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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
Angewandte BiomechanikÜberprüfung des Grundlagenwissens
siehe Grundlagen.xls
Angewandte BiomechanikÜberprüfung des Grundlagenwissens
siehe Grundlagen.xls
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
High Speed F1- Bedienungsanleitung
Bildbereich wählen
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.
High Speed F1- Bedienungsanleitung
Taste Focus drücken bis MF im Display erscheint
High Speed F1- Bedienungsanleitung Abspielmodus Aufnahmemodus
Fokussieren
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.
Serien- und ReihenbildAufgabe bis zur nächsten Woche:
• Probeaufnahmen -3er Gruppen, mehrere Aufnahmen mit unterschiedlicher Kleidung und verschiedenen Hintergründen (z.B. Tenniswand)
• Serienbildaufnahme (30 oder 60 fps) • Reihenbild und Serienbild von der eigenen
Bewegungsausführung erzeugen • Highspeedvideos mit 300 600 und 1200Hz
aufnehmen. Z.B. Aufsetzbewegung des Fußes beim Sprint
• Ballgeschwindigkeit berechnen (Methode angeben)• 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
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• 2 Aufnahmen der gleichen Bewegung
digitalisieren
• Wiederholungs- und Digitalisiergenauigkeit dokumentieren (Mehrere Grafen in ein Diagramm einfügen)
• 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 oder 3 schwimmen (Vorsicht, es sollte niemand auf Bahn 5 und 6 schwimmen)
Ganzer Zug mit 1 Sekunde ist nicht einfach….
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
Zugphase Vorspannung der Antriebsmuskulatur (hoher Ellbogen)
möglichst großer Antrieb in Schwimmrichtung
günstige Hebelverhältnisse für die Antriebsmuskulatur
Druckphase kein Druckabfall zwischen Zug- und Druckphase
möglichst großer Antrieb in Schwimmrichtung
günstige Hebelverhältnisse für die Antriebsmuskulatur
Schwimmen: PhaseneinteilungBeginn Zugphase: Handgeschwindigkeit
horizontal kleiner NullÜbergang Zug- zu Druckphase: Handgelenk hat
gleiche horizontale Position wie SchulterEnde Druckphase: Geschwindigkeit der Hand
größer NullZuglänge: Horizontale Weglänge während der
ZugphaseDrucklänge: ........
Schwimmen: Aufgaben• Testperson linke und rechte Seite filmen,
digitalisieren und eine Auswertung anfertigen• 25m Zeit messen
• Möglichkeiten zur Aufnahme:– Montag 16.30 bis 18.00 (2 Gruppen, 2
Kameras)– eigene Schwimmer organisieren
Tennis: Aufgaben• Von der Testperson die Vor- und Rückhand
zwei mal filmen, digitalisieren und eine Auswertung anfertigen (Aufnahmefrequenz 300 Hz)
Schwimmen: Aufgaben Auswertung
• Auswertung mit kurzer Interpretation (max. 2 Folien) in Powerpoint erstellen
• Präsentation per e-mail an mich senden
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
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
Gelenksmomente Kniebeuge
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.
Gelenksmomente Kniebeuge
Statischer Fall:
Fges
lKnie
MKnie = F * l Knie
F …Welche Gewichtskraft muss verwendet werden?
Muss der Kraftangriffspunkt aus allen Teilmassen berechnet werden?
Gelenksmomente Kniebeuge
Excel Programm „Kniebeugen“:
Programm zur statischen Analyse der Gelenksmomente
Gelenksmomente: Aufgaben
• gleiche Aufgaben wie beim Schwimmen
• Analyse der insgesamt 6 Kniebeugen
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
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
- Frequenz: 50 Hz für Luko und analoge Daten wählen
- Funk wählen- Initialisieren vom Luko Messbalken
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:Kamera aufbauen (neben dem Fenster aufbauen)Funk wählen (unbedingt Antenne bei Luko-Balken anstecken)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 anrufen
Zusatzinfos:Funk: Vorteil: klein und handlich
Lichtwellenleiter:Vorteil: lange Messzeit 1 – 2 TageNachteil: LWL ist unhandlich, LWL-Box ist relativ groß
Achtung! Niemals Markerkette und Ladegerät gleichzeitig an Box anschließen!!!!
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.