Measuring lower limb strength and symmetry is a common practice in elite sports to determine the return to sports point in time during rehabilitation, and this information could be useful for amateur athletes too. However, the devices used for this are highly sophisticated and hardly accessible. The aim of this project is to devise an affordable system for lower limb strength measurement which can be integrated with a common training system, to make this type of information widely available. The system is built up on a flywheel-based leg extension machine (LegExx by Exxentric AB) that allows quadriceps training at maximal force in concentric and eccentric contraction. Inexpensive standard components and software were used for prototyping.

The parameters of interest were angular velocity of extension/flexion in the knee and force applied by the athlete. In the first step, evaluation was limited to the concentric phase of movement. Angular velocity and leg position was measured with a gyroscope sensor (Movesense by Suunto). For force measurement, two approaches were tested: In prototype A, the tension of the drive belt, which ultimately puts the flywheel into rotation, was measured with a sensor for tensile forces (Tindeq Progressor 300). In prototype B, a more direct measurement was used, with force sensors mounted under the contact point of the athlete’s shank with the swing beam of the LegExx.

Sensor data were transmitted via Bluetooth to a mobile device or a laptop and displayed graphically after synchronization of the data streams. Force values were converted to torque using inverse kinematics to make the two prototypes comparable.

The first prototypes were shown to be workable and yielded similar readings for concentric peak torque, with realistic wave forms in the graphical display. Comparison with results of a gold standard isokinetic dynamometer revealed, however, major discrepancies mainly regarding the absolute torque values. Oscillation in the belt system were identified as an issue in prototype A, while cross talk between sensors and vulnerability to leg placement occurred in prototype B. However, these issues are not insurmountable, and it is suggested to proceed with the development of prototype B, as it has the advantage of simultaneous measurement and direct comparison of both legs.

Att mäta styrka och symmetri i nedre extremiteterna är vanligt inom elitidrott för att avgöra när man kan återgå till idrottsutövning under rehabiliteringen, och denna information kan vara användbar även för amatöridrottare. De apparater som används för detta är dock mycket sofistikerade och svårtillgängliga. Syftet med detta projekt är att utforma ett prisvärt system för mätning av styrkan i nedre extremiteterna som kan integreras med ett vanligt träningssystem, för att göra denna typ av information allmänt tillgänglig. Systemet är uppbyggt på en svänghjulsbaserad benspark maskin (LegExx från Exxentric AB) som möjliggör quadriceps träning vid maximal kraft i koncentrisk och excentrisk kontraktion. Kostnadseffektiva standardkomponenter och mjukvara användes för prototypframställning.

De parametrar som var av intresse var vinkelhastighet för utsträckning- /böjning i knäet och den kraft som utövades av idrottaren. I det första steget begränsades utvärderingen till rörelsens koncentriska fas. Vinkelhastighet och benposition mättes med en gyroskopisk sensor (Movesense från Suunto). För kraftmätning testades två tillvägagångssätt: I prototyp A mättes dragkraften i drivremmen, som i slutändan sätter svänghjulet i rotation, med en sensor för dragkrafter (Tindeq Progressor 300). I prototyp B användes en mer direkt mätning med kraftsensorer som monterades under kontaktpunkten mellan idrottsutövarens smalben och LegExx:s svängbalk.

Sensordata överfördes via Bluetooth till en mobil enhet eller en bärbar dator och visades grafiskt efter synkronisering av dataströmmarna. Kraftvärden omvandlades till vridmoment med hjälp av invers kinematik för att göra de två prototyperna jämförbara.

De första prototyperna visade sig fungera och gav liknande mätningar för koncentriskt toppmoment, med realistiska vågformer i den grafiska displayen. En jämförelse med resultaten från en isokinetisk dynamometer med guldstandard visade dock på stora skillnader, främst när det gäller de absoluta vridmomentvärdena. Oscillation i bältesystemet identifierades som ett problem i prototyp A, medan överkoppling mellan sensorer och känslighet för benplacering förekom i prototyp B. Dessa problem är dock inte oöverstigliga, och det föreslås att man fortsätter att utveckla prototyp B, eftersom den har fördelen av samtidig mätning och direkt jämförelse av båda benen.