(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作機器の操作環境情報と、操作者の身体情報である操作者情報とに基づいて、前記操作機器に対する前記操作者の姿勢を算出する姿勢算出手段と、
前記姿勢算出手段で算出された操作者の姿勢と、前記操作者情報とに基づいて、前記操作者の操作点における操作のしやすさを表す操作者テンソルを算出する操作者テンソル算出手段と、
前記操作者テンソル算出手段で算出された操作者テンソルと、前記操作機器に対する操作者入力とに基づいて、前記操作機器の操作性を評価する評価手段と、
を備えた操作性評価装置。
【請求項２】
前記評価手段は、前記操作者テンソルの少なくとも１つの固有ベクトルと、前記操作機器の操作方向に働く操作者入力との関係に応じて、前記操作機器の操作性を評価すること
を特徴とする請求項１記載の操作性評価装置。
【請求項３】
前記評価手段は、前記操作機器の操作性を表す指標として、操作力の大きさ、操作者入力方向と操作力方向の位相角、有効操作力、無効操作力の少なくとも１つを演算すること
を特徴とする請求項１または２記載の操作性評価装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載の操作性評価装置と、
前記操作機器の操作環境を計測する計測手段と、
前記操作機器の操作環境を調整する調整手段と、を備え、
前記操作性評価装置は、前記計測手段で計測された操作環境を用いて前記操作機器の操作性を評価すると共に、前記操作性の評価が向上するように前記調整手段を制御すること
を特徴とする操作姿勢調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操作性評価装置及び操作姿勢調整装置に係り、特に操作者の姿勢全体から操作機器の操作性を評価したり操作姿勢を調整する操作性評価装置及び操作姿勢調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、車両を運転する人間の代わりにコンピュータマネキンを用いて股関節、膝、足首等の関節角度を測定し、各関節角度から車両運転時の操作性を評価する方法（以下「従来技術１」という。）が提案されていた。従来技術１は、ドライバの各関節角度がその関節の可動範囲に対してどの程度の位置にあるかに基づいて操作性が良いかを評価していた。
【０００３】
図１８は、従来の操作性評価方法における股関節、膝及び足首の可動範囲（度）を示す図である。従来技術１は、ステアリング位置やシートバック位置の変更前と変更後を比べて、股関節等の関節角度が可動範囲の中央にどれだけ近づいたかによって操作性がどの程度向上したかを評価していた。
【０００４】
しかし、従来技術１では、１つの関節角度を調整するためにシートバックの前後位置やステアリングの傾斜角を少し変えただけであっても、ドライバの他の関節角度も変わってしまうので、ドライバの姿勢全体を総合的に評価することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、操作者の姿勢全体から操作機器の操作性を総合的に評価する操作性評価装置、及びこれを用いて操作者の操作姿勢を調整する操作姿勢調整装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の発明は、操作機器の操作環境情報と、操作者の身体情報である操作者情報とに基づいて、前記操作機器に対する前記操作者の姿勢を算出する姿勢算出手段と、前記姿勢算出手段で算出された操作者の姿勢と、前記操作者情報とに基づいて、前記操作者の操作点における操作のしやすさを表す操作者テンソルを算出する操作者テンソル算出手段と、前記操作者テンソル算出手段で算出された操作者テンソルと、前記操作機器に対する操作者入力とに基づいて、前記操作機器の操作性を評価する評価手段と、を備えている。
【０００７】
ここで、操作機器は、シミュレーションにおける仮想操作機器であってもよいし、実存する操作機器であってもよい。また、操作者も、シミュレーションにおける仮想操作者であってもよいし、実存する操作者であってもよい。請求項２から４においても同様である。
【０００８】
操作環境情報は、操作機器の操作環境を特定するためのすべての情報を含み、例えば操作機器の外形、位置、姿勢が該当する。また、操作機器が複数の部位によって構成されている場合では、各部位の外形、各部位の相対的な位置や姿勢も含まれる。なお、操作環境情報は、予め用意された情報であってもよいし、操作機器に関する所定のパラメータを用いて作成された情報でもよい。
【０００９】
操作者情報は、操作者の身体を表す情報であり、例えば、操作者の頭、上腕、前腕等の各部位の形状や質量等が該当する。操作者情報は、予め用意された情報であってもよいし、操作者固有の所定のパラメータと操作者の一般的なデータベースとに基づいて作成された情報であってもよい。
【００１０】
姿勢算出手段は、操作環境情報と操作者情報とに基づいて操作機器と操作者の相対的な関係、つまり操作機器に対する前記操作者の姿勢を算出する。操作者の姿勢は、操作環境情報と操作者情報とによって特定され、それらの一方が少し変化しただけであっても変化する。そこで、姿勢算出手段は、操作者の姿勢については１度算出するだけでなく、操作環境情報と操作者情報の少なくとも一方が少し変化した場合にも算出する。これにより、操作環境や操作者の状態が少し変わって操作者の姿勢全体が変わった場合でも、操作者の新たな姿勢を容易に算出できる。なお、操作者の姿勢は、特に限定されるものではないが、例えば操作者の各関節角度が該当する。
【００１１】
操作者テンソル算出手段は、操作者の姿勢と操作者情報とに基づいて、操作者の操作点における操作のしやすさを表す操作者テンソルを算出する。なお、操作者テンソルとしては、例えば慣性テンソル、剛性テンソル、粘性テンソルが好ましい。
【００１２】
評価手段は、操作者テンソルと操作機器に対する操作者入力とに基づいて、操作機器の操作性を評価する。ここで、操作者テンソルとして慣性テンソルが用いられた場合では、操作者入力として操作加速度を用いればよい。同様に、剛性テンソルに対しては操作変位、粘性テンソルに対しては操作速度を用いればよい。そして、操作者の姿勢、操作者情報、操作者入力から操作性を評価するので、操作環境や操作者の状態が少し変わったために操作者の姿勢全体が変わった場合でも、操作性を正確に評価することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記評価手段は、前記操作者テンソルの少なくとも１つの固有ベクトルと、前記操作機器の操作方向に働く操作者入力との関係に応じて、前記操作機器の操作性を評価することを特徴とする。
【００１４】
操作者テンソルは、複数の固有ベクトルを有している。そして、操作者テンソルは、操作点を中心位置とし、各固有ベクトルを主軸とした楕円体で表される。ここで、操作者入力の方向と楕円体の主軸方向とが一致する場合では、操作者は最も操作しやすく、操作機器の動きに寄与しない力も生じない。そして、操作者入力の方向と楕円体の主軸方向とが異なっていくに従って、操作性が悪くなり、操作機器の動きに寄与しない力が生じる。
【００１５】
そこで、操作者テンソルの少なくとも１つの固有ベクトルと、操作機器の操作方向に働く操作者入力との関係に応じて、前記操作機器の操作性を評価することができる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記評価手段は、前記操作機器の操作性を表す指標として、操作力の大きさ、操作者入力方向と操作力方向の位相角、有効操作力、無効操作力の少なくとも１つを演算することを特徴とする。
【００１７】
操作力の大きさは、操作者入力に対して操作点に発生する力の絶対値である。有効操作力は操作機器の動きに寄与する力であり、無効操作力は操作機器の動きに寄与しない力である。このような指標を演算することで、操作機器の操作性を数値により客観的に評価することができる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の操作性評価装置と、前記操作機器の操作環境を計測する計測手段と、前記操作機器の操作環境を調整する調整手段と、を備え、前記操作性評価装置は、前記計測手段で計測された操作環境を用いて前記操作機器の操作性を評価すると共に、前記操作性の評価が向上するように前記調整手段を制御することを特徴とする。
【００１９】
操作性評価装置は、操作環境を計測手段から取得して操作機器の操作性を評価し、操作性の評価が向上するように調整手段を制御する。
【００２０】
調整手段は、操作環境を調整するにあたり、例えば操作機器の外形、位置、姿勢のいずれか１つを調整するだけに限らず、これらをそれぞれ同時に調整してもよいし、また操作機器が複数の部位によって構成されている場合では、各部位の外形、各部位の相対的な位置や姿勢を同時に調整してもよい。
【００２１】
操作性評価装置は、操作環境が調整された後、計測手段から再び操作環境を取得して操作性を再評価する。そして、操作性の評価が向上するように再度調整手段を制御する。
【００２２】
このように、操作環境を調整しながら操作環境の少しの変化に対応して正確に操作性を評価することができるので、最も操作性がよくなるように操作者の操作姿勢を調整することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、最初に本発明の原理を説明し、次に本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
［本発明の原理］
１．操作者テンソルの導出
エネルギーは、慣性、剛性、粘性の３つからそれぞれ考えることができる。ここで、操作者の運動エネルギーＴは、慣性について考慮すると次の（１）式で表される。
【００２５】
【数１】
0003985536.tif 000002
【００２６】
ｑは操作者の姿勢を表す一般化座標である。ｑは特に限定されるものではないが、例えば操作者の関節が複数あるとすると、それぞれの関節角度が該当する。さらに、関節角度の定義の仕方も特に限定されず、例えば隣り合う各部位の相対的な角度であってもよいし、地面垂直方向に対する絶対的な角度であってもよい。
【００２７】
Ｍqは、一般化座標空間における操作者の一般化慣性テンソルである。Ｍqは特に限定されるものではないが、例えば操作者の身体各部の質量、慣性モーメント、各部の長さによって定義される。
【００２８】
ここで、操作機器の操作点（例えば、手先位置や足先位置）をＸnとすると、操作点速度
【００２９】
【数２】
0003985536.tif 000003
【００３０】
は、次の（２）式で表される。
【００３１】
【数３】
0003985536.tif 000004
【００３２】
操作点Ｘnが３次元の一般化座標空間（ｘ，ｙ，ｚ）で表された場合ではＪXは３次元行列になり、操作点Ｘnが３次元の各軸回転方向も含まれる場合ではＪXは６次元行列になる。このようにＪXは最大で６次元行列で表すことができるが、以下の説明ではＪXは３次元行列として説明する。
【００３３】
また、操作点Ｘnは手先位置や足先位置に限定されるものではなく、例えば、ひじで操作する機器がある場合は、ひじ位置を操作点Ｘnとしてもよい。すなわち、操作点Ｘnは任意の位置に設定することができる。
【００３４】
ＪXの疑似逆行列を用いると、（２）式は次の（３）式のようになる。
【００３５】
【数４】
0003985536.tif 000005
【００３６】
このように（２）式及び（３）式は、操作機器に対する操作者の姿勢（例えば、各関節角度）との関係を表している。さらに、（３）式を（１）式に代入すると、運動エネルギーＴを操作点Ｘnで考えることができ、（４）式及び（５）式のように表される。
【００３７】
【数５】
0003985536.tif 000006
【００３８】
慣性テンソルＭXは、（５）式に示すように、３つの行列によって求められる行列であり、操作者の姿勢に応じて変化する性質がある。なお、操作機器の配置によって操作者の姿勢も変化するので、慣性テンソルＭXは操作機器の配置によっても変化する。また、慣性テンソルＭXは、異方性を有すると共にマイナスの質量を有していない性質がある。したがって、慣性テンソルＭXは、必ず正の固有値及びそれに対応する固有ベクトルを有している。
【００３９】
同様に、剛性について操作者のエネルギーを考慮すると、操作点Ｘnにおける操作者の剛性テンソルＫXは（６）式で表される。
【００４０】
【数６】
0003985536.tif 000007
【００４１】
Ｋqは、一般化座標空間における操作者の剛性である。例えば、ひじ関節の剛性を考えると、上記（６）式を用いるのが好ましい。
【００４２】
また、粘性について操作者のエネルギーを考慮すると、操作点Ｘnにおける操作者の粘性テンソルＣXは（７）式で表される。
【００４３】
【数７】
0003985536.tif 000008
【００４４】
Ｃqは、一般化座標空間における操作者の粘性である。例えば、車両に設けられるダンパーを考慮すると、上記（７）式を用いるのが好ましい。
【００４５】
このように、操作者の特性と操作機器の特性とに基づいて、任意の操作点Ｘnにおける操作状態を示す慣性テンソルＭX、剛性テンソルＫX、粘性テンソルＣXを求めることができる。
【００４６】
２．操作者テンソルを用いた操作性評価
操作者テンソルとは、慣性テンソルＭX、剛性テンソルＫX、粘性テンソルＣXの総称をいう。以下、操作者テンソルとして慣性テンソルを用いた場合を例に挙げながら説明する。
【００４７】
操作者テンソルは、複数の正の固有値を有することから、主軸の長さが固有値に、主軸方向が対応する固有ベクトルに相当する楕円体で表される。
【００４８】
ここで、操作点Ｘnにおける操作者入力として操作加速度（ベクトルａX、｜ａX｜＝１）を加え、操作機器を動かすことについて考える。
【００４９】
操作加速度ａXは、操作者テンソルＭXの固有値に対応する固有ベクトル
【００５０】
【数８】
0003985536.tif 000009
【００５１】
を用いると、次の（８）式で表される。
【００５２】
【数９】
0003985536.tif 000010
【００５３】
このとき、操作点Ｘnに発生する操作力Ｆmは、（９）式で表される。
【００５４】
【数１０】
0003985536.tif 000011
【００５５】
操作加速度ａXが操作者テンソルＭXの１つの固有ベクトルと同じ方向の場合には、固有値・固有ベクトルの性質により、（１０）式が成り立つ。
【００５６】
【数１１】
0003985536.tif 000012
【００５７】
したがって、操作加速度ａXと操作力Ｆmとは同じ方向になる。なお、λiは、固有ベクトルに対応する固有値である。
【００５８】
一方、操作加速度ａXが操作者テンソルＭXの固有ベクトルのいずれとも異なる方向の場合は、（１１）式が成り立つ。
【００５９】
【数１２】
0003985536.tif 000013
【００６０】
したがって、すべての固有値が等しい場合を除いて、操作加速度ａXと操作力Ｆmとは異なる方向になる。
【００６１】
操作者テンソルとして、剛性テンソルＫXや粘性テンソルＣXを用いた場合でも同様である。すなわち、操作者の剛性テンソルＫXに関しては操作変位ｄXに対する操作剛性力ＦK、操作者の粘性テンソルＣXに関しては操作速度ｖXに対する操作粘性力ＦCをそれぞれ考えればよい。
【００６２】
以上のことから、操作機器特性である操作方向と、操作者テンソルの主軸方向が一致する場合では、操作者入力と操作力は同じ方向に働く。つまり、操作機器に対して素直に力が働く。一方、操作機器特性である操作方向と、操作者テンソルの主軸方向が一致しない場合では、固有値の大きさに従って操作力は操作者入力とは異なる方向に働く。
【００６３】
本発明は、このような性質を利用して操作機器の操作性を評価するために、操作力の大きさ、操作力の位相角、有効操作力、無効操作力を求める。操作者テンソルとして慣性テンソルＭX、操作者入力として操作加速度ａXを用いた場合では、具体的には次の（１２）式から（１５）式を求める。
【００６４】
【数１３】
0003985536.tif 000014
【００６５】
なお、操作者テンソルとして剛性テンソルＫXを用いた場合は、操作者入力として操作変位ｄXを用いればよい。操作者テンソルとして粘性テンソルＣXを用いた場合は、操作者入力として操作速度ｖXを用いればよい。
【００６６】
図１は、操作者テンソルＭXによって表される楕円体と操作加速度ａXと操作力Ｆmとの関係を示す図であり、（Ａ）は楕円体の主軸方向と操作加速度ａXのベクトル方向が一致する場合、（Ｂ）は一致しない場合を示す図である。
【００６７】
同図（Ａ）に示すように、楕円体の主軸Ｕ2の向きと操作加速度ａXの向きが一致する場合、操作力の向きも同じ向きになる。したがって、操作力の位相角θはゼロであり、この場合は操作機器の動きに寄与しない力は生じていない。
【００６８】
一方、同図（Ｂ）に示すように、楕円体の主軸Ｕ2の向きと操作加速度ａXの向きが一致しない場合、操作力の位相角θが生じ、操作力は有効操作力と無効操作力とに分解することができる。ここで、有効操作力は操作機器に実際に作用する力であり、無効操作力は操作機器の動きに寄与しない力である。
【００６９】
操作機器の配置が変化すると、それに伴って操作者の姿勢も変化する。そして操作者テンソルも変化し、（１２）式から（１５）式の値も変化する。そこで、操作者が最も操作力を出しやすいように、また余分な力を操作方向以外に発生させないように、操作機器を配置すればよい。
【００７０】
［第１の実施の形態］
図２は、第１の実施の形態に係る操作性評価装置１の構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態では、車両に設けられたステアリングの操作性を評価する場合を例に挙げて説明するが、本発明は他の操作機器の操作性を評価する場合についても適用することができる。
【００７１】
操作性評価装置１は、仮想操作者が仮想操作機器を操作する時の操作性を評価するものであり、操作者特性や操作機器特性を入力するためのキーボード１１及びマウス１２、操作性の評価演算を行うコンピュータ２０、操作性評価の結果を表示するモニタ３０を備えている。
【００７２】
キーボード１１等を介して入力される操作者特性としては、例えば操作者の身長や体重が該当する。また、操作機器特性としては、例えばステアリングの内径及び外形、ステアリング位置、ステアリング傾斜角、シートバック角度、操作点及び操作方向（操作加速度）が該当する。なお、操作者特性や操作機器特性は、上述したパラメータに限定されるものではなく、評価対象となる操作機器に応じて決定される。
【００７３】
モニタ３０は、コンピュータ２０によって演算された操作性の評価、例えば詳しくは後述する操作力の大きさ、位相角、有効操作力、無効操作力を表示する。
【００７４】
図３は、コンピュータ２０の機能的な構成を示すブロック図である。コンピュータ２０は、仮想の操作機器を作成する操作機器作成部２１と、操作機器の配置を設定する操作機器配置設定部２２と、操作者の一般的なモデルとなる身体寸法や質量特性を記述したデータベース２３と、仮想の操作者を作成する操作者作成部２４と、操作者の姿勢を算出する操作者姿勢算出部２５と、操作者テンソルを算出する操作者テンソル算出部２６と、操作機器の操作性を評価する操作性評価部２７と、を備えている。
【００７５】
操作機器作成部２１は、入力された操作機器特性（ステアリングの内径及び外形）に基づいて仮想の操作機器（ステアリング）を作成し、この情報を操作機器配置設定部２２に供給する。
【００７６】
操作機器配置設定部２２は、入力された操作機器特性（ステアリング位置及び傾斜角、シートバック角度、操作点、操作方向）と、操作機器作成部２１で作成されたステアリングとに基づいて、操作環境、すなわちステアリングの配置を設定する。
【００７７】
図４は、操作機器配置設定部２２によって設定された操作環境を示す図である。操作環境としては、例えばシートバックから操作点まで前後方向の距離を示す「前後位置」や、シートバックの最下部から操作点までの高さ方向の距離を示す「上下位置」がある。なお、図４に示すシートバック角度、傾斜角、操作点、操作方向ベクトルａは、操作機器特性として入力されたパラメータであるが、ここえは操作環境の一部とする。
【００７８】
そして、操作機器配置設定部２２は、このように設定された操作環境の情報を操作者姿勢算出部２５及び操作性評価部２７に供給する。
【００７９】
一方、データベース２３は、操作者モデルの身体寸法・質量特性データを記憶している。
【００８０】
図５は、操作者モデルの身体寸法・質量特性データを示す図である。同図によると、身体寸法・質量特性データは、操作者モデルの身体の各部位について、慣性モーメントＩxx，Ｉyy，Ｉzz、質量Ｍ、重心位置ＣＧ、長さＬのそれぞれを示している。ここで、身体の各部位としては、例えば頭、上腕、前腕、手、胸部、腹部、腰部、大腿、脛部、足が該当する。
【００８１】
操作者作成部２４は、データベース２３に記憶されている身体寸法・質量特性データを参照して、入力された操作者の身長及び体重に基づいて操作者の各部位の身体情報を作成する。
【００８２】
図６は、操作者作成部２４の作成内容を模式的に示す図である。操作者作成部２４は、頭部・上腕等の各部位についてそれぞれ慣性モーメント、質量、重心位置、長さを求める。例えば頭部の長さＬｅｎｇｔｈ、重心位置ＣＧ、質量Ｍａｓｓ、慣性モーメントＩxx、Ｉyy、Ｉzzは、同図に示す各式に従って求められる。なお、同図において、ＬHEAD、ＣＧHEAD、ＭHEAD、Ｉxx,HEAD、Ｉyy,HEAD、Ｉzz,HEADは、上記身体寸法・質量特性データに記述されている頭に関する長さ、重心位置、質量、慣性モーメントである。また、上腕や前腕等の他の部位の長さＬｅｎｇｔｈ、重心位置ＣＧ、質量Ｍａｓｓ、慣性モーメントＩxx、Ｉyy、Ｉzzについても同様に求めることができる。
【００８３】
図７は、操作者作成部２４によって作成された操作者の各部位を模式的に示す図である。なお、同図では、ステアリングの操作に関係する部位（頭、上腕、前腕、手、胸部、腹部、腰部）のみを示し、それに関係しない部位（大腿、頸部、足）の記載は省略した。
【００８４】
操作者姿勢算出部２５は、操作機器配置設定部２２で設定された操作環境と、操作者作成部２４で作成された操作者の各部位の身体情報とに基づいて、操作機器に対する操作者の姿勢を算出する。なお、本実施の形態では、隣り合う各部位の角度、すなわち操作者の各関節角度を算出する。
【００８５】
図８は、操作者姿勢算出部２５で算出された操作者の各関節角度を示す図である。ここでは、操作者姿勢算出部２５は、垂直方向に対する腰部の傾斜角度θ1、胸部に対する上腕の関節角度θ2、上腕に対する前腕の関節角度θ3、前腕に対する手の関節角度θ4をそれぞれ算出する。
【００８６】
操作者テンソル算出部２６は、操作者作成部２４で作成された操作者の各部位の身体情報と、操作者姿勢算出部２５で算出された操作者の姿勢（関節角度）とに基づいて、操作者テンソルを算出する。具体的には次の（１６）式を演算する。
【００８７】
【数１４】
0003985536.tif 000015
【００８８】
ここで、一般化慣性テンソルＭqは、操作者の各部位の慣性モーメント、質量、重心位置、長さによって決定される行列である。Ｊ+Xは、関節角度や各部位の長さ、操作点（ここでは手先）の位置によって決定される行列である。
【００８９】
図９は、操作者テンソル算出部２６で算出された操作者テンソルによって表される楕円体を示す図である。同図に示すように、操作者テンソルは、操作点（手先）を中心とした楕円体で表される。なお、操作方向（操作加速度）は、ステアリングの接線方向と同じである。
【００９０】
操作性評価部２７は、操作機器配置設定部２２で設定された操作機器の操作環境と、操作者テンソル算出部２６で算出された操作者テンソルとに基づいて、操作性の評価を行う。
【００９１】
ここでは最初に、操作者テンソルＭXと操作加速度ａXとを用いて、次の（１７）式に従って操作力の大きさ｜Ｆ｜を演算する。
【００９２】
【数１５】
0003985536.tif 000016
【００９３】
次に、操作力Ｆと操作加速度ａXとを用いて、次の（１８）式に従って操作力Ｆの位相角θを演算する。
【００９４】
【数１６】
0003985536.tif 000017
【００９５】
さらに、操作力の大きさ｜Ｆ｜と位相角θとを用いて、（１９）式に従って有効操作力を演算し、（２０）式に従って無効操作力を演算する。
【００９６】
【数１７】
0003985536.tif 000018
【００９７】
操作性評価部２７は、操作者の姿勢が変化して操作者テンソルが変更される毎に（１６）式を演算し、さらに操作性の指標を表す（１７）式から（２０）式を演算する。
【００９８】
つぎに、３名の被験者Ａ，Ｂ，Ｃを例に挙げてステアリング配置を評価し、その配置の最適化を行う場合について説明する。
【００９９】
図１０は、被験者Ａ，Ｂ，Ｃの体格及び着座条件を示す表図である。同図に示す操作者特性（身長、体重）を入力して仮想操作者を作成し、同図に示す着座条件（ステアリング傾斜角、シートバック角度）に従って仮想操作者をシートに着座させる。そして、仮想操作者にステアリングを握らせた後、ステアリングの前後位置や上下位置を変更することで、仮想操作者の姿勢を変更させる。
【０１００】
図１１は、被験者Ｂとステアリング前後位置を変えた時の操作者テンソルによって表される楕円体を示す図であり、（Ａ）は被験者Ｂとステアリングとの距離が近い場合、（Ｂ）は被験者Ｂとステアリングとの距離が適正な場合、（Ｃ）は被験者Ｂとステアリングとの距離が遠い場合を示す図である。同図に示すように、ステアリングの前後位置を変えると、被験者Ｂの姿勢も変化する。そして、操作者テンソルが変化し、その結果として操作者テンソルで表される楕円体の大きさ、主軸方向が変化する。
【０１０１】
図１２（Ａ）は被験者Ａ，Ｂ，Ｃのステアリングの前後位置に対する有効操作力を示す図であり、（Ｂ）はステアリングの上下位置に対する有効操作力を示す図である。有効操作力が最小になるステアリング位置では、最も小さい力でステアリングを切ることができるので、その位置は操作者の操作力が最もステアリングに伝わりやすい位置である。したがって、被験者Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれについて有効操作力が最小となるステアリングの前後位置及び上下位置を見つければよい。
【０１０２】
図１３（Ａ）は被験者Ａ，Ｂ，Ｃのステアリングの前後位置に対する無効操作力を示す図であり、（Ｂ）はステアリングの上下位置に対する無効操作力を示す図である。無効操作力はステアリングの操作に寄与しない力であり、ゼロになるのが好ましい。したがって、被験者Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれについて無効操作力が最小となるステアリングの前後位置及び上下位置を見つければよい。
【０１０３】
以上のように、本実施の形態に係る操作性評価装置１は、操作者特性及び操作機器特性から操作者テンソルを算出し、操作者テンソルと操作者入力との関係に基づいて操作機器の操作性を評価することができる。
【０１０４】
したがって、操作機器の一部位置を少し変えただけで操作者の全体的な姿勢が変わってしまう場合でも、操作者の全体的な操作のしやすさを表す操作者テンソルを算出することができるので、常に操作性を正しく評価することができる。
【０１０５】
これにより、操作者の全体的な姿勢が少しずつ変わっても、操作機器の動きに寄与する有効操作力や、操作機器の動きに寄与しない無効操作力を常に正確に演算することができ、その結果、操作機器の操作性を数値により客観的に評価することができる。
【０１０６】
［第２の実施の形態］
つぎに、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一の部位については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１０７】
図１４は、第２の実施の形態に係る操作姿勢調整装置５０の構成を示すブロック図である。
【０１０８】
操作姿勢調整装置５０は、操作者が操作機器を実際に操作しながら操作姿勢を調整するものであり、シフトレバーの位置を計測するシフトレバー位置計測部６１と、ステアリングの姿勢を計測するステアリング姿勢計測部６２と、ペダルの姿勢を計測するペダル姿勢計測部６３と、シート姿勢を計測するシート姿勢計測部６４と、各計測部の計測結果が入力されるコンピュータ７０と、を備えている。
【０１０９】
操作姿勢調整装置５０は、さらに、コンピュータ７０の制御に従ってシフトレバーの位置を調整するシフトレバー位置調整部８１と、ステアリングの姿勢を調整するステアリング姿勢調整部８２と、ペダルの姿勢を調整するペダル姿勢調整部８３と、シートの姿勢を調整するシート姿勢調整部８４と、を備えている。
【０１１０】
図１５は、コンピュータ７０の機能的な構成を示すブロック図である。コンピュータ７０は、図２と同様に構成された操作機器作成部２１、操作機器配置設定部２２、データベース２３、操作者作成部２４、操作者姿勢算出部２５、操作者テンソル算出部２６を備えている。コンピュータ７０は、さらに、操作機器が調整される毎に無効操作力を演算して操作性を評価する操作性評価部７１と、操作機器の他の調整方法を決定する調整方法決定部７２と、を備えている。
【０１１１】
図１６は、コンピュータ７０における操作性評価部７１及び調整方法決定部７２の動作手順を説明するフローチャートである。
【０１１２】
ステップＳＴ１では、操作性評価部７１は、操作機器配置設定部２２で設定されたステアリングの配置と、操作者テンソル算出部２６で算出された操作者テンソルと、に基づいて無効操作力｜Ｆ1｜ｃｏｓθ1を演算して、ステップＳＴ２に移行する。
【０１１３】
図１７（Ａ）は、操作者の最初の姿勢における操作方向と操作力とを示す図である。同図に示すように、最初は、操作方向と操作力方向は少し異なっている。
【０１１４】
ステップＳＴ２では、操作性評価部７１は、操作機器が調整されたかを判定する。ここで、操作性評価部７１は、操作機器配置設定部２２で設定された操作機器の配置が変わった時、操作者テンソル算出部２６で算出される慣性テンソルが変わった時に、操作機器が調整されたと判定する。そして、操作機器が調整されるまでステップＳＴ２に待機し、操作機器が調整されるとステップＳＴ３に移行する。
【０１１５】
一方、操作機器が調整されると、シフトレバー位置計測部６１、ステアリング姿勢計測部６２、ペダル姿勢計測部６３、シート姿勢計測部６４は、それぞれの位置や姿勢を計測し、計測結果をコンピュータ７０に供給する。
【０１１６】
ステップＳＴ３では、操作性評価部７１は、操作機器調整後の操作機器の配置や操作者テンソルに基づいて無効操作力｜Ｆ2｜ｃｏｓθ2を演算し、ステップＳＴ４に移行する。
【０１１７】
ステップＳＴ４では、操作性評価部７１は、操作機器の調整前に比べて調整後の操作性が向上したか、ここでは無効操作力が小さくなったかを判定する。具体的には、次の（２１）式を満たすかを判定する。
【０１１８】
【数１８】
0003985536.tif 000019
【０１１９】
そして、操作性評価部７１は、（２１）式を満たす時は再調整する必要はないのでそのまま処理を終了し、（２１）式を満たさない時はステップＳＴ５に移行する。
【０１２０】
なお、ステップＳＴ４で操作性が向上したと判定された場合、そのまま処理を終了する代わりに、ステップＳＴ２に移行してもよい。これにより、ドライバによって操作機器が調整される毎に、操作性を評価することができる。
【０１２１】
図１７（Ｂ）は、操作機器を調整した後の操作者の姿勢における操作方向と操作力とを示す図である。同図に示すように、操作機器調整後に（２１）式を満たさない場合では、操作方向と操作力方向がさらに異なった方向になっている。
【０１２２】
ステップＳＴ５では、調整方法決定部７２は、ステップＳＴ２における操作機器の調整方法と異なる調整方法を選択して、操作性が向上するように操作機器の再調整を行う。例えば、ステップＳＴ２においてドライバがシートバックを倒した場合では、シートバックを起こしたり、ステアリングを起こしたり、シートバックとステアリングの前後位置を近くにしたり、シートバックとステアリングの上下位置を下にする方法を決定すればよい。なお、本実施の形態では、調整方法決定部７２は、ステアリングを起こす方法を決定するものとする。
【０１２３】
ここで、調整方法決定部７２は、ステップＳＴ２における操作機器の調整方法と異なる調整方法を選択して操作機器を調整するために、ｉｆ−ｔｈｅｎルールを予め記憶しておけばよい。すなわち、ステップＳＴ２で所定の調整方法が選択された場合は、ステップＳＴ５では他の所定の調整方法を選択するというルールを記憶しておけばよい。
【０１２４】
そして、調整方法決定部７２は、選択された調整方法に基づいてシフトレバー位置調整部８１、ステアリング姿勢調整部８２、ペダル姿勢調整部８３、シート姿勢調整部８４の少なくとも１つを制御して、操作機器の配置を再調整する。
【０１２５】
なお、本実施の形態では、調整方法決定部７２は、ステアリングを起こす方法を決定し、ステアリング姿勢調整部８２を制御してステアリングの傾斜角を小さくする。そして、無効操作力が最初の無効操作力｜Ｆ1｜ｃｏｓθ1よりも小さくなるまで、操作機器の最適な配置、ここではステアリングの最適な傾斜角を探し出す。
【０１２６】
図１７（Ｃ）は、操作機器を再調整した後（ステアリングを起こした後）の操作者の姿勢における操作方向と操作力とを示す図である。なお、このときの無効操作力を｜Ｆ3｜ｃｏｓθ3とおく。同図（Ｃ）に示すように、操作機器を再調整した後では操作方向と操作力方向が同図（Ａ）よりもさらに一致している。このとき、｜Ｆ3｜ｃｏｓθ3は｜Ｆ1｜ｃｏｓθ1よりも小さくなっている。
【０１２７】
以上のように、操作姿勢調整装置５０は、操作機器の最初の配置における無効操作力と、ドライバによる操作機器調整後の無効操作力とを演算し、無効操作力が小さくなって操作性が向上したかを評価することができる。
【０１２８】
また、ドライバによる操作機器の調整後に無効操作力が大きくなった場合には、ドライバと異なる調整方法を決定して、無効操作力が小さくなるようにドライバの操作姿勢を調整することができる。
【０１２９】
これにより、操作者にとって最も操作性が良くなるように、操作機器の配置や操作機器の特性を設計することができる。さらに、操作者にとって最も操作性が良くなるような操作姿勢から、操作者の最適な配置を設計することもできる。
【０１３０】
なお、調整方法決定部７２は、シフトレバー位置調整部８１、ステアリング姿勢調整部８２、ペダル姿勢調整部８３、シート姿勢調整部８４をそれぞれ任意に調整しながら、無効操作力が最小となる時のシフトレバー位置、ステアリング姿勢、ペダル姿勢、シート姿勢を自動的に求めても良い。
【０１３１】
また、本実施の形態では、無効操作力を演算しながら操作機器調整前後の操作性を評価する場合について説明したが、有効操作力を演算しながら操作機器調整前後の操作性を評価することもできる。
【０１３２】
また、第１及び第２の形態では操作者テンソルとして慣性テンソルを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、操作者テンソルとして、剛性テンソルや粘性テンソルを用いることができるのは勿論である。
【０１３３】
【発明の効果】
本発明に係る操作性評価装置によれば、操作機器に対する操作者の姿勢と操作者情報とに基づいて操作者テンソルを算出し、操作者テンソルと操作機器に対する操作者入力とに基づいて操作機器の操作性を評価することにより、操作者の姿勢、操作者情報、操作者入力から操作性を評価するので、操作環境や操作者の状態が少し変わったために操作者の姿勢全体が変わった場合でも、操作性を正確に評価することができる。
【０１３４】
本発明に係る操作姿勢調整装置によれば、計測された操作環境を用いて操作機器の操作性を評価すると共に、操作機器の操作性評価が向上するように操作環境を調整することにより、操作環境を調整しながら操作環境の少しの変化にも対応して正確に操作性を評価することができるので、最も操作性がよくなるように操作者の操作姿勢を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】操作者テンソルＭXによって表される楕円体と操作加速度ａXと操作力Ｆmとの関係を示す図であり、（Ａ）は楕円体の主軸方向と操作加速度ａXのベクトル方向が一致する場合、（Ｂ）は一致しない場合を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係る操作性評価装置の構成を示すブロック図である。
【図３】コンピュータの機能的な構成を示すブロック図である。
【図４】操作機器配置設定部によって設定されたステアリングの配置を示す図である。
【図５】操作者モデルの身体寸法・質量特性データを示す図である。
【図６】操作者作成部の作成内容を模式的に示す図である。
【図７】操作者作成部によって作成された操作者の各部位を模式的に示す図である。
【図８】操作者姿勢算出部で算出された操作者の各関節角度を示す図である。
【図９】操作者テンソル算出部で算出された操作者テンソルによって表される楕円体を示す図である。
【図１０】被験者Ａ，Ｂ，Ｃの体格及び着座条件を示す表図である。
【図１１】被験者Ｂとステアリング前後位置を変えた時の操作者テンソルによって表される楕円体を示す図であり、（Ａ）は被験者Ｂとステアリングとの距離が近い場合、（Ｂ）は距離が適正な場合、（Ｃ）は距離が遠い場合を示す図である。
【図１２】（Ａ）は被験者Ａ，Ｂ，Ｃのステアリングの前後位置に対する有効操作力を示す図であり、（Ｂ）はステアリングの上下位置に対する有効操作力を示す図である。
【図１３】（Ａ）は被験者Ａ，Ｂ，Ｃのステアリングの前後位置に対する無効操作力を示す図であり、（Ｂ）はステアリングの上下位置に対する無効操作力を示す図である。
【図１４】第２の実施の形態に係る操作姿勢調整装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】コンピュータの機能的な構成を示すブロック図である。
【図１６】コンピュータにおける操作性評価部７１及び調整方法決定部７２の動作手順を説明するフローチャートである。
【図１７】（Ａ）は、操作者の最初の姿勢における操作方向と操作力とを示す図であり、（Ｂ）は、操作機器を調整した後の操作者の姿勢における操作方向と操作力とを示す図であり、（Ｃ）は、操作機器を再調整した後の操作者の姿勢における操作方向と操作力とを示す図である。
【図１８】従来の操作性評価方法における股関節、膝及び足首の可動範囲を示す図である。
【符号の説明】
１  操作性評価装置
２０  コンピュータ
２１  操作機器作成部
２２  操作機器配置設定部
２３  データベース
２４  操作者作成部
２５  操作者姿勢算出部
２６  操作者テンソル算出部
２７  操作性評価部
５０  操作姿勢調整装置
７０  コンピュータ
７１  操作性評価部
７２  調整方法決定部
【図１】
0003985536.tif 000020
【図２】
0003985536.tif 000021
【図３】
0003985536.tif 000022
【図４】
0003985536.tif 000023
【図５】
0003985536.tif 000024
【図６】
0003985536.tif 000025
【図７】
0003985536.tif 000026
【図８】
0003985536.tif 000027
【図９】
0003985536.tif 000028
【図１０】
0003985536.tif 000029
【図１１】
0003985536.tif 000030
【図１２】
0003985536.tif 000031
【図１３】
0003985536.tif 000032
【図１４】
0003985536.tif 000033
【図１５】
0003985536.tif 000034
【図１６】
0003985536.tif 000035
【図１７】
0003985536.tif 000036
【図１８】
0003985536.tif 000037