JP2010044736A

JP2010044736A - 製品設計評価装置

Info

Publication number: JP2010044736A
Application number: JP2008324563A
Authority: JP
Inventors: P V Hareesh; ピーヴィハリーシュ
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-02-25
Also published as: US20110119035A1; WO2010007935A1; EP2320339A1; CN102099807A

Abstract

【課題】デジタルヒューマンが製品を使用する際の筋負荷を評価することにより製品設計を支援する。
【解決手段】仮想空間において製品の仮想モデルの可動部分にデジタルヒューマンを結合し、デジタルヒューマンが可動部分を移動させる際にデジタルヒューマンの各ジョイントに作用するトルクを負荷演算手段１４において算出する。負荷演算手段１４は、関節角度と最大発揮力との関係に基づいて、ジョイントの角度に応じた最大発揮力を求めるとともに、最大発揮力に対する割合によって、製品の可動部分を移動させる際の容易さの程度を複数段階に区分する。評価画像生成手段１５は、デジタルヒューマンが製品の可動部分を移動させる際に各ジョイントに作用するトルクを求め、当該トルクがどの段階に属するかをモニタ装置３２の画面に表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として住宅関連設備の製品について設計を評価するシステムであって、設計された製品を３次元のコンピュータグラフィック画像として提示される仮想空間内にデジタルヒューマンとともに提示し、デジタルヒューマンに製品を使用させるとともにデジタルヒューマンの各部位に作用する負荷に着目して製品の設計を評価する製品設計評価装置に関するものである。

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デジタルヒューマンが使用するシミュレーションを行うことにより、製品を評価することが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１には、仮想空間内のデジタルヒューマンに製品の仮想モデルを使用する姿勢を指示し、当該姿勢におけるデジタルヒューマンの着目する筋肉に作用する負荷の程度を評価することにより製品の扱いやすさを評価し、製品設計を支援する技術が記載されている。
特開２００７−３３４４４６号公報

ところで、特許文献１に記載の構成は、基本的に定位置に配置した製品を使用する際のデジタルヒューマンの姿勢をもとにして、製品の使いやすさを評価するものであり、可動部分を有する製品の評価については考慮されていない。

たとえば、便器の蓋のように上下の開閉動作が必要な可動部分を備える製品や吊り棚に設けた可動棚のように上げ下げが必要な可動部分を有する製品では、特定の姿勢に関する評価だけではなく、可動部分の移動に伴う負荷の変化も評価しなければならないが、特許文献１に記載の技術では、この点の考慮がなされていない。

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、可動部分を有する製品について利用者の使用時の負荷を評価することにより可動部分を備える製品の設計を評価可能にした製品設計評価装置を提供することにある。

請求項１の発明は、コンピュータにより生成される仮想空間に、可動部分を備える製品の設計に基づく仮想モデルと、製品の仮想モデルにおける可動部分を移動させるデジタルヒューマンとを配置し、デジタルヒューマンの動きに基づいて製品設計の妥当性を評価する製品設計評価装置であって、製品の仮想モデルにおける可動部分とデジタルヒューマンとを結合するとともに可動部分の移動軌跡が指示されるデータ合成手段と、移動軌跡に沿って前記可動部分を移動させたときにデジタルヒューマンの着目する部位に作用する負荷を算出する負荷演算手段とを備えることを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記製品の仮想モデルにおける前記可動部分の質量を設定する質量入力装置を備えることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、前記製品の仮想モデルにおける前記可動部分と前記デジタルヒューマンとの結合部位について前記移動軌跡を指示する軌跡入力装置を備えることを特徴とする。

請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれかの発明において、前記デジタルヒューマンの着目する部位に作用する負荷を部位ごとに示すとともに、各部位の最大発揮力に対する負荷の大きさの割合から求めた作業容易度を区別して示すグラフ図の画像を生成する評価画像生成手段と、評価画像生成手段により生成されたグラフ図を表示するモニタ装置とを備えることを特徴とする。

請求項５の発明では、請求項４の発明において、前記評価画像生成手段は、前記デジタルヒューマンの各部位から選択された着目部位について、前記移動軌跡に沿った各位置での負荷の変化を示すグラフ図の画像を生成することを特徴とする。

請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれかの発明において、前記デジタルヒューマンの着目する部位について最大発揮力に１よりも小さい所定の係数を乗じた許容発揮力を求め、許容発揮力を基準値に用いて着目する部位の負荷を評価する負荷評価手段を備えることを特徴とする。

請求項７の発明では、請求項６の発明において、前記負荷評価手段は、前記デジタルヒューマンの着目する部位に作用する負荷の許容発揮力に対する割合を複数段階に区分し、各段階に対応付けた色でデジタルヒューマンの着目する部位を着色して表示することを特徴とする。

請求項８の発明では、請求項１〜７のいずれかの発明において、前記負荷演算手段による算出結果を記憶する結果記憶手段を備えることを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、製品の可動部分にデジタルヒューマンを結合し、可動部分の移動軌跡に沿って可動部分を移動させたときのデジタルヒューマンの各部位に作用する負荷を算出するから、可動部分を有する製品について利用者の使用時の負荷を評価することが可能になり、可動部分を備える製品の設計についての評価が可能になるという利点を有する。

請求項２の発明の構成によれば、可動部分の質量を設定することができるから、可動部分の質量の変更によって利用者の使用を容易にする質量の設計が可能になる。

請求項３の発明の構成によれば、可動部分の移動軌跡を設定することができるから、移動軌跡の変更によって利用者の使用を容易にする製品の設計が可能になる。

請求項４の発明の構成によれば、デジタルヒューマンの各部位の最大発揮力に対する負荷の割合を作業容易度として評価し、モニタ装置に作業容易度を区別して表示するから、製品の可動部分を使用する際の容易性を一目瞭然に認識することができ、使い勝手に関する設計の妥当性を容易に評価することができる。

請求項５の発明の構成によれば、デジタルヒューマンの着目部位について移動軌跡に沿った各位置での負荷の変化をグラフ図として表示するから、負荷の大きくなる部位に着目して移動軌跡の一部を修正するなどの対応が可能になり、設計作業の省力化に寄与する。

請求項６の発明の構成によれば、最大発揮力よりも小さい余裕発揮力を基準値に用いて各部位の負荷を評価するから、製品設計の妥当性を評価するにあたって製品を無理なく使用できる範囲の力で評価することが可能になり、実際に製品を使用する使用者の使用感に近い評価が可能になる。

請求項７の発明の構成によれば、デジタルヒューマンの着目する部位の色を負荷の大きさに応じて変化させるから、着目する部位に作用する負荷の大きさを一目瞭然に認識することができ、製品設計の妥当性や製品の使用感を直感的に理解することが可能になる。

請求項８の発明の構成によれば、負荷演算手段での算出結果を記憶することができるから、あらかじめ移動軌跡に沿った負荷を算出しておき、モニタ装置に表示する際に記憶している算出結果を利用することで、移動軌跡に沿ったデジタルヒューマンの動きに伴って負荷の算出結果をリアルタイムに提示することが可能になる。

以下に説明する製品設計評価装置は、パーソナルコンピュータのようなコンピュータを用いて形成される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空間内に製品の仮想モデルとともに仮想人体モデルであるデジタルヒューマンを配置し、仮想空間においてデジタルヒューマンに当該製品を使用する動作を行わせることにより、当該製品について設計の妥当性を評価する。したがって、製品設計評価装置は、コンピュータおよび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により実現される。

製品としては、システムキッチン、洗面化粧台、便器、浴槽、洗濯機、冷蔵庫、電子レンジなど各種の設備や機器を対象とすることができる。たとえば、システムキッチンでは、斜め下方に引き出すことのできる可動棚を備えた吊り棚における可動棚の移動軌跡による使い勝手の相違の評価に用いることができ、また浴槽であれば、洗い場から浴槽の縁までの高さ寸法の相違による浴槽への入りやすさの評価に用いることができる。あるいはまた、洗面化粧台であれば、抽斗や鏡の位置に応じた使いやすさを評価することができ、洗濯機であれば扉の向きや高さに応じた使い勝手の評価に用いることができる。

製品の設計の妥当性を評価する項目としては、利用者にとって製品を使用する動作が可能か否かの評価項目がある。すなわち、製品を使用する際の作業に伴う動作が関節の可動域内の動作であることや、製品を使用する動作において利用者の筋負荷が許容範囲か否かを評価しなければならない。筋負荷の許容範囲は、製品を使用する作業が容易であることの要求から、たとえば最大発揮力（ＭＶＣ：Maximum Voluntary Contraction）に対して３０％（３０％ＭＶＣと表記する）以下である筋負荷となることが必要である。一方、筋負荷の下限値は、関節を動かすための筋負荷であるから、関節受動抵抗（ＪＰＲ：Joint Passive Resistance）により制限される。

図２は、肘関節について、関節角度に対する最大発揮力（曲線Ａ１〜Ａ５）および関節受動抵抗（曲線Ｂ）の変化の一例を示している。関節角度は、小さいほうが屈曲、大きいほうが伸展を示している。図２によれば、関節受動抵抗（曲線Ｂ）は、関節の可動域の両端付近では変化するが、関節の可動域の中間では関節角度に関わりなく略一定とみなすことができる。

上述のように、関節受動抵抗は、関節の可動域の両端付近で大きく変化するから、製品の可動部分を移動させる際に関節の可動域の両端付近を用いるのは好ましくない。したがって、本実施形態では、可動域の両端付近を除く範囲を関節角度の許容範囲θａとしている。

一方、最大発揮力（Ａ１〜Ａ５）は、関節角度に応じて変化する。また、曲線Ａ１〜Ａ５は、それぞれ４０歳、５０歳、６０歳、７０歳、８０歳における最大発揮力を示しており、最大発揮力が加齢とともに低下する傾向を有していることも見て取れる。したがって、高齢者でも使用可能な製品を提供するには、製品の使用時における筋負荷の上限値が、たとえば８０歳における最大発揮力から求められる許容範囲の筋負荷となるように製品設計を行うことが必要になる。

本実施形態では、デジタルヒューマンにより製品設計の妥当性を評価するために、デジタルヒューマンに製品を使用する作業を行わせるとともに、作業中における関節受動抵抗および最大発揮力を算出する。上述のように、製品を使用する動作を行う際に人体に作用する負荷の判断基準として関節受動抵抗だけでなく最大発揮力も考慮している。

上述の説明からわかるように、本実施形態では、デジタルヒューマンを配置する仮想空間に、製品の仮想モデルを配置する必要がある。製品の仮想モデルは製品の設計を反映していることが必要であるから、図１に示すように、製品の設計者が用いるＣＡＤ（Computer Aided Design）装置３０から製品の設計データ（形状および寸法に関するデータ）を取得する。

仮想空間では、デジタルヒューマンに製品の仮想モデルを使用する動作を行わせるから、製品設計評価装置では、ＣＡＤ装置３０から得られる製品の設計データのほかに、製品に可動部分があれば、可動部分の可動範囲の両端位置を示す動作情報、可動部分の質量に関する質量情報も必要になる。動作情報や質量情報は、要求仕様などに基づいて設計者が入力装置３１を用いて入力する。すなわち、可動部分の質量は可変であって入力装置３１は質量入力装置の機能を備える。また、可動部分の移動軌跡については、制約条件のみを動作情報に含めるようにし、移動軌跡の変更を可能にしている。したがって、移動軌跡を変更することによる筋負荷の変化を評価することが可能になっている。移動軌跡の変更も入力装置３１で行うことができ、入力装置３１は軌跡入力装置の機能も備える。設計データ、動作情報、質量情報は、製品モデルデータとして製品データ記憶手段２１に格納される。製品データ記憶手段２１には、たとえばハードディスクドライブ装置を用いる。

製品設計評価装置には、製品データ記憶手段２１に格納されている製品モデル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が設けられている。製品画像生成手段２２では、製品データ記憶手段２１から製品モデル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。

製品画像生成手段２２により生成された製品画像データは、画像合成手段２３を通して画像表示用メモリ２４に格納され、画像表示用メモリ２４に格納された製品画像データに基づいてモニタ装置３２の画面に製品の仮想モデルが３次元画像として表示される。ここに、モニタ３２の画面に表示された仮想空間内での製品の仮想モデルの位置・向き・大きさは、入力装置３１の操作によって適宜に変更可能になっている。すなわち、仮想空間内の製品の仮想モデルは３次元画像であるから、仮想空間における位置移動や大きさの変更が可能であり、また視点位置を変更することによって向きを変更することが可能である。

一方、デジタルヒューマンは、製品画像データによりモニタ装置３２の画面に提示される製品の仮想モデルを使用する際の動作のシミュレーションを行うとともに、当該動作を行う際の姿勢変化に伴う筋負荷を評価するために用いられる。デジタルヒューマンの画像を表示するための３次元画像データ（以下、「人体画像データ」という）は、製品画像データとは別に人体画像生成手段１２において生成される。

製品設計の妥当性を評価するには、製品を実際に使用する利用者の身体条件を考慮する必要があるから、利用者について様々な身体条件を入力装置３１から設定することができるようにしてある。身体条件としては、身長・体重・年齢・性別・身体障害の有無や種類の入力を可能にしてある。

入力装置３１から入力されたデジタルヒューマンの身体条件は人体モデル生成手段１１に与えられ、人体モデル生成手段１１では入力された身体条件に応じたデジタルヒューマンのデータ（以下、「人体表現データ」という）が生成される。デジタルヒューマンは、人体を骨格に相当するセグメントと関節に相当するジョイントとで表現した人体モデルであり、入力装置３１から入力された身体条件によりセグメントの長さ寸法やジョイントの可動域などが決定される。

本実施形態のデジタルヒューマンＨｍは、図３に示すように、人体の骨格に対応した複数個（図示例は１４個）のセグメントＳｇと、人体の関節に対応した複数個（図示例は１３個）のジョイントＪｎとにより表現される。ただし、画像表示の際には人体画像生成手段１２において、人体風の外観となるようにスキン（表面属性）がマッピングされる。なお、ジョイントＪｎは関節に相当するが、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。この場合、セグメントＳｇは、通常は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することになる。

図３に示すデジタルヒューマンＨｍには１３個のジョイントＪｎ（丸で表している）を設けてあり、そのうち１１個には名前を付している。すなわち、各ジョイントＪｎは、実空間の人に対応付けて、左踝（ＬＡ）、左膝（ＬＫ）、左臀部（ＬＨ）、右踝（ＲＡ）、右膝（ＲＫ）、右臀部（ＲＨ）、腰部（Ｌ５）、左肩（ＬＳ）、右肩（ＲＳ）、左肘（ＬＥ）、右肘（ＲＬ）、左手首（ＬＷ）、右手首（ＲＷ）としている。また、本実施形態では、手を使って製品を使用する場合を想定しており、左手首（ＬＷ）または右手首（ＲＷ）により製品の可動部分を操作するものとする。なお、セグメントＳｇとジョイントＪｎとの個数は一例である。

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、入力装置３１から身長が入力されると、人体画像生成手段１２において、セグメントＳｇの長さが自動的に決定される。

ジョイントＪｎの属性は、角度（デジタルヒューマンＨｍに設定した座標系における角度）と可動域とである。角度は、デジタルヒューマンＨｍが直立した姿勢での各ジョイントＪｎの角度を初期値に用いる。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）。

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の可動域が小さくなるから、ジョイントＪｎの可動域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。

上述のように、入力装置３１から入力された身体条件により、人体画像生成手段１２では、デジタルヒューマンＨｍ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、デジタルヒューマンＨｍ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。

人体モデル生成手段１１で生成された人体表現データは、製品データ記憶手段２１に格納された製品データとともにデータ合成手段１３に入力される。データ合成手段１３では、入力装置３１からの指示に従って、いずれかのジョイントＪｎを製品の可動部分に結合するとともに、可動部分を移動させる際のジョイントＪｎの移動軌跡を入力装置３１から指示することが可能になっている。ジョイントＪｎを可動部分に結合しているから、ジョイントＪｎの移動軌跡を指示することは、製品の可動部分の移動軌跡を指示したことに相当する。

たとえば、デジタルヒューマンＨｍの右手の手首（ＲＷ）に相当するジョイントＪｎに製品の可動部分を結合すれば、当該ジョイントＪｎの移動軌跡に従って可動部分が移動し、当該ジョイントＪｎの移動軌跡が可動部分の移動軌跡に一致する。また、当該ジョイントＪｎの位置変化に追従して他のジョイントＪｎの角度が連動して変化するようにルール群が設定されており、製品の可動部分に結合したジョイントＪｎの位置が変化するたびにルール群と照合することにより、他のジョイントＪｎの角度が決定される。各ジョイントＪｎの連動関係を規定するルール群には、デジタルヒューマンＨｍが不自然な姿勢にならないように制限を設けてある。

上述のようにしてデータ合成手段１３において移動軌跡が与えられると、製品の可動部分を移動させる際に可動部分の質量によりデジタルヒューマンＨｍに作用する荷重と、可動部分を移動させる際のデジタルヒューマンＨｍの各ジョイントＪｎの角度とを求めることができる。ここに、製品の可動部分を移動させる際に製品の可動部分からデジタルヒューマンＨｍに作用する荷重は、可動部分に結合されたジョイントＪｎに作用するものとみなす。

データ合成手段１３で求めた荷重と各ジョイントＪｎの角度とは、負荷演算手段１４に入力される。負荷演算手段１４には、図２に示したような関節角度に対する最大発揮力および関節受動抵抗の関係がデータテーブルもしくは近似演算の演算式（たとえば、上に凸である放物線に近似して２次関数として表現する）としてあらかじめ登録されている。負荷演算手段１４では、製品の可動部分を移動させる際の各ジョイントＪｎの角度（つまり、関節角度）を求め、上記関係を用いて、当該角度に対応する最大発揮力および関節受動抵抗を算出する。

また、負荷演算手段１４では、ジョイントＪｎの角度および可動部分の質量とから、各セグメントＳｇに作用する筋負荷に相当する値を求める。筋負荷に相当する値としては、筋肉の伸縮により屈伸される関節に作用するトルクを用いる。ここでのトルクは、着目する関節を中心として関節の周りに作用する力のモーメントを意味している。着目する関節に作用するトルクは、着目する関節の周りにおいて自重により作用する力と、製品の質量に応じて作用する力との合力に考慮して算出される。したがって、負荷演算手段１４では、デジタルヒューマンＨｍの姿勢と、各ジョイントＪｎに作用する荷重とにより、各ジョイントＪｎに作用するトルクを算出する。

負荷演算手段１４で求めた各ジョイントＪｎの周りのトルクは、当該ジョイントＪｎを屈伸させる筋肉の筋負荷を反映していると考えられるから、各ジョイントＪｎに作用するトルクを求めることにより、各セグメントＳｇに対応する筋負荷を評価することができる。

ところで、各ジョイントＪｎに作用するトルクの最大限度はジョイントＪｎごとに異なっており、ジョイントＪｎの屈伸に関連する筋肉群の最大発揮力により決定される。そこで、負荷演算手段１４では、ジョイントＪｎの角度（つまり、関節角度）に応じた最大発揮力に基づいて、各ジョイントＪｎに作用するトルクに対して複数の段階（実施形態では、３段階）を設定している。つまり、最大発揮力（ＭＶＣ）に対する割合で大、中、小の３段階を設定している。また、最大発揮力に対してもっとも小さい割合である小段階を容易（ｅａｓｙ）、中段階を困難（ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ）、大段階を不可（ｖｅｒｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔ）として、各ジョイントＪｎに作用するトルク（つまり、筋負荷）を評価する。

負荷演算手段１４での演算処理は、製品の可動部分に結合したジョイントＪｎの移動軌跡の上に設定した複数個の計算点で行われる。このような演算処理は、デジタルヒューマンＨｍのジョイントＪｎを移動軌跡に従って移動させる間にリアルタイムで行うことも可能ではあるが、本実施形態では、移動軌跡が決定されると、移動軌跡の上で設定されている複数個の計算点において演算処理をあらかじめ行っておき、演算処理の結果を結果記憶手段１６に記憶する。したがって、結果記憶手段１６から演算処理の結果をいつでも読み出すことができる。後述するようにモニタ装置３２に演算処理の結果を表示する際には、あらかじめ演算処理を行った結果を読み出すことにより、あたかもリアルタイムで処理を行っているかのように表示することが可能になる。

負荷演算手段１４での演算結果は、評価画像生成手段１５に入力され、各ジョイントＪｎごとに作用するトルクの大きさに応じて、図４に示すように、「容易」、「困難」、「不可」の３段階を表す棒グラフ形式の評価画像データが生成される。評価画像データには、各ジョイントＪｎに作用するトルクの値と、当該ジョイントＪｎついて設定された段階とが含まれる。図４に示すトルクのデータは年齢毎に得られた実測データに基づいて段階を分類している。

具体的には、「容易」を緑色、「困難」を黄色、「不可」を赤色などで表すものとして、着目するジョイントＪｎについて算出したトルクの大きさを当該ジョイントＪｎに対応付けたバーの長さ（高さ）で表し、その段階が「容易」であればバー全体を緑色で表し、「不可」であればバーの上端付近は赤色、「困難」の範囲のトルクを黄色で表し、「容易」の範囲のトルクを緑色で表す。

すなわち、着目するジョイントＪｎに作用するトルクが「容易」であればバーは緑色になり、「困難」であればバーは緑色と黄色との２色になり、「不可」であればバーは緑色と黄色と赤色との３色になる。図４では、緑色に相当する領域を右上から左下に向かう斜線のハッチングで示し、黄色に相当する領域をクロスのハッチングで示し、赤色に相当する領域を左上から右下に向かう斜線のハッチングで示している。したがって、評価画像データにより表される評価画像を見ることによって、ジョイントＪｎに作用するトルクが適正か否かを一目瞭然で認識することが可能になる。

また、製品の可動部分を移動軌跡に沿って移動させたときの各ジョイントＪｎに作用するトルクの時間変化を表示可能とするために、評価画像生成手段１５では、負荷演算手段１４では移動軌跡に沿った複数位置で求めたトルクを時間軸に沿って並べたグラフ図の画像データ、トルクの時間変化の画像データを表示するジョイントＪｎを選択するための選択肢を並べた画像データも生成する。なお、移動軌跡の両端間でジョイントＪｎが移動するのに要する時間は高々数十秒程度であるから、トルクの時間変化を表すグラフ図の時間軸は、最大でも数十秒程度の長さに設定される（通常は１０秒程度でよい）。このグラフ図において時間の絶対値は重要ではなく、移動軌跡に沿った移動距離を違和感のない程度の時間に換算しておけばよい。

評価画像データ（必要に応じて、上述したグラフ図の画像データや選択用の画像データを含む）は、製品画像データおよび人体画像データとともに画像合成手段２３に入力され、モニタ装置３２の画面に重ねて表示可能となるように画像合成手段２３において調節され、製品画像データおよび人体画像データとともに画像表示用メモリ２４に格納される。

上述した構成により、たとえば図５のような画像がモニタ装置３２に表示される。図示例では、製品Ｐｒとして吊り棚を想定し、吊り棚の下部に可動部分として可動棚Ｓｍを設けた例を示している。可動棚Ｓｍには右手首（ＲＷ）に相当するジョイントＪｎが結合され、入力手段３１からの指示により右手首（ＲＷ）に関する移動軌跡Ｌｔが指示されている。

移動軌跡Ｌｔは、作図用のアプリケーションプログラムにおいてベジェ曲線やスプライン曲線の作図方法として知られているように、ポインタを指定してポインタの位置を変更することにより、自由に変形させることが可能である。ただし、本実施形態では、移動軌跡Ｌｔの両端位置は、製品データ記憶手段２１に登録されており、別途の指示を行わなければ変更できないようにしてある。

移動軌跡Ｌｔを設定した後に、入力装置３１から計算開始を指示すると、負荷演算手段１４において、移動軌跡Ｌｔの上で設定した複数個の計算点Ｐｃの位置にジョイントＪｎ（右手首（ＲＷ））が位置するときの他のジョイントＪｎに作用するトルクがそれぞれ算出される。算出結果は、モニタ装置３２の画面上にウインドウＷ１として表示される。図５では、着目するジョイントＪｎに作用するトルクの時間変化を表示するウインドウＷ３も示されており、さらに、着目するジョイントＪｎを選択するための選択肢を提示するウインドウＷ２も示されている。ウインドウＷ２に提示された選択肢から所望のジョイントＪｎを選択すると、当該ジョイントＪｎに間して、指定した移動軌跡Ｌｔに沿って可動部分（可動棚Ｓｍ）が移動する際に作用するトルクの時間変化がウインドウＷ３に示される。

ここに、図５に示す画像において、デジタルヒューマンＨｍの身体条件を入力装置３１から適宜に与えることによって、製品の実物を作製することなく、当該製品の使用時における筋負荷を種々の身体条件について確認することができる。したがって、種々の身体条件を考慮したユニバーサルデザインの製品設計や商品開発のツールとして利用できる。

上述した例では、デジタルヒューマンＨｍの着目した部位に作用する筋負荷を、各ジョイントＪｎの関節角度から求められる筋肉群の最大発揮力に対する割合で評価しているが、最大発揮力に対する筋負荷の割合ではなく、最大発揮力に基づいて規定した許容発揮力（ＡＶＣ：Affordable Voluntary Contraction）を基準値に用いて評価してもよい。許容発揮力は、図示しない負荷評価手段により求められる値であり、たとえば、最大発揮力に対して１より小さい係数（たとえば、０．８）を乗じることにより規定することができる。

最大発揮力と許容発揮力との関係は、たとえば、図６に示す曲線Ａ（最大発揮力）と曲線Ｂ（許容発揮力）とのようになる。なお、図６において、曲線Ｃは関節受動抵抗を示している。また、Ｄは関節の可動域を示す。ここに、関節の可動域Ｄの両端付近では筋力を発揮させることが困難になるから、関節の可動域Ｄの両端部を除く範囲で許容発揮力を設定する。すなわち、上述した許容範囲θａの範囲で許容発揮力を設定する。

このように最大発揮力よりも小さく設定した許容発揮力を基準値に用いることにより、製品の実際の使用状態に近い筋負荷を評価することが可能になる。すなわち、製品を実際に使用する際に筋負荷が最大発揮力となることは現実的ではないから、許容発揮力を適切に設定して許容発揮力を許容される上限の筋負荷と定めることにより、現実的な評価が可能になる。

許容発揮力を定めるにあたっては、現実の被験者について関節可動域における１つの角度で最大発揮力を１０回程度計測し、その平均値に対して許容発揮力の係数を決定することができる。あるいはまた、現実の被験者について関節可動域における複数の角度で同様の計測を行い、各角度ごとに係数を定めることで角度ごとに係数を規定したり、複数の角度について計測した値の平均値からすべての角度で用いる係数を規定したりしてもよい。

着目する各ジョイントＪｎについては、年齢別に当該ジョイントＪｎの許容発揮力を当該ジョイントＪｎの角度ごとに求のる。求めたデータはデータテーブルとして保存する。したがって、着目する各ジョイントＪｎについて（年齢，角度，許容発揮力）の組み合わせがデータテーブルとして規定される。このデータテーブルを用いることにより、各ジョイントＪｎについて、年齢とジョイントＪｎの角度と筋負荷とが決まると、当該ジョイントＪｎに作用する筋負荷の許容発揮力に対する割合を求めることが可能になる。

最大発揮力を基準値に用いる場合と同様に、許容発揮力を基準値に用いる場合にも、デジタルヒューマンＨｍにおいて着目する各ジョイントＪｎに作用するトルクに対して複数の段階を設定しておく。ここでは、負荷評価手段（図示せず）が許容発揮力に対する筋負荷の割合により４段階の設定をしているものとし、図７〜図１２に示すように、製品Ｐｒとしての吊り棚に設けた可動棚Ｓｍを操作する場合の筋負荷の評価をモニタ装置３２に表示する例を示す。また、負荷評価手段は、各段階ごとに色を規定しており、デジタルヒューマンＨｍにおいて着目する部位を各段階に応じた色で着色した表示を行う。

図７〜図１２に示す例では、デジタルヒューマンＨｍの着目する部位に筋負荷の程度を、緑（白抜き）、黄色（クロス）、橙（左上がりの斜線部）、赤（左下がりの斜線部）の４色で表示している。筋負荷は、この順で大きくなり、赤色の部位は、筋負荷が過大であることを表している。図７〜図９あるいは図１０〜図１２を比較すればわかるように、可動棚Ｓｍを引き出すにつれて、各部位の筋負荷が変化し各部位の色が変化するから、モニタ装置３２の表示を見ることにより、筋負荷の変化を容易に認識することができる。

図７〜図９はデジタルヒューマンＨｍの年齢を５０歳に設定し、可動棚Ｓｍが収納された位置から下降した後に前方にせり出すように移動軌跡Ｌｔを設定した場合を示しており、図１０〜図１２はデジタルヒューマンＨｍの年齢を７５歳に設定し、可動棚Ｓｍが収納された位置から前方にせり出した後に下降するように移動軌跡Ｌｔを設定した場合を示している。このように、デジタルヒューマンＨｍの年齢や可動部分の移動軌跡Ｌｔを様々に設定して、製品設計の妥当性の評価を行うことができる。

ところで、製品の開発から販売に至る過程では、少なくとも企画、設計、販売の各段階が必要であり、上述した製品設計評価装置は、製品開発のツールとしては、設計および販売の各段階で用いることができる。すなわち、設計に際しては、ＣＡＤを用いて作成した製品の設計データから製品の３次元の仮想モデルを生成し、製品の仮想モデルに対して上述したデジタルヒューマンＨｍの身体条件を様々に変化させ、身体条件に応じた製品の使い勝手を評価することが可能になる。

ここにおいて、製品の設計データは、製品の最終形態である必要はなく、企画の段階で示された製品のプロトタイプに適宜の寸法を与えた程度のものでもよい。したがって、企画に際しては、フリーハンドで作成した手書きイラストやモックアップの写真などの２次元データに基づいて３次元データを生成する開発ツールを用いたり、製品について基本形となる複数種類の見本のデータが用意されたドローイング用のプログラムからなる開発ツールを用いたりすることによって、製品の形状がわかる程度の簡単な仮想モデルを生成するのが望ましい。この種の開発ツールを企画の段階で用いると、企画に際して生成した製品の３次元データを設計の際のプロトタイプとして用いることが可能になる。

このプロトタイプの３次元データを専門の設計者が手直しすることによって、現実の製品に近い３次元のモデルデータを生成することが可能になる。つまり、２次元データから３次元データを生成する開発ツールや製品のプロトタイプを生成するプログラムを用いることにより、企画と設計との段階をシームレスに結びつけることが可能になる。

一方、設計の段階においては、設計した製品の３次元モデルを用いて上述したデジタルヒューマンＨｍによる製品の評価を行うことで、設計した製品の妥当性の評価が可能になる。すなわち、デジタルヒューマンＨｍの身体条件を様々に設定することによって、当該身体条件に適応した製品であるか否かの評価を簡単に行うことができる。

さらに、販売の段階においては、設計した製品とデジタルヒューマンＨｍとをコンピュータにより生成した仮想空間に配置した画像をモニタの画面に表示し、デジタルヒューマンＨｍに対して様々な身体条件を与え、それぞれの身体条件に応じて製品の使用時におけるデジタルヒューマンの動きと、その動きにより身体に作用する負荷の変化とを提示することで、製品の使い勝手を顧客に示すことができる。つまり、目で見てわかる形で製品の使い易さを訴えることにより、製品の利便性を直感的にわかるようにし、製品の販売に寄与することになる。

実施形態を示すブロック図である。関節角度と最大発揮力および関節受動抵抗との関係を示す図である。同上に用いるデジタルヒューマンの一例を示す図である。同上での評価結果の一例を示す図である。同上の画面例を示す図である。関節角度と最大発揮力と許容発揮力と関節受動抵抗との関係を示す図である。同上の画面例を示す図である。同上の画面例を示す図である。同上の画面例を示す図である。同上の他条件での画面例を示す図である。同上の他条件での画面例を示す図である。同上の他条件での画面例を示す図である。

符号の説明

１１入力装置（質量入力装置、軌跡入力装置）
１２人体画像生成手段
１３データ合成手段
１４負荷演算手段
１５評価画像生成手段
１６結果記憶手段
３２モニタ装置
Ｐｒ製品
Ｓｍ可動棚（可動部分）
Ｈｍデジタルヒューマン

Claims

コンピュータにより生成される仮想空間に、可動部分を備える製品の設計に基づく仮想モデルと、製品の仮想モデルにおける可動部分を移動させるデジタルヒューマンとを配置し、デジタルヒューマンの動きに基づいて製品設計の妥当性を評価する製品設計評価装置であって、製品の仮想モデルにおける可動部分とデジタルヒューマンとを結合するとともに可動部分の移動軌跡が指示されるデータ合成手段と、移動軌跡に沿って前記可動部分を移動させたときにデジタルヒューマンの着目する部位に作用する負荷を算出する負荷演算手段とを備えることを特徴とする製品設計評価装置。
前記製品の仮想モデルにおける前記可動部分の質量を設定する質量入力装置を備えることを特徴とする請求項１記載の製品設計評価装置。
前記製品の仮想モデルにおける前記可動部分と前記デジタルヒューマンとの結合部位について前記移動軌跡を指示する軌跡入力装置を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の製品設計評価装置。
前記デジタルヒューマンの着目する部位に作用する負荷を部位ごとに示すとともに、各部位の最大発揮力に対する負荷の大きさの割合から求めた作業容易度を区別して示すグラフ図の画像を生成する評価画像生成手段と、評価画像生成手段により生成されたグラフ図を表示するモニタ装置とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の製品設計評価装置。
前記評価画像生成手段は、前記デジタルヒューマンの各部位から選択された着目部位について、前記移動軌跡に沿った各位置での負荷の変化を示すグラフ図の画像を生成することを特徴とする請求項４記載の製品設計評価装置。
前記デジタルヒューマンの着目する部位について最大発揮力に１よりも小さい所定の係数を乗じた許容発揮力を求め、許容発揮力を基準値に用いて着目する部位の負荷を評価する負荷評価手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の製品設計評価装置。
前記負荷評価手段は、前記デジタルヒューマンの着目する部位に作用する負荷の許容発揮力に対する割合を複数段階に区分し、各段階に対応付けた色でデジタルヒューマンの着目する部位を着色して表示することを特徴とする請求項６記載の製品設計評価装置。
前記負荷演算手段による算出結果を記憶する結果記憶手段を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の製品設計評価装置。