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本研究室では,主としてコンピュータシミュレーション(Computer Aided Engineering: CAE)を活用し,工学設計問題における最適設計法スポーツ工学に関する研究を行っています.

工学設計問題における最適設計法

Optimization in Engineering Design

多くの工学設計問題では,必ず要求(目的)が存在します.その目的を達成するための一つの方法として,最適設計法があります.本研究室では,様々な最適化アルゴリズムや計算機知能を用いた逐次近似最適化法の開発・研究を行っており,さらにそれらを活用して,塑性加工分野や射出成形におけるプロセスパラメータの最適設計法の提案を行っています.

CAEを用いた工学設計問題においては,CAEを用いて事前に検討することが有効ですが,さらに開発スピードを上げるためには,計算(シミュレーション)回数を抑えつつ近似的な大域的最適解を求めることが大切です.逐次近似最適化(Sequential Approximate Optimization: SAO)とは,段階的に応答曲面の精度を高めつつ,最終的に少ない計算回数で精度の高い大域的最適解を求める方法の一つです.本研究室では特に,Radial Basis Function (RBF)ネットワークを用いた逐次近似最適化法を用いて,様々な工学設計問題にアプローチし,問題解決を図っています.逐次近似最適化を中心に,最適化法の関係をまとめると図のようになります.

  • Meta-modeling
  • サンプル点(シミュレーションをする設計点)から関数空間を近似する手法であり,二次近似やKriging, RBFネットワーク,Least Square Support Vector Regression (LS-SVR)など,いろいろな方法があります.

  • Global Optimization
  • Kriging, RBFネットワーク,LS-SVRなどの方法を用いて応答曲面を用いると,多峰性関数になりやすいので,応答曲面の大域的最適解を求めるためには,大域的最適化法は必要となります.

  • Evolutionary Algorithms
  • 多峰性関数の大域的最適解を求める方法の一つとして,進化計算法は有効です.また,多目的最適化におけるパレートフロント同定にも役立ちます.

  • Multi-objective Optimization
  • 対象とする工学設計問題によっては,多目的最適設計問題になります.多目的最適設計では,パレート最適解集合(これを目的関数空間に写像したパレートフロント)を同定することと,競合する目的関数間のトレードオフ分析を行い,最終的にどうするかを決めることが大切になります.

  • Robust Design Optimization
  • 設計変数にばらつきがあるような場合,そのばらつきを考慮して最適化を行うことも重要になります.ロバスト最適化では,多くの場合,二目的最適設計(目的関数の最小化+設計変数のばらつきによる目的関数の変動の最小化)となり,多目的最適設計問題として考えることが可能です.


    スポーツ工学

    Sports Engineering

    スポーツはとても幅広く,健常者なら誰でもできるウォーキングもあれば,スキージャンプやクレー射撃等とても普通の人が簡単にはできない高度な競技もある.実は,スポーツと機械工学とは密接な関係がある.野球やテニス等の球技スポーツでは,ボールとバットやラケット等の各種の打具が使用されるが,打具やその打撃方法によって球速やスピンが変わり,打撃後のボールの飛翔軌道や飛距離などが大きく変化する.機械工学は,これらのボールや打具はもちろん,グローブやシューズ等の研究開発に大きく貢献している. 本研究室では,球技スポーツにおけるスポーツ用具を科学的に分析し,2020年開催の東京オリンピックに向けて,各競技のトップアスリート達のハイレベル練習用としての高性能新型マシンの開発および飛ぶバット等のスポーツ用具の研究開発を行っている.

  • 二ローラ式バドミントンマシンの開発
  • シャトルを高回転する二つのローラで挟持し,発射するバドミントンマシンの開発を行っている.旧マシンでは最高初速180km/hであったが,2014年1月に練習機としては世界最速となる最高初速300km/hを達成した.次は,トップアスリートが記録したスマッシュの最高速度(400km/h超)に挑戦をする.

  • 4ローラ式卓球マシンの開発
  • 上下二つの回転ローラと左右二つのジャイロローラを用いた発射機構を有する卓球マシンを開発中である.2014年1月現在の発射性能は,最速153km/h,最高スピン数12,000rpmである.卓球ボールは,高空気抵抗で質量は僅か2.7gしかないため,高速かつ高スピン数で発射することはとても難しい.しかし,ローラへの挿入方法や発射ローラの改良を行うことによって,卓球トップ選手のスマッシュ速度180km/h,スピン数14,000rpmを開発中の卓球マシンが超える日もそう遠くはない.