DE4027317C1 - Automatic gait analyser with evaluating unit - supplied by sensors on lamellae of conveyor belt for walker - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur automatischen Gegenanalyse gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Vorrichtungen zur Erfassung von Kräften und Kraftverteilungen sind an sich bekannt (DE-36 42 088 C2 und DE-25 29 475 C3).

Ferner ist bereits eine Vorrichtung zur Messung von Scherkräften bekannt (EP-O 331 769 A1).

Alle diese bekannten Vorrichtungen können als Plattformen zur biomechanischen Ganganalyse eingesetzt werden, bei der der Gang eines beliebigen Lebewesens untersucht und analysiert wird. Hierbei besteht aber der Nachteil, daß immer nur ein einziger Schritt und ein einzelner Abrollvorgang aufgenommen werden kann.

Um ein natürliches Gangverhalten zu erhalten, ist es dagegen notwendig, den Gang über eine längere Zeit aufzunehmen. Wird nur ein einzelner Schritt aufgezeichnet, so muß die Meßperson einen großen Anlauf nehmen. Hierbei ist das Treffen der Meßplattform mit den Füßen ein weiteres Problem.

Ferner wird eine Meßvorrichtung als bekannt beschrieben, bei der ein Laufband über eine Meßplattform gezogen wird und somit eine fortlaufende Erfassung von Kräften möglich wird. (R. Kram und A. J. Powell: "A treadmill-mounted force platform" in "J. Appl. Physiol. 67(4): 1692-1698 (1989).

Diese bekannte Vorrichtung ermöglicht jedoch nur eine Erfassung der Vertikalkräfte, nicht jedoch der Horizontal- bzw. der Scherkräfte.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist bekannt (US-Z: Journal of Appl. Physiol., 67 Heft 4) und weist ein endlos umlaufendes Laufband auf. Die Vorrichtung weist ferner eine Kraftmeßplatte zur ausschließlichen Messung vertikaler Kräfte auf, die unter dem Laufband angeordnet ist. Da sich das Laufband relativ zu der Kraftmeßplatte bewegt, ist es jedoch nicht möglich, mit dieser Anordnung horizontale Kräfte zu messen.

Es ist weiterhin eine Vorrichtung bekannt (WO 89/11 246 A1), die zur automatischen Ganganalyse eine Vielzahl vertikal verschiebliche Lamellen aufweist, die in einer Grube parallel zueinander angeordnet und zur Messung vertikaler Kräfte ausgelegt. Auch mit dieser bekannten Vorrichtung die zwar eine Auswerteeinheit, nicht aber ein endlos umlaufendes Laufband aufweist, ist es möglich, den Ort, die Einwirkungsdauer und die Vertikalkraft eines Fuß- oder Hufauftritts zu messen. Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist die mangelnde Eignung, auch horizontal wirkende Kräfte zu bestimmen und daß aufgrund des mangelnden Laufbandes eine kontinuierliche Messung nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs bereitzustellen, mit der eine möglichst genaue Erfassung aller beim natürlichen Gang auftretenden vertikal- sowie horizontale Kräfte sowie deren Auswirkungen möglich ist, wobei es möglich sein soll, daß die Analyse über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Ganganalyse über eine längere Zeit möglich, da ein Laufband verwendet wird. Dieses weist geeignete Lamellen auf, die einen Sensorteil zur Erfassung der Gangdaten haben. Dieser ist derart ausgelegt, daß sowohl horizontal als auch vertikal Kräfte gemessen werden können. Die Lamellen, die für eine ausreichende Elastizität des Laufbandes sorgen, ermöglichen somit mit ihrem Sensorteil die möglichst genaue Erfassung der Gangdaten. Die erfaßten Gangdaten werden über eine Übertragungseinrichtung an eine Auswerteeinheit übermittelt. Somit wird eine Vorrichtung geschaffen, welche fortlaufend die Bodenreaktionskräfte eines im Gang befindlichen Lebewesens erfassen und auswerten kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jeder Sensorteil einen Sensor für Horizontalkräfte und einen Sensor für Vertikalkräfte auf. Beide Arten von Sensoren sind notwendig, um die genaue Verteilung der Bodenreaktionskräfte aufzunehmen.

Der Sensor für Vertikalkräfte ist bevorzugt in Form eines Kraftverteilungssensors aufgebaut, damit die genaue Verteilung der Vertikalkräfte beim Auftreten aufgenommen werden kann.

Alternativ zu einem Kraftverteilungssensor kann eine Lamelle eine auf vorzugsweise vier Sensoren aufliegende feste Platte aufweisen. Hierdurch ist es möglich, neben dem Verlauf der Gesamthorizontal- und Vertikalkraft den jeweiligen Kraftangriffspunkt zu bestimmen.

Die Auswerteeinheit weist bevorzugt eine Speichereinheit auf, um die von der Übertragungseinrichtung gelieferten und übermittelten Gangdaten zwischenzuspeichern. Die Auswertung der aufgenommenen Gangdaten kann zum Teil erst nach Abschluß der Messung beginnen.

In einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Speichereinheit aus mehreren Speichereinrichtungen, die jeweils auf den Lamellen untergebracht sind und jeweils mit den Übertragungseinrichtungen verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform findet die Zwischenspeicherung der aufgezeichneten Gangdaten auf jeder Lamelle selbst statt. Dies hat den Vorteil, daß die pro Lamelle nicht allzu umfangreichen Gangdaten zunächst gesammelt werden, um dann zu einem späteren Auslesezeitpunkt gesammelt ausgewiesen zu werden.

Ein weiterer Vorteil liegt in der einfachen Realisierbarkeit einer Ausleseanordnung für die Meßdaten, indem diese von zumindest einem stationären Empfänger, an dem sich die Lamellen fortlaufend vorbeibewegen, aufgenommen werden.

In einer alternativen besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Speichereinheit stationär außerhalb des Laufbandes angeordnet. Diese Anordnung wiederum ist alternativ zu der vorstehend genannten und ermöglicht eine kontinuierliche Übermittlung der erfaßten Gangdaten an die Auswerte- bzw. Speichereinheit. Dadurch kann ein Zwischenspeicher auf jeder einzelnen Lamelle eingespart werden.

Jede Lamelle weist bevorzugt eine Empfangseinrichtung zum Empfang von Steuersignalen auf, die mit dem Sensorteil verbunden ist. Diese Einrichtung ist notwendig, um die einzelnen Lamellen in Abhängigkeit von gewissen Informationen zu steuern. Dazu gehört die Einleitung der Meßphase, die von außen erfolgen muß, sowie das Auslesen der Meßinformationen etc.

Die Empfangseinrichtung ist beispielsweise für den Empfang eines Startsignals eingerichtet, das den Sensorteil in Meßbereitschaft versetzt. Auf diese Weise ist es möglich, den Sensorteil zu einem bestimmten Zeitpunkt in Meßbereitschaft zu versetzen, und so den Anfang der Meßphase zu definieren.

Die Empfangseinrichtung kann aber auch für den Empfang eines Steuersignals eingerichtet sein, das die gewünschte Meßrate des Sensorteils einstellt. Die Rate bzw. Geschwindigkeit, mit der der Sensorteil die Meßdaten aufnimmt, stellt einen wichtigen Meßparameter dar. Die Rate kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit des Laufbandes eingestellt werden.

Ferner kann die Empfangseinrichtung im Falle der oben genannten ersten besonders bevorzugten Ausführungsform für den Empfang eines Auslesesignals eingerichtet sein, durch welches das Auslesen der von der Speichereinrichtung während der Meßphase gespeicherten Gangdaten in die Auswerteeinheit eingeleitet wird. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um eine Ausgestaltung der oben genannten ersten besonders bevorzugten Ausführungsform, bei der die Meßdaten während der Meßphase zwischengespeichert werden und erst am Ende derselben ausgelesen werden sollen. Das Auslesesignal definiert somit das Ende der Meßphase und zugleich den Beginn des Auslesens der zwischengespeicherten Meßdaten. Die Meßdaten jeder einzelnen Lamelle werden somit nacheinander nach Empfang des Auslesesignals ausgelesen. Dies erleichtert den Aufbau der Auswerteeinheit, die sozusagen nur die Daten einer Lamelle zur Zeit empfängt.

In einer alternativen Ausführungsform zu der genannten ersten besonders bevorzugten Ausführungsform ist entlang der Meßstrecke eine ganze Reihe stationärer Empfänger für die Meßdaten angebracht. Gleichzeitig sind vorzugsweise die gleiche Anzahl von Vorrichtungen zur Übertragung von Steuersignalen zu den Lamellen vorgesehen. Das Steuersignal für die Lamellen ist im wesentlichen der Startimpuls zum Auslesen der Meßdaten. Die Speichereinrichtungen auf den Lamellen beinhalten nur einen Bruchteil der Speicherkapazität wie in der zuerst genannten Anordnung. Somit entspricht die bevorzugte Anzahl der Übertragungseinrichtungen für die Meßdaten und die Steuersignale entlang der Meßstrecke der Anzahl der Lamellen der Meßstrecke. Es werden daher die Meßdaten nur kurz in den Lamellen zwischengespeichert und nach Erreichen der jeweils nächsten Übertragungseinheit, z. B. nach 5 bis 10 cm, ausgelesen. Bevorzugt werden dabei die Meßdaten von einer gemeinsamen Auswerteeinheit verarbeitet. Zur Datenvorverarbeitung kann an jeder Übertragungseinheit ein Auswerteteil vorhanden sein. Der besondere Vorteil dieser Anordnung liegt in der Verminderung der notwendigen Speicherkapazität auf den Lamellen und der damit erreichbaren niedrigen Ausleserate der Meßdaten.

In der oben genannten alternativen besonders bevorzugten Ausführungsform, die ohne Zwischenspeicherung arbeitet, kann die Übertragungseinrichtung so eingerichtet sein, daß sie während der Meßphase kontinuierlich die Gangdaten an die Auswerteeinheit übermittelt. Die permanente Übermittlung der Meßdaten kann über Schleifkontakte oder anders, beispielsweise über Lichtsignale, erfolgen. Bei der Übermittlung über Schleifkontakte werden die Meßdaten zunächst über Kabelverbindungen von Lamelle zu Lamelle durchgeschleift um an einer zentralen Stelle an die stationäre Auswerteeinrichtung übergeben zu werden. Es kann bei der genannten alternativen besonders bevorzugten Ausführungsform schon während der Meßphase ausgewertet werden, was die gesamte Analysenzeit verkürzt.

Es ist ferner bevorzugt, die Stromversorgung für die Lamellen durch einen Schleifkontakt zu bilden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Lamellen in dem Laufband und mit der Anordnung einer Auswertevorrichtung;

Fig. 2 eine Lamelle mit vier rechtwinklig angeordneten Kraftsensoren und einer alternativen Kraftverteilungsmatrix als Ausschnitt aus dem Laufband in aufgebrochener Darstellung; und

Fig. 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung in bestimmten Steuerphasen.

Fig. 1 zeigt ein endlos umlaufendes Laufband 2, das von zwei in einem bestimmten Abstand gelagerten und von zueinander parallelen Rollen 1 geführt wird.

Das Laufband 2 besteht aus mehreren untereinander verbundenen Lamellen 4, die in Form schmaler rechtwinkliger Profile vorliegen. Jede der Lamellen 4 weist einen Sensorteil 8 auf, der mindestens einen Sensor für die Vertikalkräfte 14 sowie einen Sensor für die Horizontalkräfte 12 (Scherkräfte) auf. Die Sensoren für die Vertikalkräfte und Horizontalkräfte 12, 14 sind so geschaltet, daß ein zweidimensionales Kraftdiagramm entsteht.

Auf jeder Lamelle 4 ist an einem Ende ein Sender 9 der Übertragungseinrichtung 10 sowie eine Empfangsvorrichtung 20 angeordnet. Am Ende der Lauffläche sind der Empfänger 11 sowie die Auswerteeinheit 6 mit Speichereinheit 18 angeordnet.

Der Sensor für die Vertikalkraft 14 ist vorzugsweise als Kraftverteilungssensor mit z. B. 100 Einzelsensoren bestimmt.

Alternativ dazu arbeitet der Sensor für die Vertikalkraft 14 mit vier Sensoren, die an den vier Ecken eines gedachten Rechecks angeordnet sind. Auf den Sensoren ist eine feste Platte angebracht, auf die eine entsprechende Kraft beim Gehen eingeleitet wird. Die vier Sensoren können auch zur Messung der Horizontalkräfte ausgelegt sein, oder beide Kraftkomponenten berücksichtigen. In den Lamellen kann ferner eine Speichereinrichtung 22 enthalten sein, die zur Zwischenspeicherung der von den Kraftsensoren gelieferten Meßdaten vorgesehen ist.

Die Speichereinheit 18 besteht aus mehreren Speichereinrichtungen 22, die jeweils auf den Lamellen 4 untergebracht sein können. Auf den Lamellen kann ebenfalls ein mit den Speichern verbundener Rechner untergebracht sein, der bereits eine Datenvorverarbeitung, z. B. Eichung oder Datenkomprimierung vornimmt.

Jede Lamelle beinhaltet ferner mindestens einen Sender 9 (z. B. per Infrarot) zur Übermittlung der Meßdaten zu einer stationären Auswerteeinheit. Die Übermittlung der Meßdaten kann entweder fortlaufend ohne Zwischenspeicherung geschehen oder mit Zwischenspeicherung in den Speichereinrichtungen 22. Um hierbei eine möglichst lange Übertragungszeit der auf den Lamellen zwischengespeicherten Meßdaten zu der stationären Auswerteeinheit zu erhalten, ist es sinnvoll den Empfänger 11 an dem die Lamellen vorbeigeführt werden, zeilenförmig auszuführen.

Im Falle einer Übertragung mit Licht, kann dies beispielsweise durch parallelgeschaltete Fotodioden realisiert werden. Im Falle einer Abtastung mit Schleifern, wäre ein langgezogener Schleifkontakt anzubringen.

Die Übertragungszeit kann weiter erhöht werden, indem mehrere solcher Zeilen übereinander angeordnet und getrennt angesteuert werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Übertragungseinheit 10 kann sich selbstverständlich auch unter den Lamellen befinden.

Die Sendeeinrichtung, die der Empfangseinrichtung 20 der Lamelle Signale zuführt, wird in Fig. 2 nicht gezeigt.

Die Stromversorgung wird über einen Schleifkontakt 24 auf eine Lamelle geführt und von dort zu den weiteren Lamellen durchgeschleift.

Im einfachsten Fall ist nur ein Teilbereich des Laufbandes mit Lamellen bestückt. Es kann dann allerdings bei einer Ganganalyse nicht jeder Schritt erfaßt werden.

In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch in einzelnen Steuerphasen gezeigt. Zum Zeitpunkt t₁ wird eine bestimmte Lamelle 4 in Meßbereitschaft versetzt. Dies geschieht durch ein entsprechendes Startsignal, welches die Empfangseinrichtung 20 der Lamelle empfängt. Auf das Startsignal wird der Sensorteil 8 der Lamelle 4 in Meßbereitschaft versetzt.

Während der Meßzeit, die zum Zeitpunkt t₁ beginnt, nimmt die Meßzelle fortwährend die durch den Gang des Meßobjektes ausgelösten Gangdaten auf und speichert sie in der Speichereinrichtung 22 zwischen. Das Abspeichern der Meßdaten kann auch durch eine ausgelöste Mindestkraft gestartet werden. Nach Durchlaufen der Meßstrecke empfängt die Empfangseinrichtung 20 frühestens zum Zeitpunkt t₂ ein Auslesesignal, mit dem das Ende der Messung ausgelöst wird. Auf den Empfang des Auslesesignals hin ist der Sensorteil 8 der Meßlamelle nicht mehr meßbereit, sondern in Ruheposition. Nun beginnt das Auslesen der in der Speichereinrichtung 22 der entsprechenden Lamelle 4 zwischengespeicherten Gangdaten. Diese werden über die Übertragungseinrichtung 10 zur Auswerteeinheit 6 gesendet. Schließlich kann zu einem Zeitpunkt t₃ ein Nullabgleich der Sensoren stattfinden, um den Sensorteil für die nächste Messung vorzubereiten.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur automatischen Ganganalyse mit einem endlos umlaufenden Laufband (2) und mit einer Auswerteeinheit (6), dadurch gekennzeichnet, daß das Laufband (2) miteinander verbundene Lamellen (4) aufweist, daß jede Lamelle (4) einen Sensorteil (8) zum Erfassen der Gangdaten aufweist, daß jeder Sensorteil (8) zumindest einen Sensor für Horizontalkräfte (12) und zumindest einen weiteren Sensor für Vertikalkräfte (14) aufweist, daß jede Lamelle (4) einen Sender (9) zum Übermitteln der erfaßten Gangdaten an die Auswerteeinheit (6) aufweist, wobei dem Sender (9) ein Empfänger (11) zugeordnet ist und wobei der Sender (9) und der Empfänger (11) eine Übertragungseinrichtung (10) bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor für Vertikalkräfte (14) einen Kraftverteilungssensor (16) aufweist, mit dem die genaue, zum Beispiel auf 100 Orte aufgelöste Verteilung der Vertikalkräfte beim Auftreten aufgenommen werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorteil (8) eine feste Platte aufweist, die auf drei oder mehr Sensoren zur Messung der Horizontal- und Vertikalkräfte befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Platte auf vier Sensoren befestigt ist, wobei die vier Sensoren unter der Platte an vier Ecken eines auf der Platte gedachten Rechtecks angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerteeinheit (6) eine Speichereinheit (18) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheit (18) mehrere Speichereinrichtungen (22) aufweist, die jeweils mit den Übertragungseinrichtungen (10) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber dem Ende der Lauffläche zumindest ein Empfänger (11) angebracht ist, und daß von den vorbeilaufenden Lamellen nacheinander die Meßdaten mit der Übertragungseinrichtung (10) auf das nachgeschaltete Auswerteteil (6) übertragen werden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Lauffläche mehrere Empfänger (11) angeordnet sind, und daß von den vorbeilaufenden Lamellen die Meßdaten darauf übertragen und an ein nachgeschaltetes Auswerteteil (6) weitergegeben werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Empfänger (11) im wesentlichen der Anzahl der Lamellen der Meßstrecke entspricht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Empfängersensor des Empfängers (11) aus einer oder mehreren übereinanderliegenden Zellen besteht, entlang der Laufrichtung der Lamellen ausgerichtet ist, und wobei die Längs der Zeile vorzugsweise im wesentlichen einer Lamellenbreite entspricht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung (10) auf der Basis der Übertragung von Lichtsignalen arbeitet, wobei sich auf den Lamellen (4) ein Lichtsender und in dem Empfänger (11) ein Lichtempfänger befindet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinheit (18) stationär außerhalb des Laufbandes (2) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lamelle (4) eine Empfangseinrichtung (20) zum Empfang von Steuersignalen aufweist, die mit dem Sensorteil (8) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung für die Lamellen (4) durch einen Schleifkontakt (24) gebildet wird.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (20) für den Empfang eines Startsignals eingerichtet ist, das den Sensorteil (8) in Meßbereitschaft versetzt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (20) für den Empfang eines Steuersignals eingerichtet ist, das die gewünschte Meßrate des Sensorteils (8) einstellt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (20) für den Empfang eines Auslesesignals eingerichtet ist, durch welches das Auslesen der von der Speichereinrichtung (22) während der Meßphase gespeicherten Gangdaten in die Auswerteeinheit (6) eingeleitet wird.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung (10) so eingerichtet ist, daß sie während der Meßphase kontinuierlich Gangdaten an die Auswerteeinheit (6) übermittelt.