JP2006110217A - Muscle activity estimation method, program, storage medium, muscle activity estimation system and muscle activity database - Google Patents

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昌敏 羽田
Noriyuki Hayamizu
則行 速水
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To highly precisely estimate the muscle activity of a person in an art estimating the activity of the muscle of the person. <P>SOLUTION: Respective quantities of movement states of the joint and the muscle in an analysis site in a person are inputted as a quantity of joint movement state and a quantity of muscle movement state, and an increment of at least one physical characteristics out of the rigidity and the viscosity of an object in a state where a contact site of the person and the object in a state where a contact site in the person and the object physically come into contact with each other, from the physical characteristic of the object alone is inputted as an equivalent physical characteristic equivalent to the physical characteristic of the person alone (S1002). The muscle activity is so calculated as to substantially minimize the total value in the whole attending movement direction of the object of a difference between the input values and estimated values of the equivalent physical characteristic based on the input quantity of the joint movement state, quantity the muscle movement state, and equivalent physical characteristic (S1005). The estimated value is described by using a function using the muscle activity, the quantity of the joint movement state, and the quantity of the joint movement state as parameters, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、人間の筋の活性度を推定する技術に関するものであり、特に、その推定精度を向上させる技術に関するものである。   The present invention relates to a technique for estimating the activity of a human muscle, and particularly to a technique for improving the estimation accuracy.

人間の挙動を解析する技術が既に存在する。人間の挙動は、一般には、静的挙動すなわち姿勢と、動的挙動すなわち運動とを含む用語として使用される。この種の挙動解析技術は、医学的解析、解剖学的解析、人間工学的解析、生体工学的解析、仮想の人間が登場する映像を制作するコンピュータグラフィックス等の分野において実施される。   A technology for analyzing human behavior already exists. Human behavior is generally used as a term that includes static behavior or posture and dynamic behavior or motion. This kind of behavior analysis technology is implemented in fields such as medical analysis, anatomical analysis, ergonomic analysis, biomechanical analysis, and computer graphics for producing images in which virtual humans appear.

この種の挙動解析技術は、人間の挙動を数値的に解析する分野において実施される場合がある。この場合には、この種の挙動解析技術は、例えば、人間の挙動を幾何学的に解析するために実施されたり、力学的に解析するために実施される。   This type of behavior analysis technology may be implemented in the field of numerically analyzing human behavior. In this case, this kind of behavior analysis technique is implemented, for example, to analyze a human behavior geometrically or to analyze it dynamically.

さらに、この種の挙動解析技術は、人間の挙動をモーションキャプチャ等を用いて現実に測定して解析することを目的として実施される場合があるが、指定された環境において人間が示す挙動を予測することを目的として実施される場合もある。ただし、後者の目的を達成するために、人間の挙動をモーションキャプチャ等を用いて実測した結果を参照することが可能である。   Furthermore, this kind of behavior analysis technology is sometimes implemented for the purpose of measuring and analyzing human behavior using motion capture etc., but predicts the behavior that humans exhibit in a specified environment. It may be implemented for the purpose of doing this. However, in order to achieve the latter purpose, it is possible to refer to the result of actual measurement of human behavior using motion capture or the like.

この種の挙動解析技術が人間の挙動を予測することを目的として実施される分野の一例は、人間が移動体としての車両において示す挙動を予測する分野である。   An example of a field that is implemented for the purpose of predicting human behavior by this kind of behavior analysis technology is a field in which a human predicts a behavior exhibited in a vehicle as a moving body.

この分野においては、例えば、車両の設計に先行するかまたはそれと並行して、車両が障害物に衝突するかまたは衝突しそうになったために乗員が車両の構造物に衝突したことに応答するその乗員の挙動(変位および負荷)が解析される。その解析結果は、車両設計にフィードバックされることにより、衝突特性が改善された車両の設計に役立つ。   In this field, for example, an occupant that responds to an occupant hitting a vehicle structure because the vehicle hits or is about to hit an obstacle prior to or in parallel with the design of the vehicle. Behavior (displacement and load) is analyzed. The analysis result is fed back to the vehicle design, which is useful for designing a vehicle with improved collision characteristics.

また、この分野においては、車両の設計に先行するかまたはそれと並行して、車両において乗員が操作装置(例えば、ブレーキ操作装置、アクセル操作装置、ステアリング操作装置)を操作することに応答する人間の挙動(変位および負荷)が解析される。その解析結果は、車両設計にフィードバックされることにより、操作フィーリングが改善された操作装置の設計に役立つ。   Further, in this field, a human who responds to an occupant operating an operating device (for example, a brake operating device, an accelerator operating device, a steering operating device) in the vehicle prior to or concurrently with the design of the vehicle. Behavior (displacement and load) is analyzed. The analysis result is fed back to the vehicle design, which is useful for designing an operating device with improved operational feeling.

特許文献1は、人体の動きをシミュレーションによってアニメーション化する際、手間がかからずに自然な動きが再現されるようにするため、最小筋肉動作関数を目的関数とする最適制御理論に基づき、動力学を基礎に人体の動きをシミュレーションによって推定する技術を開示している。   Japanese Patent Laid-Open No. 2004-228561 is based on an optimal control theory using a minimum muscle motion function as an objective function in order to reproduce a natural motion without a hassle when animating a human body motion by simulation. Disclosed is a technology for estimating human movement by simulation based on science.

特許文献2は、骨の幾何データと筋・腱・靭帯のデータを持った人体の詳細なモデルを市販のモデリングソフトウエアによって作成可能とすることを目的として、そのモデルに対して順動力学計算(筋力から運動を計算する処理)および逆動力学計算(運動を行うのに必要な筋力・靭帯力を計算する処理)を高速に実行する技術を開示している。この技術においては、関節トルクと筋力との間に力のつりあいが成立するように、人体モデルを用いた力学計算が行われる。
特開平11−85209号公報 特開2003−339673号公報
Patent Document 2 describes the calculation of forward dynamics for a model with the aim of making it possible to create a detailed model of the human body with bone geometry data and muscle / tendon / ligament data using commercially available modeling software. A technique for executing (processing for calculating movement from muscle force) and inverse dynamics calculation (processing for calculating muscle force and ligament force necessary for movement) at high speed is disclosed. In this technology, dynamic calculation using a human body model is performed so that force balance is established between joint torque and muscle force.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-85209 JP 2003-339673 A

人間の挙動を解析するためには、その人間に作用する外力を特定することが必要であることはもちろんであるが、人間は、力を発生させて外部に出力するメカニズム、すなわち、筋組織を有するため、その筋組織の出力を特定することも必要である。   In order to analyze human behavior, it goes without saying that it is necessary to specify the external force that acts on the human being. However, humans generate a mechanism that generates force and outputs it to the outside, that is, muscle tissue. Therefore, it is also necessary to specify the output of the muscle tissue.

したがって、人間の挙動の解析精度を向上させるためには、現実の人間の筋の特性が反映されるように、人間挙動解析を行うことが重要である。一方、筋の特性においては、力と変位とを互いに関連付ける物理量としての剛性(弾性ともいう。)や、力と変位速度とを互いに関連付ける物理量としての粘性(減衰係数ともいう。)が筋物理特性として存在する。よって、人間挙動の解析精度を向上させるためには、筋物理特性を考慮して人間挙動解析を行うことが有効である。   Therefore, in order to improve the analysis accuracy of human behavior, it is important to perform human behavior analysis so that the characteristics of real human muscles are reflected. On the other hand, in the muscle characteristics, rigidity (also referred to as elasticity) as a physical quantity that correlates force and displacement and viscosity (also referred to as attenuation coefficient) as a physical quantity that correlates force and displacement speed are muscle physical characteristics. Exists as. Therefore, in order to improve the analysis accuracy of human behavior, it is effective to perform human behavior analysis in consideration of muscle physical characteristics.

筋物理特性は、筋の種類ごとに一意に決まるわけではなく、また、筋長(姿勢)および筋長変化速度(姿勢変化速度)ごとに一意に決まるわけでもない。それら筋長および筋長変化速度という筋の運動状態量から独立した物理量として筋の活性度が存在し、この筋活性度によって筋物理特性が左右されるのである。したがって、筋物理特性が十分に正確に反映されるように人間挙動解析を行うためには、筋物理特性が筋活性度に依存するという性質を前提として、筋活性度を考慮することが重要である。   The muscle physics characteristics are not uniquely determined for each muscle type, and are not uniquely determined for each muscle length (posture) and muscle length change speed (posture change speed). The muscle activity exists as a physical quantity independent of the muscle movement state quantity such as the muscle length and the muscle length change speed, and the muscle physical characteristics are influenced by the muscle activity. Therefore, in order to perform human behavior analysis so that muscle physics characteristics are reflected sufficiently accurately, it is important to consider muscle activity on the assumption that muscle physics characteristics depend on muscle activity. is there.

筋活性度は、必ずしも人間の脳からの指令に付随するとは限らない。人間の能動挙動に限って筋活性度が増加するというわけではないのであるが、特に能動挙動を考慮して人間挙動を解析することが必要である場合に、筋活性度を考慮することが解析精度の向上に重要である。能動挙動には、例えば、障害物に衝突する車両における乗員が危険を自ら回避する動作があり、この危険回避動作には、例えば、身構え、逃げ、反射運動、ブレーキ操作等がある。   Muscle activity is not necessarily associated with commands from the human brain. Although muscle activity does not increase only with human active behavior, it is necessary to consider muscle activity, especially when it is necessary to analyze human behavior in consideration of active behavior. It is important to improve accuracy. The active behavior includes, for example, an operation in which a passenger in a vehicle colliding with an obstacle avoids danger by itself. Examples of the danger avoidance operation include posture, escape, reflex motion, and brake operation.

しかしながら、人間の挙動を解析する従来の手法においては、筋物理特性が筋活性度に依存するという性質を前提として筋活性度が考慮されるようにはなっていない。そのため、従来の手法では、人間挙動を十分に正確に解析することは困難である。   However, in the conventional method for analyzing the human behavior, the muscle activity is not considered on the assumption that the muscle physical property depends on the muscle activity. Therefore, it is difficult to analyze human behavior sufficiently accurately with the conventional method.

以下、このことをより具体的に説明する。   Hereinafter, this will be described more specifically.

従来の手法においては、解析対象である人間の挙動が、人間は筋力を無駄なく、効率よく使用するようになっているであろうという仮定に立って推定される。   In the conventional method, the behavior of the human being to be analyzed is estimated on the assumption that the human will use the muscle strength efficiently without waste.

しかしながら、実際の人間の挙動は、動作を効率的に行うことを目的として行われる場合のみならず、人間のうちの特定の部位、例えば、手先の位置を制御するし易さを高めることを目的として行われる場合や、緊急時などで手先における力を最大にすることを目的として行われる場合もある。後者の2つの場合においては、手先の筋の活性度が平常時より高められ、その結果、筋の剛性を含む筋物理特性も平常時より高められる。   However, the actual human behavior is not only for the purpose of efficiently performing the operation, but also for the purpose of enhancing the ease of controlling a specific part of the human, for example, the position of the hand. It may be performed for the purpose of maximizing the force at the hand in an emergency or the like. In the latter two cases, the activity of the muscle of the hand is higher than normal, and as a result, the muscle physics characteristics including the rigidity of the muscle are also higher than normal.

しかしながら、従来の手法は、上述の事実を考慮することなく人間挙動を解析するため、この従来の手法では、任意の動作を対象として筋力を正確に推定することが困難である。   However, since the conventional method analyzes human behavior without considering the above-described facts, it is difficult for this conventional method to accurately estimate the muscular strength for an arbitrary motion.

以上説明した事情を背景として、本発明は、人間の筋活性度をより精度よく推定することを課題としてなされたものである。   In view of the circumstances described above, the present invention has been made with an object of estimating human muscle activity more accurately.

本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本発明が採用し得る技術的特徴の一部およびそれの組合せの理解を容易にするためであり、本発明が採用し得る技術的特徴およびそれの組合せが以下の態様に限定されると解釈されるべきではない。すなわち、下記の態様には記載されていないが本明細書には記載されている技術的特徴を本発明の技術的特徴として適宜抽出して採用することは妨げられないと解釈すべきである。   The following aspects are obtained by the present invention. Each aspect is divided into sections, each section is given a number, and is described in a form that cites other section numbers as necessary. This is to facilitate understanding of some of the technical features that the present invention can employ and combinations thereof, and the technical features that can be employed by the present invention and combinations thereof are limited to the following embodiments. Should not be interpreted. That is, although not described in the following embodiments, it should be construed that it is not impeded to appropriately extract and employ the technical features described in the present specification as the technical features of the present invention.

さらに、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することが必ずしも、各項に記載の技術的特徴を他の項に記載の技術的特徴から分離させて独立させることを妨げることを意味するわけではなく、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能であると解釈されるべきである。   Further, describing each section in the form of quoting the number of the other section does not necessarily prevent the technical features described in each section from being separated from the technical features described in the other sections. It should not be construed as meaning, but it should be construed that the technical features described in each section can be appropriately made independent depending on their properties.

(1) 主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度を筋活性度としてコンピュータによって推定する筋活性度推定方法であって、
前記解析部位における関節および筋のそれぞれの運動状態量を関節運動状態量および筋運動状態量として入力するとともに、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分を、前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性として入力する入力工程と、
前記筋活性度を、前記入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づき、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、前記対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように算出する筋活性度算出工程であって、前記推定値は、前記筋活性度と前記筋の運動状態量と前記関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数を用いて記述されるものと
を含む筋活性度推定方法。
(1) A human being mainly composed of a plurality of muscles and a plurality of bones, and having a characteristic in which a physical characteristic that is at least one of rigidity and viscosity of each muscle changes according to the activity of the muscle, In a state where at least one part of a plurality of parts constituting a human being is a contact part and in contact with an object at the contact part, a plurality of muscles in the analysis part selected as an analysis target among the plurality of parts are respectively A muscle activity estimation method for estimating the activity shown by a computer as muscle activity,
The joint state and muscle motion state quantities at the analysis site are input as joint motion state quantities and muscle motion state quantities, and the rigidity of the object in a state where the contact site and the object are in physical contact with each other. And an input step of inputting, as an equivalent physical property equivalent to the physical property of the human alone, an increment of the physical property that is at least one of viscosity and viscosity from the physical property of the object alone;
Based on the input joint motion state quantity, muscle motion state quantity, and equivalent physical characteristics, the muscle activity is calculated based on the difference between the input value and the estimated value of the equivalent physical characteristics in all the motion directions of interest in the object. A muscle activity calculation step for calculating the total value so as to be substantially minimized, wherein the estimated value includes the muscle activity, the motion state quantity of the muscle, and the motion state quantity of the joint as variables; A method for estimating muscle activity, which includes:

人間のうちの接触部位と対象物とが互いに物理的に接触する状態においては、その対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性が、その対象物単独の物理特性から増加する。その増分は、人間単独の物理特性と等価であり、等価物理特性として機能する。   In a state where the contact site and the object of the human are in physical contact with each other, the physical characteristic that is at least one of rigidity and viscosity of the object increases from the physical characteristic of the object alone. The increment is equivalent to the physical property of a single person and functions as an equivalent physical property.

一方、人間単独の物理特性(剛性と粘性との少なくとも一方)と、筋活性度と、筋運動状態量と、関節運動状態量との間に一定の関係が成立する。このことについては後に詳述する。また、それら変数のうち、筋運動状態量と関節運動状態量とは、種々の手法によって容易に取得することが可能である。   On the other hand, a certain relationship is established among physical characteristics (at least one of rigidity and viscosity) of individual human, muscle activity, muscle motion state quantity, and joint motion state quantity. This will be described in detail later. Of these variables, the muscle motion state quantity and the joint motion state quantity can be easily obtained by various methods.

そこで、本項に係る筋活性度推定方法においては、筋活性度が、入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づいて算出される。具体的には、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように、筋活性度が算出される。ここに、等価物理特性の推定値は、筋活性度と筋の運動状態量と関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数を用いて記述され、その関数は予め特定される。   Therefore, in the muscle activity estimation method according to this section, the muscle activity is calculated based on the input joint motion state quantity, muscle motion state quantity, and equivalent physical characteristics. Specifically, the muscle activity is calculated so that the sum of the difference between the input value of the equivalent physical characteristic and the estimated value in the movement direction of interest in the object is substantially minimized. Here, the estimated value of the equivalent physical property is described using a function having the muscle activity, the muscle motion state quantity, and the joint motion state quantity as variables, and the function is specified in advance.

したがって、この筋活性度推定方法によれば、関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づいて筋活性度を推定することが可能となる。   Therefore, according to this muscle activity level estimation method, it is possible to estimate the muscle activity level based on the joint motion state quantity, the muscle motion state quantity, and the equivalent physical characteristics.

(2) 前記入力工程は、さらに、前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力を入力し、
当該筋活性度推定方法は、さらに、
前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用する関節トルクを算出する関節トルク算出工程を含み、
前記筋活性度算出工程は、前記筋活性度を、前記合計値が実質的に最小となり、かつ、前記関節トルクと前記筋の筋力との間に力のつりあいが実質的に成立するように算出する(1)項に記載の筋活性度推定方法。
(2) The input step further inputs a contact force acting at the contact point between the contact part and the object,
The muscle activity estimation method further includes:
A joint torque calculating step of calculating a joint torque acting around the joint at the analysis site by an inverse dynamic analysis method based on the input joint motion state quantity and the contact force;
The muscle activity calculation step calculates the muscle activity so that the total value is substantially minimized and a force balance is substantially established between the joint torque and the muscle strength of the muscle. The muscle activity estimation method according to item (1).

人間の各部位から発生する力は普通、複数の筋によって発生させられた複数の力の合力である。一方、筋活性度は、各筋ごとに推定することが理想的であるが、主に複数の筋の合力と、複数の筋の合成剛性または合成粘性とから各筋ごとの筋活性度を推定しなければならない解析環境にあっては、筋運動状態量と関節運動状態量との間、すなわち、筋力と関節トルクとの間における力のつりあいをも前提にして、筋活性度を算出することが望ましい。   The force generated from each human part is usually the resultant force of a plurality of forces generated by a plurality of muscles. On the other hand, it is ideal to estimate the muscle activity for each muscle, but the muscle activity for each muscle is estimated mainly from the resultant force of multiple muscles and the combined stiffness or viscosity of multiple muscles. In the analysis environment that must be performed, the muscle activity should be calculated on the premise of the balance of force between the muscle motion state quantity and the joint motion state quantity, that is, between the muscle force and the joint torque. Is desirable.

このような知見に基づき、本項に係る筋活性度推定方法においては、関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づき、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となり、かつ、関節トルクと筋力との間に力のつりあいが実質的に成立するように、筋活性度が算出される。   Based on such knowledge, in the muscle activity estimation method according to this section, based on the joint motion state amount, the muscle motion state amount and the equivalent physical property, the difference between the input value of the equivalent physical property and the estimated value, The muscle activity is calculated so that the total value in all the motion directions of interest of the object is substantially minimized, and a force balance is substantially established between the joint torque and the muscle force.

したがって、この筋活性度推定方法によれば、関節トルクと筋力との間に力のつりあいを考慮しないで筋活性度を推定する場合より、その推定精度を向上させることが容易となる。   Therefore, according to this muscle activity level estimation method, it is easier to improve the estimation accuracy than when muscle activity level is estimated without considering force balance between joint torque and muscle strength.

(3) 前記関節トルク算出工程は、
(a)前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、前記逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用するみかけ関節トルクであって実関節トルクと関節受動抵抗トルクとが合成されたものを算出するみかけ関節トルク算出工程と、
(b)その算出されたみかけ関節トルクと前記関節受動抵抗トルクとから、前記実関節トルクとして算出する実関節トルク算出工程と
を含み、
前記筋活性度算出工程は、その算出された実関節トルクを用いて前記筋活性度を算出する(2)項に記載の筋活性度推定方法。
(3) The joint torque calculation step includes:
(A) Based on the input joint motion state quantity and the contact force, an apparent joint torque that acts around the joint at the analysis site by the inverse dynamics analysis method, that is, an actual joint torque and a joint passive resistance torque, An apparent joint torque calculating step for calculating a composite of
(B) an actual joint torque calculation step of calculating the actual joint torque from the calculated apparent joint torque and the joint passive resistance torque,
The muscle activity calculation method according to (2), wherein the muscle activity calculation step calculates the muscle activity using the calculated actual joint torque.

この筋活性度推定方法によれば、関節受動抵抗トルクを考慮しないで関節トルクが算出される場合より、その算出精度を向上させることが容易となる。   According to this muscle activity estimation method, it is easier to improve the calculation accuracy than when the joint torque is calculated without considering the joint passive resistance torque.

(4) 前記関節トルク算出工程は、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の骨に関して物理的に表現する骨格モデルを用い、かつ、その骨格モデルに、予め定められた動作を与えることにより、前記関節トルクを算出する工程を含む(2)または(3)項に記載の筋活性度推定方法。 (4) The joint torque calculation step uses a skeletal model that physically represents the human on at least the plurality of bones on the computer, and gives a predetermined motion to the skeleton model, The muscle activity estimation method according to (2) or (3), including a step of calculating the joint torque.

本項および下記の各項における「モデル」は、人間全身を表現する全身モデルとしたり、人間のうちの一部を表現する局部モデルとすることが可能である。   The “model” in this section and each of the following sections can be a whole body model that represents the whole human body or a local model that represents a part of the human body.

(5) 前記骨格モデルは、前記人間の体である人体を構成する複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現する多関節剛体モデルを含む(4)項に記載の筋活性度推定方法。 (5) The skeletal model is a multi-joint that expresses a plurality of parts constituting the human body, which is the human body, as a plurality of rigid segments, so that the plurality of rigid segments can rotate around the joint. The muscle activity estimation method according to item (4), including a rigid model.

この筋活性度推定方法によれば、多関節剛体モデルを用いることにより、有限要素人体モデルを用いる場合より、関節トルクを簡単に計算することが容易となる。   According to this muscle activity estimation method, the joint torque can be easily calculated by using the articulated rigid body model, compared to the case of using the finite element human body model.

(6) さらに、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の筋と前記複数の骨とに関して物理的に表現する筋骨格モデルを用い、かつ、その筋骨格モデルに、予め定められた動作を与えることにより、前記筋運動状態量を算出する筋運動状態量算出工程を含む(1)ないし(5)項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。 (6) Further, a musculoskeletal model that physically represents the human on at least the plurality of muscles and the plurality of bones on the computer is used, and a predetermined action is given to the musculoskeletal model. Accordingly, the muscle activity state estimation method according to any one of (1) to (5), including a muscle motion state amount calculation step of calculating the muscle motion state amount.

(7) 前記筋骨格モデルは、前記人間の体である人体を構成する複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現するとともに、前記複数の筋をそれぞれ複数のワイヤ要素として表現する多関節剛体モデルを含む(6)項に記載の筋活性度推定方法。 (7) The musculoskeletal model expresses a plurality of portions constituting the human body, which is the human body, as a plurality of rigid segments, so that the plurality of rigid segments can rotate around the joint. The muscle activity estimation method according to item (6), including an articulated rigid body model that represents each of the plurality of muscles as a plurality of wire elements.

この筋活性度推定方法によれば、多関節剛体モデルを用いることにより、有限要素人体モデルを用いる場合より、筋運動状態量を簡単に計算することが容易となる。   According to this muscle activity estimation method, it is easier to calculate the muscle motion state quantity by using the articulated rigid body model than when using the finite element human body model.

(8) 前記関節運動状態量は、前記関節の角度と角速度と角加速度とのうちの少なくとも一つを含み、
前記筋運動状態量は、前記筋の長さとその変化速度とのうちの少なくとも一つを含む(1)ないし(7)項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
(8) The joint motion state quantity includes at least one of an angle, an angular velocity, and an angular acceleration of the joint,
The muscle activity state estimation method according to any one of (1) to (7), wherein the muscle movement state quantity includes at least one of a length of the muscle and a change speed thereof.

(9) 前記人間は、主として複数の筋要素モデルと複数の骨要素モデルとによって構成され、各筋要素モデルに割り当てられた剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋要素モデルに割り当てられた活性度に応じて変化する特性を有する人体モデルによって前記コンピュータ上において表現される(1)ないし(8)項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。 (9) The human is mainly composed of a plurality of muscle element models and a plurality of bone element models, and a physical characteristic that is at least one of rigidity and viscosity assigned to each muscle element model is the muscle element model. The muscle activity estimation method according to any one of (1) to (8), wherein the muscle activity is expressed on the computer by a human body model having a characteristic that changes in accordance with the activity assigned to.

(10) 前記人間は、車両に乗車している乗員であり、
前記対象物は、前記車両が障害物に衝突すると前記乗員が衝突することが想定される前記車両の構造物であり、
当該筋活性度推定方法によって推定される筋活性度は、前記構造物への衝突に対する前記乗員の応答挙動を解析するために用いられる(1)ないし(9)項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
(10) The human being is an occupant riding a vehicle,
The object is a structure of the vehicle where the occupant is expected to collide when the vehicle collides with an obstacle,
The muscle activity estimated by the muscle activity estimation method is used to analyze the response behavior of the occupant to the collision with the structure. The muscle activity according to any one of (1) to (9) Degree estimation method.

(11) 前記人間は、車両に乗車している乗員であり、
前記対象物は、その車両内において前記乗員によって操作されることが想定される操作装置であり、
当該筋活性度推定方法によって推定される筋活性度は、前記操作装置の操作に応答する前記乗員の応答挙動を解析するために用いられる(1)ないし(9)項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
(11) The human being is an occupant riding a vehicle,
The object is an operating device that is assumed to be operated by the occupant in the vehicle,
The muscle activity estimated by the muscle activity estimation method is used for analyzing the response behavior of the occupant responding to the operation of the operating device, according to any one of (1) to (9). Activity estimation method.

(12) 前記操作装置は、ブレーキ操作装置と、アクセル操作装置と、ステアリング操作装置と、シフト操作装置とのうちの少なくとも一つを含む(11)項に記載の筋活性度推定方法。 (12) The muscle activity estimation method according to (11), wherein the operation device includes at least one of a brake operation device, an accelerator operation device, a steering operation device, and a shift operation device.

本項における「ブレーキ操作装置」、「アクセル操作装置」、「ステアリング操作装置」および「シフト操作装置」はそれぞれ、乗員によって操作される操作部材(例えば、ブレーキペダル、アクセルペダル、ステアリングホイール、シフトレバー、スイッチ、ダイヤル、ボタン等)を有するように構成される。   The “brake operating device”, “accelerator operating device”, “steering operating device”, and “shift operating device” in this section are each an operating member operated by an occupant (for example, a brake pedal, an accelerator pedal, a steering wheel, a shift lever). , Switch, dial, button, etc.).

(13) 前記乗員は、前記車両の運転者であり、
前記車両は、それの走行状態と挙動とのうちの少なくとも一方が前記運転者の意思とは無関係に自動的に制御されるものであり、
当該筋活性度推定方法は、前記車両の走行状態と挙動とのうちの少なくとも一方の自動制御状態を考慮して前記応答挙動を解析するために用いられる(10)ないし(12)項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
(13) The occupant is a driver of the vehicle,
In the vehicle, at least one of its running state and behavior is automatically controlled regardless of the driver's intention,
The muscle activity estimation method is used to analyze the response behavior in consideration of an automatic control state of at least one of the running state and behavior of the vehicle. The method for estimating muscle activity as described in 1. above.

(14) 主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つを接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された選択部位における複数の筋がそれぞれ示す筋力をコンピュータによって推定する筋力推定方法であって、
(1)ないし(13)項のいずれかに記載の筋活性度推定方法と、
その筋活性度推定方法によって推定された筋活性度に基づき、筋活性度と筋力との間に予め定められた関係に従い、筋力を算出する筋力算出工程と
を含む筋力推定方法。
(14) A human being mainly composed of a plurality of muscles and a plurality of bones and having a characteristic in which a physical characteristic that is at least one of rigidity and viscosity of each muscle changes according to the activity of the muscle, In a state where at least one of a plurality of parts constituting a human being is a contact part and is in contact with an object at the contact part, a plurality of muscles in a selected part selected as an analysis target among the plurality of parts are respectively shown. A muscle strength estimation method for estimating muscle strength by a computer,
The muscle activity estimation method according to any one of (1) to (13);
A muscle strength estimation method including: a muscle strength calculation step of calculating muscle strength according to a predetermined relationship between muscle activity and strength based on the muscle activity estimated by the muscle activity estimation method.

この筋力推定方法においては、筋活性度が可変物理量として扱われる状態において、前記(1)に係る筋活性度推定方法と同じ原理に従い、筋活性度が推定され、さらに、その推定された筋活性度を用いて筋力が推定される。   In this muscle strength estimation method, muscle activity is estimated according to the same principle as the muscle activity estimation method according to (1) above in a state where the muscle activity is treated as a variable physical quantity, and the estimated muscle activity is further estimated. The muscle strength is estimated using the degree.

したがって、この筋力推定方法によれば、筋活性度が固定物理量として扱われる状態において筋力が推定される場合より、その推定精度を向上させることが容易である。   Therefore, according to this muscle strength estimation method, it is easier to improve the estimation accuracy than when muscle strength is estimated in a state where the muscle activity is treated as a fixed physical quantity.

(15) 前記予め定められた関係は、各筋につき、筋活性度と、最大筋力と、筋長と、筋長変化速度との間に予め定められた関係を含む(14)項に記載の筋力推定方法。 (15) The predetermined relationship includes a predetermined relationship among muscle activity, maximum muscle strength, muscle length, and muscle length change rate for each muscle. Muscle strength estimation method.

(16) 主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つを接触部位としてその接触部位において対象物に衝突する直前と直後との少なくとも一方である解析対象期間において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された選択部位において示す挙動をコンピュータによって推定する人間挙動推定方法であって、
請求項1ないし13のいずれかに記載の筋活性度推定方法と、
前記解析対象期間において前記人間に作用する外力および変位を入力する入力工程と、
それら入力された外力および変位と、前記筋活性度推定方法によって推定された筋活性度とに基づき、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の筋と前記複数の骨とに関して物理的に表現する人間物理モデルを用いることにより、前記解析対象期間において前記人間が示す挙動を算出する挙動算出工程と
を含む人間挙動推定方法。
(16) A human being mainly composed of a plurality of muscles and a plurality of bones, and having a characteristic in which a physical characteristic that is at least one of rigidity and viscosity of each muscle changes according to the activity of the muscle, At least one of a plurality of parts constituting a human being as a contact part, and selected as an analysis target among the plurality of parts in an analysis target period that is at least one of immediately before and immediately after colliding with an object at the contact part A human behavior estimation method for estimating, by a computer, the behavior shown in a selected part,
A muscle activity estimation method according to any one of claims 1 to 13,
An input step of inputting an external force and a displacement acting on the person in the analysis target period;
Based on the input external force and displacement and the muscle activity estimated by the muscle activity estimation method, the person is physically represented on the computer with respect to at least the plurality of muscles and the plurality of bones. A human behavior estimation method including: a behavior calculation step of calculating a behavior exhibited by the human in the period to be analyzed by using a human physical model.

この人間挙動推定方法においては、筋活性度が可変物理量として扱われる状態において、前記(1)に係る筋活性度推定方法と同じ原理に従い、筋活性度が推定され、さらに、その推定された筋活性度を用いて人間挙動が推定される。   In this human behavior estimation method, muscle activity is estimated according to the same principle as the muscle activity estimation method according to the above (1) in a state where the muscle activity is treated as a variable physical quantity, and the estimated muscle Human behavior is estimated using activity.

したがって、この人間挙動推定方法によれば、筋活性度が固定物理量として扱われる状態において人間挙動が推定される場合より、その推定精度を向上させることが容易である。   Therefore, according to this human behavior estimation method, it is easier to improve the estimation accuracy than when human behavior is estimated in a state where the muscle activity is treated as a fixed physical quantity.

さらに、筋活性度が可変物理量として扱われることは、例えば人間の意識の有無や強さに応じた筋活性度の変化を考慮して人間挙動を解析することが可能になることを意味する。したがって、この人間挙動推定方法によれば、例えば、能動的な挙動をも含めて人間挙動を解析することが容易となる。   Furthermore, the fact that muscle activity is treated as a variable physical quantity means that it is possible to analyze human behavior in consideration of changes in muscle activity according to, for example, the presence or strength of human consciousness. Therefore, according to this human behavior estimation method, for example, it is easy to analyze human behavior including active behavior.

(17) 人間の体である人体を複数の有限要素によって表現する有限要素人体モデルであって、前記人間を構成する複数の部位と前記複数の有限要素との帰属関係が予め設定されたものを用いることにより、人間が示す挙動を解析する人間挙動解析方法であって、
前記有限要素人体モデルを構成する前記複数の有限要素を前記帰属関係に従って分類して結合することにより、前記複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現する骨格モデルを作成する骨格モデル作成工程と、
前記有限要素モデルにおける前記複数の有限要素のうち前記複数の筋を表現するものに従い、前記作成された骨格モデル上に、複数の筋をそれぞれワイヤとして表現するワイヤ要素を、各筋の前記各剛体セグメントに対する付着点および途中の経由点の位置と共に定義することにより、筋骨格モデルを作成する筋骨格モデル作成工程と、
それら作成された骨格モデルおよび筋骨格モデルを用いることにより、指定された環境において前記人間が示す挙動を前記有限要素人体モデルを用いて解析するのに必要な情報を取得する情報取得工程と、
前記作成された筋骨格モデルから前記有限要素人体モデルを、前記取得された情報を表現するように復元する有限要素人体モデル復元工程と、
その復元された有限要素人体モデルを用いることにより、前記指定された環境において前記人間が示す挙動を算出する挙動算出工程と
を含む人間挙動解析方法。
(17) A finite element human body model that expresses a human body, which is a human body, by a plurality of finite elements, in which attribution relationships between a plurality of parts constituting the human and the plurality of finite elements are set in advance. It is a human behavior analysis method that analyzes the behavior that humans show by using,
By classifying and combining the plurality of finite elements constituting the finite element human body model according to the belonging relationship, the plurality of portions are respectively defined as a plurality of rigid body segments, and the plurality of rigid body segments rotate around the joint. A skeletal model creation process for creating a skeletal model that expresses as possible,
In accordance with what expresses the plurality of muscles among the plurality of finite elements in the finite element model, on the created skeletal model, wire elements that express the plurality of muscles as wires are respectively represented by the rigid bodies of the muscles. A musculoskeletal model creation step for creating a musculoskeletal model by defining it with the position of the attachment point to the segment and the waypoint in the middle;
An information acquisition step for acquiring information necessary for analyzing the behavior exhibited by the human in a specified environment using the finite element human body model by using the created skeletal model and musculoskeletal model;
A finite element human body model restoring step of restoring the finite element human body model from the created musculoskeletal model so as to represent the acquired information;
A human behavior analysis method comprising: a behavior calculation step of calculating a behavior exhibited by the human in the designated environment by using the restored finite element human body model.

一般に、人間の挙動を解析するために、有限要素人体モデルを用いて有限要素解析を行う手法と、多関節剛体モデル(マルチボディモデル)を用いて単純な力学計算を行う手法とが存在する。   In general, in order to analyze human behavior, there are a method of performing a finite element analysis using a finite element human body model and a method of performing a simple dynamic calculation using an articulated rigid body model (multibody model).

前者の手法は、解析対象の各部位の変形および変位を正確に解析し得るという利点がある反面、計算負荷が大きいという問題や、人間の能動的な動作のように、解析対象の変位量が大きく、その解析対象を表現する各要素が大きく変形する問題を解析する場合には、解析精度が著しく低下してしまうという問題がある。   The former method has the advantage of being able to accurately analyze the deformation and displacement of each part of the analysis target. However, the amount of displacement of the analysis target is high, such as the problem of large computational load and active human movement. When analyzing a problem that each element representing the analysis target is greatly deformed, there is a problem that the analysis accuracy is remarkably lowered.

これに対し、後者の手法は、計算負荷が軽く、また、大きい運動をも容易に扱えることを利点としており、この利点は、前者の手法の欠点である。   On the other hand, the latter method is advantageous in that it has a light calculation load and can easily handle a large movement, and this advantage is a disadvantage of the former method.

そこで、本項に係る人間挙動解析方法においては、人間挙動の最終的な解析は有限要素人体モデルを用いて行うものの、その有限要素解析の精度を向上させるのに必要な情報であって同じ有限要素人体モデルを用いて取得することが困難であるものが、骨格モデルと筋骨格モデルとを用いて取得される。   Therefore, in the human behavior analysis method according to this section, although the final analysis of human behavior is performed using a finite element human body model, it is the information necessary to improve the accuracy of the finite element analysis, and the same finite What is difficult to obtain using the element human body model is obtained using the skeletal model and the musculoskeletal model.

したがって、この人間挙動解析方法によれば、有限要素人体モデルを用いた有限要素解析の欠点を、共に多関節剛体モデルである骨格モデルと筋骨格モデルの利点によって補うことにより、人間挙動の精度向上と計算負荷軽減との両立を図ることが容易となる。   Therefore, according to this human behavior analysis method, the accuracy of human behavior is improved by compensating for the shortcomings of finite element analysis using finite element human body models with the advantages of both skeletal model and musculoskeletal model, which are both articulated rigid body models And the reduction of calculation load can be easily achieved.

さらに、この人間挙動解析方法によれば、有限要素人体モデルから骨格モデルが作成され、その作成された骨格モデルから筋骨格モデルが作成されるため、骨格モデルと筋骨格モデルとについては、有限要素人体モデルとの間において特性共通化を容易に行いつつ、有限要素人体モデルに依拠せずに0から作成する場合より簡単に作成することが容易となる。   Furthermore, according to this human behavior analysis method, a skeletal model is created from a finite element human body model, and a musculoskeletal model is created from the created skeletal model. While easily sharing characteristics with the human body model, it is easier to create than the case of creating from zero without relying on the finite element human body model.

(18) (1)ないし(17)項のいずれかに記載の方法を実施するためにコンピュータにより実行されるプログラム。 (18) A program executed by a computer to implement the method according to any one of (1) to (17).

このプログラムがコンピュータにより実行されれば、前記(1)ないし(17)項のいずれかに係る方法におけると基本的に同じ原理に従い、同様な効果が実現され得る。   If this program is executed by a computer, the same effect can be realized according to basically the same principle as in the method according to any one of the above items (1) to (17).

本項に係るプログラムは、それの機能を果たすためにコンピュータにより実行される指令の組合せのみならず、各指令に従って処理されるファイルやデータをも含むように解釈することが可能である。   The program according to this section can be interpreted so as to include not only a combination of instructions executed by a computer to fulfill its function, but also files and data processed in accordance with each instruction.

また、このプログラムは、それ単独でコンピュータにより実行されることにより、所期の目的を達するものとしたり、他のプログラムと共にコンピュータにより実行されることにより、所期の目的を達するものとすることができる。後者の場合、本項に係るプログラムは、データを主体とするものとすることができる。   In addition, this program may achieve its intended purpose by being executed by a computer alone, or may be intended to achieve its intended purpose by being executed by a computer together with other programs. it can. In the latter case, the program according to this section can be mainly composed of data.

(19) (18)項に記載のプログラムをコンピュータ読取り可能に記録した記録媒体。 (19) A recording medium on which the program according to item (18) is recorded so as to be readable by a computer.

この記録媒体に記録されているプログラムがコンピュータにより実行されれば、前記(1)ないし(17)項のいずれかに係る方法と同じ作用効果が実現され得る。   If the program recorded on this recording medium is executed by a computer, the same operation and effect as the method according to any one of (1) to (17) can be realized.

この記録媒体は種々な形式を採用可能であり、例えば、フレキシブル・ディスク等の磁気記録媒体、CD、CD−ROM等の光記録媒体、MO等の光磁気記録媒体、ROM等のアンリムーバブル・ストレージ等のいずれかを採用し得る。   This recording medium can adopt various formats, for example, a magnetic recording medium such as a flexible disk, an optical recording medium such as a CD and a CD-ROM, a magneto-optical recording medium such as an MO, and an unremovable storage such as a ROM. Any of these may be adopted.

(20) 主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度を筋活性度として推定する筋活性度推定システムであって、
前記解析部位における関節および筋のそれぞれの運動状態量を関節運動状態量および筋運動状態量として入力するとともに、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分を、前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性として入力する入力手段と、
前記筋活性度を、それら入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づき、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、前記対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように算出する筋活性度算出手段であって、前記推定値は、前記筋活性度と前記筋の運動状態量と前記関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数を用いて記述されるものと
を含む筋活性度推定システム。
(20) A human being mainly composed of a plurality of muscles and a plurality of bones and having a characteristic in which a physical characteristic which is at least one of rigidity and viscosity of each muscle changes according to the activity of the muscle, In a state where at least one part of a plurality of parts constituting a human being is a contact part and in contact with an object at the contact part, a plurality of muscles in the analysis part selected as an analysis target among the plurality of parts are respectively A muscle activity estimation system that estimates the activity shown as muscle activity,
The joint state and muscle motion state quantities at the analysis site are input as joint motion state quantities and muscle motion state quantities, and the rigidity of the object in a state where the contact site and the object are in physical contact with each other. And an input means for inputting an increment of the physical property that is at least one of viscosity and viscosity from the physical property of the object alone as an equivalent physical property that is equivalent to the physical property of the human alone,
Based on the input joint motion state amount, muscle motion state amount, and equivalent physical property, the muscle activity is calculated based on the difference between the input value of the equivalent physical property and the estimated value in all the motion directions of interest in the object. The muscle activity calculating means for calculating the total value so as to be substantially minimized, wherein the estimated value includes the muscle activity, the muscle motion state quantity, and the joint motion state quantity as variables, respectively. A muscle activity estimation system including:

この筋活性度推定システムによれば、前記(1)項に係る筋活性度推定方法と基本的に同じ原理に従い、筋活性度が推定される。   According to this muscle activity estimation system, muscle activity is estimated according to basically the same principle as the muscle activity estimation method according to the above item (1).

前記筋活性度算出手段は、プロセッサとストレージとを含むコンピュータによって構成される態様で実施することが可能である。この態様においては、例えば、前記入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性をそれぞれ表すデータが前記ストレージから読み出され、その読み出されたデータと、前記ストレージに予め記憶された関係式(例えば、図16における式(4)および式(5))とに基づき、最適化計算手法により、前記等価物理特性の入力値と、その等価物理特性の推定値であって前記筋活性度と前記筋の運動状態量と前記関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数(例えば、図18における式(7)ないし式(9)によって表される関数)を用いて記述されるものとの差の、前記対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように、前記筋活性度が算出される。   The muscle activity degree calculation means can be implemented in a form constituted by a computer including a processor and a storage. In this aspect, for example, data representing the input joint motion state quantity, muscle motion state quantity, and equivalent physical characteristics are read from the storage, and the read data and the storage are stored in advance. Based on the relational expressions (for example, Expressions (4) and (5) in FIG. 16), an optimization calculation technique is used to obtain the input value of the equivalent physical characteristic and the estimated value of the equivalent physical characteristic. It is described using a function (for example, a function represented by Expression (7) to Expression (9) in FIG. 18) having the activity, the movement state quantity of the muscle, and the movement state quantity of the joint as variables. The muscle activity is calculated so that the total value of the difference from the object in all the movement directions of interest in the object is substantially minimized.

(21) 前記入力手段は、さらに、前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力を入力し、
当該筋活性度推定システムは、さらに、
前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用する関節トルクを算出する関節トルク算出手段を含み、
前記筋活性度算出手段は、前記筋活性度を、前記合計値が実質的に最小となり、かつ、前記関節トルクと前記筋の筋力との間に力のつりあいが実質的に成立するように算出する(20)項に記載の筋活性度推定システム。
(21) The input means further inputs a contact force acting at the contact point between the contact part and the object,
The muscle activity estimation system further includes:
A joint torque calculating means for calculating a joint torque acting around the joint at the analysis site by an inverse dynamics analysis method based on the input joint motion state quantity and the contact force;
The muscle activity calculation means calculates the muscle activity so that the total value is substantially minimized and a force balance is substantially established between the joint torque and the muscle strength of the muscle. The muscle activity estimation system according to item (20).

この筋活性度推定システムにおいては、前記(2)項に係る筋活性度推定方法と基本的に同じ原理に従い、筋活性度が推定される。したがって、この筋活性度推定システムによれば、関節トルクと筋力との間における力のつりあいを考慮しないで筋活性度が推定される場合より高い精度で筋活性度を推定することが容易となる。   In this muscle activity estimation system, muscle activity is estimated according to basically the same principle as the muscle activity estimation method according to item (2). Therefore, according to this muscle activity estimation system, it is easy to estimate muscle activity with higher accuracy than when muscle activity is estimated without considering force balance between joint torque and muscle strength. .

(23) 主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度が筋活性度としてコンピュータによる検索プログラムの実行によって読み出される筋活性度データベースであって、
(a)前記解析部位における関節の運動状態量である関節運動状態量と、
(b)前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性であって、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分に等しいものと、
(c)前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力と、
(d)前記筋活性度と
を含む複数の物理量がそれぞれ変数として相互に関連付けて予め記録されるとともに、前記検索プログラムの実行によって前記関節運動状態量と前記等価物理特性と前記接触力との組合せが特定されれば、その組合せに関連付けられた筋活性度が前記検索プログラムの実行によって特定されて出力される筋活性度データベース。
(23) A human being mainly composed of a plurality of muscles and a plurality of bones and having a characteristic in which a physical characteristic that is at least one of rigidity and viscosity of each muscle changes according to the activity of the muscle, In a state where at least one part of a plurality of parts constituting a human being is a contact part and in contact with an object at the contact part, a plurality of muscles in the analysis part selected as an analysis target among the plurality of parts are respectively A muscle activity database in which the activity shown is read as a muscle activity by executing a search program by a computer,
(A) a joint motion state quantity which is a joint motion state quantity at the analysis site;
(B) Equivalent physical characteristics that are equivalent to the physical characteristics of the person alone, and are at least one of rigidity and viscosity of the object in a state where the contact portion and the object are in physical contact with each other. A physical property equal to the increment from the physical property of the object alone;
(C) a contact force acting at the contact point between the contact site and the object;
(D) A plurality of physical quantities including the muscle activity are recorded in advance in association with each other as variables, and a combination of the joint motion state quantity, the equivalent physical characteristic, and the contact force by executing the search program If a muscle activity is identified, a muscle activity database associated with the combination is identified and output by executing the search program.

この筋活性度データベースによれば、関節運動状態量と等価物理特性と接触力とを含む複数の物理量の組合せを特定したうえで、当該筋活性度データベースに対して通常の検索プログラムをコンピュータによって実行すれば、特別な解析や計算を伴うことなく、その特定された組合せに対応する筋活性度が当該筋活性度データベースから読み出される。   According to this muscle activity database, a combination of a plurality of physical quantities including joint motion state quantities, equivalent physical characteristics, and contact force is specified, and a normal search program is executed on the muscle activity database by a computer. Then, the muscle activity corresponding to the identified combination is read from the muscle activity database without any special analysis or calculation.

この筋活性度データベースに記録される関節運動状態量と等価物理特性と接触力と筋活性度との間の関係は、例えば、前記(1)ないし(16)項のいずれかに係る方法をコンピュータを用いて実施することによって取得することが可能である。   The relationship between the joint motion state quantity, the equivalent physical property, the contact force, and the muscle activity recorded in the muscle activity database is calculated by, for example, the method according to any one of (1) to (16) described above. It is possible to obtain by performing using.

本項における「関節運動状態量」は、一般に、関節の角度と角速度と角加速度とのうちの少なくとも一つを含むように定義される。   The “joint motion state quantity” in this section is generally defined to include at least one of the joint angle, angular velocity, and angular acceleration.

(24) 主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度が筋活性度としてコンピュータによる検索プログラムの実行によって読み出される筋活性度データベースであって、
(a)前記解析部位における関節の運動状態量である関節運動状態量と、
(b)前記解析部位における筋の運動状態量である筋運動状態量と、
(c)前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性であって、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分に等しいものと、
(d)前記筋活性度と
を含む複数の物理量がそれぞれ変数として相互に関連付けて予め記録されるとともに、前記検索プログラムの実行によって前記関節運動状態量と前記筋運動状態量と前記等価物理特性との組合せが特定されれば、その組合せに関連付けられた筋活性度が前記検索プログラムの実行によって特定されて出力される筋活性度データベース。
(24) A human being mainly composed of a plurality of muscles and a plurality of bones and having a characteristic in which a physical characteristic that is at least one of rigidity and viscosity of each muscle changes according to the activity of the muscle. In a state where at least one part of a plurality of parts constituting a human being is a contact part and in contact with an object at the contact part, a plurality of muscles in the analysis part selected as an analysis target among the plurality of parts are respectively A muscle activity database in which the activity shown is read as a muscle activity by executing a search program by a computer,
(A) a joint motion state quantity which is a joint motion state quantity at the analysis site;
(B) a muscle motion state quantity that is a muscle motion state quantity at the analysis site;
(C) Equivalent physical characteristics that are equivalent to the physical characteristics of the person alone, and are at least one of rigidity and viscosity of the object in a state where the contact portion and the object are in physical contact with each other. A physical property equal to the increment from the physical property of the object alone;
(D) A plurality of physical quantities including the muscle activity are recorded in association with each other in advance as variables, and the joint motion state quantity, the muscle movement state quantity, and the equivalent physical characteristics are obtained by executing the search program. If a combination of these is specified, a muscle activity database associated with the combination is specified and output by executing the search program.

この筋活性度データベースによれば、関節運動状態量と筋運動状態量と等価物理特性とを含む複数の物理量の組合せを特定したうえで、当該筋活性度データベースに対して通常の検索プログラムをコンピュータによって実行すれば、特別な解析や計算を伴うことなく、その特定された組合せに対応する筋活性度が当該筋活性度データベースから読み出される。   According to this muscle activity database, a combination of a plurality of physical quantities including a joint motion state quantity, a muscle movement state quantity, and an equivalent physical characteristic is specified, and then a normal search program is executed for the muscle activity database. If the process is executed, the muscle activity corresponding to the identified combination is read from the muscle activity database without any special analysis or calculation.

この筋活性度データベースに記録される関節運動状態量と筋運動状態量と等価物理特性と筋活性度との間の関係は、例えば、前記(1)ないし(16)項のいずれかに係る方法をコンピュータを用いて実施することによって取得することが可能である。   The relationship between the joint motion state quantity, the muscle motion state quantity, the equivalent physical property, and the muscle activity recorded in the muscle activity database is, for example, the method according to any one of (1) to (16) above. Can be obtained by implementing using a computer.

本項における「関節運動状態量」は、一般に、関節の角度と角速度と角加速度とのうちの少なくとも一つを含むように定義される。また、「筋運動状態量」は、一般に、筋長と筋長変化速度とのうちの少なくとも一つを含むように定義される。   The “joint motion state quantity” in this section is generally defined to include at least one of the joint angle, angular velocity, and angular acceleration. The “muscle movement state quantity” is generally defined to include at least one of muscle length and muscle length change rate.

以下、本発明のさらに具体的な実施の形態の一つを図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, one of more specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1には、本発明の一実施形態に従う人間挙動解析方法を実施するのに好適なシステム10のハードウエア構成が概念的にブロック図で表されている。   FIG. 1 conceptually illustrates in block diagram form a hardware configuration of a system 10 suitable for implementing a human behavior analysis method according to an embodiment of the present invention.

このシステム10は、乗員の挙動をコンピュータ20上で表現し得る人体モデルを用いることにより、その乗員が乗車している車両が障害物に接触する際(乗員が乗車している車両に外部から衝撃が加わった際)にその乗員の各部位に生ずる挙動と荷重(応力)と変形とをシミュレーションにより解析するものである。   This system 10 uses a human body model that can express the behavior of an occupant on the computer 20, so that when the vehicle on which the occupant is in contact with an obstacle (from the outside, the vehicle on which the occupant is on is impacted). The behavior, load (stress), and deformation that occur in each part of the occupant are analyzed by simulation.

図1に示すように、このシステム10は、コンピュータ20に入力装置22と出力装置24とが接続されることによって構成されている。コンピュータ20は、よく知られているように、プロセッサ30とストレージ32とがバス34によって互いに接続されて構成されている。コンピュータ20においては、必要なプログラムがストレージ32から読み出されてプロセッサ30によって実行され、その際、その実行に必要なデータがストレージ32から読み込まれるとともに、その実行結果を表すデータが必要に応じてストレージ32に格納されて保存される。   As shown in FIG. 1, this system 10 is configured by connecting an input device 22 and an output device 24 to a computer 20. As is well known, the computer 20 includes a processor 30 and a storage 32 connected to each other by a bus 34. In the computer 20, a necessary program is read from the storage 32 and executed by the processor 30. At this time, data necessary for the execution is read from the storage 32, and data representing the execution result is obtained as necessary. It is stored in the storage 32 and saved.

入力装置22は、例えば、図示しないが、ポインティング・デバイスとしてのマウスとキーボードとを含むように構成される。出力装置24は、図示しないが、文字、図形等の画像を画面上に表示するモニタを含むように構成される。   For example, although not shown, the input device 22 is configured to include a mouse and a keyboard as a pointing device. Although not shown, the output device 24 is configured to include a monitor that displays images such as characters and graphics on the screen.

図1に示すように、ストレージ32には、プログラムメモリ40とデータメモリ42とが設けられている。プログラムメモリ40には、有限要素解析プログラムを始めとする各種プログラムが予め記憶されている。データメモリ42には、コンピュータ20上において人体全身を3次元的に表現する複数種類の人体モデルを定義するためのモデルデータが予め記憶されている。   As shown in FIG. 1, the storage 32 is provided with a program memory 40 and a data memory 42. Various programs including a finite element analysis program are stored in the program memory 40 in advance. In the data memory 42, model data for defining a plurality of types of human body models that three-dimensionally represent the whole human body on the computer 20 is stored in advance.

それら複数種類の人体モデルは、有限要素人体モデルと、多関節剛体セグメントモデルである骨格モデルと、同じく多関節剛体セグメントモデルである筋骨格モデルと、その筋骨格モデルから有限要素モデルとして復元された復元人体モデルとを含んでいる。   These multiple types of human models were restored as finite element models from finite element human models, skeletal models that are multi-joint rigid segment models, musculoskeletal models that are also multi-joint rigid segment models, and musculoskeletal models. Includes a restored human model.

有限要素人体モデルは、人体を複数の有限要素(以下、単に「要素」という。)に分割することにより、人体を近似的に再現するためのモデルである。これに対し、多関節剛体セグメントモデルは、機構モデルともいわれ、複数の剛体セグメントが複数の関節まわりに回動可能に連結されることにより、人体の形状よりむしろその動作を再現するためのモデルである。   The finite element human body model is a model for approximately reproducing a human body by dividing the human body into a plurality of finite elements (hereinafter simply referred to as “elements”). On the other hand, the articulated rigid segment model is also called a mechanism model, and is a model that reproduces the motion rather than the shape of the human body by connecting a plurality of rigid segments so as to be rotatable around a plurality of joints. is there.

有限要素人体モデルにおいては、人体の各組織が複数の要素によって表現されており、各要素の形状、密度、材料物性値等、属性が定義されている。各要素を構成する複数の節点の位置(幾何学量の一例)や材料物性値などの物理量は、すべて唯一のグローバル座標系において定義されている。   In the finite element human body model, each tissue of the human body is represented by a plurality of elements, and attributes such as the shape, density, material property value, etc. of each element are defined. The physical quantities such as the positions of a plurality of nodes constituting each element (an example of geometric quantities) and material property values are all defined in a single global coordinate system.

この有限要素人体モデルにおいては、人体全身が骨格組織のみならず靭帯、腱、筋肉等の結合組織に関してもモデル化されることにより、人体全身が、それの解剖学的な形状と構造と特性とに関して忠実に表現されている。その結果、各部位の、外力に対する物理的な応答が精度よく表現されている。   In this finite element human body model, the whole human body is modeled not only for skeletal tissues but also for connective tissues such as ligaments, tendons, muscles, etc., so that the whole human body can be analyzed with its anatomical shape, structure and characteristics. Is expressed faithfully. As a result, the physical response of each part to the external force is accurately expressed.

さらに、この有限要素人体モデルは、それの少なくとも1つの部位の形状、位置、機構学的特性および力学的特性の少なくとも1つを定義する可変パラメータを有するものとされており、その可変パラメータが、人間挙動解析に先立ち、ユーザである設計者または解析者により特定される。   Furthermore, the finite element human body model is assumed to have a variable parameter that defines at least one of the shape, position, mechanistic property, and mechanical property of at least one region thereof, and the variable parameter is Prior to human behavior analysis, it is specified by a designer or analyst who is a user.

本実施形態においては、この有限要素人体モデルを用いて、車両に外部から衝撃が加わった時の乗員の挙動および変形の程度がシミュレーション解析される。このシミュレーション解析は、車両に外部から衝撃が加わった時の乗員の挙動および変形の程度を有限要素法を用いて行われる。   In the present embodiment, the finite element human body model is used to perform simulation analysis on the behavior of the occupant and the degree of deformation when an external impact is applied to the vehicle. This simulation analysis is performed by using a finite element method for the behavior of the occupant and the degree of deformation when an impact is applied to the vehicle from the outside.

有限要素法は、よく知られているように、コンピュータによる数値計算手法の一つであり、連続体を多数の、有限の大きさを有する要素、例えば、メッシュに分割し、個々の要素の物理量を連立の材料特性方程式に組み込んで全体の系を数値計算する手法である。材料特性方程式は、有限要素法の解析特性を制御する係数として材料特性係数を有している。   As is well known, the finite element method is one of computer-based numerical calculation methods. A continuum is divided into a large number of elements having a finite size, for example, meshes, and physical quantities of individual elements are divided. Is a method of numerically calculating the entire system by incorporating the above into the simultaneous material property equation. The material characteristic equation has a material characteristic coefficient as a coefficient for controlling the analysis characteristic of the finite element method.

有限要素人体モデルのさらに具体的な構成およびその有限要素人体モデルのもとに有限要素法によって人間の挙動(例えば、衝突時、ジェットコースタに乗車している際の加減速時、および転倒時の挙動)を解析する手法については、本出願人の特開2002−149719号公報に開示されているため、参照によって引用することにより、重複した説明を省略する。   More specific configuration of the finite element human body model and human behavior based on the finite element human body model by the finite element method (for example, at the time of collision, acceleration / deceleration when riding on a roller coaster, and falling Since the method for analyzing the behavior is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-149719 of the present applicant, the duplicate description is omitted by quoting by reference.

図2には、有限要素人体モデルが、人体の下肢部のみに関し、斜視図で示されている。図2に示すように、この有限要素人体モデルは、人体の骨格のみならず筋および皮膚等の軟組織をも再現している。この有限要素人体モデルにおける下肢部は、腰部100と、左右の大腿部102,102と、左右の脛部104,104と、左右の足部106,106とに分割されている。   In FIG. 2, the finite element human body model is shown in a perspective view regarding only the lower limbs of the human body. As shown in FIG. 2, this finite element human body model reproduces not only the human skeleton but also soft tissues such as muscles and skin. The lower limb part in this finite element human body model is divided into a waist part 100, left and right thigh parts 102, 102, left and right shin parts 104, 104, and left and right foot parts 106, 106.

図3には、骨格モデルが、有限要素人体モデルのうち図2に示す部分に対応する部分に関し、斜視図で示されている。図3に示すように、この骨格モデルは、人体のうち骨格のみを再現している。この骨格モデルにおける下肢部は、腰骨110と、左右の大腿骨112,112と、左右の脛骨114,114と、左右の腓骨116,116と、左右の足骨118,118とに分割されている。各足骨118は、細かい骨の結合体である。   In FIG. 3, the skeleton model is shown in a perspective view with respect to a portion corresponding to the portion shown in FIG. 2 in the finite element human body model. As shown in FIG. 3, this skeleton model reproduces only the skeleton of the human body. The lower limbs in this skeleton model are divided into a hip bone 110, left and right femurs 112, 112, left and right tibias 114, 114, left and right ribs 116, 116, and left and right foot bones 118, 118. . Each foot bone 118 is a combination of fine bones.

この骨格モデルにおいては、人体の各組織が複数の剛体セグメントによって表現され、それら剛体セグメントが関節において回動可能に互いに連結されている。それら剛体セグメントは、腰骨110と、左右の大腿骨112,112と、左右の脛骨114,114と、左右の腓骨116,116と、左右の足骨118,118とを含んでいる。   In this skeleton model, each tissue of the human body is represented by a plurality of rigid segments, and these rigid segments are connected to each other so as to be rotatable at joints. The rigid segments include a hip bone 110, left and right femurs 112, 112, left and right tibias 114, 114, left and right ribs 116, 116, and left and right foot bones 118, 118.

各剛体セグメントの形状の表面は、ポリゴンによって構成されている。ポリゴン上における複数個の頂点は、そのポリゴンのベースとなった複数の要素上における複数個の節点によって構成される。よって、各剛体セグメントの形状は、対応するポリゴンデータによって表されている。各剛体セグメントごとにローカル座標系が割り当てられており、そのローカル座標系において、対応する剛体セグメントの質量、慣性モーメントおよびポリゴンの位置が定義される。   The surface of the shape of each rigid segment is composed of polygons. A plurality of vertices on a polygon are constituted by a plurality of nodes on a plurality of elements which are bases of the polygon. Therefore, the shape of each rigid body segment is represented by the corresponding polygon data. A local coordinate system is assigned to each rigid segment, and in the local coordinate system, the mass, moment of inertia, and polygon position of the corresponding rigid segment are defined.

図4には、筋骨格モデルが、骨格モデルのうち図3に示す部分に対応する部分に関し、斜視図で示されている。図4に示すように、この筋骨格モデルは、図3に示す骨格モデルに筋がワイヤ要素(図4において太い実線で示す。)として付加されて構成されることにより、人体のうち骨格および筋のみを再現している。すなわち、この筋骨格モデルは、上述の骨格モデルと、ワイヤ要素として構成される筋モデル(筋要素モデル)とが合成されたものなのである。   In FIG. 4, the musculoskeletal model is shown in a perspective view with respect to a portion corresponding to the portion shown in FIG. 3 in the skeletal model. As shown in FIG. 4, this musculoskeletal model is configured by adding muscles as wire elements (shown by thick solid lines in FIG. 4) to the skeletal model shown in FIG. Has only been reproduced. That is, this musculoskeletal model is a combination of the skeleton model described above and a muscle model (muscle element model) configured as a wire element.

この筋骨格モデルにおいては、各筋が、対応する骨への付着点(骨に対する相対移動が阻止される位置であり、図4において黒丸で示す。)と、対応する骨に貼り付けられる際に各筋が付着点間の途中において経由する点(骨に対し、筋の延びる方向における相対移動は許容されるが、それと交差する方向における相対移動は阻止される位置であり、図4において黒丸で示す。)とに関して定義される。解剖学的には、筋が骨の表面に付着させられるため、各筋モデルも同様に、各剛体モデル(骨要素モデル)の表面に付着させられる。   In this musculoskeletal model, each muscle is attached to a corresponding bone (a position where relative movement with respect to the bone is prevented, and is indicated by a black circle in FIG. 4) and a corresponding bone. A point where each muscle passes in the middle between attachment points (relative movement in the direction in which the muscle extends with respect to the bone is allowed, but relative movement in the direction intersecting with the bone is blocked. Defined). Anatomically, since muscles are attached to the surface of bone, each muscle model is also attached to the surface of each rigid body model (bone element model).

図5には、この人間挙動解析方法の概略であってコンピュータ20によって実施されるものが工程図で示されている。コンピュータ20は、入力装置22および出力装置24と共同して人間挙動解析システムを構成しており、その人間挙動解析システムのうち筋活性度の推定に関連する部分が筋活性度推定システムを構成している。以下、その人間挙動解析方法の概略を、上述の4種類の人体モデルと関連付けて説明する。   FIG. 5 is a schematic diagram of the human behavior analysis method that is executed by the computer 20 in a process diagram. The computer 20 constitutes a human behavior analysis system in cooperation with the input device 22 and the output device 24, and a portion related to the estimation of muscle activity in the human behavior analysis system constitutes a muscle activity estimation system. ing. The outline of the human behavior analysis method will be described below in association with the above-described four types of human body models.

図2に示すように、この人間挙動解析方法の各回の実行時には、まず、ステップS1(以下、単に「S1」で表す。他のステップについても同じとする。)において、有限要素全体モデルが各要素ごとに、データメモリ42からストレージ32内の別の記憶領域であるワーキングエリア(図示しない)に順次読み出される。正確には、有限要素全体モデルを表すモデルデータが、各要素を表す要素データごとに、順次読み出される。   As shown in FIG. 2, at the time of each execution of the human behavior analysis method, first, in step S1 (hereinafter, simply referred to as “S1”. The same applies to other steps), the entire finite element model is Each element is sequentially read from the data memory 42 to a working area (not shown), which is another storage area in the storage 32. Precisely, model data representing the entire finite element model is sequentially read out for each element data representing each element.

次に、S2において、読み出された各要素が分類されて他の要素と結合されることにより、骨格モデルが作成される。この骨格モデルは、人体の動作解析を行うために使用される。このS2の詳細は、骨格モデル作成プログラムとして図6にフローチャートで概念的に表されている。これについては後述する。   Next, in S2, each element read out is classified and combined with other elements to create a skeleton model. This skeletal model is used to analyze the motion of the human body. The details of S2 are conceptually represented by a flowchart in FIG. 6 as a skeleton model creation program. This will be described later.

続いて、S3において、その作成された骨格モデルに筋が前述のワイヤ要素として付加されることにより、骨格モデルをベースとして筋骨格モデルが作成される。このS3の詳細は、筋骨格モデル作成プログラムとして図7にフローチャートで概念的に表されている。これについては後述する。   Subsequently, in S3, a musculoskeletal model is created based on the skeletal model by adding a muscle to the created skeletal model as the wire element. The details of S3 are conceptually represented by a flowchart in FIG. 7 as a musculoskeletal model creation program. This will be described later.

その後、S4において、その作成された筋骨格モデルにおける各筋の筋活性度が算出される。現実の人間であれば、衝突時には、身構えるなどして各部位の筋に能動的に筋力が発生し、人間の緊張度が高いほど、筋活性度が上昇する。筋活性度が上昇すると、筋の剛性および粘性も上昇するため、人間の緊張度が高いほど、筋の硬直度が上昇する。   Thereafter, in S4, the muscle activity of each muscle in the created musculoskeletal model is calculated. If it is a real person, at the time of a collision, muscle strength is actively generated in the muscles of each part by holding, and the muscle activity increases as the human tension increases. As the muscle activity increases, the muscle stiffness and viscosity also increase. Therefore, the higher the human tension, the higher the muscle stiffness.

したがって、人体モデルを用いて衝突時に人間の挙動を精度よく解析するためには、人間の複数の筋のそれぞれについて筋活性度を推定し、その結果を考慮して人間の挙動を解析することが重要である。一方、人体モデルの要素(有限要素)を単位とするのではなく、同じ部位に属する複数の有限要素が互いに剛体的に結合されて成る剛体セグメントを単位としたうえで、人間の動作を解析し、さらに、その解析された動作から各筋の活性度を筋モデルや最適化手法を採用することにより、筋活性度を推定することが可能である。   Therefore, in order to accurately analyze human behavior at the time of collision using a human body model, it is necessary to estimate muscle activity for each of a plurality of human muscles and analyze the human behavior in consideration of the results. is important. On the other hand, instead of using human body model elements (finite elements) as a unit, human motions are analyzed based on units of rigid body segments that are rigidly connected to each other. Furthermore, it is possible to estimate the muscle activity by adopting a muscle model or an optimization method for the activity of each muscle from the analyzed motion.

以上説明した知見を背景にして、このS4においては、要素数が多い有限要素人体モデルではなく、それより少数の剛体セグメントを有する骨格モデルと筋骨格モデルとのいずれか一方、または、場合によっては両方を用いることにより、各筋ごとに筋活性度が算出される。このS4の詳細は、筋活性度算出プログラムとして図8にフローチャートで概念的に表されている。これについては後述する。   Against the background of the knowledge described above, in this S4, it is not a finite element human body model having a large number of elements, but either a skeletal model or a musculoskeletal model having a smaller number of rigid body segments, or in some cases. By using both, muscle activity is calculated for each muscle. The details of S4 are conceptually represented in the flowchart of FIG. 8 as a muscle activity calculation program. This will be described later.

続いて、S5において、その算出された筋活性度が反映されるように、筋骨格モデルから有限要素人体モデルが復元される。その復元に際し、筋骨格モデルに表現されている筋モデル(ワイヤ要素)が、もとの有限要素人体モデルには存在しない要素として、付加される。このS5の詳細は、有限要素人体モデル復元プログラムとして図9にフローチャートで概念的に表されている。これについては後述する。   Subsequently, in S5, the finite element human body model is restored from the musculoskeletal model so that the calculated muscle activity is reflected. In the restoration, the muscle model (wire element) expressed in the musculoskeletal model is added as an element that does not exist in the original finite element human body model. The details of S5 are conceptually represented in the flowchart of FIG. 9 as a finite element human body model restoration program. This will be described later.

その後、S6において、その復元された有限要素人体モデルを用いることにより、有限要素法により、衝突時に人間に作用する変位、変形および応力が解析される。これにより、衝突時における人間の挙動が、受動挙動のみならず能動挙動をも含めて精度よく解析される。   Thereafter, in S6, by using the restored finite element human body model, the displacement, deformation and stress acting on the human at the time of collision are analyzed by the finite element method. Thereby, human behavior at the time of collision is analyzed with high accuracy including not only passive behavior but also active behavior.

ここで、図6を参照することにより、前記骨格モデル作成プログラムを具体的に説明する。   Here, the skeleton model creation program will be described in detail with reference to FIG.

この骨格モデル作成プログラムの実行時には、まず、S101において、有限要素人体モデルを構成する複数の要素(有限要素)のうち人体の骨を表現するものが、人体を構成する複数の部位にそれぞれ分類される。有限要素人体モデルを構成する複数の要素のうち、骨以外の組織、すなわち、皮膚、肉等を表現するものは、その分類対象から除外されている。   When executing this skeletal model creation program, first, in S101, among a plurality of elements (finite elements) constituting a finite element human body model, those representing bones of the human body are classified into a plurality of parts constituting the human body, respectively. The Among a plurality of elements constituting the finite element human body model, those expressing tissues other than bone, that is, skin, flesh and the like are excluded from the classification target.

有限要素人体モデルにおいては、各要素ごとに、それが属する部位が予め定められている。すなわち、要素と部位との関係を規定するデータが、有限要素人体モデルを表すデータに予め組み込まれており、そのデータを用いて各要素の各部位への分類が行われる。各部位ごとに、それに分類された複数の要素が互いに結合されることによって、1個の剛体セグメントが構成される。   In the finite element human body model, a part to which each element belongs is determined in advance. That is, data defining the relationship between elements and parts is incorporated in advance in data representing a finite element human body model, and each element is classified into parts using the data. For each part, a plurality of elements classified into each part are combined with each other to form one rigid segment.

次に、S102において、人体の複数の部位のうち隣り合った2個の部位間に関節位置となる点が定義される。その点は、有限要素人体モデルにおける複数個の点のいずれかと一致するように定義される。その点は、隣り合った2個の剛体セグメント間の関節位置を表している。   Next, in S102, a point to be a joint position is defined between two adjacent parts of the plurality of parts of the human body. The point is defined to coincide with any of a plurality of points in the finite element human body model. The point represents the joint position between two adjacent rigid body segments.

続いて、S103において、各部位ごとに、それに属する複数の要素に関する属性情報(形状、密度、材料物性値等)から、重心位置、質量および慣性モーメントが算出される。それら重心位置、質量および慣性モーメントを算出する際には、有限要素人体モデルを構成する複数個の要素のうち骨を表現するもののみならず、皮膚、肉等、骨以外の組織部分を表現するものも考慮される。その結果、骨格モデルにおける各剛体セグメントは、その形状に関しては、骨の表面を反映するが、各剛体セグメントの重心位置、質量および慣性モーメントに関しては、各部位を構成するすべての組織部分を反映する。   Subsequently, in S103, the position of the center of gravity, the mass, and the moment of inertia are calculated for each part from the attribute information (shape, density, material property value, etc.) regarding the plurality of elements belonging to the part. When calculating the position of the center of gravity, mass, and moment of inertia, not only those that represent bones among a plurality of elements constituting a finite element human body model, but also tissue parts other than bone, such as skin, meat, etc. Things are also considered. As a result, each rigid segment in the skeletal model reflects the bone surface with respect to its shape, but with respect to the center of gravity, mass, and moment of inertia of each rigid segment, it reflects all the tissue parts that make up each site. .

その後、S104において、各剛体セグメントごとにローカル座標系が定義される。各ローカル座標系は、それの原点において各剛体セグメントの重心位置に一致する。各ローカル座標系は、x座標軸とy座標軸とz座標軸とを有しており、それら座標軸の向きは、各剛体セグメントの複数の慣性主軸の向きにそれぞれ一致する。ただし、それら座標軸は、それら慣性主軸に、慣性モーメントの値の大きい順にそれぞれ割り当てられる。各ローカル座標系は、右手系となるように、各座標軸の符号の向きが調整される。   Thereafter, in S104, a local coordinate system is defined for each rigid body segment. Each local coordinate system coincides with the center of gravity of each rigid segment at its origin. Each local coordinate system has an x-coordinate axis, a y-coordinate axis, and a z-coordinate axis, and the directions of these coordinate axes coincide with the directions of a plurality of inertia main axes of each rigid segment. However, these coordinate axes are assigned to the principal axes of inertia in descending order of the value of the moment of inertia. The direction of the sign of each coordinate axis is adjusted so that each local coordinate system is a right-handed system.

続いて、S105において、各剛体セグメントの幾何学量(位置、方向等)が記述される座標系が、有限要素人体モデルが定義されているグローバル座標系から、各剛体セグメントに対応するローカル座標系に変換される。すなわち、座標変換が行われるのである。各剛体セグメントの幾何学量には、例えば、形状、重心位置、慣性モーメント情報、関節の位置、関節の可動方向等がある。   Subsequently, in S105, the coordinate system in which the geometric amount (position, direction, etc.) of each rigid segment is described is changed from the global coordinate system in which the finite element human body model is defined to the local coordinate system corresponding to each rigid segment. Is converted to That is, coordinate conversion is performed. The geometric amount of each rigid segment includes, for example, the shape, the position of the center of gravity, the moment of inertia information, the position of the joint, the movable direction of the joint, and the like.

その後、S106において、各要素の複数の属性情報のうち、骨格モデルを用いて人間の動作を解析する際に使用されないもの(例えば、各要素の材料物性値)が、後述の有限要素解析に備えて、ストレージ32の特定の記憶領域に保存される。   After that, in S106, a plurality of attribute information of each element that is not used when analyzing the human motion using the skeleton model (for example, material property values of each element) is prepared for the finite element analysis described later. And stored in a specific storage area of the storage 32.

続いて、S107において、各部位に分類された複数個の要素が互いに結合されることにより、剛体セグメントが構成される。各剛体セグメントの運動中、それを構成する複数の要素が互いに一体的に運動する。さらに、各々そのようにして構成された複数の剛体セグメントが、対応する関節において、互いに回動可能に連結される。   Subsequently, in S107, a plurality of elements classified into the respective parts are connected to each other to form a rigid body segment. During the movement of each rigid segment, the elements that comprise it move in unison with each other. Further, the plurality of rigid segments each configured in such a manner are connected to each other so as to be rotatable at corresponding joints.

その後、S108において、各関節ごとに、関節が受動的に運動させられる際の抵抗トルク(関節角度に応じて構造的に発生するトルク)が関節受動抵抗トルクとして定義される。この関節受動抵抗トルクは、関節角度の関数を定義する関数式やマップテーブルとして表現することが可能である。   Thereafter, in S108, for each joint, a resistance torque (a torque generated structurally according to the joint angle) when the joint is passively moved is defined as a joint passive resistance torque. This joint passive resistance torque can be expressed as a function expression or a map table that defines a function of the joint angle.

以上で、この骨格モデル作成プログラムの一回の実行が終了する。   This completes one execution of the skeleton model creation program.

次に、図7を参照することにより、前記筋骨格モデル作成プログラムを具体的に説明する。   Next, the musculoskeletal model creation program will be specifically described with reference to FIG.

この筋骨格モデル作成プログラムの実行時には、まず、S201において、先に作成された骨格モデルの各剛体セグメントに付着させるべき各筋につき、各筋が各剛体セグメントの表面に付着させられるべき複数の付着点の位置と、それら付着点間の経由点であって各筋が各剛体セグメントに沿って延びる際に経由する点の位置とが定義される。それら付着点の位置と経由点の位置とは、各剛体セグメントのローカル座標系において定義される。   When executing the musculoskeletal model creation program, first, in S201, for each muscle to be attached to each rigid body segment of the skeletal model created earlier, a plurality of attachments in which each muscle is to be attached to the surface of each rigid body segment. The position of the point and the position of the point that is a via point between the attachment points and passes when each muscle extends along each rigid body segment are defined. The positions of these attachment points and via points are defined in the local coordinate system of each rigid segment.

次に、S202において、付着点位置と経由点位置とが定義された各筋が各剛体セグメントに沿って延びる際の経路すなわち複数の付着点および少なくとも一つの経由点を各筋が通過する順序が定義される。これにより、各筋が骨格モデル上に配置される。   Next, in S202, the path through which each muscle in which the attachment point position and the via point position are defined extends along each rigid body segment, that is, the order in which each muscle passes through the plurality of attachment points and at least one via point is determined. Defined. Thereby, each muscle is arranged on the skeletal model.

続いて、S203において、その配置された各筋の物理量が定義される。その物理量には、各筋の生理断面積、各筋において筋繊維と腱との成すペネーション角度等がある。ペネーション角度は、図10に示されている。それら生理断面積およびペネーション角度は、後述するが、各筋の最大筋力を算出するために利用される。   Subsequently, in S203, physical quantities of the arranged muscles are defined. The physical quantity includes the physiological cross-sectional area of each muscle, the penetration angle formed by muscle fibers and tendons in each muscle, and the like. The penning angle is shown in FIG. These physiological cross-sectional areas and pennation angles are used to calculate the maximum muscle strength of each muscle, as will be described later.

各筋の最大筋力は、定数k(約5ないし10)を用いた次式によって算出することが可能である。   The maximum muscle strength of each muscle can be calculated by the following equation using a constant k (about 5 to 10).

最大筋力=k×生理断面積[cm]×COS(ペネーション角度[rad]) Maximum muscle strength = k × physiological cross-sectional area [cm 2 ] × COS (penation angle [rad])

その後、図7のS204において、筋モデルとして例えばHillモデルを用いることにより、各筋の内部の粘弾性特性が定義される。Hillモデルによれば、各筋の筋力は、図11の式(1)によって算出することができる。この式は、各筋の筋力Fが、筋活性度αと、最大筋力fmax と、筋長lの関数gと、筋長変化速度d(l)/dtの関数hとの積として推定されることを表している。 Thereafter, in S204 of FIG. 7, viscoelastic characteristics inside each muscle are defined by using, for example, the Hill model as the muscle model. According to the Hill model, the muscle strength of each muscle can be calculated by the equation (1) in FIG. This equation shows that the muscle strength F i of each muscle is the muscle activity α i , the maximum muscle strength f max i , the function g of the muscle length l i , and the function h of the muscle length change rate d (l i ) / dt. It is estimated as the product of.

したがって、各筋の粘弾性特性を定義するために、具体的には、筋長の関数gと筋長変化速度hとが定義されることになる。   Therefore, in order to define the viscoelastic characteristics of each muscle, specifically, a muscle length function g and a muscle length change rate h are defined.

以上で、この筋骨格モデル作成プログラムの一回の実行が終了する。   Thus, one execution of this musculoskeletal model creation program is completed.

図11には、さらに、各筋の剛性Ku,iが、各筋の筋力fを筋長lに関して微分することによって算出されることが式(2)によって表されている。したがって、各筋の筋力fと筋長lとの関係が判明すれば、各筋の剛性Ku,iが誘導されることになる。 FIG. 11 further shows that the rigidity K u, i of each muscle is calculated by differentiating the muscle force f i of each muscle with respect to the muscle length l i . Therefore, if the relationship between the muscle strength f i of each muscle and the muscle length l i is found, the stiffness K u, i of each muscle is induced.

次に、図8を参照することにより、前記筋活性度算出プログラムを具体的に説明する。   Next, the muscle activity calculation program will be specifically described with reference to FIG.

この筋活性度算出プログラムの実行時には、まず、S301において、前記作成された骨格モデルに対し、解析対象である人間挙動が入力される。具体的には、骨格モデルに対して、各関節ごとに、関節角度、角速度および角加速度が挙動データとして入力される。それら挙動データは、現実の人間に対してモーションキャプチャ等の装置を用いて人間挙動を実測して取得したり、人間挙動を想定して取得することが可能である。   When this muscle activity calculation program is executed, first, in S301, a human behavior to be analyzed is input to the created skeletal model. Specifically, the joint angle, angular velocity, and angular acceleration are input as behavior data for each joint with respect to the skeleton model. Such behavior data can be obtained by actually measuring a human behavior using an apparatus such as a motion capture for a real human being or by assuming a human behavior.

次に、S302において、解析対象である人間挙動中に人間が、それの特定の部位(例えば、手または足)において対象物(例えば、ステアリングホイールまたはブレーキペダル)に接触している状態においてそれら人間と対象物との間に作用する接触力が、骨格モデルに対して入力される。その接触力は、人間に対する外力である。その接触力が骨格モデルに対して入力される位置は、該当する剛体セグメントに割り当てられたローカル座標系によって定義される。この接触力も、上述の挙動データと同様に、実測によって取得したり、想定によって取得することが可能である。   Next, in S302, during the human behavior to be analyzed, the human is in contact with an object (for example, a steering wheel or a brake pedal) at a specific part (for example, a hand or a foot) thereof. The contact force acting between the object and the object is input to the skeleton model. The contact force is an external force against a human. The position where the contact force is input to the skeleton model is defined by the local coordinate system assigned to the corresponding rigid segment. This contact force can also be obtained by actual measurement or by assumption, similarly to the behavior data described above.

続いて、S303において、それら入力されたデータに基づき、逆動力学解析手法により、各関節に作用するみかけ関節トルクが算出される。みかけ関節トルクは、実関節トルク(人間が実際に発揮した関節トルク)と、関節受動抵抗トルクとの和に等しい。   Subsequently, in S303, an apparent joint torque acting on each joint is calculated by the inverse dynamic analysis method based on the input data. The apparent joint torque is equal to the sum of the actual joint torque (joint torque actually exhibited by humans) and the joint passive resistance torque.

その後、S304において、各関節ごとに、S301において入力された関節角度が図6のS108において定義された関節受動抵抗トルクの関数に代入されることにより、関節受動抵抗トルクが算出される。   Thereafter, in S304, the joint passive resistance torque is calculated for each joint by substituting the joint angle input in S301 into the joint passive resistance torque function defined in S108 of FIG.

続いて、S305において、各関節ごとに、S303において算出されたみかけ関節トルクから、S304において算出された関節受動抵抗トルクが引き算されることにより、実関節トルクが算出される。   Subsequently, in S305, the actual joint torque is calculated for each joint by subtracting the joint passive resistance torque calculated in S304 from the apparent joint torque calculated in S303.

その後、S306において、前記作成された筋骨格モデルのもと、前記入力された関節角度、角速度および角加速度が実際に人間に発生させられた場合にその人間の各筋の筋長および筋長変化速度が算出される。   Thereafter, in S306, when the input joint angle, angular velocity, and angular acceleration are actually generated by the human based on the created musculoskeletal model, the muscle length and the muscle length change of each human muscle are generated. The speed is calculated.

続いて、S307において、最適化計算により、筋力と筋活性度とが算出される。このS307の詳細は、最適化プログラムとして図12にフローチャートで概念的に表されている。この最適化プログラムについては後述する。   Subsequently, in S307, muscle strength and muscle activity are calculated by optimization calculation. The details of S307 are conceptually represented in the flowchart of FIG. 12 as an optimization program. This optimization program will be described later.

以上説明したS301ないしS307は、予め定められたタイムステップをおいて反復され、その結果、解析対象期間中における全時刻分反復される。それにより、その解析期間中、人間の実質的な連続動作が解析される。それらS301ないしS307は、特定の時刻について関節角度、角速度、角加速度、接触力、筋長および筋長変化速度をそれぞれ表すデータが存在すれば、その特定の時刻以後の人間挙動を解析するために反復的に実行することが可能である。   S301 to S307 described above are repeated at predetermined time steps, and as a result, are repeated for all the times in the analysis target period. Thereby, during the analysis period, a substantially continuous human movement is analyzed. These S301 to S307 are used to analyze human behavior after the specific time if there is data representing the joint angle, angular velocity, angular acceleration, contact force, muscle length, and muscle length change speed at a specific time, respectively. It can be performed iteratively.

次に、図12を参照することにより、上記最適化プログラムを具体的に説明する。   Next, the optimization program will be specifically described with reference to FIG.

まず、この最適化プログラムの目的を概略的に説明するに、人間が能動的に出力した関節トルクは、筋力の結果生じたものであるため、関節トルクの算出値から、それに応じた筋力が算出される。しかし、ある関節トルクを実現する筋力の組み合わせは一般に無限に存在する。これは、関節の自由度よりも筋の数の方が多いからである。そこで、この最適化プログラムにおいては、筋力を一意に求めるために、ある目的関数を設定して、最適化手法を用いて解が探索的に求められる。   First, the purpose of this optimization program will be outlined. Since the joint torque actively output by humans is the result of muscle strength, the corresponding muscle strength is calculated from the calculated joint torque. Is done. However, there are generally infinite combinations of muscle strengths that achieve a certain joint torque. This is because there are more muscles than joint degrees of freedom. Therefore, in this optimization program, in order to uniquely determine the muscular strength, a certain objective function is set and a solution is searched for using an optimization method.

この最適化プログラムの実行時には、まず、S1001において、設計変数が筋活性度に設定される。筋活性度に代えて筋力を設計変数に設定することは可能であるが、この場合には、後述の解析における制約条件の定式化が複雑になり易い。   When this optimization program is executed, first, in S1001, the design variable is set to muscle activity. Although it is possible to set muscle strength instead of muscle activity as a design variable, in this case, formulation of constraint conditions in an analysis described later tends to be complicated.

次に、S1002において、人間が特定の部位において接触する対象物(例えば、ブレーキ操作装置等の操作装置)側の注目点(評価点)における等価剛性(これが前記(1)項における「等価物理特性」の一例である。)が測定される。   Next, in S1002, the equivalent stiffness at the point of interest (evaluation point) on the side of an object (for example, an operating device such as a brake operating device) with which a human contacts at a specific part (this is the “equivalent physical property” in the above (1)). ”Is measured.).

人間の特定の部位における筋の剛性は、人間の緊張度すなわち筋の緊張度によって異なり、緊張度が高いほど、筋剛性も高い。一方、人間の筋剛性は、直接測定することは困難であるが、その筋剛性は、その人間が接触している対象物の剛性に影響を及ぼす。以下、このことを図13を参照して具体的に説明する。   The rigidity of a muscle in a specific part of a human depends on the degree of human tension, that is, the degree of muscle tension. The higher the degree of tension, the higher the muscle rigidity. On the other hand, it is difficult to directly measure the muscle stiffness of a human, but the muscle stiffness affects the stiffness of an object with which the human is in contact. Hereinafter, this will be specifically described with reference to FIG.

図13には、人間の筋、関節、手または足の表面、接触部および対象物という5つの要素の全体系につき、互いに直接的に連繋する要素間の変位に関する相互依存関係および力(またはトルク)に関する相互依存関係が、逆向きの2つの矢印で概念的に表されている。   FIG. 13 shows the interdependence and force (or torque) regarding the displacement between the elements that are directly connected to each other for the whole system of five elements: human muscle, joint, hand or foot surface, contact portion, and object. ) Are conceptually represented by two opposite arrows.

なお付言するに、それら5つの要素間には、さらに、速度に関する相互依存関係および加速度に関する相互依存関係も存在するが、説明を簡単にするために、本実施形態の説明においては、変位に関する相互依存関係と力に関する相互依存関係のみを代表的に説明する。   It should be noted that, among these five elements, there are also an interdependency relationship regarding speed and an interdependence relationship regarding acceleration. However, in order to simplify the description, in the description of the present embodiment, the mutual relationship regarding displacement will be described. Only the interdependencies regarding dependencies and forces will be described representatively.

図13に示す例においては、人間の筋(例えば、手または足と物理的に連繋している特定の筋)と関節(例えば、手または足と物理的に連繋している特定の関節)とがそれぞれ、前記(1)項における「選択部位」の一例であり、また、手または足が、同項における「接触部位」の一例である。   In the example shown in FIG. 13, human muscles (for example, specific muscles physically connected to hands or feet) and joints (for example, specific joints physically connected to hands or feet) and Are examples of the “selected part” in the above item (1), and the hand or foot is an example of the “contact part” in the same term.

図13においては、「J」が筋の空間と関節の空間との間の座標系変換を表すヤコビ行列であり、「J」が関節の空間と手または足の空間との間の座標系変換を表すヤコビ行列である。さらに、「H]が手または足の空間と接触部の空間との間の座標系変換を表す行列であり、「HS」が接触部の空間と対象物の空間との間の座標系変換を表す行列である。 In FIG. 13, “J u ” is a Jacobian matrix representing a coordinate system transformation between the muscle space and the joint space, and “J h ” is the coordinate between the joint space and the hand or foot space. It is a Jacobian matrix representing system transformation. Further, “H” is a matrix representing a coordinate system conversion between the space of the hand or foot and the space of the contact portion, and “HS” is a coordinate system conversion between the space of the contact portion and the space of the object. It is a matrix that represents.

ヤコビ行列Jは、筋長および筋長変化速度の関数であるが、筋長および筋長変化速度が関節角度の関数であるため、結局、ヤコビ行列Jは、関節角度の関数となっている。同様に、ヤコビ行列Jも、関節角度の関数である。 The Jacobian matrix J u is a function of the muscle length and the muscle length change speed. However, since the muscle length and the muscle length change speed are a function of the joint angle, the Jacobian matrix J u eventually becomes a function of the joint angle. Yes. Similarly, the Jacobian matrix Jh is also a function of the joint angle.

図13には、さらに、それら5つの要素の各々につき、変位と力との間の依存関係が、逆向きの2つの矢印で概念的に表されている。具体的には、筋という要素については、力を変位に関連付ける物理量である剛性がKとして示され、逆に、変位を力に関連付ける物理量であるコンプライアンスがK −1として示されている。残る関節、手または足および対象物の各要素についても、それに準じて図示されている。接触部については、剛性という概念が存在しないと仮定されている。 FIG. 13 further conceptually represents the dependency between displacement and force for each of these five elements with two arrows pointing in the opposite direction. Specifically, for the element of muscle, the stiffness that is a physical quantity that relates the force to the displacement is shown as K 1 , and conversely, the compliance that is a physical quantity that associates the displacement to the force is shown as K 1 −1 . The remaining joints, hands or feet and the object elements are also illustrated accordingly. For the contact portion, it is assumed that the concept of rigidity does not exist.

なお付言するに、それら5つの要素の各々には、さらに、速度を力に関連付ける粘性および加速度を力に関連付ける慣性が存在するが、説明を簡単にするために、本実施形態の説明においては、変位を力に関連付ける剛性のみを代表的に説明する。   In addition, in each of these five elements, there is an inertia that relates a velocity and a force, and an inertia that associates an acceleration with a force. However, in order to simplify the explanation, in the explanation of the present embodiment, Only the stiffness relating displacement to force will be representatively described.

それら5つの要素のうち互いに物理的に直接的に連携する2つの要素間においては、一方の要素の剛性の影響が他方の要素に及ぶ。具体的には、筋は関節に、筋単独の剛性の換算値(ローカル座標系間の座標変換を反映する)を付加する。その結果、関節のみかけ剛性K’は、関節単独の剛性Kと、増分ΔKであって筋単独の剛性Kに起因するものとの和と等しくなる。 Of the five elements, between the two elements that are physically directly linked to each other, the influence of the stiffness of one element affects the other element. Specifically, the muscle adds a converted value of rigidity of the muscle alone (reflecting coordinate conversion between the local coordinate systems) to the joint. As a result, the apparent stiffness K 2 ′ of the joint is equal to the sum of the stiffness K 2 of the joint alone and the increment ΔK 2 resulting from the stiffness K 1 of the muscle alone.

また、関節は手または足に、関節のみかけ剛性の換算値(ローカル座標系間の座標変換を反映する)を付加する。その結果、手または足のみかけ剛性K’は、手または足単独の剛性Kと、増分ΔKであって関節のみかけ剛性K’に起因するものとの和と等しくなる。 In addition, the joint is added to the hand or foot with a converted value of the apparent stiffness of the joint (reflecting the coordinate conversion between the local coordinate systems). As a result, the hand or stiffness K 3 apparent foot 'is a rigid K 3 of hands or feet alone a increment [Delta] K 3 joints apparent stiffness K 2' becomes equal to the sum of those due to.

また、手または足は接触部に、手または足のみかけ剛性の換算値(ローカル座標系間の座標変換を反映する)を付加する。その結果、接触部のみかけ剛性K’は、接触部単独の剛性Kが0であると仮定されているため、増分ΔKであって手または足のみかけ剛性K’に起因するものとの和と等しくなる。 In addition, the hand or foot adds an apparent stiffness conversion value (reflecting coordinate conversion between local coordinate systems) to the contact portion. Those result, the rigidity K 4 over only the contact portion due to ', since the contact portions alone of the rigid K 4 is assumed to be 0, the stiffness K 3 apparent hand or foot a increment [Delta] K 4' Is equal to the sum of

また、接触部は対象物に、接触部のみかけ剛性の換算値(ローカル座標系間の座標変換を反映する)を付加する。その結果、対象物のみかけ剛性K’は、対象物単独の剛性Kと、増分ΔKであって接触部のみかけ剛性K’に起因するものとの和と等しくなる。 Further, the contact portion adds an apparent stiffness conversion value (reflecting coordinate conversion between the local coordinate systems) to the object. As a result, the apparent rigidity K 5 ′ of the object is equal to the sum of the rigidity K 5 of the object alone and the increment ΔK 5 resulting from the apparent rigidity K 4 ′ of the contact portion.

その増分ΔKは、筋単独の剛性Kと、関節単独の剛性Kと、手または足単独の剛性Kとの合成であって人間単独の剛性を反映している。一方、対象物のみかけ剛性K’から対象物単独の剛性Kを引き算すれば、増分ΔKを取得することが可能であるし、対象物単独の剛性Kは例えば実測によって取得することが可能である。よって、増分ΔKを取得することが可能であり、ひいては、人間単独の剛性を誘導することが可能である。 Its increment [Delta] K 5 has a stiffness K 1 of the muscle alone, the stiffness K 2 of the joint alone, and a combination of the stiffness K 3 of hands or feet alone reflects the rigidity of the human sole. On the other hand, if subtracting the stiffness K 5 of the object alone from a rigid K 5 'over only object to it is possible to obtain the increment [Delta] K 5, the rigidity K 5 of the object alone to get the actual measurement example Is possible. Therefore, it is possible to obtain the increment ΔK 5 and thus to induce the rigidity of the person alone.

このように、人間と接触している状態における対象物の剛性の、人間と接触していない状態における対象物の剛性すなわち対象物単独の剛性からの増分は、人間の筋剛性の影響を受けて発生したものである。よって、その増分は、人間単独の筋剛性と等価であるという意味において、等価剛性と称される。   In this way, the increase in the stiffness of the object in contact with a person from the rigidity of the object in non-contact with the person, that is, the rigidity of the object alone, is affected by the rigidity of the human muscle. Has occurred. Thus, the increment is referred to as equivalent stiffness in the sense that it is equivalent to human muscle stiffness alone.

図14を参照することにより、車両に搭載される操作装置の一例であるブレーキ操作装置200のうちの操作部材の一例であるブレーキペダル202を人間としての運転者が足で踏み込む際における足の筋剛性を測定する方法を例にとり、対象物の等価剛性を測定する方法を具体的に説明する。   Referring to FIG. 14, leg muscles when a human driver steps on a brake pedal 202, which is an example of an operating member of a brake operating device 200, which is an example of an operating device mounted on a vehicle. The method for measuring the equivalent stiffness of the object will be specifically described by taking the method for measuring the stiffness as an example.

図14に示すように、ブレーキペダル202の一端部は、固定部材204に回動可能に連結されている回動部206とされている。これに対し、ブレーキペダル202の他端部は、足が載せられて踏み込みが行われるべきパッド部208とされている。このブレーキペダル202は、線形ばね210により、回動部206まわりに、踏込み位置から初期位置に向かう向きに付勢されている。   As shown in FIG. 14, one end portion of the brake pedal 202 is a rotating portion 206 that is rotatably connected to the fixing member 204. On the other hand, the other end portion of the brake pedal 202 is a pad portion 208 on which a foot should be put and stepped on. The brake pedal 202 is urged by the linear spring 210 around the rotating portion 206 in a direction from the depressed position to the initial position.

図14(a)には、ブレーキ操作装置200が初期状態で示されている。この状態において、図示しないアクチュエータによって力Fをブレーキペダル202に付加し、その力Fを増加させるごとに、ブレーキペダル202の回動角θを図示しないセンサによって測定すれば、右上がりの実線グラフが取得される。このグラフの勾配が、対象物としてのブレーキ操作装置200単独の剛性Kを表している。 FIG. 14A shows the brake operating device 200 in an initial state. In this state, when a force F is applied to the brake pedal 202 by an actuator (not shown) and the rotation angle θ of the brake pedal 202 is measured by a sensor (not shown) each time the force F is increased, a solid line graph rising to the right is obtained. To be acquired. The gradient of this graph represents the rigidity K 0 of the brake operating device 200 alone as the object.

図14(b)には、ブレーキ操作装置200が踏込み状態で示されている。この状態において、前記アクチュエータによって力Fをブレーキペダル202に付加し、その力Fを増加させるごとに、ブレーキペダル202の回動角θを前記センサによって測定すれば、右上がりの実線グラフが取得される。このグラフの勾配が、ブレーキ操作装置200のみかけ剛性Kを表している。このみかけ剛性Kから剛性Kを引き算したものが前述の等価剛性である。 FIG. 14B shows the brake operation device 200 in the depressed state. In this state, when a force F is applied to the brake pedal 202 by the actuator and the rotation angle θ of the brake pedal 202 is measured by the sensor each time the force F is increased, a solid line graph rising to the right is acquired. The The slope of this graph represents the apparent rigidity K 1 of the brake operating device 200. Those obtained by subtracting the rigidity K 0 from the apparent stiffness K 1 are equivalent stiffness of the foregoing.

図15には、人間の剛性と対象物としてのブレーキ操作装置200の剛性との合成、すなわち、対象物から測定されるみかけ剛性と、対象物単独の剛性と、人間単独の剛性すなわち上述の等価剛性の測定値との関係が、注目点r(例えば、人間と対象物との接触点)において互いに独立した複数の剛性方向と同数の要素を含むベクトルで表記された式(3)で表現されている。   FIG. 15 shows a combination of the rigidity of the person and the rigidity of the brake operating device 200 as an object, that is, the apparent rigidity measured from the object, the rigidity of the object alone, and the rigidity of the person alone, that is, the above-described equivalent The relationship with the measurement value of rigidity is expressed by Expression (3) expressed by a vector including a plurality of independent stiffness directions and the same number of elements at the point of interest r (for example, the contact point between a person and an object). ing.

このようにして等価剛性が測定されれば、適当な座標変換を施すことにより、人間単独の剛性を測定することが可能である。   If the equivalent rigidity is measured in this way, it is possible to measure the rigidity of a person alone by performing appropriate coordinate transformation.

続いて、図12のS1003において、図16において式(4)で表す目的関数が設定される。この目的関数中の変数ベクトルF(α)が同図において式(5)で表されている。   Subsequently, in S1003 of FIG. 12, the objective function represented by Expression (4) in FIG. 16 is set. The variable vector F (α) in this objective function is expressed by the equation (5) in the figure.

その変数ベクトルは、各筋につき、重み係数wと筋活性度αとの積で表される要素と、各剛性方向につき、等価剛性の測定値h,measured,jと人間単独の剛性の推定値K(α)h,estimated,jとの差(以下、「推定誤差」という。)と重み係数wとの積で表される要素とを含んでいる。目的関数は、注目すべきすべての筋につき、重み係数wと筋活性度αとの積の合計値が最小になり、かつ、注目すべきすべての剛性方向につき、重み係数wと推定誤差との積の合計値も最小となる筋活性度αが最適化計算によって算出されるように設定されている。 The variable vector is the element represented by the product of the weighting coefficient w i and the muscle activity α i for each muscle, and the measured value of equivalent stiffness r K h, measured, j and the human alone for each stiffness direction. It includes an element represented by the product of the difference between the estimated value r K (α) h, estimated, j of rigidity (hereinafter referred to as “estimation error”) and the weight coefficient w. The objective function is such that the sum of the products of the weighting factors w i and the muscle activity α i is minimized for all the muscles to be noticed, and the weighting factor w and the estimation error for all the stiffness directions to be noticed. Is set so that the muscle activity α i that minimizes the sum of the products is calculated by the optimization calculation.

ただし、それら合計値をそれぞれ複数の成分の単純和として計算したのでは、その計算値がそれら複数の成分の符号に依存してしまう。そこで、本実施形態においては、そのような事態を回避すべく、注目すべきすべての筋につき、重み係数wと筋活性度αとの積の二乗和を最小化し、同時に、注目すべきすべての剛性方向につき、重み係数wと推定誤差との積の二乗和も最小化する筋活性度αが最適化計算によって算出されるように目的関数が設定されている。 However, if the total value is calculated as a simple sum of a plurality of components, the calculated value depends on the sign of the plurality of components. Therefore, in this embodiment, in order to avoid such a situation, the sum of squares of the products of the weighting factor w i and the muscle activity α i is minimized for all the muscles to be noticed, and at the same time, it should be noted. The objective function is set so that the muscle activity α i that minimizes the sum of squares of the products of the weight coefficient w and the estimation error is calculated by optimization calculation for all the stiffness directions.

各剛性方向につき、筋力fと筋活性度αとの関係は、図11に式(1)で表されている。この式(1)には、それら筋力fおよび筋活性度α以外の成分も存在するが、それら成分はいずれも、後続する最適化計算に先立ち、確定されている。同図には、さらに、人間単独の剛性すなわち筋の剛性Ku,iと筋活性度αとの関係が式(2)で表されている。本実施形態においては、それら式(1)および(2)を用いることにより、人間単独の剛性の推定値K(α)h,estimated,jが算出される。 The relationship between the muscular strength f i and the muscular activity α i for each rigidity direction is expressed by the equation (1) in FIG. In this equation (1), there are components other than the muscle strength f i and the muscle activity α i , all of which are determined prior to the subsequent optimization calculation. In the same figure, the relationship between the rigidity of a person alone, that is, the muscle rigidity K u, i, and the muscle activity α i is expressed by Expression (2). In the present embodiment, by using these equations (1) and (2), an estimated value r K (α) h, estimated, j of the rigidity of a person alone is calculated.

ただし、人間単独の剛性の推定値K(α)h,estimated,jを算出するためには、人間と対象物との接触点と一般化座標との間における座標変換を定義するヤコビ行列が介在する。このことが、図18に式(7)で表されている。また、ヤコビ行列は、筋骨格モデルの姿勢すなわち関節角度に依存するため、推定値K(α)h,estimated,jを算出するには、筋長および筋長変化速度という筋の運動状態量のみならず、関節角度という関節の運動状態量を考慮することが必要である。 However, in order to calculate the estimated value r K (α) h, estimated, j of the rigidity of a person alone, a Jacobian matrix c defining a coordinate transformation between the contact point between the person and the object and the generalized coordinates J h is interposed. This is represented by Expression (7) in FIG. Further, since the Jacobian matrix c J h depends on the posture of the musculoskeletal model, that is, the joint angle, in order to calculate the estimated value r K (α) h, estimated, j , the muscle length and the muscle length change rate are calculated. It is necessary to consider not only the motion state quantity but also the joint motion state quantity called the joint angle.

その後、図12のS1004において、最適化計算において考慮される制約条件が設定される。制約条件としては、関節トルクτと筋力fとの関係式と、筋活性度αの変域(0以上で1以下)とがある。この制約条件が成立するように後述の最適化計算が行われれば、関節トルクτと筋力fとの間に力のつりあいが実質的に成立するように筋活性度αが推定されることが保証される。 Thereafter, in S1004 of FIG. 12, a constraint condition to be considered in the optimization calculation is set. As the constraint conditions, there are a relational expression between the joint torque τ and the muscle force f and a range of the muscle activity α i (0 or more and 1 or less). If the optimization calculation described later is performed so that this constraint condition is satisfied, the muscle activity α i may be estimated so that force balance is substantially satisfied between the joint torque τ and the muscle force f. Guaranteed.

図17には、関節トルクτと筋力fとの関係式が式(6)として示されている。この式(6)は、関節トルクτが、ヤコビ行列Jと筋力fとの積として誘導されることを表している。 In FIG. 17, a relational expression between the joint torque τ and the muscle force f is shown as an expression (6). This equation (6) represents that the joint torque τ is induced as the product of the Jacobian matrix Ju and the muscle strength f.

ヤコビ行列Jは、筋空間から関節空間への座標変換のための行列であり、図13にはそれの転置行列J と共に示されている。ヤコビ行列Jは、筋骨格モデルの姿勢すなわち関節角度に依存する。筋力fは、筋活性度αの関数である。 The Jacobian matrix J u is a matrix for coordinate conversion from muscle space to joint space, and is shown in FIG. 13 together with its transposed matrix J u T. Jacobian matrix J u depends on the attitude That joint angle musculoskeletal model. The muscle strength f is a function of the muscle activity α.

続いて、図12のS1005において、前記設定された目的関数および制約条件のもとに最適化計算が行われ、それにより、各筋ごとに筋活性度αが算出される。その算出のために参照されるパラメータは、重み係数wと、等価剛性の測定値h,measured,jと、最大筋力fmaxと、筋長および筋長変化速度と、筋長の関数gと、筋長変化速度の関数hと、ヤコビ行列が依存する関節角度と、関節トルクτとを含んでいる。 Subsequently, in S1005 of FIG. 12, optimization calculation is performed based on the set objective function and constraint conditions, whereby the muscle activity α i is calculated for each muscle. Parameters referred to for the calculation are weighting factor w, measured value of equivalent stiffness r K h, measured, j , maximum muscle strength f max , muscle length and muscle length change rate, and muscle length function g. And the muscle length changing speed function h, the joint angle on which the Jacobian matrix c J h depends, and the joint torque τ.

その最適化計算は、一般に「制約付き最適化」と呼ばれ、これの一般的な手法としては、「逐次2次計画法」や「修正実行可能方向法」が既に知られている。最適化計算の具体的な手法は、種々の用途に応じて適宜変更することが可能である。   The optimization calculation is generally called “constrained optimization”, and “sequential quadratic programming” and “correction executable direction method” are already known as general techniques. The specific method of the optimization calculation can be appropriately changed according to various uses.

その後、S1006において、各筋ごとに、その算出された筋活性度αを、図11に示す式(1)に代入することにより、筋力fが算出される。 Thereafter, in S1006, the muscle strength f i is calculated for each muscle by substituting the calculated muscle activity α i into the equation (1) shown in FIG.

以上で、この最適化計算プログラムの一回の実行が終了する。   Thus, one execution of the optimization calculation program is completed.

図19には、本実施形態において筋活性度を推定するために行われる計算の流れがブロック線図で表されている。以下、同図を参照することにより、この計算の流れを説明する。   FIG. 19 is a block diagram showing a calculation flow performed in order to estimate muscle activity in this embodiment. Hereinafter, this calculation flow will be described with reference to FIG.

この計算は、筋骨格モデルを骨格モデルを含む意味において使用することとすれば、筋骨格モデルを用いて行われる上流過程と、最適化計算という下流過程とに分割される。   If the musculoskeletal model is used in the meaning including the skeletal model, this calculation is divided into an upstream process performed using the musculoskeletal model and a downstream process called optimization calculation.

上流過程においては、筋骨格モデル用いることにより、人間の動作が、最適化計算に必要なデータを取得するために解析される。下流過程においては、上流過程において取得されたデータと、等価物理特性(これに一例が前記等価剛性である。)の入力値とを用いることにより、目的関数および制約条件のもとに、最適化計算が行われ、それにより、筋活性度が推定される。   In the upstream process, by using the musculoskeletal model, human motion is analyzed in order to acquire data necessary for optimization calculation. In the downstream process, optimization is performed based on the objective function and constraints by using the data acquired in the upstream process and the input value of the equivalent physical property (an example of this is the equivalent stiffness). Calculations are performed, thereby estimating muscle activity.

図20には、図4に筋骨格モデルとして示される下肢部を例にとり、各筋の筋活性度αの算出値の分布が示されている。図20に示すように、この例においては、人間が右足でブレーキペダルを踏み込んでいる。本実施形態においては、筋活性度αを、0以上1以下の領域内において連続値として算出することが可能である。ただし、図20においては、図示の都合上、算出値が0である筋と、1である筋と、0と1との中間である筋とがそれぞれ「α=0」、「α=1」および「0<α<1」として表記されている。   FIG. 20 shows a distribution of calculated values of muscle activity α of each muscle, taking the lower limb shown in FIG. 4 as a musculoskeletal model as an example. As shown in FIG. 20, in this example, a human depresses the brake pedal with the right foot. In the present embodiment, it is possible to calculate the muscle activity α as a continuous value within a region of 0 or more and 1 or less. However, in FIG. 20, for convenience of illustration, a muscle having a calculated value of 0, a muscle having a value of 1, and a muscle having an intermediate value between 0 and 1 are “α = 0” and “α = 1”, respectively. And “0 <α <1”.

次に、図9を参照することにより、前記有限要素人体モデル復元プログラムを具体的に説明する。   Next, the finite element human body model restoration program will be described in detail with reference to FIG.

この有限要素人体モデルプログラムの実行時には、まず、S401において、筋骨格モデルを構成する各剛体セグメントに属する複数の要素(有限要素)の幾何学量(節点位置等)、各筋の幾何学量(付着点位置、経由点位置等)がグローバル座標系において表現される。それら幾何学量を記述するための座標系が、筋骨格モデルに各剛体セグメントごとに割り当てられた各ローカル座標系から、もとの有限要素人体モデルに割り当てられたグローバル座標系に変換されるのである。   When executing this finite element human body model program, first, in S401, geometric quantities (node positions, etc.) of a plurality of elements (finite elements) belonging to each rigid segment constituting the musculoskeletal model, and geometric quantities of each muscle ( (Attached point position, via point position, etc.) are expressed in the global coordinate system. The coordinate system for describing these geometric quantities is converted from the local coordinate system assigned to each rigid segment to the musculoskeletal model to the global coordinate system assigned to the original finite element human body model. is there.

次に、S402において、各要素の属性情報のうち材料特性値等、先行した動作解析(図8のS303およびS306)において使用されなかったが予めストレージ32の前記特定の記憶領域に保存されている関連情報がその記憶領域から読み出される。   Next, in S402, the material characteristic value, etc., among the attribute information of each element, which was not used in the preceding operation analysis (S303 and S306 in FIG. 8), is stored in advance in the specific storage area of the storage 32. Related information is read from the storage area.

続いて、S403において、前記座標変換が施された幾何学量と、前記読み出された関連情報とを利用することにより、筋骨格モデルから有限要素人体モデルへの復元が行われる。   Subsequently, in S403, the musculoskeletal model is restored to the finite element human body model by using the geometric quantity subjected to the coordinate transformation and the read related information.

その後、S404において、筋骨格モデルに付加された筋モデルとしてのワイヤ要素を用いることにより、復元された有限要素人体モデルに筋モデルがワイヤ要素として追加される。復元された有限要素人体モデルにおいては、各筋モデルが、筋の付着点位置および経由点位置ならびにそれら位置の並ぶ順序に関して定義される。この定義により、追加された各筋モデルの幾何学的特徴量が、復元された有限要素人体モデルにおいて特定されることになる。   Thereafter, in S404, by using the wire element as the muscle model added to the musculoskeletal model, the muscle model is added as a wire element to the restored finite element human body model. In the restored finite element human body model, each muscle model is defined with respect to the attachment point position and the via point position of the muscle and the order in which the positions are arranged. With this definition, the geometric feature amount of each added muscle model is specified in the restored finite element human body model.

続いて、S405において、復元された有限要素人体モデルに対し、該当する各筋ごとに、前記算出された筋活性度または筋力が与えられ、その結果、復元された有限要素人体モデルにより、人間の受動的な挙動のみならず能動的な挙動も解析することが可能となる。   Subsequently, in S405, the calculated muscle activity or strength is given to each restored muscle for the restored finite element human body model. It is possible to analyze not only passive behavior but also active behavior.

以上で、この有限要素人体モデル復元プログラムの一回の実行が終了する。   This completes one execution of the finite element human body model restoration program.

その後、図5のS6において、前記復元された有限要素人体モデルを用いることにより、指定された環境において人間が示す受動挙動および能動挙動が有限要素法によって解析される。この有限要素解析は、例えば、市販されているソルバ(解析用コンピュータ・プログラム)またはそれと等価なプログラムをコンピュータ20によって実行することによって実施することが可能である。市販されているソルバとしては、例えば、陽解法動的有限要素解析プログラムである「PAM−CRASH(仏国ESI社が製造し、日本ESI社が販売するプログラム)」、「LS−DYNA(LSTC(Livermore Software Technology Corporation)社が製造し、日本総合研究所が販売するプログラム)」が知られている。   Thereafter, in S6 of FIG. 5, by using the restored finite element human body model, the passive behavior and the active behavior exhibited by the human in the designated environment are analyzed by the finite element method. This finite element analysis can be carried out, for example, by executing a commercially available solver (analysis computer program) or an equivalent program by the computer 20. Commercially available solvers include, for example, “PAM-CRASH (a program manufactured by ESI of France and sold by ESI of Japan)” and “LS-DYNA (LSTC (Livermore)) which are explicit dynamic finite element analysis programs. Software Technology Corporation) is a program manufactured and sold by Japan Research Institute).

人間の能動挙動を有限要素法によって解析するに際し、上述のLS−DYNAの如く、筋要素を元々持っているソルバを用いる場合には、その筋要素を直接使うことが可能である。   When analyzing a human's active behavior by the finite element method, when using a solver originally having a muscle element such as the above-described LS-DYNA, the muscle element can be used directly.

これに対し、筋要素を持たないソルバを用いる場合であっても、筋の配置によって筋力の方向が定まり、筋活性度によって筋力の大きさが定まるため、筋の付着位置に筋力ベクトルを境界条件として設定することにより、人体モデル上において筋力を表現することが可能である。そのために、ワイヤ要素などを用いることも可能であるし、力のみを直接境界条件として設定することも可能である。   On the other hand, even when using a solver that does not have muscle elements, the muscle strength direction is determined by the muscle placement, and the muscle strength magnitude is determined by the muscle activity. By setting as, it is possible to express muscle strength on the human body model. Therefore, it is possible to use a wire element or the like, or it is possible to set only the force as a direct boundary condition.

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、人間の筋活性度が精度よく推定されたうえで、その推定値を考慮して人間の挙動が解析される。したがって、本実施形態によれば、人間の能動挙動を考慮して人間挙動を解析することが可能となる。よって、例えば、障害物に衝突する車両における乗員の挙動を解析することが必要である場合には、その乗員が自ら、例えば、身構え、逃げ、反射運動、ブレーキ操作等の能動挙動を示すことを見込んで、人間挙動を精度よく解析することが可能となる。   As is clear from the above description, in this embodiment, the human muscle activity is accurately estimated, and then the human behavior is analyzed in consideration of the estimated value. Therefore, according to this embodiment, it is possible to analyze human behavior in consideration of human active behavior. Thus, for example, when it is necessary to analyze the behavior of an occupant in a vehicle that collides with an obstacle, the occupant must exhibit active behavior such as, for example, posture, escape, reflective motion, and brake operation. It is possible to analyze human behavior with high accuracy.

ところで、従来の有限要素人体モデルにおいては、人間を能動的に動作させるアクチュエータである筋のモデルが不足しており、この従来の有限要素人体モデルを用いて人間の能動的な運動を解析することは困難であった。有限要素解析にはそもそも、計算負荷が大きいという問題や、能動的な動作のように、解析対象の変位量が大きく、その解析対象を表現する各要素が大きく変形する問題を解析する場合には、解析精度が著しく低下してしまうという問題がある。そのため、これまでは、有限要素人体モデルは能動挙動の解析に適していないと考えられてきた。   By the way, in the conventional finite element human body model, there is a lack of a muscle model which is an actuator for actively operating a human, and the human's active motion is analyzed using this conventional finite element human body model. Was difficult. To analyze finite element analysis in the first place, it is necessary to analyze a problem that the calculation load is large, or a problem that the displacement of the analysis target is large and each element representing the analysis target is greatly deformed, such as active operation. There is a problem that the analysis accuracy is remarkably lowered. Therefore, until now, it has been considered that the finite element human body model is not suitable for active behavior analysis.

理論的には、有限要素人体モデルに筋モデルを付加的に定義し、その筋モデルに割り当てられた筋活性度を特定すれば、能動的な運動を含めた挙動解析を有限要素人体モデルを用いて行うことが可能である。しかし、筋活性度を特定するためには、解析対象となる能動運動を解析して、各筋の活動状態を求めなければならないが、前述のように、有限要素人体モデルは動作解析には適していない。   Theoretically, if a muscle model is additionally defined in a finite element human body model and the muscle activity assigned to the muscle model is specified, behavior analysis including active motion is used for the finite element human body model. Can be done. However, in order to specify the muscle activity level, it is necessary to analyze the active movement to be analyzed and obtain the activity state of each muscle. As mentioned above, the finite element human body model is suitable for motion analysis. Not.

そこで、本実施形態においては、有限要素人体モデルに代えて骨格モデルまたは筋骨格モデルすなわち多関節剛体モデル(マルチボディモデル)が、動作解析のために用いられる。マルチボディモデルは、計算負荷が軽く、また、大きい運動をも容易に扱えることを特徴としている。本実施形態においては、具体的には、骨格モデルを用いることにより、関節運動状態量としての関節トルクが算出され、また、筋骨格モデルを用いることにより、筋運動状態量としての筋長および筋長変化速度が算出される。   Therefore, in this embodiment, a skeletal model or a musculoskeletal model, that is, an articulated rigid body model (multibody model) is used instead of the finite element human body model for motion analysis. The multi-body model is characterized by a light computational load and easy handling of large exercises. In the present embodiment, specifically, joint torque as a joint motion state quantity is calculated by using a skeletal model, and muscle length and muscle as muscle motion state quantities are calculated by using a musculoskeletal model. The long rate of change is calculated.

本実施形態においては、それら関節運動状態量および筋運動状態量の算出値を用いることにより、最適化計算によって筋活性度が推定される。その推定された筋活性度が、有限要素人体モデルに対して入力され、その結果、もとの有限要素人体モデルが、各要素が筋活性度を与えられて能動化された有限要素人体モデルに変換される。   In the present embodiment, the muscle activity is estimated by the optimization calculation by using the calculated values of the joint motion state amount and the muscle motion state amount. The estimated muscle activity is input to the finite element human body model, so that the original finite element human body model is converted into an activated finite element human body model with each element given muscle activity. Converted.

本実施形態においては、能動化された有限要素人体モデルへの変換が、筋骨格モデルから有限要素人体モデルへの復元という手法によって実現されるが、有限要素人体モデルがそもそも、すべての筋について筋活性度が可変パラメータとして設定されている場合には、もとの有限要素人体モデルの各筋ごとに単に筋活性度を特定するだけで、有限要素人体モデルの能動化が実現される。   In this embodiment, the conversion to the activated finite element human body model is realized by a method of restoring from the musculoskeletal model to the finite element human body model. However, the finite element human body model is a muscle for all muscles in the first place. When the activity level is set as a variable parameter, activation of the finite element human body model is realized by simply specifying the muscle activity level for each muscle of the original finite element human body model.

図19に示すように、本実施形態においては、人間と対象物(例えば、ブレーキペダル等の操作部材)との間に作用する接触力(または拘束力)と、人間の現実の、または想定される運動を記述する運動状態量(骨格モデルを用いて所定の物理量を算出するためにその骨格モデルに与えられる運動状態量であり、以下、単に「人間運動状態量」という。)と、筋活性度推定のための初期値と、等価物理特性とが特定されれば、筋骨格モデルを用いた計算および最適化計算により、筋活性度が推定される。   As shown in FIG. 19, in the present embodiment, the contact force (or restraining force) acting between a person and an object (for example, an operation member such as a brake pedal) and the actual or assumed of the person. The amount of motion state describing the motion (the amount of motion state given to the skeleton model in order to calculate a predetermined physical quantity using the skeleton model, hereinafter simply referred to as “human motion state amount”), and muscle activity If the initial value for the degree estimation and the equivalent physical characteristic are specified, the muscle activity is estimated by the calculation using the musculoskeletal model and the optimization calculation.

したがって、筋活性度推定のための初期値は任意に設定することができるとすれば、接触力と、人間運動状態量と、等価物理特性との組合せに応じて筋活性度が一意に決まることになる。   Therefore, if the initial value for muscle activity estimation can be arbitrarily set, muscle activity is uniquely determined according to the combination of contact force, human motion state quantity, and equivalent physical characteristics. become.

よって、それら接触力、人間運動状態量および等価物理特性と、それらの組合せに対応して推定された筋活性度との関係を体系的に表現するデータが例えば固体の記録媒体に記録されて成る筋活性度データベースを構築すれば、その後、筋活性度を参照することが必要となった場合に、その筋活性度データベースに対して通常の検索プログラムをコンピュータ20によって実行するのみで、筋活性度が取得される。   Therefore, data that systematically expresses the relationship between the contact force, the human motion state quantity and the equivalent physical property, and the muscle activity estimated corresponding to the combination thereof is recorded on, for example, a solid recording medium. When the muscle activity database is constructed, when it becomes necessary to refer to the muscle activity after that, the computer 20 only executes a normal search program for the muscle activity database. Is acquired.

すなわち、この筋活性度データベースを簡単な検索プログラムと組み合わせて利用すれば、いちいち前述の筋活性度算出プログラムをコンピュータ20によって実行することなく、筋活性度を高精度に取得することができるのである。この筋活性度データベースは前記(22)項に係る「筋活性度データベース」の一例である。   That is, if this muscle activity database is used in combination with a simple search program, the muscle activity can be obtained with high accuracy without executing the aforementioned muscle activity calculation program by the computer 20 one by one. . This muscle activity database is an example of the “muscle activity database” according to the item (22).

ところで、図19に示すように、人間運動状態量は、関節トルクの計算と、筋運動状態量の算出と、関節運動状態量の算出とにそれぞれ利用される。したがって、それら関節トルク、筋運動状態量および関節運動状態量が直接的に、または別の手法によって特定される場合には、筋活性度の推定に人間運動状態量を入力することは不要となる。   By the way, as shown in FIG. 19, the human motion state quantity is used for the calculation of the joint torque, the calculation of the muscle motion state quantity, and the calculation of the joint motion state quantity. Therefore, when the joint torque, the muscle motion state quantity, and the joint motion state quantity are specified directly or by another method, it is not necessary to input the human motion state quantity to estimate the muscle activity. .

それら関節トルク、筋運動状態量および関節運動状態量のうち、関節トルクは筋運動状態量から推定することが可能であるし、筋運動状態量は、関節運動状態量から推定することが可能である。よって、関節運動状態量が特定されれば、関節トルクおよび筋運動状態量を直接的に特定することを省略可能である。   Of these joint torques, muscle movement state quantities, and joint movement state quantities, joint torque can be estimated from muscle movement state quantities, and muscle movement state quantities can be estimated from joint movement state quantities. is there. Therefore, if the joint motion state amount is specified, it is possible to omit specifying the joint torque and the muscle motion state amount directly.

したがって、前述の筋活性度データベースの使い勝手をさらに向上させるためには、その筋活性度データベースに記録される関係を、接触力と、関節運動状態量と、等価物理特性と、筋活性度の推定値との関係に変更することが望ましい。   Therefore, in order to further improve the usability of the above-described muscle activity database, the relationship recorded in the muscle activity database includes contact force, joint motion state quantity, equivalent physical property, and muscle activity estimation. It is desirable to change the relationship with the value.

ところで、前述の筋骨格モデルにおいては、人間における現実の複数の筋が複数の筋モデル(筋要素モデル)を用いてそれぞれ表現されるが、それら筋モデルにそれぞれ割り当てられるべき複数の筋活性度が相互に依存する場合がある。   By the way, in the above-described musculoskeletal model, a plurality of real muscles in human beings are expressed using a plurality of muscle models (muscle element models), respectively, and a plurality of muscle activities to be assigned to the muscle models respectively. May depend on each other.

例えば、本実施形態においては、筋骨格モデルにおいて関節まわりの関節トルクと筋力によるモーメントとのつり合いを表現するために、筋要素モデルが骨要素モデルに、付着点および経由点において物理的に関連付けられる。それら付着点および経由点は、筋力のモーメントアームを算出する際の基礎となる。   For example, in the present embodiment, the muscle element model is physically associated with the bone element model at the attachment point and via point in order to express the balance between the joint torque around the joint and the moment due to the muscle force in the musculoskeletal model. . These attachment points and via points serve as the basis for calculating the muscular moment arm.

しかし、現実のすべての筋について、それら付着点および経由点という物理点を観念することが妥当であるわけではない。例えば、人間の腰部における大臀筋については、筋が腰骨に面で付着しているため、それら付着点および経由点を観念して筋力のモーメントアームを算出することは妥当ではない。   However, it is not appropriate to think about the physical points of attachment points and via points for all real streaks. For example, for the greater gluteus muscle in the human waist, it is not appropriate to calculate the moment arm of the muscular strength by thinking about the attachment points and via points because the muscles are attached to the hip bone on the surface.

そこで、本実施形態においては、現実には連続した1本の筋が、筋骨格モデルにおいては互いに連結された複数の筋要素モデルによって表現される。ただし、それら筋要素モデルは、もともとは1本の現実の筋を表現するものであることから、筋活性度に関して相互に依存するように取り扱うべきである。   Therefore, in the present embodiment, one continuous muscle is actually represented by a plurality of muscle element models connected to each other in the musculoskeletal model. However, since these muscle element models originally represent one real muscle, they should be handled so as to be mutually dependent on the muscle activity.

また、現実には互いに独立分離した複数本の筋が、運動神経を共有する関係上、筋活性度に関して相互に依存する場合がある。例えば、車両において運転者が急ブレーキ操作を行うために足でブレーキペダルを素早く踏み込むと、その足の筋の筋活性度が上昇するが、それに付随して手の筋の筋活性度も上昇する場合がある。それら足の筋および手の筋の組合せのように、筋活性度に関して相互に依存する複数の筋、すなわち、互いに連動して活性化する複数の筋は、筋群と称される。互いに連動して活性化する複数の筋は、共収縮性を有する複数の筋である。   In reality, a plurality of muscles that are independently separated from each other may depend on each other in terms of muscle activity due to the sharing of motor nerves. For example, when a driver quickly depresses a brake pedal with a foot to perform a sudden braking operation in a vehicle, the muscle activity of the leg muscles increases, but the muscle activity of the hand muscles also increases accordingly. There is a case. A plurality of muscles that depend on each other with respect to muscle activity, that is, a plurality of muscles that are activated in conjunction with each other, such as a combination of the muscles of the legs and hands, are referred to as muscle groups. A plurality of muscles activated in conjunction with each other are a plurality of muscles having co-contraction properties.

いずれにしても、筋骨格モデルにおける複数の筋要素モデルは、筋活性度に関して相互に依存する複数の筋要素モデルを筋要素モデル群として含んでいる。具体的には、上述の大臀筋の例においては、その大臀筋を互いに共同して表現する複数の筋要素モデルが1つの筋要素モデル群を構成し、また、上述の急ブレーキ操作の例においては、足の筋を表現する筋要素モデルと、手の筋を表現する筋要素モデルとが互いに共同して1つの筋要素モデル群を構成する。   In any case, the plurality of muscle element models in the musculoskeletal model includes a plurality of muscle element models that are mutually dependent on the muscle activity as a muscle element model group. Specifically, in the example of the greater ankle muscle, a plurality of muscle element models that represent the greater ankle muscle jointly constitute one muscle element model group, and the sudden braking operation described above is performed. In the example, the muscle element model that expresses the muscle of the foot and the muscle element model that expresses the muscle of the hand constitute one muscle element model group.

そして、各筋要素モデル群については、前述の最適化計算において筋活性度を算出するために、図12におけるS1004における制約条件が、筋活性度に関する制約条件を含むことが望ましい。   For each muscle element model group, in order to calculate the muscle activity in the above-described optimization calculation, it is desirable that the constraint condition in S1004 in FIG.

図21には、その制約条件が式(10)で表現されている。その制約条件を記述する行列Jucは、複数の筋要素モデルのうち筋活性度に関して相互に依存するものを特定するとともに、筋活性度に関して相互に依存する複数の筋要素モデルがそれぞれ示す筋活性度の比率を特定する。例えば、N個の筋要素モデルのうち1番目ないし3番目の筋要素モデルが筋活性度に関して相互に依存し、かつ、その依存比率が1:1:1である場合には、行列Jucが図21に示すように構成される。 In FIG. 21, the constraint condition is expressed by Expression (10). The matrix J uc that describes the constraint conditions specifies a plurality of muscle element models that are mutually dependent on the muscle activity, and each of the muscle activity models indicated by the plurality of muscle element models that are mutually dependent on the muscle activity. Specify the ratio of degrees. For example, if the first to third muscle element models among N muscle element models depend on each other in terms of muscle activity and the dependency ratio is 1: 1: 1, the matrix J uc is It is configured as shown in FIG.

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、図5のS4(S1006を除く。)が前記(1)項に係る「筋活性度推定方法」の一例を構成し、図5のS4(S1006を含む。)が前記(14)項に係る「筋力推定方法」の一例を構成し、コンピュータ20のうち図5のS4(S1006を除く。)を実行する部分が前記(20)項に係る「筋活性度推定システム」の一例を構成しているのである。   As is clear from the above description, in the present embodiment, S4 (excluding S1006) in FIG. 5 constitutes an example of the “muscle activity estimation method” according to the item (1), and S4 in FIG. (Including S1006) constitutes an example of the “muscle strength estimation method” according to the above-mentioned item (14), and the portion of the computer 20 that executes S4 (excluding S1006) in FIG. This is an example of the “muscle activity estimation system”.

さらに、本実施形態においては、図8におけるS301およびS306と図12におけるS1002とが互いに共同して前記(1)項における「入力工程」の一例を構成し、図12におけるS1001およびS1003ないしS1005が互いに共同して同項における「筋活性度算出工程」の一例を構成しているのである。   Further, in the present embodiment, S301 and S306 in FIG. 8 and S1002 in FIG. 12 together form an example of the “input step” in the above item (1), and S1001 and S1003 to S1005 in FIG. Together, they constitute an example of the “muscle activity calculation step” in the same section.

なお付言するに、本実施形態においては、図8におけるS306において、それぞれ筋運動状態量としての筋長および筋長変化速度が、筋骨格モデルのもとに関節運動状態量を用いて算出されるが、この算出は、実測するかまたは別の手法によって取得された筋運動状態量の入力によって容易に置換可能である。この置換容易性に着目すれば、本実施形態においては、筋運動状態量の算出を、筋運動状態量の入力(広義)の一例に該当すると考えることが妥当である。   In addition, in this embodiment, in S306 in FIG. 8, the muscle length and the muscle length change rate as the muscle motion state amount are calculated using the joint motion state amount based on the musculoskeletal model. However, this calculation can be easily replaced by an input of a muscle movement state quantity that is actually measured or acquired by another method. Focusing on this ease of replacement, in the present embodiment, it is reasonable to consider that the calculation of the muscle movement state quantity corresponds to an example of the input (broad sense) of the muscle movement state quantity.

さらに、本実施形態においては、コンピュータ20のうち図8におけるS301およびS306と図12におけるS1002とを実行する部分が前記(20)項における「入力手段」の一例を構成し、図12におけるS1001およびS1003ないしS1005を実行する部分が同項における「筋活性度算出手段」の一例を構成しているのである。   Further, in the present embodiment, the part of the computer 20 that executes S301 and S306 in FIG. 8 and S1002 in FIG. 12 constitutes an example of the “input means” in the above item (20), and S1001 and S100 in FIG. The part that executes S1003 to S1005 constitutes an example of “muscle activity calculation means” in the same section.

さらに、本実施形態においては、図8におけるS301、S302およびS306と図12におけるS1002とが互いに共同して前記(2)項における「入力工程」の一例を構成し、図8におけるS303が同項における「関節トルク算出工程」の一例を構成し、図12におけるS1001およびS1003ないしS1005が互いに共同して同項における「筋活性度算出工程」の一例を構成しているのである。   Further, in the present embodiment, S301, S302, and S306 in FIG. 8 and S1002 in FIG. 12 jointly constitute an example of the “input step” in the item (2), and S303 in FIG. In FIG. 12, and S1001 and S1003 to S1005 in FIG. 12 together constitute an example of the “muscle activity calculation step” in the same term.

さらに、本実施形態においては、コンピュータ20のうち図8におけるS301、S302およびS306と図12におけるS1002とを実行する部分が前記(21)項における「入力手段」の一例を構成し、図8におけるS303を実行する部分が同項における「関節トルク算出手段」の一例を構成し、図12におけるS1001およびS1003ないしS1005を実行する部分が同項における「筋活性度算出手段」の一例を構成しているのである。   Furthermore, in the present embodiment, the portion of the computer 20 that executes S301, S302, and S306 in FIG. 8 and S1002 in FIG. 12 constitutes an example of the “input means” in the above item (21), and in FIG. The part that executes S303 constitutes an example of “joint torque calculating means” in the same term, and the part that executes S1001 and S1003 to S1005 in FIG. 12 constitutes an example of “muscle activity degree calculating means” in the same term. It is.

さらに、本実施形態においては、図18における式(7)によって表現される関数が前記(1)項における「関数」の一例と、前記(20)項における「関数」の一例とをそれぞれ構成しているのである。   Further, in the present embodiment, the function expressed by the equation (7) in FIG. 18 constitutes an example of “function” in the item (1) and an example of “function” in the item (20). -ing

以上、本発明の実施の形態の一つを図面に基づいて詳細に説明したが、これは例示であり、前記[発明の開示]の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。   Although one embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, this is an exemplification and is based on the knowledge of those skilled in the art including the aspects described in the section of [Disclosure of the Invention]. The present invention can be implemented in other forms with various modifications and improvements.

本発明の一実施形態に従う筋活性度推定方法を含む人間挙動解析方法を実施するのに好適な人間挙動解析システムのハードウエア構成を概念的にあらわすブロック図である。1 is a block diagram conceptually showing a hardware configuration of a human behavior analysis system suitable for implementing a human behavior analysis method including a muscle activity estimation method according to an embodiment of the present invention. FIG. 図1における有限要素人体モデルのうちの下肢部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the leg part among the finite element human body models in FIG. 図1における骨格モデルのうちの下肢部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the leg part among the skeleton models in FIG. 図1における筋骨格モデルのうちの下肢部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the leg part among the musculoskeletal models in FIG. 図1における人間挙動解析プログラムを概念的に表すフローチャートである。2 is a flowchart conceptually showing a human behavior analysis program in FIG. 1. 図5におけるS2の詳細を骨格モデル作成プログラムとして概念的に表すフローチャートである。6 is a flowchart conceptually showing details of S2 in FIG. 5 as a skeleton model creation program. 図5におけるS3の詳細を筋骨格モデル作成プログラムとして概念的に表すフローチャートである。6 is a flowchart conceptually showing details of S3 in FIG. 5 as a musculoskeletal model creation program. 図5におけるS4の詳細を筋活性度算出プログラムとして概念的に表すフローチャートである。6 is a flowchart conceptually showing details of S4 in FIG. 5 as a muscle activity calculation program. 図5におけるS5の詳細を有限要素人体モデル復元プログラムとして概念的に表すフローチャートである。6 is a flowchart conceptually showing details of S5 in FIG. 5 as a finite element human body model restoration program. 図7におけるS203の実行内容を説明するために人間の筋および腱を力の作用方向に着目して示す平面図である。FIG. 8 is a plan view showing human muscles and tendons, focusing on the direction of force application, in order to explain the execution contents of S203 in FIG. 7. 図7におけるS204の実行内容を説明するために、数値解析モデルとしての筋モデルを式(1)および(2)で示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a muscle model as a numerical analysis model expressed by equations (1) and (2) in order to explain the execution contents of S204 in FIG. 図8におけるS307の詳細を最適化計算プログラムとして概念的に表すフローチャートである。10 is a flowchart conceptually showing details of S307 in FIG. 8 as an optimization calculation program. 図12におけるS1002における等価剛性の意義を説明するために、人間の手または足と対象物とが互いに物理的に接触する連成物理系を、変位および力の伝達方向に着目して簡略的に示す図である。In order to explain the significance of the equivalent stiffness in S1002 in FIG. 12, a coupled physical system in which a human hand or foot and an object are in physical contact with each other is briefly described with a focus on displacement and force transmission direction. FIG. 図12におけるS1002における等価剛性の測定手法を説明するためにブレーキ操作装置を示す側面図と回動角θと力Fとの関係を表すグラフである。FIG. 13 is a side view showing a brake operating device and a graph showing a relationship between a rotation angle θ and a force F in order to explain the equivalent stiffness measurement method in S1002 in FIG. 図12におけるS1002が採用する解析原理を式(3)で説明する図である。It is a figure explaining the analysis principle which S1002 in FIG. 12 employ | adopts by Formula (3). 図12におけるS1005における最適化計算において用いられる目的関数を式(4)および(5)で示す図である。It is a figure which shows the objective function used in the optimization calculation in S1005 in FIG. 12 by Formula (4) and (5). 図12におけるS1005における最適化計算において用いられる制約条件を式(6)で示す図である。It is a figure which shows the constraint condition used in the optimization calculation in S1005 in FIG. 12 by Formula (6). 図16の式(5)における人間単独の剛性の推定値K(α)h,estimated,jを式(7)ないし(9)で示す図である。It is a figure which shows the estimated value rK ((alpha)) h, estimated, j of the rigidity of only a person in Formula (5) of FIG. 16 by Formula (7) thru | or (9). 図8に示す筋活性度算出プログラムの実行によって実行される筋活性度算出の流れを表すブロック線図である。It is a block diagram showing the flow of the muscle activity calculation performed by execution of the muscle activity calculation program shown in FIG. 図8に示す筋活性度算出プログラムの実行対象の一例である人間の下肢部モデルを、その下肢部モデルについての筋活性度の解析結果と共に示す斜視図である。It is a perspective view which shows the human lower limb model which is an example of the execution object of the muscle activity calculation program shown in FIG. 8 with the analysis result of the muscle activity about the lower limb model. 図12におけるS1005における最適化計算のより望ましい一例を式(10)で示す図である。It is a figure which shows a more desirable example of the optimization calculation in S1005 in FIG. 12 by Formula (10).

符号の説明Explanation of symbols

10 システム
20 コンピュータ
100 腰部
102 大腿部
104 脛部
106 足部
110 腰骨
112 大腿骨
114 脛骨
116 腓骨
118 足骨
10 system 20 computer 100 lumbar region 102 thigh 104 shin 106 foot 110 lumbar 112 femur 114 tibia 116 rib 118 shin

Claims (22)

主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度を筋活性度としてコンピュータによって推定する筋活性度推定方法であって、
前記解析部位における関節および筋のそれぞれの運動状態量を関節運動状態量および筋運動状態量として入力するとともに、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分を、前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性として入力する入力工程と、
前記筋活性度を、前記入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づき、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、前記対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように算出する筋活性度算出工程であって、前記推定値は、前記筋活性度と前記筋の運動状態量と前記関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数を用いて記述されるものと
を含む筋活性度推定方法。
A person composed mainly of a plurality of muscles and a plurality of bones and having physical characteristics that change at least one of rigidity and viscosity of each muscle in accordance with the activity of the muscles constitutes the person. The degree of activity exhibited by each of a plurality of muscles in an analysis site selected as an analysis target among the plurality of sites in a state where at least one of the plurality of sites is a contact site and is in contact with an object at the contact site Is a muscle activity estimation method for estimating a muscle activity by a computer,
The joint state and muscle motion state quantities at the analysis site are input as joint motion state quantities and muscle motion state quantities, and the rigidity of the object in a state where the contact site and the object are in physical contact with each other. And an input step of inputting, as an equivalent physical property equivalent to the physical property of the human alone, an increment of the physical property that is at least one of viscosity and viscosity from the physical property of the object alone;
Based on the input joint motion state quantity, muscle motion state quantity, and equivalent physical characteristics, the muscle activity is calculated based on the difference between the input value and the estimated value of the equivalent physical characteristics in all the motion directions of interest in the object. A muscle activity calculation step for calculating the total value so as to be substantially minimized, wherein the estimated value includes the muscle activity, the motion state quantity of the muscle, and the motion state quantity of the joint as variables; A method for estimating muscle activity, which includes:
前記入力工程は、さらに、前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力を入力し、
当該筋活性度推定方法は、さらに、
前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用する関節トルクを算出する関節トルク算出工程を含み、
前記筋活性度算出工程は、前記筋活性度を、前記合計値が実質的に最小となり、かつ、前記関節トルクと前記筋の筋力との間に力のつりあいが実質的に成立するように算出する請求項1に記載の筋活性度推定方法。
The input step further inputs a contact force acting at the contact point between the contact site and the object,
The muscle activity estimation method further includes:
A joint torque calculating step of calculating a joint torque acting around the joint at the analysis site by an inverse dynamic analysis method based on the input joint motion state quantity and the contact force;
The muscle activity calculation step calculates the muscle activity so that the total value is substantially minimized and a force balance is substantially established between the joint torque and the muscle strength of the muscle. The method for estimating muscle activity according to claim 1.
前記関節トルク算出工程は、
(a)前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、前記逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用するみかけ関節トルクであって実関節トルクと関節受動抵抗トルクとが合成されたものを算出するみかけ関節トルク算出工程と、
(b)その算出されたみかけ関節トルクと前記関節受動抵抗トルクとから、前記実関節トルクとして算出する実関節トルク算出工程と
を含み、
前記筋活性度算出工程は、その算出された実関節トルクを用いて前記筋活性度を算出する請求項2に記載の筋活性度推定方法。
The joint torque calculation step includes:
(A) Based on the input joint motion state quantity and the contact force, an apparent joint torque that acts around the joint at the analysis site by the inverse dynamics analysis method, that is, an actual joint torque and a joint passive resistance torque, An apparent joint torque calculating step for calculating a composite of
(B) an actual joint torque calculation step of calculating the actual joint torque from the calculated apparent joint torque and the joint passive resistance torque,
The muscle activity estimation method according to claim 2, wherein the muscle activity calculation step calculates the muscle activity using the calculated actual joint torque.
前記関節トルク算出工程は、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の骨に関して物理的に表現する骨格モデルを用い、かつ、その骨格モデルに、予め定められた動作を与えることにより、前記関節トルクを算出する工程を含む請求項2または3に記載の筋活性度推定方法。   The joint torque calculating step uses a skeleton model that physically represents the human on at least the plurality of bones on the computer, and gives a predetermined motion to the skeleton model, whereby the joint torque is calculated. The method for estimating muscle activity according to claim 2 or 3, further comprising the step of: 前記骨格モデルは、前記人間の体である人体を構成する複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現する多関節剛体モデルを含む請求項4に記載の筋活性度推定方法。   The skeletal model is a multi-joint rigid body model that expresses a plurality of parts constituting the human body, which is the human body, as a plurality of rigid body segments, so that the plurality of rigid body segments can rotate around a joint. The method for estimating muscle activity according to claim 4. さらに、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の筋と前記複数の骨とに関して物理的に表現する筋骨格モデルを用い、かつ、その筋骨格モデルに、予め定められた動作を与えることにより、前記筋運動状態量を算出する筋運動状態量算出工程を含む請求項1ないし5のいずれかに記載の筋活性度推定方法。   Further, by using a musculoskeletal model that physically represents the human on at least the plurality of muscles and the plurality of bones on the computer, and by giving a predetermined operation to the musculoskeletal model, The muscle activity state estimation method according to any one of claims 1 to 5, further comprising a muscle motion state amount calculation step of calculating the muscle motion state amount. 前記筋骨格モデルは、前記人間の体である人体を構成する複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現するとともに、前記複数の筋をそれぞれ複数のワイヤ要素として表現する請求項6に記載の筋活性度推定方法。   The musculoskeletal model expresses a plurality of parts constituting the human body, which is the human body, as a plurality of rigid body segments so that the plurality of rigid body segments can rotate around a joint, The muscle activity estimation method according to claim 6, wherein each muscle is expressed as a plurality of wire elements. 前記関節運動状態量は、前記関節の角度と角速度と角加速度とのうちの少なくとも一つを含み、
前記筋運動状態量は、前記筋の長さとその変化速度とのうちの少なくとも一つを含む請求項1ないし7のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
The joint motion state quantity includes at least one of an angle, an angular velocity, and an angular acceleration of the joint,
The muscle activity state estimation method according to claim 1, wherein the muscle movement state quantity includes at least one of a length of the muscle and a change speed thereof.
前記人間は、主として複数の筋要素モデルと複数の骨要素モデルとによって構成され、各筋要素モデルに割り当てられた剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋要素モデルに割り当てられた活性度に応じて変化する特性を有する人体モデルによって前記コンピュータ上において表現される請求項1ないし8のいずれかに記載の筋活性度推定方法。   The human is mainly composed of a plurality of muscle element models and a plurality of bone element models, and a physical characteristic that is at least one of stiffness and viscosity assigned to each muscle element model is assigned to the muscle element model. The muscle activity estimation method according to any one of claims 1 to 8, wherein the muscle activity is represented on the computer by a human body model having a characteristic that changes in accordance with the activity. 前記人間は、車両に乗車している乗員であり、
前記対象物は、前記車両が障害物に衝突すると前記乗員が衝突することが想定される前記車両の構造物であり、
当該筋活性度推定方法によって推定される筋活性度は、前記構造物への衝突に対する前記乗員の応答挙動を解析するために用いられる請求項1ないし9のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
The human being is an occupant riding a vehicle,
The object is a structure of the vehicle where the occupant is expected to collide when the vehicle collides with an obstacle,
The muscle activity estimation method according to any one of claims 1 to 9, wherein the muscle activity estimated by the muscle activity estimation method is used to analyze a response behavior of the occupant with respect to a collision with the structure. .
前記人間は、車両に乗車している乗員であり、
前記対象物は、その車両内において前記乗員によって操作されることが想定される操作装置であり、
当該筋活性度推定方法によって推定される筋活性度は、前記操作装置の操作に応答する前記乗員の応答挙動を解析するために用いられる請求項1ないし9のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
The human being is an occupant riding a vehicle,
The object is an operating device that is assumed to be operated by the occupant in the vehicle,
The muscle activity estimation according to any one of claims 1 to 9, wherein the muscle activity estimated by the muscle activity estimation method is used to analyze a response behavior of the occupant responding to an operation of the operating device. Method.
前記操作装置は、ブレーキ操作装置と、アクセル操作装置と、ステアリング操作装置と、シフト操作装置とのうちの少なくとも一つを含む請求項11に記載の筋活性度推定方法。   The muscle activity estimation method according to claim 11, wherein the operation device includes at least one of a brake operation device, an accelerator operation device, a steering operation device, and a shift operation device. 前記乗員は、前記車両の運転者であり、
前記車両は、それの走行状態と挙動とのうちの少なくとも一方が前記運転者の意思とは無関係に自動的に制御されるものであり、
当該筋活性度推定方法は、前記車両の走行状態と挙動とのうちの少なくとも一方の自動制御状態を考慮して前記応答挙動を解析するために用いられる請求項10ないし12のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
The occupant is a driver of the vehicle,
In the vehicle, at least one of its running state and behavior is automatically controlled regardless of the driver's intention,
13. The muscle activity estimation method is used to analyze the response behavior in consideration of an automatic control state of at least one of a running state and a behavior of the vehicle. Muscle activity estimation method.
主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つを接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された選択部位における複数の筋がそれぞれ示す筋力をコンピュータによって推定する筋力推定方法であって、
請求項1ないし13のいずれかに記載の筋活性度推定方法と、
その筋活性度推定方法によって推定された筋活性度に基づき、筋活性度と筋力との間に予め定められた関係に従い、筋力を算出する筋力算出工程と
を含む筋力推定方法。
A person composed mainly of a plurality of muscles and a plurality of bones and having physical characteristics that change at least one of rigidity and viscosity of each muscle in accordance with the activity of the muscles constitutes the person. The computer displays the muscle strength of each of the plurality of muscles in the selected portion selected as the analysis target among the plurality of portions in a state where at least one of the plurality of portions to be contacted is in contact with the object at the contact portion. The muscle strength estimation method estimated by
A muscle activity estimation method according to any one of claims 1 to 13,
A muscle strength estimation method including: a muscle strength calculation step of calculating muscle strength according to a predetermined relationship between muscle activity and strength based on the muscle activity estimated by the muscle activity estimation method.
前記予め定められた関係は、各筋につき、筋活性度と、最大筋力と、筋長と、筋長変化速度との間に予め定められた関係を含む請求項14に記載の筋力推定方法。   The muscle strength estimation method according to claim 14, wherein the predetermined relationship includes a predetermined relationship among muscle activity, maximum muscle strength, muscle length, and muscle length change rate for each muscle. 主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つを接触部位としてその接触部位において対象物に衝突する直前と直後との少なくとも一方である解析対象期間において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された選択部位において示す挙動をコンピュータによって推定する人間挙動推定方法であって、
請求項1ないし13のいずれかに記載の筋活性度推定方法と、
前記解析対象期間において前記人間に作用する外力および変位を入力する入力工程と、
それら入力された外力および変位と、前記筋活性度推定方法によって推定された筋活性度とに基づき、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の筋と前記複数の骨とに関して物理的に表現する人間物理モデルを用いることにより、前記解析対象期間において前記人間が示す挙動を算出する挙動算出工程と
を含む人間挙動推定方法。
A person composed mainly of a plurality of muscles and a plurality of bones and having physical characteristics that change at least one of rigidity and viscosity of each muscle in accordance with the activity of the muscles constitutes the person. Selection selected as an analysis target among the plurality of parts in an analysis target period that is at least one of immediately before and immediately after colliding with an object at the contact part. A human behavior estimation method for estimating a behavior shown in a part by a computer,
A muscle activity estimation method according to any one of claims 1 to 13,
An input step of inputting an external force and a displacement acting on the person in the analysis target period;
Based on the input external force and displacement and the muscle activity estimated by the muscle activity estimation method, the person is physically represented on the computer with respect to at least the plurality of muscles and the plurality of bones. A human behavior estimation method including: a behavior calculation step of calculating a behavior exhibited by the human in the period to be analyzed by using a human physical model.
人間の体である人体を複数の有限要素によって表現する有限要素人体モデルであって、前記人間を構成する複数の部位と前記複数の有限要素との帰属関係が予め設定されたものを用いることにより、人間が示す挙動を解析する人間挙動解析方法であって、
前記有限要素人体モデルを構成する前記複数の有限要素を前記帰属関係に従って分類して結合することにより、前記複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現する骨格モデルを作成する骨格モデル作成工程と、
前記有限要素モデルにおける前記複数の有限要素のうち前記複数の筋を表現するものに従い、前記作成された骨格モデル上に、複数の筋をそれぞれワイヤとして表現するワイヤ要素を、各筋の前記各剛体セグメントに対する付着点および途中の経由点の位置と共に定義することにより、筋骨格モデルを作成する筋骨格モデル作成工程と、
それら作成された骨格モデルおよび筋骨格モデルを用いることにより、指定された環境において前記人間が示す挙動を前記有限要素人体モデルを用いて解析するのに必要な情報を取得する情報取得工程と、
前記作成された筋骨格モデルから前記有限要素人体モデルを、前記取得された情報を表現するように復元する有限要素人体モデル復元工程と、
その復元された有限要素人体モデルを用いることにより、前記指定された環境において前記人間が示す挙動を算出する挙動算出工程と
を含む人間挙動解析方法。
By using a finite element human body model that expresses a human body, which is a human body, by a plurality of finite elements, in which belonging relationships between a plurality of parts constituting the human and the plurality of finite elements are set in advance , A human behavior analysis method for analyzing human behavior,
By classifying and combining the plurality of finite elements constituting the finite element human body model according to the belonging relationship, the plurality of portions are respectively defined as a plurality of rigid body segments, and the plurality of rigid body segments rotate around the joint. A skeletal model creation process for creating a skeletal model to be expressed as possible;
In accordance with what expresses the plurality of muscles among the plurality of finite elements in the finite element model, on the created skeletal model, wire elements that express the plurality of muscles as wires are respectively represented by the rigid bodies of the muscles. A musculoskeletal model creation process for creating a musculoskeletal model by defining it with the position of the attachment point to the segment and the waypoint in the middle;
An information acquisition step for acquiring information necessary for analyzing the behavior exhibited by the human in a specified environment using the finite element human body model by using the created skeletal model and musculoskeletal model;
A finite element human body model restoring step of restoring the finite element human body model from the created musculoskeletal model so as to represent the acquired information;
A human behavior analysis method including: a behavior calculation step of calculating a behavior exhibited by the human in the designated environment by using the restored finite element human body model.
請求項1ないし17のいずれかに記載の方法を実施するためにコンピュータにより実行されるプログラム。   A program executed by a computer to implement the method according to any of claims 1 to 17. 請求項18に記載のプログラムをコンピュータ読取り可能に記録した記録媒体。   The recording medium which recorded the program of Claim 18 so that computer reading was possible. 主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度を筋活性度として推定する筋活性度推定システムであって、
前記解析部位における関節および筋のそれぞれの運動状態量を関節運動状態量および筋運動状態量として入力するとともに、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分を、前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性として入力する入力手段と、
前記筋活性度を、それら入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づき、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、前記対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように算出する筋活性度算出手段であって、前記推定値は、前記筋活性度と前記筋の運動状態量と前記関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数を用いて記述されるものと
を含む筋活性度推定システム。
A person composed mainly of a plurality of muscles and a plurality of bones and having physical characteristics that change at least one of rigidity and viscosity of each muscle in accordance with the activity of the muscles constitutes the person. The degree of activity exhibited by each of a plurality of muscles in an analysis site selected as an analysis target among the plurality of sites in a state where at least one of the plurality of sites is a contact site and is in contact with an object at the contact site Is a muscle activity estimation system that estimates a muscle activity as a muscle activity,
The joint state and muscle motion state quantities at the analysis site are input as joint motion state quantities and muscle motion state quantities, and the rigidity of the object in a state where the contact site and the object are in physical contact with each other. And an input means for inputting an increment of the physical property that is at least one of viscosity and viscosity from the physical property of the object alone as an equivalent physical property that is equivalent to the physical property of the human alone,
Based on the input joint motion state amount, muscle motion state amount, and equivalent physical property, the muscle activity is calculated based on the difference between the input value of the equivalent physical property and the estimated value in all the motion directions of interest in the object. The muscle activity calculating means for calculating the total value so as to be substantially minimized, wherein the estimated value includes the muscle activity, the muscle motion state quantity, and the joint motion state quantity as variables, respectively. A muscle activity estimation system including:
前記入力手段は、さらに、前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力を入力し、
当該筋活性度推定システムは、さらに、
前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用する関節トルクを算出する関節トルク算出手段を含み、
前記筋活性度算出手段は、前記筋活性度を、前記合計値が実質的に最小となり、かつ、前記関節トルクと前記筋の筋力との間に力のつりあいが実質的に成立するように算出する請求項20に記載の筋活性度推定システム。
The input means further inputs a contact force that acts at the contact point between the contact site and the object,
The muscle activity estimation system further includes:
A joint torque calculating means for calculating a joint torque acting around the joint at the analysis site by an inverse dynamics analysis method based on the input joint motion state quantity and the contact force;
The muscle activity calculation means calculates the muscle activity so that the total value is substantially minimized and a force balance is substantially established between the joint torque and the muscle strength of the muscle. The muscle activity estimation system according to claim 20.
主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度が筋活性度としてコンピュータによる検索プログラムの実行によって読み出される筋活性度データベースであって、
(a)前記解析部位における関節の運動状態量である関節運動状態量と、
(b)前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性であって、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分に等しいものと、
(c)前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力と、
(d)前記筋活性度と
を含む複数の物理量がそれぞれ変数として相互に関連付けて予め記録されるとともに、前記検索プログラムの実行によって前記関節運動状態量と前記等価物理特性と前記接触力との組合せが特定されれば、その組合せに関連付けられた筋活性度が前記検索プログラムの実行によって特定されて出力される筋活性度データベース。
A person composed mainly of a plurality of muscles and a plurality of bones and having physical characteristics that change at least one of rigidity and viscosity of each muscle in accordance with the activity of the muscles constitutes the person. The degree of activity exhibited by each of a plurality of muscles in an analysis site selected as an analysis target among the plurality of sites in a state where at least one of the plurality of sites is a contact site and is in contact with an object at the contact site Is a muscle activity database that is read as a muscle activity by executing a search program by a computer,
(A) a joint motion state quantity which is a joint motion state quantity at the analysis site;
(B) Equivalent physical characteristics that are equivalent to the physical characteristics of the person alone, and are at least one of rigidity and viscosity of the object in a state where the contact portion and the object are in physical contact with each other. A physical property equal to the increment from the physical property of the object alone;
(C) a contact force acting at the contact point between the contact site and the object;
(D) A plurality of physical quantities including the muscle activity are recorded in advance in association with each other as variables, and a combination of the joint motion state quantity, the equivalent physical characteristic, and the contact force by executing the search program If a muscle activity is identified, a muscle activity database associated with the combination is identified and output by executing the search program.
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