論文の概要: Deterministic Reconstruction of Tennis Serve Mechanics: From Aerodynamic Constraints to Internal Torques via Rigid-Body Dynamics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.18320v1
- Date: Sat, 20 Dec 2025 11:32:40 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-03-23 08:17:40.446723
- Title: Deterministic Reconstruction of Tennis Serve Mechanics: From Aerodynamic Constraints to Internal Torques via Rigid-Body Dynamics
- Title（参考訳）: テニスサーブ力学の決定論的再構成:リギッド・ボディダイナミクスによる空気力学的制約から内部トルクへ
- Abstract要約: 本稿では,ヒト上半身の12自由度マルチセグメントモデルを用いて,テニスサーブに対する物理に基づくアプローチを提案する。
可視運動学と内部運動学の解離を解明することにより、テニスサーブの力学を理解するための第一原理の枠組みを提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Most conventional studies on tennis serve biomechanics rely on phenomenological observations comparing professional and amateur players or, more recently, on AI-driven statistical analyses of motion data. While effective at describing \textit{what} elite players do, these approaches often fail to explain \textit{why} such motions are physically necessary from a mechanistic perspective. This paper proposes a deterministic, physics-based approach to the tennis serve using a 12-degree-of-freedom multi-segment model of the human upper body. Rather than fitting the model to motion capture data, we solve the inverse kinematics problem via trajectory optimization to rigorously satisfy the aerodynamic boundary conditions required for Flat, Slice, and Kick serves. We subsequently perform an inverse dynamics analysis based on the Principle of Virtual Power to compute the net joint torques. The simulation results reveal that while the kinematic trajectories for different serves may share visual similarities, the underlying kinetic profiles differ drastically. A critical finding is that joints exhibiting minimal angular displacement (kinematically ``quiet'' phases), particularly at the wrist, require substantial and highly time-varying torques to counteract gravitational loading and dynamic coupling effects. By elucidating the dissociation between visible kinematics and internal kinetics, this study provides a first-principles framework for understanding the mechanics of the tennis serve, moving beyond simple imitation of elite techniques.
- Abstract（参考訳）: テニスに関する従来の研究は、プロ選手とアマチュア選手を比較した現象学的観察や、近年ではAIによるモーションデータの統計分析に頼っている。
エリート選手が行う「textit{what}」を記述するのに効果的であるが、このような動きは力学の観点からは物理的に必要である。
本稿では,ヒト上半身の12自由度マルチセグメントモデルを用いて,テニスサーブに対する決定論的,物理的アプローチを提案する。
モーションキャプチャーデータにモデルを適合させるのではなく、軌道最適化により逆キネマティクス問題を解くことにより、フラット、スライス、キックが必要とする空力境界条件を厳密に満たす。
その後、仮想パワーの原理に基づく逆動力学解析を行い、ネットジョイントトルクを計算した。
シミュレーションの結果、異なる目的のための運動軌道は視覚的類似性を共有する可能性があるが、基礎となる運動学的プロファイルは劇的に異なることが明らかとなった。
重要な発見は、手首に最小の角変位(特に「キート」位相)を示す関節は、重力負荷と動的結合効果に対抗するために、相当かつ非常に時間的に変化するトルクを必要とすることである。
本研究は、可視運動学と内部運動学の解離を解明することにより、テニスサーブの力学を理解するための第一原理の枠組みを提供する。
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