2014 年度 卒業論文 バッティングシミュレーター 東北学院大学工学部機械知能工学科長島研究室 牧野健大 0

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1 2014 年度 卒業論文 バッティングシミュレーター 東北学院大学工学部機械知能工学科長島研究室 牧野健大 0

2 目次 第 1 章序論 第 2 章理論 スウィング動作の位置設定について リリース時の腕の位置の算出手順 速度ベクトルの算出手順 運動方程式 揚力係数について 抗力係数について 回転軸について 回転軸座標と物理座標の合成 ボールに生じる揚力の算出手順 バッターの立ち位置およびバッティング面の設定 Available Hitting Zone バットの軸の三次元空間座標とのなす角度 バッティング面におけるインパクト位置の周方向角度の定義 ほう線方向ベクトル n の算出 ベクトルの座標定義 打球の初期速度ベクトルの算出 打球の絶対速度ベクトルの算出 第 3 章シミュレーションソフトの説明 ユーザーインターフェイス 視点位置 高さ 効果音の設定 ピッチングの実行 Google Map ピッチング動作の設定 球種の設定 バッティング動作の設定 各種の設定 人物の色の設定 Google Earth シミュレーション実行例 第 4 章結論

3 第 1 章序論 今日 様々な野球のゲームが存在する しかし それらは物理的条件 ( 球速 回転数 投げる方向 リリースポイントなど ) を設定してシミュレートすることができない また ボールの飛跡を好きな位置 角度から見ることもできない 本研究では 詳細な物理的条件を設定して 更に投球及び打球の飛跡を Google Earth 上で 3D 表示するシミュレーターを作成した 2

4 第 2 章理論 2.1 スウィング動作の位置設定について 東方向を X 軸とする その時腕の先端の初期位置は A となる その際腕と X 軸のなす水平面上の角度はθ h となる また Surface A はピッチャーの肩の高さの水平面である Surface B は腕のスウィング面になる そのため Surface A と Surface B のなす角度 θ v はスウィング面角度になる 次に腕のスウィングが開始されてからボールを投げるまでの角度をθ s とする よってボールは図の A から B まで腕をスウィングしたのち ボールが手から離れ飛んでいく なお L は腕の長さとなっている 3

5 2.2 リリース時の腕の位置 X, Y Z の算出手順 0 0, 0 Z X Y C θv L θh B θs A A は腕の初期位置 A A A, A Lcos cos, Lcos sin, 0 x, y z s h s h B は z 軸を考えない場合の腕のスウィング位置 B, B, B A Lsin cos cos, A Lsin cos sin, B x y c x s V h y s V h C は z 軸も考えた場合の腕のスウィング位置 C C, C, C B, B, Lsin sin X, Y Z x y z x y s V 0 0, 0 4

6 5 2.3 速度ベクトル z y x V V V,, の算出手順 XY 面上の腕の初期位置を示すベクトル D は 0, sin, cos,, h h z y x L L D D D D スイング面に直角なベクトル z y x E E E E,, はベクトル C と D の外積により D C E スイング面上のベクトル C に直角なベクトル z y x F F F F,, はベクトル C と E の外積により E C F であるが ベクトル F は速度ベクトルと同じ方向であるので 速度ベクトル z y x V V V V,, は 0 0 0,,,, V F F V F F V F F V V V V z y x z y x ただし z y x F F F F 初期速度は腕の角速度と腕の長さの積で L V 0 参考ベクトル z y x A A A A,, とベクトル z y x B B B B,, の外積は x y y x z x x z y x z y B A A B A B A B A B B A B A,, シンカーをリリースした時の腕の位置 0 0 0,, Z Y X の算出手順 θ θ X θs Z Y L A B C D E F F

7 2.4 運動方程式 運動方程式より f x =m dv x dt, f y =m dv y dt, f z =m dv z dt ボールに対する相対速度を (v rx, v ry, v rz ) v r = v rx 2 + v ry 2 + v rz 2 とすると θ h =tan 1 v ry v rx θ h =tan 1 v r となるためボールに働く力は f x =(Dcos θ v - Lsin θ v )cos θ h f y =(Dcos θ v - Lsin θ v )sin θ h f z =Dsin θ v - Lcos θ v -mg となる v rx 2 +v ry 2 6

8 2.5 揚力係数について ボールの揚力係数に関しては 硬式野球ボールに働く空気力の測定 ( 谷口他 3 名 ながれ 25(2006), ) を参考にし 以下のように設定した C L =-0.375SP SP SP = πdn 60V (n は回転数 (r.p.m)) 7

9 2.6 抗力係数について 野球ボールの回転に対する抗力係数については レイノルズ数やボールの回転時の縫い目の方向など にも依存し 正確に特定されたデータを得ることが困難だったため テニスボールのものを参考に以 下のように設定した ( 参考文献 : A Study of Spin Effects on Tennis Ball Aerodynamics (Firoz Alam 他 4 名,Vol3,pp ,2008)) C d =4.05SP e 1 SP+1.0 SP= ωr U 8

10 2.7 回転軸について 揚力 抗力といってもボールの回転軸によって違いが出てくる 従って ボールの回転軸を決定しなければならない よって 本研究ではボールの回転軸を以下のように設定した ストレート スライダー カーブ ζ ζ ζ ξ 0 η ξ 45 η ξ 90 η Rx=0 Ry=-1 Rz=0 Rx=0 Ry=cos45 Rz=cos45 Rx=0 Ry=0 Rz=1 縦カーブシンカーシュート ζ ζ ζ ξ 180 η 200 η ξ 135 η ξ Rx=0 Ry=1 Rz=0 Rx=0 Ry=-cos20 Rz=-cos70 Rx=0 Ry=cos45 Rz=-cos45 ボールの初速度ベクトルの方向に ξ 軸があり η 軸 ζ 軸もそれに沿って定義されている座標 (ξ, η,ζ) がある 赤い線がボールの回転軸になる ストレートならば回転軸の傾きが 0 スライダーの場合 45 カーブの場合 90 縦カーブの場合 180 シンカーの場合 200 シュートの場合 135 と設定した ボールの回転軸 R =( R x, R y, R z ) なお これらは全て右投げの場合の回転軸についてである 9

11 2.8 回転軸座標と物理座標との合成 ボールの回転軸といっても 投球方法により回転軸に違いが出てくる そこで 本研究では腕の振りを設定する物理座標系 (X,Y,Z) と ボールの回転軸を設定する座標系 (ξ, η,ζ) の合成を行い 投球方法による回転軸の違いを設定した その手順を以下に示す Z ζ ξ η X Y 上図の通り 回転軸を設定する座標系 (ξ,η,ζ) と物理座標系 (X,Y,Z) が一致しているときは 物理座標における回転ベクトルは設定した回転ベクトルである (ξ1,η1,ζ1) X 軸は東方向とする 10

12 Z ζ ξ η θr X Y θs これを XZ 面で 90-θs(deg) 回転させると ξ2 = rotation_x(ξ1,ζ1,θr) η2 = η1 ζ2 = rotation_y(ξ1,ζ1,θr) θr = 90-θs となる 11

13 Z ζ ξ X Y η θs θr θv 更に YZ 面で回転させると ξ3 = ξ2 η3 = rotation_x(η2,ζ2,θr) ζ3 = rotation_y(η2,ζ2,θr) θr = -(90-θv) となる 12

14 腕 最後に XY 面で回転すれば 物理座標系における回転軸ベクトルを算出することができる その XY 面の回転をすると ξ4 = rotation_x(ξ3,η3,θr) η4 = rotation_y(ξ3,η3,θr) ζ4=ζ3 θr = -(180-θh) よって 投球する際の腕の振りの設定とボールの回転軸の設定 2 つの設定によりボールは様々な 回転をするようになる 13

15 2.9 ボールに生じる揚力の算出手順 実際のボールに働く力はとても複雑なため 本研究では f x =Dcos θ v cos θ h +L x f y =Dcos θ v sin θ h +L y f z =Dsin θ v -mg+ L z という形でボールに働く力を設定した (L x, L y, L z ) の計算手順を以下に示す ボールの回転軸は R =( R x, R y, R z ) ボールに対する相対風速を V r =(V rx, V ry, V rz ) ボールの回転軸 R と相対風速 V r のなす角を θ とすると ベクトルの内積より cosθ= (V r R ) 次に a は V r R a = (a x, a y, a z ) = V r cosθ R x, V r cosθ R y, V r cosθ R z 14

16 である 回転軸に対して垂直なベクトル b は b = V r a =(V rx a x, V ry a y, V rz a z, ) となり ボールに生じる横力係数 c は c = V r R = (c x, c y, c z ) V r R となる ボールに生じる揚力は L =C L 1 2 ρ b 2 A より L =(L x, L y, L z )=( L c x, L c y, L c z ) となる 本研究では以上のことにより ピッチャーの投球を再現した 15

17 2.10 バッターの立ち位置およびバッティング面の設定 IH(Impact Δx Δy IP 図のように x y IP を設定します ( ユーザーインターフェイスより ) すると 投球されたボールの飛跡より インパクトポイントの水平面上の位置 (Lx Ly IP: 次ペー ジを参照 ) およびインパクト位置の高さ IH が求まる 16

18 2.11 Available Hitting Zone (10, 45, 160) Lz (-70, 45, 160) (10, 105, 160) (-70, 105, 160) IH(Impact Height) (10, 45, 40) (-70, 45, 40) (10, 105, 40) (-70, 105, 40) Lx Lx Ly Ly IP (Lx, Ly, IH)=(10-70, , ) 有効な打撃範囲を示す バットにボールが当たった位置からホームベースの前面までなす距離を IP バットにボールが当たった位置から垂直に地面に降ろした箇所からバッターの体の中心軸までなす距離を図のように Lx Ly 中心軸からの高さを Lz と定義する Available Hitting Zone 外に投球された場合は打撃を行わない 17

19 2.12 バットの軸の三次元空間座標とのなす角度 n Lz θ I Lz 平行移動 バットの軸 β Ly Lx Ly Lx α 右の図はバットにボールが当たった瞬間である そのときのバットの軸を体の中心軸の原点に平行移 動する Lx とのなす水平面内の角度を α Lz とのなす垂直面内の角度を β と定義する 18

20 2.13 バッティング面におけるインパクト位置の周方向角 度の定義 実際のバッティングにおいて バット断面の周方向のどの位置でインパクトをするかによって 打球の 方向が変わる 図に示すように バット断面における鉛直上方からのインパクト位置までの周方向角度を θ と定義する 19

21 2.14 ほう線方向ベクトル n の算出 Lz θ n I バットの軸 β Ly Lx α さて これまで α β θ の 3 つを求めたことにより打球のほう線ベクトル n が求まる 以下に算出手順を示す 20

22 I が x L 軸上にあるとき z L n 1 y L θ x L nx1=0 ny1=sinθ nz1=cosθ 21

23 xz 面上で n 1 を角度 β 回転させたとき z L β y L θ n 1 x L nx2=rotation_x(nx1,nz1,β) ny2=ny1 nz2=rotation_y(nx1,nz1,β) 22

24 xy 面上で n 2 を角度 α 回転させたとき z L n 2 n 2 α x L y L nx=rotation_x(nx2,ny2,α) ny=rotation_y(nx2,ny2,α) nz=nz2 以上の式からほう線ベクトル n を導き出す 23

25 2.15 ベクトルの座標定義 YG(North) XL θkobo YL XG(East) 打球の初速度ベクトルを計算するにあたって 投球及び打球の運動解析を行うための座標の定義を行う必要がある 基本的に運動解析はピッチャーを原点とし 東を XG 北を YG とした座標 G を用いて行う 実際には 楽天 koboスタジアム宮城においては 図に示すようにピッチャーからキャッチャーに向かう方向を XL それに直角な方向を YL とする座標 L を利用し 座標 G と座標 L の間の変換を適宜行う 以下 使用する座標を示すために ベクトルは AG AL などと表記する 24

26 2.16 打球の初期速度ベクトルの算出 インパクト時の投球の絶対速度ベクトルC ( 座標変換 ) 絶対速度ベクトルC AL AG バットに対する投球の相対速度ベクトルの計算 C C C ( C は後述 ) RL AL batl batl 法線ベクトルの鏡像ベクトルとして 打球の相対速度ベクトル D RL を計算 打球の絶対速度ベクトル D AL を計算 D AL = DRL CbatL 打球の絶対速度ベクトル D AG の計算 D AL ( 座標変換 ) 絶対速度ベクトル D AG 25

27 2.17 打球の絶対速度ベクトルの算出 B y L (x L, y L ) Lz θ θ e x L Lx Lx Ly Ly 2 つの水色の楕円は両足を示す 楕円間にあるバツ印は体の重心を示す x L 軸がピッチャーからキャッ チャー方向を示す y L 軸がピッチャーから直角な一塁方向を示す E は体の重心の移動距離を示す 黒 丸で示したのが打点位置を示す tan θ = x + e y θ 打点位置のバットの速度ベクトルは B = ( v cos θ, vsinθ, 0) この式からバットの速度ベクトルを導き出す CbatL は インパクト時にインパクト位置が 身体の中心を中心として 水平面内で回転運動をしている ものとして算出する また バットがボールに当たる瞬間の打球の速度ベクトルにおける上下成分は研 究の都合上無いものと定義した 26

28 第 3 章シミュレーションソフトの説明 3.1 ユーザーインターフェイス 視点位置の設定 視点の高さ ピッチング及びバッティングの実行 効果音の設定 2 Google Map( 任意の位置をクリックすることで 視点位置を変更可能 ) 3 投球動作の設定 4 打撃動作の設定 5 風速 風向の設定 6 人物の色の選択 標高の表示 7 Google Earth( 投球及び打球の結果を表示 ) 27

29 3.2 視点位置 高さ 効果音の設定 ピッチングの実行 視点位置設定 : アニメーションを実行する際の視点の位置を設定する 視点高さの変更 : 視点の高さを任意の高さに変更する Set ボタン :PITCHING 前に行う準備動作 PITCHING ボタン : ピッチング及びバッティングの実行 効果音の切り替え : 効果音のオン オフを選択する 効果音について効果音をオンにした場合 シミュレーションを実行した際に 音が鳴る また シミュレーター上に3 次元的なストライクゾーンが設置してあり そのストライクゾーンを通過するとストライク 通過しないとボールといった音が鳴るため 投球したボールがストライクかボールかの判定が可能になった 28

30 3.3 Google Map Google Map: 視点位置をクリックすることで選択できる 選択した位置に黄色のピンがドロップされ 腕の初期位置が赤線 シミュレーションを実行したときの 投球の軌道である黄線 打球の軌道である白線が表示される 29

31 3.4 ピッチング動作の設定 θ v : スウィング面の角度 ( 投球フォーム ) θ h : 体の向いている方向 θ s : スウィングを開始してから ボールを放すまでのスウィング角度 V s : ボールの球速 Rot: ボールの回転数 S: ボールの種類 L: 腕の長さ hf: ピッチャーの肩の位置の高さ 30

32 3.5 球種の選択 球種について球種はストレート スライダー カーブ 縦カーブ 縦スライダー シンカー シュートがあり 右利きと左利きとで分けられている () 内にプロ野球選手の名前が入っているものは その選手の変化球を再現したもので 選択し Set ボタンを押すと 投球フォーム 球速 ボールの回転数 腕の長さ ピッチャーの肩の高さが自動で設定されるようになっている 31

33 3.6 バッティング動作設定 θ: 打点位置のバット断面における周方向角度 Vb: ヘッドスピード X: バッターの立ち位置 y: バッターの立ち位置 IP: バッティング面 ( ホームベース前面から打擊点までなす距離 ) 32

34 3.7 各種の設定 V W : 風速を入力して決定する W d : 風向き ( 東から北方向の角度 0 の場合は西から東に風が吹く ) 33

35 3.8 人物の色の設定 人物の色 : プルダウン (30 色 ) から選択可能 不透明度 : 人物の不透明度をプルダウン (100% 80% 60% 40% 20% 0%) から選択可能 標高 : サーバー位置の標高を表示する 34

36 3.9 Google Earth Google Earth: 投球と打球の飛跡を表示する また自由に視点を動かせるので様々な視点でボールの飛 跡を見る事が出来る 視点例 35

37 3.10 シミュレーション実行例 打点位置の周方向角度を 10 変化させた例 バッティング面を 10cm 変化させた例 36

38 第 4 章結論 本シミュレーションを用いることで 楽天 kobo スタジアム宮城において物理的条件を設定して 投球及び打球の飛跡を 3D 表示でシミュレーションすることが可能である さらに シミュレーター上に 3 次元的なストライクゾーンを設置したため 投球したボールがストライクかボールか判定をすることができる そのため バッターボックスからボールの飛跡を見ることで ボールを選球するイメージを高めることができる また 打者の視点から 苦手なコースに投球してもらい 物理的条件によって違う打球の飛跡を見ることで技術的向上が期待できる なお 今回開発したシミュレーターは Web 上で実行することができる URL 及びプロモーション動画は以下に示す 参考文献 A Study of Spin Effects on Tennis Ball Aerodynamics URL: Measurement of Aerodynamic Forces Exerted on a Hard Baseball URL: 37

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