Vorrichtung und Verfahren für das Erfassen der Bewegung eines Golfschlägers

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Erfassen und Analysieren der zum Abschlagen eines Golfballes dienenden Bewegung eines Golfschlägers.

Zumindest seit den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts versucht man, durch EDV-unterstützte Aufzeichnung, Analyse und Darstellung der zum Abschlag eines Golfballes führenden Schwungbewegung eines Golfschlägers durch einen Golfspieler, das Erlernen der optimalen Abschlagbewegung zu unterstützen.

Gemäß der US 3792863 A werden mechanische Größen (Beschleunigung, Torsion, Dehnung, Biegung) an Kopf und Stiel eines Golfschlägers gemessen, die Ergebnisse per Funk an eine Auswerteeinheit übertragen und von dieser anschaulich aufbereitet. Der damit erzielbarere Lerneffekt ist eher indirekt. Die Mess- und Übertragungseinheiten sind hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt und dementsprechend teuer und nur mit hohem Aufwand geeicht zu halten.

Gemäß der DE 19732151 A1 werden ebenfalls mechanische Größen am Schläger gemessen. Bei Erreichen eines bestimmten Wertes werden automatisch Fotos gemacht an Hand derer der Spieler seine Haltung zum betreffenden Zeitpunkt kontrollieren kann. Es gelten die gleichen Bedenken wie bei der US 3792863 A.

In der US 5067717 A wird vorgeschlagen, Lichtquellen an Kopf, Arm und Oberschenkel des Golfspielers anzubringen und Lichtsensoren in der Umgebung um Bewegungen zu analysieren. Ab einem bestimmten Grad der Abweichung von einem idealen Bewegungsbereich soll eine Fehlermeldung ertönen. Wenn überhaupt verwirklichbar ist die Apparatur ist sehr aufwändig und der Lerneffekt ist nur sehr indirekt.

Allgemein üblich ist es, Lernende beim Abschlagen eines Golfballes zu filmen und dann die Bewegung an Hand des in Zeitlupe ablaufenden Videos mit Unterstützung eines Fachkundigen zu analysieren. Die Methode ist technisch einfach realisierbar und sie ist im Anfangsstadium sehr aufschlussreich. Sie liefert jedoch kaum "objektive", quantifizierte Aussagen wie z.B. Geschwindigkeiten in bestimmten Bewegungsphasen und sie ist ohne permanente Unterstützung durch eine professionell dazu ausgebildete Person kaum nutzbringend anwendbar.

Die DE 100 54 282 A1 und die DE 102 46 808 A1 beschreiben Verfahren und Vorrichtungen zum Bestimmen von Position und Orientierung eines Objektes - wie beispielsweise eines Golfschlägers - im Raum. Von mehreren Punkten des Objektes aus wird in einem dem jeweiligen Punkt zugeordneten Zeitfenster ein Lichtimpuls ausgesandt. Der Lichtimpuls wird von mindestens zwei, zueinander definiert beabstandeten Detektoren wahrgenommen. Durch die einzelnen Detektoren wird nicht nur die Tatsache des Auftreffens des Lichtes detektiert, sondern auch die Winkellage des Eintreffenden Lichtes im Raum. Aus den Messergebnissen zweier voneinander beabstandeten Detektoren für einen ausgesendeten Lichtimpuls wird durch Triangulation die Position des aussendenden Punktes errechnet. Indem so die Positionen von mehreren Licht aussendenden Punkten die an einem Objekt in einem Abstand zueinander angebracht sind, messtechnisch erfasst wird, ist die Lage des Objektes selbst im Raum erfasst. Gemäß diesem Ansatz können relativ kostengünstige, robuste und recht genau messende Vorrichtungen bereitgestellt werden. Über die Schwierigkeiten bei der praktischen Anwendung der Methode in Bezug darauf, dass bei mehreren Messungen zueinander vergleichbare Ergebnisse aufgezeichnet werden sollen, wird nichts gesagt.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, eine aus einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung zusammengesetzte Methode bereitzustellen, um die Bewegung eines Golfschlägers für das Abschlagen eines Golfballes zu erfassen um sie analysieren zu können. Die Methode soll unabhängig davon, an welchem Ort sie angewandt wird, zueinander vergleichbare Ergebnisse liefern und sie soll - ggf. nach einer Einschulung - auch durch Laien allein nutzbringend anwendbar sein.

Zum Lösen der Aufgabe wird von einer Methode ausgegangen, bei der am Golfschläger von mindestens zwei zueinander in einem Abstand befindlichen Punkten aus Lichtimpulse ausgesandt werden, welche diesen individuellen Punkten zuordenbar sind und welche von zwei feststehenden, in einem Abstand zueinander angeordneten Detektoren einer Auswerteeinheit wahrgenommen werden, wobei aus den Auftreffwinkeln an den einzelnen Detektoren automatisiert auf die Position der aussendenden Punkte und damit auf Position und Lage des Golfschlägers zurückgerechnet wird und wobei aus einer raschen zeitlichen Abfolge vieler derartiger Messungen und zugehörigen Berechnungen, der Bewegungsverlauf des Golfschlägers als Folge von einzelnen, zu definierten Zeitpunkten stattgefunden Positionsmessungen aufgezeichnet wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen in einem Gerät, welches die zwei zueinander in einem Abstand angeordneten Detektoren beinhaltet, auch eine oder mehrere Leuchteinrichtungen unterzubringen, welche einen oder mehrere fokussierte Lichtstrahlen aussenden, welche an einer Oberfläche an der sie auftreffen jeweils einen Lichtfleck hervorrufen und damit den Ort für die Anordnung der Füße des Golfspielers und/oder den Ort für die Anordnung des abzuschlagenden Golfballes markieren.

Details und vorteilhafte Weiterentwicklungen werden an Hand eines in zwei Zeichnungen skizzierten Ausführungsbeispiels erklärt.

Fig. 1:

ist eine perspektivische Skizze eines ortsfesten Gerätes, welches Teil einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist.

Fig. 2:

ist eine perspektivische Skizze eines Golfschlägers mit einem darauf angebrachten und damit mitbewegten Sendeteil welcher Teil einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist.

Der Golfschläger 3 gemäß Fig. 2 besteht aus einem Griff 3.1, einem Stiel 3.2 und einem Schlägerkopf 3.3. Am Stiel 3.2 des Golfschlägers ist der bewegliche Teil, welcher hier mit "Sendeteil 2" bezeichnet wird lösbar befestigt.

Der Sendeteil 2 weist einen länglichen Trägerteil 2.1 auf, welcher am Stiel 3.2 des Golfschlägers befestigt ist und sich mehrere Dezimeter an diesem entlang erstreckt. An seinen beiden Enden ist der längliche Trägerteil 2.1 mit jeweils einem Signalgeber 2.2 versehen.

Die Signalgeber 2.2 sind Bauteile, welche in regelmäßigen zeitlichen Intervallen einen kurzen Lichtimpuls, bevorzugt in einem Infrarot-Strahlungsspektrum, an die Umgebung senden. Typischerweise werden sie mittels Leuchtdioden und einer Ansteuerschaltung für diese realisiert.

Für die Funktion ist wesentlich, dass die gesendeten Lichtimpulse von einem Empfänger jeweils genau dem einzelnen Signalgeber 2.2 zuordenbar sind, von dem sie ausgesandt wurden. Das kann beispielsweise recht einfach und energiesparend mit einem sogenannten Zeitschlitzverfahren realisiert werden. Dabei ist eine Periode eines gemeinsamen, sich zeitlich wiederholenden Ablaufes in einzelne "Zeitschlitze", also Phasenbereiche, aufgeteilt. Jeder der Signalgeber kann nur in einem ganz bestimmten, nur ihm zugeordneten Zeitschlitz ein Signal senden. Für einen auf den periodischen Ablauf synchronisierten Empfänger der Lichtimpulse ist damit durch den Empfangszeitpunkt eines Lichtimpulses erkennbar, von welchem Signalgeber dieser Lichtimpuls stammen muss.

Neben dem Zeitschlitzverfahren gibt es natürlich eine Fülle anderer Möglichkeiten der Codierung der Lichtimpulse zwecks Zuordnung zu einem individuellen Signalgeber.

Die beiden Signalgeber 2.2 sind an einem gemeinsamen länglichen Trägerteil 2.1 befestigt und ihre Entfernung zueinander ist durch ihre Anordnung am Trägerteil 2.1 bestimmt. Gegenüber einer Anordnung als voneinander unabhängige Baueinheiten die jede für sich am Golfschläger 3 zu befestigen sind, wird damit Justieraufwand beim Befestigen der Signalgeber am Golfschläger vermieden. Damit Messungen mit unterschiedlichen Golfschlägern untereinander vergleichbar sind, ist entweder der Sendeteil 2 in einem vorgegebenen definierten Abstand zum Schlägerkopf oder zum Schlägergriff anzuordnen, oder einer dieser Abstände ist zu messen und an das auswertende Gerät 1 einzugeben.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die einzelnen Signalgeber 2.2 um die Querschnittsfläche des Stiels 3.2 eine ganze Reihe von einzelnen Emissionspunkten für die zu sendenden Lichtsignale auf. Für den Betrieb dieser einzelnen Punkte mit dem Zeitschlitzverfahren gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten.

In einer ersten Betriebsart können alle Emissionspunkte eines Signalgebers gleichzeitig ein Lichtsignal abgeben. Die einzelnen Emissionspunkte eines Signalgebers sind dann durch einen Detektor nicht voneinander unterscheidbar; aus dem damit gemeinsamen Lichtsignal wird als die Position des Signalsgebers etwa der Schwerpunkt aller Emissionspunkte des Signalgebers angenommen, welche zu dem Detektor hin leuchten. Der Drehwinkel des Schlägers 3 um seine Längsachse ist bei dieser Methode nicht erkennbar. Dafür ist aber sicher gestellt, dass Bewegungen des Schlägers in allen anderen Freiheitsgraden sehr gut erkannt werden können, da ganz unabhängig vom Drehwinkel immer ein im Betrieb befindlicher Signalgeber wahrgenommen wird und nur zwei Messreihen aufgenommen werden müssen, womit man mit einer hohen zeitlichen Auflösung von Einzelmessungen je Messreihe arbeiten kann.

In einer zweiten Betriebsart sind den individuellen Emissionspunkten eines Signalgebers 2.2 jeweils eigene Zeitschlitze zugeordnet. Das bedeutet für die Messung, dass nicht nur zwei Messreihen für die Position von zwei Signalgebern aufgenommen werden, sondern dass an Messreihen die Anzahl der Signalgeber mal der Anzahl von deren Emissionspunkten aufzunehmen ist. Mit dieser Methode ist auch die Winkellage des Schlägers bezüglich Drehung um seine Längsachse eruierbar. Nachteilig ist der größere Datenanfall und dass nach den einzelnen Emissionspunkten nicht so häufig gemessen werden kann, da innerhalb einer übergreifenden Periode von Messungen nicht nur zwei Messungen durchgeführt werden müssen sondern besagte höhere Anzahl, womit die Mindest-Periodendauer zwangsläufig länger eingestellt werden muss.

Um das Verfahren an die jeweilige Situation anpassen zu können, sollte zwischen beiden Betriebsarten umgeschaltet werden können. Selbstverständlich können beide besprochenen Betriebsarten "Individuelle Emissionspunkte eines Signalgebers nicht ununterscheidbar" und "Individuelle Emissionspunkte eines Signalgebers unterscheidbar" auch mit anderen Kodierungsverfahren als dem Zeitschlitzverfahren realisiert werden.

Fig. 1 zeigt das auf einem Stativ 4 abgebrachte, beispielhafte ortsfeste Gerät 1. "Ortsfest" bedeutet in diesem Zusammenhang nicht "immobil" (wie ein Gebäude), sondern nur, dass das Gerät 1 während der Ausführung eines Golfschlages relativ zum Abschlagspunkt des Golfballes bestimmungsgemäß nicht bewegt werden darf.

Im ortsfesten Gerät 1 sind in einem Abstand von mehreren Dezimetern voneinander zwei Lichtdetektoren 1.1 angeordnet, welche dazu geeignet sind, das von den Signalgebern 2.2 des Sendeteils 2 ausgesandte Licht so zu detektieren, dass sie bei Auftreffen eines Lichtsignals ein elektrisches Signal bzw. eine Kombination von elektrischen Signalen abgeben, woraus nicht nur erkennbar ist, dass Licht zu einem bestimmten Zeitpunkt angekommen ist, sondern auch aus welcher Winkellage im Raum es angekommen ist. Es ist sinnvoll die Detektoren, beispielsweise durch eine optische Filterschicht ausschließlich auf jenen Spektralbereich hin empfindlich einzustellen, in welchem die Signalgeber 2.2 Licht aussenden.

Indem an zwei voneinander beabstandeten Lichtdetektoren 1.1 das von einem Signalgeber ausgesendete Lichtsignal so gemessen wird, kann auf die Position des betreffenden Signalgebers relativ zu den beiden Lichtdetektoren 1.1 durch Triangulation rückgerechnet werden. Dieses Rückrechnen erfolgt automatisch, entweder in einer Recheneinheit im Gerät 1 selbst oder in einem daran angeschlossenen Computer. Die Serie von zeitlich aufeinander folgenden Messergebnissen wird im Gerät 1 zumindest zwischengespeichert. Da von zwei unterscheidbaren Signalgebern 2.2 eine Serie von Positionen gemessen wird, werden zwei derartige Messreihen gespeichert. Gute und problemlos mach- und verarbeitbare Ergebnisse sind erzielbar, wenn die besagte Periodendauer beispielsweise 4 Millisekunden beträgt und die Dauer eines einzelnen Lichtsignals dabei beispielsweise 10 Mikrosekunden beträgt.

Die in den vorigen beiden Absätzen beschriebene Funktion der Positionsbestimmung ist beispielsweise durch die eingangs erwähnten Schriften DE 100 54 282 A1 und die DE 102 46 808 A1 bekannter Stand der Technik, weshalb hier nicht noch weiter darauf eingegangen wird. Neu sind die Zusatzfunktionen, welche durch das Gerät 1 angeboten werden, durch welche die Methode erst komfortabel einsetzbar wird.

Eine Leuchteinrichtung 1.3, welche typischerweise durch einen Halbleiterlaser realisiert werden kann, sendet einen Lichtzeiger 1.3.1 zu jener Stelle am Untergrund aus, an welche sich der Golfspieler stellen soll, damit die Messung in optimaler Weise erfolgen kann. Wenn - wie skizziert - die Querschnittsform des Leuchtzeigers 1.3.1 die Umrisslinie der Sohlenfläche von Schuhen andeutet, so kann damit nicht nur der Ort angezeigt werden, an welchen sich der Golfspieler in Bezug zum Gerät 1 stellen soll, sondern auch die Anordnung und Ausrichtung der Füße des Spielers am Untergrund und damit auch dessen Ausrichtung. Die Leuchteinrichtung 1.3 kennzeichnet also nicht nur den Ort an welchem der Golfspieler stehen soll, sondern auch seine Ausrichtung. Anstatt die Umrisslinie der Sohlenflächen anzuzeigen, kann man beispielsweise auch einen Pfeil auf den Untergrund projizieren, wobei der Auftreffpunkt des Leuchtzeigers den Standort symbolisiert und die Pfeilrichtung entweder die Vorderseite des Golfspielers oder die Soll-Abschlagsrichtung für den Golfball.

Bevorzugt ist die Leuchteinrichtung 1.3 durch eine Laser-Entfernungsmesseinrichtung ergänzt, mit Hilfe derer die Entfernung des gemessen wird, welche der Leuchtfleck, welcher durch den Leuchtstrahl 1.3.1 am Untergrund hervorgerufen wird, zum Gerät 1 hat. Damit wird die Position des Golfspielers relativ zum Gerät unabhängig von der Höhe des Stativs 4 und von Unebenheit oder Neigung des Geländes erfassbar. Auf Basis dieses Wissens können die aufgenommenen Bewegungskurven einfach durch Koordinatentransformation zu einer normierten Darstellung umgerechnet werden, womit auch an verschiedenen Orten und zu verschiedenen Zeiten aufgenommene Bewegungskurven gut direkt miteinander vergleichbar werden.

Eine zweite Leuchteinrichtung 1.4 sendet einen Lichtzeiger 1.4.1 zu jenem Punkt, an welchen der abzuschlagende Golfball zu legen ist. Auch hierbei ist es sinnvoll den Lichtzeiger mit einer Laser-Entfernungsmesseinrichtung zu kombinieren, sodass nicht nur die Richtungslage des Golfballs relativ zum Gerät 1 definiert bzw. erfasst wird, sondern auch die Entfernung. Bevorzugt zeigt der Lichtzeiger 1.4.1 auch die Soll-Abschlagsrichtung des Golfballes, beispielsweise indem seine Querschnittsform die Form eines Pfeils aufweist.

Eine Kamera 1.2 zur Aufnahme eines Filmes oder einer Serie von rasch hintereinander aufgenommenen Einzelfotos ist ebenfalls im Gerät 1 untergebracht. Sie nimmt den Golfspieler bei der Abschlagbewegung auf. Indem auf Grund des Lichtzeiger 1.3.1 und 1.4.1 die Position des Spielers und des Balls vor dem Abschlag relativ zum Gerät genau definierbar sind, kann auch die Kamera 1.2 automatisch auf die optimale richtige Richtung und Entfernung eingestellt werden. Wenn mit starren Vorgaben bezüglich der Höhe des Stativs 4 und den Winkeln der Leuchtzeiger 1.3.1 gearbeitet wird, so können damit bei gleichen Geländebedingungen sehr gut untereinander vergleichbare Film- bzw. Fotoaufnahmen von vielen Abschlagvorgängen gemacht werden, da damit immer aus der gleichen Richtung und Entfernung gefilmt bzw. fotografiert wird.

Um die optimale Funktion der Anlage bzw. des Verfahrens sicherstellen zu können, ist das Gerät 1 selbst auch in einer definierten Position zu halten. Dazu ist bevorzugt mit einer Einrichtung zur Messung seiner Neigung, beispielsweise mit einer Wasserwaage ausgestattet. Weiters ist es dazu am Stativ 4 über eine Halterung befestigt, welche zwischen einem ersten Zustand in welchem das Gerät 1 relativ zum Stativ um zueinander nicht parallel liegende horizontale Achsen schwenkbar ist und einem zweiten Zustand, in welchem das Gerät 1 gegen Bewegung relativ zum Stativ vollkommen fixiert ist, umstellbar ist.

An seiner Oberseite ist das Gerät 1 mit einer ebenen, zumindest annähernd horizontal ausgerichteten Fläche 1.5 versehen. Diese ist ausreichend groß bemessen um auf ihr einen tragbaren Computer abstellen zu können. Das Gerät 1 ist mit einer Schnittstelle zur bidirektionalen Datenübertragung mit einem Computer versehen, sodass Messergebnisse und aufgenommene Filme bzw. Bilder an einen Computer übertragen werden können. Weitergehende Analyse, aussagekräftige Darstellung und Speicherung dieser Daten erfolgt dann mit Hilfe des Computers.

Natürlich ist es in einer Bauvariante auch möglich, das Gerät 1 selbst mit einer Anzeigevorrichtung und Software zur Auswertung und Darstellung von Messdaten, sowie mit einem großen Datenspeicher auszustatten und somit sozusagen den Computer in das Gerät 1 zu integrieren.

Die erfindungsgemäße Methode ist von allen bekannten EDVunterstützten Lernmethoden zum Erlernen des Abschlagens eines Golfballes vermutlich die effektivste, da sie mathematische Aufzeichnung und Analyse mit bildlicher Darstellung bestens kombiniert. Bezogen auf den erzielbaren Lerneffekt ist sie die bei weitem am einfachsten durchführbare Methode. Nach einer kurzen Einschulung ist ein Anwender mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Lage bestimmungsgemäß zu arbeiten, ohne dafür eine ausgebildete Person weiter in Anspruch nehmen zu müssen.

Die im Detail beschriebene optische Methode zur Messung der Position des Golfschlägers ist zurzeit die am besten für diesen Zweck anwendbare Erfassungsmethode und sie lässt sich besonders gut mit der erfindungsgemäßen Verwendung von Lichtstrahlen zur Anzeige von Position und Orientierung des Golfspielers bzw. Position und Abschlagsrichtung des Golfballes kombinieren, da damit - abgesehen von der selbstverständlichen internen elektronischen Signalverarbeitung - an Signal- und Messverfahren ausschließlich optische Verfahren eingesetzt werden.

Das Anzeigeverfahren für Position und Orientierung des Golfspielers bzw. Position und Abschlagsrichtung des Golfballes ist aber auch unabhängig von der Messmethode zur Erfassung der Position des Golfschlägers anwendbar.