liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
A musculoskeletal full‐body simulation of cross‐country skiing
Linköping University, Department of Management and Engineering, Mechanics. Linköping University, The Institute of Technology.ORCID iD: 0000-0002-6267-3847
Mid Sweden University.
2008 (English)In: Proc. IMechE Vol. 222 Part P: J. Sports Engineering and Technology, ISSN 1754-3371 (print) 1754-338X (online), Vol. 222, no 1, 11-22 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

This paper presents a measurement-driven, musculoskeletal, full-body simulation model for biomechanical analysis of the double-poling (DP) technique in cross-country skiing. DP is a fast and powerful full-body movement; therefore, it is interesting to examine whether inverse dynamics using static optimization is working for a musculoskeletal full-body model with high accelerations, a large range of motion, and realistic loads. An experiment was carried out to measure motion and pole force of a skier on a double-poling ergometer. Using the measurement data, a simulation model was implemented in the AnyBody Modeling System (AnyBody Technology A/S, Denmark). Experimental results of motion and pole force from the DP ergometer, and also simulation results of relative muscle force profiles, are presented. These results agree with results found in literature when the kinematics and external kinetics are similar. Consequently, it should be possible to use computer simulations of this type for cross-country skiing simulations. With a simulation model, it is possible to perform optimization studies and to ask and answer ‘what if’ questions. Solutions to such problems are not easy to obtain by traditional testing alone.

Place, publisher, year, edition, pages
2008. Vol. 222, no 1, 11-22 p.
Keyword [en]
biomechanics, double poling, ergometer, inverse dynamics
National Category
Applied Mechanics Sport and Fitness Sciences
URN: urn:nbn:se:liu:diva-12912DOI: 10.1243/17543371JSET10OAI: diva2:17375
Available from: 2008-01-28 Created: 2008-01-28 Last updated: 2015-01-14
In thesis
1. Computational Biomechanics in Cross-country Skiing
Open this publication in new window or tab >>Computational Biomechanics in Cross-country Skiing
2008 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Traditionally, research on cross‐country skiing biomechanics is based mainly on experimental testing alone. Trying a different approach, this thesis explores the possibilities of using computational musculoskeletal biomechanics for cross‐country skiing. As far as the author knows, this has not been done before.

Cross‐country skiing is both fast and powerful, and the whole body is used to generate movement. Consequently, the computational method used needs to be able to handle a full‐body model with lots of muscles. This thesis presents several simulation models created in the AnyBody Modeling System, which is based on inverse dynamics and static optimization. This method allows for measurementdriven full‐body models with hundreds of muscles and rigid body segments of all major body parts.

A major result shown in the thesis is that with a good simulation model it is possible to predict muscle activation. Even though there is no claim of full validity of the simulation models, this result opens up a wide range of possibilities for computational musculoskeletal biomechanics in cross‐country skiing. Two example of new possibilities are shown in the thesis, finding antagonistic muscle pairs and muscle load distribution differences in different skiing styles. Being able to perform optimization studies and asking and answering “what if”‐questions really gives computational methods an edge compared to traditional testing.

To conclude, a combination of computational and experimental methods seems to be the next logical step to increase the understanding of the biomechanics of crosscountry skiing.

Abstract [sv]

Traditionellt har biomekaniska forskningsstudier av längdskidåkning baserats helt och hållet på experimentella metoder. För att prova ett annat angreppssätt undersöks i denna avhandling vilka möjligheter som beräkningsbaserad biomekanik kan ge för längdskidåkning. Så vida författaren vet, har detta inte gjorts tidigare.

Längdskidåkning innehåller snabba och kraftfulla helkroppsrörelser och därför behövs en beräkningsmetod som kan hantera helkroppsmodeller med många muskler. Avhandlingen presenterar flera simuleringsmodeller skapade i AnyBody Modeling System, som baseras på inversdynamik och statisk optimering. Denna metod tillåter helkroppsmodeller med hundratals muskler och stelkroppssegment av de flesta kroppsdelarna.

Ett resultat som avhandlingen visar är att med en bra simuleringsmodell är det möjligt att förutsäga muskelaktiviteten för en viss rörelse och belastning på kroppen. Även om ingen validering av simuleringsmodellen ges, så visar ändå resultatet att beräkningsbaserad biomekanik ger många nya möjligheter till forskningsstudier av längdskidåkning. Två exempel visas, hur muskelantagonister kan hittas samt hur lastfördelningen mellan musklerna förändras då skidåkaren förändrar stilen. Att kunna genomföra optimeringsstudier samt fråga och svara på ”vad händer om”‐ frågor ger beräkningsbaserad biomekanik en fördel i jämförelse med traditionell testning.

Slutsatsen är att en kombination av beräkningsbaserade och experimentella metoder borde vara nästa steg för att addera insikt om längdskidåkningens biomekanik.

Place, publisher, year, edition, pages
Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, 2008. 7 p.
Linköping Studies in Science and Technology. Thesis, ISSN 0280-7971 ; 1346
Computer simulation, Inverse dynamics, Musculoskeletal, Optimization, Simulation model, Sports, Computational Biomechanics, Cross‐country Skiing
National Category
Mechanical Engineering
urn:nbn:se:liu:diva-10671 (URN)978‐91‐7393‐986‐7 (ISBN)
2008-02-08, Case-salen, Hus A, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 13:00 (English)
Report code: LIU‐TEK‐LIC‐2008:4. On the day of the defence date the status of article V was: Submitted.Available from: 2008-01-28 Created: 2008-01-28 Last updated: 2015-01-14Bibliographically approved
2. Musculoskeletal Biomechanics in Cross-country Skiing
Open this publication in new window or tab >>Musculoskeletal Biomechanics in Cross-country Skiing
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Why copy the best athletes? When you finally learn their technique, they may have already moved on. Using muscluloskeletal biomechanics you might be able to add the "know-why" so that you can lead, instead of being left in the swells.

This dissertation presents the theoretical framework of musculoskeletal modeling using inverse dynamics with static optimization. It explores some of the possibilities and limitations of musculoskeletal biomechanics in cross-country skiing, especially double-poling. The basic path of the implementation is shown and discussed, e.g. the issue of muscle model choice. From that discussion it is concluded that muscle contraction dynamics is needed to estimate individual muscle function in double-poling. Several computer simulation models, using The Anybody Modeling System™, have been created to study different cross-country skiing applications. One of the applied studies showed that the musculoskeletal system is not a collection of discrete uncoupled parts because kinematic differences in the lower leg region caused kinetic differences in the other end of the body. An implication of the results is that the kinematics and kinetics of the whole body probably are important when studying skill and performance in sports. Another one of the applied studies showed how leg utilisation may affect skiing efficiency and performance in double-poling ergometry. Skiing efficiency was defined as skiing work divided by metabolic muscle work, performance was defined as forward impulse. A higher utilization of the lower-body increased the performance, but decreased the skiing efficiency. The results display the potential of musculoskeletal biomechanics for skiing efficiency estimations. The subject of muscle decomposition is also studied. It is shown both analytically and with numerical simulations that muscle force estimates may be affected by muscle decomposition depending on the muscle recruitment criteria. Moreover, it is shown that proper choices of force normalization factors may overcome this issue. Such factors are presented for two types of muscle recruitment criteria.

To sum up, there are still much to do regarding both the theoretical aspects as well as the practical implementations before predictions on one individual skier can be made with any certainty. But hopefully, this disseration somewhat furthers the fundamental mechanistic understanding of cross-country skiing, and shows that musculoskeletal biomechanics will be a useful complement to existing experimental methods in sports biomechanics.

Abstract [sv]

Varför ska man kopiera de som är bäst inom sin idrottsgren? När man väl har lärt sig deras teknik så har de antagligen redan gått vidare. Vore det inte bättre att öka sin förståelse så att man kan ligga i framkant, istället för i svallvågorna? Med biomekaniska simuleringar som ett komplement till traditionella experimentella metoder finns möjligheten att få veta varför prestationen ökar, inte bara hur man ska göra för att öka sin prestation.

Längdskidåkning innehåller snabba och kraftfulla helkroppsrörelser och därför behövs en beräkningsmetod som kan hantera helkroppsmodeller med många muskler. Avhandlingen presenterar flera muskeloskelettära simuleringsmodeller skapade i The AnyBody Modeling System™ och är baserade på inversdynamik och statisk optimering. Denna metod tillåter helkroppsmodeller med hundratals muskler och stelkroppssegment av de flesta kroppsdelarna.

Avhandlingen visar att biomekaniska simuleringar kan användas som komplement till mer traditionella experimentella metoder vid biomekaniska studier av längdskidåkning. Exempelvis går det att förutsäga muskelaktiviteten för en viss rörelse och belastning på kroppen. Detta nyttjas för att studera verkningsgrad och prestation inom dubbelstakning. Utifrån experiment skapas olika simuleringsmodeller. Dessa modeller beskriver olika varianter (eller stilar) av dubbelstakning, alltifrån klassisk stil med relativt raka ben och kraftig fällning av överkroppen till en mer modern stil där åkaren går upp på tå och använder sig av en kraftig knäböj. Resultaten visar först och främst att ur verkningsgradsynpunkt är den klassiska stilen att föredra då den ger mest framåtdrivande arbete per utfört kroppsarbete, dvs den är energisnål. Men ska en längdlöpare komma så fort fram som möjligt (utan att bry sig om energiåtgång) verkar det som en mer modern stil är att föredra. Denna studie visar också att för att kunna jämföra kroppens energiåtgång för skelettmusklernas arbete mellan olika rörelser så krävs det en modell där muskler ingår. Andra studier som presenteras är hur muskelantagonister kan hittas, hur lastfördelningen mellan muskler eller muskelgrupper förändras när rörelsen förändras samt effekter av benproteser på energiåtgång.

Några aspekter av metoden presenteras också. Två muskelmodeller och dess inverkan på olika simuleringsresultat visas. En annan aspekt är hur muskeldekomposition och muskelrekryteringskriterium påverkar beräkningarna. Normaliseringsfaktorer för olika muskelrekryteringskriterium presenteras.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping University Electronic Press, 2012. 42 p.
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1437
National Category
Applied Mechanics
urn:nbn:se:liu:diva-76148 (URN)978-91-7519-931-3 (ISBN)
Public defence
2012-05-04, C3, C-building ent. 16, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (Swedish)
Beräkningsbaserad biomekanik inom längdskidåkningen - möjligheter och begränsningar
Available from: 2012-03-30 Created: 2012-03-29 Last updated: 2015-01-14Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(657 kB)567 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 657 kBChecksum SHA-512
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textLink to Licentiate Thesis

Search in DiVA

By author/editor
Holmberg, L. Joakim
By organisation
MechanicsThe Institute of Technology
Applied MechanicsSport and Fitness Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 567 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Altmetric score

Total: 344 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link