15:22, 28 мая 2017, Научные статьи

Вестник спортивных инноваций. 2017. № 53. С. 54-59.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕСТИРОВАНИЯ СИЛЫ ЗАХВАТА КИСТИ

Авторы:
Ваваев А. В., Курашвили В. А.
Источник:
Виды спорта:
Общеспортивная тематика
Рубрики:
Инновации в спорте
Регионы:
Город Москва столица Российской Федерации город фе
Рассказать|
Аннотация

Наиболее важной функцией человеческой кисти является способность к различным манипуляциям, в основе которых лежат тонкие и силовые захваты. Самым распространенным методом тестирования силы кисти в различных видах спорта является кистевая динамометрия.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕСТИРОВАНИЯ СИЛЫ ЗАХВАТА КИСТИ

Датчик сжатия кисти

Фото: Датчик сжатия кисти

Наиболее важной функцией человеческой кисти является способность к различным манипуляциям, в основе которых лежат тонкие и силовые захваты. Самым распространенным методом тестирования силы кисти в различных видах спорта является кистевая динамометрия. Этот вид тестирования позволяет определить реальную силу руки как органа целенаправленного действия составляющих моментов силы отдельных сегментов верхней конечности. До недавнего времени чаще всего использовался пружинный динамометр, прототип которого был предложен французским инженером Эдме Ренье (Edme Régnier) еще в 1798 году. Это был механический динамометр с циферблатом, в которoм использовалась кольцеобразно замкнутая пружина [1]. На протяжении XIX века были предложены и другие динамометры: Шарьер (Charriere), Челлиса (Chellis), Макканни (Mcananny), Коллина (Collin),  и др. [2]. Более поздними изобретениями являются динамометры Прони, Томсона, Геффнер-Альтенека, Броуна и Межи [3].
 
Кистевая динамометрия предназначена для измерения силы мышц-сгибателей пальцев. Доказана значимость для  оптимизации подготовки спортсменов таких свойств, как амплитуда движений в суставах рук, тонкая координация мышц кисти, особенности антропометрического развития верхних конечностей. При измерении силы мышц-сгибателей кисти и пальцев динамометр располагается на ладонной поверхности кисти так, чтобы его стрелка была обращена к запястью. Испытуемый берет в руку кистевой динамометр, регулирует рукоятку относительно размера своей руки. Прямая рука с динамометром отводится в сторону-книзу под углом 45°. После этого испытуемый сжимает кисть со всей силы. Тест проводится каждой рукой поочерёдно.
Были разработаны правила проведения кистевой динамометрии. Так, измерительная ось динамометра должна соответствовать направлению прилагаемого усилия;  направление прилагаемого усилия должно быть перпендикулярно оси периферического сегмента исследуемой конечности. Если исследование проводится в целях реабилитации после травм, для корректного сопоставления результатов необходимо сначала проводить динамометрию здоровой руки, затем поврежденной, придерживаясь одинаковых условий для здоровой и больной рук [4].
Кистевой захват играет важную роль во многих видах спорта: в армреслинге, скалолазании, спортивной гимнастике, мотоспорте, толкание ядра, метание копья, но особую роль этот вид захвата приобретает в единоборствах [5, 6, 7]. В процессе схватки происходит борьба за удобный захват для проведения основного приема. Так, в дзюдо применяются различные методов захвата кимоно противника (дзюдоги), известных как кумиката. Завоевание захватов или освобождения от захватов противника может занимать до 80% времени схватки. Через захват борцы могут приложить усилие в нужном направлении в необходимый момент для проведения приема или технического действия. Контроль хватки считается ключевым фактором, влияющим на исход боя, поскольку он позволяет использовать методы атаки и препятствует способности противника действовать [8, 9].
Ладонь человека представляет собой совершенный хватательный аппарат, каждый палец которого играет свою важную роль в обеспечении крепости всего кистевого захвата. При выполнении силового захвата предмет зажимается между пальцами, согнутыми в зависимости от размера предмета, и ладонью, а большой палец оказывает противодавление. Он вместе с тенаром (I луч) является опорой с волярно-радиальной стороны кисти, противопоставлен нажиму четырех других пальцев на предмет и способствует увеличению силы захвата. Захват оптимален, а его сила является максимальной, когда большой палец касается или приближается к указательному, образуя единственный упор, противостоящий нажиму четырех других пальцев [10].
Установлено, что в выполнении хватательных движений участвуют по крайней мере двенадцать мышц предплечья и кисти, причем связанные с ними кости вносят вклад, приводящий к развитию ряда вращательных моментов, которые могут и не быть совершенно синергичными для полного объема хватательных действий. Основная роль при выполнении силового захвата принадлежит m.m. flexores digitorum superficialis et profondus, а также m.m. interossei. В осуществлении захвата принимают участие все мышцы тенара и особенно m. adductor pollicis brevis и m. flexor pollicis longus, способствуя блокировке захвата за счет сгибания дистальной фаланги I пальца. Необходимо отметить, что силовой захват в кулак утомителен, и его нельзя поддерживать долгое время [11].
При равенстве физической и технической подготовленности у дзюдоистов высокого класса борьба за захваты является самым важным элементом тактической деятельности, преимущество в которой и приносит самые высокие спортивные достижения. Показано, что сила кисти зависит от её антропометрических характеристик: чем «длиннее» и «шире» кисть, тем выше её силовые показатели. При выполнении силового захвата максимум нагрузки приходится на I, II-V пальцы, в меньшей степени - на ладонь и минимум - на область тенара. У женщин с «миниатюрной» кистью силовые показатели намного ниже, чем у лиц с большими антропометрическими характеристиками, а сила захвата прямо пропорциональна нагрузке на область ладони и обратно пропорциональна на зону II-V пальцев. При «длинной кисти» сила захвата прямо пропорциональна нагрузке на область II-V пальцев [12].
В настоящее время изокинетические динамометры находят широкое применение в спортивной практике. В процессе изокинетического движения сопротивление прибора непостоянно и обеспечивает возможность максимального напряжения в течение всего диапазона движения, т.е. позволяет проявлять уровень максимальной силы в любой его точке. Изокинетический динамометр обеспечивает выполнение изокинетических сокращений с разными заданными скоростями. Обычно в концентрическом изокинетическом режиме конечность или другая часть тела начинает двигаться и затем ускоряется для включения механизма сопротивления динамометра. При таком включении скорость конечности может превышать заданную скорость динамометра и, в зависимости от характера динамометра, ускорение конечности может продолжаться в течение переменного периода включения в работу. Затем происходит быстрое замедление движения конечности механизмом сопротивления до заданной скорости, в точке которой скорость остается более или менее постоянной до фазы конечного замедления движения [13].
Потребность в повышенной точности измерений кистевого сжатия и успехи микроэлектроники привели к созданию кибернетических устройств, которые могут выступать как инструмент оценки захвата. Так, группа немецких исследователей предложила методику измерения силы захвата кисти человека с помощью сенсорной матрицы [14]. Был использован специальный захватный стержень диаметром 20 мм, который субъекты могли либо активно двигать пальцами в горизонтальном направлении, либо создавать реактивные силы против противодействующих сил, создаваемых в стержне линейным двигателем. Матрица дат­чиков давления представляла собой пленку, созданную с применением NiCr-тонкопленочной технологии, которая покрывала примерно 45 см2 поверхности стержня. Плотность сенсора составляла 4 / см2, при этом каждый датчик имел силовое разрешение 0,1 Н. Сканирование по всем датчикам приводило к созданию соответствующего кадра, содержащего значения силы при частоте повторения кадров 150/с. На основе анализа изображений с помощью дистанционного зондирования был разработан алгоритм, позволяющий отличать значимые пиксели, представляющие силу, от тех, которые затронуты шумом. Это позволило отслеживать положение идентифицированных пальцев в последующих кадрах, чтобы можно было получить пространственно-временные профили силы захвата для отдельных пальцев. Более того, алгоритм допускал одновременное измерение сил, действующих без каких-либо ограничений на количество пальцев или положение пальцев. Таким образом, система хорошо адаптирована для в области физиологии человека, а также для тестирования спортсменов [15].
Но настоящим прорывом стала сенсорная перчатка DataGlove, разработанная в Исследовательском центре имени Джозефа Эймса NASA, а затем усовершенствованная и выпущенная на рынок компанией VPL Research. В такого рода перчатках установлены датчики инерционного типа для определения движения и ориентации (углового положения) рук, тензометрические датчики для определения сгиба пальцев, сжатия ладони, поворота кисти, пьезокристаллические датчики в кончиках пальцев для определения нажатия на поверхность [16].
Компанией I.Q. Technologies Ltd было разработано устройство в виде перчатки, использующее датчики инерционного типа (акселерометры). Линейные ускорения, измеряемые акселерометрами – это вторая производная от положения тела, угловая скорость, измеряемая гироскопами, - это первая производная от пространственного положения (ориентации) в пространстве. Соответственно, траектория движения тела и текущая его ориентация в пространстве получаются путем интегрирования соответствующих показаний акселерометров и гироскопов. Основным недостатком инерциальных методов является накопление ошибки интегрирования со временем [17].
Компанией AnthroTronix  разработаны перчатки AcceleGlove, в которых акселерометры расположены на тыльной стороне ладони и на внешних сторонах каждого пальца. Они способны давать информацию о движении в трех измерениях и получать данные о положении всей кисти и каждого пальца с точностью до нескольких градусов. Программируемые компоненты AcceleGlove включают: A — акселерометры на каждом пальце; B — микросхема, которая принимает сигнал с акселерометров и обменивается данными с ПК через USB (все «сырые» данные можно анализировать, например, в Mathematica), отсюда же девайс получает питание; C — сама перчатка из «дышащего» нейлона, подходит для всех размеров рук и позволяет писать ручкой или печатать на клавиатуре, даже когда перчатка надета; D — сенсор перемещения руки в пространстве, состоит из двух браслетов: под локтем и на бицепсе. Данные с датчиков передаются на плату управления, которая в свою очередь соединяется посредством интерфейса USB с персональным компьютером. Эти перчатки полностью настраиваются, и любой пользователь может создать несложный алгоритм, с помощью которого они позволят работать с любой программой [18, 19].
Тактильная обратная связь весьма чувствительна к характеристикам контуров обратной связи: пользователь подсознательно мгновенно реагирует на импульсы от системы и корректирует свою реакцию до того, как система успеет отработать предыдущие реакции. Считается, что для создания надежной иллюзии ощущения объекта тактильная система должна иметь скорость обновления информации 300-1000 Гц, что как минимум на порядок выше, чем скорость обновления визуальной информации [20].
Американская компания Sensor Products Inc. разработала устройство для измерения сжатия кисти в виде перчатки Tactilus®. Датчики располагаются в каждом пальце перчатки, а интегрирующий блок – на тыльной стороне перчатки. Датчик основан на интегральных чувствительных элементах из монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют высокую чувствительность благодаря изменению удельного объемного сопротивления полупроводника при деформировании давлением. Сила сжатия кисти преобразуется в унифицированный электрический сигнал с последующей конвертацией в цифровой код. Разработчики утверждают, что их устройство более прочное и чувствительное,  чем другие датчики. Tactilus® полностью защищен от электромагнитных помех и воздействия воды. Получаемые сигналы обрабатываются с помощью пакета на базе Windows®. Каждый датчик собран с точными допусками и индивидуально откалиброван. Система Tactilus® имеет гибкую модульную архитектуру, позволяющую создавать широкий набор комбинаций при работе непосредственно в полевых условиях. Обеспечивает одновременный сбор данных с 6 дискретных сенсорных площадок. Tactilus® использует сложные математические алгоритмы, которые надежно выделяют полезный сигнал из шума [21].
 
Источники:
 
  1. Regnier, Citoyen (Edme). Description et usage du dynamomètre. J. Ecole Polytech. 1798; 2:160–173.
  2. Brandsma JW, Schreuders TA. Sensible manual muscle strength testing to evaluate and monitor strength of the intrinsic muscles of the hand: a commentary. J Hand Ther. 2001. 14 (4): 273–8.
  3. David Horne and Elizabeth Talbot. The History of the Regnier Dynamometer. Iron Grip Magazine. July 2002.Vol. 2, No. 3.
  4. Welcome D., Rakheja S., Dong R., Wu J. Z., Schopper A. W. An investigation on the relationship between grip, push and contact forces applied to a tool handle. International Journal of Industrial Ergonomics. 200434650751810.1016/j.ergon.2004.06.0052-s2.0-6344281158.
  5. Fry AC, Ciroslan D, Fry MD et al. Anthropometric and performance variables discriminating elite American junior men weightlifters. J Strength Cond. Res 2006; 20(4): 861-866.
  6. Leyk D, Gorges W, Ridder D et al. Hand-grip strength of young men, women and highly trained female athletes. Eur J Appl Physiol 2007; 99: 415-421.
  7. Visnapuu, M, Jurimae, T. Handgrip strength and hand dimensions in young handball and basketball players. J Strength Cond Res 2007; 21(3): 923-929.
  8. Nicolay CW, Walker AL. Grip strength and endurance: influences of anthropometric variation, hand dominance, and gender. Inter J Ind Ergon 2005; 35: 605-618
  9. Sterkowicz S, Jaworski J, Lech G, Pałka T, Sterkowicz-Przybycień K, Bujas P, Pięta P, Mościński Z. Effect of Acute Effort on Isometric Strength and Body Balance: Trained vs. Untrained Paradigm. PLoS One. 2016 May 24;11(5):e0155985.
  10. Anakwe R.E., Huntley J.S., McEachan J.E. Grip strength and forearm circumference in a healthy population // J. Hand Surg. Eur. Vol. - 2007. - Vol. 32, № 2. - P. 203-209.
  11. Гутник Б., Кобрин В., Йелдер П. Биомеханические особенности латерализации // Асимметрия. - 2008. - Т. 2, № 1. - С. 9-20.
  12. Daigo, Toshiro. Wurftechniken Des Kodokan Judo. Vol. 1. Bonn: Born, 2009.
  13. Щедрина М.А., Новиков А.В., Рукина Н.Н., Донченко Е.В. Зависит ли сила кисти от ее антропометрических характеристик и распределения нагрузки на зоны кисти в процессе захвата? Фундаментальные исследования. 2013. № 9-1. С. 172-177.
  14. Schlussel MM, Anjos LA, Vasconcellos MT et al. Reference values of handgrip dynamometry of healthy adults: a population-based study. Clin Nutr 2008; 27: 601-607.
  15. Dieter F. Kutz, Alexander Wolfel, Tobias Meindl, Dagmar Timmann and Florian P. Kolb. Spatio-Temporal Human Grip Force Analysis via Sensor Arrays. Sensors 2009, 9, 6330-6345.
  16. Anne Mandy, Lucy Redhead, and Jon Michaelis. Measurement of Hand/Handrim Grip Forces in Two Different One Arm Drive Wheelchairs. Biomed Res Int. 2014. 509898.
  17. Micha Vardi. I.Q, Technologies Ltd, Apparatus and methods for hand motion tracking and handwriting recognition. Patent US 6831632, 2004).
  18. Prashan Premaratne. Human Computer Interaction Using Hand Gestures. Springer. 2014.
  19. Jaime Martin-Martin and Antonio I Cuesta-Vargas. Quantification of functional hand grip using electromyography and inertial sensor-derived accelerations: clinical implications. Biomed Eng Online. 2014; 13: 161.
  20. Bachus KN, DeMarco AL, Judd KT, Horwitz DS, Brodke DS. Measuring contact area, force, and pressure for bioengineering applications: using Fuji Film and TekScan systems. Medical Engineering & Physics. 2006; 28 (5):483–488.
  21. Kim M, Shinkai S. Prevalence of muscle weakness based on different diagnostic criteria in community-dwelling older adults: A comparison of grip strength dynamometers. Geriatr Gerontol Int. 2017 May 18.

Теги: технологии, тестирование, кисть .

    Загрузка...