Evaluation eines innovativen Monitoringsystems zur uniaxialen Stockkraftmessung mittels applizierter Dehnmessstreifen EviS

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1 1 Evaluation eines innovativen Monitoringsystems zur uniaxialen Stockkraftmessung mittels applizierter Dehnmessstreifen EviS (AZ /16-17) Robin Höhne 1, Angelos Filippatos 1, Roman Pärschke 1, Niels Modler 1 (Projektleitung), Axel Schürer 2 & André Wilhelm 2 1 Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, Dresden 2 Institut für Angewandte Trainingswissenschaft, Leipzig 1 Motivation und Herausforderungen Die Veränderungen der wettkampf- und leistungsstrukturellen Anforderungen im Skilanglauf sind evident. Der Doppelstockschub (DSS) als grundlegende Technikkomponente beider Stilarten klassische Technik und Skating nimmt eine immer bedeutendere Rolle ein. Aufgrund der im Sprint geforderten maximalen Geschwindigkeiten und der vermehrt knappen Zieleinläufe, mit dem damit verbundenen Kampf Mann gegen Mann, hat sich die Technik des DSS deutlich weiterentwickelt. Das Aufdecken qualitativer und quantitativer Aspekte muss daher verstärkt in den Fokus der Lauftechnikanalyse gerückt werden. Grundanliegen ist es, den DSS von Beginn an richtig zu erlernen, Defizite frühzeitig auszumachen bzw. gut beherrschte Bewegungen weiter zu optimieren. Auf die elementare Bedeutung der DSS verweisen eine Vielzahl wissenschaftlicher Untersuchungen und unterstreichen die Aktualität dieser Thematik. Neben kinematischen Parametern interessieren hier vor allem biomechanische Analysen. Die Messung von Stockkräften spielt dabei eine übergeordnete Rolle. Zur Erschließung der erforderlichen Parameter bietet sich die Verwendung von Monitoringsystemen mit am Stock applizierten Messsystemen an. Die zentrale Herausforderung ist die nahezu rückwirkungsfreie Umsetzung derartiger Systeme, um das Laufverhalten und -gefühl des Aktiven nicht nachteilig zu beeinflussen. Bekannte mobile Monitoringsysteme zur Stockkraftmessung nutzen uniaxiale Kraftaufnehmer am Stock sowie Datenlogger am Sportler (Holmberg, Lindinger, Stöggl, Eitzlmair und Muller, 2005) oder ebenfalls direkt am Stock (Wank, Heger und Rapp, 2014). Auf diese Weise sind die Messstöcke wie normale Skistöcke verwendbar, und die Messungen sind nicht an feste Messplätze gebunden. Aufgrund der Verwendung miniaturisierter elektronischer Komponenten macht der Kraftaufnehmer inkl. der systembedingt notwendigen Querkraftentkopplung bei den genannten Lösungen den Großteil des Systemgewichts aus. Vor dem Hintergrund des zunehmenden Einsatzes von Wearables im Spitzensport mit dem Ziel einer umfassenden Leistungserfassung ist eine weitere Reduzierung des Systemgewichts für eine hohe Akzeptanz unter den Aktiven erforderlich. Eine weitere Gewichtsreduzierung ist bei den bekannten Systemen jedoch kaum noch möglich, da die zur Querkraftentkopplung typischerweise verwendeten metallischen Hülsen bereits einen sehr hohen Leichtbaugrad aufweisen. Dies begründet den Entwicklungsbedarf hinsichtlich alternativer Lösungsansätze zur rückwirkungsfreien Messung von Stockkräften für Anwendungen im Spitzensportbereich. 2 Ansatz und Vorgehensweise Eine vielversprechende Alternative zu der über die Jahre hinweg etablierten Verwendung von Kraftaufnehmer bietet die direkte Applikation von Dehnmessstreifen (DMS) auf den Skistock.

2 2 Evaluation eines innovativen Monitoringsystems... Der Kern des Lösungsansatzes besteht darin, den Stock selbst als Teil des Messelements zu begreifen und das mechanische Verhalten des Stocks zur Kraftmessung heranzuziehen. Dieser Ansatz setzt ein grundlegendes Verständnis der Mechanik des Stocks voraus. Im EviS-Projekt wurde ein Funktionsdemonstrator eines derartigen Monitoringsystem zur uniaxialen Stockkraftmessung aufgebaut (Abb. 1). band) ermöglicht eine Online- Messung und erlaubt damit das Training mit Live-Feedback. Bei den bekannten Systemen ist eine Darstellung und Analyse der Messdaten bisher erst im Nachgang der Untersuchungen möglich. Abb. 1: Basiskomponenten und Nutzen des neuartigen Monitoringsystems zur Kraftmessung am Sportgerät Skistock. Der Fokus im Projekt lag auf der erstmaligen Umsetzung einer dehnungsbasierten Messlösung. Daneben wurde eine drahtlose Signalübertragung mit Live-Visualisierung der Messdaten angestrebt. Gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich die folgenden Vorteile: Kein Einfluss der Sensoren auf Gewicht und Schwungverhalten des Stocks: Infolge der direkten Applikation der DMS auf den Stock ergibt sich ein signifikanter Gewichtsvorteil aufgrund der geringen Masse der DMS (<< 1g). Zudem entfällt die Notwendigkeit einer Querkraftentkopplung. Dies erlaubt die Realisierung von Monitoringsystemen mit wenigen Gramm (< 50 g). Die Möglichkeit einer Verwendung selbst im Wettkampf wird dadurch realistisch. Signaldarstellung in Echtzeit: Die drahtlose Datenübertragung der Messdaten via Bluetooth an einen Messrechner (am Lauf- Das neuartige Monitoringsystem wurde im Rahmen des Projekts für einen ausgewählten, im Spitzensportbereich gängigen Carbonstock entwickelt. Das System kann jedoch auf andere Stocktypen (unabhängig von Material und Geometrie) übertragen werden. 3 Konfiguration des Monitoringsystems Die Eigenschaften des aufgebauten Monitoringsystems sind in Tab. 1 aufgeführt. Das Elektroniksystem besteht aus zwei Basismodulen: dem Messmodul und dem Verarbeitungsmodul. Die elektronischen Komponenten wurden dabei zunächst am Stock (Messmodul) bzw. am Aktiven (Verarbeitungsmodul) befestigt. Das Messmodul liefert kabelgebunden die Sensorsignale an das Verarbeitungsmodul. Die räumliche Trennung der Module hat den Vorteil, dass am Skistock lediglich eine Zusatzmasse von etwa 10 g angebracht wird. Das Kabel wurde über den Arm des Aktiven auf den Rücken geführt. Die Sensorsignale umfassen je Stock zwei Dehnungssignale sowie ein 2D-Beschleunigungssig-

3 Evaluation eines innovativen Monitoringsystems... 3 nal. Die Signale werden im Verarbeitungsmodul digitalisiert und drahtlos an einen Laptop gefunkt. Die erforderlichen Schritte wurden mittels Arduino Nano Microcontroller gesteuert. Die Funkübertragung wurde mit einem seriellen Bluetooth Link Bluefruit EZ-Link aufgebaut. Die Messfrequenz betrug 128 Hz. Die Umrechnung, Darstellung und Speicherung der Signale erfolgte in einem eigens entwickelten Softwarepaket auf Basis der Software MatLab auf dem Laptop. 4 Durchführung von Laufbandtests Ein Funktionsdemonstrator des Monitoringsystems wurde am Laufband des IAT auf seine grundsätzliche Funktionsweise getestet (siehe Abb. 3 auf der nächsten Seite). Dabei wurde eine drahtlose Datenübertragung vom Aktiven zum Trainerteam umgesetzt. Weder ein erhöhter Rauschanteil noch ein Datenverlust konnten bei Tab. 1: Eigenschaften und Module des entwickelten Monitoringsystem im EviS-Vorhaben Eigenschaft Messmodul Verarbeitungsmodul Grundlegende Komponenten 2 Wheatstone Messbrücken; Bi-Level Signalverstärker (10- oder 100-fach); 2D-Beschleunigungssensor; Gewicht 10 g 100 g Microcontroller Arduino Nano; Serieller Bluetooth Link Bluefruit EZ-Link ; Li-Ion Batterie, 3,7 V, 1950 mah; Mini USB Verbinder zum Laden und Datentransfer; Anzeige für Ladestand; Dimension 34 mm x 25 mm x 15 mm 80 mm x 45mm x 28 mm (mit Gehäuse) Position Am Stock Im Trinkgurt Metallische DMS wurden am Skistock direkt unterhalb des Griffs aufgeklebt (siehe Abb. 2). Neben zwei aktiven DMS wurden zwei DMS zur Temperaturkompensation (T-DMS) verwendet. Die T-DMS wurden so auf den Stock geklebt, dass diese keine Dehnung infolge mechanischer Beanspruchung beim Stockeinsatz erfahren. Die DMS wurden in einer Wheatstone-Messbrücke verschaltet. eingeschaltetem Laufband festgestellt werden. Die Stockkräfte sowie die Beschleunigungsdaten konnten in einer Live-Visualisierung dargestellt werden. Basierend auf den aufgezeichneten Daten konnten verschiedene, bewusst herbeigeführte Technikszenarien, bspw. unterschiedliche Laufstile und Lateralitäten, identifiziert werden (siehe Abb. 2: Schematische Positionierung der DMS (a) und aufgeklebte DMS am Skistock (b).

4 4 Evaluation eines innovativen Monitoringsystems... Abb. 4a und b). Außerdem erlaubt eine Fast Fourier Transformation (FFT) die Auswertung der Sensorsignale im Frequenzbereich (siehe Abb. 4c). Die bereitgestellten Signale bilden die Grundlage für eine Vielzahl weiterer sportwissenschaftlicher Analysen unter Anwendung gängiger oder neuartiger Auswertemethoden. Der entwickelte Funktionsdemonstrator erschließt jedoch noch nicht das volle Potenzial, welches die konsequente Umsetzung des funktionsintegrativen Leichtbaus unter Verwendung der neuesten Elektronikmodule eröffnet (siehe Tab. 2 auf der nächsten Seite). Abb. 3: Einsatzbereites Monitoringsystem (a), Rückansicht des Aktiven mit Elektronikmodul im Trinkgurt (b) und Aktiver auf dem Laufband des IAT (c). Abb. 4: Datenanalyse aufgezeichneter Messwerte: Vergleich von Laufstilen (a), Analyse von Lateralitäten (b) und Frequenzanalyse (c). 5 Diskussion und Ausblick Die direkte Applikation von DMS am Stock stellt das Alleinstellungsmerkmal des vorgestellten Ansatzes dar. In den experimentellen Ergebnissen konnte die Machbarkeit einer solchen DMSbasierten Stockkraftmessung bestätigt werden. Ebenso konnte der erhebliche Gewichtsvorteil gegenüber dem Stand der Technik aufgezeigt werden. Das neuartige Monitoring-System wurde am Laufband des IAT bei einem Sport- Praxis-Test erfolgreich eingesetzt. Daneben konnte erstmals ein Live-Feedback durch das Trainerteam an den Aktiven erfolgen und die Vorteile einer derartig interaktiven Trainingsgestaltung genutzt werden. Die Übertragung des Konzepts auf andere Sportgeräte, bspw. Stabhochsprung-Stab, Speer und Ski, ist möglich. So können die Vorteile des Monitoringsystems extrem geringe Masse und drahtlose Datenübertragung für die rückwirkungsfreie Erfassung von Leistungsparametern auch anderen Sportarten zugänglich gemacht werden. Somit legt der im Vorhaben fokussierte Anwendungsfall Sportgerät Skistock einen sportartübergreifenden Grundstein für die Erschließung von neuen sporttechnischen Leistungsreserven.

5 Evaluation eines innovativen Monitoringsystems... 5 Tab. 2: Vergleich der Eigenschaften des Monitoringsystems im Service-Forschungsprojekt EviS und in der nächsten Entwicklungsstufe. Eigenschaft EviS Projekt Nächste Entwicklungsstufe Systemgewicht ~ 110 g < 50 g Positionierung der Elektronik Teils am Stock/ teils am Aktiven Im Stockgriff Messauflösung ~ 10 N < 1 N Stocklagemessung nein ja Smartphone-Anbindung nein ja Aufwand für Systemeinrichtung zu hoch für alltägliche Anwendung Plug & Measure Belastungsmessung Uniaxiale Kraftmessung Alle Kräfte und Momente 6 Literatur Holmberg, H. C., Lindinger, S., Stöggl, T., Eitzlmair, E. & Muller, E. (2005). Biomechanical analysis of double poling in elite crosscountry skiers. Medicine and science in sports and exercise, 37 (5), Wank, V., Heger, H. & Rapp, W. (2014). Optimierung der Lauftechnik entsprechend den individuellen Voraussetzungen der Athleten im Sitzschlitten-Skilanglauf. In Bundesinstitut für Sportwissenschaft (Hrsg.), BISp-Jahrbuch Forschungsförderung 2012/13 (S ). Köln: Sportverlag Strauß.