Utilization of Inertial Measurement Units for Determining the Sequential Chain of Baseball Strike Posture

Sensors(MDPI) 2021

 

 

Abstract

• inertial measurement units(IMU, 관성측정장치)와 eye-tracking device를 활용하여 다른 두 level의 타자의 스윙 전략들을 분석하는 것이 연구의 목적이다.
• 연구 참가자는 20~30세의 건강한 성인 남성 20명 (프로 선수 10명, 아마추어 선수 10명)
• Eye gaze position(시선위치), head, shoulder, trunk(몸통),pelvis angular velocity(골반의 각속도; 회전 속도),ground reaction forces(지면 반력)이 기록되었다.
• 분석 결과: 프로 타자 그룹은 아마추어 그룹에 비해 신체 관절을 리듬적이고 효율적이게 회전하는 특징을 보임
  1. 준비 단계에 더 적은 시간 소모
  2. 최대 각속도 발생 시점이 스윙 사이클 내에서 보다 집중되어 나타남
  3. 아마추어 그룹에서는 시선의 최대 각속도 발생 시점 프로 그룹에 비해 유의하게(significantly) 더 빨리 나타남
     
     • 시선의 최대 각속도 발생 시점은 다섯 개의 분절(segments) 파라미터 중 가장 이른 시점, 아마추어 그룹 내에서 머리, 어깨, 몸통, 골반의 최대 각속도 발생 시점보다 유의하게 앞서는 것으로 확인됨
     • 이러한 차이는 IMU 기반 웨어러블 계측 장비를 통해 성공적으로 구분될 수 있음

Keywords: inertial measurement units; visual-motor coordination; eye gaze; baseball swing

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Introduction

• 기술이 발전하여 IMU는 정확한 데이터 획득이 가능해짐, 낮은 배터리 소모와 소형화가 이루어져 스마트폰이나 스마트워치로 측정 가능
• 웨어러블 장치를 활용한 연구는 수십 년 동안 rehabilitation(재활),진단, 스포츠 분야에 적용되어 왔으며, acceleration, angular velocity, ground reaction forces(지면 반력), electromyographic signals(근전도 신호)를 분석하여 치료 결과나 선수의 수행 능력을 평가해왔다.
• 야구 타격은 어려운 과제로 간주되고 몸의 여러 부분의 움직임을 필요로 한다.
• 타격 동작의 순서는 하체에서 상체로 이어지는 kinematic chain(운동학적 연쇄)로 구성됨.
  • 무릎 굴곡, 고관절 외전, 허리 회전, 어깨 회전, 목 회전 이후 상지(upper limb) 스윙
•  성공적인 타격은 동적 균형 능력(dynamic balance ability)이 요구됨, 몸통 회전과 적절한 체중 이동간의 협응 포함
• proprioception(고유수용감각): 신체 위치 정보에 대한 실시간 피드백에 필수적
  • 야구 타자 - 수평 방향의 머리 및 눈 움직임은 타격 위치와 타이밍을 추정하는 데 사용됨,운동 협응 능력을 통해 이러한 정보를 처리함
• visual-motor coordination(시각-운동 협응) 은 시각 추적, 차단(intercept), 이동 물체 식별 등 스윙 동작에서 중요한 역할
  • 전반적인 수행 능력에 긍정적인 영향을 미침, 시각과 고유수용감각은 팔의 자세 구성과 그에 상응하는 움직임에 중요
• 기존 연구들은 모션 캡처 시스템 사용하여 몸통 회전 기록, Ground Reaction Forces(지면 반력, GRF)을 분석했음 (배트 스윙 속도나 스윙 타이밍 조절 포함)
• 대부분의 기존 연구는 핵심 요인들의 통합적 효과를 고려하지 않고 신체의 국소 분절에만 초점을 맞추어 왔음
• 최적의 타격 타이밍에 대한 연구는 회전 각도를 기반으로 수행됨
• 시각 탐색 전략과 수평 방향의 머리 및 눈 움직임 연구에서는 야구 타자들이 투구된 공을 받기 이전에 이미 공을 지각한다는 점이 보고됨
• 타격 동작 중 주요 요인들 간의 관계는 아직 동시에 체계적으로 분석되지 않았으며, 이는 계측 장치 통합의 한계로 인한 것일 수 있음
• 머리 움직임은 신체 회전 과정에서 하나의 운동학적 연쇄 요소임에도 불구하고 거의 다루어지지 않았음
• (코치들은 주로 눈 움직임의 중요성을 강조해왔음)
• 야구 타격 자세에서 전신 움직임의 순차적 연쇄가 존재함을 시사함
• IMU와 시선 추적 장치의 계측 통합을 통해, 준비 단계에서 시각 정보를 수용하는 과정, 동작 협응, 스윙 수행, 그리고 균형 회복에 이르는 야구 타자의 전략 및 타이밍을 규명하는 것을 목적으로 함.

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Materials and Methods

2.1 Participants

• 오른손잡이 아마추어 타자 10명 (연령 = 23.8 ± 1.4세, 신장 = 174.3 ± 4.4 cm, 체중 = 67.1 ± 8.8 kg)
  • 최근 10년간 학교 야구팀 활동 경험 없음, 정규적인 야구 훈련에도 참여하지 않음.
• 오른손잡이 프로 타자 10명 (연령 = 21.5 ± 1.4세, 신장 = 175.5 ± 4.5 cm, 체중 = 72.5 ± 9.3 kg)
  • 1년~5년 동안 대학 야구팀에 소속되어 활동한 경험 있으며 현역 선수

2.2 Instruments and Procedures

• 머리, 제7경추(C7, vertebra prominens), 제10흉추(T10), 천골(sacrum), 배트 하단에 5개의 IMU 부착
• 머리, 어깨, 고관절의 회전 측정하고 타격 순간을 검출
• 머리에 부착된 IMU는 두 선의 중심점 교차점(intersection point of the center point of two lines)에 설정
  
  • 하나의 선은 좌측 이주 전방점(left pre-auricular point, LPA)과 우측 이주 전방점(right pre-auricular point, RPA)을 연결하여 머리 상단을 통과하는 선
  • 다른 하나의 선은 inion에서 nasion을 잇는 선

    

  • 

  • 특정 목표물을 응시할 때의 고정점(fixation point)을 검출하기 위해 eye tracker가 사용됨
    • eye tracker에는 6개의 반사 마커(reflective markers)가 부착됨
    • Vicon Nexus 2.5 모션 캡처 시스템(Vicon Industries Inc., Oxford, UK)과 8대의 카메라(Vicon Vero cameras v2.2) 를 사용하여 여섯 개 마커의 3차원 좌표를 계산함으로써 시각 축(visual axis)을 정의
    • 고정점과 시각 축을 이용하여 벡터 계산, 이를 시선 정보(gaze information)로 사용
  • 바닥에 매립된 두 개의 지면 반력 측정판(force plate)을 통해 GRF(지면반력)의 변화 평가

• 참가자들은 각각 한 발씩을 두 개의 force plate 위에 서 있도록 지시
• FIELD-FORCE 야구 투구 머신 FTM-240AR을 사용, 거리는 1.2m
• 그물망(net)을 향해 공 타격, 그물망의 너비는 2.0 m, 높이는 2.4 m
• 각 참가자는 15분간 워밍업 및 타격 연습 후, 공 타격 여부와 관계없이 총 30회의 스윙 수행
• 타격 성공률(batting average)은 각 참가자의 성공적인 타격 횟수의 비율로 계산하여 두 그룹 간의 타격 기술 수준 비교

스윙 이벤트 정의 (스윙 주기 내에서 다섯 개의 이벤트 타이밍이 정의됨)

1. FFmin
   • 앞발의 최소 GRF 또는 GRF(Ground Reaction Forces)가 0이 되는 첫 번째 프레임
2. FF50
   • 앞발의 지면 반력이 체중의 50%(%BW)를 초과한 시점
3. FFmax
   • 앞발의 최대 GRF
4. IMP(impact)
   • 공이 배트에 충돌한 순간, IMU 센서에서 측정된 최대 가속도 데이터 기준으로 정의
5. BF50
   • 뒷발의 GRP가 체중의 50%(%BW)를 초과한 시점이거나, IMP 이후 체중의 50%에 가장 근접한 시점

• 하나의 스윙 주기 내에서 이러한 이벤트 사이의 네 개의 구간은 각각
  Sst(S는 stage, st는 start),
  Sff(ff는 front foot),
  Sbf(bf는 back foot),
  Sfn(fn은 finish)으로 정의
• 스윙 주기는 FFmin부터 BF50까지로 정의되었으며, 각 단계의 지속 시간은 전체 스윙 시간 대비 백분율(%) 로 표시되었다.

 

 

 

분석 항목 정의

• 아마추어 그룹과 프로 그룹 간의 차이는 세 가지 항목에 초점을 맞추어 분석함
  • stage duration(단계 지속 시간)
  • maximum angular velocity(다섯 개 분절의 최대 각속도)
  • timing off maximum counterclockwise angular velocity(다섯 개 분절의 최대 반시계 방향 각속도 발생 시점) : 전세 스윙 시간 대비 백분율로 표현

통계 분석

• 아마추어 그룹과 프로 그룹 간의 타격 성공률과 네 개 스윙 단계의 시간 비율 차이 비교하기 위해  독립표본 t-test(independent sample t-test)이 사용됨
• 두 그룹 간 다섯 개 주요 이벤트에서의 최대 각속도 차이를 검증하기 위해 t-test 수행
• 스킬 수준 그룹과 타격 이벤트 간의 최대 각속도 발생 시점 차이를 분석하기 위해 이원 분산분석(two factor analysis of variance, ANOVA)이 수행됨

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Results

아마추어는 임팩트 이후 마무리 단계가 짧고 불안정, 프로는 임팩트 이후에도 충분한 시간 동안 동작을 유지

 

 

 

프로는 임팩트 시점에서 몸통·골반·머리의 회전이 강함 아마추어는 임팩트 이후(BF50)에 회전이 남아 있음 → 에너지 전달 타이밍 차이

 

 

프로는 응집된(sequentially compact) 운동 연쇄 아마추어는 늘어진(sequentially dispersed) 연쇄

Table 1. 아마추어: 시선이 다른 분절보다 현저히 빠름 프로: 분절 간 타이밍 차이가 거의 없음 Table 2.“어느 분절이 언제 최대가 되느냐”는 숙련도에 따라 다르게 조직됨

 

 

 

 

• 아마추어 타자는 시선의 최대 각속도가 다른 신체 분절보다 현저히 이르게 발생하며, 분절 간 최대 각속도 타이밍이 분산된 반면, 프로 타자는 전신 분절의 최대 각속도 타이밍이 응집된 순차적 운동 연쇄 패턴을 보였다.

 

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"Utilization of Inertial Measurement Units for Determining the Sequential Chain of Baseball Strike Posture" 논문을 공부했습니다. 논문에서의 핵심 결과는 프로 타자는 시선-머리-어깨-몸통-골반의 최대 각속도 발생 시점이 매우 짧은 구간에 응집되어 나타났고, 아마추어 타자는 넓게 분산되어 나타났습니다. 숙련도 차이는 속도가 아니라 타이밍 조직 방식에서 발생한다는 것을 알 수 있었습니다.

다음은 논문에 대한 비판점 입니다.

 

1. 표본 및 실험 설계 한계
   1. 표본 수의 제한
      • 프로 타자 10명, 아마추어 타자 10명으로 실험을 진행했기 때문에 전체 야구 선수 집단을 대표하기에는 제한적이었습니다.
   2. 숙련도 구분의 단순화
      • 숙련도를 단순히 프로와 아마추어로 구분하여 숙련도 변화에 따른 연속적 패턴 분석은 불가하였습니다.
2. 실험 환경의 현실성 한계
   1. 실제 경기 환경 미반영
      • 머신 투구를 사용하여 실제 경기 현장에서 나올 수 있는 경우의 수를 충분히 반영하지 못하였습니다.
   2. 타격 결과의 Quality 미분석
      • 타격 성공 여부만 평가하였기 때문에 실험 결과가 실제 퍼포먼스 품질로 어떻게 연결되는지 불분명합니다.
3. 측정 및 분석 방법의 한계
   1. IMU 기반 분석의 구조적 제약
      • 각속도는 측정가능하나, 관절 토크, 근육 활성도, 힘 전달 메커니즘을 직접 측정 불가하여 운동의 원인보다는 결과 중심 분석 결과입니다.
   2. 시선을 분절과 동일 수준에서 분석
      • 시선을 하나의 분절처럼 처리하였으나, 시선은 인지 지각 신호로 근육 기반 회전과는 다르기 때문에 해당 실험 결과를 실제 상황과 대비하여 보기에는 어려움이 있습니다.
4. 일반화 가능성의 한계
   • 오른손 타자만 포함, 연령대 제한이 있었기에 좌타자, 청소년, 프로 리그로 확장은 어렵습니다.

 

본 연구는 IMU 기반 분석을 통해 야구 타격 동작의 순차적 운동 연쇄를 정량적으로 제시하였으나, 제한된 표본 수와 숙련도 구분의 단순화, 실제 경기 환경을 충분히 반영하지 못한 실험 설계, 그리고 각속도 중심 분석이라는 방법론적 한계를 지닌다. 또한 시선을 신체 분절과 동일 수준에서 분석한 점과 이벤트 정의 기준의 임의성은 결과 해석에 있어 주의가 필요하다.

 

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본 논문을 공부한 이유는, 야구 타격 동작에서의 숙련도 차이를 각속도 크기나 단일 이벤트 비교가 아닌, 분절 간 최대 각속도 발생 시점의 시간적 조직 방식으로 설명했기 때문이다. 특히 시선(gaze)과 신체 분절의 회전 타이밍을 동시에 분석함으로써, 시각–운동 협응과 전신 순차적 운동 연쇄를 통합적으로 해석하려는 시도는 기존 연구와 차별화되는 접근이다.

또한 본 연구는 고가의 모션 캡처 시스템 대신 IMU와 시선 추적 장치를 활용하여, 실험실 환경에 국한되지 않고 현장 적용이 가능한 분석 프레임워크를 제시하였다. 이는 향후 타격 동작 분석을 실제 훈련 환경이나 경기 상황으로 확장하는 데 있어 중요한 참고 기준이 된다.

 

 

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8126038/

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