DE19819151C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Bewegungsparametern beim Inline-Skating - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 3 und 11 angegebenen Art.

Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Inline-Skating bekannt.

Aus der US 4 689 557 ist ein Fahrzeugrad mit integriertem Geschwindigkeits­ sensor, der nach dem Generatorprinzip arbeitet, bekannt. Der Einsatz dieses Sensors zur Ermittlung von Bewegungsparametern beim Inline-Skating ist sehr aufwendig und für eine unkomplizierte Nachrüstung ungeeignet. Beim Inline-Skating befinden sich i. a. die Laufrollen am linken und rechten Schuh abwechselnd auf der Fahrbahn und in der Luft, d. h. es resultiert hieraus eine diskontinuierliche Rotationsbewegung der Laufrollen und systematische Fehler bei der Ermittlung der Geschwindigkeit des Sportlers. Die US 4 689 557 enthält keine Angaben zur Lösung dieses spezifischen Problems beim Inline-Skating.

In der JP 62-177 453 A wird beispielsweise ein Zyklometer für ein Fahrrad beschrieben, das einen am Rad befestigten bzw. im Reifenmantel integrierten Magneten und einen feststehenden magnetischen Sensor beinhaltet. Ein ähnliches Grundprinzip kann auch für Inline-Skates verwendet werden, jedoch wird auch hier das Problem der systematischen Fehler nicht erwähnt.

Aus der DE 92 09 825 U1 ist ein Road-Skate mit Fahrradcomputer zur Bestimmung von Bewegungsparametern bekannt, bei dem der Fahrradcomputer am Schuh des Road-Skate befestigt wird und ein von einer Laufrolle angetriebenes Mitnahmerad durch einen (vermutlich) magnetischen Sensor abgetastet wird. Dabei wird die Verbindung zwischen Fahrradcomputer und dem Sensor über eine Draht gebundene Leitung realisiert. Dieser Mechanismus ist sehr störanfällig und mechanisch aufwendig. Darüber hinaus werden die systematischen Fehler nicht berücksichtigt.

Aus der DE 196 53 117 C1 ist ein Rad eines Inline-Skates bekannt, in dem Sensoren zur Bestimmung seiner Drehgeschwindigkeit (Dynamoprinzip) angeordnet sind. Es sind weitere Sensoren zur Registrierung der Bodenberührung dieses Rades (Piezoelemente, mechanische Meßfühler) sowie des Winkels zwischen der Aufsetzrichtung des Rades und der tatsächlichen Fortbewegungsrichtung des Benutzers vorgesehen, um die tatsächliche Fortbewegungsgeschwindigkeit des Benutzers der Inline-Skates ermitteln zu können. Die Meßwertverarbeitung und Datenübertragung an eine armbanduhrartige Anzeigeeinrichtung sind ebenfalls in dieses Rad integriert. Mit dieser Anordnung wird in sehr aufwendiger Weise versucht, das Problem der systematischen Fehler für die Ermittlung der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Benutzers von Inline-Skates zu lösen. Es sind verschiedene Druck- und Kraftsensoren (Piezoelemente) notwendig, die in das Rad bzw. die entsprechende Achsaufhängung integriert werden müssen. Da das Rad einem permanenten relativ schnellen Verschleiß unterliegt, wovon insbesondere die äußeren Laufflächen stark betroffen sind, ist die Integration teurer Sensorik und zugehöriger Elektronik in diesem Bereich nicht sinnvoll. Auch die Verwendung mechanischer Sensoren angeordnet zwischen Drehachse und Boden erweist sich als extrem störanfällig. Insgesamt ist das hier vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Fortbewegungsgeschwindigkeit des Benutzers von Inline-Skates zu aufwendig und kostenintensiv unter Berücksichtigung der starken Abnutzung der Laufrollen.

In der DE 196 37 585 A1 wird zur Lösung des Problems der systematischen Fehler eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der an jedem der beiden Inline-Skater ein Sensor zur Ermittlung der Anzahl der Rollenumdrehungen angeordnet wird und diese Meßdaten drahtlos an eine Auswerte- und Anzeigeeinheit übermittelt werden. Die Auswerteeinheit nutzt nur jeweils die höchste Umdrehungszahl einer der beiden Rollen für die Ermittlung der Bewegungsparameter. Bei der hier vorgeschlagenen Vorrichtung verdoppelt sich der Fertigungs- und Montageaufwand gegenüber den Lösungen, die von einem Sensorsystem an einem Schuh ausgehen, so daß sich auch diese Vorrichtung als zu aufwendig und kostenintensiv erweist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Realisierung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Inline-Skating, wie die momentane Geschwindigkeit, die Durchschnitts- und Maximalgeschwindigkeit, die gefahrene Wegstrecke usw. sowie hieraus ableitbarer Angaben zur Konditionierung bzw. Kontrolle des Sportlers, die in einfacher und preiswerter Weise an Inline- Skates montiert werden kann, verschleiß- und wartungsarm ist und systematische Fehler der Geschwindigkeitsmessung stark reduziert. Die erfaßten Bewegungsparameter werden dem Inline-Skater visuell oder akustisch angezeigt bzw. übermittelt.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 und 7 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 der Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Verhalten zwei separater an einem Inline-Skate-Schuh befindlicher Laufrollen derart verändert, daß hieraus eine unterschiedlich starke Abnahme ihrer Umlauf­ geschwindigkeiten im Freilauf resultiert. Beispielsweise kann das Trägheitsmoment einer der beiden Laufrollen durch Zusatzmassen erhöht werden und/oder eine geringere Lagerreibung dieser Laufrolle eingestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Laufrolle durch leichtes Anziehen des Bolzens für die Achslagerung in ihrem Freilaufverhalten etwas gebremst werden. Weiterhin werden kleine Sensormagnete in diese Laufrollen eingesetzt, verklebt oder vergossen. Die Umlaufgeschwindigkeit beider Laufrollen wird mit Hilfe magnetischer Sensoren, wie beispielsweise Reed-Kontakte oder Hall-Sensoren mit Schmitt-Trigger-Funktion, detektiert. Vorteilhafterweise können diese Sensoren auf der Außenseite der Laufschiene der Inline-Skates angeordnet werden, was eine einfache Nachrüstung ermöglicht. Erfindungsgemäß werden die Impulse beider Sensoren vorzugsweise in einem Mikrocontroller hinsichtlich ihres synchronen oder asynchronen zeitlichen Verhaltens analysiert. Für die Ermittlung der gesuchten Bewegungsparameter bzw. der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Benutzers wird nur die zeitlich synchrone Rotation beider Laufrollen verwendet, wobei der Zeitbereich des entsprechenden asynchronen Freilaufverhaltens durch Extrapolation der zuvor ermittelten Meßdaten überbrückt wird. Hiermit wird sichergestellt, daß nur die Umlaufgeschwindigkeit bei sicherem Bodenkontakt beider Laufrollen für die weitere Auswertung verwendet wird, wodurch die systematischen Fehler infolge der diskontinuierlichen Rotationsbewegung der Laufrollen vermieden bzw. stark eingeschränkt werden. Die vom Mikrocontroller generierten Signale werden vorzugsweise über eine Funkstrecke an ein Signalverarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem übertragen, das zweckmäßigerweise am Handgelenk des Benutzers befestigt oder im Schutzhandschuh integriert wird. Zumindest als ein Teil des Signalverarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem wird vorzugsweise ein Fahrradcomputer in modifizierter oder unmodifizierter Form eingesetzt. Zur Erzeugung einer entsprechenden Impulsfolge kann bereits im Sensorsystem eine Signalvorverarbeitung mit Hilfe des Mikrocontrollers durchgeführt werden. Vorteilhafterweise kann dieser auch zur Kodierung der Impulse dienen, wodurch eine störfreie Datenübertragung zum Empfänger sichergestellt wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird eine mit dem Sensormagnet ausgestattete Laufrolle bezüglich ihrer Lagerung und ihres Trägheitsmomentes so ausgelegt, daß nach ihrem Abheben von der Fahrbahn ihre Rotationsenergie und folglich ihre Umlaufgeschwindigkeit innerhalb einer Zeitdauer von einer Sekunde nur um wenige Prozent (etwa 5% bis 10%) abnimmt. Hierdurch kann der systematische Fehler bei der Geschwindigkeitsbestimmung bei Verwendung nur eines magnetischen Sensors an einer Laufrolle erheblich reduziert werden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine mögliche Anordnung wesentlicher Komponenten einer Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Inline-Skating,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Inline-Skating,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Inline-Skating,

Die Fig. 1 zeigt eine mögliche Anordnung wesentlicher Komponenten einer Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Inline-Skating. Der Benutzer 8 fährt mit seinen Inline-Skates 1 auf dem Straßenbelag 7. An seinem rechten Inline-Skate-Schuh 1 sind das erfindungsgemäße Sensorsystem 3 und der Funksender 4 zur Übertragung der Sensorsignale angeordnet. Am rechten Handgelenk des Benutzers 8 sind der Funkempfänger 5 sowie das Signalverarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem 6 befestigt, das zweckmäßigerweise dem Aufbau und den Funktionen eines Fahrradcomputers entspricht. Die vom Sensorsystem 3 detektierten Impulse werden entweder direkt oder nach entsprechender Signalvorverarbeitung über die Funkstrecke 4, 5 zum Signalverarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem 6 übertragen, wo sie zur Ermittlung der Bewegungsparameter des Sportlers 8 beim Inline-Skating dienen und zur Anzeige gebracht werden.

In Fig. 2 ist schematisch ein Inline-Skate-Schuh 1 dargestellt, an dem zwei magnetische Sensoren 32 auf der Außenfläche der Trägerschiene 11 so angeordnet sind, daß sie unter dem Einfluß der in den zugeordneten Laufrollen 2a und 2b montierten oder eingegossenen Sensormagneten 31 einen Schaltimpuls pro Umdrehung abgeben. Diese Anordnung setzt voraus, daß die Trägerschiene 11 nicht aus ferromagnetischem Material besteht. Als Sensoren werden Hall-Elemente mit integriertem Verstärker und Schmitt-Trigger eingesetzt. Das Kugellager der vorderen Laufrolle 2a ist von besserer Qualität als das der hinteren Laufrolle 2b. Zusätzlich wird die hintere Laufrolle 2b durch ein stärkeres Anzugsmoment bei der Montage des Achsbolzens und dem daraus resultierenden axialen Druck auf das zugehörige Kugellager hinsichtlich ihres Freilaufverhaltens etwas abgebremst. Die Impulse beider Hall-Sensoren 32 werden einem Mikrocontroller 33 zugeführt, in dem ihr gegenseitiger zeitlicher Versatz ständig überprüft wird. Falls dieser Versatz annähernd konstant bleibt, wird eine Mittelung über die Impulsfolgefrequenz dieser Sensoren durchgeführt und eine entsprechend gemittelte Folge von Ausgangsimpulsen gebildet. Zur besseren Datenübertragung zum Funkempfänger 5 werden diese Ausgangsimpulse ebenfalls mit Hilfe des Mikrocontrollers 33 kodiert und an den Funksender 4 abgegeben. Wenn sich der zeitliche Versatz ändert, wird nicht die aktuelle sondern die zuvor im Mikrocontroller 33 generierte und abgespeicherte Ausgangsimpulsfolge über die Funkstrecke 4, 5 zum Signalverarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem 6 übertragen (Extrapolationsmethode), d. h. es werden ausschließlich die Meßwerte verwendet, bei dem die Impulse der beiden Hall-Sensoren 32 ein synchrones Zeitverhalten aufweisen. Dieses synchrone Verhalten entsteht jedoch nur dann, wenn sich die beiden Laufrollen 2a und 2b auf dem Straßenbelag 7 befinden. Der systematische Fehler für die Bestimmung der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Benutzers 8 infolge der diskontinuierlichen Rotationsbewegung der Laufrollen beim Inline- Skating wird durch dieses Verfahren erheblich reduziert. Als Abbruchbedingung für die Extrapolation der Meßwerte gilt die Überschreitung einer Zeitdauer der asynchronen Verhaltensphase von ca. 2,5 s. Der Restfehler infolge des individuellen Fahrverhaltens oder infolge der Laufrollenabnutzung läßt sich durch manuelle Eingabe am Signalverarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem 6 korrigieren, wobei der entsprechende Korrekturfaktor beispielsweise aus der Abweichung zwischen angezeigter und tatsächlich zurückgelegter Wegstrecke bei annähernd gleichem Fahrstil ermittelt werden kann.

Eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Vermeidung systematischer Fehler kann durch die Einführung einer Nebenbedingung bezüglich der Zeitdauer des synchronen Verhaltens der Laufrollen erreicht werden. Beispielsweise kann bei Überschreitung einer Zeitdauer von 2,5 s für eine ununterbrochene synchrone Phase eine automatische Absenkung der Ausgangsimpulsfolgefrequenz und der daraus abgeleiteten Fortbewegungsgeschwindigkeit um etwa 5% bis 10% vorgenommen werden, da in diesem Fall von einer "rollenden" Fortbewegungsart ohne alternierende Fußbewegungen ausgegangen werden kann. Diese Art des Inline-Skating erzeugt automatisch eine höhere Fortbewegungsgeschwindigkeit im Vergleich zum alternierenden Schlittschuhschritt, der i. a. auf ebener Strecke benutzt wird.

Die Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ermittlung der Bewegungsparameter beim Inline-Skating unter Verwendung eines Reed-Kontaktes als magnetischen Sensor 32 in Kombination mit einer Schwungmasse 21 an der Sensor-Laufrolle 2. Der Sensormagnet 31 ist in die Laufrolle 2 integriert, so daß pro Umdrehung ein Schalten des Reed-Kontaktes 32 erfolgt. Die Schaltimpulse werden in der Sensorelektronik 33 vorverarbeitet, kodiert und auf den Funksender 4 gegeben. Zum einen dient die Sensorelektronik 33 der Impulsumsetzung, d. h. es werden beispielsweise jeweils acht Schaltimpulse des Reed-Kontaktes 32 in einen Ausgangsimpuls umgesetzt, was einer Mittelwertbildung gleichkommt. Zum anderen wird eine Kodierung der zu übertragenden Signale durchgeführt. Über die Funkstrecke 4, 5 werden diese Signale zu einem Fahrradcomputer 6, der als Signalverarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem dient, übertragen. Durch entsprechende Konfigurierung des Fahrradcomputers 6 (Einstellen des Raddurchmessers) können mit diesem direkt aus den empfangenen Ausgangsimpulsen die gesuchten Bewegungsparameter ermittelt und angezeigt werden. Erfindungsgemäß ist der Fahrradcomputer 6 zusammen mit dem Funkempfänger 5 sowie einem Piezogeber, der als Hupe dient, im Schutzhandschuh angeordnet. Die Auslösetaste für die Hupe ist zweckmäßigerweise auf der Innenseite des Schutzhandschuhes angeordnet und wird durch Ballen der Faust oder durch Hand-Körper-Kontakt ausgelöst. Die Sensorelektronik 33, der Funksender 4 sowie die zugehörige Spannungsversorgung (Akku oder Batterie) 41 können beispielsweise in der Bremse der Inline-Skater angeordnet werden. Die Schwungmasse 21 gewährleistet unter der Voraussetzung einer reibungsarmen Lagerung der Laufrolle 2, daß nach ihrem Abheben von der Fahrbahn ihre Rotationsenergie und folglich ihre Umlaufgeschwindigkeit innerhalb einer Zeitdauer von ein bis zwei Sekunden nur um wenige Prozent abnimmt, wodurch die Bestimmung der Fortbewegungs­ geschwindigkeit des Benutzers unter Berücksichtigung der zuvor erwähnten Mittelung mit ausreichender Genauigkeit (Fehler: 3% bis 6%) durchgeführt wird.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Ermittlung von Bewegungsparametern beim Inline-Skating, bestehend aus einem Sensorsystem (3), einem elektronischen Signal­ verarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem (6) und einer Sensorsignal- Übertragungsstrecke (4, 5), dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsystem (3) aus zwei Impulsgebern (32) besteht, die an einem Inline-Skate-Schuh (1) angeordnet sind und ihre Impulse aus der Drehbewegung zweier Laufrollen (2a, 2b) dieses Schuhes ableiten, wobei Mittel vorgesehen sind, die ein unterschiedliches Freilaufverhalten dieser beiden Laufrollen hervorrufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unterschiedliche Freilaufverhalten der beiden Laufrollen (2a, 2b) durch deren unterschiedliche Dämpfung und/oder die Kugellagereigenschaften und/oder die Anordnung oder Integration von Zusatzmassen an oder in einer der Laufrollen erzeugt wird.

3. Vorrichtung zur Ermittlung von Bewegungsparametern beim Inline-Skating, bestehend aus einem Sensorsystem (3), einem elektronischen Signal­ verarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem (6) und einer Sensorsignal- Übertragungsstrecke (4, 5), dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsystem (3) aus nur einem Impulsgeber (32) besteht, der bei einer Umdrehung der ihm zugeordneten Laufrolle (2) mindestens einen Impuls generiert, wobei das Trägheitsmoment dieser Laufrolle (2) durch die Anordnung oder Integration von Zusatzmassen (21) erhöht und die Lagerreibung für diese Laufrolle (2) minimiert wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Impulsgeber für die Drehbewegung (32) ein Reed-Kontakt oder ein Hall- Sensor in Kombination mit mindestens einem Sensormagneten (31), der in der Laufrolle (2) angeordnet ist, eingesetzt wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die elektronische Signalvorverarbeitung im Sensorsystem (3) mindestens ein Mikrocontroller (33) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorsignal-Übertragungsstrecke (4, 5) eine drahtlose Funkstrecke bestehend aus einem Funksender (4) und einem zugehörigen Funkempfänger (5) eingesetzt wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorsignal-Übertragungsstrecke (4, 5) eine drahtlose Ultraschallstrecke bestehend aus einem Ultraschallsender (4) und einem zugehörigen Ultraschallempfänger (5) eingesetzt wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronisches Signalverarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem (6) ein Mikrocontroller und/oder ein Fahrradcomputer oder deren Kombination vorgesehen ist, der/die zusammen mit dem Empfänger (5) der Sensorsignal- Übertragungsstrecke (4, 5) am Handgelenk des Benutzers der Inline-Skates (8) mit Hilfe eines Armbandes befestigt ist oder mit Teilen der Schutzausrüstung und/oder der Bekleidung verbunden oder in diese integriert ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse des elektronischen Signalverarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem (6) ein akustischer Signalgeber integriert ist, der als Hupe eingesetzt werden kann, wobei die Auslösung über einen Taster am oder in der Nähe des Gehäuses realisiert ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster an der Innenseite des Handgelenkes, der Hand oder des Armes des Benutzers der Inline-Skates (8) angeordnet ist.

11. Verfahren zur Ermittlung von Bewegungsparametern beim Inline-Skating, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdrehungszahl an zwei separaten Laufrollen (2a, 2b) eines Inline- Skate-Schuhes (1), die sich durch ein unterschiedliches Freilaufverhalten, bewußt hervorgerufen durch unterschiedliche Dämpfung und/oder Trägheitsmomente, auszeichnen, in einem Sensorsystem (3) als Funktion der Zeit erfaßt wird und für die Ermittlung der gesuchten Bewegungsparameter nur die bei zeitlich synchroner Rotation beider Laufrollen (2a, 2b) erzeugte Impulsfolge bei der anschließenden Signalauswertung verwendet wird, wobei der Zeitbereich des entsprechenden asynchronen Freilaufverhaltens durch Extrapolation der zuvor ermittelten Meßdaten überbrückt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Sensorsystem (3) eine elektronische Signalvorverarbeitung durchgeführt wird, die zumindest einzelne der folgenden Verarbeitungsschritte beinhaltet:

• 1. Untersetzung der vom Sensorsystem (3) detektierten Impulsfolge,
• 2. Vergleich des zeitlichen Verhaltens der Impulsfolgen von zwei Sensoren,
• 3. Mittelwertbildung von Meßwerten,
• 4. Extrapolation von Meßwerten,
• 5. Kodierung von Meßwerten.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Signalverarbeitungs-, -auswerte- und -anzeigesystem (6) die vom Sensorsystem (3) generierten Meßdaten mit zusätzlichen Meßdaten über den Trainings- und/oder Gesundheitszustand des Benutzers der Inline- Skates (8) und/oder weiteren human-physiologischen Meßdaten verknüpft.

14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Sender (4) der Sensorsignal-Übertragungsstrecke (4, 5) ausgesendeten Impulse vor ihrer Übertragung kodiert und am Empfänger (5) der Sensorsignal-Übertragungsstrecke (4, 5) dekodiert werden.