Towards a Simulator Tool for Predicting Sprinting and Long Jump Motions with and without Running-Specific Prostheses: An Optimization-Based Approach

Sprinter und Weitspringer mit Unterschenkelamputationen konnten in den vergangenen Jahren hervorragende Leistungen erzielen. Aufgrund der Materialeigenschaften der verwendeten speziellen Sportprothesen rückte die Frage, ob die Prothese dem amputierten Sportler gegenüber nicht-amputierten Sportlern einen Vorteil verschaffen könnte, in den Fokus.

In dieser Arbeit untersuchen und vergleichen wir Sprint- und Weitsprungbewegungen von Sportlern mit und ohne einseitige Unterschenkelamputation mit Hilfe von mathematischer Modellierung und Optimalsteuerungsproblemen. Dafür haben wir subjekt-spezifische Mehrkörpermodelle für fünf Sportler erstellt, welche je nach Fragestellung zwischen 16 und 31 Freiheitsgrade besitzen. Die spezielle Sportprothese wurde als drei-segmentiges Modell mit einem Rotationsfreiheitsgrad in der Sagittalebene erstellt. Zur Berechnung der Bewegung nutzen wir mehrphasige Optimalsteuerungsprobleme mit Unstetigkeiten. Mit drei verschiedenen Formulierungen von Optimalsteuerungsproblemen haben wir zwei Sprintschritte sowie die letzten drei Anlaufschritte und den Weitsprung berechnet und untersucht.

Bei der Sprintbewegung zeigen die Ergebnisse, dass die nicht-amputierten Athleten und der amputierte Athlet unterschiedliche Aktuationsstrategien zum Rennen mit- und ohne Sportprothese nutzen. Der Vergleich der Athleten zeigt, dass sich die Asymmetrie (resultierend von der Prothese) im ganzen Körper widerspiegelt und auf die gesamte Bewegung auswirkt. Anders als bei den aus Motion Capture Aufnahmen rekonstruierten Weitsprungbewegungen erzielt bei den mit dem Optimalsteuerungsproblem zur Bewegungssynthese errechneten Lösungen der nicht-amputierte Athlet die größere Sprungweite, da er während des Absprungs eine größere Vertikalkraft erzeugen und ein besseres Verhältnis von Gewinn an vertikaler zu Verlust von horizontaler Geschwindigkeit erreichen kann. Abschließend stellen wir unsere Idee eines Simulators zum Vergleich des amputierten Athleten mit sich selbst ohne Amputation vor.