Fallstudie:
Forscher der University of Waterloo helfen mit MapleSim dem Team Kanada bei den Paralympics, ihre Leistung im Rollstuhlcurling zu steigern

Der Einsatz von Technologie in der Welt des Sports nimmt rapide zu. Neue Arten von Daten in Verbindung mit fortschrittlichen Entwicklungswerkzeugen ermöglichen gründlichere Analysen des menschlichen Körpers bei bestimmten Bewegungen und Aufgaben. So können Bewegungsabläufe verbessert und die Ausrüstung weiterentwickelt werden, um den Sportlern dabei zu helfen, ihre Fähigkeiten und ihre Leistung optimal einzusetzen. John McPhee, Professor für Systems Design Engineering an der University of Waterloo (UW), hat mehrere Studien zu den motorischen Funktionen der Athleten bei den Paralympics betreut. McPhee, der sich besonders mit der Modellierung der Interaktionen zwischen den Athleten und ihrer Ausrüstung beschäftigt hat, um die sportliche Leistung zu steigern, setzt MapleSim zur Forschung und Projektentwicklung ein. Mit MapleSim kann sein Team Millionen von Entwicklungsvarianten untersuchen, um für jede Aufgabe die optimale Lösung zu finden.

McPhee und sein Team haben unlängst mit dem kanadischen paralympischen Rollstuhlcurling-Team zusammengearbeitet, um ein besseres Abspielen aus dem Rollstuhl heraus zu entwickeln. Sein Team unter der Leitung von Brock Laschowski, einem Doktoranden in der Abteilung für Systems Design Engineering an der UW, hat eine Studie der Bewegungsabläufe bei den Rollstuhlathleten der Paralympics durchgeführt, wobei er mit MapleSim das Abspielen aus dem Rollstuhl modelliert hat. Laschowskis Forschung liefert die Grundlagen für spezielle Rollstühle, die für die einzelnen Athleten und ihr neuromuskuloskeletales System individuell konstruiert werden. Das biomechanische Modell des Menschen besteht aus starren Körpersegmenten zur Beschreibung von Torso, Kopf und Hals, Oberarm, Unterarm und Hand, sowie Gelenken zur Darstellung von Hüfte, Schulter, Ellenbogen und Handgelenk, die jeweils als kinematische Paare mit Drehgelenken und naturgetreuen viskosen Dämpfungseigenschaften modelliert wurden. Anschließend wurden mit MapleSim Analysen der inversen Dynamik des Multibody-Systemmodells anhand experimentell ermittelter kinematischer Daten der Gelenke und des Curling-Steins durchgeführt. 

 „Wir arbeiten jetzt seit einigen Jahren mit Team Kanada zusammen, und für uns war es eine große Befriedigung, als sie bei den Paralympics in Südkorea die Bronzemedaille geholt haben“, sagte McPhee. „Wir hoffen in den nächsten Jahren auf eine Goldmedaille.“

Aus dieser Studie stammt auch die Idee zu einem Curling-Endeffektor, einer Vorrichtung, die den Rollstuhlsportlern beim Abspielen mehr Kontrolle gibt. Das Gerät wird am Ende des Sticks des Sportlers befestigt und lässt ihn den Stein besser steuern, indem er vor dem Lösen zurückgezogen wird. Zwei weitere Mitglieder von McPhees Team, die Studenten Borna Ghannadi und Conor Jansen an der University of Waterloo, hatten 2016 auf Bitten von Mark Ideson – dem Skip der Herrenmannschaft des kanadischen Curling-Teams bei den Paralympics und Gewinner der Gold- bzw. Bronzemedaille bei den Paralympics 2014 und 2018 – mit der Arbeit an dem Endeffektorprojekt begonnen. Nach der Modellierung in MapleSim wurde ein erster Prototyp gebaut, der seither eine Reihe von Versuchen und Anpassungen durchlaufen hat. Das Gerät ist nun bei seiner siebten Iteration angekommen und entsprechend als Mark 7 bekannt. Seine Entwicklung steht kurz vor dem Abschluss. „Es war eine größere Herausforderung als wir alle gedacht hatten und so war eine Reihe von Änderungen erforderlich“, sagte Ideson. „Aber wir wussten, dass wir es mit den richtigen Leuten schaffen würden. John und sein Team haben tolle Arbeit geleistet.“

Bislang verwenden die Rollstuhlsportler eine Vorrichtung, die den Stein ruhig hält, bevor er abgespielt wird. Die Möglichkeit, den Stein zurückzuziehen und damit vor dem Abspielen die Haftreibung zu überwinden, wird für die Sportler ein großer Vorteil sein. Bestimmte Bedingungen beim Curling, z.B. warmes Eis oder Eis, auf dem der Stein nicht einwandfrei gleitet, können ebenso wie ein frisch geschliffener Stein, dazu führen, dass der Stein beim Abspielen gehemmt wird oder in Schwingungen gerät, wodurch die Zielgenauigkeit leidet. Mit dem Mark 7 kann der Sportler den Stein am Abspielpunkt ein wenig zurückziehen und so diese Trägheit überwinden. „Wenn man nur nach vorn drücken kann und das Eis nicht wirklich perfekt ist, hat der Stein jedes Mal eine andere Geschwindigkeit“, erläuterte McPhee. „Wenn man den Stein zurückziehen und dann nach vorn stoßen kann, ist diese Haftreibung überwunden und das Abspielen ist reproduzierbarer. So sollte das ganze Spiel interessanter werden.“

Ziel war es, einen Mechanismus zu entwickeln, der es den Sportlern nicht nur ermöglicht, den Stein zurückzuziehen, sondern auch eine Möglichkeit zum Abspielen ohne Auslösung durch die Hand des Spielers bietet. Das Mark 7 wird auf das Ende des Curling-Sticks geschraubt und liegt fest auf dem Griff des Steins auf. Es kann angezogen oder gelöst werden, um genau auf den Griff zu passen, und gibt den Spielern mehr Kontrolle über den Stein. Wenn der Spieler entschieden hat, wie er abspielen will, kann er den Stein entsprechend positionieren, nach vorn schieben, am Abspielpunkt zurückziehen und das Gerät vom Stein trennen.

„Die höhere Geschwindigkeit und Genauigkeit der dynamischen Multibody-Simulationen in MapleSim durch die zugrunde liegende symbolische Modellierungs-Engine hat es dem Team erlaubt, der Systementwicklung und Optimierung mehr Zeit zu widmen“, sagte Laschowski. „Es gibt auf dem Markt mehrere Multibody-Systemalgorithmen, die jedoch auf technische Mechanik beschränkt sind und nicht unbedingt Merkmale unterstützen, die üblicherweise bei biomechanischen Anwendungen, wie der Muskelmechanik und der Aktivierungsdynamik, nicht-idealen Geometrien menschlicher Gelenke und der Dynamik biomechanischer Stoßvorgänge, vorkommen.“

 „Im Unterschied zu dieser Multibody-Software nutzt MapleSim mechanische Prinzipien mit linearer Graphentheorie für vereinheitlichte Darstellungen der Systemtopologie und der Modellierungskoordinaten“, so Laschowski. „Es werden automatisch symbolische Systemgleichungen erzeugt. Das erlaubt es uns, die Gleichungen vor einer numerischen Lösung des hochoptimierten Simulationscodes durchzusehen und zu teilen. Die Algorithmen in MapleSim unterstützen außerdem elektromechanische Komponenten. Das könnte dann wertvoll werden, wenn wir irgendwann entscheiden sollten, die Sensortechnologie von Wearables in das Systemmodell einzubeziehen.“

Mark 7 könnte in der Welt des Curlings bedeutende Auswirkungen haben. Die Genauigkeit des Abspiels liegt laut Ideson beim Rollstuhlcurling aktuell bei 60 bis 62%. Falls der Curling-Verband den Einsatz neuer Technologie wie dem Mark 7 zulässt, könnte dieser Wert laut ihm auf 70 bis 75% steigen. „Wenn wir die Genauigkeit verbessern können, gewinnt der Sport allgemein“, sagte Ideson. „Die Möglichkeit, den Stein vor dem Abspielen zurückzuziehen, beseitigt einige Instabilitäten. Eine solche Vorrichtung sorgt für gleichmäßigere Ausgangsbedingungen bei den verschiedenen Sportlern.“

Nach einem unlängst durchgeführten Training erklärte Ideson, dass sich das Gerät gut anfühlt und er und sein Team sich darauf freuen, irgendwann das fertige Produkt einsetzen zu können. „Das ist wirklich eine tolle Sache, denn solche Innovationen können den Sport voranbringen“, fügte er hinzu. „Davon könnte das Niveau beim Curling auf der ganzen Welt profitieren.“

McPhee und sein Team können mit ihrer Entwicklung technologischer Verbesserungen im Sport mit MapleSim auf eine Reihe von Erfolgen zurückblicken. Aktuell arbeiten sie mit der kanadischen Rollstuhl-Basketballmannschaft daran, das Fahren mit dem Rollstuhl in MapleSim zu modellieren, um verschiedene Rollstuhlkonfigurationen zu testen und zu ermitteln, wie sich Leistung und Geschwindigkeit optimieren lassen. Sie haben auch mit Cleveland Golf/Srixon zusammengearbeitet, um einen Golf-Driver in MapleSim zu modellieren und die Auswirkungen verschiedener Längen und Gewichte des Schlägers auf die Leistung besser zu verstehen. Zusammen mit Hockey Robotics haben sie den Roboter SlapShot XT entwickelt. Dieses mit Hilfe von MapleSim erstellte Gerät erlaubt es den Herstellern, neue Hockey-Schläger in der Leistung zu optimieren und sie widerstandsfähiger gegen Schlägerbruch zu machen.

McPhee, der bereits seit den 80er Jahren im Bereich der Technik für den Sport arbeitet, erklärte, dass MapleSim für die Modellierung der Leistung der Athleten und ihrer Ausrüstung ideal ist. „Seine Multidomain-Fähigkeiten erlauben es uns, Menschen, mechanische Vorrichtungen, elektrische Aktuatoren und Sensoren für die Rückmeldung in einer gemeinsamen Umgebung zu modellieren. Das beschleunigt ganz erheblich unsere Arbeit zur modellbasierten Entwicklung und Steuerung“, so McPhee. „Wir setzen MapleSim ein, um die Leistung in vielen Sportarten zu verbessern. Die Liste unserer Forschungspartner ist jetzt schon sehr lang und wächst ständig. Wir sind gespannt, was die Zukunft noch alles bringen wird.“

Kontaktieren Sie Maplesoft, um zu erfahren, wie Maple bei Ihren Projekten angewandt werden kann.