Schuh, insbesondere Sportschuh

Die Erfindung betrifft einen Schuh, insbesondere einen Sportschuh, der ein Schuhoberteil und eine Sohle aufweist.

Es ist bereits länger bekannt, einen Schuh der gattungsgemäßen Art mit einem System auszustatten, mit dem aktiv das Feder- bzw. Dämpfungsverhalten beeinflusst werden kann. Hierfür werden bestimmte Bewegungszustände des Schuhs gemessen und mittels beeinflussbarer Elemente die Feder- bzw. Dämpfungseigenschaften des Schuhs gezielt eingestellt. Eine Lösung dieser Art ist beispielsweise in der US 5 813 142 offenbart.

In dem genannten Dokument ist ein Sensorsystem zur Ermittlung des Drucks in einer Kammer vorgesehen, die fluidbeaufschlagbar in der Schuhsohle integriert ist. Abhängig vom gemessenen Druck veranlasst eine Steuereinrichtung die Medienzufuhr in die Fluidkammer.

Mit einem solchen System kann grundsätzlich auch - was sehr wünschens- wert ist - auf die pronationsregulierende Wirkung des Schuhs beim Aufsetzen desselben auf den Boden Einfluss genommen werden.

Die Pronation ist eine Drehung des Fußes um die Achse des unteren Sprunggelenks, bei der der äußere Fußrand gehoben und der innere Fußrand gesenkt wird. Die Pronation wird auch als Einwärtsdrehung oder Einwärtskantung bezeichnet.

Die normale Pronation des Fußes ist ein natürlicher Dämpfungsmechanismus und eine natürliche Bewegung nach innen beim Fußaufsatz. Allerdings knickt der Fußrand bei der sog. überpronation stark nach innen ein und belastet damit die Bänder, Sehnen und Gelenke. Diese überpronation kann verschiedenste Ursachen haben, wie zum Beispiel eine Fußfehlstellung, übergewicht oder starke Ermüdung. Ebenfalls tritt die überpronation gelegentlich bei Laufanfängern auf, da der Stützapparat des Fußes noch nicht ausreichend trainiert ist. An den Schuhen ist dann eine starke Abnutzung im medialen Bereich erkennbar.

Der der Pronation entgegengesetzte Mechanismus (auch Supination genannt) tritt beim Laufen seltener auf. Bei der Supination geht die Belastung in die entgegengesetzte Richtung. Bei Laufschuhen ist dies durch eine höhere Abnutzung im lateralen Bereich (also an der Außenseite) erkennbar.

Demgemäß wird es bei modernen Sportschuhen angestrebt, über die an sich bekannten in die Sohle eingearbeiteten Pronationsstützen hinaus eine aktive Beeinflussung der Pronation vorzunehmen, was mit einem System, wie es in der genannten Schrift erläutert ist, möglich ist.

Die Qualität des Ergebnisses einer aktiven Pronationsbeeinflussung hängt wesentlich von der Genauigkeit der Messung der auftretenden Spannungen und damit Drücke im Schuh und insbesondere in seiner Sohle ab. Die

vorbekannten Systeme zeigen noch in nachteiliger Weise Schwächen bzw. Ungenauigkeiten.

Der Erfindung liegt daher die A u f g a b e zugrunde, einen Schuh der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es möglich wird, in genauerer und einfacherer Weise die Druck- und damit die Spannungsverhältnisse in der Sohle eines Schuhs, insbesondere eines Sportschuhs, zu erfassen, um bei der aktiven Beeinflussung der Pronation ein verbessertes Ergebnis zu erzielen.

Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass an oder in der Sohle mindestens ein Sensor angeordnet ist, mit dem ein zwischen der Fußauflageseite der Sohle und der Kontaktfläche der Sohle auf dem Boden wirkender Druck oder eine Kraft in einer definierten Richtung gemessen werden kann, wobei der Sensor so angeordnet ist, dass er einen Druck oder eine Kraft misst, die zur Vertikalen einen Winkel einschließt.

Der Winkel beträgt dabei vorzugsweise zwischen 5° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 15° und 80°.

Um den in der Sohle herrschenden Druck bzw. die Kraft nicht nur punktuell, sondern über seine flächige Erstreckung zu ermitteln, ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Anzahl Sensoren an oder in der Sohle angeordnet ist.

Die Sensoren sind bevorzugt entlang des Randbereichs der Sohle jeweils beabstandet voneinander angeordnet. Sie können im hinteren Drittel, vorzugsweise im hinteren Viertel der Sohle - gemessen in Richtung einer Längsachse des Schuhs - angeordnet sein. In diesem Bereich ist die Druck-

bzw. Kraftermittlung mit Blick auf die Ermittlung Pronations-relevanter Daten besonders wichtig.

Die Sensoren sind gemäß einer bevorzugten Fortbildung vom medialen Randbereich der Sohle um den Fersenbereich herum bis zum lateralen Randbereich der Sohle angeordnet. Dabei sind die Sensoren vorzugsweise äquidistant entlang des Randbereichs des Schuhs angeordnet. Besonders bevorzugt sind 6 bis 10 Sensoren entlang des Randbereichs des Schuhs angeordnet, insbesondere 8 Sensoren.

Die Sensoren zur Druckbestimmung sind mit Vorteil an oder in einer Einlegesohle angeordnet. Diese besteht bevorzugt aus TPU (thermoplastischem Elastomer auf Urethanbasis) oder aus PA (Polyamid). Die Sensoren können dabei auf oder in einer Einlegesohle eingeklebt sein. Hiernach sind die Drucksensoren auf einem Kunststoffchassis im Bereich der Ferse gleichmäßig am Rand fixiert.

Zur Druck- bzw. Kraftermittlung für den vorgesehenen Zweck der Bestimmung Pronations-relevanter Daten haben sich als Sensoren Piezo- Elemente (piezokeramische Druck- bzw. Kraftsensoren) besonders bewährt.

Alle Sensoren können mit einer zentralen Auswerteeinheit zur Ermittlung des Drucks in Verbindung stehen. Die Verbindung zwischen den Sensoren und der zentralen Auswerteeinheit kann als Kabelverbindung ausgebildet sein.

In vorteilhafter Weise kann einer der Sensoren herangezogen werden, um die Feststellung zu treffen, dass der Schuh auf dem Boden aufsetzt. Die optimale Position für diesen Sensor ist der hintere Randbereich der Sohle.

Die während der Standphase erfolgende Sohlenbelastung zeigt aufgrund der gleichzeitig auftretenden (Ab)Rollbewegung des Calcaneus eine räumlichzeitliche Druckbelastung (Spannungsbelastung) in der Sohle, was durch die Anzahl an Druck- bzw. Kraftsensoren gemessen werden kann, was im Falle der Verwendung von Piezo-Sensoren in besonders einfacher Weise möglich ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen Sportschuh, dessen Sohle mit einer Anzahl Sensoren versehen ist,

Fig. 2 die Draufsicht auf die Sohle (ohne Schuhoberteil) mit den platzierten Sensoren und

Fig. 3 den Schnitt A-B gemäß Fig. 2, dargestellt an einem Schuh mit Oberteil und Sohle.

Der in den Figuren dargestellte Schuh weist ein Schuhoberteil 1 auf, an dessen Unterseite eine Sohle 2 angeordnet ist. Die Sohle 2 selber besteht aus einer Einlegesohle 6, einer Mittelsohle 9 und einer Außensohle 10. Der Schuh hat eine Erstreckung in Längsrichtung L.

Nicht dargestellt ist ein vorzugsweise weiterhin vorhandenes Steuerungssystem und ein Aktuatorsystem, mit dem in Abhängigkeit der von der Sensorik gemessenen Werte auf den Schuh in einer solchen Weise Einfluss genommen werden kann, dass die Pronation in einem gewünschten Sinne verändert wird.

Zur Ermittlung der Druckverteilung in der Sohle 2 infolge der Kräfte, die der Fuß des Trägers auf die Sohle 2 ausübt, sind mehrere Sensoren 3a, 3b, 3c, ... vorgesehen, die in der Lage sind, am Ort ihrer Platzierung den aktuell wirkenden Druck bzw. die Kraft F in der Sohle 2 in einer definierten Richtung zu messen.

Dabei ist vorgesehen, dass an oder in der Sohle 2 die Sensoren 3a, 3b, 3c, ... angeordnet sind, mit dem der bzw. die zwischen der Fußauflageseite der Sohle 2 und der Kontaktfläche der Sohle 2 auf dem Boden wirkende Druck oder die wirkende Kraft F in der definierten Richtung gemessen werden kann. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist der Sensor 3a, 3b, 3c, ... dabei so angeordnet, dass er einen Druck oder eine Kraft F misst, der bzw. die zur Vertikalen V einen Winkel α einschließt. Dieser Winkel liegt zumeist in einem Bereich zwischen 15° und 80°.

Die winkelige Anordnung der Sensoren 3a, 3b, 3c, ..., so dass die Kraft F bzw. der Druck zu einer Richtung ermittelt wird, die bzw. der unter dem genannten Winkel α zur Vertikalen steht, ermöglicht ist verbesserter Weise die Ermittlung der Pronationsverhältnisse. Dies wäre in dieser Form mit einer rein planaren Messung nicht möglich. Die Einbaulage in der schalenförmigen Einlegesohle 6 bestimmt dann die Richtung, unter der die Kraft F bzw. der Druck gemessen wird.

Dabei interessiert namentlich der Druck bzw. die Kraft F, den bzw. die der Fuß des Trägers zwischen der Fußaufstandsfläche auf der Oberseite der Sohle und der Sohle 2 erfährt. Aus den gemessenen Werten kann (durch einsprechende Kalibrierung) darauf rückgeschlossen werden, wie groß die Druck- bzw. Kraftverteilung in der gesamten Sohle ist, jedenfalls im hinteren

Bereich des Schuhs, die sich aufgrund der Belastung durch den Fuß des Trägers ergibt. Diese Druck- bzw. Kraftverteilung ist eine wesentliche Information, um aktiv auf das Pronationsverhalten des Schuhs Einfluss nehmen zu können.

Vorliegend sind die Sensoren 3a, 3b, 3c, ... als Piezo-Sensoren ausgebildet.

Der Effekt der Piezoelektrizität (auch piezoelektrischer Effekt genannt) beschreibt das Zusammenwirken zwischen mechanischem Druck und der elektrischen Spannung in Festkörpern. Er basiert auf dem Phänomen, dass bei der Verformung bestimmter Materialien auf der Oberfläche elektrische Ladungen auftreten (direkter Piezoeffekt). Bei einem piezoelektrischen Sensor, wie er vorliegend eingesetzt wird, wird mittels Druck durch Ladungstrennung eine elektrische Spannung in einem Kristall erzeugt (sog. piezoelektrischer Effekt).

Durch den Druck verschieben sich im Inneren des Kristalls Ionen, wodurch sich die Ladung proportional zur Kraft verändert.

Piezoelektrische Sensoren messen grundsätzlich nur Kräfte. Der Piezo-Sensor ist mechanisch relativ starr, wodurch es nur geringfügig zu Eigenschwingungen oder Nachschwingeffekten kommt. Es wird also durch den Druck auf den Sensor Ladungsverschiebung innerhalb des Kristalls erzeugt, die abgeführt und in einem Ladungsverstärker in eine Spannung umgewandelt wird.

Wie gesehen werden kann, sind mehrere - vorliegend acht - Sensoren 3a, 3b, 3c, ... entlang des Randbereichs der Sohle 2 platziert. Wie in Fig. 2 gesehen werden kann, sind die einzelnen Sensoren 3a, 3b, 3c, ... im wesentlichen in

gleichen Abständen (äquidistant) entlang des Randes der Sohle 2 angeordnet. Dabei sind die Sensoren 3a, 3b, 3c, ... so verteilt, dass sie nur im hinteren Drittel, vorzugsweise sogar nur im hinteren Viertel 4 der Sohle - betrachtet in Richtung der Längsachse L des Schuhs bzw. der Sohle - zu liegen kommen. Die Sensoren 3a, 3b, 3c, ... verlaufen dabei an der lateralen (äußeren) Seite beginnend (s. Sensor 3a), wobei dann die weiteren Sensoren (3b, 3c) in Richtung Fersenbereich 5 folgen, sich um diesen herum erstrecken, um auf der medialen (inneren) Seite wieder zurückzulaufen.

Die Sensoren 3a, 3b, 3c, ... sind dabei in die Einlegesohle 6 integriert, d. h. vorliegend auf diese aufgeklebt. Wird die Sohle 2 durch den Fuß des Trägers belastet, entsteht in der Sohle ein Druck bzw. eine Kraft, der bzw. die wegen der vorhandenen Anzahl der Sensoren 3a, 3b, 3c, ... in seiner bzw. ihrer örtlichen Verteilung bestimmt werden kann.

Mithin kann auf diese Weise die Druck- bzw. Kraftverteilung in der Sohle 2 ermittelt werden, und zwar nicht nur punktuell, sondern insgesamt als Druckbzw. Kraftverteilung über der Sohlenfläche. Hieraus können gezielt Rückschlüsse auf die Pronation gezogen werden, worauf mit entsprechender Aktuatorik reagiert werden kann, um das Pronationsverhalten des Schuhs zu beeinflussen.

Hierzu werden die Signale aller Sensoren 3 über Kabelverbindungen 8 zu einer zentralen Auswerteeinheit 7 geleitet, wo eine entsprechende Signalverarbeitung und -auswertung stattfinden kann.

Ein im Fersenbereich 5 angeordneter Sensor kann auch benutzt werden, um den Zeitpunkt zu definieren, zu dem der Fuß auf dem Boden - insbesondere beim Joggen - auftritt. Ab dem Zeitpunkt, zu dem dieser Sensor einen

vorbestimmten Schwellenwert detektiert, kann mit der Verarbeitung pronations-relevanter gemessener Parameter begonnen werden.

Während das vorgeschlagene Sensorsystem zur Ermittlung des Drucks bzw. der Kraft F in der Sohle eines Schuhs bevorzugt in einem System zur Anwendung kommt, das in den Schuh integriert ist und dort für eine aktive Beeinflussung des Pronationsverhaltens sorgt, ist es grundsätzlich genauso möglich, die vorgeschlagenen Sensorik für stationäre Messungen zu nutzen, z. B. zur Analyse des Laufverhaltens eines Läufers (z. B. auf einem Laufband).

Generell gilt, dass das vorgeschlagene System zur Bestimmung des Bewegungsausmaßes und der Bewegungsgeschwindigkeit insbesondere des Schuhfersenbereichs bzw. des damit einhergehenden Drucks oder der Kraft in der Sohle geeignet ist, d. h. das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Pronation kann ermittelt werden.

Wie erläutert, kann mit einem Sensor im Fersenbereich der initiale Bodenkontakt des Schuhs ermittelt werden. Ein Ausschlag des Sensorsignals zeigt, dass der Bodenkontakt der Ferse beginnt. Das Abheben der Ferse vom Boden kann durch einen Druckabfall bestimmt werden.

Nachdem die Piezo-Sensoren 3 in den Schuh integriert, d. h. auf oder in die Einlegesohle 6 auf- bzw. eingeklebt sind, ist eine Kalibrierung erforderlich. Dazu wird ein Referenzsystem eingesetzt, das das Pronationsausmaß und die Pronationsgeschwindigkeit bestimmen kann. Gleichzeitig werden die Druckbzw. Kraftmaxima und deren Zeitpunkte bestimmt.

Beispielsweise wird mittels einer (an sich bekannten) multiplen Regressionsanalyse ein mathematischer Zusammenhang zwischen den

gemessenen Pronationswerten und den Druck- bzw. Kraftmaxima sowie den Zeitpunkten ihres Auftretens errechnet. Die dabei berechneten Koeffizienten werden anschließend zur Kalkulation des Pronationsausmasses und der Pronationsgeschwindigkeit aus den Druckparametern verwendet.

Bezugszeichenliste;

1 Schuhoberteil

2 Sohle

3a,

3b,

3c, ... Drucksensor / Kraftsensor (Piezo-Element) 4 hinteres Viertel des Schuhs

5 Fersenbereich

6 Einlegesohle

7 zentrale Auswerteeinheit

8 Kabelverbindung 9 Mittelsohle

10 Außensohle

V vertikale Richtung H horizontale Richtung

L Längsrichtung α Winkel

F Kraft