Computer-supported assistive systems for In-Situ movement guidance in sports

Abstract

Sports have evolved from a means of preparing for hunting or battle to an established component of modern physical fitness and recreation. Regardless of the level of professionalism, correct movement techniques are essential to enhance performance and to reduce the risk of injuries. Traditional autodidactic training methods to learn those techniques, such as books or videos, rely on the trainees understanding of the principles conveyed and their ability to implement them independently. Personal trainers bridge this gap by delivering tailored guidance. However, their accessibility is limited. To address these challenges, computer-supported assistive systems have emerged as a promising addition, providing context-dependent feedback during movement execution. This thesis contributes to future design, implementation, and invesitgation of those systems by presenting several artifacts and accompanying studies, specifically for real-time feedback in rock-climbing and slacklining. Firstly, we implement and study a computer-supported slackling training assistant that teaches novices to walk on a slackline by means of automatic instructions and real-time feedback during the exercise. We show that the system can serve as an effective method for autonomously learning the basics of slackline training. Next, we investigate the perception of different notification channels during a rock climbing ascent. We show that audible and vibro-tactile feedback prove effective for delivering real-time notifications during climbing while visual notifications emerging from the wrist are unsuitable. Following this, we investigate different visualization approaches for real-time expert modelling in rock climbing. We find that none of the visualization techniques excell in every aspect of guiding through a movement by itself. Instead, we propose a hybrid approach that combines the strengths of each technique while minimizing their weaknesses. Finally, we introduce two systems designed to enable future research in computer-supported assistive systems for sports. The first is a toolkit for rapid prototyping of smart insoles, using low-cost pressure sensors and microcontrollers to support the development of sensing applications for foot-related feedback. This is followed by a platform for creating mixed reality climbing experiences on physical rock climbing walls and climbing treadmills. We argue that these technologies allow for the design of flexible, controlled research environments where technology induced constraints or physical limitations in real-world setups can be mitigated.

Sport hat sich im Laufe der Zeit von einem Mittel zur Vorbereitung auf die Jagd oder den Kampf zu einem festen Bestandteil der modernen körperlichen Fitness und Freizeitgestaltung entwickelt. Unabhängig von dem Niveau, auf dem der Sport betrieben wird, sind korrekte Bewegungstechniken für die Verbesserung der Leistung und die Verringerung des Verletzungsrisikos unerlässlich. Klassische autodidaktische Trainingsmethoden zum Erlernen dieser Techniken, wie Bücher oder Videos, setzen voraus, dass die Trainierenden die vermittelten Prinzipien vollständig verstehen und selbstständig umsetzen können. Persönliche Trainer schließen diese Lücke, indem sie maßgeschneidertes Feedback geben, sind jedoch nicht immer verfügbar. Um diese Herausforderungen zu adressieren, haben sich computergestützte Assistenzsysteme als vielversprechende Ergänzung herauskristallisiert, die ein an den Sportkontext angepasstes Feedback während der Bewegungen liefern. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Gestaltung, Implementierung und Erprobung solcher Systeme, indem sie mehrere Systeme und begleitende Studien im Kontext Echtzeit-Feedback beim Klettern und Slacklinen vorstellt. Zunächst implementieren und untersuchen wir einen computergestützten Slackline-Trainingsassistenten, der Anfängern das Gehen auf einer Slackline mittels Echtzeit-Feedback während der Übung beibringt. Eine begleitende Nutzerstudie zeigt, dass das System eine effektive Methode zum autonomen Erlernen der Grundlagen des Slackline-Trainings darstellt. Darauf folgend untersuchen wir die Wahrnehmung verschiedener Modalitäten für Notifikationen während des Kletterns. Es zeigt sich, dass akustisches und vibrotaktiles Feedback eine geeignete Modalität ist, während sich visuelle Benachrichtigungen am Handgelenk als ungeeignet erwiesen haben. Anschließend untersuchen wir verschiedene Visualisierungsansätze, in denen Trainierende die Bewegungen von virtuellen Experten nachahmen sollen. Aus den Ergebnissen leiten wir ab, dass keine der Visualisierungstechniken für sich genommen in allen Aspekten der Bewegungsführung überlegen ist. Alternativ schlagen wir einen hybriden Ansatz vor, der die Stärken der einzelnen Techniken kombiniert und ihre Schwächen minimiert. Abschließend stellen wir zwei Systeme vor, die zukünftige Forschung im Bereich computergestützter Assistenzsysteme für den Sport ermöglichen sollen. Das erste System ist ein Toolkit für das Entwerfen schneller Prototypen-Designs von intelligenten Einlegesohlen, das kostengünstige Drucksensoren und Mikrocontroller verwendet, um die Entwicklung von Sensoranwendungen für Feedback zur Fußtechnik zu unterstützen. Das zweite System stellt eine Plattform für die Entwicklung von Mixed-Reality-Klettererlebnissen an physischen Kletterwänden und Kletterlaufbändern dar. Durch dieses System wird die Gestaltung flexibler, kontrollierter Forschungsumgebungen ermöglicht, in denen technologiebedingte Einschränkungen oder physische Beschränkungen in realen Umgebungen aufgehoben werden können.