Hochpräzises Kräftemessen für den perfekten Schuss

Digitalisierung im Leistungssport

Für die Studien wurden einzelne Gewehre mit einem speziellen Leichtbau-Schaft ausgerüstet, um die Sensoren zu integrieren. Dank individueller Kalibration nehmen selbst hochsensible Athleten kaum Unterschiede zur eigenen Waffe wahr. Bilder: Schunk
Der Monitor zeigt links den Zielverlauf des Scatt-Systems und rechts die Kraft- und Momenten-Werte der Schunk-Sensoren. Erste Studien brachten wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Seitenkräfte, der Kippmomente und der Streuung.
Über einen Wireless Transmitter werden die Daten der Sensoren kabellos per WLAN an den Rechner übertragen.
Der Sportwissenschaftler Dr. Ralf Kredel, hier im Labor für Sensomotorik der Uni Bern, sieht im Einsatz hochauflösender Kraft-Momenten-Sensoren gute Ansatzpunkte für die Grundlagenforschung sowie für die angewandte Wissenschaft.
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Der Erfolg von Videoanalysen, optischen Sensoren und Beschleunigungsmessern zieht im Leistungssport immer weitere Kreise. So nutzen Forscher an der Universität Bern hochsensible Kraft-Momenten-Sensoren aus der Robotik, um Schweizer Kaderschützen zu trainieren.

Über Minuten, manchmal über Stunden hinweg verharrt der Olympiaschütze Jan Lochbihler beim Training in stoischer Ruhe, konzentriert sich allein auf den eigenen Atem und auf das mit blossem Auge kaum erkennbare Ziel. Mit maximaler Köperbeherrschung sucht der durchtrainierte Athlet den entscheidenden Moment bis er regungslos den Abzug drückt – und trifft. Hochauflösende Sensoren im Gewehr erfassen in sechs Achsen sämtliche Kräfte, die vor, während und nach dem Schuss auf das Sportgerät wirken. Jeden Pulsschlag der Halsschlagader, jede noch so geringe Unruhe, die die Position oder Lage der Luftdruckwaffe beeinflussen, werden am Kontrollmonitor protokolliert. Das Ziel ist der perfekte Schuss. Immer und immer wieder.

Stecknadelkopfgrosses Ziel

75 lange Minuten dauert in der Disziplin «10 Meter Luftgewehr» ein olympischer Wettkampf. Für Jan Lochbihler heisst das 75 Minuten annähernd regungslos stehen, um in dieser Zeit 60 Schuss auf einen zehn Meter entfernten Zielkreis mit 0,5 Millimetern Durchmesser abzugeben. 0,5 Millimeter – knapp so gross wie der Kopf einer Stecknadel. In der Liga, in der Jan Lochbihler schiesst, trifft jeder die Zehn. Jedes Mal. Die Zehn ist bei Olympischen Spielen, Welt- und Europameisterschaften längst nicht mehr das Ziel. Hier geht es ausschliesslich um die Nachkommastellen, im besten Fall um die 10,9, und zugleich darum, sich in der kompletten Serie keinen einzigen Ausrutscher zu erlauben.

Schwere Hosen, Jacken und Schuhe sorgen für einen stabilen Stand; genormte Stirnbänder mit Abdeckscheiben für das Auge für klare Sicht; feinst ausgebildete Muskulatur für ein ruckfreies Verharren in der Nullposition; und ein computergestütztes Videotracking des anvisierten Ziels für maximale Transparenz vor, beim und nach dem Schuss. An der Uni Bern geht man jetzt noch weiter: Hochauflösende, industrielle Kraft-Momenten-Sensoren, die vor allem in der Robotik zum Einsatz kommen, sollen Licht in das Kräftespiel am Gewehrschaft bringen.

Technologische Anleihe beim Maschinenbau

«Die grundlegende Frage des Projekts war, wie man einen Präzisionssport wie das Sportschiessen noch weiter optimieren kann», erläutert Projektleiter Dr. Ralf Kredel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Sportwissenschaft der Universität Bern: «Und zwar unter Berücksichtigung des menschlichen Körpers, der ein redundantes System darstellt und eben nicht die Präzision einer Maschine aufweist.»

 

 

Hochauflösende Sensoren bringen Licht ins Kräftespiel am Gewehrschaft

Dass gerade der Maschinenbau hier einen wichtigen Beitrag leisten kann, mag auf den ersten Blick verwundern. Bei genauerem Hinsehen wird deutlich, dass beide, Mensch und Maschine, längst einen Annäherungskurs fahren. Spätestens seit dem Boom der Service- und Assistenzrobotik verschwimmen die Grenzen zwischen beiden. Aus dem abgegrenzten Nebeneinander wird ein Miteinander. Jeder macht genau das, was er am besten kann und wird dabei vom Gegenüber, im Fall des Schweizer Olympiateams, vom Sensor unterstützt. Letzterer verleiht schon seit Längerem industriell eingesetzten Robotern das immer häufiger notwendige Fingerspitzengefühl. Weshalb also nicht den Spiess umdrehen und den Fingerspitzen der Schützen den technologischen Vorteil der Maschine angedeihen lassen?

Kontaktkräfte im Visier

«Wenn es gelingt, die Präzision zu erklären, kann man diese Erkenntnisse direkt zur Trainingsverbesserung einsetzen», skizziert Ralf Kredel. Denn ob ein Schuss trifft oder nicht, hinge letztlich von der Gewehrposition und der Ausrichtung des Gewehrs zu einem bestimmten Zeitpunkt ab. Dabei spielen die Kräfte, die an den erlaubten Kontaktpunkten der Hände, der Backe und der Schulter auf das Gewehr wirken eine entscheidende Rolle. «Die Kontaktkräfte entstehen aufgrund der Körperstellung, das ist die passive Kraft, sowie der zusätzlich aufgebrachten aktiven Kraft aufs Gewehr», unterscheidet der Wissenschaftler. Beide bestimmen das Ergebnis und werden von physiologischen Einflüssen, wie Atmung und Herzschlag ebenso beeinflusst wie von psychischen Faktoren, beispielsweise Angst oder Erregung. Was theoretisch klingt, hat praktische Auswirkungen: So zeigt sich immer wieder, dass die Leistungen der Athleten im Training signifikant von den Leistungen im Wettkampf abweichen. Das Ziel des digitalen Kräftemessens ist damit klar umrissen: Es geht darum, möglichst exakt herauszufinden, wo mögliche Fehler herrühren, um gezielt daran zu arbeiten.

Signifikante Unterschiede zwischen Elite- und Nachwuchsschützen

«In der Pilotstudie, die vom Schweizer Bundesamt für Sport finanziert wurde, haben sich deutliche Unterschiede zwischen der Elite und schwächeren Schützen gezeigt», berichtet Ralf Kredel: «Es wurde deutlich, dass die Elite eher über unterschiedliche Hüftpositionen kompensiert und weniger über die Schrittstellung, wie es die schwächeren Schützen tun. Zudem streuen die Kräfte bei den Spitzenleuten deutlich weniger.» Will heissen: Je weniger aktive Kräfte aufs Gewehr wirken, desto exakter der Schuss. Letztlich wird also immer angestrebt, dass sich sämtliche Kräfte gegenseitig aufheben, bis die Gewehrmündung auf der Zielposition stillsteht. Zudem seien deutliche Unterschiede zwischen einzelnen Schützen zutage getreten: «Jan beispielsweise setzt aufgrund seiner Körperstatur wesentlich höhere Kräfte ein als weibliche Schützen mit demselben Gewehr.» Wie so oft beim komplexen Gebilde Mensch, geht es also auch hier weniger um universell nutzbare Patentrezepte als vielmehr um ein hochindividuelles Trainingstool.

Gezielte Optimierung von Mensch und Material

Bei den Athleten am Schiessstand des Schweizer Schiesssportverbands SSV in Biel kommt die neue Technologie gut an. Jan Lochbihler ist mittlerweile als Profi aktiv, kann damit mehr Zeit ins Training investieren und nun neue Technologien, wie den Einsatz der Kraft-Momenten-Sensoren, eingehend testen. «Mit dem Sensorsystem analysieren wir sämtliche Kraftwerte in x-, y- und z-Richtung sowie die Drehmomente», berichtet Dino Tartaruga, der innerhalb des SSV für den Bereich Leistungsdiagnostik verantwortlich ist. «So konnten wir erkennen, dass bei Jan die Streuung des Kraftwerts Fx an der Schulter bei guten Schüssen deutlich geringer ist als bei schlechten», erläutert der Sportwissenschaftler: «Das heisst im Umkehrschluss, dass der Schütze verstärkt auf seine Schulter achten muss.» Eine solche Aussage sei mit aktuellen Technologien, wie der Kameratechnik oder dem aus Russland stammenden Scatt-System zur Zielweganalyse bislang nicht möglich gewesen.

 

Insgesamt 16 Grössen für Lastmessbereiche zwischen 12 und 40000 N umfassen die Kraft-Momenten-Sensoren der FT-Baureihe. Mit ihnen lassen sich bei den Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz Auflösungen bereits ab 1/682 N und bei den Momenten-Komponenten Mx, My und Mz Auflösungen bereits ab 1/8000 Nm erfassen. Während herkömmliche Kraft-Momenten-Sensoren mit Folienmessstreifen arbeiten, sind die FT-Sensoren durchgängig mit Silizium-Dehnmessstreifen ausgestattet. Diese liefern ein 75 Mal stärkeres Signal als konventionelle Sensorlösungen, sie verfügen über einen linearen Messbereich und reduzieren das Signalrauschen auf nahezu Null. In Verbindung mit dem serienmässig integrierten Temperaturausgleich bleibt die hohe Messgenauigkeit im Prozessverlauf auch über eine grosse Temperaturspanne hinweg erhalten. Die FT-Sensoren erlauben eine dezentrale Intelligenz in der einzelnen Aufgabe und eignen sich zur Überwachung von Prozessparametern, zur dezentralen Qualitätssicherung und zur Dokumentation von Qualitätskriterien.

«Jetzt zeigen die Sensoren, wo die Bewegung herkommt», betont der Trainer: «Und sie bieten die Möglichkeit, gezielt einzelne Themen wie die Backenposition oder die Schulter zu trainieren.» Auch konkrete Ergebnisse aus den Versuchsreihen kann Ralf Kredel bereits vorweisen: Bei zwei Athletinnen beispielsweise wurde auf Grundlage der Messwerte die Position der Backenauflage verändert, da Krafteinwirkungen über die Auflage den Schuss gestört haben. Es geht also um beides: die Optimierung des Athleten und die Optimierung des Geräts im zulässigen Rahmen. «Bereits die Pilotstudie hat gezeigt, dass sich auf Gewehrseite vieles optimieren lässt, was von den Athleten positiv wahrgenommen wird», betont der Wissenschaftler.

Akustisches Live-Feedback zum intuitiven Training

Aktuell liegt der Fokus vor allem auf den Schützen. Schon werden Stimmen laut, die Technologie auch auf weitere Disziplinen auszudehnen, sei es Kleinkaliber, Biathlon oder andere Sportarten. «Man kann sicher 30 Sportarten nennen, bei denen dieses System relevant wäre», taxiert Ralf Kredel. Beim SSV selbst hat man mit dem System vor allem die Europameisterschaften 2017 und 2019, die Weltmeisterschaft 2018 und die Olympischen Spiele 2020 im Blick. Die Ideen für den künftigen Einsatz gehen noch weit darüber hinaus: «Letztendlich wollen wir bei den Athleten mithilfe der Sensoren ein individuelles Gesamtgefühl entwickeln, wie sie das Gewehr ruhig halten», betont Dino Tartaruga. Das kann je nach Sportler fortlaufend geschehen, fallweise oder auf Nachfrage. Ergänzend zur optischen Auswertung, die als Offline-Feedback im Nachhinein ausgewertet wird und eine nachträgliche Reflexion der Ausführung ermöglicht, favorisiert er zusätzlich ein akustisches Live-Feedback unmittelbar beim Zielen, Halten und Schiessen. Je höher der Ton, desto mehr aktive Kräfte wirken auf das Gewehr, je tiefer desto weniger. So soll es möglich werden, intuitiv die Bewegungsausführung anzupassen und zu optimieren.

Leichte Sensoren mit hoher Auflösung

Dass die Sensoren in unterschiedlichen Baugrössen standardisiert und für den industriellen Einsatz als Zubehör für Roboter entwickelt wurden, hat nach Ansicht von Ralf Kredel erhebliche Vorteile, denn deren hohe Auflösung ermöglicht eine besonders feine Diagnostik. Aus Kostengründen hatte man zunächst versucht, in Zusammenarbeit mit einem anderen Hersteller Sensoren in Eigenregie zu konzipieren, was sich, so Ralf Kredel, schnell als Fehler herausstellte. Die Sensoren wiesen weder die Messgenauigkeit noch die Stabilität der hochauflösenden Serienmodelle auf, die heute zum Einsatz kommen. Hauptanforderungen seien eine hohe Reliabilität, sprich Zuverlässigkeit in den Messergebnissen, eine hohe Präzision sowie ein minimaler Einfluss auf das Sportgerät, fasst er abschliessend zusammen.