CC BY
17УДК 796.853 DOI: 10.36028/2308-8826-2021-9-4-51-57
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИКИ УДАРОВ КАРАТЭ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ
Д.С. Уткин, Г.М. Деменчук, А.Р. Халилов, Д.Н. Дербин, И.Я. Хасаншин Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации, Москва, Россия
Аннотация
Цель работы - проведение экспериментальных исследований, анализ полей ускорений и скоростей ударов каратэ.
Методы и организация исследования. Экспериментальные исследования проводились на основе измерительного устройства, которое крепилось на запястье спортсменов. Устройство состояло из инерци-ального измерительного модуля (англ. Inertial Measurement Unit - IMU), микроконтроллера и Bluetooth-модуля. Данные с IMU - линейные ускорения ударного сегмента тела спортсмена - передавались на мобильное устройство по беспроводному каналу, а затем на компьютер. Спортсмены (12 мужчин, 4 женщины, возраст - 22±3 года, вес - 70±14 кг, рост - 165±21 см, опыт тренировок - 3-7 лет) наносили 4 вида ударов: гяку-цуки, маваши-цуки, агэ-цуки, уракен. Обработка данных проводилась в программном комплексе MATLAB.
Результаты исследования. В ходе исследования кинематики основных ударов руками каратэ было применено нормирование данных, которое позволило провести обобщенный анализ ударов различных спортсменов. В исследовании установлена зависимость между различными фазами реализации удара. Обнаружено, что для ударов гяку-цуки, аге-цуки, уракен имеется ярко выраженная фаза замаха, которая увеличивает скорость и, соответственно, силу удара. Также благодаря отдельному анализу кинематики каждой руки установлена разница в скоростях для разных рук.
Заключение. Предложенный подход может быть полезен для практической реализации, результаты исследований кинематики ударов помогут углубить понимание биомеханики ударов каратэ, что позволит ученым развивать теорию ударов, а тренерам и спортсменам - более эффективно осваивать правильную технику.
Ключевые слова: кинематика удара каратэ, инерционный измерительный модуль, поле ускорений удара, скорость удара.
DEVELOPMENT OF KARATE KICK MODELS BASED ON VARIOUS TYPES
OF ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS
D.S. Utkink, 190713@edu.fa.ru, ORCID: 0000-0002-1996-0234
G.M. Demenchuk, 1191770@edu.fa.ru, ORCID: 0000-0003-2849-982X
A.R. Khalilov, 191762@edu.fa.ru, ORCID: 0000-0002-4183-3610
D.N. Derbin, 190763@edu.fa.ru, ORCID: 0000-0002-5700-6927
I.Ya. Khasanshin, e-mail: iykhasanshin@fa.ru, ORCID: 0000-0003-3809-8624
Financial University under the Government of the Russian Federation, Moscow, Russia
Abstract
The work was aimed to conduct experimental studies, analyze the acceleration fields and the speeds of karate punches.
Methods and organization of the study. Experimental studies were conducted on the basis of a measuring device that was attached to the wrist of athletes. The device consisted of an Inertial Measurement Unit (IMU), a microcontroller and a Bluetooth module. Data from the IMU - linear accelerations of the impact segment of the athlete's body - were transmitted to a mobile device via a wireless channel, and then to a computer. Athletes (12 men, 4 women, age - 22±3 years, weight - 70±14 kg, height - 165±21 cm, training experience - 3-7 years) inflicted 4 types of punches: gyaku-tsuki, mawashi-tsuki, age-tsuki, uraken. Data processing was carried out in the MATLAB software package.
The results of the study. During the study of the kinematics of the main karate punches, data normalization was applied, which allowed for a generalized analysis of the punches of various athletes. The study established the relationship between the different phases of the implementation of the impact. It was
found that for gyaku-tsuki, agyo-tsuki, and uraken strikes, there is a pronounced swing phase, which increases the speed and, accordingly, the force of the blow. Also, due to the application of a separate analysis of the kinematics of each hand, the difference in velocities for different hands was established. Conclusion. The proposed approach is suitable for practical implementation, the results of studies of the kinematics of punches will help to deepen the understanding of the biomechanics of karate punches, which will allow scientists to develop the theory of punches, and coaches and athletes to more effectively master the correct technique.
Keywords: karate punch kinematics, inertial measurement module, punch acceleration field, punch velocity.
ВВЕДЕНИЕ
Биомеханика ударов каратэ является предметом активного внимания ученых, работающих в этой области спортивной науки [1-8]. Эти усилия были направлены на получение кинематической и динамической модели удара, которая была бы строгой с математический точки зрения и одновременно могла быть использована в тренерской практике. И.Я. Хасаншиным [9] были проведены исследования, где разрабатывалась универсальная модель удара, описываемая на основе методов глубокого обучения. D.K. Kimm, D. Thiel [10] проводили исследования ускорения и скорости ударов с использованием IMU, которые были установлены на запястьях боксеров. Акселерометры в этом исследовании имели большой диапазон — 200 g (g — ускорение силы тяжести=9,8 м/с2), хотя графики показывают, что максимальное ускорение составляло около 25 g. Кроме того, это ускорение соответствовало заключительной фазе удара, когда кулак спортсмена резко останавливался и это приводило к большому отрицательному ускорению. Это позволяет нам сделать вывод, что для изучения кинематики ударов в боевых искусствах можно ограничить диапазон измерений 16-25 g. D. Dinu, B. Millot, J. Slawinski, J. Louis [11] исследовали разницу между биомеханикой ударов элитных и начинающих боксеров на основе IMU, которые в количестве 17 штук были установлены на теле боксеров. IMU имел предел измерения акселерометра 18 g и включал в себя акселерометр, гироскоп, магнитометр. Поскольку IMU были установлены на каждом сегменте тела, был определен вклад сегментов тела в технику ударов боксеров. В обеих группах (элитные и начинаю-
щие спортсмены) локоть внес наибольший вклад в технику прямого удара, а плечо внесло наибольший вклад в такие удары, как хук и апперкот.
N. Haralabidis, D.J. Saxby, C. Pizzolato, L. Needham, D. Cazzola, C. Minahan [12] проводили анализ кинематики ударов боксеров с использованием акселерометров, который был проведен в сочетании с видеосъемкой. Авторы искали корреляцию поз и полей ускорения ударов с усталостью спортсменов. Графики ускорений ударов, приведенные в [12], показывают, что максимальные значения находятся в диапазоне 20-40 м/с2, что также позволяет нам выбирать IMU для экспериментов с пределом измерения до 16 g. Схема эксперимента показана на рисунке 1. На рисунке 1 показаны инерциальные измерительные модули, которые закреплены на запястьях спортсмена. Данные IMU по Bluetooth-каналу передавались на мобильное устройство, затем на компьютер, где производилась обработка.
На рисунке 2 можно видеть измерительное устройство для сбора данных, которое состоит из цифрового инерциального измерительного модуля MPU6050, микроконтроллера stm32f103, Bluetotooth-модуля HC-05.
Рисунок 1 - Схема эксперимента Figure 1 - Design of experiment
МРиб050 — это инерционный измерительный модуль, включающий в себя трехосевой акселерометр с диапазоном измерений ± 16 § Измерительное устройство для сбора данных представляло собой коробку размером 50x20x10 мм, весом 35 граммов. На рисунке 3 показано, каким образом крепился 1Ми на руке спортсменов, а также показаны направления ускорений. Исследования проводились с участием 16 высококвалифицированных спортсменов каратэ с тренировочным опытом 3-7 лет. В контрольной группе было 12 мужчин и 4 женщины, возраст — 22±3 года, вес — 70±14 кг, рост — 165±21 см.
Эксперименты были проведены для основных ударов руками, которые применяются в каратэ. В русской транскрипции эти удары называются: гяку-цуки (перекрестный прямой удар), маваши-цуки (боковой удар), аге-цуки (удар снизу вверх, апперкот); уракен (специфический боковой удар, наносится изнутри наружу). Обработка полученных данных производилась в математическом пакете МА^АВ.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Имея поле ускорений для разных видов удара, можно поставить задачу анализа техники выполнения каждого из ударов. Для независимого анализа величины ускорений разделим на ускорение свободного падения g=9,8 м/с2,
полученные таким образом данные станут безразмерными. В данном исследовании была применена аппроксимация ускорения в интервале [(п-2)-Т, п-Т] с использованием параболы для трех значений а(п-2), а(п-1), а(п). Разностное уравнение тогда приняло вид: V(n) = V (п-1) + Т [5/12а (п) +8/12а (п-1)-1/12а (п-2)]. Таким образом, мы получили зависимость скорости удара от обобщенного времени. Это позволило нормировать данные и провести обобщенный анализ ударов разных спортсменов.
В работах [10, 11, 12] было использовано несколько датчиков для анализа движений. В нашем исследовании для анализа техники выполнения ударов используется один трех-осевой акселерометр, который позволяет делать качественные выводы о технике каждого удара.
Построив графики зависимости скоростей, отметили, что они для одних и тех же ударов существенно различаются в зависимости от того, правой или левой рукой выполнялся удар, на которой производились измерения. В то же время для одной и той же руки зависимости скоростей для одинаковых видов удара схожи, но не совпадают. Поскольку зависимости скоростей для конкретной руки и конкретного удара не совпадают, но близки, были найдены средние зависимости скоростей от количества измерений для каждого типа удара, для левой и правой руки.
Рисунок 2 - Измерительное устройство Figure 2 - Data acquisition device
Рисунок 3 - Крепление IMU на руке спортсмена и направления ускорений Figure 3 - Fixing the IMU on the athlete's arm and the direction of acceleration
a) проекция на ось X b) проекция на ось Y
a) projection on the X-axis b) projection on the Y-axis
Рисунок 4 - Проекции удара гяку-цуки Figure 4 - Projections of the gyaku-tsuki punch
a) проекция на ось X b) проекция на ось Y
a) projection on the X-axis b) projection on the Y-axis
Рисунок 5 - Проекции удара маваши-цуки Figure 5 - Projections of the mawashi-tsuki punch
a) проекция на ось X b) проекция на ось Y
a) projection on the X-axis b) projection on the Y-axis
Рисунок 6 - Проекции удара аге-цуки Figure 6 - Projections of the age-tsuki punch
На рисунке 4 (а, Ь) представлены зависимости проекции скорости удара гяку-цуки на осях X и Y от времени измерения. Для правой руки график имеет минимум между двумя максимумами, для левой руки максимум расположен между двумя минимумами (рисунок 4, а). Из представленных графиков видно, что удар состоит из нескольких фаз, а именно фазы замаха (обратной основному движению) до первого пересечения оси абсцисс на графике, фазы увеличения скорости руки для удара с последующей задержкой (второй экстремум на графике), перехода в фазу обратного движения (второе пересечение оси абсцисс) с последующей задержкой (третий экстремум) и перехода к «остаточному» движению в направлении основного удара (третье пересечение оси абсцисс). Из графиков скорости руки для этого спортсмена видно, что максимальная скорость замаха правой рукой по оси X меньше аналогичного размера для левой руки и замах правой рукой короче, чем замах левой рукой. Однако максимальная скорость в делящейся фазе удара для левой руки больше, чем для правой, но достигается она несколько позже, чем момент достижения максимальной скорости в соответствующей фазе правой рукой. Таким образом, более интенсивный замах левой рукой дает высокую максимальную скорость в проекции на ось Х в основной фазе удара. Можно отметить, что время начала обратного движения для правой и левой руки практически совпадает, как и время начала остаточного
движения в направлении удара, но задержка обратного движения левой рукой более резкая и происходит несколько раньше (третий экстремум по графикам). Анализируя изменение проекции скорости на ось Y, можно отметить, что на оси ординат нет замаха, но максимальная скорость по модулю для правой руки меньше, чем для левой, и достигается правой рукой раньше, чем левой. Далее следует фаза задержки движения руки вниз с последующим незначительным увеличением скорости по оси Y
На рисунке 5 (а, Ь) представлены зависимости проекций скорости удара маваши-цуки от времени измерения.
На рисунке 6 (а, Ь) представлены зависимости проекций скорости удара аге-цуки на оси X и Y от времени измерения для этого типа удара. Из рисунка 6 (а) видно, что в начальной фазе происходит замах по оси Х (движение назад) как левой, так и правой рукой, но замах левой рукой интенсивнее и продолжительнее. В следующей фазе набор максимальной скорости по оси абсцисс на правой руке происходит быстрее, чем на левой, максимальное значение проекции скорости на ось Х примерно одинаково для обеих рук. Далее следует фаза торможения перед пересечением нулевой линии, которая заканчивается раньше при ударе правой рукой. Короткая фаза движения назад заканчивается переходом примерно в одно и то же время для обеих рук (большая часть левой руки пересекает нулевую линию) в по-
a) проекция на ось X a) projection on the X-axis
Рисунок 7 - Проекции удара уракен Figure 7 - Projections of the uraken punch
л в
Н ^Г
u >>
о й а. и
о о
'Л —
U >
правая рука
right hand
/ \ левая рука
' I * \ left hand
f Л 1 i
\' / /X
v1
время, MC
time, ms
b) проекция на ось Z b) projection on the Z-axis
следней фазе удара. Конечная проекция скорости на ось Х для левой руки больше, чем тот же размер для правой руки. Анализируя графики для проекции скорости на ось ординат, мы отметим наличие замаха как правой, так и левой рукой. Замах по этой оси правой рукой более интенсивно длится дольше, чем замах левой рукой. В следующей фазе набора максимальной скорости вниз скорость левой руки больше, чем максимальная скорость правой руки (минимумы в окрестности 50 мс), но она достигается немного позже. Резюмируя этот вид удара, отметим, что левой рукой этот удар получается более интенсивным, чем правой рукой.
На рисунке 7 (a, b) представлены зависимости проекций скорости удара уракен на оси X и Z от времени измерения. Рассмотрим зависимости проекции скорости на ось Х. Можно отметить, что на этой оси нет замаха, движение вперед производится в начале, после достижения максимальной скорости происходит задержка, а в дальнейшем — укорочение участка движения назад после пересечения нулевой линии. Максимальная скорость по этой оси больше при ударе правой рукой. Анализируя изменение проекции скорости на ось Z, легко заметить, что в начальной фазе становится более интенсивным замах для левой руки. И
ЛИТЕРАТУРА
1. Хасаншин, И. Я. Использование искусственной нейронной сети для разработки оптимальной модели прямого удара в боксе / И. Я. Хасаншин // Наука и спорт: современные тенденции. - 2021. - Т.9. - № 2. - С. 132-138. - DOI 10.36028/2308-8826-2021-9-2-132-138.
2. Alinaghipour M., Zareian E., Pooraghaei Z.A. The Scoring Techniques in the Final Competitions of the Karate World Championships 2016. Ann Appl Sport Sci. 2020, vol. 8, no. 2. URL: http://aassjour-nal.com/article-1-760-en.html
3. Brianne L., Nauright J. Globalization of the traditional Okinawan art of Shotokan karate, Sport in Society, 2019, vol. 22, no. 11, pp. 1762-1768, doi: 10.1080/17430437.2019.1617506.
4. Dinu D., Millot B., Slawinski J., Louis J. An Examination of the Biomechanics of the Cross, Hook and Uppercut between Two Elite Boxing Groups. Proceedings, 2020; Volume 49, pp. 61. https://doi. org/10.3390/proceedings2020049061.
5. Haralabidis N., Saxby D.J., Pizzolato C., Needham L., Cazzola D., Minahan C. Fusing Accelerometry with Videography to Monitor the Effect of Fatigue on Punching Performance in Elite Boxers.
хлесткое движение справа незначительно. Далее рука начинает движение внутрь и к себе. Подводя итог анализу рассмотренных ударов, совершенных спортсменами, отметим, что при наличии замаха в начальной фазе максимальная скорость удара тем больше, чем больше замах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе исследования кинематики основных ударов руками каратэ было применено нормирование данных, которое позволило провести обобщенный анализ ударов различных спортсменов. В исследовании установлена зависимость между различными фазами реализации удара. Это может быть полезно тренерам для совершенствования техники выполнения ударов. Также была изучена кинематика такого специфического удара, как уракен, который до сих пор мало изучен, так как используется не во всех боевых искусствах.
Считаем, что предложенный подход может быть полезен для практической реализации, результаты исследований кинематики ударов помогут углубить понимание биомеханики ударов каратэ, что позволит ученым развивать теорию ударов, а тренерам и спортсменам поможет более эффективно осваивать правильную технику.
Sensors 2020; Volume 20, pp. 5749. https://doi. org/10.3390/s20205749.
6. Howard R. Wireless Sensor Devices in Sports Performance. EEE Potentials, vol. 35, no. 4, pp. 40-42, July-Aug. 2016, doi: 10.1109/MP0T.2015.2501679.
7. Kimm D. K., Thiel D. Hand Speed Measurements in Boxing. Procedia Engineering, 2015; Volume 112, pp. 502-506. https://doi.org/10.1016/j.pro-eng.2015.07.232.
8. Noveletto F., Bertemes P. F., Soares A. V. Low Cost Biofeedback System for Muscular Strength Analysis and Training, IEEE Latin America Transactions, vol. 14, no. 2, pp. 575-581, Feb. 2016, doi: 10.1109/ TLA.2016.7437195.
9. Polak E., Kulasa J., VencesBrito A., Castro M., Fer-nandes O. Motion analysis systems as optimization training tools in combat sports and martial arts. Revista de Artes Marciales Asiáticas, 2016, vol. 10, no. 2, pp. 105-123, doi: 10.18002/rama.v10i2.1687.
10. Seyedi R., Zhong Y., Khodaparast S., Sigillo D., Azizi A., Yiming 0. Identifying Keys to Win in the World Karate Championship. Ann Appl Sport Sci. 2021, vol. 9, no. 2. URL: http://aassjournal.com/ article-1-936-en.html
11. Shin S., Jeong S., Shin S., Cho D., Chung S. Devel-
oping a device using accelerometers and EMG for hand movement recognition. 2013 6th International Conference on Biomedical Engineering and Informatics, 2013, pp. 398-402, doi: 10.1109/ BMEI.2013.6746971.
12. Zago M., Codari M., Marcello F. I., Sforza C. Mul-ti-segmental movements as a function of experience in karate, Journal of Sports Sciences, 2017; Volume 35, Issue 15, pp. 1515-1522, DOI: 10.1080/02640414.2016.1223332.
REFERENCES
1. Khasanshin, I. Ya. Using an artificial neural network to develop an optimal model of a straight punch in boxing / I. Ya. Khasanshin // Science and Sport: current trends. - 2021. - Vol. 9. - No. 2. - pp. 132-138. - DOI 10.36028/2308-8826-2021-9-2-132-138.
2. Alinaghipour M., Zareian E., Pooraghaei Z.A. The Scoring Techniques in the Final Competitions of the Karate World Championships 2016. Ann Appl Sport Sci. 2020, vol. 8, no. 2. URL: http://aassjournal.com/ article-1-760-en.html
3. Brianne L., Nauright J. Globalization of the traditional Okinawan art of Shotokan karate, Sport in Society, 2019, vol. 22, no. 11, pp. 1762-1768, doi: 10.1080/17430437.2019.1617506.
4. Dinu D., Millot B., Slawinski J., Louis J. An Examination of the Biomechanics of the Cross, Hook and Uppercut between Two Elite Boxing Groups. Proceedings, 2020; Volume 49, pp. 61. https://doi. org/10.3390/proceedings2020049061.
5. Haralabidis N., Saxby D.I., Pizzolato C., Needham L., Cazzola D., Minahan C. Fusing Accelerometry with Videography to Monitor the Effect of Fatigue on Punching Performance in Elite Boxers. Sensors 2020; Volume 20, pp. 5749. https://doi.org/10.3390/ s20205749.
6. Howard R. Wireless Sensor Devices in Sports Performance. EEE Potentials, vol. 35, no. 4, pp. 40-42, July-Aug. 2016, doi: 10.1109/MP0T.2015.2501679.
7. Kimm D. K., Thiel D. Hand Speed Measurements in Boxing. Procedía Engineering, 2015; Volume 112, pp. 502506. https://doi.Org/10.1016/j.proeng.2015.07.232.
8. Noveletto F., Bertemes P. F., Soares A. V. Low Cost Biofeedback System for Muscular Strength Analysis and Training, IEEE Latin America Transactions, vol. 14, no. 2, pp. 575-581, Feb. 2016, doi: 10.1109/ TLA.2016.7437195.
9. Polak E., Kulasa J., VencesBrito A., Castro M., Fer-nandes O. Motion analysis systems as optimization training tools in combat sports and martial arts. Revista de Artes Marciales Asiáticas, 2016, vol. 10, no. 2, pp. 105-123, doi: 10.18002/rama.v10i2.1687.
10. Seyedi R., Zhong Y., Khodaparast S., Sigillo D., Azizi A., Yiming 0. Identifying Keys to Win in the World Karate Championship. Ann Appl Sport Sci. 2021, vol. 9, no. 2. URL: http://aassjournal.com/article-1-936-en.html
11. Shin S., Jeong S., Shin S., Cho D., Chung S. Developing a device using accelerometers and EMG for hand movement recognition. 2013 6th International Conference on Biomedical Engineering and Informatics, 2013, pp. 398-402, doi: 10.1109/ BMEI.2013.6746971.
12. Zago M., Codari M., Marcello F. I., Sforza C. Mul-ti-segmental movements as a function of experience in karate, Journal of Sports Sciences, 2017; Volume 35, Issue 15, pp. 1515-1522, DOI: 10.1080/02640414.2016.1223332.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Уткин Даниил Сергеевич (Utkin Daniil Sergeevich) - научный сотрудник Лаборатории робототехники, интернета вещей и встраиваемых систем, Финансовый университет при Правительстве РФ, 125993 (ГСП-3), г. Москва, Ленинградский просп., 49, e-mail: 190713@edu.fa.ru, ORCID: 0000-0002-1996-0234.
Деменчук Георгий Максимович (Demenchuk Georgriy Maximovich) - научный сотрудник Лаборатории робототехники, интернета вещей и встраиваемых систем, Финансовый университет при Правительстве РФ, 125993 (ГСП-3), г. Москва, Ленинградский просп., 49, e-mail: 1191770@edu.fa.ru, ORCID: 0000-0003-2849-982X. Дербин Дмитрий Николаевич (Dmitriy Derbin Nikolaevich) - научный сотрудник Лаборатории робототехники, интернета вещей и встраиваемых систем, Финансовый университет при Правительстве РФ, 125993 (ГСП-3), г. Москва, Ленинградский просп., 49, e-mail: 190763@edu.fa.ru, ORCID: 0000-0002-5700-6927. Халилов Артем Рустамович (Khalilov Artyom Rustamovich) - научный сотрудник Лаборатории робототехники, интернета вещей и встраиваемых систем, Финансовый университет при Правительстве РФ, 125993 (ГСП-3), г. Москва, Ленинградский просп., 49, e-mail: 191762@edu.fa.ru, ORCID: 0000-0002-4183-3610. Хасаншин Ильшат Ядыкарович (Khasanshin Ilshat Yadikarovitch) - кандидат технических наук, Финансовый университет при Правительстве РФ, 125993 (ГСП-3), г. Москва, Ленинградский просп., 49, e-mail: iykhasanshin@fa.ru, ORCID: 0000-0003-3809-8624.
Поступила в редакцию 6 октября 2021 г. Принята к публикации 30 октября 2021 г.
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
Исследование кинематики ударов каратэ с использованием инерциальных измерительных модулей / Д.С. Уткин, Г.М. Деменчук, А.Р. Халилов и др.// Наука и спорт: современные тенденции. - 2021. - Т. 9, № 4. - С. 51-57. DOI: 10.36028/2308-8826-2021-94-51-57
FOR CITATION
Utkink D. S., Demenchuk G. M., Khalilov A. R., Khalilov A. R., Khalilov A. R., Khasanshin I. Ya. Development of karate kick models based on various types of artificial neural networks. Science and sport: current trends, 2021, vol. 9, no.4, pp. 51-57 (in Russ.) DOI: 10.36028/2308-88262021-9-4-51-57
