計測自動制御学会東北支部 第 333 回研究集会 (2021.6.18)
資料番号 333-5

脚立を使ったリンゴ栽培作業時の不安定性評価
Evaluation of instability during apple cultivation workon a stepladder○石戸谷陸 ∗ ，佐藤直樹 ∗ ，佐川貢一 ∗○ Riku Ishidoya∗ , Naoki Sato∗ , Koichi Sagawa∗*弘前大学*Hirosaki University
キーワード :

不安定性 (Unstability)，重心 (Center of Gravity)，

高所作業 (Work at Height)，脚立 (Stepladder) リンゴ栽培 (Apple Cultivation)

連絡先 : 〒 036-8561 青森県弘前市文京町 3 番地
弘前大学 大学院 理工学研究科 機械科学コース 佐川研究室
石戸谷陸，Tel.: (080)2804-5967，E-mail: h21ms504@hirosaki-u.ac.jp

1.

緒言

ではない場所での使用であることが判明していリンゴ栽培作業中に脚立から転落し、頸椎損傷などの後遺症を伴う怪我を負うことが問題視されている。重症例では，外科的手術や集中治療管理を要し、入院期間も長期化し、高額な医療費を必要とした。神経学的予後が不良な症例も存在し、予防策の構築が急務である 1) 。リン
ゴ栽培農家に対するアンケート調査では、1 年間に脚立からの転落を経験をしたものは男性 36.2％、女性 23.7 ％であった 2) 。転落が発生しやすい作業としては、剪定や果実収穫が挙げられた。転落の原因を解明するため、転落に至った要因についてのアンケートを調査すると、「自分が体のバランスを崩した（57 ％）」、「設置場所が平らではなかった（38 ％）」と使用上の問題に起因する回答が多く、「脚立に問題があった」は 2.4 ％にとどまった 3) 。すなわち、転落の主な原因は、脚立の不適切な使用方法や、平たんる。バランスを崩す要因として、無理な姿勢で作業を行うことが考えられる。そのため、転落を防止するためには、脚立の適切な使用法を理解するとともに、危険な姿勢について知ることや、危険な姿勢になった時に警告を発するシステムの開発が有効である。これを実現するためには、脚立作業中の姿勢について不安定性を評価し、バランスを崩す予兆を検出することが必要である。
農家に限らず、一般の人が脚立を使う際、本来の使用方法で使っていないことが多いと判明している 4) 。安全な使用方法として Fig.1 に示
すように、昇降面を作業面に正対させ、脛部分を天板の側面に当てながら作業を行うことが推奨されている。推奨理由としては、体が前方向に傾くため後ろに倒れにくくなり、仮に倒れた場合でも片足が出て足から落ちることになるた
め、命に関わる大きな事故につながりにくくな–1–

Fig. 1

Fig. 2

Safe use of stepladderFig. 3

Front view of stepladderFig. 4

Side view of stepladder

Dangerous use of stepladder

ることが挙げられる。また、最大リーチと姿勢の安定性の両面を考慮すると、前方へ手を伸ばす作業では天板の 2 段下に立って作業することが望ましい 5) 。一方、Fig.2 に間違った使用例を示す。Fig.2 左は、天板の上に両足で立って作業をしている状態であり、体を支える部分や掴める部分がないため、非常に危険である。Fig.2

脚立からの転落を予防する方法を考案するため、中央は、天板をまたいで作業している状態であFig.1 と同等の脚立を使用した状況下で高所にあり、足の内側で脚立を挟むことでバランスをとるリンゴの収穫を模擬した動作を計測し、手にれるが、一定の方向にしか力を加えることがで持っているカゴの重さが異なる場合の重心位置きないため不意にバランスを崩しやすい。Fig.2の変化から、不安定性を評価する。評価結果か

右は、天板に座った状態で作業をしている状態

ら、どのような状況下で安定性が損なわれるかであり、前後に体が触れると支えがないため転について調査する。

落しやすく危険である。さらに、Fig.1 のような安全と考えられる姿勢で作業を行う場合でも、片手にかごを持ちながらリンゴを収穫する際に

2.

計測装置

は、不安定な姿勢となり、転落の危険性が高く脚立上で作業しているときの重心位置を測定なることもあると考えられる。しかし、このよするため、段差に作用する力を測定できる 2 段

うな状況での不安定性を評価した研究は見られ式の装置を作成した。作成した装置は脚立を模ない。

して設計しており、装置の前面を Fig.3、側面

そこで本報告では、リンゴ栽培作業などでのを Fig.4 に示す。手すり部分を抜いた全体の高–2–

Fig. 7
Fig. 5
Measurement system of COG on
stepladder

Overview of the experiment

記録する。重心計測装置の概要を Fig.5 に示す。

3.

解析方法

本報告では、脚立作業中の不安定性を評価するため、装置に作用した荷重から重心位置を導出し、重心の移動距離と、動作毎の移動距離の変化量の違いをカゴに入れた重りの有無で評価する。
解析には、行列計算ソフト MATLAB を使用しFig. 6

Positional relationship of load cellsている。Fig.6 に示す各ロードセルの位置関係よさは 900mm、奥行きは 400mm となっている。
脚立に作用する力や重心の位置は 1 軸ロードセル (SC301A、定格容量 100kg、定格出力 2.0り、各ロードセルに作用した荷重 R1 から R5 [kg]と、その位置関係情報 lx , ly1 , ly2 , ly3 [mm] を使用
し、重心の位置座標 G(Xg , Yg ) を次式で求める。

10Hz、分解能 24 ビット) を使用して測定した。

(R2 + R4 − R1 − R3 )lx(1)
R1 + R2 + R3 + R4 + R5
(R3 + R4 )ly2 − (R1 + R2 )ly1 + R5 ly3Yg =R1 + R2 + R3 + R4 + R5(2)また、1 段目に作用する踏力は 3 つのロードセ

不安定性を評価するために、重心の移動距離をルを使用し、ふみ板に作用する前後および左右利用する。n サンプル時の重心の移動距離 D(n)方向の重心の動きを測定した。2 段目に作用すは、1 サンプル前の重心位置 G(n − 1) と現在のる踏力は、2 つのロードセルを使用し、左右方重心位置 G(n) の差分を積算し、次式のように向の重心の動きを測定した。計測データはサン求める。

± 0.1mv/v、印加電圧範囲 12V、サイズ 52 ×Xg =50 × 12mm) 5 個と、AD コンバータ (HX710、電源電圧 5.5V、利得 128、サンプリング周波数プリング周波数 10Hz で荷重に応じた電圧としD(n) =て出力される。センサの出力は Arduino 内で g単位に変換され、無線通信ユニット XBee を用n √∑(Xd )2 + (Yd )2i=1

ただし、いた UART 通信によりパソコン上のターミナル

Xd = Xg (i) − Xg (i − 1)

エミュレーター Tera Term に表示される。表示

Yd = Yg (i) − Yg (i − 1)

されたデータを Tera Term のログ機能を使ってとする。

–3–

(3)

Fig. 8

Objects imitating apple as harvest
Fig. 10 Travel distance of center of gravity
with empty basket

Fig. 94.

Experimental order to harvest objects

実験方法

Fig.7 に実験装置全体の概要を示す。実験は、医師からの運動制限がなく、リンゴ栽培の農業経験がある健常若年者（年齢 22 歳、身長 178cm、Fig. 11 Travel distance of center of gravity
with a basket containing 5kg weight

体重 58kg、男性 1 名）を対象に、弘前大学コは Fig.9 に示すように、計測開始時（0 秒）は静ラボ 3 階医用共通実験室にて計測を行った。実止、1 秒の時に収穫物を掴み、2 秒の時に収穫物

験はカゴに重りが入っていないときと、カゴにを籠に入れ、3 秒で次の収穫物を掴む、4 秒で収5kg の重りが入っているときの 2 つの条件で各穫物を籠に入れるという動作を、6 つ目の収穫10 回ずつ行う。収穫物を模擬した物体として、物を籠に入れるまで繰り返す。この動作は、メリンゴの平均的な重さである 300g のペットボトロノームを用いて秒数を 1 秒間隔で計っていトルを用意した (Fig.8)。以後、これを収穫物とる状態で行う。

呼ぶ。収穫物にはマジックテープを付けており、同じくマジックテープをつけた高さ 2.5m の単管パイプに 100mm 間隔で 6 つ吊り下げる。こ5.

実験結果と考察の時、装置に乗った被験者の頭上に 1 個目の収空のカゴと、5kg の重りの入ったカゴをもって穫物が来るように設置する。また、実験風景を行った実験より求めた重心の移動距離を Fig.10

ビデオカメラで常時撮影した。と Fig.11 に示す。2 つの波形を比較すると、5kg計測動作について説明する。被験者は、左手の重りを籠に入れた状態での結果の方が波形のに籠を持ち、左足を装置の 1 段目、右足を装置ばらつきが大きいことがわかる。波形のばらつの 2 段目に置いた状態で実験を行う。計測動作

きや傾きについて評価するため、各条件 10 回の–4–

Fig. 12Travel distance of COG

Fig. 13

Fig. 14

Fig. 15

Velocity of COG

Werped posture

Trajectory of the COG

平均と、標準偏差を求めた。その結果を Fig.12

を Fig.15 に示す。黒い枠は 1 段目のふみ板の形に示す。このグラフから、籠に重りを入れた状状を表しており、重心の位置が足場のへり近く態の時の方が重心の移動距離が大きいことがわに移動していることがわかる。反った姿勢になかる。また、グラフの右側、つまり時間経過にることにより重心の位置が足場のへり近くに移したがって 2 つの波形間の距離が徐々に離れて動し、不安定性が増加しバランスを崩しそうにいくことがわかる。次に、2 秒で 1 回行われる動なった結果、バランスを保つつために姿勢の安作毎の重心の移動距離に着目し、被験者と収穫定する位置まで重心を大きく移動させた。その物の位置関係と、重心の移動について評価する。

結果、波形上では重心の移動距離が急激に増加

1 回毎の収穫動作と、重心の 1 秒当たりの移動したと考えられる。

距離との関係を Fig.13 に示す。グラフより、横以上の結果より、脚立を使用したリンゴ栽培

軸の 6 秒以降から急激に波形が増加傾向になっにおける高所作業時には、籠にある程度の重さていることがわかる。これは、被験者の頭上後がある場合や、体より頭上後方の、ある程度離方 300mm より後方の収穫物を取るために手をれた位置のリンゴを収穫する際に不安定性が増伸ばし、Fig.14 に示すような反った姿勢になっ加することが確認された。しかし実際の収穫作たことが考えられる。ここで、1 段目に作用し業の時には、重い籠を持った状態で脚立の昇りている力を利用して重心の動きを求めた。結果降りも行う。その際に不安定性が増加し、バラ–5–

ンスを崩し転落することも十分に考えられる。

3) 中尾許弘，加藤義久，菅間敦， アウトリ

また、脚立を移動させたり脚立の昇り降りの回ガー一体式 4 脚伸縮脚立” ダン吉 の開発，数を少なくするため、今回の実験で設置した収人間工学 Vol.54，pp55-59，2017

穫物の位置よりも取るのが難しく、後方以外の場所にあるリンゴにも手を伸ばすこともある。
枝や葉などの収穫動作を妨げる要因も多く存在することから、それらの障害物を避けつつ収穫

4) 厚生労働省，『はしごや脚立からの墜落・転落災害をなくしましょう！』，厚生労働省
安全衛生リーフレット，pp1，2017

する場合もある。さらに、重いものを持った状

5) 菅間敦，大西明宏， 最大リーチ長さおよ

態では、作業時間が長くなると疲労が蓄積する。

び作業姿勢の評価による脚立への安定した疲労状態で作業を行うと、姿勢の制御や自分が立ち方の検討 ，人間工学 Vol.54，pp40，収穫できる範囲の判断が難しくなるため、不意2016にバランスを崩し転落する可能性が高くなると考えられる。今後は、より現場の作業状況に近い環境を設定し、不安定性を評価する実験を行う必要がある。

6.

結言

本報告では、力センサを用いて脚立上でのリンゴ収穫作業動作の計測を行い、重心位置およびその移動距離を導出した。その結果、籠の重さや、収穫物の位置により重心位置の移動距離に違いが生じることが確認された。今後は、脚立使用者に危険な状況を警告するために、転落に至るメカニズムの解明や、作業者の姿勢と落下の危険性との関係について検討していく予定
である。

参考文献
1) 町野ひろみ，野村理，和田簡一郎，熊谷玄太郎，田中直，浅利亨，石橋恭之，花田裕之，
りんご農作業に関連する頸椎損傷の症例集
積研究，弘大医学 71，pp108-112，20212) 江武瑛，「リンゴ栽培における脚立作業の人間工学的研究ー第 1 報、脚立の使用状況や労働負担に関する調査」，日本農村医学学
会雑誌 Vol.3，pp1-5，1983–6–