(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の状態から腰痛の危険性をリアルタイムで察知し警告する腰痛予防装置であって、
人の体幹に装着され該体幹の角度を検出する体幹角度検出手段と、
人の足底に装着され該足底に作用する荷重を検出する足底荷重検出手段と、
前記体幹角度検出手段と前記足底荷重検出手段とにより検出された各情報に基づいて腰部にかかる負担を負担値として算出する負担値算出手段と、
人の基本情報に基づいて腰部に障害が発生する可能性のある腰部にかかる負担をリスク値として設定するリスク値設定手段と、
前記負担値と前記リスク値との比較に基づいて警告を発信する警告手段と、
を備えることを特徴とする腰痛予防装置。
【請求項２】
人の上腕に装着され該上腕の角度を検出する上腕角度検出手段と、
人の前腕に装着され該前腕の角度を検出する前腕角度検出手段と、
人の体幹の長さ、上腕の長さ及び前腕の長さの各入力値と、前記体幹角度検出手段、前記上腕角度検出手段及び前記前腕角度検出手段により検出された各情報とに基づいて人の手の位置を算出する手位置算出手段と、を備え、
前記負担値算出手段は、前記体幹角度検出手段と前記足底荷重検出手段とにより検出された各情報、及び前記手位置算出手段により算出された情報に基づいて腰部にかかる負担を負担値として算出することを特徴とする請求項１に記載の腰痛予防装置。
【請求項３】
人の手に装着され該手に作用する荷重を検出する手荷重検出手段を備え、
前記負担値算出手段は、前記体幹角度検出手段と前記足底荷重検出手段と前記手荷重検出手段とにより検出された各情報、及び前記手位置算出手段により算出された情報に基づいて腰部にかかる負担を負担値として算出することを特徴とする請求項２に記載の腰痛予防装置。
【請求項４】
人の体幹の長さ、上腕の長さ及び前腕の長さの各前記入力値を人の身長と各該入力値との相関に基づいて定めることを特徴とする請求項２又は３に記載の腰痛予防装置。
【請求項５】
人の基本情報の入力を行うための端末を備えることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置。
【請求項６】
前記体幹角度検出手段及び／又は前記足底荷重検出手段により検出された情報は、無線により前記負担値算出手段に送られることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置。
【請求項７】
前記体幹角度検出手段が背中の胸椎の高さに配置されていることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置。
【請求項８】
前記警告手段が人に装着されていると共に前記警告が音及び／又は振動であることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置。
【請求項９】
前記警告手段は、前記負担値≧前記リスク値であるときに前記警告を発信することを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置。
【請求項１０】
前記負担値は、腰椎の椎間板に発生する圧迫力であると共に、前記リスク値は、腰椎の椎間板に障害が発生する可能性のある圧迫力であることを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置。
【請求項１１】
前記リスク値は、少なくとも性別及び年齢を含む人の基本情報に基づいて設定された性別年齢別リスク値であることを特徴とする請求項１０に記載の腰痛予防装置。
【請求項１２】
人の状態から腰痛の危険性をリアルタイムで察知し警告する腰痛予防装置の作動方法であって、
人の体幹の長さ、上腕の長さ及び前腕の長さと、人の体幹の角度、上腕の角度及び前腕の角度とに基づいて人の手の位置を算出する手位置算出ステップと、
人の体幹の角度と足底に作用する荷重と人の手の位置とに基づいて腰部にかかる負担を負担値として算出する負担値算出ステップと、
腰部に障害が発生する可能性のある腰部にかかる負担をリスク値として設定するリスク値設定ステップと、
前記負担値≧前記リスク値であるときに警告を発信する警告ステップと、
を備えることを特徴とする腰痛予防装置の作動方法。
【請求項１３】
前記負担値算出ステップは、人の体幹の角度と足底に作用する荷重と人の手の位置と手に作用する荷重とに基づいて腰部にかかる負担を負担値として算出することを特徴とする請求項１２に記載の腰痛予防装置の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重量物の取扱作業を行う作業者の腰痛の発生を予防する腰痛予防装置及びその作動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、介護現場や運送・建築現場に見られるような重労働に対して腰痛を患う人の割合が非常に高いといわれている。現場作業においては、適切な作業姿勢の教育や荷物重量の上限等の措置を講じている所もあるものの腰痛割合は依然として高い水準にある。
【０００３】
上記の問題を改善する為には、作業による腰部の負担を定量的に示し腰痛の危険性を作業者自身が認識する必要がある。作業による負担の定量化については、例えば、特許文献１に開示されているように、作業姿勢を類別してそれぞれに重みをつけ、数量、重量、時間及びそれらの係数を入力することにより作業負担を点数化する方法がある。作業負担の点数化は、適正な作業条件を作成する際に活用される。
【０００４】
また、特許文献２には、ＣＡＤシステムで作図した構造物上に溶接作業者を模した作業者モデルを導入し、コンピュータによる解析を用いて、この作業者モデルが溶接作業を行う際の主要関節部の筋力を推定し、年齢による筋力疲労と回復特性に応じて負担を定量的に表示させる方法がある。作業者モデルの負担が定量化されることにより、実作業者の負担を予め把握したり、製造部門の高齢化に対応した構造の見直しを行ったりすることが可能となる。
【０００５】
さらに、特許文献３には、長時間の立位姿勢作業についての負担を作業別拘束率、持続時間、歩行数を元に腰部負担点、足部負担点を求めてガイドラインと照合して問題点の有無を確認する方法がある。これらの負担点は、疲労が最も少なくなる作業形態を作成する際に活用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−１６４０３４号公報
【特許文献２】特開平７−７３１５７号公報
【特許文献３】特開２００３−１０１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１〜３に記載の方法によれば、作業による負担を定量的に把握することができる。しかしながら、これらの従来の方法には以下の課題がある。
【０００８】
第一に、これらの従来の方法は、作業による負担を定量的に把握して、適正な作業計画や構造計画を作成することを目的としている。したがって、重労働を行っている作業者にリアルタイムで作業による負担の危険を促すことはできない。
【０００９】
第二に、作業による負担を定量的に把握するためには、作業者が実施した作業に基づいて作業者又は作業管理者等が作業姿勢等の必要なデータを入力する。もしくは、作業者が実施する予定の作業を想定して設計者又は計画者等が作業姿勢等の必要なデータを入力する。この入力作業に多大な労力が必要である。
【００１０】
第三に、自動車の生産ラインなどは作業自体が定常的なものであるのに対して、介護や運輸・建築等の現場においては非定常的な作業が多く、その作業毎に適切な入力データを設定して、作業による負担を定量化するのは多大な労力が必要である。また、作業における動作を記録する手間もかかる。
【００１１】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、簡便で且つ作業者がリアルタイムで作業による腰部の負担の危険を把握できる腰痛予防装置及びその作動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る腰痛予防装置の構成上の特徴は、人の状態から腰痛の危険性をリアルタイムで察知し警告する腰痛予防装置であって、人の体幹に装着され該体幹の角度を検出する体幹角度検出手段と、人の足底に装着され該足底に作用する荷重を検出する足底荷重検出手段と、前記体幹角度検出手段と前記足底荷重検出手段とにより検出された各情報に基づいて腰部にかかる負担を負担値として算出する負担値算出手段と、人の基本情報に基づいて腰部に障害が発生する可能性のある腰部にかかる負担をリスク値として設定するリスク値設定手段と、前記負担値と前記リスク値との比較に基づいて警告を発信する警告手段と、を備えることである。
【００１３】
請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１に記載の腰痛予防装置において、人の上腕に装着され該上腕の角度を検出する上腕角度検出手段と、人の前腕に装着され該前腕の角度を検出する前腕角度検出手段と、人の体幹の長さ、上腕の長さ及び前腕の長さの各入力値と、前記体幹角度検出手段、前記上腕角度検出手段及び前記前腕角度検出手段により検出された各情報とに基づいて人の手の位置を算出する手位置算出手段と、を備え、前記負担値算出手段は、前記体幹角度検出手段と前記足底荷重検出手段とにより検出された各情報、及び前記手位置算出手段により算出された情報に基づいて腰部にかかる負担を負担値として算出することである。
【００１４】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２に記載の腰痛予防装置において、人の手に装着され該手に作用する荷重を検出する手荷重検出手段を備え、前記負担値算出手段は、前記体幹角度検出手段と前記足底荷重検出手段と前記手荷重検出手段とにより検出された各情報、及び前記手位置算出手段により算出された情報に基づいて腰部にかかる負担を負担値として算出することである。
【００１５】
請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項２又は３に記載の腰痛予防装置において、人の体幹の長さ、上腕の長さ及び前腕の長さの各前記入力値を人の身長と各該入力値との相関に基づいて定めることである。
【００１６】
請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜４のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置において、人の基本情報の入力を行うための端末を備えることである。
【００１７】
請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜５のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置において、前記体幹角度検出手段及び／又は前記足底荷重検出手段により検出された情報は、無線により前記負担値算出手段に送られることである。
【００１８】
請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜６のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置において、前記体幹角度検出手段が背中の胸椎の高さに配置されていることである。
【００１９】
請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜７のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置において、前記警告手段が人に装着されていると共に前記警告が音及び／又は振動であることである。
【００２０】
請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜８のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置において、前記警告手段は、前記負担値≧前記リスク値であるときに前記警告を発信することである。
【００２１】
請求項１０に係る発明の構成上の特徴は、請求項１〜９のうちのいずれか一つに記載の腰痛予防装置において、前記負担値は、腰椎の椎間板に発生する圧迫力であると共に、前記リスク値は、腰椎の椎間板に障害が発生する可能性のある圧迫力であることである。
【００２２】
請求項１１に係る発明の構成上の特徴は、請求項１０に記載の腰痛予防装置において、前記リスク値は、少なくとも性別及び年齢を含む人の基本情報に基づいて設定された性別年齢別リスク値であることである。
【００２３】
上記の課題を解決するため、請求項１２に係る腰痛予防装置の作動方法の構成上の特徴は、人の状態から腰痛の危険性をリアルタイムで察知し警告する腰痛予防装置の作動方法であって、人の体幹の長さ、上腕の長さ及び前腕の長さと、人の体幹の角度、上腕の角度及び前腕の角度とに基づいて人の手の位置を算出する手位置算出ステップと、人の体幹の角度と足底に作用する荷重と人の手の位置とに基づいて腰部にかかる負担を負担値として算出する負担値算出ステップと、腰部に障害が発生する可能性のある腰部にかかる負担をリスク値として設定するリスク値設定ステップと、前記負担値≧前記リスク値であるときに警告を発信する警告ステップと、を備えることである。
【００２５】
請求項１３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１２に記載の腰痛予防装置の作動方法において、前記負担値算出ステップは、人の体幹の角度と足底に作用する荷重と人の手の位置と手に作用する荷重とに基づいて腰部にかかる負担を負担値として算出することである。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１に係る発明によれば、人体に装着される体幹角度検出手段と足底荷重検出手段とにより腰部の負担値を算出すると共に、人の基本情報に基づいて腰部のリスク値を設定して、負担値とリスク値との比較に基づいてリアルタイムで警告を発信する。よって、本発明の腰痛予防装置を装着した作業者は、リアルタイムで作業による腰部の負担の危険を把握できる。これにより、作業者は、腰痛を患う前に、即座に作業姿勢や作業負荷の改善、及び共同作業への転換等を行うことが可能であり、腰痛の発生を予防することができる。
【００２７】
また、本発明の腰痛予防装置は、作業者の人体に装着可能な体幹角度検出手段及び足底荷重検出手段により負担値を算出するためのデータ（作業者の姿勢及び負荷に関する各情報）をリアルタイムで自動的に取得できる。よって、本発明の腰痛予防装置は、構成が簡素であると共に、作業に関するデータを作業者又は調査者が記録する必要がなく簡便である。また、作業内容が変わっても作業に関するデータを自動的に取得できるため、どのような作業にも対応が可能である。なお、体幹とは、胴体のことであり、人体の頭、首、四肢を除いた、胸部と腹部とを差す。
【００２８】
請求項２に係る発明によれば、腰痛予防装置は、人の手の位置を算出する手位置算出手段を備え、人体に装着される体幹角度検出手段と足底荷重検出手段とにより検出された各情報、及び人の手の位置の情報に基づいて腰部の負担値を算出する。請求項１に係る腰痛予防装置においては、作業による全荷重が体幹の最上部である肩に鉛直に作用するという仮定を設けることによって腰部の負担値の最大値を算出することができる。しかし、多くの場合、荷重は手から肩へと伝達され、同一の荷重であっても手の位置が腰部から遠くなるほど腰部を中心としたモーメントが大きくなり、腰部の負担値が大きくなる。本発明によれば、人の手の位置を考慮して腰部の負担値を算出するため、腰部の負担値の算出精度が向上し、腰痛の発生を予防する効果がより高くなる。
【００２９】
請求項３に係る発明によれば、腰痛予防装置は、人の手に作用する荷重を検出する手荷重検出手段を備え、人体に装着される体幹角度検出手段と足底荷重検出手段と手荷重検出手段とにより検出された各情報、及び人の手の位置の情報に基づいて腰部の負担値を算出する。請求項２に係る腰痛予防装置においては、作業による全荷重が手に作用するという仮定を設けることによって腰部の負担値の最大値を算出することができる。しかし、作業内容によっては、荷重が手と肩とに分散して作用する場合があり、作業による全荷重が手に作用するという仮定では腰部の負担値を過剰に見積もる可能性がある。本発明によれば、手に作用する荷重と、肩に作用する荷重（＝作業による全荷重−手に作用する荷重）とを区別して腰部の負担値を算出できるため、腰部の負担値の算出精度がさらに向上し、腰痛の発生を過剰に予防することなく適切に予防することができる。
【００３０】
請求項４に係る発明によれば、人の手の位置を算出するために必要な体幹の長さ、上腕の長さ及び前腕の長さの各入力値を身長と各入力値との相関に基づいて定める。よって、人の身長を入力値とするだけで、人の手の位置を算出するために必要な人体の長さに関する各入力値を定めることが可能であり簡便である。
【００３１】
請求項５に係る発明によれば、端末を用いることにより、容易に腰痛予防装置の制御条件の設定変更を行うことができる。
【００３２】
請求項６に係る発明によれば、体幹に装着された体幹角度検出手段からの情報、及び／又は足底に装着された足底荷重検出手段からの情報が無線により負担値算出手段に送られる。よって、情報が有線で送られる場合と比べて、作業者の身体の動きが拘束されにくい。
【００３３】
請求項７に係る発明によれば、体幹角度検出手段が背中の胸椎の高さに配置されている。作業者が荷物を持ち上げる際、作業者の背中は不規則に湾曲するため、体幹角度が背中の上下方向に一定とはならない。このため、体幹角度検出手段が装着される位置によって、異なる体幹角度が検出される。しかし、体幹角度検出手段を背中の胸椎の高さに配置することによって、不規則に湾曲した背中の中で比較的精度よく体幹角度の代表値を検出することが可能となり、体幹角度に基づいて腰部の負担値を精度よく算出することが可能となる。
【００３４】
請求項８に係る発明によれば、警告手段が人に装着されていると共に警告が音及び／又は振動である。よって、警告が音の場合には、作業者自身とその周囲の人々に作業者が腰部の負担の危険が伴う作業を行っていることを周知することができる。また、警告が振動の場合には、周囲の人々に知られることなく作業者が腰部の負担の危険を認識することができる。
【００３５】
請求項９に係る発明によれば、負担値≧リスク値であるときに警告を発信する。すなわち、腰部に障害が発生する可能性が小さい段階では作業者に警告が発信されない。よって、作業者は、警告が発信されない限り、安心して作業を継続することができる。なお、請求項９に係る発明の構成は、負担値が１００％リスク値以上となったときに警告を発信するものであるが、この構成とは異なる構成として、例えば、負担値が１００％リスク値に達する前に、９０％リスク値、９５％リスク値等の段階毎に警告を発信してもよい。この際、段階毎に警告の種類を変えておけば、作業者が負担の程度を認識しやすい。
【００３６】
請求項１０に係る発明によれば、負担値を腰椎の椎間板に発生する圧迫力とすると共に、リスク値を腰椎の椎間板に障害が発生する可能性のある圧迫力としている。腰痛は、腰椎の椎間板に作用する様々な荷重の中で特に圧迫力が大きくなったときに発生することが多い。よって、負担値及びリスク値を椎間板圧迫力とすることは、腰痛予防の観点から最も効果的である。
【００３７】
請求項１１に係る発明によれば、性別及び年齢を含む人の基本情報に基づいて性別年齢別リスク値を設定する。リスク値は、作業者それぞれの体格、筋力、骨格、健康状態等によって異なるため、当然ながら、作業者毎にリスク値を定めるのが望ましい。しかし、作業者毎に厳密なリスク値を定めるためには、作業前に多くの検査を要するため実用性に欠ける。ここで、リスク値は、人の基本情報のうちで性別及び年齢との相関が高い。よって、作業者の性別及び年齢に基づいて性別年齢別リスク値を設定すれば、作業者の検査を要することなく、作業者毎にある程度精度の高いリスク値を設定することができる。
【００３８】
請求項１２に係る発明によれば、人の体幹の角度と足底に作用する荷重と人の手の位置とにより算出された腰部の負担値と、腰部に障害が発生する可能性のある腰部のリスク値との比較に基づいてリアルタイムで警告が発信される。よって、本発明の腰痛予防装置の作動方法によれば、請求項１に係る発明と同様に、作業者は、リアルタイムで作業による腰部の負担の危険を把握できる。これにより、作業者は、腰痛を患う前に、即座に作業姿勢や作業負荷の改善、及び共同作業への転換等を行うことが可能であり、腰痛の発生を予防することができる。
【００３９】
請求項１２に係る発明によれば、腰痛予防装置の作動方法は、人の体幹の角度と足底に作用する荷重と人の手の位置とに基づいて腰部の負担値を算出する。よって、本発明の腰痛予防装置の作動方法によれば、請求項２に係る発明と同様に、人の手の位置を考慮して腰部の負担値を算出するため、腰部の負担値の算出精度が向上し、腰痛の発生を予防する効果がより高くなる。
【００４０】
請求項１３に係る発明によれば、腰痛予防装置の作動方法は、人の体幹の角度と足底に作用する荷重と人の手の位置と手に作用する荷重とに基づいて腰部の負担値を算出する。よって、本発明の腰痛予防装置の作動方法によれば、請求項３に係る発明と同様に、手に作用する荷重と、肩に作用する荷重とを区別して腰部の負担値を算出できるため、腰部の負担値の算出精度がさらに向上し、腰痛の発生を過剰に予防することなく適切に予防することができる。
【００４１】
以上のように、本発明によれば、簡便で且つ作業者がリアルタイムで作業による腰部の負担の危険を把握できる腰痛予防装置及びその作動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１実施形態の腰痛予防装置を装着した作業者を模式的に説明する説明図である。
【図２】第１実施形態における椎間板圧迫力の算出モデルを示している。
【図３】第１実施形態における角度センサの取付け位置及び脊椎の構成を説明する説明図である。
【図４】男性の椎間板圧迫力の限界値及び許容値を示すグラフである。
【図５】女性の椎間板圧迫力の限界値及び許容値を示すグラフである。
【図６】第１実施形態の腰痛予防装置の作動を説明するフローチャートである。
【図７】立位姿勢の説明図である。
【図８】第２実施形態の腰痛予防装置を装着した作業者を模式的に説明する説明図である。
【図９】第２実施形態における椎間板圧迫力の算出モデルを示している。
【図１０】第２実施形態の腰痛予防装置の作動を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の腰痛予防装置及びその作動方法の実施形態について図面を参照しつつ詳しく説明する。
【００４４】
＜第１実施形態＞
（１）腰痛予防装置１の構成
図３に示すように、作業者（人）Ｍの体幹Ｂ（一般に、胴体と呼ばれている）は、脊椎Ｓｐ（一般に、背骨と呼ばれている）によって支えられている。脊椎Ｓｐは、椎骨と椎間板とが連続的に積み重なり全体として緩やかにＳ字にカーブした構造を呈している。このように脊椎ＳｐがＳ字にカーブしていることによって、外部からの衝撃や体重の負担が和らげられている。 
【００４５】
脊椎Ｓｐは、頭蓋骨の後頭骨にある大後頭孔より下降し、骨盤に至る。脊椎Ｓｐは、上から順に、７椎の頸椎Ｃｅ、１２椎の胸椎Ｔｈ、５椎の腰椎Ｌｕ、５椎の仙椎Ｓａ、及び３〜６椎の尾椎Ｃｏの約３０個の椎骨により形成されている。ここで、５椎の腰椎Ｌｕの第３腰椎と第４腰椎との間、及び第４腰椎と第５腰椎との間において、腰痛が発生しやすいと言われている。
【００４６】
図１に示すように、腰痛予防装置１は、作業者Ｍの体に装着される装置であって、角度センサ（体幹角度検出手段）２と、荷重センサ（足底荷重検出手段）３と、制御ユニット４とを備えている。制御ユニット４には、ＣＰＵ（負担値算出手段、リスク値設定手段、警告手段）５と、スピーカー（警告手段）６と、端末７とが一体に備わっている。
【００４７】
角度センサ２は、ベルト２ｂに固定されており、ベルト２ｂを作業者Ｍの体幹Ｂの胸部に巻付けることによって、作業者Ｍの背中の胸椎Ｔｈの高さに装着されている。角度センサ２には、検出された角度情報を制御ユニット４に無線で送信するためのアンテナ２ａが備わっている。角度センサ２は、水平、鉛直等の基準線に対する角度を検出し得るセンサであって、角度センサ２としては、加速度センサやジャイロセンサ等を用いることができる。
【００４８】
ここで、図３に示すように、角度センサ２を胸椎Ｔｈの最上部の角度センサ２’の位置から胸椎Ｔｈの最下部の角度センサ２’’の位置までの範囲に装着することができる。しかし、作業者Ｍの背中には凹凸があるため、作業者Ｍの立位姿勢（図７示）において、角度センサ２の取付角度は、取付位置毎に異なる値となる。したがって、作業者Ｍが作業を行っていない立位姿勢において、角度センサ２の初期値を検出すると共に、作業者Ｍが作業を開始した後の体幹角度θを角度センサ２の初期値からの変化量とすれば、角度センサ２の取付位置によらず体幹角度θを検出することが可能となる。なお、本実施形態においては、図２に示すように、水平に対する脊椎Ｓｐのなす角度を体幹角度θとしている。
【００４９】
荷重センサ３は、作業靴３ｂの靴底に配置されており、作業者Ｍが作業靴３ｂを履くことによって、作業者Ｍの足底Ｓに装着されている。作業靴３ｂの踵側には、荷重センサ３により検出された荷重情報を制御ユニット４に無線で送信するためのアンテナ３ａが備わっている。荷重センサ３は、足底Ｓに作用する全荷重（荷重）Ｗａを検出し得るセンサであって、荷重センサ３としては、ロードセル、圧力センサ、ひずみゲージ等を用いることができる。
【００５０】
本実施形態においては、１足の作業靴３ｂの靴底に、前後に３個、左右に２個の計６個の荷重センサ３を配置している。各荷重センサ３は、作業靴３ｂの靴底に設けられたスパイク状の凸部に配置されており、各荷重センサ３の位置でのみ靴底が地面に接地している。したがって、左右一対の作業靴３ｂの全荷重センサ３で検出した荷重の合計値は、作業者Ｍの体重Ｗと作業者Ｍが持ち上げる荷物Ｐの荷重（負荷荷重α）とを合計した全荷重Ｗａとなる。なお、スパイク状の凸部の形状、個数及び材質は、作業の種類に応じて適宜設定される。
【００５１】
制御ユニット４は、ベルト４ｂに固定されており、ベルト４ｂを作業者Ｍの体幹Ｂの腰部に巻付けることによって、作業者Ｍの背中の腰椎Ｌｕの高さに装着されている。制御ユニット４には、角度センサ２及び荷重センサ３からの各情報を受信するためのアンテナ４ａが備わっている。
【００５２】
ＣＰＵ５は、制御ユニット４の内部に配置されている。このＣＰＵ（負担値算出手段）５により、角度センサ２と荷重センサ３とにより検出された各情報に基づいて腰部にかかる負担を負担値Ｒとして算出する。また、このＣＰＵ（リスク値設定手段）５により、作業者Ｍの基本情報に基づいて腰部に障害が発生する可能性のある腰部にかかる負担をリスク値ｒとして設定する。また、このＣＰＵ（警告手段）５により、負担値Ｒとリスク値ｒとの比較に基づいて、負担値Ｒ≧リスク値ｒであるときにスピーカー６に警告音を発信する命令を送る。
【００５３】
スピーカー６は、制御ユニット４の表面に露出して配置されている。スピーカー６は、音量及びメロディの選択が可能となっている。
【００５４】
端末７は、制御ユニット４の表面に露出して配置されている。作業者Ｍは、端末７の入力画面を操作して、角度センサ２及び荷重センサ３のサンプリング間隔の入力と、作業者Ｍの基本情報のうちの少なくとも性別及び年齢の入力とを行う。この入力情報がＣＰＵ５に記憶される。
【００５５】
（２）負担値Ｒの算出
作業者Ｍが行う作業によって腰椎Ｌｕの椎間板に発生する圧迫力（椎間板圧迫力）を負担値Ｒとする。図２に示すように、本実施形態においては、腰椎Ｌｕの椎間板圧迫力Ｒを算出する関節部から上の脊椎Ｓｐを剛体と見なした簡易計算モデルを作成して、力の釣り合い式により、腰椎Ｌｕに作用する椎間板圧迫力Ｒを算出する（参考文献１：L.A.Strait,V.T Inman,H.J.Ralstone;Simple Illustrations of Physical Principles Selected from Physiology and Medicine. Am.J.Phys.15 375-382（1947））。
【００５６】
図２において、Ｗは作業者Ｍの体重、αは荷物Ｐによる負荷荷重、Ｗ１は体幹Ｂの重さ、Ｗｓは両腕と頭との合計重さＷ２に負荷荷重αを加えた重さ、Ｌは体幹Ｂの長さ（胸椎Ｔｈ及び腰椎Ｌｕの合計長さ）、Ｆｅは脊椎起立筋力、θは体幹角度（脊椎角度）、Ｒは椎間板圧迫力を示している。
【００５７】
ここで、体重Ｗは、作業者Ｍが作業を行っていない立位姿勢（図７示）において、荷重センサ３により検出した値である。負荷荷重αは、作業者Ｍが作業を開始した後に荷重センサ３により検出した全荷重Ｗａから体重Ｗを引いた値である。体幹Ｂの重さＷ１は、一般にＷ１＝０．４Ｗで算出され、重さＷ１が体幹Ｂの長さＬの１／２の位置に作用すると考える。両腕と頭との合計重さＷ２は、一般にＷ２＝０．２Ｗで算出される。また、脊椎起立筋力Ｆｅは、作業者Ｍの姿勢によらず脊椎Ｓｐに対して１２°の角度で、体幹Ｂの長さＬの上から１／３の位置に作用すると考える。
【００５８】
力の釣り合い式は、以下に示すとおりである。
Ｆｅ・ｓｉｎ１２°・（２Ｌ／３）−０．４Ｗ・ｃｏｓθ・Ｌ／２
−（０．２Ｗ＋α）・ｃｏｓθ・Ｌ＝０    …………  （式１）
Ｒｙ−Ｆｅ・ｓｉｎ（θ−１２°）−０．４Ｗ
−（０．２Ｗ＋α）＝０    …………  （式２）
Ｒｘ−Ｆｅ・ｃｏｓ（θ−１２°）＝０    …………  （式３）  
Ｒ＝√（Ｒｘ２＋Ｒｙ２）    …………  （式４）
【００５９】
なお、（式１）における変数Ｌは、（式１）の両辺を変数Ｌで割ることによって消去される。（式４）に（式１）、（式２）及び（式３）を代入すると、椎間板圧迫力Ｒは、Ｗ、α及びθを変数とする関数となる。よって、角度センサ２により検出される体幹角度θと、荷重センサ３によって検出される体重Ｗ及び負荷荷重αとにより、椎間板圧迫力（負担値）Ｒを算出することができる。
【００６０】
（３）リスク値ｒの設定
スピーカー６は、負担値Ｒ≧リスク値ｒであるときに警告音を発信する。したがって、作業者Ｍの安全を考えると極力小さいリスク値ｒを設定するとよい。しかし、リスク値ｒを小さくしすぎると警告音が頻繁に発信されることになるため、作業者Ｍに過剰な不安を抱かせることとなる。本実施形態においては、作業者Ｍの基本情報のうちの性別及び年齢に基づいて、腰部に障害が発生する可能性のあるリスク値ｒを設定（算出）する。
【００６１】
なお、リスク値ｒは、上述の負担値Ｒと比較する値であることから、腰部に障害が発生する可能性のある椎間板圧迫力とする。リスク値ｒは、様々な知見に基づいて適宜設定することが可能であることは言うまでもなく、したがって、以下に説明するリスク値ｒの設定方法は一例にすぎない。
【００６２】
表１に男性の年齢別椎間板圧迫力の限界値Ｒｄ及び許容値Ｒａ、表２に女性の年齢別椎間板圧迫力の限界値Ｒｄ及び許容値Ｒａを示す。また、図４に男性の椎間板圧迫力の限界値Ｒｄ及び許容値Ｒａを示すグラフ、図５に女性の椎間板圧迫力の限界値Ｒｄ及び許容値Ｒａを示すグラフを示す。
【００６３】
【表１】
0005923904.tif 000002
【００６４】
【表２】
0005923904.tif 000003
【００６５】
参考文献２（Genaidy,Spinal compression tolerance limits for the design of manual material handling operations in the workplace）には、性別及び対象年齢毎に単発荷重（１回の載荷）における椎間板圧迫力の限界値Ｒｄが開示されている。この椎間板圧迫力の限界値Ｒｄが発生する負荷荷重αｄを上述した（式１）〜（式４）により算出した。
【００６６】
上記（２）で述べたとおり、椎間板圧迫力Ｒは、Ｗ、α及びθを変数とする関数であるため、椎間板圧迫力Ｒｄ、体重Ｗ、体幹角度θを設定すれば、負荷荷重αｄが求まる。ここで、体重Ｗとしては、日本における対象年齢毎の平均体重を入力し、また、体幹角度θとしては、負荷荷重αｄが最も小さくなる場合を想定して、脊椎Ｓｐが鉛直から９０°前傾したときの体幹角度θ＝０°を入力した。こうして得られた負荷荷重αｄは表１及び２に示すとおりである。
【００６７】
そして、負荷荷重αｄは、単発荷重における限界値であるため、さらに安全側を考慮すると、繰返し荷重における許容値を求めるとよいと考えた。参考基準１（ISO 11228-1:2003 Ergonomics-Manual handling-）には、単発荷重における限界値から繰返し荷重における許容値を求める際の係数について記載されている。この係数は、作業時間及び作業頻度に対応して設定されており、例えば、介護施設のヘルパーを想定して、作業時間を２〜８時間、作業頻度を１時間当たり４回の作業とすると、係数が０．８５となる。したがって、繰返し荷重における負荷荷重αａをαａ＝０．８５αｄとして求めた。そして、負荷荷重αａ、上述した対象年齢毎の平均体重Ｗ、及び体幹角度θ＝０°により繰返し荷重における椎間板圧迫力の許容値Ｒａを求めた。
【００６８】
図４及び５に示すように、椎間板圧迫力の許容値Ｒａは、椎間板圧迫力の限界値Ｒｄよりも小さい値となっている。また、椎間板圧迫力の許容値Ｒａは、男性よりも女性の方が値が小さく、対象年齢が上がるにつれて値が低下する傾向がある。本実施形態においては、椎間板圧迫力の許容値Ｒａをリスク値ｒとした。そして、表１及び２に示す性別年齢別の椎間板圧迫力の許容値ＲａをＣＰＵ５に記憶させた。
【００６９】
（４）腰痛予防装置１の作動
図６に本実施形態の腰痛予防装置１の作動を説明するフローチャートを示す。まず、作業者Ｍは、角度センサ２が装備されたベルト２ｂ、及び荷重センサ３が装備された作業靴３ｂを装着する。なお、作業者Ｍは、制御ユニット４を装備したベルト４ｂを装着していない。
【００７０】
作業者Ｍは、腰痛予防装置１の電源スイッチをＯＮにした後、ステップＳ１において、端末７の入力画面を操作して、角度センサ２及び荷重センサ３のサンプリング間隔の入力と、作業者Ｍの基本情報のうちの性別及び年齢の入力とを行う。そして、作業者Ｍは、制御ユニット４を装備したベルト４ｂを装着して立位姿勢をとる。
【００７１】
ステップＳ２において、上記（３）で述べたように、予めＣＰＵ５に記憶させた性別年齢別の椎間板圧迫力の許容値Ｒａから、作業者Ｍの性別及び年齢に対応した椎間板圧迫力の許容値Ｒａを抽出する。そして、この許容値Ｒａをリスク値ｒとしてＣＰＵ５に記憶させる。
【００７２】
ステップＳ３及びＳ４において、作業者Ｍは立位姿勢のままであり、荷重センサ３により検出した作業者Ｍの体重ＷをＣＰＵ５に記憶させる。また、角度センサ２が初期化（現在の角度をゼロとする）される。ステップＳ４が完了すると制御ユニット４から準備完了の報知音が発信され、作業者Ｍは立位姿勢を崩すことができる。
【００７３】
ステップＳ５において、作業者Ｍは作業を開始した後、ステップＳ６において、角度センサ２及び荷重センサ３により、体幹角度θ及び負荷荷重αが検出される。ここで、体幹角度θは、角度センサ２の初期値からの変化量である。また、負荷荷重αは、荷重センサ３で検出する全荷重（荷重）Ｗａから体重Ｗを引いた値である。
【００７４】
ステップＳ７において、上記（２）で述べたように、体幹角度θと、体重Ｗと、負荷荷重αとを用いて椎間板圧迫力（負担値）Ｒを算出する。ステップＳ８において、負担値Ｒとリスク値ｒとを比較して、負担値Ｒ≧リスク値ｒであるときには、ステップＳ９に進んでスピーカー６から警告音を発信する。また、負担値Ｒ＜リスク値ｒであるときには、ステップＳ６に戻って体幹角度θ及び負荷荷重αの検出を継続する。ステップＳ６はステップＳ１で設定したサンプリング間隔で繰返される。
【００７５】
ステップＳ９において、スピーカー６から警告音が発信された後、ステップＳ１０において、作業者Ｍは、腰痛予防装置１の電源スイッチをＯＦＦにするか否かの選択を行い、電源スイッチをＯＦＦにすることにより、腰痛予防装置１による腰部の負担の監視を終了する。また、電源スイッチをＯＦＦにしない場合には、ステップＳ６に戻って体幹角度θ及び負荷荷重αの検出を継続する。
【００７６】
（５）腰痛予防装置１の効果
このような本実施形態の構成によると、作業者Ｍの人体に装着された角度センサ２と荷重センサ３とにより腰椎Ｌｕの椎間板に発生する圧迫力を負担値Ｒとして算出すると共に、作業者Ｍの基本情報のうちの性別及び年齢に基づいて腰椎Ｌｕの椎間板に障害が発生する可能性のある圧迫力をリスク値ｒとして設定している。そして、負担値Ｒとリスク値ｒとを比較して、負担値≧リスク値であるときにリアルタイムで警告音を発信している。
【００７７】
よって、本実施形態の腰痛予防装置１を装着した作業者Ｍは、リアルタイムで作業による腰部の負担の危険を把握できる。これにより、作業者Ｍは、腰痛を患う前に、即座に作業姿勢や作業負荷の改善、及び共同作業への転換等を行うことが可能であり、腰痛の発生を予防することができる。
【００７８】
また、本実施形態の腰痛予防装置１は、作業者Ｍの人体に装着可能な角度センサ２及び荷重センサ３により負担値Ｒを算出するためのデータ（作業者Ｍの姿勢及び負荷に関する各情報）をリアルタイムで自動的に取得できる。よって、本実施形態の腰痛予防装置１は、構成が簡素であると共に、作業に関するデータを作業者Ｍ又は調査者が記録する必要がなく簡便である。また、作業内容が変わっても作業に関するデータを自動的に取得できるため、どのような作業にも対応が可能である。
【００７９】
また、本実施形態においては、負担値Ｒ≧リスク値ｒであるときに警告音が発信される。このため、腰部に障害が発生する可能性が小さい段階では作業者Ｍに警告音が発信されない構成となるため、作業者Ｍは、警告音が発信されない限り、安心して作業を継続することができる。
【００８０】
また、腰痛は、腰椎Ｌｕの椎間板に作用する様々な荷重の中で特に圧迫力が大きくなったときに発生することが多い。よって、本実施形態のように、負担値Ｒを腰椎Ｌｕの椎間板に発生する圧迫力とすると共に、リスク値ｒを腰椎Ｌｕの椎間板に障害が発生する可能性のある圧迫力とすることは、腰痛予防の観点から最も効果的である。
【００８１】
また、リスク値ｒは、人の基本情報のうちで性別及び年齢との相関が高い。よって、本実施形態のように、作業者Ｍの性別及び年齢に基づいて性別年齢別リスク値ｒを設定すれば、作業者Ｍの詳細な人体検査を要することなく、作業者Ｍ毎にある程度精度の高いリスク値ｒを設定することができる。
【００８２】
また、本実施形態の構成によれば、ＣＰＵ５へのデータ入力に端末７を用いることにより、容易に腰痛予防装置１の制御条件の設定変更を行うことができる。
【００８３】
また、本実施形態の構成によれば、角度センサ２及び荷重センサ３からの各情報が無線により制御ユニット４内のＣＰＵ５に送られる。よって、各情報が有線で送られる場合と比べて、作業者Ｍの身体の動きが拘束されにくい。
【００８４】
また、本実施形態の構成によれば、角度センサ２が不規則に湾曲した背中の中で比較的精度よく体幹角度θの代表値を検出できる背中の胸椎Ｔｈの高さに配置されている。よって、体幹角度θに基づいて腰部の負担値Ｒを精度よく算出することが可能となる。
【００８５】
また、本実施形態の構成によれば、警告音を発信するスピーカー（警告手段）６が制御ユニット４と一体に作業者Ｍの人体に装着されている。したがって、作業者Ｍ自身とその周囲の人々に作業者Ｍが腰部の負担の危険が伴う作業を行っていることを周知することができる。
【００８６】
＜第２実施形態＞
（１）腰痛予防装置１０の構成
上述のとおり、第１実施形態の腰痛予防装置１においては、作業による負荷荷重α（以下、全負荷荷重αと呼ぶ）が体幹Ｂの最上部である肩に鉛直に作用するという仮定を設けて、剛体リンクモデルにより腰部の負担値Ｒを算出している。本実施形態の腰痛予防装置１０においては、様々な作業状況に対する汎用性を高めるために、手Ｈａの位置を考慮すると共に、全負荷荷重αが手Ｈａと肩とに配分されるという仮定を設けて、剛体リンクモデルにより腰部の負担値Ｒを算出する（図８及び９示）。
【００８７】
したがって、第１実施形態においては、図１に示したように作業者Ｍが腕を鉛直下方に伸ばして荷物Ｐを持ち上げる作業状況を想定しているのに対して、本実施形態においては、図８に示すように作業者Ｍが腕を前方に伸ばして荷物Ｐ１を手Ｈａと肩とで持ち上げる作業状況を想定している。なお、本実施形態においては、作業者Ｍが両腕を均等に前方に伸ばして荷重Ｐ１を持ち上げる作業状況を想定しており、以下の説明においては、特に断りのない限り、上腕Ａ１、前腕Ａ２及び手Ｈａとは、両腕の両上腕Ａ１、両前腕Ａ２及び両手Ｈａのことである。
【００８８】
図８に示すように、腰痛予防装置１０は、作業者Ｍの体に装着される装置であって、体幹Ｂに装着される角度センサ（体幹角度検出手段）２と、上腕Ａ１に装着される角度センサ（上腕角度検出手段）２１と、前腕Ａ２に装着される角度センサ（前腕角度検出手段）２２と、足底Ｓに装着される荷重センサ（足底荷重検出手段）３と、手Ｈａに装着される荷重センサ（手荷重検出手段）３０と、制御ユニット４０とを備えている。制御ユニット４０には、ＣＰＵ（負担値算出手段、リスク値設定手段、手位置算出手段、警告手段）５０と、スピーカー（警告手段）６と、バイブレータ（警告手段）６０と、端末７０とが一体に備わっている。角度センサ２、荷重センサ３及びスピーカー６の構成及び動作については、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００８９】
角度センサ２１は、ベルト２１ｂに固定されており、ベルト２１ｂを作業者Ｍの上腕Ａ１に巻付けることによって作業者Ｍの両腕の各上腕Ａ１に装着されている。角度センサ２１には、検出された角度情報を制御ユニット４０に無線で送信するためのアンテナ２１ａが備わっている。角度センサ２１は、第１実施形態における角度センサ２と同様に、水平、鉛直等の基準線に対する角度を検出し得るセンサであって、角度センサ２１としては、加速度センサやジャイロセンサ等を用いることができる。
【００９０】
ここで、作業者Ｍが作業を行っていない立位姿勢（図７示）において、角度センサ２１の初期値を検出すると共に、作業者Ｍが作業を開始した後の角度センサ２１の初期値からの変化量を上腕角度θ１とする。図９に示すように、水平に対する上腕Ａ１のなす角度を上腕角度θ１としている。
【００９１】
角度センサ２２は、角度センサ２１と同様にベルト２２ｂ及びアンテナ２２ａを備えており、ベルト２２ｂを作業者Ｍの前腕Ａ２に巻付けることによって作業者Ｍの両腕の各前腕Ａ２に装着されている。角度センサ２２においても、角度センサ２１と同様に作業者Ｍが作業を開始した後の角度センサ２２の初期値からの変化量を前腕角度θ２とする。図９に示すように、水平に対する前腕Ａ２のなす角度を前腕角度θ２としている。
【００９２】
本実施形態においては、手Ｈａの位置を算出するために、第１実施形態よりもより正しい立位姿勢で角度センサ２１及び２２の初期値を検出する必要がある。図７に示す正しい立位姿勢とは、背筋と膝を伸ばし、両足に均等に体重をかけて立ち、上肢は自然に下垂し、手掌（手のひら）を大腿に向けて手の指を伸ばした状態である。
【００９３】
荷重センサ３０は、作業者Ｍの両手Ｈａにそれぞれ装着される各作業手袋３０ｂの手掌全面及び指先部に複数個配置されている。作業手袋３０ｂの手首部分には、荷重センサ３０により検出された荷重情報を制御ユニット４０に無線で送信するためのアンテナ３０ａが備わっている。荷重センサ３０は、手Ｈａに作用する荷重α２（図９示）を検出し得るセンサであって、荷重センサ３０としては、圧力センサ、ひずみゲージ等を用いることができる。左右一対の作業手袋３０ｂの全荷重センサ３０で検出した荷重の合計値は、両手Ｈａに作用する合計の荷重α２となる。
【００９４】
制御ユニット４０は、ベルト４ｂに固定されており、ベルト４ｂを作業者Ｍの体幹Ｂの腰部に巻付けることによって、作業者Ｍの背中の腰椎Ｌｕの高さに装着されている。制御ユニット４０には、角度センサ２、角度センサ２１、角度センサ２２、荷重センサ３及び荷重センサ３０からの各情報を受信するためのアンテナ４ａが備わっている。
【００９５】
ＣＰＵ５０は、制御ユニット４０の内部に配置されている。このＣＰＵ（手位置算出手段）５０により、作業者Ｍの体幹Ｂの長さＬ、上腕Ａ１の長さＬ１及び前腕Ａ２の長さＬ２の各入力値と、角度センサ２、角度センサ２１及び角度センサ２２により検出された各角度情報とに基づいて手Ｈａの位置を算出する。また、このＣＰＵ（負担値算出手段）５０により、角度センサ２、荷重センサ３及び荷重センサ３０により検出された各情報と、算出した手Ｈａの位置情報とに基づいて腰部にかかる負担を負担値Ｒとして算出する。
【００９６】
また、このＣＰＵ（リスク値設定手段）５０により、作業者Ｍの基本情報に基づいて腰部に障害が発生する可能性のある腰部にかかる負担をリスク値ｒとして設定する。また、このＣＰＵ（警告手段）５０により、負担値Ｒとリスク値ｒとの比較に基づいて、負担値Ｒ≧リスク値ｒであるときに、又は警告乗率β（β＜１００％）を考慮して、負担値Ｒ≧（β×リスク値ｒ）であるときに、スピーカー６に警告音を発信する命令、及びバイブレータ６０に振動を発信する命令のうちのいずれか一方又は両方を送る。
【００９７】
バイブレータ６０は、制御ユニット４０の内部に配置されており、作業者Ｍの腰部に振動を伝達する。バイブレータ６０は、振動の強さの選択が可能となっている。バイブレータ６０としては、携帯電話やゲーム機のコントローラ等に内蔵されている小型モータ等を利用した小型のバイブレータを用いることができる。
【００９８】
端末７０は、制御ユニット４０の表面に露出して配置されている。作業者Ｍは、端末７０の入力画面を操作して、作業者Ｍの基本情報のうちの少なくとも性別、年齢及び身長Ｈの入力と、警告手段（スピーカー６及びバイブレータ６０）の選択と、警告乗率βの入力とを行う。この入力情報がＣＰＵ５０に記憶される。なお、本実施形態においては、各センサ（角度センサ２、角度センサ２１、角度センサ２２、荷重センサ３、荷重センサ３０）のサンプリング間隔は、予めＣＰＵ５０に設定されており、端末７０によるサンプリング間隔の入力は行わない。
【００９９】
（２）負担値Ｒの算出
図９に示すように、本実施形態においては、腰椎Ｌｕの椎間板圧迫力（負担値）Ｒを算出する関節部（位置ｏ）から上の脊椎Ｓｐ、上腕Ａ１及び前腕Ａ２を３連結の剛体と見なした簡易計算モデルを作成して、力の釣り合い式により、腰椎Ｌｕに作用する椎間板圧迫力Ｒを算出する。図９において、位置ａは手首の位置、位置ｂは手首から肩までの距離の１／２の位置、位置ｃは肩の位置、位置ｄは体幹Ｂの長さＬの１／２の位置、位置ｅは体幹Ｂの長さＬの上から１／３の位置を示している。
【０１００】
図９において、Ｗは作業者Ｍの体重、Ｗ１は体幹Ｂの重さ、Ｗ２は両腕と頭との合計重さ、α１は肩に作用する荷重、α２は手Ｈａに作用する荷重、Ｌは体幹Ｂの長さ（胸椎Ｔｈ及び腰椎Ｌｕの合計長さ）、Ｌ１は上腕Ａ１の長さ、Ｌ２は前腕Ａ２の長さ、Ｆｅは脊椎起立筋力、θは体幹角度（脊椎角度）、θ１は上腕角度、θ２は前腕角度、Ｒは椎間板圧迫力を示している。
【０１０１】
なお、体幹Ｂの長さＬ、上腕Ａ１の長さＬ１及び前腕Ａ２の長さＬ２は、作業者Ｍの身長Ｈと相関があり、Ｌ＝０．３５Ｈ、Ｌ１＝０．１８６Ｈ及びＬ２＝０．１４６Ｈという相関式により算出することができる（参考文献３：D.B.Chaffin, G.B.K.Andersson, B.J.Martin:”Occupational Biomechanics” （Wiley,New York 1984）、参考文献４：J.A.Roebuck, K.H.E.Kroemer, W.G.Thomson:”Engineering Anthropometry Methods” （Wiley-Interscience,New York 1975））。
【０１０２】
体重Ｗは、作業者Ｍが作業を行っていない立位姿勢（図７示）において、荷重センサ３により検出した値である。位置ｄに作用する体幹Ｂの重さＷ１は、一般にＷ１＝０．４Ｗで算出される。位置ｂに作用する両腕と頭との合計重さＷ２は、一般にＷ２＝０．２Ｗで算出される（頭の重さも位置ｂに作用すると仮定した）。位置ａに作用する荷重α２は、荷重センサ３０により検出した値である。位置ｃに作用する荷重α１は、作業者Ｍが作業を開始した後に荷重センサ３により検出した全荷重Ｗａから体重Ｗを引いて全負荷荷重αを算出し（α＝Ｗａ−Ｗ）、この全負荷荷重αから荷重α２を引いた値である（α１＝α−α２）。また、位置ｅに作用する脊椎起立筋力Ｆｅは、作業者Ｍの姿勢によらず脊椎Ｓｐに対して１２°の角度で作用する。
【０１０３】
位置ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅのそれぞれに作用する荷重α２、Ｗ２、α１、Ｗ１、Ｆｅによって発生する位置ｏまわりのモーメントＭａ、Ｍｂ、Ｍｃ、Ｍｄ、Ｍｅは、以下に示すとおりである。
Ｍａ＝（Ｌ・ｃｏｓθ＋Ｌ１・ｃｏｓθ１＋Ｌ２・ｃｏｓθ２）・α２
Ｍｂ＝｛Ｌ・ｃｏｓθ＋（Ｌ１・ｃｏｓθ１＋Ｌ２・ｃｏｓθ２）／２｝・Ｗ２
Ｍｃ＝Ｌ・ｃｏｓθ・α１
Ｍｄ＝Ｌ／２・ｃｏｓθ・Ｗ１
Ｍｅ＝２Ｌ／３・ｓｉｎ１２°・Ｆｅ
【０１０４】
力の釣り合い式は、以下に示すとおりである。
Ｍｅ＝Ｍａ＋Ｍｂ＋Ｍｃ＋Ｍｄ    …………  （式１０）
Ｒｙ＝Ｗ１＋Ｗ２＋α１＋α２＋Ｆｅ・ｓｉｎ（θ−１２°）  …  （式２０）
Ｒｘ＝Ｆｅ・ｃｏｓ（θ−１２°）    …………  （式３０）  
Ｒ＝√（Ｒｘ２＋Ｒｙ２）    …………  （式４０）
【０１０５】
位置ｏまわりのモーメント及び力の釣り合い式において、変数Ｌ、Ｌ１、Ｌ２、θ、θ１、θ２、Ｗ１、Ｗ２、α１及びα２は、入力値、検出値又は算出値であり既知数である。変数Ｆｅのみが未知数である。したがって、（式１０）から算出した脊椎起立筋力Ｆｅを（式２０）及び（式３０）に代入して椎間板圧迫力Ｒの鉛直成分Ｒｙ及び水平成分Ｒｘを算出し、算出したＲｙ、Ｒｘを（式４０）に代入することにより椎間板圧迫力（負担値）Ｒを算出することができる。
【０１０６】
（３）リスク値ｒの設定
本実施形態におけるリスク値ｒは、第１実施形態におけるリスク値ｒと同一であり、作業者Ｍの基本情報のうちの性別及び年齢に基づいて算出した性別年齢別の椎間板圧迫力の許容値Ｒａである（表１、表２、図４、図５示）。本実施形態におけるリスク値ｒの設定方法は、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【０１０７】
なお、本実施形態及び第１実施形態のリスク値ｒが同一値となる理由は次のとおりである。作業者Ｍが腕を前方に伸ばして荷物Ｐ１を持ち上げる本実施形態の作業状況（図８示）を表１及び２に当てはめると、設定値である椎間板圧迫力の限界値Ｒｄは表１及び２と同一値である。力の釣り合い式（式１０）〜（式４０）を用いて椎間板圧迫力の限界値Ｒｄから算出する負荷荷重の限界値αｄ及びの許容値αａは、腰部を中心としたモーメントの腕が長くなることにより表１及び２よりも小さい値となる。しかし、力の釣り合い式（式１０）〜（式４０）を用いて負荷荷重の許容値αａから算出する椎間板圧迫力の許容値Ｒａは表１及び２と同一値となる。すなわち、本実施形態と第１実施形態との力の釣り合い式の相違は、椎間板圧迫力の許容値Ｒａ（リスク値ｒ）の値に影響を及ぼさない。
【０１０８】
（４）腰痛予防装置１０の作動
図１０に本実施形態の腰痛予防装置１０の作動を説明するフローチャートを示す。まず、作業者Ｍは、角度センサ２が装備されたベルト２ｂを体幹Ｂの胸部に、角度センサ２１が装備されたベルト２１ｂを上腕Ａ１に、角度センサ２２が装備されたベルト２２ｂを前腕Ａ２にそれぞれ装着し、荷重センサ３が装備された作業靴３ｂ、及び荷重センサ３０が装備された作業手袋３０ｂをそれぞれ装着する。なお、作業者Ｍは、制御ユニット４０を装備したベルト４ｂを装着していない。
【０１０９】
作業者Ｍは、腰痛予防装置１０の電源スイッチをＯＮにした後、ステップＳＳ１において、端末７０の入力画面を操作して、作業者Ｍの基本情報のうちの年齢、性別及び身長Ｈの入力を行う。また、端末７０の入力画面を操作して、警告手段であるスピーカー６及びバイブレータ６０の選択と、リスク値ｒに対する警告乗率βの入力とを行う。そして、作業者Ｍは、制御ユニット４０を装備したベルト４ｂを装着して立位姿勢をとる。
【０１１０】
ステップＳＳ２において、第１実施形態におけるステップＳ２と同様に、予めＣＰＵ５０に記憶させた性別年齢別の椎間板圧迫力の許容値Ｒａから、作業者Ｍの性別及び年齢に対応した椎間板圧迫力の許容値Ｒａを抽出する。そして、この許容値Ｒａをリスク値ｒとしてＣＰＵ５０に記憶させる。
【０１１１】
ステップＳＳ３において、作業者Ｍの身長Ｈから、体幹Ｂの長さＬをＬ＝０．３５Ｈ、上腕Ａ１の長さＬ１をＬ１＝０．１８６Ｈ、及び前腕Ａ２の長さＬ２をＬ２＝０．１４６Ｈという相関式によりそれぞれ算出する。
【０１１２】
ステップＳＳ４において、作業者Ｍが立位姿勢をとるように促すための音声指示（アナウンス）が制御ユニット４０から発せられる。例えば、制御ユニット４０から「背筋と膝を伸ばして直立し、両腕を体に沿って下に伸ばした立位姿勢をお取り下さい。」という音声指示が発せられる。
【０１１３】
ステップＳＳ５及びＳＳ６において、作業者Ｍは立位姿勢のままであり、荷重センサ３により検出した作業者Ｍの体重ＷをＣＰＵ５０に記憶させる。また、角度センサ２、角度センサ２１及び角度センサ２２がそれぞれ初期化（現在の角度をゼロとする）される。ステップＳＳ６が完了すると制御ユニット４０から準備完了の報知音が発信され、作業者Ｍは立位姿勢を崩すことができる。なお、ステップＳＳ５及びＳＳ６を実行している途中で、作業者Ｍが正しい立位姿勢を崩すと、足底Ｓに装備された複数個の荷重センサ３の個々の値が不安定となる。このとき、制御ユニット４０から正しい立位姿勢をとるように促すための音声指示が発せられる構成とすることもできる。
【０１１４】
ステップＳＳ７において、作業者Ｍは作業を開始した後、ステップＳＳ８において、角度センサ２、角度センサ２１及び角度センサ２２により、体幹角度θ、上腕角度θ１及び前腕角度θ２が検出される。ここで、体幹角度θ、上腕角度θ１及び前腕角度θ２は、ステップＳＳ６において検出した初期値からの変化量である。また、ステップＳＳ７において、荷重センサ３及び荷重センサ３０により、全負荷荷重α及び手Ｈａに作用する荷重α２が検出される。また、肩に作用する荷重α１がα１＝α−α２という式で算出される。ここで、全負荷荷重αは、荷重センサ３で検出する全荷重（荷重）Ｗａから体重Ｗを引いた値である。
【０１１５】
ステップＳＳ９において、上記（２）で述べたように、体重Ｗ、体幹角度θ、上腕角度θ１、前腕角度θ２、全負荷荷重α、肩に作用する荷重α１、手Ｈａに作用する荷重α２、体幹Ｂの長さＬ、上腕Ａ１の長さＬ１、及び前腕Ａ２の長さＬ２を用いて椎間板圧迫力（負担値）Ｒを算出する。ステップＳＳ１０において、負担値Ｒと（β×リスク値ｒ）とを比較して、負担値Ｒ≧（β×リスク値ｒ）であるときには、ステップＳＳ１１に進んでスピーカー６及びバイブレータ６０のうちのステップＳＳ１で選択された一方又は両方から警告を発信する。また、負担値Ｒ＜（β×リスク値ｒ）であるときには、ステップＳＳ８に戻る。ステップＳＳ８は予めＣＰＵ５０に設定されているサンプリング間隔で繰返される。
【０１１６】
ステップＳＳ１１において、警告が発信された後、ステップＳＳ１２において、作業者Ｍは、腰痛予防装置１０の電源スイッチをＯＦＦにするか否かの選択を行い、電源スイッチをＯＦＦにすることにより、腰痛予防装置１０による腰部の負担の監視を終了する。また、電源スイッチをＯＦＦにしない場合には、ステップＳＳ８に戻る。
【０１１７】
（５）腰痛予防装置１０の効果
このような本実施形態の構成によると、腰痛予防装置１０は、作業者Ｍの体幹Ｂの体幹角度θと、足底Ｓに作用する荷重Ｗａと、作業者Ｍの手Ｈａの位置と、手Ｈａに作用する荷重α２に基づいて腰椎Ｌｕの椎間板に発生する圧迫力を負担値Ｒとして算出する。よって、作業者Ｍの手Ｈａの位置を考慮して腰部の負担値Ｒを算出するため、腰部の負担値Ｒの算出精度が向上し、腰痛の発生を予防する効果がより高くなる。また、手Ｈａに作用する荷重α２と、肩に作用する荷重α１（＝全負荷荷重α−手に作用する荷重α２）とを区別して腰部の負担値Ｒを算出できるため、手Ｈａのみに全負荷荷重αが作用すると仮定する場合よりも、腰部の負担値Ｒの算出精度が向上し、腰痛の発生を過剰に予防することなく適切に予防することができる。
【０１１８】
また、本実施形態の構成によると、作業者Ｍの手Ｈａの位置を算出するために必要な体幹Ｂの長さＬ、上腕Ａ１の長さＬ１及び前腕Ａ２の長さＬ２の各入力値を身長Ｈと各入力値との相関に基づいて定めている。よって、作業者Ｍの身長Ｈを入力値とするだけで、作業者Ｍの手Ｈａの位置を算出するために必要な人体の長さに関する各入力値を定めることが可能であり簡便である。本実施形態における他の効果については、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【０１１９】
＜その他の実施形態＞
なお、本発明の腰痛予防装置及びその作動方法は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができることは言うまでもない。
【０１２０】
例えば、第１及び第２実施形態においては、作業者Ｍに一つの角度センサ２を装着しているが、作業者Ｍの背中に沿って複数個の角度センサ２を配置してもよい。この場合、複数個の角度センサ２が検出した角度情報を平均化することによって体幹角度θの精度を高めたり、各角度センサ２が検出した角度情報と各角度センサ２同士の間隔とに基づいて脊椎Ｓｐの湾曲状況を算出して体幹角度θの精度を高めたりすることができる。
【０１２１】
また、第１及び第２実施形態においては、角度センサ２及び制御ユニット４、４０をそれぞれ別々のベルト２ｂ及び４ｂにより作業者Ｍの体幹Ｂに装着しているが、例えば、専用のベスト（上着）に角度センサ２及び制御ユニット４、４０を装備して、作業者Ｍがこのベストを着用することにより角度センサ２及び制御ユニット４、４０を装着してもよい。このように、専用のベストに角度センサ２及び制御ユニット４、４０を装備する場合には、複数個の角度センサ２を配置しやすく、また、角度センサ２と制御ユニット４、４０とを有線で繋ぐことも可能となる。
【０１２２】
また、第２実施形態においては、角度センサ２１及び２２をそれぞれ別々のベルト２１ｂ及び２２ｂに装備して作業者Ｍの上腕Ａ１及び前腕Ａ２に装着しているが、例えば、一つの肘サポーターに上腕Ａ１用の角度センサ２１及び前腕Ａ２用の角度センサ２２をそれぞれ装備して、作業者Ｍがこの肘サポーターを装着することにより角度センサ２１及び２２を装着してもよい。
【０１２３】
また、第１実施形態においては、作業者Ｍが装着する制御ユニット４に、ＣＰＵ（負担値算出手段、リスク値設定手段、警告手段）５と、スピーカー（警告手段）６と、端末７とを一体に備えているが、例えば、ＣＰＵ５と、スピーカー６と、端末７とを別体としてもよい。端末７については、作業者Ｍとは別の場所に置いておいてもよい。第２実施形態においても同様に、ＣＰＵ５０と、スピーカー６と、バイブレータ６０と端末７０とを別体としてもよい。
【０１２４】
また、第１実施形態においては、警告としてスピーカー６による警告音、第２実施形態においては、警告としてスピーカー６による警告音及びバイブレータ６０による振動のうちのいずれか一方又は両方を用いているが、警告の種類はこれに限らない。例えば、警告として、ランプの点灯、電光掲示板への表示、作業管理者の監視画面への表示、及びこれらの警告を適宜併用して用いることもできる。
【０１２５】
また、第１実施形態においては、力の釣り合い式（式１）〜（式４）により、第２実施形態においては、力の釣り合い式（式１０）〜（式４０）により、椎間板圧迫力（負担値）Ｒを算出しているが、負担値Ｒの算出方法はこれに限定されず他の算出式を用いることもできる。例えば、Fisher、Morrisの式を用いた「腹圧」を考慮した力の釣り合い式を用いることもできる（参考文献５：N.Badler, D.Metaxas,B.Webber and M.Steedman:”The Center for Human Modeling and Simulation” Vol.4,No.1,81-96（1995））。
【０１２６】
また、第２実施形態においては、作業者Ｍが腕を前方に伸ばして荷物Ｐ１を手Ｈａと肩とで持ち上げる作業状況を想定して、荷重センサ３０により手Ｈａに作用する荷重α２を検出する構成としている。しかし、作業者Ｍが肩を利用することなく荷重Ｐ１を手Ｈａのみで持ち上げる作業状況においては、手Ｈａに作用する荷重α２が全負荷荷重αとなるため、手Ｈａに作用する荷重α２を検出する必要はなく、作業者Ｍは荷重センサ３０が装備された作業手袋３０ｂを装着する必要はない。
【０１２７】
また、第２実施形態においては、作業者Ｍが両腕を均等に前方に伸ばして荷重Ｐ１を持ち上げる作業状況を想定して、脊椎Ｓｐ、上腕Ａ１及び前腕Ａ２を３連結の剛体と見なした簡易計算モデルを作成して、椎間板圧迫力Ｒを算出している。しかし、作業者Ｍの両腕の伸び方が左右で異なっていたり、作業者Ｍが左右一方の腕のみで荷重を持ち上げたりする作業状況も想定できる。この場合には、脊椎Ｓｐから右腕に繋がる３連結の剛体と、脊椎Ｓｐから左腕に繋がる３連結の剛体とに分けた簡易計算モデルを作成すればよい。そして、（式１０）に示したモーメントの釣り合い式に、右腕によるモーメントと、左腕によるモーメントとを個々に考慮すると共に、（式２０）に示した力の釣り合い式に、右腕に作用する荷重と、左腕に作用する荷重とを個々に考慮すればよい。
【０１２８】
また、第１及び第２実施形態においては、作業者Ｍの性別及び年齢からリスク値ｒを設定しているが、リスク値ｒの設定方法はこれに限らない。例えば、作業者Ｍの性別、年齢及び体重Ｗから作業者Ｍの体重Ｗを反映したリスク値ｒを算出してもよい。この場合、図６に示すフローチャートにおいて、ステップＳ３の後にステップＳ２を行うこととなる。また、図１０に示すフローチャートにおいて、ステップＳＳ５の後にステップＳＳ２を行うこととなる。さらに、作業者Ｍの体幹角度θも考慮して作業姿勢を反映したリスク値ｒを算出してもよい。この場合、図６に示すフローチャートにおいて、ステップＳ６の後にステップＳ２を行うこととなる。また、図１０に示すフローチャートにおいて、ステップＳＳ８の後にステップＳＳ２を行うこととなる。
【０１２９】
なお、第１及び第２実施形態の腰痛予防装置１及び１０を用いれば、作業者Ｍの腰椎Ｌｕの椎間板に発生する椎間板圧迫力（負担値）Ｒを電子データとして残すことも可能である。したがって、この電子データを作業者Ｍが受けた作業負荷の記録として保存しておくことができる。
【符号の説明】
【０１３０】
１    …  腰痛予防装置
２、２’、２’’…  角度センサ（体幹角度検出手段）
３    …  荷重センサ（足底荷重検出手段）
５    …  ＣＰＵ（負担値算出手段、リスク値設定手段、警告手段）
６    …  スピーカー（警告手段）      ７    …  端末
１０  …  腰痛予防装置                ２１  …  角度センサ（上腕角度検出手段）
２２  …  角度センサ（前腕角度検出手段）
３０  …  荷重センサ（手荷重検出手段）
５０  …  ＣＰＵ（負担値算出手段、リスク値設定手段、手位置算出手段、警告手段）
６０  …  バイブレータ（警告手段）    ７０  …  端末
Ａ１  …  上腕                        Ａ２  …  前腕
Ｂ    …  体幹                        Ｈ    …  身長
Ｈａ  …  手                          Ｌ    …  体幹の長さ
Ｌ１  …  上腕の長さ                  Ｌ２  …  前腕の長さ
Ｍ    …  作業者（人）
Ｒａ  …  椎間板圧迫力の許容値（リスク値）
Ｒ    …  椎間板圧迫力（負担値）      ｒ    …  リスク値
Ｓ    …  足底                        Ｓｐ  …  脊椎
Ｔｈ  …  胸椎                        Ｌｕ  …  腰椎
Ｗａ  …  全荷重（荷重）              α２  …  手に作用する荷重
θ    …  体幹角度                    θ１  …  上腕角度
θ２  …  前腕角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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