Gliederung biomech. Messverfahren 2.1 Kinemetrie

2 Biomechanische Merkmale und
Untersuchungsmethoden im Sport
2.1 Kinemetrie
2.2 Dynamometrie
2.3 Biomechanische Anthropometrie
1
Gliederung biomech. Messverfahren
- nach Art der gemessenen Größe
DYNAMOMETRIE
KINEMETRIE
ANTHROPOMETRIE
EMG
- nach dem Messprinzip
MECHANISCH
ELEKTRONISCH
OPTISCH
2
2.1 Kinemetrie
2.1.2 Elektronische Verfahren
2.1.3 Optische Verfahren
3
Merkmal
Zeit
Symbol
Einheit
t
s
Frequenz
f
1/s, Hz
Ortsveränderung
s
m
Geschwindigkeit
v
m/s
r
r ds
= s&
v =
dt
a
m/s²
r
r dv
a=
= v& = &s&
dt
r
s
v=
∆t
Beschleunigung
r
∆v
a=
∆t
4
SPRINTER
5
s-t-Diagramm
120
100
s(m)
80
60
s(t)
40
20
t
s
(s) (m)
0
0
4
32
8
88
10
100
0
0
2
4
6
8
10
t(s)
6
v(m/s)
v-t-Diagramm
16
14
12
10
8
6
4
2
0
t
v
(s) (m/s)
v(t)
2
8
6
14
9
6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
t(s)
7
a-t-Diagramm
a(m/s2)
5
4
3
2
1
0
a(t)
t
a
(s) (m/s2)
1 4
4
-1
-2
1,5
7,5 -2,6
-3
0 1 2 3 4 5 6 7 8
t(s)
8
v-s-Diagramm von 100 m Läufern
(Ikai 1968) 9
Beinstreckkraft – Beschleunigungskraft
Korrelation:
Männer
r = 0.73
Frauen
r = 0.62
(Ikai 1968)
10
Fig. 4. (a) Anteroposterior component of the ground reaction force (FYmean, in N/kg)
Rabita et al., Sprint mechanics in world-class athletes: a new insight into the limits of human
locomotion, Scand J Med Sci Sports 2015: ••: ••–•• doi: 10.1111/sms.12389
Leistungsrelevante Eigenschaften Sprint
1. Reaktionsschnelligkeit: 0,1–0,2s
Weltklassesprinter 0,05–0,07s
2. Sprintbeschleunigung: 9,6 m/s2 Herren ca. 40 m, 6,2 m/s2
Damen, je höher und je länger
desto besser
3. Sprintschnelligkeit: > 10 m/s Herren Weltklasse
-> 85% auf 2 und 3 (nach Ballreich)
-> Muskelquerschnitt, Fasertyp, Nervensystem, Trägheit, ...
4. Sprintausdauer: Abnahme der max. Schnelligkeit ca. 10%
-> nur 10% auf 4 (Ballreich)
Limitierung: energetische, neuromuskuläre, mechanische
12
Kinematische Merkmale
Translation
s [m]
v [m/s]
a [m/s²]
Rotation
φ
[°, rad]
ω = ∆φ / ∆t [°/s, rad/s]
α = ∆ω / ∆t [°/s², rad/s²]
Zusammenhang Translation – Rotation:
s=φ.r
v=ω.r
a=α.r
r ... Radius
Differentation:
dt
s
Integration:
∫
dt
v
a
a
∫
v
s
13
Freier Fall
a=g
v=gt +v
g
s =
t + v t + s
2
2s
t =
g
0
2
0
0
v = 2gs
Bsp.: Sprung vom 10 m Turm
Wie lange dauert der Fall?
Wie hoch ist die Eintauchgeschwindigkeit?
14
Wurfparabel
vx = v0 cos α
x = v0 t cos α
vy = v0 sin α – g t
y = v0 t sin α – g/2 t2
Wurfparabel:
y = tan α . x –
- (g / (2 v02 (cos α)2)) . x2
Flugweite:
xmax = v02 sin (2 α) / g
Flughöhe:
ymax = v02 . (sin α)2 / 2 g
15
Beispiel Weitsprung
Angaben: v0 = 9 m/s, α = 45°, g = 10 m/s²
Sprungweite:
xmax = v02 sin (2 α) / g
xmax = (9 .9 . sin(90°)) / 10 = 8.1 m
Flughöhe:
ymax = v02 . (sin α)2 / 2 g
ymax = (9 . 9 . sin²(45°)) / (2 . 10) = 2 m
Was stimmt nicht?
1. KSP-Landehöhe liegt tiefer als KSP-Absprunghöhe: senkt
optimalen Absprungwinkel auf 42°
2. Umsetzen der horizontalen Anlaufgeschwindigkeit in vertikale
Richtung ist schwierig, gute Springer bremsen vx auf ca. 8.5
m/s und erreichen ein vy von ca. 3 m/s, tan α = 3/8.5,
α =19.4°, Extremwerte bei 24°
16
Beispiel Skisprung
Um Sprungweite zu bestimmen, wird Schanzenprofil benötigt:
BergIsel
Schanzenprofil ys(x), Anlaufgeschwindigkeit va = 90 km/h, Absprunggeschwindigkeit vs = 2,4 m/s und Neigungswinkel Schanzentisch a = 10,75°
ohne Luftkräfte
Sprungweite 61 m
mit Luftwiderstand geringer als 61 m
mit Auftrieb 120 m
Beispiel Airbag
Luftwiderstand geringer Einfluss, da v gering
Wie wird überspringen verhindert?
Flugweite:
xmax = v02 sin (2 α) / g
Flughöhe:
ymax = v02 . (sin α)2 / 2 g
2.1 Kinemetrie
2.1.1 Kinematische Merkmale
2.1.3 Optische Verfahren
19
Zeitmessung
20
Probleme Zeitmessung
1. Lichtschranken müssen vom bewegten Körper in gleicher
Haltung unterbrochen werden.
2. Bei kleinen Messstrecken und/oder hohen
Bewegungsgeschwindigkeiten machen sich bereits
Zeitmessfehler bemerkbar. Um Fehler auf +- 1% zu
begrenzen, muss gemessene Zeit wenigstens 100 mal
größer sein als Einheit der letzten angezeigten Uhrstelle.
Z.B. letzte Uhrstelle 1 ms, Zeit um Messstelle zu
durchlaufen muss ≥ 100 ms sein, v = 25 m/s
Lichtschranken zumindest 2.5 m auseinander.
21
Anwendungsbeispiel
Ziel: Bestimmung der
Schneereibung
Messtrecke Sprungschanze
Seefeld, 25 Lichtschranken on
line geschaltet, Lichtschranken
geodätisch vermessen, Abstand
5m, Hangneigung vermessen
Über Bewegungsgleichung des
Skifahrers die
Geschwindigkeitsabhängigkeit
des Gleitreibungskoeffizienten
bestimmt .
(Nachbauer/Kaps 1996)
22
Goniometer
23
Schematische Darstellung – Messprinzip
Potentiometer (Goniometrie)
24
Vor-/Nachteile der Goniometrie
Vorteile:
1. sehr genaue Winkelbestimmung mit Potentiometer
2. sofortige Verfügbarkeit auch von ω und α
3. körperfestes Bezugsystem
Nachteile:
1. Goniometer erlauben zumeist nur Rotation um eine Achse,
Gelenksbewegungen zumeist mehrere Freiheitsgrade
2. Drehachse bei Gelenken nicht konstant, z.B. Knie, ...
3. Befestigung des Goniometers schwierig: Verschiebung durch
Bewegung, durch Stöße
25
Anwendungsbeispiel
Technikanalyse Telemark:
Bestimmung von SohlenSprunggelenk- und Kniewinkel
beim Telemarken
(Hauer O., Diplomarbeit, 2003)
26
Geschwindigkeitsmessung: Fadenmethode
27
Anwendungsbeispiel
Bestimmung der Schwimmgeschwindigkeit
Unterschied rechter und linker Arm
Geschwindigkeitsschwankungen pro Zyklus
28
Messprinzip
Faden, der auf einer drehbaren Trommel gelagert ist, wird am
Körper befestigt. Durch Bewegung wird Faden abgespult.
Drehgeschwindigkeit der Trommel ist proportional der
Bewegungsgeschwindigkeit. Drehgeschwindigkeit wird mit
inkrementalem Drehgeber und digitalem Impulszähler
bestimmt.
Nachteile:
1. nur geradlinige Bewegung messbar
2. Schwingungen des Fadens
29
Ergebnis Geschwindigkeitsmessung
Geschwindigkeit [m/s]
3,2
3,0
Höchstgeschw. [m/s]
2,57
2,8
2,6
Mittelwert [m/s]
1,84
2,4
2,2
2,0
Stdabw[m/s ]
0,25
1,8
1,6
N umerisch
1,4
100
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
17,5
18,0
18,5
19,0
19,5
20,0
20,5
21,0
21,5
22,0
Schindelwig 200230
Beschleunigungsmessung
31
Schematische Darstellung – Messprinzip
Beschleunigungsaufnehmer
Dehnungsmessstreifen
Piezoaufnehmer
32
Probleme Beschleunigungsaufnehmer
1. Koordinatensystem des a-Aufnehmers ist körperfest aber
nicht raumfest, um Richtung im raumfesten System zu
bestimmen, muss Orientierung des a-Aufnehmers
mitbestimmt werden.
2. Messwert ist abhängig von der Orientierung des
Aufnehmers zur Vertikalen (Erdbeschleunigung).
3. Befestigung: a-Aufnehmer können nicht starr am Menschen
befestigt werden.
es entstehen Schwingungen, Resonanzschwingung
(erhöhte Amplitude), Phasenverschiebung und
Amplitudendämpfung durch lockere Verbindung zwischen
Haut und Skelett.
33
Befestigung der
Beschleunigungsaufnehmer
bei einer Motocrossstudie
34
Beschleunigung [m/s²]
Anwendungsbeispiel - Rodelstart
35
2.1 Kinemetrie
2.1.1 Kinematische Merkmale
2.1.2 Elektronische Verfahren
36
Optische Verfahren
Objekt
--------Abbildendes System
Fotographische
Verfahren
foto-chemische Schicht
Film
Optisch-elektrische
Verfahren
foto-elektrische Schicht
Video
erfasste Grundgrößen: Ortskoordinaten und Zeit
rückwirkungsfreies Messsystem
37
Datenerfassung
Zeitliches Auflösevermögen: Aufnahmefrequenz je nach
Bewegungsschnelligkeit: 50-500 Hz
Räumliches Auflösevermögen: Abbildungsmaßstab =
Bildgröße zu Objektgröße, technische Auflösung
2-D Analyse: nur ebene Bewegungen, optische Achse
normal zur Bewegungsebene, großer Kameraabstand und
zoomen, Maßstab aufnehmen
3-D Analyse: zumindest 2 synchronisierte Kamera,
Winkel zw. optischen Achsen zwischen 30 und 120 Grad,
Passpunktsystem, stationäre oder bewegte Kamera
38
Casio Exilim EX-ZR700
•
•
•
•
•
640x480 – 120 fps und 512x384 – 240 fps
224x64 – 1000 fps
18-fach Zoom, bei HS-Aufnahme Zoom fixiert
Lichtempfindlichkeit (ISO): bis 3200
Ca. € 300,-
Sony NEX FS700
•
•
•
•
•
•
Highspeedvideo von 50 – 800 fps
Full-HD (1920/1080) bis 200 fps (Aufnahmezeit 10 s)
Telezoomobjektiv austauschbar (ca. 11-fach)
Verschlusszeit 1/3 – 1/10000
Lichtempfindlichkeit (ISO) bis 16000
Je nach Ausstattung ab € 8.000,-
40
Datenerfassung
Zeitliches Auflösevermögen: Aufnahmefrequenz je nach
Bewegungsschnelligkeit: 50-500 Hz
Räumliches Auflösevermögen: Abbildungsmaßstab =
Bildgröße zu Objektgröße, technische Auflösung
2-D Analyse: nur ebene Bewegungen, optische Achse
normal zur Bewegungsebene, großer Kameraabstand und
zoomen, Maßstab aufnehmen
3-D Analyse: zumindest 2 synchronisierte Kamera,
Winkel zw. optischen Achsen zwischen 30 und 120 Grad,
Passpunktsystem, stationäre oder bewegte Kamera
41
Anwendungsbeispiel - Carving
42
Anwendungsbeispiel - Carving
43
Anwendungsbeispiel - Landekräfte
44
Digitalisieren
Digitalisieren: Bestimmung der Bildkoordinaten der zu
analysierenden (Körper)punkten
(Körper)punkte werden für die Aufnahme markiert,
Umrechnung auf Gelenkszentren, Schätzen der
Gelenkszentren
Manuelles, semi-automatisches, automatisches
Digitalisieren
Digitalisieren von Passpunkten zur 3-D
Rekonstruktion
45
Digitalisieren von Pass- und Körperpunkten
46
Digitalisieren von Pass- und Körperpunkten
47
Digitalisieren von Pass- und
Körperpunkten
48
Transformation von Bild- in Objektkoordinaten
2-D Analyse:
Skalierung über Maßstab
3-D Analyse:
DLT- Methode (Kalibrierung und 3-D
Rekonstruktion)
DLT … direkte lineare Transformation
49
DLT–Methode (direkte lineare Transformation)
1. Schritt: Berechnung der DLT-Parameter
6 oder mehr Paßpunkte mit bekannten Koordinaten (X,Y,Z)
korrespondierenden Bildkoordinaten (x,y)
DLT-Parameter (b1 ... b11) - hängen ab von Kamera Position,
Orientierung
x= (b1 X + b2 Y+ b3 Z + b4) / b9 X + b10 Y + b11 Z + 1)
y= (b5 X + b6 Y + b7 Z + b8) / b9 X + b10 Y + b11 Z + 1)
2. Schritt: Berechnung von 3-D Koordinaten aus
Bildkoordinaten
Bildkoordinaten (x,y) von 2 oder mehr Kameras nötig
ergibt 4 oder mehr Gleichungen zur Berechnung
der 3 Unbekannten (X,Y,Z)
50
Datenglättung
Mathematische Verfahren die Messfehler ausgleichen:
1. Gleitende Ausgleichsparabel: nach Methode der kleinsten
Fehlerquadrate wird Parabel durch z.B 5 Messpunkte
gelegt, an mittlerer Stelle Wert berechnet, erster Messwert
weggelassen, ein neuer Messwert dazu genommen und
Verfahren wiederholt.
2. Ausgleich-Spline: Spline besteht aus stückweise
zusammengesetzten Polynomen, die an den Stützstellen
(=Messwerte) glatt verlaufen.
3. Digitale Filter: bestimmte Frequenzen der Messreihe
werden weggefiltert. Tief-, Hochpassfilter, Band-Passfilter
51
Rohdaten: Gelenkswinkel
52
Geglättete Daten: Quintischer Spline, p = 2e-8
53
Geglättete Daten: Quintischer Spline, p = 2e-3
54
Datenanalyse
Berechnung von translatorischen und rotatorischen
kinematischen Größen, z.B. v, a, ...
Körperschwerpunktsberechnungen:
Teilschwerpunkte und Teilmassen von Clauser
Hanavan Modell (siehe biom. Anthropometrie)
graphische Darstellung
Programmpakete:
MATLAB, KINTRAK, PEAK
55
Anwendung – BergIsel
Hochgeschwindigkeitsvideo, 200 Hz; Widhölz, 10/2002
Quantitative Auswertung: Kinegramm, Gelenkswinkel,
Winkelgeschwindigkeiten, Köperschwerpunkt
56
Anwendung - BergIsel
57
Anwendung - BergIsel
58
Anwendung - BergIsel
59
Anwendung - BergIsel
60
Anwendung – BergIsel
Hochgeschwindigkeitsvideo, 200 Hz; Widhölz, 10/2002
Qualitative Auswertung:
Head to Head, Reihenbilder, Überblenden ...
(Programme: MaxAnalyse, Kinovea, Dartfish ...)
61