitspanne zwischen dem Aufsetzen des Fußes 12, 14 mit seiner Hacke und dem Abheben des Fußes mit seiner Fußspitze bestimmt.
Es kann auch eine Kontaktzeit von nur einem Teilbereich des Fußes 12, 14, insbesondere des Vorderfußes, als weitere Zeitspanne tk2 bestimmt werden und hinsichtlich des Teilbereichs bewertet werden. Der Vorderfuß entspricht nur etwa 1/3 der Fußlänge 22, so dass die neue Kontaktzeit tk2 entsprechend kürzer ist. Vorteilhaft ist ein Sensor im Vorderfußbereich angeordnet, der bei Belastung anspricht, sobald der abrollende Fuß 12, 14 den dort platzierten Sensor erreicht hat. Die Kontaktzeit tk2 ist dann die Zeit zwischen dem Ansprechen des Sensors am Vorderfuß und dem Abheben der Fußspitze, das von dem Sensor an der Fußspitze erkannt wird. Ist die Länge einer Messstrecke 30 am Vorderfuß bekannt, kann die Geschwindigkeit des Läufers 10 auch aus diesem Wert bestimmt werden mit Geschwindigkeit = (Länge 30)/(Zeit tk2).
Im Vorderfußbereich kann sogar ein fest vorgegebener Abstand Sensor (Fußspitze) zu Sensor (Vorderfuß) vorgegeben sein.
Setzt der Läufer 10 mit dem Hacken auf und rollt den Fuß 12, 14 ab, können sogar die beiden Kontaktzeiten tk1, tk2 für beide Messstrecken 20 und 30 bestimmt werden und eine Mittelwertbildung zur genaueren Auswertung der Geschwindigkeit mit <Geschwindigkeit> = ½((Länge 30)/(Zeit tk2) + (Länge 22)/(Zeit tk1))durchgeführt werden.
Der Läufer 10 kann eine entsprechende Messeinrichtung (nicht dargestellt) nur an einem Fuß oder auch an beiden Füßen tragen.
Eine Schrittlänge 40 kann bestimmt werden, indem eine weitere Zeitspanne gemessen wird, die zwischen einem gleichartigen Bewegungsablauf des zeitlich vorlaufenden Fußes 14 und des zeitlich nachlaufenden Fußes 12 liegt und mit der Geschwindigkeit des Läufers 10 multipliziert wird. Die Zeitspanne liegt also z. B. zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufsetzbewegungen des Hackens oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abhebbewegungen der Fußspitze. Ist die Messeinrichtung nur an einem Fuß 12 angeordnet, so sind die aufeinanderfolgenden gleichartigen Bewegungsabläufe am gleichen Fuß 12 zu verstehen. In der 1 liegt daher die Zeitspanne z. B. zwischen den Zeitpunkten t0 und t4, wobei die doppelte Schrittlänge 40 bestimmt wird.
Trägt der Läufer 10 die Messeinrichtung an beiden Füßen 12 und 14, ergibt sich eine einfache Schrittlänge 40, wobei die aufeinanderfolgenden gleichartigen Bewegungsabläufe an den beiden Füßen 12 und 14 zu verstehen sind. Dazu kann die an einem Fuß 12 angeordnete Messeinrichtung jeweils mit der am anderen Fuß 14 angeordneten Messeinrichtung kommunizieren.
2a und 2b zeigen verschiedene Ansichten einer bevorzugten Bewegungsparameter-Messeinrichtung in Form eines elastischen Bands 100. Das Band 100 kann um einen Laufschuh (nicht dargestellt) des Läufers 10 (1) gelegt werden.
Das Band 100 weist im Fersenbereich 102 eine vorzugsweise als Gummikappe ausgebildete Kappe 104 und im Fußspitzenbereich 106 eine vorzugsweise als Gummikappe ausgebildete Kappe 108 auf, die mit elastischen Abschnitten 110 verbunden sind. Es kann eine Längenverstellung 44 zur Größenveränderung des Bandes 100 vorgesehen sein.
In dem Band ist eine Sensorik integriert zur Erfassung einer Kontaktzeit eines Fußes mit einem Untergrund, gegenüber dem ein dem Fuß zugeordneter Läufer eine Relativbewegung ausführt, wobei die Sensorik zum einen verschiedene Sensoren 60, 62, 64, 66, 68 umfasst sowie eine Recheneinheit zur Verarbeitung von Signalen der Sensoren 60, 62, 64, 66, 68 und eine Speichereinheit zum Speichern von Daten umfasst, beide vorzugsweise in einem Mikrocontroller 52 integriert, und mit einer Anzeigeeinheit 56 zur Ausgabe von den Signalen zugeordneten Daten sowie mit einer Energieversorgungseinheit 58, vorzugsweise eine Batterie, einer Eingabetastatur 80, Sende- und Empfangseinheit 82, 84, sowie einer Schnittstelle 86 und einem Steckeranschluss 88. Der Mikrocontroller 52 umfasst weiterhin Zeitmesseinrichtungen zur Bestimmung verschiedener Zeitspannen bei der Bewegung des Läufers. Die Sensoren 60, 62, 64, 66, 68 sind entlang des Bandes 100 verteilt, während die weiteren Komponenten sinnvollerweise im Mittelfußbereich zu einer Baugruppe 90 zusammengefasst sind. Die Baugruppe 90 kann auch vom Band 100 abgenommen werden und z. B. an einem Hosenbund oder in einer Hosentasche des Läufers getragen werden. Sensorsignale der Sensoren 60, 62, 64, 66, 68 können dann über einen am Band 100 integrierten Kabelanschluss (nicht dargestellt) mit einem Kabel zum Kabelanschluss 88 der Baugruppe 90 transferiert werden. Die Signalübertragung zwischen den Sensoren 60, 62, 64, 66, 68 und der Baugruppe 90 erfolgt über flexible Leitungen, die in das Band 100 integriert sind. Denkbar ist auch eine Funkübertragung.
Es ist auch möglich, dass ein Teil der Module der Baugruppe 90 zusätzlich oder alternativ an einem Armband angeordnet sind, das der Läufers anlegen kann und dass z. B. Signale über Funk über die Sende- und Empfangseinheit 82, 84 zwischen Band 100 am Laufschuh und Armband ausgetauscht werden können.
Mit der Sende- und Empfangseinheit 82, 84 kann weiterhin eine Kommunikation zwischen Messeinrichtungen an den beiden Füßen des Läufers erfolgen. Außerdem können die im Messwertspeicher des Mikrocontrollers 52 liegenden Daten und/oder Resultate über eine serielle und/oder parallele Schnittstelle 86 einem separaten Computer zugeführt werden und dort z. B. über eine geeignete graphische Benutzeroberfläche ausgewertet und/oder dargestellt werden. Damit kann ein Läufer beispielsweise sein Training kontrollieren und verbessern.
Der Sensor 60 ist am Fersenbereich 102 angeordnet und vorzugsweise ein Schalter, der auslöst, sobald der Fuß mit seiner Hacke den Untergrund berührt.
Sensor 62 ist am Fußspitzenbereich 106 angeordnet. Der Abstand zwischen den Sensoren 60 und 62 ist die Messstrecke 20 und entspricht vorzugsweise der Fußlänge 22. Die Fußlänge 22 kann z. B. über die Eingabetastatur 88 eingegeben werden oder über eine elektronische Schieblehre in den Mikrocontroller 52 eingelesen werden.
Mit dem Aufsetzen des Hackens auf den Untergrund signalisiert der Sensor 60 den Start der Messung der ersten Zeitspanne zur Bestimmung der Kontaktzeit tk1 des Fußes und startet die Messung. Mit dem Abheben der Fußspitze desselben Fußes vom Untergrund stoppt der Sensor 62 die Messung. Die in der gemessenen Kontaktzeit tk1 zurückgelegte Wegstrecke ist die Fußlänge 22 und ergibt die momentane Geschwindigkeit des Läufers nach der einfachen Beziehung Geschwindigkeit = (Fußlänge 22)/(Kontaktzeit tk1).
Im Bereich 24 des Vorderfußes ist, nacheinander vom Fersenbereich 102 aus gesehen, der Sensor 64, der Sensor 66 und der Sensor 68 angeordnet. Der Abstand Sensor 68 und Sensor 62 entspricht der Messstrecke 30 des Vorderfußes.
Die Sensoren 64 und 66 sensieren ein Aufsetzen des Fußes, wenn dieser nur im Vorderfußbereich 24 aufsetzt. Wird dann im ersten, frühesten Aufsetzpunkt AP1 der Sensor 64 aktiviert, bleibt der Sensor 66 im zweiten, spätesten Aufsetzpunkt AP2 des Fußes außer Betracht. Setzt der Fuß längenmäßig sehr kurz auf, wird nur der Sensor 66 am zweiten Aufsetzpunkt AP2 aktiviert. Bei weiterem Abrollen des Fußes wird dann ab Erreichen des Sensors 68 bis zum Erreichen des Sensors 62 die der Kontaktzeit tk2 über der Messstrecke 30 entsprechende Zeitspanne erfasst. Die aktuelle Geschwindigkeit ergibt sich aus der Beziehung Geschwindigkeit = (Messstrecke 30)/(Kontaktzeit tk2).
Die Sensoren 64, 66 können außer Betracht bleiben, wenn der Fuß mit der Hacke aufsetzt und der Sensor 60 im Fersenbereich 102 auslöst. Die Kontaktzeit tk2 an der Messstrecke 30 kann in diesem Fall optional zusätzlich zur Kontaktzeit tk1 an der Messstrecke 20 erfasst werden, um einen Mittelwert der Geschwindigkeit zu erfassen.
Statt der beiden diskreten Sensoren 64, 66 im Bereich zwischen AP1 und AP2 kann auch eine Sensorkette mit einer Mehrzahl von Sensoren (nicht dargestellt) im Bereich zwischen den beiden Aufsetzpunkten AP1 und AP2 angeordnet sein. Deren Positionen sind im Mikrocontroller 52 abgelegt. Beim Aufsetzen des Vorderfußes im Aufsetzpunktbereich zwischen AP1 und AP2 wird einer der Sensoren in der Sensorkette angesprochen und zeigt damit dem Mikrocontroller seine Position. Die Position des angesprochenen Sensors entspricht dem Abstand zum Sensor 62 am Fußspitzenbereich 106 und somit der noch zurückzulegenden neuen Messstrecke, die um den Abstand des Sensors zum Sensor 68 länger ist als die Messstrecke 30, und die im Datenspeicher des Mikrocontrollers als Funktion der Sensorposition abrufbar ist. In diesem Fall kann die neue Messstrecke während des Laufens gemessen werden. Beim Abheben der Fußspitze signalisiert der Sensor 62 das Ende der Messung. Die Bestimmung der Geschwindigkeit erfolgt wiederum nach der Beziehung Geschwindigkeit = (neue Messstrecke)/(Kontaktzeit tk2).
Tritt das Hacken-Aufsetzsignal über den Sensor 60 auf, wird die Bewegung als Laufen mit dem ganzen Fuß identifiziert. Fehlt das Hacken-Aufsetzsignal und ist ein Vorderfußsignal erkannt, wird die Bewegung als Laufen auf den Vorderfüßen identifiziert.
Bewegt sich der Läufer z. B. mit 20 km/h, so beträgt die Kontaktzeit tk1 bei einer Fußlänge 22 von 0,25 m tk1 = 45 ms. Bei einer Geschwindigkeitsmessung mit dem Vorderfuß, der etwa 1/3 der Fußlänge 22 entspricht, ergibt sich eine entsprechend kürzere Kontaktzeit tk2 mit tk2 = 15 ms.
Bei einer Geschwindigkeit von 25 km/h beträgt die Kontaktzeit tk1 für die Fußlänge 22 tk1 = 36 ms, also eine um 9 ms kürzere Kontaktzeit tk1 als bei 20 km/h.
Ein sehr guter Sprinter auf einer 100 m-Distanz beschleunigt z. B. von 0 bis 10 m auf 25 km/h, d. h. er legt pro Schritt 5 km/h zu. Bei 60 m hat er typischerweise seine Spitzengeschwindigkeit um 48 km/h erreicht und hält diese bis etwa 90 m, bevor die Geschwindigkeit wieder abnimmt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Bewegungsparameters eines Läufers (10), dessen Geschwindigkeit aus einer Proportionalität zu einer Kontaktzeit eines Fußes (12, 14) des Läufers (10) mit einem Untergrund (16) abgeleitet wird, zu dem sich der Läufer (10) in Relativbewegung befindet, wobei die Kontaktzeit mittels einer dem Fuß zugeordneten Sensorik gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Aufsetzen des Fußes (12, 14) eine Messung einer ersten Zeitspanne (tk1, tk2) aktiviert wird, die zum Zurücklegen einer vorgegebenen Messstrecke (20, 30) am Fuß des Läufers (10) benötigt wird und aus der ersten Zeitspanne (tk1, tk2) die aktuelle Geschwindigkeit des Läufers (10) bestimmt wird, wobei die erste Zeitspanne als Kontaktzeit (tk1) beim Abrollen des Fußes (12, 14) zwischen dem Aufsetzen des Fußes (12, 14) und dem Abheben des Fußes bestimmt wird und/oder die Kontaktzeit (tk2) von einem Teilbereich (24, 26) des Fußes (12, 14) bestimmt wird und hinsichtlich der Länge des Teilbereichs bewertet (24, 26) wird, wobei die aktuelle Geschwindigkeit des Läufers (10) bestimmt wird, indem die fußspezifische Messstrecke (20, 30) durch die Kontaktzeit (tk1, tk2) dividiert wird, und wobei eine Schrittlänge (40) aus einer zweiten Zeitspanne zwischen einem gleichartigen Bewegungsablauf des zeitlich vorlaufenden Fußes (14) und des zeitlich nachlaufenden Fußes (12) bestimmt wird, indem die zweite Zeitspanne mit der aktuellen Geschwindigkeit des Läufers (10) multipliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zeitspanne zwischen einem Abheben des nachlaufenden Fußes (12) und dem Abheben des vorlaufenden Fußes (14) und/oder dem Aufsetzen des nachlaufenden Fußes (12) und dem Aufsetzen des vorlaufenden Fußes (14) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn nur ein Fuß (12, 14) mit einer Sensorik ausgestattet ist, die gemessene zweite Zeitspanne hinsichtlich der erfassten doppelten Schrittlänge (40) bewertet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zurückgelegte Wegstrecke durch Summation der gemessenen Schrittlängen (40) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zurückgelegte Wegstrecke durch Verknüpfung der gemessenen Geschwindigkeit entlang einer Laufstrecke und der gesamten Laufzeit bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Zurücklegen einer vorbestimmten Wegstrecke und/oder eines Streckenintervalls ein Informationssignal ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als fußspezifische Messstrecke (20) eine Fußgröße (22) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als fußspezifische Messstrecke (30) ein Sensorabstand (26) vorgegeben wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf der Kontaktzeiten und/oder der schrittlängenspezifischen zweiten Zeitspannen registriert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Kontaktzeiten (tk1, tk2) und/oder der schrittlängenspezifischen zweiten Zeitspanne zur Bewertung einer Beschleunigung herangezogen wird
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschleunigung bewertet wird, wenn sich der zeitliche Verlauf über einer unmittelbar vorausgegangenen Schrittlänge (40) um mehr als 10% ändert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschleunigung bewertet wird, wenn sich der zeitliche Verlauf über einen Mittelwert eines vorgegebenen Intervalls von vorausgegangenen Schrittlängen (40) um mehr als 10% ändert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufstärke des Läufers (10) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicher eines Mikrocontrollers (52) liegende Daten und/oder Resultate über eine serielle und/oder parallele Schnittstelle (86) einem separaten Computer zugeführt und, bevorzugt über eine geeignete graphische Benutzeroberfläche, ausgewertet und/oder dargestellt werden.
Bewegungsparameter-Messeinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Sensorik zur Erfassung einer Kontaktzeit eines Fußes (12, 14) mit einem Untergrund, gegenüber dem ein dem Fuß (12, 14) zugeordneter Läufer (10) eine Relativbewegung ausführt, wobei die Sensorik wenigstens einen Sensor (60, 62, 64, 66, 68) sowie eine Recheneinheit zur Verarbeitung von Signalen des wenigstens einen Sensors (60, 62, 64, 66, 68) und eine Speichereinheit zum Speichern von Daten sowie eine Zeiterfassungseinheit umfasst, und mit einer Anzeigeeinheit (56) zur Ausgabe von den Signalen zugeordneten Daten sowie mit einer Energieversorgungseinheit (58), wobei die Sensorik wenigstens eine Messstrecke (20, 30) umfasst, die für eine Fußlänge des Fußes (12, 14) charakteristisch ist.
Bewegungsparameter-Messeinrichtung, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Sensorik zur Erfassung einer Kontaktzeit eines Fußes (12, 14) mit einem Untergrund, gegenüber dem ein dem Fuß (12, 14) zugeordneter Läufer (10) eine Relativbewegung ausführt, wobei die Sensorik wenigstens einen Sensor (60, 62, 64, 66, 68) sowie eine Recheneinheit zur Verarbeitung von Signalen des wenigstens einen Sensors (60, 62, 64, 66, 68) und eine Speichereinheit zum Speichern von Daten sowie eine Zeiterfassungseinheit umfasst, und mit einer Anzeigeeinheit (56) zur Ausgabe von den Signalen zugeordneten Daten sowie mit einer Energieversorgungseinheit (58), wobei die Sensorik wenigstens eine Messstrecke (20, 30) umfasst, die für eine Fußlänge des Fußes (12, 14) charakteristisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik in ein Band (100) integriert ist, das um einen Laufschuh legbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Ende (22, 24) der wenigstens einen Messstrecke (20, 30) ein Sensor (60, 62) angeordnet ist, der ein Aufsetzen und/oder Abheben des Fußes (12, 14) sensiert.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messstrecke (20) einer Fußlänge (22) entspricht.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messstrecke (30) in einem Teilbereich (24) des Fußes (12, 14) einem Sensorabstand (26) entspricht.
Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Enden der wenigstens einen Messstrecke (20) wenigstens ein Sensor (64) vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (100) in einem Fersenbereich (102) und einem Fußspitzenbereich (106) je eine Kappe (104, 108) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappen (104, 108) über elastische Abschnitte (110) miteinander verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (60, 62, 64, 66, 68) in den Kappen (104, 108) angeordnet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Sensorik in einem Mittelfußbereich zwischen den Kappen (104, 108) vorgesehen sind.
Einrichtung nach Anspruch 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (24) mit dem Sensorabstand (26) im Fußspitzenbereich (106) angeordnet ist.