DE69729264T2

DE69729264T2 - Gerät zur Fernübertragung von Wechselwirkungskräften zwischen dem Fuss und der Erde von einer gehenden Person

Info

Publication number: DE69729264T2
Application number: DE69729264T
Authority: DE
Inventors: Velio Macellari; Antonello Fadda
Original assignee: Istituto Superiore di Sanita ISS
Current assignee: Istituto Superiore di Sanita ISS
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2017-12-03
Also published as: ATE267549T1; ITRM960834A1; IT1289231B1; ITRM960834A0; EP0846441B1; DE69729264D1; EP0846441A1

Description

Stand der Technik
Sowohl auf dem Gebiet der Forschung als auch auf dem gewerblichen Gebiet sind verschiedene sensitive Einlegesohlen vorgeschlagen worden, die eine Anzahl von Sensoren umfassen aber in einen Schuh eingelegt werden müssen, um die Verteilung der Kräfte unter dem Fuß zu messen.
Derartige Sensoren sind nur gegenüber der vertikalen Komponente der Kraft empfindlich, und da die von den Sensoren eingenommene Fläche bekannt ist, messen sie folglich tatsächlich den Druck, der örtlich zwischen dem Fuß und dem Boden ausgetauscht wird, und werden daher gewöhnlich als Drucksensoren bezeichnet.
Sensitive Einlegesohlen bestehen immer aus einem diskreten Satz von Sensoren, deren Anzahl von einigen wenigen Sensoren (z. B. 16), die an Punkten angeordnet sind, die charakteristischen Punkten der Fußsohle entsprechen, bis zu tausend Sensoren schwankt, die gemäß einer Matrix positioniert und eingerichtet sind.
Die zumeist verwendete Technologie (da sie die kostengünstigste ist) erzeugt Sensoren vom Widerstandstyp, bei denen der elektrische Widerstand eine abnehmende Funktion des Druckes ist, wobei, um nur einige Beispiele zu nennen, die folgenden angeführt seien:

– eine sensitive Einlegesohle mit Sensoren, die 5 mm voneinander beabstandet sind (von der Firma Tekscan Inc. hergestellt), die als Zubehör (mit einer auf ein paar Dutzend Messungen begrenzten Lebensdauer) eines vollständigen Messsystems verkauft wird, das eine Kabelverbindung mit dem Objekt mit sich bringt;
– eine sensitive Einlegesohle (die von der Firma Interlink hergestellt wird, die sich nur mit dem Verkauf von Sensoren beschäftigt), die aus einem Mylarfilm besteht, bei dem 64 Sensoren ausgelegt sind, die gemäß einer nicht insgesamt regelmäßigen Matrix angeordnet sind.

Schließlich wird ein Sensor angeführt, der von der Firma Interlink hergestellt wird und zur Realisierung von Druckknopfpanelen von einem speziellen Typ vorgeschlagen wird, welcher dafür geeignet ist, die Größe und Stellung einer Kraft in einer Ebene zu messen. Wie es von der Firma Interlink selbst ausdrücklich festgestellt wird, kann dieser Sensor jedoch nicht zur Herstellung von sensitiven Einlegesohlen zum Einlegen in Schuhe angepasst und/oder verwendet werden.
Eine Form einer Präsentation der Information dieser Einrichtungen besteht einfach in der Abbildung der Fußsohle, auf der überlagert die Antworten der einzelnen Sensoren sind, die gemäß einer Skale mit beliebigen Farben codiert sind.
Es ist möglich, sowohl die aufeinander folgenden momentanen Antworten, die in regelmäßigen Zeitintervallen aufgezeichnet werden (mit einer unteren Grenze von ungefähr 10 ms), als auch die Maximalwerte, die von den einzelnen Wandlern für den gesamten Zeitraum gemessen werden, in dem der Fuß nach unten drückt, zu zeigen. In jedem Fall muss diese Art von Präsentation, die eine qualitative ist, mit einer numerischen Information kombiniert werden, wenn genauere Bewertungen notwendig sind, wie etwa jene, um Ergebnisse von unterschiedlichen Arten einer Therapie und zum Verfolgen der Auswirkungen derselben über die Zeit zu vergleichen.
Eine sehr wirksame Synthese dieser Art von Information wird erhalten, indem auf der Fußsohle die Aufeinanderfolge der Angriffspunkte der resultierenden Reaktionskraft des gesamten zugehörigen Fußes, denen falls möglich, die Werte der vertikalen Komponente der Kraft zugeordnet werden, dargestellt werden: aufgrund der geringen Neigung der resultierenden Reaktionskraft in Bezug auf die Vertikale fallen diese Werte praktisch mit jenen der resultierenden Reaktionskraft zusammen. Dieses Ergebnis wird erhalten, indem (in jedem Abtastmoment) die Antworten aller Sensoren verarbeitet werden, wobei deren Position in der Matrix berücksichtigt wird. Dieser Vorgang verlangt nach einer gewissen Rechenleistung und wird daher normalerweise am Ende des Datenbeschaffungsschrittes offline ausgeführt.
Die gegenwärtig verfügbaren sensitiven Einlegesohlen erlauben die Messung der Verteilung der Kräfte unter der Fußsohle während der gesamten Phase, in der der Fuß gegen den Boden drückt, aber die Beschaffung der Antworten aller Sensoren ist jedoch nicht mit der begrenzten Kapazität eines Telemetriekanals vereinbar, insbesondere wenn es das Ziel ist, die Kosten niedrig zu halten. Es ist daher vorteilhaft, die Information, die übertragen werden soll, mittels einer elektronischen Schaltung vorzuverarbeiten, die, sobald sie die Antworten aller Sensoren der sensitiven Einlegesohle empfangen hat, momentweise eine begrenzte Informationsmenge zur Übertragung zu dem Mikroprozessor zuführt.
Die US 5,323,650 offenbart ein System, das ein Kraftsensor-Array und ein elektronisches Schaltkreismodul zur Abtastung des Sensor-Arrays umfasst, um ein Maß der von jedem der Sensoren erfassten Kraft zu erhalten.
Bei der Vorrichtung, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, berechnet eine Vorverarbeitungseinheit die vertikale Komponente der resultierenden der Wechselwirkungskräfte zwischen dem Fuß und dem Boden, wodurch eine Online-Überwachung über Funktelemetrie möglich ist.
In diesem Fall müssen tatsächlich nur drei Größen für jeden Fuß (die vertikale Komponente der resultierenden Kraft und die Koordinaten ihres Angriffspunktes) übertragen werden, und daher ist für diesen Zweck ein Übertragungskanal mit niedriger Kapazität und niedrigen Kosten geeignet.
Tatsächlich sind eine Übertragungsrate des Übertragungskanals von ungefähr 4800 Bits/s mit einer Abtastfrequenz von 100 Hz und ein 8-Bit-Analog/Digital-Wandler angemessen.
Die Beschaffung der Antworten aller Sensoren würde statt dessen einen Datenstrom mit sich bringen, der sich als für einen Funktelemetriekanal schwer zu handhaben erweist, es sei denn, die Anzahl von Sensoren ist sehr niedrig.
Als eine Alternative zur Funktelementrie würde eine Kabelverbindung oder die Speicherung auf einem lokalen Speichermittel die Dauer der Beobachtungszeiten auf wenige Minuten verringern.
Die Verschiebung des Druckzentrums während der Zeit, in der der Fuß Druck ausübt, ist für die Komplexität der Fuß-Boden-Wechselwirkung und ihre mögliche pathologische Änderung hinreichend repräsentativ.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der vertikalen Komponente der resultierenden Kraft der Fuß-Boden-Wechselwirkung und der Koordinaten (in einem Bezugssystem, das integral mit dem Fuß ist) ihres Angriffspunktes, mit zumindest einer sensitiven Einlegesohle (die in einen Schuh eingelegt werden soll), die mit einer Anzahl von Kraftsensoren vom Widerstandstyp und einer Vorverarbeitungseinheit, die der mindestens einen sensitiven Einlegesohle zugeordnet ist, ausgestattet ist.
Die Kraftsensoren vom Widerstandstyp sind in einer Matrix angeordnet, die durch Zeilen und Spalten adressierbar ist, wobei ein Ende jeder Zeile bzw. jeder Spalte der Matrix mit einem Generator verbunden ist, der eine Spannung zuführt, deren Intensität proportional zu der Koordinate der Reihe bzw. der Spalte in dem vorstehend genannten Bezugssystem ist, und die Koordinaten des Angriffspunktes der vertikalen Komponente der resultierenden Kraft sind mit der Spannung korreliert, die an den anderen Enden der parallel geschalteten Zeilen bzw. Spalten gemessen wird. Die vertikale Komponente der resultierenden Kraft ist mit der Intensität des Stroms korreliert, der von einem Spannungsgenerator zugeführt wird, der mit einem Ende der parallel geschalteten Zeilen (oder Spalten) der Matrix verbunden ist, wenn die anderen Enden der Zeilen (oder der Spalten) der Matrix mit Masse verbunden sind.
Die Vorverarbeitungseinheit umfasst zumindest eine logische Einheit und ein Schaltmittel, das von der logischen Einheit aktiviert wird und dafür geeignet ist, die Spannungsgeneratoren mit einem Ende der Zeilen bzw. der Spalten zu verbinden und die anderen Enden der Zeilen bzw. der Spalten der Matrix mit einer Abtasteinheit (die wiederum mit der logischen Einheit über einen Analog/Digital-Wandler verbunden ist) bzw. mit Masse zu verbinden.
Liste der Figuren
Die Erfindung wird nun ausführlicher anhand einer nicht einschränkenden Ausführungsform, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist, beschrieben, wobei:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
2 bis 5 schematische Schaltbilder und einen Graphen zeigen, die zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet sind;
6 eine schematische Darstellung des Ersatzschaltbildes einer sensitiven Einlegesohle S und ein Blockschaltbild der dieser zugeordneten Vorverarbeitungseinheit P zeigt; und
7 ein vereinfachtes Flussdiagramm zeigt, um die Arbeitsweise der logischen Einheit 4 in 6 besser zu veranschaulichen.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. In 1 sind zwei sensitive Einlegesohlen S, die Vorverarbeitungseinheiten P, die jeder sensitiven Einlegesohle S zugeordnet sind, und die Sender-Empfänger-Vorrichtung (T, R), die über Funk die Vorverarbeitungseinheiten P mit der Verarbeitungseinheit PC, falls vorhanden, verbindet, gezeigt.
Die sensitiven Einlegesohlen S und die zugeordneten Vorverarbeitungseinheiten P werden ausführlicher anhand der folgenden Figuren beschrieben. Die Sender-Empfänger-Vorrichtung (T, R) und die Verarbeitungseinheit PC (die weggelassen werden könnte, wenn keine Weiterverarbeitung der von den Einheiten P vorverarbeiteten Daten erforderlich ist) werden hierin nicht beschrieben, da sie bekannt sind und in jedem Fall außerhalb der vorliegenden Erfindung liegen.
2 zeigt ein schematisches Schaltbild, das zur Berechnung einer Koordinate (herkömmlich die vertikale Koordinate x) des Angriffspunktes der resultierenden Kraft verwendet wird.
Die sensitive Einlegesohle S ist durch eine Anzahl von Widerständen dargestellt, deren Widerstand eine Funktion des örtlichen Druckes ist, und die in einer durch Zeilen und Spalten adressierbaren Matrix angeordnet sind.
Jede Zeile der Matrix wird von einem Generator versorgt, der eine Spannung V_i zuführt, die proportional zu der Koordinate x der Zeile in einem Bezugssystem ist, das integral mit dem Fuß ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Spannungsgeneratoren V_i mittels eines Spannungsgenerators realisiert, der mit einem Widerstandsteiler verbunden ist, der aus Widerständen besteht, deren Werte ausreichend niedrig sind, damit die äquivalente Impedanz der Generatoren in Bezug auf den Minimalwert des Widerstandes, der aus der Parallelschaltung aller Sensoren, die mit einer Zeile verbunden sind, resultiert, vernachlässigbar ist, wobei angenommen wird, dass sie gleichzeitig dem maximalen Druck ausgesetzt sind.
3 zeigt das Ersatzschaltbild des Schaubilds von 2, wobei die Leitfähigkeit g_i die Summe der Leitfähigkeit der Sensoren ist, die zu der i-ten Zeile der Matrix gehören.
Die Ausgangsspannung V_x kann wie folgt berechnet werden:
Es sei gegeben: gi = β·Fi 1)(die Leitfähigkeit der i-ten Zeile ist proportional zu der Kraft, die auf die gesamte Zeile wirkt), Vi = α·xi 2)(die an die i-te Zeile angelegte Spannung ist proportional zu ihrer Koordinate in dem oben erwähnten Bezugssystem), indem das Gleichgewicht der Ströme an den Knoten A aufgebracht wird, erhalten wir
woraufhin wir durch Substituieren der Gleichungen (1) und (2) in Gleichungen (3) erhalten
Aus der obigen Formel ist klar, dass die Koordinate x_b des Angriffspunktes der vertikalen Komponente der resultierenden Kraft mit der Spannung V_x korreliert ist; insbesondere dann, wenn die Leitfähigkeit der Sensoren linear proportional zu den Drücken und daher zu den vertikalen Komponenten der auf die Sensoren wirkenden Kräfte ist, ist die Koordinate x_b des Angriffspunktes der vertikalen Komponente der resultierenden Kraft proportional zu der Spannung V_x.
Wenn die obige Prozedur wiederholt die Zeilen der Matrix von Sensoren mit Spalten der Matrix austauscht, wird eine Spannung V_y berechnet, die die Koordinate y_b des Angriffspunktes der vertikalen Komponente der resultierenden Kraft darstellt.
4 zeigt eine typische Antwort eines Widerstandsdrucksensors auf einen Druckzyklus, dessen Amplitude und Dauer ähnlich sind wie die, auf die während des Laufens getroffen wird. Es ist unmittelbar zu finden, dass mit den Genauigkeitsgrenzen dieser Sensoren (die gewöhnlich durch große Nichtlinearität und Hysterese beeinträchtigt wird) ihre Leitfähigkeit sich einem linearen Verhalten, insbesondere im ansteigenden Teil des Zyklus, annähert.
Es kann dann geschlossen werden, dass die Spannungen V_x und V_y mit einer Annäherung, die für die besondere Anwendung annehmbar ist, die Koordinaten des Angriffspunktes der vertikalen Komponente der resultierenden Kraft darstellen.
Eine Fehlerquelle rührt von der Anwesenheit statischer Lasten her (die selbst in der Ruhesituation von Null verschieden sind) hauptsächlich aufgrund der Verformungsbeanspruchungen, die die sensitive Einlegesohle S infolge ihres Einlegens in den Schuh erfährt, oder aufgrund des Erscheinens eines bekannten Terms in der Relation, die die Leitfähigkeit eines Sensors mit der auf den Sensor wirkenden Kraft verknüpft.
In diesem Fall ist die Leitfähigkeit der i-ten Zeile g_i = β·F_i + g_i0.
Wenn die besondere Arbeitsweise der sensitiven Einlegesohle S gegeben ist, bewirken die örtlichen Spannungen bei Ruhe (und/oder der bekannte Term) eine Gesamtwirkung, die durch eine Vorbelastungskraft F₀ dargestellt werden kann, die in einem Punkt mit den Koordinaten (x₀, y₀) angreift: dies ist einer linearen Transformation des Bezugssystems gleichwer tig, die leicht durch Anwenden der inversen Transformation ergänzt werden kann.
Durch Kombinieren der Vorbelastungskraft F₀ mit der zu messenden Kraft F_b erhalten wir
wobei x_r die Koordinate des Angriffs der resultierenden Kraft ist, und x_b die Koordinate des Angriffspunktes der Kraft F₀ ist; die resultierende Kraft F_r ist Fr = Fb + F0 6).
Durch Ableiten von F_b aus Gleichung (6) und Substituieren in Gleichung (5) erhalten wir
woraus folgt
Durch Anwenden der Umsetzung von Koordinaten X = x – x₀ haben wir
woraus folgt, dass, wenn
gegeben ist, wir schließlich erhalten Xb = λ·Xr 7)
Wenn wir den Ursprung des Bezugssystems in den Punkt (x₀, y₀) legen, wo die Vorbelastungskraft F₀ angreift, wird die Koordinate x_b des Angriffspunktes der Kraft F_b einfach durch Anwenden des Korrekturfaktors λ auf den gemessenen Wert erhalten.
Es ist außerdem notwendig, auf die Tatsache Acht zu geben, dass der Faktor λ für F_b << F₀ divergiert: mit anderen Worten kann gesagt werden, dass für kleine Kräfte X_r stark durch den Ursprung x₀ angezogen wird und somit ein großer Korrekturfaktor erforderlich ist, um die richtige Position wieder herzustellen.
Um eine Verstärkung zu dem gleichen Zeitpunkt der unvermeidbaren Fehler der Messung und Quantisierung in X_r zu verhindern, ist es notwendig, die Anwendung von Gleichung (7) auf die Fälle zu beschränken, in denen F_b ≥ F₀, die deutlich vorherrschend sind und bei praktischen Anwendungen von größerer Bedeutung sind.
Das Maß der vertikalen Komponente (F_b) der resultierenden Kraft wird erhalten, indem der Strom I, der auf Masse fließt, in dem schematischen Schaltbild von 5 gemessen wird, in dem der Generator, der die Spannung V_f zuführt, sich vorzugsweise von dem Spannungsgenerator unterscheidet, mit dem (bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung) ein Widerstandsteiler verbunden ist, um jeder Zeile bzw. jeder Spalte der Matrix eine Spannung zuzuführen, die proportional zu der Koordinate (x) der Zeile bzw. Koordinate (y) der Spalte der Matrix ist.
Wenn tatsächlich die Leitfähigkeit der i-ten Zeile von Sensoren durch g_i angegeben ist, haben wir
Die vertikale Komponente F_b der resultierenden Kraft ist somit mit der Intensität des Stromes korreliert, der von dem Spannungsgenerator V_f, der mit einem Ende der Zeilen der Matrix (die parallel geschaltet sind) verbunden ist, zugeführt wird, wenn die anderen Enden der Zeilen der Matrix mit Masse verbunden sind. Im Besonderen wenn die Leitfähigkeit der Sensoren linear proportional zu dem Druck und somit zu der vertikalen Komponente der auf jeden Sensor wirkenden Kraft ist, ist die vertikale Komponente F_b der resultierenden Kraft proportional zu der Intensität des von dem Spannungsgenerator V_f zugeführten Stromes.
Offensichtlich funktioniert das Prinzip auch gut, wenn die Zeilen durch die Spalten ausgetauscht werden.
Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, werden die vertikale Komponente F_b der resultierenden Kraft und die Koordinaten (X_b, Y_b) ihres Angriffspunktes, die über die schematischen Schaltbilder der 3 und 5 bestimmt werden, weiter korrigiert, um die Vorbelastungskräfte zu berücksichtigen.
6 zeigt eine schematische Darstellung des Ersatzschaltbildes einer sensitiven Einlegesohle S (durch die entsprechende Matrix von Sensoren dargestellt) und das Blockschaltbild der dieser zugeordneten Vorverarbeitungseinheit P, das zumindest eine logische Einheit 4 und ein Schaltmittel T umfasst (die in 6 durch MOS-Transistoren T1–T6 dargestellt sind, die als Schalter wirken), die durch die logische Einheit 4 aktiviert werden und dafür geeignet sind, die Spannungsgenerator V_cc (die in 6 nicht explizit gezeigt sind) mit einem Ende des Widerstandsteilers, der den Zeilen bzw. den Spalten der Matrix zugeordnet ist, zu verbinden, um den Spannungsgenerator V_f (der in 6 nicht explizit gezeigt ist) mit einem Ende der Zeilen bzw. der Spalten der Matrix zu verbinden und die anderen Enden der Zeilen und der Spalten mit der Abtasteinheit 2 (die mit der logischen Einheit 4 über den Analog/Digital-Wandler 3 verbunden ist) bzw. mit Masse zu verbinden.
Die Schaltkreise (die schematisch durch die schematischen Schaltbilder der 3 und 5 gezeigt sind), die dazu verwendet werden, die Koordinaten (x_b, y_b) des Angriffszentrums der resultierenden Kraft bzw. die vertikale Komponente (F_b) der Kraft selbst zu messen, werden einzeln durch die logische Einheit 4 realisiert (in einer zyklischen Abfolge, deren Frequenz der gewollten Abtastfrequenz entspricht), indem das Schaltmittel T (die MOS-Transistoren T1–T6) gemäß der "Aktivierungsmatrix" aktiviert wer den, die in 6 gezeigt ist und in tabellarischer Form in den Speicher der logischen Einheit 4 geladen ist. Die logische Einheit 4 beschafft darüber hinaus über die Abtasteinheit 2 und den Analog/Digital-Wandler 3 die Signale, die die Koordinaten (x_b, y_b) des Angriffszentrums der resultierenden Kraft bzw. die vertikale Komponente (F_b) der Kraft selbst darstellen und sendet sie in serieller Form an den Sender T.
Der Operationsverstärker 1, der in einer invertierenden Anordnung angeschlossen ist, misst den Strom I, der auf Masse fließt, und wandelt ihn in eine Spannung um, und führt die Spannung V_f gemäß dem schematischen Schaltbild in 5 zu.
Der Operationsverstärker 1, die Abtasteinheit 2 und der Analog/Digital-Wandler 3 werden nicht weiter beschrieben, da sie bekannt sind. Die Arbeitsweise der logischen Einheit 4 wird anhand des Flussdiagramms von 7 besser verstanden werden.
Die Vorverarbeitungseinheit P ist vorzugsweise in einem selbst versorgten Behälter enthalten, der auf eine solche Weise gebaut ist, dass er von dem Objekt getragen werden kann, und führt über Funk eine Fernübertragung der vorverarbeiteten digitalen Daten an die Verarbeitungseinheit PC durch.
7 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm, das die Arbeitsweise einer logischen Einheit 4 besser veranschaulicht, die der Reihe nach zumindest die folgenden funktionalen Schritte ausführt:

– wenn eingeschaltet oder neu gestartet wird (RESET; Phase 70), nach einer Voreinstellungs- und vorläufigen Prüfphase (INIZ; Phase 71) tritt die logische Einheit 4 in einen Wartezyklus ein (ATT; 72), der periodisch von der Int₀-Routine unterbrochen wird (Phasen 700–711), die von einem Zeitglied (das nicht explizit gezeigt ist, da es bekannt ist) aktiviert wird (Phase 700), welches programmiert ist, um Unterbrechungen mit einer voreingestellten Frequenz F zu erzeugen;
– nach der Aktivierung der Int₀-Routine (Phase 700), setzt die logische Einheit 4 das Zeitglied zurück (RT; Phase 701), bevor der Zustand eines Zählers (T_x1) verifiziert wird (Phase 702), der 4 Zustände annehmen kann, wobei der 0-Zustand zu der Übertragung eines Start-von-Zyklus-Synchronzeichens (SYNC) gehört und die Zustände 1–3 zu der Beschaffung der vertikalen Komponente der resultierenden Kraft und der Koordinaten ihres Angriffspunktes von der sensitiven Einlegesohle S gehören;
– wenn der Zähler T_x1 im 0-Zustand ist, bewirkt die logische Einheit 4 die Übertragung des Start-von-Zyklus-Synchronzeichens (SYNC; Phase 703), bevor der Zähler T_x1 um einen Schritt inkrementiert (Phase 704) und die Int₀-Routine beendet (END; Phase 705) wird;
– wenn der Zähler T_x1 in einem anderen Zustand als dem 0-Zustand ist, steuert die logische Einheit 4 die Abtasteinheit 2 an (US; Phase 706), um von der sensitiven Einlegesohle S die Information (die vertikale Komponente der resultierenden Kraft oder eine der Koordinaten ihres Angriffspunktes) zu beschaffen, die zu dem Zustand des Zählers T_x1 gehört; aktiviert (MOS; Phase 707) gemäß der "Aktivierungsmatrix", die in 6 gezeigt ist und in tabellarischer Form in ihren Speicher geladen ist, die MOS-Transistoren T1–T6, die das Schaltmittel T bilden, und aktiviert (A/D; Phase 708) den Analog/Digital-Wandler 3.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorverarbeitungseinheit P ist die Frequenz F gleich 7·F₁ (wobei F₁ die Gesamtabtastfrequenz für ein System ist, das eine sensitive Einlegesohle S umfasst) und die logische Einheit 4 führt die folgenden weiteren funktionalen Schritte aus:

– Ausführen (CV, Phase 709) zumindest der Korrektur aufgrund der Vorbelastungskraft an dem digitalen Datenelement, das am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 3 vorhanden ist;
– Modifizieren des digitalen Datenelements, das am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 3 vorhanden ist, wenn sein digitaler Wert dem Start-von-Zyklus-Synchronzeichen (SYNC) entspricht;
– nach der obigen Korrekturphase (CV; Phase 709) Deaktivieren (MOFF; Phase 711) des Schaltmittels T, um den Stromverbrauch der Vorverarbeitungseinheit P zu reduzieren;
– Starten (TD; Phase 710) der Fernübertragung der vorverarbeiteten digitalen Daten an die Verarbeitungseinheit PC (falls vorhanden) über den Sender T;
– Aktivieren eines universellen asynchronen Sender-Empfängers (UART), der hierin nicht beschrieben ist, da er bekannt ist, der automatisch die Fernübertragung der vorverarbeiteten digitalen Daten zu der Verarbeitungseinheit PC (falls vorhanden) über den Sender T während des Wartezyklus (ATT; 72) der Logischen Einheit 4 abschließt.

Um die Untersuchung der Zeitrelationen zwischen dem Anlegen der Sohlen der beiden Füße auf den Boden zuzulassen, kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung zwei sensitive Einlegesohlen S umfassen, deren Antworten von einer einzelnen Vorverarbeitungseinheit P beschafft werden: die Vorrichtung unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen durch die Tatsache, dass:

– das Zeitglied die Unterbrechungen erzeugt, die die Int₀-Routine mit einer Frequenz F gleich 7·F₂ aktivieren, wobei F₂ die Gesamtabtastfrequenz für ein System ist, das zwei Einlegesohlen umfasst;
– der Zähler T_x1 7 Zustände annehmen kann, wobei der 0-Zustand der Übertragung des Start-von-Zyklus-Synchronzeichens (SYNC) zugeordnet ist, die Zustände 1–3 der Beschaffung der vertikalen Komponente der resultierenden Kraft und der Koordinaten ihres Angriffspunktes von einer sensitiven Einlegesohle S zugeordnet sind, und die Zustände 4–7 ihrer Beschaffung von der anderen sensitiven Einlegesohle S zugeordnet sind;
– die logische Einheit 4 treibt der Reihe nach das Schaltmittel T relativ zu der einen bzw. zu der anderen sensitiven Einlegesohle S und treibt die Abtasteinheit 2, um der Reihe nach die vertikale Komponente der resultierenden Kraft und die Koordinaten ihres Angriffspunktes von der einen bzw. von der anderen sensitiven Einlegesohle S zu beschaffen.

Auch bei der Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zur Handhabung zweier sensitiver Einlegesohlen S geeignet ist, führt die logische Einheit 4 die Korrekturphase (CV; Phase 709) aus, modifiziert (gegebenenfalls) das digitale Datenelement, das am Ausgang des Ana log/Digital-Wandlers 3 vorhanden ist, startet (TD; Phase 710) die Fernübertragung der vorverarbeiteten digitalen Daten zu der Verarbeitungseinheit PC (falls vorhanden) über den Sender T, und aktiviert den universellen asynchronen Sender-Empfänger (UART).
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung sind die sensitive Einlegesohle S und zumindest ein Teil der Vorverarbeitungseinheit P in einen Schuh eingebaut, um eine Messvorrichtung zu schaffen, die durch den Fuß des Objektes praktisch nicht wahrnehmbar ist.
Es ist einem Fachmann möglich, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, an der Vorrichtung, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, alle Abwandlungen und Verbesserungen vorzunehmen, die durch übliche Erfahrung und durch die natürliche Entwicklung von Techniken nahe gelegt werden.

Claims

Vorrichtung zum Messen der vertikalen Komponente (F_b) der resultierenden Kraft der Fuß-Boden-Wechselwirkung und der Koordinaten (x_b', y_b) des Angriffspunktes der vertikalen Komponente (F_b) der resultierenden Kraft in einem Bezugssystem integral mit dem Fuß, wobei die Vorrichtung umfasst: mindestens eine sensitive Einlegesohle (S), die in einen Schuh einzusetzen ist und mit einer Anzahl von Kraftsensoren vom Widerstandstyp ausgestattet ist, und eine Vorverarbeitungseinheit (P), die der mindestens einen sensitiven Einlegesohle (S) zugeordnet ist; wobei die Kraftsensoren vom Widerstandstyp, die zu der sensitiven Einlegesohle (S) gehören, in einer Matrix angeordnet sind, die durch Zeilen und Spalten adressierbar ist, wobei ein Ende jeder Zeile der Matrix mit einem Generator verbunden ist; wobei ein Ende jeder Spalte der Matrix mit einem Generator verbunden ist; wobei die vertikale Komponente (F_b) der resultierenden Kraft korreliert ist mit der Intensität des Stromes, der von einem Spannungsgenerator (V_f) zugeführt wird, der mit einem Ende der parallel geschalteten Zeilen (Spalten) der Matrix verbunden ist, wenn die anderen Enden der Zeilen (der Spalten) der Matrix mit Masse verbunden sind; und wobei die Vorverarbeitungseinheit (P) zumindest eine logische Einheit (4) und ein Schaltmittel (T) umfasst, das durch die logische Einheit (4) aktiviert wird und dafür geeignet ist, die vorstehend erwähnten Spannungsgeneratoren mit einem Ende der Zeilen bzw. der Spalten der Matrix zu verbinden, und die anderen Enden der Zeilen bzw. der Spalten der Matrix mit einer Abtasteinheit (2), die wiederum über einen Analog/Digital-Wandler (3) mit der logischen Einheit (4) verbunden ist, bzw. mit Masse zu verbinden; dadurch gekennzeichnet, dass: der Generator, der mit einem Ende jeder Zeile der Matrix verbunden ist, eine Spannung zuführen kann, deren Intensität proportional zu der Koordinate (x) der Zeile in dem vorstehend erwähnten Bezugssystem ist, wobei die Koordinate (x_b') des Angriffspunktes der vertikalen Komponente (F_b) der resultierenden Kraft mit der Spannung korreliert ist, die an den anderen Enden der parallel geschalteten Zeilen der Matrix gemessen wird; der Generator, der mit einem Ende jeder Spalte der Matrix verbunden ist, eine Spannung zuführen kann, deren Intensität proportional zu der Koordinate (y) der Spalte in dem vorstehend erwähnten Bezugssystem ist, wobei die Koordinate (y_b') des Angriffspunktes der vertikalen Komponente (F_b) der resultierenden Kraft mit der Spannung korreliert ist, die an den anderen Enden der parallel geschalteten Spalten der Matrix gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitungseinheit (P) die vorverarbeiteten digitalen Daten an eine Verarbeitungseinheit (PC) fernübertragen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren, die eine Spannung zuführen, deren Intensität proportional zu der Koordinate (x) der Zeile der Matrix von Sensoren ist, mit denen jeder von diesen verbunden ist, mittels eines Spannungsgenerators und eines mit dem Spannungsgenerator verbundenen Widerstandsteilers realisiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren, die eine Spannung zuführen, deren Intensität proportional zu der Koordinate (y) der Spalte der Matrix von Sensoren ist, mit denen jeder von diesen verbunden ist, mittels eines Spannungsgenerators und eines mit dem Spannungsgenerator verbundenen Widerstandsteilers realisiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Leitfähigkeit der Kraftsensoren vom Widerstandstyp linear proportional zu dem Druck ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinaten (x_b bzw. y_b) des Angriffspumktes der vertikalen Komponente (F_b) der resultierenden Kraft proportional zu der Spannung sind, die an einem Ende der parallel geschalteten Reihen der Matrix bzw. an dem Ende der parallel geschalteten Spalten der Matrix gemessen wird, wenn das andere Ende jeder Reihe bzw. jeder Spalte der Matrix mit einem Generator verbunden ist, der eine Spannung zuführt, deren Intensität proportional zu der Koordinate (x bzw. y) der Reihe bzw. der Spalte der Matrix ist, mit der der Spannungsgenerator verbunden ist; und dass die vertikale Komponente (F_b) der resultierenden Kraft proportional zu der Intensität des Stromes ist, der von dem Spannungsgenerator (V_f) zugeführt wird, der mit einem Ende der parallel geschalteten Zeilen (Spalten) der Matrix zugeführt wird, wenn die anderen Enden der Zeilen (der Spalten) der Matrix mit Masse verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom, der von dem Spannungsgenerator (V_f) zugeführt wird, wenn die Zeilen (die Spalten) der Matrix mit Masse verbunden sind, durch einen Operationsverstärker (1), der zu der Vorverarbeitungseinheit (P) gehört und in eine invertierende Konfiguration geschaltet ist, in eine Spannung umgewandelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitungseinheit (P) in einem eigenversorgten Behälter gehalten ist, der auf eine solche Weise aufgebaut ist, dass er von der Person getragen werden kann, und dass die vorverarbeiteten digitalen Daten an die Verarbeitungseinheit (PC) fernübertragen werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Komponente (F_b) der resultierenden Kraft und die Koordinaten (x_b, y_b) ihres Angriffspunktes korrigiert werden, um die Vorbelastungskraft zu berücksichtigen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die logische Einheit (4), die zu der Vorverarbeitungseinheit (P) gehört, in der angegebenen Reihenfolge zumindest die folgenden funktionalen Schritte ausführt: – beim Einschalten oder Neustarten nach einer Voreinstellungs- und vorläufigen Prüfphase (INIZ) die logische Einheit (4) in einen Wartezyklus (ATT) eintreten kann, der von einer Routine (Int₀) periodisch unterbrochen wird, die von einem Zeitglied aktiviert wird, das Unterbrechungen mit einer voreingestellten Frequenz (F) erzeugt; – nach der Aktivierung der Routine (Int₀) die logische Einheit (4) das Zeitglied zurücksetzen kann, bevor der Zustand eines Zählers (T_x1) überprüft wird, der zumindest vier Zustände annimmt, wobei der 0-Zustand zu der Übertragung eines Start-von-Zyklus-Synchronzeichens (SYNC) gehört, und die anderen Zustände zu der Beschaffung der vertikalen Komponente (F_b) der resultierenden Kraft und der Koordinaten (x_b, y_b) ihres Angriffspunktes von der zumindest einen sensitiven Einlegesohle (S) gehören; – bei im 0-Zustand befindlichem Zähler (T_x1) die logische Einheit (4) die Übertragung des Start-von-Zyklus-Synchronzeichens (SYNC) bewirken kann, bevor der Zähler (T_x1) um einen Schritt inkrementiert wird und die Routine (Int₀) beendet wird; – bei in einem anderen Zustand als dem 0-Zustand befindlichem Zähler (T_x1) die logische Einheit (4) die Abtasteinheit (2) ansteuern kann, um von der zumindest einen sensitiven Einlegesohle (S) die Information zu beschaffen, die zu dem Zustand des Zählers (T_x1) gehört, das Schaltmittel (T) aktivieren kann und den Analog/Digital-Wandler (3) aktivieren kann.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die logische Einheit (4) ferner die Korrektur in Bezug auf die Vorbelastungskraft an dem digitalen Datenelement, das am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (3) vorhanden ist, ausführen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die logische Einheit (4) ferner das digitale Datenelement, das am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (3) vorhanden ist, modifizieren kann, wenn der digitale Wert des digitalen Datenelements dem Start-von-Zyklus-Synchronzeichen (SYNC) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Korrektur des digitalen Datenelements, das am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (3) vorhanden ist, die logische Einheit (4) das Schaltmittel (T) deaktivieren kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aktivieren des Analog/Digital-Wandlers (3) die logische Einheit (4) die Fernübertragung der vorverarbeiteten digitalen Daten an die Verarbeitungseinheit (PC) starten kann.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die logische Einheit (4) ferner einen universalen asynchronen Sender-Empfänger (UART) aktivieren kann, der die Fernübertragung der vorverarbeiteten digitalen Daten an die Verarbeitungseinheit (PC) während des Wartezyklus (ATT) der logischen Einheit (4) abschließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die voreingestellte Frequenz (F) gleich 7·F₁ ist, wobei F₁ die Gesamtabtastfrequenz für ein System ist, das eine sensitive Einlegesohle (S) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Komponente der resultierenden Kraft (F_b) und die Koordinaten (x_b, y_b) ihres Angriffspunktes von zwei sensitiven Einlegesohlen (S), und zwar eine für jeden Fuß, beschafft werden.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Komponente (F_b) der resultierenden Kraft und die Koordinaten (x_b, y_b) ihres Angriffspunktes von beiden sensitiven Einlegesohlen (S) durch eine einzige Vorverarbeitungseinheit (P) beschafft werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Zeitglied die Unterbrechungen erzeugen kann, die Routine (Int₀) mit einer Frequenz (F) gleich 7·F₂ aktivieren kann, wobei F₂ die Gesamtabtastfrequenz für ein System ist, das zwei sensitive Einlegesohlen (S) umfasst; – der Zähler (T_x1) 7 Zustände annehmen kann, wobei der 0-Zustand zu der Übertragung des Start-von-Zyklus-Synchronzeichens (SYNC) gehört, die Zustände 1–3 zu der Beschaffung der vertikalen Komponente (F_b) der resultierenden Kraft und der Koordinaten (x_b, y_b) ihres Angriffspunktes von einer sensitiven Einlegesohle (S) gehören, und die Zustände 4–7 zu der Beschaffung der vertikalen Komponente (F_b) der resultierenden Kraft und der Koordinaten (x_b, y_b) ihres Angriffspunktes von der anderen sensitiven Einlegesohle (S) gehören; – die logische Einheit (4) in der Reihenfolge das Schaltmittel (T) in Bezug auf die eine bzw, auf die andere sensitive Einlegesohle (S) ansteuern kann und die Abtasteinheit (2) ansteuern kann, um in der Reihenfolge die vertikale Komponente (F_b) der resultierenden Kraft und die Koordinaten (x_b, y_b) Ihres Angriffspunktes von der einen bzw. von der anderen sensitiven Einlegesohle (S) zu beschaffen.
Vorrichtung nach Anspruch 8 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die logische Einheit (4) ferner die Korrektur in Bezug auf die Vorbelastungskraft auf das digitale Datenelement, das am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (3) vorhanden ist, ausführen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die logische Einheit (4) ferner das digitale Datenelement, das am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (3) vorhanden ist, modifizieren kann, wenn der digitale Wert des digitalen Datenelements dem Start-von-Zyklus-Synchronzeichen (SYNC) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Korrektur des digitalen Datenelements, das am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (3) vorhanden ist, die logische Einheit (4) das Schaltmittel (T) deaktivieren kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aktivieren des Analog/Digital-Wandlers (3) die logische Einheit (4) die Fernübertragung der vorverarbeiteten digitalen Daten an die Verarbeitungseinheit (PC) starten kann.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die logische Einheit (4) einen universellen asynchronen Sender-Empfänger (UART) aktivieren kann, der die Fernübertragung der vorverarbeiteten digitalen Daten an die Verarbeitungseinheit (PC) während des Wartezyklus (ATT) der logischen Einheit (4) abschließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Einlegesohle (S) und zumindest ein Teil der Vorverarbeitungseinheit (P) in den Schuh eingebaut sind.