JP7370021B2 - 判定装置および姿勢制御装置 - Google Patents
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Description
本開示者は、従来から、物流業界における走行体(例えば、コンテナ貨物車両)上の3次元重心(以下、重心と略す場合がある)の位置を、走行体に取り付けた揺動検知器を用いて理論的に導くための研究および開発に携わっており、その成果の一部は、先行特許(例えば、特許第4517107号公報)に開示されている。
図1は、人が歩行する際の身体のモデル化の一例を示す図である。
文献1:ナースフル疾患別シリーズ,整形外科,第1章 骨・神経・骨格筋の解剖と働き,RECRUIT (C) Recruit Medical Career Co.,Ltd.
https://nurseful.jp/nursefulshikkanbetsu/orthopedics/section_0_00/
人は、下肢が大腿上部の全体を支えている。下肢は左右への回転運動を許容する構造であるので、下肢はばね構造体となっている。下肢上部にある脊柱は胸部から上部を支えている。脊柱は24個の椎からできており、腹筋などの筋肉で支えられているので、左右への回転運動を許容する構造である。鎖骨から上部は筋肉が頭部を支え、頸椎(脊柱の上部)が頭部の左右への回転運動を許容する構造である。
以下の被験者[1]、被験者[2]および被験者[3](以下、被験者達と略す場合がある)がそれぞれ、揺動検知器が固定された工事用のヘルメットを被り、平たん路を歩行することで、揺動検知器から出力された揺動データを得た。具体的には、被験者達の歩行方向に対して直交する横方向(つまり、被験者達の身体の幅方向)における、被験者達の歩行時の揺れの角速度データと、重力が作用する縦方向(以下、垂直方向と略す場合がある)における、被験者達の歩行時の揺れの加速度データと、を測定した。
被験者[2]:20歳代前半の男性(長身で細身)
被験者[3]:50歳代後半の男性(中長身で中肉中背)
図2Aおよび図2Bは、被験者[1]の歩行時における、揺動検知器から出力された揺動データを解析した結果の一例を示す図である。
被験者[2]:L1=0.150m、L2=0.150m、L3=0.150m
被験者[3]:L1=0.146m、L2=0.144m、L3=0.144m
以上の重心高さは、大人の一般的な体格を考慮するとき、上記スペクトル解析で得られたスペクトル中に現れた3つのピークが、周波数が低い順に、人が歩行する場合における、脊柱部ばね台座Mの部位より下方の人の下肢上部に存在する重心GLの揺れに由来するピーク、鎖骨部ばね台座Tの部位より下方の人の胸部上部に存在する重心GMの揺れに由来するピーク、人の頭部に存在する重心GTの揺れに由来するピークであることを裏付けるデータである。
まず、本明細書において、物体の振動現象を以下の如く、定義する。振動現象は、以下の二つに大別される。
(1)加速度のピーク周波数比は、整数倍の比率になっている。つまり、重心GMの揺れに由来する加速度のピーク周波数は、重心GLの揺れに由来する加速度のピーク周波数の約2倍であり、重心GTの揺れに由来する加速度のピーク周波数は、重心GLの揺れに由来する加速度のピーク周波数の約3倍であるように、加速度のピーク周波数が、それぞれ連携している。
(2)角速度のピーク周波数比は、奇数倍の比率になっている。つまり、重心GMの揺れに由来する角速度のピーク周波数は、重心GLの揺れに由来する角速度のピーク周波数の約3倍であり、重心GTの揺れに由来する角速度のピーク周波数は、重心GLの揺れに由来する角速度のピーク周波数の約5倍であるように、角速度のピーク周波数が、それぞれ連携している。
図5に示された重心GL、重心GMおよび重心GTと同様に、直立二足歩行が可能なヒューマノイドにおいても、3つの重心が存在することを容易に類推することができる。
揺動検知器から出力された揺動データを周波数成分に分解することでスペクトル解析が行われ、スペクトル解析で得られたスペクトル中には、周波数が低い順に、第1ピーク、第2ピークおよび第3ピークが現れており、
第1ピーク、第2ピークおよび第3ピークはそれぞれ、ヒューマノイドに存在する3つの重心のそれぞれの揺れに由来するピークであり、
制御器は、3つの重心のそれぞれの揺れが互いに共鳴するように、ヒューマノイドの姿勢を制御する。
第1ピーク、第2ピークおよび第3ピークはそれぞれ、第1角速度ピークおよび第1加速度ピーク、第2角速度ピークおよび第2加速度ピーク、および、第3角速度ピークおよび第3加速度ピークをそれぞれ含み、
第1角速度ピーク、第2角速度ピークおよび第3角速度ピークはそれぞれ、ヒューマノイドに存在する3つの重心のそれぞれの水平方向の揺れに由来するピークであり、
第1加速度ピーク、第2加速度ピークおよび第3加速度ピークはそれぞれ、ヒューマノイドに存在する3つの重心のそれぞれの垂直方向の揺れに由来するピークであり、
制御器は、3つの重心のそれぞれの水平方向の揺れが互いに奇数倍で共鳴するとともに、3つの重心のそれぞれの垂直方向の揺れが互いに整数倍で共鳴するように、ヒューマノイドの姿勢を制御してもよい。
[装置構成]
図6は、第1実施形態の判定装置の一例を示す図である。
次に、第1実施形態の判定装置の動作の一例について図面を参照しながら説明する。
上記の第1判定基準、第2判定基準および第3判定基準を、被験者[3]が歩行する際の疲労度の判定に適用した事例について説明する。具体的には、高温および高湿度の夏場に、被験者[3]は、揺動検知器10が固定された工事用のヘルメットを被り、制御器20を入れたリュックを背負って歩行することで揺動検知器10から出力された揺動データを測定した。
本実施形態では、制御器20が、揺動検知器10を用いて、人の動作(例えば、歩行時、作業時など)による人に存在する重心の揺れを検知することで、人の疲労度を判定する場合について説明した。
図13は、第2実施形態の姿勢制御装置の一例を示す図である。
15 :送信機
20 :制御器
20A :制御器
100 :判定装置
200 :姿勢制御装置
GL :重心
GM :重心
GT :重心
L :下肢部ばね台座
M :脊柱部ばね台座
T :鎖骨部ばね台座
Claims (5)
- 人の動作時の揺れを検知する揺動検知器と、制御器と、を備え、
前記揺動検知器から出力された揺動データを周波数成分に分解することでスペクトル解析が行われ、前記スペクトル解析で得られたスペクトル中には、周波数が低い順に、前記人に存在する重心の揺れに由来する第1ピーク、第2ピークおよび第3ピークが現れており、
前記制御器は、前記第1ピーク、第2ピークおよび第3ピークに基づいて、前記人の姿勢の保持状態を判定する判定装置であって、
前記揺動検知器は、重力が作用する方向に対して直交する水平方向における、前記人の動作時の揺れの角速度を検知する角速度センサを備え、
第1ピーク、第2ピークおよび第3ピークはそれぞれ、第1角速度ピーク、第2角速度ピークおよび第3角速度ピークをそれぞれ含み、
前記第1角速度ピークは、前記人の下肢上部に存在する重心の水平方向の揺れに由来するピークであり、前記第2角速度ピークは、前記人の胸部上部に存在する重心の水平方向の揺れに由来するピークであり、前記第3角速度ピークは、前記人の頭部に存在する重心の水平方向の揺れに由来するピークであり、
前記制御器は、前記第1角速度ピークに対応する第1振幅と、前記第2角速度ピークに対応する第2振幅と、前記第3角速度ピークに対応する第3振幅との間の大小関係に基づいて、人の疲労度を判定する判定装置。 - 前記制御器は、前記第1振幅、前記第2振幅および前記第3振幅がこの順に大きい場合、人の疲労度が正常レベルであると判定する請求項1に記載の判定装置。
- 前記制御器は、前記第1振幅が、前記第2振幅以下であって前記第3振幅よりも大きく、かつ、前記第1振幅が、前記第2振幅および前記第3振幅の平均値よりも大きい場合、人の疲労度が警戒レベルであると判定する請求項1に記載の判定装置。
- 前記制御器は、前記第1振幅が、前記第2振幅以下であって前記第3振幅よりも大きく、かつ、前記第1振幅が、前記第2振幅および前記第3振幅の平均値以下である場合、人の疲労度が異常レベルであると判定する請求項1に記載の判定装置。
- 直立二足歩行が可能なヒューマノイドの姿勢を制御する姿勢制御装置であって、
ヒューマノイドの動作時の揺れを検知する揺動検知器と、制御器と、を備え、
前記揺動検知器から出力された揺動データを周波数成分に分解することでスペクトル解析が行われ、前記スペクトル解析で得られたスペクトル中には、周波数が低い順に、第1ピーク、第2ピークおよび第3ピークが現れており、
前記揺動検知器は、重力が作用する方向(以下、垂直方向)に対して直交する水平方向における、前記ヒューマノイドの動作時の揺れの角速度を検知する角速度センサと、垂直方向における前記ヒューマノイドの動作時の揺れの加速度を検知する加速度センサと、を備え、
前記第1ピーク、第2ピークおよび第3ピークはそれぞれ、第1角速度ピークおよび第1加速度ピーク、第2角速度ピークおよび第2加速度ピーク、および、第3角速度ピークおよび第3加速度ピークをそれぞれ含み、
前記第1角速度ピークは、前記ヒューマノイドの下肢上部に存在する第1重心の水平方向の揺れに由来するピークであり、第2角速度ピークは、前記ヒューマノイドの胸部上部に存在する第2重心の水平方向の揺れに由来するピークであり、第3角速度ピークは、前記ヒューマノイドの頭部に存在する第3重心の水平方向の揺れに由来するピークであり、
前記第1加速度ピークは、前記第1重心の垂直方向の揺れに由来するピークであり、第2加速度ピークは、前記第2重心の垂直方向の揺れに由来するピークであり、第3加速度ピークは、前記第3重心の垂直方向の揺れに由来するピークであり、
前記制御器は、前記第1重心、前記第2重心および前記第3重心のそれぞれの水平方向の揺れが互いに奇数倍の周波数比率の下で共鳴するとともに、前記第1重心、前記第2重心および前記第3重心のそれぞれの垂直方向の揺れが互いに整数倍の周波数比率の下で共鳴するように、前記ヒューマノイドの姿勢を制御する姿勢制御装置。
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