DE102012003033A1

DE102012003033A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung und Darstellung von Kräften

Info

Publication number: DE102012003033A1
Application number: DE102012003033A
Authority: DE
Inventors: Martin Pusch
Original assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Current assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2013-08-22
Also published as: US20150038878A1; EP2814391A1; WO2013120622A1; WO2013120573A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Darstellung von Horizontal- und Vertikalkräften, die beim Stehen auf eine Person einwirken, bei dem die Person auf zwei separaten, miteinander gekoppelten Kraftmessplatten (11, 12) steht, wobei je ein Fuß auf einer Kraftmessplatte (11, 12) positioniert wird und über die Kraftmessplatten (11, 12) der jeweilige Unterstützungspunkt auf der Kraftmessplatte (11, 12) ermittelt wird, wobei ein resultierender Kraftvektor (F_RR, F_RL) aus den jeweiligen Unterstützungspunkten der beiden Kraftmessplatten (11, 12), einer bekannten Körperschwerpunktshöhe (2) und einer Vertikalkraftverteilung der beiden Kraftmessplatten (11, 12) zueinander berechnet und mit einer Wiedergabeeinrichtung (3) dargestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Darstellung von Kräften, die beim Stehen auf eine Person einwirken, bei dem die Person auf zwei separaten, miteinander gekoppelten Kraftmessplatten steht, wobei je ein Fuß auf eine Kraftmessplatte positioniert und über die Kraftmessplatten der jeweilige Unterstützungspunkt auf der Kraftmessplatte ermittelt wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Die EP 663 181 A2 beschreibt ein Anzeigesystem zur Vermessung des menschlichen Körpers und ein entsprechendes Verfahren, bei dem ein Patient auf einer Messplatte steht und mit einer lotrechten Schwerpunktlinie in Gestalt eines Laserstrahls versehen wird. Je nach Schwerpunktverlagerung wandert der Lichtstrahl in die eine oder andere Richtung. Über dieses Anzeigesystem ist es möglich, einen Prothesenaufbau, also die Zuordnung der einzelnen Prothesenkomponenten bei Prothesen der unteren Extremität zueinander, präziser einzustellen, so dass sich eine verbesserte Funktionalität und ein größerer Komfort des Prothesenträgers erzielt werden können.
Die WO 2002/059 554 A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Kräften, insbesondere von Kräften, die von einem Arbeiter auf andere Objekte ausgeübt werden. Dazu befindet sich der Arbeiter auf einer Kraftmessplatte, die die Kräfte in drei Raumorientierungen erfasst. Die ermittelten Kräfte werden auf einer beliebigen Anzeigeeinrichtung dargestellt.
Die US 4,598,717 A1 betrifft die Erfassung statischer und dynamischer Körperbelastungen mit Druckmessplatten, so dass eine Horizontalkraftermittlung stattfindet.
Die DE 10 2009 003 487 A1 betrifft eine Vorrichtung mit zwei getrennten, einander fest zugeordneten Kraftmessplatten und drei Anzeigeeinrichtungen, die die jeweilige Schwerpunktlinie der Kraftmessplatte auf den Körper der auf den Kraftmessplatten stehenden Person anzeigen. Die Lichtlinien werden auf den Körper projiziert. Neben der Anzeige der einzelnen Schwerpunklagen auf Projektionsebenen in der Sagittalebene und Frontalebene ist auch die Anzeige eines Gesamtschwerpunktes möglich. Zusätzlich sind manuell verstellbare Anzeigeeinrichtungen für die Anzeige von Solllagen oder Bezugsebenen vorgesehen. Ebenfalls kann der Abstand zwischen einzelnen Schwerpunktlagen oder eine Solllage und einer Schwerpunktlage angezeigt werden.
Die DE 10 2006 021 788 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung und Anzeige einer Horizontalkraftkomponente mit einer Kraftmessplatte, bei der die Anzeige auf einem Körperbild erfolgt. Die Anzeige kann über einen Beamer erfolgen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, in der preiswert und zuverlässig eine auf einen Patienten wirkende Horizontalkraftkomponente ermittelt und dargestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruches sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offenbart.
Das Verfahren zur Ermittlung und Darstellung von Horizontal- und Vertikalkräften, die beim Stehen auf eine Person einwirken, bei dem die Person auf zwei separaten, miteinander gekoppelten Kraftmessplatten steht, wobei je ein Fuß auf einer Kraftmessplatte positioniert wird und über die Kraftmessplatten der jeweilige Unterstützungspunkt oder die Schwerpunktsposition auf der Kraftmessplatte ermittelt wird, sieht vor, dass ein resultierender Kraftvektor aus den jeweiligen Unterstützungspunkten der beiden Kraftmessplatten, einer bekannten Körperschwerpunktshöhe und einer Vertikalkraftverteilung der beiden Kraftmessplatten zueinander berechnet und mit einer Wiedergabeeinrichtung dargestellt wird. Es ist also vorgesehen, dass hier eine getrennte, gleichzeitige Ermittlung der Unterstützungspunkte und der Schwerpunktspositionen unter den beiden Füßen eine Horizontalkraftkomponente errechnet wird, die unter der Annahme der Körperschwerpunktshöhe mit einer Wiedergabeeinrichtung, beispielsweise einem Bildschirm oder einem Projektor dargestellt wird. Die Darstellung kann auf dem Körper der Person direkt erfolgen oder durch einen geneigt dargestellten Kraftvektor, der in einem aufgenommenen und auf einem Bildschirm oder dergleichen dargestellten Bild eingeblendet oder angezeigt wird. Auch bei ungleich vertikal belasteten Platten ist eine zuverlässige Darstellung des Kippwinkels des resultierenden Kraftvektors ausgehend von der Körperschwerpunktshöhe möglich. Die Erfassung der einzelnen Unterstützungspunkte oder Schwerpunkte ist durch einfache Drucksensoren preiswert und zuverlässig möglich. Die Sensoren sind insbesondere nur in Vertikalrichtung wirksam, ähnlich einer Waage. Die auf den Kraftmessplatten stehenden Personen können über eine Kameraeinrichtung aufgenommen und das aufgenommene Bild durch die Wiedergabeeinrichtung dargestellt werden. Die Darstellung des resultierenden Kraftvektors kann auf der Grundlage einer ermittelten Horizontalkraftkomponente und einer Vertikalkraftkomponente mit dem Ursprung auf der Körperschwerpunkthöhe erfolgen, wobei die Darstellung in einem aufgenommen, Bild oder Film oder direkt auf der Person und dem dahinter befindlichen Hintergrund erfolgen kann.
Für jedes Bein separat kann die Vertikalkraftkomponente über dem jeweiligen resultierenden Unterstützungspunkt dargestellt werden, um einen visuellen Eindruck des Krafteinleitungspunktes der Vertikalkraft zu erhalten. Durch die separate Darstellung kann eine präzise Analyse der Gewichtsverteilung für jeden Fuß vorgenommen werden.
Ein Gesamtschwerpunkt kann aus den Unterstützungspunktdaten, also der Position auf der jeweiligen Kraftmessplatte, bzw. den Schwerpunktspositionsdaten der Kraftmessplatten ermittelt und der resultierende Kraftvektor für jede Kraftmessplatte berechnet und angezeigt werden. Die Darstellung oder Anzeige des resultierenden Kraftvektors kann mit dem Ursprung in dem Gesamtschwerpunkt in dem dargestellten Bild oder an der Person erfolgen. Der Gesamtschwerpunkt wird vorzugsweise über eine Schwerpunktslinie angezeigt, die in dem dargestellten Bild der Person eingeblendet wird oder auf die Person projiziert wird. Auf diese Weise kann sehr anschaulich über den geneigten, resultierenden Kraftvektor die Wirkung der Horizontalkraftkomponente dargestellt werden.
Um auch eine quantitativ zutreffende Darstellung der angreifenden Kräfte vornehmen zu können, ist vorgesehen, dass über Sensoren oder über Marker an zumindest einer Kraftmessplatte eine Autokalibrierung der Wiedergabeeinrichtung relativ zu der Kraftmessplatte durchgeführt wird, bevor der resultierende Kraftvektor dargestellt wird. Die Darstellung der Kraftvektoren kann somit maßstabsgerecht in dem Bild erfolgen. Die Autokalibrierung kann über mehrere Marker oder Sensoren, insbesondere photosensitive Sensoren erfolgen, die an zumindest einer Kraftmessplatte, vorzugsweise an allen Ecken der Kraftmessplatten angeordnet sind. Ein Messfeld, in dem sich die Kraftmessplatten und ggf. auch die Person auf den Kraftmessplatten befindet, wird abgescannt, so dass die Dimensionen der Kraftmessplatten, deren Position im Raum sowie der Ort, an dem der resultierende Kraftvektor dargestellt wird, ermittelt werden kann, so dass eine qualitativ und quantitativ zutreffende Darstellung erfolgen kann.
Die Autokalibrierung kann dadurch erfolgen, dass an Messpunkten zumindest einer Kraftmessplatte photosensitive Sensoren angeordnet sind und die Autokalibrierung durch Beleuchten des gesamten Messfeldes und anschließendes Verkleinern des beleuchteten Bereiches und selektives Aktivieren der einzelnen Sensoren durchgeführt wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Bildausschnitt der Kameraeinrichtung parallel zu einer Kante an einer der Kraftmessplatten angeordnet wird und dass ein Lichtfeld an der Wiedergabeeinrichtung, beispielsweise einem Beamer, in Richtung auf die Sensoren gerichtet wird, das zunächst alle Sensoren beleuchtet und anschließend für jeden Sensor so verkleinert wird, bis nur ein Sensor gerade noch beleuchtet wird. Dies wird für alle photosensitiven Sensoren wiederholt, so dass nacheinander die einzelnen Sensoren individuell angefahren werden, so dass die Positionierung zwischen der Kraftmessplatte und der Wiedergabeeinrichtung zusammen mit der Brennweite und Orientierung des Beamers bekannt sind. Die liegende Kraftmessplatte kann dabei so ausgerichtet werden, dass diese orthogonal am unteren Bildrand des Bildes der Wiedergabeeinrichtung liegt. Das Bild der Wiedergabeeinrichtung, beispielsweise des Beamers, soll so groß eingestellt werden, dass eine Person auf der Platte zumindest bis zur Höhe des Körperschwerpunktes beleuchtet wird. Eine vertikale Orientierung des Bildes der Wiedergabeeinrichtung wirkt sich vorteilhaft im Hinblick auf die Bildhelligkeit aus. Ein möglichst großer Abstand zwischen der Wiedergabeeinrichtung und der Kraftmessplatte verringert den Parallaxenfehler.
Zur Autokalibrierung können in vier Ecken der Messplatte, sofern diese rechteckig ausgebildet ist, die photosensitiven Sensoren angeordnet werden, die dann von der Wiedergabeeinrichtung, beispielsweise dem Beamer angestrahlt werden. Die Wiedergabeeinrichtung beleuchtet die gesamte Bildfläche, so dass sämtliche photosensitiven Sensoren das Signal erkennen und entsprechende Daten zu einer Auswerteeinrichtung übermitteln. Aus einer Richtung beginnend, beispielsweise von oben, wird die leuchtende Fläche der Wiedergabeeinrichtung, beispielsweise als blinkende Fläche ausgebildet, so verkleinert, dass die unterste Zelle gerade noch beleuchtet wird. Der gleiche Vorgang wird von den vier anderen Richtungen wiederholt, also von unten, links und rechts, so dass die genaue Position des einen Sensors bekannt wird. Dieser Vorgang wird in gleicher Weise für die anderen Sensoren wiederholt, so dass die Positionierung zwischen der Kraftmessplatte bzw. zwischen den Kraftmessplatten und der Wiedergabeeinrichtung zusammen mit der Brennweite und der Orientierung des Beamers ermittelt werden kann. Dadurch kann eine Autokalibrierung der Wiedergabeeinrichtung und der dargestellten Kraftsensoren innerhalb des Bildes erfolgen.
Zur Autokalibrierung kann es vorgesehen sein, dass von der Wiedergabeeinrichtung Muster in das Messfeld projiziert werden und angepasst werden, so dass sie mit den Sensoren oder Markeren an zumindest einer Kraftmessplatte übereinstimmen, die Sensoren oder Marker also genau angeleuchtet oder angeregt werden.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Autokalibrierung von der Wiedergabeeinrichtung in Abhängigkeit von Mustern oder Koordinaten im Messfeld durchgeführt wird. Es können Muster oder bestimmte Punkte im Messfeld erkannt werden. Die Kalibrierung kann auch erfolgen, indem der Anwender über einen Mauszeiger bestimmte Muster oder Kalibrierpunkte anfährt und bestätigt.
Es kann vorgesehen sein, dass das Bild der Wiedergabeeinrichtung, also der resultierende Kraftvektor, auf die auf den Kraftmessplatten stehende Person projiziert wird, was wiederum von einer Kameraeinrichtung aufgenommen werden kann. Ebenfalls ist es möglich, dass jede einzelne Kraftkomponente der Kraftmessplatten in dem Bild dargestellt wird, also dass jede Horizontalkraftkomponente der einzelnen Kraftmessplattformen separat dargestellt wird, so dass die von jedem Bein ausgeübte Horizontalkraftkomponente in dem Bild dargestellt wird, vorzugsweise als ein geneigter Kraftvektor der resultierenden Kraft. Der resultierende Kraftvektor kann insbesondere in einem Bild auf einem Monitor dargestellt werden, so dass der Angriffspunkt, die Orientierung und die Größe der Vektors lagerichtig und skaliert in dem Bild erfolgen kann.
Neben den Kraftmessplatten können vorteilhafterweise helle, bevorzugt weiße Flächen angeordnet sein, die zur Projektion von Zusatzdaten in dem Bild geeignet sind, gegebenenfalls kann auch auf die weißen Flächen selbst eine Projektion erfolgen, so dass die auf den Kraftmessplatten stehende Person während der Messwertaufnahme Informationen erhalten kann.
Die Körperschwerpunktshöhe kann manuell eingegeben werden oder wird über die Erfassung der Horizontalkraft in der Frontalebene oder Sagittalebene ermittelt. Bei der Erfassung der Horizontalkraft in der Frontalebene kann die Körperschwerpunktshöhe ermittelt und auch in der Sagittalebene genutzt werden.
Das mit der Kameraeinrichtung aufgenommene Bild kann sowohl in der Frontalebene als auch in der Sagittalebene mit dem Kraftvektor überlagert werden, indem der Kraftvektor in das Bild projiziert wird. Dadurch wird die Belastung der stehenden Person in beiden Ebenen visualisiert.
Die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche mit zwei Kraftmessplatten, die mit Sensoren zur Aufnahme von Kräften versehen sind, die mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind, über die die erfassten Messgrößen ausgewertet werden sieht vor, dass die Kraftmessplatten zumindest in einer Horizontalkraftrichtung entkoppelt gelagert sind. Die Kraftmessplatten sind dazu vorzugsweise auf Rollen gelagert, die vorteilhafterweise parallel zueinander geführt werden. Die Platten werden an einem Punkt am Rahmen in Bezug auf die Horizontalkraft gehalten, dies ist mit weichem Silikon ausreichend flexibel möglich.
Die Sensoren, insbesondere Horizontalkraftmesszellen, können auch unter den Kraftmessplatten angebracht werden. Die Messsensoren können als Horizontalkraftmesszellen ausgebildet sein, die unterhalb oder neben der jeweiligen Kraftmessplatte angeordnet sind. Die Anbindung der Horizontalkraftmesszellen an die Kraftmessplatten erfolgt dabei so, dass die Durchbiegung der Kraftmessplatten bei einer Belastung durch den Patienten keinen Einfluss auf das Ergebnis hat. Dies kann beispielsweise durch eine gelenkige Lagerung oder Schubstangen erfolgen.
Neben der Entkopplung in unterschiedlichen Horizontalkraftrichtungen ist es möglich, dass die beiden Kraftmessplatten in beiden Horizontalkraftrichtungen entkoppelt gelagert sind, beispielsweise durch eine kreuzweise angeordnete Gleit- oder Rollenlagerung. Alternativ können die Kraftmessplatte auf eine elastomeren Zwischenschicht gelagert werden oder auf im Querschnitt linsenförmigen Lagern. Grundsätzlich sind formstabile ein- oder zweidimensional gekrümmte Elemente oder Materialen, die keine oder kaum Scherkräfte übertragen, zur Lagerung geeignet, so dass im relevanten Bewegungsbereich kein wesentlicher Widerstand einer Verlagerung in Horizontalrichtung entgegengesetzt wird.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1a und 1b unterschiedliche Krafteinleitungspunkte in der Sagittalebene;
2 und 2b Kraftverläufe in Sagittal- und Transversalebenen mit und ohne horizontalen Kraftanteil;
3 eine Darstellung des Horizontalkrafteinflusses bei einander entsprechenden Horizontalkrafteinflüssen;
4 eine Darstellung gemäß 3 mit unterschiedlichen Horizontalkrafteinflüssen;
5 einen Kraftmessplattenaufbau mit Entkopplung in einer Horizontalkraftrichtung;
6 einen dynamisch gestapelten Kraftmessplattenaufbau;
7 eine Anordnung von Horizontalkraftmesszellen unterhalb der Kraftmessplatten;
8 eine Anordnung von Kraftmesszellen neben den Kraftmessplatten;
9 eine Darstellung einer Kraftvektorprojektion auf eine Person;
10 eine Darstellung gemäß 9 durch einen bekannten Körperschwerpunkt;
11 eine schematische Darstellung einer Autokalibrierung;
12 eine Variante der Autokalibrierung; sowie
13 eine Autokalibrierung mit Anpassung eines Musters auf eine Sensorfläche.
In der 1a ist in einer schematischen Darstellung ein Prothesenfuß 1 mit einem Unterschenkelteil 2, einem Prothesenkniegelenk 3, einem Oberschenkelteil 4 und einem Hüftgelenk 5 dargestellt. Ein analoger Aufbau ergibt sich auch bei einem unversorgten Bein. Beim normalen Stehen befindet sich der Kraftvektor F der Bodenreaktionskraft vor dem Kniegelenk 3, so dass ein sicheres Stehen mit einer Prothese gewährleistet ist.
In der 1b sind die Kraftvektoren F_proth für ein versorgtes Bein und F_ko.lat für das kontralaterale und unversorgte Bein dargestellt. Üblicherweise wird ein unkomfortables Stehen angenommen, wenn die Differenz zwischen den beiden Kraftvektoren größer als 10 mm ist.
In der 2a ist neben der Darstellung der beiden Kraftvektoren F_ko.lat und F_proth in der Sagittalebene auch eine Draufsicht in der Transversalebene dargestellt. In der 2a sind die Krafteinleitungspunkte der Kraftvektoren auf unterschiedlichen Seiten der senkrechten Ebene durch die Verbindungslinie der beiden Kniegelenke angeordnet, vorliegend ist der Krafteinleitungspunkt auf der kontralateralen, unversorgten Seite in normaler Gehrichtung hinter der Verbindungsebene angeordnet, während der des versorgten Beines vor der Ebene liegt. Ein Horizontalkraftanteil ist nicht vorhanden.
In der 2b ist die Situation mit einem Horizontalkraftanteil dargestellt, bei dem die Horizontalkraft auf der kontralateralen Seite nach hinten orientiert ist, während die auf der versorgten Seite nach vorn orientiert ist. Der linke Fuß wird dabei nach hinten belastet, beispielsweise um die Hüfte nach vorne zu bringen, der rechte Fuß wirkt dem entgegen.
In der 3 ist die Standsituation gemäß 2b in Transversalebene dargestellt, wobei beide Füße auf jeweils einer Kraftmessplatte 11, 12 angeordnet sind. Unter beiden Kraftmessplatten sind Kraftsensoren angeordnet, die die Schwerpunktlage auf jeder Kraftmessplatte 11, 12 erfassen. Üblichweise sind lediglich Vertikalkraftsensoren an den vier Ecken der Kraftmessplatte angeordnet, so dass durch eine einfache Auswertung der einzelnen Messsignale einer jeden Kraftmessplatte die Schwerpunktslage auf jeder einzelnen Platte bestimmt werden kann. Beide Kraftmessplatten 11, 12 sind separat voneinander gelagert, so dass sie sich gegenseitig nicht beeinflussen. Die Kraftmessplatten sind messtechnisch miteinander gekoppelt, so dass durch Auswertung sämtlicher Kraftsensoren unterhalb der Kraftmessplatten 11, 12 ein Gesamtschwerpunkt ermittelt werden kann. Aus diesem Gesamtschwerpunkt und dem Einzelschwerpunkt einer jeden Kraftmessplatte 11, 12 kann der jeweilige Horizontalkraftanteil F_hk, F_kp auf der kontralateralen oder mit Prothesen versorgten Seite ermittelt werden. Wenn der vertikale Kraftanteil der kontralateralen Seite F_vk gleich dem vertikalen Kraftanteil auf der versorgten Prothesenseite F_vp ist, sind auch die Horizontalkraftanteile F_hk, F_kp auf der kontralateralen bzw. Prothesenseite gleich, die gemessene Kraft entspricht somit der Reaktionskraft.
In der 4 ist eine andere Belastungssituation dargestellt, der Horizontalkraftanteil auf der kontralateralen Seite F_hk ist kleiner als der Horizontalkraftanteil auf der F_hp auf der Prothesenseite, die gemessene Kraft entspricht der Reaktionskraft, wenn die Vertikalkräfte unterschiedlich sind, und zwar wenn die Vertikalkraft auf der kontralateralen Seite F_vk größer als die Vertikalkraft auf der Prothesenseite F_vp ist.
In der 5 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei der die Kraftmessplatten 11, 12 auf einer Reihe von Rollen 31 gelagert sind, die Horizontalkräfte in der jeweiligen Richtung auskoppeln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die linke Kraftmessplatte 11 auf Rollen 31 gelagert, deren Drehachsen im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung des Fußes orientiert ist, während die rechte Kraftmessplatte 12 senkrecht dazu orientiert gelagerte Rollen 32 aufweist. Seitlich neben den Kraftmessplatten 11, 12 sind Horizontalkraftsensoren 21, 22 angeordnet, die nach Arbeitsrichtung der Rollen wirksame Horizontalkräfte erfassen. Die Reibung der Rollen auf den Kraftmessplatten 11, 12 verhindert eine Drehung der Kraftmessplatte um die Hochachse, so dass die jeweiligen Kraftmessplatten 11, 12 nur in genau einer Arbeitsrichtung verlagert werden können. So wird neben Ermittlung über die Bestimmung der Schwerpunkte zusätzlich oder alternativ eine Horizontalkraftkomponente über separate Horizontalkraftmesszellen 21, 22 erreicht.
In der 6 ist eine Variante der 5 dargestellt, bei der die Kraftmessplatten 11, 12 in beiden Richtungen horizontalkraftentkoppelt sind, wobei die Horizontalkraftmesszellen 211, 212, 221, 222 unterhalb der Kraftmessplatten 11, 12 in den Rollenstapeln angeordnet sind. Die Horizontalkraftmesszellen 211, 212, 221, 222 sind vorteilhafterweise so mit den Kraftmessplatten 11 gekoppelt, dass eine Durchbiegung der einzelnen Platte keinen Einfluss auf das Messergebnis hat, vorteilhafterweise werden die Horizontalkraftmesszellen 211, 212, 221, 222 über Schubstangen oder Gelenkeinrichtungen mit den Kraftmessplatten 11, 12 gekoppelt.
In der 7 ist eine weitere Variante der Erfindung dargestellt, bei der nur eine Horizontalkraftmesszelle in der jeweiligen Arbeitsrichtung vorgesehen ist, in der 6 sind die Horizontalkraftmesszellen in beiden Ebenen wirksam.
Eine weitere Variante ist in der 8 dargestellt, bei der Aufbau der Kraftmessplatten analog zu der der 7 ausgebildet ist, die Rollen 31, 32 parallel zueinander geführt sind. Die Platten 11, 12 sind in einem Rahmen entkoppelt voneinander gehalten, die Horizontalkraftmesszellen 21, 22 sind außerhalb der Platten 11, 12 angeordnet.
In der 9 ist in einer schematischen Darstellung die Projektion von Kraftvektoren auf eine Person 1 und auf den Hintergrund dieser Person 1 dargestellt. Die Person 1 steht auf den beiden Kraftmessplatten 11, 12 und die jeweils ermittelten resultierenden Kraftvektoren F_R, F_RL für den rechten Fuß und den linken Fuß sind auf den Körper der Person 1 und den Hintergrund projiziert. Der resultierende Kraftvektor F_RR repräsentiert dabei den Kraftvektor, der aus den jeweiligen Unterstützungspunkten auf der rechten Kraftmessplatte 11, einer bekannten Schwerpunktshöhe und einer Vertikalkraftverteilung der beiden Kraftmessplatten 11, 12 zueinander berechnet wird. Der Verlauf des rechten resultierenden Kraftvektors F_RR und der jeweilige Krafteinleitungspunkt ist auf dem Körper der Person 1 dargestellt. Die Krafteinleitung im rechten Bein findet im Fersenbereich statt, wohingegen die Krafteinleitung im linken Bein im Vorderfußbereich stattfindet, so dass der resultierende Kraftvektor F_RL des linken Beines zur Senkrechten geneigt dargestellt ist und der auf den Körper projizierte resultierende Kraftvektor F_RL durch den Vorderfußbereich hindurchgeht. Eine zweite Darstellungsform ist ebenfalls in der 9 dargestellt, bei der der resultierende Kraftvektor F_RL des linken Beines auf einem Hintergrund dargestellt ist. Dies ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit abgesetzt dargestellt, so dass die unterbrochene Linie versetzt dargestellt ist. Zur besseren Unterscheidbarkeit können die beiden resultierenden Kraftvektoren F_RR, F_RL in unterschiedlichen Helligkeiten oder in unterschiedlichen Farben dargestellt sein.
Eine Variante der Erfindung ist in der 10 dargestellt, bei der die projizierenden Kraftvektoren durch den Körperschwerpunkt 2 geführt sind. Die Darstellung erfolgt analog der Darstellung gemäß 9 entweder auf dem Körper der Person 1 oder auf einem Hintergrund, die Körperschwerpunktshöhe kann dabei manuell eingegeben werden oder beispielsweise über die Erfassung der Horizontalkräfte in der Frontalebene oder Sagittalebene ermittelt werden.
In der 11 ist ein mögliches Verfahren zur Kalibrierung einer Wiedergabeeinrichtung 3 dargestellt. Die Wiedergabeeinrichtung, beispielsweise in Gestalt eines Beamers, spannt ein Messfeld 10 auf, das durch seine Eckpunkte definiert wird. Innerhalb des Messfeldes 4 sind die beiden Kraftmessplatten 11, 12 angeordnet. Die beiden Kraftmessplatten 11, 12 sind nebeneinander angeordnet und im Wesentlichen rechteckig. An den freien Eckpunkten der Messplatten 11, 12 sind Sensoren 41, 42, 43, 44 angeordnet, die als photosensitive Sensoren ausgebildet sein können. Alternativ dazu können Marker an den Eckpunkten der Messfläche, die durch die Kraftmessplatten 11, 12 definiert ist, angeordnet sein. Zur Autokalibrierung wird über das Messfeld 4, ausgehend von einer ersten Seitenkante, ein Lichtstreifen oder ein abgedunkelter Streifen zur gegenüberliegenden Seite verfahren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Streifen zunächst von der linken Seitenkante nach rechts verschoben, wie durch den Pfeil angedeutet ist. Die Wiedergabeeinrichtung 13 beleuchtet das Messfeld 4 zunächst komplett, dann der Streifen mit abweichender Helligkeit zunächst von der linken Seitenkante in Richtung auf die rechte Seitenkante verfahren. Anschließend wird ein zweiter Streifen abweichender Helligkeit von der oberen Seitenkante in Richtung auf die untere Seitenkante des Messfeldes 4 verfahren. Dabei überstreichen die Streifen innerhalb des beleuchteten oder abgedunkelten Bereiches nacheinander die photosensitiven Sensoren 41, 42, 43, 44 der Messplatten 11, 12, so dass deren Lage und Größe bei bekannter Größe der Messplatten ermittelt werden kann. Eine nicht dargestellte Auswerteeinheit, in der Regel ein Computer, verfügt somit über Informationen, wo in dem Messfeld 4 die Messplattem 11, 12 angeordnet sind und wie die Entfernungen von der Wiedergabeeinrichtung 3 zu den Kraftmessplatten 11, 12 ist. Dadurch besteht die Möglichkeit, nicht nur eine qualitative, sondern auch eine quantitative Darstellung der Kräfte und der resultierenden Kraftvektoren vorzunehmen. In der rechten Darstellung der 11 ist eine solche Darstellung, wie sie aus der 10 bekannt ist, gezeigt. Sowohl der Körperschwerpunkt 2 als auch die resultierenden Kraftvektoren F_RR, F_RL können auf der Grundlage der von den Kraftmessplatten 11, 12 ermittelten Werte dargestellt und auf den Körper der Person 1 projiziert werden.
Eine Variante der Autokalibrierung ist in der 12 dargestellt, bei der die Autokalibrierung durch eine schrittweise Verkleinerung der beleuchteten Fläche erfolgt. Die verkleinerten Flächen sind durch römische Ziffern gekennzeichnet. Zunächst wird das Messfeld 4 von links bis zum Erreichen des linken hinteren Sensors 42 verkleinert, so dass sich die beleuchtete Fläche I ergibt. Anschließend wird diese Fläche weiter skaliert verkleinert, so dass sich nacheinander die Flächen II, III, IV, V ergeben. Die Verkleinerung wird solange fortgeführt, bis idealerweise nur noch der Messpunkt des Sensors 42 beleuchtet wird, was durch das Feld VI angedeutet ist.
In der rechten Darstellung der 12 wird dieses Verfahren dann fortgeführt und die Verkleinerung der beleuchteten Fläche von der Fläche VII bis XII in den jeweiligen Schritten durchgeführt. Diese Verkleinerung der beleuchteten Flächen wird für alle Sensoren der Messplatten 11, 12 vorgenommen, so dass analog zu dem Verfahren gemäß 11 sämtliche Positionsdaten der Sensoren 41, 42, 43, 44 der Kraftmessplatten 11, 12 bekannt sind.
Eine Variante der Autokalibrierung ist in der 13 dargestellt. In dem Messfeld 4 wird ein Muster 400 in Gestalt eines Rechteckes durch die Wiedergabeeinrichtung 3 hineinprojiziert. Anschließend wird der linke untere Punkt 401 des Musters 400 auf den linken unteren Sensor 41 gezogen, der auch als Marker ausgebildet sein kann. Anschließend wird der linke obere Punkt 402 auf den linken hinteren Sensor 42 oder Marker gezogen, gleiches geschieht mit dem rechten oberen Punkt 403 des Musters 400, der auf den hinteren rechten Sensor 43 gezogen wird. Abschließend wird der rechte untere Punkt des Musters 400 auf den rechten vorderen Sensor 44 gezogen, so dass aus der bekannten Zuordnung der Sensoren 41, 42, 43, 44 zueinander und der Positionen der Eckpunkte 401, 402, 403, 404 des Musters 400 eine Autokalibrierung durch Anpassung des Musters 400 auf die Sensorfläche, die durch die Eckpunkte der Kraftmessplatten 11, 12 gebildet wird, an denen die Sensoren 41, 42, 43, 44 angeordnet sind, durchgeführt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 663181 A2 [0002]
WO 2002/059554 A2 [0003]
US 4598717 A1 [0004]
DE 102009003487 A1 [0005]
DE 102006021788 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Ermittlung und Darstellung von Horizontal- und Vertikalkräften, die beim Stehen auf eine Person einwirken, bei dem die Person auf zwei separaten, miteinander gekoppelten Kraftmessplatten (11, 12) steht, wobei je ein Fuß auf einer Kraftmessplatte (11, 12) positioniert wird und über die Kraftmessplatten (11, 12) der jeweilige Unterstützungspunkt auf der Kraftmessplatte (11, 12) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein resultierender Kraftvektor (F_RR, F_RL) aus den jeweiligen Unterstützungspunkten der beiden Kraftmessplatten (11, 12), einer bekannten Körperschwerpunktshöhe (2) und einer Vertikalkraftverteilung der beiden Kraftmessplatten (11, 12) zueinander berechnet und mit einer Wiedergabeeinrichtung (3) dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Bein die Vertikalkraftkomponente über dem jeweiligen resultierenden Unterstützungspunkt dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gesamtschwerpunkt aus den Unterstützungspunktdaten der Kraftmessplatten (11, 12) ermittelt und der resultierende Kraftvektor (F_RR, F_RL) beider Kraftmessplatten (11, 12) berechnet und dargestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über mehrere Sensoren (41, 42, 43, 44) oder Marker an zumindest einer Kraftmessplatte (11, 12) eine Autokalibrierung einer Wiedergabeeinrichtung (3) relativ zu der Kraftmessplatte (11, 12) durch Abscannen eines Messfeldes (4), in dem sich die Kraftmessplatten (11, 12) befinden, durchgeführt wird, bevor ein resultierender Kraftvektor (F_RR, F_RL) dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an Messpunkten zumindest einer Kraftmessplatte (11, 12) photosensitive Sensoren (41, 42, 43, 44) angeordnet sind und die Autokalibrierung durch Beleuchten des gesamten Messfeldes (4) und anschließendes Verkleinern des beleuchteten Bereiches und selektives Aktivieren der einzelnen Sensoren (41, 42, 43, 44) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Autokalibrierung von der Wiedergabeeinrichtung (3) dergestalt Muster in das Messfeld (4) projiziert und angepasst werden, dass sie mit Sensoren oder Markern an zumindest einer Kraftmessplatte (11, 12) übereinstimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Autokalibrierung von der Wiedergabeeinrichtung (3) in Abhängigkeit von Mustern oder Koordinaten im Messfeld (4) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende Kraftvektor (F_RR, F_RL) auf die auf den Kraftmessplatten (11, 12) stehende Person projiziert und/oder in einem Bild der Wiedergabeeinrichtung (3) dargestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperschwerpunktshöhe (2) manuell eingegeben oder über die Erfassung der Horizontalkraft in der Frontalebene oder Sagittalebene ermittelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche mit zwei separaten Kraftmessplatten (11, 12), die mit Sensoren (21, 22; 211, 212, 221, 222) zur Aufnahme von Kräften und/oder Momenten versehen sind, die mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind, über die die erfassten Messgrößen ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessplatten (11, 12) in zumindest einer Horizontalkraftrichtung entkoppelt gelagert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kraftmessplatten (11, 12) in unterschiedlichen Horizontalkraftrichtungen entkoppelt gelagert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (21, 22; 211, 212, 221, 222) unter oder neben den Kraftmessplatten (11, 12) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessplatten (11, 12) auf Rollen (31, 32) gelagert sind.