OLIVER ERNE 1 Stereophotogrammetrie zur präzisen 3-D-Positions-, Bewegungs- und Deformationsanalyse an Sportgeräten

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1 OLIVER ERNE 1 Stereophotogrammetrie zur präzisen 3-D-Positions-, Bewegungs- und Deformationsanalyse an Sportgeräten 1 Einleitung In der Sportwissenschaft werden zahlreiche Methoden eingesetzt, um Trainingserfolge zu quantifizieren bzw. effizientere Trainingstechniken zu entwickeln. Des Weiteren werden Sportgeräte anhand von Simulationen optimiert, um diese effizienter zu gestalten. Zur Quantifizierung der Effizienzsteigerung bzw. zum Abgleich von Simulationen werden heutzutage speziell entwickelte, kamerabasierte Verfahren und optische Messtechniken eingesetzt. Der Einsatz dieser Techniken ist oft aufwendig bzw. für diverse Applikationen zu ungenau. Neue photogrammetrische Techniken, welche in der Entwicklung im Automobilbau und in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, können in der Sportwissenschaft Verwendung finden. Der Einsatz dieser Messtechniken hilft, kleinste 3-D-Bewegungen und 3-D-Verformungen auch von schnellen Vorgängen präzise zu erfassen. 2 Methode Im Folgenden ist eine Messmethode aufgeführt, welche im industriellen Einsatz bei der Entwicklung von Bauteilen genutzt wird. Auf Basis eines kalibrierten Stereokameraaufbaus können, abhängig von der Geschwindigkeit der eingesetzten Kameras, langsame und schnelle Bewegungen sowie dynamische Verschiebungen und Deformationen berührungslos erfasst werden. Für die punktuelle Erfassung von 3-D-Positionen bzw. der 3-D-Verschiebungs- und Deformationsanalyse wurde das PONTOS System (Abb. 1) eingesetzt. Dieses System beruht auf zwei CMOS Kameras, welche fest zueinander in einem Sensor aufgebaut sind. Aufbau, Anschluss und Kalibrierung des Systems sind typischerweise in 30 min abgeschlossen. Aufgeklebte Messmarken, welche zur Markierung der Objekte dienen, werden mithilfe beider Kameras erfasst. Die 3-D-Koordinaten der Messmarken werden für jedes Stereobild automatisch durch die Software präzise ermittelt. Durch den Einsatz schneller Kameras (z. B. 500 Bilder/s) können nun auch sehr schnelle Vorgänge analysiert werden. Die Genauigkeit der ermittelten 3-D-Koordinaten hängt von der Kameraauflösung und dem beobachteten Messvolumen ab. So können beispielweise Verschiebungen und Verformungen im Bereich von µm bei einem Messvolumen von mm erreicht werden. 1 GOM Gesellschaft für Optische Messtechnik mbh Z. Angew. Trainingswissenschaft 16 (2009) 2 111

2 Abb. 1. PONTOS System, Messmarken, Fa. GOM mbh 3 Beispiele D-Bewegungsanalyse beim Schießen im Biathlon Zur Leistungskontrolle und zur Auffindung von Fehlern beim Schießen ist die Erfassung der Bewegung der Waffe nötig. Im vorliegenden Fall wurde im Liegendanschlag die Bewegung der Waffe gemessen. Hierzu wurde die Waffe mit kleinen Messmarken (Ø 5 mm, ca. 0,05 g) markiert. Das PONTOS System wurde seitlich vom Schützen mit einem Abstand von ca. 1,5 m positioniert. Die Auslösung der Messung erfolgte hierbei manuell. Die 3-D-Koordinaten und Verschiebungen aller Punkte wurden über den Zeitraum der Schussfolge (fünf Schüsse) erfasst. Aus mehreren Koordinatenwerten wurden die Verschiebungen der Waffe in allen sechs Freiheitsgraden (6DoF) berechnet. Abbildung 2 stellt die Bewegung der Waffe als Verschiebung und Rotation über der Zeit dar. Die tendenzielle Verschiebung in negative x-richtung (horizontal) bzw. die Rotation um die y-achse (vertikal) beschreibt die laterale Bewegung zwischen den einzelnen Zielpunkten. Die größeren Ausschläge in der Kurve zeigt die Bewegung der Waffe beim Umsetzen bzw. beim Repetieren. Der Schusszeitpunkt ist bei Schuss 2-5 durch die kurzzeitige positive z-verschiebung (entgegen der Schussrichtung) erkennbar. Zu jedem Messwert ist ein Bild zugeordnet, welches z. B. bei Auffälligkeiten im Schussverlauf detailliert gesichtet und analysiert werden kann. Animierte Darstellungen sind auf Anfrage unter (o.erne@gom.com) erhältlich. Neben der Untersuchung der gesamten Schussabfolge wurde auch ein Einzelschuss zur genaueren Betrachtung weiter analysiert. Hierzu wurde ein Schuss mit einer Abtastrate von 500 Hz aufgezeichnet und die Bewegung der Waffe, auf das Ziel projiziert, berechnet. Die Bewegung wurde 0,3 s vor dem Schuss und 0,2 s nach dem Schuss im Diagramm dargestellt (Abb. 3). Die Kurven im oberen Diagramm zeigen die lateralen Abweichungen zum Ziel vor und nach dem Schuss 112 ERNE: Stereophotogrammetrie

3 (Zeitpunkt 0 s). Das untere Diagramm zeigt die Rotation der Waffe im gleichen Zeitraum. Abb. 2. 6DoF der Waffe im Liegendanschlag Abb. 3. Bewegung der Waffe auf das Ziel projiziert bzw. Rotation der Waffe Z. Angew. Trainingswissenschaft 16 (2009) 2 113

4 3.2 3-D-Deformationsanalyse an einem Langlaufstock Langlaufstöcke werden heutzutage aus Karbon gefertigt und aus Gewichtsgründen möglichst dünnwandig gestaltet. Ein definiertes Ausknicken des Stocks unter Last nach hinten soll durch die vorverlagerte Anbringung der Stockspitze erreicht werden. Im Versuch wurde ein Doppelstockschub im Labor mithilfe eines Rollbretts nachgestellt. Das Experiment wurde von einem Hobbyläufer mit einfachen Karbonstöcken durchgeführt. Durch Anbringen von Messmarken (ø 10 mm, ca. 0,1 g) entlang der Stockachse konnten die 3-D-Bewegung und die Verformung des Langlaufstocks an 16 Messstellen mit dem PONTOS System beobachtet werden. Die Bewegung des Stocks relativ zum raumfesten Koordinatensystem ist in Abbildung 4 dargestellt. An vier Punkten wurden zusätzlich die Trajektorien der Messmarken aufgezeigt. Abb. 4. Bewegungsverlauf des Stocks beim Doppelstockschub In der PONTOS Software kann die mittlere Bewegung des zu messenden Objekts subtrahiert werden. Durch die Kompensation der Starrkörperbewegung konnte das Ausknicken bzw. die Durchbiegung des Stocks veranschaulicht werden (Abb. 5). Hier ist am Anfang des Stockeinsatzes (0,18 s) eine Ausknickung nach hinten und zu einem späteren Zeitpunkt (0,3 s) eine Ausknickung nach vorne zu beobachten. Diese ist der Krafteinleitung in Form eines Drehmoments an der Stockschlaufe zuzuschreiben. Im Diagramm ist die Durchbiegung an der Stockmitte über der Zeit aufgetragen. Zusätzlich zur Stockbiegung ist eine deutliche Schwingung (Resonanz des Stocks) sichtbar. 114 ERNE: Stereophotogrammetrie

5 Abb. 5. Durchbiegung/Ausknicken eines LL-Stocks beim Doppelstockschub 3 Ausblick Die Beispiele haben gezeigt, dass ein in der Industrie genutztes Messverfahren in der Sportwissenschaft Anwendung finden kann. Die Applikation des Verfahrens ist durch seine Einfachheit gekennzeichnet. Aufgrund des berührungslosen Messens mit nahezu masselosen und reaktionskräftefreien Wegaufnehmern ist keine Beeinflussung der Bewegungsabläufe zu erwarten. Einzig die Sichtbarkeit der Messmarken von zwei Kamerarichtungen ist zu gewährleisten. Zur Betrachtung komplexerer Bewegungen ist auch der Einsatz mehrerer Sensoren möglich. Die Erfassung von Bildern ermöglicht des Weiteren eine präzise Analyse von Messdaten im Zusammenhang mit der jeweiligen Bewegung. So können zum Beispiel im Fall der Schussanalyse Bewegungsfehler sichtbar gemacht und dem Sportler aufgezeigt werden. Die Interpretation der Messdaten kann anhand der Bilder und Animationen intuitiver erfasst werden. Eine Einbeziehung von Relativbewegungen, z. B. zwischen Kopf und Waffe bzw. Hand und Waffe, könnte parallel zur Betrachtung der Waffenbewegung gemessen werden. Die zeitsynchrone Aufzeichnung analoger Messdaten (Kräfte etc.) ist ebenfalls möglich. Im Fall der Messung am Langlaufstock können die Effekte konstruktiver Änderungen quantitativ bestimmt und das Sportgerät effizienter gestaltet werden. Durch die Einfachheit und vergleichbar hohe Präzision der Messung ist diese Messtechnik Z. Angew. Trainingswissenschaft 16 (2009) 2 115

6 ideal zum Abgleich von Simulationen anwendbar. Ein Einsatz des PONTOS Systems ist dadurch auch in weiteren Applikationen in Betracht zu ziehen. Literatur Döbele, S. (2009, Mai). Optical detection of interfragmentary motion in trauma surgery research biomechanical testing of a new screw system. Referat zur GOM-Conference Optical Metrology in Braunschweig. Erne, O. (2005, April). High speed wind tunnel testing: 3D non-contact position and deformation measurement of a delta wing model at Transonic Mach Numbers. Referat zum Aerospace Testing Expo, Open Technology Forum in Hamburg. Erne, O., Friebe, H. & Galanulis, K. (2006). Ist konventionelle Weg- und Beschleunigungssensorik ersetzbar? Lösungsansätze mit Hilfe von optischer 3-D-Messtechnik. In P. Ullrich (Hrsg.), Fahrzeugversuch. Methoden und Verfahren (S ). Renningen: Expertverlag. 116 ERNE: Stereophotogrammetrie