JP2013024847A - 振動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 人体胸部の振動を容易に精度よく計測できる振動計測装置を提供する。
【解決手段】 本発明の代表的な構成は、人体に加わる振動を計測する振動計測装置１００において、人体胸部の前面を覆うように配置される平板状のフロントベース１１０と、フロントベース１１０の左右の両端近傍からそれぞれ人体胸部の側面に沿って延びるサイドベース１２０、１２２と、フロントベース１１０およびそれぞれのサイドベース１２０、１２２に取り付けられる３つの３軸加速度センサ１４０、１４２、１４４と、人体胸部にフロントベース１１０およびそれぞれのサイドベース１２０、１２２を固定する固定部とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体に加わる振動を計測する振動計測装置に関する。

車両搭乗中、乗員は振動にさらされる。かかる振動は、乗り心地や疲労等の悪影響を与える。よって、かかる振動が低減されるように、自動車のサスペンションやシートの設計を行う必要がある。そのためには、人体の振動の特性を十分に理解する必要があり、人体の振動を精度よく計測することが重要な作業となる。ここで、特許文献１には、乗員が受ける振動を計測する装置について記載されている。

ところで、人体胸部を含む上半身には内臓器官が備わっており、非常に重要な部位となっている。乗物に乗ったときに内臓に与えられる振動や機械操作のときに人体を通して内臓に伝わる振動は、乗物の乗り心地や装置の使い心地への影響だけでなく、動揺病など健康に対しても影響がある。そのため、特に、人体胸部の振動を精度よく計測することが重要な作業となる。

人体胸部の振動を計測する方法としては、単純には、その表面に３軸加速度センサを貼り付けて加速度を計測し、これに基づきその部位の振動を求める方法が挙げられる。しかし、人体胸部はその表面が柔軟な筋肉や脂肪組織、皮膚で覆われているため、その表面に３軸加速度センサを貼り付けても計測される加速度が正確なものではなく、振動を精度よく求めることができない。そこで従来、その表面に貼り付けた３軸加速度センサを糸で引っ張った後に瞬時に離し、その表面の振動の特性を別途計測する方法が知られている。この方法により、３軸加速度センサを貼り付けた部位の加速度を算出することができるとされている。

特開２００２−２８６７４４号公報

しかしながら、上述した表面（皮膚）の振動の特性を別途計測する方法は、煩雑なだけでなく、被験者ごとに計測結果が異なる不安定なものである。そのため、人体胸部の振動を容易に精度よく計測する技術が望まれる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、人体胸部の振動を容易に精度よく計測できる振動計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の代表的な構成は、人体に加わる振動を計測する振動計測装置において、人体胸部の前面を覆うように配置される平板状のフロントベースと、フロントベースの左右の両端近傍からそれぞれ人体胸部の側面に沿って延びるサイドベースと、フロントベースおよびそれぞれのサイドベースに取り付けられる３つの３軸加速度センサと、人体胸部にフロントベースおよびそれぞれのサイドベースを固定する固定部とを備えることを特徴とする。

３軸加速度センサを柔軟な筋肉や脂肪組織、皮膚で覆われる人体胸部の表面に貼り付けるのではなく、３軸加速度センサをフロントベースとそれぞれのサイドベースとに分散して配置した当該振動計測装置を人体胸部に固定することで、人体胸部の振動を容易に精度よく計測することができる。

固定部は人体の背中部分に巻かれる長尺状の固定用バンドであり、その両端はそれぞれのサイドベースに取り付けられるとよい。これにより、当該振動計測装置を人体胸部に簡易的に固定することができる。

フロントベースの内側に連結され人体胸部に密着する密着用弾性体と、それぞれのサイドベースに連結されサイドベースに取り付けられた３軸加速度センサを内包し、人体脇部に挟持される２つの挟持用弾性体とをさらに備えるとよい。これにより、当該振動計測装置をしっかりと人体に固定することができる。また、人体に接触する部分が弾性体で形成されるため、被験者に痛みを感じさせることのない構成が実現される。

フロントベースは左右方向に延びる長孔を有し、当該振動計測装置は長孔の任意の位置に挿入される締結具をさらに備え、サイドベースはそれぞれの前端部がフロントベースに締結具にて締結されているとよい。これにより、それぞれのサイドベースの前端部を左右方向に延びる長孔の任意の位置にて締結することができる。すなわち、２つのサイドベースの間の寸法を調整することができる。

本発明によれば、人体胸部の振動を容易に精度よく計測できる振動計測装置を提供可能である。

本実施形態にかかる振動計測装置の斜視図である。 図１の振動計測装置の使用態様図である。 図２の使用態様における３軸加速度センサの配置について示す図である。 並進運動および回転運動をする物体の加速度について説明する図である。 図３の３軸加速度センサを用いた人体胸部の中心の６軸加速度の計測を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかる振動計測装置１００の斜視図である。図１（ａ）、（ｂ）では、振動計測装置１００を異なる角度から示している。図２は、図１の振動計測装置１００の使用態様図である。図２に示すように、振動計測装置１００は被験者Ｐの人体胸部に固定され、その振動を容易に精度よく計測するものである。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、振動計測装置１００は、平板状のフロントベース１１０、フロントベース１１０の左右の両端近傍にそれぞれの前端部１２０ａ、１２２ａが固定される略Ｌ字状のサイドベース１２０、１２２を備える。

図２に示すように、フロントベース１１０は、人体胸部の前面を覆うように配置される。サイドベース１２０、１２２は、フロントベース１１０の左右の両端近傍からそれぞれ人体胸部の側面に沿って延びるように配置される。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、フロントベース１１０は左右方向に延びる長孔１１２、１１４、１１６、１１８を有する。それぞれのサイドベース１２０、１２２の前端部１２０ａ、１２２ａは、かかる長孔１１２、１１４、１１６、１１８の任意の位置に締結具１５２、１５４、１５６、１５８を挿入し締結される。

そのため、左右方向に延びる長孔１１２、１１４、１１６、１１８の径の範囲内でそれぞれのサイドベース１２０、１２２の前端部１２０ａ、１２２ａの締結箇所を設定することができる。よって、被験者Ｐの体格に合わせて、２つのサイドベース１２０、１２２の間の寸法を調整可能である。なお、本実施形態では４つの長孔１１２、１１４、１１６、１１８を設けているが、その数はこれに限られない。前端部１２０ａ、１２２ａのいずれか一方の締結箇所を調節する少なくとも１つの長孔があれば２つのサイドベース１２０、１２２の間の寸法は調整可能である。

フロントベース１１０外側の略中央には、３軸加速度センサ１４０が備えられる。また、略Ｌ字状のサイドベース１２０、１２２の側端部１２０ｂ、１２２ｂ外側の略中央には、それぞれ、３軸加速度センサ１４２、１４４が備えられる。

フロントベース１１０の内側には、人体胸部との密着性を向上するための密着用弾性体１６０が連結される。また、それぞれのサイドベース１２０、１２２の側端部１２０ｂ、１２２ｂ外側には、それぞれ、人体脇部に挟持される挟持用弾性体１６２、１６４が連結される。密着用弾性体１６０、挟持用弾性体１６２、１６４は、ゴム素材または発泡体で構成される。図２に示すように、人体に接触する部分をかかる弾性体で形成することで、被験者Ｐに痛みを感じさせることがない構成が実現される。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、挟持用弾性体１６２、１６４の略中央には空隙部１６６、１６８が形成されている。これらは、サイドベース１２０、１２２に取り付けられた３軸加速度センサ１４２、１４４が挟持用弾性体１６２、１６４に接触しないようにドーナツ状にくり抜かれ空洞化された部分である。挟持用弾性体１６２、１６４が人体脇部に挟持された際に、挟持用弾性体１６２、１６４が３軸加速度センサ１４２、１４４に接触すると、被験者Ｐが運動していなくとも加速度が検知されてしまうためである。すなわち、挟持用弾性体１６２、１６４は、この空洞化された空隙部１６６、１６８に３軸加速度センサ１４２、１４４を内包する。

それぞれのサイドベース１２０、１２２の側端部１２０ｂ、１２２ｂには、被験者Ｐの背中部分に巻かれる長尺状の固定用バンド１３０の両端が接続される。固定用バンド１３０により、振動計測装置１００を人体胸部に簡易的に固定することが可能である。なお、固定用バンド１３０の一部を面ファスナーとすることで、被験者Ｐの体格に合わせて振動計測装置１００を容易に装着することが可能である。

なお、固定用バンド１３０は、振動計測装置１００を人体胸部に固定する固定部の一例である。例えば、振動計測装置１００を人体胸部に固定する固定部として、クリップや紐、締結具等の他の構成を採用してもよい。

図２を参照しながら、振動計測装置１００の被験者Ｐの人体胸部への装着手順について説明する。振動計測装置１００は、（１）被験者Ｐの人体胸部にフロントベース１１０を当て、（２）固定用バンド１３０で簡易的に固定し、（３）被験者Ｐの人体胸部の幅に合わせてサイドベース１２０、１２２を調整し、（４）被験者Ｐの人体脇部に挟持用弾性体１６２、１６４およびサイドベース１２０、１２２を挟持させる、ことで被験者Ｐに装着される。

なお、被験者Ｐの人体脇部に挟持用弾性体１６２、１６４およびサイドベース１２０、１２２を挟持させることは、計測を行う際に重要である。振動計測装置１００を固定用バンド１３０で簡易的に固定しただけでは、高い周波数の振動を計測できないおそれがあるためである。

以下、上述した振動計測装置１００を用いた、被験者Ｐの人体胸部の振動の計測について説明する。図３は、図２の使用態様における３軸加速度センサ１４０、１４２、１４４の配置について示す図である。図３（ａ）が被験者Ｐの正面図であり、図３（ｂ）が被験者Ｐの左側面図である。図４は、並進運動および回転運動をする物体２００の加速度について説明する図である。図５は、図３の３軸加速度センサ１４０、１４２、１４４を用いた人体胸部の中心Ｏの６軸加速度の計測を説明する図である。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、振動計測装置１００の３軸加速度センサ１４０は人体胸部の前部に配置され、３軸加速度センサ１４２、１４４は人体胸部の側部（人体脇部）に配置される。図５に示すように、各３軸加速度センサ１４０、１４２、１４４は、被験者Ｐの人体胸部の前後方向（Ｘ軸方向）、左右方向（Ｙ軸方向）、上下方向（Ｚ軸方向）の加速度を計測する。

以下、３軸加速度センサ１４０が計測するＸ軸方向の加速度をＴ_XF、Ｙ軸方向の加速度をＴ_YF、Ｚ軸方向の加速度をＴ_ZFとする。３軸加速度センサ１４２が計測するＸ軸方向の加速度をＴ_XL、Ｙ軸方向の加速度をＴ_YL、Ｚ軸方向の加速度をＴ_ZLとする。３軸加速度センサ１４４が計測するＸ軸方向の加速度をＴ_XR、Ｙ軸方向の加速度をＴ_YR、Ｚ軸方向の加速度をＴ_ZRとする。

被験者Ｐの人体胸部の振動は、人体胸部の中心Ｏの６軸加速度に基づき求められる。人体胸部の中心Ｏの６軸加速度とは、Ｘ軸方向の加速度をＴ_X、Ｙ軸方向の加速度をＴ_Y、Ｚ軸方向の加速度をＴ_Z、ローリング方向の角加速度Ａ_X、ピッチング方向の角加速度Ａ_Y、ヨーイング方向の角加速度Ａ_Zを指す。

ここで、図３（ｂ）に示すように、人体胸部の前部の３軸加速度センサ１４０と、人体胸部の側部の３軸加速度センサ１４２、１４４は、Ｘ軸方向に距離Ｘ_F離れて配置されている。図３（ｂ）に示すように、人体胸部の前部の３軸加速度センサ１４０と、人体胸部の側部の３軸加速度センサ１４２は、Ｙ軸方向に距離Ｙ_L離れて配置されている。人体胸部の前部の３軸加速度センサ１４０と、人体胸部の側部の３軸加速度センサ１４４は、Ｙ軸方向に距離Ｙ_Ｒ離れて配置されている。

すなわち、振動計測装置１００では、各３軸加速度センサ１４０、１４２、１４４がなるべく離れて配置されている。これにより、被験者Ｐの人体胸部の振動を精度よく計測することができる。各３軸加速度センサ１４０、１４２、１４４が互いに近接して配置される場合、各３軸加速度センサのＸ軸方向の計測値Ｔ_XF、Ｔ_XL、Ｔ_XR、Ｙ軸方向の計測値Ｔ_YF、Ｔ_YL、Ｔ_YR、Ｚ軸方向の計測値Ｔ_ZF、Ｔ_ZL、Ｔ_ZRに差が出ず、計測誤差の影響が大きくなってしまうためである。

図４を参照しながら、並進運動、回転運動を行う物体２００の加速度について説明する。図４に示すように、並進・回転が複合した運動をする物体２００の剛体表面に加速度センサ１４６を取り付けて計測を行う場合、加速度センサ１４６には以下の関係にある各加速度Ｔｓ、ｒＡ、ｒω²を合成した加速度がかかる。
（１）任意の点Ｒにおいて計測される並進方向の加速度Ｔと等しい加速度Ｔｓ
（２）任意の点Ｒの周りの角加速度Ａと任意の点Ｒから加速度センサ１４６までの距離ｒとを乗じたものに等しい加速度ｒＡ
（３）任意の点Ｒの周りの角速度ωの二乗と距離ｒの積に等しい遠心加速度ｒω²

上記関係を図５に示す本実施形態の構成に当てはめて考えると、以下の９つの連立１次方程式が成り立つ。なお、人体胸部は定常的な回転運動（ローリング、ピッチング、ヨーイング）を行わないため平均した角速度ωはほぼ０となり、瞬間的にも小さな値に留まると考えられるため、ここでは遠心加速度ｒω²＝０として考える。

なお、人体胸部の中心Ｏに対する３軸加速度センサ１４０のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標がそれぞれ（Ｘ_F,Ｙ_F,Ｚ_F）であり、３軸加速度センサ１４２のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標がそれぞれ（Ｘ_L,Ｙ_L,Ｚ_L）であり、３軸加速度センサ１４４のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標がそれぞれ（Ｘ_R,Ｙ_R,Ｚ_R）である。

上記９つの連立１次方程式を行列に変換すると、下記のように表される。

連立方程式Ａｘ＝ｂにおいて、Ａは９×６の行列であるので最小二乗解を求めることで、人体胸部の中心Ｏの６軸加速度Ｔ_X、Ｔ_Y、Ｔ_Z、Ａ_X、Ａ_Y、Ａ_Zが算出される。これにより、人体胸部の中心Ｏの６軸加速度を正確に求めることができ、これに基づき人体胸部の振動を容易に精度よく求めることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、挟持用弾性体１６２、１６４およびこれに内包される３軸加速度センサ１４２、１４４をそれぞれのサイドベース１２０、１２２の側端部１２０ｂ、１２２ｂの外側に取り付けたが、これらを側端部１２０ｂ、１２２ｂの内側に取り付けてもよい。

本発明は、人体に加わる振動を計測する振動計測装置として利用することができる。

１００…振動計測装置、１１０…フロントベース、１１２、１１４、１１６、１１８…長孔、１２０、１２２…サイドベース、１２０ａ、１２２ａ…前端部、１２０ｂ、１２２ｂ…側端部、１３０…固定用バンド、１４０、１４２、１４４…３軸加速度センサ、１４６…加速度センサ、１５２、１５４、１５６、１５８…締結具、１６０…密着用弾性体、１６２、１６４…挟持用弾性体、１６６、１６８…空隙部、２００…物体、Ｐ…被験者

Claims (4)

1. 人体に加わる振動を計測する振動計測装置において、
   人体胸部の前面を覆うように配置される平板状のフロントベースと、
   前記フロントベースの左右の両端近傍からそれぞれ人体胸部の側面に沿って延びるサイドベースと、
   前記フロントベースおよびそれぞれの前記サイドベースに取り付けられる３つの３軸加速度センサと、
   人体胸部に前記フロントベースおよびそれぞれの前記サイドベースを固定する固定部とを備えることを特徴とする振動計測装置。
2. 前記固定部は人体の背中部分に巻かれる長尺状の固定用バンドであり、その両端はそれぞれの前記サイドベースに取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の振動計測装置。
3. 前記フロントベースの内側に連結され人体胸部に密着する密着用弾性体と、
   それぞれの前記サイドベースに連結され該サイドベースに取り付けられた前記３軸加速度センサを内包し、人体脇部に挟持される２つの挟持用弾性体とをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の振動計測装置。
4. 前記フロントベースは左右方向に延びる長孔を有し、
   当該振動計測装置は、前記長孔の任意の位置に挿入される締結具をさらに備え、
   前記サイドベースはそれぞれの前端部が前記フロントベースに前記締結具にて締結されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の振動計測装置。

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