V Laboratoriju za informacijske tehnologije UL FE razvili specializiran pripomoček in aplikacijo za golfiste

V sodobni športni znanosti predstavlja integracija senzorskih tehnologij in algoritmov za obdelavo podatkov v realnem času pomemben korak k učinkovitejšemu in hitrejšemu motoričnemu učenju. Pri večini športov se namreč soočamo z izzivom, da je subjektivni občutek pogosto zavajajoč. Igralec golfa lahko denimo verjame, da je palico dvignil pravilno, medtem ko je dejanska pot zamaha odstopala za več stopinj. Senzorji v tem primeru delujejo kot zunanji, objektivni korektor naših čutilV ta namen so v laboratoriju za informacijske tehnologije (LAIT) na Fakulteti za elektrotehniko razvili sistem biomehanske povratne informacije (BMF), ki temelji na uporabi inercijskih merilnih enot (IMU) ter napredni 3D-vizualizaciji (aplikaciji) v okolju Unity. BMF športniku omogoča, da v realnem času prejema kvantitativne podatke o svojem gibanju, jih sproti interpretira ter na njihovi podlagi nemudoma prilagaja izvedbo tehnike.

Koncept biomehanske povratne informacije v športu temelji na štirih ključnih komponentah: športniku kot subjektu gibanja, senzorjih, ki med vadbo zajemajo gibalne podatke, procesni enoti, ki te podatke analizira, ter aktuatorjih, ki posredujejo povratne informacije v različnih oblikah.

Obstoječe tehnološke rešitve na trgu, kot so sistemi, ki temeljijo na radarjih ali kamerah visoke ločljivosti, so pogosto cenovno nedostopne za širšo uporabo in zahtevajo kompleksno nastavitev. Večina teh sistemov prav tako temelji na primerjavi s “popolnim” modelom zamaha profesionalnih igralcev, kar pa zanemarja individualne biomehanske značilnosti in fizične omejitve posameznega amaterskega igralca.

Inovativnost pristopa Laboratorija za informacijske tehnologije temelji na dveh stebrih:

1. Individualizacija reference: Namesto generičnega modela sistem omogoča igralcu, da za referenco uporabi svoj lastni najboljši zamah (izveden npr. pod nadzorom trenerja). S tem sistem optimizira igralčev naravni gib namesto vsiljevanja tujih motoričnih vzorcev.
2. Nizka cena: NSistem deluje na podlagi nizkocenovnega senzorja orientacije BNO086.

Rešitev je skupek strojne in programske opreme

Strojna oprema

V laboratoriju LAIT so razvili majhno senzorsko napravo, ki jo pritrdimo na palico za golf – ta predstavlja tehnološki temelj sistema. Jedro naprave sestavljata mikrokrmilnik Arduino in senzor orientacije BNO086, ki v realnem času procesirata podatke pospeškometra, žiroskopa in magnetometra. Sistem te podatke oddaja s konstantno frekvenco vzorčenja 200 Hz, ki zagotavlja visoko časovno ločljivost, kar je nujno za natančen zajem hitrih kinematičnih sprememb med zamahom.

Trenutno so pri analizi osredotočeni predvsem na podatke o orientaciji in kotni hitrosti (žiroskop), saj so začetni testi pokazali, da natančnost pospeškometra trenutno še ne zadošča za zanesljivo določanje položaja palice v prostoru. Čeprav bi teoretično to lahko pomenilo, da bi uporabnik lahko simuliral pravilno orientacijo ob napačnem gibu (rotacija okoli napačne točke), je pri izkušenih golfistih takšen scenarij v praksi zanemarljiv. Zaradi teh specifik je sistem v svoji trenutni različici najbolj primeren kot napredno diagnostično orodje za izkušene igralce ali za začetnike, ki vadijo pod strokovnim nadzorom inštruktorja. Naprava namreč ne nadomešča klasičnega treninga, temveč služi kot specializiran pripomoček, ki igralcem in trenerjem omogoča identifikacijo napak, ki bi jih s prostim očesom ali standardno video analizo težko zaznali.

Arduinov mikrokrmilnik je programiran tako, da vzpostavi lastno brezžično dostopno točko, na katero se  pametni telefoni, tablice ali prenosni računalniki neposredno povežejo  in tako v realnem času prejemajo podatke o gibanju z naprave.

Programska oprema: Aplikacija BMFGA

Za procesiranje podatkov in njihovo transformacijo v uporabniku razumljivo obliko so v razvojnem okolju Unity razvili aplikacijo BMFGA (Biomechanical Feedback Golf Application),.pri čemer so z nasveti sodelovali tudi profesionalni trenerji golfa. Izbira tega naprednega grafičnega okolja omogoča uporabo visoko ločljive 3D-grafike, hkrati pa zagotavlja popolno združljivost z različnimi platformami – mobilnimi (Android, iOS) in namiznimi (Windows).

Jedro aplikacije predstavlja inovativna vizualizacijska platforma, ki temelji na dinamični primerjavi referenčnega zamaha s trenutnim gibom. Poleg statičnih grafov aplikacija v realnem času rekonstruira 3D-model golfske palice v virtualnem prostoru. S tem igralcu omogoči, da neposredno opazuje odstopanja svoje tehnike v primerjavi s svojim optimalnim/referenčnim udarcem.

Aplikacija deluje v treh načinih:

1. Način snemanja: V tem načinu se zbirajo podatki o “idealnih” zamahih posameznika. Sistem samodejno zazna začetek in konec giba na podlagi sprememb v kotni hitrosti. Ti posnetki služijo kot referenčna točka, s katero se igralec primerja v fazi vadbe. Igralec ali pa trener pa mora med posnetimi zamahi izbrati vsaj enega dobrega, katerega bo treniral. Za uporabo ostalih dveh načinov aplikacije je potreben vsaj en referenčni udarec.

Način vadbe: V tem načinu aplikacija deluje v skladu s konceptom biomehanske povratne zanke, saj igralcu omogoča takojšnjo identifikacijo in popravek napak na podlagi primerjave z referenčnim zamahom. Aplikacija omogoča dve vadbi. Pri vadbi položaja igralec izvaja zamah (običajno v počasnejšem tempu), medtem ko sistem v realnem času primerja trenutno orientacijo palice z referenčno. Primerjamo tako orientacijo palice kot tudi glavo palice. Če odstopanje v katerem koli delu zamaha preseže vnaprej določen tolerančni prag, sistem sproži zvočni signal (pisk), vizualno pa se na zaslonu prikaže razlika med dejanskim in želenim položajem. To  igralcu omogoča, da razvije natančnejši občutek za pravilno pot zamaha.

Vadba tempa pa je osredotočena na časovno komponento giba. Sistem meri trajanje posameznih faz zamaha (to je čas od začetka do vrha zamaha in čas spusta do udarca) ter jih primerja z referenco. V primeru, da igralec zamahne hitreje ali počasneje glede na nastavljeno toleranco od svojega referenčnega udarca, ga sistem opozori z zvočnim signalom. Pravilen tempo je ključen za konsistenco udarcev, aplikacija pa igralcu pomaga, da ta ritem ponotranji.

Aplikacija omogoča tudi spremljanje in javljanje napake na pozicijo in tempo hkrati.

1. Način analize: Ta modul je namenjen poglobljenemu retrospektivnemu pregledu izvedenih zamahov. Ko igralec zaključi vadbo, lahko vsak udarec podrobno analizira in primerja s svojim referenčnim zamahom. Primerja lahko položaja palice ob enakem časovnem trenutku ali pa ob isti višini palice.

Za boljše razumevanje sta na voljo dve dodatni vizualizaciji:

• Odmevi zamaha (slika 4): Funkcija prikaže serijo statičnih položajev palice v določenih časovnih intervalih celotnega zamaha, kar ustvari vizualno “pahljačo”, ki razkriva celotno geometrijo giba.
• Sled glave palice (slika 5): Sistem izriše pot, ki jo je v prostoru opravila glava palice, kar je ključno za analizo oblike zamaha in točke stika z žogico.

Poleg tega se prikazuje tudi graf hitrosti palice. Tako lahko golfist ugotovi, kateri del zamaha je opravil prehitro ali pa prepočasi. Navpična črta na grafu hitrosti prikazuje točko v času, ki je prikazana v 3D prikazih.

Stanje raziskave

Aplikacija je funkcionalno končana. Na voljo so verzije za Android, iOS in Windows. Po pogovorih s trenerji smo ugotovili, da jih večina pri treningu že uporablja vsaj eno pametno napravo. Z namenom, da trenerjem ni potrebno uporabiti dodatne naprave, je pomembno, da je aplikacija na voljo na vseh platformah.