Kampfkunst Karate: Bestimmung maximaler G-Kräfte
Autor: Adrian Kurmann, Hochschule Luzern, Technik & Architektur
Innerhalb eines Projektmodules der Hochschule Luzern Technik & Architektur sollen Karatetechniken mittels Sensorik verifiziert und ausgewertet werden. Ziel ist es, die maximal wirkenden Kräfte zu messen.
Ausgangslage
Um die maximalen G-Kräfte während Karatebewegungen zu bestimmen, stehen dem Autor eine GoPro Hero Black 10 und ein MSR165 Datenlogger mit Beschleunigungssensor zur Verfügung. Mit dem Datenlogger ist es möglich, Beschleunigungen bis ±200 g zu ermitteln. Die Genauigkeit beträgt im Messbereich von 16-100 g ±5 g und es kann mit einer Auflösung bis 1,6 kHz gemessen werden. Die GoPro dient als Referenzmessung der Beschleunigung. Mit dem Viana.net Framework werden die Videos analysiert und die Beschleunigung bestimmt. Die Genauigkeit dieser Referenzmessung wird mittels Fehlerrechnung überprüft. An jeder Testperson werden mehrere Messungen und Videoaufnahmen durchgeführt. Eine Messung wird an den Beinen durchgeführt, mehrere Messungen an den Armen. Die meisten Messungen werden dabei mit der GoPro gefilmt und ausgewertet.
Testablauf
Der Datenlogger MSR165 ist mit mehreren Sensoren verfügbar. Für die folgenden Messungen wird nur der Beschleunigungssensor bis ±200 g verwendet. Um die Beschleunigungswerte aufzuzeichnen, wird ein ADXL372 MEMS Beschleunigungssensor verwendet, welcher im Gehäuse des MSR165 verbaut ist. Die Messungen der verwendeten Sensoren werden mittels Kondensatoren gemessen, welche ihre Kapazität proportional zur Beschleunigung ändern. Damit der Beschleunigungssensor optimal verwendet werden kann, müssen zuerst die Parameter für den verwendeten Messaufbau eingestellt werden. Um in der kurzen Messzeit möglichst viele Messpunkte zu generieren, wird mit der höchsten Auflösung von 1,6 Khz gemessen. Um einzelne Messungen durchzuführen, können die Messungen mit einem Taster gestartet bzw. gestoppt werden. Die Messungen werden mit einem Zeitstempel im Sensor gespeichert.
Bei den Messungen wird jeder Schlag viermal durchgeführt. Es ist zu erkennen, dass bei allen Karatekas bei den Beinbewegungen die höchsten Beschleunigungen auftreten. Betrachtet man die Start- und Schlusssequenzen der einzelnen Messungen, wird ersichtlich, dass die maximalen G-Kräfte bei der Bremsung der jeweiligen Bewegung entstehen. Dies ist auf die Begrenzung des menschlichen Körpers zurückzuführen, welche beim Beenden des Schlages erreicht wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Messungen an einigen Bewegungen aufgrund der Koordinatensysteme invertiert betrachtet werden müssen. Die maximalen gemessenen Beschleunigungen betragen: Bein: ≅ 42𝑔 (𝑀𝑎𝑒 𝐺𝑒𝑟𝑖, 𝑇ℎ𝑖𝑠) ± 5𝑔 Arm:≅ 35𝑔 (𝐻𝑎𝑟𝑎𝑖𝑜𝑡𝑐ℎ𝑖 𝑈𝑘𝑒, 𝑀𝑎𝑟𝑘𝑢𝑠) ± 5𝑔. Die Auflösung bzw. die Messgeschwindigkeit der Messdaten ergibt selbst bei Bewegungen mit hoher Beschleunigung einen nachvollziehbaren Verlauf. Dabei werden die Maximalwerte mit mehreren Messungen bestätigt. Bei einer Bewegungsdauer von 0,5 s wird die Bewegung mit 800 Messdaten abgespeichert.
Um die Werte der Beschleunigungssensoren zu validieren, wird eine Referenzmessung mittels Videoanalyse durchgeführt. Damit die Messungen vom Beschleunigungsdatenlogger und der Videoanalyse verglichen werden können, müssen die Koordinatensysteme der beiden Systeme gleichgesetzt bzw. beachtet werden (s. Studie).
Zusammenfassung
Mithilfe des Datenloggers MSR165 und der Referenzmessung mittels Videoanalyse wurde eine Bestimmung der maximalen G-Kräfte ermöglicht. Die maximalen Beschleunigungen, welche während Karateka auftreten, liegen in einem Bereich von 40-50 g. Die Beschleunigungswerte der Videoanalyse sind aufgrund der möglichen Fehler und der Bearbeitungsmethoden mit einem Informationsverlust zu betrachten. Aus diesem Grund ist eine Bestimmung der Maximalwerte mittels Videoanalyse nur beschränkt möglich. Es lässt sich jedoch der Verlauf der Beschleunigung in Abhängigkeit der Zeit erkennen. Die Daten des Beschleunigungssensor ergeben saubere Diagrammverläufe, welche eine Analyse ermöglichen. Mit einer Auflösung von 1,6 kHz werden bei Bewegungen von 0,5 s 800 Datenpunkte generiert, wobei die gemessenen Maximalwerte mit mehreren Messungen bestätigt werden. Einzig die Genauigkeit von ±5 g kann ein Vergleich von Bewegungen erschweren. Eine genauere Betrachtung dieser Genauigkeit und ihrer Einflüsse ist für einen genauen Vergleich nötig. Um die Daten des MSR165 Sensors weiter auszuwerten und mit dem realen Verlauf der Beschleunigung des Körperteiles zu vergleichen, ist die Bewegung des Sensors auf der Haut und ihren Einfluss auf die Messung näher zu betrachten.
