2023 Fiscal Year Annual Research Report
Custom made design for the bicycle frame to fit human body and motion
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22H03899
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Hyogo Prefectural Institute of Technology |
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Principal Investigator |
後藤 泰徳 兵庫県立工業技術センター, その他部局等, 専門研究員 (70470242)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福田 純 兵庫県立工業技術センター, その他部局等, 研究員 (20882830)
兼吉 高宏 兵庫県立工業技術センター, その他部局等, 部長 (50470216)
吉岡 淳也 兵庫県立工業技術センター, その他部局等, 研究員 (50830353)
福井 航 兵庫県立工業技術センター, その他部局等, 主任研究員 (60632742)
平田 一郎 兵庫県立工業技術センター, その他部局等, 上席研究員 (80470243)
森 亮太 兵庫県立工業技術センター, その他部局等, 主任研究員 (40723440)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 人間中心設計 / 筋骨格モデリングシミュレーション / プロダクトデザイン / 砂型3Ｄプリンタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
開発した走行シミュレータによる計測においては、被験者のライディング位置を調整可能にするとともに、走行実験時の運動や乗車姿勢はIMUセンサによるモー ションキャプチャで計測、サイクル側のハンドル、サドル 、ペダルといった触れる部分の反力は歪みゲージで計測、後輪の回転運動は出力ワット数計測器で計測可能である。このシステムにより被験者の乗車運動の測定を行った結果、ある被験者場合、右脚の踏み込みが強めであった。
そこで、この被験者に動作傾向に適合すると推定される自転車フレームのトポロジー最適化設計に取り組んだ。トポロジー最適化の条件は、設定安全率を下回らない限りの質量の最小化、設定質量割合になることを目標とした剛性の最大化の二種類とし、荷重条件は、自転車の走行シミュレータにより得られたハンドル、ペダルなどに発生する荷重数値を設定した上でトポロジー最適化によるフレームの基本設計を複数案デザインすることができた。
このうち、1設計案をの1／4スケールを砂型3Ｄプリンタで製作し、アルミ鋳造を行った。さらにもう1設計案についてもアルミ鋳造による実機製作を進めた。このモデルの場合は、実際の車輪やボトムブラケット、ハンドルなどが取り付けるため、1／1スケールとし、嵌合部分などアッセンブリーに必要な加工向3次元データを作成した上で、砂型を3Ｄプリンタで製作し、アルミ鋳造により実機製作を行った。こちらについては検討のために1／2モデルも製作した。
以上の成果については、日本デザイン大会、日本人間工学会をはじめ、関連する技術カンファレンスでの発表を積極的に進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は主に昨年度に開発した走行シミュレータによる解析モデルにもとづき、自転車フレームのトポロジー最適化設計と実機製作に取り組んだ。このシステムにより被験者の乗車運動の測定を行った結果、その中である被験者は右脚の踏み込みが強めであった。そこで、自転車3Dモデルのフレーム箇所にトポロジー最適化を適用した。トポロジー最適化の条件は、設定安全率 を下回らない限りの質量の最小化、設定質量割合になるよう軽量化を目標とした剛性の最大化の二種類とした。荷重条件は、自転車の走行シミュレータにより得られたハンドル、ペダルなどに発生する荷重数値を設定した。トポロジー最適化を適用した結果、荷重条件、最適化条件の違いによって形状が大きく変化することがわかった。そこで、以上の条件設定を変えることで得られたフレームのデザイン案のうち2案を実際にアルミ鋳造で製作可能であるかを検討した。1設計案をまず1／4スケールで実機製作することにした。トポロジー最適化によって得られた3次元形状を鋳造可能なレベルに表面を円滑に整えた3次元データに仕上げ、そのデータから砂型3Ｄプリンタによって型製作した。さらに、この型によりアルミ鋳造を行った。1／4スケールで実機製作が成功したことから、次に、より複雑な形状の別設計案を1／1スケールモデルの製作を試みた。この案は鋳造後に実際の車輪やボトムブラケット、ハンドルなどが取り付けることを想定している。このモデルも3次元データから砂型3Ｄプリンタによって型製作し、この型によりアルミ鋳造を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度は主に走行シミュレータのシステム開発を進めた。令和5年度は、走行シミュレータによって得られた知見をもとにトポロジー最適化設計に基づくフレームデザイン、さらに砂型3Ｄプリンタを活用したフレームの砂型設計製作、さらに砂型を用いたアルミ鋳造によるフレーム製造、そして自転車各部品との取り合い（取り付け）を考慮した設計など、デザインからモデル製作までの一連の工程が可能であることを実証した。
最終年である令和6年度はフレームの機能性や重量などの諸性能のレベルアップを図るための方法について検討を進め、デザイン案のブラッシュアップと製作を行う。
また、今回の研究開発により、走行シミュレータや筋骨格シミュレーションモデル、トポロジー解析といった従来あまり活用されなかった手法によるプロダクトデザインが有効であることが分かったので、今後は自転車以外の他製品分野における活用方法についても検討していきたい。
また、これまで研究した独自の走行シミュレータによる実験映像やフレームのデザイン、さらに実機製作用に開発した砂型やアルミフレームなどの成果については兵庫県か共催する国際フロンティア産業メッセなどで積極的に情報発信したい。
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