Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit

1. Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Ziele • Einfache Handhabung der zwei Messsysteme • s-t-Verlauf  F-t-Verlauf • F-t-Verlauf  s-t-Verlauf

2. Lukotronic Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit • Kameraeinheit (3 Kameras) • USB-Verbindung zu PC

3. Lukotronic Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit • Kameraeinheit MCU 200 (3 Kameras) • aktive Infrarot-Marker • Controllerbox (Kabel- oder Funkverbindung)

4. Lukotronic – Funktionsweise Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit • Marker senden Lichtpulse im infraroten Strahlungsbereich aus. Dabei ist zu einer Zeit immer nur eine Diode aktiv, wodurch die Eindeutigkeit der Marker gegeben ist • Die drei Kameras vermessen die einzelnen Markerpositionen, aus diesen Messdaten werden die exakten räumlichen 3d-Koordinaten berechnet • Durch eine andauernde Messung lässt sich eine zeitliche Abfolge der Markerpositionen im Raum ermitteln

5. Lukotronic – Funktionsweise Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Bei welchem Marker wird die Positionsbestimmung einen geringeren Fehler in x-Richtung aufweisen (weshalb)? 1 2 x x

6. Lukotronic Funktionsweise 1 Abbildungsebene Kamera 1 Abbildungsebene Kamera 3 3 Bild Kamera 1 Bild Kamera 3

7. Lukotronic – Funktionsweise 1 3 Bild Kamera 1 Bild Kamera 3

8. Lukotronic – Funktionsweise Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Beim Marker 1 weisen die Geraden einen „günstigen“ (60 – 120°) Schnittwinkel auf. 1 2

9. Lukotronic - Systemmerkmale Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit • Bewegungsanalyse in Echtzeit • Messdaten lassen sich exportieren und importieren • Messdaten sind 3-dimensional • Kalibrierung nach Inbetriebnahme selbsttätig Erklären Sie die Bedeutung der blauen Wörter!

10. Lukotronic - Systemmerkmale Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit 3-dimensional: kartesisches Koordinatensystem mit 3 Achsen Ein kartesisches Koordinatensystem ist ein orthogonales Koordinatensystem (orthogonal – Achsen stehen im rechten Winkel zueinander) z y x

11. Lukotronic - Systemmerkmale Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Kalibrierung: Ermittlung des Zusammenhanges zwischen den ausgegebenen Werten eines Messgerätes und den bekannten Werten der Messgröße unter bekannten Bedingungen. Dabei ist zu beachten dass Kalibrierung • kein Abgleich • keine Aussage über Drift beinhaltet.

12. Lukotronic - Systemmerkmale Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Kalibrierung Beispiel: Kalibrierung ist nur bei einer hohen Wiederholungsgenauigkeit sinnvoll. Wie wird Lukotronic kalibriert?

13. Lukotronic – Technische Merkmale Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit • Messfrequenz: 1200 Hz (optional: 2400 Hz) pro Abtastung von einem Marker • Markeranzahl: max. 48 • Messbereich: 1-7 m • Auflösung: 0.1 mm (Abstand = 1.5 m) Mit welcher max. Frequenz kann bei einer Markeranzahl von 24 gemessen werden?

14. Lukotronic – Technische Merkmale • Öffnungswinkel Kamera: 20° waagrecht 50° senkrecht • Öffnungswinkel Marker: 180°

15. Kistler-Messplattform Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit

16. Kistler-Funktionsweise Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit • Beim Piezoelektrischen Effekt entsteht bei Ausübung von Druck auf einen besonderen Kristall eine elektrische Ladung • Die Messplattform besitzt vier vorgespannte 3-Komponenten-Kraftsensoren • Die Ausgänge der vier 3-Komponenten-Kraftsensoren sind intern so auf 8 Kanäle reduziert, dass Kraft- und Momentmessungen in allen drei Achsen möglich sind.

17. Exkurs: DMS Piezo Bei den DMS-Sensoren wird zunächst eine elastische Verformung des Messkörpers in eine Widerstandsänderung des DMS umgewandelt, um anschließend ein elektrisches Ausgangssignal einer Wheatstoneschen Brückenschaltung zu generieren. Der piezoelektrische Effekt beruht darauf, dass Kristalle unter Druckbelastung eine direkt zur eingeleiteten Kraft proportionale elektrische Ladung erzeugen. Mit Hilfe eines Verstärkers wird diese Ladung dann in eine proportionale Ausgangsspannung umgewandelt. Bei der piezoelektrischen Messtechnik mit einer Sensorgröße ist ein weiter Messbereich ohne Genauigkeits- und Auflösungsverlust realisierbar. Bei der Langzeitstabilität (Driftverhalten) hat die DMS-Technologie Vorteile, da es in der piezoelektrischen Messtechnik praktisch nicht möglich ist, einen Messaufbau mit unendlich großem Isolationswiderstand zu realisieren. Mehr Details unter: http://www.hbm.com/de/menu/tipps-tricks/kraftmessung/strain-gages-or-piezoelectric-sensors-a-comparison/ http://www.hbm.com/de/menu/tipps-tricks/kraftmessung/die-qual-der-wahl-piezoelektrische-oder-dms-basierte-kraftaufnehmer/

18. Kistler- Messplatte:Systemmerkmale Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit • Messen von 3-d Bodenreaktionskraft, Moment und Kraftangriffspunkt • Kraftverlaufsanalyse in Echtzeit • Messdaten lassen sich exportieren • Vor der Messung muss ein Nullabgleich erfolgen

19. Exkurs: Formen von Fehlern Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Nichtlinearität Steigungsfehler Nullpunktsfehler ist ist ist soll soll soll ist Hysterese soll Welcher Fehler kann nicht korrigiert werden? Wie kann die Nichtlinearität korrigiert werden?

20. Exkurs: Übersprechen Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Es wirken die Kräfte: Gemessen werden die Kräfte: Fz = 1000 N Fz = 1000 N Fx = 0 NFx = 50 N Fz Fz Fy Kistler Platte Kistler Platte Dann beträgt das Übersprechen der vertikalen auf die horizontale Kraft 5%

21. Kistler-Technische Merkmale Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit • Hohe Eigenfrequenz -1000 Hz • Überlast >15 kN • Linearität < 0,5% • Hysterese < 0,5% • Übersprechen < 1,5% • Anzahl Kanäle: 8 (4 vertikal, 2 quer und 2 längs) Eine Eigenfrequenz eines schwingfähigen Systems ist die Frequenz, mit der das System nach einmaliger Anregung schwingen kann. Könnte mit dieser Kraftmessplatte die Reibung zwischen Schnee und Ski gemessen werden?

22. Messung allgemein Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit • Aufnahmesoftware (AS202) starten • Koordinatensystem von Lukotronic definieren • Nullabgleich Kraftmessplatte • Messung (Datenaufnahme) • Daten speichern • Schwerpunkt und Gesamtkraft berechnen und speichern • Daten zur Kontrolle in Excel betrachten

23. AS202 – Bedienungsanleitung Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit - AS202 Icon (Desktop) starten (Aufnahmesoftware) Übung Biomechanik und Kniebeuge 1 wählen

24. AS202 – Bedienungsanleitung Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit „Strg + F1“ drücken  es werden alle Blätter angezeigt Koordinatensystem von Lukotronic definieren: Die 3 Marker, wie auf der Kistler Platte beschrieben, in der Mitte der kreisförmigen Scheiben anbringen. Direction A Direction B Origin Norden

25. AS202 – Bedienungsanleitung Blatt – Software Blatt - Coordinate System Blatt - Automatic Markernummer im gelben Feld angeben, welche bei der Kistler Platte aufgeklebt wurden Define Coordinate System (Messung ist aktiv und Marker müssen rot leuchten, bei Direction B muss das Zahlenfeld weiss sein!!!) Save Coordinate Trafo

26. Versuchsanordnung Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit M 17 Lukotronic AS202 Luko-Funkbox M 18 Norden M 19 Origin Direction A M 20 M 21 USB-Kabel zu PC Direction B Kistler Kraftmessplatte

27. AS202 – Bedienungsanleitung Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit • Marker 17 bis 21 bei Proband anbringen • (siehe Versuchsanordnung) • Blatt Run wählen und zur Aufnahme runden Punkt • drücken Kraftverlauf der einzelnen Kraftsensoren

28. Lukotronic – Bedienungsanleitung Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit • Messung starten • Nullabgleich- es darf sich nichts auf der Kraftmessplatte befinden (mindestens 3s) • auf die Kistler Platte steigen • 3 Sekunden ruhig stehen • Kniebeugen ausführen (3 * langsam 2s Pause, • 3 * mittel 2s Pause, 3 * schnell) • 3 Sekunden ruhig stehen • Von der Platte steigen - 3 Sekunden warten • Messung stoppen

29. AS202 – Bedienungsanleitung Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Daten speichern Verzeichnis wählen Filename eingeben Speichern

30. Gelenksmomente – Bedienungsanleitung Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Schwerpunkts- und Kraftverlauf in vertikaler Richtung berechnen und speichern: Das Auswerteprogramm „Gelenksmomente“ (es befindet sich ein Icon auf dem Desktop) starten.

31. Gelenksmomente – Bedienungsanleitung Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Datei wählen Programm starten (Programm stoppen)

32. Gelenksmomente – Bedienungsanleitung Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit 2. 1. Daten betrachten 2. Vertikaler KSP- und Kraftverlauf speichern (Name.txt) 1.

33. Daten zur Kontrolle in Excel betrachten Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Daten betrachten

34. Daten zur Kontrolle in Excel betrachten Datei „Name.txt“ öffnen und Kraft- und Wegverlauf als Diagramm darstellen Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Daten betrachten

35. Zur Messung Antenne bei Funk Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Schwarze Fläche kann abgeklebt werden

36. Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Achtung! Mit beiden Füssen auf der Kraftmessplatte stehen.

37. Zur Messung Bewegungs- und Krafterfassung in Echtzeit Bei Problemen während der Messung: Tel. 4487 oder 0650 9 22 38 66 Bedienungsanleitung vor der Messung durchlesen! Klebebänder zur Befestigung der Marker mitnehmen! Sportbekleidung (enganliegende kurze Hose und schulterfreies Hemd) Fragen zum Messablauf sollten beantwortet werden können! Wie muss der Wegverlauf vom Körperschwerpunkt in etwa aussehen?

38. Laufanalyse High-Speed-Video

39. Laufanalyse: Ziele der Übung High-Speed-Video Laufschritt mit Kamera „erfassen“ (Serienbild, High-speed) Serien- und Reihenbild erstellen Head to Head Vergleich Kniewinkel- und Kniewinkelgeschwindigkeitsverlauf Vertikaler Wegverlauf vom Hüftpunkt

40. High-Speed-Kamera mvBlueFOX3: High-Speed-Video Kompakte Industriekamera-Serie mit USB 3.0 Hochwertige CMOS-Sensoren bis 14 Megapixel 2000 * 1000 bei 300 Hz 10 Bit Grauwert- und Farbversionen 256 MByte großer integrierter Bildspeicher Gleichzeitiges synchrones Aufnehmen mehrerer Kameras Externe Triggermöglichkeit und kein Qualitätsverlust beim Abspeichern Nachteil: Computer zur Ansteuerung erforderlich

41. High-Speed-Kamera Pro EX-F1: High-Speed-Video • hochauflösende Kamera mit CMOS-Technologie • Verbindung zum Pc oder Laptop über eine USB Schnittstelle • Gleichzeitiges synchrones Aufnehmen mehrerer Kameras ist mit Zusatzgeräten möglich • Externe Triggermöglichkeit über PC bedingt möglich • Serienbilder – geringer Qualitätsverlust beim Abspeichern (JPG Komprimierung) • Videos – Qualitätsverlust durch Komprimierung

42. High-Speed-Kamera: Casio Exilim Pro EX-F1 Technische Merkmale High-Speed-Video • Bilder • 60 fps bei 6 Megapixel (2816*2112) • 60 Bilder Aufnahmekapazität • Highspeed Movie • - 512 × 384 (300 fps) • - 432 × 192 (600 fps) • - 336 × 96 (1200 fps) • Videos liegen in komprimierter Form vor • Full HD-Video • Speicher – SanDisk Speicherkarten (bis zu 32 GB) • 12-fach optischer Zoom • Lichtempfindlichkeit (ISO): bis 1 600

43. High-Speed-Kamera: NEX FS700K Technische Merkmale High-Speed-Video • Bilder • 4K-Auflösung von 4.096 x 2.160 Pixel • LineareRAW mit12-bit Auflösung • Highspeed Movie • Full HD Slow Motion biszu 200 fps • Videosliegen in komprimierter Form vor • Lichtempfindlichkeit (ISO): bis 64 000 http://www.tundratree.com/sony-nex-fs700-a-great-camera-for-wildlife/ http://www.videodata.de/shop/products/de/Kameras-Camcorder/NXCAM-AVCHD/Sony-NEX-FS700E.html

44. High-Speed-Kameras: High-Speed-Video Casio Exilim EX-ZR700 224x64 – 1000 fps und 224x160 – 480 fps 512x384 - 240fps 640x480 - 120fps 16,1 Megapixel, 7,6 cm (3 Zoll) Display, 18-fach Zoom, Lichtempfindlichkeit (ISO): bis 3200 http://de.exilim.eu/de/exilimzrserie/exzr700/specifications/ JVC GC-PX100BEU HD High-Speed Camcorder 640x360 Pixeln - 100 fps, 200 fps und 250 fps 10-fach optischer Zoom Lichtempfindlichkeit (ISO): bis 6400

45. Excurs: Monochrome Monochrom bedeutet in der Fotografie: Ein Bild oder Medium, das nur Graustufen bzw. Abstufungen einer einzigen Farbe zeigt.(Wikipedia). 8 Bit = 1 Byte = 28 = 256 Unterteilung zwischen Weiß und Schwarz erfolgt in 256 Stufen 10 Bit = 1024 (Casio Pro EX-F1 größer 15 fps) 12 Bit = 4096 (Casio Pro EX-F1 bis 15 fps) 16 Bit = 2 Byte = 65 536

46. Exkurs: Bildkomprimierung High-Speed-Video • http://de.wikipedia.org/wiki/Bildkompression#Kompressionsverfahren_im_Vergleich • Das JPEG File Interchange Format (JFIF) ist ein 1991 von Eric Hamilton entwickeltes Grafikformat zur Speicherung von Bildern, die nach der JPEG-Norm komprimiert wurden. Für Bilder ist diese Format gut geeignet, für Grafiken eher nicht. http://de.wikipedia.org/wiki/JPEG#Die_JPEG-Komprimierung • Anwendung: Ein 12 MPixel Bild benötigt im Raw-Format ca. 14MB, im JPG-Format ca. 2,5MB • Bei besseren Fotoapparaten kann das Speicherformat gewählt werden, wobei die Nachbearbeitung am Besten mit dem Raw-Format funktioniert.

47. Exkurs: Vollbildverfahren Das Zeilensprungverfahren (engl. Interlaced Scan)– zeilenverschränkte Halbbilder) baut zuerst die geraden und anschließend die ungeraden Zeilen auf. http://de.wikipedia.org/wiki/Zeilensprungverfahren Das Vollbildverfahren(engl. Progressive Scan) bezeichnet eine Technik beim Bildaufbau, bei denen das Ausgabegerät mit echten Vollbildern gespeist wird. Dadurch wirkt das Bild schärfer und ruhiger, außerdem wird Zeilenflimmern vollständig eliminiert. Es gibt zwei Möglichkeiten, Vollbilder zu übertragen: als ganzes (progressive) oder als zwei aufeinander folgende Halbbilder mit demselben Zeitindex (progressive withsegmentedframes, psF). http://de.wikipedia.org/wiki/Vollbildverfahren Auch das HDTV-Format 1080i wird in diesem Modus verwendet, wohingegen 720p und 1080p mit echten Vollbildern gesendet werden. Beim Interlaced Scan kann durch die Verdopplung der Zeilen die zeitliche Auflösung halbiert werden (Bsp. Frequenz erhöht sich von 25 auf 50 Hz).

48. Exkurs: Lichtempfindlichkeit Bei höherer Lichtempfindlichkeit kann bei gleicher Belichtungszeit in dunklerer Umgebung fotografiert werden, oder bei gleicher Helligkeit kann die Belichtungszeit reduziert werden. Die Lichtempfindlichkeit wird heute meist in ISO angegeben. Je höher die Zahl, desto weniger Licht benötigt man beim Fotografieren, desto schlechter wird aber i.d.R. auch die Bildqualität (Körnung bzw. Rauschen).

49. High Speed - ExcursBewegungsunschärfe Einfaches Beispiel: Ein Tennisball hat beim Aufschlag eine Geschwindigkeit von 215 km/h. Was für einen Weg legt er bei 100 μs, 1 ms und 4 ms zurück?

50. High Speed - ExcursBewegungsunschärfe Einfaches Beispiel: Ein Tennisball hat beim Aufschlag eine Geschwindigkeit von 215 km/h. Was für einen Weg legt er bei 100 μs, 1 ms und 4 ms zurück? 215 km/h = 59,7 m/s s = v * t = 60 * 0,0001 = 6 mm; 6 cm; 24 cm Dies bedeutet, auf dem Bild scheint der Tennisball bei einer Belichtungszeit von 4 ms 30 cm lang zu sein (6 cm Durchmesser).