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开发一个新颖的教练平台，以提高青少年橄榄球运动员的铲球技术：概念验证
抽象 橄榄球联盟是一项由全球男性和女性球员在业余和专业水平上进行的田径运动。与这项运动相关的最普遍的受伤风险之一是与对手球员的碰撞。这表明有针对性的减少伤害策略可以专注于比赛中的铲球区域。在业余橄榄球联盟中，头部，面部和肩部的受伤是青少年橄榄球比赛中最常见的受伤部位。在这些人群中，次优的铲球技术可能会导致受伤风险增加。减少青年群体中与铲球有关的伤害的一项拟议缓解策略可能是通过指导有效的铲球技术来提高铲球熟练程度。本研究旨在展示使用惯性测量单元（IMU）和为移动设备（即移动电话）开发的定制移动应用程序的钓具技术辅导平台的概念验证。测试电池为在铲球事件中模拟球员运动的主要目标提供了概念验证。原型（定制的移动应用程序）在 3D 空间中对 IMU 进行了建模，并在铲球事件中演示了方向。参与者模拟了高于 0 度和零度以下 10 度的 10 度的 10 个铲球事件，这些（不安全的铲球）由移动显示单元上的红灯指示。使用测斜仪移动应用程序测量了接近角上方和下方十度的参数。这些铲球事件模拟提供了实时数据流，可在移动设备上显示铲球角度。因此，这个新颖的教练平台可以成为业余或新手教练减少伤害策略的一部分，以指导青少年橄榄球比赛中更安全的铲球练习。
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受伤风险; 解决安全问题; 惯性测量单元; 橄榄球联盟 1. 引言 橄榄球联盟是一项由全球男性和女性球员在业余和专业水平上进行的田径运动。世界橄榄球的最新数据显示，123 个国家的注册球员人数约为 960 万[1]。与这项运动相关的最普遍的受伤风险之一是与对手球员的碰撞。爱尔兰橄榄球监测项目中涉及业余橄榄球运动员的伤病数据（爱尔兰橄榄球损伤监测（IRIS），2018-2019）指出，最常见的伤害发生在比赛的身体接触区域（即铲球，摔跤）[2]。在这份报告中，记录了在业余橄榄球比赛中，对付对手占比赛和训练伤病的大部分（占总伤病负担的 59%）。IRIS 还发现，男性和女性球员最常报告的比赛伤病是脑震荡（分别为 11%和 19%）。在英国，头部、面部和肩部受伤是业余青少年橄榄球比赛中最常见的受伤部位，超过 50%的受伤发生在比赛的铲球或碰撞区域[3]。澳大利亚学校橄榄球联盟的研究提供了年龄特征相似（13 岁±4.5 岁）的数据表明，头部和面部损伤占所有损伤的 33.7%（n = 112）[4]。在总共 332 起伤害中，有61 例疑似脑震荡伤害。另一项研究发现，与以正确的头部位置进行铲球的球员相比，头部位置相对于持球器不正确的业余球员导致脑震荡、颈部损伤和面部骨折的发生率更高（头部位置不正确的受伤发生率为 69.4/1000 次铲球，而头部正确定位的受伤发生率为 2.7/1000 次铲球）[5]。
与职业橄榄球相比，成人业余橄榄球中涉及铲球的受伤发生率低于职业橄榄球，但与青少年橄榄球相比，发生率更高[6]。这表明，未来的减伤策略必须针对业余橄榄球联盟比赛中的铲球区域[6]。在青少年橄榄球比赛中，次优的铲球技术可能导致受伤风险增加，但通过在训练期间实施更安全的技术可以降低这种风险[7]。据报道，在青少年橄榄球水平上，许多教练依靠非正式或轶事资源（例如，以前的比赛经验或对比赛的观察）来发展他们的铲球训练知识[8]。
为减少青少年群体中与铲球相关的伤害，一项拟议的缓解策略可能是提高教练技能，从而提高青少年橄榄球运动员的铲球熟练程度和技术能力[8，9]。其他研究支持当前的橄榄球教练实践，即球员应将头部向上放置并面向球架，以提高铲球技术熟练程度[10]。这种训练技术导致“抬头”位置，允许铲球手在对方球员的中躯干上进行肩部铲球。一旦发起初始接触，这种建议的铲球技术可以帮助铲球手头部放置，并可以导致更熟练的铲球技术[10]。
有证据表明，与铲球相关的研究可作为减轻铲球相关伤害的一个缓解因素[11]。进一步的研究表明，当使用针对被铲球球员的中下躯干的铲球时，铲球手干对头部运动学有直接影响[12]。关于青少年橄榄球，有人建议，“接触前抬头和向前”的教练提示可能会导致更安全的接触技巧[13]。该研究发现，被认为脑震荡的球员在接触时表现出“向下”或“远离”头部的位置，这可能导
致头部或颈部受伤的风险[13]。这种教练指导是一种技术，教练可以采用这种技术来指导球员保持“向上和向前”的头部位置，以便与对方球员接触，而不仅仅是预期与对方球员接触。当教练能够通过量化铲球技术的质量来观察和衡量铲球能力时，受伤风险可能会降低。
例如，研究表明，使用可观察的技术标准，列出明确的不同处理阶段（即接触前、接触前和接触后）。本研究分析了每个球员的铲球技术，根据接触前、接触和接触后所采取的行动，得分为一分或零分[14]。例如，在接触前阶段，如果铲球手处于“正面和向前”的接近角度，这被认为是一个好的动作，并被判一分。分配的分数总和用于确定球员在铲球或接触事件中的技术熟练度分数。进一步的研究发现，头部位置不正确或故意使用不良技术的铲球手往往会导致更多的伤害，因为球员的头部和颈部处于不正确的位置[5]。
通过扩展，这些更安全的铲球技术（即“抬头和前进”和零接近角度）可以应用于其他接触区域（例如，rucks，scrums），以减轻游戏接触区域的伤害。在业余青年橄榄球中，提供铲球训练的教练可能存在知识差距，这与他们自己在指导有效铲球技术方面的能力特别相关[9]。如果教练实施诊断规范模型来解决需要改进的领域并监测所有接触区域的“理想”运动，这可能会降低受伤风险，因为教练可以在接触训练期间指导最佳运动技术[15]。通过利用惯性测量单元（IMU）等当代可穿戴技术，可以捕获玩家的移动。IMU 的使用在文献中已得到广泛认可[16]。有人支持使用 IMU 作为运动中人体运动的跟踪设备，并转换可以使用IMU 检测和提取的特定运动动作[17]。最近的一项研究表明，使用微处理器技术（例如 IMU 中包含的微处理器技术）是检测橄榄球联盟接触事件中人体运动的有效方法[18]。目前，IMU 没有链接到教练铲球技术的可视化平台。
本研究旨在展示使用 IMU 的新型钓具技术培训平台的概念验证，以及为移动设备（例如，手机或平板电脑）开发的定制移动应用程序。据推测，开发一个利用实时 IMU 数据的移动教练平台可能会改善业余和新手教练在铲球技术方面的教练策略。反过来，这个教练平台可以通过更明智的教练实践来减少青少年橄榄球中上头部，颈部和面部受伤的发生率。因此，该平台可能成为业余或新手教练减少伤害策略的一部分，这些教练负责指导青少年橄榄球比赛人群的安全铲球练习。
2. 材料和方法 研究小组开发了一种新颖的原型移动应用程序，用于手机。原型应用程序最初是为笔记本电脑使用而开发的，并进一步设计为在手机上使用。这种移动功能（例如，手机/平板电脑）的开发明确地供业余教练在应用环境中使用，用于与业余青年橄榄球联盟球员的训练课程。
技术说明 — 惯性测量单位（ IMU ）
Shimmer3 无线传感器单元（Shimmer Research Ltd.，爱尔兰都柏林）是一种可穿戴设备，包含两个加速度计，一个陀螺仪和一个磁力计。这种传感器组合是具有九个自由度（DF）的 IMU。该提案将使用 IMU 来捕获球员身体在铲球模拟训练练习中的方向，通过使用运动学数据，这些数据名义上专注于球员上半身（即肩胛骨和肩膀）的方向。
2.2. 技术说明
— 原型移动应用程序的开发
此定制移动应用程序是一个轻量级应用程序，可将 IMU 数据流直接连接到原型移动应用程序中的 3D 模型。IMU 的轴向输出被转换为欧拉角，在移动应用程序中实时应用于模型。它最初是为使用 Unity 3D 游戏引擎的笔记本电脑开发的，后来经过进一步设计并移植到移动设备上，以增加在训练期间对数据的访问。Unity3D 用于 Android 应用程序的开发，因为它具有集成的物理引擎，在操作 IMU 提供的九个 DF 时使用。从欧拉角转换为四元数对于操纵从 IMU 返回的数据是必要的。
该系统由三个核心应用程序和一个数据库组成（参见 图 1）。有两个跨平台应用程序和一个由数据库实例支持的具象状态传输应用程序编程接口 （REST API）
服务器应用程序。应用程序可以部署在 Android 或 Windows 10（Microsoft Corporation，Redmond， WA， USA）设备上，并且服务器应用程序已部署到 Azure Web Services（美国 Microsoft Corporation）以进行此项目。
图 图 1.程序体系结构和数据流。
2.3. 伦理
本研究的伦理学由大西洋理工大学的教学计划研究伦理委员会（TPREC）授予（参考编号 GMIT_TPREC_250120）。所有参与者在收集数据之前都提供了书面和/或口头知情同意。
2.4. 数据收集
四名男性参与者（年龄 18.1±0.6 岁/身高 179.5±3.3 厘米）安装了 GPS 背心（VX 运动系统），并将 IMU 插入位于 GPS背心肩胛骨之间的 GPS 口袋中。这使得参与者的恒定位置能够测量滚动，俯仰和偏航（即围绕 XYZ 轴的旋转）。参与者通过假设站立姿势并完成旋转，铰链和步态运动模式来校准 IMU。
在铲球模拟测试之前，所有参与者都进行了热身，其中包括技术指导（参与者不是橄榄球运动员），身体动员和熟悉每个测试条件。参与者被指示接近泡沫填充表面，该表面在钓具事件期间模拟接触区域，以熟悉测试区域。一旦参与者穿上 GPS 背心和 IMU，他们就被指示在臀部铰接的情况下接近填充表面，并将头部向上定位，平行于地面。当参与者用肩膀触摸填充区域时，将胶带（氧化锌）施加到填充区域以测量他们的肩膀与填充区域相遇的位置;这表明当测试开始时，每个参与者接近泡沫填充表面的零角度。
每个参与者参加了十个静态模拟铲球事件（左肩五次尝试，右肩五次尝试）。这些静态抓地器仿真在平行方向上执行（即，模拟接近测试区域接地层的零角度）。以这种方式执行的模拟铲球在原型移动应用程序上产生了绿灯，表明安全铲球（参见 图2。参与者模拟了十个高于这些平行公差约 10 度和 10 度的铲球事件，这些（不安全的铲球）由移动显示单元上的红灯指示（见图 图 2）。使用测斜仪移动应用程序（Clinometer，法国）测量并标记在泡沫填充表面上高于和低于零接近角的十度的参数。
图 图 2.（a）
连接到惯性测量单元的移动应用程序;（b）
根据参与者校准 IMU;（c）对“红灯”显示屏指示的不安全钓具进行建模。
3. 结果 测试电池为使用 IMU 和新颖的原型移动应用程序对钓具事件中参与者的运动进行建模的主要目标提供了概念验证。原型应用程序在 3D 空间中对 IMU 单元进行了建模，并在铲球事件期间向研究人员演示了方向。这些抓斗事件模拟提供了一个实时数据流，显示抓斗的角度，供研究人员在手机设备上观察。收集的数据被保存并用于向每个参与者重播铲球技术，这有助于研究人员修改和指导参与者的铲球姿势特征。返回的数据用于计算参与者上 IMU 的滚动，俯仰和偏航，并在移动电话设备上更新3D 模型。俯仰、滚动和偏航分别是围绕 X、Y 和 Z 轴的旋转。这些轴如图 3 所示，IMU 在参与者上对齐，Y 轴沿脊柱排列，X 轴穿过肩部。
图 图 3.微光旋转轴，演示 IMU 的指示性位置。
表 表 1 显示了在项目测试阶段从 IMU 返回的数据样本。提供四个读数，每个读数有 38 个数据点。IMU 从加速度计、陀螺仪和磁力计返回数据。IMU 中的处理器使用这些数据来生成轴角和四元数值。对于本项目的目的，数据来自低噪声加速度计。陀螺仪、磁力计、轴角度和四元数被保存并导入，用于显示 Unity 3D 模型的方向。每个数据点都带有时间戳，用于在重播钓球事件期间对数据点进行排序。
表 表 1.从惯性测量单元（IMU）返回的数据的样本读数。加速度计值以米/秒平方（m/s）为单位 2 ），陀螺仪返回度每秒（°/s），磁力计提供通量（cgs）值。
根据这些数据，IMU 处理器在数据流过程中计算轴角和四元数值。这些值经过筛选以供 Unity 应用程序使用，并以 JavaScript 对象表示法 （JSON）
格式存储，以便于在应用程序中进行处理。
这些数据如图 4 所示，用于单个读数。
图 图 4.用于单个读取的 JavaScript 对象表示法 （JSON）
格式数据。
四元数用于计算要反映在 Unity 3D 模型中的滚动、俯仰和偏航。这些计算是使用 图 5 中的代码示例中所示的方法执行的，并且基于用于此目的的标准数学公式。
图 图 5.用于计算横滚、俯仰和偏航的代码示例。
计算出这些值后，3D Unity 应用程序将更新模型的方向，并在 图 2 中的铲球事件中使用 IMU 演示玩家运动的建模。被认为安全的钓具角度（即，在零接近角的十度内）在移动显示屏上显示“绿色”灯，而被认为不安全的钓具在手机显示屏上显示“红”灯（即，在接近零角以上或低于零进近角十度的安全参数之外）（见图 图 2）。
4. 讨论 本研究的目的是展示使用 IMU 的新型钓具技术培训平台的概念验证，以及为移动设备（例如，手机或平板电脑）开发的定制移动应用程序。这个新颖的移动教练平台可用于在橄榄球比赛中捕捉参与者身体的运动和方向。原型教练平台利用一种新颖的手机应用程序和 IMU 作为基于传感器的记录系统。这项研究成功地为教练平台提供了概念证明，以证明业余教练在铲球技术训练中的铲球事件中安全或不安全的接近角度。参与者演示了在静态模拟铲球技术训练中提供上半身运动学数据的铲球角度。由于这是一个原型铲球技术教练平台，因此进一步的发展还需要完善业余教练的视觉警告系统。目前的原型手机应用程序可以
使用基于 XYZ 轴旋转角度的交通灯系统（绿色或红色）向教练提供视觉反馈。在这项研究中，建议的铲球公差参数（即，±10°零进球角度）是基于现有的运动学橄榄球铲球数据[12，15]。系统沿轴显示绿色或红色指示灯，具体取决于研...