Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des von einer Schuhe tragenden Person zurückgelegten Weges, den diese während eines Schrittes zurücklegt, wobei sich die Person in eine Bewegungsrichtung bewegt.

Die Bestimmung des von einer Person zurückgelegten Weges und gegebenenfalls auch der Geschwindigkeit der Person ist beispielsweise bei Sportlern, insbesondere bei Fußballspielern oder bei Läufern, für verschiedene Zwecke, beispielsweise für das Training, besonders interessant.

Es sind hierfür Verfahren bekannt, um die Wege zu bestimmen, die von der Person zurückgelegt werden. Die EP 1 066 793 Bl schlägt hierfür generell die Messung der Beschleunigungen des Fußes der Person vor, wobei aus den gemessenen Beschleunigungen durch zweimalige Integration über der Zeit der Weg ermittelt wird. Da sich hierbei Fehler sehr störend aufsummieren können, wird hier eine Neudefinition des Bezugssystems bei jedem Schritt vorgeschlagen.

Die Bestimmung des zurückgelegten Weges ist rechentechnisch hier recht aufwändig; durch Integrationsungenauigkeiten kann es des weiteren mitunter gegebenenfalls zu ungenauen Ergebnissen kommen. Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es in einfacherer Weise durchführbar ist und eine verbesserte oder jedenfalls vergleichbare Genauigkeit bei der Bestimmung sowohl der zurückgelegten Wege als auch der von der Person erreichten Geschwindigkeiten aufweist.

Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das vorgeschlagene Verfahren die Schritte aufweist: a) Messen der Drehgeschwindigkeit und/oder Drehbeschleunigung eines von der Person getragenen Schuhs um eine Achse, die bei auf dem Boden aufliegenden Schuh senkrecht zur Bewegungsrichtung steht und vorzugsweise horizontal angeordnet ist und/oder Messen einer translatorischen Beschleunigung des von der Person getragenen Schuhs und Erfassung der genannten Größen über der Zeit; b) Ermittlung der Lage von periodisch wiederkehrenden Verlaufsmerkmalen der mindestens einen unter Schritt a) erfassten Größe, insbesondere von Maximalwerten der erfassten Größe; c) Ermittlung des zeitlichen Abstands zweier aufeinanderfolgender, periodisch wiederkehrender Verlaufsmerkmale, die unter Schritt b) identifiziert wurden; d) Ermittlung einer sich aufgrund des zeitlichen Abstand der beiden aufeinanderfolgenden Verlaufsmerkmale ergebenden Schrittweite durch Rückgriff auf gespeicherte Werte oder einen gespeicherten funktionalen Zusammenhang zwischen zeitlichem Abstand und Schrittweite; e) Zugrundelegung der so ermittelten Schrittweite als während des Schritts zurücklegten Weges.

Die Schritte a) bis e) werden dabei bevorzugt für eine Anzahl aufeinanderfolgender Schritte der Person durchgeführt, wobei ein insgesamt von der Person zurückgelegter Weg durch Addition der Anzahl der jeweils ermittelten einzelnen Schrittweiten ermittelt wird.

Die Geschwindigkeit der Person in Bewegungsrichtung kann ermittelt werden, indem der zurückgelegte Weg durch die hierfür benötigte Zeit dividiert wird.

Der gemäß Schritt d) zu ermittelnde Wert der durchschnittlichen Schrittweite SW wird besonders bevorzugt als Funktion des ermittelten zeitlichen Abstands t aus dem folgenden funktionalen Zusammenhang ermittelt:

mit:

SW _G : mittlere Schrittweite bei einem ersten Bewegungsmodus;

SW _S : mittlere Schrittweite bei einem zweiten Bewegungsmodus;

zeitlicher Abstand zweier aufeinanderfolgender Verlaufsmerkmale (Maximalwerte) beim ersten Bewegungsmodus; zeitlicher Abstand zweier aufeinanderfolgender Verlaufsmerkmale (Maximalwerte) beim zweiten Bewegungsmodus. Alternativ kann vorgesehen werden, dass der gemäß Schritt d) von Anspruch 1 zu ermittelnde Wert der Schrittweite aus einem nichtlinearen funktionalen Zusammenhang ermittelt wird, insbesondere aus einem Polynom mindestens zweiter Ordnung, aus einer Funktion mit mehreren Geradenabschnitten oder aus einer logistischen Funktion, wobei die mittleren Schrittweiten bei mindestens drei unterschiedlichen Bewegungsmodi bei der Bestimmung der nichtlinearen Funktion zugrunde gelegt werden. Demgemäß kann im einfachsten Fall eine lineare Beziehung zugrunde gelegt werden, die zwischen zwei definierten Bewegungsmodi interpoliert (Gerade) oder auch eine beliebige nichtlineare Funktion zugrunde gelegt werden, die durch mehr als zwei Bewegungsmodi definiert wird. Eine abschnittsweise lineare Funktion berücksichtigt dann in einfacher Weise drei oder mehr Bewegungsmodi. Bei der Verwendung einer logistischen Funktion kann berücksichtigt werden, dass oberhalb und unterhalb gewisser Geschwindigkeitsgrenzen eine Sättigung der Schrittfrequenz eintritt.

Der Vorteil dieses Vorgehens ist, dass ein sehr genaues Ergebnis erreichbar ist, zu dessen Erzielung allerdings keine aufwändigen Maßnahmen (wie im Stand der Technik) durchgeführt werden müssen.

Die mittleren Schrittweiten bei den berücksichtigen Bewegungsmodi sowie die zugehörigen zeitlichen Abstände zweier aufeinanderfolgender Verlaufsmerkmale bei den Bewegungsmodi können durch Messungen an der individuellen Person ermittelt werden.

Sie können aber auch in empirischer Weise durch Messungen an einer Vielzahl von Personen ermittelt werden, wobei die jeweiligen Mittelwerte bei dem funktionalen Zusammenhang zugrunde gelegt werden. Dabei können Personen eines definierten Bereichs der Körpergröße betrachtet werden.

Der erste Bewegungsmodus ist vorzugsweise das Gehen, der zweite vorzugsweise der Sprint; ein dritter Bewegungsmodus kann das Traben sein. Sollen nichtlineare funktionale Zusammenhänge zwischen Schrittweite und zeitlichem Abstand aufeinanderfolgender Verlaufsmerkmale verwendet werden, können entsprechend mehrere verschiedene Bewegungsmodi berücksichtigt werden.

Die ermittelten zurücklegten Wege und/oder Geschwindigkeiten für jeden Schritt und/oder als Mittelwerte für eine Anzahl von Schritten der Person können in einem Speicherelement gespeichert werden. Die ermittelten zurücklegten Wege und/oder Geschwindigkeiten für jeden Schritt und/oder als Mittelwerte für eine Anzahl von Schritten der Person können alternativ oder additiv auch drahtlos an eine Empfangsstation übertragen werden. Bevorzugt wird mindestens eine translatorische Beschleunigung und/oder mindestens eine Drehgeschwindigkeit des Schuhs mittels eines Sensorelements erfasst und zusammen mit den zurücklegten Wegen und/oder Geschwindigkeiten gespeichert und/oder an die Empfangsstation übertragen. Für weitergehende Zwecke können aber, was besonders bevorzugt ist, drei translatorische Beschleunigungen und/oder drei Drehgeschwindigkeiten in Richtung oder um drei orthogonal zueinander stehende Achsen mittels eines Sensorelements oder mehrerer Sensorelemente erfasst werden und zusammen mit den zurücklegten Wegen und/oder Geschwindigkeiten gespeichert und/oder an die Empfangsstation übertragen werden. Das Verfahren wird besonders bevorzugt bei einem Fußballspieler oder bei einem Läufer durchgeführt. Hiermit ist es möglich, eine umfassende Überwachung des Bewegungsverhaltens einer Sport treibenden Person vorzunehmen. Es können die zurückgelegten Wege recht genau, aber in sehr einfacher Weise erfasst werden, ebenfalls die Bewegungsgeschwindigkeiten. In der Zeichnung ist ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen: schematisch eine Person, die in eine Bewegungsrichtung läuft, den Verlauf einer in einem Schuh gemessenen Winkelgeschwindigkeit über der Zeit für einen definierten Bewegungsmodus der Person, den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit analog zu Fig. 2, wobei hier für drei verschiedene Bewegungsmodi die Messwerte dargestellt sind, schematisch einen Schuh in der geschnittenen Seitenansicht, der mit einer Mess- und Überwachungseinheit ausgestattet ist, und schematisch die Mess- und Überwachungseinheit des Schuhs gemäß Fig. 4. In Fig. 1 ist eine Person 1 zu sehen, die in eine Bewegungsrichtung x läuft. Die Person 1 hat Schuhe 2 an. In mindestens einem der Schuhe 2 ist eine Mess- und Überwachungseinheit untergebracht. Unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 hat die Mess- und Überwachungseinheit ein Gehäuse 6, in dem ein Sensorelement 5 untergebracht ist. Weiterhin sind im Gehäuse ein Speicherelement 3 zur Speicherung gemessener Daten, ein Mikroprozessor 7, ein USB-Anschluss 8 und eine Batterie bzw. ein Akkumulator 9 untergebracht. Diese Komponenten sind - was nicht dargestellt ist - entsprechend miteinander verbunden.

In Fig. 4 ist das Gehäuse 6 in der Sohle im Mittelfußbereich angeordnet. Es kann aber abhängig von der Anwendung auch an anderer Stelle platziert werden, beispielsweise in der Schnürung oder im Fersenbereich. Nicht näher dargestellt, sondern in Fig. 1 nur schematisch angedeutet ist, dass die Mess- und Überwachungseinheit drahtlos mit einer Empfangsstation 4 kommunizieren und an diese Daten übertragen kann.

Das Sensorelement 5 ist mit einer Anzahl von Einzelsensoren ausgestattet, die im Einzelnen nicht dargestellt sind. Namentlich sind drei Sensoren vorhanden, mit denen in den drei Raumrichtungen x, y und z (s. Fig. 1 ) die translatorischen Beschleunigungen x , y und z erfasst werden können, sowie drei Sensoren, mit denen die Drehgeschwindigkeiten ω _χ , co _y , ω _ζ um die drei genannten Achsen x, y und z gemessen werden können. In Fig. 1 sind die Winkelgeschwindigkeiten ω _χ , co _y und ω _ζ angedeutet; in Fig. 2 und Fig. 3 sind die Winkelgeschwindigkeiten in Y-Richtung aufgetragen.

Zur Analyse der Bewegung am Schuh werden also 3 Winkelgeschwindigkeitssensoren und 3 Beschleunigungssensoren eingesetzt, welche bevorzugt in einem einzigen Schaltkreis integriert sind. Diese Sensoren sind so angeordnet, dass alle 3 Raumrichtungen x, y und z gleichzeitig gemessen werden können.

Die Messdaten der 6 Sensoren werden von dem Mikroprozessor 7 ausgelesen und auf dem Speicherelement 3 hinterlegt. Die Größe des Speichers kann den Aufgaben entsprechend angepasst werden, z.B. eine volle Länge eines Fußballspieles.

Die gesamte Elektronik bildet eine Einheit, die in die dafür vorgesehenen Schuhe passt. Aufgrund des USB- Anschlusses 8 können Daten an ein externes Gerät, z. B. an einen PC oder an ein Smartphone, übertragen werden.

Des weiteren ist es möglich, die Daten auch über einen in der Einheit integrierten Sender zu übertragen, wahlweise kann auch per USB ein Bluetooth-Dongle angesteckt werden, über den eine Datenübertragung erfolgen kann.

Somit ist die Möglichkeit einer Realzeit- (Realtime) oder Quasi-Realzeit- Analyse der ermittelten Daten auf einem externen Gerät (insbesondere PC oder Smartphone) gegeben.

Es geht nunmehr darum, den von der Person 1 während eines Schrittes zurückgelegten Weg s - insbesondere einen insgesamt von der Person 1 zurückgelegten Weg s _ges - zu bestimmen. Des weiteren soll die Geschwin- digkeit v der Person in Bewegungsrichtung jederzeit ermittelt werden. Hierzu wird wie folgt vorgegangen:

Ausganspunkt für die Bestimmung des zurückgelegten Weges s bzw. der Geschwindigkeit v der Person ist die Drehgeschwindigkeit um die zur Bewegungsrichtung x senkrechte und horizontale Achse y, d. h. die Drehgeschwindigkeit co _y .

Diese wird zunächst - also vor der eigentlichen Bestimmung des zurückgelegten Weges bzw. der Geschwindigkeit - im Rahmen einer Kalibriermessung erfasst. Dies ist in Fig. 2 skizziert.

Die Person 1 läuft dabei eine gewisse Strecke in einem ersten definierten Bewegungsmodus, z. B. im Modus „Gehen". Die gemessene Winkelgeschwindigkeit co _y wird über der Zeit aufgetragen. Das Messergebnis ist in Fig. 2 dargestellt.

Für die weitere bzw. spätere Berechnung des zurückgelegten Weges werden von der aufgenommenen Messkurve charakteristische, periodisch wiederkehrende Kurvenmerkmale bestimmt, im Ausfuhrungsbeispiel sind dies die positiven Maximalwerte. Diese sind in Fig. 1 mit P _y angegeben. Diese„Peaks" liegen zeitlich voneinander beabstandet. Der zeitliche Abstand ist mit t angegeben. Ein Schritt der Person 1 definiert sich über zwei aufeinanderfolgende„Peaks" P _y der gemessenen Drehgeschwindigkeit co _y . Diese maximalen Winkelgeschwindigkeiten entstehen in der Schwungphase der Gang- bzw. Laufbewegung beim Vorbringen jenes Beins, welches mit dem Schuh 2 und dem Sensorelement 5 versehen ist (die Maximalwerte ergeben sich also aufgrund des Durchschwungs während eines Schritts). In Fig. 2 ist eine Messung mit 13 Schritten und den entsprechenden Maximalwerten P _y über eine Strecke von 20 m dargestellt. Wie erwähnt, können aber auch andere periodisch wiederkehrende Merkmale des Kurvenverlaufs statt der genannten Maximal herangezogen werden. Hier kann beispielsweise die vertikale Beschleunigung des Schuhs und deren Kurvenverlauf ins Auge gefasst werden. Dabei kann durchaus auch ein anderes Merkmal als das Maximum des Kurvenverlaufs als Kriterium berücksichtigt werden.

Diese Messung ist nach Fig. 3 dahingehend erweitert, als dass hier für drei verschiedene Bewegungsmodi, nämlich für das Gehen, für das Traben und für das Sprinten, die entsprechenden Messkurven dargestellt sind. Hier sind jeweils eine Anzahl Schritte aufgenommen, aus denen - analog zu Fig. 2 - die Maximalwerte P _y sowie deren zeitlicher Abstand t entnommen werden können. Praktisch werden hierbei alle positiven„Peaks" P _y (beispielsweise solche mit einer Winkelgeschwindigkeit von mehr als 100 s) mit Betrag und Zeitpunkt ermittelt. Anhand der erfassten Zeiten kann im Anschluss der zeitliche Abstand t zwischen den einzelnen„Peaks" bestimmt werden. Je enger diese bei einander liegen, desto höher ist die Schrittfrequenz. In Fig. 3 sind die unterschiedlich großen Beträge der „Peaks" bei den verschiedenen Bewegungsmodi sowie deren zeitliche Abstände (t _G : zeitlicher Abstand beim Gehen; t _s : zeitlicher Abstand beim Sprinten) zu erkennen. Zu sehen ist die zeitliche Kompression der Kurvenverläufe, je schneller die Person 1 läuft. Dabei wird die besagte Kurve gemäß Fig. 3 für die individuelle Person 1 aufgenommen und ausgewertet. Dadurch wird die individuelle Schrittweite (SW in Metern bzw. Zentimetern), die die Person 1 in den verschiedenen Bewegungsmodi hat, anhand der zurückgelegten Referenzstrecke geschätzt. Es wird nun - beispielsweise unter Zugrundelegung eines linearen Zusammenhangs - so vorgegangen, dass eine lineare Funktion (Geradengleichung) erstellt wird, die die Schrittweite SW als Funktion des auftretenden zeitlichen Abstands t bestimmt. Diese Funktion ergibt sich zu vi _r , SW _G - SW _S SW _C - SW _S

SW _m = f{t) =— 5 ^s - . _{t + S} W _s ^G - ^s —t _s

Hierbei ist: SW _G die mittlere Schrittweite beim Gehen,

SW _S die mittlere Schrittweite beim Sprint,

t _G der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Maximalwerte

beim Gehen und

t _s der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Maximalwerte

beim Sprint.

Das bedeutet, auf der Basis der Mittelwerte der Schrittweiten des gemessenen Probanden wird eine lineare Funktion aus den Werten für Gehen und Sprint bestimmt, welche die Schrittweite in Abhängigkeit der Abstände zwischen den Peaks definiert.

Beispielsweise kann bei Vorgabe eines zeitlichen Abstands t von 1 ,0 Sekunden mittels des linearen funktionellen Zusammenhangs bestimmt werden, dass hierzu eine Schrittweite von 1 ,50 Meter korrespondiert; d. h. die Person 1 geht. Wird indes ein zeitlicher Abstand t von 0,5 Sekunden ermittelt, liefert die Funktion eine Schrittweite von 3,3 Metern; d. h. die Person 1 sprintet. Die Einordnung in die Intensitätsstufen (Bewegungsmodi) erfolgt also auf der Grundlage des erstellten linearen funktionellen Zusammenhangs. Je kürzer die Peakabstände sind, desto schneller läuft die Person. Diese Funktion wird im Speicherelement 3 bzw. im Mikroprozessor 7 hinterlegt.

Wird nun später - bei der regulären Benutzung des Schuhs - das vorgesehene und oben erläuterte Verfahren durchgeführt, wird aufgrund des ermittelten aktuellen zeitlichen Abstands t zwischen den „Peaks" bzw. allgemein gesprochen zwischen den periodisch wiederkehrenden Kurvenmerkmalen die korrespondierende Schrittweite bestimmt, die demgemäß angibt, wie weit sich die Person 1 bei diesem konkreten Schritt bewegt hat. Da gleichzeitig in der Mess- und Überwachungseinheit eine Uhrfunktion bereitsteht, kann durch Division des Weges durch den erfassten zeitlichen Abstand die Geschwindigkeit bestimmt werden.

Die Geschwindigkeitsbestimmung kann auch erfolgen, indem die Geschwindigkeit für jeden einzelnen Schritt bestimmt, alle Geschwin- digkeiten dann aufsummiert werden und das Ergebnis durch die Zahl der Schritte geteilt wird.

Wird besagtes Vorgehen für jeden Schritt, den die Person 1 ausführt, durchgeführt, ergibt sich der zurückgelegte Weg durch Addition der einzelnen Schrittweiten entsprechend.

Die individuelle Messung der Verläufe gemäß Fig. 3 hat zur Folge, dass eine sehr genaue spätere Bestimmung der zurückgelegten Wege und Geschwindigkeiten erfolgen kann. Es kann aber durchaus ausreichend sein, für eine Gruppe von Probanden - gegebenenfalls differenziert für verschiedene Körpergrößen - die Messverläufe aufzunehmen, diese zu mittein und diese Werte bei der erfindungsgemäßen Verfahrensdurchfuhrung zugrunde zu legen. Insoweit ist es möglich, dass dann bei der Benutzung des Schuhs zunächst die Körpergröße in die Mess- und Überwachungseinheit eingegeben wird, so dass die passende Funktion der Schrittweite über dem zeitlichen Abstand für die Berechnung der Wege und Geschwindigkeiten zugrunde gelegt werden kann.

Wie oben erläutert kann bereits bei Nutzung (Messung) der Drehgeschwindigkeit bzw. Drehbeschleunigung um eine einzige Achse das erläuterte Verfahren genutzt werden. Generell können allerdings bis zu 6 Signale von 6 Sensoren berücksichtigt werden (Messdaten der 6 Sensoren, s. o.). Es kann also auch vorgesehen werden, dass bis zu 6 Signale bezüglich periodisch wiederkehrender Charakteristika ausgewertet und berücksichtigt werden.

Bezugszeichenliste;

1 Person (Sportler)

2 Schuh

3 Speicherelement

4 Empfangsstation

5 Sensorelement

6 Gehäuse

7 Mikroprozessor

8 USB-Anschluss

9 Batterie s zurückgelegter Weg

s _ges insgesamt von der Person zurückgelegter Weg x Bewegungsrichtung / Achse

y Bewegungsrichtung / Achse

z Bewegungsrichtung / Achse v Geschwindigkeit x Beschleunigung

y Beschleunigung

z Beschleunigung

Drehgeschwindigkeit

C0y Drehgeschwindigkeit Drehgeschwindigkeit

Drehbeschleunigung

Drehbeschleunigung

Drehbeschleunigung

Maximalwert Drehgeschwindigkeit bzw.

periodisch wiederkehrendes Verlaufsmerkmal (Kurvenmerkmal) t zeitlicher Abstand

t _ges Gesamtzeit

tc zeitlicher Abstand zweier aufeinanderfolgender Verlaufsmerkmale (Maximalwerte) beim ersten Bewegungsmodus (Gehen) t _s zeitlicher Abstand zweier aufeinanderfolgender Verlaufsmerk- male (Maximalwerte) beim zweiten Bewegungsmodus (Sprinten)

SW _m durchschnittliche Schrittweite

SW _G mittlere Schrittweite bei einem ersten Bewegungsmodus

(Gehen)

SW _S mittlere Schrittweite bei einem zweiten Bewegungsmodus

(Sprinten)