JP6586700B2 - 負荷検出装置、情報処理装置、負荷検出方法、および負荷検出プログラム - Google Patents

Description

本発明は、負荷検出装置、情報処理装置、負荷検出方法、および負荷検出プログラムに関する。

人体に装着され、人体の動作に基づく物理量（例えば、位置又は姿勢（角度））を検出する動作センサを備え、該物理量が基準量を超えたときに人体に障害が発生することを予測して報知する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
［特許文献］特開２００６−８５２６２号公報

このような装置においては、使用者の腰部などに特定の負担を与えないようにする等のために、使用者が負担する荷物等の負荷荷重を算出することは難しかった。

本発明の第１の態様においては、使用者の姿勢を検出する検出部と、検出部が検出した姿勢と使用者の手にかかる荷重及び使用者の姿勢の関係とに基づき、使用者の手に許容される荷重を推定する推定部とを備える負荷検出装置が提供される。

本発明の第２の態様においては、取得した使用者の姿勢と使用者の手にかかる荷重及び使用者の姿勢の関係とに基づいて、使用者の手に許容される荷重を推定する推定部と、使用者の手にかかる荷重及び使用者の姿勢の関係を格納する格納部とを備える情報処理装置が提供される。

本発明の第３の態様においては、使用者の姿勢を検出する検出段階と、検出段階で検出した姿勢と使用者の手にかかる荷重及び使用者の姿勢の関係とに基づき、使用者の手に許容される荷重を推定する推定段階とを備える負荷検出方法が提供される。

本発明の第４の態様においては、使用者の姿勢を検出する検出ステップと、検出ステップで検出した姿勢と使用者の手にかかる荷重及び使用者の姿勢の関係とに基づき、使用者の手に許容される荷重を推定する推定ステップとを電子計算機に実行させる負荷検出プログラムが提供される。

上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これら特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

本実施形態における負荷検出装置１００の模式図である。 本実施形態における負荷検出システム２００のブロック図である。 本実施形態における検出部１２１の他の構成を示すブロック図である。 本実施形態における負荷検出システム２０２の他の構成を示すブロック図である。 本実施形態における負荷検出装置１００の設定手順を示す流れ図である。 本実施形態における負荷検出装置１００の表示画像３０１を示す図である。 本実施形態における使用者９９の動作を示す模式図である。 本実施形態における腰部の物理モデル４００を示す図である。 本実施形態における使用者９９の他の動作を示す模式図である。 本実施形態における使用者９９のリンクモデルを示す図である。 本実施形態におけるテーブル１３５の構成を示す模式図である。 本実施形態における負荷検出装置１００による推定手順を示す流れ図である。 本実施形態における負荷検出装置１００の表示画像３０２を示す図である。 本実施形態における負荷検出装置１００による他の推定手順を示す流れ図である。 本実施形態における負荷検出装置１００の表示画像３０３を示す図である。 本実施形態における負荷検出装置１００の表示画像３０４を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。下記の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一実施例に係る負荷検出装置１００の形態を示す模式図である。図１は、負荷検出装置１００を装着した、負荷検出装置１００の使用者９９を、使用者９９の背面側から見た様子を示す。なお、使用者９９は、例えば、介護施設において介護作業をする介護士、工場において作業をする工員、工事現場において作業をする作業員等、腰等の上体（例えば、腰、腕、背中、腹、胸、頭などの腰から上の部分）の屈伸を伴う作業を行う者（作業者）である。

使用者９９の上体に装着された負荷検出装置１００は、着用部１１０、検出部１２０、処理部１３０、インターフェース部１４０（以下、「Ｉ／Ｆ部１４０」と記載する）、および使用者９９の上体（例えば、腰）に巻き付けられて固定されるベルト部１５０を備える。検出部１２０、処理部１３０、およびＩ／Ｆ部１４０の全部または一部は、ベルト部１５０に対して接続することにより、使用者９９に装着してもよい。

着用部１１０は、例えば、伸縮性を有する生地により形成されたボディスーツ状の衣服である。例えば、着用部１１０（又はベルト部１５０）には、次に説明する検出部１２０を構成する第１センサ１２２（例えば、第１センサ）および第２センサ１２４（例えば、第１センサとは別の第２センサ）が取り外し可能に取り付けられており、使用者９９が着用部１１０（又はベルト部１５０）を着用することにより、使用者９９の身体（例えば、上体）と検出部１２０とが一体的になる。

検出部１２０は、第１センサ１２２および第２センサ１２４を有する。第１センサ１２２は、使用者９９の脊椎の上端付近に配される。また、第２センサ１２４は、使用者９９の仙骨付近に配される。ここで、仙骨付近には、使用者９９の表皮から伸ばした法線が仙骨に到達する、表皮上の位置が含まれる。

使用者９９の仙骨は、使用者９９の身体全体が移動しない限り変位が生じにくい位置にある。一方、使用者９９の脊柱上部は、使用者９９の上体の姿勢（例えば、傾き）が変化した場合に、大きく変位する。よって、検出部１２０又は処理部１３０は、第１センサ１２２の検出値（例えば、加速度）と第２センサ１２４の検出値（例えば、加速度）との差分を算出することにより、使用者９９の上体の傾きを算出できる。

なお、検出部１２０は、着用部１１０に取り付けられていなくてもよい。例えば、ベルト部１５０に支持部材（不図示）を介して物理的に接続され、使用者９９の上体の計測対象部分、例えば、使用者９９の脊椎の上端付近、使用者９９の仙骨付近、図１に示す位置などに接触して配置されてもよい。

また、第１センサ１２２および第２センサ１２４として、加速度センサに替えて、あるいは加速度センサに加えて、ジャイロセンサを設けてもよい。更に、第１センサ１２２が取り付けられた位置と、第２センサ１２４が取り付けられた位置との間で使用者９９の身体に沿って取り付けた曲げセンサを、第１センサ１２２および第２センサ１２４に替えて、あるいは第１センサ１２２および第２センサ１２４に加えて用いてもよい。このように、検出部１２１は、ジャイロセンサ及び／又は曲げセンサを備える構成であってもよい。

また更に、図３は、図２に示した検出部１２０に替えて使用できる検出部１２１の構成例を示すブロック図である。同図に示すように、検出部１２１は、例えば加速度センサである第１センサ１２２および第２センサ１２４に加えて、筋硬さセンサ１２６を有する。筋硬さセンサ１２６は、ロードセル等を用いて形成でき、使用者９９の体表に配置して筋肉の硬さを検出することにより、使用者９９が負荷に抗して姿勢を維持するために発揮している筋力を検出する。よって、負荷検出装置１００は、筋硬さセンサ１２６の出力に基づいて、第１センサ１２２および第２センサ１２４の出力を補正することにより、使用者９９に掛かる負荷の算出精度を向上できる。

処理部１３０およびＩ／Ｆ部１４０は、ベルト部１５０に固定されることにより、使用者９９の腰部付近に配される。処理部１３０は、検出部１２０の検出結果を処理して、使用者９９にかかる負荷を反映した処理結果を示す情報を生成する。なお、処理部１３０は、ベルト部１５０の内部に設けた空間に配置され固定されてもよい。

Ｉ／Ｆ部１４０は、タッチパネル型ディスプレイ（後述の表示部１４４）を有し、負荷検出装置１００を装着した使用者９９からの入力を受け付けると共に、処理部１３０の処理結果を使用者９９に向かって表示する。このように、Ｉ／Ｆ部１４０は、負荷検出装置１００を装着した使用者９９に対するユーザインターフェースを形成する。なお、図１では、Ｉ／Ｆ部１４０を使用者９９の腰の後ろ側に示しているが、その用途に鑑みて、Ｉ／Ｆ部１４０は、使用者９９の前側又は側方に配置してもよい。

図２は、負荷検出装置１００を含む負荷検出システム２００全体のブロック図である。この負荷検出システム２００は、図１に示した負荷検出装置１００と、有線又は無線の通信回線２０１を介して負荷検出装置１００に接続された端末装置２１０およびサーバ２２０とを備える。

通信回線２０１は、ＬＡＮ、インターネット、公衆交換電話網、専用回線等、様々な通信方式を使用でき、また、それらが混在する通信網であってもよい。このような通信回線２０１を介在させることにより、負荷検出装置１００、端末装置２１０、およびサーバ２２０は、相互に情報を交換することができる。

処理部１３０は、算出部１３２、格納部１３４、および推定部１３６を有する。算出部１３２は、使用者９９の動作（例、姿勢）を検出する前に、後述する入力部１４２等によって取得した使用者９９に関する情報、例えば、使用者９９が保持する予定の荷重、使用者９９の身長、体重、年齢、性別等に基づいて、当該使用者９９の姿勢と使用者９９の腰にかかる負荷との関係を算出する。

格納部１３４は、算出部１３２が算出した使用者９９の姿勢と使用者９９の腰にかかる負荷との関係をテーブル、計算式、データベース等の形で記録して格納する。また、格納部１３４は、検出部１２０が使用者９９の姿勢に関して検出した検出値をキーとして参照された場合に、使用者９９について格納した負荷との関係に基づいて、使用者９９に掛かる負荷を、後述する推定部１３６に取得させる。

推定部１３６は、格納部１３４に格納された使用者９９の姿勢と使用者９９の腰にかかる負荷との関係（例、データベースのテーブル、演算式、数理モデルなど）を参照して、使用者９９の姿勢から、使用者９９の手（例えば、手先）又は腕（例えば、肩から手首までの部分）に掛けることが可能な荷重を演算等（例、四則演算、比較演算、論理演算など）によってリアルタイム又は定期的に推定する。また、推定部１３６は、使用者９９が持ち上げようとする荷重の大きさ（予定荷重）を後述する入力部１４２から入力された場合に、使用者９９が当該荷重を持ち上げた場合に腰に掛かる負荷の値に基づいて、使用者９９が持ち上げることができる荷重の範囲と、入力された荷重の大きさとの関係、例えば、使用者９９に対する荷重の許容範囲に納まっている否か、あるいは、当該範囲の限界に近いか、等の関係を推定する。

推定部１３６の推定結果は、手（例えば、手先）又は腕にかけてもよい荷重を示す物理量として出力してもよい。また、推定部１３６は、検出または入力された、使用者９９の腰に掛かる負荷の個々の許容範囲等の条件に対して、使用者９９の許容範囲として推定結果を出力してもよい。例えば、推定部１３６は、推定した手先への負荷を、使用者９９の腰に対して予め定めた許容範囲を超える負荷を与えるものであるか否かというデータ形式で出力してもよい。

Ｉ／Ｆ部１４０は、入力部１４２、表示部１４４、および報知部１４６を有する。入力部１４２は、使用者９９が、負荷検出装置１００に情報を入力する場合に入力装置として使用される。入力部１４２は、後述する表示部１４４を兼ねたタッチパネルであってもよいし、タッチ式スイッチまたはメカニカルスイッチ等を用いたキーボードまたはコントローラであってもよい。更に、音声入力装置、視線入力装置等を備えてもよい。

なお、Ｉ／Ｆ部１４０は、負荷検出装置１００から取り外すことができるように、あるいは、当初より負荷検出装置１００から分離した端末器として提供してもよい。更に、スマートフォン、タブレット、パーソナルコンビュータ等に、負荷検出装置１００のＩ／Ｆ部１４０として動作するプログラムを実装して、スマートフォン、タブレット、パーソナルコンビュータ等の情報処理装置をＩ／Ｆ部１４０として使用してもよい。

また、Ｉ／Ｆ部１４０は、図中に破線の矢印で示すように、負荷検出装置１００と直接に通信してもよい。この場合、Ｉ／Ｆ部１４０と負荷検出装置１００との通信は、負荷検出装置１００と通信回線２０１との通信とは異なる通信プロトコルを用いてもよい。例えば、Ｉ／Ｆ部１４０と負荷検出装置１００との間の通信プロトコルがブルートゥース（登録商標）であり、負荷検出装置１００と通信回線２０１との通信プロトコルが無線ＬＡＮであってもよい。

また、Ｉ／Ｆ部１４０は、図中に実線の矢印で示すように、通信回線２０１を介して負荷検出装置１００と通信してもよい。この場合は、Ｉ／Ｆ部１４０と負荷検出装置１００との通信も、負荷検出装置１００と通信回線２０１との通信も、例えば、無線ＬＡＮ等の共通の通信プロトコルを用いてもよい。

表示部１４４は、入力部１４２への入力項目と入力結果のフィードバックとを表示する他、推定部１３６による推定結果も表示する。更に、負荷検出装置１００の電池残量、動作状態、通信回線２０１の回線状況等も併せて表示する。報知部１４６は、表示部１４４と共に、使用者９９に対して入力を即し、入力を受け付けた旨をフィードバックし、更に、推定部１３６の推定結果として、警告、警報等を発生する。

報知部１４６は、表示部１４４の表示領域の一部に設けてもよいし、専用の発光部、発音部等を設けてもよい。なお、Ｉ／Ｆ部１４０および処理部１３０の一部または全部は、ＢｌｕｅＴｏｏｔｈ（登録商標）接続、有線接続等により負荷検出装置１００と通信するタブレット、スマートフォン等で代用してもよい。その場合、負荷検出装置１００の一部または全部は、タブレット、スマートフォン等のプロセッサで実行されるプログラムとして提供されてもよい。

負荷検出システム２００において、端末装置２１０は、入力部２４２、表示部２４４、および報知部２４６を有する。端末装置２１０は、通信回線２０１を介して接続されている点を除くと、負荷検出装置１００のＩ／Ｆ部１４０と同じ機能を有する。これにより、端末装置２１０は、使用者９９が装着した負荷検出装置１００を遠隔操作できる。また、負荷検出装置１００の検出部１２０による検出結果や、推定部１３６による推定結果を遠隔地から監視できる。端末装置２１０は、例えば、負荷検出システム２００の管理者８８により操作される。

サーバ２２０は、通信回線２０１を介して、Ｉ／Ｆ部１４０を含む負荷検出装置１００および端末装置２１０にそれぞれ接続される。サーバ２２０は、各種の情報を格納する格納装置としても、負荷の検出に係る様々な処理を実行する処理装置としても使用できる。

格納装置としてのサーバ２２０は、負荷検出装置１００を使用する使用者９９となり得る多くの個人に関する情報、すなわち、ユーザＩＤ、身長、体重、年齢、性別等を格納してもよい。これにより、負荷検出装置１００の使用を開始する場合に、例えばユーザＩＤを負荷検出装置１００に入力するだけで、身長、体重、年齢、性別等をサーバ２２０から一括して読み出し、負荷検出装置１００の初期設定に関する使用者９９の手間を省くことができる。

また、格納装置としてのサーバ２２０は、Ｉ／Ｆ部１４０および検出部１２０を通じて負荷検出装置１００に入力された情報を、入出力ログとして記録してもよい。これにより、設定情報等をバックアップできると共に、負荷検出システム２００に何らかの障害が発生した場合に、個々の負荷検出装置１００の動作を再現して原因を究明したり、障害が発生する前の状態を復元できる。

更に、格納装置としてのサーバ２２０は、推定部１３６が後述するようにして推定した推定結果を継続的に記録してもよい。これにより、管理者は、使用者９９の動作状態（例、作業状態）と使用者９９の腰にかかった負荷をサーバ２２０に蓄積させて、作業体制および作業方法の解析および改善に推定結果を利用できる。また、管理者は、使用者９９の勤務評定、経理処理等にも推定結果を利用できる。

また更に、格納装置としてのサーバ２２０は、検出部１２０の第１センサ１２２および第２センサ１２４等が検出した検出値そのものを記録してもよい。この場合、サーバ２２０は、第１センサ１２２および第２センサ１２４の出力値だけではなく、検出部１２０の第１センサ１２２および第２センサ１２４に対する入力信号、例えば、負荷検出装置１００に撮像装置を付加して、撮像画像をそのまま記録してもよい。

これにより、検出部１２０から情報を取得した負荷検出装置１００の処理部１３０の機能に不具合があった場合に原因が究明しやすくなる。また、推定部１３６における処理方法、例えば、腰負荷を推定するアルゴリズム等が更新された場合に、検出部１２０が検出した情報に基づいて改めて推定等の処理を実行できる。

サーバ２２０等の情報処理装置（例、荷重推定装置）には、負荷検出装置１００の機能の一部、例えば、処理部１３０の算出部１３２、格納部１３４、推定部１３６の機能の一部または全部を割り当ててもよい。これにより、処理部１３０の少なくとも一部を負荷検出装置１００から切り離して、個々の使用者９９が身につける負荷検出装置１００に実装するハードウェアおよびソフトウェアを簡素化してもよい。このような場合、例えば、情報処理装置は、取得した使用者９９の姿勢と使用者９９の手にかかる荷重及び使用者９９の姿勢の関係とに基づいて、使用者９９の手に許容される荷重を推定する推定部１３６と、使用者９９の手にかかる荷重及び使用者９９の姿勢の関係を格納する格納部１３４と、使用者９９の手に許容される荷重を表示する表示部とを備える。

図４は、サーバ２２０に処理部１３０の機能を割り当てた負荷検出システム２０２の構成を示すブロック図である。図示のように、使用者９９が装着する負荷検出装置１００には検出部１２０と通信部１３８のみを設け、処理部１３０の機能はサーバ２２０に実装している。これにより、使用者９９が見につける負荷検出装置１００を簡素化できる。

また、使用者９９が身に着ける負荷検出装置１００と異なり、サーバ２２０には、消費電力、装置の寸法、重量等に対する制約が少ない。よって、サーバ２２０は、負荷検出装置１００よりも高速で容量の大きな処理装置となり得る。これにより、推定等の処理をサーバ２２０で実行することにより、推定の精度の向上、処理時間の短縮等が可能になる。

なお、サーバ２２０は、単一のデバイスにより形成するとは限らない。例えば、格納装置としてのサーバ２２０と、処理装置としてのサーバ２２０とを個別に用意して、通信回線２０１を通じて接続してもよい。この場合、格納装置としてのサーバ２２０および処理装置としてのサーバ２２０は、それぞれの用途に適した異なる構成のハードウェアを用いてもよい。また、汎用の処理装置を用いて用途の異なるサーバ２２０を構成してもよい。

負荷検出装置１００の報知部１４６は、負荷検出装置１００から使用者９９に対して、推定結果、警報、動作状態（例えば、動作情報、正常、異常など）、充電状態等を通知または警告する。また、表示部１４４は、負荷検出装置１００の検出対象である使用者９９の腰部負荷に関する情報を表示して、使用者９９に伝える。報知部１４６は、音、光、または電気的な刺激等により、例えば、負荷検出装置１００による物理量が、予め定めた閾値を超えたことを、使用者９９に伝える。

更に、報知部１４６は、上記の推定結果、警報、動作状態等の情報を、通信回線２０１に接続された端末装置（例えば、管理者８８が使用する端末）２１０にも送信してもよい。これにより、管理者８８は、使用者９９にかかっている腰部負荷を、使用者９９から離れた場所でリアルタイム又は定期的に監視できる。

なお、負荷検出装置１００は、何らかの理由で通信回線２０１との接続が切れた場合であっても、スタンドアローンで動作できるようにしてもよい。また、その場合に、通信回線２０１との接続が切れている旨を、報知部１４６を通じて使用者９９に通知するようにしてもよい。

図５は、負荷検出装置１００の処理部１３０において実行される処理の手順を示す流れ図である。図５に示す手順は、使用者９９が負荷検出装置１００を上体に装着して使用を開始する時の設定手順の一例である。

負荷検出装置１００の使用を開始する場合、負荷検出装置１００を身に着けた使用者９９は、使用者９９に関する個別の設定情報（例えば、使用者ＩＤ、身長などの入力フィールドに入力される情報など）を入力して、負荷検出装置１００を初期設定するために初期値として設定情報を入力する（ステップＳ１０１）。図６は、上記ステップＳ１０１における表示部１４４の表示画像３０１を例示する図である。図示のように、表示画像３０１は、複数の入力フィールド３１１、テンキーパッド３１２、およびボタン３１３が表示されている。

入力フィールド３１１は、それぞれ数値で入力する、使用者９９のユーザＩＤ、身長、体重、年齢、性別等の入力項目を示している。テンキーパッド３１２は、タッチパネルである表示部１４４の一部領域に表示されている。ボタン３１３は、入力フィールド３１１への入力が完了した場合に、ユーザがその旨を負荷検出装置１００に入力する場合にタッチする。

ここで、使用者９９による負荷検出装置１００の使用が初めてではない場合、負荷検出装置１００（例えば、処理部１３０）は、１行目の入力フィールド３１１に使用者ＩＤが入力されたことを検出することにより、身長、体重、年齢、性別等の他の入力項目を使用者ＩＤに基づきサーバ２２０から取得して自動入力して入力フィールド３１１に表示してもよい。また、体重の入力フィールド３１１に体重が入力された場合に、負荷検出装置１００は、例えば、体重の６０％に相当する値を、使用者９９の上半身の重量として自動入力して入力フィールド３１１に表示してもよい。

上記のように、図５のステップＳ１０１において設定情報が入力されると、負荷検出装置１００の処理部１３０は、入力された設定情報に基づいて、使用者９９の姿勢と、使用者９９の手（例、手先）にかかる荷重（例、使用者９９の手に許容される荷重上限）と、使用者９９の腰にかかる負荷（例、使用者９９の腰にかけることができる負荷上限）との関係を示すテーブル（例えば、後述の図１１）を該設定情報ごとに生成する（ステップＳ１０２）。ここで、処理部１３０が生成するテーブルに示される使用者９９の姿勢と、使用者９９の手先にかかる荷重と、使用者９９の腰にかかる負荷との関係の一例について、次に説明する。

図７は、腰部に負荷が生じる使用者９９の動作を模式的に示す図である。図中に示す１から３の番号順に使用者９９が直立した状態（１）から、腰をかがめる動作（屈曲動作）（２）により手（例えば、手先）を床に近づけ（３）、次に、腰を伸ばしつつ（４）上体を起こし、最終的に直立した状態に戻るまで（５）の間に、使用者９９自身の上体の質量が腰部に作用して生じる腰部負荷の値が変化する。

図８は、上記の動作をする使用者９９の腰椎回りの物理モデル４００を示す図である。腰椎４４０は、互いに回転可能に順次連結された椎骨４４１、４４２、４４３、４４４、４４５を有する。この物理モデル４００では、腰椎４４０全体を剛体と見做してもよい。

腰椎４４０の下端は、仙骨４５０に対して回転可能に支持される。また、腰椎４４０の上端は、胸椎４１０の下端を、回転角度をφ_７で回転可能に支持する。この物理モデル４００では、腰椎４４０の前後で、腹筋群４３０が生じる筋力Ｆ_Ａと、背筋群４２０が生じる筋力Ｆ_Ｂとが、図７に示した運動の各段階において静的に釣り合うと見做す。

腰椎４４０に支持された胸椎４１０は、腰椎４４０の背面側で収縮した背筋群４２０が筋力Ｆ_Ｂを発生した場合に、回転モーメントｌ_ｍ６・Ｆ_Ｂが作用して、使用者９９の背中側に傾く。また、胸椎４１０は、腰椎４４０の前面側で収縮した腹筋群４３０が筋力Ｆ_Ａを発生した場合に、回転モーメントｌ_ｎ６・Ｆ_Ａが作用して使用者９９の前面側に傾く。このような胸椎４１０の傾きにより、使用者９９の上体が傾き、腰椎４４０には、負荷Ｆが作用する。ここで，背筋群４２０または腹筋群４３０の作用による胸椎４１０の回転角をφ_７とする。

上記の物理モデル４００に沿って、使用者９９の腰椎に掛かる負荷を解析すると、腰椎４４０の回りには、下記の式１に示す釣り合いが成り立つ。

上記式１において、Ｍは使用者９９の上体の質量を表し、ｇは重力加速度を表す。使用者９９の上体の質量は、例えば、使用者９９の全質量（例、体重）の６０％程度と推定することもできるし、予め使用者９９の体重を測定してその体重又は体重をもとに算出した上体の質量を格納部１３４に格納しておき、算出部１３２に参照させてもよい。

また、仙骨４５０に対して腹筋群４３０が発揮する筋力Ｆ_Ａの回転モーメントＦ_Ａｌ_ｎ０と、背筋群４２０が発揮する筋力Ｆ_Ｂの回転モーメントＦ_Ｂｌ_ｍ０とが釣り合うので、下記の式２が成立する。

図７に示したように、使用者９９の手先に荷重が作用していない場合、使用者９９の腰椎４４０に掛かる負荷Ｆは、筋力Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂを用いて下記の式３のように表すことができる。

処理部１３０の算出部１３２は、上記の式１、式２、および式３を用いて、例えば、手先に負荷を持っていない使用者９９の上体の傾き（姿勢）に基づいて、使用者９９の腰部にかかる負荷を算出できる。

図９は、使用者９９が手（例えば、手先）に荷重７７を持って腰部を屈伸する動作を模式的に示す図である。図示のように、当初は直立した状態において手（又は腕）で荷重７７を保持する使用者９９が（１）、腰を屈曲して荷重７７を降ろし（２）、更に腰を大きく曲げて床近くまで荷重７７を下げた後（３）、腰を伸ばして荷重７７を持ち上げて（４）、最終的に直立する状態に戻る（５）までの動作を示す。このような一連の動作においては、使用者９９自身の上体の質量と、使用者９９が手に持つ荷重７７との両方に起因する負荷が、使用者９９の腰部に作用する。

使用者９９が荷重７７の持ち上げを含む動作をする場合、使用者９９に対する荷重７７の位置、すなわち、荷重７７の重心位置と使用者９９自身の重心位置との水平方向の距離に応じ使用者９９および荷重７７全体の重心は移動する。また、使用者９９の腰部に負荷がかかる動作は、膝を屈伸して上体を昇降させる動作や、更に、膝と腰部とを両方屈伸させて使用者９９全身を昇降させる動作もある。

再び図５を参照すると、負荷検出装置１００における処理部１３０の算出部１３２は、例えば、角度θにより表された使用者９９の姿勢と、使用者９９の腰にかかる負荷（例、使用者９９の腰に許容される負荷）との関係を示すテーブルを生成する（ステップＳ１０２）。テーブルは、例えば、使用者９９の姿勢、年齢、性別等の設定情報と、その使用者９９にかかる荷重および腰負荷を実験的に測定したデータを上記したリンクモデル（図１０参照）および式７に代入した結果とに基づいて生成できる。すなわち、使用者９９の姿勢と年齢や性別などの設定情報をもとに実験して設定された手に許容される荷重上限とを上記の式７に代入し、使用者９９の腰にかかる負荷を算出する。処理部１３０の算出部１３２は、算出された使用者９９の腰にかかる負荷を上記荷重上限に対応する使用者９９の腰に許容される負荷（使用者９９の腰に掛けることができる最大の腰負荷）とし、上記のテーブル（例、図１１）を生成する。

図１１は、ステップＳ１０２に算出部１３２が生成したテーブル１３５の一例を示す図である。図示のように、テーブル１３５においては、使用者９９の腰にかかる負荷のうち使用者９９の腰に許容される負荷（使用者９９の腰に掛けることができる最大の腰負荷）、使用者９９の手（例えば、手先）に掛け得る荷重の上限（使用者９９の手に許容される荷重）、その荷重を保持する使用者９９が姿勢を維持できる時間の関係が、使用者９９の姿勢毎に格納されている。生成されたテーブル１３５は、格納部１３４に格納される（ステップＳ１０３）。

図１１において、例えば、姿勢が９０°のテーブルにおける一列目では、前屈９０°で腰に掛けることができる最大の腰負荷が１５００Ｎとした時の手に掛け得る荷重の上限（荷重上限、付加的な荷重の最大値）が５ｋｇであることを示している。また、例えば、図１１の姿勢が９０°のテーブルの二列目、三列目においては、身体的情報別（例、設定情報の身長、体重、年齢、又は性別ごと、など）に上記腰負荷や荷重上限などが記載されている。

これにより、推定部１３６は、格納部１３４のテーブル１３５を参照することにより、上記の一連の計算を実行することなく、例えば、検出部１２０が検出した使用者９９の姿勢に基づいて、使用者９９の腰に掛かる負荷及び使用者９９の手に許容される荷重（手に対する荷重上限）が簡単且つ迅速に推定できる状態になる。この後、負荷検出装置１００は、使用者９９に関する設定情報の入力が完了して、推定部１３６が動作できる状態になった旨を、使用者９９に伝えるべく、設定完了の通知を、表示部１４４、報知部１４６等に表示させる（ステップＳ１０４）。

こうして、負荷検出装置１００の設定が完了する。ここで、上記の手（例、手先）に対する荷重上限（限界荷重、限界手先荷重）は、手にかかる荷重（手に加わる荷重、手に負荷される荷重）のうち、手に許容できる荷重、手に対する荷重の許容値、手で保持することが可能な付加的な荷重（例、荷物の重さ）、手に掛かる荷重の許容範囲、又は使用者の安全又は効率の観点から手に負荷できる限界荷重などを含む。

図１２は、上記のように設定が完了した負荷検出装置１００における推定部１３６の動作手順の一例を示す流れ図である。設定が完了した負荷検出装置１００を身に着けた使用者９９が何らかの作業による動作を開始した場合（例、上記の第１センサ、第２センサによって姿勢の変化を検出した場合など）、推定部１３６は、検出部１２０が検出した使用者９９の姿勢を取得する（ステップＳ２０１）。

また、推定部１３６は、取得した使用者９９の姿勢に基づいて格納部１３４に格納されたテーブル１３５を参照して読み出しすることにより（ステップＳ２０２）、該姿勢に対応するテーブル１３５から得られる使用者９９の腰の負荷（腰に掛けることができる負荷上限）に基づく手に許容される荷重（荷重上限）を推定結果として取得する（ステップＳ２０３）。

なお、ステップＳ２０３において、上記したテーブル１３５に示すように、所定の姿勢における使用者９９の腰負荷が複数ある場合、推定部１３６は、上記の設定情報（例、身長、体重、年齢、性別などの身体的情報）に基づき所定の姿勢（検出された姿勢）に対する使用者９９の腰の負荷（負荷上限）を該当のテーブル１３５から選択し、選択した腰の負荷を用いてテーブル１３５から該当する使用者９９の手に許容される荷重（荷重上限）を推定結果として取得する。更に、推定部１３６は、推定結果を、表示部１４４および報知部１４６のいずれかに出力する（ステップＳ２０４）。

図１３は、表示部１４４に表示される推定結果の一例を示す表示画像３０２である。図示のように、表示画像３０２には、検出部１２０が検出した使用者９９の姿勢（例、前傾角度、ひねり角度など）に対して、使用者９９が当該姿勢において保持していると想定される荷重（想定荷重、予定荷重）と、使用者９９の腰の負荷が過大にならないことを条件として推定された手にかかる荷重の上限値（荷重上限）と、使用者９９が検出された姿勢を維持できると推定される時間とが併せて表示されている。

ここで、上記した実施形態において、使用者９９の姿勢が継続的に維持された場合は、表示される荷重の上限値と、維持可能な時間とは、時間の経過と共に減少していくようにしてもよい。更に、例えば、維持可能と推測された時間が過ぎた場合は、報知部１４６から、使用者９９に対して警報または警告等の通知情報が発せられる。一方、検出部１２０が、使用者９９の異なる姿勢を検出した場合は、推定部１３６がその異なる姿勢に対して改めて推定した新しい推定結果が表示部１４４に表示される。

このように、負荷検出装置１００を装着して作業をすることにより、使用者９９は、姿勢という自分自身では監視し難い要素を気にすることなく作業でき、また、手先で保持できる荷重という作業に直結した数値により、腰にかかる負荷を認識できる。よって、ユーザは、使用者９９自身の安全が図れると共に、作業形態の改善を検討したりできる。また、負荷検出装置１００は、検出が容易であり、構造が簡単で廉価に供給するこができるので、負荷検出装置１００の上記の恩恵を広く享受できる。

以降、推定部１３６は、ステップＳ２０１から２０４の動作を繰り返し継続する。ここで、推定部１３６における推定の処理の少なくとも一部は、検出部１２０が検出した使用者９９の姿勢と格納部１３４に格納されたテーブル１３５とを照合するという比較的に負荷の軽い処理なので、使用者９９の動作（例、姿勢）に追従してリアルタイムに上記推定を継続できる。

なお、上記の実施形態では、格納部１３４にテーブル１３５を格納して推定部１３６が参照する構成とした。しかしながら、格納部１３４に格納する使用者９９の姿勢と使用者にかかる負荷との関係の形式はテーブルに限られず、多次元のデータベース形式、数理モデル（例、演算式）、簡略化した数式（演算式）等であってもよい。

次に、算出部１３２が算出する、使用者９９の手（例、手先）にかかる荷重（手先荷重）と腰への負荷との関係の他の実施形態（第２の実施形態）について説明する。先の実施形態では、使用者９９の腰椎回りの物理モデルに基づいて上記の関係を算出した。しかしながら、算出部１３２は、例えば、多数のデータに基づいて、任意の身長、体重、前屈角に対して使用者９９の手先に掛かる付加的な荷重７７と腰負担値の関係を数理モデル化することもできる。

なお、上記の式９において、ｓｉｎθは、ｃｏｓθまたはθそのものとしてもよい。また、影響する変数として、更に、付加的な荷重７７と体の重心との距離などを導入することも考えられる。しかしながら、ここでは、上記３変数による計算を例示する。また、この例ではＡ_ｉを多項式としているが、多項式に限らなくても以下の手順は応用できる。

次に、上記した式９の次数ｎ_ｉ，ｘ、ｎ_ｉ，ｙ、ｎ_ｉ，ｔを定める。すべての変数について同時に実行することは難しいので、１変数ずつ行う。例えば、式９においてｙとθを固定し、Ａ_ｉをｘだけの関数に単純化してすべてのｎ_ｉ，ｘを定めるといった操作（処理）を繰り返す。

ここで、式１０の場合と同様に、各ｉについて、身長ｘに対してＡ_{ｉ，ｐ［ｑ］［ｒ］}をグラフにプロットして次数ｎ_ｉ，ｘの大まかな最大値を決め、それ以下の何種かの次数の多項式で回帰させて、目標とする精度と照らし合わせて最適な次数を定める。これにより、ｎ_ｉ，ｘの候補が得られる。

同様に、ｒとｐを固定してすべてのｎ_ｉ，ｙを、ｐとｑを固定してすべてのｎ_ｉ，ｔを定める。こうしてｎ_ｉ，ｘ、ｎ_ｉ，ｙ、ｎ_ｉ，ｔが定まったとすると、式９の変数ａ_{ｉ，ｊｋｌ}を定めることができる。すなわち、ｉを固定して、上記で得られたＡ_{ｉ，ｐｑｒ}（のうちｉを固定したもの）全部（Ｎ_ｘ×Ｎ_ｙ×Ｎ_ｔ個）を使い、モデルを式９として回帰させる。

図１４は、負荷検出装置１００における推定部１３６の他の動作手順を示す流れ図である。使用者９９の姿勢が変化し続けている場合、または、使用者９９の上体が傾いた姿勢が維持されている場合は、使用者９９が何らかの作業をしていると推測される。よって、図１２を参照して説明した通り、推定部１３６は、使用者９９の姿勢を継続的に監視する（ステップＳ３０１：ＮＯ）。

一方、使用者９９が直立した姿勢を予め定めた時間を超えて継続したことを検出部１２０が検出した場合、推定部１３６は、使用者９９が作業を中断していると推定して（ステップＳ３０１：ＹＥＳ）、図１２に示した手順と異なる手順を開始する。この場合、推定部１３６は、表示部１４４に入力フィールド３１１を表示して（ステップＳ３０２）、使用者９９による入力を待つ（ステップＳ３０３：ＮＯ）。

図１５は、上記のステップＳ３０１に表示部１４４に表示される表示画像３０３を示す図である。図示の例では、使用者９９に、次に始める作業において使用者９９が手（例えば、手先）で持ち上げようとする荷重（予定荷重、想定荷重）の大きさを入力する入力フィールド３１１と、その荷重を持ち上げる場合に使用者９９がとることが予想される使用者９９の姿勢を選択するラジオボタン３１４が、表示部１４４に表示される。

負荷検出装置１００を使用する使用者は、付加的な荷重７７を持ち上げる作業に着手する前に、Ｉ／Ｆ部１４０の入力部１４２を介して、これから行う作業で持ち上げる荷重の大きさを、テンキーパッド３１２を用いて入力フィールド３１１に数値で入力する。また、使用者９９は、上記作業をする場合にとることが予測される姿勢を、表示画像３０３上のラジオボタン３１４で選択することにより、負荷検出装置１００に入力する。更に、使用者９９は、設定と表示されたボタン３１３をタッチすることにより、入力した数値と選択した姿勢を、負荷検出装置１００の推定部１３６に設定する。

再び図１４を参照すると、上記のような表示部１４４の表示に対して、使用者９９が作業予定の荷重（予定荷重、想定荷重）と姿勢とを入力した場合（ステップＳ３０３：ＹＥＳ）、推定部１３６は、格納部１３４のテーブル１３５を参照して、作業予定の荷重と使用者９９の腰にかかる負荷（腰に掛けることができる負荷上限）に基づく手に許容される荷重（荷重上限）とを取得して推定し（ステップＳ３０４）、表示部１４４に荷重上限（荷重の許容範囲）に対する作業予定の荷重の大きさの関係を表示する（ステップＳ３０５）。

図１６は、上記ステップＳ３０５において推定部１３６により表示部１４４に表示される表示画像３０４を例示する図である。図示のように、表示画像３０４には、使用者９９の腰に対する負荷の許容範囲に基づく作業可能な荷重の範囲と、作業予定の荷重との関係が示される。これにより、使用者９９は、作業前に、次の作業が過剰な負荷なしに実行できるか否かを判断できる。

図に示した例では、推定により表示された予定される荷重が、荷重の許容範囲の上限に近い場合は、荷重が許容範囲を超えた場合に準じて、腰にかかる負荷を警戒しつつ作業をすることが望ましいと判る。また、予定される荷重が許容範囲に納まっていても、維持できる時間が、想定される作業時間よりも短い場合は、結果的に腰への負荷が過大になると判断して、作業の方法、作業に当たる人員等を再検討することができる。

人が作業をする場合に腰に掛かる負担の大きさには、その人の身長、体重、年齢等の個体毎の条件の他、作業に係る荷重（付加的な荷重）の大きさ、荷重の保持時間、作業の反復回数等の作業状況毎の条件も関係する。このため、人の腰に掛かる負荷を測定または推定しようとすると、モーションセンサ等の大規模な測定設備を備えた実験室で、人手を使って測定しなければならず、更に、測定値の解析にも時間と手間がかかる。このため、作業に関連して腰に掛かる負荷を、作業の現場で測定または推定することは困難であった。

上記の負荷検出装置１００は、使用者９９が実際に作業をしている状態で発生する腰への測定または推定できる。また、負荷検出装置１００の使用者９９に、作業の対象である荷重またはこれからの作業の対象となる荷重が、それぞれの使用者９９について許容される腰の負荷を逸脱するものであるか否かを、使用者９９の姿勢に基づいて専門知識なしに理解できるように表示または通知する。よって、年齢、体重、作業状況が変化した場合であっても、使用者９９は、腰に掛かる負荷について、客観的な根拠に基づいて対応できる。

これにより、作業中に生じる腰への過大な負荷を未然に避けることができる他、作業後に、腰に累積した負荷を客観的に把握できる。また、単位時間あたりの負荷の累積等を簡単に把握できるので、作業方法の改善、作業内容の分担等についても、客観的な根拠に基づいて検討して計画できる。更に、それまでに経験したことがない作業をする場合であっても、腰に掛かる負荷を推定して、作業が実行できるか否かを客観的に判断できる。

なお、上記のような負荷検出装置１００または負荷検出システム２００は、例えば、介護施設等で作業する介護士が使用してもよい。負荷検出装置１００または負荷検出システム２００を導入することにより、使用者９９である介護士の腰にかかる負荷を作業中も継続的に監視して、過剰な負荷がかかる場合は警告を発して、過剰な負荷の発生を未然に防止できる。

また、介護士の腰にかかる負荷を記録して蓄積することにより、管理者８８は、通常の作業以外の計測や検診を実施することなく、介護士のコンディションを管理して、人員の配転、作業の割り振り、人員計画の策定等を改善できる。さらに、継続的に記録された姿勢と腰への負荷との関係を参照することにより、介護士自身による作業方法、作業手順等の改善を図ることもできる。

負荷検出装置１００または負荷検出システム２００は、理学療法士、作業療法士等の医療従事者が、リハビリテーション、運動療法、作業療法等を安全に施療するためのツールとして使用してもよい。この場合は看者が使用者９９となり、過大な負荷の発生を防止すると共に、施療の経過観察にも使用できる。更に、産業現場において安全管理を担当する安全衛生管理者等が、作業現場の使用者９９の腰への負担を管理する場合にも使用してもよい。

負荷検出装置１００または負荷検出システム２００は、データソリューションサービスの展開に使用してもよい。例えば、負荷検出システム２００を使用して、作業現場における多数の使用者９９の腰負荷の発生に関する情報を継続的に収集することにより、業務改善や事故防止に関する提案を策定できる。

すなわち、負荷検出装置１００または負荷検出システム２００は、単に腰に対する負荷が過大であるか否かを報知するにとどまらず、腰への負荷の許容範囲を手（例、手先）に掛かる荷重の大きさの範囲として表示する。また、作業をする場合の姿勢の変更等を入力することにより、作業方法の変更を即座に荷重の許容範囲として表示できる。

これにより、負荷検出装置１００または負荷検出システム２００は、安全の観点又は効率の観点などにおいて、専門知識のない使用者９９が実作業の中で腰への過大な負荷を受けることを防止することを可能にする。更に、負荷検出装置１００または負荷検出システム２００は、腰への負荷を低減するための作業方法、作業の割り振り等を検討する場合の客観的な根拠を提供して、作業の改善を円滑する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。また、変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いない限り、任意の順序で実現し得ることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず」、「次に」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するとは限らない。

７７ 荷重、８８ 管理者、９９ 使用者、１００ 負荷検出装置、１１０ 着用部、１２０、１２１ 検出部、１２２ 第１センサ、１２４ 第２センサ、１２６ 筋硬さセンサ、１３０ 処理部、１３２ 算出部、１３４ 格納部、１３５ テーブル、１３６ 推定部、１３８ 通信部、１４０ Ｉ／Ｆ部、１４２、２４２ 入力部、１４４、２４４ 表示部、１４６、２４６ 報知部、１５０ ベルト部、２００、２０２ 負荷検出システム、２０１ 通信回線、２１０ 端末装置、２２０ サーバ、３０１、３０２、３０３、３０４ 表示画像、３１１ 入力フィールド、３１２ テンキーパッド、３１３ ボタン、３１４ ラジオボタン、４００ 物理モデル、４１０ 胸椎、４２０ 背筋群、４３０ 腹筋群、４４０ 腰椎、４４１、４４２、４４３、４４４、４４５ 椎骨、４５０ 仙骨

Claims (13)

1. 使用者の姿勢を検出する検出部と、
   前記使用者の体幹から荷重の重心までの、重力方向と交差する方向の距離と、前記荷重との関係を含む、前記使用者の手にかかる荷重と前記使用者の姿勢との関係を予め格納した格納部と、
   前記検出部が検出した前記姿勢と、前記使用者の手にかかる荷重及び前記使用者の姿勢の関係とに基づき、前記使用者の手に許容される荷重を推定する推定部と
   を備える負荷検出装置。
2. 前記検出部は、前記使用者の筋肉の硬さを検出するセンサを有する請求項１に記載の負荷検出装置。
3. 前記推定部は、外部から入力された前記使用者の予定荷重の値を、推定した前記荷重の値と比較する請求項１または２に記載の負荷検出装置。
4. 前記推定部は、推定した前記荷重の値に基づいて、前記使用者の手にかかる前記荷重の許容範囲を外部に出力する請求項１から３のいずれか一項に記載の負荷検出装置。
5. 前記推定部は、前記使用者に関する情報に基づいて前記許容範囲を設定する請求項４に記載の負荷検出装置。
6. 前記推定部は、推定した前記荷重の値が予め定めた許容範囲に納まるか否かを外部に出力する請求項１から５のいずれか一項に記載の負荷検出装置。
7. 前記格納部は、前記使用者の手にかかる荷重と前記使用者の姿勢との関係を示す数理モデルを格納する請求項１から６のいずれか一項に記載の負荷検出装置。
8. 前記推定部は、外部から入力された前記距離に基づいて、前記荷重を推定する請求項１から７のいずれか一項に記載の負荷検出装置。
9. 前記推定部は、前記関係として演算式を用いて前記手に許容される荷重を推定する、請求項１から８のいずれか一項に記載の負荷検出装置。
10. 前記使用者に装着されるベルト部を備え、
    前記検出部及び前記推定部は前記ベルト部に接続されている請求項１から９のいずれか一項に記載の負荷検出装置。
11. 取得した使用者の姿勢と前記使用者の手にかかる荷重及び前記使用者の姿勢の関係とに基づいて、前記使用者の手に許容される荷重を推定する推定部と、
    前記使用者の体幹から前記使用者の手にかかる荷重の重心までの、重力方向と交差する方向の距離と、前記荷重との関係を含む、前記使用者の手にかかる荷重及び前記使用者の姿勢の関係を格納する格納部と、
    を備える情報処理装置。
12. 使用者の姿勢を検出する検出段階と、
    前記使用者の体幹から荷重の重心までの、重力方向と交差する方向の距離と、前記荷重との関係を含む、前記使用者の手にかかる荷重と前記使用者の姿勢との関係を予め格納した格納部を参照して、前記検出段階で検出した前記姿勢と前記使用者の手にかかる荷重及び前記使用者の姿勢の関係とに基づき、前記使用者の手に許容される荷重を推定する推定段階と
    を備える負荷検出方法。
13. 使用者の姿勢を検出する検出ステップと、
    前記使用者の体幹から荷重の重心までの、重力方向と交差する方向の距離と、前記荷重との関係を含む、前記使用者の手にかかる荷重と前記使用者の姿勢との関係を予め格納した格納部を参照して、前記検出ステップで検出した前記姿勢と前記使用者の手にかかる荷重及び前記使用者の姿勢の関係とに基づき、前記使用者の手に許容される荷重を推定する推定ステップと
    を電子計算機に実行させる負荷検出プログラム。

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