Biomechanische Messmethoden UE1 2 ECTS Punkte –Die Abkürzung ECTS steht für European Credit Transfer System –Ein ECTS-AP steht dabei für einen Arbeitsumfang.

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

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: http://sport1.uibk.ac.at/lehre/kurt/Trainer/ - 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 1. Möglichkeit: Mit der Software „Kinovea“ Videodatei öffnen und mit Bildsequenz speichern. Vorsicht, falls das Bild in der Ansicht verkleinert wird, werden auch die Bildsequenzen mit geringerer Auflösung abgespeichert. Bei Kinovea werden oftmals Bilder beim Speichern ausgelassen. Dies ist an den Zeitmarkern zu erkennen. 2. Möglichkeit Mit VirtualDub *.avi File öffnen und unter File/Export/Image sequence (.jpg / 3 / JPEG Qualität 100%) die Bilder abspeichern

14 Bewegungsanalyse - 2D Bsp.: Kraularmzug

15 Bewegungsanalyse: Zu beantwortende 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? Beschreibung der Technik mit Hilfe der Auswertungsdaten Alle Fragen für die Analyse mit dem Glättungsfaktor 0,9 beantworten.

16 Versuchsdurchführung 3 mal jeweils den linken und rechten Armzug aufnehmen. Achtung Kamera darf sich während der Aufnahme nicht bewegen. Der Aufnahmemodus darf selbst gewählt werden. Ergebnisse in Powerpoint präsentieren Max. 4 Personen pro Gruppe

17 Digitalisieren

18 Digitalisieren: Auswertung In der *.kox Datei sind in den Spalten die X- und Y- Koordinaten der digitalisierten Punkte als Pixelwerte abgespeichert. Punkt 1Punkt 2Punkt 3 Bild nr.XYXYXY 13917089166190123 24516894162186123 351164101158181123 462159107155176123 571152113152172124 681147120148168124 X-Werte Y-Werte 0/0

19 Digitalisieren: Auswertung Digitalisieren: Finger – Handgelenk – Ellbogen - Schulter

20 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)

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

22 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: √(x 2 – x 1 )² + (y 2 – y 1 )² x 1 …Pixelwert horizontal Punkt 1 M = ----------------------------y 1 …Pixelwert vetikal Punkt 1 ll…...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

23 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

24 Schwimmen: Phaseneinteilung Beginn Zugphase: Handgeschwindigkeit horizontal größer Null (d.h. die Hand bewegt sich entgegen der Schwimmrichtung) Übergang Zug- zu Druckphase: Handgelenk hat gleiche horizontale Position wie Schulter Ende Druckphase: Geschwindigkeit der Hand kleiner Null Zugphase Übergang Druckphase Horizontale Geschwindigkeit Hand in Schwimmrichtung Entgegen der Schwimmrichtung

25 Schwimmen: Phaseneinteilung Zuglänge: Horizontale Weglänge während der Zugphase Drucklänge:........

26 Schwimmen: Aufgaben Aufnahme: –Dienstag von 9.00 bis 12.00 (2 Kameras ISW) –2 Personen filmen –Pro Gruppe schwimmt 1 Person (3xre, 3xli) –Eine Person im Hallenbad weist die Schwimmer/innen an –Eine Person führt das Protokoll und stoppt die 25 m Zeiten

27 Gegründet im Jahr 1669, ist die Universität Innsbruck heute mit mehr als 28.000 Studierenden und über 4.000 Mitarbeitenden die größte und wichtigste Forschungs- und Bildungseinrichtung in Westösterreich. Alle weiteren Informationen finden Sie im Internet unter: www.uibk.ac.at. Momentverläufe in Schulter und Ellbogen bei unterschiedlichen Ausführungen Felix Wachholz

28 Momentverläufe: Vergleich dynamisch mit quasistatisch Wie groß ist der Unterschied von Gelenksmomenten zwischen dynamischer und quasistatischer Ausführung bei Übungen mit einer Hantel? Lassen sich Ermüdungseffekte bei diesen Übungen erkennen?

29 Methodik Videoaufnahme: Casio Exilim EX-ZR70 (Auflösung: 640x480 bei120 fps) Hantel: ?? kg Durchführung: 3 Wiederholungen sehr langsam 3 Wiederholungen rasch Auswertung:

30 Gerade Vorwärts Hantel 1Hantel 3Hantel 2 Beispiel Verstärkungsfaktor für Gelenksmomente wurde zu groß gewählt.

31 Anleitung Digitalisieren mit Kinovea: Mit Kinovea die Videodatei *.mkv öffnen Zeitbereich wählen (eine Beug- und Streckbewegung) und als Videodatei *.avi abspeichern Kleines blaues Kreuz in der horizontalen Leiste wählen und Hand anklicken Rechte Maustaste drücken und Display Koordinates wählen Vorgang für Ellbogen und Schulter wiederholen Pixelkoordinaten notieren (Handgelenk 254;- 305, Ellbogen 220;-190, Schulter 230;-93) Rechte Maustaste bei jedem Marker drücken und Verfolge Trajektorie wählen Bild für Bild weitergehen und die Position des Markers kontrollieren In Menüleiste Datei/Export als Tabelle/ Trajektorie in einfachen Text wählen und Koordinatendatei abspeichern

32 Anleitung Auswertung mit Hantel Hand 2016: Koordinatendatei mit Editor öffnen und jeweils zum Zeitpunkt 0:00:00:00 die Pixelkoordinaten der drei Punkte eintragen und Datei speichern Programm Hantel Hand 2016.exe öffnen Videodatei wählen (mit kleinem gelben Ordnerzeichen) Koordinatendatei wählen Programm starten

33 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:

34 Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit -AS202 Icon (Desktop) starten (Aufnahmesoftware) -„ Strg + F1 “ dr ü cken  es werden alle Bl ä tter angezeigt Übung Biomechanik und Kniebeuge 1 wählen

35 - 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)

36 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

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

38 AS202 – Bedienungsanleitung Marker 17 bis 21 bei Proband anbringen (siehe Versuchsanordnung) Blatt Run w ä hlen und zur Aufnahme runden Punkt dr ü cken Kraftverlauf der einzelnen Kraftsensoren (Verstärker muss eingeschaltet sein)

39 Lukotronic – Bedienungsanleitung Messung: – Messung starten – Nullabgleich (mindestens 3s) – auf die Kistler Platte steigen – Kniebeugen ausf ü hren – Messung stoppen – Daten speichern

40 AS202 – Bedienungsanleitung Daten speichern 2. Filename eingeben3. speichern 1. Verzeichnis wählen

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

42 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 ( 06767891891) anrufen Achtung! Niemals Markerkette und Ladegerät gleichzeitig an Box anschließen!!!! Nach der Messung Funkbox aufladen – dafür das Netzteil kurz vom Netz trennen

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

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

45 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

46 MODE = 2 ASCII = N Baud = 8 Frequency = 400..... 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 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-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

47 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

48 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

49 BM 2012.exe Verstärkung und Nullabgleich derart einstellen, damit die Beschleunigungswerte beim Kalibrierungsfile +/- 9.81 m/s² ergeben.

50 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

51 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.

52 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“

53 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

54 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 17.00 per mail

55 Überprüfung des Grundlagenwissens

56 Berechnung Körperschwerpunkt m * y KSP = m 1 y 1 + m 2 y 2 + … + m 14 y 14 m * x KSP = m 1 x 1 + m 2 x 2 + … m 14 x 14 y KSP = 1/m * (m 1 y 1 + … + m 14 y 14 ) 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

57 Berechnung Körperschwerpunkt Masse und Lage der Teilschwerpunkte Gelenksmomente Kniebeuge Teilkörper Anteil an Gesamtmasse (%) Lage TeilKSP Mann Frau proximal (%) Kopf und Nacken855 Oberkörper47,444,8 41,5 Oberarm3,36,643,645,8 Unterarm + Hand2,555,146,8 Oberschenkel10,52143,342,8 Unterschenkel + Fuß5,9511,943,441,9 ADJUSTMENTS TO ZATSIORSKY-SELUYANOV’S SEGMENT INERTIA PARAMETERS, Paolo de Leva, J. Biomechanics 1996