DE102007028843A1

DE102007028843A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erfassung des zurückgelegten Weges, der Geschwindigkeit und des zeitlichen Bewegungsablaufes

Info

Publication number: DE102007028843A1
Application number: DE102007028843A
Authority: DE
Inventors: Frank Werfel; Wolfgang Beyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2008-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erfassung des zurückgelegten Weges, der Geschwindigkeit und des zeitlichen Bewegungsablaufes von Personen, insbesondere bei sportlichen Aktivitäten wie Marathonlauf, bei Wanderungen und bei der gesundheitlichen Rehabilitation. Aufgabe der Erfindung ist es, bei geringem technischen Aufwand und kleinen Abmessungen eine höhere Erfassungsgenauigkeit zu erreichen und die Darstellung des Bewegungsablaufes in mehreren räumlichen Achsen zu ermöglichen. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass a) an mindestens zwei Stellen entlang der Fortbewegungsrichtung am bzw. innerhalb eines Schuhes im vorgegebenen Abstand angeordneten Sende/Empfangsreinrichtungen eine am bzw. im anderen Schuh fest angeordnete Empfangs- und/oder Energiezuführungseinrichtung vorbeibewegt wird, b) während der Vorbeibewegungen an den Sende/Empfangseinrichtungen von diesen jeweils abgespeicherte, die Position zwischen der jeweiligen Sende/Empfangseinrichtung des einen Schuhes zur Empfangs- und/oder Energiezuführeinrichtung des anderen Schuhes kennzeichnende Signale an mindestens eine im anderen Schuh angeordnete Empfangseinrichtung gesendet werden und c) danach die empfangenen Signale softwaregeschützt durch Vergleiche mit Zeitsignalen ausgewertet werden und darauf basierend der zurückgelegte Weg, die Geschwindigkeit und der zeitliche Bewegungsablauf ermittelt und abrufbar abgespeichert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erfassung des zurückgelegten Weges, der Geschwindigkeit und des zeitlichen Bewegungsablaufes während des Laufvorganges von Personen, insbesondere bei sportlichen Aktivitäten wie Marathonlauf, auf dem Gebiet des Wandertourismus und bei der gesundheitlichen Rehabilitation.
Bekannt ist eine Einrichtung zur Erfassung und Anzeige der zurückgelegten Wegstrecke und/oder Schrittgeschwindigkeit nach der DE 200 00 233 U1 bei der mindestens einer an einem Bein und/oder Schuh angeordneten Sende/Empfangseinheit eine am anderen Bein und/oder Schuh angeordnete Strahlenreflexeinrichtung zugeordnet ist. Die Strahlenreflexeinrichtung ist dabei vorzugsweise als Permanentmagnet ausgebildet und dient neben der Erfassung und Auswertung des Bewegungsablaufes auch zur Aufladung eines Akkus. Dabei wird der Bewegungsablauf und die Energieübertragung mittels der Strahlenreflexion über die Bewegung deren Permanentmagnetfeldes während der Wander- bzw. Laufbewegung über eine am anderen Fuß bzw. Schuh innerhalb der Sende/Empfangseinheit angeordneten induktiven Empfangseinheit durchgeführt. Als weitere Energiequellen werden zur induktiven Empfangseinheit eine Solareinheit und ein Thermoelement angeordnet.
Die Auswertung erfolgt durch die zeitliche Auswertung des reflektierte Strahlensignales mittels einer Auswerte-, Speicher- und Anzeigeeinrichtung. Bei dem Erfassungsvorgang muss während des Bewegungsablaufes eine ständige Strahlung erzeugt werden, die eine entsprechende Energieversorgung erfordert. Ebenso ist für die erforderliche Genauigkeit der Strahlenreflexeinrichtung hinsichtlich ihrer Abmessungen und des Aufbaues der Sende-/Empfangseinheit ein entsprechend hoher Aufwand erforderlich. Weiterhin nachteilig ist an dieser Einrichtung die Anwendung von konventionellen Batterien bzw. Akkus zur Energiespeicherung und – versorgung mit den damit verbundenen Nachteilen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Schaffung eines derartigen Verfahrens und einer Einrichtung, die einen geringeren Aufwand erfordert, kleinere Abmessungen besitzt, eine höhere Erfassungsgenauigkeit aufweist und die Darstellung des Bewegungsablaufes in mehreren räumlichen Achsen ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den beschreibenden Merkmalen des Patentanspruches 1 und der Einrichtung nach Patentanspruch 4. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens werden mit Merkmalen der Patentansprüche 2 und 3 beschrieben. Weiterbildungen der Einrichtung werden mit den Merkmalen der Patentansprüche 5 bis 15 beschrieben.
Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Lösung an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. in der Zeichnung zeigen
1: allgemeines Weg-/Zeit-Diagramm,
2: die schematische Anordnung der Baugruppen innerhalb der Schuhe,
3: das Weg-/Zeit-Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Energieumwandlung und
4: die schematische Anordnung der Empfangseinrichtung
Der durch die Einrichtung zu erfassende Bewegungsablauf besteht aus zeitlich aufeinander folgenden Schritten, die durch das jeweilige Abheben der Füße von unterschiedlichen Standorten aus, entlang der Wegstrecke, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten beginnen.
Sollen Bewegungsvorgänge, die nicht zum gleichen Zeitpunkt beginnen, mathematisch allgemein beschrieben werden, können die charakterisierenden Geschwindigkeitsvektoren v nur über die nachfolgend aufgeführten Differentialquotienten beschrieben werden. v1 = dx1(t)/dt v2 = dx2(t)/dt, ... vn = dxn(t)/dt
Die grafische Darstellung dieses allgemeinen funktionellen Zusammenhanges ist in 1 wiedergegeben. Eine analytische Beschreibung der jeweiligen Bewegungsvorgänge der aufeinander folgenden Schritte erhält man durch Integration, mit x1(t) = ∫v1dt, x2 = ∫v2dt, ... xn = ∫vndt
Zusätzlich fallen Integrationskonstanten K₁, K₂, ... K_n an, die durch Festlegen der Integrationsgrenzen ermittelt werden können. Im konkreten Fall entsprechen die Integrationskonstanten dem jeweiligen Startpunkt des einzelnen Schrittes.
Eine mögliche spezielle technische Ausführung der Erfassung und Auswertung des Bewegungsablaufes beim Gehen oder Laufen mit zwei integrierten Sensoren, hier als Sende-/Empfangseinheiten ausgebildet, in einem Schuh und einem Aktuator, hier als Permanentmagnetanordnung 4 ausgebildet, wird nachfolgend beschrieben. In der 2 ist die schematische Anordnung der Sende-/Empfangseinheiten innerhalb der Schuhe wiedergegeben. Als Sende-/Empfangseinheiten kommen an sich bekannte RFID-Baugruppen 1, 2 zur Anwendung. Die als Sende-/Empfangseinheit ausgebildete RFID-Baugruppe 1 ist im vorderen Bereich des Schuhes und eine weitere RFID-Baugruppe 2 im Schuhabsatz angeordnet. Diese RFID-Baugruppen 1, 2 weisen einen Funkchip auf, deren Größe weniger als ein Quadratmillimeter beträgt. Dieser Funkchip ist von einer spiralförmigen Antenne umgeben. In diesem Chip werden die übertragenen Informationen gespeichert. Die zur Aktivierung erforderliche elektrische Energie erhält der jeweilige RFID-Baustein 1, 2 über das Magnetfeld einer Permanentmagnetfeldanordnung 4. Die Permanentmagnetfeldanordnung 4 ist im Absatz des anderen Schuhes untergebracht und wird bei der Fortbewegung der Füße des Sportlers bzw. Wanderers an den RFID-Bausteinen 1, 2 vorbeibewegt. Über die als Spule ausgebildete Antenne des jeweiligen RFID-Bausteines 1, 2 wird die Energie des Magnetfeldes 5 in elektrische Energie gewandelt und mit der umgewandelten Energie ein Kondensator 3 aufgeladen. Dieser Kondensator 3 versorgt den Chip mit elektrischer Energie. Durch die Zuführung der Energie an den Chip des zweiten RFID-Bausteines 2 leitet dieser seine gespeicherten Daten an seinen Auswertungsspeicher und bei der Zuführung der Energie an den ersten RFID-Baustein 1 sendet dieser seine gespeicherten Daten mit einer vorgegebenen Frequenz an den Empfänger des zweiten RFID-Bausteines 2. Die Chip-Bausteine der RFID-Baugruppen 1, 2 können sowohl mit Energie versorgt, als auch ausgelesen und mit neuen Daten beschrieben werden. In mindestens einem RFID-Baustein 1, 2 erfolgt die Abspeicherung und Auswertung der empfangenen Signale. Diese ausgewerteten und gespeicherten Werte sind jederzeit von einem äußeren Transponder aus abrufbar. Der RFID-Baustein 2, der die Auswertung und Abspeicherung durchführt, wird von dem Kondensator 3, der eine hohe Energiespeicherkapazität (mehrere Farad) besitzt, mit Energie versorgt. Zur Anwendung kommen sogenannte Ultracap-Kondensatoren. Die zu speichernde Energie erhält dieser Kondensator 3 zum einen von der Permanentmagnetanordnung 4 und zum anderen von einer auf der Oberfläche des Schuhabsatzes angeordneten Solarzellenfolie.
In der 3 ist der Weg-/Zeitverlauf bei der Laufbewegung wiedergegeben. In Zuordnung zu dieser Diagrammdarstellung wird darunter das Diagramm der induktiven Energiegewinnung während der Vorbeibewegung der Permanentmagnetanordnung 4 an den RFID-Bausteinen 1, 2 schematisch dargestellt.
Betrachtet man den Beginn der Laufphase zum Zeitpunkt des Abhebens eines Schuhes vom Laufboden, in dessen Schuhabsatz sich die Permanentmagnetanordnung 4 befindet, so bewegt sich dieser Schuh nach Zurücklegung des Weges a₁ zum Zeitpunkt t₁ am RFID-Baustein 2 vorbei. Das Magnetfeld 5 der Permanentmagnetanordnung 4 induziert bei der Vorbeibewegung des Schuhes in der Spule des RFID-Bausteines 2 eine elektrische Spannung, die zur Energieversorgung des Chips dient und die Abspeicherung der Daten der aktuellen Zeit zum Zeitpunkt t₁ innerhalb des Speichereinheit des RFID-Bausteines 2 bewirkt.
Durch die Weiterbewegung des Schuhes erreicht dieser nach der Zurücklegung des Weges b₁ zum Zeitpunkt t₂ den RFID-Baustein 1 im vorderen Bereich des Schuhes. Das vorbeibewegte Magnetfeld 5 erzeugt in der Spule des RFID-Bausteines 1 eine elektrische Spannung und löst damit durch Aktivierung des Funkchips ein Sendesignal einer vorgegebenen Frequenz aus. Mit diesem Funksignal wird die Übertragung des aktuellen Zeitsignales des Zeitpunktes t₂ zum RFID-Baustein 2 bewirkt. Der Empfänger des RFID-Bausteines 2 ist auf diese Frequenz geeicht und empfängt das modulierte Signal auf dieser Übertragungsfrequenz. Zudem löst das Signal den Abspeicherungsvorgang für die Zeitdaten zum Zeitpunkt t₂ innerhalb der Speichereinheit des RFID-Bausteines 2 aus. Die Energieversorgung für den Abspeichervorgang sowie aller nachfolgend beschriebenen Auswertevorgänge erfolgt durch den Ultracap-Kondensator 3. Neben der Energiegewinnung durch die Vorbeibewegung der Permanentmagnetanordnung 4 erhält der Ultracap-Kondensator 3 seine gepeicherte Energie von einer am Absatz oder an der Verbindungsbaugruppe angeordneten Solarzellenfolie.
Durch Bildung des Signalverhältnisses aus den Wegdaten des Weges b₁ – a₁ (fester Abstand zwischen den RFID-Baugruppen 1, 2) zur Differenz der Zeitdaten t₂ – t₁ zu ergibt sich die Schrittgeschwindigkeit v₁ des ersten Schrittes S₁. Unter diesem ersten Schritt versteht man dabei den zurückgelegten Weg vom Anheben bis zum Aufsetzen des Fußes. Eine Verlangsamung oder Beschleunigung des Schrittverlaufes erfolgt zu Beginn bzw. Ende eines jeweiligen Schrittes. Der Bremsvorgang eines Schrittes wind zum Zeitpunkt des Aufsetzen des Fußes und der Beschleunigungsvorgang zum Zeitpunkt des Abhebens des Fußes eingeleitet. Die jeweilige Hälfte des Schrittweges ist dann zurückgelegt, wenn die Spitze des Magnetfeldes 5 am RFID-Baustein 2 vorbeibewegt worden ist und die Mitte des Abstandes zwischen den RFID-Baugruppen 1, 2 erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt der Laufphase befinden sich die Füße auf gleicher „Höhe". Nach Zurücklegung des zweiten Halbschrittes und unmittelbar nachdem der Fuß wieder auf den Laufboden aufgesetzt wurde, beginnt die Bewegungsphase des anderen Fußes. Das Aufsetzen des ersten Fußes und das Abheben des zweiten Fußes erfolgt zum Zeitpunkt 13. Durch die Vorbeibewegung des im vorderen Bereiches des Schuhes angeordneten RFID-Bausteines 1 an der Permanentmagnetanordnung 4 zum Zeitpunkt t₄ wird wiederum ein Zeitsignal erzeugt und dessen Daten vom Funkchip des RFID-Bausteines 1 an den RFID-Baustein 2 gesendet. Erreicht der RFID-Baustein 2 die Permanentmagnetanordnung 4, so wird ein Zeitsignal zum Zeitpunkt t₅ erzeugt und im Speicherbaustein abgespeichert. Mit der Bildung des Signalverhältnisses aus den Daten des Abstandes zwischen den RFID-Baugruppen 1, 2 zur Differenz der Zeitdaten t₅ – t₄ ergibt sich die Schrittgeschwindigkeit v₂ des Schrittes S₂. Bei jedem weiteren Schritt wird die dort vorhandene Geschwindigkeit nach dem gleichen Prinzip ermittelt. Der dargestellte Zeitpunkt t₃ ist ein unbekannter, fiktiver Zeitpunkt. Zu diesem Zeitpunkt ist der erste Schritt S₁ beendet und es beginnt der zweite Schritt S₂ des anderen Fußes. Jedoch können die Zeitpunkte t₅ und t₂ ermittelt werden, die die Zeitpunkte zweier aufeinander folgender Schritte darstellen, zu denen sich jeweils die Permanentmagnetanordnung 4 des einen Schuhes mit dem RFID-Baustein 1 auf gleicher „Höhe" befinden und zwischen diesen eine Energieübertragung stattfindet.
Während dieser Zeitdifferenz besitzt der eine Fuß die Geschwindigkeit v₁ und der andere Fuß die Geschwindigkeit v₂. Dabei legt jeder Fuß einen Halbschritt zurück. Bei der Ermittlung des Gesamtschrittes S wird von einer durchschnittlichen Geschwindigkeit der beiden Einzelgeschwindigkeiten ausgegangen.
Dadurch, dass der zurückgelegte Weg und die Geschwindigkeit nur erfasst werden, wenn die Permanentmagnetanordnung 4 an den RFID-Bausteinen 1, 2 vorbeibewegt wird, haben eingelegte Laufpausen bzw. Stillstände innerhalb des Laufvorganges keinen Einfluss auf die Ermittlung des Gesamtweges, der durchschnittlichen Gesamtgeschwindigkeit und den einzelnen Schnittgeschwindigkeiten.
Mit der schematischen Darstellung in der 4 wird ein möglicher Aufbau der Empfangseinrichtung wiedergegeben. Hier befindet sich ein RFID-Baustein 6 auf gleicher „Höhe" mit den Empfangskanälen 7 der Empfänger-Baugruppe 8. In dieser Positionsphase wird durch eine magnetische Energiezuführeinrichtung (z.B. Permanentmagnet) der Speicher und die Sendebaugruppe des RFID-Bausteines 6 aktiviert. Die abgespeicherten Signale werden ausgesendet und von den Empfangskanälen 7 in unterschiedlichen räumlichen Achsen empfangen. Als Empfänger-Baugruppe 8 kommen an sich bekannte Wake-up-Receiver zur Anwendung. In der Empfänger-Baugruppe 8 ist ein Antennenrotor enthalten, der nacheinander die einzelnen Kanäle ansteuert und aus den einzelnen Signalen ein Signalmuster bildet. Dieses Signalmuster wird mit den abgespeicherten Signalmustern verglichen und die ermittelten Abweichungen als entsprechende Änderungen der Lageposition identifiziert. Durch die unterschiedliche räumliche Erfassung ist die Wiedergabe des zeitlichen Bewegungsablaufes auch räumlich möglich.
Bei der Anwendung von aktiven RFID-Bausteinen 6 innerhalb eines Schuhes senden diese ständig entsprechend einer vorgegebenen Frequenz ihre abgespeicherten Signale aus. Die Empfänger-Baugruppe 8 erfasst während der Vorbeibewegung am RFID-Baustein 6 mit ihren Empfangskanälen 7 das räumliche Signalmuster und durch Vergleich mit den abgespeicherten Signalmustern die Positionen.
Kommen bei der Einrichtung passive RFID-Bausteine 6 zur Anwendung, so werden diese durch eine mit der Empfänger-Baugruppe 8 gekoppelte Energiezuführeinrichtung aktiviert. Die Energiezuführeinrichtung, die ihre Energie beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung übertragen kann, strahlt die Aktivierungsenergie in einer vorgegebenen Frequenz aus und ordnet dadurch dem empfangenen Signalmuster jeweils ein bestimmtes Zeitsignal zu.

1: RFID-Baustein
2: RFID-Baustein
3: Kondensator
4: Permanentmagnetanordnung
5: Magnetfeld
6: RFID-Baustein
7: Empfangskanal
8: Empfänger-Baugruppe

Claims

Verfahren zur Erfassung des zurückgelegten Weges, der Geschwindigkeit und des zeitlichen Bewegungsablaufes mittels einer im und/oder am Schuhwerk angeordneten funktechnischen Sende- und Empfangseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass a) an mindestens zwei Stellen entlang der Fortbewegungsrichtung am bzw. innerhalb eines Schuhes im vorgegebenen Abstand angeordneten Sende/Empfangseinrichtungen eine am bzw. im anderen Schuh fest angeordnete Empfangs- und/oder Energiezuführungseinrichtung vorbeibewegt wird, b) während der Vorbeibewegungen an den Sende/Empfangseinrichtungen von diesen jeweils abgespeicherte, die Position zwischen der jeweiligen Sende/Empfangseinrichtung des einen Schuhes zur Empfangs- und/oder Energiezuführeinrichtung des anderen Schuhes kennzeichnende Signale an mindestens eine im anderen Schuh angeordnete Empfangseinrichtung gesendet werden und c) danach die empfangenen Signale softwaregestützt durch Vergleiche mit Zeitsignalen ausgewertet werden und darauf basierend der zurückgelegte Weg, die Geschwindigkeit und der zeitliche Bewegungsablauf ermittelt und abrufbar abgespeichert werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung aus mindestens drei räumlichen Achsen Signale von der jeweiligen Sende/Empfangseinrichtung empfängt und das durch diese Signale ermittelte Signalmuster mit abgespeicherten Signalmustern zu vorgegebenen Zeitpunkten verglichen wird und an Hand der Größe und Art der Abweichungen der Signalmuster die Lageposition der Schuhe zueinander softwaregestützt ermittelt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils durch mindestens eine Sende/Empfangseinrichtung eines Schuhes bei Energiezufuhr durch die Vorbeibewegung einer im anderen Schuh angeordneten Energiezufuhreinrichtung die Position kennzeichnende Signale an mindestens einer weiteren Sende/Empfangseinrichtung der Schuhe gesendet werden.
Einrichtung zur Erfassung des zurückgelegten Weges, der Geschwindigkeit und des zeitlichen Bewegungsablaufes mit einer im und/oder am Schuhwerk angeordneten funktechnischen Sende- und Empfängereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass einem Schuh mindestens zwei funktionell miteinander verbundene Sende-/Empfangseinrichtungen zugeordnet sind, die mit mindestens einer die empfangenen Signale speichernden und auswertenden Baugruppe verbunden sind und dass die Sende- /Empfangseinrichtungen mit mindestens einer dem anderen Schuh zugeordneten Energiezuführeinrichtung funktionell derart in Verbindung stehen, dass die jeweilige bei Energiezufuhr durch die Energiezuführeinrichtung aktivierte Sende-/Empfangseinrichtung die gespeicherten und/oder ausgewerteten Signale an mindestens ein Empfangsteil der anderen Sende-/Empfangseinrichtungen sendet.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinrichtungen so gestaltet sind, dass die Sendeeinrichtungen Funksignale unterschiedlicher Frequenz ausstrahlen und die Empfängereinrichtungen jeweils eine der unterschiedlichen Funkfrequenzen empfangen.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Sende-/Empfangseinrichtungen zusammen mit der jeweils dieser zugeordneten die Signale speichernde und auswertende Baugruppe als aktive RFID-Baugruppe (1, 2) ausgebildet ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinrichtungen als passive RFID-Baugruppen (1, 2) ausgebildet sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezuführeinrichtung als Permanentmagnetanordnung (4) ausgebildet ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezuführeinrichtung als elektromagnetische Sendeeinrichtung ausgebildet ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinrichtungen und die Energiezuführeinrichtung lösbare Verbindungsbaugruppen aufweisen und mittels dieser eine mit dem jeweiligen Bein und/oder Schuh herstellbare Verbindung ermöglichen.
Einrichtung nach den Patentansprüchen 4 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung mindestens einer der Sende-/Empfangseinrichtungen und die mit dieser verbundenen die Signale speichernden und auswertenden Baugruppe durch eine am gleichen Schuh oder der zugeordneten Verbindungsbaugruppe angeordneten Solarzellenfolie erfolgt.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung mindestens einer der Sende-/Empfangseinrichtungen und die mit dieser verbundenen die Signale speichernden und auswertenden Baugruppe durch am gleichen Schuh angeordneten Solarzellenfolien erfolgt.
Einrichtung nach den Patentansprüchen 4, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Energiezuführungseinrichtung verbundene Verbindungsbaugruppe eine Solarzellenfolie aufweist und die elektromagnetische Sendeeinrichtung als ein eine stehende Welle ausstrahlender Sender ausgebildet ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezuführungseinrichtung mit einer elektrisch leitfähigen Polymerfolie verbunden ist, die bei einer Änderung der Spannung (Ladezustand) ihre Farbe ändert.
Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung eine zur Übertragung, Speicherung und Wiedergabe von Daten zur Information des Nutzers dienende Baugruppe aufweist.