Angewandte Biomechanik

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

Angewandte BiomechanikZiel:

– 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

Angewandte Biomechanik

Inhalt:• Anwendung biomechanischer

Messapparaturen in ausgewähltenProblemstellungen

• Datenauswertung; kritische Beurteilung derMessvorgänge

Angewandte BiomechanikAufgabengebiete• Serien- und Reihenbilderstellung • Kinematische Analyse: Armzug Kraul,

Kniebeuge und Laufschritt• Kinetische und kinematische Analyse:

Kniebeuge• Beschleunigungsmessung bei einer selbst

gewählten Sportart• Modellierung

Angewandte BiomechanikVerwendete Messgeräte:• Casio Exilim F1 • Beschleunigungsmesser mit Datenlogger• Lukotronic (Übung Biomechanik)

• Kistler Kraftmessplatte (Übung Biomechanik)• …

• Achtung! Messgeräte immer rechtzeitig reservieren – Reservierungsprogramm Labor

Angewandte BiomechanikÜberprüfung des Grundlagenwissens

siehe Grundlagen.xls

NameFormelzeichen

SI-Einheit Einheit

abgeleitete Einheit

Berechnung abwärts

Berechnung aufwärts

Voraussetzung abwärts

Voraussetzung aufwärts

Skalar/Vektor

MasseZeitWeg (Länge)GeschwindigkeitBeschleunigungKraftKraftstoß/ImpulsArbeitpotentielle Energiekinetische EnergieLeistungDrehmomentDruckFrequenz A…Fläche





Masse WAHR FALSCH

Zeit WAHR FALSCH FALSCH

Weg WAHR FALSCH FALSCH FALSCH

Geschwindigkeit FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH

Beschleunigung FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH

Kraft FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH

Kraftstoß/Impuls FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH

Arbeit FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH

potentielle Arbeit FALSCH

kinetische Arbeit FALSCH

Leistung FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH

Drehmoment FALSCH FALSCH FALSCH FALSCH

High-Speed-Video

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-Kamera: Casio Exilim Pro EX-F1

Technische Merkmale

• Kamera: Casio Exilim F1 (Bedienungsanleitung liegt auf dem Server http://sport1.uibk.ac.at/lehre/kurt/Angewandte/ex-f1_pdf

• Kamera darf sich bei der Aufnahme nicht bewegen • Stativ und Fernauslöser benutzen

• Fernauslöser - Pfeile am Stecker und an der Kamera müssen zueinander zeigen

High Speed F1- Bedienungsanleitung

Modusrad auf BS (Best Shot)

Serienbildrad auf 1-60


Bildbereich wählen


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.


Taste Focus drücken bis MF im Display erscheint

High Speed F1- Bedienungsanleitung Abspielmodus Aufnahmemodus

Fokussieren


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.

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)

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

Beispiel: Andi• Knotenpunkt 1:

• Knotenpunkt 2:

• Knotenpunkt 3:

Higshpeed Video in Bilder umwandeln

Langsamer abspielen

Schneller abspielen

Bilder einzeln vorgehen

Bild abspeichern Zur nächsten Videodatei

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

Bewegungsanalyse - 2DBsp.: Kraularmzug

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?

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

Digitalisieren

Digitalisieren: AuswertungIn 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 X Y X Y

1 39 170 89 166 190 123

2 45 168 94 162 186 123

3 51 164 101 158 181 123

4 62 159 107 155 176 123

5 71 152 113 152 172 124

6 81 147 120 148 168 124

X-Werte

Y-Werte

0/0

Digitalisieren: Auswertung

Digitalisieren: Auswertung

Digitalisieren: Finger Handgelenk Ellbogen Schulter

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)

Schwimmen: Skizze Aufnahme

6

4

5

BodenmarkierungStange zur Berechnung des MaßstabesUnterwasser Sichtfenster Aufnahmebeginn Aufnahmeende

Linker Arm rechter Arm

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

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

Schwimmen: PhaseneinteilungBeginn 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: ........

Schwimmen: Aufgaben• Möglichkeiten zur Aufnahme:

– Montag 15.30 bis 17.45 (2 Kameras) oder evtl. SchwimmerInnen vom Schwimmtraining 3 von 18.00 bis 18.30

– Dienstag 13.00 – 15.15 (allerdings ist von 13.00 – 14.30 freies Schwimmen)

– eigene Schwimmer organisieren

Drehmoment Kraft * senkrechten Abstand ihrer Wirkungslinie

vom Drehpunkt

M = F * l F

WirkungslinielsenkrechterAbstand

Gelenksstrecker: Zeichne die Hebelarme ein und beschrifte die Kraftvektoren

DrehpunktGelenksarm

FM... Muskelkraft

dM ...Hebelarm Muskel

FL ...äußere Kraft

dL ...Hebelarm äußere Kraft

FM

FL

Gelenksstrecker

dMdL

DrehpunktGelenksarm

FM... Muskelkraft

dM ...Hebelarm Muskel

FL ...äußere Kraft

dL ...Hebelarm äußere Kraft

Kniestreckmaschinen mit Seilzug und Ovalscheibe

A

B

Kniestreckmaschinen mit Seilzug und Ovalscheibe

A

B

Biomechanische Grundlagen

Kniestreckmaschinen mit Seilzug mit Ovalscheibe

A

B

Drehmoment

A B

Biomechanische Grundlagen

Berechnung Körperschwerpunktm * yKSP = m1y1 + m2y2 + … + m14y14

m * xKSP = m1x1 + m2x2 + … m14x14

yKSP = 1/m * (m1y1 + … + m14y14)

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

Berechnung KörperschwerpunktMasse und Lage der Teilschwerpunkte


Teilkörper

Anteil an Gesamtmasse

(%)

Lage TeilKSPMann Frauproximal (%)

Kopf und Nacken 8 55 55Oberkörper 47,4 44,8 41,5Oberarm 3,3 6,6 43,6 45,8Unterarm + Hand 2,55 5,1 46,8 46,8Oberschenkel 10,5 21 43,3 42,8Unterschenkel + Fuß 5,95 11,9 43,4 41,9

ADJUSTMENTS TO ZATSIORSKY-SELUYANOV’S SEGMENT INERTIA PARAMETERS, Paolo de Leva, J. Biomechanics 1996

Statischer Fall:

Fges

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.


Statischer Fall:

Fges

lKnie

MKnie = F * l Knie

F …Welche Gewichtskraft muss verwendet werden?

Muss der Kraftangriffspunkt aus allen Teilmassen berechnet werden?


Excel Programm „Kniebeugen“:

Programm zur statischen Analyse der 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

Gelenksmomente:

Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit

- AS202 Icon (Desktop) starten (Aufnahmesoftware)- „Strg + F1“ drücken es werden alle Blätter angezeigt

Übung Biomechanik

und Kniebeuge 1wählen

- Initialisieren vom Luko Messbalken- Frequenz: 50 Hz für Luko und 1000 Hz für

analoge Daten wählen (Registerblatt System)

Koordinatensystem von Lukotronic definierenMarker auf die Kistler Platte kleben, wie sie auf der Kistler Platte beschrieben sind)

AS202 – Bedienungsanleitung

1. Blatt – Software2. Blatt - Coordinate System 3. Blatt - AutomaticDirection 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

Versuchsanordnung

Kistler Kraftmessplatte

LukotronicAS202

M 17

M 18

M 19

M 20M 21

Norden

Luko-Funkbox

USB-Kabel zu PC

evtl. Hantlstange

Direction A

Direction B

Origin

AS202 – BedienungsanleitungMarker 17 bis 21 bei Proband anbringen (siehe Versuchsanordnung)

Blatt Run wählen und zur Aufnahme runden Punkt

drückenKraftverlauf der einzelnen Kraftsensoren(Verstärker muss eingeschaltet sein)

Lukotronic – Bedienungsanleitung

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

AS202 – Bedienungsanleitung

Daten speichern

2. Filename eingeben 3. speichern

1. Verzeichnis wählen

1. Datei wählen2. ProgrammStart

Gelenksmomente Icon (Desktop) starten

Daten betrachten

Vorgangsweise Lukomessung:

Bei Kalibrierung überprüfen ob Marker funktionierenFalls 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

Gelenksmomente: Aufgaben

• Genauigkeit Synchronisation bei 60 s Messungen • Genauigkeit Kraftangriffspunkt und -richtung

- an unterschiedlichen Positionen bei der Kraftmessplatte- bei nieder- und hochfrequenten Kräften

Beschleunigung

3d-Beschleunigungsmesser (BM)Sensor ADXL321Messbereich +/- 2, 4 und 6gMessfrequenz 400 Hz10bit Analog Digital Konverter

Koordinatensystem

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

MODE = 2ASCII = NBaud = 8Frequency = 400.....gesamt max. 1450Hz (= Anzahl Kanäle * Frequenz)Trigger Character = $Text Frame = 100AD1.5 = Y .....querAD1.4 = Y .....längsAD1.3 = Y .....normal AD0.3 = NAD0.2 = NAD0.1 = NAD1.7 = NAD1.6 = NSaftey 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-6gAD0.3 = NAD0.2 = NAD0.1 = NAD1.2 = Y .....längs-6gAD0.4 = N .....quer-18gAD1.7 = N .....vertikal-18gAD1.6 = Y .....vertikal-6g

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

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

BM 2012.exe

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

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

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.

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“

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

Themen zur Auswahl

• Gelenksmomentbestimmung mit Luko und Kistler

• Positionsbestimmung Schlägerkopf Tennis mit Luko

• Beschleunigungsmessung

• Validierung Flugsimulationsprogramm

Bis zur nächsten Woche Einleitung und Methode ausarbeitenAbgabe Mittwoch 17.00 per mail

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