JP4908105B2 - ゴルフボールの軌道及び打ち出し状態を予測する方法 - Google Patents
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Description
本発明のさらなる特徴及び利点は、図面と組み合わせて提供される以下の詳細な説明から確かめることができる。
本発明の1つの態様によれば、クラブとボールとの間のインパクトの予測モデルは、定義されるべきコンピュータ分析にかかわる異なる立体座標系を要求する。図3においては、インパクトの瞬間のクラブ及びボール位置を表す5つの座標系が示されている。
第1の変数の組はCYOB、CZOBであり、それらは、クラブフェースの中心にその原点をもつCと表された座標系から測定された、クラブフェース上の初期ボール接触点のy及びz座標である。x軸は、クラブフェースの接平面に垂直であり、z軸は、クラブのトゥの方に明確に向けられたクラブフェース上の内接線に平行である。さらに、y軸は右手系を形成する。
一実施形態においては、入力はまた、クラブ特性とその摩擦特性を表す定数を含む。さらに、ボール特性も必要とされる。変数は、以下のように示される。Wh、CHIXX、CHIYY、CHIXY、CHIXZ、CHIYZ。これらの変数は、例えば、クラブヘッドの重量とC系座標における慣性行列を表す。y及びz方向のクラブフェースの湾曲と、C系において測定されたクラブフェース上の内接線に垂直に及び平行にスライドするための摩擦定数が、変数Cury、Curz、Cfry、Cfrzによって表される。
最大インパクト状態について得られるシャフトの力の最も大きい計算値は約300lbsであることから、シャフトの変数の入力の正確さが与える影響は、他のクラブ変数よりも小さい。一実施形態においては、クラブヘッドとボールとの間の力のピーク値は、典型的なドライバ・インパクトについてのクラブフェース上のいずれの位置に関しても約3500ポンドである。さらに、ボール速度に対するこれらの前の力の相対的影響は、300lbs対3500lbsの比よりかなり小さい。
ゴルフボールの材料構成の複雑な性質のため、力の変形の式は、ヘルツ理論のパラメータに基づいている。一実施形態においては、これらのパラメータは、例えば、接触時間及び反発係数を測定することによって求めることができる。別の実施形態においては、力の法則のパラメータは、基本材料定数を用いる有限要素解を使用することによって求めることができる。使用可能な例示的なモデルは、以下の式に基づいている。
ここで、
Xは、接触の間の一時点でかかる力の法線方向のボール変形、
KN=法線方向の力の定数
aは、ボールの半径、
αは、変形の法線速度VNの逆数と共に変化するダンピング定数であり、式
によって与えられる。
ここで、
KT=横方向の力の定数。
等方性面については、2部品ボールについて測定されたパラメータは、例えば、KT=70000ポンド、a=0.84、及びAT=1100である。インパクトの開始時及び終了時におけるスリップ期間を考慮する摩擦係数も望ましい。典型的なスチール面においては、この摩擦係数は、約0.2から約0.3までの間で変化する。
本発明の1つの態様によれば、2つの垂直な方向における縦方向変位波、ねじれ変位波、及び曲げ波の各々についての時間に関する2積分が要求されるので、シャフト動力学の有限要素モデルは、シャフトの各1インチ・セグメントについての8つの微分方程式を解くことを要求する。これは、クラブヘッドについての12の式及びボールについての12の式と比べて、38インチ・シャフトについて304の式を作成する。304の式を用いることは、シャフト設計の目的でシャフトに発生した応力の詳細な判定を得ることを必要とするが、これは複雑な計算を要する。本発明の一実施形態によれば、限りなく長い機械的伝送ラインの入力インピーダンスとしての、シャフトの張力、ねじれ、及び曲げ波についての表示を簡単化することが可能である。一実施形態においては、ゴルフボールとクラブフェースとの間の接触が終わるより前に、シャフトのホーゼル端に大きな波の振幅が反射して戻ることはないため、この表示は正確な概算である。
ここで、
Aは、シャフトの断面積であり、
π((DXODS)(DZODS)−(DXIDS)(DZIDS))/4
に等しく、
ESYは、3方向への張力及び曲げについてのヤング率であり、
RHOSは、シャフト材料密度である。
ここで、
DWSYは、シャフトのホーゼル端における角速度であり、
GSは、剪断弾性係数であり、
DYISは、シャフト軸まわりのシャフト断面の面積慣性モーメントである。
ここで、
Eは、ヤング率であり、
Iは、x軸まわりの慣性モーメントの断面積であり、
Tは、y軸に沿った引張力であり、
ρは、シャフト密度であり、
Aは、断面積であり、
gは、重力加速度である。
力Tは、インパクトの直前のスイングによってもたらされる遠心引張力と、インパクトによって生成される縦方向波に関連するyにおける動的な力との和である。
x方向の曲げについての同様の解は、動きの式において用いられる量Fsx(t)及びLsz(t)をもたらす。
図3に示すように、本発明の一実施形態によれば、B、C、D、P及びQと付された5つの異なる座標系が用いられる。B、C、及びD系は、入力の項で前述されている。Q系の原点QQはクラブヘッドの質量中心であり、P系の初めの原点もこの点にある。さらに、QZ軸はCZ軸に平行であり、QX軸はCX軸との負のロフト角に等しい角度をなし、QY軸はDY軸とのライ角の余角に等しい角度をなす。
一実施形態においては、シャフトにより(実際にはゴルファーによりシャフトの中間部を通して)ヘッドのホーゼル端に対する安定した力及びトルクを受けたときのクラブヘッドの動きについて解くことが望ましい。ホーゼル端における安定した動きが、そこでの全体の動きから差し引かれて、以下、SHAFTサブルーチンと呼ばれるコンピュータ・プログラム・サブルーチンへの動きの入力が得られる。SHAFTサブルーチンは、シャフトにかかる動的な力及びトルクを出力する。ボール接触点におけるクラブヘッドの全体の動き及びボールの動きは、ボールの歪みに対する力の3つの成分を計算するのに用いられ、そこからボールに対する力の3つの成分が得られる。これらの力及び動きは、前に説明したようにスライドについて補正することができる。次いで、クラブヘッドの直線及び角加速度が、ヘッドに対する結果として得られた力及びトルクから求められる。これらは、クラブヘッドに対する安定した力及びトルクから、ボールに対する動的な力及びトルクを差し引き、シャフトに対する動的な力及びトルクを差し引いたものである。これは、クラブヘッドのホーゼル端における全体の動きの計算をもたらし、その点で計算が繰り返される。好ましくは、プロセスの少なくとも約2反復が行われ、連続する結果が所定の誤差限界内に入るまで、必要であればさらにもう一回行われる。より好ましくは、プロセスの少なくとも約3反復が行われ、最も好ましくは、少なくとも約5反復が行われる。
本発明の正確さを判定するために、計算されたデータが実際のデータと比較された。したがって、4人のゴルファーが、1つのドライバ・クラブを用いて10ショットを打ち、それは写真測量法を用いてボール・クラブモニタで測定され、その例は、その全体を引用によりここに組み入れる米国特許第6,758,759号に記載されている。各クラブは、隣接するカメラ間の相関性を分析するために約5ないしは6のマークを備え、それにより、空間内のクラブに対するマーク付けされた位置の正確な三角測量を求めることができる。さらに、各ボールは、12の円形のマークを備え、インパクト前及びインパクト後のマーク位置を測定して、ボールクラブヘッドのヒット位置及びボール速度、打ち出し角度及びスピン量を求める。この構成に従って取得された例示的な画像が図4に示されている。以下の表に示されるように、予測されたボール速度は、平均して、実際のボール速度の約1フィート毎秒内の正確さであった。さらに、予測された打ち出し角度及びサイド角度は、約1/2度内の正確さであった。以下に示すように、予測されたスピン量及び実際のスピン量もまた正確であった。
Claims (10)
- ゴルフクラブを用いたゴルファーのスイングに基づいて、ゴルフボールの軌道及び打ち出し状態を予測する方法であって、
ゴルフクラブを用いたゴルファーのスイングに基づいて、インパクト位置、ゴルフクラブヘッドの向き、及びゴルフクラブヘッドの速度を含む、ゴルファーの複数のインパクト前スイング特性を求め、
複数のゴルフボール特性及び複数のゴルフクラブ特性を含む複数の用品特性を求め、前記複数のゴルフボール特性は、複数の速度における反発係数と、摩擦係数と、複数の速度における接触時間を含み、前記複数のゴルフクラブ特性は、クラブヘッドの質量中心、クラブフェースの摩擦係数、クラブフェースの中心及び慣性モーメントを含み、
前記複数のボール特性、前記複数のクラブ特性、及び前記複数のインパクト前スイング特性に基づいて、前記ゴルフクラブと前記ゴルフボールとの間のスリップ期間を求め、
前記クラブヘッドによる前記ゴルフボールのインパクトに対する、縦方向の力成分とトルク成分を含む前記ゴルフクラブのシャフトの特性を求め、
前記スリップ期間、前記複数の用品特性、及び前記複数のインパクト前スイング特性に基づいて、前記ゴルフクラブで打たれた場合の前記ゴルフボールの予測軌道及び複数の予測ボール打ち出し状態を生成し、前記予測軌道は、ボール、クラブヘッド、及びシャフトの運動方程式に基づいて予測するものであり、前記シャフトの運動方程式は、シャフトの所定のセグメント各々に対する所定の数の微分方程式からなる、
ことを含む方法。 - 前記スリップ期間を求めることが、前記ゴルフクラブと前記ゴルフボールとの間の第1のスリップ期間、前記ゴルフクラブと前記ゴルフボールとの間のスティック期間、及び前記ゴルフクラブと前記ゴルフボールとの間の第2のスリップ期間を求めることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記スリップ期間を求めることが、前記第1のスリップ期間、前記スティック期間、及び前記第2のスリップ期間における各タイムステップをマイクロ秒の時間間隔で計算することを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記各タイムステップの計算が、前記ゴルフボールのクラブフェースとの接触平面における横方向の力、前記ゴルフボールの摩擦係数及び前記ゴルフボールのクラブフェースとの接触平面における法線方向の力に基づいている、請求項3に記載の方法。
- 前記予測軌道が、距離、飛行経路、着地位置及び最終静止位置の少なくとも1つを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の予測ボール打ち出し状態が、サイドスピン、バックスピン、ライフルスピン、アジマス角度、打ち出し角度、及び速度の少なくとも1つを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記シャフトの特性がさらに、剪断力、曲げモーメント、密度、剪断弾性率及び、ヤング率の少なくとも1つを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の用品特性の少なくとも1つを修正し、
前記少なくとも1つの修正された用品特性に基づいて、前記ゴルフクラブで打たれた場合の前記ゴルフボールの別の予測軌道及び別の複数の予測ボール打ち出し状態を生成する、
ことをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記複数の用品特性が、ゴルフクラブの質量中心、ゴルフクラブの質量分布、ゴルフクラブフェースの中心、ゴルフクラブの慣性モーメント、及びゴルフクラブフェースの摩擦係数を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記修正することが、1つ又はそれ以上の異なるゴルフボールを用いることを含む、請求項8に記載の方法。
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