JP5924994B2 - テニス試打装置 - Google Patents

Description

この発明は、テニスのラケット等の性能評価等のためにテストスイング（試打）を機械的に行うテニス試打装置に関するものである。

テニスラケットの開発にあっては、従来から実際にテニスボールを打つテストスイングをして、コンピュータによるシミュレーション分析に基づき、そのテニスラケットの性能を評価することが行われている。テニスボールやラケットに張設したガットも評価対象となる場合がある。そして、テストスイングは人間が行うこともあるが、これを機械的に実行させるための試打装置も開発されている（例えば、特許文献１・２）。

特許文献１のテニス練習機は、回動軸の周りで揺動する揺動部材に腕木を水平に取り付けてなり、腕木の先端にラケットを取り付けて揺動部材を駆動することによりスイングを実行するものである。また、腕木を固定する部分が、腕木の軸方向（腕木をねじる方向）に回転するように構成され、ラケットの面を上向き方向に傾斜させることにより、いわゆるスライスボールを打出し、逆に下向き方向に傾斜させることにより、いわゆるトップスピンボールを打出すことができるとされている。さらに、揺動部材の回動軸を水平面に対して傾斜させることにより、例えば、斜め下方から斜め上方に向けてスイングすればロブ、反対に、斜め上方から斜め下方に向けてスイングすればスマッシュも可能であるとされている。

特許文献２の打球具試打装置は、ベースより立設する垂直方向の第１関節と、打球具の把持部を保持する保持具を取り付けた最終関節との間に中間関節を介設し、これら第１関節、中間関節および最終関節を順次連結すると共に各関節を夫々別個の駆動装置で回動させて、上記最終関節の保持具で保持された打球具をＸ、Ｙ、Ｚ方向へ揺動回転あるいは／および上記保持具で保持される打球具の長手方向を回転軸とする回転を行わせ、打球具を持った腕を上下に振りあげて振り降ろす動作に対応する打球面の基台からの距離の調整・増減、腕の内転外転動作に対応する上記打球面の角度の調節・可変および／あるいは打球具の長手方向の中心軸と基台との角度の調整・可変ができる構成としている。その結果、ボレー打ちのみでなく、ストローク時の打撃作動を再現でき、しかも、ストローク時のフラット打ちのみでなく、スピン打ちの再現も可能であり、また、ラケットの面角度、長手軸角度を変化させることが可能であるため、ボレーやサーブ時のスピン打ち等も再現できるとされている。さらに、各関節を独立のモータで動作させているため、より複雑な挙動が実現可能とされる。

特開２００８−５９２４公報 特開平１１−２４４４４３公報

ところで、テニスラケットの性能評価項目として、スイング力を限界まで高めたパワーショットがある。つまり、一流のテニスプレーヤが行うようなパワーショット下でラケットやガットの性能評価を行うものであるが、繰り返し、正確なパワーショットを行うには、人間よりも試打装置を用いるほうが確実である

しかしながら、特許文献１の練習機は、揺動部材の回動軸を水平面に対して傾斜自在とするため、支柱側面から水平方向に円柱形のブラケットを突設し、このブラケットに揺動部材を鉛直方向に支持しており、ブラケットをその円柱形の軸周りに回転させることにより、揺動部材の回動軸を水平面に対して傾斜させる構成を採用している（図４参照）。つまり、この練習機では、揺動部材を支柱に直接取り付けず、ブラケットを介して支柱に固定しているため、揺動部材を駆動したときの応力はブラケットに集中することになるが、支柱側面に円柱形のブラケットを突設した支持構造自体、回転機構としては無理があり、スイング時に軸ブレが生じやすく、耐久性も低く、特に一流のテニスプレーヤが行うようなパワーショットを再現することが困難である。

また、特許文献２の試打装置は、その実施形態によれば、６または８個の関節をそれぞれ別のモータで駆動することで打球具（テニスラケット）をＸ，Ｙ，Ｚ方向に揺動回転させる構成であるため、多くのモータが必要となり、制御は困難を極める。つまり、特許文献２の試打装置は、より多くの関節を有することで、人間に似た細かい動きを再現しようとする点では理想的であるが、関節の一つでも理不尽な動きをすれば、全体のバランスが崩れることになるというリスクがある。特に、テニスの場合は、野球やゴルフとは違って飛距離を稼ぐのではなく、同じパワーショットでもテニスコート内に落球させることが必要であるから、そのためにはボールにトップスピンを与える必要があるが、特許文献２ではそのための制御方法が必ずしも明らかにされていない。

本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、一定以上のパワーショット下で性能評価を行うため、テニスボールにトップスピンを与えることができる試打装置を提供することである。

上述した目的を達成するために本発明では、テニスラケットを保持してテイクバックからフォロースルーまで旋回制御されるスイングアームと、このスイングアームをその旋回軸を縦方向の中心軸上に位置させて旋回自在に設けた一定高さの胴部と、この胴部を設置面に固定する土台部とを備え、前記胴部は前記土台部に対して前記中心軸を前記テイクバック側に傾けて設けるという手段を用いた。

この手段では、胴部が鉛直方向に対してテイクバック側に傾いているため、インパクト（打点）からフォロースルーではテニスラケットを下から上に振り上げるようなスイング軌跡が描かれる。その結果、テニスボールに進行方向下向きの回転、即ちトップスピンを与えることができる。なお、胴部の傾斜角度はスイング中、固定である。また、ボールの供給位置やテニスラケットの保持角度は適宜調整することができる。

スピン力はラケットの振り上げ角度と相関し、理論上、振り上げ角度が大きい程、スピン量も大きくすることができる。本発明の場合、胴部の傾斜角度を大きくすれば、ラケットの振り上げ角度を大きくすることができるが、極端に振り上げ角度（胴部の傾斜角度）を大きくすると、単にボールが打ち上がってしまう恐れがある。発明者の実験では、５度程度の傾斜角度で安定してトップスピンを与えることができたが、より緻密に胴部の傾斜角度を調整するために、本発明では、土台部に、胴部の傾斜角度を任意に設定する角度調整機構を設ける。なお、角度調整機構は、ジャッキによって構成でき、この場合、手動で胴部の傾斜角度を調整することができる。このほか、サーボモータとギアを用いて角度調整機構を構成することも可能である。

また、スピンはラケットの振り上げ速度とも相関する。例えば、スイングアームの旋回速度を上げれば、ラケットの振り上げ速度も上がり、結果、単位時間のスピン量も増加する。ただし、スイングアームの旋回速度を上げればボールコントロールが難しくなり、スイングアームだけでスピン量を上げるには限界が生じる。また、同じトップスピンでも、山なりの弾道と、より直線的な弾道とを打ち分けたい場合が生ずる。そこで、本発明では、胴部に、スイングアームと連動して、その旋回軸まわりに前記胴部を回動させるツイスト機構を設けることが好ましい。ツイスト機構は、人間の腰振り（腰回転）に相当する動きを実現して、スイングアームの打力を補助する。このことは、人間が手（腕）のみでスイングしたときよりも、腰を回転させてスイングしたほうが打力が高くなることと同じである。そして、インパクト時には、スイングアームとツイスト機構の双方の動力がテニスボールに作用することになるため、より強いパワーショットが得られると共に、高いスピン力も付与することができる。

なお、スイングアームは、打球具を保持した状態で一定範囲旋回するものであればよいが、サーボモータにより旋回駆動する第一アームと、該第一アームの先端部に設けられ、前記第一アームとは別のサーボモータにより旋回駆動する第二アームとを備えることが好ましい。第一アームが人間の上腕、第二アームが人間の前腕に相当して、より人間に近いスイングが可能だからである。

この場合、前腕に相当する第二アームの先端部に打球具を保持するクランプを設けることになる。そして、クランプを第二アームの旋回動と連動して打球具の軸回りに捻回する捻回手段を備えることによって、人間が手首を回転させるような動きが実現され、スピンやスライスが可能となる。

さらに、打球時には反作用によってクランプにスイング方向と反対向きの歪み応力（衝撃）が作用するが、スイングアームにダンパを設け、クランプに対する打球時の衝撃を吸収するようにすれば、一流選手のフルスイングに相当するスピードでスイング動作させても、その衝撃力から打球具および装置の各機構を保護することができる。

本発明では、胴部の中心軸上にスイングアームを備えたテニス試打装置において、胴部の前記中心軸をテイクバック側に傾けているので、インパクトの瞬間、ラケットの振り上げ角度が大きくなり、テニスボールにトップスピンを与えることができる。

また、角度調整機構によって胴部の傾斜角度を任意に調整するようにすれば、スイングアームの旋回速度（ラケットのスイング速度）等に応じて、胴部の傾斜角度を最適化することができる。これと胴部のツイスト機構を併用すれば、インパクト時における単位時間当たりの打力が増し、テニスボールにより強いスピン力を付与することができる。

さらに、スイングアームを独立して旋回駆動する第一アームと第二アームの二関節で構成したことで、テイクバックからフォロースルーの間にそれぞれ旋回角度や速度を変更でき、より人間に近いスイング可能となる。また、クランプを第二アームの旋回動と連動して捻回させることによって、スライスショットなど、多様なショットを再現することも可能となった。さらにまた、ダンパによってクランプに作用する打球時の衝撃を吸収するので、相当の速度でスイングを実行しても、ラケット（ガット）が損傷したり、装置の各機構に傷みが生じたりすることを防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係る試打装置の全体斜視図 同装置をラケット側から見た側面図 同装置の平面図 同装置の正面図 同装置のスイングアームの側面図 同装置のスイングアームの内部機構を示す斜視図 同装置のスイングアームの平面図 同装置によるスイング軌跡を模式的に示した説明図 同装置に適用するツイスト機構の一例を示した平面図

以下、本発明の好ましい実施の形態を添付した図面に従って説明する。図１〜４は、本発明の一実施形態に係る試打装置の全体を示した図であって、１０はテニスラケットＲを着脱可能に保持し、これを旋回することでテストスイングを実現するスイングアーム、２０は前記スイングアーム１０を支持する上胴部、３０は回動軸３１を中心として上胴部２０を前後に回動自在に支持する下胴部、４０は下胴部３０を立設支持するベース部、５０はベース部４０の四方に設けた台脚部である。この実施形態では、上胴部２０と下胴部３０によって胴部を構成し、ベース部４０・台脚部５０によって装置の土台部を構成している。台脚部５０は設置面に適宜アンカーボルトにより固定され、テストスイング時の装置全体の倒伏や揺れを規制する。

前記上胴部２０は、下胴部３０との連結部である角度調整用の回動軸３１によって、スイングアーム１０と共に前傾角度を水平の状態から下向きに、例えば６０度の範囲で調整できるように構成されている。なお、上胴部２０の前傾角度調整は送りねじ機構によって構成することができる。つまり、ねじ軸を直線状に設け、このねじ軸に螺合するナットを上胴部２０に内蔵し、ねじ軸を例えばサーボモータを駆動源として回動すれば、ナット６２の螺進によって、回動軸３１を中心として上胴部２０を前後に揺動させることができる。

このような構成のテニス試打機において、図２の左方をテイクバック領域、右方をフォロースイング領域とすれば、本発明の特徴点は、図２・３に明確に示されるように、胴部（上胴部２０・下胴部３０）をテイクバック側に傾けていることにある。その構成は、下胴部３０とベース部４０の間にテイクバック側に下り勾配の傾斜板６０を挟み込んでおり、これによって胴部を傾斜支持している。

より詳しくは、この実施形態の場合、傾斜板６０の勾配は５度である。このため胴部の中心軸２１は、ベース部４０の中心を通る鉛直軸２２に対してテイクバック側に５度傾くことになる。なお、スイングアーム２０は、胴部の中心軸２１上に位置させているため、スイングアーム１０の旋回軸も同角度に傾斜することになる。

上記構成によれば、胴部がテイクバック側に傾いた、所謂右肩下がりとなるため、スイングを実行すると、中心軸が鉛直方向に存在する場合と比較して、インパクト時のラケットの振り上げ角度が大きくなる。このため、インパクト時にテニスボールがガット面で下から上にこすり上げられ、当該摩擦力によってテニスボールにトップスピンを与えることができるのである。

一方、本実施形態におけるスイングアーム１０の構成を説明すると、上胴部２０にはバックスイングトップ位置を０度として、インパクト位置（打球位置）を経てフォロースルーエンド位置に至る３６０度の範囲にわたって旋回、即ち一回転可能な第一アーム１１を設けると共に、この第一アーム１１の先端部にはプラス９０度からマイナス９０度の合計１８０度の範囲にわたって回動可能な第二アーム１２を枢着している。

ここで、上述の第一アーム１１は人間の上腕に相当し、第二アーム１２は人間の前腕に相当するもので、さらに、上述の第二アーム１２の上面には、人間の手に相当するクランプ１３を取付け、このクランプ１３にテニスラケットのグリップ部を着脱可能に固定すべく構成している。さらに、このクランプ１３はその基端部の左右側面に設けた円弧状スリットのボルト１３ａを緩めることによって、軸１３ｂ回りに、例えば上方に７０度の範囲で回動自在としている（図５参照）。即ち、当該構成によれば、人間が手首の上下角度を変えるのと同じ作用効果が得られる。なお、クランプ３０の角度調整もサーボモータにより行うことが可能であるが、実際のスイングではこれを可変する必要性が小さく、また専用のサーボモータを組み付ける分、第二アーム１２の重量が大きくなり、第二アーム１２の旋回動に少なからず影響する。このため本実施形態では、クランプ３０については、スイング前に手動で角度調整を行うようにしている。

第一アーム１１および第二アーム１２に対する２系統の独立動力伝達経路の構成について説明すると、図６に示すように、上胴部２０の内部には、可逆回転および速度変更可能な旋回手段としての第一モータ１４を取付けると共に、上胴部２０の上面カバー１５を取付けている。また上胴部２０の内部には、可逆回転および速度変更可能な回動手段としての第二モータ１６を取付けている。これら各モータ１４、１６としては制御電流に比例した回転速度で回転子を指定方向に回転し得る交流サーボモータなどを用いる。

そして、第一アーム１１と第一モータ１４とは、複数のプーリ１７ａ・１７ｂおよびタイミングベルト１７ｃによって接続され、第一モータ１４の回転力をこれらプーリ１７およびタイミングベルト１８を介して第一アーム１１の基端部に独立伝達する第一の動力伝達経路を構成している。

一方、第二アーム１２と第二モータ１６との間にも、複数のプーリ１８ａ・１８ｂおよびタイミングベルト１８ｃが設けられ、第二モータ１６の回転力を第二アーム１２の基端部に独立伝達する第二の動力伝達経路を構成している。

以上のようにスイングアーム１０を構成したので、上腕に相当する第一アーム１１は上述の旋回手段（第一モータ１４参照）により３６０度の範囲で正逆の双方向とも変速可能に旋回操作され、この第一アーム１１の先端部に枢着された前腕に相当する第二アーム１２は上述の回動手段（第二モータ１６参照）により変速可能される。しかも、上述の旋回手段（第一モータ１４参照）による第一アーム１１の旋回動と上述の回動手段（第二モータ１６参照）による第二アーム１２の回動とはそれぞれ独立制御されるので、旋回手段（第一モータ１４参照）および回動手段（第二モータ１６参照）による両アーム１１・１２の移動速度を適宜に変速制御することで、リストターン等のモデルプレーヤによる手首の動きを含む任意かつ多様なパターン（ラケット旋回軌跡）を得ることができて、各種パターンに対応した多様な試験結果を得ることができる効果がある。

当該構成に加えて、更に独立制御されるサーボモータにより、第二アーム１２の先端部側上面に設けたクランプ１３をテニスラケットのシャフト軸周りに回動させる捻回手段（サーボモータ）を設けることで、より多様なスイングパターンを実現することができる。

また、本実施形態では、打球時の衝撃を吸収するために、図７に示されるように、第二アーム１２の側方にダンパ１９を設け、そのプランジャに、クランプ１３の側面に設けた突片１３ｃを当接させている。したがって、打球時にクランプ１３に側方への衝撃が作用すれば、突片１３ｃがダンパ１９のプランジャを引っ込め、その衝撃を吸収することができる。

図８は、上記スイングアーム１０によるスイング軌跡を示したものであり、当該機構１０の旋回軸（つまり胴部の中心軸）を傾けた場合（実線）と、通常の鉛直方向とした場合（点線）を比較している。同図に示すように、本発明による胴部傾斜構造によれば、中心軸を鉛直方向に設けた場合よりも、インパクト時の軌跡において、本発明態様（Ａ）のほうが通常態様（Ｂ）よりも接線の角度が上向きに大きくなっていることがわかる。つまり、同図からも明らかなように、スイングアームを支持する胴部の中心軸を傾けることによって、アッパースイング気味となり、テニスボールにトップスピンを与えることができる。

ところで、テストスイング時に胴部の傾斜角度は固定であるが、最初に胴部をどの程度傾けておくかは、スイングアーム１０によるスイングスピードや試打装置に対するボールの供給態様を考慮して、所望するスピン力や弾道に応じて決定する。つまり、より大きなスピン力を与える場合は、胴部の傾斜角度を大きくする必要がある。

そこで、胴部の傾斜角度を可変とすることが好ましいが、そのための手段としては、胴部と土台部の間に角度調整機構を設けることがある。当該機構は、具体的には図１の傾斜板６０の一端（図面上、左端）を回動自在に軸支し、他端をジャッキで昇降させることで構成することができる。ジャッキはハンドルを備えた手動式でよい。ただし、動力源としてモータや油圧を用いることも可能である。

さらに、スピン力はインパクト時のトップスピードによって上下する。この点、スイングアーム１０を速度制御してスイングスピードを調整することも可能であるが、より好ましくは、胴部そのものを旋回させるツイスト機構を備えることが好ましい。

図９は、当該ツイスト機構の一例を示すもので、胴部（下胴部３０）の下面に主ギア７０を一体的に設け、該胴部をベース部４０に回転可能に組み付ける一方、ベース部４０の外方に駆動源としてのサーボモータ７１および減速のための伝達ギア７２を設け、前記サーボモータ７１の駆動力を伝達ギア７２を介して主ギア７０に伝達し、もって胴部を正逆（往復）に回転可能に制御するように構成したものである。

このように、右肩下がりに傾けた胴部そのものをツイスト機構によって回転させることで、インパクトの瞬間、より強いアッパースイングが可能となり、テニスボールのスピン力を上げることができる。

なお、スイングアームに対するラケットの保持角度によっては、胴部の傾斜をキャンセル、即ち胴部を鉛直方向真っ直ぐに立設し場合であっても、ツイスト機構のみでトップスピンを付与することが可能である。よって、ツイスト機構を採用する場合、胴部を傾斜させることは要件ではなく、上記角度調整機構によって中心軸が鉛直方向と一致するように胴部を真っ直ぐ立設させておくことも本発明の範囲に含むものである。

１０ スイングアーム
１１ 第一アーム
１２ 第二アーム
１３ クランプ
１９ ダンパ
２０ 上胴部
３０ 下胴部
４０ ベース部
５０ 台脚部
６０ 傾斜板
７０ ツイスト機構を構成する主ギア

Claims (5)

1. テニスラケットを保持してテイクバックからフォロースルーまで旋回制御されるスイングアームと、このスイングアームをその旋回軸を縦方向の中心軸上に位置させて旋回自在に設けた一定高さの胴部と、この胴部を設置面に固定する土台部とを備え、前記胴部は前記土台部に対して前記中心軸を前記テイクバック側に傾けて設け、前記土台部は、前記胴部の傾斜角度を任意に設定する角度調整機構を有することを特徴とするテニス試打装置。
2. さらに、スイングアームと連動して、前記胴部を回動させるツイスト機構を有する請求項１記載のテニス試打装置。
3. スイングアームは、一端が胴部上面に設けられ、サーボモータにより旋回駆動する第一アームと、該第一アームの他端に延長方向に沿って設けられ、前記第一アームとは別のサーボモータにより旋回駆動する第二アームと、該第二アームの先端部に設けた打球具を保持するクランプとを備える請求項１または２記載のテニス試打装置。
4. クランプは、第二アームの旋回動と連動して、打球具の軸回りに捻回する請求項３記載のテニス試打装置。
5. スイングアームは、さらに、クランプに加わる衝撃を吸収するダンパを備える請求項３または４記載のテニス試打装置。

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