JP2003220872A

JP2003220872A - 操作性評価装置及び操作姿勢調整装置

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Publication number: JP2003220872A
Application number: JP2002023642A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Haneda; 昌敏羽田; Eiichi Yasuda; 栄一安田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-05
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: JP3985536B2

Abstract

(57)【要約】【課題】操作者の姿勢全体から操作機器の操作性を総
合的に評価する。【解決手段】操作者姿勢算出部２５は、操作機器配置
設定部２２で設定された操作環境と、操作者作成部２４
で作成された操作者の各部位の身体情報とに基づいて、
操作機器に対する操作者の姿勢、例えば操作者の各関節
角度を算出する。操作者テンソル算出部２６は、操作者
作成部２４で作成された操作者の各部位の身体情報と、
操作者姿勢算出部２５で算出された操作者の姿勢（関節
角度）とに基づいて、操作者テンソルを算出する。操作
性評価部２７は、操作機器配置設定部２２で設定された
操作機器の操作環境と、操作者テンソル算出部２６で算
出された操作者テンソルとに基づいて、有効操作力や無
効操作力を演算して、操作性の評価を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、操作性評価装置及
び操作姿勢調整装置に係り、特に操作者の姿勢全体から
操作機器の操作性を評価したり操作姿勢を調整する操作
性評価装置及び操作姿勢調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
車両を運転する人間の代わりにコンピュータマネキンを
用いて股関節、膝、足首等の関節角度を測定し、各関節
角度から車両運転時の操作性を評価する方法（以下「従
来技術１」という。）が提案されていた。従来技術１
は、ドライバの各関節角度がその関節の可動範囲に対し
てどの程度の位置にあるかに基づいて操作性が良いかを
評価していた。

【０００３】図１８は、従来の操作性評価方法における
股関節、膝及び足首の可動範囲（度）を示す図である。
従来技術１は、ステアリング位置やシートバック位置の
変更前と変更後を比べて、股関節等の関節角度が可動範
囲の中央にどれだけ近づいたかによって操作性がどの程
度向上したかを評価していた。

【０００４】しかし、従来技術１では、１つの関節角度
を調整するためにシートバックの前後位置やステアリン
グの傾斜角を少し変えただけであっても、ドライバの他
の関節角度も変わってしまうので、ドライバの姿勢全体
を総合的に評価することができないという問題があっ
た。

【０００５】本発明は、上述した課題を解決するために
提案されたものであり、操作者の姿勢全体から操作機器
の操作性を総合的に評価する操作性評価装置、及びこれ
を用いて操作者の操作姿勢を調整する操作姿勢調整装置
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１記載の発明は、操作機器の操作環境情
報と、操作者の身体情報である操作者情報とに基づい
て、前記操作機器に対する前記操作者の姿勢を算出する
姿勢算出手段と、前記姿勢算出手段で算出された操作者
の姿勢と、前記操作者情報とに基づいて、前記操作者の
操作点における操作のしやすさを表す操作者テンソルを
算出する操作者テンソル算出手段と、前記操作者テンソ
ル算出手段で算出された操作者テンソルと、前記操作機
器に対する操作者入力とに基づいて、前記操作機器の操
作性を評価する評価手段と、を備えている。

【０００７】ここで、操作機器は、シミュレーションに
おける仮想操作機器であってもよいし、実存する操作機
器であってもよい。また、操作者も、シミュレーション
における仮想操作者であってもよいし、実存する操作者
であってもよい。請求項２から４においても同様であ
る。

【０００８】操作環境情報は、操作機器の操作環境を特
定するためのすべての情報を含み、例えば操作機器の外
形、位置、姿勢が該当する。また、操作機器が複数の部
位によって構成されている場合では、各部位の外形、各
部位の相対的な位置や姿勢も含まれる。なお、操作環境
情報は、予め用意された情報であってもよいし、操作機
器に関する所定のパラメータを用いて作成された情報で
もよい。

【０００９】操作者情報は、操作者の身体を表す情報で
あり、例えば、操作者の頭、上腕、前腕等の各部位の形
状や質量等が該当する。操作者情報は、予め用意された
情報であってもよいし、操作者固有の所定のパラメータ
と操作者の一般的なデータベースとに基づいて作成され
た情報であってもよい。

【００１０】姿勢算出手段は、操作環境情報と操作者情
報とに基づいて操作機器と操作者の相対的な関係、つま
り操作機器に対する前記操作者の姿勢を算出する。操作
者の姿勢は、操作環境情報と操作者情報とによって特定
され、それらの一方が少し変化しただけであっても変化
する。そこで、姿勢算出手段は、操作者の姿勢について
は１度算出するだけでなく、操作環境情報と操作者情報
の少なくとも一方が少し変化した場合にも算出する。こ
れにより、操作環境や操作者の状態が少し変わって操作
者の姿勢全体が変わった場合でも、操作者の新たな姿勢
を容易に算出できる。なお、操作者の姿勢は、特に限定
されるものではないが、例えば操作者の各関節角度が該
当する。

【００１１】操作者テンソル算出手段は、操作者の姿勢
と操作者情報とに基づいて、操作者の操作点における操
作のしやすさを表す操作者テンソルを算出する。なお、
操作者テンソルとしては、例えば慣性テンソル、剛性テ
ンソル、粘性テンソルが好ましい。

【００１２】評価手段は、操作者テンソルと操作機器に
対する操作者入力とに基づいて、操作機器の操作性を評
価する。ここで、操作者テンソルとして慣性テンソルが
用いられた場合では、操作者入力として操作加速度を用
いればよい。同様に、剛性テンソルに対しては操作変
位、粘性テンソルに対しては操作速度を用いればよい。
そして、操作者の姿勢、操作者情報、操作者入力から操
作性を評価するので、操作環境や操作者の状態が少し変
わったために操作者の姿勢全体が変わった場合でも、操
作性を正確に評価することができる。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記評価手段は、前記操作者テンソルの少
なくとも１つの固有ベクトルと、前記操作機器の操作方
向に働く操作者入力との関係に応じて、前記操作機器の
操作性を評価することを特徴とする。

【００１４】操作者テンソルは、複数の固有ベクトルを
有している。そして、操作者テンソルは、操作点を中心
位置とし、各固有ベクトルを主軸とした楕円体で表され
る。ここで、操作者入力の方向と楕円体の主軸方向とが
一致する場合では、操作者は最も操作しやすく、操作機
器の動きに寄与しない力も生じない。そして、操作者入
力の方向と楕円体の主軸方向とが異なっていくに従っ
て、操作性が悪くなり、操作機器の動きに寄与しない力
が生じる。

【００１５】そこで、操作者テンソルの少なくとも１つ
の固有ベクトルと、操作機器の操作方向に働く操作者入
力との関係に応じて、前記操作機器の操作性を評価する
ことができる。

【００１６】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、前記評価手段は、前記操作機器の
操作性を表す指標として、操作力の大きさ、操作者入力
方向と操作力方向の位相角、有効操作力、無効操作力の
少なくとも１つを演算することを特徴とする。

【００１７】操作力の大きさは、操作者入力に対して操
作点に発生する力の絶対値である。有効操作力は操作機
器の動きに寄与する力であり、無効操作力は操作機器の
動きに寄与しない力である。このような指標を演算する
ことで、操作機器の操作性を数値により客観的に評価す
ることができる。

【００１８】請求項４記載の発明は、請求項１から３の
いずれか１項記載の操作性評価装置と、前記操作機器の
操作環境を計測する計測手段と、前記操作機器の操作環
境を調整する調整手段と、を備え、前記操作性評価装置
は、前記計測手段で計測された操作環境を用いて前記操
作機器の操作性を評価すると共に、前記操作性の評価が
向上するように前記調整手段を制御することを特徴とす
る。

【００１９】操作性評価装置は、操作環境を計測手段か
ら取得して操作機器の操作性を評価し、操作性の評価が
向上するように調整手段を制御する。

【００２０】調整手段は、操作環境を調整するにあた
り、例えば操作機器の外形、位置、姿勢のいずれか１つ
を調整するだけに限らず、これらをそれぞれ同時に調整
してもよいし、また操作機器が複数の部位によって構成
されている場合では、各部位の外形、各部位の相対的な
位置や姿勢を同時に調整してもよい。

【００２１】操作性評価装置は、操作環境が調整された
後、計測手段から再び操作環境を取得して操作性を再評
価する。そして、操作性の評価が向上するように再度調
整手段を制御する。

【００２２】このように、操作環境を調整しながら操作
環境の少しの変化に対応して正確に操作性を評価するこ
とができるので、最も操作性がよくなるように操作者の
操作姿勢を調整することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、最初に本発明の原理を説明
し、次に本発明の好ましい実施の形態について図面を参
照しながら詳細に説明する。

【００２４】［本発明の原理］１．操作者テンソルの導出エネルギーは、慣性、剛性、粘性の３つからそれぞれ考
えることができる。ここで、操作者の運動エネルギーＴ
は、慣性について考慮すると次の（１）式で表される。

【００２５】

【数１】

【００２６】ｑは操作者の姿勢を表す一般化座標であ
る。ｑは特に限定されるものではないが、例えば操作者
の関節が複数あるとすると、それぞれの関節角度が該当
する。さらに、関節角度の定義の仕方も特に限定され
ず、例えば隣り合う各部位の相対的な角度であってもよ
いし、地面垂直方向に対する絶対的な角度であってもよ
い。

【００２７】Ｍ_qは、一般化座標空間における操作者の
一般化慣性テンソルである。Ｍ_qは特に限定されるもの
ではないが、例えば操作者の身体各部の質量、慣性モー
メント、各部の長さによって定義される。

【００２８】ここで、操作機器の操作点（例えば、手先
位置や足先位置）をＸ_nとすると、操作点速度

【００２９】

【数２】

【００３０】は、次の（２）式で表される。

【００３１】

【数３】

【００３２】操作点Ｘ_nが３次元の一般化座標空間
（ｘ，ｙ，ｚ）で表された場合ではＪ_Xは３次元行列に
なり、操作点Ｘ_nが３次元の各軸回転方向も含まれる場
合ではＪ_Xは６次元行列になる。このようにＪ_Xは最大で
６次元行列で表すことができるが、以下の説明ではＪ_X
は３次元行列として説明する。

【００３３】また、操作点Ｘ_nは手先位置や足先位置に
限定されるものではなく、例えば、ひじで操作する機器
がある場合は、ひじ位置を操作点Ｘ_nとしてもよい。す
なわち、操作点Ｘ_nは任意の位置に設定することができ
る。

【００３４】Ｊ_Xの疑似逆行列を用いると、（２）式は
次の（３）式のようになる。

【００３５】

【数４】

【００３６】このように（２）式及び（３）式は、操作
機器に対する操作者の姿勢（例えば、各関節角度）との
関係を表している。さらに、（３）式を（１）式に代入
すると、運動エネルギーＴを操作点Ｘ_nで考えることが
でき、（４）式及び（５）式のように表される。

【００３７】

【数５】

【００３８】慣性テンソルＭ_Xは、（５）式に示すよう
に、３つの行列によって求められる行列であり、操作者
の姿勢に応じて変化する性質がある。なお、操作機器の
配置によって操作者の姿勢も変化するので、慣性テンソ
ルＭ_Xは操作機器の配置によっても変化する。また、慣
性テンソルＭ_Xは、異方性を有すると共にマイナスの質
量を有していない性質がある。したがって、慣性テンソ
ルＭ_Xは、必ず正の固有値及びそれに対応する固有ベク
トルを有している。

【００３９】同様に、剛性について操作者のエネルギー
を考慮すると、操作点Ｘ_nにおける操作者の剛性テンソ
ルＫ_Xは（６）式で表される。

【００４０】

【数６】

【００４１】Ｋ_qは、一般化座標空間における操作者の
剛性である。例えば、ひじ関節の剛性を考えると、上記
（６）式を用いるのが好ましい。

【００４２】また、粘性について操作者のエネルギーを
考慮すると、操作点Ｘ_nにおける操作者の粘性テンソル
Ｃ_Xは（７）式で表される。

【００４３】

【数７】

【００４４】Ｃ_qは、一般化座標空間における操作者の
粘性である。例えば、車両に設けられるダンパーを考慮
すると、上記（７）式を用いるのが好ましい。

【００４５】このように、操作者の特性と操作機器の特
性とに基づいて、任意の操作点Ｘ_nにおける操作状態を
示す慣性テンソルＭ_X、剛性テンソルＫ_X、粘性テンソル
Ｃ_Xを求めることができる。

【００４６】２．操作者テンソルを用いた操作性評価操作者テンソルとは、慣性テンソルＭ_X、剛性テンソル
Ｋ_X、粘性テンソルＣ_Xの総称をいう。以下、操作者テン
ソルとして慣性テンソルを用いた場合を例に挙げながら
説明する。

【００４７】操作者テンソルは、複数の正の固有値を有
することから、主軸の長さが固有値に、主軸方向が対応
する固有ベクトルに相当する楕円体で表される。

【００４８】ここで、操作点Ｘ_nにおける操作者入力と
して操作加速度（ベクトルａ_X、｜ａ _X｜＝１）を加え、
操作機器を動かすことについて考える。

【００４９】操作加速度ａ_Xは、操作者テンソルＭ_Xの固
有値に対応する固有ベクトル

【００５０】

【数８】

【００５１】を用いると、次の（８）式で表される。

【００５２】

【数９】

【００５３】このとき、操作点Ｘ_nに発生する操作力Ｆ_m
は、（９）式で表される。

【００５４】

【数１０】

【００５５】操作加速度ａ_Xが操作者テンソルＭ_Xの１つ
の固有ベクトルと同じ方向の場合には、固有値・固有ベ
クトルの性質により、（１０）式が成り立つ。

【００５６】

【数１１】

【００５７】したがって、操作加速度ａ_Xと操作力Ｆ_mと
は同じ方向になる。なお、λ_iは、固有ベクトルに対応
する固有値である。

【００５８】一方、操作加速度ａ_Xが操作者テンソルＭ_X
の固有ベクトルのいずれとも異なる方向の場合は、（１
１）式が成り立つ。

【００５９】

【数１２】

【００６０】したがって、すべての固有値が等しい場合
を除いて、操作加速度ａ_Xと操作力Ｆ_mとは異なる方向に
なる。

【００６１】操作者テンソルとして、剛性テンソルＫ_X
や粘性テンソルＣ_Xを用いた場合でも同様である。すな
わち、操作者の剛性テンソルＫ_Xに関しては操作変位ｄ_X
に対する操作剛性力Ｆ_K、操作者の粘性テンソルＣ_Xに関
しては操作速度ｖ_Xに対する操作粘性力Ｆ_Cをそれぞれ考
えればよい。

【００６２】以上のことから、操作機器特性である操作
方向と、操作者テンソルの主軸方向が一致する場合で
は、操作者入力と操作力は同じ方向に働く。つまり、操
作機器に対して素直に力が働く。一方、操作機器特性で
ある操作方向と、操作者テンソルの主軸方向が一致しな
い場合では、固有値の大きさに従って操作力は操作者入
力とは異なる方向に働く。

【００６３】本発明は、このような性質を利用して操作
機器の操作性を評価するために、操作力の大きさ、操作
力の位相角、有効操作力、無効操作力を求める。操作者
テンソルとして慣性テンソルＭ_X、操作者入力として操
作加速度ａ_Xを用いた場合では、具体的には次の（１
２）式から（１５）式を求める。

【００６４】

【数１３】

【００６５】なお、操作者テンソルとして剛性テンソル
Ｋ_Xを用いた場合は、操作者入力として操作変位ｄ_Xを用
いればよい。操作者テンソルとして粘性テンソルＣ_Xを
用いた場合は、操作者入力として操作速度ｖ_Xを用いれ
ばよい。

【００６６】図１は、操作者テンソルＭ_Xによって表さ
れる楕円体と操作加速度ａ_Xと操作力Ｆ_mとの関係を示す
図であり、（Ａ）は楕円体の主軸方向と操作加速度ａ_X
のベクトル方向が一致する場合、（Ｂ）は一致しない場
合を示す図である。

【００６７】同図（Ａ）に示すように、楕円体の主軸Ｕ
₂の向きと操作加速度ａ_Xの向きが一致する場合、操作力
の向きも同じ向きになる。したがって、操作力の位相角
θはゼロであり、この場合は操作機器の動きに寄与しな
い力は生じていない。

【００６８】一方、同図（Ｂ）に示すように、楕円体の
主軸Ｕ₂の向きと操作加速度ａ_Xの向きが一致しない場
合、操作力の位相角θが生じ、操作力は有効操作力と無
効操作力とに分解することができる。ここで、有効操作
力は操作機器に実際に作用する力であり、無効操作力は
操作機器の動きに寄与しない力である。

【００６９】操作機器の配置が変化すると、それに伴っ
て操作者の姿勢も変化する。そして操作者テンソルも変
化し、（１２）式から（１５）式の値も変化する。そこ
で、操作者が最も操作力を出しやすいように、また余分
な力を操作方向以外に発生させないように、操作機器を
配置すればよい。

【００７０】［第１の実施の形態］図２は、第１の実施
の形態に係る操作性評価装置１の構成を示すブロック図
である。なお、本実施の形態では、車両に設けられたス
テアリングの操作性を評価する場合を例に挙げて説明す
るが、本発明は他の操作機器の操作性を評価する場合に
ついても適用することができる。

【００７１】操作性評価装置１は、仮想操作者が仮想操
作機器を操作する時の操作性を評価するものであり、操
作者特性や操作機器特性を入力するためのキーボード１
１及びマウス１２、操作性の評価演算を行うコンピュー
タ２０、操作性評価の結果を表示するモニタ３０を備え
ている。

【００７２】キーボード１１等を介して入力される操作
者特性としては、例えば操作者の身長や体重が該当す
る。また、操作機器特性としては、例えばステアリング
の内径及び外形、ステアリング位置、ステアリング傾斜
角、シートバック角度、操作点及び操作方向（操作加速
度）が該当する。なお、操作者特性や操作機器特性は、
上述したパラメータに限定されるものではなく、評価対
象となる操作機器に応じて決定される。

【００７３】モニタ３０は、コンピュータ２０によって
演算された操作性の評価、例えば詳しくは後述する操作
力の大きさ、位相角、有効操作力、無効操作力を表示す
る。

【００７４】図３は、コンピュータ２０の機能的な構成
を示すブロック図である。コンピュータ２０は、仮想の
操作機器を作成する操作機器作成部２１と、操作機器の
配置を設定する操作機器配置設定部２２と、操作者の一
般的なモデルとなる身体寸法や質量特性を記述したデー
タベース２３と、仮想の操作者を作成する操作者作成部
２４と、操作者の姿勢を算出する操作者姿勢算出部２５
と、操作者テンソルを算出する操作者テンソル算出部２
６と、操作機器の操作性を評価する操作性評価部２７
と、を備えている。

【００７５】操作機器作成部２１は、入力された操作機
器特性（ステアリングの内径及び外形）に基づいて仮想
の操作機器（ステアリング）を作成し、この情報を操作
機器配置設定部２２に供給する。

【００７６】操作機器配置設定部２２は、入力された操
作機器特性（ステアリング位置及び傾斜角、シートバッ
ク角度、操作点、操作方向）と、操作機器作成部２１で
作成されたステアリングとに基づいて、操作環境、すな
わちステアリングの配置を設定する。

【００７７】図４は、操作機器配置設定部２２によって
設定された操作環境を示す図である。操作環境として
は、例えばシートバックから操作点まで前後方向の距離
を示す「前後位置」や、シートバックの最下部から操作
点までの高さ方向の距離を示す「上下位置」がある。な
お、図４に示すシートバック角度、傾斜角、操作点、操
作方向ベクトルａは、操作機器特性として入力されたパ
ラメータであるが、ここえは操作環境の一部とする。

【００７８】そして、操作機器配置設定部２２は、この
ように設定された操作環境の情報を操作者姿勢算出部２
５及び操作性評価部２７に供給する。

【００７９】一方、データベース２３は、操作者モデル
の身体寸法・質量特性データを記憶している。

【００８０】図５は、操作者モデルの身体寸法・質量特
性データを示す図である。同図によると、身体寸法・質
量特性データは、操作者モデルの身体の各部位につい
て、慣性モーメントＩ_xx，Ｉ_yy，Ｉ_zz、質量Ｍ、重心位
置ＣＧ、長さＬのそれぞれを示している。ここで、身体
の各部位としては、例えば頭、上腕、前腕、手、胸部、
腹部、腰部、大腿、脛部、足が該当する。

【００８１】操作者作成部２４は、データベース２３に
記憶されている身体寸法・質量特性データを参照して、
入力された操作者の身長及び体重に基づいて操作者の各
部位の身体情報を作成する。

【００８２】図６は、操作者作成部２４の作成内容を模
式的に示す図である。操作者作成部２４は、頭部・上腕
等の各部位についてそれぞれ慣性モーメント、質量、重
心位置、長さを求める。例えば頭部の長さＬｅｎｇｔ
ｈ、重心位置ＣＧ、質量Ｍａｓｓ、慣性モーメント
Ｉ_xx、Ｉ_yy、Ｉ_zzは、同図に示す各式に従って求められ
る。なお、同図において、Ｌ_HEAD、ＣＧ_HEAD、Ｍ_HEAD、
Ｉ_xx,HEAD、Ｉ_yy,HEAD、Ｉ_zz _,HEADは、上記身体寸法・
質量特性データに記述されている頭に関する長さ、重心
位置、質量、慣性モーメントである。また、上腕や前腕
等の他の部位の長さＬｅｎｇｔｈ、重心位置ＣＧ、質量
Ｍａｓｓ、慣性モーメントＩ_xx、Ｉ_yy、Ｉ_zzについても
同様に求めることができる。

【００８３】図７は、操作者作成部２４によって作成さ
れた操作者の各部位を模式的に示す図である。なお、同
図では、ステアリングの操作に関係する部位（頭、上
腕、前腕、手、胸部、腹部、腰部）のみを示し、それに
関係しない部位（大腿、頸部、足）の記載は省略した。

【００８４】操作者姿勢算出部２５は、操作機器配置設
定部２２で設定された操作環境と、操作者作成部２４で
作成された操作者の各部位の身体情報とに基づいて、操
作機器に対する操作者の姿勢を算出する。なお、本実施
の形態では、隣り合う各部位の角度、すなわち操作者の
各関節角度を算出する。

【００８５】図８は、操作者姿勢算出部２５で算出され
た操作者の各関節角度を示す図である。ここでは、操作
者姿勢算出部２５は、垂直方向に対する腰部の傾斜角度
θ₁、胸部に対する上腕の関節角度θ₂、上腕に対する前
腕の関節角度θ₃、前腕に対する手の関節角度θ₄をそれ
ぞれ算出する。

【００８６】操作者テンソル算出部２６は、操作者作成
部２４で作成された操作者の各部位の身体情報と、操作
者姿勢算出部２５で算出された操作者の姿勢（関節角
度）とに基づいて、操作者テンソルを算出する。具体的
には次の（１６）式を演算する。

【００８７】

【数１４】

【００８８】ここで、一般化慣性テンソルＭ_qは、操作
者の各部位の慣性モーメント、質量、重心位置、長さに
よって決定される行列である。Ｊ⁺ _Xは、関節角度や各部
位の長さ、操作点（ここでは手先）の位置によって決定
される行列である。

【００８９】図９は、操作者テンソル算出部２６で算出
された操作者テンソルによって表される楕円体を示す図
である。同図に示すように、操作者テンソルは、操作点
（手先）を中心とした楕円体で表される。なお、操作方
向（操作加速度）は、ステアリングの接線方向と同じで
ある。

【００９０】操作性評価部２７は、操作機器配置設定部
２２で設定された操作機器の操作環境と、操作者テンソ
ル算出部２６で算出された操作者テンソルとに基づい
て、操作性の評価を行う。

【００９１】ここでは最初に、操作者テンソルＭ_Xと操
作加速度ａ_Xとを用いて、次の（１７）式に従って操作
力の大きさ｜Ｆ｜を演算する。

【００９２】

【数１５】

【００９３】次に、操作力Ｆと操作加速度ａ_Xとを用い
て、次の（１８）式に従って操作力Ｆの位相角θを演算
する。

【００９４】

【数１６】

【００９５】さらに、操作力の大きさ｜Ｆ｜と位相角θ
とを用いて、（１９）式に従って有効操作力を演算し、
（２０）式に従って無効操作力を演算する。

【００９６】

【数１７】

【００９７】操作性評価部２７は、操作者の姿勢が変化
して操作者テンソルが変更される毎に（１６）式を演算
し、さらに操作性の指標を表す（１７）式から（２０）
式を演算する。

【００９８】つぎに、３名の被験者Ａ，Ｂ，Ｃを例に挙
げてステアリング配置を評価し、その配置の最適化を行
う場合について説明する。

【００９９】図１０は、被験者Ａ，Ｂ，Ｃの体格及び着
座条件を示す表図である。同図に示す操作者特性（身
長、体重）を入力して仮想操作者を作成し、同図に示す
着座条件（ステアリング傾斜角、シートバック角度）に
従って仮想操作者をシートに着座させる。そして、仮想
操作者にステアリングを握らせた後、ステアリングの前
後位置や上下位置を変更することで、仮想操作者の姿勢
を変更させる。

【０１００】図１１は、被験者Ｂとステアリング前後位
置を変えた時の操作者テンソルによって表される楕円体
を示す図であり、（Ａ）は被験者Ｂとステアリングとの
距離が近い場合、（Ｂ）は被験者Ｂとステアリングとの
距離が適正な場合、（Ｃ）は被験者Ｂとステアリングと
の距離が遠い場合を示す図である。同図に示すように、
ステアリングの前後位置を変えると、被験者Ｂの姿勢も
変化する。そして、操作者テンソルが変化し、その結果
として操作者テンソルで表される楕円体の大きさ、主軸
方向が変化する。

【０１０１】図１２（Ａ）は被験者Ａ，Ｂ，Ｃのステア
リングの前後位置に対する有効操作力を示す図であり、
（Ｂ）はステアリングの上下位置に対する有効操作力を
示す図である。有効操作力が最小になるステアリング位
置では、最も小さい力でステアリングを切ることができ
るので、その位置は操作者の操作力が最もステアリング
に伝わりやすい位置である。したがって、被験者Ａ，
Ｂ，Ｃのそれぞれについて有効操作力が最小となるステ
アリングの前後位置及び上下位置を見つければよい。

【０１０２】図１３（Ａ）は被験者Ａ，Ｂ，Ｃのステア
リングの前後位置に対する無効操作力を示す図であり、
（Ｂ）はステアリングの上下位置に対する無効操作力を
示す図である。無効操作力はステアリングの操作に寄与
しない力であり、ゼロになるのが好ましい。したがっ
て、被験者Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれについて無効操作力が
最小となるステアリングの前後位置及び上下位置を見つ
ければよい。

【０１０３】以上のように、本実施の形態に係る操作性
評価装置１は、操作者特性及び操作機器特性から操作者
テンソルを算出し、操作者テンソルと操作者入力との関
係に基づいて操作機器の操作性を評価することができ
る。

【０１０４】したがって、操作機器の一部位置を少し変
えただけで操作者の全体的な姿勢が変わってしまう場合
でも、操作者の全体的な操作のしやすさを表す操作者テ
ンソルを算出することができるので、常に操作性を正し
く評価することができる。

【０１０５】これにより、操作者の全体的な姿勢が少し
ずつ変わっても、操作機器の動きに寄与する有効操作力
や、操作機器の動きに寄与しない無効操作力を常に正確
に演算することができ、その結果、操作機器の操作性を
数値により客観的に評価することができる。

【０１０６】［第２の実施の形態］つぎに、第２の実施
の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同
一の部位については同一の符号を付し、その詳細な説明
は省略する。

【０１０７】図１４は、第２の実施の形態に係る操作姿
勢調整装置５０の構成を示すブロック図である。

【０１０８】操作姿勢調整装置５０は、操作者が操作機
器を実際に操作しながら操作姿勢を調整するものであ
り、シフトレバーの位置を計測するシフトレバー位置計
測部６１と、ステアリングの姿勢を計測するステアリン
グ姿勢計測部６２と、ペダルの姿勢を計測するペダル姿
勢計測部６３と、シート姿勢を計測するシート姿勢計測
部６４と、各計測部の計測結果が入力されるコンピュー
タ７０と、を備えている。

【０１０９】操作姿勢調整装置５０は、さらに、コンピ
ュータ７０の制御に従ってシフトレバーの位置を調整す
るシフトレバー位置調整部８１と、ステアリングの姿勢
を調整するステアリング姿勢調整部８２と、ペダルの姿
勢を調整するペダル姿勢調整部８３と、シートの姿勢を
調整するシート姿勢調整部８４と、を備えている。

【０１１０】図１５は、コンピュータ７０の機能的な構
成を示すブロック図である。コンピュータ７０は、図２
と同様に構成された操作機器作成部２１、操作機器配置
設定部２２、データベース２３、操作者作成部２４、操
作者姿勢算出部２５、操作者テンソル算出部２６を備え
ている。コンピュータ７０は、さらに、操作機器が調整
される毎に無効操作力を演算して操作性を評価する操作
性評価部７１と、操作機器の他の調整方法を決定する調
整方法決定部７２と、を備えている。

【０１１１】図１６は、コンピュータ７０における操作
性評価部７１及び調整方法決定部７２の動作手順を説明
するフローチャートである。

【０１１２】ステップＳＴ１では、操作性評価部７１
は、操作機器配置設定部２２で設定されたステアリング
の配置と、操作者テンソル算出部２６で算出された操作
者テンソルと、に基づいて無効操作力｜Ｆ₁｜ｃｏｓθ₁
を演算して、ステップＳＴ２に移行する。

【０１１３】図１７（Ａ）は、操作者の最初の姿勢にお
ける操作方向と操作力とを示す図である。同図に示すよ
うに、最初は、操作方向と操作力方向は少し異なってい
る。

【０１１４】ステップＳＴ２では、操作性評価部７１
は、操作機器が調整されたかを判定する。ここで、操作
性評価部７１は、操作機器配置設定部２２で設定された
操作機器の配置が変わった時、操作者テンソル算出部２
６で算出される慣性テンソルが変わった時に、操作機器
が調整されたと判定する。そして、操作機器が調整され
るまでステップＳＴ２に待機し、操作機器が調整される
とステップＳＴ３に移行する。

【０１１５】一方、操作機器が調整されると、シフトレ
バー位置計測部６１、ステアリング姿勢計測部６２、ペ
ダル姿勢計測部６３、シート姿勢計測部６４は、それぞ
れの位置や姿勢を計測し、計測結果をコンピュータ７０
に供給する。

【０１１６】ステップＳＴ３では、操作性評価部７１
は、操作機器調整後の操作機器の配置や操作者テンソル
に基づいて無効操作力｜Ｆ₂｜ｃｏｓθ₂を演算し、ステ
ップＳＴ４に移行する。

【０１１７】ステップＳＴ４では、操作性評価部７１
は、操作機器の調整前に比べて調整後の操作性が向上し
たか、ここでは無効操作力が小さくなったかを判定す
る。具体的には、次の（２１）式を満たすかを判定す
る。

【０１１８】

【数１８】

【０１１９】そして、操作性評価部７１は、（２１）式
を満たす時は再調整する必要はないのでそのまま処理を
終了し、（２１）式を満たさない時はステップＳＴ５に
移行する。

【０１２０】なお、ステップＳＴ４で操作性が向上した
と判定された場合、そのまま処理を終了する代わりに、
ステップＳＴ２に移行してもよい。これにより、ドライ
バによって操作機器が調整される毎に、操作性を評価す
ることができる。

【０１２１】図１７（Ｂ）は、操作機器を調整した後の
操作者の姿勢における操作方向と操作力とを示す図であ
る。同図に示すように、操作機器調整後に（２１）式を
満たさない場合では、操作方向と操作力方向がさらに異
なった方向になっている。

【０１２２】ステップＳＴ５では、調整方法決定部７２
は、ステップＳＴ２における操作機器の調整方法と異な
る調整方法を選択して、操作性が向上するように操作機
器の再調整を行う。例えば、ステップＳＴ２においてド
ライバがシートバックを倒した場合では、シートバック
を起こしたり、ステアリングを起こしたり、シートバッ
クとステアリングの前後位置を近くにしたり、シートバ
ックとステアリングの上下位置を下にする方法を決定す
ればよい。なお、本実施の形態では、調整方法決定部７
２は、ステアリングを起こす方法を決定するものとす
る。

【０１２３】ここで、調整方法決定部７２は、ステップ
ＳＴ２における操作機器の調整方法と異なる調整方法を
選択して操作機器を調整するために、ｉｆ−ｔｈｅｎル
ールを予め記憶しておけばよい。すなわち、ステップＳ
Ｔ２で所定の調整方法が選択された場合は、ステップＳ
Ｔ５では他の所定の調整方法を選択するというルールを
記憶しておけばよい。

【０１２４】そして、調整方法決定部７２は、選択され
た調整方法に基づいてシフトレバー位置調整部８１、ス
テアリング姿勢調整部８２、ペダル姿勢調整部８３、シ
ート姿勢調整部８４の少なくとも１つを制御して、操作
機器の配置を再調整する。

【０１２５】なお、本実施の形態では、調整方法決定部
７２は、ステアリングを起こす方法を決定し、ステアリ
ング姿勢調整部８２を制御してステアリングの傾斜角を
小さくする。そして、無効操作力が最初の無効操作力｜
Ｆ₁｜ｃｏｓθ₁よりも小さくなるまで、操作機器の最適
な配置、ここではステアリングの最適な傾斜角を探し出
す。

【０１２６】図１７（Ｃ）は、操作機器を再調整した後
（ステアリングを起こした後）の操作者の姿勢における
操作方向と操作力とを示す図である。なお、このときの
無効操作力を｜Ｆ₃｜ｃｏｓθ₃とおく。同図（Ｃ）に示
すように、操作機器を再調整した後では操作方向と操作
力方向が同図（Ａ）よりもさらに一致している。このと
き、｜Ｆ₃｜ｃｏｓθ₃は｜Ｆ₁｜ｃｏｓθ₁よりも小さく
なっている。

【０１２７】以上のように、操作姿勢調整装置５０は、
操作機器の最初の配置における無効操作力と、ドライバ
による操作機器調整後の無効操作力とを演算し、無効操
作力が小さくなって操作性が向上したかを評価すること
ができる。

【０１２８】また、ドライバによる操作機器の調整後に
無効操作力が大きくなった場合には、ドライバと異なる
調整方法を決定して、無効操作力が小さくなるようにド
ライバの操作姿勢を調整することができる。

【０１２９】これにより、操作者にとって最も操作性が
良くなるように、操作機器の配置や操作機器の特性を設
計することができる。さらに、操作者にとって最も操作
性が良くなるような操作姿勢から、操作者の最適な配置
を設計することもできる。

【０１３０】なお、調整方法決定部７２は、シフトレバ
ー位置調整部８１、ステアリング姿勢調整部８２、ペダ
ル姿勢調整部８３、シート姿勢調整部８４をそれぞれ任
意に調整しながら、無効操作力が最小となる時のシフト
レバー位置、ステアリング姿勢、ペダル姿勢、シート姿
勢を自動的に求めても良い。

【０１３１】また、本実施の形態では、無効操作力を演
算しながら操作機器調整前後の操作性を評価する場合に
ついて説明したが、有効操作力を演算しながら操作機器
調整前後の操作性を評価することもできる。

【０１３２】また、第１及び第２の形態では操作者テン
ソルとして慣性テンソルを用いた場合について説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、操作者テ
ンソルとして、剛性テンソルや粘性テンソルを用いるこ
とができるのは勿論である。

【０１３３】

【発明の効果】本発明に係る操作性評価装置によれば、
操作機器に対する操作者の姿勢と操作者情報とに基づい
て操作者テンソルを算出し、操作者テンソルと操作機器
に対する操作者入力とに基づいて操作機器の操作性を評
価することにより、操作者の姿勢、操作者情報、操作者
入力から操作性を評価するので、操作環境や操作者の状
態が少し変わったために操作者の姿勢全体が変わった場
合でも、操作性を正確に評価することができる。

【０１３４】本発明に係る操作姿勢調整装置によれば、
計測された操作環境を用いて操作機器の操作性を評価す
ると共に、操作機器の操作性評価が向上するように操作
環境を調整することにより、操作環境を調整しながら操
作環境の少しの変化にも対応して正確に操作性を評価す
ることができるので、最も操作性がよくなるように操作
者の操作姿勢を調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】操作者テンソルＭ_Xによって表される楕円体と
操作加速度ａ_Xと操作力Ｆ_mとの関係を示す図であり、
（Ａ）は楕円体の主軸方向と操作加速度ａ_Xのベクトル
方向が一致する場合、（Ｂ）は一致しない場合を示す図
である。

【図２】第１の実施の形態に係る操作性評価装置の構成
を示すブロック図である。

【図３】コンピュータの機能的な構成を示すブロック図
である。

【図４】操作機器配置設定部によって設定されたステア
リングの配置を示す図である。

【図５】操作者モデルの身体寸法・質量特性データを示
す図である。

【図６】操作者作成部の作成内容を模式的に示す図であ
る。

【図７】操作者作成部によって作成された操作者の各部
位を模式的に示す図である。

【図８】操作者姿勢算出部で算出された操作者の各関節
角度を示す図である。

【図９】操作者テンソル算出部で算出された操作者テン
ソルによって表される楕円体を示す図である。

【図１０】被験者Ａ，Ｂ，Ｃの体格及び着座条件を示す
表図である。

【図１１】被験者Ｂとステアリング前後位置を変えた時
の操作者テンソルによって表される楕円体を示す図であ
り、（Ａ）は被験者Ｂとステアリングとの距離が近い場
合、（Ｂ）は距離が適正な場合、（Ｃ）は距離が遠い場
合を示す図である。

【図１２】（Ａ）は被験者Ａ，Ｂ，Ｃのステアリングの
前後位置に対する有効操作力を示す図であり、（Ｂ）は
ステアリングの上下位置に対する有効操作力を示す図で
ある。

【図１３】（Ａ）は被験者Ａ，Ｂ，Ｃのステアリングの
前後位置に対する無効操作力を示す図であり、（Ｂ）は
ステアリングの上下位置に対する無効操作力を示す図で
ある。

【図１４】第２の実施の形態に係る操作姿勢調整装置の
構成を示すブロック図である。

【図１５】コンピュータの機能的な構成を示すブロック
図である。

【図１６】コンピュータにおける操作性評価部７１及び
調整方法決定部７２の動作手順を説明するフローチャー
トである。

【図１７】（Ａ）は、操作者の最初の姿勢における操作
方向と操作力とを示す図であり、（Ｂ）は、操作機器を
調整した後の操作者の姿勢における操作方向と操作力と
を示す図であり、（Ｃ）は、操作機器を再調整した後の
操作者の姿勢における操作方向と操作力とを示す図であ
る。

【図１８】従来の操作性評価方法における股関節、膝及
び足首の可動範囲を示す図である。

【符号の説明】

１操作性評価装置２０コンピュータ２１操作機器作成部２２操作機器配置設定部２３データベース２４操作者作成部２５操作者姿勢算出部２６操作者テンソル算出部２７操作性評価部５０操作姿勢調整装置７０コンピュータ７１操作性評価部７２調整方法決定部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】操作機器の操作環境情報と、操作者の身
体情報である操作者情報とに基づいて、前記操作機器に
対する前記操作者の姿勢を算出する姿勢算出手段と、前記姿勢算出手段で算出された操作者の姿勢と、前記操
作者情報とに基づいて、前記操作者の操作点における操
作のしやすさを表す操作者テンソルを算出する操作者テ
ンソル算出手段と、前記操作者テンソル算出手段で算出された操作者テンソ
ルと、前記操作機器に対する操作者入力とに基づいて、
前記操作機器の操作性を評価する評価手段と、を備えた操作性評価装置。
【請求項２】前記評価手段は、前記操作者テンソルの
少なくとも１つの固有ベクトルと、前記操作機器の操作
方向に働く操作者入力との関係に応じて、前記操作機器
の操作性を評価することを特徴とする請求項１記載の操
作性評価装置。
【請求項３】前記評価手段は、前記操作機器の操作性
を表す指標として、操作力の大きさ、操作者入力方向と
操作力方向の位相角、有効操作力、無効操作力の少なく
とも１つを演算することを特徴とする請求項１または２
記載の操作性評価装置。
【請求項４】請求項１から３のいずれか１項記載の操
作性評価装置と、前記操作機器の操作環境を計測する計
測手段と、前記操作機器の操作環境を調整する調整手段と、を備
え、前記操作性評価装置は、前記計測手段で計測された操作
環境を用いて前記操作機器の操作性を評価すると共に、
前記操作性の評価が向上するように前記調整手段を制御
することを特徴とする操作姿勢調整装置。