HUP0900341A2 - Force measuring method for measuring tangential surface forces developped in the contact surface of foot and groung - Google Patents
Force measuring method for measuring tangential surface forces developped in the contact surface of foot and groung Download PDFInfo
- Publication number
- HUP0900341A2 HUP0900341A2 HU0900341A HUP0900341A HUP0900341A2 HU P0900341 A2 HUP0900341 A2 HU P0900341A2 HU 0900341 A HU0900341 A HU 0900341A HU P0900341 A HUP0900341 A HU P0900341A HU P0900341 A2 HUP0900341 A2 HU P0900341A2
- Authority
- HU
- Hungary
- Prior art keywords
- force
- displacement
- measurement method
- ground
- force measurement
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
- Footwear And Its Accessory, Manufacturing Method And Apparatuses (AREA)
Description
KÖZZÉTÉTEL·! :::: f:PUBLICATION·! ::: : f:
···©··· <e · · ····©··· <e · · ·
PÉLDÁNYCOPY
Erőmérési eljárás a láb és a talaj érintkezési felületén fellépő érintő irányú felületi erőhatások méréséreForce measurement method for measuring tangential surface forces acting on the contact surface of the foot and the ground
A találmány tárgya:The subject of the invention:
A találmány olyan, elsősorban sportoláshoz és a láb mozgásának tanulmányozáshoz használható erőmérési eljárás, amely alkalmas a talp által a talajra kifejtett, felületen megoszló, a felület mentén érintőlegesen ébredő erőnek mérésére.The invention is a force measurement method that can be used primarily for sports and studying foot movement, and is suitable for measuring the force exerted by the sole on the ground, distributed over the surface, and arising tangentially along the surface.
A továbbiakban az 1. ábra alapján a haladás irányát x iránynak, az erre merőleges, de az érintkezési pontra fektetett érintősíkba eső erőt y iránynak, az erre a síkra merőleges (függőleges) irányt z-nek nevezzük. Találmányunk a fentiek szerinti x-y irányú erőhatás mérésére alkalmas eljárás.In the following, based on Figure 1, the direction of travel is called the x direction, the force perpendicular to this but falling in the tangent plane at the point of contact is called the y direction, and the direction perpendicular (vertical) to this plane is called z. Our invention is a method suitable for measuring the force effect in the x-y direction as described above.
A találmány alkalmazható mindazon területeken, ahol szükség van a gyaloglás és futás során a láb által kifejtett, talajra ható, érintősíkban mérhető erő mérésére, így különösen sportolók eredményességének javítása, edzések tervezése, ortopédiai mérések és vizsgálatok, mozgásjavítás, mozgássérültek rehabilitációja, továbbá az ezekkel kapcsolatos kutatások területén. A találmány alapján elkészíthető x és y irányú erő mérésére alkalmas olyan eszköz, amely például talpbetétbe építhető, cipőbe helyezhető, a cipő talprészébe építhető, zokniba, vagy harisnyába építhető.The invention can be used in all areas where it is necessary to measure the force exerted by the foot on the ground during walking and running, measured in the tangential plane, especially in the field of improving the effectiveness of athletes, planning training, orthopedic measurements and examinations, movement improvement, rehabilitation of the disabled, and related research. A device suitable for measuring force in the x and y directions can be prepared based on the invention, which can be built into an insole, placed in a shoe, built into the sole of the shoe, built into a sock or stocking.
A technika állása:State of the art:
A lábak a futás, vagy gyaloglás során a haladás érdekében erőt fejtenek ki, amely erők a talaj és a láb érintkezési felületén ébrednek. Ezek az erők koordinátarendszerben ábrázolva 1. ábra x, y, z irányúak, ahol az x tengely a haladás irányába mutat, az y tengely az x tengelyre merőleges, de ugyancsak az érintkezési felület érintősíkjába esik, míg a z tengely ezekre merőleges, felfelé mutató. A láb által kifejtett erők közül a test alátámasztását szolgálja a -z irányba mutató erő 2. ábra. A gyalogló, vagy futó ember előrehaladását szolgálja a -x irányba ható Fx erő. Ez a láb által kifejtett, hátrafelé mutató erő gyorsítja a mozgást, és ellensúlyozza a levegőben lévő másik láb (vagy lendítő láb) által kifejtett, a mozgásra lassító hatású erőt. Ha a láb által kifejtett erő előre mutat, akkor a mozgás lassul. Az x és z síkra merőleges, oldalirányú, ±y irányba mutató 7^ erő kedvez a test oldalirányú egyensúlyának megtartásában, de túlzott mértéke a test tömegközéppontjának oldalirányú billegését is okozhatja, továbbá utalhat a helytelen lábtartásra, vagy mozgásra.When running or walking, the legs exert forces in order to move forward, which forces arise on the contact surface of the ground and the foot. These forces are represented in a coordinate system in Figure 1 in the x, y, z directions, where the x axis points in the direction of movement, the y axis is perpendicular to the x axis, but also falls in the tangent plane of the contact surface, while the axis is perpendicular to these, pointing upwards. Of the forces exerted by the legs, the force pointing in the -z direction serves to support the body Figure 2. The force F x acting in the -x direction serves to move forward a walking or running person. This force, pointing backwards, exerted by the leg accelerates the movement and counteracts the force exerted by the other leg (or swinging leg) in the air, which has a decelerating effect on the movement. If the force exerted by the leg points forward, the movement slows down. The lateral force 7^, perpendicular to the x and z planes, pointing in the ±y direction, helps maintain the body's lateral balance, but its excessive magnitude can also cause the body's center of mass to sway laterally, and may also indicate incorrect foot position or movement.
A láb által a talajra kifejtett Fx és Fy erők, és az ezekkel szemben fellépő, a talaj által lábra ható, velük ellentétes Fx és Fy erők páronként nyíróerők.The forces F x and F y exerted by the foot on the ground, and the opposing forces F x and F y exerted by the ground on the foot, are pairwise shear forces.
Gyaloglás, vagy futás során a lábak felváltva érik a talajt. Futás alatt a két láb egyszerre soha nem érintkezik a talajjal, míg gyalogláskor egy rövid időre mindkét láb a talajon van. Sebes futásnál egy periódus alatt legfeljebb 0,2-0,4 s ideig éri a láb a talajt. A talajfogás pontja nem egy, mindenkinél minden esetben állandó, jól meghatározott pont a talpon, hanem a talp különböző helyén lehet, függ a mozgás fajtájától, sebességétől, és a futó ember egyéni jellemzőitől. Gyaloglásnál általában sarokra, gyors futásnál pedig a lábujjak tövénél lévő párnázott talprészre történik az érkezés. Általánosságban jellemző, minél gyorsabb mozgásról van szó, a talajfogás annál inkább a lábujjak felé történik. A talajfo gást követően a láb a saroktól a lábujjak felé gördül, ezt a folyamatot átgördülésnek nevezzük. Az átgördülés során az erő támadáspontja egy görbe mentén hátulról folyamatosan a lábujjak, leginkább a nagy lábujj felé mozdul el, ahogy ezt a 3. ábra is mutatja. Az átgördülés gyaloglásnál a talp teljes felületén történik, futásnál féltalptól, vagy az ujjpámáktól kezdődik, de előfordul, hogy valaki a lábujjhegyén fut.When walking or running, the feet alternately touch the ground. When running, both feet never touch the ground at the same time, while when walking, both feet are on the ground for a short time. When running fast, the foot touches the ground for a maximum of 0.2-0.4 s during a period. The point of contact with the ground is not one, constant, well-defined point on the foot, but can be in different places on the foot, depending on the type of movement, its speed, and the individual characteristics of the runner. When walking, the contact usually occurs on the heel, and when running fast, it occurs on the cushioned part of the foot at the base of the toes. In general, the faster the movement, the more contact with the ground occurs towards the toes. After contact with the ground, the foot rolls from the heel towards the toes, a process called rollover. During the rollover, the point of application of the force moves along a curve from the back towards the toes, especially the big toe, as shown in Figure 3. The rollover occurs over the entire surface of the foot when walking, while during running it starts from the midfoot or the toes, but it sometimes happens that someone runs on the tips of their toes.
Orvosok, sportorvosok, sportolók, edzők, és más, a járással, futással foglalkozó kutatók részéről igény jelentkezik a talpon ébredő erők mérésére. Az eddigi kutatási eredmények számos jó megoldást hoztak eddig is, segítségükkel javulást értek el a mozgássérült emberek rehabilitációjában, a kisebb mozgás és tartás hibák kijavításában, és a sportolók eredményességének javításában.Doctors, sports doctors, athletes, coaches, and other researchers involved in walking and running are demanding the measurement of forces generated by the foot. The research results so far have brought many good solutions, with their help they have achieved improvements in the rehabilitation of people with disabilities, in the correction of minor movement and posture errors, and in the improvement of the effectiveness of athletes.
1.1.
A lábra ható erők mérésére alkalmasak a svájci Kistler Instrumente AG által gyártott, biomechanikai mérések végzésére tervezett sík erőmérőpadok. A padban piezo-elektromos erőmérőket helyeztek el. A pad alkalmas arra, hogy a felületére lépő, azon járó, vagy futó ember lába által a talajra ható erőt mind a 3 koordináta irányába meghatározza. Ez a mérés laboratóriumi körülmények között, vagy erre a célra kialakított futópályán lehetséges. Robosztus kivitele, és a mérésre alkalmazott módszer alkalmatlan arra, hogy bárki, helytől és időtől függetlenül, egyszerűen kezelhető eszközként a napi gyakorlatban (pl. edzéshez) használja.The flat force measuring benches manufactured by the Swiss company Kistler Instrumente AG and designed for biomechanical measurements are suitable for measuring the forces acting on the foot. Piezo-electric force meters are placed in the bench. The bench is suitable for determining the force acting on the ground by the foot of a person stepping on, walking or running on its surface in all 3 coordinate directions. This measurement is possible under laboratory conditions or on a treadmill designed for this purpose. Its robust design and the method used for the measurement are not suitable for anyone, regardless of place and time, to use it as a simple to use tool in daily practice (e.g. for training).
2.2.
Hasonló eszközt mutat be az US 6878100 B2 számú, „Force sensing treadmill” c. találmány, amely egy közönséges futópadhoz kapcsolható mérőeszköz alkalmazásával oldja meg a mérési problémát. A mérés szintén a 3 tengely irányában történik. Az eszköz működését a futófelület kellően merev kialakítása biztosítja, mert a lábak által kifejtett erőt a felület mentén merev testként továbbítja, melyet a futópadban elhelyezett szenzorok érzékelnek. Az eszköz egyéb, a méréshez szükséges kiegészítőt is tartalmaz. Az eszközt - bár nem kell laboratóriumi körülményeket biztosítani - helyhez kötött, nem lehet a napi gyakorlatban egyszerűen használni.A similar device is presented in the invention entitled “Force sensing treadmill” No. US 6878100 B2, which solves the measurement problem by using a measuring device that can be connected to an ordinary treadmill. The measurement is also made in the direction of the 3 axes. The operation of the device is ensured by the sufficiently rigid design of the running surface, because the force exerted by the legs is transmitted along the surface as a rigid body, which is detected by sensors placed in the treadmill. The device also contains other accessories necessary for the measurement. Although the device does not need to be in laboratory conditions, it is stationary and cannot be used simply in daily practice.
3.3.
Egy, a mindennapokban is alkalmazható eszközt mutat be az US 5471405 számú, „Apparatus for measurement of forces and pressure applied to a garment” című, és a 4503705 sz. „Flexible Force Sensor” című szabadalmi leírás. Az előbbi cipőbe, az utóbbi lábra ragasztható bélyegként nyomásmérő eszközt használ, amelyek egy mikroprocesszor felé továbbítják a mérés eredményét. Az eljárás problémája, hogy csak a z-tengely irányába ható erőt méri, az általunk mérni kívánt x-y irányú erőkről nem ad információt.A device that can be used in everyday life is presented in the patent specification US 5471405, entitled “Apparatus for measurement of forces and pressure applied to a garment”, and in the patent specification US 4503705, entitled “Flexible Force Sensor”. The former uses a pressure measuring device as a stamp that can be glued to the shoe, the latter to the foot, which transmits the measurement result to a microprocessor. The problem with the method is that it only measures the force acting in the z-axis direction, it does not provide information about the forces in the x-y direction that we want to measure.
Jelenleg nem ismert olyan eszköz, amely a cipőbe helyezett, vagy abba épített eszköz segítségével x és y irányú erőket mérne, ezeket az adatokat a tréning, vagy általános használat idejére tárolja, és biztosítsa az adatok kinyerését, mindezt oly módon, hogy kis mérete, tömege, és hordozható kivitele alkalmassá tegye mindennapi használatra teremben, utcán, vagy terepen egyaránt.Currently, there is no known device that measures forces in the x and y directions using a device placed in or built into the shoe, stores this data for training or general use, and ensures data retrieval, all in a way that its small size, weight, and portable design make it suitable for everyday use in the gym, on the street, or in the field.
A találmánnyal megoldandó feladatThe task to be solved by the invention
A találmány azon a felismerésen alapul, hogy a láb és a talaj között a futás, vagy gyaloglás során a talaj és a láb érintkezési felületén, az érintő síkban nyíróerő ébred. A nyíróerő két, egymással ellentétes irányú erő, amely hatásvonala párhuzamos.The invention is based on the recognition that during running or walking, a shear force is generated between the foot and the ground on the contact surface of the ground and the foot, in the tangential plane. The shear force is two forces in opposite directions, the lines of action of which are parallel.
A nyíróerőt akkor is értelmezni tudjuk, ha a láb és a talaj közé cipőt, talpbetétet, zoknit, harisnyát, vagy más eszközt helyezünk el, mert az erő a teljes keresztmetszet mentén átadódik. Az egymással szorosan érintkező felületeknél, az egyik felület mentén ébredő erőhatás tapadás folytán átadódik a másik felületre. A nyíróerő az anyagok belsejében is értelmezhető, az erőpár az anyag szerkezetében képzeletben felvett síkok mentén is átadódik. Összességében a láb és a talaj közötti nyíróerő a két felület között értelmezett homogén és inhomogén rétegek mentén egyaránt átadódik, így bármely két párhuzamos, a z tengelyre merőleges síkban mérhető.Shear force can also be interpreted if a shoe, insole, sock, stocking, or other device is placed between the foot and the ground, because the force is transmitted along the entire cross section. In the case of surfaces that are in close contact with each other, the force arising along one surface is transmitted to the other surface due to adhesion. Shear force can also be interpreted inside materials, the force pair is also transmitted along imaginary planes in the structure of the material. Overall, the shear force between the foot and the ground is transmitted along both homogeneous and inhomogeneous layers interpreted between the two surfaces, so it can be measured in any two parallel planes perpendicular to the z-axis.
Ha a nyíróerő egy rugalmas testre hat, akkor azt deformálja. A deformáció mértéke arányos a ható erővel, függ az anyag szilárdsági tulajdonságától és iránya azonos a ható erő irányával. A deformáció, mint alakváltozás mérhető jellemző, ugyanis két megfelelően kiválasztott pont egymáshoz képesti elmozdulását okozza.When a shear force acts on an elastic body, it deforms it. The amount of deformation is proportional to the applied force, depends on the strength properties of the material, and its direction is the same as the direction of the applied force. Deformation, as a form change, is a measurable characteristic, as it causes two appropriately selected points to move relative to each other.
A feladat megoldását az jelenti, ha a futás vagy gyaloglás során, a haladás érdekében a párhuzamos xy síkokba eső nyíróerőpárt egy, a láb és a talaj között elhelyezett rugalmas test két kiválasztott pontjára, vagy felületére terheljük úgy, hogy az a rugalmas testet deformálja. A deformációt a rugalmas test két párhuzamos x-y síkba eső pontjának, vagy rétegének elmozdulásával jellemezzük úgy, hogy az elmozdulást megmérjük. Az elmozdulás mérésére számtalan jól ismert megoldást tudunk alkalmazni. Az elmozdulásmérő által mért elmozdulás értékéhez egyértelmű erőértéket tudunk rendelni.The solution to the problem is to apply a shear force pair in parallel xy planes to two selected points or surfaces of an elastic body placed between the foot and the ground during running or walking, in order to move forward, in such a way that it deforms the elastic body. The deformation is characterized by the displacement of two points or layers of the elastic body in parallel x-y planes by measuring the displacement. We can use numerous well-known solutions to measure the displacement. We can assign a clear force value to the value of the displacement measured by the displacement meter.
A találmány szerinti megoldásThe solution according to the invention
A találmányunk olyan erőmérési eljárás, amely alkalmas az emberi láb által a talajra kifejtett, felületen megoszló, a talp és a talaj érintkezési felületén érintőlegesen, de a két felületen külön-külön ébredő azonos nagyságú, ellentétes irányú, folyamatosan változó nagyságú és helyzetű, tehát a 7 láb által kifejtett Fx erő, és a 8 talajon ébredő F’x ellenerő, a két erő együtt, mint nyíróerő mérésére úgy, hogy az elmozdulás mérésére alkalmas 2 elmozdulásmérő eszközzel megfelelő időközönként megmérjük a talp és a talaj közé helyezett 1 rugalmas bélés, az érintősíkkal párhuzamos, ismert helyzetű, és 1 rugalmas béléssel mechanikai kapcsolatban álló felületek 9 As elmozdulását, mely elmozdulást a 2 elmozdulásmérővel 11 elektromos jellé alakítjuk át, a 11 elektromos jelhez erőértéket rendelünk, majd a mért adatokat 6 adatrögzítőn tároljuk.Our invention is a force measurement method that is suitable for measuring the force exerted by the human foot on the ground, distributed over the surface, tangentially on the contact surface of the sole and the ground, but arising separately on the two surfaces, of the same magnitude, opposite direction, continuously varying magnitude and position, i.e. the force F x exerted by the foot 7, and the counterforce F' x arising on the ground 8, the two forces together as a shear force, by measuring the displacement 9 As of the surfaces 1 of the elastic lining 1 placed between the sole and the ground, parallel to the tangent plane, in a known position, and mechanically connected to the elastic lining 1 at appropriate intervals with a displacement measuring device 2 suitable for measuring displacement, which displacement is converted into an electrical signal 11 by the displacement meter 2, a force value is assigned to the electrical signal 11, and then the measured data are stored on a data recorder 6.
A 9 As elmozdulás mérésére olyan eszköz alkalmas, amely a 9 As elmozdulást 11 elektromos jellé alakítja át. A 9 As elmozdulás mérésére bármilyen ma ismert, méretben és érzékenységben a célnak megfelelő 2 elmozdulás-mérő alkalmas. Ilyen 2 elmozdulás-mérő lehet a teljesség igénye nélkül például nyúlásmérő bélyeg, kapacitásváltozás mérésen alapuló elmozdulásmérő, induktívváltozás mérésen alapuló elmozdulásmérő, piezo kristályos elmozdulásmérő és optikai elmozdulásmérő, amely eszközök által keltett 11 elektromos jelet 26 vezetéken, vagy vezeték nélkül, 19 elektromágneses jelként juttat el a talpbetét megfelelő pontjára, ahol célszerűen kialakított módon kerül továbbításra a jelfeldolgozó egység felé.A device is suitable for measuring the displacement 9 As, which converts the displacement 9 As into an electrical signal 11. Any displacement meter 2 known today, suitable for the purpose in terms of size and sensitivity, is suitable for measuring the displacement 9 As. Such displacement meters 2 may include, without limitation, a strain gauge stamp, a displacement meter based on capacitance change measurement, a displacement meter based on inductive change measurement, a piezo crystal displacement meter and an optical displacement meter, which transmits the electrical signal 11 generated by the devices via a wire 26, or wirelessly, as an electromagnetic signal 19 to the appropriate point of the insole, where it is transmitted in a suitably designed manner to the signal processing unit.
elektromos jelnek tekintjük egyen-, változó-, vagy váltakozó elektromos áram bármely jellemzőjét, vagy ezek megváltozását (beleértve az időbeli lefolyását is), ha az a találmány szerinti erőmérési eljárást megvalósító erőmérő eszköz 2 elmozdulás-mérőjétől származik, de különösen az áramerősséget, a feszültséget, az ellenállást, az impedanciát, a kapacitást, az induktivitást, a frekvenciát, a fázist, és az amplitúdót, mint mért jellemzőt.An electrical signal is considered to be any characteristic of direct, variable or alternating electric current, or its change (including its time course), if it originates from the displacement sensor 2 of the force measuring device implementing the force measuring method according to the invention, but in particular the current strength, voltage, resistance, impedance, capacitance, inductance, frequency, phase, and amplitude as measured characteristics.
A 11 elektromos jel független attól, hogy azt az 2 elmozdulás-mérő maga kelti, vagy külső forrásból származó jelet alakít át. Nyúlásmérö bélyeg például az elektromos ellenállást változtatja meg, a piezo kristály elektromos feszültséget kelt.The electrical signal 11 is independent of whether it is generated by the displacement sensor 2 itself or converts a signal from an external source. For example, a strain gauge stamp changes electrical resistance, a piezo crystal generates electrical voltage.
A 9 As elmozdulás mérésére irány érzékeny 2 elmozdulás-mérőt alkalmazunk. Ez azt jelenti, hogy az x-y síkban bekövetkező eredő elmozdulást két merőleges irányú összetevőre bontjuk, ugyanakkor az eljárás érzéketlen a z irányú erő hatására történő elmozdulásra.To measure the displacement 9 As, a direction-sensitive 2-displacement meter is used. This means that the resultant displacement in the x-y plane is decomposed into two perpendicular components, but the method is insensitive to the displacement caused by the force in the z direction.
A z irányú elmozdulás mérési pontatlanságot okozhat, ezt olyan mérőeszköz alkalmazásával tudjuk csökkenteni, amelynél a mérőfelület z irányú elmozdulása nem befolyásolja a mért értéket. Távtartó alkalmazásával a z irányú elmozdulás ugyancsak kiküszöbölhetővé válik. Eredményt érhetünk el, ha a megmérjük a talpra ható teljes eredőeröt, valamint egy arra alkalmas eszközzel külön megmérjük a z irányú erőt, és az eredőerőből levonjuk azt.The displacement in the z direction can cause measurement inaccuracy, this can be reduced by using a measuring device in which the displacement of the measuring surface in the z direction does not affect the measured value. By using a spacer, the displacement in the z direction can also be eliminated. We can achieve a result if we measure the total resultant force acting on the base and separately measure the force in the z direction with a suitable device and subtract it from the resultant force.
Találmányunkban 1 rugalmas bélésnek neveztük el a talp és a talaj között elhelyezkedő rugalmas testet, amelynek a 7-8 nyíróerő hatására elszenvedett 9 As alakváltozását méljük.In our invention, we have named the elastic body located between the sole and the ground as elastic lining 1, the deformation of which is 9 As suffered by the shear force 7-8 is measured.
A 7-8 nyíróerő változását analóg, illetve digitális formában követhetjük nyomon. Analóg jelformánál a változás frekvenciája, digitálisnál a mintavételezés frekvenciája határozza meg az egyes áramkörök sajátosságait. Az analóg és a digitális jelátalakítás és jelfeldolgozás az általában ismert és elterjedt módon történik.The change in shear force 7-8 can be monitored in analog or digital form. In the case of analog signal form, the frequency of change, in the case of digital, the sampling frequency, determines the characteristics of each circuit. Analog and digital signal conversion and signal processing are performed in the generally known and widespread manner.
A futó vagy gyalogló ember jobb és bal lába felváltva éri a talajt. Egy gyalogló ember pl. 120-at lép percenként, ami azt jelenti, hogy egy láb ciklusideje kb. 1 s. Egy ciklus alatt a talajon lévő láb elemelkedik a földről, a megemelt térd forgáspontja körül a haladás irányába előre mozog, majd a talajfogás pillanatát követően a talp és a talaj közötti súrlódást kihasználva, erőkifejtés hatására hátrafelé mozog. Ennek eredményeképpen a test tömegközéppontja előre mozog. Ez a ciklusidő pl. egy 20 km/h sebességű futásnál, lm lépés hossz esetén hozzávetőlegesen 0,2 s-ra csökken. A láb a ciklusidő alatt a talajon és a levegőben is tartózkodik. A talajon való tartózkodás az iménti tempójú gyalogláskor a ciklusidő 60%-a, futáskor 40%. Az időtartam gyalogláskor 0,6 s, futáskor 0,072 s-ra csökken.A person running or walking alternately touches the ground with his right and left feet. A person walking takes, for example, 120 steps per minute, which means that the cycle time of one foot is approx. 1 s. During one cycle, the foot on the ground lifts off the ground, moves forward in the direction of travel around the pivot point of the raised knee, and then, after the moment of contact with the ground, moves backward using the friction between the sole and the ground, as a result of the application of force. As a result, the body's center of mass moves forward. This cycle time, for example, when running at a speed of 20 km/h and a step length of lm, is reduced to approximately 0.2 s. The foot is both on the ground and in the air during the cycle time. Staying on the ground is 60% of the cycle time when walking at the above pace, and 40% when running. The duration is reduced to 0.6 s when walking and 0.072 s when running.
Felfelé kerekítve ez 15 Hz-es mintavételi frekvenciát jelent. Találmányunkban ez jelenti azt az alsó határt, amely esetén mindig 11 értékelhető jel keletkezik a 2 elmozdulás mérőben. All jelek értékelhetősége a mintavételi frekvencia növelésével tovább javítható.Rounded up, this means a sampling frequency of 15 Hz. In our invention, this means the lower limit at which 11 evaluable signals are always generated in the 2 displacement meters. The evaluability of all signals can be further improved by increasing the sampling frequency.
Az átgördülés folyamata alatt az x-y erő nagysága a mérés helyén folyamatosan változik. Ahhoz, hogy pontos képet nyerjünk a változásról, a pillanatnyi erőértékeket bizonyos időpontokban meg kell mérni. Lépésenként és mérési helyenként 1-100 mérés elegendő, ennél nagyobb mintavételezési gyakoriságot az adatátvitellel szemben támasztott követelmény, vagy más műszaki megfontolás indokolhat.During the rolling process, the magnitude of the x-y force at the measurement location changes continuously. In order to obtain an accurate picture of the change, the instantaneous force values must be measured at certain times. 1-100 measurements per step and per measurement location are sufficient, a higher sampling frequency may be justified by the requirements for data transmission or other technical considerations.
A nyíróerő nagyságát a 11 elektromos jelhez rendelt erő értékkel határozzuk meg.The magnitude of the shear force is determined by the force value assigned to the 11 electrical signals.
A láb által kifejtett 7 Fx erő a cipő belső felületére hat, és a 28 cipő talpán keresztül a talajra átadódik. A talaj a cipő talpán keresztül 8 F’x ellenerőt fejt ki, ez a két erő nyiróerőként működik. A nyíróerő maximuma a talaj és a cipő súrlódási tényezőjétől függ. Ez egy 80 kg tömegű ember esetén elérheti a 300 N-t is sprintereknél ennél többet is.The force of 7 F x exerted by the foot acts on the inner surface of the shoe and is transmitted to the ground through the sole of the shoe 28. The ground exerts a counterforce of 8 F' x through the sole of the shoe, these two forces acting as shear forces. The maximum shear force depends on the friction coefficient of the ground and the shoe. This can reach 300 Nt for a person weighing 80 kg and even more for sprinters.
A láb által kifejtett 7 Fx erő tehát a lábtól a talajig lévő anyagrétegeken keresztül adódik át. Ezek a rétegek lehetnek a szokásosak, mint zokni, vagy harisnya, talpbetét, cipötalp, illetve nem szokásosak, mint mérőeszköz, gyógyászati segédeszköz, stb. Ezekbe a rétegekbe, vagy a rétegek közé 1 rugalmas bélést helyezünk, és biztosítjuk, hogy a láb által az adott ponton kifejtett Fx erő, és a talajról visszaható F’x ellenerő az adott ponton 1 rugalmas bélésre áttevődjön. A 1 rugalmas bélés deformálódik, ami jellemző és ismert módon úgy történik, hogy a felső és alsó felülete közti rétegek az anyag szerkezetét adó molekulák kis energiájú kapcsolata miatt, egymáson 9 As elmozdulnak. Az elmozdulás az anyag molekulái között kicsi, azonban két elég távoli réteg között a kis elmozdulások összeadódva mérhető nagyságúvá nőnek.The 7 F x force exerted by the foot is therefore transmitted through the layers of material from the foot to the ground. These layers can be conventional, such as socks or stockings, insoles, shoe soles, or unconventional, such as measuring instruments, medical aids, etc. An elastic lining 1 is placed in these layers or between the layers, and we ensure that the force F x exerted by the foot at the given point and the counterforce F' x reflecting from the ground are transmitted to the elastic lining 1 at the given point. The elastic lining 1 deforms, which typically and in a known way occurs in such a way that the layers between its upper and lower surfaces move 9 As on each other due to the low-energy connection of the molecules that give the structure of the material. The displacement between the molecules of the material is small, but between two sufficiently distant layers, the small displacements add up to a measurable magnitude.
A láb gyaloglás és futás közbeni elmozdulásának tervezése során figyelembe kell venni, hogy a cipő és a bélés anyagán kívül a láb az emberi talp a bőr és a rugalmas szövetek miatt, az erőkifejtés alatt természetes módon is mozog. Ez a mozgás előre-hátra irányba akár 8-10 mm is lehet, anélkül, hogy a talp elcsúszna a talajon. A cipő talpának rugalmas elmozdulása hozzáadódik a láb természetes rugalmas mozgásához, és a cipőt viselő ember ezt a két elmozdulást együtt érzékeli. Ha ez a mozgás túl nagy, ronthatja az erőkifejtés hatékonyságát, az instabilitás érzését válthatja ki. Mivel 1 rugalmas bélés deformációja bármely két különböző, a z tengelyre merőleges síkban elhelyezkedő rétegének elmozdulását okozza, ezért - megfelelő kalibrálást követően - két, egymástól megfelelő távolságban lévő síkok/rétegek egy-egy kijelölt pontja elmozdulásának megmérésével pontos képet kapunk a ható erő mértékéről.When designing the foot movement during walking and running, it must be taken into account that, in addition to the material of the shoe and the lining, the foot also naturally moves under force due to the skin and elastic tissues of the human sole. This movement can be up to 8-10 mm in the forward-backward direction without the sole slipping on the ground. The elastic movement of the shoe sole is added to the natural elastic movement of the foot, and the person wearing the shoe perceives these two movements together. If this movement is too large, it can impair the efficiency of the force application and cause a feeling of instability. Since the deformation of 1 elastic lining causes the movement of any two different layers located in a plane perpendicular to the z-axis, therefore - after appropriate calibration - by measuring the movement of a designated point of two planes/layers at a suitable distance from each other, we get an accurate picture of the amount of force acting.
A kapott 11 elektromos jelhez mérőszámot és az erő mértékegységet rendeljük. A hozzárendelésnek egyértelműnek kell lenni. Ezt a mérési paraméterek függvényében számítással, vagy kalibrálással, vagy a kombinált eljárásban határozhatjuk meg.The 11 electrical signals obtained are assigned a measurement number and a force unit. The assignment must be unambiguous. This can be determined by calculation, calibration, or a combined procedure, depending on the measurement parameters.
Ha 1 rugalmas bélés ismert rugalmassági modulusú anyagból készül, akkor a fellépő erő az ismert Hooke-féle összefüggésselIf 1 elastic liner is made of a material with a known modulus of elasticity, then the applied force is determined by the known Hooke's equation
F = —k · As számítható, ahol F az erő vektor, k a rugalmas anyag merevsége, As a megnyúlás, illetve esetünkben az elmozdulás vektor.F = —k · As can be calculated, where F is the force vector, k is the stiffness of the elastic material, As is the elongation, or in our case the displacement vector.
Vannak olyan anyagok, amelyek követik, vagy elhanyagolható hibával követik a Hooketörvény linearitását, de például a gumi rugalmassága függ a terheléstől és a hőmérséklettől is, valamint állandó terhelés alatt is változik a megnyúlása (kúszás). (A Hooke-törvényen alapuló ismert számításokat, mint pl. nyírófeszültség számítás, vagy a Hooke-törvény tenzoros alakja, továbbá az elmozdulás és erő táblázatos hozzárendelését és az ezeket leíró algoritmusokat ideértjük, de külön nem részletezzük.)There are materials that follow the linearity of Hooke's law, or follow it with negligible error, but for example the elasticity of rubber depends on both load and temperature, and its elongation (creep) changes even under constant load. (We include here the well-known calculations based on Hooke's law, such as shear stress calculation, or the tensor form of Hooke's law, as well as the tabular assignment of displacement and force and the algorithms describing them, but we will not detail them separately.)
A hiteles méréshez kalibrálni kell. Ekkor nem vizsgáljuk a rugalmas bélés pontos szilárdsági tulajdonságait, hanem ismert feltételek mellett elvégzünk egy olyan méréssorozatot, amelyben a rugalmas bélést az x-y síkban ható ismert erőhatásoknak tesszük ki, majd az okozott deformációt, a két kijelölt pont helyzetének változását elmozdulás-mérővel megmérjük, az így kapott jelszintet és az erőt rendeljük egymáshoz. Az eredményeket regisztráljuk, majd a futás, vagy a gyaloglás közben jelentkező, ismeretlen nagyságú erőt ehhez a regisztrált értékhez viszonyítjuk.For authentic measurement, it must be calibrated. In this case, we do not examine the exact strength properties of the elastic lining, but rather perform a series of measurements under known conditions in which the elastic lining is exposed to known forces acting in the x-y plane, then the deformation caused and the change in the position of the two designated points are measured with a displacement meter, the resulting signal level and the force are assigned to each other. The results are registered, and then the unknown force occurring during running or walking is compared to this registered value.
A 4. ábra a találmány szerinti erőmérési eljárás egy előnyös megvalósítását mutatja. Az erőmérő eszköz 1 rugalmas bélésből, 2 elmozdulás-mérőből, 3 csatlakozásból, 4 erősítőből 5 analóg-digitális átalakítóból (A/D), valós időt adó 15 valósidő generátor, és 6 adatrögzítő áll. A rendszer külső áramforrásból 13 tápfeszültség csatlakozó ponton keresztül kap ára mot. A láb által kifejtett 7 erő hatására a talajon 8 ellenerő ébred. A 7-8 erőpár hatására az 1 rugalmas bélés trapézosan torzul, az alsó és felső felület széle 9 ős mértékben elmozdul egymáshoz képest. Az elmozdulás a 7-8 erőkifejtés függvényében 10 elmozdulás időben változó értékű. Az elmozdulást a 2 elmozdulás-mérővel, mint jelátalakítóval 11 elektromos jellé alakítjuk. Az elektromos jelet 3 csatlakozón keresztül a 4 erősítő bemenetére juttatjuk, a kívánt mértékben felerősítjük, majd 5 A/D átalakítóval 12 digitalizált jellé alakítjuk. Az erőmérés mintavételi frekvenciája minimum 15 Hz, azonban a miniatürizálás igénye, és az adatátviteli követelmények miatt ennél magasabban is megválaszthatjuk. A 12 digitalizált jelet 6 adatrögzítővel rögzítjük. Az adatrögzítés során szinkronizálni kell az adatokat a mozgás lefolyásához, illetve a valós időhöz, és ennek érdekében a valós időt is rögzítjük. Az erőmérő valamennyi egységét a láb és a talaj között célszerű módon helyezzük el. Az adatokat további feldolgozás céljára 14 csatlakozó ponton kinyerjük. Az adatokból az erőt a 1 rugalmas bélés k merevségének ismeretében, és megfelelő kalibrációt követően, illetve - ha szükséges - más paraméterek (pl.: hőmérséklet) figyelembevételével meghatározzuk.Figure 4 shows a preferred embodiment of the force measurement method according to the invention. The force measuring device consists of 1 flexible liner, 2 displacement meter, 3 connections, 4 amplifiers, 5 analog-to-digital converters (A/D), 15 real-time real-time generator, and 6 data recorder. The system receives power from an external power source via 13 power supply connection points. The force exerted by the foot 7 creates a counterforce 8 on the ground. Under the influence of the force pair 7-8, the flexible liner 1 is distorted in a trapezoidal manner, and the edges of the lower and upper surfaces are displaced relative to each other by a magnitude 9. The displacement has a time-varying value 10 as a function of the force exerted 7-8. The displacement is converted into an electrical signal 11 by the displacement meter 2 as a signal converter. The electrical signal is fed to the input of the amplifier 4 via 3 connectors, amplified to the desired extent, and then converted into 12 digitized signals with 5 A/D converters. The sampling frequency of the force measurement is at least 15 Hz, however, due to the need for miniaturization and data transmission requirements, it can be selected higher. The 12 digitized signals are recorded with 6 data recorders. During data recording, the data must be synchronized with the course of the movement and with real time, and for this purpose, real time is also recorded. All units of the force meter are placed between the foot and the ground in a practical way. The data are extracted at 14 connection points for further processing. The force is determined from the data, knowing the stiffness k of the elastic liner 1, and after appropriate calibration, and - if necessary - taking into account other parameters (e.g. temperature).
Az 5. ábra a találmány szerinti eljárás másik előnyös megoldását mutatja. Az erőmérő 1 rugalmas bélésből, 2 elmozdulás-mérőből, 3 csatlakozásból, 4 erősítőből és 6 adatrögzítőből áll. Az eljárás az előbbitől abban tér el, hogy az analóg 11 elektromos jelet nem digitalizáljuk, hanem 6 adatrögzítővel tároljuk. Az elektromos egységek 13 tápfeszültség csatlakozó ponton kapnak áramot.Figure 5 shows another preferred embodiment of the method according to the invention. The force gauge consists of a flexible liner 1, a displacement meter 2, a connection 3, an amplifier 4 and a data recorder 6. The method differs from the previous one in that the analog electrical signal 11 is not digitized, but is stored with a data recorder 6. The electrical units receive power at a power supply connection point 13.
A 6. ábra a találmány szerinti eljárás harmadik előnyös megvalósítását mutatja, amely két elkülönülő egységből áll. A mérőhelyen helyezzük el az 1 rugalmas bélést, a 2 elmozdulásmérőt, a 3 csatlakozást, a 4 erősítőt, az 5 analóg-digitális átalakítót (A/D), a 17 RF modult, és a 18 adóantennát. Külön egységként, például a felsőtestre erősítve helyezzük el a 20 vevőantennát, a 21 RF vevőmodult, a valós időt adó 15 valósidő generátor, és a 6 adatrögzítőt. A folyamat az 5 A/D átalakítóig az ismertetett folyamat szerint működik. Az 5 A/D átalakítóból származó 12 digitális jelet 17 RF modulban moduláljuk, és al8 adóantennán keresztül 19 rádióhullámokkal továbbítjuk a 20 vevőantenna felé. A kódolt, vagy kódolatlan rádiójelet a 21 RF vevőmodullal demoduláljuk, majd a 6 adatrögzítővel rögzítjük. A többi modul működése az eljárásban a fentiek alapján értelemszerű. Az egységek áramellátása külön-külön 13 tápfeszültség csatlakozó ponton történik.Figure 6 shows a third preferred embodiment of the method according to the invention, which consists of two separate units. The flexible liner 1, the displacement sensor 2, the connection 3, the amplifier 4, the analog-to-digital converter (A/D) 5, the RF module 17, and the transmitter antenna 18 are placed at the measuring site. The receiver antenna 20, the RF receiver module 21, the real-time generator 15 providing real time, and the data recorder 6 are placed as a separate unit, for example, attached to the upper body. The process operates according to the described process up to the A/D converter 5. The digital signal 12 originating from the A/D converter 5 is modulated in the RF module 17 and transmitted via the transmitter antenna 19 to the receiver antenna 20. The coded or uncoded radio signal is demodulated by the RF receiver module 21 and then recorded by the data recorder 6. The operation of the other modules in the process is logical based on the above. The power supply of the units is done separately at 13 power supply connection points.
A 7. ábra a találmány szerinti eljárás 6. ábrán ismertetett elrendezését valósítja meg azzal az eltéréssel, hogy az analóg 11 elektromos jelet nem digitalizáljuk, hanem 17 RF modulban moduláljuk, és al8 adóantennán keresztül 19 rádióhullámokkal továbbítjuk a 20 vevőantenna felé. A rádiójelet a 21 RF vevőmodullal demoduláljuk, majd a jeleket 6 adatrögzítővel rögzítjük.Figure 7 implements the arrangement of the method according to the invention described in Figure 6 with the difference that the analog electrical signal 11 is not digitized, but is modulated in an RF module 17 and transmitted via a transmitter antenna 19 to the receiver antenna 20. The radio signal is demodulated by the RF receiver module 21, and then the signals are recorded by a data recorder 6.
Az erő meghatározása során az elmozdulás keltette elektromos jelet alakítjuk át erőértékké, konvertáljuk. A As/F konvertálás a folyamatban több helyen is megvalósulhat, például az elmozdulás mérést követően közvetlenül, az erősítő kimenetén, a digitalizálást követően, vagy a tárolt adat kinyerését követően. A konvertálás a korábban leírtakkal összhangban a Hooke-törvényen alapuló számítási eljárások alkalmazásával, kalibrálással, vagy ezek kombinációjával valósítható meg.During the determination of force, the electrical signal generated by the displacement is converted into a force value. The As/F conversion can be implemented at several points in the process, for example, directly after the displacement measurement, at the output of the amplifier, after digitization, or after the extraction of the stored data. The conversion can be implemented using calculation methods based on Hooke's law, calibration, or a combination of these, in accordance with what was described earlier.
A 8. ábra a találmány szerinti eljárás egy célszerű megvalósítását mutatja, ahol a 2 elmozdulásmérő által keltett 11 elektromos jelet a közvetlenül utána elhelyezett 22 konverterrel alakítjuk erőértékké.Figure 8 shows a preferred embodiment of the method according to the invention, where the electrical signal 11 generated by the displacement sensor 2 is converted into a force value by the converter 22 placed immediately after it.
A találmány szerinti eljárás 5-8. ábrák szerinti előnyős megvalósításaiban az elmozdulás adatokat rögzítjük, és csak az adatrögzítőből történő kinyerését követően konvertáljuk erő értékké. A 9. ábrán bemutatott példában a 6 adatrögzítőben tárolt adatokat 23 szabványos kábelen keresztül 42 számítástechnikai eszközzel nyerjük ki, és erre alkalmas szoftverrel kiértékeljük.In the preferred embodiments of the method according to the invention, as shown in Figures 5-8, the displacement data is recorded and converted into force values only after being extracted from the data recorder. In the example shown in Figure 9, the data stored in the data recorder 6 is extracted via a standard cable 23 by a computing device 42 and evaluated by suitable software.
A találmány szerinti eljárás megvalósítását illusztrálja például a 10. ábra szerinti erőmérőeszköz. A 32 cipőben került elhelyezésre a 24 elmozdulás-mérő szerelt egység, a 25 áramköri szerelt egység, és a két szerelt egységet összekötő 26 vezetékköteg, amely a 3 csatlakozón keresztül kapcsolódik egymáshoz. A 24 elmozdulás-mérő szerelt egység a 43 cipő talpába, felülről egy megfelelően kialakított 27 üregbe van beépítve. Felülről a láb a 28 talprésszel kerül érintkezésbe, amely szilárdan rögzül a 24 elmozdulás-mérő szerelt egységhez, de nincs mechanikai kapcsolatban a cipő egyéb részével. Alulról a 24 elmozdulásmérő szerelt egység szilárdan mechanikai kapcsolattal rögzül a cipő belsejében lévő 27 üreg aljához. A 43 cipő talpában kialakított 29 csatornában fut a 26 vezetékköteg. A tokozott 25 áramköri szerelt egység a 43 cipő talpán kívülről, és oldalról kialakított üregben van elhelyezve. A 25 áramköri szerelt egységben van az áramforrás, melyet a 30 fedőlemez takar. A tárolt adatok a 31 USB csatlakozón keresztül nyerhetők ki.The implementation of the method according to the invention is illustrated, for example, by the force measuring device according to Figure 10. The displacement measuring assembly 24, the circuit assembly 25, and the wiring harness 26 connecting the two assemblies, which are connected to each other via the connector 3, are placed in the shoe 32. The displacement measuring assembly 24 is installed in the sole of the shoe 43, in a suitably formed cavity 27 from above. From above, the foot comes into contact with the sole part 28, which is firmly fixed to the displacement measuring assembly 24, but is not in mechanical connection with the other parts of the shoe. From below, the displacement measuring assembly 24 is firmly fixed to the bottom of the cavity 27 inside the shoe. The wiring harness 26 runs in a channel 29 formed in the sole of the shoe 43. The encapsulated circuit board 25 is placed in a cavity formed on the outside and side of the shoe sole 43. The circuit board 25 contains the power source, which is covered by the cover plate 30. The stored data can be retrieved via the USB connector 31.
A 24 elmozdulás-mérő szerelt egység lényeges szerkezeti elemei a 33 felső határoló lemez, az 1 rugalmas bélés, a 2 elmozdulás-mérő eszköz és a 34 alsó határoló lemez.The essential structural elements of the displacement measuring assembly 24 are the upper limiting plate 33, the elastic liner 1, the displacement measuring device 2 and the lower limiting plate 34.
A 2 elmozdulás-mérő egyik mérőpontja a 33 felső, a másik mérőpontja az 34 alsó határoló lemezhez van stabilan rögzítve. A két határoló lemez 33,34 felületeinek egymáshoz képest történő elmozdulását megfelelő és ismert rugalmasságú anyag, 1 rugalmas bélés korlátozza. A 1 rugalmas bélés minden esetben szilárdan rögzül a vele érintkezésben lévő 33,34 határoló lemezhez.One measuring point of the displacement meter 2 is fixedly fixed to the upper limiting plate 33, the other to the lower limiting plate 34. The relative displacement of the surfaces of the two limiting plates 33,34 is limited by a suitable and known elastic material, an elastic liner 1. The elastic liner 1 is always fixedly fixed to the limiting plates 33,34 in contact with it.
A 25 áramköri szerelt egység tartalmazza a 4 erősítőt, az 5 A/D átalakítót, a 15 valós idő generátort, a 6 adatrögzítőt, a 35 áramforrást, az adatok kinyerését lehetővé tévő 31 USB csatlakozót, valamint ezek 36 tokozott 25 áramköri szerelt egység. A 36 tokozáson az áramforrás számára 30 fedőlemez található.The circuit assembly 25 includes the amplifier 4, the A/D converter 5, the real-time generator 15, the data recorder 6, the power source 35, the USB connector 31 enabling data extraction, and these 25 circuit assemblies are encapsulated 36. The enclosure 36 has a cover plate 30 for the power source.
A 16 láb talajfogását követően, a 7 talp által kifejtett Fx erő a 28 talprészen keresztül a 24 elmozdulás-mérő szerelt egység a 28 talprészen keresztül 33 felső határoló lemezére átadódik. A 43 cipő talpa a talajhoz tapad, és a 34 alsó határoló lemez a cipő talpán keresztül a talajhoz képest pillanatnyi nyugalomban van. A 24 elmozdulás-mérő szerelt egység a 9 elmozdulás mértékével arányos 11 elektromos jelet ad, amelyet a 3 csatlakozón keresztül a 25 áramköri szerelt egységhez vezetünk. A 25 szerelt áramköri egység mintavételezéssel, folyamatosan méri a 2 elmozdulás-mérő kimenetén megjelenő jelszintet. A mért értéket a 6 adatrögzítő tárolja. Az adatgyűjtés befejeztével (pl. edzés után) a 31 USB csatlakozó segítségével a mérési adatok számítógépre vihetők.After the foot 16 touches the ground, the force F x exerted by the sole 7 is transmitted through the sole part 28 to the upper limiting plate 33 of the displacement measuring assembly 24. The sole of the shoe 43 adheres to the ground, and the lower limiting plate 34 is momentarily at rest relative to the ground through the sole of the shoe. The displacement measuring assembly 24 generates an electrical signal 11 proportional to the amount of displacement 9, which is fed to the circuit assembly 25 via the connector 3. The circuit assembly 25 continuously measures the signal level appearing at the output of the displacement measuring assembly 2 by sampling. The measured value is stored by the data recorder 6. After data collection is completed (e.g. after training), the measurement data can be transferred to a computer using the USB connector 31.
A 24 elmozdulás-mérő szerelt egység elhelyezése az emberi talptól a talajig bárhol lehetséges, így a 43 cipőtalp alján, a 43 cipőtalp anyagába építve, a 37 cipőtalp redői közé építve, a cipőtalpnak a 41 cipötalp belső felületén elhelyezve, vagy beleépítve a 38 talpbetétbe, a harisnyába, a zokniba, vagy közvetlenül az emberi bőrre applikálva.The displacement measuring assembly 24 can be placed anywhere from the human foot to the ground, such as on the bottom of the shoe sole 43, built into the material of the shoe sole 43, built between the folds of the shoe sole 37, placed on the inner surface of the shoe sole 41, or built into the insole 38, stockings, socks, or applied directly to the human skin.
A 24 elmozdulás-mérő szerelt egység 43 cipő talpán történő elhelyezésére mutat példát a 11. ábra. Ebben az elrendezésben a 24 elmozdulás-mérő szerelt egységet tartalmazó talprészt oldható kötéssel a 43 cipő talpára felhelyezzük. Az 2 elmozdulás-mérő által keltett elektromos jelet a cipő sarkán elhelyezett 25 áramköri szerelt egység felé a 26 vezetékköteggel továbbítjuk.An example of the placement of the displacement measuring assembly 24 on the sole of a shoe 43 is shown in Figure 11. In this arrangement, the sole part containing the displacement measuring assembly 24 is placed on the sole of the shoe 43 with a releasable bond. The electrical signal generated by the displacement measuring 2 is transmitted to the circuit assembly 25 located on the heel of the shoe by the wire harness 26.
Az erömérő eszköznek a 37 cipötalp redői között történő elhelyezésére mutat példát a 12. ábra. A cipőtalp szigeteket, vagy stoplikat, a stoplik között kellően mély 37 redőket tartalmaz. Az egyes stoplik az erőhatást önállóan veszik fel, és egymáshoz képest rugalmasan deformálódnak. A 43 cipő talpának hajlékonyságát a 37 stoplik közötti talprész biztosítja. A 24 elmozdulás-mérő szerelt egységet a redőkbe, a stoplik közé rögzítjük. Az erőmérő 33 felső határoló lemeze a talp redőinek mély részeihez, a stopli tövéhez rögzül, a 34 alsó határoló lemeze pedig a járó felülethez közeli réteghez. Az erőmérő a stopli deformációja miatt bekövetkező elmozdulást méri. A 25 áramköri szerelt egység például a cipő sarkán helyezhető el, amelybe a redők között vezetett 26 vezeték kötegen jut el az elektromos jel.An example of the placement of the force measuring device between the folds of the shoe sole 37 is shown in Figure 12. The shoe sole contains islands, or cleats, sufficiently deep folds 37 between the cleats. Each cleat absorbs the force independently and deforms elastically relative to each other. The flexibility of the shoe sole 43 is ensured by the sole part between the cleats 37. The displacement measuring assembly 24 is fixed in the folds, between the cleats. The upper limiting plate 33 of the force measuring device is fixed to the deep parts of the folds of the sole, to the base of the cleat, and the lower limiting plate 34 to the layer close to the walking surface. The force measuring device measures the displacement due to the deformation of the cleat. The circuit assembly 25 can be placed, for example, on the heel of the shoe, to which the electrical signal is delivered via a bundle of wires 26 routed between the folds.
Az erömérő eszköznek 38 talpbetétben történő elhelyezésére mutat példát a 13. ábra. A 38 talpbetét megjelenése és általános tulajdonságai szerint szokásos rendeltetésű, kényelmes kivitelben készül, és amely ugyanakkor speciális szendvics szerkezetű kialakítása révén lehetővé teszi a talp által a gyaloglás/futás érdekében kifejtett x-y erők meghatározását. Az 24 elmozdulás-mérő szerelt egység a réteges felépítésű 38 talpbetét belsejében van elhelyezve. A 38 talpbetétet elmozdulás mentesen a cipő belsejébe helyezzük. A 38 talpbetét alapvetően hajlékony, de felülete mentén kellően merev ahhoz, hogy ne gyúródjon, a futás és gyaloglás során fellépő terheléskor a 41 felső és 40 alsó felületét alkotó rétegek méretváltozása olyan mértékben minimális, amely a rétegekhez rögzített elmozdulás mérő által mért értékekben nem okoz lényeges hibát. A 38 talpbetét 40-41 külső felületei megfelelő súrlódásuknál fogva alkalmasak arra, hogy a terhelés hatására egyik oldalról a talphoz, másik oldalról a cipő belsejében a talprész felső felületéhez tapadjanak. Az erőmérő ezt az elmozdulást méri. Az elektromos jel a 26 vezetékkötegen keresztül jut el a 35 csatlakozóhoz.An example of the placement of the force measuring device in an insole 38 is shown in Figure 13. The insole 38 is made in a conventional, comfortable design according to its appearance and general properties, and at the same time, it enables the determination of the x-y forces exerted by the sole for walking/running due to its special sandwich structure. The displacement measuring assembly 24 is placed inside the layered insole 38. The insole 38 is placed inside the shoe without displacement. The insole 38 is essentially flexible, but sufficiently rigid along its surface to not crumple, and the dimensional change of the layers forming the upper 41 and lower 40 surfaces during the load occurring during running and walking is minimal to such an extent that it does not cause significant errors in the values measured by the displacement meter attached to the layers. The outer surfaces 40-41 of the insole 38 are suitable, due to their appropriate friction, to adhere to the sole on one side and to the upper surface of the sole part inside the shoe on the other side under load. The force sensor measures this displacement. The electrical signal is transmitted to the connector 35 via the wiring harness 26.
A mérőeszközök száma attól függ, a talp hány pontján kívánjuk a mérést megvalósítani.The number of measuring devices depends on how many points on the sole we want to measure.
További célszerű megoldást mutat 14. ábra, ahol a 38 talpbetétben egynél több 24 elmozdulás-mérő szerelt egységet alkalmazunk. A 24 elmozdulás-mérő szerelt egységek különkülön, egymástól függetlenül mérik a láb és a talaj között fellépő x-y síkban ható erőt. Az eredő erőt az egyes eszközök által mért erők vektori összegeként határozzuk meg. A több mérőeszközzel kiküszöbölhető a talp hajlítása miatti keletkező mérési hiba, ami azáltal keletkezik, hogy a 38 talpbetét két felülete mérhető távolságban van egymástól, és hajlításkor a felső és az alsó görbület eltérő ívhosszúságú lesz. A 11 elektromos jel a 39 vezető fólián jut el a 35 csatlakozóhoz.A further practical solution is shown in Figure 14, where more than one displacement measuring assembly 24 is used in the insole 38. The displacement measuring assembly 24 separately and independently measure the force acting in the x-y plane between the foot and the ground. The resulting force is determined as the vector sum of the forces measured by the individual devices. The multiple measuring devices can eliminate the measurement error caused by the bending of the sole, which occurs because the two surfaces of the insole 38 are at a measurable distance from each other and when bent, the upper and lower curvatures will have different arc lengths. The electrical signal 11 reaches the connector 35 via the conductive foil 39.
A talpbetét két 40-41 külső felülete tetszőleges, akár egymástól eltérő topológiájú is lehet. Az elmozdulás mérés szempontjából figyelembe vett, egymással szemben fekvő felületek lehetnek minden ponton azonos távolságban (tekintsük egyszerűen párhuzamos felületeknek), vagy különböző távolságban (nem párhuzamos felületek). Ha a 41 felső és 40 alsó felületek párhuzamosak, a mérés egyszerű elmozdulás mérés, amely során az 9 elmozdulással arányos 11 elektromos jel változása, és ezt megfelelő számítási eljárással 22 erővé alakítjuk át. Ha a 41 felső és 40 alsó felületek nem párhuzamosak, ebben az esetben megfelelő számítási algoritmussal, diagrammal, táblázattal, vagy más módon biztosítani kell a fellépő erők és az 11 elektromos jelek előbbiek szerinti egyértelmű hozzárendelését.The two outer surfaces 40-41 of the insole can be of any topology, even different from each other. The surfaces considered for the displacement measurement, lying opposite each other, can be at the same distance at all points (let us consider them simply as parallel surfaces), or at different distances (non-parallel surfaces). If the upper and lower surfaces 41 are parallel, the measurement is a simple displacement measurement, during which the change in the electrical signal 11 proportional to the displacement 9 is converted into a force 22 by a suitable calculation method. If the upper and lower surfaces 41 and 40 are not parallel, in this case, a clear assignment of the forces and the electrical signals 11 according to the above must be ensured by a suitable calculation algorithm, diagram, table, or other means.
Claims (24)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
HU0900341A HU229117B1 (en) | 2009-06-05 | 2009-06-05 | Shearing force measuring device installed into shoe and shearing force measuring method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
HU0900341A HU229117B1 (en) | 2009-06-05 | 2009-06-05 | Shearing force measuring device installed into shoe and shearing force measuring method |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
HU0900341D0 HU0900341D0 (en) | 2009-07-28 |
HUP0900341A2 true HUP0900341A2 (en) | 2010-12-28 |
HU229117B1 HU229117B1 (en) | 2013-08-28 |
Family
ID=89989018
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
HU0900341A HU229117B1 (en) | 2009-06-05 | 2009-06-05 | Shearing force measuring device installed into shoe and shearing force measuring method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
HU (1) | HU229117B1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015121690A1 (en) | 2014-02-16 | 2015-08-20 | Sándor Erdélyi | Device apt for measuring physical efficiency and power output of human running, walking and other movements in watts and a method for its usage, application and processes |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
HUP1400077A2 (en) | 2014-02-14 | 2015-09-28 | Imre Erdelyi | Method for measuring system for measuring momentary angle of centre line of human foot referring to direction of moving |
-
2009
- 2009-06-05 HU HU0900341A patent/HU229117B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015121690A1 (en) | 2014-02-16 | 2015-08-20 | Sándor Erdélyi | Device apt for measuring physical efficiency and power output of human running, walking and other movements in watts and a method for its usage, application and processes |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
HU0900341D0 (en) | 2009-07-28 |
HU229117B1 (en) | 2013-08-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20190041278A1 (en) | Force sensing device | |
CN102308270B (en) | Capacitive proximity tactile sensor | |
US7912672B2 (en) | Method and device for evaluating displacement signals | |
US9521964B2 (en) | System and method for estimating the mechanical behavior of human lower limbs | |
Dyer et al. | Instrumented insole vs. force plate: A comparison of center of plantar pressure | |
KR20100123827A (en) | Intelligent orthotic insole | |
US20160349076A1 (en) | Nanopedometer | |
CN105662419B (en) | A kind of plantar pressure measuring device and method for ectoskeleton control | |
JP2017528226A (en) | Correction sensor device | |
WO2019134032A1 (en) | Health monitoring mat | |
CN101828794A (en) | Dynamic sole pressure test insole with multilayer sensing core structure | |
KR101530225B1 (en) | Smart shoes system with hybrid pressure sensor using nanofiber web | |
CN104280177B (en) | A kind of sole pressure test device and the full fabric shoe pad with this device | |
CN103610446B (en) | A kind of foot movement condition detection apparatus | |
Renganathan et al. | Foot biomechanics with emphasis on the plantar pressure sensing: A review | |
JP4374596B2 (en) | Load measurement method | |
HUP0900341A2 (en) | Force measuring method for measuring tangential surface forces developped in the contact surface of foot and groung | |
CN107898464B (en) | System and method for measuring plantar pressure distribution | |
Elian et al. | A preliminary evaluation of continuous, shoe-integrated weight measurements for heart failure patients | |
CN219229182U (en) | Multi-dimensional force measurement insole | |
CN110973762A (en) | Insole and foot pressure distribution measuring instrument and measuring method | |
CN114305390B (en) | Device and detection method for plantar pressure detection and slippage calibration | |
Bransby-Zachary et al. | Peak pressures in the forefoot | |
Guo et al. | Recent advance in plantar pressure measurement systems | |
CN110200634B (en) | Plantar pressure sensor for correcting frequency influence and corresponding correction method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FD9A | Lapse of provisional protection due to non-payment of fees | ||
NF4A | Restoration of patent protection | ||
MM4A | Lapse of definitive patent protection due to non-payment of fees |