Samenvatting Biomechanica
Prof. Jean-Pierre Baeyens, Prof. Nina Lefeber, Liese Bosman 6 ECTS
Uitdieping in de procedures van de biomechanische analyse en toepassingen bewegingsanalyse.
Beoordelingsinformatie:
1. Examen Schriftelijk (40%): Open boek examen m.b.t. meet- en analyseprocedures (1 e
semester)
2. WPO Praktijkopdracht (20%) Taak m.b.t. data-analyse (1e semester)
3. WPO Groepswerk (40%) Paper & seminarie m.b.t. toepassingen (2de semester)
Indien <10/20 op bepaalde onderdelen, geldt het laagste deelresultaat als examenresultaat. Een
deelresultaat van een examenonderdeel wordt, bij een resultaat ≥10/20, automatisch overgedragen
naar de 2e zittijd.
Inhoud
A. Meetinstrumenten .......................................................................................................................... 2
1. Meetinstrumenten voor bewegingsanalyse................................................................................ 2
1.1 Geschiedenis van de bewegingsanalyse.............................................................................. 2
1.2 Meetinstrumenten voor spatiotemporele parameters ...................................................... 5
1.3 Goniometers en elektrogoniometers .................................................................................. 6
1.4 Inertial measurement units (IMU’s) .................................................................................... 8
1.5 Camerasystemen ............................................................................................................... 11
1.6 Elektromagnetische tracking ............................................................................................. 16
2. Meetinstrumenten voor krachtmetingen ................................................................................. 17
3. Meetinstrumenten voor elektrische spieractiviteit .................................................................. 17
B. 3D kinematica ................................................................................................................................ 18
1. Lokaal frame .............................................................................................................................. 18
a) Opto-electronische MOCAP .................................................................................................. 20
b) Theoretisch voorbeeld .......................................................................................................... 32
a) Numeriek voorbeeld.............................................................................................................. 37
2. Euler / Cardan hoeken ............................................................................................................... 40
3. FHA (Finite Helical Axis) ............................................................................................................. 50
C. Inverse dynamica........................................................................................................................... 51
1) Procedure inverse dynamica ................................................................................................. 51
D. Power analyse (‘joint power’ analyse) .......................................................................................... 59
1) Spierenergie: Generatie, absorptie, transfer ........................................................................ 64
E. Joint stability.................................................................................................................................. 69
Stabilizerende mechanismen synoviaal gewricht ......................................................................... 69
F. Oefeningen .................................................................................................................................... 77
1
,G. Reader: Grounded running (GL) .................................................................................................... 77
1) Samenvatting............................................................................................................................. 77
2) Introductie ................................................................................................................................. 78
3) Biomechanica van grounded lopen ........................................................................................... 79
4) Energetica van grounded lopen ................................................................................................ 79
5) Kan grounded lopen worden aanbevolen voor recreatieve hardlopers? ................................. 80
6) Uitvoering van grounded lopen................................................................................................. 82
7) Conclusies .................................................................................................................................. 82
H. Reader: Long Toss.......................................................................................................................... 83
1) Samenvatting............................................................................................................................. 83
2) Inleiding ..................................................................................................................................... 83
3) Langwerpen definiëren ............................................................................................................. 84
4) Biomechanica van de werpbeweging ........................................................................................ 84
I. Voorbeeld examenvragen ............................................................................................................. 88
J. Vectoranalyse (herhaling) ............................................................................................................. 88
1. Vector ........................................................................................................................................ 88
2. Som van vectoren ...................................................................................................................... 88
3. Cartesische vectornotatie.......................................................................................................... 88
4. Norm of grootte van een vector................................................................................................ 88
5. Het ‘dot product’ (inwendig product) van vectoren ................................................................. 89
6. Het ‘kruis product’ (uitwendig product) van vectoren .............................................................. 89
7. Eenheidsvector .......................................................................................................................... 89
A. Meetinstrumenten
1. Meetinstrumenten voor bewegingsanalyse
1.1 Geschiedenis van de bewegingsanalyse
‘MOCAP’ = Motion capturing (bewegingsanalyse)
De geschiedenis van de methodes om de menselijke beweging kwantitatief te analyseren kent zijn
grote begin op het einde van de 19de eeuw met Eadweard James MUYBRIDGE (1830-1904) en
Etienne-Jules MAREY (1830-1904).
Aan het eind van de 19e eeuw legden de eerste filmcamera's de bewegingspatronen van zowel mens
als dier vast.
In 1877 toonde Eadweard Muybridge met een serie foto's aan dat wanneer een paard in snelle draf
beweegt er een moment is waarop alle voeten van het dier van de grond zijn. De fotograaf had 24
camera’s opgesteld aan de rand van het pad waarover het paard rende. De sluiters van die camera’s
gingen automatisch af zodra het paard in de buurt was.
2
,Het werk werd uitgevoerd in opdracht van Leland Stanford, een voormalig gouverneur van California
en de oprichter van de Stanford Universiteit. Stanford wilde weten of er een zweeffase bestond in
draf bij zijn paard, Sallie Gardner.
Muybridge gebruikte later dezelfde camera's om de bewegingspatronen te bestuderen van een
rennende man, en publiceerde in 1901 The Human Figure in Motion. Zijn werk kan je nog steeds
raadplegen via een online archief: The Human Figure In Motion 1907 Photo Album - Eadweard
Muybridge : Free Download, Borrow, and Streaming : Internet Archive.
In 1879 ontwikkelde Muybridge ook de zogenaamde zoopraxiscope, een machine waarmee
bewegende beelden op een scherm konden worden geprojecteerd. Dit apparaat wordt gezien als
een voorloper van de cinematografie (film).
Ongeveer in dezelfde periode, gebruikte Marey, een Franse fysioloog, een fotografisch geweer (la
fusil photographique) om de beweging te fotograferen van dieren, en in 1882 en 1885 om
verplaatsingen vast te leggen in de menselijke gang.
Marey was eveneens de eerste die gebruikte maakte van reflectieve markers. I.a.w. hij is de pionier
in het gebruik van de ‘stick figures’.
Marey legde een ‘stick figure’ van een rennende mens vast door een man in het zwart te kleden en
dunne witte strepen over zijn armen en benen te schilderen, en vervolgens de man in beweging te
filmen met chronofotografie, waarmee hij in zekere zin pionier was van de moderne filmtechniek van
motion capture, die werd gebruikt voor films als The Rise of the Planet of the Apes (2013).
3
, In de jaren 50 na de tweede wereldoorlog was er een sterke behoefte en ontwikkeling in de
bewegingsanalyse in de context van de revalidatie van oorlogsslachtoffers. Dit concentreerde zich in
eerste fase met de oprichting van het ‘Biomechanics Laboratory’ op de Berkeley campus van de
Universiteit van Californië met namen als Verne Thompson Inman, Howard Davis Eberhart, Henry
Ralston, John B. De C. M. Saunders, Frank Todd, Boris Bresler, Nikolai Bernstein, Wilfrid Taylor
dempster, Rudolf Drillis, Renato Contini, Charles E. Clauser, RF Chandler, Larry W. Lamoreux, Charles,
Robert, Jean & Pierre Ducroquet en John V. Basmajian.
In de 20e eeuw werden systemen ontwikkeld die in staat waren tot geautomatiseerde en semi-
geautomatiseerde computergestuurde bewegingsanalyse.
In 1968 vond Ariel Dynamics Inc. het eerste computergestuurde bewegingsanalysesysteem uit,
bekend als het Ariel Performance Analysis System (APAS). De uitvinder van het systeem, Dr. Gideon
Ariel, ontwikkelde het eerste online elektronische digitaliseringssysteem om elk beeld in een
filmreeks, en later van een video, te herleiden tot zijn kinematische componenten. De operator
moest hierbij handmatig de plaats bepalen van elke marker die voor elk frame werd gebruikt.
In 1974 werd SELSPOT commercieel beschikbaar, waarmee het automatisch volgen van actieve licht-
emitterende diode (LED) markers mogelijk werd. Later maakten Watsmart Optotrak en Codamotion
een soortgelijke techniek.
In 1982 werd VICON, een op een camera gebaseerd systeem, commercieel beschikbaar. Andere
systemen op basis van cameratechnologie volgden, waaronder het Motion Analysis Corporation
systeem, Elite, en ProReflex, en later Oqus door Qualysis.
In de tweede helft van de 20e eeuw werden nog andere methoden om bewegingen te registreren
ontwikkeld. Deze omvatten geïnstrumenteerde loopmatten, accelerometers, elektrogoniometers, en
inertiële meeteenheden (IMU’s) met behulp van micro-elektromechanische systemen (MEMS). Al
deze systemen hebben bijgedragen tot onze huidige kennis van normale en pathologische beweging.
TWEEDE HELFT 20STE EEUW
- Geïnstrumenteerde loopmatten
- Elektrogoniometers
- Accelerometers
- Inertiële meeteenheden (IMU’s)
- Systemen zonder markers (‘markerless motion capturing’)
4
Prof. Jean-Pierre Baeyens, Prof. Nina Lefeber, Liese Bosman 6 ECTS
Uitdieping in de procedures van de biomechanische analyse en toepassingen bewegingsanalyse.
Beoordelingsinformatie:
1. Examen Schriftelijk (40%): Open boek examen m.b.t. meet- en analyseprocedures (1 e
semester)
2. WPO Praktijkopdracht (20%) Taak m.b.t. data-analyse (1e semester)
3. WPO Groepswerk (40%) Paper & seminarie m.b.t. toepassingen (2de semester)
Indien <10/20 op bepaalde onderdelen, geldt het laagste deelresultaat als examenresultaat. Een
deelresultaat van een examenonderdeel wordt, bij een resultaat ≥10/20, automatisch overgedragen
naar de 2e zittijd.
Inhoud
A. Meetinstrumenten .......................................................................................................................... 2
1. Meetinstrumenten voor bewegingsanalyse................................................................................ 2
1.1 Geschiedenis van de bewegingsanalyse.............................................................................. 2
1.2 Meetinstrumenten voor spatiotemporele parameters ...................................................... 5
1.3 Goniometers en elektrogoniometers .................................................................................. 6
1.4 Inertial measurement units (IMU’s) .................................................................................... 8
1.5 Camerasystemen ............................................................................................................... 11
1.6 Elektromagnetische tracking ............................................................................................. 16
2. Meetinstrumenten voor krachtmetingen ................................................................................. 17
3. Meetinstrumenten voor elektrische spieractiviteit .................................................................. 17
B. 3D kinematica ................................................................................................................................ 18
1. Lokaal frame .............................................................................................................................. 18
a) Opto-electronische MOCAP .................................................................................................. 20
b) Theoretisch voorbeeld .......................................................................................................... 32
a) Numeriek voorbeeld.............................................................................................................. 37
2. Euler / Cardan hoeken ............................................................................................................... 40
3. FHA (Finite Helical Axis) ............................................................................................................. 50
C. Inverse dynamica........................................................................................................................... 51
1) Procedure inverse dynamica ................................................................................................. 51
D. Power analyse (‘joint power’ analyse) .......................................................................................... 59
1) Spierenergie: Generatie, absorptie, transfer ........................................................................ 64
E. Joint stability.................................................................................................................................. 69
Stabilizerende mechanismen synoviaal gewricht ......................................................................... 69
F. Oefeningen .................................................................................................................................... 77
1
,G. Reader: Grounded running (GL) .................................................................................................... 77
1) Samenvatting............................................................................................................................. 77
2) Introductie ................................................................................................................................. 78
3) Biomechanica van grounded lopen ........................................................................................... 79
4) Energetica van grounded lopen ................................................................................................ 79
5) Kan grounded lopen worden aanbevolen voor recreatieve hardlopers? ................................. 80
6) Uitvoering van grounded lopen................................................................................................. 82
7) Conclusies .................................................................................................................................. 82
H. Reader: Long Toss.......................................................................................................................... 83
1) Samenvatting............................................................................................................................. 83
2) Inleiding ..................................................................................................................................... 83
3) Langwerpen definiëren ............................................................................................................. 84
4) Biomechanica van de werpbeweging ........................................................................................ 84
I. Voorbeeld examenvragen ............................................................................................................. 88
J. Vectoranalyse (herhaling) ............................................................................................................. 88
1. Vector ........................................................................................................................................ 88
2. Som van vectoren ...................................................................................................................... 88
3. Cartesische vectornotatie.......................................................................................................... 88
4. Norm of grootte van een vector................................................................................................ 88
5. Het ‘dot product’ (inwendig product) van vectoren ................................................................. 89
6. Het ‘kruis product’ (uitwendig product) van vectoren .............................................................. 89
7. Eenheidsvector .......................................................................................................................... 89
A. Meetinstrumenten
1. Meetinstrumenten voor bewegingsanalyse
1.1 Geschiedenis van de bewegingsanalyse
‘MOCAP’ = Motion capturing (bewegingsanalyse)
De geschiedenis van de methodes om de menselijke beweging kwantitatief te analyseren kent zijn
grote begin op het einde van de 19de eeuw met Eadweard James MUYBRIDGE (1830-1904) en
Etienne-Jules MAREY (1830-1904).
Aan het eind van de 19e eeuw legden de eerste filmcamera's de bewegingspatronen van zowel mens
als dier vast.
In 1877 toonde Eadweard Muybridge met een serie foto's aan dat wanneer een paard in snelle draf
beweegt er een moment is waarop alle voeten van het dier van de grond zijn. De fotograaf had 24
camera’s opgesteld aan de rand van het pad waarover het paard rende. De sluiters van die camera’s
gingen automatisch af zodra het paard in de buurt was.
2
,Het werk werd uitgevoerd in opdracht van Leland Stanford, een voormalig gouverneur van California
en de oprichter van de Stanford Universiteit. Stanford wilde weten of er een zweeffase bestond in
draf bij zijn paard, Sallie Gardner.
Muybridge gebruikte later dezelfde camera's om de bewegingspatronen te bestuderen van een
rennende man, en publiceerde in 1901 The Human Figure in Motion. Zijn werk kan je nog steeds
raadplegen via een online archief: The Human Figure In Motion 1907 Photo Album - Eadweard
Muybridge : Free Download, Borrow, and Streaming : Internet Archive.
In 1879 ontwikkelde Muybridge ook de zogenaamde zoopraxiscope, een machine waarmee
bewegende beelden op een scherm konden worden geprojecteerd. Dit apparaat wordt gezien als
een voorloper van de cinematografie (film).
Ongeveer in dezelfde periode, gebruikte Marey, een Franse fysioloog, een fotografisch geweer (la
fusil photographique) om de beweging te fotograferen van dieren, en in 1882 en 1885 om
verplaatsingen vast te leggen in de menselijke gang.
Marey was eveneens de eerste die gebruikte maakte van reflectieve markers. I.a.w. hij is de pionier
in het gebruik van de ‘stick figures’.
Marey legde een ‘stick figure’ van een rennende mens vast door een man in het zwart te kleden en
dunne witte strepen over zijn armen en benen te schilderen, en vervolgens de man in beweging te
filmen met chronofotografie, waarmee hij in zekere zin pionier was van de moderne filmtechniek van
motion capture, die werd gebruikt voor films als The Rise of the Planet of the Apes (2013).
3
, In de jaren 50 na de tweede wereldoorlog was er een sterke behoefte en ontwikkeling in de
bewegingsanalyse in de context van de revalidatie van oorlogsslachtoffers. Dit concentreerde zich in
eerste fase met de oprichting van het ‘Biomechanics Laboratory’ op de Berkeley campus van de
Universiteit van Californië met namen als Verne Thompson Inman, Howard Davis Eberhart, Henry
Ralston, John B. De C. M. Saunders, Frank Todd, Boris Bresler, Nikolai Bernstein, Wilfrid Taylor
dempster, Rudolf Drillis, Renato Contini, Charles E. Clauser, RF Chandler, Larry W. Lamoreux, Charles,
Robert, Jean & Pierre Ducroquet en John V. Basmajian.
In de 20e eeuw werden systemen ontwikkeld die in staat waren tot geautomatiseerde en semi-
geautomatiseerde computergestuurde bewegingsanalyse.
In 1968 vond Ariel Dynamics Inc. het eerste computergestuurde bewegingsanalysesysteem uit,
bekend als het Ariel Performance Analysis System (APAS). De uitvinder van het systeem, Dr. Gideon
Ariel, ontwikkelde het eerste online elektronische digitaliseringssysteem om elk beeld in een
filmreeks, en later van een video, te herleiden tot zijn kinematische componenten. De operator
moest hierbij handmatig de plaats bepalen van elke marker die voor elk frame werd gebruikt.
In 1974 werd SELSPOT commercieel beschikbaar, waarmee het automatisch volgen van actieve licht-
emitterende diode (LED) markers mogelijk werd. Later maakten Watsmart Optotrak en Codamotion
een soortgelijke techniek.
In 1982 werd VICON, een op een camera gebaseerd systeem, commercieel beschikbaar. Andere
systemen op basis van cameratechnologie volgden, waaronder het Motion Analysis Corporation
systeem, Elite, en ProReflex, en later Oqus door Qualysis.
In de tweede helft van de 20e eeuw werden nog andere methoden om bewegingen te registreren
ontwikkeld. Deze omvatten geïnstrumenteerde loopmatten, accelerometers, elektrogoniometers, en
inertiële meeteenheden (IMU’s) met behulp van micro-elektromechanische systemen (MEMS). Al
deze systemen hebben bijgedragen tot onze huidige kennis van normale en pathologische beweging.
TWEEDE HELFT 20STE EEUW
- Geïnstrumenteerde loopmatten
- Elektrogoniometers
- Accelerometers
- Inertiële meeteenheden (IMU’s)
- Systemen zonder markers (‘markerless motion capturing’)
4
