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Die Erfindung betrifft eine Kraftmessplatte mit einer Vielzahl von auf einer Leiterplatte ausgebildeten kapazitiven Kraftsensoren zur ortsauflösenden Erfassung der an der Fußsohle beim Gehen und Stehen in den drei Raumrichtungen wirksamen Kräfte.
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Für die Fußdiagnostik und -therapie und für die Anfertigung von orthopädischen Hilfsmitteln, Schuhen und Schuheinlagen wird mithilfe von Druckmesssohlen oder -platten die Druckverteilung an der Fußunterseite gemessen. Die Messung der an der Fußsohle wirkenden Drücke erfolgt bekanntermaßen mit einer Vielzahl von in die Druckmessplatte eingebundenen kapazitiven, piezoresistiven oder piezoelektrischen Drucksensoren. Für das kapazitive Messprinzip sind jeweils zwei im Abstand angeordnete Elektrodenplatten mit einem zwischen diesen vorhandenen Dielektrikum vorgesehen. Durch den von der Fußsohle auf die jeweiligen Drucksensoren ausgeübten Druck ändert sich der Abstand zwischen den Elektrodenplatten und damit die Kapazität des als Plattenkondensator ausgebildeten Drucksensors als Maß für den an der betreffenden Stelle wirksamen Druck. Mit den bekannten Druckmessplatten können die auf die Fußsohle wirkenden vertikalen Kräfte in feiner Auflösung und guter Genauigkeit ermittelt werden.
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Während des Gehens und Stehens treten jedoch aufgrund von Brems- und Beschleunigungsvorgängen sowie von Fehlstellungen der Gliedmaßen oder von psychisch oder motorisch bedingten Verspannungen mit dem Boden horizontale Kräfte auf, die als Scherkräfte im Fußsohlengewebe und in Knöchel-, Knie- und Hüftgelenken wirksam sind oder Knickmomente verursachen. Die in unterschiedlichen Richtungen wirkenden horizontalen Kräfte und die in Kombination der horizontalen mit den vertikalen Kräften in allen drei Raumrichtungen auftretenden Gesamtkräfte an der Fußsohle werden bei der Messung der Druckverteilung mithilfe von mit herkömmlichen Drucksensoren ausgebildeten Druckmessplatten nicht erfasst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit einer Matrix aus kapazitiven Kraftsensoren ausgebildete Kraftmessplatte anzugeben, die die auf die Fußsohle in den drei Raumrichtungen wirkenden Kräfte ortsaufgelöst erfasst.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Kraftmessplatte gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, bei einem als Plattenkondensator ausgebildeten Kraftsensor zusätzlich zu der mit einer Verringerung des Elektrodenabstandes verbundenen Erhöhung der Kapazität als Maß für auftretende Vertikalkräfte auch eine Änderung der Kondensatorfläche und die damit verbundene Kapazitätsänderung als Maß für am Kraftsensor wirkende Horizontalkräfte zu nutzen, um somit die in allen drei Raumrichtungen auf den Fuß wirkenden Kraftkomponenten zu erfassen.
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Bei einer Kraftmessplatte mit einer Vielzahl von auf einer Leiterplatte ausgebildeten kapazitiven Kraftsensoren zur ortsauflösenden Erfassung der an der Fußsohle beim Gehen und Stehen in den drei Raumrichtungen wirksamen Kräfte umfasst jeder Kraftsensor eine Messelektrode aus mindestens drei auf der Leiterplatte ausgebildeten, elektrisch leitfähigen, voneinander isolierten, in Form und Größe identischen Messflächen A1 bis A3 sowie einen an einen Stimulationssignalgeber angeschlossenen, zentrisch zu den Messflächen positionierten, von der Leiterplatte abstrebenden druck- und biegeelastischen, leitfähigen Stimulationsstab mit einer an dessen freiem Ende zentrisch angebrachten leitfähigen, starren, plattenförmigen, kleiner als die Messelektrode ausgebildeten und gegenüber dieser vertikal und horizontal beweglichen Stimulationselektrode sowie ein zwischen der Mess- und der Stimulationselektrode angeordnetes Dielektrikum aus einer Vielzahl von voneinander beabstandeten, druck- und biegeelastisch verformbaren Stäben oder Noppen.
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Zusätzlich zu der mit einer Verringerung des Elektrodenabstandes gemessenen Kapazität für die vertikale Kraftkomponente werden aufgrund der durch eine Horizontalkraft elastisch verschiebbaren Stimulationselektrode auch die Kondensatorflächen zwischen der Stimulationselektrode und den jeweiligen Messflächen der Messelektrode sowie die zugehörigen Teilkapazitäten als Maß für die Größe und Richtung der horizontalen Kraftkomponenten geändert. Aus den horizontalen Kraftkomponenten ergibt sich die Größe und Richtung der resultierenden Horizontalkraft und aus allen gemessenen Kapazitäten kann dann die Größe und dreidimensionale Richtung der Kraftkomponenten an jedem Kraftsensor und deren Verteilung an der Fußsohle errechnet werden.
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Mit der so ausgebildeten Kraftmessplatte können Drehmomente im Bewegungsablauf in der Horizontalebene vermessen werden, um Scherkräfte und Knickmomente in Knöchel-, Knie und Hüftgelenken zu minimieren. Darüber hinaus können Scherkräfte im Gewebe der Fußsohle ermittelt werden, die bei Diabetikern zu Nekrosen bis hin zu Fußamputationen führen können.
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In Ausgestaltung der Erfindung besteht die Messelektrode aus einer auf die Leiterplatte aufgebrachten, durch unbeschichtete Isolierflächen unterbrochenen leitenden Beschichtung. Die Messelektrode kann aus voneinander und von dem Stimulationsstab isolierten, die Messflächen A1 bis A3 bildenden Kreissegmenten kreisförmig gestaltet sei, während die über der Messelektrode positionierte Stimulationselektrode kreisförmig ausgebildet ist und einen kleineren Durchmesser als die Messelektrode aufweist.
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Der elektrisch leitfähige Stimulationsstab und die nicht leitfähigen Noppen oder Stäbe des Dielektrikums bestehen aus einem elastisch verformbaren Kunststoff, wobei die Verformbarkeit des Stimulationsstabes gleich oder geringer als die der Noppen ist. Das Dielektrikum kann eine im Bereich des Stimulationsstabes elektrisch leitende Noppenfolie, bestehend aus einer an der Stimulationselektrode gehaltenen Trägerschicht und an die Trägerschicht angeformten Noppen, umfassen. Für die gesamte Sensormatrix der Kraftmessplatte kann eine einzige, gemeinsame Noppenfolie vorgesehen sein.
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Gemäß einem noch anderen Merkmal der Erfindung kann die Messelektrode quadratisch gestaltet sein und vier durch Isolierflächen voneinander und vom Stimulationsstab getrennte Messflächen umfassen.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist das am Stimulationsstab anliegende Stimulationssignal rechteckförmig, wobei auf der Leiterplatte zwischen dem Stimulationsstab und den Messflächen der Messelektrode und isoliert von diesen eine aus einer leitenden Beschichtung gebildete Abschirmfläche vorgesehen ist.
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Das am Stimulationsstab anliegende Stimulationssignal kann auch dreieckförmig sein, wobei in diesem Fall auf die Abschirmfläche verzichtet werden kann.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind die Stimulationselektroden aller Kraftsensoren der Kraftmessplatte am Umfang und an der freien oberen Fläche in eine elastisch verformbare Deckschicht aus Kunststoff eingebettet, so dass die Kraftmessplatte eine glatte, geschlossene und leicht zu reinigende Oberfläche aufweist und die Kraftsensoren sich nicht gegenseitig beeinflussen können.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung sind zum Betreiben der Kraftsensoren und zum Erfassen der durch horizontale und vertikale Kräfte bewirkten Kapazitätsänderungen an der Leiterplatte ein Stimulationssignalgeber, ein Mikrocontroller, ein Messwertspeicher, ein Multiplexer und ein Operationsverstärker ausgebildet.
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Die Kraftsensoren sind, um die Gefahr der Verkippung während des Messvorgangs zu minimieren, möglichst klein ausgebildet, so dass pro Quadratzentimeter Kraftmessplattenfläche mindestens ein Kraftsensor angeordnet sein sollte.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der
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1 eine auf den Bereich von vier Kraftsensoren begrenzte Schnittansicht einer Kraftmessplatte;
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2 einen Vertikalschnitt eines einzelnen kapazitiven Kraftsensors in vergrößerter Darstellung;
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3 den Kraftsensor nach 2 unter der Wirkung einer Vertikalkraft;
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4 den Kraftsensor nach 2 unter der Wirkung einer Horizontalkraft;
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5 einen Horizontalschnitt eines Kraftsensors entlang der Linie AA in 2, in runder Ausführung mit drei voneinander getrennten Messflächen der Messelektrode, jedoch mit einer strichliert angedeuteten Stimulationselektrode;
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6 den Kraftsensor gemäß 5, jedoch mit einer aufgrund einer Horizontalkraft horizontal verschobenen Stimulationselektrode; und
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7 eine Schnittansicht des Kraftsensors nach 2, jedoch in quadratischer Ausführung mit vier voneinander getrennten Messflächen der Messelektrode
zeigt, näher erläutert.
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1 zeigt eine stark vergrößerte Schnittansicht von vier in einer Kraftmessplatte nebeneinander angeordneten kapazitiven Kraftsensoren 1 zur Erfassung der auf den jeweiligen Kraftsensor ausgeübten Kraftkomponenten in den drei Raumrichtungen. Die Matrix aus Kraftsensoren 1 ist an der begehbaren oberen Seite der Kraftmessplatte mit einer Deckschicht 2 aus einem flexiblen Material abgedeckt, so dass zum einen ein Feuchtigkeitsschutz und eine einfache Reinigung gewährleistet sind und zum anderen keine oder nur geringste horizontale Kräfte zwischen benachbarten Kraftsensoren 1 über die Deckschicht 2 übertragen werden können.
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Wie 2 zeigt, umfasst jeder der in der Kraftmessplatte angeordneten Kraftsensoren 1 eine diesem separat zugeordnete, auf einer Leiterplatte 3 vorgesehene – hier aus Kupfer bestehende – leitende Beschichtung, die als Messelektrode 4 des jeweils als Plattenkondensator ausgebildeten Kraftsensors 1 fungiert. Die jedem Kraftsensor 1 zugeordnete leitende Beschichtung ist – wie in den 5 und 6 dargestellt – kreisförmig ausgebildet und durch in dieser erzeugte Isolierstreifen 5 in drei Messflächen A1, A1 und A3 von gleicher Form und Größe aufgeteilt.
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Denkbar wäre auch – wie in 7 dargestellt – eine quadratische Form der jedem Kraftsensor 1 auf der Leiterplatte 3 zugeordneten, als Messelektrode dienenden leitenden Beschichtung, die in diesem Fall durch Isolierstreifen 5 in vier voneinander getrennte Messflächen der Messelektrode 4 aufgeteilt ist.
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Der Kraftsensor 1 umfasst des Weiteren einen zentrisch zwischen den Messflächen und isoliert von der leitenden Beschichtung 4, das heißt auf einem nicht leitenden Bereich der Leiterplatte 3 angeordneten Stimulationsstab 6 aus einem flexiblen, das heißt in vertikaler Richtung elastisch zusammendrückbaren und in beliebiger horizontaler Richtung biegeelastisch verformbaren, leitfähigen Material, hier einem elastisch verformbaren leitfähigen Kunststoff. Das stirnseitige freie Ende des Stimulationsstabes 6 ist mittig mit einer starren, leitfähigen Platte verbunden, die als Stimulationselektrode 7 fungiert und vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff besteht. Der Stimulationsstab 6 ist auf der Leiterplatte 3 angeordnet und von einer leitenden Abschirmfläche 8 umgeben, die von den Messflächen der Messelektrode und dem Stimulationsstab 6 isoliert ist. Die Stimulationselektrode 7 ist – wie mit den strichlierten Linien in 5 und 6 angedeutet – ebenfalls kreisförmig, aber kleiner als die Messelektrode 4, das heißt die leitende Beschichtung des jeweiligen Kraftsensors 1 auf der Leiterplatte 3, ausgebildet.
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In dem zwischen der leitenden Beschichtung auf der Leiterplatte 3, das heißt den Messelektroden 4, und den Stimulationselektroden 7 verbleibenden Raum befindet sich das Dielektrikum 9 der matrixartig angeordneten Kraftsensoren 1 der Kraftmessplatte. Das Dielektrikum umfasst eine einstückige Noppenfolie aus elastisch verformbarem, nicht leitendem Kunststoff, das heißt eine an der Unterseite aller Stimulationselektroden 7 anliegenden Trägerschicht 9a mit von dieser senkrecht abstrebenden, die Messelektroden 4 und die leitende Abschirmfläche 8 kontaktierenden druck- und biegeelastisch verformbaren Noppen 9b. Die elastische Verformbarkeit der Noppen 9b ist gleich oder größer als die des Stimulationsstabes 6, so dass ein Verkippen der Stimulationselektroden 7 bei der Kraftmessung im Wesentlichen ausgeschlossen ist.
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Nachfolgend wird die Funktion der zuvor beschriebenen Kraftsensoren erläutert:
Das Messprinzip zur Erfassung sowohl von Horizontalkräften als auch von Vertikalkräften beim Gehen oder Stehen auf einer mit den oben beschriebenen Kraftsensoren 1 ausgestatteten Kraftmessplatte beruht auf der Änderung der Kapazität der als Plattenkondensatoren ausgebildeten Kraftsensoren infolge einer Verringerung des Plattenabstandes durch eine auf die Stimulationselektroden 7 wirkende Vertikalkraft Fv und einer Änderung der Plattenfläche aufgrund einer in einer beliebigen Richtung auf die Stimulationselektroden 7 wirkenden Horizontalkraft Fh.
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2 zeigt einen einzelnen unbelasteten Kraftsensor 1 in unbelastetem Zustand, bei dem ein an den auf der Leiterplatte 3 isoliert angeordneten Stimulationsstab 6 angelegtes rechteckförmiges (oder dreieckförmiges) Stimulationssignal ein der Kapazität entsprechendes Kondensatorantwortsignal Va erzeugt. In der in 3 wiedergegebenen Darstellung wirkt auf die Stimulationselektrode 7 des Kraftsensors 1 ausschließlich eine Vertikalkraft Fv, so dass die Noppen 9b des Dielektrikums 9 zusammengedrückt und der Abstand zwischen der Stimulationselektrode 7 und der Messelektrode 4 verringert wird und somit aufgrund der erhöhten Kapazität ein bestimmtes, größeres Kondensatorantwortsignal Va in Form einer erhöhten Spannung als Maß für die Größe der auf den Kraftsensor wirkenden Vertikalkraft errechnet wird. Die Größe der Kondensatorfläche ist aufgrund der – auch aus 5 ersichtlichen – konstanten Lage der Stimulationselektrode 7 unverändert.
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Gemäß 4 wirkt in Pfeilrichtung auf die Stimulationselektrode 7 des Kraftsensors 1 ausschließlich eine Horizontalkraft Fh, so dass der Stimulationsstab 6 und die elastischen Noppen 9b des Dielektrikums 9 in Pfeilrichtung gebogen werden und die Stimulationselektrode 7 gegenüber der Messelektrode 4 in Pfeilrichtung um einen der Größe der Horizontalkraft entsprechenden Betrag verschoben wird und dadurch die Kondensatorfläche verringert und die Kapazität entsprechend verringert wird. Wie 6 zeigt, wirkt die Horizontalkraft Fh im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen in Richtung der Messfläche A1 der Messelektrode 4. Der Überdeckungsgrad zwischen der Stimulationselektrode 7 und der Messfläche A1 ist daher besonders groß, während der Überdeckungsgrad mit den Messflächen A2 und A3 entsprechend geringer ist. Ausgehend von dem rechteckförmigen Stimulationssignal resultiert aus dem jeweiligen Überdeckungsgrad mit den Messflächen A1 bis A3 eine bestimmte Kapazität und ein dieser jeweils entsprechendes Kondensatorantwortsignal V1, V2 und V3. Aus den drei Kondensatorantwortsignalen ergibt sich dann die Größe und Richtung der Horizontalkraft, wobei sich bei der Verschiebung der Stimulationselektrode 7 die Kapazität in Richtung der Horizontalkraft Fh erhöht und entgegen der Richtung der Horizontalkraft Fh verringert.
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Aus der Kombination des für die Größe der Vertikalkraft Fv ermittelten Kondensatorantwortsignals Va und der Summe der für die Größe und Richtung der Horizontalkraft Fh gemessenen Kondensatorantwortsignale ergibt sich ein gemeinsames Messsignal, in dem die Informationen aus der Horizontalverschiebung (Flächenänderung) und der Abstandsverringerung der Stimulationselektrode 7 gegenüber der Messelektrode 4 überlagert sind, um so die in allen drei Raumrichtungen im Bereich des jeweiligen Kraftsensors an der Fußsohle wirksame Kraft ermitteln zu können.
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Mit einer Sensormatrix aus etwa zwei Kraftsensoren pro Quadratzentimeter (und etwa 4000 Kraftsensoren) pro Kraftmessplatte wird eine optimale örtliche Auflösung der an der gesamten Fußsohle dreidimensional wirkenden Kräfte erreicht und gleichzeitig wird die Gefahr von durch Verkippen der Kraftsensoren erzeugten Messfehlern minimiert. Mit den im vorliegenden Ausführungsbeispiel erläuterten Kraftsensoren mit drei Messflächen ist eine ausreichende Sensordichte möglich. Es ist aber auch denkbar, die Messelektrode 4 – wie in 7 dargestellt – quadratisch und mit vier Messflächen auszubilden.
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Die oben erläuterte Ausführungsform wurde unter Verwendung eines rechteckförmigen Stimulationssignals beschrieben. In diesem Fall ist zwischen dem Stimulationsstab 6 zur Zuführung des Stimulationssignals und den Messflächen A1 bis A3 eine Abschirmfläche 8 aus leitendem Material ausgebildet, so dass das rechteckige Stimulationssignal den vorgesehenen Weg gehen kann. Das Spannungsstimulationssignal kann auch eine andere Form, beispielsweise eine dreieckige Form haben, wobei in diesem Fall die Abschirmfläche nicht erforderlich ist.
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Die Dicke des Dielektrikums 9 ist so ausgeführt, dass einerseits, und zwar durch eine geringe Dicke, die Kapazität gut gemessen werden kann und die Gefahr des Verkippens der Stimulationselektrode klein ist, andererseits aber durch eine genügend große Höhe eine ausreichende Verschiebung der Stimulationselektrode 7 gegenüber der Messelektrode 4 gewährleistet ist.
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Gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht das Dielektrikum 9 aus einer Trägerschicht 9a mit an diese angeformten Noppen 9b. Zur Minimierung der Schichtdicke ist es auch denkbar, das Dielektrikum nur aus Noppen oder Stäben auszubilden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftsensor
- 2
- Deckschicht
- 3
- Leiterplatte
- 4
- Messelektrode (leitende Beschichtung von 3)
- 5
- Isolierfläche (unbeschichtete Bereiche v. 3)
- 6
- Stimulationsstab
- 7
- Stimulationselektrode
- 8
- Abschirmfläche
- 9
- Dielektrikum (nicht leitende Noppenfolie)
- 9a
- Trägerschicht
- 9b
- Noppen
- A1–A3
- Messflächen von 4
- Fv
- Vertikalkraft
- Fh
- Horizontalkraft
- Vs
- Stimulierungssignal (rechteckig)
- Va
- Kondensatorantwortsignal für Vertikalkraft
- V1–V3
- Kondensatorantwortsignal für Horizontalkraft
