Sensorgestützte Geschwindigkeitsmessung im Weitsprung

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Veranstaltung SE Aktuelle Themen der Sportbiomechanik
Autor Jennifer Conrad
Projektthema Sensorgestützte Geschwindigkeitsmessung im Weitsprung
Experten Dr. Luis Mendoza, Eberhard Nixdorf, Christian Günther
Bearbeitungsdauer 90 Minuten
Präsentationstermin 01.09.2014
Zuletzt geändert 30.09.2014

Einleitung

Im Rahmen des Seminars „Aktuelle Themen der Biomechanik“ war es die Aufgabe, sich mit der aktuellen Forschung und Entwicklung im Bereich der Biomechanik zu befassen. Zunächst sollte herausgefunden werden, welche Themen und Probleme derzeit in der Biomechanik relevant sind. Nachdem Interviews mit Experten am Olympiastützpunkt Hessen geführt wurden, war es das Ziel eine Forschungsfrage zu finden und ein eigenes kleines Projekt abzuschließen. Während eines interessanten und abwechslungsreichen Gesprächs konnten zahlreiche Probleme und Themen gefunden werden. Nach Sichtung und Priorisierung der Themen wurde das hier vorgestellte Thema „Sensorgestützte Geschwindigkeitsmessung im Weitsprung“ gewählt. Zunächst werden in einem einführenden Beispiel der Weitsprung und seine Einflussmerkmale vorgestellt, sowie die Durchführung und damit einhergehenden Probleme der biomechanischen Messungen während eines Weitsprungwettkampfes beschrieben. Anschließend werden neue Konzepte zur Messung der Anlaufgeschwindigkeit aufgezeigt.

Einführendes Beispiel

„Wie der Sprint und der Lauf gehört das Springen zu den natürlichen Bewegungsformen des Menschen.“ (Wick, 2009, S. 201) Somit ist es nur folgerichtig, dass die Leichtathletik eine Vielzahl an Lauf- und Sprungwettbewerben bietet. Die Leichtathletikwettbewerbe sind ein zentraler Bestandteil der Olympischen Spiele der Neuzeit. Diesem Umstand entsprechend stehen die einzelnen Disziplinen häufig im Fokus des leistungsdiagnostischen Interesses. Das vorrangige Ziel im Weitsprung besteht in der Weitenmaximierung. Infolge der physikalischen Gesetzmäßigkeiten entspricht die Realisierung der Sprungweite den Grundlagen des „schrägen Wurfs“ (vgl. Wick, 2009, S. 202). Laut Ballreich (1986, S. 28) lässt sich die Sprungweite in drei Teilweiten gliedern:

  • W1 Absprungweite
  • W2 Flugweite
  • W3 Landeweite (Landeanflugweite und Landepositionsweite)

Die Biomechaniker des Olympiastützpunkt Hessen führen schon seit vielen Jahren leistungsdiagnostische Untersuchungen zum Weitsprung durch. Unter anderem durch eine Vielzahl an Messungen sind sie zu der Erkenntnis gelangt, dass Absprung- und Landeweite weitestgehend durch die körperlichen Merkmale des Athleten vorbestimmt sind, die Flugweite jedoch hauptsächlich von Betrag und Richtung der Körperschwerpunktgeschwindigkeit abhängt (vgl. Mendoza et al., 2006). Abbildung 1 veranschaulicht die Einflussmerkmale des Weitsprungs.


Abb.1: Einflussmerkmale beim Weitsprung (mod. nach Mendoza et al., 2006)


Wie bereits erwähnt, folgt die Flugweite den physikalischen Gesetzmäßigkeiten des schrägen Wurfes und lässt sich in folgender Formel beschreiben:

Abb.2: Physikalische Gesetzmäßigkeit der Flugweite

Aus der Gleichung lässt sich erkennen, dass die Flugweite entweder durch Abfluggeschwindigkeit ($v_0$) und Abflugwinkel ($\alpha_0$) oder aus den Komponenten der Abfluggeschwindigkeit (Horizontalgeschwindigkeit $v_0_x$, Vertikalgeschwindigkeit v0z) bestimmt werden kann. Die Ausprägung der Geschwindigkeitskomponenten ist von der Anlaufgeschwindigkeit und dem Geschwindigkeitsverlust, bedingt durch die Absprungtechnik, abhängig (vgl. Mendoza et al., 2006).

Durch statistische Analysen konnte am Olympiastützpunkt festgestellt werden, das ein starker Zusammenhang zwischen maximaler Anlaufgeschwindigkeit (r > 0.8) und Sprungweite besteht (vgl. Mendoza et al., 2006). Somit kann die Anlaufgeschwindigkeit als Indikator für die Weitsprungleistung genutzt werden und dient vor allem während eines Wettkampfes als Schnellinformation zur Güte des absolvierten Sprungs. Aktuell erfolgt die Geschwindigkeitsmessung am Olympiastützpunkt mittels Lichtschrankenanlagen, welche ihre Signale per Funk an einen PC weiterleiten. Dieses Verfahren bringt jedoch auch einige Nachteile mit sich:

  • Fehlmessungen bedingt durch die individuelle Anlaufgestaltung und der körperlichen Voraussetzungen der Athleten (Auslösung der Lichtschranke durch Arm oder Knie)
  • Geschwindigkeit kann nur als Durchschnittsgeschwindigkeit gemessen werden
  • Keine 3D-Geschwindigkeitsmessung

Nachfolgend wurde nun versucht, an Konzepten zu arbeiten, die diese Nachteile nicht besitzen und dennoch schnell Auskunft über die Geschwindigkeit geben.

Inhalte

Nachdem während des einführenden Interviews über Möglichkeiten der Geschwindigkeitsmessung mittels „Chip am Körper“ gesprochen und dies im späteren Verlauf als Thema festgelegt wurde, müssen zunächst die Anforderungen an das gewünschte System erstellt werden.

Tab. 1: Anforderungsliste für Sensorprojekt „Chip am Körper“

Anforderungsliste
Rahmenbedingungen Anwendbar im Wettkampf
Darf kein Nachteil für den Athleten ergeben
Muss vom Athleten akzeptiert sein
Sofortige Information (nach dem Sprung)
Funktionalanforderungen Geschwindigkeitsmessung
Drahtlose Datenweitergabe
Anbringungsmöglichkeit
Qualitätsanforderungen Genauigkeit
Auflösung (räumlich, zeitlich)
Richtung der Geschwindigkeit
Rückwirkungsfrei (Für den Athleten nicht zu spüren)
3-dimensionale Geschwindigkeitsmessung
Größe (möglichst klein)
Leicht
Einfache Kalibrierung
Leichte Anbringung
Robust
Günstige Anschaffung


Im zweiten Schritt wurde eine Recherche nach bestehenden Systemen durchgeführt, welche für die gewünschte Messung genutzt werden können. Diese Systeme werden im Folgenden vorgestellt:

xsens MTw Development Kit

Das xsens MTw Development Kit enthält mehrere Sensormodule, die individuell am Körper befestigt werden können. Das Set besteht u. a. aus mehreren drahtlosen Motion Trackern, Befestigungsgurten, einer Ladestation und Management- bzw. Entwicklungssoftware.

Physische Eigenschaften eines Motion-Trackers

  • Gewicht: 27g
  • Abmessung: 34.5 x 57.8 x 14.5 mm (B x L x H)

Im nachfolgenden Video wird das Sensorsystem vorgestellt:

Mit den xsens Motion Trackern besteht die Möglichkeit, Informationen zu 3D-Beschleunigung, 3D-Orientierung, statischem Druck, 3D-Drehgeschwindigkeit und Erdmagnetfeld (3D) zu erhalten. Der Hersteller verspricht eine Reichweite von 50m für die Sensoren und die Datenübertragung erfolgt via 2.4 GHz Radiofrequenz. Das komplette Development Kit wird durch eine Management- sowie eine Entwicklungssoftware ergänzt (vgl. xsens Technologies, 2012).

Sensixa e-AR

Sensixa e-AR ist ein System, welches am Ohr des Nutzers befestigt wird und das menschliche Vestibularsystem zum Vorbild hat. Laut Herstellerangaben können mit diesem System in Echtzeit Gangzyklen, statische & nicht statische Bewegungen, Beschleunigung und Schockwellen, die auf die Wirbelsäule/Gelenke wirken, gemessen werden. Der Hersteller arbeitet bereits mit dem UK Imperial College London zusammen, um im Bereich der Body-Sensor-Netzwerke Lösungen für das sportliche Training zu entwickeln. (vgl. Sensixa Ltd, 2014; vgl. Sensixa Ltd., 2014). Das Sensorsystem e-AR ist ein Gegenstand der britischen Forschungsgruppe ESPRIT, welche im Bereich des Elitesports forscht (vgl. Lo, 2011).

Informationen zu physischen und technischen Eigenschaften des Sensorsystems sind schwer zu finden. Der Hersteller selbst macht hierzu keine Angaben. Im Jahre 2009 stand dieses System im Finale des „innovation world cup“. In der dortigen Vorstellung wird ein Gewicht von 7.4g angegeben (vgl. Innovation World Cup Series, 2013).

Das eingebettete Video demonstriert die Möglichkeiten des Systems:

Nike+ iPod Sport Kit

Der Nike+ Sensor wie in Abbildung 2 gezeigt bzw. das Nike+ iPod Sport Kit ist ein kommerzielles System zur Geschwindigkeitsmessung. Das ursprüngliche System besteht aus einem Beschleunigungssensor, einem Empfänger und einem iPod-Nano. Neuere iPod-Versionen haben den Empfänger bereits integriert. Der Sensor kann in einem speziellen Schuh eingesetzt (Abbildung 3) oder außen am Schuh befestigt werden. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgt mittels Bodenkontaktzeiten, die von einem piezoelektrischen Beschleunigungssensor gemessen werden. Die Übermittlung der Daten erfolgt via Radiowellen und einer Frequenz von 2.4 GHz. Der Abstand zwischen Sensor und Empfänger darf maximal 18m betragen (vgl. HowStuffWorks, 2014). Da die Datenübermittlung kaum geschützt ist, können die Signale auch problemlos von anderen Empfängern empfangen werden (vgl. Saponas et al., 2006). Bei Anschaffungskosten von ca. 20€ ist dieser Sensor sehr kostengünstig zu erwerben.

Physische Eigenschaften eines Nike + Sensors (vgl. NIKE Retail B.V., 2014)

Gewicht: 3,5 g Abmessung: 35,0 X 24,2 X 7,5 mm (H xB xL)

Abb.3: Nike+ Sensor
Abb.4: Nike+ Sensor im Schuh














Zusammenfassung

In diesem Beitrag wurden drei Sensorsysteme vorgestellt, welche für sensorgestützte Geschwindigkeitsmessungen genutzt werden könnten. Um festzustellen, ob eines oder sogar mehrere Systeme in Frage kommen oder als Grundlage für eine Weiterentwicklung dienen können, muss weiter geprüft werden. Vor allem die Punkte Kosten, Messgenauigkeit und Anwendbarkeit im Wettkampf müssen hier besonders berücksichtigt werden.

Eigener Standpunkt

Die Autorin selbst sieht am meisten Potenzial im Sensixa e-AR-System. Das bioinspired Design, das geringe Gewicht und die Positionierung des Sensors lassen vermuten, dass die Athleten durch dieses System im Wettkampf nicht beeinflusst werden. Da der Hersteller bereits mit Spitzenathleten arbeitet, ist die Hoffnung groß, dass auch die Genauigkeit auf ein zufriedenstellendes Maß zu bringen ist. Einzig die Kosten sind ein großes Fragezeichen, da Preise erst beim Hersteller erfragt werden müssen.

Ausblick

Im weiteren Schritt sollte Kontakt zu den jeweiligen Herstellern und Forschungseinrichtungen aufgenommen werden, um Möglichkeiten der Zusammenarbeit auszuloten bzw. Preise und Leistung der Sensorsysteme zu ermitteln. Ist eine Entscheidung gefallen, ob mit einem oder mehreren Sensorsystemen gearbeitet werden soll, muss ein entsprechendes Forschungsdesign entworfen werden, mit dem festgestellt werden kann, ob die Systeme die gestellten Anforderungen erfüllen können oder bis dahin weiterentwickelt werden können.

Literatur

Ballreich, R., & Baumann, W. (1986). Biomechanik der Leichtathletik. Stuttgart: Enke.
HowStuffWorks. (2014). Nike + iPod Exercise. Zugriff am: 18.08.2014 unter: howstuffsworks.com
Innovation World Cup Series. (2013). Hall of Fame. Zugriff am: 18.08.2014 unter: Innovation World Cup
Lo, B. (2011). ESPRIT - Elite Sports Performance Resarch in Training. Zugriff am: 18.08.2014 unter: ESPRIT
Mendoza, L., Nixdorf, E., & Isele, R. (2006). Gesetzmäßigkeiten des Horizontalsprungs. Leichtathletiktraining, 17, 26-29.
NIKE Retail B.V. (2014). WIE SEHEN DIE TECHNISCHEN DATEN DES NIKE + IPOD SPORT KIT AUS? Zugriff am: 18.08.2014 unter: Nikeplus.com
Saponas, T. S., Lester, J., Hartung, C., & Kohno, T. (2006). Devices that tell on you: The nike+ ipod sport kit. Dept. of Computer Science and Engineering, University of Washington, Tech. Rep.
Sensixa Ltd. (2014). Sensixa e-AR. Zugriff am: 18.08.214 unter: sensixa e-AR
Sensixa Ltd. (2014). Sensixa. Zugriff am: 18.08.2014 unter: sensixa
Wick, D. (2009). Biomechanik im Sport. Balingen: Spitta.
xsens Technologies. (2012). MTw Develompment Kit leaflet. Zugriff am: 18.08.2014 unter: xsens

Abbildungen

Abb.1: Mendoza, L., Nixdorf, E., & Isele, R. (2006). Gesetzmäßigkeiten des Horizontalsprungs. Leichtathletiktraining, 17, 26-29.
Abb.3: Kevin Spencer. Sensor. © CC BY-NC 2.0.
Abb.4: Matteo Penzo. Nike+ sensor. © CC BY-NC-ND 2.0.



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