Instrumentation of a gym barbell to track kinematics during training

Thanks to the success of biomechanical studies in orthopaedic applications, biomechanics are being applied not only for a purely medical aim, but also to study physical performances of any specimen. As a result, a growing number of sports are starting to consider the importance of biomechanics in order to optimize the athletes' performances. Powerlifting doesn't differ from other sports on that, and the importance of having a precise knowledge of how the training is going is proven by the ever-presence of a personal trainer, monitoring every movement of the athlete and correcting whatever is possible. The aim of this project is to develop a system able to acquire the kinematic data of a barbell in real time, during the execution of barbell back squat, deadlift and bench press. This device could both help the athlete check the quality of his/her training, and give the trainer an additional tool to monitor the athlete performances in a quantifiable way. At first, the components were evaluated to obtain a cheap and light Inertial Measurement Unit (IMU) sensor based system; then an algorithm for the determination of displacement of the barbell from its accelerations and angular velocities was developed. To conclude, tests, both in laboratory and in the gym, were performed. Due to high noise in the acceleration signals obtained during exercises, such a system was not possible to determine vertical displacement, due to the drift phenomenon. In order to limit the drift, an altimeter had to be included. With the addition of a pressure sensor, used as an altimeter, and state of the art accelerometer and gyroscope, the device showed good results in the vertical displacements as well. The accuracy of the measurements was validated through a comparison with measurements from an optoelectronic system. Further studies should be carried out to make the use of the device accessible to trainers and athletes, through the development of a user-friendly interface for either smartphones or computers.

Grazie al successo degli studi biomeccanici in applicazioni ortopediche, la biomeccanica viene ora applicata non solo con scopo puramente medico, bensì anche nello studio delle prestazioni fisiche dell'uomo. Conseguentemente, in un numero sempre maggiore di sport si sta valutando l'importanza di studi di biomeccanica al fine di ottimizzare le prestazioni degli atleti. In questo il powerlifting non fa eccezione, e l'importanza di avere in ogni momento una conoscenza precisa della qualità dell'allenamento è dimostrata dalla presenza costante di un personal trainer durante ogni allenamento, che monitori ogni movimento dell'atleta, correggendolo ovunque sia possibile. L'obiettivo di questo progetto è lo sviluppo di un sistema portatile in grado di acquisire in real time dati relativi alla cinematica di un bilanciere durante l'esecuzione di tre dei principali esercizi di powerlifting: lo squat, lo stacco e la panca piana. Il dispositivo dovrebbe essere in grado di fornire all'atleta un feedback sulla qualità del proprio allenamento, e all'allenatore un mezzo addizionale che gli consenta di monitorare quantitativamente la prestazione dell'atleta. Inizialmente, si è costruito un prototipo basato su componenti economiche e leggere, con un Unità di Misure Inerziali (IMU) come sensore; si è quindi sviluppato un algoritmo per la determinazione degli spostamenti partendo dalle misure di accelerazioni e velocità angolari; infine, sono stati effettuati test in laboratorio e in palestra per valutare la funzionalità del dispositivo. A causa di rumori nelle accelerazioni, e dell'impossibilità di rimuovere il drift durante l'esercizio, un simile sistema non è sufficiente per determinare spostamenti verticali, a causa di drift nei risultati. Per eliminare il problema del drift, si è incluso nel dispositivo un altimetro. Un secondo prototipo, che usa accelerometri e giroscopi a bassa potenza e che include un sensore di pressione, qui usato come altimetro, mostra risultati discreti nel calcolo dello spostamento verticale, e nessun segno di drift. La precisione delle misurazioni è stata validata tramite confronto con misure da un sistema optoelettronico. Un ulteriore passo per la realizzazione di un dispositivo commercialmente valido basato su quello qui sviluppato è lo sviluppo di una piattaforma user-friendly per computer o smartphone tramite cui interagire con il dispositivo, in modo da renderne l'uso accessibile a atleti ed allenatori.