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Technisches Gebiet
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Das erfindungsgemäße Gerät dient dem Erlernen und Verbessern von Grob- und Feinmotorik in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen und ist dem Gebiet Trainingsgeräte (IPC-Konkordanz A63B 69/00) zuzuordnen.
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Stand der Technik
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Im Freizeitbereich (z. B. Golf) oder für die arbeits- oder sportmedizinische Diagnostik existieren Insellösungen, die Sensor- oder Kameradaten zur Analyse bzw. Verbesserung von Bewegungen verwenden. So wird in [
DE 10 2006 008 333 B4 ] ein Sensorsystem beschrieben, mit dem überprüft werden kann, ob ein (Golf-, Baseball-, Badminton-, Squash-, Tennis-, Tischtennis-, Eishockey- etc.) Schläger bei einem Schlag eine gewünschte Schwungbahn beschreibt. Hierbei konzentriert sich die Betrachtung auf die Einhaltung der Schwungebene, der Bewegungsfluss (ob z. B. nach Ballberührung fehlerhafterweise abgestoppt wird) bleibt hingegen unberücksichtigt.
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In [
DE10305759A1 ] wird ein aufwendiges, aus am Körper befestigten Neigungswinkel-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Kraftsensoren bestehendes System beschrieben, das primär der arbeits- oder sportmedizinischen Diagnostik dient und insbesondere wegen seiner völlig unzureichenden alphanumerischen Anzeigeeinheit keine unmittelbaren Rückmeldungen an Bewegungsausführende zu geben vermag.
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Keines der beiden genannten Systeme nutzt Sensor- und Kameradaten in Kombination.
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[
US9211439B1 ] beschreibt die Sensordatenaufnahme beim Schwung eines Golfschlägers. Nicht berücksichtigt werden allerdings die Bewegungen der einzelnen Gliedmaßen und der tatsächliche Abschlag eines Golfballs. Auch [
US9272199B2 ] konzentriert sich lediglich auf die Erfassung von Position, Beschleunigung und Geschwindigkeit eines mit Sensoren ausgestatteten Golfschlägers.
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In [
WO2012051054A1 ] werden mobile Einheiten beschrieben, deren Aufgabe darin besteht, unterschiedliche Sensordaten zu sammeln und an eine zentrale Anzeigeeinheit zur Auswertung zu übermitteln. Die Rolle der Muskeln Trainierender wird aber nicht behandelt. Auch fehlt die Überprüfung des Gesamterfolgs von Trainingsvorgängen.
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In vielen Anwendungen werden multimodale Sensorsysteme eingesetzt. So werden bspw. von Fahrerassistenzsystemen die Entfernungen zu vorausfahrenden Fahrzeugen deutlich genauer durch Kombination von optischen (Kamera-) und Radardaten als durch Einzelsysteme bestimmt. Dagegen wurden im Bereich der Bewegungsanalyse bisher weder Sensor-. und optische Daten in Kombination genutzt noch wurde Benutzern unmittelbar Rückmeldung über die dynamische Qualität ihrer Bewegung gegeben.
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Die zum Zähneputzen erforderliche Feinmotorik wird mit den in [
DE 10 2010 053 688.1 ], [
DE102013016.3 ] und [
DE 10 2014 001 163.1 ] beschriebenen Erfindungen analysiert und verbessert. Hierbei werden Zahnbürsten mit wasserdicht gekapselten Sensormodulen bestehend aus je drei Beschleunigungs- und Winkelbeschleunigungs- sowie einem Dehnungssensor versehen, die die relevanten Bewegungsdaten aufnehmen und über standardisierte Funkschnittstellen an mit Kameras ausgestattete Anzeigegeräte wie SmartPhones oder Tablet-PCs übertragen, wo sie analysiert, eventuell für Forschungszwecke aufgezeichnet und unmittelbar den Benutzern – ggf. eingeblendet in ihre Spiegelbilder – zur Bewegungsverbesserung aufbereitet dargeboten werden. Ergänzend zu den Sensordaten werden auch die von den Kameras der Anzeigegeräte aufgenommenen Bilder der Benutzer in die Bewegungsanalysen mit einbezogen.
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Nach [
DE102014006453 ] werden einzelne Lichtpunkte auf den Gehäusen von Zahnbürsten eingesetzt, um Rückschlüsse auf deren Position und Orientierung zu ziehen. Die Ergebnisse dienen zur Verfeinerung der Auswertungen von mit Beschleunigungssensoren gewonnenen Daten. Es fehlt allerdings die Erklärung, wie mit optischer Auswertung allein Bürstorte einzelnen Kieferabschnitten und den jeweiligen Orientierungen der Zahnbürste zugeordnet werden sollen.
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In modernen Digitalkameras sind häufig Algorithmen zur Erkennung von Gesichtern in Bildern implementiert, die auch erkennen können, ob Personen lachen oder lächeln. Typischerweise werden Aufnahmen dann ausgelöst, wenn die Mehrzahl der identifizierten Gesichter ein Lächeln zeigt. Fortgeschrittenere Gesichtserkennungsalgorithmen sind in der Lage, Gesichter bekannten Personen zuzuordnen und Basisemotionen wie Freude, Angst/Furcht, Ärger oder Trauer in Gesichtern zu identifizieren. Die Algorithmen nehmen allerdings nicht die Bewegung von Personen oder deren einzelner Körperglieder relativ zur Umgebung auf. Ebenso verfolgen sie noch nicht die Flugbahn von Objekten, beispielsweise die eines Federballs.
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Technische Probleme oder Nachteile
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Bisherige Lösungen sind zu teuer und/oder zu kompliziert in der Bedienung für eine breite Anwenderschicht. Außerdem nutzen sie nicht die Möglichkeiten, die sich durch die kombinierte Auswertung von Sensor- und Bilddaten ergeben.
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Aufgabe
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Aufgrund der oben genannten Schwachpunkte besteht die Aufgabe mithin in der Entwicklung eines Systems, das Nutzern kostengünstig unmittelbare Rückmeldungen über die Qualität ihrer Bewegungen und ihnen damit die Möglichkeit gibt, diese kontinuierlich zu verbessern.
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Technische Lösung
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Das erfindungsgemäße Gerät ist modular aufgebaut und beliebig mit Sensoren, Funkkomponenten, zusätzlichen Anzeigemöglichkeiten und Aktoren ausbaubar. Minimal ist es mit je drei Beschleunigungs- und Winkelbeschleunigungssensoren sowie einer unidirektionalen Funkschnittstelle zum Anzeigeelement ausgestattet. Beim Einsatz in Schlägern für verschiedene Sportarten ist auch die Erfassung der aufgewendeten Kräfte mittels Dehnungsmessstreifen von Vorteil, die aber im Regelfall außerhalb des gekapselten Gerätes angebracht und so mit diesem kontaktiert werden müssen, dass es wasserdicht bleibt.
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Erfindungsgemäß wird ein hochauflösendes Display mit hoher Farbtiefe und einer an dessen Rand befindlichen Kamera verwendet, um mit dieser die Position des Nutzers und des von ihm geführten und mit Sensoren bestückten Gerätes zu erfassen. Um bei der Auswertung der Kamerabilder mit Bilderkennungsalgorithmen Ort und Orientierung optisch detektieren zu können, werden farbliche Markierungen auf die geführten Geräte aufgebracht. Jede Veränderung wird dabei in Echtzeit in die Darstellung eingefügt, sodass der Nutzer den Eindruck gewinnt, in einen Spiegel zu blicken. Als Anzeigeeinheiten mit eingebauter Kamera können auf dem Markt verfügbare Produkte wie Smartphones oder Notebook-PCs dienen.
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Von einem oder mehreren Sensormodulen übernommene Daten werden in das Display der Anzeigeeinheit eingeblendet, um dem Anwender Rückmeldung über die von ihm ausgeführte Bewegung zu liefern. Diese optische Darstellung kann durch eine akustische ergänzt werden. So können der Trainer eine Bewegung (z. B. die für Karate typische Kombination aus lockerer, schneller Anfangsbewegung und explosiver, anspannender Endphase) vor- und die Schüler diese nachmachen und dabei versuchen, dasselbe Klangbild wie der Trainer zu erhalten.
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Es bietet sich an, das Sensormodul nebst Funkübertragungseinheit zur Überprüfung und Verbesserung auch anderer Bewegungen einzusetzen. So kann es in ein Sportgerät (z. B. Schläger für Golf, Tennis, Tischtennis, Badminton, Squash, (Eis-)Hockey, Baseball aber auch Ski oder Snowboard) oder in ein Kleidungsstück (Skistiefel, Helm, (Box-)Handschuh) integriert, an einem Musikinstrument (z. B. Geigenbogen) oder bei der Rehabilitation an einer Orthese befestigt bzw. direkt am Körper getragen werden.
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Bei ohne Sportgerät ausgeführten Sportarten wie Karate (was „leere Hand” heißt) kann das Sensormodul beispielsweise am Handgelenk getragen werden, um die Exaktheit beispielsweise eines geraden Fauststoßes zu überprüfen und ggf. zu verbessern.
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Genau wie nach [
DE 10 2010 053 688 A1 ] werden auch bei den skizzierten Anwendungen in Ergänzung zu den Sensordaten die Videodaten des Anwenders in Echtzeit analysiert, um beispielsweise hohe Ortsauflösung zu gewährleisten. Dem Anwender wird in geeigneter Weise optisch und ggf. auch akustisch („Sonifikation”) die Qualität seiner Bewegung mitgeteilt bzw. wird er auf typische Fehler (z. B. „Stoppen” des Tennisschlägers bei Ballberührung statt „Durchschwingen”) hingewiesen.
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Umgekehrt können zur Auslagerung von Sensoren Zusatzgeräte zu Smartphones wie UPmove von Jawbone genutzt werden, denn sie enthalten Beschleunigungssensor(en) und Bluetooth-Sender zur Verbindung mit Smartphones, in weiteren Ausbaustufen auch Anzeigeelemente (von einzelnen LEDs bis zu vollständigen LCD-Displays), Bluetooth-Empfänger für bidirektionale Verbindungen zu Smartphones sowie ggf. Aktoren (z. B. zur Erzeugung von Vibrationsalarmen). Solche Zusatzgeräte können u. a. am Handgelenk getragen werden und so einen Großteil der benötigten Daten liefern. Einzig die Aufpresskraft kann naturgemäß mit einem solchen Zusatzgerät nicht gemessen werden.
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Die Konzentrationsfähigkeit des menschlichen Gehirns ist zur erfolgreichen Bewegungsführung bei der Bedienung von Werkzeugen, Sportgeräten oder Musikinstrumenten entscheidend. Ein Indikator dafür ist die Anspannung der beteiligten Muskelgruppen, die von in Manschetten eingewobenen Drucksensoren gemessen werden kann. Diese Technik ist von mobilen Blutdruckmessgeräten her bekannt und bestens eingeführt; sie erlaubt u. a., Rehabilitationsmaßnahmen zu begleiten und zu überwachen.
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Muskelanspannung deutet auf den Grad der Konzentration auf Bewegungen hin und ist bei wiederholter Durchführung auch ein Indiz für deren erfolgreiche Ausführung. Erfolg stellt sich nach gängiger Sportlehre ein, wenn sich Lernende intensiv mit dem Verlauf von Gesamtbewegungen beschäftigen und ein klar definiertes Ziel vor Augen haben. In Manschetten eingewobene Temperatursensoren können als Gradmesser geleisteter Arbeit dienen und Anwendern und Betreuern anzeigen, ob Übungen mit zweckdienlicher Intensität und in geforderter Anzahl durchgeführt wurden. Gleichzeitig warnen sie vor Überanstrengung und schützen somit auch vor Verletzungen, womit deutlich wird, welchen Sinn Messungen von Oberflächendruck und -temperatur der Haut haben.
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Die gesamte Bewegung zur Führung beispielsweise eines Sportgerätes verteilt sich auf beteiligte Körperglieder. Seit jeher konzentrieren sich Instruktoren auf diesen Bereich, weil sie ihn als entscheidend für erfolgreiches Anlernen ausgemacht haben. Der Einsatz elektronischer Helfer für diesen Zweck setzt voraus, zunächst Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der beteiligten Körperglieder zu erfassen und auszuwerten, weshalb entsprechende Sensoren in die anzulegenden Manschetten eingewoben werden. Die Sensordaten werden drahtlos an Anzeigeeinheiten gesendet, wo sie ausgewertet und zu Korrekturhinweisen weiterverarbeitet werden. Gesichert in anwenderspezifischen Profilspeichern erlauben die Daten auch, Lernfortschritte zu dokumentieren oder Trainingsprogramme durch Auswertung von Trainingsepisoden individuell auszurichten.
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Falls mit den gewonnenen Sensordaten die Bewegung des Sportgerätes bzw. des Musikinstruments und der Gliedmaßen korrekt instruiert und durchgeführt wurde, ist jedoch noch nicht sichergestellt, dass in einer, beispielsweise auf Wettkampf ausgerichteten, Umgebung dieses Verhalten auch zum erwünschten Erfolg führt. Bekannt ist aus den Sportwissenschaften, dass ein erfolgreiches Training immer solche Wettkampfbedingungen in die Übungen integrieren muss. Neben der richtigen Bewegungsführung muss mithin das Ergebnis in die nachfolgenden Korrekturhinweise einfließen: Ein geschlagener Tennisball fliegt mit hoher Geschwindigkeit flach ins gegenüberliegende Feld, ein Musikinstrument erzeugt die richtigen Töne, um sich ins Ensemble einzufügen.
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Aus der angewendeten Technik folgt, dass auch die Spielobjekte (z. B. Tennis-, Feder-, Tischtennisball) mit Sensoren und/oder optischen Markierungen auszustatten sind, um laufend ihre Position, Geschwindigkeit und Rotation zu erfassen. Zusätzlich können Kameras auf eine Weise ausgerichtet werden, dass sie das Geschehen aufzeichnen und laufend die gewonnen Daten an die Anzeigeeinheit senden. Dort werden die einzelnen Aufnahmen auf das Zielobjekt untersucht und in den Abfolgen der einzelnen Rahmen nach Unterschieden gesucht, die über die Bewegung Aufschluss geben. Hilfreich sind für diesen Zweck auch optische Markierungen an den Objekten. Mikrophone zeichnen Klangkurven auf und die Anzeigeeinheit analysiert mit den übertragenen Daten, ob Takte eingehalten werden und die Gesamtkomposition stimmig ist.
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Die Anzahl der extern verbundenen Sensoreinheiten ist beliebig und erhöht mit steigender Quantität die Auswertungsqualität, womit gezieltere Hinweise für den Übungserfolg des Trainierenden möglich sind.
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Die Haltung einer Person im Spielfeld beeinflusst das Spielgeschehen und damit den Erfolg des Trainierenden. Sie ist besonders für die Präventionsmedizin von hoher Bedeutung, wo versucht wird, auf diesem Wege Verletzungen und Haltungsschäden zu vermeiden. In der Präventionsmedizin wird beispielsweise darauf geachtet, dass beim Heben schwerer Gegenstände ein Hohlkreuz gemacht wird. Für einem Tennisspieler wird beispielsweise darauf geachtet, dass er bei der Ballannahme breitbeinig dasteht. Ein persönlicher Trainer wird die Haltung des Spielenden immer in seine Handlungsanweisungen einbeziehen. Autodidaktisches Training ohne Einbeziehung von Haltung im Spielfeld lässt somit wesentliche Elemente vermissen. Deshalb werden externe Kameras herangezogen. In den einzelnen Bildrahmen damit aufgenommener Videofolgen wird die Haltung mit Referenzwerten verglichen und abhängig von der Übungsaktion in Korrekturhinweise eingearbeitet.
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Ebenso wie Haltung spielt auch Ausrichtung und Positionierung eines Spielers im Spielfeld eine große Rolle. So muss ein Tennisspieler bei seinem Aufschlag hinter der Grundlinie stehen und müssen seine Schultern eine definierte Orientierung in das Aufschlagfeld aufweisen. Externe Kameras stellen für diesen Zweck ebenfalls ein wichtiges Hilfsmittel dar. In den einzelnen Bildrahmen damit aufgenommener Videofolgen wird das Spielfeld mit seinen Umgrenzungslinien identifiziert und der Spieler mit seiner Ausrichtung darin bewertet. Abhängig vom Trainingsinhalt und der Sportart werden gespeicherte Referenzwerte herangezogen und zu passenden Hinweisen verarbeitet.
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Ausführungsbeispiele
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich in einem einfachen Modus ausschließlich mit der eingebauten Kamera und dem Mikrophon der Anzeigeeinheit betreiben und instruiert den Anwender gemäß der vorhandenen Datenlage bzw. Ausrichtung der Kameras und des Mikrophons.
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Durch Verbindung mit weiteren externen Sensoren, Kameras und Mikrophonen lässt sich das berechnete Bewegungsbild immer mehr den realen Begebenheiten annähern, womit dem Anwender wertvollere Hinweise gegeben werden können.
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Erreichte Vorteile
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Außer als aufwendige Insellösungen gibt es bisher keine sensorunterstützten Bewegungsoptimierer. Hier schließt das erfindungsgemäße Gerät eine Lücke, denn es ist universell einsetzbar und liefert in Form individueller Rückmeldungen über die Qualität ausgeführter Bewegungen seinen Nutzern wesentlich detailliertere Informationen als marktgängige Geräte, die meist nur anzeigen, ob Bewegungen stattfinden oder nicht. Literatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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