体育学研究 64:841-854,2019 ジャンプフローターサーブのキネマティクス 841 研究資料 エリート女子バレーボール選手における ジャンプフローターサーブのキネマティクス 堀内 1) 元 豊嶋 2) 陵司 3) 鈴木雄貴 4) 桜井伸二 Gen Horiuchi 1, Ryoji Toyoshima 2, Yuki Suzuki 3 and Shinji Sakurai 4 : Kinematics of the jump floater serve in elite female volleyball players. Japan J. Phys. Educ. Hlth. Sport Sci. Abstract: The purpose of this study was to clarify the kinematics of the jump floater serve in volleyball to provide basic data for research. The jump floater serve motions of 9 female volleyball players (body height: 174.4±6.2 cm, body weight: 67.7±6.1 kg, age: 23.6±4.6 yr, career: 14.4±5.1 yr) were recorded using a motion capture system with 10 cameras (500 Hz). The three-dimensional coordinates of retro-reflective markers on the volleyball were also collected using a motion capture system. The primary variables examined were the hand velocity of the swing arm at impact, the velocity and angular velocity of the volleyball after impact, the joint angles of the swing arm and torso, and the segment angle of the lower torso during the jump floater serve. The main results were as follows. 1. The speed of the volleyball was about 14 m/s, and the spin of the volleyball was about 1 rps. 2. No significant correlation was found between the number of volleyball rotations around each axis and the impact parameters of the swing hand. 3. The maximal right rotation angle of the torso joint in the jump floater serve was smaller than that of the spike motion. 4. The abduction angle of the shoulder joint at ball impact in the jump floater serve was similar to that of a spike motion. 5. From the end of take back to the middle of the serve motion, the standard deviation in the abduction angle of the shoulder joint was notably large. 6. The maximal external rotation of the shoulder joint was smaller in comparison with a baseball pitch or a tennis serve. 7. The extension angle of the elbow joint at impact was smaller in comparison with the volleyball spike motion. Key words : swing direction, number of rotation, rotation axis, posture angle, joint angle キーワード : スイング方向, 回転数, 回転軸, 姿勢角, 関節角度 Ⅰ 緒 言 バレーボールでは 試合は, 最初のサーブ権を 得たチームによるサーブではじまります. ボールがコートに落ちるか, ボールがアウトになるか, 正しく返球できなくなるか, いずれかのチームが反則を犯すかペナルティーを受けるまで, ラリー 1) 関西大学人間健康学部 590-8515 大阪府堺市堺区香ヶ丘町 1-11-1 2) 岐阜県体育協会岐阜県スポーツ科学センター 502-0817 岐阜県岐阜市長良福光青襖 2070-7 3) 中京大学体育研究所 470-0393 愛知県豊田市貝津町床立 101 4) 中京大学スポーツ科学部 470-0393 愛知県豊田市貝津町床立 101 連絡先堀内元 1. Faculty of Health and Well-being, Kansai University 1-11-1 Kaorigaoka-cho, Sakai-ku, Sakai, Osaka 590-8515 2. Gifu Sports Science Center, Gifu Sports Association 2070-7 Aofusuma, NagaraFukumitsu, Gifu, Gifu 502-0817 3. Research Institute of Health and Sport Sciences, Chukyo University 101 Tokodachi, Kaizu-cho, Toyota, Aichi 470-0393 4. School of Health and Sport Sciences, Chukyo University 101 Tokodachi, Kaizu-cho, Toyota, Aichi 470-0393 Corresponding author g-horiuchi@outlook.com
842 堀内ほか は続けられます. とされている( 公益財団法人日本バレーボール協会,online). このことから, バレーボールにおいて, サーブは唯一のクローズドスキルであり, すべてのラリーで行われる重要なプレーであるといえる. 近年のヨーロッパトップリーグで女子選手が使用するサーブの種類について調査した研究 (Quiroga et al., 2010) では, サーブの概ね 7 割がフローターサーブと呼ばれる不規則な変化を示すサーブであったことが報告されており, フローターサーブが近年の女子バレーボールにおけるサーブ戦略として主流であることが推察される. しかしながら, バレーボールに関する科学的研究は, スパイク動作に関する研究 (Coleman et al., 1993; 堀田ほか,1988;Maxwell, 1981; 中西 都澤,2007;Oka et al., 1976; Samson and Roy, 1976; 和田ほか,2003;Wagner et al., 2009) は散見されるのに対して, サーブ動作に関する研究 (Reeser et al., 2010; Rokito et al., 1998) は非常に限られており, サーブ動作中における各関節角度の時系列変化のような基礎的情報さえ記述されていない. 加えて, フローターサーブにおけるボールのスピードや回転などのサーブパフォーマンスについての報告も見当たらない. フローターサーブは, ボールに回転をかけないように打ち出されるため, 野球のナックルボールのように不規則な変化をする. そのため, 相手レシーブの乱れを誘うことができる. 特に, ジャンプフローターサーブは, 様々なサーブの中で最も相手のレシーブを乱す効果があると報告されている ( 橋原, 2004). これらのことから, 近年における女子バレーボールの世界大会では, ジャンプフローターサーブが主流になっている. そこで, サーブによって打ち出されたボールの回転に影響を及ぼす要因が明らかになれば, ジャンプフローターサーブを習得するうえで留意すべき観点を提供することにつながり, 選手や指導者にとって有益な情報になると考えられる. また, サーブ動作についても, 競技レベルの高い選手のフローターサーブ動作を記述することは, 動作の習得を行ううえでの見本となる情報を提示することにつながり, 指導現場に対して有用な知見になりうる. そこで, 本研究では, スポーツバイオメカニクス的観点からエリート女子バレーボール選手のジャンプフローターサーブ動作およびボールの速度 回転を分析し, 基礎的な研究資料を記述することを目的とした. Ⅱ 方法 1. データ収集分析対象者は,V プレミアリーグ所属チームの女子バレーボール選手 9 名 ( 身長 :174.4± 6.2 cm, 体重 :67.7 ± 6.1 kg, 年齢 :23.6±4.6 yrs, 競技歴 :14.4 ± 5.1 yrs) であり, 右利きが 7 名, 左利きが 2 名であった. 本研究は中京大学研究倫理委員会の承認を得て行われた. 分析対象者には本研究の目的および実験内容などを説明し, 予め実験参加への同意を得た. 日本バレーボール協会公認仕様のバレーボールコートに幅 1m 奥行き 6mのターゲットエリアを設けた (Figure 1). なお, サイドラインと平行かつ相手コートに正対したときの前方向を Y G, 鉛直上方を Z G,Y G と Z G の外積によって得られた方向を X G とし,X G,Y G,Z G からなる座標系を絶対座標系と定義した. 実験試技は任意の助走からエンドライン中央付近でのジャンプフローターサーブとし, ターゲットエリアに入った試技を成功試技とした. サーブ動作中における分析対象者の身体特徴点 25 点 (Figure 2) の 3 次元座標データをモーションキャプチャーシステム (MX-T20S,Vicon Motion System) によってサンプリング周波数 500 Hz で記録した. また, ボールの速度および回転を算出するために, ターゲットエリア周辺に別途設置したモーションキャプチャーシステム (MX-T20,Vicon Motion System) によってボールの分析点 6 点の 3 次元座標データをサンプリング周波数 500 Hz で記録した. 分析対象者の身体には再起反射マーカーを, ボールには自作した樹脂製の半球マーカーを貼付した. 各分析対象者に対して 1 試技の成功試技について, 後述するデータ処理を行った. なお, 左利きの分析対象者につい
ジャンプフローターサーブのキネマティクス 843 Figure 1 Experimental setup Figure 2 Landmarks of body and ball ては, 右利きの分析対象者と同様になるように身体特徴点およびボールの 3 次元座標データを反転させた後, 後述するデータ処理を行った. 2. データ処理 2.1 分析範囲本研究では, 上半身の重心高が最小になった瞬間をサーブ動作開始, スイング腕側の手部の加速度の値がピークに達した後に負を示した瞬間をイ ンパクトと定義した. そして, サーブ動作開始からインパクトまでを分析範囲として時間を規格化した (Figure 3). 上半身の重心高およびスイング腕における手部の質量中心位置は, 身体特徴点の 3 次元座標データから, 阿江ほか (1992) の身体部分慣性係数を用いて算出された. 2.2 平滑化バレーボールのサーブ動作では, 手部とボール Figure 3 Definition of analysis phase
844 堀内ほか がインパクトする際に手部が急激に減速するため, これが平滑化の処理によってインパクト付近のデータに歪みを生じさせる可能性が予測される. そのため, 本研究では, 手部とボールのインパクトによる影響を取り除いてデータを平滑化するために, サッカーのキック動作に関する先行研究 (Nunome et al., 2006) で用いられた方法を採用した. 後述する算出項目のうち, 手部のインパクトパラメーター および 下胴部の姿勢角および体幹 上肢の関節角度 を平滑化されていない 3 次元座標データから算出し, インパクトの直前からそれぞれの信号は外挿した. そして, これらの信号を 4 次の Butterworth 型ローパスフィルターを用いてカットオフ周波数 25 Hz で平滑化した. また, 後述する ボールパラメーター は, カットオフ周波数 50 Hz で平滑化されたボールの分析点 6 点の 3 次元座標データから算出された. 2.3 身体セグメントの座標系本研究では, 上半身を 5 セグメント ( スイング腕における手部, 前腕部, 上腕部および上胴部, 下胴部 ) の剛体リンクでモデル化した. なお,Figure 2 に示す関節の周囲に貼付した 2 個のマーカーの中点を関節中心とした. そして, テニスのサーブ動作に関する先行研究 ( 村田 藤井, 2014) を参考に, スイング腕における手部, 前腕 部, 上腕部および体幹部 ( 上胴部, 下胴部 ) の各セグメントに, 各軸が規格 直交化された移動座標系を設定した (Figure 4). 手部については, 尺骨茎状突起と橈骨茎状突起の中点を手関節中心として算出した. 手関節中心から第 3 中手骨へ向かう単位ベクトルを Z hand, 橈骨茎状突起から尺骨茎状突起へ向かうベクトルを補助ベクトル S hand とした. さらに,Z hand と S hand の外積によって得られる方向の単位ベクトルを Y hand,y hand と Z hand の外積によって得られる単位ベクトルを X hand とした. そして,X hand,y hand,z hand を軸とする座標系を手部座標系として定義した. 前腕部については, 上腕骨内側上顆と上腕骨外側上顆の中点を肘関節中心として算出した. 肘関節中心から手関節中心へ向かう単位ベクトルを Z fa, 橈骨茎状突起から尺骨茎状突起へ向かうベクトルを補助ベクトル S fa とした. さらに,Z fa と S fa の外積によって得られる方向の単位ベクトルを Y fa,y fa と Z fa の外積によって得られる単位ベクトルを X fa とした. そして,X fa,y fa,z fa を軸とする座標系を前腕部座標系として定義した. 上腕部について, 上腕骨小結節の前部および後部の中点を肩関節中心として算出した. 肩関節中心から肘関節中心へ向かう単位ベクトルを Z ua, 上腕骨外側上顆から上腕骨内側上顆へ向かうベクトルを補助ベクトル S ua とした. さらに,Z ua と Figure 4 Definition of local coordinate system
ジャンプフローターサーブのキネマティクス 845 S ua の外積によって得られる方向の単位ベクトルを Y ua,z ua と Y ua の外積によって得られる単位ベクトルを X ua とした. そして,X ua,y ua,z ua を軸とする座標系を上腕部座標系として定義した. 上胴部については, 左右の肋骨下端の中点を肋骨下端中点, 胸骨上縁と第 7 頚椎の中点を首関節中心としてそれぞれ算出した. 肋骨下端中点から首関節中心へ向かう単位ベクトルを Z ut, 第 7 頚椎から胸骨上縁へ向かうベクトルを補助ベクトル S ut とした.S ut と Z ut の外積によって得られる方向の単位ベクトルを X ut,z ut と X ut の外積によって得られる方向の単位ベクトルを Y ut とした. そして,X ut,y ut,z ut を軸とする座標系を上胴部座標系として定義した. 下胴部については, 左の上前腸骨棘から右の上前腸骨棘へ向かう単位ベクトルを X lt, 左右の上後腸骨棘の中点から左右の上前腸骨棘の中点へ向かうベクトルを補助ベクトル S lt とした.X lt と S lt の外積によって得られる方向の単位ベクトルを Z lt,z lt と X lt の外積によって得られる単位ベクトルを Y lt とした. そして,X lt,y lt,z lt を軸とする座標系を下胴部座標系として定義した. なお, 身体各部に設定した移動座標系の原点は, 対象セグメントにおける質量中心位置とする. 3. 算出項目 3.1 ボールパラメーターボールに貼付した再起反射マーカーの 3 次元座標データからボールの速度と回転を算出した. ボールの中心位置は,3 組の対角に位置する 2 点のマーカーの中点を平均することでボールの中心位置を推定した. 推定したボール中心位置の 3 次元座標データを時間微分することでボールの速度を算出し, 本研究ではベクトル長 ( 以下 ボールスピード と略す ) で示す. ボールにはボール中心位置を原点とする移動座標系を以下のように定義した. ボール中心から対角に位置しない任意の 2 点のマーカーへ向かう単位ベクトルを算出し, それぞれ X ball および S ball と定義した.X ball と S ball の外積によって得られる単位ベクトルを Z ball,z ball と X ball の外積によって 得られる単位ベクトルを Y ball とした.X ball,y ball, Z ball を軸とする座標系をボール座標系として定義した. そして, 定義した移動座標系からボールの角速度ベクトルを算出し ( 和達,1983), 算出したボールの角速度ベクトルを絶対座標系の各軸に投影することで, 絶対座標系における各軸回りのボール角速度とした. 鉛直上方からみたとき (XY 平面 ) の Y G および相手コートに正対した後方からみたとき (ZX 平面 ) の Z G とボールの角速度ベクトルとのなす角をボール回転軸の傾斜とした ( 各軸とボール角速度ベクトルが重なるときを 0 deg, 反時計回りを正とする ). また, 絶対座標系の各軸に投影したボールの角速度ベクトルから 1 秒間当たりにおけるボールの回転数を算出した. なお,X G 軸回りの回転をバック (+) トップ (-) スピン,Y G 軸回りの回転を右回り (+) 左回り (-) のスパイラルスピン,Z G 軸回りの回転を左回り (+) 右回り(-) のサイドスピンと定義した. 3.2 手部のインパクトパラメータースイング腕における手部の質量中心位置の 3 次元座標データを時間微分することでスイング腕における手部の速度 ( 以下 手部速度 と略す ) を算出し, 本研究ではベクトル長 ( 以下 スイングスピード と略す ) で示す. さらに, スイング方向を明確にするため, 本研究では手部速度ベクトルを水平角, 仰角で示した. 水平角は XY 平面に投影した手部速度ベクトルが Y G と一致するときを 0 deg とし, 鉛直上方からみて反時計回りを正とする. 仰角は YZ 平面に投影した手部速度ベクトルが Y G と一致するときを 0 deg とし, 鉛直上方へ回転するときを正とする. ボールインパクト時のボールと手部の位置関係を明確にするため, 以下に示すボールインパクト座標系におけるボールの中心に対するスイング腕における第 3 中手骨の位置座標を求めた. 手部速度の単位ベクトルを Y imp, 絶対座標系の X G を補助ベクトル S imp とした.S imp と Y imp の外積によって得られる方向の単位ベクトル Z imp,y imp と Z imp の外積によって得られる単位ベクトルを X imp とし
846 堀内ほか た. そして,X imp,y imp,z imp を軸とする座標系をボールインパクト座標系として定義した. ボールインパクト時の手部の方位を明確にするため, 絶対座標系に対する手部の相対的オイラー角を示した. 手部座標系の X hand,y hand,z hand が絶対座標系の X G,Y G,Z G にそれぞれ一致する姿勢を基準姿勢とし,X hand Y hand Z hand の回転順序で算出したオイラー角を手部の姿勢角とした. そして, 回転の順に後傾 (+) 前傾(-), 右傾 (+) 左傾 (-), 左回旋 (+) 右回旋(-) と定義した. なお, 絶対座標系の Y G と手部座標系の Y hand が平行であるときを後傾 前傾 0 deg, 右傾 左傾 0 deg, 左回旋 右回旋 0 deg とそれぞれ定義した. 3.3 下胴部の姿勢角および体幹 上肢の関節角度下胴部座標系の X lt,y lt,z lt が絶対座標系の X G, Y G,Z G にそれぞれ一致する姿勢を基準姿勢とし, X lt Y lt Z lt の回転順序で算出したオイラー角を下胴部の姿勢角とした. そして, 回転の順に後傾 (+) 前傾(-), 右傾 (+) 左傾(-), 左回旋 (+) 右回旋(-) と定義した. なお, 絶対座標系の Z G 軸と下胴部座標系の Z lt 軸が平行であるときを後傾 前傾 0 deg, 右傾 左傾 0 deg, 絶対座標系の X G 軸と下胴部座標系の X lt 軸が平行であるときを左回旋 右回旋 0 deg と定義した. 下胴部に対する上胴部の相対的オイラー角を体幹関節角度とした.X lt と X ut,y lt と Y ut,z lt と Z ut がそれぞれ一致する姿勢を基準座標とし, 回転順序は X ut Y ut Z ut の順とした. そして, 回転の順に後屈 (+) 前屈(-), 右側屈 (+) 左側屈 (-), 左回旋 (+) 右回旋(-) と定義した. なお, 下胴部座標系の Z lt と上胴部座標系の Z ut が平行であるときを後屈 前屈 0 deg, 左側屈 右側屈 0 deg, 絶対座標系の X lt 軸と下胴部座標系の X ut 軸が平行であるときを左回旋 右回旋 0 deg とそれぞれ定義した. 上胴部座標系の Z ut X ut 平面において, 上胴部座標系の -Z ut 軸と上腕部座標系の Z ua 軸とのなす角を肩関節角度の外転 (+) 内転(-) とした. また, 上胴部座標系の X ut Y ut 平面において, 上胴 部座標系の X ut 軸と上腕部座標系の Z ua 軸とのなす角を肩関節角度の水平内転 (+) 水平外転(-) とした. さらに, 肩関節について,Z ut を Z s, 肋骨下端中点から首関節中点へ向かう単位ベクトルを S s とした.S s と Z ut の外積によって得られる方向の単位ベクトルを X s,z s と X s の外積によって得られる方向の単位ベクトルを Y s とした. そして,X s,y s,z s を軸とする座標系を肩関節座標系として定義した. 肩関節座標系の X s Y s 平面において, 上胴部座標系の Y ut 軸と前腕部座標系の Z ta 軸とのなす角を肩関節角度の外旋 (+) 内旋(-) とした. なお, 上腕が基準姿勢から下垂した姿勢を外転 内転 0 deg, 上腕部が下垂した状態から 90 deg 外転した姿勢を水平内転 外転 0 deg とした. 肩関節が外転 90 deg かつ水平内転 0 deg, かつ肘関節 90 deg 伸展 ( 後述 ) の姿勢で上胴部座標系の Y ut 軸が前腕の長軸 (Z ta ) と平行であるときを外旋 内旋 0 deg とした. 上腕部座標系の -Z ua と前腕部座標系の Z fa とのなす角を肘関節角度とした. なお, 前腕部の長軸 (Z ta ) と上腕部の長軸 (Z ua ) が平行であるときを伸展 180 deg と定義した. 前腕部に対する手部の相対的オイラー角を手関節角度とした.X fa と X hand,y fa と Y hand,z fa と Z hand がそれぞれ一致する姿勢を基準座標とし, 回転順序は X hand Y hand Z hand の順とした. そして, 回転の順に背屈 (+) 掌屈(-), 橈屈 (+) 尺屈 (-), 回外 (+) 回内(-) と定義した. なお, 前腕部の長軸 (Z fa ) と手部の長軸 (Z hand ) が平行であるときを背屈 掌屈 0 deg, 橈屈 尺屈 0 deg とそれぞれ定義した. 本研究では, 手関節は Z hand 回りの自由度を有さないものと仮定したため, 回外 回内角度については記載しない. 4. 統計処理ボールの回転数を決定するキネマティクス的要因について考察するため, ボールの回転数と手部のインパクトパラメーターとの間における Pearson の積率相関係数を算出した. なお, 統計処理における有意水準は 5% とした.
ジャンプフローターサーブのキネマティクス 847 Ⅲ 結果 1. ボールパラメーター Table 1 は, ボールのスピードおよび回転数, 回転軸の傾きおよび各軸回りの回転数を示したものである. ボールのスピードは 13.8 ± 1.0 m/s, 回転数は 1 秒間あたり 1.0 ± 0.3 回転であった. 回転軸の傾きは, 鉛直上方からみて打球方向に対して時計回りに 8.2 deg, 相手コートに正対して後方からみて鉛直上方に対して時計回りに 10.0 deg 平均で傾いていた. 各軸回りの回転数は, それぞれ平均で 0.090 rps のバックスピン,0.472 rps の右回りのスパイラルスピン,0.083 rps の左回りの サイドスピンであった. 2. 手部のインパクトパラメーター Table 2 は, ボールインパクト時における手部のスイングのスピードおよびスイング方向, ボールのインパクト位置, 手部の方位を示し, これらの変数と各軸回りにおけるボールの回転数との相関係数および棄却率を示したものである. 手部のスイングスピードは 13.8 ± 0.8m/s であった. また, スイングの方向をみると, 水平角は概ね相手コートに向いていたのに対して (0.8 ± 1.2 deg), 仰角はやや鉛直上方へ振り上げられていた (14.2 ± 3.8 deg). ボールのインパクト位置は, ボールインパクト座標系において, 平均でボール中心位 Table 1 Ball parameters Ball speed [m/s] 13.8 ± 1.0 Number of revolution [rps] 1.0 ± 0.3 Tilt of rotation axis Top view (XY) [deg] -8.2 ± 62.4 Back view (ZX) [deg] -10.0 ± 120.9 Number of revolution around each axis Back(+)/Top(-) spin [rps] 0.090 ± 0.554 Right(+)/Left(-) spiral spin [rps] 0.472 ± 0.504 Left(+)/Right(-) side spin [rps] -0.083 ± 0.610 Table 2 Impact parameter of swing hand Swing speed [m/s] 13.8 ± 0.8 Swing angle Horizontal angle (XY) [deg] 0.8 ± 1.2 Elevation angle (YZ) [deg] 14.2 ± 3.8 Impact point Right(+)/Left(-) side [mm] 16.6 ± 12.5 Upper(+)/Lower(-) side [mm] -1.7 ± 19.9 Hand Orientation Backward(+)/Forward(-) tilt [deg] 38.0 ± 5.3 Right(+)/Left(-) tilt [deg] 9.6 ± 7.0 Left(+)/Right(-) rotation [deg] 22.1 ± 6.4 Correlation coefficient (p value) Back/Top spin -0.298 (0.436) 0.187 (0.629) -0.037 (0.926) 0.307 (0.421) 0.071 (0.856) -0.487 (0.184) 0.270 (0.483) -0.268 (0.486) Right/Left spiral spin 0.310 (0.418) -0.342 (0.368) 0.426 (0.253) 0.252 (0.514) 0.403 (0.283) 0.304 (0.426) -0.283 (0.460) 0.221 (0.567) Left/Right side spin -0.315 (0.409) -0.211 (0.585) 0.106 (0.787) 0.012 (0.975) 0.200 (0.605) 0.180 (0.642) -0.100 (0.799) -0.225 (0.560)
848 堀内ほか 置から右方向に 16.6 mm, 下方向に 1.7 mm であった. 手部の方位は, 平均で後傾 38.0 deg, 右傾 9.6 deg, 左回旋 22.1 deg であった. 手部のインパクトパラメーターと各軸回りにおけるボールの回転数との間には, いずれも有意な相関関係は認められなかった. 3. 下胴部の姿勢 Figure 5 は, 下胴部の角度を全分析対象者の平均値 (± 標準偏差 ) で示したものである. 前後傾斜では (Figure 5a), 20 deg 程度前傾位でサーブ動作を開始し, その後インパクトにかけて大きな変化は示さなかった. 左右傾斜では (Figure 5b), 5 deg 程度右傾位でサーブ動作を開始し, その後 50% 付近から左傾し始め,10 deg 程度左傾位でインパクトを迎えていた. 左右回旋では (Figure 5c), 20 deg 程度右回旋位でサーブ動作を開始し, その後 20% 付近までさらに右回旋し,20% 付近からインパクトにかけて左回旋していた. そして, 下胴部は 10 deg 程度左回旋位でインパクトを迎えていた. 4. 体幹および上肢の関節角度 Figure 6 は, 体幹関節の角度を全分析対象者の平均値 (± 標準偏差 ) で示したものである. 前 後屈角度では (Figure 6a), 5 deg 程度後屈位でサーブ動作を開始し, その後 80% 付近までさらに後屈し,80% 付近からインパクトにかけて前屈していた. そして体幹関節は 10 deg 程度後屈位でインパクトを迎えていた. 左右の側屈角度では (Figure 6b), 概ね左右側屈位 0 deg でサーブ動作を開始し,50% 付近まで右側屈し 50% 付近からインパクトにかけて左側屈していた. そして, 体幹関節は 10 deg 程度左側屈位でインパクトを迎えていた. 左右の回旋角度では (Figure 6c), 概ね左右回旋位 0 deg でサーブ動作を開始し, その後 60% 付近まで右回旋し,60% 付近からインパクトまで左回旋していた. そして, 体幹関節はわずかに左回旋位でインパクトを迎えていた. Figure 7 は, スイング腕における各関節角度を全分析対象者の平均値 (± 標準偏差 ) で示したものである. 肩関節の内外転角度では (Figure 7a), 90 deg 程度外転位でサーブ動作を開始し, その後インパクトにかけて外転していた. そして, インパクトでは 140 deg 程度外転していた. また, サーブ動作開始からサーブ動作の中盤にかけて, 肩関節の内外転角度は大きな標準偏差を示していた. 肩関節の水平内外転角度では (Figure 7b), 35 deg 程度水平内転位でサーブ動作を開始し, サ Figure 5 Segment angles of lower torso Figure 6 Torso joint angles
ジャンプフローターサーブのキネマティクス 849 Figure 7 Joint angles of swing arm ーブ動作開始から 70% 付近まで水平外転し,70 % 付近では 20 deg 程度水平外転していた. その後, 70% 付近からインパクトにかけて水平内転し, インパクトでは 20 deg 程度水平内転していた. 肩関節の内外旋角度では (Figure 7c), 60 deg 程度外旋位でサーブ動作を開始し, サーブ動作開始から 90% 付近まで外旋, その後インパクトにかけてわずかに内旋していた. 肘関節の屈曲伸展角度では (Figure 7d), 90 deg 程度伸展位でサーブ動作を開始し, サーブ動作開始から 90% 付近まで徐々に屈曲し,90% 付近では 60 deg 程度伸展位であった. その後,90% 付近からインパクトにかけて急激に伸展していた. 手関節の掌背屈角度では (Figure 7e), 30 deg 程度背屈位でサーブ動作を開始し, サーブ動作開始から 60% 付近まで 30 deg 程度の背屈位を維持していた. その後,60% 付近から 80% 付近までわずかに背屈し,80% からインパクトにかけて掌屈していた. 手関節の橈尺屈角度では (Figure 7f), 概ね橈 尺屈位 0 deg でサーブ動作を開始し, サーブ動作開始からインパクトにかけて尺屈していた. そして, インパクトでは 10 deg 程度尺屈していた. 各関節角度の時系列データから, 主要な関節角度のピーク値およびボールインパクト時の値を Table 3 に示した. 5. 肩関節外転角度の違いに着目したスティックピクチャーの比較サーブ動作開始時における肩関節の外転角度をみると (Figure 7a), サーブ動作開始からサーブ動作中盤にかけて大きな標準偏差を示していた. そこで, サーブ動作開始時の肩関節外転角度が最大および最小であった分析対象者の動作を比較するため, 各分析対象者のサーブ動作をスティックピクチャーで示した (Figure 8). スティックピクチャーは,0% から 50% における分析対象者の後方 (ZX 平面 :Figure 8 上段 ) および側方 (YZ 平面 : Figure 8 下段 ) からみたものを体幹関節中心で重ねてそれぞれ図示されている.
850 堀内ほか Table 3 Selected joint angles Peak joint angle Torso Retro flexion [deg] 33.8 ± 6.4 Right lateral flexion [deg] 13.2 ± 5.2 Right rotation [deg] 11.8 ± 7.3 Shoulder Horizontal abduction [deg] 32.8 ± 16.7 External rotation [deg] 154.7 ± 18.2 Elbow Extension [deg] 59.9 ± 9.6 Joint angle at impact Torso Retro flexion [deg] 13.5 ± 6.1 Left lateral flexion [deg] 9.1 ± 4.1 Left rotation [deg] 5.3 ± 7.7 Shoulder Abduction [deg] 137.1 ± 12.0 Horizontal adduction [deg] 25.6 ± 12.5 External rotation [deg] 118.4 ± 9.2 Elbow Extension [deg] 113.5 ± 15.0 Figure 8 Comparison of stick picture for difference in shoulder abduction Ⅳ 考察 1. ボールの回転数と手部のインパクトパラメーターとの関係手部のインパクトパラメーターにおける仰角をみると (Table 2), 概ね 15 deg 程度打ち上げるような角度でボールをインパクトしていたことが分かる. これに対して, ボールは 1 秒間でトップ バックスピン軸回りに0.090 ± 0.554 回転していたことから (Table 1), 分析対象者によって打ち出されたボールの回転がトップスピンあるいはバッ クスピンがそれぞれ存在していたことが分かる. これらのことから, バレーボールのジャンプフローターサーブでは, 打ち上げるようにボールをインパクトしたとしても, 必ずしもボールはトップスピンにはならないことを意味している. 同様に, 手部のインパクトパラメーターにおける水平角をみると, 概ねサイドラインと平行になるような角度でボールをインパクトしていた. しかしながら, 分析対象者によって打ち出されたボールの回転が右回りあるいは左回りのサイドスピンがそれぞれ存在していた. ボールのインパクト位置をみると (Table 2),
ジャンプフローターサーブのキネマティクス 851 上下方向においては概ねボールの中心をインパクトしていたのに対して, 左右方向においてはボールの中心に対してやや右側をインパクトしていたことが分かる. また, 手部の方位をみると (Table 2), 平均で前傾位 38.0 deg, 右傾位 9.6 deg, 左回旋位 22.1 deg でボールをインパクトしていたことが分かる. 標準偏差については 7deg 以内であり, 概ね統一された手部の方位でボールをインパクトしていたと考えられる. これらに対して, 各軸回りのボールの回転数とボールのインパクト位置, 手部の方位との間にそれぞれ有意な相関関係は認められなかった. バレーボールの指導書 ( 秋津,2011) には, フローターサーブでは手部の手首に近い部分でボールの中心をインパクトすることで回転の少ないサーブになると記述されている. サッカーの本田圭佑選手の無回転フリーキックを分析した研究 ( 新海,2010; 新海 布目,2008) においても, 本田選手は足部の甲の内側かつ足首に近い部分でボールをインパクトしていたことが明らかにされている. これは, 足部に作用するボール反作用力による受動的な足関節の底屈を抑えることに貢献すると考察されている. 無回転のボールを蹴るためには, 足部の変形を抑えながらボールの重心を通るようにボールに力を作用させる必要があるため, 上述した足部位置でのボールインパクトは無回転ボールを蹴り出すうえで力学的に理にかなっていると説明されている. これらのことから, バレーボールのジャンプフローターサーブにおけるボールの回転数や回転軸の向きを決定する要因を解明するうえで, ボールのインパクト位置や手部の方位に加えて, 手部のインパクト位置が今後の重要な検討課題であることが考えられる. また, 本研究における結果では, 各軸回りにおけるボールの回転数と手部のインパクトパラメーターとの間に有意な相関関係は認められなかった. この理由として, 本研究の分析対象者数が成人のエリート女子バレーボール選手 9 名に限定されていたことが考えられる. そのため, 本研究ではボールの回転に影響を及ぼすインパクトパラメーターについて精緻に解明することはできなかった. 今後, 様々な競技レベル における選手のジャンプフローターサーブを数多く分析することによって, ボールの回転数や回転軸の向きを決定する要因の解明が可能になると考えられる. 各軸回りにおけるボールの回転数を従属変数, 手部のインパクトパラメーターを独立変数とした重回帰分析を行うことで, それぞれの手部のインパクトパラメーターと各軸回りにおけるボールの回転数との関係が明らかになることが期待される. 2. ジャンプフローターサーブのキネマティクス体幹関節の左右回旋角度をみると (Figure 6), 最大右回旋角度は11.8 ± 7.3 deg であった (Table 3). バレーボールのバックスパイク動作では最大右回旋角度は 60 deg 程度であることが報告されており ( 増村 阿江,2007; 和田ほか, 2003), 空中でボールを強くインパクトするためには体幹関節の回旋動作を利用してスイング腕の肩の速度を増大させることが有効であると考察されている. バレーボールのフローターサーブ動作は, スパイク動作と比べて手部のスイング速度は大きくない. そのため, 本研究の結果における体幹関節の最大右回旋角度は, スパイク動作に関する先行研究で報告されている結果よりも小さかったと考えられる. サーブ動作開始からサーブ動作中盤 (0 50%) において, 下胴部の姿勢角および体幹関節角度における各方向の標準偏差はそれぞれ 10 deg 未満であったのに対して (Figure 5, 6), 同局面における肩関節角度の標準偏差は内転 外転方向に 24.7 44.3 deg であった (Figure 7a). これらのことから, ジャンプフローターサーブ中における体幹の姿勢および関節角度は分析対象者間において概ね同様であったのに対して, 内転 外転方向における肩関節角度は分析対象者間においてばらつきが大きかったといえる. サーブ動作開始時における肩関節の外転角度が最大および最小であった分析対象者のスティックピクチャーを比較すると (Figure 8), 外転角度が大きかった分析対象者は, サーブ動作開始時には既にスイング腕を振上げており, サーブ動作中盤にかけて更にスイング腕を
852 堀内ほか 振上げていたことがわかる. これに対して, 外転角度が小さかった分析対象者は, サーブ動作開始時ではスイング腕を体側付近に位置させ, そこからスイング腕を振上げていたことがわかる. そして,50% 時点では, 外転角度が大きかった分析対象者と同程度までスイング腕が振上げられていた. これらのことから, サーブ動作開始からサーブ動作中盤にかけての肩関節の内外転角度における大きな標準偏差は, サーブ動作のバックスイング中における上腕部のキネマティクスの違いに起因するものであると推察される. バレーボールのスパイク動作においても, スイング腕のバックスイング中における上腕部のキネマティクスの違いから, Elevation style と Backswing style の 2 つに大別できることが報告されている (Coleman et al., 1993;Oka et al., 1976). バレーボールのジャンプフローターサーブについても同様に, 上腕部のキネマティクスにはいくつかのタイプが存在すると考えられる. また, インパクト時における肩関節の外転角度は 137.1 ± 12.0deg であり (Table 3), Reeser et al.(2010) による報告 (133 ± 11deg) と同程度の値であった. バレーボールのスパイク動作においても, インパクト時における肩関節の外転角度は 135 deg 程度あったと報告されている ( 増村 阿江,2007;Reeser et al., 2010). このことから, バレーボールのジャンプフローターサーブ動作およびスパイク動作では, 肩関節の内外転については類似した肢位でボールをインパクトしているといえる. 肩関節の最大外旋角度は 154.7 ± 18.2 deg であり (Table 3),Reeser et al.(2010) による報告 (158 ± 12 deg) と同程度の値であった. これに対して, 女子野球のピッチング動作および女子テニスのサーブ動作における肩関節の最大外旋角度はそれぞれ 180 ± 10 deg,172 ± 12 deg であったと報告されており, バレーボールのジャンプフローターサーブ動作と比べて顕著に大きいことがわかる. 肩関節の外旋角度の大きさは体幹の角速度および角加速度に依存し ( 阿江 藤井,2002), 女子の野球のピッチング動作およびテニスのサーブ動作にお ける上胴部の最大回旋角速度はそれぞれ 1190± 240 deg/s,870 ± 120 deg/s と報告されている (Chu et al., 2009;Fleisig et al., 2003). 対して, 上胴部に定義した移動座標から上胴部の角速度ベクトルを算出したところ ( 和達,1983), バレーボールのジャンプフローターサーブにおける上胴部の最大回旋角速度は 414.6 ± 93.5 deg/s であり, 野球のピッチング動作およびテニスのサーブ動作と比べて顕著に小さいことがわかる. この上胴部の回旋角速度の違いが, スイング腕おける肩関節の最大外旋角度の大きさに差異を生じさせた要因であると推察される. また, バレーボールのフローターサーブ動作ではボールの回転数を少なくすることが主目的とされるのに対して, 野球のピッチング動作やテニスのサーブ動作では大きなボールスピードを生み出すために上肢をスイングする. このような動作の主目的の違いも, 上胴部の回旋角速度に差異を生じさせ, 間接的に肩関節の外旋角度の大きさに影響を及ぼしていた可能性が考えられる. インパクト時の肘関節の伸展角度は 113.5 ± 15.0 deg であり (Table 3), Reeser et al.(2010) による報告 (130 ± 17deg) よりもやや小さい値であった. これに対して, バレーボールのスパイク動作のボールインパクト時における肘関節の伸展角度は 150 deg 程度であったと報告されている (Reeser et al., 2010; Wangner et al., 2009). また, 女子の野球のピッチング動作およびテニスのサーブ動作におけるボールリリースあるいはボールインパクト時の肘関節伸展角度は, それぞれ 149 ± 10 deg,160 ± 4 deg であったと報告されており (Chu et al., 2009; Fleisig et al., 2003), バレーボールのジャンプフローターサーブ動作と比較して肘関節の伸展が大きいことが分かる. この肘関節角度の違いは, 肩関節の外旋角度の違いと同様, 各動作の主目的の違いが影響していると考えられる. 大きなボールスピードを生み出すことを主目的とするバレーボールのスパイク動作, 野球のピッチング動作およびテニスのサーブ動作とは異なり, バレーボールのフローターサーブではボールの回転数を少なくするためにボールの中心を正確
ジャンプフローターサーブのキネマティクス 853 にインパクトすることが求められる. 肘関節を屈曲位に保つことは, 肩関節の内転 外転軸および水平内転 外転転軸回りにおける上肢の慣性モーメントを小さくすることにつながる. 肘関節が最大屈曲してからボールインパクトするまでの局面において, 肩関節では平均で外転方向に 4.1 deg, 水平内転方向に 46.2 deg, 内旋方向に 16.0 deg それぞれ運動しており, バレーボールのジャンプフローターサーブでは同局面において主に水平内転していたことがわかる. 以上のことより, バレーボールのジャンプフローターサーブでは, 肘関節を屈曲位に保つことで肩関節の水平内転軸回りにおける上肢の操作性を高め, ボールの中心を正確にインパクトしている可能性が考えられる. Ⅴ まとめ本研究の目的は, エリート女子バレーボール選手のジャンプフローターサーブ動作および打ち出されたボールの速度 回転についてスポーツバイオメカニクス的観点から分析し, 基礎的資料を記述することであった. その結果, 以下のことが明らかになった. 1. ボールのスピードは約 14 m/s で, 回転数は毎秒約 1 回転であった. 2. 各軸回りにおけるボールの回転数と手部のインパクトパラメーターとの間に有意な相関関係は認められなかった. 3. バレーボールのスパイク動作と比較して, 体幹関節の最大右回旋角度は小さかった. 4. インパクト時の肩関節の外転角度は, バレーボールのスパイク動作と類似していた. 5. サーブ動作開始からサーブ動作中盤において, 肩関節の外転角度の標準偏差が顕著に大きかった. 6. 野球のピッチング動作およびテニスのサーブ動作と比較して, 肩関節の最大外旋角度は小さかった. 7. バレーボールのスパイク動作と比較して, ボールインパクト時の肘関節の伸展角度は小さかった. ただし, 本研究では, サーブを行う位置およびターゲットエリアが設定されていたことから, 打球の方向, スピードおよび回転が課題として決定され, 手部のインパクトパラメーターを調整することが分析対象者には求められた. しかしながら, 実際の試合では, 相手の選手に打球の方向を予測しにくくするために, サーブを行う位置を変えたり, 打球方向に角度をつけたり, 助走のスピードを変化させたりすることが考えられる. これらのことから, 実践におけるサーブ動作の分析を行い, 本研究で得られた知見と比較 検討することが必要であるといえる. また, 本研究における分析対象者は成人のエリート女子バレーボール選手に限定されており, 対象者数も 9 名と少なかった. そのため, 今後, 様々な競技レベルにおける選手のジャンプフローターサーブを数多く分析することで, バレーボールの指導現場に対してより有用かつ共通した科学的知見の獲得が期待される. 謝辞本研究のデータは, 名古屋大学総合保健体育科学センター 准教授の水野貴正氏, 中京大学大学院体育学研究科 応用スポーツ科学系の皆様の協力によって収集された. ここに感謝の意を表す. 文献阿江通良 藤井範久 (2002) スポーツバイオメカニクス 20 講. 朝倉書店,pp.119-130. 阿江通良 湯海鵬 横井孝志 (1992) 日本人アスリートの身体部分慣性特性の推定. バイオメカニズム,11: 23-33. 秋津修 (2011) 基本から戦術までよくわかる女子バレーボール. 実業之日本社,pp.117-130. Chu, Y., Fleisig, G. S., Simpson, K. J., and Andrews, J. R. (2009) Biomechanical comparison between elite female and male baseball pitchers. Journal of Applied Biomechanics, 25(1): 22-31. Coleman, S. G. S., Benham, A. S., and Northcott, S. R. (1993) A three-dimensional cinematographical analysis of the volleyball spike. Journal of Sports Sciences, 11(4): 295-302. Fleisig, G., Nicholls, R., Elliott, B. and Escamilla, R. (2003) Kinematics used by world class tennis players to produce
854 堀内ほか high-velocity serves. Sports Biomechanics, 2(1): 51-64. 橋原孝博 (2004) バレーボールのフローターサーブに関する運動学的研究. 日本教科教育学会誌,27(1):35-41. 堀田朋基 宮本浩哉 山地啓司 北村潔和 (1988) バレーボールのスパイクにおける上肢の動作の定量解析. Japanese Journal of Sports Science, 7(4):256-262. 公益財団法人日本バレーボール協会 (online) バレーボールをする : はじめてのバレーボール バレーボールの基本的なルール.https://www.jva.or.jp/play/beginner. html,( 参照日 2018 年 8 月 1 日 ). 増村雅尚 阿江通良 (2007) 空中でボールを強く打つためのからだの動き バレーボールにおける打動作の分析. バイオメカニクス研究,11(3):213-219. Maxwell, T. (1981) A cinematographic analysis of the volleyball spike of selected top-caliber female athletes. Volleyball Tech J, 7(1): 43-54. 村田宗紀 藤井範久 (2014) 上肢および上胴に着目したテニスサーブにおける回転の打ち分け. 体育学研究, 59(2):413-430. 中西康己 都澤凡夫 (2007) バレーボールのスパイクスピードと体幹屈曲力との関係. バレーボール研究, 9(1):5-10. Nunome, H., Ikegami, Y., Kozakai, R., Apriantono, T., and Sano, S. (2006) Segmental dynamics of soccer instep kicking with the preferred and non-preferred leg. Journal of Sports Sciences, 24(5): 529-541. Oka, H., Okamoto, T., and Kumamoto, M. (1976) Electromyographic and cinematographic study of the volleyball spike. Biomechanics VB: 326-331. Quiroga, M. E., García-Manso, J. M., Rodríguez-Ruiz, D., Sarmiento, S., De Saa, Y., and Moreno, M. P. (2010) Relation between in-game role and service characteristics in elite women s volleyball. The Journal of Strength & Conditioning Research, 24(9): 2316-2321. Reeser, J. C., Fleisig, G. S., Bolt, B., and Ruan, M. (2010) Upper limb biomechanics during the volleyball serve and spike. Sports Health, 2(5): 368-374. Rokito, A. S., Jobe, F. W., Pink, M. M., Perry, J., and Brault, J. (1998) Electromyographic analysis of shoulder function during the volleyball serve and spike. Journal of Shoulder and Elbow Surgery, 7(3): 256-263. Samson, J. and Roy, B. (1976) Biomechanical analysis of the volleyball spike. Biomechanics VB: 332-336. 新海宏成 (2010) サッカーナックルボールのサイエンス. トレーニング科学,22(4):299-306. 新海宏成 布目寛幸 (2008) 無回転ブレ球キックのボールインパクト. バイオメカニクス研究,12(4):252-258. 和田尚 阿江通良 遠藤俊郎 田中幹保 (2003) バレーボールのスパイク動作における体幹のひねりに関するバイオメカニクス的研究. バレーボール研究,5: 1-5. 和達三樹 (1983) 物理のための数学. 岩波書店,pp.97-124. Wagner, H., Tilp, M., Von Duvillard, S. P., and Mueller, E. (2009) Kinematic analysis of volleyball spike jump. International Journal of Sports Medicine, 30(10): 760-765. 2019 年 1 月 29 日受付 ( 2019 年 7 月 29 日受理 ) Advance Publication by J-STAGE Published online 2019/9/11