(57)【要約】【課題】弾性を有する物体に接触する人体の挙動を評価することができる合力の解析方法を提供する。【解決手段】本開示の一態様は、弾性を有する物体に対し、人体又は人体を模した人形による荷重を加えた際に、人体又は人形が物体から受ける反力の合力を解析する方法である。合力の解析方法は、物体と人体又は人形との接触面において人体又は人形が物体から受ける反力の分布を求める工程と、反力の分布を合成した合力を求める工程と、人体又は人形におけるモーメントの釣り合いを用いて、合力の作用線を求める工程と、合力の作用線を出力する工程と、を備える。【選択図】図１
2019003371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性を有する物体に対し、人体又は人体を模した人形による荷重を加えた際に、前記人体又は前記人形が前記物体から受ける反力の合力を解析する方法であって、
前記物体と前記人体又は前記人形との接触面において前記人体又は前記人形が前記物体から受ける反力の分布を求める工程と、
前記反力の分布を合成した合力を求める工程と、
前記人体又は前記人形におけるモーメントの釣り合いを用いて、前記合力の作用線を求める工程と、
前記合力の作用線を出力する工程と、
を備える、合力の解析方法。
【請求項２】
請求項１に記載の合力の解析方法であって、
前記人体又は前記人形の重心を求める工程をさらに備え、
前記出力する工程では、前記人体又は前記人形の重心を出力する、合力の解析方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の合力の解析方法であって、
前記反力の分布を求める工程では、前記反力を２以上の分力に分解することで、前記分力毎の分布を求め、
前記合力を求める工程では、前記分力毎の合力を求める、合力の解析方法。
【請求項４】
請求項３に記載の合力の解析方法であって、
前記２以上の分力は、垂直抗力及び摩擦力である、合力の解析方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の合力の解析方法であって、
前記反力の分布を求める工程では、有限要素法により反力を求め、
前記出力する工程では、有限要素法の解析結果上に前記合力の作用線を出力する、合力の解析方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の合力の解析方法であって、
出力された前記合力の作用線に基づき、前記人体又は前記人形の安定性を評価する工程をさらに備える、合力の解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、合力の解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばシート等の人体が着座する物体において、安定性や座り心地を高めるためには、人体が物体（つまりシート）から受ける反力を評価する必要がある。この反力は人体の表面に圧力として分布する。
【０００３】
物体から人体が受ける反力の評価方法としては、例えば反力計等のセンサを用いて反力を求める方法が公知である（特許文献１参照）。しかし、この方法はシートのように変形する弾性体には展開されていない。そこで、変形に追従可能な体圧測定シートを用いた反力の測定も行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１０３２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の体圧測定シートでは、人体と物体との接触面における反力の垂直成分（つまり垂直抗力）は計測できるが、せん断成分（つまり摩擦力）は計測できない。そのため、従来技術では十分な安定性の評価を行うことができない。
【０００６】
本開示の一局面は、弾性を有する物体に接触する人体の挙動を評価することができる合力の解析方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様は、弾性を有する物体に対し、人体又は人体を模した人形による荷重を加えた際に、人体又は人形が物体から受ける反力の合力を解析する方法である。合力の解析方法は、物体と人体又は人形との接触面において人体又は人形が物体から受ける反力の分布を求める工程（Ｓ２０）と、反力の分布を合成した合力を求める工程（Ｓ３０）と、人体又は人形におけるモーメントの釣り合いを用いて、合力の作用線を求める工程（Ｓ４０）と、合力の作用線を出力する工程（Ｓ６０）と、を備える。
【０００８】
このような構成によれば、反力の分布から合力を求め、さらにその合力の作用線を出力するので、可視化された作用線によって人体又は人形の安定性を視覚的に評価できる。また、摩擦力を考慮して合力の作業線を出力することができるので、より現実的に人体又は人形の挙動の評価を行うことができる。
【０００９】
本開示の一態様は、人体又は人形の重心を求める工程（Ｓ５０）をさらに備えてもよい。また、出力する工程（Ｓ６０）では、人体又は人形の重心を出力してもよい。このような構成によれば、人体又は人形の重心と合力の作用線との位置関係を把握できるので、より効果的に人体又は人形の挙動を評価できる。
【００１０】
本開示の一態様では、反力の分布を求める工程（Ｓ２０）では、反力を２以上の分力に分解することで、分力毎の分布を求めてもよい。また、合力を求める工程（Ｓ３０）では、分力毎の合力を求めてもよい。このような構成によれば、反力を任意の方向の分力に分解してそれぞれ可視化できるため、物体の形状や使用状況等に合わせた最適な評価が可能となる。
【００１１】
本開示の一態様では、２以上の分力は、垂直抗力及び摩擦力であってもよい。このような構成によれば、例えばシートに着座した人体又は人形に対する反力による挙動をより的確に評価できる。
【００１２】
本開示の一態様では、反力の分布を求める工程（Ｓ２０）では、有限要素法により反力を求めてもよい。また、出力する工程（Ｓ６０）では、有限要素法の解析結果上に合力の作用線を出力してもよい。このような構成によれば、合力を求めるための計算から合力の作用線の出力結果確認までを同一の画面で行うことができるので、作業性が向上する。
【００１３】
本開示の一態様は、出力された合力の作用線に基づき、人体又は人形の安定性を評価する工程（Ｓ７０）をさらに備えてもよい。このような構成によれば、従来よりも容易かつ的確に人体の安定性を評価することができる。
【００１４】
なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的構成等との対応関係を示す一例であり、本開示は上記括弧内の符号に示された具体的構成等に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施形態における合力の解析方法を示すフローチャートである。
【図２】図２は、図１の合力の解析方法で算出した反力の分布を示す模式的な図である。
【図３】図３は、図１の合力の解析方法における合力の作用線の出力結果を示す模式的な図である。
【図４】図４Ａは、図１の合力の解析方法における合力の作用線の出力結果を示す模式的な図であり、図４Ｂは、安定性の評価の一例を示す模式的な図である。
【図５】図５は、図１の出力工程における矢印の表示方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示す合力の解析方法は、弾性を有する物体に対し人体又は人体を模した人形による荷重を加えた際に、人体又は人形が物体から受ける反力の合力を３次元的に解析する方法である。なお、本実施形態では、人体又は人形は、剛体又は変形体として扱う。
【００１７】
本実施形態の合力の解析方法は、図１に示すように、計算工程Ｓ１０と、反力分布算出工程Ｓ２０と、合力算出工程Ｓ３０と、作用線算出工程Ｓ４０と、重心算出工程Ｓ５０と、出力工程Ｓ６０と、安定性評価工程Ｓ７０とを備える。
【００１８】
＜計算工程＞
本工程では、図２に示すように、弾性を有する物体１０に人体２０が鉛直方向上方から接触した状態の３次元モデルを作成し、有限要素法（ＦＥＭ）により物体１０の変形量、荷重等を計算する。
【００１９】
物体１０としては、例えば乗物や建造物に用いられる柔軟性のあるシートが挙げられる。本実施形態では、人体２０は、物体１０の上方から着座しており、物体１０には人体２０の自重による荷重が加わっている。
【００２０】
＜反力分布算出工程＞
本工程では、計算工程Ｓ１０で得られたＦＥＭの解析結果から、図２に示される物体１０と人体２０との接触面において人体２０が物体１０から受ける反力ｒの３次元空間での分布を求める。
【００２１】
本実施形態では、反力ｒを２以上の分力に分解することで、分力毎の分布を求める。具体的には、反力ｒを垂直抗力と摩擦力とに分解する。垂直抗力は、物体１０と人体２０との接触面の法線方向の分力である。摩擦力は、物体１０と人体２０との接触面と平行な方向の分力である。つまり、垂直抗力の方向と摩擦力の方向とは直交する。
【００２２】
＜合力算出工程＞
本工程では、反力の分布を合成した合力を求める。具体的には、反力の分力（本実施形態では垂直抗力及び摩擦力）毎に、分布している分力（つまり荷重）のベクトルを総和する。これにより、分力毎の合力が求められる。
【００２３】
例えば、点Ａ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１）＝（２，４，２）に存在する荷重ｆ１（ｕ１，ｖ１，ｗ１）＝（１，３，２）の分力ｒ１と、点Ａ２（ｘ２，ｙ２，ｚ２）＝（８，２，４）に存在する荷重ｆ２（ｕ２，ｖ２，ｗ２）＝（−２，４，１）の分力ｒ２との合力（ｕ０，ｖ０，ｗ０）は、（１−２，３＋４，２＋１）＝（−１，７，３）となる。
【００２４】
＜作用線算出工程＞
本工程では、人体２０におけるモーメントの釣り合いを用いて、合力算出工程Ｓ３０で求めた合力の作用線を求める。
【００２５】
具体的には、合力の作用線上の点の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、各分力ｒｎの作用点におけるＺ軸周りのモーメントをＭｚｎ、Ｘ軸周りのモーメントをＭｘｎ、Ｙ軸周りのモーメントをＭｙｎとしたとき、Ｚ軸周りのモーメントが釣り合う関係、Ｘ軸周りのモーメントが釣り合う関係、及びＹ軸周りのモーメントが釣り合う関係は、それぞれ下記式（１−１）、（２−１）及び（３−１）で表される。この３次連立方程式を満たす直線が合力の作用線となる。
【００２６】
ｖ０・ｘ−ｕ０・ｙ＝ΣＭｚｎ  ・・・（１−１）
ｗ０・ｙ−ｖ０・ｚ＝ΣＭｘｎ  ・・・（２−１）
ｕ０・ｚ−ｗ０・ｘ＝ΣＭｘｎ  ・・・（３−１）
例えば、上述の分力ｒ１，ｒ２の場合では、これらの合力の作用線におけるＺ軸周りのモーメントは、ｕ０・ｘ−ｖ０・ｙ＝７ｘ−（−ｙ）＝７ｘ＋ｙとなる。一方、点Ａ１，Ａ２におけるＺ軸周りのモーメントの和は、Ｍｚ１＋Ｍｚ２＝（ｖ１・ｘ１−ｕ１・ｙ１）＋（ｖ２・ｘ２−ｕ２・ｙ２）＝３・２−１・４＋４・８−（−２）・２＝３８となる。同様に、点Ａ１，Ａ２におけるＸ軸周りのモーメントの和は−１２となり、Ｙ軸周りのモーメントの和は１８となる。したがって、合力の作用線は以下の式（１−２）、（２−２）及び（３−２）の連立方程式｛（ｘ−４）／（−１）｝＝｛（ｙ−１０）／７｝＝｛（ｚ−６）／３｝として求められる。
【００２７】
７ｘ＋ｙ−３８＝０  ・・・（１−２）
３ｙ−７ｚ＋１２＝０  ・・・（２−２）
３ｘ＋ｚ−１８＝０  ・・・（３−２）
＜重心算出工程＞
本工程は、反力分布算出工程Ｓ２０、合力算出工程Ｓ３０及び作用線算出工程Ｓ４０と並行して行われる工程である。本工程では、計算工程Ｓ１０で得られたＦＥＭの解析結果から、図２に示される人体２０の重心Ｇを求める。
【００２８】
＜出力工程＞
本工程では、図３及び図４Ａに示すように、作用線算出工程Ｓ４０で求めた合力の作用線Ｌ１を出力する。また、本工程では、重心算出工程Ｓ５０で求めた人体２０の重心Ｇを出力する。具体的には、これまでの計算に用いたＦＥＭの解析結果上に、作用線Ｌ１及び重心Ｇを重ねて出力する。
【００２９】
本工程では、例えば反力の分力である垂直抗力及び摩擦力毎に作用線Ｌ１を表示してもよいし、これらを重ねて表示してもよい。なお、図３は、作用線Ｌ１が重心Ｇを通る鉛直線Ｌ２と重なっている状態を示し、図４Ａは、作用線Ｌ１と鉛直線Ｌ２とがずれている状態を示す。
【００３０】
また、本工程では、作用線Ｌ１上に、合力の大きさ及び向きを示す矢印Ｒを表示する。この矢印Ｒの表示方法は、図５に示すように、平面算出工程Ｓ６１と、交点算出工程Ｓ６２と、矢印仮定工程Ｓ６３と、矢印表示工程Ｓ６４とを有する。
【００３１】
（平面算出工程）
本工程では、重心Ｇを通り、作用線Ｌ１の方向ベクトルを法線ベクトルとする仮想平面を求める。
【００３２】
（交点算出工程）
本工程では、平面算出工程Ｓ６１で求めた仮想平面と作用線Ｌ１との交点Ｐの座標を求める。
【００３３】
（矢印仮定工程）
本工程では、矢印Ｒの太さ及び長さを仮定する。矢印Ｒの太さ及び長さは合力の大きさに合わせて適宜設定することができる。例えば、太さを一定（例えば２０ｍｍ）とし、長さを合力１Ｎ当たり１ｍｍとなるように決定してもよい。なお、矢印Ｒの方向は、作用線Ｌ１の方向ベクトルと同じ方向である。
【００３４】
（矢印表示工程）
本工程では、交点算出工程Ｓ６２で求めた交点Ｐを始点として、矢印仮定工程Ｓ６３で仮定した矢印Ｒを描写する。
【００３５】
＜安定性評価工程＞
本工程では、出力工程Ｓ６０で出力された作用線Ｌ１、重心Ｇ、及び矢印Ｒの位置関係に基づき、人体２０の安定性を評価する。
【００３６】
例えば、図３に示すように、作用線Ｌ１が重心Ｇを通る鉛直線Ｌ２と重なっている場合は、人体２０の安定性が良く、座り心地又は乗り心地がよいと評価できる。一方、図４Ａに示すように、作用線Ｌ１と鉛直線Ｌ２とがずれている場合は、図４Ｂに示すように、人体２０が回転し易く安定性が悪いと評価できる。
【００３７】
［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）反力の分布から合力を求め、さらにその合力の作用線Ｌ１を出力するので、可視化された作用線Ｌ１によって人体２０の安定性を視覚的に評価できる。また、摩擦力を考慮して合力の作業線を出力することができるので、より現実的に人体２０の挙動の評価を行うことができる。
【００３８】
（１ｂ）合力の作用線Ｌ１に加え、人体２０の重心Ｇを出力することで、人体２０の重心Ｇと合力の作用線Ｌ１との位置関係を把握できるので、より効果的に人体２０の挙動を評価できる。
【００３９】
（１ｃ）反力を分解した分力毎の合力を求めることで、反力を任意の方向の分力に分解してそれぞれ可視化できるため、物体１０の形状や使用状況等に合わせた最適な評価が可能となる。
【００４０】
（１ｄ）反力を垂直抗力及び摩擦力の２つの分力に分解し、それぞれの合力を求めることで、例えば、シートに着座した人体２０に対する反力による挙動をより的確に評価できる。
【００４１】
（１ｅ）有限要素法の解析結果上に合力の作用線Ｌ１を出力することで、合力を求めるための計算から合力の作用線Ｌ１の出力結果確認までを同一の画面で行うことができる。そのため、作業性が向上する。
【００４２】
（１ｆ）出力された合力の作用線Ｌ１、重心Ｇ、及び矢印Ｒに基づき、人体２０の挙動を評価するので、従来よりも容易かつ的確に物体１０上における人体２０の安定性を評価することができる。
【００４３】
［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００４４】
（２ａ）上記実施形態の合力の解析方法において、人体の代わりに人体を模した人形（いわゆるマネキン）を使用してもよい。本開示は、人形の挙動を評価することにも適用できる。
【００４５】
（２ｂ）上記実施形態の合力の解析方法は、１つの物体１０に対し、複数の人体又は人形が接触した状態を対象としてもよい。この場合は、人体又は人形毎に反力の合力を求め、この合力をさらに合成することで全体の合力を求めることができる。また、人体又は人形の重心は、それぞれの重心を合成した重心を全体の重心として扱うことができる。
【００４６】
（２ｃ）上記実施形態の合力の解析方法において、例えば人体の各部位に対応する複数の剛体をジョイントで接続した変形体で人体又は人形をモデル化してもよい。また、変形する人体の一部（例えば頭部のみ）の安定性を評価する場合には、物体から受ける反力の合力に加えて、その人体の一部の境界面に作用する力と、その力によるモーメントとを用いて安定性の評価を行ってもよい。
【００４７】
（２ｄ）上記実施形態の合力の解析方法において、重心の算出及び出力は必ずしも行う必要はない。また、重心の算出及び出力を行う場合も、必ずしも合力の作用線と重ねて表示する必要はない。
【００４８】
（２ｅ）上記実施形態の合力の解析方法において、必ずしも反力を２以上の分力に分解する必要はない。また、反力を分力に分解する場合も、必ずしも垂直抗力と摩擦力とに分解する必要はない。
【００４９】
（２ｆ）上記実施形態の合力の解析方法において、合力の作用線及び人体又は人形の重心は、必ずしもＦＥＭの解析結果上に出力する必要はない。つまり、ＦＥＭの解析結果とは別の画面等に合力の作用線及び重心を表示してもよい。
【００５０】
（２ｇ）上記実施形態の合力の解析方法において、安定性評価工程は必須の構成ではない。したがって、出力された合力の作用線に基づいて、人体又は人形の安定性以外の評価を行ってもよい。
【００５１】
（２ｈ）上記実施形態の合力の解析方法は、２次元の解析にも適用できる。例えば、解析の対象として、物体１０を靴底として、人体の足に作用する反力における合力の解析を行うことができる。
【００５２】
（２ｉ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…物体、２０…人体。
【図１】
2019003371.tif 000003
【図２】
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【図３】
2019003371.tif 000005
【図４】
2019003371.tif 000006
【図５】
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