WO2024200364A1 - Vorrichtung und system zur digitalen überwachung und unterstützung von bewegungsabläufen - Google Patents

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WO2024200364A1
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WO
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intelligent
wearer
intelligent garment
evaluation
communication system
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Alexander Krause
Thorsten Dargatz
Stefan Topp
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Panthr Healthtech GmbH
Original Assignee
Panthr Healthtech GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to an intelligent garment, a corresponding evaluation and communication system for digital monitoring and support of movement sequences, as well as a system with such an intelligent garment and such an evaluation and communication system.
  • the muscles are too weak, it is not possible to sit upright for long periods of time. The result is a hunched posture with shoulders hanging forward. This leads to shortened chest muscles and overstretched muscles in the upper back. As a result, neck tension and problems in the cervical spine area occur.
  • the hip flexor muscles tense up. If no countermeasures are taken, the muscles in this area shorten and harden. Their blood circulation deteriorates and they no longer receive nutrients. The fascia also shortens and loses its elasticity. When standing or walking, the hip flexor muscles must then compensate for the shortened and tense muscles by acting on the back extensor muscles. These must tense up in order to counteract this.
  • non-specific back pain This creates excessive pressure on the joints, vertebrae and intervertebral discs in the lumbar spine. This leads to poor posture, wear and tear and pain. Doctors refer to this as non-specific back pain.
  • the best countermeasure for non-specific back pain is proven to be regular, sufficiently intensive, anatomically correct and individually adapted muscle building training, for example regular strength training with your own body weight, free weights (eg dumbbells) and resistance (eg cable pulls, fitness bands).
  • the disadvantage is that around 80 percent of all people who train without professional supervision perform movements incorrectly. This reduces the success of the training because, among other things, the wrong muscles are targeted. In addition, incorrect movement patterns become established, which carry over into everyday behavior.
  • Physiotherapists for example, offer professional supervision, although the number of units prescribed per year is very limited and not sufficient to strengthen the muscles on a long-term and regular basis. This is why recurrent (recurrent), subacute and chronic back pain is widespread.
  • recurrent recurrent
  • subacute and chronic back pain is widespread.
  • physiotherapy it is also not possible, for reasons of time, to specifically address muscular imbalances or to teach patients muscle-building exercises in such a way that they can then safely continue training on their own.
  • the error rate when performing exercises during unsupervised training is over 80 percent.
  • One costly option is to work regularly with a personal trainer. Success depends on the quality of the trainer. "Personal trainer" is not a protected profession; anyone can call themselves that. There is therefore a risk of getting a personal trainer with insufficient knowledge of sports science and anatomy.
  • Training in a gym is cheaper. There you have the opportunity to work on machines as well as with free weights.
  • the quality of the training support depends on the quality of the studio. Studies show that around 70 percent of all people who train in the gym perform exercises that are anatomically incorrect.
  • EMS training has been offered for some time.
  • EMS stands for electro-myo-stimulation. Trainees wear a special suit that transmits electrical impulses to the muscles while performing mostly isometric (static) exercises. Muscle building has been proven to be very effective but not particularly functional. The static exercises are far removed from everyday life and, if poorly supervised, correct movement execution is not guaranteed. In addition, load control requires a great deal of experience. Studies show that overtraining often occurs. It is also possible to train on special strength machines that guide the movements, which means that movement errors rarely occur. However, only the superficial muscles are trained. However, to ensure that the muscles are suitable for everyday use, it is important to train the deep, autochthonous muscles. Smart fitness equipment offers an improvement. However, these are tied to fixed locations (e.g. fitness studios) and are very expensive. The feedback is limited and training on the equipment results in guided movements that are therefore not suitable for everyday use. Neither the autochthonous muscles are trained nor is the neuromuscular interaction addressed.
  • Fitness apps are also used for training. Many apps ask about fitness levels and offer superficially adapted training programs. However, there is no feedback on the execution of the movement. Training control and progress monitoring is also only possible to a limited extent. The same applies to video-based fitness programs (e.g. on YouTube), although training support is not available here.
  • Camera-based solutions using smartphones are now also in use. Due to the camera's limited field of view, the smartphone must be constantly repositioned and repositioned. In addition, a sufficiently large distance from the person training is required in order to be able to capture the entire body. But even if all of these requirements are optimally met, it is not always possible to capture all of the relevant points for correct movement execution.
  • the smartphone is often not used as a visual feedback provider, as it is usually outside the immediate field of vision of the person training for optimal camera positioning.
  • the object of the invention is therefore to provide a device for digitally monitoring and supporting movement sequences which overcomes or at least reduces one or more disadvantages of the prior art, in particular which can provide live feedback on the movement sequences.
  • the object is achieved by an intelligent item of clothing with an electronic network integrated into the intelligent item of clothing for digitally detecting and recording body movements and for providing feedback to a wearer of the intelligent item of clothing, wherein the electronic network comprises at least a plurality of sensor nodes comprising one or more sensors for detecting actual data of the wearer, a storage unit for at least temporarily storing the actual data, a transmitter unit for transmitting the temporarily stored actual data to an external evaluation and communication system, preferably the transmission is wireless, a receiver unit for receiving a feedback signal from the external evaluation and communication system for the immediate correction of a movement execution on the basis of the transmitted actual data, and a plurality of output units for providing feedback to the wearer on the basis of the received feedback signal from the external evaluation and communication system for the correction of a movement execution by the wearer, wherein the
  • intelligent garment refers to items of clothing for covering the body, such as underwear, socks, trousers, T-shirts, sweatshirts, sweaters, jackets, shoes, gloves, hats, etc., which are equipped with electronic devices and functions, such as sensor nodes, storage units, transmitter units, receiver units, output units.
  • electronic devices are usually not visible and conductor tracks are usually woven into the textiles.
  • the material of the intelligent garment can be any suitable material, preferably The intelligent garment fits tightly to the wearer's body. The wearer can also be referred to as the user. Therefore, the material can preferably be an elastic material.
  • intelligent garment In contrast to intelligent garments, ordinary functional clothing only works passively through the properties of the fabrics and materials used, without including electronic devices and functions. Likewise, the term "intelligent garment” does not include electronic devices that can be worn on the body, such as so-called active trackers or smart watches, as these are worn separately from the garments and are not integrated into them.
  • sensor node refers to a unit that includes one or more sensors for determining the same or different actual data for the wearer's body, with the actual data determined with the respective sensor node being transmitted via the electronic network to the storage and/or transmitter unit.
  • the plurality of sensor nodes is suitably distributed over the intelligent garment, preferably the sensor nodes cover the intelligent garment in such a way that the wearer's movements in the parts of the body that the intelligent garment covers when worn can be completely monitored.
  • the sensors of a sensor node can be, for example, acceleration sensors, gyroscopes, magnetometers, temperature sensors, humidity sensors, conductivity sensors, pressure sensors or other suitable sensors.
  • the actual data are corresponding measurement data of the sensor nodes or the sensors of the sensor nodes, which are stored and transmitted as actual data as a single value or as an average value of a series of measurements over a time interval.
  • the format of the actual data used in each case can be suitably selected by the person skilled in the art or results from the type of components used in the electronic network.
  • the units of the electronic network are connected to one another by means of suitable data and/or power connections. These connections can be implemented wirelessly and/or wired, depending on the unit to be connected and the intended supply of the unit.
  • wires these preferably have a small cross-section and a sheath that is as flexible as possible.
  • the cross-section is preferably similar to or smaller than the cross-section of the individual fibers from which the intelligent garment is made.
  • the wires can also be guided within the material.
  • the wires can also be attached to a surface of the intelligent garment, preferably the outer surface, by means of a suitable joining process, for example laminated thereon. glued or welded on.
  • the wires for power and/or data connections are integrated into the intelligent garment to ensure improved comfort for the wearer.
  • “Integrated” here means that the cables or wires of the connections are not routed freely from the clothing or cannot hang down from it, even in certain areas. This means that the wearer cannot get caught on the cables or wires, nor can they get caught on objects in the wearer's surroundings.
  • the power and/or data connections can, for example, be woven in or routed within the material of the garment or attached to it using a suitable joining process, preferably laminated.
  • the electronic network also includes a power supply. This can be designed in any suitable way.
  • the power supply is preferably a rechargeable battery, preferably a flat button cell for reasons of wearer comfort.
  • the intelligent garment and the electronic network are fully equipped with the individual components for the wearer, all required components are present in the electronic network. This means that the intelligent garment can be used immediately by the wearer without modifications.
  • the transmitter unit can be designed in the electronic network as a central transmission unit to the external evaluation and communication system.
  • the term "external” here means that the evaluation and communication system is not part of the intelligent garment or integrated into the intelligent garment, but is designed separately from the intelligent garment.
  • a central transmitter unit allows the number of components of the electronic network to be kept as small as possible, which reduces the complexity of the electronic network and power consumption.
  • the electronic network can also comprise a large number of transmitter units that simultaneously transmit the recorded actual data to the external evaluation and communication system, which increases the data transmission rate to the external evaluation and communication system.
  • the transmitter unit can be any suitable transmitter unit. Depending on the embodiment, the transmitter unit can transmit the data in different suitable formats to the corresponding receiver unit of the external evaluation and communication system.
  • the transmitter unit preferably does this wirelessly, preferably by means of a Bluetooth connection and corresponding interfaces, in order not to disrupt the wearer's movements and to ensure continuous monitoring of the movements.
  • the receiver unit must be designed to be able to receive the feedback from the external evaluation and communication system. The same applies here as has already been described for the transmitter unit.
  • the transmitter and receiver unit can, for example, be designed as a common transmitter and receiver unit. Suitable transmitter units, receiver units and transmitter and receiver units are known to those skilled in the art. If there are several transmitter units arranged decentrally in the electronic network, the receiver unit can be designed separately as a central receiver unit, since it is not known in advance which part of the body the feedback to be output should relate to and which output units should transmit the feedback to the wearer. In an embodiment with a single output unit in the electronic network, the receiver unit can be integrated in the output unit.
  • the output unit can be any output unit that is suitable for providing perceptible feedback to the wearer of the intelligent garment.
  • the output unit can comprise a light source to provide visual feedback and/or actuators to provide tactile feedback and/or a loudspeaker to provide acoustic feedback.
  • the feedback can be provided as a short, long or modulated signal in a visual, acoustic or tactile manner.
  • EMG electromyography
  • the intelligent garment thus provides a device for digital monitoring and support of movement sequences, which can provide timely feedback on the movement sequences.
  • the intelligent garment in conjunction with the external evaluation and communication system enables the evaluation of biomechanical data that would otherwise only be possible with expert help. would be possible and also provides live feedback and can thus enable neuromuscular interaction, particularly with tactile feedback.
  • the intelligent garment according to the invention it is not necessary to wear a whole suit and manually attach sensors to the wearer's body.
  • the intelligent garment according to the invention is therefore user-friendly and does not require any assembly and calibration work to be carried out by experts, nor the presence of specially trained personnel.
  • the multitude of sensor nodes are arranged along strategic axes of the intelligent garment for area monitoring of the wearer.
  • the strategic axes of the intelligent garment are the sections of the intelligent garment that cover movable body passages. In the case of a T-shirt, for example, these would be the two arms and the back, since the arms and the back can be moved separately in front of each other.
  • the strategic axis of the back runs parallel to the spine, the strategic axes of the arms run along the upper arm and forearm.
  • a strategic axis of the upper body can also run from the shoulder to the neck to cover the shoulder area. In the case of trousers, the strategic axes would run from the pelvis along the thigh and lower leg.
  • the strategic axes In the case of gloves, the strategic axes would run along the finger joints and from the forearm over the wrist to the back of the hand. The strategic axes can be further refined and supplemented by the specialist depending on the garment. If at least the main strategic axes such as arms, legs and/or spine are covered, the wearer's body is completely monitored over a large area. This allows the wearer's movements to be comprehensively supported and monitored. Preferably, several sensor nodes are arranged per strategic axis.
  • the actual data includes a sensor identifier or sensor node identifier. This allows the actual data to be assigned to a specific sensor/sensor node and therefore the movement pattern of individual body parts or limbs of the wearer can be recognized via the arrangement of sensor nodes extending over it and the interaction of the various actual data of this arrangement of sensor nodes.
  • the sensor node comprises a three-axis acceleration sensor and/or a three-axis gyroscope and/or a magnetometer.
  • the actual data recorded by these sensors can be used to completely and recorded precisely, which is important for high-quality support of movement sequences based on this.
  • one of the transmitter units is arranged for each strategic axis in the electronic network. If there were only one strategic axis on the intelligent item of clothing, there would only be exactly one transmitter unit. Usually, however, the intelligent item of clothing has several strategic axes (for example, in the case of a T-shirt, at least three strategic axes (along the spine, left arm, right arm, possibly an additional axis from right to left shoulder, etc.). This can increase the data transmission rate to the external evaluation and communication system and improve support for the movement sequences by means of correspondingly faster feedback due to the faster data transmission by the output unit.
  • the transmitted data can be immediately assigned to the respective body parts of the wearer, for example by means of a specific identifier of the strategic axis for the corresponding transmitter unit in the transmitted signals, which further accelerates the feedback on the movement sequence.
  • the intelligent garment is made at least in part from a material that ensures that the sensor nodes remain in the same position on the wearer's body when the intelligent garment is worn.
  • the sensor node In order to be able to correctly monitor the movement sequences over a longer period of time, the sensor node must remain as close to the same position (positional fidelity) as possible relative to the wearer's body.
  • This positional fidelity can be improved by choosing a suitable pattern, preferably with a tight-fitting cut of the intelligent garment and choosing the appropriate material for the intelligent garment.
  • the material does not stretch or only stretches slightly with increasing temperature and after absorbing moisture as a result of sporting activity, or is pre-tensioned accordingly.
  • the material is an elastic textile.
  • the intelligent garment fits reliably tightly to the wearer's body, at least in the areas of the garment where sensor nodes are arranged.
  • the intelligent garment can be made entirely or partially from the elastic textile. In areas where no sensor node is arranged, the intelligent garment can be made from a different material. This other material should preferably also allow electrical connections to be woven in, just like the elastic textile.
  • the elastic material ensures that the intelligent garment fits tightly and in a positionally accurate manner. The garment remains safe, at least in the area of the sensor node on the wearer's body, even when the body heats up during exercise and sweat is absorbed.
  • the sensor node is irreversibly connected to the material. This provides mechanical and electrical protection for the wearer against accidental detachment of the sensor node from the intelligent garment and thus prevents any possible mechanical and/or electrical hazard to the wearer due to detached sensor nodes in an undesirable position relative to the wearer's body.
  • the sensor node can, for example, be woven into the material of the garment, glued to it, welded to it or printed on it.
  • the data and/or power connections are incorporated into the intelligent garment, preferably woven in.
  • the data and power connections are therefore a natural part of the intelligent garment and not a superficially applied component that may reduce wearing comfort.
  • Superficially applied data or power connections also have an increased risk of being damaged or even interrupted by use, in particular by putting on and taking off the intelligent garment or washing the intelligent garment.
  • the sensor nodes have a planar extension along a surface of the intelligent garment that is at least one order of magnitude larger than their thickness perpendicular to the surface.
  • the sensor nodes therefore have a low center of gravity relative to the surface of the intelligent garment and thus also to the body surface of the wearer of the intelligent garment. Due to the planar shape of the sensor node, it exerts a correspondingly low pressure on the wearer's skin, since the weight of the sensor node is distributed over a larger area and is therefore not or only barely noticeable for the wearer.
  • the power supply in the intelligent item of clothing is arranged in a position that is as close as possible to the wearer's center of gravity when the intelligent item of clothing is worn and the wearer is standing upright.
  • a person's center of gravity changes depending on their posture. For a person standing upright, the center of gravity is in the area of the stomach or hips.
  • the power supply in the intelligent item of clothing is to be arranged in such a way that it is as close as possible to the hips or stomach when the intelligent item of clothing is worn. This applies to all types of trousers, outerwear, so-called bodysuits or overalls or other Full-body clothing.
  • the power supply should be located in a different position that does not make it difficult to wear these items of clothing.
  • the sensor nodes and/or storage unit are designed to provide the recorded actual data with time stamps synchronized for the electronic network for the time the actual data was recorded.
  • time stamps actual data on movement sequences of different sensor nodes, for example of different body parts, can be directly correlated with one another. This makes the analysis of the movement sequence carried out significantly more precise, which enables improved support of the movement sequence by means of feedback.
  • the electronic network is designed to delete the actual data from the storage unit after transmission to the external evaluation and communication system. This means that less storage volume is required and the memory of the electronic network can be made smaller. This also improves the power consumption required by the intelligent garment and its wearing comfort.
  • the electronic network is designed to subject the recorded actual data to pre-processing before transmission to the external evaluation and communication system.
  • This pre-processing can be carried out, for example, by means of a data processing unit that is either implemented as a central additional component in the electronic network or is integrated in a central transmission unit, or the processing unit is integrated decentrally in the respective sensor node.
  • the processing unit can be implemented, for example, by a microprocessor on which a corresponding processing program is installed and executed, whereby, for example, noise is filtered out of the actual data, normalization is carried out, or partial movements are recognized based on a combination of movement data from one or more sensor nodes.
  • the output unit outputs feedback in tactile form to the wearer, which is designed to emulate a trainer touching its position.
  • the feedback is only given after a repeated incorrect execution by the wearer has been detected.
  • the incorrect execution includes incorrect positioning, incorrect execution speed or incorrect execution consistency.
  • Incorrect positioning can be further divided into various aspects: An incorrect movement pattern - an incorrect dynamic posture - which Asymmetry of a movement, particularly in relation to the sagittal plane, or an incorrect amplitude of movement.
  • incorrect execution consistency describes an uneven movement speed, e.g. faltering or strong shaking.
  • the execution speed can differ in the concentric and eccentric phases, provided this is explicitly specified.
  • Tactile perception serves the passive perception of pressure, touch and vibrations as well as temperature, since the output unit in the intelligent garment is positioned on or near the wearer's skin.
  • the responsible sensory organ is the skin, namely its touch as well as its heat and cold receptors.
  • the stimulus impulses triggered by them are transmitted at high speed through the tactile nerve fibers via the spinal cord to the brain.
  • the tactile feedback can be provided, for example, via an actuator as an output unit.
  • this feedback is only provided after repeated incorrect execution so that random incorrect movements can be distinguished from systematic incorrect movements.
  • the output unit is a vibration motor or an EMS electrode. This allows the desired tactile impressions to be reliably generated.
  • the plurality of output units are arranged along strategic axes of the intelligent garment and are intended to initiate a corrective movement of the wearer by means of the feedback.
  • the plurality of output units generates feedback, preferably in tactile form, which triggers the effect of a neuromuscular interaction.
  • the actuators can be positioned along the same anatomical axes as the sensors for recording movement.
  • Preferably, several output units are arranged per strategic axis for this purpose. The positions are determined by the fact that a corrective movement is to be initiated along these axes by the tactile feedback.
  • This neuromuscular interaction means that the wearer can specifically control the corresponding muscles or make a correction possible in the respective area.
  • a connection is created between the brain and the muscles.
  • the transmitter unit has a Bluetooth or WLAN interface. These interfaces are well suited for reliable data transmission via Bluetooth or WLAN connection and corresponding coupling to the external evaluation and communication system.
  • the intelligent piece of clothing is outerwear, preferably a T-shirt.
  • the piece of clothing according to the invention as outerwear, errors in movement sequences can be corrected not only in the upper body area, but also in the lower body area by applying the tensegrity model (or taking myofascial lines into account). This is because, regardless of the individual task of a muscle, it also influences functionally integrated connections that span the entire body. Entire muscle groups are woven into the fiber course of the fascia and form myofascial connections that can be traced across the entire body. The muscles contract in these fiber groups and transmit myofascial forces. As a result, anatomically correctly executed upper body movements also lead to anatomically correctly executed lower body movements and vice versa.
  • An intelligent piece of clothing in the form of a T-shirt can therefore significantly increase safety during physical exercises, even if the lower half of the body is not monitored. If smart pants are worn as another smart piece of clothing, such as so-called sports leggings, the monitoring result can be further improved or the neuromuscular interaction can also take place in areas of the lower body.
  • the invention further relates to an evaluation and communication system for digitally monitoring and supporting movement sequences by means of data exchange with an intelligent item of clothing according to the invention, wherein the evaluation and communication system is designed separately from the intelligent item of clothing as an external evaluation and communication system, comprising a data receiver for receiving recorded actual data of the intelligent item of clothing, an evaluation unit for evaluating the actual data, for determining movement patterns of the wearer from the evaluated actual data and for generating feedback signals based thereon for correcting the movement patterns of the wearer of the intelligent item of clothing, and a transmission unit for transmitting the feedback signals to a receiver unit of the intelligent item of clothing for subsequent delivery of feedback to the wearer based on the determined movement patterns of the wearer.
  • the external evaluation and communication system can be designed as a computer, server, cloud solution or smartphone or a combination thereof, whereby the cloud solution or the individual components of the external evaluation and communication system are executed on a suitable device in the environment of the wearer of the intelligent garment.
  • the actual data can include a sensor identifier so that the transmitted actual data can be clearly assigned to each individual sensor or sensor node.
  • Any feedback signal can take into account the previously determined normal position, fitness level/strength potential and mobility/flexibility of the wearer of the intelligent garment.
  • the data receiver for receiving recorded actual data can be any receiving unit compatible with the transmitter unit of the intelligent garment.
  • the transmission unit for transmitting the feedback signals can be any transmission unit compatible with the receiver unit of the intelligent garment.
  • the external evaluation and communication system according to the invention thus provides a device for digitally monitoring and supporting movement sequences, which determines the movement sequences and can transmit a timely feedback signal on the movement sequences to the intelligent garment.
  • the external evaluation and communication system in conjunction with the intelligent garment thus enables the evaluation of the biomechanical data, which would otherwise only be possible with expert help, and also provides live feedback and thus enables neuromuscular interaction.
  • the external evaluation and communication system according to the invention does not require any installation and calibration work to be carried out by experts, nor does it require the presence of specially trained personnel with the wearer of the intelligent garment according to the invention after initial use, and is therefore user-friendly.
  • the evaluation unit evaluates the actual data in real time and determines the movement patterns of the wearer. With the real-time evaluation, the wearer can be given feedback and, if necessary, corrective instructions via the intelligent garment during the ongoing movement, whereby the wearer can You can adapt your movement sequence immediately and feel the changes directly, which significantly improves the learning effect.
  • the evaluation unit is designed to store the actual data as a time series and to analyze it using fixed rules and/or using machine learning models.
  • the evaluation unit collects the pre-processed movement data transmitted by the intelligent garment, temporarily stores it as a time series in an internal database and analyzes it using fixed rules such as limit values, relative comparison and deviation of sensor values at different points and ML models in order to determine quantitative and qualitative values of the exercise currently being performed.
  • the derived feedback is output to the wearer of the intelligent garment via the transmission unit during the exercise, for easy movement and position correction, and after the exercise as an exercise evaluation.
  • the evaluation of the actual data can include detection of intervals, detection of execution speed via the temporal analysis of the detected intervals - both the interval itself and its sequence, detection of time under tension (TuT) and load - interval plus exercise type, detection of incorrect movements (position over time), detection of incorrect executions (static), monitoring of the lower body, which are then implemented in training instructions and tactile and/or audio-visual feedback.
  • detection of intervals detection of execution speed via the temporal analysis of the detected intervals - both the interval itself and its sequence
  • detection of time under tension (TuT) and load - interval plus exercise type detection of incorrect movements (position over time)
  • detection of incorrect executions static
  • monitoring of the lower body which are then implemented in training instructions and tactile and/or audio-visual feedback.
  • Intervals are recognized by looking at the actual data over time and the sequence of extreme values and zero points when applying the actual data as a function of time, for example with a neutral position as the zero position.
  • individual or a combination of different actual data time series acceleration XYZ(t), magnet XYZ(t), gyro XYZ(t), etc.
  • acceleration XYZ(t) magnet XYZ(t)
  • gyro XYZ(t) are suitable.
  • the speed of execution is detected by analyzing the time of the previously detected intervals - both the rise of flanks and the total length of an interval.
  • the assignment of the concentric and eccentric phases is done by combining the type of exercise and the sign of the derivative of the amplitude.
  • Another temporal analysis based on the intervals is the detection of rhythm or regularity. Here, all intervals are compared over the entire exercise sequence (movement sequence during the exercises).
  • the absolute temporal deviations, relative to the start of the interval, between the points used e.g. extreme points, zero points, turning points, which arise over several intervals, allow conclusions to be drawn about the regularity of the exercise execution.
  • a trend analysis of the temporal deviation from the uniformity assessment allows conclusions to be drawn about the onset of fatigue, especially if the temporal deviation increases with the number of intervals performed.
  • Another indicator of fatigue is a flattening of the extreme points over time.
  • TuT time-under-tension
  • the interval length of the respective exercise can be used.
  • a more holistic approach is taken by calculating the area under a movement curve (actual data as a function of time). Both the onset of fatigue and muscular overload can be identified using harmonics on the movement course and in a different/lower frequency range than the noise.
  • incorrect movements can also be detected when comparing (calculating the difference) with reference movement curves.
  • reference movement curves different reference movement curves, sensor positions and sensor types are used.
  • an analysis of static (without a temporal dimension) orientation, gyroscope or magnetic data from the respective sensors of the sensor nodes at several sensor node positions (or parts of the body) is carried out.
  • the actual data of the respective sensors is compared with each other, taking into account the human anatomy or biomechanical constraints.
  • the different orientation of the sensor nodes at different locations allows different partial body axes (strategic axes) and their angles relative to each other to be determined.
  • a deviation in the relative axis position compared to a reference model allows conclusions to be drawn about an incorrect position.
  • anatomical misalignments of the wearer of the intelligent garment are taken into account. This means that deviations from the reference model may not be considered errors.
  • the detection of incorrect posture is determined by a calibration process that is carried out once at the beginning. During the calibration, the wearer must assume previously defined reference positions. During this process, the orientation of the sensor node positions and the angles of the partial body axes (strategic axes) are determined and saved as a basic basis.
  • the lower body can also be monitored implicitly by applying the tensegrity model.
  • the fact that the human body is a closely coupled biomechanical system in which every partial body movement has a direct effect on other parts of the body allows conclusions to be drawn about incorrect movements or positioning of the lower body.
  • corrective movements on the upper body can also be used to correct the lower body and vice versa. This is particularly useful for feedback during exercise execution.
  • CNN convolutional neural network
  • Training planning i.e. determining the exercise types, number of exercises, repetitions and intensity, is based on an assessment in which data is entered manually by the wearer and/or determined automatically.
  • the information provided by the wearer is essentially age, gender, height, weight, lifestyle and previous illnesses.
  • the data automatically recorded from the assessment is used to calculate fitness levels and muscular imbalances. To do this, the wearer carries out several predefined exercises. Values such as duration, number of intervals and asymmetries are determined, see previous explanations.
  • manual entries by the wearer via standardized input fields are also taken into account. This includes, for example, personal feelings or performance values that cannot be measured automatically with the device.
  • the exercises are classified.
  • the classification corresponds to the criteria used in the Assessment can be queried and determined. This creates a solid link between exercises and the corresponding skills and needs of the user.
  • several key parameters for exercise execution are used. These describe the exercise qualitatively and quantitatively through the uniformity and speed of exercise execution, asymmetries, degree of fatigue and the proportion of incorrect movements identified.
  • the overall training progress takes the key parameters for exercise execution for exercise evaluation and subjects them to a temporal or trend analysis.
  • the data receiver and the transmission unit are provided by a smartphone and the evaluation unit is installed and executed by means of an application on the smartphone or in a cloud.
  • the intelligent garment and the application on the smartphone can communicate (exchange data and signals) via a wireless low-energy interface - preferably Bluetooth Low Energy (BLE).
  • BLE Bluetooth Low Energy
  • the mobile application can, if necessary, be in contact with a background system (a so-called backend) via an existing Internet connection.
  • the smartphone forms a human-machine interface (HMI) between the wearer with the intelligent garment and the external evaluation and communication system, the mobile application acts as a data analysis node and provides a control unit/gateway for the intelligent garment.
  • HMI human-machine interface
  • the mobile application In its function as an HMI, the mobile application enables the creation of user profiles, the setting up of the wearable, audio-visual accompaniment and carrying out assessment, training planning, training and presentation of results.
  • the intelligent garment also allows gesture control.
  • the user can interact with the system by manually tapping a defined sensor node (for example on the shoulder or upper arm).
  • a preconfigured control function could be a start-stop signal for training, for example.
  • This so-called tapping for control can be carried out directly by the wearer or other people, independent of the evaluation and communication system on the intelligent garment. The tapping is clearly visible in the data signal from the IMU of the sensor nodes.
  • the application is designed to provide additional audio-visual feedback on the movement patterns identified to the wearer of the intelligent garment via the smartphone.
  • the feedback is timed and adapted to the exercise currently being performed by the wearer in order to trigger an appropriate movement or position correction in the wearer (user) in conjunction with the output unit of the intelligent garment.
  • the user is given additional audio-visual feedback, for example via the smartphone. This is limited to short, easy-to-understand instructions that trigger a corrective movement in the user. Care is taken to ensure that the feedback is not given for every insignificant error and not too frequently (max. 1-3 times) during an exercise, in accordance with user preferences - analogous to the approach of a human trainer.
  • the audio-visual feedback is given in combination, synchronized, with haptic feedback.
  • the application is intended to query a state of the intelligent garment, and/or to transmit parameters and/or data necessary for the operation of the intelligent garment, and/or to start or end a training operation with the intelligent garment.
  • the application on the smartphone can provide access to the internal status of the wearable - e.g. battery charge level, connection quality, operational readiness. Furthermore, new software versions and other parameters/data required for operation can be transmitted or forwarded to the intelligent garment via the mobile application.
  • the Mobile application can start or stop the recording and transmission of movement data in/from the intelligent garment. Timed to match audio-visual feedback via the smartphone, the mobile application can also transmit commands to the intelligent garment as necessary parameters/data, for example to activate actuators in the appropriate positions for tactile feedback to the wearer.
  • the external evaluation and communication system comprises a background system to which the evaluation unit is connected via a suitable data connection, wherein the background system is designed to provide suitable business logic, security and other network services, machine learning (ML) services and for storing and managing data for the evaluation unit and/or the intelligent garment.
  • the background system (a so-called backend) can comprise sub-applications for the corresponding application logic and security and other network services, machine learning (ML) services, storage, interface management and orchestration in order to implement the following applications:
  • a permanent connection between the evaluation unit and the background system is not absolutely necessary in order to fulfil the main purpose of the invention, namely the digital monitoring and support of movement sequences.
  • the invention further relates to a system for digital monitoring and support of movement sequences comprising an intelligent garment according to the invention and an evaluation and communication system according to the invention, which is designed separately from the intelligent garment as an evaluation and communication system external to the intelligent garment, wherein a digital Detection and recording of body movements and delivery of feedback to a wearer is carried out by means of the intelligent garment in order to support the wearer in the movement sequences, and wherein the external evaluation and communication system is suitably connected to the intelligent garment for data exchange so that the external evaluation and communication system can evaluate the actual data detected and transmitted by the intelligent garment, determine movement patterns of the wearer from the evaluated actual data and generate feedback signals based thereon for correcting the movement patterns of the wearer by means of the intelligent garment and transmit these feedback signals to the intelligent garment.
  • the system according to the invention thus provides a device for digitally monitoring and supporting movement sequences, which determines the movement sequences and can transmit a timely feedback signal on the movement sequences to the intelligent garment.
  • the system With the external evaluation and communication system according to the invention in conjunction with the intelligent garment according to the invention, the system thus enables the evaluation of the biomechanical data, which would otherwise only be possible with expert help, and also provides live feedback and thus enables neuromuscular interaction.
  • the system according to the invention does not require the presence of specially trained personnel with the wearer of the intelligent garment according to the invention and is therefore user-friendly.
  • Fig.1 an intelligent garment according to the invention as a T-shirt in front view
  • Fig.2 schematic representation of a sensor node with several sensors (a) in top view and (b) in side view;
  • Fig.3 schematic representation of a system according to the invention comprising an intelligent garment according to the invention and an external evaluation and communication system according to the invention;
  • Fig.4 Schematic representation of (a) actual data of different sensor nodes during the same exercise, and (b) actual data of an acceleration sensor as a function of time of a movement exercise with two consecutive executions.
  • Fig.1 shows an intelligent item of clothing 1 according to the invention as a long-sleeved T-shirt in the front view.
  • the principle shown here can also be applied to other outerwear.
  • the T-shirt 1 comprises an integrated electronic network 2 for digitally detecting and recording body movements and for providing feedback FB to a wearer of the T-shirt 1.
  • the electronic network 2 here comprises a large number of sensor nodes 3, a storage unit 4, a transmitter unit 5, a receiver unit 6 and a large number of output units 7.
  • the T-shirt 1 is made entirely of an elastic textile material 11, which ensures that the sensor nodes 3 remain in the same position on the wearer's body when wearing the intelligent item of clothing 1. At least the sensor nodes 3 and the output units 7 are irreversibly connected to the textile material 11.
  • the sensor nodes 3 are used to detect the wearer's actual data ID, which includes a sensor identifier or sensor node identifier.
  • the sensor nodes 3 are arranged here along strategic axes SA of the intelligent garment 1 for surface monitoring of the wearer. For illustration purposes, four different strategic axes SA are shown here (along the left arm, along the right arm, along the spine and from left to right shoulder). Depending on the design of the intelligent garment 1, more or fewer strategic axes SA can be defined and mapped accordingly in the electrical network 2 with corresponding connections and components.
  • the storage unit 4 is intended for the temporary storage of the actual data ID and in this case is integrated in a common component with transmitter unit 5 and receiver unit 6 between the shoulder areas just below the neckline 10.
  • the sensor nodes 3 and/or the storage unit 4 can be designed to provide the recorded actual data ID with time stamps synchronized for the electronic network 2 for the time the actual data ID was recorded.
  • the electronic network 2 can be designed to delete the actual data ID from the storage unit 4 after transmission to the external evaluation and communication system 100.
  • the transmitter unit 5 is provided here for wireless transmission of the temporarily stored actual data ID, for example via a Bluetooth or WLAN interface, to the external evaluation and communication system 100 (shown symbolically).
  • the electronic network 2 can be designed to subject the recorded actual data ID to pre-processing before transmission to the external evaluation and communication system 100, for example in the common component of storage unit 4, transmitter unit 5 and receiver unit 6, which can include a processor and a corresponding pre-processing program executed on the processor.
  • one of the transmitter units 5 can also be arranged for each strategic axis SA in the electronic network 2.
  • the receiver unit 6 is provided for receiving a feedback signal FBS from the external evaluation and communication system 100 based on the transmitted actual data ID.
  • the plurality of output units 7 are arranged here along the strategic axes SA of the T-shirt 1 and are provided to initiate a corrective movement of the wearer by means of the feedback FB.
  • feedback FB can only occur along one of the strategic axes SA, while the output units 7 along the other strategic axes SA do not provide any feedback FB to the wearer, for example because the remaining movement components of the wearer are correct and there is no need for correction there.
  • feedback FB is only sent out by the output units 7 arranged along the spine (strategic axis) of the wearer, which is intended to correct a hunched back posture, for example.
  • the output units 7 can, for example, output this feedback FB to the wearer in tactile form, which is designed to emulate a trainer touching its position; preferably, the feedback FB only occurs after a repeated incorrect execution by the wearer has been detected.
  • Such an output unit 7 can be designed as a vibration motor or EMS electrode.
  • the above units 3, 4, 5, 6, 7 are connected to one another in the electronic network 2 by means of data and/or power connections 8 and to a power supply 9 of the electronic network, wherein the data and/or power connections 8 are woven into the intelligent garment 1.
  • the power supply 9 is arranged in the position that is in the area of the wearer's hips when wearing the T-shirt 1. This means that when wearing the intelligent garment 1, the power supply 9 is as close as possible to the wearer's center of gravity when the wearer is standing upright.
  • the two arm cuffs 12a and the hip cuff 12h are shown here by a double line. Neither the arm cuffs 12a nor the hip cuff 12h are part of the electronic network 2, but rather part of the T-shirt material itself.
  • Fig.2 shows a schematic representation of a sensor node 3 with several sensors 31 (a) in plan view and (b) in side view.
  • the sensor node 3 has a planar extension Ax, Ay along a surface 1a of the intelligent garment 1, which is at least one order of magnitude larger than its thickness Az perpendicular to the surface 1a.
  • the sensors 31 of the respective sensor node 3 can be different sensors 31 with different measuring tasks.
  • the sensor node 3 can comprise a three-axis acceleration sensor 31, a three-axis gyroscope 31 and a magnetometer 31.
  • Fig.3 shows a schematic representation of a system 200 according to the invention comprising an intelligent item of clothing 1 according to the invention and an external evaluation and communication system 100 according to the invention, wherein a digital detection and recording of body movements and a delivery of feedback FB to a wearer is carried out by means of the intelligent item of clothing 1 in order to support the wearer in the movement sequences.
  • a digital detection and recording of body movements and a delivery of feedback FB to a wearer is carried out by means of the intelligent item of clothing 1 in order to support the wearer in the movement sequences.
  • the external evaluation and communication system 100 for digital monitoring and support of movement sequences is connected to the intelligent item of clothing 1 via a Bluetooth connection B with corresponding interfaces on both sides for data exchange.
  • the external evaluation and communication system 100 further comprises a data receiver 110 for receiving recorded actual data ID of the intelligent item of clothing 1, which is transmitted via the Bluetooth connection B from the transmitter unit 5 of the intelligent item of clothing 1 to the data receiver 110, an evaluation unit 120 for evaluating the actual data ID, for determining movement patterns of the wearer from the evaluated actual data ID and for generating feedback signals FBS based thereon for correcting the movement patterns of the wearer of the intelligent item of clothing 1, and a transmission unit 130 for transmitting the feedback signals FBS via the same Bluetooth connection B to a receiver unit 6 of the intelligent item of clothing 1 for subsequently providing feedback to the wearer based on the determined movement patterns of the wearer.
  • the evaluation unit 120 evaluates the actual data ID in real time and determines the movement patterns of the wearer.
  • the evaluation unit 120 is designed to store the actual data ID as a time series and to analyze it using fixed rules and/or using machine learning models. In doing so, it also carries out a comparison of the actual data ID of sensor nodes 3 that are located in opposite positions of the intelligent item of clothing 1 in order to determine asymmetries in the movement sequences.
  • the data receiver 110 and the transmission unit 120 are provided by a smartphone 140 and the evaluation unit 120 by means of an application APP installed and executed on the smartphone 140 or in a cloud CL.
  • the application APP is further designed to output additional audiovisual feedback on the determined movement patterns to the wearer of the intelligent item of clothing 1 via the smartphone 140.
  • the application APP is intended to query a status of the intelligent item of clothing 1, to transmit parameters and/or data necessary for operating the intelligent item of clothing 1, and to start or end a training operation with the intelligent item of clothing 1.
  • the external evaluation and communication system 100 comprises a background system 150 (see brackets “100”) to which the evaluation unit 120 is connected via a suitable data connection, wherein the background system 150 is designed to provide suitable business logic, security and other network services, machine learning (ML) services and for storing and managing data for the evaluation unit 120 and/or the intelligent garment 1.
  • ML machine learning
  • Fig.4 shows a schematic representation of the (a) actual data regarding the rotation R of various sensor nodes 3 during the same exercise, and the (b) actual data “AccX” of an acceleration sensor 31 as a function of the time of a movement exercise with two consecutive executions.
  • the actual data ID of a single sensor node 3 (a sensor position) or a combination of several positions is used.
  • the position of the sensor nodes 3 on the body must be taken into account and the associated restrictions that the human anatomy / biomechanical constraints dictate - in which directions a sensor node 3 can move translationally and rotationally or how two or more positions of different sensor nodes 3 can move relative to each other. This results in the following logic for the detection and evaluation of various aspects.
  • Intervals are recognized by looking at the actual data ID over time t and the sequence of extreme values and zeros when plotting the actual data ID as a function of time t, see Fig.4b.
  • the exercise begins with a strong first initial acceleration B1, two following plateaus with a small local minimum, a strong reversed second acceleration B2 with zero crossing and return to the initial value.
  • the same pattern repeats itself when the first exercise is repeated.
  • the end and beginning of an exercise interval A can be recognized holistically through the characteristic course of the actual data over time.
  • the execution speed is recognized by analyzing the previously recognized intervals over time - both the rise of edges B1, B2 and the total length A of an interval.
  • the division of the speed into the concentric and eccentric phases is done by changing the sign (inflection point) of the derivative/edge slope in combination with knowledge of the exercise type.
  • Another temporal analysis based on the intervals is the detection of rhythm or uniformity of the movement amplitude and speed of the individual phases. Here, all intervals are compared over the entire exercise sequence (movement sequence during the exercises).
  • the absolute temporal deviations, relative to the start of the interval, between the points used e.g. extreme points, zero points, turning points
  • a trend analysis of the temporal deviation from the uniformity assessment allows conclusions to be drawn about the onset of fatigue, especially if the temporal deviations increase with the number of intervals performed.
  • Another indicator of fatigue is a flattening of the extreme points over time.
  • TuT time under tension
  • the interval length of the respective exercise can be used here.
  • a more holistic view is taken by calculating the area under a movement curve (hatched area C of the actual data as a function of current). Both the onset of fatigue and muscular overload can be detected using harmonics on the actual data curve and with a different/lower frequency than the noise over time. Based on the interval detection, the comparison (calculation of the difference) with Reference movement curves can also detect incorrect movements. Depending on the exercise performed, different reference movement curves, sensor positions and sensor types are used.
  • Ax, Ay areal extent of the sensor node

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein intelligentes Kleidungsstück (1) und ein entsprechendes externes Auswerte- und Kommunikationssystem (100) zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen sowie ein System (200) mit einem solchen intelligenten Kleidungsstück (1) und einem solchen externen Auswerte- und Kommunikationssystem (100), wobei eine digitale Erfassung und Aufzeichnung von Körperbewegungen und eine Abgabe einer Rückmeldung (FB) an einen Träger mittels des intelligenten Kleidungsstückes (1) ausgeführt wird, um den Träger bei den Bewegungsabläufen zu unterstützen, und wobei das externe Auswerte- und Kommunikationssystem (100) zum Datenaustausch mit dem intelligenten Kleidungsstück (1) geeignet verbunden ist, damit das externe Auswerte- und Kommunikationssystem (100) eine Auswerten der vom intelligenten Kleidungstück (1) erfassten und übermittelten Ist-Daten (ID), eine Ermittlung von Bewegungsmustern des Trägers aus den ausgewerteten Ist-Daten (ID) und einer Generierung von darauf basierender Rückmeldungs-Signale (FBS) für eine Korrektur der Bewegungsmuster des Trägers mittels des intelligenten Kleidungstücks (1) vornehmen und diese Rückmeldungs-Signale (FBS) an das intelligente Kleidungstücks (1) übermitteln kann.

Description

Vorrichtung und System zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein intelligentes Kleidungsstück, ein entsprechendes Auswerte- und Kommunikationssystem zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen sowie ein System mit einem solchen intelligenten Kleidungsstück und einem solchen Auswerte- und Kommunikationssystem.
Hintergrund der Erfindung
Bewegungsmangel, eine zu schwache Muskulatur und muskuläre Dysbalancen sind in über 80 Prozent der Fälle die Ursache für die kontinuierlich steigende Zahl an Patienten, die unter subakuten oder chronischen Rückenschmerzen leiden. Besonders häufig betroffen sind Menschen, die sich zu wenig bewegen und zu lange sitzen. Laut einer 2022 veröffentlichten WHO-Studie bewegen sich 44 Prozent der Männer und 40 Prozent der Frauen zu wenig. Hinzu kommt, dass Menschen mit überwiegend sitzender Tätigkeit (mehr als 50 Prozent der Bundesbürger) einer 2021 veröffentlichten Untersuchung zufolge zwischen 8,5 und 10,5 Stunden täglich sitzen. Die meiste Zeit davon im Büro oder vor dem Fernseher.
Aufgrund der zu schwachen Muskulatur ist es nicht möglich längere Zeit aufrecht zu sitzen. Die Folge ist eine gekrümmte Haltung mit nach vorne hängenden Schultern. Das führt zu einer verkürzten Brustmuskulatur und einer überdehnten Muskulatur im oberen Rücken. Als Folge treten Nackenverspannung und Probleme im Bereich der Halswirbelsäule auf. Gleichzeitig spannen sich die Muskeln des Hüftbeugers an. Ohne Gegenmaßnahmen verkürzen und verhärten sich die Muskeln in diesem Bereich. Ihre Durchblutung verschlechtert sich und sie erhalten keine Nährstoffe mehr. Auch die Faszien verkürzen sich und verlieren ihre Elastizität. Im Stand oder beim Gehen muss die Hüftbeugemuskulatur die verkürzte und angespannte Muskulatur dann ausgleichen, indem sie auf die Rückenstreckmuskulatur wirkt. Diese muss sich anspannen, um dem entgegenwirken zu können. Dadurch entsteht übermäßiger Druck auf die Gelenke, die Wirbel und die Bandscheiben in der Lendenwirbelsäule. Es kommt zu Fehlhaltungen, Abnutzungserscheinungen und Schmerzen. Ärzte sprechen in diesen Zusammenhängen von unspezifischen Rückenschmerzen. Die nachweislich beste Gegenmaßnahme bei unspezifischen Rückenschmerzen ist ein regelmäßiges, ausreichend intensives, anatomisch korrekt ausgeführtes und individuell angepasstes Muskelaufbautraining, beispielsweise ein regelmäßiges Krafttraining mit dem eigenen Körpergewicht, freien Gewichten (z.B. Hanteln) sowie Widerständen (z.B. Kabelzüge, Fitnessbänder). Nachteilig dabei ist, dass etwa 80 Prozent aller Menschen, die ohne professionelle Aufsicht trainieren, Bewegungen falsch ausführen. Das reduziert den Trainingserfolg, weil u.a. die falschen Muskeln angesteuert werden. Außerdem setzen sich falsche Bewegungsmuster fest, die sich auf das Alltagsverhalten übertragen.
Professionale Aufsicht bieten beispielsweise Physiotherapeuten, wobei die Zahl der verordneten Einheiten pro Jahr stark begrenzt ist und nicht ausreicht, um die Muskulatur nachhaltig und regelmäßig zu kräftigen. Deshalb sind wiederkehrende (rezidivierende), subakute und chronische Rückenschmerzen weit verbreitet. Während der Physiotherapie ist es außerdem aus zeitlichen Gründen weder möglich, gezielt auf muskuläre Dysbalancen einzugehen noch den Patienten muskelaufbauende Übungen so beizubringen, dass sie anschließend sicher alleine weiter trainieren können. Die Fehlerquote bei der Übungsausführung beim unbeaufsichtigten Training liegt bei über 80 Prozent. Eine kostenintensive Möglichkeit ist die regelmäßige Arbeit mit einem Personal Trainer. Der Erfolg ist abhängig von der Qualität des Trainers. „Personal Trainer“ ist keine geschützte Berufsgruppe, jeder darf sich so nennen. Es besteht daher die Gefahr, an einen Personal Trainer mit mangelhaften sportwissenschaftlichen und anatomischen Kenntnissen zu geraten. Neben der variablen Qualität der Trainingsbetreuung sind auch die fehlende Objektivierung der Trainingsleistung und Fortschrittsüberwachung über einen längeren Zeitraum Nachteile. Günstiger ist ein Training im Fitnessstudio. Dort hat man die Möglichkeit sowohl an Maschinen als auch mit freien Gewichten zu arbeiten. Wie gut dabei die T rainingsbetreuung ist, hängt von der Qualität des Studios ab. Untersuchungen zeigen, dass etwa 70 Prozent aller im Fitnessstudio trainierenden Menschen Übungen anatomisch inkorrekt durchführen.
Seit einiger Zeit wird ein EMS-Training angeboten. EMS steht für Elektro-Myo-Stimulation. Trainierende tragen einen speziellen Anzug, der während der Ausübung von meist isometrischen (statischen) Übungen elektrische Impulse auf die Muskeln überträgt, wobei der Muskelaufbau nachweislich sehr effektiv aber nicht besonders funktional ist. Die statischen Übungen sind alltagsfern und bei schlechter Betreuung ist auch hier eine korrekte Bewegungsausführung nicht gewährleistet. Zusätzlich bedarf die Belastungssteuerung großer Erfahrung. Untersuchungen zeigen, dass es häufig zu Übertraining kommt. Möglich ist auch ein Training an speziellen Kraftmaschinen, die die Bewegungen führen, wodurch Bewegungsfehler selten auftreten. Allerdings werden nur die oberflächlichen Muskeln trainiert. Für die Alltagstauglichkeit der Muskulatur ist es aber wichtig, die tief liegende autochthone Muskulatur zu trainieren. Eine Verbesserung liefern smarte Fitnessgeräte. Diese werden aber an feste Standorte (z.B. Fitness-Studios) gebunden und sind sehr kostenintensiv. Das Feedback ist begrenzt und durch das Training an den Geräten kommt es zu einer geführten und damit nicht alltagstauglichen Bewegung. Weder die autochthone Muskulatur wird trainiert noch die neuromuskuläre Interaktion adressiert.
Zum Training werden auch Fitness-Apps eingesetzt. Viele Apps erfragen das Fitnesslevel und bieten oberflächlich angepasste Trainingsprogramme an. Allerdings gibt es keinerlei Feedback bezüglich der Bewegungsausführung. Auch Trainingssteuerung und Fortschrittsüberwachung ist nur ansatzweise möglich. Ähnliches gilt für videobasierte Fitness-Programme (z.B. auf YouTube), wobei hier die Trainingsbegleitung nicht vorhanden ist. Mittlerweile sind auch kamerabasierte Lösungen mittels Smartphones im Einsatz. Aufgrund des begrenzten Sichtfeldes der Kamera ist eine ständige Neu- und Umpositionierung des Smartphones nötig. Außerdem bedarf es eines entsprechend großen Abstands zur trainierenden Person, um den ganzen Körper erfassen zu können. Doch auch wenn all diese Voraussetzungen optimal erfüllt sind, ist es nicht immer möglich alle relevanten Punkte für eine korrekte Bewegungsausführung zu erfassen. Außerdem wird weder das neuromuskuläre Zusammenspiel von Gehirn und arbeitender Muskulatur adressiert, noch ist eine umfassende Bewertung der durchgeführten Übungen möglich. Des Weiteren fällt häufig das Smartphone als visueller Feedbackgeber weg, da es sich zur optimalen Kamerapositionierung meist außerhalb des unmittelbaren Sichtfeldes des Trainierenden befindet.
Es ist daher wünschenswert, eine digitale Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen zur Verfügung zu haben, die sowohl wie ein echter Personal Trainer, Live-Feedback geben kann, als auch voranstehende Nachteile des Stands der Technik überwindet oder zumindest verringert.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine Vorrichtung zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen zur Verfügung zu stellen, die einen oder mehrere Nachteile des Stands der Technik überwindet oder zumindest verringert, insbesondere die live eine Rückmeldung zu den Bewegungsabläufen geben kann. Die Aufgabe wird gelöst durch ein intelligentes Kleidungsstück mit einem in das intelligente Kleidungsstück integrierten elektronischen Netzwerk zur digitalen Erfassung und Aufzeichnung von Körperbewegungen und zur Abgabe einer Rückmeldung an einen Träger des intelligenten Kleidungsstückes, wobei das elektronische Netzwerk zumindest eine Vielzahl an Sensorknoten umfassend ein oder mehrere Sensoren zur Erfassung von Ist-Daten des Trägers, eine Speichereinheit zur zumindest temporären Speicherung der Ist-Daten, eine Sendereinheit zur Übermittlung der temporär gespeicherten Ist-Daten an ein externes Auswerte- und Kommunikationssystem, vorzugsweise geschieht die Übermittlung dabei kabellos, eine Empfängereinheit zum Empfangen eines Rückmeldungs-Signals von dem externen Auswerte- und Kommunikationssystem zur unmittelbaren Korrektur einer Bewegungsausführung auf Basis der übermittelten Ist-Daten, und eine Vielzahl an Ausgabeeinheiten zur Abgabe der Rückmeldung an den T räger auf Basis des empfangenen Rückmeldungs-Signals von dem externen Auswerte- und Kommunikationssystem zur Korrektur einer Bewegungsausführung durch den T räger umfasst, wobei die obigen Einheiten im elektronischen Netzwerk mittels Daten- und/oder Stromverbindungen miteinander und mit einer Stromversorgung des elektronischen Netzwerks verbunden sind, wobei die Daten- und/oder Stromverbindungen in das intelligente Kleidungsstück integriert sind.
Der Begriff „ein“, „einer“ oder „eine“ bezeichnet hier nicht eine bestimmte Anzahl der damit bezeichneten betreffenden Komponenten, sondern schließt explizit die Möglichkeit mit ein, dass der beanspruchte Gegenstand neben der einen Komponente auch ein oder mehrere weitere dieser Komponenten umfassen kann. Somit ist der Begriff auch als „ein oder mehrere“ zu verstehen. Ist dagegen die Anzahl der spezifizierten Komponenten gleich 1 gemeint, wird dies mit „genau ein/eine/einer“ bezeichnet.
Der Begriff „intelligentes Kleidungsstück“ (oder auch I-Wear genannt) bezeichnet Kleidungsstücke zur Körperbedeckung wie beispielsweise Unterbekleidung, Socken, Hosen, T-Shirts, Sweatshirts, Pullover, Jacken, Schuhe, Handschuhe, Mützen etc., die mit elektronischen Geräten und Funktionen ausgestattet sind, beispielsweise Sensorknoten, Speichereinheiten, Sendereinheiten, Empfängereinheit, Ausgabeeinheiten. Eine Besonderheit dieser Kleidung ist dabei, dass die elektronischen Geräte meist nicht sichtbar sind und Leiterbahnen in der Regel in die Textilien eingewoben werden. Das Material des intelligenten Kleidungsstücks kann jedes dafür geeignete Material sein, vorzugsweise ist das intelligente Kleidungstück dabei eng an den Körper des Trägers anliegend. Der Träger kann auch als Nutzer bezeichnet werden. Daher kann das Material vorzugsweise ein elastisches Material sein. Im Gegensatz zu intelligenten Kleidungsstücken wirkt gewöhnliche Funktionskleidung nur passiv durch die Eigenschaften der verwendeten Gewebe und Materialien, ohne dabei elektronischen Geräten und Funktionen zu umfassen. Ebenso umfasst der Begriff „intelligentes Kleidungsstück“ kein am Körper tragbaren elektronischen Geräten wie sogenannte aktive Tracker oder smarte Uhren, da diese separat von den Kleidungsstücken getragen und nicht in diese integriert sind.
Der Begriff „Sensorknoten“ bezeichnet dabei eine Einheit, die ein oder mehrere Sensoren für die Bestimmung gleicher oder unterschiedlicher Ist-Daten für den Körper des Trägers umfasst, wobei die mit dem jeweiligen Sensorknoten bestimmten Ist-Daten über das elektronische Netzwerk zur Speicher- und/oder Sendereinheit übertragen werden. Die Vielzahl der Sensorknoten ist dabei geeignet über das intelligente Kleidungsstück verteilt, vorzugsweise überdecken die Sensorknoten so das intelligente Kleidungsstück, dass die Bewegungen des Trägers in den Körperpartien, die das intelligente Kleidungsstück beim Tragen abdeckt, vollständig überwacht werden können. Die Sensoren eines Sensorknotens können beispielsweise Beschleunigungssensoren, Gyroskope, Magnetometer, Temperatursensoren, Feuchtigkeitssensoren, Leitfähigkeitssensoren, Drucksensoren oder andere geeignete Sensoren sein. Die Ist-Daten sind entsprechende Messdaten der Sensorknoten beziehungsweise der Sensoren der Sensorknoten, die als Einzelwert oder als Mittelwert einer Messreihe eines zeitlichen Intervalls als Ist-Daten gespeichert und übermittelt werden. Das jeweilig benutzte Format der Ist-Daten kann vom Fachmann geeignet gewählt werden oder ergibt sich aus der Art der verwendeten Komponenten im elektronischen Netzwerk.
Die Einheiten des elektronischen Netzwerks sind dabei mittels geeigneter Daten- und/oder Stromverbindungen miteinander verbunden. Diese Verbindungen können je nach zu verbindender Einheit und der vorgesehenen Versorgung der Einheit drahtlos und/oder drahtgestützt realisiert sein. Im Falle von Drähten besitzen diese vorzugsweise einen geringen Querschnitt und eine möglichst flexible Umhüllung. Vorzugsweise ist der Querschnitt ähnlich oder kleiner des Querschnitts der einzelnen Fasern, aus denen das intelligente Kleidungsstück hergestellt ist. Im Falle von festen Materialbereichen des intelligenten Kleidungsstücks, beispielsweise Lederpassagen von Schuhen, können die Drähte auch innerhalb des Materials geführt werden. Alternativ können die Drähte auch auf einer Oberfläche des intelligenten Kleidungsstücks, vorzugsweise der äußeren Oberfläche, mittels eines geeigneten Fügeverfahrens befestigt werden beispielsweise darauf laminiert, aufgeklebt oder aufgeschweißt. Die Drähte für Strom- und/oder Datenverbindungen (sofern keine drahtlose Verbindung verwendet wird) sind in das intelligente Kleidungsstück integriert, um einen verbesserten Tragekomfort für den Träger zu gewährleisten. „Integriert“ bedeutet hier, dass die Kabel bzw. Drähte der Verbindungen nicht frei von der Kleidung geführt sind oder nicht von ihr herabhängen können, auch nicht bereichsweise. Dadurch kann der T räger weder an den Kabeln oder Drähten hängen bleiben, noch können diese an Gegenständen in der Umgebung des Trägers hängen bleiben. Die Strom- und/oder Datenverbindungen können beispielsweise eingewebt oder innerhalb des Materials des Kleidungsstücks geführt oder darauf mittels eines geeigneten Fügeverfahrens, vorzugsweise laminiert, befestigt sein. Ferner umfasst das elektronische Netzwerk eine Stromversorgung. Diese kann auf jegliche geeignete Art ausgeführt sein. Vorzugsweise ist die Stromversorgung eine wiederaufladbare Batterie, vorzugsweise aus Gründen des Tragekomforts eine flache Knopfzelle. Das intelligente Kleidungsstück und das elektronische Netzwerk sind mit den einzelnen Komponenten vollständig für den Träger ausgerüstet, alle benötigten Komponenten sind im elektronischen Netzwerk vorhanden. Damit ist das intelligente Kleidungsstück für den Träger ohne Modifikationen sofort benutzbar.
Die Sendereinheit kann dabei im elektronischen Netzwerk als zentrale Übertragungseinheit an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem ausgestaltet sein. Der Begriff „extern“ bezeichnet hierbei, dass das Auswert- und Kommunikationssystem nicht Teil des intelligenten Kleidungsstücks ist oder in das intelligente Kleidungsstück integriert ist, sondern separat vom intelligenten Kleidungsstück ausgeführt ist. Durch eine zentrale Sendeeinheit kann die Anzahl an Komponenten des elektronischen Netzwerks möglichst klein gehalten werden, was die Komplexität des elektronischen Netzwerks und den Stromverbrauch senkt. In einer alternativen Ausführungsform kann das elektronische Netzwerk aber auch eine Vielzahl an Sendereinheiten umfassen, die die erfassten Ist-Daten simultan an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem übermitteln, was die Datenübertragungsrate an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem erhöht. Die Sendereinheit kann hierbei jede dafür geeignete Sendereinheit sein. Je nach Ausführungsform kann die Sendereinheit die Daten in unterschiedlichen geeigneten Formaten an die entsprechende Empfangseinheit des externen Auswerte- und Kommunikationssystems übertragen. Vorzugsweise tut die Sendereinheit dies drahtlos, vorzugsweise mittels einer Bluetooth-Verbindung und entsprechenden Schnittstellen, um die Bewegungsabläufe des Trägers nicht zu stören und eine kontinuierliche Überwachung der Bewegungsabläufe zu gewährleisten. Die Empfängereinheit muss dazu ausgestaltet sein, die Rückmeldungen seitens des externen Auswerte- und Kommunikationssystems empfangen zu können. Hier gilt das Gleiche wie bereits für die Sendereinheit beschrieben ist. Sender- und Empfangseinheit können beispielsweise als gemeinsame Sende- und Empfangseinheit ausgebildet sein. Geeignete Sendereinheiten, Empfangseinheiten und Sende- und Empfangseinheiten sind dem Fachmann bekannt. Bei mehreren dezentral im elektronischen Netzwerk angeordneten Sendereinheiten kann die Empfangseinheit separat davon als zentrale Empfangseinheit ausgebildet sein, da nicht von vornherein bekannt ist, welches Körperteil die auszugebende Rückmeldung betreffen soll und welche Ausgabeeinheiten die Rückmeldung an den T räger vermitteln sollen. In einer Ausführungsform mit einer einzigen Ausgabeeinheit im elektronischen Netzwerk kann die Empfängereinheit in der Ausgabeeinheit integriert sein.
Die Ausgabeeinheit kann hierbei jede Ausgabeeinheit sein, die geeignet ist, dem Träger des intelligenten Kleidungsstücks eine wahrzunehmende Rückmeldung auszugeben. Die Ausgabeeinheit kann dazu eine Lichtquelle umfassen, um eine visuelle Rückmeldung auszugeben und/oder eine Aktorik umfassen, um eine taktile Rückmeldung auszugeben und/oder einen Lautsprecher umfassen, um eine akustische Rückmeldung auszugeben. Die Rückmeldung kann dabei als kurzes, langes oder moduliertes Signal auf visuelle, akustische oder taktile Weise erfolgen.
Damit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Kleidungsteil beispielsweise von Produkten, die zwar Sensoren für Körperparameter (I MU-Sensoren) umfassen, aber keine oder keine gezielte Rückmeldung an den Träger ausgeben können. Solche rückmeldungsarmen Systeme können keine umfangreiche, individuell abgestimmte Trainingsplanung und Trainingssteuerung bieten, wie es mit dem erfindungsgemäßen intelligenten Kleidungsstück möglich ist. Diese erfindungsgemäße Bewegungssteuerung kann auch nicht durch den Einsatz von Elektromyographie (EMG) erreicht werden. Die Nachteile beim EMG liegen in der Genauigkeit der erfassten Daten, da dort nur die Muskelaktivität von Groß- und Oberflächenmuskeln zur Analyse herangezogen werden. Muskelaktivität ist aber nur ein indirekter Stellvertreterwert für Bewegung und somit nicht geeignet, eine wirklich präzise Unterstützung von Bewegungsabläufen zu liefern.
Das intelligente Kleidungstück stellt somit eine Vorrichtung zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen zur Verfügung, die eine zeitnahe Rückmeldung (sogenanntes Feedback) zu den Bewegungsabläufen geben kann. Das intelligente Kleidungsstück in Verbindung mit dem externen Auswerte- und Kommunikationssystem ermöglicht die Auswertung der biomechanischen Daten, die sonst nur mit Expertenhilfe möglich wäre und stellt darüber hinaus Live-Feedback zur Verfügung und kann so insbesondere bei einem taktilen Feedback die neuromuskuläre Interaktion ermöglichen. Mit dem erfindungsgemäßen intelligenten Kleidungsstück muss nicht unbedingt ein ganzer Anzug getragen und Sensoren manuell am Körper des Trägers angebracht werden. Das erfindungsgemäße intelligente Kleidungsstück ist somit benutzerfreundlich und bedarf weder eines von Experten auszuführenden Aufbau- und Kalibrierungs-Aufwand noch die Anwesenheit von speziell geschultem Personal.
In einer Ausführungsform sind die Vielzahl an Sensorknoten entlang strategischer Achsen des intelligenten Kleidungsstücks zur flächigen Überwachung des Trägers angeordnet. Als strategische Achsen des intelligenten Kleidungsstücks werden die Abschnitte des intelligenten Kleidungstück bezeichnet, die bewegliche Körperpassagen überdecken. Bei einem T-Shirt wären das beispielsweise die beiden Arme und der Rücken, da die Arme und der Rücken separat voreinander bewegt werden können. Die strategische Achse des Rückens verläuft dabei parallel zur Wirbelsäule, die strategischen Achsen der Arme verlaufen dabei entlang von Oberarm und Unterarm. Eine strategische Achse des Oberkörpers kann zusätzlich von der Schulter zum Hals verlaufen, um den Schulterbereich abzudecken. Bei Hosen würden die strategischen Achsen vom Becken entlang des Oberschenkels und Unterschenkels verlaufen. Bei Handschuhen würden die strategischen Achsen entlang der Fingerglieder und vom Unterarm über das Handgelenk zum Handrücken verlaufen. Die strategischen Achsen können vom Fachmann je nach Kleidungstück weiter verfeinert und ergänzt werden. Sind zumindest die strategischen Hauptachsen wie Arme, Beine und/oder Wirbelsäule abgedeckt, so wird der Körper des Trägers großflächig vollständig überwacht. Damit können Bewegungsabläufe des Trägers umfassend unterstützt und überwacht werden. Vorzugsweise sind dabei mehrere Sensorknoten pro strategische Achse angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Ist-Daten eine Sensorkennung oder Sensorknotenkennung. Damit können die Ist-Daten einem bestimmten Sensor / Sensorknoten zugeordnet und daher das Bewegungsmuster einzelner Körperteile oder Gliedmaßen des Trägers über die sich darüber streckende Anordnung der Sensorknoten und das Zusammenspiel der verschiedenen Ist-Daten dieser Anordnung an Sensorknoten erkannt werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Sensorknoten einen drei-Achsen- Beschleunigungssensor und/oder ein drei-Achsen-Gyroskop und/oder ein Magnetometer. Mit den mit diesen Sensoren erfassten Ist-Daten kann der Bewegungsablauf vollständig und präzise erfasst werden, was für eine darauf basierende qualitativ hochwertige Unterstützung von Bewegungsabläufen wichtig ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist im elektronischen Netzwerk pro strategische Achse jeweils eine der Sendereinheiten angeordnet. Bei lediglich einer strategischen Achse am intelligenten Kleidungsstück wäre nur dann genau eine Sendereinheit vorhanden. Gewöhnlich besitzt das intelligente Kleidungsstück aber mehrere strategische Achsen (bei einem T-Shirt beispielsweise mindestens drei strategische Achsen (entlang der Wirbelsäule, linker Arm, rechter Arm, ggf. zusätzlich eine Achse von rechter zu linker Schulter etc.) Damit kann die Datenübertragungsrate an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem gesteigert und die Unterstützung der Bewegungsabläufe mittels entsprechend schneller Rückmeldung aufgrund der schnelleren Datenübertragung durch die Ausgabeeinheit verbessert werden. Hierbei können die übertragenen Daten sofort beispielsweise mittels spezifischer Kennung der strategischen Achse für die entsprechende Sendereinheit in den übertragenen Signalen den jeweiligen Körperteilen des Trägers zugeordnet werden, was die Rückmeldung zum Bewegungsablauf weiter beschleunigt.
In einer weiteren Ausführungsform ist das intelligente Kleidungsstück zumindest bereichsweise aus einem Material gefertigt, das eine Positionstreue der Sensorknoten am Körper des Trägers beim Tragen des intelligenten Kleidungsstücks gewährleistet. Um die Bewegungsabläufe über einen längeren Zeitpunkt korrekt überwachen zu können, muss der Sensorknoten so gut wie möglich an dergleichen Position (Positionstreue) relativ zum Körper des T rägers verbleiben. Diese Positionstreue kann durch die Wahl eines geeigneten Schnittmusters, vorzugsweise mit einem eng-anliegenden Schnitt des intelligenten Kleidungsstückes und der Wahl des dafür geeigneten Materials des intelligenten Kleidungsstücks verbessert werden. Vorzugsweise dehnt sich das Material nicht oder nur geringfügig mit steigender Temperatur und nach Feuchtigkeitsaufnahme als Folge einer sportlichen Aktivität bzw. ist entsprechend vorgespannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material dabei ein elastisches Textil. Damit liegt das intelligente Kleidungsstück zuverlässig eng am Körper des Trägers an, zumindest in den Bereichen des Kleidungsstücks, wo Sensorknoten angeordnet sind. Hierbei kann das intelligente Kleidungstück ganz oder teilweise aus dem elastischen Textil gefertigt sein. In Bereichen, wo kein Sensorknoten angeordnet ist, kann das intelligente Kleidungsstück aus einem anderen Material gefertigt sein. Dieses andere Material sollte vorzugsweise ebenfalls wie das elastische Textil das Einweben von elektrischen Verbindungen erlauben. Das elastische Material stellt ein enges und positionstreues Anliegen des intelligenten Kleidungsstückes zumindest im Bereich des Sensorknotens am Körper des Trägers auch bei sportbedingter Erwärmung des Körpers und aufgenommenem Schweiß sicher.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Sensorknoten irreversibel mit dem Material verbunden. Dadurch wird der mechanische und elektrische Schutz des Trägers gegen ungewollte Loslösung des Sensorknotens vom intelligenten Kleidungsstück und damit eine mögliche mechanische und/oder elektrische Gefährdung des Trägers durch abgelöste Sensorknoten mit einer ungewünschten Position relativ zum Körper des Trägers verhindert. Der Sensorknoten kann dabei beispielsweise mit dem Material des Kleidungsstücks verwoben, auf dieses aufgeklebt, verschweißt oder aufgedruckt sein.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Daten und/oder Stromverbindungen in das intelligente Kleidungstück eingearbeitet, vorzugsweise eingewebt. Damit sind die Daten- und Stromverbindungen ein natürlicher Bestandteil des intelligenten Kleidungsstücks und keine oberflächlich applizierte Komponente, die gegebenenfalls den Tragekomfort verringert. Oberflächlich angebrachte Daten- oder Stromverbindungen haben zudem ein erhöhtes Risiko, durch das Benutzen beschädigt oder gar unterbrochen zu werden, insbesondere durch das An- und Ausziehen des intelligenten Kleidungsstücks oder einem Waschvorgang für das intelligente Kleidungsstück.
In einer weiteren Ausführungsform besitzen die Sensorknoten eine flächenförmige Ausdehnung entlang einer Oberfläche des intelligenten Kleidungsstücks, die um mindestens eine Größenordnung größer ist als deren Dicke senkrecht zur Oberfläche. Damit haben die Sensorknoten einen niedrigen Schwerpunkt relativ zur Oberfläche des intelligenten Kleidungsstücks und damit auch zur Körperoberfläche des Trägers des intelligenten Kleidungstücks. Durch die in der Fläche ausgedehnte Form des Sensorknotens übt dieser einen entsprechend geringen Druck auf die Haut des Trägers aus, da sich das Gewicht des Sensorknotens auf eine größere Fläche verteilt und damit für den Träger nicht oder nur noch kaum zu spüren ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Stromversorgung im intelligenten Kleidungstück an einer Position angeordnet, die sich beim Tragen des intelligenten Kleidungsstücks möglichst nahe einem Schwerpunkt des Trägers bei aufrechtem Stand des Trägers befindet. Der Schwerpunkt eines Menschen verändert sich durch seine Körperhaltung. Bei einem aufrechtstehenden Menschen liegt der Schwerpunkt im Bereich des Bauches bzw. der Hüfte. Sofern das intelligente Kleidungsstück Hüfte oder Bauch nicht überdeckt, ist die Stromversorgung in dem intelligenten Kleidungstück so anzuordnen, dass sie sich beim Tragen des intelligenten Kleidungstücks möglichst nahe an Hüfte oder Bauch befindet. Dies gilt für Hosen aller Art, Oberbekleidung, sogenannter Bodys oder Overalls oder anderer Ganzkörperbekleidung. Bei Socken, Mützen, Handschuhe oder Schuhe sollte die Stromversorgung dagegen an einer anderen Position angeordnet sein, die das Tragen dieser Kleidungsstücke nicht erschwert.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Sensorknoten und/oder Speichereinheit dazu ausgestaltet, die erfassten Ist-Daten mit für das elektronische Netzwerk synchronisierten Zeitstempeln für die Zeit der Erfassung der Ist-Daten zu versehen. Anhand der Zeitstempel können Ist-Daten zu Bewegungsabläufen verschiedener Sensorknoten, beispielsweise von unterschiedlichen Körperteilen, direkt miteinander korreliert werden. Dadurch wird die Analyse des ausgeführten Bewegungsablaufs deutlich präziser, wodurch mittels Rückmeldung eine verbesserte Unterstützung des Bewegungsablaufs ermöglicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist das elektronische Netzwerk dazu ausgestaltet, die Ist-Daten nach Übermittlung an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem aus der Speichereinheit zu löschen. Damit wird weniger Speichervolumen benötigt und der Speicher des elektronischen Netzwerks kann kleiner ausgeführt werden. Dies verbessert auch den benötigten Stromverbrauch des intelligenten Kleidungsstücks und dessen T ragekomfort.
In einer weiteren Ausführungsform ist das elektronische Netzwerk dazu ausgestaltet, die erfassten Ist-Daten vor der Übermittlung an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem einer Vorbearbeitung zu unterziehen. Diese Vorbearbeitung kann beispielsweise mittels einer Datenbearbeitungseinheit vorgenommen werden, die entweder als zentrale zusätzliche Komponente im elektronischen Netzwerk ausgeführt bzw. in einer zentralen Übertragungseinheit integriert ist, oder die Bearbeitungseinheit ist dezentral in den jeweiligen Sensorknoten integriert. Die Bearbeitungseinheit kann beispielsweise durch einen Mikroprozessor ausgeführt sein, auf dem ein entsprechendes Verarbeitungsprogramm installiert ist und ausgeführt wird, wodurch beispielsweise ein Rauschen aus den Ist-Daten herausgefiltert wird, eine Normalisierung durchgeführt wird, oder Teilbewegungen anhand einer Kombination von Bewegungsdaten eines oder mehrerer Sensorknotens erkannt werden.
In einer weiteren Ausführungsform gibt die Ausgabeeinheit eine Rückmeldung in taktiler Form an den T räger aus, die zur Emulation einer Berührung eines T rainers an ihrer Position ausgestaltet ist, vorzugsweise erfolgt die Rückmeldung erst nach einer festgestellten wiederholten Fehlausführung des Trägers. Die Fehlausführung umfasst eine Fehlpositionierung, eine falsche Ausführungsgeschwindigkeit oder eine falsche Ausführungskonsistenz. Eine Fehlpositionierung kann weiter in verschiedene Aspekte unterteilt werden: Ein falsches Bewegungsmuster - eine falsche dynamische Haltung -, die Asymmetrie einer Bewegung, insbesondere bezogen auf die Sagittalebene, oder eine falsche Bewegungsamplitude. Eine falsche Ausführungskonsistenz beschreibt bezogen auf eine einzelne Übungsausführung ein ungleichmäßiges Bewegungstempo, bspw. Stocken oder starkes Zittern. Die Ausführungsgeschwindigkeit kann sich in der konzentrischen und der exzentrischen Phase unterscheiden, sofern das explizit vorgegeben ist. Bezogen auf mehrere Wiederholungen einer Übung ist eine falsche Ausführungskonsistenz eine starke Abweichung der Bewegungsmuster voneinander. Die taktile Wahrnehmung dient der hier passiven Wahrnehmung von Druck, Berührung und Vibrationen sowie der Temperatur, da sich die Ausgabeeinheit im intelligenten Kleidungsstück positionsgetreu auf oder nahe der Haut des Trägers befindet. Das zuständige Sinnesorgan ist die Haut, und zwar sowohl deren Tast- als auch Wärme- und Kälterezeptoren. Die von ihnen ausgelösten Reizimpulse werden mit hoher Geschwindigkeit durch die taktilen Nervenfasern über das Rückenmark an das Gehirn weitergeleitet. Dadurch wird die Unterstützung des Bewegungsablaufs als eine gewohnte Korrektur erfahren, was die Bereitschaft des T rägers zur Korrektur verbessert, wodurch die Unterstützung des Bewegungsablaufs durch das intelligente Kleidungsstück verbessert und intensiviert wird. Die taktile Rückmeldung kann beispielsweise über einen Aktuator als Ausgabeeinheit ausgegeben werden. Vorzugsweise erfolgt diese Rückmeldung erst nach wiederholter Fehlausführung, damit zufällige Falschbewegungen von systematischen Falschbewegungen unterschieden werden können.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Ausgabeeinheit ein Vibrationsmotor oder eine EMS-Elektrode. Damit lassen sich die gewünschten taktilen Eindrücke zuverlässig erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Vielzahl an Ausgabeeinheiten entlang strategischer Achsen des intelligenten Kleidungsstücks angeordnet und dazu vorgesehen, mittels der Rückmeldung eine Korrekturbewegung des Trägers zu initiieren. Mittels der Vielzahl an Ausgabeeinheiten wird eine Rückmeldung, vorzugsweise in taktiler Form, erzeugt, die den Effekt einer neuromuskulären Interaktion triggert. Hierbei können die Aktuatoren entlang der gleichen anatomischen Achsen positioniert sein wie auch die Sensorik zur Bewegungsaufzeichnung. Vorzugsweise sind dafür mehrere Ausgabeeinheiten pro strategische Achse angeordnet. Die Positionen werden dadurch bestimmt, dass entlang dieser Achsen eine Korrekturbewegung durch das taktile Feedback eingeleitet werden soll. Diese neuromuskuläre Interaktion führt beim Träger dazu, dass die entsprechende Muskulatur gezielt angesteuert werden kann bzw. eine Korrektur im jeweiligen Bereich möglich wird. Es kommt zu einer Verknüpfung von Gehirn und Muskel. In einer weiteren Ausführungsform weist die Sendereinheit eine Bluetooth- oder eine WLAN-Schnittstelle auf. Diese Schnittstellen eignen sich gut für eine zuverlässige Datenübertragung mittels Bluetooth- oder eine WLAN-Verbindung und entsprechende Kopplung an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem.
In einer weiteren Ausführungsform ist das intelligente Kleidungsstück eine Oberbekleidung, vorzugsweise ein T-Shirt. Mit dem erfindungsgemäßen Kleidungsstück als Oberbekleidung lassen sich unter Anwendung des Tensegrity-Modells (oder unter Berücksichtigung der myofaszialen Linien) Fehler in Bewegungsabläufen nicht nur im Oberkörperbereich, sondern auch im Bereich des Unterkörpers korrigieren. Denn unabhängig von der individuellen Aufgabe eines Muskels, beeinflusst dieser auch funktionell integrierte und den ganzen Körper umspannende Verbindungen. Ganze Muskelzüge sind eingewebt in den Faserverlauf der Faszien und bilden myofasziale Verbindungen, die sich über den ganzen Körper verfolgen lassen. In diesen Faserzügen kontrahieren sich die Muskeln und übertragen myofasziale Kräfte. Als Folge führen anatomisch korrekt ausgeführte Oberkörperbewegungen auch zu anatomisch korrekt ausgeführten Bewegungen des Unterkörpers und umgekehrt. Ein intelligentes Kleidungsstück als T-Shirt kann die Sicherheit bei Körperübungen deshalb deutlich steigern, selbst wenn die untere Körperhälfte nicht überwacht wird. Bei einem zusätzlichen Tragen einer intelligenten Hose als ein weiteres intelligentes Kleidungsstück, beispielsweise einer sogenannten Sport- Leggins kann das Überwachungsergebnis noch weiter verbessert werden bzw. die neuromuskuläre Interaktion auch in Bereichen des Unterkörpers stattfinden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Auswerte- und Kommunikationssystem zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen mittels Datenaustausch mit einem erfindungsgemäßen intelligenten Kleidungsstück, wobei das Auswerte- und Kommunikationssystem separat zum intelligenten Kleidungsstück als externes Auswerte- und Kommunikationssystem ausgeführt ist, umfassend einen Datenempfänger zum Empfangen von erfassten Ist-Daten des intelligenten Kleidungstücks, eine Auswerteeinheit zum Auswerten der Ist-Daten, zur Ermittlung von Bewegungsmustern des Trägers aus den ausgewerteten Ist-Daten und zur Generierung von darauf basierenden Rückmeldungs-Signalen zur Korrektur der Bewegungsmuster des Trägers des intelligenten Kleidungstücks, und eine Übermittlungseinheit zum Übermitteln der Rückmeldungs-Signale an eine Empfängereinheit des intelligenten Kleidungsstücks zur nachfolgenden Abgabe von Rückmeldungen an den Träger basierend auf den ermittelten Bewegungsmustern des Trägers. Das externe Auswerte- und Kommunikationssystem kann dabei als Computer, Server, Cloudlösung oder Smartphone oder einer Kombination davon ausgeführt sein, wobei die Cloudlösung bzw. die einzelnen Komponenten des externen Auswerte- und Kommunikationssystems auf einem geeigneten Gerät in der Umgebung des Trägers des intelligenten Kleidungstücks ausgeführt werden. Bei der Auswertung der Bewegungsdaten werden entweder die Ist-Daten eines einzelnen Sensorknoten (einer Position) oder einer Kombination aus mehreren Positionen herangezogen. In beiden Fällen ist die Position der Sensoren am Körper zu berücksichtigen und die damit einhergehenden Einschränkungen, die die menschliche Anatomie vorgibt - in welche Richtungen sich ein Sensor bewegen kann bzw. wie sich zwei oder mehrere Positionen (Sensorknoten) zueinander bewegen können. Dazu können die Ist-Daten eine Sensorkennung umfassen, damit die übermittelten Ist-Daten jedem einzelnen Sensor beziehungsweise Sensorknoten eindeutig zugeordnet werden können. Jegliches Rückmeldungs-Signal kann dabei zuvor ermittelte Normalposition, Fitnessgrad/Kraftpotential und Beweglichkeit/Flexibilität des Trägers des intelligenten Kleidungsstücks berücksichtigen. Der Datenempfänger zum Empfangen von erfassten Ist-Daten kann jede zur Sendereinheit des intelligenten Kleidungsstücks kompatible Empfangseinheit sein. Die Übermittlungseinheit zum Übermitteln der Rückmeldungs-Signale kann jede zur Empfängereinheit des intelligenten Kleidungsstücks kompatible Sendeeinheit sein.
Das erfindungsgemäße externe Auswerte- und Kommunikationssystem stellt somit eine Vorrichtung zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen zur Verfügung, die die Bewegungsabläufe ermittelt und ein zeitnahes Rückmeldungs-Signal zu den Bewegungsabläufen an das intelligente Kleidungsstück übermitteln kann. Das externe Auswerte- und Kommunikationssystem in Verbindung mit dem intelligenten Kleidungsstück ermöglicht somit die Auswertung der biomechanischen Daten, die sonst nur mit Expertenhilfe möglich wäre und stellt darüber hinaus Live-Feedback zur Verfügung und ermöglicht so die neuromuskuläre Interaktion. Das erfindungsgemäße externe Auswerte- und Kommunikationssystem bedarf weder eines von Experten auszuführenden Aufbau- und Kalibrierungsaufwandes noch der Anwesenheit von speziell geschultem Personal beim Träger des erfindungsgemäßen intelligenten Kleidungsstücks nach einem Erstgebrauch und ist somit benutzerfreundlich.
In einer Ausführungsform wertet die Auswertungseinheit die Ist-Daten in Echtzeit aus und ermittelt die Bewegungsmuster des Trägers. Mit der Echtzeitauswertung kann dem Träger über das intelligente Kleidungsstück bei der laufenden Bewegung dazu Rückmeldungen und gegebenenfalls Korrekturanweisungen gegeben werden, wodurch der Träger seinen Bewegungsablauf sofort anpassen und die Änderungen direkt spüren kann, was den Lerneffekt deutlich verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgestaltet, die Ist-Daten als Zeitreihe zu speichern und unter Anwendung von festen Regeln und/oder unter Anwendung von Modellen des maschinellen Lernens zu analysieren. Als Datenanalyseknoten sammelt die Auswerteeinheit die vom intelligenten Kleidungsstück übertragenen, vorverarbeiteten Bewegungsdaten, speichert diese als Zeitreihe in einer internen Datenbank zwischen und analysiert diese unter Anwendung von festen Regeln wie Grenzwerte, relativer Vergleich und Abweichung von Sensorwerten an verschiedenen Punkten und ML-Modellen, um quantitative und qualitative Werte der aktuell ausgeführten Übung zu bestimmen. Das abgeleitete Feedback wird über die Übermittlungseinheit während der Übung, zur leichten Bewegungs- und Positionskorrektur, und nach der Übung als Übungsbewertung an den Träger des intelligenten Kleidungstücks ausgegeben. Die Auswertung der Ist-Daten kann dabei eine Erkennung von Intervallen, eine Erkennung von Ausführungs-Geschwindigkeit über die zeitliche Analyse der erkannten Intervalle - sowohl des Intervalls selbst und deren Abfolge, eine Erkennung von Time-under-Tension (TuT) und Belastung - Intervall plus Übungstyp, eine Erkennung von Fehlbewegungen (Position über Zeit), eine Erkennung von Fehlausführungen (statisch), eine Überwachung des Unterkörpers umfassen, die dann in Trainingsanweisungen und taktile und/oder audiovisuelle Rückmeldungen umgesetzt werden.
Die Erkennung von Intervallen erfolgt durch die Betrachtung der Ist-Daten über die Zeit und die Abfolge von Extremwerten und Nullstellen beim Aufträgen der Ist-Daten als Funktion der Zeit, beispielsweise mit einer neutralen Position als Nullstellung. Ja nach Übungstyp bieten sich hierbei einzelne oder eine Kombination auf verschiedenen Ist-Daten-Zeitreihen (Beschleunigung XYZ(t), Magnet XYZ(t), Gyro XYZ(t), etc.) an. Ebenfalls müssen ggf. verschiedene Sensorknoten-Positionen betrachtet werden, damit das Ende eines Übungsintervalls ganzheitlich erkannt wird, da verschiedene Körperteile und damit verbundene Sensorknoten-Position auf Grund der Anatomie jeweils früher oder später an einem Extrempunkt oder einer Nullstelle ankommen.
Die Erkennung der Ausführungs-Geschwindigkeit erfolgt über die zeitliche Analyse der zuvor erkannten Intervalle - sowohl den Anstieg von Flanken als auch die Gesamtlänge eines Intervalls. Die Zuordnung der konzentrischen und der exzentrischen Phase erfolgt dabei über die Kombination des Übungstyp und des Vorzeichens der Ableitung der Amplitude. Eine weitere zeitliche Analyse auf Basis der Intervalle ist die Erkennung von Rhythmus bzw. Gleichmäßigkeit. Hierbei werden alle Intervalle über den gesamten Übungsablauf (Bewegungsablauf bei den Übungen) verglichen. Die absoluten zeitlichen Abweichungen, relativ zum Intervallstart, zwischen den herangezogenen Punkten (z.B. Extrempunkte, Nullstellen, Wendepunkte), die sich über mehrere Intervalle hinweg ergeben, erlauben Rückschlüsse auf die Gleichmäßigkeit der Übungsausführung.
Eine Trendanalyse der zeitlichen Abweichung aus der Gleichmäßigkeitsbewertung erlaubt Rückschlüsse auf eine eintretende Ermüdung, speziell wenn die zeitlichen Abweichungen mit der Anzahl durchgeführter Intervalle zunimmt. Ein weiterer Indikator für Ermüdung ist eine Abflachung der Extrempunkte über die Zeit.
Zur Bewertung der muskulären Belastung während einer Übung und um im Umkehrschluss Stärke und Durchhaltevermögen zu steigern, wird die sogenannte Time-under-Tension (TuT) betrachtet. Hierbei kann im einfachsten Fall die Intervalllänge der jeweiligen Übung herangezogen werden. Eine ganzheitlichere Betrachtung erfolgt über die Berechnung der Fläche unter einer Bewegungskurve (Ist-Daten als Funktion der Zeit). Sowohl einsetzende Ermüdung als auch eine muskuläre Überlastung lassen sich mit Hilfe von Oberwellen auf dem Bewegungsverlauf und in einem anderen/niedrigeren Frequenzbereich als das Rauschen erkennen.
Basierend auf der Intervall- und Asymmetrie-Erkennung lassen sich beim Vergleich (Berechnung der Differenz) mit Referenzbewegungskurven auch Fehlbewegungen erkennen. Abhängig von der durchgeführten Übung, werden unterschiedliche Referenzbewegungskurven, Sensorpositionen und Sensortypen herangezogen.
Im Gegensatz zu den Fehlbewegungen erfolgt bei der Erkennung von Fehlpositionen eine Analyse von statischen (ohne zeitliche Dimension) Orientierungs-, Gyroskop- oder Magnetdaten der jeweiligen Sensoren der Sensorknoten an mehreren Sensorknoten- Positionen (oder Körperteilen). Hierbei werden die Ist-Daten der jeweiligen Sensoren unter Berücksichtigung der menschlichen Anatomie bzw. biomechanischer Zwangsbedingungen miteinander verglichen. Durch die unterschiedliche Orientierung der Sensorknoten an verschiedenen Stellen lassen sich verschiedene Teilkörperachsen (strategische Achsen) und deren Winkel relativ zueinander bestimmen. Eine Abweichung der relativen Achsenlage im Vergleich zu einem Referenzmodell lassen Rückschlüsse auf eine Fehlposition zu.
Bei der Analyse von Fehlbewegungen und Fehlpositionen werden anatomisch vorhandene Fehlstellungen beim Träger des intelligenten Kleidungsstücks berücksichtigt. Dadurch kann es passieren, dass Abweichungen vom Referenzmodell nicht als Fehler gewertet werden. Die Feststellung von Fehlhaltungen wird über einen zu Beginn einmal durchgeführten Kalibrierungsprozess ermittelt. Bei der Kalibrierung muss der Träger zuvor festgelegte Referenzpositionen einnehmen. Währenddessen werden Orientierung der Sensorknoten- Positionen und die Winkel der Teilkörperachsen (strategische Achsen) bestimmt und als Grundbasis gespeichert.
Falls eine direkte Überwachung durch Sensorknoten nur am Oberkörper erfolgt, kann der Unterkörper durch die Anwendung des Tensegrity-Modells implizit mit überwacht werden. Die Tatsache, dass der menschliche Körper ein eng gekoppeltes biomechanisches System ist, bei dem jede Teilkörperbewegung eine direkte Auswirkung auf andere Teilkörper hat, ermöglicht Rückschlüsse auf Fehlbewegungen oder Positionierung des Unterkörpers. Des Weiteren lassen sich über Korrekturbewegungen am Oberkörper auch Korrekturen des Unterkörpers erreichen und umgekehrt. Diese findet speziell beim Feedback während der Übungsausführung Anwendung.
Sämtliche diskrete Berechnungen und Regeln lassen sich auch durch ein sogenanntes Convolutional Neural Network (CNN) ersetzen. Vor dem Start einer Übung wird dem Nutzer über die Mensch-Maschine-Schnittstelle des Auswerte- und Kommunikationssystems, beispielsweise das Smartphone, eine Videoanleitung der durchzuführenden Übung vorgeführt. Dabei werden die Schlüsselanweisungen sprachlich unterlegt und mit Overlays im Video hervorgehoben. Sie können zusätzlich durch haptische Signale ergänzt werden, bspw. durch Ansprache des Bereichs der Zielmuskulatur in Kombination mit akustischer Anweisung.
Die Trainingsplanung, d.h. die Festlegung der Übungstypen, Übungsanzahl, Wiederholungen und Intensität, erfolgt auf Basis eines Assessments, bei dem Daten durch den Träger manuell eingetragen und/oder automatisch ermittelt werden. Bei den durch den Träger bereitgestellten Informationen handelt es sich im Wesentlichen um Alter, Geschlecht, Größe, Gewicht, Lebensgewohnheiten und Vorerkrankungen. Über die aus dem Assessment automatisiert erfassten Daten sollen Fitnessgrad und muskuläre Dysbalancen berechnet werden. Dazu führt der Träger mehrere vordefinierte Übungen durch. Hierbei werden Werte wie Dauer, Anzahl der Intervalle, und Asymmetrien ermittelt, siehe voranstehende Erläuterungen. Zudem werden auch manuelle Eingaben des Trägers über standardisierte Eingabefelder berücksichtigt. Dazu gehören z.B. persönliches Empfinden oder Leistungswerte, die sich nicht mit der Vorrichtung automatisiert messen lassen.
Um die passenden Übungen für ein Assessment-Ergebnis zu bestimmen, werden die Übungen klassifiziert. Die Klassifizierung entspricht hierbei den Kriterien die beim Assessment abgefragt und ermittelt werden. Dadurch entsteht eine feste Verknüpfung zwischen Übungen und entsprechenden Fähigkeiten und Bedürfnissen des Nutzers. Bei der Bewertung jeder einzelnen Übung werden mehrere Schlüsselparameter für die Übungsausführung herangezogen. Diese beschreiben die Übung qualitativ und quantitativ durch Gleichmäßigkeit und Geschwindigkeit der Übungsausführung, Asymmetrien, Grad der Ermüdung und der Anteil festgestellter Fehlbewegungen. Der insgesamte Trainingsfortschritt greift die Schlüsselparameter für die Übungsausführung zur Übungsbewertung auf und unterzieht diese einer zeitlichen bzw. Trendanalyse.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu vorgesehen, einen Vergleich der Ist-Daten von Sensorknoten durchzuführen, die sich bezüglich einer Körperanatomie auf gegenüberliegenden oder zueinander im Verhältnis stehenden Positionen des intelligenten Kleidungsstücks befinden. Um Asymmetrien im Bewegungsablauf des Trägers zu identifizieren, findet ein direkter Vergleich von gegenüberliegenden Sensorpositionen statt - z.B. linke Schulter und rechte Schulter, linker Arm und rechter Arm, Oberkörper vorne und hinten etc. - oder zwischen Positionen mit einem gewissen Verhältnis zueinander - z.B. oberer Rücken zu unterem Rücken - statt. Diese Vergleiche stellen ein Beispiel für gegenüberliegende Positionen bezogen auf die Körperanatomie dar, die für den Menschen eine symmetrische Anatomie bezüglich der Wirbelsäule ist. Dabei wird beispielsweise auf eine gleichzeitige Bewegung geachtet, also Ist-Daten mit gleichem Zeitstempel verglichen (beide Sensor-Positionen starten und enden zur gleichen Zeit), und beide Sensorpositionen bewegen sich und ruhen auf den gleichen räumlichen Positionen, was zu gleichen Inertial-Ist-Daten führt, die nur durch einen festen Wert verschoben sind. Dieser wird durch die menschliche Anatomie vorgegeben.
In einer weiteren Ausführungsform werden der Datenempfänger und die Übermittlungseinheit durch ein Smartphone und die Auswertungseinheit mittels einer Applikation installiert und ausgeführt auf dem Smartphone oder in einer Cloud bereitgestellt. Das intelligente Kleidungsstück und die Applikation auf dem Smartphone (Mobilapplikation) können hierbei über eine kabellose niedrig-Energie Schnittstelle - bevorzugt Bluetooth Low Energy (BLE) - kommunizieren (Daten und Signale austauschen). Die Mobilapplikation kann gegebenenfalls mit einem Hintergrundsystem (ein sogenanntes Backend) über eine bestehende Internetverbindung in Kontakt stehen. Das Smartphone bildet eine Mensch- Maschine-Schnittstelle (HMI) zwischen dem Träger mit dem intelligenten Kleidungsstück und dem externen Auswerte- und Kommunikationssystem, die Mobilapplikation agiert als Datenanalyseknoten und stellt eine Steuereinheit/Gateway für das intelligente Kleidungsstück bereit. In seiner Funktion als HMI ermöglicht die Mobilapplikation das Anlegen von Benutzerprofilen, das Einrichten des Wearables, audio-visuelle Begleitung und die Durchführung von Assessment, Trainingsplanung, Training und Ergebnispräsentation. Mit dem intelligenten Kleidungsstück ist außerdem eine Gestensteuerung möglich. Durch ein manuelles Tappen (Auftippen) auf einen definierten Sensorknoten (beispielsweise an der Schulter- oder Oberarmposition) könnte der User mit dem System interagieren. Eine vorkonfigurierte Steuerfunktion könnte beispielsweise ein Start-Stopp-Signal für das Training sein. Dieses sogenanntes Tapping für die Steuerung kann unabhängig vom Auswerte- und Kommunikationssystem am intelligenten Kleidungsstück direkt durch den T räger oder andere Personen erfolgen. Das T apping ist im Datensignal der IMU der Sensorknoten deutlich erkennbar.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Applikation dazu ausgestaltet, über das Smartphone zusätzliche audiovisuelle Rückmeldungen zu den ermittelten Bewegungsmustern an den Träger des intelligenten Kleidungsstücks auszugeben. Die Rückmeldung ist dabei zeitlich abgestimmt und an die aktuell ausgeführte Übung des Trägers angepasst, um beim Träger (Nutzer) eine angemessene Bewegungs- oder Positionskorrektur in Verbindung mit der Ausgabeeinheit des intelligenten Kleidungsstücks auszulösen. Auf Basis der erkannten Fehlbewegungen, Fehlpositionen und zeitlichen Abweichungen (ungleichmäßig, zu schnell, zu langsam) wird dem Nutzer beispielsweise über das Smartphone zusätzliches audio-visuelles Feedback gegeben. Dabei wird sich auf kurze, gut verständliche Anweisungen beschränkt, die beim Nutzer eine Korrekturbewegung auslösen. Es wird darauf geachtet, dass das Feedback entsprechend der Nutzerpräferenzen nicht bei jedem unwesentlichen Fehler und auch nicht zu häufig (max. 1-3-mal) während einer Übung gegeben wird - analog zum Vorgehen eines menschlichen Trainers. Das audio-visuelle Feedback wird in Kombination, synchronisiert, mit einem haptischen Feedback gegeben.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Applikation dazu vorgesehen, einen Zustand des intelligenten Kleidungsstücks abzufragen, und/oder zum Betrieb des intelligenten Kleidungsstücks notwendige Parameter und/oder Daten zu übertragen, und/oder einen Trainingsbetrieb mit dem intelligenten Kleidungsstück zu starten oder zu beenden.
Als Steuereinheit/Gateway für das intelligente Kleidungsstück kann die Applikation auf dem Smartphone (Mobilapplikation) den Zugriff auf den internen Status des Wearables - z.B. Batterieladezustand, Verbindungsqualität, Betriebsbereitschaft - ermöglichen. Des Weiteren können über die Mobilapplikation neue Softwareversionen und andere zum Betrieb notwendige Parameter/Daten an das intelligente Kleidungsstück übertragen oder weitergeleitet werden. Beim Starten oder Beenden des Trainingsbetriebs kann die Mobilapplikation die Aufzeichnung und Übertragung von Bewegungsdaten im/vom intelligenten Kleidungsstück starten oder stoppen. Zeitlich angepasst an audio-visuelle Rückmeldungen über das Smartphone kann die Mobilapplikation als notwendige Parameter / Daten auch Kommandos an das intelligente Kleidungsstück übermitteln, um beispielsweise Aktuatoren an den passenden Positionen für eine taktile Rückmeldung an den Träger zu aktivieren.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das externe Auswerte- und Kommunikationssystem ein Hintergrundsystem, mit dem die Auswerteeinheit über eine geeignete Datenverbindung verbunden ist, wobei das Hintergrundsystem dazu ausgestaltet ist, geeignete Geschäftslogik, Sicherheits- und andere Netzwerk-Dienste, Dienste zum maschinellen Lernen (ML) sowie zum Speichern und Verwalten von Daten für die Auswerteeinheit und/oder das intelligente Kleidungsstück bereitzustellen. Das Hintergrundsystem (ein sogenanntes Backend) kann dabei Teil-Applikationen zur entsprechenden Anwendungslogik umfassen und Sicherheits- und andere Netzwerk- Dienste, Dienste zum maschinellen Lernen (ML), Speicher, Schnittstellenverwaltung und Orchestrierung umfassen, um folgenden Anwendungen umzusetzen:
Aggregation und Langzeit-Speicherung der Zeitreihendaten aus den einzelnen Trainingseinheiten.
Langzeitdatenanalyse zur Auswertung von Trainingsfortschritt, Trends, Vorhersagen und Anomalie-Erkennung.
Bereitstellung von Schnittstellen zu sicherer Zugriffserteilung auf Trainings- und Assessmentdaten durch autorisierte Externe - z.B. Therapeuten oder Gesundheitsdienstleister.
Nutzerprofilverwaltung, Authentifizierung und Autorisierung
Trainieren und Verteilen von Modellen zur Bewegungserfassung und Trainingsbewertung an Mobilapplikation und intelligentem Kleidungsstück Verteilen von neuen Firmware Versionen an das intelligente Kleidungsstück.
Hierbei ist eine permanente Verbindung zwischen Auswerteeinheit und Hintergrundsystem nicht zwingend notwendig, um den Hauptzweck der Erfindung, nämlich die digitale Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen, zu erfüllen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein System zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen umfassend ein erfindungsgemäßes intelligentes Kleidungsstück und ein erfindungsgemäßes Auswerte- und Kommunikationssystem, das separat zum intelligenten Kleidungsstück als ein für das intelligente Kleidungsstück externes Auswerte- und Kommunikationssystem ausgeführt ist, wobei eine digitale Erfassung und Aufzeichnung von Körperbewegungen und eine Abgabe einer Rückmeldung an einen Träger mittels des intelligenten Kleidungsstückes ausgeführt wird, um den Träger bei den Bewegungsabläufen zu unterstützen, und wobei das externe Auswerte- und Kommunikationssystem zum Datenaustausch mit dem intelligenten Kleidungsstück geeignet verbunden ist, damit das externe Auswerte- und Kommunikationssystem ein Auswerten der vom intelligenten Kleidungstück erfassten und übermittelten Ist-Daten, eine Ermittlung von Bewegungsmustern des Trägers aus den ausgewerteten Ist-Daten und einer Generierung von darauf basierender Rückmeldungs-Signale für eine Korrektur der Bewegungsmuster des Trägers mittels des intelligenten Kleidungstücks vornehmen und diese Rückmeldungs-Signale an das intelligente Kleidungstücks übermitteln kann.
Das erfindungsgemäße System stellt somit eine Vorrichtung zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen zur Verfügung, die die Bewegungsabläufe ermittelt und ein zeitnahes Rückmeldungs-Signal zu den Bewegungsabläufen an das intelligente Kleidungsstück übermitteln kann. Mit dem erfindungsgemäßen externen Auswerte- und Kommunikationssystem in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen intelligenten Kleidungsstück ermöglicht das System somit die Auswertung der biomechanischen Daten, die sonst nur mit Expertenhilfe möglich wäre und stellt darüber hinaus Live-Feedback zur Verfügung und ermöglicht so die neuromuskuläre Interaktion. Das erfindungsgemäße System bedarf keiner Anwesenheit von speziell geschultem Personal beim Träger des erfindungsgemäßen intelligenten Kleidungsstücks und ist somit benutzerfreundlich.
Die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen können vom Fachmann im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre beliebig miteinander auch abweichend von den Anspruchsrückbezügen kombiniert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.1 : ein erfindungsgemäßes intelligentes Kleidungsstück als T-Shirt in der Vorderansicht;
Fig.2: schematische Darstellung eines Sensorknotens mit mehreren Sensoren (a) in Draufsicht und (b) in Seitenansicht;
Fig.3: schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems aus erfindungsgemäßem intelligentem Kleidungsstück und erfindungsgemäßem externen Auswerte- und Kommunikationssystem; und
Fig.4: schematische Darstellung der (a) Ist-Daten verschiedener Sensorknoten während derselben Übung, und der (b) Ist-Daten eines Beschleunigungssensors als Funktion der zeit einer Bewegungsübung mit zwei Durchführungen nacheinander. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
Fig.1 zeigt ein erfindungsgemäßes intelligentes Kleidungsstück 1 als langärmeliges T-Shirt in der Vorderansicht. Das hier gezeigte Prinzip ist auch auf andere Oberbekleidungen übertragbar. Das T-Shirt 1 umfasst ein integriertes elektronisches Netzwerk 2 zur digitalen Erfassung und Aufzeichnung von Körperbewegungen und zur Abgabe von Rückmeldungen FB an einen Träger des T-Shirts 1. Das elektronische Netzwerk 2 umfasst hier eine Vielzahl an Sensorknoten 3, eine Speichereinheit 4, eine Sendeeinheit 5, eine Empfängereinheit 6 und eine Vielzahl an Ausgabeeinheiten 7. Das T-Shirt 1 ist hier vollständig aus einem elastischen Textil-Material 11 gefertigt, das eine Positionstreue der Sensorknoten 3 am Körper des Trägers beim Tragen des intelligenten Kleidungsstücks 1 gewährleistet. Zumindest die Sensorknoten 3 und die Ausgabeeinheiten 7 sind hier irreversibel mit dem Textil-Material 11 verbunden. Die Sensorknoten 3 dienen dabei der Erfassung von Ist- Daten ID des Trägers, die eine Sensorkennung oder Sensorknotenkennung umfassen. Die Sensorknoten 3 sind hier entlang strategischer Achsen SA des intelligenten Kleidungsstücks 1 zur flächigen Überwachung des Trägers angeordnet. Zur Illustration sind hier vier unterschiedliche strategische Achsen SA (entlang des linken Arms, entlang des rechten Arms, entlang der Wirbelsäule und von linker zu rechter Schulter) dargestellt. Je nach Ausgestaltung des intelligenten Kleidungsstücks 1 können auch mehr oder weniger strategische Achsen SA definiert sein und entsprechend im elektrischen Netzwerk 2 mit entsprechenden Verbindungen und Komponenten abgebildet werden. Die Speichereinheit 4 ist zur temporären Speicherung der Ist-Daten ID vorgesehen und in diesem Fall in einer gemeinsamen Komponente mit Sendereinheit 5 und Empfängereinheit 6 zwischen den Schulterpartien knapp unter dem Halsausschnitt 10 integriert. Die Sensorknoten 3 und/oder die Speichereinheit 4 können dabei ausgestaltet sein, die erfassten Ist-Daten ID mit für das elektronische Netzwerk 2 synchronisierten Zeitstempeln für die Zeit der Erfassung der Ist- Daten ID zu versehen. Außerdem kann das elektronische Netzwerk 2 dazu ausgestaltet sein, die Ist-Daten ID nach Übermittlung an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem 100 aus der Speichereinheit 4 zu löschen. Die Sendereinheit 5 ist hier zu einer kabellosen Übermittlung der temporär gespeicherten Ist-Daten ID, beispielsweise über eine Bluetooth- oder eine WLAN-Schnittstelle, an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem 100 vorgesehen (symbolisiert dargestellt). Das elektronische Netzwerk 2 kann dabei dazu ausgestaltet sein, die erfassten Ist-Daten ID vor der Übermittlung an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem 100 einer Vorbearbeitung zu unterziehen, beispielsweise in der gemeinsamen Komponente aus Speichereinheit 4, Sendereinheit 5 und Empfangseinheit 6, die dazu einen Prozessor und ein entsprechendes auf dem Prozessor ausgeführtes Vorbearbeitungsprogramms umfassen kann. In anderen Ausführungsformen kann im elektronischen Netzwerk 2 auch pro strategischer Achse SA jeweils eine der Sendereinheiten 5 angeordnet sein. Die Empfängereinheit 6 ist zum Empfangen eines Rückmeldungs-Signals FBS von dem externen Auswerte- und Kommunikationssystem 100 auf Basis der übermittelten Ist-Daten ID vorgesehen. Die Vielzahl an Ausgabeeinheiten 7 sind hier entlang der strategischen Achsen SA des T-Shirts 1 angeordnet und dazu vorgesehen, mittels der Rückmeldung FB eine Korrekturbewegung des Trägers zu initiieren. Hierbei kann eine Rückmeldung FB nur entlang einer der strategischen Achsen SA erfolgen, während die Ausgabeeinheiten 7 entlang der anderen strategischen Achsen SA keinerlei Rückmeldung FB an den Träger geben, beispielsweise weil die restlichen Bewegungsanteile des Trägers korrekt sind und dort kein Korrekturbedarf besteht. In dem hier gezeigten Beispiel werden Rückmeldungen FB nur von den entlang der Wirbelsäule (strategische Achse) des Trägers angeordneten Ausgabeeinheiten 7 ausgesendet, was beispielsweise eine krumme Rückenhaltung korrigieren soll. Während der krummen Rückenhaltung kann die Haltung der Arme und der Schultern relativ zueinander beispielsweise korrekt sein, weswegen die dortigen Ausgabeeinheiten 7 keine Rückmeldung FB aussenden. Die Ausgabeeinheiten 7 können diese Rückmeldung FB beispielsweise in taktiler Form an den Träger ausgeben, die zur Emulation einer Berührung eines Trainers an ihrer Position ausgestaltet ist, vorzugsweise erfolgt die Rückmeldung FB erst nach einer festgestellten wiederholten Fehlausführung des Trägers. Eine solche Ausgabeeinheit 7 kann als Vibrationsmotor oder EMS-Elektrode ausgeführt sein. Die obigen Einheiten 3, 4, 5, 6, 7 sind im elektronischen Netzwerk 2 mittels Daten- und/oder Stromverbindungen 8 miteinander und mit einer Stromversorgung 9 des elektronischen Netzwerks verbunden, wobei die Daten- und/oder Stromverbindungen 8 in das intelligente Kleidungsstück 1 eingewebt sind. Die Stromversorgung 9 ist hierbei an der Position angeordnet, die sich beim Tragen des T-Shirts 1 im Bereich der Hüfte des Trägers befindet. Damit befindet sich die Stromversorgung 9 beim Tragen des intelligenten Kleidungsstücks 1 möglichst nahe einem Schwerpunkt des Trägers bei aufrechtem Stand des Trägers. Beim T-Shirt 1 sind hier die beiden Armbündchen 12 a und das Hüftbündchen 12h durch eine Doppellinie dargestellt. Weder die Armbündchen 12a noch das Hüftbündchen 12h sind Teil des elektronischen Netzwerks 2, sondern Bestandteil des T- Shirt-Materials an sich. Fig.2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorknotens 3 mit mehreren Sensoren 31 (a) in Draufsicht und (b) in Seitenansicht. In der hier gezeigten Ausführungsform besitzt der Sensorknoten 3 eine flächenförmige Ausdehnung Ax, Ay entlang einer Oberfläche 1a des intelligenten Kleidungsstücks 1 , die um mindestens eine Größenordnung größer ist als deren Dicke Az senkrecht zur Oberfläche 1a. Die Sensoren 31 des jeweiligen Sensorknotens 3 können dabei unterschiedliche Sensoren 31 mit unterschiedlichen Messaufgaben sein. Beispielsweise kann der Sensorknoten 3 einen drei-Achsen- Beschleunigungssensor 31 , einen drei-Achsen-Gyroskop 31 und ein Magnetometer 31 umfassen.
Fig.3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems 200 aus erfindungsgemäßem intelligentem Kleidungsstück 1 und erfindungsgemäßem externe Auswerte- und Kommunikationssystem 100, wobei eine digitale Erfassung und Aufzeichnung von Körperbewegungen und eine Abgabe einer Rückmeldung FB an einen Träger mittels des intelligenten Kleidungsstückes 1 ausgeführt wird, um den Träger bei den Bewegungsabläufen zu unterstützen. Für die Details zum erfindungsgemäßen intelligenten Kleidungsstück 1 verweisen wir auf Fig.1. Das externe Auswerte- und Kommunikationssystem 100 zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen ist hier über eine Bluetooth-Verbindung B mit entsprechenden Schnittstellen auf beiden Seiten zum Datenaustausch mit dem intelligenten Kleidungsstück 1 verbunden. Das externe Auswerte- und Kommunikationssystem 100 umfasst ferner einen Datenempfänger 110 zum Empfangen von erfassten Ist-Daten ID des intelligenten Kleidungstücks 1 , die über die Bluetooth-Verbindung B von der Sendereinheit 5 des intelligenten Kleidungsstück 1 zum Datenempfänger 110 übermittelt werden, eine Auswerteeinheit 120 zum Auswerten der Ist-Daten ID, zur Ermittlung von Bewegungsmustern des Trägers aus den ausgewerteten Ist-Daten ID und zur Generierung von darauf basierenden Rückmeldungs-Signalen FBS zur Korrektur der Bewegungsmuster des Trägers des intelligenten Kleidungstücks 1 , und eine Übermittlungseinheit 130 zum Übermitteln der Rückmeldungs-Signale FBS über dieselbe Bluetooth-Verbindung B an eine Empfängereinheit 6 des intelligenten Kleidungsstücks 1 zur nachfolgenden Abgabe von Rückmeldungen an den Träger basierend auf den ermittelten Bewegungsmustern des Trägers. Hierbei wertet die Auswertungseinheit 120 die Ist-Daten ID in Echtzeit aus und ermittelt die Bewegungsmuster des Trägers. Die Auswerteeinheit 120 ist dabei dazu ausgestaltet, die Ist-Daten ID als Zeitreihe zu speichern und unter Anwendung von festen Regeln und/oder unter Anwendung von Modellen des Maschinenlernens zu analysieren. Hierbei führt sie auch einen Vergleich der Ist-Daten ID von Sensorknoten 3 durch, die sich bezüglich einer Körperanatomie auf gegenüberliegenden Positionen des intelligenten Kleidungsstücks 1 befinden, um Asymmetrien bei den Bewegungsabläufen festzustellen. In dieser Ausführungsform ist der Datenempfänger 110 und die Übermittlungseinheit 120 durch ein Smartphone 140 und die Auswertungseinheit 120 mittels einer Applikation APP installiert und ausgeführt auf dem Smartphone 140 oder in einer Cloud CL bereitgestellt. Die Applikation APP ist ferner dazu ausgestaltet, über das Smartphone 140 zusätzliche audiovisuelle Rückmeldungen zu den ermittelten Bewegungsmustern an den Träger des intelligenten Kleidungsstücks 1 auszugeben. Ferner ist die die Applikation APP dazu vorgesehen, einen Status des intelligenten Kleidungsstücks 1 abzufragen, zum Betrieb des intelligenten Kleidungsstücks 1 notwendige Parameter und/oder Daten zu übertragen, und einen Trainingsbetrieb mit dem intelligenten Kleidungsstück 1 zu starten oder zu beenden. In dieser Ausführungsform umfasst das externe Auswerte- und Kommunikationssystem 100 ein Hintergrundsystem 150 (siehe Klammer „100“), mit dem die Auswerteeinheit 120 über eine geeignete Datenverbindung verbunden ist, wobei das Hintergrundsystem 150 dazu ausgestaltet ist, geeignete Geschäftslogik, Sicherheits- und andere Netzwerk-Dienste, Dienste zum maschinellen Lernen (ML) sowie zum Speichern und Verwalten von Daten für die Auswerteeinheit 120 und/oder das intelligente Kleidungsstück 1 bereitzustellen.
Fig.4 zeigt eine schematische Darstellung der (a) Ist-Daten bzgl. der Drehung R verschiedener Sensorknoten 3 während derselben Übung, und der (b) Ist-Daten „AccX“ eines Beschleunigungssensors 31 als Funktion der Zeit einer Bewegungsübung mit zwei Durchführungen nacheinander. Bei der Bewertung/Analyse der Bewegungsdaten werden entweder die Ist-Daten ID eines einzelnen Sensorknoten 3 (einer Sensorposition) oder eine Kombination aus mehreren Positionen herangezogen. In beiden Fällen ist die Position der Sensorknoten 3 am Körper zu berücksichtigen und die damit einhergehenden Einschränkungen, die die menschliche Anatomie / biomechanische Zwangsbedingungen vorgibt - in welche Richtungen sich ein Sensorknoten 3 translatorisch und rotatorisch bewegen kann bzw. wie sich zwei oder mehrere Positionen verschiedener Sensorknoten 3 relativ zueinander bewegen können. Daraus ergeben sich folgende Logiken für die Erkennung und Bewertung verschiedener Aspekte. Bei der Erkennung von Asymmetrien findet ein direkter Vergleich von gegenüberliegenden Sensorpositionen statt (siehe Figure 4a) - z.B. links und rechts, oben und unter oder vorne und hinten. Dabei wird auf eine gleichzeitige Bewegung geachtet - beide Sensor-Positionen starten und enden zur gleichen Zeit - und beide Sensorpositionen bewegen sich und ruhen auf den gleichen räumlichen Positionen, was zu gleichen Inertialdaten (Neigung, Drehung R, Richtung, Beschleunigung XYZ) führt (siehe Figure 4a - Pos. B & C) die durch einen festen Wert verschoben sind können (siehe Figure 4a -x). Dieser wird durch die menschliche Anatomie vorgegeben. Kurve A zeigt im Vergleich zu Kurve B und C keine Asymmetrie, sondern eine symmetrische Bewegung. Die Verschiebung x ist anatomisch bedingt, aber keine Asymmetrie. Anatomisch bedingte Verschiebungen können von echten Asymmetrien unterschieden werden, indem ein Vergleich mit den entsprechenden Ist-Daten aus dem Kalibrierungsprozess vorgenommen wird.
Die Erkennung von Intervallen erfolgt durch die Betrachtung der Ist-Daten ID über die Zeit t und die Abfolge von Extremwerten und Nullstellen beim Aufträgen der Ist-Daten ID als Funktion der Zeit t, siehe Fig.4b. Hier beginnt die Übung mit einer starken ersten Anfangsbeschleunigung B1 , zwei folgende Plateaus mit einem kleinen lokalen Minimum, einer starken umgekehrten zweiten Beschleunigung B2 mit Nulldurchgang und Rückkehr zum anfänglichen Wert. Dasselbe Muster wiederholt sich bei der Wiederholung der ersten Übungsausführung. Durch den charakteristischen Verlauf der Ist-Daten über die Zeit kann Ende und Anfang eines Übungsintervalls A ganzheitlich erkannt wird. Die Erkennung der Ausführungs-Geschwindigkeit erfolgt über die zeitliche Analyse der zuvor erkannten Intervalle - sowohl den Anstieg von Flanken B1 , B2 als auch die Gesamtlänge A eines Intervalls. Die Unterteilung der Geschwindigkeit auf die konzentrische und die exzentrische Phase erfolgt durch den Vorzeichenwechsel (Wendepunkt) der Ableitung/Flankensteigung in Kombination mit der Kenntnis des Übungstyps. Eine weitere zeitliche Analyse auf Basis der Intervalle ist die Erkennung von Rhythmus bzw. Gleichmäßigkeit der Bewegungsamplitude und Geschwindigkeit der Einzelphasen. Hierbei werden alle Intervalle über den gesamte Übungsablauf (Bewegungsablauf bei den Übungen) verglichen. Die absoluten zeitlichen Abweichungen, relativ zum Intervallstart, zwischen den herangezogenen Punkten (z.B. Extrempunkte, Nullstellen, Wendepunkte), die sich über mehrere Intervalle hinweg ergeben, erlauben Rückschlüsse auf die Gleichmäßigkeit der Übungsausführung. Eine Trendanalyse der zeitlichen Abweichung aus der Gleichmäßigkeitsbewertung erlauben Rückschlüsse auf eine eintretende Ermüdung, speziell wenn die zeitlichen Abweichungen mit der Anzahl durchgeführter Intervalle zunimmt. Ein weiterer Indikator für Ermüdung ist eine Abflachung der Extrempunkte über die Zeit. Zur Bewertung der muskulären Belastung während einer Übung und um im Umkehrschluss Stärke und Durchhaltevermögen zu steigern, wird die sogenannte Time- under-Tension (TuT) betrachtet. Hierbei kann im einfachsten Fall die Intervalllänge der jeweiligen Übung herangezogen werden. Eine ganzheitlichere Betrachtung erfolgt über die Berechnung der Fläche unter einer Bewegungskurve (schraffierte Fläche C der Ist-Daten als Funktion derzeit). Sowohl einsetzende Ermüdung als auch eine muskuläre Überlastung lassen sich mit Hilfe von Oberwellen auf dem eigentlichen Datenverlauf und mit einer anderen/geringeren Frequenz als das Rauschen über die Zeit erkennen. Basierend auf der Intervall-Erkennung lassen sich beim Vergleich (Berechnung der Differenz) mit Referenzbewegungskurven auch Fehlbewegungen erkennen. Abhängig von der durchgeführten Übung, werden unterschiedliche Referenzbewegungskurven, Sensorpositionen und Sensortypen herangezogen.
Liste der Bezugszeichen
1 erfindungsgemäßes intelligentes Kleidungsstück
1a Oberfläche des intelligenten Kleidungsstücks
11 Material des intelligenten Kleidungsstücks
2 elektronisches Netzwerk
3 Sensorknoten
31 Sensor(en) des Sensorknotens
4 Speichereinheit
5 Sendereinheit
6 Empfängereinheit
7 Ausgabeeinheit
8 Daten- und Stromverbindungen
9 Stromversorgung
10 Halsausschnitt
12a Armbündchen
12h Hüftbündchen
100 erfindungsgemäßes externes Auswerte- und Kommunikationssystem
110 Datenempfänger des externen Auswerte- und Kommunikationssystems
120 Auswerteeinheit des externen Auswerte- und Kommunikationssystems
130 Übermittlungseinheit des externen Auswerte- und Kommunikationssystems
140 Smartphone
150 Hintergrundsystem
200 erfindungsgemäßes Gesamtsystem
A Länge eines Übungsintervalls
AccX Ist-Daten eines Beschleunigungssensors
APP Applikation installiert und ausgeführt auf einem Smartphone
Ax, Ay flächenförmige Ausdehnung des Sensorknotens
Az Dicke des Sensorknotens
B Bluetooth-Verbindung
B1 erste Beschleunigungsphase
B2 zweite Beschleunigungsphase
C Fläche unter der Kurve der durchgeführten Übung
CL Cloud FB Rückmeldung an den Träger
FBS Rückmeldungs-Signal vom externen Auswerte- und Kommunikationssystem
ID Ist-Daten des Trägers
IP Internetverbindung SA strategische Achsen des intelligenten Kleidungstücks
R Ist-Daten eines Sensorknotens bzgl. Drehung t Zeit

Claims

Patentansprüche
1. Ein intelligentes Kleidungsstück (1) mit einem in das intelligente Kleidungsstück (1) integrierten elektronischen Netzwerk (2) zur digitalen Erfassung und Aufzeichnung von Körperbewegungen und zur Abgabe einer Rückmeldung (FB) an einen Träger des intelligenten Kleidungsstückes (1), wobei das elektronische Netzwerk (2) zumindest eine Vielzahl an Sensorknoten (3) umfassend ein oder mehrere Sensoren (31) zur Erfassung von Ist-Daten (ID) des Trägers, eine Speichereinheit (4) zur zumindest temporären Speicherung der Ist-Daten (ID), eine Sendereinheit (5) zur Übermittlung der temporär gespeicherten Ist-Daten (ID) an ein externes Auswerte- und Kommunikationssystem (100), vorzugsweise geschieht die Übermittlung dabei kabellos, eine Empfängereinheit (6) zum Empfangen eines Rückmeldungs-Signals (FBS) von dem externen Auswerte- und Kommunikationssystem (100) zur unmittelbaren Korrektur einer Bewegungsausführung durch den Träger auf Basis der übermittelten Ist-Daten (ID), und eine Vielzahl an Ausgabeeinheiten (7) zur Abgabe der Rückmeldung (FB) an den Träger auf Basis des empfangenen Rückmeldungs-Signals (FBS) vor dem externen Auswerte- und Kommunikationssystem zur Korrektur einer Bewegungsausführung durch den Träger umfasst, wobei die obigen Einheiten (3, 4, 5, 6, 7) im elektronischen Netzwerk (2) mittels Daten- und/oder Stromverbindungen (8) miteinander und mit einer Stromversorgung (9) des elektronischen Netzwerks verbunden sind, wobei die Daten- und/oder Stromverbindungen (8) in das intelligente Kleidungsstück (1) integriert sind.
2. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die eine Vielzahl an Sensorknoten (3) entlang strategischer Achsen (SA) des intelligenten Kleidungsstücks (1) zur flächigen Überwachung des Trägers angeordnet sind, vorzugsweise sind mehrere Sensorknoten (3) pro strategischer Achse (SA) angeordnet.
3. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im elektronischen Netzwerk (2) pro strategische Achse (SA) jeweils eine der Sendereinheiten (5) angeordnet ist.
4. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorknoten (3) einen drei-Achsen-Beschleunigungssensor (31) und/oder ein drei-Achse-Gyroskop (31) und/oder ein Magnetometer (31) umfasst.
5. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Daten (ID) eine Sensorkennung oder Sensorknotenkennung umfassen.
6. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das intelligente Kleidungsstück (1) zumindest bereichsweise aus einem Material (11) gefertigt ist, das eine Positionstreue der Sensorknoten (3) am Körper des Trägers beim Tragen des intelligenten Kleidungsstücks (1) gewährleistet, vorzugsweise ist das Material (11) ein elastisches Textil.
7. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorknoten (3) irreversibel mit dem Material (11) verbunden ist.
8. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten und/oder Stromverbindungen (8) in das intelligenten Kleidungstück (1) eingearbeitet, vorzugsweise eingewebt, sind.
9. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorknoten (3) eine flächenförmige Ausdehnung (Ax, Ay) entlang einer Oberfläche (1a) des intelligenten Kleidungsstücks (1) besitzen, die um mindestens eine Größenordnung größer ist als deren Dicke (Az) senkrecht zur Oberfläche.
10. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (9) im intelligenten Kleidungstück (1) an einer Position angeordnet ist, die sich beim Tragen des intelligenten Kleidungsstücks (1) möglichst nahe einem Schwerpunkt des Trägers bei aufrechtem Stand des Trägers befindet.
11. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorknoten (3) und/oder Speichereinheit (4) dazu ausgestaltet sind, die erfassten Ist-Daten (ID) mit für das elektronische Netzwerk (2) synchronisierten Zeitstempeln für die Zeit der Erfassung der Ist-Daten (ID) zu versehen.
12. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Netzwerk (2) dazu ausgestaltet ist, die Ist-Daten (ID) nach Übermittlung an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem (100) aus der Speichereinheit (4) zu löschen.
13. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Netzwerk (2) dazu ausgestaltet ist, die erfassten Ist-Daten (ID) vor der Übermittlung an das externe Auswerte- und Kommunikationssystem (100) einer Vorbearbeitung zu unterziehen.
14. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinheit (7) eine Rückmeldung (FB) in taktiler Form an den T räger ausgibt, die zur Emulation einer Berührung eines Trainers an ihrer Position ausgestaltet ist, vorzugsweise erfolgt die Rückmeldung (FB) erst nach einer festgestellten wiederholten Fehlausführung des Trägers.
15. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinheit (7) ein Vibrationsmotor oder eine EMS-Elektrode ist.
16. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl an Ausgabeeinheiten (7) entlang strategischer Achsen (SA) des intelligenten Kleidungsstücks (1) angeordnet und dazu vorgesehen sind, mittels der Rückmeldung (FB) die Korrektur der Bewegungsausführung des T rägers zu initiieren.
17. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendereinheit (5) eine Bluetooth- oder eine WLAN-Schnittstelle aufweist.
18. Das intelligente Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das intelligente Kleidungsstück (1) eine Oberbekleidung, vorzugsweise ein T-Shirt, ist.
19. Ein Auswerte- und Kommunikationssystem (100) zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen mittels zum Datenaustausch mit einem intelligenten Kleidungsstück (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Auswerte- und Kommunikationssystem (100) separat zum intelligenten Kleidungsstück (1) als externes Auswerte- und Kommunikationssystem (100) ausgeführt ist, umfassend einen Datenempfänger (110) zum Empfangen von erfassten Ist-Daten (ID) des intelligenten Kleidungstücks (1), eine Auswerteeinheit (120) zum Auswerten der Ist-Daten (ID), zur Ermittlung von Bewegungsmustern des Trägers aus den ausgewerteten Ist-Daten (ID) und zur Generierung von darauf basierenden Rückmeldungs-Signalen (FBS) zur Korrektur der Bewegungsmuster des Trägers des intelligenten Kleidungstücks (1), und eine Übermittlungseinheit (130) zum Übermitteln der Rückmeldungs-Signale (FBS) an eine Empfängereinheit (6) des intelligenten Kleidungsstücks (1) zur nachfolgenden Abgabe von Rückmeldungen an den Träger basierend auf den ermittelten Bewegungsmustern des Trägers.
20. Das Auswerte- und Kommunikationssystem (100) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (120) die Ist-Daten (ID) in Echtzeit auswertet und die Bewegungsmuster des Trägers ermittelt.
21. Das Auswerte- und Kommunikationssystem (100) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (120) dazu ausgestaltet ist, die Ist-Daten (ID) als Zeitreihe zu speichern und unter Anwendung von festen Regeln und/oder unter Anwendung von Modellen des maschinellen Lernens zu analysieren.
22. Das Auswerte- und Kommunikationssystem (100) nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (120) dazu vorgesehen ist, einen Vergleich der Ist-Daten (ID) von Sensorknoten (3) durchzuführen, die sich bezüglich einer Körperanatomie auf gegenüberliegenden oder zueinander im Verhältnis stehenden Positionen des intelligenten Kleidungsstücks (1) befinden.
23. Das Auswerte- und Kommunikationssystem (100) nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenempfänger (110) und die Übermittlungseinheit (120) durch ein Smartphone (140) und die Auswertungseinheit (120) mittels einer Applikation (APP) installiert und ausgeführt auf dem Smartphone (140) oder in einer Cloud (CL) bereitgestellt werden.
24. Das Auswerte- und Kommunikationssystem (100) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Applikation (APP) dazu ausgestaltet ist, über das Smartphone (140) zusätzliche audiovisuelle Rückmeldungen zu den ermittelten Bewegungsmustern an den Träger des intelligenten Kleidungsstücks (1) auszugeben.
25. Das Auswerte- und Kommunikationssystem (100) nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Applikation (APP) dazu vorgesehen ist, einen Zustand des intelligenten Kleidungsstücks (1) abzufragen, und/oder zum Betrieb des intelligenten Kleidungsstücks (1) notwendige Parameter und/oder Daten zu übertragen, und/oder einen Trainingsbetrieb mit dem intelligenten Kleidungsstück (1) zu starten oder zu beenden.
26. Das Auswerte- und Kommunikationssystem (100) nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Auswerte- und Kommunikationssystem (100) ein Hintergrundsystem (150) umfasst, mit dem die Auswerteeinheit (120) über eine geeignete Datenverbindung verbunden ist, wobei das Hintergrundsystem dazu ausgestaltet ist, geeignete Geschäftslogik, Sicherheits- und andere Netzwerk-Dienste, Dienste zum maschinellen Lernen (ML) sowie zum Speichern und Verwalten von Daten für die Auswerteeinheit (120) und/oder das intelligente Kleidungsstück (1) bereitzustellen.
27. Ein System (200) zur digitalen Überwachung und Unterstützung von Bewegungsabläufen umfassend ein intelligentes Kleidungsstück (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 und ein Auswerte- und Kommunikationssystem (100) nach einem der Ansprüche 19 bis 26, das separat zum intelligenten Kleidungsstück (1) als ein für das intelligente Kleidungsstück (1) externes Auswerte- und Kommunikationssystem (100) ausgeführt ist, wobei eine digitale Erfassung und Aufzeichnung von Körperbewegungen und eine Abgabe einer Rückmeldung (FB) an einen Träger mittels des intelligenten Kleidungsstückes (1) ausgeführt wird, um den Träger bei den Bewegungsabläufen zu unterstützen, und wobei das externe Auswerte- und Kommunikationssystem (100) zum Datenaustausch mit dem intelligenten Kleidungsstück (1) geeignet verbunden ist, damit das externe Auswerte- und Kommunikationssystem (100) eine Auswerten der vom intelligenten Kleidungstück (1) erfassten und übermittelten Ist-Daten (ID), eine Ermittlung von Bewegungsmustern des Trägers aus den ausgewerteten Ist-Daten (ID) und einer Generierung von darauf basierender Rückmeldungs-Signale (FBS) für eine Korrektur der Bewegungsmuster des Trägers mittels des intelligenten Kleidungstücks (1) vornehmen und diese Rückmeldungs-Signale (FBS) an das intelligente Kleidungstücks (1) übermitteln kann.
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