研究論文

編目基本構造のモデリング手法の開発
太田幸一＊１、池口達治＊１

D e v e l o p m e n t o f M o d e l i n g M e t h o d f o r We f t K n i t L o o p
K o u i c h i O H TA * 1 a n d Ta t s u h a r u I K E G U C H I * 1
O w a r i Te x t i l e R e s e a r c h C e n t e r, A I T E C * 1
実 際 の ニ ッ ト 生 地 に つ い て 構 造 の 解 析 を 行 い 、解 析 結 果 を 元 に 3 次 元 構 造 モ デ ル を 構 築 す る 手 法 を 開 発した。ニットループをエラスチカとして近似した糸軸方程式を改良し、ニットループを３次元モデルとして表現するアルゴリズムを開発した。この結果、上記アルゴリズムを使用することで、指定した編方図や糸番手等の編み地設計条件から編地の 3 次元モデルを生成することが可能となった。

１．はじめにさて、布帛は大別すると織物、ニット（編物）、組物、金属、プラスチック部品等の分野では製品の開発期間不織布に分類される。これらの中で、ニットは織物となの短縮のためにコンピュータ支援設計技術（CAE）によらび古くから衣料用として使用されていたが、その伸縮る設計が広範囲で導入されている。特に、自動車産業に性がある特徴から、近年需要が大幅に伸びている。さらおいて、ボディー、金属、プラスチック部品等の分野でに、衣料用だけでなくさまざまな用途に用いられつつあは CAE による設計が広範囲で導入されており、自動車る。特に、自動車産業では、従来織物が用いられていたのほぼ 9 割の構成要素が CAE での設計に移行し、従来内装材などにニットが多く用いられるようになり、コン数回に渡り試作車の作成をしていたものを、コンピューパクトカーにおいてはニット素材が 100%用いられる例

タ上での設計に置き換えることで、ほぼ 1 回の試作のみもある。従って、ニットについても織物と同様に CAEで確認し、本番生産に移行し、設計ならびに生産の効率技術の開発が求められている。しかし、ニットについて化を図っている。

は Lomov らによる 5 次多項式を使用して糸の屈曲状態

ほとんどの領域で自動車シートの設計など織物を使を表現する方法 8)9) など限られた研究しか報告されてお用した領域では他の分野に比べて非常に CAE 化が遅れらず、織物に比べ 3 次元モデリングの研究開発が進んでている。織物に代表される繊維材料は、その可撓性によいないのが現状である。そこで、緯編ニットの立体構造り汎用の CAE 技術をそのまま用いることが難しいため3 次元モデルを生成する手法を開発する。

であり、現場ではさまざまな条件で試作した多種類の織物を実際の最終製品の形状に加工し、しわの発生状態などを確認した上で最終製品に最適な織物を選び出すとい２．編目基本構造の解析

う、試行錯誤的、人海戦術的な方法で対応しており、自ニット基本組織の 3 次元構造モデルを出力するために、動車設計全体の総合的 CAE 化を進める上でボトルネッ

実際のニット生地についてニットループの 3 次元形状のクとなっている。このため、自動車産業では繊維素材を解析を行った。3 次元形状の計測については、篠原ら 10）

製品形状に形成した時の歪み量予測の実現が大きな課題〜12)となっている。に解析を行った。図１に産業用 X 線 CT によるニットル
1)〜7)による産業用 X 線 CT による平編地の計測結果を元において、ープの計測結果を、図２に篠原らの手法により CT デー

織物組織図の情報から織物 3 次元モデルを作成し、さらタより求めた編地の糸中心データの 3 次元プロット結果

これらの問題を解決するために、前報に引張および曲げの変形シミュレーションを実施する手を示す。ループの yz 平面、すなわち、コース方向から法について検討を行い、従来の織物変形シミュレーショの投影図がサインカーブに近い曲線を描いているなど、ンでは実現されていない、糸の物性と織物の設計条件か媒介変数を使用した空間曲線で表示が可能であることがら織物の基本構造単位についての 3 次元モデルを作成し、 確認された。
さらに変形時における形状予測を可能とした。
＊1 尾張繊維技術センター

開発技術室

z = q(sin ψ − 1)(3)

q2
r 2 + q2(4)w2 =E (w,ψ )⎛ π⎞
E ⎜ w, ⎟⎝ 2⎠

cos φ = 1 −

図1

産業用 X 線 CT による編地の計測結果

(5)

⎛ π⎞
l = 4nF ⎜ k , ⎟
⎝ 2⎠

(6)

BP(7)

sin α2(8)n2 =k=

ここで、w はウエール間隔、l はループ長、B は糸の曲げ剛さ、P はループ脚部に作用する力、αはループ脚部のなす角の角度を表す。また、 F (k ,φ ) は第１種楕円積分
F (k ,φ ) =(a)

xy 平面

φdu02

∫ 1 − k sin u(9)2を、 E (k ,φ ) は第２種楕円積分
E (k ,φ ) =φ∫ 1 − k sin u du22(10)0を表す。
(a)
図２yz 平面

この理論を元に、式(１)〜(８)を使用してニットルー

CT データより求めた

プの 3 次元曲線を計算し出力するアルゴリズムを作成し編地の糸中心データの３次元プロット結果た。このアルゴリズムにより描かれた糸軸曲線を CT 測定データと比較したところ、上記アルゴリズムによる糸３．編目基本構造の分割モデル

軸曲線も CT 測定データと同様にループの yz 平面、すな

上記解析結果を元にニット基本組織の 3 次元構造モデ

わち、コース方向からの投影図がサインカーブに近い曲ルを出力する場合、線状物体の変形シミュレーション手法13)

線を描いていることが確認されたなどの適用が考えられるが、同手法では計算処理に半日などの時間を要しており、実際のニット生地設計・４．シミュレーションソフトの開発生産現場で使用する条件ではない。そこで、ニットルー

上記モデル化手法を実際の現場で使用する場合には、プの 3 次元モデルを低分割数で表現することにより高速入力された編目記号および編成記号に従いニット組織の処理が可能であると考えられるので、低分割数による 3立体構造を 3 次元モデルとして出力する機能が必要とな次元表現可能性について評価するとともに、ニットルーる。そこで、上記試験研究結果を元に、開発済みの織物プをエラスチカとして近似した糸軸方程式を改良し、ニ3 次元モデリングソフトウェアを改良し、編地対応の 3ットループを 3 次元モデルとして表現するアルゴリズム次元モデルを生成するソフトウェアを開発した。

を開発した。

4.1 ニット組織３次元モデリングソフトウェアの開発

Leaf14)は弾性棒を曲げた時に形成されるエラスチカ

上記結果を元に、編地の 3 次元モデルを生成するソフを用いて編地ループを方程式で表現する手法を提案した。

トウェア KnitLoopModel を作成した。また、前報におLeaf の 方 法 で は 編目 の 糸 軸 曲 線は 以 下 の 式(１)〜

いて開発した織物 3 次元モデル表示ソフトウェア(８)を解き、パラメータψによる媒介変数表示で表現がF3DSimViewer ver.2 に改良を施し、編地 3 次元モデル可能となる。

表示ソフトウェア F3DSimViewer ver.3.5 を作成。同ソ

x = n{2 E (k , φ ) − F (k , φ )}(1)⎞⎛πy = r ⎜ −ψ ⎟2
⎠
⎝

(2)

フトにより編地 3 次元モデル生成ソフトウェア
KnitLoopModel が出力した編地の 3 次元モデルを表示可能にした。プログラムの作成には Microsoft Visual

BASIC.Net （入力インターフェースおよびモデル計算部）および Microsoft Visual C++.Net（レンダリング処4.2 編地の歪み量予測ソフトウェアの開発前報 6)7)において開発した織物 3 次元モデル曲面変形
予測計算ソフトウェア F3DCurvedSim に改良を施し、理・表示部）を使用した。

コース方向、ウエール方向への伸張についてループ長が変化しない領域における伸張変形モデルを構築。同変形モデルを用いて編地 3 次元モデル曲面変形予測計算ソフ
トウェア F3DCurvedSim ver.2 を作成した。その結果、同ソフトにより編地 3 次元モデル生成ソフトウェア
KnitLoopModel が出力した編地の変形予測計算を可能とした。
4.3 計算処理の高速化
上記手法においては、多数の編地 3 次元モデルを逐次計算するため、曲面全体の変形形状計算に多大な時間を要している。そこで、上記手法による計算処理の高速化を図るため、戦略的創造研究推進事業(CREST)「大規(a)編目記号入力画面

模シミュレーション向け基盤ソフトウェアの開発」で開発された行列計算ライブラリインタフェース SILC および反復解法ライブラリ Lis15)16) を使用し、編地３次元モデ ル 曲 面 変 形 予 測 計 算 ソ フ ト ウ ェ ア F3DCurvedSimver.2 に対して上記 SILC および Lis ライブラリを編地変形予測アルゴリズムの中に組み込み、計算処理の高速化を行った編地３次元モデル曲面変形予測計算ソフトウェ
ア F3DCurvedSim ver.2.5 を作成した。その結果、SILCおよび Lis ライブラリを使用して 2 台の PC で並列処理を行った場合は、1 台の PC で逐次処理を行った場合と比較し約 1.4 倍の高速化が可能となった。当初は 2 台のPC 利用により 2 倍近い高速化が可能であると予測していたが、2 台の PC 間の通信処理により動作遅れが生じ(b)

編成条件入力画面

図３ ３次元モデル生成ソフトウェア KnitLoopModel

るためことと、プログラムの最適化が行われていないた
め 1.4 倍程度の高速化に留まっていたものと考えられる。
これについては、マルチ CPU 搭載の PC 等に適用することで解決するものと予想される。

５．変形予測の評価
5.1 歪み量測定装置の作成

Z

歪み量予測手法の評価のため、接触圧測定装置（レスカ製 FIT-1A）、内径が 113mm の半球曲面に布帛を変形させることが可能な膨張力試験特殊治具（ボールドウィン製）を使用し、2 台のデジタルカメラ（ニコン製YXCOOLPIX L5）によるステレオ測定により編地の曲面形成時における歪み量および試験治具と布帛間の圧力を測定する装置を試作し、布帛の変形形状の測定を行った。

図４

KnitLoopModel で出力したニット平編の3 次元計測については徐の Image-Based Modeling and

糸軸曲線Rendering（IBMR）アルゴリズム 17） を用いた。また、膨張力試験特殊治具は曲面形状が既知であることから、治具の正面像から割り出した 3 次元座標との比較を行った。その結果、3D-Mode での測定結果と一致し、歪み究科 大山 真司 助教授、高山 潤也 助手、近畿大学 生量の測定が可能であることが確認された。

物理工学部 篠原 寿広 助手には産業用 X 線 CT による平なお、本研究試験においては 2 台のデジタルカメラ画編地の計測結果の提供を受けました。また、科学技術振像から IBMR により 3 次元測定を行ったが、死角が発生

興機構「大規模シミュレーション向け基盤ソフトウェアし、全領域の 3 次元計測が１度に行うことができなかっの開発」プロジェクトの梶山民人研究員には反復解法ラた。死角を補うためにも 3 台以上のデジタルカメラ画像

イブラリについて、大阪大学大学院工学研究科 若松 栄からの測定が望ましいと考えられる。

史 助教授には線状物体の変形シミュレーション手法の5.2 変形予測精度の評価検証について、金沢大学大学院自然科学研究科 喜成 年開発したニット組織３次元モデリングソフトウェアの泰 教授、石原 亮平氏には糸の変形解析についてご指導・精度を検証するため、検証用編み地を作成し、歪み量測ご協力をいただきました。さらに、東京大学生産技術研

定装置での測定結果と、ニット組織 3 次元モデリングソ

究所 吉川 暢宏 教授、桑水流 理 助手には有限要素法フトウェアの予測結果を比較。ニット組織 3 次元モデリによる変形解析について様々なご教授をいただきました。

ングソフトウェアによる変形予測精度の評価を行った。

心より感謝致します。

アクリル糸およびレーヨン糸により評価用編地を作成。

なお、本研究のうち編地の歪み量予測手法の開発、ソ上記歪み量測定装置で測定を行うと共に、ニット組織 3

フトウェアの高速化、および変形予測評価試験について次元モデリングソフトウェアの変形予測を行った。そのは、独立行政法人科学技術振興機構 平成 18 年度シーズ

結果、測定結果と予測結果の間には 5〜10%程度のずれ発掘試験研究「編地の３次元モデリングおよび変形予測が生じていた。この原因として、編地の歪み量予測手法手法の研究」により実施した。の開発時において、コース方向、ウエール方向への伸張のみを想定していたため、2 軸変形における形状変化を文献正確に再現していないなどの理由が考えられる。これに

1）池口，太田：愛知県産技研研究報告，4，188 (2005)

ついては 2 軸変形における形状変化のモデルが対応可能

2）特開 2006-24609

なように引き続きアルゴリズムの改良を実施する必要が

3）太田：学位論文，金沢大学(2005)

あると考えられる。また、交錯点においての糸の変形に

4）太田，池口：愛知県産技研研究報告，4，192 (2005)

ついても、横圧縮変形解析および予測手法を開発し、同

5）特開 2006-100230

手法に改良を重ねニットループに応用することにより精

6）太田，池口：愛知県産技研研究報告，5，178 (2006)

度向上が可能と考えられる。

7）特願 2007-100230
8）S.V.Lomov，G.Huysmans，I.Verpoest：Text. Res. J.，

６．結び71 534(2001)

本研究では実際のニット生地について構造の解析を

9）S.V.Lomov，I.Verpoest：10th European Conference

行い、解析結果を元に 3 次元構造モデルを構築する手法

on Composite Materials (ECCM-10) Proceedings，を開発した。ニットループをエラスチカとして近似した
糸軸方程式を改良し、ニットループを 3 次元モデルとして表現するアルゴリズムを開発した。この結果、上記アルゴリズムを使用することで、指定した編方図や糸番手等の編み地設計条件から編地の 3 次元モデルを生成することが可能となった。

Brugge，Belgium，CD-ROM(2002)10）篠原，高山，大山，小林：計測自動制御学会論文集，
40，1000 (2004)
11）篠原，高山，大山，小林：計測自動制御学会論文集，
41，879 (2005)
12）篠原：学位論文，東京工業大学(2006)

本研究の成果を利用することにより、自動車産業におけるシートファブリックについての CAE が実現の他、

13）E.Wakamatsu，S.Hirai: Int.J.Robotics.Res. , 23,
293 (2004)

医療分野においてカテーテル、ステントなどの治療・手14）Leaf: J.Text.Inst. , 51, T49 (1960)

術用器具に緯編ニットが使用されており、本試験研究の15）長谷川ほか：情報処理学会研究報告，2004-HPC-100，

成果を応用することで、患者の症状や体形にあった治療用器具が開発できるものと考えられる

37 (2004)
16）小武守ほか：情報処理学会研究報告，2006-HPC-108，
7 (2006)

謝辞
本研究の実施にあたり、東京工業大学大学院理工学研17）徐：写真から作る３次元 CG, 近代科学社 (2001)