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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1, Verwendungen gemäß Ansprüchen 29–33 und
ein Verfahren gemäß Anspruch
34 ff.
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Für mehrere
Ballsportarten mit Schläger
ist es bekanntermaßen
von Vorteil, den Schläger
während
des Ausholens und während
des Schlages auf einer ausgezeichneten Schwungbahn zu fahren. Anderenfalls
kann dies zu erheblichen Abweichungen von der beabsichtigten Flugbahn
des Balles führen. Das
Führen
des Schlägers
auf einer ausgezeichneten Bahn kann man erlernen und trainieren.
Hierzu ist es notwendig, die ausgezeichnete Schwungbahn zu identifizieren
und die Abweichung des Schlägers
von dieser ausgezeichneten Schwungbahn festzustellen. Erfolgt dies
in Echtzeit, kann daraus ein Fehlersignal für die Abweichung des Schlägers von
der ausgezeichneten Schwungbahn unmittelbar bei der Ausführung des
Schlages generiert und zu der trainierenden Person rückgekoppelt
werden. Werden die Daten aufgezeichnet, kann die Ermittlung der
Bahnabweichung nach Ausführung
des Schlages erfolgen und diese Information für die Ausführung des nächsten Schlages berücksichtigt
werden.
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Eine
vollständige
Messung der Position eines Schlägers
im Raum ist prinzipiell möglich,
aber auch technisch aufwendig, da die Bestimmung von 6 Freiheitsgraden
nötig ist.
Nach dem gegenwärtigen Stand
der Technik (Helmut Appel, Physikalische Aspekte des Golfspiels,
Physikalische Blätter
56 (2000), Nr. 10) sind auch die theoretischen Modelle zur Beschreibung
der Dynamik eines Golfschwunges noch nicht ausreichend, von einem
Roboter ausgeführte Schwünge mit
denen, die durch einen menschlichen Körper ausgeführt werden, in Übereinstimmung
zu bringen (Gloria J. Wiens, Eric A. Hunt, „Design and Analysis of parallel
mechanism for the golf industry", 10
th International Congress an sound and vibration, ICSV 10, 7–10 July
2003, Stockholm, Sweden). Coleman und Raukin hinterfragen sogar
den bisher allgemein akzeptierten Ansatz, dass sich die ausgezeichnete
Schwungbahn durch eine Ebene repräsentieren lässt (Simon G.S. Coleman, Andrew
J. Raukin, „A
three-dimensional examination of the Planar nature of the golf swing". Journal of Sports
Sciences, March 2005 23(3); 227–234).
Komplexe Systeme zur Analyse des Golfschwunges sind aufwändig. Eine
Signalisierung von Fehlersignalen in Echtzeit folgt aus der genauen
Positionsmessung des Schlägers
im Raum nicht zwangsläufig.
Biometrische, rechenaufwändige
Analysen können
nur mit leistungsfähiger Rechentechnik
durchgeführt
werden und sind deshalb nur bedingt portabel und erfordern einen
gewissen Installationsaufwand. Solche Systeme sind dem Amateur im
Breitensport bis heute nicht zugänglich und
mehr dem professionellen, sportwissenschaftlichen Bereich vorbehalten
bzw. gehören
zur Ausrüstung
von Trainer oder Trainingszentren.
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Unter
anderem sind die Verfahren der Videoanalyse (Racquel Urtasun, David
Fleet, Pascal Fua, „Monocular
3-D Tracking of the Golf Swing, Technical Report No: IC/2004/90)
bekannt. Bei einfacheren Realisierungen wird z. B. eine Kamera mit
Blickrichtung zum Ziel oder parallel zur schlagenden Person aufgestellt,
eine Filmsequenz mit hoher Bildwiederholrate aufgenommen und anschließend im
Computer mit langsamer Geschwindigkeit abgespielt und mit einem
Referenzschwung verglichen. Komplexere Systeme verwenden mehr als
eine Kamera. So sind die Gegenüberstellung
mit Filmsequenzen von professionellen Spielern oder die Einzeichnung
von Ideallinien möglich.
Nachteilig hierbei sind die aufwändige
Installation, die Ungenauigkeiten durch Verzerrungen der Optik oder
durch die Aufstellung im Feldeinsatz und dass keine Information
in Echtzeit vorliegt, d. h. während
des Schwunges erfolgt keine Signalisierung des Fehlers und es gibt
keine unmittelbare Rückkopplung
des Fehlers der Abweichung von der ausgezeichneten Schwungbahn zur
Person, die den Ball schlägt.
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Schwungtrainingsgeräte, die
die Aufgabe zu lösen
versuchen, in Echtzeit eine Rückkopplung
der Abweichung des Schlages von einer ausgezeichneten Schwungebene
zur schlagenden Person und damit eine Korrektur zu ermöglichen,
sind bekannt.
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Bekannte
Trainingsgeräte,
die Abweichungen von der Schwungebene in Echtzeit signalisieren sollen,
versuchen diese Aufgabe dadurch zu lösen, dass der reale, im Ballspiel
verwendete Schläger durch
eine Nachbildung mit speziellen Eigenschaften ersetzt wird. So existieren
z. B. Schläger,
die ein oder zwei mechanische Gelenke aufweisen, die bei zu starker
Abweichung von der Schwungebene einfach abknicken sollen (
US 5,277,427 A ).
Diese Art von Trainingsgeräten
ist jedoch unempfindlich gegenüber einer
Reihe von Schwungfehlern. Nachteilig ist, dass keine Information über den
Verlauf eines Schlages für
eine nachträgliche
Fehleranalyse vorliegt und nur Momentanfehler zur Signalisierung
führen.
Des Weiteren sind Fehler in verschiedenen Phasen des Schwunges nicht
unterscheidbar und auch bei einem "akzeptablen Schlag kann der Schläger abknicken, ohne
dass die Ursache nachvollzogen werden kann. Nachteilig bei dieser
Lösung
ist außerdem,
dass das Gewicht der Gelenke das Schlägergefühl verfälscht und der Schlägerkopf
schwer fühlbar
ist. Zudem ist die Verwen dung des persönlichen Schlägers oder Schlägersets
nicht möglich.
Weiterhin nachteilig ist, dass ein Training für verschiedene Schlägerlängen oder
verschiedene Schwungebenen (z. B. verschiedene Liewinkel beim Golf)
mehrere Trainingsschläger
erfordert.
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In
der
US 3,945,646 A wird
ein Schläger
mit Beschleunigungssensoren im Schlägerkopf eines Golfschlägers offen
gelegt. Nachteilig bei dieser Lösung
ist, dass die Rotation um die Schlägerachse des durch die Sensoren
aufgespannten Messkoordinatensystems während des Schlages und die
Kopplung von Lage und Beschleunigung im Ausgangssignal der Beschleunigungssensoren
unberücksichtigt
bleiben und damit mehrdeutige Interpretationsmöglichkeiten bestehen.
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In
der
WO 2005/094949
A1 wird ein Positionsgeber offen gelegt, der insbesondere
für das Golftraining
verwendet werden kann. Der Positionsgeber wird am Schläger befestigt
und empfangt oder sendet Signale zur Bestimmung der Lage des Schlägers im
Raum. Nachteilig bei dieser Lösung
ist, dass die Positionsbestimmung die Aufstellung einer ortsfesten
Gegenstelle erfordert. Außerdem
ist nachteilig, dass sich der Positionsgeber, der am Schlägerschaft
befestigt ist, beim Golfschwung von der Gegenstelle wegdreht und
entfernt. Die Verwendung von Ultraschall zur Positionsbestimmung
aus Laufzeitunterschieden zu 3 verschiedenen Sendern bzw. Empfängern ist
zusätzlich
nachteilig, weil Hindernisse in der Umgebung des Trainingsgerätes reflektieren
können
und die Positionsbestimmung negativ beeinflussen können. Die
genannten Nachteile werden auch nicht durch Kopplung des Positionsgebers
mit Beschleunigungssensoren beseitigt.
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Einen
anderen möglichen
Lösungsweg
bieten z. B. so genannte Lasertrainer, die am unteren und oberen
Ende des Schlägerschaftes
jeweils einen Laser, der in beide Richtungen der Achse des Schlägerschaftes
zeigt, besitzen (
US
2005/0009616 A1 ;
US
5,692,965 A ). Diese Laser können an existierende Schläger, wie
man sie auch direkt im Ballspiel verwendet, temporär montiert
werden. Das Schlägergefühl wird
nicht beeinträchtigt.
Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass ein Verfolgen des Lasers
auf einer Linie am Boden oder auf einer Matte mit den Augen während des
Schwunges eine Kopf- und Augenbewegung weg vom Ball erzwingt. Weiterhin
ist solch ein Trainingsgerät
völlig
unempfindlich gegenüber Drehungen
des Schlägerschaftes
um die Achse des Schlägerschaftes,
z. B. durch Drehen des Handgelenkes. So ist es z. B. möglich, den
Laser auf einer die Schwungebene kennzeichnenden Linie entlang zu
bewegen, ohne dass der Schlag korrekt ausgeführt wird. Zusätzlich existiert
eine Totzone, wenn keiner der beiden Laser auf den Boden zeigt.
Nachteilig ist auch hier, dass keine Informationen für den Verlauf
eines Schlages zur Verfügung
stehen.
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Ein
anderer möglicher
Lösungsansatz
ist das temporäre
Anbringen von Neigungs- bzw. Lagesensoren am Schlägerschaft
(
US 5,911,635 A Ogden, Golf
Swing Training Device). Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass die Verfälschung
der Lageinformation durch Beschleunigungskräfte unberücksichtigt bleibt und ein Abweichen
von der Schwungebene mit verschiedener Dynamik des Schwunges kompensiert werden
kann, die Signalisierung einer Abweichung also mehrdeutig oder falsch
ist. Zudem bleibt die der Einfluss einer möglichen oder auch beabsichtigten Drehung
des Schlägerschaftes
während
des Schwunges unberücksichtigt.
Vom Golfschwung ist z. B. bekannt, dass das rechte Handgelenk (beim Rechtshänder) den
Schläger
um die Achse des Schaftes dreht. Außerdem sind aus der offen gelegten
Lösung
die Referenzierung der ausgezeichneten Schwungebene und die Anpassung
an den jeweiligen Liewinkel des individuellen Schlägers nicht
erkennbar. Eine ähnliche
Lösung
ist in der
US 6,739,981
B1 beschrieben.
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Ein
weiterer Lösungsansatz
zur Bestimmung der Bewegungs- und Schlagparameter für die Echtzeitanalyse
von Schlägen
wird in der
US 2005/0288119
A1 offen gelegt. Magnetfeldsensoren messen die Lage des
Schlägers
in Bezug auf den Vektor des Erdmagnetfeldes. Die Messdaten werden zeitabhängig aufgezeichnet.
Nachteilig bei dieser Lösung
ist. Nachteilig hierbei ist, dass die unmittelbaren Messdaten nicht
zuverlässig
von Schlag zu Schlag bzw. zwischen verschiedenen Golfer verglichen
werden können.
Dies ist unter anderem dadurch verursacht, dass das Erdmagnetfeld
ortsabhängig
ist, zeitlichen Schwankungen unterworfen ist und die jeweils schlagende
Person eine willkürliche
Ausrichtung zum Erdmagnetfeldvektor einnehmen kann. Magnetisierbare
oder magnetische Gegenstände
oder elektromagnetische Felder können
zur Verfälschung
der Messdaten führen.
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Schwungtrainingsgeräte, die
die Aufgabe zu lösen
versuchen, Schwungparameter oder Abweichungen des Schlages von einer
ausgezeichneten Schwungebene über
einen gesamten Schlag aufzuzeichnen und damit die Analyse zeitlicher
Verläufe
zu ermöglichen,
sind ebenfalls bekannt.
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In
der
US 15,700,205 A wird
z. B. die Auslenkung des Schlägers
während
des Schlages mitgeschrieben. Nachteilig bei der offen gelegten Lösung ist,
dass keine Fehlersignalisierung in Echtzeit erfolgt und dass die
Interpretation der aufgezeichneten Kurven bezüglich des Vorliegens von Schwungfehlern nicht
eindeutig ist. Beschleunigung, Lage, Gewicht und Länge des
Schlägers
gehen in den Kurvenverlauf ein und sind nicht trennbar.
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Eine
weitere Lösung
der vorgenannten Probleme besteht darin, die Bewegung des Schlägers rein
mechanisch auf eine ausgezeichnete Schwungebene zu zwingen. Hierzu
wird z. B. ein übermannshohes
Führungsgestell
für den
Schläger
um den Körper
der schlagenden Person aufgebaut. Nachteilig ist hierbei die aufwändige Installation.
Da die Rotation des Schlägerschaftes
unberücksichtigt
bleibt, können
Mehrdeutigkeiten und Ununterscheidbarkeit von guten und schlechten
Schwüngen
nicht ausgeschlossen werden.
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Eine
weitere auf einem rein mechanischen System beruhende Lösung des
Problems ist in der
US
6,530,845 B1 offen gelegt. Ein auf den Schläger montierter
Kreisel signalisiert unmittelbar Fehler beim Schwung. Nachteilig
ist, dass keinerlei Mess- oder Fehlerdaten entstehen, die in irgendeiner
Form durch Dritte analysiert oder übertragen, gespeichert, verglichen
oder weiterverarbeitet werden könnten.
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Die
vorliegende Erfindung löst
das Problem, Abweichungen irgendeines beliebigen Schlägers von einer
ausgezeichneten Schwungbahn zu bestimmen, diese sowohl in Echtzeit
während
des Schlages eindeutig als Fehler zu signalisieren als auch eine
nachträgliche
Bewertung des kompletten zeitlichen Schlagverlaufs zu ermöglichen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine flexible,
portable und kostengünstige
Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Training der Bewegung eines
Schlägers auf
einer ausgezeichneten Schwungbahn zu finden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass ein Mittel zur Bestimmung des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors
(12) senkrecht zur Achse des Schlägerschaftes (1) sowie
ein Mittel (7) zur Bestimmung von dessen Verdrehung, bezogen
auf den Beginn des Schlages, mit dem Schlägerschaft (1) über eine
Befestigungsvorrichtung (11) verbunden werden. Die Mittel
(7, 12) zur Bestimmung des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors
und zur Bestimmung des Drehwinkels (7) liefern Ausgangssignale,
die mit einem Rechenmittel (8) nach einem oder mehreren
hier beschriebenen Verfahren zu einer Fehlergröße verarbeitet werden, welche
der schlagenden Person mit einem Signalgeber (9) signalisiert
wird. Die von der Vorrichtung bereitgestellten Daten werden auf
einem Datenspeicher (10) aufgezeichnet.
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Die
aufgezeichneten Daten werden während und
nach der Ausführung
des Schlages nach einem oder mehreren hier beschriebenen Verfahren
zur Schwunganalyse und Fehlerkorrektur (52) mit einem Computerprogramm
weiterverarbeitet.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
- • dass
ein Fehlersignal für
die Abweichung der Bewegung eines Schlägers von einer ausgezeichneten
Schwungbahn in Echtzeit gewonnen und ausgegeben wird und damit die
Möglichkeit
zur unmittelbaren Korrektur des Schwunges besteht,
- • dass
durch Aufzeichnung der Schwungdaten die Analyse des zeitlichen Verlaufs
eines Schlages sowie die Archivierung von Daten eines Schwunges
ermöglicht
werden,
- • dass
die Drehung des Schlägers
um die eigene Achse sowie die bei bestimmten Lösungen vernachlässigte Kopplung
von Lage bzw. Neigung des Schlägers
und Beschleunigung des Schlägers
Berücksichtigung
finden und deshalb die Fehlersignale genauer sind,
- • dass
Installationsaufwand und Kosten im Vergleich zu komplexeren Schwunganalysesystemen
gering bleiben,
- • dass
die Vorrichtung keine Modifikation von Schlägern erfordert oder auf spezielle
Schläger beschränkt ist,
sondern mit den für
das Spiel vorgesehenen bzw. den persönlichen Schlägern verwendet
werden kann und dadurch die Möglichkeit der
Erzielung eines realistischeren Trainingsgefühls besteht und damit die Verbesserung
des Zusammenhangs von Training und Leistung im Ballspiel möglich ist.
- • Weitere
Vorteile bestehen in der Aufhebung der Mehrdeutigkeit des Fehlersignals
von bestimmten Trainingsgeräten
bei der Ausführung
von Schwüngen,
die mit der Kopplung von Lage und Beschleunigungsinformationen zusammenhängen.
- • Außerdem von
Vorteil ist die portable und flexible Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
verschiedenen Schlägern.
- • Weiterhin
von Vorteil ist die Entstehung von Messdaten. Das Vorhandensein
von Messdaten ermöglicht
deren Übertragung,
Aufzeichnung und Weiterverarbeitung (z. B. Korrektur, Filterung, Analyse)
und die zusätzlich
mögliche
Auswertung der Kinetik eines Schwunges durch Bewertung des aufgezeichneten
zeitlichen Verlaufes.
- • Es
ist außerdem
von Vorteil, dass die entstehenden Messdaten für verschiedene Schläge und verschiedene
Personen und verschiedene Orte untereinander vergleichbar sind und
somit eine von den jeweiligen Umgebungsbedingungen relativ unabhängige Interpretation
zulassen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der
Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1a Golfspieler
mit Golfschläger
und Vorrichtung in der Ansprechposition, Darstellung der Seitenansicht
in Richtung Ballflug und Darstellung eines Schnittes durch den Schlägerschaft.
Kennzeichnung der ausgezeichneten Schwungbahn und des Messkoordinatensystems;
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1b Darstellung
eines Schnittes durch die Achse des Schlägerschaftes mit Kennzeichnung des
Messkoordinatensystems, des Drehwinkels und des gedrehten Koordinatensystems;
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1c Frontansicht
eines Golfers in der Ansprechposition mit Kennzeichnung des Messkoordinatensystems;
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2 Verschiedene
Phasen A, B, C, D des Golfschwunges, Veranschaulichung der Drehung des
Messkoordinatensystems um die Achse des Schlägerschaftes;
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3 Blockschema
der Elektronik mit Beschleunigungssensoren und Gyroskop-Sensor,
Mikroprozessor, Schnittstellen, Speicher, Signalisierung;
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6 Datenflussdiagramm
zur Messung mit der Vorrichtung und zur Bestimmung eines Fehlersignals
für Echtzeit-Trainingsinformationen
und zur Aufzeichnung;
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7 Zeitliche
Darstellung des Verfahrens zur Bestimmung von Echtzeit-Trainingsinformationen und
zur Aufzeichnung zeitlicher Verläufe
von Schwungparametern;
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8 Ausgangssignale
(Rohdaten) der Sensoren für
Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit während eine Schlages;
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9 Aufzeichnung
des zeitlichen Verlaufes von Drehwinkel, gedrehten und ungedrehten
Beschleunigungswerten über
der Zeit während
eines Schlages;
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10 Darstellung des zeitlichen Verlaufes aufgezeichneter
Daten für
verschiedene Schläge
mit Kennzeichnung von Rückschwung
A und Abschwung B, dabei sind im Einzelnen dargestellt:
- a) Guter und besserer Schlag eines Golfers mit geringem Handicap
- b) Schnell und langsam ausgeführter Schlag eines Golfers
mit geringem Handicap
- c) Zwei Schwünge
eines Golfers mit hohem Handicap mit frühem und spätem Abwinkeln des rechten Handgelenkes
- d) Einfluss der Schulterdrehung auf den Drehwinkel, Golfer mit
hohem Handicap
- e) Handgelenk jeweils normal und palmar gebeugt
- f) Starker und schwacher Griff
- g) Vergleich zweier reduzierter Schwünge
- h) Drehwinkel und Beschleunigung für reduzierten Schwung
- i) Drehwinkel für
zwei Schwünge,
nach innen sowie nach außen
gestartet
- j) Beschleunigungen, normaler Schlag, hohes Handicap
- k) Vergleich der Drehwinkel von zwei Golfer mit hohem und geringem
Handicap
- l) Schnell und langsam ausgeführter Schlag eines Golfers
mit geringem Handicap;
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11 Veranschaulichung der Problemstellung
zum Verfahren zur Datenverarbeitung bei Einsatz eines Vibrationsmotors
am Schläger
- a) Einfluss der Vibrationen des Signalgebers
auf Drehwinkel
- b) Einfluss der Vibrationen des Signalgebers auf Beschleunigungswerte
und Anwendung eines 30 Hz Tiefpassfilters auf die Beschleunigungswerte
- c) Einfluss der Vibrationen des Signalgebers auf die Radialbeschleunigung;
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12 Verwendeter
Ansatz für
den zeitlichen Verlauf der Winkel um die Drehachsen eines Doppelpendels;
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13 Darstellung der Position des Schlägers auf
der ausgezeichneten Schwungbahn
- a) in der Ansprechposition
und
- b) beim Ausholen für
einen normalen Schlag;
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14 Von der ausgezeichneten Schwungbahn
abweichende Position des Schlägers
- c) in der Ansprechposition und
- d) beim Ausholen für
einen nach außen
gestarteten Schlag;
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15 Verfahren zur Bestimmung des Fehlersignals
Darstellung von einfacher und doppelter Integration der Beschleunigung
aus der Schwungebene heraus
- a) guter Schlag,
hohes Handicap
- b) nach außen
gestarteter Schlag, hohes Handicap.
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Anhand
einer ersten Ausführungsform (1a–c) werden
wesentliche Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
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Bei
der ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
handelt es sich um die Verwendung als ein Golfübungsgerät. Die Offenlegung der Erfindung
am Beispiel eines Golfübungsgerätes stellt
keine Einschränkung
für andere
Verwendungen für
Ballsportarten mit Schläger
dar und dient lediglich der Veranschaulichung.
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Bestandteil
der Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist ein herkömmlicher Golfschläger mit
Griff (2), Schaft (1) und Schlägerkopf (3).
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Anhand
der 1a–c
wird der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel
eines Golftrainingsgerätes
dargestellt. Am Schläger,
der Schaft (1), Griff (2) und Kopf (3)
aufweist, sind ein erstes Mittel (12) zum Nachweis des
zweidimensionalen Beschleunigungsvektors in der Ebene senkrecht
zur Achse des Schlägerschaftes
(1) und ein zweites Mittel (7) zum Nachweis des
Drehwinkels des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors um die
Achse des Schlägerschaftes
(1) seit Beginn des Schlages über die Befestigungsvorrichtung
(11) montiert.
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Vor
Beginn des Schlages, in der Ruhelage bzw. in der so genannten Ansprechposition,
bildet der Golfschläger
mit dem Boden den Winkel ϑ (siehe auch 2a).
Dieser Winkel wird als Liewinkel bezeichnet und ist für kürzere Schläger (Eisen)
steiler und für
längere
Schläger
(Hölzer)
kleiner. Der Liewinkel ϑ bewegt im Bereich von 50 Grad
für einen
Driver bis 64 Grad für
ein Wedge.
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Der
Golfer ist bestrebt, während
des Rückschwunges
und Abschwunges den Schläger
parallel zu der Ebene (14) zu führen, die in Richtung Ziel
zeigt und parallel zur Achse des Schlägerschaftes liegt, also um
den Liewinkel gegenüber
dem Gravitationsvektor geneigt ist. Diese Schwungebene soll die
angestrebte ausgezeichnete Schwungbahn vollständig enthalten.
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Die
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
löst unter
anderem das Problem, das Training der Führung des Golfschlägers auf
dieser Schwungebene (14) zu verbessern. Ziel ist es, sowohl
während
des Golfschwunges der schlagenden Person bei Abweichung von dieser
Ebene einen Fehler in Echtzeit zu signalisieren, als auch nachträglich einfach
interpretierbare Messdaten zur Bewertung des Golfschwunges zur Verfügung zu
stellen.
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1a–c dienen
der Veranschaulichung der Lage des Sensorkoordinatensystems in Bezug
auf die schlagende Person. Bewegt sich der Schläger genau auf der Schwungebene
(14), sollten keine Beschleunigungskräfte aus der Schwungebene heraus auftreten.
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Zur
Verdeutlichung: Weist das Mittel (12) zum Nachweis des
zweidimensionalen Beschleunigungsvektors einen Beschleunigungssensor
(6) auf, der senkrecht bzw. normal zu dieser Schwungebene (14)
am Schlägerschaft
(1) montiert ist, dann misst dieser alle Beschleunigungen
a'y in
der Richtung y → aus dieser Ebene heraus. Würde der Beschleunigungssensor
(6), der in y → Richtung empfindlich ist, jedoch gegenüber dem
Normalenvektor der Schwungebene (14) in der Achse des Schlägerschaftes
(1) verkippt, nähme
er auch nicht zu signalisierende Beschleunigungen innerhalb der
Schwungebene (14) wahr. Für den statischen Fall, in der
Ruhelage bzw. Ansprechposition ließe sich dieses Problem erfindungsgemäß beispielsweise
dadurch lösen,
dass das Mittel (12) zum Nachweis des zweidimensionalen
Beschleunigungsvektors in der Ebene senkrecht zur Achse des Schlägerschaftes
(1) einen weiteren Beschleunigungssensor (5) aufweist,
der in x → Richtung empfindlich ist und die Beschleunigungssignale a'x liefert.
Dabei liegt die Richtung in der Schwungebene (14) und steht
senkrecht zum Schlägerschaft (1)
und senkrecht zum in y →-Richtung empfindlichen Beschleunigungssensor
(6). Das Mittel (12) zum Nachweis des zweidimensionalen
Beschleunigungsvektors in der Ebene senkrecht zur Achse des Schlägerschaftes
(1) liefert die Ausgangssignale a'x und a'y.
Wird nun das Beschleunigungssensorkoordinatensystem, das durch die
Vektoren x → und y → aufgespannt wird, um die Achse des Schlägerschaftes
(1) rotiert, kann der Winkel ρ zwischen dem Normalenvektor N → auf
der Ebene und dem Koordinatensystem y → in der Ruhelage bestimmt werden,
da die vom Mittel (12) zum Nachweis des zweidimensionalen
Beschleunigungsvektors in der Ebene senkrecht zur Achse des Schlägerschaftes
(1) gemessene Projektion des Gravitationsvektors g → in die
Messebene x → und y → dieselbe Richtung wie der Normalenvektor N → aufweist.
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Wird
nun allerdings der Schläger
bewegt, ändert
sich einerseits die vom Mittel (12) zum Nachweis des zweidimensionalen
Beschleunigungsvektors in der Ebene senkrecht zur Achse des Schlägerschaftes
(1) gemessene statische Beschleunigung (Projektionen von g → auf x → und y →)
und andererseits addieren sich die jeweiligen dynamischen Beschleunigungsanteile
für x → und y →.
Aus den beiden zur Verfügung
stehenden Messsignalen a'x und a'y kann man im dynamischen Fall nun nicht
mehr gleichzeitig die Verdrehung des Sensorkoordinatensystems x →y → um die
Achse des Schlägerschaftes,
wie das in 2 für verschiedene Phasen eines
Schwunges veranschaulicht wird, als auch die Beschleunigungskomponenten
in Normalenrichtung bestimmen.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch
Verwendung eines von a'x und a'y unabhängigen
Mittels zum Nachweis der Verdrehung φ des x →y →-Koordinatensystems um
die Achse des Schlägerschaftes
seit Beginn des Schlages, also bezogen auf die Ruhelage bzw. Ansprechposition
des Schlägers
(2c). Somit können die Messgrößen a'x und
a'y zu
jedem Zeitpunkt des Schlages mathematisch wieder in die Ruhelage
rotiert werden, so dass die so entstehenden Ausgangssignale ax* und ay* nur noch
mit den Beschleunigungskomponenten N und T in der Ebene senkrecht
zur Achse des Schlägerschaftes
(1) in Beziehung stehen.
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Das
Mittel zur Nachweis des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors
(12) senkrecht zur Achse des Schlägerschaftes (1) kann
beispielsweise aus zwei in einer einzelnen Achse empfindlichen Sensoren
(5, 6) aufgebaut sein, wobei diese vorteilhafterweise
jedoch senkrecht zueinander justiert werden. Diese Beschleunigungssensoren
für die
x- und y-Komponente (5, 6) haben beispielsweise
einen Messbereich von 10 g.
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Ein
2-Achs-Beschleunigungssensor, der werksseitig zwei senkrecht zueinander
empfindliche Achsen in einem Gehäuse
hat, ist von Vorteil. Während
des Schlages ist das Mittel zur Bestimmung des zweidimensionalen
Beschleunigungsvektors (12) senkrecht zur Achse des Schlägerschaftes
(1) mit dem Schlägerschaft
(1) fest verbunden.
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Der
Beschleunigungssensor liefert zu den Beschleunigungskomponenten
des Beschleunigungsvektors
in der Ebene senkrecht zur
Richtung der Achse des Schlägerschaftes z → und
mit der Neigung bezüglich des
Gravitationsvektors g → zusammenhängende
Ausgangssignale. Vorteilhafterweise wird das Mittel zur Nachweis
des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors (
12) senkrecht
zur Achse des Schlägerschaftes
(
1) so nah wie möglich
an dieser montiert.
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In
der hier dargestellten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
verfügt
das Mittel (7) zum Nachweis des Drehwinkels φ seit t
= 0 (Ansprechposition) über
einen Gyrosensor (13) mit der Fähigkeit, die Winkelgeschwindigkeit φ . um
die Achse des Schlägerschaftes
(1) zu messen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung verwendet MEMS – Ausführungen
von Gyrosensoren (13). Der Gyrosensor (13) hat
beispielsweise einen Messbereich von 300°/s.
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In
der ersten Variante der Ausführungsform ist
ein Mittel (7) mit der Fähigkeit zur Messung des Drehwinkels φ um die
Achse des Schlägerschaftes (1)
seit Beginn des Schlages mit der Achse des Schlägerschaftes (1) fest
verbunden. Dieses Mittel (7) gibt bei Drehung des Schlägers um
seine Schaftachse analoge oder digitale Ausgangssignale ab.
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In
einer zweiten, Kosten sparenden Variante der Ausführungsform
für das
Mittel (7) zum Nachweis des Drehwinkels φ um die
Achse des Schlägerschaftes
(1) wird der Drehwinkel φ in Abhängigkeit von der Zeit t ohne
Sensor, z. B. aus einem mathematischen Modell, aus der Erfahrung
oder einem anderen Verfahren bestimmt. Hierzu kann der zeitliche
Verlauf des Drehwinkels beispielsweise aus einer der 10 entnommen und durch ein Polynom genähert werden,
um dann unter Berücksichtigung
der Stetigkeit näherungsweise
aus den Beschleunigungssignalen ax und ay bezüglich
Breite (Dauer) und Amplitude (Drehwinkel) rekonstruiert zu werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann vorteilhafterweise um ein Mittel (4) zum Nachweis
der Radialbeschleunigung in der z → Richtung, also parallel zur Achse
des Schlägerschaftes
(1) erweitert werden. Der Messbereich für Beschleunigungssensor (4)
der radialen (z-Richtung) Komponente kann über die Position des Sensors
entlang des Schaftes (1) in Grenzen variiert werden. Hierbei
macht man sich zunutze, dass die Beschleunigungssignale mit größer werdendem
Abstand vom Drehzentrum, also auch vom Griff (2), zunehmen.
Die Bemessung des Sensors kann so beispielsweise zwischen 10 g und
100 g erfolgen. In einer vorteilhaften Variante der Ausführungsform
können
auch mehrere Mittel (4) zum Nachweis der Radialbeschleunigung
in der z → Richtung mit jeweils unterschiedlichem Abstand zum Griff (2)
oder auch unterschiedlicher Dimensionierung des Messbereiches verwendet
werden. Dies schafft die Möglichkeit,
sowohl bei hohen als auch niedrigen Schlaggeschwindigkeiten eine
entsprechend hohe Auflösung
des Messsignals zu erzielen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verwendet mehr als ein Mittel (12) zum Nachweis des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors
senkrecht zur Achse des Schlägerschaftes
(1) mit unterschiedlichen Entfernungen zum Griff (2).
Mit dieser Anordnung können sowohl
Differenzbeschleunigungen gemessen werden als auch Messbereich und
Empfindlichkeit der Beschleunigungssensoren an die jeweiligen Gegebenheiten
angepasst werden. Zu den jeweiligen Gegebenheiten zählen sowohl
die Eigenschaften verfügbarer
Beschleunigungssensoren als auch die Besonderheiten der einzelnen
Ballsportarten mit mehr oder weniger stark beschleunigten Schlägen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung verwendet MEMS – Ausführungen
von Beschleunigungssensoren.
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In 3 sind
die weiteren Bestandteile der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Hierzu gehört
als Rechenmittel (8) ein Mikrocontroller, der in der Lage
ist, die von den Sensoren bereitgestellten Ausgangssignale nach Verstärkung und
Digitalisierung weiterzuverarbeiten. Ein Teil des Speichers (10)
ist nichtflüchtig
und hält die
Firmware, ein anderer Teil des Speichers (10) dient zur
Programmausführung.
Ein weiterer Teil des Speichers (10) dient der Aufzeichnung
von zeitabhängigen
Daten von kompletten Schlägen.
Die Verwendung einer Flashspeicherkarte gestattet den problemlosen
Austausch von Daten mit PCs oder anderer Peripherie. Auf dem sogenannten
IO Modul befinden sich weitere Schnittstellen und Vorkehrungen für die entsprechende
Signalisierung von Schwungfehlern mit einem Signalgeber (9)
(LED, Lautsprecher, Kopfhörer,
Ansteuerung für
Vibrationsmotor, Anzeige etc.).
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Vorrichtung
mit den Sensoren, dem Mikroprozessor, der Computerschnittstelle,
der Stromversorgung und der Signalisierung in einem kompakten Gehäuse (16)
zusammengefasst und untergebracht, das auf einfache Art mechanisch
an einer Stelle des Schlägerschaftes
(1) mit einer Befestigungsvorrichtung (11) befestigt
werden kann. Die Befestigung kann mit Hilfe einer Klemmvorrichtung
erfolgen. Die Klemmvorrichtung kann z. B. zwei Backen besitzen,
die sich um den Schlägerschaft
(1) in geeigneter Weise schließen. Dies kann z. B. realisiert
werden, wenn man die Backen am dünnen,
unteren Schlägerende
in der Nähe
des Schlägerkopfes
(3) einsetzt und entlang des sich verdickenden Schaftes in
Richtung Griff (2) nach oben schiebt.
-
Die
beschriebene Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann vorteilhafterweise als Spieleingabegerät für Golfsoftware verwendet werden.
Für diese
Verwendung weist die Vorrichtung entsprechende Schnittstellen auf.
-
Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung weist weitere Sensoren
auf, die Beschleunigungen oder Drehbewegungen des Golfers nachweist.
Diese Sensoren können
zum Körper
des Golfers z. B. durch Unterbringung in der Bekleidung in eine
bestimmte Beziehung gebracht werden. Es ist vorteilhaft, Drehbewegungen
bzw. Beschleunigungskräfte
im Schulter-, Rücken-,
Hüft-,
Oberarm- und Unterarmbereich zu messen.
-
Mit
den beschriebenen Ausführungsformen lassen
sich neben den genannten Vorteilen eine Reihe von weiteren Vorteilen
erzielen:
- • Die
Verwendung von MEMS Beschleunigungssensoren und MEMS Gyrosensoren
als Mikrosysteme auf Halbleiterbasis ist wegen deren geringer Abmessungen
und Gewichte vorteilhaft für
die Portabilität
und Flexibilität
und den geringen Einfluss auf das Schlägergefühl beim Schwung.
- • Außerdem gestattet
die Verwendung von MEMS Beschleunigungssensoren und MEMS Gyrosensoren
geringe Kosten sowie die Möglichkeit,
die digitalen oder analogen Ausgangssignale elektronisch weiterzuverarbeiten.
- • Weist
das Rechenmittel (8) beispielsweise einen USB Controller
auf, bietet das den Vorteil, die Echtzeitberechnungen mit der Firmware
durchzuführen
und gleichzeitig eine populäre,
kostengünstige
Computerschnittstelle zu unterstützen.
- • Die
Ausgabe des Fehlersignals durch Übertragung
von Vibrationen über
den Schlägerschaft
(1) auf die schlagende Person ermöglicht die Verwendung des Trainingsgerätes, ohne
andere Personen im näheren
Umfeld zu stören.
- • Die
Verwendung eines Speichers gestattet die die Aufzeichnung der Messdaten-
und/oder weiterverarbeiteten Daten von ein oder mehreren Schlägen, um
sie nachträglich
auf einen leistungsfähigeren
PC übertragen
zu können.
Wird Flashspeicher verwendet, können
die Daten ohne Stromversorgung erhalten werden.
-
Im
Folgenden wird eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
nach den Ansprüchen
34 ff. für
die Verwendung als Golfübungsgerät beschrieben.
-
6 zeigt
das Datenflussdiagramm für
die beschriebene Ausführungsform
des Verfahrens mit der beschriebenen Ausführungsform (3)
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach Anspruch 1.
-
Als
Teil einer Messung (60) liefert das Mittel (12)
zum Nachweis des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors senkrecht
zur Achse des Schlägerschaftes
(1) die gemessenen Beschleunigungen a →' in der x →y →-Messebene senkrecht zur Achse
des Schlägerschaftes
(1).
-
In
einem weiteren Teil der Messung (60) liefert der Gyrosensor
(13) als Teil des Mittels (7) zur Bestimmung des
Drehwinkels um die Achse des Schlägerschaftes (1) ein
Ausgangssignal, das mit der Winkelgeschwindigkeit φ . des Schaftes
zusammenhängt.
-
Geht
man davon aus, dass der Schläger
zu Beginn des Schlages, in der so genannten Ansprechposition, einen
Winkel von φ =
0 hat, kann man die Drehung φ um
die eigene Achse durch Integration (63) der gemessenen
Winkelgeschwindigkeit von Beginn des Schlages (Zeit t = 0) an bestimmen.
-
Beispielhaft
sind die zeitlichen Verläufe
der unverarbeiteten Ausgangssignale (61) des Mittels (12)
zum Nachweis des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors senkrecht
zur Achse des Schlägerschaftes
(1) bzw. der beiden Beschleunigungssensoren (5, 6)
sowie des Mittels (7) zur Bestimmung des Drehwinkels während eines
bestimmten Schlages in 8 dargestellt.
-
Zur
weiteren Verarbeitung der Ausgangssignale der Mittel (7, 12)
sind Kalibrierungen und Bestimmungen von Korrekturen (50–52)
notwendig:
Ziel einer ersten Kalibrierung für das Mittel (12)
zum Nachweis des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors ist es,
die Beschleunigung a → in Einheiten von g zu messen. Der so ge nannte
Offset ist das von Null verschiedene Ausgangssignal, wenn sich das
Mittel (12) in Ruhe befindet und die x →y → Messebene senkrecht
zu g → steht.
-
Offset
des Mittels (12) für
die Empfindlichkeitsachse in x → Richtung: a Offset / x
-
Offset
des Mittels (12) für
die Empfindlichkeitsachse in y → Richtung: a Offset / y
-
Die
Offsets werden als Teil der Vorverarbeitung (62) von den
unverarbeiteten Ausgangssignalen jeweils abgezogen: ax = a'x – aOffsetx ay = a'y – aOffsety
-
Der
Gyrosensor (13) als Teil des Mittels (7) zum Nachweis
des Drehwinkels muss ebenfalls kalibriert werden. Die Bestimmung
der Offsets der Winkelgeschwindigkeit φ .Offset erfolgt
als Messung des Ausgangssignals des Gyrosensors (13) in
der Ruhelage der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Als weiterer Teil der Vorverarbeitung (62) wird der Offset
jeweils vom Ausgangssignal des Gyrosensors (13) abgezogen.
-
Die
Bestimmung des Drehwinkels erfolgt erfindungsgemäß nach folgenden Verfahren:
Das Ausgangssignal des Gyrosensors (13) wird beispielsweise
mit einer Frequenz von 1 kHz abgetastet. Das Ausgangssignal des
Gyrosensors (13) hängt
mit der Winkelgeschwindigkeit des Schlägers zusammen. Zeitliche Integration
(63) des Ausgangssignals des Gyrosensors (13)
liefert einen Winkel. Um diesen Winkel in Grad zu eichen, bestimmt
man das Integral I für
einen bekannten Drehwinkel γ,
wobei die Lage seiner empfindlichen Achse im Raum nicht verändert wird.
Diese Prozedur kann sowohl werksseitig als auch im Feld durchgeführt werden.
Im Feld kann beispielsweise der Schlägerschaft mit der befestigten Vorrichtung
um seine Achse um einen bekannten Winkel γ gedreht werden. Dreht man um
eine ganze Runde, entspricht das Integral einem Drehwinkel von γ = 360°. Es ist
beispielsweise auch möglich,
den Schläger
mit der befestigten Vorrichtung horizontal zu halten und langsam
(Vermeidung von Beschleunigung) um einen gewissen Winkel γ zu drehen.
Dieser Winkel γ kann
mit dem zweidimensionalen Beschleunigungssensor direkt gemessen
werden. Das entsprechende Integral muss dann nur auf diesen bestimmten
Winkel γ bezogen
werden.
- γ
- – bekannter Drehwinkel
- T
- – benötigte Gesamtzeit, um um einen
bestimmten Drehwinkel zu drehen
- Iγ
- Integral für einen
bestimmten Drehwinkel γ
- φ
- gesuchter Drehwinkel
φ[grad] =
Iφ/Iγ·γ
-
Die
Integrale werden durch Summation der mit einer bestimmten Abtastrate
gemessenen Ausgangssignale genähert:
Messwerte φ .(t
i), Zeit t
i = t·i bei äquidistanten
Messintervallen,
-
In
der Ruhelage (Ansprechposition, Zeit t = 0) erfolgt die Bestimmung
der ausgezeichneten Schwungbahn (57), auf der sich der
Schläger
für einen
idealen Schwung bewegen soll:
Als ausgezeichnete Schwungbahn
legt man eine Ebene parallel zum Ziel und zur Achse des Schlägerschaftes
(1), geneigt um den Liewinkel ϑ gegenüber der
Erdoberfläche
fest. Ein um ϑ gegenüber
der Gravitationsachse geneigter Beschleunigungssensor sieht dann
ein Signal N0.
-
In
einem Verfahren (57) wird der Liewinkel ϑ bestimmt
aus der Neigung der x →y →-Ebene des Sensorkoordinatensystems gegenüber dem
Gravitationsvektor g →, d. h. aus dem Betrag der gemessenen Projektion
des Gravitationsvektors g →: cos(ϑ) = |a →t=0|
-
Zur
Interpretation der Beschleunigungssignale ist es notwendig, die
Verdrehung ρ der
Empfindlichkeitsachsen x → und y → in der Ansprechposition (t = 0) gegenüber dem
Normalenvektor N → zu bestimmen (54). arctan(ax, ay) = ρ(dabei
ist ρ die
Verdrehung der Platine zur Messung von a → gegenüber der Ideallage ay||N → bei t = 0 um die Achse des Schlägerschaftes
(1) verdreht ist).
-
Damit
ist die Lage des Normalenvektors auf der ausgezeichneten Schwungbahn
in der Ansprechposition in Bezug auf die Ausgangsgrößen des
Mittels (12) zur Bestimmung des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors
bekannt.
-
Damit
sind wesentliche Schritte zur Kalibrierung für die dargestellte Ausführungsform
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
abgeschlossen. In dieser oder anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens
können weitere
Kalibrierschritte erforderlich oder vorteilhaft sein.
-
In 7 ist
der zeitliche Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung
von Echtzeit-Trainingsinformationen und zur Aufzeichnung zeitlicher
Verläufe
von Schwungparametern dargestellt.
-
Eine
Werkskalibrierung (50) dient der Bestimmung individueller
Hardwareparameter der erfindungsgemäßen Vorrichtung als notwendige
Voraussetzung zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu einem bestimmten
Zeitpunkt vor Ausführung eines
Schlages, beispielsweise nach dem Einschalten, erfolgt eine Initialisierung
der Vorrichtung. Beispielsweise wird der Programmcode in den Speicher geladen
und die Voraussetzungen zur ordnungsgemäßen Funktion geschaffen. Anschließend erfolgt die
Kalibrierung (71) der Vorrichtung, beispielsweise werden
die Offsets des Mittels (12) zum Nachweis des zweidimensionalen
Beschleunigungsvektors und des Mittels (7) zur Bestimmung
des Drehwinkels und der Liewinkel bestimmt. Im weiteren Verlauf
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein Verfahren (72) zur Bestimmung des Zeitpunktes
t = 0, also des Beginns des Schlages, wenn sich der Schläger in Ruhe befindet,
durchgeführt.
Eine Ausführungsform
des Verfahrens (72) kann beispielsweise auf Detektion des
Auslösens
eines Schalters beruhen. Eine andere Ausführungsform von Verfahren (72)
verwendet vorteilhafterweise die Ausgangssignale des ersten Mittels
(12) und des zweiten Mittels (7), um festzustellen,
ob sich der Schläger
in der Nähe
einer bestimmten Lage befindet und ob sich die Ausgangssignale der
Mittel (7) und (12) für eine gewisse Zeit in einem gewissen
Bereich nicht ändern.
Ist die Ruhelage festgestellt, wird die Bestimmung von Liewinkel,
ausgezeichneter Schwungbahn und Verdrehung (54–57) durchgeführt. Anschließend werden
in einer Schleife nacheinander die Messung (60), Vorverarbeitung (62),
Integration (63) der Winkelgeschwindigkeit, Drehtransformation
(65) und die Bestimmung der Beschleunigungskomponenten
in Richtung des Normalenvektors der Ebene, in der die ausgezeichnete Schwungbahn
verläuft
sowie die Bestimmung des Fehlersignals und dessen Signalisierung
durchgeführt.
-
Wie
schon bei der Beschreibung der Kalibrierung ausgeführt, erfolgt
die Bestimmung des aktuellen Drehwinkels φ durch Integration (63)
der Winkelgeschwindigkeit φ .. Geht man davon aus, dass der Schläger zu Beginn
des Schlages, in der so genannten Ansprechposition, einen Winkel
von φ =
0 hat, kann man die Drehung φ um
die Achse des Schlägerschaftes
(1) durch Integration (63) der gemessenen Winkelgeschwindigkeit φ . von
Beginn des Schlages (t = 0) an bestimmen. φn+1 = φn + φ .n+1·(tn+1 – tn).
-
Eine
präzise
Zeitmessung seit Beginn des Schlages kann aus dem Takt für den Microcontroller abgeleitet
werden.
-
Nach
dem Speichern (73) der Ergebnisse mit Zeitstempel wird
nach einem Verfahren (74) festgestellt, ob der Schlag beendet
ist oder abgebrochen wird. Nach einem kompletten Schlag liegen die
zeitabhängigen
Daten vor und stehen für
eine Nachverarbeitung (75) zur Verfügung.
-
Während des
Schlages sind die Messwerte ax und ay des Mittels (12) zum Nachweis
des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors abhängig von φ, da φ jedoch jetzt bekannt ist,
kann man diese nun einfach zurückdrehen
(2D-Drehungstransformation 65). Eine Drehung von ax und ay um den Drehwinkel φ und um
die Verdrehung ρ ergibt
dann die Beträge der
Beschleunigung in Richtung des Normalenvektors und in Richtung des
senkrecht dazu stehenden Tangentialvektors.
-
Die
zweidimensionale Drehmatrix lautet:
-
Die
Drehung (65) wird durch Multiplikation des zweidimensionalen
Beschleunigungsvektors mit der Matrix R vorgenommen.
-
-
Man
erhält
dann Messwerte aNormal = a*Y und aTangential = a*x,
die genau den Messwerten entsprechen, die man aufnehmen würde, wenn
die Vorrichtung mit dem Mittel (12) nicht um ρ verdreht
und φ über den
gesamten Schlag konstant = 0 wäre
(67). In 9 sind beispiel haft der Drehwinkel,
die ungedrehten und die um den Drehwinkel gedrehten Beschleunigungswerte
dargestellt, wie sie während
eines Schlages auftreten und aufgezeichnet werden. Mit der dargestellten
Ausführungsform
misst man keine Lageinformation mehr, sondern nur noch Beschleunigungen.
-
Wenn
man Messwerte aNormal für φ = 0 hat, so sind die Messwerte
für aNormal = cos(ϑ)·g konstant, solange alle
Bewegungen des Schlägers
innerhalb der Ebene mit Liewinkel ϑ verlaufen (keine Beschleunigungskomponenten
senkrecht zu dieser Ebene). Jede Abweichung von aNormal gegenüber dem
Messwert zu Beginn der Messung zeigt dann eine Beschleunigung aus
der Schwungebene heraus an.
-
Das
Problem der Bestimmung einer Fehlergröße E(69) kann durch
verschiedene Verfahren gelöst
werden, wobei die Lageinformationen der ausgezeichneten Schwungbahn
(57) und Parameter für
die maximal zulässige
Abweichung (58) davon berücksichtigt werden:
In
einer ersten Variante wird aus der Größe der Abweichung von aNormal aus der Schwungebene heraus ein Trainingssignal
direkt abgeleitet, das zur unmittelbaren Alarmierung des Golfers
während
des Schwunges hörbar,
fühlbar
(Vibration) oder sichtbar gemacht werden kann. Lautstärke, Tonhöhe, Vibrationsfrequenz
oder Lichtstärke
können
mit der Amplitude der Abweichung korreliert werden. Der Golfer kann
bei entsprechender Signalstärke
den Schwung abbrechen. Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung gibt hierfür Bereichsgrenzen
vor, die eine Klassifizierung des Schwunges in mehrere Kategorien gestatten
(exzellent, gut, befriedigend, schlecht, etc.).
-
In
einer zweiten Variante wird die die Abweichung von aNormal mit
der Größe der Beschleunigungskomponente
in Schlägerachsrichtung
az skaliert. Da az näherungsweise
der Radialbeschleunigung aRadial entspricht
und damit näherungsweise
proportional zur Geschwindigkeit des Schlägers ist, fände vorteilhafterweise die
Tatsache Berücksichtung, dass
Abweichungen von aNormal bei schnelleren Schlägen nicht
höher gewichtet
werden als bei langsam ausgeführten
Schlägen.
Somit ist eine bessere Konsistenz in der Wahrnehmung des Trainingssignals
sowohl für
schnelle als auch für
langsame Schwünge
gegeben.
-
In
einer dritten Variante wird der aktuelle zeitliche Verlauf der gedrehten
Beschleunigungskomponenten mit einem Referenzschwung verglichen.
Der Referenzschwung wird erfindungsgemäß aus einem mathematischen
Modell, aus der Erfahrung oder aus der Aufzeichnung von gemessenen
und/oder weiterverarbeiteten Daten für einen Golfschwung bestimmt.
-
In
einer vierten Variante wird die dritte Variante um die Einbeziehung
des Drehwinkels φ in
die Bewertung bzw. den Vergleich erweitert.
-
Eine
fünften
Variante verwendet ein Verfahren zum Anpassen der Parameter eines
Rechenmodells an die von der Trainingsvorrichtung gelieferten Daten.
Hierzu kann beispielsweise das so genannte Doppelpendelmodell, das
in 12 veranschaulicht ist, herangezogen werden. In
diesem Modell eines Golfschwunges existieren zwei Drehzentren (Schultern
und Handgelenke), wobei sich die Arme um den Winkel α1(t)
und der Schlägerschaft
(1) um den Winkel α2(t) drehen. Setzt man weiterhin voraus,
dass sich der Schlägerschaft
(1), wie in 14b dargestellt bei fehlerhaften
Schwüngen
näherungsweise auf
der Oberfläche
eines gedachten Kegels bewegt, kann der Kegelwinkel oder der damit
zusammenhängende Öffnungswinkel
zwischen ausgezeichneter Schwungebene (14) und fehlerhafter
Schwungebene (15) als Maß für die Abweichung aus dem Fit
der gemessenen und anschließend
gedrehten Beschleunigungswerte an die über den Modellansatz berechneten
Beschleunigungswerte bestimmt werden.
-
Eine
weitere Variante leitet das Fehlersignal aus der Bewertung der Geschwindigkeit,
mit der sich der Schläger
aus der Schwungebene herausbewegt oder aus der Bewertung der Entfernung
der Sensoren von der ausgezeichneten Schwungbahn ab. Die Geschwindigkeit
wird dabei aus der einfachen und die Entfernung aus der doppelten
Integration des Beschleunigungssignals aNormal abgeleitet.
Die Ergebnisse der doppelten Integration der zeitlichen Verläufe der
Beschleunigungen sind für
einen guten und schlechten Schlag in 15a–b dargestellt.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Daten
von Beschleunigung und Drehwinkel während eines kompletten Schwunges auf
einem Speicher aufgezeichnet. Dies kann auch für eine gewisse Anzahl von Schwüngen geschehen. Dies
gestattet die nachträgliche
Auswertung eines Golfschwunges mit dem Ziel, weitere Trainingsinformationen
zu gewinnen.
-
Zusätzliche
Informationen können
gewonnen werden aus dem Vergleich von Schwüngen, insbesondere dem Vergleich
mit den aufgezeichneten Daten eines Referenzschwunges eines Professionals
oder mit Daten, die aus einem Modell gewonnen wurden.
-
Aus
dem zeitlichen Verlauf des Drehwinkels der Schaftachse lässt sich
die Dynamik der Handgelenkrotation und Handgelenkentriegelung, die
wesentliche Quellen für
fehlerhafte Golfschwünge
darstellen können,
bewerten. 10 zeigt eine Reihe von
Beispielen. Zur besseren Vergleichbarkeit von Schlägen mit
verschiedener Dynamik wurde die Zeitachse in der Darstellung so
verschoben, dass die Zählung
im Treffmoment bei 0 beginnt. Der Zeitpunkt, zu dem der Ball Kontakt
mit dem Schläger
bekommt (Treffmoment), kann erfindungsgemäß aus den maximalen Beschleunigungswerten
der Beschleunigungssensoren identifiziert werden (Schock).
-
Erfindungsgemäß wurden
die Rückschwungphase
A und die Abschwungphase B im zeitlichen Verlauf identifiziert und
dargestellt. Ein Verfahren zur Bestimmung des Umkehrpunktes zwischen
Rückschwung
(Ausholen) und Abschwung (Schlagen) beruht auf der Interpretation
von aTangential(t). Diese Beschleunigungskomponente
hat im Umkehrpunkt ein Minimum. Bei genügend hoher zeitlicher Auflösung der
Messung ist die Radialbeschleunigung im Umkehrpunkt Null.
-
Ein
weiteres Verfahren zur Bestimmung des Umkehrpunktes beruht erfindungsgemäß auf der
Bestimmung des Minimums bzw. Nulldurchganges der Beschleunigungskomponente
az parallel zur Schaftachse (im weiteren
aRadial genannt) vor dem Treffmoment.
-
Ein
weiteres Verfahren beruht auf der Integration der tangentialen Beschleunigungskomponente.
Diese ergibt die Geschwindigkeit in tangentialer Richtung. Deren
Nulldurchgang markiert den Umkehrpunkt.
-
In 10a sind die Beschleunigungskomponenten aNormal(t) und aRadial(t)
in Abhängigkeit
von der Zeit für
einen guten und einen besseren Schlag eines Golfers mit geringem
Handicap dargestellt. Das Maximum der Beschleunigungskomponente
aRadial liegt für einen guten Golfer erwartungsgemäß im Treffmoment,
das hier durch den starken Ausschlag der Beschleunigungssensoren
identifizierbar ist. Die Beschleunigung aRadial erreicht
sogar Vollausschlag von 15 g im Treffmoment (Sättigung). Prinzipiell könnte man
einen Sensor mit größerem Messbereich
einsetzen, da die Radialbeschleunigung mit der Geschwindigkeit und
dem Abstand vom Drehzentrum zusammenhängt, kann man den Beschleunigungssensor jedoch
erfindungsgemäß auch dichter
am Griff anbringen (im vorliegenden Fall war der gesamte Aufbau
sehr dicht am Schlägerkopf
montiert. Derselben 10a ist zu entnehmen, dass ein
nach innen (bezüglich
der ausgezeichneten Schwungbahn nach unten) gestarteter Schwung
erfindungsgemäß daran
erkennbar ist, dass die Beschleunigungskomponente aNormal in
Phase A von der Nulllinie nach unten abweicht. Die Beschleunigungskomponente
aNormal ist für einen besseren Schwung kleiner.
-
In 10b sind die Beschleunigungen über der Zeit für einen
schnell und einen langsam ausgeführten
Schlag eines Golfers mit geringem Handicap dargestellt. Es wurde
beide Male der selbe Schläger verwendet.
Die jeweiligen Umkehrpunkte (Ausholen/Schlagen) sind markiert (Minima
der Radialbeschleunigung). Da die Radialbeschleunigung proportional
zur Geschwindigkeit ist, können
erfindungsgemäß sowohl
die Höhe
des Beschleunigungswertes aRadial im Treffmoment
als auch der Abstand Umkehrpunkt zu Treffmoment zur Bewertung bzw.
zum Vergleich von Geschwindigkeiten eines Schwunges herangezogen
werden. Die zugehörigen
Drehwinkel für beide
Schwünge
sind in 10l dargestellt. Die absolute
Drehung bleibt von der Geschwindigkeit der Ausführung des Schlages fast unberührt.
-
10c zeigt den gemessenen Drehwinkel über der
Zeit für
zwei Schwünge.
Dabei winkelt ein Golfer mit hohem Handicap sein rechtes Handgelenk bewusst
zu verschiedenen Zeitpunkten während
des Schwunges ab. Der Drehwinkel zeigt auch die für einen
Golfer mit hohem Handicap typischen „abgehackten" Phasen des Drehwinkels.
Das ist genauer in 10k zu sehen, wo der zeitliche
Verlauf des Drehwinkels für
einen Golfer mit hohem und geringem Handicap gegenübergestellt
sind. Der Drehwinkel des besseren Golfers ist viel symmetrischer
und glatter.
-
Der
Beginn der Handgelenkdrehung und die rechtzeitige Entriegelung des
Handgelenkes bis zum Treffmoment (Drehwinkel = 0, sonst Slice oder
Hook) können
erfindungsgemäß aus dem
Verlauf des Drehwinkels während
des Schwunges abgelesen werden. In 10d können weitere
Merkmale eines Schwunges erfindungsgemäß aus dem zeitlichen Verlauf
des Drehwinkels abgelesen werden. Hier sind Drehwinkel für unterschiedlich
stark gedrehte Schultern eines Golfers mit hohem Handicap zu sehen.
Das erfindungsgemäße Trainingsgerät kann zum
gezielten Training der Schulterdrehung eingesetzt werden.
-
10e zeigt den Einfluss eines jeweils normal und
palmar gebeugten Handgelenkes auf den Drehwinkel und die Beschleunigungskomponenten. Auch
diese Schwünge
sind unterscheidbar und jeweils mit dem Trainingsgerät identifizierbar.
Ein starker und ein schwacher Griff sind, wie in 10f zu sehen, ebenfalls differenzierbar. Ein stärkerer Griff führt bei
diesem Golfer zu einer geringeren Beschleunigung aNormal aus
der ausgezeichneten Schwungebene heraus. 10g zeigt
die Beschleunigungskomponenten für
zwei reduzierte Schwünge,
bei denen nicht voll ausgeholt wurde. Es wurde derselbe Schläger verwendet,
beide Schwünge
wurden nacheinander ausgeführt
und sind kaum unterscheidbar. Auch beim reduzierten Schwung liegt
das Maximum der Radialbeschleunigung im Treffmoment. Der Verlauf
des Drehwinkels für
einen reduzierten Schwung ist in 10h dargestellt.
Der absolute Drehwinkel ist kleiner als für einen vollen Schwung.
-
Zum
Verständnis
der 10i ist die Erklärung der
Begriffe eines nach innen und eines nach außen gestarteten Schwunges notwendig:
In 13a ist die Position des Schlägers für einen idealen Schwung in
der Ansprechposition und in 13b beim
Ausholen auf der ausgezeichneten Schwungbahn in der Ebene (14)
dargestellt. Ein so genannter Schwung nach außen weicht von der idealen
Ebene (14) ab und startet nach oben aus der ausgezeichneten
Schwungebene (14) heraus. Der Schlägerkopf bewegt sich dann auf
einer Bahn in der fehlerhaften Schwungebene (15) oberhalb
der Schwungebene (14). Diese Verhältnisse sind in 14a–b
an Hand der Schlägerpositionen
in der Ansprechposition und während
des Ausholens dargestellt. Entsprechend würde sich der Schlägerkopf auf
einer Bahn innerhalb einer fehlerhaften Schwungebene (15)
unterhalb der Schwungebene (14) für einen nach innen gestarteten
Schwung bewegen.
-
10i kann man entnehmen, dass erfindungsgemäß auch der
Verlauf des Drehwinkels kennzeichnend für einen nach innen bzw. außen gestarteten
Schwung ist. Dies ist hauptsächlich
durch die Projektion der tatsächlichen
Drehachse auf die empfindliche Achse des Gyrosensors (13)
verursacht.
-
10j zeigt die aufgezeichneten Beschleunigungskomponenten
für einen
Schwung eines Golfers mit hohem Handicap. Hier ist eine Anomalie
erkennbar: Das Maximum der Radialbeschleunigung liegt vor dem Treffmoment,
woraus sich eine Verzögerung
des Schwunges vor dem Auftreffen des Schlägers auf dem Ball ablesen lässt. Der
Schwung ist nicht effektiv, weil er abgebremst ist.
-
Die
nachträgliche
Auswertung zur Diskussion von Korrekturen für folgende Golfschläge erfolgt vorteilhafterweise
an einem mit höherer
Rechenleistung und besseren Fähigkeiten
zur grafischen Auswertung ausgestatteten PC. Vorteilhafterweise
verfügt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Datenaustausch mit dem PC über
eine drahtgebundene oder drahtlose Schnittstelle (z. B. USB, IRDA,
Bluetooth) oder die Daten sind auf einer portablen Flashspeicherkarte
untergebracht.
-
Eine
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
stellt die Steuerung von Computerspielen oder Ballflugsimulationen
dar. Sowohl Echtzeit-Fehlersignal als auch aufgezeichnete Daten
können
zur Steuerung von Computerspielen oder Ballflugsimulationen verwendet
werden.
-
Wird
ein Vibrationsmotor als Signalgeber (9) verwendet und wird
dieser Vibrationsmotor am Schlägerschaft
(1) montiert, so übertragen
sich die Schwingungen auf den Schlägerschaft (1), den
Griff (2) und auf die Hände
und signalisieren somit der schlagenden Person einen Fehler. Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
löst das Problem,
dass sich die Schwingungen auf die Ausgangssignale der Mittel (12, 7)
zum Nachweis der Beschleunigung und des Drehwinkels auswirken. In 11b sind die durch einen am Schlägerschaft
(1) montierten Unwuchtmotor gestörten Ausgangssignale der Beschleunigungssignale
und das Ergebnis der Anwendung eines Tiefpassfilters zur Beseitigung
der Störung
dargestellt. Aus 11a ist ersichtlich, dass der
Drehwinkel relativ ungestört
bleibt. Zusätzlich wird
aus 11c deutlich, dass für die Durchführung der
erfindungsgemäßen Verfahren
der Einfluss der Vibrationen auf die Radialbeschleunigung vernachlässigt werden
kann.
-
- 1
- Schlägerschaft
- 2
- Griff
- 3
- Schlägerkopf
- 4
- Mittel
zum Nachweis der Beschleunigung z (radial)
- 5
- Mittel
zum Nachweis der Beschleunigung x
- 6
- Mittel
zum Nachweis der Beschleunigung y
- 7
- Mittel
zum Nachweis des Drehwinkels der Achse des Schlägerschaftes
- 8
- Rechenmittel
- 9
- Signalgeber
- 10
- Datenspeicher
- 11
- Mechanische
Befestigungsvorrichtung
- 12
- Mittel
zum Nachweis des zweidimensionalen Beschleunigungsvektors in der
Ebene senkrecht zur Achse des Schlägerschaftes
- 13
- Gyrosensor
zum Nachweis der Winkelgeschwindigkeit
- 14
- Schwungebene
- 15
- Fehlerhafte
Schwungebene
- 16
- Gehäuse der
Vorrichtung
- 50
- Werkskalibrierung
- 51
- Berücksichtigung
der Umgebungstemperatur
- 52
- Korrekturverfahren
- 54
- Bestimmung
der Verdrehung des x →y → Sensorkoordinatensystems
- 55
- Bestimmung
des Normalenvektors
- 56
- Bestimmung
des Tangentialvektors
- 57
- Bestimmung
der ausgezeichneten Schwungbahn
- 58
- Bestimmung
der Vergleichsmittel
- 59
- Berücksichtigung
der Radialbeschleunigung
- 60
- Messung
- 61
- unverarbeitete
Ausgangssignale der Messung
- 62
- Vorverarbeitung
- 63
- Integrationsverfahren
zur Bestimmung des Drehwinkels
- 64
- verarbeitete
Ausgangssignale
- 65
- Rotation
der Beschleunigungswerte
- 66
- Rechenoperation
- 67
- Normal-,
Tangentialbeschleunigung in g und Drehwinkel in Grad
- 68
- Rechenoperation
- 69
- Bestimmung
eines Fehlersignals