1 Problemstellung. 2 Methode (AZ /13) Veit Wank (Projektleiter) 1, Hendrik Heger 1, Valentin Keppler 1 & Walter Rapp 2

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1 1 Weiterentwicklung leistungsdiagnostischer Methoden im Skilanglauf der Behindertensportler zur Optimierung von Lauftechnik und Material sowie zur Steuerung des Trainings (AZ /13) Veit Wank (Projektleiter) 1, Hendrik Heger 1, Valentin Keppler 1 & Walter Rapp 2 1 Universität Tübingen, Institut für Sportwissenschaft 2 Medizinische Universitätsklinik Tübingen, Abt. Sportmedizin 1 Problemstellung Von 2011 bis 2012 wurde im Rahmen von Projekten des Bundesinstituts für Sportwissenschaft ein Messplatz zur Bewegungsanalyse von Sitzschlitten-Ski läuferinnenn bzw. -läufern des Deutschen Behinderten-Sportverbandes (DBS) entwickelt. Die Messergebnisse wurden über Kabel erfasst und mit Videobildern synchronisiert. Aufgrund der Kabelanbindung konnten die Sensorstöcke nur auf Skilanglauf-Laufbändern eingesetzt werden. Das Messsystem wurde bis zum Frühjahr 2013 zur Leistungsdiagnose von Sitzschlitten-Skiläuferinnen und -läufern verwendet (Rapp et al., 2012; Wank et al., 2014 und 2014a). Im Laufe dieser Zeit wurde ein umfangreiches Softwarepaket zur Erfassung/ Messung, Auswertung und Visualisierung der Stock-Messdaten entwickelt, so dass die bei zentralen Lehrgängen der DBS-Kader erfassten Daten zeitnah und anschaulich (in der Regel noch während der Lehrgänge) Athletinnen bzw. Athleten und Trainern präsentiert werden konnten. Somit war im Rahmen der verfügbaren Möglichkeiten eine sinnvolle Steuerung des Techniktrainings möglich. Die Weiterentwicklung dieser weltweit einmaligen Kombination von Stockkraft- und Stocklagedaten-Sensorik sollte mit folgenden Schwerpunkten erfolgen: Reduktion des Gesamtgewichts der Kraftsensoren und der IMU-Erfassungshardware sowie Verbesserung der Zuverlässigkeit und Verschleißfestigkeit der Kraftsensoren (Abrieb, Querkraftempfindlichkeit) Ersatz der kabelgebunden Übertragung von Kraft- und IMU-Daten sowie der Stromversorgung durch ein Lithium-Batterie-gepuffertes Loggersystem Verbesserung bzw. Optimierung der Algorithmen zur Berechnung von Raumlage- Winkelkoordinaten auf der Basis der IMU-Sensordaten. 2 Methode Die bis 2013 verwendete Kraftmessdose von der Fa. Velomat aus Aluminium wurde durch eine Miniaturmessdose der Fa. ME-Mess-Systeme aus Edelstahl (5 g, bei 750 N Nennkraft) ersetzt. Daneben wurde eine neue SMD-Platine für die Verstärkung der DMS-Signale entwickelt, die nur etwa 1/10 des Gewichts der alten Einheit hat. Insgesamt konnte durch die Neuentwicklung der Kraftsensorik (neues und leichteres Krafteinleitungssystem im Stockgriff) und der Platinen für die DMS-Signalverarbeitung, AD-Wandler, IMU-Sensoren und Loggerdaten-Erfassung ca. 40 g Gewicht pro Stock eingespart werden, so dass nun Sensorstöcke vorliegen, die komfortabel gehandhabt werden können (keine Kabel mehr) und beim Laufen kaum noch Unterschiede zu Stöcken ohne Sensorik aufweisen

2 2 Weiterentwicklung leistungsdiagnostischer Methoden im Skilanglauf... (Gewicht). Zentraler Bestandteil der Auswerteelektronik ist eine Platine mit Inertialsystem-Sensoren und integriertem 1GB-Datenlogger. Diese Platine wird als Standardmodul (DX3-Board) von der Fa. Xybermind angeboten. Für unsere Anwendung musste die Software/Firmware des Controllers speziell angepasst werden. Zur Erfassung der analogen Daten des Stockkraftsensors und für die Stromversorgung der DMS-Verstärkerplatine wurde eine Zusatzplatine mit 12-Bit AD-Wandler und einem Controller zur Datenaufzeichnung mit doppelter und vierfacher Geschwindigkeit entwickelt. Diese AD-Platine wird über eine Busleitung mit dem DX3-Board verbunden. Abb.1: DMS-Kraftsensor der Fa. ME-Mess-Systeme mit DMS-Verstärker-Platine (links) und Integration des Kraftsensors in die querkraftentkoppelte Griffhülse mit Kabelausführung zum DMS-Verstärker (rechts). Mit dieser Entwicklung ist es möglich, neben den mit 400 Hz aufgezeichneten Standarddaten des Inertialsystem-Sensors (3D-Beschleunigung bis 16G, 3D-Magnetfeldsensor und 3D-Drehratensensor bis 2000 /s) zeitsynchron zusätzlich die Analogsignale der Stockkraftsensoren mit einer Messfrequenz von wahlweise 800 Hz oder 1600 Hz zu erfassen. Das System wird von einem Mini-Lithium-Polymer-Akku versorgt, der innerhalb von einer Stunde über einen USB-Port aufgeladen werden kann und eine Laufzeit von ca. 1:30 Stunden hat. Abb.2: Sensorstöcke mit im Griff integrierten Axialkraftsensoren und einer Messbox mit IMU, Datenlogger und Stromversorgung.

3 Weiterentwicklung leistungsdiagnostischer Methoden im Skilanglauf... 3 Alle beschriebenen Komponenten sind kompakt in einem Gehäuse mit USB-Schnittstelle verpackt. Das Gehäuse wird an der Außenseite (der Läuferin bzw. dem Läufer abgewandte Seite) des Stockrohres nahe dem Griffansatz befestigt. Im Stockgriff befindet sich der entkoppelte Stockkraftsensor, der mit einem kurzen Kabel für Stromversorgung und Messsignal mit der Messelektronik (Gehäuse) verbunden ist. Auf diese Weise sind die Messstöcke wie normale Skistöcke verwendbar ohne Verkabelung und ohne Funkverbindung. Vor der Messung wird das System über eine USB-Verbindung (beide Stücke zeitgleich) initialisiert. Die Quarze der autonomen Timer sind von hoher Synchronität, so dass über einen Zeitraum von 30 Minuten Gangabweichungen zwischen den Messungen in beiden Stöcken im Bereich von weniger als 3 Samples (< s bei 400 Hz) gemessen wurden. Die Synchronisation mit Videosystemen erfolgt über ein weiteres DX-3 Board mit Analog-Eingang, das gegebenenfalls die Bildtrigger-Signale von Videokameras aufzeichnen kann. Somit ist eine bildgenaue Zuordnung der Messergebnisse (Stockkräfte und Lagewinkel) möglich. Für den Einsatz unter Feld- bzw. Trainingsbedingungen wurde ein spezielles Software-Modul entwickelt, mit dem die Sensorfunktionen der IMU und der angeschlossenen Peripherie (Kraftmessdaten) konfiguriert werden können. Nach dem synchronen Starten des Messvorganges in beiden Stöcken (links und rechts) sowie der Triggerbox für Videosynchronisation kann über einen Zeitraum von über einer Stunde mit hoher Messfrequenz (400 Hz bei IMU-Daten und 1600 Hz bei den Analog-Kanälen für die Kraftmessung) gemessen werden. Die Daten werden nach der Messung über eine USB-Leitung auf einen PC übertragen und als CSV- Datei abgespeichert. Mit einer komfortablen Messoberfläche lassen sich die Messdaten im Überblick darstellen und gegebenenfalls interessierende Zeitabschnitte für weitere Berechnungen und Analysen selektieren. Die Berechnung der Stocklage wurde mit einem aufwendigen Algorithmus von Madgwick (2010) und Madgwick et al. (2011) durchgeführt. Dieser basiert auf Komplementärfiltern und hat sich als wesentlich robuster und zuverlässiger erwiesen als die in Industrieanwendungen üblichen Kalman-Filter. 3 Ergebnisse und Diskussion Mit dem Mess-System kann nun auch über längere Strecken der Zeitverlauf der Stockkräfte bestimmt werden. Die Zuordnung der Position der Läuferin bzw. des Läufers auf einer Trainingsrunde kann entweder durch GPS-Synchronisation oder anhand des Luftdruck-Profils erfolgen. Der von den Modulen aufgezeichnete Luftdruck ist empfindlich genug, um Streckenprofile ablesen zu können (sofern die Laufstrecke Höhendifferenzen enthält).

4 4 Weiterentwicklung leistungsdiagnostischer Methoden im Skilanglauf... Abb.3: Messdatensatz (nur rechter Stock) für ein Intervalltraining mit 5 Runden (Zeit in s). Abb.4: Ausschnitt der Runde 5 aus Messdatensatz von Abb.3 (t in s).

5 Weiterentwicklung leistungsdiagnostischer Methoden im Skilanglauf... 5 Klassische Kalman- und auch Komplementärfilter benutzen zur Driftkompensation Informationen der Beschleunigungssensoren. Da aber beim Impact (Stockaufsatz) extreme Beschleunigungen auftreten, aus denen sich die Schwerkraftrichtung nicht separieren lässt, führt diese Methode zu Fehlern bei der Winkelberechnung. Um diesen Impacteinfluss zu eliminieren, wurde der Algorithmus für diesen Zeitbereich modifiziert und die Wichtung der Drehratendaten temporär höher gesetzt. Die betreffenden Zeitabschnitte wurden anhand von Zusatzinformationen aus den Stockkraftdaten definiert. So gelang es, die Winkelverläufe in der Sagittalebene (Schwungwinkel) sehr realistisch aus den IMU-Daten zu berechnen. Abb.5: Ergebnisse der 3D-Stockwinkel nach Integration aus Drehraten, Beschleunigungsvektoren und Magnetfeld-Daten. Der Anfangswinkel der Laufrichtung wurde auf -50 gesetzt. (rot Schwungwinkel Sagittalebene, grün: Neigung quer/seitlich, blau: Rotationswinkel von oben = Schwungrichtung mit Längsachsenrotation, schwarz: Schwungwinkel Sagittalebene aus Videomessung nur Stützphase). Auf dem Gebiet der Datenvisualisierung wurden ebenfalls neue Optionen entwickelt. Die wichtigste ist, dass nun eine Kopplung von Videobildsequenzen von Aufnahmen auf der freien Strecke mit Stocksensordaten möglich ist. Abb.6: Bildgenaue Zuordnung der Stockkraft-Daten beim Laufen auf freier Strecke (z. B. in der Skihalle).

6 6 Weiterentwicklung leistungsdiagnostischer Methoden im Skilanglauf... 4 Literatur Madgwick, S.O.H., Harrison, A.J.L. & Vaidyanathan, R. (2011). Estimation of IMU and MARG orientation using a gradient descent algorithm. Rehabilitation Robotics (ICORR), 2011 IEEE International Conference. June July doi: /ICORR Madgwick, S.O.H. (2010). An efficient orientation Filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays. Internal Report. Rapp, W., Wank, V., Lindinger, S., Göpfert, C., Ohtonen,O., Lemmettylä,T. & Linnamo,V. (2012). Pole force measurement and inertial sensor technology in cross-country skiing. In V. Linnamo & S. Lindinger (Eds.), Science and Nordic Skiing- ICSNS 2012 (S ). Jyväskylä (Fin): University Press. Wank, V., Heger,H., Schwarz, M., Rapp,W., Blab, F. & Schwarz,O. (2012). Entwicklung von leistungsdiagnostischen Methoden im Langlauf der Sitzschlittenfahrerinnen und -fahrer (AZ /11). In Bundesinstitut für Sportwissenschaft (Hrsg.), BISp-Jahrbuch Forschungsförderung 2011/12 (S ). Köln: Sportverlag Strauß. Wank, V., Heger, H. & Rapp, W. (2014). Optimierung der Lauftechnik entsprechend den individuellen Voraussetzungen der Athleten im Sitzschlitten-Skilanglauf (AZ IIA /13). In Bundesinstitut für Sportwissenschaft (Hrsg.), BISp-Jahrbuch 2012/13 (S ). Köln: Sportverlag Strauß. Wank, V., Rapp, W., Blaab, F., Heger, H. & Schwarz, O. (2014). Die Optimierung der Lauftechnik im Sitzschlitten-Skilanglauf auf der Basis von Schubkraftmessungen. In T. Milani & C. Maiwald (Hrsg.), Neue Ansätze in der Bewegungsforschung. Schriften der Deutschen Vereinigung für Sportwissenschaft, Bd. 235 (S ). Hamburg: Czwalina.