dr inż. Marek Jaskuła

Ocena wybranych parametrówdynamiki ruchu człowieka zwykorzystaniem akcelerometrutrójosiowego

Szczecin 2012

Spis treści

1 Przesiewowa ocena dynamiki skoku z wykorzystaniemakcelerometru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Rejestracja ruchu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Ocena dynamiki skoku z wykorzystaniem maty

dynamometrycznej lub akcelerometru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3.1 Rodzaj wyskoku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3.2 Wybrane miary oceny skoczności . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4 AndroSensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.5 Dalsze prace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.6 Podsumowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1

Przesiewowa ocena dynamiki skoku zwykorzystaniem akcelerometru

1.1 WprowadzenieBadanie wybranych parametrów skoczności ma duże znaczenie w ocenie spraw-ności ogólnej dzieci i młodzieży (jako jeden z testów sprawnościowych) orazw dyscyplinach sportowych w których skoczność jest kluczowa dla osiągnię-cia dobrych wyników. Na przykładzie skoków narcirskich można zauważyć,że oprócz oczywistych aspektów techniki całego ruchu skoczka istotna jestskoczność a w szczególności moc - zdolność wyniesienia własnego ciała jaknajwyżej w bardzo krótkim odcinku czasu. Ocenia się, że skoczek dysponujejedynie 0,25s na wykonanie odbicia na progu. Opóźnienia związane z ruchemskutkują konsekwencjami w dalszej fazie ruchu zawodnika.

Innym przykładem może być siatkówka w której zawodnik musi dyspono-wać rożnaraką skocznością - skokiem dosiężnym podczas bloków, wyskokiemwykonanym w nabiegu podczas ataku, a także zdolnością wytrzymałościo-wą wykonywania wyskoków (przyjmuje się, że zawodnicy wykonują podczasmeczu około 300 powtórzeń wyskoków). Istotne jest również badanie wytrzy-małości wykonywania jak największej ilości powtórzeń wyskoku.

W podobny sposób można przeprowadzić rozróżnienie różnego typu skocz-ności dla skoczka w zwyż, skoczka w dal i wielu innych dyscyplin sportowych.

Również podczas oceny skoczności dzieci i młodzieży podczas zajęć wy-chowania fizycznego nauczyciel przeprowadza co pewien czas ustandaryzo-wane testy umożliwiające ocenę ogólnej sprawności. Jednym z elementów ta-kich testów jest skok w dal z miejsca lub/i skok dosiężny. Miary stosowanepodczas wykonywania tych ćwiczeń to odległość (długość) wykonania sko-ku, wysokość (długość) wykonania wyskoku. Można powiedzieć, że miary tesą statyczne, dokonywane po wykonaniu czynności. Nie ma więc mowy o oce-nie dynamiki ruchu i co ważniejsze ocenę pewnych predyspozycji dziecka dowykonywania określonego rodzaju sportu i rozwijanie jej w treningu specja-listycznym pod okiem trenera w klubie. Również progres rozwoju fizycznegodziecka odbywa się tylko na bazie uzyskanego wyniku, bez oceny dynamiki.

Pomiar wyskoku ma podstawową zaletę, że może być wykonywany jedy-nie przy użyciu miary centymetrowej, odpowiedniej lokalizacji (bezpieczne lą-

2 1 Przesiewowa ocena dynamiki skoku z wykorzystaniem akcelerometru

dowanie) i notesu nauczyciela. Niestety, z uwagi na szybkość wykonywanychczynności, nie możemy ocenić jak szybko ruch jest wykonywany i czy dzieckowykonuje ruch symetrycznie równomiernie obciążając obie nogi (choć lądo-wanie, które wyraźnie odbiega od osi symetrii może o tym świadczyć). Ponad-to, większości przypadków, osiągnięte rezultaty nie są odniesione do ciężaruciała ćwiczącego – nie dają więc pełnego obrazu sytuacji.

Istnieją na rynki urządzenia wspomagające ocene dynamiki (VertiMetric[https://www.xenoinc.org/store/verti-metric] czy maty dynamometrycz-ne) jednak urządzenia te są bardzo drogie, niedostępne dla szkolnych ośrod-ków wychowania fizycznego.

Celem prac jest szukanie taniej i przesiewowej formy wspomagania ocenydynamiki ruchu.

1.2 Rejestracja ruchu

Prace dotyczące rejestracji ruchu człowieka przeprowadzone były etapowo. Wpierwszym etapie został wykorzystany trójosiowy analogowy czujnik Freesca-le MMA7260Q wraz ze zbudowanym systemem mikroprocesorowym realizu-jącym funkcje przetwarzania uzyskanych danych oraz rejestracji jej na karcieSD. System ten był przedmiotem prac opisanych w raporcie Pracowni Pro-blemowej i zakończonych pracą dyplomową magisterską [Dariusz Dziekan,opiekum MJ].

Rysunek 1.1. Blokowy schemat wewnętrzny akcelerometru MMA7260Q

Drugi etap polega na sprawdzeniu użyteczności zintegrowanych sensoróww smartfonie do przedstawionych celów. Taki wybór podyktowany jest przezfakt, że nowoczesne smartfony zawierają trójosiowe akcelerometry oraz ma-gnetometry, a nierzadko także żyroskopy co umożliwia realizację oceny ruchuobiektu. Świadczą o tym liczne prace w tym zakresie []. Z uwagi na dostępność

1.2 Rejestracja ruchu 3

i etap badania wykorzystania akcelerometru wybrany został smartfon Moto-rola Defy. Posiada on trójosiowy, cyfrowy akcelerometr KXTF9 oraz AK8973jako czujnik pola magnetycznego. Do rejestracji dany akcelerometrycznych zo-stała wykorzystana aplikacja Data Recording 1.0.2 (Thomas Wolf). Wykorzy-stanie zintegrowanych sensorów zwalnia z konieczności wykonania systemumikroprocesorowego i rejestratora danych. Ponadto, perspektywicznie, umoż-liwia wykonanie aplikacji do zdalnego przesłania zbieranych danych przez łą-cze bezprzewodowe.

Rysunek 1.2. Blokowy schemat wewnętrzny akcelerometru KXTF9

Ostatni etap (w trakcie przygotowań) to włączenie do analiz modułu ży-roskopu. Wykorzystano do tego zestaw mod10DOFSTM32, który posiada 4czujniki mems (żyroskop, akcelerometr, magnetometr oraz czujnik ciśnienia)i które obsługiwane są za pomocą 32 bitowego miktrokontrolera STM32. Napłytce zostały umieszczone także stabilizatory napięcia oraz złącze kart mi-kroSD (Mikrokontroler STM32F103CBT6, Rezonator zewnętrzny 8MHz, 3-osiowy żyroskop L3G4200D, 3-osiowy czujnik przyspieszenia ADXL345, 3-osiowy magnetometr HMC5883L, Czujnik ciśnienia BMP085, Gniazdo kartminiSD)

Moduł przedstawiony jest na Rysunku1.3

4 1 Przesiewowa ocena dynamiki skoku z wykorzystaniem akcelerometru

Rysunek 1.3. Schemat systemu STM32 ze zintegrowanymi czujnikami MEMS

1.3 Ocena dynamiki skoku z wykorzystaniem matydynamometrycznej lub akcelerometru

Technika dynanometryczna jest pomiarem pośrednim w której mierzymy re-akcję podłoża podczas ruchu. Jest to możliwe ponieważ siła reakcji podłożajest tożsama z pomiarem bezpośrednim. Najczęściej stosuje się platformy dy-namometryczne firmy Kistler, których działanie opiera się o cztery czujnikipiezoelektryczne umiesczone w rogach platformy mierzącej. Dostępne są plat-formy (typu Quattro Jump), które umożliwiają pomiar składowej pionowejpodłoża (Fz) do 10kN. Stsouje się ją różnież do innych pomiarów sportowychoraz w badaniach naukowych zwoiązanych z biomechaniką i fizjologią wysił-ku. Dostępne są także platformy dokonujące pomiaru trzech składowych (Fx,Fy, Fz) dające większe możliwości zaplanowania eksperymentu i pomiarówparametrów sportowca.

W związku z tym, że pomiary dynamometryczne są szeroko opisywane wliteraturze i nie dotyczą bezpośrednio tematyki pomiarów z wykorzystaniemakcelerometrów w dalszej części zostaną pominięte.

1.3.1 Rodzaj wyskoku

Podczas oceny sprawności skok dosiężny z miejsca (tradycyjny pomiar wyso-kości pomniejszony o wysokość ucznia stojącego bokiem do ściany w posta-wie zasadniczej z wyciągniętą w górę dłonią) został pominięty w tych rozwa-żaniach [http://www.brianmac.co.uk/sgtjump.htm], natomiast skupiono się

1.3 Ocena dynamiki skoku z wykorzystaniem maty dynamometrycznej lub akcelerometru 5

na pomiarze akcelerometrycznym w wyskoku obunóż bez zamachu rąk (ang.SJ). Schematycznie wykonanie ruchu wyskoku przedstawia poniższy rysunek(dolny (SJA) dla rozróżnienia - wyskok z zamachem ramion).

Rysunek 1.4. Fazy wykonania skoku z pominięciem etapu lądowania

1.3.2 Wybrane miary oceny skoczności

Sygnał akcelerometryczny po wykonaniu wstępnej filtracji zostaje dwukrotniepoddany całkowaniu, aby uzyskać odpowiednio prędkość ruchu oraz drogę(zgodnie ze standardowymi zależnościami).

Z pośród wielu parametrów mierzonych podczas skoku zostały wybranenastępujące:

Wysokość wyskoku (dosiężny) określona jest jako przebyta droga od momen-tu wyskoku do zatrzymania się w szczycie ruchu (i zmiany wektora pręd-kości na przeciny)

Maksymalna energia potencjalna - wyrażona w J obliczona jest zgodnie zewzorem E = m · g · h

Moc wyskoku zdefiniowana jako praca wykonana w czasie (osiągnięta ener-gia potencjalna w czasie trwania wyskoku)

Siła maksymalna Siła F = m · a przy czym a - maksymalne przyspieszenieosiągnięte podczas ruchu

Względna moc wyskoku - wydatek mocy moc wyskoku odniesiona do cię-żaru człowieka

Względna siła maksymalna - użyta siła Siła maksymalna odniesiona do cię-żaru człowieka

Czas odbicia zdefiniowany od momentu najniższej pozycji przyjętej podczasskoku do osiągnięcia maksimum przyspieszenia.

6 1 Przesiewowa ocena dynamiki skoku z wykorzystaniem akcelerometru

Rysunek 1.5. Składowa pionowa zapisu z akcelerometru

Rysunek 1.6. Wszystkie składowe (XYZ) zapisu z akcelerometru

Podczas rejestracji ruchy widoczne są wahania ciała oraz ruch w osiachinnych niż Z.

1.4 AndroSensor 7

Tabela 1.1. PARAMETRY DYNAMICZNE SKOKU:Wysokość wyskoku: 58.2 [cm]Moc wyskoku: 3264.4 [W]Maksymalna energia potencjalna: 485.3 [J]Siła maksymalna: 1426.3 [N]Względna moc wyskoku: 38.4 [J/kg]Względna siła maksymalna: 16.8 [N/kg]Czas odbicia: 148.7 [ms]

1.4 AndroSensor

Korzystając z oprogramowania do rejestracji danych z czujników zintegrowa-nych w smartfonie zostały zarejestrowane dane z akcelerometru. Podstawowatrudność, nierozwiązana na tym etapie prac to możliwość dokładnego stero-wania częstością próbkowania. Po pierwsze w sytuacji wolnozmiennych sy-gnałów próbkowanie jest nierównomierne z zapisem jednocześnie osi czasu,natomiast w momencie szybkich zmian przyspieszenia uruchomiona zostajerejestracja ze zbyt ogólnym określeniem ’fast’, ’slow’ i ’fastest’ itp W przypad-ku ninijszej pracy wybrana została opcja najszybszej rejestracji.

Poniżej przedstawione zostały wykresy trzech osi akcelerometru dla wy-skoku w górę (pominięty został etap spadania)

Rysunek 1.7. Wszystkie składowe (XYZ) zapisu z akcelerometru (smartfon)

8 1 Przesiewowa ocena dynamiki skoku z wykorzystaniem akcelerometru

Zmierzony czas wybicia się wynosił 0.2s. Można także stwierdzić, że liczbapróbek jest niestety niewielka - należy ocenić czy jest to ograniczenie sprzęto-we czy programistyczne.

1.5 Dalsze prace

Kolejnym zagadnieniem oprócz wspomnianego wyżej jest dobór odpowied-niej metody filtracji sygnału szczególnie w perspektywie fuzji informacji z sen-sorów (akcelerometru, żyroskopu i magnetometru). W tym celu należy prze-analizować użyteczność filtracji Kalmana, filtru komplementarnego oraz filtruo zmiennych parametrach.

1.6 Podsumowanie

Można stwierdzić na podtsawie wcześniejszych doświadczeń, że im bardziejdynamiczny skok (szybszy w fazie czasu trwania) tym większe wartości wy-sokości wyskoku, mocy, energii i siły. Dynamiczny skok jest wykonany z wiek-szym zaangażowaniem stąd polepszone te parametru.

W przypadku skoku mniej dynamicznego czas wyskoku wynosi około 0,45s a dynamicznego ok 0,15 (oczywiście w zależności od wytrenowania skocz-ka). CZas odbicia jest więc dość ciekawym parametrem oceny całego skoku.

Dodatkowo maksymalne przyspieszenie może wspomóc interpretacje otrzy-manego wyniku. Jeśli skok jest łagodny osiagamy niższe przyspieszenie mak-symalne n iż w przypadku skoku dynamicznego. Ten parametr zależny jestod wagi skoczka, więc dobrze jest stosować względną siłę maksymalną (czyliwartość siły przypadającej na kilogram masy ciała skaczącego).

Również moc wyskoku jest parametrem dobrze opisującym dynamikę, napodstawie wcześniejszych badań można stwierdzić, że oddanie dynammicz-nego skoku pociąga za sobą ponad czterokrotnie większy wydatek mocy niżdla skoku „lekkiego” [Dariusz Dziekan, Praca dyplomowa magisterska, opie-kun pracy: Marek Jaskuła, str 80]

[]

Literatura

1. Gustavo Leporace and other, “Influence of a preventive training program on lowerlimbs kinematics and vertical jump height of male volleyball athletes,” PhysicalTherapy in Sport, , no. on-line, pp. 9, 2012.

2. L. Quagliarella, N. Sasanelli, G. Cavone, and A.M.L. Lanzolla, “Biomedical signalanalysis by a low-cost accelerometer measurement system,” in Instrumentation andMeasurement Technology Conference, 2006. IMTC 2006. Proceedings of the IEEE, april2006, pp. 2236 –2239.

3. S. Boukhenous and M. Attari, “A vertical jumping performance with and withoutarms swing by using a dynamometric platform,” in Systems, Signal Processing andtheir Applications (WOSSPA), 2011 7th International Workshop on, may 2011, pp. 17–20.

4. C. M. Meylan, K. Nosaka, J. Green, and J. B. Cronin, “Temporal and kinetic analy-sis of unilateral jumping in the vertical, horizontal, and lateral directions,” J SportsSci, vol. 28, no. 5, pp. 545–554, Mar 2010, [DOI:10.1080/02640411003628048] [Pub-Med:20373198].

5. L. Quagliarella, N. Sasanelli, G. Belgiovine, L. Moretti, and B. Moretti, “Evaluationof standing vertical jump by ankles acceleration measurement,” J Strength CondRes, vol. 24, no. 5, pp. 1229–1236, May 2010, [DOI:10.1519/JSC.0b013e3181cb281a][PubMed:20386133].

6. Mikiko Hara, Akira Shibayama, Daisuke Takeshita, Dean C. Hay, and Senshi Fuka-shiro, “A comparison of the mechanical effect of arm swing and countermovementon the lower extremities in vertical jumping,” Human Movement Science, vol. 27, no.4, pp. 636 – 648, 2008.