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Abstract

Humans have walked the earth for more than 200,000 years, yet it is not fully understood how this is achieved in stable and robust manner. In this work we analyzed human balancing during static and dynamic balance tasks based on motion capture data. A balancing task requires the subject to either constantly perform recovery movements or to learn an inherently stable and robust motion specific to the task. We designed a static balance test and analyzed dynamic balance during slackline balancing and the tandem walk test. We gathered data from over 60 participants in two studies. In the first study, we analyzed slackline balancing with the goal to define balance performance indicators and measures for slackline expertise. We compared beginners that had never balanced on a slackline before to professional slackline athletes. All participants also performed the static balance test. We found that trained slackliners balance very well in the static balance test, whereas the beginner group showed a larger variance in the time they managed to balance. Therefore, we divided the beginner group into balance-experienced and balance-inexperienced according to this test. Based on over 300 balancing trials on the slackline of 20 participants we defined and evaluated over 30 balance metrics. Normalized angular momentum and Center of Mass acceleration allow us to quantify stability and amount of recovery movements. Posture and movement was similar for the beginner groups, whereas professional slackliners have adapted a different pose and strategy that allows them to consistently maintain a horizontal head orientation and upright posture. We found that their hand movement is more coordinated, their stance foot less accelerated by the slackline and their stance leg more compliant. In the balance study of the "Schizophrenia and the Moving Body" project by Lily Martin, we compared the balance capabilities of an experimental group consisting of persons with schizophrenia to a healthy control group. Participants performed the static balance test and twice the tandem walk, once with eyes open and once with eyes closed. Applying the balance indicators showed deficits in static and dynamic balance of the experimental group when compared to the control group. They had significantely larger values for normalized angular momentum and Center of Mass acceleration and took significantly more recovery steps to maintain balance. When analyzing the strategy employed by the two groups, we found that the control group successfully used their arms to balance and place correct steps, whereas the experimental group mainly relied on recovery steps and did not involve the arms. We combined and analyzed data from all participants of both studies. For static balance we found that sideways Center of Pressure sway distance and front-back sway velocity are the most suitable parameters to quantify balance capabilities. We then compared flat ground tandem walking to slackline walking based on the balance performance indicators. Professional slackline athletes are able to reduce many performance indicators to the values regular tandem walking. The only show larger normalized angular momentum in the frontal plane and increased sideways Center of Mass acceleration, which are both a direct consequence of the instability introduced by the slackline. Further, we found that their pose and movement strategy is specific to slackline balancing and not used by other participants neither in tandem walking nor slackline walking of beginners. In the last part of this thesis we prototyped a pressure sensor for the slackline and showed that we can reliably measure Center of Pressure data during slackline balancing. Based on the findings we developed a specific contact interaction model. We used this contact model inside an optimal control problem formulation to perform a fully dynamic reconstruction of slackline jumping

Translation of abstract (German)

Menschen bewegen sich seit Jahrtausenden auf der Erde, jedoch haben wir immer noch nicht genau verstanden wie sie dabei Balance halten. Sie meistern Balanceaufgaben entweder indem sie Ausgleichs- bewegungen durchführen oder erlernen eine spezifische, stabile Bewegung. In dieser Arbeit analysieren wir statische und dynamische Balance basierend auf Ganzkörperbewegungserfassung. Wir haben dazu einen Test für Statische Balance entwickelt und Balancieren auf der Slackline sowie den Seiltänzergang (Tandem Walk) als Balanceaufgabe verwendet. In zwei Studien haben wir Bewegungsdaten von über 60 Teilnehmern erfasst. In der ersten Studie haben wir Balancieren auf der Slackline analysiert mit dem Ziel Balance Indicatoren und Messvariablen für Slackline Expertise zu entwickeln. Wir haben dazu Anfänger, die noch nie auf einer Slackline balanciert haben und professionelle Slackliner verglichen. Alle Teilnehmer haben ebenfalls den Statischen Balance Test absolviert. Hier zeigten Slackline Profis durchgehend sehr gute Balance, wohingegen die Anfängergruppe stark variierte. Dementsprechend wurde die Anfänger Gruppe in balanceerfahren und balanceunerfahren geteilt. Basierend auf über 300 Aufnahmen von 20 Teilnehmern haben wir 30 Balance Indikatoren definiert und ausgewertet. Wir konnten zeigen, dass man normalisierter Drehimpuls und Schwerpunktbeschleunigung verwenden kann um Stabilität und die schwere von Ausgleichsbewegungen zu quantifizieren. Des weiteren fanden wir eindeutige Unterschiede in der Körperhaltung und Bewegungsstrategie. Diese ermöglichen trainierten Slacklinern eine aufrechten Köperposition zu halten. Sie zeigten bessere Bewegungskoordination, geringere Beschleunigung am Standfuß durch die Slackline und angepasste Nachgiebigkeit im Standbein. In der Balancestudie des "Schizophrenia and the Moving Body" Projekts von Lily Martin haben wir die Balancefähigkeiten einer Experimentalgruppe, bestehend aus Menschen mit Schizophrenie und einer gesunden Kontrollgruppe verglichen. Alle Teilnehmer haben den Statischen Balance Test und zweimal den Seiltänzergang, einmal mit offenen und einmal mit geschlossenen Augen, durchgeführt. Anwendung der Balance Indikatoren hat gezeigt, dass die Experimentalgruppe Defizite in statischer und dynamischer Balance hat. Während dem Seiltänzergang zeigten sie signifikant höhere Werte für normalisierten Drehimpuls und Schwerpunktsbeschleunigung und benötigten mehr Ausfallschritte um Balance zu halten. Ein Vergleich der Balancestrategien beider Gruppen zeigt, dass ein Teil der Kontrollgruppe die Balanceaufgabe durch Armbewegung erfolgreich meistert, wohingegen Teilnehmer aus der Experimentalgruppe ausschließlich Ausgleichsschritte nutzen und kaum Armeinsatz zeigen. In einer Zusammenfassung der beiden Studien haben wir Bewegungsdaten aller Teilnehmer ver- glichen. Dabei zeigte sich, dass wir seitliche Center of Pressure Schwingungsdistanz und vor-zurück Schwingungsgeschwindigkeit als geeignete Parameter zur Quantifizierung von statischen Balance- fähigkeiten verwenden können. Anschließend haben wir den Seiltänzergang zum Laufen auf der Slackline mithilfe der Balanceindikatoren verglichen. Erfahrene Slackliner sind in der Lage viele Indikatoren auf Werte, wie wir sie beim einfacheren Seiltänzergang finden, zu reduzieren. Lediglich normalisierter Drehimpuls in der Frontalebene und seitliche Schwerpunktbeschleunigung sind erhöht. Die Slackline spezifische Bewegungsstrategie findet sich bei keinem der anderen Teilnehmer. Im letzten Teil dieser Arbeit haben wir einen Kontaktsensor für die Slackline entwickelt mit dem man zuverlässig die Interaktion zwischen dem Probanden und der Slackline messen kann. Auf diesen Daten basierend haben wir ein Kontaktmodell entworfen und damit innerhalb eines Optimalsteuerungsproblems einen Sprung auf der Slackline rekonstruiert.