WO2018215365A1

WO2018215365A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer mechanischen belastung

Info

Publication number: WO2018215365A1
Application number: PCT/EP2018/063190
Authority: WO
Inventors: André Müller; Sebastian Betz
Original assignee: Ottobock Se & Co. Kgaa
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2018-11-29
Also published as: US20200182713A1; US11307103B2; DE102017111099B3

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer mechanischen Belastung, der ein Bauteil ausgesetzt war, wobei das Bauteil wenigstens einen Sensor aufweist, der in einem Kraftfluss der mechanischen Belastung angeordnet ist und bei mechanischer Belastung ein Messsignal aussendet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: g. Bereitstellen einer Aufstiegsfunktion, die einen Zusammenhang zwischen dem Messsignal und der mechanischen Belastung bei steigender Belastung herstellt, h. Bereitstellen einer Absinkfunktion, die einen Zusammenhang zwischen dem Messsignal und der mechanischen Belastung bei sinkender Belastung herstellt, i. Ermitteln von Umkehrpunkten, an denen eine Änderung der Belastung ein Vorzeichen wechselt, j. Speichern des Messwertes und des entsprechenden Aufstiegsfunktionswertes oder Absinkfunktionswertes am Umkehrpunkt. e. Bereitstellen einer neuen Aufstiegsfunktion oder einer neuen Absinkfunktion durch Verschieben und Stauchen der Aufstiegsfunktion oder der Absinkfunktion, wobei die Stauchung sowohl bezüglich des Messsignals als auch bezüglich der mechanischen Belastung durchgeführt wird, und k. Bestimmen der mechanischen Belastung zumindest auch aus den gespeicherten Werten.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer mechanischen Belastung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer mechanischen Belastung, der ein Bauteil ausgesetzt war, wobei das Bauteil wenigstens einen Sensor aufweist, der in einem Kraftfluss der mechanischen Belastung angeordnet ist und bei mechanischer Belastung ein Messsignal aussendet.

Ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung ist beispielsweise aus der WO 201 1/069495 A1 bekannt. Bauteile, die einer mechanischen Belastung, insbesondere einer sich wiederholenden mechanischen Belastung, ausgesetzt sind, haben eine begrenzte Lebensdauer. Es kommt zu Materialermüdungen, so dass das Bauteil nach einer gewissen Lebensdauer ausgetauscht werden muss. Bei großen mechanisch belasteten Bauwerken, beispielsweise Brücken, können Untersuchungen vorgenommen werden, aus denen sich ein Abnutzungsgrad und damit eine restliche Lebensdauer, innerhalb derer das Bauwerk gefahrlos betrieben werden kann, ableiten lässt. Dies ist bei kleineren und kostengünstigeren Bauteilen, beispielsweise in der Orthopädietechnik, nicht möglich. Insbesondere Orthesen oder beispielsweise für einen Heilungsprozess eingesetzte Prothesen werden von einem Patienten jedoch nur über einen gewissen Zeitraum, beispielsweise während einer Genesungsphase, verwendet. Um beurteilen zu können, ob eine derartige Orthese oder Prothese später einem zweiten Patienten zur Verfügung gestellt werden kann, muss gewährleistet sein, dass die Materialermüdung durch die Benutzung durch den ersten Patienten noch nicht so weit fortgeschritten ist, dass ein gesundheitliches Risiko für den zweiten oder einen weiteren Patienten besteht. Daher ist es bekannt, Belastungssensoren in den Kraftfluss eines Bauteils, insbesondere eines orthopädietechnischen Hilfsmittels, einzusetzen, wobei der Sensor beispielsweise ein piezoelektrisches Element sein kann.

Wird das Bauteil nun einer mechanischen Belastung ausgesetzt, wirkt diese auch auf den wenigstens einen Sensor, da dieser im Kraftfluss der Belastung angeordnet ist. Er sendet daraufhin ein Messsignal, das im Falle eines piezoelektrischen Elementes beispielsweise ein elektrischer Stromfluss sein kann. Aus der WO 201 1/069495 A1 ist bekannt, diesen Strom auf unterschiedliche Weise zu speichern und aufzusunnnnieren, und so ein Maß dafür zu erlangen, wie viel Belastung kumuliert auf den Sensor und damit auch auf das Bauteil gewirkt hat.

Die Erfahrung zeigt jedoch, dass mit dieser Methode eine verbleibende Lebensdauer des Bauteils nur sehr ungenau und oftmals unzureichend festgestellt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben beschriebenen Art so weiterzuentwickeln, dass die Belastung, der ein Bauteil ausgesetzt war, einfach und möglichst genau bestimmbar ist.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren der oben genannten Art, das die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen einer Aufstiegsfunktion, die einen Zusammenhang zwischen dem Messsignal und der mechanischen Belastung bei steigender Belastung herstellt,

b) Bereitstellen einer Absinkfunktion, die einen Zusammenhang zwischen dem Messsignal und der mechanischen Belastung bei sinkender Belastung herstellt,

c) Ermitteln von Umkehrpunkten, an denen eine Änderung des Messsignals ein Vorzeichen wechselt,

d) Speichern des Messwertes und des entsprechenden Aufstiegsfunktionswertes oder Absinkfunktionswertes am Umkehrpunkt,

e) Bereitstellen einer neuen Aufstiegsfunktion oder einer neuen Absinkfunktion durch Verschieben und Stauchen der Aufstiegsfunktion oder der Absinkfunktion, wobei die Stauchung sowohl bezüglich des Messsignals als auch bezüglich der mechanischen Belastung durchgeführt wird, und

f) Bestimmen der mechanischen Belastung zumindest auch aus den gespeicherten Werten. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mechanische Belastungssensoren, beispielsweise piezoelektrische Elemente, hysteresebehaftete Ergebnisse liefern. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein piezoelektrisches Element bei Belastung einen elektrischen Strom und damit eine Ladungsverschiebung generiert, wobei jedoch kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der auf das Element wirkenden Kraft und der verschobenen Ladung besteht. Bei einer ansteigenden Kraft liefert ein piezoelektrisches Element andere Messsignale als bei einer absinkenden Kraft, obwohl punktuell die gleichen Kräfte auf das piezoelektrische Element wirken. Dies ist bei einer Reihe von mechanischen Sensoren der Fall und führt dazu, dass allein aus der Kenntnis eines Messsignals, beispielsweise der Menge einer verschobenen Ladung eines piezoelektrischen Elementes, nicht eindeutig auf eine anliegende Kraft oder Belastung geschlossen werden kann. Dies hat zur Folge, dass bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei denen lediglich die verschobene Ladungsmenge, also der elektrische Strom, kumuliert gespeichert wird, kein eindeutiger Rückschluss auf die mechanischen Belastungen, die auf das Bauteil gewirkt haben, gezogen werden kann.

Die Erfindung trägt dieser Erkenntnis Rechnung. Zunächst werden eine Aufstiegsfunktion und eine Absinkfunktion bereitgestellt. Die Aufstiegsfunktion stellt dabei den Zusammenhang zwischen dem Messsignal, beispielsweise der verschobenen Ladung oder dem elektrischen Strom eines piezoelektrischen Elementes, und der mechanischen Belastung, also beispielsweise der wirkenden Druckkraft, her, sofern die Belastung ansteigt. Die Absinkfunktion stellt den Zusammenhang zwischen diesen beiden Größen bei absinkender Belastung her.

Die Aufstiegsfunktion und die Absinkfunktion sind dabei vorteilhafterweise an den jeweils verwendeten Sensor und dessen Hysteresefunktion angepasst, so dass sie den tatsächlichen Verlauf des Messsignals in Abhängigkeit der auftretenden Belastung für aufsteigende Belastung und absteigender Belastung richtig und möglichst genau wiedergeben. Dies kann beispielsweise geschehen, indem Messwerte durch eine Funktion angefittet werden. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die beiden Funktionen in dem angefitteten Bereich gut verwendbar sind. Darüber hinaus, beispielsweise bei höheren Belastungen geben die beiden Funktionen das tatsächliche Verhalten des Sensors gegebenenfalls nicht mit der gleichen .

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Genauigkeit wieder. Dies ist unabhängig davon, wie die Funktionen ermittelt und bereitgestellt wurden. Sie haben einen Verwendungs- oder Gültigkeitsbereich, in dem sie gut verwendbar sind und einen darüber hinausgehenden Bereich, in dem die Genauigkeit, mit der die Funktionen den tatsächlichen Zusammenhang wiedergeben abnimmt oder unbekannt ist. Der Bereich der Messsignale, in dem die jeweilige Funktion den tatsächlichen Zusammenhang gut und richtig wiedergibt, wird im Folgenden Funktionsbereich genannt. Der entsprechende Bereich der mechanischen Belastung wird Wertebereich genannt.

Im Zuge der mechanischen Belastung, der das Bauteil ausgesetzt ist, kann es zu einer Erhöhung oder einer Verringerung der mechanischen Belastung, beispielsweise eines ausgeübten Druckes, kommen. Die Punkte, an denen die Änderung des Messsignals und damit auch die der Belastung das Vorzeichen wechselt, werden Umkehrpunkte genannt und im Verfahrensschritt c) ermittelt. In einem Umkehrpunkt ändert sich folglich die Belastung von einer ansteigenden Belastung in eine absinkende Belastung oder von einer absinkenden Belastung in eine ansteigende Belastung. Es handelt sich folglich um die Punkte, in denen für den jeweiligen Zusammenhang zwischen dem Messsignal und der mechanischen Belastung die betreffende Funktion geändert werden muss. Während bei einem ansteigenden Messsignal und damit einer steigenden Belastung die Aufstiegsfunktion den Zusammenhang zwischen Messsignal und Belastung herstellt, ist für ein sinkendes Messsignal und damit eine sinkende Belastung die Absinkfunktion zuständig. An einem Umkehrpunkt ändert sich folglich die Funktion, durch die der Zusammenhang zwischen dem Messsignal des wenigstens einen Sensors und der mechanischen Belastung korrekt wiedergegeben wird.

Derartige Umkehrpunkte werden ermittelt und abgespeichert, indem der jeweilige Messwert, der vom Sensor am Umkehrpunkt ausgegeben wird, und der jeweilige Aufstiegsfunktionswert oder Absinkfunktionswert am Umkehrpunkt abgespeichert wird. Aus diesen kann anschließend die mechanische Belastung, der das Bauteil ausgesetzt war, bestimmt werden.

Bei jedem Umkehrpunkt wird eine neue Aufstiegsfunktion oder eine neue Absinkfunktion berechnet. Dabei wird eine Aufstiegsfunktion berechnet, wenn es sich bei ,_

- 5 - dem Umkehrpunkt um ein lokales Minimum handelt und eine Absinkfunktion, wenn der Umkehrpunkt ein lokales Maximum ist. Dies geschieht, indem die bestehende Aufstiegs- oder Absinkfunktion verschoben und sowohl bezüglich des Messsignals, also in x-Richtung, als auch bezüglich der mechanischen Belastung, also in y-Richtung gestaucht wird. Die Verschiebung und Stauchung geschieht dabei so, dass der Funktionsbereich der zu stauchenden Funktion auf den Bereich zwischen den Messwert des ermittelten Umkehrpunktes und den des vorangegangen Umkehrpunktes passt und der Wertebereich auf den Bereich zwischen den beiden entsprechenden Funktionswerten.

Vorteilhafterweise wird im Verfahrensschritt d) der Aufstiegsfunktionswert am Umkehrpunkt gespeichert, wenn es sich bei dem Umkehrpunkt um ein lokales Belastungsmaximum handelt. Dies bedeutet, dass an dem Umkehrpunkt von einer ansteigenden Belastung zu einer absinkenden Belastung gewechselt wird. In diesem Fall soll der Funktionswert der Aufstiegsfunktion gespeichert werden. Umgekehrt wird vorteilhafterweise der Absinkfunktionswert gespeichert, wenn der Umkehrpunkt ein lokales Belastungsminimum ist. In diesem Fall ändert sich am Umkehrpunkt die Belastung von einer absinkenden Belastung in eine ansteigende Belastung. In diesem Fall soll der Funktionswert der Absinkfunktion gespeichert werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird nach dem Ermitteln eines Umkehrpunktes eine neue Aufstiegsfunktion oder eine neue Absinkfunktion bereitgestellt. Dies kann vor oder nach dem Speichern der jeweiligen Messwerte oder der Funktionswerte geschehen. Handelt es sich bei dem Umkehrpunkt um ein lokales Belastungsmaximum, ändert sich in diesem Punkt die Belastung folglich von einer ansteigenden Belastung in eine absinkende Belastung, wird eine neue Absinkfunktion bereitgestellt, da diese in der nun folgenden absinkenden Belastung den Zusammenhang zwischen dem Messsignal und der mechanischen Belastung korrekt wiedergibt. Handelt es sich hingegen bei dem Umkehrpunkt um ein lokales Belastungsminimum, bei dem sich folglich die Belastung von einer abnehmenden Belastung in eine ansteigende Belastung ändert, wird eine neue Aufstiegsfunktion bereitgestellt, da diese in der nun folgenden ansteigenden Belastung im Zusammenhang zwischen Messsignal und Belastung zutreffend wiedergibt. - 6 -

Vorteilhafterweise wird die neue Aufstiegsfunktion oder die neue Absinkfunktion aus der bisherigen Aufstiegsfunktion oder bisherigen Absinkfunktion und dem Umkehrpunkt und den vorigen zwei Umkehrpunkten berechnet. Wird beispielsweise eine neue Aufstiegsfunktion benötigt, wird für die Bereitstellung dieser neuen Aufstiegsfunktion die bisherige Aufstiegsfunktion sowie der gerade erreichte Umkehrpunkt und die vorherigen zwei Umkehrpunkte, zwischen denen sich der Funktionsbereich der bisherigen Aufstiegsfunktion erstreckte, benötigt. Von dem Umkehrpunkt wird dabei sowohl das Messsignal, also der Messwert, den der Sensor an dieser Stelle ausgegeben hat, als auch der jeweilige Aufstiegsfunktionswert an diesem Punkt, also die gemessene mechanische Belastung, verwendet. Wird eine neue Absinkfunktion benötigt, werden analog dazu die bisherige Absinkfunktion und der gerade erreichte sowie die beiden vorherigen Umkehrpunkte verwendet, zwischen denen sich der Funktionsbereich der bisherigen Absinkfunktion erstreckte.

Alternativ kann auch die neue Aufstiegs- oder Absinkfunktion aus einer früheren Aufstiegs- oder Absinkfunktion, beispielsweise der ursprünglichen Aufstiegs- oder Absinkfunktion, und den Umkehrpunkten, zwischen denen sich der Funktionsbereich dieser Funktion erstreckte und allen seither gespeicherten Umkehrpunkten berechnet werden.

Vorteilhafterweise wird vor der ersten Belastung eine Grundaufstiegsfunktion und eine Grundabsinkfunktion bereitgestellt und insbesondere aus Messdaten wenigstens eines Sensors ermittelt. Diese können beispielsweise experimentell aufgenommen und anschließend angefittet werden. Dabei sind die Grundaufstiegsfunktion und die Grundabsinkfunktion in einem Bereich zwischen einer minimalen Belastung und einer maximalen Belastung definiert. Die maximale Belastung sollte dabei so gewählt werden, dass sie im Betrieb des Bauteils, also bei tatsächlich auftretenden Belastungen, nicht überschritten wird. Die Grundaufstiegsfunktion und die Grundabsinkfunktion haben folglich einen Funktionsbereich, der die erwartet auftretenden Belastungen zwischen der Minimalbelastung und der Maximalbelastung umfasst. Beide Funktionen verfügen zudem über einen entsprechenden Wertebereich. Jede der beiden Funktionen für sich bietet eine eindeutige Abbil- ^

dung zwischen einer Belastung, die auf das Bauteil wirkt, also einem Funktionswert der Aufstiegsfunktion oder der Absinkfunktion, und einem ausgegebenen Messsignal oder Messwert des Sensors, also beispielsweise einem elektrischen Strom oder einer elektrischen Ladung, dem die jeweiligen Belastung eindeutig zugeordnet ist. Soll nun aus der Grundaufstiegsfunktion oder der Grundabsinkfunktion eine neue Aufstiegsfunktion oder eine neue Absinkfunktion berechnet werden, sind dafür unter anderem drei Umkehrpunkte nötig. Diese sind der soeben erreichte Umkehrpunkt, der die Bereitstellung einer neuen Aufstiegsfunktion oder einer neuen Absinkfunktion nötig macht, und die beiden vorherigen Umkehrpunkte, zwischen denen sich der Funktionsbereich der bisherigen Funktion erstreckte. An allen diesen Umkehrpunkten wurde jeweils der Messwert des Sensors und die entsprechende Belastung, die über die jeweilige bisherige Aufstiegsfunktion oder bisherige Absinkfunktion errechnet wurde, gespeichert. Die Grundaufstiegsfunktion wird nun sowohl im Wertebereich als auch im Funktionsbereich so gestaucht, dass sie von dem gerade erreichten Umkehrpunkt zu dem vorherigen Umkehrpunkt verläuft. Dies gilt sowohl für eine Grundaufstiegsfunktion als auch für eine Grundabsinkfunktion. Allgemein hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn auf diese Weise aus einer bisherigen Aufstiegsfunktion oder einer bisherigen Absinkfunktion eine neue Aufstiegsfunktion oder eine neue Absinkfunktion bestimmt wird.

Vorteilhafterweise werden Werte, die im Verfahrensschritt d) gespeichert werden, nachdem ein Umkehrpunkt erreicht wurde, gelöscht, wenn dieser Umkehrpunkt erneut erreicht oder passiert wird. Dadurch wird der benötigte Speicherplatz zum Abspeichern der verschiedenen Werte verringert.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch ein Bauteil, insbesondere ein Teil einer orthopädietechnischen Einrichtung, das wenigstens einen Sensor und eine elektronische Datenverarbeitung mit wenigstens einem Prozessor aufweist, die eingerichtet ist, ein Verfahren der hier beschriebenen Art durchzuführen.

Dabei läuft vorzugsweise ein Programm für die elektronische Datenverarbeitung ab und wird von dem wenigstens einen Prozessor ausgeführt. - ö -

Vorzugsweise verfügt der wenigstens eine Sensor über wenigstens ein piezoelekt risches Element, vorzugsweise ein piezokeramisches Element. Als besonders vor teilhaft hat sich herausgestellt, wenn der wenigstens eine Sensor mehrere, bevorzugt sechs, piezoelektrische Elemente aufweist. Diese können beispielsweise um eine zentrale Symmetrieachse des Bauteils herum angeordnet werden. Dabei hat sich eine äquidistante Anordnung als vorteilhaft herausgestellt. Auf diese Weise können nicht nur Beträge von Belastungen ermittelt und summiert, sondern auch beispielsweise in unterschiedliche Richtungen wirkende Belastungen unterschiedlich behandelt und voneinander getrennt werden.

Vorzugsweise verfügt das Bauteil über wenigstens einen Datenspeicher, in dem die Werte im Verfahrensschritt d) gespeichert werden.

Bestimmte Messmethoden und Messzusammenhänge von Sensoren können einen inhärenten und sich über die Zeit aufsummierenden Messfehler beinhalten. Dies gilt insbesondere für integrative Messmethoden, wie beispielsweise die Ladungsmessung bei piezoelektrische Sensoren, die über die Integration des jeweils im piezo-elektrischen Element erzeugten elektrischen Stroms erfolgt. Dies geschieht insbesondere dann, wenn ein Nullpunkt der Messung nicht mit ausreichen der Genauigkeit

oder fehlerhaft kalibriert wurde oder sich während der Messung verschiebt. Bei einem piezoelektrische Kraft- oder Belastungssensor bedeutet dies, dass sich der Sensor nach dem Durchlauf eines Belastungszyklus nicht im gleichen Zustand befindet wie zuvor. Im Rahmen eines Diagrammes, bei dem die aufgebrachte Kraft über dem ausgesandten Messsignal aufgetragen wird, bedeutet dies, dass der Be lastungszyklus keine geschlossene Bahn bildet, sondern eine Öffnung aufweist. Im Gegensatz dazu bedeutet eine fehlerhafte Kalibrierung des Sensors lediglich, dass der aus den Messdaten des Sensors extrahierte Wert einer zu einem gewissen Zeitpunkt wirkenden Kraft, die durch den piezoelektrischen Sensor detektiert werden soll, beispielsweise als zu groß angesehen wird. Da bei piezoelektrischen Elementen der Messwert jedoch durch die zeitliche Integration einer physikalischen Größe, also die Gesamtladung beispielsweise durch Integration des erzeugten elektrischen Stromes, erzeugt wird, führt eine derartige Fehlkalibrierung oder Verschiebung des Nullpunktes ebenso wie eine nicht ganz geschlossene zyklische Bahn der zyklischen Belastung zu einem Messfehler, der über die Zeit mit aufintegriert wird und so an Bedeutung gewinnt, bis er gegebenenfalls die gleiche Größenordnung aufweist wie das eigentliche Messsignal.

Um das zu verhindern ist es von Vorteil, das Messsignal mit bekannten Referenzpunkten abzugleichen, um derartige mitintegrierte Messfehler eliminieren zu können. Ist ein derartiger Referenzpunkt bekannt, kann dieser verwendet werden, um akkumulierte Messabweichungen durch Signaldrift oder fehlerhafte Kalibrierung zu Nullen. In der Prothetik besteht ein derartiger Zeitpunkt zum Abgleichen des Signals beispielsweise während der Schwungphase eines Gangzyklus, da zu diesem Zeitpunkt die piezoelektrischen Kraft- oder Lastsensoren zumindest nahezu, bevorzugt jedoch vollständig frei von äußeren Belastungen und Lasten sind. Dazu ist es von Vorteil, wenn die Sensoren keinerlei Vorspannungen aufweisen, die ansonsten auch in der Schwungphase vorhanden sind, sodass dieser Zeitpunkt in diesem Fall nur bedingt oder gar nicht geeignet ist, als Referenzpunkt zu dienen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Referenzpunkt zum Abgleich vorzugsweise identisch mit dem Startpunkt der Grundaufstiegsfunktion. Dies ist genau dann der Fall, wenn keine Vorspannkraft auf die Sensoren wirkt.

Vorteilhafterweise wird der Sensor justiert, in dem unter vorbestimmten Bedingungen einer bekannten Belastung ein entsprechender Messwert zugeordnet wird und eine vorbekannte Aufstiegsfunktion und eine vorbekannte Absinkfunktion bereitgestellt werden. Insbesondere wenn das Verfahren bei einer Orthese oder Prothese verwendet wird, können die vorbestimmten Bedingungen eine bestimmte Bewegungssituation, beispielsweise eine Schwungphase in einem Gangzyklus, sein. Es bietet sich an, die vorbestimmten Bedingungen so zu wählen, dass in dem Moment, in dem der Sensor justiert wird, keine Belastung auf das Bauteil wirkt. In diesem Fall ist es möglich, dass dem Messsignal entsprechende dem bekannten Belastungswert„0" ebenfalls ein Wert„0" zugeordnet wird. In diesem Fall wird vorteilhafterweise als Aufstiegsfunktion die Grundaufstiegsfunktion und als Absinkfunktion die Grundabsinkfunktion bereitgestellt. Die Berechnung weiterer Auf- ^

stiegs- und Absinkfunktionen beim Erreichen von unterschiedlichen Umkehrpunkten erfolgt in diesem Fall analog zur ursprünglichen Berechnung zu Beginn des Verfahrens.

Vorteilhafterweise werden dabei Umkehrpunkte, die vor dem Justieren des Sensors gespeichert wurden, nicht verwendet, um eine neue Aufstiegsfunktion oder eine neue Absinkfunktion zu berechnen. Diese sind mit dem durch das Justieren entfernten Messfehler behaftet und würden somit das Ergebnis verfälschen.

Vorzugsweise wird bei wenigstens einem, vorteilhafterweise mehreren, besonders bevorzugt allen Umkehrpunkten zusätzlich eine Differenz zwischen dem zu speichernden Funktionswert und dem bei dem vorherigen Umkehrpunkt gespeicherten Funktionswert sowie ein Mittelwert zwischen diesen beiden

Funktionswerten gespeichert. Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei gleicher Differenz zwischen einem lokalen Maximum und einem lokalen Minimum der Belastung der Effekt auf das jeweilige Bauteil auch von dem absoluten Wert der Belastung abhängt. Da in diesem vorteilhaften Fall auch der Mittelwert zwischen den beiden Funktionswerten bestimmt und gespeichert wird, lässt sich dies im Nachhinein nachverfolgen, sodass Belastungszyklen, die bei großer Belastung auftreten, im Nachhinein anders gewichtet werden können und so größeren Einfluss auf das endgültige Ergebnis haben.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren bei einer Orthese oder Prothese oder an einem Bestandteil einer Orthese oder einem Bestandteil einer Prothese angewendet. Das hier beschriebene Bauteil ist vorteilhafterweise eine Orthese oder eine Prothese oder ein Bestandteil einer Orthese oder ein Bestandteil einer Prothese.

In der Prothetik und Orthetik, insbesondere bei Beinprothesen und Orthesen, die beim Gehen stark belastet werden, kommt es zu zyklischer Dauerbelastung nicht nur der Prothese oder Orthese, sondern insbesondere auch der piezoelektrischen Sensoren. Es hat sich gezeigt, dass unter zyklischer Dauerbelastung eine Depola- risation piezoelektrische Elemente stattfinden kann. Diese kann beispielsweise durch Umklappprozesse in der Domänenstruktur des piezokeramischen Materials hervorgerufen werden. Dies bedeutet, dass von Lastzyklus zu Lastzyklus weniger . .

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Ladung erzeugt wird und somit das Ausgangssignal relativ zur Erstbelastung absinkt. Eine zyklische Dauerbelastung bei konstanter in jedem Zyklus erreichter Maximallast führt somit zu einer zyklischen Reduzierung des jeweiligen Sensorsignals und somit ebenfalls zu einer dauerhaften Messwertverfälschung. Der Maximalwert der Grundaufstiegsfunktion und Grundabstiegsfunktion reduziert sich entsprechend von Lastzyklus zu Lastzyklus. Die Depolarisation selbst folgt dabei einer logarithmischen Funktion, die ebenfalls mathematisch angefittet und somit kompensiert werden kann. Die Korrektur erfolgt mit Hilfe eines Korrekturfaktors, welcher mit der Grundaufstiegs- und Grundabsinkfunktion multipliziert wird. Er kann mit Hilfe der zuvor aus Messwerten angefitteten logarithmischen Funktion berechnet werden.

Mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 - einen schematischen beispielhaften Belastungsverlauf,

Figuren 2 bis 4 - die schematische Darstellung unterschiedlicher Schritte des

Verfahrens,

Figur 5 - den Effekt mitintegrierter Messfehler und

Figur 6 - den Effekt der Depolarisation.

Figur 1 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der X-Achse ein von einem piezoelektrischen Sensor erzeugter Messwert, beispielsweise eine elektrische Ladung und als Funktion dessen eine aufgebrachte Kraft auf der Y-Achse aufgetragen wird. Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine Aufstiegsfunktion 2 sowie eine Absinkfunktion 4 bereitgestellt. Deren Funktionsbereich erstreckt sich zwischen einem Nullpunkt 6 und einem Maximalbelastungspunkt 8 , wenn es sich dabei um eine Grundaufstiegsfunktion und eine Grundabsinkfunktion handelt. . _

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Inn ersten Teil des in Figur 1 gezeigten Belastungsverlaufes wird die auf den Sensor wirkende Kraft erhöht, sodass sich der Messwert entlang der Aufstiegsfunktion 2 bis zum ersten lokalen Maximalpunkt 10 bewegt. Hierbei handelt es sich um einen ersten Umkehrpunkt, bei dem die aufgebrachte Belastung im zeitlichen Verlauf nicht weiter ansteigt, sondern absinkt. Der entsprechende Messwert und der entsprechende Aufstiegsfunktionswert werden an diesem Umkehrpunkt 10 gespeichert.

Es wird nun eine neue Absinkfunktion 12 bestimmt, indem die bisherige Absinkfunktion 4, deren Funktionsbereich sich zwischen dem Nullpunkt 6 und dem Maxi- malbelastungspunkt 8 erstreckte , so in X- und Y-Richtung gestaucht und verschoben wird, dass sie sich zwischen dem ersten lokalen Maximalpunkt 10, also dem momentan erreichten Umkehrpunkt und dem Nullpunkt 6 erstreckt. Entlang dieser neuen Absinkfunktion bewegt sich nun bei sinkender Belastung der entsprechende Messwert. Dies geschieht, bis die Kraft einen ersten lokalen Minimalpunkt 14 erreicht, bei dem es sich wieder um einen Umkehrpunk handelt. Auch hier werden Messwert und entsprechender Absinkfunktionswert gespeichert. Es muss nun eine neue Aufstiegsfunktion 16 bestimmt werden, entlang derer sich bei steigender Belastung der Messwert bewegt. Um dies erreichen zu können, wird die bisherige Aufstiegsfunktion 2, deren Funktionsbereich sich zwischen dem Nullpunkt 6 und dem Maximalbelastungspunkt 8 erstreckte in X- und Y-Richtung derart gestaucht und verschoben, dass sie sich vom ersten lokalen Minimalpunkt 14 zum ersten lokalen Maximalpunkt 10 erstreckt. Entlang dieser neuen Aufstiegsfunktion bewegt sich nun der Messwert bei steigender Belastung Y. Wenn die Belastung weiter über den ersten lokalen Maximalpunkt 10 erhöht wird, folgt der Messwert weiterhin der bisherigen Aufstiegsfunktion 2.

Die Figuren 2 bis 4 zeigen schematisch die unterschiedlichen gespeicherten Werte und Daten bei den bisher beschriebenen Verfahrensschritten, die bei einem Ablauf gemäß Figur 1 nötig werden. Figur 2 zeigt im rechten Stapel, dass zunächst die Grundaufstiegsfunktion und die Grundabsinkfunktion gespeichert sein müssen. Deren Funktionsbereich erstreckt sich zwischen dem Nullpunkt 6 und dem Maximalbelastungspunkt 8, wie sie in Figur 1 dargestellt sind. Daher sind im ^

linken dargestellten Speicherstapel, in dem Punkte, also Messwerte X und entsprechende Funktionswerte, also Belastungen Y, abgespeichert werden, diese Punkte in Form von X/Y-Koordinatenpaaren dargestellt. Der Index bezeichnet das Bezugszeichen, durch den der jeweilige Punkt in Figur 1 gekennzeichnet ist.

Figur 2 zeigt die Situation, die zu Beginn im Nullpunkt 6 vorherrscht. Es handelt sich um ein Minimum, sodass zunächst eine geltende Aufstiegsfunktion bestimmt werden muss. Diese ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 2 versehen und daher in Figur 2 mit dem Begriff„Funktion 2" benannt. Sie wird bestimmt aus der bisherigen Aufstiegsfunktion, also in diesem Fall der Grundaufstiegsfunktion, den beiden Punkten, zwischen denen sich deren Funktionsbereich erstreckte und dem aktuellen Minimalpunkt, der in diesem Fall ebenfalls der Nullpunkt 6 ist. Die Funktion 2 entspricht daher der Grundaufstiegsfunktion, sodass dieser Verfahrensschritt prinzipiell auch weggelassen werden könnte. Er dient jedoch der Verdeutlichung des Verfahrens.

Figur 3 zeigt schematisch was nach dem Erreichen des lokalen Maximalpunktes 10 geschieht. Es handelt sich um ein lokales Maximum, sodass eine neue Absinkfunktion bereitgestellt werden muss, die in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 12 versehen ist und daher in Figur 3 mit dem Begriff„Funktion 12" benannt ist. Sie wird bestimmt aus der bisherigen Absinkfunktion, die die Grundabsinkfunktion ist. Zudem werden die Punkte benötigt, zwischen denen sich der Funktionsbereich dieser Grundabsinkfunktion befindet. Dies sind im gezeigten Ausführungsbeispiel der Nullpunkt 6 und der Maximalbelastungspunkt 8, sodass deren Koordinaten in Form von X/Y-Paaren mit dem entsprechenden Index, der den Bezugszeichen aus Figur 1 entspricht, verwendet werden. Zusätzlich wird der gerade erreichte lokale Maximalpunkt 10 verwendet, der ebenfalls im linken Speicherstapel in Figur 3 abgelegt ist. Auch hier wird das X/Y-Paar mit dem Bezugszeichen 10 verwendet. Aus diesen Werten und der Grundabsinkfunktion wird die Funktion 12 bestimmt. Dabei wird die Grundabsinkfunktion in X- und in Y-Richtung so gestaucht und verschoben, dass sie sich nun zwischen dem lokalen Maximalpunkt 10 und dem Nullpunkt 6 erstreckt. . .

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Diese Funktion 12 wird solange verwendet, wie der Messwert X, also der von einem Sensor, beispielsweise einem piezoelektrischen Element, hervorgerufene Messwert absinkt oder den Messwert eines im linken Stapel abgelegten Wertepaares erreicht. Der zugehörige Funktionswert Y, der beispielsweise einer Kraft, einem Moment oder einer Belastung entspricht, sinkt daher ebenfalls ab. Dies geschieht bis in Figur 1 der lokale Minimalpunkt 14 erreicht wird. Das Verfahren sieht vor, dass in diesem Fall eine neue Aufstiegsfunktion bestimmt wird. Zunächst muss jedoch der lokale Minimalpunkt 14 und sein Koordinatenpaar X,Y mit dem Index 14 abgespeichert werden, wie dies im linken Speicherstapel in Figur 4 dargestellt ist. Um die neue Aufstiegsfunktion, die in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 16 versehen und daher in Figur 4 mit dem Begriff„Funktion 16" gekennzeichnet ist, zu bestimmen, muss nun die Funktion 2 so gestaucht und verschoben werden, dass sie sich zwischen dem lokalen Minimalpunkt 14 und dem lokalen Maximalpunkt 10 erstreckt. Diese beiden Werte müssen folglich in die Berechnung einbezogen werden. Zusätzlich wird der Nullpunkt 6 und sein Wert Paar X/Y verwendet, da sich zwischen diesem und dem lokalen Maximalpunkt 10 der Funktionsbereich der Funktion 2 erstreckte. Wird beim Folgen der Funktion 16 der lokale Maximalpunkt 10 erneut erreicht werden die obersten beiden Einträge beider Stapel gelöscht und fortan wieder der Funktion 2 gefolgt. Dies kann bei jeder geschlossenen Schlaufe geschehen.

Auf diese Weise können auch komplizierteste Last- und Belastungsverläufe modelliert und später entsprechend ausgewertet werden.

Figur 5 zeigt im rechten Bereich wieder ein Messwert-Belastungs-Diagramm, wobei gegenüber Figur 1 zu beachten ist, dass die Achsen vertauscht sind. Man erkennt eine zyklische Belastung, die aus drei Zyklen besteht, die gestrichelt dargestellt sind. Aufgrund eines mitintegrierten Messfehlers verschiebt sich bei jedem Zyklus der gesamte Messwertverlauf und insbesondere der jeweilige Maximalbe- lastungspunkt 8 zu höheren Messwerten und damit vermeintlich höheren Belastungen. Im linken Bereich der Figur 5 ist die Übersetzung der Daten in ein Diagramm übertragen, in dem wieder auf der X-Achse der gemessene Wert als Funktion der Zeit dargestellt ist. Man erkennt mit gestrichelter Linie den Messwert, bei dem der Messfehler mit aufintegriert wurde. Man erkennt, dass die vermeintliche . ,_

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Spitzenbelastung bei jedem Zyklus ansteigt. Mit durchgezogener Linie ist dargestellt, wie ein justierter Messwert verläuft. Dieser Wert kann erreicht werden, wenn zwischen jedem Belastungszyklus das Messsignal mit einem bekannten Referenzpunkt 18 abgeglichen wird. Dieser Referenzpunkt 18 kann beispielsweise in der Schwungphase eines Gangzyklus vorliegen, bei der der jeweilige piezoelektrische Sensor belastungsfrei ist. Da dies bekannt ist, kann das an diesem Zeitpunkt ermittelte Messsignal genullt werden, sodass Signaldrift oder sonstige mit auf integrierte Messfehler eliminiert werden können.

Figur 6 zeigt im rechten Beispiel eine Darstellung ähnlich der Figur 1 , in der ein Messwert auf der X-Achse über die aufgebrachte Belastung aufgetragen ist. Auch hier sind im Vergleich zu Figur 1 die Achsen vertauscht. Dabei handelt es sich um zyklische Belastungen, die hier anhand von drei separaten Zyklen mit unterschiedlich gestrichelten Linien dargestellt sind. Der mit einer Strichpunktlinie 20 dargestellte Zyklus findet dabei deutlich vor dem mit einer Linie 22 dargestellten Zyklus und dieser wiederum noch deutlich vor dem mit einer gestrichelten Linie 24 dargestellten Zyklus statt. Man erkennt, dass der Maximalbelastungspunkt 8 in jedem der Zyklen absinkt, was auf die bekannten Depolarisationseffekte bei zyklischer Dauerbelastung zurückzuführen ist. Im linken Bereich ist der jeweilige vermeintliche Belastungspunkt als Funktion der jeweiligen Zyklusnummer N aufgetragen. Man erkennt den logarithmischen Verlauf. Ist dieser Verlauf bekannt, kann eine Kompensation der gemessenen Werte durch eine hinterlegte Korrekturfunktion erfolgen.

Bezugszeichenliste

2 Aufstiegsfunktion

4 Absinkfunktion

6 Nullpunkt

8 Maximalbelastungspunkt

10 erster lokaler Maximalpunkt

12 neue Absinkfunktion

14 erster lokaler Minimalpunkt

16 neue Aufstiegsfunktion

18 Referenzpunkt

20 Strich-Punkt-Linie

22 gepunktete Linie

24 gestrichelte Linie

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zum Bestimmen einer mechanischen Belastung, der ein Bauteil ausgesetzt war, wobei das Bauteil wenigstens einen Sensor aufweist, der in einem Kraftfluss der mechanischen Belastung angeordnet ist und bei mechanischer Belastung ein Messsignal aussendet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a. Bereitstellen eine Aufstiegsfunktion, die einen Zusammenhang zwischen dem Messsignal (x) und der mechanischen Belastung (y) bei steigender Belastung herstellt,

b. Bereitstellen einer Absinkfunktion, die einen Zusammenhang zwischen dem Messsignal (x) und der mechanischen Belastung (y) bei sinkender Belastung herstellt,

c. Ermitteln von Umkehrpunkten, an denen eine Änderung des Messsignals (x) ein Vorzeichen wechselt,

d. Speichern des Messwertes und des entsprechenden Aufstiegsfunktionswertes oder Absin kfunktionswertes am Umkehrpunkt,

e. Bereitstellen einer neuen Aufstiegsfunktion oder einer neuen Absinkfunktion durch Verschieben und Stauchen der Aufstiegsfunktion oder der Absinkfunktion, wobei die Stauchung sowohl bezüglich des Messsignals (x) als auch bezüglich der mechanischen Belastung (y) durchgeführt wird, und

f. Bestimmen der mechanischen Belastung (y) zumindest auch aus den gespeicherten Werten.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt d) der Aufstiegsfunktionswert gespeichert wird, wenn der Umkehrpunkt ein lokales Belastungsmaximum ist und der Absinkfunktionswert gespeichert wird, wenn der Umkehrpunkt ein lokales Belastungsminimum ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die neue Aufstiegsfunktion oder die neue Absinkfunktion aus der bisherigen Aufstiegsfunktion oder der bisherigen Absinkfunktion und dem Umkehrpunkt und den zwei vorherigen Umkehrpunkten berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Belastung eine Grundaufstiegsfunktion und eine Grundabsinkfunktion bereitgestellt, insbesondere aus Messdaten wenigstens eines Sensors ermittelt, wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Werte, die im Verfahrensschritt d) gespeichert werden, nachdem ein Umkehrpunkt erreicht wurde, gelöscht werden, wenn dieser Umkehrpunkt erneut erreicht oder passiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor justiert wird, indem unter vorbestimmten Bedingungen einer bekannten Belastung ein entsprechender Messwert zugeordnet wird und eine vorbekannte Aufstiegsfunktion und eine vorbekannte Absinkfunktion bereitgestellt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastung und der zugeordnete Messwert jeweils Null sind und die Aufstiegsfunktion die Grundaufstiegsfunktion und die Absinkfunktion die Grundabsinkfunktion ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Umkehrpunkte, die vor dem Justieren des Sensors gespeichert wurden, nicht verwendet werden, um eine neue Aufstiegsfunktion oder eine neue Absinkfunktion zu berechnen.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Umkehrpunkt zusätzlich eine Differenz zwischen dem zu speichernden Funktionswert und dem bei dem vorherigen Umkehrpunkt gespeicherten Funktionswert sowie ein Mittelwert zwischen diesen beiden Funktionswerten gespeichert wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Orthese oder eine Prothese oder ein Bestandteil davon ist.

1 1 . Bauteil, insbesondere Teil einer orthopädietechnischen Einrichtung, die wenigstens einen Sensor und eine elektronische Datenverarbeitung mit wenigstens einem Prozessor aufweist, die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.

12. Bauteil nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor wenigstens ein piezoelektrisches Element, vorzugsweise ein piezoke- ramisches Element aufweist.

13. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor mehrere, bevorzugt sechs, piezoelektrische Elemente aufweist.

14. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil wenigstens einen Datenspeicher aufweist, in dem die Werte im Verfahrensschritt d) gespeichert werden.

15. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Orthese oder eine Prothese oder ein Bestandteil davon ist.