Biomechanische Messmethoden

Präsentation zum Thema: "Biomechanische Messmethoden"—  Präsentation transkript:

1 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

2 Biomechanische Messmethoden
Lernergebnis: 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.

3 Biomechanische Messmethoden
Inhalt: 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.

4 Aufgaben: Gelenksmomente bei Kniebeugen Leistungsbestimmung
Serien- und Reihenbilderstellung Kinematische Analyse: Armzug Kraul, Kniebeuge und Laufschritt …..

5 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

6 Verwendete Messgeräte:
Kameras Beschleunigungsmesser mit Datenlogger Lukotronic (Übung Biomechanik) Kistler Kraftmessplatte (Übung Biomechanik) Medilogic Druckmesssohlen … Achtung! Messgeräte immer rechtzeitig reservieren – Reservierungsprogramm Labor

7 Überprüfung des Grundlagenwissens
Nächste Woche schriftlicher Test!

8 Exkurs Kraft, Gelenksmomente, Arbeit und Leistung
Siehe: - Trainerbiomechanik 2016.pptx - Grundlagen1.xlsx

9 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)

10 Programm zur statischen Analyse der Gelenksmomente

11 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)

12 Beispiel: Andi Knotenpunkt 1: Knotenpunkt 2: Knotenpunkt 3:

13 Higshpeed Video in Bilder umwandeln
Langsamer abspielen Schneller abspielen Bilder einzeln vorgehen Bild abspeichern Zur nächsten Videodatei

14 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

15 Bewegungsanalyse - 2D Bsp.: Kraularmzug

16 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?

17 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

18 Digitalisieren

19 Digitalisieren: Auswertung
In 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 1 39 170 89 166 190 123 2 45 168 94 162 186 3 51 164 101 158 181 4 62 159 107 155 176 5 71 152 113 172 124 6 81 147 120 148 0/0 X-Werte Y-Werte

20 Digitalisieren: Auswertung

21 Digitalisieren: Auswertung
Digitalisieren: Finger Handgelenk Ellbogen Schulter

22 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)

23 Schwimmen: Skizze Aufnahme
Linker Arm rechter Arm 4 5 6 Bodenmarkierung Stange zur Berechnung des Maßstabes Unterwasser Sichtfenster Aufnahmebeginn Aufnahmeende

24 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 Stab Beispiel: Punkt 1: (200,80) Punkt 2: (800, 70) Länge Stab: 2 m Ergibt sich für M: 300,04

25 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

26 Schwimmen: Phaseneinteilung
Beginn 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:

27 Schwimmen: Aufgaben Möglichkeiten zur Aufnahme:
Montag bis (2 Kameras) oder evtl. SchwimmerInnen vom Schwimmtraining 3 von bis 18.30 Dienstag – (allerdings ist von – freies Schwimmen) eigene Schwimmer organisieren

28 Gelenksmomente: 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

29 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit
AS202 Icon (Desktop) starten (Aufnahmesoftware) „Strg + F1“ drücken  es werden alle Blätter angezeigt Übung Biomechanik und Kniebeuge 1 wählen Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit

30 Initialisieren vom Luko Messbalken
Frequenz: 50 Hz für Luko und 1000 Hz für analoge Daten wählen (Registerblatt System) Koordinatensystem von Lukotronic definieren Marker auf die Kistler Platte kleben, wie sie auf der Kistler Platte beschrieben sind)

31 AS202 – Bedienungsanleitung
1. Blatt – Software 2. Blatt - Coordinate System 3. Blatt - Automatic Direction 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

32 Kistler Kraftmessplatte
Versuchsanordnung evtl. Hantlstange M 17 Lukotronic AS202 Luko-Funkbox M 18 Norden M 19 Direction A Origin M 20 M 21 USB-Kabel zu PC Direction B Kistler Kraftmessplatte

33 AS202 – Bedienungsanleitung
Marker 17 bis 21 bei Proband anbringen (siehe Versuchsanordnung) Blatt Run wählen und zur Aufnahme runden Punkt drücken Kraftverlauf der einzelnen Kraftsensoren (Verstärker muss eingeschaltet sein)

34 Lukotronic – Bedienungsanleitung
Messung: – Messung starten – Nullabgleich (mindestens 3s) – auf die Kistler Platte steigen – Kniebeugen ausführen – Messung stoppen – Daten speichern

35 AS202 – Bedienungsanleitung
Daten speichern 1. Verzeichnis wählen 2. Filename eingeben 3. speichern

36 1. Datei wählen 2. Programm Start
Gelenksmomente Icon (Desktop) starten 1. Datei wählen 2. Programm Start Daten betrachten

37 Vorgangsweise Lukomessung:
Bei Kalibrierung überprüfen ob Marker funktionieren Falls nicht: - wurden richtige Marker im Programm gewählt - zweite Funkbox probieren andere Markerkette probieren (Vorsicht – nicht fest anschrauben) Computer neu starten Kurt oder Daniel ( ) anrufen Achtung! Niemals Markerkette und Ladegerät gleichzeitig an Box anschließen!!!! Nach der Messung Funkbox aufladen – dafür das Netzteil kurz vom Netz trennen

38 Gelenksmomente: Aufgaben
Genauigkeit Synchronisation bei 60 s Messungen Genauigkeit Kraftangriffspunkt und -richtung - an unterschiedlichen Positionen bei der Kraftmessplatte - bei nieder- und hochfrequenten Kräften

39 Beschleunigung 3d-Beschleunigungsmesser (BM) Sensor ADXL321
Messbereich +/- 2, 4 und 6g Messfrequenz 400 Hz 10bit Analog Digital Konverter Koordinatensystem

40 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

41 Konfiguration der BM LOGCON.TXT - Datei Der Datenlogger hat 8 analoge
MODE = 2 ASCII = N Baud = 8 Frequency = gesamt max. 1450Hz (= Anzahl Kanäle * Frequenz) Trigger Character = $ Text Frame = 100 AD1.5 = Y .....quer AD1.4 = Y .....längs AD1.3 = Y normal AD0.3 = N AD0.2 = N AD0.1 = N AD1.7 = N AD1.6 = N Saftey On = Y Der Datenlogger hat 8 analoge Eingänge, wobei beim BM nur drei verwendet werden. Anderes Gerät: AD1.3 = Y .....quer-6g AD0.3 = N AD0.2 = N AD0.1 = N AD1.2 = Y .....längs-6g AD0.4 = N .....quer-18g AD1.7 = N .....vertikal-18g AD1.6 = Y .....vertikal-6g

42 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

43 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

44 BM 2012.exe Verstärkung und Nullabgleich derart einstellen, damit die Beschleunigungswerte beim Kalibrierungsfile +/ m/s² ergeben.

45 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

46 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.

47 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“

48 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

49 Themen zur Auswahl Gelenksmomentbestimmung mit Luko und Kistler
Positionsbestimmung Schlägerkopf Tennis mit Luko Beschleunigungsmessung Validierung Flugsimulationsprogramm Bis zur nächsten Woche Einleitung und Methode ausarbeiten Abgabe Mittwoch per mail

50 Überprüfung des Grundlagenwissens

51 Berechnung Körperschwerpunkt
m * yKSP = m1y1 + m2y2 + … + m14y14 m * xKSP = m1x1 + m2x2 + … m14x14 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

52 Berechnung Körperschwerpunkt
Masse und Lage der Teilschwerpunkte Teilkörper Anteil an Gesamtmasse (%) Lage TeilKSP Mann Frau proximal (%) Kopf und Nacken 8 55 Oberkörper 47,4 44,8 41,5 Oberarm 3,3 6,6 43,6 45,8 Unterarm + Hand 2,55 5,1 46,8 Oberschenkel 10,5 21 43,3 42,8 Unterschenkel + Fuß 5,95 11,9 43,4 41,9 ADJUSTMENTS TO ZATSIORSKY-SELUYANOV’S SEGMENT INERTIA PARAMETERS, Paolo de Leva, J. Biomechanics 1996 Gelenksmomente Kniebeuge