In soccer, sports science aims to prevent injuries and improve performance by biomechanically analyzing a series of kick processes. Kinetic studies, kinematic studies, and electromyography-based studies have been conducted to understand the movement of the lower limb during the kick process. However, these studies only observed the characteristics of the phenomenon, but lacked a consideration of operating strategies.
In this study, we considered that the joint torque that induces the lower limb movement should contain the information about the key features of the kick motion such as 'proximal to distal pattern' and 'interactions between the segments'. Therefore, we proposed a linear joint torque model that includes the kinematic information.
Five healthy men participated in an experiment to perform four-level instep kick. We collected kinematic and kinetic information of the hip and knee joints. This information was used to calculate the hip joint torque through an inverse dynamics method and to optimize the torque gain of the model.
As a result, the regression coefficients of the knee joint torque model and the hip joint torque model were 0.7874 and 0.9149, respectively. Statistically, the model was found to be valid. The higher the kick velocity, the more the hip torque increased and the knee joint torque decreased. In addition, we observed the lower limb movement strategy to move the maximum point of the knee joint torque to the front of kick process.
From the viewpoint of momentum, the aim is to maximize the momentum of the thigh segment until the leg cocking. After that, we found that the thigh segment decelerates and the momentum transfer phenomenon occurs to maximize the speed of the shank and foot segments.
This model could be used for the prevention of injuries, which predicts the load applied to the joints from the magnitude of the torque gain. In addition, by using the characteristics of the model based on the kinematic information of the lower limbs, it could be utilized in the kick monitoring device in that torques of the two joints can be estimated from only one joint motion data. In the near future, it is expected that the applicability of this model can be extended through the improved model including constraint conditions for the lower limbs and analysis in the traverse plane.
축구에서 스포츠 과학은 선수들이 킥을 수행할 때 거치는 일련의 과정을 생체역학적으로 분석함으로써 부상을 방지하고 경기력을 향상시키는 것에 그 목적이 있다. 킥 과정 중 하지의 운동을 생체역학적으로 이해하기 위해서, 기구학적 연구, 운동학적 연구, 근전도 기반 연구가 행해져 왔으나, 현상의 특징을 관찰할 뿐 그 기저에 어떠한 작동 전략이 있는지에 대한 고찰은 부족하였다.
이에 본 연구에서는 하지 운동을 구동하는 관절 토크가, 킥 운동의 핵심 특징인 '근위 관절에서 원위 관절까지의 순차적 운동', '분절 및 관절 간의 상호작용'을 일으키며 그 정보를 담고 있어야 한다고 보았다. 관절의 기구학적 정보가 관절 토크에 포함되는 선형 관절 토크 모델을 제안함으로써, 킥 속도에 따라 달라지는 하지의 작동 전략에 대해 살펴볼 수 있을 것으로 예상하였다.
교내 축구부 출신 성인 남성 5명을 대상으로, 4가지 수준으로 구성된 도움닫기 변인에 따라 인스텝 킥 실험을 수행하였으며, 모션캡처카메라와 힘 판을 이용한 실시간 모션 및 지면 반력 데이터를 수집하였다. 역동역학 방법을 통해 고관절 토크를 계산하고, 모델의 토크 게인(gain)을 최적화 하는 데 사용하였다.
모델 추정 결과 무릎관절 토크의 회귀계수($R^2$)는 0.7874, 고관절 토크의 회귀계수는 0.9149로, 통계적으로 모델은 타당성이 있는 것으로 확인되었다. 킥 속도의 증가에 따라 모델의 게인(gain)은 경향성을 달리 하였다. 고관절 토크의 증가를 발생시키고 무릎관절의 최대값을 감소시켰으며 최대값이 나타나는 시점을 초반부로 옮기는 하지 운동 전략을 취하였다. 운동량의 관점에서는 레그 코킹 시점까지 허벅지 분절의 운동량을 최대로 만드는 것을 목적으로 하며, 이후 허벅지 분절이 감속하면서 종아리 분절 및 발 분절의 속도가 최대에 이르는 운동량 전달 현상이 일어나는 것으로 분석되었다.
본 모델은 킥 동작 시 관절에 가해지는 부하를 토크 게인의 크기로부터 예측하는 부상 방지의 용도로 사용가능하다. 또한 하지 관절의 기구학적 정보를 바탕으로 한 모델의 특성을 이용하여, 한 관절의 모션 정보만으로 두 관절의 토크를 추정하고, 이를 통해 하지 운동을 재현함으로써 킥 모니터링 장비에도 활용할 수 있다. 향후 하지 관절에 대한 구속 조건 및 가로단면 분석이 포함된 3D 모델을 통해 적용성을 확대할 수 있을 것으로 기대한다.
