Biomechanical Validation of a Test Environment for Ball-Racket Contact in Tennis

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der biomechanischen Validierung des Manusimulators, eines mechano-robotischen Arms, als wiederholbare Testumgebung für kontrollierte Aufprallversuch zwischen Tennisball und Schläger. Es wurden spinfreie Aufpralle bei Geschwindigkeiten von 20, 25, und 30 m/s erzeugt und mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Stereovideographie sowie optischer Bewegungserfassung charakterisiert. Um die biologische Übereinstimmung zu bewerten, wurden die Versuche am Manusimulator mit Aufpralltests von drei Probanden verglichen, welche den Schläger unter identischen Bedingungen hielten. Die untersuchten Kennzahlen umfassten die Abprallgeschwindigkeit des Balls, die Rückstoßbewegung des Schlägers, die Impulsübertragung, die wirksame Handmasse sowie einen rückstoßabhängigen Wert für das Rückprallverhalten (COR). Während der Manusimulator die geschwindigkeitsabhängigen Trends der menschlichen Versuche erfolgreich wiedergibt, zeigt er regelmäßig geringere Rückstoß- und COR-Werte. Dies deutet auf eine höhere Steifigkeit des Manusimulators im Vergleich zum menschlischen Hand-Arm-System. Dennoch bietet der Aufbau eine physikalisch beständige und sehr genau wiederholbare Vergleichsbasis. Zukünftige Verbesserungen sollten sich auf die Modellierung der Griffnachgiebigkeit konzentrieren, um die menschliche Biomechanik noch präziser abzubilden.

This thesis presents the biomechanical validation of the Manusimulator, a mechano-robotic arm, as a repeatable test environment for controlled tennis ball-racket impacts. Nonspinning impacts were generated at inbound velocities of 20, 25, and 30 m/s and characterized using high-speed stereo videography and optical motion capture. To assess the system’s biofidelity, Manusimulator trials were compared with stationary-hold impacts performed by three human participants under identical experimental conditions. Performance metrics included ball rebound velocity, racket recoil kinematics, impulse transmission, effective hand mass, and a recoil-dependent coefficient of restitution (COR). The results demonstrate that while the Manusimulator successfully replicates the velocitydependent trends observed in the human trials, it consistently exhibits lower recoil and COR values. This suggests a higher effective stiffness of the mechano-robotic system compared to that of the biological hand-arm complex. Nevertheless, the setup provides a physically consistent and highly repeatable reference platform. Future refinements should focus on modeling grip compliance to more accurately simulate human biomechanics.