JP2008004066A

JP2008004066A - 手の接触感覚の評価装置及び評価方法

Info

Publication number: JP2008004066A
Application number: JP2006286311A
Authority: JP
Inventors: Kimiaki Saito; 公昭齊藤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: JP4965223B2

Abstract

【課題】器具の設計段階において使い勝手を評価し、使い勝手の評価に要する労力と費用を削減する。
【解決手段】有限要素解析部４が、有限要素解析によって人間の手が器具を操作する際の器具と人間の手の接触面積、圧力分布、内部応力、筋負荷、変形量、及び表面の温度のうちの少なくとも一つの物理量を予測し、判定出力部５が、予測された物理量に基づき人間の手が器具を操作する際の器具の使い勝手を評価する。これにより、官能評価によるモニター試験を行う必要性がなくなるので、器具の設計段階において使い勝手を評価し、使い勝手の評価に要する労力と費用を削減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、取っ手，ドライヤー，シェーバー等、人が手に取って操作する器具の使い勝手を評価するための手の接触感覚の評価装置及び評価方法に関する。

一般に、人が手に取って操作する器具の使い勝手（使い易さ）は官能評価によるモニター試験によって評価されている。
特開２００４−６５５５８号公報特開２００３−２８１２２０号公報

しかしながら、モニター試験によって器具の使い勝手を評価する場合には、器具の試作品を製作しなければならないために、使い勝手の評価が完了するまでに多くの労力と費用が必要になる。また器具の設計段階において使い勝手を定量的に把握し、器具を設計，製造することができない。

なお、上記特許文献２には、数値解析シミュレーションから算出される圧力分布に基づいてマットレスの快適性を予測する技術が開示されているが、この技術は、人が動作していない状態での評価技術であるために、手等の動作する部位の使い勝手を評価することはできない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、器具の設計段階において使い勝手を評価し、使い勝手の評価に要する労力と費用を削減可能な手の接触感覚の評価装置及び評価方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る手の接触感覚の評価装置及び評価方法は、人間の手を有限要素によってモデル化した手モデルと人間の手により操作される器具を有限要素によってモデル化した器具モデルから人間の手が器具を操作している状態のシミュレーションモデルを作成し、作成されたシミュレーションモデルを用いて有限要素解析を実行することにより、人間の手が器具を操作する際の器具と人間の手の接触面積、圧力分布、内部応力、筋負荷、変形量、及び表面の温度のうちの少なくとも一つの物理量を算出し、算出された物理量に基づいて器具の使い勝手を評価することを特徴とする。

なお、算出された物理量が所定値以上である場合、器具の使い勝手が良いと判定することが望ましい。また、手モデルとしては人間の手を形成する骨部、皮下組織部、皮膚部、及び爪部それぞれ形状を有限要素によってモデル化して記憶すると共に、各部の物性値を記憶することが望ましい。またこの場合、人間の手を形成する指の関節及び腱それぞれの形状を有限要素によってモデル化して手モデルとして記憶してもよい。

本発明に係る手の接触感覚の評価装置及び評価方法によれば、有限要素解析によって人間の手が器具を操作する際の器具と人間の手の接触面積、圧力分布、内部応力、筋負荷、変形量、及び表面の温度のうちの少なくとも一つの物理量を予測し、予測された物理量に基づき人間の手が器具を操作する際の器具の使い勝手を評価するので、器具の設計段階において使い勝手を評価し、使い勝手の評価に要する労力と費用を削減することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる手の接触感覚の評価装置の構成及びその動作について詳しく説明する。

〔手の接触感覚の評価装置の構成〕
本発明の手の接触感覚の実施形態となる評価装置１は、パーソナルコンピュータやワークステーション等の汎用の情報処理装置により構成され、図１に示すように、モデル記憶部２，器具情報記憶部３，有限要素解析部４，及び判定出力部５を主な構成要素として備える。モデル記憶部２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の公知の記憶装置により構成され、人間の手を有限要素によってモデル化した手モデルを記憶する。より具体的には、本実施形態では、モデル記憶部２は、図２に示すように、人間の手を形成する骨，皮下組織，真皮，表皮，及び爪部それぞれの形状を有限要素（剛体，ソリッド，シェル等）によってモデル化して手モデルとして記憶する。また、モデル記憶部２は、公知の弾性体シミュレーションモデルに基づいて得られる人間の手の各部の物性値を記憶する。なお、モデル記憶部２は、人間の手を形成する指の関節，骨，及び腱それぞれの形状を有限要素によってモデル化して手モデルとして記憶してもよい。この場合、骨は変形しない剛体要素でモデル化し、関節は剛体要素の節点の自由度を拘束することにより、実際の指と同じ動作をモデル化することができる。

器具情報記憶部３は、ＲＯＭ等の公知の記憶装置により構成され、人間の手が接触する器具を有限要素によってモデル化した器具モデルを記憶する。有限要素解析部４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の公知の演算装置により構成され、後述する有限要素解析を実行する。判定出力部５は、ＣＰＵ等の公知の演算装置により構成され、予め設定されたルールに従って有限要素解析部４による有限要素解析の結果から器具の使い勝手を評価，判定する。なお、有限要素解析部４及び判定出力部５の動作は、予め作成されたコンピュータプログラムを演算装置が読み込み、コンピュータプログラムを実行することにより実現される。

以上のような構成を有する手の接触感覚の評価装置は、以下に示す有限要素解析処理を実行することにより器具の設計段階において器具の使い勝手を評価する。以下、図３に示すフローチャートを参照して有限要素解析処理を実行する際の手の接触感覚の評価装置の動作について説明する。

〔有限要素解析処理〕
図３に示すフローチャートは、使い勝手を評価する器具の３次元ＣＡＤデータが入力されるのに応じて開始となり、有限要素解析処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、有限要素解析部４が、入力された３次元ＣＡＤデータを有限要素に分割することにより器具モデルを作成し、作成した器具モデルを器具情報記憶部３に記憶する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、有限要素解析処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、有限要素解析部４が、モデル記憶部２及び器具情報記憶部３からそれぞれ手モデル及び器具モデルを読み出し、器具モデルに手モデルを接触させることにより、例えば図４〜図６（ａ），（ｂ）に示すような人間の手が器具を操作している状態のシミュレーションモデルを生成する。なお、図４は人間の指１２が取っ手１１を操作している状態を示し、図５は人間の指１２がスライド蓋１３を操作している状態を示す。また図６（ａ），（ｂ）は、人間の手を形成する指の関節，骨，及び腱それぞれの形状を考慮して、人間の手１４が棒状部材１５を操作している状態を示す。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、有限要素解析処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、有限要素解析部４が、ステップＳ２の処理により生成されたシミュレーションモデルの境界条件を設定する。具体的には、有限要素解析部４は、手首の位置（節点）の自由度を完全拘束（三次元方向の変位を固定）する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、有限要素解析処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、有限要素解析部４が、モデル記憶部２及び器具情報記憶部３を参照してステップＳ２の処理により設定されたシミュレーションモデル各部の物性値を設定する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、有限要素解析処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、有限要素解析部４が、境界条件及び物性値が設定されたシミュレーションモデルを用いて有限要素解析を実行することにより、人間の手が器具を操作する際の器具と人間の手の接触面積を算出する。なおこの時、有限要素解析部４は、接触面積に代わりに、器具を操作することに伴う人間の手の圧力分布，手の内部応力（例えば手の表皮と真皮の間の位置の応力，ミーゼスの相当応力），手の筋負荷，手の変形量，手の表面の温度（例えば手の表皮部分にある温覚や冷覚における温度）を算出してもよい。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、有限要素解析処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、判定出力部５が、ステップＳ５の処理により算出された接触面積が所定値以上であるか否かを判別する。そして判別の結果、接触面積が所定値以上である場合、判定出力部５は、ステップＳ７の処理として人間の手が器具を操作する際の器具の使い勝手は良いと合格判定した後、一連の有限要素解析処理を終了する。一方、接触面積が所定値以上でない場合には、判定出力部５は、ステップＳ８の処理として人間の手が器具を操作する際の器具の使い勝手は悪いと不合格判定した後、一連の有限要素解析処理を終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる評価装置１によれば、有限要素解析部４が、有限要素解析によって人間の手が器具を操作する際の器具と人間の手の接触面積、圧力分布、内部応力、筋負荷、変形量、及び表面の温度のうちの少なくとも一つの物理量を予測し、判定出力部５が、予測された物理量に基づき人間の手が器具を操作する際の器具の使い勝手を評価するので、器具の設計段階において使い勝手を評価し、使い勝手の評価に要する労力と費用を削減することができる。また、手等の動作する部位の評価を行うことができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となる評価装置の構成を示すブロック図である。手モデル各部の有限要素タイプを示す図である。本発明の実施形態となる有限要素解析処理の流れを示すフローチャート図である。有限要素解析処理に使用するシミュレーションモデルの一例を示す図である。有限要素解析処理に使用するシミュレーションモデルの他の例を示す図である。有限要素解析処理に使用するシミュレーションモデルの他の例を示す図である。

符号の説明

１：評価装置
２：モデル記憶部
３：器具情報記憶部
４：有限要素解析部
５：判定出力部

Claims

人間の手を有限要素によってモデル化した手モデルを記憶するモデル記憶部と、
前記人間の手により操作される器具を有限要素によってモデル化した器具モデルを記憶する器具情報記憶部と、
前記モデル記憶部及び器具情報記憶部からそれぞれ手モデル及び器具モデルを読み出し、人間の手が器具を操作している状態のシミュレーションモデルを作成し、作成されたシミュレーションモデルを用いて有限要素解析を実行することにより、人間の手が器具を操作する際の器具と人間の手の接触面積、圧力分布、内部応力、筋負荷、変形量、及び表面の温度のうちの少なくとも一つの物理量を算出する有限要素解析部と
前記有限要素解析部により算出された前記物理量に基づいて器具の使い勝手を評価する判定出力部と
を備えることを特徴とする手の接触感覚の評価装置。
請求項１に記載の手の接触感覚の評価装置であって、前記判定出力部は、前記有限要素解析部により算出された前記物理量が所定値以上である場合、人間の手が器具を操作する際の器具の使い勝手が良いと判定することを特徴とする手の接触感覚の評価装置。
請求項１又は請求項２に記載の手の接触感覚の評価装置であって、前記モデル記憶部は、人間の手を形成する骨部、皮下組織部、皮膚部、及び爪部それぞれの形状を有限要素によってモデル化して手モデルとして記憶すると共に、各部の物性値を記憶することを特徴とする手の接触感覚の評価装置。
請求項３に記載の手の接触感覚の評価装置であって、前記モデル記憶部は、人間の手を形成する指の関節及び腱それぞれの形状を有限要素によってモデル化して手モデルとして記憶することを特徴とする手の接触感覚の評価装置。
人間の手を有限要素によってモデル化した手モデルを記憶する工程と、
前記人間の手により操作される器具を有限要素によってモデル化した器具モデルを記憶する工程と、
前記手モデル及び前記器具モデルを読み出し、人間の手が器具を操作している状態のシミュレーションモデルを作成し、作成されたシミュレーションモデルを用いて有限要素解析を実行することにより、人間の手が器具を操作する際の器具と人間の手の接触面積、圧力分布、内部応力、筋負荷、変形量、及び表面の温度のうちの少なくとも一つの物理量を算出する工程と、
前記物理量に基づいて器具の使い勝手を評価する工程と
を含むことを特徴とする手の接触感覚の評価方法。