einer Person auf ein Trainingsgerät

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Krafteinwirkung einer Per- son, insbesondere einer eine Kampfsportart ausführenden Person, auf ein rück- stellfähiges Trainingsgerät, z.B. durch Einwirkung auf das Gerät mittels einer Ex- tremität, wie z.B. der Hand/Faust oder des Fußes der Person.

Insbesondere betrifft die Erfindung die Ermittlung der Krafteinwirkung und ande- rer Schlagparameter bei Kampfsportarten über Bewegungssensoren in einem vom Sportler am Körper getragenen Gerät.

2. Hintergrund

Beim Training für Kampfsportarten kommt der Objektivierung von Trainingsfort- schritten - wie in den meisten Sportarten - eine erhebliche Bedeutung zu. We- sentliche Trainingselemente sind Schläge oder Tritte auf hierzu bestimmte Trai- ningsgeräte (Sandsäcke, Makiwaras, ...), wie z. B. in DE-A-10 2011 085 719 be- schrieben. Hier ist es für den Sportler wünschenswert, die Stärke der Schläge (oder Tritte) sowie andere Parameter (z.B. Häufigkeit von Schlägen oder Tritten pro Zeit- intervall) objektiv messen zu können, um sich mit anderen Sportlern zu verglei- chen und um Trainingsfortschritte beurteilen und aufzeichnen zu können.

Bislang gibt es hierzu die Möglichkeit, mit Drucksensoren ausgestattete Trainings- pads zu nutzen, über die eine Ermittlung und Anzeige der Schlagkraft erfolgen kann. Dies hat eine Reihe von Nachteilen : • Die Messung der Schlagkraft ist nur für bestimmte Trainingseinheiten möglich (Schläge oder Tritte auf ein feststehendes Pad). Bei Nutzung vieler Trainings- geräte (z.B. Sandsäcke, Makiwaras) kann die Schlagkraftermittlung auf diese Weise nicht erfolgen.

• Die Ermittlung der Schlagparameter ist auf die Schlagkraft beschränkt. Weite- re Parameter wie die Schlaggeschwindigkeit lassen sich nicht oder (wie z.B. die Häufigkeit von Schlägen) nur mit Aufwand ermitteln.

• Die Ermittlung der Schlagparameter erfolgt nicht personalisiert für den Sport- ler, sondern wird lediglich in der Trainingseinrichtung angezeigt.

Darüber hinaus gibt es Konzepte zur Ermittlung von Bewegungsabläufen und Schlagparametern über mit Beschleunigungssensoren ausgestattete Geräte, die vom Sportler am Körper getragen werden (z.B. Boxhandschuhe mit integrierten Sensoren - siehe z. B. US-A-2014/0248594, US-A-2014/0372440 und US-A- 2016/0263458). Dies erlaubt die Bestimmung der Schlagfrequenz und aus den Be- schleunigungsdaten kann die Geschwindigkeit des Schlages ermittelt werden.

Ohne Bezug zu den Eigenschaften und Materialparametern der verwendeten Trai- ningsgeräte lässt sich aus diesen Daten aber nicht die tatsächlich auf das Trai- ningsgerät ausgeübte Kraft ermitteln, da eine unmittelbare Verwendung der Ge- setzmäßigkeit Kraft = Masse x Beschleunigung nicht zur Ermittlung der ausgeüb- ten Kraft verwendet werden kann :

• Die beschleunigte Masse ist nicht genau definierbar (neben der Schlaghand wird auch ein nicht genau definierbarer Teil des Körpers beschleunigt und beim Schlag abgebremst).

• Eine Anwendung dieser Formel würde dem gedachten Fall entsprechen, dass ein Gegenstand (z.B. ein Ball) mit der entsprechenden Geschwindigkeit und Masse gegen das Trainingsgerät geworfen wird und dann abgebremst wird. Eine Ermittlung der Kraft über diesen Zusammenhang vernachlässigt daher, dass während des Schlages eine weitere beschleunigende Muskelkraft wirkt, die der Verzögerung durch das Trainingsgerät entgegen wirkt. Diese zusätzliche Mus- kelkraft wird in der obigen Formel nicht berücksichtigt. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung der Krafteinwirkung ei- ner Person auf ein rücksteilfähiges Trainingsgerät, mit dem sich die Kraft, die auf das Trainingsgerät wirkt, und/oder die Energie, die in das Trainingsgerät einge- bracht worden ist, genauer ermitteln lässt bzw. lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, wobei

ein rücksteilfähiges Trainingsgerät bereitgestellt wird, bei dem die aus dem Ausmaß einer Auslenkung des Trainingsgeräts aus einer Ruheposition resul- tierende aufgebrachte Kraft und/oder eingebrachte Energie bekannt ist oder aus den physikalischen Eigenschaften des Trainingsgeräts ermittelt wird, die in Richtung des Trainingsgeräts erfolgende Bewegung der Extremität der Person ab spätestens dem Zeitpunkt des Auftreffens der Extremität auf das Trainingsgerät bis zum Zeitpunkt des Stillstands der in der besagten Rich- tung erfolgten Bewegung messtechnisch erfasst wird,

aus der zwischen den beiden zuvor genannten Zeitpunkten erfolgten Bewe- gung der Extremität der Person die Auslenkung des Trainingsgeräts und aus der Auslenkung des Trainingsgeräts die auf das Trainingsgerät ausgeübte Kraft und/oder die in das Trainingsgerät eingebrachte Energie ermittelt wird.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die in Richtung auf das Trainingsgerät erfolgende Bewegung der Extremität der Person ab dem Zeitpunkt des Beginns der Bewegung messtechnisch erfasst wird.

Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Bewegung der Extremität der Person anhand von mindestens einem zumindest eindimensionalen, vorzugsweise dreidi- mensionalen Sensor, insbesondere Weg- oder Beschleunigungssensor, Gyrosen- sor und/oder Magnetometer, messtechnisch erfasst wird.

Zweckmäßig kann es ferner sein, wenn der mindestens eine Sensor von der Per- son an deren auf das Trainingsgerät einwirkenden Extremität getragen wird. Die Nachteile des Standes der Technik werden durch das erfindungsgemäße Ver- fahren überwunden, bei dem die Schlagparameter nicht direkt, sondern indirekt über entsprechende Sensoren ermittelt werden. Die interessierenden Parameter (insbesondere die auf den Schlaggegenstand ausgeübte Kraft) werden dabei aus den Sensordaten über die Nutzung physikalischer Zusammenhang bestimmt. Die- se Zusammenhänge erlauben neben der Bestimmung der während des Schlages oder Tritts wirkenden Kraft auch die Berechnung der vom Sportler aufgewendeten Energie.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei einer breiten Palette von Trainingsgerä- ten anwendbar und erfordert für jedes Trainingsgerät lediglich die Festlegung von wenigen Kalibrierparametern (z.B. Masse und Länge der Aufhängung des Trai- ningsgeräts, auf das durch Schlagen eingewirkt wird, wie z.B. bei Sandsäcken, oder Federkonstante, wie z.B. bei Makiwaras).

Die Daten werden über ein mit Bewegungssensoren ausgestattetes Gerät (soge- nanntes Wearable) ermittelt und analysiert, das vom Sportler je nachdem, ob die Kraft im Arm oder im Bein gemessen werden soll, am Arm- oder Fußgelenk getra- gen wird. Über eine entsprechende drahtlose Kommunikation können die Daten an ein Empfangsgerät übermittelt werden, wo sie weiteren Auswertungen unterzo- gen, dem Sportler dargestellt, gespeichert und optional an eine Cloud gesendet werden.

3. Anwendungsbereich

Das entwickelte Konzept ist auf alle Kampfsportarten anwendbar, bei denen ein Sportler gegen einen Gegenstand schlägt oder tritt, wobei der Gegenstand dem Schlag oder Tritt über seine elastischen Eigenschaften oder über die Schwerkraft einen Widerstand entgegensetzt. In diesen Fällen können die auf den Gegenstand ausgeübte Kraft, die übertragene Energie sowie weitere Trainingsparameter wie die Frequenz und die Gesamtzahl von Schlägen oder Tritten bestimmt werden. In Fig. 1 sind häufig verwendete Trainingsgeräte dargestellt, bei denen die Erfin- dung anwendbar ist.

Bei Makiwaras (Fig. la) oder ähnlichen Geräten erfolgt der Schlag gegen einen elastischen Gegenstand (z.B. ein Brett). Dieser Gegenstand wird durch den Schlag über eine bestimmte Strecke d ausgelenkt. Die hierzu erforderliche Kraft ergibt sich aus der Auslenkung d und den Materialeigenschaften, die sich in der Feder- konstante K widerspiegeln. Über die Gesetzmäßigkeit Energie = Kraft x Weg lässt sich zudem die übertragene Energie bestimmen.

An elastischen Halterungen aufgehängte Gegenstände (Fign. lb und lc) entspre- chen in ihren physikalischen Eigenschaften Makiwaras und lassen sich analog be- handeln.

Bei einem Sandsack (Fig. Id) wird dieser durch den Schlag beschleunigt und eben- falls um eine Strecke d ausgelenkt. Aus dieser Auslenkung d lässt sich die über- tragene Energie bestimmen, wenn Masse M und Länge der Aufhängung L bekannt sind. Diese Energie erlaubt den Rückschluss auf die beim Schlag oder Tritt wirken- de Kraft sowie die übertragene Energie.

4. Funktionsprinzip

Die Ermittlung der Schlagparameter erfolgt auf indirektem Weg über eine Analyse der Schlagbewegung (oder der Trittbewegung). Hierzu gehört zum einen die Be- schleunigungsphase von Hand oder Fuß. Beim Auftreffen auf das Trainingsgerät entsteht dann eine starke Verzögerung der Bewegung. Die raum- und zeitaufge- löste Ermittlung der Position und Geschwindigkeit von Hand oder Fuß während der Schlagbewegung bildet dann zusammen mit Materialparametern des Schlaggegen- stands die Basis der Auswertungen, deren Methodik im Folgenden spezifiziert wird.

4.1 Ermittlung der zeitaufgelösten Koordinaten der Schlagbewegung Die zunächst zu ermittelnden Zielparameter während Beschleunigung und Ab- bremsung von Hand oder Fuß sind die zeitaufgelösten Koordinaten der Schlagbe- wegung auf den drei Raumachsen relativ zum Trainingsgerät.

Als Basis für deren Bestimmung werden die von dem Beschleunigungssensor in kurzen Zeitintervallen in der Größenordnung von z.B. Millisekunden gelieferten Messwerte der Beschleunigung verwendet. Über eine Rückrechnung (Integration) auf die Geschwindigkeit und weiter auf die von Hand oder Fuß zurückgelegte Ent- fernung lässt sich hieraus die Schlagbewegung über zeitaufgelöste dreidimensio- nale Koordinaten werte beschreiben :

• Für jedes Zeitintervall ergibt sich dabei der Vektor der zurückgelegten Entfer- nung abhängig von der räumlichen Anfangsposition und der Geschwindigkeit von Hand oder Fuß zu Beginn des Zeitintervalls.

• Die Veränderung der Geschwindigkeit im Zeitintervall wird aus den Beschleu- nigungswerten berechnet. Die so ermittelten Entfernungs- und Geschwindig- keitsvektoren bilden dann die Basis für die Auswertung der Schlagbewegung im nächsten Zeitintervall.

• Die vor Beginn des Schlages vorliegenden Anfangswerte zur räumlichen Positi- on und Geschwindigkeit lassen sich aus den Beschleunigungsdaten nicht be- rechnen. Aus der Rückrechnung der Entfernungs- und Geschwindigkeitsvekto- ren während der gesamten Schlagbewegung lassen sich diese Anfangswerte aber relativ zum Trainingsgerät bestimmen und dies ergibt eine ausreichende Basis für die weiteren Auswertungen der Schlagparameter. Ausgangspunkt hierfür sind die ermittelten Daten zum Auftreff- und Umkehrpunkt (s. Abschnitt 4.2) .

Da ein Schlag oder Tritt in der Praxis nicht völlig linear in Richtung des Trainings- geräts erfolgt, kann eine Steigerung der Genauigkeit der Ermittlung der zeitlich aufgelösten Entfernungs- und Geschwindigkeitsvektoren dadurch erfolgen, dass neben den Beschleunigungswerten über einen Beschleunigungssensor auch die Drehbewegung über einen Gyrosensor bestimmt wird. Außerdem besteht zur wei- teren Steigerung der Genauigkeit die Option, anstelle oder zusätzlich zu dem Gy- rosensor ein Magnetometer einzusetzen. Eine weitere Genauigkeitssteigerung kann dadurch erreicht werden, dass zwei Bewegungssensoren verwendet werden, die jeweils für niedrige bzw. hohe Beschleunigungen ausgelegt sind und in den verschiedenen während des Schlages auftretenden Beschleunigungsbereichen ge- nauere Daten liefern.

Insgesamt können die ggf. durch die mehreren Sensoren ermittelten Messwerte verwendet werden, um die Bestimmung der zeitaufgelösten dreidimensionalen Ko- ordinaten von Hand und Fuß sowie der jeweiligen Geschwindigkeit während des Schlages genauer zu bestimmen.

4.2 Ermittlung der primären Schlag- oder Trittparameter

Um die Schlagparameter zu berechnen, müssen zunächst die folgenden Zeitpunkte ermittelt werden :

• Beginn der Schlagbewegung;

• Auftreffzeitpunkt von Hand oder Fuß auf das Trainingsgerät und

• Umkehrzeitpunkt, an dem die maximale Auslenkung d (siehe Fig. 1) erreicht ist.

Diese Zeitpunkte lassen sich aus der zeitlich aufgelösten Analyse der Schlag- oder Trittbewegung gemäß Abschnitt 4.1 bestimmen :

• Der Beginn der Schlagbewegung lässt sich aus dem Anfang der Beschleuni- gungsphase von Hand oder Fuß ermitteln.

• Der Zeitpunkt des Auftreffens von Hand oder Fuß auf das Trainingsgerät wird als Beginn der Verzögerung bestimmt.

• Zum Ende des Schlages am Umkehrzeitpunkt erfolgt eine Umkehr der Bewe- gungsrichtung, die sich ebenfalls aus den zeitaufgelösten dreidimensionalen Koordinaten von Hand und Fuß ablesen lässt.

Die ermittelten Zeitpunkte bilden zum einen die Basis der Bestimmung der Schlag- frequenz. Zum anderen ermöglicht die Ermittlung der Auslenkung d des Trainings- geräts zwischen Auftreff- und Umkehrpunkt die Ermittlung von ausgeübter Kraft und übertragener Energie (s. Abschnitt 4.3).

Die konkrete Durchführung dieser Analyse zur Ermittlung der primären Schlag- oder Trittparameter kann auf analytischem Wege erfolgen, indem die zeitaufge- lösten Ergebnisse aus Abschnitt 4.2 ausgehend von gewissen Schwellenwerten der Beschleunigung bzw. Verzögerung zur Ermittlung der verschiedenen Schlagpha- sen verwendet werden.

Eine Alternative besteht darin, die zeitlichen Parameter des Schlages oder Trittes mit Methoden der Künstlichen Intelligenz zu ermitteln. Die gemäß Abschnitt 4.1 ermittelten Daten zur zeitaufgelösten Beschleunigung können als Eingangswerte eines neuronalen Netzes verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ können auch hieraus abgeleitete Werte (Geschwindigkeit und zurückgelegte Entfernung) an ein neuronales Netz übergeben werden.

Nach einem entsprechenden Training des neuronalen Netzes mit Daten zu realen Schlägen kann dieses verwendet werden, um alle oder einige der o.g. Schlagpa- rameter zu ermitteln. Dies gilt sowohl für isolierter Schläge oder Tritte wie auch für Serien von Schlägen oder Tritten, aus denen ein entsprechend trainiertes neu- ronales Netz die Einzelereignisse herausfiltern und deren primäre Parameter in Form der Zeitpunkte der Einzelereignisse ableiten kann.

Eine zusätzliche Option zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Schlag- oder Trittparameter besteht darin, am Trainingsgegenstand ein weiteres Gerät zu befestigen, das mit entsprechender Sensorik (Beschleunigungssensor, Gyrosensor und/oder Magnetometer) ausgestattet ist. Mittels dieser zusätzlichen Sensorik können die durch die Schlag- oder Trittbewegungen bewirkten Auslen- kungen der Trainingsgeräte im Raum dreidimensional erfasst und in die Analyse einbezogen werden. Die zusätzliche Nutzung dieser Daten kann insbesondere bei Sandsäcken (s. Fig. Id) und ähnlichen Trainingsgeräten, die an einer Aufhängung frei pendeln können, die Analysegenauigkeit der im Folgenden beschriebenen ma thematischen Verfahren weiter verbessern, indem die relativen Positionen und Be- wegungsrichtungen von Schlaghand bzw. -fuß und Trainingsgerät in die Bewer- tung einbezogen werden.

4.3 Ermittlung der ausgeübten Kraft und übertragenen Energie

Aus den primären Parametern der Schlag- oder Trittbewegung lässt sich über phy- sikalische Zusammenhänge die auf das Trainingsgerät ausgeübte Kraft wie auch die übertragene Energie (d.h. geleistete Arbeit) bestimmen, die sich jeweils aus der Art des Trainingsgegenstandes ergeben :

• Bei Makiwaras oder ähnlich elastisch konzipierten oder aufgehängten Trainings- geräten (s. Fign. la bis lc) ergibt sich die aufzuwendende Kraft für die Auslen- kung d als Produkt aus dieser Auslenkung und der Federkonstante K:

F = K * d

Die Federkonstante stellt in diesem Fall einen zu konfigurierenden Materialpa- rameter dar, die Auslenkung d wird gemäß den vorherigen Abschnitten be- stimmt. Die aufzuwendende Energie bestimmt sich in diesem Fall aus der Glei- chung

E = ¹ /2 * K * d ²

• Bei einem Sandsack entspricht die aufzuwendende Kraft der Tangentialkompo- nente des Gewichtsvektors und die geleistete Arbeit der Erhöhung der potenti- ellen Energie. Beides lässt sich aus dem Auslenkungswinkel f des Sandsacks bezogen auf die Vertikale ermitteln. Dieser Auslenkungswinkel f ergibt sich aus der Auslenkung des Schwerpunkts d _s und der Länge der Aufhängung von der Deckenbefestigung bis zum Schwerpunkt L _s als f = 2 * arcsin (d _s / 2*L _S )

Da der Auftreffpunkt des Schlags oder Tritts nicht notwendig auf Schwerpunkt - höhe liegt, muss hierbei die Auslenkung des Schwerpunkts d _s aus der gemäß den vorherigen Abschnitten bestimmten Auslenkung d durch Multiplikation mit dem Verhältnis des Abstandes von Schwerpunkt L _s und Auftreffpunkt L _A von der Aufhängung bestimmt werden : d _s = d * (l_s / L _a )

Aus dem so bestimmten Auslenkungswinkel f ergibt sich dann mit der Masse des Sandsacks M und der Erdbeschleunigung g die aufzuwendende Tangential- komponente der Gewichtskraft als:

F = M * g * sin(f)

Die aufzuwendende Energie ergibt sich aus der potenziellen Energie des Schwerpunkts bei der Auslenkung um den Winkel f zu :

E = M * g * L _s * (l - cos(f))

Damit erfordert die Umsetzung bei Makiwaras oder ähnlichen elastisch reagieren- den Trainingsgeräten die Bestimmung der Federkonstante, die z.B. aus einer ein- fachen Messung der Auslenkung mit einer Zugwaage zur Kraftbestimmung ermit- telt werden kann. Für Sandsäcke sind neben der im Regelfall bekannten Masse die leicht zu messenden Abstände von Schwerpunkt und Auftreffpunkt von der Auf- hängung zu ermitteln.

4.4 Beispiele für die technische Realisierung

Die zu verwendenden Sensoren (Beschleunigungssensoren und ggf. weitere un- terstützende Sensoren wie Gyrosensor und Magnetometer) stehen als Standard- komponenten in Form von integrierten Schaltkreisen (MEMS) zur Verfügung. Sie sind in einem am Schlagarm (oder Unterarm oder Handgelenk) oder Schlagfuß (Fußgelenk) oder zugehörigen Bein (Ober- oder Unterschenkel) zu tragenden Ge- rät G angeordnet (s. Fig. 2). Bei dem Gerät handelt es sich um ein Wearable, wie z.B. Fitness- oder Activity-Tracker mit der für die Erfindung erforderlichen Bewe- gungs- und/oder Beschleunigungssensorik (vorzugsweise 3D-Sensorik) oder um ein Smartphone mit einer solchen Sensorik.

Zur Auswertung der Sensordaten sollten diese mit genauer Zeitauflösung im Milli- sekunden-Bereich ermittelt und analysiert werden. Hierzu ist in dem Gerät ein ent- sprechender Zeitmesser erforderlich.

Weiter müssen die analogen Daten digital transformiert werden und dann in einer CPU ausgewertet werden. Dies erfolgt entweder über analytische Algorithmen oder ganz oder teilweise durch Nutzung eines neuronalen Netzes, das über entspre- chende Softwaretools in der CPU implementiert wird.

Außerdem muss ein lokaler Speicher für die Programmkomponenten und die not- wendigen Parameter vorhanden sein. Hierzu gehören die Basisparameter der ver- wendeten Trainingsgeräte. Bei Nutzung eines neuronalen Netzes schließen diese Parameter auch die über das Lernen ermittelten Verbindungsgewichte der Neuro- nen ein.

Hinzu kommen weitere Komponenten zur Stromversorgung und Anzeige- und Be- dieneinrichtungen.

Der Start der Auswertungsphasen erfolgt entweder über Tasten bzw. berührungs- empfindliche Sensoren in dem am Körper getragenen Gerät oder über Gesten- steuerung (z.B. Hin- und Herdrehen des Handgelenks zum Start einer Schlagaus- wertung).

Die Daten werden in dem Gerät per Software aufbereitet. Bei Nutzung einer An- zeigeeinrichtung am Gerät werden ermittelte Kerndaten der Analyse dem Benut- zer unmittelbar angezeigt. Zusätzlich besteht die Option, die Daten zur weiteren Auswertung und Verwendung über eine drahtlose Kommunikationsverbindung (z.B. Bluetooth) an ein Basisgerät zu übertragen. Über die Verbindung mit einem Basisgerät kann auch die Konfiguration der Basisparameter zu den Trainingsgerä- ten erfolgen. Wird ein zusätzliches mit Sensorik ausgestattetes Gerät benutzt, das am Trainings- gegenstand befestigt wird, können die Messdaten über eine drahtlose Kommuni- kationsverbindung (z.B. Bluetooth) an das am Arm oder Bein getragene Gerät übermittelt werden und in diesem kann dann die zusammenfassende Auswertung erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann auch zur Übermittlung und zusammen fassenden Auswertung der Daten eine entsprechende drahtlose Kommunikations- Verbindung mit dem Basisgerät aufgebaut werden. Auf dem Basisgerät können die Daten dann über die Nutzung entsprechender Ap- ps weiter aufbereitet, gespeichert und mit Daten früherer Trainingseinheiten oder anderer Sportler verglichen werden. Es besteht auch die Möglichkeit, Speicherung und Vergleich von Analysedaten über das Internet zu organisieren. 4.5 Zusammenfassung

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann aus den Beschleunigungswerten und ggf. weiteren Sensorinformationen durch Ermittlung der physikalischen Kenngrö- ßen des Schlags oder Tritts die erzielte Auslenkung des Trainingsgeräts ermittelt werden. Aus den physikalischen Eigenschaften des Trainingsgeräts kann mit Hilfe von Kalibrierparametern (z.B. Masse und Länge der Aufhängung bei Sandsäcken oder Federkonstante bei Makiwaras) durch Anwendung der entsprechenden phy- sikalischen Gesetzmäßigkeiten die Schlagstärke in Newton bestimmt werden. Wei- tere Parameter wie die Schlagfrequenz sowie Bewegungsparameter z.B. der Aus- holbewegung lassen sich ebenfalls durch Rückrechnung aus den Beschleunigungs- werten ermitteln. Ebenfalls bestimmen lässt sich aus diesen Daten die an den Trai- ningsgegenstand übertragene Energie.