DE3631923A1

DE3631923A1 - Vorrichtung zum messen von druckkraeften

Info

Publication number: DE3631923A1
Application number: DE19863631923
Authority: DE
Inventors: Hanno Ernst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-09-19
Filing date: 1986-09-19
Publication date: 1988-03-31

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Druck kräften nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

In der Sport- und Rehabilitationsmedizin müssen bei Verletzun gen oder nach Operationen oftmals die Kräfte gemessen werden, die auf die Operationsstelle (z.B. ein Kniegelenk, ein künst liches Hüftgelenk oder dgl.) beim Gehen, Laufen oder Stehen wirken. Auch bei gesunden Menschen werden derartige Messungen vorgenommen, um z.B. abnormale Geh-Verhaltensweisen feststel len zu können, wie sie z.B. dann auftreten, wenn der Proband unterschiedlich lange Beine hat (was in späteren Jahren zu Hüftgelenkschäden führt).

Weiterhin ist es in der Sportmedizin sehr oft notwendig, beim Turnen oder anderen sportlichen Betätigungen auf tretende Kräfte zu messen.

Es wurden schon sehr komplizierte Meßsysteme vorgeschla gen, mit denen es möglich sein soll, die Druckvertei lung unter dem Fuß des Probanden (2-dimensional) darzu stellen. Diese Systeme sind jedoch derartig aufwendig und empfindlich, daß sie nur unter ganz bestimmten Be dingungen (aus technischen und kommerziellen Gründen) anwendbar sind (siehe DE-AS 25 29 475, DE-OS 30 11 266, DE-PS 30 25 266).

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenen Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen von Druckkräften derart auszubilden, daß sie einfach anzuwenden und kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patent anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die so entstehende Vorrichtung ist sehr einfach herzu stellen und den jeweiligen Anforderungen anzupassen. Dennoch erfaßt sie präzis die auftretenden Druckkräfte.

Der Hohlkörper kann als Einlegesohle ausgebildet sein, die in jeden normalen Schuh einlegbar ist, also auch in denjenigen Schuh, den der Proband normalerweise trägt, so daß aussagekräftige Meßwerte auch in bezug auf das "normale" Gehverhalten des Probanen gewonnen werden können.

Wenn man den Hohlkörper aus einem einseitig geschlos senen Kunststoffschlauch ausbildet, so kann man diesen entweder in einem plattenförmigen Körper verlegen (z.B. mäanderförmig oder in Spiralen) oder auch eingießen. Man kann den so ausgebildeten Hohlkörper aber auch z.B. um den Griff eines Tennisschlägers winden, um die dort auftretenden Kräfte zu messen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Er findung ist das fluide Medium in einem einseitig ge schlossenen, die Fläche im wesentlichen gitterförmig abdeckenden Kanal enthalten, der den Hohlkörper bildet und der direkt in das Material des plattenförmigen Kör pers eingearbeitet ist. Das Ende des Kanals ist mit dem Druckgeber verbunden. Wenn man diese Anordnung als Einlegesohle ausbildet, so ist es von Vorteil, wenn diese aus einem im wesentlichen inkompressiblen aber elastischen Material hergestellt ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Einlegesohle das Gehverhalten praktisch überhaupt nicht stört, das Meßsignal bzw. der Druck im fluiden Medium aber unverfälscht bleibt. Als Material für die Einlegesohle eignet sich besonders gut Natur- oder Kunstkautschuk.

Vorteilhafterweise umfaßt der Meßwandler der Vorrichtung eine Elektronikeinheit, in der das Ausgangssignal ver stärkt und mit mindestens einem Schwellensignal vergli chen wird. Bei Überschreiten des Schwellensignales bzw. der Schwellensignale werden Kennsignale, vorzugsweise akustische Signale, abgegeben. Mit dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist es z.B. möglich, einen frisch ope rierten Probanden zu warnen, wenn er z.B. sein Bein zu sehr belastet.

Vorzugsweise weist der Druckgeber Befestigungsmittel auf, um ihn mit Abstand zur Einlegesohle am Bein zu be festigen. Zwischen der Einlegesohle und dem Druckge ber ist hierbei ein Koppelungsschlauch vorgesehen, der zum dichten Verbinden des Druckgebers mit dem fluiden Medium in der Einlegesohle dient. Mit dieser Anordnung ist gewährleistet, daß der Druckgeber nicht beim Gehen hindert und dennoch eine exakte Messung der Druck kräfte möglich ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung er geben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgen den Ausführungsbeispielen, die im folgenden anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform des plattenförmigen Körpers in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 die Bodenplatte des Körpers nach Fig. 1 in Draufsicht,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 die Deckelplatte des Körpers nach Fig. 1 in Draufsicht,

Fig. 5 eine Seitenansicht entlang der Linie V-V aus Fig. 4,

Fig. 6 die schematisierte Draufsicht eines Tennis schläger- Gerippes mit einer Vorrichtung zum Messen von Druckkräften,

Fig. 7 ein Turn-Pferd mit eingebrachter Vorrichtung zum Messen von Druckkräften,

Fig. 8 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Einlegesohle mit eingelegten Meßvorrichtungen in schematischer Draufsicht,

Fig. 9 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Einlegesohle mit mäanderförmig eingelegtem Schlauch,

Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie X-X aus Fig. 9,

Fig 11 einen Schnitt entlang der Linie XI-XI aus Fig. 12,

Fig. 12 eine Draufsicht ähnlich Fig. 1, jedoch auf eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Einlegesohle, und

Fig. 13 ein schematisiertes Blockschaltbild eines Meßwandlers mit nachgeschalteter Elektronik.

Wie in den Fig. 1 bis 5 gezeigt, besteht bei einer er sten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Vor richtung zum Messen von Druckkräften aus einer Meß platte 10, die aus einer Bodenplatte 11 und einer Deckel platte 4 besteht. Die Bodenplatte 11 weist eine Ausneh mung 12 auf, die über Einkerbungen zur Außenseite hin verbunden ist. Die Ausnehmung 12 ist hierbei so tief ausgebildet, daß ein Kunststoffschlauch 5 vorzugsweise in mehreren Windungen hineingelegt werden kann und über dem Kunststoffschlauch 5 ein gewisser Freiraum verbleibt. Wird die Deckelplatte 4 auf die Bodenplatte 11 aufge setzt, so inseriert ein Stempelteil 6 in die Ausnehmung 12 und zwar mit nur geringem Spiel, so daß das Deckel teil 4 in Oberflächenrichtung relativ zum Bodenteil 11 fixiert ist.

Die Bodenplatte 11 und das Deckelteil 4 weisen jeweils korespondierend angebrachte Bohrungen 8 auf, über wel che die beiden Teile in Normalrichtung zueinander fi xierbar sind. Die Fixierung erfolgt hierbei derart, daß die Deckelplatte 4 nicht mehr von der Bodenplatte 11 abgehoben werden kann, bei Einwirkung von Druck in Nor malrichtung jedoch das Stempelteil 6 auf den eingeleg ten Schlauch 5 drückt.

Im Schlauch 5 ist ein fluides Medium 2, vorzugsweise Silikonöl, luftfrei eingebracht. Der Schlauch 5 ist am einen Ende dicht abgeschlossen, am anderen Ende steht er mit einem Druckgeber 3 in Verbindung. Der Druckgeber 3 wandelt den Druck im fluiden Medium 2 in ein proportio nales elektrisches Signal um, das über einen Stecker ei ner später beschriebenen Elektronikeinheit zugeführt werden kann.

Die in den Fig. 1 bis 5 beschriebene Vorrichtung kann an beliebigen Orten eingebaut werden.

In Fig. 6 ist gezeigt, daß der mit fluidem Medium ge füllte Schlauch 5 auch um den Griff 15 eines Tennisschlä gers gewickelt werden kann, um die am Griff auftretenden Kräfte darstellbar bzw. meßbar zu machen.

In Fig. 7 ist gezeigt, daß man einen plattenförmigen Körper 1 mit mäanderförmig eingebrachtem Schlauch 5 auch in der Griffläche eines Turnpferdes 16 unterbrin gen kann, um die beim Turnen auftretenden Kräfte bzw. die daraus resultierenden Belastungen des Turners meß bar zu machen.

In Fig. 8 ist ein plattenförmiger Körper 1 gezeigt, der als Einlegesohle ausgebildet ist. Im plattenförmigen Körper 1 sind mehrere Meßpunkte 9 ₁ bis 9 ₄ angeordnet, die jeweils aus spiralförmig aufgewundenen Schläuchen 5 gebildet sind, welche an ihren spiralinneren Enden fest verschlossen und aus der Einlegesohle 1 herausgeführt sind, um dann in den Druckgebern 3 zu enden. Mit der in Fig. 8 gezeigten Anordnung ist eine Druckverteilungs messung hinsichtlich der Meßpunkte 1 bis 4 möglich.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen von Einlegesohlen sind in den Fig. 9 bis 12 gezeigt.

Wie aus Fig. 9 hervorgeht, ist die Einlegesohle entspre chend der üblichen Fuß-/Schuhform ausgebildet und bringt in ihrem Inneren einen im wesentlichen mäanderför mig verlegten Schlauch 5. An seinem einen Ende ist der Schlauch 5 geschlossen, während sein anderes, aus der Einlegesohle 1 herausragendes Ende an einen Drucksensor 3 angeschlossen ist. Der Drucksensor 3 liefert ein elektrisches Ausgangssignal S, das dem Druck des fluiden Mediums 2 im wesentlichen proportional ist, das sich im Schlauch 5 befindet (siehe Fig. 10). Selbstverständlich kann der Schlauch auch in anderen Konfigurationen verlegt sein, wobei insbesondere der Fersenbereich, sowie der Zehenballenbereich Schlauchabschnitte aufweisen muß, da in diesen Bereichen die wirkenden Kräfte am größten sind.

Bei der in den Fig. 11 und 12 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich das flu ide Medium 2 in Kanälen, die in der Einlegesohle 1 selbst ausgebildet sind. Bei der in den Fig. 11 und 12 gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist hierbei die Einlegesohle aus zwei planen Schichten 1′ und 1′′ sowie einer da zwischenliegenden teilweise durchbrochenen Schicht 1′′ gebildet. Die Schichten sind fest aufeinander auflaminiert (vulkanisiert). Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung läßt sich jedes beliebige Muster für den das fluide Medium 2 enthaltenden Kanal herstellen.

Das vom Meßwandler 3 erzeugte Signal wird - wie in Fig. 13 gezeigt - zunächst in einem Vorverstärker 21 verstärkt und dann auf zwei im wesentlichen gleiche Signalpfade aufgeteilt. Jeder Signalpfad umfaßt hierbei einen ein stellbaren Widerstand p′, p′′, dessen Mittelabgriff auf jeweils einen Schwellenschalter 22′, 22′′ geführt ist. Der jeweils andere Eingang der Schwellenschalter 22′, 22′′ ist an eine Referenzspannungsquelle 23 gekoppelt. Die Ausgänge der Schwellenschalter 22′ und 22′′ sind derart auf einstellbare Tongeneratoren 24′ und 24′′ geführt, daß diese ein Tonsignal mit der eingestellten Frequenz dann abgeben, wenn aus dem Schwellenschalter 22′/22′′ ein Aus gangssignal abgegeben wird. Die Ausgänge der Tongeneratoren 24′ und 24′′ werden am Eingang eines nachgeschalteten Leistungsverstärkers 26 summiert, dessen Ausgang einen Lautsprecher 25 speist.

Wenn das Ausgangssignal S des Meßwandlers 3 ansteigt, so überschreitet zunächst der am Potentiometer P′ abgegriffene Wert die durch die Referenzspannungsquelle 23 vorgegebene Schwelle, so daß der Tongenerator 24′ angesteuert wird. Dieser gibt dann ein Ausgangssignal von z.B. 400 Herz aus. Steigt die Spannung weiter, so überschreitet auch die am Potentiometer P′′ (weiter) heruntergeteilte Spannung den Spannungswert der Referenzspannungsquelle 23, so daß der Tongenerator 24′′ angesteuert wird und daraufhin ein Signal von z.B. 3333 Herz abgibt . Die Einstellung der Potentiometer kann z.B. prozentual vom maximal möglichen Druckwert erfolgen, so daß die Potentiometer z.B. Schwel len von 15 bis 25% und 33% darstellen. Selbstverständ lich sind auch andere Schwellenschalter, die dem Fach mann geläufig sind, hier verwendbar.

Bezugszeichenliste: 1 Plattenförmiger Körper
2 Fluides Medium
3 Druckgeber
4 Deckelplatte
5 Schlauch
6 Stempelteil
7 Kanal
8 Bohrung
9₁-9₄ Meßfläche
10 Meßplatte
11 Bodenplatte
12 Ausnehmung
13 Befestigungsmittel
14 Koppelungsschlauch
15 Griff
16 Turnpferd
20 Elektronikeinheit
21 Vorverstärker
22 Schwellenschalter
23 Referenzspannungsquelle
24 Tongenerator
25 Lautsprecher
26 Leistungsverstärker

Claims

1. Vorrichtung zum Messen von Druckkräften mit mindestens ei nem Meßwandler, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler einen mindestens teilweise mit einem fluiden Medium (2) gefüllten Hohlkörper (5, 7) umfaßt, und daß das fluide Medium (2) mit mindestens einem Druckgeber (3) in druckfester Verbindung steht, der ein dem Druck des fluiden Mediums proportionales elektrisches Ausgangssignal (S) erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper mindestens einen einseitig geschlos senen (Kunststoff-) Schlauch (5) umfaßt, der in einem plattenförmigen Körper (Einlegesohle 1, Meßplatte 10) vorzugsweise mäanderförmig verlegt und gegebenen falls eingegossen ist und dessen anderes Ende mit dem Druckgeber (3) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fluide Medium (2) in einem einseitig geschlos senen, die Fläche im wesentlichen gitterförmig ab deckenden Kanal (7) enthalten ist, der den Hohlkör per bildet und der direkt in das Material eines plat tenförmigen Körpers (Einlegesohle 1′, 1′′, 1′′′) einge arbeitet ist und dessen anderes Ende mit dem Druck geber (3) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförmige Körper (1) mehrere Schichten (1′, 1′′, 1′′′) aufweist und der Kanal (7) in höchstens einer Schicht (1′′) ausgebildet ist, mit der eine im wesentlichen plane Schicht (1′′′) fest, den Kanal ab deckend verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler weiterhin eine Elektronikeinheit (20) umfaßt, in der das Ausgangssignal (S) verstärkt und mit mindestens einem Schwellensignal (S _1, S ₂) verglichen wird und vorzugsweise Mittel (21-26) aufweist, um bei Überschreiten der Schwelle akustische Kennsignale abzugeben.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgeber (3) Befestigungsmittel (13) auf weist, um ihn mit Abstand zum plattenförmigen Körper, der als Einlegesohle (1) ausgebildet ist, an einem Bein zu befestigen und daß zwischen Einlegesohle (1) und Druckgeber (3) ein Koppelungsschlauch (14) vor gesehen ist, zum druckdichten Verbinden des Druck gebers (3) mit dem fluiden Medium (2) in der Ein legesohle (1).