Brevet FR3037816A1 — publié le 20161230

DISPOSITIF POUR SPORT DE GLISSE ET PROCÉDÉ D'APPRENTISSAGE ASSOCIÉ DESCRIPTION Domaine technique [1] La présente invention se rapporte aux sports de glisse tels que le surf, le ski, le « snowboard » notamment. Description de modes de réalisation de l'invention [2] Un dispositif pour sport de glisse comprend un support de glisse tel qu'un surf, ou planche de surf, ou un ski. Ces deux sports sont donnés à titre d'exemple mais la description peut s'appliquer à tout sport dans lequel un dispositif glisse sur un milieu liquide ou solide. [3] Un capteur d'effort est fixé sur le support de glisse à l'interface avec un utilisateur. Ainsi, sur un surf, le capteur est préférentiellement positionné sous le pied avant du surfeur car c'est le pied principal pour diriger le surf. Pour un ski, le capteur d'effort est, par exemple, positionné sous la semelle de la chaussure de ski. Le capteur d'effort est adapté pour capter l'ensemble des forces générées par l'utilisateur sur le support de glisse. Il capte ainsi les forces verticales et horizontales, avant et arrière, ainsi que les couples de rotation autour des 3 axes, soit sur 6 axes de liberté. Ce capteur peut être une centrale inertielle. [4] Le capteur d'effort est intégré dans le support de glisse de façon à limiter autant que possible la différence de position de l'utilisateur par rapport à un support de glisse non instrumenté. [05] Il est associé à un dispositif étanche venant en intermédiaire entre le capteur d'effort et l'utilisateur pour permettre une utilisation dans un milieu marin. Par exemple, un film plastique étanche est utilisé avec l'avantage de peu perturber la captation des forces, tel que le Seaguard Flex 5400, Dickson, Wasquehal, France. [06] Un capteur de position et de mouvement est fixé sur le support de glisse et est adapté pour capter la position, la vitesse et l'accélération du 3037816 2 support de glisse dans l'espace. Il comprend par exemple comprend un gyroscope 3 axes, un accéléromètre 3 axes et un magnétomètre mais peut-être également constitué de composants peut-être moins performants mais également moins couteux tels qu'un récepteur GPS ou utilisé moins 5 de composants et, par exemple, se limiter à un récepteur GPS et un accéléromètre 3D du type de ceux utilisé par les téléphones intelligents grand public. [7] Une unité de traitement est connectée au capteur d'effort et au capteur de position et de mouvement et adaptée pour synchroniser les 10 données en provenance des capteurs. Avantageusement, un réseau peut être installé pour récupérer et synchroniser les informations en provenance de ces deux capteurs et également pour recueillir et synchroniser des informations en provenance d'autres capteurs. [8] Par exemple, une caméra fixée sur le support de glisse est connectée 15 à l'unité de traitement par ce réseau. La caméra est positionnée pour capter l'image de l'utilisateur, en particulier son pied posé sur le capteur d'effort afin de permettre avantageusement de faire des corrélations entre les forces captées et la position de l'utilisateur. [9] Le dispositif comprend également une mémoire de stockage des 20 données synchronisées et/ou un émetteur pour transmettre en temps réel les données synchronisées à un calculateur d'analyse et de visualisation via une liaison sans fil. Cela permet d'exploiter les données en fin d'exercice et/ou pendant l'exercice. [10] Ce dispositif est avantageusement utilisable pour l'apprentissage et le 25 perfectionnement d'un sport de glisse en permettant à un entraineur et au sportif de voir et analyser de façon précise ce qui s'est passé pendant l'exercice. [11] Ainsi, un apprentissage d'un sport de glisse utilisant le dispositif comprend : 3037816 3 - utilisation du dispositif par un utilisateur pour pratiquer le sport de glisse et enregistrement des données en provenance des capteurs du dispositif ; - traitement des données et comparaison avec des données de 5 référence ; - traitement et fusion des données pour une conversion et un affichage de paramètres d'évaluation et de progression de l'utilisateur. [12] L'affichage des paramètres d'évaluation et de progression est 10 réalisée sous une forme graphique mettant en évidence la différence de position de l'utilisateur par rapport à la position d'un utilisateur de référence. [13] Pour la mise en oeuvre, on conçoit que l'unité de traitement à bord du dispositif comme ceux qui servent à l'analyse sont pilotés par des 15 programmes d'ordinateur. Ainsi, un produit programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur, comprend des instructions de code de programme pour la mise en oeuvre du procédé d'apprentissage. 20 [14] Par ailleurs, il est particulièrement intéressant d'utiliser le dispositif instrumenté comme base pour un simulateur permettant ainsi à un utilisateur de s'entrainer en dehors du milieu naturel. [15] En particulier, le dispositif de simulation comprend un support de glisse et un capteur d'effort fixé sur le support de glisse à l'interface avec 25 un utilisateur, tel que décrit ci-dessus. De plus, un actionneur est fixé sur le support de glisse et est adapté pour déplacer le support de glisse selon 6 degrés de liberté. Cet actionneur est par exemple un un positionneur hexapode. [16] Une unité de traitement est connectée au capteur d'effort et à 30 l'actionneur. Ell est adaptée pour modifier la position du support de glisse en fonction des forces générées par l'utilisateur et de paramètres de 3037816 4 modélisation d'un environnement afin de simuler le résultat des forces appliquées sur le support de glisse par l'utilisateur en fonction d'un environnement programmé pour simuler, par exemple, la forme d'une vague, ou la pente d'une piste de ski. 5 [17] Ce simulateur comprend également des écrans de visualisation pour permettre d'informer l'utilisateur, de façon la plus naturelle possible, de l'environnement qui a été programmé afin que l'utilisateur puisse réagir à celui-ci. [18] L'invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la 10 description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d'exemple et non comme limitant l'invention a cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles. [19] Dans les revendications, le mot « comprenant » n'exclue pas d'autres éléments et l'article indéfini « un/une » n'exclue pas une pluralité. 15 [20] 3037816 5 BIOMECHANICS OF SURFING: DEVELOPMENT AND VALIDATION OF AN INSTRUMENTED SURFBOARD TO MEASURE SURFBOARD KINETICS K. Lestrade'23, S. Guérard'3, P. Lanusse23, Ph. Viott3 5 Arts et Metiers ParisTech, I2M UMR 5295 CNRS, 33400 Talence, France' Université de Bordeaux, IMS UMR 5218 CNRS, 33405 Talence, France2 Bordeaux INP, I2M UMR 5295 / IMS UMR 5218 CNRS, 33405 Talence, France3 10 The purpose of this study was to investigate the different relations between the actions of a surfer and the kinematic behaviour of his surfboard. An instrumented surfboard has been designed with a force platform synchronized with an inertial measurement unit and acquisition system. An experimental campaign has been carried out in situ, where different waves 15 have been surfed to validate the device. Results revealed that measured efforts of the surfer and kinematics of his surfboard are consistent regarding the expected behaviour. Instrumented surfboards will help coaches by giving them a new performance analysis tool. It will also provide an experimental database for the development of numerical models about interactions 20 Surfer/Surfboard/Wave. Acknowlegments: We thank the Regional Council of Aquitaine, which granted this work. KEY WORDS: Motion analysis, Dynamic solicitation, Instrumented Surfboard. INTRODUCTION: In surfing, a system allowing for the quantitative analysis of the 25 movements of an athlete to execute a given figure doesn't exist at the present time. A lot of sports use simulation and scientific approaches to understand interactions between a sportsman and his equipment. Recently, in some sports like tennis, baseball or golf, onboard instrumentation has been used to assess precisely the material performance and the athlete's training (Nathan & Faber, 30 2011; Andrew, Chow & Knudson, 2003). In order to develop a surf simulator to study the relations between a given figure and the biomechanical response of the surfer, interindividual variability to execute a given movement and to optimise actions of the person aiming at better performances, surfing trajectories have to be reproduced in controlled environment. In 2011, as part of the SurfSens project (now abandoned), Tecnalia initiated instrumentation of a surfboard using sensors with the main objectives of improving the characteristics of a surfboard (Letamendia, 2011) but they didn't identify direct interactions with the surfer. The purpose of this study was to provide an instrumented surfboard to identify, record and analyse in situ the interactions Surfer/Surfboard/Wave. First, we identified all the experimental devices to measure all the data defining the interactions Surfer/Surfboard/Wave. Secondly, the complex and indefinite oceanic environment to design a reliable experimental surfboard and to instrument it with all the necessary measuring tools has been taken into account. Finally, an experimental campaign was organized in situ whose results will be presented. 3037816 6 METHODS: 1. Identification of measuring tools. The interactions between the surfer and the surfboard can be measured with a 6- component force platform. Such a force sensor gives access to the six 5 components of resulting force and moment applied on the platform. The force platform (02-A1, Sensix, Poitiers, France) has been designed from specifications defined by preliminary tests about dimensions and measuring ranges on each axis. Specific behaviour of this platform, based on the results of Boucher (2005) allows large measuring ranges with small volume: respectively (5000N, 5400N, 10 14500N, 560Nm, 650Nm, 750Nm) for (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz). The conditioner is 3037816 7 located inside the platform in order to facilitate and reduce the acquisition system. Interactions between the surfboard and the wave can be identified by analysing the dynamic behaviour of the surfboard: angular velocities and longitudinal accelerations of the surfboard using a 3-axis gyroscope (ITG3200, InvensSense, San Jose, California) and a 3-axis accelerometer (ADXL345, Analog Devices, Norwood, USA). An acquisition system equipped with an analog-digital converter (Arduino Mega2560 card, Arduino, Torino, Italy) and a microSD shieid (microSD Shieid, SparkFun Electronics, Niwot, USA) have been used to synchronize the three measurement devices: force platform, accelerometer, and gyroscope. 2. Complex environment to implement an instrumented surfboard Design of the surfboard was the subject of a specific work in collaboration with a professional surfer and surfboard shaper. A board has been created to accommodate ail measurement tools without losing manoeuvrability and reactivity. The force platform has been placed in the surfboard (Figure 1) under the front foot of the rider which corresponds, in surfing, to the predominant foot and is directly correlated to the behaviour of the surfboard. To obtain a reliable measurement of the mechanical actions, it was necessary to have quasi-direct contact between foot and sensor. As the latter is not waterproof, some experiments have been done in laboratory conditions to find a sufficiently tight and resistant fabric (Seaguard Flex 5400, Dickson, Wasquehal, France) to protect the sensor from the marine environment without degrading the measurements. Ail the electronic components (accelerometer, gyroscope, acquisition system, battery) have been placed on top of the surfboard in a waterproof case connected to the force sensor (Figure 1). It was designed with a switch for triggering and activating the manual stop at the beginning and the end of the wave. In situ data acquisition was started (manual activation by the surfer) when the surfer was lying down and could see a wave coming. The acquisition ended when the surfer finished surfing the wave and was no longer on the surfboard (manual stop). Frequency of the acquisition was chosen at 50Hz. The 12 measuring tensions were stored on an SD card associated to a time measurement. Moreover, a video camera was placed on the beach filming the surfer on the wave: it was used to analyse the behaviour of the surfer, his surfboard and some characteristics about the wave (size and direction). Another on-board video camera (GoPro Hero3, GoPro, California, USA) was on the top of the board (Figure 1 b), filming front foot positions on the force platform. On-board video camera Figure 1: Photos of the instrumented surfboard Manual activation Inertial module, acquisition system and battery Waterproof case Force platform 3. Data Processing Data processing was done in several steps. First, ail the stored tensions were converted into physical values ([N], [Nm], [m.s-1], [m.s-2]) and reduced to the basis ( E , ^, ^). Vertical force Fz was analysed numerically to identify the four main actions of the surfer once the acquisition is triggered: the first one is to wait for the wave sitting on the board: Fz = 0. The second is the paddling to catch the wave: the surfer is lying on his surfboard, only his chest is in contact with part of the sensor, therefore the range of Fz corresponds to 40 to 60% of bodyweight. 3037816 8 Then there is the surfing phase beginning with a take-off corresponding to a significant Fzpeak linked to the first contact between the foot and the sensor. The last phase corresponds to the surfer when he gets off the surfboard (end of the wave or fall): Fz = O. Figure 2: Example of Fz raw efforts saved on a wave with a 50Hz frequency. The most interesting part is the "Surfing" phase (referred as phase A in Figure 2) where the surfer is generating an action with his body to point his surfboard on the wave. Instantaneous position of the centre of pressure (COP) was calculated considering that the resulting free moments along the X and Y axes are equal to zero (Besser, Kowalk & Vaughan, 1993). Finally, video cameras were synchronized manually during post processing to keep only parts corresponding to phase A using the time of contact between the foot and force sensor. F4ure reynctirceed experi t datWkill one vçàve: a) onshore and in-board videos, b) COP and c) forces on each axis. Figure 4: Example of synchronized experiment data on one wave: angular velocities (a) and 20 b) longitudinal accelerations (b) on each axis. RESULTS: The objective of this project was to develop an experimental device to evaluate interactions Surfer/Surfboard/VVave during the progression of a surfer on a wave. The easiest 3037816 9 way to show that such a system is successful is to present the results of a test with a professional surfer. Figures 3 & 4 are an example of raw data analysed to check the validity of the device. Firstly, instantaneous positions of the COP during «Surfing» phase (Figure 3.a) are consistent with the real front foot 5 position recorded with the on-board camera. ln this example, the athlete performed a "Speed generation" on the wave, which corresponds to several flexion-extension movements of the surfer. During the "Speed generation" phase, a professional surfer should put almost ail of his body weight on his front foot during the flexion-extension phase. Conversely, he must have almost no 10 support during the reduction phase. On figure 3c, the graph shows as a function of time the evolution of efforts between the rider and his surfboard expressed in percentage of body weight of the surfer. It perfectly illustrates this concept of « speed generation ». Figure 4 presents the evolution of angular velocities (Figure 4a) and longitudinal accelerations (Figure 4b) along the three axes ( E , 15 ^, ^). To check their validity, high frequencies of these signais have been filtered. After integration, instantaneous surfboard movements on the wave have been directly analysed. For example, after filtering and integration of data from Figure 4, the evolution of instantaneous positions on the vertical axis Z is a sinusoid of amplitude 45cm. This is consistent with the behaviour of the 20 surfboard noticed with the onshore camera on this wave of 50cm, which oscillated between the top and bottom of the wave due to the « speed generation » action of the surfer. DISCUSSION: As part of a surfing simulator project with a hexapod, equipped with multi-axis force plates, a database is built up for the development of a 25 numerical model characterizing connections between actions of a surfer and the dynamic behaviour of the surfboard. The development of the simulator based on the hexapod will require a control of the trajectory of the moving platform from the forces generated by the user. From a biomechanical point of view, the associated technologic and scientific challenges are numerous: the study of 30 training, practice and balance rehabilitation. Several studies in the literature have been done to evaluate the physiological properties of the human body and their dependencies to experimental protocol (Knuesel, Geyer & Seyfarth, 1983). However, for ail the used protocols, movements carried out by the subjects were elementary (one solicitation direction and one level of solicitation). The 35 use of the hexapod and its instrumentation could allow to find the links between the parameters of a complex disturbance (degree of freedom, range of movement, speed, acceleration) and the biomechanical response of the human body. CONCLUSION: There is a real demand from coaches and athletes to have 40 technical tools allowing them to analyse their actions and their equipment's behaviour. This instrumented surfboard is the first complete interactions Surfer/Surfboard/Wave analysis tool and potentially offers surfers and coaches a way of improving their level of performance and their way of training. REFERENCES: 45 Andrew, D.P., Chow, J.W. & Knudson, D.V. (2003). Effect of bail size on player reaction and racket acceleration during the tennis volley. Journal of Science and Medicine in Sport. 6(1), 102-112. 3037816 10 Besser, M., Kowalk, D. & Vaughan, C. (1993). Mounting and calibration of stairs on piezoelectric force platforms. Gait Posture, 1, 231-235. Boucher, M. (2005). Limites et précision d'une analyse mécanique de la performance sur ergocycle instrumenté (Thesis in French). Université de Poitiers, Poitiers. 5 Knuesel H., Geyer, H. & Seyfarth, A. (2005). Influence of swing leg movement on running stability. Human Movement Science, 24(4), 532-543. Letamendia, A. (2011, March 11). SurfSens project. Wired Magazine. Retrieved from http://www.wi red .co. u k/news/arch ive/201 1 -03/04/su rfisens-futu re-of-su rfing Nathan, A.M., Smith, L.V. & Faber W.L. (2011). Reducing the effect of the bail on bat 10 performance measurements. Sports Technology, 4, 19-28. REVENDICATIONS1. Dispositif pour sport de glisse comprenant : - un support de glisse tel qu'un surf ou un ski ; - un capteur d'effort fixé sur le support de glisse à l'interface avec un utilisateur, ledit capteur d'effort étant adapté pour capter l'ensemble des forces générées par l'utilisateur sur le support de glisse; - un capteur de position et de mouvement fixé sur le support de glisse et adapté pour capter la position, la vitesse et l'accélération du support de glisse dans l'espace ; - une unité de traitement connectée au capteur d'effort et au capteur de position et de mouvement et adaptée pour synchroniser les données en provenance des capteurs. 2. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une caméra fixée sur le support de glisse et connectée à l'unité de traitement, ladite caméra étant positionnée pour capter l'image de l'utilisateur. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur d'effort est intégré dans le support de glisse. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur d'effort est associé à un dispositif étanche venant en intermédiaire entre le capteur d'effort et l'utilisateur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur de position et de mouvement comprend un gyroscope 3 axes, un accéléromètre 3 axes et un magnétomètre. 3037816 12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une mémoire de stockage des données synchronisées. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur pour transmettre en temps réel les données synchronisées à un calculateur d'analyse et de visualisation via une liaison sans fil. Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes pour l'apprentissage et le perfectionnement d'un sport de glisse. Procédé d'apprentissage d'un sport de glisse utilisant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend : - utilisation dudit dispositif par un utilisateur pour pratiquer ledit sport de glisse et enregistrement des données en provenance des capteurs 20 dudit dispositif ; - traitement desdites données et comparaison avec des données de référence ; - traitement et fusion desdites données pour une conversion et un affichage de paramètres d'évaluation et de progression de 25 l'utilisateur. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'affichage des paramètres d'évaluation et de progression est réalisée sous une forme graphique mettant en évidence la différence de position de l'utilisateur 30 par rapport à la position d'un utilisateur de référence. 6. 5 7. 10 8. 15 9. 3037816 13 11. Produit programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur, caractérisé en ce qu'il comprend des instructions de code de programme pour la mise en oeuvre du 5 procédé d'apprentissage selon l'une au moins des revendications 9 ou 10. 12. Dispositif de simulation d'un sport de glisse comprenant : - un support de glisse tel qu'un surf ou un ski ; 10 - un capteur d'effort fixé sur le support de glisse à l'interface avec un utilisateur, ledit capteur d'effort étant adapté pour capter l'ensemble des forces générées par l'utilisateur sur le support de glisse ; - un actionneur fixé sur le support de glisse et adapté pour déplacer le support de glisse selon 6 degrés de liberté; 15 - une unité de traitement connectée au capteur d'effort et à l'actionneur et adaptée pour modifier la position du support de glisse en fonction des forces générées par l'utilisateur et de paramètres de modélisation d'un environnement. 20