熟練技能工によるローラーブラシを用いた
上下方向塗装時の腕の関節角度の分析〇横山清子*1

砂田治弥*1 森田智子*1 西浦建貴*2 宮木章吉*2乃一剛英*2 島村元章* 村木克彦*2 津田修*2

1．はじめに若年塗装作業者が減少している現状において、熟練技能工が最高品質の仕上がりを実現する技能と、身体への負担が少ない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。本研究では、若年技能工を対象として、スマートフォンやタブレットのアプリケーションを媒体として、熟練技能工の動作を学ぶ自学用コンテンツ作成を目標とする。コンテンツは、ゲーム感覚で参照可能とすることで、閲覧の動機付けを図り、また、熟練技能工の動作分析に人間工学の実験手法を適用することで客観的かつ定量的に分析する。デジタルコンテンツによる技能伝承、熟練者の技能の客観的な説明のために、熟練技能者の動作の特徴を定量的に分析することが有用である。モーションキャプチャ、３DCG を用いた動作分析、可視化は複数行われており、生産現場の技能分析 1)、手指の軌跡や速度による熟練者と未熟者の運針動作の比較 2)、熟練技能者のヤスリがけ動作を対象としてウェアラブルセンサを活用することで主観評価との関連を分析した例 3)などがある。
本研究では、ローラーブラシによる直線往復塗装という単純かつ基本的な塗装動作を対象として、光学式モーションキャプチャ装置で測定したデータを用いて、塗装時の腕の関節角度の塗装位置に対する変動を分析し、塗装動作の数理モデル化を視野に入れた特徴抽出を行うことを目的とする。

2．方法
実験参加者は、塗装歴 15 年以上、建築塗装技能士

峯本正直*2１級以上を有する熟練技能工 11 名である。全員男性、身長 180cm 以下、右利きである。作業タスクは、ローラーブラシを用いて、名古屋市立大学北千種キ
ャンパス芸術工学部棟内の映像スタジオに設置したプラスターボードの中央の位置を上から下までの 5 往復の塗装を行う。塗料は最初にローラーブラシに含ませ、5 往復の塗装の途中で、再度塗料を含ませることはしない。図 1 に実験の様子を示す。

図１ 実験の様子
動作は、光学式モーションキャプチャシステムにより測定する。カメラは、赤外線方式のKestrel(Motion Analysis 製)10 台を使用する。マーカは、全身 42 箇所に貼付し、50fps(frame persecond)で測定する。座標は、z 方向を垂直、すなわち、プラスターボードの上下方向とし、プラスターボードの水平方向がｘ軸、プラスターボードに対する奥行き方向を y 軸として設定する。データ測定と編集は、CORTEX-64,v5.5(Motion Analysis 製)で行う。

Analysis of Joint Angle of Arm in Vertical Direction Painting using a Roller Brush by Skilled
Painting Workers

YOKOYAMA Kiyoko*1, SUNADA Haruya*1，MORITA Tomoko*1,NISHIURA Tatsuki*2, MIYAKI Akiyoshi*2, MINEMOTO Masanao*2，
NOICHI Takehide*2，SHIMAMURA Motoaki*2,MURAKI Katsuhiko*2, TSUDA Osamu*2

実験は、名古屋市立大学大学院芸術工学研究科内の研究倫理審査委員会の承認を得て実施した(28 芸倫－第 1 号)。実験参加者全員に対して、実験の趣旨と内容、各自の意思でいつでも測定の中止が可能なことを、文書と口頭で説明し同意を得た。
本研究では、ローラーブラシを対象として、熟練者に共通する動作の特徴を抽出する。実場面でのローラーブラシ塗装において頻繁に見られ、かつ、単純な基本動作として、上下方向の往復動作の詳細解析を行った。塗装位置・方向に対する腕の関節角度の変動を対象とする。塗装位置は、ローラーブラシを持つ手の甲中指付け根のマーカのｚ座標で定義する。
手首の関節角度は、手の甲中指付け根、手首、前腕中央の３マーカの成す角度とする。肘の関節角度
は、前腕中央、肘、上腕中央の成す角度とする。肩の関節角度は、上腕中央、肩、右前腰の成す角度とする。３マーカの座標を M1(x1,y1,z1)、M2(x2,y2,z2)、M3(x3,y3,z3)として、M1M2 と M3M2 の成す角度
θを（1）式で求める。
𝑎⃗ = (𝑥1 − 𝑥2, 𝑦1 − 𝑦2, 𝑧1 − 𝑧2)𝑏⃗⃗ = (𝑥3 − 𝑥2, 𝑦3 − 𝑦2, 𝑧3 − 𝑧2)⃗⃗𝑎⃗⃗𝑏

θ = cos −1 |𝑎⃗⃗||𝑏⃗⃗(1)|𝑎⃗𝑏⃗⃗ = (𝑥1 − 𝑥2)(𝑥3 − 𝑥2) + (𝑦1 − 𝑦2)(𝑦3 − 𝑦2)+(𝑧1 − 𝑧2)(𝑧3 − 𝑧2)|𝑎⃗| = √(𝑥1 − 𝑥2)2 + (𝑦1 − 𝑦2)2 + (𝑧1 − 𝑧2)2

上方向への塗装と下方向への塗装、加えて塗装位
置を地面から 40cm まで、40~80cm、80~120cm、120cm 以上に分けて分析した。

3．結果と考察
図 2 は、１名の実験参加者を例とした、塗装位置に対する、図左から肩、肘、手首の関節角度の変動を示している。上の行のグラフが下方から上方への塗装、下の行のグラフは上方から下方への塗装である。手首の角度は、塗装位置と方向に対して、ほぼ変動せずに一定であり、肩と肘については、ボードと身体との距離が近くなる、塗装の高さ 100cm 付近
では角度が小さくなり、上端および下端に近付くと角度が大きくなることが確認できる。また、塗装方向について、位置に対する角度の変動は、類似しているが、この実験参加者の場合、肘と手首の角度が、上方向への塗装時の方が小さくなっている。
塗装位置を 0～40cm、40～80cm、80～120cm、120cm以上に４分割し、それぞれの区間内での塗装における関節角度の平均値を実験参加者毎に求めた。その値に対する 11 名の実験参加者の分布を図３に箱ひげ図で示している。図の横軸は、塗装位置を表し、
u は下から上方向への塗装、d は上から下方向への塗装を示す。例えば、d80 は下方向への塗装で塗装
位置が 40～80cm を示す。箱ひげ図は、長方形の中央の線がメディアン値を、長方形の上端が 75％タイル、|𝑏⃗⃗| = √(𝑥3 − 𝑥2)2 + (𝑦3 − 𝑦2)2 + (𝑧3 − 𝑧2)2

110

110

110

909090705070503030

1010300

600

900

1200

1500

角度(deg)130角度(deg)

角度(deg)130050100

1800

7030300

600

900

1200

1500

01800

110

110

110

9090905070
5030301010600900
位置(mm)

1200

1500

1800

角度(deg)130角度(deg)

13070

900

1200

1500

1200

1500

1800

手首 下向

肘 下向

肩 下向

300

600

位置(mm)

1300300

位置(mm)

位置(mm)

角度(deg)

手首 上向

肘 上向

肩 上向
130705030100300600900
位置(mm)

12001500

18000300

6009001800

位置(mm)

図２ 塗装位置・方向に対する、肩、肘、手首の関節角度の変動 (１名の実験参加者の例)

長方形の下端が 25％タイルを示す。バーの上端は外れ値を除く最大値、バーの下端は外れ値を除く最小値を示している。点で示されているデータは外れ値である。グラフは、上が肩、中央が肘、下が手首の関節角度の平均値である。
塗装方向・位置の８区分に対する一元配置分散分析を行った結果、肩と肘については、p 値 1％未満で有意な変動が確認できている。手首については、p 値 5％での有意変動は見られない。図２の３例においても、手首の角度は塗装位置、方向に対する変動がわずかであったが、それを統計的に裏付ける結果である。ローラーブラシによる熟練者の直線方向の塗装では、塗装方向と位置に依らず一定の手首の角度を保っているといえる。
一元配置分散分析において有意変動が見られた
肩の関節角度について、表１は左列に示す位置に対して 5％有意水準で差が見られた位置を〇で示している。同一の塗装方向の差、すなわち、u40 と d40、u80 と d80、u120 と d120、u160 と d160、何れにおいても有意差が見られない。40cm 以下の低い位置と、120cm 以上の高い位置の塗装については、方向に依らず 40～120cm の中央の塗装に対して肩の関節角度が有意に大きい結果となっている。
一元配置分散分析において有意変動が見られた
肘の関節角度について、表２は左列に示す位置に対して 5％有意水準で差が見られた位置を〇で示している。同一の塗装方向の差、すなわち、u40 と d40、u80 と d80、u120 と d120、u160 と d160、何れにおいても有意差が見られない。40cm 以下の低い位置の塗装において方向に依らず 40cm 以上の位置の塗装に対して肘の関節角度が有意に大きい結果となっ

表１ 塗装位置に対する肩の関節角度の多重比較の結果
up
0-400-40up

図３ 塗装位置と関節角度の平均値との関係 u：下から上への塗装 d:上から下への塗装、40：0～40cm 80：40～80cm 120:80～120cm 160：120cm 以上 の位置を表す。
箱の中央の線はメディアン値、上端が 75％タイル、下端が 25％タイル、バーの上端が外れ値を除く最大値、バーの下端が外れ値を除く最小値を表す。グラフは、上から肩、肘、手首の関節角度の変化を表す。

down

40-80 80-120〇

120-0-40〇

40-80 80-120
〇

40-80

〇〇

80-120〇〇120-〇〇〇〇120-〇

〇

0-40

〇

〇

down 40-80〇80-120〇

表 2 塗装位置に対する肘の関節角度の多重比較の結果
up
0-40
0-40
up

down

40-80 80-120〇〇

120-0-40〇40-80 80-120〇40-8080-120

〇

120-〇

0-40
down 40-8080-120〇120〇

げるなどの上半身の位置の移動は行わず、肩の関節角度の変化に現れるような腕の動作で塗装を行っていることが確認できる。

Y-Z
1800
1600
1400

4．まとめ1200(mm)

1000

肩800

肘600

手首

4002000-100-50050100150(mm)

Y-Z
1800
1600
1400
1200(mm)

1000

肩800

肘600

手首

4002000-100-50050100150(mm)

Y-Z
1800
1600
1400
1200(mm)

1000

肩800

肘600

手首400200

本研究では、若年技能工を対象として、スマートフォンやタブレットのアプリケーションを媒体として、熟練技能工の動作を学ぶ自学用コンテンツ作成を目標として、熟練技能工の動作を客観的かつ定量的に分析することを目的としている。本稿では、
熟練技能工 11 名を対象として、ローラーブラシによる直線往復塗装時の腕の動作を光学式モーションキャプチャで測定し、肩、肘、手首の関節角度を分析した結果を述べている。
分析の結果、11 名の塗装技能工に共通する特徴として、手首の角度は上下の塗装位置に依らず一定であること、120cm を超える位置と 40cm 以下の位置の塗装については、肩の関節角度が、そして、肘の関節角度については 120cm を超える位置の塗装において、それ以外の位置と比較して大きくなることが確認できた。
今後、今回の分析結果を踏まえた動作の分かりやすい可視化方法を検討し、若年塗装技能工を対象とした、熟練技能工の塗装動作の自学用コンテンツを作成する予定である。

0-100-50

050100150(mm)

図４ ３名の実験参加者を例とした肩、肘、手首座標の y-z 平面での軌跡ている。図 4 は、５往復の上下方向直線塗装時の肩、肘、手首の３次元空間での座標を y-z 平面に投影した軌跡を示している。３名の実験参加者のデータであり、上中下の表示位置も対応している。z 軸は塗装の上下方向を示す。y 軸は塗装ボードに対する奥行き方向である。それぞれ３つの軌跡が描画されており、肩を実線、肘を点線、手首を破線で示している。軌跡の下端の z 座標が小さいものから順に手首、肘、肩となっている。従って下段のグラフの例では、左から肘、肩、手首の軌跡となる。立位時の肩より高い位置となる 140cm 以上の塗装においては、肩のy 軸方向の座標が大きく変動しており、肩の関節角度が広がっていることと対応している。肩と肘の軌跡の下端部分は、肩が 60～80cm、肘が 60～40cm となっており、40cm 以下の位置については、腰部を曲＊1 公立大学法人名古屋市立大学＊2 一般社団法人日本塗装工業会[参考文献]
1） 竹島壮郎, 安田駿一郎, 篠田心治, 松本俊之, 篠田正行：作業者の動きとものの変化に着目した技能分析手法の 考案 、日 本経 営工 学会論 文誌 、 Vol.65, No.1,pp.1-8(2014)
2） 鈴木明子, 古田幸子：動作解析コンピュータシステムによる縫製作業分析の研究－熟練者と未熟練者の運針動作の比較、人間工学、Vol.30, No.5,pp.323-329 (1994)
3） 榎堀優, 間瀬健二：ウェアラブルセンサを用いた熟練指導員のヤスリがけ技能主観評価値の再現、人工知能学会論文
誌、Vol.28, No.4, pp.391-399 (2013)

Nagoya City University
Japan Painting Contractor Association