Urządzenia kontrolno-

Transkrypt

1 30 Urządzenia kontrolno- -pomiarowe Opracowany system komputerowy wykorzystujący stosowaną wcześniej zasadę działania pantografu, pozwala na szybsze i łatwiejsze określanie kinematycznych i energetycznych parametrów badanych ćwiczeń. Antoni Nawrat Komputerowy system pomiaru toru ruchu sztangi podczas ćwiczeń siłowych W artykule opisano, stworzony w Zakładzie Biomechaniki AWF w Katowicach, komputerowy system pomiarowy, pozwalający na określanie kinematycznych i energetycznych parametrów badanych ćwiczeń siłowych. Przedstawiono zasady działania i obsługi tego systemu, ilustrując jego możliwości wartościami parametrów kinematycznych i energetycznych, uzyskanych podczas wykonywania wybranych ćwiczeń. SŁOWA KLUCZOWE: ćwiczenia siłowe ze sztangą tor ruchu sztangi urządzenia kontrolno-pomiarowe. Ćwiczenia siłowe wykorzystywane są powszechnie w sporcie wyczynowym, rekreacji oraz w rehabilitacji ruchowej. W modnych ostatnio siłowniach, gdzie ćwiczą amatorzy, korzysta się głównie z różnego rodzaju trenażerów. W sporcie wyczynowym (w podnoszeniu ciężarów, trójboju siłowym) często jedynym przyrządem do treningu siłowego oraz doskonalenia techniki wykonywania poszczególnych ćwiczeń jest sztanga. Istniejące opisy struktury ćwiczeń siłowych ze sztangą dotyczą przede wszystkim klasycznych ćwiczeń pod- Sport Wyczynowy 2001, nr 9-10/

2 Komputerowy system pomiaru toru ruchu sztangi podczas ćwiczeń siłowych 31 noszenia ciężarów - rwania i podrzutu. W znacznie mniejszym stopniu zajmowano się natomiast opisem ćwiczeń ukierunkowanych, takich jak: przysiady, ciągi rwaniowe i podrzutowe, rwanie i zarzut do półprzysiadu itp. Rzadko prowadzono też biomechaniczne analizy ćwiczeń, wykonywanych przez zawodników trójboju siłowego, wyciskania sztangi w leżeniu, przysiadów ze sztangą oraz martwego ciągu, choć mogłyby dostarczyć wartościowego materiału do oceny rozwoju dyspozycji siłowych zawodnika oraz ich techniki. W naszym Zakładzie opracowano przed laty metodykę pomiaru parametrów kinematycznych i dynamicznych ruchu sztangi podczas wykonywania ćwiczeń siłowych 1, której zastosowanie było jednak bardzo pracochłonne i zabierało wiele czasu. Dlatego też w toku dalszych prac stworzono system komputerowy, pozwalający na szybsze i łatwiejsze określanie kinematycznych i energetycznych parametrów badanych ćwiczeń, wykorzystujący stosowaną wcześniej zasadę działania pantografu. Opis systemu 1 Publikację na ten temat zamieścił Sport Wyczynowy 1989, nr 2. Częścią pomiarową systemu jest pantograf, służący do pomiaru w płaszczyźnie pionowej parametrów toru punktu skojarzonego z wolnym końcem ramienia górnego, do którego końca może być zamocowana sztanga. Zbudowany jest on z ciężkiej metalowej podstawy, dwóch ramion wykonanych z metali lekkich i dwóch enkoderów, pozwalających mierzyć kąt α, jaki tworzy dolne ramię z płaszczyzną poziomą, oraz kąt β między ramionami (ryc.1). Dolne ramię (a) połączone jest z podstawą przegubem, umożliwiającym obroty w płaszczyźnie poziomej i pionowej. Górne (b), również połączone z dolnym za pomocą przegubu, umożliwia obrót tylko w płaszczyźnie pionowej. Zastosowane w systemie enkodery są wysokiej klasy precyzyjnymi goniometrami typu A2, produkowanymi przez US Digital Corporation. Ich rzeczywista zdolność rozdzielcza wynosi 1/4096 pełnego obrotu, co daje wartość poniżej 0,1 stopnia kątowego. Mierzone przez enkodery wartości kątów przekazywane są do komputera poprzez standardowy interfejs szeregowy RS 232. Komputerowy system pomiarowy odczytuje wartości kątów, wskazywane przez oba enkodery w trybie synchronicznym, a następnie na ich podstawie oblicza współrzędne geometryczne punktów, rejestrując równocześnie czas odczytu. Dzięki temu wyznacza składowe poziome i pionowe ruchu sztangi oraz wypadkowe prędkości i przyśpieszeń w dowolnym punkcie. Współrzędne wolnego końca ramienia górnego określane są na podstawie znajomości odległości dolnego enkodera od płaszczyzny podstawy pantografu oraz kątów mierzonych przez oba enkodery. Równania, określające te zależności, zamieszczono obok ryc. 1. Zastosowany w systemie program komputerowy PANTOGRAF umożliwia kalibrację układu pomiarowego oraz pomiar toru ruchu sztangi. Układ elektroniczny odczytuje wartości kątów, przelicza je na współrzędne x (pozioma) 31

3 32 Antoni Nawrat Ryc. 1. Schemat ideowy pantografu. a i b - długości ramion pantografu, d - wysokość osi dolnego enkodera, α i β - kąty mierzone przez goniometry pantografu. x 1 = a cosα, x 2 = b cosγ, x = x 2 x 1, y 1 = a sinα, y 2 = b sinγ, y = y 1 + y 2, γ = β α Współrzędne punktu pomiarowego: x = b cos(β α) a cosα, y = d + b sin(β α) + a sinα. i y (pionowa) i rejestruje w pamięci łącznie z czasem odczytu t. Komputerowy system obsługi urządzenia pomiarowego składa się z czterech modułów: 1. Modułu pomiarowego, pozwalającego na kalibrację urządzenia oraz wykonywanie pomiarów. 2. Modułu graficznego opracowania toru - współrzędnych przestrzennych (X, Y) oraz ich przebiegów czasowych składowych przestrzennych, a także ich pochodnych (prędkości, przyspieszenia i stosunku mocy do masy). Wszystkie parametry toru w 40 charakterystycznych punktach charakterystycznych notowane są w pamięci komputera, aby mogły być wykorzystane do dalszej obróbki. 3. Pracującego w tle modułu obliczeniowego, który wygładza przebiegi metodą średnich ruchomych oraz uczestniczy w skalowaniu wykresów i obliczaniu pochodnych parametrów przestrzennych i energetycznych. 4. Modułu zapisu i odczytu danych i wyników, odpowiadającego za tworzenie i obsługę (zapis i odczyt) zbiorów współrzędnych toru, pochodzących z pomiarów i wyników obróbki graficznej. Poszczególne moduły uruchamiane są poprzez proste, przedstawione poniżej, menu: <K>alibracja; <P>omiar; <D>efiniowanie obszaru roboczego; <G>raficzne opracowanie toru; <Z>apis współrzędnych toru; <O>dczyt współrzędnych toru z dysku Zapis punktów <c>harakterystycznych; <M>ono/Color (aktualnie - COLOR); <ESC>-koniec programu. Poszczególne zadania uruchamia się, naciskając odpowiednie klawisze. Zakończenie pracy programu następuje po naciśnięciu klawisza <ESC>. 32

4 Komputerowy system pomiaru toru ruchu sztangi podczas ćwiczeń siłowych 33 Zasady obsługi W opisanym systemie następuje transmisja danych pomiędzy mechaniczno-elektronicznym układem pomiarowym i komputerem. Poleceniom systemu komputerowego nadawany jest format zrozumiałych dla enkoderów A2 rozkazów, przesyłanych do interfejsu szeregowego. Uzyskane przez nie dane przekazywane są także do systemu komputerowego przez interfejs szeregowy i transformowane do postaci liczbowej. Przed pierwszym pomiarem oraz po wszystkich zmianach, dokonanych w układzie mechaniczno-elektronicznym, należy wykonać kalibrację, poprzez wybranie odpowiedniej opcji z głównego menu. Pomiar rozpoczyna się z poziomu głównego menu, wybierając opcję <P>omiar. Na wstępie program pyta o numer portu szeregowego, do którego podłączony jest układ pomiarowy, podpowiadając port nr 2. Po zainicjowaniu portu i sprawdzeniu, czy enkodery podłączone są do niego, przesyłany jest do nich rozkaz, określający tryb pracy, ustawiający zdolność rozdzielczą na 3600 jednostek na obrót, co odpowiada dokładności pomiarowej 0,1 stopnia. W tym momencie układ jest gotowy do wykonania pomiaru. Zapis współrzędnych przestrzennych toru w zbiorze dyskowym uruchamiany jest po zakończeniu pomiaru i naciśnięciu klawisza <ENTER> w odpowiedzi na pytanie o zapis współrzędnych. Można go także uruchomić z poziomu głównego menu programu, wybierając odpowiednią opcję: Procedura odczytu pozwala wczytać do pamięci współrzędne punktów toru w celu ich powtórnej (lub pierwotnej) odróbki graficznej. Ponieważ odczyt współrzędnych toru z dysku powoduje kasowanie współrzędnych, znajdujących się dotąd w pamięci, użytkownik jest o tym informowany odpowiednim komunikatem. W tym momencie istnieje jeszcze możliwość zaniechania odczytu. Wczytanie współrzędnych następuje po podaniu nazwy zbioru, wybranej spośród wyświetlonych na ekranie. Dla pewności wyświetlany jest komentarz wczytywanego zbioru i pojawia się pytanie o jej akceptację. Dopiero po akceptacji dane wczytane ze zbioru dyskowego zastępują znajdujące się w nim wcześniej. Procedurę graficznego opracowania toru uruchamia się z poziomu głównego menu, jeśli w pamięci komputera znajdują się jego współrzędne - pochodzące z dokonanego właśnie pomiaru lub wczytane ze zbioru dyskowego. Przed jej rozpoczęciem program wygładza tor ruchu metodą średnich ruchomych. Użytkownik ma możliwość wybrania ich wartości - od 1 do 10. Program sugeruje wartość 3. Niski stopień średniej ruchomej umożliwia uwidocznienie składowych wyższej częstotliwości, mogących zniekształcić zarys toru. Zbyt wysoki stopień może natomiast wygładzić elementy toru, mające istotne znaczenie. Właściwy wybór stopnia średniej ruchomej jest czynnością ważną i zależy od doświadczenia użytkownika. W kinematycznej analizie ruchu sztangi brane są pod uwagę następujące parametry: 33

5 34 Antoni Nawrat Ic - numer punktu charakterystycznego (1...40); T [s] - czas; Y [m] - wartość współrzędnej pionowej; Vy [m/s] - pionowa składowa prędkości; ay [m/s 2 ] - pionowa składowa przyspieszenia; X [m] - wartość współrzędnej poziomej; Vx [m/s] - pozioma składowa prędkości; ax [m/s 2 ] - pozioma składowa przyspieszenia; V [m/s] - prędkości wypadkowa; a [m/s 2 ] - przyspieszenie wypadkowe; Dostępne są również następujące parametry energetyczne: Py [W/kg] - dynamiczna moc chwilowa w czasie t związana z pionową składową ruchu (nie uwzględniająca przyspieszenia grawitacyjnego), przypadająca na jednostkę masy przyrządu; Px [W/kg] - dynamiczna moc chwilowa w czasie t, związana z poziomą składową, przypadająca na jednostkę masy przyrządu; P [W/kg] - dynamiczna moc chwilowa w czasie t, przypadająca na jednostkę masy przyrządu; Ey [J] - dynamiczna składowa energii, związana z pionową składową ruchu; Ex [J] - dynamiczna składowa energii, związana z poziomą składową ruchu; Eg [J] - energia potencjalna; Eyabs [J] - dynamiczna składowa absolutna energii, związana z pionową składową ruchu; Exabs [J] - dynamiczna składowa absolutna energii, związana z poziomą składową ruchu; Ec [J] - energia całkowita; Pymax [W/kg] - maksymalna moc chwilowa, związana z ruchem wzdłuż osi pionowej; Pxmax [W/kg] - maksymalna moc chwilowa, związana z ruchem wzdłuż osi poziomej; Pmax [W/kg] - maksymalna moc chwilowa w analizowanym przedziale. Sposób obliczania parametrów energetycznych przedstawiono w Materiałach XVI Szkoły Biomechaniki. 2 Przykłady zastosowania systemu Przedstawiony komputerowy systemu pomiaru toru ruchu sztangi wykorzystano do pomiaru ćwiczeń klasycznych w podnoszeniu ciężarów, trójboju siłowym oraz ćwiczeń ukierunkowanych. Jako ilustrację jego możliwości przedstawiamy poniżej i komentujemy zapisy wybranych ćwiczeń. Rycina 2 przedstawia rwanie techniczne sztangi o masie 150 kg. Cały ruch sztangi trwał 1,1 s. Wysokość podnoszenia 1,03 m, wysokość opuszczania 0,16 m. Maksymalna prędkość podnoszenia osiągnęła poziom 2,06 m/s przy niewielkim maksymalnym przyspieszeniu do 3,51 m/s 2. Energia całkowita rwania o wartości 2348,5 J dzieliła się na energię podnoszenia 2041,5 J oraz na energię puszczania 307,0 J. W czasie podnoszenia energia grawitacyjna stanowi 73,9% energii całkowitej. Pozostałą część potrzebna była do prze- 2 Biomechaniczna analiza wyciskania sztangi w leżeniu. Acta of Bioengineering and Biomechanics. Wrocław Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, s

6 Komputerowy system pomiaru toru ruchu sztangi podczas ćwiczeń siłowych 35 Ryc. 2. Ryc

7 36 Antoni Nawrat Ryc. 4. Ryc

8 Komputerowy system pomiaru toru ruchu sztangi podczas ćwiczeń siłowych 37 mieszczania sztangi w pionie (25,5%) oraz poziomie (0,6%). Rycina 3 przedstawia wyciskanie sztangi w leżeniu o masie 210 kg. Czas całego ruchu wyniósł 4,82 s, w tym na fazę opuszczania sztangi przypadło 2,56 s, a fazę wyciskania 2,26 s. Sztangę opuszczono o 0,28 m. Maksymalna prędkość opuszczania sztangi była niewielka - 0,14 m/s, a maksymalna prędkość wyciskania większa - 0,26 m/s. Maksymalne przyspieszenie opuszczania miało wartość -0,27 m/s 2. Maksymalną wartość przyspieszenia w drugiej fazie ruchu (wyciskanie) zanotowano tuż po jej rozpoczęciu - 0,63 m/s 2. Energia całkowita całego ruchu osiągnęła 1175,7 J - w tym energia opuszczania 583,2 J, a energia wyciskania 592,5 J. W przysiadzie ze sztangą na barkach (masa sztangi 310 kg) cały ruch zajął 3,41 s, a sama faza przysiadu trwała 1,56 s (ryc. 4). W ciągu pozostałego czasu (1,85 s) zawodnik wstawał ze sztangą. Droga sztangi w dół wyniosła 0,55 m. Odchylenie toru ruchu sztangi od pionu w fazie przysiadu wyniosło 0,04 m, a w fazie wstawania 0,03 m. Największe prędkości uzyskano w pierwszej fazie 0,55 m/s, w dru- giej fazie 0,49 m/s. Największe przyspieszenie dodatnie (2,28 m/s 2 ) zarejestrowano tuż po rozpoczęciu fazy wstawania, natomiast największe przyspieszenie ujemne (-1,5 m/s 2 ) tuż po rozpoczęciu przysiadu. Energia całkowita fazy przysiadu osiągnęła wartość 1766,3 J, a wstawania 1823,6 J. W klasycznym ćwiczeniu trójboju siłowego, jakim jest martwy ciąg (masa sztangi 280 kg), czas całego ruchu podnoszenia wyniósł 1,41 s, wysokość podnoszenia 0,54 m (ryc. 5). Stwierdzono niewielkie odchylenie toru ruchu sztangi od pionu (0,015 m). Po przejściu przez pion sztanga przybliżyła się do ciała zawodnika o 0,01 m. Maksymalną prędkość podnoszenia stwierdzono na wysokości 0,26 m - 0,71 m/s. Największe przyspieszenie rzeczywiste osiągnęło wartość 1,63 m/s 2. Energia całkowita martwego ciągu wyniosła 1598,2 J: grawitacyjna 1460,4 J, Eyabs 133,6 J, Exabs 4,2 J. Przedstawiony w artykule sposób opisu ćwiczeń siłowych ze sztangą umożliwia pełniejsze niż dotychczas poznanie przebiegu treningu siłowego. Dzięki temu może być wykorzystany w badaniach naukowych oraz w praktyce sportowej. 37