物理機能モデルによる三次元人体

平成 26 年度
人間情報工学領域
修士論文要旨
6625035 中岡広志
物理機能モデルによる三次元人体－シート系の
振動モデルの開発に関する研究
1 諸
言
自動車の走行において，快適性を損なう一つの
要因として振動が挙げられる．これらの振動は，
乗員の疲労や腰痛などに影響を及ぼす．このため，
運転手に影響する振動を調査するために多くの人
体のモデル化に関する研究が行われている．古庄
ら[1]は，三次元の数学モデルを用いて，乗員の衝突
時の挙動について数値計算によりシミュレーショ
ンすることを試みているが，人体とシートの接触
が考慮されていない．また，西山[2]は，車両および
乗員の動的特性を把握するために車両－乗員系の
連成振動モデルを構築し，振動解析を行っている
が二次元の振動モデルのため上下・前後方向の解
析しか行うことができない．そこで，本研究の目
的は上下・前後・左右方向の振動解析が可能な三
次元人体－シート系の振動モデルを構築ることで
ある。
2 三次元両端質量柔軟はりモデル
２．１
物理機能モデル
物理機能モデルは，機能を表現した特性，作
用，状態を視覚的に理解するためにブロック線
図を基本とし，解析や処理を行うための数学モ
デルを伴う．扱われる物理量は，状態量，特性
および変換子の 3 種類である．機能とエネルギ
ーは，工学分野や物理単位系を超えた働きをす
ることから，これらの分野に縛られない同一規
則に従ってモデル化することができる．
２．２三次元両端質量柔軟はりモデル
人体の振動モデルを構築していく上で，三次元
両端質量柔軟はりモデルを人体モデルの要素モデ
ルとして適用する．図 1 に三次元両端質量柔軟は
りモデルの構造を示す．三次元両端質量柔軟はり
モデルの構造は，両端に質量を有し，それらを連
結するためにばねとダンパが存在するモデルであ
る．三次元両端質量柔軟はりモデルは人体をモデ
ル化するにあたり，両端の質量の比を自由に変え
ることができ，人体内部の弾性と減衰の特徴を表
すことができる．また，三次元両端質量柔軟はり
モデルは並進系，回転系の運動を考慮している．
図 1 三次元両端質量柔軟はりモデルの構造
２．３三次元両端質量柔軟はりモデルの検証
妥当性を検証するため，過渡応答特性と周波数
応答特性の検討を行う．図 2 に過渡応答特性の解
析結果を示す．変位 0.1m，周期 10s の単一正弦波
状突起を入力したとき，入力変位と出力変位がほ
ぼ一致した．これは，非常に低速で進むため入力
変位と出力変位が同じ軌跡を示したものだと考え
られる．
図 3 に周波数応答特性の解析結果を示す．
振幅 0.001m の正弦波を周波数が 1~20Hz までを
90s 対数掃引し，出力加速度を入力加速度で除した
ものをフーリエ解析する．また，一自由度の固有
振動数の式から固有振動数 4Hz を満たすばね定数，
質量を設定し検証を行う．図 3 から 4Hz 付近にお
いて加速度比のピークがみられる．よって，過渡
応答特性と周波数応答特性の解析結果から三次元
両端質量柔軟はりモデルは妥当性があるといえる．
図 2 過渡応答特性
図 3 周波数応答特性
3 三次元人体シート系モデル
３．１三次元人体シート系モデルの構築
図 4 に三次元人体－シート系の物理機能モデ
ルを示す．人体各部を頭部，胴体部，左右の上
腕部，前腕部，大腿部，下腿部の 10 個に分け三
次元両端質量柔軟はりモデルを要素モデルとし
て適用し，それらをつなぎあわせることにより
三次元人体モデルを構築する．
図 5 人体各部の過渡応答特性
図 4 三次元人体モデルの構造
図 6 人体各部の周波数応答特性
３．２振動モデルの検証
図 5 に人体各部の上下方向の変位の解析結果
を示す．入力波形は，変位 0.2m，周期が 20s の
一波長正弦波状突起を用いた．また，シート下
の 4 カ所，左右のペダルおよびステアリングホ
イールの計 8 点から同時に入力を行った．図 5
から，入力に対して，頭部，胴体部，大腿部，
下腿部，上腕部および前腕部の左右に関わらず
出力の変位はほぼ 0.2m となり，入力と出力は同
じ特性を示した．これは，入力変位に対して非
常に遅い速度で進むため入力変位と人体の各部
位の出力変位が一致したものと考えられる．
図 6 はシート，ペダル，ステアリングホイール
の計 8 点から同時に入力を行ったときの人体各部
の周波数応答特性の解析結果を示す．人体の各部
においておよそ 5.0Hz において加速度比のピーク
値がみられた．ピーク値はそれぞれ，頭部は 2.78，
胴体部は 2.66，上腕部は 2.29，前腕部は 1.82，大
腿部は 2.34 そして，
下腿部は 1.41 であった．次に，
構築した人体モデルの有用性を検証するため，実
測による結果と比較を行う．図 7 は，頭部の比較
を示す．解析値が 4.95Hz でピーク値 2.78，実測値
が 4.08Hz においてピーク値 2.72 がみられた．解
析結果と実測の結果から，共振点とピーク値に少
し違いはみられたが傾向はよく似ているものと思
われる．共振点とピーク値に違いはみられた原因
として人体およびシート系振動モデルのパラメー
タの精度に問題があったと考えられる．このため，
パラメータの値は修正の必要はあるが，構築した
三次元人体－シート系のシミュレーションシステ
ムには妥当性があると考えられる．
図 7 頭部の解析値と実測値の比較
4 結言
本研究で明らかになったことを以下に示す．
(1) 要素モデルとして，三次元両端質量柔軟はりモ
デルを提案し，構造，運動方程式および物理機
能モデルによるモデル化手法を示した．
(2) 人体各部に開発した要素モデルを適用して，上
下・前後・左右の振動解析が可能な三次元人体
-シート系の振動モデルを構築した．
(3) 過渡応答特性，周波数応答特性の振動解析を行
い，三次元人体-シート系の振動モデルの妥当
性を検証した．
参考文献
[1] 古庄宏輔，横家和男，藤木総，追突時の乗員
挙動の解析(第１報, 乗員の動きのシミュレー
ション)，自動車技術，Vol.23, No.4(1969)，
pp.346-353.
[2] 西山修二，車両－乗員系連成振動シミュレー
ションシステムの開発(第 1 報，理論解析及び
システム検証）
，日本機械学会論文集 C 編，Vol.
59, No.568 (1993), pp.3613-3621.

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