CC BY
8610. Барташ, В. А. Основы спортивной тренировки в рукопашном бое : учеб. пособие / В. А. Барташ. - Минск : Выш. школа, 2014. - 479 с.
11. Менеджмент: Экзаменационные ответы. Серия «Сдаем экзамен». - Ростов н/Д : Феникс, 2002. - 384 с.
12. Зациорский, В. М. Физические качества спортсмена: основы теории и методики воспитания / В. М. Зациорский. - М. : Физкультура и спорт, 1966. - 200 с.
13. Биохимия мышечной деятельности / Н.И. Волков [и др.]. - Киев : Олимп. лит., 2000. - 504 с.
14. Muschevici, Radu; Potanin, Alex; Tempero, Ewan; Noble, James (2008). "Multiple dispatch in practice". Proceedings of the 23rd ACM SIGPLAN conference on Object-oriented programming systems languages and applications. OOPSLA '08 (Nashville, TN, USA: ACM): 563-582.
15. Гавердовский, Ю. К. Обучение спортивным упражнениям. Биомеханика. Методология. Дидактика / Ю. К. Гавердовский. - М. : Физкультура и спорт, 2007. - 911 с.
06.09.2019
УДК 796.01:612.76+004
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ СПОРТИВНЫХ ДВИЖЕНИЙ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Д. Ю. Быков,
В. Е. Васюк, канд. пед. наук, доцент,
Белорусский национальный технический университет
Н. А. Парамонова, канд. биол. наук, доцент,
Научно-технологический парк БНТУ «Политехник»
Аннотация
В статье рассматриваются ключевые этапы развития сенсорных технологий. Приведены основные направления их использования при определении биомеханических параметров спортивных движений. Кратко обозначены актуальные ориентиры по созданию измерительных систем для безуключенной гребли, биатлона, лыжных гонок и конькобежного спорта.
INTELLIGENT SPORT MOTIONS SENSORS: ISSUE STATUS AND USAGE PROSPECTS
Annotation
The key stages of the sensor technologies development are considered. The main directions of their use in determining the biomechanical parameters of sports movements are given Actual guidelines on the creation of measuring systems for rowing and canoeing, biathlon, skiing and speed skating are presented shortly.
Введение
Интерес к аппаратно-программным системам, позволяющим регистрировать и анализировать движения человека, возрастает по мере развития и совершенствования соответствующих технологий, на основе которых конструируются различные регистрирующие элементы. На протяжении нескольких последних лет консалтинговая компания «IDTechEx» отслеживает более 42 различных категорий носимых «умных» устройств, чтобы прогнозировать объем, цену и доходы для 21 типа датчиков, объединенных в девять групп. Так, к 2022 году наибольшие объемы продаж будут принадлежать
устройствам, в которых ключевую роль играют GPS, магнито-инерциальные, а также оптические измерительные элементы [1]. Обращаясь к сводке темпов роста каждого из них, можно отметить, что к 2025 году прогнозируется активный (до 40 %) рост среднегодовых объемов производства сенсоров, позволяющих регистрировать силу и давление [2].
Цель исследования - определить этапы развития сенсорных технологий, обозначить существующие ключевые направления их использования в спортивной науке, а также перспективные пути развития в отдельных видах спорта.
Методы и организация исследования
Основным методом исследования в данной работе выступает изучение и анализ научно-методической литературы. Обсуждение результатов исследования также проводилось с тренерами по представленным в статье видам спорта в формате круглого стола. Их мнение находит отражение в материалах статьи.
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно исследованиям «IDTechEx», в развитии сенсорных технологий можно выделить несколько этапов [2].
В ходе первого (более 30 лет назад) были разработаны температурные, GPS и другие сенсорные элементы, являющиеся прототипами первых портативных видеокамер, микрофонов, электродов для измерения биопотенциалов в медицине, спорте и др. Сегодня они существуют в качестве отдельных отраслей промышленности [1].
Вторая волна развития пришла после инвестиций в технологии, предназначенные для мобильных телефонов. Многие из них адаптируются для использования в носимых «умных» устройствах. Только после того, как маркетологи преподнесли здоровый образ жизни как настоящий тренд и реклама разнообразных «умных» устройств достигла своего пика, многие организации стали сосредотачивать свое внимание на проектировании и производстве различных специально предназначенных для них типов датчиков, которые позволят анализировать двигательную активность человека [1].
На сегодняшний день многими исследованиями доказано, что систематическая, объективная и надежная оценка различного рода движений человека, снарядов и их взаимодействия, основанная на качественном и количественном анализе биомеханических характеристик (пространственных, временных, пространственно-временных, инерционных, силовых, энергетических), позволяет существенно повысить эффективность тренировочного процесса, как в любительском, так и в профессиональном спорте.
Предпочтительной альтернативой классической лабораторной оценке является использование различных измерительных систем, построенных на основе магнито-инерциальных датчиков, которые позволяют исследовать движения человека на основе анализа, преимущественно, кинематических (пространственных, временных, пространственно-временных) и энергетических характеристик (мощность - ключевой параметр). Датчики регистрируют различные физические величины, связанные с движениями спортивных снарядов и тела человека, никак их не ограничивая и не требуя громоздкой процедуры настройки.
Получаемых на основе измерений с помощью магнито-инерциальных датчиков производных параметров достаточно много, среди которых, например, можно выделить следующие:
1. Моменты времени, связанные с началом или окончанием движения, броском предметов, касанием чего-либо рукой или ногой и др.; цикловая и фазовая идентификация движений; временные интервалы (длительность шага, гребка в плавании); темпо-ритмовые характеристики в циклических движениях. Параметры, связанные, в частности, с оценкой трехмерной ориентации датчиков относительно выбранной системы отсчета, которая имеет фундаментальное значение, так как это важно при получении абсолютной ориентации сегментов тела или спортивных снарядов (теннисных ракеток, лыж, клюшек и др.) или ориентации сегментов тела по отношению друг к другу. Линейные и угловые формы проявления скорости и ускорения [3].
2. Динамические параметры, которые рассчитываются на основе кинематических линейных и угловых величин. Чисто теоретически на основе измерений с помощью магнито-инерциальных систем можно оценить действующие на тело внешние силы, суставные моменты силы и др., однако их точность и надежность напрямую зависят от точности оценки кинематических переменных, что само по себе является достаточно трудоемкой задачей [4].
В 2018 г. группой исследователей в области спортивной науки было проанализировано около 3000 публикаций, изданных за последние 18 лет. Из них носимые «умные» измерительные системы на основе магнито-инерциальных датчиков упоминаются в 286 научных публикациях, которые посвящены:
- анализу техники движений (55,5 %);
- анализу соревновательной деятельности в игровых видах спорта (20,7 %);
- оценке работоспособности спортсмена (17,3 %);
- классификации двигательной деятельности (6,5 %) [3].
Именно анализу техники движений сегодня уделяется огромное внимание. Его проводят на основе значений не только кинематических, но и динамических характеристик. Однако оценка вторых проводится очень редко из-за невероятной сложности и трудоемкости процесса учета влияния внешних сил. Примечательно также то, что ни в одном из проанализированных исследований валидация динамических показателей, полученных с помощью магнито-инерциальных систем, не проводилась. Оценка внешних сил, моментов сил при суставных движениях в этом случае осуществляется только через решение обратной задачи динамики [5-11]. При решении же вопросов, которые связаны с оценкой сил, возникающих при взаимодействии снарядов или тела человека с окружающей средой, дополнительно необходимо использовать силоизмерительные элементы, с помощью которых можно добиться точности и прецизионности получаемых результатов [12].
Третья волна развития сенсорных технологий только набирает обороты. Сейчас начинают открываться возможности для проектирования и разработки носимых «умных» устройств, важными элементами которых станут интегрированные в их состав силоизмерительные элементы, позволяющие регистрировать и анализировать динамические характеристики движений в полевых условиях: эффективность взаимодействия человека со спортивным инвентарем или окружающей средой с точки зрения характера действующих при этом сил; «захват» движений с помощью «умной» одежды и др. Во многих видах спорта (велоспорт, конькобежный спорт, академическая и гребля на байдарке/каноэ, лыжные гонки или биатлон, плавание и др.) разработки в данном направлении особенно актуальны. Однако измерительные системы в некоторых из них либо отсутствуют вовсе, как например в конькобежном
спорте, биатлоне, безуключенной гребле, либо пригодны только для использования в лабораторных условиях [1].
К категории устройств третьей волны относится «Smart paddle» для плавания, который включает в себя лопастный датчик, крепящийся к ладони спортсмена при плавании. Он позволяет оценивать характер взаимодействия спортсмена с водной средой посредством регистрации прикладываемой силы при гребке, импульса силы, временных параметров фазовой структуры гребка (время пропульсивной и компенсаторной фаз гребка) и др.
Для занятий горнолыжным спортом используют «Smart ski Concept» от «Elan». Лыжи оснащены датчиками, позволяющими анализировать распределение веса тела между ногами, нагрузку на один из нескольких сегментов лыж и некоторые другие параметры.
Построение наиболее эффективного тренировочного процесса и объективная его коррекция на определенных этапах многолетней подготовки спортсменов-гребцов требуют детального понимания характера взаимодействия их индивидуального инвентаря с внешней средой. Здесь регистрация динамических параметров в естественных условиях существенно затруднена в связи с выполнением соревновательного или тренировочного упражнения на стыке воздушной и водной сред. Если рассматривать уключенную (академическую) греблю, то уже сегодня на рынке существует довольно широкая номенклатура устройств, позволяющих с высокой степенью достоверности и прецизионности измерять силовую составляющую гребковых локомоций. Как правило, принцип действия этих устройств основан на регистрации и последующей интерпретации величин упругой деформации весла в числовые и графические характеристики. Значимые различия лишь в конструктивном исполнении. При этом все системы можно сопрягать со смартфоном и, посредством специализированных приложений, использовать в качестве средств биологической обратной связи по ряду параметров: мощность гребка и развиваемые при этом усилия, угловое положение весла, положение сиденья и плеч гребца, скорость и др.
Что касается безуключенной гребли (на байдарках и каноэ), то ситуация сегодня складывается следующим образом: системы, позволяющие непосредственно регистрировать силовую составляющую в гребковых локомоциях, на рынке отсутствуют. Стоит отметить, что технология тензометрической регистрации ранее неоднократно применялась в рамках исследований, направленных на оценку качества взаимодействия весла спортсмена с поверхностью воды. Одно из первых упоминаний использования тензометрических систем в гребле на байдарках и каноэ относиться к 1987 г. в докторской диссертации В.Б. Иссурина Начиная с 2010 г., рассматриваемая технология применяется в рамках отдельных исследований техники гребли, однако доступной коммерческой реализации подобного рода системы до сих пор не существует [13-16].
Основанные на принципе тензометрических измерений системы, прототипы которых разработаны на базе кафедры «Спортивная инженерия» БНТУ, начинают использоваться для индивидуального подбора весел [17, 18].
В таких видах спорта, как биатлон, лыжные гонки, конькобежный спорт на сегодняшний день представлен ряд исследований, в которых разработаны и использованы различные измерительные системы регистрации сил реакции опоры во время катания. Обобщив данные системы, можно выделить следующие методы измерений:
- с помощью динамометрических платформ. Данный метод прост и обеспечивает точное измерение сил реакции опоры спортсмена в системе координат платформ, что является безусловным преимуществом. Недостаток заключается в том, что на локомоции накладываются пространственные ограничения, поэтому необходимо множество платформ, которые обладают достаточно высокой стоимостью [19, 20];
- с помощью вложенных в обувь сенсорных стелек. Данный метод в реализации значительно дешевле первого и накладывает гораздо меньшие пространственные ограничения. Сенсорные стельки, вложенные в обувь, позволяют рассчитать точку приложения силы реакции опоры и наблюдать распределение давления в области подошвы лыжного/роликобежного/конькобежного ботинка. Особенность состоит в том, что они позволяют измерять только действующую по нормали силу. Результаты исследований особенностей техники отталкивания у конькобежцев высокого уровня, проведенные с помощью данного метода, будут опубликованы в дальнейшем;
- с помощью тензометрических или датчиков силы, которыми непосредственно оснащены лыжи, ролики, лыжные палки или коньки. Доступных и соответствующих современных требованиям измерительных систем на рынке сегодня не существует, хотя с точки зрения более длительных по времени и неограниченных с точки зрения пространства измерений этот метод наиболее предпочтителен и удобен.
В конькобежном спорте, биатлоне и лыжных гонках тренеры хотели бы иметь в своем распоряжении систему, аналогичную существующим в велосипедном спорте, которая будет определять мощность движений в условиях, близких к соревновательным, и функционировать в режиме реального времени. В этом аспекте сила отталкивания, наряду с регистрацией изменений скорости и ускорения общего центра тяжести спортсмена по отношению к опоре, является ключевой переменной в определении мощности [21].
К настоящему времени в исследовательских работах, касающихся биатлона и лыжных гонок, представлены прототипы нескольких систем. Одна из таких систем также разработана на базе кафедры «Спортивная инженерия» БНТУ. Прототип позволяет оценивать особенности генерации продвигающих сил при взаимодействии биатлониста с опорой, а также эффективность его движений в целом [22, 23]. Заслуживающая внимания система представлена в работе J. Hladnik в 2018 году. Она более-менее портативна и позволяет измерять нормальные силы и силы, действующие в поперечном направлении на колеса роллеров, а также осевые нагрузки на лыжных палках прямо на трассе. Однако спортсмен должен нести на спине ноутбук и батарею, чтобы иметь возможность собирать данные с сенсорных элементов, которые соединены между собой с помощью проводов. Представлена процедура калибровки системы, которая обеспечивает погрешность измерений в диапазоне ±3 %, что свидетельствует о ее высоком качестве работы [24].
В конькобежном спорте также опубликованы несколько различных конструкций коньков, оборудованных подобными измерительными системами. В 2016 году E. Van der Kruk представлена научная работа, в которой отражены конструктивные особенности пары беспроводных конькобежных ботинок, позволяющих непрерывно и синхронно измерять как нормальную, так и действующую в поперечном направлении силу отталкивания, а также общий центр действия данных сил [25]. Результаты измерений свидетельствуют о возможности одновременной синхронной записи и передачи данных по
беспроводной сети на протяжении всей соревновательной или тренировочной дистанции. Это, в конечном итоге, позволит предоставлять во время тренировок конькобежцам и их тренерам визуальную обратную связь в реальном времени через телефон, планшет или любое другое устройство.
Заключение
Данное небольшое исследование свидетельствует о том, что на современном этапе развития сенсорных технологий создание измерительных систем, позволяющих анализировать технику движений спортсменов на основе регистрации динамических характеристик движений в близких к соревновательным условиям, выступает в качестве одного из ключевых направлений деятельности инженеров и биомехаников в безуключенной гребле, биатлоне, лыжных гонках и конькобежном спорте. Такие системы позволят по-другому взглянуть на субъективное восприятие тренером и спортсменом собственных движений и развиваемых при этом усилий. Внедрение по данному направлению контура обратной связи, который на сегодняшний день отсутствует, в систему «тренер-спортсмен» позволит повысить эффективность управления подготовкой за счет выработки адекватных и обоснованных управляющих воздействий.
Перспективы дальнейших исследований, помимо разработки новых систем в других видах спорта, мы видим в работе над уменьшением веса датчиков, устранением проводных соединений и решением ряда инженерных задач в уже существующих.
Работа выполнена при поддержке гранта Министерства образования Республики Беларусь на 2019 год «Разработка методики оценки биомеханических параметров отталкивания в структуре соревновательного упражнения конькобежцев».
Список использованных источников
1. Wearable Sensors 2018-2028 : Technologies, Markets & Players [Electronic resource]. - Mode of access : https://www.idtechex.com/research/reports/wearable-sensors-2018-2028-technologies-markets-and-players-000555.asp. - Date of access : 10.01.2019.
2. New «made-for-wearable» sensors [Electronic resource]. - Mode of access : https://www.idtechex.com/emails/5814.asp. - Date of access : 10.01.2019.
3. Trends supporting the in-field use of wearable inertial sensors for sport performance evaluation: A systematic review / V. Camomilla [et al.] / / Sensors. - 2018. -Т. 18. - N 3. - С. 873.
4. Measurement of the dynamics in ski jumping using a wearable inertial sensor-based system / J. Chardonnens [et al.] / / Journal of sports sciences. - 2014. - Т. 32. -N 6. - С. 591-600.
5. Measuring the force of punches and kicks among combat sport athletes using a modified punching bag with an embedded accelerometer / K. Busko [et al.] // Acta of bioengineering and biomechanics. - 2016. - Т. 18. - N 1. - C. 47-54.
6. Michahelles, F. Sensing and monitoring professional skiers / F. Michahelles, B. Schiele // IEEE Pervasive Computing. - 2005. - N 3. - С. 40-46.
7. Transfer of momentum from different arm segments to a light movable target during a straight punch thrown by expert boxers / G. Nakano [et al.] / / Journal of sports sciences. - 2014. - Т. 32. - N 6. - С. 517-523.
8. Augmented inertial measurements for analysis of javelin throwing mechanics / O. Sarkka [et al.] // Sports Engineering. - 2016. - Т. 19. - N 4. - С. 219-227.
9. Basic reliability parameters of a boxing punch / L. Siska [et al.] / / Journal of Physical Education and Sport. - 2016. - Т. 16. - N 1. - С. 241-244.
10. Meamarbashi, A. Application of novel inertial technique to compare the kinematics and kinetics of the legs in the soccer instep kick / A. Meamarbashi, S. Hossaini // Journal of Human Kinetics. - 2010. - Т. 23. - С. 5-13.
11. Determination of three-dimensional joint loading within the lower extremities in snowboarding / A. Krüger [et al.] / / Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. - 2012. - Т. 226. - N 2. - С. 170-175.
12. Sensors and wearable technologies in Sport: Technologies, trends and approaches for implementation [Electronic resource]. - Mode of access : https://www.researchgate. net / publication / 306259444_Sensors_and_wearable_technologies_in_Sport_Technologies_ trends_and_approaches_for_implementation. - Date of access : 10.01.2019.
13. Берлин, С. В. Факторы, определяющие эффективность техники гребли / С. В. Верлин, Г. Н. Семаева, И. Н. Маслова / / Ученые записки ун-та им. П. Ф. Лесгафта. - 2014. - № 4 (110). - С. 29-34.
14. Иссурин, В. Б. Формирование спортивно-технического мастерства в водных циклических видах спорта : автореф. дис. ... канд. пед. наук: 13.00.04 / В. Б. Иссурин. - М., 1987. - 47 с.
15. Клешнев, В. В. Расчет средних значений усилий за цикл гребка, необходимых для достижения высокого спортивного результата в академической гребле / В. В. Клешнев, А. В. Волгин // Ученые записки ун-та им. П. Ф. Лесгафта. - 2011. -№ 8 (78). - С. 84-87.
16. Новое в системе спортивной подготовки гребцов: отечественный и зарубежный опыт. Вып. 3 / сост. А. И. Погребной, пер.: Е. В. Литвишко. - Краснодар : Экоинвест, 2013. - 76 с.
17. Гусейнов, Д. И. Алгоритм оценки динамических параметров гребковых движений в гребле / Д. И. Гусейнов, Д. А. Лукашевич / / Новые направления развития приборостроения : материалы 12-й Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых и студентов, 17-19 апреля 2019 г. / Белорус. национ. технич. ун-т ; редкол.: О. К. Гусев (пред. редкол.) [и др.]. - Минск : БНТУ, 2019. - С. 374-375.
18. Лукашевич, Д. А. Использование интеллектуальных систем для подбора индивидуального весла в гребле на каноэ / Д. А. Лукашевич, Д. И. Гусейнов // Прикладная спортивная наука. - 2019. - № 1 (9). - С. 18-25.
19. Herrmann, H. Biomechanical analysis of the dynamics of skating / H. Herrmann, M. Clauß / / International Symposium on Biomechanics in Sports: papers from the 16th International Symposium on Biomechanics in Sports, Konstanz, 21-25 Jul. / ed.: H. J. Riehle, M. M. Vieten. - Germany, 1998. - P. 182-185.
20. Pohjola, M. Analysing effectiveness of force application in ski skating using force and motion capture data: a model to support cross-country skiing research and coaching / / University of Jyväskylä. - 2014. - 68 p.
21. Schenau, G. J. V. Power equations in endurance sports / G. J. V. Schenau, P. R. Cavanagh // Journal of biomechanics. - 1990. - Т. 23. - N 9. - С. 865-881.
22. Васюк, В. Е. Оценка генерации продвигающих сил при взаимодействии спортсмена с опорой в лыжных локомоциях / В. Е. Васюк, А. С. Дорожко // Мир спорта. - 2019. - № 3 (76). - C. 91-98.
23. Дорожко, А. С. Оценка эффективности лыжных передвижений спортсменов с использованием методики мобильной тензодинамографии / А. С. Дорожко / / II Европейские игры - 2019 : психолого-педагогические и медико-биологические аспекты подготовки спортсменов : материалы Междунар. науч.-практ. конф., Минск, 4-5 апреля 2019 / Белорусский государственный университет физической культуры; редкол.: С. Б. Репкин (гл. ред.) [и др.]. - Минск, 2019. - С. 108-112.
24. Hladnik, J. Force Measurement System for Roller-Ski Skating / J. Hladnik, M. Supej, B. Jerman // Tehnicki vjesnik. - 2018. - Т. 25. - N 5. - С. 1291-1297.
25. Wireless instrumented klapskates for long-track speed skating / E. Van der Kruk [et al.] // Sports Engineering. - 2016. - Т. 19. - N 4. - С. 273-281.
11.11.2019
УДК 796.91+796.012.1
