JP3985536B2 - Operability evaluation device and operation posture adjustment device - Google Patents

Description

【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】
Ｍ_q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。Ｍ_q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Ｘ_nとすると、操作点速度
【００２９】
【数２】

【００３０】
は、次の（２）式で表される。
【００３１】
【数３】

【００３２】
操作点Ｘ_nが３次元の一般化座標空間（ｘ，ｙ，ｚ）で表された場合ではＪ_Xは３次元行列になり、操作点Ｘ_nが３次元の各軸回転方向も含まれる場合ではＪ_Xは６次元行列になる。このようにＪ_X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Ｊ_Xは３次元行列として説明する。
【００３３】
また、操作点Ｘ_n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Ｘ_nとしてもよい。すなわち、操作点Ｘ_nは任意の位置に設定することができる。
【００３４】
Ｊ_X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】

【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Ｘ_n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】

【００３８】
慣性テンソルＭ_X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Ｍ_X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Ｍ_X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Ｍ_X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Ｘ_nにおける操作者の剛性テンソルＫ_Xは（６）式で表される。
【００４０】
【数６】

【００４１】
Ｋ_q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Ｘ_nにおける操作者の粘性テンソルＣ_Xは（７）式で表される。
【００４３】
【数７】

【００４４】
Ｃ_q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Ｘ_nにおける操作状態を示す慣性テンソルＭ_X、剛性テンソルＫ_X、粘性テンソルＣ_X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Ｍ_X、剛性テンソルＫ_X、粘性テンソルＣ_X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Ｘ_nにおける操作者入力として操作加速度（ベクトルａ_X、｜ａ_X｜＝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ａ_Xは、操作者テンソルＭ_Xの固有値に対応する固有ベクトル
【００５０】
【数８】

【００５１】
を用いると、次の（８）式で表される。
【００５２】
【数９】

【００５３】
このとき、操作点Ｘ_nに発生する操作力Ｆ_mは、（９）式で表される。
【００５４】
【数１０】

【００５５】
操作加速度ａ_Xが操作者テンソルＭ_X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】

【００５７】
したがって、操作加速度ａ_Xと操作力Ｆ_mとは同じ方向になる。なお、λ_i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ａ_Xが操作者テンソルＭ_X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】

【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ａ_Xと操作力Ｆ_m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Ｋ_Xや粘性テンソルＣ_X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Ｋ_Xに関しては操作変位ｄ_Xに対する操作剛性力Ｆ_K、操作者の粘性テンソルＣ_Xに関しては操作速度ｖ_Xに対する操作粘性力Ｆ_C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Ｍ_X、操作者入力として操作加速度ａ_X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】

【００６５】
なお、操作者テンソルとして剛性テンソルＫ_Xを用いた場合は、操作者入力として操作変位ｄ_Xを用いればよい。操作者テンソルとして粘性テンソルＣ_Xを用いた場合は、操作者入力として操作速度ｖ_Xを用いればよい。
【００６６】
図１は、操作者テンソルＭ_Xによって表される楕円体と操作加速度ａ_Xと操作力Ｆ_m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ａ_X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ａ_X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ａ_X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Ｉ_xx，Ｉ_yy，Ｉ_zz、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Ｉ_xx、Ｉ_yy、Ｉ_zz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、Ｌ_HEAD、ＣＧ_HEAD、Ｍ_HEAD、Ｉ_xx,HEAD、Ｉ_yy,HEAD、Ｉ_zz,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Ｉ_xx、Ｉ_yy、Ｉ_zz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】

【００８８】
ここで、一般化慣性テンソルＭ_q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Ｍ_Xと操作加速度ａ_X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】

【００９３】
次に、操作力Ｆと操作加速度ａ_X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】

【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】

【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】

【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Ｍ_Xによって表される楕円体と操作加速度ａ_Xと操作力Ｆ_m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ａ_X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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an operability evaluation device and an operation posture adjustment device, and more particularly to an operability evaluation device and an operation posture adjustment device that evaluate the operability of an operation device and adjust the operation posture from the entire posture of an operator.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
Conventionally, a method of measuring joint angles of hip joints, knees, ankles and the like using a computer mannequin instead of a person driving a vehicle and evaluating the operability during vehicle driving from each joint angle (hereinafter referred to as “Prior Art 1”) .) Was proposed. Prior art 1 has evaluated whether the operability is good based on how much each joint angle of the driver is located with respect to the movable range of the joint.
[0003]
FIG. 18 is a diagram showing movable ranges (degrees) of the hip joint, knee, and ankle in the conventional operability evaluation method. Prior art 1 evaluated how much the operability improved depending on how close the joint angle of the hip joint etc. was to the center of the movable range compared with before and after the change of the steering position and seat back position. .
[0004]
However, in the prior art 1, even if the front and rear position of the seat back and the steering tilt angle are slightly changed to adjust one joint angle, the other joint angles of the driver also change. There was a problem that the whole posture could not be evaluated comprehensively.
[0005]
The present invention has been proposed to solve the above-described problem, and an operability evaluation apparatus that comprehensively evaluates the operability of an operating device from the entire posture of the operator, and the operation of the operator using the operability evaluation apparatus. An object of the present invention is to provide an operation posture adjusting device for adjusting the posture.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, the invention according to claim 1 is configured to determine the attitude of the operator with respect to the operating device based on the operating environment information of the operating device and the operator information which is the operator's physical information. Based on the calculated posture calculation means, the operator's posture calculated by the posture calculation means, and the operator information, an operator tensor representing the ease of operation at the operation point of the operator is calculated. An operator tensor calculating means; an operator tensor calculated by the operator tensor calculating means; and an evaluation means for evaluating the operability of the operating device based on an operator input to the operating device. Yes.
[0007]
Here, the operating device may be a virtual operating device in a simulation or an existing operating device. Further, the operator may be a virtual operator in the simulation or an existing operator. The same applies to claims 2 to 4.
[0008]
The operating environment information includes all information for specifying the operating environment of the operating device, and corresponds to, for example, the outer shape, position, and orientation of the operating device. In addition, when the operating device is configured by a plurality of parts, the external shape of each part and the relative position and posture of each part are also included. Note that the operating environment information may be information prepared in advance or information created using a predetermined parameter related to the operating device.
[0009]
The operator information is information representing the operator's body, and corresponds to, for example, the shape and mass of each part such as the operator's head, upper arm, and forearm. The operator information may be information prepared in advance or information created based on a predetermined parameter unique to the operator and a general database of the operator.
[0010]
The posture calculation means calculates a relative relationship between the operating device and the operator based on the operating environment information and the operator information, that is, the posture of the operator with respect to the operating device. The posture of the operator is specified by the operation environment information and the operator information, and changes even if one of them is slightly changed. Accordingly, the posture calculation means not only calculates the posture of the operator once, but also calculates when at least one of the operating environment information and the operator information is slightly changed. Thereby, even when the operating environment or the operator's state changes slightly and the entire operator's posture changes, the new posture of the operator can be easily calculated. The posture of the operator is not particularly limited, and for example, each joint angle of the operator corresponds.
[0011]
The operator tensor calculation means calculates an operator tensor that represents ease of operation at the operation point of the operator based on the posture of the operator and the operator information. The operator tensor is preferably, for example, an inertia tensor, a rigidity tensor, or a viscosity tensor.
[0012]
The evaluation means evaluates the operability of the operating device based on the operator tensor and the operator input to the operating device. Here, when an inertia tensor is used as the operator tensor, the operation acceleration may be used as the operator input. Similarly, the operation displacement may be used for the stiffness tensor and the operation speed for the viscosity tensor. And since the operability is evaluated from the operator's posture, operator information, and operator input, even if the operator's overall posture changes due to a slight change in the operating environment or the operator's state, the operability is accurately Can be evaluated.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the evaluation unit is configured to determine at least one eigenvector of the operator tensor and an operator input acting in an operation direction of the operation device. The operability of the operating device is evaluated.
[0014]
The operator tensor has a plurality of eigenvectors. The operator tensor is represented by an ellipsoid having the operation point as the center position and each eigenvector as the principal axis. Here, when the direction of the operator input and the main axis direction of the ellipsoid coincide with each other, the operator is most likely to operate and no force is generated that does not contribute to the movement of the operating device. As the direction of operator input and the main axis direction of the ellipsoid differ, the operability deteriorates and a force that does not contribute to the movement of the operating device is generated.
[0015]
Therefore, the operability of the operating device can be evaluated according to the relationship between at least one eigenvector of the operator tensor and an operator input that works in the operating direction of the operating device.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the evaluation means uses the magnitude of the operational force, the operator input direction, and the phase of the operational force direction as an index representing the operability of the operating device At least one of a corner, an effective operation force, and an invalid operation force is calculated.
[0017]
The magnitude of the operating force is the absolute value of the force generated at the operating point in response to the operator input. The effective operation force is a force that contributes to the movement of the operation device, and the invalid operation force is a force that does not contribute to the movement of the operation device. By calculating such an index, the operability of the operating device can be objectively evaluated by numerical values.
[0018]
The invention described in claim 4 is the operability evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 3, a measuring unit that measures the operating environment of the operating device, and an adjusting unit that adjusts the operating environment of the operating device. The operability evaluation apparatus evaluates the operability of the operating device using the operation environment measured by the measuring means, and controls the adjustment means so that the operability evaluation is improved. It is characterized by doing.
[0019]
The operability evaluation apparatus acquires the operating environment from the measuring means, evaluates the operability of the operating device, and controls the adjusting means so that the operability evaluation is improved.
[0020]
In adjusting the operating environment, the adjusting means is not limited to adjusting any one of the outer shape, position, and posture of the operating device, for example, and may adjust each of them simultaneously. In the case of being constituted by parts, the outer shape of each part and the relative position and posture of each part may be adjusted simultaneously.
[0021]
After the operation environment is adjusted, the operability evaluation apparatus acquires the operation environment again from the measuring unit and re-evaluates the operability. Then, the adjusting means is controlled again so that the operability evaluation is improved.
[0022]
In this way, since the operability can be accurately evaluated in response to a slight change in the operating environment while adjusting the operating environment, the operating posture of the operator can be adjusted so that the operability is the best. .
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the principle of the present invention will be described first, and then a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0024]
[Principle of the present invention]
1. Derivation of operator tensor
Energy can be considered from three of inertia, rigidity, and viscosity. Here, the kinetic energy T of the operator is expressed by the following equation (1) in consideration of inertia.
[0025]
[Expression 1]

[0026]
q is a generalized coordinate representing the posture of the operator. Although q is not particularly limited, for example, when there are a plurality of joints of the operator, each joint angle corresponds. Furthermore, the method of defining the joint angle is not particularly limited, and may be, for example, a relative angle between adjacent parts, or an absolute angle with respect to the vertical direction on the ground.
[0027]
M_qIs the generalized inertia tensor of the operator in the generalized coordinate space. M_qAlthough not particularly limited, for example, it is defined by the mass of each part of the operator's body, the moment of inertia, and the length of each part.
[0028]
Here, the operation point (for example, hand position or foot position) of the operating device is set to X_nThe operating point speed
[0029]
[Expression 2]

[0030]
Is expressed by the following equation (2).
[0031]
[Equation 3]

[0032]
Operating point X_nIs represented in a three-dimensional generalized coordinate space (x, y, z)_XBecomes a three-dimensional matrix and the operating point X_nIn the case where 3D axis rotation directions are also included_XBecomes a six-dimensional matrix. J_XCan be represented by a 6-dimensional matrix, but in the following description J_XIs described as a three-dimensional matrix.
[0033]
In addition, the operating point X_nIs not limited to the hand position or the foot position. For example, when there is a device operated with an elbow, the elbow position is set to the operation point X._nIt is good. That is, the operating point X_nCan be set at any position.
[0034]
J_X(2) becomes the following (3).
[0035]
[Expression 4]

[0036]
Thus, the expressions (2) and (3) represent the relationship with the posture of the operator (for example, each joint angle) with respect to the operating device. Further, when the equation (3) is substituted into the equation (1), the kinetic energy T is changed to the operation point X._nIt can be considered by the following equation (4) and (5).
[0037]
[Equation 5]

[0038]
Inertia tensor M_XIs a matrix obtained by three matrices as shown in equation (5), and has a property of changing according to the attitude of the operator. Since the operator's posture also changes depending on the arrangement of the operating device, the inertia tensor M_XVaries depending on the arrangement of the operation equipment. Inertia tensor M_XHas anisotropy and does not have a negative mass. Therefore, inertia tensor M_XAlways have positive eigenvalues and corresponding eigenvectors.
[0039]
Similarly, considering the operator's energy for stiffness, the operating point X_nOperator's stiffness tensor K_XIs represented by equation (6).
[0040]
[Formula 6]

[0041]
K_qIs the rigidity of the operator in the generalized coordinate space. For example, when considering the rigidity of the elbow joint, it is preferable to use the above equation (6).
[0042]
Also, considering the operator's energy for viscosity, the operating point X_nOperator's viscosity tensor C_XIs expressed by equation (7).
[0043]
[Expression 7]

[0044]
C_qIs the operator's viscosity in generalized coordinate space. For example, when considering a damper provided in the vehicle, it is preferable to use the above equation (7).
[0045]
Thus, based on the characteristics of the operator and the characteristics of the operating device, an arbitrary operating point X_nInertia tensor M indicating the operation state in_X, Rigidity tensor K_X, Viscosity tensor C_XCan be requested.
[0046]
2. Usability evaluation using operator tensor
Operator tensor is inertia tensor M_X, Rigidity tensor K_X, Viscosity tensor C_XThe general term Hereinafter, the case where an inertia tensor is used as the operator tensor will be described as an example.
[0047]
Since the operator tensor has a plurality of positive eigenvalues, the length of the main axis is represented by an ellipsoid corresponding to the eigenvalue and the eigenvector corresponding to the main axis direction.
[0048]
Where operating point X_nAs the operator input in the operation acceleration (vector a_X, | A_XLet's consider moving the operating device by adding | = 1).
[0049]
Operation acceleration a_XIs the operator tensor M_XThe eigenvectors corresponding to the eigenvalues of
[0050]
[Equation 8]

[0051]
Is used, it is represented by the following equation (8).
[0052]
[Equation 9]

[0053]
At this time, the operating point X_nOperating force F generated_mIs expressed by equation (9).
[0054]
[Expression 10]

[0055]
Operation acceleration a_XIs operator tensor M_XIn the case of the same direction as one eigenvector, the equation (10) is established due to the nature of the eigenvalue / eigenvector.
[0056]
## EQU11 ##

[0057]
Therefore, the operation acceleration a_XAnd operating force F_mAre in the same direction. Λ_iIs an eigenvalue corresponding to the eigenvector.
[0058]
On the other hand, the operation acceleration a_XIs operator tensor M_XWhen the direction is different from any of the eigenvectors, the equation (11) is established.
[0059]
[Expression 12]

[0060]
Accordingly, unless all eigenvalues are equal, the operation acceleration a_XAnd operating force F_mIt becomes a different direction.
[0061]
As operator tensor, rigidity tensor K_XAnd viscosity tensor C_XThe same applies when using. That is, the operator's stiffness tensor K_XWith respect to the operation displacement d_XOperation stiffness force F_K, Operator's viscosity tensor C_XIs the operation speed v_XOperating viscous force F against_CCan be considered individually.
[0062]
From the above, when the operation direction, which is the operating device characteristic, coincides with the principal axis direction of the operator tensor, the operator input and the operation force work in the same direction. That is, the force acts on the operating device. On the other hand, when the operation direction, which is the operating device characteristic, does not match the main axis direction of the operator tensor, the operating force acts in a direction different from the operator input according to the magnitude of the eigenvalue.
[0063]
In the present invention, in order to evaluate the operability of the operating device using such properties, the magnitude of the operating force, the phase angle of the operating force, the effective operating force, and the invalid operating force are obtained. Inertia tensor M as operator tensor_X, Operation acceleration a as operator input_XSpecifically, the following equation (12) is obtained from equation (12).
[0064]
[Formula 13]

[0065]
Note that the rigidity tensor K is used as the operator tensor._XIs used as an operator input, the operation displacement d_XMay be used. Viscous tensor C as operator tensor_XIs used as the operator input, the operation speed v_XMay be used.
[0066]
Figure 1 shows the operator tensor M_XEllipsoid and operation acceleration a_XAnd operating force F_m(A) shows the principal axis direction of the ellipsoid and the operation acceleration a._X(B) is a figure which shows the case where it does not correspond, when the vector directions of (1) match.
[0067]
As shown in FIG. 4A, the main axis U of the ellipsoid₂Direction and operation acceleration a_XWhen the directions match, the direction of the operating force is the same. Therefore, the phase angle θ of the operating force is zero, and in this case, no force is generated that does not contribute to the movement of the operating device.
[0068]
On the other hand, as shown in FIG.₂Direction and operation acceleration a_XIf the directions do not coincide with each other, a phase angle θ of the operation force is generated, and the operation force can be decomposed into an effective operation force and an invalid operation force. Here, the effective operating force is a force that actually acts on the operating device, and the invalid operating force is a force that does not contribute to the movement of the operating device.
[0069]
When the arrangement of the operation device changes, the posture of the operator changes accordingly. Then, the operator tensor changes, and the values of the expressions (12) to (15) also change. In view of this, the operating device may be arranged so that the operator can most easily exert an operating force and so as not to generate an extra force in any direction other than the operating direction.
[0070]
[First Embodiment]
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the operability evaluation apparatus 1 according to the first embodiment. In the present embodiment, the case where the operability of the steering wheel provided in the vehicle is evaluated will be described as an example. However, the present invention can also be applied to the case where the operability of other operating devices is evaluated. it can.
[0071]
The operability evaluation apparatus 1 evaluates operability when a virtual operator operates a virtual operation device. A keyboard 11 and a mouse 12 for inputting operator characteristics and operation device characteristics, and operability evaluation. The computer 20 which performs a calculation, and the monitor 30 which displays the result of operativity evaluation are provided.
[0072]
The operator characteristics input via the keyboard 11 or the like correspond to the height and weight of the operator, for example. The operating device characteristics include, for example, the inner diameter and outer shape of the steering, the steering position, the steering tilt angle, the seat back angle, the operating point, and the operating direction (operation acceleration). The operator characteristics and the operating device characteristics are not limited to the parameters described above, but are determined according to the operating device to be evaluated.
[0073]
The monitor 30 displays the evaluation of operability calculated by the computer 20, for example, the magnitude, phase angle, effective operation force, and invalid operation force described later in detail.
[0074]
FIG. 3 is a block diagram illustrating a functional configuration of the computer 20. The computer 20 describes an operation device creation unit 21 that creates a virtual operation device, an operation device arrangement setting unit 22 that sets the arrangement of the operation device, and body dimensions and mass characteristics that are general models of the operator. A database 23, an operator creation unit 24 that creates a virtual operator, an operator posture calculation unit 25 that calculates the posture of the operator, an operator tensor calculation unit 26 that calculates an operator tensor, and And an operability evaluation unit 27 for evaluating operability.
[0075]
The operation device creation unit 21 creates a virtual operation device (steering) based on the input operation device characteristics (inner diameter and outer shape of the steering), and supplies this information to the operation device arrangement setting unit 22.
[0076]
The operation device arrangement setting unit 22 operates based on the input operation device characteristics (steering position and inclination angle, seat back angle, operation point, operation direction) and the steering created by the operation device creation unit 21. That is, the steering arrangement is set.
[0077]
FIG. 4 is a diagram illustrating an operation environment set by the operation device arrangement setting unit 22. The operation environment includes, for example, a “front-rear position” indicating a distance in the front-rear direction from the seat back to the operation point, and a “up-down position” indicating a distance in the height direction from the lowermost part of the seat back to the operation point. Note that the seat back angle, the tilt angle, the operation point, and the operation direction vector a illustrated in FIG. 4 are parameters input as operation device characteristics, but this is part of the operation environment.
[0078]
Then, the operating device arrangement setting unit 22 supplies the operating environment information set in this way to the operator posture calculation unit 25 and the operability evaluation unit 27.
[0079]
On the other hand, the database 23 stores body dimension / mass characteristic data of the operator model.
[0080]
FIG. 5 is a diagram showing body dimension / mass characteristic data of the operator model. According to the figure, body dimension / mass characteristic data is obtained for each part of the body of the operator model._xx, I_yy, I_zz, Mass M, center of gravity position CG, and length L are shown. Here, as each part of the body, for example, the head, upper arm, forearm, hand, chest, abdomen, waist, thigh, shin, and foot are applicable.
[0081]
The operator creation unit 24 refers to the body dimension / mass characteristic data stored in the database 23 and creates body information of each part of the operator based on the input height and weight of the operator.
[0082]
FIG. 6 is a diagram schematically showing the creation contents of the operator creation unit 24. The operator creation unit 24 obtains the moment of inertia, mass, center of gravity position, and length for each part such as the head and upper arm. For example, head length Length, center of gravity CG, mass Mass, moment of inertia I_xx, I_yy, I_zzIs obtained according to the equations shown in FIG. In the figure, L_HEAD, CG_HEAD, M_HEAD, I_{xx, HEAD}, I_{yy, HEAD}, I_{zz, HEAD}Is the length, the position of the center of gravity, the mass, and the moment of inertia related to the head described in the body dimension / mass characteristic data. Further, the length Length of other parts such as the upper arm and the forearm, the center of gravity position CG, the mass Mass, and the moment of inertia I_xx, I_yy, I_zzThe same can be obtained for.
[0083]
FIG. 7 is a diagram schematically showing each part of the operator created by the operator creating unit 24. In the figure, only the parts (head, upper arm, forearm, hand, chest, abdomen, waist) related to the steering operation are shown, and the parts (thigh, neck, foot) not related thereto are omitted.
[0084]
Based on the operating environment set by the operating device arrangement setting unit 22 and the body information of each part of the operator created by the operator creating unit 24, the operator posture calculating unit 25 Calculate the posture. In the present embodiment, the angles of adjacent parts, that is, the joint angles of the operator are calculated.
[0085]
FIG. 8 is a diagram illustrating each joint angle of the operator calculated by the operator posture calculation unit 25. Here, the operator posture calculation unit 25 calculates the inclination angle θ of the waist with respect to the vertical direction.₁, Joint angle of the upper arm with respect to the chest θ₂, Joint angle θ of forearm with respect to upper arm_Three, Joint angle θ of the hand with respect to the forearm_FourAre calculated respectively.
[0086]
The operator tensor calculation unit 26 is based on the body information of each part of the operator created by the operator creation unit 24 and the posture (joint angle) of the operator calculated by the operator posture calculation unit 25. Calculate the operator tensor. Specifically, the following equation (16) is calculated.
[0087]
[Expression 14]

[0088]
Where generalized inertia tensor M_qIs a matrix determined by the moment of inertia, mass, center of gravity position, and length of each part of the operator. J⁺ _XIs a matrix determined by the joint angle, the length of each part, and the position of the operation point (here, the hand).
[0089]
FIG. 9 is a diagram illustrating an ellipsoid represented by the operator tensor calculated by the operator tensor calculation unit 26. As shown in the figure, the operator tensor is represented by an ellipsoid centered on the operation point (hand). The operation direction (operation acceleration) is the same as the steering tangential direction.
[0090]
The operability evaluation unit 27 performs operability evaluation based on the operation environment of the operation device set by the operation device arrangement setting unit 22 and the operator tensor calculated by the operator tensor calculation unit 26.
[0091]
Here, first, operator tensor M_XAnd operation acceleration a_XIs used to calculate the magnitude of the operating force | F | according to the following equation (17).
[0092]
[Expression 15]

[0093]
Next, the operation force F and the operation acceleration a_XIs used to calculate the phase angle θ of the operating force F according to the following equation (18).
[0094]
[Expression 16]

[0095]
Further, using the magnitude | F | of the operating force and the phase angle θ, the effective operating force is calculated according to the equation (19), and the invalid operating force is calculated according to the equation (20).
[0096]
[Expression 17]

[0097]
The operability evaluation unit 27 calculates the expression (16) every time the operator's posture changes and the operator tensor is changed, and further calculates the expressions (17) to (20) representing the operability index. To do.
[0098]
Next, taking a case where three subjects A, B, and C are taken as an example, the steering arrangement is evaluated, and a case where the arrangement is optimized will be described.
[0099]
FIG. 10 is a table showing the physiques and seating conditions of subjects A, B, and C. The operator characteristics (height and weight) shown in the figure are input to create a virtual operator, and the virtual operator is seated on the seat according to the seating conditions (steering inclination angle and seat back angle) shown in the figure. Then, after causing the virtual operator to grip the steering wheel, the posture of the virtual operator is changed by changing the front / rear position or the vertical position of the steering wheel.
[0100]
FIG. 11 is a diagram showing an ellipsoid represented by an operator tensor when the front-and-rear position of the steering wheel is changed from that of the subject B. FIG. When the distance between B and the steering is appropriate, (C) is a diagram showing a case where the distance between the subject B and the steering is long. As shown in the figure, when the front / rear position of the steering is changed, the posture of the subject B also changes. Then, the operator tensor changes, and as a result, the size of the ellipsoid represented by the operator tensor and the principal axis direction change.
[0101]
FIG. 12A is a diagram showing the effective operating force with respect to the front and rear positions of the subjects A, B, and C, and FIG. 12B is a diagram showing the effective operating force with respect to the vertical position of the steering. At the steering position where the effective operating force is minimized, the steering can be turned with the smallest force, so that the position is the position where the operating force of the operator is most easily transmitted to the steering. Accordingly, it is only necessary to find the front and rear positions and the vertical position of the steering where the effective operating force is minimized for each of the subjects A, B, and C.
[0102]
FIG. 13A is a diagram illustrating the invalid operation force with respect to the front and rear positions of the steering of the subjects A, B, and C, and FIG. 13B is a diagram illustrating the invalid operation force with respect to the vertical position of the steering. The invalid operation force is a force that does not contribute to the steering operation and is preferably zero. Therefore, it suffices to find the front and rear positions and the vertical position of the steering where the invalid operation force is minimized for each of the subjects A, B, and C.
[0103]
As described above, the operability evaluation apparatus 1 according to the present embodiment calculates the operator tensor from the operator characteristics and the operating device characteristics, and operates the operating device based on the relationship between the operator tensor and the operator input. Sex can be evaluated.
[0104]
Therefore, even when the overall position of the operator is changed by slightly changing the position of the operating device, it is possible to calculate an operator tensor that represents the overall ease of operation of the operator. Therefore, operability can always be correctly evaluated.
[0105]
As a result, even if the overall posture of the operator changes little by little, the effective operating force that contributes to the movement of the operating device and the invalid operating force that does not contribute to the movement of the operating device can always be accurately calculated. As a result, the operability of the operating device can be objectively evaluated by numerical values.
[0106]
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the site | part same as 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.
[0107]
FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration of an operation posture adjusting apparatus 50 according to the second embodiment.
[0108]
The operation posture adjusting device 50 is for the operator to adjust the operation posture while actually operating the operating device, and includes a shift lever position measuring unit 61 that measures the position of the shift lever, and a steering posture that measures the steering posture. A measurement unit 62, a pedal posture measurement unit 63 that measures the posture of the pedal, a seat posture measurement unit 64 that measures the seat posture, and a computer 70 to which the measurement results of each measurement unit are input.
[0109]
The operation posture adjusting device 50 further includes a shift lever position adjusting unit 81 that adjusts the position of the shift lever according to the control of the computer 70, a steering posture adjusting unit 82 that adjusts the steering posture, and a pedal posture that adjusts the pedal posture. An adjustment unit 83 and a sheet posture adjustment unit 84 that adjusts the posture of the sheet are provided.
[0110]
FIG. 15 is a block diagram illustrating a functional configuration of the computer 70. The computer 70 includes an operation device creation unit 21, an operation device arrangement setting unit 22, a database 23, an operator creation unit 24, an operator posture calculation unit 25, and an operator tensor calculation unit 26 configured in the same manner as in FIG. Yes. The computer 70 further includes an operability evaluation unit 71 that evaluates the operability by calculating an invalid operation force every time the operation device is adjusted, an adjustment method determination unit 72 that determines another adjustment method of the operation device, It has.
[0111]
FIG. 16 is a flowchart for explaining the operation procedure of the operability evaluation unit 71 and the adjustment method determination unit 72 in the computer 70.
[0112]
In step ST1, the operability evaluation unit 71 determines the invalid operation force | F based on the steering arrangement set by the operation device arrangement setting unit 22 and the operator tensor calculated by the operator tensor calculation unit 26.₁｜ cos θ₁And the process proceeds to step ST2.
[0113]
FIG. 17A is a diagram illustrating the operation direction and the operation force in the initial posture of the operator. As shown in the figure, initially, the operation direction and the operation force direction are slightly different.
[0114]
In step ST2, the operability evaluation unit 71 determines whether the operating device has been adjusted. Here, the operability evaluation unit 71 adjusts the operation device when the arrangement of the operation device set by the operation device arrangement setting unit 22 changes, or when the inertia tensor calculated by the operator tensor calculation unit 26 changes. It is determined that And it waits in step ST2 until an operating device is adjusted, and if an operating device is adjusted, it will transfer to step ST3.
[0115]
On the other hand, when the operating device is adjusted, the shift lever position measuring unit 61, the steering posture measuring unit 62, the pedal posture measuring unit 63, and the seat posture measuring unit 64 measure the respective positions and postures, and the measurement results are sent to the computer 70. To supply.
[0116]
In step ST3, the operability evaluation unit 71 determines the invalid operation force | F based on the arrangement of the operation devices after adjustment of the operation devices and the operator tensor.₂｜ cos θ₂And the process proceeds to step ST4.
[0117]
In step ST4, the operability evaluation unit 71 determines whether the operability after the adjustment is improved as compared with that before the adjustment of the operation device or the invalid operation force is reduced here. Specifically, it is determined whether the following equation (21) is satisfied.
[0118]
[Expression 18]

[0119]
The operability evaluation unit 71 does not need to readjust when the equation (21) is satisfied, and thus ends the process as it is. When the equation (21) is not satisfied, the operability evaluation unit 71 proceeds to step ST5.
[0120]
If it is determined in step ST4 that the operability is improved, the process may be shifted to step ST2 instead of ending the process. Thereby, the operability can be evaluated every time the operating device is adjusted by the driver.
[0121]
FIG. 17B is a diagram illustrating the operation direction and the operation force in the posture of the operator after adjusting the operating device. As shown in the figure, in the case where the expression (21) is not satisfied after adjusting the operating device, the operating direction and the operating force direction are further different.
[0122]
In step ST5, the adjustment method determination unit 72 selects an adjustment method different from the adjustment method of the operating device in step ST2, and performs readjustment of the operating device so that operability is improved. For example, when the driver defeats the seat back in step ST2, the seat back is raised, the steering is raised, the front and rear positions of the seat back and the steering are close, and the vertical position of the seat back and the steering is lowered. Can be determined. In the present embodiment, it is assumed that the adjustment method determination unit 72 determines a method for causing the steering.
[0123]
Here, the adjustment method determination unit 72 may store an if-then rule in advance in order to select an adjustment method different from the adjustment method of the operation device in step ST2 and adjust the operation device. In other words, when a predetermined adjustment method is selected in step ST2, a rule that another predetermined adjustment method is selected in step ST5 may be stored.
[0124]
Then, the adjustment method determination unit 72 controls at least one of the shift lever position adjustment unit 81, the steering posture adjustment unit 82, the pedal posture adjustment unit 83, and the seat posture adjustment unit 84 based on the selected adjustment method, Readjust the operation equipment.
[0125]
In the present embodiment, the adjustment method determination unit 72 determines a method for raising the steering, and controls the steering posture adjustment unit 82 to reduce the steering inclination angle. And the invalid operation force is the first invalid operation force | F₁｜ cos θ₁Until it becomes smaller, the optimum arrangement of the operation equipment, here, the optimum inclination angle of the steering is sought.
[0126]
FIG. 17C is a diagram illustrating the operation direction and the operation force in the posture of the operator after readjustment of the operating device (after raising the steering). Note that the invalid operating force at this time is | F_Three｜ cos θ_Threefar. As shown in FIG. 5C, after the operation device is readjusted, the operation direction and the operation force direction are more consistent than those in FIG. At this time, | F_Three｜ cos θ_ThreeIs | F₁｜ cos θ₁Is smaller than
[0127]
As described above, the operation posture adjusting device 50 calculates the invalid operation force in the initial arrangement of the operation device and the invalid operation force after the operation device is adjusted by the driver, and the invalid operation force is reduced to improve the operability. You can evaluate whether you did.
[0128]
In addition, when the invalid operation force increases after the driver adjusts the operating device, it is possible to determine an adjustment method different from that of the driver and adjust the driver's operation posture so that the invalid operation force is reduced.
[0129]
Thereby, the arrangement of the operating devices and the characteristics of the operating devices can be designed so that the operability is the best for the operator. Furthermore, it is possible to design an optimal arrangement for the operator from the operation posture that provides the best operability for the operator.
[0130]
The adjustment method determination unit 72 adjusts the shift lever position adjustment unit 81, the steering posture adjustment unit 82, the pedal posture adjustment unit 83, and the seat posture adjustment unit 84, while arbitrarily adjusting the invalid operation force. The shift lever position, steering posture, pedal posture, and seat posture may be automatically obtained.
[0131]
In this embodiment, the case where the operability before and after adjusting the operating device is evaluated while calculating the invalid operating force has been described. However, the operability before and after adjusting the operating device may be evaluated while calculating the effective operating force. it can.
[0132]
Moreover, although the case where the inertia tensor was used as an operator tensor was demonstrated in the 1st and 2nd form, this invention is not limited to this, A rigid tensor and a viscosity tensor are used as an operator tensor. Of course you can.
[0133]
【The invention's effect】
According to the operability evaluation apparatus according to the present invention, the operator tensor is calculated based on the operator's attitude and the operator information with respect to the operation device, and the operation device is based on the operator tensor and the operator input to the operation device. Because the operability is evaluated from the operator's posture, operator information, and operator input by evaluating the operability of the operator, if the operating environment and the operator's state have changed slightly, the overall posture of the operator has changed However, the operability can be accurately evaluated.
[0134]
According to the operation posture adjusting apparatus according to the present invention, the operability of the operating device is evaluated using the measured operating environment, and the operation environment is adjusted so that the operability evaluation of the operating device is improved, Since the operability can be accurately evaluated in response to a slight change in the operating environment while adjusting the environment, the operator's operating posture can be adjusted to provide the best operability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1: Operator tensor M_XEllipsoid and operation acceleration a_XAnd operating force F_m(A) shows the principal axis direction of the ellipsoid and the operation acceleration a._X(B) is a figure which shows the case where it does not correspond, when the vector directions of (1) match.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an operability evaluation apparatus according to the first embodiment.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a functional configuration of a computer.
FIG. 4 is a diagram showing a steering arrangement set by an operating device arrangement setting unit.
FIG. 5 is a diagram showing body dimension / mass characteristic data of an operator model.
FIG. 6 is a diagram schematically showing the creation content of an operator creation unit.
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating each part of the operator created by the operator creating unit.
FIG. 8 is a diagram showing each joint angle of the operator calculated by the operator posture calculation unit.
FIG. 9 is a diagram illustrating an ellipsoid represented by an operator tensor calculated by an operator tensor calculation unit;
FIG. 10 is a table showing the physique and seating conditions of subjects A, B, and C.
11A and 11B are diagrams showing an ellipsoid represented by an operator tensor when the front-and-rear position of the steering wheel is changed from that of the subject B. FIG. 11A shows a case where the distance between the subject B and the steering is short, and FIG. (C) is a figure which shows the case where a distance is long.
FIG. 12A is a diagram showing the effective operating force with respect to the front and rear positions of the subjects A, B, and C, and FIG. 12B is a diagram showing the effective operating force with respect to the vertical position of the steering.
FIG. 13A is a diagram showing the invalid operation force with respect to the front and rear positions of the subjects A, B, and C, and FIG. 13B is a diagram showing the invalid operation force with respect to the vertical position of the steering.
FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of an operating posture adjusting apparatus according to a second embodiment.
FIG. 15 is a block diagram illustrating a functional configuration of a computer.
FIG. 16 is a flowchart illustrating operational procedures of the operability evaluation unit 71 and the adjustment method determination unit 72 in the computer.
FIG. 17A is a diagram illustrating an operation direction and an operation force in the initial posture of the operator, and FIG. 17B is an operation direction and an operation force in the operator's posture after adjusting the operation device. (C) is a figure which shows the operation direction and operation force in an operator's attitude | position after readjusting an operating device.
FIG. 18 is a diagram illustrating a movable range of a hip joint, a knee, and an ankle in a conventional operability evaluation method.
[Explanation of symbols]
1 Operability evaluation device
20 computers
21 Operation equipment creation department
22 Operation equipment arrangement setting section
23 Database
24 Operator creation section
25 Operator posture calculation unit
26 Operator tensor calculation unit
27 Operability evaluation part
50 Operation posture adjustment device
70 computers
71 Operability evaluation part
72 Adjustment method determination unit

Claims (4)

Posture calculating means for calculating the posture of the operator with respect to the operating device based on operating environment information of the operating device and operator information which is physical information of the operator;
An operator tensor calculating means for calculating an operator tensor representing the ease of operation at the operation point of the operator based on the attitude of the operator calculated by the attitude calculating means and the operator information;
Evaluation means for evaluating the operability of the operating device based on the operator tensor calculated by the operator tensor calculating means and an operator input to the operating device;
An operability evaluation apparatus comprising The evaluation means evaluates the operability of the operating device according to a relationship between at least one eigenvector of the operator tensor and an operator input acting in an operation direction of the operating device. The operability evaluation apparatus according to 1. The evaluation means calculates at least one of the magnitude of the operating force, the phase angle between the operator input direction and the operating force direction, the effective operating force, and the invalid operating force as an index representing the operability of the operating device. The operability evaluation apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that The operability evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 3,
Measuring means for measuring the operating environment of the operating device;
Adjusting means for adjusting the operating environment of the operating device,
The operability evaluation apparatus evaluates the operability of the operating device using the operation environment measured by the measurement means, and controls the adjustment means so that the operability evaluation is improved. Operation posture adjustment device.

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