DE102007049323A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ganganalyse unter Einsatz eines Laufbandes - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Ganganalyse unter Einsatz eines Laufbandes Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Ganganalyse unter Einsatz eines Laufbandes, mit einem über mindestens zwei Laufrollen geführten Endlosband, dessen Oberfläche als Lauffläche dient, einer Sensorik zur Bestimmung einer Druck-/Kraftverteilung auf einer unterhalb des Endlosbandes befindlichen Messplatte, die auf der dem Band zugewandten Seite eine Vielzahl matrixförmig angeordneter Druck-/Kraftsensoren aufweist, wobei die Messplatte mit der Vielzahl matrixförmig angeordneter Druck-/Kraftsensoren ihrerseits von mindestens einem Basis-Kraftsensor getragen ist und diedes Basis-Kraftsensors verbundenen Zusatzsignaleingang sowie eine Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe zur Verarbeitung des Ausgangssignals des oder jedes Basis-Kraftsensors im Sinne einer Kalibrierung beziehungsweise Korrektursignalverarbeitung der Ausgangssignale der matrixförmig angeordneten Druck-/Kraftsensoren aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ganganalyse am Laufband.
  • Vorrichtungen zur Erfassung von Druck- bzw. Kraftverteilungen sind an sich bekannt, beispielsweise aus der DE 36 42 088 C2 und der DE 25 29 475 C3 .
  • 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.
  • 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 .
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 1 eine schematische Darstellung wesentlicher Teile einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 2 eine schematische Darstellung der Trägerplatte aus 1,
  • 3 eine Prinzipskizze des Laufbandes in Draufsicht mit Druckverteilungsbildern,
  • 4 und 5 Prinzipdarstellungen modifizierter Laufband-Ausführungen mit Mitteln zur Geschwindigkeitsbestimmung,
  • 6 eine Vorrichtung mit mehreren Laufband-Anordnungen,
  • 7a und 7b schematische Darstellungen spezieller Laufband-Anordnungen in Art einer Seitenansicht,
  • 8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Tachometerstufe der Verarbeitungseinheit,
  • 9 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Korrekturmittel zur Korrektur erwärmungsbedingter Messsignalverfälschungen,
  • 10 und 11 schematische Darstellungen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 12 eine schematische Darstellung zur Auswertung der Kraftsignale bei einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 13 und 14 schematische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform,
  • 15 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach 13 und 14 in einer speziellen Anwendung,
  • 16 einen typischen zeitlichen Verlauf eines Kraft-Summensignals,
  • 17 eine Darstellung zur Erläuterung der Gewinnung eines Kraft-Summensignals aus den Signalen der Kraftmessdosen,
  • 18 eine spezielle Ausgestaltung einer Kraftmessdose,
  • 19A, 19B und 20 Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
  • 21 bis 21B Darstellungen einer weiteren Ausführungsform.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • 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]

Claims (30)

  1. Vorrichtung zur Ganganalyse unter Einsatz eines Laufbandes, mit einem über mindestens zwei Laufrollen geführten Endlosband, dessen Oberfläche als Lauffläche dient, einer Sensorik zur Bestimmung einer Druck-/Kraftverteilung auf einer unterhalb des Endlosbandes befindlichen Messplatte, die auf der dem Band zugewandten Seite eine Vielzahl matrixförmig angeordneter Druck-/Kraftsensoren aufweist, einer mit den Druck-/Kraftsensoren eingangsseitig verbundenen Auswertungseinheit, welche die Position von Druckverteilungsbildern eines laufenden Wirbeltiers auf dem Laufband detektiert, und einer eingangsseitig mit der Auswertungseinheit verbunden Verarbeitungseinheit, welche aus der Zeit- und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsbilder Messparameter zur Kennzeichnung des Ganges des Wirbeltiers erzeugt, wobei die Messplatte mit der Vielzahl matrixförmig angeordneter Druck-/Kraftsensoren ihrerseits von mindestens einem Basis-Kraftsensor getragen ist und die Auswertungseinheit einen mit einem Signalausgang des Basis-Kraftsensors verbundenen Zusatzsignaleingang sowie eine Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe zur Verarbeitung des Ausgangssignals des oder jedes Basis-Kraftsensors im Sinne einer Kalibrierung beziehungsweise Korrektursignalverarbeitung der Ausgangssignale der matrixförmig angeordneten Druck-/Kraftsensoren aufweist.
  2. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 1, wobei die Messplatte durch mindestens drei, bevorzugt vier bis acht, Basis-Kraftsensoren getragen ist.
  3. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messplatte durch zusätzliche Führungsmittel, insbesondere Führungsstift/Bohrungs-Kombinationen oder Scharnierelemente oder Biegefederelemente, zur Fernhaltung von Scher- bzw. Torsionskräften von den Basis-Kraftsensoren lateral geführt ist.
  4. Vorrichtung zur Ganganalyse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe zur Summensignalverarbeitung der Basis-Kraftsensoren ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung zur Ganganalyse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe zu einer Verarbeitung des Ausgangssignals des oder jedes Basis-Kraftsensoren in seiner Zeitabhängigkeit zur Korrektur des zeitabhängigen Verlaufs der Ausgangssignale der Vielzahl matrixförmig angeordneter Druck-/Kraftsensoren aufgrund eines vorbestimmten Verlaufskorrekturalgorithmus ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung zur Ganganalyse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe Mittel zur Messplatten-Gewichtskorrektur des Ausgangssignals des oder jedes Basis-Kraftsensors aufweist, welche insbesondere in Abhängigkeit von einer Neigung der Messplatte im Betrieb einstellbar sind.
  7. Vorrichtung zur Ganganalyse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ausgangssignal der Zusatzsignal-Verarbeitungsstufe als Druck- bzw. Kraft-Summensignal der Verarbeitungsstufe ausgegeben wird und insbesondere dieses Signal beeinflussende Mittel zum Auskorrigieren einer Zwei-Fuß-Belastung der Messplatte vorgesehen sind.
  8. Vorrichtung zur Ganganalyse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine mit der Auswertungseinheit eingangsseitig verbundene Tachometerstufe vorgesehen ist, welche unter Nutzung der Zeit- und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsbilder eine Momentangeschwindigkeit des Endlosbandes als zusätzliche Eingangsgröße der Auswertungs- oder Verarbeitungseinheit errechnet.
  9. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 8, wobei ein Geschwindigkeits-Messfühler zur direkten Erfassung der Geschwindigkeit des Laufbandes vorgesehen ist, welcher mit einem zweiten Eingang der Tachometerstufe verbunden ist, und die Tachometerstufe zur Auswertung des Signals des Messfühlers in Verbindung mit der Zeit- und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsbilder ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 9, wobei der oder ein Geschwindigkeits-Messfühler ein Tachometerfühler an einer Laufrolle des Laufbandes ist.
  11. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 9 oder 10, wobei auf einer Seite entlang des Laufbandes ein Kodierungsmuster aufgebracht ist und der oder ein Geschwindigkeits-Messfühler ein optischer Detektor ist, welcher die Bewegung des Kodierungsmusters erfasst.
  12. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 11, wobei das Kodierungsmuster auf der den Laufrollen zugewandten Innenseite des Laufbandes und der optische Detektor an der die Druck-/Kraftsensoren aufweisenden Messplatte angebracht ist.
  13. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 9 oder 10, wobei der oder ein Geschwindigkeits-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.
  14. Vorrichtung zur Ganganalyse nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit Korrekturmitteln zur Korrektur erwärmungsbedingter Messsignalverfälschungen der Druck-/Kraftsensoren der matrixförmigen Anordnung.
  15. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 14, wobei die Korrekturmittel eine eingangsseitig mit der Auswertungseinheit verbundene und ausgangsseitig zwischen die Druck-/Kraftsensoren und den Eingang der Auswertungseinheit geschaltete Korrekturstufe zur sensor-selektiven Berechnung von Druck-/Kraftkorrektursignalen im Ansprechen auf die Zeit- und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsbilder aufweisen.
  16. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 14 oder 15, wobei 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
  17. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 15 und 16, wobei die Korrekturstufe ein Zeitglied aufweist, in dem eine gespeicherte Korrektursignal-Zeit-Kurve den Ausgangsignalen ausgewählter Druck-/Kraftsensoren aufgeprägt wird.
  18. Vorrichtung zur Ganganalyse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei 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.
  19. Vorrichtung zur Ganganalyse nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Synchronisationseinheit zur Synchronisation der Druck-/Kraft verteilungsmessung mit einer Erfassung weiterer biometrischer Messgrößen mittels separater Mess- und Verarbeitungseinrichtungen vorgesehen ist.
  20. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 19, wobei die Synchronisationseinheit eingangsseitig mit der Auswertungs- oder Verarbeitungseinheit verbunden ist, derart, dass Synchronisationssignale im Ansprechen auf die Zeit- und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsbilder ausgegeben werden.
  21. Vorrichtung zur Ganganalyse nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Synchronisationseinheit einen drahtlosen, insbesondere optischen oder Infrarotstrahlung nutzenden, Synchronsignalgeber aufweist.
  22. Verfahren zur Ganganalyse unter Einsatz eines Laufbandes, insbesondere unter Einsatz einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mittels einer unter einem Endlosband befindlichen Messplatte mit einer Vielzahl matrixförmig angeordneter Druck-/Kraftsensoren die beim Lauf eines Wirbeltiers über das Laufband auftretenden vertikalen Druckkomponenten bzw. Vertikalkräfte ortsaufgelöst gemessen und hieraus sich auf dem Laufband bewegende Druckverteilungsbilder in ihrer Zeit- und Ortsabhängigkeit abgeleitet und aus der Zeit- und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsbilder Messparameter zur Kennzeichnung des Ganges erzeugt werden, wobei eine Kalibrierung bzw. Korrektur der gemessenen vertikalen Druckkomponenten bzw. Vertikalkräfte, die sich als Ausgangssignal der matrixförmig angeordneten Druck-/Kraftsensoren ergeben, anhand der Ausgangssignale von die Messplatte tragenden Basis-Kraftsensoren ausgeführt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei ein Druck- bzw. Kraft-Summensignal aus den Ausgangssignalen der Basis-Kraftsensoren ermittelt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei die Ausgangssignale der Basis-Kraftsensoren zeitaufgelöst erfasst und zu einer Glättung der Zeitabhängigkeit der Signale der matrixförmig angeordneten Druck-/Kraftsensoren verarbeitet werden.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei eine Bestimmung der exakten Momentangeschwindigkeit des Laufbandes als Eingangsgröße für die Ableitung der Messparameter unter Nutzung der Zeit- und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsbilder ausgeführt wird.
  26. Verfahren zur Ganganalyse nach Anspruch 25, wobei die Bestimmung der Momentangeschwindigkeit unter Nutzung weiterer Eingangssignale, insbesondere von direkt am Laufband oder dessen Laufrollen abgegriffenen zeitabhängigen Messsignalen, ausgeführt wird.
  27. Verfahren zur Ganganalyse nach Anspruch 25 oder 26, wobei eine Messsignalkorrektur mindestens ausgewählter Druck-/Kraftsensoren zur Kompensation einer erwärmungsbedingten Signalverfälschung ausgeführt wird.
  28. Verfahren zur Ganganalyse nach Anspruch 27, wobei die Messsignalkorrektur unter Verwendung der Zeit- und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsbilder zur Bestimmung besonders verfälschungs-gefährdeter Druck-/Kraftsensoren ausgeführt wird.
  29. Verfahren zur Ganganalyse nach einem der Ansprüche 22 bis 28, wobei ein Synchronisationssignal zur Synchronisation der Erfassung weiterer biometrischer Messgrößen mit der Ganganalyse bereit gestellt wird.
  30. Verfahren zur Ganganalyse nach Anspruch 29, wobei die Bereitstellung des Synchronisationssignals im Ansprechen auf die Zeit- und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsbilder erfolgt.
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