CC BY
20
universiteta imeni P.F. Lesgafta, Vol. 168, No. 2, pp. 314-318.
Контактная информация: miron1964@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 21.03.2019
УДК 796.011
АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ МЕТОДОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖЕНИЙ СПОРТСМЕНА
Артем Олегович Кузнецов, ООО «Виолейпа», Санкт-Петербург; Виктор Витальевич
Варлашин, аспирант, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; Александр Александрович Иванов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Олег Александрович Шмаков, старший научный сотрудник, Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики, Санкт-Петербург; Александр Михайлович
Симаков, кандидат педагогических наук, доцент, Антон Валерьевич Павленко, кандидат педагогических наук, доцент, Павел Олегович Кузнецов, аспирант, Владимир Анатольевич Чистяков, доктор педагогических наук, профессор, Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья имени П. Ф.
Лесгафта, Санкт-Петербург (НГУ им. П. Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург)
Аннотация
В статье было проведено сравнение двух систем захвата движений для исследования трехмерных движений спортсмена: оптической системы Vicon и инерциальной IMU trekker, проходящей апробацию. В качестве эталонного движения был рассмотрен прямой удар, проводимый высококвалифицированным единоборцем. Для чистоты эксперимента была проведена серия идентичных ударов. Трекеры и маркеры системы Vicon, были размещены таким образом, чтобы регистрировать движение одной точки (маркеры были наклеены корпус трекеров). В результате эксперимента было выявлено, что траектории от трекеров и системы Vicon идентичны. Эксперимент показал, инерциальные трекеры полезны и точны для измерения ускорения и угловой скорости, а система Vicon для визуализации движения.
Ключевые слова: захват движения, стержневая модель, кинематические и динамические характеристики, оптические и инерциальные системы, трекер, Vicon.
ANALYSIS OF SOME METHODS OF A PILOT STUDY OF KINEMATIC AND DYNAMIC CHARACTERISTICS OF MOVEMENTS OF THE ATHLETE
Artem Olegovich Kuznetsov, LLC Violeypa, St. Petersburg; Victor Vitalyevich Varlashin, the
post-graduate student, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University; Alexander Ale-ksandrovich Ivanov, the candidate of technical sciences, leading researcher, Oleg Aleksandro-vich Shmakov, the senior research associate, Central Research and Developmental Institute of
Robotics and Technical Cybernetics, St. Petersburg; Alexander Mikhaylovich Simakov, the candidate of pedagogical sciences, senior lecturer, Anton Valeryevich Pavlenko, the candidate of pedagogical sciences, senior lecturer, Pavel Olegovich Kuznetsov, the post-graduate student, Vladimir Anatolyevich Chistyakov, the doctor of pedagogical sciences, professor, The Lesgaft National State University of Physical Education, Sport and Health, St. Petersburg
Annotation
In article comparison of two systems of occupation of movements for a research of three-dimensional movements of the athlete was carried out: the optical Vicon system and inertial IMU trekker undergoing approbation. As the reference movement the direct stroke which is carried out by the highly skilled martial artist was considered. For purity of an experiment a series of identical blows was carried out. Trackers and markers of the Vicon system, were placed so that to register the movement of one point (markers were pasted the case of trackers). As a result of an experiment it was revealed that trajectories from trackers
and the Vicon system are identical. The experiment showed, inertial trackers are useful and exact for measurement of acceleration and angular speed, and the Vicon system for visualization of blows.
Keywords: occupation of the movement, rod model, kinematic and dynamic characteristics, optical and inertial systems, tracker, Vicon.
Спорт, особенно спорт высших достижений, предъявляет повышенные требования к качеству двигательных действий атлета: точности, стабильности исполнения и оптимальности. Поиск оптимальной траектории движения осуществляется, в зависимости от цели конкретного двигательного акта, как экспериментально - методом проб и ошибок, так и аналитически при решении задач оптимального управления. Экспериментально определяемые траектории движения или те или иные кинематические и динамические характеристики движения могут служить начальным приближением при численном решении задач оптимизации [1, 2]. Напомним, что в биомеханике при исследовании движений человека общепринята стержневая модель, состоящая из абсолютно жестких стержней, соединенных идеальными шарнирами - уравнения движений этой модели описывается уравнениями Лагранжа 2-го рода [3, 4]. Отметим, что даже частичный отказ от стержневой модели с абсолютно жесткими стержнями, например, представлении стопы в виде упругой балки, приводит к изменению суставных моментов [5]. Задача численного решения уравнений Лагранжа (определение моментов в узлах стержневой модели, наталкивается практически на непреодолимые трудности, за счет лавинообразного роста погрешности вычислений, вследствие неустойчивости модели (цент масс системы находится выше точки опоры).
Если существующие методы определения кинематических характеристик движущейся модели человека хорошо известны и постоянно используются, то с динамическими характеристиками положение гораздо сложнее - доступны для измерения только интегральные характеристики результатов двигательного акта, так, например, измерения силы, времени и направления удара боксера по груше [6]. Разработанная в этом исследовании боксерская груша успешно применяется в тренировочном процессе.
Существуют различные системы захвата движения, все они способны измерить траекторию, по которой перемещался объект и время, за которое объект преодолел траекторию. Существуют два основных вида систем захвата движений:
1. Маркерная система захвата движений, в которой используется специальное оборудование.
2. Безмаркерная технология, не требующая специальных датчиков или специального костюма. Безмаркерная технология основана на технологиях компьютерного зрения и распознавания образов (https://pol-misli.livejournal.com/15995.html, http://wiki-org.ru/wiki/Захват_движения)
На сегодняшний день существуют большое количество маркерных систем захвата движений. Различие между ними заключается в принципе получения информации:
1. Оптические системы
1.1 Оптические пассивные. На костюме, входящем в комплект такой системы, прикреплены датчики-маркеры, которые названы пассивными, потому что отражают только посланный на них свет, но сами не светятся. В таких системах свет (инфракрасный) на маркеры посылается с установленных на камерах высокочастотных стробоскопов и, отразившись от маркеров, попадает обратно в объектив камеры, сообщая тем самым позицию маркера.
1.2 Оптические активные названы так потому, что вместо светоотражающих маркеров, которые крепятся к костюму испытуемого, в них используются светодиоды с интегрированными процессорами и радио-синхронизацией. Каждому светодиоду назначается идентификатор, что позволяет системе не путать маркеры друг с другом, а также узнавать их, после того как они были перекрыты и снова появились в поле зрения камер.
2. Гироскопические / инерциальные системы для сбора информации о движении используют миниатюрные гироскопы и инерциальные сенсоры, располагаемые на теле
человека в определенных точках (https://docplayer.ru/47564702-0pticheskaya-sistema-zahvata-dvizheniya-dlya-analiza-i-vizualizacii-trehmernyh-processov.html, https://stud-
files.net/preview/4242472/page:3/).
Первоначальный импульс созданию систем захвата движения был дан индустрией развлечений, в которой появилась необходимость точного захвата быстрых движений актёра. И по сей день киноиндустрия и индустрия видеоигр являются основными потребителями данных от систем захвата движения [7]. На высокоточные системы захвата движения также существует большой спрос в робототехнике (роботы, манипуляторы, экзоскеле-тоны и т.п.) и в спорте высоких достижений вследствие того, что получаемая с их помощью информация о движениях спортсмена во время соревнований регистрируется с высокой скоростью. Это информация является основой для улучшения спортивной техники и достижения более высоких результатов. Захват движения часто является единственным инструментом в научных исследованиях конкретных задач, когда информация о 3D-движе-ниях объекта не может быть получена с помощью других средств.
Основная проблема - точность измерений, методов захвата движений много, но какой из них более эффективный для получения данных, вопрос, на который мы постарались получить ответ при совместном эксперименте Национального государственного университета физической культуры, спорта здоровья имени Петра Францевича Лесгафта, Центрального научно-исследовательского института робототехники и технической кибернетики и Санкт-Петербургского университета Петра Великого.
Цель эксперимента - сравнить полученные данные об ударах спортсмена на двух системах - инерциальной и оптической.
Задачи: получить данные инерциального трекера о ударах спортсмена и построить траекторию ударов; измерить ускорение удара спортсмена с помощью инерциального трекера и получить траекторию; заснять на систему Vicon траекторию ударов спортсмена; сравнить полученные результаты.
Эксперимент был проведен в стенах НГУ им. П.Ф. Лесгафта. Использовались две системы захвата движений - инерциальная и оптическая. Инерциальная система захвата движений была представлена трекером IMU trekker, разработанным Кузнецовым Артемом (ООО «Виолейпа»). Трекер состоит из нескольких датчиков (таких как акселерометр, гироскоп, магнитометр), способных измерять положение и кинематические характеристики трекера (ускорения и угловые скорости) в трехмерном пространстве. Трекер размещается на спортсмене, передает данные постоянно по средствам беспроводной связи Bluetooth [8]. Данные передаются на компьютер и сразу готовы к обработке. Данные на компьютере обрабатываются при помощи программы для ЭВМ № 2015611575. Оптическая система Vicon (https://www.vicon.com/) была предоставлена ЦНИИ РТК. В эксперименте участвовал
Дмитрий Симаков Мастер спорта по тхэквондо ИТФ, победитель Кубка мира, двукратный чемпион Европы, 4-х кратный победитель Первенства мира, 7-ми кратный победитель Первенства Европы. Дмитрий Симаков наносил несколько ударов кулаком в перчатке по боксерской груше.
Эксперимент состоял из 9 прямых ударов правой рукой. На спортсмене были размещены три инер-циальных трекера, которые полностью синхронизированы между собой. Они располагались на правой руке спортсмена. Помещение было оборудовано системой Vicon и располагалась вокруг спортсмена и груши (12 камер). Маркеры Vicon были установлены на грушу, и на каждом из трекеров (рисунок 1). На рисунке 2 представлены результаты, полученные
Рисунок 1 - Размещение маркеров и трекеров на руке
инерциальным устройством 1Ми йеккег и системой \1соп. На вернем графике показаны ускорения кулака в перчатке спортсмена по трем измерениям х, у, z. На нижнем графике указаны расстояние, пройденное кулаком в перчатке спортсмена по трем плоскостям х, у, z. Инерциальные трекеры измеряли ускорение, а система Уюоп расстояние. Каждый из трекеров получает информацию об ускорении той точки, где он установлен.
£1=4,
■1000 -1Ю0
-2000
- -1- Н-- 1 1 1 Г
- 1 1 1 [
t, 8
Рисунок 2 - Результаты пятого удара. Верхний график - ускорения иМ11геккег, нижний перемещение - Укоп.
1Ми 1гаскег 005 ассекгаНоп
егь в
В
Ми 1глскег005 ¿мОи1«г иЫиО'у
Рисунок 3 - Проекции ускорения кулака на оси, нижний - проекции угловой скорости на осЬ гцЫЬуТп
Рисунок 3. На верхнем графике изображены ускорения кулака во время первого удара. Ускорения изображены в трех плоскостях х, у, г. Максимальное ускорение в момент удара на ось г равняется 1578 м/с2, на ось у - 1443 м/с2, х - 608 м/с2.
На нижнем графике изображены изменения угловой скорости кулака. Угловая скорость в момент удара на ось х - 8,624 рад/с, на ось y равняется 6,03 рад/с, на ось z равняется 7,098 рад/с.
Помимо данных о расстоянии, которое измеряет система Vicon, система может визуализировать удар в трех плоскостях (рисунок 4).
Исходя из рисунков 4 и 5 видно, что система Vicon и инерциальные трекеры строят подобные траектории.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Были получены данные инерциальных трекеров ударов спортсмена, также были построены траектория 9 ударов спортсмена. С помощью трекеров были получены данные об ускорениях удара спортсмена и угловые скорости. С помощью системы Vicon была получены траектории удара спортсмена. После получения траекторий от двух систем было произведено сравнение траекторий - траектории ударов схожи.
Эксперимент показал, инерциальные трекеры полезны и точны для измерения ускорения и угловой скорости, а система Vicon для визуализации ударов. Для того чтобы получить траекторию ударов и визуализацию с помощью инерциальных трекеров необходимо немного времени, в свою очередь Vicon визуализирует сразу. Инерциальные трекеры получают данные об ускорении моментально, а система Vicon должна сначала обработать данные визуализации, измерить расстояние, пройдённое объектом, а после с помощью численного дифференцирования получить ускорения.
Для работы с системой Vicon необходимо специально оборудованное помещение и оператор, обслуживающий эту систему, стоимость этой системы многократно превышает стоимость UMI trekker, кроме того, трекеры чрезвычайно просты в эксплуатации и доступны неспециалисту и на два-три порядка дешевле.
ЛИТЕРАТУРА
1. Синтез оптимальных движений в спорте с помощью ЭВМ / В.А. Чистяков, А.В. Зинков-ский, И.А. Трофимова, В.П. Колесов // Теория и практика физической культуры. - 1980. - № 10. - С. 25-29.
2. Оптимизация движений человека при помощи ЭВМ / А.В. Зинковский, И.А. Трофимова, В.А. Чистяков // АН СССР, Биофизика. - 1981. - Т. 26. - №. 1. - С.18-21.
3. Zinkovskii, A.V. Investigation of the dynamics of human movement using a computer / A.V Zinkovskii, A.D. Sablin, V.A. Chistyakov // Biophysics. - 1979. - Т. 24. - № 2. - С. 323-329.
4. Чистяков, В.А. Моделирование движений человека в космосе / В.А. Чистяков, А.В. Зинковский, И.А. Трофимова // Космическая биология и авиакосмическая медицина. - 1981. - №. 1. - С. 44-47.
5. Zinkovskii, A.V. Elasticity of the foot on modelling human movements / A.V Zinkovskii, V.A. Chistyakov // Biophysics. - 1982. - Т. 27. - № 4. - С. 745-749.
6. Информационно-измерительная система контроля параметров тренировочного процесса боксеров / Г.И. Мокеев, М.П. Иванов, В.Н. Харрасов, В.А. Таймазов, С.Е. Бакулев, М.С. Бакулев, В.А. Чистяков // Ученые записки университета имени П.Ф. Лесгафта. - 2010. - № 4 (62). - С. 63-65.
7. Moeslund, T.B. A survey of advances in vision-based human motion capture and analysis / T.B. Moeslund, A. Hilton, V. Kruger // Computer Vision and Image Understanding. - 2006. - Vol. 104. - pp.90126.
8. Инновационные методы прямого измерения всех кинематических характеристик пространственного движения боксера / В.А. Таймазов, С.Е. Бакулев, А.М. Симаков, А.В. Павленко, П.О. Кузнецов, А.О. Кузнецов, В.А. Чистяков // Ученые записки университета имени П.Ф. Лесгафта. -2018. - № 2 (156). - С. 237-243.
REFERENCES
1. Zinkovsky, A.V., Trofimova, I.A., Kolesov VP., Chistyakov, VA. (1980), "Synthesis of optimum movements in sport by means of the computer", Theory and practice of physical culture, No. 10, pp. 25-29.
2. Zinkovsky, A.V, Trofimova, I.A. and Chistyakov, VA. (1981), "Optimization of movements of the person by means of the computer", Biophysics., Vol. 26, No. 1, pp. 18-21.
3. Zinkovskii, A.V, Sablin, A.D. and Chistyakov, V.A. (1979), "Investigation of the dynamics of human movement using a computer", Biophysics, Vol. 24, No. 2, pp. 323-329.
4. Chistyakov, V.A., Zinkovsky, A.V and Trofimova, I.A. (1981), "Modelling of movements of the person in space", Space biology and aerospace medicine, No. 6, pp. 54.
5. Zinkovskii, A.V and Chistyakov, V.A. (1982), "Elasticity of the foot on modelling human movements", Biophysics, Vol. 27, No. 4, pp. 745-749.
6. Mokeev, G.I., Ivanov, M.P., Harrasov, V.N., Taymazov, V.A., Bakulev, S.E., Bakulev, M.S. and Chistyakov, V.A. (2010), "Information measuring system of monitoring the parameters of boxers training process", Uchenye zapiski universiteta imeni P.F. Lesgafta, Vol. 62, No. 4, pp. 63-65.
7. Moeslund, T.B. A survey of advances in vision-based human motion capture and analysis / T.B. Moeslund, A. Hilton, V Kruger // Computer Vision and Image Understanding. - 2006. - Vol. 104. - pp.90-126.
8. Taymazov, V.A., Bakulev, S.E., Simakov, A.M., Pavlenko, A.V, Kuznetsov, P.O., Kuznetsov, A.O. and Chistyakov, V.A. (2018), "Innovative methods of direct measurement of all kinematic
characteristics of the spatial movement of the boxer", Uchenye zapiski universiteta imeni P.F. Lesgafta, Vol. 156, No. 2, pp. 237-243.
Контактная информация: chistiakov52@mail.ru
Статья поступила в редакцию 14.03.2019
УДК 796.011.3
СОЦИАЛЬНО-ЦЕННОСТНЫЕ АСПЕКТЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ И ЗДОРОВОГО ОБРАЗА ЖИЗНИ КУРСАНТОВ ПЕРВОГО ГОДА ОБУЧЕНИЯ
Владимир Станиславович Кшевин, кандидат педагогических наук, профессор,
Владимир Филиппович Лигута, кандидат педагогических наук, профессор, Сергей Геннадьевич Нетбай, доцент,
Дальневосточный юридический институт МВД России (ДВЮИ МВД России),
г Хабаровск
Аннотация
В результате анкетирования курсантов первого года обучения установлена их высокая мотивация к физкультурно-спортивной деятельности и здоровому образу жизни. Обосновывается важность постоянных мониторинговых исследований социально-ценностных аспектов двигательной активности с целью внесения соответствующих корректив в процесс физической подготовки.
Ключевые слова: курсанты первого года обучения, здоровый образ жизни, двигательная активность, физическая подготовка.
SOCIAL AND VALUABLE ASPECTS OF PHYSICAL ACTIVITY AND HEALTHY LIFESTYLE OF CADETS OF THE FIRST YEAR OF TRAINING
Vladimir Stanislavovich Kshevin, the candidate of pedagogic sciences, professor, Vladimir Philippovich Liguta, the candidate of pedagogic sciences, professor, Sergey Gennadievich Netbay, the senior lecturer,
The Far Eastern Law Institute of Ministry of Internal Affairs of Russia, Khabarovsk
Annotation
As a result of questioning of the cadets of the first year of training, their high motivation to the sports activity and healthy lifestyle has been established. The importance of constant monitoring researches of the social and valuable aspects of physical activity for the purpose of entering of the corresponding amendments into process of physical training is proved.
Keywords: cadets of the first year of training, healthy lifestyle, physical activity, physical training.
ВВЕДЕНИЕ
Сотрудники органов внутренних дел относятся к представителям профессий, для надежной деятельности которых необходим высокий уровень здоровья, физической подготовленности, интеллектуальных, психологических, моральных качеств.
В связи с этим, к уровню физического состояния курсантов в процессе обучения в высших образовательных организациях МВД России предъявляются особые требования.
Приверженность к здоровому образу жизни и постоянному физическому совершенствованию, а также стремление к приобретению профессиональных навыков боевых приемов борьбы должны постоянно прививаться у курсантов, особенно на начальных этапах обучения [2]. Это обусловлено рядом обстоятельств:
- изменениями требований к качеству физической подготовленности сотрудников правоохранительных органов в современных условиях;
- ростом напряженности условий службы сотрудников ОВД, связанных с реорганизацией кадрового состава и сокращением штатов;
- практикой физической подготовки сотрудников МВД России, которая показывает, что её эффективность во многом определяется уровнем потребности в постоянном физическом самосовершенствовании [3].
