Development and evaluation of new control algorithms for a mechanical golf swing device

Golf swing machines have become fundamental tools in the development of new equipment because they provide more consistent swing motions than golfers. Golf robots perform a simplification of the complex sequence of motions that compose a golf swing; however, traditional devices are typically capable of performing only a single swing profile at variable speeds. Significant differences exist between individual golfers’ swing motions, especially for golfers of different ability, experience, and physical stature, which suggests a requirement for swing profile variability in mechanical simulators. This investigation has found that the swing motion of a traditional golf robot provides a poor representation of golfers’ swings and, as a result, a bespoke control system has been developed for a commercially available golf robot to enable performance of variable swing profiles with positional feedback. Robot swing command files are generated by fitting a curve to a number of discrete data points that are equally spaced in time, and which define angles representative of individual golfers’ swings. The swing profiles of a professional golfer and a traditional golf robot were repeated accurately using this golf robot with a modified motion control system. The capability for individual golfers’ swings to be accurately replicated using a mechanical device was demonstrated using feedback data. All manufacturers recognize the importance of tailoring equipment to the unique characteristics of a particular golfer’s swing, and this increased robot functionality will provide considerable benefits in the development of customized equipment

Minimising vibration in a flexible golf club during robotic simulations of a golf swing

Robots are widely used as substitutes for humans in situations involving repetitive tasks where a precise and repeatable motion is required. Sports technology is an area which has seen an increase in the implementation of robots which simulate specific human motions required for a sport. One purpose is to test sports equipment, where the requirement is for a motion to be performed with consistent variables. One issue which has arisen frequently in the robot simulation of humans is the inherent presence of vibration excited in a flexible object being manipulated by a robot, and this issue is not unfounded in the situation presented in this research, of a golf robot manipulating a flexible golf club during the simulation of a golf swing. It had been found that during robotic simulations of golf swings performed with the Miyamae Robo V at the Sports Technology Institute at Loughborough University, swing variables such as shaft deformation and clubhead orientation were dissimilar to those measured for human golf swings. Vibrations present in the golf club were identified as the key cause of the disparity between human and robot swing variables. This research sought to address this issue and find a method which could be applied to reduce clubhead vibrations present in robot simulations of a golf swing to improve their similarity to human swings. This would facilitate the use of the golf robot for equipment testing and club fitting. Golf swing variables were studied and measured for 14 human subjects with the aim being to understand the motion that the robot is required to simulate. A vibration damping gripper was then fitted to the robot to test the effect that changing the interface between the robot-excited vibrations and the club would have, this was achieved with a selection of silicone sleeves with differing material properties which could be attached to the club. Preliminary results showed a noticeable reduction in clubhead vibrations and this solution was investigated further. Mathematically modelling the robot was seen as the most suitable method for this as it meant the robot remained functional and allowed a number of solutions to be tested. Several iterations of a mathematical model were developed with the final model being structurally similar to the robot with the addition of a compliant grip and wrist. The method by which the robot is driven was also recognised as having a large effect on the level of vibration excited in the clubhead and the methodology behind generating smooth robot swing profiles is presented. The mathematical model was used to perform 6 swings and the resulting shaft deformation and clubhead vibration were compared with data from human swings. It was found that the model was capable of producing swing variables comparable to human swings, however in the downswing portion of the swing the magnitude of these variables were larger for the simulations. Simulations were made which sought to demonstrate the difference between the model replicating the rigid robot and a compliant system. Reductions in vibration were achieved in all swings, including those driven with robot feedback data which contains oscillations excited by the method with which the robot is driven

A three-dimensional forward dynamic model of the golf swing optimized for ball carry distance

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s12283-016-0197-7A 3D predictive golfer model can be a valuable tool for investigating the golf swing and designing new clubs. A forward dynamic model, which includes a four degree of freedom golfer model, a flexible shaft based on Rayleigh beam theory, an impulse-momentum impact model and a spin rate dependent aerodynamic ball model, is presented. The input torques for the golfer model are provided by parameterized joint torque generators that have been designed to mimic muscle torque production. These joint torques are optimized to create swings and launch conditions that maximize carry distance. The flexible shaft model allows for continuous bending in the transverse directions, axial twisting of the club and variable shaft stiffness as a function of the length. The completed four-part model with the default parameters is used to estimate the ball carry of a golf swing using a particular club. This model will be useful for experimenting with club design parameters to predict their effect on the ball trajectory and carry distance.Natural Sciences and Engineering Research Council of Canad

An evaluation of temporal and club angle parameters during golf swings using low cost video analyses packages

The purpose of this study was to compare swing time and golf club angle parameters during golf swings using three, two dimensional (2D) low cost, Augmented-Video-based-Portable-Systems (AVPS) (Kinovea, SiliconCoach Pro, SiliconCoach Live). Twelve right-handed golfers performed three golf swings whilst being recorded by a high-speed 2D video camera. Footage was then analysed using AVPS-software and the results compared using both descriptive and inferential statistics. There were no significant differences for swing time and the golf phase measurements between the 2D and 3D software comparisons. In general, the results showed a high Intra class Correlation Coefficient (ICC > 0.929) and Cronbach’s Coefficient Alpha (CCA > 0.924) reliability for both the kinematic and temporal parameters. The inter-rater reliability test for the swing time and kinematic golf phase measurements on average were strong. Irrespective of the AVPS software investigated, the cost effective AVPS can produce reliable output measures that benefit golf analyses

Movement primitives with multiple phase parameters

Movement primitives are concise movement representations that can be learned from human demonstrations, support generalization to novel situations and modulate the speed of execution of movements. The speed modulation mechanisms proposed so far are limited though, allowing only for uniform speed modulation or coupling changes in speed to local measurements of forces, torques or other quantities. Those approaches are not enough when dealing with general velocity constraints. We present a movement primitive formulation that can be used to non-uniformly adapt the speed of execution of a movement in order to satisfy a given constraint, while maintaining similarity in shape to the original trajectory. We present results using a 4-DoF robot arm in a minigolf setup

Bidirektionale Interaktion von Mensch und Roboter beim Bewegungslernen - Visuelle Wahrnehmung von Roboterbewegungen

In den vergangenen Jahrzehnten haben sich die Arbeitsbereiche von Menschen und Robotern zunehmend gegenseitig durchdrungen. Interaktionen zwischen Mensch und Roboter sind in vielen Lebensbereichen, z. B. Industrie, Medizin, Rehabilitation und Sport gegenwärtig. Während Roboter bisher vorwiegend starr programmiert wurden, hat sich in den letzten Jahren ein Paradigmenwechsel hin zu einer anpassungsfähigen, lernenden Programmierung vollzogen. Basierend auf diesem neuen Ansatz der Programmierung tritt eine direkte, teils physische Interaktion zwischen Mensch und Roboter zunehmend in den Fokus der Entwicklung und eröffnet ein bisher ungeahntes Potential zur Weiterentwicklung der Mensch-Roboter-Interaktion. Die Beziehung von Mensch und Roboter ist von vielen, teils extremen Unterschieden zwischen den beiden Systemen gekennzeichnet (Verfügbare Sensorik, Anzahl der Freiheitsgrade, Anzahl der Muskeln/Aktuatoren sowie Integrationsgrad von Sensorik und Aktuatorik). Diese Unterschiede erweisen sich für die beiden Systeme in einem isolierten Bewegungslernprozess teils als Vor- und teils als Nachteil. Der Frage, wie sich die Vorteile der beiden Systeme in einem gemeinsamen bidirektionalen Bewegungslernprozess optimal kombinieren lassen, geht das Projekt Bidirectional Interaction between Human and Robot when learning movements nach. Im Rahmen dieses interdisziplinären Forschungsprojektes sollen die Erkenntnisse aus den Bereichen der Sportwissenschaft und der Informatik kombiniert und die wissenschaftliche Basis für ein verbessertes Mensch-Roboter-Training gelegt werden. Das Projekt unterteilt sich dabei in vier Teilbereiche: die bidirektionale Interaktion zweier Menschen, die unidirektionale Interaktion von Mensch und Roboter (zwei Richtungen) sowie die bidirektionale Interaktion von Mensch und Roboter. In dieser Dissertation werden drei Artikel zu der beschriebenen Thematik vorgestellt. Der erste Artikel beschreibt Ziele und Struktur des Forschungsprojekts sowie drei exemplarische Studien zu den ersten drei Teilbereichen des Projekts. Aufbauend auf den Erkenntnissen einer der vorgestellten Studien zur Bedeutung der Beobachtungsperspektive beim Bewegungslernen, fokussieren die beiden darauf folgenden Artikel die visuelle Wahrnehmung von Roboterbewegungen durch den Menschen. Der Beschreibung des Projekts in Zielen und Struktur schließt sich im Artikel I die Vorstellung von drei exemplarischen Untersuchungen an. Die erste Studie betrachtet die bidirektionale Interaktion in Mensch-Mensch-Dyaden. Sie verifiziert einen prototypischen, dyadischen Bewegungslernprozess und identifiziert relevante Themen, die auf Mensch-Roboter-Dyaden übertragen werden können. Zur unidirektionalen Interaktion zwischen Mensch und Roboter werden zwei Studien vorgestellt. Im Bereich des Lernens eines Roboters von einem Menschen wird eine iterative Feedbackstrategie eines Roboters beschrieben. Eine Untersuchung zur Bedeutung der Beobachtungsperspektive beim Bewegungslernen von Mensch und Roboter bearbeitet den Bereich des unidirektionalen Lernens eines Mensches von einem Roboter. Basierend auf dieser Untersuchung ergeben sich die Fragestellungen, die in den folgenden beiden Artikeln untersucht werden. Während viele Studien die Wahrnehmung von biologischen Bewegungen untersucht haben, befassen sich nur wenige Ansätze mit der Wahrnehmung von nichtbiologischen Roboterbewegungen. Um diese Lücke zu schließen, werden im Artikel II zwei aufeinander aufbauende Studien zur Wahrnehmung von Roboterputtbewegungen durch den Menschen vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Leistungsvorhersage der gezeigten Roboterputtbewegungen nur bei Sichtbarkeit der vollständigen Bewegung möglich sind. Insbesondere die Ausschwungphase scheint eine Vielzahl an räumlich-zeitlichen Informationen bereit zu stellen, die einen großen Einfluss auf die Leistungsvorhersage besitzen. Aufbauend auf den bisher gewonnenen Erkenntnissen wird im Artikel III eine Studie vorgestellt, die versucht, die für die Ableitung von räumlich-zeitlichen Informationen wichtigen Bewegungselemente zu identifizieren. Im Rahmen der vorgestellten Untersuchung wurden die gezeigten Roboterputtbewegungen teilweise manipuliert. Wichtige Bewegungselemente, z. B. Roboter, Schläger oder Ball, wurden ausgeblendet. Zusammenfassend betrachtet diese Dissertation die visuelle Wahrnehmung von Roboterbewegungen durch den Menschen am Beispiel der Puttbewegung im Golf. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit sind Erkenntnisse, die in einen bidirektionalen Bewegungslernprozess von Mensch-Roboter-Dyaden überführt werden können. Aus der Arbeit ergeben sich weiterführende Forschungsansätze und Fragestellungen, die eine hohe Relevanz für die Weiterentwicklung der Interaktion von Mensch und Roboter besitzen

Professionalism, golf coaching and a master of science degree

A distinction can be made between 'professionalisation', which is concerned with occupational status and standing, and 'professionalism,' which refers to matters of quality and standards of practice (especially specialized knowledge, ethics and altruism). The purpose of this stimulus article is to present key features of contemporary medical professionalism as a basis for critically reflecting on discourse associated with Tiger Woods' current coach, Sean Foley. It is suggested that that provision of a Master of Science degree in golf teaching/coaching would facilitate the development of 'professionalism' in golf coaches