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高性能スポーツマシンと慣性センサを用いた球技ボールの飛翔軌道とバウンド挙動の解明

研究課題

研究課題/領域番号 21K11414
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分59020:スポーツ科学関連
研究機関公立小松大学

研究代表者

酒井 忍  公立小松大学, 生産システム科学部, 教授 (80196039)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
キーワード野球 / 卓球 / 投球機 / 球種 / 慣性センサ / スポーツ / スポーツ科学 / 飛翔
研究開始時の研究の概要

本研究では,開発する高速かつ多彩な変化球(球種)を高い制球精度で投球できる野球用,卓球用の高性能スポーツマシンと慣性センサ等を用いて,野球では「ジャイロボール」等を,卓球では横回転系,ジャイロ回転系の「チキータ」等の高度な球種の空力特性および飛翔軌道を解明する.また,実投手の人差指(示指)を模倣し,柔らかく滑りにくい柔剛合わせ持つ剛性可変把持装置と,縫い目に影響されにくい発射ローラを研究開発する.高性能発射マシンと高精度慣性センサ,力覚センサおよび高速度ビデオを駆使し,微妙に変化する球技用ボールの飛翔軌道や特異なバウンド挙動など,未だ解明されていない高度な球種の秘密を解き明かす.

研究実績の概要

本研究では,開発する高速かつ多彩な変化球(球種)を高い制球精度で投球できる野球用,卓球用の高性能スポーツマシンと慣性センサ等を用いて,野球では「フォークボール」,「ツーシーム」,「ジャイロボール」等を,卓球では横回転系の「カーブドライブ」,ジャイロ回転系の「チキータ」等の高度な球種の空力特性および飛翔軌道を解明する.開発するマシンは,球速,スピン数,スピン軸をそれぞれ独立に制御できる4ローラ式発射機構を採用する.本研究では,実投手の人差指(示指)を模倣し,柔らかく滑りにくい柔剛合わせ持つ剛性可変把持装置と,縫い目に影響されにくい発射ローラを研究開発する.新たに開発する高性能発射マシンと高精度慣性センサ,力覚センサおよび高速度ビデオを駆使し,微妙に変化する球技用ボールの飛翔軌道や特異なバウンド挙動など,未だ解明されていない高度な球種の秘密を解き明かす.
本年度は,開発した4ローラ式野球用ピッチングマシンを用いて投球実験を行った.本マシンで投球するボールを高速度ビデオと高精度慣性センサで投球性能を評価した.各ローラ回転数や交差角を調整し,球速は最高160km/h,球種は直球,カーブだけでなく,ジャイロボールやスイーパー等の高度な球種も投球可能であり,投球精度は平均ボール1.5個で投球できていることを確認した.また,4ローラ式卓球用発射マシンを製作し,トップスピンやバックスピンはもちろん,横回転系のカーブドライブ,ジャイロ回転系のチキータ等の高度な球種が発射できることを確認した.また,本マシンから無回転,トップ,バックの3球種のボールをラケットに向かって衝突させ,卓球ラバーの反発特性の違いを計測した.その結果,球種によって反射角が大きく変化し,球速も変化することが明らかになった.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

様々な球種(変化球)を任意の球速で精度よく投球できる野球用のピッチングマシンを開発した.開発したマシンを用いて投球実験を行った結果,最高球速は160km/h,直球やカーブはもちろんフォークボール,ツーシーム,さらにはジャイロボールやスイーパー等の高度な球種(変化球)も投球できることを高速度ビデオの画像および高精度慣性センサからスピン軸とスピン数を計測した.ボールのスピン数は3,000 rpm以上もあり,実投手を超えるような高スピン数のボールも投球できる高い投球性能を有している.また,投球精度は,ジャイロボールやスイーパー以外の球種では,ボール1.5個分未満の高い投球精度を有しており,開発したマシンの投球性能が高いことが確認できた.
また,4ローラ式の卓球用発射マシンを設計・製作し,本マシンを用いて発射実験を行った.トップスピンやバックスピンはもちろん,横回転系のカーブドライブ,ジャイロ回転系のチキータ等の高度な球種が発射できることを確認した.本マシンから無回転,トップ,バックの3球種の卓球ボールをラケットに向かって衝突させ,卓球ラバーの反発特性の違いを計測した.その結果,球種によって反射角が大きく変化し,球速も変化することがわかった.

今後の研究の推進方策

開発した野球用ピッチングマシンの投球性能をさらに向上させるため,実投手の人差指(示指)を模倣し,柔らかく滑りにくい柔剛合わせ持つ剛性可変把持装置と,縫い目に影響されにくい発射ローラの開発を目指す.また,CAEを用いた投球シミュレーションを実施し,ローラ材質やローラ形状を最適化し,さらなる投球精度の向上を目指す.
また,開発した卓球用の4ローラ式発射マシンを活用し,低速~高速(サーブ~スマッシュ)の幅広い球速範囲かつ,種々の球種(ドライブ,カット,チキータ等)のボールを卓球ラケットに向かって発射させて,卓球ラバーの反発特性(反射速度や反射スピン数)の違いを高速度ビデオカメラで詳細に計測し,卓球ラバーの性能評価を実施する.また,卓球ラバーの種類における経年劣化を考慮した反発性能の違いを明らかにする.

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] 深層学習による剣道の有効打突判定のための簡易支援システムの可能性2023

    • 著者名/発表者名
      坂本 一磨、岩田 伊織、上田 芳弘、酒井 忍、坂下 ちえり
    • 雑誌名

      科学・技術研究

      巻: 12 号: 2 ページ: 125-129

    • DOI

      10.11425/sst.12.125

    • ISSN
      2186-4942, 2187-1590
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] 軟式野球ボールと金属バットの反発特性に関する研究2022

    • 著者名/発表者名
      酒井 忍,史 金星
    • 雑誌名

      設計工学

      巻: 第57巻,第8号 ページ: 348-350

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Development of high-performance sports machine and elucidation of Two-seam ball gyroball2021

    • 著者名/発表者名
      Shinobu Sakai
    • 雑誌名

      Impact

      巻: Volume 2021, Number 5 号: 5 ページ: 75-77

    • DOI

      10.21820/23987073.2021.5.75

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 新公認軟式球を用いた軟式野球バットの打撃特性2023

    • 著者名/発表者名
      酒井 忍,史 金星
    • 学会等名
      日本機械学会2023年度年次大会,S231-01
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 四ローラ式投球機構における発射ローラの検討2023

    • 著者名/発表者名
      酒井 忍,史 金星
    • 学会等名
      日本機械学会 スポーツ工学シンポジウム2023,B-1-4
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 卓球ボールのバウンド挙動の研究2022

    • 著者名/発表者名
      酒井 忍,山田奈々,史 金星
    • 学会等名
      日本機械学会2022年度年次大会,J235-04
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] バレーボールのプレー分析に関する基礎的研究2022

    • 著者名/発表者名
      坂本 一磨、塚田 義典、中原 匡哉、山本 雄平、中村 健二,田中 成典、上田 芳弘、酒井 忍、岩田 伊織
    • 学会等名
      日本機械学会2022年度年次大会,J235-02
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 衝突解析によるガードレールの構造最適設計における基礎的検討2022

    • 著者名/発表者名
      史 金星,山田陸人,酒井 忍
    • 学会等名
      日本機械学会 第32回設計工学・システム部門講演会,1105
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 軟式野球用金属バットの打撃特性に関する研究2022

    • 著者名/発表者名
      酒井 忍,史 金星,酒井 稜
    • 学会等名
      日本機械学会 スポーツ工学シンポジウム2022,B-2-1
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 軟式野球ボールと金属バットの反発特性に関する研究2021

    • 著者名/発表者名
      酒井 忍,史 金星
    • 学会等名
      日本設計工学会 2021年度秋季大会,C-02
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] バレーボールのプレー分析に関する基礎的研究2021

    • 著者名/発表者名
      岩田 伊織,上田 芳弘,酒井 忍,坂本 一磨
    • 学会等名
      日本機械学会 スポーツ工学シンポジウム2021,B-3-2
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] 公立小松大学 教員・研究者一覧(酒井 忍)

    • URL

      https://www.komatsu-u.ac.jp/academics/teacher/pdf/shinobu_sakai.pdf

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書 2021 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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