JP2007334446A - Muscle load evaluation system and product design support system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、3次元のコンピュータグラフィック画像として表示した仮想人体モデルが仮想空間において行う作業に応じて着目する筋肉に作用する負荷を評価する筋負荷評価システムと、製品を設計するにあたり仮想空間内で仮想人体モデルに製品を使用させるとともに前記筋負荷評価システムを用いて筋肉に作用する負荷を評価することにより少ない負荷で使用可能な製品の機能設計を支援する製品設計支援システムに関するものである。 The present invention relates to a muscle load evaluation system that evaluates a load acting on a muscle of interest according to a work performed in a virtual space by a virtual human body model displayed as a three-dimensional computer graphic image, and a virtual load in the virtual space when designing a product. The present invention relates to a product design support system that supports functional design of a product that can be used with a small load by using a product in a virtual human body model and evaluating a load acting on muscles using the muscle load evaluation system.
従来から、3次元のコンピュータグラフィック画像として表示される仮想人体モデルを用い、仮想人体モデルを配置した仮想空間内でシミュレーションを行うことにより、人体の動きを評価する技術が提案されている。たとえば、仮想人体モデルが存在する仮想空間内に製品の仮想モデルを配置し、製品の仮想モデルを仮想人体モデルが使用するシミュレーションを行うことにより、実際の製品の使用性などを示すことが考えられている(たとえば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の技術を採用すれば、製品を使用する評価対象者(使用者)の体格や体力の情報を仮想人体モデルに反映させることによって、個々の使用者に適合した製品の検証、体験が可能になる。
ところで、特許文献1には、歩幅や筋力などの体力情報を用いて動作を補正し、体力が乏しい場合には関節の回転角度を指定値よりも小さくするように補正することで、脚を上げる高さや手を伸ばす高さに制限を加えることが可能である旨の記載がある。ただし、筋力などによって関節の可動範囲に制限を加えるだけであって、製品を扱う際に人体の各部への負荷を評価するものではないから、身体への負荷の程度を評価することはできない。したがって、身体への負荷が少なくなるように製品を設計したり、運動時の姿勢に応じて筋肉に作用する負荷を評価することにより運動時のフォームの改善に役立てたりするというような目的には用いることができない。
By the way, in
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、仮想人体モデルの作業に応じて着目する筋肉に作用する負荷を評価可能とした筋負荷評価システムを提供し、さらに筋負荷評価システムを用いて製品を使用する際に筋肉に作用する負荷を評価することにより少ない負荷で使用可能な製品の機能設計を容易にする製品設計支援システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and an object thereof is to provide a muscle load evaluation system capable of evaluating a load acting on a muscle of interest according to work of a virtual human body model, and further, muscle load An object of the present invention is to provide a product design support system that facilitates functional design of a product that can be used with a small load by evaluating a load acting on muscles when the product is used by using an evaluation system.
請求項1の発明は、3次元のコンピュータグラフィック画像として表示される仮想人体モデルを用いて着目する筋肉に作用する負荷の程度を評価する筋負荷評価システムであって、評価対象者の身長および体重を含む身体条件に関する情報を入力する情報入力手段と、情報入力手段に入力された情報に基づいて評価対象者に対応する仮想人体モデルの3次元画像データを生成する人体モデル画像生成手段と、3次元画像データによる画像を表示する画像表示手段と、画像表示手段に表示された画像内で仮想人体モデルの姿勢を指定する姿勢指定手段と、姿勢指定手段で指定された姿勢において身体条件を用いて仮想人体モデルの着目する関節に作用するトルクを算出するトルク算出手段と、仮想人体モデルの各関節ごとに許容される最大トルクを規定し着目する関節に作用するトルクの最大トルクに対する比率であるトルク比を着目する関節の屈伸時に伸縮する筋肉に作用する負荷の評価値として算出する負荷算出手段と、負荷算出手段により算出したトルク比を画像表示手段に表示させる評価画像生成手段とを備えることを特徴とする。
The invention of
この構成によれば、情報入力手段により入力した情報を用いて評価対象者の身体条件に合致した仮想人体モデルを生成することができ、しかも姿勢指定手段を用いることにより所望の姿勢のシミュレーションが可能であるから、評価対象者に所望の姿勢を取らせた状態で、着目する筋肉に作用する負荷を身体条件に応じて評価することができる。つまり、着目する筋肉への負荷の少ない姿勢を求めることが可能になる。しかも、各関節に許容される最大トルクに対して、姿勢指定手段で指定した姿勢において関節に作用するトルクの比率をトルク比として求め、筋肉に作用する負荷の評価値としてトルク比を用いているから、各関節を屈伸させる際に伸縮する筋肉への負荷の程度をトルク比によって評価でき、簡便な方法で筋肉に作用する負荷を評価することができる。 According to this configuration, it is possible to generate a virtual human body model that matches the body condition of the person to be evaluated using the information input by the information input means, and furthermore, it is possible to simulate a desired posture by using the posture specifying means. Therefore, the load acting on the target muscle can be evaluated according to the body condition in a state where the evaluation subject has a desired posture. That is, it is possible to obtain a posture with a small load on the muscle of interest. In addition, for the maximum torque allowed for each joint, the ratio of the torque acting on the joint in the posture designated by the posture designation means is obtained as a torque ratio, and the torque ratio is used as an evaluation value of the load acting on the muscle. Therefore, the degree of load on the muscles that expand and contract when bending and stretching each joint can be evaluated by the torque ratio, and the load acting on the muscles can be evaluated by a simple method.
なお、身体条件とは、少なくとも身長および体重を含み、他に年齢、性別、障害の有無など、仮想人体モデルの形状や動きに影響を与える条件を意味する。 The body condition means a condition that affects at least the height and weight, and affects the shape and movement of the virtual human body model, such as age, sex, and the presence or absence of a disorder.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記評価画像生成手段は、前記トルク比に関して複数段階の区間を設定し前記負荷算出手段で算出したトルク比が属する区間に応じてトルク比を複数段階に分類するとともに、分類した各段階を画像表示手段に表示させることを特徴とする。 According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the evaluation image generating means sets a torque ratio according to a section to which a torque ratio calculated by the load calculating means belongs by setting a plurality of stages for the torque ratio. The classification is performed in a plurality of stages, and the classified stages are displayed on the image display means.
この構成によれば、トルク比を連続的に表示するのではなく、複数段階に分類して表示するから、着目する筋肉に作用する負荷の程度を直感的に把握するのが容易になる。 According to this configuration, since the torque ratio is not displayed continuously but is displayed in a plurality of stages, it is easy to intuitively understand the degree of load acting on the target muscle.
請求項3の発明では、請求項1または請求項2の発明において、前記評価画像生成手段は、前記トルク比の各段階に色を対応付け、着目する関節に関して求めたトルク比の段階を、前記画像表示手段表示された前記仮想人体モデルの着目する関節の部位に対応付けて色で示すことを特徴とする。
In the invention of
この構成によれば、着目する関節について求めたトルク比の各段階を、関節の部位に対応付けで色で示すので、負荷が作用する部位と程度とを把握しやすくなる。 According to this configuration, each stage of the torque ratio obtained for the joint of interest is indicated in color in association with the joint part, so that it is easy to grasp the part and the degree to which the load acts.
請求項4の発明では、請求項1または請求項2の発明において、前記評価画像生成手段は、前記トルク比の各段階に色を対応付け、着目する関節に関して求めたトルク比の段階を、前記画像表示手段表示された前記仮想人体モデルの着目する関節に対応する筋肉の部位の色で示すことを特徴とする。
In the invention of claim 4, in the invention of
この構成によれば、着目する関節について求めたトルク比の各段階を、関節に対応する筋肉の部位に対応付けて色で示すので、負荷が作用する部位と程度とを把握するのが容易になる。とくに、関節の屈曲時に伸縮する筋肉に対応付けてトルク比を示しているから、どの筋肉に負荷が作用しているかを直感的に知ることができ、仮想人体モデルの姿勢と着目する筋肉に作用する負荷の程度との関連が判りやすくなる。 According to this configuration, each stage of the torque ratio obtained for the joint of interest is indicated in color in association with the muscle part corresponding to the joint, so that it is easy to grasp the part and the degree to which the load acts. Become. In particular, the torque ratio is shown in association with the muscles that expand and contract during flexion of the joint, so it is possible to intuitively know which muscle is acting on the load, and the action of the virtual human body model and the target muscle This makes it easier to understand the relationship with the degree of load.
請求項5の発明では、請求項1ないし請求項4のいずれかの発明において、前記トルク比の一定時間毎の時間変化を一時的に記憶する履歴記憶手段を備え、履歴記憶手段は記憶しているトルク比の時間変化を前記画像表示手段にグラフ表示させることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects of the present invention, there is provided a history storage means for temporarily storing a time change of the torque ratio for every predetermined time, the history storage means storing The time change of the torque ratio is graphically displayed on the image display means.
この構成によれば、一定時間のトルク比の履歴をグラフ表示するから、着目する筋肉に作用する負荷について、仮想人体モデルの姿勢の時間変化に伴う負荷の動的変化を把握することができる。つまり、仮想人体モデルの姿勢が時間経過に伴って変化する際に、着目する筋肉に作用する負荷の最大値や持続時間を把握することができる。その結果、一続きの作業を行うように仮想人体モデルに動作を与える場合に、当該動作での負荷の最大値や負荷の持続時間を容易に把握することができ、さまざまな動作を試行することで負荷が少なく作業性のよい動作を見つけることが容易になる。 According to this configuration, since the torque ratio history for a certain time is displayed in a graph, the dynamic change of the load accompanying the time change of the posture of the virtual human body model can be grasped for the load acting on the muscle of interest. That is, when the posture of the virtual human body model changes with the passage of time, it is possible to grasp the maximum value and duration of the load acting on the muscle of interest. As a result, when giving a motion to the virtual human body model to perform a series of work, it is possible to easily grasp the maximum value of the load and the duration of the load, and try various operations. This makes it easier to find an operation with less load and better workability.
請求項6の発明は、製品の機能設計にあたり、設計した製品を仮想空間内で仮想人体モデルに使用させるとともに、請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の筋負荷評価システムを用いることにより着目する筋肉に作用する負荷の程度を評価し、評価した負荷の程度を設計条件に反映させる製品設計支援システムであって、前記筋負荷評価システムに加えて、設計した製品の3次元形状データを格納した製品データ記憶手段と、製品データ記憶手段から読み出した3次元形状データに基づいて製品の3次元画像データを生成する製品画像生成手段と、製品画像生成手段により生成された製品の3次元画像データと人体モデル画像生成手段により生成された仮想人体モデルの3次元画像データとを合成した3次元画像データを生成し前記画像表示手段に表示させる画像合成手段とを備えることを特徴とする。
The invention according to claim 6 uses the muscle load evaluation system according to any one of
この構成によれば、画像表示手段に仮想人体モデルとともに設計した製品を表示するから、製品を扱う際の姿勢のシミュレーションを仮想人体モデルを使って行うことができ、設計した製品の扱いやすさを筋肉に作用する負荷の程度によって評価することができる。たとえば、製品が浴槽であって掃除の際の姿勢で筋肉に作用する負荷を仮想人体モデルによって評価するものとすれば、筋肉に作用する負荷を低減できるように浴槽の設計を修正することで、掃除のしやすい浴槽を設計することが可能になる。 According to this configuration, since the product designed together with the virtual human body model is displayed on the image display means, the posture of the product can be simulated using the virtual human body model, and the ease of handling of the designed product can be improved. It can be evaluated by the degree of load acting on the muscle. For example, if the product is a bathtub and the load acting on the muscle in the posture during cleaning is evaluated by a virtual human model, the bathtub design can be modified to reduce the load acting on the muscle, It becomes possible to design a bathtub that is easy to clean.
本発明の筋負荷評価システムの構成によれば、評価対象者の身体条件に合致した仮想人体モデルを用いて所望の姿勢のシミュレーションを行うことで、当該姿勢において着目する筋肉に作用する負荷を身体条件に応じて評価するから、評価対象者の姿勢と筋肉に作用する負荷との関係を容易に把握することができるという利点がある。しかも、仮想人体モデルの姿勢に対して筋肉に作用する負荷の評価値として着目する関節に関するトルク比を用いるから、各関節を屈伸させる際に伸縮する筋肉への負荷の程度を簡便な方法で評価することができるという利点がある。 According to the configuration of the muscle load evaluation system of the present invention, by performing a simulation of a desired posture using a virtual human body model that matches the body condition of the person to be evaluated, the load acting on the muscle of interest in the posture is determined by the body. Since the evaluation is performed according to the conditions, there is an advantage that the relationship between the posture of the evaluation subject and the load acting on the muscle can be easily grasped. In addition, since the torque ratio for the joint of interest is used as an evaluation value of the load acting on the muscle with respect to the posture of the virtual human body model, the degree of load on the muscle that expands and contracts when each joint is bent and stretched is evaluated by a simple method. There is an advantage that you can.
また、本発明の製品設計支援システムの構成によれば、上述した筋負荷評価システムの効果に加えて、設計した製品を扱う際の姿勢のシミュレーションを仮想人体モデルを使って行うから、設計した製品の扱いやすさを筋肉に作用する負荷の程度によって評価することができるという利点がある。 Further, according to the configuration of the product design support system of the present invention, in addition to the effects of the above-described muscle load evaluation system, the posture of the designed product is simulated using a virtual human body model. There is an advantage that the ease of handling can be evaluated by the degree of load acting on the muscle.
本実施形態は、パーソナルコンピュータのようなコンピュータで実行可能なアプリケーションプログラムを用いることにより以下の機能を実現している。ただし、コンピュータとプログラムとの組み合わせではなく、専用のハードウェアによって以下の機能を実現することも可能である。 In the present embodiment, the following functions are realized by using an application program that can be executed by a computer such as a personal computer. However, the following functions can be realized by dedicated hardware instead of a combination of a computer and a program.
本実施形態は、仮想人体モデルを用いて筋肉に作用する負荷を評価する筋負荷評価システム10(図1参照)を用いて、製品の機能設計を支援する製品設計支援システムを構築する場合を例として示す。したがって、図1に示すように、製品の設計者がCAD(Computer Aided Design)装置30を用いて設計した製品の形状および寸法のうち、製品を3次元のコンピュータグラフィックの画像として表示するのに必要な3次元形状データを製品データ記憶手段21に格納する。製品データ記憶手段21は、大容量の記憶装置が必要であるからハードディスクドライブ装置を用いる。製品としては浴槽を例示し、仮想人体モデルの姿勢は浴槽の掃除の際の姿勢を例示する。ただし、製品の種類や姿勢は限定する趣旨ではなく一例として示すものである。
The present embodiment is an example in which a product design support system that supports functional design of a product is constructed using a muscle load evaluation system 10 (see FIG. 1) that evaluates a load acting on muscles using a virtual human body model. As shown. Therefore, as shown in FIG. 1, it is necessary to display a product as a three-dimensional computer graphic image out of the shape and dimensions of the product designed by a product designer using a CAD (Computer Aided Design)
製品データ記憶手段21には、複数の製品について3次元形状データを格納してもよいが、本発明は製品の設計を支援する目的で用いるから、設計段階である製品の3次元形状データのみを格納する。ただし、参照用に過去に設計された製品の3次元形状データが製品データ記憶手段21に格納されていてもよい。
The product data storage means 21 may store three-dimensional shape data for a plurality of products. However, since the present invention is used for the purpose of supporting product design, only the three-dimensional shape data of the product at the design stage is used. Store. However, three-dimensional shape data of a product designed in the past for reference may be stored in the product
製品データ記憶手段21に格納されている製品の3次元形状データを用いて画面表示を行うために製品画像生成手段22が設けられており、製品画像生成手段22では、製品データ記憶手段21から製品の3次元形状データを読み出して画面表示のための製品の3次元画像データ(以下、「製品画像データ」という)を生成する。製品画像データをディスプレイ装置に表示する画像データに用いると、ディスプレイ装置の画面には製品の3次元画像が表示される。 Product image generation means 22 is provided to perform screen display using the three-dimensional shape data of the product stored in the product data storage means 21, and the product image generation means 22 stores the product data from the product data storage means 21. The three-dimensional shape data is read out and three-dimensional image data (hereinafter referred to as “product image data”) of the product for screen display is generated. When product image data is used as image data to be displayed on a display device, a three-dimensional image of the product is displayed on the screen of the display device.
本実施形態は、設計段階の製品について使用時の姿勢において筋肉に作用する負荷を評価することが目的であるから、製品とともに使用者(評価対象者)を模擬する仮想人体モデルの3次元画像をディスプレイ装置の画面上に表示する必要がある。そこで、仮想人体モデルの画像を表示するための3次元画像データ(以下、「仮想人体モデル画像データ」という)を製品画像データとは別に人体モデル画像生成手段11において生成する。評価対象者である使用者により身体条件は異なるから、使用者の身体条件をさまざまに設定することができるように情報入力手段12を設けている。身体条件としては、少なくとも身長と体重とを入力することができ、必要に応じて年齢、性別、身体障害の有無および種類もオプションとして入力可能にしてある。 The purpose of this embodiment is to evaluate the load acting on the muscle in the posture during use of the product at the design stage. Therefore, a three-dimensional image of a virtual human body model that simulates the user (evaluation target person) together with the product. It is necessary to display on the screen of the display device. Therefore, three-dimensional image data (hereinafter referred to as “virtual human body model image data”) for displaying an image of the virtual human body model is generated by the human body model image generation means 11 separately from the product image data. Since the body condition varies depending on the user who is the evaluation target, the information input means 12 is provided so that the user's body condition can be set in various ways. As physical conditions, at least height and weight can be input, and age, sex, presence / absence of physical disability and type can be optionally input as necessary.
仮想人体モデル2は、図2に示すように、人体の骨格に対応した複数個(図示例は18個)セグメントSgと、人体の関節に対応した複数個(図示例は16個)のジョイントJnとにより表現してあり、画像表示の際には人体風の外観となるようにスキン(表面属性)をマッピングしてある。セグメントSgとジョイントJnとの個数は一例である。
As shown in FIG. 2, the virtual
セグメントSgの属性は長さであって身長に応じて決定される。つまり、身長に対する各骨の長さの平均値が知られているから、情報入力手段12から身長が入力されると、人体モデル画像生成手段11において、セグメントSgの長さが自動的に決定される。
The attribute of the segment Sg is a length and is determined according to the height. That is, since the average value of the length of each bone with respect to the height is known, when the height is input from the
ジョイントJnの属性は、角度(仮想人体モデルに設定した座標系における角度)と可動範囲とトルクと最大トルクとである。また、仮想人体モデルが直立した姿勢での各ジョイントJnの角度を、角度の初期値に用いる。角度の初期値は年齢によって変化し、高齢になり関節を支持する筋肉の筋力が低下すると、膝や腰に対応する一部のジョイントJnにより結合されているセグメントSgのなす角度が変化する(たとえば、真っ直ぐに伸びていた部位が曲がることにより、角度は180度付近から小さくなる方向に変化する)。 The attributes of the joint Jn are an angle (an angle in the coordinate system set in the virtual human body model), a movable range, a torque, and a maximum torque. In addition, the angle of each joint Jn in the posture in which the virtual human body model is upright is used as the initial value of the angle. The initial value of the angle changes with age, and when the muscle strength of the muscle supporting the joint decreases with age, the angle formed by the segments Sg connected by some joints Jn corresponding to the knees and waist changes (for example, The angle changes from the vicinity of 180 degrees to become smaller by bending the straightly extending part).
角度の初期値を用いることにより、たとえば、直立した初期姿勢において腰や膝が曲がっている状態を表すことができる。また同様に、高齢になるとジョイントJnの可動範囲が小さくなるから、ジョイントJnの可動範囲を考慮することにより、手足の到達範囲を表すことができる。トルクおよび最大トルクについては後述する。 By using the initial value of the angle, for example, it is possible to represent a state where the waist and knees are bent in an upright initial posture. Similarly, since the movable range of the joint Jn becomes smaller as the elderly age, the reach range of the limb can be expressed by considering the movable range of the joint Jn. The torque and maximum torque will be described later.
上述のように、情報入力手段12から入力された身体条件により、人体モデル画像生成手段11では、仮想人体モデル2を構成する各セグメントSgの長さと、各ジョイントJnの角度の初期値および可動範囲と最大トルクとを決定する。また、身体障害の有無および種類が入力されたときには、仮想人体モデル2について障害部位に応じて姿勢や可動範囲の調節がなされる。性別に関しては、一般に女性のほうが関節の可動範囲が大きいから、性別の指定があるときには、ジョイントJnの可動範囲を調節する。仮想人体モデル画像データは、製品画像データと同様に、ディスプレイ装置に3次元画像を表示する。
As described above, according to the body condition input from the
ところで、セグメントSgは骨格に対応しているから、関節の屈伸時に伸縮する筋肉群にも対応すると言える。また、スキンをマッピングするとセグメントSgおよびジョイントJnは画像に明示的に表示されないから、以下では、仮想人体モデル2について、セグメントSgに相当する部位を筋肉Sgと呼び、ジョイントJnに相当する部位を関節Jnと呼ぶ。したがって、筋肉Sgは、一般には1種類の筋肉ではなく複数種類の筋肉を複合した筋肉群を意味している。
By the way, since the segment Sg corresponds to the skeleton, it can be said that it corresponds to a muscle group that expands and contracts when the joint bends and stretches. In addition, when the skin is mapped, the segment Sg and the joint Jn are not explicitly displayed in the image. Therefore, in the following, in the virtual
製品画像生成手段22において生成された製品画像データと、人体モデル画像生成手段11において生成された仮想人体モデル画像データとは、画像合成手段13に入力され、製品と仮想人体モデルとの画像がディスプレイ装置の1画面に表示可能になるように合成した3次元画像データが生成される。画像合成手段13により得られる3次元画像データは、ディスプレイ装置からなる画像表示手段14に3次元画像を表示する。
The product image data generated by the product image generation means 22 and the virtual human body model image data generated by the human body model image generation means 11 are input to the image composition means 13 so that images of the product and the virtual human body model are displayed. Three-dimensional image data synthesized so as to be displayed on one screen of the apparatus is generated. The three-dimensional image data obtained by the
画像表示手段14に表示される画像は、製品画像データと仮想人体モデル画像データとを単純に合成した画像であって、初期画面に表示される向きおよび両者の相対位置はあらかじめ設定された初期値が用いられる。また、画像表示手段14に表示された画像の中で製品と仮想人体モデルとの一方を選択的に指定することができるように、画像選択手段23が設けられている。 The image displayed on the image display means 14 is an image obtained by simply combining the product image data and the virtual human body model image data, and the orientation displayed on the initial screen and the relative position of both are preset initial values. Is used. In addition, image selection means 23 is provided so that one of the product and the virtual human body model can be selectively specified in the image displayed on the image display means 14.
画像選択手段23により製品を選択したときには、画像表示手段14に表示された画像全体を見る視点位置を変更することができる。つまり、画像合成手段13により合成された3次元画像の全体を指定した視点位置から見ることが可能になる。このように視点位置を変更可能とすることにより、仮想人体モデル2が配置されている仮想空間内で製品をさまざまな方向から見ることが可能になり、視点位置を固定している場合に生じる死角の発生を防止することができる。
When a product is selected by the image selection means 23, the viewpoint position for viewing the entire image displayed on the image display means 14 can be changed. That is, the entire three-dimensional image synthesized by the
一方、画像選択手段23により仮想人体モデルを選択したときには、製品に対する仮想人体モデル2の相対位置と、仮想人体モデル2の特定の関節Jnの角度とが変更可能になる。たとえば、浴槽の掃除を行う場合には、浴槽(製品)1(図3参照)に対する仮想人体モデル2の位置を変化させなければならないから、仮想人体モデル2の浴槽1に対する相対位置が変更可能になっている。
On the other hand, when the virtual human body model is selected by the image selection means 23, the relative position of the virtual
ところで、着目する筋肉Sgに作用する負荷の評価には、当該筋肉Sgの伸縮により屈伸される関節Jnに作用するトルクを用いる。トルクは、着目する関節Jnを中心として関節Jnの周りに作用する力のモーメントを意味している。たとえば、腰関節Jnにおいて重力に基づいて作用するトルクは、図3に示すように、腰から上の部位の総質量m(四角形で囲んだ領域の質量)と重心Gの位置とを求め、腰関節Jnの周りで重心Gに作用する重力mg(gは重力加速度)による力のモーメントを求めることにより算出することができる。 By the way, the torque acting on the joint Jn bent and stretched by the expansion and contraction of the muscle Sg is used for evaluating the load acting on the muscle Sg of interest. Torque means a moment of force acting around the joint Jn around the joint Jn of interest. For example, as shown in FIG. 3, the torque acting on the hip joint Jn based on gravity is obtained by determining the total mass m (mass of a region surrounded by a square) and the position of the center of gravity G from the waist. It can be calculated by obtaining a moment of force due to gravity mg (g is gravitational acceleration) acting on the center of gravity G around the joint Jn.
評価対象者の自重以外の力が作用する場合には、それらの力も考慮してトルクを求めることがあるが、ここでは、仮想人体モデル2に他の部材による荷重が作用する場合や、仮想人体モデル2が他の部材に力を及ぼす場合についてはとくに考慮せず、仮想人体モデル2の姿勢のみによって各関節Jnごとのトルクが決定されるものとする。各関節Jnに作用するトルクは仮想人体モデル2の姿勢が決定されるとトルク算出手段15によって求めることができる。
When a force other than the subject's own weight acts, the torque may be obtained in consideration of the force, but here, when a load by other members acts on the virtual
トルク算出手段15で求めたトルクは、当該関節Jnを屈伸させる筋肉Sgに作用する負荷を反映していると考えられるから、各関節Jnに作用するトルクを求めることにより、当該関節Jnに対応した筋肉Sgに作用する負荷を評価することができる。たとえば、踝の関節Jnのトルクは下腿部の筋肉Sgの負荷に対応し、膝の関節Jnのトルクは大腿部の筋肉Sgの負荷に対応するものとみなす。すべての関節Jnは屈伸する際に筋肉Sgの伸縮を必要とするから、各関節Jnに筋肉Sgをそれぞれ対応付けることが可能であるが、上述した仮想人体モデル2では、必ずしも一対一には対応付けておらず、着目する部位(1箇所でもよいが通常は複数箇所)のみ関節Jnと筋肉Sgとの対応付けを行っている。 The torque obtained by the torque calculating means 15 is considered to reflect the load acting on the muscle Sg that bends and stretches the joint Jn. Therefore, the torque acting on each joint Jn is determined to correspond to the joint Jn. The load acting on the muscle Sg can be evaluated. For example, it is assumed that the torque of the heel joint Jn corresponds to the load of the lower leg muscle Sg, and the torque of the knee joint Jn corresponds to the load of the thigh muscle Sg. Since all the joints Jn require expansion and contraction of the muscles Sg when bending and stretching, it is possible to associate the muscles Sg with the respective joints Jn. However, the joint Jn and the muscle Sg are associated with each other only at the site of interest (there may be a single location, but usually a plurality of locations).
上述した最大トルクは、各関節Jnにおけるトルクのうち許容された最大値を意味している。最大トルクについては算出式が知られており、仮想人体モデル2に身体条件を与えると算出式を利用して各関節Jnごとに許容された最大トルクを求めることができる。最大トルクは人体モデル画像生成手段11において着目する部位の各関節Jnごとに対応付けられている。
The above-mentioned maximum torque means the maximum value allowed among the torques at each joint Jn. A calculation formula for the maximum torque is known. When a physical condition is given to the virtual
上述したトルク算出手段15によって算出したトルクの値は、個々の関節Jnによって大きさが異なるから、負荷算出手段16において、各関節Jnごとに最大トルクに対する比率であるトルク比(=トルク/最大トルク)を求めて標準化する。トルク比の絶対値は通常は0〜1(0〜100%)の範囲内の値になる。ただし、計算上ではトルクの絶対値が上限値である最大トルクを超える場合が生じる。この場合はトルクの値を異常値と判定する。たとえば、図4では「ankle」と「knee」に対応する値が100%を超える異常値が示されている。このように100%を超える異常値は100%(=1)として扱う。なお、初期位置に対して回転の向きが逆向きになる場合にはトルクが負の値になる場合もあるが、トルク比は絶対値を用いて正の値とする。 Since the magnitude of the torque calculated by the torque calculating means 15 described above varies depending on each joint Jn, the load calculating means 16 determines a torque ratio (= torque / maximum torque) that is a ratio to the maximum torque for each joint Jn. ) And standardize. The absolute value of the torque ratio is usually a value in the range of 0 to 1 (0 to 100%). However, in calculation, the absolute value of the torque may exceed the maximum torque that is the upper limit value. In this case, the torque value is determined as an abnormal value. For example, FIG. 4 shows abnormal values in which the values corresponding to “ankle” and “knee” exceed 100%. Thus, an abnormal value exceeding 100% is treated as 100% (= 1). The torque may be a negative value when the direction of rotation is opposite to the initial position, but the torque ratio is a positive value using an absolute value.
ところで、仮想人体モデル2の各関節Jnのトルクは、仮想人体モデル2の姿勢により決まるから、仮想人体モデル2の姿勢を変化させる必要がある。そこで、仮想人体モデル2の姿勢を支持することができる姿勢指定手段17を設けている。姿勢指定手段17では、画像表示手段14に表示された仮想空間において仮想人体モデル2の所望の部位に結合したポインタP(図3、図4参照)を表示し、ポインタPの位置を変化させることによって仮想人体モデル2の所望の部位の位置を変化させることが可能になっている。たとえば、ポインタPを仮想人体モデル2の手に結合している場合には、マウスのようなポインティングデバイスを用いてポインタPをドラッグすることにより、手の位置を変化させることができる。
By the way, since the torque of each joint Jn of the virtual
仮想人体モデル2の姿勢を変更する際には、各関節Jnの角度を個々に指定すると膨大な時間を要する上に仮想人体モデル2の姿勢が不自然になることがある。そこで、姿勢指定手段17によって仮想人体モデル2の所望の部位の位置を変化させると、当該部位の位置変化に連動して他の部位の位置も変化するように、人体モデル画像生成手段11において各関節Jnの連動関係が規定されている。
When the posture of the virtual
したがって、手あるいは足など仮想人体モデル2の特定の部位にポインタPを結合し、ポインタPの位置を変化させると、ポインタPの位置変化に追従して仮想人体モデル2の他の部位の関節Jnの角度が連動して変化するようにしてある。また、連動関係には仮想人体モデル2が不自然な姿勢にならないように制限を設けてある。すなわち、人体モデル画像生成手段11には、ポインタPの位置と各関節Jnの角度とを対応付けたルール群を設定してあり、ポインタPの位置が変化するたびにルール群に照合することにより、各関節Jnの角度を決定する。
Accordingly, when the pointer P is coupled to a specific part of the virtual
上述したように、仮想人体モデル2の姿勢を変化させると、各姿勢において各関節Jnに作用するトルクが変化する。トルクと最大トルクとの比率であるトルク比は、着目する関節Jnについてのみ求められ、着目する各関節Jnごとのトルク比が画像表示手段14に表示される。トルク比を画像表示手段14に表示するにあたっては、負荷検出手段19で求めたトルク比を評価画像生成手段18を介して画像合成手段13に入力する。評価画像生成手段18では、画像表示手段14の画面にトルク比を表示する方法として複数種類の方法を選択することができる。
As described above, when the posture of the virtual
トルク比を数値として把握する場合には、図4の左下部に示すように、画像表示手段14の画面上に、着目する関節Jnの関節名Nmと、求めたトルクの値Trと、最大トルクの値Tmと、トルク比Rtとを対応付けて表示する。この表示を行えばトルク比を具体的な数値で認識することができる。 When grasping the torque ratio as a numerical value, as shown in the lower left part of FIG. 4, on the screen of the image display means 14, the joint name Nm of the joint Jn of interest, the obtained torque value Tr, and the maximum torque Value Tm and the torque ratio Rt are displayed in association with each other. If this display is performed, the torque ratio can be recognized by a specific numerical value.
ただし、トルク比を数値で表すると具体性はあるものの各関節Jnにおけるトルクを直感的に把握することができず、また、各関節Jnの周りでどの向きにトルクが作用しているのかも把握することができない。そこで、評価画像生成手段18では、各関節Jnの近傍に矢印付きの弧Crを表示し、トルクが作用する向きを矢印によって示す表示も可能になっている(図4参照)。この表示では、トルク比に複数段階の区間を設定してあり、負荷算出手段16で算出したトルク比が属する区間に応じてトルク比を分類する。分類した各区間には、色が対応付けてあり、トルク比の各区間ごとに矢印付きの弧Crに異なる色を着色する。たとえば、トルク比を3段階に分け、トルク比が小、中、大の各区間に対応付けて弧Crを青色、黄色、赤色などに着色する。この表示によって、トルクの向きとトルク比の大きさの程度を直感的に把握することが可能になる。区間数は3区間に限らず4区間以上の段階としてもよい。 However, if the torque ratio is expressed numerically, the torque at each joint Jn cannot be intuitively grasped although it is concrete, and it is also understood in which direction the torque acts around each joint Jn. Can not do it. Therefore, the evaluation image generating means 18 can display an arc Cr with an arrow in the vicinity of each joint Jn and indicate the direction in which the torque acts by an arrow (see FIG. 4). In this display, a plurality of sections are set for the torque ratio, and the torque ratios are classified according to the section to which the torque ratio calculated by the load calculating means 16 belongs. Each classified section is associated with a color, and an arc Cr with an arrow is colored differently for each section of the torque ratio. For example, the torque ratio is divided into three stages, and the arc Cr is colored in blue, yellow, red, etc. in association with the sections where the torque ratio is small, medium, and large. This display makes it possible to intuitively grasp the direction of torque and the magnitude of the torque ratio. The number of sections is not limited to three sections, and may be four or more stages.
矢印付きの弧Crを用いる表示方法では、着目している各関節Jnの位置とトルク比の大きさの程度とトルクの向きとを直感的に把握することができるものの、実際に負荷が作用するのは関節Jnではなく筋肉Sgであるから、弧Crでは負荷の作用している筋肉Sgとの対応関係がわかりにくい。また、着目する関節Jnの個数が多くなると、弧Crが重なり合って表示が判読しにくくなる可能性もある。 In the display method using the arc Cr with an arrow, although the position of each joint Jn of interest, the magnitude of the torque ratio, and the direction of the torque can be intuitively grasped, the load actually acts. Since it is not the joint Jn but the muscle Sg, it is difficult to understand the correspondence with the muscle Sg on which the load is applied in the arc Cr. Further, when the number of joints Jn to be focused on increases, the arc Cr may overlap and the display may be difficult to read.
そこで、評価画像生成手段18の他の表示方法として、各関節Jnに対応付けた筋肉Sgの部位をトルク比の各区間に応じた色に着色する表示(図4では斜線部で着色部位を示している)も採用できるようにしてある。すなわち、弧Crで表示する場合と同様に、トルク比を複数段階の区間に分類し、どの区間に属するかに応じて色分けを行っている。ただし、着色する部位が弧Crではなく、関節Jnに対応付けた筋肉Sgであって、この表示によりどの筋肉Sgにどの程度の負荷が作用しているかを直感的に把握することが可能になる。 Therefore, as another display method of the evaluation image generating means 18, a display of coloring the muscle Sg region associated with each joint Jn in a color corresponding to each section of the torque ratio (in FIG. 4, the shaded region is indicated by the shaded portion). Is also available. That is, as in the case of displaying with the arc Cr, the torque ratio is classified into a plurality of stages and color-coded according to which section it belongs to. However, the portion to be colored is not the arc Cr but the muscle Sg associated with the joint Jn, and this display makes it possible to intuitively understand how much load is acting on which muscle Sg. .
上述した表示方法は、画像表示手段14の画面に表示された仮想人体モデル2の姿勢に対応したトルク比のみを表しているが、仮想人体モデル2が動作を伴う場合には、トルク比について動作経路に従った履歴を把握したい場合もある。そこで、一定時間分(たとえば、5秒間)のトルク比を一時的に記憶する履歴記憶手段19を設け、評価画像生成手段18において履歴記憶手段19に記憶されたトルク比の時間変化を画像表示手段14にグラフ表示させれば、トルク比の時間変化を把握するのが容易になる。具体的には図5に示すように、時間を横軸として縦軸をトルク比(百分率で表している)としたグラフ上で、各関節Jnごとのトルク比の時間変化を表示する。画像表示手段14の画面上での実際の表示では、図5の右端に記載した関節名と、グラフ中のトルク比を表す線とが色によって対応付けられる。図5では、関節名が8個であるのに対して、グラフ中には5本の曲線しか示されていないが、これは残りの3本の線がトルク比が0%であるラインに重なっているからである。
The display method described above represents only the torque ratio corresponding to the posture of the virtual
上述のようなグラフ表示を行うと、仮想人体モデル2の動作中におけるトルク比の最大値を容易に把握することができ、また、仮想人体モデル2の動作中においてトルク比の大きい期間が継続しているか否かを直感的に認識することが可能になる。
When the graph display as described above is performed, the maximum value of the torque ratio during the operation of the virtual
上述した各表示方法は、単独で用いることができるが、適宜に組み合わせて用いることもできる。複数種類の表示方法を組み合わせて用いると、各表示方法で不足している情報を互いに補完することができ、製品1の機能設計に際しては使用者にとって少ない負荷で使用することができる製品1の設計を支援することができる。
Each of the display methods described above can be used alone, but can also be used in appropriate combination. When a plurality of types of display methods are used in combination, the information lacking in each display method can be complemented with each other, and the design of the
ところで、身体条件の異なる複数の使用者が同じ姿勢をとったときに、着目する筋肉Sgにどれくらいの負荷が作用するかを比較して評価したい場合がある。このような目的のために、一つの仮想人体モデル2の姿勢を他の仮想人体モデル2に複製することが可能になっている。つまり、図6に示すように、複製元の仮想人体モデル2の各関節Jnの角度を複製先の仮想人体モデル2に適用するのである(図示例では、右側の仮想人体モデル2が複製元であり、左側の仮想人体モデル2を複製先としている)。ここで、2つの仮想人体モデル2の身長や体重が異なる場合には、各筋肉Sgに作用する負荷も変化するから、複製元と複製先とでトルク比も変化する(図示例では、複製元のほうが複製先よりも体重が大きく大腿部や腰部のトルク比は複製元のほうが大きくなっている)。つまり、関節Jnの角度を複製することによって姿勢を複製すると、各仮想人体モデル2の身体条件(属性)に応じたトルク比が求められ、当該トルク比が複製先の仮想人体モデル2に適用される。
By the way, when a plurality of users having different body conditions take the same posture, it may be desired to compare and evaluate how much load acts on the focused muscle Sg. For this purpose, the posture of one virtual
姿勢を複製するのを同様に、複数の使用者が同じ動きをしたときに、着目する筋肉Sgにどのような負荷が作用するかを比較して評価したい場合もある。このような目的では、一つの仮想人体モデル2の動作を他の仮想人体モデル2に複製することが要求される。そこで動作を複製する場合には、仮想人体モデル2の動作の履歴(各関節Jnの角度の時間変化の履歴)を記憶しておき、他の仮想人体モデル2に動作の履歴を複製する。
Similarly, when replicating the posture, it may be desired to compare and evaluate what kind of load acts on the muscle Sg of interest when a plurality of users make the same movement. For such a purpose, it is required to duplicate the operation of one virtual
なお、上述した実施形態では製品設計支援システムを構築する例を示したが、筋負荷評価システム10は単独でも使用可能であって、筋負荷評価システム10を単独使用すれば、評価対象者の姿勢に応じて筋肉に作用する負荷を把握することができ、運動解析などの用途に役立てることも可能である。
In addition, although the example which builds a product design support system was shown in the embodiment mentioned above, the muscle
1 製品
2 仮想人体モデル
10 筋負荷評価システム
11 人体モデル画像生成手段
12 情報入力手段
13 画像合成手段
14 画像表示手段
15 トルク算出手段
16 負荷算出手段
17 姿勢指定手段
18 評価画像生成手段
19 履歴記憶手段
21 製品データ記憶手段
22 製品画像生成手段
23 画像選択手段
Jn ジョイント(関節)
P ポインタ
Sg セグメント(筋肉)
DESCRIPTION OF
P pointer Sg segment (muscle)
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