Bestimmung der Genauigkeit der Kalibrierung einer Kraftmessplatte und eines Infrarotbewegungsanalysesystems in Echtzeit
©2013
Bachelorarbeit
16 Seiten
Zusammenfassung
Kraftmessplatten und Infrarotbewegungsanalysesysteme haben in der Bewegungslehre eine immer größer werdende Bedeutung. Sie nehmen zum einem die Position und die Stärke der Bodenreaktionskräfte auf und zum anderen wird der Ort der reflektierende Marker durch die Triangulation mehrerer Kameras ständig ermittelt. Gerade in Laboren und anderen Untersuchungsstätten sind valide Daten von äußerster Wichtigkeit. Das bedeutet, dass die verwendeten Systeme einwandfrei funktionieren müssen. Grundlegend geht es dabei um die korrekte Installation und Initialisierung der verwendeten Komponenten sowie deren kombinierte Arbeitsweise, welche es außerdem zu kalibrieren gilt. Im Übrigen sollte jedes Labor die gleichen Methoden zur Kalibrierung nutzen, um einen einheitlichen Standard zu gewährleisten und mögliche Ergebnisse aus unterschiedlichen Einrichtungen vergleichbar zu machen.
Ziel dieser Bachelorarbeit war es daher, die Genauigkeit der im Sportinstitut der Universität Magdeburg verwendeten Komponenten mit eigenen Mitteln aufzustellen.
Ziel dieser Bachelorarbeit war es daher, die Genauigkeit der im Sportinstitut der Universität Magdeburg verwendeten Komponenten mit eigenen Mitteln aufzustellen.
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
1.Einleitung
Kraftmessplatten und Infrarotbewegungsanalysesysteme haben in der
Bewegungslehre eine immer größer werdende Bedeutung. Sie nehmen zum einem
die Position und die Stärke der Bodenreaktionskräfte auf und zum anderen wird der
Ort der reflektierende Marker durch die Triangulation mehrerer Kameras ständig
ermittelt. Gerade in Laboren und anderen Untersuchungsstätten sind valide Daten
von äußerster Wichtigkeit. Das bedeutet, dass die verwendeten Systeme
einwandfrei funktionieren müssen. Grundlegend geht es dabei um die korrekte
Installation und Initialisierung der verwendeten Komponenten sowie deren
kombinierte Arbeitsweise, welche es außerdem zu kalibrieren gilt. Im Übrigen sollte
jedes Labor die gleichen Methoden zur Kalibrierung nutzen, um einen einheitlichen
Standard zu gewährleisten und mögliche Ergebnisse aus unterschiedlichen
Einrichtungen vergleichbar zu machen.
Ziel dieser Bachelorarbeit ist es daher, die Genauigkeit der im Sportinstitut der
Universität Magdeburg verwendeten Komponenten mit eigenen Mitteln aufzustellen.
Dabei wird sich auf den bereits existierenden ,,motion laboratory accreditation
test" (MLAT) bezogen. Dieser beschreibt eine bereits zugelassene Testanordnung,
für die zunächst ein rutenförmiges Testwerkzeug nötig ist. Dieses wurde bereits im
Rahmen einer Projektarbeit angefertigt. Das Labor nimmt nun gleichzeitig sowohl mit
dem Kamerasystem als auch mit der Kraftmessplatte den Teststab auf, während
dieser belastet und über der Kraftmessplatte in konzentrischen Bewegungen geführt
wird. Die damit gewonnen Informationen sollen dabei in Echtzeit mit einem selbst
geschriebenen Computerprogramm aufbereitet werden. Um die beiden
Komponenten überhaupt vergleiche zu können, generiert die Software für jeden
Zeitpunkt und jedes System einen eigenen Vektor, der die Längsachse des Stabs
beschreibt. Diese sollen dann durch eine Korrelation miteinander eine Aussage
treffen, wie genau gearbeitet wird. Um diese Prozedur möglichst leicht anzuwenden
und somit auch in den alltäglichen Gebrauch im Labor mit einzubinden, beschränkt
sich die Auswertung auf vier wesentliche Werte. Dieser Schnelltest und die vier
Variablen können die korrekte Installation, Einstellung und die kombinierte
Arbeitsweise der Kamera-Kraftmessplatten-Sytems dokumentieren. Bei den
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Variablen handelt es sich zum einen um die drei Ortskoordinaten X,Y und Z, welche
Auskunft über den Angriffspunkt der Bodenreaktionskräfte geben, an dem die
Vektoren eines jeden Systems die Z-Ebene des globalen Laborkoordinatensystems
schneiden.
Zum anderen ist die Winkeldifferenz zwischen der Orientierung der Längsachse des
Teststabs ausschlaggebend für die Einschätzung der korrekten Kalibrierung. Dabei
erstellt jedes System mit seinen Daten einen eigenen Winkel. So können dann beide
miteinander verglichen werden und bei der Auswertung und Ausgabe kann dann die
Kalibrierung der Kraftmessplatte und des Bewegungsanalysesystems bewertet
werden.
2.Recherche
In Bewegungslaboren ist es unumgänglich, dass die experimentell erhaltenen
Ergebnisse aussagekräftig sind. Dafür bedarf es nicht nur der richtigen Einstellung
sondern auch der richtigen Kalibrierung der verwendeten Komponenten. Damit jede
wissenschaftliche Einrichtung nach den gleichen Richtlinien arbeitet, entstehen
sowohl in den USA als auch in Europa bestimmte Kriterien, die klinischen
Bewegungsanalysen reglementieren. In Europa ist die Organisation ABCMALE
Assessors Instructions (Accreditation Board of Clinical Movement Analysis
Laboratories in Europe) dafür zuständig. Sie beinhalten unter anderem das
Verfahren selbst, die verwendeten Messinstrumente und bereits gewonnene
Datensätze (vgl. Holden, Selbie, Stanhope, 2002, S.205). Damit wird sichergestellt,
dass die Labore national und international auf dem gleichen Level agieren und somit
als anerkannt und kompetent gelten. Die Problematik eines geeigneten Tests für die
teilweise sehr spezifischen Kriterien ist der, dass er nicht nur sehr schnell und
einfach sein soll sondern auch standardisierbar. Für die Einstellung und
Positionierung einer Kraftmessplatte in Verbindung mit einem Messsystem, zur
Erfassung der Bewegung, wurden in der Vergangenheit bereits einige Methoden und
Verfahren veröffentlicht. Einige der bereits veröffentlichten Tests beziehen sich
ausschließlich auf das Bewegungsanalysesystem oder die Kraftmessplatte. Andere
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wiederum gehen die kombinierte Arbeitsweise der beiden Systeme an. Eine dieser
Methoden heißt ,,Spot-Check" und zielt auf die korrekte Positionierung der
Kraftmessplatte im Raum. Dabei wird ein ähnliches Testwerkzeug auf der
Kraftmessplatte in jeder Ecke einmal vertikal positioniert. Die kinematischen
Einflüsse werden dabei allerdings außer Acht gelassen und für ein Bewegungslabor
sind diese unabdinglich. Zudem sind bei diesem Verfahren mehrere Messungen
nötig. Als bislang fortschrittlichste Methode hat sich MLAT (motion laboratory
accreditation test) herausgestellt, welche im Folgenden auch genauer dargestellt
wird. Die Arbeit an sich beruht daher zu einem Großteil auf den Erkenntnissen des
amerikanischen Wissenschaftler John P. Holden der zusammen mit W.Scott Selbie
und Steven J. Stanhope dieses Verfahren erarbeitet hat. Zudem wurde die Arbeit
von der Motion Inc. maßgeblich unterstützt, zu dem auch W. Scott Selbie als
technischer Leiter gehört. Die drei haben dafür ein entsprechendes
Kalibrierungswerkzeug angefertigt, welches unter dem Namen MTD-2 (Mechanical
Testing Device) läuft. Es handelt sich dabei um einen aus massiven Stahl gefertigten
Stab. Zudem besitzt dieser fünf Arme, an denen jeweils ein reflektierender Marker
befestigt ist, welcher später vom Infrarotbewegungsanalysesytem erfasst werden
können. Das gesamte Design besticht dabei durch seine Einfachheit und Robustheit.
Mit Hilfe der unteren beiden und oberen beiden Markern wird später die Längsachse
bestimmt. Der fünfte Arm verläuft während der Untersuchung parallel zu der X-
Achse des globalen Koordinatensystems, welche sowohl der Kraftmessplatte als
auch des Bewegungssystems zu Grunde liegt (vgl. Lewis, Stewart, Postans,
Trevelyan, 2007, S.318). Um eine exakte Kraftverteilung zu erreichen sind die
beiden Enden des Testwerkzeuges spitz zulaufend, was einen punktuellen
Kraftangriffspunkt gewährleistet. Um die Kräfte während des Versuchs einzuleiten,
hilft ein Griff diese besser zu übertragen. Weiterhin wird zum Schutz des Bodens
eine Bodenplatte verwendet. Beide Hilfsmaterialien weisen eine konische Vertiefung
ein. Sie soll gewährleisten, dass die Kraft nur punktuell aufgetragen wird und keine
Momente oder dergleichen mit in die späteren Berechnungen einfließen. Mit dieser
Apparatur lassen sich dann zwei Vektoren generieren. Einer wird über die
Kraftmessplatte aufgenommen und der zweite über das
Infrarotbewegungsanalysesystem.
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.
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Abb.1:MTD-2
Im Anschluss werden die gewonnenen Daten in ein spezielles Computerprogramm
übergeben. Heute trägt dieses Programm den Namen ,,CalTester" und hat sich seit
nunmehr 10 Jahren bewährt. Die Software selbst erstellt sowohl den Kraftvektor als
auch den Kameravektor, um sie dann im Anschluss miteinander zu vergleichen. Die
beiden erwähnten Komponenten bilden heute ein funktionierendes System zur
Aufspürung von Veränderungen in der Leistungsperformance. Diese können
unterschiedlichstes Natur sein und für valide Tests unabdinglich. Die Firma Motion
Inc. die das Produkt für einen guten fünfstelligen Betrag anbietet, ist zudem
Markführer im Bereich der 3D-Datenverabeitung. Die Organisation hat sich aus dem
National Institutes of Health gebildet und stellt heute die direkte Verbindung zum
kommerziellen Markt dar.
Neben den Grundlegenden Publikationen gibt es grundsätzlich kaum Neuerungen.
Es wurden lediglich Verbesserungen vorgenommen. Diese können einmal in der
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Präzision der Ergebnisse liegen, aber auch auf der Optimierung von Berechnungen.
Grundlegendes hat sich allerdings nicht verändert, was darauf hindeutet wie gut die
Lösung des Teams um Lohn P. Holden wirklich ist.
Das Aufspüren von eventuellen Fehlern ist von elementarer Bedeutung für die
Untersuchungen in Ganglaboren. Dementsprechend liegt der Fokus auf der richtigen
Kalibrierung und einer regelmäßigen Überprüfung der Einstellungen.
3. Technikbeschreibung
Der Stab für die Untersuchung, welcher im Rahmen der Projektarbeit bereits
angefertigt wurde, ist für die Verwendung mit dem Viconsystem und der
Kraftmessplatte ausgelegt. Dieser ist in Anlehnung an den MTD-2 entwickelt
worden. Grundlegend unterscheiden sich zunächst die verwendeten Materialen.
Denn im Gegensatz zu dem mattschwarzen Stahl wurde auf preiswerteres Holz
gesetzt. Die Lackierung beim Original wurde nicht nur aus optischen Gründen
verwendet, sondern auch um etwaige Störungen des Kamerasystems durch
Reflektionen zu verhindern. Bei den fünf Armen kommen normale Gewindestangen
zum Einsatz. Holden geht bei dem Design davon aus, dass es auch empfänglich für
andere Bewegungsanalysesysteme ist. Die Arme ermöglichen zusammen mit dem
im Hauptkörper befindlichen Gewindehülsen eine platzsparende Lösung für
Transport und Lagerung sowie einen einfachen Zusammenbau. Weiterhin ermöglicht
diese Art von Schraube eine immer gleiche Einschraubtiefe. Bei den Armen ist es
nämlich besonders wichtig, dass die exakt gleiche Länge der unteren und oberen
Paare gegeben ist, da diese bei der späteren Berechnung des Vektors eine
elementare Rolle spielen. Zur Befestigung des Griffs kommt eine normale Schraube
zum Einsatz, die ihn sicher am Stab befestigt. Dies hat nicht nur mehr Stabilität zur
Folge sondern verhindert auch ein abrutschen, wie es beim Original bei zu großer
Kraftaufbringung durchaus passieren könnte. Im Übrigen gibt weder die Literatur
noch die Praxis Aufschluss über den Sinn eines lose gelagerten Griffstückes, zumal
diese in anderen Arbeiten ebenfalls durch eine stationäre Lösung ersetzt wurde (vgl.
Lewis, Stewart, Postans, Trevelyan, 2007, S.318).
In der Arbeit von Lewis wird zum
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Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2013
- ISBN (PDF)
- 9783961161614
- Dateigröße
- 829 KB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg – Sportwissenschaften
- Erscheinungsdatum
- 2017 (September)
- Note
- 1,3
- Schlagworte
- Kraftmessung Infrarot Kalibrierung Labor Sport
