Krachtplatforms en linear position transducers Hoe werken ze?

Transcriptie

1 biomechanica Fysieke trainers, fysiotherapeuten en sportwetenschappers kunnen krachtplatforms en/of linear position transducers gebruiken om kinetische (kracht en vermogen) en kinematische informatie (verplaatsing, acceleratie en snelheid) over een beweging te verkrijgen. Hoe meten deze instrumenten dit alles eigenlijk? En met welke andere aspecten moet rekening worden gehouden bij de dataverzameling? Krachtplatforms en linear position transducers Hoe werken ze? Bas van Hooren A B Figuur 1. Een LPT (A) en een krachtplatform (B) in gebruik tijdens een jump squat. Vanuit de sportpraktijk en de wetenschap is er grote interesse in het meten van kinetische en kinematische prestatievariabelen tijdens een beweging. Hiervoor zijn verschillende methodes beschikbaar. De grondreactiekracht (GRF: ground reaction force) kan worden gemeten met een krachtplatform en verplaatsing kan worden gemeten met een zogeheten linear position transducer (LPT). Een LPT is een meetinstrument met een uitrolbare kabel die bevestigd kan worden aan een sporter of een object, zoals een halter (afbeelding 1). Als de sporter of het object beweegt wordt de (verticale) verplaatsing direct gemeten. Dit artikel zal deze beide meetinstrumenten kort bespreken. Een beter begrip van de werking van deze meetinstrumenten zal hopelijk zorgen voor een frequenter en adequater gebruik in de praktijk. Combinaties De beide apparaten kunnen afzonderlijk of in combinatie met elkaar worden ingezet. Sommige onderzoekers hebben alleen GRF data uit een krachtplatform gebruikt 1,2, andere onderzoekers gebruikten alleen verplaatsingsdata uit een LPT 3,4 en weer anderen combineerden GRF data met verplaatsingsdata uit één 5 7 of twee LPT s Iedere combinatie gebruikt een andere methode om de prestatievariabelen te meten en te berekenen. Als gevolg hiervan ontstaan er verschillen in betrouwbaarheid. 8,11 Met een krachtplatform is het bijvoorbeeld niet mogelijk om accuraat snelheid (en daarom ook vermogen) te meten tijdens een power clean. 8 En één van de beperkingen bij het gebruik van één of twee LPT s is dat er veel datamanipulatie nodig is om andere prestatievariabelen te berekenen, waardoor de ruis in het signaal wordt vergroot. 12 Een combinatie van een krachtplatform met één of twee LPT s zorgt voor de meest valide data. 8,11 Ground reaction force Tijdens allerlei bewegingen oefent een sporter kracht uit op de grond. Volgens de derde wet van Newton oefent de grond tegelijkertijd een gelijke hoeveelheid kracht uit op de sporter (de zogeheten grondreactiekracht of GRF), maar doet dit in tegengestelde richting. Hoe meer kracht de sporter dus uitoefent op de grond, des te meer kracht de grond uitoefent op de spor- 34 Sportgericht nr. 5 / 2014 jaargang 68

2 ter. Een krachtplatform is een instrument dat deze GRF kan meten tijdens verschillende bewegingen, zoals de steunfase van hardlopen, de afzet- en landingsfase van springen en tests als de Isometric Mid-Thigh Pull (IMTP). Vanuit de GRF- en tijddata kunnen verschillende variabelen berekend worden met een proces dat integratie genoemd wordt. Dit zijn kinetische variabelen, zoals kracht (force); vermogen (power); snelheid van krachtsopbouw (rate of force development), en kinematische variabelen: verplaatsing (displacement); snelheid (velocity); acceleratie (acceleration). Het ontwerp van een krachtplatform Het typische krachtplatform kan zes variabelen meten, zoals te zien is in figuur 2. Fx, Fy en Fz zijn de krachten langs de respectievelijke assen. Fy staat voor de verticale component van de GRF. Deze is verantwoordelijk voor de verticale snelheid van de sporter en hierdoor ook voor de duur en de hoogte van een sprong. 13 De horizontale component kan opgedeeld worden in een anterior-posterior (voorwaarts achterwaarts; Fx) component en een mediaal-lateraal (binnenwaarts buitenwaarts; Fz) component. De variabele My staat voor de frictie rond de verticale as. Bij een krachtplatform maakt het niet uit op hoeveel verschillende plekken er kracht wordt uitgeoefend, er is altijd één resulterende krachtvector. Omdat deze krachtvector meestal het resultaat is van verschillende krachten die verdeeld zijn over het contactgebied wordt de oorsprong van de vector ook wel het center of pressure genoemd. Voor gedetailleerde informatie over de verdeling van krachten over het contactgebied moet andere apparatuur (bijvoorbeeld drukplaten of inlegzooltjes) worden gebruikt. Een krachtplatform kan krachten meten en het punt waar kracht wordt uitgeoefend berekenen via zogeheten forcetransducers. Deze bevinden zich in de vier hoeken van het platform, zoals te zien is in figuur 2. Iedere tranducer is gevoelig voor krachten langs één as. Doordat er meerdere transducers in een hoek zitten kunnen de krachten langs alle assen gemeten worden. Soms wordt er echter voor gekozen om alleen verticale of horizontale krachten in een bewegingsanalyse mee te nemen, om de analyse te versimpelen. Er kunnen vraagtekens gezet worden bij deze reductionistische benadering van bewegen. Bij een verticale sprong wordt meestal alleen de verticale GRF gemeten. Dit geeft een redelijke indicatie van de tijdens de beweging in totaal uitgeoefende kracht. Bij een horizontale sprong is het echter duidelijk dat het meten van slechts één component (bijvoorbeeld de verticale GRF) resulteert in een flinke onderschatting van de in totaal geleverde kracht. Om hier een goed beeld van de beweging te krijgen zullen dus minimaal twee componenten gemeten moeten worden. Als er twee of meer componenten van de GRF worden gemeten is het belangrijk dat er weinig cross-talk is tussen de force transducers. Zo zouden de Fx en Fz transducers geen kracht moeten registreren als er zuiver en alleen kracht wordt uitgeoefend in verticale richting. De force transducers De exacte constructie van de force transducers hangt af van het type. De meest gebruikte types zijn de strain gauge (bij AMTI & 400S) en piëzoelektrisch (bij Kistler). De piëzo-elektrische transducer gebruikt een nietgeleidend kristal (bijvoorbeeld kwarts) dat een elektrisch signaal genereert als het blootgesteld wordt aan mechanische rek. Dit elektrische signaal wordt vervolgens gemeten en gerelateerd aan een bepaalde kracht. Strain gauge transducers zijn meestal gemaakt van een gekalibreerd stukje metaal of folie. Dit kan vervormd worden door de uitgeoefende kracht en deze vervorming resulteert in een verandering in de lengte van het metaal of folie. Deze verandering wordt strain genoemd en hier komt de naam strain gauge dan ook vandaan. De verandering in lengte verandert de elektrische geleiding van het metaal of de folie. Deze verandering kan gemeten en vervolgens gerelateerd worden aan een bepaalde kracht. Beide typen force transducers doen eigenlijk hetzelfde: ze meten en verster- Figuur 2. De meetvariabelen van een krachtplatform met force transducer. ken het signaal en zenden het naar de computer voor verdere analyse. In vergelijking met piëzo-elektrische transducers zijn strain gauge transducers minder duur en beter geschikt voor het meten van statische kracht Ze zijn echter wel gevoeliger voor cross-talk, moeten vaker gekalibreerd worden en hebben niet het bereik en de gevoeligheid van piëzo-elektrische transducers. Kalibratie van force transducers Om betrouwbare meetgegevens te krijgen moeten force tranducers regelmatig worden gekalibreerd (geijkt). Dit is een proces waarbij de relatie tussen de input en de output van een instrument Sportgericht nr. 5 / 2014 jaargang 68 35

3 Figuur 3. Linear position transducer (LPT). wordt vastgesteld. 14 Het verticale kanaal (Fy) kan gekalibreerd worden door het plaatsen van bekende gewichten op het platform. Vervolgens moet in de computer worden ingegeven hoeveel kilo er op de plaat ligt. Op deze manier weet de force tranducer welke kracht (aantal Newton s) er hoort bij een bepaalde hoeveelheid vervorming. De horizontale kanalen (Fx en Fz) kunnen gekalibreerd worden door een kabel te bevestigen aan het oppervlak van de plaat. Deze kabel moet dan over een wrijvingsloze katrol worden getrokken die op dezelfde hoogte staat als het oppervlak van de plaat. Aan het vrije eind van de kabel wordt vervolgens een gekalibreerd gewicht gehangen. Ook hier kan door het ingeven van het (bekende) gewicht in de computer de kracht aan de mate van vervorming worden gerelateerd. Cross-talk tussen de kanalen kan gecontroleerd worden door de output van de horizontale kanalen te registreren tijdens het kalibreren van de verticale kanalen en omgekeerd. Voor meer informatie over het kalibreren van force transducers wordt verwezen naar andere bronnen. 14,18 Displacement Een LPT heeft een uitrolbare kabel (zie figuur 3) die bevestigd kan worden aan een sporter of een object, zoals een halter. Als de sporter of het object beweegt wordt de (verticale) verplaatsing direct gemeten. Als de verplaatsingsdata en tijd gecombineerd worden kunnen weer andere prestatieparameters berekend worden door differentiatie (voor snelheid) en dubbele differentiatie (voor acceleratie). 8,19 Een LPT wordt vaak gebruikt (eventueel in combinatie met een krachtplatform) tijdens jump squats, bench throws en andere halteroefeningen. Hierbij kan de LPT informatie geven over de snelheid, kracht en het vermogen dat op de halter wordt uitgeoefend. Bij de meeste bewegingen is er naast verticale verplaatsing ook nog horizontale verplaatsing. Om de horizontale verplaatsing mee te nemen in het berekenen van de prestatievariabelen hebben Cormie et al. 8 twee LPT s boven de sporter geplaatst, zodat een driehoek werd gevormd. Er werden significante verschillen gevonden tussen het gebruik van één versus twee LPT s. Ideaal gezien zouden er daarom twee LPT s gebruikt moeten worden om de horizontale verplaatsing ook mee te nemen in de berekeningen. Er zijn echter ook LTP s ontwikkeld (bijvoorbeel GymAware) die meten in welke hoek de kabel de spoel verlaat, waardoor de horizontale verplaatsing gemeten kan worden. Onderdelen van de LPT In een LPT zit een stalen kabel om een spoel die draait als de kabel uit- en oprolt. Om constante spanning op de kabel te houden zit er een veer aan de spoel bevestigd. De spoel is gekoppeld aan de schacht van een rotatiesensor. Bij het uit- en oprollen van de kabel roteren zowel de spoel als de sensorschacht. De rotatie van de schacht creëert een elektrisch signaal dat evenredig is aan de lineaire snelheid van de kabel. Dit elektrische signaal wordt doorgestuurd naar de computer voor verdere analyse. Er zijn twee typen rotatiesensoren: de encoder en de voltage potentiometer. De encoder gebruikt een sensor met een schaal om de positie te bepalen. De sensor leest de schaal en zet de positie om naar een analoog of digitaal signaal. De potentiometer gebruikt een voltagesignaal dat verandert als de lengte van de kabel verandert. Het grootste verschil tussen deze types is dat een potentiometer gekalibreerd moet worden voor gebruik, terwijl dit bij een encoder niet nodig is. 20 Kalibratie van een LPT Bij het kalibreren van een LPT zijn er twee punten met een bekende tussenafstand nodig. Zo kan er in een power cage (zoals te zien in figuur 1) Figuur 4. Van analoog naar digitaal. A: analoog signaal, B: versterkt signaal, C: omzetting naar digitaal signaal d.m.v. sampling. een hoge positie en een lagere positie worden gebruikt. Eerst wordt de kabel van de LPT bevestigd aan een halter (of plastic stick). In de software wordt vervolgens de bekende tussenafstand ingevoerd (bijvoorbeeld 1.05m). De halter wordt vervolgens op de hoge positie gelegd, waarna de software deze positie meet. Hetzelfde gebeurt voor de lagere positie. Op deze manier kan de sensor de mate van rotatie relateren aan de mate van verplaatsing. 36 Sportgericht nr. 5 / 2014 jaargang 68

4 Van analoog naar digitaal De signalen die door de besproken sensoren worden geproduceerd zijn meestal analoog (figuur 4A). Ze worden door ingebouwde software versterkt (figuur 4B) en omgezet naar digitale signalen voor verdere analyse op de computer. Het interval waarmee dit signaal wordt omgezet is de sampling frequency (figuur 4C). Van figuur 4A naar 4B verandert grootte naar force op de y-as. Dit Figuur 5. Filteren of smoothing van het signaal. heeft te maken met de force transducers die de mate van deformatie (zoals beschreven) kunnen relateren aan een bepaalde kracht. Als de force transducers echter niet adequaat zijn gekalibreerd ontstaat er een systematische fout (error) in het signaal. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren als het gewicht dat bij de kalibratie is gebruikt in werkelijkheid iets lichter of zwaarder is dan aangenomen. Adequaat kalibreren is dus belangrijk. Bij voorkeur moeten er voor de kalibratie dan ook gekalibreerde gewichten worden gebruikt. Tijdens de omzetting van analoog naar digitaal kan er in het onbewerkte signaal ruis ontstaan. 12,21 Ruis kan worden omschreven als ongewenste verstoringen in het (originele) signaal. Vaak is deze ruis lager in amplitude en heeft het een andere, vaak hogere frequentie dan het originele signaal. 22 Hierdoor kan de ruis er (voor een deel) weer uit gefilterd worden. Filteren Filteren is een handeling waarbij de ruis uit het signaal wordt verwijderd zonder dat daarbij het echte signaal wordt beïnvloed. Filteren zal echter zelden leiden tot een perfect resultaat, omdat er bijna altijd ruis is die niet verwijderd kan worden en omdat de meeste technieken het signaal toch enigszins beïnvloeden. 23 Filteren van het signaal is belangrijk omdat ruis de uiteindelijke data kan beïnvloeden. Zo kan ruis in het signaal zorgen voor een verschuiving van de locatie van de piek en kan het leiden tot een systematische onderof overschatting van de hoogte van de piek. 22 Om kinetische en kinematische variabelen te verkrijgen worden de data geïntegreerd of gedifferentieerd en dit proces versterkt alle ruis. 23 Het effect van filteren op een ruw (ongefilterd) force signaal is te zien in figuur 5. Het gefilterde signaal (closeup A) ziet er gladder (smoother) uit dan het ongefilterde signaal (close-up B). Daarom wordt filteren ook wel smoothing genoemd. 23 Iedere filtertechniek heeft zijn eigen voor- en nadelen. Er bestaat dan ook geen ideale filtertechniek voor alle situaties. 22 Filters kunnen opgedeeld worden in drie categorieën: digitale filters (bijvoorbeeld Butterworth ), splines (bijvoorbeeld crossvalidated quintic spline ) en frequentiedomein technieken (bijvoorbeeld truncated Fourier Series ). 14,22,23 Voor meer informatie over deze en andere filtertechnieken (zoals moving average en polynomial smoothing) wordt verwezen naar andere bronnen. 14,22,23 Sampling frequentie Het interval waarmee het analoge signaal wordt omgezet naar een digitaal signaal wordt ook wel de sampling frequency genoemd. Dit wordt geregistreerd als hertz (Hz), waarbij een sampling frequency van 500Hz betekend dat er 500 datapunten per seconde worden verzameld. Een te lage sampling frequency kan grote invloed hebben op de verzamelde data. Het gevolg van een te lage frequentie is te zien in figuur 6. De zwarte lijn representeert het analoge (force) signaal. De zwarte puntjes representeren de stukjes data die gemeten zijn zoals bepaald door de sampling frequency. De sampling frequency is te laag, want het signaal wordt niet goed gereconstrueerd. Dit resulteert in een ander verloop van Figuur 6. Een te lage sample frequentie kan het signaal ernstig vervormen. de lijn in het nieuwe (digitale) signaal, waarbij er een onderschatting van de force is bij A en een overschatting van de force bij B. Een voorbeeld uit de praktijk: de impact piek van de verticale GRF tijdens het hardlopen is 1345 Sportgericht nr. 5 / 2014 jaargang 68 37

5 Newton op een sampling frequency van 1000Hz. Als dezelfde data op 50Hz verzameld worden verandert de piekwaarde naar 1315 Newton en de locatie van de piek verandert ook. 22 Hoe hoger de sampling frequency, des te beter de validiteit van het digitale signaal. Het gebruik van een hoge sampling frequency wordt daarom ook aangeraden. Aanbevelingen met betrekking tot de sampling frequency zijn gebaseerd op de Nyquist- Shannon sampling theorie, waar een frequentie van minimaal twee keer de hoogst voorkomende frequentie in het signaal wordt aangehouden. 24 Om piekwaardes goed te meten wordt zelfs aangeraden om vijf tot tien keer de hoogst voorkomende frequentie te gebruiken. 23,25 Een recente review suggereerde dat er tijdens verticaal springen een sampling frequency gebruikt zou moeten worden van Hz. 26 Dit is gebaseerd op vijf tot tien keer de minimale sampling frequency. Om piekwaarden zoals rate of force development adequaat te meten werd echter een hogere frequentie aangeraden: 1000 tot 1500Hz. Veel studies hebben een veel lagere frequentie gebruikt tijdens het testen en dit kan dan ook de slechte betrouwbaarheid van verschillende prestatievariabelen verklaren. Samenvatting Bij een adequaat gebruik van krachtplatforms en LPT s kunnen betrouwbare gegevens over beweging worden verzameld. Een krachtplatform berekent prestatievariabelen aan de hand van de gemeten GRF. Een LPT berekent prestatievariabelen aan de hand van de gemeten verplaatsing. Er is besproken hoe beide meetinstrumenten gekalibreerd kunnen worden, waarom het filteren van de data belangrijk is en wat de invloed is van de sampling frequency. Een aantal praktische toepassingen van zowel het krachtplatform als de LPT zal in een volgend artikel besproken worden. Referenties 1. Haff GG, Stone MH & O Bryant HS (1997). Force-time dependent characteristics of dynamic and isometric muscle actions. Journal of Strength and Conditioning Research, 11 (4), Newton RU, Kraemer WJ & Häkkinen K (1999). Effects of ballistic training on preseason preparation of elite volleyball players. Medicine & Science in Sports & Exercise, 31 (2), Alemany JA et al. (2005). Reliability assessment of ballistic jump squats and bench throws. Journal of Strength and Conditioning Research, 19 (1), Wilson GJ et al. (1993). The optimal training load for the development of dynamic athletic performance. Medicine & Science in Sports & Exercise, 25 (11), Chiu LZF et al. (2004). Measurement of resistance exercise force expression. Journal of Applied Biomechanics, 20 (2), Rahmani A et al. (2001). Force/velocity and power/velocity relationships in squat exercise. European Journal of Applied Physiology, 84, Sheppard JM et al. (2008). The effect of training with accentuated eccentric load countermovement jumps on strength and power characteristics of high-performance volleyball players. International Journal of Sports Science and Coaching, 3 (3), Cormie P, McBride JM & McCaulley GO (2007). Validation of power measurement techniques in dynamic lower body resistance exercises. Journal of Applied Biomechanics, 23 (2), Nuzzo JL et al. (2008). Relationship between countermovement jump performance and multijoint isometric and dynamic tests of strength. Journal of Strength and Conditioning Research, 22 (3), McBride JM & Skinner JW (2010). Comparison of kinetic variables and muscle activity during a squat vs. a box squat. Journal of Strength and Conditioning Research, 24 (12), Dugan EL et al. (2004). Determining the optimal load for jump squats: A review of methods and calculations. Journal of Strength and Conditioning Research, 18 (3), Wood GA (1982). Data smoothing and differentiation procedures in biomechanics. Exercise and Sport Sciences Reviews, 10 (1), Miller DI (2000). Springboard and platform diving. In: Zatsiorsky VM (ed.), Biomechanics in sport: performance enhancement and injury prevention, pp Oxford: Blackwell Science. 14. Bartlett RM (2007). Introduction to sport biomechanics (2nd edition). Abingdon: Routledge. 15. Caldwell GE, Robertson DGE & Whittlesey SN (2014). Forces and their measurement. In: Robertson G et al. (eds.), Research Methods in Biomechanics, pp Champaign, Illinois: Human Kinetics. 16. Madeleine P et al. (2011). Biomechanical assessments in sports and ergonomics. In Klika V (Ed.), Theoretical Biomechanics, pp InTech: theoretical-biomechanics. 17. Nigg BM & Herzog W (1994). Biomechanics of the muscoloskeletal system. Chichester: Wiley & Sons. 18. Biewener AA & Full RJ (1992). Force platform and kinematic analysis. In: Biewener AA (ed.), Biomechanics structures and systems. A practical approach, pp Oxford University. 19. Harris NK et al. (2010). Understanding position transducer technology for strength and conditioning practitioners. Strength and Conditioning Journal, 32 (4), Appleby B (n.d.). LPT Basics Part 1. kinetic.com.au/stories/gymaware/lpt-basicspart-1.html ( ). 21. Kibele A (1998). Possibilities and limitations in the biomechanical analysis of countermovement jumps: A methodological study. Journal of Applied Biomechanics, 14 (1), Derrick TR (2014). Signal processing. In: Robertson G et al. (eds.), Reseach methods in biomechanics, pp Champaign, Illinois: Human Kinetics. 23. Challis JH (2007). Data processing and error estimation. In: Payton CJ & Bartlett RM (eds.), Biomechanical evaluation of movement in sport and exercise. The British Association of Sport and Exercise sciences guidelines, pp London: Routledge. 24. Hamill J, Caldwell GE & Derrick TR (1997). Reconstructing digital signals using Shannon s sampling theorem. Journal of Applied Biomechanics, 13, Hori N et al. (2009). Reliability of performance measurements derived from ground reaction force data during countermovement jump and the influence of sampling frequency. Journal of Strength and Conditioning Research, 23 (3), McMaster DT et al. (2014). A brief review of strength and ballistic assessment methodologies in sport. Sports Medicine, 44 (5), Over de auteur Bas van Hooren is sinds juni afgestudeerd aan Fonty Sporthogeschool Eindhoven met als afstudeerrichting Sports & Wellness. Tijdens zijn afstudeerstage bij NOC*NSF / CTO Papendal heeft hij zich onder andere verdiept in de werking en toepassingen van krachtplatforms en een linear position transducers in het werkveld strength & conditioning. basvanhooren@hotmail.com. 38 Sportgericht nr. 5 / 2014 jaargang 68