熟練技能工の技術伝承のためのローラー塗装動作の分析
その１ モーションキャプチャ・筋電図を用いた人間工学実験の結果と考察〇 横山清子*1 森田智子*1 西浦建貴*2 宮木章吉*2 宮下尊之*2 稲葉了大*2 峯本正直*2
小川綾一*2 庄司榮樹*2 川端祥治郎*2 伊賀上竜也*2 竹内金吾*2 村木克彦*2 津田修*2
1．はじめに塗装作業者の若手人材が減少している現状において、熟練技能工の最高品質の仕上がりを実現する技術と、身体負担が少なく効率の良い作業動作の特徴を伝承することが喫緊の課題である。伝統技能や熟練工の技能伝承について、バーチャルリアリティ技術を用い、鋳造作業の工程を、映像だけでなく反力も加えて再現する技能獲得システム 1)、切断工具の製造工程を３DCG によるアニメーション教材として作成するもの 2)、日本舞踊の教育システム制作 3)などの研究がある。職人技を筋電図により定量的に分析している研究として、熟練職人の京壁塗り習熟
e-learning の作成 4)、糸巻き動作への応用がある 5)。
本研究では、ローラー塗装を対象として、熟練塗装技能工の作業動作の特徴を、モーションキャプチャと筋電図を用いた人間工学実験に基づく定量分析により明らかにすることを目的とする。

写真１ 作業の様子

写真 2

筋電図電極と無線筋電計

2．実験方法
実験は、塗装経験 15 年以上の熟練技能工 11 名と塗装作業未経験の大学生 11 名、全員男性、右利き、身長 180cm 以下を実験参加者として実施した。写真１に示すように、モーションキャプチャスタジオに設置したボードをローラーで塗装する。図１に示す
７部位の筋肉の筋電図を、写真２に示す無線筋電計を各筋肉に装着して測定した。さらに、その上にモーションキャプチャ用の赤外線反射マーカ 40 個を貼付した動作測定用スーツを着用して作業を行った。
作業は、図２に示す、タスク１：ボード上半分の中央を５回上下に塗装する、タスク２：ボードの上から下まで中央を５回上下に塗装する、タスク３：ボ

図１ 筋電図測定部位
ード全体を塗装者が完成したと判断するまで塗装する、の３タスクとした。
まず、筋電図の個人差を除去するための基準動作を 30 秒間測定した。基準動作は、足を肩幅に開いた直立姿勢で、手を下に降ろし、利き手である右手によりローラーの握り手を、自身が最大と判断する力で握るものとした。その後、タスク１、２、３のAnalysis of Roller Painting Motion for Technical Tradition of Skilled Worker- Results and Discussion of Ergonomics Experiments Based on Motion Capture and EMG
YOKOYAMA Kiyoko*1, MORITA Tomoko*1, NISHIURA Tatsuki*2, MIYAKI Akiyoshi*2,MIYASHITA Takayuki*2, INABA Xxxx*2, MINEMOTO Masanao*2, OGAWA Ryouichi*2,
SHOUJI Xxxx*2, KAWABATA Shoujirou*2, IGAUE Tatsuya*2, TAKEUCHI Kingo*2
KIMURA Katsuhiko*1, TSUDA Osamu*1

(a)拇指内転筋(mV)

10.5
0-0.50510152025152025-1-1.5time(sec)

(b)

タスク 1
タスク 2
タスク 3
図２ 各タスクの塗装範囲順で測定を行った。
実験に際しては、参加者には実験内容を口頭で説明し、参加者の意志で自由にいつでも測定を中止できる旨を伝えて実施した。本研究は、名古屋市立大学大学院芸術工学研究科倫理委員会の審査(28 芸倫－第 1 号)を得て実施した。

3．解析方法３．１ 筋電図の解析
図３に熟練塗装技能工のタスク２における拇指内転筋(手の甲、親指の付け根)の筋電図(a)と、同時にモーションキャプチャで測定したローラーを握る手の上下方向の位置の変動を示す。筋電図は、筋活動を反映してその振幅が大きくなるため、その振幅値から筋肉の活動量を推定する。図３で、手の移動に応じて握る力が変動していることが確認できる。
筋電図は、解析対象動作時間区間の積分値(iEMG、式(1))を解析指標とした。
iEMG = ∑𝑡2(1)𝑡=𝑡1(𝑎𝑏𝑠(𝐸𝑀𝐺(𝑡) − 𝐸𝑀𝐺𝑎𝑣𝑔 ))ここで、EMG(t)は、1kHz でサンプリングした、時刻t1 から t2 までの測定筋電図。EMGavg は測定筋電図の平均値、abs は絶対値の算出を示す。
筋電の値には個人差があり、また、同一個人においても電極の位置により値が変化するため、個人差を除去した比較を行うため、ローラーの握り手を最大の力で握った時の同一部位の筋電図から求めた積分筋電図で基準化を行った。
３．２ モーションキャプチャデータの解析
モーションキャプチャは、各マーカの３次元位置座標を測定するものである。今回は、50fps(frameper second)でデータ化した。解析では、座標に加え、速さ(V mm/sec)と加速度（A mm/(sec*sec)）の時系列を算出した。速さは、式(2)で表すように、１フレーム内でのマーカの移動距離をユークリッド距離でZ (mm)20001500100050000510time(sec)

図 3 熟練工のタスク２の(a)拇指内転筋の筋電図と(b)手の上下方向の位置座標求めた。加速度は、式(3)で示すように、１フレーム内での速さの差とした。

Vn = ( x n − x n −1 ) 2 + ( y n − y n −1 ) 2 + ( z n − z n −1 ) 2(2)An = Vn − Vn−1(3)ここで、 ( xn , y n , z n ) は、ｎフレーム目の対象マーカの３次元座標である。

4．結果と考察
表１は、各タスクにおける熟練工と初心者の筋活動を比較したものである。表の数値は、基準動作の積分筋電図に対する比である。t-検定により熟練工11 名と初心者 11 名の差の検定を行った結果も併せて記述している。拇指内転筋以外は、３タスク何れも、10%有意水準での有意差は認められなかった。
拇指内転筋では、タスク１で 5%未満の有意水準で差が認められ、タスク２では 6%、タスク３では 9%で差の傾向が見られた。何れのタスクにおいても、熟練工は最大の握り力に対して 30%から 40％の力で作業をしていることと比して、初心者は最大筋力の60%から 70%の力を要しており、熟練工の２倍程度の強い力でローラーを握り塗装を行っていることが推測できる。
表２は、各タスクにおける熟練工と初心者のローラーを握っている手の動作を比較したものである。
タスク３では、塗装面積が大きいため、作業途中でローラーに塗料をつける動作が含まれる。その部分を除き、ボードの塗装動作のみを解析対象とした。

表１ 熟練工と初心者の作業中の筋活動の比較
熟練工
task1 初心者
熟練工
task2 初心者
熟練工task3 初心者

僧帽筋

上腕二頭筋

とう側手根屈筋

腕とう骨筋

母指内転筋

大腿四頭筋

脊柱起立筋

2.68
1.92
N.S.
2.40
2.26
N.S.
3.39
2.60
N.S.

1.07
1.32
N.S.
1.32
1.54
N.S.
1.54
1.76
N.S.

0.35
0.57
N.S.
0.43
0.57
N.S.
0.49
0.65
N.S.

0.45
0.52
N.S.
0.44
0.52
N.S.
0.57
0.56
N.S.

0.33
0.69
p<0.050.36
0.65
p=0.060.38
0.63
p=0.09

1.24
1.21
N.S.
3.52
3.69
N.S.
2.90
2.69
N.S.

1.50
2.61
N.S.
4.88
7.13
N.S.
3.67
6.21
N.S.

表２ 熟練工と初心者の作業中の手の動作の比較

task1

熟練工
初心者

task2

熟練工
初心者

task3

熟練工
初心者

時間（ｓｅｃ）

速度_m(mm/s)

速度_s(mm/s)

18.77
19.35
N.S.
25.76
34.57
p=0.0684.00
109.26
p=0.06

8.34
7.95
N.S.
12.37
10.57
N.S.
13.19
10.35
p<0.05

3.96
4.23
N.S.
5.16
5.37
N.S.
8.17
6.38
N.S.

時間は、各タスクを開始して終了するまでの時間の平均値、速度_m はフレーム単位の３次元空間内の移動距離の作業時間全体の平均値、速度_s はその標準偏差、加速度_m はフレーム単位の速さの差の平均値、加速度_s はその標準偏差を示す。10%有意水準
で、タスク１ではどの指標にも有意差は認められなかった。作業時間は、タスク２、タスク３で、何れも p 値 6%で熟練工の方が初心者より作業時間が短い傾向が認められた。何れのタスクも、熟練工の作業時間が初心者の約 75%であった。
また、タスク２では、加速度の平均値(p=0.08)と標準偏差(p<0.05)が、有意に熟練工の方が大きい結果が得られた。加速度の標準偏差が有意に大きいことは、力の加除の差が大きいことを表し、力の必要な部分と不必要な部分を効率よく分配していると考えられる。タスク３で熟練工の手の動作速度が有意に大きい結果は、作業時間と同様に作業の速さを反映している。
図４と図５は、タスク２作業時の、横軸がローラーを握る手の位置の Z 座標(垂直方向の動き)、縦軸がその位置での手のマーカのフレーム単位で算出した速度を示している。すなわち、ボードの塗装位置に対するローラーを動かす速度を示しているといえる。タスク２は、ボードの上端から下端までの塗装を５往復繰り返す作業である。グラフ横軸の左側が、ボードの下端であり、右側が上端である。曲線が複数本重なっているが、５往復の塗装なので、ボード

加速度_m
加速度_s
(mm/(s*s)) (mm/(s*s))

0.34
0.33
N.S.
0.51
0.34
p=0.080.980.72
N.S.

0.46
0.42
N.S.
0.70
0.44
p<0.053.860.99
N.S.の同一位置は 10 回通過することとなり、10 本の曲線が重なる。図４は熟練工 11 名のグラフを、図５は初心者 11 名のグラフを並べて表示したものである。図４はボードの下端と上端(グラフの左端と右端)200mm 部分で急激に速度が上昇、もしくは、下降し、それ以外ではほぼ一定の速度となる台形状となっていることが全員に共通している。また、10 本の曲線の形状も殆ど類似しており、ばらつきが非常に少ない。図５の初心者では、グラフ形状の個人差が非常に大きく、また、各個人における 10 本の曲線形状のばらつきが多い例が複数見られる。さらに、速度変化が少ない場合は、ボードの上端から下端まで塗装速度が遅い、逆に、速度が速い場合は、位置に依らず大きく速度が変動している結果である。これらから、ローラーの上下往復塗装における、熟練工共通の手の動作は、上下の端 20cm 部分から急激に減速もしくは加速し、それ以外の部分は概略一定の速度で塗装しているといえる。また、複数回の動作において、その動作は、殆ど変動していないことも確認できる。

5．まとめ
本研究では、塗装技能工 11 名と初心者 11 名のローラー塗装を対象として、作業時の筋活動とモーションキャプチャにより測定した動作を分析し、塗装技能工の動作の特徴を抽出した。

図４ タスク２におけるローラーの位置に対する速度の変化 (熟練工)

図５ タスク２におけるローラーの位置に対する速度の変化 (初心者)
筋活動の観点から、技能工と初心者との間で統計的な有意差が認められたのは、ローラーを握る手の拇指内転筋であり、初心者は熟練工の約２倍程度の強い力で握っている結果であった。塗装作業の作業
時間、手の動作の観点では、ボードの上端から下端までの往復塗装、ボード全面の塗装、何れも、熟練工は初心者の約 75%の時間で塗装を完了している。
ボードの上端から下端までの５往復の塗装を対象とした、塗装位置とローラーを動かす速度との関係において、熟練工に共通するパターンを抽出することができ、上端および下端 20cm 程度までは、ほぼ一定の速度で塗装し、そこから端までの間で急激な加速もしくは減速が行われていること、複数回の塗装において、そのパターンは殆ど変化しない結果と*1*2

公立大学法人名古屋市立大学
一般社団法人日本塗装工業会なった。今後、ローラーの位置と手首の角度、筋活動との関係なども抽出することにより、熟練工に共通するモデル動作の抽出を試みる予定である。
[参考文献]
1） 綿貫 啓一:バーチャルリアリティ技術による匠の技の伝承と人材育成,精密工学会誌,Vol.72,No. 1,pp46-51 (2006)
2） 三浦裕樹， 大澤哲史， 山本正信他：切断工具の製作工程における熟練手作業のモーションキャプチャ、電気学会論文誌 C,Vol.134,No.7,pp980-989 (2014)3） 篠田之孝, 村上慎吾, 渡辺雄太他：モーションキャプチャを用いた日本舞踊の教育用動作解析システムの構築、電気学会論文誌 A,Vol.131,No.4,pp270-276 (2011)4） 高井由佳,後藤彰彦,佐藤ひろゆき,濱田泰以：熟練職人の形式知を取り入れた京壁塗り習熟 e ラーニング教材の構築、
教育システム情報学会誌,vol.33,No.2,pp84-93 (2016)5） 宮本直和,仲井朝美,濱田泰以：組物職人による糸巻き動作のバイオメカニクス的研究,人間工学,Vol.42, (2006)

Nagoya City University
Japan Painting Contractor Association