JP7505262B2 - 作業改善支援装置、作業改善支援システム、作業改善支援方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、作業改善支援装置、作業改善支援システム、作業改善支援方法、及びプログラムに関する。

ユーザが着用することでユーザの歩行動作等の負荷のアシストや、ユーザが運ぶ荷物の負荷を免荷する負荷軽減装置が知られている。人が装着できる負荷軽減装置は、パワードスーツと呼ばれることもある。

特許文献１には、人の身体に装着して関節回りの回動をアシストすることで持ち上げ動作を支援する作業支援装置が記載されている。この特許文献１に記載の作業支援装置では、肩関節及び肘関節のそれぞれに負担が分散する持ち上げ動作が行われる際に、２つのモータの一方の駆動力で両関節の回動をアシストする一方、肩関節及び肘関節の一方のみに負担が集中する持ち上げ動作が行われる際には、２つのモータの両方の駆動力で両関節の回動をアシストする。

特開２００８－２２０８８３号公報

上記のように、パワードスーツ等の負荷軽減装置によるアシスト動作を適切に制御する技術は開発されている。その一方で、ユーザが負荷軽減装置を装着した状態で作業を行う作業現場の環境を適切に改善するために、作業現場においてユーザにどの程度の身体的な負担が生じているのかについて客観的に認識可能な技術の開発が要望されている。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる作業改善支援装置、作業改善支援システム、作業改善支援方法、及びプログラムを提供することを目的としている。

本発明の第１の態様によれば、作業改善支援装置は、ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得する情報取得部と、前記動作履歴情報に基づいて前記ユーザの身体負担度の変化を分析する負担度分析部と、前記負担度分析部から得られる前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力する分析結果出力部と、を備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様によれば、作業改善支援システムは、作業改善支援装置と、ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置とを備える作業支援システムであって、前記作業改善支援装置は、ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得する情報取得部と、前記動作履歴情報に基づいて前記ユーザの身体負担度の変化を分析する負担度分析部と、前記負担度分析部から得られる前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力する分析結果出力部と、を備えることを特徴とする。

本発明の第３の態様によれば、作業改善支援方法は、ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得し、前記動作履歴情報に基づいて前記ユーザの身体負担度の変化を分析し、前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力することを特徴とする。

本発明の第４の態様によれば、プログラムは、作業改善支援装置のコンピュータを、ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得する情報取得手段、前記動作履歴情報に基づいて前記ユーザの身体負担度の変化を分析する負担度分析手段、前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力する分析結果出力手段、として機能させることを特徴とする。

本発明によれば、作業現場において負荷軽減装置を装着した状態で作業を行うユーザにどの程度の身体的な負担が生じているのかについて客観的に認識することができる。

本発明の一実施形態による作業改善支援システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるパワードスーツの構成を示す図である。 本発明の一実施形態による制御装置のハードウェア構成を示す図である。 本発明の一実施形態による制御装置の機能ブロック図である。 本発明の一実施形態による作業改善支援装置のハードウェア構成を示す図である。 本発明の一実施形態による作業改善支援装置の機能ブロック図である。 本発明の一実施形態による作業改善支援システムの処理フローを示す図である。 本発明の一実施形態による作業改善支援装置が出力するグラフの一例である。 本発明の作業改善支援装置の最小構成を示す図である。 本発明の作業改善支援装置の最小構成の処理フローを示す図である。

以下、本発明の一実施形態による作業改善支援装置、作業改善支援システム、作業改善支援方法、及びプログラムを、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態による作業改善支援システムＳ１の構成を示す図である。
図１に示すように、作業改善支援システムＳ１は、パワードスーツ１００と、環境情報取得センサ３００と、作業改善支援装置４００とを備える。

パワードスーツ１００は、ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の一態様である。
環境情報取得センサ３００は、ユーザの作業環境を表す環境値を環境情報として取得する。環境値は、一例として、ユーザの位置、周辺温度、及び周辺湿度の少なくとも一つを含む。環境情報取得センサ３００は、一例として位置センサ３１０と、温度センサ３２０と、湿度センサ３３０とを備える。
位置センサ３１０は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）受信機であり、ＧＰＳ衛星から受信した信号に基づいてユーザの位置（例えば座標）を示す位置情報を取得する。温度センサ３２０は、ユーザの周辺温度を示す温度情報を取得する。湿度センサ３３０は、ユーザの周辺湿度を示す湿度情報を取得する。環境情報取得センサ３００は、通信ケーブル等を介してパワードスーツ１００と通信可能に接続されている。
環境情報取得センサ３００は、例えばユーザの衣類等に予め取り付けられていてもよいし、或いは、パワードスーツ１００に予め取り付けられていてもよい。

作業改善支援装置４００は、パワードスーツ１００と無線通信することができるコンピュータである。後述するように、作業改善支援装置４００は、パワードスーツ１００から得られる動作履歴情報及び環境履歴情報に基づいて、作業現場においてパワードスーツ１００を装着した状態で作業を行うユーザの身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力する機能を有する。動作履歴情報及び環境履歴情報の詳細については後述する。

図２は、本実施形態によるパワードスーツ１００の構成を示す図である。
図２に示すように、パワードスーツ１００は、骨格部１１、ベルト１２、股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、足首アクチュエータ１５、靴裏プレート１６、足装着具１７、靴裏荷重センサ１８、足裏荷重センサ１９、荷台２０、制御装置２１、バッテリ２２、股関節センサ２３、膝関節センサ２４、及び足関節センサ２５等により構成される。骨格部１１は、一例としては、第一骨格部１１１と、第二骨格部１１２と、第三骨格部１１３とに大別される。

図２に示すように、パワードスーツ１００は一例として荷物を保持する機構の一態様である荷台２０を支えるように、第一骨格部１１１が設けられ、左右の股アクチュエータ１３はそれぞれ第一骨格部１１１と、パワードスーツ１００を装着するユーザの左側または右側の大腿部に沿う対応する第二骨格部１１２とを回動可能に連結する。左右の膝アクチュエータ１４は、対応する左側または右側の第二骨格部１１２と、パワードスーツ１００を装着するユーザの左側または右側の膝下脚部に沿う対応する第三骨格部１１３とを回動可能に連結する。足首アクチュエータ１５は、対応する左側または右側の第三骨格部１１３と、パワードスーツ１００を装着するユーザの左側または右側の足装着具１７の裏に設けられる対応する靴裏プレート１６に回動可能に連結する。股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、及び足首アクチュエータ１５は、ユーザの各脚の各関節において連結するリンク（フレーム）を回転駆動するトルクを出力してユーザに掛かる負荷を軽減する駆動機構である。第一骨格部１１１と第二骨格部１１２とが股アクチュエータ１３が連結するリンクである。第二骨格部１１２と第三骨格部１１３とが膝アクチュエータ１４が連結するリンクである。第三骨格部１１３と靴裏プレート１６とが足首アクチュエータ１５が連結するリンクである。各リンク及び駆動機構がリンク機構を構成する。

股関節センサ２３は、股アクチュエータ１３に設置され、股関節角度、つまり第一骨格部１１１と第二骨格部１１２との角度をエンコーダにより検出する。膝関節センサ２４は、膝アクチュエータ１４に設置され、膝関節角度、つまり第二骨格部１１２と第三骨格部１１３との角度をエンコーダにより検出する。足関節センサ２５は、足首アクチュエータ１５に設置され、足関節角度、つまり第三骨格部１１３と靴裏プレート１６との角度をエンコーダにより検出する。股関節センサ２３、膝関節センサ２４、及び足関節センサ２５は、ユーザの各脚の各関節の角度（以下「関節角度」とする。）を検出する。

靴裏荷重センサ１８は、ユーザが装着する靴に相当する足装着具１７の底に設けられる。また靴裏荷重センサ１８は、パワードスーツ１００や荷物の重量を接地面に伝える靴裏プレート１６や、ユーザの体重を接地面に伝える足装着具１７の接地面側に、靴裏プレート１６や足装着具１７の裏面の全体を覆うように設けられている。足裏荷重センサ１９は、足装着具１７の中にユーザの足裏から係る重量を計測できるように足裏面全体を覆うように設けられている。例えば、足裏荷重センサ１９は、足装着具１７のインソールと靴裏プレート１６の間に設けられてもよいし、靴裏プレート１６の上部に設けられてもよい。
靴裏荷重センサ１８及び足裏荷重センサ１９は、一例として、薄いシート状の絶縁体の表裏に行列状に電極が配置されたセンサである。靴裏荷重センサ１８及び足裏荷重センサ１９は、その電極の格子点の電気抵抗を計測し、その計測値を制御装置２１に出力する。制御装置２１は各格子点の電気抵抗値から、各格子点に加わった圧力、及びセンサシートの面全体での荷重を算出する。

パワードスーツ１００を装着するユーザは、自身の左右の足を対応する側の足装着具１７に装着すると共に、腰に第一骨格部１１１が密着するようにベルト１２で固定する。パワードスーツ１００は、骨格部１１、股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、及び足首アクチュエータ１５を介して、荷物の荷重とパワードスーツ１００の荷重との多くを足裏の接地面に逃がすような構造となっている。ユーザはパワードスーツ１００の制御装置２１の電源を入れる。制御装置２１は、荷台２０に積載された荷物の荷重と、パワードスーツ１００の重量とを合計した装置重量を、骨格部１１、股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、及び足首アクチュエータ１５を介して、できるだけ多く歩行面に伝えるように股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、及び足首アクチュエータ１５を制御する。これによりパワードスーツ１００は、パワードスーツ１００を装着し荷台２０に荷物を積載して歩行するユーザに掛かる荷物の荷重等の負荷を免荷する。

図３は、本実施形態による制御装置２１のハードウェア構成を示す図である。
図３に示すように、制御装置２１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３、信号入出力装置１０４、及び無線通信装置１０５等の各ハードウェアを備えたコンピュータである。
信号入出力装置１０４は、靴裏荷重センサ１８、足裏荷重センサ１９、股関節センサ２３、膝関節センサ２４、及び足関節センサ２５から出力された信号と、環境情報取得センサ３００から出力された信号とを入力する。また、信号入出力装置１０４は、股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、及び足首アクチュエータ１５を制御する制御信号を出力する。制御装置２１は、バッテリ２２からの電源供給により動作する。
無線通信装置１０５は、作業改善支援装置４００と無線通信する。

図４は、本実施形態による制御装置２１の機能ブロック図である。
制御装置２１は、電源ボタンがＯＮされることによりバッテリ２２から供給された電力に基づいて起動する。制御装置２１は、起動後に制御プログラムを実行する。これにより制御装置２１には、情報取得部２１１、駆動制御部２１２、記憶部２１３、及び通信部２１４が少なくとも備わる。

情報取得部２１１は、靴裏荷重センサ１８、足裏荷重センサ１９、股関節センサ２３、膝関節センサ２４、及び足関節センサ２５からセンシング情報を取得する。靴裏荷重センサ１８及び足裏荷重センサ１９のセンシング情報は、検出した荷重値を示す荷重情報である。股関節センサ２３、膝関節センサ２４及び足関節センサ２５のセンシング情報は、検出した関節角度を示す関節角度情報である。
また、情報取得部２１１は、環境情報取得センサ３００からセンシング情報を取得する。環境情報取得センサ３００から得られるセンシング情報には、位置センサ３１０から得られる位置情報と、温度センサ３２０から得られる温度情報と、湿度センサ３３０から得られる湿度情報とが含まれる。

駆動制御部２１２は、股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４及び足首アクチュエータ１５を制御する。具体的には、駆動制御部２１２は、荷重情報及び関節角度情報に基づいて、荷物及びパワードスーツ１００の荷重によってユーザに掛かる負荷が軽減されるように、股アクチュエータ１３が発生する股関節トルク、膝アクチュエータ１４が発生する膝関節トルク、及び足首アクチュエータ１５が発生する足関節トルクの目標値を決定する。そして、駆動制御部２１２は、各関節トルクがそれぞれ上記の目標値になるように、股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４及び足首アクチュエータ１５をフィードバック制御する。

記憶部２１３は、股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４及び足首アクチュエータ１５の制御に必要な各種データを記憶する。詳細は後述するが、記憶部２１３は、制御装置２１の動作中において、パワードスーツ１００の動作状態を表す状態値と、ユーザの作業環境を表す環境値とを所定の時間間隔で記憶する。すなわち、記憶部２１３は、パワードスーツ１００の動作状態を表す状態値の時系列データを動作履歴情報として記憶するとともに、ユーザの作業環境を表す環境値の時系列データを環境履歴情報として記憶する。パワードスーツ１００の動作状態を表す状態値は、関節角度、関節角速度、関節角加速度、及び関節トルク等を含む。ユーザの作業環境を表す環境値は、ユーザの位置（座標）、周辺温度、及び周辺湿度を含む。
通信部２１４は、作業改善支援装置４００と無線通信する。

図５は、本実施形態による作業改善支援装置４００のハードウェア構成を示す図である。
図５に示すように、作業改善支援装置４００は、ＣＰＵ４０１、ＲＯＭ４０２、ＲＡＭ４０３、大容量記憶装置４０４、通信モジュール４０５、入力装置４０６、及び出力装置４０７等の各ハードウェアを備えたコンピュータである。
大容量記憶装置４０４は、例えばハードディスクである。通信モジュール４０５は、パワードスーツ１００の制御装置２１と無線通信する。入力装置４０６は、例えばキーボード及びマウス等のユーザインターフェースであり、ユーザによる入力操作に応じた信号をＣＰＵ４０１に出力する。出力装置４０７は、例えば液晶ディスプレイ等の画像表示装置である。

図６は、本実施形態による作業改善支援装置４００の機能ブロック図である。
作業改善支援装置４００は電源が投入されると起動し、予め記憶する動作プログラムを実行する。これにより作業改善支援装置４００には、情報取得部４１０、負担度分析部４２０、及び分析結果出力部４３０等が少なくとも備わる。

情報取得部４１０は、パワードスーツ１００の制御装置２１から動作履歴情報及び環境履歴情報を取得する。上述したように、動作履歴情報は、パワードスーツ１００の動作状態を表す状態値の時系列データであり、状態値として関節角度、関節角速度、関節角加速度、及び関節トルク等を含む。また、環境履歴情報は、ユーザの作業環境を表す環境値の時系列データであり、環境値としてユーザの位置（座標）、周辺温度、及び周辺湿度を含む。

負担度分析部４２０は、情報取得部４１０から得られる動作履歴情報に基づいてユーザの身体負担度の変化を分析する。負担度分析部４２０は、記憶部４２１と、姿勢推定部４２２と、負担度算出部４２３とをさらに備える。

記憶部４２１は、ユーザの姿勢と状態値との対応関係を示す姿勢データを予め記憶する。姿勢データは、例えば、ユーザの姿勢と状態値との対応関係を示すテーブルデータである。また、記憶部４２１は、上記の姿勢データに加えて、ユーザの姿勢と重み係数との対応関係を示す重み係数データを予め記憶する。重み係数データは、例えば、ユーザの姿勢と重み係数との対応関係を示すテーブルデータである。姿勢データと重み係数データとを１つのテーブルデータに統合して記憶部４２１に記憶させてもよい。

姿勢推定部４２２は、動作履歴情報に含まれる状態値と上記の姿勢データとを比較することにより、ユーザの姿勢を推定する。ユーザの姿勢と状態値との間には相関関係があるため、実験またはシミュレーション等によって事前に準備した姿勢データを予め記憶部４２１に記憶させておくことにより、取得した状態値からユーザの姿勢を推定できる。姿勢推定部４２２は、動作履歴情報に含まれる全ての状態値に対してユーザの姿勢を推定することにより、状態値の時系列データに対して時間的に対応する姿勢推定結果の時系列データを得る。

負担度算出部４２３は、姿勢推定部４２２から得られる姿勢推定結果と状態値とに基づいて身体負担度を算出する。具体的には、負担度算出部４２３は、姿勢推定部４２２から得られる姿勢推定結果に対応する重み係数を上記の重み係数データから抽出するとともに、状態値から膝関節トルク及び股関節トルクを抽出し、抽出した重み係数、膝関節トルク及び股関節トルクを下式（１）に代入することにより身体負担度を算出する。負担度算出部４２３は、姿勢推定結果と状態値とのペアの全てに対して身体負担度を算出することにより、状態値及び姿勢推定結果の時系列データに対して時間的に対応する身体負担度の時系列データを得る。
ＢＩ＝Ｗ×（ｔｋ／Ｔｋ ＋ ｔｈ／Ｔｈ） …（１）
ただし、ＢＩ：身体負担度
Ｗ：重み係数
ｔｋ：膝関節トルク
ｔｈ：股関節トルク
Ｔｋ、Ｔｈ：定数

上記の式（１）で使用される重み係数は、ユーザの姿勢がどの程度望ましくないのかを表す値であり、実験またはシミュレーション等によって事前に決定された値である。この重み係数の値はユーザの姿勢に依存して変化するため、上記のようにユーザの姿勢と重み係数との対応関係を示す重み係数データを記憶部４２１に予め記憶させておくことにより、ユーザの姿勢に適した重み係数を用いて身体負担度を算出することができ、その結果、ユーザの姿勢に対して信頼性の高い身体負担度を得ることができる。
なお、上記の式（１）において、Ｔｋ及びＴｈは定数であるが、例えば事前に決定された一般男性の平均膝関節トルクをＴｋとして設定するとともに、同じく事前に決定された一般男性の平均股関節トルクをＴｈとして設定することが好ましい。これにより、一般男性がパワードスーツ１００を装着した状態で作業を行う場合の身体的な負担と比較して、現ユーザにどの程度の身体的な負担が生じているのかを表す身体負担度を算出することができる。

分析結果出力部４３０は、負担度分析部４２０から得られる分析結果（身体負担度の時系列データ）と、情報取得部４１０から得られる環境履歴情報とに基づいて、身体負担度の変化を表すとともに身体負担度と環境値との対応関係を表すグラフを生成して出力する。本実施形態において「グラフを生成して出力する」とは、生成したグラフを画像表示装置である出力装置４０７によって表示することを意味する。なお、分析結果出力部４３０は、生成したグラフを不図示のプリンタ等を使って用紙に印刷することにより、生成したグラフを出力してもよい。

図７は、本実施形態による作業改善支援システムＳ１の処理フローを示す図である。
まずユーザはパワードスーツ１００を装着する。この時ユーザは足装着具１７の内部に足裏荷重センサ１９を挿入する。足裏荷重センサ１９の面積はユーザの足の大きさに適した大きさものが利用されてよい。またユーザは靴裏荷重センサ１８をパワードスーツ１００の足装着具１７や靴裏プレート１６の接地面側に装着する。靴裏荷重センサ１８の面積はユーザの足の大きさに対応する足装着具１７に適した大きさものが利用されてよい。

ユーザはパワードスーツ１００に備わる制御装置２１の電源ボタンを操作して電源を投入する。これにより制御装置２１が始動する（ステップＳ１０１）。作業現場において、ユーザはパワードスーツ１００を装着した状態で作業を行う。作業中のユーザの動作には、パワードスーツ１００の荷台２０が空の状態で歩行する動作、荷台２０に荷物を積載する動作、荷台２０に荷物を積載した状態で歩行する動作、及び荷台２０から荷物を下ろす動作などが含まれる。

制御装置２１の始動後、制御装置２１は、制御タイマのカウント動作を開始する（ステップＳ１０２）。制御タイマの設定時間は、例えば１０ｍｓｅｃに設定されている。制御タイマのカウント動作が開始されると、制御装置２１の情報取得部２１１は、各種のセンシング情報を取得する（ステップＳ１０３）。上述したように、情報取得部２１１が取得するセンシング情報には、靴裏荷重センサ１８、足裏荷重センサ１９、股関節センサ２３、膝関節センサ２４、及び足関節センサ２５から得られるセンシング情報（荷重情報、関節角度情報）と、環境情報取得センサ３００から得られるセンシング情報（位置情報、温度情報、湿度情報）とが含まれる。

続いて、制御装置２１の駆動制御部２１２は、荷重情報及び関節角度情報に基づいて、荷物及びパワードスーツ１００の荷重によってユーザに掛かる負荷が軽減されるように、股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４及び足首アクチュエータ１５を制御する（ステップＳ１０４）。具体的には、駆動制御部２１２は、荷重情報及び関節角度情報に基づいて、股関節トルク、膝関節トルク、及び足関節トルクの目標値を決定し、各関節トルクがそれぞれ目標値になるように、股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４及び足首アクチュエータ１５をフィードバック制御する。

続いて、制御装置２１の記憶部２１３は、今回の制御タイマの動作中に得られた各種情報のなかから、パワードスーツ１００の動作状態を表す状態値（関節角度、関節角速度、関節角加速度、及び関節トルク等）と、ユーザの作業環境を表す環境値（ユーザの位置、周辺温度、及び周辺湿度等）とを抽出し、抽出した状態値及び環境値を、情報取得タイミングを表すタイミング識別データと対応付けて記憶する（ステップＳ１０５）。タイミング識別データは、状態値及び環境値を記憶部２１３に記憶する時刻でもよいし、或いは、状態値及び環境値を取得するたびにインクリメントされるサンプリング番号でもよい。

続いて、制御装置２１は、制御タイマのカウント動作が終了したか否かを判定し（ステップＳ１０６）、「Ｎｏ」の場合には制御タイマのカウント動作が終了するまでステップＳ１０６の処理を繰り返す。一方、ステップＳ１０６において「Ｙｅｓ」の場合、すなわち制御タイマの設定時間である１０ｍｓｅｃが経過して制御タイマのカウント動作が終了した場合、制御装置２１は、ユーザによって電源ボタンが再度操作されるなどの動作終了操作が為されたか否かを判定する（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７において「Ｎｏ」の場合、すなわちユーザによって動作終了操作が為されていない場合、制御装置２１は、ステップＳ１０２の処理に戻り、ユーザによって動作終了操作が為されるまで、ステップＳ１０２からステップＳ１０７までの処理を繰り返す。

上記のように、ユーザによって動作終了操作が為されるまで、ステップＳ１０２からステップＳ１０７までの処理が所定の時間間隔（すなわち、１０ｍｓｅｃ間隔）で繰り返されることにより、制御装置２１の動作中（すなわち、パワードスーツ１００の動作中）において、パワードスーツ１００は、様々なユーザの動作によってユーザに掛かる負荷が適切に軽減されるようにアシスト動作を継続的に実行する。

また、ユーザによって動作終了操作が為されるまで、ステップＳ１０２からステップＳ１０７までの処理が所定の時間間隔で繰り返されることにより、タイミング識別データと対応付けられた状態値及び環境値が所定の時間間隔で記憶部２１３に順次記憶される。すなわち、ユーザによって動作終了操作が為されるまで、記憶部２１３には、状態値の時系列データが動作履歴情報として記憶されるとともに、環境値の時系列データが環境履歴情報として記憶される。

ステップＳ１０７において「Ｙｅｓ」の場合、すなわちユーザによって動作終了操作が為された場合、制御装置２１の通信部２１４は、記憶部２１３に記憶された動作履歴情報及び環境履歴情報を作業改善支援装置４００に送信する（ステップＳ１０８）。制御装置２１は、動作履歴情報及び環境履歴情報を作業改善支援装置４００に送信した後、シャットダウン状態となりアクチュエータ制御を終了する（ステップＳ１０９）。

一方、作業改善支援装置４００において情報取得部４１０は、パワードスーツ１００の制御装置２１から送信された動作履歴情報及び環境履歴情報を取得する（ステップＳ１１０）。情報取得部４１０は、取得した動作履歴情報を負担度分析部４２０に出力する一方、取得した環境履歴情報を分析結果出力部４３０に出力する。

負担度分析部４２０の姿勢推定部４２２は、情報取得部４１０から得られた動作履歴情報に含まれる状態値と、記憶部４２１に予め記憶された姿勢データとを比較することにより、ユーザの姿勢を時系列で推定する（ステップＳ１１１）。
具体的には、例えば、タイミング識別データがサンプリング番号である場合、姿勢推定部４２２は、動作履歴情報に含まれる状態値のうち「０番」のサンプリング番号に対応する状態値を注目状態値として抽出し、その注目状態値と姿勢データとを比較することにより、注目状態値に対応するユーザの姿勢を推定する。そして、姿勢推定部４２２は、注目状態値に対応する姿勢推定結果を「０番」のサンプリング番号に対応付けて記憶部４２１に記憶させる。
続いて、姿勢推定部４２２は、動作履歴情報に含まれる状態値のうち「１番」のサンプリング番号に対応する状態値を注目状態値として抽出し、上記と同様の推定処理を行うことで得られた注目状態値に対応するユーザの姿勢推定結果を「１番」のサンプリング番号に対応付けて記憶部４２１に記憶させる。
姿勢推定部４２２が上記のような推定処理を最後のサンプリング番号まで繰り返すことにより、最終的に、記憶部４２１には、状態値と同じサンプリング番号に対応付けられた姿勢推定結果の時系列データが記憶される。

次に、負担度分析部４２０の負担度算出部４２３は、記憶部４２１に記憶された姿勢推定結果と、動作履歴情報に含まれる状態値とに基づいて、身体負担度を時系列で算出する（ステップＳ１１２）。
具体的には、負担度算出部４２３は、記憶部４２１から「０番」のサンプリング番号に対応する姿勢推定結果を注目姿勢推定結果として抽出し、その注目姿勢推定結果に対応する重み係数を、記憶部４２１に予め記憶された重み係数データから抽出するとともに、「０番」のサンプリング番号に対応する状態値から膝関節トルク及び股関節トルクを抽出する。そして、負担度算出部４２３は、抽出した重み係数、膝関節トルク及び股関節トルクを上記の式（１）に代入することにより、注目姿勢推定結果に対応する身体負担度を算出する。そして、負担度算出部４２３は、身体負担度の算出結果を「０番」のサンプリング番号に対応付けて記憶部４２１に記憶させる。
続いて、負担度算出部４２３は、記憶部４２１から「１番」のサンプリング番号に対応する姿勢推定結果を注目姿勢推定結果として抽出し、その注目姿勢推定結果に対応する重み係数を重み係数データから抽出するとともに、「１番」のサンプリング番号に対応する状態値から膝関節トルク及び股関節トルクを抽出する。そして、負担度算出部４２３は、上記と同様の算出処理を行うことで得られた注目姿勢推定結果に対応する身体負担度の算出結果を「１番」のサンプリング番号に対応付けて記憶部４２１に記憶させる。
負担度算出部４２３が上記のような算出処理を最後のサンプリング番号まで繰り返すことにより、最終的に、記憶部４２１には、状態値と同じサンプリング番号に対応付けられた身体負担度の時系列データが記憶される。身体負担度の時系列データは、ユーザがパワードスーツ１００を装着した状態で作業を行っている期間におけるユーザの身体負担度の変化を表す。

次に、分析結果出力部４３０は、負担度分析部４２０から得られる分析結果（身体負担度の時系列データ）と、情報取得部４１０から得られる環境履歴情報とに基づいて、身体負担度の変化を表すとともに身体負担度と環境値との対応関係を表すグラフを生成して出力する（ステップＳ１１３）。すなわち、分析結果出力部４３０は、生成したグラフを画像表示装置である出力装置４０７によって表示する。

図８は、本実施形態による作業改善支援装置４００が出力するグラフの一例である。図８は、環境値としてユーザの位置を使用して作成したグラフの一例である。図８のグラフは、ユーザの作業現場を表す作業現場マップにおいて比較的高い身体負担度が生じた位置を表している。作業現場マップにおいて斜線で表した領域は、作業現場に配置された作業台、机、及び棚などの構造物であり、その他の領域は、ユーザが歩行できる床及び通路などのフリースペースである。作業現場マップに分布する黒点は、身体負担度を時系列で積分して得られる値のうち所定の基準値を超えた値の位置を表している。

図８に示すように、出力装置４０７に表示されたグラフによって、作業現場においてユーザの身体負担度が高まる位置が視覚化される。作業現場の管理者等は、出力装置４０７に表示されたグラフを確認することにより、作業現場のどの位置でどの程度の身体的な負担がユーザに生じているのかを客観的に認識することができる。そして、作業現場の管理者等は、グラフの内容に基づいて、負担の大きい作業の改善、或いは動線の確保などの作業現場環境の改善を行うことができる。
環境値としてユーザの位置だけでなく、ユーザの周辺温度及び周辺湿度の少なくとも一つを身体負担度と対応付けてグラフ上に表示させてもよい。これにより、作業現場の管理者等は、ユーザがどのような状況下で身体負担度が増すのかについて、より詳細に認識することができ、例えば、身体負担度が増す位置において温度及び湿度の少なくとも一方を適切に調節するなどの作業現場環境の改善を行うことができる。

以上のように、本実施形態によれば、パワードスーツ１００の動作履歴情報に基づいて少なくともユーザの身体負担度の変化を分析し、その分析結果を表すグラフを生成して出力するので、作業現場においてパワードスーツ１００を装着した状態で作業を行うユーザにどの程度の身体的な負担が生じているのかを客観的に認識することができ、グラフの内容を作業現場環境の改善に役立てることができる。
また、身体負担度の変化を表すとともに身体負担度と環境値との対応関係を表すグラフを生成して出力することで、より詳細に作業現場環境が視覚化されるので、より細かな作業改善計画を立案することができる。
また、本実施形態によれば、式（１）に基づき、ユーザの姿勢に適した重み係数を用いて身体負担度を算出することにより、ユーザの姿勢に対して信頼性の高い身体負担度を得ることができ、且つ一般男性がパワードスーツ１００を装着した状態で作業を行う場合の身体的な負担と比較して、現ユーザにどの程度の身体的な負担が生じているのかを表す身体負担度を算出することができる。

以上本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、分析結果出力部４３０が出力するグラフの形式は、図８に示すグラフ形式に限定されない。作業現場の状況あるいは作業改善計画の立案に必要な情報などに応じてグラフ形式を適宜決定すればよい。また、例えば、分析結果出力部４３０は、グラフを生成する前に、ユーザに対してグラフ形式の選択を促す画面を出力装置４０７に表示させ、ユーザが入力装置４０６を操作することによって選択されたグラフ形式に基づいてグラフを生成する機能を有していてもよい。

また、上記実施形態では、負担度算出部４２３は、姿勢推定結果に対応する重み係数と、膝関節トルク及び股関節トルクとを式（１）に代入することにより身体負担度を算出する場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。パワードスーツ１００の動作状態を表す状態値に基づいて身体負担度を算出可能であれば、別の演算式を利用してもよい。例えば、筋電センサの出力値との比較により実トルクとの差分を算出し、ユーザが負担している作業の割合を算出してもよい。または、ユーザの動作の加速度から衝撃力を計算し、ユーザの負傷する可能性を身体負担度として算出してもよい。

例えば、靴裏荷重センサ１８はパワードスーツ１００の靴裏プレート１６の接地面側に予め設けられていてよい。また足裏荷重センサ１９は足装着具１７の内部に予め挿入されていてよい。

また、上述の説明では靴裏荷重センサ１８は足装着具１７の裏面の全体を覆うような面積を有し、足裏荷重センサ１９は足装着具１７の内部に足裏面全体を覆うような面積を有することを示した。しかしながら靴裏荷重センサ１８は、靴裏プレート１６や足装着具１７から接地面に加わる荷重をその荷重がかかる位置がずれた場合にも計測できるものであればよい。

また、上述の説明ではパワードスーツ１００を制御する場合を例示したが、これに限らず、制御装置２１は非線形なモード移行を有する多関節型ロボット（例えばヒューマノイドロボット）等の制御全般において適用可能である。

また、上述の説明ではパワードスーツ１００は各関節それぞれに対応する股アクチュエータ１３、膝アクチュエータ１４、及び足首アクチュエータ１５を備えているが、これに限らず、例えば、パワードスーツ１００は股アクチュエータ１３及び膝アクチュエータ１４のみを備え、足首アクチュエータ１５は備えなくともよい。或いは、足首アクチュエータ１５を機械的な板バネ等の制御信号を用いないアクチュエータにしてもよい。

また、上述の説明ではパワードスーツ１００は靴裏荷重センサ１８及び足裏荷重センサ１９の両方を備えているが、これに限らず、靴裏荷重センサ１８または足裏荷重センサ１９のうちいずれか一方のみを備えていればよい。

図９は、作業改善支援装置４００の最小構成を示す図である。
図１０は、作業改善支援装置４００の最小構成の処理フローを示す図である。
図９に示すように、作業改善支援装置４００は、少なくとも情報取得部４１０、負担部分析部４２０及び分析結果出力部４３０の機能を備えればよい。
図１０に示すように、情報取得部４１０は、ユーザに掛かる負荷を軽減するパワードスーツ１００の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得する（ステップＳ２０１）。負担度分析部４２０は、動作履歴情報に基づいてユーザの身体負担度の変化を分析する（ステップＳ２０２）。分析結果出力部４３０は、負担度分析部４２０から得られる身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力する（ステップＳ２０３）。

上述の作業改善支援装置４００は、ＣＰＵ４０１、ＲＯＭ４０２、ＲＡＭ４０３、大容量記憶装置４０４、通信モジュール４０５、入力装置４０６、及び出力装置４０７等の各ハードウェアを備えたコンピュータであってもよい。

上述の各装置は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）作業改善支援装置と、ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置とを備える作業支援システムであって、前記作業改善支援装置は、ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得する情報取得部と、前記動作履歴情報に基づいて前記ユーザの身体負担度の変化を分析する負担度分析部と、前記負担度分析部から得られる前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力する分析結果出力部と、を備える作業改善支援システム。

（付記２）前記情報取得部は、前記動作履歴情報に加えて、前記ユーザの作業環境を表す環境値の時系列データである環境履歴情報を取得し、前記分析結果出力部は、前記身体負担度の変化を表すとともに前記身体負担度と前記環境値との対応関係を表すグラフを生成して出力する付記１に記載の作業改善支援システム。

（付記３）前記環境値は、前記ユーザの位置、周辺温度、及び周辺湿度の少なくとも一つを含む付記２に記載の作業改善支援システム。

（付記４）前記負担度分析部は、前記ユーザの姿勢と前記状態値との対応関係を示す姿勢データを予め記憶する記憶部と、前記動作履歴情報に含まれる前記状態値と前記姿勢データとを比較することにより、前記ユーザの姿勢を推定する姿勢推定部と、前記姿勢推定部から得られる前記姿勢の推定結果と前記状態値とに基づいて前記身体負担度を算出する負担度算出部と、を備える付記１から付記３の何れか一項に記載の作業改善支援システム。

（付記５）前記記憶部は、前記姿勢データに加えて、前記ユーザの姿勢と重み係数との対応関係を示す重み係数データを予め記憶し、前記負担度算出部は、前記姿勢推定部から得られる前記姿勢の推定結果に対応する前記重み係数を前記重み係数データから抽出するとともに、前記状態値から膝関節トルク及び股関節トルクを抽出し、抽出した前記重み係数、前記膝関節トルク及び前記股関節トルクを式（１）に代入することにより前記身体負担度を算出する付記４に記載の作業改善支援システム。
ＢＩ＝Ｗ×（ｔｋ／Ｔｋ ＋ ｔｈ／Ｔｈ） …（１）
ただし、ＢＩ：身体負担度
Ｗ：重み係数
ｔｋ：膝関節トルク
ｔｈ：股関節トルク
Ｔｋ、Ｔｈ：定数

（付記６）ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得する情報取得部と、前記動作履歴情報に基づいて前記ユーザの身体負担度の変化を分析する負担度分析部と、前記負担度分析部から得られる前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力する分析結果出力部と、を備える作業改善支援装置。

（付記７）前記情報取得部は、前記動作履歴情報に加えて、前記ユーザの作業環境を表す環境値の時系列データである環境履歴情報を取得し、前記分析結果出力部は、前記身体負担度の変化を表すとともに前記身体負担度と前記環境値との対応関係を表すグラフを生成して出力する付記６に記載の作業改善支援装置。

（付記８）前記環境値は、前記ユーザの位置、周辺温度、及び周辺湿度の少なくとも一つを含む付記７に記載の作業改善支援装置。

（付記９）前記負担度分析部は、前記ユーザの姿勢と前記状態値との対応関係を示す姿勢データを予め記憶する記憶部と、前記動作履歴情報に含まれる前記状態値と前記姿勢データとを比較することにより、前記ユーザの姿勢を推定する姿勢推定部と、前記姿勢推定部から得られる前記姿勢の推定結果と前記状態値とに基づいて前記身体負担度を算出する負担度算出部と、を備える付記６から付記８の何れか一項に記載の作業改善支援装置。

（付記１０）前記記憶部は、前記姿勢データに加えて、前記ユーザの姿勢と重み係数との対応関係を示す重み係数データを予め記憶し、前記負担度算出部は、前記姿勢推定部から得られる前記姿勢の推定結果に対応する前記重み係数を前記重み係数データから抽出するとともに、前記状態値から膝関節トルク及び股関節トルクを抽出し、抽出した前記重み係数、前記膝関節トルク及び前記股関節トルクを式（１）に代入することにより前記身体負担度を算出する付記９に記載の作業改善支援装置。
ＢＩ＝Ｗ×（ｔｋ／Ｔｋ ＋ ｔｈ／Ｔｈ） …（１）
ただし、ＢＩ：身体負担度
Ｗ：重み係数
ｔｋ：膝関節トルク
ｔｈ：股関節トルク
Ｔｋ、Ｔｈ：定数

（付記１１）ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得し、前記動作履歴情報に基づいて前記ユーザの身体負担度の変化を分析し、前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力する作業改善支援方法。

（付記１２）作業改善支援装置のコンピュータを、ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得する情報取得手段、前記動作履歴情報に基づいて前記ユーザの身体負担度の変化を分析する負担度分析手段、前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力する分析結果出力手段、として機能させるプログラム。

Ｓ１・・・作業改善支援システム
１００・・・パワードスーツ
１１・・・骨格部
１２・・・ベルト
１３・・・股アクチュエータ
１４・・・膝アクチュエータ
１５・・・足首アクチュエータ
１６・・・靴裏プレート
１７・・・足装着具
１８・・・靴裏荷重センサ
１９・・・足裏荷重センサ
２０・・・荷台
２１・・・制御装置
２２・・・バッテリ
２３・・・股関節センサ
２４・・・膝関節センサ
２５・・・足関節センサ
２１１・・・情報取得部
２１２・・・駆動制御部
２１３・・・記憶部
２１４・・・通信部
３００・・・環境情報取得センサ
３１０・・・位置センサ
３２０・・・温度センサ
３３０・・・湿度センサ
４００・・・作業改善支援装置
４１０・・・情報取得部
４２０・・・負担度分析部
４２１・・・記憶部
４２２・・・姿勢推定部
４２３・・・負担度算出部
４３０・・・分析結果出力部

Claims (7)

1. ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得する情報取得部と、
   前記動作履歴情報に基づいて前記ユーザの身体負担度の変化を分析する負担度分析部と、
   前記負担度分析部から得られる前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力する分析結果出力部と、
   を備え、
   前記負担度分析部は、
   前記ユーザの姿勢と前記状態値との対応関係を示す姿勢データを予め記憶する記憶部と、
   前記動作履歴情報に含まれる前記状態値と前記姿勢データとを比較することにより、前記ユーザの姿勢を推定する姿勢推定部と、
   前記姿勢推定部から得られる前記姿勢の推定結果と前記状態値とに基づいて前記身体負担度を算出する負担度算出部と、
   を備える、作業改善支援装置。
2. 前記情報取得部は、前記動作履歴情報に加えて、前記ユーザの作業環境を表す環境値の時系列データである環境履歴情報を取得し、
   前記分析結果出力部は、前記身体負担度の変化を表すとともに前記身体負担度と前記環境値との対応関係を表すグラフを生成して出力する
   請求項１に記載の作業改善支援装置。
3. 前記環境値は、前記ユーザの位置、周辺温度、及び周辺湿度の少なくとも一つを含む
   請求項２に記載の作業改善支援装置。
4. 前記記憶部は、前記姿勢データに加えて、前記ユーザの姿勢と重み係数との対応関係を示す重み係数データを予め記憶し、
   前記負担度算出部は、前記姿勢推定部から得られる前記姿勢の推定結果に対応する前記重み係数を前記重み係数データから抽出するとともに、前記状態値から膝関節トルク及び股関節トルクを抽出し、抽出した前記重み係数、前記膝関節トルク及び前記股関節トルクを式（１）に代入することにより前記身体負担度を算出する
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載の作業改善支援装置。
   ＢＩ＝Ｗ×（ｔｋ／Ｔｋ ＋ ｔｈ／Ｔｈ） …（１）
   ただし、ＢＩ：身体負担度
   Ｗ：重み係数
   ｔｋ：膝関節トルク
   ｔｈ：股関節トルク
   Ｔｋ、Ｔｈ：定数
5. 作業改善支援装置と、ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置とを備える作業支援システムであって、
   前記作業改善支援装置は、
   ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得する情報取得部と、
   前記動作履歴情報に基づいて前記ユーザの身体負担度の変化を分析する負担度分析部と、
   前記負担度分析部から得られる前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力する分析結果出力部と、
   を備え、
   前記負担度分析部は、
   前記ユーザの姿勢と前記状態値との対応関係を示す姿勢データを予め記憶する記憶部と、
   前記動作履歴情報に含まれる前記状態値と前記姿勢データとを比較することにより、前記ユーザの姿勢を推定する姿勢推定部と、
   前記姿勢推定部から得られる前記姿勢の推定結果と前記状態値とに基づいて前記身体負担度を算出する負担度算出部と、
   を備える、作業改善支援システム。
6. ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得することと、
   前記動作履歴情報に含まれる前記状態値と姿勢データとを比較することにより、前記ユーザの姿勢を推定することであって、前記姿勢データは、前記ユーザの姿勢と前記状態値との対応関係を示す、ことと、
   前記姿勢の推定結果と前記状態値とに基づいて身体負担度を算出することと、
   前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力することと、
   を含む、作業改善支援方法。
7. ユーザに掛かる負荷を軽減する負荷軽減装置の動作状態を表す状態値の時系列データである動作履歴情報を取得することと、
   前記動作履歴情報に含まれる前記状態値と姿勢データとを比較することにより、前記ユーザの姿勢を推定することであって、前記姿勢データは、前記ユーザの姿勢と前記状態値との対応関係を示す、ことと、
   前記姿勢の推定結果と前記状態値とに基づいて身体負担度を算出することと、
   前記身体負担度の変化を表すグラフを生成して出力することと、
   を、作業改善支援装置のコンピュータに実行させる、プログラム。

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