JP2010023593A - Steering wheel apparatus for measuring gripping action - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、運転者の操舵時把持力を圧力分布により計測する手法を特徴とするステアリングホイール装置に関する。
The present invention relates to a steering wheel device characterized by a method of measuring a driver's steering grip force by pressure distribution.
運転者の安全運転を支援する上で、運転者の生理的な状態量は不可欠である。 In order to support a driver's safe driving, the physiological state quantity of the driver is indispensable.
従来技術では、操舵装置から脈拍などを検出する手法（特許文献１）が提案されているが、円形状の操舵装置では、どの位置を把持するか不定であるため、計測装置の適切な配置が困難である。 In the prior art, a method of detecting a pulse or the like from a steering device (Patent Document 1) has been proposed. However, in a circular steering device, it is uncertain which position is gripped, so an appropriate arrangement of the measuring device is not possible. Have difficulty.
また、光学機器による非接触計測（特許文献２）や臀部や背面を介した脈拍計測の例（特許文献３）もあるが、生理情報との関連付けの根拠に乏しいだけでなく、生体表面からの直接計測ではないため信頼性も低い。 There are also examples of non-contact measurement using optical equipment (Patent Document 2) and pulse measurement via the buttocks and the back (Patent Document 3), but not only the basis for the association with physiological information is poor, Reliability is low because it is not direct measurement.
安全運転支援において、運転者の生理状態把握は重要であるが、運転中の生理情報の正確な取得は、計測装置の運転者への装着を伴ったり、人物の違いや心理状況や疲労などのさまざまな条件により計測結果に大きなばらつきが見られたりして、非常に困難であった。したがって、適切な計測装置の配置が求められていた。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、運転者が直接把持し操作するステアリングホイール装置であって、小型圧力計測装置を備え、運転者の把持傾向解析に基づき適切に分配配置される、表面被覆内側の圧力センサを用いて、圧力値と前記圧力センサの設置状況から、運転者の把持力と把持位置を計測する手段を有することを特徴とする、把持行動計測ステアリングホイール装置を提供することである。
Therefore, a problem to be solved by the present invention is a steering wheel device that is directly gripped and operated by a driver, and includes a small pressure measuring device, and is appropriately distributed and arranged based on a driver's grip tendency analysis. Provided is a gripping action measuring steering wheel device having means for measuring a gripping force and a gripping position of a driver from a pressure value and an installation state of the pressure sensor by using a pressure sensor inside a covering. It is.
本発明は上記の課題を解決するために、ステアリングホイール装置の表面被覆内側の圧力センサにより、運転者の操作時の把持状態を圧力分布と圧力センサの配置から、把持力およびステアリングホイール装置円周上の把持位置を計測する手段を有することを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the present invention is based on the pressure sensor inside the surface coating of the steering wheel device, so that the gripping state at the time of the driver's operation is determined from the pressure distribution and the arrangement of the pressure sensor, the gripping force and the steering wheel device circumference. It has a means for measuring the upper gripping position.
前記把持力と把持位置を計測する小型圧力計測装置は、小型圧力センサを備え、圧力センサから得られる圧力分布とステアリングホイール円周上の圧力センサの配置から、運転者の把持力と把持位置を同時に算出することができる。 The small pressure measuring device for measuring the gripping force and the gripping position includes a small pressure sensor, and determines the gripping force and gripping position of the driver from the pressure distribution obtained from the pressure sensor and the arrangement of the pressure sensors on the steering wheel circumference. It can be calculated simultaneously.
前記圧力センサの配置において、予め運転者の模擬走行時の把持行動を映像として記録し、該記録映像から運転者の手を指定して画像解析を行うことにより圧力センサの配置が決定されることを特徴としている。 In the arrangement of the pressure sensor, the gripping action at the time of simulated driving by the driver is recorded as an image in advance, and the arrangement of the pressure sensor is determined by performing image analysis by designating the driver's hand from the recorded image. It is characterized by.
前記画像解析では、模擬走行時の走行条件ごとに設定する走行区間ごとに、ステアリングホイール装置の円周上での運転者の手の位置を抽出し、記録することを特徴としている。 The image analysis is characterized in that the position of the driver's hand on the circumference of the steering wheel device is extracted and recorded for each travel section set for each travel condition during simulated travel.
配置が決定された圧力センサにおいて、前記の模擬走行時の頻度の高い把持位置と把持力のかかる向き、すなわち、ステアリングホイールを上正面から押す向き、ステアリングホイールの円外面を中心方向へ押す向き、ステアリングホイールの円内面を中心から外向きに押す向き、ステアリングホイール支持軸（スポーク）の両側面を押す向きに合わせて分布配置することで正確な把持力が測定できる。
In the pressure sensor whose arrangement has been determined, the gripping position and the gripping force that are frequently used during the simulated traveling, that is, the direction in which the steering wheel is pushed from the top front, the direction in which the circular outer surface of the steering wheel is pushed in the center direction, Accurate gripping force can be measured by distributing the steering wheel according to the direction in which the inner surface of the steering wheel is pushed outward from the center and the direction in which both sides of the steering wheel support shaft (spoke) are pushed.
ステアリングホイール装置は素手で操作する機会がほとんどのため、自然に生体表面との直接接触があり、正確な計測に有利である。本発明では、ステアリングホイール装置表面の広範な面積を利用することなく効率的に把持位置と圧力が検出可能となる。 Since the steering wheel device is almost always operated with bare hands, it naturally has direct contact with the surface of the living body, which is advantageous for accurate measurement. In the present invention, the gripping position and pressure can be detected efficiently without using a wide area on the surface of the steering wheel device.
また、運転操作負荷軽減のための機器配置設計、操舵装置形状の最適化に寄与しうる操舵行動または把持行動情報を定量的に、すなわちステアリングホイール円周上の位置と圧力と圧力の向きを検出できる。
Steering behavior or gripping behavior information that can contribute to equipment layout design and optimization of steering device shape to reduce driving load is quantitatively detected, that is, the position, pressure, and direction of pressure on the steering wheel circumference. it can.
本発明に係る圧力センサの配置を決定する手段を図１に示す。 A means for determining the placement of the pressure sensor according to the present invention is shown in FIG.
まずドライビングシミュレータを用いた模擬走行実験（Ｓ１１）により、複数運転者によるステアリングホイール装置把持行動を映像により計測する（Ｓ１２）。把持行動の映像による計測は、運転者に提示する運転コース環境により把持行動を区分し、分類する（Ｓ１３）ことからはじまる。 First, a steering wheel device gripping action by a plurality of drivers is measured with a video (S12) by a simulated driving experiment (S11) using a driving simulator. Measurement of the gripping action video is started by classifying and classifying the gripping action according to the driving course environment presented to the driver (S13).
前記分類後の画像処理解析では、映像の２値化を行ってから、画像エッジを抽出し、抽出されたエッジの先鋭化を行う（Ｓ１４）ことにより、運転者の手指の位置、すなわち把持位置を抽出できる（Ｓ１５）。 In the image processing analysis after the classification, the binarization of the video is performed, the image edge is extracted, and the extracted edge is sharpened (S14). Can be extracted (S15).
前記分類映像内で、各区分行動において把持位置の頻度を求め、得られる頻度分布から占有率の高い把持傾向を求める。 In the classified video, the frequency of the grip position is obtained for each segmented action, and a grip tendency having a high occupation rate is obtained from the obtained frequency distribution.
次に、前記占有率の高い把持位置での把持形態と圧力の方向を判定する（Ｓ１７）。 Next, the gripping mode and the pressure direction at the gripping position with a high occupation ratio are determined (S17).
以上から、把持対象箇所はステアリングホイール装置を１２等分する各点を基本として、小型圧力センサを配置する。 From the above, the small pressure sensor is arranged on the basis of each point that divides the steering wheel device into 12 equal parts for the grip target portion.
前記基本配置に加え、把持する可能性の高い箇所、およびスポークにおける把持行動と圧力の加わる方向を特定して、前記１２箇所と重複しない配置箇所が決定され（Ｓ１８）、配置箇所に従い設置を行う（Ｓ１９）。 In addition to the basic arrangement, the location where there is a high possibility of gripping and the direction in which the gripping action and pressure are applied to the spoke are specified, and the arrangement location that does not overlap with the 12 locations is determined (S18), and the installation is performed according to the location. (S19).
次に、図２に圧力センサからの圧力分布と該圧力センサの配置から運転者の把持力と把持位置を算出する手段を示す。 Next, FIG. 2 shows means for calculating the driver's gripping force and gripping position from the pressure distribution from the pressure sensor and the arrangement of the pressure sensor.
圧力センサとステアリング装置から圧力測定値と操舵角の収集後（Ｓ２１）、すべての測定値から上位２点を求め、把持力の分布中心を特定する（Ｓ２２）。 After collecting the pressure measurement value and the steering angle from the pressure sensor and the steering device (S21), the top two points are obtained from all the measurement values, and the distribution center of the gripping force is specified (S22).
特定された位置周辺で隣接する圧力センサからの計測値を求める（Ｓ２３）。さらに、特定された位置は操舵角により回転座標変換を用いて左右の位置判定を行う（Ｓ２４）。 A measurement value from a pressure sensor adjacent to the specified position is obtained (S23). Further, the left and right positions of the specified position are determined by using rotational coordinate conversion based on the steering angle (S24).
前記左右位置判定の結果と前記周辺圧力から把持形態と姿勢を推定する（Ｓ２５）。把持力を求める。 The gripping form and posture are estimated from the result of the left / right position determination and the peripheral pressure (S25). Find the gripping force.
前記把持形態と姿勢とステアリングホイール装置の表面被覆との接触を考慮した圧力分布を用いて、把持力の総量を推定する（Ｓ２６）ことにより、把持位置と姿勢と把持力の推定を行う（Ｓ２７）。
The grip position, posture, and grip force are estimated by estimating the total grip force (S26) using the pressure distribution that takes into account the contact between the grip form and posture and the surface coating of the steering wheel device (S27). ).
図３に小型圧力計測装置の概略を示す。提案する計測装置は、１ステアリングホイール、２小型圧力センサ、３計測装置、４コンピュータによって構成される。なお、測定装置３およびコンピュータ４間はＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）５にて接続され、計測値の授受を行う。 FIG. 3 shows an outline of a small pressure measuring device. The proposed measuring device is composed of one steering wheel, two small pressure sensors, three measuring devices, and four computers. Note that the measurement apparatus 3 and the computer 4 are connected by a USB (Universal Serial Bus) 5 to exchange measurement values.
図３中、計測装置３は、圧力センサやステアリングホイール装置からの情報を入力するための入力手段を備え、圧力センサの計測値や演算データを格納する記憶手段を有し、演算手段により計測値やデータから把持力の計算や把持位置の推定を行う判定手段を備えていることを特徴としている。 In FIG. 3, the measuring device 3 includes input means for inputting information from the pressure sensor and the steering wheel device, and has storage means for storing the measurement values and calculation data of the pressure sensor. And determining means for calculating the gripping force and estimating the gripping position from the data.
図３中、コンピュータ４は、計測装置３からの圧力値を、ＵＳＢ５を通じて授受し、テキストデータとしてメモリ部に格納し保存する。 In FIG. 3, the computer 4 sends and receives the pressure value from the measuring device 3 through the USB 5 and stores and saves it as text data in the memory unit.
図４に小型圧力センサの配置と把持圧力との関係を表す、ステアリングホイール装置表面の断面図を示す。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the surface of the steering wheel device showing the relationship between the arrangement of the small pressure sensor and the gripping pressure.
小型圧力センサ２（ａ）、同２（ｂ）はステアリングホイール１の円形状を１２等分する位置を基本として配置する。 The small pressure sensors 2 (a) and 2 (b) are arranged based on positions at which the circular shape of the steering wheel 1 is divided into 12 equal parts.
円形状の大きさおよび、運転者の標準的な手の平面積から小型圧力センサ２のいずれかに対して把持圧力６が加わることとなる。ただし、把持位置６に示すように複数の小型圧力センサの間を中心とする場合、把持圧力は周辺の小型圧力センサ間に分布し、精密な把持位置の把握が困難となる。 The gripping pressure 6 is applied to one of the small pressure sensors 2 due to the size of the circle and the standard palm area of the driver. However, when the center is between a plurality of small pressure sensors as shown in the gripping position 6, the gripping pressure is distributed among the peripheral small pressure sensors, and it is difficult to accurately grasp the gripping position.
そこで、ステアリングホイール装置に小型圧力センサを配置した後に、被覆７に張力８を加えて被覆加工する。 Therefore, after a small pressure sensor is arranged on the steering wheel device, the coating 7 is coated by applying a tension 8.
これにより、隣接する小型圧力センサは被覆を介して連結された状態となる。例えば２つの小型圧力センサ間に生じる圧力は、センサ間距離を把持圧力６の加わる位置で分割した距離の逆比により分圧される。このような把持位置周辺への圧力分布状態を考慮する。また、ステアリングホイール装置の操舵角度を角度センサにより検出する。これらの情報から、運転者の左右把持位置と手指配置を推定するとともに、圧力分布状態に基づき力学計算することで、把持圧力の荷重中心位置および、把持圧力総量の推定が可能となる。 Thereby, the adjacent small pressure sensor will be in the state connected via the coating | cover. For example, the pressure generated between two small pressure sensors is divided by the inverse ratio of the distance obtained by dividing the distance between the sensors at the position where the gripping pressure 6 is applied. This pressure distribution state around the gripping position is considered. Further, the steering angle of the steering wheel device is detected by an angle sensor. From these pieces of information, the driver's left and right grip positions and finger placement are estimated, and by calculating dynamically based on the pressure distribution state, the load center position of the grip pressure and the total grip pressure can be estimated.
以下に小型圧力センサ配置の決定例を示す。 An example of determining a small pressure sensor arrangement is shown below.
まず図５に示すようにドライビングシミュレータにおいて運転者の模擬走行を実施し、運転者頭部上部から把持行動をビデオカメラにより撮影する。 First, as shown in FIG. 5, a driving simulation is performed in a driving simulator, and a gripping action is photographed by a video camera from the upper part of the driver's head.
前記の映像を、まず模擬走行の運転コース環境（例えば、住宅地や市街地）により分類し、図６を得る。それぞれの運転区分において、速度定常時の把持行動について、映像の２値化とエッジ先鋭化の処理による画像解析によって手指の位置を特定し把持位置として確認する。 First, the video is classified according to the driving course environment (for example, residential area or city area) of simulated driving, and FIG. 6 is obtained. In each operation category, the position of the finger is identified and confirmed as a gripping position by image analysis based on binarization of the video and edge sharpening for gripping behavior at steady speed.
特に、前記各分類において把持時間の長い把持行動を高頻度把持行動としてもとめることにより、運転者固有の把持行動の特徴を抽出する。 In particular, the characteristics of the gripping behavior unique to the driver are extracted by determining the gripping behavior having a long gripping time as the high-frequency gripping behavior in each of the classifications.
この結果、ステアリングホイールの円周を１２等分する位置以外において、主要な把持行動が見受けられる場合、その位置と圧力の加わる方向を特定し、小型圧力センサの追加配置位置とする。 As a result, when the main gripping behavior is observed at a position other than the position where the circumference of the steering wheel is equally divided into 12, the position and the direction in which the pressure is applied are identified and set as an additional arrangement position of the small pressure sensor.
特に、把持行動の映像から、ステアリングホイール装置における把持位置だけではなく、把持時の手指配置から把持圧力方向を判定し、把持により把持圧力を受ける面を特定し小型圧力センサ配置面方向に反映する。 In particular, from the image of the gripping action, not only the gripping position in the steering wheel device but also the gripping pressure direction is determined from the finger placement at the time of gripping, the surface that receives the gripping pressure by gripping is specified and reflected in the direction of the small pressure sensor placement surface .
すなわち、図７に示すステアリングホイール装置スポーク部の場合、スポークを押さえるように把持する場合の把持力９、操舵により下から把持する場合の把持力１０、上から把持する場合の把持力１１が、その把持箇所の形状から想定される。 That is, in the case of the spoke part of the steering wheel device shown in FIG. 7, the gripping force 9 when gripping so as to hold the spoke, the gripping force 10 when gripping from below by steering, and the gripping force 11 when gripping from above are as follows: It is assumed from the shape of the grip location.
このような把持力の加重方向を検討し、小型圧力センサの配置面を決定する。最終的に計測装置の重複や干渉が生じないよう図８に示すような小型圧力センサ配置を決定する。 The loading direction of such gripping force is examined, and the arrangement surface of the small pressure sensor is determined. Finally, the arrangement of small pressure sensors as shown in FIG. 8 is determined so as not to cause duplication and interference of measuring devices.
センサとしては、小型の圧力センサ（約４ｍｍ角）を用い、決定した箇所に配置する。ここで配置する圧力センサはステアリングホイール装置の表面被覆の内側に配置し、被覆の設置時張力を考慮した測定範囲を有するものとする。 As a sensor, a small pressure sensor (about 4 mm square) is used and arranged at a determined position. The pressure sensor arranged here is arranged inside the surface coating of the steering wheel device and has a measurement range in consideration of the tension at the time of installation of the coating.
以下に把持位置の検出例を示す。 An example of grip position detection is shown below.
まず、各小型圧力センサからは把持の状態に応じて、把持圧力が検出される。各小型圧力センサに加わる圧力は負の圧力として検出され、図３中計測装置３に集線される。計測装置では、最大３２点の圧力計測が可能であり、一括収集された圧力値は同装置にてシリアルデータに変換されＵＳＢを介して、０．００５［ｓｅｃ］おきに図３中コンピュータ４に収録される。コンピュータに収録された圧力値は、テキストデータとしてコンピュータ内メモリ部に保存される。 First, the gripping pressure is detected from each small pressure sensor according to the gripping state. The pressure applied to each small pressure sensor is detected as a negative pressure and is concentrated in the measuring device 3 in FIG. The measuring device can measure pressures of up to 32 points, and the pressure values collected at once are converted into serial data by the same device and are sent to the computer 4 in FIG. 3 every 0.005 [sec] via the USB. It will be recorded. The pressure value recorded in the computer is stored as text data in the in-computer memory unit.
なお、検出値には、被覆の張力と把持動作に伴う張力の変化が上乗せされている。被覆の張力については、ステアリングホイール装置に対する把持がなされない状態での計測定常値と計測平均値を一定バイアス値として差引き、把持圧力の変動値のみ考慮することで対処できる。 It should be noted that the detection value is added with the tension of the covering and the change in tension accompanying the gripping operation. The covering tension can be dealt with by subtracting the measured steady value and the measured average value when the steering wheel device is not gripped as a constant bias value and considering only the gripping pressure fluctuation value.
小型圧力センサからの情報に前項の処理を施した後、基本配置１２点のうち上位２点を検出する。この２点について、設置位置を判定するが、設置位置が近傍２点以内であれば同一手指による把持とみなす。 After the processing of the previous item is performed on the information from the small pressure sensor, the upper two points are detected among the 12 basic arrangement points. The installation position is determined for these two points, but if the installation position is within two points in the vicinity, it is regarded as gripping with the same finger.
前項の判定位置が３点以上離れた箇所の場合は、左右手指による把持と判断する。その上で、ステアリングホイール装置の操舵角から、前項判定位置の運転者に対する左右位置を判断するとともに、左右手指の把持位置を決定する。 In the case where the determination position of the previous paragraph is 3 points or more away, it is determined that it is gripped by the left and right fingers. Then, the left and right positions with respect to the driver at the previous determination position are determined from the steering angle of the steering wheel device, and the grip positions of the left and right fingers are determined.
前項にて決定した、左右それぞれの把持位置について、基本配置１２点以外の把持位置近傍小型圧力センサの検出値を得る。この際、前項決定結果から手指の把持姿勢を推定し、近傍小型圧力センサ情報の優位差を判定する。判定した優位差を重み付けとし、小型圧力センサの配置位置間隔を考慮して、把持圧力総量を算出する。
For the left and right gripping positions determined in the previous section, the detection values of the small pressure sensors in the vicinity of the gripping position other than the basic arrangement 12 points are obtained. At this time, the gripping posture of the finger is estimated from the determination result of the previous item, and the dominant difference of the neighborhood small pressure sensor information is determined. The determined grasping difference is used as a weight, and the total gripping pressure is calculated in consideration of the arrangement position interval of the small pressure sensors.
１ ステアリングホイール
２ 小型圧力センサ
３ 計測装置
４ コンピュータ
５ ＵＳＢ接続ケーブル
６ 運転者の把持圧力中心位置
７ ステアリングホイール表面被覆
８ 被覆張力
９ ステアリングホイールを上正面から押す把持力
１０ ステアリングホイールの円内面を中心から外向きに押す把持力
１１ ステアリングホイールの円外面を中心へ押す把持力
１２ 小型圧力センサのステアリングホイール装置上基本配置の１２箇所
１３ 本発明に係る手段で決定したスポーク部の把持姿勢を考慮した小型圧力センサ配置箇所
1 Steering wheel
2 Small pressure sensor
3 Measuring equipment
4 Computer
5 USB connection cable 6 Driver's gripping pressure center position
7 Steering wheel surface coating
8 Covering tension 9 Gripping force that pushes the steering wheel from the top front 10 Gripping force that pushes the circular inner surface of the steering wheel outward from the center 11 Gripping force that pushes the circular outer surface of the steering wheel to the center 12 Small pressure sensor basics on the steering wheel device 12 locations of arrangement 13 Locations of small pressure sensors in consideration of the gripping posture of the spoke portion determined by the means according to the present invention
Claims (4)
該ステアリングホイール装置を操作する際に運転者の把持状態を表面被覆内側の圧力センサから得られる圧力分布と圧力センサの配置から、
運転者が発生する把持力と把持位置を同時に計測することを特徴とするステアリングホイール装置 A steering wheel device,
From the pressure distribution obtained from the pressure sensor inside the surface coating and the arrangement of the pressure sensor, the gripping state of the driver when operating the steering wheel device,
A steering wheel device that simultaneously measures a gripping force and a gripping position generated by a driver
圧力分布と圧力センサの配置から把持力とともに把持位置を算出することを特徴とする計測方法ならびに小型圧力計測装置 In the steering wheel device according to claim 1,
Measuring method and compact pressure measuring device characterized by calculating gripping position together with gripping force from pressure distribution and pressure sensor arrangement
圧力センサのステアリングホイール上での配置を予め運転者の把持行動の計測により決定することを特徴とするステアリングホイール装置 In the steering wheel device according to claim 1,
A steering wheel device characterized in that the arrangement of the pressure sensor on the steering wheel is determined in advance by measuring the gripping behavior of the driver.
把持力が加わる向きを検出するように圧力センサを配置することを特徴とするステアリングホイール装置
In the steering wheel device according to claim 1,
A steering wheel device, wherein a pressure sensor is arranged to detect a direction in which a gripping force is applied.
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