Design and development of technologies for the measurement of biomechanical performance in athletes practicing judo

The aim of our study is to design a tool and a suitable system to measure and/or evaluate those sports that take place in situations difficult to standardize. The main areas that characterize in general the performance in sports, are: Physical-Athletic Area (motor aspect, physical condition), Technical –Tactical Area (technical aspect), Psycho-Character Area (mental aspect). Usually, each of these areas is measured or evaluated with different methods, and this gives rise to series of independent data. The data thus obtained, are difficult to compare between them, while the sports results are the summary of the work that athletes perform in the three areas. Hence the need to design a common measuring system to connect the different sport performance areas among them. So, the first part of our work was to find a system which, through the use of appropriate tools, allow us to collect common data in the different areas that characterize the sport performance. Our attention is focused on the areas related to the movement: Physical- Athletic and Technical -Tactical area, while we left out the Mental aspects. Furthermore, in sport performance, not all parameters are measurable. Some are only observable: as motor abilities, which are strongly characterized by the Conditional and Coordinative Capabilities and that in turn interact with the sport technique. In this case the “measurement” is replaced by the “evaluation”. -Where "measurement" means: “assign a numeric value to greatness”. It's an quantitative and reproducible operation. (Sometimes we can use qualitative measures). -"Evaluate" means: “to interpret and judge the greatness” examined through not strict benchmarks in different situations. It can have meaning both quantitative and qualitative. Of all the sports discipline, our interest is directed towards the sports situation. The dynamics of which don’t make always easy to carry out measurements or an experimental set up. Among this type of sport, we chose the combat sports, especially the judo. Judo is a struggle sports where the contact between the athletes, the friction and impact derived therefrom and the moisture linked to sweating, introduce a lot of problems in wearing the measuring devices. Inertial Sensors, specifically designed and developed, have allowed a drastic reduction of the criticality of the application in an unconventional experimental environment as the “tatami” (mat which hosts judo workouts). Depending on our needs and to identify the data of interest to us, we have developed two different methodologies: the first one is composed of two complementary mathematical criteria, a Boolean Matrix and a Fuzzy Matrix. Through this mathematical approach have been managed the data collected both in the Physical-Athletic area that in the Technical-Tactical area. In this way has been possible to compare among them data that originate from different approaches. In fact, the motor area was quantitatively evaluated with a series of motory tests and formal games, while the tests carried out in the technical area were measured using the inertial sensors. The second methodology applied, uses the same data collected with the inertial sensors and processed with the matrices system. But it uses the accelerations and the angular velocities, recorded during the execution of judo techniques, such as basis to derive the descriptive indices of the motory performance expressed in the technical. Even two ways have been used in this case: in the first one the standard deviations average of the accelerations and angular velocities of the various technical trials have been correlated respectively to the conditional capabilities (strength expressions) and to the coordination capabilities. The standard deviation is the root mean square value of a data set: it’s a dispersion index and therefore a variability estimate of the data group to which it refers. Hence the idea and the choice to use it as descriptive index. The second way instead, follows the method of trend lines. The trends of the accelerations and the angular velocity of each technique trial, have been related to weight and height of the athletes who have sustained them. Obtained the slope of the interpolation lines we found the point of intersection of the values on the linear regression line. At the value of the data obtained by the athlete, directly detected in the test, we subtracted the value specified on the trend line obtaining an index, positive or negative, that allows us to describe the technical relationship with the strenght expressions and the coordination. The descriptive indexes were chosen based on the following reasoning: the acceleration is directly connected to the force in according to the 2nd Law of Dynamics and the angular velocity is constrained to the coordination in function of the relationship between speed and rapidity. Where the movement speed is the resultant of the sum of the rapidity expressed by the single joint segments that contribute to the movement itself. The data processed according to this mode, are again comparable to those obtained through the mathematical approach with the matrices, despite the absence of certain analytical aspects. The two methods used in the data processing, that of the matrices and that of the descriptive indexes, originate from opposite concepts. The first one, start with a qualitative assessment, necessary to define the membership functions to build the two matrices models and arrive at a quantitative definition of motor aspects expressed in physical and technical tests. The second one, start directly from a quantitative measure (the accelerations and angular velocity) and arrive at qualitatively define, through the descriptors indices, the motory characteristics expressed in the technical tests. As result the two methodologies complement each other. So, we got to have common data that are easy to use and understand. This will make easier their use by the experts, coaches and athletes, who will able to use them to performance monitoring in time.

L’obiettivo del nostro studio è progettare uno strumento e un sistema adatto a misurare e/o valutare quegli sport che si svolgono in situazioni difficili da standardizzare. Le macro aree che caratterizzano a livello generale la prestazione in ambito sportivo, sono: area Fisico-Atletica (aspetto motorio, condizione fisica), area Tecnico –Tattica (aspetto tecnico), area Psico-Caratteriale (aspetto mentale). Abitualmente, ognuna di queste aree viene misurata o valutata con metodiche differenti e da origine a serie di dati indipendenti. I dati così ottenuti, sono difficilmente comparabili tra loro, mentre i risultati sportivi sono la sintesi del lavoro che gli atleti svolgono nelle tre aree. (Del lavoro che gli atleti compiono all’interno di ogni area). Da qui la necessità di trovare un sistema di misura comune per collegare tra loro le differenti aree che determinano la prestazione sportiva. Quindi, la prima parte del nostro lavoro è stata trovare un sistema, che attraverso l’uso di strumenti idonei, ci permettesse di raccogliere dei dati comuni nelle diverse aree che caratterizzano la performance sportiva. La nostra attenzione si è focalizzata sulle aree legate al movimento: area Fisico-Atletica e Tecnico –Tattica, mentre abbiamo tralasciato gli aspetti Mentali. Inoltre, nella prestazione sportiva, non tutti i parametri sono misurabili. Alcuni sono solamente osservabili: esempio le abilità motorie, che sono caratterizzate fortemente dalle cap. condizionali e coordinative e che a loro volta interagiscono con la tecnica sportiva. In questo caso la misurazione è sostituita dalla valutazione. Dove “misurazione” significa: Attribuire un valore numerico ad una grandezza. E’ un’operazione quantitativa e riproducibile. (Talvolta ci si può avvalere di misure qualitative). “Valutare” significa: interpretare e giudicare la grandezza esaminata attraverso parametri di riferimento non rigorosi in differenti situazioni. Può avere significato sia quantitativo che qualitativo. In ambito sportivo, il nostro interesse si è rivolto verso gli sport di situazione, le cui dinamiche non sempre rendono agevole lo svolgimento di misurazioni o rilevazioni sperimentali. Tra questa tipologia di sport abbiamo scelto le discipline di combattimento, in particolare il judo. Il judo è uno sport di lotta dove il contatto tra gli atleti, con le collisioni e le frizioni che ne derivano, insieme all’umidità causata dalla sudorazione, crea rilevanti problemi per la strumentazione degli atleti. Dei sensori inerziali, specificatamente strutturati e adattati, hanno permesso di ridurre drasticamente le criticità di una realtà sperimentale non convenzionale come il “tatami” (materassina dove si svolgono gli allenamenti di judo). In funzione delle nostre esigenze e per identificare i dati di nostro interesse, abbiamo sviluppato due differenti metodologie: la prima è composta da due criteri matematici complementari, una matrice booleana e una matrice fuzzy. Attraverso quest’approccio matematico sono stati gestiti sia i dati raccolti nell’area Fisico-Atletica che in quella Tecnico-Tattica. In questo modo è stato possibile comparare tra loro dati che provenivano da approcci diversi. Infatti, l’area Motoria è stata valutata quantitativamente con una serie di test e giochi motori, mentre le prove effettuate nell’area Tecnica sono state misurate usando i sensori inerziali. La seconda metodologia impiegata, adopera i medesimi dati raccolti con i sensori inerziali e trattati con il sistema a matrici. Ma utilizza le accelerazioni e le velocità angolari, registrate durante l’esecuzione delle tecniche di judo, come base per ricavare degli indici descrittivi della performance motoria espressa durante l’esecuzione della tecnica. Anche in questo caso sono state percorse due strade: nella prima la media delle deviazioni standard delle accelerazioni e velocità angolari delle varie prove tecniche sono state correlate rispettivamente alle capacità condizionali (espressioni di forza) e alle capacità coordinative. La deviazione standard rappresenta lo scarto quadratico medio di un insieme di dati: è un indice di dispersione e quindi una stima della variabilità del gruppo di dati a cui si riferisce. Da qui l’idea e la scelta di utilizzarle come indice descrittivo. La seconda strada percorsa segue invece il metodo delle linee di tendenza. I trend delle accelerazioni e delle velocità angolari di ciascuna prova tecnica, sono stati collegati al peso e alla statura dell’atleta che l’ha sostenuta. Ottenuta la pendenza delle linee d’interpolazione abbiamo trovato il punto d’intersezione dei valori sulla retta lineare. Al valore del dato ottenuto dall’atleta, rilevato direttamente nella prova, abbiamo sottratto il dato riportato sulla linea di tendenza, ricavando un indice, positivo o negativo, che ci permette di descrivere il rapporto della tecnica con le espressioni di forza e la coordinazione generale. Gli indici descrittivi sono stati scelti in funzione del seguente ragionamento: l’accelerazione è legata direttamente alla forza in base alla 2° Legge della Dinamica e la velocità angolare è vincolata alla coordinazione in funzione della relazione tra velocità e rapidità. Dove la velocità di un movimento è la risultante della somma delle rapidità espresse dai singoli segmenti articolari che concorrono al movimento stesso. I dati trattati secondo questa modalità, sono nuovamente comparabili a quelli ottenuti attraverso l’approccio matematico a matrici, pur mancando di alcuni aspetti analitici. Le due metodologie usate nel trattamento dei dati ricavati delle prove, quella della matrici e quella degli indici descrittivi, prendono origine da concetti opposti. La prima, parte da una valutazione qualitativa, necessaria per la definizione delle funzioni di appartenenza, per costruire il modello delle due matrici e arriva ad una definizione quantitativa degli aspetti motori espressi nelle prove fisiche e tecniche. La seconda, parte direttamente da una misura quantitativa (le accelerazioni e velocità angolari) e arriva a definire qualitativamente, attraverso gli indici descrittori, le caratteristiche motorie espresse nelle prove tecniche. Di conseguenza le due metodologie si completano a vicenda. In questo modo, con entrambe le metodologie proposte, siamo arrivati ad avere dei dati comuni che sono di facile utilizzo e comprensione. Questo renderà più semplice il loro utilizzo da parte degli addetti ai lavori, allenatori e atleti, che li potranno utilizzare come controllo della prestazione nel tempo.