Kos / Umek | Biomechanical Biofeedback Systems and Applications | E-Book | www.sack.de
E-Book

E-Book, Englisch, 192 Seiten

Reihe: Human-Computer Interaction Series

Kos / Umek Biomechanical Biofeedback Systems and Applications


1. Auflage 2018
ISBN: 978-3-319-91349-0
Verlag: Springer International Publishing
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Englisch, 192 Seiten

Reihe: Human-Computer Interaction Series

ISBN: 978-3-319-91349-0
Verlag: Springer International Publishing
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark



This book deals with the topic of biomechanical biofeedback systems and applications that are primarily aimed at motor learning in sports and rehabilitation. It gives a comprehensive tutorial of the concepts, architectures, operation, and exemplary applications of biomechanical biofeedback systems. A special section is dedicated to various constraints in designing biomechanical biofeedback systems. The book also describes the technologies needed for the adequate operation of biofeedback systems, such as motion tracking, communication, processing, and sensor technologies. In regard to technologies, the emphasis is on the assurance of the requirements of the real-time system operation. The application focus is on the usage in sport and rehabilitation, particularly in the field of accelerated motor learning and injury prevention. We include several examples of operational (real-time) biofeedback applications in golf, skiing, and swimming. The book is in the first place intended for the professional audience, researchers, and scientists in the fields connected to the topics of this book.

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Weitere Infos & Material


1;Preface;6
2;Acknowledgements;8
3;Contents;9
4;1 Introduction;13
4.1;1.1 Benefits to the Society and Individuals;14
4.1.1;1.1.1 Quality of Life;14
4.1.2;1.1.2 Health—Rehabilitation and Injury Prevention;15
4.1.3;1.1.3 Physical Well-Being—Sport and Recreation;16
4.2;1.2 Sport and Rehabilitation;17
4.2.1;1.2.1 Advantages of Biofeedback;17
4.2.2;1.2.2 Biofeedback Requirements and Success Conditions;17
4.2.3;1.2.3 Motor Learning;19
4.3;1.3 Elements of Biofeedback System;19
4.3.1;1.3.1 Sensing;20
4.3.2;1.3.2 Processing;20
4.3.3;1.3.3 Feedback;21
4.3.4;1.3.4 System Example;22
4.4;1.4 Technology;22
4.4.1;1.4.1 Quantification;23
4.4.2;1.4.2 Sensors;23
4.4.3;1.4.3 Devices;25
4.4.4;1.4.4 Communication;28
4.5;1.5 Vision;31
4.6;References;33
5;2 Biomechanical Biofeedback;37
5.1;2.1 Biofeedback;37
5.1.1;2.1.1 Definition;37
5.1.2;2.1.2 Categorization;38
5.2;2.2 Biofeedback Use;39
5.3;2.3 Operation of the Biofeedback Loop;40
5.3.1;2.3.1 Biofeedback Success Conditions;40
5.3.2;2.3.2 Sensing;40
5.3.3;2.3.3 Feedback Categories;41
5.3.4;2.3.4 Feedback Modalities;43
5.3.5;2.3.5 Feedback Timing;43
5.4;2.4 Example—Motor Learning with Augmented Feedback;44
5.4.1;2.4.1 Motor Learning Basics;44
5.4.2;2.4.2 Biomechanical Biofeedback with Augmented Feedback;46
5.5;2.5 Benefits and the Need for Augmented Biofeedback;48
5.6;Note;49
5.7;References;49
6;3 Biofeedback System;51
6.1;3.1 Background;51
6.2;3.2 Architecture;53
6.3;3.3 System Elements;54
6.3.1;3.3.1 Sensor(s);54
6.3.2;3.3.2 Processing Device;55
6.3.3;3.3.3 Feedback Device (Actuator);55
6.3.4;3.3.4 Users and Communication Channels;55
6.3.5;3.3.5 Optional Elements;56
6.4;3.4 System Operation;56
6.4.1;3.4.1 Operation Modes;57
6.4.2;3.4.2 Timing;57
6.5;References;58
7;4 Biofeedback System Architectures;60
7.1;4.1 Implementation Diversity;60
7.2;4.2 Constraints;60
7.2.1;4.2.1 Space Constraint;61
7.2.2;4.2.2 Time Constraint;61
7.2.3;4.2.3 Computation Constraint;61
7.2.4;4.2.4 Other Constraints;62
7.3;4.3 Properties;63
7.3.1;4.3.1 Structure;63
7.3.2;4.3.2 Functionality;63
7.3.3;4.3.3 Physical Extent;64
7.4;4.4 Architectures;64
7.4.1;4.4.1 User Architecture;64
7.4.2;4.4.2 Instructor Architecture;65
7.4.3;4.4.3 Cloud Architecture;66
7.5;4.5 Classification and Comparison;67
7.5.1;4.5.1 User Architecture;68
7.5.2;4.5.2 Instructor Architecture;69
7.5.3;4.5.3 Cloud Architecture;69
7.6;References;70
8;5 Biofeedback Systems in Sport and Rehabilitation;71
8.1;5.1 Background;71
8.2;5.2 Sensing;72
8.2.1;5.2.1 Optical Motion Capture Systems;72
8.2.2;5.2.2 Inertial Sensor Motion Capture Systems;73
8.2.3;5.2.3 Sensor Properties and Limitations;74
8.3;5.3 Processing;78
8.3.1;5.3.1 System Implementations;78
8.3.2;5.3.2 Motion Signal Processing;79
8.4;5.4 Communication;81
8.4.1;5.4.1 Transmission Delay;81
8.4.2;5.4.2 Communication Technologies;81
8.5;5.5 Feedback;82
8.5.1;5.5.1 Biofeedback Loop Delays;83
8.6;5.6 Real-Time Systems;86
8.6.1;5.6.1 Processing;86
8.6.2;5.6.2 Communication;87
8.7;References;88
9;6 Performance Limitations of Biofeedback System Technologies;90
9.1;6.1 Selected Technologies;90
9.2;6.2 Requirements of Biofeedback Applications;91
9.3;6.3 Inertial Sensor Properties;91
9.3.1;6.3.1 Accelerometer and Gyroscope Biases;93
9.3.2;6.3.2 Constant Bias Errors;93
9.3.3;6.3.3 Bias Variation;95
9.3.4;6.3.4 Noise Measurement Methodology;96
9.3.5;6.3.5 Bias Measurement Error;99
9.3.6;6.3.6 Influence of the Sensor White Noise on the Derived Parameters;100
9.3.7;6.3.7 Bias Compensation Options;102
9.4;6.4 Smartphone Inertial Sensor Performance Comparison;104
9.4.1;6.4.1 Measurement Results;105
9.4.2;6.4.2 Long Term Bias Variation;106
9.5;6.5 Motion Acquisition with Inertial Sensors;108
9.5.1;6.5.1 Experimental Design;109
9.5.2;6.5.2 System Comparison and Validation;112
9.6;6.6 Processing and Communication;114
9.6.1;6.6.1 Signal and Data Processing;116
9.6.2;6.6.2 Communication Demands of Sensors and Actuators;118
9.6.3;6.6.3 Communication Technologies;119
9.7;References;123
10;7 Applications;126
10.1;7.1 Application Variety;126
10.1.1;7.1.1 Properties and Requirements;126
10.1.2;7.1.2 Typical Application Scenarios;127
10.2;7.2 Application Examples;128
10.3;7.3 Golf Swing Trainer Application;129
10.3.1;7.3.1 Objective and Functionality;129
10.3.2;7.3.2 System Architecture and Setup;130
10.3.3;7.3.3 Results;134
10.3.4;7.3.4 Discussion;135
10.4;7.4 Smart Golf Club Application;136
10.4.1;7.4.1 Objectives and Functionality;136
10.4.2;7.4.2 Background;137
10.4.3;7.4.3 System Architecture and Setup;138
10.4.4;7.4.4 Application Testing;143
10.4.5;7.4.5 Results;145
10.4.6;7.4.6 Future Development;151
10.5;7.5 Smart Ski Application;152
10.5.1;7.5.1 Objectives and Functionality;152
10.5.2;7.5.2 Background;153
10.5.3;7.5.3 System Architecture and Setup;154
10.5.4;7.5.4 Application Tests;158
10.5.5;7.5.5 User Interfaces;160
10.5.6;7.5.6 Results;161
10.5.7;7.5.7 Future Development;165
10.6;7.6 Water Sports;165
10.6.1;7.6.1 Objectives and Functionality;165
10.6.2;7.6.2 Background;166
10.6.3;7.6.3 System Architecture and Setup;167
10.6.4;7.6.4 Results;170
10.6.5;7.6.5 Future Development;176
10.7;7.7 Swimming Rehabilitation Application;176
10.7.1;7.7.1 Objectives and Functionality;177
10.7.2;7.7.2 Background;177
10.7.3;7.7.3 System Architecture and Setup;179
10.7.4;7.7.4 Results;182
10.7.5;7.7.5 Future Development;186
10.8;References;186
11;Index;190



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