計測自動制御学会東北支部 第 217 回研究集会(2004.7.15)
資料番号 217-13

スノーボード・ターンの運動解析に関する研究
Studies on the Dynamic Analysis of Snowboarding Turn
○山田 知明*，土岐 仁**，長井 力**○Tomoaki Yamada*, Hitoshi Doki**, Chikara Nagai***

秋田大学大学院，**秋田大学*

Graduate School of Akita University, **Akita University

キーワード：スノーボード(snowboard)，雪面反力(reactionforce from snow)，関節トルク(joint torque)，
キーワード
動作解析(motion analysis)
連絡先：〒010-8502
秋田市手形学園町 1-1
連絡先

秋田大学

工学資源学部 機械工学科

土岐 仁，Tel.:(018)889-2347, Fax.:(018)-837-0405, E-mail:doki@ipc.akita-u.ac.jp

1．
． はじめにおらず，用具の設計・開発やバイオメカニクス

近年，スノーボードは急速に普及し，幅広い解析には十分ではないように思われる．実際の年齢層から多くの支持を受け，代表的なウィン

雪面を滑走するスノーボーダーの運動や生体負タースポーツの一つとなっており，ボード，ブ荷を計測するためには，冬山での厳しい自然環ーツ等の用具や滑走，ターン等の技術も飛躍的境のなかで広範囲にわたって計測を行わなけれな発展を続けている．一方，スノーボードに関ばならない．

する研究としては，主に(1)用具の設計・開発，そこで，本研究ではまず，屋外で広範囲のス(2)ターン運動中のスノーボーダーのバイオメカ

ノーボ−ダーの運動と生体負荷を計測できるシニクス解析に分けられる．用具の設計・開発でステムを開発し，実際に雪面でのターン動作中は，ボードの材質・形状・運動性能等の研究がの上体･下肢の身体運動と雪面反力を測定する進められている．スノーボーダーの運動解析にことにより，ターンの各局面における身体運動関しては，屋内におけるスノーボード操作の計を定量的に解析・評価することを試みる．これ測が行なわれている 1, 2)．また，スノーボードのらの計測システム及び解析手法は，スノーボーターンのメカニズムを解明するために，ターンド・ターン運動の特徴を明らかにすると共に，動作のシミュレーション 3)，解析用スノーボー

障害・怪我の予防，新しい用具の開発・評価に

4)

ドロボットの開発も進められている ．しかし，有用となることが期待される．

これらの研究では，実際の雪面を滑走するスノーボーダーの運動や生体負荷の情報が含まれて2． 計測システム

スノーボードのターン動作を運動力学解析すある．

るためには，各関節の角度変位だけではなく，一方，滑走中の身体運動計測を行なうために身体にかかる外力も同時に計測しなければなら

磁気式 3 次元位置センサ（FASTRAK, Polhemus

ない．ターン動作の特徴を解析するには，雪面Inc.）を用いた．磁気式 3 次元位置センサは，コ反力，各関節位置座標を計測し上体・下肢関節ントロールユニット，トランスミッタ，複数のの動きを定量的に示す必要がある．

レシーバから構成されており，トランスミッタ

滑走中のスノーボーダーにかかる主な外力とが発生した電磁場をレシーバで検出 することして，重力，空気抵抗，そしてボードを介してにより，トランスミッタを基準座標系原点とす足部に作用する雪面からの反力の 3 つが挙げらる複数のレシーバの相対座標を求める装置であれる．この中でも，雪面反力は下肢が発生するる．実験では，被験者が非磁性体フレームを背力と等しくなる．本研究では，空気抵抗は無視

負い，フレームと上体が一体であると見なし，できるものとし，雪面反力と反力作用点位置をトランスミッタをフレーム底部に取り付けた．

求めるために 6 軸力センサ(IFS-105M50A220-I63,

また，レシーバを被験者の両大腿側面，バインNitta Co.)を両足のバインディング底部に取り付ディング後方の 4 箇所に装着した．これによりけた．センサ取り付け方法として，ボードとバ腰部を基準とした滑走中の高精度な姿勢の計測

インディングに特殊な加工をする必要がなく，が可能となった．この磁気式 3 次元位置センサ

またバインディングとボードを自由に交換してから得られるデータと 6 軸力センサから得られ測定することが可能な専用のアダプタを作成しるデータをもとに関節モーメントを算出する．

た．ボードとブーツの間に働く 3 軸方向の力 Fx ，

本研究で用いた計測システムの構成を図 2 に示

F y ，Fz ，および各軸周りのモーメント M x ，M y ，す．計測システムの総重量は約 10kg であるが，M z をセンサで検出する．これにより，図 1 に被験者への拘束を減らすため，センサ以外の計示すように，反力ベクトルを求めることができ測機器はスキーヤーが背負い並走することにしる．また，6 軸力センサの中心から反力作用点た．

までの距離 a x ， a y は，次式で与えられる．
ax =
ay =

− Fx a z − M y

磁気式 3 次元位置センサでは基準座標が被験(1)Fz−Fy a z + M x

ここで， a z はセンサ中心までの z 方向の距離で
xyyzx[ F y , Fz ]zmarkerframetransmitter

My

Mxaz

ンがどの局面にあるのかを知ることはできない．

(2)

Fz

[ Fx , Fz ]者と共に移動してしまい，ターンの軌跡やター

receiveraz

6 axis force sensor

Fx

Fy

FzaxayFz

6 axis force sensor

Fig. 2
Fig. 1

6 axis force sensor installed in the boots

Measurement system using magnetic

position sensor and 6-axis force sensor

そこで，本研究では画像処理式運動計測システ

回りを正として左足を 15 度，右足を−6 度でつムと磁気式 3 次元位置センサを併用し，絶対座ま先を外側に向けた．またセットバックは 0cm

標系における被験者の運動を求めた．画像処理とした(図 3)．

式運動計測システムとは，複数のビデオカメラで同時に撮影された映像から反射マーカーの空間座標を算出するシステムである．利点としては，被験者に機械的な装置を装着する必要が無いため，基本的に無拘束計測が可能となる．またカメラを設置した雪面に基準座標系があるた
めスノーボードの滑走軌跡や運動の局面が非常

計測範囲を 10×7×2.5m とし，被験者が範囲内を自然な滑り方で，フロントサイドターン，バックサイドターンを行ない範囲内で止まるようにした．また他にフロントサイドからバックサイドに移行するギルランデと，バックサイドからフロントサイドへ移行するギルランデの計4 種類のターンを行った．に分かりやすいということが挙げられる．その反面，計測範囲が広くなると分解能が落ちるという欠点を持つ．実験では体幹の姿勢を調べるための非磁性体フレームに 3 箇所マーカーを貼り付け，絶対座標系における腰部の位置と姿勢

Table 1 Experimental condition
Case1

Toe-side turn

Case2

Heel-side turnCase3

Toe-side turn to heel-side turn

Case4

Heel-side turn to toe-side turnを算出する．そして得られた姿勢と磁気センサから得られる腰部の姿勢から，腰部を基準とする座標系を絶対座標系に変換することにより，滑走軌跡やターンの局面の可視化を行なった．

3． 計測実験

3.2 ターン中の雪面反力の視覚化
図 4 に，フロントサイドターンの計測結果をスティックピクチャーと共に連続的に示す．
3.3
3.3 関節トルク

3.1 実験条件
開発した実験装置を用いて実験を行った．実験にはフリースタイル用のボード(サロモン社製，155cm)を用い，滑走実験は整地された平均斜度 12 度の緩斜面の中で実施した．
被験者はスノーボード中級レベル(23 歳，男性，身長 175cm,体重 63kg)であり，今回の実験において十分な技術を持っている．ボードのセッテ
ィングは，バインディングのアングルを，時計Center between both contact points

関節トルクの一例として，図 5 にフロントサイドターンにおける両脚の足関節の関節トルクを示す．

4．
． 結言
本研究では，屋外において滑走中のスノーボーダーの運動と生体負荷を広範囲にわたって精度よく計測することを目標とし，6 軸力センサ，磁気式 3 次元位置センサと画像処理式システムを用いたスノーボードの運動計測システムを開発した．実際にフィールド実験を行ない，滑走-6°

15°中のスノーボーダーの姿勢と雪面からの反力を同時に計測し，ターンにおける作用力の変化をSetback
Nose

Center of stance

力ベクトルの形で示した．また，計測したスノTailーボーダーの運動データから，人体の力学モデルを用いて各関節に作用するモーメントを算出

Fig. 3155cm
Setting of snowboard

した．

0z[m]
01

12
342
10]
m[z -1-2z[m]6274-101

6234885671089x[m]500
10 0 1000Nx[m]y[m](b) Side view (xz plane)(a) StereographFig. 4

Result of front-side turn (Case 1)

80

R-Az
R-Ay
R-Ax

706060505040]
mN[euqroT

Torque[Nm]Torque[Nm]

80

L-Az
L-Ay
L-Ax70]mN[euqroT5030
2010403020
1000-10-10(b) right-20
00.5-200(a) left
0.5

1

1.5
2Time[s]2.5

Fig. 5

3

3.5

1

1.5
2Time[s]

2.5

3

3.5

Ankle joint torque (Case 1)

参考文献3)

1)ード・ターンのシミュレーションに関する研究，

坂田敏行：スノーボード操作の測定，日本

坂田敏行，月山雅晴，細川健治：スノーボ

スキー学会誌，1010-1，45/52(2000)
10

日本機械学会論文集，65-639，4431/4437 (1999)
652)

4)

坂田敏行，谷本垣，細川健治：スノーボー

清水史郎，長谷川健治：スノーボードロボ

ドと滑走平面領域に関する実験的研究，スポーットの開発〜足関節の底屈・背屈モデル〜，スツ産業学研究，11
11-1，235/246(2001)
11キー研究，1
1-1，9/13 (2003)