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CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL SAQUE EN VOLEIBOL NICOLÁS RAMÍREZ ARÉVALO UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ 2011

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CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR

EN EL SAQUE EN VOLEIBOL

NICOLÁS RAMÍREZ ARÉVALO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ

2011

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CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR

EN EL SAQUE EN VOLEIBOL

NICOLÁS RAMÍREZ ARÉVALO

Trabajo de grado para optar por el título de:

Ingeniero Mecánico

Asesora

ANA MARÍA POLANCO

Ms.Sc. Ingeniería Mecánica

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ

2011

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AGRADECIMIENTOS

A mis padres por darme su apoyo incondicional a través de la carrera, tanto en los

momentos buenos como en los malos.

A mi asesora, Ana María Polanco, por darme la inspiración en el área de la

biomecánica.

A John Castañeda, cuyo apoyo fue fundamental para el desarrollo de este

proyecto.

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i

Tabla de Contenido

1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 1

2 OBJETIVOS .......................................................................................................... 4

3 BIOMECÁNICA DEL TREN SUPERIOR ............................................................. 5

3.1 Biomecánica de la columna .......................................................................... 6

3.1.1 Flexión y extensión ................................................................................. 6

3.1.2 Flexión lateral .......................................................................................... 6

3.1.3 Rotación .................................................................................................. 7

3.2 Biomecánica del hombro ............................................................................... 7

3.2.1 Abducción y aducción ............................................................................. 8

3.2.2 Flexión y extensión ................................................................................. 8

3.2.3 Rotación .................................................................................................. 9

3.3 Biomecánica del codo.................................................................................... 9

3.3.1 Flexión y extensión ................................................................................. 9

3.3.2 Pronación y supinación ......................................................................... 10

3.4 Biomecánica de la muñeca ......................................................................... 10

3.4.1 Abducción y aducción ........................................................................... 10

3.4.2 Flexión y extensión ............................................................................... 10

4 Métodos teóricos para el cálculo de la cinemática ............................................ 11

4.1 Método para el cálculo de los ángulos........................................................ 11

4.2 Método para la velocidad y aceleración lineal. ........................................... 13

4.3 Método para el cálculo del sistema de coordenadas de un cuerpo........... 16

4.4 Métodos para la velocidad y aceleración angulares .................................. 17

4.4.1 Métodos cartesianos [25] ...................................................................... 18

4.4.2 Método de Euler [14] ............................................................................. 20

5 SISTEMAS DE CAPTURA DE MOVIMIENTO .................................................. 24

5.1 Sistema OptiTrack ....................................................................................... 24

5.2 Sistema Phasespace Impulse ..................................................................... 26

5.3 Selección del sistema de captura de movimiento ...................................... 27

Page 5: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

ii

6 DESARROLLO DEL MODELO DEL CUERPO ................................................. 28

7 PROTOCOLO EXPERIMENTAL ....................................................................... 30

8 PROCESAMIENTO DE DATOS ........................................................................ 32

9 RESULTADOS Y ANÁLISIS .............................................................................. 35

9.1 Ángulos en las articulaciones ...................................................................... 36

9.2 Velocidades y aceleraciones lineales ......................................................... 42

9.3 Velocidades y aceleraciones angulares...................................................... 52

10 CONCLUSIONES ........................................................................................... 60

11 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 61

Page 6: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

iii

Lista de Figuras

Figura 1. Área de juego del voleibol con todas sus dimensiones [26] ...................... 2

Figura 2. Movimiento del saque por debajo [10]. ....................................................... 3

Figura 3. Movimiento del saque por encima [10]. ...................................................... 3

Figura 4. Planos de sección del cuerpo humano [27] ................................................ 5

Figura 5. Rango de movimiento de la columna [23]. ................................................. 6

Figura 6. Articulaciones del hombro [15]. ................................................................... 7

Figura 7. Movimientos del hombro [15]. ..................................................................... 8

Figura 8. Movimientos del codo [23]. .......................................................................... 9

Figura 9. Movimientos de la muñeca [23]. ............................................................... 10

Figura 10. Vectores para el cálculo de la ecuación del plano [22]. ........................ 12

Figura 11. Proyección p del punto q sobre un plano [22]. ....................................... 13

Figura 12. Centroide de un triángulo [1]. .................................................................. 14

Figura 13. Cono truncado formado por los cuatro marcadores A, B, C y O [1]. ..... 14

Figura 14. Traslación y rotación del cuerpo a través de los sistemas de

coordenadas global y propio. [14]............................................................................. 16

Figura 15. Ubicación de los vectores unitarios y del sistema de coordenadas

propio. [14] ................................................................................................................. 17

Figura 16. Ángulos directores de un vector en el espacio [25]. .............................. 18

Figura 17. Representación del ángulo entre dos vectores [25]. .............................. 20

Figura 18. Diagrama vectorial para la derivación de la fórmula de rotación.[14] ... 21

Figura 19. Cámara del sistema OptiTrack [17]. ....................................................... 25

Figura 20. Vista del software Arena para captura del cuerpo completo [16]. ......... 25

Figura 21. Cámara del sistema Phasespace [12]. ................................................... 26

Figura 22. LEDs infrarrojos del sistema Phasespace [11]. ...................................... 26

Figura 23. Modelo biomecánico propuesto. ............................................................. 29

Figura 24. Sistema de coordenadas global. ............................................................. 31

Figura 25. Programa ReCap 2 de Phasespace. ...................................................... 32

Figura 26. Archivo de texto generado por ReCap 2. ............................................... 33

Figura 27. Datos importados y organizados en Excel. ............................................ 34

Figura 28. Etapas del saque. .................................................................................... 35

Figura 29. Ángulos en el codo izquierdo. ................................................................. 36

Figura 30. Ángulos en el hombro izquierdo.............................................................. 36

Figura 31. Ángulos en el codo derecho. ................................................................... 37

Figura 32. Ángulos en el hombro derecho. .............................................................. 37

Figura 33. Ángulos en la muñeca derecha............................................................... 38

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iv

Figura 34. Ángulos en la columna lumbar en la unión torso/abdomen. .................. 39

Figura 35. Ángulos en la columna cervical a la altura de la unión cabeza/torso. ... 39

Figura 36. Velocidad lineal del CG del antebrazo izquierdo.................................... 42

Figura 37. Aceleración lineal del CG del antebrazo izquierdo. ............................... 42

Figura 38. Velocidad lineal del CG del brazo derecho. ........................................... 43

Figura 39. Aceleración lineal del CG del brazo izquierdo. ....................................... 43

Figura 40. Velocidad lineal del CG del abdomen. .................................................... 44

Figura 41. Aceleración lineal del CG del abdomen.................................................. 45

Figura 42. Velocidad lineal del CG del torso. ........................................................... 45

Figura 43 Aceleración lineal del CG del torso. ......................................................... 46

Figura 44. Velocidad lineal del CG de la cabeza. .................................................... 47

Figura 45. Aceleración lineal del CG de la cabeza. ................................................. 47

Figura 46. Velocidad lineal del CG del antebrazo derecho. .................................... 48

Figura 47. Aceleración lineal del CG del antebrazo derecho. ................................. 48

Figura 48. Velocidad lineal del CG del brazo derecho. ........................................... 49

Figura 49. Aceleración lineal del CG del brazo derecho. ........................................ 49

Figura 50. Velocidad lineal del CG de la mano derecha. ........................................ 50

Figura 51. Aceleración lineal del CG de la mano derecha. ..................................... 50

Figura 52. Velocidad angular del antebrazo izquierdo. ........................................... 52

Figura 53. Aceleración angular del antebrazo izquierdo. ........................................ 52

Figura 54. Velocidad angular del brazo superior izquierdo. .................................... 53

Figura 55. Aceleración angular del brazo superior izquierdo. ................................. 53

Figura 56. Velocidad angular del abdomen.............................................................. 54

Figura 57. Aceleración angular del abdomen. ......................................................... 54

Figura 58. Velocidad angular del torso. .................................................................... 55

Figura 59. Aceleración angular del torso. ................................................................. 55

Figura 60. Velocidad angular del brazo superior derecho. ...................................... 56

Figura 61. Aceleración angular del brazo superior derecho. ................................... 56

Figura 62. Velocidad angular del antebrazo derecho. ............................................. 57

Figura 63. Aceleración angular del antebrazo derecho. .......................................... 57

Figura 64. Velocidad angular de la mano derecha. ................................................. 58

Figura 65. Aceleración angular de la mano derecha. .............................................. 58

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v

Lista de Tablas

Tabla 1. Rangos de movimiento para las articulaciones [3], [6], [7]. ....................... 41

Tabla 2. Velocidades lineales máximas en cada cuerpo. ........................................ 51

Tabla 3. Aceleraciones lineales máximas en cada cuerpo. ..................................... 51

Tabla 4. Velocidades angulares máximas en cada cuerpo. .................................... 59

Tabla 5. Aceleraciones angulares máximas en cada cuerpo. ................................. 59

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1

1 INTRODUCCIÓN

En los últimos tiempos, el deporte se ha vuelto cada vez más competitivo, y se

ha vuelto más difícil para los deportistas llegar a estar por encima de los otros. Es

por esto que día a día la ciencia del deporte se hace más importante en el

desarrollo del deportista. La tecnología se está utilizando para ayudar a estos

atletas a alcanzar su máximo rendimiento y por lo tanto llegar a estar en la élite del

deporte mundial. El desarrollo en este campo es implementado en la mejora de

implementos deportivos, en la ropa, en la mejora técnica del deporte practicado, y

en el desarrollo de la medicina deportiva como lo es encontrar las causas

biomecánicas para las lesiones causadas en el deporte. Para este proyecto se va

a caracterizar cinemáticamente el saque en voleibol, con el fin de tener una mayor

claridad de los movimientos que componen el saque. El proyecto será realizado en

el Colaboratorio de Interacción, Visualización, Robótica y Sistemas Autónomos de

la Universidad de los Andes (COLIVRI), donde se hará el montaje necesario para

la simulación de la situación en una cancha de voleibol convencional.

Como punto de partida es esencial explicar en qué consiste el voleibol, y los

componentes del saque. El objetivo del voleibol es pasar un balón de 65-67 cm de

diámetro por encima de una malla de 2.43 m de altura para los hombres y 2.24 m

de altura para las mujeres. Esto debe hacerse con no más de tres golpes sin que

el balón toque el suelo del campo propio, y hacer que el balón toque el suelo en el

campo contrario. Las dimensiones del campo tanto propio como contrario son de

9x9 m [5] (Figura 1). Es por esta razón que en el voleibol se deben desarrollar

buenas técnicas tanto defensivas como ofensivas.

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2

Figura 1. Área de juego del voleibol con todas sus dimensiones [26]

Como su nombre lo indica, la idea de la defensa en el voleibol es no dejar que

el balón caiga en el campo propio, y la idea de la ofensiva es obtener un golpe a

través del cual las probabilidades de que el balón toque el suelo del campo

contrario sean lo más altas posibles. La ofensiva tiene dos golpes principales: el

saque y el ataque. El saque es el primer golpe en cada punto jugado, y por lo

tanto juega un papel muy importante en el juego. La idea de este golpe es

desestabilizar desde el principio al equipo contrario. A medida que ha pasado el

tiempo, este golpe se ha vuelto de vital importancia en el juego, pues tanto las

habilidades como las capacidades físicas de los jugadores han evolucionado de tal

forma que es posible generar saques de suma dificultad para defender.

Existen varios tipos de saque en el voleibol, cada uno con una complejidad

diferente, dependiendo de la habilidad del jugador. Para los jugadores

principiantes está el saque que se denomina “por debajo”, el cual consiste en que

el jugador hace un movimiento de péndulo con el brazo y golpea el balón en el

punto más bajo del movimiento, haciendo que el balón salga en una trayectoria

parabólica pasando por encima de la malla. El movimiento de este saque se

puede ver en la Figura 2.

Page 11: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

3

Figura 2. Movimiento del saque por debajo [9].

A medida que el nivel de juego del jugador avanza, la complejidad del saque

también lo hace. El siguiente saque es el denominado “por encima”, en cual

consta de lanzar el balón hacia arriba, y golpearlo por encima de la cabeza (Figura

3). Este saque es la base del desarrollo del saque moderno para un alto nivel de

juego.

Figura 3. Movimiento del saque por encima [9].

Para alta competencia, se hacen distintas variaciones al saque por encima,

por un lado, se varía la altura a la cual se golpea el balón (saltando y golpeando el

balón en el punto más alto del salto), por otro lado, se varían los efectos sobre el

balón, los cuales son dos básicamente: el “topspin” (efecto en el que el balón gira

hacia adelante sobre el eje horizontal haciendo que el balón caiga más rápido) y el

flotante (en el que el balón sale con idealmente sin girar, haciendo que el balón se

mueva en el aire aleatoriamente). Además de esto, se hacen distintas

combinaciones de estos para hacer el saque más complicado para defender.

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4

2 OBJETIVOS

El objetivo general del proyecto es la caracterización cinemática del tren

superior para el movimiento del saque en el voleibol a través de la cuantificación

de las variables importantes en este movimiento. Esto con miras a generar un

protocolo que pueda ser usado como ayuda en el desarrollo técnico de jugadores

y jugadoras de la selección de la universidad.

Para la realización de este objetivo, se plantean los siguientes sub objetivos:

1. Desarrollo del modelo biomecánico.

2. Diseñar el sistema de pruebas y el protocolo a ser usado.

3. Realización de las pruebas.

4. Generación de los algoritmos en Matlab que permita realizar el

procesamiento de los datos capturados por el sistema de captura de

movimiento Phasespace, y generar las gráficas de movimiento necesarias.

5. Procesamiento de los datos capturados por el sistema de captura de

movimiento Phasespace.

6. Realizar la caracterización cinemática del saque.

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5

3 BIOMECÁNICA DEL TREN SUPERIOR

El tren superior está compuesto por las partes del cuerpo que están por

encima de las piernas. El modelo propuesto tiene ocho cuerpos, de los cuales seis

son diferentes. Estos son: el abdomen, el torso, la cabeza, el brazo superior, el

antebrazo, y la mano. En ambos brazos se repiten tanto el brazo superior como el

antebrazo. Para poder caracterizar cinemáticamente estos cuerpos, es necesario

entender la biomecánica de estos cuerpos.

La biomecánica es la mecánica aplicada a sistemas vivos, es decir, a

biosistemas. La mecánica es un área de la ingeniería y de física aplicada que

concierne fuerzas y movimiento [9]. Es por esto que la biomecánica estudia el

movimiento de los seres vivos (principalmente en los seres humanos) y las fuerzas

que los causan (cinemática y cinética respectivamente). El enfoque de este

proyecto es puramente cinemático, por lo cual se va a hacer un análisis previo de

la biomecánica del tren superior únicamente desde el punto de vista del

movimiento de los cuerpos, a través de las articulaciones.

Para entender la biomecánica del cuerpo humano, es preciso definir los tres

planos de sección de este: el sagital, el frontal o coronal, y el transversal.

Figura 4. Planos de sección del cuerpo humano [27]

Page 14: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

6

3.1 Biomecánica de la columna

La columna es la base del cuerpo humano, y su función consiste en proteger

la médula espinal, y transferir cargas de la cabeza y el tronco hacia la pelvis. La

columna es un complejo de articulaciones llamadas vértebras. En cuanto a la

cinemática, hay tres pares de movimientos posibles. Estos son flexión y extensión,

flexión lateral (hacia la izquierda o derecha) y rotación. En la siguiente figura se

puede ver el rango de movimientos.

Figura 5. Rango de movimiento de la columna [23].

3.1.1 Flexión y extensión

La flexión se define como el movimiento del tronco hacia adelante, sobre el

plano sagital. La extensión es el movimiento recíproco a la flexión, donde el tronco

se mueve hacia atrás.

3.1.2 Flexión lateral

La flexión lateral se define como el movimiento del tronco hacia un lado. Es

decir, sobre el plano frontal. Esta flexión es posible realizarla tanto hacia la

izquierda como hacia la derecha.

Page 15: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

7

3.1.3 Rotación

La rotación de la columna se define como el giro del cuerpo sobre el eje del

mismo, es decir, sobre el eje de la columna. Al igual que la flexión lateral, es

posible generar rotación tanto hacia la izquierda como hacia la derecha.

3.2 Biomecánica del hombro

El hombro es la unión del brazo con el torso, y actúa en unión con el codo

para ubicar la mano espacialmente [14]. Está compuesto por cuatro articulaciones:

esternoclavicular, acromioclavicular, glenohumeral, y escapulotorácica (Figura 6).

De estas, tanto la articulación esternoclavicular como la escapulotorácica no van a

ser tenidas en cuenta, pues ambas forman parte del cuerpo rígido del torso. Las

otras dos articulaciones (glenohumeral y acromioclavicular) van a ser simuladas

como una esfera con tres grados de libertad.

Figura 6. Articulaciones del hombro [14].

El rango del movimiento del hombro está cuantificado en tres pares de

movimiento que generan tres grados de libertad. Estos son abducción y aducción,

Page 16: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

8

flexión y extensión, y rotación externa e interna (Figura 7). Los primeros dos pares

de movimientos se generan sobre dos de los tres planos anteriormente

establecidos en el cuerpo, trasladados al hombro, y las rotaciones se generan a

través del eje de rotación del hombro.

Figura 7. Movimientos del hombro [14].

3.2.1 Abducción y aducción

La abducción se define como el movimiento ejercido sobre el plano frontal del

hombro, alejando el brazo del cuerpo. La aducción se define como el movimiento

en que el brazo se acerca al cuerpo después de ser abducido. La abducción

puede ser posible hasta los 180°, y se realiza en tres etapas, los cuales son

definidos por los movimientos de las articulaciones en conjunto. La primera etapa

se realiza hasta los 90°, la segunda hasta los 150° y la tercera hasta los 180°. En

cuanto a la aducción, hay dos tipos: relativa y pura. La relativa es cuando se trae

el brazo al cuerpo después de ser abducido hasta el punto de reposo. La pura es

cuando se combina la aducción con flexión o extensión para permitir que el brazo

supere la línea media del cuerpo [10].

3.2.2 Flexión y extensión

La flexión se define como el movimiento ejercido sobre el plano sagital del

hombro alejando el brazo del cuerpo hacia adelante. La extensión se define como

el movimiento en que el brazo se acerca al cuerpo después de ser flexionado, y

cuando es alejado del cuerpo hacia atrás. Teóricamente el brazo puede ser

flexionado hasta los 180°, pero debido a la flexibilidad de los músculos ésta varía

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9

en cada persona, el ángulo promedio de flexión de los hombres es de 167° y de

171° para las mujeres. En cuanto a la extensión, el valor promedio para ambos

géneros es de 60° [14].

3.2.3 Rotación

La rotación se define como el movimiento que se realiza alrededor del eje

longitudinal del brazo. La forma de verlo es con el codo flexionado a 90°. Como se

dijo anteriormente, está la rotación interna y la rotación externa. La rotación interna

se puede visualizar teniendo el codo flexionado y el brazo por detrás de la

espalda.

3.3 Biomecánica del codo

El codo es la unión del brazo superior con el antebrazo. Este está compuesto

por tres articulaciones, las cuales permiten dos pares de movimiento: flexión y

extensión, y pronación y supinación (Figura 8).

Figura 8. Movimientos del codo [23].

3.3.1 Flexión y extensión

La flexión se define como el movimiento del acercamiento del antebrazo al

brazo superior, y la extensión se define como el alejamiento del antebrazo al brazo

superior. El rango de movimiento para la flexión y extensión es de 0 a 180°. En

muy pocos casos este ángulo es mayor, y esto se llama hiperextensión del codo.

Page 18: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

10

3.3.2 Pronación y supinación

La pronación y la supinación se definen como la rotación del antebrazo sobre

el eje longitudinal de este. La pronación se genera girando la el antebrazo,

haciendo que la palma de la mano termine mirando hacia el piso. La supinación,

al contrario que la pronación es la rotación del codo, haciendo que la palma de la

mano termine mirando hacia arriba.

3.4 Biomecánica de la muñeca

La muñeca es un conjunto de articulaciones, las cuales permiten dos grados

de libertad, con lo cual se generan dos pares de movimiento en la articulación, los

cuales son abducción y aducción, y flexión y extensión.

Figura 9. Movimientos de la muñeca [23].

3.4.1 Abducción y aducción

La abducción se define como el acercamiento lateral del dedo meñique hacia

el antebrazo, y la aducción se define como el alejamiento del dedo meñique del

antebrazo.

3.4.2 Flexión y extensión

La flexión se define como el acercamiento de la palma de la mano hacia el

antebrazo, y la extensión se define como el alejamiento de la palma de la mano

del antebrazo.

Page 19: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

11

4 Métodos teóricos para el cálculo de la cinemática

Una vez adquiridos los datos es necesario hacerle un procesamiento para

obtener los resultados requeridos. Por un lado, los datos obtenidos son las

posiciones de los marcadores en el tiempo con respecto a un origen fijo,

establecido en el momento de hacer la calibración del sistema. Estos datos son

válidos para encontrar las velocidades y aceleraciones lineales de los cuerpos,

pero cuando se va a hacer un análisis rotacional de los cuerpos, estos datos

deben ser corregidos para cada cuerpo, pues se debe tener un sistema de

coordenadas en cada uno de estos, a partir del cual se va a medir la rotación,

velocidad y aceleración angular de este. Por esto, hay que empezar por encontrar

el sistema de coordenadas para cada cuerpo. Además de esto, para poder definir

correctamente y de manera completa la cinemática del movimiento, es necesario

conocer la posición de cada cuerpo con respecto al cuerpo predecesor. Esta

posición se genera por medio del ángulo entre los cuerpos que definen cada

articulación del tren superior.

4.1 Método para el cálculo de los ángulos

Para realizar este cálculo, se usan únicamente métodos cartesianos

vectoriales. Los ángulos a calcular son los ángulos de los movimientos

biomecánicos de cada articulación descritos en el capítulo 5. El cálculo de estos

ángulos es muy básico. Cuando se tienen dos vectores A y B, el ángulo entre

estos se define de la siguiente manera:

(4.1)

Donde es el ángulo entre los dos vectores. Dependiendo de la articulación

que se va a analizar, y del tipo de movimiento de ésta, es necesario encontrar la

ecuación del plano corporal sobre el que se va a medir el ángulo. Para esto se

usan tres marcadores sobre el cuerpo ( ), con lo cual se generan dos

vectores ( ) y ( ).

Page 20: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

12

Figura 10. Vectores para el cálculo de la ecuación del plano [21].

Para encontrar el plano que forman estos dos vectores, primero se encuentra

el vector normal a este plano (Figura 10), el cual es el producto cruz de los dos

vectores.

(4.2)

A partir de este vector y uno de los marcadores, se encuentra la ecuación del

plano:

(4.3)

Donde:

(4.4)

(4.5)

(4.6)

(4.7)

Una vez se tiene la ecuación del plano, es necesario encontrar las proyecciones

de los vectores que se van a medir sobre el plano. La proyección p de un punto q

sobre un plano (Figura 11) se define de la siguiente forma:

(4.8)

Donde

(4.9)

Page 21: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

13

Figura 11. Proyección p del punto q sobre un plano [21].

Una vez calculado p, es posible generar un vector sobre el plano usando este

punto y uno de los tres puntos con los que se calculó la ecuación del plano. Este

procedimiento se hace igual para encontrar el segundo vector con el cual se va a

medir el ángulo entre este, y el encontrado con el punto q, con la ecuación 4.1.

4.2 Método para la velocidad y aceleración lineal.

El cálculo de la velocidad y aceleración lineal de un cuerpo se hace sobre un

punto de este. Estas pueden ser calculadas con respecto al sistema de

coordenadas global, o con respecto al centro de coordenadas propio del cuerpo.

Como bien se sabe, la velocidad es la derivada con respecto al tiempo de la

posición, y la aceleración es la derivada con respecto al tiempo de la velocidad.

Debido a que los datos que nos entrega el sistema de captura de movimiento

son las posiciones instantáneas de los marcadores en el tiempo, es necesario

calcular la posición del centro de masa de cada cuerpo. Para los cuerpos que

tienen tres marcadores, se sabe que el centro de masa (en este caso el centroide

geométrico del triángulo) se encuentra en la intersección de sus medianas, como

se puede ver en la Figura 12.

Page 22: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

14

Figura 12. Centroide de un triángulo [1].

El cálculo del centroide de un triángulo es muy sencillo. El primer paso es

calcular el vector de una de las medianas. En este caso, será la mediana .

(4.10)

Además de esto, se sabe que la intersección de las medianas ocurre a 2/3 de

distancia de su origen en el vértice. Por esto, se calcula el punto sobre la mediana

a 2/3 de distancia del vértice, lo que da la siguiente ecuación que genera el vector

de posición del centroide:

(4.11)

Para los cuerpos que tienen cuatro marcadores, el cuerpo se simula como un

cono truncado o cilindro con las bases de distinto radio.

Figura 13. Cono truncado formado por los cuatro marcadores A, B, C y O [1].

Page 23: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

15

Para un cono truncado como el de la Figura 13, el centroide se calcula de la

siguiente forma:

(4.12)

La ubicación del centroide en este caso se encuentra sobre la línea que une

los centros de las bases. Debido a que la ubicación del cuerpo con respecto al

sistema de coordenadas global varía en cada instante de tiempo, es necesario

realizar algunos cambios para poder calcular la posición real de este. En primer

lugar, se hace el cálculo con la ecuación 4.12, y a partir de este, se calcula la

razón entre la altura del centroide y la altura h del cono.

(4.13)

Una vez teniendo esta razón, se usa la siguiente ecuación para calculara el

centroide en cada instante de tiempo:

(4.14)

A partir de las posiciones de los centroides de cada cuerpo, es posible

encontrar las velocidades lineales de estos de la siguiente forma:

(4.15)

(4.16)

Estas velocidades y aceleraciones son las componentes en las direcciones

X, Y, y Z, por lo cual es necesario calcular la magnitud de estas, lo cual se hace de

la siguiente manera:

(4.17)

(4.18)

Estos datos encontrados de la velocidad y aceleración lineal son con

respecto al sistema de coordenadas establecido en la calibración del sistema. Es

decir, están con respecto al sistema de coordenadas global.

Page 24: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

16

4.3 Método para el cálculo del sistema de coordenadas de un

cuerpo

El teorema de Euler dice: El desplazamiento general de un cuerpo con un punto

fijo es una rotación con respecto a un eje. [13]

El teorema de Chasles dice: El desplazamiento más general de un cuerpo es una

traslación más una rotación.[13]

Figura 14. Traslación y rotación del cuerpo a través de los sistemas de coordenadas global y propio. [13]

Cada cuerpo está definido por tres marcadores. A través de estos

marcadores se puede crear el sistema de coordenadas propio para cada uno de

los cuerpos, de donde se escoge uno de los marcadores como el origen, y a partir

de este se trazan dos vectores que inician en este punto, y terminan en los otros

dos. El marcador origen se va a llamar punto O, y los otros dos puntos se van a

denominar puntos A y B. A través de estos vectores, se van a encontrar los ejes

del sistema de coordenadas del cuerpo. El primer eje va a estar definido por el

vector unitario (vector unitario en dirección ). El segundo eje va a estar dado

por el vector , el cual es el vector unitario perpendicular a en el plano

establecido por este vector y el vector (que es el vector unitario en dirección

). El tercer eje va a estar definido por el producto cruz de los dos ejes

anteriormente establecidos, y se llamará .

Page 25: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

17

Figura 15. Ubicación de los vectores unitarios y del sistema de coordenadas propio. [13]

(4.19)

(4.20)

Donde son las posiciones en X, Y, y Z de los

marcadores A, B y O respectivamente

(4.21)

(4.22)

(4.23)

(4.24)

4.4 Métodos para la velocidad y aceleración angulares

El cálculo de las velocidades y aceleraciones angulares de los cuerpos

puede hacerse de varias formas. Dos de estos métodos son el método cartesiano,

y el método de Euler.

Page 26: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

18

4.4.1 Métodos cartesianos [25]

Los métodos cartesianos para el cálculo de la velocidad y aceleración

angular de un cuerpo se basan en el mismo principio: el cambio de uno o varios

ángulos de un vector (en este caso sería el vector ) en el tiempo. Se van a

presentar dos métodos cartesianos, aunque existen más. El primero consiste en el

cálculo de los ángulos directores del vector , y a partir de esto, calcular el

cambio de cada uno de estos ángulos en cada instante de tiempo. Este cálculo

permitiría encontrar la velocidad angular del cuerpo, y a partir de esta, y su cambio

en el tiempo, se puede calcular la aceleración angular. La Figura 16 muestra la

representación de los ángulos directores ( ) para el vector A (en nuestro

caso )

Figura 16. Ángulos directores de un vector en el espacio [25].

A partir de esto, se puede deducir que las ecuaciones para el cálculo de los

ángulos son las siguientes:

(4.25a)

(4.25b)

Page 27: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

19

(4.25c)

Una vez teniendo estos ángulos, se calcula la velocidad angular para cada

uno de éstos:

(4.26a)

(4.26b)

(4.26c)

A partir de esto, se puede encontrar la magnitud para la velocidad angular

del cuerpo de la siguiente forma:

(4.27)

De igual forma se hace el cálculo de la aceleración angular, tomando el

cambio de la velocidad angular en el tiempo.

(4.28a)

(4.29b)

(4.30c)

Y se hace el cálculo de la magnitud de la aceleración angular.

(4.31)

El otro método consiste en el cálculo del cambio del ángulo del vector

en cada instante de tiempo. Este método es más sencillo que el presentado

anteriormente, pues sólo es necesario realizar el cálculo para un ángulo.

Page 28: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

20

Figura 17. Representación del ángulo entre dos vectores [25].

La Figura 17 muestra el ángulo entre dos vectores en el espacio A y B. En

el caso del proyecto ambos vectores serán en dos instantes de tiempo

seguidos, por lo cual las magnitudes de A y B serán iguales. Para calcular el

ángulo se usa la misma ecuación usada para el cálculo de los ángulos del

movimiento de las articulaciones:

(4.32)

Al sustituir los vectores unitarios en la ecuación, da lo siguiente:

(4.33)

Donde y son el vector en dos instantes de tiempo consecutivos.

A partir de esto, se hace el cálculo de la velocidad y aceleración angular.

(4.34)

(4.35)

4.4.2 Método de Euler [13]

En cada instante de tiempo, la orientación de un objeto puede ser definida por

una matriz de transformación. Debido a que la orientación cambia en cada instante

de tiempo, la matriz de transformación debe ser una función continua en el tiempo.

Page 29: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

21

Si se tiene un punto P en el cuerpo, este generará un vector . En el siguiente

instante de tiempo, el punto P cambiará de posición, por lo cual el vector va a

cambiar su dirección. Este nuevo vector se va a llamar , el cual tendrá la misma

magnitud que (Figura 18). Este cambio de dirección se puede calcular por medio

de la matriz de rotación, a través de la siguiente ecuación:

Figura 18. Diagrama vectorial para la derivación de la fórmula de rotación.[13]

(4.36)

(4.37)

(4.38

(4.39)

Los términos de esta matriz son los cosenos direccionales del eje de

rotación. A través de estos términos, es posible calcular unos parámetros

llamados parámetros de Euler. Estos parámetros permiten encontrar la cinemática

Page 30: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

22

de un cuerpo de forma más fácil que si se hiciera por medio cartes iano, o por

medio de la matriz de rotación solamente.

Son cuatro parámetros de Euler: . Estos, al ser en un vector

, este quedaría de la siguiente forma:

(4.40)

El cual va a ser usado más adelante para el cálculo de la velocidad y aceleración

angular del cuerpo.

A partir de estos parámetros, y de un manejo vectorial de la Figura 18, la matriz A

puede ser escrita de la siguiente manera:

(4.41)

La suma de los componentes de la diagonal se llama el rastro de A o trA (del

inglés trace).

(4.42)

A partir de este término y de la matriz A, se puede encontrar el primero de los

parámetros de Euler.

(4.43)

Sustituyendo este término en la diagonal de A, se encuentran los otros tres

parámetros.

(4.44a)

(4.44b)

(4.44c)

Page 31: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

23

En caso de que el parámetro sea diferente de cero, es posible usar las

siguientes expresiones para el cálculo de los otros tres parámetros:

(4.45a)

(4.45b)

(4.45c)

El vector es una función continua en al tiempo, pues sus términos

pertenecen a una función continua en el tiempo como lo es A. Una vez teniendo

estos términos, es posible definir las matrices G y L.

(4.46)

(4.47)

Con estas matrices va a ser posible el cálculo de la velocidad y aceleración

angulares con respecto al sistema de coordenadas propio y con respecto al

sistema de coordenadas global ( y respectivamente).

(4.48a)

(4.48b)

(4.48c)

(4.48d)

Page 32: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

24

5 SISTEMAS DE CAPTURA DE MOVIMIENTO

Actualmente, la Universidad de los Andes cuenta con dos sistemas de captura

de movimiento. Ambos son sistemas ópticos. Este tipo de sistema funciona con

un número de cámaras capturando el movimiento de marcadores situados sobre

un cuerpo por medio de la luz emitida por estos. Estos marcadores pueden ser

pasivos o activos. La diferencia entre estos es que los marcadores pasivos no

emiten luz propia. Es decir, son marcadores de un material reflectivo que reflejan

la luz que emite una fuente. Los marcadores activos son marcadores que emiten

su propia luz. Esta luz capturada por las cámaras tiene una longitud de onda que

es invisible para el ojo humano.

5.1 Sistema OptiTrack

Este sistema de captura de movimiento funciona con marcadores pasivos. Las

especificaciones técnicas de este sistema son las siguientes:

6 cámaras Flex V100 (Figura 19):

o Tasa de adquisición de hasta 100 fps.

o Resolución de 640 x 480.

o Control de tasa de adquisición (25, 50 y 100 fps).

o Rango de operación de 15cm a 6m.

Software Arena Motion Capture (Figura 20):

o Manejo por un solo usuario: el encargado de manejar el software

puede ser el mismo actor.

o Calibración de las cámaras sencilla. El tiempo de calibración típico

es de 5 minutos.

o Asignación automática de marcadores y esqueletos.

Las cámaras están dispuestas de en una configuración circular, de tal forma

que el área capturada es de alrededor de 10m² a una altura de hasta 2m. Este

tipo de configuración intenta asegurar que al menos una cámara capture todos los

marcadores en todo momento, mientras se encuentre dentro del área establecida.

Page 33: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

25

Figura 19. Cámara del sistema OptiTrack [16].

Figura 20. Vista del software Arena para captura del cuerpo completo [15].

Page 34: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

26

5.2 Sistema Phasespace Impulse

Este sistema funciona con marcadores activos. Los marcadores son LEDs que

emiten luz infrarroja. El funcionamiento de este sistema se va a explicar de forma

detallada en el capítulo 7. Las especificaciones técnicas son las siguientes:

8 cámaras Impulse:

o Resolución de 3600x3600 pixeles (12.4 MP).

o Rango de visión de 60°.

o Tasa de adquisición de hasta 480 fps.

Servidor propio con procesador de cuatro núcleos.

Marcadores LED infrarrojos.

Barra de calibración.

Software Master:

o Manejo de un solo usuario.

o Calibración del sistema sencilla.

Figura 21. Cámara del sistema Phasespace [19].

Figura 22. LEDs infrarrojos del sistema Phasespace [18].

Page 35: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

27

5.3 Selección del sistema de captura de movimiento

Al analizar las capacidades de ambos sistemas, se decidió el uso del sistema

Phasespace principalmente por la frecuencia de captura, ya que es de 4.8 veces

más que la del sistema Optitrack.

Adicionalmente, se realizaron algunas pruebas con el sistema Optitrack, a

través de las cuales se confirmó el uso del sistema Phasespace para el proyecto,

ya que surgieron uso inconvenientes técnicos que impedían completamente el uso

de este sistema. Hubo dos principales inconvenientes. El primero fue que, debido

a que el sistema Optitrack usa marcadores de tipo pasivo, había momentos en que

este sistema confundía un marcador con otro, e intercambiaba los datos entre

estos, por lo cual el procesamiento inicial de datos se volvía muy tedioso y de una

cantidad de tiempo más alta. A diferencia de este, el Phasespace, al usar

marcadores activos, estos envían una señal al sistema con la identificación de

cada uno, haciendo que en ningún momento se intercambiaran los marcadores.

El segundo inconveniente (y el más importante) surgió por el rango de captura

de las cámaras. Para poder calibrar el Optitrack, es necesario hacerlo teniendo el

sistema de coordenadas global en el piso, además de tener marcadores en todo el

cuerpo. Al hacer la calibración de esta forma, la altura máxima de captura no

alcanzaba a registrar la mano en el punto más alto del movimiento, y si se calibra

el sistema capturando el punto más alto del movimiento, no es posible que el

sistema reconozca el modelo, pues en este caso no alcanza a registrar los pies.

Page 36: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

28

6 DESARROLLO DEL MODELO DEL CUERPO

Se presenta un modelo biomecánicos Este modelo incluye el tren superior del

cuerpo (de la cintura para arriba) pues las variables de interés corresponden

únicamente a esta parte del cuerpo humano, principalmente en el brazo usado en

el saque. El modelo consta de 8 segmentos, los cuales son: 2 cuerpos en el brazo

izquierdo (brazo superior y antebrazo), 3 en el brazo derecho (brazo superior,

antebrazo, y mano), cabeza, torso, y abdomen. Este modelo es parecido al

modelo propuesto por Rab, G., Petuskey, K., y Bagley, A. (2000) [20] donde se

crea un modelo de 9 cuerpos para el análisis de movimiento de la parte superior

del cuerpo humano.

El posicionamiento de los marcadores se hizo de la siguiente forma:

1. Parte superior del cráneo.

2. Lado izquierdo de la cabeza a la altura de los ojos.

3. Lado derecho de la cabeza a la altura de los ojos.

4. Articulación del hombro izquierdo.

5. Articulación del hombro derecho.

6. Esternón.

7. Columna cervical en la vertebra C4.

8. Columna lumbar en la vertebra L5.

9. Cresta iliaca derecha de la pelvis.

10. Cresta iliaca izquierda de la pelvis.

11. Lado posterior del codo (Epicóndilo) x2 (uno en cada brazo)

12. Lado interior del codo (Epitróclea) x2

13. Lado posterior de la muñeca (Estiloide cubital) x2

14. Lado interior de la muñeca (Estiloide apófisis) x2

15. Falange distal dedo índice x2 (modelo 2)

Los cuerpos serán especificados por los siguientes marcadores:

Cabeza:

o 1, 2, y 3

Torso:

o 4, 5 y 8

Abdomen:

o 8, 9 y 10

Brazo superior:

o Derecho: 5, 11 y 12

o Izquierdo: 4, 16 y 17

Page 37: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

29

Antebrazo:

o Derecho: 11, 12, 13 y 14

o Izquierdo: 16, 17 y 18

Mano:

o 13, 14, y 15

Figura 23. Modelo biomecánico propuesto.

Page 38: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

30

7 PROTOCOLO EXPERIMENTAL

Una vez definido el modelo biomecánico, se procedió a construir el traje.

Para esto es necesario en un principio realizar el cableado necesario para poder

conectar todos los LEDs (marcadores). El sistema Phasespace viene con un traje,

el cual tiene un cableado predeterminado e instalado, el cual se ajustaba de buena

forma al modelo propuesto. Por esto se decidió usar este traje, haciéndole las

modificaciones necesarias para que cumpliera con los requisitos del modelo

propuesto. Las modificaciones hechas fueron la inclusión del guante y de un

gorro, para poder instalar los marcadores de la mano y de la cabeza

respectivamente. Debido a que el número de marcadores útiles del sistema está

muy reducido, fue necesario quitar los de las piernas para poder completar el

modelo.

Para poder explicar cómo se configuró el traje y los marcadores, es

necesario explicar cómo funciona el sistema Phasespace. Este sistema funciona

a través de una conexión de un controlador inalámbrico a un computador. Este

controlador recibe la señal del computador con un perfil de marcadores. Este

perfil lo puede crear uno a la necesidad del momento. Un perfil cuenta con varios

“strings” (secuencias o como se va a llamar de ahora en adelante, cuerda de

marcadores), los cuales están conectados al driver a través de un “hub” (puerto)

que cuenta con seis puertos, donde a cada puerto se conecta una cuerda. Cada

cuerda está compuesta por una serie de marcadores conectados al mismo cable.

Los marcadores vienen marcados con una letra distinta (de la A a la L), y cada

cuerda no puede tener dos marcadores repetidos. Por esto, cada cuerda puede

tener un máximo de 12 marcadores, y cada perfil puede tener un máximo de seis

cuerdas.

Por esto, se configuró el perfil de marcadores a usar, teniendo en cuenta los

marcadores disponibles. El perfil se configuró con el máximo de cuerdas posibles,

para cada parte del cuerpo. Estos son:

1. Pierna Izquierda.

2. Pierna derecha.

3. Brazo izquierdo.

4. Brazo derecho.

5. Tronco y cabeza.

6. Mano.

Una vez configurado el traje, se procedió a configurar el espacio de muestra, y

la configuración de las cámaras. Por recomendación de una persona de soporte

Page 39: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

31

de Phasespace, la ubicación ideal de las cámaras para una mejor cobertura del

espacio a capturar es teniendo las ocho cámaras a una altura de 2.5m

aproximadamente, y una separación entre cámara de no más de 2m. Teniendo las

cámaras ubicadas, se procedió a calibrar el sistema. Para esto, el sistema viene

con una vara de calibración que tiene 10 marcadores puestos sobre esta, con la

cual se captura todo el espacio que pueden ver las cámaras. El programa de

calibración del sistema es muy sencillo de usar, con el cual el sistema también

determina el sistema de coordenadas global. El sistema de coordenadas definido

en la calibración se puede ver en la Figura 24.

Figura 24. Sistema de coordenadas global.

Ya con el sistema calibrado, se procedió a tomar los datos del saque. Se

decidió usar la frecuencia máxima de adquisición de datos que es de 480 hz

(cuadros por segundo) para tener una mayor exactitud en estos. Para la toma de

datos, se situó al jugador de acuerdo al sistema de coordenadas global (Figura

24), donde se realizaba el saque golpeando el balón hacia un telón instalado en el

laboratorio. Se realizaron cuatro tipos de saque distintos, con cinco tomas para

cada uno de ellos.

Page 40: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

32

8 PROCESAMIENTO DE DATOS

Una vez capturadas las tomas, se procedió a importarlas al programa ReCap

2, el cual fue proporcionado por Phasespace y permite un procesamiento inicial de

los datos Uno de los mayores inconvenientes con la toma de los datos es que hay

momentos en que los marcadores se “pierden”. Es decir, hay momentos en que

hay marcadores que no logran ser capturados por ninguna cámara, ya sea porque

está visualmente obstruido, o por que el movimiento es demasiado rápido, y las

cámaras no alcanzan a capturarlo por un instante de tiempo. Para esto, el

programa ReCap 2 es una gran ayuda.

Figura 25. Programa ReCap 2 de Phasespace.

Este programa permite interpolar los datos, para poder llenar los espacios en

que se pierde un marcador, además de filtrarlos. Para esto, el programa genera

las gráficas de desplazamiento de cada marcador (Figura 25), y uno puede

manipular estas, de acuerdo a lo que se requiera. En un principio, es necesario

aplicar un filtro, el cual se decidió que sería un Butterworth de 30 hz, pues por lo

general las redes eléctricas generan ruido a esta frecuencia. Una vez filtrados los

Page 41: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

33

datos, se procede a interpolar los espacios vacios. El programa tiene una gran

variedad de métodos interpolantes, como lo son la interpolación lineal, cúbica y

cuadrática. Gráficamente, la que mejor se acomodaba a los datos era la

interpolación cúbica, por lo cual se decidió usar esta para todas las interpolaciones

que fueran necesarias.

Teniendo todos los datos completos y filtrados por medio de ReCap 2, se

procedió a exportarlos. La exportación se hace a un archivo de texto (Figura 26),

el cual genera una lista de los marcadores, con las posiciones de estos en cada

cuadro capturado. Se exportaron 1000 cuadros por cada prueba, y se

sincronizaron todas, teniendo el punto más alto del marcador de la mano en el

cuadro 700. De esta forma, se garantizaba que en este espacio de tiempo, se

realizara el movimiento completo del saque.

Debido a que el paso siguiente es la generación de los algoritmos en Matlab

para el cálculo de la cinemática, fue necesario importar los datos a Excel y

organizarlos para que la importación de estos a Matlab fuera lo más sencilla

posible (Figura 27).

Figura 26. Archivo de texto generado por ReCap 2.

Page 42: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

34

Figura 27. Datos importados y organizados en Excel.

Una vez teniendo los datos organizados en Excel, se procedió a realizar los

algoritmos necesarios en Matlab para generar las gráficas de la cinemática del

saque.

Page 43: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

35

9 RESULTADOS Y ANÁLISIS

Como se dijo anteriormente, la cinemática comprende el área de la

biomecánica que tiene que ver con el movimiento del cuerpo humano, sin tener en

cuenta las fuerzas que interactúan en el movimiento. Teniendo en cuenta esto, la

caracterización cinemática se realizó encontrando los ángulos en las

articulaciones, y las velocidades y aceleraciones tanto lineales como angulares en

los cuerpos durante el movimiento del saque.

Se tomaron mediciones de cuatro tipos de saques, pero se decidió

caracterizar sólo uno pues este es el más usado por los jugadores de la selección

de la universidad, además que es el único que cumple en un 100% la realidad del

movimiento. Los otros tipos de saque estaban limitados por el sistema de captura

de movimiento.

El saque fue separado en cuatro etapas distintas, las cuales están separadas

en las gráficas por tres líneas, y un número que indica la etapa. En la Figura 28 se

puede ver la separación de las etapas durante el movimiento del saque. Estas

son:

1. Preparación del brazo derecho.

2. Lanzamiento del balón realizado por el brazo izquierdo.

3. Fase de impacto.

4. “Follow-through”.

Figura 28. Etapas del saque.

A continuación, se pueden ver las gráficas de los datos encontrados para

cada cuerpo y articulación del tren superior.

Page 44: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

36

9.1 Ángulos en las articulaciones

Figura 29. Ángulos en el codo izquierdo.

Figura 30. Ángulos en el hombro izquierdo.

A partir de la Figura 29 y la Figura 30 se puede analizar el posicionamiento del

brazo izquierdo completo durante el saque. Se puede ver que durante la primera

etapa, que es cuando se está preparando el brazo derecho, en la articulación del

codo la extensión aumenta, mientras que la flexión del hombro se mantiene

constante lo cual significa que la mano izquierda está bajando, preparándose para

el lanzamiento del balón al aire. Mientras esto sucede, hay cierta aducción y

rotación del hombro izquierdo, haciendo que el brazo se acerque al centro del

cuerpo, para poder realizar el lanzamiento del balón lo más cerca del brazo

derecho posible. Durante la etapa del lanzamiento, empieza a haber flexión del

Page 45: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

37

codo, al mismo tiempo que hay flexión del hombro, lo que significa que el brazo

está subiendo, impulsando el balón hacia arriba. Además, la aducción del hombro

sube y llega a su punto máximo en el momento en que se suelta el balón, lo que

significa que el balón se soltó lo más cerca posible al brazo derecho. Una vez se

suelta el balón, se puede ver que el brazo izquierdo se relaja completamente. El

codo se empieza a extender, mientras que el hombro vuelve en todos sus valores

hacia el cero.

Figura 31. Ángulos en el codo derecho.

Figura 32. Ángulos en el hombro derecho.

Al igual que con el brazo izquierdo, a parir de la Figura 31 y la Figura 32 se

puede analizar el posicionamiento del brazo derecho completo durante el saque.

Durante la primera y segunda etapa, el codo es flexionado un poquito, mientras

que la pronación baja un poco, preparándose para la etapa del impacto. En estas

Page 46: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

38

primeras etapas, el hombro es abducido, manteniendo una flexión y rotación

constantes, lo cual hace que el codo se dirija hacia atrás. En la tercera etapa, el

codo se sigue flexionando casi hasta su punto máximo, momento en que empieza

a extenderse de manera súbita, al mismo tiempo que la pronación sube,

posicionando la palma de la mano de tal forma que pueda impactar el balón en su

totalidad. Mientras esto sucede, el hombro es abducido, flexionado y rotado al

tiempo, lo que permite posicionar el brazo de tal forma que en el momento del

impacto, la mano está adelante del cuerpo y por encima de la cabeza.

Figura 33. Ángulos en la muñeca derecha.

Una vez teniendo definido el movimiento del brazo y antebrazo derecho, a

partir de la Figura 33 se puede ver que aunque la mano ya está posicionada de

forma correcta gracias al brazo y antebrazo, la muñeca debe estar extendida para

no golpear el balón con los dedos sino con la mano, debido a que el golpe se hace

arriba y adelante del cuerpo. Además, debido al tipo de saque, el cual es flotado,

la mano debe permanecer en una posición lo más constante posible para poder

darle el efecto de flotado al balón. En la Figura 33 se puede ver que efectivamente

la muñeca permanece extendida en un ángulo relativamente constante hasta el

punto de impacto. Idealmente, el ángulo no debería cambiar, pero como se ve que

se vuelve menor en el momento del impacto, es posible que el balón salga con un

poco de topspin.

Page 47: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

39

Figura 34. Ángulos en la columna lumbar en la unión torso/abdomen.

Figura 35. Ángulos en la columna cervical a la altura de la unión cabeza/torso.

A partir de la Figura 34 y la Figura 35, se puede analizar el comportamiento de

la columna durante el saque. Se puede ver que el comportamiento tanto en la

unión torso/abdomen como en la unión cabeza/torso es muy similar, a excepción

de la rotación, donde la cabeza tiene un mayor rango de movimiento. En la

primera etapa, antes de empezar el lanzamiento del balón, tanto en la altura de la

cabeza como del torso, los ángulos de flexión y extensión y flexión lateral

permanecen constantes, mientras que la rotación si va subiendo hacia el lado

izquierdo, debido al levantamiento del hombro derecho, mientras que el izquierdo

permanece abajo. Una vez se inicia el movimiento del lanzamiento del balón, la

flexión lateral derecha aumenta, debido al levantamiento del hombro izquierdo,

Page 48: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

40

mientras que se inicia la transición de flexión hacia extensión, siguiendo la

trayectoria del balón de abajo hacia arriba. La cabeza hace la transición antes que

el torso, debido a que antes de lanzar el balón, el jugador anticipa el movimiento

del balón con la mirada hacia arriba.

En la etapa del impacto, el torso se prepara para impactar al balón, donde ni la

flexión lateral ni la extensión varían mucho de valor, hasta que en el instante

previo al impacto, se hace la transición de flexión lateral derecha hacia la

izquierda, debido al levantamiento del brazo derecho, la extensión aumenta de

forma mínima, tratando de mantener el equilibrio del cuerpo para no irse hacia

adelante después del impacto, y la rotación aumenta hacia la izquierda debido a el

movimiento hacia adelante del hombro derecho llevando el brazo al impacto. En

cuanto a la cabeza, en esta etapa la flexión lateral se mantiene del lado derecho,

siguiendo el movimiento del brazo derecho hacia el balón, la extensión sube,

debido al seguimiento con la mirada del balón subiendo, y la rotación va hacia la

derecha, pues debe compensar el giro de hombros para poder seguir con la

mirada la trayectoria del balón.

A partir de estas gráficas de ángulos, se puede determinar de una forma muy

precisa qué tipo de movimientos se realizan durante el saque, ya que teniendo

cuantificados los movimientos se pueden realizar análisis más específicos sobre el

movimiento, y su resultado final.

Además de esto, se puede enfocar el estudio hacia el área de la biomedicina,

donde a partir de los ángulos en el movimiento, se puede determinar si existen

movimientos extremos con los que haya que tener cuidado para evitar lesiones.

En el caso del saque, se puede ver que no hay ningún movimiento extremo, pues

los valores máximos y mínimos se encuentran dentro del rango de movimiento

normal de las articulaciones (Tabla 1).

Page 49: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

41

Rango de movimiento (grados)

Hombro

Columna lumbar

Flexión 0 180

Flexión 0 60

Extensión -80 0

Extensión -25 0

Abducción 0 180

Flexión lat. DER 0 25

Aducción -60 0

Flexión lat. IZQ -25 0

Rotación 0 90

Rotación * -30 30

Codo Flexión 180 30

Columna cervical

Extensión 30 180

Flexión 0 60

Pronación 0 85

Extensión -75 0

Supinación -90 0

Flexión lat. DER 0 45

Flexión lat. IZQ -45 0

Muñeca

Rotación -80 80

Abducción 0 25 Aducción -65 0

Flexión 0 90 Extensión -55 0

Tabla 1. Rangos de movimiento para las articulaciones [3], [5], [6].

* Los datos de rotación de la columna cervical se tomaron de la columna torácica, pues la cervical no cuenta con rango de

movimiento rotacional, y el modelo de la unión torso/abdomen incluye ambas partes de la columna.

Page 50: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

42

9.2 Velocidades y aceleraciones lineales

Figura 36. Velocidad lineal del CG del antebrazo izquierdo.

Figura 37. Aceleración lineal del CG del antebrazo izquierdo.

Page 51: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

43

Figura 38. Velocidad lineal del CG del brazo derecho.

Figura 39. Aceleración lineal del CG del brazo izquierdo.

Al comparar las velocidades y aceleraciones lineales del antebrazo izquierdo

con las del brazo superior izquierdo, se puede ver que el comportamiento es

prácticamente el mismo. La diferencia está en los valores, donde los del antebrazo

Page 52: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

44

son mayores que los del brazo superior. Esto tiene sentido, pues la velocidad del

antebrazo está dada por el movimiento del brazo superior, más el movimiento del

antebrazo solo. Al analizar la Figura 36 el pico más alto de velocidad es el punto

donde el balón sale de contacto con la mano, pues en el momento en que la mano

desacelera, el balón sigue la trayectoria que llevaba, y sale a la velocidad final de

la mano, en este caso el antebrazo. En las etapas posteriores al lanzamiento del

balón, se puede ver que las velocidades tanto del antebrazo como del brazo

superior bajan en una oscilación, tendiendo al cero debido a la relajación de estos.

Figura 40. Velocidad lineal del CG del abdomen.

Page 53: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

45

Figura 41. Aceleración lineal del CG del abdomen.

Figura 42. Velocidad lineal del CG del torso.

Page 54: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

46

Figura 43 Aceleración lineal del CG del torso.

En cuanto al torso y al abdomen, se puede ver que las velocidades y

aceleraciones son muy bajas. Debido a que el punto de referencia para todos los

cuerpos es un marcador ubicado en el torso, las velocidades en este son

generadas principalmente por el movimiento de los hombros, los cuales a partir de

la articulación esternoclavicular, tienen un movimiento que no es tenido en cuenta

en el modelo biomecánico. Estos movimientos hacen que el centroide del torso

cambie de posición, lo que genera las velocidades encontradas. El abdomen sí

tiene movimiento relativo con el torso, pero al ver las gráficas de velocidad y

aceleración e puede ver que son valores muy bajos. Los valores más altos para el

abdomen se encuentran en la etapa del impacto, donde se pasa de flexión lateral

derecha a izquierda, generando un movimiento relativo del centro de gravedad del

abdomen hacia la derecha, siendo positivo.

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47

Figura 44. Velocidad lineal del CG de la cabeza.

Figura 45. Aceleración lineal del CG de la cabeza.

En cuanto a la cabeza, al igual que el abdomen, las velocidades encontradas

son resultado de la rotación entre la cabeza y el torso. Se puede ver que el valor

más alto representa el instante en que la flexión lateral derecha está en su punto

más alto, y empieza a decender.

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48

Figura 46. Velocidad lineal del CG del antebrazo derecho.

Figura 47. Aceleración lineal del CG del antebrazo derecho.

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49

Figura 48. Velocidad lineal del CG del brazo derecho.

Figura 49. Aceleración lineal del CG del brazo derecho.

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50

Figura 50. Velocidad lineal del CG de la mano derecha.

Figura 51. Aceleración lineal del CG de la mano derecha.

El brazo derecho es la extremidad más interesante en el movimiento del

saque, pues es el que realiza el impacto del balón. Al igual que en el brazo

izquierdo el brazo superior derecho, el antebrazo derecho y la mano tienen un

Page 59: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

51

comportamiento cinemático lineal similar. Como se puede ver en la Figura 46, en

la Figura 48 y en la Figura 50, los valores más altos tanto de velocidad como de

aceleración se encuentran prácticamente en el mismo instante. Este pico de

velocidad y aceleración representa el punto de impacto del balón. Como se

esperaba desde un principio, las velocidades y aceleraciones más altas están

generadas en la mano, seguidas por el antebrazo derecho y el brazo superior

derecho. Al igual que con el antebrazo izquierdo, esto tiene sentido, pues el

antebrazo se mueve con el brazo superior, y la mano se mueve tanto con el

antebrazo como con el brazo superior. En la Tabla 2 se pueden ver los valores

máximos de velocidad lineal en los cuerpos y en la Tabla 3 se pueden ver los

valores máximos de aceleración lineal en los cuerpos.

Velocidades lineales máximas (m/s)

X Y Z MAG

Mano 3,821 2,493 0,970 4,351

Antebrazo DER 2,413 -1,692 -0,544 2,700

Brazo sup DER 1,203 -0,901 0,446 1,388

Antebrazo IZQ 0,806 1,675 -0,508 1,763

Brazo sup IZQ -0,566 0,792 -0,329 0,850

Torso 0,240 0,237 0,455 0,534

Abdomen -0,164 0,210 0,444 0,504

Cabeza -0,973 0,259 0,964 1,031 Tabla 2. Velocidades lineales máximas en cada cuerpo.

Aceleraciones lineales máximas (m/s^2)

X Y Z MAG

Mano 42,098 -54,560 24,662 57,255

Antebrazo DER 18,379 -31,210 9,520 34,885

Brazo sup DER -10,862 -12,798 13,609 17,841

Antebrazo IZQ -10,097 -12,154 -4,073 12,268

Brazo sup IZQ -5,288 -5,676 -3,804 5,847

Torso 2,540 2,647 -4,386 4,701

Abdomen 2,842 2,389 -4,202 4,843

Cabeza -4,469 3,336 -4,171 5,861 Tabla 3. Aceleraciones lineales máximas en cada cuerpo.

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52

9.3 Velocidades y aceleraciones angulares

Figura 52. Velocidad angular del antebrazo izquierdo.

Figura 53. Aceleración angular del antebrazo izquierdo.

Como se puede ver en la Figura 52 y en la Figura 53, y tal como se esperaba,

los valores más altos para la velocidad y aceleración angular del antebrazo

izquierdo se encuentran en la etapa del lanzamiento del balón, con el pico en el

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53

instante en que se suelta el balón. Durante la etapa de preparación, previa al inicio

de la etapa de lanzamiento, tanto la velocidad como la aceleración angular es

cercana a cero, pues en ese momento el brazo se encuentra prácticamente

inmóvil. Durante las etapas de impacto y follow-through, existen velocidades y

aceleraciones angulares, aunque en una menor magnitud que en el lanzamiento

del balón, debido a la relajación del brazo, donde este baja de manera controlada.

Figura 54. Velocidad angular del brazo superior izquierdo.

Figura 55. Aceleración angular del brazo superior izquierdo.

Page 62: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

54

Al igual que en el antebrazo izquierdo, los picos de velocidad angular se

encuentran en la etapa de lanzamiento del balón, en el instante en que se suelta

este. La aceleración angular también tiene su pico máximo en este punto, aunque

existen otros puntos similares, donde la desaceleración es en magnitud parecida a

la del impacto.

Figura 56. Velocidad angular del abdomen.

Figura 57. Aceleración angular del abdomen.

Para el abdomen, como se puede ver en la Figura 56 y en la Figura 57 , tanto

las velocidades como las aceleraciones angulares son menores que para el brazo

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55

superior y antebrazo izquierdo. Ambas figuras aparecen con una mayor cantidad

de picos que pueden ser confundidos por ruido, pero en realidad esto ocurre

porque, debido a la poca movilidad del abdomen, los cambios de dirección en los

giros suceden más a menudo.

Figura 58. Velocidad angular del torso.

Figura 59. Aceleración angular del torso.

Debido al giro de hombros, el torso tiene una mayor movilidad que el

abdomen. Esto se puede ver reflejado en los valores de la velocidad y aceleración

angular de este, en comparación con las del abdomen. Como era de esperar, los

calores más altos fueron registrados en el momento del impacto, donde el giro de

hombros de izquierda a derecha es pronunciado, y se hace de forma rápida.

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56

Figura 60. Velocidad angular del brazo superior derecho.

Figura 61. Aceleración angular del brazo superior derecho.

Pasando al brazo superior derecho, se puede ver en la Figura 60 y en la

Figura 61 que los valores tanto de velocidad como de aceleración angular son los

más altos hasta ahora. También es posible observar que el valor más alto de

velocidad se registra en el punto del impacto con el balón. En cuanto a la

aceleración, se ven distintos picos, debido a los cambios de velocidad angular

después del impacto.

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57

Figura 62. Velocidad angular del antebrazo derecho.

Figura 63. Aceleración angular del antebrazo derecho.

Como se puede ver en la Figura 62 y en la Figura 63, el antebrazo derecho

genera mayores velocidades y aceleraciones angulares que el brazo superior

derecho como era de esperar. El valor máximo de velocidad angular está en el

instante después del impacto del balón, con lo cual se asegura que al golpear el

balón no vaya a haber una pérdida de energía en el instante del impacto.

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58

Figura 64. Velocidad angular de la mano derecha.

Figura 65. Aceleración angular de la mano derecha.

Finalmente, al analizar la mano, se puede ver que efectivamente este cuerpo

es el que genera la mayor velocidad angular de todos. La razón de esto es la

misma que en las velocidades y aceleraciones lineales, ya que el movimiento final

de la mano está influenciado por el movimiento tanto del brazo superior como del

antebrazo. Al igual que en el antebrazo, como se puede ver en la Figura 64, el

pico de velocidad se genera en el instante mismo del impacto del balón. Esta

velocidad y el máximo de aceleración es el máximo generado en todos los cuerpos

(Tabla 4 y Tabla 5).

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59

Velocidades angulares máximas (gra/s)

X Y Z MAG

Mano 508,4 382,3 -993,6 1016,9 Antebrazo DER 170,4 185,2 -727,7 756,9

Brazo sup DER 132,4 70,5 -283,3 306,1

Antebrazo IZQ -364,2 -153,1 79,7 373,9

Brazo sup IZQ 30,9 -38,1 -255,2 256,5

Torso -64,1 132,8 40,3 140,3

Abdomen -25,2 -76,8 -59,9 99,5

Cabeza 22,5 -69,1 32,8 70,9 Tabla 4. Velocidades angulares máximas en cada cuerpo.

Aceleraciones angulares máximas (gra/s^2)

X Y Z MAG

Mano 15256,9 -8298,4 -22813,7 24281,6 Antebrazo DER -3886,1 -5642,4 -15809,7 16518,6

Brazo sup DER 3946,6 -976,3 3744,4 4005,6

Antebrazo IZQ 2721,6 -3264,7 1394,4 3542,5

Brazo sup IZQ 895,3 593,2 1654,9 1873,9

Torso 693,9 -981,4 774,8 1335,4

Abdomen 321,7 557,7 503,0 643,3

Cabeza 926,2 -2222,4 1225,4 2480,7 Tabla 5. Aceleraciones angulares máximas en cada cuerpo.

Si se combina el análisis dinámico con los ángulos en las articulaciones, es

posible generar relaciones del tipo ángulo/velocidad lineal o ángulo/aceleración

lineal, a través de las cuales se puede llegar a cuantificar la influencia que tiene el

cambio de unos grados en el movimiento de una articulación, hacia la velocidad de

salida del balón, la cual sería una de las variable más importantes para un estudio

que busque la mejora del saque de voleibol.

De igual forma, otras variables importantes en caso de realizar un análisis del

saque serían la velocidad y aceleración angular de la mano. Como se dijo en la

introducción, es posible generar una variedad de efectos sobre el balón en el

momento de golpear el balón, por lo cual se podrían generar relaciones del tipo

velocidad angular de la mano/velocidad angular del balón. Este tipo de relaciones

serían muy interesantes de analizar, pues el efecto que se le imprime al balón en

el saque está siendo cada día más importante en el juego de voleibol, tanto a nivel

universitario como a nivel internacional.

Page 68: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

60

10 CONCLUSIONES

A partir de las gráficas publicadas en el capítulo anterior, se puede concluir

que este proyecto cumplió con el objetivo de caracterizar cinemáticamente el

saque en voleibol.

A partir de este estudio es posible realizar un análisis dinámico del saque para

encontrar el traslado de la energía de los distintos cuerpos del tren superior hacia

el balón, a partir del cual se pueden generar una variedad de relaciones a través

de las cuales puede ser posible encontrar la influencia de la posición y movimiento

de las distintas partes del cuerpo sobre las características cinemáticas de salida

del balón.

Además de cumplir el objetivo general y todos los sub-objetivos planteados, se

pudo realizar un análisis del sistema de captura de movimiento Phasespace para

el análisis de un movimiento rápido. En un inicio el proyecto pretendía caracterizar

el movimiento del ataque de voleibol, pero por problemas técnicos del sistema de

captura de movimiento no fue posible realizarlo. Por esto, se recomienda pedir

soporte personalizado y presencial de la fábrica de este sistema, pues si se desea

realizar más estudios sobre movimientos deportivos, o sobre movimientos de alta

velocidad, actualmente no es posible.

Además de esto, para unos resultados más exactos, se propone realizar el

mismo estudio pero en campo, es decir, capturando el movimiento del saque en la

cancha. De esta forma, los datos capturados permiten analizar en un 100% la

realidad del movimiento, pues haciéndolo en un laboratorio, por más experiencia

que tenga el jugador, este no va a poder replicar el movimiento en un 100%.

Page 69: CARACTERIZACIÓN CINEMÁTICA DEL TREN SUPERIOR EN EL …

61

11 BIBLIOGRAFÍA

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