JP2010113465A - 作業負荷平準化方法および作業負荷平準化支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作業負荷が大きい作業者の存在がボトルネックになることを抜本的に改善し、複数の作業者が作業を行う作業場の生産効率の向上を図ること。
【解決手段】作業者負荷数値化手段２０１によって各作業者の作業負荷を数値化し、作業負荷偏差算出手段２０３によって所定の作業負荷平準値に対する作業者負荷の偏差を作業者毎に算出し、作業補助装置付与決定手段２０４によって作業負荷偏差に基づいて作業補助装置の作業者に対する付与を決定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、作業負荷平準化方法および作業負荷平準化支援装置に関し、特に、工場等、複数の作業者が作業を行う作業場における作業者の作業負荷を平準化する作業負荷平準化方法および作業負荷平準化支援装置に関する。

工場の組立ライン等において、生産性を上げるために、工数に応じて組立ラインのゾーン構築を工夫することや、複数作業を複数工程に分配して複数工程を経て製品を生産するに際して、どの工程に、どの作業群を分配するかを、コンピュータを用いて支援することが提案されている（例えば、特許文献１、２)。

また、工場の組立ライン等において、所定時間作業した時の作業者の最大筋力比を測定し、最大筋力比を元に作業者にかかる負担の度合を客観的に評価する指数(作業負担評価指数）を算出し、作業単位を修正することによって作業負担評価指数の平準化を目指す作業工程計画の支援技術が提案されている(（例えば、特許文献３)。
特開２００２−７９９６４号公報 特開２００３−１５７２３号公報 特開平７−４３２６１号公報

複数の作業者が作業を行う組立ライン等の作業場においては、作業内容、作業者自体の能力によって身体運動的な作業負荷が各作業者によって異なることは避けられない。このため、作業負荷が大きい作業者の存在がボトルネックとなって、タクトタイムが長くなり、組立ライン全体の生産効率が低下する現象が見られる。

このことに対して、上述した組立ラインの改善、生産性支援の技術は、ラインアレンジメントに関係するところが多く、作業負荷が大きい作業者の存在がボトルネックになることを抜本的に改善することはできない。

作業単位を修正することによって作業負担評価指数の平準化を目指す作業工程計画の支援技術は、作業者の作業負担を平準化できるが、身体運動的な能力が低い作業者の存在が、組立ライン全体の生産効率を低下することになることを避けられない。

本発明が解決しようとする課題は、作業負荷が大きい作業者の存在がボトルネックになることを抜本的に改善し、複数の作業者が作業を行う作業場の生産効率の向上を図ることである。

本発明による作業負荷平準化方法は、複数の作業者が作業を行う作業場における作業者の作業負荷を平準化する方法であって、各作業者の作業負荷を数値化する作業者負荷数値化プロセスと、所定の作業負荷平準値を決定する作業負荷平準値決定プロセスと、前記作業負荷平準値決定プロセスにて決定された作業負荷平準値に対する前記作業者負荷の偏差を作業者毎に算出する作業負荷偏差算出プロセスと、前記作業負荷偏差算出プロセスにて算出された作業負荷偏差に基づいて作業補助力を作業者に与える作業補助装置の作業者に対する付与を決定する作業補助装置付与決定プロセスとを有する。

本発明による作業負荷平準化方法は、好ましくは、更に、前記作業負荷平準値より前記作業者負荷が過大である作業者に作業補助装置を付与し、当該作業補助装置が出力する作業補助量を、前記作業負荷偏差がゼロに近付く数値に設定する作業補助量定量化プロセスを有する。

本発明による作業負荷平準化方法は、好ましくは、更に、前記作業者の作業内容に応じて複数種類の作業補助装置より最適の作業補助装置を選定する作業補助装置選定プロセスを有する。

本発明による作業負荷平準化方法における前記各作業者の作業者負荷の数値化は、好ましくは、作業者に装着された生体センサにより計測される生体状態の計測値、作業者に装着された作業補助装置の仕事量、作業者に装着された床反力センサにより検出される床反力より推定演算される関節モーメント値の何れか或いはそれらの組み合わせにより行う。

本発明による作業負荷平準化支援装置は、複数の作業者が作業を行う作業場における作業者の作業負荷を平準化するための作業負荷平準化支援装置であって、各作業者の作業負荷を数値化する作業者負荷数値化手段と、所定の作業負荷平準値を決定する作業負荷平準値決定手段と、前記作業負荷平準値決定手段にて決定された作業負荷平準値に対する前記作業者負荷の偏差を作業者毎に算出する作業負荷偏差算出手段と、前記作業負荷偏差算出手段にて算出された作業負荷偏差に基づいて作業補助力を作業者に与える作業補助装置の作業者に対する付与を決定する作業補助装置付与決定手段とを有する。

本発明による作業負荷平準化支援装置は、前記作業補助装置が出力する作業補助量を、前記作業負荷偏差がゼロに近付く数値に設定する作業補助量設定手段を有する。

本発明による作業負荷平準化支援装置は、好ましくは、更に、作業者の作業内容に応じて複数種類の作業補助装置より最適の作業補助装置を選定する作業補助装置選定手段を有する。

本発明による作業負荷平準化方法および作業負荷平準化支援装置によれば、各作業者の作業負荷を数値化、換言すると定量化することが行われ、作業負荷平準値に対する作業者負荷に基づいて、作業補助装置の作業者に対する付与を決定することが行われ、ボトルネックになる作業負荷が大きい作業者が作業補助装置による支援される。

これにより、作業負荷が大きい作業者の作業負荷が、作業補助装置の助けによって低減し、作業者全体の作業負荷の平準化が図られ、その結果として、複数の作業者が作業を行う作業場の生産効率の向上が図られる。

以下に、本発明による作業負荷平準化方法およびそれの実施に用いられる作業負荷平準化支援装置の実施形態を、図１〜図８を用いて説明する。

本実施形態では、作業補助装置として、図１、図２に示されている歩行・移動の補助を行う歩行補助装置１０と、図３〜図６に示されている荷役の免荷を行う荷役作業補助装置１００の２種類の作業補助装置を準備し、作業者毎に何れか一方を選択使用する。

まず、図１、図２を参照して歩行補助装置１０について説明する。歩行補助装置１０は、作業者の腰部に装着される腰部装具２０と、腰部装具２０に取り付けられて作業者の左右の股関節部に対応する位置に配置される動力発生手段である電動モータ５０Ｌ、５０Ｒと、上端を各々電動モータ５０Ｌ、５０Ｒの出力部材（出力回転軸)５１Ｌ、５１Ｒに連結された動力伝達アーム６０Ｌ、６０Ｒと、動力伝達アーム６０Ｌ、６０Ｒの下端に取り付けられ作業者の大腿部に装着される大腿部装具７０Ｌ、７０Ｒと有する。

腰部装具２０は、大別して、バックフレーム２１と、腰背部パッド２２と、左右の腹部ベルト２４Ｌ、２４Ｒと、左右の補助ベルト２６Ｌ、２６Ｒと、左右のサイドベルト２７Ｌ、２７Ｒとにより構成されている。

バックフレーム２１は、剛体製、例えば金属で、作業者の腰背部を余裕をもって取り囲む形状を形成されている。バックフレーム２１は、電動モータ５０Ｌ、５０Ｒの動作を制御する制御装置９０と、電源ユニット９１、無線通信手段９２を内蔵している。無線通信手段９２は後述する作業負荷低減支援処理装置２００と所定の無線通信プロトコルによって双方向にデータ通信を行う

腰背部パッド２２は、軟質プラスチックスにより構成され、バックフレーム２１の内側に取り付けられている。詳細には、腰背部パッド２２は、固定ピン２８によって左右方向中央部をバックフレーム２１の左右方向中央部に固定連結され、左右両端がバックフレーム２１より前方に離れた自由端になっている。

バックフレーム２１の左右両側部分には、各々、板ばね、樹脂板等、弾性を有する材料により構成された弾性板１９Ｌ、１９Ｒが固定されている。弾性板１９Ｌ、１９Ｒは、腰背部パッド２２の左右両側部分とバックフレーム２１の左右両側部分との間の間隙に配置され、腰背部パッド２２の自由端側をバックフレーム２１に対して前方へ弾力的に付勢している。

左右の腹部ベルト２４Ｌ、２４Ｒは、織物、皮革、ビニル等、可撓性を有する材料により構成されており、一端を各々腰背部パッド２２の左右両端に固定連結され、他端をワンタッチ式のベルトバックル２３によって開放可能に互いに締結されるベルト構造になっている。

左右の補助ベルト２６Ｌ、２６Ｒは、織物、皮革、ビニル等、可撓性を有する材料により構成されており、一端を腰背部パッド２２の背面側の左右中間部に固定連結され、他端を左右の腹部ベルト２４Ｌ、２４Ｒの中間部にピン２５によって枢動可能に連結されている。補助ベルト２６Ｌ、２６Ｒは、長さ調整バックル２９Ａを取り付けられ、ベルト長さを調整できるようになっている。

左右のサイドベルト２７Ｌ、２７Ｒも、織物、皮革、ビニル等、可撓性を有する材料により構成されており、一端を左右の腹部ベルト２４Ｌ、２４Ｒの中間部（ピン２５より腰背部パッド２２との連結側)に固定接続され、他端をバックフレーム２１の左右両端に固定接続されている。サイドベルト２７Ｌ、２７Ｒのバックフレーム２１に対する固定は、バックフレーム２１の左右両端に各々形成されたスリット２１Ａにサイドベルト２７Ｌ、２７Ｒを通し、その折り返し部２７Ｂを面ファスナー２７Ａによってサイドベルト２７Ｌ、２７Ｒの一端側に剥離可能に貼り付けることにより行われている。この左右のサイドベルト２７Ｌ、２７Ｒは、面ファスナー２７Ａによる折り返し部２７Ｂの貼り付け位置の調整によりベルト長さ調整可能になっている。

動力伝達アーム６０Ｌ、６０Ｒは、電動モータ５０Ｌ、５０Ｒの出力を大腿部用装具７０Ｌ、７０Ｒに伝達するものであり、当該動力伝達アーム６０Ｌ、６０Ｒの下端部は、上下逆転Ｙ字形の二股形状になってばねを有し、その二股先端に各々に作業者の大腿部を前後から挟むパッドによる大腿部用装具７０Ｌ、７０Ｒが取り付けられている。

動力伝達アーム６０Ｌ、６０Ｒの下端部に対する大腿部用装具７０Ｌ、７０Ｒの取り付けは、着脱可能なねじ式になっていて、取付位置を上下左右に調整できるようになっている。

バックフレーム２１の左右両端部にはヒンジ軸支持部材３０Ｌ、３０Ｒが固定されている。ヒンジ軸支持部材３０Ｌ、３０Ｒは、横転コの字形をしていて前後二つの脚片間に掛け渡されたヒンジ軸３５Ｌ、３５Ｒを支持している。ヒンジ軸３５Ｌ、３５Ｒは、作業者の前後水平方向、つまり矢状軸方向に延在する中心軸線を有する。

ヒンジ軸３５Ｌ、３５Ｒには、ヒンジ連結部材３６Ｌ、３６Ｒが、当該ヒンジ軸３５Ｌ、３５Ｒの中心軸線周りに回動可能に取り付けられている。ヒンジ連結部材３６Ｌ、３６Ｒは電動モータ５０Ｌ、５０Ｒの上部側に一体形成された取付舌片５２Ｌ、５２Ｒに固定連結されている。

左右の電動モータ５０Ｌ、５０Ｒは、電源ユニット９１より電力供給され、制御装置９０により左右個別に出力トルク、回転角を制御され、左右の動力伝達アーム６０Ｌ、６０Ｒをスイング駆動する。

これにより、左右の電動モータ５０Ｌ、５０Ｒの出力トルクが大腿部用装具７０Ｌ、７０Ｒより装置着用の作業者の大腿部に歩行アシスト力と与えられ、電動モータ５０Ｌ、５０Ｒの出力トルクと回転角により決まる制御目標による歩行比をもって装置装着者の歩行・移動が補助(アシスト)される。

つぎに、図３〜図５を参照して荷役作業補助装置１００について説明する。荷役作業補助装置１００は、装置使用者が跨ぐようにして着座するサドル部１１２と、左右の大腿リンク部材１１４Ｌ、１１４Ｒと、左右の下腿リンク部材１１６Ｌ、１１６Ｒと、装置使用者によって履靴される靴部１１８Ｌ、１１８Ｒとを有する。

サドル部１１２の下底部中央には前後方向に延在するヒンジ軸１２０が取り付けられている。ヒンジ軸１２０には各々ブラケット１２２Ｌ、１２２Ｒによって前後方向に延在する左右の円弧ガイドバー１２４Ｌ、１２４Ｒがヒンジ軸１２０を中心として左右方向に回動可能（開脚可能）に取り付けられている。左右の円弧ガイドバー１２４Ｌ、１２４Ｒにはガイドローラ１２８Ｌ、１２８Ｒによってスライダ１２６Ｌ、１２６Ｒが当該ガイドバーに沿って移動可能に設けられている。スライダ１２６Ｌ、１２６Ｒには左右のベースプレート１３０Ｌ、１３０Ｒが取り付けられている。ベースプレート１３０Ｌ、１３０Ｒはスライダ１２６Ｌ、１２６Ｒとの固定部より後方へ突出延在している。ベースプレート１３０Ｌ、１３０Ｒには左右の大腿リンク部材１１４Ｌ、１１４Ｒの上端部が固定連結されている。

上述したヒンジ軸１２０、左右の円弧ガイドバー１２４Ｌ、１２４Ｒ、左右のスライダ１２６Ｌ、１２６Ｒ、左右のベースプレート１３０Ｌ、１３０Ｒは、装置使用者の左右の股関節に対応する位置にあり、これらの組み合わせによって、ヒトの股関節と等価の動きが可能な左右の第１関節機構部Ｌ１、Ｒ１が構成される。

左右の大腿リンク部材１１４Ｌ、１１４Ｒは、ベースプレート１３０Ｌ、１３０Ｒの後部側から斜め下方前方に延在している。左右の大腿リンク部材１１４Ｌ、１１４Ｒの先端部（下端部）には略水平な枢軸１３２Ｌ、１３２Ｒによって左右の下腿リンク部材１１６Ｌ、１１６Ｒの上端部が略上下方向に回動可能に連結されている。左右の下腿リンク部材１１６Ｌ、１１６Ｒの下端部には略水平な枢軸１３４Ｌ、１３４Ｒに靴部１１８Ｌ、１１８Ｒが略上下方向に回動可能に連結されている。

枢軸１３２Ｌ、１３２Ｒは、装置使用者の左右の膝関節に対応する位置にあって、ヒトの膝関節と等価の動きが可能な左右の第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２をなす。枢軸１３４Ｌ、１３４Ｒは、装置使用者の左右の足首関節に対応する位置にあって、ヒトの足首関節と等価の動きが可能な左右の第３関節機構部Ｌ３、Ｒ３をなす。

左右のベースプレート１３０Ｌ、１３０Ｒには、動力発生装置として、左右の電動モータ１３６Ｌ、１３６Ｒが取り付けられている。左右の電動モータ１３６Ｌ、１３６Ｒは、アシスト力発生源であり、出力軸１３８Ｌ、１３８Ｒに出力プーリ４０Ｌ、４０Ｒを取り付けられている。

枢軸１３２Ｌ、１３２Ｒには従動プーリ１４２Ｌ、１４２Ｒが取り付けられている。出力プーリ１４０Ｌ、１４０Ｒと従動プーリ１４２Ｌ、１４２Ｒには各々無端ベルト１４４Ｌ、１４４Ｒが掛け渡されている。この伝動機構により、左右の電動モータ１３６Ｌ、１３６Ｒの回転出力が左右の第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２をなす左右の枢軸１３２Ｌ、１３２Ｒに各々個別に伝達される。つまり、左右の電動モータ１３６Ｌ、１３６Ｒが発生する力が左右の脚部（膝関節部分）にアシスト力として個別に与えられる。

サドル部１１２は、左右の電動モータ１３６Ｌ、１３６Ｒに電力を供給するバッテリ電源（図示省略）と、左右の電動モータ１３６Ｌ、１３６Ｒの動作を制御する制御装置１５０と、無線通信手段１５１を内蔵している。無線通信手段１５１は後述する作業負荷低減支援処理装置２００と所定の無線通信プロトコルによって双方向にデータ通信を行う。

各種物理量を検出するセンサとして、左右の電動モータ１３６Ｌ、１３６Ｒの回転角を検出するロータリエンコーダ１５０Ｌ、１５０Ｒと、左脚、右脚の床反力計測を行うＭＰセンサ１５２Ｌ、１５２Ｒ及び踵センサ１５４Ｌ、１５４Ｒと、左脚、右脚の支持力計測を行う支持力センサ１５６Ｌ、１５６Ｒが各部に取り付けられている。

左右のＭＰセンサ１５２Ｌ、１５２Ｒは、多軸（少なくとも鉛直方向、水平方向の２軸)の力センサであり、左右の靴部１１８Ｌ、１１８Ｒを着用した装置使用者のＭＰ関節（中趾節関節）部分にほぼ対応した位置の靴内に配置されて床反力を計測する。

左右の踵センサ１５４Ｌ、１５４Ｒは、多軸（少なくとも鉛直方向、水平方向の２軸)の力センサであり、左右の靴部１１８Ｌ、１１８Ｒを着用した装置使用者の踵部分にほぼ対応した位置の靴内に配置されて床反力を計測する。

左脚、右脚の支持力センサ１５６Ｌ、１５６Ｒは、多軸（少なくとも鉛直方向、水平方向の２軸)の力センサであり、下腿リンク部材１１６Ｌ、１１６Ｒの下端部に取り付けられ、下腿リンク部材１１６Ｌ、１１６Ｒに作用する支持力を計測する。支持力センサ１５６Ｌ、１５６Ｒによって計測される支持力は、床反力と相関する物理量である。

制御装置１５０は、上述した各センサの信号と、装置使用者に装着された筋電計、心拍センサ、呼吸量センサ、発汗量センサ等の生体センサより筋電位、心拍数、呼吸量、発汗量等を示す信号を、腰部・胸部ジャイロセンサより腰部、胸部の鉛直方向に対する角速度を示す信号を、腰部・胸部加速度センサより腰部、胸部の鉛直方向、水平方向の加速度を示す信号を各々入力し、所定の制御則に従って、左右の電動モータ１３６Ｌ、１３６Ｒの動作(出力トルク、回転角）を個別に制御する。

左右の電動モータ１３６Ｌ、１３６Ｒは、制御装置１５０により左右個別に出力トルク、回転角を制御され、従動プーリ１４２Ｌ、１４２Ｒを回動駆動する。

これにより、左右の電動モータ１３６Ｌ、１３６Ｒの出力トルクが靴部１１８Ｌ、１１８Ｒより装置着用の作業者の膝関節にスクワットアシスト力と与えられ、電動モータ１３６Ｌ、１３６Ｒの出力トルクと回転角に応じて装置装着者のスクワットを伴う荷役の免荷が行われる。

つぎに、図６を参照して作業負荷平準化支援装置２００について説明する。作業負荷平準化支援装置２００は、工場、倉庫や港湾等の荷役作業現場、土木建築作業現場、荷物集配所、農業・水産作業場所等、複数の作業者が作業を行う作業場における作業者の作業負荷を平準化を支援するものであり、この実施形態では、自動車の生産ラインにおける作業者の下肢に作用する作業負荷の平準化支援を例にとって説明する。

作業負荷平準化支援装置２００は、作業者負荷数値化手段２０１と、作業負荷平準値決定部２０２と、作業負荷偏差算出部２０３と、作業補助装置付与決定部２０４と、作業補助装置選定部２０５と、作業補助量設定部２０６とを有する。作業負荷平準化支援装置２００の、これら各処理部は、マイクロコンピュータがコンピュータプログラムを実行することにより、ソフトウェア的に具現化される。

作業負荷平準化支援装置２００には、出力機器として、ディプレイ２０７が接続されている。ディプレイ２０７は、上述の各部２０１〜２０６の出力情報をモニタ表示することができる。

作業者負荷数値化部２０１は、自動車生産ラインにおける各工程の各作業者の作業負荷を数値化するプロセスを実行するものであり、作業者固有情報と、作業内容情報と、作業者に装着された筋電計、心拍センサ、呼吸量センサ、発汗量センサ等の生体センサ２２０により検出される作業者の生体情報を入力し、予め定められたアルゴリズムにより、各作業者の作業従事の負荷を数値化する。作業負荷を数値化した値（作業負荷値)としては、カロリー換算値、指数等がある。一つの例として、通常の心拍数と消費エネルギ（酸素消費量）との関係から、作業負荷として、心拍センサによって検出される心拍数から消費エネルギを算出してよい。

作業者固有情報としては、氏名や作業者認識番号等、作業者を特定する情報（ＩＤ情報)、体格、作業能力、健康具合等がある。作業内容情報は、作業内容を特定する情報であり、これには、荷物、部品等の持ち上げ等、スクワットを伴う作業や歩行を伴う作業等がある。

また、作業者負荷数値化部２０１は、作業者に装着された作業補助装置、本実施形態では、歩行補助装置１０、荷役作業補助装置１００の出力値、消費電力等により、歩行補助装置１０、荷役作業補助装置１００実際の仕事量を算出し、算出された仕事量を参照して各作業者の作業従事の負荷を数値化することもできる。

また、作業者負荷数値化部２０１は、荷役作業補助装置１００のＭＰセンサ１５２Ｌ、１５２Ｒ、踵センサ１５４Ｌ、１５４Ｒによって床反力を検出し、床反力の検出値より関節モーメント値を逆動力学演算法などによって推定演算し、推定演算された関節モーメント値を参照して各作業者の作業従事の負荷を数値化することもできる。

本実施形態では、床反力演算は、ＭＰセンサ１５２Ｌ、５２Ｒ、踵センサ１５４Ｌ、１５４Ｒの各々よりセンサ信号を入力し、あるいは支持力センサ１５６Ｌ、１５６Ｒのセンサ信号を入力し、装置使用者の左右の足に作用する床反力ＦＬ(ＦＬｘ，ＦＬｙ）、ＦＲ(ＦＲｘ，ＦＲｙ）を左右個別に演算する。なお、ＦＬｘ、ＦＬｘは、床反力ＦＬ、ＦＲのうち水平方向に働く力、ＦＬｙ、ＦＬｙは、床反力ＦＬ、ＦＲのうち鉛直方向に働く力である。

関節モーメントの推定演算は、ＭＰセンサ１５２Ｌ、１５２Ｒ、踵センサ５４Ｌ、５４Ｒの計測値あるいは支持力センサ５６Ｌ、５６Ｒの計測値に基づいて演算された床反力(ＦＬｘ，ＦＬｙ）、ＦＲ(ＦＲｘ，ＦＲｙ）から歩行補助装置装着者の左右の関節モーメント(関節トルク)、本実施形態では膝関節モーメントを推定演算する。この関節モーメントの推定演算は、逆動力学演算によって行われる。

ここで、逆動力学演算による関節モーメントの算出法について説明する。

まず、逆動力学モデルの概念を、図７を参照して説明する。逆動力学モデルは、運動と境界条件から内力を推定する力学的モデルであり、逆動力学モデルを用いて内力である関節モーメント(トルク)を算出する。

剛体リンクモデルの遠位端の境界条件を床反力Ｆｆから求め、遠位節Ｉの重量Ｗ１と慣性から力の釣り合い式を解くことで、遠位節Ｉの近位端の関節反力Ｆｊ１が求まる。更に、関節反力Ｆｊ１を遠位節Ｉより一つ近位の節ＩＩの境界条件とし、近位節ＩＩの重量Ｗ２と慣性から力の釣り合い式を解くことで、近位節ＩＩの近位端の関節反力Ｆｊ２が求まる。これを節の数だけ繰り返す。

このようにして求められた関節反力(Ｆｊ１、Ｆｊ２)を用いて関節トルクを求める。遠位と近位の関節反力を用いた節重心周りのトルクの釣り合い式から、一つ近位の関節トルクを求める。更に、この関節トルクと一つ近位の節の遠位と近位の関節反力から、次に近位の関節トルクを求める。これを節の数だけ繰り返す。

図８は、運動中の遠位からｉ番目の節(剛体)にかかる力を示している。各節の近位端に働く力(Ｆ（ｉ＋１）ｘ，Ｆ（ｉ＋１）ｙ)、トルクＭ（ｉ＋１）は、関節で繋がる近位の仏の遠位端に働く力(Ｆ（ｉ）ｘ，Ｆ（ｉ）ｙ)、トルクＭ（ｉ）の反力であるため、力(Ｆ（ｉ）ｘ，Ｆ（ｉ）ｙ)、トルクＭ（ｉ） とは逆向きの値になる。この図より力の釣り合い式は、式(１)、式(２)のように記述できる。

式(１)と式(２)を変形すると、式(３)、式(４)になる。

最遠位の節の下端(足部）にかかる力として床反力を、式(３)、式(４)に代入することにより、下位から順に全ての関節の反力が決まる。ただし、ここで求めた反力は、関節面にかかる力の全てではない。関節面には、この反力以外に、内力である筋張力も作用する。

つぎに、この関節の反力を用いて関節トルク(関節モーメント)を算出する。図６よりトルクの釣り合いは、式(５)で表される。

式(５)を変形すると、式(６)になる。

関節の反力と同様に、最遠位の節の下端にかかるトルクを床反力から算出し、これを式(６)に代入する。そして、先に求めた関節の反力を式(６)に代入することで、遠位から順に各関節トルクが求まる。

本実施形態では、荷役作業補助装置１００の第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２は、図４に示されているように、荷役作業補助装置１００を装備したヒトの膝関節よりと左右の第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２より前方にあり、直立姿勢時でも、或る角度をもつから、第１関節機構部Ｌ１、Ｒ１の曲げ角度と実際の股間関節の曲げ角度、第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２の曲げ角度と実際の膝関節の曲げ角度、第３関節機構部Ｌ３、Ｒ３の曲げ角度と実際の足首関節の曲げ角度は、各々相関するものの、同一値にならない。

このため、上述の関節トルクの演算に用いられる節の角度θは、予め設定された歩行補助装置１０の関節機構部の曲げ角度と装置装着者の実際の各関節部の曲げ角度との相関を表す関係式により補正すればよい。

このため、上述の関節トルクの演算に用いられる節の角度θは、予め設定された歩行補助装置１０の関節機構部の曲げ角度と装置装着者の実際の各関節部の曲げ角度との相関を表す関係式により補正すればよい。

図９は、荷役作業補助装置１００と装置装着者との幾何学的関係を示している。図９において、符号Ｍｃは円弧ガイドバー１２４Ｌ、１２４Ｒの仮想中心点を示しており、上述の演算において、仮想中心点Ｍｃと第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２との間の長さ(大腿リング長)Ｌｍａは、装置装着者の股関節Ａと膝関節Ｂとの間の大腿部の長さＬｈａに変換され、第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２と第３関節機構部Ｌ３、Ｒ３との間の長さ(下腿リング長)Ｌｍｂは、装置装着者の膝関節Ｂと足首関節Ｃの間の下腿部の長さＬｈｂに変換される。また、第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２の曲げ角度θｍａは実際の膝関節の曲げ角度θｈａに、第３関節機構部Ｌ３、Ｒ３の曲げ角度θｍｂは実際の足首関節の曲げ角度θｈｂに変換される。

なお、床反力Ｆは、足裏と地面との接点より人の重心位置Ｇへ向けて働く。

図１０は、第２関節機構部Ｌ２、Ｒ２の曲げ角度θｍａ、第３関節機構部Ｌ３、Ｒ３の曲げ角度θｍｂを代表する装置関節角度θｍと実際の膝関節の曲げ角度θｈａ、実際の足首関節の曲げ角度θｈｂを代表する作業者の関節角度θｈとの関係を示しており、装置関節角度θｍと作業者の関節角度θｈとの変換は、次に示す近似式（７）によって行われればよい。

θｈ＝αθｍ^２＋βθｍ＋γ …（７）

但し、α、β、γは定数である。

そして、推定演算された関節トルク(関節モーメント推定値)から歩行補助装置装着者の左右脚のエネルギ消費量を推定演算する。エネルギ消費量Ｅｈは式(８)により算出される。

Ｅｈ＝∫Ｔｊ・ωｄｔ …（８）

Ｔｊ：関節トルク

ω：関節運動の角速度

角速度ωは、ロータリエンコーダ１５０Ｌ、１５０Ｒによる計測される回転角の微分演算や腰部・胸部ジャイロセンサのセンサ信号により得ることができる。関節トルクＴｊの積分は、予め決められた時間区間の積分であり、予め決められた所定時間当たりの仕事量(作業負荷）に相当する。

作業負荷平準化支援装置２００と作業補助装置（歩行補助装置１０、荷役作業補助装置１００）とで、無線通信が可能な環境にある場合には、リアルタイムに各作業者の作業従事の負荷を数値化することができ、その変化も把握できる。

図１１（ａ）は、作業者Ａ〜Ｅの作業負荷値を棒グラフで示している。図１１（ａ）に符号Ｗａ〜Ｗｅで示されている作業負荷値は、作業補助装置を装備していない状態での作業者Ａ〜Ｅの作業負荷値であり、この作業負荷値は、各作業者の資質、能力、状態、作業内容により相違する。

作業負荷平準値決定部２０２は、所定の作業負荷平準値を決定するプロセスを実行するものである。当該作業負荷平準値決定部２０２が定める作業負荷平準値としては、作業者の好ましい労働量に基づく規定値、あるいは作業者負荷数値化部２０１によって数値化された作業者負荷（作業負荷値)の最小値（Ｗｄ）に等しい値による作業負荷平準値Ｌａ、あるいは最小値（Ｗｄ）の所定比率、例えば、８０％相当の作業負荷平準値Ｌｂがある。

作業負荷偏差算出部２０３は、作業負荷平準値決定部２０２にて決定された作業負荷平準値（Ｌａ、Ｌｂ）に対する作業者負荷値Ｗａ〜Ｗｅの偏差を作業者Ａ〜Ｅ毎に算出するプロセスを実行する。

作業補助装置付与決定部２０４は、作業負荷偏差算出部２０３にて算出された作業負荷偏差に基づいて作業補助装置の作業者Ａ〜Ｅに対する付与を決定する。作業補助装置の付与は、作業負荷偏差（作業者負荷値−作業負荷平準値）が正値の場合、つまり、作業負荷平準値より作業者負荷値が大きい作業者に対して行われる。

作業負荷平準値が（Ｌａ）である場合には、作業者Ｄを除く作業者Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅに作業補助装置を付与することを決定する。これに対し、作業負荷平準値（Ｌｂ）である場合には、作業者Ａ〜Ｅの全員に作業補助装置を付与することを決定する。

作業補助装置選定部２０５は、複数種類の作業補助装置が準備されている場合に有効に機能するものであり、作業者負荷の内容に応じて、準備されている複数種類の作業補助装置より最適の作業補助装置を選定するプロセスを実行する。

たとえば、荷物、部品等の持ち上げ等、スクワットを伴う作業の場合には、作業補助装置としてスクワット補助に有効な荷役作業補助装置１００を選定し、専ら歩行を伴う作業の場合には、作業補助装置として歩行補助に有効な歩行補助装置１０を選定する。

作業補助量設定部２０６は、作業負荷平準値（Ｌａ、Ｌｂ）に対して作業者負荷値Ｗａ〜Ｗｅが過大である数値を示す作業者に付与する作業補助装置（歩行補助装置１０、荷役作業補助装置１００）が出力する作業補助量（アシスト量）を、前記作業負荷偏差がゼロに近付く数値に設定するプロセスを実行する。

この作業補助量の制御指令に基づいて作業補助装置（歩行補助装置１０、荷役作業補助装置１００）の出力を調整する。作業補助装置の出力調整は、作業負荷平準化支援装置２００とはオフラインで、装具管理者が手動で行う。

無線ＬＡＮを施された工場等において、作業負荷平準化支援装置２００と作業補助装置（歩行補助装置１０、荷役作業補助装置１００）とで無線通信が可能な環境にある場合には、作業負荷平準化支援装置２００と作業補助装置との無線通信によって作業補助装置（歩行補助装置１０、荷役作業補助装置１００）の出力調整を行うこともできる。

このように、作業補助装置（歩行補助装置１０、荷役作業補助装置１００）が作業者に与えられ、出力調整された作業補助装置が作業補助を行うことにより、作業補助装置装備後の作業者Ａ〜Ｅの作業者負荷値Ｗａ〜Ｗｅは、図１１（ｂ）あるいは図１１（ｃ）に示されているように、作業補助量Ａａ〜Ａｅの付与のもとに、作業負荷平準値（Ｌａ、Ｌｂ）をもって平準化される。

上述したように、各作業者Ａ〜Ｅの作業負荷を数値化（定量化）することが行われ、作業負荷平準値（Ｌａ、Ｌｂ）に対する作業者負荷値Ｗａ〜Ｗｅに基づいて、作業者に対する作業補助装置の付与を決定することが行われことが行われる。

これにより、ボトルネックになる作業負荷が大きい作業者を作業補助装置によって支援することが行われ、作業負荷が大きい作業者の作業負荷が、作業補助装置の助けによって低減する。このことにより、作業者全体の作業負荷の平準化が図られ、その結果として、複数の作業者が作業を行う作業場の生産効率の向上、人員削減、作業工程間と時間的な平準化の最適化が図られる。

また、作業補助装置が出力する作業補助量（アシスト量）が、作業負荷偏差がゼロに近付く数値に設定されることにより、作業補助装置（歩行補助装置１０、荷役作業補助装置１００）の出力が作業負荷平準化に対して過不足なく設定され、ＣＯ２削減に寄与する。

つぎに、作業負荷低減支援処理装置２００の動作フローを、図１２のフローチャートを参照して説明する。

まず、個人識別番号等、各作業者を特定する情報と、各作業者に割り当てられている作業内容、作業工程に関する情報を取り込み、作業者の識別を行う（ステップＳ１０１）。

つぎに、各作業者の歩数、歩幅、歩行速度、床反力等の作業状況情報、心拍数や筋電位、発汗量等の生体情報を入力する(ステップＳ１０２）。

つぎに、作業者識別情報、作業状況情報、作業者の生体情報に基づいて作業負荷を定量的に分析し、作業負荷を数値化する（ステップＳ１０３）。

つぎに、作業負荷平準値を決定する（ステップＳ１０４）。作業負荷平準値は、作業者の好ましい労働量に基づく規定値、あるいは作業者負荷数値化部２０１によって数値化された作業者負荷（作業負荷値)の最小値（Ｗｄ）に等しい値による作業負荷平準値Ｌａ、あるいは最小値（Ｗｄ）の所定比率、例えば、８０％相当の作業負荷平準値Ｌｂである。

次に、該当作業者の作業内容、作業者負荷の内容に応じて、準備されている複数種類の作業補助装置より最適の作業補助装置を選定する。まず、該当作業者の作業が歩行作業中心のものであるか否かを判別し、作業者の作業が歩行・移動中心のものであれば、該当作業者に対して歩行補助装置１０を提供することを決定する（ステップＳ１０５）。

次に、作業負荷平準値に対する作業者負荷値の偏差を演算し、作業負荷偏差に基づいて歩行補助装置１０のアシスト量を決定し（ステップＳ１０６）、該当作業者に提供する歩行補助装置１０のアシスト量を設定する（ステップＳ１０７）。

これに対し、該当作業者の作業が歩行中心のものでなければ、つぎに、該当作業者の作業が荷役作業中心のものであるか否かを判別し、該当作業者の作業が荷役作業中心のものであれば、該当作業者に対して荷役作業補助装置１００を提供することを決定する（ステップＳ１０８）。

次に、作業負荷平準値に対する作業者負荷値の偏差を演算し、作業負荷偏差に基づいて荷役作業補助装置１００のアシスト量を決定し（ステップＳ１０９）、該当作業者に提供する荷役作業補助装置１００のアシスト量を設定する（ステップＳ１１０）。

図１３は、本実施形態の作業負荷平準化支援方法が適用された自動車製造ラインを解図的に示している。組立ライン３００は、フロアパネル組立部Ｐ１０１、ドアパネル組立部Ｐ１０２、タイヤ組付部Ｐ１０３を有する。組立ライン３００のライン速度は、ライン速度制御装置３１０により可変制御される。

ライン速度制御装置３１０は、作業負荷低減支援処理装置２００とデータ通信可能に接続され、作業負荷低減支援処理装置２００の目標歩行比演算処理部２０６で演算された実歩行速度、制御目標歩行比に基づいてライン速度を最適制御することができる。

図１４に示されているように、工場の組立ライン上に車台が流れてくる車体組立工程において、中腰作業環境(重負荷環境移動作業:プロペラシヤフト装着作業工程、エンジンとミッション締結作業工程等)においては、作業者の関節モーメント負荷が大となるため、作業者にかかる関節モーメントを低減することが、重要となる。このため、中腰作業環境の作業者には、荷役作業補助装置１００を提供する。

これに対し、作業環境(平地・傾斜地歩行作業、軽部品装着作業工程、ボルト締結作業工程、台車押し作業工程等)の軽負荷で、歩行作業が中心の作業においては、歩行時の歩幅や、単位時間当たりの歩数から計算される歩行率を適切に誘導することにより、歩行時の消費エネルギを最小限の抑えることが可能となるから、軽負荷歩行作業中心の作者業には、歩行補助装置１０を提供する。

図１５は、自動車製造工場における車型(製造車種)間、工程間の作業者平準化を、図１６は工場全体の作業者平準化を解図的に示している。組立ライン上を流れる車型や工程毎に発生する各作業負荷が変動した場合には、各作業者の作業負荷量(歩行補助装置１０：作業消費エネルギ、荷役作業補助装置１００：関節モーメント負荷)を低減するために各作業者に現時点の作業負荷の何パーセントかのアシストを行い、作業車の作業負荷を低減し、作業者間の作業負荷を平準化することにより、ライン全休の流れが改善され、タクトタイムの減少効果が可能となる。

図１７は、本実施形態の作業負荷低減方法が適用された工場の作業負荷状況を解図的に示している。作業負荷平準化の最適化を図るように、アシスト量や歩行比を変化させ、各作業者の関節モーメント負荷と消費エネルギを減少させる。それにより、作業者の負担を低減し、これを作業工程間、さらには時間的な平準化を行うように制御を行うことにより、作業者の人員数や、一人の作業者の作業工程の効率化が可能となり、工場全体で総工数を低減することが可能になり、今後予測される若年層の離職率の増加、小子高齢化による労働人口の減少に対して、本実施形態の次世代工場への適用により、多大な効果を期待できる。

本発明による作業負荷平準化方法の実施に用いられる歩行補助装置の一つの実施形態を示す斜視図である。 本発明による作業負荷平準化方法の実施に用いられる歩行補助装置の装着具部分の一つの実施形態を示す分解斜視図である。 本発明による作業負荷平準化方法の実施に用いられる荷役作業補助装置の一つの実施形態の概要を示す斜視図である。 本発明による作業負荷平準化方法の実施に用いられる荷役作業補助装置の一つの実施形態の要部を示す側面図である。 本発明による作業負荷平準化方法の実施に用いられる荷役作業補助装置の一つの実施形態の要部を示す正面図である。 本発明による作業負荷平準化支援装置の一つの実施形態を示すブロック図である。 逆動力学モデルの概念を説明する説明図である。 関節反力と関節トルクの定式化を説明する説明図である。 歩行補助装置と装置装着者との幾何学的関係を示す説明図である。 装置関節角度と作業者の関節角度との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、各作業者の作業者負荷値、作業負荷平準値、作業補助量の関係を示すグラフである。 本実施形態による作業負荷平準化支援装置の動作フローを示すフローチャートである。 本実施形態の作業負荷平準化方法が適用された自動車製造ラインを解図的に示す説明図である。 本実施形態の作業負荷平準化方法が適用された自動車製造ラインにおける補助装置の配布を解図的に示す説明図である。 本実施形態の作業負荷平準化方法が適用される自動車製造工場における車型(製造車種)間、工程間の作業者平準化を解図的に示す説明図である。 本実施形態の作業負荷平準化方法が適用される自動車製造工場における工場全体の作業者平準化を解図的に示す説明図である。 本実施形態の作業負荷平準化方法が適用された工場の作業負荷状況を解図的に示す説明図である。

符号の説明

１０ 歩行補助装置
１００ 荷役作業補助装置
２００ 作業負荷平準化支援装置
２０１ 作業者負荷数値化部
２０２ 作業負荷平準値決定部
２０３ 作業負荷偏差算出部
２０４ 作業補助装置付与決定部
２０５ 作作業補助装置選定部
２０６ 作業補助量設定部

Claims (7)

1. 複数の作業者が作業を行う作業場における作業者の作業負荷を平準化する方法であって、
   各作業者の作業負荷を数値化する作業者負荷数値化プロセスと、
   所定の作業負荷平準値を決定する作業負荷平準値決定プロセスと、
   前記作業負荷平準値決定プロセスにて決定された作業負荷平準値に対する前記作業者負荷の偏差を作業者毎に算出する作業負荷偏差算出プロセスと、
   前記作業負荷偏差算出プロセスにて算出された作業負荷偏差に基づいて作業補助力を作業者に与える作業補助装置の作業者に対する付与を決定する作業補助装置付与決定プロセスと、
   を有する作業負荷平準化方法。
2. 前記作業負荷平準値より前記作業者負荷が過大である作業者に作業補助装置を付与し、当該作業補助装置が出力する作業補助量を、前記作業負荷偏差がゼロに近付く数値に設定する作業補助量定量化プロセスを有する請求項１に記載の作業負荷平準化方法。
3. 前記各作業者の作業者負荷の数値化は、少なくとも作業者に装着された生体センサにより計測される生体状態の計測値を用いて行う請求項１または２に記載の作業負荷平準化方法。
4. 前記各作業者の作業者負荷の数値化は、少なくとも作業者に装着された作業補助装置の仕事量を用いて行う請求項１から３の何れか一項に記載の作業負荷平準化方法。
5. 前記各作業者の作業者負荷の数値化は、少なくとも作業者に装着された床反力センサにより検出される床反力より推定演算される関節モーメント値を用いて行う請求項１から４の何れか一項に記載の作業負荷平準化方法。
6. 複数の作業者が作業を行う作業場における作業者の作業負荷を平準化するための作業負荷平準化支援装置であって、
   各作業者の作業負荷を数値化する作業者負荷数値化手段と、
   所定の作業負荷平準値を決定する作業負荷平準値決定手段と、
   前記作業負荷平準値決定手段にて決定された作業負荷平準値に対する前記作業者負荷の偏差を作業者毎に算出する作業負荷偏差算出手段と、
   前記作業負荷偏差算出手段にて算出された作業負荷偏差に基づいて作業補助力を作業者に与える作業補助装置の作業者に対する付与を決定する作業補助装置付与決定手段と、
   を有する作業負荷平準化支援装置。
7. 前記作業補助装置が出力する作業補助量を、前記作業負荷偏差がゼロに近付く数値に設定する作業補助量設定手段を有する請求項６に記載の作業負荷平準化支援装置。

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