Análisis del Rendimiento de Esquiadores Alpinos Profesionales mediante Sensores IMU

Abstract

El esquí alpino es uno de los deportes más desafiantes en lo que al análisis del movimiento se refiere. Las altas velocidades alcanzadas, la morfología cambiante del terreno y la diversidad de trazados hacen que explicar el rendimiento de los esquiadores sea todo un reto, sobre todo cuando las diferencias en el ranking dependen de centésimas de segundo. En este contexto, fraccionar el tiempo total de la bajada en intervalos de tiempo muy pequeños capaces de medir la duración de elementos clave de la técnica (por ejemplo, la duración de las diferentes fases del viraje de esquí) podría ser esencial para comprender la biomecánica y el rendimiento de este deporte. En la literatura, las diferentes fases del viraje de esquí se conocen como «la estructura de la curva de esquí». No obstante, las pequeñas diferencias en la estructura de la curva de esquí son imperceptibles a simple vista, por lo que es necesario utilizar sistemas de análisis del movimiento que se adapten a las singularidades del esquí manteniendo la máxima exactitud y precisión.

En la presente tesis se ha comprobado la viabilidad de la utilización de un sistema de análisis que se compone de un dispositivo inercial (IMU), fijado la espalda de los esquiadores, y unos imanes colocados a lo largo del trazado. Con este sistema se pretende evaluar la estructura de la curva de esquí utilizando parámetros biomecánicos, objetivos y cuantificables.

La presente tesis se ha estructurado en dos estudios. El primero ha tenido como objetivo desarrollar y evaluar la validez del M-BTS, un sistema de cronometraje basado en imanes y el magnetómetro del dispositivo IMU. Este sistema consistió en colocar varios imanes enterrados en la nieve al lado de cada puerta del trazado y colocar un dispositivo IMU en la zona baja de la espalda de los esquiadores. El magnetómetro integrado en el IMU detectó el campo magnético en forma de pico al pasar cerca de los imanes a una velocidad determinada. Esto permitió conocer el momento en que el esquiador pasaba por las diferentes puertas del trazado con una resolución de 0,01 s. Se calculó el tiempo entre puertas y el tiempo total de las bajadas. El sistema se validó con fotocélulas y se obtuvo una exactitud de -0,013 ± 0,020 s y una precisión de 0,050 s en el tiempo total de las bajadas realizadas por un trazado de eslalon (SL).

En el segundo estudio el objetivo fue evaluar la influencia de la estructura de la curva de esquí en el rendimiento de los esquiadores alpinos al bajar por diferentes trazados de eslalon (SL) a través del acelerómetro de un dispositivo IMU y del M-BTS. Por ello, se llevó a cabo el marcaje de cuatro trazados de SL: un trazado girado en una pendiente suave, uno girado en una pendiente pronunciada, uno más recto en una pendiente suave, y uno más recto en una pendiente pronunciada. Cinco esquiadores alpinos de élite completaron varias bajadas por los diferentes trazados. El uso del acelerómetro del dispositivo IMU y el M-BTS permitió la detección de las

siguientes fases de la curva: inicio (INI), conducción de entrada a la curva (STEIN), conducción de salida de la curva (STEOUT) y conducción total (STEIN+OUT). Para cada bajada se analizaron todas las curvas y sus fases, y se sumaron los tiempos correspondientes a la misma fase, por lo que el tiempo total de una bajada se descompuso en los siguientes tiempos parciales: tiempo INI, tiempo STEIN, tiempo STEOUT y tiempo STEIN+OUT.

Independientemente del tipo de trazado, se observaron características similares en la estructura de la curva de esquí para las bajadas más rápidas. Concretamente, estas incrementaron el tiempo INI y redujeron el tiempo STEOUT, reduciendo así el tiempo STEIN+OUT. El tiempo STEIN no tuvo ninguna influencia en el tiempo total. Además, se observó que los trazados más rectos tuvieron tiempos INI más largos y tiempos STEIN+OUT más cortos que los trazados girados y viceversa. Por otro lado, en los trazados situados en la pendiente más pronunciada se observó un aumento en el tiempo STEIN y una disminución en el tiempo STEOUT.

La utilización de nuevas tecnologías, como los dispositivos IMU, puede ayudar a desarrollar un enfoque más científico de este deporte, complementando las metodologías empleadas por los entrenadores de base empírica con el análisis y los estudios de base biomecánica.

Alpine skiing is one of the most challenging sports for motion analysis. The high speeds, the terrain morphology and the diversity of course settings make it complex to explain performance, especially when differences in ranking depend on hundredths of a second. In this context, breaking the total race time into very small-time intervals capable of measuring the duration of key elements of the technique (e.g., the duration of the different phases of the ski turn) could be essential to understand the biomechanics and performance of this sport. In the literature, the division of the turn cycle into its different phases is known as «the turn cycle structure». However, small differences in the turn cycle structure are imperceptible to the naked eye. Therefore, it is necessary to use motion analysis systems that are adapted to the singularities of alpine skiing while maintaining maximum accuracy and precision.

In the present thesis it has been tested the feasibility of using a motion analysis system consisting of an IMU device, fixed to the lower back of the skiers, and several magnets, placed along a course. This system allows to evaluate the turn cycle structure based on kinematic criteria.

This thesis has been structured in two studies. The first study aimed to develop and evaluate the validity of a magnet-based timing system (M-BTS). This system consisted of placing several magnets buried in the snow next to each gate of the course and placing an IMU on the lower back of the skiers. The magnetometer integrated in the IMU detected the peak-shaped magnetic field when passing near the magnets at a certain speed. This made it possible to know the moment at which the skier passed through the different gates of the course with a resolution of 0.01 s. The time between gates and the total time for the runs were calculated. The system was validated with photocells and showed an accuracy of -0.013 ± 0.020 s and a precision of 0.050 s for the total time of the runs performed on a slalom (SL) course.

The second study aimed to evaluate the influence of turn cycle structure on the performance of alpine skiers through the accelerometer of an IMU device and the M-BTS when descending different slalom (SL) course settings. Thus, four SL courses were set: a flat-turned course, a steep- turned course, a flat-straighter course and a steep-straighter course. Five elite alpine skiers completed several runs on the different SL courses. The use of the IMU accelerometer and the M-BTS allowed the detection of the following turn phases: initiation phase (INI), steering phase into the turn (STEIN), steering phase out of the turn (STEOUT) and total steering phase (STEIN+OUT). For each run, all the turns and their phases were analyzed and the times corresponding to the same

phase were added together, so that the total descent time was decomposed into the following partial times: INI time, STEIN time, STEOUT time and STEIN+OUT time.

Regardless of the course setting, fast runs increased the INI time and reduced the STEOUT time, thus reducing the STEIN+OUT time. STEIN time had no influence on the total time. Additionally, it has been observed that straighter courses had longer INI times and shorter STEIN+OUT times than turned courses and vice versa. On the other hand, an increase in STEIN time and a decrease in STEOUT time were observed on the courses located on the steeper slope.

The use of new technologies, such as IMUs, either individually or in combination with other systems, can help develop a more scientific approach to the sport, complementing the methodologies employed by empirically based coaches with biomechanically based studies.