JP4923796B2 - Swing simulation method and golf club design method - Google Patents
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本発明は、ゴルフクラブ、野球バット、テニスラケット等、把持領域と非把持領域を有する打撃用構造物のスイングシミュレーション方法およびこのシミュレーション方法を用いるゴルフクラブの設計方法に関する。 The present invention relates to a swing simulation method for a striking structure having a grip region and a non-grip region, such as a golf club, a baseball bat, and a tennis racket, and a golf club design method using this simulation method.
従来、実際のゴルフクラブを用いてゴルファのスウィング挙動を計測し、ゴルファのスイング時のゴルフクラブのグリップの座標の時刻歴データ、グリップの傾斜角の時刻歴データ、ゴルフクラブシャフト(以降、シャフトという)の幾何学的中心軸であるシャフト軸周りにおけるグリップの回転角の時刻歴データを得て、これらの時刻歴データを基にゴルフクラブモデルにスウィングの動きを与え、しかもゴルフクラブモデルの捻転を考慮して、シミュレーションによるゴルフクラブのスウィング挙動を解析するゴルフスイングシミュレーション方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a golfer's swing behavior is measured using an actual golf club, golf club grip coordinate time history data, grip tilt angle time history data, golf club shaft (hereinafter referred to as a shaft). ) Obtain the time history data of the rotation angle of the grip around the shaft axis, which is the geometrical central axis, and give swing motion to the golf club model based on these time history data, and twist the golf club model. In consideration of this, a golf swing simulation method for analyzing the swing behavior of a golf club by simulation is known (see, for example, Patent Document 1).
また、ゴルフクラブをスウィングする数値スウィングモデルと、有限要素モデルからなるゴルフクラブモデルとを用いてゴルフクラブのスウィングをシミュレーションする方法も知られている(例えば、特許文献2参照)。具体的には、数値スウィングモデルに任意のトルクを入力して、任意の上記ゴルフクラブモデルでスウィングさせ、入力するトルク、ゴルフクラブモデルのヘッド、シャフトの3つの変更要素のうち、2つの変更要素は同一とすると共に1つの変更要素を設計変数とし、数値スイングモデルによりゴルフクラブモデルでのスイング時におけるインパクト直前のヘッドスピード、フェース角度、ブロー角度を分析する。 A method of simulating golf club swing using a numerical swing model for swinging a golf club and a golf club model composed of a finite element model is also known (see, for example, Patent Document 2). Specifically, an arbitrary torque is input to the numerical swing model, and the swing is input by any of the above golf club models, and two changing elements among the three changing elements of the input torque, the golf club model head, and the shaft are input. Are the same, and one change factor is a design variable, and the head speed, the face angle, and the blow angle immediately before the impact during the swing in the golf club model are analyzed by a numerical swing model.
しかし、特許文献1および2に記載されているゴルフクラブのシミュレーション方法では、有限要素モデルのゴルフクラブモデルを作成し、グリップ部に別途実験で測定したゴルファのグリップ軌跡を入力したシミュレーションを実施したとき、以下のように、シミュレーションで算出したシャフト歪みと、人が実際にスウィングして実験で得られたシャフト歪みのそれぞれの傾向が合致せず、シミュレーションにより実測の傾向を精度良く再現できないという問題があった。
However, in the golf club simulation methods disclosed in
図11は、シャフトモデル42とグリップモデル46が一体化され、シャフトモデル46の先端のヘッドモデル44が付加された剛拘束のゴルフクラブモデル40を示している。
FIG. 11 shows a rigidly-constrained
図12(a)は、実際のゴルフクラブを使用して人がゴルフスウィングを行い、シャフトの歪みを歪みゲージで実測した結果であって、スウィングのトップからインパクトまでのシャフトの歪みの変化を時系列で示している。
図12(b)は、剛拘束のゴルフクラブモデルによるシミュレーション結果であって、スウィングのトップからインパクトまでのシャフトの歪みの変化を時系列で示している。
同図から明らかなように、図12(b)のシミュレーション結果は、図12(a)の実測結果との傾向が異なる。すなわち、このシミュレーションでは、シャフト歪みの挙動が実測結果と一致しない。
FIG. 12A is a result of a person performing a golf swing using an actual golf club, and measuring the distortion of the shaft with a strain gauge. The change in the distortion of the shaft from the top of the swing to the impact is sometimes shown. Shown in series.
FIG. 12B is a simulation result by a golf club model of rigid restraint, and shows a change in the distortion of the shaft from the top of the swing to the impact in time series.
As is clear from the figure, the simulation result of FIG. 12B is different in tendency from the actual measurement result of FIG. That is, in this simulation, the behavior of the shaft distortion does not match the actual measurement result.
このシミュレーションでは、試打ロボットやパワーのある男子プロゴルファのスウィング挙動で算出したシャフト歪み、ヘッドスピード等は比較的実測に近い傾向を示すが、アマチュアゴルファについては、実際のスウィングの傾向を精度良く再現することができず、すなわち、ゴルファの違いによりシミュレーション結果が実測結果と必ずしも一致しないという問題もあった。 In this simulation, shaft distortion, head speed, etc. calculated by the swing behavior of trial hitting robots and powerful male professional golfers tend to be relatively close to actual measurements, but for amateur golfers, the actual swing tendency is accurately reproduced. In other words, there is a problem that the simulation result does not necessarily match the actual measurement result due to a difference in golfers.
本発明は、上記問題を解決するものであって、人の手での把持によるスウィング挙動と類似し、実測の傾向を精度よく再現することができるスウィングシミュレーション方法およびこのスウィングシミュレーション方法を用いるゴルフクラブの設計方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problem, and is a swing simulation method capable of accurately reproducing a tendency of actual measurement, similar to a swing behavior by gripping with a human hand, and a golf club using the swing simulation method The purpose is to provide a design method.
上記目的を達成するために、本発明は、ゴルフクラブをゴルファが把持して行うゴルフスウィングを再現するスウィングシミュレーション方法であって、有限要素で離散化した前記ゴルフクラブのモデルを作成する際に、前記ゴルファが手で把持するグリップ部のモデルとゴルフクラブシャフトのモデルとを分離し、分離された前記ゴルフクラブシャフトのモデルと前記グリップ部のモデルとを、前記グリップ部を拘束したときの固有振動数が前記グリップ部と前記ゴルフクラブシャフトとを分離されない一つのモデルで表したときの対応する固有振動数に比べて低下するようにパラメータ値を定めた連結要素で連結して、前記ゴルフクラブシャフトを前記グリップ部に対して固定しない軟拘束モデルを作成するモデル作成ステップと、スウィングのトップの状態およびダウンスウィングの状態を経てインパクトの状態に至る前記グリップ部の動きを該グリップ部の位置と向きによって表した時系列情報を、前記軟拘束モデルにおける前記グリップ部に対応する部分に境界条件として与えることで、前記ゴルフクラブの動的挙動を演算してスウィングを再現する再現ステップと、前記ゴルフクラブの動的挙動の演算結果から前記ゴルフクラブの特性物理量を算出する算出ステップとを、有することを特徴とするスウィングシミュレーション方法を提供する。
前記連結要素は、ばね要素又はダッシュポット要素のいずれかであることが好ましい。また、前記連結要素は、ばね要素とダッシュポット要素を組合せた連結要素であることも好ましい。
前記ばね要素を、3つの並進自由度および3つの回転自由度を持つ並進ばね要素および回転ばね要素で定め、前記ダッシュポット要素を、3つの並進自由度および3つの回転自由度を持つ並進ダッシュポット要素および回転ダッシュポット要素で定めることが好ましい。
前記打撃用構造物はゴルフクラブであり、前記把持領域はグリップ部、非把持領域はゴルフクラブシャフトであることが好ましい。
前記ばね要素のばね定数Eが、5.8×104(kgf/mm)より小さいことが好ましい。
前記ばね要素のばね定数E(kgf/mm)とダッシュポット要素の比例粘性係数C(kgf・s/mm)の比E/C(1/s)が、2.0(1/s)より大きいことが好ましい。
前記連結要素は、接触要素、はり要素、トラス要素、コネクタ要素、質量要素、固体要素又はシェル要素のいずれかであることが好ましい。
前記再現ステップで算出された結果がスウィングの対応する実測値と合うか否かを判定し、その判定結果に基づいて前記連結要素のパラメータ値を修正するモデル修正ステップを有することが好ましい。
さらに、本発明は、上記のスウィングシミュレーション方法でのスウィングシミュレーション結果に基づいてゴルフクラブを設計することを特徴とするゴルフクラブの設計方法を提供する。
To achieve the above object, the present invention provides a swing simulation method to reproduce the golf swing performed by gripping the golf club golfer, in preparing the golf club of model discretization in the finite element, The natural vibration when the grip part model and the golf club shaft model which the golfer holds by hand are separated, and the separated golf club shaft model and the grip part model are restrained by the grip part. coupled with the corresponding connecting element which defines the parameter values to lower than the natural frequency when the number represented by the model of one that is not separating the golf club shaft and the grip portion, said golf club shaft a model creating step of creating a soft constraint model is not fixed with respect to the grip portion, Sul The time series information of movement of the grip portion via the top of the state and the downswing state of ring to the state of the impact expressed by the position and orientation of the grip portion, corresponding to the grip portion of the soft constraint model portion in that it provides as a boundary condition, a reproduction step of reproducing the swing by calculating the dynamic behavior of the golf club, a calculation step of calculating a characteristic physical quantity of the golf club from the calculation results of the dynamic behavior of the golf club Thus, a swing simulation method is provided.
The connecting element is preferably either a spring element or a dashpot element. The connecting element is preferably a connecting element in which a spring element and a dashpot element are combined.
The spring element is defined by a translation spring element and a rotary spring element having three translational degrees of freedom and three rotational degrees of freedom, and the dashpot element is a translational dashpot having three translational degrees of freedom and three rotational degrees of freedom. Preferably it is defined by the element and the rotating dashpot element.
Preferably, the hitting structure is a golf club, the grip region is a grip portion, and the non-grip region is a golf club shaft.
The spring constant E of the spring element is preferably smaller than 5.8 × 10 4 (kgf / mm).
The ratio E / C (1 / s) between the spring constant E (kgf / mm) of the spring element and the proportional viscosity coefficient C (kgf · s / mm) of the dashpot element is larger than 2.0 (1 / s). It is preferable.
The connecting element is preferably a contact element, beam element, truss element, connector element, mass element, solid element or shell element.
It is preferable to have a model correction step of determining whether or not the result calculated in the reproduction step matches a corresponding actual measurement value of the swing, and correcting the parameter value of the connection element based on the determination result.
Furthermore, the present invention provides a golf club design method characterized by designing a golf club based on a swing simulation result obtained by the swing simulation method.
本発明によれば、把持領域と非把持領域を分離して他の有限要素で連結する軟拘束モデルを作成することにより、弾性のある人の手で把持したスウィング挙動の実測結果を精度よく再現することができ、人の挙動を反映した打撃用構造物の作成が可能となる。 According to the present invention, by creating a soft restraint model that separates the gripping area from the non-gripping area and connects them with other finite elements, the measurement results of the swing behavior gripped with the hand of an elastic person can be accurately reproduced. This makes it possible to create a striking structure that reflects human behavior.
さらに、本発明をゴルフクラブに適用した場合、人がスウィングしたときのシャフト変形およびヘッドスピードを精度よく再現することができ、したがって、アマチュアからプロまでの幅広いゴルファのスウィング挙動の再現が可能となる。さらに、個々のゴルファのスウィング挙動を反映したゴルフクラブの設計が可能となる。 Furthermore, when the present invention is applied to a golf club, it is possible to accurately reproduce shaft deformation and head speed when a person swings, and thus it is possible to reproduce a wide range of golfer swing behavior from amateurs to professionals. . Furthermore, it is possible to design a golf club that reflects the swing behavior of individual golfers.
以下、本発明の打撃用構造物のシミュレーション方法について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。なお、以下の説明では、打撃用構造物がゴルフクラブである場合について説明する。 Hereinafter, a simulation method for a striking structure according to the present invention will be described in detail based on a preferred embodiment shown in the accompanying drawings. In the following description, a case where the striking structure is a golf club will be described.
図1は、本発明のゴルフクラブのスウィングシミュレーション方法を実施する、算出装置10および計測システム20の概略構成図である。
算出装置10は、計測システム20から供給される、ゴルフクラブのグリップ部36の動きをグリップ部36の位置と向きによって表した3次元時系列データを用いて、ゴルフクラブモデルによるゴルフスウィングを再現する演算を行い、この演算結果を用いて計測したゴルフスウィングの特性を算出する装置である。この算出装置10は、モデル作成部12と、シミュレーション演算部14と、判定部16とを有し、このほか上記各部分の動作を制御、管理するCPU18と、計測システム20から供給された3次元時系列データを記憶したり、上記各部分で得られた処理結果を記憶するメモリ19とを有する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
The
なお、算出装置10は、モヂュール化されたサブルーチンプログラムを実行することでモデル作成部12、シミュレーション演算部14、および判定部16における各機能が発揮されるように構成されたコンピュータであってもよいし、また、各部分が専用装置や専用回路で組まれた専用装置であってもよい。
Note that the
モデル作成部12は、ゴルフクラブを再現したゴルフクラブモデルを作成する部分である。ゴルフクラブモデルは、ゴルフクラブヘッドモデルと、ゴルフクラブシャフトモデルと、グリップモデルが組み合わされている。ゴルフクラブシャフトモデルは断面積が一定の梁要素のモデルで離散化された真直梁モデルであり、ゴルフクラブヘッドモデルはゴルフクラブヘッドの重心位置に対応する位置に集中質量を与えた質点モデルが例示される。モデル作成部12で作成されるゴルフクラブモデルは、ゴルフクラブシャフトが撓る弾性体の弾性体モデル、あるいはゴルフクラブシャフトが全く変形しない剛体モデルが必要に応じて作成される。剛体モデルは、弾性体モデルに用いられる剛性に関する材料定数の値を極めて大きいものとすることで容易に作成することができる。なお、ゴルフクラブモデル作成の詳細は後述する。
The
シミュレーション演算部14は、作成されたゴルフクラブモデルおよび計測システム20から供給されたゴルフクラブのグリップ部36(図1参照)の動きをグリップ部36の位置と向きによって表した3次元時系列データを用いて、ゴルフスウィングを再現したシミュレーション演算の演算処理を行う部分である。具体的には、ゴルフクラブモデルのグリップモデル46に対応する部分に3次元時系列データを境界条件として与えることで、ゴルフクラブモデルの動的挙動を演算する。具体的には、運動方程式の時間差分スキームを用いた陽解法により時間経過に沿って逐次解く公知の方法で演算を行う。
The
この場合、計測システム20から供給される3次元時系列データは、ゴルフスウィングのアドレスの状態からバックスウィングの状態、トップの状態およびダウンスウィングの状態を経てインパクトの状態に至るゴルフクラブのグリップ部36の動きのデータである。この3次元時系列データをグリップモデル46に境界条件として与えてシミュレーション演算を行う。
In this case, the three-dimensional time-series data supplied from the
判定部16は、シミュレーション演算によって得られた演算結果からゴルフクラブの特性物理量が実測結果と合うか否かを判定する部分である。特性物理量は、例えば、ゴルフクラブモデルにおけるゴルフクラブヘッドに対応する部分の移動速度(ヘッドスピード)、あるいはシャフト変形量(歪み)が算出される。
ゴルフスウィングの算出結果は、図示されないプリンタやモニタに出力される。
算出装置10は以上のように構成される。
The
The calculation result of the golf swing is output to a printer or a monitor (not shown).
The
一方、計測システム20は、ゴルフクラブ30のグリップ部36を把持して行うゴルフスウィング中のグリップ部36の移動範囲内に、強さと方向が既知の分布を持つ磁場を形成するトランスミッタ20aと、グリップ部36の端部に固定され、磁場を感知することにより、基準位置に対する3次元位置とオイラー角の情報を含んだ信号を出力するレシーバ(磁気センサ)20bと、この信号に基づいてグリップ部36の3次元位置(xm 、ym 、zm)の時系列データとグリップ部36のオイラー角(θy、θp 、θr )の時系列データとを生成するコントローラ20cとを有する。
On the other hand, the
すなわち、計測システム20は、図1に示すように、ゴルフスウィングするゴルファの背後に配置固定したトランスミッタ20aから3種類の所定の磁場を次々に発生させ、一方、移動および回転するグリップ部36に固定されたレシーバ20bが、トランスミッタ20aによって作られる3種類の磁場内の位置および向きに対応して磁気を感知して合計9つの出力電圧を出力し、この出力電圧からコントローラ20cにおいてデータ処理がなされてレシーバ20bの3次元位置と向き(オイラー角)のデータを得ることができるシステムである。
That is, as shown in FIG. 1, the
このような計測システム20をより詳しく説明すると、図2に示されるように、所定の磁場を形成するトランスミッタ20aと、この磁場の強さや方向に応じて3軸方向の出力電圧を発生するレシーバ20bと、コントローラ20cとを有して構成される。
コントローラ20cは、トランスミッタ20aに所定の3種類の磁場を順次発生する駆動信号を生成するとともに、レシーバ20bから出力された信号を検出し、検出された信号よりデータ処理を行って、所定の位置、例えばトランスミッタ20aの位置を基準位置とし、お互いに直交する3方向を基準方向とする3次元位置座標(xm ,ym ,zm)と、所定の基準方向、例えばX,Y,Z座標軸方向に対するレシーバ20bの向きを表す姿勢角度、すなわちヨー角、ピッチ角およびロール角(以降では、オイラー角(θy ,θp ,θr)と表す)の時系列データを演算して出力する。
The
The
トランスミッタ20aおよびレシーバ20bは、図2に示されるように、お互いに直交する3軸方向に各々ループ状に巻かれた3つのコイルによって構成され、トランスミッタ20aは、ゴルフスウィングするゴルファの後方に固定配置され、レシーバ20bは、ゴルフクラブ30のグリップ部36の端部に固定される。
コントローラ20cは、3種類の磁場を順次発生する駆動信号を生成する駆動回路20dと、レシーバ20bからの出力された信号を検出する検出回路20eと、駆動回路20dおよび検出回路20eの制御を行い、検出回路20eから送られる信号よりレシーバ20bの3次元位置とオイラー角を求める制御ユニット20fによって構成される。トランスミッタ20aは駆動回路20dに、レシーバ20bは検出回路20eに、各々接続される。
As shown in FIG. 2, the
The
計測システム20は、以上のように構成される。なお、グリップ部36に固定されたレシーバ20bの基準位置に対する3次元位置座標(xm ,ym ,zm)と基準方向に対するオイラー角(θy ,θp ,θr )の時系列データは以下のようにして得られる。
The
図2に示すように、駆動回路20dは、制御ユニット20fの指令信号にしたがって、周波数と位相が常時一定の同一信号を出力し、トランスミッタ20aの3軸方向に巻かれた3つのループ状コイルを順次励磁する。各ループ状コイルは、励磁のたびに各々異なる磁場を発生し、この磁場に基づいてレシーバ20bの3軸方向に巻かれた3つのループ状コイルに各々独立な電圧を発生させる。この電圧は、トランスミッタ20aの3つのループ状コイルによって励磁される3つの磁場それぞれに応じて、レシーバ20bの3つのループ状コイルに発生する3つの独立した電圧であるため、合計9個(3×3個)の電圧が得られる。
As shown in FIG. 2, the
一方、磁場を形成させるトランスミッタ20aが所定の位置に固定設置されているので、発生する磁場の強さと方向に関する分布はトランスミッタ20aの設置された基準位置および、基準方向に対して既知となる。そこで、この形成された磁場によって生じる9つの電圧を用いることによって、上記基準位置に対するレシーバ20bの3次元位置座標(xm ,ym ,zm)と上記基準方向に対するオイラー角(θy ,θp ,θr )の6つの未知数を求めることができる。
コントローラ20cの制御ユニット20fは、検出回路20eから送られてきた9つの電圧を用いて、3次元位置座標(xm ,ym ,zm)とオイラー角(θy ,θp ,θr )のデータを演算して求める。
求められた3次元位置座標(xm ,ym ,zm)とオイラー角(θy ,θp ,θr )は、データ処理部であるコンピュータ22に供給される。
このような計測システム20として、例えば、3SPACE FASTRAK ( Polhemus社製)を挙げることができる。
On the other hand, since the
The
The obtained three-dimensional position coordinates (xm, ym, zm) and Euler angles (θy, θp, θr) are supplied to a
An example of such a
コンピュータ22は、供給された3次元位置座標(xm ,ym ,zm)とオイラー角(θy ,θp ,θr )の時系列データから、グリップ部36の所定の位置を基準とした3次元位置と直交座標系(XYZ座標系)におけるグリップ部36の3次元方向における向きについての3次元時系列データを演算して求める部位である。例えば、3次元位置座標(xm ,ym ,zm)と、直交座標系における方位角と仰角とゴルフクラブシャフト32の軸周りの回転の3次元時系列データを求める。グリップ部36の3次元位置とこの直交座標系におけるグリップ部36の3次元方向の向きの時系列データは、上述した算出装置10に供給されメモリ19に記憶される。
The
さらに、算出されたグリップ部36の3次元位置と3次元方向の向きからなる3次元時系列データは、設定された所定の方向から見たグリップ部36の軌道、例えば、ゴルファと正対する正面からみたゴルフスウィング中のグリップ部36の軌道のデータに変換されて、モニタ24に供給される。また、3次元時系列データがモニタ24にグラフとして表示される。計測システム20は以上のように構成される。
Further, the three-dimensional time-series data including the calculated three-dimensional position of the
このような算出装置10および計測システム20では、以下に示すゴルフスウィングのシミュレーションが実施される。
図3は、ゴルフクラブのスウィングシミュレーション方法の流れを示すフローチャートである。
In the
FIG. 3 is a flowchart showing a flow of a golf club swing simulation method.
まず、ゴルフクラブのスウィング軌跡の読み込みが行われる。これには、ゴルファがゴルフクラブを把持してスウィングするか、あるいはスウィングロボットにゴルフクラブを把持させてスウィングを行い、これを計測システム20を用いて計測し、コンピュータ22に読み込む(ステップS10)。
First, the swing trajectory of the golf club is read. To do this, the golfer grips and swings the golf club, or swings the golf club by gripping the golf club, measures this using the measuring
ゴルフスウィングの計測は、レシーバ20bがグリップ部36に固定されたゴルフクラブがスウィングされると、トランスミッタ20aによって形成される磁場をレシーバ20bが感知しながらコントローラ20cに出力電圧を送る。コントローラ20cでは演算により3次元位置座標(xm ,ym ,zm)とオイラー角(θy ,θp ,θr )の時系列データが算出され、この時系列データから、コンピュータ22で、グリップ部36の所定の位置を基準とした3次元位置と直交座標系におけるグリップ部36の3次元方向における向きについての3次元時系列データが求められる。求められた3次元時系列データ、すなわち、グリップ部36の所定の位置を基準とした3次元位置座標と、グリップ部36の3次元方向における向きのデータとが算出装置10に供給され、メモリ19に記憶される。
In the golf swing measurement, when a golf club with the
次に、有限要素法(FEM)による解析の入力データが作成される(ステップS11)。
図4は、ゴルフクラブモデル作成の手順を示している。
図4(a)は、剛拘束のゴルフクラブモデルを示す図である。ゴルフクラブシャフトモデル(非把持領域のモデル)42は各要素が梁要素のモデルで離散化された有限要素モデルであって、各要素の梁要素のモデルは断面積が一定の真直梁モデルである。ゴルフクラブシャフトモデル42は、要素1〜12からなる真直梁モデルでモデル化され、チップ側の先端には、ゴルフクラブヘッドモデル(非把持領域)44が付加されている。ゴルフクラブヘッドモデル44は、ゴルフクラブヘッド34の質量をゴルフクラブヘッド34の重心位置に対応する位置に集中質量を与えた質点モデルである。さらに、ゴルフクラブシャフトモデル42のバットには、剛体要素である要素13からなるグリップモデル(把持領域のモデル)46が設けられている。
Next, input data for analysis by the finite element method (FEM) is created (step S11).
FIG. 4 shows a procedure for creating a golf club model.
FIG. 4A is a view showing a rigidly restricted golf club model. The golf club shaft model (non-gripping region model) 42 is a finite element model in which each element is discretized with a beam element model, and the beam element model of each element is a straight beam model with a constant cross-sectional area. . The golf
なお、ゴルフクラブシャフトモデル42における要素分割数は12分割に限られず、6〜100分割であればよいが、後述するシミュレーション演算において計算の効率化と計算精度の向上を同時に満足させる点から、10〜15分割が好ましく、より好ましくは12分割であるのがよい。分割数が多いと計算を効率的に行うことはできない一方、分割数が少ないと後述するヘッドスピードを精度良く再現することができない。
Note that the number of element divisions in the golf
ここで、各要素1〜13の材料定数は、各要素における真直梁モデルにおける曲げ剛性である。ゴルフクラブシャフト32の曲げ剛性はゴルフクラブシャフトの長手方向に沿って変化するが、この変化に対応するように各真直梁モデルにおける曲げ剛性の値も長手方向に沿って変化させる。
Here, the material constant of each element 1-13 is the bending rigidity in the straight beam model in each element. The bending stiffness of the
次に、図4(b)に示すように、シャフトモデル42とグリップモデル46を分離する(ステップS12)。次に、図4(c)に示すように、シャフトモデル42とグリップモデル46とを所定のパラメータ値(ばね定数、比例粘性係数)を有するばね要素又はダッシュポット要素等の連結要素48で連結する設定を行う(ステップS13)。そして、図4(d)に示すように、グリップモデル46の先端の点A、連結要素48の点B、連結要素48から突出する有限要素50の先端の点Cとすると、A,B、Cの各点に並進運動(x、y、z)、すなわち、A(xa、ya、za)、B(xb、yb、zb)、C(xc、yc、zc)を与えることで、点A、B、Cが点A’、B’、C’に移動する動的挙動を表現する。
Next, as shown in FIG. 4B, the
なお、ばね要素やダッシュポット要素を連結要素として用いるのは、本発明の課題で述べたように、ゴルフクラブのシミュレーション結果が、人の手によって把持したゴルフクラブの挙動の結果に一致するようにするためである。
連結要素でシャフトモデル42とグリップモデル46とを接続した図4(c)に示すゴルフクラブモデルは、連結要素を用いる前のゴルフクラブシャフトモデル42とグリップモデル46とが一体化した図4(a)に示すゴルフモデルに対して、グリップモデル46を固定したときのゴルフクラブモデルにおける1次の曲げモードの固有振動数が低下するようにばね要素やダッシュポット要素のパラメータ値、すなわち、ばね定数E及び比例粘性係数Cが定められる。つまり、図4(c)に示すゴルフクラブモデルは、グリップモデル46を固定したときのゴルフクラブモデルの1次の曲げモードの固有振動数が、図4(a)に示すゴルフクラブモデルの対応する固有振動数に比べて低下する軟拘束モデルである。したがって、図4(a)に示すゴルフクラブモデルは、軟拘束モデルに対比して剛拘束モデルという。
本発明において、ゴルフクラブモデルに軟拘束モデルを用いるのは、実際のゴルフクラブのグリップ部36をどのように拘束するかで、ゴルフクラブシャフトの一次の曲げモードが変化するからである。以下、この点を説明する。
The spring element or the dashpot element is used as the connecting element so that the simulation result of the golf club matches the result of the behavior of the golf club held by a human hand, as described in the subject of the present invention. It is to do.
The golf club model shown in FIG. 4C in which the
In the present invention, the soft restraint model is used as the golf club model because the primary bending mode of the golf club shaft changes depending on how the
図5は、実際のゴルフクラブを使用し、剛拘束状態(ここでは、グリップ部又はグリップ部とシャフト間を動かないように固定した状態をいう)および軟拘束状態(ここでは、人の手でグリップ部を把持することをいう)で一次曲げモードが発生する固有周波数を測定した結果を示す図である。 FIG. 5 shows an actual golf club, in a rigid restraint state (here, a state where the grip portion or the grip portion is fixed so as not to move) and a soft restraint state (here, a human hand). It is a figure which shows the result of having measured the natural frequency which a primary bending mode generate | occur | produces by holding | griping a grip part).
図5は、上から(1)剛拘束、グリップゴムなし(ゴムなしグリップ部を万力で固定)、(2)剛拘束、グリップゴムあり(ゴムありグリップ部を万力で固定)、(3)ロボット、グリップゴムあり(ゴムありグリップ部をロボットが把持)、(4)人(M氏)、グリップゴムあり(ゴムありグリップ部をM氏が把持)、(5)人(S氏)、グリップゴムあり(ゴムありグリップ部をS氏が把持)としたそれぞれの状態で一次曲げモードが発生するときの固有周波数(一次固有周波数)を測定した結果を示している。なお、上部はゴルフクラブA、下部は別のゴルフクラブBの例である。図5において、(1)、(2)、(3)が剛拘束、(4)、(5)が軟拘束である。 Fig. 5 shows (1) rigid restraint, no grip rubber (fix the grip part without rubber in a vise), (2) rigid restraint, with grip rubber (fix the grip part with rubber in a vise), (3 ) Robot, with grip rubber (the robot grips the grip part with rubber), (4) Person (M), with grip rubber (M grips the grip part with rubber), (5) Person (M) The result of measuring the natural frequency (primary natural frequency) when the primary bending mode occurs in each state where grip rubber is present (the grip portion with rubber is gripped by Mr. S) is shown. The upper part is an example of a golf club A, and the lower part is an example of another golf club B. In FIG. 5, (1), (2) and (3) are rigid constraints, and (4) and (5) are soft constraints.
図5で明らかなように、(4)、(5)の人支持(人による把持)の場合におけるゴルフクラブの固有振動数は、(1)、(2)、(3)の剛拘束の場合におけるゴルフクラブの固有振動数の60〜70%程度低くなっている。この固有振動数の違いにより、人によるスウィング挙動と剛拘束モデルでのシミュレーション結果が合致しないことになると考えられる。
このように、ゴルフクラブモデルに、ばね要素及びダッシュポット要素を用いて軟拘束モデルを用いることで、人がゴルフクラブを把持したときの状況を再現することができる。
As is clear from FIG. 5, the natural frequency of the golf club in the case of human support (gripping by human) of (4) and (5) is the case of the rigid constraint of (1), (2), and (3) Is about 60 to 70% lower than the natural frequency of the golf club. Due to this difference in natural frequency, it is considered that the swing behavior by humans and the simulation results in the rigid constraint model do not match.
As described above, by using the soft restraint model using the spring element and the dashpot element for the golf club model, it is possible to reproduce the situation when a person holds the golf club.
次に、シミュレーション演算部14においてグリップモデル46(把持領域のモデル)に境界条件(グリップの挙動を表す三次元時系列データ)を与えて、ゴルフスウィングを再現したシミュレーション演算が行われる(ステップS14)。
すなわち、ゴルフスウィングのアドレスの状態からバックスウィングの状態、トップの状態およびダウンスウィングの状態を経てインパクトの状態に至る3次元時系列データを境界条件として設定する。設定された境界条件はメモリ19に記憶される。
Next, the
That is, three-dimensional time-series data from the golf swing address state to the back swing state, the top state, and the down swing state to the impact state is set as a boundary condition. The set boundary condition is stored in the
設定された境界条件を、ゴルフクラブモデル40のグリップモデル46に付与することにより、ゴルフクラブモデル40の動的挙動が演算され、運動方程式の時間差分スキームを用いた陽解法により時間経過に沿って動的挙動が算出され、算出された特性物理量をシミュレーション演算部14から出力する(ステップS15)。判定部16において、算出した特性物理量がゴルファのスウィングによる実測結果と合致するか否かを判定し(ステップS16)、合致する場合は終了する。合致しない場合はゴルフクラブモデルを修正する(ステップS17)。すなわち、合致しない結果をばね・ダッシュポット要素のパラメータ値の修正に反映させる。
By applying the set boundary condition to the
図6は、上記境界条件をゴルフクラブモデル40のグリップモデル46に付与した際におけるゴルフクラブモデル40のトップ〜インパクト解析の結果を示している。
図6(a)は、シャフトとグリップを、3つの並進自由度と3つの回転自由度でモデル化したばね要素で連結するとともに、このばね要素の定数Eを2.0×104(kgf/mm)とした、軟拘束モデルを用いた例を示している。図6(b)は、同じく3つの並進自由度と3つの回転自由度でモデル化したばね要素およびダッシュポット要素で連結するとともに、このばね要素のばね定数E(kgf/mm)とダッシュポット要素の比例粘性係数定数C(kgf・s/mm)の比(E/C)が、E/C=2000(1/s)となるようにした軟拘束モデルの例を示している。
FIG. 6 shows the result of top-impact analysis of the
FIG. 6A shows that the shaft and the grip are connected by a spring element modeled with three translational degrees of freedom and three rotational degrees of freedom, and a constant E of the spring element is set to 2.0 × 10 4 (kgf / mm), an example using a soft restraint model. FIG. 6B shows a spring element and a dashpot element that are also modeled with three translational degrees of freedom and three rotational degrees of freedom, and the spring constant E (kgf / mm) of the spring element and the dashpot element. An example of a soft constraint model in which the ratio (E / C) of the proportional viscosity coefficient constant C (kgf · s / mm) of E / C = 2000 (1 / s) is shown.
図で明らかなように、図6(a)(b)に示す例ではともにゴルフクラブシャフトモデル42は、インパクトの状態で大きな撓りがなく、ほとんど直線状態となっており、人がスウィングした場合と類似した挙動となることが分かる。
図6(c)に、従来の剛拘束モデル(図4(a)に示すモデル)によるトップ〜インパクト解析の結果を示している。同図で明らかなように、剛拘束モデルではインパクトの状態で大きな撓りが生じていることが分かる。
6A and 6B, in the example shown in FIGS. 6A and 6B, the golf
FIG. 6C shows the result of top-impact analysis using a conventional rigid constraint model (the model shown in FIG. 4A). As is clear from the figure, it can be seen that the rigid constraint model has a large deflection in the impact state.
<実験1>
図7は、ばね要素のばね定数(kgf/mm)と一次の曲げモードの固有振動数(cpm)の関係を、剛拘束モデルおよび本発明による軟拘束モデルによりシミュレーション実験した結果を示す。同図に示すように、剛拘束モデルの場合はばね要素自体がないので、振動数は常に一定である。軟拘束モデルの場合は、ばね定数が大きくなるしたがって振動数も直線的に増え、ばね定数が5.8×104になると剛拘束の場合と同じ振動数になる。したがって、本発明の軟拘束モデルを作成するには、ばね定数が5.8×104(kgf/mm)より小さいことが好ましい。
<
FIG. 7 shows the result of a simulation experiment on the relationship between the spring constant (kgf / mm) of the spring element and the natural frequency (cpm) of the first-order bending mode using the rigid constraint model and the soft constraint model according to the present invention. As shown in the figure, in the case of the rigid restraint model, since there is no spring element itself, the frequency is always constant. In the case of the soft restraint model, the spring constant increases, so the frequency increases linearly. When the spring constant becomes 5.8 × 10 4 , the same frequency as in the case of the rigid restraint is obtained. Therefore, in order to create the soft constraint model of the present invention, it is preferable that the spring constant is smaller than 5.8 × 10 4 (kgf / mm).
<実験2>
図8(a)(b)は、人が把持してゴルフクラブのスウィングを行い、フェース面側のシャフト歪みの変化を時系列で測定した実測結果とシミュレーションの結果を比較した結果を示す。
図8(a)は、シミュレーション結果を示す図であって、図中の符号60はばね定数Eが2.0×104(kgf/mm)のばね要素を使用した軟拘束のゴルフクラブモデルでのシミュレーション結果、符合62はばね定数Eが5.8×104(kgf/mm)のばね要素を使用したゴルフクラブモデルでのシミュレーション結果、符号64はばね要素を使用しない従来の剛拘束のゴルフクラブモデルでのシミュレーション結果をそれぞれ示している。
ばね要素を用いた、符号60の軟拘束モデルシミュレーション結果が、図8(b)に示す実測のシャフト歪みの傾向と類似していることが分かる。
<
FIGS. 8A and 8B show the results of comparison between actual measurement results and simulation results obtained by measuring a change in shaft distortion on the face surface side in time series by swinging a golf club by a person holding it.
FIG. 8A is a diagram showing a simulation result. In FIG. 8,
It can be seen that the soft restraint model simulation result of
<実験3>
図9は、ばね要素の定数Eとダッシュポット要素の定数Cとの比(E/C)が変化したとき、最終時刻(インパクト時刻)における剛拘束モデルのシャフト歪みと軟拘束モデルのシャフト歪みの差がどのように変化するかを示す図である。このとき、ばね要素は2×104(kgf/mm)と一定にし、ダッシュポット要素の比例粘性係数を変化させた。同図に示すように、E/Cが2.0(1/s)以下になると、シャフト歪みは軟拘束モデルでも剛拘束モデルと変わりないが、E/Cが2.0より大きくなると、軟拘束モデルと剛拘束モデルのシャフト歪みの差が大きくなる。このことは、軟拘束モデルは剛拘束モデルに比してインパクト時のシャフト歪みが小さくなっていることを示している。したがって、ばね要素およびダッシュポット要素を用いた本発明の軟拘束モデルでは、E/Cを2.0(1/s)より大きくすることが好ましい。
<
FIG. 9 shows the shaft strain of the rigid constraint model and the shaft strain of the soft constraint model at the final time (impact time) when the ratio (E / C) of the constant E of the spring element and the constant C of the dashpot element changes. It is a figure which shows how a difference changes. At this time, the spring element was kept constant at 2 × 10 4 (kgf / mm), and the proportional viscosity coefficient of the dashpot element was changed. As shown in the figure, when E / C is 2.0 (1 / s) or less, the shaft distortion is the same as that of the rigid constraint model even in the soft constraint model, but when E / C is larger than 2.0, the soft strain model is soft. The difference in shaft distortion between the constraint model and the rigid constraint model increases. This shows that the shaft distortion at impact is smaller in the soft restraint model than in the rigid restraint model. Therefore, in the soft restraint model of the present invention using the spring element and the dashpot element, it is preferable to make E / C larger than 2.0 (1 / s).
<実験4>
図10(a)(b)は、人が把持してゴルフクラブのスウィングを行い、フェース面側のシャフト歪みの変化を時系列で測定した実測結果とシミュレーションの結果を示す。このとき、ばね要素は2×104(kgf/mm)と一定にし、ダッシュポット要素の比例粘性係数を変化させた。
図10(a)は、シミュレーション結果を示す図であって、符号70はE/Cが2000(1/s)のばね要素とダッシュポット要素を使用した軟拘束のゴルフクラブモデルでのシミュレーション結果、符号72はE/Cが2(1/s)のばね要素とダッシュポット要素を使用した軟拘束のゴルフクラブモデルでのシミュレーション結果、符号64はばね要素を使用しない従来の剛拘束のゴルフクラブモデルでのシミュレーション結果をそれぞれ示している。
E/Cが2000(1/s)のばね要素とダッシュポット要素を用いた符号70の軟拘束モデルシミュレーション結果は、図10(b)に示す実測のシャフト歪みの傾向と類似していることが分かる。
このように、本発明のシミュレーション方法は、実測の傾向を再現することができる。
<
FIGS. 10A and 10B show actual measurement results and simulation results obtained by measuring a change in shaft distortion on the face surface side in time series by swinging a golf club held by a person. At this time, the spring element was kept constant at 2 × 10 4 (kgf / mm), and the proportional viscosity coefficient of the dashpot element was changed.
FIG. 10A is a diagram showing a simulation result, in which
The soft restraint model simulation result of
Thus, the simulation method of the present invention can reproduce the tendency of actual measurement.
以上本発明のシミュレーション方法を説明したが、本発明のシミュレーション方法の結果を利用してゴルフクラブを設計することができる。例えば、ばね要素やダッシュポット要素のパラメータ値をゴルファの種類(男子、女子、プロ、アマ等)やゴルファのパワーのレベルによって定めておき、ゴルファの種類に応じてヘッドスピードが最大となるように、ゴルフクラブシャフトやゴルフクラブへドを設計することができる。 Although the simulation method of the present invention has been described above, a golf club can be designed using the result of the simulation method of the present invention. For example, the parameter values of the spring element and the dashpot element are determined according to the type of golfer (boy, girl, professional, amateur, etc.) and the power level of the golfer so that the head speed is maximized according to the type of golfer. Golf club shafts and golf club heads can be designed.
以上、本発明のスウィングシミュレーション方法およびゴルフクラブの設計方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
例えば、スウィングシミュレーション方法はゴルフクラブに限定されず、野球のバット、テニスラケット、その他把持領域と非把持領域を有する全ての打撃用構造物に適用可能である。また、連結要素も、ばね要素やダッシュポット要素に限定されず、人が把持する部分を拘束したときのモデルの固有振動数が、把持領域と非把持領域を一体化したモデルに比べて低下するようにパラメータ値を定めた連結要素であれば、有限要素法で用いる接触要素、はり要素、トラス要素、コネクタ要素、質量要素、固体要素又はシェル要素のいずれも適用可能である。
The swing simulation method and the golf club design method of the present invention have been described above in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications are made without departing from the gist of the present invention. Of course.
For example, the swing simulation method is not limited to golf clubs, and can be applied to baseball bats, tennis rackets, and other striking structures having a gripping area and a non-grip area. In addition, the connecting element is not limited to the spring element or the dashpot element, and the natural frequency of the model when the part gripped by a person is constrained is lower than a model in which the gripping area and the non-grip area are integrated. In this way, any contact element, beam element, truss element, connector element, mass element, solid element, or shell element used in the finite element method can be applied.
10 算出装置
12 モデル作成部
14 シミュレーション演算部
16 判定部
20 計測システム
30 ゴルフクラブ
32 ゴルフクラブシャフト
34 ゴルフクラブヘッド
36 グリップ部
40 ゴルフクラブモデル(軟拘束モデル)
42 ゴルフクラブシャフト(非把持領域)モデル
44 ゴルフクラブヘッドモデル
46 グリップ(把持領域)モデル
48 連結要素
DESCRIPTION OF
42 Golf club shaft (non-gripping area)
Claims (9)
有限要素で離散化した前記ゴルフクラブのモデルを作成する際に、前記ゴルファが手で把持するグリップ部のモデルとゴルフクラブシャフトのモデルとを分離し、分離された前記ゴルフクラブシャフトのモデルと前記グリップ部のモデルとを、前記グリップ部を拘束したときの固有振動数が前記グリップ部と前記ゴルフクラブシャフトとを分離されない一つのモデルで表したときの対応する固有振動数に比べて低下するようにパラメータ値を定めた連結要素で連結して、前記ゴルフクラブシャフトを前記グリップ部に対して固定しない軟拘束モデルを作成するモデル作成ステップと、
スウィングのトップの状態およびダウンスウィングの状態を経てインパクトの状態に至る前記グリップ部の動きを該グリップ部の位置と向きによって表した時系列情報を、前記軟拘束モデルにおける前記グリップ部に対応する部分に境界条件として与えることで、前記ゴルフクラブの動的挙動を演算してスウィングを再現する再現ステップと、
前記ゴルフクラブの動的挙動の演算結果から前記ゴルフクラブの特性物理量を算出する算出ステップとを、有することを特徴とするスウィングシミュレーション方法。 A swing simulation method for reproducing a golf swing performed by a golfer holding a golf club ,
When creating the golf club model discretized by a finite element, the golf club grip model and the golf club shaft model that the golfer grips by hand are separated, and the separated golf club shaft model and the The natural frequency when the grip portion is constrained with a model of the grip portion is reduced as compared with the corresponding natural frequency when the grip portion and the golf club shaft are represented by one model that is not separated. A model creating step of creating a soft restraint model in which the golf club shaft is not fixed to the grip portion by connecting with a connecting element that defines a parameter value to
The time series information of movement of the grip portion via the top state of the state and downswing of the swing to the state of the impact expressed by the position and orientation of the grip portion, corresponding to the grip portion of the soft constraint model portion A step of reproducing the swing by calculating the dynamic behavior of the golf club ,
Swing simulation method characterized by a calculation step of calculating a characteristic physical quantity of the golf club from the calculation results of the dynamic behavior of the golf club has.
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