JP2014127133A - 姿勢体感システム及び姿勢評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】作業姿勢等の姿勢について、被験者自身が体感して、主観的評価が可能な姿勢体感システムを提供する。
【解決手段】姿勢体感システムは、コンピュータ上で、人の各部の寸法、各関節の座標及び角度に対応するヒューマンモデルを有するデジタルヒューマンの姿勢を設定するデジタルヒューマンシステムと、被験者の視覚領域に３次元映像を投影して、仮想空間を形成し、仮想空間内に、デジタルヒューマンの３Ｄ映像からなる姿勢を投影するヴァーチャル・リアリティシステムと、を備え、被験者の視覚領域に形成された仮想空間に投影されたデジタルヒューマンの３次元映像からなる姿勢に被験者が体を重ねることで、コンピュータ上で設定されたデジタルヒューマンの姿勢を被験者が体感できる。
【選択図】図１

Description

本願は、作業姿勢を被験者が体感できるシステムに関する。また、作業姿勢を評価するシステムに関する。

人の動作や姿勢を計算機上で検証する手段として、「デジタルヒューマン」を用いたコンピュータ・ソフトウエアが知られている。「デジタルヒューマン」では、ＣＡＤのように３次元モデルで人間の体を表現し、関節や身長・体重・身体部位の長さなどを定義できる。この「デジタルヒューマン」は、すでに市販のコンピュータ・ソフトとしていくつかのものが存在する。また、その機能として、幾何的な評価以外に、身体構成をリンク機構に見立てて関節トルクの算出などを行うことができる。つまり、姿勢による関節トルクの違いなどによって身体負荷の客観的・定量的評価が行える。

例えば、仮想空間で製品の仮想モデルとその製品を使用するデジタルヒューマンを配置し、製品の可動部分による操作者の関節トルクによる負荷に着目して製品を評価する製品設計評価装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、自動車用ドアの開閉操作の容易性を評価するためのシミュレーション装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１０−４４７３６号公報 特開２００４−５１１８号公報

上述のようなデジタルヒューマンでの作業性評価は、客観的な定量的評価が行える。その一方、実際に作業する人間にとって、必ずしも妥当な結果とはならない場合がある。個々の機械ごとの差異がほとんどない機械であれば、客観的な定量的評価の数値がよい、良好な評価結果が得られた機械を使用すればよい。一方、人の場合には機械と比べて個人差が大きいという特徴がある。つまり、人は、主観的要素が大きく、作業姿勢についても上記のような客観的な定量的評価のみでは十分とはいえないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、作業姿勢等の姿勢について、被験者自身が体感して、主観的評価が可能な姿勢体感システムを提供することである。

本発明に係る姿勢体感システムは、コンピュータ上で、人の各部の寸法、各関節の座標及び角度に対応するヒューマンモデルを有するデジタルヒューマンの姿勢を設定するデジタルヒューマンシステムと、
被験者の視覚領域に３次元映像を投影して、仮想空間を形成し、前記仮想空間内に、前記デジタルヒューマンの３次元映像からなる前記姿勢を投影するヴァーチャル・リアリティシステムと、
を備え、
前記被験者の視覚領域に形成された前記仮想空間に投影された前記デジタルヒューマンの３次元映像からなる前記姿勢に対して、前記被験者が体を重ねることで、コンピュータ上で設定された前記デジタルヒューマンの前記姿勢を前記被験者が体感できる。

本発明に係る姿勢体感システムによれば、仮想空間に投影された前記デジタルヒューマンの３次元映像からなる姿勢に対して、被験者が体を重ねることで、コンピュータ上で設定されたデジタルヒューマンの姿勢を被験者が体感できる。これによって、作業者の作業姿勢を客観的・定量的、かつ主観的に評価することで、治具の準備、作業手順決定など生産準備工程を短時間で有効な準備を行うことができる。その結果、工程維持、作業者の肉体的・心理的負担を軽減できる。また、製品設計の場面でも、ユーザ視点での設計検証が可能となる。

実施の形態１に係る姿勢体感システムの構成を示すブロック図である。 デジタルヒューマンシステムの物理的構成を示すブロック図である。 デジタルヒューマンシステムの表示画面の一例を示す概略図である。 ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システムの物理的な構成を示すブロック図である。 ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システムに付随するヘッドマウントディスプレイを装着した被験者とカメラの配置を示す概略斜視図である。 図５のヘッドマウントディスプレイを装着した被験者を示す拡大図である。 被験者が装着しているヘッドマウントディスプレイとマーカの検出位置について、仮想空間において対応する箇所の表示の一例である。 （ａ）は、被験者が姿勢固定デバイスを装着した状態を示す概略図であり、（ｂ）は、肩固定デバイスの概略図であり、（ｃ）は、肘固定デバイスの概略図であり、（ｄ）は、腰固定デバイスの概略図であり、（ｅ）は、腰固定デバイスの変形例の概略図であり、（ｆ）は、膝固定デバイスの概略図である。 肩固定デバイスの構成を示す概略斜視図である。 肘固定デバイスの構成を示す概略斜視図である。 （ａ）は、図１０の肘固定デバイスにおいて、ヒンジ部に角度を設けた場合の概略斜視図であり、（ｂ）は、ヒンジ部をまっすぐにした場合の概略斜視図である。

第１態様に係る姿勢体感システムは、コンピュータ上で、人の各部の寸法、各関節の座標及び角度に対応するヒューマンモデルを有するデジタルヒューマンの姿勢を設定するデジタルヒューマンシステムと、
被験者の視覚領域に３次元映像を投影して、仮想空間を形成し、前記仮想空間内に、前記デジタルヒューマンの３次元映像からなる前記姿勢を投影するヴァーチャル・リアリティシステムと、
を備え、
前記被験者の視覚領域に形成された前記仮想空間に投影された前記デジタルヒューマンの３次元映像からなる前記姿勢に対して、前記被験者が体を重ねることで、コンピュータ上で設定された前記デジタルヒューマンの前記姿勢を前記被験者が体感できる。

第２態様に係る姿勢体感システムは、上記第１態様において、前記被験者の視界を覆って、前記被験者の視覚領域に３Ｄ映像を投影して、前記仮想空間を形成してもよい。

第３態様に係る姿勢体感システムは、上記第１態様において、前記被験者の各部及び各関節の少なくとも一つに取り付けられたマーカの位置を検出する複数のカメラと、
前記複数のカメラで検出した前記マーカの現実空間における座標を計算するカメラコントロールユニットと、
を備えてもよい。

第４態様に係る姿勢体感システムは、上記第３態様において、前記ヴァーチャル・リアリティシステムは、前記マーカの現実空間の座標に対応する前記仮想空間の座標を、前記被験者の視覚領域に形成された前記仮想空間に投影してもよい。

第５態様に係る姿勢体感システムは、上記第４態様において、前記ヴァーチャル・リアリティシステムは、前記被験者の身体寸法と、前記デジタルヒューマンの身体寸法が異なる場合に、線形変換を行って、現実空間の前記マーカの座標と前記仮想空間の座標とを対応させてもよい。

第６態様に係る姿勢体感システムは、上記第１態様において、前記ヴァーチャル・リアリティシステムは、前記仮想空間に投影された前記デジタルヒューマンの姿勢に、現実空間の前記被験者の姿勢の変化に対応する仮想空間の被験者の姿勢が重なった場合に、前記被験者に知覚させて、前記デジタルヒューマンの前記姿勢を前記被験者に体感させてもよい。

第７態様に係る姿勢体感システムは、上記第１態様において、前記ヴァーチャル・リアリティシステムは、前記仮想空間に投影された前記デジタルヒューマンの姿勢と、前記仮想空間の前記被験者の姿勢とが重なるように、現実空間の前記被験者の身体に、姿勢固定デバイスを装着して、前記デジタルヒューマンの前記姿勢を前記被験者に体感させてもよい。

第８態様に係る姿勢体感システムは、上記第１態様において、前記デジタルヒューマンシステムによって、一つの姿勢から連続する複数の姿勢を設定し、
前記ヴァーチャル・リアリティシステムによって、前記仮想空間に前記一つの姿勢を投影した後、連続する前記複数の姿勢を順に投影し、
前記被験者が前記仮想空間に投影された前記一つの姿勢から連続する前記複数の姿勢について、現実空間において対応する姿勢に前記被験者が体を重ねることによって、前記一つの姿勢から連続する前記複数の姿勢にわたる動作について前記被験者が体感できる。

第９態様に係る肩固定デバイスは、ベース部と、エンドエフェクタ部と、前記ベース部と前記エンドエフェクタ部とを接続する複数の直動リンクと、を備えたスチュワートプラットホーム構造を有する肩固定デバイスであって、
前記ベース部は、環状であって、被験者の肩関節付け根を通す肩固定リングを構成し、
前記エンドエフェクタ部は、環状であって、前記被験者の上腕を通す上腕固定リングを構成し、
前記直動リンクは、前記ベース部と前記エンドエフェクタ部との間の張力を可変制御できるように構成され、
前記直動リンクによって、前記ベース部と前記エンドエフェクタ部との間に所定張力を印加することによって前記被験者の肩を固定する。

第１０態様に係る腰固定デバイスは、被験者の腰上部の周囲を固定する腰固定部と、
前記被験者の上腿を固定する上腿固定部と、
前記腰固定部と前記上腿固定部とを接続し、前記腰固定部と前記上腿固定部との間の位置関係を固定する接続部と、
を備える。

第１１態様に係る肘固定デバイスは、被験者の上腕を通す上腕固定部と、
前記被験者の前腕を通す前腕固定部と、
前記上腕固定部と前記前腕固定部との間を、ヒンジ部を介して接続するリンク部と、
を備え、
前記ヒンジ部を固定して、前記被験者の肘関節を固定する。

第１２態様に係る膝固定デバイスは、被験者の上腿を通す上腿固定部と、
前記被験者の下腿を通す下腿固定部と、
前記上腿固定部と前記下腿固定部との間を、ヒンジ部を介して接続するリンク部と、
を備え、
前記ヒンジ部を固定して、前記被験者の膝関節を固定する。

第１３態様に係る姿勢固定デバイスは、上記第９態様に係る前記肩固定デバイスと、
上記第１０態様に係る前記腰固定デバイスと、
上記第１１態様に係る前記肘固定デバイスと、
上記第１２態様に係る前記膝固定デバイスと、
のうち、少なくとも一つを備える。

実施の形態に係る姿勢体感システム及び姿勢固定デバイスについて、添付図面を用いて以下に説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材については同一の符号を付している。

（実施の形態１）
＜姿勢体感システム＞
図１は、本実施の形態１に係る姿勢体感システム１０の構成を示すブロック図である。この姿勢体感システムでは、デジタルヒューマンシステム１と、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２と、を含む。さらに、この姿勢体感システム１０は、ヘッドマウントディスプレイ３と、複数のカメラ４と、カメラコントロールユニット５と、３次元ＣＡＤシステム６と、ＬＡＮ７と、を含む。デジタルヒューマンシステム１は、コンピュータ上で、人の各部の寸法、各関節の座標及び角度に対応するヒューマンモデルを有するデジタルヒューマンの姿勢を設定する。ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２は、被験者の視覚領域に３次元映像を投影して、仮想空間を形成し、仮想空間内に、デジタルヒューマンの３次元映像からなる姿勢を投影する。この姿勢体感システム１０では、被験者の視覚領域に形成された仮想空間に投影された３次元映像からなる姿勢に対して、現実空間において対応する姿勢に被験者が体を重ねることで、コンピュータ上で設定されたデジタルヒューマンの姿勢を被験者が体感できる。このように、被験者自身がコンピュータ上で設定されたデジタルヒューマンの姿勢を体感できるので、デジタルヒューマンによる客観的・定量的な評価に対して、被験者自身の主観的な評価を行うことができる。

なお、図１に示す姿勢体感システム１０では、３次元ＣＡＤシステム６を含むように記載しているが、実施の形態１における姿勢体感システム１０では、３次元ＣＡＤシステム６は必須の構成要素ではない。この３次元ＣＡＤシステム６は、デジタルヒューマンシステム１には、デジタルヒューマンの基礎となる人の各部の寸法、各関節の座標及び角度の３次元データを送り、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２には、周辺環境の３次元ＣＡＤデータを送る。一方、姿勢体感システム１０において３次元ＣＡＤシステムを設けない場合には、デジタルヒューマンシステム１において、デジタルヒューマンの基礎となる人の各部の寸法、各関節の座標及び角度の３次元データを算出又は保持すればよい。また、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２において、周辺環境の３次元ＣＡＤデータを算出又は保持すればよい。

また、デジタルヒューマンシステム１と、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２と、３次元ＣＡＤシステム６と、は、それぞれＬＡＮ７で接続されている。３次元ＣＡＤシステム６からデジタルヒューマンシステム１へ、周辺環境の３次元ＣＡＤデータが送られ、３次元ＣＡＤシステム６からヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２へ、デジタルヒューマンの標準的な３次元ＣＡＤデータが送られ、デジタルヒューマンシステム１からヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２へ、デジタルヒューマンの姿勢のヒューマンモデル及び関節角度情報等が送られる。
なお、ここでは、デジタルヒューマンシステム１と、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２と、３次元ＣＡＤシステム６と、は、それぞれ別のコンピュータ上で稼働させるように示しているが、これに限られず、一つのコンピュータ上で複数のシステムを同時に稼働させるようにしてもよい。

以下に、姿勢体感システム１０の各構成部材について説明する。

＜デジタルヒューマンシステム＞
図２は、デジタルヒューマンシステム１の物理的構成を示すブロック図である。図３は、デジタルヒューマンシステム１の表示画面の一例を示す概略図である。デジタルヒューマンシステム１は、通常のコンピュータのＣＰＵ１１、ＲＡＭ１２、入力部１３、表示部１４、記憶装置１５を含む。記憶装置１５には、デジタルヒューマンシステムソフトウエア１６を格納している。このデジタルヒューマンシステムソフトウエア１６を、コンピュータ上で動作させることで、コンピュータをデジタルヒューマンシステムとして動作させることができる。このデジタルヒューマンシステム１によって、人の各部の寸法、各関節の座標及び角度に対応するヒューマンモデルを有するデジタルヒューマンの姿勢を設定する。例えば、図３の表示画面では、人が膝を曲げて腰を落とし、両腕の肘を少し曲げて前面側で荷物を持つ姿勢を表している。
また、このデジタルヒューマンシステム１では、デジタルヒューマンによる姿勢の客観的・定量的評価を行ってもよい。例えば、人の関節の可動範囲に基づく幾何的な評価や、身体構成をリンク機構に見立てて関節トルクを算出し、身体にかかる負荷を評価してもよい。

＜ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム＞
図４は、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２の物理的な構成を示すブロック図である。図５は、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２に付随するヘッドマウントディスプレイ３を装着した被験者とカメラ４の配置を示す概略斜視図である。図６は、図５のヘッドマウントディスプレイ３を装着した被験者を示す拡大図である。図７は、図６の被験者が装着しているヘッドマウントディスプレイ３とマーカ２１の検出位置について、仮想空間において対応する箇所の表示の一例である。

一般に、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）とは、視覚、聴覚、触覚などの人間の感覚器官に対して、コンピュータ等によって合成した情報を示し、その情報に基づく仮想空間に被験者を置いて、体感できるようにする技術をいう。仮想空間としては、例えば、３次元画像をリアルタイムに作り出す３Ｄ ＣＧ技術によって形成できる。また、図５及び図６に示すように、これと被験者の視界を覆うヘッドマウントディスプレイ３を表示装置として組み合わせれば、頭の向きや動きに対応した視界が表示できるので、被験者は仮想空間内に没入したような感覚が得られる。

このヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２は、通常のコンピュータのＣＰＵ１１、ＲＡＭ１２、入力部１３、表示部１４、記憶装置１５を含む。記憶装置１５には、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システムソウフトウエア１７を格納している。このヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システムソウフトウエア１７を、コンピュータ上で動作させることで、コンピュータをヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システムとして動作させることができる。また、このヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２によって、被験者の視覚領域に３次元映像を投影して、仮想空間を形成し、仮想空間内に、デジタルヒューマンの３次元映像からなる姿勢を投影する。具体的には、図５及び図６に示すように、被験者の視界を覆うヘッドマウントディスプレイ３によって、被験者の視覚領域に３次元映像を投影して、仮想空間を形成する。さらに、仮想空間内に、デジタルヒューマンの３次元映像からなる姿勢を投影する。被験者は、仮想空間に投影されたデジタルヒューマンの姿勢に自分の体をあてはめることで、デジタルヒューマンの姿勢を主観的に体感できる。ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２では、後述するカメラ４によって検出した被験者の現実空間における姿勢について、対応する仮想空間での被験者の姿勢を算出し、上記仮想空間に被験者の姿勢を投影してもよい。この仮想空間に投影されたデジタルヒューマンの姿勢に自分の体をあてはめる手段については後述する。

＜ヘッドマウントディスプレイ＞
図５及び図６に示すように、ヘッドマウントディスプレイ３は、被験者の視界を覆うように装着し、被験者の視覚領域に３次元映像を投影して、仮想空間を形成する。さらに、仮想空間内に、デジタルヒューマンの３次元映像からなる姿勢を投影する。なお、ヘッドマウントディスプレイ３は、被験者の頭の向きや動きなどを検出することができることが好ましい。これによって、頭の向きや動きに対応した視界が表示できる。

＜カメラ及びカメラコントロールユニット＞
図５に示すように、カメラ４は、被験者を囲むように配置してもよい。カメラ４によって、被験者の体に装着したマーカ２１の位置を検出する。カメラ４の台数は、図５に示す４台に限るものではなく、マーカ２１の三次元的な位置姿勢が計測できる台数（一般的には２台以上）であればよい。２台のカメラ４があれば、マーカ２１までの距離を検出できる。なお、被験者の姿勢を検出することを目的とするので、肘、腰、膝等の関節部分と、末端である手、足にマーカ２１を装着すればよい。
カメラコントロールユニット５は、各カメラ４で検出したマーカ２１の位置を現実空間での座標として、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２に伝達する。

＜姿勢あてはめ手段＞
上記仮想空間に投影されたデジタルヒューマンの姿勢に自分の体をあてはめる手段（姿勢あてはめ手段）としては、次の２つの手段がある。
１）仮想空間に投影されたデジタルヒューマンの姿勢に、仮想空間の被験者の姿勢を、仮想空間上で重ねる。具体的には、現実空間での被験者の姿勢を変化させることによって、仮想空間の被験者の姿勢がデジタルヒューマンの姿勢に略重なった場合に、仮想空間での色や音などによって、デジタルヒューマンと被験者の両者の姿勢が重なったことが知覚できるようにする。これによって、仮想空間上でデジタルヒューマンと被験者の両者の姿勢を重ね、被験者がデジタルヒューマンの姿勢を体感できる。
２）仮想空間に投影されたデジタルヒューマンの姿勢と、仮想空間の被験者の姿勢とが重なるように、現実空間の被験者の身体に、姿勢固定デバイスを装着する。具体的には、被験者が後述する肩固定デバイス、肘固定デバイス、腰固定デバイス、膝固定デバイス等の姿勢固定デバイスを装着することによって、デジタルヒューマンと被験者の両者の姿勢を重なることができる。これによって、被験者がデジタルヒューマンの姿勢を体感できる。なお、姿勢固定デバイスの装着時に、あらかじめデジタルヒューマンの姿勢となるように固定してもよい。あるいは、姿勢固定デバイスの装着時には可動できるようにしておき、現実空間での被験者の姿勢を変化させることによって、仮想空間の被験者の姿勢がデジタルヒューマンの姿勢に略重なった場合に、姿勢固定デバイスを固定するようにしてもよい。

以下に、上記姿勢あてはめ手段のうち２）において用いる姿勢固定デバイスについて説明する。
＜姿勢固定デバイス＞
図８（ａ）は、被験者が各姿勢固定デバイスを装着した状態を示す概略図であり、（ｂ）は、肩固定デバイス３１の概略図であり、（ｃ）は、肘固定デバイス３２の概略図であり、（ｄ）は、腰固定デバイス３３ａの概略図であり、（ｅ）は、腰固定デバイスの変形例３３ｂの概略図であり、（ｆ）は、膝固定デバイス３８の概略図である。図９は、肩固定デバイス３１の構成を示す概略斜視図である。図１０は、肘固定デバイス３２及び膝固定デバイス３８の構成を示す概略斜視図である。図１１（ａ）は、図１０の肘固定デバイス３２及び膝固定デバイス３８において、ヒンジ部４９に角度を設けた場合の概略斜視図であり、（ｂ）は、ヒンジ部４９をまっすぐにした場合の概略斜視図である。

この姿勢固定デバイスは、肩固定デバイス３１、肘固定デバイス３２、腰固定デバイス３３ａ、３３ｂ、膝固定デバイス３８のうち、少なくとも一つである。

＜肩固定デバイス＞
図９に示すように、肩固定デバイス３１は、パラレルリンク機構のうち、スチュワートプラットホーム機構と対応する構成を有する。スチュワートプラットホーム機構では、ベース、エンドエフェクタ（ＥＦ）（出力部）を６本の長さ可変の直動リンクで並行に接続された構成を備える。この場合、直動リンクと、ベース、エンドエフェクタ（ＥＦ）との接続は、球軸受（自由度３）もしくはジンバル機構（ユニバーサルジョイント、自由度２）を使う。また、ジンバル機構を用いる場合には、直動リンクは軸回りの回転が必要となる。この肩固定デバイス３１では、上記スチュワートプラットホーム機構のベースに対応する肩固定リング４１と、エンドエフェクタ（ＥＦ）に対応する上腕固定リング４２とに穴をあけて肩及び上腕を通す。また、球軸受の自由度は、肩固定リング４１と上腕固定リング４２とを接続するストラップ４３のねじれで対応している。また、肩固定リング４１は、肩に固定され、上腕固定リング４２は、上腕に固定されている。ストラップ４３は、弛まないように巻き取り装置４４によって張力を印加される。以上の構成を有する肩固定デバイスによって、肩を固定することができる。
なお、肩固定デバイスは上記構成に限られず、図８（ｂ）に示すように、上半身用ベストの袖からストラップや伸縮性リンクによって肩の外転・内転、屈曲・伸展を規制して肩を固定してもよい。この場合も肩の旋回は可能としてもよい。

＜肘固定デバイス／膝固定デバイス＞
図１０に示すように、肘固定デバイス３２は、上腕固定リング４５と、前腕固定リング４６と、上腕固定リング４５と前腕固定リング４６とをヒンジ部を介して接続するリンク４７ａ、４７ｂと、ヒンジ部の角度変化を検出するエンコーダ４８と、を備える。なお、上腕固定リング４５と、前腕固定リング４６と、は、リングではなくベルトによって構成してもよい。また、膝固定デバイス３８も肘固定デバイス３２と実質的に同様の構成を有する。具体的には、膝固定デバイス３８は、上腿固定リングと、下腿固定リングと、上腿固定リングと下腿固定リングとをヒンジ部を介して接続するリンクと、ヒンジ部の角度変化を検出するエンコーダと、を備える。
肘固定デバイス３２／膝固定デバイス３８は、医療用ニーブレースと似た基本構造を有する２リンク機構を有する。また、リンク４７ａ、４７ｂは、左右に同じ構造を有する。ヒンジ部の一方に電磁ブレーキ４９、他方にエンコーダ４８を搭載する。

肘固定デバイス３２／膝固定デバイス３８の使用方法を以下に示す。以下では、肘固定デバイス３２の場合を例に示す。
（１）仮想空間のデジタルヒューマンの姿勢に基づいて、あらかじめ肘の曲げ角度を決めておく。
（２）被験者の肘に肘拘束デバイス３２を装着する。
（３）被験者が肘をゆっくりと曲げていく。
（４）肘拘束デバイス３２のエンコーダ４８の計測値から、肘が目的の角度になったときに電磁ブレーキ４９を閉にする。これによって体験しようとする被験者の姿勢を固定できる。
なお、電磁ブレーキ４９は、電磁石駆動である必要はない。例えば、エア駆動のブレーキ機構も利用できる。

＜腰固定デバイス＞
図８（ｄ）に示すように、腰固定デバイス３３ａは、被験者の腰上部の周囲を固定する腰固定部３４と、被験者の上腿を固定する上腿固定部３５と、腰固定部３４と上腿固定部３５とを接続し、腰固定部３４と上腿固定部３５との間の位置関係を固定するリンク３６と、を備える。この腰固定デバイス３３ａでは、リンク３６と、腰固定部３４及び上腿固定部３５との角度を固定することによって腰を固定することができる。あるいは、図８（ｅ）に示すように、変形例の腰固定デバイス３３ｂは、被験者の腰上部の周囲を固定する腰固定部３４と、被験者の上腿を固定する上腿固定部３５と、腰固定部３４と上腿固定部３５とを接続し、腰固定部３４と上腿固定部３５との間に張力を印加して固定するベルト３７と、を備える。この腰固定デバイス３３ｂでは、腰固定部３４と上腿固定部３５とを接続するベルト３７に所定張力を印加して腰を固定することができる。腰固定部３４と上腿固定部３５とを接続する接続部がリンクの場合は、肘固定デバイス３２／膝固定デバイス３８と同様に電磁ブレーキを使って固定できる。上記接続部がベルト式の場合は肩固定デバイス３１と同様に、股関節の自由な姿勢を固定できる。
なお、上記姿勢固定デバイスを使用することによって、被験者にデジタルヒューマンと同じ姿勢をさせることができる。この場合に、被験者自身が肩、腰、肘、膝を動かしており、各姿勢固定デバイスは張力あるいは、ブレーキ手段によって被験者の動きを止めるだけである。つまり、各姿勢固定デバイスは、アクチュエータを用いないので、被験者に負担となる無理な動きを強いることはない。

＜姿勢体感システムの動作手順＞
次に、姿勢体感システムの動作手順を説明する。
この姿勢体感システム１０では、デジタルヒューマンシステムによる客観的・定量的評価に対して、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システムを利用して被験者の主観的な評価を行うシステムを構成している。動作手順は以下のようになる。
（１）デジタルヒューマンシステム１において、デジタルヒューマンの姿勢の客観的な定量的評価を行う。このとき、決定したデジタルヒューマンの姿勢での各関節等の座標及び関節間の回転角度を決定する。
（２）デジタルヒューマンの周囲環境、及びデジタルヒューマン自体の３次元データをヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）環境へ取り込む。
（３）ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム２の仮想空間内に被験者が入り、被験者の視覚領域に形成された仮想空間に投影されたデジタルヒューマンの姿勢に被験者が体を重ね、仮想空間のデジタルヒューマンの姿勢を体感する。
これによって、被験者は、仮想空間に投影されたデジタルヒューマンの姿勢に自分の体を重ねることで、計算機上の作業姿勢の検証結果を自らの体で作業姿勢を再現し、体感できる。

なお、被験者が仮想空間に投影されたデジタルヒューマンの姿勢に自分の体を重ねる際は、以下の２つの手段のいずれかを行ってもよい。
１）仮想空間に投影されたデジタルヒューマンの姿勢に、仮想空間の被験者の姿勢を、仮想空間上で重ねる。
２）仮想空間に投影されたデジタルヒューマンの姿勢と、仮想空間の被験者の姿勢とが重なるように、現実空間の被験者の身体に、姿勢固定デバイスを装着する。

また、被験者の主観的評価としては、インタビューやＳＤ法（例えば、５段階評価）など一般的な主観評価方法を用いることができる。主観的評価結果については、例えば次のような方法が考えられる。
１．デジタルヒューマンでの客観的・定量的評価結果について、定量的評価から決めた姿勢に対して、現実の作業において取りうる範囲での作業姿勢を次点として複数設定しておく。
２．姿勢体感システムでの主観的評価時には、客観的・定量的評価で決めた姿勢を中心に、その前後の姿勢（１で次点として決めた姿勢）の範囲内で姿勢を変えて（例えば、関節角度を変えて）、主観的に評価を行う。この場合の評価を主観的・定量的評価という。
３．主観的に評価の高い姿勢での主観的・定量的評価と、最初に客観的・定量的評価で決めた姿勢の評価値とから、一定の評価基準に基づいて適切な姿勢を決定する。この場合、姿勢決定の評価基準として、主観的評価重視（人にしんどい思いをさせない）か、定量的評価重視（多少しんどくても頑張ってもらう）か、いずれかの判断基準の考え方で決定する。判断基準により検証結果に重み付けを行い、数値化し、判断を行ってもよい。

この姿勢体感システムによって、被験者による姿勢の主観的評価を行うことができる。これにより、例えば同じ姿勢を異なる人がとる場合の主観的評価の違いを検証できる。また、評価する姿勢が、多くの人に受け容れられるか否か、あるいは、作業候補者からの選定手段として使うことも考えられる。また主観的評価の重み付けを行う際の係数決定にも寄与できる。

（実施の形態２）
本実施の形態２に係る姿勢体感システムでは、実施の形態１に係る姿勢体感システムと対比すれば、被験者とデジタルヒューマンの体型が異なる場合に、被験者がデジタルヒューマンの体型での目線を体験できる点で相違する。この機能により、例えば身長の違いによる視野の違いなどをヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システムの仮想空間で体感することができる。
実施の形態２に係る姿勢体感システムでは、以下の動作手順を行う。なお姿勢体感システムの主要な構成は、実施の形態１に係る姿勢体感システムと実質的に同様であるので、説明を省略する。
被験者とデジタルヒューマンの体型が違う場合に、次のような方法で調整できる。
（１）３次元計測器により位置姿勢を計測できるように、身体各所にマーカを取り付けてヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システムの仮想空間に入る前にＴ字ポーズを取り被験者の体型データを計測する。仮想空間に入る前に被験者がＴ字ポーズをとることで身体部位の寸法を計測することができる。なお、頭に取り付けたマーカからは、被験者の身長を計測することができる。
（２）計測したデータに基づき、ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システムの仮想空間内での被験者の位置や身体の大きさを変更する。例えば身長１５０ｃｍのデジタルヒューマンを利用してシミュレーションした結果を、身長１７０ｃｍの被験者が体験する場合を考える。今回の場合、被験者とデジタルヒューマンの身長差は２０ｃｍとなる。身長１７０ｃｍの被験者が身長１５０ｃｍのデジタルヒューマンの体験をする場合、目線高さを２０ｃｍ下げることで身長１５０ｃｍのデジタルヒューマンを体験できる。逆に、身長１９０ｃｍの人の視界を体験する場合、目線を２０ｃｍ上げることで身長１９０ｃｍのデジタルヒューマンを体験できる。また、腕の長さや足の長さを補正したい場合は、被験者とデジタルヒューマンの身長比率により修正することができる。これは、被験者の身長と、デジタルヒューマンの身長とに基づく線形変換を行うことにあたる。

（実施の形態３）
本実施の形態３に係る姿勢体感システムでは、実施の形態１及び２に係る姿勢体感システムと対比すれば、仮想空間に一つの姿勢を投影した後、連続する複数の姿勢を順に投影することによって、一つの姿勢から連続する複数の姿勢にわたる動作について被験者が体感できる点で相違する。

実施の形態３に係る姿勢体感システムでは、以下の動作手順を行う。なお姿勢体感システムの主要な構成は、実施の形態１に係る姿勢体感システムと実質的に同様であるので、説明を省略する。
（１）デジタルヒューマンシステムによって、一つの姿勢から連続する複数の姿勢を設定する。
（２）ヴァーチャル・リアリティシステムによって、仮想空間に一つの姿勢を投影した後、連続する複数の姿勢を順に投影する。
（３）被験者が仮想空間に投影された一つの姿勢から連続する複数の姿勢について、被験者が体を重ねる。
これによって、一つの姿勢から連続する複数の姿勢にわたる動作について被験者が体感できる。

本発明に係る姿勢体感システムは、被験者自身がコンピュータ上で設定されたデジタルヒューマンの姿勢を体感できるので、製品設計及び作業姿勢の検証において有用である。また、主観的に負荷の少ない作業姿勢を選択できるので、労働衛生上も有用である。

１ デジタルヒューマンシステム
２ ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）システム
３ ヘッドマウントディスプレイ
４ カメラ
５ カメラコントロールユニット
６ ３次元ＣＡＤ
７ ＬＡＮ
１０ 姿勢体感システム
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＡＭ
１３ 入力部
１４ 出力部
１５ 記憶装置
１６ デジタルヒューマンソフトウエア
１７ ヴァーチャル・リアリティ（ＶＲ）ソフトウエア
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ マーカ
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ マーカ対応箇所（仮想空間）
２３ ヘッドマウントディスプレイ対応箇所（仮想空間）
３１ 肩固定デバイス
３２ 肘固定デバイス
３３ａ、３３ｂ 腰固定デバイス
３４ 腰固定部
３５ 大腿固定部
３６ リンク
３７ ベルト
３８ 膝固定デバイス
４１ 肩固定リング
４２ 上腕固定リング
４３ ストラップ
４４ 巻き取り装置
４５ 上腕固定リング
４６ 前腕固定リング
４７ａ、４７ｂ リンク
４８ エンコーダ
４９ 電磁ブレーキ

Claims (13)

1. コンピュータ上で、人の各部の寸法、各関節の座標及び角度に対応するヒューマンモデルを有するデジタルヒューマンの姿勢を設定するデジタルヒューマンシステムと、
   被験者の視覚領域に３次元映像を投影して、仮想空間を形成し、前記仮想空間内に、前記デジタルヒューマンの３次元映像からなる前記姿勢を投影するヴァーチャル・リアリティシステムと、
   を備え、
   前記被験者の視覚領域に形成された前記仮想空間に投影された３次元映像からなる前記姿勢に対して、前記被験者が体を重ねることで、コンピュータ上で設定された前記デジタルヒューマンの前記姿勢を前記被験者が体感できる、姿勢体感システム。
2. 前記被験者の視界を覆って、前記被験者の視覚領域に３Ｄ映像を投影して、前記仮想空間を形成する、ヘッドマウントディスプレイをさらに備える、請求項１に記載の姿勢体感システム。
3. 前記被験者の各部及び各関節の少なくとも一つに取り付けられたマーカの位置を検出する複数のカメラと、
   前記複数のカメラで検出した前記マーカの現実空間における座標を計算するカメラコントロールユニットと、
   を備える、請求項１に記載の姿勢体感システム。
4. 前記ヴァーチャル・リアリティシステムは、前記マーカの現実空間の座標に対応する前記仮想空間の座標を、前記被験者の視覚領域に形成された前記仮想空間に投影する、請求項３に記載の姿勢体感システム。
5. 前記ヴァーチャル・リアリティシステムは、前記被験者の身体寸法と、前記デジタルヒューマンの身体寸法が異なる場合に、線形変換を行って、現実空間の前記マーカの座標と前記仮想空間の座標とを対応させる、請求項４に記載の姿勢体感システム。
6. 前記ヴァーチャル・リアリティシステムは、前記仮想空間に投影された前記デジタルヒューマンの姿勢に、現実空間の前記被験者の姿勢の変化に対応する仮想空間の被験者の姿勢が重なった場合に、前記被験者に知覚させて、前記デジタルヒューマンの前記姿勢を前記被験者に体感させる、請求項１に記載の姿勢体感システム。
7. 前記ヴァーチャル・リアリティシステムは、前記仮想空間に投影された前記デジタルヒューマンの姿勢と、前記仮想空間の前記被験者の姿勢とが重なるように、現実空間の前記被験者の身体に、姿勢固定デバイスを装着して、前記デジタルヒューマンの前記姿勢を前記被験者に体感させる、請求項１に記載の姿勢体感システム。
8. 前記デジタルヒューマンシステムによって、一つの姿勢から連続する複数の姿勢を設定し、
   前記ヴァーチャル・リアリティシステムによって、前記仮想空間に前記一つの姿勢を投影した後、連続する前記複数の姿勢を順に投影し、
   前記被験者が前記仮想空間に投影された前記一つの姿勢から連続する前記複数の姿勢について、現実空間において対応する姿勢に前記被験者が体を重ねることによって、前記一つの姿勢から連続する前記複数の姿勢にわたる動作について前記被験者が体感できる、請求項１に記載の姿勢体感システム。
9. ベース部と、エンドエフェクタ部と、前記ベース部と前記エンドエフェクタ部とを接続する複数の直動リンクと、を備えたスチュワートプラットホーム構造を有する肩固定デバイスであって、
   前記ベース部は、環状であって、被験者の肩関節付け根を通す肩固定リングを構成し、
   前記エンドエフェクタ部は、環状であって、前記被験者の上腕を通す上腕固定リングを構成し、
   前記直動リンクは、前記ベース部と前記エンドエフェクタ部との間の張力を可変制御できるように構成され、
   前記直動リンクによって、前記ベース部と前記エンドエフェクタ部との間に所定張力を印加することによって前記被験者の肩を固定する、肩固定デバイス。
10. 被験者の腰上部の周囲を固定する腰固定部と、
    前記被験者の上腿を固定する上腿固定部と、
    前記腰固定部と前記上腿固定部とを接続し、前記腰固定部と前記上腿固定部との間の位置関係を固定する接続部と、
    を備えた腰固定デバイス。
11. 被験者の上腕を通す上腕固定部と、
    前記被験者の前腕を通す前腕固定部と、
    前記上腕固定部と前記前腕固定部との間を、ヒンジ部を介して接続するリンク部と、
    を備え、
    前記ヒンジ部を固定して、前記被験者の肘関節を固定する肘固定デバイス。
12. 被験者の上腿を通す上腿固定部と、
    前記被験者の下腿を通す下腿固定部と、
    前記上腿固定部と前記下腿固定部との間を、ヒンジ部を介して接続するリンク部と、
    を備え、
    前記ヒンジ部を固定して、前記被験者の膝関節を固定する膝固定デバイス。
13. 請求項９に記載の前記肩固定デバイスと、
    請求項１０に記載の前記腰固定デバイスと、
    請求項１１に記載の前記肘固定デバイスと、
    請求項１２に記載の前記膝固定デバイスと、
    のうち、少なくとも一つを備えた姿勢固定デバイス。

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