特開 2024-82378 動作解析システム、動作解析方法、及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024082378

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】動作解析システム、動作解析方法、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/11 20060101AFI20240613BHJP

   A63B 69/00 20060101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

A61B5/11 230

A63B69/00 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022196179

(22)【出願日】2022-12-08

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】青木 英祐

(72)【発明者】

【氏名】小田島 正

(72)【発明者】

【氏名】中平 祐子

(72)【発明者】

【氏名】西垣 英一

【テーマコード（参考）】

4C038

【Ｆターム（参考）】

4C038VA04

4C038VB14

(57)【要約】

【課題】ユーザに対し特定の筋肉を鍛える方法を提供すること。
【解決手段】動作解析システムは、有限要素シミュレータの人体モデル上で、ユーザが動かしたい筋肉のみの筋出力を上げて筋肉のみを動作させる筋肉動作部と、有限要素シミュレータ上で、筋肉動作部により筋肉を動作させたときに各関節が動作した軌道を時系列の位置情報として算出する位置情報算出部と、位置情報算出部により算出された位置情報に基づいて、各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作を提供する動作提供部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

有限要素シミュレータの人体モデル上で、ユーザが動かしたい筋肉のみの筋出力を上げて該筋肉のみを動作させる筋肉動作部と、
前記有限要素シミュレータ上で、前記筋肉動作部により筋肉を動作させたときに各関節が動作した軌道を時系列の位置情報として算出する位置情報算出部と、
前記位置情報算出部により算出された位置情報に基づいて、前記各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作を提供する動作提供部と、
を備える、動作解析システム。

【請求項2】

請求項１記載の動作解析システムであって、
前記動作提供部は、前記各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作をユーザに対し表示する表示部を有する、動作解析システム。

【請求項3】

請求項１記載の動作解析システムであって、
前記動作提供部は、前記各関節の時系列の軌道を再現する動作を行うようにユーザの動作を補助する装具又はティーチングロボットを有する、動作解析システム。

【請求項4】

請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の動作解析システムであって、
前記有限要素シミュレータは、
目標角度入力部には、前記人体モデルに動作させたい各関節の目標角度が入力される目標角度入力部と、
前記目標角度入力部からの目標角度と、角度計算部からの関節角度と、の偏差を算出する偏差算出部と、
前記偏差算出部からの偏差に基づいてＰＩＤ制御を行い、姿勢制御用の各筋の操作量を算出するＰＩＤ筋制御部と、
前記ＰＩＤ筋制御部からの各筋の操作量に基づいて、各筋の筋活性度を算出する筋活性度算出部と、
筋ソリッドモデル部の人体モデルからフィードバックされる節点の座標に基づいて、前記人体モデルの各関節の関節角度を算出する前記角度計算部と、
を有する筋コントローラ部と、
前記人体モデルと、前記筋活性度算出部からの各筋の筋活性度に基づいて、前記人体モデルに対して有限要素解析を行い、前記有限要素解析の解析結果に基づいて、前記人体モデルの各筋を動作させるモデル解析部と、を有する筋ソリッドモデル部と、
を備える、
動作解析システム。

【請求項5】

有限要素シミュレータの人体モデル上で、ユーザが動かしたい筋肉のみの筋出力を上げて該筋肉のみを動作させるステップと、
前記有限要素シミュレータ上で、前記筋肉を動作させたときに各関節が動作した軌道を時系列の位置情報として算出するステップと、
前記位置情報に基づいて、前記各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作を提供するステップと、
を含む、動作解析方法。

【請求項6】

有限要素シミュレータの人体モデル上で、ユーザが動かしたい筋肉のみの筋出力を上げて該筋肉のみを動作させる処理と、
前記有限要素シミュレータ上で、前記筋肉を動作させたときに各関節が動作した軌道を時系列の位置情報として算出する処理と、
前記位置情報に基づいて、前記各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作を提供する処理と、
をコンピュータに実行させる、プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、人の動作を解析する動作解析システム、動作解析方法、及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

人体モデルを、骨格データと筋データとに基づいて、一般の人体モデルにユーザのパラメータを反映させて初期ユーザモデルを構築する筋状態推定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６９９７２２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記筋状態推定装置は初期ユーザモデルを構築するだけであり、また、機械学習などを用いる装置も想定されるが、いずれもユーザに対し特定の筋肉を鍛える方法を提供するものではない。

【0005】

本開示は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ユーザに対し特定の筋肉を鍛える方法を提供する動作解析システム、動作解析方法、及びプログラムを提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するための本開示の一態様は、
有限要素シミュレータの人体モデル上で、ユーザが動かしたい筋肉のみの筋出力を上げて該筋肉のみを動作させる筋肉動作部と、
前記有限要素シミュレータ上で、前記筋肉動作部により筋肉を動作させたときに各関節が動作した軌道を時系列の位置情報として算出する位置情報算出部と、
前記位置情報算出部により算出された位置情報に基づいて、前記各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作を提供する動作提供部と、
を備える、動作解析システム
である。
この一態様において、前記動作提供部は、前記各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作をユーザに対し表示する表示部を有していてもよい。
この一態様において、前記動作提供部は、前記各関節の時系列の軌道を再現する動作を行うようにユーザの動作を補助する装具又はティーチングロボットを有していてもよい。
この一態様において、
前記有限要素シミュレータは、
目標角度入力部には、前記人体モデルに動作させたい各関節の目標角度が入力される目標角度入力部と、
前記目標角度入力部からの目標角度と、角度計算部からの関節角度と、の偏差を算出する偏差算出部と、
前記偏差算出部からの偏差に基づいてＰＩＤ制御を行い、姿勢制御用の各筋の操作量を算出するＰＩＤ筋制御部と、
前記ＰＩＤ筋制御部からの各筋の操作量に基づいて、各筋の筋活性度を算出する筋活性度算出部と、
筋ソリッドモデル部の人体モデルからフィードバックされる節点の座標に基づいて、前記人体モデルの各関節の関節角度を算出する前記角度計算部と、
を有する筋コントローラ部と、
前記人体モデルと、前記筋活性度算出部からの各筋の筋活性度に基づいて、前記人体モデルに対して有限要素解析を行い、前記有限要素解析の解析結果に基づいて、前記人体モデルの各筋を動作させるモデル解析部と、を有する筋ソリッドモデル部と、
を備えていてもよい。
上記目的を達成するための本開示の一態様は、
有限要素シミュレータの人体モデル上で、ユーザが動かしたい筋肉のみの筋出力を上げて該筋肉のみを動作させるステップと、
前記有限要素シミュレータ上で、前記筋肉を動作させたときに各関節が動作した軌道を時系列の位置情報として算出するステップと、
前記位置情報に基づいて、前記各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作を提供するステップと、
を含む、動作解析方法
である。
上記目的を達成するための本開示の一態様は、
有限要素シミュレータの人体モデル上で、ユーザが動かしたい筋肉のみの筋出力を上げて該筋肉のみを動作させる処理と、
前記有限要素シミュレータ上で、前記筋肉を動作させたときに各関節が動作した軌道を時系列の位置情報として算出する処理と、
前記位置情報に基づいて、前記各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作を提供する処理と、
をコンピュータに実行させる、プログラム
である。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、ユーザに対し特定の筋肉を鍛える方法を提供する動作解析システム、動作解析方法、及びプログラムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係る動作解析システムの概略的なシステム構成を示すブロック図である。

【図2】本実施形態に係る有限要素シミュレータの概略的なシステム構成を示すブロック図である。

【図3】本実施形態に係る動作解析方法のフローを示すフローチャートである。

【図4】有限要素シミュレータ上で座位姿勢の人体モデルの腸腰筋のみを収縮させた際の股関節角度の時間変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施形態に係る動作解析システムの概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る動作解析システム１は、ユーザに対し特定の筋肉を鍛える方法を提示するものである。

【0010】

本実施形態に係る動作解析システム１は、有限要素シミュレータ２と、筋肉動作部３と、位置情報算出部４と、動作提供部５と、を備えている。

【0011】

動作解析システム１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサと、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などの内部メモリと、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などのストレージデバイスと、ディスプレイなどの周辺機器を接続するための入出力Ｉ／Ｆと、装置外部の機器と通信を行う通信Ｉ／Ｆと、を備えた通常のコンピュータのハードウェア構成を有する。

【0012】

本実施形態に係る有限要素シミュレータ２は、人体モデルを能動的に動作させるようにしたものである。具体的には、本実施形態に係る有限要素シミュレータ２は、後述の筋コントローラを備えることで、人体モデルを能動的に動作させている。

【0013】

なお、従来の人体モデルに関しては、特許第３７６０７９３号などに開示されている。

【0014】

図２は、本実施形態に係る有限要素シミュレータの概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る有限要素シミュレータ２は、人体モデル２２２の筋肉を制御する筋コントロール部２１と、筋ソリッドモデル部２２と、を備えている。

【0015】

筋コントロール部２１は、目標角度入力部２１１と、偏差算出部２１２と、ＰＩＤ筋制御部２１３と、筋活性度算出部２１４と、角度計算部２１５と、を有している。

【0016】

目標角度入力部２１１には、人体モデル２２２に動作させたい各関節の目標角度の時間変化が入力される。目標角度入力部２１１には、各関節の動作に応じた各関節の目標角度が時刻歴として入力されてもよい。

【0017】

例えば、目標角度入力部２１１には、膝関節が０秒時には１８０度、１秒時には９０度、・・・などとして入力される。入力値は、初期角度からの変化角度の時刻歴が入力されてもよい。上記目標角度の時刻歴は、例えば、トレーニング時のユーザの姿勢（各関節の角度変化）などに応じて設定される。目標角度入力部２１１は、入力された目標角度を偏差算出部２１２に出力する。

【0018】

偏差算出部２１２は、目標角度入力部２１１からの目標角度と、角度計算部２１５からの関節角度と、の偏差を算出する。偏差算出部２１２は、算出した偏差をＰＩＤ筋制御部２１３に出力する。

【0019】

ＰＩＤ筋制御部２１３は、偏差算出部２１２からの偏差に基づいてＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御を行い、姿勢制御用の各筋の操作量を算出する。ＰＩＤ筋制御部２１３は、算出した各筋の操作量を筋活性度算出部２１４に出力する。

【0020】

筋活性度算出部２１４は、ＰＩＤ筋制御部２１３からの各筋の操作量に基づいて、各筋の筋活性度を算出する。筋活性度算出部２１４は、算出した筋活性度を、筋ソリッドモデル部２２のモデル解析部２２１に出力する。

【0021】

角度計算部２１５は、後述の如く筋ソリッドモデル部２２の人体モデル２２２からフィードバックされる節点の座標に基づいて、人体モデル２２２の各関節の関節角度を算出する。角度計算部２１５は、算出した各関節の関節角度を偏差算出部２１２に出力する。

【0022】

筋ソリッドモデル部２２は、モデル解析部２２１と、人体モデル２２２と、を有している。

【0023】

モデル解析部２２１は、筋活性度算出部２１４からの各筋の筋活性度に基づいて、人体モデル２２２に対して有限要素解析を行う。モデル解析部２２１は、有限要素解析の解析結果に基づいて、人体モデル２２２の各筋を動作させる。人体モデル２２２は、上述の如く、その動作結果である節点の座標を筋コントロール部２１の角度計算部２１５に出力する。

【0024】

節点の座標は、例えば、人体モデル２２２の頭部、胸部、骨盤部、など各部位の下部の節点、上部の節点、前部の節点の各３点である。具体的な節点位置を下部、上部、前部の順に、以下に示す。

【0025】

・頭部：頭部重心、頭頂点、眉間
・胸部：第１２胸椎、第１胸椎、胸骨柄
・骨盤部：尾骨先端、仙骨底、仙骨岬角
・大腿部：大腿骨 顆間窩、大腿骨頭 中心、大腿骨 膝蓋面
・下腿部：脛骨 距腿関節窩、脛骨 顆間隆起、脛骨粗面
・足部：踵骨隆起 内側突起、距骨滑車、第一趾 先端
・肩甲部：肩甲骨 下角、肩甲骨 上角、肩甲骨 上角 前部
・上腕骨：上腕骨滑車、上腕骨頭 中心、上腕骨 小結節
・手部：舟状骨 背側 遠位、舟状骨 背側 近位、舟状骨 掌側 遠位

【0026】

ところで、人間の膝などの関節は骨と骨とが滑るように動くのに対して、従来の人体モデルの関節は計算負荷低減のために単関節ジョイントで構成されている。また、筋のみで靭帯も再現できていない。このため、従来の人体モデルの手先、足先位置軌道は、実際の人の軌道と比較して、全く異なるものになり得る。

【0027】

さらに、人の関節が動作する際に、筋や靭帯などの組織間の摩擦のある中で、筋が収縮し、その断面積も変化する。一方、従来の人体モデルでは、筋の付着部位までは再現されているが、組織内にある複数の筋が短縮するだけで筋断面積は変化せず、組織間の摩擦も発生しない。このため、従来の人体モデルでは、人が関節を動かす際の筋収縮力を正しく見積もれていない。

【0028】

これに対し、本実施形態に係る人体モデル２２２は、人と同様に、骨格構造を有し骨格構造に筋肉及び靭帯が付着されている。組織のひずみや応力分布が可視化できる。筋同士の接触も再現できる。そして、人体モデル２２２において、筋肉が収縮した際の筋肉の断面積の変化が再現され、かつ、その変化時の筋、皮膚及び靭帯の組織間の摩擦が反映されるように、人体モデル２２２は構成されている。

【0029】

筋肉動作部３は、上述した有限要素シミュレータ２の人体モデル２２２上で、ユーザが動かしたい筋肉（以下、目標筋肉と称す）のみの筋出力を上げて目標筋肉のみを動作させる。なお、筋肉動作部３は、有限要素シミュレータ２の人体モデル２２２上で、目標筋肉のみを収縮させてもよい。

【0030】

目標筋肉の情報（大腰筋、腸骨筋など）は、例えば、入力装置などを介して、筋肉動作部３に設定される。

【0031】

例えば、筋肉動作部３は、有限要素シミュレータ２の人体モデル２２２に対し、目標筋肉に１００％一定の筋活性度を、その他の筋肉には０％一定の筋活性度を入力することで、目標筋肉のみの筋出力を上げて目標筋肉のみを動作させる。

【0032】

位置情報算出部４は、有限要素シミュレータ２上で目標筋肉を動作させたときに各関節が動作した軌道を時系列の位置情報として算出する。位置情報算出部４は、目標筋肉を動作させたときに各関節、手先及び足先が動作した軌道を時系列の位置情報として算出してもよい。位置情報算出部４は、算出した位置情報を動作提供部５に出力する。

【0033】

動作提供部５は、位置情報算出部４からの位置情報に基づいて、各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作を提供する。

【0034】

動作提供部５は、各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作をユーザに対し表示する表示部５１を有していてもよい。表示部５１は、例えば、関節、手先、足先などの軌道を表示する。ユーザは、表示部５１に表示された関節、手先、足先などの軌道を見ながら、動作することで、目標筋肉のみを動作させて、トレーニングを行うことができる。

【0035】

また、動作提供部５は、各関節の時系列の軌道を再現する動作を行うようにユーザの動作を補助する装具５２又はティーチングロボット５３を有していてもよい。装具５２は、ユーザに装着され、その軌道の動作を強制的に行うように構成されている。

【0036】

また、ユーザがティーチングロボット５３を装着し、ティーチングロボット５３がその軌道の動作を行うことで、ユーザがその動作に従動する。これにより、ユーザは、装具５２あるいはティーチングロボット５３に従って、各関節の時系列の軌道を再現する動作を行うこととなる。

【0037】

続いて、本実施形態に係る動作解析方法のフローについて詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る動作解析方法のフローを示すフローチャートである。まず、筋肉動作部３に目標筋肉が設定される（ステップＳ１０１）。

【0038】

有限要素シミュレータ２の人体モデル２２２は、目標角度入力部２１１に入力された各関節の目標角度の時間変化又は目標筋肉の筋活性度に応じて動作する。このとき、筋肉動作部３は、有限要素シミュレータ２の人体モデル２２２上で、目標筋肉のみの筋出力を上げて目標筋肉を動作させる（ステップＳ１０２）。

【0039】

位置情報算出部４は、有限要素シミュレータ２上で目標筋肉を動作させたときに各関節が動作した軌道を時系列の位置情報として算出する（ステップＳ１０３）。

【0040】

動作提供部５は、位置情報算出部４からの位置情報に基づいて、各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作を提供する（ステップＳ１０４）。

【0041】

次に、有限要素シミュレータ２上で座位姿勢の人体モデル２２２の腸腰筋（大腰筋及び腸骨筋）のみの筋出力を上げて腸腰筋のみを収縮させるシミュレーションを行った結果について説明する。図４は、上述の如く、有限要素シミュレータ２上で座位姿勢の人体モデル２２２の腸腰筋のみを収縮させた際の股関節角度の時間変化を示す図である。

【0042】

有限要素シミュレータ２上で人体モデル２２２の腸腰筋を収縮させると、図４に示す如く、屈曲方向の股関節角度が徐々に大きくなると共に内転方向の股関節角度も徐々に大きくなっている。

【0043】

これにより、股関節がただまっすぐに屈曲するのではなく内側に曲がりながら屈曲することが分かる。したがって、ユーザが股関節をただまっすぐに屈曲させた場合、腸腰筋だけでなく、他の筋肉を動員して動作することになる。

【0044】

本実施形態に係る動作解析システム１によれば、例えば、上述のように腸腰筋などの深部筋を目標筋肉として、筋肉動作部３に設定すれば、筋肉動作部３は、有限要素シミュレータ２の人体モデル２２２上で、その深部筋のみの筋出力を上げて深部筋を動作させる。位置情報算出部４は、有限要素シミュレータ２上で深部筋を動作させたときに各関節が動作した軌道を時系列の位置情報として算出する。

【0045】

動作提供部５は、位置情報算出部４からの位置情報に基づいて、各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作を提供する。ユーザは、動作提供部５により提供される動作に単に従うだけで、特に、鍛えにくい深部筋を効率的に鍛えることができる。

【0046】

以上、本実施形態に係る動作解析システム１は、有限要素シミュレータ２の人体モデル２２２上で、ユーザが動かしたい筋肉のみの筋出力を上げて該筋肉のみを動作させる筋肉動作部３と、有限要素シミュレータ２上で、筋肉動作部３により筋肉を動作させたときに各関節が動作した軌道を時系列の位置情報として算出する位置情報算出部４と、位置情報算出部４により算出された位置情報に基づいて、各関節の時系列の軌道を再現するユーザの動作を提供する動作提供部５と、備える。これにより、ユーザに対し特定の筋肉を鍛える方法を提供することができる。

【0047】

本開示のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0048】

本開示は、例えば、図３に示す処理を、プロセッサにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

【0049】

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。

【0050】

プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

【0051】

上述した各実施形態に係る動作解析システム１を構成する各部は、プログラムにより実現するだけでなく、その一部または全部を、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などの専用のハードウェアにより実現することもできる。

【符号の説明】

【0052】

１ 動作解析システム、２ 有限要素シミュレータ、３ 筋肉動作部、４ 位置情報算出部、５ 動作提供部、２１ 筋コントロール部、２２ 筋ソリッドモデル部、５１ 表示部、５２ 装具、５３ ティーチングロボット、２１１ 目標角度入力部、２１２ 偏差算出部、２１３ ＰＩＤ筋制御部、２１４ 筋活性度算出部、２１５ 角度計算部、２２１ モデル解析部、２２２ 人体モデル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】