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상지 닫힌 사슬 문제 해결을 통한 골프 스윙의 3차원 전신 동역학 분석 = Three dimensional dynamics analysis of golf swing by solving upper limb closed chain problem
서명 / 저자 상지 닫힌 사슬 문제 해결을 통한 골프 스윙의 3차원 전신 동역학 분석 = Three dimensional dynamics analysis of golf swing by solving upper limb closed chain problem / 최협.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2020].
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8036305

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학술문화관(도서관)2층 패컬티라운지(학위논문)

DME 20039

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초록정보

Golf swings are complicated motions that require both accuracy and maximum force at the same time, and many researchers have been studying the human dynamics during the swing. However, most of these studies have been conducted on the lower limbs, and the joint strength and torque of the upper body to hit the ball with club swing have rarely been reported. This is because it is impossible to estimate the dynamics of information using only human motion information since the upper limbs form a closed chain structure during the golf swing. In this study, the dynamics of the upper body were directly measured to analyze the dynamics of the upper limbs by developing a club with a built-in sensor. Through analysis of the dynamics of the upper body joints of a professional golfer, dynamic characteristics can be checked only when there is strength information such as both hands exerting a force in the opposite direction and the torque of the right hand twice the size of the left side. The analysis showed that internal force information was necessary. Besides, based on the measurement results, a method for estimating the internal force information using club exercise information was proposed and verified. The methods for golf studies to overcome the difficulties in measuring the internal force information were presented. In the next chapter, we explored the appropriate modeling method to analyze the torso dynamics during the swing. In previous studies, the torso is modeled in various forms of 1 to 3 segments, and errors may occur in the results of dynamic analysis depending on the modeling. Therefore, the appropriate modeling method was determined by observing the torso's motion during the swing and comparing the results of dynamic analysis in various models. During the swing, rotation of up to 45 degrees occurs between the pelvis and abdomen, and a significant error occurs in the results of the waist torque analysis if the chest and abdomen were modeled into a single segment. For 3D dynamics analysis, model the torso into 3 segments showed that it was suitable. However, as in previous studies, the method of modeling the chest and abdomen into a single segment was also effective when focusing on the analysis of the torque in the longitudinal direction of the trunk, which is the main direction of rotation of the waist. Lastly, based on the whole body model established through the above processes, an analysis of the work rate and work of the human joint during the swing was performed. By confirming that the work of the right arm joints during the downswing is more than 11 times the magnitude of the left arm, it was revealed that the right arm is the primary source of swing kinetic energy during the downswing. This is due to the different tendencies of both shoulder torques. It is thought that the left shoulder plays the role of controlling the swing, and the right shoulder plays the role of acceleration during the swing. In this study, by developing a club with a built-in sensor, systemic dynamics analysis was performed based on the strength measurement value unlike the previous studies, and the developed system can be effectively used not only for golf but also for dynamic analysis of other motions that form a closed chain structure. Through the swing dynamics analysis, characteristics that are different from or not reported in the previous report, such as the force in the opposite direction of both hands and the importance of the right arm compared to the left arm in terms of swing kinetic energy, were confirmed. If these characteristics can be observed according to the golfer's ability or injury experience, it is expected that a more comprehensive understanding of human golf swing dynamics will be possible.

골프 스윙은 정확성과 최대한의 힘을 동시에 필요로 하는 어려운 동작으로 많은 연구자들이 스윙의 인체 역학 연구를 수행해왔다. 그런데 이 중 대부분의 연구들은 하지를 대상으로 하며 정작 클럽을 휘둘러 공을 맞추는 상지의 관절힘과 토크는 거의 보고된 바가 없다. 이는 골프 스윙 중 상지가 닫힌 사슬 구조를 형성하여 인체 운동 정보만으로는 역학 정보 추정이 불가능하기 때문이다. 이에 본 연구에서는 센서 내장 클럽의 개발을 통해 상지 닫힌 사슬 내의 내력을 직접 측정하여 상지 역학을 분석하였다. 프로 골퍼의 상지 관절 역학 분석을 통해 스윙 중 양 손이 서로 반대 방향의 힘을 가하고 오른손의 토크가 왼손의 2배의 크기를 갖는 등 내력 정보가 있어야만 확인이 가능한 역학 특성들을 관찰하였고, 스윙 상지 역학 분석 시 내력 정보가 중요함을 보였다. 또한 측정 결과를 바탕으로 클럽 운동정보를 이용한 내력 정보 추정법을 제안하고 검증하여 이후 골프 연구들이 내력 정보 측정의 어려움을 극복할 수 있는 방법을 제시하였다. 다음 장에서는 스윙 중 몸통의 역학 분석을 위한 적절한 모델링 방법을 탐색하였다. 기존 연구들에서 몸통은 1~3분절의 다양한 형태로 모델링 되는데, 모델링에 따라 역학 분석 결과에 오차가 발생할 수 있다. 이에 스윙 중 몸통의 운동을 관찰하고 다양한 모델에서의 역학 분석 결과를 비교하여 적절한 모델링 방법을 결정하였다. 스윙 중 골반과 복부 간에 최대 45도의 회전이 발생함과 흉부와 복부를 단일 분절로 모델링 시 허리 토크 분석 결과에 유의미한 오차가 발생함을 확인하여, 3차원 역학 분석을 위해서는 몸통을 3분절로 모델링 하는 것이 적합함을 보였다. 다만 기존 몇몇 연구들과 같이 허리의 주요 회전 방향인 몸통 길이 방향 토크 분석에 초점을 둘 경우 흉부와 복부를 단일 분절로 모델링 하는 방법도 유효하였다. 마지막으로 위 과정들을 통해 수립한 전신 모델을 기반으로 스윙 중 인체 관절의 일률과 일에 대한 분석을 수행하였다. 다운스윙 중 오른팔 관절들의 일이 왼팔 대비 11배 이상의 크기를 보임을 확인하여, 기존의 인식과 달리 다운스윙 중 왼팔보다는 오른팔이 스윙 운동 에너지의 주요 공급원임을 밝혔다. 이는 양 어깨 토크의 다른 경향에 의한 것으로 스윙 중 왼어깨는 스윙의 제어, 오른어깨는 스윙의 가속의 역할을 맡는 것으로 생각된다. 본 연구에서는 센서 내장 클럽을 개발함으로써 기존 연구들과 달리 내력 측정값에 기반하여 전신 역학 분석을 수행하였으며, 개발한 시스템은 골프 뿐 아니라 닫힌 사슬 구조를 형성하는 다른 동작들의 역학 분석에도 유효하게 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 스윙 역학 분석을 통해 양 손의 반대 방향 힘, 스윙 운동에너지 측면의 왼팔 대비 오른팔의 중요성 등 기존 보고와 다르거나 보고되지 않은 특성들을 확인하였다. 추후 이러한 특성들이 골퍼의 실력 또는 부상 경험에 따른 변화를 관찰할 수 있다면 보다 전반적인 골프 인체 역학에 대한 이해가 가능할 것으로 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 20039
형태사항 vi, 84 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Hyeob Choi
지도교수의 한글표기 : 김정
지도교수의 영문표기 : Jung Kim
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 참고문헌 : p. 77-80
주제 골프 스윙
3차원 역학
센서 내장 클럽
전신 모델
역동역학
Golf swing
Three dimensional dynamics
Sensor embedded club
Fullbody model
Inverse dynamics
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