Angewandte Biomechanik

Präsentation zum Thema: "Angewandte Biomechanik"—  Präsentation transkript:

1 Angewandte Biomechanik
VU2 4 ECTS Punkte Die Abkürzung ECTS steht für European Credit Transfer System Ein ECTS-AP steht dabei für einen Arbeitsumfang von 25 Stunden  100 Stunden 100 – 26 (Vorlesung) = 74 Stunden

2 Angewandte Biomechanik
Ziel: erweiterte und vertiefte Kenntnisse in sportwissenschaftlichen Teildisziplinen und Anwendungsbereichen unter sportartspezifischen, zielgruppenorientierten und apparativen Aspekten Beherrschen der englischen Fachterminologie Einblick in Forschungsmethoden fachlich einschlägiger Nachbarwissenschaften Organisation von Messungen

3 Angewandte Biomechanik
Inhalt: Anwendung biomechanischer Messapparaturen in ausgewählten Problemstellungen Datenauswertung; kritische Beurteilung der Messvorgänge

4 Angewandte Biomechanik
Aufgabengebiete Serien- und Reihenbilderstellung Kinematische Analyse: Armzug Kraul, Kniebeuge und Laufschritt Kinetische und kinematische Analyse: Kniebeuge Beschleunigungsmessung bei einer selbst gewählten Sportart Modellierung

5 Angewandte Biomechanik
Verwendete Messgeräte: Casio Exilim F1 Beschleunigungsmesser mit Datenlogger Lukotronic (Übung Biomechanik) Kistler Kraftmessplatte (Übung Biomechanik) … Achtung! Messgeräte immer rechtzeitig reservieren – Reservierungsprogramm Labor

6 Angewandte Biomechanik
Überprüfung des Grundlagenwissens siehe Grundlagen.xls

7 Angewandte Biomechanik
Überprüfung des Grundlagenwissens siehe Grundlagen.xls

8 Angewandte Biomechanik
Überprüfung des Grundlagenwissens siehe Grundlagen.xls

9 High-Speed-Kamera: Casio Exilim Pro EX-F1 Technische Merkmale
Bilder 60 fps bei 6 Megapixel (2816*2112) 1 Sekunde Aufnahmezeit Highspeed Movie - 512 × 384 (300 fps) - 432 × 192 (600 fps) - 336 × 96 (1200 fps) Videos liegen in komprimierter Form vor Full HD-Video Speicher – 8GB SanDisk Speicherkarten 12-fach optischer Zoom High-Speed-Video

10 High Speed F1- Bedienungsanleitung
Kamera: Casio Exilim F1 (Bedienungsanleitung liegt auf dem Server Kamera darf sich bei der Aufnahme nicht bewegen  Stativ und Fernauslöser benutzen Fernauslöser - Pfeile am Stecker und an der Kamera müssen zueinander zeigen

11 High Speed F1- Bedienungsanleitung
Bildbereich wählen Modusrad auf BS (Best Shot) Serienbildrad auf 1-60

12 High Speed F1- Bedienungsanleitung
Fokussieren: Bei der Grundeinstellung fokussiert die Kamera die Bildmitte. Falls sich beim Fokussieren (Auslöser wird leicht gedrückt) kein Objekt in der Bildmitte befindet, wird der Hintergrund fokussiert, wodurch die Testperson unscharf wird. Zur Lösung dieses Problems den Modus „manueller Fokus“ wählen.

13 High Speed F1- Bedienungsanleitung
Taste Focus drücken bis MF im Display erscheint

14 High Speed F1- Bedienungsanleitung
Abspielmodus Aufnahmemodus Fokussieren

15 High Speed F1- Bedienungsanleitung
Nach einer Aufnahme die Schärfe der Aufnahme kontrollieren. Dazu kann der Zoom Ring (Kamera vorne rechts) bei der Wiedergabe verwendet werden. Die Wiedergabe kann mit der SET Taste (Kamera hinten rechts) gestartet werden.

16 Aufgabe bis zur nächsten Woche:
Serienbildaufnahme (30 oder 60 fps) einer sportlichen Bewegung von 2 Personen Reihenbild und Serienbild erzeugen und Vergleich mit Knotenpunkten erstellen Ballgeschwindigkeit von drei Personen beim Service bestimmen (Kinovea) Gesamte Flugbahn des Balles versuchen mit Kinovea zu erheben Kurze Präsentation mit Power Point (max. 4 Minuten)

17 Serien- und Reihenbild
2 Aufnahmen der eigenen Tennisbewegung – z.B. 2 * Vorhand Serien- und Reihenbild aus Fotos und Highspeed Aufnahmen erstellen Zeitbereich Fotos: Ausholphase, Hauptphase und Ausschwungphase Zeitbereich Highspeed: 40 cm vor bis 40 cm nach dem Treffpunkt Technikvergleich mit Spitzenspieler - drei Knotenpunkte

18 Beispiel: Andi Knotenpunkt 1: Knotenpunkt 2: Knotenpunkt 3:

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

20 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

21 Bewegungsanalyse - 2D Bsp.: Kraularmzug

22 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?

23 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

24 Digitalisieren

25 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

26 Digitalisieren: Auswertung

27 Digitalisieren: Auswertung
Digitalisieren: Finger Handgelenk Ellbogen Schulter

28 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)

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

30 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

31 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

32 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:

33 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

34 F l Wirkungslinie senkrechter Abstand Drehmoment
Kraft * senkrechten Abstand ihrer Wirkungslinie vom Drehpunkt M = F * l F l senkrechter Abstand Wirkungslinie

35 dL ...Hebelarm äußere Kraft
Gelenksstrecker: Zeichne die Hebelarme ein und beschrifte die Kraftvektoren Drehpunkt Gelenksarm FM... Muskelkraft dM ...Hebelarm Muskel FL ...äußere Kraft dL ...Hebelarm äußere Kraft

36 dL ...Hebelarm äußere Kraft FL
Gelenksstrecker FM Drehpunkt Gelenksarm FM... Muskelkraft dM ...Hebelarm Muskel FL ...äußere Kraft dL ...Hebelarm äußere Kraft FL dM dL

37 mit Seilzug und Ovalscheibe
Kniestreckmaschinen mit Seilzug und Ovalscheibe B A

38 Biomechanische Grundlagen
Kniestreckmaschinen mit Seilzug und Ovalscheibe A B Biomechanische Grundlagen

39 Biomechanische Grundlagen
Kniestreckmaschinen mit Seilzug mit Ovalscheibe Drehmoment A B B A Biomechanische Grundlagen

40 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

41 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

42 Statischer Fall: Fges = FKörper + F Hantel
Fges greift am KSP von Körper und Hantel an keine dynamischen Kräfte Der Körperschwerpunkt ist der gedachte Punkt, bei dem die Schwerkraft durch eine einzige Gegenkraft ausgeglichen werden kann. Fges Gelenksmomente Kniebeuge

43 F …Welche Gewichtskraft muss verwendet werden?
Statischer Fall: MKnie = F * l Knie F …Welche Gewichtskraft muss verwendet werden? Muss der Kraftangriffspunkt aus allen Teilmassen berechnet werden? lKnie Fges Gelenksmomente Kniebeuge

44 Excel Programm „Kniebeugen“:

45 Programm zur statischen Analyse der Gelenksmomente

46 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

47 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

48 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)

49 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

50 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

51 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)

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

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

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

55 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

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

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

58 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

59 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

60 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

61 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

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

63 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

64 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.

65 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“

66 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

67 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