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Die Erfindung betrifft eine mobile Vorrichtung zur Ermittlung kinematischer und kinetischer Parameter schneller Bewegungen im Sport in Echtzeit.
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Seit einiger Zeit sind auf dem Gebiet der mobilen Fitnessdatenerfassung im Alltag und im Sport Vorrichtungen bekannt, die insbesondere im Fitnesssport und zur Unterstützung der Gewichtsreduzierung eingesetzt werden. Hier werden größtenteils Bewegungen grob klassifiziert und die Anzahl über einen gewissen Zeitraum gezählt sowie in seltenen Fällen auch detailliertere Aussagen für vordefinierte Bewegungen getätigt.
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Aus
DE 10 2011 121 259 B3 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur mobilen Trainingsdatenerfassung und zur Analyse von Fitnesstraining bekannt, welche an einem, für eine Krafttrainingsübung festgelegten, Körpersegment befestigt wird und mittels Beschleunigungssensor, Gyroskop, Kalman-Filter/Direction Cosine Matrix, zweifacher Integrierung von Beschleunigungswerten, der Hochpassfilterung von Sensor-Offsets und einer anfänglichen Kalibrierung besagter mobiler Vorrichtung vor Beginn des Bewegungsablauf präzise multiple Trainingsdaten, von festgelegten Bewegungsabläufen in N Krafttrainingsübungen und einem Trainingsutensil X, misst. Zu den besagten multiplen Trainingsdaten gehören beispielsweise der Weg-Zeit-Verlauf des Kraftangriffspunkt der Masse des Trainingsutensils, die mechanische Arbeit, Rotationsarbeit bei Drehbewegungen und die Spannungsdauer von exzentrischer, konzentrischer Muskellängenänderungen und isometrischer Muskelkontraktionen, der in einer Krafttrainingsübung beanspruchten Muskulatur.
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Durch eine Datenschnittstelle können multiple Trainingsdaten auf einen Computer, und von dort auf einen Trainingsdatenserver übertragen werden. Eine Analyse der multiplen Trainingsdaten auf dem Trainingsdatenserver beruht auf einem Trainingsmodell, welches eine Prognose der zukünftigen Leistungen in den Krafttrainingsübungen und eine Steuerung des Krafttrainings in verschiedenen Trainingsebenen ermöglicht.
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Diese genannte Vorrichtung dient der Unterstützung eines Fitnesstrainings und ist für vordefinierte Bewegungen einsetzbar. Dieses System liefert jedoch nur einen geringen Umfang an Bewegungsinformationen.
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Für eine exakte Auswertung von Bewegungen im Sport, in der Medizin und in der Ergonomie werden vorrangig komplexe Motion Tracking Systeme, meist auf Basis von Videosystemen, eingesetzt. Diese liefern sehr genaue Aussagen über die Bewegung des gesamten Körpers oder von Teilsegmenten, wie z. B. der unteren Extremitäten.
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Nachteilig am derzeitigen Stand der Technik ist, dass diese kompletten Motion Tracking Systeme sehr hohe Preise, beispielsweise über 40.000 €, aufweisen. Auch verlangen die meisten Systeme, z.B. auf Basis von Videoanalysen, eine moderate bis umfangreiche Nachbereitung der Messungen durch Experten. Dafür stehen nach der Auswertung aber auch sehr viele Messergebnisse und Aussagen zur Verfügung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe der Bereitstellung einer Vorrichtung zugrunde, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Vorgeschlagen wird eine mobile Vorrichtung (1) zur Ermittlung kinematischer und kinetischer Parameter schneller Bewegungen im Sport mit Echtzeit Feedback, umfassend zumindest folgende Komponenten:
- – ein Gehäuse (1‘),
- – zumindest einen Beschleunigungsaufnehmer (2a),
- – zumindest ein Gyroskop (2b),
- – zumindest einen Prozessor (4) und
- – eine lokale Bedienerschnittstelle (3).
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Erfindungsgemäß werden definierte Bewegungsabläufe erfasst. Darunter werden Bewegungen von kurzer Dauer, d.h. kleiner fünf Sekunden verstanden, welche signifikant schneller ausgeführt werden, als eine mögliche Grundbewegung. Beispiele hierfür sind Würfe, Schläge, Stöße, Sprünge sowie Antritte beim Sprint.
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Diese schnellen Bewegungen sind im Sport von höchster Bedeutung und diktieren in vielen Fällen die Leistungsfähigkeit eines Athleten. Diese werden untere anderem auch zur Diagnostik von sportmotorischen Fähig- und Fertigkeiten herangezogen.
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Auch Bewegungen von Sportgeräten, wie beispielsweise einer Hantel können erfasst werden. Sensordaten werden dabei mittels Beschleunigungsaufnehmern und Gyroskopen, in Form von Sensoren, jeweils in 3 Achsen erfasst.
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Mittels dieser Vorrichtung ist die direkte quantitative Auswertung schneller Bewegungen im Sport möglich und liefert wesentliche Vorteile im Bereich der Leistungsdiagnostik sowie Trainingssteuerung. Die Trainingsplanung kann dadurch effektiver gestaltet und einzelne Trainingseinheiten optimiert werden. Auch die Motivation von Athleten kann durch das Echtzeit Feedback stark positiv beeinflusst werden.
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Die mobile Vorrichtung ist dabei klein, handlich und schnell einzusetzen. Sie eliminiert die Notwendigkeit vom Aufbau komplexer Messsysteme und manuellen Auswertungen. Der Einsatz ist dazu rückwirkungsfrei für den Athleten und fordert keine speziellen Randbedingungen. Der Athlet führt sein Training mit der Vorrichtung aus, wie er es auch ohne machen würde. Damit entfallen jegliche separate Tests.
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Ein Anwender dieser Vorrichtung wird nicht auf einen definierten Anwendungsbereich limitiert. Die Anwendung der Vorrichtung ist für alle schnellen Bewegungen geeignet und verlangt keine Anpassung oder Erweiterung einer Datenbank im Vorfeld der Durchführung.
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Die mobile Vorrichtung kann dabei per Kabel oder mittels eines internen Energiespeichers (5) mit Strom versorgt werden und ist somit unabhängig von der Umgebung einsetzbar.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Funkschnittstelle (6) zur Übertragung von Sensordaten und Analyseergebnissen an ein Zweitgerät (8) besitzt.
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Als Zweitgerät kann beispielsweise ein Computer, Tablet, Handy oder ähnliches genutzt werden.
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Ein zusätzliches Zweitgerät liefert aufgrund eines meist deutlich größeren Displays und einem wesentlich größeren internen Speicher die Möglichkeit einer detaillierteren Datenaufbereitung z.B. in Form von Graphen und Tabellen sowie den Aufbau und die Verwaltung einer Datenbank. Auf Basis dieser Datenbank ist der zeitliche Trainingsverlauf darstellbar und analysierbar. Mittels dieser Funkübertragung ist die gleichzeitige Nutzung mehrerer Vorrichtungen und einem Zweitgerät möglich, z.B. für den Einsatz in Training mit mehreren Athleten.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Magnetometer zur Messung des magnetischen Flussdichtevektors der Erde eingesetzt wird.
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Der Einsatz eines Drei-Achsen-Magnetometers liefert Orientierungsinformationen der Vorrichtung im Raum, erhöht die Präzision der errechneten Orientierung und bietet zudem definierte x- und y-Achsen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung eine lokale Ausgabe (7) aufweist.
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Mit einer lokalen Ausgabe wird die Nutzung eines Zweitgerätes optional. Die mobile Vorrichtung gibt die wichtigsten Bewegungsparameter direkt mittels der lokalen Ausgabe aus und gewährleistet damit den schnellen einfachen Einsatz. Die lokale Ausgabe kann dabei unter anderem in Form einer visuellen oder einer akustischen Ausgabe realisiert sein.
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Verfahrensgemäß kann die Ermittlung kinematischer und kinetischer Parameter schneller Bewegungen im Sport mit Echtzeit Feedback in zumindest folgenden Schritten erfolgen:
- – Bereitstellung einer mobilen Vorrichtung (1) mit einem Gehäuse (1‘), Sensoren (2a, 2b, optional 2c), einem Prozessor (4) und einer lokalen Bedienerschnittstelle (3),
- – Befestigung dieser an einem Sportgerät (9) oder einem Körpersegment (10, 11, 12, 13, 14),
- – Erfassung von Sensordaten mittels der Sensoren (2a, 2b, 2c) in definierten Bewegungsabläufen,
- – Berechnung von kinematischen und kinetischen Bewegungsparametern aus den Sensordaten in der mobilen Vorrichtung (1) und
- – Bereitstellung der Bewegungsparameter in Echtzeit mittels einer lokalen Ausgabe (7) oder auf einem per Funk verbundenen Zweitgerät (8).
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Das Verfahren kann ausgestattet sein mit:
- – einem softwareseitigen Schritt zur selbständigen Erkennung von Bewegungen und Einteilung dieser in Bewegungsphasen der mobilen Vorrichtung (1) und
- – einem softwareseitigen Schritt zur Erkennung von Start und Endpunkten einer Bewegung und
- – Auswertung der Bewegungsdaten mit direkter Ergebnisausgabe.
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Die selbständige Erkennung von Bewegungen und die Einteilung dieser in trainingswissenschaftlich definierte Phasen eliminiert die Notwendigkeit einer manuellen Datenaufbereitung und Auswertung und liefert ein Feedback in Echtzeit. Dies ist ein wesentlicher Vorteil dem aktuellen Stand der Technik gegenüber. Eine Leistungserfassung kann somit direkt und einfach jederzeit durchgeführt werden.
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Vorgesehen sein kann ebenfalls, dass das Verfahren zumindest einen der folgenden Schritte umfassen kann:
- – Fusion der Sensordaten zur Berechnung der Orientierung im Raum und damit Beschleunigungswerten im Erdkoordinatensystem,
- – Fusion der Sensordaten mit einem Magnetometer (2c),
- – Integration der resultierenden Beschleunigungsdaten im Erdkoordinatensystem zur Ermittlung von Geschwindigkeiten und Strecken.
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Hierbei erfolgt eine Fusion von Sensorrohwerten, bestehend aus Beschleunigungs-, Winkelgeschwindigkeits- und optional Magnetometerwerten mittels entsprechender Berechnungsalgorithmen. Dementsprechend kann verfahrensgemäß und unter Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine präzise Bestimmung von leistungsrelevanten kinematischen Parametern eines Bewegungsablaufes und die Aufbereitung sowie Ausgabe dieser Daten erfolgen. Von höchster Bedeutung sind trainingswissenschaftlich gesehen durchschnittliche Geschwindigkeiten in definierten Bewegungsphasen, Zeiten in bestimmten Bewegungsphasen sowie zurückgelegte Strecken von einzelnen Körpersegmenten oder Sportgeräten. Hier ist zum Beispiel die dreidimensionale Trajektorie des Handgelenkes im Raum bei einer Wurfbewegung oder die Bewegungsgeschwindigkeit einer Hantel zu nennen.
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Bei dem Verfahren kann eine Übermittlung von Daten an Zweitgeräte (8) über eine Funkschnittstelle (6) von der mobilen Vorrichtung (1) mit folgenden Schritten erfolgen:
- – Datenaufbereitung im Prozessor (4) der mobiler Vorrichtung (1),
- – Datenübermittlung per Funk an Zweitgeräte (8),
- – Datenerfassung und grafische Aufbereitung dieser im Zweitgerät (8) mit entsprechender Software.
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Die Vorrichtung ist im Sportbereich in einer Vielzahl von Disziplinen einsetzbar. Hier können z.B. in der Leichtathletik Wurf-, Stoß-, Sprung- und Sprintdisziplinen, in Ballsportarten Wurf-, Schuss- und Sprungbewegungen und im Kampfsport Schlag- und Trittbewegungen genannt werden. Auch im Bereich Krafttraining und olympischem Gewichtheben sind viele Anwendungen möglich. Zur Ermittlung von trainingsrelevanten kinematischen und kinetischen Kenngrößen eines Bewegungsablaufes, der zumeist durch seine geringe Dauer von weniger als fünf Sekunden gekennzeichnet ist, sind unter anderem folgende Aspekte von Bedeutung:
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- – Bewegungstrajektorie im dreidimensionalen Raum,
- – Phaseneinteilung einer Bewegung,
- – Bewegungsdauer und Dauer einzelner Phasen,
- – Bestimmte Streckenanteile in x-, y-, z-Richtung innerhalb einer Bewegung, z.B. der vertikale Anteil der Bewegung im Krafttraining oder Abweichungen der Hantelbewegung von der Vertikalen,
- – Geschwindigkeiten in x-, y-, z-Richtung innerhalb einer Bewegung,
- – Durchschnittsgeschwindigkeiten einzelner Bewegungsphasen
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Der Mehrwert für den Anwender ist durch folgende Aspekte charakterisiert:
- – Visualisierung besagter Daten auf der mobilen Vorrichtung und/oder auf einem kabellosen oder per Kabel verbundenen Zweitgerät.
- – Keine manuelle Auswertung oder Aufbereitung nötig
- – Mehr Transparenz im Training durch eine Vielzahl zusätzlicher Analysedaten
- – Analyse von extrem schnellen Bewegungen, welche im Beispiel eines Schlages im Kampfsport kaum vom Menschen ohne zusätzliche Messtechnik interpretiert werden können,
- – Exakte Geschwindigkeiten, exakte Strecken und Bewegungstrajektorien, besonders Geschwindigkeiten sind wichtig und vom Menschen ohne Messtechnik nur schlecht abzuschätzen,
- – Lage eines Körpersegmentes oder Trainingsgesätes im Raum, z.B. die Lage der Hantel im Raum,
- – Anwendung im Bereich der Leistungsdiagnostik und Trainingssteuerung auf Ebene von Makro-, Meso- und Mikrozyklen.
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Die Erfindung soll beispielhaft anhand der nachfolgend aufgezeigten 1 dargestellt werden, wobei die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
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1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau und die Wirkungsweise einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Ermittlung kinematischer und kinetischer Parameter schneller Bewegungen im Sport in Echtzeit.
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Die Vorrichtung (1) umfasst dabei ein Gehäuse (1‘), Sensoren (2a, 2b), einen Prozessor (4) und eine lokale Bedienerschnittstelle (3). Zudem kann eine Funkschnittstelle (6) zur Übertragung von Sensordaten und Analyseergebnissen an ein Zweitgerät (8) vorgesehen sein. Ebenso kann mittels eines Magnetometers (2c) die Messung des magnetischen Flussdichtevektors der Erde vorgesehen sein. Weiterhin kann die Vorrichtung optional eine lokale Ausgabe (7) aufweisen.
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Verfahrensgemäß kann die Ermittlung kinematischer und kinetischer Parameter schneller Bewegungen im Sport mit Echtzeit Feedback beispielsweise in zumindest folgenden Schritten ausgeführt werden:
- – Bereitstellung einer mobilen Vorrichtung (1) mit einem Gehäuse (1‘), Sensoren (2a, 2b), einem Prozessor (4) und einer lokalen Bedienerschnittstelle (3),
- – Befestigung bzw. Anbringen dieser Vorrichtung an einem Sportgerät (9) oder einem Körpersegment (10, 11, 12, 13, 14); Einschalten der Vorrichtung; Optional kann ein Zweitgerät eingeschaltet, eine entsprechende Applikation gestartet und mit der mobilen Vorrichtung per Funk verbunden werden,
- – Anschließende, schnell ausgeführte Bewegung, welche signifikant schneller sind als mögliche Grundbewegungen, werden automatisch über die Auswertung der Sensordaten (2a, 2b und optional 2c) erfasst,
- – Erfasste Bewegungen werden automatisch in trainingswissenschaftlich relevante Bewegungsphasen eingeteilt und alle relevanten kinematischen und kinetischen Bewegungsparameter in der mobilen Vorrichtung (1) errechnet,
- – Alle relevanten Daten werden entweder mittels der lokalen Ausgabe (7) oder auf einem per Funk verbundenem Zweitgerät (8) in Echtzeit dargestellt.
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Im Folgenden wird die Nutzung der Vorrichtung (1) beispielhaft im Bereich Gewichtheben dargestellt. Für die Anwendung im olympischen Gewichtheben wird die Vorrichtung (1) direkt vor der Nutzung über die lokale Bedienerschnittstelle (3) eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt kann der Athlet bereits seine Aufwärmsätze beendet haben oder die Vorrichtung (1) auch während der leichteren Aufwärmsätze einsetzen. Hierzu wird die eingeschaltete Vorrichtung (1) an einer beliebigen Stelle der Langhantel (9) befestigt. Die Platzierung kann dabei frei gewählt werden, um unterschiedliche Griffbreiten des Athleten zu berücksichtigen und die Übungsausführung nicht zu beeinflussen.
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Ein optionales Zweitgerät (8) kann bereits mit der Vorrichtung per Funkmodul (6) verbunden sein oder zu jedem späteren Zeitpunkt verbunden werden. Jede ausgeführte Bewegung des Gewichthebers mit der Hantel wird aufgezeichnet. Hierzu werden die Sensordaten im Prozessor (4) der Vorrichtung (1) fusioniert und einzelne Übungsausführungen softwareseitig automatisch separat ermittelt und über eine lokale Ausgabe (7) und / oder dem verbundenen Zweitgerät (8) ausgegeben. Zu jeder Wiederholung sind eine Vielzahl von Auswertungen in Echtzeit verfügbar.
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Dies kann z.B. die Trajektorie der Hantel in der Sagittalebene sein, welche diverse Aussagen über die Güte der Ausführung und mögliche Schwachstellen zulässt. Durch die schnelle explosive Ausführung können kleinere Abweichungen vom Technikleitbild selbst durch erfahrene Trainer nur schwer erkannt werden. Auch Parameter wie die durchschnittliche Geschwindigkeit der konzentrischen Bewegungsphase werden in Echtzeit bereitgestellt und können direkt zwischen verschiedenen Wiederholungen verglichen werden. Nach der Nutzung wird die Vorrichtung (1) über die lokale Bedienerschnittstelle (3) abgeschaltet und von der Hantel (9) entfernt. Es ist keine Nachbereitung der erfassten Daten nötig. Lediglich die Dokumentation der erfassten Trainingsdaten ist Aufgabe des Anwenders.
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Für die Anwendung in der Sprungdiagnostik wird die Vorrichtung (1) beispielsweise an der Hüfte (10) einer Person (P) fixiert. Das gesamte Vorgehen bleibt dabei gleich zum ersten Beispiel aus dem Gewichtheben. Dem Anwender stehen direkt Werte, wie z.B. die Sprunghöhe, die Absprunggeschwindigkeit und weiteren trainingswissenschaftliche Parameter zur Verfügung.
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Die Vorteile der besagten mobilen Vorrichtung gegenüber dem Stand der Technik sind zum einen die einfache schnelle Anwendbarkeit ohne nachgelagerte Auswertung bei gleichzeitig hohem Aussagegehalt. Es stehen zwar bei weitem nicht die umfangreichen Auswertungen einer Ganzkörper-Kinemetrie zur Verfügung, jedoch können schnelle Bewegungen im Sport mit der Vorrichtung sehr genau und umfangreich diagnostiziert und analysiert werden. Unter der Tatsache, dass diese schnellen Bewegungen im Sport leistungsbestimmend sind und eine schnelle sowie häufige Diagnostik ermöglicht wird, entsteht ein erheblicher Mehrwert durch den Einsatz dieser Erfindung. Zum anderen bietet diese Erfindung im Gegensatz zu mobilen Fitnessanalysegeräten des Standes der Technik eine exakte Analyse nahezu frei wählbarer Bewegungen nahezu aller Sportarten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011121259 B3 [0003]
