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Biomechanische Messmethoden
• UE1
• 2 ECTS Punkte – Die Abkürzung ECTS steht für European
Credit Transfer System – Ein ECTS-AP steht dabei für einen
Arbeitsumfang von 25 Stunden 50 Stunden– 50 – 13 (Vorlesung) = 37 Stunden
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Biomechanische MessmethodenLernergebnis:Die Studierenden sind in der Lage biomechanische Untersuchungsmethoden
zur Erfassung kinematischer und kinetische Messgrößen im Sport
anzuwenden. Sie können biomechanische Analysen von Messdaten in Bezug
auf Leistung und Verletzung durchführen und den Zusammenhang zwischen
Kinematik und Dynamik bei einfachen sportlichen Bewegungen mit
biomechanischen Modellen untersuchen.
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Biomechanische MessmethodenInhalt:
Anwendung biomechanischer Untersuchungsmethoden zur Erfassung
kinematischer und kinetische Messgrößen im Sport. Erweiterte Kenntnisse
der Messdatenerfassung und Messdatenauswertung. Anwendung von
kinematischen, kinetischen und optischen Messsystemen bei sportlichen
Bewegungen.
Methoden:
Vortrag und Diskussion der theoretischen Inhalte zur Messdatenerfassung und
Messdatenauswertung. Einüben und Vertiefen der Inhalte anhand
ausgewählter praktischer Übungen im Labor. Erstellen von mündlichen und
schriftlichen Beiträgen.
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• Gelenksmomente bei Kniebeugen• Leistungsbestimmung• Serien- und Reihenbilderstellung • Kinematische Analyse: Armzug Kraul, Kniebeuge und
Laufschritt• …..
Aufgaben:
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Organisation:
• 8.00 – 8:30 1. halbe Gruppe: Präsentation der Ergebnisse
• 8:30 – 9:30 Gesamte Gruppe: Einschulung in die biomechanischen Messmethoden
• 9.30 – 10:00 2. halbe Gruppe: Präsentation der Ergebnisse
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Verwendete Messgeräte:• Kameras• Beschleunigungsmesser mit Datenlogger• Lukotronic (Übung Biomechanik)• Kistler Kraftmessplatte (Übung Biomechanik)• Medilogic Druckmesssohlen• …
• Achtung! Messgeräte immer rechtzeitig reservieren – Reservierungsprogramm Labor
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Überprüfung des Grundlagenwissens
Nächste Woche schriftlicher Test!
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Exkurs Kraft, Gelenksmomente, Arbeit und Leistung
Siehe: http://sport1.uibk.ac.at/lehre/kurt/Trainer/
- Trainerbiomechanik 2016.pptx- Grundlagen1.xlsx
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Aufgaben:• Grundlagen1.xls Fragen vom Registerblatt
„Kniebeuge“ und „Leistung“ beantworten. (Antworten ausgedruckt mitbringen)
• HD Videos von 2 Kniebeugen mit unterschiedlichem Oberkörperwinkel aufnehmen. (Kamera muss sich auf Stativ befinden; Abstand sollte mindestens 7m betragen). Ein Maßstab sollte ersichtlich sein.
• Lernen für die Überprüfung des Grundlagenwissens
• Bilder exportieren (Mit dem Programm Kinovea) (ca. 8 Bilder für eine Kniebeuge)
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Programm zur statischen Analyse der Gelenksmomente
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Aufgabe bis zur nächsten Einheit:
• Gelenksmomente bei Kniebeuge: Vergleich der 2 Kniebeugen mit kurzem Kommentar erstellen
• HD Videosequenz einer sportlichen Bewegung von sich selbst aufnehmen (Kamera muss auf Stativ stehen)
• Reihenbild erzeugen
• Einen Vergleich der Bewegung mit einem Technikleitbild unter besonderer Berücksichtigung der Knotenpunkten erstellen (Beispiel nächste Folie)
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Beispiel: Andi• Knotenpunkt 1:
• Knotenpunkt 2:
• Knotenpunkt 3:
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Higshpeed Video in Bilder umwandeln
Langsamer abspielen
Schneller abspielen
Bilder einzeln vorgehen
Bild abspeichern Zur nächsten Videodatei
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Higshpeed Video in Bilder umwandeln
Eine Möglichkeit:Mit Kinovea die Datei mit dem Icon „Speichere Video“ als *.avi abspeichern
Mit VirtualDub *.avi File öffnen und unter File/Export/Image sequence (.jpg / 3 / JPEG Qualität 100%) die Bilder abspeichern
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Bewegungsanalyse - 2DBsp.: Kraularmzug
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Bewegungsanalyse: Allg. Fragen
• Ist die Auswertung wesentlich von der digitalisierenden Person abhängig?
• Unterscheidet sich die Auswertung bei mehreren Versuchen einer Person?
• Unterscheidet sich die Auswertung zwischen linker und rechter Seite bei einer Person?
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Daten für die Bewegungsanalyse• 3 mal 1 Person von der linken und rechten Seite im „high
definition Modus“ aufnehmen. Achtung Kamera darf sich während der Aufnahme nicht bewegen.
• Wiederholungs- und Digitalisiergenauigkeit dokumentieren (mehrere Verläufe in Excel in ein Diagramm einfügen)
• Armzug mit Hilfe der Diagramme analysieren
• Powerpoint ca. 5 Minuten
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Digitalisieren
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Digitalisieren: AuswertungIn der *.kox Datei sind in den Spalten die X- und Y-
Koordinaten der digitalisierten Punkte als Pixelwerte abgespeichert.
Punkt 1 Punkt 2 Punkt 3
Bildnr. X Y X Y X Y
1 39 170 89 166 190 123
2 45 168 94 162 186 123
3 51 164 101 158 181 123
4 62 159 107 155 176 123
5 71 152 113 152 172 124
6 81 147 120 148 168 124
X-Werte
Y-Werte
0/0
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Digitalisieren: Auswertung
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Digitalisieren: Auswertung
Digitalisieren: Finger Handgelenk Ellbogen Schulter
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Schwimmen: Besonderheiten Schwimmbad
Lichtverhältnisse: Bei Sonnenschein reflektieren die Luftblasen das Sonnenlicht und dadurch ist die Hand kaum sichtbar
Es können in der Bademeisterkabine die Unterwasserscheinwerfer eingeschaltet werden (nur die Nordseite einschalten)
Die beste Position für die Aufnahme ist meistens das zweite Unterwasserfenster (vom Startblock aus gesehen)
Die mittlere Türe kann mit dem Schwimmbadschlüssel (Nr. 9) vom Portier aufgesperrt werden
Vor der Aufnahme das Licht bei den Unterwasserfenstern ausschalten (Schalter ist bei der mittleren Eingangstür)
Auf Bahn 4 schwimmen (Vorsicht, es sollte niemand auf Bahn 5 und 6 schwimmen)
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Schwimmen: Skizze Aufnahme
6
4
5
BodenmarkierungStange zur Berechnung des MaßstabesUnterwasser Sichtfenster Aufnahmebeginn Aufnahmeende
Linker Arm rechter Arm
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Schwimmen: Maßstab ermitteln
Mit dem Programm DigiSchwimmen erstes Bild der Aufnahme vom Stab laden
Mit dem Cursor zum Punkt 1 und 2 fahren und jeweils die horizontalen und vertikalen Pixelwerte (stehen unter dem Bild) ablesen.
Der Maßstab berechnet sich aus:
√(x2 – x1)² + (y2 – y1)² x1 …Pixelwert horizontal Punkt 1
M = ---------------------------- y1 …Pixelwert vetikal Punkt 1
l l…...Länge Stab
Abbildung 1: schematische Darstellung einer Aufnahme mit StabBeispiel: Punkt 1: (200,80) Punkt 2: (800, 70) Länge Stab: 2 m Ergibt sich für M: 300,04
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Schwimmen: Anforderungen an Armbewegung
Vorspannung der Antriebsmuskulatur (hoher Ellbogen)
Zugphase möglichst großer Antrieb in Schwimmrichtung günstige Hebelverhältnisse für die Antriebsmuskulatur-------------------------- kein Druckabfall zwischen Zug- und Druckphase--------------------------
Druckphase möglichst großer Antrieb in Schwimmrichtung günstige Hebelverhältnisse für die Antriebsmuskulatur
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Schwimmen: PhaseneinteilungBeginn Zugphase: Handgeschwindigkeit horizontal größer
Null
Übergang Zug- zu Druckphase: Handgelenk hat gleiche horizontale Position wie Schulter
Ende Druckphase: Geschwindigkeit der Hand kleiner Null
Zuglänge: Horizontale Weglänge während der Zugphase
Drucklänge: ........
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Schwimmen: Aufgaben• Möglichkeiten zur Aufnahme:
– Montag 15.30 bis 17.45 (2 Kameras) oder evtl. SchwimmerInnen vom Schwimmtraining 3 von 18.00 bis 18.30
– Dienstag 13.00 – 15.15 (allerdings ist von 13.00 – 14.30 freies Schwimmen)
– eigene Schwimmer organisieren
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Messung allgemein Aufnahmesoftware (AS202) starten Koordinatensystem von Lukotronic definieren Nullabgleich Kraftmessplatte (am Verstärker ca. 1
mal pro Stunde) Messung (Datenaufnahme) Daten speichern Daten mit dem Programm „Gelenksmomente“
betrachten
Gelenksmomente:
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Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit
- AS202 Icon (Desktop) starten (Aufnahmesoftware)- „Strg + F1“ drücken es werden alle Blätter angezeigt
Übung Biomechanik
und Kniebeuge 1wählen
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- Initialisieren vom Luko Messbalken- Frequenz: 50 Hz für Luko und 1000 Hz für
analoge Daten wählen (Registerblatt System)
Koordinatensystem von Lukotronic definierenMarker auf die Kistler Platte kleben, wie sie auf der Kistler Platte beschrieben sind)
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AS202 – Bedienungsanleitung
1. Blatt – Software2. Blatt - Coordinate System 3. Blatt - AutomaticDirection B-18, Origin-19, Direction A-20
4. Define Coordinate System(Messung ist aktiv und Marker müssen weiss leuchten, gelbe Punkte müssen im rechten Fenster sichtbar sein!!!)
5. Save Coordinate Trafo
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Versuchsanordnung
Kistler Kraftmessplatte
LukotronicAS202
M 17
M 18
M 19
M 20M 21
Norden
Luko-Funkbox
USB-Kabel zu PC
evtl. Hantlstange
Direction A
Direction B
Origin
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AS202 – BedienungsanleitungMarker 17 bis 21 bei Proband anbringen (siehe Versuchsanordnung)
Blatt Run wählen und zur Aufnahme runden Punkt
drückenKraftverlauf der einzelnen Kraftsensoren(Verstärker muss eingeschaltet sein)
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Lukotronic – Bedienungsanleitung
Messung: – Messung starten– Nullabgleich (mindestens 3s) – auf die Kistler Platte steigen – Kniebeugen ausführen – Messung stoppen– Daten speichern
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AS202 – Bedienungsanleitung
Daten speichern
2. Filename eingeben 3. speichern
1. Verzeichnis wählen
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1. Datei wählen2. ProgrammStart
Gelenksmomente Icon (Desktop) starten
Daten betrachten
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Vorgangsweise Lukomessung:
Bei Kalibrierung überprüfen ob Marker funktionierenFalls nicht:- wurden richtige Marker im Programm gewählt- zweite Funkbox probieren- andere Markerkette probieren (Vorsicht – nicht fest anschrauben)- Computer neu starten - Kurt oder Daniel (06767891891) anrufen
Achtung! Niemals Markerkette und Ladegerät gleichzeitig an Box anschließen!!!!Nach der Messung Funkbox aufladen – dafür das Netzteil kurz vom Netz trennen
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Gelenksmomente: Aufgaben
• Genauigkeit Synchronisation bei 60 s Messungen • Genauigkeit Kraftangriffspunkt und -richtung
- an unterschiedlichen Positionen bei der Kraftmessplatte- bei nieder- und hochfrequenten Kräften
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Beschleunigung
3d-Beschleunigungsmesser (BM)Sensor ADXL321Messbereich +/- 2, 4 und 6gMessfrequenz 400 Hz10bit Analog Digital Konverter
Koordinatensystem
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Beschleunigung: Messablauf
Konfiguration des Messprotokolls (Logcon.txt)
BM Kalibrieren BM am Messobjekt anbringen
Messung starten (Einschalten des BM)
Messung beenden (Ausschalten des BM)
Messdaten auf PC übertragen
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MODE = 2ASCII = NBaud = 8Frequency = 400.....gesamt max. 1450Hz (= Anzahl Kanäle * Frequenz)Trigger Character = $Text Frame = 100AD1.5 = Y .....querAD1.4 = Y .....längsAD1.3 = Y .....normal AD0.3 = NAD0.2 = NAD0.1 = NAD1.7 = NAD1.6 = NSaftey On = Y
Konfiguration der BM
Der Datenlogger hat 8 analoge Eingänge, wobei beim BM nur drei verwendet werden.
LOGCON.TXT - Datei
Anderes Gerät:
AD1.3 = Y .....quer-6gAD0.3 = NAD0.2 = NAD0.1 = NAD1.2 = Y .....längs-6gAD0.4 = N .....quer-18gAD1.7 = N .....vertikal-18gAD1.6 = Y .....vertikal-6g
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Beschleunigung
Achtung Logcon.txt nicht vom PC auf den BM kopieren, da diese Datei dann nicht erkannt wird.Sollten mehrere Dateien wie Recyler usw. auf der SD Karte sein, unbedingt formatieren.
Vorgangsweise falls LOGCON.TXT Datei gelöscht wurde
• Karte formatieren mit FAT (nicht Fat32)
• Beschleunigungsmessgerät einschalten (BM schreibt Logcon.txt Datei auf die Karte)
• Logcon.txt Datei abändern und abspeichern
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Beschleunigung: Kalibrierung
BM einschalten
BM auf den Tisch legen damit die X-Achse vertikal nach unten ausgerichtet ist. 5 Sekunden warten. Vorgang mit X-Achse nach oben wiederholen.
Vorgang für Y- und Z-Achse wiederholen
BM ausschalten
Messdaten (SD Karte) auf den PC kopieren
Programm BM_2012.exe starten
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BM 2012.exe
Verstärkung und Nullabgleich derart einstellen, damit die Beschleunigungswerte beim Kalibrierungsfile +/- 9.81 m/s² ergeben.
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Allgemeines zur Beschleunigungsmessung
Das Koordinatensystem des BM ist auf das Gehäuse bezogen. Bei Anbringung an einen beweglichen Teil, wie z.B. den Fuß verändert sich das Koordinatensystem zu einem fixen Koordinatensystem im Raum. Dadurch wirkt die Erdbeschleunigung unterschiedlich auf die einzelnen Kanäle.
Um von der Beschleunigung auf die wirkende Kraft zu rechnen, wird die exakte Masse benötigt. So kann z.B. mit der Beschleunigung am Fuß nicht die Bodenkontaktkraft berechnet werden.
Bei Rotationsbewegungen wie z.B. bei einem Golfschlag können die Zentrifugalbeschleunigen sehr groß werden.a = v²/r …(20m/s)^2 / 1,5m = 266m/s² = 26,6g
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Allgemeines zu Beschleunigungsmessungen
Mit BM können Beschleunigungen mit minimalem Aufwand erhoben werden. Die Rückrechnung auf Kräfte ist meist nur bei Fixkörpern möglich. Die Rückrechnung auf die Geschwindigkeit ist meist stark fehlerbehaftet.
Für Frequenzanalysen bis zur Hälfte der Messfrequenz ist der BM gut geeignet.
Aufgabe: Mit dem BM Messungen mit hoher Reliabilität durchführen und
eine kurze Analyse in Powerpoint erstellen.
Zielsetzung für eine Beschleunigungsmessung schreiben.
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Druckmesssohlensystem Medilogic
Anleitung zur Messung• Laptop 13 (Labor) Programm Medilogic starten• Sohlen noch nicht anstecken und Datenlogger mit drücken auf
den schwarzen Knopf einschalten• Unter „Datenpflege“ „Datalogger“ „Funksender“ wählen• „Konfiguration auf Datenlogger schreiben“ anklicken• Sohlen nach Farben (blau zu blau, rot zu rot) anstecken• Messung starten mit rotem und beenden mit schwarzem Taster• Daten speichern unter "Daten“ „Daten speichern"• Daten exportieren unter „Daten“ „Export“ „Export Messdaten
in CSV Datei“
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Druckmesssohlensystem Medilogic
Anleitung zur Messung• Aufnahme der Messung mit der Casio Kamera mit 300 Hz• Mit dem Programm avisynth.exe Script Datei erzeugen (Ordner
wählen in dem sich die Videodateien befinden)• Virtual Dub die Script Datei „muster.avs“ öffnen• Video exportieren (unkomprimiert) mit 100 Hz („Video“ „Frame
rate“ „Process every third frame“• „File“ „Save as AVI…“• Programm „Medilogic_2013“ starten• Video mit Kraftdaten synchronisieren (Tasten F1…F5)• Video erzeugen
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Themen zur Auswahl
• Gelenksmomentbestimmung mit Luko und Kistler
• Positionsbestimmung Schlägerkopf Tennis mit Luko
• Beschleunigungsmessung
• Validierung Flugsimulationsprogramm
Bis zur nächsten Woche Einleitung und Methode ausarbeitenAbgabe Mittwoch 17.00 per mail
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Überprüfung des Grundlagenwissens
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Berechnung Körperschwerpunktm * yKSP = m1y1 + m2y2 + … + m14y14
m * xKSP = m1x1 + m2x2 + … m14x14
yKSP = 1/m * (m1y1 + … + m14y14)
yKSP = 1/m * (m1y1 + … + m14y14)
Für die Berechnung des KSP werden die Teilschwerpunktsverhältnisse und die Teilmassen der einzelnen Segmente benötigt.
Mit welchen experimentellen Möglichkeiten kann der KSP ermittelt werden?
Gelenksmomente Kniebeuge
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Berechnung KörperschwerpunktMasse und Lage der Teilschwerpunkte
Gelenksmomente Kniebeuge
Teilkörper
Anteil an Gesamtmasse
(%)
Lage TeilKSPMann Frauproximal (%)
Kopf und Nacken 8 55 55Oberkörper 47,4 44,8 41,5Oberarm 3,3 6,6 43,6 45,8Unterarm + Hand 2,55 5,1 46,8 46,8Oberschenkel 10,5 21 43,3 42,8Unterschenkel + Fuß 5,95 11,9 43,4 41,9
ADJUSTMENTS TO ZATSIORSKY-SELUYANOV’S SEGMENT INERTIA PARAMETERS, Paolo de Leva, J. Biomechanics 1996