(57)【要約】【課題】人間の筋活性度をより精度よく推定する。【解決手段】人間のうちの解析部位における関節および筋のそれぞれの運動状態量を関節運動状態量および筋運動状態量として入力するとともに、人間のうちの接触部位と対象物とが互いに物理的に接触する状態における対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、対象物単独の物理特性からの増分を、人間単独の物理特性と等価である等価物理特性として入力する（Ｓ１００２）。入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づき、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように、筋活性度を算出する（Ｓ１００５）。前記推定値は、前記筋活性度と前記筋の運動状態量と前記関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数を用いて記述する。【選択図】図１２
2006110217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度を筋活性度としてコンピュータによって推定する筋活性度推定方法であって、
前記解析部位における関節および筋のそれぞれの運動状態量を関節運動状態量および筋運動状態量として入力するとともに、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分を、前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性として入力する入力工程と、
前記筋活性度を、前記入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づき、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、前記対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように算出する筋活性度算出工程であって、前記推定値は、前記筋活性度と前記筋の運動状態量と前記関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数を用いて記述されるものと
を含む筋活性度推定方法。
【請求項２】
前記入力工程は、さらに、前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力を入力し、
当該筋活性度推定方法は、さらに、
前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用する関節トルクを算出する関節トルク算出工程を含み、
前記筋活性度算出工程は、前記筋活性度を、前記合計値が実質的に最小となり、かつ、前記関節トルクと前記筋の筋力との間に力のつりあいが実質的に成立するように算出する請求項１に記載の筋活性度推定方法。
【請求項３】
前記関節トルク算出工程は、
（ａ）前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、前記逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用するみかけ関節トルクであって実関節トルクと関節受動抵抗トルクとが合成されたものを算出するみかけ関節トルク算出工程と、
（ｂ）その算出されたみかけ関節トルクと前記関節受動抵抗トルクとから、前記実関節トルクとして算出する実関節トルク算出工程と
を含み、
前記筋活性度算出工程は、その算出された実関節トルクを用いて前記筋活性度を算出する請求項２に記載の筋活性度推定方法。
【請求項４】
前記関節トルク算出工程は、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の骨に関して物理的に表現する骨格モデルを用い、かつ、その骨格モデルに、予め定められた動作を与えることにより、前記関節トルクを算出する工程を含む請求項２または３に記載の筋活性度推定方法。
【請求項５】
前記骨格モデルは、前記人間の体である人体を構成する複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現する多関節剛体モデルを含む請求項４に記載の筋活性度推定方法。
【請求項６】
さらに、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の筋と前記複数の骨とに関して物理的に表現する筋骨格モデルを用い、かつ、その筋骨格モデルに、予め定められた動作を与えることにより、前記筋運動状態量を算出する筋運動状態量算出工程を含む請求項１ないし５のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【請求項７】
前記筋骨格モデルは、前記人間の体である人体を構成する複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現するとともに、前記複数の筋をそれぞれ複数のワイヤ要素として表現する請求項６に記載の筋活性度推定方法。
【請求項８】
前記関節運動状態量は、前記関節の角度と角速度と角加速度とのうちの少なくとも一つを含み、
前記筋運動状態量は、前記筋の長さとその変化速度とのうちの少なくとも一つを含む請求項１ないし７のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【請求項９】
前記人間は、主として複数の筋要素モデルと複数の骨要素モデルとによって構成され、各筋要素モデルに割り当てられた剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋要素モデルに割り当てられた活性度に応じて変化する特性を有する人体モデルによって前記コンピュータ上において表現される請求項１ないし８のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【請求項１０】
前記人間は、車両に乗車している乗員であり、
前記対象物は、前記車両が障害物に衝突すると前記乗員が衝突することが想定される前記車両の構造物であり、
当該筋活性度推定方法によって推定される筋活性度は、前記構造物への衝突に対する前記乗員の応答挙動を解析するために用いられる請求項１ないし９のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【請求項１１】
前記人間は、車両に乗車している乗員であり、
前記対象物は、その車両内において前記乗員によって操作されることが想定される操作装置であり、
当該筋活性度推定方法によって推定される筋活性度は、前記操作装置の操作に応答する前記乗員の応答挙動を解析するために用いられる請求項１ないし９のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【請求項１２】
前記操作装置は、ブレーキ操作装置と、アクセル操作装置と、ステアリング操作装置と、シフト操作装置とのうちの少なくとも一つを含む請求項１１に記載の筋活性度推定方法。
【請求項１３】
前記乗員は、前記車両の運転者であり、
前記車両は、それの走行状態と挙動とのうちの少なくとも一方が前記運転者の意思とは無関係に自動的に制御されるものであり、
当該筋活性度推定方法は、前記車両の走行状態と挙動とのうちの少なくとも一方の自動制御状態を考慮して前記応答挙動を解析するために用いられる請求項１０ないし１２のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【請求項１４】
主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つを接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された選択部位における複数の筋がそれぞれ示す筋力をコンピュータによって推定する筋力推定方法であって、
請求項１ないし１３のいずれかに記載の筋活性度推定方法と、
その筋活性度推定方法によって推定された筋活性度に基づき、筋活性度と筋力との間に予め定められた関係に従い、筋力を算出する筋力算出工程と
を含む筋力推定方法。
【請求項１５】
前記予め定められた関係は、各筋につき、筋活性度と、最大筋力と、筋長と、筋長変化速度との間に予め定められた関係を含む請求項１４に記載の筋力推定方法。
【請求項１６】
主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つを接触部位としてその接触部位において対象物に衝突する直前と直後との少なくとも一方である解析対象期間において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された選択部位において示す挙動をコンピュータによって推定する人間挙動推定方法であって、
請求項１ないし１３のいずれかに記載の筋活性度推定方法と、
前記解析対象期間において前記人間に作用する外力および変位を入力する入力工程と、
それら入力された外力および変位と、前記筋活性度推定方法によって推定された筋活性度とに基づき、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の筋と前記複数の骨とに関して物理的に表現する人間物理モデルを用いることにより、前記解析対象期間において前記人間が示す挙動を算出する挙動算出工程と
を含む人間挙動推定方法。
【請求項１７】
人間の体である人体を複数の有限要素によって表現する有限要素人体モデルであって、前記人間を構成する複数の部位と前記複数の有限要素との帰属関係が予め設定されたものを用いることにより、人間が示す挙動を解析する人間挙動解析方法であって、
前記有限要素人体モデルを構成する前記複数の有限要素を前記帰属関係に従って分類して結合することにより、前記複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現する骨格モデルを作成する骨格モデル作成工程と、
前記有限要素モデルにおける前記複数の有限要素のうち前記複数の筋を表現するものに従い、前記作成された骨格モデル上に、複数の筋をそれぞれワイヤとして表現するワイヤ要素を、各筋の前記各剛体セグメントに対する付着点および途中の経由点の位置と共に定義することにより、筋骨格モデルを作成する筋骨格モデル作成工程と、
それら作成された骨格モデルおよび筋骨格モデルを用いることにより、指定された環境において前記人間が示す挙動を前記有限要素人体モデルを用いて解析するのに必要な情報を取得する情報取得工程と、
前記作成された筋骨格モデルから前記有限要素人体モデルを、前記取得された情報を表現するように復元する有限要素人体モデル復元工程と、
その復元された有限要素人体モデルを用いることにより、前記指定された環境において前記人間が示す挙動を算出する挙動算出工程と
を含む人間挙動解析方法。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれかに記載の方法を実施するためにコンピュータにより実行されるプログラム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のプログラムをコンピュータ読取り可能に記録した記録媒体。
【請求項２０】
主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度を筋活性度として推定する筋活性度推定システムであって、
前記解析部位における関節および筋のそれぞれの運動状態量を関節運動状態量および筋運動状態量として入力するとともに、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分を、前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性として入力する入力手段と、
前記筋活性度を、それら入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づき、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、前記対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように算出する筋活性度算出手段であって、前記推定値は、前記筋活性度と前記筋の運動状態量と前記関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数を用いて記述されるものと
を含む筋活性度推定システム。
【請求項２１】
前記入力手段は、さらに、前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力を入力し、
当該筋活性度推定システムは、さらに、
前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用する関節トルクを算出する関節トルク算出手段を含み、
前記筋活性度算出手段は、前記筋活性度を、前記合計値が実質的に最小となり、かつ、前記関節トルクと前記筋の筋力との間に力のつりあいが実質的に成立するように算出する請求項２０に記載の筋活性度推定システム。
【請求項２２】
主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度が筋活性度としてコンピュータによる検索プログラムの実行によって読み出される筋活性度データベースであって、
（ａ）前記解析部位における関節の運動状態量である関節運動状態量と、
（ｂ）前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性であって、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分に等しいものと、
（ｃ）前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力と、
（ｄ）前記筋活性度と
を含む複数の物理量がそれぞれ変数として相互に関連付けて予め記録されるとともに、前記検索プログラムの実行によって前記関節運動状態量と前記等価物理特性と前記接触力との組合せが特定されれば、その組合せに関連付けられた筋活性度が前記検索プログラムの実行によって特定されて出力される筋活性度データベース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間の筋の活性度を推定する技術に関するものであり、特に、その推定精度を向上させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人間の挙動を解析する技術が既に存在する。人間の挙動は、一般には、静的挙動すなわち姿勢と、動的挙動すなわち運動とを含む用語として使用される。この種の挙動解析技術は、医学的解析、解剖学的解析、人間工学的解析、生体工学的解析、仮想の人間が登場する映像を制作するコンピュータグラフィックス等の分野において実施される。
【０００３】
この種の挙動解析技術は、人間の挙動を数値的に解析する分野において実施される場合がある。この場合には、この種の挙動解析技術は、例えば、人間の挙動を幾何学的に解析するために実施されたり、力学的に解析するために実施される。
【０００４】
さらに、この種の挙動解析技術は、人間の挙動をモーションキャプチャ等を用いて現実に測定して解析することを目的として実施される場合があるが、指定された環境において人間が示す挙動を予測することを目的として実施される場合もある。ただし、後者の目的を達成するために、人間の挙動をモーションキャプチャ等を用いて実測した結果を参照することが可能である。
【０００５】
この種の挙動解析技術が人間の挙動を予測することを目的として実施される分野の一例は、人間が移動体としての車両において示す挙動を予測する分野である。
【０００６】
この分野においては、例えば、車両の設計に先行するかまたはそれと並行して、車両が障害物に衝突するかまたは衝突しそうになったために乗員が車両の構造物に衝突したことに応答するその乗員の挙動（変位および負荷）が解析される。その解析結果は、車両設計にフィードバックされることにより、衝突特性が改善された車両の設計に役立つ。
【０００７】
また、この分野においては、車両の設計に先行するかまたはそれと並行して、車両において乗員が操作装置（例えば、ブレーキ操作装置、アクセル操作装置、ステアリング操作装置）を操作することに応答する人間の挙動（変位および負荷）が解析される。その解析結果は、車両設計にフィードバックされることにより、操作フィーリングが改善された操作装置の設計に役立つ。
【０００８】
特許文献１は、人体の動きをシミュレーションによってアニメーション化する際、手間がかからずに自然な動きが再現されるようにするため、最小筋肉動作関数を目的関数とする最適制御理論に基づき、動力学を基礎に人体の動きをシミュレーションによって推定する技術を開示している。
【０００９】
特許文献２は、骨の幾何データと筋・腱・靭帯のデータを持った人体の詳細なモデルを市販のモデリングソフトウエアによって作成可能とすることを目的として、そのモデルに対して順動力学計算（筋力から運動を計算する処理）および逆動力学計算（運動を行うのに必要な筋力・靭帯力を計算する処理）を高速に実行する技術を開示している。この技術においては、関節トルクと筋力との間に力のつりあいが成立するように、人体モデルを用いた力学計算が行われる。
【特許文献１】特開平１１−８５２０９号公報
【特許文献２】特開２００３−３３９６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
人間の挙動を解析するためには、その人間に作用する外力を特定することが必要であることはもちろんであるが、人間は、力を発生させて外部に出力するメカニズム、すなわち、筋組織を有するため、その筋組織の出力を特定することも必要である。
【００１１】
したがって、人間の挙動の解析精度を向上させるためには、現実の人間の筋の特性が反映されるように、人間挙動解析を行うことが重要である。一方、筋の特性においては、力と変位とを互いに関連付ける物理量としての剛性（弾性ともいう。）や、力と変位速度とを互いに関連付ける物理量としての粘性（減衰係数ともいう。）が筋物理特性として存在する。よって、人間挙動の解析精度を向上させるためには、筋物理特性を考慮して人間挙動解析を行うことが有効である。
【００１２】
筋物理特性は、筋の種類ごとに一意に決まるわけではなく、また、筋長（姿勢）および筋長変化速度（姿勢変化速度）ごとに一意に決まるわけでもない。それら筋長および筋長変化速度という筋の運動状態量から独立した物理量として筋の活性度が存在し、この筋活性度によって筋物理特性が左右されるのである。したがって、筋物理特性が十分に正確に反映されるように人間挙動解析を行うためには、筋物理特性が筋活性度に依存するという性質を前提として、筋活性度を考慮することが重要である。
【００１３】
筋活性度は、必ずしも人間の脳からの指令に付随するとは限らない。人間の能動挙動に限って筋活性度が増加するというわけではないのであるが、特に能動挙動を考慮して人間挙動を解析することが必要である場合に、筋活性度を考慮することが解析精度の向上に重要である。能動挙動には、例えば、障害物に衝突する車両における乗員が危険を自ら回避する動作があり、この危険回避動作には、例えば、身構え、逃げ、反射運動、ブレーキ操作等がある。
【００１４】
しかしながら、人間の挙動を解析する従来の手法においては、筋物理特性が筋活性度に依存するという性質を前提として筋活性度が考慮されるようにはなっていない。そのため、従来の手法では、人間挙動を十分に正確に解析することは困難である。
【００１５】
以下、このことをより具体的に説明する。
【００１６】
従来の手法においては、解析対象である人間の挙動が、人間は筋力を無駄なく、効率よく使用するようになっているであろうという仮定に立って推定される。
【００１７】
しかしながら、実際の人間の挙動は、動作を効率的に行うことを目的として行われる場合のみならず、人間のうちの特定の部位、例えば、手先の位置を制御するし易さを高めることを目的として行われる場合や、緊急時などで手先における力を最大にすることを目的として行われる場合もある。後者の２つの場合においては、手先の筋の活性度が平常時より高められ、その結果、筋の剛性を含む筋物理特性も平常時より高められる。
【００１８】
しかしながら、従来の手法は、上述の事実を考慮することなく人間挙動を解析するため、この従来の手法では、任意の動作を対象として筋力を正確に推定することが困難である。
【００１９】
以上説明した事情を背景として、本発明は、人間の筋活性度をより精度よく推定することを課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本発明が採用し得る技術的特徴の一部およびそれの組合せの理解を容易にするためであり、本発明が採用し得る技術的特徴およびそれの組合せが以下の態様に限定されると解釈されるべきではない。すなわち、下記の態様には記載されていないが本明細書には記載されている技術的特徴を本発明の技術的特徴として適宜抽出して採用することは妨げられないと解釈すべきである。
【００２１】
さらに、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することが必ずしも、各項に記載の技術的特徴を他の項に記載の技術的特徴から分離させて独立させることを妨げることを意味するわけではなく、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能であると解釈されるべきである。
【００２２】
（１）  主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度を筋活性度としてコンピュータによって推定する筋活性度推定方法であって、
前記解析部位における関節および筋のそれぞれの運動状態量を関節運動状態量および筋運動状態量として入力するとともに、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分を、前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性として入力する入力工程と、
前記筋活性度を、前記入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づき、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、前記対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように算出する筋活性度算出工程であって、前記推定値は、前記筋活性度と前記筋の運動状態量と前記関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数を用いて記述されるものと
を含む筋活性度推定方法。
【００２３】
人間のうちの接触部位と対象物とが互いに物理的に接触する状態においては、その対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性が、その対象物単独の物理特性から増加する。その増分は、人間単独の物理特性と等価であり、等価物理特性として機能する。
【００２４】
一方、人間単独の物理特性（剛性と粘性との少なくとも一方）と、筋活性度と、筋運動状態量と、関節運動状態量との間に一定の関係が成立する。このことについては後に詳述する。また、それら変数のうち、筋運動状態量と関節運動状態量とは、種々の手法によって容易に取得することが可能である。
【００２５】
そこで、本項に係る筋活性度推定方法においては、筋活性度が、入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づいて算出される。具体的には、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように、筋活性度が算出される。ここに、等価物理特性の推定値は、筋活性度と筋の運動状態量と関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数を用いて記述され、その関数は予め特定される。
【００２６】
したがって、この筋活性度推定方法によれば、関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づいて筋活性度を推定することが可能となる。
【００２７】
（２）  前記入力工程は、さらに、前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力を入力し、
当該筋活性度推定方法は、さらに、
前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用する関節トルクを算出する関節トルク算出工程を含み、
前記筋活性度算出工程は、前記筋活性度を、前記合計値が実質的に最小となり、かつ、前記関節トルクと前記筋の筋力との間に力のつりあいが実質的に成立するように算出する（１）項に記載の筋活性度推定方法。
【００２８】
人間の各部位から発生する力は普通、複数の筋によって発生させられた複数の力の合力である。一方、筋活性度は、各筋ごとに推定することが理想的であるが、主に複数の筋の合力と、複数の筋の合成剛性または合成粘性とから各筋ごとの筋活性度を推定しなければならない解析環境にあっては、筋運動状態量と関節運動状態量との間、すなわち、筋力と関節トルクとの間における力のつりあいをも前提にして、筋活性度を算出することが望ましい。
【００２９】
このような知見に基づき、本項に係る筋活性度推定方法においては、関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づき、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となり、かつ、関節トルクと筋力との間に力のつりあいが実質的に成立するように、筋活性度が算出される。
【００３０】
したがって、この筋活性度推定方法によれば、関節トルクと筋力との間に力のつりあいを考慮しないで筋活性度を推定する場合より、その推定精度を向上させることが容易となる。
【００３１】
（３）  前記関節トルク算出工程は、
（ａ）前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、前記逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用するみかけ関節トルクであって実関節トルクと関節受動抵抗トルクとが合成されたものを算出するみかけ関節トルク算出工程と、
（ｂ）その算出されたみかけ関節トルクと前記関節受動抵抗トルクとから、前記実関節トルクとして算出する実関節トルク算出工程と
を含み、
前記筋活性度算出工程は、その算出された実関節トルクを用いて前記筋活性度を算出する（２）項に記載の筋活性度推定方法。
【００３２】
この筋活性度推定方法によれば、関節受動抵抗トルクを考慮しないで関節トルクが算出される場合より、その算出精度を向上させることが容易となる。
【００３３】
（４）  前記関節トルク算出工程は、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の骨に関して物理的に表現する骨格モデルを用い、かつ、その骨格モデルに、予め定められた動作を与えることにより、前記関節トルクを算出する工程を含む（２）または（３）項に記載の筋活性度推定方法。
【００３４】
本項および下記の各項における「モデル」は、人間全身を表現する全身モデルとしたり、人間のうちの一部を表現する局部モデルとすることが可能である。
【００３５】
（５）  前記骨格モデルは、前記人間の体である人体を構成する複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現する多関節剛体モデルを含む（４）項に記載の筋活性度推定方法。
【００３６】
この筋活性度推定方法によれば、多関節剛体モデルを用いることにより、有限要素人体モデルを用いる場合より、関節トルクを簡単に計算することが容易となる。
【００３７】
（６）  さらに、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の筋と前記複数の骨とに関して物理的に表現する筋骨格モデルを用い、かつ、その筋骨格モデルに、予め定められた動作を与えることにより、前記筋運動状態量を算出する筋運動状態量算出工程を含む（１）ないし（５）項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【００３８】
（７）  前記筋骨格モデルは、前記人間の体である人体を構成する複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現するとともに、前記複数の筋をそれぞれ複数のワイヤ要素として表現する多関節剛体モデルを含む（６）項に記載の筋活性度推定方法。
【００３９】
この筋活性度推定方法によれば、多関節剛体モデルを用いることにより、有限要素人体モデルを用いる場合より、筋運動状態量を簡単に計算することが容易となる。
【００４０】
（８）  前記関節運動状態量は、前記関節の角度と角速度と角加速度とのうちの少なくとも一つを含み、
前記筋運動状態量は、前記筋の長さとその変化速度とのうちの少なくとも一つを含む（１）ないし（７）項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【００４１】
（９）  前記人間は、主として複数の筋要素モデルと複数の骨要素モデルとによって構成され、各筋要素モデルに割り当てられた剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋要素モデルに割り当てられた活性度に応じて変化する特性を有する人体モデルによって前記コンピュータ上において表現される（１）ないし（８）項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【００４２】
（１０）  前記人間は、車両に乗車している乗員であり、
前記対象物は、前記車両が障害物に衝突すると前記乗員が衝突することが想定される前記車両の構造物であり、
当該筋活性度推定方法によって推定される筋活性度は、前記構造物への衝突に対する前記乗員の応答挙動を解析するために用いられる（１）ないし（９）項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【００４３】
（１１）  前記人間は、車両に乗車している乗員であり、
前記対象物は、その車両内において前記乗員によって操作されることが想定される操作装置であり、
当該筋活性度推定方法によって推定される筋活性度は、前記操作装置の操作に応答する前記乗員の応答挙動を解析するために用いられる（１）ないし（９）項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【００４４】
（１２）  前記操作装置は、ブレーキ操作装置と、アクセル操作装置と、ステアリング操作装置と、シフト操作装置とのうちの少なくとも一つを含む（１１）項に記載の筋活性度推定方法。
【００４５】
本項における「ブレーキ操作装置」、「アクセル操作装置」、「ステアリング操作装置」および「シフト操作装置」はそれぞれ、乗員によって操作される操作部材（例えば、ブレーキペダル、アクセルペダル、ステアリングホイール、シフトレバー、スイッチ、ダイヤル、ボタン等）を有するように構成される。
【００４６】
（１３）  前記乗員は、前記車両の運転者であり、
前記車両は、それの走行状態と挙動とのうちの少なくとも一方が前記運転者の意思とは無関係に自動的に制御されるものであり、
当該筋活性度推定方法は、前記車両の走行状態と挙動とのうちの少なくとも一方の自動制御状態を考慮して前記応答挙動を解析するために用いられる（１０）ないし（１２）項のいずれかに記載の筋活性度推定方法。
【００４７】
（１４）  主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つを接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された選択部位における複数の筋がそれぞれ示す筋力をコンピュータによって推定する筋力推定方法であって、
（１）ないし（１３）項のいずれかに記載の筋活性度推定方法と、
その筋活性度推定方法によって推定された筋活性度に基づき、筋活性度と筋力との間に予め定められた関係に従い、筋力を算出する筋力算出工程と
を含む筋力推定方法。
【００４８】
この筋力推定方法においては、筋活性度が可変物理量として扱われる状態において、前記（１）に係る筋活性度推定方法と同じ原理に従い、筋活性度が推定され、さらに、その推定された筋活性度を用いて筋力が推定される。
【００４９】
したがって、この筋力推定方法によれば、筋活性度が固定物理量として扱われる状態において筋力が推定される場合より、その推定精度を向上させることが容易である。
【００５０】
（１５）  前記予め定められた関係は、各筋につき、筋活性度と、最大筋力と、筋長と、筋長変化速度との間に予め定められた関係を含む（１４）項に記載の筋力推定方法。
【００５１】
（１６）  主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つを接触部位としてその接触部位において対象物に衝突する直前と直後との少なくとも一方である解析対象期間において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された選択部位において示す挙動をコンピュータによって推定する人間挙動推定方法であって、
請求項１ないし１３のいずれかに記載の筋活性度推定方法と、
前記解析対象期間において前記人間に作用する外力および変位を入力する入力工程と、
それら入力された外力および変位と、前記筋活性度推定方法によって推定された筋活性度とに基づき、前記コンピュータ上において前記人間を少なくとも前記複数の筋と前記複数の骨とに関して物理的に表現する人間物理モデルを用いることにより、前記解析対象期間において前記人間が示す挙動を算出する挙動算出工程と
を含む人間挙動推定方法。
【００５２】
この人間挙動推定方法においては、筋活性度が可変物理量として扱われる状態において、前記（１）に係る筋活性度推定方法と同じ原理に従い、筋活性度が推定され、さらに、その推定された筋活性度を用いて人間挙動が推定される。
【００５３】
したがって、この人間挙動推定方法によれば、筋活性度が固定物理量として扱われる状態において人間挙動が推定される場合より、その推定精度を向上させることが容易である。
【００５４】
さらに、筋活性度が可変物理量として扱われることは、例えば人間の意識の有無や強さに応じた筋活性度の変化を考慮して人間挙動を解析することが可能になることを意味する。したがって、この人間挙動推定方法によれば、例えば、能動的な挙動をも含めて人間挙動を解析することが容易となる。
【００５５】
（１７）  人間の体である人体を複数の有限要素によって表現する有限要素人体モデルであって、前記人間を構成する複数の部位と前記複数の有限要素との帰属関係が予め設定されたものを用いることにより、人間が示す挙動を解析する人間挙動解析方法であって、
前記有限要素人体モデルを構成する前記複数の有限要素を前記帰属関係に従って分類して結合することにより、前記複数の部位を、それぞれ複数の剛体セグメントとして、それら複数の剛体セグメントが関節まわりに回動可能であるように表現する骨格モデルを作成する骨格モデル作成工程と、
前記有限要素モデルにおける前記複数の有限要素のうち前記複数の筋を表現するものに従い、前記作成された骨格モデル上に、複数の筋をそれぞれワイヤとして表現するワイヤ要素を、各筋の前記各剛体セグメントに対する付着点および途中の経由点の位置と共に定義することにより、筋骨格モデルを作成する筋骨格モデル作成工程と、
それら作成された骨格モデルおよび筋骨格モデルを用いることにより、指定された環境において前記人間が示す挙動を前記有限要素人体モデルを用いて解析するのに必要な情報を取得する情報取得工程と、
前記作成された筋骨格モデルから前記有限要素人体モデルを、前記取得された情報を表現するように復元する有限要素人体モデル復元工程と、
その復元された有限要素人体モデルを用いることにより、前記指定された環境において前記人間が示す挙動を算出する挙動算出工程と
を含む人間挙動解析方法。
【００５６】
一般に、人間の挙動を解析するために、有限要素人体モデルを用いて有限要素解析を行う手法と、多関節剛体モデル（マルチボディモデル）を用いて単純な力学計算を行う手法とが存在する。
【００５７】
前者の手法は、解析対象の各部位の変形および変位を正確に解析し得るという利点がある反面、計算負荷が大きいという問題や、人間の能動的な動作のように、解析対象の変位量が大きく、その解析対象を表現する各要素が大きく変形する問題を解析する場合には、解析精度が著しく低下してしまうという問題がある。
【００５８】
これに対し、後者の手法は、計算負荷が軽く、また、大きい運動をも容易に扱えることを利点としており、この利点は、前者の手法の欠点である。
【００５９】
そこで、本項に係る人間挙動解析方法においては、人間挙動の最終的な解析は有限要素人体モデルを用いて行うものの、その有限要素解析の精度を向上させるのに必要な情報であって同じ有限要素人体モデルを用いて取得することが困難であるものが、骨格モデルと筋骨格モデルとを用いて取得される。
【００６０】
したがって、この人間挙動解析方法によれば、有限要素人体モデルを用いた有限要素解析の欠点を、共に多関節剛体モデルである骨格モデルと筋骨格モデルの利点によって補うことにより、人間挙動の精度向上と計算負荷軽減との両立を図ることが容易となる。
【００６１】
さらに、この人間挙動解析方法によれば、有限要素人体モデルから骨格モデルが作成され、その作成された骨格モデルから筋骨格モデルが作成されるため、骨格モデルと筋骨格モデルとについては、有限要素人体モデルとの間において特性共通化を容易に行いつつ、有限要素人体モデルに依拠せずに０から作成する場合より簡単に作成することが容易となる。
【００６２】
（１８）  （１）ないし（１７）項のいずれかに記載の方法を実施するためにコンピュータにより実行されるプログラム。
【００６３】
このプログラムがコンピュータにより実行されれば、前記（１）ないし（１７）項のいずれかに係る方法におけると基本的に同じ原理に従い、同様な効果が実現され得る。
【００６４】
本項に係るプログラムは、それの機能を果たすためにコンピュータにより実行される指令の組合せのみならず、各指令に従って処理されるファイルやデータをも含むように解釈することが可能である。
【００６５】
また、このプログラムは、それ単独でコンピュータにより実行されることにより、所期の目的を達するものとしたり、他のプログラムと共にコンピュータにより実行されることにより、所期の目的を達するものとすることができる。後者の場合、本項に係るプログラムは、データを主体とするものとすることができる。
【００６６】
（１９）  （１８）項に記載のプログラムをコンピュータ読取り可能に記録した記録媒体。
【００６７】
この記録媒体に記録されているプログラムがコンピュータにより実行されれば、前記（１）ないし（１７）項のいずれかに係る方法と同じ作用効果が実現され得る。
【００６８】
この記録媒体は種々な形式を採用可能であり、例えば、フレキシブル・ディスク等の磁気記録媒体、ＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の光記録媒体、ＭＯ等の光磁気記録媒体、ＲＯＭ等のアンリムーバブル・ストレージ等のいずれかを採用し得る。
【００６９】
（２０）  主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度を筋活性度として推定する筋活性度推定システムであって、
前記解析部位における関節および筋のそれぞれの運動状態量を関節運動状態量および筋運動状態量として入力するとともに、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分を、前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性として入力する入力手段と、
前記筋活性度を、それら入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性に基づき、その等価物理特性の入力値と推定値との差の、前記対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように算出する筋活性度算出手段であって、前記推定値は、前記筋活性度と前記筋の運動状態量と前記関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数を用いて記述されるものと
を含む筋活性度推定システム。
【００７０】
この筋活性度推定システムによれば、前記（１）項に係る筋活性度推定方法と基本的に同じ原理に従い、筋活性度が推定される。
【００７１】
前記筋活性度算出手段は、プロセッサとストレージとを含むコンピュータによって構成される態様で実施することが可能である。この態様においては、例えば、前記入力された関節運動状態量、筋運動状態量および等価物理特性をそれぞれ表すデータが前記ストレージから読み出され、その読み出されたデータと、前記ストレージに予め記憶された関係式（例えば、図１６における式（４）および式（５））とに基づき、最適化計算手法により、前記等価物理特性の入力値と、その等価物理特性の推定値であって前記筋活性度と前記筋の運動状態量と前記関節の運動状態量とをそれぞれ変数とする関数（例えば、図１８における式（７）ないし式（９）によって表される関数）を用いて記述されるものとの差の、前記対象物における全注目運動方向における合計値が実質的に最小となるように、前記筋活性度が算出される。
【００７２】
（２１）  前記入力手段は、さらに、前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力を入力し、
当該筋活性度推定システムは、さらに、
前記入力された関節運動状態量と接触力とに基づき、逆力学解析手法により、前記解析部位において前記関節まわりに作用する関節トルクを算出する関節トルク算出手段を含み、
前記筋活性度算出手段は、前記筋活性度を、前記合計値が実質的に最小となり、かつ、前記関節トルクと前記筋の筋力との間に力のつりあいが実質的に成立するように算出する（２０）項に記載の筋活性度推定システム。
【００７３】
この筋活性度推定システムにおいては、前記（２）項に係る筋活性度推定方法と基本的に同じ原理に従い、筋活性度が推定される。したがって、この筋活性度推定システムによれば、関節トルクと筋力との間における力のつりあいを考慮しないで筋活性度が推定される場合より高い精度で筋活性度を推定することが容易となる。
【００７４】
（２３）  主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度が筋活性度としてコンピュータによる検索プログラムの実行によって読み出される筋活性度データベースであって、
（ａ）前記解析部位における関節の運動状態量である関節運動状態量と、
（ｂ）前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性であって、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分に等しいものと、
（ｃ）前記接触部位と前記対象物との間にそれらの接触点において作用する接触力と、
（ｄ）前記筋活性度と
を含む複数の物理量がそれぞれ変数として相互に関連付けて予め記録されるとともに、前記検索プログラムの実行によって前記関節運動状態量と前記等価物理特性と前記接触力との組合せが特定されれば、その組合せに関連付けられた筋活性度が前記検索プログラムの実行によって特定されて出力される筋活性度データベース。
【００７５】
この筋活性度データベースによれば、関節運動状態量と等価物理特性と接触力とを含む複数の物理量の組合せを特定したうえで、当該筋活性度データベースに対して通常の検索プログラムをコンピュータによって実行すれば、特別な解析や計算を伴うことなく、その特定された組合せに対応する筋活性度が当該筋活性度データベースから読み出される。
【００７６】
この筋活性度データベースに記録される関節運動状態量と等価物理特性と接触力と筋活性度との間の関係は、例えば、前記（１）ないし（１６）項のいずれかに係る方法をコンピュータを用いて実施することによって取得することが可能である。
【００７７】
本項における「関節運動状態量」は、一般に、関節の角度と角速度と角加速度とのうちの少なくとも一つを含むように定義される。
【００７８】
（２４）  主として複数の筋と複数の骨とによって構成され、各筋の剛性と粘性とのうちの少なくとも一方である物理特性がその筋の活性度に応じて変化する特性を有する人間が、その人間を構成する複数の部位のうちの少なくとも一つの部位を接触部位としてその接触部位において対象物に接触する状態において、前記複数の部位のうち解析対象として選択された解析部位における複数の筋がそれぞれ示す活性度が筋活性度としてコンピュータによる検索プログラムの実行によって読み出される筋活性度データベースであって、
（ａ）前記解析部位における関節の運動状態量である関節運動状態量と、
（ｂ）前記解析部位における筋の運動状態量である筋運動状態量と、
（ｃ）前記人間単独の物理特性と等価である等価物理特性であって、前記接触部位と前記対象物とが互いに物理的に接触する状態における前記対象物の剛性と粘性との少なくとも一方である物理特性の、前記対象物単独の物理特性からの増分に等しいものと、
（ｄ）前記筋活性度と
を含む複数の物理量がそれぞれ変数として相互に関連付けて予め記録されるとともに、前記検索プログラムの実行によって前記関節運動状態量と前記筋運動状態量と前記等価物理特性との組合せが特定されれば、その組合せに関連付けられた筋活性度が前記検索プログラムの実行によって特定されて出力される筋活性度データベース。
【００７９】
この筋活性度データベースによれば、関節運動状態量と筋運動状態量と等価物理特性とを含む複数の物理量の組合せを特定したうえで、当該筋活性度データベースに対して通常の検索プログラムをコンピュータによって実行すれば、特別な解析や計算を伴うことなく、その特定された組合せに対応する筋活性度が当該筋活性度データベースから読み出される。
【００８０】
この筋活性度データベースに記録される関節運動状態量と筋運動状態量と等価物理特性と筋活性度との間の関係は、例えば、前記（１）ないし（１６）項のいずれかに係る方法をコンピュータを用いて実施することによって取得することが可能である。
【００８１】
本項における「関節運動状態量」は、一般に、関節の角度と角速度と角加速度とのうちの少なくとも一つを含むように定義される。また、「筋運動状態量」は、一般に、筋長と筋長変化速度とのうちの少なくとも一つを含むように定義される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８２】
以下、本発明のさらに具体的な実施の形態の一つを図面に基づいて詳細に説明する。
【００８３】
図１には、本発明の一実施形態に従う人間挙動解析方法を実施するのに好適なシステム１０のハードウエア構成が概念的にブロック図で表されている。
【００８４】
このシステム１０は、乗員の挙動をコンピュータ２０上で表現し得る人体モデルを用いることにより、その乗員が乗車している車両が障害物に接触する際（乗員が乗車している車両に外部から衝撃が加わった際）にその乗員の各部位に生ずる挙動と荷重（応力）と変形とをシミュレーションにより解析するものである。
【００８５】
図１に示すように、このシステム１０は、コンピュータ２０に入力装置２２と出力装置２４とが接続されることによって構成されている。コンピュータ２０は、よく知られているように、プロセッサ３０とストレージ３２とがバス３４によって互いに接続されて構成されている。コンピュータ２０においては、必要なプログラムがストレージ３２から読み出されてプロセッサ３０によって実行され、その際、その実行に必要なデータがストレージ３２から読み込まれるとともに、その実行結果を表すデータが必要に応じてストレージ３２に格納されて保存される。
【００８６】
入力装置２２は、例えば、図示しないが、ポインティング・デバイスとしてのマウスとキーボードとを含むように構成される。出力装置２４は、図示しないが、文字、図形等の画像を画面上に表示するモニタを含むように構成される。
【００８７】
図１に示すように、ストレージ３２には、プログラムメモリ４０とデータメモリ４２とが設けられている。プログラムメモリ４０には、有限要素解析プログラムを始めとする各種プログラムが予め記憶されている。データメモリ４２には、コンピュータ２０上において人体全身を３次元的に表現する複数種類の人体モデルを定義するためのモデルデータが予め記憶されている。
【００８８】
それら複数種類の人体モデルは、有限要素人体モデルと、多関節剛体セグメントモデルである骨格モデルと、同じく多関節剛体セグメントモデルである筋骨格モデルと、その筋骨格モデルから有限要素モデルとして復元された復元人体モデルとを含んでいる。
【００８９】
有限要素人体モデルは、人体を複数の有限要素（以下、単に「要素」という。）に分割することにより、人体を近似的に再現するためのモデルである。これに対し、多関節剛体セグメントモデルは、機構モデルともいわれ、複数の剛体セグメントが複数の関節まわりに回動可能に連結されることにより、人体の形状よりむしろその動作を再現するためのモデルである。
【００９０】
有限要素人体モデルにおいては、人体の各組織が複数の要素によって表現されており、各要素の形状、密度、材料物性値等、属性が定義されている。各要素を構成する複数の節点の位置（幾何学量の一例）や材料物性値などの物理量は、すべて唯一のグローバル座標系において定義されている。
【００９１】
この有限要素人体モデルにおいては、人体全身が骨格組織のみならず靭帯、腱、筋肉等の結合組織に関してもモデル化されることにより、人体全身が、それの解剖学的な形状と構造と特性とに関して忠実に表現されている。その結果、各部位の、外力に対する物理的な応答が精度よく表現されている。
【００９２】
さらに、この有限要素人体モデルは、それの少なくとも１つの部位の形状、位置、機構学的特性および力学的特性の少なくとも１つを定義する可変パラメータを有するものとされており、その可変パラメータが、人間挙動解析に先立ち、ユーザである設計者または解析者により特定される。
【００９３】
本実施形態においては、この有限要素人体モデルを用いて、車両に外部から衝撃が加わった時の乗員の挙動および変形の程度がシミュレーション解析される。このシミュレーション解析は、車両に外部から衝撃が加わった時の乗員の挙動および変形の程度を有限要素法を用いて行われる。
【００９４】
有限要素法は、よく知られているように、コンピュータによる数値計算手法の一つであり、連続体を多数の、有限の大きさを有する要素、例えば、メッシュに分割し、個々の要素の物理量を連立の材料特性方程式に組み込んで全体の系を数値計算する手法である。材料特性方程式は、有限要素法の解析特性を制御する係数として材料特性係数を有している。
【００９５】
有限要素人体モデルのさらに具体的な構成およびその有限要素人体モデルのもとに有限要素法によって人間の挙動（例えば、衝突時、ジェットコースタに乗車している際の加減速時、および転倒時の挙動）を解析する手法については、本出願人の特開２００２−１４９７１９号公報に開示されているため、参照によって引用することにより、重複した説明を省略する。
【００９６】
図２には、有限要素人体モデルが、人体の下肢部のみに関し、斜視図で示されている。図２に示すように、この有限要素人体モデルは、人体の骨格のみならず筋および皮膚等の軟組織をも再現している。この有限要素人体モデルにおける下肢部は、腰部１００と、左右の大腿部１０２，１０２と、左右の脛部１０４，１０４と、左右の足部１０６，１０６とに分割されている。
【００９７】
図３には、骨格モデルが、有限要素人体モデルのうち図２に示す部分に対応する部分に関し、斜視図で示されている。図３に示すように、この骨格モデルは、人体のうち骨格のみを再現している。この骨格モデルにおける下肢部は、腰骨１１０と、左右の大腿骨１１２，１１２と、左右の脛骨１１４，１１４と、左右の腓骨１１６，１１６と、左右の足骨１１８，１１８とに分割されている。各足骨１１８は、細かい骨の結合体である。
【００９８】
この骨格モデルにおいては、人体の各組織が複数の剛体セグメントによって表現され、それら剛体セグメントが関節において回動可能に互いに連結されている。それら剛体セグメントは、腰骨１１０と、左右の大腿骨１１２，１１２と、左右の脛骨１１４，１１４と、左右の腓骨１１６，１１６と、左右の足骨１１８，１１８とを含んでいる。
【００９９】
各剛体セグメントの形状の表面は、ポリゴンによって構成されている。ポリゴン上における複数個の頂点は、そのポリゴンのベースとなった複数の要素上における複数個の節点によって構成される。よって、各剛体セグメントの形状は、対応するポリゴンデータによって表されている。各剛体セグメントごとにローカル座標系が割り当てられており、そのローカル座標系において、対応する剛体セグメントの質量、慣性モーメントおよびポリゴンの位置が定義される。
【０１００】
図４には、筋骨格モデルが、骨格モデルのうち図３に示す部分に対応する部分に関し、斜視図で示されている。図４に示すように、この筋骨格モデルは、図３に示す骨格モデルに筋がワイヤ要素（図４において太い実線で示す。）として付加されて構成されることにより、人体のうち骨格および筋のみを再現している。すなわち、この筋骨格モデルは、上述の骨格モデルと、ワイヤ要素として構成される筋モデル（筋要素モデル）とが合成されたものなのである。
【０１０１】
この筋骨格モデルにおいては、各筋が、対応する骨への付着点（骨に対する相対移動が阻止される位置であり、図４において黒丸で示す。）と、対応する骨に貼り付けられる際に各筋が付着点間の途中において経由する点（骨に対し、筋の延びる方向における相対移動は許容されるが、それと交差する方向における相対移動は阻止される位置であり、図４において黒丸で示す。）とに関して定義される。解剖学的には、筋が骨の表面に付着させられるため、各筋モデルも同様に、各剛体モデル（骨要素モデル）の表面に付着させられる。
【０１０２】
図５には、この人間挙動解析方法の概略であってコンピュータ２０によって実施されるものが工程図で示されている。コンピュータ２０は、入力装置２２および出力装置２４と共同して人間挙動解析システムを構成しており、その人間挙動解析システムのうち筋活性度の推定に関連する部分が筋活性度推定システムを構成している。以下、その人間挙動解析方法の概略を、上述の４種類の人体モデルと関連付けて説明する。
【０１０３】
図２に示すように、この人間挙動解析方法の各回の実行時には、まず、ステップＳ１（以下、単に「Ｓ１」で表す。他のステップについても同じとする。）において、有限要素全体モデルが各要素ごとに、データメモリ４２からストレージ３２内の別の記憶領域であるワーキングエリア（図示しない）に順次読み出される。正確には、有限要素全体モデルを表すモデルデータが、各要素を表す要素データごとに、順次読み出される。
【０１０４】
次に、Ｓ２において、読み出された各要素が分類されて他の要素と結合されることにより、骨格モデルが作成される。この骨格モデルは、人体の動作解析を行うために使用される。このＳ２の詳細は、骨格モデル作成プログラムとして図６にフローチャートで概念的に表されている。これについては後述する。
【０１０５】
続いて、Ｓ３において、その作成された骨格モデルに筋が前述のワイヤ要素として付加されることにより、骨格モデルをベースとして筋骨格モデルが作成される。このＳ３の詳細は、筋骨格モデル作成プログラムとして図７にフローチャートで概念的に表されている。これについては後述する。
【０１０６】
その後、Ｓ４において、その作成された筋骨格モデルにおける各筋の筋活性度が算出される。現実の人間であれば、衝突時には、身構えるなどして各部位の筋に能動的に筋力が発生し、人間の緊張度が高いほど、筋活性度が上昇する。筋活性度が上昇すると、筋の剛性および粘性も上昇するため、人間の緊張度が高いほど、筋の硬直度が上昇する。
【０１０７】
したがって、人体モデルを用いて衝突時に人間の挙動を精度よく解析するためには、人間の複数の筋のそれぞれについて筋活性度を推定し、その結果を考慮して人間の挙動を解析することが重要である。一方、人体モデルの要素（有限要素）を単位とするのではなく、同じ部位に属する複数の有限要素が互いに剛体的に結合されて成る剛体セグメントを単位としたうえで、人間の動作を解析し、さらに、その解析された動作から各筋の活性度を筋モデルや最適化手法を採用することにより、筋活性度を推定することが可能である。
【０１０８】
以上説明した知見を背景にして、このＳ４においては、要素数が多い有限要素人体モデルではなく、それより少数の剛体セグメントを有する骨格モデルと筋骨格モデルとのいずれか一方、または、場合によっては両方を用いることにより、各筋ごとに筋活性度が算出される。このＳ４の詳細は、筋活性度算出プログラムとして図８にフローチャートで概念的に表されている。これについては後述する。
【０１０９】
続いて、Ｓ５において、その算出された筋活性度が反映されるように、筋骨格モデルから有限要素人体モデルが復元される。その復元に際し、筋骨格モデルに表現されている筋モデル（ワイヤ要素）が、もとの有限要素人体モデルには存在しない要素として、付加される。このＳ５の詳細は、有限要素人体モデル復元プログラムとして図９にフローチャートで概念的に表されている。これについては後述する。
【０１１０】
その後、Ｓ６において、その復元された有限要素人体モデルを用いることにより、有限要素法により、衝突時に人間に作用する変位、変形および応力が解析される。これにより、衝突時における人間の挙動が、受動挙動のみならず能動挙動をも含めて精度よく解析される。
【０１１１】
ここで、図６を参照することにより、前記骨格モデル作成プログラムを具体的に説明する。
【０１１２】
この骨格モデル作成プログラムの実行時には、まず、Ｓ１０１において、有限要素人体モデルを構成する複数の要素（有限要素）のうち人体の骨を表現するものが、人体を構成する複数の部位にそれぞれ分類される。有限要素人体モデルを構成する複数の要素のうち、骨以外の組織、すなわち、皮膚、肉等を表現するものは、その分類対象から除外されている。
【０１１３】
有限要素人体モデルにおいては、各要素ごとに、それが属する部位が予め定められている。すなわち、要素と部位との関係を規定するデータが、有限要素人体モデルを表すデータに予め組み込まれており、そのデータを用いて各要素の各部位への分類が行われる。各部位ごとに、それに分類された複数の要素が互いに結合されることによって、１個の剛体セグメントが構成される。
【０１１４】
次に、Ｓ１０２において、人体の複数の部位のうち隣り合った２個の部位間に関節位置となる点が定義される。その点は、有限要素人体モデルにおける複数個の点のいずれかと一致するように定義される。その点は、隣り合った２個の剛体セグメント間の関節位置を表している。
【０１１５】
続いて、Ｓ１０３において、各部位ごとに、それに属する複数の要素に関する属性情報（形状、密度、材料物性値等）から、重心位置、質量および慣性モーメントが算出される。それら重心位置、質量および慣性モーメントを算出する際には、有限要素人体モデルを構成する複数個の要素のうち骨を表現するもののみならず、皮膚、肉等、骨以外の組織部分を表現するものも考慮される。その結果、骨格モデルにおける各剛体セグメントは、その形状に関しては、骨の表面を反映するが、各剛体セグメントの重心位置、質量および慣性モーメントに関しては、各部位を構成するすべての組織部分を反映する。
【０１１６】
その後、Ｓ１０４において、各剛体セグメントごとにローカル座標系が定義される。各ローカル座標系は、それの原点において各剛体セグメントの重心位置に一致する。各ローカル座標系は、ｘ座標軸とｙ座標軸とｚ座標軸とを有しており、それら座標軸の向きは、各剛体セグメントの複数の慣性主軸の向きにそれぞれ一致する。ただし、それら座標軸は、それら慣性主軸に、慣性モーメントの値の大きい順にそれぞれ割り当てられる。各ローカル座標系は、右手系となるように、各座標軸の符号の向きが調整される。
【０１１７】
続いて、Ｓ１０５において、各剛体セグメントの幾何学量（位置、方向等）が記述される座標系が、有限要素人体モデルが定義されているグローバル座標系から、各剛体セグメントに対応するローカル座標系に変換される。すなわち、座標変換が行われるのである。各剛体セグメントの幾何学量には、例えば、形状、重心位置、慣性モーメント情報、関節の位置、関節の可動方向等がある。
【０１１８】
その後、Ｓ１０６において、各要素の複数の属性情報のうち、骨格モデルを用いて人間の動作を解析する際に使用されないもの（例えば、各要素の材料物性値）が、後述の有限要素解析に備えて、ストレージ３２の特定の記憶領域に保存される。
【０１１９】
続いて、Ｓ１０７において、各部位に分類された複数個の要素が互いに結合されることにより、剛体セグメントが構成される。各剛体セグメントの運動中、それを構成する複数の要素が互いに一体的に運動する。さらに、各々そのようにして構成された複数の剛体セグメントが、対応する関節において、互いに回動可能に連結される。
【０１２０】
その後、Ｓ１０８において、各関節ごとに、関節が受動的に運動させられる際の抵抗トルク（関節角度に応じて構造的に発生するトルク）が関節受動抵抗トルクとして定義される。この関節受動抵抗トルクは、関節角度の関数を定義する関数式やマップテーブルとして表現することが可能である。
【０１２１】
以上で、この骨格モデル作成プログラムの一回の実行が終了する。
【０１２２】
次に、図７を参照することにより、前記筋骨格モデル作成プログラムを具体的に説明する。
【０１２３】
この筋骨格モデル作成プログラムの実行時には、まず、Ｓ２０１において、先に作成された骨格モデルの各剛体セグメントに付着させるべき各筋につき、各筋が各剛体セグメントの表面に付着させられるべき複数の付着点の位置と、それら付着点間の経由点であって各筋が各剛体セグメントに沿って延びる際に経由する点の位置とが定義される。それら付着点の位置と経由点の位置とは、各剛体セグメントのローカル座標系において定義される。
【０１２４】
次に、Ｓ２０２において、付着点位置と経由点位置とが定義された各筋が各剛体セグメントに沿って延びる際の経路すなわち複数の付着点および少なくとも一つの経由点を各筋が通過する順序が定義される。これにより、各筋が骨格モデル上に配置される。
【０１２５】
続いて、Ｓ２０３において、その配置された各筋の物理量が定義される。その物理量には、各筋の生理断面積、各筋において筋繊維と腱との成すペネーション角度等がある。ペネーション角度は、図１０に示されている。それら生理断面積およびペネーション角度は、後述するが、各筋の最大筋力を算出するために利用される。
【０１２６】
各筋の最大筋力は、定数ｋ（約５ないし１０）を用いた次式によって算出することが可能である。
【０１２７】
最大筋力＝ｋ×生理断面積［ｃｍ２］×COS(ペネーション角度［ｒａｄ］)
【０１２８】
その後、図７のＳ２０４において、筋モデルとして例えばＨｉｌｌモデルを用いることにより、各筋の内部の粘弾性特性が定義される。Ｈｉｌｌモデルによれば、各筋の筋力は、図１１の式（１）によって算出することができる。この式は、各筋の筋力Ｆｉが、筋活性度αｉと、最大筋力ｆｍａｘｉと、筋長ｌｉの関数ｇと、筋長変化速度ｄ（ｌｉ）／ｄｔの関数ｈとの積として推定されることを表している。
【０１２９】
したがって、各筋の粘弾性特性を定義するために、具体的には、筋長の関数ｇと筋長変化速度ｈとが定義されることになる。
【０１３０】
以上で、この筋骨格モデル作成プログラムの一回の実行が終了する。
【０１３１】
図１１には、さらに、各筋の剛性Ｋｕ，ｉが、各筋の筋力ｆｉを筋長ｌｉに関して微分することによって算出されることが式（２）によって表されている。したがって、各筋の筋力ｆｉと筋長ｌｉとの関係が判明すれば、各筋の剛性Ｋｕ，ｉが誘導されることになる。
【０１３２】
次に、図８を参照することにより、前記筋活性度算出プログラムを具体的に説明する。
【０１３３】
この筋活性度算出プログラムの実行時には、まず、Ｓ３０１において、前記作成された骨格モデルに対し、解析対象である人間挙動が入力される。具体的には、骨格モデルに対して、各関節ごとに、関節角度、角速度および角加速度が挙動データとして入力される。それら挙動データは、現実の人間に対してモーションキャプチャ等の装置を用いて人間挙動を実測して取得したり、人間挙動を想定して取得することが可能である。
【０１３４】
次に、Ｓ３０２において、解析対象である人間挙動中に人間が、それの特定の部位（例えば、手または足）において対象物（例えば、ステアリングホイールまたはブレーキペダル）に接触している状態においてそれら人間と対象物との間に作用する接触力が、骨格モデルに対して入力される。その接触力は、人間に対する外力である。その接触力が骨格モデルに対して入力される位置は、該当する剛体セグメントに割り当てられたローカル座標系によって定義される。この接触力も、上述の挙動データと同様に、実測によって取得したり、想定によって取得することが可能である。
【０１３５】
続いて、Ｓ３０３において、それら入力されたデータに基づき、逆動力学解析手法により、各関節に作用するみかけ関節トルクが算出される。みかけ関節トルクは、実関節トルク（人間が実際に発揮した関節トルク）と、関節受動抵抗トルクとの和に等しい。
【０１３６】
その後、Ｓ３０４において、各関節ごとに、Ｓ３０１において入力された関節角度が図６のＳ１０８において定義された関節受動抵抗トルクの関数に代入されることにより、関節受動抵抗トルクが算出される。
【０１３７】
続いて、Ｓ３０５において、各関節ごとに、Ｓ３０３において算出されたみかけ関節トルクから、Ｓ３０４において算出された関節受動抵抗トルクが引き算されることにより、実関節トルクが算出される。
【０１３８】
その後、Ｓ３０６において、前記作成された筋骨格モデルのもと、前記入力された関節角度、角速度および角加速度が実際に人間に発生させられた場合にその人間の各筋の筋長および筋長変化速度が算出される。
【０１３９】
続いて、Ｓ３０７において、最適化計算により、筋力と筋活性度とが算出される。このＳ３０７の詳細は、最適化プログラムとして図１２にフローチャートで概念的に表されている。この最適化プログラムについては後述する。
【０１４０】
以上説明したＳ３０１ないしＳ３０７は、予め定められたタイムステップをおいて反復され、その結果、解析対象期間中における全時刻分反復される。それにより、その解析期間中、人間の実質的な連続動作が解析される。それらＳ３０１ないしＳ３０７は、特定の時刻について関節角度、角速度、角加速度、接触力、筋長および筋長変化速度をそれぞれ表すデータが存在すれば、その特定の時刻以後の人間挙動を解析するために反復的に実行することが可能である。
【０１４１】
次に、図１２を参照することにより、上記最適化プログラムを具体的に説明する。
【０１４２】
まず、この最適化プログラムの目的を概略的に説明するに、人間が能動的に出力した関節トルクは、筋力の結果生じたものであるため、関節トルクの算出値から、それに応じた筋力が算出される。しかし、ある関節トルクを実現する筋力の組み合わせは一般に無限に存在する。これは、関節の自由度よりも筋の数の方が多いからである。そこで、この最適化プログラムにおいては、筋力を一意に求めるために、ある目的関数を設定して、最適化手法を用いて解が探索的に求められる。
【０１４３】
この最適化プログラムの実行時には、まず、Ｓ１００１において、設計変数が筋活性度に設定される。筋活性度に代えて筋力を設計変数に設定することは可能であるが、この場合には、後述の解析における制約条件の定式化が複雑になり易い。
【０１４４】
次に、Ｓ１００２において、人間が特定の部位において接触する対象物（例えば、ブレーキ操作装置等の操作装置）側の注目点（評価点）における等価剛性（これが前記（１）項における「等価物理特性」の一例である。）が測定される。
【０１４５】
人間の特定の部位における筋の剛性は、人間の緊張度すなわち筋の緊張度によって異なり、緊張度が高いほど、筋剛性も高い。一方、人間の筋剛性は、直接測定することは困難であるが、その筋剛性は、その人間が接触している対象物の剛性に影響を及ぼす。以下、このことを図１３を参照して具体的に説明する。
【０１４６】
図１３には、人間の筋、関節、手または足の表面、接触部および対象物という５つの要素の全体系につき、互いに直接的に連繋する要素間の変位に関する相互依存関係および力（またはトルク）に関する相互依存関係が、逆向きの２つの矢印で概念的に表されている。
【０１４７】
なお付言するに、それら５つの要素間には、さらに、速度に関する相互依存関係および加速度に関する相互依存関係も存在するが、説明を簡単にするために、本実施形態の説明においては、変位に関する相互依存関係と力に関する相互依存関係のみを代表的に説明する。
【０１４８】
図１３に示す例においては、人間の筋（例えば、手または足と物理的に連繋している特定の筋）と関節（例えば、手または足と物理的に連繋している特定の関節）とがそれぞれ、前記（１）項における「選択部位」の一例であり、また、手または足が、同項における「接触部位」の一例である。
【０１４９】
図１３においては、「Ｊｕ」が筋の空間と関節の空間との間の座標系変換を表すヤコビ行列であり、「Ｊｈ」が関節の空間と手または足の空間との間の座標系変換を表すヤコビ行列である。さらに、「Ｈ］が手または足の空間と接触部の空間との間の座標系変換を表す行列であり、「ＨＳ」が接触部の空間と対象物の空間との間の座標系変換を表す行列である。
【０１５０】
ヤコビ行列Ｊｕは、筋長および筋長変化速度の関数であるが、筋長および筋長変化速度が関節角度の関数であるため、結局、ヤコビ行列Ｊｕは、関節角度の関数となっている。同様に、ヤコビ行列Ｊｈも、関節角度の関数である。
【０１５１】
図１３には、さらに、それら５つの要素の各々につき、変位と力との間の依存関係が、逆向きの２つの矢印で概念的に表されている。具体的には、筋という要素については、力を変位に関連付ける物理量である剛性がＫ１として示され、逆に、変位を力に関連付ける物理量であるコンプライアンスがＫ１−１として示されている。残る関節、手または足および対象物の各要素についても、それに準じて図示されている。接触部については、剛性という概念が存在しないと仮定されている。
【０１５２】
なお付言するに、それら５つの要素の各々には、さらに、速度を力に関連付ける粘性および加速度を力に関連付ける慣性が存在するが、説明を簡単にするために、本実施形態の説明においては、変位を力に関連付ける剛性のみを代表的に説明する。
【０１５３】
それら５つの要素のうち互いに物理的に直接的に連携する２つの要素間においては、一方の要素の剛性の影響が他方の要素に及ぶ。具体的には、筋は関節に、筋単独の剛性の換算値（ローカル座標系間の座標変換を反映する）を付加する。その結果、関節のみかけ剛性Ｋ２’は、関節単独の剛性Ｋ２と、増分ΔＫ２であって筋単独の剛性Ｋ１に起因するものとの和と等しくなる。
【０１５４】
また、関節は手または足に、関節のみかけ剛性の換算値（ローカル座標系間の座標変換を反映する）を付加する。その結果、手または足のみかけ剛性Ｋ３’は、手または足単独の剛性Ｋ３と、増分ΔＫ３であって関節のみかけ剛性Ｋ２’に起因するものとの和と等しくなる。
【０１５５】
また、手または足は接触部に、手または足のみかけ剛性の換算値（ローカル座標系間の座標変換を反映する）を付加する。その結果、接触部のみかけ剛性Ｋ４’は、接触部単独の剛性Ｋ４が０であると仮定されているため、増分ΔＫ４であって手または足のみかけ剛性Ｋ３’に起因するものとの和と等しくなる。
【０１５６】
また、接触部は対象物に、接触部のみかけ剛性の換算値（ローカル座標系間の座標変換を反映する）を付加する。その結果、対象物のみかけ剛性Ｋ５’は、対象物単独の剛性Ｋ５と、増分ΔＫ５であって接触部のみかけ剛性Ｋ４’に起因するものとの和と等しくなる。
【０１５７】
その増分ΔＫ５は、筋単独の剛性Ｋ１と、関節単独の剛性Ｋ２と、手または足単独の剛性Ｋ３との合成であって人間単独の剛性を反映している。一方、対象物のみかけ剛性Ｋ５’から対象物単独の剛性Ｋ５を引き算すれば、増分ΔＫ５を取得することが可能であるし、対象物単独の剛性Ｋ５は例えば実測によって取得することが可能である。よって、増分ΔＫ５を取得することが可能であり、ひいては、人間単独の剛性を誘導することが可能である。
【０１５８】
このように、人間と接触している状態における対象物の剛性の、人間と接触していない状態における対象物の剛性すなわち対象物単独の剛性からの増分は、人間の筋剛性の影響を受けて発生したものである。よって、その増分は、人間単独の筋剛性と等価であるという意味において、等価剛性と称される。
【０１５９】
図１４を参照することにより、車両に搭載される操作装置の一例であるブレーキ操作装置２００のうちの操作部材の一例であるブレーキペダル２０２を人間としての運転者が足で踏み込む際における足の筋剛性を測定する方法を例にとり、対象物の等価剛性を測定する方法を具体的に説明する。
【０１６０】
図１４に示すように、ブレーキペダル２０２の一端部は、固定部材２０４に回動可能に連結されている回動部２０６とされている。これに対し、ブレーキペダル２０２の他端部は、足が載せられて踏み込みが行われるべきパッド部２０８とされている。このブレーキペダル２０２は、線形ばね２１０により、回動部２０６まわりに、踏込み位置から初期位置に向かう向きに付勢されている。
【０１６１】
図１４（ａ）には、ブレーキ操作装置２００が初期状態で示されている。この状態において、図示しないアクチュエータによって力Ｆをブレーキペダル２０２に付加し、その力Ｆを増加させるごとに、ブレーキペダル２０２の回動角θを図示しないセンサによって測定すれば、右上がりの実線グラフが取得される。このグラフの勾配が、対象物としてのブレーキ操作装置２００単独の剛性Ｋ０を表している。
【０１６２】
図１４（ｂ）には、ブレーキ操作装置２００が踏込み状態で示されている。この状態において、前記アクチュエータによって力Ｆをブレーキペダル２０２に付加し、その力Ｆを増加させるごとに、ブレーキペダル２０２の回動角θを前記センサによって測定すれば、右上がりの実線グラフが取得される。このグラフの勾配が、ブレーキ操作装置２００のみかけ剛性Ｋ１を表している。このみかけ剛性Ｋ１から剛性Ｋ０を引き算したものが前述の等価剛性である。
【０１６３】
図１５には、人間の剛性と対象物としてのブレーキ操作装置２００の剛性との合成、すなわち、対象物から測定されるみかけ剛性と、対象物単独の剛性と、人間単独の剛性すなわち上述の等価剛性の測定値との関係が、注目点ｒ（例えば、人間と対象物との接触点）において互いに独立した複数の剛性方向と同数の要素を含むベクトルで表記された式（３）で表現されている。
【０１６４】
このようにして等価剛性が測定されれば、適当な座標変換を施すことにより、人間単独の剛性を測定することが可能である。
【０１６５】
続いて、図１２のＳ１００３において、図１６において式（４）で表す目的関数が設定される。この目的関数中の変数ベクトルＦ（α）が同図において式（５）で表されている。
【０１６６】
その変数ベクトルは、各筋につき、重み係数wｉと筋活性度αｉとの積で表される要素と、各剛性方向につき、等価剛性の測定値ｒＫｈ，ｍｅａｓｕｒｅｄ，ｊと人間単独の剛性の推定値ｒＫ（α）ｈ，ｅｓｔｉｍａｔｅｄ，ｊとの差（以下、「推定誤差」という。）と重み係数wとの積で表される要素とを含んでいる。目的関数は、注目すべきすべての筋につき、重み係数wｉと筋活性度αｉとの積の合計値が最小になり、かつ、注目すべきすべての剛性方向につき、重み係数wと推定誤差との積の合計値も最小となる筋活性度αｉが最適化計算によって算出されるように設定されている。
【０１６７】
ただし、それら合計値をそれぞれ複数の成分の単純和として計算したのでは、その計算値がそれら複数の成分の符号に依存してしまう。そこで、本実施形態においては、そのような事態を回避すべく、注目すべきすべての筋につき、重み係数wｉと筋活性度αｉとの積の二乗和を最小化し、同時に、注目すべきすべての剛性方向につき、重み係数wと推定誤差との積の二乗和も最小化する筋活性度αｉが最適化計算によって算出されるように目的関数が設定されている。
【０１６８】
各剛性方向につき、筋力ｆｉと筋活性度αｉとの関係は、図１１に式（１）で表されている。この式（１）には、それら筋力ｆｉおよび筋活性度αｉ以外の成分も存在するが、それら成分はいずれも、後続する最適化計算に先立ち、確定されている。同図には、さらに、人間単独の剛性すなわち筋の剛性Ｋｕ，ｉと筋活性度αｉとの関係が式（２）で表されている。本実施形態においては、それら式（１）および（２）を用いることにより、人間単独の剛性の推定値ｒＫ（α）ｈ，ｅｓｔｉｍａｔｅｄ，ｊが算出される。
【０１６９】
ただし、人間単独の剛性の推定値ｒＫ（α）ｈ，ｅｓｔｉｍａｔｅｄ，ｊを算出するためには、人間と対象物との接触点と一般化座標との間における座標変換を定義するヤコビ行列ｃＪｈが介在する。このことが、図１８に式（７）で表されている。また、ヤコビ行列ｃＪｈは、筋骨格モデルの姿勢すなわち関節角度に依存するため、推定値ｒＫ（α）ｈ，ｅｓｔｉｍａｔｅｄ，ｊを算出するには、筋長および筋長変化速度という筋の運動状態量のみならず、関節角度という関節の運動状態量を考慮することが必要である。
【０１７０】
その後、図１２のＳ１００４において、最適化計算において考慮される制約条件が設定される。制約条件としては、関節トルクτと筋力ｆとの関係式と、筋活性度αｉの変域（０以上で１以下）とがある。この制約条件が成立するように後述の最適化計算が行われれば、関節トルクτと筋力ｆとの間に力のつりあいが実質的に成立するように筋活性度αｉが推定されることが保証される。
【０１７１】
図１７には、関節トルクτと筋力ｆとの関係式が式（６）として示されている。この式（６）は、関節トルクτが、ヤコビ行列Ｊｕと筋力ｆとの積として誘導されることを表している。
【０１７２】
ヤコビ行列Ｊｕは、筋空間から関節空間への座標変換のための行列であり、図１３にはそれの転置行列ＪｕＴと共に示されている。ヤコビ行列Ｊｕは、筋骨格モデルの姿勢すなわち関節角度に依存する。筋力ｆは、筋活性度αの関数である。
【０１７３】
続いて、図１２のＳ１００５において、前記設定された目的関数および制約条件のもとに最適化計算が行われ、それにより、各筋ごとに筋活性度αｉが算出される。その算出のために参照されるパラメータは、重み係数ｗと、等価剛性の測定値ｒＫｈ，ｍｅａｓｕｒｅｄ，ｊと、最大筋力ｆｍａｘと、筋長および筋長変化速度と、筋長の関数ｇと、筋長変化速度の関数ｈと、ヤコビ行列ｃＪｈが依存する関節角度と、関節トルクτとを含んでいる。
【０１７４】
その最適化計算は、一般に「制約付き最適化」と呼ばれ、これの一般的な手法としては、「逐次２次計画法」や「修正実行可能方向法」が既に知られている。最適化計算の具体的な手法は、種々の用途に応じて適宜変更することが可能である。
【０１７５】
その後、Ｓ１００６において、各筋ごとに、その算出された筋活性度αｉを、図１１に示す式（１）に代入することにより、筋力ｆｉが算出される。
【０１７６】
以上で、この最適化計算プログラムの一回の実行が終了する。
【０１７７】
図１９には、本実施形態において筋活性度を推定するために行われる計算の流れがブロック線図で表されている。以下、同図を参照することにより、この計算の流れを説明する。
【０１７８】
この計算は、筋骨格モデルを骨格モデルを含む意味において使用することとすれば、筋骨格モデルを用いて行われる上流過程と、最適化計算という下流過程とに分割される。
【０１７９】
上流過程においては、筋骨格モデル用いることにより、人間の動作が、最適化計算に必要なデータを取得するために解析される。下流過程においては、上流過程において取得されたデータと、等価物理特性（これに一例が前記等価剛性である。）の入力値とを用いることにより、目的関数および制約条件のもとに、最適化計算が行われ、それにより、筋活性度が推定される。
【０１８０】
図２０には、図４に筋骨格モデルとして示される下肢部を例にとり、各筋の筋活性度αの算出値の分布が示されている。図２０に示すように、この例においては、人間が右足でブレーキペダルを踏み込んでいる。本実施形態においては、筋活性度αを、０以上１以下の領域内において連続値として算出することが可能である。ただし、図２０においては、図示の都合上、算出値が０である筋と、１である筋と、０と１との中間である筋とがそれぞれ「α＝０」、「α＝１」および「０＜α＜１」として表記されている。
【０１８１】
次に、図９を参照することにより、前記有限要素人体モデル復元プログラムを具体的に説明する。
【０１８２】
この有限要素人体モデルプログラムの実行時には、まず、Ｓ４０１において、筋骨格モデルを構成する各剛体セグメントに属する複数の要素（有限要素）の幾何学量（節点位置等）、各筋の幾何学量（付着点位置、経由点位置等）がグローバル座標系において表現される。それら幾何学量を記述するための座標系が、筋骨格モデルに各剛体セグメントごとに割り当てられた各ローカル座標系から、もとの有限要素人体モデルに割り当てられたグローバル座標系に変換されるのである。
【０１８３】
次に、Ｓ４０２において、各要素の属性情報のうち材料特性値等、先行した動作解析（図８のＳ３０３およびＳ３０６）において使用されなかったが予めストレージ３２の前記特定の記憶領域に保存されている関連情報がその記憶領域から読み出される。
【０１８４】
続いて、Ｓ４０３において、前記座標変換が施された幾何学量と、前記読み出された関連情報とを利用することにより、筋骨格モデルから有限要素人体モデルへの復元が行われる。
【０１８５】
その後、Ｓ４０４において、筋骨格モデルに付加された筋モデルとしてのワイヤ要素を用いることにより、復元された有限要素人体モデルに筋モデルがワイヤ要素として追加される。復元された有限要素人体モデルにおいては、各筋モデルが、筋の付着点位置および経由点位置ならびにそれら位置の並ぶ順序に関して定義される。この定義により、追加された各筋モデルの幾何学的特徴量が、復元された有限要素人体モデルにおいて特定されることになる。
【０１８６】
続いて、Ｓ４０５において、復元された有限要素人体モデルに対し、該当する各筋ごとに、前記算出された筋活性度または筋力が与えられ、その結果、復元された有限要素人体モデルにより、人間の受動的な挙動のみならず能動的な挙動も解析することが可能となる。
【０１８７】
以上で、この有限要素人体モデル復元プログラムの一回の実行が終了する。
【０１８８】
その後、図５のＳ６において、前記復元された有限要素人体モデルを用いることにより、指定された環境において人間が示す受動挙動および能動挙動が有限要素法によって解析される。この有限要素解析は、例えば、市販されているソルバ（解析用コンピュータ・プログラム）またはそれと等価なプログラムをコンピュータ２０によって実行することによって実施することが可能である。市販されているソルバとしては、例えば、陽解法動的有限要素解析プログラムである「ＰＡＭ−ＣＲＡＳＨ（仏国ＥＳＩ社が製造し、日本ＥＳＩ社が販売するプログラム）」、「ＬＳ−ＤＹＮＡ（ＬＳＴＣ(Livermore Software Technology Corporation)社が製造し、日本総合研究所が販売するプログラム）」が知られている。
【０１８９】
人間の能動挙動を有限要素法によって解析するに際し、上述のＬＳ−ＤＹＮＡの如く、筋要素を元々持っているソルバを用いる場合には、その筋要素を直接使うことが可能である。
【０１９０】
これに対し、筋要素を持たないソルバを用いる場合であっても、筋の配置によって筋力の方向が定まり、筋活性度によって筋力の大きさが定まるため、筋の付着位置に筋力ベクトルを境界条件として設定することにより、人体モデル上において筋力を表現することが可能である。そのために、ワイヤ要素などを用いることも可能であるし、力のみを直接境界条件として設定することも可能である。
【０１９１】
以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、人間の筋活性度が精度よく推定されたうえで、その推定値を考慮して人間の挙動が解析される。したがって、本実施形態によれば、人間の能動挙動を考慮して人間挙動を解析することが可能となる。よって、例えば、障害物に衝突する車両における乗員の挙動を解析することが必要である場合には、その乗員が自ら、例えば、身構え、逃げ、反射運動、ブレーキ操作等の能動挙動を示すことを見込んで、人間挙動を精度よく解析することが可能となる。
【０１９２】
ところで、従来の有限要素人体モデルにおいては、人間を能動的に動作させるアクチュエータである筋のモデルが不足しており、この従来の有限要素人体モデルを用いて人間の能動的な運動を解析することは困難であった。有限要素解析にはそもそも、計算負荷が大きいという問題や、能動的な動作のように、解析対象の変位量が大きく、その解析対象を表現する各要素が大きく変形する問題を解析する場合には、解析精度が著しく低下してしまうという問題がある。そのため、これまでは、有限要素人体モデルは能動挙動の解析に適していないと考えられてきた。
【０１９３】
理論的には、有限要素人体モデルに筋モデルを付加的に定義し、その筋モデルに割り当てられた筋活性度を特定すれば、能動的な運動を含めた挙動解析を有限要素人体モデルを用いて行うことが可能である。しかし、筋活性度を特定するためには、解析対象となる能動運動を解析して、各筋の活動状態を求めなければならないが、前述のように、有限要素人体モデルは動作解析には適していない。
【０１９４】
そこで、本実施形態においては、有限要素人体モデルに代えて骨格モデルまたは筋骨格モデルすなわち多関節剛体モデル（マルチボディモデル）が、動作解析のために用いられる。マルチボディモデルは、計算負荷が軽く、また、大きい運動をも容易に扱えることを特徴としている。本実施形態においては、具体的には、骨格モデルを用いることにより、関節運動状態量としての関節トルクが算出され、また、筋骨格モデルを用いることにより、筋運動状態量としての筋長および筋長変化速度が算出される。
【０１９５】
本実施形態においては、それら関節運動状態量および筋運動状態量の算出値を用いることにより、最適化計算によって筋活性度が推定される。その推定された筋活性度が、有限要素人体モデルに対して入力され、その結果、もとの有限要素人体モデルが、各要素が筋活性度を与えられて能動化された有限要素人体モデルに変換される。
【０１９６】
本実施形態においては、能動化された有限要素人体モデルへの変換が、筋骨格モデルから有限要素人体モデルへの復元という手法によって実現されるが、有限要素人体モデルがそもそも、すべての筋について筋活性度が可変パラメータとして設定されている場合には、もとの有限要素人体モデルの各筋ごとに単に筋活性度を特定するだけで、有限要素人体モデルの能動化が実現される。
【０１９７】
図１９に示すように、本実施形態においては、人間と対象物（例えば、ブレーキペダル等の操作部材）との間に作用する接触力（または拘束力）と、人間の現実の、または想定される運動を記述する運動状態量（骨格モデルを用いて所定の物理量を算出するためにその骨格モデルに与えられる運動状態量であり、以下、単に「人間運動状態量」という。）と、筋活性度推定のための初期値と、等価物理特性とが特定されれば、筋骨格モデルを用いた計算および最適化計算により、筋活性度が推定される。
【０１９８】
したがって、筋活性度推定のための初期値は任意に設定することができるとすれば、接触力と、人間運動状態量と、等価物理特性との組合せに応じて筋活性度が一意に決まることになる。
【０１９９】
よって、それら接触力、人間運動状態量および等価物理特性と、それらの組合せに対応して推定された筋活性度との関係を体系的に表現するデータが例えば固体の記録媒体に記録されて成る筋活性度データベースを構築すれば、その後、筋活性度を参照することが必要となった場合に、その筋活性度データベースに対して通常の検索プログラムをコンピュータ２０によって実行するのみで、筋活性度が取得される。
【０２００】
すなわち、この筋活性度データベースを簡単な検索プログラムと組み合わせて利用すれば、いちいち前述の筋活性度算出プログラムをコンピュータ２０によって実行することなく、筋活性度を高精度に取得することができるのである。この筋活性度データベースは前記（２２）項に係る「筋活性度データベース」の一例である。
【０２０１】
ところで、図１９に示すように、人間運動状態量は、関節トルクの計算と、筋運動状態量の算出と、関節運動状態量の算出とにそれぞれ利用される。したがって、それら関節トルク、筋運動状態量および関節運動状態量が直接的に、または別の手法によって特定される場合には、筋活性度の推定に人間運動状態量を入力することは不要となる。
【０２０２】
それら関節トルク、筋運動状態量および関節運動状態量のうち、関節トルクは筋運動状態量から推定することが可能であるし、筋運動状態量は、関節運動状態量から推定することが可能である。よって、関節運動状態量が特定されれば、関節トルクおよび筋運動状態量を直接的に特定することを省略可能である。
【０２０３】
したがって、前述の筋活性度データベースの使い勝手をさらに向上させるためには、その筋活性度データベースに記録される関係を、接触力と、関節運動状態量と、等価物理特性と、筋活性度の推定値との関係に変更することが望ましい。
【０２０４】
ところで、前述の筋骨格モデルにおいては、人間における現実の複数の筋が複数の筋モデル（筋要素モデル）を用いてそれぞれ表現されるが、それら筋モデルにそれぞれ割り当てられるべき複数の筋活性度が相互に依存する場合がある。
【０２０５】
例えば、本実施形態においては、筋骨格モデルにおいて関節まわりの関節トルクと筋力によるモーメントとのつり合いを表現するために、筋要素モデルが骨要素モデルに、付着点および経由点において物理的に関連付けられる。それら付着点および経由点は、筋力のモーメントアームを算出する際の基礎となる。
【０２０６】
しかし、現実のすべての筋について、それら付着点および経由点という物理点を観念することが妥当であるわけではない。例えば、人間の腰部における大臀筋については、筋が腰骨に面で付着しているため、それら付着点および経由点を観念して筋力のモーメントアームを算出することは妥当ではない。
【０２０７】
そこで、本実施形態においては、現実には連続した１本の筋が、筋骨格モデルにおいては互いに連結された複数の筋要素モデルによって表現される。ただし、それら筋要素モデルは、もともとは１本の現実の筋を表現するものであることから、筋活性度に関して相互に依存するように取り扱うべきである。
【０２０８】
また、現実には互いに独立分離した複数本の筋が、運動神経を共有する関係上、筋活性度に関して相互に依存する場合がある。例えば、車両において運転者が急ブレーキ操作を行うために足でブレーキペダルを素早く踏み込むと、その足の筋の筋活性度が上昇するが、それに付随して手の筋の筋活性度も上昇する場合がある。それら足の筋および手の筋の組合せのように、筋活性度に関して相互に依存する複数の筋、すなわち、互いに連動して活性化する複数の筋は、筋群と称される。互いに連動して活性化する複数の筋は、共収縮性を有する複数の筋である。
【０２０９】
いずれにしても、筋骨格モデルにおける複数の筋要素モデルは、筋活性度に関して相互に依存する複数の筋要素モデルを筋要素モデル群として含んでいる。具体的には、上述の大臀筋の例においては、その大臀筋を互いに共同して表現する複数の筋要素モデルが１つの筋要素モデル群を構成し、また、上述の急ブレーキ操作の例においては、足の筋を表現する筋要素モデルと、手の筋を表現する筋要素モデルとが互いに共同して１つの筋要素モデル群を構成する。
【０２１０】
そして、各筋要素モデル群については、前述の最適化計算において筋活性度を算出するために、図１２におけるＳ１００４における制約条件が、筋活性度に関する制約条件を含むことが望ましい。
【０２１１】
図２１には、その制約条件が式（１０）で表現されている。その制約条件を記述する行列Ｊｕｃは、複数の筋要素モデルのうち筋活性度に関して相互に依存するものを特定するとともに、筋活性度に関して相互に依存する複数の筋要素モデルがそれぞれ示す筋活性度の比率を特定する。例えば、Ｎ個の筋要素モデルのうち１番目ないし３番目の筋要素モデルが筋活性度に関して相互に依存し、かつ、その依存比率が１：１：１である場合には、行列Ｊｕｃが図２１に示すように構成される。
【０２１２】
以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、図５のＳ４（Ｓ１００６を除く。）が前記（１）項に係る「筋活性度推定方法」の一例を構成し、図５のＳ４（Ｓ１００６を含む。）が前記（１４）項に係る「筋力推定方法」の一例を構成し、コンピュータ２０のうち図５のＳ４（Ｓ１００６を除く。）を実行する部分が前記（２０）項に係る「筋活性度推定システム」の一例を構成しているのである。
【０２１３】
さらに、本実施形態においては、図８におけるＳ３０１およびＳ３０６と図１２におけるＳ１００２とが互いに共同して前記（１）項における「入力工程」の一例を構成し、図１２におけるＳ１００１およびＳ１００３ないしＳ１００５が互いに共同して同項における「筋活性度算出工程」の一例を構成しているのである。
【０２１４】
なお付言するに、本実施形態においては、図８におけるＳ３０６において、それぞれ筋運動状態量としての筋長および筋長変化速度が、筋骨格モデルのもとに関節運動状態量を用いて算出されるが、この算出は、実測するかまたは別の手法によって取得された筋運動状態量の入力によって容易に置換可能である。この置換容易性に着目すれば、本実施形態においては、筋運動状態量の算出を、筋運動状態量の入力（広義）の一例に該当すると考えることが妥当である。
【０２１５】
さらに、本実施形態においては、コンピュータ２０のうち図８におけるＳ３０１およびＳ３０６と図１２におけるＳ１００２とを実行する部分が前記（２０）項における「入力手段」の一例を構成し、図１２におけるＳ１００１およびＳ１００３ないしＳ１００５を実行する部分が同項における「筋活性度算出手段」の一例を構成しているのである。
【０２１６】
さらに、本実施形態においては、図８におけるＳ３０１、Ｓ３０２およびＳ３０６と図１２におけるＳ１００２とが互いに共同して前記（２）項における「入力工程」の一例を構成し、図８におけるＳ３０３が同項における「関節トルク算出工程」の一例を構成し、図１２におけるＳ１００１およびＳ１００３ないしＳ１００５が互いに共同して同項における「筋活性度算出工程」の一例を構成しているのである。
【０２１７】
さらに、本実施形態においては、コンピュータ２０のうち図８におけるＳ３０１、Ｓ３０２およびＳ３０６と図１２におけるＳ１００２とを実行する部分が前記（２１）項における「入力手段」の一例を構成し、図８におけるＳ３０３を実行する部分が同項における「関節トルク算出手段」の一例を構成し、図１２におけるＳ１００１およびＳ１００３ないしＳ１００５を実行する部分が同項における「筋活性度算出手段」の一例を構成しているのである。
【０２１８】
さらに、本実施形態においては、図１８における式（７）によって表現される関数が前記（１）項における「関数」の一例と、前記（２０）項における「関数」の一例とをそれぞれ構成しているのである。
【０２１９】
以上、本発明の実施の形態の一つを図面に基づいて詳細に説明したが、これは例示であり、前記［発明の開示］の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２２０】
【図１】本発明の一実施形態に従う筋活性度推定方法を含む人間挙動解析方法を実施するのに好適な人間挙動解析システムのハードウエア構成を概念的にあらわすブロック図である。
【図２】図１における有限要素人体モデルのうちの下肢部を示す斜視図である。
【図３】図１における骨格モデルのうちの下肢部を示す斜視図である。
【図４】図１における筋骨格モデルのうちの下肢部を示す斜視図である。
【図５】図１における人間挙動解析プログラムを概念的に表すフローチャートである。
【図６】図５におけるＳ２の詳細を骨格モデル作成プログラムとして概念的に表すフローチャートである。
【図７】図５におけるＳ３の詳細を筋骨格モデル作成プログラムとして概念的に表すフローチャートである。
【図８】図５におけるＳ４の詳細を筋活性度算出プログラムとして概念的に表すフローチャートである。
【図９】図５におけるＳ５の詳細を有限要素人体モデル復元プログラムとして概念的に表すフローチャートである。
【図１０】図７におけるＳ２０３の実行内容を説明するために人間の筋および腱を力の作用方向に着目して示す平面図である。
【図１１】図７におけるＳ２０４の実行内容を説明するために、数値解析モデルとしての筋モデルを式（１）および（２）で示す図である。
【図１２】図８におけるＳ３０７の詳細を最適化計算プログラムとして概念的に表すフローチャートである。
【図１３】図１２におけるＳ１００２における等価剛性の意義を説明するために、人間の手または足と対象物とが互いに物理的に接触する連成物理系を、変位および力の伝達方向に着目して簡略的に示す図である。
【図１４】図１２におけるＳ１００２における等価剛性の測定手法を説明するためにブレーキ操作装置を示す側面図と回動角θと力Ｆとの関係を表すグラフである。
【図１５】図１２におけるＳ１００２が採用する解析原理を式（３）で説明する図である。
【図１６】図１２におけるＳ１００５における最適化計算において用いられる目的関数を式（４）および（５）で示す図である。
【図１７】図１２におけるＳ１００５における最適化計算において用いられる制約条件を式（６）で示す図である。
【図１８】図１６の式（５）における人間単独の剛性の推定値ｒＫ（α）ｈ，ｅｓｔｉｍａｔｅｄ，ｊを式（７）ないし（９）で示す図である。
【図１９】図８に示す筋活性度算出プログラムの実行によって実行される筋活性度算出の流れを表すブロック線図である。
【図２０】図８に示す筋活性度算出プログラムの実行対象の一例である人間の下肢部モデルを、その下肢部モデルについての筋活性度の解析結果と共に示す斜視図である。
【図２１】図１２におけるＳ１００５における最適化計算のより望ましい一例を式（１０）で示す図である。
【符号の説明】
【０２２１】
１０  システム
２０  コンピュータ
１００  腰部
１０２  大腿部
１０４  脛部
１０６  足部
１１０  腰骨
１１２  大腿骨
１１４  脛骨
１１６  腓骨
１１８  足骨
【図１】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図２０】
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