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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Ganganalyse am Laufband.
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Viele
der bekannten Vorrichtungen können als Plattformen zur
biomechanischen Ganganalyse eingesetzt werden, bei denen der Gang
eines Wirbeltiers, insbesondere eines Menschen, gegebenenfalls aber
auch eines Pferdes oder Hundes etc., untersucht und analysiert wird.
Hierbei besteht aber der Nachteil, dass immer nur ein einziger Schritt
und ein einzelner Abrollvorgang aufgenommen werden kann. Um ein
natürliches Gangverhalten zu erhalten, ist es dagegen notwendig,
den Gang über eine längere Zeit aufzunehmen.
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Es
wurden daher auch bereits Vorrichtungen und Verfahren zur Ganganalyse,
die sich eines Laufbandes bedienen, vorgeschlagen. Beispielhaft
sei hierzu hingewiesen auf die
DE 40 27 317 C1 oder die
US 6,010,465 A .
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Ferner
wird in R. Kram und A. J. Powell: „A treadmill-mounted
force platform" Appl. Physiol. 67 (4): 1692–1698 (1989) eine
Messvorrichtung als bekannt beschrieben, bei der ein Laufband über
eine Messplattform bzw. Messfläche gezogen wird und somit
eine fortlaufende Erfassung von Kräften möglich
wird.
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Die
erstere dieser Druckschriften beschreibt ein Laufband, welches aus
einer Vielzahl von Gliedern aufgebaut ist, von denen jedes eine
matrixförmige Anordnung von Druck- bzw. Kraftsensoren umfasst,
während die zweite ein Laufband mit unter der Bandoberfläche
liegender Messplatte mit einer matrixförmigen Anordnung
von Druck- bzw. Kraftsensoren beschreibt. Beide Druckschriften lehren,
dass mit der jeweiligen Sensorik eine Auswertungseinheit verbunden
ist und die
US 6,010,465 beschreibt
den Aufbau und die Betriebsweise der Auswertungseinheit, etwa zur
Auswertung der Position und eines zugeordneten Kraftwertes beim
Auftreten auf das Laufband, beispielsweise zur Bestimmung von Drehmomenten und
Lasten auf die Gelenke sowie bestimmten Gangparametern, relativ
detailliert.
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Es
hat sich gezeigt, dass aus verschiedenen Gründen die Genauigkeit
bestehender Vorrichtungen und Verfahren zur Ableitung differenzierter
medizinischer bzw. sportphysiologischer Aussagen nicht ausreichend
ist. Mit der unveröffentlichten Anmeldung
PCT/EP2006/010471 der Anmelderin
wird daher eine Vorrichtung zur „automatischen" Ganganalyse bereitgestellt,
mit der eine hochpräzise Erfassung und Auswertung der beim
natürlichen Gang eines Wirbeltieres (speziell Menschen)
auftretenden Gangparameter möglich ist.
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Diese
Vorrichtung hat sich bewährt, es haben sich aber auch einige
Probleme gezeigt. Die Vorrichtung enthält eine Vielzahl
relativ kleiner Sensoren in der Messplatte, die wegen ihrer geringen
Größe und mit Blick auf die Gesamtkosten nur eine
begrenzte Messgenauigkeit und Langzeitstabilität haben
können. Da die Füße eines Probanden beim
Gehen und Laufen mit dem Laufband gewissermaßen über
die einzelnen Sensoren der Messplatte gezogen werden und diese nicht
ideal punktförmig sind, sondern natürlich eine
bestimmte Größe haben, sind bei den Messungen
durch den Übergang von einem Sensor zum anderen gewisse
Schwingungen („Zittern") festzustellen, die das eigentliche
Messsignal überlagern. Schließlich kann es bei
der zeitabhängigen Darstellung des Kraft- bzw. Druckverlaufes
eines Abrollvorganges infolge der nie ganz zu vermeidenden Toleranzen
zwischen den einzelnen Sensoren der Messplatte zu weiteren Irregularitäten
des Messsignals kommen, die sich beispielsweise als „Einbrüche"
in den Kraft- bzw. Druckverlaufskurven bemerkbar machen.
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Mit
der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 wird eine weiter
verbesserte Ausführung jener Vorrichtung und mit dem Verfahren
gemäß Anspruch 22 ein verbessertes Verfahren bereitgestellt.
Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens
sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß werden
wesentliche Verbesserungen dadurch erreicht, dass die Messplatte nicht
nur mit Druck- bzw. Kraftsensoren bestückt, sondern selbst
auch durch – vergleichsweise wenige und bevorzugt hochwertige – Basis-Kraftsensoren getragen
ist. Diese werden nachfolgend ohne Einschränkung der konkreten
technischen Realisierungsmöglichkeit auch als Kraftmessdosen
bezeichnet, wobei hierunter sowohl kapazitive als auch resistive
Sensoren als auch Dehnungsmessstreifen oder nach anderen Prinzipien
arbeitende Sensoren zu verstehen sind. Deren Signale werden erfindungsgemäß einer
kombinierten Verarbeitung mit denjenigen der in der Kraftmessplatte
matrixförmig angeordneten Druck- bzw. Kraftsensoren zur
Gewinnung eines genaueren, langzeitstabileren und/oder unter bestimmten
Prämissen besser auswertbaren resultierenden Messsignals
unterzogen.
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Mit
der hier vorgeschlagenen Vorrichtung zur Ganganalyse gelingen Absolutwertmessungen
mit einem hohen Anspruch an Genauigkeit und Vergleichbarkeit mit
Messungen zu anderen Zeitpunkten, sodass diese Vorrichtung in wesentlich
erweitertem Umfang biomechanische Langzeitmessungen sowie Vergleichsmessungen
zwischen verschiedenen Probanden beziehungsweise unter verschiedenen
Belastungsbedingungen ermöglicht.
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In
einer zweckmäßigen Ausführung dieser Vorrichtung
ist vorgesehen, dass die Messplatte durch mindestens drei, bevorzugt
vier bis acht, Kraftmessdosen getragen ist. Alternativ hierzu kann
man aber auch mit nur einem tragenden Kraft- bzw. Druckfühler
(einer Kraftmessdose) oder zwei Fühlern auskommen, sofern
die Kraftmessplatte dann in zusätzlichen – nicht
sensorbestückten – Führungen weitgehend
reibungsarm geführt ist oder die Kraftsensoren flächenmäßig
sehr groß ausgeführt sind.
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Mit
Blick darauf, dass hochwertige Kraftmessdosen typischerweise nur
in einer definierten Richtung (unter Ausschluss von Kippmomenten)
beaufschlagt werden dürfen, sind die Führungen
der Kraftmessplatte gegenüber den Basis-Kraftsensoren so
auszubilden, dass auf letztere im wesentlichen nur Vertikalkräfte
einwirken und das Auftreten von Kippmomenten bzw. Scherkräften
vermieden wird. Je mehr Basis-Kraftsensoren eingesetzt werden, desto weniger
stabil und leichter kann tendenziell die eigentliche Messplatte
ausgeführt sein – es versteht sich aber, dass
dann die Gesamtkosten für die hochwertigen Basis-Kraftsensoren
ansteigen und auch die Auswertungs-Verarbeitung aufwendiger wird.
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In
einer weiteren, einfachen Ausführung der Vorrichtung ist
deren Auswertungseinheit derart ausgebildet, dass die Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe zur
Summensignalverarbeitung der Kraftmessdosen ausgebildet ist. Das
erwähnte Summensignal ist das eigentliche Absolutwert-Signal
der Kraft- bzw. Druckeinwirkung des Probanden auf die Messplatte
insgesamt und für Kalibrierzwecke grundsätzlich
ausreichend.
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Eine
weiterentwickelte Version der Anordnung sieht vor, dass die Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe
zu einer Verarbeitung des Ausgangssignals der oder jeder Kraftmessdose
in ihrer Zeitabhängigkeit zur Korrektur des zeitabhängigen
Verlaufs der Ausgangssignale der Vielzahl matrixförmig
angeordneter Druck-/Kraftsensoren aufgrund eines vorbestimmten Verlaufskorrekturalgorithmus
ausgebildet ist. Mit dieser Ausführung der Auswertungseinheit
lässt sich relativ leicht und vorteilhaft eine "Glättung"
der mit der Messplatte gewonnenen zeitabhängigen Druckverteilungsbilder
bewerkstelligen. Eine solche „Glättung" im Sinne
einer Befreiung von lediglich als Störsignal zu bewertenden
Signalartefakten ist für biomechanische Auswertungen vielfach
sinnvoll.
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Da
die Messplatte ein Eigengewicht hat und bei einer kombinierten Auswertung
die Signale der in ihr matrixförmig angeordneten Druck-
bzw. Kraftsensoren und diejenigen der die Messplatte tragenden Basis-Kraftsensoren
auf eine gemeinsame Bezugsbasis gebracht werden müssen,
weist die Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe zweckmäßigerweise
Mittel zur Nullwert-Anpassung auf, die sinnvollerweise mit oh nehin
erforderlichen Kalibrierungsmitteln in der Auswertungsstufe für
die Signale der Messplatten-Sensoren funktional und ggf. auch baulich
zusammengefasst sein können. Eine Einstellbarkeit ist insbesondere
mit Blick auf Untersuchungen mit geneigtem Laufband (Bergauf- bzw.
Bergablauf eines Probanden) von Vorteil, weil sich dann das Gewicht von
Messplatte und Laufband in Abhängigkeit vom Neigungswinkel
unterschiedlich auswirkt und differenziert auskorrigiert werden
sollte.
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Mit
der hier beschriebenen Vorrichtung ist die Aufnahme des Gangs über
eine längere Zeit möglich, da ein Laufbandsystem
verwendet wird. Dieses Laufbandsystem umfasst ein Endlosband, das über
eine Sensorplattform gezogen wird, die mit einer Vielzahl matrixförmig
angeordnete Druck- bzw. Kraftsensoren bestückt ist. Grundsätzlich
ergibt der Gang bzw. Lauf über eine solche Platte zwar
keine auswertbaren Messergebnisse, da sich die Druckwerte ständig ändern,
da die Füße mit dem Laufband gewissermaßen über
die Platte gezogen werden. Dieses Problem wird jedoch dadurch gelöst,
dass der Bandvorschub bzw. die Bandgeschwindigkeit und die fortlaufend
erfassten Druckwerte zusammengeführt werden und mittels
einer Auswertungseinheit die Position von Druckverteilungsbildern
rekonstruiert wird, aus denen dann die Gangparameter bestimmt werden
können.
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Um
eine für alle relevanten Anwendungen hinreichende Aussagekraft
zu erreichen, sind erhebliche Genauigkeits-Anforderungen bei den
relevanten Größen zu erfüllen. Hierzu
zählt zunächst die Momentangeschwindigkeit des
Laufbandes, daneben aber auch die Signalgenauigkeit der Druck- bzw. Kraftsensoren,
welche einer Temperaturabhängigkeit unterliegt. Erfindungsgemäß ist
daher zunächst vorgesehen, die Momentangeschwindigkeit
des Laufbandes unter Nutzung der mit der Sensorik aufgenommenen
Druckverteilungsbilder selbst, d. h. unter Auswertung ihrer Zeit-
und Ortsabhängigkeit, zu bestimmen. In einer relativ selbstständigen
Ausprägung des Erfindungsgedankens sind weiterhin Korrekturmittel
zur Ausgangssignals-Korrektur der Druck- bzw. Kraftsensoren (bzw.
in einer Abwandlung auch der gesamten Druckverteilungsbilder) bei
Auftreten erwärmungsbedingter Verfälschungen vorgesehen. Auch
hier erfolgt die Korrektur in besonders vorteilhafter Weise unter
Nutzung des Auswertungsergebnisses selbst, nämlich der
aufgenommenen Druckverteilungen in Abhängigkeit von der
Zeit.
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In
der vorgenannten Ausprägung des Erfindungsgedankens ist
in einer besonders präzise arbeitenden Ausführung
ein Messfühler zur direkten Erfassung der Geschwindigkeit
des Laufbandes vorgesehen, welcher mit einem zweiten Eingang der
Tachometerstufe verbunden ist, und die Tachometerstufe ist zur Auswertung
des Signals des Messfühlers in Verbindung mit der Zeit-
und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsbilder ausgebildet.
Diese Ausführung erfordert eine etwas komplexere Verarbeitung, da
mehrere Eingangssignale zu berücksichtigen sind, sie bietet
aber neben der potentiell höheren Genauigkeit auch den
Vorteil eines Plausibilitäts-Checks und damit erhöhter
Zuverlässigkeit.
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In
einer ersten Ausgestaltung dieser Ausführung ist vorgesehen,
dass der oder ein Messfühler ein Tachometerfühler
an einer Laufrolle des Laufbandes ist. Eine Alternative bzw. eine
Erweiterung hierzu bietet eine Ausgestaltung, wobei auf einer Seite
entlang des Laufbandes ein Kodierungsmuster aufgebracht ist und
der oder ein Messfühler ein optischer Detektor ist, welcher
die Bewegung des Kodierungsmusters erfasst. Speziell kann hier vorgesehen
sein, dass das Kodierungsmuster auf der den Laufrollen zugewandten
Innenseite des Laufbandes und der optische Detektor an der die Druck-/Kraftsensoren
aufweisenden Messplatte angebracht ist. Diese Ausgestaltung ist
baulich einfach zu realisieren und robust im Betrieb. Die Kodierung
ist nicht zwingend eine optische; auf das Laufband kann auch ein
magnetisches oder Leitfähigkeitsmuster o. ä. aufgebracht und
ein entsprechender magnetischer, kapazitiver, induktiver oder anderer
Detektor vorgesehen sein.
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Des
weiteren kann unter diesem Aspekt der Erfindung vorgesehen sein,
dass der oder ein Messfühler ein optischer Detektor zur
Erfassung einer Struktur einer Oberfläche des Laufbandes
ist und dem Detektor eine Vor-Auswertungseinheit zur Ableitung eines
Geschwindigkeitsmesssignals aus der Zeit- und Ortsabhängigkeit
der Struktur im Betrieb des Laufbandes zugeordnet ist. Dies ermöglicht
die Verwendung eines herkömmlichen Laufband-Materials,
sofern dieses nur eine zur optischen Detektion ausreichend ausgeprägte
Struktur hat. Da auf eine gesonderte optische Kodierung verzichtet
werden kann, ergibt sich eine fühlbare Kostenersparnis gegenüber
der vorgenannten Ausführung – allerdings um den
Preis einer grundsätzlich etwas höheren Störempfindlichkeit.
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In
einer vorteilhaften Ausführung dieser weiteren Ausprägung
des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Korrekturmittel
eine eingangsseitig mit der Auswertungseinheit verbundene und ausgangsseitig
zwischen die Druck-/Kraftsensoren und den Eingang der Auswertungseinheit
geschaltete Korrekturstufe zur sensorselektiven Berechnung von Druck-/Kraftkorrektursignalen
ein Ansprechen auf die Zeit- und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsbilder
aufweisen.
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Eine
weitere Ausführung sieht vor, dass die Korrekturmittel
ein Zeitglied zur Ausführung einer dynamischen Korrektur
der Messsignale von mindestens einigen der Druck-/Kraftsensoren
in Abhängigkeit von der Betriebsdauer der Vorrichtung aufweisen.
Eine Kombination beider Ausführungen zeichnet sich dadurch
aus, dass die Korrekturstufe ein Zeitglied aufweist, in dem eine
gespeicherte Korrektursignal-Zeit-Kurve den Ausgangsignalen ausgewählter Druck-/Kraftsensoren
aufgeprägt wird.
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Eine
weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass zwischen
der Messplatte und dem Laufband zur mechanischen Entkopplung von
horizontalen Druckkomponenten bzw. Horizontalkräften eine Entkopplungs-Folie
vorgesehen ist, um im wesentlichen nur vertikale Druckkomponente
bzw. Vertikalkräfte vom Laufband auf die Sensormatrix zu übertragen.
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Dies
ermöglicht es in vorteilhafter Weise, Druck- bzw. Kraftsensoren
einzusetzen, die keine ausgeprägte Einachsigkeit aufweisen
und somit ohne Vorsehen der erwähnten Entkopplungs-Folie eine
gewisse Verfälschung der interessierenden Vertikalkomponenten
durch Horizontalkomponenten zulassen würden. Sie ermöglicht
insbesondere auch den Verzicht auf zusätzliche Sensorik
für die Horizontalkomponenten, mit der eine Korrektur derartiger Verfälschungen
zu bewirken wäre, die aber natürlich einen erhöhten
Konstruktions- und Auswertungsaufwand bedeutet.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist eine Synchronisationseinheit
zur Synchronisation der Druck-/Kraftverteilungsmessung mit einer
Erfassung weiterer biometrischer Messgrößen mittels
separater Mess- und Verarbeitungseinrichtungen vorgesehen. Hierbei
weist der Sensorteil z. B. einen zusätzlichen Lichtsender
auf, der zu bestimmten Zeitpunkten, vorzugsweise dem jeweils ersten
Bodenkontakt der Füße oder aber in definierten
Zeitabständen, ein Lichtsignal abgibt. Der Proband trägt
in einer bevorzugten Ausführungsform einen Messadapter
zur Erfassung von weiteren biometrischen Signalen, beispielsweise
am Gürtel, mit sich. Dieser Adapter weist einen Lichtempfänger
auf, der das Lichtsignal der Sensorplatte empfängt.
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Das
empfangene Lichtsignal ist vorzugsweise codiert und wird dann z.
B. den biometrischen Messsignalen überlagert. Der Messadapter
sendet dann etwa die biometrischen Messsignale mit aufgeprägtem
Lichtsignal per Funk zur Recheneinheit, in der die Drucksignale
der Sensorplatte mit den biometrischen Signalen zeitsynchron dargestellt
werden. Alternativ ist es möglich, dass die Lichtsignale
vom Messadapter ausgehen und an der Sensorplatte empfangen werden.
Auch eine Videoaufnahme und ggf. auch -auswertung kann auf diese
oder ähnliche Weise gesteuert werden.
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Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ergeben sich weitgehend in Analogie zueinander, so dass
eine separate Beschreibung einerseits unter Vorrichtungsaspekten
und andererseits unter Verfahrensaspekten hier nicht erforderlich
ist. Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung
ergeben sich jedoch weiterhin aus den abhängigen Ansprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung wesentlicher Teile einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine
schematische Darstellung der Trägerplatte aus 1,
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3 eine
Prinzipskizze des Laufbandes in Draufsicht mit Druckverteilungsbildern,
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4 und 5 Prinzipdarstellungen
modifizierter Laufband-Ausführungen mit Mitteln zur Geschwindigkeitsbestimmung,
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6 eine
Vorrichtung mit mehreren Laufband-Anordnungen,
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7a und 7b schematische
Darstellungen spezieller Laufband-Anordnungen in Art einer Seitenansicht,
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8 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der Tachometerstufe
der Verarbeitungseinheit,
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9 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der Korrekturmittel
zur Korrektur erwärmungsbedingter Messsignalverfälschungen,
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10 und 11 schematische
Darstellungen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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12 eine
schematische Darstellung zur Auswertung der Kraftsignale bei einer
Ausführungsform der Erfindung,
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13 und 14 schematische
Darstellungen einer weiteren Ausführungsform,
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15 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung nach 13 und 14 in
einer speziellen Anwendung,
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16 einen
typischen zeitlichen Verlauf eines Kraft-Summensignals,
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17 eine
Darstellung zur Erläuterung der Gewinnung eines Kraft-Summensignals
aus den Signalen der Kraftmessdosen,
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18 eine
spezielle Ausgestaltung einer Kraftmessdose,
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19A, 19B und 20 Darstellungen
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
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21 bis 21B Darstellungen einer weiteren Ausführungsform.
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In 1 wird
ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung gezeigt, wobei in dieser Ansicht die erfindungsgemäße
Absolutwert-Sensorik fortgelassen ist (siehe dazu 10).
Das Laufbandsystem enthält ein umlaufendes Band bzw. einen
Gurt 12, das/der vorzugsweise mittels aktivem Antrieb (nicht
dargestellt) über zwei Laufwalzen 2 gezogen wird.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann aber auch
bei Laufbandsystemen eingesetzt werden, bei denen das Band durch
die auf dem Band gehende Person über die Muskel- und Schwerkraft
angetrieben wird.
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Unterhalb
der Oberseite des Gurtes 12 ist eine Sensorplatte 2a angebracht, über
die das Band gezogen wird. In der gezeigten Ausführung
befindet sich oberhalb der Sensorplatte 2a eine gleitfähige und
biegsame dünne Folie 3, die den Druck auf die Sensorfläche 1 ortsaufgelöst
weiterleitet, aber die Sensorfläche 1 gleichzeitig
vor den Horizontalkräften des umlaufenden Bandes schützt.
Hierbei kann die Sensorplatte 2a beliebig dünn
sein und somit als Sensormatte ausgeführt sein. Die Folie
kann auch mit der Sensorfläche 1 verbunden oder
verklebt sein.
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Die
Sensorfläche 1 ist mit einer Auswerte- und Ansteuereinheit 5 mit
dem Auswerterechner 6 verbunden. Die Auswerte- und Ansteuereinheit 5 befindet
sich vorzugsweise in direkter Nähe der Sensorplatte 2a und
kann in das Laufbandsystem integriert sein. Der Vorschub bzw. die
Vorschubgeschwindigkeit des umlaufenden Bandes wird durch hier nicht dargestellte
Mittel über die Drehgeschwindigkeit der Laufwalze 2 detektiert
und weitergegeben. Dies kann durch eine automatische Übermittlung
geschehen. Die Auswertung umfasst im Wesentlichen die zeitliche
und örtliche Bestimmung der Position der über das
Laufband sich bewegenden Druckverteilungsbilder.
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In
einer einfachen Ausführungsform wird die Vorschubgeschwindigkeit
oder die Drehgeschwindigkeit der Walzen 2 an einer Anzeigeeinheit
des Laufbandes abgelesen und per Hand in die Recheneinheit 6 eingegeben.
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In 2 ist
ein Ausführungsbeispiel einer Messplattform 2a mit
matrixförmig als Sensorfläche 1 angeordneten
Kraft- bzw. Drucksensoren 1a dargestellt. Die Größe
der Drucksensoren 1 richtet sich nach dem zu vermessenden
Objekt. Bei der Vermessung menschlicher Füße wird
vorzugsweise eine Sensorauflösung von etwa einem Sensor
pro Quadratzentimeter gewählt. In einer bevorzugten Ausführung
werden Sensoren gewählt, die aus einzelnen Kondensatoren
mit elastischen Dielektrikum bestehen, die bei Krafteinwirkung den
Kapazitätswert ändern oder Sensoren die bei Krafteinwirkung
ihren Widerstandswert verändern. Diese Sensoren können zu
Zeilen und Spalten zusammengefasst sein und werden entsprechend
angesteuert und ausgelesen.
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3 zeigt,
wie ein menschlicher Fuß durch die Bandbewegung des Laufbandes
nach hinten gezogen wird, wobei die hier dargestellten Fußabdrücke
in Bewegungsphasen gezeigt sind, Diese entsprechen der Abtastrate
der Sensorfläche. Die Anzahl der bevorzugten Messungen
pro Zeiteinheit ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit
der das Band nach hinten gezogen wird. Bei der Bewegung des Fußes
entlang des Bandes wird vorzugsweise eine Vielzahl von Messbildern
aufgenommen. Die bevorzugte Abtastrate der Sensoren auf der Sensorplatte 1 beträgt
zwischen 30 und 100 Messbildern pro Sekunde.
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Die
Detektion der Vorschubgeschwindigkeit des Bandes über die
Bewegung der Laufwalze 2 entspricht jedoch in vielen Fällen
nicht den Erfordernissen einer hohen Messgenauigkeit, weil das Laufband 12 durch
das Betreten eine erhöhte Reibung erfährt und
damit seine Bewegungsgeschwindigkeit ändert. Auch kann
eine Messdifferenz auftreten durch eine Dehnung des Bandes oder
eine Bewegung des Bandes gegen die Laufrolle.
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Deshalb
werden durch Mustererkennung die zeitlichen und örtlichen
Positionen der Druckverteilungsmuster auf der Sensorfläche 1 durch
die Bewegung der markanten Druckmuster entlang der Sensorfläche
in Längsrichtung des Laufbandes detektiert. Ein auf dem
bewegten Band aufgesetzter Fuß wird automatisch vom umlaufenden
Band nach hingen gezogen und erzeugt auf den unter dem Band liegenden
Sensoren ein Druckverteilungsmuster, das sich in einer bestimmten
Geschwindigkeit entlang der Laufrichtung des Bandes bewegt. Diese
Druckmuster bzw. Druckflächen können von ihrer
Form und Ausdehnung her fortlaufend per Recheneinheit untersucht
werden, und die Vorschubbewegung der Druckmuster kann durch Mustererkennung
und Bildverarbeitung hinsichtlich der Zeit bzw. der Vorschubgeschwindigkeit
detektiert werden.
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Die
genaue Kenntnis der Position und Zeitzuordnung der Druckverteilungsmuster
oder Fußabdrücke auf dem Laufband ist eine Voraussetzung,
um beispielsweise die wesentlichen zeitlichen, örtlichen und
kräftemäßigen Parameter des menschlichen Ganges
bestimmen zu können. Werden zusätzlich zu der
Form der Druckverteilungsbilder noch die auftretenden Druckwerte
mit in Betracht gezogen, so kann die Genauigkeit der zeitlichen
und örtlichen Positionsbestimmung der Füße
auf dem Laufband erhöht werden.
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Weiterhin
kann die Bestimmung der Laufband-Geschwindigkeit durch Mustererkennung
mit anderen Messmethoden der Bestimmung der Bandgeschwindigkeit
kombiniert sein. So kann an einer der Laufrollen ein herkömmlicher
Tachogenerator vorgesehen sein, und es kann beispielsweise eine rechnerische
Mittelung des vom Tachogenerator abgegebenen Geschwindigkeitssignals
und des aus der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druckverteilungsbilder
ermittelten Geschwindigkeitswertes vorgesehen sein. Neben einer
solchen Mittelung von Geschwindigkeitssignalen unterschiedlicher
Herkunft kann auch eine Schwellwert-Diskriminierung vorgesehen sein,
um einen Plausibilitäts-Check zu realisieren und etwaige
völlig inplausible Messwerte, die im Ergebnis der Auswertung
der Druckverteilungsbilder erhalten werden, zu eliminieren bzw.
zu korrigieren.
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Alternativ
zum Einsatz eines Tachogenerators kann auch eine Detektion von Mustern
auf der Oberfläche des Laufbandes ein weiteres Geschwindigkeitssignal
liefern, welches auf die vorstehend erwähnte oder ähnliche
Weise mit Druckverteilungsbild-Signalen kombiniert werden kann.
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4 zeigt
in einer entsprechenden Ausführungsform die Bestimmung
der zeitlichen und örtlichen Position des Laufbandes 12 und
damit der Druckverteilungsmuster über ein aufgebrachtes
Codierungsmuster 15 auf dem Band. Dieses ist vorzugsweise
auf der Innenseite entlang des Laufbandes, beispielsweise als Streifenmuster 15,
aufgebracht. Über eine optische Detektionseinheit 17 kann die
Bewegung des Streifenmusters und damit des Bandes detektiert und
hieraus dessen Vorschubgeschwindigkeit bestimmt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform findet, wie in 5 dargestellt,
ein optischer Sensor 18 zur Erkennung von dem Material
des Bandes eigenen Oberflächenstrukturen 16 Verwendung.
Hierdurch lassen sich ebenfalls Rückschlüsse auf
die Bewegung des Bandes herleiten.
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Die
optischen Sensoren 17 bzw. 18 aus 4 und 5 können
in einer bevorzugten Ausführungsform direkt auf oder an
der Sensorplatte 2a untergebracht sein, wodurch sich eine
kompakte Einheit ergibt; vgl. 7b.
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6 zeigt
eine spezielle Ausführung eines Laufbandes, das speziell
für die Analyse eines Ganges mit Stöcken (Walken)
konzipiert ist. Dieses besitzt drei getrennte Laufbänder 2a.1, 2a.2,
und 2a.3, wovon zwei für den Stockeinsatz vorgesehen
sind. In einer Variante sind die beiden äußeren
schmaleren Bänder 2a.2, 2a.3 – optional
auch das mittlere Band – jeweils mit einer Sensorplatte 1.1, 1.2 bzw. 1.3 ausgestattet,
so dass die Koordinaten des Stockeinsatzes beim Gehen genau untersucht
werden kann. Die Detektion der Druckverteilungsmuster wie auch der Bandgeschwindigkeiten
erfolgt wie in den obigen Beispielen beschrieben und wird für
jedes Band separat durchgeführt.
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Eine ähnliche
Anordnung mit mehreren separat aufgebauten Laufbändern
kann auch für Einsatzzwecke vorteilhaft sein, bei denen
es auf eine Links/Rechts-Differenzierung des Ganges eines Patienten
bzw. Probanden und ggf. die Bereitstellung eines differenzierten
Feedback durch das Laufband auf den Körper für
den linken und rechten Fuß ankommt. Hierzu können
dann die separaten Laufbänder beispielsweise unterschiedlich
straff eingestellt oder mit in verschiedenem Maße elastischem
Bandmaterial realisiert sein. Im übrigen lässt
sich ein vorbestimmtes Feedback auf die Füße auch
durch eine in vorbestimmten Maße druckelastische Ausführung
der Sensorplatte(n) realisieren.
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7a und 7b zeigen
zwei Ausführungsbeispiele für die Befestigung
der Sensorplatte 2a innerhalb des Laufbandsystems. Hierbei
wird die Sensorplatte 2a auf einer Grundplatte 14 bzw. 14i des
Laufbandsystems montiert, wobei das Laufband mittels Ablenkrollen 19 (7a)
oder Ablenkkeilen 19' (7b) über
die Sensorplatte 2a bzw. 2a' geleitet wird. Bei
der Ausführung nach 7b ist
zudem schematisch die Anbringung des weiter oben erwähnten
optischen Sensors 17 zur Erfassung der Bandgeschwindigkeit
aufgrund eines Kodierungsmusters auf der entsprechenden Grundplatte 14' gezeigt.
Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass vorhandene Laufbandsysteme
ohne großen Aufwand nachträglich mit einer Messsensorik
ausgestattet werden können.
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8 zeigt
in Art eines Blockschaltbildes den grundsätzlichen Aufbau
einer Tachometerstufe 20, in der unter Nutzung von durch
die Auswertungseinheit 5 ausgegeben Druckverteilungsbilder
als erstem Datensatz D1 sowie von durch den optischen Detektor 17 ausgegebenen
Detektorsignalen als zweitem Datensatz D2 ein Bandgeschwindigkeitssignal
V als Eingangssignal für eine Verarbeitungseinheit 6' gewonnen
wird.
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In
der gezeigten Ausführung umfasst die Tachometerstufe 20 einen
Druckverteilungsbild-Speicher 21, die als Mehrbereichs-Speicher
zur Speicherung einer Folge von Druckverteilungsbildern D1 ausgebildet
ist, eine diesem Speicher nachgeschaltete Druckverteilungsbild-Verarbeitungseinheit 22 sowie
eine dieser ausgangsseitig zugeordnete erste Geschwindigkeits-Ausgabestufe 23.
Weiterhin umfasst die Ta chometerstufe 20 einen Echtzeitgeber 24, welcher
sowohl die Verarbeitung der Druckverteilungsbild-Verarbeitungsstufe 22 als
auch diejenige der Detektor-Ausgangssignale D2 in einer zweiten Geschwindigkeits-Ausgabestufe 25 steuert.
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Die
Prinzipien der vergleichenden Verarbeitung aufeinander folgend aufgenommener
Druckverteilungsbilder in der Verarbeitungseinheit 22 sind nicht
Gegenstand der vorliegenden Erfindung und werden daher hier nicht
genauer beschrieben. Sie basieren auf dem mathematischen Prinzip
der Faltung, wobei die lokal zusammenhängenden Druckverteilungsmuster
als mehrdimensionale Vektoren dargestellt und als Maß zur
Bewertung Ihrer Übereinstimmung das Skalarprodukt hieraus
gebildet wird.
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Ausgangssignale
V1 und V2 der beiden Ausgabestufen 23, 25 werden
in einer Mittelungsstufe 26 aufgrund eines vorbestimmten
Algorithmus (der nicht unbedingt eine arithmetische Mittelwertbildung
bewirken muss) einer Mittelung unterzogen, und das errechnete Ergebnis
wird als Geschwindigkeitssignal V ausgegeben.
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9 zeigt,
ebenfalls in Art eines Blockschaltbildes, den Aufbau einer Ausführung
einer Korrekturstufe 27 zur dynamischen sensor-selektiven Korrektur
von Ausgangssignalen der Druck-/Kraftsensoren 1i der Sensoroberfläche 1 einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ganganalyse.
Zur Vereinfachung der Darstellung ist von der Sensorfläche 1 lediglich
eine Zeile 1Z mit einer Mehrzahl von Einzel-Sensoren 1i dargestellt,
und die Figur bezieht sich auf die Messsignalkorrektur jener beispielhaft dargestellten
Druck-/Kraftsensoren.
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Jedem
der Sensorelemente 1i ist ein Korrekturglied 28i zugeordnet,
in dem sein Ausgangssignal um einen Korrekturbetrag geändert
werden kann, der jeweils sensor-spezifisch errechnet wird, bevor
es in die Auswertungseinheit 5 gelangt. Ausgangsseitig der
Auswertungseinheit 5 ist ein zur Korrekturstufe 27 gehöriger
Druckverteilungsbild-Speicher 29 vorgesehen, dem ausgangsseitig
eine Druckverteilungsbild-Vergleichereinheit 30 zugeordnet
ist. Der Druckverteilungsbild-Speicher 29 speichert über
einen voreingestellten Zeitraum aufgenommene Druckverteilungsbilder,
und die Vergleichereinheit 30 vergleicht diese (nach Ausführung einer
Positions-Korrekturrechnung), um zu ermitteln, welche der Druck-/Kraftsensoren 1i in
diesem Zeitraum besonders häufig und intensiv beaufschlagt
wurden. Erfahrungsgemäß unterliegen diese Sensoren
einer besonders gravierenden Erwärmung und somit entsprechenden
Messsignalverfälschungen.
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Die
Verarbeitungseinheit 30 gibt im Ergebnis ihrer Verarbeitung
eine Tabelle von sensor-spezifischen Korrekturwerten aus, die in
einer nachgeschalteten Zeitanpassungsstufe 31 noch einer
multiplikativen Verarbeitung mit einer in einem Zeitglied-Speicher 32 gespeicherten
Zeitkurve unterzogen werden. Durch diese Nachbearbeitung wird die
mit zunehmender Betriebszeit zunehmende Erwärmung und damit
auch das zeitliche Anwachsen des erforderlichen Korrekturbetrages
bzw. -faktors berücksichtigt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Anordnung werden beim zu vermessenden Subjekt über einen
Messadapter 8 (1) weitere biometrische Signale
aufgezeichnet. Dies können Muskelaktionsspannungen sein,
die über Elektroden 13 abgenommen werden. Ebenso
können dies über elektrische Goniometer abgenommene Gelenkwinkel
oder Neigungswinkel sein. Die Messdaten werden vorzugsweise über
ein Funksignal 11 zu einem Empfänger 6a an
der Recheneinheit 6 übertragen.
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Bei
der Darstellung der biometrischen Signale auf der Recheneinheit 6 kommt
es darauf an, dass diese zeitsynchron zusammen mit den Druckverteilungswerten
der Sensorplatte 2a dargestellt werden. Hierzu wird beim
gezeigten Ausführungsbeispiel von der Ansteuereinheit 5 über
einen Lichtsender der Sensorplatte 7 ein Lichtsignal, vorzugsweise
als Infrarotlicht 10 zu einem Lichtempfänger 9 im
Messadapter 8 gesandt. Das Lichtsignal 10 kann
z. B. jedes Mal dann gesendet werden, wenn der Fuß eines
Probanden die Sensorfläche trifft.
-
Die
vorzugsweise codierten Lichtimpulse 10 werden in elektrische
Daten umgewandelt, dem biometrischen Messsignal aufgeprägt
und per Funksignal 11 an die Recheneinheit übermittelt.
Die Codierung der Lichtimpulse kann dadurch bewerkstelligt werden,
dass beispielsweise Impulse in einem bestimmten kurzen Zeitab stand
versandt werden. In der Recheneinheit 6 werden dann die
biometrischen Signale 13 mit den Druckverteilungswerten
zeitsynchron zusammen dargestellt.
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Es
wird ein numerisch codierter Zeitstempel übertragen, der
die Daten der beiden voneinander unabhängig messenden Systeme
(Ganganalyse bzw. biometrische Messung) in zeitliche Synchronität bringt.
Da beide Systeme ihre Messungen in einem jeweils bekannten Zeitraster
durchführen, ist eine korrekte Zuordnung zwischen ihnen über
die gesamte Messdauer möglich, sobald nur eine einzige
Codierung korrekt übertragen wurde (auch wenn sehr viele
Synchronisationsversuche während der Dauer der Messungen
fehlgeschlagen sein sollten). Die vorgeschlagene Synchronisation
zeichnet sich daher durch außerordentliche Zuverlässigkeit
und Robustheit aus.
-
10 und 11 zeigen
in einer schematischen Querschnitts- und einer teilweise geschnittenen
perspektivischen Darstellung die erfindungsgemäße
Halterung der Sensorplatte 2a der in 1 gezeigten
Vorrichtung auf Absolutwert-Kraftfühlern, hier auf vier
nahe den Eckpunkten der Platte angeordneten Kraftmessdosen 33,
auf einer Bodenplatte 34. Im übrigen umfasst die
Vorrichtung, wie bereits in 1 gezeigt,
zwei Laufwalzen 2, um die das Laufband 12 geschlungen
ist, unter dessen oberer Seite die Sensorplatte 2a mit
der Sensorfläche 1 liegt.
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12 veranschaulicht
skizzenhaft, dass der auf die Messplatte 2a durch einen
Fuß F ausgeübte Druck p einerseits durch die matrixförmig
angeordneten Druck- bzw. Kraftsensoren 1i räumlich
aufgelöst erfasst und in der nachgeordneten Recheneinheit 6 verarbeitet
wird und dass der Druck andererseits durch die vier Kraftmessdosen 33 aufgenommen
wird und deren Messwerte in einer Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe 35 verarbeitet
werden, wobei die beiden Recheneinheiten bzw. Verarbeitungsstufen 6 und 35 ein
erstes Ausgangssignal F1 bzw. ein zweites Ausgangssignal F2 liefern.
Die Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe 35 kann als Zusatzteil
der Recheneinheit 6 aufgefasst werden bzw. mit ihr verbunden
sein. Wie in 12 lediglich skizzenhaft dargestellt,
umfasst die Zusatzsignal-Verarbeitungseinheit 35 eine Summensignal-Verarbeitungskomponente 35.1 und
eine Zeitabhängigkeits-Verarbeitungskomponente 35.2,
die ein erstes beziehungs weise zweites Korrektur- bzw. Kompensationssignal
F2a bzw. F2b für die Auswertung der durch die Sensorplatte 2a aufgenommenen
zeitabhängigen Druckverteilungsbilder an die Recheneinheit 6 liefern
können.
-
Bei
der vorgeschlagenen Vorrichtung werden in jeder Belastungsphase
die Kräfte auf die gerade beanspruchten Drucksensoren (hier
bei Fersenauftritt) aufaddiert. Gleichzeitig werden die Kräfte aufaddiert,
die in die Kraftmessdosen eingeleitet werden. In einer bevorzugten
Ausführung werden die Druckverteilungssensoren in einer
Recheneinheit softwaremäßig additiv verknüpft,
und die Ausgangsspannungen der Kraftmessdosen werden mit einer einfachen
elektrischen Schaltung addiert und nach A/D Wandlung der Recheneinheit
zugeführt (hier nicht dargestellt). Es wird davon ausgegangen,
dass die Werte der Kraftmessdosen genauer sind. Deshalb erfolgt
nun ein Soll-Ist-Vergleich. Danach werden die Druckwerte jedes einzelnen
beanspruchten Drucksensors der Messmatrix um den Prozentsatz der
Abweichung korrigiert.
-
Da
u. U. bekannt ist, in welchen Kraftbereichen die Drucksensoren der
Messmatrix besonders genau oder ungenau sind, werden diese in einer
besonderen Ausführungsform je nach angezeigtem Druckwert
verschieden stark prozentual korrigiert. Ist die gesamte Soll/Ist-Kraftabweichung
z. B. 10% so können die Sensoren mit hoher Druckbelastung
z. B. mit 12% nach oben oder unten korrigiert werden und Sensoren
mit niedriger Druckbelastung z. B. nur mit 9%.
-
In
einer Ausführungsform können die Ausgangssignale
der Kraftmessdosen zusätzlich getrennt verarbeitet werden,
wobei hierdurch gegebenenfalls der Kraftangriffspunkt der auf die
Messplatte einwirkenden Kräfte bestimmt werden kann.
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13 und 14 zeigen
in einer schematischen Querschnittsdarstellung bzw. schematischen Draufsicht
eine weitere Ausführungsform, bei der die Bezugsziffern
für die bereits weiter oben erläuterten Komponenten
beibehalten sind, und diese werden hier auch nicht nochmals erläutert.
Um einen Krafteintrag in die hochwertigen Kraftmessdosen 33 gemäß einer
streng vorgegebenen Wirkungsrichtung zu gewährleisten,
sind hier auf der Grundplatte 34 jeweils in Zuordnung zu
einer Kraftmessdose 33 Führungsstifte 36 vorgesehen,
die in entsprechende Bohrungen 37 in der Messplatte 2a eingreifen.
Hierdurch ist eine Lateralführung der Messplatte gegenüber
der Grundplatte 34 sowohl in X- als auch in Y-Richtung
und somit ein Krafteintrag in die Kraftmessdosen 33 exakt
in Z-Richtung gewährleistet. Im übrigen unterscheidet
sich die in 13 bis 15 dargestellte
Anordnung von der vorgenannten Ausführungsform dadurch,
dass hier insgesamt sechs Kraftmessdosen vorgesehen sind, die Messplatte 2a also
an mehr Punkten gegenüber der Bodenplatte 34 abgestützt
ist und daher weniger biegesteif und somit leichter und kostengünstiger
ausgeführt werden kann.
-
15 veranschaulicht,
wie die Vorrichtung aus 13 und 14 zur
Untersuchung des Ganges eines Probanden beim Bergauf- bzw. Bergabgehen
um einen Winkel α schräg gestellt werden kann. Es
versteht sich, dass bei dieser Stellung ein Teil der Vertikalkräfte
nicht durch die Kraftmessdosen 33, sondern durch die Stift/Bohrungs-Führungen 36/37 aufgenommen
und hierdurch das Messergebnis bis zu einem gewissen Grade verfälscht
wird. Für kleine Neigungswinkel α ist die Verfälschung
vernachlässigbar. Erfindungsgemäß kann
abhängig vom Neigungswinkel des Laufbandes der Kraftvektor
bestimmt und der Kraftwert korrigiert werden.
-
16 zeigt
einen typischen zeitlichen Verlauf eines Kraft-Summensignals F,
wie er für den normalen menschlichen Gang – mit
zeitlich überlapptem Auftreten mit dem linken und rechten
Fuß („links” bzw. „rechts") – typisch
ist. Im Rahmen der Erfindung kann das Kraft-Summensignal aus den
Ausgangssignalen der Basis-Kraftsensoren gewonnen werden. Da mit
den Kraftmessdosen die Gesamtkraft gemessen wird, liegt es nahe,
für diese Kraftkurven nicht die Summensignale der Druckverteilungssensoren
(F1), sondern gleich die genaueren Summensignale der Kraftmessdosen
(F2) zu verwenden.
-
Zur
Erläuterung dieses Vorgehens dient 17, wo
auf der Messplatte 2a rein illustrativ ein durch den linken
Fuß belastetes Teil-Sensorfeld 11 und ein durch
den rechten Fuß belastetes Teil-Sensorfeld 1R dargestellt
sind. Hierbei ergibt sich das Problem, dass beim normalen Gehen
in bestimmten Zeitabschnitten beide Füße gleichzeitig
auf dem Laufband sind. Dadurch kann die Gesamtkraft F2 nicht direkt
verwendet werden. In einem besonderen Verfahren werden deshalb zunächst
die Ergebnisse der Druckverteilungssensorik ausgewertet. Hierbei werden
mittels Recheneinheit die Abdrücke nach linker und rechter
Körperseite identifiziert und die zeitlichen Zuordnungen
berechnet. Danach werden zu den Zeiten, wo beide Füße
auf dem Band sind, die korrigierten Kraftwerte F1 und zu den Zeiten,
wenn der linke oder rechte Fuß die Platte alleine belastet, die
Kraftwerte F2 dargestellt. Die Berücksichtigung der Druckmuster
im Zusammenhang mit der Bestimmung der Krafte F2 kann für
weitere Analysen vorteilhaft sein.
-
Die
Identifizierung der Abdrücke und damit des Kraftsummensignals
nach linker und rechter Körperseite kann auf verschiedene
Weise erfolgen. Es können beispielsweise die Abdrücke
vom Untersucher identifiziert und den Körperseiten zugeordnet werden.
Es ist aber auch möglich, nur den ersten Abdruck zu identifizieren
und die weiteren dann automatisch der linken und rechten Körperseite
zuzuordnen, da diese ja alternierend auftreten müssen.
Besonders bevorzugt ist es auch, den ersten oder alle Abdrücke
automatisch per Recheneinheit der richtigen Körperseite
zuzuordnen. Dies kann durch eine Erkennung des Abdruckmusters des
Füsse erfolgen. Des weiteren ist es möglich eine
Analyse durchzuführen, ob die Fußabdrücke
mehr auf der linken oder mehr auf der rechten Seite zu lokalisieren
sind und die Zuordnung danach zu treffen.
-
Diese
Analyse kann eine Gewichtung nach den Dimensionen der Abdrücke,
den Druckwerten oder dem Schwer- bzw. Kraftangriffspunkt beinhalten.
-
Des
weiteren kann es sinnvoll sein einen ganzen Zeitabschnitt mit mehreren
Abrollvorgängen aufzuzeichnen und danach die entsprechende
Analyse und Zuordnung durchzuführen oder verschiedene der
genannten Verfahren miteinander zu kombinieren.
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Beim
schnelleren Laufen entfallen in der Regel die Doppelbelastungsphasen,
sodaß direkt die Kraftwerte F2 zur Darstellung gebracht
werden können. Es erfolgt nur noch die Zuordnung zur linken
und rechten Körperseite unter Zuhilfenahme der Drquckverteilungswerte.
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18 zeigt
als spezielle Ausgestaltung eine Kraftmessdose 33, die
einen kapazitiven Sensor 33S mit zwei Kondensatorplatten 33.1 und 33.2 sowie
einem elastischem Dielektrikum 33.3 aufweißt.
In dieser Ausführungsform kann der Basis-Kraftsensor sehr
flach gestaltet werden, und in der dargestellten Ausführung
sind eine Signalaufbereitung und ein Addierer (in analoger oder
digitaler Form) mit integriert, so dass diese Kraftmessdose sich
leicht in eine Anordnung der in 12 skizzierten
Art zur Ermittlung eines Kraft-Summensignals einbinden lässt-
aber im Unterschied zur dort dargestellten Ausführung mit verketteten
integrierten Addierern. Die Integration von Summierern im oder am
Kraftsensor ist natürlich auch vorteilhaft bei der Verwendung
von Kraftmessdosen, die nach anderen Messverfahren wie z. B. mit Dehnungsmessstreifen
arbeiten. Sofern nicht eine digitale Aufsummierung verwendet wird,
können sowohl die Strom- als auch die Spannungssignale
aufsummiert werden. Der besondere Vorteil liegt dabei in der einfachen
Leitungsführung, die dann nur von Kraftmessdose zu Kraftmessdose
durchgeschleift werden muss.
-
Die 19A, 19B und 20 zeigen eine
weitere Ausführungsform, bei der – unter Nutzung
von fünf Kraftmessdosen (19A)
bzw. von zwölf Kraftmessdosen (19B)
die Basis-Kraftsensorik in die jeweilige Messplatte 2a integriert
ist. Eine flache Ausbildung der Kraftmessdosen 33 (wie
in 20 symbolisch dargestellt) ist hierfür
von Vorteil. Wie in 19A nochmals schematisch dargestellt, werden
auch hier die Signale der einzelnen Kraftmessdosen zum Kraft-Summensignal
(Gesamtkraft) aufaddiert. Speziell bei der Anordnung aus 19B ist eine zeilen- bzw. spaltenweise Zusammenfassung der
Kraftmessdosen im Ansteuerungs- und Auswertungs-Sinne möglich.
Die große Anzahl der Tragpunkte bei der letztgenannten
Ausführung ermöglicht eine besonders dünne
und leichte Ausführung der Messplatte 2a (Druckverteilungsplatte).
-
21 zeigt
in schematischer Darstellung wesentliche Teile einer weiteren Ausführung
der vorgeschlagenen Anordnung, als Modifikation der in 20 gezeigten
Ausführung. Jener gegenüber ist die Anzahl der
die Messplatte 2a mit den matrixförmig angeordneten
Sensoren 1 tragenden Kraftmessdosen 33 reduziert,
und eine zusätzliche laterale Führung auf der
Bodenplatte 34 wird durch Blattfederelemente 38 realisiert.
Die Blattfederelemente 38 fangen etwaige Scher- bzw. Horizontalkräfte
auf und halten diese somit von den Kraftmessdosen 33 fern. Sie
können zudem eine gewisse Vorspannung der Messplatte 2a gegenüber
der Bodenplatte 34 erzeugen, die dann bei der Ermittlung
der tatsächlichen Druck- bzw. Kraftwirkung beim Gehen bzw.
Laufen des Probanden ohne weiteres wieder auskorrigiert werden kann,
da die Federkonstanten der Blattfedern (oder ähnlicher
Federelemente) bekannt sind.
-
Je
nach konkreter Auswahl der Blattfedern oder sonstigen Biegefederelemente
und ihrer gewählten Befestigung an der Messplatte einerseits und
der Bodenplatte andererseits kommen verschiedene räumliche
Anordnungen in Betracht, von denen zwei Varianten in 21A und 21B skizziert sind.
Während bei der Anordnung nach 21A vier längliche
Blattfederelemente 38 miteinander ausgerichtet jeweils
an den Eckpunkten der Messplatte 2a angebracht sind, zeigt 21B eine alternative räumliche Anordnung,
bei der zwei der Blattfederelemente in der Mitte der kurzen Seiten
der Messplatte 2a angeordnet und miteinander fluchtend
in X-Richtung ausgerichtet sind, während zwei weitere Blattfederelemente
in der Mitte der längeren Seiten der Messplatte 2a angeordnet
und rechtwinkelig hierzu, also in Y-Richtung miteinander fluchtend,
ausgerichtet sind.
-
Ähnliche
Anordnungen sind im Übrigen mit Scharnierelementen möglich,
die keine Federwirkung haben und somit keine Vorspannung der Messplatte
gegenüber der Bodenplatte bewirken und somit keine Korrektur
dieser Vorspannung erfordern.
-
Die
Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen
Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern
ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die
im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. Insbesondere
sollen sämtliche technisch möglichen Kombinationen
der Merkmale der einzelnen Ansprüche als im Schutzbereich
der Erfindung liegend angesehen werden.
-
- 1;
1.1; 1.2; 1.3
- Druck-/Kraftverteilungs-Sensorfläche
- 1i
- Sensor
- 1Z
- Sensor-Zeile
- 2
- Laufwalzen
- 2a;
2a.1; 2a.2; 2a.3
- Sensorplatte/Sensormatte
- 3
- Folie
zur Aufnahme der Horizontalkräfte
- 4
- Detektor
für die Drehgeschwindigkeit der Laufwalze
- 5
- Ansteuereinheit
- 6;
6i
- Recheneinheit
- 6a
- Empfänger
- 7
- Lichtsender
- 8
- Messadapter
- 9
- Lichtempfänger
- 10
- Lichtimpulse
- 11
- Funksignal
- 12
- Laufband
- 13
- Elektrode
- 14
- Grundplatte
am Laufband
- 15
- Codierungsmuster
- 16
- Oberflächenstruktur
des Laufbandes
- 17;
18
- optischer
Detektor
- 19
- Ablenkrolle
- 19'
- Ablenkkeil
- 20
- Tachometerstufe
- 21
- Druckverteilungsbild-Speicher
- 22
- Druckverteilungsbild-Verarbeitungsstufe
- 23
- Geschwindigkeits-Ausgabestufe
- 24
- Echtzeitgeber
- 25
- Geschwindigkeits-Ausgabestufe
- 26
- Mittelungsstufe
- 27
- Korrekturstufe
- 28i
- Korrekturglied
- 29
- Druckverteilungsbild-Speicher
- 30
- Druckverteilungsbild-Vergleichereinheit
- 31
- Zeitanpassungsstufe
- 32
- Zeitglied-Speicher
- 33
- Kraftmessdose
- 34
- Bodenplatte
- 35
- Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe
- 35.1
- Summensignal-Verarbeitungskomponente
- 35.2
- Zeitabhängigkeits-Verarbeitungskomponente
- 36
- Führungsstift
- 37
- Bohrung
- 38
- Blattfederelement
- F
- Fuß
- F1,
F2; F2a, F2b
- Kraftsignale
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3642088
C2 [0002]
- - DE 2529475 C3 [0002]
- - DE 4027317 C1 [0004]
- - US 6010465 A [0004]
- - US 6010465 [0006]
- - EP 2006/010471 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - R. Kram und
A. J. Powell: „A treadmill-mounted force platform" Appl.
Physiol. 67 (4): 1692–1698 (1989) [0005]