氷上の地面反力計測 －フィギュアスケートジャンプの解明－
氷上での地面反力計測の難しさ
昨今、スポーツを運動学的手法から分析して、運動パフォーマンスを向上させるコーチングが多くなってきています。一般的に、動作解析にはモーションキャプチャが使われ、力発揮（地面反力）にはフォースプレートを用いて測定されます。フォースプレートは面で力を受け、その際の力の出力をセンシングするため、フォースプレート自体の固定が非常に重要なポイントとなります。そのため、地面にピットを掘り、フォースプレートをしっかりと固定することが基本となります。しかしスケートのような氷上での競技など、ウィンタースポーツでは、地面ピットを掘り、フォースプレートを固定することが困難なため、計測が現実的ではありませんでした。これらの課題をクリアするため、ひずみゲージを直接スケート刃に貼り付けることや、感圧インソールで1軸の荷重分布をみることなども行われてきましたが、6分力（3軸フォース、3軸モーメント）を同時に計測することは依然として課題でした。
M3Dを活用したフィギュアスケートジャンプ計測
今回長谷研究室では、小型薄型ウェアラブルフォースプレートM3Dを使った計測システムを構築し、これらの課題を打破し、氷上での6分力計測を達成しました。氷上で6分力計測したのは世界初なのではないでしょうか！
ブレードとブーツの間に3枚のM3Dを設置することで、荷重の分散、設置面積を稼ぎ、また3方向の力と各軸周りのモーメントが発生する複雑な動作を伴うフィギュアスケートのジャンプ動作に迫ることが出来ます。
リファレンスとして、床に設置されているフォースプレート（TF-4060）上で本システムを装着して6種類の動作の計測（各10回）も行いました。
光学式モーションキャプチャを使用して、M3Dの姿勢、位置を計測し、床固定のフォースプレート(TF-4060)と同じ座標系になるように軸方向を補正しています。
6種類の動作
・上下踏み出し動作（踏み出しから初期姿勢に戻るまで1秒間）※治具や固定方法の影響確認
・上下踏み出し動作（踏み出しから初期姿勢に戻るまで3秒間）※治具や固定方法の影響確認
・両足でのその場垂直飛び動作 ※瞬間の動的負荷を検証
・横方向のステップ動作 ※内側―外側の動的荷重を検証
・長手方向のへの踏み込み動作 ※ブレード長手方向の動的負荷を検証
・ひねり動作 ※垂直軸周りを検証
※左ブレードの各反力、モーメント成分の比較
※二乗平均平方根誤差（RSME）と相対二乗平均平方根誤差（rRSME）のパラメータを比較。
※実線 (黒)：M3D 破線 (赤)：地面固定フォースプレート
今回は前進スケーティング動作を計測し、静止した立位から加速を開始。その後、片足を6ストローク分計測。
また半回転ジャンプ（ワルツジャンプ）動作では、静止した立位姿勢からスタートし、助走後に左足で離陸。
それぞれ反力を、ジャンプでは3枚のM3Dデータを合成したCOPまで計測を行った。
※反力…破線 (赤)：Fx 破線 (青)：Fy 実線 (黒)：Fz
※モーメント…破線 (赤)：Mx 破線 (青)：My 実線 (黒)：Mz
今後の計測への期待
検証では、光学式モーションキャプチャで得られたセンサ（M3D）姿勢、位置をグローバル座標系に変換しましたが、氷上で光学式モーションキャプチャを行うことは大変な大掛かりな作業になります。センサ姿勢、位置、また選手の動きをIMUセンサからモーションキャプチャすることで、スケーターを氷上に対する固定座標系として捉えることが出来、新たな力学的観点からパフォーマンス向上や傷害リスク分析への応用の期待が高まります。
▶学術論文引用
Yuse HARA, Takayoshi TAKAHASHI, Naoto HARAGUCHI, Tatsuki KOSHIO, Yohsuke TAKEUCHI, Kazunori HASE, Wearable system for measuring three-dimensional reaction forces and moments using six-axis force sensors during skating, Journal of Biomechanical Science and Engineering, 2024, Volume 19, Issue 4, Pages 24-00093
DOI: 10.1299/jbse.24-00093
M3Dについて
超小型薄型ウェアラブルフォースプレートで、有線タイプ、有線タイプ(アナログ出力対応)、無線タイプと様々な種類があります。この小型フォースプレートは世界でもかなり稀なサイズで、これまで困難だった計測を打破できる一つのカギとなる製品です。
やはりウェアラブルのこともあって、運動計測とは相性がよく、これまで場所を気にしない歩行計測やロードバイクのペダル踏力、また9軸IMUセンサも内蔵していることもあって、ロボット分野ではヒューマノイドの足裏に配置させることや、産業用機械に組み込むことなど、多岐にわたって活躍しています。