DE102015004304A1

DE102015004304A1 - Verfahren zur Abschätzung eines fehlenden Modellparameters für ein Modell eines Bewegungsablaufs

Info

Publication number: DE102015004304A1
Application number: DE102015004304.8A
Authority: DE
Inventors: Fabian Walke; Hauke Radtki
Original assignee: Individual
Current assignee: Hero Workout De GmbH
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2016-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (1) zur Abschätzung eines fehlenden Modellparameters für ein Modell zur Ermittlung von Bewegungskenngrößen (5) eines sich wiederholenden Bewegungsablaufs eines Körperteils. Die Bewegungskenngrößen (5) können mit dem Modell ausgehend von Sensorwerten (2) berechnet werden, die mit einer an dem Körperteil angeordneten Sensoreinrichtung erfasst werden und weiteren Eingangsgrößen (3), die von einem Benutzer eingegeben werden und/oder durch eine Zusatzsensoreinrichtung erfasst werden. In einem Überprüfungsschritt (4) wird überprüft, ob sämtliche für die Berechnung der Bewegungskenngrößen (5) erforderlichen Sensorwerte (2) und Eingangsgrößen (3) erfasst oder eingegeben sind. Das Verfahren (1) wird beendet, wenn sämtliche erforderlichen Sensorwerte (2) und Eingangsgrößen (3) vorliegen. Anderenfalls wird in einem nachfolgenden Schätzschritt (7) für mindestens eine fehlende Eingangsgröße (3) und/oder für mindestens einen fehlenden Sensorwert (2) mit Hilfe eines Schätzverfahrens ein Schätzparameterwert (8) abgeschätzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung eines fehlenden Modellparameters für ein Modell zur Ermittlung von Bewegungskenngrößen eines sich wiederholenden Bewegungsablaufs eines Körperteils.
Um sportliches Training möglichst effektiv zu gestalten, ist es bekannt, verschiedene Trainingsparameter mit Hilfe geeigneter Sensoren zu erfassen und auszuwerten. Seit einiger Zeit werden zu diesem Zweck neben aufwendigen, stationären Messanlagen wie beispielsweise Motion-Capture-Erfassungssystemen auch mobile Sensoreinrichtungen angeboten. Diese mobilen Sensoreinrichtungen können beispielsweise am Unterarm, am Oberarm oder auch an einem Bein befestigt werden und erlauben die Ermittlung verschiedener, die von dem jeweiligen Körpersegment ausgeführte Bewegung charakterisierender Parameter wie beispielsweise eine Beschleunigung des jeweiligen Körpersegments.
Um die von diesen im allgemeinen Sprachgebrauch auch als Fitness-Tracker bezeichneten mobilen Sensoreinrichtungen ermittelten Messdaten auszuwerten und dem Verwender anschaulich zu präsentieren, werden bei den bekannten Geräten die ermittelten Parameter üblicherweise drahtlos an ein mit dem Fitness-Tracker verbundenes Mobiltelefon übermittelt. Diese Daten werden dann durch ein auf dem Mobiltelefon installiertes und ausgeführtes Softwaremodul (App) entsprechend vorgegebener Algorithmen ausgewertet und die so ermittelten Trainingsparameter dem Nutzer zur Anzeige gebracht.
Zur Berechnung der Trainingsparameter können Modelle verwendet werden, die einen mathematischen Zusammenhang zwischen den ermittelten Sensorwerten und weiteren Eingangsgrößen wie beispielsweise der Körpergröße der die Sensoreinrichtung bzw. den Fitness-Tracker verwendenden Person, dessen Körpergewicht oder dem einem Trainingsgewicht in einer Fitnessübung herstellen und auf Grundlage der Sensorwerte und der weiteren Eingangsgrößen einen oder mehrere aussagekräftige Bewegungskenngrößen ermitteln. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, dass der Benutzer vor dem Trainingsbeginn die zur Berechnung des jeweiligen Trainingskennwerts bzw. Bewegungskennwerts erforderlichen Eingangsgrößen beispielsweise an die App übergibt. Bei den Bewegungskenngrößen bzw. Trainingskennwerten kann es sich beispielsweise um die von der Person aufgewandte Kraft, Arbeit oder Leistung handeln. Auch die Bestimmung von Bewegungskenngrößen, die kinematische Zusammenhänge beschreiben, ist erfindungsgemäß vorgesehen.
Als Aufgabe der Erfindung wird es angesehen, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, durch das die Verwendung der bekannten Fitness-Tracker vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Abschätzung eines fehlenden Modellparameters für ein Modell zur Ermittlung von Bewegungskenngrößen eines sich wiederholenden Bewegungsablaufs eines Körperteils gelöst, wobei die Bewegungskenngrößen mit dem Modell ausgehend von Sensorwerten berechnet werden können, die mit einer an dem Körperteil angeordneten Sensoreinrichtung erfasst werden und weiteren Eingangsgrößen, die von einem Benutzer eingegeben werden und/oder durch eine Zusatzsensoreinrichtung erfasst werden, wobei in einem Überprüfungsschritt überprüft wird, ob sämtliche für die Berechnung der Bewegungskenngrößen erforderlichen Sensorwerte und Eingangsgrößen erfasst oder eingegeben sind, wobei das Verfahren beendet wird, wenn sämtliche erforderlichen Sensorwerte und Eingangsgrößen vorliegen und wobei anderenfalls in einem nachfolgenden Schätzschritt für mindestens eine fehlende Eingangsgröße und/oder für mindestens einen fehlenden Sensorwert mit Hilfe eines Schätzverfahrens ein Schätzparameterwert abgeschätzt wird. Vorteilhafterweise wird der Überprüfungsschritt während des Bewegungsablaufs durchgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, Bewegungskenngrößen für den aktuell durchgeführten Bewegungsablauf während der Durchführung des Bewegungsablaufs mit Hilfe des Modells auch dann berechnen zu können, wenn eine oder mehrere Eingangsgrößen oder Sensorwerte unbekannt sind oder nur mit einer geringen Genauigkeit vorliegen. Es ist aber auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren erst nach Abschluss des Bewegungsablaufs durchzuführen.
Bei dem verwendeten Modell kann es sich erfindungsgemäß sowohl um ein nicht parametrisches Modell als auch um ein parametrisches Modell handeln, wobei die zur Ermittlung der fehlenden Eingangsgrößen verwendeten Schätzverfahren an die jeweils verwendete Modellstruktur angepasst sind. Als mögliche Schätzverfahren können erfindungsgemäß beispielsweise die Korrelationsanalyse, Kleinste-Quadrate-Schätzverfahren, für die fortlaufende Schätzung fehlender Eingangsgrößen insbesondere auch rekursive Kleinste-Quadrate-Schätzverfahren, frequenzbereichbasierte Schätzverfahren wie beispielsweise Subspace-Methoden sowie Schätzverfahren für nichtlineare Systeme verwendet werden. Die Auswahl des geeigneten Schätzverfahrens hängt maßgeblich von der für die Berechnung der jeweiligen Bewegungskenngröße herangezogenen Modellstruktur des hinterlegten Modells ab und wird erfindungsgemäß vorteilhafterweise anhand dieser Modellstruktur ausgewählt und an das jeweilige Modell angepasst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nicht nur möglich, fehlende Eingabeparameter, wie beispielsweise das Körpergewicht, das Trainingsgewicht, ein Grad der Ausbelastung und/oder eine Tagesform des Benutzers abzuschätzen, sondern darüber hinaus auch in dem Modell vorgesehene Eingangsgrößen aus einer Zusatzsensoreinrichtung wie beispielsweise eines zusätzlichen Herzfrequenzmessers oder EMG-Messgeräts zu schätzen. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, bei Ausfall eines Sensors der Sensoreinrichtung den entsprechenden Sensorwert zu rekonstruieren. Die mit der Zusatzmesseinrichtung ermittelten Eingangsgrößen sollen in der Regel allerdings nicht geschätzt, sondern gemessen werden, um die Bestimmung der Trainings- bzw. Bewegungskennwerte zu verbessern. Bei der Zusatzsensoreinrichtung kann es sich beispielsweise um ein EMG-Messgerät handeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise zur Abschätzung eines Trainingsgewichts in Abhängigkeit von einer Bewegungsgeschwindigkeit der Sensoreinrichtung zu Beginn einer Übung und der Bewegungsgeschwindigkeit der Sensoreinrichtung zum Ende der Übung genutzt werden, wobei vorteilhafterweise jeweils die mittlere Bewegungsgeschwindigkeit über mindestens eine Wiederholung einer die Übung charakterisierenden Bewegung betrachtet wird. Da bei höherem Trainingsgewicht eine mittlere Geschwindigkeit der Bewegung zum Ende der Übung hin üblicherweise stärker abnimmt als bei einem leichteren Trainingsgewicht kann auf Grundlage dieser Informationen und einem entsprechenden Modell die fehlende Eingangsgröße „Trainingsgewicht” abgeschätzt werden.
Um eine möglichst gute Abschätzung der fehlenden Eingangsgröße oder des fehlenden Sensorwerts zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Schätzschritt Referenzparameterwerte eines vorab durchgeführten und mit einer Erfassungseinrichtung erfassten Bewegungsablaufs bei der Durchführung des Schätzverfahrens zur Abschätzung des Schätzparameters berücksichtigt werden. Bei der Erfassungseinrichtung handelt es sich vorteilhafterweise um die Sensoreinrichtung. Es ist aber auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Referenzparameterwerte mit Hilfe eines Motion-Capture-Systems, einem EMG-Messgerät, einem Herzfrequenzmessgerät und/oder durch eine Laktatmessung bestimmt werden.
Zur Ermittlung geeigneter Trainings- bzw. Bewegungskennwerte beispielsweise bei Durchführung eines Hanteltrainings ist es zum Beispiel erforderlich, das Gewicht der verwendeten Hantel zur Bestimmung geeigneter Trainingskennwerte vorab zu ermitteln und als Eingangsgröße an das Modell zu übergeben. Mit Hilfe des erfindungsmäßen Verfahrens ist es möglich, ausgehend von Trainingsparametern, die bei einem ersten Hanteltraining ermittelt worden sind und von bei einem nachfolgenden Training mit einer Hantel mit einem anderen Gewicht mit der Sensoreinrichtung erfassten Sensorwerten, die den auf Grund des geänderten Gewichts der Hantel abweichenden Bewegungsablauf charakterisieren, zu Beginn des Trainings zunächst das geänderte Gewicht der Hantel zu bestimmen, um nachfolgend geeignete Trainingsparameter auf Grundlage des geschätzten Gewichts für den aktuellen Bewegungsablauf bestimmen zu können. Unter anderem zu diesem Zweck ist es erfindungsgemäß vorgesehen, zumindest einige Eingangsgrößen und/oder Sensorwerte und/oder Trainingskenngrößen eines vorab durchgeführten Trainings bzw. Bewegungsablaufs zu hinterlegen und bei der Durchführung des Schätzverfahrens zu berücksichtigen.
Es ist auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, fehlende und benutzerspezifische Eingangsgrößen durch Vorgabe hinterlegter Durchschnittswerte für eine Klasse von Personen zu verwenden, zu der der jeweilige Benutzer zu zählen ist. Beispielsweise können Durchschnittswerte für die Leistungsfähigkeit des Benutzers anhand seines Alters, seiner Trainingserfahrung und seines Geschlechts bestimmt und in dem Modell verwendet werden.
Um die Ausgabe fehlerhafter Trainingsparameter zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem auf den Schätzschritt nachfolgenden Kontrollschritt durch ein Vergleich des Schätzparameterwerts mit vorab hinterlegten Schätzparameterbereichsinformationen überprüft wird, ob der Schätzparameterwert innerhalb eines zulässigen Schätzparameterbereichs liegt.
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem nachfolgenden Auswerteschritt unter Verwendung des Schätzparameterwerts, der weiteren Eingangsgrößen und der mit der Sensoreinrichtung erfassten Sensorwerte mit dem Modell Bewegungskenngrößen für den durchgeführten Bewegungsablauf berechnet werden.
Zur Kontrolle des ermittelten und zur Berechnung des Modells verwendeten Schätzparameterwerts ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Schätzparameterwert auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt wird.
Um einen gegebenenfalls fälschlich ermittelten Sensorparameterwert nachträglich korrigieren zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der auf der Anzeigeeinrichtung angezeigte Schätzparameterwert mit einer Benutzereingabe bestätigt oder korrigiert werden kann, bevor die Bewegungskenngrößen für den durchgeführten Bewegungsablauf berechnet werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass vor dem Überprüfungsschritt in einem Plausibilitätskontrollschritt mindestens eine von einem Benutzer eingegebene Eingangsgröße auf Plausibilität überprüft wird und diese Eingangsgröße verworfen und in dem nachfolgenden Schätzschritt abgeschätzt wird, wenn die Eingangsgröße als unplausibel erkannt wird. Die Plausibilitätskontrolle kann vorteilhafterweise durch einen einfachen Schwellwertvergleich durchgeführt werden. Die für den Schwellwertvergleich verwendeten Schwellwerte können erfindungsgemäß fest vorgegeben sein oder anhand von weiteren, bekannten Parametern bestimmt werden. So kann beispielsweise die Eingabe des Trainingsgewichts des Nutzers bei einer Fitnessübung in Abhängigkeit seines Geschlechts dadurch überprüft werden, ob die Eingabe zwischen einem unteren geschlechtsabhängigen Schwellwert von beispielsweise 40 kg bei Frauen und 50 kg bei Männern sowie einem oberen Schwellwert von beispielsweise 140 kg bei Frauen und 160 kg bei Männern liegt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In 1 ist schematisch ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens 1 dargestellt. Ausgehend von mit Hilfe einer an einem Körperteil angeordneten Sensoreinrichtung erfassten Sensorwerten 2 und weiteren, von einem Benutzer eingegebenen Eingangsgrößen 3 wird in einem Überprüfungsschritt 4 überprüft, ob sämtliche für die Berechnung von Bewegungskenngrößen 5 erforderlichen Sensorwerte 2 und Eingangsgrößen 3 erfasst oder eingegeben sind. Wenn sämtliche erforderlichen Sensorwerte 2 und Eingangsgrößen 3 vorliegen, werden in einem nachfolgenden Auswerteschritt 6 die Bewegungskenngrößen 5 ermittelt. Anderenfalls wird in einem nachfolgenden Schätzschritt 7 für mindestens eine fehlende Eingangsgröße 3 und/oder für mindestens einen fehlenden Sensorwert 2 mit Hilfe eines Schätzverfahrens ein Schätzparameterwert 8 abgeschätzt.
Auf Grundlage dieses Schätzparameterwerts 8 und der übrigen Sensorwerte 2 und Eingangsgrößen 3 werden in dem nachfolgenden Auswerteschritt 6 dann die Bewegungskenngrößen 5 ermittelt.
Nach Eingabe der Eingangsgrößen 3 durch den Benutzer, werden die Eingangsgrößen 3 zunächst in einem Plausibilitätskontrollschritt 9 auf Plausibilität überprüft. Sollte eine der Eingangsgrößen 3 in dem Plausibilitätskontrollschritt 9 als unplausibel beurteilt werden, so wird die unplausible Eingangsgröße 3 verworfen und in dem nachfolgenden Schätzschritt 7 abgeschätzt.

Claims

Verfahren (1) zur Abschätzung eines fehlenden Modellparameters für ein Modell zur Ermittlung von Bewegungskenngrößen (5) eines sich wiederholenden Bewegungsablaufs eines Körperteils, wobei die Bewegungskenngrößen (5) mit dem Modell ausgehend von Sensorwerten (2) berechnet werden können, die mit einer an dem Körperteil angeordneten Sensoreinrichtung erfasst werden und weiteren Eingangsgrößen (3) die von einem Benutzer eingegeben werden und/oder durch eine Zusatzsensoreinrichtung erfasst werden, wobei in einem Überprüfungsschritt (4) überprüft wird, ob sämtliche für die Berechnung der Bewegungskenngrößen (5) erforderlichen Sensorwerte (2) und Eingangsgrößen (3) erfasst oder eingegeben sind, wobei das Verfahren (1) beendet wird, wenn sämtliche erforderlichen Sensorwerte (2) und Eingangsgrößen (3) vorliegen und wobei anderenfalls in einem nachfolgenden Schätzschritt (7) für mindestens eine fehlende Eingangsgröße (3) und/oder für mindestens einen fehlenden Sensorwert (2) mit Hilfe eines Schätzverfahrens ein Schätzparameterwert (8) abgeschätzt wird.
Verfahren (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schätzschritt (7) Referenzparameterwerte eines vorab durchgeführten und mit einer Erfassungseinrichtung erfassten Bewegungsablaufs bei der Durchführung des Schätzverfahrens zur Abschätzung des Schätzparameterwerts (8) berücksichtigt werden.
Verfahren (1) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem auf den Schätzschritt (7) nachfolgenden Kontrollschritt durch einen Vergleich des Schätzparameterwerts (8) mit vorab hinterlegten Schätzparameterbereichsinformationen überprüft wird, ob der Schätzparameterwert (8) innerhalb eines zulässigen Schätzparameterbereichs liegt.
Verfahren (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachfolgenden Auswerteschritt (6) unter Verwendung des Schätzparameterwerts (8), der weiteren Eingangsgrößen (3) und der mit der Sensoreinrichtung erfassten Sensorwerte (2) mit dem Modell Bewegungskenngrößen (5) für den durchgeführten Bewegungsablauf berechnet werden.
Verfahren (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzparameterwert (8) auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt wird.
Verfahren (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der auf der Anzeigeeinrichtung angezeigte Schätzparameterwert (8) mit einer Benutzereingabe bestätigt oder korrigiert werden kann, bevor die Bewegungskenngrößen (5) für den durchgeführten Bewegungsablauf berechnet werden.
Verfahren (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Überprüfungsschritt (4) in einem Plausibilitätskontrollschritt (9) mindestens eine von einem Benutzer eingegebene Eingangsgröße (3) auf Plausibilität überprüft wird und diese Eingangsgröße (3) verworfen und in dem nachfolgenden Schätzschritt (7) abgeschätzt wird, wenn die Eingangsgröße (3) als unplausibel erkannt wird.