ゴルフスイング時におけるスイング動作姿勢と左右上肢の力発揮パターンの解析 Analysis of golf swing motion and force exerting pattern of right and left arm 03M40260 矢澤周一郎 Shuichiro YAZAWA 指導教官丸山剛生助教授審査員中原凱文教授須田和裕助教授ゴルフスイングにおいて，左右の上肢は最終的にクラブに力を加える部分であり，そのエネルギー伝達において最も重要であると考えられる．そこで本研究では，左右上肢がスイング中にどのように活動しているのかに注目した．そして，どのような左右上肢の使い方をしてスイングを行えば高いパフォーマンスが発揮できるか，またプロゴルファーは，アマチュアゴルファーに比べて，上肢の挙動にどのような特徴があるのかを明らかにする．プロ及びアマチュアゴルファーのドライバーショットについて動作撮影，筋電位の測定，地面反力の測定を行った．被験者は，プロゴルファー8 人，アマチュアゴルファー7 人を起用した．その内，筋電計測には，プロゴルファー7 人，アマチュアゴルファー2 人を起用した．動作撮影には 10 台の三次元モーションキャプチャーシステム(Vicon)を用い，サンプリング周波数 250Hz で計測した．マーカーを被験者に 40 カ所，クラブに 4 カ所取り付けた．左右の大胸筋，広背筋，腕橈骨筋，尺側手根屈筋，計 8 カ所のスイング中の筋電位をサンプリング周波数 1kHz で測定した．また，得られた筋電位の値を力に変換するために，各筋について 10kg の荷重を保持し，等尺性収縮時の筋電位を計測した．逆動力学解析により両手が発揮する合計トルクを算出した．スイング時のクラブの挙動から，ダウンスイングに要した時間，最大ヘッドスピードを算出した．前腕の姿勢を表現する角度として，コック角など，体幹の姿勢を表現するために，捻転角度を算出した．また，筋電位データから，左右上肢の力発揮パターンを推定した．これらの結果より，スイング中の両手首が発揮するトルクと，腕橈骨筋，尺側手根屈筋の力発揮パターンを比較し，両手の筋発揮がどのような動作に貢献しているのかを考察した．両手首の発揮トルクとヘッドスピードの相関，プロアマ間でのコック解放のタイミングの差について統計的解析を行った．その結果，スイングで高いパフォーマンスを発揮するには，手首の橈屈・尺屈方向のトルクが重要であることが示唆された．また，プロゴルファーは，アマチュアゴルファーに比べて，手首のコックを解放するタイミングがインパクト直前であることが示唆された． Analysis of golf swing motion and force exerting pattern of right and left arm Left and right arm are the most important part in golf swing because they finally transmit force to the club. So, in this study, we take notice of how left and right arm contribute to the swing. Then we reveal that how we use left and right arm to exhibit high performance and that professional golfers have what kind of characteristic arm moving pattern comparing with amateur golfers. About professional and amateur golfers’ driver shot, we shoot high speed movie, measure EMG and grand reaction force. Subject is 8 professional golfers and 7 amateur golfers. For EMG measurement, subject is 7 professional golfers and 2 amateur golfers. The measure of kinematics’ data during swing was established with the optical motion capture system (VICON 612), and sampling frequency is 250Hz. We attached marker to subject 40 points and club 4 points. Left and right pectoralis major, latissimus dorsi, brachioradial muscle, and flexor carpi ulnaris is measured when sampling frequency are 1kHz. To transform EMG value to force value, each muscle keep 10kg weight, and measured EMG under isometric contraction. Using Inverse dynamics, we analyzed torque exerted left and right wrist. Down swing time and maximum head speed is analyzed club’s movement. Cock angle to explain fore arm posture, and angle of torsion to explain trunk posture is measured. And using EMG data, we estimate left and right arm’s force exerting pattern. As this conclusion, we compared torque exerted left and right arm with EMG pattern exerted brachioradial muscle, and flexor carpi ulnaris in swing, we examine left and right muscle activation contribute what kind of motion. Relationship between torque exerted left and right arm with head speed and difference of cock release timing about professional and amateur golfer is analyzed. So, to exert good performance, it is important to use radial flexion and ulnar flexion torque. And it is cleared that professional golfer released cock immediately before the impact than amateur golfer. 第 1 章背景・目的ゴルフスイングは，地面からうけた反力を，下肢，体幹，上肢，クラブ，ボールへと順番に伝えていく動作である．左右上肢は，ゴルファーが発揮した力をクラブに伝達するのに重要な部分である．しかし，ゴルフは両手でクラブを握るという競技の特性上，右腕−打具−左腕で構成される閉ループ構造が存在するため，画像データをもとにした逆動力学計算による動作解析では，プレーヤーの左右上肢が打具にどのような力を作用させているのかを計測することは不可能とされている．この問題を解決し，ゴルフスイング時における左右上肢の力発揮パターンを測定するのに，生体指標である筋電位を用いた．また，スイングを撮影した画像データから逆動力学解析を行い，両手が発揮する合計トルクを算出する．本研究では，スイング時における左右上肢の力発揮パターンについて，画像撮影による逆動力学解析と，筋電解析によって明らかにする．そして，得られたトルクや筋電波形とヘッド速度の関係について解析し，どのような特徴を持ったゴルファーが高いパフォーマンスを発揮できるのかを考察する．また，高いパフォーマンスを発揮できるとされているプロゴルファーのスイングは，アマチュアゴルファーのスイングとどのような違いがあるかを明らかにする．第 2 章方法 2.1 被験者撮影実験の被験者はプロゴルファーとアマチュアゴルファーの 2 群を起用した．アマチュアゴルファーは，普段からゴルフをプレーしており，十分に慣れている者である．被験者は全員右打ちの健常な成人男性である．詳細は，Table 1 に示すとおりである．筋電実験に起用した被験者は，2.1.1 の被験者の中のプロゴルファー7 人，アマチュアゴルファー2 人である．アマチュア，プロをまとめて一つのグループとして扱った． 2.2 試技スイング実験では各被験者が通常使っている 1W に反射マーカーを取り付けたものを使用した．反射マーカー，電極を被験者に取り付けた後，スイング試技を行うまでに十分な練習をさせた．被験者のスイングに対して特別な指示は行わず，普段通りに打たせた．そして，各被験者の試技を 7 回ずつ測定し，被験者の満足のいった試技を解析に用いた． Table 1 Subjects and golf clubs data for kinetics and kinematics analysis (mean ± SD) プロ被験者クラブアマチュア人数 [人] 8 7 年齢 [歳] 33.5 ± 6.1 39.3 ± 10.2 身長 [cm] 170.4 ± 4.0 169.9 ± 3.6 体重 [kg] 71.2 ± 8.4 72.5 ± 6.9 重心位置[m] 0.577 ± 0.008 0.595 ± 0.003 重量 [kg] 慣性モーメント [kgm2] 0.376 ± 0.005 0.308 ± 0.017 0.163 ± 0.004 0.163 ± 0.002 等尺性収縮下における筋電位と筋発揮力の間には線形関係があることが知られている．この事実から，筋電位と筋発揮力の関係式を求めれば，スイング中の筋電位から筋発揮力を推定することができる．そこで，10kg の荷重を保持させ，大胸筋，広背筋，腕橈骨筋，尺側手根屈筋が等尺性収縮した時の筋電位を計測した．これを以降キャリブレーション試技とよぶ．この結果から，筋発揮力と筋電位の関係が求まる．この関係を用いて，スイング中の筋電を筋発揮力に変換し，それを力換算値とした． 2.3 実験装置とその設定 2.3.1 3 次元座標データマーカーは，直径 25mm のものを用いて， Fig. 1 に示すような位置に被験者の全身40 点，クラブに 4 点取り付けた．画像は光学式モーションキャプチャーシステム (Vicon) を 10 台用いて撮影を行った．サンプリング周波数は 250Hz に設定した． 2.3.2 筋電データ筋電位は，塩化銀の皿電極を用いて導出した．アンプ (Nihon Kohden AB621G) を用いて， 5.3∼1000Hz の帯域で増幅し，サンプリング周波数 1kHz でデータを収集した．データの収集には Power Lab を，解析には Chart を用いた．筋電位の測定部位は，大胸筋上部，広背筋，腕橈骨筋，尺側手根屈筋について，左右 4 カ所，計 8 カ所測定した．左右上肢は閉ループ系を構成しているため，画像による逆動力学解析によって，それぞれがどのような力発揮をしているのか解析することは出来ない．しかし，上肢の力発揮の際に活動する筋の筋電位を計測するによって，上肢の力発揮パターンを推定することが出来る． X Z Y a. Left forearm Fig. 1 Definition of local coordinate system 2.4 解析方法第 3 章結果と考察 2.4.1 スイングのフェーズ分け 3.1 両手首が発揮するトルク Table 2 Swing phase Phase 番号範囲 Phase 1, 2 トップの位置∼地面と水平 Phase 3, 4 地面と水平∼インパクト Phase 5, 6 インパクト∼再び地面と水平 2.4.2 局所座標系の設定動作解析で得られた三次元座標データから逆動力学解析を行い，クラブと前腕の間に働くトルクを算出するのに，クラブと前腕に局所座標系を設定する必要がある． Fig. 1 に局所座標系の設定を示した．Fig. 1a に示したように，左前腕については，長軸方向を Z 軸，手関節の掌屈，背屈軸に平行な方向に X 軸を，X, Z 軸それぞれに垂直な方向に Y 軸を設定した．Fig. 1b に示したように，クラブについては，長軸方向を Z 軸，シャフトにとりつけたマーカーの軸の方向を Y 軸，それぞれに垂直な方向を X 軸と設定した．手首が発揮するトルクの計算には Body Builder を用いた．トルクは Fig. 1a の左前腕に取り付けた局所座系で表記した．X 軸回りのトルクは，正は左手首の背屈，負は掌屈方向のトルク， X Y 軸回りのトルクは，正は左手 Y 首の橈屈，負は尺屈方向のトルクを，Z 軸回りのトルクは，正 Z は左前腕の回内，負は回外方向のトルクを主に表している． Fig. 2 に両手首が発揮するトルクを示した．これは，プロゴルファーの被験者 1 名の代表例である． Fig. 2a に X 軸回りのトルク，すなわち左手の背屈・掌屈方向のトルクを示した．背屈は正，掌屈は負を示している．矢印で示したように，トルクは大きく背屈方向から掌屈方向へ変化している． Fig. 2b に Y 軸回りのトルク，すなわち左手の橈屈・尺屈方向のトルクを示した．橈屈は正，尺屈は負を示している．矢印で示したように，トルクは尺屈から橈屈方向に変化している． Fig. 2c に Z 軸回りのトルク，すなわち左手の回内・回外方向のトルクを示した．回内は正，回外は負を示している．矢印で示したように，トルクは回外から回内方向へ変化している．それぞれのトルク成分において，背屈，尺屈，回外方向のトルクは，クラブを加速させる方向のトルクである．このことより，矢印方向のトルクの変化によって，スイングをブレーキするトルクが発揮されていることを表している．この原因の一つとして，ヘッドの加速をブレーキすることによって，インパクトの精度を高めていると考えられる． Phase 1 Phase 2 4 40 max 20 0 0 Impact -20 -40 -60 -0.22 min -0.17 -0.12 -0.07 Time[s] b. Golf club 3 60 Wrist Torque X [N・m] スイングにおいて最も重要なのは，トップからインパクトまでであると考えられる．フェーズは，Table 2 に示すようにクラブの姿勢を中心に分けた．Phase1 と 2 は同じ時間の長さであり，3,4 と 5,6 についても同様である． a．About X axis -0.02 Impact Phase 1 Phase 2 3 4 40 20 max 0 Impact -20 min -40 -60 -0.22 X -0.17 -0.12 -0.07 -0.02 Impact Time[s] b．About Y axis Phase 1 Phase 2 3 4 60 Wrist Torque Z [N・m] Y Z 4000 40 max1 max2 20 Wrist Torque・Time [N・m・s] Wrist Torque Y [N・m] 60 差は見られなかった．これより，ヘッド速度をスイングのパフォーマンスと考えると，本実験のプロゴルファーとアマチュアゴルファー被験者の間にはパフォーマンスとして大きな差はないと考えられる．この結果より，プロゴルファーとアマチュアゴルファーを一つの群として扱った． 2000 0 -2000 ** * Fig. 3 Integrated wrist torque (n=15, mean ± SD, *p<0.01, **p<0.001) -4000 0 Impact -20 min -40 -60 -0.22 -0.17 -0.12 -0.07 -0.02 Impact Time[s] c．About Z axis Fig. 2 Torque act on wrist Table 3 Maximum head speed (n=15, mean ± SD) 被験者最大ヘッド速度 [m/s] プロ 39.886 ± 2.401 アマ 37.091 ± 3.367 0.084 P値 3.2 クラブに伝達される角運動量 Fig. 3 は，X, Y, Z 各軸回りのトルク成分を時間積分したものを示した．トルクの時間積分は手首がクラブに伝える運動量を示しており，この運動量によってクラブが加速する．積分区間はトップからインパクトまでの時間である横軸 X の正方向は背屈，負方向は掌屈方向のトルク，横軸 Y の正方向は尺屈，負方向は橈屈方向のトルク，横軸 Z の正方向は回内，負方向は回外方向のトルクを表している．その結果より，Y の尺屈方向のトルクが，橈屈方向と比べて大きいことが示された．尺屈はヘッドを加速させる方向のトルクであり，重要な役割を持っていると考えられる． 3.3 トルク特徴点と最大ヘッド速度の相関 Table 3 に，スイング中のヘッドの最大速度を示した．最大ヘッド速度について，プロ群とアマ群のデータを比較したところ， Table 4 Characteristic wrist torque (n=15, mean ± SD, *p<0.05, **p<0.01) 特徴点トルク [N・m] 相関係数 Max 0.017 20.485±6.155 背屈 Min -0.523* -33.111±8.446 掌屈 Impact -0.149 -13.768±6.759 Min 0.659** -22.629±6.172 橈屈 Max 0.531* -0.928±10.998 尺屈 Impact 0.577* -14.247±8.742 Max1 0.464 21.704±6.531 回内 Min -0.134 -30.728±17.698 回外 Max2 -0.283 5.536±7.294 Impact -0.556* -2.769±8.203 Table 4 に，被験者全員の手首が発揮するトルクついて特徴点を抽出したものを示す．そして，スイング中の最大ヘッド速度と，抽出された各トルク特徴点との相関係数を算出したところ，橈屈・尺屈トルクの全ての特徴点と最大ヘッド速度において有意な相関が見られた．これより，スイングで高 Fig. 4 に，左右手首のコック角について，プロの代表例を示した．右手首のコック角度がダウンスイング中に減少し，最小値を向かえたあとに大きく増加することが，被験者全員において観測された．このことから，Table 5 には，トップからインパクトの間の右手首のコック角度の最小角度と，それが起こる時間を示した．プロゴルファー被験者とアマチュアゴルファー被験者の間で，コック角度の最小値に有意な差は見られなかったが，時間に有意な差が見られた．アマチュアゴルファーに比べて，プロゴルファーはコック角度の最小値が起きる時間がインパクトの直前であることが示された．この結果から，プロゴルファーは手首をスイング開始からコックした状態を維持し，さらにコックさせていき，インパクト直前に急激にコックの解放する動作パターンを行っていることが示唆される． Phase 1 Phase 2 3 Angle [Deg] : Left : Right 400 300 200 100 0 1 2 3 4 Phase Impact5 6 a. Brachioradial muscle 3000 : Left : Right 2000 1000 4 180 150 Fig. 5a に示したように，腕橈骨筋については，右側と比べて，左側が大きく活動している．これは左上肢が大きな力を発揮し，クラブの慣性力に対抗して，前腕を回内させていることを示している． Fig. 5b に示したように，尺側手根屈筋については，大きく活動している時間が，フェーズ 3 以降で左右交替し，以降右が大きく活動している．これは，インパクトの前に右手の尺屈動作でクラブを加速させているためと考えられる． Estimated Force[N] 3.4 手首のコック角度の特徴点 3.5 フェーズごとの RMS 筋電位 Estimated Force[N] いパフォーマンスを発揮するのに，手首の橈屈・尺屈方向のトルクは重要な要素であることが示唆される．この結果は，Fig. 3.2 において，橈屈・尺屈方向のトルクの積分値が最も大きくなったことと併せて，橈屈・尺屈方向のトルクの重要性を示唆している． 0 1 : Left : Right 2 3 4 Impact 5 6 Phase b. Flexor carpiulnaris 120 90 Fig. 5 EMG about each phase (mean ± SD) min 60 参考文献 30 0 -0.22 -0.17 -0.12 -0.07 -0.02 Impact Time[s] Fig. 4 Wrist cock angle Table 5 Minimum right hand cock angle and it’s time (n=15, mean ± SD, *p<0.05) 最小コック被験者時間 [s] 角度 [deg] プロ 86.759±10.597 -0.091±0.021 アマ 94.059±12.703 -0.185±0.101 0.2462 0.0223* P値・ MARILYN PINK, MS, PT, FRANK W. JOBE, MD, AND JACQUELIN PERRY, MD, Electromyographic analysis of the shoulder during the golf swing, The American Journal of Sports Medicine, 1990, Vol. 18, No. 2, P.137-140 ・小池関也，白木仁，藤井範久，阿江通良，作用力測定用ゴルフクラブの開発，社団法人日本機械学会ジョイント・シンポジウム講演論文集，No.03-12，2003 年， P.88-92