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동역학 모델 기반 미 측정 골프 스윙 모션 추정 기법 연구 = Unmeasured motion estimation method based on the novel dynamic model of golf swing motion
서명 / 저자 동역학 모델 기반 미 측정 골프 스윙 모션 추정 기법 연구 = Unmeasured motion estimation method based on the novel dynamic model of golf swing motion / 이창원.
저자명 이창원 ; Lee, Chang Won
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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DME 18007

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초록정보

In order to analyze and improve the golf swing, an efficient golf swing methods and posture are analyzed through a biomechanical model, and studies are being conducted. Among the motion capture devices cur-rently used for swing analysis, the wearable motion measurement system based on the inertial sensor is re-cently attracting attention as an alternative to overcome the existing optical motion measurement system, which has disadvantages such as wide space, limited space and high cost. However, in order to improve wear-ing comfort, a reduction in the number and size of sensors is required, which leads to a reduction in the amount of collected motion data, thus there is a conflict between convenience and data validity. In this study, we propose a method of estimating unmeasured swing data by using human body kinetic model instead of kinematic model or statistical model used in previous studies to estimate human body motion from measure-ment information of limited sensor. Although the swing motion of golf is a dynamic phenomenon, which is a relationship between a force and a motion generated in the human body, since there are many muscles in-volved in generating a muscle force, there exist various methods of generating joint torques. In addition, since golf swing is a complicated three-dimensional motion involving the sequential excitation of all joints, there has not yet been attempted to solve the contradictory factor between the sensor number and the collect-ed information by using a dynamic model. In this study, we propose a joint torque model that can represent the swing dynamics more easily than the existing models by analyzing the correlation between joint angles and joint torques. In order to solve the complexity of the multi-joint three-dimensional motion, we apply the projection method on the swing plane. Consequently, the golf swing of the upper limb is reproduced during downswing by only the motion information measurable from the IMU sensor at the grip point of the golf club. The estimation result of unmeasured swing motion in golf swing is reported using the proposed swing motion estimation method. The results of the forward dynamics analysis using the proposed joint torque model showed a high correlation with the subjects' swing data. In addition, the change of the swing plane by the subjects was examined, and we confirmed the validity of the modified swing plane analysis method con-sidering the upper body rotation proposed in this study. In addition, the proposed swing motion estimation method is applied to the variation of club type (driver and 7 iron) and the experimental subjects (amateur golfer of various handicaps and professional golfer) and analyzed the estimated motion information results using the proposed model. We analyze the accuracy of the motion information result estimated from the measured information and the model simulation and proposed the use of estimated torque and swing plane information, and so on. In conclusion, this study suggests the possibility of increasing the amount and quality of motion information measured by the sensor by understanding the dynamic characteristics of the human body.

골프 스윙을 분석하고 향상시키기 위해 효율적인 골프 스윙 방법 및 자세를 생체역학적 모델을 통해 분석하고 이를 실제 스윙에 적용하는 연구들이 진행되고 있다. 현재 스윙 분석을 위해 사용되는 모션 측정 장비 중 관성 센서 기반의 착용 형 모션 측정 시스템은 넓은 공간, 제한적 장소, 고비용의 장비 등의 단점을 가지고 있는 기존의 광학식 모션 측정 시스템을 극복 할 수 있는 대안으로 최근 주목 받고 있다. 하지만 착용 편의성을 높이기 위해서는 센서의 개수와 사이즈의 감소가 필요하고, 이는 수집되는 모션 데이터의 감소를 수반하므로 편의성과 데이터 유효성 간의 대립관계가 존재하게 된다. 본 연구에서는 제한된 센서의 측정 정보로부터 인체의 동작을 추정하기 위해 선행연구에서 사용한 기구학적 모델 혹은 통계적 모델이 아닌, 인체의 동역학 모델을 사용하여 미 측정 스윙데이터를 추정하는 방법을 제안하였다. 골프의 스윙 동작은 인체에서 발생하는 힘과 운동과의 관계인 동역학적 현상이지만 힘 즉 근력을 발생시키는 데 있어 다수의 근육이 관여하므로 각 관절에서 발생 가능한 힘 즉 관절 토크의 다양한 생성 방법이 존재하고, 골프 스윙이 다 관절의 순차적인 가진이 이루어 지는 복잡한 3차원 동작이라는 점에서 아직까지 역학적 모델을 활용하여 센서 개수와 수집정보간의 대립 요소를 해결하고자 하는 연구는 시도된 바 없다. 이에 본 연구에서는 각 관절 각과 관절 토크 간의 상관관계 분석을 통해 기존의 모델보다 간단하게 스윙 역학이 표현 가능한 관절 토크 모델을 제안하였고, 다 관절 3차원 동작의 복잡성을 해결하기 위해 스윙평면상의 투시 방법을 적용함으로써 결론적으로는 클럽의 그립 한 지점에서의 IMU 센서 등으로부터 측정 가능한 운동 정보 만으로 다운스윙 시 상지의 골프 스윙을 재연하는 방법을 제안하였다. 제안한 스윙 동작 추정 기법을 적용하여 골프 스윙 시 미 측정 스윙 모션의 추정 결과를 보고 하였다. 제안하는 관절 토크 모델을 통한 순방향 동역학 분석결과는 피험자의 스윙 데이터와 높은 상관관계를 보였다. 또한 피험자 별 스윙 평면의 변화를 고찰하였으며, 본 연구에서 제안하는 상체 회전이 고려된 수정된 스윙 평면 분석방법의 타당성을 확인하였다. 또한 제안한 스윙 동작 추정 기법을 클럽 종류의 변화 (드라이버와 7번 아이언) 그리고 숙련도의 차이가 나는 실험 대상자 (프로 및 다양한 핸디캡의 아마추어 골퍼)에 대해 적용한 결과를 보고 하였고, 제안된 모델을 이용하여 추정된 동작 정보 결과를 분석하였다. 측정된 정보와 모델 시뮬레이션을 통해 추정된 동작 정보 결과의 정확성을 분석하고, 추가적으로 추정된 토크 및 스윙 평면 정보 등의 활용 방안에 대해 제안하였다. 결론으로 본 연구는 인체의 동역학적 특성을 이해함으로써 센서로 측정하는 동작의 정보의 양과 질을 증가시킬 수 있는 가능성을 제시하였다고 할 수 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 18007
형태사항 viii, 115 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Chang Won Lee
지도교수의 한글표기 : 박수경
지도교수의 영문표기 : Sukyung Park
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 참고문헌 : p. 110-115
주제 착용형 모션 캡쳐
골프 스윙 모델링
모션 추정 기법
동역학 모델
생체역학
wearable motion capture
golf swing modeling
motion estimation method
dynamic model
biomechanics
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