Optimierungsanalyse sportlicher Bewegungen : Die Suche nach optimalen Bewegungen mit algorithmischen Verfahren der Informatik und modellierenden Verfahren der Biomechanik

Abstract

Die Arbeit stellt einen Beitrag zur Suche nach Optimalbewegungen von komplexen menschlichen Bewegungen dar. Optimierungsanalysen sportlicher Bewegungen im naturwissenschaftlich orientierten Teil der Sportwissenschaft waren in den letzten Jahren vor allem durch zwei Richtungen geprägt. In der einen Richtung werden reale Abläufe statistisch auf ihre Unterschiede untersucht und so die bessere Bewegung statistisch gesichert. Das Hauptsächliche ist also statistischer Natur, lediglich die Datenermittlung ist biomechanisch geprägt. Die zweite Zugangsweise ermittelt durch deterministische Berechnungen die Optimalbewegung, d.h. es werden physikalische Bewegungsgleichungen aufgestellt und mit mathematischen Mitteln gelöst. Für beide Richtungen gibt es Einschränkungen. Im ersten Fall stellt sich die Frage, ob die vorliegenden beobachteten Bewegungen Aussagen zu Optimalbewegungen zulassen. Im Falle der deterministischen Berechnungen ergeben sich die Grenzen durch die Komplexität der menschlichen Bewegung. In dieser Arbeit wird die Optimierungsanalyse in einer weiteren Richtung vorgenommen. Dazu werden Werkzeuge aus der Informatik verwendet. Mit Hilfe von Algorithmen und einer Mehrkörpersystemsoftware werden Lösungen komplexer Bewegungen so generiert, dass stets bessere Lösungen gefunden werden. Nach einer bestimmten Anzahl von Generierungen kann man davon ausgehen, dass die besten Lösungen gefunden wurden. Um das Charakteristische an diesen Optimallösungen zu erkennen, werden sie danach unter verschiedenen sportwissenschaftlichen Fragestellungen analysiert. Durchgeführt wird das skizzierte Vorgehen an zwei repräsentative sportlichen Bewegungen, am Kippaufschwung vorlings vorwärts am Reck und am Weitwurf eines Balls über Kopf.

Ergebnisse für den Kippaufschwung: Es zeigt sich, dass eine von der Turnerin durchgeführte aktive Hüftstreckung nicht - wie vielfach in der Fachliteratur berichtet - determinierend für ein erfolgreiches Lösen der Bewegungsaufgabe ist, da ein Kippaufschwung auch gänzlich ohne Hüfteinsatz möglich ist. In jedem Fall ist jedoch ein Mindestmaß an Krafteinsatz im Schulterbereich notwendig. Ohne einen ausreichenden Krafteinsatz, und ohne einen zeitlich genau koordinierten Bewegung im Schultergelenk kann der Kippaufschwung nicht gelingen. Es stehen aber mehr Lösungen für die Bewegungsaufgabe zur Verfügung, wenn eine höhere Kraft im Schulterbereich vorhanden ist. Zusätzlich ist die dem Kippstoß vielfach zugeschriebene Funktion der Hubpendelverkürzung nach der Auswertung der Lösungen nicht ersichtlich. Vielmehr ist davon auszugehen, dass in erster Linie die (Stemm-) Aktion der Arme den Kippaufschwung gelingen lässt, während eine unkoordinierte aktive Öffnung der Hüfte ein Scheitern der Bewegungsaufgabe verursachen kann. Für die Sportpraxis sind die Ergebnisse nicht ohne Bedeutung.

Ergebnisse für den Weitwurf eines Balles über Kopf: Für den Weitwurf zeigt sich bei der Analyse der Gliederkettenbewegung, dass die Komplexität des verwendeten Mehrkörpersystems nicht ausreicht, zufriedenstellende Lösungen zu generieren, die eine vollständige Analyse der Bewegung zulassen. Trotzdem ermöglicht die verwendete Analysemethode einen vertiefenden Einblick in die Gestalt der Bewegung. Aus diesem Grund folgt eine theoretische, physikalische Betrachtung der Gliederkettenbewegung. Im Ergebnis zeigen sich massive Abhängigkeiten der distalen Bewegungen von den Bewegungen der vorhergehenden Gliedern, so dass keine allgemeine Aussage zur Gliederkettenbewegung erfolgen kann. Die bisherigen Aussagen der Literatur zu Gliederkettenbewegungen mit dem Bewegungsziel der endpunktorientierten Geschwindigkeitsmaximierung des distalen Gliedes in Form einer sukzessiven Steigerung der Geschwindigkeit von proximal zu distal sollten daher neu überdacht werden.

This work represents a contribution to the search for optimal movements of complex human movements. Optimization analyses of sportive movements in the scientifically oriented part of sport science were particularly characterized by two trends in the last years. The first one examines real movement sequences statistically for their differences and so the better movement is statistically secured. Thus the main part is of statistic nature, only the data determination is biomechanical. The second trend determines the optimal movement by deterministic computations, i.e. physical motion equations are set up and solved by mathematical means. But there are restrictions for both directions. In the first case the question arises whether the available data gained by observing movements permits statements about optimal movements. In case of the deterministic computations there are limits set due to the complexity of human movements. In this work the optimization analysis is pushed into another direction using tools from computer science. By algorithms and a multi-body system software, solutions of complex movements are generated in such a way that better solutions are found. After a certain number of solution-generation-cycles one can assume that the best solutions were found. In order to recognize the characteristic of these optimal solutions, they are afterwards analyzed referring to different sport-scientific questions. The outlined procedure has been carried out with two representative sportive movements, first the upstart at the horizontal bar and second the maximum far throw of a ball over head.

Results for the upstart at the horizontal bar: The fact is shown, that an active hip extension accomplished by the female gymnast is not - as often reported in technical literature - determining for a successful solution of the task of movement, because a upstart is also possible without any action in the hip. However it requires a minimum of force effort in the shoulder. Without a sufficient force effort, and without a temporally exactly coordinated movement in the shoulder joint the tilting upswing cannot succeed. Still more solutions for the task of the movement are at disposal, if a higher strength in the shoulder range is present. Additionally, the pendulum shortening, which is often attributed to the function of the tilting impact, is not evident after the evaluation of the solutions. One must rather assume that primarily the lifting action of the arms lets the tilting upswing succeed, while an uncoordinated active opening of the hip can cause a failure of the task of movement. For sport practice the results are quite important.

Results for the far throw of a ball over head: For the far throw it is shown, that the complexity of the used multi-body system is not sufficient to generate satisfying solutions of the link chain movement which permit a complete analysis of the movement. Nevertheless the used method of analysis allows a deeper insight into the organization of this movement. Therefore a theoretical, physical approach of the link chain movement follows. As a result substantial dependence of the distal movements from the movements of the proximal links can be observed, therefore no general statement can be made for the link chain movement. Thus the existing statements of literature about link chain movements with the movement aim of an endpoint orientated velocity maximization of the distal link in the form of summation of speed principle should be reconsidered.