JP5077349B2 - 機器操作力の評価方法 - Google Patents
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Description
特許文献1の電動パワーステアリング装置は、電動モータの回転力によって操舵補助力を発生させるものであり、運転者の力特性を検出する力特性検出手段と、力特性検出手段により検出された力特性に基づいて、電動モータにより発生させる操舵補助力を変更する手段とを含み、力特性検出手段が筋電計測により、運転者の筋肉の負担を計測して力特性を検出する。
特許文献1によれば、運転者に固有の情報として力特性が検出されることにより操舵補助力が変更されるので、運転者に最適の操舵補助力がステアリング機構に与えられ、運転者は快適な操舵フィーリングを得ることができる。
特許文献2の操舵感計測装置は、ドライバの意図した操舵によって生じる第1の生体情報を検出する第1の生体情報検出手段と、ドライバの意図した操舵によって生じる第1の生体情報以外の第2の生体情報を検出する第2の生体情報検出手段と、第1の生体情報検出手段で検出された第1の生体情報に関連させて、第1の生体情報と共に、第2の生体情報検出手段で検出された第2の生体情報とを収集する収集手段と、ドライバが操舵している車両の操舵機構の状態を検出する車両操舵状態検出手段とを備えている。収集手段は、第1の生体情報検出手段で検出された第1の生体情報に関連させて、第1の生体情報と共に、車両操舵状態検出手段により検出された車両の操舵機構の状態を更に収集する。このとき、第1の生体情報は三角筋の筋電位であり、第2の生体情報は、手根屈筋の筋電位、ハンドルを持ったときの両手の所定位置の圧力、滑り力などである。
また、ステアリングホイールを持つ位置により、作用する筋肉が異なり、ある運転姿勢における運転者に最適の操舵補助力が、他の運転姿勢でも最適であるとは限らない。このため、ステアリングホイールを持つとき、どの運転姿勢でも、運転者が快適な操舵フィーリングを常に得ることができる訳ではない。
あるいは、前記限界値を定めるとき、前記負荷の大きさと前記筋活性度の大きさとで定まる特正曲線について、第1の領域を1つの直線で近似し、前記第1の領域に比べて前記負荷の大きい第2の領域で1つの曲線で近似することにより、近似した前記直線と前記曲線とが接続される接続点を求め、この接続点における前記筋活性度の値を、前記限界値として定めることも同様に好ましい。
あるいは、前記機器操作力の評価は、前記頻度分布のうち、筋活性度が前記限界値を超える領域の頻度と前記限界値より低い領域の頻度との比率を用いて行われることも同様に好ましい。
また、前記複数の異なる負荷を与えて等尺性の筋収縮を行わせるとき、前記被験者の骨格筋に与える前記負荷を徐々に大きくすることが好ましい。
前記骨格筋の筋活性度として、前記骨格筋の筋電位を測定し、そのときの最大値を用いることが好ましい。
あるいは、前記骨格筋の筋活性度は、前記骨格筋の振動を測定することにより得られることも同様に好ましい。
12 肘
14 肩
16 上腕
18 前腕
20 手
22 台
30、30a センサ
32 アンプ
34、52 筋電情報取得部
36、56 データ処理部
37 入力部
38 表示部
40 評価装置
42 測定ユニット
44 ステアリングホイール
45 ステアリングシャフト
46 モータ
48 トルクセンサ
50 データ処理ユニット
52 筋電情報取得部
54 トルク情報取得部
56 データ処理部
58 評価部
60 メモリ
62 CPU
64 モータ制御部
70 外部機器
本願発明者は、被験者の上肢、上肢帯および下肢の少なくとも1つの骨格筋に、複数の異なる負荷を与えて等尺性の筋収縮を行わせ、各負荷において生じる前記骨格筋の筋活性度を計測したとき、図2に示すような結果を得、以下の知見を得ている。本発明は、この知見を機器の操作力の評価に用いる。
図1(a)は、骨格筋に等尺性の筋収縮を行わせた際の骨格筋の筋活性度を測定する方法を説明する模式図であり、図1(b)は、骨格筋の筋活性度の測定の際のセンサの位置を示す模式図である。なお、等尺性の筋収縮とは、筋収縮による力が抵抗力とつりあうため、筋肉の長さが変化しないような筋収縮をいう。
図2に示すグラフからわかるように、1つの骨格筋に等尺性の筋収縮を行わせ、負荷を徐々に加えたときに作用する骨格筋の筋活性度を測定したとき、負荷の大きさに対する筋活性度の大きさの関係が、線形関係になる領域と非線形関係になる領域とがある。線形関係になる領域は、被験者が固有に持つ力特性を利用して快適に機器を操作することのできる適正領域であることを、本願発明者は知見している。
図1(a)に示す例では、被験者10の上肢の骨格筋、具体的には、上腕二頭筋の筋電位の値を筋活性度としている。
まず、被検者10は、肘12を台22の上に乗せた状態で、肩14の位置を固定し、更には上腕16と前腕18とが所定の角度となるように保持する。この状態で、手20に負荷Lが作用する。このとき、上腕16と前腕18が所定の角度となるように保持するので、上腕16の上腕二頭筋16aの長さは固定されて、上腕16の上腕二頭筋16aは等尺性の筋収縮をする。
ここで、入力部37は、キーボード、マウスなど、コンピュータなどの入力に用いられる。
表示部38は、入力部37からの入力情報およびデータ処理部36に保持された情報を表示する。この表示部38としては、CRT、LCD、PDP、有機ELなどの各種のモニタを用いることができる。
なお、センサ30の電極は、Ag/AgCLに限定されず、Agまたはステンレス等の他の材料によって構成されたものであってもよい。
ここで、被験者10の皮膚表面へセンサ30の電極を貼り付けるとき、センサ30の電極をスクラブで擦り、アルコールで汚れをおとして電極糊を用いて行う。その際、電気抵抗は30kΩ(5kΩが望ましい)以下にするまで汚れを落とす。二つの電極は測定する筋を覆う皮膚表面に、筋線維に対し平行に装着する。
なお、二つの電極は、測定する筋の筋腹付近に位置する神経支配帯を避けるか、またはこの神経支配帯をまたがないようにして、筋を覆う皮膚表面に貼り付けることが好ましい。
図2に示すように、負荷Linfを境界として、領域α、領域βに分けることができる。領域αにおいては、負荷と筋活性度との関係は、直線Fαで表されるように、線形関係が保たれている。一方、領域βにおいては、負荷の上昇に伴い、筋活性度が急激に上昇し、曲線Fβで表されるように線形関係を有しない。
このように、等尺性の筋収縮させた場合、筋活性度が急激に上昇する分岐点Pbの筋活性度Einfが得られる。図2に示す分岐点Pbにおける負荷Linfよりも負荷が小さければ、筋肉が疲労することがなく、または疲労してもその程度が十分に小さい。すなわち、領域αは被検者の力特性に応じた筋活性度の適正範囲に該当し、筋活性度Einfが領域αの上限値に該当し、かつ、筋活性度の適正範囲の限界値に該当する。
一方、図2に示す分岐点Pbよりも負荷が大きければ、筋肉が疲労し、十分な力を発揮できない。このため、領域βは被検者の力特性に応じた筋活性度の適正範囲に該当しない。本発明では、この分岐点Pbの筋活性度Einfに着目し、この筋活性度Einfを機器操作力の評価に用いる。
上肢帯(肩帯)の場合には、例えば、三角筋の筋電位が測定される。また、下肢の場合には、例えば、大腿四頭筋の筋電位が測定される。
本発明において、三角筋の筋電位を測定する場合、上腕二頭筋の筋電位を測定する場合と比べたとき、図3(a)に示すように、センサ30aの取り付け位置が異なるだけである。それ以外の構成は、図1(a)に示すアンプ32、筋電情報取得部34、データ処理部36、入力部37および表示部38の構成は同様であり、その詳細な説明は省略する。
なお、センサ30aの電極も、Ag/AgCLに限定されず、Agまたはステンレス等の他の材料によって構成されたものであってもよい。
ここで、センサ30aの被験者10の皮膚表面への貼り付けはセンサ30と同様であり、その詳細な説明は省略する。
なお、センサ30aの肩14における貼り付け位置は、図3(b)に示すように、鎖骨の外側の端部Xから指三本分、腕長手方向に離れた位置Yに所定の間隔を開けて貼り付ける。なお、図3(b)は、右肩にセンサを貼り付ける場合の例を示している。
なお、上記説明では、筋活性度として、筋電位を用いるが、これに限定されるものではなく、骨格筋に発生する振動を測定することにより、筋電位と同様に筋活性度Einfを得ることができる。この骨格筋に発生する振動は、例えば、ドップラー振動計等の遠隔機器を用いて測定することができる。また、この骨格筋に発生する振動を、筋音として測定することにより、筋活性度Einfを得ることもできる。
ここで、図4は、本発明の機器操作力の評価方法に用いる評価システムの実施形態を示す模式図である。なお、図4に示す評価装置40においては、図1に示す筋電位の測定に用いられたものと同一構成物には、同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
評価装置40は、測定ユニット42と、データ処理ユニット50と、入力部37および表示部38を有する。
また、評価装置40には、図示はしないが、自動車の運転姿勢となるように座席が設けられている。
さらに、測定ユニット42は、更にステアリングホイール44に取り付けられたステアリングシャフト45を回転させるモータ46と、このモータ46によるステアリングホイール44の回転により発生するステアリングシャフト45の軸回りのトルクを検出するトルクセンサ48とを有する。
また、センサ30aは、上述のように、被験者10の右肩(肩14)の三角筋、および左肩(肩14)の三角筋の筋電位を検出するセンサであって、センサ30と同様の構成を有する。
検出センサ30、30aにて検出されて増幅された、左右の筋電位の情報(活動筋電位情報)は、それぞれ、データ処理部40の筋電情報取得部34へ送られる。
トルク情報取得部54は、トルクセンサ48に接続されており、モータ46の回転により生じる操舵トルクをトルクセンサ48が検出し、このトルクセンサ48の出力信号をトルク情報取得部54に出力する。トルク情報取得部54は、トルクセンサ48の出力信号に基づいて、操舵トルクの値を算出する。また、このトルク情報取得部54は、データ処理部56に接続されている。
上述のように、筋活性度Einfは、図2に示す分岐点Pbを求めることにより得られる。この分岐点Pbは、操舵トルクの値に対する筋電位の対応関係から、例えば、操舵トルクの大きさの変化に対する筋電位の大きさの変化を表す勾配の変化率が所定値を超える位置を求める。この位置における筋活性度(Einf)を、被検者の力特性に応じた筋活性度の適正範囲の限界値として定める。あるいは、操舵トルクの大きさと筋活性度の大きさとで定まる特正曲線について、第1の領域を1つの直線で近似し、第1の領域に比べて操舵トルクの大きい第2の領域で1つの曲線で近似することにより、近似した直線と曲線とが接続される接続点を求める。この接続点における筋活性度(Einf)を、第1の領域の上限値とし、被検者の力特性に応じた筋活性度の適正範囲の限界値として定める。
このように、操舵トルクに対する筋活性度の大きさが線形性を有する上限の位置を、分岐点Pbとする。
なお、負荷が極端に小さい領域、例えば、操舵トルクが少なくとも0.5N・m以下、あるいは、0.5〜1.0N・m以下の領域では、ステアリング系のフリクションもしくはヒステリシスの影響により筋活性度の計測精度が不足する。このため、負荷が極端に小さい上記領域は、分岐点Pbを求めるときに用いる範囲から除外することが好ましい。
モータ制御部64は、ステアリング44を回転させるモータ46を制御する部分である。
先ず、被験者10の上腕16の上腕二頭筋に対応する皮膚表面にセンサ30を貼り付け、また肩14の三角筋に対応する皮膚表面にセンサ30aを貼り付ける。
次に、モータ制御部64によりモータ46を駆動ONとしてステアリングシャフト45を回転させようとする。これにより、被験者は、ステアリング44の回転に抗するように、操舵トルクをステアリング44に与える。すなわち、被験者10の手20に負荷をかける。このとき、操舵トルクは、トルクセンサ48により検出されて、トルク情報取得部54において操舵トルクの値が得られる。
同時に、上腕二頭筋の筋電位が、センサ30により測定され、さらには三角筋の筋電位がセンサ30aにより測定される。各センサ30、30aの測定結果から、筋電情報取得部52において、上腕二頭筋の筋電位の最大値および三角筋の筋電位の最大値が求められる。
このような操舵トルクの測定、ならびに上腕二頭筋の筋電位の最大値および三角筋の筋電位の最大値の算出は、モータ46の回転トルクの値をモータ制御部64の制御によって変えながら、複数回行われる。
図5(a)に、上腕二頭筋における筋活性度と操舵トルクとの関係を示し、図5(b)に、三角筋における筋活性度と操舵トルクとの関係を示す。
図6(a)、(b)、および(c)は、特性が異なる特性A、特性Bおよび特性Cの3種類のパワーステアリングを備える各ステアリングホイールを、上述のように、被験者10が運転姿勢を保持した状態で操作したときに得られる筋電位の頻度分布と筋活性度Einfを示している。この場合、A、BおよびCの3種類の特性で、上腕二頭筋の筋電位および三角筋の筋電位を測定する。
以上のようにして、特性A、特性Bおよび特性Cの3種類のパワーステアリングについて、被験者10に固有の筋活性度Einfを用いて、機器操作に必要な機器操作力を評価することができる。
Claims (10)
- 被験者が機器を操作するとき、機器操作に必要な機器操作力を被験者に応じて評価する評価方法であって、
被験者の上肢、上肢帯および下肢の少なくとも1つの骨格筋に、複数の異なる負荷を与えて等尺性の筋収縮を行わせたとき、各負荷において生じる前記骨格筋の筋活性度を計測する工程と、
与えた前記負荷の大きさに対する前記等尺性の筋収縮時の前記筋活性度の大きさの関係が線形関係になる領域における前記筋活性度の上限値を、前記被検者に応じた筋活性度の適正範囲の限界値として定める工程と、
機器の操作中における前記被験者の前記骨格筋の筋活性度を計測する工程と、
前記機器の操作中における前記骨格筋の筋活性度の頻度分布と前記限界値とを比較することにより、機器操作に必要な機器操作力を前記被験者に応じて評価する工程と、を有することを特徴とする機器操作力の評価方法。 - 前記限界値を定めるとき、前記負荷の変化に対する前記筋活性度の大きさの変化を表す勾配の、前記負荷の変化に対する変化率が所定値を超える位置を求め、この位置における前記筋活性度の値を、前記限界値として定める請求項1に記載の機器操作力の評価方法。
- 前記限界値を定めるとき、前記負荷の大きさと前記筋活性度の大きさとで定まる特正曲線について、第1の領域を1つの直線で近似し、前記第1の領域に比べて前記負荷の大きい第2の領域で1つの曲線で近似することにより、近似した前記直線と前記曲線とが接続される接続点を求め、この接続点における前記筋活性度の値を、前記限界値として定める請求項1に記載の機器操作力の評価方法。
- 前記機器操作力の評価は、前記頻度分布のうち、筋活性度が前記限界値を超える領域の頻度および前記限界値より低い領域の頻度が、定められた値と比較されることにより、行われる請求項1〜3のいずれか1項に記載の機器操作力の評価方法。
- 前記機器操作力の評価は、前記頻度分布のうち、筋活性度が前記限界値を超える領域の頻度と前記限界値より低い領域の頻度との比率を用いて行われる請求項1〜3のいずれか1項に記載の機器操作力の評価方法。
- 前記複数の異なる負荷を与えて等尺性の筋収縮を行わせるとき、前記被験者の骨格筋に与える前記負荷を徐々に大きくする請求項1〜5のいずれか1項に記載の機器操作力の評価方法。
- 前記骨格筋の筋活性度として、前記骨格筋の筋電位を測定し、各負荷における筋電位の最大値を用いる請求項1〜6のいずれか1項に記載の機器操作力の評価方法。
- 前記骨格筋の筋活性度は、前記骨格筋の振動を測定することにより得られる請求項1〜6のいずれか1項に記載の機器操作力の評価方法。
- 前記機器の操作は、自動車のステアリングの操作であり、前記負荷は、前記ステアリングの操舵トルクである請求項1〜8のいずれか1項に記載の機器操作力の評価方法。
- 前記上限値を定めるとき、前記操舵トルクにおける前記負荷が少なくとも0.5N・mより大きい領域を、前記線形関係になる領域として求める請求項9に記載の機器操作力の評価方法。
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