スポーツ
バイオメカニクス

[2008年01月号]

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無線式の加速度計とジャイロスコープ

モーションキャプチャーを用いて、研究者はスカイウォーカーの跳躍高さを測定した
提供：FSN/BASE Productions

　Bir氏とこの番組のエンジニアたちは、無線式の慣性計測装置（IMU）Inertia-Link（http://rbi.ims.ca/5410-547）を使用して、運動選手における角回転と加速度の両方を測定した。米MicroStrain社製のこのIMUは、3個の加速度計、3個のジャイロスコープ、6個のA-Dコンバータ、無線送受信機をすべて41×63×24mmの1つのパッケージの中に組み込んでいる。

　IMUを用いたひとつ事例では、Bir氏はプロサッカーのJason Hernandez選手の足首にIMUを取り付けて、オーバーヘッドキック中の足の速度を測定した。MicroStrain社のエンジニアによると、この装置がHernandez選手のキック速度を測定する唯一の方法であるという。キックには加速度と回転の両方が含まれるからだ。

　「ジャイロと加速度計の出力を混合して、並進と回転の違いがわかるようにした」と、MicroStrain社のセールス・マーケティング担当バイスプレジデントMike Robinson氏は言う。「我々のプロセッサが演算を行い、モジュールが並進加速度と角速度を出力する」

　Fox Sports社のBir氏によると、このシステムの最大の利点は無線であることだという。

　「過去の研究調査では、有線式の加速度計を用いていたため、ケーブルを引きずっていた」とBir氏は言う。「走行や跳躍などの運動学的なイベントを測定するとき、測定対象の人に配線をつないだままにしておくのは困難である」

　“スポーツサイエンス”では、Bir氏は無線式のIMU以外にもV-LinkとG-Linkという名の無線式加速度計を用いて、相撲力士、バスケットボール選手、格闘技アルティメイトの選手、武術家、プロフットボール選手などの力を測定した。

ロードセルと衝突試験用ダミー人形

Motion Research社のPhantom HD高速度カメラによって、エンジニアは運動能力をスローモーションで研究できるようになった
提供：Motion Research

　圧縮力を測定するために、エンジニアはロードセルを平らな表面の裏側に設置し、表面が打撃を受けた時の出力を測定した。この技術を用いて、ソフトボールのピッチャーJennie Finch選手の速度や、武術家がコンクリートブロックを破壊するときの力を測定した。

　米Robert A. Denton社のModel 2881ロードセル（http://rbi.ims.ca/5410-549）は、ピエゾ抵抗式ひずみゲージを採用している。このひずみゲージは、荷重がかかると電気抵抗が変わり、そのため電流出力が変化するものである。電流出力の差は荷重の変化に比例するから、この装置で力を測定することができる。このロードセルは7.5×7.5×3.8cm（3×3×1.5インチ）の大きさで、Finch選手の直球の力を測定するときにはプレキシグラス（アクリル樹脂）板の裏側に設置され、武術家の達人が発生する900kgf（2,000lb-f）の荷重を測定するときにはコンクリードブロックの底面に設置された。

　Fox Sportsはさらにこの技術を用いて、Finch選手の直球が生ずる力と、メジャーリーグの時速150km（95mph）の直球の力とを比較した。その結果、ベースボールの球はソフトボールより小さいが、発生する力は大きいことがわかった。

　「速度は同じで、ソフトボールのほうが質量は大きいが、生成する荷重は小さい」とBir氏は言う。「材質が柔らかいため、力の一部分が分散される」

　Bir氏はさらにこの技術を用いて、アルティメイトの選手Rampage Jackson氏によるボディスラム（抱え投げ）を測定した。Denton社製のHybrid-III型50パーセンタイルの衝撃試験用ダミー人形の“頭”の内部にロードセルを仕込み、Bir氏は頭部傷害基準（HIC）を計算した。結果は3000〜4000HIC（HICは無単位である）。すなわち、ボディスラムの頭部への外傷は、毎時56km（35mph）の自動車衝突時の衝撃の3〜4倍になるということである。