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Die
Erfindung betrifft einen Schuh, insbesondere einen Sportschuh, der ein
Schuhoberteil und eine Sohle aufweist.
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Es
ist bereits länger bekannt, einen Schuh der gattungsgemäßen
Art mit einem System auszustatten, mit dem aktiv das Feder- bzw.
Dämpfungsverhalten beeinflusst werden kann. Hierfür
werden bestimmte Bewegungszustände des Schuhs gemessen
und mittels beeinflussbarer Elemente die Feder- bzw. Dämpfungseigenschaften
des Schuhs gezielt eingestellt. Eine Lösung dieser Art
ist beispielsweise in der
US
5 813 142 offenbart.
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In
dem genannten Dokument ist ein Sensorsystem zur Ermittlung des Drucks
in einer Kammer vorgesehen, die fluidbeaufschlagbar in der Schuhsohle
integriert ist. Abhängig vom gemessenen Druck veranlasst
eine Steuereinrichtung die Medienzufuhr in die Fluidkammer.
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Mit
einem solchen System kann grundsätzlich auch – was
sehr wünschenswert ist – auf die pronationsregulierende
Wirkung des Schuhs beim Aufsetzen desselben auf den Boden Einfluss
genommen werden.
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Die
Pronation ist eine Drehung des Fußes um die Achse des unteren
Sprunggelenks, bei der der äußere Fußrand
gehoben und der innere Fußrand gesenkt wird. Die Pronation
wird auch als Einwärtsdrehung oder Einwärtskantung
bezeichnet.
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Die
normale Pronation des Fußes ist ein natürlicher
Dämpfungsmechanismus und eine natürliche Bewegung
nach innen beim Fußaufsatz. Allerdings knickt der Fußrand
bei der sog. Überpronation stark nach innen ein und belastet
damit die Bänder, Sehnen und Gelenke. Diese Überpronation
kann verschiedenste Ursachen haben, wie zum Beispiel eine Fußfehlstellung, Übergewicht
oder starke Ermüdung. Ebenfalls tritt die Überpronation
gelegentlich bei Laufanfängern auf, da der Stützapparat
des Fußes noch nicht ausreichend trainiert ist. An den
Schuhen ist dann eine starke Abnutzung im medialen Bereich erkennbar.
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Der
der Pronation entgegengesetzte Mechanismus (auch Supination genannt)
tritt beim Laufen seltener auf. Bei der Supination geht die Belastung
in die entgegengesetzte Richtung. Bei Laufschuhen ist dies durch
eine höhere Abnutzung im lateralen Bereich (also an der
Außenseite) erkennbar.
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Demgemäß wird
es bei modernen Sportschuhen angestrebt, über die an sich
bekannten in die Sohle eingearbeiteten Pronationsstützen
hinaus eine aktive Beeinflussung der Pronation vorzunehmen, was
mit einem System, wie es in der genannten Schrift erläutert
ist, möglich ist.
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Die
Qualität des Ergebnisses einer aktiven Pronationsbeeinflussung
hängt wesentlich von der Genauigkeit der Messung der auftretenden
Spannungen und damit Drücke im Schuh und insbesondere in
seiner Sohle ab. Die vorbekannten Systeme zeigen noch in nachteiliger
Weise Schwächen bzw. Ungenauigkeiten.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schuh der eingangs
genannten Art so fortzubilden, dass es möglich wird, in
genauerer und einfacherer Weise die Druck- und damit die Spannungsverhältnisse
in der Sohle eines Schuhs, insbesondere eines Sportschuhs, zu erfassen,
um bei der aktiven Beeinflussung der Pronation ein verbessertes
Ergebnis zu erzielen.
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Die
Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass an oder in der Sohle mindestens ein Sensor angeordnet ist,
mit dem ein zwischen der Fußauflageseite der Sohle und
der Kontaktfläche der Sohle auf dem Boden wirkender Druck
oder eine Kraft in einer definierten Richtung gemessen werden kann,
wobei der Sensor so angeordnet ist, dass er einen Druck oder eine
Kraft misst, die zur Vertikalen einen Winkel einschließt.
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Der
Winkel beträgt dabei vorzugsweise zwischen 5° und
90°, besonders bevorzugt zwischen 15° und 80°.
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Um
den in der Sohle herrschenden Druck bzw. die Kraft nicht nur punktuell,
sondern über seine flächige Erstreckung zu ermitteln,
ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Anzahl Sensoren an oder in der Sohle
angeordnet ist.
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Die
Sensoren sind bevorzugt entlang des Randbereichs der Sohle jeweils
beabstandet voneinander angeordnet. Sie können im hinteren
Drittel, vorzugsweise im hinteren Viertel der Sohle – gemessen
in Richtung einer Längsachse des Schuhs – angeordnet
sein. In diesem Bereich ist die Druck- bzw. Kraftermittlung mit
Blick auf die Ermittlung Pronations-relevanter Daten besonders wichtig.
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Die
Sensoren sind gemäß einer bevorzugten Fortbildung
vom medialen Randbereich der Sohle um den Fersenbereich herum bis
zum lateralen Randbereich der Sohle angeordnet. Dabei sind die Sensoren
vorzugsweise äquidistant entlang des Randbereichs des Schuhs
angeordnet. Besonders bevorzugt sind 6 bis 10 Sensoren entlang des
Randbereichs des Schuhs angeordnet, insbesondere 8 Sensoren.
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Die
Sensoren zur Druckbestimmung sind mit Vorteil an oder in einer Einlegesohle
angeordnet. Diese besteht bevorzugt aus TPU (thermoplastischem Elastomer
auf Urethanbasis) oder aus PA (Polyamid). Die Sensoren können
dabei auf oder in einer Einlegesohle eingeklebt sein. Hiernach sind
die Drucksensoren auf einem Kunststoffchassis im Bereich der Ferse
gleichmäßig am Rand fixiert.
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Zur
Druck- bzw. Kraftermittlung für den vorgesehenen Zweck
der Bestimmung Pronations-relevanter Daten haben sich als Sensoren
Piezo-Elemente (piezokeramische Druck- bzw. Kraftsensoren) besonders
bewährt.
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Alle
Sensoren können mit einer zentralen Auswerteeinheit zur
Ermittlung des Drucks in Verbindung stehen. Die Verbindung zwischen
den Sensoren und der zentralen Auswerteeinheit kann als Kabelverbindung
ausgebildet sein.
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In
vorteilhafter Weise kann einer der Sensoren herangezogen werden,
um die Feststellung zu treffen, dass der Schuh auf dem Boden aufsetzt.
Die optimale Position für diesen Sensor ist der hintere Randbereich
der Sohle.
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Die
während der Standphase erfolgende Sohlenbelastung zeigt
aufgrund der gleichzeitig auftretenden (Ab)Rollbewegung des Calcaneus
eine räumlichzeitliche Druckbelastung (Spannungsbelastung)
in der Sohle, was durch die Anzahl an Druck- bzw. Kraftsensoren
gemessen werden kann, was im Falle der Verwendung von Piezo-Sensoren
in besonders einfacher Weise möglich ist.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Es zeigen:
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1 in
perspektivischer Ansicht einen Sportschuh, dessen Sohle mit einer
Anzahl Sensoren versehen ist,
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2 die
Draufsicht auf die Sohle (ohne Schuhoberteil) mit den platzierten
Sensoren und
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3 den
Schnitt A-B gemäß 2, dargestellt
an einem Schuh mit Oberteil und Sohle.
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Der
in den Figuren dargestellte Schuh weist ein Schuhoberteil 1 auf,
an dessen Unterseite eine Sohle 2 angeordnet ist. Die Sohle 2 selber
besteht aus einer Einlegesohle 6, einer Mittelsohle 9 und
einer Außensohle 10. Der Schuh hat eine Erstreckung in
Längsrichtung L.
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Nicht
dargestellt ist ein vorzugsweise weiterhin vorhandenes Steuerungssystem
und ein Aktuatorsystem, mit dem in Abhängigkeit der von
der Sensorik gemessenen Werte auf den Schuh in einer solchen Weise
Einfluss genommen werden kann, dass die Pronation in einem gewünschten
Sinne verändert wird.
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Zur
Ermittlung der Druckverteilung in der Sohle 2 infolge der
Kräfte, die der Fuß des Trägers auf die
Sohle 2 ausübt, sind mehrere Sensoren 3a, 3b, 3c,
... vorgesehen, die in der Lage sind, am Ort ihrer Platzierung den
aktuell wirkenden Druck bzw. die Kraft F in der Sohle 2 in
einer definierten Richtung zu messen.
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Dabei
ist vorgesehen, dass an oder in der Sohle 2 die Sensoren 3a, 3b, 3c,
... angeordnet sind, mit dem der bzw. die zwischen der Fußauflageseite der
Sohle 2 und der Kontaktfläche der Sohle 2 auf dem
Boden wirkende Druck oder die wirkende Kraft F in der definierten
Richtung gemessen werden kann. Wie aus 3 hervorgeht,
ist der Sensor 3a, 3b, 3c, ... dabei
so angeordnet, dass er einen Druck oder eine Kraft F misst, der
bzw. die zur Vertikalen V einen Winkel α einschließt.
Dieser Winkel liegt zumeist in einem Bereich zwischen 15° und
80°.
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Die
winkelige Anordnung der Sensoren 3a, 3b, 3c,
..., so dass die Kraft F bzw. der Druck zu einer Richtung ermittelt
wird, die bzw. der unter dem genannten Winkel α zur Vertikalen
steht, ermöglicht ist verbesserter Weise die Ermittlung
der Pronationsverhältnisse. Dies wäre in dieser
Form mit einer rein planaren Messung nicht möglich. Die
Einbaulage in der schalenförmigen Einlegesohle 6 bestimmt
dann die Richtung, unter der die Kraft F bzw. der Druck gemessen
wird.
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Dabei
interessiert namentlich der Druck bzw. die Kraft F, den bzw. die
der Fuß des Trägers zwischen der Fußaufstandsfläche
auf der Oberseite der Sohle und der Sohle 2 erfährt.
Aus den gemessenen Werten kann (durch einsprechende Kalibrierung)
darauf rückgeschlossen werden, wie groß die Druck- bzw.
Kraftverteilung in der gesamten Sohle ist, jedenfalls im hinteren Bereich
des Schuhs, die sich aufgrund der Belastung durch den Fuß des
Trägers ergibt. Diese Druck- bzw. Kraftverteilung ist eine
wesentliche Information, um aktiv auf das Pronationsverhalten des
Schuhs Einfluss nehmen zu können.
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Vorliegend
sind die Sensoren 3a, 3b, 3c, ... als
Piezo-Sensoren ausgebildet.
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Der
Effekt der Piezoelektrizität (auch piezoelektrischer Effekt
genannt) beschreibt das Zusammenwirken zwischen mechanischem Druck
und der elektrischen Spannung in Festkörpern. Er basiert
auf dem Phänomen, dass bei der Verformung bestimmter Materialien
auf der Oberfläche elektrische Ladungen auftreten (direkter
Piezoeffekt). Bei einem piezoelektrischen Sensor, wie er vorliegend
eingesetzt wird, wird mittels Druck durch Ladungstrennung eine elektrische
Spannung in einem Kristall erzeugt (sog. piezoelektrischer Effekt).
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Durch
den Druck verschieben sich im Inneren des Kristalls Ionen, wodurch
sich die Ladung proportional zur Kraft verändert. Piezoelektrische
Sensoren messen grundsätzlich nur Kräfte. Der
Piezo-Sensor ist mechanisch relativ starr, wodurch es nur geringfügig
zu Eigenschwingungen oder Nachschwingeffekten kommt. Es wird also
durch den Druck auf den Sensor Ladungsverschiebung innerhalb des
Kristalls erzeugt, die abgeführt und in einem Ladungsverstärker
in eine Spannung umgewandelt wird.
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Wie
gesehen werden kann, sind mehrere – vorliegend acht – Sensoren 3a, 3b, 3c,
... entlang des Randbereichs der Sohle 2 platziert. Wie
in 2 gesehen werden kann, sind die einzelnen Sensoren 3a, 3b, 3c,
... im wesentlichen in gleichen Abständen (äquidistant)
entlang des Randes der Sohle 2 angeordnet.
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Dabei
sind die Sensoren 3a, 3b, 3c, ... so verteilt,
dass sie nur im hinteren Drittel, vorzugsweise sogar nur im hinteren
Viertel 4 der Sohle – betrachtet in Richtung der
Längsachse L des Schuhs bzw. der Sohle – zu liegen
kommen. Die Sensoren 3a, 3b, 3c, ...
verlaufen dabei an der lateralen (äußeren) Seite beginnend
(s. Sensor 3a), wobei dann die weiteren Sensoren (3b, 3c)
in Richtung Fersenbereich 5 folgen, sich um diesen herum
erstrecken, um auf der medialen (inneren) Seite wieder zurückzulaufen.
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Die
Sensoren 3a, 3b, 3c, ... sind dabei in
die Einlegesohle 6 integriert, d. h. vorliegend auf diese aufgeklebt.
Wird die Sohle 2 durch den Fuß des Trägers
belastet, entsteht in der Sohle ein Druck bzw. eine Kraft, der bzw.
die wegen der vorhandenen Anzahl der Sensoren 3a, 3b, 3c,
... in seiner bzw. ihrer örtlichen Verteilung bestimmt
werden kann.
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Mithin
kann auf diese Weise die Druck- bzw. Kraftverteilung in der Sohle 2 ermittelt
werden, und zwar nicht nur punktuell, sondern insgesamt als Druck-
bzw. Kraftverteilung über der Sohlenfläche. Hieraus
können gezielt Rückschlüsse auf die Pronation
gezogen werden, worauf mit entsprechender Aktuatorik reagiert werden
kann, um das Pronationsverhalten des Schuhs zu beeinflussen.
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Hierzu
werden die Signale aller Sensoren 3 über Kabelverbindungen 8 zu
einer zentralen Auswerteeinheit 7 geleitet, wo eine entsprechende
Signalverarbeitung und -auswertung stattfinden kann.
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Ein
im Fersenbereich 5 angeordneter Sensor kann auch benutzt
werden, um den Zeitpunkt zu definieren, zu dem der Fuß auf
dem Boden – insbesondere beim Joggen – auftritt.
Ab dem Zeitpunkt, zu dem dieser Sensor einen vorbestimmten Schwellenwert
detektiert, kann mit der Verarbeitung pronations-relevanter gemessener
Parameter begonnen werden.
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Während
das vorgeschlagene Sensorsystem zur Ermittlung des Drucks bzw. der
Kraft F in der Sohle eines Schuhs bevorzugt in einem System zur Anwendung
kommt, das in den Schuh integriert ist und dort für eine
aktive Beeinflussung des Pronationsverhaltens sorgt, ist es grundsätzlich
genauso möglich, die vorgeschlagenen Sensorik für
stationäre Messungen zu nutzen, z. B. zur Analyse des Laufverhaltens
eines Läufers (z. B. auf einem Laufband).
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Generell
gilt, dass das vorgeschlagene System zur Bestimmung des Bewegungsausmaßes
und der Bewegungsgeschwindigkeit insbesondere des Schuhfersenbereichs
bzw. des damit einhergehenden Drucks oder der Kraft in der Sohle
geeignet ist, d. h. das Ausmaß und die Geschwindigkeit
der Pronation kann ermittelt werden.
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Wie
erläutert, kann mit einem Sensor im Fersenbereich der initiale
Bodenkontakt des Schuhs ermittelt werden. Ein Ausschlag des Sensorsignals zeigt,
dass der Bodenkontakt der Ferse beginnt. Das Abheben der Ferse vom
Boden kann durch einen Druckabfall bestimmt werden.
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Nachdem
die Piezo-Sensoren 3 in den Schuh integriert, d. h. auf
oder in die Einlegesohle 6 auf- bzw. eingeklebt sind, ist
eine Kalibrierung erforderlich. Dazu wird ein Referenzsystem eingesetzt, das
das Pronationsausmaß und die Pronationsgeschwindigkeit
bestimmen kann. Gleichzeitig werden die Druck- bzw. Kraftmaxima
und deren Zeitpunkte bestimmt.
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Beispielsweise
wird mittels einer (an sich bekannten) multiplen Regressionsanalyse
ein mathematischer Zusammenhang zwischen den gemessenen Pronationswerten
und den Druck- bzw. Kraftmaxima sowie den Zeitpunkten ihres Auftretens
errechnet. Die dabei berechneten Koeffizienten werden anschließend
zur Kalkulation des Pronationsausmasses und der Pronationsgeschwindigkeit
aus den Druckparametern verwendet.
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- 1
- Schuhoberteil
- 2
- Sohle
- 3a,
3b, 3c, ...
- Drucksensor/Kraftsensor
(Piezo-Element)
- 4
- hinteres
Viertel des Schuhs
- 5
- Fersenbereich
- 6
- Einlegesohle
- 7
- zentrale
Auswerteeinheit
- 8
- Kabelverbindung
- 9
- Mittelsohle
- 10
- Außensohle
- V
- vertikale
Richtung
- H
- horizontale
Richtung
- L
- Längsrichtung
- α
- Winkel
- F
- Kraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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