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Die Erfindung betrifft eine Reaktionskraft-Messplatte, die insbesondere zum Einsatz bei einem Hufschuh oder Huf oder auch Schuh vorgesehen und zur Bestimmung einer flächigen Reaktionskraftverteilung beim Auftreffen eines Hufs eines Huftiers oder auch des Fußes eines Menschen auf den Boden geeignet ist. Sie betrifft des Weiteren ein eine derartige Messplatte umfassendes Reaktionskraft-Messsystem, und beansprucht wird auch ein mit einer solchen Messplatte ausgestattetes Hufeisen oder ein Hufschuh oder ein Schuh.
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Für die Gang- und Gesundheitsanalyse eines Pferdes oder anderen Huftieres (z. B. Kamels) ist es wünschenswert, die bei dessen Auftreten auf den Boden entstehenden Reaktionskräfte nicht nur an einem Punkt, sondern mit einer gewissen Auflösung über die Auftrefffläche des Hufes zu erfassen. Aus den Messwerten soll auf den Gesundheitszustand des Tieres, z. B. in Bezug auf Lahmheiten oder Überlastungen des Gangapparates, geschlossen werden können.
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Während es für entsprechende Aufgaben im Bereich der medizinischen Diagnostik, Trainingszustandsanalyse und Rehabilitation beim Menschen eine ganze Reihe von Lösungen gibt, hält sich die Verfügbarkeit entsprechender Systeme für Huftiere in Grenzen. Es gibt ein marktgängiges Produkt der Firma Tekscan und daneben Systeme mit ähnlicher Zweckbestimmung, die aber auf der Messung von Beschleunigungen statt von Reaktionskräften basieren.
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Aus der
GB 2 482 192 B ist es bekannt, Kraftsensoren für derartige Zwecke an einem Hufeisen zu befestigen und deren Signale lokal zu speichern und/oder über einen drahtlosen Transmitter zu einer entfernten Empfangs- und Auswertungsstation zu übertragen.
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Gemäß der
DE 10 2011 016 344 A1 werden Kraftsensoren in einen Elastomer-Körper für einen entsprechenden Zweck eingesetzt. Der Elastomer-Körper, der wiederum in einen Hufschuh eingefügt werden soll, soll die Verwendung handelsüblicher resistiver Kraftsensoren mit ihrem limitierten Kraftmessbereich auch für Reaktionskraft-Analyse bei Pferden mit ihrem relativ hohen Bodendruck ermöglichen.
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Die
US 2020/319044 A1 lehrt ein weiteres System zur flächig aufgelösten Erfassung von Reaktionskräften an den Hufen eines Huftieres, welches die Sensorsignale über einen drahtlosen Transmitter zu einer entfernten Auswertungseinheit überträgt. Dieses System hat eine aufwändige Konstruktion aus einer Grundplatte und einer Bodenplatte, die relativ zueinander präzise geführt werden und zwischen denen jeweils mehrere Kraftaufbringungszylinder und eine Mehrzahl von resistiven Kraftmesssensoren sowie zusätzlich eine Mikroprozessoreinheit, eine Kommunikationseinheit und eine Batterie zur Stromversorgung der Komponenten untergebracht sind. Die Funktion der „Kraftaufbringungszylinder“ ist der Druckschrift ebenso wenig zu entnehmen wie die Art und Weise der Anbringung am Huf.
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Die bekannten Systeme leiden in ihrer praktischen Anwendbarkeit unter verschiedenen Nachteilen, zu denen u. a. ein hoher Herstellungs- und Handhabungsaufwand, teilweise mangelnde Aussagekraft der Ergebnisse, unzureichende Flexibilität hinsichtlich der Einsatzbedingungen und ggf. auch geringe Lebensdauer zählen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Messeinrichtung zur Erfassung von über die Fläche des Hufes hinreichend differenzierbaren Reaktionskräften bereitzustellen, die beim Auftreffen der Hufe eines Huftiers auf den Boden, insbesondere auf einen undefinierten Untergrund (Sand, Gras, Asphalt, ...) entstehen. Diese Einrichtung soll in ihren praktischen Anwendungseigenschaften bekannten Systemen überlegen sein.
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Diese Aufgabe wird durch eine Reaktionskraft-Messplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche. Es wird des Weiteren ein auf dieser Reaktionskraft-Messplatte basierendes Reaktionskraft-Messsystem vorgeschlagen, welches die Merkmale des Anspruchs 13 aufweist.
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Die Erfindung schließt den Gedanken ein, die gewünschte Messeinrichtung mit einer im Wesentlichen sowohl biegesteifen als auch inkompressiblen (aber ggfs. elastisch biegsamen) Trägerplatte zu bilden, an deren einer Oberfläche eine Mehrzahl von Kraftmesssensoren angebracht ist, und deren andere Oberfläche im Gebrauch an der Unterseite des Hufes platziert wird und jedenfalls mit der Unterseite des Hufes in Wirkkontakt steht. Weiterhin schließt die Erfindung den Gedanken ein, jedem der Kraftmesssensoren an dessen freier Oberfläche einen an die Wirkfläche des Sensors angepassten Kraftübertragungsstollen zuzuordnen.
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Grundsätzlich ist auch eine Konfiguration möglich, bei der Kraftübertragungsstollen mit größerer Grundfläche eingesetzt werden, die nicht einem einzelnen, sondern zwei oder mehr Kraftmesssensoren gemeinsam zugeordnet sind und die auftretenden Bodenreaktionskräfte in diese einleiten. Im Extremfall könnte die Messplatte sogar nur einen einzelnen Kraftübertragungsstollen aufweisen, dessen Grundfläche sämtliche Kraftmesssensoren überdeckt, sofern dieser eine Kraftmessstollen von seinem Aufbau und seiner Lagerung an der Trägerplatte her eine differenzierte Krafteinleitung in die verschiedenen Sensoren ermöglicht.
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Für häufige praktische Anwendungen ist aus derzeitiger Sicht eine Anzahl von 3-8 Kraftmesssensoren, insbesondere 4-6 Sensoren, ausreichend.
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Eine solche Reaktionskraft-Messplatte ist konstruktiv einfach aufgebaut und daher kostengünstig herstellbar, im praktischen Gebrauch robust und einfach zu handhaben. Sie ermöglicht zudem eine über die Fläche des Hufes hinreichend aufgelöste Erfassung der Reaktionskräfte mit geringen Kraftnebenflüssen und daher hoher Genauigkeit. Sie ist zudem im Aufbau flach und leicht und daher nicht nur leicht anzuwenden, sondern auch leicht zu transportieren.
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In vorteilhaften geometrischen Konfigurationen, die an den Einsatz bei verschiedenen Huftieren oder auch anderen Wirbeltieren (u. a. dem Menschen) angepasst sind, hat die Trägerplatte die Form eines geschlossenen Hufeisens, Kreisringes, U, oder Vielecks mit einer Ausnehmung im Mittenbereich.
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In einer technologisch vorteilhaften Ausführung sind die Kraftmesssensoren zusammen mit zugehörigen Sensorsignalleitungen und optional Stromversorgungsleitungen auf einer zusammenhängenden Sensorträgerfolie realisiert, die auf der ersten Oberfläche der Trägerplatte fixiert ist.
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In zweckmäßigen Ausführungen liegt die Wirkfläche der Kraftmesssensoren im Bereich zwischen 0,5 cm2 und 10 cm2, insbesondere 2 cm2 und 5 cm2.Es versteht sich, dass bei Verwendung einer relativ großen Anzahl von Sensoren und speziell bei Konfigurationen der Messplatte, die für Tiere mit relativ kleiner Huf- bzw. Fußfläche vorgesehen sind, die Wirkfläche relativ gering sein kann, während sie bei Konfigurationen mit einer relativ geringen Sensoranzahl und für Tiere mit großer Erfassungsfläche eher an der als bevorzugt genannten Obergrenze oder auch darüber liegen kann.
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Im Interesse einer technologisch leichten und kostengünstigen Herstellbarkeit der Sensoren und Konfigurierbarkeit unterschiedlicher Ausführungen der Messplatte haben alle Kraftmesssensoren im Wesentlichen die gleiche geometrische Form und Wirkfläche.
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In einer einfach realisierbaren Ausführung sind die Kraftmesssensoren bzw. die oben erwähnte Sensorträgerfolie mit der Trägerplatte verklebt. Auch die Verbindung der Kraftübertragungsstollen mit den Kraftmesssensoren kann in einfacher Weise durch Verkleben realisiert sein.
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Sofern es für bestimmte Anwendungen auf eine hohe Flexibilität der Konfiguration ankommt, können alternativ die Kraftmesssensoren bzw. die Sensorträgerplatte und/oder die Kraftübertragungsstollen an den Kraftmesssensoren auch lösbar befestigt und hierbei insbesondere in passende Führungen eingeschoben oder miteinander verrastet sein. Es versteht sich, dass derartige Lösungen konstruktiv aufwändiger und potentiell auch störanfälliger sind, so dass sie eher für spezielle Anwendungen geeignet sein dürften.
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In einer aus derzeitiger Sicht bevorzugten Realisierung sind die Kraftmesssensoren resistiv-dielektrische Sensoren, die insbesondere eine erste leitfähige Schicht, auf dieser eine dielektrische Schicht, die von einem die Form des Kraftmesssensors bestimmenden Spacer umgeben und abgegrenzt ist, und auf der dielektrischen Schicht und dem Spacer eine zweite leitfähige Schicht umfassen. Neben dem hier als Variante erwähnten Aufbau können derartige resistive Kraftsensoren auch einen anderen, also solchen bekannten Aufbau haben. Grundsätzlich sind neben resistiv-dielektrischen Sensoren in der Reaktionskraft-Messplatte auch piezoelektrische oder kapazitive oder induktive Sensoren oder elektroaktive Polymere einsetzbar.
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In Anpassung an die Höhe der zu erwartenden Reaktionskräfte und speziellen Beschaffenheiten des Untergrunds, auf dem Messungen vorgenommen werden sollen, kann eine Ausführung vorteilhaft sein, bei der auf der freien Oberfläche der Kraftübertragungsstollen eine biegsame aber inkompressible Lastverteil- und Schutzplatte fixiert ist, deren Form insbesondere der Form der Trägerplatte entspricht.
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In einer ersten Ausgestaltung dieser Ausführung ist zwischen der Trägerplatte und der Lastverteil- und Schutzplatte eine hochkompressible Stollenführungs- und Dichtungseinlage mit Öffnungen für die Kraftübertragungsstollen angeordnet. In einer anderen Ausgestaltung, die mit der soeben erwähnten auch kombinierbar ist, ist der Außenumfang der Trägerplatte und Lastverteil- und Schutzplatte, und im Falle einer Trägerplatte, die die Form eines Kreisringes, U, Hufeisens oder Vielecks mit einer Ausnehmung im Mittenbereich hat, auch der Innenumfang beider von einem Faltenberg umgeben, der den Zwischenraum zwischen der Trägerplatte und Lastverteil- und Schutzplatte gegenüber der Umgebung abschließt.
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In materialseitigen Ausführungen kann vorgesehen sein, dass die Trägerplatte aus Organoblech, Federstahl oder Kunststoff und/oder die Kraftübertragungsstollen aus Elastomer und/oder die Lastverteil- und Schutzplatte aus Organoblech, Federstahl oder Kunststoff und/oder die Stollenführungs- und Dichtungseinlage aus Schaumstoff besteht. Die Härte des Elastomers der Kraftübertragungsstollen kann speziell zwischen 30 und 85 ShA liegen.
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Das vorgeschlagene Reaktionskraft-Messsystem umfasst neben einer Reaktionskraft-Messplatte der oben spezifizierten Art zunächst eine an der Trägerplatte angebrachte und mit den Kraftmesssensoren signalmäßig verbundene drahtlose Sensorsignal-Sendeeinheit. Optional kann einer Trägerplatte auch eine Einrichtung zur Sensorsignal-Vorverarbeitung, etwa zur leichteren Übertragung mittels der Sendeeinheit, vorgesehen sein. Die Sendeeinheit kann nach derzeitigem Kenntnisstand insbesondere nach dem Bluetooth-Standard arbeiten.
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Die Sendeeinheit kann, sofern die Kraftmesssensoren auf einer Sensorträgerfolie mit entsprechenden Leiterbahnen realisiert sind, gleichfalls auf dieser Sensorträgerfolie angeordnet und über die Leiterbahnen mit den Sensoren verbunden sein.
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Daneben umfasst das Messsystem eine entfernt von der Reaktionskraft-Messplatte angeordneten Sensorsignal-Empfangs-, Auswertungs- und Anzeigevorrichtung, die eine mit der Sensorsignal-Sendeeinheit an die Reaktionskraft-Messplatte kommunizierende drahtlose Sensorsignal-Empfangseinheit umfasst.
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Letztlich wird hiermit ein Hufeisen oder Hufschuh (zum Einsatz bei einem Huftier) oder ein Schuh (zum Einsatz bei Menschen) vorgeschlagen, das/der mit einer Reaktionskraft-Messplatte an der Unterseite ausgerüstet ist. Im Falle des Hufschuhs kann, je nach dessen konkreter Ausführung, die Messplatte an dessen Innenseite angeordnet und ggfs. am Huf oder Hufeisen fixiert sein. Obgleich die Erfindung vorrangig für den Einsatz bei Huftieren gedacht ist, ist es auch denkbar, die erfindungsgemäße Reaktionskraft-Messplatte für bestimmte Untersuchungen am Menschen einzusetzen, um etwa Informationen zu Rehabilitations- oder Trainingszwecken zu gewinnen. Dieser wird dann mit der erfindungsgemäßen Messplatte ausgerüstete Schuhe tragen.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführung der Reaktionskraft-Messplatte,
- 2 eine perspektivische Darstellung einer weiteren, gegenüber 1 modifizierten Reaktionskraft-Messplatte,
- 3 eine perspektivische Darstellung einer weiteren, gegenüber 2 modifizierten Reaktionskraft-Messplatte,
- 4 eine skizzenartige Darstellung zur Anbringung der erfindungsgemäßen Reaktionskraft-Messplatte an einem Pferdehuf und
- 5 eine Prinzipskizze einer Ausführung des erfindungsgemäßen Reaktionskraft-Messsystems, in Art eines Blockschaltbildes.
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1 zeigt, in einer perspektivischen Untersicht, den Aufbau einer beispielhaften Reaktionskraft-Messplatte 1 mit einer geschlossen hufeisenförmigen starren Trägerplatte 3, die eine erste Oberfläche 3a und eine zweite Oberfläche 3b hat. An der ersten Oberfläche 3a sind fünf resistive Kraftmesssensoren 5 mit übereinstimmend rechteckiger Grundform mit gleichen Abständen zueinander angebracht.
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Auf der freien Oberfläche jedes der Kraftmesssensoren 5 ist jeweils ein Kraftübertragungsstollen 7 angebracht, der eine der Grundfläche der Kraftmesssensoren angepasste Form und Größe der Grundfläche hat.
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Die Kraftmesssensoren 5 sind integral auf einer Sensorträgerfolie 9 realisiert, die auch Leiterbahnen 5a zum Anschluss jedes Sensors trägt. Die Sensorträgerfolie 9, zusammen mit den darauf ausgebildeten Kraftsensoren, kann mit üblichen Mitteln der Leiterplattentechnologie hergestellt werden, die dem Fachmann an sich bekannt sind. Die Sensorträgerfolie 9 wird mit ihrer Rückseite auf die erste Oberfläche 3a des Trägers 3 aufgebracht.
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Im einfachsten Fall können sowohl die Sensorträgerfolie 9 mit der Trägerplatte 3 als auch die Kraftübertragungsstollen 7 mit den Kraftmesssensoren 5 mittels eines geeigneten Klebstoffes verklebt werden. Zur Verbindung der Reaktionskraft-Messplatte 1 mit dem Huf des Wirbeltiers oder mit einem ggfs. dazwischenliegenden weiteren Element hat die Trägerplatte in der gezeigten Ausführung Löcher 3c, in die beispielsweise Hufnägel eingeschlagen werden können oder eine Schraube eingesetzt werden kann.
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2 zeigt in einer andersartigen perspektivischen Darstellung, in Art einer Draufsicht, eine modifizierte Ausführung der Reaktionskraft-Messplatte 1. Diese umfasst neben den oben in Bezug auf 1 genannten Komponenten eine in ihrer Form der Trägerplatte 3 entsprechende Lastverteil- und Schutzplatte 11. Diese wird auf die freie Oberfläche der Kraftübertragungsstollen 7 aufgesetzt. Neben Kreislöchern 11 a zur Verbindung mit den Kraftübertragungsstollen 7 hat sie kreissegmentförmige Schlitze 11b, in die von ihrer freien Oberfläche her Elastomerstreifen 13 zur Dämpfung von Bodenberührungen der Reaktionskraft-Trägerplatte 1 eingesetzt sind.
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3 zeigt, wiederum in einer perspektivischen Draufsicht, eine weiter modifizierte Reaktionskraft-Messplatte 1, die zusätzlich zu der in 2 gezeigten Konfiguration eine Stollenführungs- und Dichtungseinlage 15 mit Öffnungen 15a umfasst, in denen die Kraftübertragungsstollen 7 platziert und in einem gewissen Grade auch geführt sind. Diese Einlage 15 besteht aus einem hochkompressiblen Material, etwa einem geeigneten Schaumstoff, so dass sie Krafteinwirkungen von der Lastverteil- und Schutzplatte 11 auf die Kraftübertragungsstollen 9 keinen nennenswerten Widerstand entgegensetzt. Auch bei dieser Einlage kann die Verbindung mit den an beiden Oberflächen angrenzenden Teilen, also der Trägerplatte 3 einerseits und der Lastverteil- und Schutzplatte 11 andererseits, durch Verkleben hergestellt sein.
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4 ist eine Prinzipskizze eines Reaktionskraft-Messsystems 17, welches insbesondere mit einer Reaktionskraft-Messplatte nach einer der 1 bis 3 gebildet sein kann. Die Darstellung hat die Form eines Funktions-Blockschaltbildes und ist nicht dazu bestimmt, die genaue konstruktive Realisierung der Systemkomponenten zu zeigen.
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Das Reaktionskraft-Messsystem 17 umfasst neben den bereits in den 1 bis 3 gezeigten Kraftmesssensoren 5 mit ihren Sensorsignalleitungen 5a eine Sensorsignal-Vorverarbeitungseinheit 19, die über die Sensorsignalleitungen 5a mit den Kraftmesssensoren 5 verbunden ist und dazu dient, eine für eine Signalübertragung nach extern vorteilhafte Vorverarbeitung und Formatierung der Sensorsignale zu bewirken. Ausgangsseitig ist die Sensorsignal-Vorverarbeitungseinheit 19 mit einem drahtlosen Sensorsignalsender 21 verbunden, der etwa nach dem Bluetooth-Standard, je nach Anwendungsfall aber auch nach einem anderen Standard der drahtlosen Nachrichtenübertragung, arbeiten kann. Den vorstehend genannten Komponenten ist eine Energiequelle 23 zugeordnet, bei der es sich im einfachsten Falle um eine handelsübliche Primärzelle oder auch einen Akku handelt. Im Falle der Verwendung eines Akkus kann diesem eine (in der Figur nicht dargestellte) Ladebuchse zum Wiederaufladen im eingebauten Zustand zugeordnet sein.
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Alle oben genannten Komponenten sind vorteilhafterweise an der Reaktionskraft-Messplatte 1, und insbesondere geschützt in deren Innerem, angeordnet und werden hier als Huf-Komponente 25 bezeichnet. Speziell können die Funktionseinheiten der Huf-Komponente 25 sämtlich auf der Sensorträgerfolie 9 realisiert sein.
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Die Huf-Komponente 25 steht über den Sensorsignalsender 21 beim Einsatz des Systems in drahtloser Signalverbindung mit einer Sensorsignal-Empfangs-, Auswertungs- und Anzeigevorrichtung 27, die entfernt vom zu untersuchenden Tier (oder Menschen) platziert ist. Die Vorrichtung 27 umfasst einen drahtlosen Sensorsignalempfänger 29, der zur Kommunikation mit dem Sensorsignalsender 21 an der Huf-Komponente 25 konfiguriert ist und der die empfangenen Signale einer Signalauswertungseinheit 31 zuführt, wo sie eine Auswertung gemäß einem in einem Programmspeicher 33 gespeicherten Programm unterzogen werden.
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Eine Anzeigeeinheit 35 schließlich dient zur Darstellung der Auswertungsergebnisse, beispielsweise für einen Therapeuten oder Trainer. Die Komponenten der Sensorsignal-Empfangs-, Auswertungs- und Anzeigevorrichtung können beispielsweise in einem Notebook, Tablet oder Smartphone mit einer geeigneten Auswerte-App realisiert sein.
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5 zeigt beispielhaft eine Möglichkeit des Einsatzes der erfindungsgemäßen Reaktionskraft-Messplatte 1, und zwar platziert im Inneren eines Hufschuhs 37 eines handelsüblichen Typs, der an einem Huf H eines Pferdes angebracht wird. Beim gezeigten Beispiel wird die Reaktionskraft-Messplatte 1 - je nach Konstruktion des Hufschuhs - temporär mit einem geeigneten, wiederablösbaren Kleber bzw. Haftmittel am Fuß fixiert und dann der Hufschuh 37 darüber gestreift, oder es wird die Reaktionskraft-Messplatte 1 in den Hufschuh eingelegt und dieser anschließend am Huf fixiert.
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Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele und erwähnten Aspekte beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Schutzbereich der anhängenden Ansprüche liegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reaktionskraft-Messplatte
- 3
- Trägerplatte
- 3a
- erste Oberfläche
- 3b
- zweite Oberfläche
- 3c
- Öffnungen
- 5
- Kraftmesssensor
- 5a
- Sensorsignalleitung
- 7
- Kraftübertragungsstollen
- 9
- Sensorträgerfolie
- 11
- Lastverteil- und Schutzplatte
- 11a
- Löcher
- 11b
- Schlitze
- 13
- Elastomerstreifen
- 15
- Stollenführungs- und Dichteinlage
- 15a
- Öffnungen
- 17
- Reaktionskraft-Messsystem
- 19
- Sensorsignal-Vorverarbeitungseinheit
- 21
- drahtloser Sensorsignalsender
- 23
- Energiequelle
- 25
- Huf-Komponente
- 27
- Sensorsignal Sensorsignal-Empfangs-, Auswertungs- und Anzeigevorrichtung
- 29
- drahtloser Sensorsignalempfänger
- 31
- Signalauswertungseinheit
- 33
- Programmspeicher
- 35
- Anzeigeeinheit
- 37
- Hufschuh
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 2482192 B [0004]
- DE 102011016344 A1 [0005]
- US 2020319044 A1 [0006]
