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: Termine: 9.03 30.03 6.04 27.04 4.05 11.05 18.05 1.06

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
Nächster Termin 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 Winkel mit Kinovea erfassen und mit Excel Drehmomente bestimmen bei 8 Positionen einer Kniebeuge Vergleich Messergebnisse und eigene Wahrnehmung!

10 Programm zur statischen Analyse der Gelenksmomente

11 Bewegungsanalyse - 2D Bsp.: Kraularmzug

12 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 Horizontale Geschwindigkeit Hand in Schwimmrichtung Entgegen der Schwimmrichtung Zugphase Übergang Druckphase

13 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

14 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.

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

16 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)

17 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. Max. 4 Personen pro Gruppe

18 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

19 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) x1 …Pixelwert horizontal Punkt 1 M = 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

20 Digitalisieren

21 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

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

23 Schwimmen: Phaseneinteilung
Zuglänge: Horizontale Weglänge während der Zugphase Drucklänge:

24 Schwimmen: Aufgaben Aufnahme:
Dienstag von 9.00 bis (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 Aufnahmen digitalisieren

25 Kalibrierung von Kameras
Aufnahme vom Raster z y x Kamerakoordinaten Vermessen!

26 Aufgaben: Mit einer Kamera eine Videoaufnahme von einem Raster (Grid) aufzeichen. (Koordinaten Kamera vermessen!) Die projizierten Koordinaten mit dem Programm „Bild Raumkoordinaten 2017“ möglichst gut an den Raster anpassen. (Die Bedienungsanleitung befindet sich im Programm) Video von frei fallendem Gegenstand aufnehmen und Bilder digitalisieren. Für übernächste Stunde: Beschleunigung aus Raumkoordinaten berechnen. Auswertung in Powerpoint zusammenfassen und an mich senden.

27 Kalibrierung von Kameras
Aufnahme vom Raster z y x Kamerakoordinaten Vermessen!

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

30 Verstärkungsfaktor für Gelenksmomente wurde zu groß gewählt.
Beispiel Gerade Vorwärts Hantel 1 Hantel 2 Hantel 3 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 Programm funktioniert nur auf Uni Rechnern Videodatei wählen (mit kleinem gelben Ordnerzeichen) Koordinatendatei wählen Programm starten

33 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“

34 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

35 Aufgaben: Sensitivitätsanalyse mit der Software „Flugkurve mit Strichmanderl Big Air 2016“ durchführen. Die Sensitivitätsanalyse (auch: Sensibilitätsanalyse, Empfindlichkeits-analyse) ist eine auf die Wirtschaftswissenschaften zurückgehende Methodik, mit der bewertet werden kann, wie empfindlich Kennzahlen auf kleine Änderungen von Eingangsparametern reagieren. Kritische und maximale sichere Weite definieren (selber abschätzen) kritische Weite – hohes Verletzungsrisiko maximal sichere Weite – kein Verletzungsrisiko Sensitivitätsanalyse: Um wieviel muss der jeweilige Parameter verändert werden, damit die Flugweite von der maximal sicheren Weite zur kritischen Weite zunimmt?

36 Aufgaben: Welchen Absprungwinkel würden sie bei der Schanze vorgeben, damit die Flugweite durch das Absprungverhalten (Sprunggeschwindigkeit) zu keiner Erhöhung der Flugweite führt?

37 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

38 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

39 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)

40 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

41 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

42 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)

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

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

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

46 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

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

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

49 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

50 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

51 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

52 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

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

54 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

55 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.

56 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

57 Überprüfung des Grundlagenwissens

58 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

59 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

60 Beispiel: Andi Knotenpunkt 1: Knotenpunkt 2: Knotenpunkt 3:

61 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)