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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Rotationselementes in der Sohle eines Schuhes.
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Die Position eines Rotationselementes in der Schuhsohle bestimmt einen Rotationsbereich, um den eine Drehung des Schuhes gegenüber der Oberfläche, auf dem eine Person mit dem Schuh läuft, ermöglicht werden soll.
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Ein Schuh mit einem solchen Rotationsbereich in der Schuhsohle ist hilfreich für Personen mit Hüftproblemen: Beim Gehen wird zur Ausführung eines Schrittes das Spielbein nach vorne bewegt, wobei das Becken dieser Bewegung folgt, indem es sich um das Hüftgelenk des Standbeines drehend nach vorne bewegt. Bei Personen mit Hüftproblemen bereitet dies Schmerzen, so dass diese den Hüftbereich des Standbeines anspannen und versteifen, was aber dazu führt, dass der Schritt verkürzt wird.
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Bei einer Ausgestaltung der Schuhsohle mit einem Rotationsbereich im Vorfußbereich wird die Drehung des Beckens vom Hüftgelenk des Standbeines in die Schuhsohle verlegt. Bei einer Schrittbewegung des Spielbeines dreht sich der Fuß des Standbeins im Rotationsbereich. Dazu kann im Rotationsbereich z. B. ein torsionsfähiges Rotationselement mit einer den Boden berührenden Basis vorgesehen sein, die einen hohen Haftkoeffizienten gegenüber dem Boden aufweist. Bei einer Drehung des Fußes verbleibt die Basis des Rotationselementes im Standbeinschuh am Boden, wobei sich der Schuh wegen einer Torsion des Rotationselementes gegenüber der Basis dreht. Somit dreht sich das Standbein als Ganzes um eine Hochachse, wenn sich das Spielbein bei einem Schritt nach vorne bewegt. Die Drehung des Beckens im Hüftgelenk wird dadurch minimiert, wenn nicht sogar ganz vermieden. Da die Drehbelastung des Hüftgelenkes entsprechend gesenkt wird, wird wieder eine flüssige Gehbewegung mit einer ausreichend großen Schrittweite erreicht.
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Im einfachsten Fall kann es sich bei einem solchen Rotationsbereich um einen Bereich der Unterseite einer Sohle handeln, die einen geringeren Haftkoeffizienten aufweist, als der Rest der Sohle.
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Denkbar ist aber auch eine Einrichtung innerhalb der Schuhsohle, die elastisch rückstellbar in der Schuhsohle eingebettet ist, wobei die Einrichtung eine Unterseite aufweist, die auf dem Boden haftet, während sich die Schuhsohle um die Einrichtung dreht bzw. die Einrichtung in sich korrigiert wird.
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Um hier aber einen optimalen Effekt zu erreichen, muss eine individuelle Anpassung des Schuhes bzw. der Schuhsohle an die jeweilige Person erfolgen. Der Rotationsbereich muss in einen von Person zu Person verschiedenen Bereich der Sohle verlegt werden.
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Die Erfindung beruht somit auf der Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, das die optimale Position des Rotationselementes in der Sohle eines für eine spezifische Person bestimmten Schuhes bestimmt.
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Dies wird mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst:
- Bereitstellen eines Druckflächensensors mit einer Vielzahl von in der Messoberfläche verteilten Kraftsensoren zur Ermittlung einer Druckverteilung in der Messoberfläche (und mit einem Drehmomentsenor zur Bestimmung eines auf den Druckflächensensor um eine Messachse senkrecht zur Messoberfläche wirkenden Drehmoments),
- Ausführung eines Schrittes von einer Person, wobei die Person einen Fuß mit der Fußsohle auf die Messoberfläche des Druckflächensensors setzt und den Fuß darauf über die Abrollzeit abrollt,
- Messen und Speichern (des zeitlichen Verlaufs des auf den Druckflächensensor wirkenden Drehmoments und) der Druckverteilung in der Aufsetzfläche zu mehreren Messzeitpunkten in der Abrollzeit,
- Auswahl eines Messzeitpunktes aus den erfassten Messzeitpunkten, der durch ein hohes von dem Fuß auf den Druckflächensensor übertragendes Drehmoment senkrecht zur Messoberfläche charakterisiert ist,
- Bestimmung des maximalen Druckwertes in der Druckverteilung zu dem zuvor ausgewählten Messzeitpunkt,
- Identifizieren des Messoberflächenbereichs und des dazugehörigen Fußsohlenbereichs, in dem der maximale Druckwert aufgetreten ist, als vorgesehene Position des Rotationselementes in einer Schuhsohle (9) für den Schuh der Person, die den Schritt ausgeführt hat.
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Druckflächensensoren, zum Beispiel in Form von Kraftmessplatten, die eine Vielzahl von Kraftsensoren aufweisen, sind schon bekannt. Diese messen die Druckverteilung in Z-Richtung, also senkrecht zur Fußsohle. Druckflächensensoren können aber auch als Schuheinlagen ausgeführt sein, um noch besser die Druckverteilung auf die Fußsohle beim Laufen erfassen zu können.
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Diese wird auch schon benutzt, um dynamische Vorgänge zu ermitteln, nämlich den zeitlichen Verlauf der Druckverteilung in der Fußsohle beim Abrollen eines Fußes auf einer Unterlage.
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Ein solcher Druckflächensensor wird nun dahingehend erweitert, dass zusätzliche Kraftsensoren untergebracht werden, die Kräfte in X- und/oder Y-Richtung messen, also in Richtungen, die senkrecht zur Messfläche des Druckflächensensors stehen.
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Wenn es sich bei dem Druckflächensensor um eine Kraftmessplatte handelt, können die zusätzlichen Kraftsensoren in Aufstandsfüßen der Kraftmessplatte untergebracht werden.
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Die Kraftsensoren können zusätzlich so eingerichtet sein, dass sie auch Belastungen in Z-Richtung messen und damit die Gesamtkraftbelastung des Fußes in Z-Richtung.
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Insbesondere die Messergebnisse für die X- und Y-Richtung lassen zusammen mit der bekannten relativen Lage der Kraftsensoren zueinander und in Bezug auf den Druckflächensensor das auf den Druckflächensensor wirkende Drehmoment um eine Hochachse (Z-Achse) bestimmen.
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Läuft nun eine Person über einen solchen Druckflächensensor, so wird für eine Vielzahl von aufeinander folgenden Zeitpunkten die jeweilige Druckverteilung bestimmt und gespeichert.
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Aus den vorliegenden Druckverteilungen wird nun diejenige ausgewählt, die zu einem Messzeitpunkt ermittelt wurde, der durch ein hohes, von dem Fuß auf den Druckflächensensor übertragendes Drehmoment senkrecht zur Messoberfläche charakterisiert ist.
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Ein solcher Messzeitpunkt liegt erfahrungsgemäß in der Endphase der Abrollbewegung zum sogenannten Topzeitpunkt vor. Da er in der Regel mit hohen Drücken verbunden ist, lässt sich das Vorliegen eines hohen Drehmoments von einem erfahrenen Orthopädieschuhmacher auch anhand der Druckverteilungen erkennen.
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In dem gemessenen Drehmomentverlauf über die Zeit lassen sich betragsmäßige Maxima erkennen, wobei insbesondere das Maximum in der Endphase der Abrollbewegung zum sogenannten Topzeitpunkt interessant ist, da hier der Vorderfußbereich involviert ist.
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Für den Topzeitpunkt, in dem das zuvor identifizierte Maximum im Vorderfußbereich auftritt, wird die zugehörige Druckverteilung analysiert. Hier kann in der Messoberfläche ein Bereich mit maximalen Druckwerten ermittelt werden, der dann als die Position des Rotationselementes identifiziert wird.
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Zur besseren Bestimmung des Messzeitpunktes, der durch ein hohes Drehmoment charakterisiert ist, kann zusätzlich ein Drehmomentsensor eingesetzt werden. Das Verfahren sieht dazu die folgenden zusätzlichen Schritte vor:
- Bereitstellen eines Druckflächensensors, der zusätzlich zu Kraftsensoren zur Ermittlung einer Druckverteilung in der Messoberfläche einem Drehmomentsenor zur Bestimmung eines auf den Druckflächensensor um eine Messachse senkrecht zur Messoberfläche wirkenden Drehmoments,
- Ausführung eines Schrittes von einer Person, wobei die Person einen Fuß mit der Fußsohle auf die Messoberfläche des Druckflächensensors setzt und den Fuß darauf über die Abrollzeit abrollt,
- zusätzlich zum Messen und Speichern der Druckverteilung in der Aufsetzfläche Messen und Speichern des zeitlichen Verlaufs des auf den Druckflächensensor wirkenden Drehmoments und
- Bestimmung des Topzeitpunktes im zeitlichen Verlauf des auf den Druckflächensensor wirkenden Drehmoments, zu dem ein betragsmäßiges Maximum des Drehmoments auftritt,
- Bestimmung des maximalen Druckwertes in der Druckverteilung zu dem zuvor bestimmten Topzeitpunkt.
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Ein oben erwähnter Druckflächensensor wird nun dahingehend erweitert, dass zusätzliche Kraftsensoren untergebracht werden, die Kräfte in X- und/oder Y-Richtung messen, also in Richtungen, die senkrecht zur Messfläche des Druckflächensensors stehen.
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Wenn es sich bei dem Druckflächensensor um eine Kraftmessplatte handelt, können die zusätzlichen Kraftsensoren in Aufstandsfüßen der Kraftmessplatte untergebracht werden.
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Die Kraftsensoren können zusätzlich so eingerichtet sein, dass sie auch Belastungen in Z-Richtung messen und damit die Gesamtkraftbelastung des Fußes in Z-Richtung.
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Insbesondere die Messergebnisse für die X- und Y-Richtung lassen zusammen mit der bekannten relativen Lage der Kraftsensoren zueinander und in Bezug auf den Druckflächensensor das auf den Druckflächensensor wirkende Drehmoment um eine Hochachse (Z-Achse) bestimmen.
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Um für beide Füße Messdaten zu erhalten, muss das Verfahren für jeden Fuß getrennt durchgeführt werden. Solange nur eine Messeinrichtung verwendet wird, erfolgt die Messung für jeden Fuß getrennt in zwei separaten Schrittfolgen. Da sich von Schrittfolge zu Schrittfolge das Laufverhalten ändern kann, sind die jeweils erhaltenen Messdaten nicht aufeinander abgestimmt.
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Bessere Ergebnisse erhält man, wenn für jeden Fuß der Person ein Druckflächensensor zur Verfügung gestellt wird, wobei die Person in einer einzigen Schrittfolge zunächst mit einem Fuß auf dem einen Druckflächensensor und dann mit dem anderen Fuß auf dem anderen Druckflächensensor abrollt.
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Die Herstellung des Schuhes erfolgt mit den folgenden Schritten:
- Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung der Position eines Rotationselementes in der Sohle eines Schuhes, wie vorher beschrieben, wobei das Verfahren mit der Person durchgeführt wird, für die der herzustellende Schuh bestimmt ist,
- Bereitstellung einer Schuhsohle (9), die mit einem Rotationsbereich (8) versehen ist, der durch einen lokal begrenzten Sohlenbereich bestimmt ist, der einen geringeren Haftkoeffizienten aufweist, oder die ein Rotationselement aufweist, das gegenüber der Sohle verdrehbar oder tordierbar ist.
- Verbinden der Schuhsohle (9) mit einem Upper zur Herstellung eines Schuhes.
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Dies hat damit zur Folge, dass sich in dem Bereich, in dem während in der Endphase des Schrittes ein maximaler Druck im Fußsohlenbereich auftritt, ein Rotationselement befindet, so dass sich trotz des auftretenden Druckes der Schuh gegenüber dem Boden drehen kann, so dass die Hüfte wegen des nun fehlenden Drehmomentes entlastet wird.
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Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung noch einmal erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 in einem Diagramm einen typischen Verlauf eines Drehmoments um die Hochachse einer Messplatte, die während eines Schrittes auftritt, der von einer Person auf der Messplatte ausgeführt wird,
- 2 in einem Diagramm den typischen Verlauf der dabei auftretenden Gesamtkraft auf die Fußsohle,
- 3 in einem Druckverteilungsplan die typische Druckverteilung in der Fußsohle zu einem ausgewählten Zeitpunkt während des Schrittes und
- 4 in der Draufsicht auf die Unterseite einer Schuhsohle die dazu korrespondierende Position für ein Rotationselement in der Schuhsohle für einen Schuh, der für die Person bestimmt ist.
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In der 1 ist das auf einen Druckflächensensor wirkende Drehmoment um die Hochachse während der Abrollbewegung eines Fußes bei einem Schritt dargestellt. Die gezeigten Messwerte sind mit einer Kraftmessplatte gemessen worden.
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Das Drehmoment wird aus Kraftwerten ermittelt, die von zusätzlichen in X und/oder Y-Richtung empfindlichen Kraftsensoren bestimmt werden. Diese können z. B. in den Aufstandsfüßen einer Messplatte untergebracht sein. Aus den gemessenen Kraftwerten wird mit Hilfe eines Computerprogramms das Drehmoment um die Hochachse (Z-Achse) errechnet.
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Auf der Y-Achse des Diagramms ist das Drehmoment und auf der X-Achse die Zeit in Prozent der Gesamtabrollzeit abgetragen. Die Kurve 1 zeigt den Verlauf des Drehmoments.
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Man erkennt, dass in der Anfangsphase der Bewegung, hier gemessen in Prozent des gesamten Abrollvorganges, zunächst ein erstes Maximum 2 auftritt und dann am Ende des Abrollvorganges ein weiteres (negatives) Maximum 3, das aber für die Untersuchung von besonderer Bedeutung ist, da in dieser Phase der Abrollbewegung das Spielbein der Person nach vorne schwenkt und damit das Becken der Bewegung des Spielbeines folgen muss.
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In dem Diagramm der 1 ist das auf einen Druckflächensensor (Kraftmessplatte) um dessen Hochachse (Z-achse) wirkende Drehmoment während der Abrollbewegung eines Fußes bei einem Schritt dargestellt. Das Drehmoment wird aus den Messwerten der zusätzlichen Kraftsensoren mit Hilfe eines Computerprogramms ermittelt. Auf der Y-Achse des Diagramms ist das Drehmoment und auf der X-Achse die Zeit in Prozent der Gesamtabrollzeit abgetragen. Die Kurve 4 zeigt den Verlauf des Drehmoments über die Zeit.
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Gemäß der 2 liegt zum Zeitpunkt des zweiten Maximums 3 des Drehmoments auch eine maximale Gesamtkraft im Punkt 5 vor, da durch den dynamischen Impuls des Vorbewegens des Spielbeines ein höherer Druck ausgeübt wird. Diese Bestimmung der Gesamtkraft in Z-Richtung ist aber für die Ausführung der Erfindung nicht von Bedeutung. Es soll lediglich aufgezeigt werden, dass das Maximum des Drehmoments in der Endphase der Abrollbewegung den Topzeitpunkt festlegt.
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In der 3 ist eine Druckverteilung zum Topzeitpunkt, dem Zeitpunkt des Maximums 3 des Drehmoments, in der Endphase der Bewegung gezeigt. Diese Darstellung kann von einem Computer generiert werden und ist in der Regel farbig. An der farbigen Codierung (hier dargestellt durch unterschiedliche Schraffierungen) erkennt man die Bereiche mit der höchsten Druckbelastung in Z-Richtung, die hier durch eine große Ellipse 6 eingekreist sind. Ein Quadrat 7 zeigt den Spot mit dem höchsten Druck an.
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In diesem Rotationsbereich 8 wird - wie in der 4 gezeigt - in der Schuhsohle 9 eines Schuhes, der von der Testperson getragen werden soll, ein Rotationselement eingebaut. Hierbei kann es sich - wie oben schon beschrieben - um einen Bereich mit einer glatten Oberfläche handeln, so dass dieser sich leicht auf dem Untergrund bewegen und drehen kann.
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Es kann sich aber auch um ein Torsionselement handeln, das in die Schuhsohle eingebaut ist. Dieses kann in sich gedreht werden und gegenüber der umgebenden Schuhsohle verdreht werden. Ein solcher Bereich kann durchaus einen höheren Haftkoeffizienten gegenüber dem Boden haben, da die Bewegung allein durch die Torsion innerhalb des Rotationselementes erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurve
- 2
- erstes Maximum
- 3
- zweites Maximum
- 4
- Kurve
- 5
- Kurvenpunkt
- 6
- Ellipse
- 7
- Quadrat
- 8
- Rotationsbereich
- 9
- Schuhsohle
