CC BY
67
УДК 796.83
ИННОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВСЕХ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОСТРАНСТВЕННОГО ДВИЖЕНИЯ
БОКСЕРА
Владимир Александрович Таймазов, доктор педагогических наук, профессор, Сергей Евгеньевич Бакулев, доктор педагогических наук, профессор, Александр Михайлович Симаков, кандидат педагогических наук, доцент, Антон Валерьевич Павленко,
кандидат педагогических наук, доцент, Павел Олегович Кузнецов, аспирант, Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья имени П. Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург (НГУ им. П. Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург);
Артем Олегович Кузнецов, ООО «Виолейпа», Санкт-Петербург, 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 предложен метод прямого измерения кинематических характеристик произвольных пространственных движений отдельных частей тела человека. В биомеханике для решения задач движения ОДА (опорно-двигательного аппарата) применяется модель, представляющая собой многозвенный стержневой механизм. В биомеханике для определения причин, вызывающих перемещение отдельных частей тела человека, обобщенных сил необходимо знание траекторий движения опорных точек (наиболее часто сочленений звеньев ОДА). Для определения траекторий до последнего времени применялось скоростные видеокамеры, которые фиксировали перемещение маркеров. Все недостатки этого метода получения траекторий хорошо известны. Нами предлагается кардинальной иной, основанный на достижениях современной микроэлектроники метод прямого, непрерывного измерения координат, скоростей и ускорений опорных точек (маркеров), в которых установлены датчики, имеющие в своем составе акселерометр, гироскоп, магнетометр и устройство Bluetooth, для передачи всех снимаемых характеристик на персональный компьютер с установленным специализированным программным обеспечением.
Ключевые слова: боксер, измерение координат, скоростей и ускорений, видеосъемка, микроэлектроника.
INNOVATIVE METHODS OF DIRECT MEASUREMENT OF ALL KINEMATIC CHARACTERISTICS OF THE SPATIAL MOVEMENT OF THE BOXER
Vladimir Aleksandrovich Taymazov, the doctor of pedagogical sciences, professor, Sergey Evgenyevich Bakulev, the doctor of pedagogical sciences, professor, Alexander Mikhailovich Simakov, the candidate of pedagogical sciences, senior lecturer, Anton Valerievich Pavlenko, the candidate of pedagogical sciences, senior lecturer, Pavel Olegovich Kuznetsov, the postgraduate student, The Lesgaft National State University of Physical Education, Sport and Health, St. Petersburg; Artem Olegovich Kuznetsov, LLC Violeypa, St. Petersburg; 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 the method of direct measurement of kinematic characteristics of any spatial movements of separate parts of a body of the person is offered. In biomechanics the model representing the multilink rod mechanism is applied to the solution of problems of the movement MD (musculoskeletal device). In biomechanics definition of the reasons causing movement of separate parts of a body of the person, the generalized forces require knowledge of trajectories of the movement of reference points (most often joints of links the MD). To definition of trajectories it was used until recently high-speed video cameras which fixed movement of markers. All shortcomings of this method of receiving trajectories are well-known. We offer cardinal other, the method of direct, continuous measurement of coordinates, speeds and accelerations of reference points (markers) based on achievements of modern microelectronics in which the sensors
incorporating the accelerometer, a gyroscope, the magnetometer and the Bluetooth device for transfer of all removed characteristics are installed on the personal computer with the established specialized software.
Keywords: boxer, measurement of coordinates, speeds and accelerations, video filming, microelectronics.
Многозвенный стержневой механизм в биомеханике является моделью, как при изучении движений человека (в том числе спортсмена), так и при анализе кинематики и динамики экзоскелетонов (человекоподобных механизмов). Эта модель также применяется и при проектировании протезов.
Вводя механическую модель - многозвенный стержневой механизм предполагают, что стержни являются абсолютно жесткими, а связи идеальными шарнирами. Тогда, как известно из аналитической механики, справедливы уравнения Лагранжа 2-го рода, связывающие обобщенные переменные (координаты шарниров и суставные углы) с обобщенными силами (силами и суставными моментами) (например, [2]).
Сколь угодно сложную стержневую систему, можно описать в обобщенном виде, привлекая матрицу инцидентности (где ребра - стержни. а вершины графа - шарниры).
«Матрица инцидентности — одна из форм представления графа, в которой указываются связи между инцидентными элементами графа (ребро(дуга) и вершина). Столбцы матрицы соответствуют ребрам, строки — вершинам»
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Матрица инцидентности).
При помощи матрицы инцидентности для сколь угодно сложной стержневой системы уравнения Лагранжа можно составить в обобщенном виде) [3, 6, 9, 11].
Зная обобщенные координаты, их скорости и ускорения, подставив их в уравнения Лагранжа можно определить обобщенные силы (прямая задача динамики) и, наоборот, зная обобщенные моменты по ним найти обобщенные координаты (обратная задача динамики).
Несколько особняком стоит задача оптимизации. Зная начальное положение механической системы требуется перевести ее в желаемое конечное положение при известных ограничениях на обобщенные координаты (управляемые параметры) и на обобщенные силы (управляющие параметры). В качестве примера можно сослаться на работы, в которых решалась задача прыжка вверх с места, а на суставные моменты были наложены ограничения в виду уравнений Хилла [3, 6, 9, 11].
Численное решение обратной задачи динамики и задач оптимизации осуществляется методами численного интегрирования дифференциальных уравнений.
Для большинства задач, связанных с исследованиями движений человека центр масс системы, находится выше точки опоры (неустойчивая система) и при численном интегрировании ошибка вычислений начинает накапливаться, что при больших промежутках времени приводит к срыву процесса численного интегрирования. Поэтому обратную задачу динамики обычно решают для кратковременных двигательных актов, например, прыжок [3, 6], удар и т.п. Отметим, что введение в стержневую систему упругого стержня приводит к изменению динамических характеристик, так при оптимизации прыжка вверх, при замене стопы упругим стержнем, произошло значимое изменение суставных моментов, что говорит о том, что многозвенная стержневая модель, считающаяся базовой в биомеханике ОДА имеет определенные ограничения ее применимости [10].
Еще больше проблем доставляет численное решение прямой задачи динамики. Траекторию движения восстанавливают посредством аппроксимации дискретного набора точек, полученных с высокоскоростной видеокамеры. Следует отметить, что получаемый набор точек содержит целый спектр ошибок, связанных с видеосъемкой [5]. При аппроксимации дискретного набора точек некоторой аналитической функцией (например, полиномом) при ее дифференцировании получаются скорости и ускорения, практически лишенные смысла. Положение несколько выровнялось с появлением сглаживающих сплайнов 3-го порядка, обеспечивающих не только непрерывность траектории, но 1-й и 2-й
производной.
Остановимся на применяемых в настоящее время методах обработки видеоизображений движений человека.
Получение изображений траекторий движения человека с помощью маркеров и/или инфракрасных датчиков, расположенных в суставах движущегося человека (например, [4]). В частности, авторы указывают, что «существует достаточно много приборно-алгоритмических подходов, которые реализованы в комплексах: БИОМЕХАНИКА (http://www.mbn.ru/ru/mbn-biomehanika), LOKOMAT (http://www.niito.ru/locomat.php), телевизионная система CLIMA (http://www.stt-systems.com), оптоэлектрический комплекс SELSPOT (Woltring H.J. Optoelectric (Selspot) gait measurement in two- and three-dimensional space / H.J. Woltring, E.B. Marsolais // Bull. Prosth Res. - 1980. - № 17. -P. 46-52.), специализированная фотокамера VICON (http://3dgaitanalysis.com), комплекс различного оборудования, в том числе и фотокамеры ARIEL (http://www.arielnet.com) и др. Несмотря на разнообразие исследуемых параметров походки и качество измерений, эти комплексы имеют недостатки: 1) комплексы относятся более к категории лабораторных и малораспространенных; 2) используемая приборная база является сложной и дорогостоящей; 3) обслуживание комплексов требует содержание значительного количества разного класса, специально обученного технического персонала; 4) комплекс должен располагаться в специально подготовленных для проведения экспериментов помещениях; 5) на теле человека должны располагаться специальные пассивные или активные датчики (проводные или беспроводные), что стесняет движение и делает его пространственно ограниченным. Указанные недостатки не снижают важности получаемых на них результатов, однако показывают на ограничение в их широком использовании».
Более совершенным методом, является «неинвазивный -без использования каких-либо датчиков» метод, основанный на анализе видеоизображения. В московской компании iPi Soft разработали уникальную систему захвата движений iPi Desktop Motion Capture, которая не требует оборудования, стоящего десятки, если не сотни тысяч долларов. Специальные костюмы Motion Capture с датчиками и метками тоже не нужны. Всё это заменяют алгоритмы машинного зрения, распознающие людей на видео, снятом обычными камерами «Как работает iPi Desktop Motion Capture. Всё начинается со съёмки видео, причём, желательно, с разных точек. "Восстановить трёхмерную сцену с помощью нескольких камер несложно, поскольку мы видим пиксели с разных точек, с помощью триангуляции мы можем восстановить трёхмерную картинку. Основная сложность - в той части технологии, которая отвечает за распознавание образов. Программе нужно понять, где человек и где какие части тела". В контур человека вписывается скелетная модель (рисунок 1). Полученные движения легко "перепривязываются" к скелетной системе Biped в редактор трёхмерной графики Autodesk 3ds Max, а также к Second Life и некоторым играм и в дальнейшем
,т*
-ft».*- H^l V.-..V»I.":- . »«с
i^ölWl Л>|:1 л i
: - ; 1.: ] '. 1 л •
Рисунок 1 - Скелетная модель, вписанная в контур человека (http://old.computerra.ru/terralab/multimedia/532492)
регистрируется ее движение» (http://old.computerra.ru/terralab/multimedia/532492). Поэтому основное применение данного программного продукта нашло свое применение в киноиндустрии. Пример использования захвата изображения при съемке фильма «Аватар» (http://www.computerra.ru/interactive/528242/).
Метод маркеров был использован нами при анализе сложно-координационных движений в тхэквондо [7]: Использование программного обеспечения Motion Builder 2013 позволило изучить структуру каждого сложнокоординационного двигательного действия тхэквондо и получить угловые значения основных суставов тела, в каждой фазе удара (рисунки 2-5)
Рис. 4 Рис. 5
Отметим, что на самом деле были определены не истинные углы в суставах, а углы между проекциями звеньев на сагиттальную плоскость, что осложняет исследование.
«Видеофиксация движений имеет очевидные достоинства, но имеет и недостатки:
- видеосъемку нужно вести с нескольких ракурсов;
- зачастую требуется размещение маркеров на теле;
- необходимо дорогостоящее аппаратное обеспечение (видеокамеры);
- нужны хорошие вычислительные мощности и соответствующий программный продукт для преобразования видео в модель движения человека;
- человек не может двигаться свободно на большие расстояния, иначе он неминуемо выйдет за пределы зоны видеосъемки;
- кроме объекта измерения нужен коллектив специалистов, то есть записать движение тела на утренней пробежке рядовому пользователю навряд ли удастся» (https://habrahabr.ru/post/253781/).
Метод, который мы предлагаем использовать при измерении кинематических характеристик пространственного движения человека связан с развитием микроэлектроники. По мере развития микроэлектроники появились различные миниатюрные датчики. Отдельная группа таких датчиков называется МЭМС - микроэлектромеханические
сенсоры. Для измерения движений применяются датчики ускорения - акселерометры и датчики угловой скорости - гироскопы (https://habrahabr.ru/post/253781).
Пространство, в котором расположена модель, называется мировым пространством. Чтобы перемещать элементы модели в мировом пространстве необходимо составлять матрицы перемещения, чтобы поворачивать необходимы матрицы поворота. Вообще говоря, это одни и те же матрицы, только для различных целей в них используются различные ячейки.
Кватернион — это набор из четырех чисел, задающих в пространстве ось, вокруг которой нужно повернуть тело и угол поворота. Кватернион записывается в виде:
q = [W, X, Y, Z], где W - это косинус половинного угла поворота; X, Y, Z - координаты оси поворота. Кватернион предпочтительнее матриц поворота, так как матрица содержит 16 чисел, а кватернион только 4, что очевидно экономит время передачи данных и не так сильно загружает канал связи. Предлагаемый метод предназначен для регистрации движений без привязки к окружающей местности. А все движения человека можно построить за счет одних только вращений (там же).
В настоящее время успешно развивается новый класс приборов - геомагнитные датчики. Способные измерять магнитное поле земли по нескольким осям, эти устройства позволяют расширить навигационные функции портативных устройств. Например, LSM303DLH обеспечивает высокоточное трехмерное измерение магнитных полей внутри зданий, автомобилей, а также на высоких широтах в США, Канаде и Северной Европе (и, разумеется, в России), где магнитное склонение поля Земли трудно измерять с помощью датчиков Холла. В сочетании с программными драйверами для считывания результатов измерений, автокалибровки и компенсации магнитных помех, доступными для многих популярных мобильных операционных систем, датчик LMS303DLH с 6 степенями свободы предоставляет разработчикам мощный инструмент для реализации навигационных функций (https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=134058).
«Геомагнитный датчик (geomagnetic field sensor, магнитометр) - датчик, реагирующий на магнитные поля земли. С его помощью можно определить стороны света, поэтому часто его называют электронный компас. В частности, наличие такого датчика сильно поможет устройствам без модуля GPS определить местоположение (не без помощи Wi-Fi и вышек сотовой связи, разумеется)»1
Авторами данной статьи разработан и изготовлен интегральный датчик, имеющий в своем составе: акселерометр, гироскоп, магнитометр и устройство Bluetooth, позволяющее передавать, снимаемую с датчиков информацию на ноутбук или телефон со специализированным программным обеспечением в реальном масштабе времени.
Датчики прошли апробацию на кафедре бокса НГУ им. П.Ф. Лесгафта. Исследовался прямой удар (рисунок 6) и получаемые
1 (http://www.nix.ru/computer_hardware_news/hardware_news_viewer.html?id=190184).
Рисунок 6 - Прямой удар выполняет МС М.Н. (студент НГУ им. П.Ф. Лесгафта). Датчики закреплены на предплечье и плече
кинематические характеристики движения (рисунок 7).
) 200
200
Рисунок 7 - Информация, полученная с датчиков (слева - пространственная кривая). справа проекции на ось
хг
Время удара (см. графики) сопоставимо со временем прямого удара, полученном в диссертации В. А. Таймазова при обработке скоростной видеосъемки (киноциклограммы) [1, 8].
Мы считаем, что предлагаемый нами метод заслуживает самого пристального внимания, за счет точности, надежности и дешевизны недостижимых при получении и обработке видеоизображений пространственных движений человека.
ЛИТЕРАТУРА
1. Актуальные проблемы теории и методики бокса : учеб. пособие / В.А. Таймазов, С.Е. Бакулев, Г.И. Мокеев, В.А. Чистяков. - 2-е изд. перераб. и доп. - СПб. : Изд-во Политехн. унта, 2017. - 460 с.
2. Гантмахер, Ф.Р. Лекции по аналитической механике / Ф.Р. Гантмахер. - 3-е изд. - М. : Физматлит, 2005. - 264 с.
3. Зинковский, А.В. Исследование динамики движений человека с помощью ЭВМ / А.В. Зинковский, А. Д. Саблин, В.А. Чистяков // Биофизика. - 1979. - № 24. - С. 312.
4. Катаев, М.Ю. Оценка угловых параметров походки человека из скелетной модели, полученной на основе обработки изображений / М.Ю. Катаев, А.П. Коробко, Н.А. Котельникова // Управление, вычислительная техника и информатика. - 2016. - № 1 (19). - С. 46-49.
5. Метрологический анализ метода киноциклографии при изучении кинематики движений пловцов / В.Б. Иссурин, А.Б. Глазков, А.Н. Дементьев, Н.В. Хохловский, А.Б. Проскуряков // Теория и практика физической культуры. - 1977. - № 3. - С. 18-21.
6. Синтез оптимальных движений в спорте с помощью ЭВМ / В.А. Чистяков, А.В. Зинковский, И.А. Трофимова, В.П. Колесов // Теория и практика физической культуры. - 1980. - № 10. - С. 6.
7. Современные технологии в исследовании сложнокоординационных двигательных действий тхэквондо / М.А. Рогожников, С.Е. Бакулев, А.В. Павленко, В.В. Кузьмин // Ученые записки университета имени П.Ф. Лесгафта. - 2015. - № 2 (120). - С. 133-139.
8. Таймазов, В.А. Индивидуальная подготовка боксеров в спорте высших достижений : дис. ... д-ра пед. наук / Таймазов Владимир Александрович. - Санкт-Петербург, 1997. - 338 с.
9. Чистяков, В. А. Моделирование движений человека в космосе / В. А. Чистяков, А.В. Зинковский, И.А. Трофимова // Космическая биология и авиакосмическая медицина. - 1981. -
Т. 6. - С. 54.
10. 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.
11. 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.
REFERENCES
1. Taymazov, V.A., Bakulev S.E., Mokeev, G.I. and Chistyakov, V.A. (2917), Current problems of the theory and technique of boxing: studies. grant, publishing house Polytechnic University, St. Petersburg.
2. Gantmakher, F.R. (2005), Lectures on analytical mechanics, Fizmatlit, Moscow.
3. Zinkovsky, A.V., Sablin, A.D. and Chistyakov, V.A. (1979), "Research of dynamics of the movements of the person by means of the computer", Biophysics, No. 24, pp. 312.
4. Katayev, M.Yu., Korobko, A.P. and Kotelnikova, N.A. (2016), "Assessment of angular parameters of gait of the person from the skeletal model received on the basis of processing of images", Management, computer facilities and informatics, No. 1 (19), pp. 46-49.
5. Issurin, V.B., Glazkov, A.B., Dementiev, A.N., Hokhlovsky, N.V. and Proskuryakov, A.B. (1977), "The metrological analysis of a method of a kinotsiklografiya when studying kinematics of movements of swimmers", Theory and the practice physical. cultures, No. 3, pp. 18-21.
6. Chistyakov, V.A., Zinkovsky, A.V., Trofimova, I.A. and Kolesov, V.P. (1980), "Synthesis of optimum movements in sport by means of the computer", Theory and practice ofphysical culture, No. 10, pp. 6.
7. Rogozhnikov, M.A., Bakulev, S.E., Pavlenko, A.V. and Kuzmin, V.V. (2015), "Modern technologies in research of difficult coordination physical actions of taekwondo", Uchenye zapiski universiteta imeniP.F. Lesgafta, Vol. 120, No. 2, pp. 133-139.
8. Taymazov, V.A. (1997), Individual training of boxers in elite sport, dissertation, St. Petersburg.
9. 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.
10. Zinkovskii, A.V. and Chistyakov, V.A. (1982), "Elasticity of the foot on modelling human movements", Biophysics, Vol. 27, No. 4, pp. 745-749.
11. 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.
Контактная информация: chistiakov52@mail.ru
Статья поступила в редакцию 20.02.2018
УДК 373.5.037.1
ПОТЕНЦИАЛ ДЮСШ ПО ПОПУЛЯРИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ В Г.
НАБЕРЕЖНЫЕ ЧЕЛНЫ
Константин Борисович Тумаров, доцент, Альбина Наильевна Кудяшева, доцент, Наиль Хасанович Кудяшев, доцент, Набережночелнинский институт, филиал, Казанский (Приволжский) федеральный университет, Набережные Челны
Аннотация
Статья посвящена вопросам популяризации физической культуры и спорта в молодежной среде. Понимание важности пропаганды здорового образа жизни нашло отражение в государственных программах, законах, постановлениях разных уровней. Авторы опираются на социологические методы анализа аудитории, учитывают качественные и количественные характеристики анализируемого явления, выявляют приоритетные направления в спортивной сфере у жителей города Набережные Челны. Практическая значимость представленного материала заключается в использовании результатов исследования аудитории, видов продвижения, рейтинга ДЮСШ в программе по популяризации здорового образа жизни в городе Набережные Челны.
Ключевые слова: физическая культура, здоровый образ жизни, детско-юношеские спортивные школы (ДЮСШ), популяризация спорта.
