(57)【要約】【課題】人間による対象物の操作性を評価する技術であって、それら人間および対象物のそれぞれの慣性を考慮して操作性をより精度よく評価するものを提供する。【解決手段】対象物単独の慣性である対象物慣性Ｍｍと、人間が前記対象物を操作している操作状態において前記人間のうち前記対象物の操作に関与する部分単独の慣性である人間慣性Ｍｈとが合成された合成慣性ｒＭｈｍを取得し、その取得された合成慣性ｒＭｈｍに基づき、人間による対象物の操作性を評価する。【選択図】図６
2006185249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間による対象物の操作性を評価する操作性評価方法であって、
前記対象物単独の慣性である対象物慣性と、前記人間が前記対象物を操作している操作状態において前記人間のうち前記対象物の操作に関与する部分単独の慣性である人間慣性とが合成された合成慣性を取得する合成慣性取得工程と、
その取得された合成慣性に基づいて前記操作性を評価する評価工程と
を含む操作性評価方法。
【請求項２】
前記合成慣性取得工程は、
前記対象物と前記人間とのいずれかに、前記操作性を評価するために着目すべき位置を評価位置として設定する評価位置設定工程と、
前記人間慣性とは無関係に、前記対象物慣性を取得する対象物慣性取得工程と、
前記対象物慣性とは無関係に、前記人間慣性を取得する人間慣性取得工程と、
それら取得された対象物慣性と人間慣性とを、前記設定された評価位置に関して、数学的に互いに合成することにより、前記合成慣性を算出する合成慣性算出工程と
を含む請求項１に記載の操作性評価方法。
【請求項３】
前記対象物慣性取得工程は、
前記取得された対象物慣性と、前記操作状態において前記対象物のうち前記人間に接触する対象物側接触部分が外部環境から受ける第１拘束条件とに基づき、前記第１拘束条件を考慮しつつ、前記取得された対象物慣性に対して、前記対象物を定義する座標空間を、前記評価位置を定義する座標空間に変換する第１座標変換を行い、それにより、前記取得された対象物慣性が前記対象物から前記評価位置まで伝達された場合のその評価位置における対象物慣性を等価対象物慣性として誘導する対象物慣性座標変換工程を含み、
前記人間慣性取得工程は、
前記取得された人間慣性と、前記操作状態において前記人間のうち前記対象物に接触する人間側接触部分が外部環境から受ける第２拘束条件とに基づき、前記第２拘束条件を考慮しつつ、前記取得された人間慣性に対して、前記人間を定義する座標空間を、前記評価位置を定義する座標空間に変換する第２座標変換を行い、それにより、前記取得された人間慣性が前記人間から前記評価位置まで伝達された場合のその評価位置における人間慣性を等価人間慣性として誘導する人間慣性座標変換工程を含み、
前記合成慣性算出工程は、
前記誘導された等価対象物慣性と等価人間慣性とを数学的に互いに合成することにより、前記合成慣性を算出する請求項２に記載の操作性評価方法。
【請求項４】
前記対象物慣性座標変換工程は、
前記取得された対象物慣性と、前記第１拘束条件と、前記人間と前記対象物とが互いに接触する接触条件とに基づき、前記第１拘束条件と前記接触条件とを考慮しつつ、前記取得された対象物慣性に対して前記第１座標変換を行い、それにより、前記等価対象物慣性を誘導し、
前記人間慣性座標変換工程は、
前記取得された人間慣性と、前記第２拘束条件と、前記接触条件とに基づき、前記第２拘束条件と前記接触条件とを考慮しつつ、前記取得された人間慣性に対して前記第２座標変換を行い、それにより、前記等価人間慣性を誘導する請求項３に記載の操作性評価方法。
【請求項５】
前記合成慣性取得工程は、
前記操作状態において前記対象物に作用する力を第１センサによって検出する第１検出工程と、
前記操作状態において前記対象物が示す挙動を第２センサによって検出する第２検出工程と、
前記第１センサによる検出値と前記第２センサによる検出値とに基づいて前記合成慣性を算出する算出工程と
を含む請求項１に記載の操作性評価方法。
【請求項６】
前記評価工程は、設計者が前記対象物を前記対象物慣性に関して設計することを支援するために、
前記合成慣性の目標値を入力する目標値入力工程と、
前記取得された合成慣性の、前記入力された目標値に対する誤差が減少するように、前記対象物慣性の設計値を修正する設計値修正工程と
を含む請求項１ないし５のいずれかに記載の操作性評価方法。
【請求項７】
前記人間は、車両の乗員であり、
前記対象物は、前記車両において前記乗員によって操作される操作部材である請求項１ないし６のいずれかに記載の操作性評価方法。
【請求項８】
前記操作部材は、ステアリング操作部材と、ブレーキ操作部材と、アクセル操作部材と、クラッチ操作部材と、変速のために操作されるシフト操作部材とのうちの少なくとも一つを含む請求項７に記載の操作性評価方法。
【請求項９】
請求項１ないし８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１０】
請求項９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１１】
人間による対象物の操作性を評価する操作性評価装置であって、
前記対象物と前記人間とのいずれかに、前記操作性を評価するために着目すべき位置を評価位置として設定する評価位置設定手段と、
その設定された評価位置に関して、前記対象物単独の慣性である対象物慣性と、前記人間が前記対象物を操作している操作状態において前記人間のうち前記対象物の操作に関与する部分単独の慣性である人間慣性とが合成された合成慣性を取得する合成慣性取得手段と、
その取得された合成慣性に基づいて前記操作性を評価する評価手段と
を含む操作性評価装置。
【請求項１２】
前記評価手段は、設計者が前記対象物を前記対象物慣性に関して設計することを支援するために、
前記合成慣性の目標値を入力する目標値入力手段と、
前記取得された合成慣性の、前記入力された目標値に対する誤差が減少するように、前記対象物慣性の設計値を修正する設計値修正手段と
を含む請求項１１に記載の操作性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間による対象物の操作性を評価する技術に関するものであり、特に、それら人間および対象物のそれぞれの慣性を考慮して操作性を評価する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
操作者である人間による対象物の操作性を評価する手法として、試験者である人間による官能評価が存在する。しかしながら、このような官能評価では、操作性の評価結果を定量化するのに限界があるうえに、この官能評価の結果が試験者によって変動してしまい、その官能評価の信頼性を向上させるのにも限界がある。
【０００３】
このような不都合を解消するため、人間による対象物の操作性を、試験者による官能評価に依存することなく、定量的に評価する手法が既にいくつか提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−２２０８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
人間による対象物の操作性を評価する典型的な従来技術によれば、人間による対象物の操作性を評価するために、その対象物単独の剛性または粘性が計算または実測によって取得され、その取得値に基づいてその操作性が評価される。
【０００５】
しかしながら、本発明者らの研究により、操作中に人間が対象物から感じる特性は、その対象物の剛性または粘性に限らず、その対象物の慣性によっても左右されることが判明した。さらに、操作中に人間が対象物から感じる慣性は、その対象物単独の慣性に必ずしも一致しないことが判明した。さらにまた、操作中に人間が対象物から感じる慣性は、対象物単独の慣性に、人間単独の慣性による影響を与えたものに一致する可能性があることも判明した。
【０００６】
このことを、車両の操舵系を例にとり、具体的に説明するに、運転者が車両を操縦する場合には、運転者がステアリングホイールを手で握ることによって人間から操舵系へ操作力が伝達される。そのため、運転者の手とステアリングホイールとの間には、あたかも機械的なジョイントが介在するのと等価な物理特性が発生する。そのため、運転者である人間の筋や関節あるいは身体が持つ慣性が、ステアリングホイールのコラム軸線まわりの回転運動に何らかの物理的な影響を与える。その結果、操舵中に運転者がステアリングホイールから感じる慣性は、そのステアリングホイール単独の慣性に、運転者単独の慣性による影響を与えたものに一致する可能性がある。
【０００７】
以上説明した事情を背景として、本発明は、人間による対象物の操作性を評価する技術であって、それら人間および対象物のそれぞれの慣性を考慮して操作性をより精度よく評価するものを提供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】
【０００８】
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すべきではない。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なのである。
【０００９】
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すべきである。
【００１０】
（１）  人間による対象物の操作性を評価する操作性評価方法であって、
前記対象物単独の慣性である対象物慣性と、前記人間が前記対象物を操作している操作状態において前記人間のうち前記対象物の操作に関与する部分単独の慣性である人間慣性とが合成された合成慣性を取得する合成慣性取得工程と、
その取得された合成慣性に基づいて前記操作性を評価する評価工程と
を含む操作性評価方法。
【００１１】
この方法によれば、対象物単独の慣性と、人間が対象物を操作している操作状態において人間のうち対象物の操作に関与する部分単独の慣性とが合成された合成慣性が取得される。その取得された合成慣性に基づいて操作性が評価される。
【００１２】
したがって、この方法によれば、対象物単独の慣性のみに基づいて操作性が評価される場合より、操作性の評価の信頼性を向上させることが容易となる。さらに、人間単独の慣性のみに基づいて操作性が評価される場合より、操作性の評価の信頼性を向上させることが容易となる。
【００１３】
本項および下記の各項における「合成慣性」は、典型的には、対象物慣性と人間慣性とを加算的または乗算的に合成して取得された値として定義されるが、合成慣性の取得値が人間または対象物の物理特性の解析よりむしろ操作性の評価に用いられるという側面を重視する場合には、その他の値、例えば、対象物慣性と人間慣性とを減算的または除算的に合成して取得された値として定義することが可能である。
【００１４】
（２）  前記合成慣性取得工程は、
前記対象物と前記人間とのいずれかに、前記操作性を評価するために着目すべき位置を評価位置として設定する評価位置設定工程と、
前記人間慣性とは無関係に、前記対象物慣性を取得する対象物慣性取得工程と、
前記対象物慣性とは無関係に、前記人間慣性を取得する人間慣性取得工程と、
それら取得された対象物慣性と人間慣性とを、前記設定された評価位置に関して、数学的に互いに合成することにより、前記合成慣性を算出する合成慣性算出工程と
を含む（１）項に記載の操作性評価方法。
【００１５】
この方法によれば、合成慣性を数値解析によって取得することが可能となるため、特定の物理量の実測もその実測のための試験品の製作も完全にないしは部分的に省略可能となる。
【００１６】
本項における「対象物慣性取得工程」は、対象物が特定の挙動を示すときにおけるその対象物単独の慣性として取得したり、対象物の挙動を表す物理量の関数として取得することが可能である。同様に、「人間慣性取得工程」は、人間が特定の挙動を示すときにおけるその人間単独の慣性として取得したり、人間の挙動を表す物理量の関数として取得することが可能である。
【００１７】
ただし、「対象物慣性取得工程」および「人間慣性取得工程」がそれぞれ、対象物および人間が特定の挙動を示すときにおけるその対象物単独の慣性およびその人間単独の慣性として取得する態様で実施される場合には、対象物であるか人間であるかを問わず、慣性が挙動に依存する性質を有するため、その取得された挙動を、挙動に基づいて補正することが必要である。
【００１８】
（３）  前記対象物慣性取得工程は、
前記取得された対象物慣性と、前記操作状態において前記対象物のうち前記人間に接触する対象物側接触部分が外部環境から受ける第１拘束条件とに基づき、前記第１拘束条件を考慮しつつ、前記取得された対象物慣性に対して、前記対象物を定義する座標空間を、前記評価位置を定義する座標空間に変換する第１座標変換を行い、それにより、前記取得された対象物慣性が前記対象物から前記評価位置まで伝達された場合のその評価位置における対象物慣性を等価対象物慣性として誘導する対象物慣性座標変換工程を含み、
前記人間慣性取得工程は、
前記取得された人間慣性と、前記操作状態において前記人間のうち前記対象物に接触する人間側接触部分が外部環境から受ける第２拘束条件とに基づき、前記第２拘束条件を考慮しつつ、前記取得された人間慣性に対して、前記人間を定義する座標空間を、前記評価位置を定義する座標空間に変換する第２座標変換を行い、それにより、前記取得された人間慣性が前記人間から前記評価位置まで伝達された場合のその評価位置における人間慣性を等価人間慣性として誘導する人間慣性座標変換工程を含み、
前記合成慣性算出工程は、
前記誘導された等価対象物慣性と等価人間慣性とを数学的に互いに合成することにより、前記合成慣性を算出する（２）項に記載の操作性評価方法。
【００１９】
対象物慣性は、対象物を定義する座標空間上においてそもそも定義される場合には、その対象物慣性を、評価位置が定義される座標空間まで座標変換することが必要である。その座標変換された対象物慣性を等価対象物慣性という。また、操作状態において対象物のうち人間に接触する対象物側接触部分が外部環境から拘束を受ける場合には、その拘束条件を考慮して、対象物慣性の座標変換を行うことが望ましい。
【００２０】
以上のような知見に基づき、本項に係る方法においては、取得された対象物慣性と、対象物側接触部分が外部環境から受ける第１拘束条件とに基づき、第１拘束条件を考慮しつつ、取得された対象物慣性に対して第１座標変換が行われ、それにより、等価対象物慣性が誘導される。
【００２１】
同様にして、人間慣性が、人間を定義する座標空間上においてそもそも定義される場合には、その人間慣性を、評価位置が定義される座標空間まで座標変換することが必要である。その座標変換された人間慣性を等価人間慣性という。また、操作状態において人間のうち対象物に接触する人間側接触部分が外部環境から拘束を受ける場合には、その拘束条件を考慮して、人間慣性の座標変換を行うことが望ましい。
【００２２】
以上のような知見に基づき、本項に係る方法においては、取得された人間慣性と、人間側接触部分が外部環境から受ける第２拘束条件とに基づき、その第２拘束条件を考慮しつつ、取得された人間慣性に対して第２座標変換が行われ、それにより、等価人間慣性が誘導される。
【００２３】
よって、本項に係る方法によれば、対象物慣性と人間慣性とをそれぞれ、対象物および人間に対するそれぞれの拘束条件を考慮して、評価位置が定義される座標空間において正確に定義することが容易となる。
【００２４】
本項および下記の各項における「外部環境」は、例えば、人間については、人間が対象物以外の環境から物理的な拘束を受ける場合に、その環境を意味するように定義することが可能であり、また、対象物については、対象物が人間以外の環境から物理的な拘束を受ける場合に、その環境を意味するように定義することが可能である。
【００２５】
（４）  前記対象物慣性座標変換工程は、
前記取得された対象物慣性と、前記第１拘束条件と、前記人間と前記対象物とが互いに接触する接触条件とに基づき、前記第１拘束条件と前記接触条件とを考慮しつつ、前記取得された対象物慣性に対して前記第１座標変換を行い、それにより、前記等価対象物慣性を誘導し、
前記人間慣性座標変換工程は、
前記取得された人間慣性と、前記第２拘束条件と、前記接触条件とに基づき、前記第２拘束条件と前記接触条件とを考慮しつつ、前記取得された人間慣性に対して前記第２座標変換を行い、それにより、前記等価人間慣性を誘導する（３）項に記載の操作性評価方法。
【００２６】
この方法によれば、対象物が外部環境から受ける拘束と、その対象物と人間とが互いに接触する接触条件とを考慮して、評価位置における対象物慣性すなわち等価対象物慣性をより正確に誘導することが容易となる。さらに、人間が外部環境から受ける拘束と、その人間と対象物とが互いに接触する接触条件とを考慮して、評価位置における人間慣性すなわち等価人間慣性をより正確に誘導することが容易となる。
【００２７】
本項における「接触条件」は、例えば、人間と対象物とがすべての可動方向において剛体結合される条件、人間と対象物とが面接触する条件、人間と対象物とが点接触する条件等を意味するように定義することが可能である。
【００２８】
（５）  前記合成慣性取得工程は、
前記操作状態において前記対象物に作用する力を第１センサによって検出する第１検出工程と、
前記操作状態において前記対象物が示す挙動を第２センサによって検出する第２検出工程と、
前記第１センサによる検出値と前記第２センサによる検出値とに基づいて前記合成慣性を算出する算出工程と
を含む（１）項に記載の操作性評価方法。
【００２９】
この方法によれば、操作状態において対象物に作用する力の検出と、操作状態において対象物が示す挙動の検出とを行うことにより、より複雑な数値計算を行うことなく、合成慣性を算出することが可能となる。
【００３０】
本明細書の全体を通じ、「力」という用語は、狭義の力のみならずモーメントまたはトルクを含む広義の力を意味しており、その広義の力は例えば、一般化力と称される。
【００３１】
また、本明細書の全体を通じ、「挙動」という用語は、人間または対象物の変位（長さ、位置、角度等を含む）と、変位速度（長さが変化する速度、角速度等を含む。）と、変位加速度（長さが変化する加速度、角加速度等を含む。）との少なくとも一つを意味するように定義することが可能である。
【００３２】
本項における「第１センサ」は、例えば、力センサ、トルクセンサ等であり、「第２センサ」は、例えば、位置センサ、角度センサ、速度センサ、角速度センサ、加速度センサ、角加速度センサ等である。
【００３３】
また、本項における「第２センサ」は、慣性を算出するために使用されるセンサである関係上、典型的には、加速度センサまたは角加速度センサを含むように構成される。ただし、この「第２センサ」は、異なる物理量間に時間微分または時間積分の関係が成立するという事実に着目すれば、それら加速度センサまたは角加速度センサを含むように構成することは不可欠ではない。例えば、この「第２センサ」は、速度センサまたは角速度センサを含むように構成したうえで、その検出値の時間微分によって加速度または角加速度を計算によって取得することが可能である。
【００３４】
（６）  前記評価工程は、設計者が前記対象物を前記対象物慣性に関して設計することを支援するために、
前記合成慣性の目標値を入力する目標値入力工程と、
前記取得された合成慣性の、前記入力された目標値に対する誤差が減少するように、前記対象物慣性の設計値を修正する設計値修正工程と
を含む（１）ないし（５）項のいずれかに記載の操作性評価方法。
【００３５】
この方法によれば、合成慣性という、操作性をより正確に定量化し得る物理量を用いることにより、操作性が改善された対象物の設計が支援されるため、その設計者の負担が軽減されるとともに、その対象物の設計品質が向上する。
【００３６】
（７）  前記人間は、車両の乗員であり、
前記対象物は、前記車両において前記乗員によって操作される操作部材である（１）ないし（６）項のいずれかに記載の操作性評価方法。
【００３７】
（８）  前記操作部材は、ステアリング操作部材と、ブレーキ操作部材と、アクセル操作部材と、クラッチ操作部材と、変速のために操作されるシフト操作部材とのうちの少なくとも一つを含む（７）項に記載の操作性評価方法。
【００３８】
（９）  （１）ないし（８）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。
【００３９】
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（８）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、同様な作用効果が実現され得る。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
（１０）  （９）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。
【００４３】
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（８）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。
【００４４】
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。
【００４５】
（１１）  人間による対象物の操作性を評価する操作性評価装置であって、
前記対象物と前記人間とのいずれかに、前記操作性を評価するために着目すべき位置を評価位置として設定する評価位置設定手段と、
その設定された評価位置に関して、前記対象物単独の慣性である対象物慣性と、前記人間が前記対象物を操作している操作状態において前記人間のうち前記対象物の操作に関与する部分単独の慣性である人間慣性とが合成された合成慣性を取得する合成慣性取得手段と、
その取得された合成慣性に基づいて前記操作性を評価する評価手段と
を含む操作性評価装置。
【００４６】
この装置によれば、前記（１）または（２）項に係る方法におけると基本的に同じ原理に従い、同様な作用効果が実現され得る。
【００４７】
（１２）  前記評価手段は、設計者が前記対象物を前記対象物慣性に関して設計することを支援するために、
前記合成慣性の目標値を入力する目標値入力手段と、
前記取得された合成慣性の、前記入力された目標値に対する誤差が減少するように、前記対象物慣性の設計値を修正する設計値修正手段と
を含む（１１）項に記載の操作性評価装置。
【００４８】
この装置によれば、前記（６）項に係る方法におけると基本的に同じ原理に従い、同様な作用効果が実現され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。
【００５０】
図１には、本発明の第１実施形態に従う操作性評価方法を実施するのに好適な操作性評価装置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。
【００５１】
この操作性評価装置１０は、人間である操作者が車両において対象物（例えば、車両の操作部材としてのステアリングホイール）を操作する挙動をコンピュータ２０上で表現し得る人間物理モデルおよび対象物物理モデルを用いることにより、その操作者による対象物の操作性を数値解析し、その結果を利用して設計者による対象物の設計を支援するために設けられている。
【００５２】
図１に示すように、この操作性評価装置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によって実行される。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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、人間物理モデル作成プログラム、対象物物理モデル作成プログラム、操作性解析プログラムおよび設計支援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次元的に表現する人間物理モデルを定義するためのモデルデータがストアされる。このデータメモリ４２には、さらに、前記対象物を表現する対象物物理モデルを定義するためのモデルデータもストアされる。
【００５５】
人間物理モデルは、有限要素人体モデルとしたり、多関節剛体モデルとすることが可能であるが、本実施形態においては、多関節剛体モデルとして構成されている。この多関節剛体モデルは、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て構成されている。
【００５６】
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重心位置、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。剛体セグメントの質量は、並進運動における慣性に相当し、一方、慣性モーメントは、回転運動における慣性に相当する。
【００５７】
図２には、操作性評価装置１０が、それによって実現される機能に着目してブロック図で概念的に表されている。この操作性評価装置１０は、人間物理モデル作成手段２００と、対象物物理モデル作成手段２０２と、操作性解析手段２０４と、設計支援手段２０５とを含んでいる。
【００５８】
図２には、さらに、操作性解析手段２０４が、それによって実現される機能に着目してブロック図で概念的に表されており、図３には、この操作性解析手段２０４が、さらに詳しくブロック図で概念的に表されている。図３には、さらに、設計支援手段２０５も、それによって実現される機能に着目してブロック図で概念的に表されている。
【００５９】
概略的に説明するに、図３に示すように、操作性解析手段２０４は、人間および対象物のいずれについても、慣性を解析するために設けられており、また、設計支援手段２０５は、対象物の慣性につき、設計者による対象物の設計を支援するために設けられている。
【００６０】
図４には、互いに機械的に接触する人間と対象物（例えば、機械）との間に存在する複数の座標空間が概念的に表されている。それら座標空間は、人間から対象物に向かって、人間の挙動（例えば、変位ｑｈ、変位速度ｄｑｈ／ｄｔ、変位加速度ｄ２ｑｈ／ｄｔ２等）を表す一般化座標が存在する人間一般化座標空間、人間のうち、対象物との接触点が存在する人間接触点空間、仮想空間である接触伝達空間、対象物のうち、人間との接触点が存在する対象物接触点空間、および対象物の挙動（例えば、変位ｑｍ、変位速度ｄｑｍ／ｄｔ、変位加速度ｄ２ｑｍ／ｄｔ２等）を表す一般化座標が存在する対象物一般化座標空間である。
【００６１】
図４には、さらに、互いに隣接した座標空間間において座標変換を行うための行列ｃＪｈ，ＨおよびｃＪｍが示されている。それら記号の定義は後に詳述する。
【００６２】
図４には、さらに、各座標空間ごとに、変位加速度ｄ２ｑ／ｄｔ２と力／トルクτとが慣性という物理特性によって互いに物理的に関連付けられる様子も示されている。
【００６３】
具体的には、人間一般化座標空間においては、人間の変位加速度ｄ２ｑｈ／ｄｔ２と人間一般化力τｈとが、人間の特性に基づく人間慣性（人間単独の慣性）Ｍｈによって互いに物理的に関連付けられる。人間接触点空間においては、接触点の変位加速度ｄ２ｃ／ｄｔ２と接触力τｃとが慣性ｃＭｈによって互いに物理的に関連付けられる。対象物接触点空間においては、接触点の変位加速度ｄ２ｃ／ｄｔ２と接触力τｃとが慣性ｃＭｍによって互いに物理的に関連付けられる。対象物一般化座標空間においては、対象物の変位加速度ｄ２ｑｍ／ｄｔ２と対象物一般化力τｍとが、対象物の特性に基づく対象物慣性（対象物単独の慣性）Ｍｍによって互いに物理的に関連付けられる。
【００６４】
それら各種用語および各種記号のうち、「変位」は、ある物体の並進運動の位置と回転運動の位置とを一般化して包括的に表現する用語である。具体的には、人間の変位ｑｕは、人間一般化座標空間において、人間のある点の並進運動の位置と回転運動の位置とを包括的に表現し、対象物の変位ｑｍは、対象物一般化座標空間において、対象物のある点の並進運動の位置と回転運動の位置とを包括的に表現する。以上、「変位」の定義を説明したが、この説明は、「変位速度」および「変位加速度」に準用される。
【００６５】
また、「一般化力τ」は、ある物体に作用する並進力とトルクまたはモーメントとを一般化して包括的に表現する用語である。具体的には、一般化力τｈは、人間一般化座標空間（関節を定義する関節空間でもある。）において人間の関節に作用する並進力およびトルクを意味する。また、一般化力τｍは、対象物一般化座標空間において対象物に作用する並進力およびトルクを意味する。
【００６６】
また、接触力τｃは、人間と対象物との接触点に作用する一般化力を意味しており、その接触点に作用する並進力とモーメントとを一般化して包括的に表現する用語である。図４に示すように、接触力τｃは、人間接触点空間にも対象物接触点空間にも存在するが、それら２つの接触力τｃは、大きさが同じで向きが互いに逆であるという関係を有する。
【００６７】
以上、図４に示す各種用語および各種記号を部分的に説明したが、他の用語および記号は後に詳述する。
【００６８】
図２に示す人間物理モデル作成手段２００は、前記対象物を操作する人間である操作者の人体物理特性を含む人間物理モデルを前述の多関節剛体モデルとして作成する。
【００６９】
本実施形態における人間物理モデルは、さらに具体的に説明するに、人体の各部をｎｂ個の剛体であるセグメント（要素）によって表現する。この人間物理モデルにおいては、それら要素がｎｊ個の関節によって拘束あるいは連結されている。
【００７０】
この人間物理モデルの自由度ｎｄは、図５において式（１）で表されている。したがって、人間物理モデルの挙動は、ｎｄ次元の一般化座標ｑｈを用いて表現される。
【００７１】
この人間物理モデルが持っている物理特性は、人体各部については、寸法、重心位置、質量、主慣性モーメント、関節位置等である。
【００７２】
この人間物理モデルにおいては、各剛体セグメントごとに、並進運動における慣性（質量）および回転運動における慣性モーメント（以下、それらを単に「慣性」と総称する。）が定義されている。その定義された慣性により、人間一般化座標空間における操作者である人間の一般化慣性テンソルが誘導できる。
【００７３】
対象物物理モデル作成手段２０２は、人間によって操作される対象物（例えば、操作装置）の物理特性を含む対象物物理モデルを、対象物の剛体セグメントモデルとして作成したり、有限要素モデルとして作成することが可能である。本実施形態においては、この対象物物理モデル作成手段２０２は、対象物物理モデルを、複数の剛体セグメントが複数のジョイントによって互いに連結されて成る剛体モデルとして作成する。
【００７４】
本実施形態における対象物物理モデルは、さらに具体的に説明するに、対象物を構成するｍｂ個の各部品を剛体のセグメント（要素）によって表現する。この対象物物理モデルにおいては、それら要素がｍｊ個のジョイントによって拘束あるいは連結されることにより、対象物が表現されている。
【００７５】
この対象物物理モデルの自由度ｍｄは、図５において式（２）で表されている。したがって、対象物物理モデルの挙動は、ｍｄ次元の一般化座標ｑｍを用いて表現される。
【００７６】
この対象物物理モデルが持っている物理特性は、各部品については、寸法、重心位置、質量、主慣性モーメント、ジョイント位置等であり、また、各ジョイントについては、種類等である。
【００７７】
図２に示す操作性解析手段２０４は、それら作成された人間物理モデルと対象物物理モデルとを用い、かつ、人間と対象物との間の拘束条件・接触条件を含む解析条件のもとに、人間による対象物の操作性を解析する。ここに、「拘束条件」とは、人間または対象物が外部環境によって拘束される条件を意味し、また、「接触条件」とは、人間と対象物とが互いに接触する条件を意味する。
【００７８】
その接触条件としては、例えば、人間と対象物とが、一体的に結合するように接触する条件、面接触する条件、人間の片手で対象物に軽く触れる条件、両手で対象物に軽く触れる条件、片手で対象物を強固に把持する条件、両手で対象物を強固に把持する条件等がある。
【００７９】
図２に示すように、この操作性解析手段２０４は、解析条件設定手段２０６と、挙動計算手段２０８と、人間慣性テンソル算出手段２１０と、対象物慣性テンソル算出手段２１２と、合成慣性テンソル算出手段２１４とを含んでいる。
【００８０】
解析条件設定手段２０６は、操作性解析のために解析条件を設定する。その解析条件は、人間が対象物を操作する際のその人間と外部環境（対象物以外の物体）との間の拘束条件および外力、対象物と外部環境（人間以外の物体）との間の拘束条件および外力、それら人間と対象物との間の接触条件および外力、互いに接触する人間および対象物から成る人間−対象物系（人間−機械系）において操作性が解析されるべき少なくとも一つの評価位置等を含んでいる。以下、解析条件をさらに具体的に説明する。
【００８１】
本実施形態においては、操作中に人間が外部環境から受けるｎｃ個の拘束が、ヤコビ行列Ｇｈと人間の変位速度ｄｑｈ／ｄｔとを用いることにより、図５における式（３）によって表現される。また、人間によって操作される対象物が外部環境から受けるｍｃ個の拘束が、ヤコビ行列Ｇｍと対象物の変位速度ｄｑｍ／ｄｔとを用いることにより、図５における式（４）によって表現される。それら式（３）および（４）はいずれも、拘束条件を記述する拘束条件式である。
【００８２】
人間と対象物との間にＭ個の接触点が存在する場合には、それら接触点のうち、ｉ番目の接触点ｃｉにおける拘束が、図６における式（５）によって表現される接触拘束行列Ｈｉによって表現される。Ｍ個の接触点のすべてにおける拘束は、図６における式（６）によって表現される全体接触拘束行列Ｈ（図４参照）によって表現される。接触拘束行列Ｈｉの一具体例は後述する。
【００８３】
対象物慣性のみならず人間慣性をも考慮したうえで対象物の操作性すなわち人間−機械系動特性を求めたい評価位置ｒは、人間を表現している要素、または対象物を表現している要素上に定義される。また、評価位置ｒに関する可動方向が、可動方向行列Ｐｒによって記述される。例えば、評価位置ｒに原点を持つ６自由度ｘｙｚ座標系のｘ軸およびｙ軸にのみ動く場合には、その行列Ｐｒは図６における式（７）で表現される。
【００８４】
図２に示す操作性解析手段２０４は、図３に示すように、人間慣性取得部２０４ａと、対象物慣性取得部２０４ｂと、接触条件入力手段２１５とを含んでいる。
【００８５】
接触条件入力手段２１５は、人間が対象物を操作している際にそれら人間と対象物とが互いに接触する接触条件を全体接触拘束行列Ｈとして入力するために設けられている。
【００８６】
人間慣性取得部２０４ａは、前述の人間物理モデル、すなわち、人間筋特性、人体の幾何学的特徴、人間の関節が持つ受動特性に基づく人間関節特性等を反映したモデルを用い、人間慣性Ｍｈが人間から評価位置ｒまで伝達されたときにおける人間慣性Ｍｈの値を等価人間慣性ｒＭｈとして取得するために設けられている。
【００８７】
具体的には、この人間慣性取得部２０４ａは、人間物理モデルを用い、人間が対象物を操作する際のその人間の挙動（以下、人間の変位位置、変位速度および変位加速度を含み得る広義の概念として使用する。）と、人間が外部環境から受ける拘束を表す人間拘束条件Ｇｈと、人間単独の慣性である人間慣性特性Ｍｈと、接触条件入力手段２１５から供給される全体接触拘束行列Ｈと、前述の評価位置ｒとに基づき、等価人間慣性ｒＭｈを算出する。人間慣性特性Ｍｈは、人間挙動の関数として定義することが可能である。
【００８８】
この人間慣性取得部２０４ａは、入力手段２１６と、人間直交射影算出手段２１８と、人間慣性座標変換手段２２６とを含んでいる。
【００８９】
入力手段２１６は、人間挙動（変位ｑｈ等）、人間拘束条件Ｇｈ、人間慣性特性Ｍｈ等を入力する。この入力手段２１６によって入力すべき人間挙動（変位ｑｈ等）は、例えば、現実の挙動をモーションキャプチャ等を用いて計測することによって取得したり、現実の挙動を想定することによって取得することが可能である。この入力手段２１６は、入力装置２２と、コンピュータ２０のうち、該当する情報を入力するために実行される部分との組合せによって構成されている。
【００９０】
人間直交射影算出手段２１８は、人間物理モデルを用いることにより、入力手段２１６から供給された人間拘束条件Ｇｈから、人間に対する拘束Ｇｈの零空間への直交射影行列（後述）Ｐｈを算出する。
【００９１】
人間慣性座標変換手段２２６は、図４に示す人間一般化座標空間から、その人間一般化座標空間と対象物一般化座標空間との間においてユーザによって指定される評価位置ｒが存在する評価点空間（図１２および図１３参照）への座標変換により、入力手段２１６から供給された人間慣性Ｍｈを、その人間慣性Ｍｈがその評価位置ｒまで伝達された等価人間慣性ｒＭｈ（図１３および図１４参照）に変換する。
【００９２】
具体的には、この人間慣性座標変換手段２２６は、上述の座標変換により、人間一般化座標空間における人間慣性Ｍｈを、人間挙動（変位ｑｈ等）と、人間直交射影算出手段２１８から供給された直交射影行列Ｐｈと、接触条件入力手段２１５から供給された全体接触拘束行列Ｈとを考慮して、図９に示す後述の式（１７）を用いることにより、評価点空間における等価人間慣性ｒＭｈに変換する。
【００９３】
対象物慣性取得部２０４ｂは、図３に示すように、前述の対象物物理モデル、すなわち、対象物の慣性Ｍｍ等を反映したモデルを用い、対象物慣性Ｍｍが対象物一般化座標空間から評価位置ｒまで伝達されたときにおけるその対象物慣性Ｍｍの値を等価対象物慣性ｒＭｍとして取得するために設けられている。
【００９４】
具体的には、この対象物慣性取得部２０４ｂは、対象物物理モデルを用い、人間が対象物を操作する際のその対象物の挙動（以下、対象物の変位位置、変位速度および変位加速度を含み得る広義の概念として使用する。）と、対象物が外部環境から受ける拘束を表す対象物拘束条件Ｇｍと、対象物単独の慣性である対象物慣性Ｍｍ（図３においては「対象物慣性初期値」で示す。）と、接触条件入力手段２１５から供給される全体接触拘束行列Ｈと、前述の評価位置ｒとに基づき、等価対象物慣性ｒＭｍを算出する。対象物慣性特性Ｍｍは、対象物挙動の関数として定義することが可能である。
【００９５】
この対象物慣性取得部２０４ｂは、入力手段２２８と、対象物直交射影算出手段２３０と、対象物慣性座標変換手段２３４とを含んでいる。
【００９６】
入力手段２２８は、前述の対象物挙動（変位ｑｍ等）、対象物拘束条件Ｇｍ、対象物慣性Ｍｍ等を入力する。この入力手段２２８によって入力すべき対象物挙動（変位ｑｍ等）は、例えば、現実の挙動をモーションキャプチャ等を用いて計測することによって取得したり、現実の挙動を想定することによって取得することが可能である。この入力手段２２８は、入力装置２２と、コンピュータ２０のうち、該当する情報を入力するために実行される部分との組合せによって構成されている。
【００９７】
対象物直交射影算出手段２３０は、対象物物理モデルを用いることにより、対象物拘束条件Ｇｍから、対象物に対する拘束Ｇｈの零空間への直交射影行列（後述）Ｐｍを算出する。対象物慣性座標変換手段２３４は、図４に示す対象物一般化座標空間から前述の評価点空間への座標変換により、入力手段２２８または後述の対象物慣性更新手段２４２から供給された対象物慣性Ｍｍを、その対象物慣性Ｍｍが評価位置ｒまで伝達された等価対象物慣性ｒＭｍ（図１３および図１４参照）に変換する。
【００９８】
具体的には、この対象物慣性座標変換手段２３４は、上述の座標変換により、対象物一般化座標空間における対象物慣性Ｍｍを、対象物挙動（変位ｑｍ等）と、対象物直交射影算出手段２３０から供給された直交射影行列Ｐｍと、接触条件入力手段２１５から供給された全体接触拘束行列Ｈとを考慮して、図１１に示す後述の式（２３）を用いることにより、評価点空間における等価対象物慣性ｒＭｍに変換する。
【００９９】
すなわち、本実施形態においては、入力手段２１６および２２８と人間直交射影算出手段２１８と対象物直交射影算出手段２３０とが互いに共同して、図２に示す解析条件設定手段２０６を構成しているのである。
【０１００】
本実施形態においては、入力手段２１６に入力される人間挙動は、人間のうちの代表的な部分の挙動（例えば、腕の挙動）を意味しており、同じ人間のうちの他の部分の挙動は、その代表的な部分の挙動を主挙動とし、かつ、人間拘束条件Ｇｈを考慮しつつ人間物理モデルを用いることにより、付随挙動として計算される。この計算は人間慣性座標変換手段２２６において行われる。
【０１０１】
同様にして、本実施形態においては、入力手段２２８に入力される対象物挙動は、対象物のうちの代表的な部分の挙動を意味しており、同じ対象物のうちの他の部分の挙動は、その代表的な部分の挙動を主挙動とし、かつ、対象物拘束条件Ｇｍを考慮しつつ対象物物理モデルを用いることにより、付随挙動として計算される。この計算は対象物慣性座標変換手段２３４において行われる。
【０１０２】
したがって、本実施形態においては、人間慣性座標変換手段２２６のうち、入力された主挙動から付随挙動を計算する部分と、対象物慣性座標変換手段２３４のうち、入力された主挙動から付随挙動を計算する部分とが互いに共同して、図２に示す挙動計算手段２０８を構成している。
【０１０３】
さらに、本実施形態においては、人間慣性座標変換手段２２６が、図３に示す人間慣性テンソル算出手段２１０を構成し、対象物慣性座標変換手段２３４が図３に示す対象物慣性テンソル算出手段２１２を構成しているのである。
【０１０４】
なお付言するに、本実施形態においては、人間と対象物とのいずれについても、挙動が部分的に与えられ、残りの部分についての挙動が、人間物理モデルと対象物物理モデルとのうち対応するものを利用した計算によって取得されるようになっているが、このようにすることは本発明を実施するために不可欠なことではない。例えば、人間と対象物との双方またはいずれかについては、挙動が全体的に与えられ、対応するモデルを利用した計算が、挙動の取得工程については、省略される態様で本発明を実施することが可能である。
【０１０５】
図３に示すように、操作性解析手段２０４は、さらに、合成慣性算出手段２３６を含んでおり、その合成慣性算出手段２３６は、図２に示す合成慣性テンソル算出手段２１４を構成している。
【０１０６】
合成慣性算出手段２３６は、人間慣性座標変換手段２２６から供給された等価人間慣性ｒＭｈと、対象物慣性座標変換手段２３４から供給された等価対象物慣性ｒＭｍとを数学的に互いに合成する。それにより、この合成慣性算出手段２３６は、操作中における対象物の、前述の評価位置ｒにおける慣性が、その対象物単独の慣性のみならず、その対象物を操作している人間の慣性をも考慮して取得される。この合成慣性算出手段２３６は、それら等価人間慣性ｒＭｈおよび等価対象物慣性ｒＭｍと、その他必要なパラメータとに基づき、図９に示す後述の式（１６）または図１１に示す後述の式（２２）を用いることにより、合成慣性ｒＭｈｍを算出する。
【０１０７】
図３に示すように、設計支援手段２０５は、合成慣性目標値入力手段２３８と、慣性誤差算出手段２４０と、対象物慣性更新手段２４２とを含んでいる。
【０１０８】
合成慣性目標値入力手段２３８は、上記算出された合成慣性ｒＭｈｍ（合成慣性ｒＭｈｍの計算値）との比較のため、合成慣性ｒＭｈｍの目標値を入力する。慣性誤差算出手段２４０は、合成慣性ｒＭｈｍの計算値の、その入力された目標値に対する誤差を算出する。対象物慣性更新手段２４２は、その算出された誤差が許容値を超える場合に、対象物慣性Ｍｍであって、図３に示すように、入力手段２２８を経て対象物慣性座標変換手段２３４に供給されるものを更新する。この対象物慣性更新手段２４２により、操作者による対象物の操作性を改善する観点から、対象物慣性Ｍｍを最適化することが容易となる。
【０１０９】
ここで、人間慣性テンソル算出手段２１０において人間慣性テンソルが誘導される論理を説明する。
【０１１０】
人間慣性テンソル算出手段２１０は、前記作成された人間物理モデルと、前記拘束条件と、操作中の人間の挙動またはその挙動と内力との組合せを用いることにより、人間単独の慣性を記述する人間慣性テンソルを算出する。
【０１１１】
その人間慣性テンソルは、拘束条件を考慮する前の人間慣性Ｍｈを用い、かつ、図７において式（９）ないし（１１）で表される直交射影行列Ｐｈによって表される前述の拘束条件を考慮することにより、図７において式（８）で表される。
【０１１２】
以下、人間に対する拘束条件を考慮した慣性を人間慣性テンソル（図においてアルファベットに上線を付して示すことにより、拘束条件を考慮した慣性テンソルであることを示す。このことは、他のパラメータについても同じとする。）というが、その人間慣性テンソルは、人間の姿勢や内力によってその値が変化するため、事前に取得された人間の挙動や内力（前述の一般化力を含む。）を用いて、人間慣性テンソルの操作中における変化が考慮される。
【０１１３】
ここで、対象物慣性テンソル算出手段２１２において対象物慣性テンソルが誘導される論理を説明する。
【０１１４】
対象物慣性テンソル算出手段２１２は、前記作成された対象物物理モデルと、前記拘束条件と、操作中の対象物の挙動またはその挙動と内力との組合せを用いることにより、対象物単独の慣性を記述する対象物慣性テンソルを算出する。
【０１１５】
その対象物慣性テンソルは、拘束条件を考慮する前の対象物の慣性Ｍｍを用い、かつ、図８において式（１３）ないし（１５）で表される直交射影行列Ｐｍによって表される前述の拘束条件を考慮することにより、図８において式（１２）で表される。対象物慣性Ｍｍは、前述の対象物物理モデルによって定義されている特性から求めることができる。
【０１１６】
以下、対象物に対する拘束条件を考慮した慣性を対象物慣性テンソルというが、その対象物慣性テンソルは、対象物の姿勢や内力によってその値が変化するため、事前に取得された対象物の挙動や内力を用いて、対象物慣性テンソルの操作中における変化が考慮される。
【０１１７】
ここで、合成慣性テンソル算出手段２１４において合成慣性テンソルが誘導される論理を説明する。
【０１１８】
合成慣性テンソル算出手段２１４は、前記算出された人間慣性テンソルおよび対象物慣性テンソルと、事前に設定された拘束条件および評価位置ｒとを用いることにより、それら人間慣性と対象物慣性とを合成した合成慣性を表す合成慣性テンソルを算出する。以下、その合成慣性テンソルを説明するが、評価位置ｒが対象物上にある場合と、操作者である人間上にある場合とに分けて、それらの順に説明する。
【０１１９】
１．評価位置ｒが対象物上にある場合
【０１２０】
評価位置ｒが対象物上にある場合には、図９において式（１６）で示すように、評価位置ｒにおける合成慣性テンソルが、
【０１２１】
（ａ）図８において式（１２）で表される対象物慣性テンソルＭｍと、
（ｂ）図９において式（１７）で表される等価人間慣性テンソルｒＭｈと、
（ｃ）図９において式（１８）を用いて説明されるヤコビ行列ｒＪｍと、
（ｄ）図８において式（１３）ないし（１５）を用いて説明される直交射影行列Ｐｍと、
（ｅ）図６において式（７）で例示される可動方向行列Ｐｒと
【０１２２】
を用いることにより、記述される。
【０１２３】
等価人間慣性テンソルｒＭｈは、前述の人間慣性テンソルＭｈを評価位置ｒまで伝達したものであり、ヤコビ行列ｒＪｍは、評価位置ｒと対象物一般化座標ｑｍとの間のヤコビ行列である。
【０１２４】
その等価人間慣性テンソルｒＭｈは、図９において式（１７）で示すように、
【０１２５】
（ａ）図７において式（８）で表される人間慣性テンソルＭｈと、
（ｂ）図１０において式（１９）、（２０−１）および（２０−２）で表されるヤコビ行列ｃＪｈと、
（ｃ）図７において式（９）ないし（１１）を用いて説明される直交射影行列Ｐｈと、
（ｄ）図６において式（５）および（６）で表される接触拘束行列Ｈと、
（ｅ）図１０において式（２１）で表される座標系変換行列ｒＳｃと
【０１２６】
を用いることにより、記述される。
【０１２７】
図１２には、人間一般化座標空間と対象物一般化座標空間との間に存在する複数の座標空間であって、図４に示す複数の座標空間に対して、評価位置ｒが存在する評価点空間が追加されたものが示されている。図１２には、等価人間慣性テンソルｒＭｍと、座標系変換行列ｒＳｃと、ヤコビ行列ｒＪｍとが、評価点空間に関連付けて示されている。
【０１２８】
２．評価位置ｒが人間である操作者上にある場合
【０１２９】
評価位置ｒが対象物上にある場合には、図１１において式（２２）で示すように、評価位置ｒにおける合成慣性テンソルｒＭｈｍが、
【０１３０】
（ａ）図７において式（８）で表される人間慣性テンソルＭｈと、
（ｂ）図１１において式（２３）で表される等価対象物慣性テンソルｒＭｍと、
（ｃ）図１１において式（２４）を用いて説明されるヤコビ行列ｒＪｈと、
（ｄ）図７において式（９）ないし（１１）を用いて説明される直交射影行列Ｐｈと、
（ｅ）図６において式（７）で例示される可動方向行列Ｐｒと
【０１３１】
を用いることにより、記述される。等価対象物慣性テンソルｒＭｍは、前述の対象物慣性テンソルＭｍを評価位置ｒまで伝達したものであり、ヤコビ行列ｒＪｈは、評価位置ｒと人間一般化座標ｑｈとの間のヤコビ行列である。
【０１３２】
その等価対象物慣性テンソルｒＭｍは、図１１において式（２３）で示すように、
【０１３３】
（ａ）図８において式（１２）で表される対象物慣性テンソルＭｍと、
（ｂ）図１１において式（２５）および（２６）で表されるヤコビ行列ｃＪｍと、
（ｃ）図６において式（５）および（６）で表される接触拘束行列Ｈと、
（ｄ）図８において式（１３）ないし（１５）を用いて説明される直交射影行列Ｐｍと、
（ｅ）図１０において式（２１）で表される座標系変換行列ｒＳｃと
【０１３４】
を用いることにより、記述される。
【０１３５】
図１３には、人間一般化座標空間と対象物一般化座標空間との間に存在する複数の座標空間であって、図４に示す複数の座標空間に対して、評価位置ｒが存在する評価点空間が追加されたものが示されている。図１３には、等価人間慣性テンソルｒＭｍと、座標系変換行列ｒＳｃと、ヤコビ行列ｒＪｈとが、評価点空間に関連付けて示されている。
【０１３６】
ここで、人間と対象物とのうち人間を例にとり、慣性テンソルを算出する際に拘束Ｇｈを考慮する手法を説明するために、図１０において式（２０−２）が誘導される論理を、図１４ないし図１６を参照して説明する。
【０１３７】
図１０においては、式（２０−１）により、接触点の変位速度と人間の変位速度とが、ヤコビ行列ｃＪｈによって互いに関連付けられている。そのヤコビ行列ｃＪｈは、図１４に概念的に表すように、人間の変位速度を、人間一般化座標空間から人間接触点空間にマッピングするための行列である。
【０１３８】
図５においては、式（３）により、人間の変位速度と、人間拘束点空間において人間が動かないことを表す零行列０とが、ヤコビ行列Ｇｈによって互いに関連付けられている。そのヤコビ行列Ｇｈは、図１４に概念的に表すように、人間の変位速度を、人間一般化座標空間から人間拘束点空間にマッピングするための行列である。
【０１３９】
ここに「拘束点空間」は、人間または対象物のうち外部環境によって拘束される各拘束点ごとに定義される空間である。
【０１４０】
この「拘束点空間」を、人間が、路面に接地する車輪を操舵する操舵系を有する車両においてその車両のシートに着座してステアリングホイールを操作する運転者であり、対象物が、その操舵系である場合を例にとり、具体的に説明する。この例においては、人間としての運転者は、それの胴体において外部環境としてのシートに拘束される。対象物としての操舵系は、それの車輪において外部環境としての路面（地面を含む。）に拘束される。したがって、運転者については、人間の胴体に第１の拘束点が設定されて、そこに第１の拘束点空間が定義される。操舵系については、車輪に第２の拘束点が設定されて、そこに第２の拘束点空間が定義される。
【０１４１】
図７においては、式（９）により、ヤコビ行列Ｇｈと、拘束点空間において人間が動かないことを表す零行列０とが、直交射影行列Ｐｈによって互いに関連付けられている。その直交射影行列Ｐｈは、図１５に概念的に表すように、その零空間を、拘束点空間から人間一般化座標空間にマッピングするための行列である。その人間一般化座標空間にマッピングされた零空間は、人間一般化座標空間のうち、人間が拘束Ｇｈを満たし、かつ、動くことが許容される部分的な空間を意味している。
【０１４２】
したがって、拘束Ｇｈを考慮した人間一般化座標空間から接触点空間へのマッピングは、図１０において式（２０−２）で表すことができるとともに、図１６に概念的に図示することができる。よって、直交射影行列Ｐｈを適切に設定すれば、拘束Ｇｈが適切に考慮されて人間慣性テンソルが誘導されることになる。
【０１４３】
同様にして、図８の式（１３）に示す直交射影行列Ｐｍを適切に設定すれば、図５の式（４）に示す拘束Ｇｍが適切に考慮されて対象物慣性テンソルが誘導されることになる。ひいては、それら人間慣性テンソルと対象物慣性テンソルとから、合成慣性テンソルが適切に誘導されることになる。
【０１４４】
以上のようにして誘導された合成慣性テンソルは、人間による対象物の操作性を反映する物理量であるため、その操作性の解析・評価に用いたり、その操作性が改善されるように対象物を設計するために用いたり、その対象物またはその操作性を、例えば車両走行中に、操作者の好みに応じて適応的に制御するために用いることが可能である。
【０１４５】
合成慣性テンソルを考慮して、操作性が改善されるように対象物を設計するに際し、その対象物が並進運動系を含む場合には、その対象物の質量が操作性との関係において最適化され、また、回転運動系を含む場合には、その対象物の質量または回転半径が操作性との関係において最適化されることになる。対象物の質量または回転半径の最適化は、その対象物の形状、長さ、材料、配置等の最適化によって達成される。
【０１４６】
また、車両走行中、合成慣性テンソルを考慮して、操作性が改善されるように対象物を制御するに際し、その対象物に作用する力／トルクと、それに応答してその対象物が示す加速度との関係が、その対象物の作動状態を制御するアクチュエータにより、最適化されることになる。
【０１４７】
例えば、その対象物が車両の操舵系である場合には、車両走行中に、運転者と操舵系との合成慣性テンソルが計算され、その操舵系の操舵トルクをアシストするかまたは操舵反力を擬似的に発生させるアクチュエータ（例えば、電動モータ、圧力アクチュエータ等）が、その合成慣性テンソルの計算値に基づいて制御される。そのアクチュエータは、合成慣性テンソルの計算値のみならず、運転者の操舵状態（操舵速度、切換し頻度すなわち操舵周波数等）にも基づき、適応的に制御することが可能である。
【０１４８】
図１７には、本実施形態に従う操作性評価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、前述のように、入力装置２２および出力装置２４と共同して操作性評価装置１０を構成している。
【０１４９】
図１７に示すように、この操作性評価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、操作者である人間による対象物の操作性が解析される。このＳ１の詳細は、操作性解析プログラムとして図１８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。すなわち、コンピュータ２０のうちこのＳ１を実行する部分が、図２における操作性解析手段２０４を構成しているのである。
【０１５０】
続いて、図１７のＳ２において、その操作性の解析結果が対象物および／またはその対象物が設置される車両の設計にフィードバックされることにより、設計者による車両設計が支援される。このＳ２の詳細は、設計支援プログラムとして図１９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。すなわち、コンピュータ２０のうちこのＳ２を実行する部分が、図２における設計支援手段２０５を構成しているのである。
【０１５１】
以上で、この操作性評価方法の一回の実行が終了する。
【０１５２】
ここで、図１８を参照することにより、前記操作性解析プログラムを具体的に説明する。
【０１５３】
この操作性解析プログラムにおいては、まず、Ｓ１０１において、人間物理モデルが定義される。具体的には、データメモリ４２から人間物理モデルが読み込まれ、その読み込まれた人間物理モデルを定義する物理パラメータが定義される。そのような物理パラメータに人間慣性Ｍｈが存在する。この物理パラメータの定義により、一般的な人間物理モデルが、特化された人間物理モデルに変換されることになる。
【０１５４】
図２０には、そのようにして定義された人間物理モデルの一例が正面図で示されている。図２０に示す例においては、人間物理モデル３００が、人間全身を５４個の剛体セグメントと５３個の関節とによって表現している。この人間物理モデル３００は、合計９６自由度を持っている。各剛体セグメントは、それぞれの慣性特性を有している。
【０１５５】
次に、図１８のＳ１０２において、対象物物理モデルが定義される。具体的には、具体的には、データメモリ４２から対象物物理モデルが読み込まれ、その読み込まれた対象物物理モデルを定義する物理パラメータが定義される。そのような物理パラメータに対象物慣性Ｍｍが存在する。この物理パラメータの定義により、一般的な対象物物理モデルが、特化された対象物物理モデルに変換されることになる。
【０１５６】
図２１には、そのようにして定義される対象物物理モデルの一例が斜視図で示されている。図２１に示す例においては、対象物物理モデル３０２が、車両を操舵するために運転者によって操作される操舵系３０４と、その操作中に運転者が着座するシート３０６とを表現している。ただし、人間によって操作される対象物は操舵系３０４であって、シート３０６でない。
【０１５７】
その操舵系３０４は、運転者によって手で回転操作されるステアリング操作部材としてのステアリングホイール３０８を備えている。この操舵系３０４は、そのステアリングホイール３０８の回転に応じて左右の車輪３１０，３１０の向きを変化させるように設計されている。
【０１５８】
図２１に示す例においては、対象物物理モデル３０２が、操舵系３０４およびシート３０６を、２７個の剛体セグメントと、２６個のジョイントとによって表現しており、これの自由度は１８である。各剛体セグメントは、それぞれの慣性特性を有している。
【０１５９】
続いて、図１８のＳ１０３において、それら人間および対象物について解析条件が設定される。この解析条件には、例えば、前述の拘束条件や前述の評価位置ｒ（人間および対象物のうち、ユーザが操作性を評価する際の注目部位の位置）が含まれる。
【０１６０】
図２２には、図２０に示す人間物理モデル３００と、図２１に示す対象物物理モデル３０２とが互いに物理的に関連付けて配置される一例が示されている。この例においては、人間物理モデル３００によって表現される人間が、対象物物理モデル３０２によって表現される操舵系３０４の操作者である。
【０１６１】
図２２に示す例においては、人間物理モデル３００によって表現される操作者の胴体が、シート３０６からの拘束Ｇｈを受ける。さらに、対象物物理モデル３０２によって表現される左右の車輪３１０，３１０が、それらが接地している路面から、拘束Ｇｍを受ける。
【０１６２】
この例においては、さらに、操作者がそれの両手においてステアリングホイール３０８に剛接触するため、それら操作者とステアリングホイール３０８との間に２個の接触点ｃが存在する。各接触点ｃは、拘束点であり、各拘束点に個別に拘束点座標空間が設定されている。個別の拘束点座標空間は、対応する拘束点の位置にローカルな原点を有し、かつ、ステアリングホイール３０８の回転軸線（コラム軸線）の方向に平行にｘ方向が存在するｘｙｚ座標系によって定義される。
【０１６３】
各接触点ｃｉにおける拘束は、図２３において式（１０１）で表現される接触拘束行列Ｈｉによって表現される。その接触拘束行列Ｈｉは、拘束の数と同数である６つの行と、各部位の自由度ｎｄ，ｍｄ（ｘ軸方向並進、ｙ軸方向並進、ｚ軸方向並進、ｘ軸まわり回転、ｙ軸まわり回転およびｚ軸まわり回転）の数と同数である６つの列とによって構成される。
【０１６４】
図２３に示す式（１０１）で表現される接触拘束行列Ｈｉにおいては、要素が「１」であることが、その要素の位置に対応する運動方向において力が伝達されること、すなわち、その運動方向において運動が拘束されることを意味する。したがって、この接触拘束行列Ｈｉは、操作者とステアリングホイール３０８との間において、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向の相対並進運動ならびにｘ軸まわり、ｙ軸まわりおよびｚ軸まわりの相対回転運動が阻止されること、すなわち、剛体接触状態が成立することを表現している。
【０１６５】
この例においては、さらに、評価位置ｒがステアリングホイール３０８の回転軸線上に設定されている。ステアリングホイール３０８がその評価位置ｒにおいて有する自由度ｒｄは１である。ステアリングホイール３０８に設定された対象物一般化座標空間のｘｙｚ座標系は、そのステアリングホイール３０８の回転軸線上に原点を持つとともにその回転軸線の方向にｘ方向が一致するように定義されている。
【０１６６】
したがって、図６に示す式（７）で表される可動方向行列Ｐｒは、図２３において式（１０２）で表すように、ステアリングホイール３０８が評価位置ｒにおいてｘ軸まわりの自由回転が可能であることを表現している。
【０１６７】
その後、図１８のＳ１０４において、各種情報が入力される。この各種情報は、図３を参照して前述したように、人間拘束条件（拘束Ｇｈ等）、対象物拘束条件（拘束Ｇｍ等）、人間慣性特性Ｍｈおよび対象物慣性特性Ｍｍの他、例えば、解析位置ｒおよび可動方向行列Ｐｒを含んでいる。
【０１６８】
続いて、Ｓ１０５において、解析時刻ｔが０にセットされる。その後、Ｓ１０６において、解析時刻ｔの現在値に対応する人間の主挙動および対象物の主挙動が入力される。
【０１６９】
すなわち、コンピュータ２０のうち、Ｓ１０４およびＳ１０６を実行する部分が、入力装置２２と共同することにより、図３に示す入力手段２１６および２２８を構成しているのである。
【０１７０】
続いて、図１８におけるＳ１０７において、解析時刻ｔの現在値に対応する人間の付随挙動が、前記入力された人間の主挙動に基づき、前記定義された人間物理モデルを用いて計算される。このＳ１０７においては、さらに、解析時刻ｔの現在値に対応する対象物の付随挙動が、前記入力された対象物の主挙動に基づき、前記定義された対象物物理モデルを用いて計算される。
【０１７１】
その後、Ｓ１０８において、人間物理モデルおよび対象物物理モデルを考慮することにより、前記入力された拘束条件から直交射影行列が算出される。具体的には、図７において式（９）ないし（１１）で表すように、入力された拘束Ｇｈから直交射影行列Ｐｈが生成される。また、図８において式（１３）ないし（１５）で表すように、入力された拘束Ｇｍから直交射影行列Ｐｍが生成される。すなわち、コンピュータ２０のうち、このＳ１０８を実行する部分が、図３に示す人間直交射影算出手段２１８および対象物直交射影算出手段２３０を構成しているのである。
【０１７２】
続いて、図１８のＳ１０９において、前記入力された情報のうち必要なもの（人間慣性Ｍｈを含む。）と、人間挙動（人間の主挙動と付随挙動とを含む。）に依存するヤコビ行列ｃＪｈと、前記算出された直交射影行列Ｐｈとに基づき、図９に示す式（１７）を用いることにより、評価点空間における等価人間慣性ｒＭｈが算出される。すなわち、コンピュータ２０のうち、このＳ１０９を実行する部分が、図３に示す人間慣性座標変換手段２２６を構成しているのである。
【０１７３】
その後、図１８のＳ１１０において、前記入力された情報のうち必要なもの（対象物慣性Ｍｍを含む。）と、対象物挙動（対象物の主挙動と付随挙動とを含む。）に依存するヤコビ行列ｃＪｍと、前記算出された直交射影行列Ｐｍとに基づき、図１１に示す式（２３）を用いることにより、評価点空間における等価対象物慣性ｒＭｍが算出される。すなわち、コンピュータ２０のうち、このＳ１１０を実行する部分が、図３に示す対象物慣性座標変換手段２３４を構成しているのである。
【０１７４】
続いて、図１８のＳ１１１において、それら算出された等価人間慣性ｒＭｈおよび等価対象物慣性ｒＭｍに基づき、図９に示す式（１６）および図１１に示す式（２２）のうち該当するものを用いることにより、合成慣性ｒＭｈｍが算出される。評価位置ｒが対象物上に設定された場合には、式（１６）、操作者である人間上に設定された場合には、式（２２）が用いられる。すなわち、コンピュータ２０のうち、このＳ１１１を実行する部分が、図３に示す合成慣性算出手段２３６を構成しているのである。
【０１７５】
その後、図１８のＳ１１２において、その算出された合成慣性ｒＭｈｍが、解析時刻ｔの現在値に関連付けて、後続する前記設計支援プログラムの実行に備えてデータメモリ４２にストアされる。
【０１７６】
続いて、Ｓ１１３において、解析時刻ｔの現在値が解析終了時刻ｔｍａｘに到達したか否かが判定される。今回は、解析時刻ｔの現在値が未だ解析終了時刻ｔｍａｘに到達していないと仮定すれば、このＳ１１３の判定がＮＯとなり、Ｓ１１４において、解析時刻ｔの現在値がタイムステップ幅Δｔだけ進められる。このタイムステップ幅Δｔは、Ｓ１０６ないしＳ１１１の実行が反復される周期に相当する。その後、Ｓ１０６に戻る。
【０１７７】
このＳ１０６の今回の実行時には、それの前回の実行時よりタイムステップ幅Δｔだけ進んだ解析時刻ｔに対応する人間の主挙動および対象物の主挙動が入力される。続いて、Ｓ１０７において、その入力された人間の主挙動に基づき、解析時刻ｔの現在値に対応する人間の付随挙動が計算される。このＳ１０７においては、さらに、その入力された対象物の主挙動に基づき、解析時刻ｔの現在値に対応する対象物の付随挙動が計算される。
【０１７８】
その後、Ｓ１０８ないしＳ１１１が前回と同様にして実行され、その結果、解析時刻ｔの現在値に対応する合成慣性ｒＭｈｍが算出される。続いて、Ｓ１１２において、その算出された合成慣性ｒＭｈｍが、解析時刻ｔの現在値に関連付けて、後続する前記設計支援プログラムの実行に備えてデータメモリ４２にストアされる。
【０１７９】
Ｓ１０６ないしＳ１１４の実行が何回か反復された結果、解析時刻ｔの現在値が解析終了時刻ｔｍａｘに到達すれば、Ｓ１１３の判定がＹＥＳとなり、この操作性解析プログラムの一回の実行が終了する。その結果、合成慣性ｒＭｈｍが、人間挙動および対象物挙動と共に推移する系列として、取得されることになる。
【０１８０】
次に、図１９を参照することにより、前記設計支援プログラムを具体的に説明する。
【０１８１】
この設計支援プログラムにおいては、まず、Ｓ２０１において、合成慣性ｒＭｈｍの目標値が入力される。この合成慣性ｒＭｈｍの目標値は、例えば、一連の人間挙動に関連付けられた複数個の目標値の系列として入力される。すなわち、コンピュータ２０のうち、このＳ２０１を実行する部分が、図３に示す合成慣性目標値入力手段２３８を構成しているのである。
【０１８２】
次に、図１９のＳ２０２において、データメモリ４２から合成慣性ｒＭｈｍの計算値が読み込まれる。この合成慣性ｒＭｈｍの計算値は、上述の目標値と同様にして、例えば、一連の人間挙動に関連付けられた複数個の計算値の系列として読み込まれる。
【０１８３】
続いて、Ｓ２０３において、その読み込まれた合成慣性ｒＭｈｍの計算値の、前記入力された合成慣性ｒＭｈｍの目標値に対する誤差Ｅが算出される。このＳ２０３においては、例えば、各人間挙動ごとに、対応する計算値と目標値との差が個別誤差として算出され、一連の人間挙動についてそれぞれ算出された複数個の個別誤差の単純合計または重み付き合計が、求めるべき誤差Ｅとして算出される。すなわち、コンピュータ２０のうち、それらＳ２０２およびＳ２０３を実行する部分が、図３に示す慣性誤差算出手段２４０を構成しているのである。
【０１８４】
その後、図１９のＳ２０４において、その算出された誤差Ｅが許容値Ｅ０以下であるか否かが判定される。許容値Ｅ０以下である場合には、その判定がＹＥＳとなり、Ｓ２０５において、合成慣性ｒＭｈｍの最終値が、上記読み込まれた計算値（最新の計算値）と等しい値に確定される。
【０１８５】
以上で、この設計支援プログラムの一回の実行が終了する。
【０１８６】
これに対し、今回は、前記算出された誤差Ｅが許容値Ｅ０以下ではないと仮定すれば、Ｓ２０４の判定がＮＯとなり、Ｓ２０６に移行する。
【０１８７】
このＳ２０６においては、対象物慣性Ｍｍの現在値（今回は初期値）のための更新量Δが決定される。この更新量Δは、例えば、予め設定された固定値として定義したり、前記算出された誤差Ｅに応じて変化する可変値として定義することが可能である。続いて、Ｓ２０７において、その決定された更新量Δで、対象物慣性Ｍｍの現在値が更新される。前記操作性解析プログラムのその後の実行においては、その更新された対象物慣性Ｍｍを用いて合成慣性ｒＭｈｍの計算値が取得される。
【０１８８】
その後、Ｓ２０８において、その操作性解析プログラムの最新回の実行による合成慣性ｒＭｈｍの最新値の計算が完了するのが待たれる。その計算が完了したならば、Ｓ２０８の判定がＹＥＳとなり、Ｓ２０２に戻る。
【０１８９】
その後、Ｓ２０２ないしＳ２０４が、合成慣性ｒＭｈｍの最新の計算値について実行される。その最新の計算値についての誤差Ｅが許容値Ｅ０以下であれば、Ｓ２０４の判定がＹＥＳとなり、Ｓ２０５を経てこの設計支援プログラムの一回の実行が終了する。これに対し、その最新の計算値についての誤差Ｅが許容値Ｅ０以下でなければ、Ｓ２０４の判定がＮＯとなり、Ｓ２０６およびＳ２０７において、対象物慣性Ｍｍが再度、更新される。
【０１９０】
Ｓ２０２ないしＳ２０８の実行が必要回数繰り返された結果、合成慣性ｒＭｈｍの最新の計算値について誤差Ｅが許容値Ｅ０以下となれば、Ｓ２０４の判定がＹＥＳとなり、Ｓ２０５を経てこの設計支援プログラムの一回の実行が終了する。
【０１９１】
すなわち、コンピュータ２０のうち、Ｓ２０４ないしＳ２０８を実行する部分が、図３に示す対象物慣性更新手段２４２を構成しているのである。
【０１９２】
この設計支援プログラムの実行によって対象物としての操舵系３０４の設計を支援する場合には、合成慣性ｒＭｈｍの更新量Δを実現するために、例えば、操作者に対するステアリングホイール３０８の相対位置を変更すればよい。操作者に対するステアリングホイール３０８の位置を遠ざけたり近づけたりすればよいのであり、このようにしてステアリングその相対位置が変更されれば、図４に示す複数の座標空間間に成立する座標系変換行列が変更され、その結果、合成慣性ｒＭｈｍが更新される。
【０１９３】
さらに、合成慣性ｒＭｈｍの更新量Δを実現するために、操舵系３０４の慣性モーメントを変更してもよい。その慣性モーメントを変更するために、例えば、ステアリングホイール３０８の重量または回転半径を変更すればよい。
【０１９４】
本発明者らは、図２２に示す人間物理モデル３００と対象物物理モデル３０２とによって表現される人間−機械系の一例であって、操作者がステアリングホイール３０８を操作して左右の車輪３１０，３１０を操舵するものに対し、合成慣性ｒＭｈｍを計算によって取得すべく、前述の操作性解析プログラムをコンピュータ２０によって実行した。
【０１９５】
この計算に先立ち、操作者がステアリングホイール３０８を操作する条件として３種類の操作条件が設定された。第１の操作条件は、操作者がステアリングホイール３０８を右掌で触れる面接触状態で操作するというものである。第２の操作条件は、操作者がステアリングホイール３０８を両手で触れる面接触状態で操作するというものである。第３の操作条件は、操作者がステアリングホイール３０８を、両手で触れ、かつ、両手首の関節を拘束する状態で操作するというものである。
【０１９６】
いずれの操作条件においても、操作者はステアリングホイール３０８を、それの中立位置にある状態において、右手については、時計における３時の位置、左手については、９時の位置に位置するように、操作するものとした。さらに、いずれの操作条件においても、操作者は、一連の操作中、ステアリングホイール３０８を持ち替えることはしないものとした。
【０１９７】
図２４には、この計算の結果が３つのグラフで表されている。「（ａ）」が付されたグラフは、第１の操作条件における合成慣性ｒＭｈｍのステアリング角δに対する推移を表し、「（ｂ）」が付されたグラフは、第２の操作条件における合成慣性ｒＭｈｍのステアリング角δに対する推移を表し、「（ｃ）」が付されたグラフは、第３の操作条件における合成慣性ｒＭｈｍのステアリング角δに対する推移を表している。ステアリング角δは、ステアリングホイール３０８の、それの中立位置からの回転角を意味するように定義されている。
【０１９８】
いずれのグラフも、ステアリング角δが横軸に取られる一方、ステアリングホイール３０８の回転軸線まわりの合成慣性ｒＭｈｍが縦軸に取られている。ステアリング角δは、左右の車輪３１０，３１０の直進状態において「０」を示し、右操舵状態において符号が正となり、左操舵状態において符号が負となるように定義されている。
【０１９９】
それらグラフから明らかなように、第１の操作条件においては、合成慣性ｒＭｈｍが、右操舵時と左操舵時とで非対称的に変化し、また、ステアリング角δが−π／６であるときに最大値を示す。
【０２００】
第２の操作条件においては、合成慣性ｒＭｈｍが、右操舵時と左操舵時とでほぼ対称的に変化し、また、第１の操作条件における合成慣性ｒＭｈｍと比較すれば、瞬間値に関しては変域全体を通じて大きいが、ステアリング角δに対する変化量に関しては変域全体を通じて少ない。
【０２０１】
第３の操作条件においては、第１の操作条件における合成慣性ｒＭｈｍに対する第２の操作条件における合成慣性ｒＭｈｍの関係と同様に、合成慣性ｒＭｈｍが、右操舵時と左操舵時とでほぼ対称的に変化し、また、第２の操作条件における合成慣性ｒＭｈｍと比較すれば、瞬間値に関しては全体的に大きいが、ステアリング角δに対する変化量に関しては全体的に少ない。
【０２０２】
したがって、車両走行中、操作者が実際の操作条件を、第１の操作条件から第２の操作条件に、第２の操作条件から第３の操作条件というように、変更すれば、合成慣性ｒＭｈｍが増加し、路面からステアリングホイール３０８に伝達される、それの回転軸線まわりの加速度に対する操作者の感度が高くなる。その結果、操作者は、路面からの情報をステアリングホイール３０８を介して感受し易くなる。
【０２０３】
操作者がステアリングホイール３０８を操作する状態は、操作者がステアリングホイール３０８を同じ位置に保持する保舵状態（定常操作状態）と、操舵状態（過渡操作状態）とに分類される。保舵状態は、操作者がステアリングホイール３０８を中立位置で保持する直進操作状態と、非中立位置で保持する狭義の保舵状態とを含む広義の概念である。これに対し、操舵状態は、操作者がステアリングホイール３０８を回転させる状態を意味する。
【０２０４】
それら保舵状態と操舵状態との間における合成慣性ｒＭｈｍの関係を説明するに、合成慣性ｒＭｈｍは、保舵状態においては、大きい方が、操作者がステアリングホイール３０８から感じる剛性感および安定感を向上させるために望ましい。これに対し、操舵状態においては、小さい方が、ステアリングホイール３０８の操作し易さを向上させるために望ましい。
【０２０５】
したがって、操作者と操舵系との間における合成慣性ｒＭｈｍは、操作条件に応じて適応的に変化させることが、操作性を向上させるために望ましい。
【０２０６】
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１７におけるＳ１およびＳ２が互いに共同して、前記（１）項に係る「操作性評価方法」の一例を構成し、Ｓ１が同項における「合成慣性取得工程」の一例を構成し、Ｓ２が同項における「評価工程」の一例を構成し、操作性評価装置１０が前記（１１）項に係る「操作性評価装置」の一例を構成しているのである。
【０２０７】
さらに、本実施形態においては、図１８に示す操作性解析プログラムと図１９に示す設計支援プログラムとが互いに共同して、前記（９）項に係る「プログラム」の一例を構成し、それら操作性解析プログラムおよび設計支援プログラムを記憶しているストレージ３２（または、そのストレージ３２へのインストールのためにそれら操作性解析プログラムおよび設計支援プログラムを記録している図示しないＣＤ−ＲＯＭ等の可搬性記録媒体）が前記（１０）項に係る「記録媒体」の一例を構成しているのである。
【０２０８】
さらに、本実施形態においては、図１８におけるＳ１０１ないしＳ１１１が互いに共同して、前記（２）項における「合成慣性取得工程」の一例を構成し、Ｓ１０３のうち対応する部分が同項における「評価位置設定工程」の一例を構成し、Ｓ１０２ないしＳ１０４、Ｓ１０６ないしＳ１０８およびＳ１１０が互いに共同して、同項における「対象物慣性取得工程」の一例を構成し、Ｓ１０１、Ｓ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０６ないしＳ１０９が互いに共同して、同項における「人間慣性取得工程」の一例を構成し、Ｓ１１１が同項における「合成慣性算出工程」の一例を構成しているのである。
【０２０９】
さらに、本実施形態においては、図１８におけるＳ１０９が前記（３）項における「人間慣性座標変換工程」の一例を構成し、Ｓ１１０が同項における「対象物慣性座標変換取得工程」の一例を構成し、Ｓ１１１が同項における「合成慣性算出工程」の一例を構成しているのである。
【０２１０】
さらに、本実施形態においては、入力装置２２と、コンピュータ２０のうち図１８におけるＳ１０３を実行する部分とが互いに共同して、前記（１１）項における「評価位置設定手段」の一例を構成し、コンピュータ２０のうち図１８におけるＳ１０１ないしＳ１１１を実行する部分が同項における「合成慣性取得手段」の一例を構成し、コンピュータ２０のうち図１９に示す設計支援プログラムを実行する部分が同項における「評価手段」の一例を構成しているのである。
【０２１１】
さらに、本実施形態においては、コンピュータ２０のうち図１９におけるＳ２０１を実行する部分が前記（１２）項における「目標値入力手段」の一例を構成し、コンピュータ２０のうち図１９におけるＳ２０２ないしＳ２０８を実行する部分が同項における「設計値修正手段」の一例を構成しているのである。
【０２１２】
次に、本発明の第２実施形態に従う操作性評価装置を説明する。ただし、本実施形態は、人間による対象物の操作性を解析する理論に関して第１実施形態と共通するため、その理論に関する重複した説明を省略する。
【０２１３】
第１実施形態においては、前述の説明から明らかなように、対象物物理モデルを利用することにより、物理量の実測なしで、対象物慣性が取得され、さらに、人間物理モデルを利用することにより、物理量の実測なしで、人間慣性が取得される。さらに、それら取得された対象物慣性と人間慣性とが、ユーザによって設定された評価位置に関して、数学的に互いに合成されることにより、合成慣性が算出される。さらに、その算出された合成慣性に基づき、対象物の設計が支援される。
【０２１４】
これに対し、本実施形態においては、概略的に説明するに、人間物理モデルも対象物物理モデルも利用することなく、人間が対象物を操作している操作状態においてその対象物に作用する力が第１センサによって検出されることによって取得され、さらに、その操作状態において対象物が示す挙動が第２センサによって検出されることによって取得される。さらに、第１センサによる検出値と第２センサによる検出値とに基づいて合成慣性が算出される。
【０２１５】
図２５には、本実施形態に従う操作性評価装置がブロック図で概念的に表されている。この操作性評価装置は、コンピュータ３３０を有している。そのコンピュータ３３０は、よく知られているように、プロセッサ３３２とストレージ３３４とがバス３３６によって互いに接続されて構成されている。ストレージ３３４には、図２６にフローチャートで概念的に表されている操作性解析プログラムが記憶されている。
【０２１６】
この操作性解析プログラムは、人間による対象物の操作性を解析する機能と、その解析結果に基づき、設計者による対象物の設計を支援する機能とを備えている。具体的には、この操作性解析プログラムは、図２２に示す例の如く、人間としての操作者が、対象物としての操舵系３０４を操作する際の操作性を解析する機能と、その解析結果に基づき、設計者による操舵系３０４の設計を支援する機能とを備えている。この操作性解析プログラムは後に詳述する。
【０２１７】
図２５に示すように、コンピュータ３３０には、操作状態において操舵系３０４が示す挙動を表現する物理量の一例である操舵角速度ωを検出する操舵角速度センサ３４０が前記第２センサとして接続されている。その操舵角速度ωは、操作者がステアリングホイール３０８を回転させる角速度を意味する。その操舵角速度センサ３４０は、操作者がステアリングホイール３０８を回転させる操舵角加速度αを計算によって取得するために設けられている。
【０２１８】
このコンピュータ３３０には、さらに、操作状態において操舵系３０４に作用する力を表現する物理量の一例であるトルクを検出する操舵トルクセンサ３４２も接続されている。それら操舵角速度センサ３４０および操舵トルクセンサ３４２の利用態様は後に詳述する。
【０２１９】
図２５に示すように、コンピュータ３３０には、さらに、出力装置３５０も接続されている。この出力装置３５０は、図１に示す出力装置２４と同様にして構成することが可能であり、コンピュータ３３０に対する入力の内容を可視化してユーザに表示したり、コンピュータ３３０による処理の内容（例えば、計算結果）を可視化してユーザに表示するために使用される。
【０２２０】
ここで、図２６を参照することにより、前記操作性解析プログラムを具体的に説明する。この操作性解析プログラムは、ステアリングホイール３０８の操舵状態においてそのステアリングホイール３０８の操舵トルクが操作者によって変化させられる状態において、コンピュータ３３０によって実行される。
【０２２１】
この操作性解析プログラムがコンピュータ３３０によって実行されると、まず、Ｓ３０１において、操舵角速度センサ３４０によって操舵角速度ωが検出される。次に、Ｓ３０２において、その検出された操舵角速度ωの今回値と前回値との差を計算することにより、今回の操舵角加速度αが算出される。すなわち、操舵角速度ωの検出値の時間微分値として操舵角加速度αが算出されるのである。
【０２２２】
続いて、Ｓ３０３において、操舵トルクセンサ３４２によって操舵トルクＴが検出される。それらＳ３０１ないしＳ３０３はそれぞれ、互いに時期的に関連付けて、繰り返し実行される。その結果、操舵角加速度αの系列データと、操舵トルクＴの系列データとが取得されることになる。
【０２２３】
続いて、Ｓ３０４において、それら取得された操舵角加速度αの系列データと、操舵トルクＴの系列データとの相関に基づき、操作者と操舵系３０４との合成慣性が計算される。この計算に際し、平均、最小二乗法等、適当な統計処理を行って計算精度を向上させることが可能である。
【０２２４】
その後、Ｓ３０５において、合成慣性の目標値が入力される。この目標値は、操舵角加速度αまたは操舵トルクＴの変域全体について共通の値として定義したり、その変域における各値に関連付けて定義された系列値として定義することが可能である。
【０２２５】
続いて、Ｓ３０６において、それら合成慣性の計算値と目標値とに基づき、計算値の目標値に対する誤差Ｅが算出される。この誤差Ｅの算出は、その後、Ｓ３０７において、その算出された誤差Ｅが許容値Ｅ０以下であるか否かが判定される。
【０２２６】
今回は、その算出された誤差Ｅが許容値Ｅ０以下ではないと仮定すれば、Ｓ３０７の判定がＮＯとなり、Ｓ３０８に移行する。このＳ３０８においては、合成慣性の現在設計値に対する更新量Δが、誤差Ｅと許容値Ｅ０との差とは無関係な固定値、ないしは、誤差Ｅと許容値Ｅ０との差に応じて増加する可変値として、決定される。
【０２２７】
その後、Ｓ３０９において、その決定された更新量Δに従い、操舵系３０４の設計パラメータが更新される。その設計パラメータは、操舵系３０４の諸要素を特定するために設計者によって可変に定義されるパラメータであって、操舵系３０４自身の慣性に影響を及ぼすものである。この設計パラメータの更新に伴い、操舵系３０４において、該当する要素の特性（個体の物理的特性、他の要素との相対位置関係および相対運動特性等を含む。）が変更される。
【０２２８】
その後、ステアリングホイール３０８の操舵状態においてそのステアリングホイール３０８の操舵トルクＴが変化させられる状態が再度、実現される。続いて、Ｓ３０１に戻る。
【０２２９】
Ｓ３０１ないしＳ３０９の今回の実行は、設計変更された操舵系３０４について行われる。それらＳ３０１ないしＳ３０９の実行は、誤差Ｅが許容値Ｅ０以下となるまで繰り返され、誤差Ｅが許容値Ｅ０以下となれば、Ｓ３０７の判定がＹＥＳとなり、Ｓ３１０において、操作者および操舵系３０４の合成慣性の最終値が決定される。
【０２３０】
以上で、この操作性解析プログラムの一回の実行が終了する。
【０２３１】
以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、Ｓ３０１ないしＳ３０４が互いに共同して、前記（１）項における「合成慣性取得工程」の一例を構成し、Ｓ３０５ないしＳ３１０が互いに共同して、同項における「評価工程」の一例を構成しているのである。
【０２３２】
さらに、本実施形態においては、Ｓ３０１およびＳ３０２が互いに共同して前記（８）項における「第２検出工程」の一例を構成し、Ｓ３０３が同項における「第１検出工程」の一例を構成し、Ｓ３０４が同項における「算出工程」の一例を構成し、操舵角速度センサ３４０が同項における「第２センサ」の一例を構成し、操舵トルクセンサ３４２が同項における「第１センサ」の一例を構成しているのである。
【０２３３】
さらに、本実施形態においては、Ｓ３０５が前記（９）項における「目標値入力工程」の一例を構成し、Ｓ３０６ないしＳ３１０が互いに共同して、同項における「設計値修正工程」の一例を構成しているのである。
【０２３４】
さらに、本実施形態においては、図２６に示す操作性解析プログラムが前記（９）項に係る「プログラム」の一例を構成し、その操作性解析プログラムを記憶しているストレージ３３４（または、そのストレージ３３４へのインストールのためにその操作性解析プログラムを記録している図示しないＣＤ−ＲＯＭ等の可搬性記録媒体）が前記（１０）項に係る「記録媒体」の一例を構成しているのである。
【０２３５】
さらに、本実施形態においては、操舵角速度センサ３４０と、操舵トルクセンサ３４２と、コンピュータ３３０のうち図２６におけるＳ３０１ないしＳ３０４を実行する部分とが互いに共同して、前記（１１）項における「合成慣性取得手段」の一例を構成し、コンピュータ３３０のうち図２６におけるＳ３０５ないしＳ３１０を実行する部分が同項における「評価手段」の一例を構成しているのである。
【０２３６】
さらに、本実施形態においては、コンピュータ３３０のうち図２６におけるＳ３０５を実行する部分が前記（１２）項における「目標値入力手段」の一例を構成し、コンピュータ３３０のうち図２６におけるＳ３０６ないしＳ３１０を実行する部分が同項における「設計値修正手段」の一例を構成しているのである。
【０２３７】
以上、本発明の実施の形態のうちのいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、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】
【０２３８】
【図１】本発明の第１実施形態に従う操作性評価方法を実施するのに好適な操作性評価装置１０のハードウエア構成を概念的に表すブロック図である。
【図２】図１における操作性評価装置１０を概念的に表す機能ブロック図である。
【図３】図２における操作性解析手段２０４および設計支援手段２０５を概念的に表す機能ブロック図である。
【図４】互いに機械的に接触する人間と対象物との間に存在する複数の座標空間を概念的に表す図である。
【図５】前記第１実施形態に従う操作性評価方法において人間による対象物の操作性を評価する理論を複数の式を用いて説明する図である。
【図６】前記第１実施形態に従う操作性評価方法において人間による対象物の操作性を評価する理論を複数の式を用いて説明する別の図である。
【図７】前記第１実施形態に従う操作性評価方法において人間による対象物の操作性を評価する理論を複数の式を用いて説明する図である。
【図８】前記第１実施形態に従う操作性評価方法において人間による対象物の操作性を評価する理論を複数の式を用いて説明するさらに別の図である。
【図９】前記第１実施形態に従う操作性評価方法において人間による対象物の操作性を評価する理論を複数の式を用いて説明するさらに別の図である。
【図１０】前記第１実施形態に従う操作性評価方法において人間による対象物の操作性を評価する理論を複数の式を用いて説明するさらに別の図である。
【図１１】前記第１実施形態に従う操作性評価方法において人間による対象物の操作性を評価する理論を複数の式を用いて説明するさらに別の図である。
【図１２】人間一般化座標空間と対象物一般化座標空間との間に存在する複数の座標空間を評価位置が対象物上に設定された場合について説明するための図である。
【図１３】人間一般化座標空間と対象物一般化座標空間との間に存在する複数の座標空間を評価位置が人間上に設定された場合について説明するための図である。
【図１４】前記第１実施形態において慣性テンソルを算出する際に拘束Ｇｈを考慮する手法を説明するための図である。
【図１５】前記第１実施形態において慣性テンソルを算出する際に拘束Ｇｈを考慮する手法を説明するための別の図である。
【図１６】前記第１実施形態において慣性テンソルを算出する際に拘束Ｇｈを考慮する手法を説明するためのさらに別の図である。
【図１７】前記第１実施形態に従う操作性評価方法を示す工程図である。
【図１８】図１７におけるＳ１の詳細を操作性解析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１９】図１７におけるＳ２の詳細を設計支援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２０】図１８に示す操作性解析プログラムの実行により、車両の運転者による操舵系３０４の操作性を解析して評価するために用いられる人間物理モデル３００を示す正面図である。
【図２１】図２０に示す人間物理モデル３００と共に使用される対象物物理モデル３０２によって表現される操舵系３０４を示す斜視図である。
【図２２】図２０に示す人間物理モデル３００と図２１に示す対象物物理モデル３０２とを、互いに物理的に関連付けられた状態で示す斜視図である。
【図２３】図４０における接触および評価位置に関する複数の条件を定義する手法を複数の式を用いて説明するための図である。
【図２４】図１８に示す操作性解析プログラムの実行により、図２２に示す操作者と操舵系３０４との合成慣性が解析された結果の一例を表す複数のグラフである。
【図２５】本発明の第２実施形態に従う操作性評価方法を実施するのに好適な操作性評価装置を概念的に表すブロック図である。
【図２６】図２５におけるコンピュータ３３０によって実行される操作性解析プログラムを概念的に表すフローチャートである。
【符号の説明】
【０２３９】
１０  操作性評価装置
２０  コンピュータ
３００  人間物理モデル
３０２  対象物物理モデル
３０４  操舵系
３０６  シート
３０８  ステアリングホイール
３１０  車輪
３３０  コンピュータ
３４０  操舵角速度センサ
３４２  操舵トルクセンサ
【図１】
2006185249.tif 000003
【図２】
2006185249.tif 000004
【図３】
2006185249.tif 000005
【図４】
2006185249.tif 000006
【図５】
2006185249.tif 000007
【図６】
2006185249.tif 000008
【図７】
2006185249.tif 000009
【図８】
2006185249.tif 000010
【図９】
2006185249.tif 000011
【図１０】
2006185249.tif 000012
【図１１】
2006185249.tif 000013
【図１２】
2006185249.tif 000014
【図１３】
2006185249.tif 000015
【図１７】
2006185249.tif 000016
【図１８】
2006185249.tif 000017
【図１９】
2006185249.tif 000018
【図２０】
2006185249.tif 000019
【図２１】
2006185249.tif 000020
【図２２】
2006185249.tif 000021
【図２３】
2006185249.tif 000022
【図２４】
2006185249.tif 000023
【図２５】
2006185249.tif 000024
【図２６】
2006185249.tif 000025
【図１４】
2006185249.tif 000026
【図１５】
2006185249.tif 000027
【図１６】
2006185249.tif 000028