identyfikacja obciążeń wewnętrznych w wybranych stawach w
Transkrypt
identyfikacja obciążeń wewnętrznych w wybranych stawach w
MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 45, t. 14, rok 2012 – ISSN 1896-771X IDENTYFIKACJA OBCIĄŻEŃ WEWNĘTRZNYCH W WYBRANYCH STAWACH W TRAKCIE KONTAKTU SKOCZKA Z PODŁOŻEM PODCZAS PRZERZUTU I SALTA W PRZÓD Adam Czaplicki1a, Krzysztof Dziewiecki2b, Tomasz Sacewicz1c, Janusz Jaszczuk1d 1 Zakład Biomechaniki, Akademia Wychowania Fizycznego w Warszawie, Wydział Wychowania Fizycznego i Sportu w Białej Podlaskiej 2 Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Wydział Mechaniczny, Politechnika Radomska e-mail: [email protected], [email protected], c [email protected], [email protected] Streszczenie W pracy dokonano identyfikacji obciążeń wewnętrznych w wybranych stawach w trakcie kontaktu skoczka z podłożem podczas wykonywania przerzutu i salta w przód w pozycji łamanej. Przedmiotem analizy były czasowe charakterystyki zbiorczych momentów sił mięśniowych i reakcji w stawach skokowym, kolanowym, biodrowym oraz ramiennym. Obliczenia wykonano na podstawie trójwymiarowego modelu ciała człowieka zdefiniowanego we współrzędnych naturalnych. Czasowe charakterystyki obciążeń wewnętrznych w stawach otrzymano wskutek rozwiązania zagadnienia odwrotnego. Zbadano również wpływ zmieniającej się długości członów modelu biomechanicznego na rezultaty identyfikacji. Wyniki obliczeń pozwoliły na zidentyfikowanie trójwymiarowego stanu obciążeń w stawach oraz potwierdziły przydatność współrzędnych naturalnych w modelowaniu układów biomechanicznych. IDENTIFICATION OF INTERNAL LOADS AT THE SELECTED JOINTS DURING CONTACT OF THE JUMPER WITH THE GROUND WHEN PERFORMING THE HANDSPRING FRONT SOMERSAULT Summary The internal loads at the selected joints during contact of the jumper with the ground when performing the handspring front pike somersault were identified in this work. The computations were based on a three-dimensional model of the human body defined in natural coordinates. The time courses of the net muscle torques and internal reactions at the hip, knee, ankle and shoulder joints were obtained by inverse dynamics. The influence of nonconsistent lengths of anatomical segments on the computation results was also verified. The achieved results revealed 3D state of internal loads at the joints. It was also shown that the natural coordinates provide a useful environment for modeling spatial biomechanical structures. 213 IDENTYFIKACJA OBCIĄŻEŃ WEWNĘTRZNYCH W WYBRANYCH STAWACH… 1. WSTĘP Przerzut i salto w przód w wykonaniu kobiet znajduje anatomicznych. Skończona rozdzielczość filmu, błędy się w grupie 78 skoków gimnastycznych (116 w przy- operatora, przemieszczenia skóry z naklejonymi marke- padku mężczyzn) sklasyfikowanych przez Międzynaro- rami i niedokładna lokalizacja osi obrotu w stawach dową Federację Gimnastyczną [10]. Znaczenie tego powodują, że wyliczone tym sposobem współrzędne skoku potęguje fakt, iż jest on elementem składowym markerów obarczone są błędami. Najbardziej brzemien- ewolucji o najwyższej skali trudności, tj. skoków Ro- ne w konsekwencje niedokładności pomiarowe przejawia- che’a, Blanika i Dragulescu. Biegłe opanowanie przerzu- ją się brakiem zachowania stałych długości członów tu i salta w przód jest zatem z jednej strony świadec- w kolejnych klatkach filmu (rys. 1). twem określonego poziomu sportowego gimnastyka, l1,i l1,i+1 a z drugiej przepustką w kierunku mistrzostwa. l1,i+2 l2,i Ze zrozumiałych względów w piśmiennictwie związanym ψi z omawianym skokiem przeważają prace zorientowane l2,i+2 l2,i+1 ψi+1 ψi+2 Rys. 1. Zmiany długości członów w kolejnych klatkach filmu (l1,i≠l1,i+1≠l1,i+2, l2,i≠l2,i+1≠l2,i+2); ” i” oznacza numer klatki na metodologię nauczania i technikę jego wykonania [8,14,18,19]. W innych pracach [8,11] zidentyfikowano Problem zachowania stałych długości członów łańcucha wartości niektórych parametrów kinematycznych (pręd- biomechanicznego umyka jednak uwadze osoby prowa- kość pozioma i pionowa środka masy skaczącego, pręd- dzącej obliczenia w środowisku współrzędnych uogólnio- kość kątowa ciała, kąty w stawach biodrowym, kolano- nych lub względnych. Wykorzystuje ona zazwyczaj wym i skokowym) oraz momentu bezwładności ciała dyskretny zbiór współrzędnych markerów do obliczenia skoczka. Wyznaczono również wartości sił reakcji ze wartości kąta kolanowego strony odskoczni gimnastycznej [15] oraz zbadano ψ , które w kolejnym etapie przetwarzania surowych danych pomiarowych poddaje wpływ umiejscowienia stopy na odskoczni na prędkość wygładzaniu w celu wyeliminowania szumów pomiaro- odbicia stopy [3] podczas przerzutu w przód. wych. Następnie wylicza się prędkości Obok wymienionych prac o rodowodzie eksperymental- nia nym odrębną i nieliczną grupę stanowią prace wykorzy- ψ&& ψ& i przyspiesze- na drodze różniczkowania numerycznego. Kon- sekwencje błędu związanego z naruszeniem stałych stujące modelowanie jako podstawową metodę badawczą długości członów pozostają ukryte i mogłyby się dopiero [9,12,13]. Znaczna część takich opracowań uległa jednak ujawnić w razie konieczności wyznaczenia wartości dezaktualizacji, ponieważ obecnie wykorzystywany stół parametrów gimnastyczny został po raz pierwszy wprowadzony na kinematycznych konkretnego punktu anatomicznego (np. stawu kolanowego). mistrzostwach świata w Gandawie w 2001 roku. Biorąc pod uwagę podstawowe znaczenie przerzutu W środowisku współrzędnych naturalnych, w którym i salta w przód w repertuarze gimnastyka oraz brak operuje się na opracowań poświęconych modelowaniu tego skoku, i składowych odpowiednio definiowanych wektorów głównym celem niniejszej pracy jest wyznaczenie trój- jednostkowych, tolerowanie naruszania więzów geome- wymiarowego stanu obciążeń w wybranych stawach trycznych od razu wypaczyłoby rezultaty rozwiązania gimnastyka podczas kontaktu z odskocznią i stołem zagadnienia odwrotnego. Dlatego też na etapie obróbki gimnastycznym, czyli w fazach, kiedy zbiorcze momenty surowych danych pomiarowych stosuje się różne środki sił mięśniowych i reakcje wewnętrzne przyjmują ekstre- zapobiegawcze [16,17], polegające na zapewnieniu stałej malne wartości. długości członów w trakcie analizy dynamiki badanego współrzędnych punktów bazowych ruchu. Kolejny cel pracy związany jest z rozwiązaniem znanego, ale mało eksponowanego w literaturze przedmiotu Procedury te zostały do tej pory sprawdzone dla mało problemu spójności kinematycznej (ang. kinematic ekspresyjnych czynności motorycznych, takich jak chód consistency) danych pomiarowych. Jak powszechnie [17] i zeskok [1]. Przerzut i salto w przód daje kolejną wiadomo, położenia członów modeli biomechanicznych sposobność zbadania ich wpływu na rezultaty planowa- wyznacza się przeważnie na podstawie filmu, który nej identyfikacji i taka analiza wyznacza drugi cel dostarcza dyskretnych trajektorii markerów umiejsca- niniejszej pracy. wianych w stawach lub innych istotnych punktach 214 Adam Czaplicki, Krzysztof Dziewiecki, Tomasz Sacewicz, Janusz Jaszczuk gdzie wektor q zawiera współrzędne punktów bazowych, 2. MODEL BIOMECHANICZNY składowe wektorów jednostkowych i znane kąty. Nieli- W obliczeniach wykorzystano trójwymiarowy model niowy układ równań 1 rozwiązuje się zazwyczaj metodą ciała człowieka zdefiniowany we współrzędnych natu- iteracyjną Newtona-Raphsona według schematu ralnych. Omawiany model został już szczegółowo opisa- (ΦTq Φ q ) i (q i +1 − q i ) = −(ΦTq ) i (Φ) i , ny we wcześniejszych pracach [4,6,7], dlatego też na rys. (2) 2a zaprezentowano jedynie podstawowe elementy struk- Φq tury kinematycznej modelu. Model składa się z 33 ciał gdzie sztywnych (numery w okręgach), a jego konfigurację aktualną iterację. Po dwukrotnym zróżniczkowaniu (1) opisują współrzędne 25 punktów bazowych oraz składo- oblicza się prędkości i przyspieszenia współrzędnych we 22 wektorów jednostkowych. Posiada on 44 stopnie naturalnych swobody, spośród których 38 stanowią obroty wokół & q& . && = −Φ Φ q q& = 0 ⇒ Φ q q q przegubów, a 6 jest związanych z ruchem miednicy oznacza macierz Jacobiego więzów, a i (3) traktowanej jako ciało bazowe. Omawiane w pracy Dynamiczne równania ruchu modelu można przedstawić stopnie swobody oznaczono numerami w kwadratach. w symbolicznej formie v vv v v && = Q − ΦTq λ , Mq v v vv v gdzie M jest macierzą bezwładności układu, v ψ i reakcje podłoża, zaś λ wektorem mnożników Lagran- ge’a skojarzonych z więzami i reprezentującym reakcje r v v v vv wewnętrzne oraz momenty sterujące wzdłuż kierunków (b) związanych ze wszystkimi stopniami swobody modelu. Po obliczeniu przyspieszeń na składowe wektora vv v v && q z zależności (3), układ równań (4) można jednoznacznie rozwiązać ze względu vv v wekto- wnętrznych zawierającym oddziaływania grawitacyjne r r v v v && q rem przyspieszeń, Q wektorem uogólnionych sił ze- vv v vv (4) 3. POMIAR v Zawodniczka o masie ciała 53 kg i wzroście 161 cm, (a) reprezentantka Polski w gimnastyce artystycznej na olimpiadzie w Londynie, wykonała pięć przerzutów Rys. 2. Model biomechaniczny ciała człowieka i więzy dopeł- i salt w przód w pozycji łamanej (rys. 3). Zbliżony niające w stawie łokciowym sposób W celu jednoznacznego rozwiązania zagadnienia od- wykonania wszystkich skoków potwierdził z jednej strony wysoki poziom sportowy zawodniczki, wrotnego we współrzędnych naturalnych [4,5,6] definiuje a z drugiej usankcjonował wybór jednego z nich do się dodatkowo dla każdego stopnia swobody modelu więzy λ. analizy biomechanicznej. Salta sfilmowano czterema typu zsynchronizowanymi kamerami o częstotliwości 100 Hz. (r14 − r13 )(r14 − r15 ) − r14 − r13 r14 − r15 cos(ψ 18 (t )) = 0 Niezbędne (rys. 2b) zależne od kątów pomiędzy sąsiednimi człona- trajektorie 23 punktów bazowych [6,7] wyznaczono mi. Wartości tych kątów muszą być znane i są wyzna- w środowisku systemu APAS. Prędkości i przyspieszenia czane z zarejestrowanych położeń punktów bazowych. obliczono, różniczkując względem czasu funkcje sklejane Analityczne formy pozostałych więzów dopełniających 3. stopnia rozpięte nad położeniami punktów bazowych. zainteresowany czytelnik znajdzie w monografii [6]. Wszystkie więzy można przedstawić w zwartej postaci Φ (q ) = 0 , (1) 215 do trójwymiarowej rekonstrukcji ruchu IDENTYFIKACJA OBCIĄŻEŃ WEWNĘTRZNYCH W WYBRANYCH STAWACH… oszacowano za pomocą optymalizacji, w której zminimalizowano różnice pomiędzy trajektorią optymalną a rzeczywistą środka ciężkości ciała. Konieczność dodatkowych obliczeń w środowisku współrzędnych kartezjańskich wynikała z faktu, że reakcje zewnętrzne nie były bezpośrednio mierzone, zaś reakcje wewnętrzne we współrzędnych naturalnych wyznacza się po uzyskaniu wartości mnożników Lagrange’a. Trajektorie punktów przyłożenia reakcji ze strony podłoża uzyskano za pośrednictwem platformy Kistlera, na której asekurowana przez trenera zawodniczka przyjmowała pozycje ciała zbliżone do zarejestrowanych podczas skoku. Okazało się, że różnice pomiędzy skrajnymi położeniami środka parcia na stopy i dłonie w płaszczyźnie strzałkowej dochodzą do 13 cm (stopy) i 5 cm (dłonie). Rys. 3. Fazy kontaktu z odskocznią (u góry) i stołem gimna- 4. WYNIKI stycznym (na dole) Największe w sensie wartości składowe reakcji w płasz- Uzyskane w wyniku rozwiązania zagadnienia odwrotne- czyźnie strzałkowej xz pochodzące ze strony odskoczni i go przebiegi zbiorczych momentów sił mięśniowych stołu gimnastycznego wyznaczono tradycyjną metodą (lewa kolumna) i reakcji wewnętrznych (prawa kolum- Newtona-Eulera, na) skojarzonych z 1, 4 i 7 stopniem swobody modelu wykorzystując płaski model ciała biomechanicznego zostały przedstawione na rys. 4. człowieka [2]. Składową w płaszczyźnie czołowej yz 20 Mx [Nm] 0 -20 s. skokowy s. kolanowy s. biodrowy -40 -60 0.0 0.2 0.4 0.6 Reakcja pozioma [N] 1400 s. skokowy s. kolanowy s. biodrowy 1000 600 200 -200 0.0 0.8 0.2 Czas [s] 200 Reakcja boczna [N] My [Nm] 0 -200 s. skokowy s. kolanowy s. biodrowy -600 0.0 0.2 0.4 0.6 10 0.8 0.6 0.8 0 -10 -20 0.0 0.8 0.2 0.4 Czas [s] Czas [s] 400 20 10 0 -10 s. skokowy s. kolanowy s. biodrowy -20 -30 Reakcja pionowa [N] 30 Mz [Nm] 0.6 s. skokowy s. kolanowy s. biodrowy 20 -400 0.4 Czas [s] -200 -800 -1400 s. skokowy s. kolanowy s. biodrowy -2000 -2600 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.0 0.2 0.4 0.6 Czas [s] Czas [s] Rys. 4. Przebiegi obciążeń wewnętrznych w stawach kończyny dolnej 216 0.8 Adam Czaplicki, Krzysztof Dziewiecki, Tomasz Sacewicz, Janusz Jaszczuk Największe wartości zbiorczych momentów sił mięśnio- skokowym, po pominięciu niewielkich efektów bezwład- wych występują nościowych ze strony stopy, odpowiada w przybliżeniu w stawie biodrowym i osiągają pułap -500 Nm. Ujemny reakcji podłoża ze zmienionym znakiem. Ta ostatnia znak momentu wskazuje na zaangażowanie prostowni- nadaje ciału impuls pionowy około 340 Ns, czyli dwu- ków uda. Ze względu na krótki czas trwania odbicia krotnie wyższy niż ma to miejsce podczas poprzedzone- mięśnie te muszą być wstępnie pobudzone w fazie lotu go zamachem, przeciętnego wyskoku pionowego do góry dolotu zawodniczki do odskoczni. Biorąc z kolei pod z miejsca. podczas kontaktu z odskocznią uwagę wielkość momentu, znaczną jego część przenoszą Przebiegi składowych zbiorczego momentu sił mięśnio- same stawy i bierne struktury okołostawowe. Porówny- wych skojarzonego z 21. stopniem swobody modelu walne wartości trzech momentów składowych sugerują biomechanicznego są zaprezentowane na rys. 5 (lewy odbiegający od płaskiego przebieg momentu wypadko- wykres). Maksymalną wartość około 50 Nm osiąga wego w stawie kolanowym. składowa strzałkowa w środku fazy kontaktu dłoni ze Największe wartości reakcji poziomej (1200 N) i piono- stołem gimnastycznym. Wewnętrzne reakcje pozioma wej (-2500N) pojawiają się w stawie skokowym. Wysoki i pionowa w omawianym stawie przyjmują wartości 260 poziom pierwszej z nich jest następstwem siły tarcia i -370 N (rys. 5, prawy wykres). Odzwierciedlają one działającej na stopy skoczka w fazie odbicia, której (ze zmienionym znakiem) rzeczywistą reakcję podłoża. sprzyja niewielkie pochylenie odskoczni w kierunku Składowa pozioma tej reakcji odpowiada za kolejną, rozbiegu i jej gumowe pokrycie. Duży pułap siły tarcia ważną w kontekście późniejszego lądowania redukcję zapewnia właściwą rotację ciała i redukcję dużego pędu pędu (ujemny impuls około 90 Ns), zaś składowa poziomego skoczka w tej fazie skoku (ujemny impuls tej pionowa zapewnia równie istotne zwiększenie wysokości siły jest rzędu 160 Ns). Reakcja pionowa w stawie lotu ciała kolejnej fazie skoku. Mx My Mz 40 200 Reakcja [N] Moment [Nm] 60 20 0 -20 0 reakcja pozioma reakcja boczna reakcja pionowa -200 -400 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Czas [s] Czas [s] Rys. 5. Przebiegi obciążeń wewnętrznych w stawie ramiennym Staw biodrowy Staw biodrowy 1400 Reakcja pozioma [N] My [Nm] 100 -100 -300 stała długość członów zmienna długość członów -500 -700 0.0 0.2 0.4 0.6 stała długość członów zmienna długość członów 1000 600 200 -200 0.8 0.0 0.2 Czas [s] Staw ramienny 0.6 0.8 0.6 0.8 Staw ramienny 60 100 Reakcja pionowa [N] My [Nm] 0.4 Czas [s] stała długość członów zmienna długość członów 40 -100 20 -300 0 -20 stała długość członów zmienna długość członów -500 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.0 0.2 0.4 Czas [s] Czas [s] Rys. 6. Spójne i niespójne kinematycznie przebiegi wybranych obciążeń wewnętrznych w stawach biodrowym i ramiennym 217 IDENTYFIKACJA OBCIĄŻEŃ WEWNĘTRZNYCH W WYBRANYCH STAWACH… Na rys. 6 zilustrowano wpływ braku spójności kinematycznej na poziomie położeń na wartości wybranych obciążeń w stawach biodrowym i ramiennym. Pomiędzy dwiema grupami charakterystyk widoczne są wydatne różnice, które są zgodne z wynikami prezentowanymi w pracach [1,17] i dotyczą również pozostałych przebiegów obciążeń wewnętrznych. w warunkach kontaktu kończyn górnych lub dolnych z podłożem. Ujawnił się jednakże ujemny aspekt modelowania w tych współrzędnych związany z brakiem znajomości przebiegów reakcji zewnętrznych. Zapewnienie w każdym kroku obliczeniowym stałej długości członów modelu biomechanicznego zdefiniowanego we współrzędnych zależnych powinno być standar- 5. WNIOSKI dową procedurą numeryczną. W pracy dokonano identyfikacji obciążeń wewnętrznych stawie ramiennym Znajomość wartości i charakteru obciążeń w stawach w trakcie kontaktu skoczka z odskocznią i stołem gim- w trakcie badanego skoku może być przedmiotem nastycznym podczas wykonywania przerzutu i salta zainteresowania gimnastyków oraz ich trenerów. w przód w pozycji łamanej. Uzyskane przebiegi zbior- Zasadne wydaje się przeanalizowanie większej liczby czych momentów sił mięśniowych i reakcji wewnętrz- skoków w celu uzyskania odpowiedzi na pytanie, czy nych, obok aspektu poznawczego, mają czytelną inter- stosowna konfiguracja ciała w fazie kontaktu z od- pretację biomechaniczną i ukazują impulsywny charak- skocznią gimnastyczną wpływa na redukcję obciążeń ter ruchu w tych fazach skoku. w stawach. w stawach kończyny dolnej i Trójwymiarowy model ciała zdefiniowany we współrzędnych naturalnych okazał się efektywny numerycznie Literatura 1. Alonso F., del Castillo J., Pintado B.: Motion data processing and wobbling mass modelling in the inverse dynamics of skeletal models. “Mechanism and Machine Theory” 2007, 42(9), p. 1153-1169. 2. Blajer W., Dziewiecki K., Mazur Z.: Remarks on human body movement modeling for the inverse dynamics analysis. “Acta Mechanica et Automatica” 2010, 4(2), p. 17-24. 3. Coventry E., Sands W., Smith S. : Hitting the vault board: Implications for vaulting take-off – a preliminary investigation. “Sports Biomechanics” 2006, 5(1), p. 63-75. 4. Czaplicki A., Silva M., Ambrósio J.: Biomechanical modelling for whole body motion using natural coordinates. “Journal of Theoretical and Applied Mechanics” 2004, 42(4), p. 927-944. 5. Czaplicki A.: Are natural coordinates a useful tool in modeling planar biomechanical linkages. “Journal of Biome- 6. Czaplicki A.: Modelowanie we współrzędnych naturalnych w biomechanice. Monografie i Opracowania nr 7. Biała chanics” 2007, 40(10), p. 2307-2312. Podlaska: Zamiejscowy Wydział Wychowania Fizycznego, 2009. 7. Czaplicki A. :Identification of internal loads at the selected joints during performance of a backward somersault. “The Archive of Mechanical Engineering” 2009, VI(3), p. 303-316. 8. Čuk I., Karácsony I.: Vault: methods, ideas, curiosities, history. Lubljana, ŠTD Sangvinčki, 2004. 9. Gervais P.: A prediction of an optimal performance of the handspring 1½ front salto longhorse vault. “Journal of Biomechanics” 1994, 27(1), p. 67-75. 10. International Gymnastics Federation, Code of Points, WAG, GAM, 2009. 11. Irwin G., Kerwin D.: The influence of the vaulting table on the handspring front somersault. “Sports Biomechanics” 2009, 8(2), p. 114-128. 12. King M., Yeadon M., Kerwin D. : A two-segment simulation model of long horse vaulting. “Journal of Sport Sciences” 1999, 17(4), p. 313-324. 13. King M., Yeadon M.: Factors influencing performance in the Hecht vault and implications for modelling. “Journal of Biomechanics” 2005, 38(1), p. 145-151. 218 Adam Czaplicki, Krzysztof Dziewiecki, Tomasz Sacewicz, Janusz Jaszczuk 14. Prassas S., Kwon Y-H., Sands W.: Biomechanical research in artistic gymnastics: a review. “Sports Biomechanics” 2006, 5(2), p. 261-291. 15. Sano S., Ikegami Y., Nunome H., Apriantono T., Sakuraji S.: The continuous measurement of the springboard reaction force in gymnastic vaulting. “Journal of Sport Sciences” 2007, 25(4), p. 381-391. 16. Seemann W., Stelzner G., Simonidis C. (2005): Correction of motion capture data with respect to kinematic data consistency for inverse dynamic analysis. In: Proceedings of ASME International Design Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, Long Beach, paper DETC2005-84964. 17. Silva M., Ambrósio J.: Kinematic data consistency in the inverse dynamic analysis of biomechanical systems. “Multibody System Dynamics” 2002, 8(2), p. 219-239. 18. Takei Y., Kim E.: Techniques used in performing the handspring and salto forward tucked vault at the 1988 Olympic Games.”International Journal of Sport Biomechanics” 1990, 6(2), p. 111-138. 19. Takei Y., Dunn H., Blucker E: Somersaulting techniques used in high-scoring and low-scoring Roche vaults performed by male Olympic gymnasts. “Journal of Sport Sciences” 2007, 25(6), p. 673-685. Praca została częściowo sfinansowana ze środków na naukę w latach 2010-2012 w ramach projektu badawczego MNiSW N N501156438. 219