1. No category

Univerza v Ljubljani
Fakulteta za elektrotehniko
ˇ
Tomaˇz Cerne
Vadba na simulatorju veslanja s sprotno
povratno informacijo
Doktorska disertacija
Ljubljana, 2014
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za elektrotehniko
ˇ
Tomaˇz Cerne
Vadba na simulatorju veslanja s sprotno
povratno informacijo
Doktorska disertacija
Mentor: izr. prof. dr. Roman Kamnik
Ljubljana, 2014
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za elektrotehniko
IZJAVA
Spodaj podpisani Tomaž Černe, z vpisno številko 64010030 s svojim podpisom
izjavljam, da sem avtor zaključnega dela z naslovom:
Vadba na simulatorju veslanja s sprotno povratno informacijo
S svojim podpisom potrjujem:
-
-
da je predloženo zaključno delo rezultat mojega samostojnega raziskovalnega
dela in da so vsa dela in mnenja drugih avtorjev skladno s fakultetnimi navodili
citirana in navedena v seznamu virov, ki je sestavni del predloženega zaključnega
dela,
da je elektronska oblika zaključnega dela identična predloženi tiskani obliki istega
dela,
da na Univerzo v Ljubljani neodplačno, neizključno, prostorsko in časovno
neomejeno prenašam pravici shranitve avtorskega dela v elektronski obliki in
reproduciranja ter pravico omogočanja javnega dostopa do avtorskega dela na
svetovnem spletu preko Repozitorija Univerze v Ljubljani (RUL).
V Ljubljani, avgust 2014
Podpis avtorja:
Zahvala
Zahvaljujem se svojemu mentorju izr. prof. dr. Romanu Kamniku, ki je s svojimi koristnimi strokovnimi nasveti in bogatimi izkuˇsnjami pripomogel k nastanku
tega dela. Za konstruktivne diskusije in pomoˇc pri raziskovalnem delu se zahvaljujem vsem ˇclanom Laboratorija za robotiko pod vodstvom prof. dr. Marka
Muniha in sodelavcem v podjetju Alpineon, d.o.o., z raziskovalno mentorico dr.
ˇ
Jernejo Zganec
Gros na ˇcelu. Posebej bi rad izpostavil pomoˇc dr. Boˇstjana Vesnicerja iz Alpineon d.o.o. pri modeliranju z Gaussovimi procesi in analizi lastnih
vrednosti ter dr. Tadeja Petriˇca in dr. Andreja Gamsa iz Inˇstituta Joˇzef Stefan
za pomoˇc pri modeliranju z nelinearnimi dinamiˇcnimi sistemi.
Za ˇstevilne diskusije o veslanju se zahvaljujem doc. dr. Gregorju Gerˇsaku,
za sodelovanje in podporo pa Veslaˇski zvezi Slovenije, Veslaˇskemu klubu Bled in
Veslaˇskemu klubu Ljubljanica.
Zahvaljujem se tudi prof. dr. Gerald Eli Loebu in dr. Rahman Davoodiju
za mentorstvo med raziskovalno izmenjavo na Univerzi Juˇzne Kalifornije (USC),
v okviru katere je bil zasnovan in razvit sistem za sprotno posredovanje celovite
povratne informacije.
Posebna zahvala gre vsem sodelujoˇcim pri izvedbi meritev.
Za pomoˇc in podporo v letih ˇstudija se zahvaljujem domaˇcim, za nepozabna
ˇstudentska leta pa ˇstudentskim kolegom in prijateljem.
Raziskovalno delo in doktorsko disertacijo sem izvedel v okviru programa
“Mladi raziskovalci iz gospodarstva – generacija 2010”, ki poteka v okviru: Operativnega programa razvoja ˇcloveˇskih virov za obdobje 2007 – 2013, 1. razvojne
prioritete: Spodbujanje podjetniˇstva in prilagodljivosti, prednostna usmeritev
1.1.: Strokovnjaki in raziskovalci za konkurenˇcnost podjetij.
Vsebina
Seznam slik
v
Seznam tabel
ix
1. Uvod
1
1.1 Kinematiˇcni in kinetiˇcni parametri veslanja . . . . . . . . . . . . .
1
1.2 Merjenje kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja . . . . .
2
1.3 Modeliranje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.4 Uˇcenje tehnike v ˇsportu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.5 Posredovanje celovite povratne informacije . . . . . . . . . . . . .
5
1.6 Hipoteza in cilji doktorske disertacije . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2. Analiza kinetiˇ
cnih in kinematiˇ
cnih parametrov veslanja
2.1 Metode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
9
2.1.1
Udeleˇzenci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.1.2
Sistem za merjenje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.1.3
Merilni test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.1.4
Analizirane spremenljivke . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2.1.5
Obdelava podatkov in statistiˇcna analiza . . . . . . . . . .
14
2.2 Rezultati in diskusija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
2.2.1
Dolˇzina zavesljaja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
2.2.2
Trajanje faz zavesljaja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
2.2.3
Sile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
i
ii
Vsebina
2.3
2.2.4
Delo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
2.2.5
Gibanje roˇcaja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
2.2.6
Naklon trupa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
2.2.7
Obremenitve v sklepih . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.2.8
Analiza lastnih vrednosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
Zakljuˇcek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
3. Referenˇ
cni model tehnike veslanja
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
35
Modeliranje na podlagi eksperimentalnih podatkov . . . . . . . .
35
3.1.1
Referenˇcni podatki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
3.1.2
Metode modeliranja
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
Razvoj referenˇcnega modela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
3.2.1
Telesna drˇza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
3.2.2
Ritem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
3.2.3
Sile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
3.2.4
Trajektorija roˇcaja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
Razvoj dinamiˇcnega modela veslanja . . . . . . . . . . . . . . . .
52
3.3.1
Dinamiˇcni model spodnjih ekstremitet veslaˇca . . . . . . .
52
3.3.2
Direktni dinamiˇcni model veslaˇca v okolju SimMechanics .
58
3.3.3
Model bremena simulatorja veslanja . . . . . . . . . . . . .
58
3.3.4
Model gibanja veslaˇca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
Optimizacija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
3.4.1
Maksimizacija dela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
3.4.2
Kriterijska funkcija veslaˇske tehnike . . . . . . . . . . . . .
64
3.4.3
Optimizacija tehnike posameznega elitnega veslaˇca . . . .
67
3.4.4
Optimizacija tehnike veslaˇca nepoznavalca . . . . . . . . .
68
Zakljuˇcek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
iii
Vsebina
4. Sistem za sprotno posredovanje celovite povratne informacije
4.1 Metode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
74
4.1.1
Tehnika veslanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
4.1.2
Modul za posredovanje povratne informacije . . . . . . . .
76
4.1.3
Udeleˇzenci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
4.1.4
Protokol poskusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
4.2 Rezultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
4.3 Diskusija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
4.4 Zakljuˇcek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
5. Sistem za merjenje in sprotno analizo
89
5.1 Merilni sistem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
5.2 Analiza podatkov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
5.3 Posredovanje podatkov uporabniku . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
6. Evalvacija uˇ
cinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
6.1 Metode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
95
6.1.1
Udeleˇzenci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
6.1.2
Protokol ˇstudije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
6.1.3
Inicializacija senzorjev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
6.1.4
Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
6.1.5
Trening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
6.1.6
Spremenljivke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
6.1.7
Obdelava podatkov in statistiˇcna analiza . . . . . . . . . . 100
6.2 Rezultati in diskusija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.1
Analiza variance
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.2
ˇ
Stevilo
zavesljajev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2.3
Tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
iv
Vsebina
6.2.4
Dolˇzina zavesljaja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2.5
Naklon trupa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.2.6
Telesna drˇza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.7
Ritem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.8
Sile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2.9
Delo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.2.10 Preveslana razdalja in ˇcas veslanja . . . . . . . . . . . . . 126
6.2.11 Komentarji udeleˇzencev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3
Zakljuˇcek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7. Zakljuˇ
cek
131
8. Originalni prispevki doktorske disertacije
137
Literatura
139
Dodatek - Priloge
151
Dodatek - Objavljene publikacije
155
Seznam slik
1.1 Konceptualna shema sistema za uˇcenje tehnike veslanja. . . . . .
7
2.1 Veslaˇc med izvajanjem meritve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.2 Izraˇcun sil in navorov v sklepih telesa veslaˇca. . . . . . . . . . . .
12
2.3 Drˇza telesa ob zaˇcetku in koncu zavesljaja. . . . . . . . . . . . . .
13
2.4 Parametri sil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
2.5 Sila na roˇcaju enega zavesljaja pri razliˇcnih tempih. . . . . . . . .
25
2.6 Gibanje roˇcaja v sredinski ravnini.
. . . . . . . . . . . . . . . . .
27
2.7 Naklon trupa na zaˇcetku in koncu zavesljaja. . . . . . . . . . . . .
28
2.8 Najveˇcje vrednosti navorov v kolenu in lumbosakralnem sklepu. .
29
2.9 Prvi dve lastni komponenti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
3.1 Pregled modeliranih parametrov referenˇcnega modela in
uporabljene metode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.2 Sila na roˇcaju v odvisnosti od ˇcasa in v odvisnosti od poloˇzaja roˇcaja 37
3.3 Shema referenˇcnega modela z uporabo mehke logike. . . . . . . .
39
3.4 Referenˇcni modeli z uporabo mehke logike. . . . . . . . . . . . . .
39
3.5 Kinematiˇcni parametri veslaˇca. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
3.6 Histogram vrednosti naklona trupa. . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
3.7 Histogram vrednosti normirane dolˇzine potega verige. . . . . . . .
44
3.8 Odvisnost trajanja potega in povratka od tempa. . . . . . . . . .
45
3.9 Histogram maksimalne vrednosti sile na roˇcaju in sile na opori za
noge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
3.10 Referenˇcni model oblike krivulj sil na roˇcaju in na opori za noge. .
46
v
vi
Seznam slik
3.11 Napaka med konstruiranim in izmerjenim signalom pri razliˇcnem
ˇstevilu jedrnih funkcij. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
3.12 Podobnost nelinearnih dinamiˇcnih modelov elitnih veslaˇcev pri
razliˇcnem ˇstevilu jedrnih funkcij.
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
3.13 Podobnost nelinearnih dinamiˇcnih modelov elitnih veslaˇcev pri
desetih jedrnih funkcijah. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
3.14 Podobnost nelinearnih dinamiˇcnih modelov vseh veslaˇcev pri
desetih jedrnih funkcijah. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
3.15 Model spodnjih ekstremitet veslaˇca. . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
3.16 Model spodnjih ekstremitet veslaˇca. . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
3.17 SimMechanics model spodnjih ekstremitet veslaˇca. . . . . . . . . .
57
3.18 Navor v gleˇznju in kolenu po obeh metodah . . . . . . . . . . . .
58
3.19 SimMechanics ˇsest-segmentni ravninski model veslaˇca. . . . . . . .
59
3.20 Shema vetrnega kolesa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.21 Kinetika modela veslaˇca. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
3.22 Shema modela za optimizacijo.
63
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.23 Izhodiˇsˇcni in optimirani poteki naklona trupa, kota v komolcu,
poloˇzaja roˇcaja in dela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
3.24 Izhodiˇsˇcni in optimirani poteki naklona trupa, kota v komolcu,
poloˇzaja roˇcaja in dela nepoznavalca N4. . . . . . . . . . . . . . .
70
4.1
Koncept za naˇcrtovanje interakcije med ˇclovekom in raˇcunalnikom.
74
4.2
Drˇza telesa ob zaˇcetku in koncu zavesljaja. . . . . . . . . . . . . .
75
4.3
Koncept stopenjskega podajanja povratne informacije. . . . . . .
77
4.4
Povratna informacija o drˇzi telesa. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
4.5
Povratna informacija o ritmu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
4.6
Povratna informacija o silah. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
4.7
Konceptualna shema sistema za posredovanje povratne informacije. 80
4.8
Konceptualna shema sistema za evalvacijo posredovanja povratne
informacije. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
vii
Seznam slik
4.9 Grafiˇcni uporabniˇski vmesnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
5.1 Konceptualna shema sistema za uˇcenje tehnike veslanja. . . . . .
90
5.2 Senzorji pritrjeni na simulator veslanja. . . . . . . . . . . . . . . .
91
5.3 Brezˇziˇcni merilni markerji za merjenje naklona trupa. . . . . . . .
91
5.4 Merilni sistem.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
6.1 Udeleˇzenec med izvajanjem ˇstudije. . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
6.2 Normirana dolˇzina zavesljaja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.3 Naklon trupa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4 Trajanje faze potega in povratka. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.5 Najveˇcja sila zavesljaja na roˇcaju. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.6 Najveˇcja sila zavesljaja na opori za noge. . . . . . . . . . . . . . . 116
6.7 Povpreˇcna sila zavesljaja na roˇcaju. . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.8 Povpreˇcna sila zavesljaja na opori za noge. . . . . . . . . . . . . . 121
6.9 Delo zavesljaja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.10 Preveslana razdalja pri testu na 2 minuti in ˇcas veslanja pri testu
na 500 metrov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Seznam tabel
2.1 Povpreˇcne vrednosti in standardni odkloni kinematiˇcnih in
kinetiˇcnih parametrov elitnih veslaˇcev. . . . . . . . . . . . . . . .
17
2.2 Povpreˇcne vrednosti in standardni odkloni kinematiˇcnih in
kinetiˇcnih parametrov klubskih veslaˇcev. . . . . . . . . . . . . . .
18
2.3 Povpreˇcne vrednosti in standardni odkloni kinematiˇcnih in
kinetiˇcnih parametrov veslaˇcev nepoznavalcev. . . . . . . . . . . .
19
2.4 Analize variance za razliˇcne parametre. . . . . . . . . . . . . . . .
20
2.5 Spremenljivosti osnovnih komponent za silo na roˇcaju, silo na opori
za noge in naklon trupa med ˇclani skupine istega tipa. . . . . . . .
31
ˇ
3.1 Stevilo
jedrnih funkcij modelov z najmanjˇso napako rekonstrukcije. 48
3.2 Podobnost modelov elitnih veslaˇcev pri najmanjˇsi napaki
rekonstrukcije. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
3.3 Napaka rekonstrukcije in podobnost modelov veslaˇcev E1 in E2 pri
razliˇcnem ˇstevilu jedrnih funkcij.
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
3.4 Rezultati optimizacije z razliˇcnimi kriterijskimi funkcijami. . . . .
65
3.5 Rezultati optimizacije tehnike posameznih elitnih veslaˇcev. . . . .
68
3.6 Rezultat optimizacije veslaˇca nepoznavalca.
. . . . . . . . . . . .
69
ˇ
4.1 Stevilo
premikov drsnikov. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
4.2 Odgovori na vpraˇsanje o razumljivosti navodil. . . . . . . . . . . .
83
6.1 Podatki o udeleˇzencih skupine A. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
6.2 Podatki o udeleˇzencih skupine T. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
6.3 Podatki o udeleˇzencih skupine S. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
ix
x
Seznam tabel
6.4
Enosmerna analiza variance vpliva treninga na biomehanske
parametre veslanja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.5
Analiza variance vpliva treninga in tipa treninga na biomehanske
parametre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.6
Post-hoc analiza vpliva treninga na biomehanske parametre. . . . 103
6.7
Analiza variance vpliva premora in tipa treninga na biomehanske
parametre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.8
ˇ
Stevilo
zavesljajev. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.9
Tempo veslanja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.10 Koeficient variacije tempa veslanja. . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.11 Najveˇcja sila zavesljaja na roˇcaju. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.12 Najveˇcja sila zavesljaja na opori za noge. . . . . . . . . . . . . . . 115
6.13 Povpreˇcna sila zavesljaja na roˇcaju. . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.14 Povpreˇcna sila zavesljaja na opori za noge. . . . . . . . . . . . . . 120
6.15 Delo zavesljaja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.16 Preveslana razdalja v metrih pri dvo minutnih testih. . . . . . . . 126
ˇ veslanja pri testih na 500 metrov. . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.17 Cas
Povzetek
Simulator veslanja omogoˇca uˇcinkovito rekreativno vadbo ljudem vseh starosti. Veslaˇc mora za uˇcinkovito veslanje obvladovati tehniko, ritem in moˇc. Simulatorji veslanja se nahajajo v veˇcini telovadnic in fitnes centrov, vendar veˇcina
uporabnikov ni deleˇzna ustrezne predstavitve tehnike veslanja in nadzora vadbe.
ˇ
Studije
so pokazale, da veslaˇci zaˇcetniki uporabljajo simulatorje s pomembnimi
razlikami v tehniki, in opozorile, da lahko nepravilna tehnika pri veslaˇcih povzroˇci
telesne poˇskodbe. Zato je pomembno, da se zaˇcetniki pred uporabo simulatorjev
nauˇcijo primerne tehnike.
Cilj doktorske disertacije je ponuditi alternativno metodo uˇcenja in nadzora
tehnike veslanja, ki bo dopolnila tradicionalno metodo vadbe s trenerjem. Subjekt vesla na simulatorju veslanja, ki je opremljen s senzorji. Na podlagi izmerjenih podatkov se izraˇcunajo biomehanski parametri veslanja, ki se primerjajo z
referenˇcnimi vrednostmi, ki so doloˇcene z referenˇcnim modelom. V sistemu za
posredovanje povratne informacije se na podlagi razlik oblikujejo ustrezna navodila, ki se posredujejo subjektu. Na podlagi prejete informacije subjekt prilagaja
svoje gibanje, kar postopoma vodi do izboljˇsanja tehnike veslanja. Medtem ko
se morajo trenerji pri ocenjevanju stanja tehnike in napredka veslaˇca zanaˇsati na
subjektivne zaznave in izkuˇsnje, senzorno podprti sistemi za vadbo omogoˇcajo
objektivno ocenjevanje.
Prvo poglavje je namenjeno sploˇsnemu pregledu podroˇcja disertacije, zato najprej predstavi kinetiˇcne in kinematiˇcne parametre veslanja in ˇze razvite sisteme
za njihovo merjenje. Podan je pregled metod modeliranja in raziskave s podroˇcja
modeliranja veslanja. Predstavljene so metode uˇcenja tehnike v ˇsportu ter naˇcini
posredovanja celovite povratne informacije. Razloˇzen je koncept vadbe na simulatorju veslanja s sprotno povratno informacijo. Na koncu poglavja je postavljena
hipoteza ter naˇsteti in razloˇzeni glavni cilji disertacije.
V drugem poglavju je predstavljena analiza tehnike veslanja treh razliˇcno
izkuˇsenih skupin veslaˇcev. Rezultati kaˇzejo, da elitni veslaˇci uporabljajo po-
dobno in konsistentno tehniko veslanja pri vseh tempih, to je ˇstevilu izvedenih
zavesljajev na minuto. Tehnika klubskih veslaˇcev je prav tako podobna in konsistentna, medtem ko se tehnika veslaˇcev nepoznavalcev spreminja. Parametri,
kot so dolˇzina zavesljaja, trajektorija gibanja roˇcaja ter drˇza telesa, se pri elitnih
veslaˇcih ne spreminjajo s tempom. Parametri, kot so razmerje faz zavesljaja,
maksimalne sile, delo in obremenitve v sklepih so pri elitnih veslaˇcih odvisni od
tempa, a ostajajo pri posameznem tempu konstantni. Klubski veslaˇci s tempom
spreminjajo tudi dolˇzino zavesljaja. Pri veslaˇcih nepoznavalcih je mogoˇce opaziti
razlike v gibanju roˇcaja in telesni drˇzi, njihova dolˇzina zavesljaja je odvisna od
ˇ
tempa, medtem ko se razmerje faz zavesljaja s tempom ne spreminja. Ceprav
so pri veslaˇcih nepoznavalcih razvidni razliˇcni vzorci tehnike, ki se spreminjajo
s tempom, je posameznikova tehnika pri posameznem tempu konsistentna. Z
analizo so bili doloˇceni kljuˇcni parametri tehnike veslanja, ki identificirajo razlike
med nepoznavalci in poznavalci, njihova tipiˇcna podroˇcja vrednosti in odvisnost
od tempa veslanja. Parametri, ki doloˇcajo primerno tehniko veslanja in identificirajo razlike med nepoznavalci in poznavalci, so primerni za kategorizacijo tehnike
in uporabo v referenˇcnem modelu.
V tretjem poglavju je predstavljen razvoj referenˇcnega modela primerne tehnike. Modeli so bili razviti na podlagi eksperimentalnih podatkov elitnih veslaˇcev.
Za modeliranje naklona trupa, naklona verige in poloˇzaja sedeˇza je bila uporabljena metoda mehke logike, za modeliranje gibanja roˇcaja so bili uporabljeni
nelinearni dinamiˇcni modeli. Z enaˇcbami je doloˇcena telesna drˇza in trajanje faz
zavesljaja. Referenˇcno obmoˇcje doloˇca dolˇzino zavesljaja, maksimalne vrednosti
naklona trupa in maksimalne vrednosti sil. Krivulje sil smo oblikovali z Gaussovim modelom na posameznih toˇckah vzorˇcenja. Za namen optimizacije tehnike
veslanja smo z orodjem SimMechanics razvili direktni dinamiˇcni model veslaˇca.
Za modeliranje bremena na roˇcaju smo razvili model vetrnega kolesa. Oblikovali smo kriterijsko funkcijo, ki maksimizira delo, minimizira vsoto obremenitev
v kolenu, lumbosakralnem sklepu in komolcu ter minimizira maksimalne obremenitve v teh treh sklepih. Kriterijska funkcija zagotavlja tehniko, ki je podobna
obiˇcajni veslaˇski tehniki, upoˇsteva zmoˇznosti sklepov in optimizira opravljeno
delo. Funkcijo smo uporabili za optimizacijo referenˇcnih modelov in analizo optimizacije tehnike elitnih veslaˇcev. Da bi tehniko nepoznavalca privedli do primerne
tehnike smo na modelu najprej izvedli optimizacijo, ki je spremenila vrednosti naklona trupa, kota v komolcu in rami ter spremenila razmerje trajanja potega in
povratka. Na rezultatih te optimizacije smo opravili ˇse optimizacijo s kriterijsko
funkcijo. S tehnikami modeliranja in optimizacijo smo doloˇcili referenˇcne modele
za kljuˇcne parametre veslanja, ki so bili uporabljeni v sistemu za uˇcenje veslaˇske
tehnike.
V ˇcetrtem poglavju je predstavljen razvoj in evalvacija sistema za sprotno posredovanje celovite povratne informacije veslaˇcu na simulatorju. Pri razvoju sistema smo se osredotoˇcali na uporabnost interakcije med ˇclovekom in
raˇcunalnikom. Sistem veslaˇcu sporoˇca vizualno povratno informacijo s sprotnimi
navodili za izboljˇsanje tehnike. Osredotoˇca se na izvedbo in z navideznim ogledalom zdruˇzuje principa video povratne informacije in video modeliranja. Sistem
kot tri najpomembnejˇse dejavnike tehnike veslanja spremlja telesno drˇzo, ritem
in aktivne sile ter podaja povratno informacijo v treh nivojih. Telesna drˇza
ima najviˇsjo prioriteto in predstavlja osnovni nivo uˇcenja. Ko uporabnik osvoji
osnove, napreduje na viˇsji nivo, kjer se poduˇci o ritmu in silah. Na vsakem nivoju
je trenutno gibanje uporabnika primerjano z referenˇcnim modelom, na podlagi
odstopanj se oblikujejo in posredujejo navodila za izboljˇsanje. Sistem deluje v
realnem ˇcasu in je povezljiv z drugimi elementi sistema za uˇcenje tehnike veslanja.
Virtualno zrcalo v obliki dveh figur podaja informacijo o trenutni drˇzi vadeˇcega
in o referenˇcni drˇzi. Za posredovanje informacije o sili, vrednostih parametrov
o dolˇzini zavesljaja, trajanju faz zavesljaja, tempu, maksimalnih vrednostih sil,
delu in naklonu trupa so bili uporabljeni grafiˇcni prikazi. Navodila sistem podaja v obliki besedil. Zvoˇcna povratna informacija opozori vadeˇcega na posebne
dogodke in velike razlike od primerne tehnike. Za evalvacijo uporabnosti in razumljivosti zasnovane povratne informacije je enaindvajset prostovoljcev uporabilo
in preizkusilo sistem v simulacijskem naˇcinu delovanja. Rezultati so pokazali, da
uporabniki dobro razumejo prejeto informacijo.
Peto poglavje predstavi zasnovo in razvoj sistema za merjenje in sprotno analizo kinematiˇcnih in kinetiˇcnih parametrov senzorno podprte vadbe veslanja. Sistem podatke, ki jih izmeri s pomoˇcjo senzorjev merilnega sistema, obdela ter
izraˇcuna vrednosti kategorizacijskih parametrov. Na podlagi referenˇcnega modela
doloˇci odstopanja teh parametrov od referenˇcnih in pripravi povratno informacijo. Analiza poteka sproti, pri ˇcemer del analize poteka v realnem ˇcasu, del pa
po vsakem izvedenem zavesljaju. Pridobljene informacije opisujejo izvedeno veslanje in njegovo odstopanje od primerne tehnike. Sistem uporabniku posreduje
povratno informacijo sprotno brez opaznega zamika.
Izvedli smo ˇstudijo, ki je predstavljena v ˇsestem poglavju. S ˇstudijo smo ocenili uˇcinkovitost predlagane metode uˇcenja tehnike veslanja s sistemom senzorno
podprte vadbe. Pri ˇstudiji je sodelovalo 36 prostovoljcev, ki so se prviˇc sreˇcali z
veslanjem na simulatorju. Najprej so vsi prostovoljci opravili zaˇcetni test, s katerim smo pridobili podatke o zaˇcetnem stanju in je bil sestavljen iz dveh delov. V
prvem delu so prostovoljci na simulatorju veslanja veslali dve minuti s ciljnim tempom 20 zavesljajev na minuto, v drugem delu so poskuˇsali ˇcim hitreje preveslati
500 m dolgo razdaljo. Nato so bili prostovoljci nakljuˇcno razdeljeni v tri skupine.
Vsaka od skupin je opravila trening veslanja trikrat po pet minut. Skupina A je
trenirala sama in je predstavljala rekreativce, ki se sami uˇcijo tehnike, skupina S
je trenirala z razvitim sistemom senzorno podprte vadbe, skupina T pa je trenirala po tradicionalni metodi z nadzorom trenerja. Po izvedeni seriji treninga so
bili prostovoljci ponovno testirani. S primerjavo rezultatov testov smo analizirali
razlike v napredku vseh treh skupin, ki so uporabljale razliˇcne metode vadbe. Z
analizo smo ocenili uˇcinkovitost senzorno podprte vadbe. Rezultati kaˇzejo, da
udeleˇzenci brez nadzora s treningom niso napredovali, medtem ko so udeleˇzenci
pod nadzorom trenerja ali sistema po opravljenem treningu napredovali in osvojili
primerno tehniko veslanja. Pri tem ni bilo opaziti statistiˇcno pomembnih razlik
v napredku med tema dvema skupinama. Analiza je pokazala, da je uˇcenje primerne telesne drˇze, torej dolˇzine zavesljaja in naklona trupa, kvalitetnejˇse pod
nadzorom sistema, ki je kvalitativno ocenjeval biomehanske podatke, kot uˇcenje
pod nadzorom trenerja, ki je subjektivno ocenjeval tehniko udeleˇzencev. Na ta
naˇcin smo pokazali, da smo z razvitim sistemom vadbe uspeˇsno posredovali povratno informacijo uporabniku, ki je navodila uspel pretvoriti v primerno gibanje.
Pri ponovitvenem testu, ki je sledil ˇcez pribliˇzno en teden in pri katerem ni bilo
nadzora, je bila spremenljivost tehnike veˇcja, a kljub temu manjˇsa kot pri testu
pred uˇcenjem. Kljub temu, da je nekaj udeleˇzencev pozabilo na nauˇceno, kar se
ˇ
kaˇze predvsem pri ritmu, v sploˇsnem udeleˇzenci niso pozabili nauˇcenega. Studija
je pokazala, da je senzorno podprto uˇcenje tehnike veslanja uˇcinkovita alternativna metoda uˇcenja in nadzora tehnike veslanja, ki lahko uspeˇsno dopolnjuje
tradicionalno metodo vadbe s trenerjem.
Kljuˇ
cne besede: veslanje, biomehanika, referenˇcni model primerne tehnike,
posredovanje povratne informacije uporabniku, sistem za uˇcenje tehnike.
Abstract
The rowing ergometer enables effective recreation and exercise for people of
all ages. For effective rowing, the rower must have a good command of technique,
timing, and power. Rowing ergometers can be found in most gyms and fitness
centres, but most people who use them receive little or no instruction and supervision of rowing technique. Studies have shown that novice rowers have some
potentially important differences in rowing technique and warned that faulty techniques can lead to injuries. It is therefore important that novice rowers learn
how to row on ergometers using proper technique. This thesis proposes and
evaluates an alternate method for supervision and learning of proper ergometer
rowing technique that could complement the traditional method of learning with
a trainer. The trainee rows on a sensorized ergometer. Biomechanical parameters
of rowing are calculated from the measured data and compared with the reference
values defined in the reference models. Based on the results of this comparison,
the feedback information module determines the appropriate instructions and outputs them to the trainee. The trainee uses this feedback to modify his or her
movement, gradually improving the rowing technique. While coaches must rely
on subjective observation and personal experiences, sensor-based training systems
allow objective assessment.
The first chapter focuses on a general review of the thesis background. First,
the kinetic and kinematic parameters of rowing as well as previously developed
measurement systems for these parameters are presented. Additionally, the modelling methods and research in the field of modelling of rowing are reviewed.
Methods for learning techniques in sport and methods of providing comprehensive feedback are also presented, and the concept of exercise on a rowing ergometer
with real-time feedback is explained. The thesis concludes with the hypothesis
and the main objectives of the thesis.
The second chapter presents an analysis of the rowing parameters of differently skilled rowers. The results show that elite rowers use a similar, consistent
rowing technique at all stroke rates. The technique of junior experienced rowers is
also similar and consistent while the technique of non-rowers varies. Elite rowers’
stroke length, handle motion and body posture do not change with stroke rate
while the ratio of stroke phases, maximum forces, stroke work and joint loadings
are constant at the same stroke rate but dependent on stroke rate. Junior rowers
also change the stroke length with their stroke rate. Non-rowers exhibit differences in the handle motion and body posture during the stroke, and their stroke
length changes with stroke rate while the ratio of stroke phases stays constant.
Although different movement execution is evident and variable with stroke rate,
non-rowers demonstrate a consistent pattern at the same stroke rate. Based on
these results, we identified the crucial parameters that differentiate elite, junior,
and non-rowers as well as their typical values and their dependency on stroke
rate. Parameters that define proper rowing technique and identify differences
between differently skilled rowers are suitable characterisation of the technique
and use in the reference models.
The third chapter describes the development of the reference models of the
proper rowing technique. The developed models are based on experimental data
of the elite rowers. Fuzzy logic was used to model trunk inclination and seat
position while nonlinear dynamical systems were used to model periodic handle
movement. Mathematical modelling was used to describe joint angles and rowing
phase duration, reference interval to define stroke length, maximum forces and
maximum trunk inclination. Force curves were created from individual samples
using Gaussian models. The direct dynamic model of the rower was developed in
the SimMechanics simulation environment and used for technique optimisation.
Furthermore, a model of an ergometer flywheel was developed to model load.
A cost function was designed to maximize stroke work, minimize sum of joint
loads in knee, lumbosacral joint, and elbow during the stroke as well as minimize
maximal loads in these three joints. The designed cost function ensures technique similar to that of elite rowers, considers body joints limits and maximizes
stroke work. We used the cost function to optimize reference models and analyse
optimisation of the elite rowers’ technique. To change technique of novice rower
towards proper technique, we first performed an optimisation of trunk inclination,
angles in the elbow and shoulder, and ratio of stroke phase durations. The results
of this optimization were then used in a second optimisation with the developed
cost function. These optimizations allowed us to improve the novice rowers’ te-
chnique. We also used modelling and optimisation to develop reference models
for parameters that were used in the system for ergometer rowing exercise.
The fourth chapter presents the development and evaluation of a real-time feedback system for learning rowing technique on an ergometer. We focused on the
usability of the human–computer interaction. The designed system uses video to
present the rower with concurrent information about position and error correction strategies. The focus is on performance. Video feedback and video modelling
are combined in a virtual mirror approach. The system monitors three important
parts of proper rowing technique – body posture, timing, and exerted forces – and
gives feedback to the user in a three-tiered learning system. Body posture has the
highest priority and is the basic learning level. Once the user masters this level,
the system advances through two more tiers: timing and exerted forces. On each
level, the current movement of the trainee is compared to reference models and
instructions are provided. The feedback system was designed to operate in real
time and can be connected to simple transducers that convert the ergometer into
a training platform. The virtual mirror is an animation with two figures. The
figure closer on the screen represents the current body posture of a trainee. The
figure behind it is shaded and represents the reference body posture. Graphs,
bars and written instructions are used to provide additional information. Audio
feedback alerts the trainee in cases of special events and significant differences
from the proper technique. To evaluate the usability of the feedback system,
twenty-one volunteers were asked to use the software in a simulation mode. The
results show that users intuitively understand and utilize the feedback provided.
The fifth chapter presents a system for measurement and real-time analysis of
kinetic and kinematic parameters of sensor-enhanced ergometer rowing. The system measured data, processed them, calculated the values of the biomechanical
parameters, and compared them to reference data defined by the reference models. The analysis is performed in real-time, partially during the stroke and partially after each finished stroke. The obtained information describes the trainee’s
technique and its deviation from the proper techniques. The system provides
feedback information to the user in real time without any noticeable delay. The
sixth chapter presents the evaluation of the proposed method for learning ergometer rowing technique with the sensor-enhanced system. 36 males, who were
introduced to a rowing ergometer for the first time, participated in the study.
The initial test consisted of two parts; 2 min of rowing with a target stroke rate
of 20 str/min and rowing over a 500 meters distance at top speed. Participants
were randomly distributed into three groups of 12 participants each. Training
was performed based on the group type: group A trained alone without supervision, group T trained under the supervision of a trainer, and group S used the
developed training platform. The training was 3 times for 5 min for all groups.
After the training, participants repeated the test.
The effectiveness of the training platform was estimated by analysing the differences in training progress of the three groups. The results show that participants
in group without supervision did not make any progress while participants under
the supervision of a trainer and using the developed system made progress and
achieved proper ergometer rowing technique. There was no statistically significant
difference in progress between these two groups. The results show that learning
body posture with a training platform has better results due to the advantages
of quantitative evaluation of movement and enforcement of body posture as a
priority. The evaluation study showed that participants were able to understand
the provided feedback and use it to achieve proper movement strategies. After
one week, participants in groups T and S performed repeated the test without
any supervision. The results show higher variability of the technique; however it
was still smaller than at initial test. Although some participants forgot what they
had learned, which was mainly reflected in the rhythm, the participants generally
did not forget proper technique. The study showed that sensor-enhanced training
with a rowing simulator is an effective alternative method of learning and control
of rowing techniques and can successfully complement the traditional method of
exercise with a trainer.
Key words: rowing, biomechanics, reference models, feedback information,
system for learning technique.
1.
Uvod
Veslanje je eden izmed najuspeˇsnejˇsih slovenskih ˇsportov z odmevnimi rezultati
v svetovnem merilu. Vadba veslanja obiˇcajno poteka na vodi, ob neprimernih
vremenskih pogojih pa na simulatorjih veslanja. Vadba na simulatorju podjetja
Concept2 predstavlja v vrhunskem ˇsportu uveljavljen naˇcin treniranja in izvajanja testiranj [1] ter priljubljeno obliko rekreacije [2]. Simulator veslanja omogoˇca
uˇcinkovito rekreativno vadbo ljudem v vseh starostnih obdobjih [3]. Veslanje na
simulatorju je kompleksno cikliˇcno gibanje, pri katerem sodeluje skoraj celotno
telo [3]. Veslaˇc mora za pravilno izvedbo vadbe obvladovati tehniko, ritem in moˇc
[1]. Simulatorji veslanja se nahajajo v veˇcini telovadnic in fitnes centrov, vendar
veˇcina uporabnikov ni deleˇzna ustrezne predstavitve tehnike veslanja in nadzora
vadbe. Gibanje pri veslanju je podobno gibanju pri teku ali kolesarjenju, vendar
ˇ
to gibanje ni intuitivno. Studija
[4] je pokazala, da tehnika veslaˇcev zaˇcetnikov
pomembno odstopa od pravilne tehnike in opozorila, da lahko nepravilna tehnika povzroˇci telesne poˇskodbe. Poˇskodbe, ki so posledica nepravilne tehnike,
vkljuˇcujejo teˇzave v spodnjem delu hrbta, rebrih, ramenih, zapestjih in kolenih
[5]. Zato je pomembno, da se zaˇcetni uporabniki pred resno vadbo na simulatorju nauˇcijo primerne tehnike [5, 6]. Sodobni naˇcini uˇcenja veslanja temeljijo na
merjenju biomehanskih parametrov in posredovanju povratne informacije uporabniku [7, 8]. Poznavanje biomehanskih parametrov lahko uspeˇsno pripomore k
uspeˇsnemu uˇcenju gibov [9].
1.1
Kinematiˇ
cni in kinetiˇ
cni parametri veslanja
Osnovni biomehanski parametri veslanja so dolˇzina zavesljaja, trajanje faz potega
in povratka, sile na roˇcaju in opori za noge, moˇc zavesljaja, trajektorija gibanja
roˇcaja, potek kotov med segmenti telesa in obremenitve v sklepih [1, 10]. Od
ˇ
tempa veslanja je odvisno trajanje potega in povratka [11]. Studija
[12], pri
1
2
Uvod
kateri so ˇclani ˇstudentske ekipe veslali s tremi razliˇcnimi tempi, je pokazala, da se
dolˇzina zavesljaja in maksimalna vrednost sile na roˇcaju bistveno ne spreminjata
s tempom. Obenem koliˇcina opravljenega dela v zavesljaju upada z naraˇsˇcanjem
tempa, moˇc zavesljaja se z naraˇsˇcanjem tempa poveˇcuje. Trenutek delovanja
maksimalne sile se z viˇsanjem tempa spreminja glede na ˇcas od zaˇcetka zavesljaja,
a ostaja na istem mestu glede na poloˇzaj roˇcaja ob zavesljaju. Do sprememb
pri naraˇsˇcanju tempa pride tudi pri rotaciji in obremenitvah v lumbosakralnem
sklepu. Primerjava kinematiˇcnih parametrov med prostovoljci, ki ˇse niso veslali,
in ˇclani univerzitetne veslaˇske posadke pri treh razliˇcnih tempih je pokazala, da
izkuˇseni veslaˇci razvijejo veˇcje sile in se zaradi veˇcje intenzivnosti med veslanjem
bolj utrudijo ter da se pri slednjih lahko opazi veˇcjo obremenitev v ledvenem
predelu hrbtenice [6].
1.2
Merjenje kinetiˇ
cnih in kinematiˇ
cnih parametrov veslanja
Razviti so bili razliˇcni merilni sistemi za merjenje in izraˇcun vrednosti biomehanskih parametrov veslanja na simulatorju, kot so:
• sistem za merjenje poloˇzaja sedeˇza, poloˇzaja roˇcaja, kota v kolkih, sil v
roˇcaju ter sil in navorov na opori za noge [13],
• doloˇcitev kinematiˇcnih parametrov gibanja segmentov telesa ter sil in moˇci
[14] in
• izraˇcun obremenitev v sklepih z uporabo inverzne dinamiˇcne analize [15].
Omenjeni sistemi omogoˇcajo le naknadno obdelavo podatkov. Sistemi, ki zagotavljajo sprotno informacijo, znani iz literature:
• poloˇzaj telesa s sprotnim prikazom v obliki paliˇcaste strukture [16],
• sile na roˇcaju in usklajenost dvojca na simulatorju [17] ter
• sile na roˇcaju in opori za noge ter trajektorijo gibanja roˇcaja [18].
V okviru diplomskega dela [19] je bil razvit merilni sistem za merjenje sil na
roˇcaju in opori za noge, drˇze telesa z optiˇcnim merilnim sistemom ter izraˇcun
1.3 Modeliranje
3
obremenitev v sklepih z uporabo inverzne dinamiˇcne analize. Pri delu [20] sta
bili namesto optiˇcnega sistema za merjenje naklon trupa in naklona verige uporabljeni inercijski merilni enoti. Nobeden od omenjenih razvitih sistemov ne podaja
povratne informacije o pravilnosti izvedbe zavesljaja.
1.3
Modeliranje
Matematiˇcno modeliranje gibanja je moˇzno koristno uporabiti v ˇsportu za opis gibanja segmentov telesa, izraˇcun obremenitev v sklepih, iskanje povezav med parametri in optimizacijo. Model kot abstraktni zapis poenostavljeno opisuje bistvene
znaˇcilnosti realnosti, izkustvene objekte, pojave in fizikalne precese predstavlja
na logiˇcen in objektiven naˇcin [21]. Natanˇcnost opisa ˇclovekovega gibanja se veˇca
s kompleksnostjo modela, po drugi strani pa pretirano kompleksni modeli niso
primerni za praktiˇcno uporabo, saj so raˇcunsko zahtevni [22]. Modeli z miˇsicami,
kot na primer model, ki vkljuˇcuje 56 miˇsic ˇclovekovega telesa pri veslanju na simulatorju [6], niso primerni za naˇcrtovanje trajektorij gibanja, saj je parametre teh
modelov teˇzko doloˇciti [23], zato je smiselno upoˇstevati le poenostavljen model
segmentov telesa. Za opis veslanja so bili razviti modeli, ki opisujejo samo kinematiˇcne parametre, kot so koti in hitrosti v sklepih ter dolˇzine segmentov telesa
[24, 25], in modeli, ki vkljuˇcujejo tudi pogonske in vztrajnostne sile, s pomoˇcjo
katerih je moˇc doloˇciti sile in momente, ki delujejo na ali v telesu [4, 24]. V ta
razred sodijo tudi model vetrnega kolesa simulatorja veslanja [26] in modeli sil
na veslih in ˇcolnu [27, 28, 29].
1.4
Uˇ
cenje tehnike v ˇ
sportu
Tehnika v ˇsportu opisuje ustrezno izvedbo giba ali gibanja pri ˇsportni aktivnosti,
pri ˇcemer je pomemben tako naˇcin kot zaporedje izvajanja. Osnovne metode
uˇcenja tehnike v ˇsportu sledijo naˇcelu, da se uˇci od laˇzjega k teˇzjemu in od
enostavnega h kompleksnemu. Teˇzje tehniˇcne elemente se lahko uˇci po delih in
nato poveˇze v celoto, medtem ko se laˇzje tehniˇcne elemente uˇci v celoti [30].
Nadzor in spremljanje uˇcenja se obiˇcajno izvajata s pomoˇcjo trenerja in sta zato
odvisna od njegovih izkuˇsenj in sposobnosti opazovanja, sposobnosti posredovanja
navodil in ˇse posebej od ˇcasovne razpoloˇzljivosti trenerja.
4
Uvod
Vaja je osnovna metoda uˇcenja gibov, pri kateri povratna informacija moˇcno
poveˇca uˇcinek uˇcenja [31]. Potrebno je razlikovati med osredotoˇcenostjo na izvedbo (ang. “knowledge of performance” — KP) in osredotoˇcenostjo na rezultat
(ang. “knowledge of results” – KR). Povratna informacija se pri osredotoˇcenosti
na rezultat oblikuje glede na skupni rezultat gibanja, medtem ko se pri osredotoˇcenosti na izvedbo oblikuje glede na naˇcin, s katerim je bil rezultat doseˇzen
[32]. Razlikovanje med obemi osredotoˇcenji ima pomembno vlogo pri pridobivanju in izboljˇsavi motoriˇcnih spretnosti. Osredotoˇcenost na izvedbo se obiˇcajno
uporablja pri vadbi s trenerjem v obliki ustnih navodil ali video analize kinematiˇcnih parametrov gibanja. Vizualne informacije se obiˇcajno uporablja pri
podajanju ponavljajoˇce povratne informacije, zvoˇcne pri prekinjeni. V primerih,
ko je ˇzeleno gibanje rezultat interakcije veˇc segmentov, daje povratna informacija, ki je osredotoˇcena na izvedbo, boljˇse rezultate uˇcenja kot informacija, ki je
osredotoˇcena na rezultate [32, 33].
Pomembno je razlikovanje med tehnikama video povratne informacije in video modeliranja, ki se uporabljata za izboljˇsavo izvedbe. Video povratna informacija je prikazovanje lastnega gibanja in je obiˇcajno osredotoˇcena na posamezne segmente izvedbe [34], medtem ko je video modeliranje prikazovanje gibanja
izkuˇsenega uporabnika med izvedbo posameznega giba [35, 36, 37, 38]. Pri uˇcenju
kompleksnih gibov obeta najboljˇse rezultate kombinirana uporaba obeh tehnik,
torej da vadeˇci vidi lastno gibanje in gibanje izkuˇsenega uporabnika med izvedbo
[35, 39, 40, 41]. Pomembno vpraˇsanje je pogostost podajanja povratne informacije za dosego optimalnega uˇcinka. Vloga frekvence podajanja je odvisna od
znaˇcilnosti gibanja [42]. Pri preprostih nalogah pridobimo boljˇse rezultate, ˇce informacije ne podajamo ob vsaki izvedbi [43, 44], medtem ko zmanjˇsana frekvenca
nima pozitivnih vplivov na izvedbo pri kompleksnih gibih [45, 46, 47, 48], oziroma
ima lahko celo negativen uˇcinek [49].
Na uˇcenje giba ima vpliv tudi zakasnitev podajanja povratnih informacij [50].
Pri uˇcenju cikliˇcnih gibov sprotno podajanje povratnih informacij izboljˇsa uˇcenje
[51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59]. Glavne znaˇcilnosti sprotnih povratnih informacij, ki jih generira sistem za korekcijo tehnike pri vadbi, so objektivni kriteriji
uspeˇsnosti izvedbe, celostna evalvacija izvedbe, vkljuˇcevanje informacij, ki bi bile
sicer prezrte, in neposredna komunikacija uporabnikov z napravo za usposabljanje
[60]. Pomembno je tudi razlikovanje med kratkotrajnimi in trajnimi spremembami, ki so rezultat uˇcenja [44]. Sprotna povratna informacija izboljˇsa izvedbo
1.5 Posredovanje celovite povratne informacije
5
med samo vadbo, ko je povratna informacija prisotna, vendar ne prispeva nujno k
trajnemu uˇcenju [60, 61]. Pogosta uporaba povratne informacije lahko vzpostavi
odvisnost uporabnika od prisotnosti informacije in zavre zmoˇznosti samozaznavanja napak [50, 62, 63, 64]. Sprotna povratna informacija ima tudi motivacijski
uˇcinek [43, 65, 66], vendar ima preveˇc informacij lahko negativno vlogo na uporabnikovo pozornost in osredotoˇcenost med vadbo [67].
Usmerjanje gibanja ˇcloveka s sprotno povratno informacijo je podobno vodenju robotskih mehanizmov. Tudi za vodenje robotov se uporablja uˇcenje gibanja s
posnemanjem, ki zajame demonstratorjevo znanje o izvajanju gibov [68]. Glavni
cilj uˇcenja robotov je, da kontrolirano izvedejo zahtevano nalogo, pri ˇcemer se
oblike uˇcenja delijo glede na obliko nadzora (neposredna ali posredna), metodo
uˇcenja in naravo zahtevane naloge [69]. Najbolj obiˇcajna metoda je modeliranje
gibanja in nato vodenje robota glede na izhodne vrednosti, ki jo podaja model
[70]. V model je moˇzno vkljuˇciti tudi ekspertno znanje o naˇcinu izvedbe gibanja
[69].
1.5
Posredovanje celovite povratne informacije
Vizualna in zvoˇcna povratna informacija pripomoreta k izboljˇsanju izvedbe motoriˇcnih gibov.
Povratna informacija je uporabna, ko so novi gibi podobni
znanim gibom [71, 72, 73, 74]. Pri koordinacijskih veˇsˇcinah ima najpomembnejˇso vlogo vizualna informacija [75], ˇse boljˇse rezultate zagotavlja kombinacija vizualnih informacij z verbalnimi navodili, ki se nanaˇsajo na odpravo napak
[74, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82]. Za sprotno opazovanje poloˇzaja telesa na simulatorju veslaˇci uporabljajo zrcala [1]. Sistem VFS (ang. “The Visual Feedback
System”) [83] omogoˇca, da trener pokaˇze veslaˇcu v ˇcolnu posnetek veslanja v
ˇ
realnem ˇcasu in mu posreduje govorna navodila. Studija
je pokazala, da uporaba sistema s tovrstno povratno informacijo omogoˇca izboljˇsanje tehnike [84].
Projekt SPRINT (ang. “Skills Professional Rowing In-door Trainer”) [85] razvija veˇcmodalni sistem za trening in optimizacijo tehnike na posebej razvitem
simulatorju veslanja. Poleg vizualne in zvoˇcne oblike povratne informacije je
uporabljena tudi haptiˇcna.
6
Uvod
1.6
Hipoteza in cilji doktorske disertacije
Veslanje je razˇsirjena [2] in uˇcinkovita telesna vadba [3]. Simulator veslanja
omogoˇca uˇcinkovito rekreativno vadbo ljudem v vseh starostnih obdobjih, pri
tem je pomembno, da se uporabniki zaˇcetniki nauˇcijo primerne tehnike [6], kar
omogoˇca uˇcinkovito vadbo [3] in prepreˇcuje poˇskodbe [4].
Trenerji obiˇcajno
v fitnes centrih ali privatnih telovadnicah niso navzoˇci oziroma je njihova razpoloˇzljivost zelo omejena. Razviti sistemi podajajo zgolj povratno informacijo o
izvedbi zavesljaja, ne pa tudi navodil za izboljˇsanje izvedbe. Zato se kaˇze potreba
po uporabniku prijaznih metodah, ki nudijo ustrezen nadzor nad izvedbo in naredijo vadbo zanimivo. Medtem ko se morajo trenerji pri ocenjevanju tehnike in
napredka veslaˇca zanaˇsati na subjektivne zaznave in izkuˇsnje, senzorno podprti
sistemi za vadbo omogoˇcajo objektivno ocenjevanje in tako lahko dopolnjujejo
tradicionalno metodo vadbe pod nadzorom trenerja.
Osnovni cilj doktorske disertacije je analiza, sinteza in evalvacija gibanja uporabnika z naprednim sistemom za vadbo veslanja, ki bo opremljen s senzorji za zajemanje vrednosti kinematiˇcnih in kinetiˇcnih parametrov ter s sistemi za sprotno
posredovanje povratnih informacij uporabniku. Cilj je doseˇci veˇcjo uˇcinkovitost
veslaˇske vadbe na simulatorju veslanja pri profesionalnem ˇsportu in rehabilitaciji.
Slika 1.1 prikazuje konceptualno shemo sistema za uˇcenje tehnike veslanja.
Vadeˇci vesla na simulatorju veslanja, opremljenem s senzorji. Z njimi se meri
sila na roˇcaju, sila odriva leve noge, oddaljenost roˇcaja od vetrnega kolesa,
poloˇzaj sedeˇza in naklon zgornjega dela hrbta. Na podlagi izmerjenih podatkov
se izraˇcunajo biomehanski parametri veslanja. Referenˇcni model, ki je zgrajen
na podlagi eksperimentalnih podatkov elitnih veslaˇcev, ob upoˇstevanju telesnih
znaˇcilnosti vadeˇcega doloˇci referenˇcne vrednosti biomehanskih parametrov. V
sistemu za posredovanje povratne informacije se izmerjeni podatki primerjajo z
referenˇcnimi in na podlagi razlik oblikujejo ustrezna navodila, ki se posredujejo
vadeˇcemu. Na podlagi prejete informacije vadeˇci spremeni svoje gibanje, ki postopoma vodi do primerne tehnike veslanja. Sistem ima dva reˇzima vadbe. V
prvem reˇzimu sistem sledi veslaˇcu in mu posreduje odstopanja od reference. V
drugem reˇzimu pa sistem doloˇca referenco, veslaˇc pa ji poskuˇsa slediti.
7
1.6 Hipoteza in cilji doktorske disertacije
POVRATNA INFORMACIJA
MERJENJE
SIL
MERJENJE
GIBANJA
REFERENČNI
MODEL
OSNOVNI BIOMEHANSKI
PARAMETRI VESLANJA
Slika 1.1: Konceptualna shema sistema za uˇcenje tehnike veslanja.
V doktorski disertaciji zasledujemo tudi naslednje cilje:
1. Analiza kinetiˇ
cnih in kinematiˇ
cnih parametrov veslanja ter
doloˇ
citev parametrov, ki kategorizirajo tehniko veslanja. Ugotoviti, kateri parametri veslanja so odvisni od telesnih znaˇcilnosti veslaˇca,
tehnike ali tempa veslanja. Doloˇciti parametre, ki doloˇcajo primerno tehniko veslanja in identificirajo razlike med nepoznavalci in poznavalci ter so
primerni za kategorizacijo tehnike in uporabo v referenˇcnem modelu.
2. Razvoj referenˇ
cnega modela primerne tehnike veslanja.
Raz-
viti referenˇcne modele primerne tehnike veslanja, ki zagotavlja ustrezno
uˇcinkovitost in ob kateri praviloma ne prihaja do poˇskodb. Referenˇcni model bo osnova za razvoj sistema veslaˇske vadbe s sprotno povratno informacijo.
3. Zasnova sistema za sprotno analizo kinematiˇ
cnih in kinetiˇ
cnih parametrov senzorno podprte vadbe veslanja. Zasnovati sistem za obdelavo podatkov, ki jih izmerijo senzorji merilnega sistema, izraˇcun vrednosti
8
Uvod
kategorizacijskih parametrov, njihovo primerjavo z vrednostmi referenˇcnih
modelov in izraˇcun odstopanj. Analiza bo potekala soˇcasno z izvedbo veslanja, pri ˇcemer bo del analize potekal v realnem ˇcasu, del pa po vsakem
izvedenem zavesljaju. Pridobljene informacije bodo opisovale izvedeno veslanje in njegovo odstopanje od primerne tehnike.
4. Zasnova sistema za sprotno posredovanje celovite povratne informacije veslaˇ
cu. Zasnovati sistem, ki bo na podlagi pridobljenih podatkov
generiral in veslaˇcu posredoval povratno informacijo o primernosti tehnike
in podal navodila za njeno izboljˇsanje.
5. Evalvacija uˇ
cinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja. S ˇstudijo
napredka neizkuˇsenih veslaˇcev in primerjavo uspeˇsnosti treh metod vadbe
(brez nadzora, s trenerjem ali z razvitim sistemom) oceniti uspeˇsnost razvitega sistema.
Priˇcakujemo, da bo razviti sistem omogoˇcal uˇcinkovito posredovanje informacije uporabnikom zaˇcetnikom, ki bodo z upoˇstevanjem povratnih informacij
izboljˇsali svojo tehniko. Priˇcakujemo, da bo njihov napredek veˇcji od uporabnikov, ki bodo trenirali brez nadzora. Iz rezultatov ˇstudije napredka neizkuˇsenih
veslaˇcev bo mogoˇce sklepati, v katerih elementih tehnike je delovanje sistema
pomanjkljivo in potrebuje izboljˇsave.
2.
Analiza kinetiˇ
cnih in kinematiˇ
cnih parametrov veslanja
V poglavju je predstavljena statistiˇcna analiza osnovnih parametrov veslanja:
dolˇzine zavesljaja, trajanja faz zavesljaja, sil posameznega zavesljaja na roˇcaju
in opori za noge, opravljenega dela, trajektorije gibanja roˇcaja, naklona trupa in
obremenitev v kolenu ter lumbosakralnem sklepu.
Z analizo vrednosti parametrov, konsistentnosti parametrov, statistiˇcno analizo in analizo lastnih vrednosti so bili doloˇceni glavni parametri tehnike veslanja,
kjer nastajajo razlike med nepoznavalci in poznavalci, njihova tipiˇcna podroˇcja
vrednosti in odvisnost od tempa veslanja. Parametri, ki doloˇcajo primerno tehniko veslanja in ugotavljajo razlike med nepoznavalci in poznavalci, so primerni
za kategorizacijo tehnike in uporabo v referenˇcnem modelu.
2.1
2.1.1
Metode
Udeleˇ
zenci
Analiza je bila opravljena na izmerjenih podatkih 15 prostovoljcev (belci, moˇski)
razliˇcnih ravni znanja veslanja iz ˇstudij [19, 20]: a) petih elitnih veslaˇcev (starost
od 22 do 38 let, povpreˇcje je 30,4 leta; viˇsina od 1,86 do 1,97 metra, povpreˇcje
je 1,92 metra; masa od 84 do 100 kilogramov, povpreˇcje je 89 kilogramov), ki so
ˇclani veslaˇske reprezentance Slovenije in nosilci medalj s svetovnih prvenstev ali
olimpijskih iger, b) petih klubskih veslaˇcev (starost od 15 do 18 let, povpreˇcje
je 16,7 let; viˇsina od 1,79 do 1,88 metra, povpreˇcje je 1,83 metra; masa od 75
do 100 kilogramov, povpreˇcje je 82 kilogramov), ki trenirajo in tekmujejo na
klubski ravni, in c) petih nepoznavalcev (starost od 25 do 32 let, povpreˇcje je
28 let; viˇsina od 1,71 do 1,88 metra, povpreˇcje je 183 metra; masa od 76 do
100 kilogramov, povpreˇcje je 85 kilogramov), ki so se prviˇc sreˇcali z veslanjem
9
10
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
na simulatorju. Nepoznavalci predstavljajo skupino uporabnikov, ki zaˇcenjajo z
veslanjem na simulatorju kot obliko rekreacije brez strokovnega nadzora.
2.1.2
Sistem za merjenje
Podatki so bili pridobljeni z instrumentaliziranim simulatorjem veslanja [86].
Osnovni deli simulatorja so premikajoˇci se sedeˇz, opora za noge, drˇzalo, ki je
z verigo povezano z vetrnim kolesom, in prikazovalnik hitrosti ter tempa veslanja.
Simulator veslanja znamke Concept2 je opremljen s senzorjem za merjenje sile
potega z rokami, ˇsestdimenzionalnim senzorjem sile JR3 za merjenje sile odriva z
nogami, z optiˇcnim kodirnikom na osi vetrnega kolesa za merjenje dolˇzine potega
verige in ˇziˇcnim kodirnikom na sedeˇzu za merjenje poloˇzaja sedeˇza. Za merjenje
kinematike gibanja veslaˇca so bili uporabljeni optiˇcni sistem Optotrak Certus in
14 merilnih markerjev. V merilni sistem je bila vkljuˇcena video kamera za vizualni zajem gibanja veslaˇca. Slika 2.1 prikazuje udeleˇzenca ˇstudije med izvajanjem
meritve.
Slika 2.1: Veslaˇc med izvajanjem meritve.
Obremenitve v gleˇznjih, kolenih, kolkih, lumbosakralnem sklepu in ramenih so
bile izraˇcunane z Newton-Eulerjevo inverzno dinamiˇcno analizo [87]. Rekurzivni
postopek izraˇcuna poteka od zaˇcetnega segmenta, ki je v dotiku z okolico, prek
segmentov, vpetih med dva sklepa, do konˇcnega segmenta. Telo veslaˇca tvori
zaprto kinematiˇcno verigo, saj je telo v dotiku z okolico na treh mestih, in sicer
stopalo z oporo za noge, zapestje z roˇcajem ter zadnjica s sedeˇzem. Dinamiˇcno
11
2.1 Metode
analizo smo izvedli z analizo dotika stopalo-opora za noge in roka-roˇcaj, pri katerem smo sile interakcije tudi merili. Dotik zadnjica-sedeˇz ni bil upoˇstevan, saj
vertikalne sile, ki edine nastopajo v stiku, nimajo vpliva na pogon [86]. Zunanje
sile in navori lahko delujejo pri dinamiˇcni analizi na katerikoli segment v verigi. V
naˇsem primeru na telo delujeta poleg pogonskih in vztrajnostnih prispevkov dve
zunanji sili: sila na stopalu ter sila na roki. Prvo na instrumentaliziranem simulatorju merimo pod oporo za noge, drugo pa s senzorjem sile v roˇcaju. Smer sile
potega smo doloˇcili iz znanih pozicij markerjev na roˇcaju in osi vetrnega kolesa.
Osnovni princip inverzne Newton-Eulerjeve analize je obravnava posameznega
segmenta kot neodvisno telo v prostoru in zapisa enaˇcb drugega Newtonovega
zakona o ravnoteˇzju sil in navorov. Ravnoteˇzni enaˇcbi izraˇzeni v lokalnem koordinatnem sistemu segmenta sta
T
Fi − Ri+1
Fi+1 + Ri0 T Fext + mi gi = mi aci
i
(2.1)
T
Mi −Ri+1
Mi+1 +Fi ×ri,ci +(Ri0 T Fext )×rext −Rii+1 T Fi+1 ×ri+1,ci = Ii αi +ωi ×(Ii ωi )
i
(2.2)
V enaˇcbah 2.1 in 2.2 na desni strani nastopajo vztrajnostni prispevki mase
m in vztrajnostnega momenta I, ki so posledica pospeˇska a, kotne hitrosti ω
in kotnega pospeˇska α. Parameter r je vektor od prijemaliˇsˇca sile, ki deluje na
segment, do teˇziˇsˇca segmenta. Izrazi na levi so sile F in navori M, ki delujejo
na segment. Ob poznavanju vseh veliˇcin je pri Newton-Eulerjevi analizi iz enaˇcb
mogoˇce izraziti neznano silo Fi+1 in navor Mi+1 , ki deluje v naslednjem sklepu.
Slika 2.2 prikazuje postopek izraˇcuna sil in navorov v sklepih telesa veslaˇca
v smeri od stopala do medenice (koraki 1a, 2a in 3a) ter v smeri od roke do LS
sklepa (koraka 1b in 2b).
2.1.3
Merilni test
Merilni test, ki ga je opravil vsak prostovoljec, je trajal dve minuti in je bil sestavljen iz treh aktivnosti, od katerih je imela vsaka doloˇcen tempo veslanja:
ena minuta z 20 zavesljaji/minuto pri aerobni aktivnosti, pol minute s 26 zavesljaji/minuto pri aerobnem pragu in pol minute s 34 zavesljaji/minuto pri tekmovalnem ritmu.
12
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
Korak 1b
x
Frama
Fp
−Frama
−τrama
y
τrama
−Fkoleno
τkoleno
y
−τkoleno
Korak 2a
τglezenj
−Fglezenj
x
y
Korak 2b
FLS
Fkoleno
x
x
Korak 1a
Fr
y
x
Korak 3a
−τglezenj
y
−Fkolk
τkolk
τLS
−τkolk
Fkolk
Fglezenj
y
x
Slika 2.2: Izraˇcun sil in navorov v sklepih telesa veslaˇca.
2.1.4
Analizirane spremenljivke
Predpostavili smo simetrijo veslanja na simulatorju in analizirali veslanje v sredinski (sagitalni) ravnini [4, 6, 12, 14, 16, 24, 88].
Veslaˇc na simulatorju izvaja gibe, ki so podobni gibom pri veslanju.
Z
vleˇcenjem verige preko zobnikov, ki poganjajo kolo, na katerem so nameˇsˇcene
lopatice, se ustvari zraˇcni upor, ki v zadostni meri simulira upor ˇcolna na vodi.
Veslaˇski zavesljaj je sestavljen iz ˇstirih faz: zaˇcetka, potega, konca in povratka.
Posebno pomembna je drˇza telesa v posamezni fazi [1]. Slika 2.3 prikazuje drˇzo telesa ob zaˇcetku in koncu zavesljaja. Pri fazi potega se roˇcaj oddaljuje od vetrnega
kolesa, pri fazi povratka pa pribliˇzuje.
Analizirane so bile naslednje spremenljivke, ki definirajo zavesljaj: dolˇzina zavesljaja, normirana dolˇzina zavesljaja, trajanje faz zavesljaja (poteg in povratek)
in njuno razmerje, najveˇcja vrednost sil na roˇcaju in opori za noge, povpreˇcna
vrednost sil na roˇcaju in opori za noge med fazo potega, razmerja sil, trenutek
nastanka najveˇcjih sil, delo zavesljaja, tirnice gibanja roˇcaja, naklon trupa in
obremenitve v sklepih.
13
2.1 Metode
Konec
Zaˇcetek
ϕs
ϕf
Poteg (td )
Povratek (tr )
l
Slika 2.3: Drˇza telesa ob zaˇcetku in koncu zavesljaja.
Dolˇzina zavesljaja l je opredeljena kot razlika med najveˇcjo in najmanjˇso vrednostjo premika roˇcaja v posameznem zavesljaju. Normirana dolˇzina zavesljaja lr
je doloˇcena kot povpreˇcna dolˇzina zavesljaja l deljena z viˇsino veslaˇca. Razmerje
med trajanjem faz zavesljaja r pomeni razmerje med trajanjem faze potega td in
faze povratka tr . Naklon trupa ϕ je definiran kot k´ot med trupom, ki ga doloˇcata
merilna markerja M10 (nameˇsˇcen na kolk) in M11 (nameˇsˇcen na ramo), in ˇcelno
(koronarno) ravnino.
Parametri sil so prikazani na sliki 2.4. Najveˇcja vrednost sile na roˇcaju fp,max
pomeni najveˇcjo vrednost sile, izmerjene na roˇcaju, med posameznim zavesljajem. Povpreˇcna vrednost sile na roˇcaju med fazo potega fp,avg pomeni povpreˇcje
izmerjene sile na roˇcaju med fazo potega. Razmerje med povpreˇcno in najveˇcjo
silo na roˇcaju fp,r je koliˇcnik med fp,avg in fp,max . Najveˇcja vrednost sile na opori
za noge fr,max je najveˇcja vrednost velikosti sile, izmerjene na opori za noge, med
posameznim zavesljajem. Povpreˇcna vrednost sile na opori za noge med fazo
potega fr,avg je povpreˇcje velikosti izmerjene sile na opori za noge med fazo potega. Razmerje med povpreˇcno in najveˇcjo silo na opori za noge fr,r je koliˇcnik
med fr,avg in fr,max . Razmerje najveˇcjih sil fr,m je koliˇcnik med fp,max infr,max ,
razmerje povpreˇcnih sil fr,a pa je koliˇcnik med fp,avg infr,avg .
14
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
fr,max
1200
fp,max
Sila [N]
800
fr,avg
fp,avg
400
0
tr
td
0
0.5
1
1.5
ˇ [s]
Cas
fp
2
2.5
3
3.5
fr
Slika 2.4: Parametri sil.
Delo zavesljaja A je vsota produktov sile na roˇcaju in premika roˇcaja med
fazo potega po enaˇcbi 2.3, kjer je N ˇstevilo vzorcev posameznega zavesljaja, Fp (i)
trenutna vrednost sile na roˇcaju, s(i) trenutna in s(i − 1) predhodna vrednost
pozicije roˇcaja med zavesljajem.
A=
N
X
i=1
Fp (i) · (s(i) − s(i − 1))
(2.3)
Trajektorija gibanja roˇcaja je izmerjena z merjenjem poloˇzaja merilnega markerja na roˇcaju. Navor okoli preˇcne (transverzalne) osi je najpomembnejˇsi parameter obremenitev v sklepih, saj prispeva h gibanju v sredinski (mediana) ravnini.
Za boljˇso primerjavo so podatki normalizirani glede na vzdolˇzni premik roˇcaja.
Zaˇcetek zavesljaja je predstavljen z vrednostjo —100, konec potega in zaˇcetek
povratka z vrednostjo 0 in konec povratka z vrednostjo 100. Spremenljivka Mz
pomeni najveˇcjo vrednost navora posameznega zavesljaja, Mh pa njegovo mesto
nastanka glede na poloˇzaj roˇcaja.
2.1.5
Obdelava podatkov in statistiˇ
cna analiza
Za analizo so bili uporabljeni podatki desetih zaporednih zavesljajev pri posameznem tempu vsakega udeleˇzenca. Za obdelavo podatkov je bil uporabljen
2.1 Metode
15
programski paket Matlab (The MathWorks (Ver. 7.10), Natict, MA). Zaˇcetek
veslanja je bil definiran kot zaˇcetek faze potega, faza povratka pa je predstavljala
drugi del celotnega zavesljaja.
Vrednotenje gibanja roˇcaja je bilo ocenjeno z izraˇcunom ponovljivosti trajektorije merilnega narkerja na roˇcaju RTp v skladu s standardom ISO 9283 (1998),
ki se uporablja za testiranje gibanja industrijskih robotov. Ponovljivosti trajektorije v posamezni toˇcki RTpi je opredeljena kot polmer kroga, ki vsebuje vse
izmerjene trajektorije v tej toˇcki. Ponovljivost za celotno trajektorijo RTp je
opredeljena kot najveˇcja vrednost RTpi .
Podatki desetih zaporednih zavesljajev pri posameznem tempu vsakega
udeleˇzenca, so bili povpreˇceni in analizirani s programom SPSS (IBM (Ver. 17,0),
Armonk, NY). Tempo veslanja je povezan z obremenitvijo in tehniko veslanja.
Ker nas je zanimal vpliv tempa na navedene spremenljivke pri razliˇcno usposobljenih skupinah veslaˇcev, smo najprej izvedli enosmerno analizo variance za
ponovljene meritve (ang. “one-way repeated-measures ANOVA”) s tremi tempi
veslanja za vsako spremenljivko. Iz analize variance smo izluˇsˇcili delno eta kvadratno vrednost η 2 (ang. “partial eta-squared value ”) in p vrednost uˇcinka
tempa na posamezno spremenljivko za vsako skupino veslaˇcev posebej. Delna
eta kvadratna vrednost pomeni deleˇz celotne variabilnosti, ki jo je mogoˇce pripisati preuˇcevanemu dejavniku (v tem primeru tempu veslanja), ˇce izvzamemo
druge dejavnike, ki vplivajo na variacijo [89]. Delna eta kvadratna vrednost
se zato lahko uporabi kot merilo vpliva dejavnika na biomehanske parametre
[90]. Ker so nas zanimale razlike med skupinami veslaˇcev, smo izvedli dvosmerno
analizo variance meˇsanega tipa (ang. “two-way mixed-design ANOVA”) s tempom veslanja kot parametrom znotraj skupine udeleˇzencev (ang. “within-subject
factor”) in tipom usposobljenosti udeleˇzenca kot parametrom razlikovanja med
udeleˇzenci (ang. “between-subjects factor”). Iz te analize smo dobili η 2 in p
vrednost uˇcinka tipa veslaˇca (elitni veslaˇc, klubski veslaˇc, veslaˇc nepoznavalec)
na posamezno spremenljivko. V vseh primerih je bil prag statistiˇcne znaˇcilnosti
doloˇcen s p = 0,05.
Koeficient variacije KV (ang. “coefficient of variation”) je bil uporabljen kot
statistiˇcni kazalnik, ki prikazuje razprˇsitev okoli aritmetiˇcne sredine. Definiran
je kot razmerje med standardnim odklonom in povpreˇcjem. Ker gre za relativni
statistiˇcni kazalnik, ga je mogoˇce uporabiti za primerjavo razprˇsenosti razliˇcnih
16
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
spremenljivk. Vrednost KV pod 0,05 pomeni neznatno spremenljivost.
Analizo glavnih komponent (ang. “principal component analysis”− PCA)
smo uporabili za analizo razlik med udeleˇzenci. Analiza glavnih komponent je
statistiˇcna tehnika, ki poiˇsˇce najveˇcjo varianco spremenljivk [91]. Osnovni nabor
spremenljivk se preslika v mnoˇzico novih spremenljivk, ki se imenujejo glavne
komponente. Te so med seboj neodvisne. Prva glavna komponenta pojasnjuje
najveˇcji del celotne variance osnovnih spremenljivk. Vsaka naslednja glavna komponenta je doloˇcena tako, da je neodvisna od prejˇsnjih in pojasni kar se da velik
del ˇse nepojasnjene variance. Analiza glavnih komponent je bila izvedena v fazi
potega zavesljaja za signale sile na roˇcaju, sile na opori za noge in naklonu trupa
kot osnovnemu parametru telesne drˇze. Za pravilno primerjavo so bili vsi signali
prevzorˇceni na enako ˇstevilo vzorcev in sile normirane glede na njihovo najveˇcjo
vrednost. Glavne komponente oziroma lastni vektorji so bili doloˇceni z razgradnjo
kovarianˇcne matrike z lastnimi vrednostmi za vse signale glede na eksperimentalne
podatke elitnih veslaˇcev. Nato so bili vsi signali preslikani v PCA-podprostor.
Za primerjavo udeleˇzencev so bili lastni vektorji normirani z obratno vrednostjo
kvadratnega korena ustreznih lastnih vrednosti.
2.2
Rezultati in diskusija
Povpreˇcne vrednosti in standardni odkloni za dolˇzino zavesljaja l, normirano
dolˇzino zavesljaja lr , trajanje faze potega td , trajanje faze povratka tr , razmerje
faz zavesljaja r, najveˇcja vrednost sile na opori za noge fr,max , povpreˇcna vrednost sile na opori za noge med fazo potega fr,avg , razmerje med povpreˇcno in
najveˇcjo silo na opori za noge fr,r , najveˇcja vrednost sile na roˇcaju fp,max , povpreˇcna vrednost sile na roˇcaju med fazo potega fp,avg , razmerje med povpreˇcno
in najveˇcjo silo na roˇcaju fp,r , razmerje najveˇcjih sil fr,m , razmerje povpreˇcnih
sil fr,a , delo zavesljaja A in ponovljivost za celotno trajektorijo roˇcaja RTp so
prikazani v tabeli 2.1 za elitne veslaˇce, tabeli 2.2 za klubske veslaˇce in tabeli
2.3 za veslaˇce nepoznavalce. V tabelah so prikazane tudi povpreˇcne vrednosti in
standardni odkloni za posamezno skupino veslaˇcev.
Rezultati enosmerne analize variance s tremi tempi in rezultati dvosmerne
analize variance meˇsanega tipa s tempom veslanja kot parametrom znotraj skupine udeleˇzencev in tipom usposobljenosti udeleˇzenca kot parametrom razlikova-
Oseba
l
[m]
ln
td
[s]
tr
[s]
r
fr,max
[N]
fr,avg
[N]
fr,r
fp,max
[N]
fp,avg
[N]
fp,r
fr,m
fr,a
A
[J]
RTp
[m]
20
1,611
(0,015)
1,631
(0,011)
1,632
(0,006)
0,85
0,91
(0,01)
0,85
(0,02)
0,79
(0,01)
2,07
(0,03)
1,48
(0,02)
1,11
(0,02)
1:2,25
1337
(40)
1347
(16)
1339
(18)
744
(20)
771
(15)
783
(8)
0,56
1123
(35)
1165
(16)
1153
(13)
497
(18)
508
(13)
513
(11)
0,44
0,84
0,67
0,025
0,44
0,86
0,66
0,44
0,86
0,65
929
(37)
962
(21)
982
(17)
1,606
(0,003)
1,631
(0,001)
1,603
(0,014)
0,82
0,93
(0,02)
0,85
(0,02)
0,72
(0,01)
1,88
(0,11)
1,35
(0,07)
0,87
(0,02)
1:2,02
1189
(22)
1195
(20)
1235
(12)
638
(12)
663
(17)
742
(8)
0,54
1091
(46)
1167
(26)
1204
(13)
467
(26)
485
(14)
536
(8)
0,43
0,92
0,73
0,039
0,42
0,98
0,73
0,45
0,97
0,72
883
(37)
950
(23)
1030
(17)
1,603
(0,001)
1,615
(0,002)
1,600
(0,010)
0,81
0,98
(0,01)
0,92
(0,02)
0,73
(0,01)
1,94
(0,05)
1,50
(0,03)
0,95
(0,03)
1:1,97
1365
(42)
1348
(49)
1432
(39)
671
(14)
662
(27)
825
(14)
0,49
974
(27)
1031
(48)
1303
(17)
443
(16)
455
(25)
597
(11)
0,45
0,71
0,66
0,042
0,44
0,77
0,69
0,46
0,91
0,73
839
(29)
897
(50)
1153
(21)
1,638
(0,023)
1,667
(0,010)
1,642
(0,007)
0,87
0,99
(0,01)
0,91
(0,02)
0,80
(0,01)
1,83
(0,07)
1,50
(0,04)
1,00
(0,02)
1:1,85
1123
(42)
1187
(17)
1194
(17)
635
(17)
675
(20)
713
(18)
0,57
960
(38)
1041
(29)
1057
(16)
390
(14)
422
(14)
488
(11)
0,41
0,85
0,61
0,058
0,41
0,88
0,62
0,46
0,89
0,63
786
(31)
864
(27)
908
(26)
1,509
(0,001)
1,486
(0,012)
1,457
(0,024)
0,81
0,92
(0,01)
0,85
(0,02)
0,78
(0,02)
1,93
(0,06)
1,47
(0,06)
1,08
(0,04)
1:2,09
1182
(43)
1226
(46)
1297
(32)
668
(17)
674
(24)
706
(17)
0,57
986
(38)
1062
(28)
1105
(13)
423
(15)
444
(27)
461
(9)
0,43
0,83
0,63
0,42
0,87
0,66
0,42
0,85
0,65
1,593
(0,049)
1,606
(0,070)
1,587
(0,075)
0,83
(0,02 )
0,84
(0,03)
0,83
(0,04)
0,95
(0,04)
0,88
(0,04)
0,76
(0,04)
1,93
(0,09)
1,46
(0,06)
1,00
(0,10)
1:2,04
(0,16)
1:1,67
(0,07)
1:1,31
(0,08)
1239
(106)
1261
(81)
1299
(93)
671
(44)
689
(46)
754
(50)
0,54
(0,03)
0,55
(0,03)
0,58
(0,02)
1027
(75)
1093
(67)
1164
(95)
444
(41)
463
(34)
519
(52)
0,43
(0,02)
0,42
(0,01)
0,45
(0,02)
0,83
(0,08)
0,87
(0,07)
0,90
(0,05)
0,66
(0,05)
0,67
(0,04)
0,68
(0,05)
26
34
20
E2
26
34
20
E3
26
34
20
E4
26
34
20
E5
26
34
20
Povpreˇ
cje
skupine
26
0,86
0,83
0,82
0,82
0,81
0,88
0,87
0,80
0,78
1:1,74
1:1,41
1:1,58
1:1,20
1:1,63
1:1,29
1:1,64
1:1,25
1:1,71
1:1,40
0,57
0,58
0,55
0,60
0,49
0,58
0,57
0,60
0,55
0,54
799
(21)
847
(35)
870
(15)
847
(59)
904
(51)
989
(111)
0,025
0,026
0,044
0,038
0,042
0,044
0,065
0,026
0,025
0,049
0,056
0,038
(0,014)
0,045
(0,014)
0,038
(0,013)
Tabela 2.1: Povpreˇcne vrednosti in standardni odkloni kinematiˇcnih in kinetiˇcnih parametrov elitnih veslaˇcev.
17
34
0,86
2.2 Rezultati in diskusija
E1
Tempo
[zav/min]
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
Oseba
J1
Tempo
[zav/min]
l
[m]
ln
td
[s]
tr
[s]
r
fr,max
[N]
fr,avg
[N]
fr,r
fp,max
[N]
fp,avg
[N]
fp,r
fr,m
fr,a
A
[J]
RTp
[m]
20
1,579
(0,012)
1,596
(0,012)
1,541
(0,009)
0,86
1,00
(0,03)
0,92
(0,01)
0,82
(0,01)
1,97
(0,06)
1,42
(0,03)
0,97
(0,03)
1:1,98
1195
(93)
1224
(43)
1175
(30)
641
(18)
649
(9)
646
(22)
0,54
879
(66)
931
(20)
971
(38)
394
(12)
401
(9)
401
(17)
0,45
0,74
0,61
0,040
0,43
0,76
0,62
0,41
0,82
0,62
733
(59)
762
(19)
734
(27)
1,559
(0,013)
1,566
(0,018)
1,527
(0,015)
0,83
1,05
(0,03)
0,96
(0,01)
0,84
(0,01)
1,88
(0,06)
1,27
(0,03)
0,92
(0,04)
1:1,78
855
(75)
866
(40)
1015
(36)
563
(20)
557
(14)
644
(24)
0,66
820
(37)
858
(23)
940
(52)
369
(22)
375
(10)
435
(30)
0,45
0,96
0,66
0,050
0,44
0,99
0,67
0,46
0,93
0,67
706
(41)
724
(23)
820
(63)
1,699
(0,019)
1,708
(0,007)
1,681
(0,009)
0,90
1,20
(0,02)
1,04
(0,01)
0,91
(0,01)
1,69
(0,07)
1,30
(0,04)
0,92
(0,03)
1:1,41
912
(37)
989
(33)
1009
(17)
445
(18)
502
(15)
565
(15)
0,49
760
(42)
898
(39)
976
(27)
288
(15)
338
(12)
375
(10)
0,38
0,83
0,65
0,38
0,91
0,67
0,38
0,96
0,66
1,558
(0,006)
1,574
(0,012)
1,566
(0,007)
0,86
0,97
(0,02)
0,89
(0,03)
0,78
(0,01)
1,92
(0,05)
1,35
(0,05)
0,93
(0,02)
1:1,97
998
(58)
1143
(55)
1286
(26)
568
(23)
623
(65)
701
(16)
0,57
821
(41)
888
(67)
954
(34)
396
(20)
405
(42)
446
(24)
0,48
0,82
0,70
0,46
0,77
0,65
0,47
0,74
0,63
1,578
(0,016)
1,581
(0,014)
1,560
(0,007)
0,88
0,94
(0,01)
0,85
(0,02)
0,76
(0,01)
2,05
(0,10)
1,39
(0,06)
1,00
(0,03)
1:2,19
1196
(63)
1220
(59)
1227
(28)
730
(18)
726
(20)
771
(10)
0,61
927
(26)
982
(28)
1021
(26)
434
(16)
441
(12)
439
(8)
0,47
0,77
0,59
0,45
0,81
0,60
0,43
0,83
0,57
1,595
(0,059)
1,605
(0,059)
1,575
(0,061)
0,87
(0,03)
0,88
(0,03)
0,86
(0,03)
1,03
(0,10)
0,93
(0,07)
0,82
(0,06)
1,90
(0,13)
1,35
(0,06)
0,95
(0,04)
1:1,84
(0,29)
1:1,44
(0,16)
1:1,15
(0,11)
1031
(158)
1088
(156)
1142
(125)
589
(105)
611
(86)
665
(76)
0,57
(0,07)
0,56
(0,05)
0,58
(0,04)
841
(63)
911
(47)
972
(30)
376
(54)
392
(38)
419
(30)
0,45
(0,04)
0,43
(0,03)
0,43
(0,03)
0,82
(0,08)
0,85
(0,10)
0,86
(0,09)
0,64
(0,04)
0,64
(0,03)
0,63
(0,04)
26
34
20
J2
26
34
20
J3
26
34
20
J4
26
34
20
J5
26
34
20
18
Povpreˇ
cje
skupine
26
34
0,89
0,86
0,83
0,82
0,91
0,89
0,87
0,87
0,89
0,88
1:1,54
1:1,18
1:1,32
1:1,10
1:1,26
1:1,01
1:1,51
1:1,19
1:1,64
1:1,31
0,53
0,55
0,64
0,63
0,51
0,56
0,55
0,55
0,60
0,63
604
(35)
688
(28)
759
(21)
714
(32)
749
(73)
809
(38)
849
(33)
862
(23)
829
(15)
721
(87)
757
(65)
790
(41)
0,028
0,040
0,041
0,037
0,027
0,041
0,037
0,046
0,063
0,036
0,111
0,046
0,166
0,056
(0,032)
0,048
(0,014)
0,064
(0,057)
Tabela 2.2: Povpreˇcne vrednosti in standardni odkloni kinematiˇcnih in kinetiˇcnih parametrov klubskih veslaˇcev.
Oseba
l
[m]
ln
td
[s]
tr
[s]
r
fr,max
[N]
fr,avg
[N]
fr,r
fp,max
[N]
fp,avg
[N]
fp,r
fr,m
fr,a
A
[J]
RTp
[m]
20
0,859
(0,025)
0,932
(0,027)
0,914
(0,026)
0,46
1,48
(0,03)
1,17
(0,03)
0,87
(0,02)
1,48
(0,02)
1,18
(0,05)
0,96
(0,03)
1:1,00
354
(21)
592
(28)
832
(38)
191
(11)
248
(23)
394
(34)
0,54
71
(16)
163
(47)
332
(69)
26
(5)
50
(19)
93
(24)
0,37
0,20
0,14
0,063
0,31
0,27
0,20
0,28
0,40
0,24
48
(6)
94
(23)
165
(27)
1,12
(0,03)
1,11
(0,02)
0,89
(0,03)
1,42
(0,15)
1,29
(0,05)
0,94
(0,02)
600
(100)
752
(99)
924
(64)
371
(30)
439
(31)
548
(21)
465
(80)
528
(79)
703
(59)
141
(21)
166
(27)
243
(20)
0,30
0,78
0,38
0,31
0,70
0,38
0,35
0,76
0,44
1,55
(0,05)
1,23
(0,03)
0,92
(0,02)
1,20
(0,07)
0,99
(0,05)
0,88
(0,03)
511
(34)
531
(42)
813
(23)
210
(14)
254
(16)
415
(22)
91
(25)
140
(30)
353
(46)
33
(10)
51
(12)
137
(16)
0,36
0,18
0,16
0,36
0,26
0,20
0,39
0,43
0,33
1,52
(0,07)
1,11
(0,04)
0,87
(0,01)
1,44
(0,32)
1,14
(0,17)
0,95
(0,02)
363
(26)
723
(62)
970
(80)
200
(7)
326
(30)
568
(39)
69
(17)
221
(33)
627
(47)
27
(8)
77
(15)
233
(19)
0,39
0,19
0,14
0,35
0,31
0,24
0,37
0,65
0,41
1,39
(0,05)
1,15
(0,05)
0,91
(0,02)
1,50
(0,06)
1,16
(0,04)
0,94
(0,06)
485
(14)
585
(12)
735
(31)
267
(20)
298
(20)
364
(40)
101
(26)
178
(34)
280
(54)
39
(10)
66
(11)
101
(27)
0,39
0,21
0,15
0,37
0,31
0,22
0,36
0,38
0,28
1,41
(0,17)
1,15
(0,05)
0,89
(0,02)
1,41
(0,12)
1,15
(0,11)
0,93
(0,03)
463
(104)
637
(96)
855
(93)
248
(75)
313
(77)
458
(94)
159
(171)
246
(160)
459
(192)
53
(49)
82
(48)
161
(72)
0,36
(0,04)
0,34
(0,03)
0,35
(0,04)
0,31
(0,26)
0,37
(0,19)
0,52
(0,17)
0,19
(0,11)
0,25
(0,07)
0,34
(0,09)
26
34
20
N2
26
34
20
N3
26
34
20
N4
26
34
20
N5
26
34
20
Povpreˇ
cje
skupine
26
1,171
0,037)
1,151
(0,022)
1,241
0,029)
0,827
(0,048)
1,099
(0,033)
1,278
(0,029)
0,893
(0,033)
1,018
(0,056)
1,019
(0,024)
0,976
(0,161)
1,088
(0,119)
1,161
(0,186)
0,49
0,66
0,73
0,79
0,64
0,63
0,68
0,45
0,59
0,69
0,48
0,54
0,54
0,54
(0,17)
0,60
(0,09)
0,64
(0,12)
1:1,01
1:1,10
1:1,27
1:1,16
1:1,06
1:0,77
1:0,81
1:0,95
1:0,94
1:1,02
1:1,09
1:1,08
1:1,01
1:1,02
1:1,00
(0,18)
1:1,00
(0,13)
1:1,05
(0,06)
0,42
0,47
0,62
0,58
0,59
0,41
0,48
0,51
0,55
0,45
0,59
0,55
0,51
0,50
0,53
(0,08)
0,49
(0,06)
0,53
(0,05)
0,093
0,074
213
(30)
278
(53)
432
(32)
0,075
93
(11)
133
(15)
293
(30)
0,090
49
(8)
166
(26)
468
(30)
0,062
0,070
0,062
0,049
0,034
0,046
0,071
61
(12)
124
(17)
186
(35)
0,086
93
(70)
159
(71)
309
(138)
0,070
(0,023)
0,074
(0,025)
0,070
(0,013)
0,108
0,084
Tabela 2.3: Povpreˇcne vrednosti in standardni odkloni kinematiˇcnih in kinetiˇcnih parametrov veslaˇcev nepoznavalcev.
19
34
1,129
(0,016)
1,240
(0,050)
1,352
(0,023)
0,50
2.2 Rezultati in diskusija
N1
Tempo
[zav/min]
20
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
nja med udeleˇzenci so predstavljeni v tabeli 2.4. Dvosmerna analiza variance je
bila izvedena loˇceno za elitne veslaˇce in veslaˇce nepoznavalce (tip E-N), elitne in
klubske veslaˇce (tip E-J) in elitne, klubske veslaˇce ter veslaˇce nepoznavalce (tip
E-J-N). Prve tri vrstice tabele opisujejo vpliv tempa na navedene spremenljivke.
Zvezdica pomeni, da je vsaj 95-odstotno zaupanje statistiˇcne verjetnosti, da razlike pri spremenljivki niso nakljuˇcne, ampak so posledica spremembe tempa. Vrednosti predstavljajo velikost vpliva tempa na spremenljivko, pri ˇcemer η 2 > 0,7
ˇ
pomeni velik vpliv. Cetrta,
peta in ˇsesta vrstica opisujejo vpliv tipa veslaˇcev
oziroma izkuˇsenost veslaˇcev na navedene spremenljivke. Zvezdica pomeni, da
je vsaj 95-odstotno zaupanje statistiˇcne verjetnosti, da razlike pri spremenljivki
niso nakljuˇcne, ampak so posledica tipa veslaˇcev. To pomeni, da je spremenljivko mogoˇce uporabiti za ugotovitev tipa veslaˇca in opisuje razlikovanje tehnike
veslanja na simulatorju. Veˇcja vrednost pomeni veˇcje razlikovanje.
Tip
ln
r
E
0,33
J
0,70* 0,94*
N
0,60*
A
RTp
ϕs
ϕf
Mz,k
Mh,k
Mz,ls
Mh,ls
0,53
0,58
0,69*
0,36
0,77*
0,57
0,04
0,44
0,11
0,07
0,03
0,14
0,23
0,53
0,78*
0,79*
0,03
0,14
0,10
0,84*
0,03
0,75* 0,72*
E-N
0,78* 0,92* 0,97* 0,57* 0,70*
0,37
0,70*
0,01
0,93* 0,47*
E-J
0,34
0,20
0,99* 0,65*
0,08
0,31
0,68*
0,07
0,05
0,07*
0,00
0,78*
0,16
E-J-N 0,84* 0,83* 0,96*
0,29
0,53* 0,48* 0,70*
0,01
0,91*
0,35
Tip
fr,max
fr,avg
E
0,62*
J
fr,r
fp,max
fp,avg
fp,r
fr,m
fr,a
0,69* 0,52
0,58
0,60
0,56
0,43
0,20
0,45
0,69* 0,24
0,86*
0,60
0,33
0,15
0,11
N
0,87*
0,85* 0,27
0,83*
0,80*
0,16
0,66* 0,79*
E-N
0,95*
0,93* 0,23
0,93*
0,95* 0,80* 0,76* 0,93*
E-J
0,42*
0,32
0,04
0,80*
0,55*
E-J-N
0,89*
0,87* 0,24
0,93*
0,95* 0,72* 0,78* 0,93*
0,01
0,03
Tabela 2.4: Analize variance za razliˇcne parametre.
0,17
2.2 Rezultati in diskusija
2.2.1
21
Dolˇ
zina zavesljaja
Kot je razvidno iz tabele 2.1, je dolˇzina zavesljaja elitnih veslaˇcev konsistentna
ne glede na tempo veslanja, saj je povpreˇcna standardna deviacija (SD) manj
kot 1 centimeter. Dolˇzina zavesljaja se je ob poveˇcanju tempa zmanjˇsala zgolj pri
osebi E5. Normirana dolˇzina zavesljaja se uporablja za medsebojno primerjavo
oseb. Povpreˇcna normirana dolˇzina zavesljaja elitnih veslaˇcev je pri vseh tempih
0,83 (SD = 0,03). Vrednost KV = 0,04 je zanemarljiva. Dolˇzina zavesljaja klubskih veslaˇcev se spreminja s tempom (glej tabelo 2.2). Vse osebe so podaljˇsale
dolˇzino zavesljaja pri tempu 26 zavesljajev/minuto in jo nato skrajˇsale pri tempu
34 zavesljajev/minuto. Vse osebe z izjemo J4 so pri tempu 34 zavesljajev/minuto
veslale z najkrajˇso dolˇzino zavesljaja. Povpreˇcna normirana dolˇzina zavesljaja
klubskih veslaˇcev je 0,87 (SD = 0,03) in je tako daljˇsa od elitnih veslaˇcev. Vrednost KV = 0,03 je zanemarljiva. Dolˇzina zavesljaja veslaˇcev nepoznavalcev se
precej razlikuje (glej tabelo 2.3). Njihova normirana dolˇzina je krajˇsa od klubskih
in elitnih veslaˇcev in se poveˇcuje z viˇsanjem tempa (0,54 (SD = 0,10) pri 20 zavesljajih/minuto, 0,60 (SD = 0,09) pri 26 zavesljajih/minuto, 0,64 (SD = 0,12) pri
34 zavesljajih/minuto). Video analiza je pokazala, da je krajˇsa dolˇzina zavesljaja
posledica manjˇsega naklona trupa in pokrˇcenja kolen na zaˇcetku zavesljaja in
krajˇsanja zavesljaja na koncu faze potega, kjer nepoznavalci ne povleˇcejo roˇcaja
vse do trebuha. Povpreˇcna SD dolˇzine zavesljaja pri istem tempu je manj kot
3 centimetre, kar pomeni, da nepoznavalci kljub vsemu veslajo s konsistentno
dolˇzino zavesljaja pri posameznem tempu. Na podlagi rezultatov lahko sklenemo, da je dolˇzina zavesljaja elitnih veslaˇcev konsistentna in ni odvisna od
tempa veslanja (p = 0,21), medtem ko je dolˇzina zavesljaja klubskih veslaˇcev
in nepoznavalcev konsistentna znotraj posameznega tempa. Pri poviˇsanju tempa
veslaˇci nepoznavalci dolˇzino zavesljaja podaljˇsajo (p = 0,04), klubski veslaˇci pa
jo najprej podaljˇsajo in nato skrajˇsajo (p = 0,03).
2.2.2
Trajanje faz zavesljaja
Rezultati iz tabel 2.1 in 2.2 kaˇzejo, da elitni in klubski veslaˇci veslajo z vzorcem
hitrega potega in poˇcasnega povratka. Razmerje med fazama zavesljaja se z
viˇsanjem tempa zmanjˇsuje (p < 0,01). To pomeni, da ima trajanje faze povratka
veˇcji vpliv na tempo kot trajanje faze potega. Razmerje faz zavesljaja klubskih
veslaˇcev je v povpreˇcju 10 % manjˇse kot pri elitnih veslaˇcih. To je povezano s
22
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
silami, saj moˇcnejˇsi veslaˇci porabijo manj ˇcasa za izvedbo zavesljaja v fazi potega.
Razmerje veslaˇcev nepoznavalcev je manjˇse (okoli 1:1) in se z viˇsanjem tempa
pomembno ne spreminja (p = 0,60; glej tabelo 2.4). To pomeni, da porabijo
enako ˇcasa za izvedbo obeh faz. Sklenemo lahko, da je razmerje med fazama
zavesljaja pri elitnih in klubskih veslaˇcih odvisno od tempa, vendar konstantno
pri posameznem tempu, medtem ko se razmerje med fazama zavesljaja veslaˇcev
nepoznavalcev ne spreminja.
2.2.3
Sile
Iz tabele 2.1 je razvidno, da so vrednosti najveˇcjih sil na opori za noge fr,max
elitnih veslaˇcev med 1123 N in 1432 N in povpreˇcne vrednosti sile na opori za
noge med fazo potega fr,avg med 635 N in 825 N. Sile na opori za noge so pri vseh
udeleˇzencih izmerjene pod levo nogo, zato predstavljajo polovico celotne sil nog.
Rezultati kaˇzejo, da je povpreˇcna fr,max pri tempu 34 zavesljajev/minuto 4,7 %
veˇcja kot pri tempu 20 zavesljajev/minuto, medtem ko je fr,avg veˇcja za 12,4 %.
ˇ
Ceprav
gre za razmeroma majhno poveˇcanje, pa je mogoˇce zaznati trend (fr,max :
p = 0,02, fr,avg : p = 0,03). Vrednost razmerja med povpreˇcno in najveˇcjo silo
na opori za noge fr,r se razlikuje med veslaˇci, in sicer od 0,49 (E3 pri 20 in 26
zavesljajih/minuto) do 0,60 (E2 in E4 pri 34 zavesljajih/minuto). Kljub vsemu se
poveˇcuje z viˇsanjem tempa pri vseh elitnih veslaˇcih, z izjemo veslaˇca E5. Rezultati
kaˇzejo, da sta povpreˇcna KV pri fr,max in fr,avg pri posameznem tempu 0,02 in
ju lahko ˇstejemo za neznatna.
Vrednosti najveˇcjih vrednost sil na roˇcaju fp,max elitnih veslaˇcev znaˇsajo med
960 N in 1107 N, povpreˇcne vrednosti sile na roˇcaju med fazo potega fp,avg med
390 N in 597 N. Rezultati kaˇzejo, da je povpreˇcna fp,max pri tempu 34 zavesljajev/minuto 11,8 % veˇcja kot pri tempu 20 zavesljajev/minuto, medtem ko je fp,avg
veˇcja za 16,9 %. Trend poveˇcanja fp,max in fp,avg pri poviˇsanju tempa je razviden
pri vseh elitnih veslaˇcih (fp,max : p = 0,07, fp,avg : p = 0,06). Vrednost razmerja
med povpreˇcno in najveˇcjo silo na opori za noge fp,r se razlikuje med veslaˇci,
in sicer od 0,41 (E4 pri 20 in 26 zavesljajih/minuto) do 0,46 (E3 in E4 pri 34
zavesljajih/minuto). Pri veslaˇcu E1 se fp,r ne spreminja s tempom; pri veslaˇcih
E2, E3 in E5 je razmerje pri tempu 26 zavesljajev/minuto manjˇse kot pri tempu
20 zavesljajev/minuto; pri veslaˇcih E2, E3 in E4 se razmerje nato poveˇca pri
tempu 34 zavesljajev/minuto. Rezultati kaˇzejo, da sta povpreˇcna KV pri fr,max
2.2 Rezultati in diskusija
23
in fr,avg pri posameznem tempu 0,03 in ju lahko ˇstejemo za neznatna, kar pomeni
da imajo elitni veslaˇci nespremenljive maksimalne in povpreˇcne vrednosti sil na
opori za noge.
Razmerje najveˇcjih sil fr,m in razmerje povpreˇcnih sil med fazo potega fr,a
se pri elitnih veslaˇcih razlikujeta. Spremenljivka fr,m veslaˇca E1 se ne spreminja
s tempom, medtem ko se pri veslaˇcu E3 spremeni izrazito. Spremenljivka fr,a
veslaˇcev E1 in E2 se pri poviˇsanju tempa zmanjˇsa, medtem ko se pri preostalih
elitnih veslaˇcih poveˇca. To nakazuje na razlike v tehniki med elitnimi veslaˇci in
bi lahko bilo predmet nadaljnjih raziskav.
Iz tabele 2.2 je razvidno, da so vrednosti najveˇcjih sil na opori za noge fr,max
klubskih veslaˇcev med 855 N in 1286 N in v povpreˇcju 12,4 % manjˇse od vrednosti
elitnih veslaˇcev. Iz rezultatov je razvidno, da je povpreˇcen fr,max pri tempu 26
zavesljajev/minuto veˇcji za 5,5 % kot pri tempu 20 zavesljajev/minuto, pri tempu
34 zavesljajev/minuto pa za 10,8 %. Trend veˇcanja fr,max je razviden pri vseh
klubskih veslaˇcih z izjemo veslaˇca J1, ki je imel pri tempu 34 zavesljajev/minuto
najniˇzje vrednosti. Povpreˇcne vrednosti sile na opori za noge med fazo potega
fr,avg pri klubskih veslaˇcih se gibljejo med 445 N in 771 N in so v povpreˇcju
11,8 % manjˇse od vrednosti elitnih veslaˇcev. Vrednost spremenljivke fr,avg se
z viˇsanjem tempa poveˇca pri veslaˇcih J2, J3 in J4, medtem ko je pri veslaˇcih
J1 in J5 spreminjajoˇca. Rezultati kaˇzejo, da je povpreˇcen KV pri fr,max pri
ˇ
posameznem tempu 0,04 in 0,03 pri fr,avg . Stejemo
ju za neznatna. Vrednost fr,r
je spreminjajoˇca pri klubskih veslaˇcih med 0,49 (J3 pri 20 zavesljajih/minuto) in
0,66 (J2 pri 20 zavesljajih/minuto), vendar pri tem ni mogoˇce zaslediti opazne
razlike do elitnih veslaˇcev.
Vrednosti najveˇcjih sil na roˇcaju fp,max klubskih veslaˇcev znaˇsajo med 760 N in
1021 N in so v povpreˇcju za 17,1 % manjˇse od vrednosti elitnih veslaˇcev. Iz rezultatov je razvidno, da je povpreˇcna fp,max pri tempu 26 zavesljajev/minuto veˇcja za
8,3 % kot pri tempu 20 zavesljajev/minuto, pri tempu 34 zavesljajev/minuto pa
za 15,9 %. Trend veˇcanja fp,max je razviden pri vseh klubskih veslaˇcih (p < 0,01).
Povpreˇcne vrednosti sile na roˇcaju med fazo potega fp,avg pri klubskih veslaˇcih se
gibljejo med 288 N in 446 N in so v povpreˇcju 16,6 % manjˇse od vrednosti elitnih
veslaˇcev. Vrednost spremenljivke fp,avg se z viˇsanjem tempa poveˇca pri vseh klubskih veslaˇcih z izjemo veslaˇca J5 (p = 0,07). Rezultati kaˇzejo, da sta povpreˇcna
KV pri fp,max in fp,avg pri posameznem tempu 0,04 in ju lahko ˇstejemo za nezna-
24
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
tna. Vrednost fp,r je spreminjajoˇca pri klubskih veslaˇcih med 0,38 (J3 pri vseh
tempih) in 0,47 (J4 pri 34 zavesljajih/minuto in J5 pri 20 zavesljajih/minuto).
Razmerje najveˇcjih sil fr,m in razmerje povpreˇcnih sil fr,a sta pri klubskih
veslaˇcih spreminjajoˇca in ni mogoˇce zaznati skupnih znaˇcilnosti. Medtem ko se
fr,m pri veslaˇcih J1, J3 in J5 z viˇsanjem tempa poveˇca, se pri veslaˇcu J4 zmanjˇsa.
Vrednost fr,a se pri veslaˇcih J1, J2 in J3 ne spreminja s tempom, pri veslaˇcu J4
pa se spremeni izrazito.
Sile, ki jih razvijejo veslaˇci nepoznavalci, so obˇcutno manjˇse od sil klubskih
in elitnih veslaˇcev. Najbolj oˇcitna razlika je razvidna pri tempu 20 zavesljajev/minuto, pri katerem nepoznavalci (z izjemo N2) komaj razvijejo silo na roˇcaju.
Spremenljivke fp,max , fr,max , fp,avg in fr,avg se znatno poveˇcajo z zviˇsanjem tempa.
Pri veslaˇcu N4 se fr,max poveˇca 2,6-krat, fp,max pa kar za desetkrat. Spremenljivka
fr,avg se v povpreˇcju poveˇca za 26 % pri tempu 26 zavesljajev/minuto in 85 % pri
tempu 34 zavesljajev/minuto, medtem ko se fp,avg skoraj podvoji pri tempu 26
zavesljajev/minuto in potroji pri tempu 34 zavesljajev/minuto. Pri tempu 34 zavesljajev/minuto veslaˇci nepoznavalci razvijejo pribliˇzno dve tretjini sile na opori
za noge elitnih veslaˇcev, vendar pa je niso sposobni prenesti na roˇcaj, kjer njihova sila doseˇze pribliˇzno tretjino sile elitnih veslaˇcev. Izjema sta nepoznavalca
N2 in N4, ki razvijeta pribliˇzno polovico fp,max elitnih veslaˇcev. Razmerja sil
veslaˇcev nepoznavalcev so spreminjajoˇca in manjˇsa od razmerij elitnih veslaˇcev,
razen razmerje fr,r , ki se ne razlikuje od tistega pri klubskih in elitnih veslaˇcih.
Slika 2.5 prikazuje silo na roˇcaju enega zavesljaja pri razliˇcnih tempih glede
na dolˇzinski poloˇzaj roˇcaja. Prikazani so rezultati za tipiˇcnega predstavnika svoje
skupine. Sila na roˇcaju med potegom najprej strmo naraˇsˇca, doseˇze najveˇcjo vrednost in nato upade. Sile med fazo povratka so neznatne. Krivulje sile na roˇcaju
na levi strani slike 2.5 prikazujejo, kako se pri veslaˇcu E5 vrh krivulje z viˇsanjem
tempa dvigne, vendar pa sama oblika krivulje ostane nespremenjena. Ker je trajanje zavesljaja pri viˇsjem tempu krajˇse, je krivulja sile izvedena hitreje. Izsledki
ne sovpadajo z ugotovitvami [12], ki navajajo, da se z viˇsanjem tempa najveˇcja
vrednost zmanjˇsa in se spremeni oblika krivulje. Iz krivulj, ki so prikazane v sredinskem delu slike 2.5, je razvidno, kako veslaˇc J1 poveˇca najveˇcjo vrednost sile
in spremeni obliko krivulje pri viˇsjem tempu. Oblika krivulje klubskega veslaˇca
J1 se tudi razlikuje od oblike pri elitnem veslaˇcu E5. Krivulje, ki so prikazane
na desni strani slike 2.5, prikazujejo, kako se krivulja veslaˇca nepoznavalca N4
25
2.2 Rezultati in diskusija
Sila na roˇcaju fp [N]
spremeni pri razliˇcnih tempih.
1200
1200
1200
1000
1000
1000
800
800
800
600
600
600
400
400
400
200
200
200
0
0
0
0.5
1
1.5
2
Vzdolˇzna pozicija roˇcaja mx [m]
0.5
1
1.5
20 zav/min
26 zav/min
0.5
2
Vzdolˇzna pozicija roˇcaja mx [m]
1
1.5
2
Vzdolˇzna pozicija roˇcaja mx [m]
34 zav/min
Slika 2.5: Sila na roˇcaju fp enega zavesljaja pri razliˇcnih tempih: elitni veslaˇc E5
(levo), klubski veslaˇc J1 (sredina) in nepoznavalec N4 (desno).
Na podlagi analize sil lahko sklenemo, da so najveˇcje vrednosti sil na roˇcaju
klubskih in elitnih veslaˇcev konstantne pri posameznem tempu, a se malenkostno
poveˇcajo z viˇsanjem tempa. Razmerje sil se razlikuje med veslaˇci in je odvisno
od njihove osebne tehnike. Razvidno je tudi, da se oblika krivulje sile na roˇcaju
glede na poloˇzaj roˇcaja ne spremeni pri elitnih veslaˇcih, medtem ko se pri klubskih
veslaˇcih to zgodi. Najveˇcje sile klubskih veslaˇcev so manjˇse od elitnih veslaˇcev,
najveˇcje sile veslaˇcev nepoznavalcev pa obˇcutno manjˇse od klubskih in so izrazito
odvisne od tempa veslanja (p < 0,01).
2.2.4
Delo
Opravljeno delo zavesljaja veslaˇcev nepoznavalcev je veliko manjˇse od opravljenega dela zavesljaja klubskih veslaˇcev, ki je manjˇse od opravljenega dela elitnih
veslaˇcev. Opravljeno delo se poveˇca z viˇsanjem tempa pri vseh elitnih veslaˇcih
in nepoznavalcih (p < 0,05). Pri klubskih veslaˇcih je opravljeno delo pri veslaˇcih
J1 in J5 pri tempu 34 zavesljajev/minuto manjˇse kot pri tempu 26 zavesljajev/minuto. Poveˇcanje dela pri tempu 34 zavesljajev/minuto glede na delo pri
tempu 20 zavesljajev/minuto je pri veslaˇcu E1 5-odstotno, 9-odstotno pri veslaˇcu E4, 13-odstotno pri veslaˇcu J4, pribliˇzno 16-odstotno pri veslaˇcih E2, E4
in J2, 25-odstotno pri veslaˇcu J3 ter 37-odstotno pri veslaˇcu E3, medtem ko ni
bilo poveˇcanja pri veslaˇcu J1, pri veslaˇcu J5 pa je priˇslo do zmanjˇsanja za 2 %.
ˇ primerjamo relativno poveˇcanje dela, lahko iz tabel 2.1 in 2.3 razberemo,
Ce
26
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
da je poveˇcanje veliko veˇcje pri veslaˇcih nepoznavalcih. Nepoznavalec N2 je pri
tempu 34 zavesljajev/minuto opravil dvakrat toliko dela kot pri tempu 20 zavesljajev/minuto, nepoznavalci N1, N3 in N5 trikrat toliko, nepoznavalec N4 pa
veˇc kot devetkrat toliko. Sprememba tempa tako izrazito vpliva na spremembo
opravljenega dela, kljub temu pa opravljeno delo pri posameznem tempu ni spreminjajoˇce. Elitni veslaˇci imajo pribliˇzno KV = 0,03 in klubski veslaˇci KV = 0,05
ter ju lahko ˇstejemo za neznatna. Sklep je, da je delo konstantno pri posameznem tempu, pri elitnih veslaˇcih in nepoznavalcih se poveˇca z viˇsanjem tempa,
pri klubskih veslaˇcih pa so razvidno razliˇcni vzorci.
2.2.5
Gibanje roˇ
caja
Slika 2.6 prikazuje gibanje roˇcaja v sredinski (sagitalni) ravnini (koordinata x
predstavlja vodoravno smer, y navpiˇcno) za iste zavesljaje, kot so prikazani na
sliki 2.5. Roˇcaj se ob zaˇcetku zavesljaja med fazo potega giblje po zgornjem
delu krivulje v smeri naraˇsˇcanja x do konca potega. Med fazo povratka se roˇcaj
elitnih veslaˇcev giblje po spodnji krivulji do zaˇcetka novega zavesljaja. Kot je
razvidno iz slike 2.6 in statistiˇcnih rezultatov v tabeli 2.4, ni zaslediti razlik v
gibanju roˇcaja pri razliˇcnih tempih za elitne veslaˇce (p = 0,73), klubske veslaˇce
(p = 0,53) in med tema dvema skupinama (p = 0,44). Prehod roˇcaja med fazama
potega in povratka se zgodi z nenadnim potiskom roˇcaja navzdol, kar simulira
dvig vesel iz vode, sledi vodoravna vrnitev na izhodiˇsˇcni poloˇzaj in priprava na nov
zavesljaj. Krivulje gibanja roˇcaja veslaˇcev nepoznavalcev so razliˇcne pri razliˇcnih
tempih. Pri njih ni razvidnega kroˇznega gibanja, ki je znaˇcilen za elitne veslaˇce.
Slika 2.6 tudi razloˇcno prikazuje krajˇso dolˇzino zavesljaja veslaˇcev nepoznavalcev.
Izraˇcunani parametri ponovljivosti, ki so zbrani v tabelah 2.1, 2.2 in 2.3, pomenijo
kvantitativno oceno ponovljivosti trajektorije roˇcaja. Iz rezultatov je razvidno,
da je ponovljivost gibanja roˇcaja elitnih in klubskih veslaˇcev podobna, medtem
ko je pri veslaˇcih nepoznavalcih dvakrat bolj razprˇsena. Na podlagi rezultatov
lahko sklenemo, da ni razlik pri gibanju roˇcaja elitnih in klubskih veslaˇcev pri
razliˇcnih tempih. Gibanje roˇcaja nepoznavalcev nakazuje na pomanjkanje znanja
tehnike.
27
2.2 Rezultati in diskusija
y [m]
0,8
0,6
0,4
0,5
1
1,5
2
0,5
1
1,5
2
0,5
1
1,5
2
y [m]
0,8
0,6
0,4
y [m]
0,8
0,6
0,4
Pozicija roˇcaja x [m]
20 zav/min
26 zav/min
34 zav/min
Slika 2.6: Gibanje roˇcaja v sredinski (sagitalni) ravnini: elitni veslaˇc E5 (zgoraj),
klubski veslaˇc J1 (sredina) in nepoznavalec N4 (spodaj).
2.2.6
Naklon trupa
Naklon trupa je eden najpomembnejˇsih parametrov drˇze telesa med zavesljajem
[1, 92]. Podrobneje smo preuˇcili naklon trupa na zaˇcetku in koncu zavesljaja.
Slika 2.7 prikazuje kot naklona trupa vseh analiziranih zavesljajev v trenutku
zaˇcetka in konca faze potega za elitne, klubske veslaˇce in nepoznavalce. Simboli
prikazujejo povpreˇcne vrednosti, ˇcrta pa standardno deviacijo. Iz rezultatov je
razvidno, da je povpreˇcen naklon elitnih veslaˇcev −34,3◦ (SD = 3,9◦ ) na zaˇcetku
faze potega in 38,9◦ (SD = 4,3◦ ) na koncu. Klubski veslaˇci imajo podoben na-
klon trupa kot elitni veslaˇci, z izjemo veslaˇca J2, ki se manj nagne naprej na
zaˇcetku potega, in veslaˇca J3, ki se manj nagne nazaj na koncu potega. Povpreˇcen naklon trupa klubskih veslaˇcev je −31,6◦ (SD = 8,3◦ ) na zaˇcetku potega
in 44,0◦ (SD = 6,6◦ ) na koncu. Veslaˇci nepoznavalci se nagibajo s trupom manj
kot izkuˇseni veslaˇci. V primerjavi z elitnimi veslaˇci se samo nepoznavalec N2
na koncu zavesljaja nagne bolj nazaj. Povpreˇcen naklon trupa nepoznavalcev
28
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
je −19,4◦ (SD = 8,2◦ ) na zaˇcetku potega in 18,9◦ (SD = 18,7◦ ) na koncu potega. Iz rezultatov statistiˇcne analize ni razvidnega vpliva tempa na naklon trupa
(p > 0,05), z izjemo naklona elitnih veslaˇcev na koncu potega (p = 0,02). Kljub
vsemu nismo zasledili nobenega vzorca odvisnosti od tempa. Na podlagi rezultatov lahko sklenemo, da se naklon trupa na zaˇcetku in koncu faze potega ne
spreminja s tempom za vse skupine veslaˇcev. Elitni in klubski veslaˇci imajo podobno obmoˇcje gibanja trupa, medtem ko imajo nepoznavalci manjˇse obmoˇcje.
Naklon trupa ϕ [◦ ]
60
40
20
0
-20
-40
E1
E2
E3
E4
E5
J1
J2
J3
J4
J5
N1
N2
N3
N4
N5
Veslaˇc
Zaˇcetek zavesljaja:
20 zav/min
26 zav/min
34 zav/min
Konec zavesljaja:
20 zav/min
26 zav/min
34 zav/min
Slika 2.7: Naklon trupa na zaˇcetku in koncu zavesljaja pri elitnih veslaˇcih (E),
klubskih veslaˇcih (J) in nepoznavalcih (N).
2.2.7
Obremenitve v sklepih
Pri obremenitvah v sklepih smo podrobneje analizirali rezultate Newton-Eulerjeve
inverzne dinamiˇcne analize za koleno in lumbosakralni sklep. Koleno je sklep, ki
prenaˇsa silo iz opore za noge prek spodnjih okonˇcin, medtem ko je lumbosakralni sklep tisti, pri katerem so poˇskodbe najpogostejˇse. Slika 2.8 prikazuje
najveˇcje vrednosti navorov v kolenu (levo) in lumbosakralnem sklepu (desno)
glede na trenutek njihovega nastopa, gledano na poloˇzaj roˇcaja, za vse tempe
in vse udeleˇzence. Zaˇcetek zavesljaja je predstavljen z vrednostjo —100 %, ko-
29
2.2 Rezultati in diskusija
nec potega in zaˇcetek povratka z vrednostjo 0 % in konec povratka z vrednostjo
Najveˇcja vrednost navora Mz [Nm]
100 %.
100
1000
Vzorec elitnih
80
Vzorec elitnih veslaˇcev
800
in klubskih veslaˇcev
60
600
40
400
20
200
0
-100
-50
0
50
100
0
-80
Poloˇzaj roˇcaja [%]
Vzorec klubskih
veslaˇcev
-60
-40
-20
0
Poloˇzaj roˇcaja [%]
elitni
klubski
nepoznavalci
20 zav/min
26 zav/min
34 zav/min
Slika 2.8: Najveˇcje vrednosti navorov Mz v kolenu (levo) in lumbosakralnem
sklepu (desno) glede na trenutek njihovega nastopa gledano na relativen poloˇzaj
roˇcaja.
Ker klubski in elitni veslaˇci proizvedejo veˇcje sile, so tudi njihove obremenitve
veˇcje kot pri nepoznavalcih, kar je razvidno iz slike 2.8. Prav tako je razvidno,
da imajo vsi elitni in klubski veslaˇci podoben vzorec nastopa najveˇcjih obremenitev v kolenu, ki je zgoˇsˇcen okoli -–89 % (SD = 7% za elitne veslaˇce, SD = 8%
za klubske veslaˇce) poloˇzaja roˇcaja med zavesljajem. Nastanki najveˇcjih obremenitev nepoznavalcev so raztreseni. Povpreˇcna vrednost najveˇcjega navora v
kolenu je pri elitnih veslaˇcih 74 Nm (SD = 8 Nm) pri 20 zavesljajih/minuto, 74
Nm (SD = 10 Nm) pri 26 zavesljajih/minuto in 82 Nm (SD = 8 Nm) pri 34
zavesljajih/minuto. Povpreˇcna vrednost najveˇcjega navora v kolenu klubskih veslaˇcev je 79 Nm (SD = 8 Nm) pri 20 zavesljajih/minuto, 83 Nm (SD = 11 Nm)
pri 26 zavesljajih/minuto in 81 Nm (SD = 17 Nm) pri 34 zavesljajih/minuto.
Povpreˇcna vrednost najveˇcjega navora v kolenu nepoznavalcev se poveˇcuje od 25
Nm (SD = 6 Nm) pri 20 zavesljajih/minuto prek 51 Nm (SD = 24 Nm) pri 26
zavesljajih/minuto do 72 Nm (SD = 22 Nm) pri 34 zavesljajih/minuto.
Pri elitnih in klubskih veslaˇcih je podoben vzorec nastanka najveˇcjih obremenitev v lumbosakralnem sklepu. Ta je zgoˇsˇcen okoli —55 % (SD = 5%) poloˇzaja
30
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
roˇcaja med zavesljajem za elitne veslaˇce in okoli —48 % (SD = 7%) za klubske veslaˇce. Nastanki najveˇcjih obremenitev nepoznavalcev so raztreseni, vendar
so vsi v fazi potega. Povpreˇcna vrednost najveˇcjega navora v lumbosakralnem
sklepu je za elitne veslaˇce 692 Nm (SD = 65 Nm) pri 20 zavesljajih/minuto,
742 Nm (SD = 55 Nm) pri 26 zavesljajih/minuto in 783 Nm (SD = 59 Nm)
pri 34 zavesljajih/minuto, za klubske veslaˇce je 537 Nm (SD = 62 Nm) pri 20
zavesljajih/minuto, 567 Nm (SD = 77 Nm) pri 26 zavesljajih/minuto in 604
Nm (SD = 61 Nm) pri 34 zavesljajih/minuto, medtem ko se pri nepoznavalcih
poveˇcuje od 167 Nm (SD = 107 Nm) pri 20 zavesljajih/minuto prek 198 Nm
(SD = 60 Nm) pri 26 zavesljajih/minuto do 334 Nm (SD = 120 Nm) pri 34
zavesljajih/minuto. Iz rezultatov je razvidno, da obremenitev v kolenu doseˇze
najveˇcjo vrednost prej kot obremenitev v lumbosakralnem sklepu in da so obremenitve v lumbosakralnem sklepu veˇcje. Na podlagi rezultatov lahko sklenemo,
da obremenitve v kolenu in lumbosakralnem sklepu pri klubskih in elitnih veslaˇcih naraˇsˇcajo s poviˇsanjem tempa, medtem ko se trenutek nastopa najveˇcjih
obremenitev ne spreminja in ima znaˇcilne vzorce. Obremenitve klubskih veslaˇcev
so manjˇse od elitnih. Pri nepoznavalcih ni mogoˇce zaslediti tipiˇcnih vzorcev pri
obremenitvah v sklepih.
2.2.8
Analiza lastnih vrednosti
Naklon trupa, sila na roˇcaju in sila na opori za nogi so spremenljivke, pri katerih niso pomembne zgolj posamezne vrednosti, ampak tudi njihove krivulje med
samim zavesljajem. Za primerjavo krivulj spremenljivk v fazi potega in za to, da
bi poiskali najveˇcje moˇzne razlike med njimi, smo uporabili matematiˇcno transformacijo analize lastnih vrednosti. S transformacijo se izgubi fizikalni pomen,
prikazano je samo merilo spremenljivosti. Prva lastna vrednost je najveˇcja moˇzna
varianca med zavesljaji, izraˇcunana na podlagi kovariance krivulj, in prikazuje
najveˇcjo moˇzno spremenljivost podatkov. Prvih pet lastnih vrednosti vsebuje
veˇc kot 95 % informacije (sila na roˇcaju 97,1 %, pri ˇcemer je deleˇz med prvimi
petimi lastnimi vrednostmi porazdeljen [59,1; 18,5; 12,0; 5,5; 1,9], sila na opori
za noge 95,3 % [41,9; 33,2; 13,8; 4,2; 2,3] in naklon trupa 99,4 % [74,6; 20,6; 2,2;
1,5; 0,5]). Spremenljivosti osnovnih komponent za silo na roˇcaju, silo na opori za
noge in naklon trupa med udeleˇzenci istega tipa so prikazane v tabeli 2.5.
Za primerjavo elitnih, klubskih veslaˇcev in nepoznavalcev smo uporabili prvi
31
2.2 Rezultati in diskusija
Tip
E
J
N
Signal PC1
PC2
PC3
PC4
PC5
fr
1,11
0,98
1,05
1,06
1,01
fp
1,21
1,02
1,10
1,04
0,99
ϕ
0,94
1,06
1,14
1,39
1,12
fr
2,39
1,43
1,43
1,50
1,94
fp
3,20
2,42
2,41
2,38
2,35
ϕ
2,29
1,64
1,74
1,61
1,65
fr
1,74
1,61
1,56
2,29
2,05
fp
4,37
2,8
2,74
2,85
2,96
ϕ
2,12
4,99
5,01
5,88
5,43
Tabela 2.5: Spremenljivosti osnovnih komponent za silo na roˇcaju, silo na opori
za noge in naklon trupa med ˇclani skupine istega tipa.
ˇ
dve lastni vrednosti, saj pomenita 75–95 % spremenljivosti. Ceprav
sledeˇce komponente vsebujejo majhen odstotek informacije, pa lahko pri natanˇcni in usmerjeni analizi posameznih skupin veslaˇcev razkrijejo pomembne informacije o finih
razlikah v tehniki veslanja med posamezniki. Rezultati prvih dveh komponent
analize lastnih vrednosti so prikazani na grafu na sliki 2.9. Abscisna os predstavlja prvo lastno vrednost, ordinatna os pa drugo. Iz predstavljenih rezultatov je
mogoˇce razbrati, da ni velike spremenljivosti med elitnimi veslaˇci pri krivuljah
vseh treh analiziranih spremenljivk. To potrjuje, da lahko skupino zgolj petih
elitnih veslaˇcev uporabimo za doloˇcitev referenˇcnih vrednosti in potekov spremenljivk. Rezultati klubskih veslaˇcev za silo na roˇcaju so 2,6-krat bolj raztreseni
od rezultatov elitnih veslaˇcev, kar pomeni, da pri njih nastopa spremenljivost v
obliki krivulj in da se te oblike razlikujejo od elitnih. Pri sili na opori za noge
je raztros 1,7-krat veˇcji. Komponente naklona trupa ˇstirih klubskih veslaˇcev sovpadajo z vzorcem elitnih veslaˇcev, medtem ko en klubski veslaˇc izrazito izstopa.
Osnovni komponenti sile na roˇcaju nepoznavalcev sta 3,2-krat bolj raztreseni od
elitnih, medtem ko komponente sile na opori za noge sovpadajo s komponentami
klubskih veslaˇcev. Pri naklonu trupa nepoznavalcev so razvidni grozdi komponent, pri ˇcemer ti ustrezajo posameznim osebam. To pomeni, da nepoznavalci
veslajo s konsistentnimi vzorci, vendar se ti razlikujejo od vzorcev elitnih veslaˇcev.
Druga lastna vrednost
32
Analiza kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja
5
Vzorec elitnih 5
5
Vzorec
veslaˇcev
0
0
elitnih
0
veslaˇcev
Vzorec elitnih
-5
-5
-10
-10
-10
-5
0
5
veslaˇcev
-10
-10
Prva lastna vrednost
-5
-5
0
5
-10
Prva lastna vrednost
-5
0
5
Prva lastna vrednost
elitni
klubski
nepoznavalci
20 zav/min
26 zav/min
34 zav/min
Slika 2.9: Prvi dve lastni komponenti v fazi potega za silo na roˇcaju fp (levo),
silo na opori za noge fr (sredina) in naklon trupa ϕ (desno).
2.3
Zakljuˇ
cek
V tem poglavju je predstavljena analiza biomehanskih parametrov veslanja na
simulatorju. Primerjali smo tehniko treh skupin razliˇcno usposobljenih veslaˇcev
in analizirali njeno odvisnost od tempa veslanja.
Rezultati kaˇzejo, da elitni veslaˇci uporabljajo podobno in konsistentno tehniko
veslanja pri vseh tempih, tehnika klubskih veslaˇcev jim je naˇceloma podobna,
tehnika veslaˇcev nepoznavalcev pa se razlikuje in spreminja.
Analiza je pokazala, da se tehnika elitnih veslaˇcev ne spreminja s tempom.
Ob predpostavki, da elitni veslaˇci veslajo s primerno tehniko, se lahko odstopanja od njihovih parametrov uporabi za opis nepravilnosti v tehnikah veslanja na
simulatorju, ki se izraˇzajo v slabi izvedbi. Klubski veslaˇci se od elitnih veslaˇcev
razlikujejo v parametrih, ki so povezani z moˇcjo in poslediˇcno intenzivnostjo veslanja: najveˇcja in povpreˇcna sila na opori za nogi, najveˇcja in povpreˇcna sila
na roˇcaju, delo, obremenitve v sklepih so po vrednostih manjˇsi kot pri elitnih
veslaˇcev. Prav tako se njihova oblika krivulje sile na roˇcaju, ki je pogonska sila
veslanja, razlikuje od elitne. Tehnika veslaˇcev nepoznavalcev se razlikuje in spreminja. Dolˇzina zavesljaja je krajˇsa, sile so manjˇse, gibanje roˇcaja in telesna drˇza
ˇ
sta drugaˇcna. Ceprav
se dolˇzina zavesljaja spreminja glede na tempo, je pri posameznem tempu konstantna. Veslaˇci nepoznavalci ne spreminjajo razmerja faz
ˇ
zavesljaja, najveˇcje in povpreˇcne sile pa se poveˇcajo ob poviˇsanju tempa. Ceprav
2.3 Zakljuˇcek
33
je pri nepoznavalcih razvidna pomanjkljiva tehnika in razliˇcni vzorci ter da tehniko spreminjajo s tempom, pa je pri posameznem tempu posameznikova tehnika
konsistentna.
Pri tej analizi so sodelovali samo prostovoljci moˇskega spola omejenega obsega
let. Potrebna je previdnost ob morebitnem posploˇsevanju rezultatov in sklepov,
ki so pridobljeni pri tej skupini, na oba spola in vsa starostna obdobja.
Glavna pomanjkljivost analize je upoˇstevanje trupa kot en segment. Ta poenostavitev se lahko odraˇza v napaki naklona trupa in izraˇcunu obremenitev v
lumbosakralnem sklepu. Pri klubskih veslaˇcih smo pri izvajanju meritev namestili dodatni merilni marker in trup upoˇstevali kot dva segmenta. Ugotovljena
napaka pri izraˇcunu obremenitev v lumbosakralnem sklepu je bila manj kot 3 %
najveˇcjega navora v preˇcni smeri. Zaradi poenostavitev trupa z enim segmentom
se izgubi tudi informacija o upogibu hrbtenice. Ta informacija je pomembna za
pravilno vodenje drˇze telesa, zato bi bilo smiselno spremeniti merilni sistem za
uporabo v sistemu za vadbo na simulatorju veslanja s sprotno povratno informacijo. Rezultati, pridobljeni v tej analizi, jasno kaˇzejo vzorce gibanja in razlike v
naklonu trupa in obremenitvah v lumbosakralnem sklepu med skupinami razliˇcno
izkuˇsenih veslaˇcev.
Prepoznani parametri, ki so odvisni od tempa veslanja (trajanje faz zavesljaja,
najveˇcje in povpreˇcne sile na opori za noge ter roˇcaju, delo, najveˇcje obremenitve
v kolenu in lumbosakralnem sklepu), parametrov, ki so konstantni ne glede na
tempo veslanja (dolˇzina zavesljaja, gibanje roˇcaja, naklon trupa, oblika krivulje
sile na roˇcaju, trenutek nastopa najveˇcjih obremenitve v kolenu in lumbosakralnem sklepu) ter doloˇcajo tip izkuˇsenosti veslaˇca, imajo potencial, da se uporabijo
v referenˇcnem modelu naˇcrtovanega sistema za vadbo na simulatorju veslanja s
sprotno povratno informacijo.
3.
Referenˇ
cni model tehnike veslanja
V poglavju je predstavljen razvoj referenˇcnega modela primerne tehnike veslanja.
Z razliˇcnimi tehnikami modeliranja in postopkom optimizacije so bili doloˇceni
referenˇcni modeli, ki doloˇcajo kljuˇcne parametre veslanja in so namenjeni uporabi
v sistemu za uˇcenje veslaˇske tehnike za sprotno generiranje referenˇcnih podatkov.
Metoda mehke logike je bila uporabljena za modeliranje naklona trupa, kota
verige in poloˇzaja sedeˇza, nelinearni dinamiˇcni modeli za modeliranje gibanja
roˇcaja, enaˇcbe za doloˇcanje telesne drˇze in trajanje faz zavesljaja, referenˇcno
obmoˇcje za dolˇzino zavesljaja, maksimalne vrednosti naklona trupa in maksimalne
vrednosti sil ter Gaussov model posamezne toˇcke vzorˇcenja za obliko krivulje
sil. Za namen optimizacije tehnike veslanja, smo razvili tudi dinamiˇcni model
spodnjih ekstremitet po dveh metodah in direktni dinamiˇcni model veslaˇca. Za
modeliranje bremena na roˇcaju smo razvili model vetrnega kolesa.
3.1
Modeliranje na podlagi eksperimentalnih podatkov
Pri modeliranju parametrov veslaˇske tehnike na podlagi eksperimentalnih podatkov smo upoˇstevali znaˇcilnosti posameznega parametra in uporabili ustrezno
metodo. Slika 3.1 prikazuje pregled modeliranih parametrov in uporabljene metode.
3.1.1
Referenˇ
cni podatki
Za referenˇcne podatke, na katerih so zgrajeni referenˇcni modeli, so bili uporabljeni eksperimentalni podatki o poloˇzaju roˇcaja in sedeˇza, silah na roˇcaju in
opori za noge ter kotih med posameznimi segmenti telesa petih elitnih veslaˇcev
[19] (starost od 22 do 38 let, povpreˇcje je 30,4 let; viˇsina od 1,86 do 1,97 metra,
povpreˇcje je 1,91 metra; masa od 84 do 100 kilogramov, povpreˇcje je 89 kilogra35
36
Referenˇcni model tehnike veslanja
Kot v komolcu:
matematično modeliranje
Telesna drža
Naklon verige:
mehka logika
Naklon trupa:
mehka logika
mejne vrednosti: referenčno območje
Gibanje ročaja: DMP
Dolžina zavesljaja:
referenčno območje
Kot v gležnju:
matematično modeliranje
Kot v rami:
matematično modeliranje
Kot v kolku:
matematično modeliranje
Položaj sedeža: mehka logika
Kot v kolenu:
matematično modeliranje
Ritem:
Sili na ročaju in opori za noge:
Trajanje potega: matematično modeliranje
Maksimalne vrednosti sil: referenčno območje
Trajanje povratka: matematično modeliranje
Krivulja: Gaussov model posamezne točke vzorčenja
Slika 3.1: Pregled modeliranih parametrov referenˇcnega modela in uporabljene
metode.
mov). Eksperimentalni podatki, ki so vzorˇceni s frekvenco 100 Hz, vsebujejo 60
sekund veslanja s tempom 20 zavesljajev/minuto, 30 sekund s tempom 26 in 30
sekund s tempom 34 zavesljajev/minuto. Pri pripravi referenˇcnih modelov je bilo
uporabljenih 52.885 vzorcev podatkov.
Odvisnost parametrov
Eksperimentalni podatki so izmerjeni glede na ˇcas. Trajanje posameznega zavesljaja je odvisno od tempa, saj viˇsji tempo pomeni, da mora veslaˇc zavesljaj
izvesti v krajˇsem ˇcasu, pri ˇcemer se posamezne faze zavesljaja ne spreminjajo
proporcionalno. Razmerje trajanja potega in povratka je eden izmed pomembnih
parametrov pravilnosti dinamike izvedbe zavesljaja in se spreminja s tempom.
Tempo se doloˇci ˇsele po izvedenem zavesljaju, saj je odvisen od trajanja zavesljaja. Kolikor bi ˇzeleli modelirati referenˇcne parametre kot funkcijo ˇcasa, bi
jih torej morali modelirati kot funkcijo ˇcasa in tempa, pri ˇcemer pa slednji ni
eksplicitno doloˇcen med samim zavesljajem. Ugotovili smo, da lahko parametre
predstavimo kot funkcijo poloˇzaja roˇcaja. Slika 3.2 kot primer prikazuje silo na
roˇcaju enega zavesljaja istega veslaˇca pri treh razliˇcnih tempih, pri ˇcemer je na
levi strani prikazana v odvisnosti od ˇcasa, na desni pa v odvisnosti od poloˇzaja
roˇcaja.
37
Sila na roˇcaju fp [N]
3.1 Modeliranje na podlagi eksperimentalnih podatkov
1200
1200
800
800
Poteg
400
400
Povratek
0
0
0
1
2
3
0.5
ˇ t [s]
Cas
20 zav/min
1
1.5
2
Poloˇzaj roˇcaja x [m]
26 zav/min
34 zav/min
Slika 3.2: Sila na roˇcaju v odvisnosti od ˇcasa (levo) in v odvisnosti od poloˇzaja
roˇcaja (desno).
Z zapisom parametrov v obliku funkcije poloˇzaja roˇcaja, so ti neodvisni od
tempa in ˇcasa ter so odvisni samo od poloˇzaja roˇcaja in faze zavesljaja.
Normiranje podatkov
Telesni proporci veslaˇca vplivajo na obmoˇcje gibanja roˇcaja in sedeˇza. Izmerjene
podatke o poloˇzaju roˇcaja veslaˇcev reprezentantov viˇsin 1,86, 1,89, 1,90, 1,96 in
1,97 metra smo normirali glede na maksimalni odmik sedeˇza. Maksimalni odmik
sedeˇza je poloˇzaj sedeˇza, ko so noge veslaˇca popolnima iztegnjene, in je povezan
s telesno viˇsino veslaˇca.
Povpreˇcna normirana dolˇzina zavesljaja vseh petih veslaˇcev glede na maksimalno oddaljenost sedeˇza znaˇsa 1,80, pri ˇcemer je standarna deviacija 0,08 in
najveˇcje odstopanje 6,6 %.
3.1.2
Metode modeliranja
Za dolˇzino zavesljaja, maksimalne vrednosti naklona trupa in maksimalne vrednosti sil smo doloˇcili obmoˇcje (interval) referenˇcnih vrednosti. Z enaˇcbami smo
zapisali trajanje faz zavesljaja. Z upoˇstevanjem geometrijskih relacij smo zapisali enaˇcbe med segmenti telesa, ki doloˇcajo telesno drˇzo. Obliko krivulj sil smo
zapisali z Gaussovovim modelov v posamezni toˇcki vzorˇcenja. Metodo mehke lo-
38
Referenˇcni model tehnike veslanja
gike smo uporabili za modeliranje naklona trupa, kota verige in poloˇzaja sedeˇza.
Gibanje roˇcaja smo modelirali z nelinearnimi dinamiˇcnimi modeli.
Mehka logika
Za izgradnjo referenˇcnega modela poloˇzaja sedeˇza, naklona trupa in kota verige
roˇcaja smo uporabili metodo mehke logike [25]. Uˇcenje ima stabilno konvergenco
in temelji na iterativnem doloˇcanju parametrov vnaprej definiranih lastnih funkcij
z optimizacijo na podlagi uˇcne mnoˇzice in kriterijske funkcije. Metodo mehke
logike smo izbrali, ker omogoˇca upoˇstevanje izkuˇsenj in s tem prenos poznavanja
sistema v model. Pri tem ni potreben zapleten matematiˇcni model, sam sistem pa
je neobˇcutljiv na morebitno nekonsistentno podana pravila. Na mejah med fazami
zavesljaja je vrednosti parametrov namreˇc teˇzko eksplicitno doloˇciti. Obenem
metoda zagotavlja majhno kompleksnost modela, saj ˇzelimo, da bo model deloval
v realnem ˇcasu in tako sproti podajal referenˇcne vrednosti glede na izmerjene
vrednosti. Za modeliranje smo uporabili programski paket Matlab in orodje Fuzzy
Logic (The MathWorks, Natict, MA).
Modeliranje posamezne izhodne veliˇcine smo izvedli z dvostopenjskim modelom, ki je prikazan na sliki 3.3. Prva stopnja je vsebovala Gaussove pripadnostne
funkcije, druga linearne funkcije, med seboj pa sta bili povezani s funkcijo “in”.
Izhodna vrednost modela je vsota izhodov druge stopnje. Model je vseboval 5
lingvistiˇcnih spremenljivk, in sicer zaˇcetek faze, podroˇcje med zaˇcetkom in mejo
(ko so noge iztegnjene in se gibljejo samo roke), meja, podroˇcje med mejo in
zakljuˇckom, zakljuˇcek faze. Zaˇcetne vrednosti parametrov pripadnostnih funkcij
prve stopnje smo doloˇcili tako, da so le-te ustrezale znaˇcilnim toˇckam zavesljaja.
Za doloˇcanje stanj modela smo izbrali metodo nadzorovanega uˇcenja, kjer
vsakemu vhodnemu podatku doloˇcimo ˇzeleno izhodno vrednost, na osnovi ˇcesar se
v postopku minimiziranja kriterijske funkcije spreminjajo vrednosti spremenljivk
mreˇze.
Razvili smo loˇcene modele za poteg in povratek, pri ˇcemer je bil vsak podatek
uporabljen samo v eni mnoˇzici. Uˇcna mnoˇzica je obsegala 42.880 vzorcev (poteg
15.413, povratek 27.467 vzorcev), testna mnoˇzica pa 10.005 vzorcev (poteg 3.434,
povratek 6.571 vzorcev). Modeli so imeli za vhodno spremenljivko normiran
poloˇzaj roˇcaja, za izhodno spremenljivko pa enega od referenˇcnih parametrov, to
39
3.1 Modeliranje na podlagi eksperimentalnih podatkov
pravilo:
“in”
lastna funkcija:
k
te
ˇce
za oˇcje
r
pod
Vhod
Σ
meja
pod
r
za oˇcje
klj
uˇc
ek
normiran
poloˇzaj
roˇcaja
Izhod
- naklon trupa
- kot verige
- poloˇzaj sedeˇza
Slika 3.3: Shema referenˇcnega modela z uporabo mehke logike.
je kot trupa γ, kot verige ε in normiran poloˇzaj sedeˇza d. Vrednosti izhodnih
spremenljivk prikazuje slika 3.4. Na levi strani so prikazane vrednosti za fazo
potega, na desni strani pa za fazo povratka.
Kot verige Naklon trupa
[◦ ]
[◦ ]
Normiran
poloˇzaj
sedeˇza
Poteg
Povratek
1
1
0,5
0,5
0
0
0,5
1
1,5
2
100
50
0
0
0
1
1,5
2
0,5
1
1,5
2
100
0,5
1
1,5
2
50
0
100
100
90
90
80
0
0,5
0,5
1
1,5
2
Normiran poloˇzaj roˇcaja
80
0
0,5
1
1,5
2
Normiran poloˇzaj roˇcaja
Slika 3.4: Referenˇcni modeli z uporabo mehke logike.
Nelinearni dinamiˇ
cni sistemi
Veslanje je cikliˇcno gibanje, kjer posamezen zavesljaj predstavlja eno periodo.
Za opis trajektorije periodiˇcnih gibov se v robotiki pogosto uporabljajo nelinearni dinamiˇcni sistemi [93, 94, 95, 96]. Trajektorija je predstavljena kot vsota
40
Referenˇcni model tehnike veslanja
dinamiˇcnega odziva sistema drugega reda ter nelinearne funkcije. Pozitivne lastnosti nelinearnih dinamiˇcnih sistemov so kompaktnost zapisa, raˇcunska nezahtevnost in enostavnost modificiranja.
Modeliranje trajektorije je razdeljeno na uˇcenje in ponavljanje oziroma rekonstrukcijo [93]. Uˇcenje poteka dvonivojsko. Prvi nivo predstavlja kanoniˇcni
dinamiˇcni sistem (ang. “Canonical Dynamical System”), ki iz vhodnega signala
izluˇsˇci osnovno frekvenco Ω in fazo oscilatorja pri osnovni frekvenci Φ. Pri tem
parameter M doloˇca ˇstevilo oscilatorjev, ki so potrebni, da sistem doloˇci osnovno
frekvenco. Uporabili smo vrednost M = 5, saj se izkaˇze, da pet oscilatorjev
uspeˇsno doloˇci osnovno frekvenco veslanja. Drugi nivo je izhodni dinamiˇcni sistem (ang. “Output dynamical system”), ki se nauˇci oblike trajektorije, kar pomeni, da na podlagi Ω in vhodnega signala doloˇci vektor uteˇzi w, ki doloˇca obliko
periodiˇcnih zvonˇcastih jedrnih funkcij (ang. “Gaussian-like periodic kernel function”) Ψ. N je ˇstevilo funkcij Ψi , ki ustrezajo enaˇcbi (3.1) in so po ˇcasovnem
prostoru enakomerno porazdeljene, tako da N teh funkcij pokrije eno periodo
signala.
Ψi = exp(2,5 · N · (cos(Φ − ci ) − 1))
(3.1)
ci ∈ [0, 2π]
(3.2)
Pri rekonstrukciji signala se na podlagi enaˇcb (3.3) in (3.4) doloˇci izhodni
signal y.
z˙ = Ω α(β(g − y) − z) +
y˙ = Ωz
PN
i=1 Ψi wi r
P
N
i=1 Ψi
!
(3.3)
(3.4)
Na izhodni signal najbolj vpliva vsota produktov funkcij Ψi z lastnimi uteˇzmi
wi . Parametra α in β sta vnaprej doloˇceni pozitivni konstanti. Parametra g in r
se lahko uporabi za moduliranje izhodnega signala, saj g doloˇca odmik od niˇcelne
vrednosti, r pa skalira amplitudo. V naˇsem primeru smo uporabili α = 8 in
β = 2, saj razmerje 4:1 doloˇca kritiˇcno duˇsenje sistema [93], ter g = 0 in r = 1,
tako da smo rekonstruirali nauˇcen signal. Na rekonstruiran signal tako vplivata
le vhodna frekvenca Ω in vektor uteˇzi w.
41
3.2 Razvoj referenˇcnega modela
Lastnost uporabljene metode je, da so trajektorije, ki so si topoloˇsko podobne,
v modelih predstavljene s podobnimi vektorji uteˇzi w [97]. To pomeni, da lahko
za izraˇcun podobnosti modelov dveh trajektorij uporabimo korelacijo ρ, katero
izraˇcunamo kot kosinus kota med vektorjema uteˇzi teh dveh modelov po enaˇcbi
(3.5) [93].
ρ=
3.2
wT1 w2
|w1 ||w2 |
(3.5)
Razvoj referenˇ
cnega modela
V tem poglavju je opisan razvoj referenˇcnega modela kljuˇcnih parametrov veslanja. Pregled parametrov in uporabljenih metod je prikazan na sliki 3.1.
3.2.1
Telesna drˇ
za
Telesna drˇza je doloˇcena s koti med segmenti telesa veslaˇca. Za modeliranje
telesne drˇze je bil razvit kinematiˇcni model, ki eksplicitno doloˇca telesno drˇzo v
vsakem trenutku. Za vrednotenje dovoljenega odstopanja smo doloˇcili referenˇcno
obmoˇcje vrednosti naklona trupa na zaˇcetku in koncu zavesljaja.
S telesno drˇzo sta povezana tudi dolˇzina zavesljaja in gibanje roˇcaja. Modeliranje dolˇzine zavesljaja je podano v tem poglavju, gibanje roˇcaja pa v samostojnem poglavju 3.2.4.
Kinematiˇ
cni model veslaˇ
ca
Kinematiˇcni model veslaˇca je sestavljen iz petih segmentov v ravnini, ki so povezani z rotacijski sklepi, kot je prikazano na sliki 3.5. Kinematiˇcni parametri
telesa veslaˇca so doloˇceni z znanim poloˇzajem sedeˇza d, znanega poloˇzaja roˇcaja
(mx , my ) in znanega naklona trupa γ. Enaˇcba (3.6) opisuje izraˇcun poloˇzaja
roˇcaja (mx , my ), enaˇcba (3.7) razdaljo med gleˇznjem in kolkom b, enaˇcba (3.8)
kot v kolku λ, enaˇcba (3.9) kot v kolenu β, enaˇcba (3.10) poloˇzaj rame (ax , ay ),
enaˇcba (3.11) razdaljo med ramo in zapestjem t, enaˇcba (3.12) kot v komolcu
ω ter enaˇcba (3.13) kot v rami τ . Iz konstrukcije simulatorja sledi r = 0, 09 m,
ex = −0, 72 m in ey = 0, 36 m glede na koordinatni sistem (0,0). Poenostavili
42
Referenˇcni model tehnike veslanja
smo, da je kot ε = 90◦ .
(ax ,ay )
ε
t
ω
z
(ex ,ey )
(mx ,my )
τ
n
p
h
s
β
g
λ
γ
b
r
d
(0,0)
Slika 3.5: Kinematiˇcni parametri veslaˇca.
mx = z · sin ε + ex my = z · cos ε + ey
√
b = d2 + r 2
2
2
(3.6)
(3.7)
2
3
s +b −g
d
λ = π − γ − arccos
− arctan
2
2·s·b
r
2
2
2
g +s −b
β = arccos
2·g·s
ax = d + h · cos γ ay = r + h · sin γ
q
t = (ax − mx )2 + (ay − my )2
p2 + n2 − t2
ω = arccos
2·p·n
ax − mx
t2 + n2 − p2
− arccos
τ = γ − arctan
ay − my
2·t·n
(3.8)
(3.9)
(3.10)
(3.11)
(3.12)
(3.13)
Ob upoˇstevanju antropometriˇcnih podatkov ˇcloveˇskega telesa [98] in viˇsine
veslaˇca se dejanski poloˇzaj segmentov telesa veslaˇca doloˇci z naslednjimi koraki:
1. ˇziˇcni kodirnik doloˇca pozicijo sedeˇza d;
2. senzor na hrbtu doloˇca naklon trupa γ;
3. iz izmerjenega podatka optiˇcnega kodirnika na osi vetrnega kolesa o dolˇzini
potega verige z in naklona verige ε se doloˇci pozicija roˇcaja (mx ,my ) po
enaˇcbi (3.6);
43
3.2 Razvoj referenˇcnega modela
4. ob upoˇstevanju antropometriˇcnih podatkov za dolˇzino goleni g, stegna s,
hrbta h, nadlahti n in podlahti p se izraˇcuna:
• kot v kolku λ po enaˇcbi (3.8);
• kot v kolenu β po enaˇcbi (3.9);
• kot v komolcu ω po enaˇcbi (3.12);
• kot v rami τ po enaˇcbi (3.13).
Koti β, λ, τ in ω ter premik d so vhodni podatki za animacijo dejanskega
poloˇzaja veslaˇca. Referenˇcni poloˇzaj segmentov telesa veslaˇca se doloˇci po enakem postopku, le da je izmerjena samo dolˇzina potega verige z, referenˇcni model
zgrajen po metodi mehke logike pa doloˇca odmik sedeˇza d, kot trupa γ in naklon
verige ε.
Naklon trupa na zaˇ
cetku in koncu zavesljaja
Na sliki 3.6 je prikazan histogram vrednosti naklona trupa γ na zaˇcetku zavesljaja
(levo) in koncu zavesljaja (desno). Referenˇcno obmoˇcje vrednosti naklona trupa
na zaˇcetku in koncu zavesljaja je bilo doloˇceno tako, da obsega vse vrednosti elitnih veslaˇcev. Za zaˇcetek zavesljaja je tako referenˇcno obmoˇcje γs = [116◦ ; 133◦],
za konec zavesljaja pa γf = [43◦ ; 61◦ ].
30
40
ˇ
Stevilo
vzorcev
25
30
20
15
20
10
10
5
0
115
120
125
130
Naklon trupa γ[ ]
◦
135
0
45
50
55
60
Naklon trupa γ[◦ ]
Slika 3.6: Histogram vrednosti naklona trupa γ na zaˇcetku zavesljaja (levo) in
koncu zavesljaja (desno).
44
Referenˇcni model tehnike veslanja
Dolˇ
zina zavesljaja
Referenˇcni model drˇze telesa doloˇca poloˇzaj glede na poloˇzaj roˇcaja, ne poda
pa informacije o tem ali veslaˇc roˇcaj giblje po celotnem priˇcakovanem obmoˇcju
oziroma ali izkoristi celotno dolˇzino zavesljaja. Zato je v tem poglavju doloˇcena
tudi referenˇcna dolˇzina zavesljaja oziroma ustrezen poloˇzaj roˇcaja na zaˇcetku in
koncu zavesljaja. Na sliki 3.7 je prikazan histogram vrednosti normirane dolˇzine
potega verige zn na zaˇcetku zavesljaja (levo) in koncu zavesljaja (desno).
60
100
ˇ
Stevilo
vzorcev
50
80
40
60
30
40
20
20
10
0
0
0.05
0.1
0.15
0
Normirana dolˇzine potega verige zn
1.6
1.7
1.8
1.9
2
Normirana dolˇzine potega verige zn
Slika 3.7: Histogram vrednosti normirane dolˇzine potega verige zn na zaˇcetku
zavesljaja (levo) in koncu zavesljaja (desno).
Referenˇcno obmoˇcje vrednosti normirane dolˇzine potega verige na zaˇcetku in
koncu zavesljaja je bilo doloˇceno tako, da obsega vse vrednosti elitnih veslaˇcev.
Za zaˇcetek zavesljaja je tako referenˇcno obmoˇcje normirane dolˇzine potega verige
zn,s = [0,01; 0,14], za konec zavesljaja pa zn,f = [1,72; 2,00].
3.2.2
Ritem
Ritem je doloˇcen s trajanjem faz zavesljaja in njunem razmerju. Trajanje zavesljaja doloˇca tempo, to je ˇstevilo izvedenih zavesljajev v minuti, oziroma ˇce
obrnemo: tempo doloˇca trajanje posameznih faz zavesljaja. Slika 3.8 prikazuje
graf odvisnosti trajanja potega td in povratka tr od tempa R. Iz podatkov je
razvidno, da se trajanje potega td spreminja linearno, povratka tr pa potenˇcno.
Z metodo prileganja smo zapisali ustrezni enaˇcbi (3.14) in (3.15) in izraˇcunali
koren povpreˇcne kvadratne napake RMSE.
td = −0,014 · R + 125;
RMSE = 0,05
(3.14)
45
3.2 Razvoj referenˇcnega modela
2.5
Poteg
Povratek
Trajanje faze [s]
2
1.5
1
0.5
0
20
25
30
Tempo R [zav/min]
35
40
Slika 3.8: Odvisnost trajanja potega td in povratka tr od tempa R.
tr = 94,56 · R−1,27 − 0,07;
RMSE = 0,05
(3.15)
Po izvedem zavesljaju, se doloˇci tempo veslanja in na podlagi dejanskega
tempa se glede na enaˇcbi (3.14) in (3.15) doloˇci ustrezno trajanje faz zavesljaja.
Dovoljeno odstopanje od referenˇcne vrednosti trajanja je doloˇceno na 10 %.
3.2.3
Sile
Pri silah na roˇcaju in opori za noge sta pomembna njuni maksimalni vrednosti
in obliki poteka krivulj. Na sliki 3.9 je prikazan histogram maksimalne vrednosti
sile na roˇcaju fp,max (levo) in sile na opori za noge fr,max (desno). Vrednosti sile
na opori za noge so izmerjene na levi nogi in tako ob predpostavljeni simetriji
predstavljajo polovico celotne vrednosti sile nog.
Referenˇcno obmoˇcje maksimalne vrednosti sil je bilo doloˇceno tako, da obsega vse vrednosti elitnih veslaˇcev. Za sile na roˇcaju je tako referenˇcno obmoˇcje
fp,max = [1160 N; 1270 N], za silo na opori za noge pa fr,max = [685 N; 735 N].
Za doloˇcitev referenˇcne oblike krivulje sil, smo sili na roˇcaju in opori za noge
definirali kot funkcijo normirane dolˇzine potega verige zn . Eksperimentalne podatke smo normirali glede na maksimalno vrednost posameznega zavesljaja, jih
loˇcili glede na fazo zavesljaja in prevzorˇcili, tako da je vsaka faza vsebovala 128
vzorcev. Referenˇcni model pogojne porazdelitve smo doloˇcili kot Gaussov model
46
Referenˇcni model tehnike veslanja
140
100
ˇ
Stevilo
vzorcev
120
80
100
80
60
60
40
40
20
20
0
1150
1200
1250
1300
0
680
Sila na roˇcaju fp,max [N]
700
720
740
Sila na opori za noge fr,max [N]
Slika 3.9: Histogram maksimalne vrednosti sile na roˇcaju fp,max (levo) in sile na
opori za noge fr,max (desno).
v vsaki toˇcki vzorˇcenja. Na sliki 3.10 je prikazan referenˇcni model oblike krivulj
sil na roˇcaju fp (zgoraj) in na opori za noge fr (spodaj). Krivulja predstavlja
ciljno referenˇcno vrednost, sivo obmoˇcje okoli nje pa dovoljeno odstopanje.
fp /fp,max
1
0,5
0
1
128
256
fr /fr,max
1
0,5
0
1
Poteg
128
Povratek
256
Vzorec
Slika 3.10: Referenˇcni model oblike krivulj sil na roˇcaju fp (zgoraj) in na opori
za noge fr (spodaj).
3.2 Razvoj referenˇcnega modela
3.2.4
47
Trajektorija roˇ
caja
Sistem za uˇcenje tehnike veslanja predvideva dva reˇzima vadbe. V prvem reˇzimu
sistem sledi veslaˇcu in mu posreduje odstopanja od reference. V drugem reˇzimu
pa sistem doloˇca referenco, veslaˇc pa ji poskuˇsa slediti. Za delovanje sistema
v drugem reˇzimu smo z nelinearni dinamiˇcni sistemi razvili model trajektorije
roˇcaja po metodi opisani v pogavju 3.1.2.
Poglavje opisuje razvoj in analizo modela trajektorije roˇcaja pri veslanju na
simulatorju. V prvem delu odgovori na vpraˇsanje, koliko jedrnih funkcij nelinearnega dinamiˇcnega sistema je potrebno za uˇcinkovito rekonstrukcijo signala
gibanja roˇcaja, v drugem pa analizira podobnost modelov med elitnimi veslaˇci in
nepoznavalci.
Pri vpraˇsanju, koliko jedrnih funkcij Ψ je potrebno za uˇcinkovito rekonstrukcijo signala gibanja roˇcaja, smo razvili nelinearne dinamiˇcne modele z razliˇcnim
ˇstevilom jedrnih funkcij N ∈ [2, 25] za 5 elitnih veslaˇcev (oznaka E) in 5 veslaˇcev
nepoznavalcev (oznaka N). Uporabili smo eksperimentalne podatke pri tempu
20 zavesljajev/minuto [19]. Napaka rekonstrukcije e je bila izraˇcunana kot koren povpreˇcne kvadratiˇcne napake med rekonstruirano in izmerjeno trajektorijo
roˇcaja desetih zaporednih zavesljajev. Zavesljaji rekonstruiranega in izmerjenega
signala so bili pred izraˇcunom napake sinhronizirani in prevzorˇceni, tako da so
imeli enako ˇstevilo vzorcev ter skupen zaˇcetek in konec zavesljaja.
Slika 3.11 prikazuje napako rekonstrukcije e med modeliranim in izmerjenim
signalom gibanja roˇcaja desetih zaporednih zavesljajev pri razliˇcnem ˇstevilu jedrnih funkcij N. Podatki elitnih veslaˇcev so predstavljeni z znakom v obliki
diamanta (⋄), veslaˇcev nepoznavalcev pa s kvadratom ().
Tabela 3.1 prikazuje, pri katerem ˇstevilu jedrnih funkcij N nastopi najmanjˇsa
napaka rekonstrukcije e. Pri podrobnejˇsem pregledu rezultatov veslaˇca E3 je
opaziti, da je razlika med napako pri N = 9 in N = 11 zanemarljiva. Elitne
veslaˇce smo razdelili v dve skupini glede na to, pri katerem ˇstevilo jedrnih funkcij
nastopi najmanjˇsa napaka rekonstrukcije, in izraˇcunali podobnost med njihovimi
modeli, kar je prikazano v tabeli 3.2.
Tabela 3.3 prikazuje rezultate napake rekonstrukcije e in korelacije med vektorjema uteˇzi ρ za modele z razliˇcnim ˇstevilom jedrnih funkcij N ∈ [5, 15] za
veslaˇca E1 in E2 kot predstavika skupin z razliˇcnim ˇstevilom jedrnih funkcij pri
48
Referenˇcni model tehnike veslanja
25
Napaka e[mm]
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
ˇ
Stevilo
jedrnih funkcij N
nepoznavalci
elitni
Slika 3.11: Napaka med konstruiranim in izmerjenim signalom pri razliˇcnem
ˇstevilu jedrnih funkcij.
oseba
E1
N
9
oseba
P1
N
25
E2 E3
8
11
P2 P3
4
13
E4
E5
8
8
P4
P5
16
7
ˇ
Tabela 3.1: Stevilo
jedrnih funkcij modelov z najmanjˇso napako rekonstrukcije.
N =8
N =9
ρE1,E3 = 0,997
ρE2,E4 = 1,000
ρE2,E5 = 0,999
ρE4,E5 = 0,999
Tabela 3.2: Podobnost modelov elitnih veslaˇcev pri najmanjˇsi napaki rekonstrukcije.
najmanjˇsi napaki rekonstrukcije.
Slika 3.12 prikazuje korelacije med modeli elitnih veslaˇcev pri razliˇcnem ˇstevilu
jedrnih funkcij N ∈ [2, 25]. Temnejˇsa barva pomeni veˇcjo korelacijo (korelacija
veslaˇca samega s seboj je 1 in je predstavljena s ˇcrno, medtem ko je najmanjˇsa
korelacija predstavljena z belo).
49
3.2 Razvoj referenˇcnega modela
N
e [mm]
ρ
E1
E2
5
12
14
0,998
6
16
12
0,997
7
9
14
0,998
8
13
11
0,997
9
7
15
0,997
10
11
12
0,998
11
10
15
0,998
12
10
13
0,998
13
11
14
0,998
14
9
14
0,997
15
11
13
0,997
Tabela 3.3: Napaka rekonstrukcije in podobnost modelov veslaˇcev E1 in E2 pri
razliˇcnem ˇstevilu jedrnih funkcij.
ˇ
Stevilo
jedrnih funkcij N
Podobnost z E3
Podobnost z E2
Podobnost z E1
Podobnost z E4
Podobnost z E5
5
5
5
5
5
10
10
10
10
10
15
15
15
15
15
20
20
20
20
20
Barvna
lestvica
0,9980
0,9984
0,9988
0,9992
0,9996
25
25
E1 E2 E3 E4 E5
Slika 3.12:
25
E1 E2 E3 E4 E5
25
25
E1 E2 E3 E4 E5
E1 E2 E3 E4 E5
E1 E2 E3 E4 E5
1
Podobnost nelinearnih dinamiˇcnih modelov elitnih veslaˇcev pri
razliˇcnem ˇstevilu jedrnih funkcij.
Slika 3.13 podrobneje prikazuje podobnost modelov elitnih veslaˇcev pri ˇstevilu
jedrnih funkcij N = 10, slika 3.14 pa podobnost modelov vseh veslaˇcev.
Iz rezultatov napake rekonstrukcije, ki se nahajajo v tabeli 3.1, je razvidno, da
je za modeliranje gibanja roˇcaja elitnih veslaˇcev z najmanjˇso napako potrebnih
sodo ˇstevilo N = 8 jedrnih funkcij za veslaˇce E2, E4 in E5 in liho ˇstevilo N = 9
za veslaˇca E1 in E3. Napaka pri posameznem veslaˇcu je razliˇcna glede na to ali
je N = 9 ali N = 8, saj velikost napake niha oziroma z vsako dodano jedrno
50
Referenˇcni model tehnike veslanja
0,9994
E1
0,9996
E2
E3
0,9998
E4
1
E5
E1
E2
E3
E4
E5
Slika 3.13: Podobnost nelinearnih dinamiˇcnih modelov elitnih veslaˇcev pri desetih
jedrnih funkcijah.
E1
0,84
E2
0,88
E3
E4
0,92
E5
0,96
N1
N2
1
N3
N4
N5
E1 E2 E3 E4 E5 N1 N2 N3 N4 N5
Slika 3.14: Podobnost nelinearnih dinamiˇcnih modelov vseh veslaˇcev pri desetih
jedrnih funkcijah.
funkcijo izmeniˇcno naraste ali pade, kar je razvidno iz slike 3.11. Pri veslaˇcih nepoznavalcih ni moˇc zaslediti skupnega vzorca za modeliranje z najmanjˇso napako
rekonstrukcije, saj le ta nastopi vse od N = 4 (veslaˇc N2) do N = 25 (veslaˇc N1).
Rezultati podobnosti modelov trajektorij elitnih veslaˇcev pri najmanjˇsi napaki
rekonstrukcije, ki se nahajajo v tabeli 3.2, kaˇzejo, da so modeli elitnih veslaˇcev
zelo podobni znotraj posamezne skupine. Veslaˇca E1 in E2 sta bila izbrana kot
predstavnika svoje skupine. Z njunimi podatki so bile izraˇcunane podobnosti modelov in napake rekonstrukcije pri modelih z razliˇcnim ˇstevilom jedrnih funkcij.
Rezultati, ki se nahajajo v tabeli 3.3, kaˇzejo na visoko korelacijo med vektorjema uteˇzi, kljub temu, da imata izmenjujoˇco se napako pri istem ˇstevilu jedrnih
funkcij.
3.2 Razvoj referenˇcnega modela
51
Na podlagi rezultatov je bilo ˇstevilo jedrnih funkcij N = 10 doloˇceno kot kompromisno ˇstevilo jedrnih funkcij za modeliranje trajekorije roˇcaja. V tem primeru
namreˇc nastopa tretja najboljˇsa korelacija, ˇsesta najmanjˇsa napaka rekonstrukcije
pri veslaˇcu E1 in tretja najmanjˇsa napaka pri E2.
Na osnovi opisanih spoznanj smo zakljuˇcili, da je za ustrezno modeliranje periodiˇcnega gibanja roˇcaja pri veslanju elitnih veslaˇcev z nelinearnimi dinamiˇcnimi
sistemi potrebno deset jedrnih funkcij z zvonˇcasto obliko. Rezultat sovpada z rezultati modeliranja z uporabo mehke logike [99]. Z uporabo mehke logike so bili
namreˇc zgrajen referenˇcni modeli naklona trupa, kota verige in poloˇzaja sedeˇza,
pri katerih je bilo uporabljenih deset Gaussovih pripadnostnih funkcij. Pri postopku uˇcenja modelov z uporabo mehke logike so bile sicer lastnosti pripadnostnih funkcij (poloˇzaj in raztros) doloˇcene z optimizacijo glede na tipiˇcne toˇcke
zavesljaja, medtem ko imajo jedrne funkcije te parametre predhodno doloˇcene in
se ne spreminjajo.
Slika 3.12 potrjuje ugotovitev, da pri ˇstevilu jedrnih funkcij N = 10 nastopa
velika podobnost nelinearnih dinamiˇcnih modelov elitnih veslaˇcev. Veˇcja podobnost sicer nastopa pri zelo nizkem ˇstevilu jedrnih funkcij, vendar pri teh modelih
nastopa tudi velika napaka rekonstrukcije. Pri N = 10 nastopa velika podobnost,
ki se z veˇcanjem ˇstevila jedrnih funkcij nato zmanjˇsuje. Iz slike je razvidna tudi
podobnost modelov oziroma veslanja posameznih elitnih veslaˇcev. Najveˇcja podobnost se kaˇze med modeli veslaˇcev E2 in E4. Tem modelom so zelo podobni tudi
modeli veslaˇca E3. Modelom veslaˇca E1 so v sploˇsnem najbolj podobni modeli
veslaˇca E5, kar je razvidno tudi iz slike 3.13. Pri tem velja poudariti, da pri desetih jedrnih funkcijah razdelitev elitnih veslaˇcev na dve skupini glede na napako
pri rekonstrukciji ne sovpada z razdelitvijo na dve skupini glede na podobnost
modelov, kar dodatno potrjuje, da so modeli uspeli povzeti znaˇcilnosti tehnike
posameznih veslaˇcev, saj rezultati sovpadajo z rezultati iz [100]. Iz slike 3.14,
kjer je skala podobnosti spremenjena in prikaˇze podobnost skupaj z veslaˇci nepoznavalci, je razvidno, da so si modeli elitnih veslaˇcev podobni med seboj, prav
tako pa je razvidna tudi podobnost modelov veslaˇcev nepoznavalcev, medtem ko
je podobnost med modeli teh dveh skupin veliko manjˇsa.
Z uporabo nelinearnih dinamiˇcnih sistemov smo zgradili modele trajektorij
roˇcaja pri veslanju na simulatorju z razliˇcnim ˇstevilom jedrnih funkcij. Rezultati
kaˇzejo, da je za modeliranje veslanja primerno uporabiti deset jedrnih funkcij,
52
Referenˇcni model tehnike veslanja
saj se pri tem ˇstevilu zagotovi majhno napako modeliranja in veliko podobnost
modelov elitnih veslaˇcev. Velika podobnost modelov obenem potrjuje, da elitni
veslaˇci roˇcaj vodijo po podobni trajektoriji in imajo torej skupne vzorce, ki se
lahko uporabijo za naˇcrtovanje primerne trajektorije gibanja roˇcaja v sistemu za
vadbo veslanja.
Model trajektorije roˇcaja veslaˇca E1 z desetimi jedrnimi funkcijami je bil
uporabljen kot generator poloˇzaja roˇcaja v naˇcinu delovanja, ko sistem za uˇcenje
primerne tehnike veslanja doloˇca referenˇcno gibanje, uporabnik pa mu poskuˇsa
slediti.
3.3
Razvoj dinamiˇ
cnega modela veslanja
V poglavju 3.2 so modeli za generiranje referenˇcnih parametrov zgrajeni na podlagi eksperimentalnih podatkov elitnih veslaˇcev in tako predstavljajo njihovo povpreˇcje. Ti modeli opisujejo primerno tehniko veslanja na simulatorju, vpraˇsanje
pa je, ali je ta tehnika tudi idealna. Za namen preuˇcevanja idealne tehnike smo
razvili dinamiˇcni model veslanja.
3.3.1
Dinamiˇ
cni model spodnjih ekstremitet veslaˇ
ca
Gibanje mehanskih sistemov lahko opiˇsemo na dva naˇcina: z direktnim ali inverznim dinamiˇcnim modelom. Pri direktnem dinamiˇcnem problemu gibanje sistema, ki je opisano s poloˇzajem, hitrostjo in pospeˇskom posameznega masnega
segmenta kot funkcije ˇcasa. Vhod v model so znane sile, ki delujejo na sistem
mas, dane omejitve ter zaˇcetne vrednosti. Pri inverzni dinamiki pa reˇsujemo
problem doloˇcitve sil in momentov, ki doloˇceno gibanje povzroˇcijo. Inverzni dinamiˇcni model veslaˇca na simulatorju je bil razvit v okviru dela [19]. Za iskanje
optimalne tehnike je potrebno razviti direktni dinamiˇcni model.
Lagrangeova enaˇ
cba spodnjih ekstremitet
Newton je v svojih delih postavil temelje mehanike, iz katerih lahko izpeljemo Lagrangeovo enaˇcbo za sistem, v katerem delujejo konzervativne in nekonzervativne
53
3.3 Razvoj dinamiˇcnega modela veslanja
sile (3.16) [101]:
∂L
d ∂L
)−
= Fqr .
(
dt ∂ q˙r
∂qr
(3.16)
Pri ˇcemer je L Lagrangeova funkcija, qr pa posploˇsena koordinata. V enaˇcbi
so na desni strani zaobjete nekonzervativne sile, konzervativne sile pa so preko
L zajete na levi strani enaˇcbe. Lagrangeova funkcija (3.17) predstavlja razliko
kinetiˇcne (K) in potencialne (V ) energije sistema.
L = K − V.
(3.17)
Dvosegmentni model spodnjih ekstremitet veslaˇca je prikazan na sliki 3.15.
Parameter li predstavlja dolˇzino segmenta i, ri razdaljo od proksimalnega sklepa
do teˇziˇsˇca segmenta, ϑi pa kot rotacije.
−ϑ2
Segment
l2
r2
goleno
l1
Segment
stegno
y
r1
ϑ1
x
Slika 3.15: Model spodnjih ekstremitet veslaˇca.
Za sistem velja, da je skupna energija celotnega sistema enaka vsoti energije
prvega in drugega segmenta. Kinetiˇcna energija prvega segmenta oziroma goleni
je:
K1 =
1
m1 r12 + I1 ϑ˙1 2 ,
2
(3.18)
pri ˇcemer je Ii vztrajnostni moment segmenta i glede na osi lokalnega koordinatnega sistema segmenta, mi pa masa segmenta i. Glede na postavljeni koordinatni sistem in prepostavko, da se gibanje veslaˇca izvaja samo v sagitalni ravnini,
h kinetiˇcni energiji prispeva samo vztrajnostni moment okoli z osi.
54
Referenˇcni model tehnike veslanja
Kinetiˇcna energija drugega segmenta oziroma stegna je:
1 ˙
Iz2 ϑ1 + ϑ˙2 2 +
(3.19)
2
1
m2 l12 ϑ˙1 2 + 2 cos (ϑ2 ) l1 r2 ϑ˙1 + ϑ˙2 ϑ˙1 + r22 ϑ˙1 + ϑ˙2 2 .
+
2
K2 =
Potencialna energija prvega segmenta je:
V1 = gm1 r1 cos ϑ1 ,
(3.20)
kjer g predstavlja gravitacijski pospeˇsek. Potencialna energija drugega segmenta
pa je:
V2 = gm2 (l1 cos ϑ1 + r2 cos(ϑ1 + ϑ2 )).
(3.21)
Sedaj lahko zapiˇsemo Lagrangeovo enaˇcbo za prvi segment:
d ∂L
∂L
)−
(
= M1 ,
dt ∂ ϑ˙1
∂ϑ1
(3.22)
oziroma z upoˇstevanjem odvodov:
M1 = m2 ϑ¨1 l12 − sin (ϑ2 ) m2 r2 ϑ˙2 2 l1 − g sin (ϑ1 ) m2 l1 −
− 2 sin (ϑ2 ) m2 r2 ϑ˙1 ϑ˙2 l1 + 2 cos (ϑ2 ) m2 r2 ϑ¨1 l1 +
(3.23)
+ cos (ϑ2 ) m2 r2 ϑ¨2 l1 − g sin (ϑ1 ) m1 r1 − sin (ϑ1 + ϑ2 ) m2 r2 g +
+ m1 r 2 ϑ¨1 + m2 r 2 ϑ¨1 + Iz1 ϑ¨1 + Iz2 ϑ¨1 + m2 r 2 ϑ¨2 + Iz2 ϑ¨2 .
1
2
2
Na enak naˇcin zapiˇsemo ˇse Lagrangeovo enaˇcbo za drugi segment:
∂L
d ∂L
)−
= M2 ,
(
dt ∂ ϑ˙2
∂ϑ2
(3.24)
oziroma z upoˇstevanjem odvodov:
M2 = m2 ϑ¨1 r22 + m2 ϑ¨2 r22 + sin (ϑ2 ) l1 m2 ϑ˙1 2 r2 −
− g sin (ϑ1 + ϑ2 ) m2 r2 + cos (ϑ2 ) l1 m2 ϑ¨1 r2 +
(3.25)
+ Iz2 ϑ¨1 + Iz2 ϑ¨2
.
Pri zapisu enaˇcb (3.23) in (3.25) smo predpostavili, da sta kota ϑ1 in ϑ2
neodvisna med seboj in tako predstavljata dve stanji sistema. Pri veslanju to ne
55
3.3 Razvoj dinamiˇcnega modela veslanja
drˇzi, saj poloˇzaj sedeˇza s doloˇca kot v gleˇznju in kolenu. Torej bi lahko za celoten
sistem spodnjih ekstremitet zapisali samo eno Lagrangeovo enaˇcbo:
∂L
d ∂L
( )−
= Fs .
dt ∂ s˙
∂s
(3.26)
V ta namen smo glede na sliko 3.16 zapisali geometrijske povezave:
b =
√
v 2 + s2
(3.27)
α = arccos((l22 + b2 − l12 )/(2 · l2 · b))
γ2 = arccos((l12 + l22 − b2 )/(2 · l1 · l2 ))
ϕ = arctan(v/s)
β = arccos((l12 + b2 − l22 )/(2 · b · l1 ))
γ1 = ϕ + β
x01 = r1 cos γ1
y01 = r1 sin γ1
λ = π/2 + γ1 − α − β
x02 = l1 cos γ1 + r2 sin λ
y02 = l1 sin γ1 − r2 cos λ
ϑ1 = γ1 − π/2
ϑ2 = γ2 − π
−ϑ2
Segment
goleno
l1
(x01 , y01 )
y
λ
r1
γ1
ϑ1
r2
γ2
β
Segment
l2
(x02 , y02 )
α
b
ϕ
s
x
v
Slika 3.16: Model spodnjih ekstremitet veslaˇca.
stegno
56
Referenˇcni model tehnike veslanja
in upoˇstevali antropometriˇcne podatke:
v = 0,09
(3.28)
l1 = 0,249 · h
l2 = 0,243 · h
r1 = 0,138 · h
r2 = 0,143 · h
Iz1 = 0,000167 · h2 · m
Iz2 = 0,000901 · h2 · m
m1 = 0,043 · m
m2 = 0,142 · m
kjer je h viˇsina veslaˇca in m masa veslaˇca.
Za primer smo vzeli veslaˇca z maso 80 kg in viˇsino 1,8 m in zapisali energijo
K1 po enaˇcbi (3.18), K2 po enaˇcbi (3.19) in V po enaˇcbah (3.20) in (3.21).
Z upoˇstevanjem enaˇcbe (3.17) in odvajanjem po enaˇcbi (3.16) smo s pomoˇcjo
programa Mathematica (Wolfram Research (Ver. 6.0), Champaign, IL) zapisali
Lagrangeovo enaˇcbo sistema. Enaˇcba je zelo obˇsirna in je zato ne podajamo.
Direktni dinamiˇ
cni model spodnjih ekstremitet v okolju SimMechanics
SimMechanics je programsko orodje programskega paketa Matlab (The MathWorks (Ver. 7.10), Natict, MA). Namenjen je modeliranju, naˇcrtovanju in
simulaciji dinamiˇcnih sistemov. Alternativni model smo v grafiˇcnem okolju sestavili iz togih teles, ki sta povezani z rotacijskim sklepom. Prikazuje ga slika 3.17.
Segmenti telesa so predstavljeni z bloki “Body”, katerih velikost, maso, poloˇzaj
teˇziˇsˇca in vztrajnostne parametre smo izbrali glede na atropometriˇcne podatke iz
literature [98, 102, 103], pozicijo, orientacijo in interakcijo z okoljem v odvisnosti
od koordinatnih sistemov pa doloˇcili tako, da ustrezajo modelu veslaˇca. Bloki
“Joint” predstavljajo sklepe. Z nastavitvami smo omejili, da je rotacija moˇzna
samo okoli lateralne z smeri. Na kinematiˇcno verigo so pripeti ˇse aktuatorji “Joint
actuator ”, ki poganjajo sklepe, ter senzorji “Joint sensor ”, ki merijo obremenitve v sklepih. V model sta vkljuˇcena tudi osnovna bloka “Ground ” in “Machine
Environment”, kjer so doloˇcene lastnosti modela (vektor gravitacije in vrsta dinamiˇcne analize). Ker smo uporabljali model z direktno dinamiˇcno metodo, so
57
3.3 Razvoj dinamiˇcnega modela veslanja
vhodi v aktuatorje kot, kotna hitrost in kotni pospeˇsek v sklepih. Ti se za oba
sklepa izraˇcunajo glede na podan poloˇzaj sedeˇza, ki ga premikamo s signalom
sinusne oblike, tako da zaobjame celotno obmoˇcje gibanja sedeˇza. Shema na sliki
3.17 vsebuje tudi funkciji, ki izraˇcunata obremenitve glede na Lagrangeve enaˇcbe
(3.23) in (3.25), ter primerjavo rezultatov obeh metod.
Lagrangeva
enačba
(3.25)
Stegno
Primerjava
Aktuator
Generator
položaja sedeža
Kot,
kotna hitrost,
kotni pospešek
Koleno
Senzor
Golen
Aktuator
Gleženj
Senzor
Primerjava
Ground
Legenda:
Segmenti telesa
Body
Sklepi telesa
Joint
Lagrangeva
enačba
(3.23)
Machine
Environment
Slika 3.17: SimMechanics model spodnjih ekstremitet veslaˇca.
Primerjava modelov spodnjih ekstremitet
SimMechanics direktni dinamiˇcni model in Lagrangev model spodnjih ekstremitet veslaˇca smo zapisali v grafiˇcnem okolju Matlab Simulink. Oba modela smo
vzbujali s sinusno funkcijo, tako da se sedeˇz premika po obiˇcajnem podroˇcju (od
skoraj popolnoma pokrˇcenih nog do iztegnjenih nog) in opazovali rezultirajoˇca
navora v gleˇznju in kolenu. Slika 3.18 prikazuje primerjavo rezultatov obeh metod
za gleˇzenj (levo) in koleno (desno). Kot je razvidno iz slike 3.18, so rezultati zelo
podobni, do manjˇsega odstopanja pride le pri spremembi smeri gibanja sedeˇza.
Relativno maksimalno odstopanje v gleˇzju znaˇsa 4,4 %, v kolenu pa 1,9 %, kar pomeni, da lahko SimMechanics direktni dinamiˇcni model uporabimo za preuˇcevanje
58
Referenˇcni model tehnike veslanja
veslaˇske tehnike.
Navor Mz [Nm]
0
-14
-20
-18
-40
-22
-60
-80
0
1
2
3
-26
0
1
ˇ t[s]
Cas
Lagrange
2
3
ˇ t[s]
Cas
SimMechanics
Slika 3.18: Navor v gleˇznju (levo) in kolenu (desno) po obeh metodah.
3.3.2
Direktni dinamiˇ
cni model veslaˇ
ca v okolju SimMechanics
Po principu opisanem v poglavju 3.3.1 smo v okolju SimMechanics razvili model
celotnega telesa veslaˇca, pri ˇcemer so bili upoˇstevani antropometriˇcni podatki o
dolˇzinah, masah in teˇziˇsˇcih segmentov ˇcloveka [98].
Gibanje celotnega modela doloˇcijo trije parametri: poloˇzaj sedeˇza s, poloˇzaj
roˇcaja in naklon trupa ϑ. Glede na poloˇzaj roˇcaja in naklon trupa se izraˇcuna razdalja med ramo in zapestjem h. Koti med segmenti so doloˇceni z geometrijskimi
relacijemi opisanimi v poglavju 3.2.1.
Slika 3.19 prikazuje SimMechanics ˇsest-segmentni ravninski model veslaˇca.
Veslaˇc je modeliran kot zaporednje ˇsestih segmentov (golen, stegno, spodnji in
zgornji del trupa, nadlaht in podlaht), ki so povezani z rotacijskim sklepi.
3.3.3
Model bremena simulatorja veslanja
Za modeliranje bremena na roˇcaju smo razvili model vetrnega kolesa [104]. Simulator veslanja uporablja vetrno kolo, ki glede na silo veslaˇca, ki ustvarja premik l in poslediˇcno kotno hitrost ω ustvarja upor T , ki simulira upor ˇcolna na
vodi. Obnaˇsanje vetrnega kolesa opisuje enaˇcba (3.29) [26] in prikazuje slika 3.20.
Vztrajnostni moment I in faktor duˇsenja c sta lastna parametra vetrnega kolesa.
59
3.3 Razvoj dinamiˇcnega modela veslanja
h
nadlaht
podlaht
stegno
golen
zgornji del trupa
ϑ
spodnji del trupa
s
Slika 3.19: SimMechanics ˇsest-segmentni ravninski model veslaˇca.
I
dω
= T − cω.
dt
(3.29)
I
l
ω
F
T
c
Slika 3.20: Shema vetrnega kolesa.
Ker podatki o parametrih I in c niso dosegljivi niti med konstrukcijskimi
podatki simulatorja smo vrednosti doloˇcili na podlagi eksperimentalnih podatkov [19]. Pri tem smo iz izmerjenega premika roˇcaja vetrnega kolesa glede na
konstrukcijski podatek o prenosu zobnika doloˇcili kotno hitrost. Z upoˇstevanjem
izmerjene sile na roˇcaju in roˇcice, ki smo jo doloˇcili iz konstrukcijskih podatkov
zobnika, smo z optimizacijo po metodi najmanjˇsih kvadratov doloˇcili vrednosti
parametrov I in c, tako da v fazi potega obnaˇsanje vetrnega kolesa ustreza izmerjenim podatkom. Doloˇcene vrednosti so bile I = 92, 5 kg m2 in c = 29, 1 N m s−1 .
Rezultat ustreza vrednostim [26], ki sicer niso navedene v literaturi, a so bile pridobljene v osebni komunikaciji z avtorjem.
60
Referenˇcni model tehnike veslanja
3.3.4
Model gibanja veslaˇ
ca
Gibanje modela veslaˇca opisanega v poglavju 3.3.2 se doloˇca s podajanjem kotov
med posameznimi segmenti. Kot je razvidno iz slike 3.19 sta kota v gleˇznju in
kolenu doloˇcena s poloˇzajem sedeˇza s. Poloˇzaj sedeˇza se doloˇca kot kombinacija
modela trajektorije gibanja roˇcaja z nelinearnimi dinamiˇcnimi sistemi iz poglavja
3.2.4 in modela poloˇzaja sedeˇza po metodi mehke logike iz poglavja 3.1.2. Kot
v kolku je doloˇcen z naklonom trupa ϑ in kotom v kolenu. Naklon trupa ϑ se
doloˇca kot kombinacija loˇcenega modela trajektorije gibanja roˇcaja iz poglavja
3.2.4 in modela naklona trupa po metodi mehke logike iz poglavja 3.1.2. Kot
ˇ bi za doloˇcanje
med spodnjim in zgornjim delom trupa je bil nespremenljiv. Ce
poloˇzaja zapestja uporabili model, ki smo ga zgradili v poglavju 3.2.4, bi lahko
priˇslo do nemogoˇcih stanj, saj bi naklon trupa in poloˇzaj roˇcaja doloˇcala razdaljo med ramo in zapestjem, ki bi presegala vsoto dolˇzin nadlahti in podlahti.
Ker smo ˇzeleli gibanje voditi neodvisno, smo namesto poloˇzaja roˇcaja uporabili
razdaljo med zapestjem in ramo h in naredili dva loˇcena nelinearna dinamiˇcna
modela za spreminjanje kota v komolcu in kota v rami. Modeliranje smo izvedli
z desetimi jedrnimi funkcijami in eksperimentalnimi podatki elitnih veslaˇcev po
enakem postopku kot za trajektorijo roˇcaja v poglavju 3.2.4.
Slika 3.21 prikazuje kinetiko modela veslaˇca. Gibanje sedeˇza je doloˇceno z nespreminjajoˇcim se generatorjem, ki uporablja nelinearni dinamiˇcni model (DMP)
trajektorije roˇcaja, ki je opisan v poglavju 3.2.4, in mehko logiko, ki je opisana v
poglavju 3.1.2. Generator gibanja sedeˇza zagotavlja konstantno frekvenco veslanja 20 zavesljajev/minuto. V modelu se lahko spreminja parametra razdalje med
ramo in zapestjem ter naklona trupa. Parameter naklon trupa vpliva na generator naklona trupa, ki s kombinacijo nelinearnega dinamiˇcnega modela in mehke
logike doloˇca gibanje naklona trupa. Parameter razdalje med ramo in zapestjem
vpliva na delovanje generatorjev za kot v komolcu in kot v rami. Oba generatorja za delovanje uporabljata nelinearni dinamiˇcni model (DMP). Generatorju
naklona hrbta se lahko spreminja hitrost gibanja oziroma trajanje posameznega
zavesljaja th in zakasnitev gibanja zh glede na zaˇcetek gibanje sedeˇza v posameznem zavesljaju. Da generator hrbta ne bi prehiteval in zaˇcel novega zavesljaja,
ko generator sedeˇza morebiti ˇse izvaja predhodni zavesljaj, se po konˇcanem zavesljaju po potrebi doda pavza, ki sinhronizira trajanje zavesljaja na 3 sekunde, kar
ustreza tempu 20 zavesljajev/minuto. Ker so takrat vsi segmenti veslaˇca zagotovo
61
3.4 Optimizacija
v fazi povratka, na roˇcaj ne deluje vleˇcna sila, zato morebitna pavza v sistem ne
vnaˇsa motnje. Generatorjema kotov v komolcu in rami se lahko spreminja hitrost
tr in zakasnitev glede zr na gibanje sedeˇza na enak naˇcin kot pri modelu gibanja
naklona hrbta. Model vetrnega telesa, ki je opisan v poglavju 3.3.3, glede na
kinetiko veslaˇca doloˇca silo na roˇcaju.
Razdalja med ramo in zapestjem
generator:
DMP
matematično
modeliranje
kot
v ko
mo
lcu
ra
ot v
mi
k
sila
na ročaju
generator:
DMP
Naklon
trupa
generator:
DMP + mehka logika
položaj
sedeža
generator:
DMP + mehka logika
Slika 3.21: Kinetika modela veslaˇca.
3.4
Optimizacija
Elitni veslaˇci so svojo tehniko optimizirali z leti treninga. Za iskanje kriterijske
funkcije, ki je vplivala na njihovo optimizacijo, in iskanje idealne tehnike veslanja
smo na razvitem dinamiˇcnem modelu veslanja izvedli optimizacijo.
Optimizacija je iterativni postopek, pri katerem ob spremljanju odziva sistema doloˇcimo optimizacijske parametre tako, da dobimo ˇzeleni odziv glede na
kriterijsko funkcijo. Na zaˇcetku optimizacije moramo podati zaˇcetne pogoje.
Glede na podane zaˇcetne pogoje, lahko dobimo razliˇcne rezultate optimizacije,
saj optimizacijska funkcija poiˇsˇce najbliˇzji lokalni minimum, ki pa ni nujno tudi
globalni.
Shemo, ki vkljuˇcuje SimMechanics direktni dinamiˇcni model veslaˇca, model
vetrnega kolesa in posamezne generatorje gibanja, prikazuje slika 3.22. Na sliki
so z rdeˇco oznaˇceni parametri, ki se spreminjajo z optimizacijo, z zeleno pa parametri, ki so vkljuˇceni v kriterijsko funkcijo. Uporabljen je bil algoritem, ki
z optimizacijo po Matlab metodi “fmincon” z algoritmom “Interior-Point” maksimizira kriterijsko funkcijo. Zaˇcetno stanje za spremembo trajanja gibanja s
62
Referenˇcni model tehnike veslanja
trupom th , zakasnitev zaˇcetka gibanja s trupom zh , spremembo trajanja gibanja
z rokami ta in zakasnitev zaˇcetka gibanja z rokami za je bilo postavljeno na 0,
robni pogoj pa doloˇcen na [−1, 1]. Rezultat optimizacije je odvisen od zaˇcetnega
stanja, zato smo zaˇcetno stanje doloˇcili tako, da je ustrezalo modeliranemu neoptimiziranemu gibanju. Optimizacija se je zakljuˇcila, ko se vrednost kriterijske
funkcije ni veˇc spreminjala za veˇc kot 10−6 . Vsi postopki optimizacije so se izvajali
pri tempu 20 zavesljajev/minuto.
3.4.1
Maksimizacija dela
Veslanje je najbolj uˇcinkovito, ko veslaˇc s svojim gibanjem ustvari najveˇcje delo
posameznega zavesljaja, zato smo v kriterijski funkciji optimizacije uporabili delo
zavesljaja. Ob tem smo dodali omejitev, da je nesprejemljiv vsak rezultat optimizacije, pri katerem obremenitve v sklepih telesa veslaˇca presegajo 110 % procentov
najveˇcjih obremenitev posameznega sklepa pri izhodiˇsˇcnem veslanju.
Rezultat optimizacije je:
• sprememba trajanja gibanja s trupom: th = 0,2481 s
• zakasnitev zaˇcetka gibanja s trupom: zh = 0,2485 s
• sprememba trajanja gibanja z rokami: ta = 0,2485 s
• zakasnitev zaˇcetka gibanja z rokami: za = 0,2488 s
Fizikalna interpretacija rezultatov pomeni, da se v optimiziranem primeru
gibanje trupa in rok zaˇcne 0,25 sekunde prej kot na podlagi uporabljenih modelov.
Obenem pa se tako trup kot roke gibljejo hitreje, tako da gib traja 0,25 sekunde
manj.
Na sliki 3.23 so prikazani izhodiˇsˇcni in optimirani poteki naklona trupa (zgoraj
levo), kota v komolcu (zgoraj desno), poloˇzaja roˇcaja (spodaj levo) in dela (spodaj
levo).
Preverili smo podroˇcje iskanja ustrezne reˇsitve optimizacije. Iz pregleda iteracij smo ugotovili, da je algoritem preveril moˇznosti z razliˇcnim zaporedjem gibanja
segmentov, torej tudi, da se zavesljaj zaˇcne s potegom z rokami in z gibanjem
hrbta, nato pa ˇsele sledi odriv z nogami. Rezultat optimizacije sovpada s tipiˇcno
63
3.4 Optimizacija
Model
vetrneka kolesa
Delo
ta
za
Generator
kota v komolcu
Senzor
položaja ročaja
Aktuator sile
Podlaket
Aktuator
Komolec
Senzor
obremenitev
Nadlaket
Generator
kota v rami
Aktuator
Rama
Zgornji
del trupa
LS sklep
Senzor
obremenitev
Spodnji
del trupa
th
zh
Generator
naklona trupa
Aktuator
Kolk
Stegno
Aktuator
Generator
položaja sedeža
Koleno
Golen
Določitev kotov
Aktuator
Gleženj
Legenda:
Segmenti telesa
Body
Deli kriterijske
funkcije
Sklepi telesa
Joint
Parametri
optimizacije
Aktuator
Generator
gibanja
Ground
Machine
Environment
Slika 3.22: Shema modela za optimizacijo.
Senzor
obremenitev
64
140
0
120
-20
Kot v komolcu [◦ ]
Naklon trupa [◦ ]
Referenˇcni model tehnike veslanja
100
80
60
40
0
1
ˇ t[s]
Cas
2
-80
-100
1
ˇ t[s]
Cas
2
3
2
3
1500
-0.5
Delo A[J]
Poloˇzaj roˇcaja [m]
-60
-120
0
3
0
-1
-1.5
-2
0
-40
1
ˇ t[s]
Cas
2
3
Izhodiˇsˇcni poteki
1000
500
0
0
1
ˇ t[s]
Cas
Optimirani poteki
Slika 3.23: Izhodiˇsˇcni in optimirani poteki naklona trupa (zgoraj levo), kota v
komolcu (zgoraj desno), poloˇzaja roˇcaja (spodaj levo) in dela (spodaj levo).
veslaˇsko tehniko, torej da se zavesljaj zaˇcne s potegom nog, ko so noge iztegnjene
pa sledi poteg z rokami.
3.4.2
Kriterijska funkcija veslaˇ
ske tehnike
V prejˇsnjem poglavju je bilo v kriterijski funkciji uporabljeno delo, obremenitve
v sklepih pa niso bile upoˇstevane. Da bi ugotovili, kakˇsno kriterijsko funkcijo,
ki vkljuˇcuje obremenitve, uporabljajo elitni veslaˇci pri svoji tehniki, smo izvedli
optimizacije z razliˇcnimi kriterijskimi funkcijami, ki so navedene v tabeli 3.4 in
vkljuˇcujejo razliˇcne kombinacije maksimizacije dela (A), minimizacije sil (F ) in
njihovih odvodov (dF ) v kolenu Fk , lumbosakralnem sklepu Fls in komolcu Fe ter
minimizacije navorov (M) in njihove odvode (dM) v teh sklepih. V kriterijsko
funkcijo so vkljuˇcene obremenitve enega sklepa iz zgornjih ekstremitet in enega
iz spodnjih ekspremitet ter lumbosakralni sklep, tako da so zaobjeti vsi kljuˇcni
sklepi telesa. Tabela 3.4 poleg rezultirajoˇcih vrednosti parametrov sprememba
trajanja gibanja s trupom th in gibanja z rokami ta ter zakasnitev zaˇcetka gibanja
s trupom zh in gibanja z rokami za prikazuje tudi relativno srednjo kvadratiˇcno
65
3.4 Optimizacija
razliko (RRMSE) med izhodiˇsˇcnim in optimiziranim potekom poloˇzaja roˇcaja
oziroma dolˇzino potega verige r, kotom v komolcu ω in naklonom trupa ϑ, vsoto
RRMS ter opravljeno delo. Vrstica 1 prikazuje izhodiˇsˇcno stanje, vrstica 2 pa
optimizacijo z delom kot kriterijsko funkcijo iz prejˇsnjega odstavka. S primerjavo
rezultatov vsote RRMSE in video posnetkov smo ocenili, da je v primerih, ko je
vsota RRMSE napak dolˇzine potega verige r, kota v komolcu ω in naklona trupa
ϑ manjˇsa od 1, gibanje relativno podobno obiˇcajni veslaˇski tehniki.
RRMSE
ω
ϑ
P
A
[J]
0,00
0,08
0,00
0,38
1111
1231
0,36
0,54
0,82
0,82
0,40
0,29
0,74
0,74
1,01
1,04
1,99
1,99
1145
829
919
919
0,51
0,20
0,43
0,20
0,87
0,52
0,82
0,52
0,74
0,28
0,74
0,29
2,12
1,00
1,99
1,01
465
842
915
850
–0,99
0,12
–0,50
–0,06
0,45
0,10
0,33
0,18
0,88
0,33
0,84
0,60
0,72
0,13
0,52
0,23
2,04
0,55
1,69
1,01
242
928
968
814
0,45
0,45
0,45
0,45
–0,74
–0,01
–0,01
–0,01
0,42
0,20
0,20
0,20
0,87
0,52
0,52
0,52
0,69
0,28
0,29
0,28
1,98
1,00
1,02
1,00
346
840
848
839
0,01
0,06
0,25
0,02
0,45
0,45
0,45
0,45
–0,01
–0,12
0,25
–0,03
0,20
0,20
0,08
0,20
0,52
0,64
0,15
0,54
0,29
0,26
0,14
0,29
1,02
1,11
0,37
1,04
848
786
1007
829
0,45
0,45
0,06
0,03
0,45
0,45
–0,02
–0,06
0,20
0,21
0,56
0,61
0,28
0,30
1,03
1,12
816
797
0,47
0,47
0,47
–0,20
–0,22
–0,22
0,47
0,47
0,47
0,25
0,25
0,25
0,25
0,26
0,26
0,17
0,17
0,17
0,45
0,47
0,47
0,88
0,90
0,90
1273
1259
1259
#
kriterijska funkcija
th
[s]
zh
[s]
ta
[s]
za
[s]
r
1
2
izhodiˇsˇ
cno stanje
A
0,00
0,25
0,00
0,25
0,00
0,25
0,00
0,25
0,00
0,07
0,00
0,22
3
4
5
6
Fk
dFk
Mk
dMk
0,45
0,45
0,46
0,46
–0,12
0,02
–0,99
–0,99
0,45
0,45
0,46
0,46
0,12
–0,03
0,99
0,99
0,25
0,20
0,43
0,43
7
8
9
10
Fls
dFls
Mls
dMls
0,52
0,45
0,46
0,45
–0,97
0,03
–0,99
0,02
0,52
0,45
0,46
0,45
–0,99
–0,01
0,99
–0,01
11
12
13
14
Fe
dFe
Me
dMe
0,46
0,45
0,45
0,45
0,99
0,25
0,50
0,12
0,46
0,45
0,45
0,45
0,45
0,45
0,45
0,45
0,88
0,03
0,01
0,03
0,45
0,45
0,45
0,45
23
24
P
B = (Fk , dFk , Mk , dMk )
P
C = (Fls , dFls , Mls , dMls )
P
D = (Fe , dFe , Me , dMe )
P
(B, C, D)
P
E=
max(Fk , dFk , Mk , dMk )
P
F =
max(Fls , dFls , Mls , dMls )
P
G=
max(Fe , dFe , Me , dMe )
P
(E, F, G)
P
H = (B r, C r, D r)
P
I = (E r, F r, G r)
25
26
27
X = Hr + A r
Y = I r + Ar
X +Y
15
16
17
18
19
20
21
22
Tabela 3.4: Rezultati optimizacije z razliˇcnimi kriterijskimi funkcijami.
V vrsticah od 3 do 14 so navedeni rezultati optimizacije, kjer je postopek optimizacije minimiziral posamiˇcne obremenitve posameznih sklepov. V teh primerih
je edini rezultat, ki je podoben obiˇcajni tehniki, v primeru ko je za kriterijsko
funkcijo izbrana sprememba sile v komolcu dFe . Pri tem je bilo opravljeno delo A
v vseh primerih (z izjemo sile v kolenu Fk ) manjˇse od zaˇcetnega. Iz teh rezultatov
je mogoˇce zakljuˇciti, da elitni veslaˇci ne optimirajo zgolj posamezne obremenitve
ampak njihovo kombinacijo. Zato smo pogledali vpliv vseh obremenitev posame-
66
Referenˇcni model tehnike veslanja
znega sklepa na veslaˇsko tehniko. Iz rezultatov v vrsticah od 15 do 17 je razvidno,
P
da najmanjˇsa
RMRSE nastopa pri obremenitvah v lumbosakralnem sklepu,
kar pomeni, da imajo obremenitve v tem sklepu najveˇcji vpliv na veslaˇsko tehniko. V tem primeru je tehnika veslanja skoraj podobna obiˇcajni tehniki, a je
opravljeno delo manjˇse od izhodiˇsˇcnega. Enak rezultat je tudi v primeru, ko
upoˇstevamo vse obremenitve vseh treh sklepov (vrstica 18). Vrstice od 19 do 22
prikazujejo, kakˇsen je vpliv na tehniko, ko so za kriterijsko funkcijo izbrane maksimalne obremenitve v sklepih. Iz rezultatov je razvidno, da imajo maksimalne
obremenitve v komolcu (vrstica 21) prevladujoˇc vpliv na tehniko, saj je v tem priP
meru najmanjˇsa
RMRSE in je optimirana tehnika podobna obiˇcajni veslaˇski
tehniki, obenem pa je tudi opravljeno delo najveˇcje. V primerih v vrsticah od 15
do 22 so bili upoˇstevani absolutni vplivi posamezne obremenitve. V primerih v
vrsticah od 23 in do 24 pa smo upoˇstevali njihov relativni vpliv in ugotovili, da je
njihov vpliv podoben. Iz rezultatov sledi, da imajo na veslaˇsko tehniko najveˇcji
vpliv maksimalne obremenitve v komolcu, kar pomeni, da so roke najˇsibkejˇsi ˇclen
kinematiˇcne verige veslaˇca ter da je v primerih, ko optimiziramo obremenitve v
sklepih, opravljeno delo manjˇse od zaˇcetnega stanja.
V kriterijsko fukcijo smo zato dodali ˇse delo A. V primeru, ko so relativno
upoˇstevane vse obremenitve v vseh sklepih in delo, je vpliv obremenitev na kriterijsko funkcijo enak vplivu dela. Rezultat te optimizacije je prikazan v vrstici
P
25. V tem primeru je
RMRSE < 1, gibanje je podobno obiˇcajni veslaˇski
tehniki, obenem pa je delo veˇcje od izhodiˇsˇcnega stanja in tudi od dela, ko je bilo
to uporabljeno za kriterijsko funkcijo. V primerih kriterijskih funkcij, v katerih
nastopa veˇc parametrov, je dimenzija prostora veˇcja, kar pomeni, da je manjˇsa
verjetnost, da se algoritem znajde v lokalnem minimumu. Skoraj enak rezultat
dobimo tudi z uporabo maksimalnih obremenitev in dela (vrstica 26) ter uporabo
vseh obremenitev vseh sklepov, njihove maksimalne vrednosti in delo. Rezultat
pomeni, da bi moral biti gib z rokami in hrbtom hitrejˇsi in tako trajati 0, 47 sekunde manj kot obiˇcajno. Pri tem pa se gib z rokami zaˇcne 0, 22 sekunde kasneje,
gib z rokami pa 0, 25 sekunde prej.
Iz rezultatov je razvidno, da kriterijska funkcija, ki maksimizira delo, minimizira vsoto obremenitev v kolenu, lumbosakralnem sklepu in komolcu ter minimizira maksimalne obremenitve v teh treh sklepih, zagotavlja tehniko, ki je
podobna obiˇcajni veslaˇski tehniki, upoˇsteva zmoˇznosti sklepov in je uˇcinkovita,
saj je rezultirajoˇce delo veˇcje od zaˇcetnega. Ta kriterijska funkcija je zapisana v
67
3.4 Optimizacija
enaˇcbi (3.30) in smo jo uporabili pri nadaljnjem delu.
K = Fk,r + dFk,r + Mk,r + dMk,r +
(3.30)
+ Fls,r + dFls,r + Mls,r + dMls,r +
+ Fe,r + dFe,R + Me,r + dMe,r +
+ max(Fk,r ) + max(dFk,r ) + max(Mk,r ) + max(dMk,r ) +
+ max(Fls,r ) + max(dFls,r ) + max(Mls,r ) + max(dMls,r ) +
+ max(Fe,r ) + max(dFe,r ) + max(Me,r ) + max(dMe,r ) −
− 24 · Ar
Iz enaˇcbe 3.30 je razvidno, da kriterijska funkcija upoˇsteva 24 parametrov
obremenitev. Da je vpliv opravljenega dela enakovreden vplivu obremenitev, je
opravljeno delo v kriterijski funkciji ustrezno uteˇzeno.
3.4.3
Optimizacija tehnike posameznega elitnega veslaˇ
ca
Zanimalo nas je, kako bi posamezen elitni veslaˇc potencialno moral spremeniti
svojo tehniko veslanja za doseganje optimalnih rezultatov. V ta namen so bili
razviti nelinearni dinamiˇcni modeli z desetimi jedrnimi funkcijami za gibanje komolca, rame, hrbta in sedeˇza posameznega elitnega veslaˇca. S spreminjanjem
gibanja naklona hrbta in razdalje med roˇcajem in ramo smo po enakem postopku
kot v prejˇsnjem poglavju izvedli optimizacijo. Uporabili smo dve kriterijski funkciji, in sicer maksimalno delo in kriterijsko funkcijo, ki je podana v enaˇcbi (3.30)
in maksimizira delo, minimizira vsoto obremenitev v kolenu, lumbosakralnem
sklepu in komolcu ter minimizira maksimalne obremenitve v teh treh sklepih.
Tabela 3.5 prikazuje rezultate optimizacije tehnike posameznih elitnih veslaˇcev
s cenilkama delo A in kriterijsko funkcijo K, ki je podana v enaˇcbi (3.30). Optimizacija je doloˇcila spremembo trajanja gibanja s trupom th , zakasnitev zaˇcetka
gibanja s trupom zh , spremembo trajanja gibanja z rokami ta in zakasnitev
zaˇcetka gibanja z rokami za . Prikazane so tudi relativne srednje kvadratiˇcne
razlike RRMSE med optimiziranim potekom in izhodiˇsˇcnim potekom poloˇzaja
roˇcaja r, kota v komolcu ω in naklona trupa ϑ, ter razlika med optimiziranim
delom in izhodiˇsˇcnim delom ∆A. Rezultati kaˇzejo, da bi za dosego optimalnega
veslanja vsi veslaˇci morali zaˇceti prej z gibanjem hrbta in rok, le veslaˇc E4 bi
68
Referenˇcni model tehnike veslanja
moral kasneje zaˇceti gibati hrbet pri kriterijski funkciji dela in veslaˇc E5 po obeh
kriterijskih funkcijah. Rezultati kaˇzejo tudi, da so spremembe tehnike elitnih
veslaˇcev po kriterijski funkciji, ki upoˇsteva opravljeno delo in obremenitve v sklepih manjˇse kot pri kriterijski funkciji, ki upoˇsteva zgolj delo. Gibanje roˇcaja, ki
predstavlja konˇcni rezultat in ima najveˇcji vpliv na opravljeno delo, se pri obeh
kriterijskih funkcijah najmanj spremeni pri veslaˇcu E5, gibanje komolca pri obeh
kriterijskih funkcijah pri veslaˇcu E2, gibanje hrbta pa pri veslaˇcu E4 po cenilki
dela in veslaˇcu E5 pri cenilki dela in obremenitev. Pri tem je potrebno poudariti,
da optimizacija ni bistveno spremenila tehnike veslanja elitnih veslaˇcev. Najveˇcja
sprememba pri kriterijski funkciji dela znaˇsa 0,25 sekunde pri zakasnitvi zaˇcetka
gibanja s trupom zh in zakasnitvi zaˇcetka gibanja z rokami za pri veslaˇcih E1,
E2 in E3. Pri kriterijski funkciji, ki upoˇsteva delo in obremenitve v sklepih pa
najveˇc 0,22 sekunde pri zakasnitvi zaˇcetka gibanja z rokami za pri veslaˇcih E3
in E4. Iz rezultatov je mogoˇce zakljuˇciti, da je tehnika elitnih veslaˇcev optimizirana po naravni poti skozi proces treninga oziroma, da je kriterijska funkcija, ki
upoˇsteva obremenitve v sklepih in delo, kriterij, po katerem veslaˇci prilagajajo
svojo tehniko. Detaljne razlike pri optimizaciji pa lahko trenerji uporabijo kot
eno izmed informacij za naˇcrtovanje treninga.
Cenilka
A
Veslaˇc
E1
E2
E3
K
E4
E5
0,13
0,14
E1
E2
E3
E4
th [s]
0,12 0,12 0,12
zh [s]
0,25 0,25 0,25 –0,05 –0,19
0,16 0,14 0,07 0,02 –0,10
ta [s]
0,12 0,12 0,12
0,13
0,14
0,13 0,13 0,12 0,12
0,12
za [s]
0,25 0,25 0,25
0,22
0,23
0,10 0,04 0,22 0,22
0,21
z
0,17 0,16 0,22
0,08
0,05
0,10 0,09 0,14 0,10
0,05
ω
0,37 0,28 0,33
0,35
0,32
0,08 0,04 0,26 0,35
0,30
ϑ
0,27 0,27 0,27
0,02
0,12
0,19 0,17 0,11 0,07
0,05
180
140
85
123
110
RRMSE
∆A[J]
221
404
0,13 0,13 0,12 0,12
E5
128
269
158
0,12
Tabela 3.5: Rezultati optimizacije tehnike posameznih elitnih veslaˇcev.
3.4.4
Optimizacija tehnike veslaˇ
ca nepoznavalca
Zanimalo nas je, kako bi veslaˇc nepoznavalec moral spremeniti svojo tehniko, da
bi dosegel optimalen rezultat. Na podlagi eksperimentalnih podatkov veslaˇca ne-
69
3.4 Optimizacija
poznavalca N4 so bili narejeni nelinearni dinamiˇcni modeli z desetimi jedrnimi
funkcijami za gibanje komolca, rame, hrbta in sedeˇza. Ker nepoznavalec, kot je
razvidno iz poglavja 2, ne izkoristi celega obmoˇcja gibanja, je bila na modelu
najprej izvedena optimizacija, ki je z istim parametrom skalirala naklon trupa,
kot v komolcu in kot v rami ter vnasla interval ˇcakanja sedeˇza, ko so noge iztegnjene, s ˇcimer je spremenila razmerje trajanja potega in povratka. Za kriterijsko
funkcijo smo uporabili maksimalno opravljeno delo. Robni pogoj za skaliranje je
bil doloˇcen na [1; 6], kar pomeni, da je je optimizacija lahko poveˇcala vrednosti
parametrov za petkrat, za interval ˇcakanja sedeˇza pa [0, 4; 2, 5], kar pomeni, da
bi veslaˇc nepoznavalec moral ˇcakati med 0,4 in 2,5-krat toliko ˇcasa kot je ˇcakal
pri izhodiˇsˇcni tehniki. Rezultat optimizacije kaˇze, da bi veslaˇc nepoznavalec za
dosego primerne tehnike moral poveˇcati obmoˇcja gibanje trupa in rok za petkrat,
hkrati pa po koncu odriva z nogami pavzo pred zaˇcetkom vraˇcanja na zaˇcetek zavesljaja podaljˇsati za faktor 2,1. Pri tem velja opozoriti, da rezultat optimizacije
niso robni pogoji, kar pomeni, da postopek optimizacije ni kot optimalnega rezultata podal najveˇcjega moˇznega obmoˇcja gibanja in najveˇcje spremembe razmerja
faz zavesljaja.
Na optimiziranem modelu smo zatem izvedli ˇse enako vrsto optimizacije, kot
je bila izvedena pri posameznih elitnih veslaˇcih in je popravila ˇcasovne parametre
gibanja hrbta in rok. Rezultat je prikazan v tabeli 3.6 in na sliki 3.24. Rezultat bi
lahko ocenili kot tehniko, ki v grobem ustreza primerni veslaˇski tehniki, medtem
ko detajli odstopajo, saj je bilo za njeno dosego uporabljeno zgolj skaliranje in
ˇcasovna modifikacija parametrov v celoti in ne po posameznih delih zavesljaja.
Cenilka
A
th [s]
0,12
P
(F, M, A)
zh [s]
–0,11
–0,05
ta [s]
0,12
0,12
za [s]
0,12
0,18
0,12
Tabela 3.6: Rezultat optimizacije veslaˇca nepoznavalca.
70
Referenˇcni model tehnike veslanja
0
Kot v komolcu [◦ ]
Naklon trupa [◦ ]
40
20
0
-20
-40
0
1
2
-80
-120
0
3
0
1
2
3
2
3
1500
-0,5
Delo A[J]
Poloˇzaj roˇcaja [m]
-40
-1
-1,5
-2
0
1
ˇ t[s]
Cas
Izhodiˇsˇcno stanje
2
1000
500
3
Optimirano stanje
0
0
1
ˇ t[s]
Cas
Optimirano stanje elitnih veslaˇcev
Slika 3.24: Izhodiˇsˇcni in optimirani poteki naklona trupa (zgoraj levo), kota
v komolcu (zgoraj desno), poloˇzaja roˇcaja (spodaj levo) in dela (spodaj levo)
nepoznavalca N4.
3.5
Zakljuˇ
cek
V tem poglavju je predstavljen razvoj referenˇcnega modela primerne tehnike veslanja. Eno izmed glavnih vodil pri naˇcrtovanju je bilo, da je mogoˇce v realnem ˇcasu zagotoviti referenˇcne vrednosti biomehanskih parametrov. Za doloˇcitev
posameznih biomehanskih parametrov so bile uporabljene razliˇcne metode, pri
ˇcemer so bili parametri ustrezno normirani, tako da referenˇcni modeli veljajo ne
glede na telesne znaˇcilnosti veslaˇca. Metoda mehke logike je bila uporabljena za
modeliranje naklona trupa, kota verige in poloˇzaja sedeˇza, nelinearni dinamiˇcni
sistemi za modeliranje gibanja roˇcaja, matematiˇcno modeliranje za doloˇcanje telesne drˇze in trajanje faz zavesljaja, referenˇcno obmoˇcje za dolˇzino zavesljaja,
maksimalne vrednosti naklona trupa in maksimalne vrednosti sil ter Gaussov
model posamezne toˇcke vzorˇcenja za doloˇcitev oblike krivulje sil.
Podrobneje smo analizirali uporabo nelinearnih dinamiˇcnih sistemov za modeliranje veslanja. Najprej smo razvili generatorje trajektorij roˇcaja pri veslanju na
simulatorju z razliˇcnim ˇstevilom jedrnih funkcij. Rezultati kaˇzejo, da je primerno
uporabiti deset jedrnih funkcij, saj se pri tem ˇstevilu zagotovi majhno napako
3.5 Zakljuˇcek
71
modeliranja in veliko podobnost med modeli elitnih veslaˇcev. Velika podobnost
modelov obenem potrjuje, da elitni veslaˇci roˇcaj vodijo po podobni trajektoriji in
imajo skupne vzorce, ki se lahko uporabijo za naˇcrtovanje primerne trajektorije
gibanja roˇcaja v sistemu za vadbo veslanja.
Za namen optimizacije modelov, ki so zgrajeni na podlagi eksperimentalnih
podatkov elitnih veslaˇcev, smo najprej razvili dinamiˇcni model spodnjih ekstremitet po dveh metodah, in sicer z uporabo zapisa Lagrangeovih enaˇcb gibanja in
izgradnjo direktnega dinamiˇcnega modela v grafiˇcnem okolju SimMechanics programskega paketa. Ker je bilo odstopanje med obema modeloma majhno, smo
v nadaljevanju razvili SimMechanics direktni dinamiˇcni model celotnega veslaˇca.
Za modeliranje bremena na roˇcaju smo razvili model vetrnega kolesa. Za generator poloˇzaja sedeˇza in generator naklona trupa smo uporabili kombinacijo nelinearnih dinamiˇcnega modelov in mehke logike, za generatorja kota v komolcu in
kota v rami pa nelinearne dinamiˇcne modele. Ugotovili smo, da kriterijska funkcija, ki maksimizira delo, minimizira vsoto obremenitev v kolenu, lumbosakralnem
sklepu in komolcu ter minimizira maksimalne obremenitve v teh treh sklepih, zagotavlja tehniko, ki je podobna izhodiˇsˇcni veslaˇski tehniki, upoˇsteva zmoˇznosti
sklepov in je uˇcinkovita, saj je rezultirajoˇce delo veˇcje od zaˇcetnega. To kriterijsko funkcijo smo zato uporabili za optimizacijo tehnike posameznega elitnega
veslaˇca. Optimizacija ni bistveno spremenila tehnike veslanje elitnih veslaˇcev, kar
pomeni, da je tehnika elitnih veslaˇcev optimizirana po naravni poti skozi proces
treninga oziroma, da je kriterijska funkcija, ki kombinirano upoˇsteva obremenitve v sklepih in delo, kriterij, po katerem veslaˇci prilagajajo svojo tehniko. Da
bi tehniko veslaˇca nepoznavalca pribliˇzali tehniki podobni elitnim veslaˇcem, smo
na modelu najprej izvedli optimizacijo, ki je spremenila vrednosti naklona trupa,
kota v komolcu in rami ter spremenila razmerje trajanja potega in povratka, na
rezultatih te optimizacije pa smo izvedli ˇse optimizacijo z ugotovljeno kriterijsko
funkcijo veslanja. Rezultat postopkov oprimizacije veslaˇca nepoznavalca je model s parametri, ki so primerljivi s parametri veslaˇca, ki vesla s primerno tehniko.
Glavna pomanjkljivost optimizacije je, da smo spreminjali lastnosti posameznega
parametra preko celega zavesljaja in ne razliˇcno po posameznih delih zavesljaja.
Razviti in optimizirani modeli, ki doloˇcajo kljuˇcne parametre veslanja, bodo
uporabljeni kot generatorji referenˇcnih vrednosti v sistemu za uˇcenje veslaˇske
tehnike.
4.
Sistem za sprotno posredovanje celovite povratne informacije
V tem poglavju sta predstavljena razvoj in evalvacija sistema za sprotno posredovanje celovite povratne informacije veslaˇcu na simulatorju. Razvoj sistema je
potekal po konceptu za naˇcrtovanje interakcije med ˇclovekom in raˇcunalnikom,
ki se osredotoˇca na uporabnost [105] in je prikazan na sliki 4.1. Po zasnovi sistema smo izvedli programiranje, nato soˇcasno izvajali odkrivanje napak in izvedli
test uporabe ter nato zasnovani sistem modificirali glede na rezultate testiranj.
Zasnovani sistem uporablja vizualno povratno informacijo za predstavitev veslaˇca s sprotnimi navodili za izboljˇsanje tehnike. Sistem se osredotoˇca na izvedbo
(ang. “knowledge of performance”) in z navideznem ogledalom zdruˇzuje principa
posredovanja vizualne video povratne informacije in videomodeliranja. Sistem
spremlja telesno drˇzo, ritem in zunanje sile kot tri najpomembnejˇse dejavnike
tehnike veslanja in podaja povratno informacijo na treh ravneh. Telesna drˇza
ima najveˇcjo prioriteto in pomeni osnovno raven uˇcenja. Ko jo uporabnik osvoji,
napreduje na viˇsjo raven uˇcenja ritma in nato ˇse uˇcenja poteka sile. Na vsaki
ravni se trenutno gibanje uporabnika primerja z referenˇcnim modelom in na podlagi odstopanj so podana navodila za izboljˇsanje. Sistem je bil zasnovan tako,
da deluje v realnem ˇcasu in je povezljiv z drugimi elementi sistema za uˇcenje
tehnike veslanja. Vizualna povratna informacija vsebuje navidezno zrcalo, grafe,
vrednosti parametrov in besedilo. Navidezno zrcalo v obliki dveh figur podaja
informacijo o trenutni drˇzi subjekta in referenˇcno drˇzo. Grafi so uporabljeni za
posredovanje informacije o sili, vrednosti parametrov o dolˇzini zavesljaja, trajanju faz zavesljaja, frekvenci veslanja, maksimalnih vrednostih sil, delu in naklonu
trupa. Besedilo je uporabljeno za podajanje navodil. Zvoˇcna povratna informacija opozori subjekt na posebne dogodke in velike razlike od referenˇcne tehnike.
Za evalvacijo uporabnosti in razumljivosti zasnovane povratne informacije je 21
prostovoljcev uporabilo sistem v simulacijskem naˇcinu delovanja. Rezultati so
73
74
replacemen
Sistem za sprotno posredovanje celovite povratne informacije
pokazali, da uporabniki intuitivno razumejo prejeto informacijo.
Odkrivanje napak
Zasnova
Programiranje
Test uporabe
Modificiranje
Slika 4.1: Koncept za naˇcrtovanje interakcije med ˇclovekom in raˇcunalnikom.
4.1
4.1.1
Metode
Tehnika veslanja
Veslaˇski zavesljaj je sestavljen iz ˇstirih faz: zaˇcetka, potega, konca in povratka.
Posebno pomembna je drˇza telesa v posamezni fazi [1]. Slika 4.2 prikazuje drˇzo
telesa ob zaˇcetku in koncu zavesljaja. Ob zaˇcetku ali prijemu so roke sproˇsˇceno
iztegnjene, hrbet je zravnan, trup rahlo nagnjen naprej, kolena pa so pokrˇcena v
mejah njihove gibljivosti. Poteg se zaˇcne z odrivom nog (trup in roke ostanejo
v poloˇzaju zaˇcetka). Ko so noge popolnoma iztegnjene, sledi poteg roˇcaja z
rokami proti telesu in istoˇcasni nagib trupa rahlo nazaj. Sledi zakljuˇcek ali konec
zavesljaja s potegom roˇcaja pod prsmi, trup je rahlo nagnjen nazaj (hrbtenica
zravnana), noge so popolnoma iztegnjene. Pri vraˇcanju se najprej iztegnejo roke,
sledi nagib trupa rahlo naprej (hrbet ostane zravnan). Ko je roˇcaj v poloˇzaju
prek kolen, sledi pokrˇcenje nog in zadrˇzanje poloˇzaja telesa do prijema. Veslaˇc
izvaja gibe cikliˇcno v zgoraj navedem vrstnem redu.
Najpogostejˇse napake tehnike veslanja in napotki, kako jih odpraviti, so [1]:
• Veslaˇc pokrˇci roke v fazi potega, ˇse preden so noge iztegnjene do konca.
Popravek: roke naj bodo iztegnjene vse do trenutka, ko se noge iztegnejo
ˇ ko roke pridejo ˇcez kolena, sledi krˇcenje rok.
do konca. Sele
• Veslaˇc iztegne noge v zaˇcetni fazi potega brez premikanja roˇcaja.
Popravek: trup naj se uporabi za povezavo zgornjih in spodnjih ekstremitet.
Medenica in roˇcaj se morata zaˇceti premikati skupaj.
• Veslaˇc ima zgornji del telesa med povratkom preveˇc pokonˇcen.
Popravek: med povratkom naj se roke iztegnejo ˇcez kolena, nato naj se
zgornji del telesa rahlo nagne naprej, nato ˇsele sledi krˇcenje nog.
75
4.1 Metode
Konec
Zaˇcetek
ϕs
ϕf
Poteg (td )
Povratek (tr )
hs
l
hf sf
Slika 4.2: Drˇza telesa ob zaˇcetku in koncu zavesljaja.
• Veslaˇc se ob koncu zavesljaja z zgornjim delom telesa preveˇc nagne nazaj.
Popravek: zgornji del telesa se ne sme nagniti nazaj za veˇc kot 5 do 10
stopinj. Ob koncu zavesljaja se nagne nazaj za pribliˇzno toliko kot med
povratkom naprej.
• Veslaˇc spreminja viˇsino drˇzalo roˇcaja.
Popravek: veriga in roˇcaj sta ves ˇcas vzporedna s tlemi.
• Veslaˇc v fazi konca zavesljaja roˇcaj zadrˇzi ob trebuhu.
Popravek: ne sme se odlaˇsati s prehodom od konca do povratka. Takoj ko
pride roˇcaj do konca zavesljaja, je treba iztegniti roke.
Spremenljivke, ki definirano zavesljaj, so poloˇzaj sedeˇza na zaˇcetku zavesljaja
sf , poloˇzaj roˇcaja h in naklon trupa ϕ na zaˇcetku in koncu zavesljaja, dolˇzina
zavesljaja l kot razlika med poloˇzajem roˇcaja na zaˇcetku hs in koncu zavesljaja
hf , trajanje faze potega td in faze povratka tr , najveˇcja vrednost sile na roˇcaju
fp,max in njen nastanek glede na poloˇzaj roˇcaja fp,h .
76
Sistem za sprotno posredovanje celovite povratne informacije
4.1.2
Modul za posredovanje povratne informacije
Modul za posredovanje povratne informacije je sestavljen iz grafiˇcnih elementov
za sprotno predstavitev kompleksnega zaporedja gibov veslanja na simulatorju in
omogoˇca uporabniku, da sproti opazuje lastno telesno drˇzo in glavne biomehanske
parametre. Na podlagi pregleda literature je bil modul za posredovanje povratne
informacije zasnovan na podlagi principov:
• Osredotoˇcenost na izvedbo: pomembno je, da se zaˇcetniki nauˇcijo primerne
tehnike brez posveˇcanja posebne pozornosti sami hitrosti veslanja.
• Sprotna informacija: veslanje je cikliˇcno gibanje, zato se podatki o izvedenem zavesljaju lahko uporabi za navodila pri naslednjem zavesljaju.
• Video povratna informacija in videomodeliranje: pomembno je, da zaˇcetnik
vidi lastno gibanje in referenˇcno gibanje.
• Navodila za odpravljanje napak: pomembno je, da zaˇcetniki dobijo navodila, kako spremeniti svoje gibanje, da bodo osvojili primerno tehniko
veslanja.
Cilj zasnove modula za posredovanje povratne informacije je bil, da je posredovana informacija enostavna in intuitivna. Podajanje povratne informacije je
razdeljeno na tri stopnje, ki so prikazane na sliki 4.3. Prva stopnja se osredotoˇca
na telesno drˇzo in vkljuˇcuje informacije o dolˇzini zavesljaja, poloˇzaju sedeˇza,
naklonu trupa in zaporedju gibanja delov telesa. Druga stopnja se posveˇca kinematiki gibanja, ki je vsebovano v trajanju faz zavesljaja. Tretja stopnja pa
je kinetika gibanja, ki jo predstavlja ˇcasovni potek sil in najveˇcja vrednost sile
na roˇcaju. Ko veslaˇc usvoji spretnosti posamezne stopnje, napreduje na naslednjo. Z razdelitvijo na stopnje je bilo zagotovljeno, da se vadeˇcemu ne posreduje
preveˇc informacij hkrati, ampak se pozornost usmeri na kljuˇcne elemente veslaˇske
tehnike.
Na vseh stopnjah se uporabljajo enake barvne oznaˇcbe. Rdeˇca pomeni nepravilno gibanje, zelena pravilno, medtem ko rumena srednje stanje. Uporabnikovi
podatki so prikazani modro, sploˇsne informacije pa so ˇcrne.
Glavni vizualni element vseh stopenj je virtualno ogledalo [106]. Virtualno
ogledalo je animacija z dvema ˇcloveˇskima figurama: figura, ki je na zaslonu bliˇze
77
4.1 Metode
replacemen
Nivo 1
Drˇ
za telesa
- dolˇzina zavesljaja
- poloˇzaj sedeˇza
- naklon trupa
- zaporedje gibanja segmentov
Nivo 2
Ritem
- trajanje faz zavesljaja
Nivo 3
Sile
- potek sil
- najveˇcja vrednost sile na roˇcaju
Slika 4.3: Koncept stopenjskega podajanja povratne informacije.
uporabniku, predstavlja njegovo trenutno telesno drˇzo, figura, ki je zadaj v senci,
pa referenˇcno drˇzo telesa. Referenˇcni poloˇzaj telesa je doloˇcen glede na trenutni
uporabnikov poloˇzaj roˇcaja.
Na prvi stopnji je obmoˇcje gibanja roˇcaja med zavesljajem oznaˇceno, kot
je prikazano na sliki 4.4. Obmoˇcje je oznaˇceno z barvo, skladno z barvnimi
oznaˇcbami. Poleg tega sistem glede na pravilnost izvajanja zavesljaja podaja
pisno navodilo. Pri tem so navodila uteˇzena glede na prispevek parametra k
opravljenemu delu zavesljaja. Na primer: “zravnajte noge na koncu zavesljaja”
ima najveˇcjo uteˇz, “povlecite roˇcaj vse do trebuha” drugo, “iztegnite se bolj
proti vetrnemu kolesu” tretjo in “pazite na naklon trupa” ˇcetrto. Tako imajo v
celoti iztegnjene noge na koncu zavesljaja prednost pred drˇzo telesa, sledi dolˇzina
zavesljaja in naklon trupa. Po treh zaporedno izvedenih zavesljajih s pravilno
telesno drˇzo uporabnik napreduje na naslednjo stopnjo.
Na drugi stopnji, poimenovani ritem, sta trajanji faz potega in povratka
doloˇceni z referenˇcnim modelom v skladu z uporabnikovim tempom veslanja.
Tempo je predstavljen s ˇstevilsko vrednostjo. Trajanje referenˇcne vrednosti faze
potega in faze povratka je predstavljeno grafiˇcno z velikostjo stolpiˇcev. Trajanje
faz uporabnika je predstavljeno z oˇzjima stolpiˇcema nad referenˇcnima stolpiˇcema,
kot je prikazano na sliki 4.5. Poleg tega sistem lahko poda navodilo “hitrejˇsi poˇ uporabnik
teg, poˇcasnejˇsi povratek” in prikaˇze puˇsˇcico v smeri gibanja potega. Ce
78
Sistem za sprotno posredovanje celovite povratne informacije
Slika 4.4: Povratna informacija o drˇzi telesa.
nima pravilne drˇze telesa med zavesljajem na tej stopnji, ga sistem najprej opomni
ˇ uporabnik
z zvoˇcnim signalom in pisnim navodilom: “Pazi na telesno drˇzo.” Ce
napako popravi v naslednjih treh zavesljajih, ostane na tej stopnji, sicer ga sistem vrne na prvo stopnjo. Ko uporabnik izvede tri zavesljaje z ustreznim ritmom,
napreduje na naslednjo stopnjo.
Slika 4.5: Povratna informacija o ritmu.
Tretja stopnja se osredotoˇca na sile zavesljaja. Sila na roˇcaju je prikazana
z modro krivuljo, na podlagi, ki prikazuje referenˇcno obmoˇcje, kot je prikazano
na sliki 4.6. Vrednosti sile so normirane glede na njeno najveˇcjo vrednost sile
79
4.1 Metode
prejˇsnjega zavesljaja. Poloˇzaj sile je predstavljen na abscisni osi grafa in se
ujema s krajem nastanka med zavesljajem. Poleg oblike krivulje je z velikostjo vektorja/puˇsˇcice prikazano najveˇcje odstopanje sile od referenˇcne vrednosti,
s poloˇzajem pa kraj nastanka. Najveˇcja vrednost sile na roˇcaju posameznega
zavesljaja je bila sprva zasnovana kot velikost stolpiˇca, vendar je bila pozneje zamenjana s kazalcem in merilnim ˇstevcem. Sila na opori noge je podana z uporabo
vektorja, ki z velikostjo prikazuje najveˇcje odstopanje sile na opori za noge od
referenˇcne vrednosti, s poloˇzajem pa ˇcas nastanka te sile glede na poloˇzaj roˇcaja.
ˇ uporabnik ne vesla s pravilno drˇzo telesa ali ritmom, ga sistem najprej opoCe
mni z zvoˇcnim signalom in pisnim navodilom “pazi na telesno drˇzo” ali “pazi na
ˇ uporabnik napako popravi v naslednjih treh zavesljajih, ostane na tej
ritem”. Ce
stopnji, drugaˇce ga sistem vrne na ustrezno stopnjo.
Slika 4.6: Povratna informacija o silah.
Za izdelavo animacije, grafiˇcne, tekstovne in zvoˇcne povratne informacije je bil
uporabljen raˇcunalniˇski program Musculo-Sceletal Modelling Software – MSMS
(Medical Device Development Facility, University of Southern California (Ver.
2.2), Los Angeles, CA) [107, 108, 109]. Program MSMS omogoˇca animacije v
realnem ˇcasu in vkljuˇcuje orodja za povezovanje s programom Matlab Simulink
in orodjem xPC Target (The MathWorks, Natict, MA), kjer poteka zajemanje
podatkov v realnem ˇcasu in sprotna analiza biomehanskih parametrov ter njihova
primerjava z referenˇcnim modelom.
80
Sistem za sprotno posredovanje celovite povratne informacije
Slika 4.7 prikazuje konceptualno shemo sistema za posredovanje povratne informacije. Model MSMS je bil sestavljen iz kombinacije 135 sklepov in 136 segmentov, pri ˇcemer so bili grafiˇcni objekti, ki so bili izdelani v programu Autodesk
3ds Max (Autodesk, San Rafael, CA), uporabljeni kot slike in pomenijo elemente
povratne informacije. Virtualni model v MSMS je voden prek programa Matlab Simulink in UDP-protokola za prenaˇsanje paketov, kar omogoˇca obdelavo
podatkov in izvajanje povratne animacije v realnem ˇcasu. V modelu Simulink je
bil uporabljen referenˇcni model referenˇcne tehnike. Na podlagi razlikovanja vrednosti parametrov subjekta od referenˇcnega modela algoritmi modela Simulink
za vodenje MSMS doloˇcijo 140 lastnosti objektov modela MSMS (1 za pogled
kamere, 2 za pisanje teksta, 1 za prikazovanje trajektorije, 100 za animacijo navideznega ogledala, 21 za vidnost segmentov, 7 za poloˇzaj, 6 za velikost, 2 za barvo
segmentov). Vodilo pri izdelavi je bilo ˇcim manjˇse ˇstevilo doloˇcanja lastnosti.
Grafični
objekti
Merilni sistem
Autodesk 3ds Max
Referenčni model
primerne tehnike
Matlab Simulink
Vodenje MSMS
modela
UDP
povezava
Model
MSMS
Slika 4.7: Konceptualna shema sistema za posredovanje povratne informacije.
Za izvedbo evalvacije uporabnosti in razumljivosti povratne informacije je bil
merilni modul sistema za vadbo veslanja na simulatorju nadomeˇsˇcen s simulacijskim modelom in grafiˇcnim uporabniˇskim vmesnikom (GUI), ki sta bila zgrajena
v Matlab Simulinku, kar prikazuje slika 4.7. Uporabnikovo veslanje je bilo simulirano na podlagi eksperimentalnih podatkov [19]. Udeleˇzenec je lahko spreminjal
simulirano veslanje prek grafiˇcnega uporabniˇskega vmesnika, ki je prikazan na
sliki 4.9 in je sestavljen iz osmih oznaˇcenih drsnikov. Vsak drsnik je spreminjal
vrednost enega parametra: poloˇzaj roˇcaja na koncu zavesljaja hf , poloˇzaj roˇcaja
na zaˇcetku zavesljaja hs , nagib trupa na koncu zavesljaja ϕf , nagib trupa na
zaˇcetku zavesljaja ϕs , trajanje faze potega td , trajanje faze povratka tr , poloˇzaj
nastanka najveˇcje sile na roˇcaju fp,h in vrednost najveˇcje sile na roˇcaju fp,max . Drsniki so bili na grafiˇcnem uporabniˇskem vmesniku zdruˇzeni v pare, ki doloˇcajo iste
funkcionalne lastnosti (poloˇzaj roˇcaja, naklon trupa, trajanje faz, sile). Zaˇcetne
81
4.1 Metode
vrednosti drsnikov so bili nastavljene tako, da simulirano veslanje ni bilo tehniˇcno
ustrezno, tako da se roˇcaj ni gibal po celotnem obmoˇcju, naklon trupa je bil pokonˇcen ˇcez ves zavesljaj, trajanje faz potega in povratka je bilo enako, nastanek
najveˇcje sile zavesljaja na roˇcaju je bil premaknjen in vrednost premajhna.
GUI
Simulacijski model veslanja
Referenčni model
primerne tehnike
Vodenje MSMS
modela
Matlab Simulink
UDP
povezava
Model
MSMS
Slika 4.8: Konceptualna shema sistema za evalvacijo posredovanja povratne informacije.
4.1.3
Udeleˇ
zenci
Pri poskusu preverjanja uporabniˇske izkuˇsnje je sodelovalo 21 prostovoljcev (3
ˇzenske, 18 moˇskih v starosti od 19 do 32 let, povpreˇcje 22,4 leta, srednja starost
22 let) iz razliˇcnih ˇsol univerze, ki niso imeli predhodnih izkuˇsenj z veslanjem.
4.1.4
Protokol poskusa
Udeleˇzencem je bil pred poskusom razloˇzen cilj ˇstudije, to je razumevanje prejetih
navodil, delovanje uporabniˇskega vmesnika in osnovna veslaˇska terminologija, to
je zaˇcetek in konec zavesljaja ter fazi potega in povratka. Elementi povratne
informacije jim niso bili razloˇzeni, ampak je bilo ugotavljanje njihovega pomena
prepuˇsˇceno uporabnikom, da smo lahko ocenili intuitivnost posameznih elementov
povratne informacije. Med poskusom so udeleˇzenci sedeli pred raˇcunalniˇskim
zaslonom in z miˇsko premikali drsnike grafiˇcnega vmesnika. Njihova naloga je
bila doseˇci primerno tehniko veslanja s ˇcim manjˇsim ˇstevilom premikov drsnikov.
ˇ ni bil omejen, udeleˇzenci pa so lahko med poskusom podajali komentarje, ki
Cas
smo jih zabeleˇzili. Po konˇcanem poskusu je bila izvedena anketa o razumljivost
in dojemanju povratne informacije.
82
Sistem za sprotno posredovanje celovite povratne informacije
Slika 4.9: Grafiˇcni uporabniˇski vmesnik.
4.2
Rezultati
Vsi udeleˇzencu so uspeˇsno konˇcali poskus, kar pomeni, da so bili sposobni napredovati prek vseh treh stopenj in doseˇci primerno tehniko veslanja na simulatorju.
V tabeli 4.1 je predstavljeno, koliko sprememb drsnika je bilo treba izvesti med
poskusom. Predstavljene so povpreˇcne, najveˇcje, najmanjˇse in srednje vrednosti.
Drsnik
hf
Povpreˇcje
hs
ϕf
5,1 4,4 4,2
ϕs
td
tr
3,2 3,8 3,3
fp,h
fp,max
3,1
4,0
Najmanj
1
1
2
1
1
1
1
2
Najveˇc
15
10
7
5
7
8
10
8
Mediana
4
4
4
3
3
3
2
3
ˇ
Tabela 4.1: Stevilo
premikov drsnikov.
83
4.2 Rezultati
V tabeli 4.2 so predstavljeni rezultati odgovorov na vpraˇsanje: “Je bila prejeta
povratna informacija razumljiva?” Pri tem se vpraˇsanje ˇstevilka 1 nanaˇsa na
podroˇcje gibanja roˇcaja, ˇstevilka dve na naklon trupa, ˇstevilka 3 na ritem, ˇstevilka
4 na obliko krivulje sile, ˇstevilka 5 na najveˇcjo vrednost sile ter ˇstevilka 6 na
barvne oznaˇcbe. Udeleˇzenci so izbrali med tremi podanimi odgovori: “takoj
oziroma dobro razumljivo”, “pozneje oziroma teˇze razumljivo” in “ne oziroma ni
razumljivo”. Moˇzni odgovori pri ˇsestem vpraˇsanju so bili “da”, “da, vendar ne
konsistentno” in “ne”.
Vpraˇsanje
1
2
3
4
5
6
Takoj
15
15 18 18
6
19
Kasneje
6
5
3
3
12
2
Ne
0
1
0
0
3
0
Tabela 4.2: Odgovori na vpraˇsanje o razumljivosti navodil.
Udeleˇzence smo tudi zaprosili, naj podajo svoje komentarje. Prejeti komentarji so bili razvrˇsˇceni in razdeljeni po skupinah, in sicer:
1. Komentarji o navideznem ogledalu:
(a) Zakaj sta dve figuri – katera sem jaz? To postane jasno, ko se spremeni
parameter (7-krat).
(b) Na zaˇcetku sem bil zmeden (2-krat).
(c) Dobrodoˇslo bi bilo navodilo “sledi referenci” (2-krat).
(d) Oznaˇcite, katera oseba je uporabnik.
(e) Figura v ozadju je v pomoˇc.
2. Komentarji o obmoˇcju gibanja roˇcaja:
(a) Navodilo “iztegnite se bolj” je dvoumno.
3. Komentarji o naklonu trupa :
(a) Za gibanje roˇcaja sta dve loˇceni navodili za zaˇcetek in konec, medtem
ko je za naklon trupa zgolj eno navodilo.
(b) Treba bi bilo navesti dve loˇceni navodili: “nagni se nazaj na koncu
zavesljaja” in “nagni se naprej na zaˇcetku zavesljaja”.
84
Sistem za sprotno posredovanje celovite povratne informacije
(c) Nisem vedel, kaj je narobe, ko se je pojavilo navodilo: “Pazi na naklon
trupa.” Je bilo preveˇc, premalo, kje?
(d) Zelo jasna navodila.
4. Komentarji o ritmu:
(a) Raje bi videl, da referenˇcna figura vsiljuje ritem, jaz pa moram ponavljati za njo (2-krat).
(b) Bil sem zmeden ob soˇcasnem navodilu hitreje-poˇcasneje (2-krat).
(c) Bil sem zmeden pri krajˇsem trajanju faze zavesljaja in navodilom o
hitrejˇsem gibanju.
(d) Informacija o poˇcasnejˇsem povratku je degradirana glede na informacijo o hitrejˇsem potegu.
(e) Vkljuˇcite manjˇso puˇsˇcico v smeri faze povratka.
(f) Podatek o tempu veslanja nima pomena, raje bi videl merilni ˇstevec.
(g) Poskusite imeti vsa pisna navodila na istem mestu.
(h) Puˇsˇcica je v pomoˇc.
5. Komentarji o krivulji sile:
(a) Predhodno bi bila potrebna informacija o naˇcinu prikaza sile.
(b) Informacija o obliki krivulje je manj jasna kot pri drugih elementih.
(c) Puˇsˇcica, ki nakazuje najveˇcjo razliko med silama, ni potrebna.
(d) Dobro bi bilo videti predhodne krivulje za primerjavo.
6. Komentarji o najveˇcji vrednosti sile:
(a) Teˇzko je ugotoviti pomen merilnega ˇstevca (5-krat).
(b) Pri veˇcji sili bi priˇcakoval viˇsjo krivuljo (3-krat).
(c) Raje bi imel tekstovno navodilo “potegni moˇcneje” (2-krat).
(d) Namesto merilnega ˇstevca bi raje videl skaliranje referenˇcne krivulje.
(e) Najbolj nejasen del, ampak ko sem ugotovil pomen, je bilo jasno.
7. Komentarji o barvah:
4.3 Diskusija
85
(a) Pomagalo bi, ˇce bi bil pomen barv razloˇzen pred zaˇcetkom poskusa.
(b) Barve so smiselne.
8. Sploˇsni komentarji:
(a) Osredotoˇciti sem se moral na grafiˇcni vmesnik namesto na vizualizacijo
(2-krat).
(b) Moral sem se osredotoˇciti, kje sta zaˇcetek in konec: lepo bi bilo , ˇce bi
sistem sam podal to informacijo.
(c) Uˇcinkovito bi bilo neobvezno predstaviti primerno tehniko pred
zaˇcetkom.
(d) Dobro, da so podana navodila.
(e) Dobro bi bilo, ˇce bi pomembna navodila utripala.
(f) Dokaj standardno podana informacija – razumljivo.
4.3
Diskusija
Cilj raziskave je ugotoviti uporabnikovo razumevanje povratne informacije o pravilni tehniki veslanja na simulatorju. Prejeti komentarji imajo veliko vrednost,
saj so jih uporabniki podali na lastno pobudo in se veˇcinoma navezujejo na izboljˇsanje kakovosti povratne informacije. Rezultati kaˇzejo, da je uporaba navideznega ogledala primeren naˇcin zdruˇzevanja videa in videomodeliranja, saj je
ˇ
uporabnikom razumljivo tudi brez predhodne razlage. Ceprav
je 11 udeleˇzencev
dejalo, da so bili zmedeni, ko so videli dve figuri, pa je ob spremembi parametrov
namen postal jasen. Uporaba realnega sistema v sistemu za uˇcenje veslaˇske tehnike bo predvidoma ˇse bolj intuitivna, saj bodo parametri povezani z dejanskim
gibanjem udeleˇzenca.
Rezultati kaˇzejo, da sta veˇc kot dve tretjini udeleˇzencev takoj razumeli informacije o ustrezni telesni drˇzi. En udeleˇzenec je imel veliko ˇstevilo premikov
drsnikov hf in hs , saj se je igral z drsnikoma in ugotavljal, kako delujeta. Pravilno
gibanje roˇcaja je bilo doseˇzeno s srednjo vrednostjo 4 premikov drsnika. Samo en
udeleˇzenec je podal komentar o navodilih s podroˇcja gibanja roˇcaja, in sicer da je
navodilo “iztegnite se bolj” dvoumno. Primeren naklon trupa je bil v povpreˇcju
doseˇzen celo hitreje od ustreznega gibanja roˇcaja. Trije komentarji navajajo, da
86
Sistem za sprotno posredovanje celovite povratne informacije
pisna navodila niso tako natanˇcna, kot so pri obmoˇcju gibanja roˇcaja, in da bi
raje imeli podobno natanˇcna navodila.
Na stopnji ritma so bila navodila ˇse bolj razumljiva, saj je 85 % udeleˇzencev
ˇ
odgovorilo, da jih razumejo takoj, preostali pa, da so jih razumeli pozneje. Stevilo
premikov drsnikov podpira to ugotovitev, saj je srednja vrednost tako za trajanje potega kot trajanje povratka trije premiki. Kljub boljˇsemu razumevanju te
stopnje od tiste o telesni drˇzi je veˇc udeleˇzencev podalo komentarje o tej fazi.
Predlog dveh udeleˇzencev je bil, da bi morala referenˇcna figura vsiljevati ritem,
medtem ko bi ji subjekt poskuˇsal slediti. Tak naˇcin delovanja je implementiran
in opisan v poglavju 3.
Povratna informacija na tretji stopnji je bila ocenjena kot razumljiva. Na tej
stopnji je bilo treba izvesti najmanj premikov drsnikov, da bi dosegli referenˇcne
vrednostih. Kljub temu je bil merilni ˇstevec, ki prikazuje najveˇcjo velikost sile na
roˇcaju, ocenjen kot najmanj razumljiv element sistema za posredovanje povratne
informacije. Komentar, da bi bilo pred poskusom treba podati informacijo o normalizaciji krivulje sile, odraˇzajo tudi rezultati, saj je ˇsest udeleˇzencev odgovorilo,
da so pomen krivulje razumeli takoj, 12 jih je odgovorilo, da so to razumeli pozneje, trije pa da ga ne razumejo. Rezultati odraˇzajo odloˇcitev, da udeleˇzencem
nismo podali nobene predhodne razlage. Komentarji potrjujejo te rezultate, da
je pet udeleˇzencev poroˇcalo, da je ta del teˇzko razumljiv. Najbolje povzema rezultate komentar: “Najbolj nejasen del, ampak ko sem ugotovil pomen, je bilo
jasno.” Trije udeleˇzenci so pripomnili, da bi priˇcakovali, da bodo krivulje veˇcjih
sil imele veˇcjo amplitudo, en udeleˇzenec pa je predlagal tudi, da se skalira referenˇcne vrednosti. Glede na prejete komentarje bi bilo mogoˇce normirano krivuljo
in merilni ˇstevec nadomestiti z izmerjeno krivuljo in skalirano referenˇcno krivuljo.
Preostanek komentarjev se je nanaˇsal na nadzor simulacije z grafiˇcnim vmesnikom in poslediˇcno osredotoˇcenost na vmesnik namesto na povratno informacijo,
kar pa ne bi smela biti teˇzava pri uporabi v sistemu za vadbo na simulatorju
veslanja s sprotno povratno informacijo, saj bo povratna informacija podana na
podlagi dejanskega gibanja subjekta.
Glavna omejitev ˇstudije je bila, da so udeleˇzenci nadzorovali posamezne izbrane biomehanske parametre. Vendar namen te ˇstudije ni bilo preuˇcevanje, ali
lahko uporabniki izvedejo ustrezno gibanje, ampak le ali razumejo povratno informacijo o gibanju in ali se znajo nanjo odzvati z ustreznimi popravki tehnike.
4.4 Zakljuˇcek
4.4
87
Zakljuˇ
cek
Zasnovali smo koncept posredovanja sprotne povratne informacije za uˇcenje tehnike veslanje na simulatorju. Zasnova temelji na sprotni informaciji, sestavljeni iz
video povratne informacije, videomodeliranja in navodil za odpravljanje napak.
Postopek vodi uporabnika prek treh stopenj uˇcenja, pri ˇcemer se mu na podlagi primerjanja izmerjenih biomehanskih parametrov z referenˇcnimi posredujejo
sprotna navodila. Stopnje so oblikovane na podlagi prioritet, pri ˇcemer telesna
drˇza pomeni najviˇsjo prioriteto, ritem drugo in sile tretjo. Sistem je zasnovan
tako, da zagotavlja posredovanje povratne informacije v realnem ˇcasu in je povezljiv z merilnim in referenˇcnim delom sistema za vadbo veslanja na simulatorju s
sprotno povratno informacijo.
Rezultati, pridobljeni s simulacijo gibanja, kaˇzejo, da uporabniki intuitivno
razumejo prejeto povratno informacijo in da so izbrani elementi sploˇsno prepoznavni. Za boljˇse razumevanje in poslediˇcno rezultate je dobro, da uporabnikom
pred zaˇcetkom uporabe podamo uvod v veslaˇsko terminologijo, kot so zaˇcetek
in konec zavesljaja, fazi potega in povratka. Prav tako je priporoˇcljivo, da so
podana navodila o pomenu manj intuitivnih elementov posredovanja povratne
informacije, kot so najveˇcje sile.
5.
Sistem za merjenje in sprotno analizo kinematiˇ
cnih in kinetiˇ
cnih parametrov senzorno
podprte vadbe veslanja
V tem poglavju sta predstavljena zasnova in razvoj sistema za merjenje in sprotno
analizo kinematiˇcnih in kinetiˇcnih parametrov senzorno podprte vadbe veslanja.
Konceptualna shema je prikazana na sliki 5.1. Sistem na podlagi izmerjenih podatkov senzorjev merilnega sistema podatke obdela, izraˇcuna vrednosti kategorizacijskih parametrov in na podlagi referenˇcnega modela doloˇci odstopanja teh parametrov od referenˇcnih in pripravi povratno informacijo. Analiza poteka sproti,
pri ˇcemer del poteka v realnem ˇcasu, del pa po izvedenem zavesljaju. Pridobljene
informacije opisujejo izvedeno veslanje in njegovo odstopanje od primerne tehnike. Sistem je zasnovan tako, da uporabniku posreduje povratno informacijo
sproti brez opaznega zamika s frekvenco 50 Hz.
5.1
Merilni sistem
Osnova merilnega sistema je instrumentaliziran simulator veslanja, ki je bil razvit
v okviru dela [19]. Simulator veslanja znamke Concept2 je opremljen s senzorji,
ki so prikazani na sliki 5.2:
• S ˇsestdimenzionalnim senzorjem sile JR3 45E15A 1200N (JR3, Inc., Woodland, CA), vgrajenim pod levo oporo za noge, se meri sila odriva z nogami
(A na sliki 5.2).
• Z enodimenzionalnim senzorjem sile LCFD (OMEGA ENGINEERING,
Inc., Stamford, CT), vgrajenim med roˇcaj in verigo, se meri sila potega
z rokami (B na sliki 5.2).
89
90
Sistem za merjenje in sprotno analizo
Platno za prikaz
povratne informacije
50Hz
Optični
sistem
Računalnik za zajem podatkov
xPC Target
100 Hz
UDP mrežna povezava
MSMS
50Hz
UDP
Matlab Simulink
100 Hz > 50Hz
Računalnik za posredovanje povratne informacije
UDP mrežna
povezava
Matlab Simulink
Microsoft
Visual
Studio
Razvojni računalnik
Slika 5.1: Konceptualna shema sistema za uˇcenje tehnike veslanja.
• Z ˇziˇcnim kodirnikom RML9 5V (PMS, d. o. o., Ljubljana) na sedeˇzu se
meri poloˇzaj sedeˇza (C na sliki 5.2).
• Z optiˇcnim kodirnikom RE22 5V (RLS, d. o. o., Ljubljana) na osi vetrnega
kolesa se meri dolˇzina potega verige (D na sliki 5.2).
Za merjenje naklona trupa je bil uporabljen optiˇcni sistem znamke Optotrak
Certus (Northern Digital, Inc., Waterloo, ON), ki s ˇsestimi infrardeˇcimi kamerami
meri poloˇzaj merilnih markerjev v prostoru. Uporabljeni so bili trije brezˇziˇcni
merilni markerji, ki so bili nameˇsˇceni na posebni oprtnik, ki si ga uporabnik
namesti na hrbet, kot je to razvidno s slike 5.3. To je edini senzor v merilnem
sistemu, ki posega v uporabnikovo okolje, vendar pri tem ne spremeni delovnih
pogojev.
Na sliki 5.1 so zeleno oznaˇceni opisani senzorji, ki so z raˇcunalnikom za zajem
podatkov povezani prek vmesniˇskih kartic. Pri tem je enodimenzionalni senzor
sile povezan v sistem prek precizijskega ojaˇcevalnika [110], optiˇcni sistem pa prek
mreˇzne povezave UDP. Sistem je prikazan na sliki 5.4.
91
5.2 Analiza podatkov
A
B
C
D
Slika 5.2: Senzorji pritrjeni na simulator veslanja.
Slika 5.3: Brezˇziˇcni merilni markerji nameˇsˇceni na oprtnik za merjenje naklona
trupa.
5.2
Analiza podatkov
Razvoj programa za zajem in algoritmov za sprotno obdelavo ter analizo podatkov je potekal na razvojnem raˇcunalniku v grafiˇcnem okolju Matlab Simulink
92
Sistem za merjenje in sprotno analizo
Slika 5.4: Merilni sistem.
(The MathWorks, Natict, MA), ki je na sliki 5.1 prikazan rdeˇce. Platforma za
zajem in obdelavo podatkov je bila zgrajena na podlagi modulov z uporabo blokov iz knjiˇznic Simulink, blokov xPC Target z I/O-gonilniki ter lastnih funkcij,
razvitih s pomoˇcjo S-funkcij. Model smo s prevajalnikom Microsoft Visual Studio
(Microsoft Corporation, Redmond, WA) prevedli v kodo C++ za izvrˇsevanje, ki
se prek mreˇzne povezave TCP/IP naloˇzi na raˇcunalnik za zajem podatkov, kjer
je naloˇzen operacijski sistem xPC Target (The MathWorks, Natict, MA).
Operacijski sistem xPC Target omogoˇca zajemanje in obdelavo podatkov v
realnem ˇcasu. Uporabljena frekvenca vzorˇcenja je 100 Hz. Analiza in doloˇcitev
biomehanskih parametrov veslanja poteka sproti: del po vsaki konˇcani fazi zavesljaja, ko se doloˇcijo maksimalne sile in trajanje faze, del pa po vsakem konˇcanem
zavesljaju, ko se doloˇci tempo veslanja. Referenˇcni model, ki je opisan v poglavju
3, sproti doloˇca referenˇcne vrednosti parametrov, ki se jih primerja s parametri veslanja. Po metodi odloˇcitvenega drevesa se glede na odstopanja med referenˇcnimi
in dejanskimi parametri doloˇcijo podatki za posredovanje povratne informacije.
Podatke za posredovanje povratne informacije se s pomoˇcjo protokola UDP prek
5.3 Posredovanje podatkov uporabniku
93
mreˇzne povezave TCP/IP posreduje na raˇcunalnik za posredovanje povratne informacije, kot je razvidno s sheme na sliki 5.1. Na tem raˇcunalniku se najprej v
Matlab Simulinku izvede del manipulacije podatkov, ki je ni bilo mogoˇce izvesti
na sistemu xPC Target. Podatkom se spremeni frekvenca vzorˇcenja na 50 Hz
in se jih prek protokola UDP posreduje programu Musculo-Skeletal Modelling
Software – MSMS (Medical Device Development Facility, University of Southern
California (Ver. 2.2), Los Angeles, CA).
5.3
Posredovanje podatkov uporabniku
Program MSMS poskrbi za posredovanje povratne informacije uporabniku, kot je
opisano v poglavju 4. Zaslon programa smo prikazovali na velikem platnu, tako
da je uporabnik med veslanjem razloˇcno videl povratno informacijo.
6.
Evalvacija uˇ
cinkovitosti senzorno podprte
vadbe veslanja
Izvedena je bila ˇstudija, s katero smo ocenili uˇcinkovitost predlagane metode
uˇcenja tehnike veslanja z razvitim sistemom senzorno podprte vadbe. Pri ˇstudiji
je sodelovalo 36 prostovoljcev, ki so se prviˇc sreˇcali z veslanjem na simulatorju.
Najprej so vsi prostovoljci opravili zaˇcetni test, s katerim smo pridobili podatke
o zaˇcetnem stanju. Nato so bili prostovoljci nakljuˇcno razdeljeni v tri skupine.
Vsaka od skupin je opravila trening veslanja. Skupina A je trenirala sama in
predstavljala rekreativce, ki se sami uˇcijo tehnike, skupina S je trenirala z razvitim sistemom senzorno podprte vadbe, skupina T pa po tradicionalni metodi
pod nadzorom trenerja. Po izvedeni seriji treninga smo prostovoljce ponovno testirali. S primerjavo testov smo analizirali razlike v napredku vseh treh skupin,
ki so uporabljale razliˇcne metode vadbe, s ˇcimer je mogoˇce oceniti uˇcinkovitost
senzorno podprte vadbe.
6.1
6.1.1
Metode
Udeleˇ
zenci
Pri ˇstudiji je sodelovalo 36 prostovoljcev, ki so se prviˇc sreˇcali z veslanjem na simulatorju, bili so zdravi in vsestransko pripravljeni za aktivno udeleˇzbo. Udeleˇzenci
so bili nakljuˇcno razdeljeni v enako ˇstevilˇcne skupine. V tabeli 6.1 so predstavljeni
podatki udeleˇzencev, ki so bili ˇclani skupine A, v tabeli 6.2 ˇclani skupine T in 6.3
skupine S. Vsi prostovoljci z izjemo T12 so ˇstudijo izvedli v celoti. Prostovoljec
T12 zaradi bolezni ni izvedel ponovitvenega testa.
95
96
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
Oznaka
Leto
Masa
Viˇsina
Ukvarjanje s ˇsportom
Sploˇsno
Zadnji obrok
rojstva
[kg]
[cm]
na teden
ˇst. ur
poˇcutje
pred urami
A1
1982
89
189
2
1,5
4
1
A2
1983
65
178
1
1,5
4
1
A3
1982
82
181
2
0,5
4
1,5
A4
1982
97
188
1
1
4
7
A5
1975
95
185
3
1
4
3,5
A6
1987
72
175
7
0,5
5
17
A7
1977
72
172
3
1
5
1,5
A8
1987
87
187
2
1,5
5
1
A9
1988
58
173
3
1
5
1
A10
1986
75
183
2
1
5
2
A11
1983
74
173
4
1
4
7
A12
1975
77
185
1
1
4
2
Povpreˇcje
1982,3
78,6
180,8
2,6
1,0
4,4
3,8
Tabela 6.1: Podatki o udeleˇzencih skupine A.
Oznaka
Leto
Masa
Viˇsina
Ukvarjanje s ˇsportom
Sploˇsno
Zadnji obrok
rojstva
[kg]
[cm]
na teden
ˇst. ur
poˇcutje
pred urami
T1
1991
72
185
7
1,5
6
2
T2
1968
74
175
1
1,5
4
4
T3
1974
71
170
2
2
4
2,5
T4
1983
92
185
3
1
4
8
T5
1983
70
175
3
1,5
5
2
T6
1980
84
181
4
1
4
2,5
T7
1980
96
193
2
2
4
1,5
T8
1991
73
189
5
1
4
3
T9
1976
69
174
2
1
5
1,5
T10
1987
83
182
3
1
4
4
T11
1983
75
178
0
0
5
5,5
T12
1989
77
176
7
1,5
4
3
Povpreˇcje
1982,1
78,0
180,3
3,3
1,3
4,4
3,3
Tabela 6.2: Podatki o udeleˇzencih skupine T.
97
6.1 Metode
Oznaka
Leto
Masa
Viˇsina
Ukvarjanje s ˇsportom
Sploˇsno
Zadnji obrok
rojstva
[kg]
[cm]
na teden
ˇst. ur
poˇcutje
pred urami
S1
1982
95
193
2
1,5
4
4,5
S2
1986
55
180
1
1,5
4
4,5
S3
1996
61
188
4
1
3
3
S4
1988
80
173
2
1
4
4
S5
1988
75
170
4
1,5
5
3
S6
1986
90
186
0
0
4
4
S7
1986
98
185
3
1,5
4
4
S8
1982
77
181
4
1
4
2
S9
1982
77
185
1
1
5
1
S10
1989
88
184
2
1
4
2
S11
1987
73
175
6
1,5
5
2
S12
1987
77
180
3
1
5
3
Povpreˇcje
1986,6
78,8
181,7
2,7
1,1
4,3
3,1
Tabela 6.3: Podatki o udeleˇzencih skupine S.
6.1.2
Protokol ˇ
studije
Pred zaˇcetkom ˇstudije so udeleˇzenci prebrali opis projekta in namen ˇstudije, izpolnili krajˇsi vpraˇsalnik (masa, viˇsina, starost, pogostost ukvarjanja s ˇsportom,
sploˇsno poˇcutje, ˇcas zadnjega obroka) in podpisali izjavo o soglasju. Opis projekta in izjava sta v Prilogi 1. Nato so se 5 minut ogrevali (kolesarjenje, tek in
dinamiˇcne raztezne vaje). Pred zaˇcetkom merjenja je vsak udeleˇzenec opravil
inicializacijo senzorjev. Nato so izvedli zaˇcetni test (poimenovan test 1) na simulatorju veslanja. Sledil je trening po eni od metod, nakar so udeleˇzenci test
ponovili (poimenovan test 2). Ob testu je bil pri udeleˇzencih, ki so trenirali pod
nadzorom v obliki trenerja ali sistema, ta nadzor prisoten. Udeleˇzence, ki so trenirali pod nadzorom trenerja ali sistema, smo zaprosili, da se po ˇsestih do desetih
dneh vrnejo in ponovijo test. Ob ponovitvenem testu (poimenovan test 3) nadzor
ni bil prisoten.
Med celotno ˇstudijo smo s sistemom, opisanim v poglavju 5., merili biomehanske parametre. Slika 6.1 prikazuje udeleˇzenca med izvajanjem ˇstudije.
98
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
Slika 6.1: Udeleˇzenec med izvajanjem ˇstudije.
6.1.3
Inicializacija senzorjev
Udeleˇzenec si je namestil oprtnik z markerji za merjenje naklona trupa in se usedel na simulator veslanja. Postavil se je v poloˇzaj, ko so bile noge popolnoma
iztegnjene in trup zravnan, ter ga zadrˇzal 3 sekunde. Algoritem inicializacije
je doloˇcil parameter poloˇzaja sedeˇza, ko so noge popolnoma iztegnjene, in odmik senzorjev naklona trupa od koronalne ravnine. Prvi parameter se uporabi
kot parameter v referenˇcnih modelih, drugi pa upoˇsteva individualno namestitev
senzorja.
6.1.4
Test
Vsak izmed testov je bil sestavljen iz dveh delov. V prvem delu so udeleˇzenci
veslali dve minuti s ciljnim tempom 20 zavesljajev/minuto. Po dveh minutah
poˇcitka so v drugem delu poskuˇsali ˇcim hitreje preveslati 500 metrov dolgo razdaljo, to je tekmovalno razdaljo najmlajˇsih in veteranskih kategorij. V prvem delu
testa so bili udeleˇzenci izpostavljeni obremenitvi, ki glede na tipiˇcne obremenitve
veslanja ustreza aerobni aktivnosti, v drugem delu pa anaerobni aktivnosti [19].
Za aerobno aktivnost je znaˇcilna manjˇsa intenzivnost napora, zato lahko traja
6.1 Metode
99
zelo dolgo. Pri tovrstni aktivnosti se energija proizvaja s celiˇcnim dihanjem, pri
katerem ena molekula glukoze napolni z energijo 38 molekul adenozin trifosfata
(ATP), s katerimi telo neprestano dovaja energijo miˇsicam [111]. Anaerobna aktivnost nastopa ob veˇcji intenzivnosti delovanja miˇsic, ko miˇsice potrebujejo veˇc
energije veliko hitreje. Energija se zato pridobiva s procesom celiˇcnega vrenja,
pri katerem iz vsake molekule glukoze telo pridobi le dve molekuli ATP [111],
glukoza pa se pretvori v mleˇcno kislino, ki povzroˇca miˇsiˇcne boleˇcine in krˇce.
Test je bil zastavljen tako, da je imela vzdrˇzljivost udeleˇzencev ˇcim manjˇsi
vpliv na rezultate, obenem pa je bilo mogoˇce dobiti zadostno koliˇcino podatkov.
Skupna aktivnost naj ne bi presegla 4 minut, kar pomeni, da aerobna vzdrˇzljivost
nima prevladujoˇcega vpliva.
6.1.5
Trening
Po 2 minutah poˇcitka je imel vsak udeleˇzenec trikrat 5 minut dolg trening. Med
posameznimi fazami treninga sta bili vedno 2 minuti poˇcitka.
Trening je potekal razliˇcno glede skupino naˇcina nadzora:
• Skupina A je trenirala sama in predstavljala rekreativce, ki se sami uˇcijo
tehnike.
• Skupina T je trenirala po tradicionalni metodi pod nadzorom trenerja.
• Skupina S je trenirala z razvitim sistemom senzorno podprte vadbe. Pred
zaˇcetkom treninga so udeleˇzencem v tej skupini razloˇzili elemente povratne
informacije. Prvih pet minut treninga je potekalo v naˇcinu delovanja, da
uporabnik sledi sistemu, naslednja dva sklopa pa v naˇcinu, da sistem sledi
uporabniku.
6.1.6
Spremenljivke
Enako kot v poglavju 2.1.4 smo predpostavili simetrijo veslanja na simulatorju in
analizirali veslanje v sredinski (sagitalni) ravnini. Analizirane so bile naslednje
spremenljivke: tempo R, normirana dolˇzina zavesljaja lr (dolˇzina zavesljaja, deljena s poloˇzajem sedeˇza, ko so noge popolnoma iztegnjene sn ), naklon trupa na
zaˇcetku ϕs in koncu zavesljaja ϕf , trajanje faz zavesljaja (poteg td in povratek
100
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
tr ) in njuno razmerje r, najveˇcja vrednost sil na roˇcaju fp,max in opori za noge
fr,max , povpreˇcna vrednost sil na roˇcaju fp,avg in opori za noge fr,avg med fazo
potega in delo zavesljaja A.
6.1.7
Obdelava podatkov in statistiˇ
cna analiza
Podatki vseh zavesljajev posameznega testa vsakega udeleˇzenca so bili uporabljeni
za analizo spremenljivk. Programski paket Matlab (The MathWorks (Ver. 7.10),
Natict, MA) je bil uporabljen za obdelavo podatkov. Zaˇcetek veslanja je bil
definiran kot zaˇcetek faze potega, faza povratka pa je pomenila drugi del celotnega
zavesljaja.
Koeficient variacije KV (ang. “coefficient of variation”) je bil uporabljen kot
statistiˇcni kazalnik, ki prikazuje razprˇsitev okoli aritmetiˇcne sredine. Definiran
je kot razmerje med standardnim odklonom in povpreˇcjem. Ker gre za relativni
statistiˇcni kazalnik, ga je mogoˇce uporabiti za primerjavo razprˇsenosti razliˇcnih
spremenljivk. Vrednost KV pod 0,05 pomeni neznatno spremenljivost.
Povpreˇcni podatki vseh udeleˇzencev posamezne skupine so bili analizirani s
programom SPSS (IBM (Ver. 17,0), Armonk, NY). Z enosmerno analizo variance
za ponovljene meritve (ang. “one-way repeated-measures ANOVA”) smo preuˇcili
vpliv skupine in testa na posamezno spremenljivko. Iz analize smo izluˇsˇcili delno
eta-kvadratno vrednost η 2 (ang. “partial eta-squared value ”) in p vrednost
uˇcinka. Delna eta-kvadratna vrednost predstavlja deleˇz celotne variabilnosti, ki
jo je mogoˇce pripisati preuˇcevanemu dejavniku, izvzemajoˇc druge dejavnike, ki
vplivajo na variacijo [89]. Delna eta-kvadratna vrednost se zato lahko uporabi
kot merilo vpliva dejavnika na biomehanske parametre [90]. V vseh primerih je
bil prag statistiˇcne znaˇcilnosti doloˇcen z vrednostjo p = 0, 05.
6.2
6.2.1
Rezultati in diskusija
Analiza variance
Za statistiˇcno analizo rezultatov evalvacijske ˇstudije je bila uporabljena analiza
variance. Tabela 6.4 prikazuje rezultate enosmerne analize variance vpliva treninga posamezne skupine udeleˇzencev na posamezno spremenljivko pri posameznem testu. Prikazane so delne η 2 vrednosti posameznih biomehanskih parame-
101
6.2 Rezultati in diskusija
trov. Z zvezdico ∗ so oznaˇcene vrednosti, pri katerih je prag statistiˇcne znaˇcilnosti
p < 0, 05, kar pomeni, da obstaja 95 % statistiˇcno zaupanje, da razlike pri spremenljivki niso nakljuˇcne, ampak so posledica treninga. Rezultati prvih treh vrstic
(primerjava 2 min pri testih 1 in 2) jasno kaˇzejo, da je imel trening statistiˇcno
pomemben vpliv na vse spremenljivke pri skupinah T in S, medtem ko trening pri
skupini A ni imel vpliva na nobeno spremenljivko. Rezultati vpliva treninga pri
veslanju na 500 m pri testu 1 in 2 kaˇzejo, da trening na spremenljivko trajanja faze
potega td ni imel vpliva. Rezultat je razumljiv, saj gre za test pri maksimalnem
tempu. Trening je imel statistiˇcno znaˇcilen vpliv na vse preostale spremenljivke
pri skupini S. Podobno je imel trening statistiˇcno znaˇcilen vpliv na vse preostale
spremenljivke skupine T, z izjemo naklona trupa na zaˇcetku zavesljaja ϕf , kjer
trening ni imel statistiˇcno znaˇcilnega vpliva. Pri skupini A je imel trening vpliv
le na oba parametra sile na opori za noge.
Test
Skupina
lr
ϕs
ϕf
td
Fp,max
Fp,avg
Fr,max
Fr,avg
A
2 min
A
T
S
0,29
0,94∗
0,80∗
0,09
0,56∗
0,66∗
0,11
0,56∗
0,91∗
0,00
0,64∗
0,74∗
0,24
0,91∗
0,86∗
0,19
0,88∗
0,86∗
0,03
0,83∗
0,87∗
0,09
0,88∗
0,86∗
0,20
0,93∗
0,86∗
500 m
A
T
S
0,02
0,30∗
0,69∗
0,04
0,30∗
0,51∗
0,03
0,09
0,68∗
0,02
0,01
0,23
0,19
0,64∗
0,59∗
0,24
0,38∗
0,62∗
0,49∗
0,51∗
0,34∗
0,38∗
0,43∗
0,25
0,18
0,49∗
0,73∗
Tabela 6.4: Enosmerna analiza variance vpliva treninga na biomehanske parametre veslanja.
Narejena je bila dvosmerna analiza variance meˇsanega tipa za ponovljene meritve. Rezultati pred in po treningu so predstavljali parameter znotraj skupine,
naˇcin treninga je predstavljal parameter razlikovanja med udeleˇzenci. Tabela
6.5 prikazuje p vrednost analize vpliva treninga in tipa treninga na biomehanske
parametre.
Vrednost p predstavlja merilo statistiˇcne verjetnosti, da razlike pri posamezni
spremenljivki niso nakljuˇcne, ampak so posledica treninga oziroma tipa treninga.
Vrednost p < 0, 05 predstavlja mejo, pri kateri je vpliv statistiˇcno znaˇcilen. Iz
rezultatov je razvidno, da je pri testu na 2 min trening statistiˇcno znaˇcilno vplival
na vse parametre, ob tem je tip treninga imel statistiˇcno znaˇcilen vpliv na vse
parametre z izjemo naklona trupa na zaˇcetku zavesljaja ϕs . Pri testu na 500 m
trening ni imel vpliva na trajanje potega zavesljaja td , tip treninga ni imel vpliva
na trajanje potega zavesljaja td ter vse ˇstiri parametre sil.
102
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
2 min
500 m
Trening
Tip treninga
Trening
Tip treninga
lr
0,00
0,00
0,00
0,00
ϕs
0,00
0,26
0,02
0,04
ϕf
0,00
0,00
0,00
0,00
td
0,00
0,00
0,30
0,11
Fp,max
0,00
0,00
0,00
0,05
Fp,avg
0,00
0,00
0,00
0,07
Fr,max
0,00
0,00
0,00
0,90
Fr,avg
0,00
0,00
0,00
0,72
A
0,00
0,00
0,00
0,01
Tabela 6.5: Analiza variance vpliva treninga in tipa treninga na biomehanske
parametre.
Ker je trening imel statistiˇcno znaˇcilen vpliv na biomehanske parametre, pri
tem je igral pomembno vlogo tudi tip treninga, so bili za ugotavljanje razlik med
posameznimi pari skupin in pari meritev uporabljeni post-hoc testi. Z Mauchly
testom je bilo ugotovljeno, da podatki ustrezajo kriteriju sferiˇcnosti v vseh primerih. Z Levene testom je bila analizirana homogenost varianc. Pri biomehanskih
parametrih, ki imajo zagotovljeno homogenost varianc so bili post-hoc testi narejeni z Bonferonnijevo korelacijo, pri parametrih, kjer homogenost ni zagotovljena,
pa z Dunnett T3 korelacijo. Rezultati p vrednosti post-hoc analize so prikazani
v tabeli 6.6. V tabeli vrednost p predstavlja podobnost. Odvisnosti med biomehanskimi parametri in tipom treninga, ki imajo vrednost podobnosti manjˇso od
p < 0, 05, so s 95 % statistiˇcno verjetnostjo nastali kot posledica tipa treninga in
ne zgolj nakljuˇcno.
Iz rezultatov post-hoc analize pri testu na 2 minuti je razvidno, da se trening
pod nadzorom trenerja statistiˇcno znaˇcilno razlikuje od treninga brez nadzora
v vseh parametrih z izjemo naklona trupa na zaˇcetku in koncu zavesljaja. Trening z razvitim sistemom se statistiˇcno razlikuje od treninga brez nadzora v vseh
parametrih z izjemo naklona trupa na zaˇcetku zavesljaja ϕs . Trening pod nadzorom trenerja in trening z razvitim sistemom se statistiˇcno razlikujeta zgolj pri
naklonu trupa na koncu zavesljaja ϕf , medtem ko pri drugih parametrih statistiˇcnega razlikovanja ni opaziti. Pri testu na 500 metrov statistiˇcno znaˇcilno
103
6.2 Rezultati in diskusija
2 min
500 m
A-T
A-S
T-S
A-T
A-S
T-S
lr
0,04
0,00 0,81
0,52
0,01 0,07
ϕs
0,52
0,42 1,00
0,06
0,17 1,00
ϕf
0,19
0,00 0,05
1,00
0,00 0,00
td
0,00
0,00 1,00
1,00
0,24 0,29
Fp,max
0,00
0,00 1,00
0,45
0,05 0,86
Fp,avg
0,00
0,00 1,00
0,90
0,10 0,31
Fr,max
0,00
0,00 1,00
0,94
1,00 0,98
Fr,avg
0,00
0,00 1,00
0,81
1,00 0,90
A
0,00
0,00 1,00
0,66
0,01 0,09
Tabela 6.6: Post-hoc analiza vpliva treninga na biomehanske parametre.
2 min
500 m
Premor
Tip treninga
Premor
Tip treninga
lr
0,46
0,53
0,55
0,42
ϕs
0,76
0,26
1,00
0,81
ϕf
0,01
0,41
0,13
0,18
td
0,16
0,72
0,22
0,61
Fp,max
0,23
0,40
0,01
0,26
Fp,avg
0,58
0,53
0,00
0,51
Fr,max
0,42
0,73
0,88
0,14
Fr,avg
0,13
0,62
0,89
0,51
A
0,58
0,55
0,02
0,63
Tabela 6.7: Analiza variance vpliva premora in tipa treninga na biomehanske
parametre.
razlikovanje opazimo zgolj pri dolˇzini zavesljaja lr in opravljenem delu A pri primerjavi A-S ter naklonu trupa na koncu zavesljaja ϕf med treningom z razvitim
sistemom in preostalima oblikama treninga.
Tabela 6.7 prikazuje p vrednost analize vpliva premora in tipa treninga na biomehanske parametre, ki so bili pridobljeni z dvosmerno analizo variance meˇsanega
tipa za ponovljene meritve. Rezultati pred in po premoru so predstavljali parameter znotraj skupine, naˇcinom treninga je predstavljal parameter razlikovanja
104
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
med udeleˇzenci. Iz rezultatov je razvidno, da je imel premor statistiˇcno znaˇcilen
vpliv na naklon trupa na koncu zavesljaja pri testu na 2 minuti ter na vrednosti parametrov sil na roˇcaju pri testu na 500 metrov. Statistiˇcne razlike med
posameznimi oblikami treninga ne nastopajo.
Iz rezultatov analize variance sledi, da udeleˇzenci skupine A s treningom niso
izboljˇsali svoje tehnike, medtem ko so udeleˇzenci skupin S in T s treningom
izboljˇsali svojo tehniko, vendar med slednjima skupinama ni bilo bistvenih statistiˇcnih razlik. Naˇcin uˇcenja ni imel statiˇcno znaˇcilnega vpliva na tehniko veslanja
po premoru.
Statitistiˇcna analiza je pokazala, da je narava razlik med tipi uˇcenja sistematiˇcna. V naslednjih poglavjih je predstavljena vsebinska razprava o pomenu
teh razlik.
6.2.2
ˇ
Stevilo
zavesljajev
Tabela 6.8 prikazuje podatke o ˇstevilu izvedenih zavesljajev. Prikazano je pov¯ standardni odklon σ ter srednja N
˜ , najveˇcja Nmax in najmanjˇsa
preˇcno ˇstevilo N,
vrednost Nmin . Vsi zavesljaji so bili upoˇstevani v analizi.
tip
A
T
S
test
2 min 20 zav/min
¯ σ N
˜ Nmax Nmin
N
¯
N
1
44
3
43
52
41
65 11 64
90
50
2
41
1
42
43
39
63 11 64
85
47
1
45
4
44
56
42
64
7
62
76
53
2
43
1
43
45
40
60
4
60
69
55
3
42
3
41
48
39
61
4
60
70
55
1
43
3
43
48
38
73 13 71
108
58
2
43
2
43
47
39
58
5
57
70
51
3
42
3
42
47
37
58
8
57
75
48
σ
ˇ
Tabela 6.8: Stevilo
zavesljajev.
500 m
˜ Nmax
N
Nmin
6.2 Rezultati in diskusija
6.2.3
105
Tempo
Tabela 6.9 prikazuje podatke o tempu veslanja za vse skupine pri vseh te¯ pomeni povpreˇcno vrednost povpreˇcnih tempov vseh
stih. Povpreˇcna vrednost R
udeleˇzencev posamezne skupine pri posameznem testu. Standardni odklon σ
predstavlja razprˇsenost povpreˇcnih tempov udeleˇzencev okoli povpreˇcnega tempa
˜ je srednja vrednost povpreˇcnih tempov udeleˇzencev,
skupine. Srednja vrednost R
najveˇcja Rmax in najmanjˇsa vrednost Rmin pa robni povpreˇcni vrednosti tempov
udeleˇzencev. V tabeli 6.10 so podane statistiˇcne vrednosti za koeficient variacije
tempa KV , ki je v tabeli oznaˇcen s c. Iz podatkov je razvidno, da se je pri testu,
pri katerem je bil predpisan tempo, konsistentnost tempa po treningu poveˇcala
pri vseh skupinah. Pri tem je skupina A, ki je trenirala sama, dosegla v povpreˇcju neznatno spremenljivost (KV < 0, 05), medtem ko je bila spremenljivost
skupin T in S nekoliko veˇcja, vendar v povpreˇcju ˇse vedno neznatna. Pri podrobnejˇsem pregledu rezultatov je razvidno, da so imeli trije udeleˇzenci iz skupine A,
dva iz skupine T in en udeleˇzenec iz skupine S neznatno spremenljiv tempo ˇze
pri zaˇcetnem testu. Pri testu po treningu se je ˇstevilo udeleˇzencev z neznatno
spremenljivim tempom poveˇcalo na 9 pri skupini A, 5 pa pri skupinah T in S.
Pri ponovitvenem testu so udeleˇzenci T9, T10, T11, S7, S8, S10 in S12 ohranili
neznatno spremenljiv tempo, T1, T7 in S1 so ga izgubili, T4 in S6 pa sta ga
pridobila. Ker je bil pri tem testu predpisan tempo, lahko ugotovimo, da so se
udeleˇzenci skupine A sami nauˇcili nadzorovati tempo. Udeleˇzenci skupin T in S
so po treningu dobro nadzorovali tempo, vendar so pri ponovitvenem testu, ko
niso imeli nadzora, dosegali v povpreˇcju veˇcjo spremenljivost, vendar ˇse vedno
manjˇso kot pri zaˇcetnem testu.
Pri testu na 500 metrov, pri katerem ni bil predpisan tempo, je bil ta
priˇcakovano viˇsji. Pri testu 1T-500m (test na 500 metrov v okviru prvega testa) je spremenljivost tempa manjˇsa kot pri testu 1T-2min (test 2 min v okviru
prvega testa) s predpisanim tempom. To pomeni, da so udeleˇzenci imeli bolj
konstanten tempo, ko niso bili osredotoˇceni nanj, ampak so se posveˇcali hitrosti.
Konsistentnost se pri vseh skupinah pomembno ne razlikuje med posameznimi
testi.
106
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
tip
A
T
S
test
2 min 20 zav/min
¯ σ R
˜ Rmax Rmin
R
¯
R
σ
500 m
˜ Rmax
R
1
22
1
21
26
21
34
5
34
43
25
2
21
0
21
21
20
34
6
34
44
25
1
22
1
22
24
20
34
5
32
46
29
2
21
1
21
22
21
34
2
34
38
31
3
21
1
21
23
19
35
2
34
39
33
1
22
1
22
23
19
38
8
37
58
29
2
21
1
21
22
20
33
3
33
38
26
3
21
2
21
24
19
34
5
35
42
28
Rmin
Tabela 6.9: Tempo veslanja.
tip
test
2 min 20 zav/min
c¯
A
T
S
σ
c˜
500 m
cmax
cmin
c¯
σ
c˜
cmax
cmin
1
0,11 0,07 0,09
0,26
0,03
0,05 0,02 0,05
0,09
0,03
2
0,04 0,01 0,04
0,07
0,03
0,06 0,03 0,06
0,12
0,03
1
0,09 0,03 0,09
0,17
0,04
0,05 0,02 0,05
0,10
0,03
2
0,06 0,02 0,05
0,09
0,04
0,05 0,02 0,05
0,08
0,03
3
0,06 0,02 0,05
0,11
0,03
0,05 0,02 0,04
0,12
0,04
1
0,08 0,03 0,08
0,15
0,04
0,05 0,03 0,05
0,10
0,03
2
0,05 0,01 0,05
0,07
0,03
0,06 0,01 0,06
0,08
0,03
3
0,07 0,03 0,06
0,12
0,03
0,05 0,02 0,05
0,09
0,03
Tabela 6.10: Koeficient variacije tempa veslanja.
6.2.4
Dolˇ
zina zavesljaja
Slika 6.2 prikazuje normirano dolˇzino zavesljaja lr za vse udeleˇzence za vse teste.
V levem stolpcu so prikazani rezultati testa na 2 minuti s tempom 20 zavesljajev/minuto, desno pa rezultati testa na 500 metrov. Zgoraj so predstavljeni rezultati skupine A, v sredini skupine T in spodaj skupine S. Rdeˇce je prikazan test
1, zeleno test 2 in modro test 3. Na sliki je prav tako zeleno v ozadju prikazano
referenˇcno obmoˇcje. Iz rezultatov je razvidno, da so imeli udeleˇzenci v povpreˇcju
pri testu 1 krajˇsi zavesljaj od primernega, vendar pa so imeli (izjema so le A4,
107
6.2 Rezultati in diskusija
500 m
lr
Skupina A
2 min
2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
lr
Skupina T
0
lr
0
2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
Skupina S
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0
2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0
Udeleˇzenec
Test 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Udeleˇzenec
Test 2
Test 3
Slika 6.2: Normirana dolˇzina zavesljaja lr .
A6, A7 in S12) pri testu na 1T-500m zavesljaj daljˇsi kot pri testu 1T-2min. Primerno dolˇzino zavesljaja pri obeh testih 1 so imeli zgolj udeleˇzenci A6, A7, A8,
A9 in T10. Pri testu 2 so nato udeleˇzenci (izjema so le A4, A6, A7, A8 in A12)
108
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
zavesljaj podaljˇsali. Najmanj izrazito podaljˇsanje zavesljaja je bilo pri skupini A,
kjer sta zgolj udeleˇzenca A10 in A11 samostojno popravila dolˇzino zavesljaja in
dosegla primerno dolˇzino, medtem ko se je pri udeleˇzencih A6, A7 in A9 zavesljaj
poslabˇsal in dolˇzina ni veˇc ustrezala referenˇcnim vrednostim. Udeleˇzenci skupin
T in S so imeli v sploˇsnem tako pri testu 2 kot pri testu 3 primerno dolˇzino zavesljaja. Udeleˇzenci T6, T7 in T8 so imeli pri testu 2 dolˇzino zavesljaja malo
pod referenˇcno dolˇzino, udeleˇzenci T4, T7 in T8 pa pri testu 3. Vsi udeleˇzenci
skupine S so imeli pri testu 2 primerno dolˇzino zavesljaja, le dva udeleˇzenca pa
sta jo poslabˇsala pri testu 3 (S1 pri testu 3T-500m in S7 pri testu 3T-2min). Pri
testu 1T-2min je imelo 5 udeleˇzencev iz skupine A, 8 udeleˇzencev iz skupine T
in 7 udeleˇzencev iz skupine S znatno spremenljivo dolˇzino zavesljaja, drugaˇce so
imeli udeleˇzenci v sploˇsnem znatno nespremenljivo dolˇzino zavesljaja.
Iz rezultatov lahko sklepamo, da so se vsi udeleˇzenci v postopku treninga
nauˇcili nadzorovati dolˇzino zavesljaja. Le dva udeleˇzenca skupine A sta samostojno popravila zavesljaj in dosegla ustrezno dolˇzino. V skupini T pod nadzorom
trenerja trije udeleˇzenci niso popolnoma dosegli ustrezne dolˇzine zavesljaja, vendar so se pribliˇzali referenˇcnemu obmoˇcju, medtem ko so vsi udeleˇzenci skupine
S dosegli primerno dolˇzino. To pomeni, da je objektivno merjenje dolˇzine zavesljaja sistema doseglo boljˇse rezultate od subjektivnega ocenjevanja trenerja. V
sploˇsnem udeleˇzenci niso pozabili, kakˇsna je primerna dolˇzina zavesljaja, in so
dosegali ustrezno dolˇzino tudi pri testu 3 brez nadzora.
6.2.5
Naklon trupa
Slika 6.3 prikazuje naklon trupa ϕ na zaˇcetku (oznaˇceni s karo ♦) in koncu faze
potega zavesljaja (oznaˇceni s kroˇzcem ◦). V levem stolpcu so prikazani rezultati
testa veslanja 2 minuti s tempom 20 zavesljajev/minuto, desno pa rezultati testa
veslanja na 500 metrov. Zgoraj so predstavljeni rezultati skupine A, v sredini
skupine T in spodaj skupine S. Rdeˇce je prikazan test 1, zeleno test 2 in modro
test 3. Na sliki je prav tako zeleno v ozadju prikazano referenˇcno obmoˇcje. Iz
rezultatov je razvidno, da je 5 udeleˇzencev (4 iz skupine A in en iz skupine
T) imelo primeren naklon trupa na koncu zavesljaja ˇze pri testu 1, na zaˇcetku
zavesljaja pa ga je doseglo 20 udeleˇzencev (7 iz skupine A, 6 iz skupine T in 7 iz
skupine S). Nobeden od udeleˇzencev skupine A med treningom ni sam popravil
naklona trupa na koncu zavesljaja, na zaˇcetku pa je to uspelo udeleˇzencu A3,
109
6.2 Rezultati in diskusija
ϕ [◦ ]
Skupina A
60
40
20
20
0
0
-20
-20
-40
-40
ϕ[]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
-60
60
60
40
40
20
20
0
0
-20
-20
-40
-40
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
◦
Skupina T
500 m
60
40
-60
◦
ϕ[]
-60
Skupina S
2 min
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
-60
60
60
40
40
20
20
0
0
-20
-20
-40
-40
-60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
-60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Udeleˇzenec
Udeleˇzenec
Zaˇcetek zavesljaja:
Test 1
Test 2
Test 3
Zakljuˇcek zavesljaja:
Test 1
Test 2
Test 3
Slika 6.3: Naklon trupa ϕ [◦ ].
vendar je obenem udeleˇzenec A4 poslabˇsal nagibanje s trupom. Pri skupini s
trenerjem so vsi udeleˇzenci s treningom izboljˇsali svoje gibanje s trupom, vendar
110
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
je iz rezultatov razvidno, da je bilo merilo trenerja drugaˇcno od referenˇcnega
modela. Na zaˇcetku zavesljaja so rezultati vseh udeleˇzencev (z izjemo T8 pri
testu 2T-2min) skladni z referenˇcnim modelom, na koncu zavesljaja pa so zgolj
trije udeleˇzenci (T8, T9 in T10) dosegli naklon, skladen z referenˇcnim modelom.
Preostali udeleˇzenci so se s trupom nagibali nekoliko manj. V skupini S so se pri
testu po izvedenem treningu vsi udeleˇzenci na zaˇcetku zavesljaja nagibali v skladu
z referenˇcnim modelom, na koncu zavesljaja pa so odstopali ˇstirje udeleˇzenci
(2 minuti: S1, 500 metrov: S8, S9, S10), vendar je gibanje udeleˇzencev S8, S9,
S10 skladno z rezultati udeleˇzencev s trenerjem. Rezultati testa 3 se pomembno
ne razlikujejo od rezultatov testa 2.
Prav vsi udeleˇzenci so imeli pri vseh testih znatno spremenljiv naklon trupa
na koncu zavesljaja. Nekoliko boljˇso nespremenljivost kaˇzejo rezultati naklona
trupa na zaˇcetku zavesljaja, vendar so zgolj udeleˇzenci T6 pri testu 3, S10 pri
testu 2 ter S3 pri testih 2 in 3 imeli znatno nespremenljiv naklon pri obeh delih
testa. Iz rezultatov je razvidno, da so imeli udeleˇzenci veliko veˇc teˇzav pri nadzorovanju naklona trupa kot pri dolˇzini zavesljaja in da je ta parameter znatno bolj
spremenljiv, vendar je pri tem treba upoˇstevati dejstvo, da je imel naklon trupa
glede na zasnovani sistem podrejeno vlogo v primerjavi z dolˇzino zavesljaja.
6.2.6
Telesna drˇ
za
ˇ pogledamo
Parametra telesne drˇze sta dolˇzina zavesljaja in naklon trupa. Ce
njun skupni vpliv na telesno drˇzo pri obeh delih testa 2, lahko vidimo, da nihˇce
od udeleˇzencev skupine A ni dosegel soˇcasne dolˇzine zavesljaja in naklona trupa v
skladu z referenˇcnim modelom, v skupini T sta bila takˇsna udeleˇzenca dva (T9 in
T10), medtem ko v skupini S zgolj ˇstirje udeleˇzenci (S1, S8, S9 in S10) niso imeli
soˇcasno dolˇzine zavesljaja in naklona trupa v skladu z referenˇcnim modelom.
6.2.7
Ritem
Ritem je doloˇcen s trajanjem faz zavesljaja. Slika 6.4 prikazuje trajanje faze
potega td (zgoraj) in povratka td (spodaj). Rezultati testa na 2 minuti so oznaˇceni
z znaki +, testa na 500 metrov pa z ∗. Levo so predstavljeni rezultati skupine
A, v sredini skupine T in desno skupine S. Rdeˇce je prikazan test 1, zeleno test
2 in modro test 3. Na sliki je prav tako z zeleno krivuljo prikazana referenˇcna
111
6.2 Rezultati in diskusija
vrednost trajanja posamezne faze.
Skupina T
Trajanje potega td [s]
Skupina A
1.6
1.6
1.6
1.2
1.2
1.2
0.8
0.8
0.8
0.4
Trajanje povratka tr [s]
Skupina S
20
30
40
50
60
0.4
20
30
40
50
60
0.4
2
2
2
1.6
1.6
1.6
1.2
1.2
1.2
0.8
0.8
0.8
0.4
20
30
40
50
60
0.4
20
30
40
50
60
0.4
20
20
Tempo R[zav/min]
Tempo R[zav/min]
Test 1
2 min
Test 2
30
40
50
60
30
40
50
60
Tempo R[zav/min]
Test 3
500 m
Slika 6.4: Trajanje faze potega td (zgoraj) in povratka td (spodaj).
Iz rezultatov je razvidno, da nihˇce od udeleˇzencev (z izjemo A7 in T5, ter deloma A4, A6, A9 in S11) pri testu 1 ni dosegel vzorca hitrega potega in poˇcasnega
povratka, ki je znaˇcilen za pravilno tehniko veslanja. Ritem pride do izraza pri
nizkem tempu, torej pri testu na 2 minuti s tempom 20 zavesljajev/minuto, ko je
razmerje med fazama zavesljaja najveˇcje, zato smo podrobneje analizirali rezultate trajanja potega pri tem testu. S treningom je poleg udeleˇzenca A7 primeren
ritem (povpreˇcno odstopanje za manj kot 10 %) pri testu 2 dosegel udeleˇzenec
A6, medtem ko sta udeleˇzenca A4 in A9 dosegla deloma primeren ritem (povpreˇcno odstopanje za veˇc kot 10 %, a manj kot 20 %). Najveˇcje odstopanje
je bilo 62-odstotno pri udeleˇzencu A1. Iz rezultatov je torej razvidno, da skupina A v povpreˇcju ni napredovala s treningom, saj je bilo povpreˇcno odstopanje
pri testu 1 34-odstotno (SD = 19%), pri testu 2 pa 33-odstotno (SD = 20%).
V skupini T, ki je trenirala pod nadzorom trenerja, je primeren ritem doseglo 6
112
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
udeleˇzencev (T2, T4, T6, T7, T9 in T10), 2 udeleˇzenca pa deloma primeren ritem
(T5 in T8). Kljub temu je bilo najveˇcje odstopanje trajanja potega 29-odstotno
pri udeleˇzencih T1 in T12. Pri skupini S so 3 udeleˇzenci (S1, S5 in S12) dosegli
primeren ritem, 6 udeleˇzencev (S3, S6, S8, S9, S10 in S11) pa deloma primeren
ritem. Najveˇcje odstopanje je bilo 37-odstotno pri udeleˇzencu S7. Rezultati testa
3 se pomembno ne razlikujejo od rezultatov testa 2. Iz rezultatov je razvidno, da
sta skupini T in S s treningom napredovali, saj je bilo pri testu 1 povpreˇcno odstopanje 40-odstotno (SD = 16%) pri skupini T in 45-odstotno (SD = 17%) pri
skupini S, pri testu 2 zgolj 13-odstotno (SD = 10%) pri skupini T in 15-odstotno
(SD = 9%) pri skupini S. Prav tako udeleˇzenci niso pozabili nauˇcenega, saj je
bilo odstopanje pri testu 3 16-odstotno (SD = 10%) pri skupini T in 18-odstotno
(SD = 13%) pri skupini S.
6.2.8
Sile
Najveˇcje in povpreˇcne vrednosti sile zavesljaja na roˇcaju in opori za noge so bile
analizirane in primerjane med posameznimi testi.
Najveˇ
cja vrednost sile na roˇ
caju
Slika 6.5 prikazuje najveˇcjo vrednost sile na roˇcaju Fp,max za vse udeleˇzence za
vse teste. V levem stolpcu so prikazani rezultati testa na 2 minuti s tempom
20 zavesljajev/minuto, desno pa rezultati testa na 500 metrov. Zgoraj so predstavljeni rezultati skupine A, v sredini skupine T in spodaj skupine S. Rdeˇce
je prikazan test 1, zeleno test 2 in modro test 3. Tabela 6.11 prikazuje zbrane
podatke vseh udeleˇzencev za posameznen test, pri ˇcemer so prikazani povpreˇcna
najveˇcja vrednost sile na roˇcaju F¯ , standardni odklon σ ter srednja F˜ , najveˇcja
Fmax in najmanjˇsa vrednost Fmin najveˇcje vrednosti sile na roˇcaju.
Vsi udeleˇzenci (z izjemo A7) so dosegli pri testu 1T-500m veˇcje najveˇcje sile
kot pri testu 1T-2min. Povpreˇcna razlika je bila 319 N pri skupini A, 478 N pri
skupini T in 438 N pri skupini S. Pri tem so imeli 3 udeleˇzenci skupine A (A1,
A10 in A11), 8 udeleˇzencev skupine T (T1, T3, T4, T6, T7, T8, T10, T11) in
4 udeleˇzenci skupine S (S4, S5, S6 in S10) razliko, veˇcjo kot 500 N. Rezultati
kaˇzejo, da udeleˇzenci v okviru zaˇcetnega testa 1 na 2 minuti niso izkoriˇsˇcali svoje
moˇci na roˇcaju.
113
6.2 Rezultati in diskusija
500 m
Fp,max [N]
Skupina A
2 min
1250
1250
1000
1000
750
750
500
500
250
250
Fp,max [N]
Skupina T
0
1250
1250
1000
1000
750
750
500
500
250
250
Fp,max [N]
0
Skupina S
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1250
1250
1000
1000
750
750
500
500
250
250
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Udeleˇzenec
Test 1
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Udeleˇzenec
Test 2
Test 3
Slika 6.5: Najveˇcja sila zavesljaja na roˇcaju Fp,max .
Rezultati kaˇzejo, da so imeli vsi udeleˇzenci (izjema zgolj A4, A8 in A12) pri
testu 2T-2min veˇcje najveˇcje sile na roˇcaju kot pri testu 1T-2min. Pri skupini A
je bilo povpreˇcno poveˇcanje 48-odstotno, pri skupini T 2,3-kratno, pri skupini S
pa 2,5-kratno. Pri tem so 1 udeleˇzenec skupine A, 6 udeleˇzencev skupine T in 8
114
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
tip
test
F¯
A
T
S
2 min 20 zav/min
σ
F˜ Fmax Fmin
F¯
σ
500 m
F˜ Fmax
Fmin
1
471 319 389
1007
141
790 176 739
1078
567
2
582 341 505
1152
224
837 149 869
1055
595
1
294 158 274
726
146
773 142 832
983
521
2
818 112 836
954
624
891 125 892
1098
728
3
759 170 782
946
400
952 136 918
1170
743
1
292 187 205
644
145
729 178 706
1036
430
2
826 182 801
1147
540
898 166 924
1267
689
3
812 281 851
1257
376
917 149 884
1277
680
Tabela 6.11: Najveˇcja sila zavesljaja na roˇcaju Fp,max .
udeleˇzencev skupine S dosegli veˇc kot 2-kratno poveˇcanje. Iz rezultatov sledi, da
so se udeleˇzenci skupin T in S v okviru treninga bolje nauˇcili prenaˇsati silo na
roˇcaj kot udeleˇzenci skupine A.
Iz rezultatov je razvidno obˇcutno zmanjˇsanje razlike med testoma 2T-500m
in 2T-2min pri skupinah T in S, saj je bila povpreˇcna razlika 73 N pri skupini T
in 72 N pri skupini S, medtem ko je bila razlika pri skupini A 255 N. V okviru
testa 2 so imeli 4 udeleˇzenci iz skupine A, 4 iz skupine T in 5 iz skupine S pri
testu na 500 metrov manjˇse povpreˇcne najveˇcje sile na roˇcaju kot pri testu na 2
minuti.
Pri testu 3T-2min je po 6 udeleˇzencev iz skupin T in S imelo povpreˇcne
najveˇcje sile na roˇcaju manjˇse kot pri testu 2T-2min. Najveˇcje odstopanje je bilo
54 % pri udeleˇzencu T4 in 42 % pri udeleˇzencu S5. Povpreˇcno odstopanje je bilo
pri obeh skupinah manjˇse kot 10 %. Povpreˇcno odstopanje med testoma 3T-500m
in 2T-500m je bilo pri obeh skupinah manjˇse kot 5 %. Veˇc kot 10-odstotna razlika
nastopa zgolj v treh primerih (15 % pri S9, 14 % pri S10 in 11 % pri T9).
Pri testu 3 so se razlike med povpreˇcnimi najveˇcjimi silami na roˇcaju med
testoma na 500 metrov in 2 minuti pri obeh skupinah poveˇcale, saj je bila pri
skupini T 192 N, pri skupini S pa 105 N. Najveˇcja razlika je bila kar 630 N pri
udeleˇzencu T4. Trije udeleˇzenci iz skupine T (T2, T3 in T8) in trije udeleˇzenci
iz skupine S (S1, S6 in S8) so imeli pri testu 3T-500m manjˇse povpreˇcne najveˇcje
sile na roˇcaju kot pri testu 3T-2min.
115
6.2 Rezultati in diskusija
Polovica udeleˇzencev iz skupine S in 5 udeleˇzencev iz skupine T je doseglo
pri testu 3T-2min veˇcje Fp,max kot pri testu 2T-2min. Pri testu 3T-500m je 7
udeleˇzencev pri skupini S in 9 pri skupini T imelo veˇcje Fp,max kot pri testu 2T500m. Pri tistih udeleˇzencih, ki so imeli sile manjˇse, so bile te ˇse vedno obˇcutno
veˇcje kot pri testu 1.
Najveˇ
cja vrednost sile na opori za noge
Slika 6.6 in tabela 6.12 prikazujeta najveˇcje vrednosti sile na opori za noge Fr,max
na enak naˇcin, kot je bilo prikazano za najveˇcje vrednosti sile na roˇcaju na sliki
6.5 in tabeli 6.11.
tip
test
F¯
A
T
S
2 min 20 zav/min
σ
F˜ Fmax Fmin
F¯
σ
500 m
F˜ Fmax
Fmin
1
306 152 250
636
133
409 63 420
509
308
2
324 154 290
621
118
446 71 454
529
311
1
232
72
222
384
134
429 70 420
580
338
2
411
64
398
540
322
475 60 467
593
399
3
394
87
366
560
299
463 69 443
599
381
1
220
59
214
326
153
424 83 447
587
273
2
427
86
423
594
307
463 68 458
562
342
3
420 110 428
548
224
472 67 478
579
367
Tabela 6.12: Najveˇcja sila zavesljaja na opori za noge Fr,max .
Vsi udeleˇzenci (z izjemo A6 in A7) so dosegli pri testu 1T-500m veˇcje najveˇcje
sile na opori za noge kot pri testu 1T-2min. Povpreˇcna razlika je bila 103 N pri
skupini A, 198 N pri skupini T in 204 N pri skupini S. Pri tem sta imela 2
udeleˇzenca iz skupine A (A10 in A11), 6 udeleˇzencev iz skupine T (T1, T3, T4,
T6, T8 in T11) in 6 udeleˇzencev iz skupine S (S1, S4, S6, S7, S9 in S10) razliko
veˇcjo kot 200 N. Rezultati kaˇzejo, da udeleˇzenci v okviru zaˇcetnega testa 1 na 2
minuti niso izkoriˇsˇcali moˇci nog.
Iz rezultatov je razvidno, da so vsi udeleˇzenci iz skupin T in S dosegli pri testu
2T-2min veˇcje najveˇcje sile na opori za noge kot pri testu 1T-2min, medtem ko je
bilo v skupini A takih udeleˇzencev natanˇcno polovica. Pri skupini A je povpreˇcna
sprememba dosegla 25 %, pri skupini T 90 %, pri skupini S pa 103 %. Veˇc kot
116
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
Fr,max [N]
Skupina A
750
Fr,max [N]
Skupina T
625
500
500
375
375
250
250
125
125
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
750
750
625
625
500
500
375
375
250
250
125
125
0
Fr,max [N]
750
625
0
Skupina S
2 min
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
750
750
625
625
500
500
375
375
250
250
125
125
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Udeleˇzenec
Test 1
0
500 m
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Udeleˇzenec
Test 2
Test 3
Slika 6.6: Najveˇcja sila zavesljaja na opori za noge Fr,max .
50-odstotno poveˇcanje sta dosegla 2 udeleˇzenca iz skupine A, 9 udeleˇzencev iz
ˇ
skupine T in 10 udeleˇzencev iz skupine S. Ceprav
je poveˇcanje manjˇse kot pri
najveˇcjih silah na roˇcaju, iz rezultatov sledi, da so se udeleˇzenci iz skupin T in S
6.2 Rezultati in diskusija
117
v okviru treninga bolje nauˇcili uporabljati noge.
Iz rezultatov je razvidno obˇcutno zmanjˇsanje razlike v okviru testa 2 med
testom na 500 metrov in testom na 2 minuti pri skupinah T in S, saj je bila
povpreˇcna razlika 65 N pri skupini T in 36 N pri skupini S, medtem ko je bila
razlika pri skupini A 122 N. V okviru testa 2 sta 2 udeleˇzenca skupine A, 2
udeleˇzenca skupine T in 4 udeleˇzenci skupine S dosegli pri testu na 500 metrov
manjˇse povpreˇcne najveˇcje sile na roˇcaju kot pri testu na 2 minuti.
Pri testu 3T-2min je 5 udeleˇzencev iz skupine T in 7 udeleˇzencev iz skupine
S doseglo povpreˇcne najveˇcje sile na opori za noge manjˇse kot pri testu 2T-2min.
Najveˇcje odstopanje je bilo 38-odstotno pri udeleˇzencu T4 in 30-odstotno pri
udeleˇzencu S4. Povpreˇcno odstopanje je bilo pri obeh skupinah manjˇse kot 13 %.
Povpreˇcno odstopanje med testoma 3T-500m in 2T-500m je pri obeh skupinah
manjˇse kot 7 %. Veˇc kot 10-odstotna razlika nastopa zgolj v treh primerih (18 %
pri T3, 10 % pri T6 in T7).
Pri testu 3 so se razlike med povpreˇcnimi najveˇcjimi silami na opori za noge
med testom na 500 metrov in testom na 2 minuti pri obeh skupinah nekoliko
poveˇcale, saj so bile pri skupini T 69 N, pri skupini S pa 53 N. Najveˇcja razlika
ˇ
je bila 227 N pri udeleˇzencu S4. Stirje
udeleˇzenci iz skupine T (T2, T5, T6 in
T8) in trije udeleˇzenci iz skupine S (S6, S8 in S11) so imeli v okviru testa na 500
metrov manjˇse povpreˇcne najveˇcje sile na opori za noge kot pri testu na 2 minuti.
V skupini S je imelo 5 udeleˇzencev, v skupini T pa 6 udeleˇzencev pri testu
3T-2min veˇcje Fr,max kot pri testu 2T-2min. Pri testu 3T-500m je 9 udeleˇzencev
skupine S in 5 skupine T imelo veˇcje Fr,max kot pri testu 2T-500m. Pri tistih
udeleˇzencih, ki so dosegli manjˇse sile, so bile te ˇse vedno obˇcutno veˇcje kot pri
testu 1.
Povpreˇ
cna vrednost sile zavesljaja na roˇ
caju
Slika 6.7 in tabela 6.13 na enak naˇcin, kot je bilo prikazano za najveˇcje vrednosti
sile na roˇcaju na sliki 6.5 in tabeli 6.11, prikazujeta povpreˇcne vrednosti sile
zavesljaja na roˇcaju med fazo potega Fp,avg .
Rezultati povpreˇcne sile zavesljaja na roˇcaju Fp,avg , drugega parametra sile,
so podobni rezultatom Fp,max . Vrednosti Fp,avg so seveda manjˇse, a vzorci so
podobni. Tudi tukaj je veˇcina udeleˇzencev v okviru testa 1 pri testu na 500
118
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
Fr,avg [N]
Skupina A
600
Fr,avg [N]
Skupina T
450
300
300
150
150
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
600
600
450
450
300
300
150
150
0
Fr,avg [N]
600
450
0
Skupina S
2 min
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
600
600
450
450
300
300
150
150
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Udeleˇzenec
Test 1
0
500 m
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Udeleˇzenec
Test 2
Test 3
Slika 6.7: Povpreˇcna sila zavesljaja na roˇcaju Fp,avg .
metrov dosegla veˇcje najveˇcje sile kot pri testu na 2 minuti, poleg udeleˇzenca A7,
ki je bil izjema ˇze pri Fp,max , pa je izjema tudi udeleˇzenec A4. Povpreˇcne razlike
so pri vseh skupinah podobne (132 N pri skupini A, 190 N pri skupini T in 172
119
6.2 Rezultati in diskusija
tip
test
F¯
A
T
S
2 min 20 zav/min
σ
F˜ Fmax Fmin
F¯
σ
500 m
F˜ Fmax
Fmin
1
208 115 186
411
86
326 41 324
405
260
2
250 135 211
482
107
345 47 353
404
256
1
142
58
136
296
81
333 56 331
413
248
2
339
56
349
415
242
362 41 351
419
299
3
325
79
318
434
190
386 48 396
459
316
1
135
63
107
262
86
307 68 301
415
204
2
340
62
357
440
204
365 38 363
422
308
3
341
96
360
476
169
379 43 391
436
292
Tabela 6.13: Povpreˇcna sila zavesljaja na roˇcaju Fp,avg .
N pri skupini S). Zgolj udeleˇzenec T4 je imel razliko veˇcjo kot 300 N (ta je bila
310 N). Rezultati Fp,avg potrjujejo ugotovitev, da udeleˇzenci v okviru zaˇcetnega
testa 1 na 2 minuti niso izkoriˇsˇcali svoje moˇci na roˇcaju.
Rezultati kaˇzejo, da so udeleˇzenci (izjema so tudi tukaj udeleˇzenci A4, A8
in A12) pri testu 2T-2min dosegli veˇcje povpreˇcne sile na roˇcaju kot pri testu
1T-2min. Pri skupini A je bila povpreˇcna sprememba 50-odstotna, pri skupini T
je bilo poveˇcanje 1,6-kratno, pri skupini S pa 1,9-kratno. Pri tem so 3 udeleˇzenci
iz skupine T in 6 udeleˇzencev iz skupine S dosegli veˇc kot 2-kratno poveˇcanje.
Rezultati potrjujejo ugotovitve pri Fp,max , in sicer da so se udeleˇzenci iz skupin T
in S v okviru treninga bolje nauˇcili prenaˇsati silo na roˇcaj kot udeleˇzenci skupine
A.
Iz rezultatov je ponovno razvidno obˇcutno zmanjˇsanje razlike v okviru testa
2 med testom na 500 metrov in testom na 2 minuti pri skupinah T in S, saj je
bila povpreˇcna razlika 41 N pri skupini T in 45 N pri skupini S, medtem ko je
bila razlika pri skupini A 172 N. V okviru testa 2 so 4 udeleˇzenci iz skupine A, 5
iz skupine T in 5 iz skupine S dosegli pri testu na 500 metrov manjˇse povpreˇcne
sile na roˇcaju kot pri testu na 2 minuti.
Pri testu 3T-2 min je po ˇsest udeleˇzencev iz skupin T in S imelo povpreˇcen
Fp,avg manjˇsi kot pri testu 2T-2min.
Najveˇcje odstopanje je pri istih dveh
udeleˇzencih kot pri Fp,max , in sicer 51-odstotno pri udeleˇzencu T4 in 49-odstotno
pri udeleˇzencu S5. Povpreˇcno odstopanje je pri obeh skupinah okoli 16-odstotno.
Povpreˇcno odstopanje med testoma 3T-500m in 2T-500m je pri obeh skupinah
120
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
okoli 8-odstotno. Veˇc kot 10-odstotna razlika nastopa v ˇsestih primerih (16 % pri
T5 in T6, 15 % pri T9, 13 % pri T4, 12 % pri S5 ter 11 % pri S4).
Tudi pri parametru Fp,avg so se razlike med testoma na 500 metrov in na 2
minuti pri testu 3 pri obeh skupinah poveˇcale, saj je bila pri skupini T 83 N, pri
skupini S pa 71 N. Najveˇcja razlika je bila kar 269 N pri udeleˇzencu T4, ki je
imel najveˇcjo razliko ˇze pri Fp,max . Trije udeleˇzenci iz skupine T (T2, T5 in T8)
ter pet udeleˇzencev iz skupine S (S1, S3, S6, S8 in S9) je imelo v okviru testa 3
pri testu na 500 metrov manjˇsi Fp,avg kot pri testu na 2 minuti. Pet udeleˇzencev
sovpada z rezultati pri Fp,max , trije pa so drugaˇcni.
Polovica udeleˇzencev iz skupine S in 5 udeleˇzencev iz skupine T je doseglo
pri testu 3T-2min veˇcji Fp,avg kot pri testu 2T-2min. Pri testu 3T-500m je 9
udeleˇzencev iz skupine S in 7 iz skupine T doseglo veˇcji Fp,avg kot pri testu 2T500m. Pri tistih udeleˇzencih, ki so imeli sile manjˇse, so bile te ˇse vedno obˇcutno
veˇcje kot pri testu 1.
Povpreˇ
cna vrednost sile zavesljaja na opori za noge
Slika 6.8 in tabela 6.14 prikazujeta povpreˇcne vrednosti sile na opori za noge
Fr,avg na enak naˇcin, kot je bilo prikazano za povpreˇcne vrednosti sile na roˇcaju
na sliki 6.7 in tabeli 6.13.
tip
test
F¯
A
T
S
2 min 20 zav/min
σ
F˜ Fmax Fmin
F¯
σ
500 m
F˜ Fmax
Fmin
1
174 73 165
337
91
0
269 42 292
309
194
2
194 90 158
368
87
0
290 43 296
339
208
1
133 38 120
204
85
0
268 49 271
364
189
2
250 33 255
312
195
0
298 29 303
354
254
3
233 46 217
310
160
0
294 43 282
385
247
1
124 39 116
194
77
0
272 70 272
374
146
2
249 45 236
337
184
0
293 47 294
364
197
3
239 56 240
327
124
0
296 35 298
356
224
Tabela 6.14: Povpreˇcna sila zavesljaja na opori za noge Fr,avg .
Rezultati povpreˇcne sile zavesljaja na opori za noge Fr,avg so podobni rezultatom Fr,max . Vrednosti Fr,avg so tudi v tem primeru manjˇse, a vzorci so podobni.
121
6.2 Rezultati in diskusija
Fr,avg [N]
Skupina A
450
Fr,avg [N]
Skupina T
300
150
150
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
450
450
300
300
150
150
0
Fr,avg [N]
450
300
0
Skupina S
2 min
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
450
450
300
300
150
150
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Udeleˇzenec
Test 1
0
500 m
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Udeleˇzenec
Test 2
Test 3
Slika 6.8: Povpreˇcna sila zavesljaja na opori za noge Fr,avg .
Tudi tukaj je veˇcina udeleˇzencev dosegla pri testu testa 1T-500m veˇcje povpreˇcne
sile kot pri testu na 1T-2min, izjema je bil le udeleˇzenec A7, ki je bil izjema ˇze pri
Fr,max . Povpreˇcne razlike so pri vseh skupinah podobne (95 N pri skupini A, 134
122
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
N pri skupini T in 148 N pri skupini S). Zgolj udeleˇzenec S1 je imel razliko, veˇcjo
kot 250 N (ta je bila 262 N). Rezultati Fp,avg potrjujejo ugotovitev, da udeleˇzenci
v okviru zaˇcetnega testa 1 na 2 minuti niso izkoriˇsˇcali moˇci svojih nog.
Rezultati kaˇzejo, da so udeleˇzenci (izjema je 5 udeleˇzencev skupine A) dosegli
pri testu 2T-2min veˇcje povpreˇcne Fr,avg kot pri testu 1T-2min. Pri skupini A je
bila povpreˇcna sprememba zgolj 15-odstotna, pri skupini T 1-kratna, pri skupini S
pa 1,1-kratna. Pri tem je zgolj udeleˇzenec S1 dosegel veˇc kot 2-kratno poveˇcanje.
Tudi ti rezultati potrjujejo rezultate pri parametru Fr,max , da so se udeleˇzenci iz
skupin T in S v okviru treninga bolje nauˇcili izkoriˇsˇcati moˇc nog kot udeleˇzenci
iz skupine A.
Iz rezultatov je ponovno razvidno obˇcutno zmanjˇsanje razlike v okviru testa
2 med testom na 500 metrov in testom na 2 minuti pri skupinah T in S, saj je
bila povpreˇcna razlika 50 N pri skupini T in 43 N pri skupini S, medtem ko je
bila razlika pri skupini A 106 N. V okviru testa 2 je zgolj udeleˇzenec A7 pri testu
na 500 metrov dosegel manjˇse povpreˇcne sile na opori za noge kot pri testu na 2
minuti. Osem udeleˇzencev iz skupine A je imelo razliko, veˇcjo kot 100 N, medtem
ko je bil tovrsten udeleˇzenec zgolj eden v vsaki od skupin T in S.
Pri testu 3T-2min je imelo 8 udeleˇzencev iz skupine T in 7 udeleˇzencev iz
skupine S povpreˇcen Fr,avg manjˇsi kot pri testu 2T-2min. Tudi v tem primeru je
najveˇcjo razliko, tako kot pri Fr,max , mogoˇce zaslediti pri udeleˇzencih T4 (45 %)
in S4 (28 %), 28-odstotno odstopanje pa ima tudi udeleˇzenec S5. Povpreˇcno
odstopanje je pri obeh skupinah okoli 16-odstotno. Povpreˇcno odstopanje je bilo
v obeh skupinah 13-odstotno.
Povpreˇcno odstopanje med testoma 3T-500m in 2T-500m je bilo pri obeh
ˇ
skupinah okoli 7-odstotno. Stirje
udeleˇzenci iz skupine T in 5 udeleˇzencev iz
skupine S so imeli Fr,avg pri testu 3 veˇcji. Veˇc kot 10-odstotna razlika nastopa
zgolj v ˇsestih primerih (15 % pri T3, 13 % pri S9, 10 % pri T2).
Pri parametru Fr,avg se razlike med testoma 3T-500m in3T-2min niso pomembno spremenile glede na test 2, saj so bile pri skupini T 66 N, pri skupini S
pa 59 N. Najveˇcja razlika je bila sicer 225 N pri udeleˇzencu T4, ki je imel najveˇcjo
razliko tudi pri Fp,avg . En udeleˇzenec iz skupine T (T2) in en udeleˇzenec iz skupine S (S6) sta dosegla v okviru testa 3 pri testu na 500 metrov manjˇsi Fr,avg kot
pri testu na 2 minuti. Ta dva udeleˇzenca sovpadata z rezultati pri Fp,avg .
123
6.2 Rezultati in diskusija
V skupini S so 5, v skupini T pa 3 udeleˇzenci pri testu 3T-2min dosegli veˇcje
Fr,avg kot pri testu 2T-2min. Pet udeleˇzencev iz skupine S in 4 iz skupine T pa
je pri 3T-500m doseglo veˇcje Fr,avg kot pri testu 2T-500m. Pri tistih udeleˇzencih,
ki so imeli sile manjˇse, so bile te ˇse vedno obˇcutno veˇcje kot pri testu 1.
Spremenljivost sil
Pri analizi spremenljivosti najveˇcjih in povpreˇcnih sil smo ugotovili, da je bila
spremenljivost v sploˇsnem pri vseh silah pri testih na 2 minuti veˇcja kot pri testih
na 500 metrov. Vse skupine so imele pri testu na 2 minuti manjˇso spremenljivost
kot pri testu 1, pri testu 3 pa se spremenljivost pri skupinah T in S pomembno
ne razlikuje od rezultatov pri testu 2. Statistiˇcno nespremenljive so zgolj Fp,max
in Fr,max pri testu 2T-500m in testu 3T-500m ter Fr,avg pri vseh testih na 500
metrov in testu 2T-2min. Te spremenljivke so statistiˇcno nespremenljive pri vseh
treh skupinah udeleˇzencev.
6.2.9
Delo
Delo zavesljaja A je vsota produktov sile na roˇcaju in premika roˇcaja med fazo
potega. Slika 6.9 in tabela 6.15 prikazujeta opravljeno delo A, na enak naˇcin kot
so bili v prejˇsnjem poglavju predstavljeni podatki za maksimalne in povpreˇcne
sile.
tip
test
A¯
A
T
S
2 min 20 zav/min
σ
A˜ Amax Amin
A¯
σ
500 m
A˜ Amax
Amin
1
338 245 296
743
81
527 109 520
742
320
2
437 281 385
845
134
572 131 556
784
330
1
187
92
170
417
91
538 113 547
746
349
2
596
98
630
749
413
625 102 596
780
479
3
567 152 543
784
282
664 110 666
799
507
1
180 115 139
414
71
467 142 457
691
302
2
632 142 612
898
375
655
662
767
509
3
634 213 667
950
262
680 107 704
843
451
84
Tabela 6.15: Delo zavesljaja A.
124
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
500 m
A[J]
Skupina A
2 min
1000
1000
750
750
500
500
250
250
A[J]
Skupina T
0
1000
1000
750
750
500
500
250
250
A[J]
0
Skupina S
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1000
1000
750
750
500
500
250
250
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Udeleˇzenec
Test 1
Udeleˇzenec
Test 2
Test 3
Slika 6.9: Delo zavesljaja A.
Z izjemo udeleˇzencev A4 in A7, so udeleˇzenci v okviru testa 1T-500m opravili
veˇcje delo kot pri testu 1T-2min. Pri tem so 4 udeleˇzenci skupine A (A1, A2,
A10 in A11), 8 udeleˇzencev skupine T (T1, T3, T4, T6, T7, T8, T9, T11) in 6
udeleˇzencev skupine S (S1, S4, S5, S6, S9, S10) pri testu 1T-500m opravili za veˇc
6.2 Rezultati in diskusija
125
kot 100 % veˇc dela kot pri testu 1T-2min. Povpreˇcno poveˇcanje pri skupini A je
bilo 1,5 kratno, pri skupini T 2,3 kratno, pri skupini S pa 2,2 kratno. Rezultati
potrjujejo ugotovitve, da udeleˇzenci v okviru zaˇcetnega testa 1 na 2 min niso
izkoriˇsˇcali svoje moˇci na roˇcaju in so tako opravili bistveno manj dela.
Z izjemo rezultatov udeleˇzencev A4, A8 in A12, so pri testu 2T-2min
udeleˇzenci opravili veˇcje delo kot pri testu 1T-2min. Pri skupini A je bilo povpreˇcno poveˇcanje 63 %, pri skupini T 2,7 kratno, pri skupini S pa 3,8 kratno.
Pri tem je zgolj 1 udeleˇzenec skupine A dosegel veˇc kot dvakratno poveˇcanje,
v skupini T zgolj 5 udeleˇzencev in v skupini S zgolj 3 udeleˇzenci niso dosegli
dvakratnega poveˇcanja. Iz rezultatov sledi, da so se udeleˇzenci skupin T in S v
okviru treninga bolje nauˇcili izboljˇsati opravljeno delo.
Iz rezultatov je razvidno obˇcutno zmanjˇsanje razlike med testoma 2T-500m in
2T-2min pri skupinah T in S, saj je povpreˇcna razlika znaˇsala 77 J pri skupini T
in 92 J pri skupini S, medtem ko je bila razlika pri skupini A 244 J. V okviru testa
2T-500m so 4 udeleˇzenci skupine A, 5 udeleˇzencev skupine T in 5 udeleˇzencev
skupine S opravili manjˇse delo v posameznem zavesljaju kot pri testu 2T-2min.
Skupno opravljeno delo pri testu 2T-500m je bilo sicer veˇcje, saj so opravili veliko
veˇcje ˇstevilo zavesljajev.
Pri testu 3T-2min je 5 udeleˇzencev skupine S in 6 udeleˇzencev skupine T
v posameznem zavesljaju opravilo manjˇse delo kot pri testu 2T-2min. Izrazita
odstopanja so pri udeleˇzencih T4 (58 %), S2 (54 %) in S4 (53 %). Povpreˇcno
odstopanje je pri obeh skupinah manjˇse kot 10 %. Povpreˇcno odstopanje med
testoma 3T-500m in 2T-500m je pri obeh skupinah malo manj kot 20 %.
Razlike med opravljenim delom posameznega zavesljaja med testoma 3T500m in 3T-2min so se pri obeh skupinah poveˇcale, pri skupini T je razlika znaˇsala
156 J, pri skupini S je znaˇsala 152 J. Najveˇcja razlika je bila 509 J pri udeleˇzencu
T4. 4 udeleˇzenci skupine T (T2, T5, T6 in T8) ter 5 udeleˇzencev skupine S (S1,
S3, S6, S8 in S9) je pri testu 500 m opravilo manjˇse delo posameznega zavesljaja
kot pri testu 2 min.
Po 6 udeleˇzencev iz skupin S in T je pri testu 3T-2min opravilo manjˇse delo
posameznega zavesljaja kot pri testu 2T-2min. Pri testu 3T-500m so 4 udeleˇzenci
skupine S in 3 udeleˇzenci skupine T opravili manjˇse delo kot pri testu 2T-500m.
Kljub temu pa so udeleˇzenci, ki so opravlili manjˇse delo posameznega zavesljaja,
opravili obˇcutno veˇc dela kot pri testu 1.
126
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
Zgolj nekaj posameznih udeleˇzencev (A8 in S2 pri testu 2 ter S8 pri testu 3)
je imelo koeficient variacije KV < 0, 1, vendar ne manjˇsi od 0,05, kar predstavlja
neznatno spremenljivost. Iz tega lahko zakljuˇcimo, da so vsi udeleˇzenci imeli
znantno spremenljivo delo pri posameznih zavesljajih.
6.2.10
Preveslana razdalja in ˇ
cas veslanja
Kljub temu, da se sistem osredotoˇca na izvedbo in ne na sam rezultat, na koncu
podajamo rezultate preveslanih razdalj in ˇcasov veslanja pri vseh testih. V tabeli
6.16 je podano, koliko metrov je posamezen udeleˇzenec uspel preveslati pri testu
2 min s tempom 20 zavesljajev/minuto. V tabeli 6.17 je podano, koliko ˇcasa je
posamezen udeleˇzenec potreboval, da je preveslal 500 m dolgo razdaljo. Na sliki
6.10 so rezultati prikazani v grafiˇcni obliki.
Udeleˇzenec
Skupina A
Test 1 Test 2
Skupina T
Test 1 Test 2 Test 3
Skupina S
Test 1 Test 2 Test 3
1
2
202
219
272
258
247
289
441
460
455
487
191
316
539
466
543
357
3
4
385
508
531
419
225
248
415
494
426
336
233
265
452
437
480
532
5
276
319
428
487
494
206
474
354
6
7
490
510
540
535
273
299
509
484
520
461
252
252
526
401
538
367
8
9
373
414
363
451
288
217
470
478
512
408
391
235
474
497
514
493
10
11
290
203
312
418
366
283
522
445
482
435
265
397
491
512
483
511
12
335
250
337
440
395
450
463
Povpreˇcje
Mediana
350
354
389
391
292
286
470
474
456
461
283
259
477
474
470
488
SD
115
109
61
31
53
74
39
71
Tabela 6.16: Preveslana razdalja v metrih pri 2 minutnih testih s tempom 20
zavesljajev/minuto.
Na podlagi rezultatov lahko ugotovimo, da udeleˇzenci skupine A niso osvojili
veslaˇske tehnike, saj so napredovali zgolj 4 udeleˇzenci (A1, A5, A10 in A11).
Najmanjˇsi napredek so naredili pri testu 2 min, kjer je bilo povpreˇcno poveˇcanje
preveslane razdalje zgolj 35 m, medtem ko sta skupini T in S napredovali obˇcutno
veˇc (skupina T 178 m in skupina S 194 m). Pri skupinah S in T so v okviru testa
127
6.2 Rezultati in diskusija
Udeleˇzenec
Skupina A
Skupina T
Skupina S
Test 1
Test 2
Test 1
Test 2
Test 3
Test 1
Test 2
Test 3
1
01:56,4
01:42,7
01:53,2
01:39,7
01:36,9
01:53,6
01:39,1
01:39,3
2
3
02:04,2
01:42,7
02:05,5
01:45,9
02:16,5
01:59,6
01:55,0
01:52,4
01:55,1
01:57,6
02:06,1
02:23,1
01:52,1
02:01,3
01:50,1
01:54,6
4
5
01:48,6
02:11,9
02:02,1
02:02,5
01:38,5
01:51,8
01:39,7
01:52,4
01:33,0
01:47,1
01:51,1
02:04,8
01:48,0
01:48,5
01:40,7
01:47,5
6
01:43,2
01:37,1
01:49,4
01:45,7
01:38,9
01:41,0
01:38,8
01:40,4
7
8
01:47,8
02:01,9
01:46,6
01:53,8
01:52,7
01:40,4
01:51,0
01:36,0
01:46,2
01:39,2
02:26,7
02:06,1
01:46,6
01:45,9
01:48,7
01:45,1
9
10
02:02,3
01:47,2
01:55,2
01:45,4
02:11,7
01:44,1
01:48,5
01:36,8
01:45,6
01:36,6
02:08,9
01:41,8
01:53,0
01:44,9
01:47,0
01:46,5
11
12
01:52,4
01:55,9
01:46,7
01:55,7
01:52,4
01:58,4
01:54,4
01:49,5
01:51,0
01:44,4
01:40,7
01:40,4
01:44,5
01:38,5
01:41,0
Povpreˇcje
01:54,5
01:51,6
01:54,1
01:46,8
01:44,3
01:59,0
01:46,9
01:45,0
Mediana
SD
01:54,2
00:09,2
01:50,3
00:08,9
01:52,6
00:11,4
01:49,0
00:07,0
01:45,6
00:08,1
01:59,2
00:16,1
01:46,3
00:06,4
01:45,8
00:05,0
Skupina S
Skupina T
Skupina A
ˇ veslanja pri testih na 500 metrov.
Tabela 6.17: Cas
500 m
2 min
Test 1
Test 2
100
Test 1
200
300
400
500
600
Test 2
80
Test 1
Test 1
Test 2
Test 2
Test 3
100
200
300
400
500
600
Test 3
80
Test 1
Test 1
Test 2
Test 2
Test 3
100
200
300
400
500
Razdalja d[m]
600
Test 3
80
100
120
140
100
120
140
120
140
100
ˇ t[s]
Cas
Slika 6.10: Preveslana razdalja pri testu na 2 minuti (levo) in ˇcas veslanja pri
testu na 500 metrov (desno).
128
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
2 min napredovali vsi udeleˇzenci, pri ˇcemer je 5 udeleˇzencev skupine A in 7
udeleˇzencev skupine S napredovalo za veˇc kot 200 m. Podobne rezultate opazimo
pri testu na 500 m.
Pri testu 3 so rezultati podobni rezultatom testa 2, pri ˇcemer izstopata
udeleˇzenca T4 in S5, ki sta v okviru testa 2 min preveslala obˇcutno manj metrov kot pri testu 2. Oba udeleˇzenca sta pozabila na tehniko hitrega potega in
poˇcasnega povratka.
6.2.11
Komentarji udeleˇ
zencev
Zebeleˇzili smo komentarje, ki so jih med testi podali udeleˇzenci:
Skupina A:
• Vˇseˇc mi je.
ˇ sem najbolje, kar sem pripravljen.
• Sel
Skupina T:
• T4 po T3-2min: Zakaj me nisi opozoril na hiter poteg, poˇcasi nazaj?
• Pobralo me je na koncu testa na 500 m. (2-krat)
• Zelo sem zadovoljen, pouˇcno! (3-krat)
• Nisem si mislil, da delajo toliko roke.
• Zanimivo, premalo noge uporabljam.
• Veliko stvari je za misliti.
• Bolj zahtevno kot sem priˇcakoval.
Skupina S:
• S5 po T3-2min: Ups, pozabil sem na razdaljo.
• Super naˇcin uˇcenja! (8-krat)
• Pri silah bi moral biti narisan ˇse ritem. (2-krat)
6.3 Zakljuˇcek
129
• Pozabil sem na tehniko, ko sem ˇsel na polno na 500 m.
• Po drugem testu sem bil kljub boljˇsemu rezultatu manj utrujen.
• Oblikovalsko bi lahko bila boljˇsa grafika.
Komentarji kaˇzejo na pozitivno uporabniˇsko izkuˇsnje udeleˇzencev, ki so uporabljali sistem.
Poudariti velja, da se veliko udeleˇzencev ˇstudije pozna med seboj. Vsi so
bili naproˇseni, da si med seboj ne razkrivajo podrobnosti ˇstudije. Velika veˇcina
udeleˇzencev je bila zelo tekmovalna in so med seboj tekmovali in osebno primerjali
rezultate.
6.3
Zakljuˇ
cek
V tem poglavju je predstavljena evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe
veslanja. Uspeˇsnost razvitega sistema smo ocenili s ˇstudijo napredka neizkuˇsenih
udeleˇzencev in s primerjavo uspeˇsnosti vadb brez nadzora, s trenerskim nadzorom
in nadzorom z razvitim sistemom. Rezultati kaˇzejo, da udeleˇzenci brez nadzora
med treningom niso napredovali, medtem ko so udeleˇzenci pod nadzorom trenerja
ali sistema med treningom napredovali in osvojili primerno tehniko veslanja. To
pomeni, da smo z razvitim sistemom vadbe uporabniku uspeˇsno posredovali povratno informacijo, ki jo je uspel pretvoriti v primerno gibanje in tehniko.
Analiza je pokazala, da so se vsi udeleˇzenci v procesu treninga nauˇcili nadzorovati tempo veslanja. Udeleˇzenci, ki so trenirali brez nadzora, med treningom
niso naredili napredka in dosegli referenˇcnih biomehanskih parametrov primerne
veslaˇske tehnike, medtem ko je to udeleˇzencem pod nadzorom trenerja ali sistema
uspelo. Pri tem ni statistiˇcnih razlik v napredku med slednjima skupinama. V
skupini, ki je trenirala pod nadzorom trenerja, so vsi razen treh udeleˇzencev dosegli referenˇcne dolˇzine zavesljaja, v skupini, ki je trenirala pod nadzorom sistema,
pa so jo dosegli vsi udeleˇzenci. Pri naklonu trupa je bila spremenljivost rezultatov
veˇcja kot pri dolˇzini zavesljaja. Kljub temu rezultati kaˇzejo, da so udeleˇzenci pod
nadzorom trenerja ali sistema s treningom izboljˇsali gibanje s trupom, a se je pri
tem kriterij trenerja nekoliko razlikoval od referenˇcnega modela. Udeleˇzenci pred
zaˇcetkom uˇcenja niso imeli ustreznega ritma veslanja, torej tehnike hitrega potega
in poˇcasnega povratka. Med treningom so udeleˇzenci pod nadzorom trenerja ali
130
Evalvacija uˇcinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
sistema napredovali, vendar niso vsi dosegli referenˇcnih vrednosti. Analiza parametrov sil in dela je pokazala, da so udeleˇzenci pod nadzorom po treningu dosegali
veˇcje sile in opravili veˇc dela, hkrati so se razlike med testoma pri poˇcasnem in
hitrem tempu zmanjˇsale.
Analiza je pokazala, da je pri parametrih telesne drˇze, torej dolˇzini zavesljaja
in naklonu trupa, uˇcenje pod nadzorom sistema, ki je kvalitativno ocenjeval biomehanske podatke, doseglo boljˇse rezultate od uˇcenja pod nadzorom trenerja, ki
je subjektivno ocenjeval tehniko udeleˇzencev.
Pri ponovitvenem testu brez nadzora je bila spremenljivost tehnike veˇcja,
a manjˇsa kot pri testu pred uˇcenjem. Nekaj udeleˇzencev je sicer pozabilo na
nauˇceno tehniko, kar se kaˇze predvsem pri ritmu, vendar je veˇcina udeleˇzencev
ohranila pravilno tehniko.
V ˇstudiji so sodelovali samo prostovoljci moˇskega spola v omejenem strostnem
obdobju. Potrebna je previdnost ob morebitnem posploˇsevanju rezultatov in
zakljuˇckov, ki so pridobljeni na tej skupini, na oba spola in vsa starostna obdobja.
ˇ
Studija
je pokazala, da je senzorno podprto uˇcenje tehnike veslanja lahko
uˇcinkovita alternativna metoda uˇcenja in nadzora tehnike veslanja, ki lahko
uspeˇsno dopolnjuje tradicionalno metodo vadbe s trenerjem.
7.
Zakljuˇ
cek
V prvem delu doktorske disertacije smo analizirali biomehanske parametre veslanja na simulatorju. Primerjali smo veslaˇske tehnike treh skupin z razliˇcno
usposobljenimi veslaˇci in analizirali njihovo odvisnost od tempa veslanja. Rezultati so pokazali, da elitni veslaˇci uporabljajo podobno in konsistentno tehniko
veslanja pri vseh tempih, tehnika klubskih veslaˇcev jim je podobna, medtem ko
se tehnika veslaˇcev nepoznavalcev razlikuje in spreminja. Klubski veslaˇci se od
elitnih veslaˇcev razlikujejo pri parametrih, ki so povezani z moˇcjo in poslediˇcno
intenzivnostjo veslanja. Pri najveˇcji in povpreˇcni sili na opori za nogi, najveˇcji
in povpreˇcni sili na roˇcaju, delu in obremenitvi v sklepih so vrednosti manjˇse od
vrednosti teh parametrov pri elitnih veslaˇcih. Prav tako se oblika krivulje sile na
roˇcaju klubskih veslaˇcev razlikuje od elitne.
Tehnika veslaˇcev nepoznavalcev se razlikuje od tehnike elitnih in klubskih
veslaˇcev in se bistveno spreminja glede na tempo. Dolˇzina zavesljaja je v primerjavi z elitnimi in klubskimi veslaˇci krajˇsa, sile so manjˇse, gibanje roˇcaja in
telesna drˇza sta drugaˇcna. Kljub temu, da se dolˇzina zavesljaja spreminja glede
na tempo, pa je pri posameznem tempu konstantna. Veslaˇci nepoznavalci ne spreminjajo razmerja faz zavesljaja, njihove najveˇcje in povpreˇcne sile pa se poveˇcajo
s poviˇsanjem tempa. Pri veslaˇcih nepoznavalcih so razvidni pomanjkljiva tehnika
in razliˇcni vzorci veslanja, njihova tehnika se spreminja s tempom. Pri konstantnem tempu je posameznikova tehnika konsistentna.
Glavna pomanjkljivost analize je modeliranje trupa veslaˇca kot enega togega
elementa. Ta poenostavitev se lahko odraˇza v napaki naklona trupa in v izraˇcunu
obremenitev v lumbosakralnem sklepu. Zaradi poenostavitve modela trupa z
enim elementom se izgubi informacija o upogibu hrbtenice. Ta informacija je
pomembna za pravilno sledenje in vodenje drˇze telesa, zato bi bilo model smiselno
dopolniti. Rezultati, pridobljeni v tej analizi, kaˇzejo vzorce gibanja ter razlike v
naklonu trupa in v obremenitvah lumbosakralnega sklepa med skupinami razliˇcno
131
132
Zakljuˇcek
izkuˇsenih veslaˇcev.
Ob predpostavki, da elitni veslaˇci veslajo s primerno tehniko, smo vrednosti
njihovih parametrov uporabili kot referenˇcne vrednosti. Na podlagi razlik od teh
vrednosti smo ugotavljali nepravilnosti v tehnikah veslanja na simulatorju, ki se
izraˇzajo v slabi izvedbi. Parametri, ki so:
• odvisni od tempa veslanja (trajanje faz zavesljaja, najveˇcje in povpreˇcne
sile na opori za noge ter roˇcaju, delo, najveˇcje obremenitve v kolenu in
lumbosakralnem sklepu),
• konstantni glede na tempo veslanja (dolˇzina zavesljaja, gibanje roˇcaja, naklon trupa, oblika krivulje sile na roˇcaju, trenutek nastopa najveˇcjih obremenitev v kolenu in lumbosakralnem sklepu),
doloˇcajo tip izkuˇsenosti veslaˇca in so bili uporabljeni v referenˇcnem modelu
naˇcrtovanega sistema za vadbo na simulatorju veslanja s sprotno povratno informacijo.
V drugem delu smo razvili referenˇcni model primerne tehnike. Ena izmed
glavnih zahtev pri naˇcrtovanju je bila, da lahko v realnem ˇcasu zagotovimo referenˇcne vrednosti biomehanskih parametrov. Razliˇcne metode so bile uporabljene
za posamezne biomehanske parametre glede na njihove znaˇcilnosti. Parametri so
bili ustrezno normirani, tako da so referenˇcni modeli ustrezni ne glede na telesne
znaˇcilnosti veslaˇca.
Za modeliranje naklona trupa, naklona verige in poloˇzaja sedeˇza je bila uporabljena metoda mehke logike. Za modeliranje gibanja roˇcaja so bili uporabljeni
nelinearni dinamiˇcni sistemi. Za doloˇcanje telesne drˇze in trajanje faz zavesljaja,
referenˇcno obmoˇcje za dolˇzino zavesljaja, maksimalne vrednosti naklona trupa
in maksimalne vrednosti sil je bilo uporabljeno matematiˇcno modeliranje. Za
doloˇcanje oblike krivulj sil je bil uporabljen Gaussov model posamezne toˇcke
vzorˇcenja.
Razvili smo direktni dinamiˇcni model veslaˇca v simulacijskem okolju programskega paketa SimMechanics ter model vetrnega kolesa za modeliranje bremena.
Modela smo uporabili za optimizacijo gibanja pri veslanju na podlagi modelov, ki
so bili zgrajeni na osnovi eksperimentalnih podatkov elitnih veslaˇcev. Ugotovili
smo, da lahko z upoˇstevanjem kriterijske funkcije, ki maksimizira delo, minimizira
133
vsoto obremenitev v kolenu, lumbosakralnem sklepu in komolcu ter minimizira
maksimalne obremenitve v teh treh sklepih, korigiramo in optimiziramo tehniko
veslaˇcev. Prilagoditve tehnike, ki ustrezajo kriterijski funkciji, so ugodne za obremenitve sklepov in izboljˇsajo opravljeno delo. Identificirano kriterijsko funkcijo
smo uporabili za optimizacijo gibanja posameznega elitnega veslaˇca. Rezultat
optimizacije ni bistveno spremenil tehnik veslanja elitnih veslaˇcev, saj je tehnika
elitnih veslaˇcev najverjetneje ˇze optimizirana skozi proces dolgoletnega treninga.
Na osnovi tega lahko sklepamo, da je kriterijska funkcija, ki minimizira obremenitve in maksimalne obremenitve v sklepih ter maksimizira delo, tisti kriterij, po
katerem veslaˇci prilagajajo svojo tehniko. Razviti in optimizirani modeli gibanja elitnih veslaˇcev so bili uporabljeni v referenˇcnem modelu sistema za uˇcenje
veslaˇske tehnike.
Da bi tehniko veslaˇca nepoznavalca pribliˇzali tehniki, ki je podobna tehniki
elitnih veslaˇcev, smo na modelu najprej izvedli optimizacijo, ki je spremenila
vrednosti naklona trupa, kota v komolcu in rami ter spremenila razmerje trajanja
potega in povratka. Na rezultatih te optimizacije smo naredili ˇse optimizacijo s
kriterijsko funkcijo, ki upoˇsteva obremenitve v sklepih in delo. Tehniko veslaˇca
nepoznavalca smo s postopki optimizacije pribliˇzali grobo primerni tehnike.
Glavna pomanjkljivost optimizacije je, da smo spreminjali lastnosti posameznega parametra celega zavesljaja, ne pa parametrov po posameznih delih faz
zavesljaja. Pomanjkljivost kriterijske funkcije je tudi, da v njej niso upoˇstevani
vsi sklepi v telesu, ampak smo upoˇstevali po en sklep zgornjih in spodnji ekstremitet ter lumbosakralni sklep.
V tretjem delu smo zasnovali koncept posredovanja sprotne povratne informacije, s katero se uporabnik uˇci tehnike veslanja na simulatorju. Informacije so
sestavljene iz video povratne informacije, videomodeliranja in navodil za odpravljanje napak. Postopek vodi uporabnika preko treh stopenj uˇcenja. Na podlagi
primerjanja izmerjenih vrednosti biomehanskih parametrov z referenˇcnimi vrednostmi se znotraj vsake stopnje oblikujejo in posredujejo navodila. Stopnje so
oblikovane nivojsko, kjer telesna drˇza predstavlja prvi novo, ritem drugi in sile
tretji nivo. Sistem posreduje povratne informacije v realnem ˇcasu in je v stalni
povezavi z merilnim in referenˇcnim delom sistema za vadbo veslanja na simulatorju.
Rezultati, pridobljeni s simulacijo gibanja, so pokazali, da uporabniki razu-
134
Zakljuˇcek
mejo prejeto povratno informacijo ter da so izbrani elementi za njeno posredovanje sploˇsno razumljeni. Za doseganje boljˇsega razumevanje in rezultatov je bilo
potrebno uporabnikom pred zaˇcetkom uporabe obrazloˇziti osnovne veslaˇske izraze, kot so zaˇcetek in konec zavesljaja ter fazi potega in povratka. Prav tako je
priporoˇcljivo, da se poda navodila o pomenu manj intuitivnih elementov posredovanih informacij, kot je na primer normirana oblika krivulja sile.
Na podlagi analize veslaˇske tehnike, referenˇcnih modelov in sistema posredovanja povratne informacije smo izdelali merilni sistem, ki zagotavlja podatke o
sili potega z rokami, sili odriva z nogami, dolˇzini potega verige, poloˇzaju sedeˇza
in naklonu zgornjega dela trupa. Edini senzor v merilnem sistemu, ki je nameˇsˇcen
na telesu veslaˇca, je oprtnik z merilnimi markerji za merjenje naklona trupa.
Merilni sistem, skupaj z modulom referenˇcnih modelov in modulom za posredovanje povratne informacije, sestavlja sistem za senzorno podprto vadbo veslanja
s sprotno povratno informacijo.
V sklepnem delu smo ocenili uspeˇsnost razvitega sistema s ˇstudijo napredka
neizkuˇsenih udeleˇzencev in s primerjavo uspeˇsnosti vadb brez nadzora, z nadzorom trenerja in z nadzorom razvitega sistema. Rezultati so pokazali, da udeleˇzenci
brez nadzora med treningom niso napredovali, udeleˇzenci pod nadzorom trenerja
ali sistema pa so med treningom napredovali in osvojili primerno tehniko veslanja. Z razvitim sistemom vadbe smo uspeˇsno posredovali povratno informacijo
uporabniku, ki je to uspel pretvoriti v primerno gibanje in tako izboljˇsal tehniko.
Udeleˇzenci, ki so trenirali samostojno, se niso pribliˇzali vrednostim referenˇcnih
biomehanskih parametrov primerne veslaˇske tehnike, medtem ko je to uspelo
udeleˇzencem pod nadzorom trenerja ali sistema. Pri tem ni statistiˇcnih razlik
v napredku med slednjima skupinama. Analiza je pokazala, da je uˇcenje pri
parametrih telesne drˇze, torej dolˇzini zavesljaja in naklonu trupa, kvalitetnejˇse
pod nadzorom sistema, ki je kvalitativno ocenjeval biomehanske podatke, kot
ˇ
pod nadzorom trenerja, ki je subjektivno ocenjeval tehniko udeleˇzencev. Studija
napredka je pokazala, da je senzorno podprto uˇcenje tehnike veslanja uˇcinkovita
alternativna metoda uˇcenja in nadzora tehnike veslanja, ki lahko uspeˇsno dopolnjuje tradicionalno metodo vadbe s trenerjem.
V ˇstudiji napredka so sodelovali samo prostovoljci moˇskega spola v omejenem
starostnem obdobju. Potrebna je previdnost ob morebitnem posploˇsevanju rezultatov in zakljuˇckov, ki so pridobljeni na tej skupini, na oba spola in druga
135
starostna obdobja. Napredek udeleˇzencev pod nadzorom trenerja je odvisen od
subjektivnega ocenjevanja trenerja. Kolikor bi pri ˇstudiji sodeloval drug trener ali
veˇc trenerjev bi bili lahko rezultati drugaˇcni. Ena izmed pomanjkljivosti ˇstudije
napredka je, da so imeli udeleˇzenci zgolj razmeroma kratek trening uˇcenja veslanja. Moˇzna posledica kratkega treninga je, da pri ponovitvenem testu vadbe
brez nadzora opazimo veˇcjo spremenljivost tehnike. Nekaj udeleˇzencev je pozabilo na nauˇceno, kar se kaˇze predvsem pri ritmu, vendar v sploˇsnem udeleˇzenci
niso pozabili nauˇcenega.
Kljub temu, da analiza razliˇcno izkuˇsenih veslaˇcev jasno kaˇze na razlike pri
obremenitvah v sklepih in da so bili ravno ti parametri uporabljeni pri optimizaciji veslanja, uporabnikom razviti sistem ne posreduje povratne informacije o
obremenitvah, ampak zgolj o gibanju in silah. Obremenitve so izraˇcunane iz sil
in gibanja, vendar bi morali predhodno preveriti, ali je uporabnikom informacija
o obremenitvah razumljiva in ali so jo sposobni uporabiti za izboljˇsanje gibanja
in tehnike.
Pri analizi smo ugotovili, da je morebitno odstopanje trajektorije roˇcaja posledica napaˇcnega zaporedja gibanja segmentov telesa. Pozornost smo posvetili
vzroku in ne posledici ter zaradi tehniˇcnih omejitev izpustili merjenje naklona
verige, ki vpliva na trajektorijo roˇcaja. Pri evalvaciji zato nismo mogli preveriti,
ali je bila trajektorija verige ustrezna. Ena izmed glavnih pomanjkljivosti ostaja
merjenje naklona trupa. V razvitem sistemu smo model trupa, ki je bil sestavljen iz enega segmenta, zamenjali z modelom trupa, ki je bil sestavljen iz dveh
segmentov. Pri tem smo merili zgolj naklon zgornjega elementa in predpostavili,
da se naklon trupa enakomerno porazdeli med oba dela trupa.
V doktorski disertaciji je predstavljen razvoj in evalvacija sistema za vadbo
na simulatorju veslanja s sprotno povratno informacijo. Pokazali smo, da je
senzorno podprto uˇcenje tehnike veslanja uˇcinkovita alternativna metoda uˇcenja
in nadzora tehnike veslanja, ki lahko uspeˇsno dopolnjuje tradicionalno metodo
vadbe s trenerjem. Moˇznosti uporabe razvitega sistema so predvsem na podroˇcju
rekreacijske vadbe, rehabilitacije in treniranja veslanja v veslaˇskih klubih.
8.
Originalni prispevki doktorske disertacije
• Matematiˇcni model za analizo kinetiˇcnih in kinematiˇcnih parametrov veslanja.
• Referenˇcni model tehnike veslanja, ki temelji na eksperimentalnih podatkih.
• Zasnova sistema za sprotno posredovanje celovite povratne informacije veslaˇcu.
137
Literatura
[1] V. Nolte, Rowing faster. Human Kinetics Publishers, 2005.
[2] E. Winchester, “Erg nation,” Rowing news, vol. 9, no. 1, str. 6–7, 2002.
ˇ
[3] I. Cop,
“Veslanje pozimi - popolna telesna vadba,” nov. 2011.
[4] K. Hase, M. Kaya, A. Zavatsky in S. Halliday, “Musculoskeletal loads in ergometer rowing,” Journal of Applied Biomechanics, vol. 20, no. 3, str. 317–
323, 2004.
[5] J. Rumball, C. Lebrun, S. Ciacca in K. Orlando, “Rowing injuries,” Sports
Medicine, vol. 35, no. 6, str. 537–555, 2005.
[6] K. Hase, B. Andrews, A. Zavatsky in S. Halliday, “Biomechanics of rowing,”
JSME International Journal Series C, vol. 45, no. 4, str. 1082–1092, 2002.
[7] J. Henry, R. Clark, R. McCabe in R. Vanderby, “An evaluation of instrumented tank rowing for objective assessment of rowing performance,”
Journal of Sports Sciences, vol. 13, no. 3, str. 199–206, 1995.
[8] D. MacFarlane, I. Edmond in A. Walmsley, “Instrumentation of an ergometer to monitor the reliability of rowing performance,” Journal of Sports
Sciences, vol. 15, no. 2, str. 167–173, 1997.
[9] A. Buttifield, K. Ball, C. MacMahon, D. Farrow et al., “The use of motor learning in biomechanics: a call for more collaboration,” v Inaugural
Conference of the Australasian Skill Acquisition Research Group, vol. 40,
str. 603–615, 2007.
[10] S. Redgrave, Steven Redgrave’s complete book of rowing. Partridge Press,
1995.
[11] V. Kleshnev, “Q&A,” Rowing biomechanics newsletter, vol. 3, no. 3, 2003.
139
140
Literatura
[12] A. McGregor, A. Bull in R. Byng-Maddick, “A comparison of rowing technique at different stroke rates: a description of sequencing, force production
and kinematics,” International journal of Sports Medicine, vol. 25, no. 6,
str. 465–470, 2004.
[13] E. Rosow, “A comparative study of rowing biomechanics,” v Proceedings
of the IEEE Seventeenth Annual Northeast Bioengineering Conference,
str. 271–272, 1991.
[14] D. Hawkins, “A new instrumentation system for training rowers,” Journal
of Biomechanics, vol. 33, no. 2, str. 241–245, 2000.
[15] P. Pudlo, A. Pinti in F. Lepoutre, “Experimental laboratory apparatus to
analyze kinematics and 3D kinetics in rowing,” Sports Engineering, vol. 8,
no. 1, str. 39–46, 2005.
[16] P. Page in D. Hawkins, “A real-time biomechanical feedback system for
training rowers,” Sports Engineering, vol. 6, no. 2, str. 67–79, 2003.
[17] A. Baca in P. Kornfeind, “A feedback system for coordination training in
double rowing,” The Engineering of Sport, vol. 7, str. 659–668, 2008.
[18] S. Fothergill, “Examining the effect of real-time visual feedback on the
quality of rowing technique,” Procedia Engineering, vol. 2, no. 2, str. 3083–
3088, 2010.
ˇ
[19] T. Cerne,
Biomehanika veslanja na simulatorju. Diplomsko delo, Univerza
v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, 2010.
[20] A. Barbiˇs, Sistem za merjenje kinematike gibanja pri veslanju na ergometru.
Diplomsko delo, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, 2012.
[21] G. Box in N. Draper, Empirical model-building and response surfaces. John
Wiley & Sons, 1987.
[22] D. Davy in M. Audu, “A dynamic optimization technique for predicting
muscle forces in the swing phase of gait,” Journal of Biomechanics, vol. 20,
no. 2, str. 187–201, 1987.
[23] J. Kuˇzeliˇcki, Optimalne trajektorije vstajanja. Doktorska disertacija, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, 2003.
Literatura
141
[24] L. Consiglieri in E. Pires, “An analytical model for the ergometer rowing:
inverse multibody dynamics analysis,” Computer Methods in Biomechanics
and Biomedical Engineering, vol. 12, no. 4, str. 469–479, 2009.
ˇ
[25] A. Panjkota, I. Stanˇcic in T. Supuk,
“A fuzzy qualitative framework for
indoor rowing kinematics analysis,” WSEAS Transactions on Signal Processing, vol. 5, no. 8, str. 304–313, 2009.
[26] A. Ritchie, “Dynamic modeling of ergometer and on-water rowing,” Sports
Technology, vol. 1, no. 2-3, str. 110–116, 2008.
[27] F. H. Alexander, “The theory of rowing,” v Proceedings of the University
of Durham Philosophical Society, str. 160–179, 1925.
[28] D. Pope, “On the dynamics of men and boats and oars,” Mechanics and
sport, vol. 4, str. 113–130, 1973.
[29] D. Cabrera, A. Ruina in V. Kleshnev, “A simple 1+ dimensional model of
rowing mimics observed forces and motions,” Human Movement Science,
vol. 25, no. 2, str. 192–220, 2006.
[30] R. Schmidt in C. Wrisberg, Motor learning and performance: a situationbased learning approach. Human Kinetics Publishers, 2008.
[31] K. Mononen, The effects of augmented feedback on motor skill learning in
shooting: A feedback training intervention among inexperienced rifle shooters. University of Jyv¨askyl¨a, 2007.
[32] R. A. Schmidt in T. D. Lee, Motor Control and Learning-4th: A Behavioral
Emphasis. Human Kinetics Publishers, 2005.
[33] K. Newell, “Motor skill acquisition,” Annual review of psychology, vol. 42,
no. 1, str. 213–237, 1991.
[34] A. Hazen, C. Johnstone, G. Martin in S. Srikameswaran, “A videotaping
feedback package for improving skills of youth competitive swimmers,” The
Sport Psychologist, vol. 4, no. 3, str. 213–237, 1990.
[35] S. K. Harle in J. N. Vickers, “Training quick eye improves accuracy in the
basketball free throw,” The Sport psychologist, vol. 15, str. 289–305, 2001.
142
Literatura
[36] S. SooHoo, K. Y. Takemoto in P. McCullagh, “A comparison of modeling
and imagery on the performance of a motor skill,” Journal of Sport Behavior, vol. 27, no. 4, str. 349–366, 2004.
[37] M. S. Boschker in F. C. BARKER, “Inexperienced sport climbers might
perceive and utilize new opportunities for action by merely observing a
model,” Perceptual and motor skills, vol. 95, no. 1, str. 3–9, 2002.
[38] M. L. Winfrey in D. L. Weeks, “Effects of self-modeling on self-efficacy and
balance beam performance,” Perceptual and motor skills, vol. 77, no. 3,
str. 907–913, 1993.
[39] D. L. Eaves, G. Breslin, P. Van Schaik, E. Robinson in I. R. Spears, “The
short-term effects of real-time virtual reality feedback on motor learning in
dance,” Presence: Teleoperators and Virtual Environments, vol. 20, no. 1,
str. 62–77, 2011.
[40] E. Boyer, R. G. Miltenberger, C. Batsche in V. Fogel, “Video modeling
by experts with video feedback to enhance gymnastics skills,” Journal of
applied behavior analysis, vol. 42, no. 4, str. 855, 2009.
[41] R. Rikli in G. Smith, “Videotape feedback effects on tennis serving form,”
Perceptual and Motor skills, vol. 50, no. 3, str. 895–901, 1980.
[42] R. A. Magill, C. J. Chamberlin in K. G. Hall, “Verbal knowledge of results
as redundant information for learning an anticipation timing skill,” Human
Movement Science, vol. 10, no. 4, str. 485–507, 1991.
[43] D. L. Weeks in R. N. Kordus, “Relative frequency of knowledge of performance and motor skill learning,” Research quarterly for exercise and sport,
vol. 69, no. 3, str. 224–230, 1998.
[44] C. J. Winstein in R. A. Schmidt, “Reduced frequency of knowledge of results enhances motor skill learning,” Journal of Experimental Psychology:
Learning, Memory, and Cognition, vol. 16, no. 4, str. 677–691, 1990.
[45] R. M. Kohl in M. A. Guadagnoli, “The scheduling of knowledge of results,”
Journal of motor behavior, vol. 28, no. 3, str. 233–240, 1996.
Literatura
143
[46] Q. Lai in C. H. Shea, “The role of reduced frequency of knowledge of results
during constant practice,” Research quarterly for exercise and sport, vol. 70,
no. 1, str. 33–40, 1999.
[47] G. Wulf, M. H¨orger in C. H. Shea, “Benefits of blocked over serial feedback
on complex motor skill learning,” Journal of motor behavior, vol. 31, no. 1,
str. 95–103, 1999.
[48] G. Wulf in C. H. Shea, “Principles derived from the study of simple skills do
not generalize to complex skill learning,” Psychonomic Bulletin & Review,
vol. 9, no. 2, str. 185–211, 2002.
[49] G. Wulf, C. H. Shea in S. Matschiner, “Frequent feedback enhances complex
motor skill learning,” Journal of Motor Behavior, vol. 30, no. 2, str. 180–
192, 1998.
[50] A. W. Salmoni, R. A. Schmidt in C. B. Walter, “Knowledge of results and
motor learning: a review and critical reappraisal,” Psychological bulletin,
vol. 95, no. 3, str. 355–386, 1984.
[51] R. Sigrist, J. Schellenberg, G. Rauter, S. Broggi, R. Riener in P. Wolf,
“Visual and auditory augmented concurrent feedback in a complex motor
task,” Presence: Teleoperators and Virtual Environments, vol. 20, no. 1,
str. 15–32, 2011.
[52] L. Baudry, D. Leroy, R. Thouvarecq in D. Chollet, “Auditory concurrent
feedback benefits on the circle performed in gymnastics,” Journal of sports
sciences, vol. 24, no. 2, str. 149–156, 2006.
[53] J. P. Broker, R. J. Gregor in R. A. Schmidt, “Extrinsic feedback and the
learning of kinetic patterns in cycling,” Journal of Applied Biomechanics,
vol. 9, no. 2, str. 111–123, 1993.
[54] D. Chollet, J. Micallef in P. Rabischong, Swimming science V, poglavje Biomechanical signals for external biofeedback to improve swimming techniques.
1988.
[55] M. Eriksson, K. A. Halvorsen in L. Gullstrand, “Immediate effect of visual
and auditory feedback to control the running mechanics of well-trained
athletes,” Journal of Sports Sciences, vol. 29, no. 3, str. 253–262, 2011.
144
Literatura
[56] G. M. Gauthier, “Visually and acoustically augmented performance feedback as an aid in motor control learning: a study of selected components of
the rowing action,” Journal of sports sciences, vol. 3, no. 1, str. 3–26, 1985.
[57] B. McLean in M. Lafortune, “Improving pedalling technique with ’realtime’ biomechanical feedback,” Excel, vol. 5, no. 1, str. 15–18, 1988.
[58] D. J. Sanderson in P. R. Cavanagh, “Use of augmented feedback for the
modification of the pedaling mechanics of cyclists,” Canadian Journal of
Sport Sciences, vol. 15, no. 1, str. 38–42, 1990.
[59] W. Spinks in R. Smith, “The effects of kinetic information feedback
on maximal rowing performance,” Journal of Human Movement Studies,
vol. 27, no. 1, str. 17–36, 1994.
[60] R. A. Schmidt in G. Wulf, “Continuous concurrent feedback degrades skill
learning: Implications for training and simulation,” Human Factors, vol. 39,
no. 4, str. 509–525, 1997.
[61] D. W. Vander Linden, J. H. Cauraugh in T. A. Greene, “The effect of
frequency of kinetic feedback on learning an isometric force production task
in nondisabled subjects,” Physical Therapy, vol. 73, no. 2, str. 79–87, 1993.
[62] R. A. Schmidt, C. Lange in D. E. Young, “Optimizing summary knowledge
of results for skill learning,” Human Movement Science, vol. 9, no. 3,
str. 325–348, 1990.
[63] S. P. Swinnen, R. A. Schmidt, D. E. Nicholson in D. C. Shapiro, “Information feedback for skill acquisition: Instantaneous knowledge of results degrades learning,” Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory,
and Cognition, vol. 16, no. 4, str. 706, 1990.
[64] S. P. Swinnen, T. D. Lee, S. Verschueren, D. J. Serrien in H. Bogaerds,
“Interlimb coordination: Learning and transfer under different feedback
conditions,” Human movement science, vol. 16, no. 6, str. 749–785, 1997.
[65] F. S. Daniels in D. M. Landers, “Biofeedback and shooting performance:
A test of disregulation and systems theory,” Journal of Sport Psychology,
vol. 3, no. 4, str. 271–282, 1981.
Literatura
145
[66] K. B. Fredenburg, A. M. Lee in M. Solmon, “The effects of augmented
feedback on students’ perceptions and performance,” Research Quarterly
for Exercise and Sport, vol. 72, no. 3, str. 232–242, 2001.
[67] D. R. Mestre, C. Ma¨ıano, V. Dagonneau in C.-S. Mercier, “Does virtual reality enhance exercise performance, enjoyment, and dissociation? an exploratory study on a stationary bike apparatus,” Presence: Teleoperators and
Virtual Environments, vol. 20, no. 1, str. 1–14, 2011.
[68] V. Kruger, D. Herzog, S. Baby, A. Ude in D. Kragic, “Learning actions
from observations,” Robotics & Automation Magazine, IEEE, vol. 17, no. 2,
str. 30–43, 2010.
[69] S. Schaal in C. Atkeson, “Learning control in robotics,” Robotics Automation Magazine, IEEE, vol. 17, no. 2, str. 20 –29, 2010.
[70] K. Astrom in B. Wittenmark, Adaptive control. Addison-Wesley Longman
Publishing Co., 1994.
[71] M. Guadagnoli in R. Kohl, “Knowledge of resutls for motor learning: relationship between error estimation and knowledge of results frequency,”
Journal of Motor Behaviour, vol. 33, no. 2, str. 217–224, 2001.
[72] D. Anderson, R. Magill in H. Sekiya, “Motor learning as a function of KR
schedule and characteristics of task-intrinsic feedback,” Journal of Motor
Behavior, vol. 33, no. 1, str. 59–66, 2001.
[73] P. Zanone in J. Kelso, “Evolution of behavioral attractors with learning:
Nonequilibrium phase transitions,” Journal of Experimental Psychology:
Human Perception and Performance, vol. 18, no. 2, str. 403–421, 1992.
[74] G. Darden, “Demonstrating motor skills-rethinking that expert demonstration,” Journal of Physical Education Recreation and Dance, vol. 68, no. 6,
str. 31–35, 1997.
[75] R. Semmler, “Variabilitat sportlicher bewegungen. Eine studie am beispiel
des wasserspringens,” Sportwissenschaft, vol. 31, no. 1, str. 61–71, 2001.
[76] G. Tzetzis, K. Mantis, E. Zachopoulou in E. Kioumourtzoglou, “The effect of modeling and verbal feedback on skill learning,” Journal of Human
Movement Studies, vol. 36, no. 3, str. 137–151, 1999.
146
Literatura
[77] E. Williams in D. Tannehill, “Effects of a multimedia performance principle training program on correct analysis and diagnosis of throw-like movements,” Physical Educator Indianapolis, vol. 56, no. 3, str. 143–15, 1999.
[78] E. Ruffaldi, A. Filippeschi, C. A. Avizzano, B. Bardy, D. Gopher in M. Bergamasco, “Feedback, affordances, and accelerators for training sports in
virtual environments,” Presence: Teleoperators and Virtual Environments,
vol. 20, no. 1, str. 33–46, 2011.
[79] C. M. Janelle, D. A. Barba, S. G. Frehlich, L. K. Tennant in J. H. Cauraugh, “Maximizing performance feedback effectiveness through videotape
replay and a self-controlled learning environment,” Research Quarterly for
Exercise and Sport, vol. 68, no. 4, str. 269–279, 1997.
[80] M. W. Kernodle in L. G. Carlton, “Information feedback and the learning of
multiple-degree-of-freedom activities,” Journal of motor behavior, vol. 24,
no. 2, str. 187–195, 1992.
[81] D. Landin in G. Macdonald, “Improving the overheads of collegiate tennis
players,” The Applied Research in Coaching and Athletics Annual, vol. 5,
str. 135–146, 1990.
[82] J. A. Rucci in P. D. Tomporowski, “Three types of kinematic feedback
and the execution of the hang power clean,” The Journal of Strength &
Conditioning Research, vol. 24, no. 3, str. 771–778, 2010.
[83] The Visual Feedback System (VFS). Produkt, Active Tools, Feb. 2012.
[84] C. Soper, P. Hume, D. Reid in R. Tonks, “The effectiveness of the goggles
training system as a coaching tool in changing pelvis angle at the catch
during on water rowing,” v 20 International Symposium on Biomechanics
in Sports, vol. 1, str. 271–274, 2002.
[85] SPRINT - Skills Professional Rowing IN-door Trainer. European skills
project, Feb. 2012.
ˇ
[86] T. Cerne,
R. Kamnik in M. Munih, “The measurement setup for real-time
biomechanical analysis of rowing on an ergometer,” Measurement, vol. 44,
no. 10, str. 1819 – 1827, 2011.
Literatura
147
[87] T. R. Kane in D. A. Levinson, Dynamics, theory and applications. McGraw
Hill, 1985.
[88] D. Hahn, A. Schwirtz in A. Huber, “Anthropometric standardisation of
multiarticular leg extension movements: A theoretical study,” Isokinetics
and exercise science, vol. 13, no. 2, str. 95–101, 2005.
[89] J. Cohen, “Eta-squared and partial eta-squared in fixed factor anova designs,” Educational and Psychological Measurement, 1973.
[90] D. Novak, J. Ziherl, A. Olensek, M. Milavec, J. Podobnik, M. Mihelj in
M. Munih, “Psychophysiological responses to robotic rehabilitation tasks
in stroke,” Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol. 18, no. 4, str. 351–361, 2010.
[91] M. Negnevitsky, Artificial intelligence: a guide to intelligent systems. Pearson Education, 2005.
[92] D. H. Lamb, “A kinematic comparison of ergometer and on-water rowing,”
The American journal of sports medicine, vol. 17, no. 3, str. 367–373, 1989.
[93] A. Gams, A. J. Ijspeert, S. Schaal in J. Lenarˇciˇc, “On-line learning and
modulation of periodic movements with nonlinear dynamical systems,” Autonomous robots, vol. 27, no. 1, str. 3–23, 2009.
ˇ
[94] T. Petriˇc, A. Gams, A. J. Ijspeert in L. Zlajpah,
“On-line frequency adaptation and movement imitation for rhythmic robotic tasks,” The International
Journal of Robotics Research, vol. 30, no. 14, str. 1775–1788, 2011.
ˇ
[95] A. Gams, T. Petriˇc, L. Zlajpah
in A. Ude, “Optimizing parameters of trajectory representation for movement generalization: robotic throwing,” v International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region (RAAD),
str. 161–166, IEEE, 2010.
[96] A. J. Ijspeert, J. Nakanishi in S. Schaal, “Movement imitation with nonlinear dynamical systems in humanoid robots,” v International Conference
on Robotics and Automation (ICRA), vol. 2, str. 1398–1403, IEEE, 2002.
[97] A. J. Ijspeert, J. Nakanishi in S. Schaal, “Learning rhythmic movements by
demonstration using nonlinear oscillators,” v International conference on
intelligent robots and systems (IROS), str. 958–963, 2002.
148
Literatura
[98] P. De Leva, “Adjustments to zatsiorsky-seluyanov’s segment inertia parameters,” Journal of biomechanics, vol. 29, no. 9, str. 1223–1230, 1996.
ˇ
ˇ
[99] T. Cerne,
R. Kamnik, J. Zganec
Gros in M. Munih, “Uˇcenje tehnike veslanja
z referenˇcnim modelom,” v Zbornik dvajsete mednarodne elektrotehniˇske in
raˇcunalniˇske konference ERK, vol. A, str. 297–282, 2011.
ˇ
ˇ
[100] T. Cerne,
R. Kamnik, B. Vesnicer, J. Zganec
Gros in M. Munih, “Differences between elite, junior and non-rowers in kinematic and kinetic parameters during ergometer rowing,” Human Movement Science, vol. 32, no. 4,
str. 691–707, 2013.
[101] R. Kamnik, Biomehanika - mehanika ˇzivih sistemov. Fakulteta za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, 2005.
[102] R. Kamnik, Inverzna Newton-Eulerjeva dinamiˇcna analiza. Fakulteta za
elektrotehniko Univerze v Ljubljani, 2006.
[103] R. Kamnik, Analiza sil na ˇcloveka v mirovanju. Fakulteta za elektrotehniko
Univerze v Ljubljani, 2006.
ˇ
ˇ
[104] T. Cerne,
R. Kamnik, J. Zganec
Gros in M. Munih, “Model in optimizacija veslanja na simulatorju,” v Zbornik enaindvajsete mednarodne elektrotehniˇske in raˇcunalniˇske konference ERK, vol. A, str. 207–210, 2012.
[105] A. Cooper in P. Saffo, The inmates are running the asylum. Sams, 2004.
[106] T. Koritnik, T. Bajd in M. Munih, “Virtual environment for lowerextremities training,” Gait & posture, vol. 27, no. 2, str. 323–330, 2008.
[107] R. Davoodi, C. Urata, M. Hauschild, M. Khachani in G. E. Loeb, “Modelbased development of neural prostheses for movement,” IEEE Transactions
on Biomedical Engineering, vol. 54, no. 11, str. 1909–1918, 2007.
[108] R. Davoodi in G. E. Loeb, “Development of a physics-based target shooting
game to train amputee users of multijoint upper limb prostheses,” Presence:
Teleoperators and Virtual Environments, vol. 21, no. 1, str. 85–95, 2012.
[109] R. Davoodi in G. E. Loeb, “Real-time animation software for customized
training to use motor prosthetic systems,” IEEE Transactions on Neural
Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 20, no. 2, str. 134–142, 2012.
Literatura
149
[110] M. Leniˇc, Naprava za merjenje sile prijema. Diplomsko delo, Fakulteta za
elektrotehniko Univerze v Ljubljani, 2005.
[111] P. Sturek, A. Podobnik in N. Gogala, Biologija 1: Celica. DZS, 1997.
Dodatek
Priloge
1. Predstavitev projekta in izjava o soglasju
151
PREDSTAVITEV PROJEKTA IN IZJAVA O SOGLASJU
Naslov: Evalvacija učinkovitosti senzorno podprte vadbe veslanja
Izvajalec: Tomaž Černe
Pedagoški mentor: izr. prof. dr. Roman Kamnik
V tem besedilu so morda nepoznani izrazi. Njihov pomen vam bo po potrebi razložila strokovna oseba, ki
sodeluje pri izvajanju raziskave. To informacijo lahko vzamete, o vsebini razmislite in se pogovorite s sorodniki
ali prijatelji preden se odločite za sodelovanje.
Opis projekta
Povabljeni ste, da sodelujete v raziskavi, v okviru katere se bo ocenila učinkovitost učenja tehnike veslanja z
razvitim sistemom senzorno podprte vadbe.
Raziskava se izvaja v okviru doktorske disertacije izvajalca, katere cilj je analiza, sinteza in evalvacija gibanja z
naprednim sistemom za vadbo veslanja, ki je opremljen s senzorji za zajemanje kinematičnih in kinetičnih
parametrov ter sistemi za sprotno posredovanje povratne informacije uporabniku, kar predvidoma omogoča
doseganje večje učinkovitosti veslaške vadbe v športu in rehabilitaciji.
Pri študiji sodelujete prostovoljci, ki se boste prvič srečali z veslanjem na simulatorju, ste zdravi in vsestransko
pripravljeni za aktivno udeležbo.
Postopek vključuje
Pred začetkom študije boste izpolnili krajši vprašalnik (masa, višina, starost, kontakt, kako pogosto se ukvarjate
s športom, kako se počutite, kdaj ste nazadnje jedli). Najprej se boste 5 min ogrevali (tek in dinamične raztezne
vaje). Nato boste opravili začeten test na simulatorju veslanja, s katerim bomo pridobili podatke o začetnem
stanju. Test bo sestavljen iz dveh delov. V prvem delu boste veslali dve minuti s ciljnim tempom 20
zavesljajev/minuto. Po dveh minutah počitka boste v drugem delu poskušali čim hitreje preveslati 500 metrov
dolgo razdaljo.
Nato boste naključno razdeljeni v eno od treh skupin:
- Skupina A, ki bo trenirala sama in predstavljala rekreativce, ki se sami učijo tehnike,
- Skupina B, ki bo trenirala z razvitim sistemom senzorno podprte vadbe,
- Skupina C, ki bo trenirala pa po tradicionalni metodi z nadzorom trenerja.
Vsaka skupina bo imela 3 x 5 minut dolg trening. Med posameznimi fazami treninga bosta 2 minuti počitka.
Po izvedenem treningu boste ponovili test, pri čemer bo pri skupini B vključen sistem senzorno podprte vadbe,
pri skupini C pa prisoten trener.
Člani skupin B in C boste po enem tednu zopet izvedli test, a tokrat brez sistema senzorno podprte vadbe
oziroma trenerja. Po končanem testu boste še vprašani, kako se vam je zdelo.
S primerjavo rezultatov testov bomo analizirali razlike v napredku vseh treh skupin, ki so uporabljali različne
metode vadbe, s čimer bo možno oceniti učinkovitost senzorno podprte vadbe.
Tveganje, nadlega
Lahko pride do poškodb povezanih s telesno aktivnostjo.
Lahko bi prišlo do razkritja zaupnosti.
Izvajalec študije ne more izključiti možnosti povezave rezultatov s posamezno osebo.
Dodatna tveganja: Morda lahko nastopijo tveganja, katerih danes ne moremo predvideti. Če bi se taki primeri
pojavili, vas bomo o tem obvestili.
Nova odkritja
Obvestili vas bomo o vseh novostih, ki bi lahko vplivali na vašo odločitev za sodelovanje v študiji.
Koristi
Korist sodelovanja v študiji je seznanitev z veslanjem na simulatorju. Od sodelovanja v študiji ne boste imeli
drugih neposredne koristi. Rezultatov posameznih študij ne bomo izročali sodelujočim.
Pričakovane koristi: Rezultati študije bodo koristni pri raziskavah senzorno podprte vadbe.
Plačilo za sodelovanje
Za sodelovanje ni predvideno plačilo.
Alternativa
Alternativa je nesodelovanje v študiji.
Prostovoljno sodelovanje ali umik
Sodelovanje v študiji je prostovoljno. Lahko se odločite, da ne sodelujete. Kadarkoli se lahko umaknete. Iz študije
ste lahko brez obvestila tudi izključeni na predlog izvajalca.
Pravice sodelujočega
Ves čas vašega sodelovanja lahko postavljate vprašanja.
Etična upravičenost
Klinične raziskave z naslovom »Analiza in sinteza gibanja pri človeku in stroju«, ki potekajo v Laboratoriju za
robotiko Fakultete za elektrotehniko Univerze v Ljubljani v obdobju od 1.1.2009 do 31.12.2014, imajo soglasje
Komisije Republike Slovenije za medicinsko etiko.
Zaupnost
Vaša osebni podatki bodo obravnavani zaupno in uporabljeni le za dosego namena projekta. Dokumentacija in
rezultati bodo varno hranjeni. Dostop do njih bo imelo strokovno osebje. S sodelovanjem v študiji dovoljujete
uporabo slikovnega in video gradiva za namen predstavitve rezultatov raziskovalnega dela.
Kdo še lahko uporabi dobljene informacije?
Vaše informacije lahko ob nadzoru izvajanja projekta pridobijo predstavniki organizacij, ki sofinancirajo projekt.
Vir financiranja
Raziskovalno delo izvajalca delno financira Evropska unija, in sicer iz Evropskega socialnega sklada (PMR-10/93).
Operacija se izvaja v okviru Operativnega programa razvoja človeških virov za obdobje 2007 – 2013, 1. razvojne
prioritete: Spodbujanje podjetništva in prilagodljivosti, prednostne usmeritve 1.1.: Strokovnjaki in raziskovalci
za konkurenčnost podjetij. Raziskovalno delo na Fakulteti za elektrotehniko se izvaja v okviru programa Analiza
in sinteza gibanja pri človeku in stroju (P2-0228C), ki ga financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS.
Soglasje
Ne podpišite soglasja, če niste imeli priložnosti postavljati vprašanj in če niste dobili zadovoljivih odgovorov. Če
se boste odločili sodelovati v študiji, boste dobili kopijo soglasja za svoj arhiv.
Izjava
Prebral sem vsebino tega soglasja. Na vsa moja vprašanja sem dobil odgovor. Pri študiji sodelujem prostovoljno
in na lastno odgovornost.
Potrjujem, da pristajam na tveganja v zvezi z udeležbo pri raziskavi in zato od organizatorja ne bom uveljavljal
kakršnih koli odškodninskih zahtevkov.
Upošteval bom vsa navodila izvajalca.
Ime in priimek (tiskano): ____________________________
V Ljubljani, _______________
Podpis: ____________________________
Dodatek
Objavljene publikacije
ˇ
• Tomaˇz Cerne,
Roman Kamnik, Marko Munih, The measurement setup for
real-time biomechanical analysis of rowing on an ergometer, Measurement,
2011.
ˇ
ˇ
• Tomaˇz Cerne,
Roman Kamnik, Boˇstjan Vesnicer, Jerneja Zganec
Gros,
Marko Munih, Differences between elite, junior and non-rowers in kine-
matic and kinetic parameters during ergometer rowing, Human movement
science, 2013.
155
Measurement 44 (2011) 1819–1827
Contents lists available at SciVerse ScienceDirect
Measurement
journal homepage: www.elsevier.com/locate/measurement
The measurement setup for real-time biomechanical analysis of rowing
on an ergometer
Tomazˇ Cˇerne a,1, Roman Kamnik b,⇑, Marko Munih b
a
b
Alpineon d.o.o., Ulica Iga Grudna 15, Ljubljana, Slovenia
University of Ljubljana, Faculty of Electrical Engineering, Trzˇaška cesta 25, Ljubljana, Slovenia
a r t i c l e
i n f o
Article history:
Received 3 May 2011
Received in revised form 16 August 2011
Accepted 12 September 2011
Available online 16 September 2011
Keywords:
Instrumented rowing ergometer
Newton–Euler’s inverse dynamic analysis
Joint loads
a b s t r a c t
This paper presents the development and evaluation of the measurement setup for a
real-time biomechanical analysis of rowing on an ergometer. The setup consists of a measurement system and a system for data processing. The measurement system consists of
a Concept2 rowing ergometer instrumented by force sensors, incremental encoders and
an optical system for measuring the kinematics. The measurement data is used as an input
to a dynamic model which calculates the rower’s body joint loadings. Real-time data processing and analysis provide real-time feedback on rowing performance and technique to
the user. For the evaluation of assessment methodology, five top-level rowers and five
non-experts newly introduced to rowing participated in an evaluation experiment. The
noticeable distinctions between the measured parameters in the experts and non-experts
were measured. The results show that this measurement setup can be successfully used
for detailed characterization of rowing technique.
Ó 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.
1. Introduction
Rowing is a technically and physically demanding activity that requires a coordinated and powerful sequence of
actions utilizing most of the muscle groups in the body.
A successful rower must have good command of technique,
timing, and power.
Coaches teach rowing technique based on fundamental
principles of physics and, more commonly, on their own
experiences. Redgrave [1] described the basic biomechanical parameters that characterize rowing: the length of the
stroke, the duration and ratio of the stroke phases, the
forces of the stroke on the handle and the foot stretcher,
the power of the stroke, the trajectory of the handle motion,
the angles between body segments and the joint loads.
Smith and Loschner [2] described factors that affect boat
⇑ Corresponding author. Tel.: +386 1 4768 355; fax: +386 1 4768 239.
ˇ erne), roman.kam
E-mail addresses: [email protected] (T. C
[email protected]
(R.
Kamnik),
[email protected]
(M. Munih).
1
Tel.: +386 41 841 617; fax: +386 1 423 94 45.
0263-2241/$ - see front matter Ó 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.
doi:10.1016/j.measurement.2011.09.006
speed and are important determinants of rowing performance and should form the basis of feedback to rowers
and their coaches.
Rowing on ergometer has become a sport in its own
right, and indoor rowers are found in gyms and fitness
clubs worldwide and performed by many athletes for
cross-training and conditioning [3]; however, many people
who use ergometers have little or no instruction in rowing
technique. Non-experts have some potentially important
differences in technique [4] and are often not aware of
faulty technique, which can lead consequently into injuries. Hase et al. [5,6] quantified biomechanical characteristics of rowing for fitness and rehabilitation with objective
to offer normative data for the prevention of injury and
for determining effective exercise. A three-dimensional
whole-body musculo-skeletal model was used to calculate
the joint loads. The results of the study indicate that rowing is an effective exercise for rehabilitation and fitness;
however the novice rowers should acquire considerable
skill to obtain sufficient exercise. Analytical models for
the ergometer rowing were developed to provide a better
understanding of rowing [7,8].
1820
T. Cˇerne et al. / Measurement 44 (2011) 1819–1827
A novel approach for training both novice and elite rowers incorporates real-time feedback providing quantitative
information about rowing mechanics, kinematics and kinetic parameters [9,10]. Relating to this idea Rosow [11]
modified a rowing ergometer with sensors and designed
a measurement setup for assessing the data for the study
of rowing biomechanics; however, this measurement system allowed only an off-line data processing and thus it
did not provide any real-time feedback. Another system
was developed to quantify a rower’s kinematic and kinetic
parameters while training [12]. The limitations of this system included cumbersome and slippage-prone electrogoniometers for the measurement of body joint angles, the
assumption that the handle does not move vertically during the stroke, and lack of real-time data processing. The
system was improved by using a set of potentiometers,
and added a real-time display showing the rowers body
movement in a form of two-dimensional stick figure animation [13]. The disadvantages of the improved system
were in its sensitivity to calibration errors in the potentiometers and the absence of any foot stretcher force measurement. Pudlo et al. [14] developed an experimental
laboratory apparatus in order to quantify internal forces
and articular moments by the inverse dynamics method.
The system provided data for each hand and foot. A measuring setup for assessing the coordination of double rowing on land was constructed by Baca and Kornfeind [15].
Two rowing ergometers were put on slides allowing imitation of the on-water team situation. The system measured
the pulling forces on both ergometers and the reaction
forces at the foot stretcher of one of them. The system provided real-time visual feedback about pulling forces, coordination and timing. A real-time system, which measured
handle forces, foot stretcher forces and movement of the
handle, was developed by Fothergill [16]. The drawback
of this system was that it only provided real-time feedback
about pulling forces and coordination.
The objective of this research was to develop and evaluate a system that measures kinematic and kinetic parameters, calculates internal forces and joint moments, and
provides data for real-time feedback about these parameters to the user. To the best of our knowledge the system
with all mentioned features has not been developed before.
2. Methods
Rowing in boat is not completely symmetric to the sagittal plane due to different oar motion. The hands have to
cross twice during single stroke [1,17]. Asymmetry is even
more relevant in sweep-oar rowing. When rowing on an
ergometer the motion should be symmetrical since rower
grips the handle symmetrical with both hands, feet are in
symmetrical footstretcher and seat move on track [17].
Janshen et al. [18] showed that there are no significant
Fig. 1. Measurement setup for detailed biomechanical analysis of rowing: two computers for data acquisition, an optical system with two sets of trinocular
infrared cameras, a video camera and an instrumented rowing ergometer Concept2: a load cell (A), mounted between the chain and the handle, a six-axis
sensor JR3 (B), mounted under the foot stretcher, an incremental encoder (C), mounted on the axle of a flywheel, a wire incremental encoder (D), mounted
on the reverse side of the ergometer seat track and beneath the seat.
T. Cˇerne et al. / Measurement 44 (2011) 1819–1827
differences between legs when sweep-oar rowers perform
a symmetrical endurance task on ergometer, but even
though some asymmetrical forces of legs are produced under kinematically symmetrical working conditions. Deviation from perfect bilateral body symmetry has negative
correlations in the rowing performance [19]; however,
the differences between forces of left and right foot during
drive phase are small relative to the value of driving forces
[14,15]. This is the reason that we have assumed the symmetry of rowing on ergometer and studied rowing in sagittal plane as shown in previous studies [5–8,12,13,20].
2.1. Measurement system
The measurement setup is presented in Fig. 1. The rowing ergometer Concept2 (Concept2, Inc., Morrisville, VT,
USA) was modified and instrumented with a set of sensors
and equipment for data acquisition. A load cell (LCFD,
Omega Engineering, Inc., Stamford, Connecticut, USA) was
used for measuring the force of the arm pull and a custom
designed amplifier was used to amplify the strain gauges
bridge signals. The measuring range of the force cell was
2.000 N with accuracy of 0.20% of maximum load. A sixaxis sensor JR3 (model 45E15A 1200 N, JR3, Inc., Woodland, California, USA) was used for measuring the foot
reaction force. The measuring range of the sensor was
±1200 N with an accuracy of 0.25% of the maximum load
(1,200 N) and resolution of 1/8000 of the maximum load.
The foot stretcher reaction forces and torques were measured only on the left side, assuming body symmetry with
respect to the sagittal plane. An incremental encoder
(model RE22 5 V, RLS, d.o.o., Ljubljana, Slovenia) was used
for measuring the length of the chain pull mounted on the
axle of a flywheel and calibrated to measure the distance
from the flywheel to the handle center. The encoder resolution was 13 bits, i.e. 8192 increments/turn, with a velocity of up to 20,000 turns/min and an accuracy of ±0.3°. For
measuring the position of the seat a wire incremental encoder (model RML9 5 V, PMS, d.o.o., Ljubljana, Slovenia)
was connected to the seat by thin steel wire and calibrated
to measure the distance of the seat from the foot stretcher.
1821
The seat position was measured with an accuracy of
0.3 mm with maximum velocity 1 m/s. The seat loading
was not measured, because it mainly consists of vertical
interaction forces which do not contribute to forward motion. Pudlo et al. [14] showed that lateral Fx and longitudinal Fz components of force developed by rower at the
location of sliding seat are close to zero and that action
on sliding seat is mainly in the sagittal plane.
For measuring the kinematics of the rower’s motion, the
optical system Optotrak Certus (Northern Digital, Inc.,
Waterloo, Ontario, Canada) was used. The optical system
provided information of the position of active measuring
markers in 3D space. For description of the rower’s motion
in the sagittal plane 14 active markers (infrared LEDs with
a diameter of 7 mm) were attached to the rower’s body and
ergometer as shown in Fig. 2. Active markers were attached to the skin of the athlete by double-sided tape
denoting the center of the rower’s joints on his left ankle
(M7), knee (M12), hip (M10), shoulder (M11), elbow
(M12) and wrist (M8) as shown in Fig. 2. These markers
were used to describe the human body motion kinematics.
In addition, markers were also installed on the ergometer:
on the axis of the flywheel (M4), handle (M14), seat (M9),
and two on the foot stretcher (M5 and M6). To determine
the position and orientation of the ergometer in space,
the markers M1, M2 and M3 were attached to the ergometer’s frame. From these markers the position and orientation of the reference coordinate system was determined.
During the measurement markers can be obstructed. In
this case the missing data were determined by spline interpolation. The maximum missing data gap was 131 samples
of knee marker at 20 strokes/min. The average missing
data gap of knee marker was 97 samples at 20 stokes/
min, 49 samples at 26 strokes/min and 36 samples at
34 strokes/min. The quality of interpolation was better at
off-line data analysis since interpolation could be accomplished between past and future valid values.
A video camera was incorporated into measurement
setup to visually capture the rower’s motion. A monitor
displaying current time (see Fig. 2) was used to synchronize the video with the measurement.
Fig. 2. Rower during measurement track in measurement setup with active markers M1-M14.
1822
T. Cˇerne et al. / Measurement 44 (2011) 1819–1827
Data acquisition was carried out by two computers. The
measurement software development and supervision of
the operation took place on a development computer.
The target computer, running under real-time operating
system xPC Target (Mathworks, Inc.), was used for the
acquisition of the sensory signals and data analysis. Sensors were connected to the target computer via PCI interface cards for sensory data acquisition. The optical
system was connected to the target computer via the
Ethernet network using UDP communication protocol.
The sampling frequency was 100 Hz. An average task execution time of xPC Target for a single sample incorporating
sensory data acquisition, processing and data transfer was
0.008 s. The acquired data together with current time for
each sample was transferred to the host computer for visualization and storage. Any delay in data transfer due to
non-real time operation of host computer could be in the
future solved with interpolation that is sufficient for realtime graphical feedback with refresh frequency of 30 Hz.
Fig. 3. Parameters calculated in handle pull and foot reaction forces: the
maximum pull force fp,max, the maximum foot reaction force fr,max, the
force ratio rf and the time delay Dt.
2.2. Measurement data processing
The amplitude of the pull force was assessed from the
output of sensor A (see Fig. 1), while its direction was
determined as a vector between the measured position of
markers attached to the handle and wind-wheel axle. The
application point was determined at the center of the
handle.
The amplitude and direction of the reaction force on the
foot stretcher were measured by sensor B. The point of
force application was calculated from the force and torque
static equilibrium equations with the assumption that the
foot is only acting on the surface of sensor with pressure.
From the measured forces the maximum pull force fp,max
was determined as the maximum absolute value of the
handle pull forces during a single stroke. The maximum
foot reaction force fr,max was determined as the maximum
absolute value of the measured force vector on the foot
stretcher during a single stroke. The force ratio rf was
determined as the ratio between fp,max and fr,max, and the
time delay Dt was defined as the difference between the
time instant when fr,max and fp,max occur. The parameters
are presented in Fig. 3 showing typical curves of the handle
pull and foot reaction forces [17].
On the basis of the acquired kinematics data the stroke
length l was defined as the difference between the maximum and minimum length of the chain pull. The stroke
phases were determined according to the movement of
the handle in the horizontal direction. The motion of the
handle backward, away from the flywheel, represented
the drive phase, while the recovery phase was determined
as the handle motion in the opposite direction. The ratio of
the stroke phases rs was represented as the ratio between
the duration of the drive phase and the recovery phase of
the stroke.
The handle motion trajectory was assessed directly
from the measured position of marker M14 attached to
the handle. Evaluation of motion performance was assessed by calculating the trajectory tracking repeatability
RTp following the ISO 9283 standard which is used for evaluating tracking capability of industrial robots [21].
Trajectory tracking repeatability at single point of trajectory RTpi is defined as a radius of circle containing all measured paths at this point. The tracking repeatability for the
whole trajectory RTp is defined as maximum value of trajectory tracking repeatabilities RTpi.
The kinematic parameters of the rower’s motion were
calculated from the measured positions of the markers attached to the body segments. The angles between the body
segments were calculated as the angles between the longitudinal axes of individual segments, determined as a line
connecting two consecutive markers. An analysis of the
body segment angles was completed for the angles of the
ankle, knee and hip. These angles describe the body position in the sagittal plane during a stroke.
From the positions of markers the orientation matrices
Ri and the positions of segment centers of mass cogi were
calculated. The center of mass for a segment cogi was
determined as a point laying on a longitudinal axis of segment connecting two joints. The distance between cogi and
proximal joint was obtained from the literature defining
the anthropometric data of the human body [22]. From
the same literature the nominal values of segment mass
mi and inertial matrix Ii were obtained. The parameters
of each participating subject were calculated from anthropometric data with regards to subject’s body weight and
height. The translational accelerations ai were calculated
by the numerical derivation of the center of mass trajectories. The segment rotational velocities xi and rotational
accelerations aci were calculated by the transformation of
the segment rotational matrix to quaternions and their
numerical derivation. The derived data were filtered by a
second order Butterworth filter with 5 Hz cut-off frequency as used in previous studies of rowing [23–25].
The handle pull force and the length of the stroke were
associated with the propulsion. The momentary work was
defined as the product of force and displacement in the
direction of force. When the handle is being pulled the
force is acting along the chain, thus the stroke work A
was calculated by the summation of the momentary values
according to the following equation:
T. Cˇerne et al. / Measurement 44 (2011) 1819–1827
1823
Fig. 4. Recursive Newton–Euler inverse dynamic procedure of calculating the joint forces and torques in the rower’s body. The basic idea of the recursive
approach is to initiate analysis at the distant segment i, then calculate the unknown joint variables i + 1 and proceed with the calculation of the consecutive
segment. The forces and torques of the lower body segments were determined from the foot to the pelvis, and the forces and torques of the upper body
segments were determined from the hand to the pelvis.
A¼
N
X
f ðiÞ ðsðiÞ sði 1ÞÞ
ð1Þ
i¼1
where N is the number of data samples in a single stroke,
f(i) is the value of the momentary handle pull force, s(i)
is the current and s(i1) the previous handle position during a stroke.
Joint loads were calculated according to the Newton–
Euler inverse dynamics approach which is based on the
recursive calculation procedure [26]. The basic principle
of the Newton–Euler inverse dynamic analysis is to consider each segment as an independent body in space and
to formalize a description of the dynamic balance of forces
and torques for it at each time instant. Forces and torques
that are acting on joints are considered as external constraining actions. The Eqs. (2) and (3) are valid for dynamic
balance expressed in a segment local coordinate system,
where f and s represent the forces and torques acting in
a segment joints, g states for gravity acceleration and r is
a vector from the center of joint to the center of gravity.
From equations the unknown force and torque can be expressed, when all the other parameters are known.
f if
iþ1
þ mi g i ¼ mi aci
)f
iþ1
si siþ1 þ f i ri;ci f iþ1 riþ1;ci
¼ I i ai þ xi ðI i xi Þ ) siþ1
ð2Þ
ð3Þ
The recursive procedure of calculating the joint loadings
is illustrated in Fig. 4. The contact on the seat was disregarded, because it only consists of vertical interaction
forces which do not contribute to forward motion.
A mathematical model for calculating the joint loads
from measured data in real-time was developed in the
Matlab Simulink programming environment. In calculating
the force and torque in the ankle, the properties of sensor
installation, shoe size (length and distance from the ankle
to the ground) and the settings on the foot stretcher (selected hole of heel supports) were also taken into consideration. The segments of the arm (hand, forearm and upper
arm) were modeled as one segment of the total mass of
arms and a length which extends from the shoulder to
the handle, with the center of mass centered in the middle.
Rotational inertia contributions were considered small and
therefore ignored.
Joint loadings were calculated for ankle, knee, hip, LS
and shoulder joints. The rowing maneuver was considered
as a planar problem with the assumption of body symmetry regarding the sagittal plane. The resulting outputs were
joint forces and moments acting in the sagittal plane.
2.3. Evaluation experiment
For the evaluation of the proposed methodology, ten
volunteers (male, Caucasian) participated in the study: five
top-level rowers, who are members of the National Rowing
Team, and five non-experts, who were introduced to a
rowing ergometer for the first time. The participant demographics are presented in Table 1. The measurement test
lasted for 2 min and consisted of three types of activity,
in which each had a defined stroke rate according to a typical training procedure for enhancing physical strength.
The first minute of the test consisted of aerobic type activity at a rate of 20 strokes/min, followed by 30 s of aerobic
threshold activity at 26 strokes/min and 30 s of anaerobic
activity at 34 strokes/min. Each participant produced a
rowing speed according to his abilities. To avoid the influence of muscle fatigue the duration of test was defined as
short, but at least 10 strokes of each stroke rate were
acquired for data analysis. Before performing the test, the
participants warmed up properly. The participants pro-
T. Cˇerne et al. / Measurement 44 (2011) 1819–1827
1824
Table 1
Participant demographics.
Subject
Experts
E1
E2
E3
E4
E5
Non-experts
N1
N2
N3
N4
N5
Age (years)
Height (cm)
Weight (kg)
38
31
22
32
29
190
196
197
189
186
88
88
100
84
85
25
29
25
32
29
186
171
183
186
188
82
80
85
100
76
vided consent; the experiment was approved by the
National Medical Ethical Committee.
3. Results and discussions
The results of an evaluation experiment that represent
the motion kinematics parameters, forces and work of an
average stroke are shown in Table 2 for expert rowers
and in Table 3 for non-expert rowers. Because of small
sample group the results of participating non-expert rowers are not normally distributed, therefore the results are
presented with average value and their range [minimum
value; maximum value].
As it can be seen from the results, the length of the
stroke l was kept constant by the experts in each stroke
rate, while the strokes of the non-experts were shorter
and increased with increasing stroke rate. The experts
demonstrated a fast drive and a slow recovery during a
stroke, thus the ratio rs between the drive and the recovery
phase lowers with increasing stroke rate. The non-experts
achieved a lower ratio of around 1:1, which did not change
with increasing stroke rate. The results also show that
deviations of the maximum pull force and maximum reaction force of the experts are less than 12% regarding to the
average value. The foot reaction force peak occurred before
the peak of the pull force, meaning that the rower first exploits the full power of the legs. From Table 3 it can be seen
also that the forces of the non-experts deviate much more
than forces of experts and are much lower. The most obvious difference occurred at a rate of 20 strokes/min. An increase in peak forces was noticed with increasing stroke
rate. The work of both groups of volunteers increased with
increased stroke rate, but the increase was more explicit in
the case of non-experts, where average work has increased
three times.
Fig. 5 shows external forces and body position during a
single stroke at a rate of 34 strokes/min for non-expert
subject N4 (left) and expert subject E1 (right) as typical
rowers. It should be noted that the force on the foot
stretcher had already begun to rise at the end of the recovery phase, when the handle was still moving toward the
beginning of the stroke. The figures of body position of
the expert subject E1 show the correct movement technique between strokes. At the beginning of a pull the body
was inclined slightly forward; the knees and ankles were
flexed as far as possible. The push with the legs followed.
Once the legs were fully extended, the upper body leaned
slightly back. During the recovery phase, first the body
was bent forward, then the knees flexed and gradually slid
the seat forward. It can be seen that the non-expert subject
N4 did not lean back at the finish of the drive phase.
Fig. 6 shows the handle motion trajectories assessed at
different stroke rates. Ten consecutive strokes were compared. As can be observed from the figure, there are no
variations in the handle motion of the expert at various
Table 2
Results of averaged rowing biomechanical parameters and their range for expert rowers.
Stroke rate
20 strokes/min
l [m]
rs
fp,max [N]
fr,max [N]
rf
Dt [s]
A [J]
RTp [m]
1.59
1:2.04
1022
1232
0.83
0.08
8474
0.045
26 strokes/min
[1.51;1.64]
[1.85;2.25]
[958;1120]
[1119;1356]
[0.71;0.92]
[0.02;0.11]
[7857;9292]
[0.026;0.066]
1.61
1:1.66
1088
1250
0.87
0.08
9042
0.040
34 strokes/min
[1.49;1.67]
[1.58;1.74]
[1025;1162]
[1177;1345]
[0.77;0.99]
[0.02;0.13]
[8703;9622]
[0.025;0.057]
1.57
1:1.31
1162
1294
0.89
0.08
9886
0.044
[1.46;1.64]
[1.20;1.41]
[1056;1298]
[1189;1426]
[0.85;0.98]
[0.03;0.14]
[8709;11,532]
[0.025;0.071]
Table 3
Results of averaged rowing biomechanical parameters and their range for non-expert rowers.
Stroke rate
20 strokes/min
l [m]
rs
fp,max [N]
fr,max [N]
rf
Dt [s]
A [J]
RTp [m]
0.98
1:1.01
145
440
0.29
0.70
926
0.070
26 strokes/min
[0.86;1.17]
[1.00;1.27]
[63;429]
[343;575]
[0.18;0.75]
[0.02;0.95]
[477;2127]
[0.035;0.091]
1.09
1:1.00
238
612
0.37
0.47
1593
0.075
34 strokes/min
[0.93;1.24]
[1.01;1.16]
[152;519]
[565;739]
[0.27;0.70]
[0.02;0.63]
[940;2784]
[0.046;0.109]
1.16
1:1.04
448
816
0.53
0.34
3087
0.070
[0.91;1.35]
[0.95;1.10]
[274;689]
[689;901]
[0.39;0.76]
[0.10;0.47]
[1652;4678]
[0.049;0.085]
T. Cˇerne et al. / Measurement 44 (2011) 1819–1827
1825
Fig. 5. External forces and body position during a single stroke at rate 34 strokes/min for subjects N4 (left) and E1 (right). The pull force and the foot
reaction force increased during the drive, reached a maximum value, and then declined over time. The forces during the recovery phase were smaller than
during the drive phase.
stroke rates. During the drive phase, the handle was moving on to the upper part of the trajectory in the direction of
increasing x until the end of the pull. The expert handle trajectory transition to the recovery phase started with an
abrupt push downward simulating the lifting of the oars
from the water, followed by a horizontal return to the initial position as the preparation for the new stroke. The trajectory tracking repeatability RTp in Tables 2 and 3 presents
quantitative data of handle motion trajectories. It can be
seen from these results that repeatabilities of nonexperts’
handle motion trajectories were almost double as in experts’ trajectories.
Fig. 7 presents the results of recursive calculation of
Newton–Euler inverse dynamic analysis – torques in the
ankle, knee, hip, LS and shoulder joints for non-expert subject N4 (left) and expert subject E1 (right) for rates 20, 26
and 34 strokes/min. For better comparison, data have been
normalized to a longitudinal handle displacement. The start
Fig. 6. The handle motion trajectories of subjects N4 (left) and E1 (right) presented in the sagittal plane.
1826
T. Cˇerne et al. / Measurement 44 (2011) 1819–1827
Fig. 7. Calculated torques in body joints for subjects N4 (left) and E1 (right) presented for different stroke rates.
of the drive phase was assigned as value of 100 at the
abscissa, the end of the drive phase and the start of the
recovery phase as value 0, while the end of the recovery
as a value of 100. In this way, data of different stroke rates
can be compared without considering different duration of
single strokes. The results of experts are similar to the results of Hase et al. [5,6] confirming our real-time dynamic
model. From these results the repeatable joint load pattern
for the expert rower at all stroke rates, and the variable
joint load pattern for the non-expert, demonstrating the
lack of technique, can be seen. Large loadings on the LS joint
confirm frequent lower back pain and injuries in rowers.
4. Conclusions
We have developed a measurement setup for detailed
real-time biomechanical analysis of ergometer rowing.
The setup incorporates an instrumentalized ergometer for
the acquisition of external forces and an optical system
for kinematics measurement. On the basis of the measurement data the biomechanical analysis is performed in realtime. The trial evaluation measurement was accomplished
using the measurement system. Ten volunteers participated in the evaluation rowing experiment performed at
stroke rates of 20, 26 and 34 strokes/min.
T. Cˇerne et al. / Measurement 44 (2011) 1819–1827
The results show noticeable distinctions of the measured parameters between the expert and non-expert rowers. The results have demonstrated that the expert rowers
use a similar and consistent rowing technique at all stroke
rates, while the technique of non-expert rowers varies.
The measurement environment and data processing
algorithms were designed to provide output data in real
time. The analysis can be performed over one or several
strokes or over a period of time, to evaluate fatigue effects
over the course of a race. The data storage capability of the
system also allows long term evaluation of the progress of
an individual rower. Information on joint loadings during a
stroke has a potential application in supporting the coordination of stroke movement and preventing injuries, for
example in the LS joint.
The main disadvantage of the developed measurement
environment is that it incorporates an optical kinematic
measurement system, which is expensive and cumbersome in use. Besides, the problem of some of measurement
markers being hidden during a stroke (i.e. knee marker) affects the accuracy of the calculation of joint loadings.
This paper outlines the methodology for instrumentalizing a rowing ergometer and acquired data processing
for providing real-time detailed feedback on rowing performance and technique. Further research will be undertaken to provide effective method of graphical and audio
feedback. The developed system can be used as a core
training platform aimed at non-experts for recreational
and rehabilitation purposes.
Acknowledgments
The authors would like to thank the participants of
experimental evaluation trial measurement and Professor
Tadej Bajd for research suggestions and revising the
manuscript.
The authors acknowledge the Republic of Slovenia Ministry of Higher Education, Science and Technology Grant
‘‘Motion Analysis and Synthesis in Man and Machine’’
(P2-0228C).
The research work of the first author was partially
financed by the European Union, European Social Fund,
the framework of the Operational Programme for Human
Resources Development for the Period 2007–2013.
References
[1] S. Redgrave, Complete Book of Rowing, Partridge Press, Saint Cloud,
1995.
[2] R.M. Smith, C. Loschner, Biomechanics feedback for rowing, J. Sports
Sci. 20–10 (2002) 783–791.
1827
[3] A.C. Ritchie, Dynamic modeling of ergometer and on-water rowing,
Sports Technol. 1 (2008) 110–116.
[4] H. Kazunori, K. Motoshi, A.B. Zavatsky, S.E. Halliday, Musculoskeletal
loads in ergometer rowing, J. Appl. Biomech. 20–3 (2004) 317–323.
[5] K. Hase, B.J. Andrews, A.B. Zavatsky, S.E. Halliday, Biomechanics of
rowing, JSME Int. J. Ser. C 45 (2002) 1082–1092.
[6] K. Hase, M. Kaya, A.B. Zavatsky, S.E. Halliday, Musculoskeletal loads
in ergometer rowing, J. Appl. Biomech. 20 (2004) 317–323.
[7] L. Consiglieri, E.B. Pires, An analytical model for the ergometer
rowing: inverse multibody dynamics analysis, Comput. Methods
Biomech. Biomed. Eng. 12–4 (2009) 469–479.
[8] D. Hahn, A. Schwirtz, A. Huber, Anthropometric standardisation of
multiarticular leg extension movements: a theoretical study,
Isokinet. Exerc. Sci. 13–2 (2005) 95–101.
[9] J.C. Henry, R.R. Clark, R.P. McCabe, R. Vanderby, An evaluation of
instrumented tank rowing for objective assessment of rowing
performance, J. Sports Sci. 13–3 (1995) 199–206.
[10] D. MacFarlane, I. Edmond, A. Walmsley, Instrumentation of an
ergometer to monitor the reliability of rowing performance, J. Sports
Sci. 15–2 (1997) 167–173.
[11] E. Rosow, A comparative study of rowing biomechanics, in:
Proceedings of the 17th Annual Northeast Bioengineering
Conference, Hartford, CT, 4–5 April 1991, pp. 271–272.
[12] D. Hawkins, A new instrumentation system for training rowers, J.
Biomech. 33–2 (2000) 241–245.
[13] P. Page, D. Hawkins, A real-time biomechanical feedback system for
training rowers, Sports Eng. 6–2 (2003) 67–79.
[14] P. Pudlo, A. Pinti, F. Lepoutre, Experimental laboratory apparatus to
analyze kinematics and 3D kinetics in rowing, Sports Eng. 8–1
(2005) 39–46.
[15] A. Baca, P. Kornfeind, A feedback system for coordination training in
double rowing, Eng. Sport. 7 (2008) 659–668.
[16] S. Fothergill, Examining the effect of real-time visual feedback on the
quality of rowing technique, Proc. Eng. 2–2 (2010) 3083–3088.
[17] V. Nolte, Rowing Faster, Human Kinetics Publishers, Champaign,
2005.
[18] L. Janshen, K. Mattes, G. Tidow, Muscular coordination of the lower
extremities of oarsmen during ergometer rowing, J. Appl. Biomech.
25–2 (2009) 156–164.
[19] D. Longman, J.T. Stock, J.C. Wells, Fluctuating asymmetry as a
predictor for rowing ergometer performance, Int. J. Sports Med., 26
May 2011, Retrieved from <http://www.thieme-connect.de/
ejournals/toc/sportsmed/efirst>.
[20] A.H. McGregor, A.M. Bull, R. Byng-Maddick, A Comparison of rowing
technique at different stroke rates: a description of sequencing, force
production and kinematics, Int. J. Sports Med. 25 (2003) 465–470.
[21] International standard ISO 9283:1998, Manipulating industrial
robots – Performance criteria and related test methods, second ed.,
International Organization for Standardization, Geneve, Switzerland.
[22] P. De Leva, Adjustments to zatsiorsky-seluyanov’s segment inertia
parameters, J. Biomech. 29–9 (1996) 1223–1230.
[23] B.S. Lay, W.A. Sparrow, K.M. Hughes, N.J. O’Dwyer, Practice effects on
coordination and control, metabolic energy expenditure, and muscle
activation, Hum. Movement Sci. 21–5–6 (2002) 807–830.
[24] G.P. Siegmund, M.R. Edwards, K.S. Moore, D.A. Tiessen, D.J.
Sanderson, D.C. McKenzie, Ventilation and locomotion coupling in
varsity male rowers, J. Appl. Physiol. 87–1 (1999) 233–242.
[25] A.V. Nowicky, R. Burdett, S. Horne, The impact of ergometer design
on hip and trunk muscle activity patterns in elite rowers: an
electromyographic assessment, J. Sports Sci. Med. 4 (2005) 18–28.
[26] T.R. Kane, D.A. Levinson, Dynamics, Theory and Applications,
McGraw Hill, New York, 1985.
Human Movement Science 32 (2013) 691–707
Contents lists available at SciVerse ScienceDirect
Human Movement Science
journal homepage: www.elsevier.com/locate/humov
Differences between elite, junior and non-rowers
in kinematic and kinetic parameters during
ergometer rowing
Tomazˇ Cˇerne a, Roman Kamnik b,⇑, Boštjan Vesnicer a, Jerneja Zˇganec Gros a,
Marko Munih b
a
b
Alpineon d.o.o., Ulica Iga Grudna 15, Ljubljana, Slovenia
University of Ljubljana, Faculty of Electrical Engineering, Trzˇaška 25, Ljubljana, Slovenia
a r t i c l e
i n f o
Article history:
Available online 10 June 2013
PsycINFO classification:
3720
2330
Keywords:
Rowing
Biomechanics
Level of expertise
a b s t r a c t
This paper presents an analysis of the rowing parameters of differently skilled rowers. The study focuses on technique dependency
on stroke rate. Five elite, five junior and five non-rowers participated, and the biomechanics of rowing on an ergometer was analyzed at stroke rates of 20, 26 and 34 str/min. The results show
that elite rowers use a similar, consistent rowing technique at all
stroke rates, the technique of junior rowers follows similar principles, while the technique of non-rowers varies. Elite rowers’ stroke
length, handle motion and body posture do not change with stroke
rate while the ratio of stroke phases, maximum forces, stroke work
and joint loadings are constant at the same stroke rate but dependent on stroke rate. Junior rowers with stroke rate change also the
stroke length. In non-rowers the differences can be observed in the
handle motion and body posture during the stroke, their stroke
length changes with stroke rate while the ratio of stroke phases
stays constant. Although different movement execution is evident
and variable with stroke rate, non-rowers demonstrate a consistent
pattern at the same stroke rate. On the basis of the results, the crucial parameters that differentiate elite, junior, and non-rowers are
identified.
Ó 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.
⇑ Corresponding author. Tel.: +386 1 4768 355; fax: +386 1 4768 239.
ˇ erne), [email protected] (R. Kamnik), bostjan.vesnicer@
E-mail addresses: [email protected] (T. C
alpineon.si (B. Vesnicer), [email protected] (J. Zˇganec Gros), [email protected] (M. Munih).
0167-9457/$ - see front matter Ó 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.
http://dx.doi.org/10.1016/j.humov.2012.11.006
692
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
1. Introduction
Ergometer rowing is a complex motor skill. A rower must have a good command of technique, timing, and power. Rowing ergometers can be found in most gyms and fitness centers, but many people
who use them have little or no instruction in rowing technique. Rowing is a cyclical movement like
running or cycling. However, unlike cycling and running, the rowing stroke cycle is not an intuitive
act. Kazunori, Motoshi, Zavatsky, and Halliday (2004) showed that novices have some potentially
important differences in technique and warned that faulty technique can lead to injuries. Injuries as
a result of faulty technique include problems in the lower back, ribs, shoulder, wrist and knee
(Rumball, Lebrun, Di Ciacca, & Orlando, 2005).
A novel approach for training both novice and elite rowers incorporates real-time feedback providing quantitative information about rowing kinematic and kinetic parameters (Henry, Clark, McCabe, &
Vanderby, 1995; MacFarlane, Edmond, & Walmsley, 1997).
Different instrumented measurement and training setups for assessing biomechanical parameters
of ergometer rowing have been developed in the past. The system developed by Rosow (1991) enables
measurements of seat displacement, handle displacement, hip angle, force on handle and footstretcher
forces and torques. The system developed by Pudlo, Pinti, and Lepoutre (2005) enables quantification
of internal forces and articular moments using the inverse dynamics method. Both of these systems
allow only offline data processing. The system of Hawkins (2000) provides offline information about
the rower’s joint kinematics, pulling force, and pulling power. The system developed by Page and
Hawkins (2003) displays rowers’ body movement in real-time in the form of two-dimensional stick
figure animation. Baca and Kornfeind (2008) have developed a system that provides real-time visual
feedback about pulling forces and coordination of double rowing on an ergometer. The system developed by Fothergill (2010) provides real-time feedback on handle trajectory, handle force curve and
ˇ erne, Kamnik, and Munih (2011) have developed an instrumented rowing
each foot’s force curve. C
ergometer system that enables measurements of kinematic and kinetic parameters, calculation of
internal forces and joint moments, and preparation of data for real-time feedback.
On the basis of acquired and available real-time data, we propose a training platform for learning
rowing technique on an ergometer. The platform consists of a measurement module, a data processing
module, a reference module and a module for feedback information. The measurement module provides kinetic and kinematic data of the rower. The data are processed in the data processing module
that calculates body joint loadings and provides quantification of biomechanical parameters. The essence of the reference module is a reference model of biomechanical parameters that describes proper
ergometer rowing technique. The reference module evaluates processed data by comparison between
real-time data and reference data. Based on this assumption, a module for feedback information determines the needed instructions and outputs graphical and audio information to the trainee rower.
According to the feedback information the rower modifies movement towards proper ergometer rowing technique.
For development of the reference model, a proper set and proper range of values of input variables
should be found. A wide range of biomechanical parameters can be measured during ergometer rowing. The question is which of those parameters are effective for feeding back and describing the rowing
technique. Redgrave (1995) and Nolte (2005) described the basic biomechanical parameters that characterize ergometer rowing technique: the stroke length, the duration and ratio of the stroke phases,
the forces of the stroke on the handle and foot stretcher, the power of the stroke, the trajectory of
the handle motion, the body posture and the body joint loads. Some of those parameters are dependent on stroke rate. Kleshnev (2003) demonstrated that the ratio of the drive and recovery time of
stroke is dependent on stroke rate. McGregor, Bull, and Byng-Maddick (2004) investigated spinal
and pelvic motion, and the force generated at the handle at three different stroke rates. They showed
that there is no change in the magnitude peak of spinal torque generated during different stroke rates,
but a shift in the instant of occurrence was noticed. They also showed changes in pelvic rotation at the
catch and finish of the stroke.
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
693
This paper addresses the search for rowing parameters that characterize the ergometer rowing
technique. The goal of the study was to investigate the differences between elite, junior and non-rowers in order to identify parameters that have the potential to be incorporated in the reference model,
their range of values and consistency regarding stroke rate. With this objective, we analyzed technique
of ergometer rowing of 5 elite rowers, 5 junior club rowers and 5 non-rowers. In the following section,
the participants, apparatus, experimental protocol, variables, data processing and statistical analyses
are presented. The third section outlines the results; conclusions are drawn in the fourth section.
2. Methods
2.1. Participants
Fifteen volunteers (male, Caucasian) participated in the study: (a) five elite rowers (age from 22 to
38 years, mean = 30.4 years; height from 186 to 197 cm, mean = 191,6 cm; weight from 84 to 100 kg,
mean = 89 kg), who are members of the National Rowing Team and holders of World Championship
medals, (b) five junior rowers (age from 15 to 18 years, mean = 16.7; height from 179 to 188 cm,
mean = 183 cm; weight from 75 to 100 kg, mean = 82.4 kg), who are training rowing in an organized
program on club level, and (c) five non-rowers (age from 25 to 32 years, mean = 28 years; height from
171 to 188 cm, mean = 182,8 cm; weight from 76 to 100 kg, mean = 84,6 kg), who were introduced to
a rowing ergometer for the first time. The non-rowers represented a group of people beginning rowing
for recreation without any basic teaching and professional supervision. All participants provided
consent.
2.2. Apparatus
We used a measurement system for rowing assessment on an ergometer developed by Cˇerne et al.
(2011). The measurement system consists of a Concept2 rowing ergometer instrumented with a load
cell for measuring the force of arm pull, a six-dimensional force sensor for measuring the force of leg
drive, an optical encoder for measuring the length of a chain pull and a wire optical encoder for measuring the position of the seat. The optical system Optotrak Certus was used for measuring the kinematics of the rower’s movement. Fourteen active markers were attached to the rower’s body and
Fig. 1. Rower during measurement track in measurement setup with active markers M1-M14.
694
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
ergometer as shown in Fig. 1. A video camera was incorporated into measurement setup to visually
capture the rower’s motion. To follow interaction forces and moment in the rowers’ body, joint loadings were calculated according to the recursive Newton-Euler inverse dynamics approach for ankle,
knee, hip, lumbosacral and shoulder joints (Sciavicco & Siciliano, 2001). The Newton-Euler inverse
dynamics approach determines the joint reaction for the distal segment which is in contact with
the environment and proceeds recursively toward the proximal segments. The forces and torques of
the lower body segments were thus calculated consecutively from the foot to the reactions acting
to the pelvis segment in the hip joints, while the forces and torques of the upper body segments were
ˇ erne et al.,
calculated from the hands to the reactions acting to the pelvis segment in the LS joint (C
2011). In this way, all body joint loadings were determined without the need for measuring the seat
reactions. Incorporation of seat reaction force measurement would enable the calculation of the LS
joint loadings from two different directions along upper and lower extremities thus providing more
accurate information.
2.3. Experimental protocol
Each subject’s measurement test consisted of three types of activity; each had a defined stroke rate
according to typical training procedure: an aerobic type activity at a rate of 20 strokes/minute, an aerobic threshold activity at 26 strokes/minute and an anaerobic activity at 34 strokes/minute. Measurement test started after the steady state situation was reached at each stroke rate. Rowers rowed one
minute at a stoke rate of 20 strokes/minute, 30 seconds at 26 strokes/minute and 30 seconds at
34 strokes/minute. The experiment was approved by the National Medical Ethical Committee.
2.4. Variables
We have assumed the symmetry of rowing on ergometer and studied rowing in sagittal plane alike
in previous studies (Consiglieri & Pires, 2009; Hahn, Schwirtz, & Huber, 2005; Hase, Andrews, Zavatsky
and Halliday, 2002; Hase, Kaya, Zavatsky, & Halliday, 2004; Hawkins, 2000; McGregor et al., 2003;
Page & Hawkins, 2003).
Performances of three groups were compared to determine the parameters’ consistency. The following variables were compared: stroke length, normalized stroke length, duration of stroke phases
and their ratio, peak handle pull force, peak foot reaction force, average handle pull force during drive
phase, average foot reaction force during drive phase, and force ratios and the instant of occurrence,
stroke work, handle motion trajectories, trunk inclination and joint torques.
The stroke length (l) was defined as the difference between the maximum and minimum length of
the handle displacement. Normalized stroke length (lr) was calculated as the average stroke length divided by the height of the rower. The ratio of the stroke phases (r) was represented as the ratio between the duration of the drive phase (td) and the recovery phase (tr), where the backward motion
of the handle, away from the flywheel, represented the drive phase, while the recovery phase was
determined as the handle motion in the opposite direction. The peak handle pull force (fp,max) represented the maximum value of force measured on the handle during a single stroke. The average handle
pull force during the drive (fp,avg) was the average of force measured on the handle during a drive
phase of the stroke. The ratio average to maximal handle pull force (fp,r) was calculated as the ratio
between fp,avg and fp,max. The peak foot reaction force (fr,max) was the maximum absolute value of
the measured force vector on the foot stretcher during a single stroke. The average foot reaction force
during the drive (fr,avg) was the average absolute value of the measured force vector on the foot
stretcher during a drive phase of the stroke. The ratio average to maximal foot reaction force (fr,r)
was calculated as the ratio between fr,avg and fr,max. Ratio of peak forces as a parameter describing rowing style (fr,m) was determined as ratio between fp,max and fr,max, while ratio of average forces during the
drive (fr,a) was determined as ratio between fp,avg and fr,avg. The work of a stroke (A) was calculated as
the integral of handle pull force over handle displacement. Trunk inclination (u) was defined as the
angle between trunk described by a vector from marker M10 to marker M11 and coronal plane.
The handle motion trajectory was assessed directly from the measured position of marker attached
to the handle. The torque around the transversal direction (Mz) was analyzed as the most important
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
695
parameter of joint loadings that contribute to movement in the sagittal plane. To enable better comparison, data have been normalized to a longitudinal handle displacement. The beginning of the drive
was assigned to a value of 100, the end of the pull and the start of the recovery to value 0 and the end
of the recovery to a value of 100. From torque parameter of maximal torque around the transversal
direction (Mz) and their instant of occurrence according to handle position (Mh) were calculated.
2.5. Data processing and statistical analyses
Data from ten consecutive strokes accomplished at each stroke rate from each participant were acquired for analysis. The Matlab software package (The MathWorks (Ver. 7.10), Natict, MA) was used
for data processing. The start of a rowing stroke was defined as the start of the drive phase; therefore,
the recovery phase covers the second half of the total rowing stroke.
Evaluation of motion performance was assessed by calculating the trajectory repeatability (RTp) following the ISO 9283 standard (1998), which is used for evaluation of the industrial robots. Trajectory
repeatability at a single point of trajectory (RTpi) is defined as the radius of a circle containing all measured paths at this point. The trajectory repeatability for the whole trajectory (RTp) is defined as maximum value of trajectory repeatabilities (RTpi).
Data from ten consecutive strokes at each stroke rate from each participant were averaged and analyzed with SPSS (IBM (Ver. 17.0), Armonk, NY). As we were interested in the analysis of the stroke rate
influence to listed variables in differently skilled groups, we first performed a one-way repeated-measures ANOVA with three levels of stroke rate (20 str/min, 26 str/min, 34 str/min) for each variable.
From this ANOVA, we extracted the partial eta-squared value (g2) and the p-value of the effect of
stroke rate on each variable for each group separately. The partial eta-squared represents the proportion of total variability attributable to the factor (in this case, stroke rate), excluding other factors from
the total nonerror variation (Cohen, 1973) and can thus be thought of as the ‘size’ of the factor’s effect.
Partial eta-squared has been previously used to study the size of the effect of task difficulty and subject type on physiological and biomechanical parameters (Novak et al., 2010).
Since we were also interested in investigating the differences between the groups, we performed a
two-way mixed-design ANOVA with one within-subject factor (stroke rate) and one between-subjects
factor (rower type). From this ANOVA, we extracted the partial eta-squared and the p-value of the effect of rower type (elite, junior or non-rower) on each variable. In all cases, the threshold for significance was set at p = .05.
The variance-to-mean ratio (VMR) was used to evaluate the consistency of variables. A VMR below
.05 was considered insignificant.
We performed a principal component analysis (PCA) in order to analyze variance between participating subjects. PCA was performed for the drive phase for signals of handle pull force, foot reaction
force and trunk inclination as the basic parameter of body posture. For proper comparison, all stroke
signals were resampled to the same number of samples and forces were normalized with maximal
force. The principal components (i.e., eigenvectors) were found by the eigenvalue decomposition of
the covariance matrix of all signals coming from all measured data from the elite rowers. After that,
all signals were projected to the PCA subspace. For better comparison, the eigenvectors were scaled
by the inverse of the square root of the corresponding eigenvalues.
3. Results and discussion
Means and standard deviations of the stroke length (l), normalized stroke length (ln), duration of
drive phase (td), duration of recovery phase (tr), ratio of the stroke phases (r), peak foot reaction force
(fr,max), average foot reaction force during the drive (fr,avg), ratio average to maximal foot reaction force
(fr,r), peak handle pull force (fp,max), average handle pull force during the drive (fp,avg), ratio average to
maximal handle pull force (fp,r), force ratio of peak forces (fr,m), force ratio of average forces during the
drive (fr,a), work (A) and repeatability for the handle motion trajectory (RTp) are shown in Table 1 for
elite rowers, in Table 2 for junior rowers, and in Table 3 for non-rowers. For each group of rowers also
group averages and standard deviations are presented.
696
Table 1
Means and standard deviations of movement kinematics and kinetics of elite rowers.
Subject
Rate
[st/
min]
l
[m]
ln
td
[s]
tr
[s]
r
fr.max
[N]
fr.avg
[N]
fr,r
fp.max
[N]
fp.avg
[N]
fp,r
fr,m
fr,a
A
[J]
RTp
[m]
E1
20
1.611
(0.015)
1.631
(0.011)
1.632
(0.006)
0.848
0.91
(0.01)
0.85
(0.02)
0.79
(0.01)
2.07
(0.03)
1.48
(0.02)
1.11
(0.02)
1:2.25
1337
(40)
1347
(16)
1339
(18)
744
(20)
771
(15)
783
(8)
0.56
1123
(35)
1165
(16)
1153
(13)
497
(18)
508
(13)
513
(11)
0.44
0.84
0.67
0.025
0.44
0.86
0.66
0.44
0.86
0.65
929
(37)
962
(21)
982
(17)
1.606
(0.003)
1.631
(0.001)
1.603
(0.014)
0.820
0.93
(0.02)
0.85
(0.02)
0.72
(0.01)
1.88
(0.11)
1.35
(0.07)
0.87
(0.02)
1:2.02
1189
(22)
1195
(20)
1235
(12)
638
(12)
663
(17)
742
(8)
0.54
1091
(46)
1167
(26)
1204
(13)
467
(26)
485
(14)
536
(8)
0.43
0.92
0.73
0.039
0.42
0.98
0.73
0.45
0.97
0.72
883
(37)
950
(23)
1030
(17)
1.603
(0.001)
1.615
(0.002)
1.600
(0.010)
0.814
0.98
(0.01)
0.92
(0.02)
0.73
(0.01)
1.94
(0.05)
1.50
(0.03)
0.95
(0.03)
1:1.97
1365
(42)
1348
(49)
1432
(39)
671
(14)
662
(27)
825
(14)
0.49
974
(27)
1031
(48)
1303
(17)
443
(16)
455
(25)
597
(11)
0.45
0.71
0.66
0.44
0.77
0.69
0.46
0.91
0.73
1.638
(0.023)
1.667
(0.010)
1.642
(0.007)
0.866
0.99
(0.01)
0.91
(0.02)
0.80
(0.01)
1.83
(0.07)
1.50
(0.04)
1.00
(0.02)
1:1.85
1123
(42)
1187
(17)
1194
(17)
635
(17)
675
(20)
713
(18)
0.57
960
(38)
1041
(29)
1057
(16)
390
(14)
422
(14)
488
(11)
0.41
0.85
0.61
0.41
0.88
0.62
0.46
0.89
0.63
1.509
(0.001)
1.486
(0.012)
1.457
(0.024)
0.812
0.92
(0.01)
0.85
(0.02)
0.78
(0.02)
1.93
(0.06)
1.47
(0.06)
1.08
(0.04)
1:2.09
1182
(43)
1226
(46)
1297
(32)
668
(17)
674
(24)
706
(17)
0.57
986
(38)
1062
(28)
1105
(13)
423
(15)
444
(27)
461
(9)
0.43
0.83
0.63
0.42
0.87
0.66
0.42
0.85
0.65
1.593
(0.049)
1.606
(0.070)
1.587
(0.075)
0.832
(0.024)
0.838
(0.032)
0.828
(0.035)
0.95
(0.04)
0.88
(0.04)
0.76
(0.04)
1.93
(0.09)
1.46
(0.06)
1.00
(0.10)
1:2.04
(0.16)
1:1.67
(0.07)
1:1.31
(0.08)
1239
(106)
1261
(81)
1299
(93)
671
(44)
689
(46)
754
(50)
0.54
(0.03)
0.55
(0.03)
0.58
(0.02)
1027
(75)
1093
(67)
1164
(95)
444
(41)
463
(34)
519
(52)
0.43
(0.02)
0.42
(0.01)
0.45
(0.02)
0.83
(0.08)
0.87
(0.07)
0.90
(0.05)
0.66
(0.05)
0.67
(0.04)
0.68
(0.05)
26
34
20
26
34
E3
20
26
34
E4
20
26
34
E5
20
26
34
Group
average
20
26
34
0.859
0.832
0.818
0.820
0.812
0.882
0.869
0.799
0.784
1:1.74
1:1.41
1:1.58
1:1.20
1:1.63
1:1.29
1:1.64
1:1.25
1:1.71
1:1.40
0.57
0.58
0.55
0.60
0.49
0.58
0.57
0.60
0.55
0.54
0.025
0.026
0.044
0.038
839
(29)
897
(50)
1153
(21)
0.042
786
(31)
864
(27)
908
(26)
0.058
799
(21)
847
(35)
870
(15)
0.025
847
(59)
904
(51)
989
(111)
0.038
(0.014)
0.045
(0.014)
0.038
(0.013)
0.042
0.044
0.065
0.026
0.049
0.056
NOTE: The stroke length (l), normalized stroke length (ln), duration of drive phase (td), duration of recovery phase (tr), ratio of the stroke phases (r), peak foot reaction force (fr,max), average
foot reaction force during the drive (fr,avg), ratio average to maximal foot reaction force (fr,r), peak handle pull force (fp,max), average handle pull force during the drive (fp,avg), ratio average to
maximal handle pull force (fp,r), force ratio of peak forces (fr,m), force ratio of average forces during the drive (fr,a), work (A) and repeatability for the handle motion trajectory (RTp).
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
E2
0.858
Table 2
Means and standard deviations of movement kinematics and kinetics of junior rowers.
J1
l
[m]
ln
td
[s]
tr
[s]
r
fr.max
[N]
20
1.579
(0.012)
1.596
(0.012)
1.541
(0.009)
0.86
1.00
(0.03)
0.92
(0.01)
0.82
(0.01)
1.97
(0.06)
1.42
(0.03)
0.97
(0.03)
1:1.98
1195 (93) 641 (18) 0.54
1:1.54
1224 (43) 649 (9)
1.559
(0.013)
1.566
(0.018)
1.527
(0.015)
0.83
1.05
(0.03)
0.96
(0.01)
0.84
(0.01)
1.699
(0.019)
1.708
(0.007)
1.681
(0.009)
0.90
1.558
(0.006)
1.574
(0.012)
1.566
(0.007)
0.86
1.578
(0.016)
1.581
(0.014)
1.560
(0.007)
0.88
26
34
J2
20
26
34
J3
20
26
34
J4
20
26
34
J5
20
26
34
Group 20
average
26
34
1.595
(0.059)
1.605
(0.059)
1.575
(0.061)
0.89
0.86
0.83
0.82
0.91
0.89
0.87
0.87
0.89
0.88
0.87
(0.03)
0.88
(0.03)
0.86
(0.03)
fr.avg
[N]
fr,r
fp.avg
[N]
fp,r
fr,m
fr,a
A
[J]
879 (66) 394 (12) 0.45
0.74
0.61
733 (59) 0.040
0.53
931 (20) 401 (9) 0.43
0.76
0.62
762 (19) 0.028
1:1.18
1175 (30) 646 (22) 0.55
971 (38) 401 (17) 0.41
0.82
0.62
734 (27) 0.040
1.88
(0.06)
1.27
(0.03)
0.92
(0.04)
1:1.78
855 (75)
563 (20) 0.66
820 (37) 369 (22) 0.45
0.96
0.66
706 (41) 0.050
1:1.32
866 (40)
557 (14) 0.64
858 (23) 375 (10) 0.44
0.99
0.67
724 (23) 0.041
1:1.10
1015 (36) 644 (24) 0.63
940 (52) 435 (30) 0.46
0.93
0.67
820 (63) 0.037
1.20
(0.02)
1.04
(0.01)
0.91
(0.01)
1.69
(0.07)
1.30
(0.04)
0.92
(0.03)
1:1.41
912 (37)
445 (18) 0.49
760 (42) 288 (15) 0.38
0.83
0.65
604 (35) 0.027
1:1.26
989 (33)
502 (15) 0.51
898 (39) 338 (12) 0.38
0.91
0.67
688 (28) 0.041
1:1.01
1009 (17) 565 (15) 0.56
976 (27) 375 (10) 0.38
0.96
0.66
759 (21) 0.037
0.97
(0.02)
0.89
(0.03)
0.78
(0.01)
1.92
(0.05)
1.35
(0.05)
0.93
(0.02)
1:1.97
998 (58)
568 (23) 0.57
821 (41) 396 (20) 0.48
0.82
0.70
714 (32) 0.046
1:1.51
1143 (55) 623 (65) 0.55
888 (67) 405 (42) 0.46
0.77
0.65
749 (73) 0.063
1:1.19
1286 (26) 701 (16) 0.55
954 (34) 446 (24) 0.47
0.74
0.63
809 (38) 0.036
0.94
(0.01)
0.85
(0.02)
0.76
(0.01)
2.05
1:2.19
(0.10)
1.39
1:1.64
(0.06)
1.00 (0.03) 1:1.31
1196 (63) 730 (18) 0.61
927 (26) 434 (16) 0.47
0.77
0.59
849 (33) 0.111
1220 (59) 726 (20) 0.60
982 (28) 441 (12) 0.45
0.81
0.60
862 (23) 0.046
1227 (28) 771 (10) 0.63
1021
(26)
0.83
0.57
829 (15) 0.166
1.03
(0.10)
0.93
(0.07)
0.82
(0.06)
1.90
(0.13)
1.35
(0.06)
0.95
(0.04)
1031
(158)
1088
(156)
1142
(125)
841 (63) 376 (54) 0.45
(0.04)
911 (47) 392 (38) 0.43
(0.03)
972 (30) 419 (30) 0.43
(0.03)
0.82
(0.08)
0.85
(0.10)
0.86
(0.09)
0.64
(0.04)
0,64
(0.03)
0.63
(0.04)
721 (87) 0.056
(0.032)
757 (65) 0.048
(0.014)
790 (41) 0.064
(0.057)
1:1.84
(0.29)
1:1.44
(0.16)
1:1.15
(0.11)
589
0.57
(105)
(0.07)
611 (86) 0.56
(0.05)
665 (76) 0.58
(0.04)
fp.max
[N]
439 (8) 0.43
RTp
[m]
697
NOTE: The stroke length (l), normalized stroke length (ln), duration of drive phase (td), duration of recovery phase (tr), ratio of the stroke phases (r), peak foot reaction force (fr,max), average
foot reaction force during the drive (fr,avg), ratio average to maximal foot reaction force (fr,r), peak handle pull force (fp,max), average handle pull force during the drive (fp,avg), ratio average to
maximal handle pull force (fp,r), force ratio of peak forces (fr,m), force ratio of average forces during the drive (fr,a), work (A) and repeatability for the handle motion trajectory (RTp).
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
Rate
[st/
min]
698
Table 3
Means and standard deviations of movement kinematics and kinetics of non-rowers.
Rate
[st/
min]
l
[m]
lr
td
[s]
tr
[s]
r
fr.max
[N]
fr.avg
[N]
fr,r
fp.max
[N]
fp.avg
[N]
fp,r
fr,m
fr,a
A
[J]
RTp
[m]
N1
20
0.859
(0.025)
0.932
(0.027)
0.914
(0.026)
0.462
1.48
(0.03)
1.17
(0.03)
0.87
(0.02)
1.48
(0.02)
1.18
(0.05)
0.96
(0.03)
1:1.00
354
(21)
592
(28)
832
(38)
191
(11)
248
(23)
394
(34)
0.54
71 (16)
26 (5)
0.37
0.20
0.14
48 (6)
0.063
0.42
163
(47)
332
(69)
50
(19)
93
(24)
0.31
0.27
0.20
94 (23)
0.093
0.28
0.40
0.24
165
(27)
0.074
1.129
(0.016)
1.240
(0.050)
1.352
(0.023)
0.661
1.12
(0.03)
1.11
(0.02)
0.89
(0.03)
1.42
(0.15)
1.29
(0.05)
0.94
(0.02)
1:1.27
600
(100)
752
(99)
924
(64)
371
(30)
439
(31)
548
(21)
0.62
465
(80)
528
(79)
703
(59)
141
(21)
166
(27)
243
(20)
0.30
0.78
0.38
0.075
0.31
0.70
0.38
0.35
0.76
0.44
213
(30)
278
(53)
432
(32)
1.55
(0.05)
1.23
(0.03)
0.92
(0.02)
1.20
(0.07)
0.99
(0.05)
0.88
(0.03)
511
(34)
531
(42)
813
(23)
210
(14)
254
(16)
415
(22)
0.41
91 (25)
0.36
0.18
0.16
93 (11)
0.090
0.48
140
(30)
353
(46)
33
(10)
51
(12)
137
(16)
0.36
0.26
0.20
0.062
0.39
0.43
0.33
133
(15)
293
(30)
1.52
(0.07)
1.11
(0.04)
0.87
(0.01)
1.44
(0.32)
1.14
(0.17)
0.95
(0.02)
363
(26)
723
(62)
970
(80)
200
(7)
326
(30)
568
(39)
0.55
69 (17)
27 (8)
0.39
0.19
0.14
49 (8)
0.034
0.45
221
(33)
627
(47)
77
(15)
233
(19)
0.35
0.31
0.24
0.046
0.37
0.65
0.41
166
(26)
468
(30)
1.39
(0.05)
1.15
(0.05)
0.91
(0.02)
1.50
(0.06)
1.16
(0.04)
0.94
(0.06)
1:1.08
485
(14)
585
(12)
735
(31)
267
(20)
298
(20)
364
(40)
0.55
101
(26)
178
(34)
280
(54)
39
(10)
66
(11)
101
(27)
0.39
0.21
0.15
61 (12)
0.086
0.37
0.31
0.22
0.108
0.36
0.38
0.28
124
(17)
186
(35)
1.41
(0.17)
1.15
(0.05)
0.89
(0.02)
1.41
(0.12)
1.15
(0.11)
0.93
(0.03)
1:1.00
(0.18)
1:1.00
(0.13)
1:1.05
(0.06)
463
(104)
637
(96)
855
(93)
248
(75)
313
(77)
458
(94)
0.53
(0.08)
0.49
(0.06)
0.53
(0.05)
159
(171)
246
(160)
459
(192)
53
(49)
82
(48)
161
(72)
0.36
(0.04)
0.34
(0.03)
0.35
(0.04)
0.31
(0.26)
0.37
(0.19)
0.52
(0.17)
0.19
(0.11)
0.25
(0.07)
0.34
(0.09)
26
34
N2
20
26
34
N3
20
26
34
N4
20
26
34
N5
20
26
34
Group
average
20
26
34
0.501
0.492
0.725
0.791
1.171
(0.037)
1.151
(0.022)
1.241
(0.029)
0.640
0.827
(0.048)
1.099
(0.033)
1.278
(0.029)
0.445
0.629
0.678
0.591
0.687
0.893
(0.033)
1.018
(0.056)
1.019
(0.024)
0.475
0.976
(0.161)
1.088
(0.119)
1.161
(0.186)
0.537
(0.105)
0.598
(0.086)
0.638
(0.120)
0.542
0.542
1:1.01
1:1.10
1:1.16
1:1.06
1:0.77
1:0.81
1:0.95
1:0.94
1:1.02
1:1.09
1:1.01
1:1.02
0.47
0.58
0.59
0.51
0.59
0.51
0.50
93 (70)
159
(71)
309
(138)
0.062
0.070
0.049
0.071
0.084
0.070
(0.023)
0.074
(0.025)
0.070
(0.013)
NOTE: The stroke length (l), normalized stroke length (ln), duration of drive phase (td), duration of recovery phase (tr), ratio of the stroke phases (r), peak foot reaction force (fr,max), average
foot reaction force during the drive (fr,avg), ratio average to maximal foot reaction force (fr,r), peak handle pull force (fp,max), average handle pull force during the drive (fp,avg), ratio average to
maximal handle pull force (fp,r), force ratio of peak forces (fr,m), force ratio of average forces during the drive (fr,a), work (A) and repeatability for the handle motion trajectory (RTp).
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
Subject
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
699
Table 4
Partial eta-squared obtained using analysis of variance for different parameters.
Ln
r
A
RTp
us
uf
Mz_k
Mh_k
Mz_ls
Mh_ls
Elite
Junior
Non-rower
0.33
0.70⁄
0.60⁄
0.99⁄
0.94⁄
0.08
0.65⁄
0.44
0.79⁄
0.53
0.11
0.03
0.58
0.07
0.14
0.69⁄
0.03
0.10
0.36
0.14
0.84⁄
0.77⁄
0.23
0.03
0.57
0.53
0.75⁄
0.04
0.78⁄
0.72⁄
Type E-N
Type E-J
Type E-J-N
0.78⁄
0.34
0.84⁄
0.92⁄
0.31
0.83⁄
0.97⁄
0.68⁄
0.96⁄
0.57⁄
0.07
0.29
0.70⁄
0.05
0.53⁄
0.37
0.20
0.48⁄
0.70⁄
0.07⁄
0.70⁄
0.01
0.00
0.01
0.93⁄
0.78⁄
0.91⁄
0.47⁄
0.16
0.35
fr,max
fr,avg
fr,r
fp,max
fp,avg
fp,r
fr,m
fr,a
Elite
Junior
Non-rower
0.62⁄
0.45
0.87⁄
0.69⁄
0.69⁄
0.85⁄
0.52
0.24
0.27
0.58
0.86⁄
0.83⁄
0.60
0.60
0.80⁄
0.56
0.33
0.16
0.43
0.15
0.66⁄
0.20
0.11
0.79⁄
Type E-N
Type E-J
Type E-J-N
0.95⁄
0.42⁄
0.89⁄
0.93⁄
0.32
0.87⁄
0.23
0.04
0.24
0.93⁄
0.80⁄
0.93⁄
0.95⁄
0.55⁄
0.95⁄
0.80⁄
0.01
0.72⁄
0.76⁄
0.03
0.78⁄
0.93⁄
0.17
0.93⁄
NOTE: The first row represents the effect of stroke rate on various variables for elite rowers, the second row represents the effect
of stroke rate on various variables for junior rowers, and the third row represents the effect of stroke rate on various variables
for non-rowers. The fourth, fifth, and sixth rows describe the impact of rower type on listed variables. Asterisk represents
significant effect with p < .05.
Results for one-way repeated-measures ANOVA with three levels of stroke rate and two-way
mixed-design ANOVA with one within-subject factor (stroke rate) and one between-subjects factor
(rower type) are presented in Table 4. A two-way mixed-design ANOVA was performed separately
for rower types elites and non-rowers (Rower type E-N), elites and junior rowers (Rower type E-J),
and elites, junior rowers, and non-rowers (Rower type E-J-N). The first three rows describe the influence of the stroke rate on the listed variables. An asterisk means that there is at least a 95% confidence
that the differences in variables are not random, but are a consequence of the changes in stroke rate.
The numbers represent the size of the effect of the stroke rate, where g2 > .7 presents major stroke rate
effect. The fourth, fifth, and sixth rows describe the impact of rower type on listed variables. An asterisk means that there is at least a 95% confidence that differences in variables are not random, but are a
consequence of rower type. This means that the variable can be used for identification between rower
types and characterizes the distinction in ergometer rowing technique. A higher number describes
greater distinction.
3.1. Stroke length
As can be seen from the Table 1, the pattern of stroke length in elite rowers is extremely consistent
through different stroke rates, with an average standard deviation (SD) of less than 1 cm. Only in subject E5 the stroke length shortens with increasing stroke rate. Normalized stroke length is used for
intercomparison of subjects. The average normalized stroke length of elite rowers at all stroke rates
is 0.83 (SD = .03). Value VMR = .04 is considered insignificant. The stroke length of junior rowers varies
with stroke rate (see Table 2). All subjects lengthen stroke length at stroke rate 26 str/min and shorten
it at stroke rate 34 str/min. All subjects, except J4, row with the shortest stroke length at stroke rate
34 str/min. The average normalized stroke length of junior rowers is 0.87 (SD = .03) and longer then
elites’. Value VMR = .03 is considered insignificant. The stroke length of non-rowers varies even more
considerably (see Table 3). The normalized stroke length is smaller than that of elite and junior rowers
and increases with increasing stroke rate (0.54 (SD = .10) at 20 str/min, 0.60 (SD = .09) at 26 str/min,
0.64 (SD = .12) at 34 str/min). Video analysis has shown that the shorter stroke length is a consequence
of smaller trunk inclination and knee flexion at the beginning of the drive, and shortening the stroke at
the finish of the drive phase, as non-rowers do not pull the handle to the abdomen due to their lack of
technique knowledge. The average SD of strokes at the same rate is less than 3 cm, meaning that nonrowers row with a fairly constant stroke length at a certain stroke rate. On this basis we can conclude
700
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
that the stroke length of elite rowers is consistent and not dependent on the stroke rate (p = .21) while
the stroke length of junior rowers and non-rowers is consistent only within the same stroke rate. Junior rowers first lengthen and then shorten stroke length with increasing stroke rate (p = .03), and
non-rowers lengthens it with increasing stroke rate (p = .04).
3.2. Duration of stroke phases
The results from Tables 1 and 2 show that the elite and junior rowers perform a fast drive and a
slow recovery during a single stroke, so the ratio between the drive and recovery phase durations decreases with increasing stroke rate (p < .01). This means that the recovery duration has more influence
on the stroke rate than drive duration. The ratio of junior rowers is on average 10% lower than in
elites’. This is correlated with applied forces; stronger rowers spend less time in the drive phase.
Non-rowers achieve a lower ratio (around 1:1), which does not change significantly (p = .60) with
increasing stroke rate (see Table 4). This means that they spend equal time for both phases. We can
conclude that the ratio of stroke phases of elite and junior rowers is constant at the same stroke rate
but dependent on the stroke rate.
3.3. Forces
From the Table 1 it is evident that the value of peak foot reaction force fr,max of elite rowers lies between 1123 and 1432 N and the value of average foot reaction force during the drive phase fr,avg between 635 and 825 N. The results show that the average fr,max at stroke rate 34 str/min is 4.7% higher
than that at stroke rate 20 str/min, while average fr,avg is 12.4% higher. It is a small increase, but can be
noticed as a trend (fr,max: p = .02, fr,avg: p = .03). The value of the force ratio fr,r varies between subjects
from 0.49 (E3 at 20 and 26 str/min) to 0.60 (E2 and E4 at 30 str/min); however it increases with stroke
rate at all elite subjects, with the exception of subject E5. The results show that the average VMR of
fr,avg and fr,max within the same stroke rate is 0.02 and can be considered insignificant.
The value of the peak handle pull force fp,max of elite rowers is between 960 and 1107 N and the
value of average handle pull force during the drive phase fp,avg is between 390 and 597 N. It can be seen
from the results that the average fp,max at stroke rate 34 str/min is 11.8% higher than that at stroke rate
20 str/min, while average fp,avg is 16.9% higher. The trend of increasing fp,max and fp,avg with increasing
stroke rate is evident in all elite rowers (fr,max: p = .07, fr,avg: p = .06). The value of the force ratio fp,r varies between subjects from 0.41 (E4 at 20 and 26 str/min) to 0.46 (E3 and E4 at 34 str/min); however it
remains the same at subject E1. Subjects E2, E3 and E5 perform with lower ratio at stroke rate 26 str/
min than at stroke rate 20 str/min; subjects E2, E3 and E4 increase the ratio at stroke rate 34 str/min.
The results show that the average VMR of fp,avg and fp,max within the same stroke rate is 0.03 and can be
considered insignificant.
The force ratio of peak forces fr,m and force ratio of average forces during the drive phase fr,a vary
between elite rowers. The fr,m of subject E1 stays constant at different stroke rates, it changes significantly in subject E3. The fr,a of subjects E1 and E2 decrease with increasing stroke rate, while the fr,a of
other elite subjects increase. This indicates slight differences in technique amongst elite rowers and
could be the subject of further research.
Regarding Table 2, the value of peak foot reaction force fr,max of junior rowers lies between 855 and
1286 N and are on average 14.2% smaller than elites’. It can be seen from the results that the average
fr,max at stroke rate 26 str/min is 5.5% and at stroke rate 34 str/min 10.8% higher than that at stroke rate
20 str/min. Trend of higher fr,max is present in all the junior rowers, except J1, who has achieved the
lowest fr,max at stroke rate 34 str/min. The value of average foot reaction force during the drive phase
fr,avg of juniors lies between 445 and 771 N and are on average 11.8% smaller than elites’. The fr,avg increases with stroke rate at subjects J2, J3, and J4, while varies at J1 and J5. The results show that the
average VMR of fr,max within the same stroke rate is 0.04 and 0.03 of fr,avg, what can be considered
insignificant. The value of the force ratio fr,r varies between subjects from 0.49 (J3 at 20 str/min) to
0.66 (J2 at 20 str/min); however there is no noticeable distinction from elite rowers in these values.
The value of the peak handle pull force fp,max of junior rowers lies between 760 and 1021 N and are
on average 17.1% smaller than elites’. It can be seen from the results that the average fp,max at stroke
Handle pull force [N]
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
1200
1200
1200
1000
1000
1000
800
800
800
600
600
600
400
400
400
200
200
200
0
0
0.5
1
1.5
2
Longitudinal handle position [m]
701
0
0.5
1
1.5
Longitudinal handle position [m]
20 str/min
26 str/min
2
0.5
1
1.5
2
Longitudinal handle position [m]
34 str/min
Fig. 2. Handle pull force during a single stroke at different stroke rates: elite rower E5 (left), junior rower J1 (central) and nonrower N4 (right).
rate 26 str/min is 8.3% and at stroke rate 34 str/min is 15.86% higher than that at stroke rate 20 str/
min. This trend of increasing fp,max with increasing stroke rate is evident in all the junior rowers
(p < .01). The value of average handle pull force during the drive phase fp,avg of juniors lies between
288 and 446 N and are on average 16.6% smaller than elites’. The fp,avg increases with stroke rate at
all junior subjects, except J5 (p = .07). The results show that the average VMR of fp,max and fp,avg within
the same stroke rate are 0.04 and can be considered insignificant. The value of the force ratio fp,r varies
between subjects from 0.38 (J3 at all stroke rates) to 0.47 (J4 at 34 str/min, J5 at 20 str/min); however
there is no noticeable distinction from elite rowers in these values.
The force ratio of peak forces fr,m and force ratio of average forces during the drive phase fr,a vary
between junior rowers inconsistently. While the fr,m of subjects J1, J3 and J5 increase with stroke rate,
it lowers in subject J4. The fr,a of subjects J1, J2 and J3 stays constant at different stroke rates, but
changes significantly in subject J4.
The forces produced by non-rowers are significantly lower than the forces of the elite and junior
rowers. The most obvious difference occurs at a rate of 20 str/min, where non-rowers (except subject
N2) hardly produce any force on the handle. The fp,max, fr,max, fp,avg, and fr,avg increase considerably with
increasing stroke rate. The fr,max of subject N4 increases by 2.6 times and fp,max tenfold. The fr,avg increase on average for 26% at stroke rate 26 str/min and 85% at stroke rate 34 str/min, while fp,avg almost double at 26 str/min and triple at 34 str/min. At the stroke rate of 34 str/min, non-rowers
develop around 2/3 of the elite rowers’ foot reaction forces, but they are obviously not able to transfer
this force to the handle, where their force is only around 1/3 of the elites’. Exceptions are evident in
subjects N2 and N4, who could develop around 1/2 fp,max of elite rowers. The force ratios of non-rowers
vary and are lower than elites’, with the exception of the fr,r, which do not differentiate from the elite
and junior rowers.
Fig. 2 shows the dependency of handle pull force on longitudinal handle position of a single stroke
at different stroke rates. The results are presented for one typical rower from each group. Typical handle pull force rapidly increases during the drive, reaches its maximum value, and then declines over
time. The forces during the recovery phase are minimal. The handle pull force trajectories in the left
part of Fig. 2 show how subject E5 increases the force peak, while the force profiles remain similar.
There is less time for each stroke at a higher stroke rate, so the force profile is completed faster. This
finding is not consistent with the findings of McGregor et al. (2004), who observed a trend of reduction
of the peak pulling force and changes in shape of the force curves during increasing stroke rate. The
force trajectories presented in central part of Fig. 2 show how subject J1 increases the force peak
and changes the force profile with increasing stroke rate. The force profile from junior rower J1 also
differs from force profile of elite rower E5. The force trajectories presented in right part of Fig. 2 show
how non-rower N4 changes the force profile with increasing stroke rate.
On the basis of force analysis we can conclude that the peaks of the handle pull forces of elite and
junior rowers are constant at the same stroke rate, but increase slightly with increasing stroke rate.
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
y [m]
702
0.8
0.8
0.8
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.5
1
1.5
2
0.4
0.5
1
1.5
x [m]
2
0.5
1
x [m]
20 str/min
1.5
2
x [m]
26 str/min
34 str/min
Fig. 3. Handle motion trajectories during a single stroke at different stroke rates: elite rower E5 (left), junior rower J1 (central)
and non-rower N4 (right).
Angle [degrees]
Anterior
60
40
20
Posterior
0
-20
-40
0
E1
E2
E3
E4
E5
J1
J2
J3
J4
J5
N1
N2
N3
N4
N5
Rower
beginning of the drive:
end of the drive:
20 str/min
26 str/min
34 str/min
20 str/min
26 str/min
34 str/min
Fig. 4. Trunk inclination at the instant of start and finish of drive phase.
The force ratio depends on the technique of the rower. It is also evident that elite rowers do not change
their force profile regarding the handle position, while junior rowers change it. The peak forces of junior rowers are smaller than the peak forces of elite rowers, and the peak forces of non-rowers are significantly smaller than the peak forces of junior rowers and increase significantly (p < .01) with
increasing stroke rate.
3.4. Work
The work performed during a single stroke is smaller for junior rowers than for elite rowers, and
much smaller for non-rowers than for junior rowers. Work increases with increase of the stroke rate
from 20 to 34 str/min in all subjects elite rowers and non-rowers (p < .05). In junior rowers work decreased in subjects J1 and J5 at stroke rate 34 str/min regarding the stroke rate 26 str/min. The increase of work at stroke rate 34 str/min regarding work at stroke rate 20 str/min was assessed as
5% for subject E1, 9% for subject E4, 13% for subject J4, about 16% for subjects E2 and E4 and J2,
25% for subject J3, 37% for subject E3, while there was no increase for subject J1 and 2% decrease
for subject J5. If we consider the relative increase of work, it can be seen from Tables 1 and 3 that
it is much higher in non-rowers. For example, subject N2 did twice as much work at the stroke rate
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
703
of 34 str/min than at the stroke rate of 20 str/min, subjects N1, N3 and N5 did about three times more
work, and subject N4 did more than nine times more work. Changing the stroke rate shows a difference in work with increased stroke rate, work stays consistent in all rowers at the same stroke rate.
The VMR of elite rowers is around VMR = .03, and of junior rowers around VMR = .05, and can be considered insignificant. The VMR is higher in non-rowers, on average VMR = .14. We conclude that work
stays constant within the same stroke rate, and increases at elite and non-rowers with increased
stroke rate, while at junior rowers has different patterns.
3.5. Handle motion
Fig. 3 shows the handle motion trajectories presented in the sagittal plane (x represents the horizontal direction, y represents the vertical) for the same stroke examples presented in Fig. 2. The handle
of elite rower follows the upper part of motion trajectory towards the backward position (increasing
x). During the recovery phase, the handle of elite rowers then decrease x by following the lower part of
the trajectory in Fig. 3 until the start of the next stroke. As can be observed from Fig. 3 and statistical
results from Table 4, there are no variations observed in the handle motion of the elites (p = .73), junior
rowers (p = .53) at various stroke rates and between these two groups (p = .44). The transition of the
handle motion to the recovery phase starts with an abrupt push downward, simulating the lifting of
the oars from the water, followed by a horizontal return to the initial position as preparation for the
new stroke. The handle motion trajectories of the non-rowers are more variable at different strokes;
there is no circular motion which is typical of elite rowers. Fig. 3 also evidently shows the shorter
stroke length of non-rowers. The calculated parameter RTp in (Tables 1–3) presents quantitative
assessment of handle motion repeatability. It can be seen from the results that handle motion repeatability of elite and junior rowers is similar, while in non-rowers the handle trajectories are dispersed
twice as much. We can conclude that there are no variations in the handle motion of the elite and junior rowers at various stroke rates, while the handle motion trajectories of non-rowers demonstrate
their lack of technique.
3.6. Trunk inclination
Trunk inclination is the most important parameter of body posture during the stroke (Lamb, 1989;
Nolte, 2005). We examined the angle of trunk inclination at the beginning and end of the drive phase.
Fig. 4 shows the angle of trunk inclination for all analyzed strokes at the instant of the beginning and
Fig. 5. The instant of peak torque at knee joint (left) and the instant of peak torque at LS joint (right) regarding handle position.
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
704
end of the drive phase for elite, junior, and non-rowers. The averaged measured values are represented
by symbols together with standard deviation bar. As can be seen, the average trunk inclination angle
of elite rowers is 34.29° (SD = 3.90°) at the start of the drive and 38.93° (SD = 4.27°) at the end. Junior
rowers have similar trunk inclination as elite rowers, with the exception of subject J2, who leans less
forward at the beginning of drive phase, and subject J4, who leans less backward at the end of the
drive phase. The average trunk inclination angle of junior rowers is 31.60° (SD = 8.31°) at the start
of the drive and 43.96° (SD = 6.62°) at the end. Non-rowers lean significantly less than elite rowers.
Comparable to elites, only subject N2 leans backwards more at the end of the drive. The average trunk
inclination angle of non-rowers is 19.37° (SD = 8.15°) at the start of drive and 18.90° (SD = 18.73°) at
the end of the drive. There is no evident difference regarding stroke rates (p > .05), except in the angle
at the end of the drive phase of elite rowers (p = .02); however, we cannot observe any pattern in
stroke dependency. We can conclude that the trunk inclination angle at the beginning and end of
the drive phase of elite, junior and non-rowers stays constant with changing stroke rate. Elite and junior rowers have similar range of trunk motion, while non-rowers demonstrate smaller motion range.
3.7. Body joint loadings
From Newton-Euler inverse dynamics analysis results we investigated the loadings in knee and
lumbosacral (LS) joints in detail. The knee joint transmits the foot reaction force along the lower
extremities of the body while the LS joint is where lower back pain and injuries occur most frequently.
Fig. 5 shows the maximal values of torque in the knee joint (left) and LS joint (right) against its occurrence depending on handle position and stroke rate for all participating subjects.
Since the elite and junior rowers produce a larger force, their joint loadings are higher than those of
non-rowers, as shown in Fig. 5. It is evident that all elite and junior rowers have a similar pattern of
the instant of peak value occurrence, concentrated around 89% (SD = 7% for elite rowers, SD = 8% for
junior rowers) of handle position during a single stroke. Occurrences of peak values of non-rowers are
scattered. The average value of peak torque at the knee joint of elite rowers is 74 Nm (SD = 8 Nm) at
20 str/min, 74 Nm (SD = 10 Nm) at 26 str/min and 82 Nm (SD = 8 Nm) at 34 str/min. The average value
of peak torque at the knee joint of junior rowers is 79 Nm (SD = 8 Nm) at 20 str/min, 83 Nm
(SD = 11 Nm) at 26 str/min and 81 Nm (SD = 17 Nm) at 34 str/min. The average value of peak torque
at the knee joint of non-rowers increases from 25 Nm (SD = 6 Nm) at 20 str/min, over 51 Nm
(SD = 24 Nm) at 26 str/min, to 72 Nm (SD = 22 Nm) at 34 str/min.
Since the elite and junior rowers produce a larger force, their LS joint loadings are larger than those
of non-rowers. Fig. 5 shows that all the elite rowers have a similar pattern regarding the instant of
peak torque value occurrence, concentrated around 55% (SD = 5%) of handle position during a single
stroke and junior rowers around 48% (SD = 7%). The instants of peak value of non-rowers are more
scattered, but occur all in the drive phase. The average value of peak torque at LS joint of elite rowers
Table 5
The variations of the principal components between subjects in the same group of expertise.
Group
Signal
PC1
PC2
PC3
PC4
PC5
E
fr
fp
1.11
1.21
0.94
0.98
1.02
1.06
1.05
1.10
1.14
1.06
1.04
1.39
1.01
0.99
1.12
2.39
3.20
2.29
1.43
2.42
1.64
1.43
2.41
1.74
1.50
2.38
1.61
1.94
2.35
1.65
1.74
4.37
2.12
1.61
2.80
4.99
1.56
2.74
5.01
2.29
2.85
5.88
2.05
2.96
5.43
u
J
fr
fp
u
N
fr
fp
u
NOTE: Results are presented as standard deviation of groups of expertise level (E – elite rowers, J – junior rowers, N – nonrowers) including all stroke rates for the drive phase signals of handle pull force (fp), foot reaction force (fr), and trunk
inclination (u).
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
Handle pull force
Foot reaction force
5
Trunk
pattern of elite
pattern of elite
0
0
0
-5
-5
-5
-10
-10
-10
-5
0
5
inclination
5
5
pattern of elite
-10
705
-10
Elite
-5
Junior
0
5
-10
-5
0
5
Non-rowers
Fig. 6. Principal component analysis of the drive phase for signals of handle pull force (left), foot reaction force (central), and
trunk inclination (right). The x-axis corresponds to the first principal component; the y-axis corresponds to the second principal
component.
is 692 Nm (SD = 65 Nm) at 20 str/min, 742 Nm (SD = 55 Nm) at 26 str/min and 783 Nm (SD = 59 Nm)
at 34 str/min, of junior rowers is 537 Nm (SD = 62 Nm) at 20 str/min, 567 Nm (SD = 77 Nm) at
26 str/min and 604 Nm (SD = 61 Nm) at 34 str/min, while in non-rowers it increases from 167 Nm
(SD = 107 Nm) at 20 str/min, over 198 Nm (SD = 60 Nm) at 26 str/min, to 334 Nm (SD = 120 Nm) at
34 str/min. The results show that torque at the knee reaches its peak before torque at the LS joint,
and that LS joint loadings are higher. We can conclude that the value of knee and LS joint loading
of elite and junior rowers increases with increasing stroke rate, while the instant of peak value occurrence does not vary and has typical pattern. Loading of junior rowers are smaller than elites’, and in
non-rowers no typical joint loading pattern can be identified.
3.8. Principal component analysis
We compared parameter curves with a mathematical transformation in order to find the largest
possible difference between them. By transformation the physical meaning is lost, only the measure
of variability is shown. The first principal component is the largest possible variance between strokes,
calculated using the covariance of curves, and accounts for as much of the variability in the data as
possible. The first five eigen values of principal component holds more than 95% of information (handle pull force 97.11%, where each of the first five eigenvalue has a share of [59.16, 18.53, 12.04, 5.45,
1.93], feet reaction force 95.31% [41.87, 33.21, 13.75, 4.15, 2.34] and trunk inclination 99.39% [74.61,
20.56, 2.21, 1.45, 0.53]). The variations of the principal components between subjects in the same
group of expertise are presented in Table 5 for handle pull force, foot reaction force and trunk
inclination.
In the comparison of elite rowers, junior rowers and non-rowers we use the first two principal
components as they account for 75–95% of the variability. For a targeted analysis of the individual
groups of rowers, the subsequent principal components may reveal additional information on subtle
differentiation in rowing techniques among individuals even though they account for a smaller percentage of variance in the data. The results of first two components of the PCA are presented in a graph
in Fig. 6. The x-axis corresponds to the first principal component; the y-axis corresponds to the second
principal component. From the presented results can be seen that there is no variation between elite
rowers in curve shape of all three analyzed parameters. This indicates that even small group of only
five elite rowers can be used for determining the values of reference parameter, and also their curves
shape during the drive phase. The results of junior rowers at handle force are 2.6 times more scattered
around elites’ meaning, that there are variations in curves’ shape and that curves’ shapes differ from
elites’. The 1.7 times scattering of junior rowers’ results can be noticed also for foot force. Trunk inclination components of 4 junior rowers concur with pattern of the elite rowers, only one junior distinctly deviates. The principal components of handle force of non-rowers are 3.2 times more
scattered as elites, while the components of foot force coincide with juniors’. The trunk inclination
706
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
of non-rowers shows clusters of components, where clusters correspond to subjects. This means that
non-rowers row with consistent pattern, but this pattern deviates from the pattern of elite rowers.
4. Conclusions
In the paper, biomechanical parameters were analyzed for ergometer rowing. Three groups of differently skilled rowers were compared regarding their technique and stroke rate dependency.
The results show noticeable distinctions between the elite, junior, and non-rowers. It was demonstrated that the elite rowers use a similar and consistent rowing technique at all stroke rates, technique of junior rowers use in general the similar principles, but has some deviations, while the
technique of non-rowers varies. The handle motion and trunk inclination angle at the beginning of
the drive phase of elite and junior rowers are constant, and are not dependent on the stroke rate.
The stroke length of elite rowers is constant and not dependent on the stroke rate, while junior rowers
change stroke length with stroke rate. The ratio of stroke phases, maximum forces, stroke work and
joint loadings of elite and junior rowers are constant at the same stroke rate but dependent on the
stroke rate.
Our analysis revealed that the technique of elite rowers is very consistent regardless of stroke rate.
With the assumption that elite rowers row properly, the differences in the parameters can be used as
descriptors of irregularities in ergometer rowing technique that lead to poor performance. Junior rowers differentiate from elite rowers in parameters that are linked with their strength and consecutively
with intensity of rowing: peak and average foot reaction force, peak and average handle pull force,
work, knee, and LS-joint torque, where values of junior rowers are lower than elites’. The juniors’ handle pull force profile, which is the rowing driving force, evidently distinguish from the elites’.
The technique of non-rowers’ vary significantly. The length of a stroke, the handle pull force and
the foot reaction force are smaller, while the differences are evident in the handle motion trajectory
and body posture during the stroke. Although the stroke length of non-rowers lengthens with increasing stroke rate, it is constant at the same stroke rate. Non-rowers do not change the ratio of stroke
phases. Peak and average forces and work increase more with increasing stroke rate. Although nonrowers show lack of technique, and change it at different stroke rates, they have good consistency
at the same stroke rate.
In this study, only male subjects of limited age range participated. The results acquired on this specific group and the conclusions drawn may not generalize well to both genders and all ages.
The main disadvantage of our study is considering the trunk as a single lever. Simplification imposed by a single segment trunk model causes an error in trunk inclination and LS joint loading assessment. We estimated error in LS joint loading using data from junior rowers, where position of LS joint
was measured with an additional marker and trunk represented as a body with two segments. Error is
estimated to be less than 3% of maximal torque value around the transversal direction. More importantly, the simplification imposed by a single segment trunk model loses information of flexion
through the spine. This information is crucial for proper postural guidance and proper postural control
throughout training. A new sensory system which ensures replication and is practical for utilization is
in development and will be used in a training platform in the future. A wearable system of inertial
measurement units that are placed at several places on the trunk will also capture information about
trunk inclination and flexion throughout the spine. In this study, a single segment trunk assumption
was employed only to search for patterns, and existence of differences in trunk inclination and LS joint
loadings between differently skilled rowers. Another disadvantage of our study is usage of NewtonEuler inverse dynamics for calculating body joint loadings, which does not take into consideration
forces on the seat. A method that would take into consideration simultaneously all contact forces
would estimate the forces at the joints, especially at the LS joint, more accurately.
On the basis of the identified parameters that are stroke rate dependent (duration of stroke phases,
peak and average foot reaction force, peak and average handle pull force, work, peak knee and LS joint
loadings), parameters that are consistent regardless stroke rate (stroke length, handle motion, trunk
inclination angle, handle pull force profile, the instant of occurrence of peak knee and LS joint loadings), and classify rowers’ skill, we thus propose an ergometer rowing system which would track
T. Cˇerne et al. / Human Movement Science 32 (2013) 691–707
707
the identified classifying biomechanical parameters. After accomplished stroke cycle the system
would calculate the stroke parameters, compare them with pre-recorded reference values of elite rowers, and advice the user for improvements. Further research will focus on investigating which types
and means of feedback achieve improved technique and decreased injury on an ergometer. Presentation of virtual mirror, graphs, parameters’ values, text and sound instructions, and sound effects will
be considered keeping in mind the effectiveness of information transfer (Tzetzis, Mantis, Zachopoulou,
& Kioumourtzoglou, 1999).
Acknowledgments
The authors would like to thank Andrej Barbiš, the test subjects, Rowing Club Bled, and Rowing
Club Ljubljanica, Slovenia for their cooperation in experimental data acquisition.
The authors acknowledge the Republic of Slovenia Ministry of Higher Education, Science and Technology Grant ‘‘Motion Analysis and Synthesis in Man and Machine’’ (P2-0228C).
The research work of the first author is partly financed by the European Union, European Social
Fund, the framework of the Operational Programme for Human Resources Development for the Period
2007–2013.
References
Baca, A., & Kornfeind, P. (2008). A feedback system for coordination training in double rowing. The Engineering of Sport, 7,
659–668.
Cˇerne, T., Kamnik, R., & Munih, M. (2011). The measurement setup for real-time biomechanical analysis of rowing on an
ergometer. Measurement, 44, 1819–1827.
Cohen, J. (1973). Eta-squared and partial eta-squared in fixed factor ANOVA designs. Educational and Psychological Measurement,
33, 107–112.
Consiglieri, L., & Pires, E. B. (2009). An analytical model for the ergometer rowing: Inverse multibody dynamics analysis.
Computer Methods in Biomechanical and Biomedical Engineering, 12, 469–479.
Fothergill, S. (2010). Examining the effect of real-time visual feedback on the quality of rowing technique. Procedia Engineering,
2, 3083–3088.
Hahn, D., Schwirtz, A., & Huber, A. (2005). Anthropometric standardisation of multiarticular leg extension movements: A
theoretical study. Isokinetics and Exercise Science, 13(2), 95–101.
Hase, K., Andrews, B. J., Zavatsky, A. B., & Halliday, S. E. (2002). Biomechanics of Rowing. JJSME Internationl Journal Series C, 45,
1082–1092.
Hase, K., Kaya, M., Zavatsky, A. B., & Halliday, S. E. (2004). Musculoskeletal loads in ergometer rowing. Journal of Applied
Biomechanics, 20, 317–323.
Hawkins, D. (2000). A new instrumentation system for training rowers. Journal of Biomechanics, 33, 241–245.
Henry, J. C., Clark, R. R., McCabe, R. P., & Vanderby, R. (1995). An evaluation of instrumented tank rowing for objective
assessment of rowing performance. Journal of Sports Sciences, 13, 199–206.
Kazunori, H., Motoshi, K., Zavatsky, A. B., & Halliday, S. E. (2004). Musculoskeletal loads in ergometer rowing. Journal of Applied
Biomechanics, 20, 317–323.
Kleshnev, V. (2003). Q&A. Rowing Biomechanics Newsletter, 3, 1.
Lamb, D. H. (1989). A kinematic comparison of ergometer and on-water rowing. American Journal of Sports Medicine, 17,
367–373.
MacFarlane, D., Edmond, I., & Walmsley, A. (1997). Instrumentation of an ergometer to monitor the reliability of rowing
performance. Journal of Sports Sciences, 15, 167–173.
McGregor, A. H., Bull, A. M., & Byng-Maddick, R. (2004). A comparison of rowing technique at different stroke rates: A
description of sequencing, force production and kinematics. International Journal of Sports Medicine, 25, 465–470.
Nolte, V. (2005). Rowing faster. Champaign, USA: Human Kinetics Publishers.
Novak, D., Ziherl, J., Olenšek, A., Milavec, M., Podobnik, J., Mihelj, M., et al (2010). Psychophysiological responses to robotic
rehabilitation tasks in stroke. IEEE Transactions in Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 18, 351–361.
Page, P., & Hawkins, D. (2003). A real-time biomechanical feedback system for training rowers. Sports Engineering, 6, 67–79.
Pudlo, P., Pinti, A., & Lepoutre, F. (2005). Experimental laboratory apparatus to analyze kinematics and 3D kinetics in rowing.
Sports Engineering, 8, 39–46.
Redgrave, S. (1995). Complete book of rowing. Saint Cloud, GB: Partridge Press.
Rosow, E. (1991). A comparative study of rowing biomechanics. Proceedings of the 17th Annual Northeast Bioengineering
Conference (pp. 271–272). USA.
Rumball, J. S., Lebrun, C. M., Di Ciacca, S. R., & Orlando, K. (2005). Rowing injuries. Sports Medicine, 35, 537–555.
Sciavicco, L., & Siciliano, B. (2001). Modelling and control of robot manipulators. Springer.
Tzetzis, G., Mantis, K., Zachopoulou, E., & Kioumourtzoglou, E. (1999). The effect of modeling and verbal feedback on skill
learning. Journal of Human Movement Studies, 36, 137–151.