バ イオ メカニズム ・ライブラ リー
人 体 を測る 寸法 ・ 形 状・運動 バ イオメカニ ズム学会 編
持丸正明+河 内まき子−【共著】 Biomechianism Measurement of Mochimaru KouChi...
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バ イオ メカニズム ・ライブラ リー
人 体 を測る 寸法 ・ 形 状・運動 バ イオメカニ ズム学会 編
持丸正明+河 内まき子−【共著】 Biomechianism Measurement of Mochimaru KouChi
Masaaki
Makiko
東京電機大 学出版局
Library Man: size,shape
and motion
本 書 め全 部 また は一 部 を無 断 で複 写 複製(コ ピー)す る こ とは,著 作 権 法 上 で の例 外 を除 き,禁 じち れ て い ます 。小 局 は,著 者か ら複 写に 係 る 権 利 の 管理 につ き委託 を受 け て い ます の で,本 書 か らの複 写 を希望 きれ る 場 合 は,必 ず 小 局(03-5280-3422)宛 ご 連絡 くだ さ い.
バイオメカニズム ・ ライブラリー発 刊の趣 旨
バ イ オ メ カ ニ ズ ム と は,人 間 を含 む生 物 の 形 態 ・運 動 ・情 報 お よ び 機 能 との 関 係 を,工 学 や 医 学 ・生 物 学 な どの さ ま ざ まな 方 法 論 で 解 析 し,そ の応 用 を図 る学 問 分 野 で す.同 様 の 研 究 領 域 を持 つ バ イ オ メ カ ニ ク ス と対 比 させ れ ば,単
な る力
学 的解 析 で は な く,生 物 が 本 質 的 に 内在 して い る 「機 構 」 が キー ワ ー ドに な っ て い る と い え ま す.こ
の こだ わ りが,そ
の後,ロ
ボ ッ ト工 学 や リハ ビ リテ ー シ ョ ン
工 学 に 大 き く発 展 す る こ と に な り ま し た. バ イ オ メ カ ニ ズ ム 学 会 の 創 立 は1966年
で,こ
の種 の境 界 領 域 を扱 う学 会 と し
て は も っ と も古 く,隔 年 で 出 版 され る 「バ イ オ メ カ ニ ズ ム」 は,こ の 分 野 を先 導 す る と と もに,そ の と き ど きの 興 味 と学 問水 準 を表 す 貴 重 な 資 料 に もな って い ま す. バ イ オ メ カ ニ ズ ム ・ラ イ ブ ラ リー は多 岐 に わ た る バ イ オ メ カ ニ ズ ム の 方 法 論 や 応 用 例 をわ か りや す く解 説 し,こ れ まで に蓄 積 され た さ ま ざ まな 成 果 を社 会 に還 元 して さ ら に新 た な 挑 戦 者 を養 成 す るた め に 企 画 さ れ ま した.こ
れ か らの 高 齢 化
社 会 で必 要 とさ れ る身 近 な 介 護 一 つ を とっ て も,バ イ オ メ カ ニ ズ ム の 方 法 が 負 担 の 軽 減 や新 た な商 品 開 発 に 多 くの示 唆 を もた ら しま す.生 物 の 仕 組 み を学 ぶ この ラ イ ブ ラ リー が,こ
れ か らの 社 会 に 求 め られ る よ り柔 軟 な発 想 の 源 泉 に な れ ば幸
い で す. バ イオ メ カ ニ ズ ム学 会 ライ ブ ラ リー 編 集 委 員 会
は じめ に
あ な た は 自分 の 「か らだ 」 を表 す 数 値 を どれ だ け知 っ て い ます か? 身 長 と体 重 く らい は ご存 知 で し ょ う.衣 料 品 を 買 う た め に,自 分 の 首 回 り寸 法 や胸 囲,胴
囲,股 下 の長 さ,足 長 な ど も覚 え て お られ る方 も多 い と思 い ます.し
か し,自 分 の足 の 幅 を正 確 に 把 握 し て お られ る 方 は意 外 に も少 な い の で す.わ わ れ は,多
くの 人 の 足 形 状 計 測 を実 施 し て い ます が,そ
て,「 自分 は足 幅 が 広 い と思 っ て い た の に,細 い ます.自
れ
の 計 測 結 果 を知 ら さ れ
か っ た ん だ 」 と い う若 い人 が 大 勢
分 自身 の 「か らだ 」 の こ とで あ っ て も,意 外 に も正 確 に は把 握 され て
い な い の で す.日 本 人 の 体 形 を考 え て デ ザ イ ン され た 衣 料 品 も,消 費 者 自 身 が 自 分 の 「か らだ 」 を知 ら な い の で あ れ ば 正 し い サ イ ズ を選 べ ず,意
味 を な し ませ
ん.衣 料 品 サ イ ズ 選 び だ け で は あ り ませ ん.成 人 病 の 発 生 率 と胴 囲(ウ
エ ス トサ
イ ズ)に 関 係 が あ る と言 わ れ て い る よ うに,人 体 の か た ちや 動 き は,自 分 自身 の 健 康 状 態 を 表 し ます.つ
ま り,人 体 の サ イ ズ,か
た ち,動
き は,人
間 の 「か ら
だ 」 を介 し て表 に現 れ た 本 質 で あ り,そ れ を測 り,知 る こ と は,わ れ わ れ が 自分 自 身 を,ひ い て は,人 間 を知 る た め の第 一 歩 で す. 人 体 を測 る とい う こ と は,こ の よ うな 人体 の サ イ ズや 形 状,さ
らに は そ の動 き
を 数 字 と して 記 録 し,再 現 す る とい う こ と を意 味 し ま す.巻 尺 や 体 重 計 で 測 る と い うの もそ の 一 部 で す が,人 体 を測 る方 法 に は も っ と精 密 で 高 精 度 の 技 術 が 数 多 くあ り ます.本 書 は,人 体 を新 た に測 っ て み よ う と考 え て お られ る方 々,あ
るい
は,す で に 人 体 計 測 を して お られ る もの の計 測 技 術 に つ い て 体 系 的 に学 ん だ こ と が な い とい う方 々 に,人 体 計 測 の最 新 技 術 とデ ー タ処 理 手 法 を具 体 的 か つ体 系 的 に ま とめ た もの で す.近 年,計
測 機 器 の デ ジ タ ル 化 に よ っ て計 測 の 高 精 度 化 と自
動 化 が 進 ん で い ま す.ま た コ ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ク ス技 術 との 融 合 に よ っ て計 測 結 果 を簡 便 にわ か りや す く提 示 で き る よ うに な っ て き ま した.と
は い え,あ
くま
で も 「な ま もの 」 を対 象 と した人 体 計 測 で す か ら,デ ジ タ ル 化 や 自動 化 だ け で対 処 し き れ な い 「計 測 の ノ ウハ ウ 」 が あ り ます .本 書 は,実 際 に人 体 計 測 を実 践 し て きた 著 者 に よ っ て,い
ま まで 語 られ る こ との な か っ た 「計 測 の ノ ウハ ウ」 を お
伝 えす る もの で す. 本 書 の 執 筆 に あ た っ て は,写 真 や 資 料 の 提 供 を い た だ き ま した 文 化 服 装 学 院 伊 藤 由 美 子 先 生,東 し上 げ ます.ま
京 大 学 山根 克 先 生,(株)ホ
リカ ワ 森 廣 治 氏 に,厚
く御 礼 申
た,本 書 の 発 刊 に あ た っ て は,東 京 電 機 大 学 出 版 局 石 沢 岳 彦 氏
に ご尽 力 い た だ き ま した.重
ね て御 礼 申 し上 げ ます.
2006年10月 持 丸 正 明,河 内 ま き子
目
次
第1章 人体寸法計測
1
1.1 人 体 寸 法 計 測 とは
1
1.2 計 測 器
2
1.3 計 測 点
7
1.4 人 体 寸 法 計 測 上 の留 意 点
16
1.5 デ ー タ の 編 集
20
1.6 計 測 精 度
23
1.7 人 体 寸 法 デ ー タ の入 手 方 法
25
1.8 代 表 的 体 形 の 生 成
30
1.9 人 体 寸 法 計 測 に 関 す る規 格
33
第2章 人体形状
測
35
2.1 人 体 形 状 計 測 と は
35
2.2 石 膏 型 取 り法
37
2.3 接 触 式3次
40
元 デ ジタ イ ザ
2.4 非 接 触 式3次 元 形 状 計 測 装 置
42
2.5 計 測 装 置 の 選 び 方
46
2.6 非 接 触 式3次
53
元
2.7 形 状 デ ー タ 処 理 2.8 応 用 事 例
状 計 測 装 置 に よ る計 測 上 の 留 意 点
62 78
第3章 運動計測
81
3.1 運 動 計 測 と は
81
3.2 運 動 計 測 法
82
3.3 計 測 機 の 選 び方
92
3.4 計 測 上 の 留 意 点
99
3.5 運 動 デ ー タ 処 理
105
3.6 運 動 デ ー タ 表 現
114
【コ ラ ム 】 ジ ン バ ル ロ ッ ク 3.7 運 動 デ ー タ 分 析
118 124
参考 文献
133
索引
141
第1章
人体寸法 計測
1.1 人 体 寸 法 計 測 と は 人 体 寸 法 とは,文 字 どお り,人 体 の一 部 あ る い は全 体 の寸 法 で す.た だ し,だ れ が 測 っ て も,何 度 く り返 し測 っ て もほ ぼ 同 じ値 が 得 られ る よ う に,計 測 す る 方 法 が こ ま ご ま と統 一 され て い ます.具 体 的 に は,計 測 時 の被 験 者 の 姿 勢,着 衣, 計 測 に使 う器 具,計
測 項 目 の定 義,そ
れ を 決 め る た め に使 わ れ る計 測 点 の定 義 な
どが 定 め られ て い ます.計 測 点 や 計 測 項 目の 定 義 は人 体 寸 法 計 測 法 の 教 科 書 を 見 る と書 い て あ り ます が,ど
の よ う に計 測 点 をみ つ け た ら よ い か,ど の よ うに計 測
器 を取 り扱 っ た ら よい か を具 体 的 に書 い た もの は あ ま りあ り ませ ん.そ
こで,本
書 で はバ イ オ メ カ ニ ズ ム の分 野 で 使 わ れ そ う な計 測 項 目 と,そ の 定 義 に使 わ れ る 計 測 点 を 中 心 に,詳
し く説 明 す る こ とに し ます.
人 体 寸 法 計 測 に 関 し て は い くつ か 優 良 な 参 考 書 籍 が あ り ます の で,こ に 紹 介 して お き ます.た
こで簡 単
だ し,教 科 書 は あ くま で も教 科 書 で す.実 際 に計 測 し よ
う とす る場 合 は,教 科 書 を読 ん で 頭 で理 解 す る だ け で な く,経 験 者 に教 え て も ら うの が 一 番 で す.百 ① Martin,
聞 は一 見 に しか ず.
R. und R. Knussmann:Anthropologie.
日本 に お け る人 体 寸 法 計 測 教 科 書 の総 本 山.い
Band
I.1)
わ ゆ る マ ル チ ン式 計 測 法 の 呼 び
名 の も とに な っ た 教 科 書.各 項 目 に識 別 番 号 が つ け て あ り,こ の 番 号 を引 用 す れ ば 定 義 が 明 確 とな る た め,し て い る.1988年
ば し ば参 照 さ れ る.1914年
の初 版 以 来 改 訂 を重 ね
版 で は人 間 工 学 関 連 の 寸 法 計 測 法 が 多 く追 加 さ れ た.た
だ し,
ドイ ツ語 で あ る. ② 鈴 木 尚:人 体 計 測2) 上 記 マ ル チ ン教 科 書1957年 ③ 保 志 宏:生
版 の翻 訳.絶 版 か.
体 の線 計 測 法3)
上 記 マ ル チ ン教 科 書1988年
版 の 翻 訳 に近 い.見 開 きペ ー ジ の 左 側 に説 明 文,
右 側 に項 目の 図 が 載 っ て お り,説 明 文 もわ か りや す い. ④ 保 志 宏 ほ か:人 類 学 講 座 別 巻1
人 体 計 測 法4)
上 記 マ ル チ ンの 教 科 書 の 翻 訳 に近 い.人 骨 計 測 法 とセ ッ トに な っ て い る. ⑤ 生 命 工 学 工 業 技 術 研 究 所 編:設
計 の た め の人 体 計 測 マ ニ ュ ア ル5)
人 間 工 学 設 計 の た め の 寸 法 を多 数 ふ くむ.計 測 点,計 測 項 目 ご とに 図 と写 真 つ きで 説 明.
1.2 計 測 器 人 体 寸 法 計 測 で 使 わ れ る計 測 器 類 は,特 殊 な 名 前 で 呼 ば れ て い ます.こ は,身 長 な ど床 面 か らの 高 さ を測 る道 具(ア
ン 卜ロポ メ ー タ)と,か
2点 間 距 離 や,両 側 か ら挟 み込 む よ う に し て幅 を測 る道 具(桿 説 明 し ます.な
お,使
の 棒 と先 の とが っ た2本
て い ます(図1.1).4本
は 同 じ も の で す.ア
盛 りが0か
状 計)に
つい て
ン トロ ポ メ ー タ を 買 う
の もの さ しが 箱 な い し袋 に入 っ た セ ッ トに な っ
の 棒 を組 み 合 わ せ て1本
棒 に そ っ て移 動 す る カ ー ソル に もの さ しの1本 に な ります.4本
な り大 きな
い 方 は右 利 きの 人 が 計 測 す る際 を想 定 して い ます.
ア ン トロ ポ メ ー タ と桿 状 計 は,実 と,4本
こで
の 長 い 棒 に し(図1.2),こ
の
を差 し込 む と,ア ン トロ ポ メ ー タ
の捧 に は 目盛 りが うっ て あ り ます か ら,組 み 合 わ せ る と き,目
らつ な が る よ うに 組 み立 て て くだ さ い.ま た,も
の さ し を カ ー ソル に
差 し込 む とき,と が っ た側 が 下 に な る よ う差 し込 み ます.上 下 逆 に差 し込 む と, もの さ し の厚 さ分,寸
法 が 大 き くな っ て し まい ます.
組 み 立 て た 棒 を右 手 で 垂 直 に持 ち,カ ー ソル を動 か し て もの さ し の先 端 を計 測 点 に 当 て,カ
ー ソル の と こ ろで 目盛 り を読 み ま す.身 長 を測 る と き は左 手 を もの
図1.1
図1.2
ア ン トロ ポ メ ー タ(組
ア ン ト ロ ポ メ ー タ(GPM社
み 立 て 前)
製)
図1.3 身長 の測 り方
さ しに そ え て,も の さ しの下 縁 が 被 験 者 の頭 頂 部 に き ち ん と さわ って い る こ とを 確 認 し て くだ さ い(図1.3).カ
ー ソ ル の 窓 で 目盛 りを 読 み取 る位 置 は メ ー カ に
よ っ て 異 な る の で,注 意 が 必 要 で す.図1.1,1.2の
メ ー カ で は,カ ー ソ ル の こ
こ で読 み 取 れ とい う位 置 に 印 が つ い て い ます.別
の メー カ で は,カ ー ソ ル に開 い
た 窓 の 上 端 で読 み 取 ります.目 満 は 四 捨 五 入 して,mm単
盛 り は1mmき
ざ み で う っ て あ ります.1mm未
位 で 数 値 を読 み取 り ます.
ア ン トロ ポ メ ー タ を使 う と き に 注 意 し な け れ ば な ら な い の は,以 下 の2点 す.第1は
もの さ しの 先 端 を被 験 者 の 眼 に近 づ けな い こ と,第2は
ン トロ ポ メ ー タ を倒 さ な い こ とで す.メ
で
組 み上 げた ア
ー カ に よっ て は もの さ しの 先 端 が か な り
とが っ て い る の で,こ れ で 眼 を突 い た り,倒 れ て きた とき に足 に 突 き刺 さ った り した ら危 険 な た め で す.ま
た,別 の メ ー カの もの で は,倒 す と もの さ しが 簡 単 に
曲 が っ て し ま い ます.も の さ しだ け の別 売 は して い ない の で,曲 が っ て し ま っ た も の さ しの た め に ア ン トロ ポ メ ー タ を 買 い 替 え る よ う な無 駄 はで き ませ ん.
図1.4
桿状計
4本 の棒 の う ち一 番 上 に な る棒 の 先 端 に は,も とが で き ます(こ れ を固 定 尺 と呼 ぶ).カ れ を可 動 尺 と呼 ぶ),2本
の さ し を差 し入 れ て 固 定 す る こ
ー ソル に も も の さ し を 差 し入 れ て(こ
の もの さ し の カ ー ソ ル か ら飛 び 出 して い る部 分 の 長 さ
が 同 じ に な る よ うに 調 節 して くだ さ い.こ
こが,2点
間 距 離 を測 るた め の ポ イ ン
トで す か ら,必 ず 同 じ長 さ に し な け れ ばい け ませ ん.大 が で き ます.こ
れ が 桿 状 計 で す(図1.4).こ
に 注 意 し て くだ さい.ア
き な ノ ギ ス の よ うな もの
の と き,も の さ し を差 し込 む 向 き
ン トロ ポ メ ー タ に した と き上2本
に も上 端 か ら目盛 りが うっ て あ り ます.こ
に 当 た る棒 に は,裏 側
ち ら側 で 目盛 りを読 み 取 れ る よ う に,
もの さ し を差 し込 ん で くだ さ い.固 定 尺 を左 手 で,可 動 尺 の入 っ た カ ー ソル を右 手 で 持 っ て くだ さい.測
ろ う とす る2点 に,2つ
ソル の と こ ろで 目盛 り を読 み ま す.2点
の もの さ しの 先 端 を 当 て,カ
の 距 離 が 大 きい と き は,2つ
ー
の もの さ し
の 先 端 を 同時 に確 認 す る こ とは で き ませ ん.こ の よ う な と き は,も の さ し先 端 が 計 測 点 につ け た マ ー ク に 当 た っ て い る こ と を確 認 し,両 者 の 位 置 が ず れ な い よ う,指 先 を使 っ て 保 持 し ます(図1.5).さ
らに,も
う一 度 確 認 した う え で 目盛
りを読 ん で くだ さ い. 以 上 が,ア
ン トロ ポ メ ー タ と桿 状 計 の使 い 方 の 基 本 で す.こ れ ら計 測 器 に は,
以 下 の メ ー カ の 製 品 が あ りま す.決 に は,実 際 に さわ っ て,使
し て安 い もの で は あ り ませ ん.購 入 す る場 合
い比 べ た う え で 選 定 す る の が よい で し ょ う.評 価 の ポ
図1.5 上 肢 長 の測 り方
イ ン トは,軽
さ(軽 い ほ うが 使 い 勝 手 が よ い),カ
ち ろ ん滑 らか に動 くの が よい が,手 い けな い),目
ー ソル の 動 き の 滑 ら か さ(も
を離 した ら下 に す べ り落 ち る ほ ど滑 らか で は
盛 りの読 み や す さ(目 盛 りが 赤 い もの もあ る が,黒
が 読 み や す い),別
売 付 属 品(ア
い もの の ほ う
ン トロ ポ メ ー タ を垂 直 に 立 て る道 具,こ
れ も軽
い メ ー カ と重 い メ ー カ が あ る.軽 い もの は つ けた ま ま使 い,使 わ ない と き は そ の ま ま立 て て お く こ とが で き る.図1.2参 断 して くだ さ い.メ ま す が,身
め に は,ア
中 を 柱 に 押 し 当 て て 身 長 を 測 る道 具
タ ジ オ メ ー タ)も 身 長 計 と呼 ば れ て い ます.混
乱 を避 け る た
ン トロ ポ メ ー タ と呼 ぶ ほ うが よ い で し ょ う.
ア ン トロ ポ メ ー タ で 測 っ た 身 長 は,ス mm∼20mm程
す.値 段 も考 慮 して,総 合 的 に判
ー カ に よ っ て は ア ン トロ ポ メー タ の こ とを身 長 計 と呼 ん で い
体 検 査 で 使 う,背
(stadiometer:ス
照)で
度 低 くな りま す.ス
タ ジ オ メ ー タ で 測 っ た 身 長 よ り も数
タ ジ オ メ ー タ で 身 長 を測 る場 合 は,垂 直 の
柱 に背 す じ を押 し 当 て て,背 す じ を む りや り伸 ば す た め で す.計 測 条 件 の う ち
「姿 勢 」 が 違 う の で す か ら,2つ こ こ で は,ア
の 方 法 で 測 っ た 身 長 は 別 物 と み な す べ き で す.
ン ト ロ ポ メ ー タ で 測 る 床 面 か ら 頭 頂 点 ま で の 垂 直 距 離 を 身 長,ス
タ
ジ オ メ ー タ で 測 る床 面 か ら頭 頂 点 まで の 垂 直 距 離 を最 大 身 長 と呼 ぶ こ と に し ま す.旧
製 品 科 学 研 究 所 で 計 測 し た 青 年 男 女 そ れ ぞ れ200名
差 は 平 均 し て 男 性 で8mm,女
性 で4mm,大
程 度 の 場 合 は,両
き い 場 合 は20mm以
者 の
上 にな りま
し た. 現 在 入 手 可 能 な ア ン ト ロ ポ メ ー タ に は,(株)山 (http://www007.upp.so‐net.ne.jp/tkk/),ス
越 製 作 所,竹
イ ス のGPM社(日
井 機 器 工 業(株) 本 取 扱 店 は(株)
ゼ ネ ラ ル サ イ エ ン ス コ ー ポ レ ー シ ョ ン,http://www.shibayama index.html)の
1.3
も の が あ り ま す.定
価 は15万
円 か ら30万
.co.jp/jgs/
円 程 度 で す.
計測点
人 体 寸 法 計 測 に熟 練 した人 が 測 っ た人 体 寸 法 の再 現 性 は どの程 度 の もの で し ょ うか.同
じ計 測 者 が 同 じ被 験 者 の身 長 を2度 測 っ た と きのMAD(Mean
Difference:2回
の値 の 差 の 絶 対 値 の 平 均 値)は
験 者 の 平 均 身 長 は1714mmで
4.33mm,上
肢 長 で は2.71mmで
だ い た い2mmで
した か ら,誤 差 は0.1%程
寸 法 項 目 の な か で も特 に再 現 性 が 高 い 項 目で す.上 し た(ど
Absolute す6).被
度 で す.身 長 は,人 体
前 腸 骨 棘 高 で はMADが
ち ら も計 測 精 度0.5%弱
程 度).だ
れ
で も慣 れ れ ば,こ の 程 度 の 再 現 性 で 人 体 寸 法 を測 れ る よ う に な る は ず で す.計
測
精 度 を 上 げ る た め に は,誤 差 の生 じ る原 因 を特 定 し,そ れ を除 く よ う に練 習 を す れ ば よ い の で す. 誤 差 の 原 因 の う ち最 大 の もの は,計 測 点 を再 現 性 よ くみ つ け られ な い こ とで す.教 科 書 に は計 測 点 の 定 義 が 書 い て あ り ます が,具 体 的 に ど こを どの よ うに さ わ れ ば そ の 点 が み つ け や す いか まで 書 い て あ るわ け で は あ りませ ん.そ
こで 各 自
工 夫 し て,計 測 点 を再 現 性 よ くみ つ け る努 力 をす る こ とに な りま す。 しか し これ を や っ て い る う ち に,計 測 者 内 の再 現 性 が高 くて も,計 測 者 間 に系 統 的 な 差 が 生 じ る よ うな場 合 も起 こ り ます.
そ こで,本
書 で は 一 般 の教 科 書 よ り も丁 寧 に計 測 点 の み つ け方 を 解説 し ます.
計 測 点 は た くさ ん あ り ます が,こ
こで は運 動 計 測 に使 わ れ る計 測 点 を 選 び ま し
た.身 体 の 右 側 の 計 測 点 を み つ け る場 合 を想 定 し て い ます が,左 側 で も同 様 で す.基 本 的 に は,計 測 点 は部 位 で はな く点 で あ る こ と を認 識 す る こ とで す.そ て,計
測 点 にマ ー ク をつ け る と き は,必
(頭 部 を耳 眼 面(1.4節(2)参
照)が
し
ず 最 終 的 な 計 測 姿 勢 で あ る正 立 位 姿 勢
水 平 に な る よ うに 保 持 し,背 す じ を 自然 に
伸 ば し,両 足 の か か とを つ けて 立 つ.両 肩 の 力 を抜 い て 上 肢 は 自然 に下 垂 す る) で マ ー ク をつ け る こ と,つ ま り皮 膚 に つ けた マ ー ク と骨 の 上 の一 点 で あ る計 測 点 が ず れ な い よ う に す る こ とで す.も
うひ とつ重 要 な の は,被 験 者 に 力 を抜 い て も
ら う こ とで す.特 徴 点 の 多 くは骨 の 突 起 の先 端 で す.こ
の よ うな部 位 は腱 の 付 着
部 に な っ て お り,筋 が 緊 張 して い る と非 常 に わ か りに く くな る か らで す. 時 間 の 節 約 の 点 か ら も,あ
らか じめ 全 部 の計 測 点 位 置 に マ ー ク を つ け,そ の あ
とで ま と め て計 測 を す るの が よい で し ょう.マ ー ク を つ け る場 合 は,皮 膚 の 上 に 直 接 つ け る こ と を推 奨 し ます.マ
ー ク は鉛 筆 状 ア イ ラ イ ナ ー で つ け るの が便 利 で
す.化 粧 品 な の で 安 全 で す し,化 粧 落 と しで 簡 単 に 落 とす こ とが で き ます.同
じ
よ う に見 え て も,鉛 筆 状 ア イ ラ イ ナ ー と鉛 筆 状 眉 墨 で は,ア イ ライ ナ ー の ほ うが 圧 倒 的 に マ ー ク をつ け や す い の で,購 入 時 に注 意 が 必 要 で す. な お,計
測 点 の 日本 語 名 称 は統 一 さ れ て い ませ ん.書 籍 に よ って,同
で も翻 訳 名 が 違 っ て い る こ と も あ ります .こ
こ で は,JIS
じ計 測 点
Z 8500に 記 載 され て
い る計 測 点 に つ い て は,そ の名 称 を採 用 し ま した .そ れ 以 外 の計 測 点 の 名 称 は筆 者 が つ け た もの で す.以 下 の[]内 る名 称 で す.書
の 名 称 は,人 体 寸 法 計 測 の 書 籍 で 使 わ れ て い
籍 を参 照 す る と きの た め に記 載 し ま した.骨
の名 称,骨
の部位 の
名 称 は 特 に説 明 し な い の で,骨 学 な い し解 剖 学 の書 籍 を見 て くだ さ い. (1) 肩 峰 点[acoromion:ア
ク ロ ミオ ン]
肩 峰 点 は肩 関節 位 置 の め や す で す.定 義 は 「肩 甲 骨 の 肩 峰 の 外 側 縁 の うち も っ と も外 側 に あ る点 」 で す.被 験 者 の後 ろ に立 ち,左 右 の ひ と さ し指 の腹 で,左 右 の 肩 峰 の外 側 縁 を外 か ら挟 む よ う に して 肩 峰 を み つ け ます.ひ 側 に動 か して,肩
とさ し指 を内 ・外
峰 の 上 面 と外 側 面 の 間 の へ りを み つ け て くだ さ い.片 側 ず つ み
図1.6 肩 峰 点 をみつける
つ け る よ り も,左 右 同 時 にみ つ け る ほ うが 楽 な よ う で す. 外 側 縁 は前 後 方 向 に平 坦 で,ど
こか に 突 起 が あ るわ け で はあ りませ ん.平
外 側 縁 の う ち一 番 外 側 に あ る点 を み つ けて,肩 マ ー ク を つ け ます .ど
らな
峰 の 上 面 と外 面 の 境 い 目 の位 置 に
こが 一 番 外 側 に あ る と もい え な い場 合 は,肩 峰 の前 後 幅 の
中 央 に マ ー ク を つ け ま す(図1.6). よ くあ る間 違 い は,上 腕 骨 の 骨 頭 を さ わ っ て い る こ と と,計 測 点 は骨 の突 起 だ とい う思 い 込 み か ら,肩 甲 角 を肩 峰 点 だ とみ な す こ との2点 (2) 橈
骨 点[radiale:ラ
で す.
デ ィア ー レ]
橈 骨 点 は,肘 関 節 位 置 の め や す で す.定 義 は 「正 立 位 で橈 骨 頭 上 縁 の 最 高 点 」 で す.橈 骨 頭 に触 れ る こ とが で き る位 置 は限 ら れ て い ま す.肘 と,肘 頭 の外 側 に くぼ ん だ と ころ が あ りま す.こ
を後 ろか ら見 る
こに左 手 の 親 指 を 当 て て,上 下
に動 か し て み て くだ さい.上 腕 骨 と橈 骨 の 間 の くぼ み が わ か る で し ょ う.下 に あ る骨 の上 縁 が,み
つ け よ う と し て い る 点 で す.自 分 が これ だ と思 っ て い るの が 上
腕 骨 で あ るか,橈
骨 で あ るか を確 認 す るた め に は,左 手 の親 指 を肘 の 外 側 に あ る
くぼ み に 当 て た ま ま,右 手 で 被 験 者 の手 首 を つ か み,被 験 者 の 前 腕 を 回 内 ・回外
図1.7 橈 骨 点 を見 つける
させ て み ます.く
る くる と動 くの が橈 骨 頭,動
(3) 尺 骨 茎 突 点[stylion
ulnare:ス
か な い の が 上 腕 骨 で す(図1.7).
テ ィ リオ ン ・ウ ル ナ ー レ]
尺 骨 茎 突 点 は 手 関 節 位 置 の め や す で す.定
義 は 「尺 骨 茎 状 突 起 の 遠 位 端 の点 」
で す.手 首 の小 指 側 に,骨 の ふ く らみ が あ りま す.こ れ が 尺 骨 頭 で す.茎 状 突起 は,こ
こか ら さ ら に遠 位 に伸 び 出 して い る細 長 い突 起 で す.そ
み の 外 側(掌 て,ぐ
よ り)遠 位(下
方)5mmく
こで,こ
の ふ くら
らい の と こ ろ に親 指 の 爪 の横 を押 し当
っ と押 し上 げ て み て くだ さ い.突 起 の下 端 に触 れ る こ とが で きる で し ょう
(図1.8). (4) 腸 棘 点[iliospinale anterius:イ 腸 棘 点 は,下 記 の 上 後 腸 骨 棘 点,転
リオ ス ピナ ー レ ・ア ンテ リウ ス] 子 点 と と も に,股 関 節 位 置 の め や す とな
ります.定 義 は 「正 立 位 で 上 前 腸 骨 棘 の最 下 端 の 点 」 で す.ま ず 腸 骨 稜 をみ つ け ま し ょ う.こ れ を前 下 方 にた どっ て い く と,上 前腸 骨 棘 が この あた りに あ る とい う見 当が つ き ます.見
当 が つ い た ら,そ
こ よ り少 し下 方 に親 指 を 当 て て,下 か ら
上 に 向か っ て 押 し上 げ て み て くだ さ い.親 指 の 爪 の 横 が 上 前 腸 骨 棘 にひ っか か り ます.片 側 ず つ さ わ るの で は な く,左 右 同 時 に さわ る ほ うが み つ け や す い よ うで す.ど
う して も み つ か ら な い と き は,被 験 者 に腰 を 曲 げ て も ら っ て くだ さ い.筋
が ゆ る ん で,い
く らか み つ け や す くな る は ず で す(図1.9).
図1.8 尺 骨 茎突 点 をみつ ける
図1.9 腸 棘 点をみ つける
(5) 上 後 腸 骨棘 点[iliospinale
posterius:イ
リオ ス ピナ ー レ・ ポ ス テ リ
ウ ス] 定 義 は 「 上 後 腸 骨 棘 の も っ と も後 方 に 突 出 し た 点 」 で す.被 験 者 の 後 ろ に 立 ち,腰
の 背 面 で,腸
骨 稜 よ り も40mmく
が,最
初 に探 す位 置 で す.こ
は(腰
小 窩,別
ら い 下,正
中 よ り30mmく
らい 外 側
の 付 近 に2つ 並 ん だ くぼ みが 見 え る こ とが あ る場 合
名 ビー ナ ス の え くぼ),こ
の あ た りを 捜 せ とい う 目印 に な り ま
す. 藤 田 恒 太 郎 著 『生 体 観 察 』 に よ る と,昭 和31年 中36名
度 東 大 医 学 部 の実 習 で,68名
に 「ビ ー ナ ス の え くぼ」が 認 め られ た そ う で す.
さて,こ
の あ た りだ とい う と ころ を親 指 の腹 で 押 し て み て くだ さ い.骨 の 突 出
部 に 触 れ る で し ょう.た だ し,骨 の 突 出 部 に触 れ て もそ こで安 心 せ ず,腸 後 端 まで た どっ て それ が 上 後 腸 骨 棘 で あ る こ と を確 認 した う えで,点 くだ さ い.く
どい よ うで す が,み
骨稜 の
を決定 して
つ け よ う とす る点 は,腸 骨 稜 の 後 端 に あ た る突
起 の う ち,も っ とも突 き 出 て い る点 で す(図1.10).
図1.10
上 後腸 骨 棘 点 をみつ ける
(6) 転 子 点[trochanterion:ト
ロカ ンテ リオ ン]
定 義 は 「正 立 位 で 大 転 子 の 最 高 点 」 で す.大 転 子 と い う の は,範
囲 を も った 部
位 の名 称 で す.「 大 転 子 の も っ と も外 側 に 突 出 し た 点 」(trochanterion )を 計 測 点 と し て使 う場 合 もあ る の で,混
同 し な い で くだ さ い.転
laterale 子点 とい
えば 「 大 転 子 の最 高 点 」 で す.大 転 子 に は多 くの筋 の 付 着 部 が あ る た め,立 位 姿 勢 の ま まで 最 高 点 を み つ け る の は,ほ
とん ど不 可 能 で す.
そ こで,被 験 者 に 大 転 子 に つ い て い る筋 が ゆ る む よ うな 姿 勢 を と らせ ます.具 体 的 に は,左 足 を1歩 前 に踏 み 出 し,そ ち ら に体 重 を か け ます.右 曲 げ か か と を地 面 か ら離 し ま す.こ
足 の膝 を少 し
の と き,腸 骨 稜 か ら150mmほ
だ の厚 み の 半 分 よ り少 し後 ろの あ た りに くぼ み が で き ま す(図1.11ア 部).や
ど下,か
ら
ミ掛 け
せ た 男 性 の 場 合 は,ふ つ うの 立 位 姿 勢 で も この くぼ み が 見 え る場 合 が あ
り ます.こ
の くぼ み の 前 に大 転 子 が あ り ます.大 転 子 を上 方 に た ど り,上 端 を み
図1.11
転 子 点をみ つけるた めの姿 勢
図1.12 転 子 点 をみつ ける
つ け ま し ょ う.親 指 の腹 で,上 か ら ぎ ゅ う と押 さ えて,上 端 で あ る こ とを確 認 し ます(図1.12).こ
こに は筋 が た くさ ん つ い て い ます.か
な り力 を入 れ な い と,
上 端 は わ か り ませ ん. 上 端 を み つ けた ら,そ こに 親 指 を押 し付 け た ま ま,被 験 者 に 右 足 を前 に踏 み だ し,左 足 に そ ろ えて も らい ます.被 験 者 が 立 位 姿 勢 を とっ た 時 点 で,マ ー ク を つ け ます.さ ます.こ
わ っ て い た は ず の 大 転 子 が,途
の 場 合 は,被 験 者 に 右 膝 を 曲 げ,左 足 に 全体 重 を か けて,上 半 身 を右 に
倒 して も らい ます.筋 す.し
中 で す っ とさわ れ な くな る場 合 もあ り
が ゆ るん で,大 転 子 の 上 端 をふ た た び触 れ る こ とが で き ま
か し,マ ー ク を つ け るの は,あ
くまで も両 足 を そ ろ え た 立位 姿 勢 で行 っ て
くだ さい.人 体 寸 法 計 測 は正 立 位 姿 勢 で行 う もの で す.運 動 計 測 で 問 題 に な っ て い るskin
movement
artifact(運 動 に伴 う皮 膚 と骨 の ず れ)を 持 ち込 む の は や
め ま し ょう. (7) 外 側 上顆 最 突 点[merion
laterale:メ
リオ ン ・ラ テ ラー レ]
外 側 上顆 最 突 点 は 膝 関 節 位 置 の めや す で す.定 義 は 「外 側 上顆 の最 外 側 突 出 点 」 で す.こ
こ に は靱 帯 が付 着 して い る の で,被 験 者 が 立 っ た状 態 で は触 れ る こ
とが で き ませ ん.そ
こで,膝
を90度
く らい 曲 げ て も らい ま す.膝
に して,親 指 の腹 で 押 して み て くだ さ い(図1.13).突
をつか む よう
起 が み つ か る はず で す.
図1.13
外 側 上顆 を さわ る
マ ー ク を つ け る とき は,必 ず 被 験 者 が 膝 を伸 ば し てか らつ け ます .立 外 側 上顆 最 突 点 は,膝 あ ります.被
った と きの
を曲 げ た状 態 で 皮 膚 に つ けた マ ー ク よ り も,数cm後
験 者 が 膝 を伸 ば し き る まで,み
方に
つ けた 計 測 点 が 指 か ら外 れ な い よ う
に 注 意 して くだ さ い. (8) 外 果 最 突 点[supratarsale
fibulare:ス
プ ラ タ ル サ ー レ ・フ ィ ブ ラ ー
レ] 外 果 最 突 点 は 足 関 節 位 置 の めや す で す.定 義 は 「外 果 の もっ とも外 側 に突 出 し た 点 」 で す.多
くの 場 合,外
果 は立 位 姿 勢 で もは っ き り と体 表 か ら見 え るの で,
み つ け る の に特 段 の 工 夫 は い りませ ん.内 果,外
果 の ふ く らみ が体 表 か ら見 て も
わ か ら な い,立 位 姿 勢 の ま ま手 で さ わ れ ばわ か り ます.床 面 に 近 い 高 さ な の で, もっ と も外 側 に 突 出 して い る点 を み つ け る た め に し ゃ が み こ む の が 苦 し い場 合 は,被 験 者 に台 の上 に立 っ て も らい ま し ょ う.図1.14で 側 に突 出 し て い る位 置 を み つ け るた め,ス (9) 腓 側 中足 点[metatarsale
は,外 果 の も っ と も外
コヤ を使 っ て い ます.
fibulare:メ タ タル サ ー レ ・フ ィ ブ ラ ー レ]
腓 側 中 足 点 は中 足 指 節 関 節 位 置 の め や す で す.定 義 は 「第5中
足骨 頭 の もっ
図1.14 外 果 最 突点
図1.15
と も腓 側 に突 出 した 点 」 で す.小 易 に触 れ る こ とが で き ます.と み を第5中
腓側 中足 点 をみつ ける
指 の 付 根 に あ る骨 の ふ くらみ と して,通 常,容 き ど きみ られ る 間 違 い は,小 指 の基 節 骨 の ふ くら
足 骨 頭 と と り違 え る こ とで す が,指
を底 屈 して み れ ば簡 単 に 確認 す る
こ とが で き ま す(図1.15).
1.4 人体 寸法 計測上の留意点 計 測 デ ー タ の信 頼 性 を 向上 させ る た め に 一 番 重 要 な の は正 し く計 測 点 をみ つ け る こ とで す が,こ
れ 以 外 に も以 下 の点 に注 意 し て くだ さい.
図1.16
耳眼面
(1) 計 測 時 の 姿 勢 被 験 者 に正 し い姿 勢 を と らせ て くだ さ い.こ の た め に適 切 な 指 示 を与 え て くだ さ い.「 耳 眼 面 を 水 平 にせ よ」 とい っ て も,被 験 者 に は何 の こ とか わ か り ませ ん. 頭 の 向 き を正 し,背 す じ を伸 ば し,両 足 を そ ろ え,可 能 な らば左 右 の か か とを つ け(X脚
な どの た め,左 右 の か か と をつ け る こ とが で き な い 人 もい る),肩
の力
を抜 く.こ れ だ け の 指 示 を与 え,姿 勢 を確 認 して か ら計 測 し ます. な お,耳 1.16).耳
眼 面 と は,左 右 の 耳 珠 点 と左 の 眼 窩 点 の3点 が 決 定 す る 面 で す(図 珠 点 と は,耳 珠 軟 骨 の上 の 付 根 で す.眼 窩 点 は 眼 窩 の下 縁 の う ち,も
っ と も下 方 に あ る点 で す.「 耳 眼 面 を水 平 にせ よ 」 とは,「 う つ む い た り仰 向 い た りせ ず,ま
っ す ぐ前 を 向 け」 とい う こ とで す.
(2) 適 切 な 着 衣 人 体 寸 法 計 測 をす る と き に適 切 な着 衣 とは,裸 体 な い し最 小 限 の着 衣 で す.少 し あ い まい な定 義 で す が,肝 心 な こ と は,み つ け よ う とす る計 測 点 の あ た りの皮 膚 が 容 易 に露 出 で き る こ と と,測 っ た 寸 法 が 着 衣 に左 右 され な い こ とで す.つ
ま
り,身 体 を し め あ げ た り,ぶ か ぶ か だ っ た りす る着 衣 は 望 ま し くあ りませ ん.周 長 や左 右 か ら挟 み こ む よ うに して 幅 径 を測 るの で な い 限 り,上 半 身 が 裸 体 で あ る 必 然 性 は あ りま せ ん.被 験 者 が 恥 ず か しい と感 じ る よ うな 着 衣 で は,正
しい 姿勢
を と って も ら う の も むず か し くな り ます.計 測 の 目 的 に 合 わ せ て,適 切 な着 衣 を 選 ん で くだ さ い. (3) 計 測 場 所 被 験 者 は,い ず れ にせ よ通 常 の 服 装 で は あ りませ ん.関 係 の な い 人 に見 られ る の は被 験 者 とし て は不 快 で す.計 測 場 所 が 人 目 に触 れ な い よ う,設 営 時 に配 慮 し て くだ さい.騒 が し い場 所 も避 け て くだ さい.被 験 者,計
測 者,記
録 者 すべ て の
気 が散 り,聞 き 間 違 い な どの ミス を招 き ます. (4) 計 測 者 計 測 者 の性 別 は 被 験 者 と同性 で あ る こ とが 基 本 で す.も
し,計 測 者 が1人
しか
い な い場 合 は女 性 に しま す.男 性 が 女 性 を測 る よ り も,女 性 が 男 性 を測 る ほ うが 抵 抗 が 少 な い た め で す.計 測 者 は被 験 者 に 不 快 感 を与 えて は い け ませ ん.言 動 に 注 意 し ま し ょう.し か し,被 験 者 に触 れ るの を無 闇 に遠 慮 し て は い け ませ ん.正 確 な デ ー タ を得 る た め の基 本 は,正
し く計 測 点 を み つ け る こ とで す.遠 慮 しす ぎ
て正 し く計 測 点 を み つ け られ な い よ うで は,本 末 転 倒 で す.計 測 点 は骨 格 上 の特 定 の位 置 と し て定 義 され て い ます.あ
らか じ め,ど
こ を どの よ うに さわ れ ば早 く
的 確 に計 測 点 を み つ け られ るか,練 習 をつ ん で おか な けれ ば い け ませ ん. (5) 計 測 補 助 者 計 測 デ ー タ の記 録 や 計 測 補 助 をす る人 が い る ほ うが,被 験 者 の拘 束 時 間が 短 く な り ます.記 録 を す る と きは,計 測 者 が読 み 上 げた 数 値 を必 ず 復 唱 す る こ と.こ れ は,計 測 者 の言 い 間 違 い,聞
き間 違 い を その 時 点 で み つ け る た め なの で重 要 で
す.補 助 者 は人 体 寸 法 計 測 の 経 験 者 で あ る ほ うが 望 ま しい で し ょ う.計 測 者 に対 して 次 に何 を し て あ げ る と よい か が 判 断 で き,極 端 な 目盛 りの読 み 間 違 い に,そ の場 で気 づ く こ とが で き る か らで す.数10名
以 上 の計 測 をす る場 合 は,あ
らか
じめ計 測 者 と組 ん で 練 習 を して お くほ うが よい で し ょ う.被 験 者 に 不 快 感 を与 え る よ うな 言 動 を慎 まな け れ ば い け な い の は,計 測 者 と同 じで す.
(6)
ミス を低 減 させ るた め に
計 測 者 と計 測 補 助 者 が ペ ア に な って 計 測 を 実施 し た あ と,デ ー タ を入 力 す る と きに な っ て必 ず 異 常 デ ー タ が み つ か ります.こ 側 の 原 因 と して は 目盛 りの読 み 間 違 い,書
の 原 因 は 単 純 な ミス で す.計 測 者
き間 違 い が 主 な原 因 で,こ れ は修 正 の
し よ うが あ りませ ん. か つ て,35体
の頭 骨 に つ い て26の
した こ とが あ り ます7).約2,700の ら51個(中
央 値7.5)あ
の 計 測 者 が3回
ず つ計測
計 測 値 の う ち,ミ ス の 数 は計 測 者 に よ り0か
り,そ の う ち70%は5mmな
りの 読 み 間 違 い で した.こ 者 に あ り ます.ミ
計 測 項 目 を10名
い し10mm単
位 の 目盛
の場 合,記 録 者 は い ませ ん か ら,す べ て の ミス は計 測
ス を起 こ しや す い人 と,そ うで は な い 人 が い る よ うで す.頭 骨
の 計 測 は 完 全 に 自 分 の ペ ー ス で 進 め る こ とが で き ま す が,人 体 寸 法 計 測 の場 合 は そ う は い き ませ ん. 被 験 者 の 拘 束 時 間 に よ る制 限,複 数 の計 測 者 が 分 担 し て流 れ 作 業 式 に計 測 す る 大 規 模 計 測 の 場 合 は,ほ か の 計 測 者 との作 業速 度 との か ね あ い な どが あ り,心 理 的 圧 迫 が か か り ます.記 録 者 が 関 わ る分,ミ
ス が 起 こ る確 率 も高 くな り ます.ミ
ス は人 体 寸 法 計 測 の ほ うが 多 く発 生 す る と考 え るべ きで し ょ う. 目盛 りはmm単
位 で 読 み ます.細
か い こ とで す が,寸
法 が た と え ば765だ
と
した ら,「 な な ひ ゃ くろ く じ ゅ う ご」 で は な く,「 な な ろ く ご」と 読 み上 げ ます. しか し,Hrdlicka8)に で す.た
よれ ばcm単
位 で 読 み 取 る の が もっ と も ミス が 少 な い そ う
しか に,巻 尺 で胸 囲 な どを測 っ て い る と き,値 が1000mmを
一 瞬 ま ご つ き ま す.1003と1030を
勘 違 い す る の で す.あ
わ て ず,落
超えると ち着 い て
計 測 し ま し ょ う. も うひ とつ 気 を つ け な けれ ば い けな い の は,GPM社
製 の ア ン 卜ロポ メ ー タ を
使 う と き に,カ ー ソ ル を前 後 逆 向 きに差 し込 ん で計 測 して し ま う こ とで す.日 本 製 の ア ン トロ ポ メ ー タ は,棒
の断 面 形 状 が カー ソル を誤 っ て 前 後 逆 に は差 し込 め
な い形 に な っ て い ま す が,GPM社
製 の もの は棒 の 断 面 形 状 が 真 四 角 な の で,カ
ー ソ ル を誤 っ て 前 後 逆 に 差 し込 ん で し ま う こ とが あ り ます .こ の状 態 で 目盛 りを 読 む と,系 統 的 に小 さな 値 に な り ます.気 が つ け ば修 正 は 可 能 で す が,気 が つ か
な けれ ば そ れ まで で す. 計 測 補 助 者 に よ る ミス と して は,聞
き間 違 い,書
とで 読 め な い,数 値 を記 入 す る場 所 を 間 違 えた,と
き間 違 い,字 が き た な くて あ い う のが 多 い よ うで す.前2
つ を少 な くす るた め に は,計 測 者 が 読 み 上 げた 数 値 を復 唱 し,計 測 者 が そ れ を確 認 す るの が,あ
る程 度 有 効 で す.な
ご 」 で は な く,「 な な,ろ
お,復 唱 す る と き は 「な な ひ ゃ くろ く じ ゅ う
く,ご 」 で も な く,「 な な ろ く ご」 と復 唱 し て くだ さ
い.計 測 者 も,ま ぎ らわ しい数 値(「 い ち」 と 「は ち」 と 「しち 」)を 読 み上 げ る とき は,は っ き りと発 音 す るべ きで す.字 が きた な い の は論 外 で す.読 に書 き ま し ょ う.1と7,0と6の
よ う に,ま
める よう
ぎ らわ しい字 は特 に気 をつ けま し
ょ う.記 入 場 所 の 間違 え を低 減 す るた め に,間 違 え に くい よ う に記 録 用 紙 を デ ザ イ ン し ま し ょ う. ミス を計 測 の現 場 で 発 見 す る た め に,そ の 場 で コ ン ピ ュー タ に入 力 し,既 存 の デ ー タ と比 較 して異 常 と判 断 さ れ た ら再 計 測 を指 示 す る とい う方 式 が,外 わ れ た大 規 模 計 測 で採 用 され て い ます.デ され て お り,無 線 化 も可能)の
ジタ ル ノ ギ ス((株)ミ
国 で行
ツ トヨか ら市 販
ジ ョ ウ の部 分 を人 体 計 測 用 に 改 造 して使 うの も一
案 で す.
1.5 デ ー タ の 編 集 大 部 分 の人 体 寸 法 項 目 は,ほ
ぼ正 規 分 布 に従 い ます.体 重 や胸 囲 の よ う に軟 部
組 織 の 影 響 が 強 い 項 目 ほ ど,正 規 分 布 か ら は ず れ 大 きい ほ うに尾 をひ く傾 向 が あ り ます が,骨 さて,数10名
の 大 き さ に よ って 決 ま る寸 法 は正 規 分 布 に従 い ます. か ら1000名
を超 す よ うな 多 数 の 被 験 者 に つ い て 寸 法 計 測 を し
た 場 合,平 均 値 や標 準 偏 差 の よ う な統 計 量 を計 算 して,対 象 と した 集 団 の特 徴 を 表 そ う とす る の が 通 常 の 過 程 で す. しか し,計 測 した ば か りの デ ー タ は,先 ま す.こ の ま ま処 理 した の で は,と ま せ ん.平
に述 べ た よ うな ミス を必 ず ふ くん で い
ん で も な い統 計 量 が 得 られ る こ と に な りか ね
均 値 は 異 常 デ ー タ が 多 少 あ っ て もか な り安 定 して い ま す が,標
準偏
差,歪
度,尖 度 と な る と大 き な影 響 を受 け ま す.そ
除 き ます.こ
こで,ま
ず 異 常 デ ー タ を取 り
の 作 業 が デ ー タの 編 集 で す.
具 体 的 な 方策 と して は,二 通 りあ りま す.第1は,平
均 値 か ら非 常 に離 れ た値
が 出 現 す る確 率 はか な り低 い とい う こ とを利 用 して,平 均 値 ±3標 準 偏 差 の 範 囲 か ら はず れ る値 を除 去 し て し ま うや り方 で す.こ
の 方 法 の 問 題 点 は,平 均 値 ±3
標 準 偏 差 の範 囲 か らは ず れ るが 実 際 に存 在 す る人 を異 常 と して 捨 て去 っ て し ま う こ とで す.ま
た,先
ほ ど述 べ た よ う に 単 純 ミス の 大 部 分 は5mm単
位,10mm
単 位 の 目盛 りの 読 み 間 違 い で す が,こ れ らは この 方 法 で取 り除 く こ と はで き ませ ん.し
たが っ て,あ
ま りお 薦 め で き ま せ ん.し
か し,平 均 値 ±3標 準 偏 差 の範 囲
を はず れ る デ ー タ に つ い て入 力 ミス を チ ェ ッ クす る の は有 効 で し ょ う. よ り現 実 的 な 方 法 は,2変
量 散 布 図 を描 い て み る こ とで す.ま
2つ の 寸 法 項 目 を選 び ま す.た て,こ
れ ら をX軸,Y軸
関が高 い
と え ば,身 長 と上 前 腸 骨 棘 高 を選 び ま す.そ
し
と して 全 被 験 者 の 散 布 図 を描 い て み ます(図1.17).
こ れ ら2項 目 は相 関 が 高 い の で,デ す.こ
ず,相
ー タ は細 長 い 楕 円 状 に散 布 し て い る は ず で
の 楕 円 か ら妙 に か け離 れ た デ ー タ 点 が な い で し ょ う か?も
図1.17
散 布 図 を描 いて異 常 データをみつ ける
しあ った場
合,お
そ ら く これ は何 らか の ミス に よ る異 常 デ ー タ で す(図1.17,矢
印).も
と
の 調 査 用 紙 を見 て,身 長,上 前 腸 骨棘 高 の 入 力 ミス で はな いか を調 べ ます.入 力 ミス で あ った 場 合 は,修 正 後 改 め て 散 布 図 を描 き,再 度 チ ェ ック し ます.何
か別
の 方 法 で,か
しい
け離 れ て は い る が正 しい 値 で あ る こ とが確 認 で き る な らば,正
デ ー タ と して 扱 い ます. 入 力 ミス で は な か った 場 合,ど
う し ま し ょ う.両 方捨 て るの が もっ た い な い場
合 は,身 長 と上 前 腸 骨 棘 高 の どち らが 異 常 で あ った か を判 定 し な け れ ば な り ませ ん.こ
の た め に,そ の ほ か の 寸 法 デ ー タ も利 用 し ま す.肩 峰 高,外 側 上顆 高,上
肢 長 な ど も測 っ て い た と し ま し ょ う.こ れ らは す べ て長 骨 の 長 さ に よっ て 決 ま る 寸 法 で す か ら,ど れ か が 大 き け れ ば,ほ し,項
か の 寸 法 も全 部 大 き い は ず で す.た だ
目 に よ って 絶 対 的 な 大 き さが 違 うの で,そ の ま まで は比 較 しに くい の が 難
点 で す. そ こで,全 部 の 項 目 に つ い て,(個 平 均 値 が0,標
人 の値− 平 均 値)÷ 標 準 偏 差 の 式 に よっ て,
準 偏 差 が1の 正 規 分 布 に従 う よ う基 準 化 し ます.そ
の う え で,異
常 デ ー タ とさ れ た 被 験 者 の 身 長,上 前 腸 骨 棘 高,肩
峰 高,外 側 上顆 高,上 肢 長 な
どの 基 準 化 した値 を比 べ て くだ さ い(図1.18).そ
の ほ か の 項 目 か らか け離 れ た
値 を もつ ほ うが異 常 デ ー タ で す.そ の ほ か の 項 目が な い場 合 は,身 長 と上 前 腸 骨 棘 高 の どち らが異 常 か 判 断 す る こ とが で き な い の で,両 方 を 削 除 す る こ とに な り ます.図1.18の
例 で は,上 前 腸 骨 棘 高 が 異 常 デ ー タ な の で,こ
れ だ け を削 除 し
ます. 図1.17を
見 る と,こ の 方 法 で 削除 で き る の は か な りか け離 れ た デ ー タ だ けだ,
と見 当 が つ き ま す.真 値 か ら10∼20mm程
度 の 誤 り は通 常 の 変 異 幅 の 中 に入 っ
て し ま い,異 常 と特 定 す る こ とは で き ませ ん.も 依 存 し ます.10mmの 値 が70mm程
が,現
誤 りは身 長 に と っ て は わ ず か0.6%の
度 の 外 果 最 突 高 に とっ て は14%の
散 布 図 を描 け ば,は
っ と も,こ れ は 寸 法 の サ イ ズ に
ず れ 値 とな る で し ょ う.こ
誤 差 で す が,平 均
誤 差 で す.左 右 の外 果 最 突 高 で の よ う に,完 壁 と は い え ませ ん
状 で は これ が 一 番 確 実 に異 常 デ ー タ を 削 除 で き る方 法 で す.人 体 寸 法 デ ー
タベ ー ス に 関 す る 国際 規 格ISO
155359)に お い て も異 常 デ ー タ の 除 去 が 必 須 とさ
図1.18
正 規化 され た寸 法の比 較 による異常 デ ータの発 見
れ て お り,散 布 図 を用 い て はず れ値 をみ つ け る方 法 を用 い る よ う に定 め られ て い ます.
1.6 計 測 精 度 人 間 は剛 体 で は な い の で,た
とえ 正 立 位 姿 勢 を と らせ た と し て も,そ の と きそ
の と きで ま った く同 じ姿 勢 に は な りませ ん.姿 勢 が 完 全 に は一 定 で は な い の で人 体 寸 法 の真 値 はわ か り ませ ん.そ れ て い ます.計
こで,人 体 寸 法 の 計 測 精 度 は,再 現 性 で 評 価 さ
測 姿 勢 や 着衣 の よ うな 計 測 条 件,計
計 測 器 が 同 じだ とし ます.こ 差 は(計 測 者 内 誤 差),2名 (計 測 者 間 誤 差)よ
測 点 と計 測 項 目 の定 義,使
う
の条 件 で あ る被 験 者 を 同 じ計 測 者 が2回 測 っ た値 の の 計 測 者 が 同 じ被 験 者 を1回 ず つ 測 っ た と き の 差
り も小 さ くな りま す.熟 練 した 計 測 者 で も,計 測 点 の み つ け
方 や 計 測 器 の 扱 い方 に個 人 に よ る くせ が あ る た め で す.
被 験 者iを 計 測 者jが 測 っ た値 をxijと す る と,xijは 以 下 の 式 で表 す こ とが で き ます.
μ は全 体 平 均,Siは 0jは 計 測 者jの
被 験 者iの 特 性(全 体 平 均 よ り も大 きい か,小
くせ(大
き め に測 る傾 向 が あ る か,小
さ い か),
さ め に測 る傾 向 が あ るか),
eijは そ の と き そ の と き に起 こ る ラ ン ダ ム な誤 差 で す.何 度 も く り返 し測 る と ラ ンダ ム な誤 差 の平 均 値 は0に
な る の で,多 数 回 測 る こ とに よっ て,平 均 値 に対 す
るeijの 効 果 を な くす こ とが で き ます.し か し,計 測 者 の くせ0jは 系 統 的 な もの で あ り,何 度 測 っ て もそ の効 果 は な くな り ませ ん. 計 測 者jが
被 験 者iを2回
測 る と,2回
ち 消 さ れ る た めeij1−eij2と な り ます.一 を計 測 した とき の2つ
の 計 測 値 の 差d12は,μ,Si,,0jが 方,2名
の計 測 値 の 差dABは,μ,Siは
の 計 測 者A,Bが
同 じ被 験 者
打 ち 消 され ます が 計 測 者 の
くせ とラ ンダ ム な誤 差 は打 ち 消 さ れ な い た め,(0A−0B)+(eiA−eiB)と 計 測 者 間 誤 差 は計 測 者 内 誤 差 よ り必 ず(0A−0B)の
打
な り ます.
分 だ け 大 きい こ と に な り ます.
さ て,人 体 寸 法 計 測 の 精 度 は,通 常 計 測 者 内 誤 差 の大 き さで 評 価 され ます.こ れ を 定 量 化 す るた め に よ く使 わ れ る の が,平 均 絶 対 誤 差 とtechnical measurement(TEM)で デ ー タ を使 い,こ
す.1名
の計 測 者 がN名
error
of
の 被 験 者 を2回 ず つ 計 測 し た
れ ら は以 下 の式 で表 され ます.
平均 絶対誤 差
平 均 絶 対 誤 差 は,2回 つ き 平 均 し た も の で,2回 す.TEMが
ま た,
れ をN名
の被 験 者 に
の計 測 値 が 平 均 す る と どの 程 度 違 っ て い るか を表 し ま
何 を 意 味 す る か は 少 し わ か り に く い で す が,2回
の 分 散Var(d12)を (eij1とeij2の
の 計 測 値 の 差 の 絶 対 値 を 求 め,そ
の 計 測 値 の 差d12
考 え て み て く だ さ い.d12=eij1−eij2,Var(eij1)=Var(eij2)
分 散 は 等 し い)と
す る と,eij1とeij2は
互 い に 無 相 関 で す か ら,
で す か ら,
とな り,TEMが ま り,ラ
実 は ラ ン ダ ム な誤 差 の 標 準 偏 差 に 当 た る こ とが わ か り ます.つ
ンダ ム な誤 差 の95%は
±1.96×TEMの
差 の大 き さ は 計 測 者 に よ り変 わ るの で,こ ま す.TEMの
範 囲 に入 り ます.ラ
の値 は計 測 者 の 熟 練 度 の指 標 と も な り
値 は 頭 部 や 手 足 の 寸 法 で0.5∼2mm,高
体 表 長 項 目 で2∼5mm,周
長 で1∼11mm程
ンダ ム な誤
さ,幅,厚
径,節
長,
度 で す6).
計 測 調 査 に複 数 の計 測 者 が 参 加 す る場 合 は,計 測 者 間誤 差 をで きる だ け小 さ く す る必 要 が あ ります.こ
の よ う な場 合,熟
練 計 測 者 に よ る値 を真 値 と して,非 熟
練 者 は 熟 練 者 と同 等 の値 に な る よ う練 習 を重 ね るの が 一 般 的 で す.差
が どの く ら
い 小 さ け れ ば 同 等 とみ なせ るか の 評 価 基 準 と し て は,た
20685に 定
め られ て い る最 大 許 容 誤 差 が あ り ます.ISO を2名
とえ ばISO
20685で は最 低40名
の 計 測 者 が 測 っ た と き,差 の 平 均 値 の95%信
お さ ま って い る こ とを評 価 基 準 とし て いま す(ISO
程度 の被験 者
頼 区 間 が ±最 大 許 容 誤 差 に 20685:2005).
1.7 人 体 寸 法 デ ー タ の 入 手 方 法 あ な た が 必 要 とす る デー タ は,あ も個 別 デ ー タで し ょ うか?ど
る集 団 に関 す る統 計 量 で し ょ うか?そ
ち ら も入 手 可 能 で す が,世
れと
の 中 に 思 い どお りの デ
ー タ が 存 在 す る とは 限 りませ ん.ま ず,自 分 が どの よ う な集 団 の 寸 法 デ ー タ が欲 し い の か,目
標 集 団 を決 め て くだ さい.
仮 に,現 代 日本 人 成 人 男 性 の 平 均 値 と標 準 偏 差 が 欲 しい デ ー タ だ と し ま し ょ う.こ れ で 目標 集 団 が は っ き り した か とい う と,そ 日本 人 をふ くめ,ほ
うで も あ り ませ ん.そ れ は,
とん どの 国 で身 長 が しだ い に高 くな る とい う時代 変化 が 起 こ
っ て きた た め で す. 図1.19は,20歳
日本 人 男 性 の 平 均 身 長 の 時 代 推 移 を示 し て い ま す.過 去100
年 の 間 に,急 速 に身 長 が 高 くな っ て きた こ とが わ か りま す.2004年
現 在 で70歳
日本 人20歳 男性 平 均 身長 の時 代 変化 *:計 測 年 度1998年 以 後 は20∼24歳 の男性 全 員の 平 均 身長
図1.19
の 男 性 は1934年
生 まれ で,20歳
し162.3cm.こ
れ に対 し て,2004年
まれ で,平 均 身 長 が172.0cmで
の と き(1954年)の 現 在 で20代
す.つ
ま り,70歳
平 均 身 長 が165.7cmな
後 半 の 男 性 は1980年
い
代前半 生
の 人 は年 を と っ て 身 長 が 縮 ん
だ と い う よ り も,若 い と きか ら身 長 が 低 か っ た の で す. あ な た の 目標 集 団 は,20歳
代 とい う年齢 で 決 ま った 集 団 で す か?そ
1950年 代 生 ま れ とい う生 ま れ 年 で 決 ま っ た 集 団 で す か?一
れ とも
般 に,人 体 寸 法 デ
ー タ は横 断 的 な デ ー タ ,つ ま りあ る時 点 で さ まざ まな 年 齢 の人 の寸 法 を測 った も の で す.加 齢 に よ る変 化 と時 代 変 化 の 効 果 を分 離 す る こ と はで き ませ ん.で ら,現 時 点 にお い て20歳
代 の 人 の 人 体 寸 法 を知 りた い な ら ば,で
すか
き る だ け最 近
計 測 され た デ ー タ を探 さ な け れ ば な りませ ん. た だ し,図1.19か
らわ か る とお り,日 本 に お け る 身 長 の 時 代 変 化 速 度 は,
1970年 以 後 に 生 まれ た 世 代 で はか な り低 下 し て お り,近 い 将 来 に 止 ま る の で は な い か と予測 さ れ ます10). も うひ とつ 注 意 し な け れ ば な らな い の は,被 験 者 が 日本 人 な ら 日本 人 とい う集
団 を代 表 し て い るか ど うか,と の 差,職
い う点 で す.多
くの 国 で,体 格 に は都 市 と農 村 部
業 に よ る差 が あ り ます.日 本 に お い て も,1960年
代 半 ば以 前 に 生 ま れ
た 世 代 で は,学 生 と一 般 人 の 間 に身 長 差 が あ っ た こ と は,図1.19を
見 れ ば明 ら
か で す. あ な た が 探 して い る の は,た ぶ ん 日本 人 な ら 日本 人 全 体 を代 表 す る よ う な デ ー タ で し ょ う.し か し,実 際 の 人体 寸 法 計 測 調 査 で は,ラ と は ま ず あ りま せ ん.デ
ン ダ ム に被 験 者 を選 ぶ こ
ー タ ベ ー ス に は,被 験 者 が どの よ うな人 々 で あ るか に関
す る記 載 が つ い て い る は ず で す.そ れ を読 ん で,ど
ん な人 が 被 験 者 な の か を知 っ
た う え で,利 用 して くだ さ い. 身 長 と体 重 に つ い て は,全 国 を代 表 す る と思 わ れ る政 府 に よ る統 計 デ ー タが 毎 年 発 表 さ れ て い ま す.自 分 が 使 うデ ー タが 日本 人 を代 表 す るか ど うか気 に な る場 合 は,同
じ頃 に計 測 され た 政 府 の 統計 デー タ と比 べ て 身 長 と体 重 が,同
等 とみ な
せ る か ど うか を検 討 して み る と よい で し ょう.た だ し,政 府 に よ る調 査 で は,身 長 で は な く最 大 身 長 を測 って い る こ と に注 意 して比 較 して くだ さ い. この よ う な政 府 に よ る統 計 デ ー タ は,成 人 な らば 文 部 科 学 省 に よ る体 力 運 動 能 力 調 査 報 告 書(http://www.mext.go.jp/b_menu/toukei/001/index22.htm),あ る い は 厚 生 労 働 省 に よ る国 民 栄 養 調 査 の報 告 書 で あ る 「国 民 栄 養 の 現 状 」 に 発 表 され て い ます.ど
ち ら も毎 年 行 わ れ る調 査 で す.
日本 人 の 人 体 寸 法 デ ー タ で,計 測 年 が比 較 的 新 し く,入 手 可 能 な デー タ を以 下 に 紹 介 し ます. (1) AIST人
体 寸 法 デ ー タベ ー ス1997‐98
生 命 工 学 工 業 技 術 研 究 所(現 産 業 技 術 総 合 研 究 所)と (現製 品 評 価 技 術 基 盤 機 構)が1997‐98年 歳 以 上 の男 女 各50名 測.調
に つ い て,49項
製 品評価 技術 セ ンター
に計 測.18∼29歳
目の 寸 法 を計 測.左
の 男 女 各100名,60
査 概 要,統 計 量,個 別 デ ー タ を以 下 のWebぺ
右 あ る項 目 は右 側 を計
ー ジか ら 申 し込 む こ とで ダ
ウ ン ロー ド可 能. http://www.dh.aist.go.jp/AIST91DB/ 河 内 ほ か:人 体 寸 法 デ ー タ ベ ー ス に つ い て(2000)11)
河 内 ほ か:人 (2)
体 寸 法 デ ー タ ベ ー ス(2000)12)
日 本 人 の 人 体 計 測 デ ー タ1992‐94
人 間 生 活 工 学 研 究 セ ン タ ー が1992‐94年 34000人
に つ き,178項
目 を 計 測.左
項 目 は 形 状 ス キ ャ ナ で 計 測.た
に 計 測.7∼90歳
右 あ る 項 目 は 左 側 を 計 測.178項
だ し,形
計 量 が 載 っ た 報 告 書 は 定 価38,000円(税 記Webぺ
目 中,87
状 ス キ ャ ナ か ら得 た 寸 法 が 手 計 測 に よ る
寸 法 と 一 致 す る か ど う か は 検 討 さ れ て い な い.個
は,下
以 上 の 男 女 合 計
別 デ ー タ を 有 償 で 入 手 可 能.統
別)13).報
告 書,個
別 デー タ の入 手法
ー ジ 参 照.
http://www.hgl.jp/project/size1992 (3)
AIST人
体 寸 法 デ ー タ ベ ー ス1991‐92
製 品 科 学 研 究 所(現
産 業 技 術 総 合 研 究 所)が1991‐92年
に 計 測.18∼29歳
男 女 各 約200名,60歳
以 上 の 男 女 各50名
目以 上 の 寸 法 を 計 測.
す べ て 手 計 測.左
右 あ る 項 目 は 右 側 を 計 測.報
法 デ ー タ 集 」 は 絶 版 だ が,デ 可 能.個
に つ い て,250項
告 書 で あ る 「設 計 の た め の 人 体 寸
ー タ 集 改 訂 版 を 下 記Webぺ
別 デ ー タ は 以 下 のWebぺ
の
ー ジ か らダ ウ ン ロー ド
ー ジ か ら 申 し込 む こ と で ダ ウ ン ロ ー ド可 能.
http://www.dh.aist.go.jp/AIST91DB/ 河 内 ま き 子 ほ か:設
計 の た め の 人 体 寸 法 デ ー タ 集(1994)14)
生 命 工 学 工 業 技 術 研 究 所 編:設
計 の た め の 人 体 寸 法 デ ー タ 集(1996)15)
絶版 (4)
ミ レニ ア ム プ ロ ジ ェ ク ト
産 業 技 術 総 合 研 究 所 と 人 間 生 活 工 学 研 究 セ ン タ ー が2000‐02年 以 上 の 男 女 延 べ500名 200名
は 身 長,体
を 対 象.100名
重 お よ び 頭 部13項
は 全 身100項 目 を 計 測.全
の 値 が 得 ら れ る こ と を確 認 し た う え で,3次 べ て 手 計 測 に よ る.左 一環
.以
下 のWebぺ
ー ジ で 統 計 量 を 公 開.個
http://www.hgl.jp/project/funcdb2000
は 全 身129項
目,
身 項 目 の 一 部 は 手 計 測 と同 等
元 形 状 計 測 装 置 か ら取 得.頭
右 あ る 項 目 は 右 側 を計 測.通
入 手 可 能.
目,200名
に 計 測.60歳
部 はす
産 省 に よ る ミ レニ ア ム 事 業 の
別 デ ー タ も 有 償(手
数 料 程 度)で
→ デ ー タ ベ ー ス → 高 齢 者 対 応 機 器 の設 計 の た め の高 齢 者 特 性 の解 明 に関 す る調 査 研 究(高 齢 者 対 応 基 盤 整 備 事 業)→
同 意 書 に 同意 す る →実 計 測 デー
タベ ー ス (社)人 間 生 活 工 学 研 究 セ ンタ ー:高 齢 者 対 応 基 盤 整 備 研 究 開 発16,17)
ヨ ー ロ ッ パ 系 集 団 を 主 と す る 外 国 人 の デ ー タ と し て は,以
下 の もの が あ り ま
す. (1)
米 国CAESARプ
ロ ジ ェ ク ト(Civilian
Anthropometry 米 国,オ
ラ ン ダ,イ
は,左
タ リ ア で 実 施 さ れ た3次
目 を 計 測.ア
右 あ る 項 目 は 右 側 を 計 測.手 告 書(CD‐R)は
測 法 項 目,ラ
パ レ ル 向 き の 項 目 が 多 い.手
下 記Webぺ
ー ジ(A)よ
ン ドマ ー ク 位 置 な ど に つ い て はWebぺ
(B)
http://www.hec.afrl.af.mil/HECP/Card4.shtml
英 国,ブ
older
計 測項 目
り有 償 で 入 手 可 能 .
ー タ の 入 手 に つ い て はWebぺ
http://www.sae.org/technicalcommittees/caesarhome.htm
adultdata,
ー ジ(A)を
ー ジ(B)を
adultdata
ラ ン ス,ド
イ ツ,イ
カ,ス
ウ ェ ー デ ン,オ
ラ ン ダ,米
国 の 統 計 デ ー タ を 文 献 か ら 引 用 し,ま
の.人
体 寸 法 の ほ か に,力,関
男 女)を 177項
タ リ ア,日
adult
dataは60歳
対 象 と し たchild
目 だ が,全
の 計 測 年,ま
本,ポ
ー ラ ン ド,ス
リラ ン とめ た も
節 可 動 域 に 関 す る デ ー タ も収 録 さ れ て い る .下
ー ジ に 報 告 書 の 入 手 方 法 が 出 て い る. adult
象,older
参
参 照.
ラ ジ ル,フ
Webぺ
の男
元 形 状 計 測 装 置 か ら得
(A)
(2)
Surface
元 形 状 お よび 手 で測 った 人 体 寸 法
計 測 項 目 以 外 に,3次
形 状 デ ー タ も 有 償 で 入 手 可 能.デ 照.計
European
に 実 施 さ れ た 米 国 計 測 分 デ ー タ18).18∼65歳
を 対 象.38項
た 寸 法 が あ る.報
and
Resource)
デ ー タ の う ち,1998‐2000年 女,2375名
American
以 上 の 成 人 を 対 象.こ dataも
あ る.項
dataは18∼64歳 の ほ か に,子
目 数 は そ れ ぞ れ266項
の 男 女 を対 ど も(0∼18歳 目,155項
集 団 に つ い て 全 項 目 が そ ろ っ て い る わ け で は な い.各
た は 出 版 年 は1968‐90.入
手 法 は 下 記Webぺー
http://www.virart.nott.ac.uk/pstg/adultdata.htm
記
ジ 参 照.
目,
国 デー タ
ADULDATA(1998)19) OLDER
ADULT
DATA(2000)20)
CHILDATA(1995)21) (3)
People
イ ギ リ ス,フ
size
2000
ラ ン ス,日
本,中
国,ド
イ ツ,オ
ラ フ ボ ロ 大 学 学 生 の デ ー タ を ふ く む.上 を ふ く む 有 償 の デ ー タ ベ ー ス.詳
ラ ン ダ,イ
記 のAdult
dataの
タ リ ア,米
国,英
国
も とに な っ た デ ー タ
細 お よ び 入 手 方 法 は 下 記Webぺ
ー ジ 参 照.
http://www.openerg.com/psz/data/populate.htm (4)
米 国AnthroKids
ミ シ ガ ン 大 学 が1972‐77年 法 計 測 の デ ー タ.1972‐75年 を 計 測.報
に2回
に 分 け て 行 っ た,子
の 調 査 は0∼12歳
の 子 ど も約4000名
告 書 と統 計 デ ー タ を 下 記Webぺ
査 で は0∼18歳
を 対 象 と し,2歳
幼 児 に つ い て は87項
目 を 計 測.こ
ど も を対 象 と した 人 体 寸 に つ き41項
ー ジ よ り閲 覧 可 能.1975‐77年
以 下 の 乳 幼 児 に つ い て は34項
目 を,2歳
目 の調
以上 の
ち らの 調 査 につ い て は オ リジ ナ ル デ ー タが ダ
ウ ン ロ ー ド可 能. http://www.itl.nist.gov/iaui/ovrt/projects/anthrokids/
1.8 代 表 的 体 形 の 生 成 工 業 製 品 の 設 計 に お い て,設 計 した もの が 特 に大 きい 人 や 小 さ い人 を も満 足 さ せ る こ とが で き るか ど う か を事 前 評 価 し よ う,と き,分 布 の 両 端 に い る人 た ち と して95パ の人 とい う概 念 が 出 て き ます.そ
い う試 み が あ り ます.こ
ー セ ン タ イ ル の 人,5パ
れ で は95パ
ー セ ンタイ ル
ー セ ン タ イ ル の人 と は,い
どん な人 で し ょ うか.身 長 が 非 常 に 高 け れ ば,た
のと
った い
しか に そ の ほ か の 高 さ項 目 も大
き い で し ょ う. しか し,身 長 が 高 い か ら とい っ て,必
ず し も体 重 や胸 囲 も大 き い とい う わ け で
は あ り ませ ん.下 肢 が 長 いか ら とい って,胴 法 項 目 が95パ
ー セ ン タ イ ル の 人 や,す
も長 い と は限 り ませ ん.す べ て の 寸
べ て の 項 目 が5パ
ー セ ンタ イ ル の 人 が 現
実 的 に は い る は ず が な い,と
い う こ とで す.現 実 的 に い そ うで,し
か も分 布 の端
に い る人 た ち は どん な 人 体 寸 法 を もっ て い るの か.こ れ を推 定 す る 方 法 と して, コ ン ピ ュ ー タ マ ネ キ ンで 使 わ れ て い るBoundary ま す22).こ れ は,あ
familyと 呼 ば れ る もの が あ り
る集 団 に つ い て計 測 され た 多 数 の人 体 寸 法 を 因 子 分 析 す る こ
とに よ り,少 数 の互 い に無 相 関 な 因 子 に要 約 した うえ で代 表 形 態(フ
ァ ミ リー の
メ ンバ ー)を 決 め,こ れ らが もつ べ き人 体 寸 法 を因 子 得 点 か ら再 現 す る,と い う もの で す. 具 体 的 に は,ま ず人 体 寸 法 項 目 を因 子 分 析 し ます.そ 被 験 者 の散 布 図 を描 き ます(図1.20).散 入 る よ うな確 率 楕 円 を描 き ます.こ と軸 の 中 間 の 位 置 に あ る4体,そ
布 図 の 上 に,被 験 者 の95%が
の 楕 円上 で,軸
して 分 布 の 中 心 に あ る1体(平
は,正 確 に い え ば確 率 楕 円 の 式 と原 点 を通 り第1因
均)の9体
の仮
と軸 の 中 間 の位 置 と
子 と第2因
子 の 標 準 偏 差 の比
因子 分析 に よ る代表 形 態 の寸 法 算 出 ◆:Boundary familyの
その 中 に
と交 わ る位 置 に あ る4体,軸
想 体 形 を,こ の 集 団 の代 表 だ と考 え ます(図1.20,◆).軸
図1.20
して,因 子 得 点 を使 っ て
メ ンバ ー位 置
で 傾 き が 決 ま る直 線(実
際 に はy=x)の
表 形 態 は9体 で す が,n個
交 点 で す.2つ
の 因 子 を 考 え る場 合 代
の 因 子 を考 え る と代 表 体 形 の 数 は1+2n+2n(n−1)
と な り,軸 の 数 が 増 え る と急 速 に増 えて い くの で,集 る の か ど う か わ か らな くな っ て き ます.通 常 は2つ
団 の もつ 変 異 を 要 約 して い
の 因子 だ け を考 え る こ とが 多
い よ うで す. さ て,図1.20の9体
形 が もつ べ き座 標 値(す
楕 円 の 式 と軸 の 式(x=0,y=0)お
よびy=xか
な わ ち 因 子 得 点)は,95%確
率
ら算 出 す る こ とが で き ます.因
子 得 点 と正 規 化 され た人 体 寸 法 の 間 に は,以 下 の 式 の よ うな 関 係 が あ る の で,因 子 得 点 が わ か れ ば寸 法 を逆 算 す る こ とが で き ます.た fjはj番 目 の 因 子 の 得 点,aijはj番
目 の 因 子 のi番
だ し,xiはi番
目 の 寸 法,
目 の 寸 法 へ の 因 子 負 荷 量,
eiは誤 差 で す.
注 意 しな けれ ば な らな い の は,第3以 視 す る こ とで す.た や幅 が8個,頭 通 常,第1因
下 の 因 子 が説 明 す る分 散 を誤 差 と して 無
と え ば,因 子 分 析 した 項 目 セ ッ トに 高 さ項 目が10個,周
部 寸 法 が3個,手
足 の寸 法 が4個
ふ くまれ て い た とし ま し ょ う.
子 は 四 肢 長 骨 の 長 さ に関 す る因 子,第2因
子 と な り ます.こ つ分 散 は第3,第4の
長
子 は太 り具 合 に関 す る 因
れ らの寸 法 と は それ ほ ど相 関 が 高 くな い頭 部 や 手 足 の 寸 法 が も 因 子 に よ り説 明 され,最
初 の2因 子 で は十 分 に説 明 さ れ ま
せ ん.人 体 は,四 肢 が 長 くな っ た り胸 囲 が 大 き くな っ た り して も,頭 部 や 手 足 の 寸 法 も そ れ に 応 じて 長 くな っ た り太 くな っ た りす る こ と は あ り ませ ん. しか し,2つ
の 因 子 で す べ て の寸 法 を説 明 して し ま う とい う こ とは,頭 部 や 手
足 も四肢 の長 さや 胸 囲 に伴 っ て変 化 す る よ うに つ く られ て し ま う,と い う こ とを 意 味 し ます.身
長 が 高 けれ ば お も長 に な り,胸 囲 が 小 さ けれ ば頭 も細 い,ち
と不 思 議 な体 形 に な るの は こ の た め で す.
ょっ
1.9 人体 寸法 計測 に関す る規格 人 体 寸 法 や 計 測 点 に関 わ る工 業 規 格 に は,以 下 の よ う な もの が あ ります.衣 服 設 計 関 連 の 規 格 は,内 容 が本 書 と あ ま り関 連 が な い の で,こ
こで は触 れ ませ ん.
JIS Z 850023)は 日本 の 工 業 規 格 で,設 計 の た め に人 体 寸 法 を利 用 す る人 々 に, 人 体 寸 法 に関 す る基 礎 的 な情 報 を提 供 す る こ とを 目的 とし て い ます.こ は32の
計 測 点 の 定 義 と104項
の規 格 に
目 の 寸 法 の 定 義 が 記 載 さ れ て い ます.本 書 に記 載
され て い る計 測 点 の う ち,上 後 腸 骨 棘 点,転
子 最 突 点,外 側 上顆 最 突 点,外 果 最
突 点 以 外 は,こ れ らの 計 測 点 に ふ くま れ て い ま す.こ の 規 格 に は 関 節 点 の定 義 も 記 載 さ れ て い ます.身 体 運 動 を表 現,ま
た は計 測 す る場 合 の関 節 運 動 の 回 転 中心
の め や す と し て,体 表 上 に一 意 に 決 め る こ とが で き る点 を関 節 点 と規 定 し て い ま す が,こ
れ が 実 際 の 関 節 運 動 の 回 転 中 心 と一 致 しな い こ とは い う まで も あ り ませ
ん. JIS Z 8500に 対 応 す る 国 際 規 格 がISO
725024)で す. ISO
250に は56の 人
体 寸 法 の 定 義 が 記 載 され て い ま す.で
き る だ け 平 易 な解 説 を こ こ ろ が け た た め
か,き
ち ん と定 義 さ れ た 計 測 点 は10個
しか あ り ませ ん.
ISO
15535は,ISO
7250に 記 載 さ れ た 項 目 の 人 体 寸 法 デ ー タ ベ ー ス,お
よび
報 告 書 を つ くる に あ た って 必 要 な こ とば の定 義 や 情 報 を ま とめ た もの で す.計 測 法,被
験 者 の 抽 出法,デ
切 り方,計 測 精 度,デ
ー タベ ー ス にふ く まれ るべ き被 験 者 属 性 情 報,年
齢 の区
ー タベ ー ス の フ ォ ー マ ッ トな どが 記 載 さ れ て い ます.特 記
す べ き は,集 団 の5パ ー セ ン タ イ ル値 と95パ ー セ ン タ イ ル 値 を95%の
信頼 性 で
推 定 す る た め に必 要 な 最 少 被 験 者 数 を計 算 す る方 法 が,規 格 の 一 部 と して 定 め ら れ て い る こ とで し ょ う.ま た,や
は り規 格 の一 部 と して デ ー タ の編 集 法 が と りあ
げ られ て い ます. ISO
2068525)は,計
測 点 の位 置 にマ ー カ シー ル を貼 った うえ で3次 元 形 状 ス キ
ャナ を用 い て人 体 形 状 を計 測 し,こ れ か ら寸 法 を算 出 して 人 体 寸 法 デ ー タ ベ ー ス をつ くろ う とす る と きに 要 求 され る事 項 に つ い て 定 め られ て い ます.つ
ま り,形
状 ス キ ャ ナで 取 得 した 寸 法 が 手 計 測 に よ る寸 法 と同 等 だ とい うた め に は,ど
のよ
う な こ とに 注 意 を し,ど ん な 手 順 をふ まな けれ ば な らな い か が 書 か れ て い ます. そ の範 囲 は,ス キ ャ ナ 自体 の 精 度 検 証 方 法 か ら,形 状 計 測 の た め の 着 衣,姿 勢, 得 られ た 寸 法 を手 計 測 に よ り得 られ た 寸 法 と比 べ て 同 等 とみ な せ るか どう か を検 証 す る 方 法 に まで わ た っ て い ます. 人 体 寸 法 とは,伝 統 的 な手 計 測 に よ り得 ら れ た 寸 法 を さ し ます.100年 わ た っ て 同 じ方 法 で デ ー タが 蓄 積 さ れ て きた の で,今 較 す る こ とが で き る の で す.も
以上 に
の デ ー タ を昔 の デ ー タ と比
し人 体 寸 法 を取 得 す る ま っ た く新 し い方 法 が で き
た な ら,こ れ に よ っ て得 られ た デ ー タ が これ まで 蓄 積 され た もの と比 較 可 能 だ と 主 張 す るた め に は,少 な く と も40名 の 被 験 者 を両 方 の 方 法 で 測 り,両 者 が 実 際 に 同 等 とみ な せ る こ と を実 験 的 に証 明 しな けれ ば い け な い,と い うわ け で す. 計 測 法 の 統 一 は,過 去100年
の 間 に何 回 か 計 画 され て き ま した.し
点 の 名称 に さ え混 乱 が残 って い る の が 現 状 で す.
か し,計 測
第2章
人体形状 計測
2.1 人 体 形 状 計 測 と は 人 体 形 状 計 測 とは,人 体 表 面 の3次 す.人
元形状 を定量 的 に取得 す る ことを さし ま
体 を石 膏 な どで 型取 りした の ち,機 械 式 の3次 元 位 置 入 力 装 置 で 座 標 を取
得 す る方 法(図2.1)や,ス
ラ イ デ ィ ン グ ゲ ー ジ(図2.2)で
断 面 形 状 を,シ ル
エ ッ タ ー で 投 影 輪 郭 形 状 を採 取 す る方 法 も人 体 形 状 計 測 の一 部 と い え る で し ょ う.最 近 で は,狭 義 に光 学 式 の非 接 触 形 状 計 測 装 置(図2.3)に
よ る人 体 計 測 を
意 味 す る こ とが 多 い よ うで す.光 学 式 の 非 接 触 形 状 計 測 装 置 を用 いれ ば,コ ー ヒ
図2.1 石 膏型 と機 械 式3次 元入 力 装 置
図2.2
ス ラ イ デ ィ ング ゲー ジ
図2.3 光 学 式 の非 接触 形 状 計測 装 置
ー カ ッ プで も招 き猫 で も,人 体 と同 じ よ う に計 測 で き ます.人 体 形 状 計 測 を これ らの一 般 的 な形 状 計 測 と分 け て 特 別 に議 論 す る の は,人 体 形 状 計 測 だ け に用 い ら れ る技 術 や ノ ウハ ウ が あ る か ら に ほ か な りませ ん.そ の 基 本 とな るの が,表 面 形 状 を記 述 す る デ ー タ に人 体 構 造 を記 述 す るデ ー タ を付 加 す る こ とで す. 人 間 はだ れ で も(ほ ぼ)同 数 の 骨 を もち,そ れ に 同 数 の 靱 帯 や筋 が つ き,そ の 上 に脂 肪 や 皮 膚 が つ い て 表 面 形 状 が で きて い ます.人 体 を測 る か らに は,人 体 表 面 デ ー タ に人 体 を構 成 す る部 品 の 解 剖 学 的 な 情 報 を付 加 す るべ き で す.人 体 寸 法 の 場 合 は,寸 法 項 目 を定 義 す る計 測 点 に よっ て 個 体 間 で解 剖 学 的 な対 応 が つ け ら れ て い ます.人 体 運 動 計 測 に お い て も,関 節 点 で 個 体 間 の解 剖 学 的 対 応 づ けが な され て い ます.こ れ ら と同様 に,人 体3次 元 形状 に お い て も解 剖 学 的構 造 を も と に 対 応 づ け られ た特 徴 点(landmark)が,個 な りま す.つ
体 間 の 対 応 をつ け る た め の基 礎 と
ま り,表 面 形 状 と解 剖 学 的 構 造 情 報 を合 わせ て取 得 す る こ とで,は
じめ て 「人 体 の 」3次 元 形 状 を測 っ た こ とに な る の で す.こ
れ に よ り,個 人 内,
個 人 間 の比 較 や 統 計 処 理,さ
ら に は人 体 に適 合 す る装 具 ・備 品 設 計 応 用 な どへ の
活 用 へ の道 が 開 け るの で す.
2.2 石 膏 型 取 り法 石 膏 型 取 り法 は,人 体 の 表 面 形 状 を雌 型 に写 し取 り,そ コ ピー で あ る型 を つ く り出 す 作 業 で す.お
こか ら人 体 表 面 形 状 の
わ か りの よ う に,石 膏 で型 取 り して
も,そ れ だ けで は3次 元 形 状 の デ ジ タ ル デ ー タ は得 られ ませ ん.結 局,後 述 す る 接 触 式 の3次 元 デ ジ タ イ ザ か,非 接 触 式 の 形 状 計 測 装 置 が 必 要 に な り ます. で は,な ぜ わ ざわ ざ型 取 りを す る の で し ょ うか?第 意 味 が あ りま す.3次
一 に は観 察 資 料 と して の
元 計 測 をす れ ば人 体 形 状 は コ ン ピ ュ ー タ上 の グ ラ フ ィ ッ ク
と して 再 現 で き ます が,並
べ て み た り触 って み た りす る に は,や
は り実物 が ま さ
っ て い ます.第
二 に体 動 揺 の問 題 で す.人 体 形 状 計 測 は人 体 の 静 的 な か た ち を測
る の で す が,実
際 に は人 体 は絶 え ず 動 揺 して い ます.精 度 よ く計 測 し よ う とす れ
ば す る ほ ど,こ の 体 動 揺 の問 題 が 顕 在 化 し ます.石 膏 型 取 り法 で は そ れ を 固定 す る こ とが で き ます.第
三 は隠 れ で す.後 述 す る光 学 式 の非 接触 計 測 装 置 で は,光
が 当 た ら な い,カ
メ ラ か ら見 え な い 部 分 の 形 状 が 測 れ ませ ん.足
ろ,わ
の 間 な どは非 常 に計 測 が む ず か し い部 位 と な り ます.ど
きの下,股
の 裏,耳
の後 う して
も これ らの部 位 の形 状 デ ー タ が 必 要 な場 合 は,石 膏 型 取 りをす る の も一 策 で す. 石 膏 型 で あ れ ば,耳 の 後 ろ の形 状 を計 測 す るた め に,耳 介 を切 り取 っ て も構 い ま せ ん. 石 膏 型 取 りに は,臨 床 現 場 で 利 用 さ れ る石 膏 包 帯 を利 用 し て採 取 す る こ と も あ り ます が,こ う方 法 で す.な
こで は よ り精 度 よ く型 取 りす る方 法 を紹 介 し ま す.ア ル ギ ン酸 を使 に や ら体 を溶 か し て し まい そ う な名 称 で す が,成
分 は主 と して 海
藻 で,平 た くい え ば寒 天 の よ う な もの で す.歯 科 医 が歯 の 型 取 り に使 っ て い る も の とい えば お わ か りい た だ け るで し ょ う.た だ,歯 科 医 が 使 っ て い る もの は高 額 か つ硬 化 時 間 が 短 い た め 扱 い に くい の で,筆 者 らは(株)紀 文 フ ー ドケ ミフ ァか ら コ ピ ッ クの 名 前 で 発 売 さ れ て い る もの を利 用 して い ます.比 較 的 安 価 で あ り,硬
化 時 間 も5分 か ら10分 程 度 で す(水
温 で 調 節 可 能).
基 本 的 に は,型 取 りをす る身 体 部 位 に合 わ せ て木 や ア ク リル 板 で枠 をつ く り, この 枠 と身 体 部 位 の 間 にア ル ギ ン酸 を流 し込 ん で 雌 型 を と ります .ま ず,被 験 者 の解 剖 学 的 特 徴 点 を触 察 し(第1章
の 計 測 点 を参 照),体
表 面 上 に水性 ペ ンで マ
ー キ ン グ し ます .こ の水 性 ペ ンで つ けた マ ー ク はア ル ギ ン酸 に転 写 さ れ,さ
らに
それ が 石 膏 型 に転 写 さ れ る こ とに な り ます. つ い で,被 験 者 の身 体 部 位 と箱 の枠 の 間 に水 で溶 か し た ア ル ギ ン酸 を流 し込 み ます(図2.4(a)).ア
ル ギ ン酸 を 流 し込 む に は,ア ル ギ ン 酸 の粉 末 を ビニ ー ル
(a) ア ルギ ン酸 の注 入
(b) ア ル ギ ン酸雌 型 へ の石 膏 注 入 図2.4 石 膏 型 取 り法
(c) 石 膏 型
袋 に 入 れ て水 を混 ぜ,袋
の 口 を し っ か り絞 っ て手 早 く混 ぜ 合 わ せ ます.こ
こで し
っ か り混 ぜ 合 わ せ て おか な い と,粉 が 固 ま っ た粒 状 の 固 ま りが た くさん で きて, 仕 上 が りが 汚 くな ります.混 して 絞 り出 し ます.ビ
ぜ 合 わ せ た ら,ビ ニ ー ル 袋 の 角 を は さみ で 切 り落 と
ニ ー ル 袋 は,厚
さ0.08mm程
い よ うで す.な お,足 型 を と る と きに は,あ
度 の し っか り した も の が よ
らか じめ 型 枠 の 中 に ア ル ギ ン酸 を少
量 流 し込 ん で お か な い と,土 踏 まず の 部 分 に ア ル ギ ン酸 が 流 れ 込 ん で くれ ませ ん. ア ル ギ ン酸 を流 し込 ん だ ら,被 験 者 に体 を動 か さな い よ う注 意 を与 え ます.水 の 温 度 に も よ り ます が,約6∼7分
で 硬 化 し寒 天 状 に な るの で,切 れ 目 を入 れ て
被 験 者 の 身 体 部 位 を抜 き 出 し ます.切
れ 目 を入 れ るの に は,先 が丸 くな っ た 金 属
の へ ら を使 っ て い ます.被 験 者 の 体 を傷 つ け な い よ う,と が っ た もの は使 い ませ ん.被 験 者 の体 を抜 き出 す と き,被 験 者 の 体 に 固 ま った アル ギ ン酸 が つ い て きて し ま う こ とが あ ります.水 性 ペ ン で マ ー キ ン グ した 個 所 以 外 の皮 膚 にハ ン ドク リ ー ム な どを塗 っ て お く と,固
ま っ た ア ル ギ ン酸 が皮 膚 か ら離 れ や す くな り ます.
い ず れ に して も,皮 膚 に 固 ま っ た ア ル ギ ン酸 が つ い て い るか ど うか は被 験 者 に は わ か らな い の で,計 測 者 が 留 意 して 被 験 者 に 指 示 を与 え なが ら,ゆ っ く り抜 き 出 す よ うに し ます.ア ル ギ ン酸 が 被 験 者 の 体 よ り も型 枠 側 に は りつ きや す くな る よ う に,型 枠 の ほ う に加 工 を し て お く(た とえ ば,ア
ク リル板 で あ れ ば,意 図 的
に傷 をつ け て ざ ら ざ ら した表 面 に して お く)の も一 案 で す. 抜 き出 した あ との 雌 型 の切 れ 目 の段 差 を き れ い にな らし た あ と,石 膏 を流 し込 ん で 雄 型 を採 取 し ます(図2.4(b)).ア
ル ギ ン酸 は 時 間 が た つ と乾 燥 し て 変 形
して し ま うの で,石 膏 は速 や か に流 し込 み ま す.こ の とき,気 泡 が 入 らな い よ う に留 意 しま し ょ う.必 要 に応 じ て雌 型 を傾 け,静 か に流 し込 ん だ あ と,型 を叩 い て気 泡 を抜 き ます. 石 膏 に もい ろ い ろ と種 類 が あ り,歯 科 用 石 膏 だ と き めが 細 か く,硬 化 時 の 収 縮 も少 な い で す((株)ジ
ー シ ー プ ラ ス トー ン な ど).た だ,医 療 用 品 は 高 額 な の
で,筆 者 ら は比較 的 低 コ ス トの 石 膏(下 ます.筆
村 石 膏(株)上
質 焼 石 膏)を
使 用 して い
者 らの 検 証 に よ れ ば,低 価 格 の もの で も硬 化 時 の 収 縮 は0.5%未
満で
す.石
膏 が 取 り出 せ る よ う に な る まで1時 間 く らい か か り ます .ご
く少 量 の食 塩
を混 ぜ る と石 膏 硬 化 を早 くす る こ とが で き ます. 石 膏 が 固 ま っ た ら枠 を はず し,ま わ りの ア ル ギ ン酸 を壊 して,中 り出 し ます.ア
の石 膏 型 を取
ル ギ ン酸 は有 害 な 物 質 を含 ん で い な い の で,家 庭 用 の 生 ゴ ミ と し
て処 分 で き ます.な
お,石 膏 は固 ま っ た ら速 や か に取 り出 さ な い と,使 い もの に
な ら な くな りま す.ア ル ギ ン酸 が乾 燥 し て収 縮 す るた め で す .取
り出 した 石 膏 型
は風 通 しの よ い場 所 で 乾 燥 さ せ ま す.完 全 に乾 燥 す る に は1週 間 程 度 か か り ま す.湿
っ た ま ま に して お く と,カ ビが 生 え て し ま う こ と もあ る の で注 意 が 必 要 で
す.
2.3 接 触 式3次
元 デ ジタ イザ
先 ほ ど述 べ た よ う に して型 取 り した もの や,あ 触 式 の プ ロー ブ を 押 し当 て,プ す.手
間 は か か り ます が,た
こ と に な り ます.後 用(自
る い は人 体 そ の もの に対 して接
ロー ブ先 端 の3次 元 位 置 を計 測 す る方 法 が あ りま くさん の 点 を計 測 す れ ば表 面 形 状 デ ー タ が 得 られ る
述 す る非 接 触 計 測 装 置 よ り も一 般 的 に 精 度 が 高 い た め ,工 業
動 車 や 携 帯 電 話 の か た ち を測 る)に は広 く利 用 さ れ て い ます.
接 触 式3次
元 デ ジ タ イ ザ に は機 械 式,磁 気 式,光
械 式 に は,一 般 にCoordinate 型 の 装 置(図2.5)と,多 はCMMの
Measuring
学 式 の も の が あ り ます.機
Machine(CMM)と
関 節 型 と呼 ば れ る装 置(図2.6)と
ほ うが 高 い の で す が,装
置 も大 型 で,プ
呼 ば れ る3軸 門 が あ り ます .精 度
ロ ー ブ が う ま く届 か な い と
こ ろが あ っ た りす る な ど,人 体 計 測 に は不 向 きで す .多 関 節 型 も,対 象 とな る人 体 あ る い は そ の石 膏 型 を う ま く固 定 し な い と,す べ て の 表 面 に プ ロ ー ブ を当 て る こ とが で き ませ ん.も け て計 測 し,あ
っ と も石 膏 型 は変 形 しな い の で,置
き方 を変 えて 数 回 に分
とか ら貼 り合 わ せ る こ と も可 能 で す.
磁 気 式 ・光 学 式 は,プ
ロー ブ の6自 由 度 を磁 気 な い しは光 学 装 置 で 時 々 刻 々 検
出 し プ ロ ー ブ先 端 位 置 を推 定 す る方 法 で,プ い の が 特 徴 で す.た
ロ ー ブ の 操 作 自由 度 が 高 く扱 い や す
だ し,計 測 精 度 は多 関 節 型 よ り悪 くな り ます .磁 気 や 光 学 手
図2.5
Coordinate
Measuring
Machine(CMM)
図2.6 多 関節 型 の3次 元 位 置 計 測装 置
段 に よ る プ ロ ー ブ の計 測 技 術 は次 章 で 紹 介 す る運 動 計 測 技 術 と同 一 の もの で す の で,原 理 や 計 測 の 留 意 点 につ い て はそ ち らを参 照 して くだ さ い. い ず れ の 方 法 にせ よ,接 触 式 は計 測 時 間 が か か ります.人
間 は長 い時 間 じ っ と
して い る こ とが で き な い の で,生 体 表 面 を接 触 式 で 測 る の は 現 実 的 で は あ りませ ん.生 体 で測 る な ら,特 徴 点 だ け を測 るた め に使 う な ど,短 時 間 で 測 れ る 目的 に 限 定 す べ きで し ょ う. 参 考 ま で に,CMMに Technologies社
は(株)ミ ツ ト ヨ の も の な ど が,多
のFaroARM,東
な ど が あ り ます.磁
関 節 型 に はFaro
京 貿 易(株)のVectron,Immersion社 気 式 で はPolhemus社
のMicroScribe
の もの が 有 名 で す.
2.4 非 接触式3次 元形状計測装置 対 象 で あ る人 体 に 接 触 す る こ と な く,そ の表 面 形 状 を計 測 す る 方 法 は,基 本 的 に な ん らか の 光 学 的 手 段 に基 づ く こ とに な ります.こ ビ ジ ョ ンな ど の分 野 で 開 発 され て い る もの で,実
れ らの 技 術 は コ ン ピュ ー タ
に さ まざ ま な方 法 が 考 案 さ れ て
い ま す.こ れ ら を体 系 的 に整 理 す る の は,必 ず し も本 書 の趣 旨 で は あ り ませ ん. 技 術 詳 細 につ い て は参 考 文 献1‐4)な ど を ご参 照 くだ さい. こ こで は,し ば し ば利 用 され て い る い くつ か の方 法 に つ い て計 測 原 理 概 要 を紹 介 す る と と も に,人 体 計 測 に 用 い た と きの 得 失 を整 理 して お き ます.
2.4.1
能動 型計 測
計 測 原 理 は,計 測 用 のパ タ ー ン化 さ れ た 光 線 を計 測 対 象 物 に 照 射 す る能 動 型計 測 と,照 明 以 外 の 特 殊 な光 線 照 射 を用 い な い受 動 型 計 測 とに分 け られ ます.一 般 に能 動 型 計 測 の ほ うが 精 度 よ く,緻 密 に測 る こ とが で き ます が,対 ま な くパ ター ン光 を照 射 ・撮 影 す るの に時 間 が か か り ます.受
象 物 表面 に く
動 型 は,複 数 台 の
カ メ ラで 異 な る 方 向 か ら観 測 す る こ とで 対 象 物 の 立 体 形 状 を構 成 す る技 術 で あ り,カ メ ラ を大 量 に 用 意 で き れ ば,ま
さ し く一 瞬 で 計 測 を終 え る こ と も可 能 で
す.こ ち ら の技 術 で は,計 測 精 度 と分 解 能 が 問 題 に な りま す.
図2.7 アクティブステレオ法 の原 理
人 体 形 状 計 測 で一 般 的 に用 い られ て い る装 置 の 多 くは能 動 型 の 技 術 をべ ー ス に して い ます.格 子 縞 の合 成 に よ る空 間 周 波 数 の う な り現 象(モ て,計 測 対 象 表 面 上 に等 高線 状 の 干 渉 縞 を 発 生 させ,そ 型 計 測 の ひ とつ で す.モ
ア レ法(モ
ア レ現 象)を
用い
れ を計 測 す る装 置 も能 動
ア レ トポ グ ラ フ ィ)は,1フ
レ ー ム 分 の画 像
情 報 の み か ら立 体 情 報 を得 る こ とが で き る た め,計 測 時 間 を短 くで き ま す が,分 解 能 に限 界 が あ り,ま た 相 対 的 な 奥 行 き関 係 しか わ か らな い な ど,完 全 な立 体 合 成 に は不 向 きな 面 も多 くあ り ます. 最 近 の 市 販 装 置 で よ く利 用 され て い る の が,ス
リ ッ ト光 や パ タ ー ン光 を投 影 す
る ア ク テ ィ ブ ス テ レオ 法 で す.原 理 を理 解 す る に は ス ポ ッ ト光 投 影 を考 え る の が よ い で し ょ う(図2.7).あ て,そ
る瞬 間 に 投 影 機 側 が あ る 方 向 に ス ポ ッ ト光 を投 影 し
の 方 向 が 既 知 で あ る と し ます.ス
し ま す(完 全 鏡 面 反 射 で は な い).そ
ポ ッ ト光 は計 測 対 象 物 の表 面 で 拡 散 反 射
の 反 射 光 を,投 影 機 とは 別 の場 所 に設 置 し
た 受 像 機 で 撮 影 す る こ とで,受 像 機 へ の 入 射 光 線 方 向 が 検 出 で き ます.投 影 機 と 受 像 機 の 相 対 的 な 位 置 関 係 を あ らか じ め校 正 して お け ば,三 角 測 量 に よ って ス ポ ッ ト光 を反 射 さ せ た 点(対
象 物 表 面 上 の 点)の 奥 行 きが 計 算 で き る こ と に な りま
す.投 影 機 を 動 か し て,ス
ポ ッ ト光 が 対 象 物 の 表 面 をな ぞ る よ うに 走 査 で き れ
ば,対 象 物 表 面 上 の多 数 の 点 座 標 と し て形 状 が 計 算 で き ます. 受 像 機 に は 多 くの場 合 ビ デ オ カ メ ラ を使 う た め,1秒 き ませ ん.そ
う な る と,形 状 表 面 上 の 点 を1000点
間 に30コ
マ しか撮 影 で
計 測 し よ う と思 っ た ら,30秒
以 上 か か る とい う こ と に な り ま す.全 身 を1mmピ
ッチ で 計 測 す る と100万 点
以 上 の表 面 デ ー タ点 数 に な る の で,計 測 に9時 間 以 上 要 す る こ とに な り ます. そ こで,計 測 を効 率 化,高 され て い ます.ス
速 化 す るた め に さ ま ざ ま な 方法 が 提 案 さ れ,実 用 化
ポ ッ ト光(点
光)を
ス リ ッ ト光(線 光)に
す るの もひ とつ の方
策 で す.光 切 断 法 と呼 ば れ る 方 法 は,複 数 の 光 源 で 平 面 状 の ス リ ッ ト光 を つ く り,そ の平 面 ス リッ ト光 で 人 体 を切 断 した と きの 断 面 形 状 を撮 影 し,そ の 断 面 で 全 身 を走 査 す る こ とで 全 体 形 状 を 得 る方 法 で す.市 販 計 測 装 置 の 多 くが この 方 法,な
い し は その 改 良 技 術 をべ ー ス に して い ます.光
るた め,形 状 ス キ ャ ナ と呼 ば れ ます.1mmピ す る と,1分
か か る計 算 に な ります.さ
本 投 射 す る方 法 もあ り ます.ま
た,ス
で体 を走 査(ス
ッ チ で1800断
面 を計 測 し よ う と
ら な る 高 速 化 の た め に,ス リ ッ ト光(線
キ ャ ン)す
リ ッ トを複 数
光)を パ タ ー ン光(面
光)に
して 高 速 化 す る方 法 もあ ります.縞 状 の パ タ ー ン光 を何 通 りか 投 影 して 白黒 の コ ー ドで 縞 を識 別 す る方 法 や ,正 弦 波 状 の 輝 度 分 布 を もっ たパ タ ー ン光 を ず ら しな が ら何 通 りか 投 影 す る 方 法 な どが 実 用 化 さ れ て い ます. こ の よ うな 技術 革 新 に よ り,国 産 の 人 体 形 状 計 測 装 置 は い ず れ も5∼10秒 の計 測 時 間 で,全 身 を1∼2mm程 い ます.全
程度
度 の 緻 密 さ で計 測 で き る よ う な もの に な っ て
身 計 測 用 の 国産 市 販 品 と して は,(株)浜
野 エ ン ジ ニ ア リ ング,浜 松 ホ
トニ ク ス(株)な どが レ ー ザ ス リ ッ ト光 走 査 型 の装 置 を,日 本 電 気(株)が 正 弦 波 状 の 可 視 白色 光 パ タ ー ン を投 光 す る全 身 形 状 計 測 装 置 を開 発 ・販 売 し て い ます. 海 外 で は,米 国 のCyberware,フ
ラ ンス のTelmat,ド
イ ツ のVitronicsの
装
置 が 有 名 で す.い ず れ も レー ザ ス リ ッ ト光 投 影 型 の 計 測 原 理 を採 用 して い ます. また,特 定 の部 位 計 測 に特 化 した もの とし て,三 洋 電 機(株)や(株)ア ボ ラ ト リー の足 形 状 ス キ ャナ もあ り ます.こ
イ ウェアラ
れ ら はガ ラ ス板 の 上 に人 を立 た せ る
こ と に よ り立 位 状 態 で 足 底 まで 計 測 で き ま す.ま た,コ
ニ カ ミ ノル タ セ ン シ ング
(株)のVivid(ス
リ ッ ト光 走 査 型)な
どの 汎 用 形 状 計 測 装 置 で も工 夫 次 第 で 人 体
計 測 が 可 能 で し ょう.
2.4.2
受動型計 測
受 動 型 の 計 測 技 術 も市 販 装 置 に組 み込 ま れ る よ う に な っ て き ま し た.受 動 型 は,多 方 向 の カ メ ラで そ れ ぞ れ1枚
の 画像 を撮 影 す れ ば対 象 形 状 を再 構 成 で き る
原 理 に基 づ い て い る も の が 多 い よ うで す.高 解 像 度 の デ ジ タル ス チ ル カ メ ラ が低 価 格 化 した こ とに よ り,こ れ を多 数 台 配 置 し て計 測 す る装 置 も 開 発 され て い ま す.大
き く二 通 りの 方 法 が あ ります.
ひ とつ は多 視 点 の シル エ ッ トか ら立 体 を再 構 成 す る技 術 で す.対 象 物 に凹 みが あ っ た場 合 に検 出 で きな い とい う欠 点 を もち ます が,逆
に髪 の 毛 の よ う にパ タ ー
ン光 を拡 散 反 射 し に くい個 所 で あ って も背 景 との輪 郭 の 差 が は っ き りす れ ば計 測 で き る とい う利 点 が あ り ます.三 洋 電 機(株)の ピエ リモ とい う シス テ ム は,ま さ し く この 技 術 をべ ー ス に して い ます.30台
近 いメガ ピクセル デ ジタル カ メラ を
使 っ て,頭 髪 を含 む 頭 部 形 状 を計 測 す る装 置 で す. も うひ とつ は,異 な る方 向 か ら観 察 した 画 像 間 に対 応 点 を見 い だ し,三 角 測 量 に よ っ て 奥 行 き を算 出 す る ス テ レオ ビジ ョ ン技術 に基 づ くもの で す .ス テ レ オ ビ ジ ョ ン技術 で は,画 像間 相 関 演 算 な どで 画 素 ご との 対 応 をつ け ま す が,計 測 対 象 物 の表 面 の テ ク ス チ ャ(模 様)が
均 一 で あ る と対 応 づ け が む ず か し くな り ま す
(=精 度 が 悪 くな る). そ こ で,ラ
ンダ ム ド ッ トな どのパ ター ン光 を対 象物 に投 射 す る方 法 も考 案 さ れ
て い ます.ア
ク テ ィ ブ ス テ レオ 法 と区 別 が む ず か し くな りま す が,あ
く まで もカ
メ ラ と カ メ ラ で三 角 測 量 を す る の で あ っ て,カ メ ラ とパ ター ン光 投 影 機 で 三 角 測 量 す るわ けで は な い の が 特 徴 で す.そ
れ ゆ え,対 象 物 表 面 上 に い くつ か の 方 向 か
ら 同時 にパ ター ン を 投 影 して し ま っ て も,特 段 の 問 題 が生 じ ませ ん .ア ク テ ィ ブ ス テ レ オ 法 で は,カ メ ラ と投 影 機 の組 合 せ ご と にパ タ ー ン光 を投 影 し な い と,対 象 物 表 面 上 で パ タ ー ン光 が 重 な っ て し ま う 問題 が 起 き る の で す.英 社 が 販 売 して い た,FotoFitと
国Shoemaster
い う足 部 形 状 計 測 シス テ ム の前 の バ ー ジ ョ ン
が こ の 技 術 を べ ー ス に し て い ま し た.現
在 のFotoFitは
能動 型計 測 シ ステム に
変 わ っ て い ま す.
2.5 計 測 装 置 の 選 び 方 こ れ らの 装 置 を購 入 す る こ と にな った 場 合,ど い か に つ い て述 べ ます.装 間,③
分 解 能(デ
の 統 合 機 能,⑨
置 選 定 時 に考 え るべ き こ と は,① 計 測 範 囲,② 計 測 時
ー タ点 の 間 隔),④
徴 点 の 計 測 機 能,⑦
の よ う な と ころ に 留 意 す れ ば よ
精 度,⑤ 輝 度 情 報 が 必 要 か,⑥ 解 剖 学 的 特
多 方 向 計 測 が 必 要 か(死
角 を減 らす),⑧
多 方向計 測 デー タ
人 体 形 状 デ ー タ処 理 機 能 で し ょ う.残 念 な が ら,全 身 が 計 測 で
き,足 裏 も髪 の 毛 も測 れ,計 測 時 間 も短 くて,精 度 も分 解 能 も際 立 っ て よ く,輝 度 情 報 も得 られ る とい う よ うな 完 全 な計 測 装 置 は あ りませ ん.そ
こで,研 究 目的
に即 し,絶 対 に 必 要 な機 能 とあ れ ば よい と考 え る機 能 を順 位 づ け,そ れ に適 した 装 置 を選 ぶ 必 要 が あ り ます.
2.5.1
計 測範 囲
全 身 が 必 要 で あ る の か,顔 や 足 な どの 部 位 が測 れ れ ば よい の か,と 大 枠 だ け で な く,足 の裏 の デー タが 必 要 で あ る とか,髪
い うような
の 毛 の デ ー タが 必 要 で あ
る な ど の条 件 も重 要 で す.足 裏 の デ ー タ は靴 や イ ン ソ ー ル の 設 計 に必 須 で す が, 普 通 の 装 置 で は計 測 で き ませ ん.先
に述 べ た よ う に,被 験 者 をガ ラ ス板 の 上 に立
た せ ガ ラ ス越 し に足 底 部 形 状 を計 測 で き る装 置(三
洋 電 機(株),(株)ア
イ ウェア
ラ ボ ラ トリー な ど)を 使 用 す る の が よい で し ょ う.ま た,髪 の 毛 の デ ー タ は光 を 反 射 し な い た め,能 動 型 で は計 測 で き ませ ん.上 述 の輪 郭 線 を利 用 して 計 測 す る 方 式(三 洋 電 機(株)ピ エ リモ)な
2.5.2
どの 使 用 を検 討 す る こ とに な り ます.
計測 時間
計 測 時 間 も重 要 で す.次
節 で も述 べ ます が,成
い た と き に,頭 部 の 体 動 揺 は ±10mm以
人 男 性 が30秒
上 に もな り ます.高
間 じ っ と立 っ て
齢 者 で は も っ と大
き くな る で し ょ う.し た が っ て,計 測 時 間 が10秒
を超 え る よ うな 装 置 は,ど ん
な に計 測 精 度 が 高 くと も,体 動 揺 対 策 を講 じな い と意 味 が あ りませ ん.そ 意 味 で は,で
2.5.3
うい う
き る だ け高 速 に計 測 で き る装 置 が 望 ま しい こ とに な り ます.
分 解 能,精
度
分 解 能 は デ ー タ の 間 隔,精 度 は 得 られ た デ ー タ の 確 か ら し さ を示 し ます.実 は,光 学 式 の3次 元 形 状 計 測 装 置 は,い わ ゆ る トレ ーサ ビ リテ ィー が 保 証 され て い ませ ん.ト が,長
レー サ ビ リ テ ィ ー とは,使
用 し て い る計 測 装 置 の精 度 保 証 の 連 鎖
さ の標 準 で あ る 「レー ザ を 用 い た 真 空 中 の光 の速 さ」 まで トレ ー ス で き る
か ど うか とい う こ とを意 味 し ます.精 精 度 の 高 い ゲ ー ジで 校 正 さ れ,そ 正 さ れ,そ
度保 証 の連 鎖 と は,計 測 装 置 が そ れ よ り も
の ゲ ー ジが さ らに 精 度 の高 い レー ザ 計 測 器 で 校
の レー ザ 計 測 器 が 「レ ー ザ を用 いた 真 空 中 の 光 の速 さ」 で 校 正 され て
い る とい う こ とで す.形 状 計 測 装 置 は この 連 鎖 の 中 に入 っ て い な い た め,各 社 は 独 自 の 精 度 評 価 を行 っ て,勝 手 に性 能 記 述 して い ます.ゆ
え に,性 能 表 だ け で は
装 置 の精 度 を見 きわ め る の が 困 難 な状 況 に あ る の で す.精 度 の よい もの を手 に入 れ た け れ ば,必 ず 実機 で 基 準 物 体 を計 測 して,得
られ た 寸 法 を ノ ギ ス に よ る計 測
結 果 とつ き あ わせ て み る こ と をお 薦 め し ま す.こ れ に つ い て は,2.6節
で詳述 し
ます.
2.5.4
輝 度 情 報,色
情 報
輝 度 情 報 は,人 体 寸 法 の 取 得 あ るい は人 体 形 状 モ デ ル の構 成 に必 要 な 解 剖 学 的 特 徴 点 の検 出 に使 い ます.計 測 機 の 中 に は,輝 度 情 報 を使 わ ず に特 徴 点位 置 に光 を 反 射 しな い マ ー カ を貼 っ て,デ り ます が,肝
ー タ の欠 落 に よ っ て特 徴 点 を認 識 す る もの もあ
心 の 部 分 の デ ー タ が 欠 落 す る の で,で
きれ ば輝 度 情 報 を使 っ て マ ー
カ を 識 別 し,そ の 位 置 の3次 元 座 標 が 計 測 で き る ほ うが よい で し ょ う.輝 度 情 報 (特 に色 情 報)は
テ ク ス チ ャ(texture)と
もい い ます.
形 状 計 測 装 置 の 重 要 な利 用 目的 の ひ とつ に コ ン ピ ュー タ グ ラ フ ィ ク ス が あ り, そ の分 野 で は テ ク スチ ャ情 報 は必 須 で す.し た が っ て,最 近 の装 置 は,輝 度 情 報
が 計 測 で き る も のが 主 流 とな っ て い ます.た
だ し,輝 度 情 報 と距 離 情 報(カ
メラ
か ら見 た と きの 形 状 デ ー タ は,奥 行 き距 離 の分 布 で あ る の で,距 離情 報 とい う表 現 を 用 い る)を 正 確 に対 応 づ け て い るか ど うか は別 の 問題 で す.コ
ン ピ ュー タ グ
ラ フ ィ ク ス で は,見 た 人 に リア ル な 印 象 を与 え るか ど うか が 重 要 で あ り,そ の 場 合 テ ク ス チ ャの 質 が 第 一 で,テ
ク ス チ ャ(輝 度 情 報)と 形 状 デ ー タ(距 離情 報)
の空 間 的 な一 致 は あ ま り重 要 視 され ませ ん.少 々 ず れ て い て も見 た 目 で はわ か ら な い か らで す.そ す.テ
れ ゆ え,両 者 の マ ッチ ン グ を正 確 に行 っ て い な い装 置 も あ りま
ク ス チ ャ と形 状 デ ー タが ず れ て い る と,テ ク ス チ ャか ら解 剖 学 的 特 徴 点 を
同定 し,対 応 す る形 状 デ ー タ点 か ら座 標 を得 る と き に誤 差 を生 じ る こ と に な りま す.
2.5.5
解 剖学 的特徴 点
輝 度 情 報 が得 られ れ ば,解 剖 学 的特 徴 点 の 位 置 を取 得 す る こ とが 可能 に な りま す.た だ,そ
れ が 技 術 的 に可 能 で あ る と い う程 度 で あ るの か,シ
ス テ ム と して サ
ポ ー トし て い る のか の 違 い は使 い勝 手 に大 き な違 い を もた ら し ま す.解 剖 学 的 特 徴 点 の 位 置 デ ー タ を 得 る に は マ ー カ を 検 出 し,そ (marker
detection)と,そ
の 座 標 を取 得 す る工 程
の マ ー カ の解 剖 学 的 な意 味 づ け を与 え る工 程(labeling
)が あ り ます. 理 想 的 に は,画 像 情 報 か らマ ー カ領 域 を 自動 的 に検 出 して 座 標 を取 得 し,人 体 の解 剖 学 的 特 徴 点 の デ ー タベ ー ス と照 合 し て,自 動 的 に意 味 づ け を す る シ ステ ム が 望 ま し い とい え ます.(株)ア
イ ウ ェア ラ ボ ラ ト リー の足 形 状 ス キ ャナ や 浜 松 ホ
トニ ク ス(株)の 全 身 形 状 ス キ ャ ナ は,自 動 検 出 ・自動 ラベ リ ン グ機 能 を持 って い ま す.た 合,解
だ 残 念 な が ら,こ の よ うな 機 能 を 備 え る機 種 は まだ 少 数 で,多
くの 場
剖 学 的特 徴 点 をオ ペ レ ー タ が 目視 に よ っ て マ ウ ス ク リ ッ ク し,座 標 値 を取
得 す る よ う に な っ て い ます.一 部 の ソ フ トウ ェ ア で は,マ ー カ シ ー ル の 範 囲 を選 択 して,輝 度 情 報 まで 用 い て サ ブ ピ クセ ル 精 度 で マ ー カ の 中 心 を計 算 す る機 能 を 備 え て い ま す. た だ し,こ の 機 能 も不 完 全 な もの だ と誤 差 が か え っ て大 き くな るの で 要 注 意 で
す.カ
メ ラ に 写 る マ ー カ 形 状 は 円 と は限 らず,楕 円(正 確 に は楕 円 で は な く射 影
変 換 され た 円)に
な る場 合 も あ り ます.さ
い 場 合 も あ り得 ます.2次
らに い え ば,マ ー カ の半 分 しか見 え な
元 の 画 像 輝 度 情 報 か ら算 出 す る の で は な く,輝 度 と形
状 を統 合 し た3次 元 表 面 形 状 情 報 か ら算 出 す る の が,正 法 で し ょ う.た だ,こ
の よ う に して,サ
しい マ ー カ 中心 の計 算 方
ブ ピ ク セ ル 精 度 で 中 心 を計 算 す る機 能 を
備 えた シス テ ム は ほ とん どあ りませ ん.結 局,画 面 を見 な が ら,オ ペ レ ー タ が慎 重 に 中心 を探 して マ ウ ス ク リ ッ クす る こ と に な り ます.こ
の た め に は,部 分 的 な
拡 大 機 能 が あ る と楽 で す. ク リ ッ ク し て座 標 を取 得 した マ ー カ に対 して,オ け(名 称)を
教 示 し ます.マ
ペ レー タ が解 剖 学 的 な意 味 づ
ー カ の 位 置 情 報 と意 味 情 報 を統 合 管 理 で き る デ ー タ
構 造 を もっ て い れ ば オ ペ レ ー シ ョ ン は楽 に な り,ミ ス も少 な くな ります.た
だ,
な か に は オ ペ レ ー タ が ク リ ック した順 番 に座 標 値 を蓄 積 し,そ れ をテ キ ス トフ ァ イル と して 書 き 出 す だ け とい うシ ス テ ム もあ ります.こ
の 場 合,オ
リ ッ クす る順 番 を きち ん と決 め て お か な け れ ば な らな い し,も ップ した ら,デ ー タ が 損 なわ れ る こ と に な り ます.ま
ペ レー タ は ク
しひ とつ で もス キ
た,保 存 さ れ た デ ー タ に も
解 剖 学 的 特 徴 点 の ラベ ル が 付 い て い な い た め,デ ー タ の 移 植 性 ・継 承 性 が よ くあ りま せ ん.こ
の あ た り は第3章
で紹 介 す る運 動 計 測 シ ス テ ム の ほ うが,よ
り洗 練
され て い ます. な お,マ
ー カ を使 わ ず,形 状 特 徴 や デ ー タベ ー ス か ら自 動 的 に解 剖 学 的特 徴 点
の 位 置 を 推 定 す る シ ス テ ム も あ ります.浜
松 ホ トニ ク ス(株)やCyberware社
どの シ ス テム が この 機 能 を備 えて い ます.こ
うい う シ ス テ ム の 選 定 や 機 能 の使 用
に 際 し,ユ ー ザ の 関 心 は 「自動 計 算 さ れ た マ ー カ 位 置 が,ど か 」 に あ るで し ょ う.こ れ に つ い て は,シ を 出 して も ら う しか あ り ませ ん.多
くの場 合,シ
ス テ ム 開発 メ ー カ は中 立 的 な研
Centerで
の報 告 書 の 写 しを も ら
とえ ば,上 記 浜 松 ホ トニ ク ス(株)の シ ス テ ム は筆 者 らが
検 証 し て い ます し,Cyberware社 Systems
の程度 信頼 で きる
ス テ ム 開 発 メ ー カ に な ん らか の デ ー タ
究 機 関 に依 頼 して 推 定 精 度 の信 頼 性 を検 証 して い ます.そ うの が よ い で し ょ う.た
な
のDigiSizeシ
検 証 さ れ て い ます.
ス テ ム はUS
Army
Natick
Soldier
いず れ に せ よ,現 時 点 の技 術 レベ ル で は,平 均 的 な 体 形 ±1標 準 偏 差 の 範 囲 を 超 え る体 形 に つ い て,形 状 特 徴 の み か ら解 剖 学 的 特 徴 点 を精 度 よ く同 定 す る の は きわ め て 困 難 で す.最
先 端 の 研 究 成 果 で も,誤 差 が20mm以
ります.将 来 的 に は,新
上 に な る場 合 が あ
しい技 術 開 発 や デ ー タ の 蓄 積 に よ り,実 用 的 な 精 度 を実
現 で きる と思 わ れ ます が,現
時 点 で は必 ず し も十 分 で は な い こ とを 踏 ま え て選 定
して くだ さい.
2.5.6
多方 向計測
多 方 向 計 測 は,全 す.カ
身 を 測 る,頭 部 全 周 を計 測 す る と い う と き に 必 要 に な り ま
メ ラ が 動 く もの,人
を動 か す もの,カ メ ラ を あ らか じ め た くさん 配 置 して
い る もの な どが あ り ます. 人 体 計 測 の場 合 は,人 が 動 く方 式 は お薦 め で き ませ ん.動 い て い る間 に被 験 者 の 姿 勢 が 変 わ って し ま うか らで す.カ
メ ラ が動 く もの は,一 般 に計 測 時 間 が か か
りま す.こ の た め,体 動 揺 の影 響 が 大 き くな る傾 向 が あ り ます.
2.5.7
多方 向計測 データの 統合
多 方 向 計 測 の デ ー タ 統 合 機 能 とは,多 方 向 か ら計 測 して 得 られ た デ ー タ を1つ の デ ー タ に位 置 あ わ せ(alignment)し,合
併(merge)す
る こ とで す.筆
者も
い ま まで 多 くの 市 販 計 測 装 置 を見 て き ま した が,多 方 向 か ら計 測 した 人 体 形 状 デ ー タ を,き れ い に(継 た.か
ぎ 目や 段 差 な く)統 合 した もの は ほ とん どあ りませ ん で し
らだ が 動 い て し ま うの も問 題 で す が,静 止 し て い るマ ネ キ ン を測 っ て も う
ま く統 合 し きれ な い装 置 が ほ とん どで す.装 置 購 入 後 に も っ と も不 満 が で や す い (こ ん な はず で は な か っ た)の
が こ の機 能 で す の で,慎
重 に チ ェ ッ ク す べ き部 分
で す.位 置 あ わ せ と合 併 に関 す る技 術 的 な詳 細 につ い て は2.6節 こ こで は,何
に 譲 る と して,
に留 意 す べ きか を述 べ ま す.第 一 が キ ャ リブ レー シ ョ ン,第 二 が位
置 あわ せ と合 併 の 方法,第
三 が 統 合 結 果 の確 認 で す.位
置 あわ せ の 結 果 に も っ と
も大 き く影 響 す る の が,複 数 台 の カ メ ラ の相 対 的 位 置 関 係 を記 述 した キ ャ リブ レ ー シ ョン デ ー タ(光 学 外 部 パ ラ メー タ)で す .
まず,ユ
ー ザ 自身 が簡 単 に キ ャ リブ レー シ ョ ン をや り直 せ る よ うな シス テ ム か
ど うか が チ ェ ッ ク ポ イ ン トで す.第3章
で 紹 介 す る運 動 計 測 装 置 と違 い,形 状 計
測 装 置 で は ユ ー ザ 自 身 で キ ャ リブ レー シ ョン を や り直 せ る もの が あ ま りあ りませ ん.煩 雑 で 高 精 度 の校 正 装 置 を用 い るた めで もあ り ま す.こ の 場 合 は,メ イ ン テ ナ ンス とし て別 途 費 用 を払 っ て キ ャ リブ レー シ ョ ン を依 頼 す る こ とに な ります. ユ ー ザ 自身 が比 較 的 簡 便 に キ ャ リブ レー シ ョ ンで き る よ うな シ ス テ ム だ と扱 い が 楽 に な りま す. 次 に 重 要 な の が,キ は,カ
ャ リブ レ ー シ ョン デ ー タ の 管 理 で す.多
メ ラ ご との形 状 デー タ を生 デ ー タ と して保 持 して い て,後
くの形 状 計 測 装 置
せ と合 併 処 理 が で き る よ うに な って い ま す.こ の 場 合,計
日そ の 位 置 あ わ
測 デ ー タ に対 応 す る計
測 時 点 で の 最 新 の キ ャ リブ レー シ ョ ン デ ー タ を シス テ ム が 管 理 で き るの が 当然 な の で す が,こ
う い うキ ャ リブ レー シ ョン デ ー タ の 履 歴 管 理 が で きて い な い シ ス テ
ム が 多 い の で す.キ て い て,ユ
ャ リブ レー シ ョン デ ー タ が 常 に 固定 され た フ ァイ ル 名 に な っ
ー ザ 自 身 が パ ラ メ ー タ フ ァイ ル を 管 理 し な け れ ば な らな い とい うシ ス
テ ム も あ り ます.こ
の あ た りは 仕様 書 に もで て い な い 点 な の で,慎 重 に確 認 して
くだ さ い. 第 二 の位 置 あ わ せ と合 併 の 方 法 に つ い て は,あ
る程 度,方
な い と確 認 し き れ ませ ん.こ れ ら に つ い て は2.7節 して くだ さ い.位 置 あわ せ に つ いて は,キ
法 論 に関 す る知 識 が
で 述 べ る の で,そ れ を参 考 に
ャ リブ レ ー シ ョン デ ー タ を信 頼 して そ
れ だ け で行 っ て い るの か,そ れ に加 え て,重 複 部 分 の 誤 差 を最 小 化 す る よ うな 処 理 が あ る の か,合 併 に つ い て は,円 筒 座 標 系 や2.5次 るの か,そ
元 平 面 座 標 系 を仮 定 して い
うで は な くポ リ ゴ ンや ボ ク セ ル ベ ー ス で合 併 し て い るの か,と
い う点
が チ ェ ック ポ イ ン トに な り ます. 技 術 的 な こ とが わ か らな い場 合 は,第 三 に挙 げ た よ う に,と 果 を見 て確 認 す る の が よい で し ょ う.ダ
にか く統 合 した 結
ミー や 花 瓶 な ど の形 状 デ ー タ で は な く,
実 際 に 人 間 を 測 っ た デ ー タ を 見 せ て も ら う こ と,そ れ も 点 群 デ ー タ(図 2.8(a))や
テ ク ス チ ャ 付 きデ ー タ(図2.8(b))で
け な い シ ェ ー デ ィ ン グ表 示(図2.8(c))を
は な く,ス ム ー ジ ン グ を か
見 せ て も ら う こ とで す.特
に,肩 上
(a) 点 群 表現
(b) テ クス チ ャ付 き表 現
(c) シ ェ ー デ ィ ン グ 表 現
図2.8 人体 形 状デ ータの表現
面,体
側,顎
の 下 な ど陰 に な りや す い部 分,あ
るい は,多 数 台 の カ メ ラ で重 複 し
て計 測 して い る部 分 な どを拡 大 して チ ェ ック し ま し ょう.欠 落 部 分 を勝 手 に補 間 して い る場 合 も あ る ので,可
能 で あ れ ば 補 間 前 の デ ー タ を見 せ て も ら う よ う に し
て くだ さ い.
2.5.8
デー タ処理機 能
デ ー タ処 理 とは,計 測 し た形 状 デ ー タ か ら,利 用 者 の 求 め る解 析 結 果 を得 る工 程 で す.デ ス やCADで
ー タ処 理 に は大 き く3つ あ り ます.第 一 は,コ
ンピュータグ ラフ ィク
使 わ れ る よ う な 形 状 デ ー タ に 変 換 す る 機 能 で す.た
やVRML,Wavefront
OBJな
と え ば,DXF
ど の 形 式 で デ ー タ を保 存 で き るか ど うか とい う
こ とで す.第 二 は,採 寸 や 断 面 生 成 機 能 で す.特 定 の特 徴 点 間 の直 線 距 離 や,体 表 面 に添 っ た 経 路 長,断
面 の 周 囲 長 な ど を計 算 す る機 能 を も っ て い る か ど うか.
第 三 は,解 剖 学 的 特 徴 点 に基 づ い て計 測 した デ ー タ を,同 一 点 数 ・同一 位 相 幾 何 構 造 の形 状 デ ー タ(後 述 す る相 同人 体 モ デル)に
表 現 し直 す機 能 で す.こ
れが で
き る と,形 状 デー タ の統 計 処 理 が 可 能 に な り ます.詳 細 に つ い て は2.7節
で述べ
ます. 第 三 の機 能 につ い て は,近 年,い
くつ か の 方法 が 立 て続 けに 提 案 さ れ て きて い
ま す.本 稿 執 筆 時 点 で は,相 同 人 体 モ デ ル を構 成 で き る ソ フ トウ ェ ア と して は, 筆 者 ら と共 同 開 発 して い る(株)ア イ ウ ェ ア ラ ボ ラ ト リー の足 専 用 モ デ リ ング ソ フ
トDi+,浜
松 ホ トニ ク ス(株)の
(株)エ ル ゴ ビ ジ ョ ン のBody
形 状 ス キ ャ ナ 付 属 の 体 幹 部 モ デ リ ン グ ソ フ ト,
Shanpe
Browserが
ェ ア が 多 数 出 て く る も の と思 わ れ ま す.人 の 充 実 度 と比 較 し た 場 合,人 で す.し て,分
た が っ て,コ
あ り ま す.今
後,類
似 ソ フ トウ
体 運 動 デ ー タ を 分 析 す る ソ フ トウ ェ ア
体 形 状 デ ー タ を分 析 す る ツー ル は全 体 的 に不 足 気 味
ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ク ス やCADの
析 を 進 め る こ と が 多 く な る の で,そ
ソ フ トウ ェ ア を 使 っ
れ ら と の リ ン ク は 重 要 に な り ま す.
2.6 非接触 式3次 元形 状計測 装置 によ る計 測上 の 留意点 2.6.1
計測精 度の確 認
計 測 を始 め る前 に や らな けれ ば な らな い の は,計 測 装 置 の精 度 確 認 で す.買 て きた計 測 装 置 が 必 ず し も信 用 で き る わ けで は あ りませ ん.ま ず,測
っ
ろ う とす る
人 体 部位 と ほ ぼ 同 じ大 き さの 固 い基 準 物 体 の 表 面 に複 数 個 の マ ー ク をつ け て測 っ て み ま し ょ う.物 体 を置 く位 置 を変 え,10回 測 結 果 の ば らつ き(precision)を
程 度 計 測 し ます.こ
れ に よ っ て計
調 べ ま す.
ば らつ き に は,環 境 や 計 測 者 を変 えず に く り返 し計 測 した 場 合 の く り返 し性 能 (repeatability)と,別
の 日 に環 境 や計 測 者 が 異 な る条 件 下 で 同 一 の計 測 を行 う
再 現 性(reproducibility)と あ れ ば,く
が あ り ます.装 置 の 誤 差 や ノ イ ズ に よ る ば らつ きで
り返 し特 性 で知 る こ とが で き ます.物 体 の位 置 を変 えて い る の で マ ー
ク の 座 標 そ の もの を比 べ て も意 味 が あ りませ んが,マ な の で,マ
ー ク間 の距 離 は一 定 の はず
ー ク 間 距 離 の ば らつ き を調 べ る こ とで再 現 性 を知 る こ とが で き ます.
装 置 に系 統 的 な 偏 りが な けれ ば,ば
らつ き方 は正 規 分 布 に従 う はず で,標 準 偏 差
に よ っ て お お まか な 目安 を得 る こ とが で き ま す. 次 に,基 準 物 体 に貼 っ た マ ー ク 間 の 距 離 を,た
と え ば ノ ギ ス な どで 実 測 し ま
す.副 尺 の つ い た 工 業 用 ノ ギ ス を使 え ば,人 体 形 状 計 測 装 置 よ り明 らか に精 度 よ く測 れ ます.こ
の ノ ギ ス 実 測 値 を真 値 と して,形 状 計 測 装 置 か ら得 られ た マ ー カ
間 距 離 の 真 値 と のず れ=真 度(trueness)を
計 算 し ます.計
測範囲全体 にわた っ
て 実 測 寸 法 値 が 真 の 寸 法 値 に十 分 近 い か,計 測 範 囲 の 中心 か ら端 に い くに した が って 誤 差 が 大 き くな っ た り小 さ くな っ た りし な い か を確 認 して くだ さ い .一 般 的 に 形 状 計 測 装 置 の 再 現 性 は 高 い よ う で す.し た が って,再 現 性 の レベ ル で装 置 の 公 称 誤 差 以 上 の値 が 出 る な らば,な
ん らか の 問 題 が あ る と考 え るべ きで し ょ う.
これ に対 し て,真 値 との突 き合 わ せ を す る真 度 の 扱 い は な か な か 困難 で す.こ ち ら も公 称 値 よ り大 きか っ た り(2倍
以 上),あ
る い は計 測 空 間 内 で 誤 差 の 小 さ
い部 分 と大 き い部 分 が あ って,そ
の差 が2倍 以 上 もあ る よ う な ら,装 置 メー カ と
相 談 す る こ と をお 薦 め し ます.多
くの場 合,装
置 の キ ャ リ ブ レー シ ョ ン をや り直
す こ と に な り ます. な お,固
い基 準 物 体 と して どの よ う な もの を選 び,そ
れ を空 間 内 で どの よ う に
置 い て チ ェ ック す れ ば よ い の か に つ い て,国 際 標 準 化 が 進 ん で い るの で,そ
の動
向 を紹 介 して お き ます. 近 年,自
動 車 や金 型 な どの形 状 計 測 に も人 体 計 測 と同 じ原 理 の 非 接 触 形 状 計 測
装 置 が 活 用 され る よ う に な り,そ の精 度 検 証 方 法 の 確 立 ・標 準 化 が進 め られ て い ま す.本 稿 執 筆 時 点 で は まだ 国 際 標 準 はで きあ が っ て い ませ んが,日 本 と ドイ ツ が そ れ ぞ れ 提 案 を して い ます.2つ
の真 球 を棒 で つ な い だ 鉄 ア レ イ の よ うな も の
を精 度 検 証 用 の ゲ ー ジ と して 用 意 し,2つ ィ の保 証 され たCMMな
の 球 の 中 心 間 距 離 を,ト
どで 値 づ け を し て お き ます.そ
レー サ ビ リテ
の 鉄 ア レ イ状 の ゲ ー ジ
を計 測 空 間 内 の何 個 所 か で計 測 し,計 測 され た 点 群 デ ー タ に球 面 方 程 式 を 当 て は め て 中 心 を計 算 し,中 心 間 距 離 を得 ます.そ
れ を別 途 計 測 した よ り正 確 な値 と比
較 す る とい う方 式 で す. この よ うな 厳 密 な誤 差検 証 を ユ ー ザ レベ ル で 行 う こ と は困 難 で す が,国 際 標 準 化 さ れ れ ば,こ の 検 証 方 法 に基 づ く結 果 が 性 能 表 に記 載 され る の で,装 置 間 の基 本 精 度 比 較 が容 易 に な るで し ょう.精 度 検 証 用 の ゲ ー ジ と して 大 きな平 板 や 円 筒 を使 う こ とが あ る よ う で す が,あ
ま り賢 くあ り ませ ん.平 板 は平 面 に平 行 な 方 向
の ず れ を検 証 で き ませ ん し,円 筒 は 中心 軸 方 向 の ず れ が 検 証 で き ませ ん.ま た, 平 面 に マ ー カ を貼 って マ ー カ を ク リッ ク した 誤 差 で精 度 を検 証 す る とい う方 策 を
とる場 合 もあ る よ うで す が,こ れ は マ ー カ ク リ ッ クの 誤 差 まで ふ くめ て い て,形 状 の誤 差 を検 証 して い る こ と に な り ませ ん.両 者 は別 々 に検 証 す べ き もの で す. 固 い 基 準 物 体 を計 測 した ら,そ の後,実
際 の人 体 にマ ー ク を つ け て計 測 して み
ま し ょ う.人 体 の ほ うは真 値 が 得 に くい の で す が,最 低 限,再
現性 の検 討 はで き
る は ず で す. 人 体 形 状 計 測 装 置 を使 っ て,第1章
で 述 べ た よ うな 人 体 寸 法 を取 得 す るの で あ
れ ば,手 計 測 に よ る 人 体 寸 法 計 測 値 と の比 較 が 必 要 に な り ま す.国 際 標 準ISO 20685で
は,人 体 形 状 計 測 装 置 か ら得 た 寸 法 が 従 来 の 手 計 測 に よ る寸 法 と同 等 と
み な す こ とが で き るか を評 価 す る た め の 実 験 方 法 を規 定 して い ます.こ この 部 分 はnormativeで
す.つ
の規 格 の
ま り,人 体 形 状 計 測 装 置 を使 っ て 人 体 寸 法 の デ
ー タ ベ ー ス を つ くろ う とす る な らば,こ
の実 験 を しな けれ ば い けな い,と い う こ
とで す. この 方 法 で は,少
な くて も40名 の 被 験 者 に つ い て,熟 練 し た 計 測 者 が 計 測 点
に マ ー ク を つ けて 手 計 測 と形 状 計 測 を 行 い ま す.手 計 測 に よ る値 を真 値 とみ な し て誤 差(=形
状 計 測 装 置 に よ る寸 法― 手 計 測 に よ る寸 法)を 求 め,そ の平 均 値,
標 準 偏 差,95%信
頼 限 界 を計 算 し ま す.誤 差 の95%信
に基 づ い て決 め られ た 値(た 項 目 で は4mmな
ど)よ
頼 限 界 が,計
測者 の誤 差
とえ ば,胸 囲 の よ う な大 き な 周 長 で は9mm,高
さ
り も小 さ け れ ば,両 者 を 同 等 とみ な し ま す.形 状 計 測
装 置 か ら得 られ た 寸 法 は,手 計 測 に よ る値 と必 ず し も一 致 す るわ けで は あ りませ ん.わ れ わ れ の 経 験 で は,あ
る程 度 以 上 の大 き さの 高 さ項 目で は両 者 は よ く一 致
し ます.誤 差 が 大 き いの は,2つ 離,体
の 計 測 点 を異 な る カ メ ラ で測 る と きの2点
幹 部 を両 側 か ら挟 ん で 測 る よ う な幅 寸 法,計
間距
測 範 囲 の端 に当 た る足 付 近 の
寸 法 な どで す. 周 長 は,そ
も そ も巻 尺 で接 触 し て測 る手 計 測 と,非 接 触 で測 る寸 法 が 一 致 し に
くい と思 わ れ ます.誤 差 が 大 きい 場 合 で も,手 計 測 値 との相 関 が 高 け れ ば,回 帰 式 な ど を使 っ て 推 定 す る こ とが で き ます.推 定 を考 え る場 合 は,相 関 係 数 を計 算 す る だ けで な く,必 ずX軸
に形 状 計 測 装 置 で 得 た 値 を,Y軸
を とっ て 散 布 図 を描 い て み て くだ さ い.第1章
に手計測 で得 た値
で述 べ た よ うに 手 計 測 に は計 測 ミ
ス が つ き も の で す し,形 状 計 測 装 置 で得 た 寸 法 に もマ ー ク の誤 認 識 な ど に よ り異 常 デ ー タ が で る こ とが あ ります.異 常 デ ー タ は,手 計 測 で も形 状 計 測装 置 で 得 た 寸 法 で も必 ず あ ります. 推 定 式 をつ く る場 合 は,こ れ らの デ ー タ を 削 除 し て か らつ く り ま し ょ う.高 い 相 関 が 得 られ な い場 合 もあ り ます.そ
もそ も,人 体 寸 法 を計 測 す る と き と形 状 を
計 測 す る と き と で 姿 勢 が 違 い ます か ら(形 状 計 測 時 は,通 常 足 を ひ ら き,上 肢 を 少 し外 転 し て い ます),一
致 す る はず が な い場 合 もあ り ま す5).こ れ ら の 場 合 に
は,従 来 の手 計 測 との互 換 性 を諦 め る こ と にな り ます.
2.6.2
着衣
・キ ャ ッ プ
人 体 形 状 計 測 で は,人 体 寸 法 計 測 以 上 に着 衣 の 選 定 が 重 要 な意 味 を も ち ます. 正 解 は あ りませ ん.そ
もそ も,裸 体 の 状 態 を保 持 で き る よ う な着 衣 はな い し,ま
た,裸 体 で計 測 す る こ とが 正 解 と もい え な い で し ょ う.ア ウ タ ー設 計 の た め で あ れ ば,き
ち ん と補 正 下 着 を付 けた状 態 が よ いか も しれ な い し,イ ン ナ ー設 計 の た
め な ら ば裸 体 が よ い の か も しれ ませ ん.い ず れ に して も,あ ま り体 表 面 を変 形 さ せ る もの,局 所 的 に しめ つ け る もの(パ くあ り ませ ん.ま
ン ツの ゴ ム が き つ す ぎ る な ど)は 好 ま し
た,被 験 者 の心 理 的抵 抗 も考 慮 す る必 要 が あ ります.あ
ま り露
出 の激 しい もの は被 験 者 の 心 理 的 抵 抗 が 大 きい で し ょ う. 国 家 的 な プ ロ ジ ェ ク トと して 取 り組 む人 体 形 状 計 測 で は,独 て し ま う こ と も あ り ま す.ア
メ リカ,オ
ラ ンダ,イ
プ ロ ジ ェ ク トで は,大 手 水 着 メ ー カ のJantzenが Size Koreaプ
自の 着 衣 を 開発 し
タ リア で 行 わ れ たCAESAR 着 衣 を担 当 し ま した .韓 国 の
ロ ジ ェ ク トで も,独 自 の着 衣 を開 発 して い ます .い ず れ の場 合 も,
下 半 身 用 の シ ョー ツ につ い て は大 腿 側 面 に縫 い 目が な く,殿 裂 の形 状 が わ か る よ うに縫 製 さ れ た もの を選 ん で お り,最 低 で も4つ の サ イ ズバ リエ ー シ ョ ン を準 備 し て い ます.女
性 用 の ブ ラ ジ ャ ー は,ワ
イヤ ーや パ ッ ドが 入 って い な い伸 縮 性 の
あ る素 材 の もの を用 意 して い ま す.こ ち ら も,ア
ンダ ー バ ス ト とカ ップ に応 じて
十 分 な サ イ ズバ リエ ー シ ョ ン を準 備 す る必 要 が あ り ます. 国 家 プ ロ ジ ェ ク ト級 の計 測 で あれ ば,こ の よ う な特 注 着 衣 も用 意 で き ます が,
多 くの 場 合 は市 販 の 下 着 の 中 か ら探 す こ とに な る で し ょ う.こ の 場 合 も,留 意 点 は 同 じ で す.ま
ず,サ
イズ バ リエ ー シ ョ ンが 豊 富 な こ と,ブ ラ ジ ャ ー で あ れ ば ワ
イ ヤ ー 類 や パ ッ ドの な い もの を選 ぶ と よ い よ うで す.女 性 用 シ ョー ツ に は大 き な サ イ ズ が な い場 合 が 多 い の で,海 外 通 販 を利 用 す るの も一 案 で す.た
だ し,海 外
通 販 を利 用 し て た くさ ん の サ イ ズ を1着 ず つ 一 度 に ま とめ て購 入 す る と,「 再 販 の た め にサ ンプ ル 品 を発 注 して い る の で は な い か?」
と疑 わ れ て 売 っ て も らえ な
い こ と も あ り ます(体 験 済 み)の で 注 意 が 必 要 で す.計 測 装 置 の都 合 上,着 衣 の 色 は皮 膚 の 色 と極 端 に 明度 が 違 わ な い もの が よ い で す.グ と,き れ い に デ ー タが とれ る よ うで す.多
レ ー,べー
ジ ュ な どだ
くの シ ス テ ム は皮 膚 の反 射 光 強 度 が 適
切 な 輝 度 強 度 で撮 影 で きる よ う に レ ンズ 光 学 系 を調 整 して い る た め,白 い 着 衣 で は 反 射 光 強 度 が 強 す ぎ,か え っ て う ま く撮 影 で き ませ ん . 頭 髪 は,多
くの計 測 機 で は デ ー タ を とる こ とが で き ませ ん.ア ク テ ィブ ス テ レ
オ法 で 照 射 した パ タ ー ン光 が 反 射 しな い た め で す.そ 測 し ます.シ
こで,キ
ャ ップ を つ けて 計
リコ ー ン ゴム 製 の水 泳 用 キ ャ ップ は,サ イ ズ が 大 きす ぎ る と浮 い て
し ま うの で,あ 上 記CAESARプ
ま り好 ま し くあ りませ ん. ロ ジ ェ ク トで は,か つ ら下 キ ャ ッ プ を使 用 し ま した.こ
図2.9 頭 髪 の処 理
れ
は,ス
トッキ ン グ と同様 の素 材 で つ く られ た薄 手 の キ ャ ップ で,図2.9の
使 い ます.髪 ろで,か
よ うに
の 毛 が長 い 場 合 は,ま ず 形 状 か らの 寸 法 計 測 の 邪 魔 に な らな い と こ
つ マ ー カ シ ー ル を貼 らな い場 所 で 束 ね た 上 で だ ん ご状 に し,だ ん ご の上
か らキ ャ ップ をか ぶ せ,だ
ん ごの 根 元 を輪 ゴム で し ば り ます.形 状 デ ー タ か ら こ
の だ ん ご部 分 を切 り落 とせ ば,一 部 欠 落 が あ る もの の,比 較 的 頭 の 形 状 に近 い デ ー タが 得 られ ます .
2.6.3
マー 力用 シール
解 剖 学 的 特 徴 点 の 検 出,意
味 づ け に つ い て は,2.5節
で述 べ た とお りで す.シ
ス テ ム と して 解 剖 学 的 特 徴 点 の 自動 検 出 をサ ポ ー トして い る よ うな 場 合 に は,専 用 の マ ー カ シ ー ル が 別 途 用 意 され て い る こ とが 多 い よ うで す.こ
れ は第3章
の運
動 計 測 シス テ ム と同 じで す. た だ,2.5節
で 述 べ た とお り,解 剖 学 的 特 徴 点 の 検 出 や意 味 づ け を シ ス テ ム と
して 完 全 に は サ ポ ー トして お らず,技 ス テ ム も多 い の が 現 状 で す.こ とに な ります.レ
術 的 に は可 能 とい う水 準 で 設 計 して あ る シ
の場 合,ユ
ー ザ側 で 適 切 な マ ー カ シ ー ル を探 す こ
ー ザ ー光 を使 う場 合 は,水 色,灰
色,白 が は っ き り と見 え る よ
うで す.本 稿 執 筆 時 点 で は,レ ー ザ ー 光 を使 うシ ス テ ム は赤 色 な い し は赤 外 線 の 波 長 領 域 を使 っ て い るた めで す.通 常 光 を使 う場 合 は水 色,緑
色 が う ま くい き ま
す.赤 色 系 の 波 長 を使 っ て い る の で,赤 色 系 の マ ー カ の ほ うが 反 射 効 率 が よ い と 思 わ れ る の で す が,実
際 に使 っ て み る と,体 表 面 が 赤 色 系 の 反 射 特 性 を もっ て い
るた め,体 表 とマ ー カ の 識 別 が し に くい の で す. また,カ
ラ ー カ メ ラ を使 っ て い る シ ス テ ム で は,色 収 差(波
が 異 な る)に
長 に よ っ て屈 折 率
よ っ て距 離 計 測 に偏 差 が 生 じ,マ ー カ の部 分 だ け が へ こ ん だ り,飛
び 出 した りす る こ と もあ り得 ます.実
際 に計 測 し なが ら,い ろ い ろ と試 して み る
しか あ りま せ ん. マ ー カ シ ー ル は,柔
らか く粘 着 性 が 強 く,肌 に優 しい もの が よい ので す が,実
際 に は文 房 具 店 な どで 売 っ て い る丸 い マ ー カ シー ル く らい しか 選 択 肢 が あ り ませ ん.マ
ー カ シー ル を使 わ な くて も,鉛 筆 状 ア イ ラ イ ナ ー で つ け た マ ー ク を そ の ま
ま利 用 で き る装 置 も あ り ます.マ ー カ シ ー ル を貼 る と,そ の 分 被 験 者 の 拘 束 時 間 が 長 くな るの で,見
え や す さ,手 間 な ど も考 慮 して 決 め る こ とに な るで し ょ う.
好 ま しい マ ー カ シ ー ル の サ イ ズ は,計 測 対 象部 位 の 大 き さ と,凸 凹 の 強 さ に依 存 し ます.計
測 対 象 部 位 が 比 較 的 小 さ い場 合 は,直 径6mm程
直 径10mmか
2.6.4
ら20mm程
度,大
きい場 合 は
度 が 使 いや す い よ うで す.
体 動揺
現 在 市 販 さ れ て い る3次 元 形 状 計 測 装 置 の 計 測 時 間 は,10秒 部 分 で す.成 人 男 性 で も,10秒
程 度 の ものが大
間 完 全 に 静 止 して い る こ と は で き ませ ん.上
ほ う に あ る特 徴 点 ほ ど大 き く揺 らい で し ま い ます.こ
の
の よ うな 体 動 揺 の 影 響 を3
次元 形 状 デ ー タか ら と り除 く方 法 は3つ あ り ます.第 一 は計 測 に必 要 な 時 間 を徹 底 的 に短 くす る こ と,第 二 は身 体 が 揺 らが な い よ う に固 定 して しま う こ と,第 三 は揺 れ の 情 報 を同 時 計 測 し て補 正 す る こ とで す. 筆 者 ら は,国 の 事 業 と し て,隠 れ な く(耳 の後 ろ,脇 の下,股
の 間 な ど も計 測
で き る)高 速 に人 体 を計 測 す る装 置 を 開 発 し ま し た(図2.10)6).頭 用 を 日本 電 気(株)が,全 全 体 を0.9秒 程 度,全 る装 置 が,こ
部形 状計 測
身 用 を(株)浜 野 エ ン ジ ニ ア リン グ が 実 装 し ま した.頭 部 身 を1.8秒
で 隠 れ な く計 測 で き ま す.5秒
程度 で計測 で き
の技 術 を 民 生 展 開 した上 記2社 や,浜 松 ホ トニ クス(株)か ら市 販 さ
れ て い ます. この よ う な高 速 計 測 が期 待 で き な い と き は,身 体 を固 定 す るの も一 案 で す.図 2.11は,筆
者 ら が使 っ た 全 身 の 固 定 装 置 で す.当
然,こ
の装 置 の 棒 の部 分 な ど
が 影 に な って デ ー タが 欠落 す る の で す が,そ れ で もず れ て し ま う よ りは まだ よい で し ょ う.肝 心 な部 分(特
徴 点 や 正 中矢 状 断 面 な ど)に 影 が で き な い よ う工 夫 さ
れ て い ます. 第 三 に つ い て は,研
究 段 階 で す が,ス
リ ッ ト光 に よ る 断 面 ス キ ャ ン と同 期 し
て,人 体 各 部 に貼 り付 けた マ ー カ の 位 置 を計 測 し て お く技 術 が 開 発 され て い ま す.あ
とか らマ ー カ の 位 置 の 時 間 変 化 情 報 か ら体 動 揺 を計 算 し,ス キ ャ ン され た
断 面 の 位 置 を補 正 し ま す7).
(a) 頭 部 形 状計 測 装 置
(b) 全 身形 状 計測 装 置 図2.10 高 速 人 体 形状 計 測装 置
図2.11 人 体 固 定装 置 の例
2.6.5
被験 者への 配慮
計 測 時 の着 衣 や環 境 に配 慮 す る こ とは,人 体 寸 法 計 測 の場 合 と同 じで す が,人 体3次
元 形 状 計 測 で は人 体 寸 法 と決 定 的 に 違 っ て い る こ とが ひ とつ あ りま す.頭
顔 部 の 形 状 デ ー タ か ら個 人 が特 定 で き る 可能 性 が あ る,と い う こ とで す. した が っ て,計 測 時 の プ ラ イ バ シ ー に配 慮 す る だ け で はな く,計 測 した 後 の デ ー タ管 理 ,個 人 情 報 管 理 に関 す る十 分 な配 慮 が 必 要 とな ります.被 験 者 数 が 多 く な れ ば,個 人 情 報 保 護 法 も踏 ま え,法 的 な整 備 も必 要 とな るの で す.い ず れ に し て も,頭 顔 部 形 状 デ ー タ を第 三 者 が 利 用 す る可 能 性 が あ る,あ る い は 最初 か ら広 く利 用 して も らうた め に第 三 者 に公 開 す る 目的 で デ ー タ を と る場 合 は,そ
の こと
も含 め て被 験 者 と合 意 して お く必 要 が あ り ます. な お,顔
を 除 く人 体3次
元 形 状 デ ー タ に関 し て プ ラ イ バ シ ー が 問 題 に な る の
は,形 状 デ ー タ に 個 人 属 性(氏
名,性
別,年 齢,職
業 な ど)が つ い て い る か ら
で,個
人 属 性 が つ い て い な け れ ば そ の 形 状 デ ー タ はanonymousで
情 報 で は な い)と
あ る(=個
人
い う 考 え 方 も あ り ま す.
2.7 形 状 デ ー タ処 理
2.7.1
形 状デ ータの 記述形式
さ て,さ
まざ ま な配 慮 と準 備 の も と,適 切 な形 状 計 測 装 置 に よ っ て,め で た く
人 体 形 状 デ ー タ が 計 測 で きた と しま し ょ う.人 体 寸 法 デ ー タ は,得 をExcelや す が,形
られ た デ ー タ
統 計 ソ フ トウ ェ ア入 力 す る こ とで,簡 便 に 分 析 で き る よ う に な り ま 状 デ ー タ は そ う もい き ませ ん.ま ず,形 状 デ ー タ の記 述 形 式 か ら話 を進
め て い き ます. そ もそ も,形 状 デ ー タ とい うの は形 状 を記 述 す る点 座 標 の集 合 で す.し て,点
座 標 だ け を 羅 列 した デ ー タ 形 式 が 一 番 基 本 的 な も の に な り ま す(図
2.12(a)).ASCII形 座 標Z座
式(い 標と
計 測 点 数 が10万 す.点
たがっ
い う形 で,1行
点 あ る の な ら,10万
座 標 の あ とに,そ
モ ノ ク ロ な ら ば,X座 255)で
わ ゆ る テ キ ス トフ ァ イ ル)で,X座
す し,カ
(a) 点 群 デ ー タ
標Y
に1点 分 の座 標 値 を記 述 し ま す.
行 の デ ー タ フ ァイ ル とい う こ と に な り ま
の点 で の輝 度 情 報 を合 わ せ て 記述 す る こ と もあ りま す. 標Y座
標Z座
ラ ー な ら,X座
標Y座
(b) ポ リ ゴ ン デ ー タ 図2.12
人体 形 状 データ
標濃
淡 値(0‐
標Z座
(c) NURBSデ
標
ータ
R濃
淡 値(0‐255)G濃
255)の
淡 値(0‐255)B濃
よ う に な り ま す.こ
(RAWデ
ー タ),ま
ま す.そ
こ で,点
と に な り ま す.点
の よ うな 点 群 を記 述 した デ ー タ を な ま デ ー タ
た は点 群 デ ー タ(Point
実 際 の 形 状 は,そ
の 間 に 平 面 を 張 っ て,形
の面 の 集 合 で で きあ が っ て い
状 を 多 面 体 と し て 表 現 す る形 式 を ポ リ
リ ゴ ン な の だ か ら,何
角形 で もよい ので
の ポ リ ゴ ン が 平 面 で あ る 保 証 は な くな り ま す.
般 的 に は 三 角 形 の ポ リ ゴ ン で 表 現 し ま す.
こ の よ う に 表 現 さ れ た デ ー タ は,DXF形 VRML形
呼 び ま す.
だ け で は な く面 の 情 報 と し て 記 述 す る ほ う が よ り よ い と い う こ
角 形 以 上 に な る と,1つ
そ こ で,一
Cloud)と
れ ら の 点 の 間 に 面 が あ っ て,そ
ゴ ン 形 式 と呼 び ま す(図2.12(b)).ポ す が,四
淡 値(0‐
式,Stanford/UNC
PLY形
式 と かWavefront
式 な ど で 保 存 で き ま す.こ
OBJ形
式,
れ ら は,い
ず
れ も フ ァ イ ル の 形 式 で す.DXFは,Autodesk社(http://www.autodesk. com/)が
規 定 し て い るCADデ
対 応 し て い ま す が,Autodesk社
ー タ の 記 述 方 式.多
くの ソ フ トウ ェ ア が こ れ に
が 規 定 を 次 々 と バ ー ジ ョ ン ア ッ プ す る た め,現
実 的 に は あ ま り互 換 性 が と れ て い ま せ ん.Wavefront
OBJ形
式 は,Mayaと
い
う コ ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ッ ク 向 け ソ フ ト ウ ェ ア を 開 発 ・販 売 し て い るAlias│ wavefront社
が 規 定 し た デ ー タ フ ォ ー マ ッ トで す.す
進 化 が 止 ま っ て い る た め 互 換 性 が 高 く,コ 用 さ れ て い ま す.Viewer(形 ウ ェ ア)も VRML形
で に デ ー タ フ ォ ー マ ッ トの
ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ッ ク 分 野 で 広 く利
状 デ ー タ を コ ン ピ ュ ー タ上 に 描 画 表 示 す る ソ フ ト
数 多 く 出 回 っ て い ま す. 式(http://www.vrml.org/VRML2.0/FINAL/)と,PLY形
式
(http://www‐static.cc.gatech.edu/projects/1arge_models/ply.html)は,団 や 学 術 組 織 が 提 唱 す る デ ー タ 形 式 で す.DXF,Wavefront 現 で き ま せ ん が,PLY形 VRML形 の で,拡
式 は,形
式,VRML形
OBJは
輝 度 情 報 を表
式 は 輝 度 情 報 も合 わ せ て 表 現 で き ま す.
状 だ け で な く シ ー ン(環
張 性 が あ る 反 面,人
体
境)が
表 現 で き る よ うに な っ て い る
体 形 状 だ け を表 現 す る の で あ れ ば無 駄 が 多 い とい う
こ と で も あ り ま す. ち な み に,DXF,
Wavefront
OBJ,
VRML,
PLYの
いずれ もテキ ス トフ ァ
イル 形 式 で す.な Wavefront
OBJ形
か で も,エ デ ィタ な ど で デ ー タ を 簡 単 に操 作 しや す い の は, 式 とPLY形
式 で す.DXF形
式 で は,3DFACEと
ン ド を使 って ポ リ ゴ ン表 現 す る こ とが 多 い の で す が,こ を構 成 す る座 標 値 を列 挙 し ます.1つ はず な の で,同
の 場 合,1つ
の ポ リゴ ン
の 頂 点 は,複 数 の ポ リ ゴ ン に 含 まれ て い る
じ点 が 何 度 も出 て くる こ と にな りま す.
これ に対 してPLY形 れ て い て,ヘ
い うコマ
式 は,ヘ
ッ ダ ・デ ー タ ・フ ェ イ ス の3つ
ッ ダ に は ポ リゴ ン数 や デ ー タ 点 数 な どの 情 報,デ
座 標 値 が 記 述 さ れ ます.そ
して,フ
の パ ー トに分 か ー タ に はXYZ
ェ イ ス に何 番 目 の頂 点 を接 続 して 面 が で き る
か とい う頂 点 対 応 情 報 を 記 述 し ま す.後 述 す る人 体 相 同 モ デ リ ング で は,ど の個 人 も,解 剖 学 的 に対 応 づ け られ た 同一 点 数 ・同 一 位 相 幾 何 構 造 の形 状 モ デ ル で記 述 さ れ るた め,ヘ な り ます.つ
ッ ダ と フ ェ イ ス が 同 じで,デ
ー タ の パ ー トだ けが 異 な る こ とに
ま り,デ ー タの パ ー トだ け入 れ 替 え れ ば よい の で す.デ ー タ を編 集
しや す い と い う理 由 もそ こ に あ り ます. 多 面体 で は な く,数 学 曲 面 の集 合 体 と し て形 状 を記 述 す る こ と も あ り ます.2 次 元 で 考 え る と,平 面 上 に 円 く並 ん だ 点 列 を1つ ず つ 直 線 で つ な い で多 角形 表 現 す るか,中 心 の座 標 と半 径 と円 の 方程 式 で 表 現 す るか の 違 い に 相 当 し ます.最 近 は,Non‐Uniform
Rational B‐Splines曲 面(NURBS)と
が一 般 的 に な っ て い ます(図2.12(c)).ス
い う方 式 で記 述 す るの
プ ラ イ ン で す か ら,薄 い鉄 板 を 弾性
域 内 で 曲 げ て 形 状 に沿 わ せ る こ とで,形 状 を 曲面 表 現 す る とい う考 え 方 に な りま す.鉄 板 の変 形 は数 学 モ デル 化 で きて い る の で,薄 い 鉄 板 の4頂 点 な ど を指 定 す れ ば,曲 面 全 体 が 記 述 で き ます.1つ
の 鉄 板 で 人 体 形 状 を そ っ く り包 み 込 む こ と
はで き な い の で,普 通 い くつ もの鉄 板 をパ ッチ ワ ー ク の よ う に張 っ て,そ の 集 合 体 と して 曲面 表 現 し ます.こ チ モ デ ル と呼 び ま す.こ
の よ う な デ ー タ は,IGES形
gov/fipspubs/fip177‐1.htm)で
2.7.2
の よ う に表 現 さ れ た もの を,曲 面 モ デ ル,曲 面 パ ッ 式(http://www.it1.nist.
保 存 す る の が 一 般 的 で す.
ノイ ズ除去
計 測 デ ー タ 処 理 の 最 初 の ス テ ッ プ は ノ イズ 除 去 で す.ほ
とん どの計 測 装 置 に は
ノ イ ズ 除 去 の 機 能 が 付 い て い る の で,そ
れ を使 う こ と に な り ま す.ノ
イズ除去
は,形 状 デ ー タ に 限 らず あ らゆ る デー タ に つ き ま と う問 題 で す が,形 状 デ ー タ処 理 で は少 々 違 う意 味 で 使 わ れ る こ とが あ る よ う で す. 形 状 デ ー タ処 理 に お け る 「ノイ ズ」 は,人 体 形 状 を計 測 した と き に同 時 に計 測 さ れ て し ま っ た余 計 な もの(体 多 い の で す.こ
を支 え るた め の 棒 や 背 景 の 板 な ど)を 指 す 場 合 が
れ は,ア ー テ ィ フ ァ ク トと呼 ぶ べ きで す が,形 状 処 理 で は な ん で
も ノ イ ズ と呼 ん で し ま い ます.し
た が っ て,「 ノ イ ズ処 理 」 で は,お
もにこのア
ー テ ィフ ァ ク トを 目視 と手 作 業 で 除 去 す る こ とに な ります .肝 心 の ノ イ ズ,す な わ ち,な
め らか な 面 を計 測 した の に,よ
り空 間 周 波 数 の 高 い形 状 デ ー タが 重 畳 し
て い る とい う よ うな もの は,こ の 段 階 で は 除 去 で き ませ ん.後 述 す る ポ リゴ ン化 か 曲 面 モ デ ル 化 の とき に,除 去 す る こ と に な り ます.
2.7.3
特徴 点入 力
2.5節 で 述 べ た よ う に,多
くの 人 体 形 状 計 測 シ ス テ ム で は,解 剖 学 的 特 徴 点 の
検 出 と意 味 づ け の 工 程 が 体 系 的 に シ ス テ ム に 組 み 込 ま れ て い ませ ん.し た が っ て,形 状 計 測 時 に得 られ た輝 度 情 報 や色 情 報 の 画像 デ ー タ を見 なが ら,解 剖 学 的 特 徴 点 上 に貼 っ た マ ー カ シー ル を 目視 で識 別 し,マ ウ ス ク リッ ク な どで そ の 座 標 を取 得 す る工 程 が 必 要 とな ります.多
くの 場 合,こ
の 工 程 も手 作 業 に な り ます.
先 に述 べ た よ う に,検 出 が 手 作 業 で あ って も,そ の 座 標 デ ー タが 解 剖 学 的 な 意 味 情 報 を含 め て 管 理 で き る よ う に な っ て い れ ば よ い の で す が,そ の 場 合 に は,ク
うで な い シス テム
リ ック す る順 番 を 明瞭 に決 め て,マ ニ ュ ア ル ど お りの順 番 で ク リ
ッ ク して い か な けれ ば な りませ ん.
2.7.4
位 置あわ せ
人 体 形 状 は1方 向 か ら撮 影 した だ けで は計 測 し きれ ませ ん.そ の た め,カ
メラ
を複 数 台 使 っ て 多 視 点 計 測 す る こ とに な りま す.当 然,複
数 カ メ ラ で 得 られ た形
状 デ ー タ を一 体 化 す る必 要 が で て き ま す.こ
テ ッ プ が位 置 あ わ せ
(alignment)で
す.位
の 第1ス
置 あ わ せ と は,複 数 台 の カ メ ラ で 得 られ た 形 状 デ ー タ
(多 くの場 合,こ
の 時 点 で は そ れ ぞ れ の カ メ ラ座 標 系 で 記 述 され て い る)を,統
一 さ れ た 装 置 座 標 系 に変 換 す るス テ ップ で す も っ と も基 本 的 な 方 法 は,カ
.
メ ラ を装 置 に し っ か り と固 定 し て お い て,多
数台
の カ メ ラ間 の 相 対 的 な 位 置 関係(光
学 外 部 パ ラ メ ー タ)を,別
途 キ ャ リブ レー シ
ョン に よ って 取 得 す る方 法 で す.カ
メ ラ とい う装 置 は,1mほ
どの 大 き さ の もの
を撮 像 素 子 サ イ ズ(切 手 大)ま
で 光 学 的 に 縮 小 す る構 造 で あ る た め,カ
定 台 な どが 少 し で もず れ る と,す
ぐ に数mmの
メラの固
誤 差 を生 じて し ま い ま す.ま
っ
た く使 用 して い な く と も,経 年 変 化 に よっ て カ メ ラ の位 置 は微 妙 に ず れ 得 る し, 頻 繁 に使 って いれ ば被 験 者 の 出 入 りに伴 う振 動 で 一 層 ず れ る こ とに な り ます.そ の 場 合 は,改
めて キ ャ リ ブ レ ー シ ョン を や り直 し,光 学 外 部 パ ラ メ ー タ を置 き換
え る こ と にな りま す. あ る程 度 定 期 的 に既 知 形 状 デ ー タ(基 準 球 な ど)を 計 測 し,納 入 時 に比 べ て カ メ ラ間 の位 置 あ わ せ の ず れ が 目 立 つ よ うで あ れ ば,キ
ャ リブ レー シ ョ ン をや り直
す の が よ い で し ょ う.光 学 外 部 パ ラ メ ー タ で位 置 あ わせ をす るだ け で は な く,カ メ ラ間 で重 複 して い る部 分 の形 状 誤 差 が 最 小 に な り,全 周 で の ず れ が 最 小 に な る よ う に,さ
ら に微 修 正 を加 え る技 術 も開 発 され て い ます.こ の よ うな 位 置 あ わ せ
補 正 機 能 を組 み 込 ん で い る装 置 もあ り ます. こ れ ら の 機 能 が,計 Geomagic
Studioな
測 装 置 と は 別 の 市 販 汎 用 ソ フ トウ ェ ア(Rapid
Formや
ど)に 組 み 込 ま れ て い る た め,そ れ を利 用 す る ケ ー ス もあ
り ます.市 販 ソ フ トウ ェア の 場 合,カ
メ ラ ご との 形 状 デ ー タ を単 に点 群 デー タ と
して 扱 っ て誤 差 を最 小 化 す る こ とに な りま す.こ れ に対 し,カ メ ラ専 用 の ソ フ ト ウ ェ アの 場 合,対
象 物 表 面 の3次 元 情 報 だ け で な く,対 象 物 とカ メ ラ の 位 置 関 係
の情 報 も もっ て い るの で,カ して 表 し て,よ
2.7.5
メ ラ か ら対 象 物 まで の 距 離 を符 号 付 き の距 離 情 報 と
り幾 何 学 的 に正 確 に 位 置 あわ せ す る こ と も可 能 に な り ます.
合併
位 置 あ わ せ の あ と に合 併(merge)が
あ りま す.多 数 台 の カ メ ラ で 計 測 され た
形 状 デ ー タ の欠 片 は,そ れ ぞ れ 部 分 的 に重 複 して い ます.ど
れ ほ ど誤 差 を少 な く
位 置 あ わ せ し て も,こ の 重複 した 部 分 が完 全 に1枚 に重 な る こ と は な く,層 状 に ず れ が生 じて し まい ま す.こ の 部 分 を1枚 の つ なが っ た 形 状 デ ー タ にす る工 程 が 合 併 で す.前 述 の 市 販 汎 用 ソ フ トウ ェ ア に もmerge機 また,先
能 が搭 載 さ れ て い ます.
に述 べ た よ う に符 号 付 きの距 離 情 報 を使 っ て 合 併 で きれ ば,そ の ほ う
が よ り幾 何 学 的 に破 綻 の な い 形 状 を構 成 で き ま す.た だ 残 念 な こ とに,多 販 形 状 計 測 装 置 はい ず れ で も な い 方法 で 合 併 し て い る場 合 が 多 い の です.円 標 系 等 に よ る合 併 で す.人 す い.そ
体 は,そ
くの 市 筒座
も そ も筒 状 で あ る の で 円筒 座 標 系 で表 現 しや
こ で,位 置 あ わ せ し た多 カ メ ラの 形 状 デ ー タ を,一 度,人
体 中心の円筒
座 標 系 に変 換 し,重 複 個 所 が あ れ ば放 射線 方 向 に平 均値 を計 算 して 合 併 し ます. た だ し,こ れ で は う ま くいか な い場 合 も あ りま す.た 円 座 標 で 記 述 し よ う と す る と,手
とえ ば,腰 の 部 分 の 断 面 を
の 部 分 が う ま く 表 現 で き ま せ ん(図
(c) 頭 部 断 面
(b) 肩 断 面
(a) 手 を含 む断 面 図2.13 円筒 座 標系 表現
2.13(a)). そ こで 今 度 は,手 足 を切 り離 し,人 体 を で きる だ け 円筒 で表 現 で き るパ ー トに 分 け て 記 述 す る こ とに な り ます.と り ま す.た
と え ば,肩
2.13(c))で
す.
こ ろが,そ
断 面(図2.13(b))や
別 の 問題 もあ ります.た
れ で も円 筒 表 現 で きな い 個 所 が あ 耳 を 含 む 頭 部 断 面 な ど(図
とえ ば,人 体 形 状 を 円筒 座 標 系 の 水 平 断 面 積 層 で 表 現
し よ う とす る と,肩 上 面 の よ うに そ も そ も水 平 に な っ て い る部 分 で は デ ー タ点 間 隔 が 広 くな り,う ま く表 現 で きな い こ と に な るの で す(図2.14).円 は な く,2.5次
筒座標 系 で
元 の 平 面 座 標 系 で 合 併 す る場 合 もあ り ます.こ れ は,多 数 台 の カ
メ ラ の 形 状 デ ー タ を,人 体 の 正 面 と後 面 に想 定 した 仮 想 平 面 座 標 系 に変 換 し,そ の平 面 座 標 系 の 奥 行 き方 向 デ ー タ と して 統 合 す る方 法 で す.こ の 場 合 も体 側 部 分 や 肩 の 上 面 な ど は,デ 2.15).こ
ー タ が 記 述 で き な い た め,失
わ れ て し ま い ま す(図
れ らの 個 所 は,本 来 計 測 デ ー タ と し て 取 得 で き て い た 部 分 で す が,安
易 な合 併 処 理 に よ っ て失 わ れ て し ま う こ と に な り ます.体 側 部 分,肩 の 後 ろ側 な どは計 測 が む ず か しい(光
が 当 た らな い,カ
メ ラ で見 え ない)だ
な く,合 併 処 理 に よ っ て も失 わ れ や す い個 所 に な っ て い ます.う い 場 合 に は,デ ー タ の 合 併 処 理 を見 直 す の も一 案 で す.
図2.14
水 平 断面 積 層 表現
の 上 面,耳 けで
ま く計 測 で きな
図2.15
2.7.6
正面・ 後 面座 標 系 表現
ポ リ ゴ ン 化
計 測 さ れ た 人 体 形 状 デ ー タ は,基 と が で き ま す.こ
れ も,多
本 的 に 点 群 デ ー タ で す が,こ
く の 形 状 計 測 装 置 が 標 準 的 に 備 え て い る 機 能 で す.別
に 汎 用 市 販 ソ フ ト ウ ェ ア で ポ リ ゴ ン 化(polygonize)を
行 う こ と も あ り ま す.
DELCAM社(http://www.delcam.com/)のCopyCAD,
Raindrop
社(http://www.geomagic.com/)のGeomagic のRapid
Formと
が 使 え る よ う に な り ま す.平
リ ゴ ン 減 数 処 理(Polygon
INUS
Technology社
reduction,
に 近 け れ ば,1つ
の面 に統合 して しま う
果 的 に ポ リ ゴ ン 数 を 減 ら せ る こ と に な り ま す.実
ま で 減 ら し て し ま っ て も,ほ
Decimation)
面 を た くさ ん の 三 角 形 で 表 現 す るの は 無 駄 で あ る
接 す る 三 角 形 の 相 対 角 度 が180度
こ と で,効
Studio,
Geomagic
い う ソ フ ト ウ ェ ア な どが こ の 機 能 を 有 し て い ま す.
ポ リ ゴ ン 化 を す る と,ポ
し,隣
れ に 面 を張 る こ
と ん ど 問 題 あ り ま せ ん(寸
際 に は,1/5く
らい
法 も形 状 も変 わ ら な い).
ポ リ ゴ ン数 を減 らす と,フ ァイ ル サ イ ズ が小 さ くな るだ け で な く,表 示 も速 くな り,処 理 が 楽 に な り ます.
2.7.7
曲 面 モ デ ル 化
曲 面 モ デ ル 化(NURBS)に 主 に,CG系
とCAD系
対 応 し て い る ソ フ ト ウ ェ ア は い ろ い ろ あ り ま す. に 分 か れ ま す.CG系
系 は 操 作 が 煩 雑 で す が,細 は,上
記 のGeomagic
は 見 た 目 重 視 で 操 作 が 簡 単.CAD
か に 設 定 が で き,精
Studioな
ど,CAD系
度 を 重 視 し て い ま す.CG系
で は 上 記 のCopyCAD,(株)ア
イテ
ィ ー テ ィ ー(http://www.ittc.co.jp/)のParaformな
ど,そ
フ トで はRhinoceros(http://www.rhino3d.co.jp/)が
よ く利 用 さ れ ま す.
2.7.8
で
れ か ら低 価 格 の ソ
指標 化
人 体 形 状 デ ー タ を学 術 に,な い しは産 業 に活 用 し よ う と し た と き,多 な ん らか の 個 人 間 比 較 や 統 計 処 理 が 必 要 に な り ます.ひ
くの 場 合
とつ の方 法 は,人 体 形 状
デ ー タ か ら人 体 寸 法 を計 算 し,そ れ を比 較 ・統 計 処 理 す る こ とで す が,こ れ で は な ん の た め に 形 状 デ ー タ を計 測 した の か わ か り ませ ん.次 面,投
の 方 法 は,角 度,断
影 面 積 な ど2次 元 的 な形 状 特 徴 を指標 化 して,比 較 ・統 計 処 理 す る方 法 で
す.指 標 化 とい うか らに は,形 状 デ ー タ を観 察 して 違 い を見 いだ し,そ れ を よ く 表 す よ う に定 義 す る の で,決
ま っ た 指標 化 手 法 は あ りま せ ん.多
くの 方 法 は2次
元 の 形 状 特 徴 で す. した が って,3次 必 要 で す.多
元 人 体 形 状 か ら,特 徴 的 な2次 元 形 状 を抽 出 す るス テ ップ が
くの 場 合,断
面 形 状 か投 影 形 状(シ
形 状 とは,ウ エ ス ト断 面 や バ ス ト断 面,足 よ っ て定 義 さ れ る断 面 形 状 で す.あ
ル エ ッ ト)が 使 わ れ ます.断 面
で あ れ ば ボー ル 部 断 面 な ど,特 徴 点 に
る特 徴 点 を通 る水 平 断面 と して定 義 した り,
左 右 の 特 徴 点 を含 み 矢 状 面 に垂 直 な 断面 と して 定 義 した り,あ る い は3つ の 特 徴 点 で 面 を定 義 す る こ とが で き ます.CG系 き ます が,面
の ソ フ トウ ェ ア で も断 面 切 り出 し はで
の定 義 を正 確 に行 え な い場 合 が 多 い で す.あ
ら しい と こ ろで 切 断 す る機 能 しか な い の で す.
くまで も見 た 目で それ
ま た,CG系
の ソ フ トウ ェ ア で は,切 断 し た あ と の 断 面 デ ー タ を座 標 デ ー タ
(ベ ク タ ー)と
し て 保 存 で きな い も の が 多 い よ う で す.筆
者 ら は,Image
Mod
elerと い う ソ フ トウ ェア 上 の プ ラ グ イ ン と して(株)ア イ テ ィー テ ィ ーが 開発 した ツー ル を使 っ て い ま す.断 面 周 囲 長 を 等 長 分 割 し,分 割 点 の座 標 値 デ ー タ を保 存 す る こ とが で き ます.ほ
か に も,(株)メ
デ ィ ック エ ン ジ ニ ア リン グ の3D‐Rugle
とい う ソ フ トウ ェ ア で 自在 に断 面 を切 り出 す こ とが で き ます.断 面 デ ー タ は画 像 デ ー タ(ラ
ス タ ー)や 座 標 デ ー タ(ベ
ク タ ー)で 保 存 で き ます.
この よ う に して,断 面 を抽 出 した あ と,断 面 形 状 特 徴 を 指標 化 す る方 法 を い く つ か 紹 介 し て お き ま す の で,参 考 に して くだ さ い. (1) 角 度 肩 の傾 斜,背
骨 の 屈 曲,足 の 指 の 曲 が りな どを 表 す の に,人 体 断 面 や 投 影 面 形
状 に補 助 線 を 引 い て,角 度 を定 義 す る 方 法 で す.補 助 線 を 引 くに は,2点
を定義
して し ま っ た り,あ る範 囲 を定 義 して その 形 状 デ ー タ点 に適 合 す る直 線 を求 めた りす る方 法 が 用 い られ ます.こ の 場 合,補
助 線 を 定 義 す る た め の 点 や 範 囲 を いか
に合 理 的 に定 義 す る か が鍵 に な り ます. (2) 重 心 ・慣 性 主 軸 慣 性 主 軸 とは,そ
の軸 まわ りの 断 面2次
モ ー メ ン トが 最 小 と な る軸 で,重 心 を
通 り ます.直 感 的 に わ か りや す く表 現 す る と,断 面 を厚 紙 で切 って,こ
れ に細 長
い棒 を貼 り付 け て ぐ る ぐる 回 そ う と し た と き,一 番 回 しや す い棒 の 貼 付 け 方 向 が,慣 性 主 軸 とい う こ とで す.多
くのCAD系
ソ フ トウ ェ ア で は,断 面 座 標 デ ー
タ で 形 づ く られ る多 角 形 の重 心 や 慣 性 主軸 を計 算 して くれ ます. ま た,汎 用 の2次 元 画 像 処 理 ソ フ トウ ェ ア を利 用 し て,断 面 画 像 デ ー タ か ら重 心 や 慣 性 主 軸 を 計 算 す る こ と も で き ま す.た image,http://www.scioncorp.com/)は
と え ば,NIH
image(Scion
有 名 な フ リー ソ フ トウ ェ ア で,こ
れら
の特 徴 量 計 算 が で き ます. (3)
距離 関数
重 心 は 断 面 固有 の 特 徴 で す か ら,重 心 位 置 か ら外 周 形 状 まで の 距 離 が 図形 特 徴 と し て 利 用 で き ま す.外 周 上 の 任 意 の 点 を始 点l0と
し て,外 周 上 の距 離lを
媒
図2.16
距 離 関数
介 変 数 と し て,外 2.16).必
図2.17
周 上 の 点 と重 心 と の 距 離rをlの
偏 角 関数
関 数 で 表 現 し ま す(図
ず 周 期 関 数 に な りま す.ま た,始 点 を慣 性 主 軸 に 取 れ ば,断 面 間 で 幾
何 学 的 相 同 性(解
剖 学 的 な 相 同 性 で は な い)を 保 つ こ とが で き ます.
(4) 偏 角 関 数 断面 形状 が もつ 特 徴 を ス ケ ー ル に依 存 せ ず に 記 述 す る 方 法 と して偏 角 関 数(ベ ク トル 角度 法)が
あ り ます.断 面 形 状 の 外 周 に 沿 っ て媒 介 変 数lを
上 の 任 意 の 点 を 始 点l0と
定 義 し,外 周
して,外 周 上 の 点 の 接 線 と空 間 座 標 系 の 固 定 軸 との な
す 角度 θ を媒 介 変 数lの 関 数 で 表 し ま す(図2.17). (5)
フ ー リエ 記 述 子
(3)や(4)は,必
ず 周 期 関 数 に な り ます か ら,そ れ を フー リエ変 換 し て,そ の
スペ ク トル(係 数 の 多 次 元 ベ ク トル)に
よ って 特 徴 を表 す こ とが で き ます.こ
れ
を フ ー リエ 記 述 子 とい い ます. (6) 細 線 化 ・骨 格 断面 の 中 心 線 を 画像 処 理 に よ っ て抽 出 す る手 法 が あ り ます.こ 処 理(対
象 物 が 黒=1,そ
に対 す る処 理)と
れ 以 外 の部 分 が 白=0の2値
れ は,2値
画像
で表 現 された画 像 デー タ
して 一 般 的 な もの で す.細 線 化(thinning)は,画
像周 辺部 か
ら図形 の連 結 性 を保 ち なが ら画 素 を消 去 して い く方 法 で す.骨 格(skeleton)は こ れ とよ く似 通 っ て い ます が,す べ て の黒 い 画 素 につ い て外 周 線 か らの 距 離 を計 算 し,距 離 が 極 大 とな る画 素 の み を残 す 方法 で す.断 面 形 状 を画 像 デ ー タ と して
(a) 足底 面 画 像
(b) skeleton
図2.18
保 存
し,先
com/)な
2.7.9
に 紹 介
し たNIH
骨 格(skeleton)
image(Scion
image,
http://www.scioncorp.
ど を 用 い て 計 算 す る こ と が で き ま す(図2.18).
形状 の重ね 合わせ
2つ の 人 体 形 状(異
な る被 験 者 の デ ー タ で も,同 一 被 験 者 の デ ー タ で も)を 両
者 が で き る だ け一 致 す る よ う に重 ね 合 わ せ(registration)を が あ りま す.2.4節
で 述 べ た,異
置 あ わ せ(alignment)す
した い とい う場 合
な るカ メ ラ か ら得 られ た 形 状 デ ー タ の欠 片 を位
るの と技 術 的 に は似 て い ま す.2つ
の 人 体 形 状 が,後
述 す る相 同 モ デ リ ング で表 現 され て い る の で あ れ ば,重 ね合 わ せ は そ れ ほ ど むず か し くあ り ませ ん. こ こで は,2つ
の 形 状 デ ー タ の ポ リゴ ン数 が 異 な っ て い る 場 合 に,両 者 を誤 差
最 小 で 重 ね合 わ せ る技 術 を紹 介 し ます.き わ め て 簡 単 で す.2つ て い て,そ
の形 状 が 似 通 っ
れ な りに重 な り合 っ た初 期 姿 勢 に あ る と し て,移 動 対 象 形 状 の す べ て
の頂 点 に つ い て,移 動 目標 形 状 の もっ とも近 い頂 点 を探 し出 し,そ の距 離 の 総 和 を最 小 にす る よ う に,移 動 対 象 形 状 の位 置 と姿 勢 を最 適 化 し ます.位 修 正 と最 近 傍 頂 点Iterative
Closest Point(ICP)と
置 と姿 勢 の
呼 ばれ る技 術 で す.頂
点数
が 増 え る と こ の 計 算 は爆 発 し て し ま う た め,計
算 を 効 率 化 す る 手 段 が い くつ も提
案 さ れ て い ま す.Geomagic
Formに
い ま す.処
StudioやRapid
理 時 間 さ え 気 に し な け れ ば,自
は, ICPが
組 み込 まれ て
分 で ソ フ トウ ェ ア を 書 い て も た い し て
む ず か し く は あ り ま せ ん.
2.7.10
相 同人 体 形 状 モ デ リ ン グ
解 剖 学 的 特 徴 点 は被 験 者 間 で対 応 が あ り点 数 も同 一 で す が,表 面 形 状 デ ー タ点 に は な ん の 対 応 づ け も あ り ませ ん.と
は い え,解 剖 学 的 特 徴 点 だ け で比 較 す る に
は特 徴 点 の 数 が 少 な く,形 状 の情 報 を十 分 に反 映 して い ませ ん.そ
こで,解 剖 学
的 特 徴 点 を手 が か りに,表 面 形 状 デ ー タ に個 人 間 の 対 応 をつ け る こ と に な り ま す.同 一 点 数 ・同一 位 相 幾 何 構 造 で 解 剖 学 的 な 対 応 の つ い た 形 状 デ ー タ を,筆 者 らは相 同 人 体 形 状 モ デ ル(Homologous
Human
Body
Shape
model)と
呼 んで
い ます. 大 き く2つ の表 現 形 式 が あ り ます.第 一 はポ リゴ ン表 現 で,第 二 は 数 学 曲 面 表 現 で す.そ Processing
れ ぞ れ一 長 一 短 が あ り ます が,PCの Unit(GPU)が
メ モ リが 潤 沢 に な り,Graphic
ポ リゴ ン表 現 に特 化 す る よ うに な っ た こ とか ら,ポ
リゴ ン表 現 を利 用 した研 究 が 増 えて い ます.解 剖 学 的特 徴 点 か ら,主 要 解 剖 学 断 面 を切 り出 し,断 面 上 に新 た な 形 状 デ ー タ 点 を とる こ とで対 応 づ け を行 う方 法 が あ り ます(図2.19).筆
者 らは主 と し て この 方 策 で,足 や 胴 体,顔
ン グ を行 っ て き ま した8).た だ,こ (数 百 点 程 度),ま
の相 同モ デ リ
の 方 策 は対 応 づ け で き る点 数 に 限 界 が あ り
た,部 位 ご とに 専 用 ソ フ トウ ェ ア を 開発 し な け れ ば な らず,効
率 的 で は あ り ませ ん で した. これ に対 して,細 分 割 曲 面 を用 い た相 同 モ デ リ ング 法 が 提 案 さ れ て い ま す9). 細 分 割 曲 面(subdivision
surface)と
は,1970年
線 を無 限 に分 割 して い く とな め らか な 曲線(の る とい う もの で す.実
代 に 考 案 さ れ た 方 法 で,折
よ うな精 密 な 折 れ 線)が
は,無 限 に 分 割 す る と2次 のBス
る こ とが 証 明 さ れ て い ます.こ
れ
生 成 され
プ ラ イ ン 曲 線 に収 束 す
れ を3次 元 ポ リゴ ンに拡 張 し,さ
ら に分 割 した ポ
リゴ ン頂 点 が 実 測 点群 に近 づ くよ う に す る こ とで,実 測 点群 に フ ィ ッ ト した 精 密
図2.19 足 の 相 同 モ デ リ ング の例
ポ リ ゴ ン モ デ ル を得 る こ とが で き ます. この とき分 割 を 始 め る最 初 の ポ リ ゴ ン(数 百 点 程 度 で よ い)を 標 準 人 体 モ デ ル (generic human
model)と
して構 成 し て お き,そ の 頂 点 に解 剖 学 的 特 徴 点 との
対 応 をつ け て お き ます.標
準 人 体 モ デ ル の 対 応 づ け られ た 頂 点 が 実 測 した 解 剖 学
的 特 徴 点 に一 致 し,か つ標 準 人 体 モ デ ル を細 分 割 して で き る新 し い頂 点 と実 測 点 群 の距 離 が 小 さ くな り,さ ら に細 分 割 され た 新 しい頂 点 にで き るだ け粗 密 が 生 ま れ な い よ う に,標 準 人 体 モ デ ル を変 形 し ます.1つ
の 標 準 人 体 モ デ ル を,さ
まざ
ま な被 験 者 の 実 測 点 群 デー タ に 向 け て細 分 割 す る こ とで,同 位 相 で,同 点 数 で, 解 剖 学 的特 徴 点 の対 応 が つ い た 精 密 な人 体 形 状 ポ リゴ ンモ デ ル が 構 成 で き る こ と に な ります10)(図2.20).筆
者 ら は この 技 術 を拡 張 し,汎 用 の 人 体 相 同 モ デ リ ン
グ ソ フ トウ ェ アHBM(Homologous ます((有)デ
Body
Modeling)と
して有 償提 供 してい
ジ タル ヒ ュー マ ンテ ク ノ ロ ジ ー販 売).
異 な る個 人 の 人 体 形 状 に つ い て相 同 モ デ ル が構 成 で き れ ば,個 人 差 の 定 量 的比
(a) 標 準 人体 モ デル
(b) 4倍 細分 割
図2.20
細分 割 曲面 を用 いた 精 密 な相 同モ デ リン グ
較 は き わ め て 容 易 に な ります.た よっ て2体
(c) 16倍 細 分 割
と え ば,対 応 点 間 の ユ ー ク リ ッ ド距 離 の 総 和 に
の 相 同 モ デ ル 間 の形 状 距 離 を定 義 で き ます.多
くの 人 体 形 状 につ い て
総 当 た り式 に距 離 を計 算 し,距 離 行 列 を構 成 す れ ば,多 次 元 尺 度 法 を用 い て 人 体 形 状 の 分 布 図 を得 る こ とが で き ま す(図2.21).分
布 図 の 中 心 に位 置 す る平 均 形
状 だ けで な く,分 布 図上 の 中 心 付 近 に存 在 す る仮 想 形 状 を 重 み 付 き の平 均 に よ っ て 内 挿 合 成 で き ます.内 の か を,Free
Form
挿 され た 仮 想 形 状 が 分 布 図 に沿 っ て どの よ うに 変形 す る
Deformation法
の変 形 格 子 移 動量 と して 定 式 化 す る と,分
布 図 周 辺 の仮 想 形 状 を外 挿 す る こ と も可 能 に な る の で す11).こ れ らの統 計 処 理 機 能 は,筆 者 らが 開 発 したDarcii‐T,
Human
Body
Statisticaと い う ソ フ トウ ェ
ア((有)デ
ジ タ ル ヒ ュー マ ンテ ク ノ ロ ジ ー 販 売)に
ま とめ られ て い ます.
一 方,相
同 モ デ ル の 座 標 を そ の ま ま主 成 分 分 析 し,各 主 成 分 を構 成 す る 固有 値
形 状 を も と に,分 布 図上 の 任 意 の 形 状 を合 成 す る方 法 も あ り ます12)(図2.22). 顔 の2次 元 形 状 モ デ ル に対 して提 案 され た 方 法 で す が,相
同3次 元 ポ リゴ ン に も
図2.21
容 易 に適 用 で き ます.筆
人 体 形 状の 分布 図
者 らが 開 発 し た 前 出 の 方 法11)よ り も,仮 想 形 状 の 合 成
計 算 コス トが 低 い の が 特 徴 で す.た だ し,対 象 の ば らつ き を説 明 す るの に多 次 元 尺 度 法 よ り も多 くの 次 元 数 を 要 す る(た
と え ば顔 の ば らつ き の90%を
の に 多 次 元 尺 度 法 で は4次 元,主 成 分 分 析 で は20次 元 程 度 必 要)こ 後 述 す る類 型 化 の 目 的 に は多 次 元 尺 度 法 の ほ うが 有 効 で し ょう13).
説 明す る とが 多 く,
図2.22
主成 分 に基 づ いて合 成 され た仮 想 形状
2.8 応 用 事 例 人 体 形 状 デ ー タ を相 同 モ デル 化 し,か た ち の個 人 差 を知 り,そ れ に 基 づ い て消 費 者 の 個 人 差 を効 率 よ くカバ ー す るま った く新 しい 製 品 サ イ ズ 分 類 を行 った 事 例 を紹 介 し ま し ょ う. 日本 人 男 性 の3次
元 顔 形 状 の個 人 差 に対 応 した メ ガ ネ フ レ ー ム の 開 発 で
す14,15).メガ ネ と関 連 す る顔 の 部 分 形 状 を3次 元 計 測 し,そ れ を解 剖 学 的 特 徴 点 に基 づ い て 相 同 モ デ ル 化 し ま した(図2.23).56名 か ら,図2.24の
の 日本 人 男 性 の顔 相 同 モ デル
よ うな 日本 人 男 性 の 顔 形 状 分 布 図 が 得 られ ま した.図
の 第1軸
は もっ と も大 きな 個 人 差 を表 す 特 徴 軸 で,前 後 に長 く大 きい顔 と前 後 に 短 く小 さ い顔 を対 比 す る よ うな軸 に な っ て い ます.第2軸 な個 人 差 を表 す特 徴 軸 で,顔
の幅 と傾 斜 を表 す 軸 で した.共
レ ー ム メ ー カ と相 談 の う え,こ の 分 布 図 を4つ B,C,D)に
は これ と直 交 し,二 番 目 に大 き 同 開 発 した メガ ネ フ
の グ ル ー プ(図2.24中
のA,
算 し ま した.こ
分 割 し,そ れ ぞ れ の グ ル ー プ を代 表 す る グ ル ー プ の 平 均 形 状 を計 の 平 均 形 状 デ ー タ をメ ガ ネ フ レ ー ムCADに
体 形 状 に 沿 う よ う な フ レー ム デ ザ イ ン を行 い ま した.
読 み 込 み,そ
こで 人
(a) 解剖 学 的特 徴 点
(b) 相 同 モデ ル 図2.23
顔 の解剖 学 的 特徴 点 と相 同モデ ル
試 作 した フ レ ー ム を別 の 被 験 者38名 た 結 果,各
に つ い て官 能 検 査 に よ る適 合 試 験 を行 っ
個 人 の顔 形 状 に適 合 す る新 型 フ レ ー ム が ほ か の フ レー ム よ り も フ ィ ッ
ト感 が よ く(p<0.01),圧
迫 感 が 少 な い(p<0.01)こ
とが 示 され ま した.同
時
に 実 施 した物 理 計 測 の結 果 か ら も,各 個 人 の 顔 形 状 に適 合 す る新 型 フ レ ー ム は圧 迫 力 が 小 さ くず れ な い 設 計 で あ る こ とが 確 か め られ ま した.こ は,そ
の後,さ
の試 作 フ レーム
ま ざ ま な ス タ イ ル バ リエ ー シ ョン で製 品 化 さ れ て い ます.筆 者 ら
は この ほか に も,ガ ス マ ス ク,補 装 具,婦 人 用 ス ラ ッ ク ス の効 果 的 なサ イ ズ分 類 と新 し いパ タ ー ン設 計 に人 体3次
元 形 状 デ ー タ を活 用 して い ます.
図2.24
日本 人男性 の顔形 状 分 布 図とグループ化
第3章
運動計測
3.1 運 動 計 測 と は 運 動 計 測 と は,人 間 のか らだ の 動 き を時 間軸 上 の 座 標 デ ー タ(→ 座 標 デ ー タ の 経 時 変 化)と (Motion
し て 定 量 的 に 記 録 す る こ と で す.最 近 は モ ー シ ョ ン キ ャ プ チ ャ
Capture)と
い う表 現 も定 着 し,さ
ら に縮 め た モ ー キ ャ プ(MoCap)
とい う単 語 も普 通 に使 わ れ る よ う に な っ て き ま した. さて,こ
こで 人 間 の か らだ の 動 き とは具 体 的 に何 を指 して い る の か を考 え な け
れ ば な り ませ ん.人
間 の か らだ の 骨 は運 動 に伴 って 相 対 的 に動 い て い ます.細
い こ とを い え ば,骨
自 身 も変 形 して い ます.さ
い て,そ
の た め に皮 膚 表 面 が 変 形 し ます.も
ら に,骨
ち ろん,骨
か
を動 か す た め に筋 力 が 働 の相 対 的 な 動 きや 重 力,
加 速 度 の 影 響 で も皮 膚 は変 形 し ます.こ れ らの す べ て の動 き を数 値 デ ー タ と して 直 接 計 測 す る技 術 は い まの と こ ろ あ り ま せ ん.現
在 の技術 で 可能 な運 動計 測 と
は,人 間 のか らだ を,変 形 し な い 固 ま り(剛 体 節)が ッ トの よ う に見 立 て,そ
の 剛 体 節 の 動 き を記 録 す る こ とに相 当 し ます.骨 の 変 形
や 体 表 面 の 変 形 は考 慮 せ ず,骨 す.こ
関節 でつ ながれてい るロボ
の 相 対 的 な 動 き に近 い情 報 を 得 る と い う こ とで
の よ う に,人 間 の か ら だ を ロ ボ ッ トの よ うに 見 立 て る こ とを,剛 体 リン ク
モ デ ル化 とい い ます(図3.1). 人 体 を剛 体 リ ン クモ デ ル に見 立 て る に は,① 体 節 を分 割 し,② 関 節 機 構 と自 由 度 を決 め な けれ ば な り ませ ん.体 節 の 分 割 とは,ど どこ が 関 節 で あ るか を決 定 し,か
こが 固 くて 変 形 しな い 個 所 で
らだ を剛 体 節 に分 け る とい う こ とで す.関 節 機
図3.1 人体 の剛 体 リ ンクモ デ ル化
構 とは 関 節 の 部 分 の構 造 モ デ ル で,ピ で 回 転 だ けす る よ うな 関 節 機 構)な
ン ジ ョイ ン ト(関 節 中心 が並 進 移 動 しな い
の か,関 節 の す べ りや 並 進 を考 慮 す る の か を
決 め る とい う こ とで す.こ の と き,関 節 の 自由 度 も決 め ます.屈 度 な の か,内 外 転 も考 慮 す る の か,回 旋 まで 考 え る の か,さ
曲伸 展 の1自
由
ら に並 進 まで 考 え る
の か とい う よ う な こ とで す. い ず れ に して も,自 分 の 問 題 を解 決 す る の に十 分 な,で
き るだ け単 純 な モ デル
に す るべ きで あ り,む や み と体 節 を細 か く分 割 した り関節 の 自 由度 を大 き くす る の は 得 策 で は あ りませ ん.そ
し て,剛 体 リ ンク モ デル に見 立 て られ た 関 節 位 置 の
時 系 列 座 標 デ ー タや 剛 体 節 の6自
由度 の 時 系 列 デ ー タ を記 録 す るの が,運
動計測
とい う こ とに な ります.
3.2 運 動 計測 法 運 動 計 測 の た め の装 置 や シ ス テ ム は,人 体 運 動 計 測 シ ス テ ム や モ ー シ ョン キ ャ プ チ ャ シ ス テ ム と呼 ば れ,さ
まざ ま な種 類 の も のが 市販 され て い ます .運 動 計 測
シ ス テム は計 測 原 理 に依 存 す る共 通 の 性 能 特 徴 を も って い る の で,ま ず は これ ら の原 理 を簡 単 に紹 介 し,一 般 的 な特 徴 を述 べ ます.
3.2.1
電 子 光 学 式標 点 計 測 法
も っ と も一 般 的 で,バ
イ オ メ カ ニ ク ス分 野 で広 く利 用 され て い る方 法 で す.人
体 の 関 節 位 置 な ど に マ ー カ を貼 り,そ の マ ー カ の3次 元 位 置 を カ メ ラ で計 測 す る 方 法 で す(図3.2).電
子 光 学 式 標 点 計 測 法(Opto‐electronic
System)に す.カ
メ ラ を使 う場 合,マ
な り,い
共 通 の 弱 点 は,第 一 に遮 蔽(occlusion)に
Stereo‐photogrammetric 弱 い こ とで
ー カ とカ メ ラ の 間 に遮 蔽 物 が 入 る とマ ー カ が見 え な く
くつ もの カ メ ラ で 同 時 に 遮 蔽 が 起 き る と,そ の 時 刻 の デ ー タ は 欠落 し ま
す.自 動 車 の モ ック ア ップ の 中 で 動 作 す る場 合 な ど は,多 数 台 の カ メ ラ を う ま く 配 置 しな い と計 測 で き ませ ん. ま た,場 合 に よ っ て は人 体 そ の もの が ほ か の 部 位 に付 け て あ るマ ー カ を隠 す こ と もあ ります.カ
メ ラ 台 数 を増 や す,設 置 を工 夫 す る,あ
図3.2 電子 光 学 式標 点 計 測
るい は遮 蔽 物 の 手 前 に
設 置 で き る小 型 カ メ ラ を使 うな どで あ る程 度 解 決 で き ます が,限 界 が あ りま す. 遮 蔽 物 をで き る だ け減 らす 工 夫 も必 要 に な り ます.自
動 車 モ ッ ク ア ップ 計 測 で
は,実 車 そ の ま まで は な く運 転 者 の 頭 上 の遮 蔽(自 動 車 の ル ー フ)を 取 り除 い て 頭 上 カ メ ラ を設 置 す る な どの工 夫 が 必 要 で す. 第 二 の 弱 点 は計 測 空 間 が 視 野 内 に 限 定 さ れ る こ と で す.あ の た め,大
た りまえの話 で す
が,カ
メ ラ か ら見 え る範 囲 しか計 測 で き ませ ん.こ
きな移 動 を伴 う場
合,た
と え ば体 操 の床 運 動 や ス ケ ー ト動 作 な どの 計 測 は 困難 で す.こ
れ もカ メ ラ
の 台 数 を増 や した り,カ メ ラ にパ ン ・ズ ー ム機 能 を もた せ る こ とで あ る程 度 は解 決 で き ます. 利 点 と して は,一 般 的 に精 度 が高 い こ と,人 体 に 取 り付 け る もの(マ ー カ)が 小 さ く軽 い こ とが 挙 げ られ ます. 複 数 台 の カ メ ラ で 同 時 に同 一 の マ ー カ を異 な る 方 向 か ら撮 影 す る こ とで得 られ た2つ
以 上 の マ ー カ の2次 元 座 標 か ら,マ ー カ の3次 元 位 置 を計 算 し ます.こ の
た め に,複 数 台 の カ メ ラの 位 置 や光 学 歪 な どを あ らか じ め知 って お く必 要 が あ り ます.こ
れ を校 正(Camera
知 の ス ケ ー ル を見 せ,そ
Calibration)と
呼 び ま す.カ
メ ラ に な ん らか の 既
の カ メ ラ撮 像 面 内 で の2次 元 座 標 を 得 る こ とで,カ メ ラ
の 光 学 系 に依 存 す る 内部 パ ラ メー タ とカ メ ラ の位 置 と配 置 に依 存 す る外 部 パ ラ メ ー タ(6自
由 度)を
精 度 よ く取 得 す る こ とで 校 正 し ます .こ の 技 術 は,写 真 測 量
学(Photogrammetry)の
分 野 か ら始 ま り1,2),バイ オ メ カ ニ ク ス の 研 究 者3‐5)と
コ ン ピ ュー タ ビジ ョン の研 究 者6)が 競 っ て 改 良 を進 め て き ま した. 大 き く2つ の 方 法 が あ ります.ひ
とつ は3次 元 の校 正 ゲ ー ジ(檻 状 の もの や箱
状 の もの な ど)を 計 測 空 間 に固 定 し,そ れ を撮 影 して ゲ ー ジ の3次 元 座 標 と撮 像 面 内 の2次 元 座 標 の 対 応 か ら内 部 パ ラ メ ー タ と外 部 パ ラ メ ー タ を求 め る 方 法 で す.写 真 測 量 学 で 最 初 に提 案 さ れ たDirect が こ の 基 盤 で,こ は,2つ
Linear
Transformation(DLT)法
れ を 改 良 した 方 法 が 数 多 く提 案 され て い ます1∼4).も う ひ とつ
以 上 の マ ー カ を取 り付 けた 剛 体 を計 測 空 間 内 で 移 動 さ せ,マ
ー カ 間 の距
離 が どの場 所 で も一 定 に な る よ う に 内部 パ ラ メー タ と外 部 パ ラ メ ー タ を最 適 化 す る 方 法 で す.Dapenaら5)に
よ っ て 提 案 され,さ
ま ざ ま に改 良 さ れ て き ま した.
前 者 の3次 元 の 校 正 ゲ ー ジ は精 度 を上 げ る た め にゲ ー ジ の加 工 精 度 と剛 性 を上 げ る必 要 が あ り,ま た 大 き な計 測 空 間 を校 正 す るた め に は大 き な ゲ ー ジ を用 意 し な けれ ば な らず,価 格 と専 有 面 積 の 面 で 不 利 で した.こ
れ に対 し て,後 者 の マ ー
カ を付 け た 剛 体 を 動 か して 構 成 す る方 法 は,ゲ ー ジ そ の もの を小 型 軽 量 にで き, 比 較 的 広 く不 定 型 な 空 間 を校 正 で き る こ とか ら,市 販 製 品 で は後 者 の校 正 方 法 を 採 用 す る もの が 増 えて い ま す.こ れ ら の理 論 的 背 景 に つ い て は,Gait 誌 に掲 載 され たCappozzoら
and
Posture
の 解 説 記 事 が 参 考 にな りま す7).
計 測 精 度 は,理 論 的 に は カ メ ラの 画 素 分 解 能 とカ メ ラの 光 軸 間 角度 で 決 ま るの で す が,実 際 に は そ の理 論 精 度 よ り も優 れ た性 能 を もつ シ ス テ ム が 多 い で す8). これ は,輝 度 情 報 や マ ー カ の形 状 情 報 を使 う こ とで 画 素 を補 間 し(サ ブ ピ ク セ ル 処 理 と い う),精 度 を 向 上 して い る か らで す.計
測 周 波 数 も高 く,最 近 で は リア
ル タ イ ム で マ ー カ の3次 元 座 標 を計 算 し,そ れ ぞ れ の マ ー カ が どの 関 節 に取 り付 け られ た もの で あ る か を認 識 し て,コ あ り ます.シ
ン ピ ュ ー タ の 画 面 に表 示 で き る シ ス テ ム も
ス テ ム が 高額 で あ る こ と,カ メ ラ を使 うた め計 測対 象 空 間 よ り もさ
らに 大 き な 空 間 を必 要 とす る こ と,カ メ ラ か ら隠 れ る部 位 の 計 測 が で きな い こ と の3点
に 関 す る課 題 は あ る もの の,総 合 的 に も っ と も優 れ た 運 動 計 測 法 で し ょ
う.マ ー カ の 貼 り方 を工 夫 す れ ば,体 節 の6自
由度 を計 測 す る こ と もで き ます.
市 販 シ ス テ ム の 多 くは,反 射 式 の マ ー カ を使 用 し ます.マ して3次
ー カ を 自動 的 に追 跡
元 位 置 を計 算 す る ソ フ トウ ェ ア,個 々 の マ ー カ が どの関 節 に付 け られ た
もの か を 自動 認 識 す る ソ フ トウ ェア を備 え る シ ス テ ム が 多 い よ うで す.最 新 の高 性 能 シ ス テム で は,マ ー カ の2次 元 座 標 抽 出 処 理 な ど をす べ て カ メ ラ側 で デ ジ タ ル 処 理 す る もの も あ り,処 理 結 果 の み を ホ ス トPCに り,従 来 のNTSCビ ス)よ
デ オ カ メ ラ(0.3Mピ
転 送 して い ま す.こ れ に よ
ク セ ル=640×480,イ
り も高 い 解 像 度 の デ ジ タ ル ビ デ オ カ メ ラ(4Mピ
ンタ ー レー
ク セ ル=2000×2000,プ
ロ グ レ ッ シ ブ)を 使 え る よ う に な り ま した.高 解 像 度 で あ る た め,3m×3m×3 mの
立 体 空 間 で 直 径2mm程
度 の マ ー カが 認 識 で き る よ う に な っ て い ます.
最 近 は,有 線 式 の 時 分 割 発 光 マ ー カ を用 い る シ ス テ ム が 出 て き ま した.こ は,反 射 マ ー カ方 式 が 主 流 に な る前 に 使 わ れ て い た 方 式 な の で す が,当
れ
時 よ りも
撮 像 素 子 や 画 像 処 理 が 進 ん だ た め,よ ピ ク セ ル の 解 像 度 と480Hzの 0.5mm以
り優 れ た シ ス テ ム に な っ て い ま す.12M
時 間 分 解 能 を も ち,3m×3m×3mの
下 の 位 置 精 度 を 出 す 製 品 も あ り ま す.マ
マ ー カ の 認 識 が 確 実 で す .識 っ て い ま す.多
立 体空 間で
ー カ が 時 分 割 発 光 す る た め,
別 処 理 が 不 要 で あ る た め リ ア ル タ イ ム 性 能 も高 くな
くの マ ー カ を 狭 い 範 囲 に 貼 り付 け る よ う な 対 象,た
と え ば手 の運
動 計 測 な ど に は 便 利 で す. 参 考 ま で に,反 Systems,
Motion
エ イ チ,Qualisys は,PhoeniX
3.2.2
射 マ ー カ 式 の 光 学 式 運 動 計 測 シ ス テ ム に は,Vicon Analysis Medical
Technologies
Corp.,
BTS,
Ariel
Dynamics
ABな
ど の 製 品 が あ り ま す .時
Inc.,
PhaseSpace
, Inc,(株)デ
Motion ィケイ
分 割 発 光 式 の もの に
Inc .な ど の 製 品 が あ り ま す.
磁 気セ ンサ
カ メ ラ を使 わ な い 運 動 計 測 シ ス テ ム もあ ります .そ の 代 表 格 が磁 気 セ ンサ に よ る計 測 法 で す.カ
メ ラ を使 わ な い 方 法 に共 通 す る特 徴 は,遮 蔽 の影 響 を受 け に く
い とい う こ とで す.磁
気 セ ンサ 方 式 は計 測 空 間 に傾 斜 した 静 磁 場 を 発生 させ,そ
の 静 磁 場 中 に 置 か れ た セ ンサ ユ ニ ッ トの 位 置 と姿 勢 の6自 由 度 を計 測 す る もので す(図3.3).1つ
の セ ンサ で6自
由度 の 計 測 が で き る点 が 特 徴 で,演 算 処 理 を ほ
図3.3
磁 気 セ ンサ
とん ど必 要 と しな い た め リア ル タ イ ム性 能 に も優 れ て い ま す.光 学 式 の計 測 シス テ ム に比 べ る と装 置 も低 価 格 で,カ で き る セ ン サ の数 は16∼32個 (マ ー カ で6自
メ ラ の 隠 れ の問 題 も あ り ませ ん.同 時 に計 測
程 度 で す が,1つ
由 度 計 測 す る た め に は最 低3個
マ ー カ 数 で48∼96個
程 度 に相 当 し ます.1人
の セ ンサ で6自
由度 計測 で きる
の マ ー カ が必 要)こ
と を考 え る と,
の被験 者 の全 身運 動 を計測 す るの
で あ れ ば,ま ず 十 分 で し ょ う. た だ し,標 点 計 測 の よ う に関 節 位 置 に 直 接 セ ン サ を付 け る使 い 方 は一 般 的 で は あ りませ ん.節
の 中 心 付 近 にセ ンサ を付 け,節 の6自 由 度 を計 測 し て 関節 位 置 を
計 算 に よ っ て 求 め ます.人
体 計 測 用 に シス テム 化 さ れ た 装 置 で あれ ば,関 節 中 心
位 置 を計 算 す る ソ フ トウ ェア な どが 付 属 し てい ます.磁 気 セ ンサ 方 式 の最 大 の 問 題 は,計 測 対 象 空 間 の磁 性 体 や 誘 電 体 の 影 響 を受 けや す い こ とで す.建 物 床 下 の 鉄 筋 に よ っ て 精 度 が 大 き く劣 化 す る こ と もあ り ます.筆 は,DIYシ
者 らが使用 した ときに
ョ ップ で 木 製 の 足 つ きす の こ を 買 っ て き て 床 上 げ を し,そ の 上 で 計
測 し ま した.天 井 と床 に鉄 筋 が 入 っ て い るた め,両 者 か ら も っ と も遠 い 空 間 で 計 測 を した の で す.可
能 で あ れ ば,購 入 前 に一 度 借 り出 し て,実 際 の実 験 室 で 精 度
検 証 して み る ほ うが よ い で し ょう.そ
もそ も,実 験 の 目的 か ら計 測 空 間 内 に金 属
が 多 い場 合(自 動 車 の モ ッ ク ア ップ 内 で の 動 作 計 測 な ど)に 測 方 法 と は い え ませ ん.製 品 とし て は,Polhemus Corp.な
どの もの が あ り ます.
3.2.3
超 音 波 セ ンサ
超 音 波 で も位 置 を計 測 す る こ とが で き ます.音
は,あ
Inc., Ascension
ま り適 切 な計 Technology
の伝搬 速 度 が わか って い るの
で,超 音 波 発 信 器 が 音 を出 し て か ら受 信 器 が 受 信 す る ま で の 時 間 を計 測 す る こ と で,距
離 を知 る こ とが で き ます.受 信 器 を3個 所 に 設 定 し,同 一 発 信 器 か ら の距
離 を 同 時 計 測 す れ ば,発 信 器 の3次 元位 置 が 特 定 で き る こ と に な り ます.こ 信 器 を,1つ
の発
の 剛体 に3つ 取 り付 け れ ば 剛体 の姿 勢 も計 測 で き ます(図3.4).カ
メ ラ よ り は遮 蔽 物 に強 い の で す が,磁 気 セ ンサ ほ ど強 靱 で も あ り ませ ん.た
だ,
超 音 波 セ ンサ は デ バ イ ス 価 格 が 安 い こ とか ら,受 信 器 を数 多 く配 置 す る こ とで遮
図3.4 超音 波 セ ンサ
蔽 の 影 響 を低 減 で き ます.超 音 波 は遮 蔽 物 や壁 面,人 体 で反 射 され,そ の 飛 行 時 間 に影 響 し,そ の ま ま誤 差 に つ な が り ます.し
か し,反 射 に よ る影 響 は
極 端 な誤 差 と し て 表 れ る こ と か ら,エ ラ ー デ ー タ除 去 技 術(た :RANdom
SAmple
Consensus
Algorithm9)な
れが音波
と え ば,RANSAC
ど)で 比 較 的 容 易 に 除 去 で
き ます.市 販 シス テム の 多 くは この よ う な誤 差 処 理 を内 蔵 して い ます. 超 音 波 シ ス テ ム の 利 点 の ひ とつ は無 線 計 測 が 可 能 に な る とい う点 で す.超
音波
発 信 に必 要 な 電 力 は さ ほ ど大 き くな い の で,電 池 で駆 動 で き ます.位 置 デ ー タ取 得 は 人 体 に取 り付 け る発 信 器 で は な く受 信 器 側 で行 って い る の で,セ 化 で き ます(こ
の場 合,発 信 の タ イ ミ ン グ制 御 に は ラ ジオ 周 波 数RFな
ン サ は 無線 ど を使 い
ます)10). 磁 気 セ ンサ や後 述 す る ジ ャ イ ロ セ ンサ な どが 人 体 に 有 線 デバ イ ス を付 け るの に 対 して,無 線 の小 型 発 信 器 だ けで 済 ませ る こ とが で き るの は有 利 で す.超 音 波 だ けで は十 分 な精 度 が得 られ な い 場 合 も多 く,後 述 す る ジ ャイ ロ セ ンサ や 加 速 度 計 と併 用 して 姿 勢 を検 出 す る シ ス テ ム もあ ります.製 や,古
河 機 械 金 属(株)の もの が あ り ます.
品 と して は,InterSense
Inc.
3.2.4
ジ ャ イ ロ セ ン サ ・加 速 度 計 ・地 磁 気 セ ン サ
ジ ャイ ロセ ンサ は,カ メ ラ の 手 ぶ れ 防止 な ど に使 われ て い る もの で す.四 状 の振 動 子 に圧 電 素 子 を取 り付 け,1方
角柱
向 に振 動 さ せ た と き,こ の振 動 子 に角 速
度 が 加 わ る と,そ れ が 別 の 方 向 の 振 動 と して 表 れ ま す.そ れ を圧 電 素 子 で 検 出 す る仕 組 み で す(図3.5).角
速 度 を検 出 し ます か ら,こ れ を積 分 して 角 度 変 化 を
得 る こ とが で き ま す.た だ し,急
に大 き な 角速 度 が か か る と計 測 範 囲 外 に な り,
それ が 積 分 誤 差 に な っ て 角 度 が ず れ ます.こ
れ を ド リフ トと呼 び ま す.
人 間 の動 き は全 般 に は ゆ っ く りした もの で す が,と
き と して 非 常 に速 く動 く と
きが あ り ます.通 常 の ゆ っ く り した 動 き に対 して感 度 を上 げ よ う とす る と,速 い 動 き に追 従 で き な い こ と に な り ます. そ こで,こ
の 角 度 ず れ(ド
リフ ト)を 補 償 す るた め に加 速 度 計 を取 り付 け て い
ます.実 際 に は,加 速 度 を積 分 して い るの で は な く,重 力 方 向 の 絶 対 的 な 方 向 を 検 出 して角 度 を補 正 して い ます.そ 解 決 で き な い こ とが あ り ます.セ
の た め,水 平 面 内 の 角 度 だ け は,ド
リフ トが
ンサ が 小 型 で応 答 性 が よ い こ とか ら,リ ア ル タ
イ ム シ ス テ ム に組 み 込 まれ た ヒュ ー マ ンイ ン タ フ ェー ス デバ イ ス と して しば し ば
図3.5 振 動 式 ジ ャイ ロ セ ンサ
利 用 さ れ て い ます.た
とえ ば,ヘ
ッ ドマ ウ ン ドデ ィス プ レ イ に取 り付 け て,頭 部
の 姿 勢 と視 線 方 向 を検 知 し,そ れ に応 じた 画 面 を見 せ るVR(Virtual やMR(Mixed
Reality)シ
ス テ ム な どで す.InterSense
Reality)
Inc.や 日本 航 空 電 子 工
業(株)の 製 品 な どが あ り ます. ジ ャ イ ロ セ ン サ シ ス テ ム の欠 点 は,単 体 で は空 間位 置 情 報 が 得 られ な い こ とに あ ります.角
速 度 を検 出 して い るの で,セ
出 で き な い の で す.そ
ンサ が 並 進 移 動 して もそ の 移 動 量 が検
こ で,加 速 度 計 で検 出 した 加 速 度 を2回 積 分 して 変 位 を 出
し,絶 対 的 な水 平 面 内 姿 勢 を地 磁 気 セ ン サ か ら取 得 す る よ うな シス テ ム も市 販 さ れ て い ます.も
ち ろ ん,電 子 光 学 式標 点 計 測 法 に比 べ る と精 度 は落 ち ます が,カ
メ ラ の視 野 や 磁 場 ・超 音 波 の エ ネ ル ギ空 間 に制 約 され る こ とな く運 動 が 計 測 で き る点 は有 利 で す.日 Inc., Xsense
3.2.5
常 生 活 行 動 の 長 時 間 記 録11)な ど に利 用 され て い ます.InterSense Motion
Technologiesの
製 品 な どが あ ります.
関節 角度計
人 体 関 節 角 度 の 時 間変 化 を検 出 す る の に 回 転 式 の 可 変 抵 抗 器 を 用 い る 方 法 は 1960年 代 に 提 案 され,そ
の 簡 便 さか ら現 在 で も利 用 され て い ます.原
理 的 には
回転 式 の可 変 抵 抗 を エ グ ゾ ス ケ ル トン(外 骨 格)機 構 で 関 節 に取 り付 け て関 節 角 度 を検 出 し ます(図3.6)12).ま 装 置 も市 販 され て い ます.歪
さ し く全 身 エ グ ゾ ス ケ ル トン型 の 関 節 角 度 計 測 ゲ ー ジや 光 フ ァイ バ を 用 い て 屈 曲 角度 を測 る フ レ キ
シ ブ ル 角 度 セ ン サ を 用 い て,装 着 負 荷 を低 減 し て い る もの もあ り ます13). い ず れ も関 節 角度 を直 接 計 測 す るた め計 算 処 理 が ほ とん どな く,リ ア ル タ イ ム 性 能 は高 い で す.た
だ し,多 自 由度 関 節 の 各 軸 ま わ りの 関 節 角 度 を検 出 す る の は
な か なか む ず か しい こ と,ジ ャ イ ロセ ン サ シス テ ム と同様 に角 度 計 単体 で は 並進 移 動 量 を検 出 で きな い こ とが 欠 点 とい え ます.ジ で,加
ャイ ロ シ ス テ ム と同様 の解 決 策
速 度 計 や 地 磁 気 セ ンサ を併 用 した シ ス テ ム もあ ります.こ
ち ら も,カ メ ラ
の視 野 や 磁 場 ・超 音 波 の エ ネル ギ 空 間 に 制 約 さ れ る こ と な く運 動 が 計 測 で き ま す.市
販 製 品 と し て は,Animazoo社
の 全 身 型 計 測 シ ス テ ム や,Biometrics
Ltd.の フ レ キ シ ブ ル ゴニ オ メ ー タ な どが あ り ます.
図3.6 電 気 角 度計
3.2.6
計 測原理 による一 般的 な特徴
運 動 計 測 法 を計 測 原 理 で 分 類 し,原 理 に 由 来 す る一 般 的 特 徴 を述 べ て き ま し た.こ
れ らを ま と め る と表3.1の
よ うに な りま す.◎ が もっ と も優 れ,以
下,○
△ の順 で す.筆 者 の 主 観 的 順 位 づ け で あ り,ま た,個 々 の シ ス テ ム レベ ル で は さ ま ざ まな 技 術 で欠 点 を克服 して い ます か ら,こ れ が す べ て に 当 て は ま る とい うわ けで は あ りませ ん.概 要 と して 把 握 し て い た だ けれ ば よか ろ う と思 い ます.ど に 着 目 し,ど
こ
うい う点 を比 較 して 具 体 的 な シス テ ム を選 べ ば よ い か に つ い て は,
表3.1
運 動計 測 シ ステ ム の特 徴
次 節 で 述 べ ます.
3.3 計 測 機 の 選 び 方 さ て運 動 計 測 を 始 め よ う と した とき,計 測 原 理 も多 様 で,ま
た そ れ ぞ れ の原 理
につ い て もい ろ い ろ な特 徴 を も った シ ス テ ム が 市 販 さ れ て い る こ と に気 づ か れ る で し ょ う.本 書 で は個 別 の シス テ ム の性 能 比 較 は し ませ ん が,ど
の よ う な性 能 に
留 意 し て選 定 を す る のが よい か とい う ガ イ ドライ ン を提 案 し よ う と思 い ます. ま ず,大
き く2つ の性 能 が あ りま す.ひ
す.精 度 や 計 測 周 波 数 な どで す.も す.使
とつ は 計 測 装 置 と し て の 基 本 性 能 で
う ひ とつ は シ ス テ ム運 用 に 関 わ る実 用 性 能 で
い勝 手 とい うべ き もの か も しれ ま せ ん.前 者 は カ タ ロ グ仕 様 を見 れ ば あ る
程 度 見 当 が つ き ます が,後 者 は なか な か わ か りに くい もの で す.こ に気 を つ け て,ど
こで は,な に
こか ら情 報 を得 る の が よい か な どノ ウハ ウ に近 い もの を述 べ た
い と思 い ます.
3.3.1
基本 性能
運 動 計 測 シ ス テ ム は,人 体 の 関 節 位 置 ・関 節 角 度 の 時 空 間 情 報 を取 得 す る シ ス テ ム で す か ら,基 本 性 能 は時 間 と空 間 に 関 わ る も の に な り ます.空 は,計 測 範 囲 と計 測 精 度 の2点,時
間 性 能 と して は計 測 周 波 数(時
間 性 能 と して 間 分 解 能),
リ ア ル タ イ ム 処 理 性 能,外 部 同 期 の3点 で す. (1) 計 測 範 囲 計 測 範 囲 は シ ス テ ム の カ タ ロ グ仕 様 以 上 に 大 き くな る こ とは あ りませ ん が,ユ ー ザ の実 験 環 境 に よ っ て はカ タ ロ グ仕 様 よ りも小 さ くな る こ と はあ り得 ます .ど の 程 度 の 広 さ の空 間 を計 測 で き る か,そ の 空 間 内 に遮 蔽物 が あ る場 合 は そ れ を避 けて 計 測 が 可 能 で あ る か ど うか,で
きる だ けユ ー ザ 自身 の 実 験 環 境 で 確 認 し ま し
ょ う.天 井 高 が 低 か っ た り,い ろ い ろ な事 情 で 天 井 に カ メ ラ を 取 り付 け られ な い よ うな場 合 は,三 脚 を使 って カ メ ラ を設 置 す る こ とに な り ます.そ
うす る と,実
験 室 の 中 で 真 に計 測 で き る エ リ ア は 意 外 に小 さ い も の に な り ます.6m×6mの
部 屋 で8台
くら い の カ メ ラ を三 脚 で設 置 し た場 合,中
央 部 で や っ と人 間1人 分 の
全 身 運 動 計 測 空 間 が確 保 で き る とい う具 合 で す. 磁 気 セ ンサ シス テ ム で も磁 場 を発 生 す る ソー ス コイ ル の有 効 範 囲 が 定 め られ て い る の で,そ
れ を計 測 空 間 の 中 央 に置 く工 夫 が 必 要 に な り ます .カ メ ラ シ ス テ ム
で の 遮 蔽 の 問 題 は さ らに厄 介 で す.ユ
ー ザ の 実 験 に必 要 な モ ッ クア ッ プ な どの装
置 環 境 に 強 く依 存 す る か らで す.遮 蔽 物 が 多 い 場 合 に は,で き るだ けカ メ ラ を多 く用 意 さ れ る こ と を お薦 め し ます.筆 者 の 経 験 で は,カ
メ ラ 台 数 が10台
を越 え
る と遮 蔽 物 が あ っ て もか な り よ く計 測 で き る よ う に な ります. (2) 計 測 精 度 計 測 精 度 は 形 状 計 測 の 章 で も述 べ た とお り,ば (trueness)に
よ っ て 構 成 され ます.ば
ら つ き(precision)と
らつ き が 小 さ け れ ば精 密 で,ず
真度
れが小 さ
けれ ば 正 確 で あ る とい う こ と に な り ます.形 状 計 測 と同 じで,運 動 計 測 の 精 度 も 機 械 と して の計 測 精 度 と人 間 計 測 の精 度 と に分 け て 考 え る必 要 が あ り ます.後 者 は 真 値 が得 ら れ な い の で,精 度 の 検 証 が 困難 で す.そ
れ ゆ え,運 動 計 測 の精 度 は
前 者 に つ い て 論 じ られ る こ とが 多 い よ うで す.運 動 計 測 装 置 も形 状 計 測 装 置 と同 様 で,計 測 精 度 検 証 方 法 に 関 す る国 際 標 準 が あ りませ ん.し
た が って,製
書 に 掲 載 さ れ て い る 「計 測 精 度 」 は各 社 で定 義 も さ ま ざ まで,そ っ て い ます.単
品仕 様
の検 証 方 法 も違
純 に仕 様 書 を比 較 で き な い の で す.
も うひ とつ の む ず か し さ は,計 測 精 度 が シ ス テ ム の構 成 や 設 置 の仕 方 で 大 き く 変 わ っ て し ま う点 に あ ります.計 測 範 囲 や カ メ ラ の 台 数,そ 精 度 は 変 わ り ます.す
な わ ち,た
の設置 の仕方で計測
とえ検 定 方 法 が標 準 化 され,比 較 可 能 な 性 能 評
価 仕 様 書 に掲 載 され て い た とし て も,そ れ が そ の ま まユ ー ザ の 実 験 環 境 で の 精 度 で あ る と は い い きれ な い の で す.理 想 的 に は,運 動 計 測 装 置 メ ー カ側 が納 品 時 に 実 施 し ユ ー ザ に受 理 し て も ら うた め の信 頼 性 の 高 い検 証 方 法(validation )と,ユ protocol)と
protocol
ー ザ 自身 が 日常 的 に チ ェ ッ ク で き る 簡 便 な 確 認 方 法(certification が 用 意 され るべ き で し ょ う.
い ず れ に して も,シ ス テ ム を選 定 す る段 階 で はユ ー ザ レベ ル の精 度 確 認 に つ い て は ど うす る こ と もで きな い の で,な ん らか の共 通 的 な 方 法 で 検 証 した 結 果 を参
考 に 比 較 す る しか あ り ませ ん.こ
れ に は,臨 床 歩 行 分 析 研 究 会 で 公 開 して い る性
能 比 較 デ ー タ を 参 照 す る の が よ い と思 い ま す.リ
ジ ッ ドな棒(約1000mm,グ
ラ ス フ ァイ バ ー な ど熱 膨 張 係 数 の 小 さ い 素 材 が 望 ま しい)の 度 の 間 隔 で けが き線 を入 れ ます.こ 計 測(値 付 け)し て お き ます.こ
両 端 に900mm程
の けが き線 の 間 隔 を よ り正 確 な 長 さ計 測 機 で
れ が 真 値 とな り ます.け が き線 に合 わ せ て マ ー
カ を貼 りつ け,そ の 棒 を持 っ て計 測 空 間 内 を歩 行 した とき の2つ の マ ー カ 位 置 を 計 測 し ます.60∼100Hzで
約3秒
分,す
な わ ち 約300サ
ン プル の デ ー タ を 記 録
した あ と,す べ て の サ ン プル に つ い て マ ー カ 間 の 距 離 を計 算 し,そ の ば らつ き と 真 度 を調 べ ます. 臨 床 歩 行 分 析 研 究 会 の 検 証 方 法 の 詳 細 に つ い て は 文 献8)かWebサ (http://www.ne.jp/asahi/gait/analysis/)を
参 照 して くだ さ い.こ
イ ト
の検 証 方法
を用 い て実 際 に多 数 の市 販 シ ス テ ム の 精 度 検 証 を 実 施 し,結 果 を 公 開 し て い ま す.メ
ー カ ご と に 出 して い る仕 様 書 と違 っ て,公 開 さ れ た 方 法 論 で 同 一 の条 件 下
で 検 証 した 結 果 で す か ら,比 較 が 可 能 で す.こ の ほ か に も同 様 の精 度 検 証 方法 が い くつ か提 案14)さ れ て お り,ま た,そ れ ら を総 括 した 解 説 論 文 がGait
and
Posture
誌 に掲 載15)さ れ て い ます の で,参 考 に して くだ さ い. (3) 計 測 周 波 数(時
間分解 能)
厳 密 な こ と を い え ば,メ ら1秒 間 に100回
ー カ が 仕 様 書 で 提 示 して い る計 測 周 波 数(100Hzな
の 計 測 を行 う.そ の逆 数 が サ ン プ リン グ時 間)の
の程 度 正 し い の か,時
時間 間隔が ど
間標 準 と照 合 して検 証 す る必 要 が あ り ます.た
だ,空 間 的
な精 度 と比 べ る と時 間 的 な糟 度 は あ ま り議 論 さ れ て い ませ ん.そ れ は 時 間 分 解 能 を 決 定 して い る ハ ー ドウ ェア の 原 理 上(ほ
とん どの シ ス テ ム で は高 周 波 数 の水 晶
発 振 器 を利 用 して い る),ず
れ は ほ とん どあ り得 な い か らで す.
た とえ ば,公 称100Hzの
シ ス テ ム を買 っ て きて使 っ て み た ら,1秒
の デー タ しか記 録 で き な か った とい う こ とは まず 起 こ り ませ ん.し
間 に99個
た が っ て,計
測 周 波 数 に 関 して は市 販 シ ス テ ム の カ タ ロ グ仕 様 を そ の ま ま比 較 して検 討 して よ い とい う こ とで す. た だ し,1点
だ け留 意 す べ き点 が あ りま す.そ れ は,サ
ン プ リ ング の 同 時 性 で
す.た
とえ ば 反 射 式 マ ー カ の場 合,す べ て の マ ー カ は カ メ ラか らの フ ラ ッシ ュ と
同 時 に反 射 光 を返 す た め マ ー カ の 発 光 時 刻 は 同 一 で す.そ れ を カ メ ラ側 で シ ャ ッ タ ー を切 っ て 撮 像 す るの で す か ら,す べ て の マ ー カ 位 置 は ま さ し くシ ャ ッ タ ー速 度(サ
ン プ リ ン グ時 間 よ り も短 い 時 間)の 精 度 で 「同 一 時 刻 」 の デ ー タ を記 録 し
て い る こ とに な り ます. これ に対 して,時 分 割 発 光 型 の シス テム は,ク マ ー カ を順 番 に発 光 さ せ る の で,サ
リス マ ス ツ リー の電 飾 の よ うに
ン プ リ ン グ時 間 が1/100秒
の 場 合,1番
マ ー カ が 光 っ た 時 刻 と最 後 の マ ー カ が 光 った 時 刻 で は最 大 で1/100秒 が あ り得 ます.場
目の
弱の時間差
合 に よ っ て は,最 後 の マ ー カが 光 った 時 刻 は次 の フ レー ム の 最
初 の マ ー カ が 発 光 す る 時刻 の ほ うに近 い とい う こ と もあ り得 ます. 磁 気 セ ンサ や超 音 波 セ ンサ な ど複 数 の セ ンサ を利 用 す る場 合 に も,同 こ とが 起 こ り得 ます.こ
じ よ うな
れ ら は シ ス テ ム 依 存 の 部 分 も大 き く,一 般 的 な こ と は申
し上 げ られ ませ ん.同 時 性 が 問 題 に な る よ うな 応 用 事 例 を考 え て い る場 合 に は, この あ た りの こ と を し っ か り と確 認 した ほ うが よ い で し ょ う. (4)
リア ル タ イ ム 特 性
最 近 の運 動 計 測 シス テ ム に は リア ル タ イ ム 計 測 を仕 様 とし て掲 げて い る もの が い くつ か あ り ま す16).「 リア ル タ イ ム 計 測 」 とは 「計 測 中 の デ ー タがPCの に 表 示 され,計
画面
測 して い る現 象 と と もに動 くこ と」 と理 解 し て い る方 が 多 い か も
しれ ませ ん.間 違 っ て い る わ けで は あ りませ ん が,リ 確 で は あ り ませ ん.本
来,リ
ア ル タ イム 性 能 とは シ ス テ ム が 外 部 イ ベ ン トに対 し
て決 め られ た 時 間 内 に 応 答 す る能 力 を指 し ます.決 とを保 証 し て い る場 合,こ
ア ル タ イ ム の 定 義 と して正
め られ た 時 間 内 に 応 答 す る こ
れ をハ ー ド リアル タ イ ム と呼 び ます.親
シス テ ムが 一
定 の周 波 数 で タ ス ク処 理 を して い る と き は,ハ ー ド リア ル タ イ ム で な い と動 作 し ませ ん. 一 方 で,外 部 イ ベ ン トが 起 き て か ら応 答 す る まで の 時 間 が 多 少 遅 れ て も許 容 で き る場 合 もあ り ま す.ソ
フ トリア ル タ イ ム と呼 び ます.「 計 測 中 に デ ー タ をPC
画 面 表 示 す る」 とい う例 で は,PC画 PCが
面 に1フ
レ ー ム 分 の 表 示 が 終 わ った と き,
計 測 シ ス テ ム に対 して 「い ま の デ ー タ を送 れ 」 と い う イ ベ ン トを 出 し ま
す.厳
密 に は 「この デー タ 要 求 イベ ン トの 直 前 の デ ー タ を,デ ー タ 要 求 イ ベ ン ト
時 刻 か ら1ms以 PCか
内 に 送 れ 」 とい う よ う な 要 求 を し ま す.計 測 シ ス テ ム が この
らの 外 部 イ ベ ン トに対 して,決
め られ た 応 答 時 間 内(1ms)に
デ ー タ を送
り返 せ れ ばハ ー ド リアル タ イ ム とい う こ とに な り ます. しか し,画 面 表 示 な らそ こ まで 厳 密 な こ とは要 求 され ませ ん.き
ち ん と計 測 で
き て い るか ど うか を モニ タ して い る だ け な の で す か ら,応 答 時 間 に間 に合 わ な く て も,コ マ 落 ち す る く らい で 致 命 的 な 動 作 不 良 に はな りませ ん.し た が っ て,こ の よ う な 目 的 に 利 用 す る の で あれ ば ソ フ トリア ル タイ ムで も十 分 だ とい え ます. 逆 に,マ ー カ の 位 置 デ ー タ を も とに制 御 をす る よ う な場 合 で は,よ
り短 い 時 間 で
のハ ー ド リア ル タ イ ム を 要 求 す る シ ス テ ム 構 成 も あ る で し ょ う.ユ ー ザ の 用 途 次 第 で す. リア ル タ イ ム 性 能 は,計 測 原 理 に よ っ て決 ま る とい う もの で は あ り ませ ん.た だ,ソ
フ トウ ェ ア処 理 負 担 の 大 き い 反 射 型 の電 子 光 学 式 標 点計 測 法 は,応 答 時 間
を短 くす る こ とが 困 難 で す.リ とカ メ ラ台 数 で は100ms程
ア ル タ イ ム で あ る とい っ て も,実 用 的 な マ ー カ数
度 の 応 答 時 間 に な る とい う場 合 が 多 い で す.同
子 光 学 式 標 点 計 測 で も マ ー カ識 別 処 理 が 不 要 の 時 分 割 発 光 型 で は,80個 カ ・16台 の カ メ ラ で の 計 測 で10ms以 シ ス テ ム もあ ります.磁
じ電
のマ ー
下 の ハ ー ド リア ル タ イ ム を実 現 し て い る
気 セ ン サ や ジ ャ イ ロ セ ンサ,関 節 角度 計 もソ フ トウ ェ ア
処 理 が ほ とん ど い らな い た め,一 般 的 に リア ル タ イ ム性 能 が 高 く応 答 時 間 の 短 い ハ ー ド リア ル タ イ ム シ ス テ ム を構 成 で き ます. (5) 外 部 同 期 運 動 計 測 シス テ ム は,床 反 力 計 な どの 力 セ ンサ 類 や,筋 ン サ 類 と同 時 に計 測 す る場 合 が あ り ます.こ
電 計 な どの生 体 信 号 セ
の と き,こ れ らの 外 部 計 測 機 器 と時
間 的 な 同期 を と る,す な わ ち互 い に 時 刻 合 わ せ をす る こ とが 重 要 に な ります. 外 部 同 期 に は2種 類 あ りま す.ひ 装 置 の もつ 時計 に した が って,そ
とつ は 開 始 時 刻 を合 わ せ,あ
とは そ れ ぞ れ の
れ ぞ れ の装 置 で 決 ま る計 測 周 波 数 に 基 づ い て サ
ン プ リン グ して い く とい う もの で す.最 近 は計 測 周 波 数 の 精 度 が 高 い た め,開 始 時 刻 さ え合 わ せ れ ば致 命 的 なず れ は起 き ませ ん.た
だ し,双 方 で計 測 周 波 数 が 異
な る場 合 に は,同 一 時 刻 の デ ー タ は得 られ ませ ん.あ
とで デ ー タ の 時 間 軸 方 向 の
補 間 な ど を行 っ て,同 時 刻 の デ ー タ を推 定 す る必 要 が あ り ます. も うひ とつ は,ど ち らか の装 置 が マ ス タ ー と な っ て計 測 サ ン プ リ ング の ク ロ ッ ク信 号 を発 信 し,残 りの 機 械(ス
レー ブ)が そ の 外 部 ク ロ ッ ク信 号 に した が っ て
サ ン プ リ ン グす る とい う もの で す.こ
ち ら はす べ て の機 械 が1つ
の ク ロ ッ ク信 号
で 同 調 して い ます か ら,時 刻 の 同 一 性 は確 実 で す.後 者 の 方 法 の ほ うが 合 理 的 で す が,な
か なか 外 部 ク ロ ッ ク 同期 で サ ンプ リン グで き る シス テム は あ りませ ん.
現 実 的 に は,開 始 時 刻 を揃 え る こ とで 同期 を と る こ とに な る と思 い ます.こ 合 は,使 用 す る シ ス テ ム(運 動 計 測 装 置 だ けで な く)に
の場
「外 部 トリガ入 力 」 とか
「外 部 トリガ 出力 」 とい う機 能 が あ るか ど うか を確 認 し ます.購 入 す る と き に は, 最 低 限,こ の 仕 様 を確 認 し ま す.こ の 機 能 を も った シ ス テ ム 同 士 な ら簡 単 に つ な が る か とい う と,実 は そ うで もあ りませ ん.や の 装 置 を使 って い る人,同
は り経 験 の あ る人(=す
型 の装 置 を多 数 納 入 して い る販 売店)の
で に 同型
サ ポ ー トが必
要 で す.接 続 す る装 置 が す で に 決 ま っ て い るの な ら,販 売店 に同 じ装 置 を接 続 し た 事 例 が あ るか ど うか を聞 き ます.実 績 あ る組 合 せ の ほ うが,ト
ラ ブ ル な く外 部
同 期 の計 測 シ ス テ ム を組 む こ とが で き ます.外 部 同 期 の トラ ブル とい うの は意 外 と厄 介 で,解 決 まで に1ヶ 月 以 上 か か る こ と も あ ります.
3.3.2
実用性能
実 用 性 能 を客 観 的 に評 価 す る の は困 難 で す.利 用 目的 もユ ー ザ に よっ て 異 な り ます か ら,一 般 的 な こ と も い え ませ ん.最 終 的 に はユ ー ザ 自身 が 判 断 す る し か あ りませ ん.こ
こで は,ど の よ うな 点 に留 意 して使 い 勝 手 を判 断 す れ ば よい か に つ
い て 述 べ て お き ます. (1) 販 売 代 理 店 サ ポ ー ト 筆 者 の経 験 で は,も っ と も重 要 な の は販 売 代 理店(あ
るい は製 造 元)の
サ ポー
ト能 力 で す.代 理 店 担 当者 が シ ス テ ム に習 熟 し,サ ポー トを して くれ る よ う だ と 心 強 いで す.特
に,ユ ー ザ が 日常 的 に は行 わ な い工 程 で ノ ウ ハ ウ を もっ て い る と
こ ろ は信 頼 で き ます.
まず,カ
メ ラ の セ ッ トア ップ で す.シ
て くれ る の は当 然 で す.こ
ス テ ム の イ ンス トー ル(初 期 導 入)を
し
の と き,ユ ーザ の利 用 環 境 と計 測 目的 に応 じて 多 数 台
の カ メ ラ を う ま く位 置 あわ せ して くれ る よ うな ノ ウハ ウ を もっ て い るか ど うか と い う こ とで す.こ
の部 分 は本 来 ユ ー ザ 自身 が 行 うべ き もの で す が,実
行 う部 分 で はあ り ませ ん.多 い続 け ま す.な
は,頻 繁 に
くの ユ ー ザ は一 度 設 定 した カ メ ラ配 置 を そ の ま ま使
に よ り,購 入 した ば か りの ユ ー ザ が 試 行 錯 誤 し なが らカ メ ラ 配 置
を行 うの は予 想 以 上 に厄 介 で す.カ メ ラの 台 数 が 多 くな れ ば な る ほ ど,設 定 の 自 由度 が増 え,効 果 的 な カ メ ラ設 定 を模 索 す る の は た い へ ん な手 間 に な り ます.こ の あ た りの ノ ウハ ウ を も って い る代 理 店 で,イ
ンス トール 時 に 手伝 っ て くれ る よ
う な と こ ろ だ とた いへ ん 心 強 いで す. 第 二 は,床 反 力 計 や 筋 電 計 との 同期 設 定 で す.多
くの場 合,運
動計測 システム
と床 反 力 計 や 筋 電 計 は別 々 の 代 理 店 か ら購 入 す る こ と に な り ます.へ た を す る と 「接 続 は ユ ー ザ の 責 任 で 」 とい わ れ て し ま い ま す.そ れ こ そ 最 初 の1回
しか や ら
な い 接 続 設 定 で す か ら,き ち ん とサ ポ ー トして くれ る とこ ろ,か つ 経験 の豊 富 な と こ ろ を 選 ぶ べ きで し ょ う. (2)
日常 計 測
日常 的 な 計 測 は ユ ー ザ 自身 が行 う こ とに な ります.運
動 計 測 シス テ ム が 簡 便 に
な っ た とい っ て も,体 脂 肪 計 ほ ど簡 単 で は あ りませ ん.専 任 の オペ レー タが 必 要 で す.購 入 した 研 究 者 自身 が そ れ をつ とめ る場 合 が 多 い と思 い ます が,実 り よ い選 択 肢 で は あ りませ ん.ほ か の 研 究 者 が シ ス テ ム を使 う の に,い 入 した 研 究 者 に支 援 して も らわ な けれ ば な らず,結 局,シ せ ん.そ
はあま
ちい ち購
ス テ ム の利 用 が 進 み ま
の た め に も,購 入 し た研 究 者 以 外 に使 え る オペ レー タ を育 成 して い くべ
き で す. オ ペ レ ー タ が もっ と も悩 む のが マ ー カ の 欠 落 で す.計 測 した 直 後 に,体 表 面 に 貼 っ た マ ー カ が す べ て 計 測 で き た か ど うか,あ
るい は どの フ レー ム で どの程 度 欠
落 した の か を視 覚 的 に,わ か りや す く確 認 で き る機 能 が 重 要 で す.最 近 の シス テ ム の な か に は,そ す.こ
の場 で マ ー カ の認 識(ラ
ベ ル 付 け)を
して くれ る もの が あ りま
う い う機 能 が 備 わ って い る とマ ー カ 欠 落 の確 認 は非 常 に 容 易 に な り,再 計
測 す べ きか ど うか を迅 速 に判 断 で き る よ う に な ります. (3)
デ ー タ処 理
計 測 終 了 後,マ り,さ
ー カ の誤 認 識 が な い か を チ ェ ッ ク した り,欠 落 個 所 を補 間 した
らに は関 節 角 度 計 算 な ど の後 処 理 をす る こ とに な り ます.シ
ステムない し
は付 属 す る ソ フ トウ ェ ア に この よ うな デ ー タ処 理 機 能 が 備 わ っ て い れ ば,処 理 は ず っ と楽 に な りま す.最 近 の シ ス テ ム で はGUI(グ ェ ー ス)に
よ っ て,マ ー カ の 誤 認 識 チ ェ ック や修 正,欠 落 個 所 の補 間 が で き る よ
う に な っ て い ます が,こ 自身 で 最 低10試 りや す いGUIで あ ります.デ す.こ
ラ フ ィ カル ユ ー ザ イ ン タ フ
の使 い勝 手 は重 要 な評 価 項 目 とな り ます.購 入 前 に 自分
行 分 くら い を 処 理 し て み た ほ うが よ い で し ょ う.初 心 者 に わ か も,慣 れ た 人 が た く さ ん処 理 す る に は 面 倒 で あ る とい う こ と も
ー タ処 理 に は,往 々 に して デ ー タ計 測 よ り も多 くの 時 間 が か か り ま
の部 分 の ソ フ トウ ェア の処 理 時 間 を し っか り検 討 す る こ とが 大 事 で す.
3.4 計 測 上 の 留 意 点
3.4.1
計測精度 の確 認
実 際 に運 動 計 測 装 置 を買 っ て設 置 した ら,や は りユ ー ザ 自身 で 計 測 精 度 を確 認 す るべ きで す.仕 様 書 に 書 い て あ る 数 字 や 臨 床 歩 行 分 析 研 究 会 の デ ー タ は購 入 時 の参 考 に は な り ます が,そ れ は あ くまで も 「他 人 の利 用 条 件 下 で の性 能 」 に過 ぎ ま せ ん. 計 測 装 置 の性 能 は カ メ ラの 台 数 や 設 置 条 件 に よ っ て も大 き く変 わ り ます.精 度 確 認 に は臨 床 歩 行 分 析 研 究 会 な どで 行 っ て い る よ う な2点 distance)が
マ ー カ 間 距 離(intermaker
簡 便 で す8,14).基準 長 さ の棒 の 両 端 に マ ー カ を取 り付 け,そ
れ を上 下 ・前 後 ・左 右 方 向 に持 っ て計 測 空 間 内 を歩 行 す る と き の マ ー カ 位 置 を計 測 し,2点
マ ー カ間 距 離 の ば らつ き,真 値 との ず れ を評 価 し ます(図3.7).
得 られ た 結 果 を公 開 され て い る 結 果 と比 較 す る こ と もで き ま す.ユ ー ザ レベ ル で確 認 す る場 合,得
られ た 結 果 を ど う判 断 す るか が 次 の 問 題 に な り ます.臨 床 歩
(a) 上 下 方 向
(b) 前 後 方 向
(c) 左 右 方 向
(d) 歩 行 ス テ ッ プ
図3.7 臨床 歩 行 分析 研 究 会 に よ る運動 計 測 シス テ ムの精 度 評 価 方 法
行 分 析 研 究 会 と同等 の 方 法(図3.7)で
全 部 で300サ
ンプ ル 程 度 の デ ー タ を計 測
した とし ます. まず,デ
ー タの ば らつ き を見 て み ま し ょ う.固 定 長 さ の棒 を計 測 して い るの で
理 論 的 に は2点 マ ー カ 間 距 離 は変 化 し ませ ん が,実 際 に は ば らつ き を も っ て変 動 し ます.2点
マ ー カ 間 距 離300サ
ン プ ル の 標 準 偏 差 を計 測 空 間 の1辺
っ て正 規 化 し,こ れ を ば らつ き の 目安 に し ます.臨
の 長 さで 割
床 歩 行 分 析 研 究 会 のWebサ
イ トで 公 開 さ れ て い る 同 等 の シ ス テ ム の 結 果 を 同様 に正 規 化 し比 較 して み ます. 自分 の使 っ て い る シ ス テ ム の ば らつ きが,公 開 デ ー タ の2倍 以 上 に な る とい う の で あ れ ば,問 題 が あ る と考 え て よい で し ょ う.こ の場 合,ま
ず慎 重 に キ ャ リブ レ
ー シ ョ ン をや り直 し ま す.そ れ で も解 決 し な い よ う で あ れ ば,300サ
ン プル の 時
系 列 デ ー タ を み て み ま す.計 測 空 間 の 中 の 特 定 の 場 所 で ば らつ きが 大 き くな って
い る よ うな ら,そ の エ リア に 問題 が あ り ます.外 光 条 件,反
射,そ
の 空 間 を記 録
で き る有 効 カ メ ラ 台 数 な ど を確 認 し,必 要 で あ れ ば再 調 整 し ます. まだ 解 決 し な い場 合 に は,カ あ た りは,メ
メ ラ の焦 点 距 離 や 絞 りの 調 整 を検 討 し ます.こ
ー カ や 販 売 店 と一 緒 に検 討 す る こ とを お 薦 め し ます.ば
分 に小 さ くて も,真 値 との ず れ が 大 き い とい う こ と も あ り得 ます.こ
の
らつ きが十 の場 合,検
証 に利 用 した 棒 の けが き線 間 の 距 離 を再 計 測 し て み て くだ さ い. 第2章
で 述 べ た よ う に,長
さ の計 測 に は トレー サ ビ リテ ィ ー とい う もの が あ
り,本 来 は ト レー サ ビ リテ ィー の保 証 され た よ り高 精 度 の長 さ計 測 機 で けが き線 間 の 距 離 を測 る(値 付 け をす る)べ
きで す.理 想 的 に は温 度 依 存 性 の低 い レー ザ
距 離 計 が望 ま し いで す が,手 元 に な い場 合 に は鋼 尺 等 で 計 測 す る こ と もあ り得 る で し ょ う.こ の よ うな場 合 に は,室 温 に も留 意 して くだ さ い.ま
た,け が き線 の
直 上 に マ ー カ の 中 心 が くる よ うに マ ー カ を き ち ん と貼 り直 す こ と も重 要 で す. この 点 を見 直 し,キ
ャ リブ レ ー シ ョ ン を し直 した う え で 再 検 証 し,ま だ 真 値 と
の ず れ が 大 きい よ うで あれ ば,メ ー カ や 販 売 店 に 相 談 して くだ さ い.
3.4.2
床 反 力計 との時空 間同期
運 動 計 測 シ ス テ ム は,し (kinematics)だ
け で な く,運 動 力 学(kinetics)を
必 要 に な り 象す.力 合,重
ば し ば 力 計 測 の 機 器 と併 せ て 利 用 し ま す.運 動 学 扱 お う とす る と,力 計 測 が
計 測 装 置 に は い ろ い ろ な も の が あ り ます が,人 体 運 動 の場
力 方 向 に体 を支 え て い る床 面 で の 反 力 を計 測 す るケ ー ス が もっ と も多 くな
り ます.そ
れ を測 るの が 床 反 力 計 で す.床 反 力 計 の詳 細 につ い て は,参 考 文 献 を
参 照 して くだ さ い17∼19).ここで は,床 反 力 計 を運 動 計 測 装 置 と併 せ て 使 う場 合 の ノ ウハ ウ につ い て 述 べ る こ と に し ます. 床 反 力 計 で 計 測 で き る の は,人 体 と床 反 力 計 との 間 に働 く力 の3分 力 とモ ー メ ン ト,そ して モ ー メ ン トの 釣 り合 い点(床 反 力 作 用 点 位 置,Center COP=ゼ
ロ モ ー メ ン トポ イ ン ト, Zero moment
point:ZMP)で
は,こ れ らの デ ー タが 運 動 デ ー タ と同 じ座 標 系 で,同 け れ ば い け な い とい う こ とで す.こ
of pressure: す.大 事 な こ と
じ タ イ ミン グ に計 測 され な
れ を床 反 力 計 と運 動 計 測 シス テ ム の時 空 間 同
期 とい い ま す.運 動 計 測 シ ス テ ム が 納 品 され,セ 安 心 して は い け ませ ん.そ
ッ トア ップ され た か ら とい っ て
もそ も,床 反 力 計 を扱 っ て い る会 社 と運 動 計 測 シ ス テ
ム を扱 っ て い る会 社 が 異 な る の で,接 続 や設 定 に関 す る トラ ブル や ミス は枚 挙 に い とま が あ りませ ん.と まず,簡
にか く,ユ ー ザ 自身 で確 認 す る こ とが 大 事 で す .
単 に で き る こ と は,床 反 力 計 の 上 に立 っ て 静 荷 重 を 計 測 す る こ とで
す.計 測 さ れ た 荷 重 が 自 分 の 体 重 と大 き く異 な っ て い る よ うで あ れ ば,荷 重 係 数 な どの 設 定 が 間 違 っ て い る可 能 性 が あ り ます.床
反 力 計 が 複 数 枚 あ る場 合 は,そ
れ ぞ れ の上 に乗 って 計 測 して み ます.自 分 が 乗 っ て い な い床 反 力 計 に荷 重 が 表 れ て い る場 合 は,複 数 の 床 反 力 計 の隙 間 に ゴ ミや 小 石 な どが 挟 まっ て,床 反 力 計 が 独 立 して 働 か な くな っ て い る こ と も考 え られ ます.隣
接 す る床 反 力 計 の間 に 隙 間
が 空 い て い る こ と を確 認 し,薄 い板 を差 し込 んで み て くだ さ い.薄 い 板 が 引 っ か か っ て 動 か な い よ うな ら,な に か が 挟 ま って い る可 能 性 が あ りま す. 次 に,棒
の先 端 に運 動 計 測 用 の マ ー カ を取 り付 け,床 反 力 計 の外 に 立 っ て,棒
の 他 端 を持 っ て マ ー カ ー の つ い た 先 端 で床 反 力 計 を押 し ます.こ
の と き,棒 で押
され た 点 が 床 反 力 作 用 点 に な り ます.計 測 され た 作 用 点 位 置座 標 と,運 動 計 測 シ ス テム で検 出 した マ ー カ 座 標 のXY位 れ も異 常 で す.1個
置 が30 mm以
上 ず れ て い る よ うな ら,こ
所 だ け で な く,数 個 所 を押 し て み て くだ さ い.も
ち ろ ん,床
反 力 計 が 複 数枚 あ る場 合 は,そ れ ぞ れ に つ い て押 して み る こ とが 必 要 で す.ず
れ
が認 め られ た場 合 に は,床 反 力 計 側 の 設 定 ・接 続 の 確 認,運 動 計 測 シ ス テ ム の座 標 系 設 定 の確 認 を し て くだ さ い.
3.4.3
着衣
被 験 者 に どの よ うな服 装 を させ れ ば よい か.運 動 計 測 の 実 験 者 が 悩 む点 で す. 一 般 的 に は,マ ー カ を貼 り付 け る部 位 の 皮 膚 が 露 出 し,皮 膚 に直 接 マ ー カ を貼 り 付 け られ る よ うな軽 装 が よ い とい う こ と にな りま す.と 股 関 節 に マ ー カ を貼 り付 け る に は,そ
うな る と
う と う に股 ぐ りの 深 い競 泳 水 着 の よ うな も
の を着 用 させ る こ とに な り,被 験 者 に嫌 が られ ます.も 着 衣 が 現 実 的 で す.肌
は い っ て も,そ
う少 し肌 が 隠 れ る よ うな
を隠 す とい って も体 に 密 着 す る もの で な い と,着 衣 に貼 り
図3.8 着 衣 の例
付 けた マ ー カ が 人 体 運 動 と無 関 係 に フ ラ フ ラ と揺 れ て し ま い ま す.伸 縮 性 が 高 く,そ れ ほ ど体 を締 め つ けず に,体
に密 着 す る着 衣 で な けれ ば い け ませ ん.た
と
え ば フ ィ ッ トネ ス 用 の ス パ ッツ や,最 近 で は水 着 で も体 に フ ィ ッ トして 丈 の 長 い もの(膝 上 や くるぶ し まで あ る もの)な うで す(図3.8).こ
どが あ るの で,そ
の よ う な もの も よ い よ
れ らの 着 衣 に着 替 え て も ら うの も困 難 な場 合 が あ り ます.
そ の場 合 は,被 験 者 に で き るだ け伸 縮 性 の あ る着 衣 で 参 加 して も らい(Gパ 不 適),だ
ぶ だ ぶ と した 部 分 は ゴ ム バ ン ドな どで 押 さ え ます.
3.4.4
マー カの貼 付 け
ンは
運 動 デ ー タ を個 人 間 で比 較 す る た め に は,マ ー カ を解 剖 学 的 に正 しい位 置 に貼 り付 け る必 要 が あ りま す.こ の た め に は,解 剖 学 的特 徴 点 の 触 察 が 必 要 に な りま す.光
学 式 運 動 計 測 シ ス テ ム の 計 測 精 度 は非 常 に よ くな りま した が,肝
心のマ ー
カ の 貼 付 け が い い 加 減 で は 意 味 が あ り ませ ん.計 測 シ ス テ ム 自 体 が,一 の 計 測 空 間 で1mm程
辺3m
度 の 位 置 精 度 を 実 現 し て い る の で す か ら,計 測 者 も それ
に劣 らな い程 度 の再 現 性 で,解 剖 学 的 特 徴 点 位 置 を 同 定 す る よ う努 力 す べ き で す. 詳 細 に つ い て は第1章
を参 照 し て くだ さ い.主
と して 下 肢 運 動 の 計 測 に必 要 と
な る解 剖 学 的 特 徴 点 位 置 の 見 つ け方 の コ ツが 記 載 さ れ て い ま す.通 常 は,転 子 点 にマ ー カ を貼 って 股 関 節 と し,外 側 上顆 最 突 点 を膝 関節,外 腓 側 中足 点 をMP関
3.4.5
果 最 突 点 を足 関 節,
節 と しま す.
被 験者へ の指示
被 験 者 に 運 動 を指 示 す る方 法 に も留 意 し て くだ さ い.歩 行 を計 測 す る に して も,ど の よ う な速 度 で 歩 行 す る の か な どを 実験 目的 に応 じて 決 め て お き,そ れ を 実 験 前 に被 験 者 に 説 明 した う え で,動 作 時 に 明 瞭 に指 示 し ます.で
きる だ け 自然
な 動 き を と りた い の で 指 示 を最 小 限 に す る とい うの も一 案 で す が,う
ま くい か な
い場 合 もあ り ます.何 名 か 被 験 者 を計 測 して い る う ち に 「『 普 通 に走 っ て くだ さ い 』 で は わ か らな い.100m走
な の か ジ ョギ ン グ な の か もっ と具体 的 に 指 示 して
ほ しい 」 とい うよ うな 被験 者 が 出 て き ます.そ
の と き に な っ て 指 示 を細 か くす る
と,そ れ 以 前 の 被 験 者 と は指 示 内容 が 異 な る とい う こ とに な るの で す. 床 反 力 計 の 踏 み 分 け の指 示 は と りわ けむ ず か しい で す.後 述 す る運 動 力 学 解 析 を行 う に は,左 右 の足 が 同 時 に1枚 の床 反 力 計 の上 に乗 っ て し まわ な い よ う に し な け れ ば な り ませ ん.左 右 の足 が 同 時 に1枚 の 床 反 力 計 の上 に乗 って し ま う と, 左 右 の 足 それ ぞ れ に働 く力 を分 離 で き ず計 算 で き な くな るの で す.そ の た め,床 反 力 計 を複 数 枚 使 う場 合 に は,歩 行 の進 行 方 向 に沿 っ て 左 右 に並 べ,右 足 と左 足 が そ れ ぞ れ 異 な る床 反 力 計 を 踏 む よ う に 配 置 す る こ と に な り ます.と
はい って
も,人 間 の 歩 隔(歩 い て い る と きの 左 右 足 の 間 の幅)は 狭 く,気 をつ けて 歩 か な い と踏 み分 け で き ませ ん.被 験 者 が 踏 み分 けば か り留 意 して 下 を 向 い て 歩 くよ う に な る と問 題 で す. また,進
行 方 向 の床 反 力 計 の長 さが 十 分 で は な い場 合 に は,左 右 の踏 み 分 け に
加 えて 床 反 力 計 の上 に ち ょ う ど右 足 が 乗 る よ う に した い の で,実 験 制 約 が か か り ま す.よ
り 自然 な動 作 を計 測 した い が,解 析 す るた め に は あ る程 度 制 約 を ク リア
した デ ー タ で な けれ ば な らな い とい う なか で,ど の よ う に被 験 者 に指 示 を出 す か は重 要 な ポ イ ン トと な り ます . 踏 み分 け な ど を一 切 指 示 せ ず に何 度 も計 測 し,た また ま踏 み分 けた デ ー タ を解 析 に利 用 す る とい う方 法 もあ ります が,実
際 に や っ て み る と成 功 デ ー タ を と るた
め の実 験 試 行 数 が極 端 に増 え る こ とが わ か りま す.し か も,被 験 者 は なぜ 何 度 も や り直 し に な る の か が わ か らな い た め心 理 的 ス トレ ス が つ の り,結 果 的 に 自然 な 歩 行 で は な くな る場 合 も あ り ます.筆 者 ら は,実 験 ・解 析 の 都 合 を被 験 者 に 説 明 し,そ の う え で下 を見 る こ とな く自然 に歩 い て ほ しい と伝 えて か ら,何 度 か練 習 して も ら う よ う に して い ます. 成 人 の場 合 は歩 き 出 す ポ ジ シ ョ ン と前 方 の 目印 を決 め る こ とで,下 も踏 み分 け る こ とが で き る よ うに な り ます.子
ど もの計 測 で は これ も う ま くい き
ませ ん.結 局 は何 度 もや り直 して成 功 例 を待 ち,う め て 計 測 す る よ う な こ と もあ りま す.子
を見 な くと
ま くい か な けれ ば別 の 日 に改
ど もが 集 中 して 実 験 に取 り組 め る の は2
時 間 が 限 界 で す.
3.4.6
データの確 認
1試 行 分 の計 測 が 完 了 し た ら,そ の場 で 床 反 力 デ ー タ と運 動 デ ー タ を確 認 し ま す.歩 行 に限 らず,人 間 の運 動 の 多 く は再 現 性 が 高 い の で,オ ペ レー タ は典 型 的 な波 形 パ ター ンを 把握 し て お き ます.そ
うす れ ば,計 測 した デ ー タ が 際 立 っ て異
常 で あ るか ど うか を,即 座 に判 断 で き ます.特
に床 反 力 の踏 み分 け や マ ー カ の 欠
落 な どは この 時 点 で し っか りチ ェ ック して お く必 要 が あ ります.う
ま く計 測 で き
て い な け れ ば,被 験 者 にお 願 い して も う一 度 計 測 す べ きで す.
3.5 運 動 デ ー タ処 理
3.5.1
平 滑化
電 子 光 学 式 標 点 計 測 法 で は伝 送 系 統 の デ ジ タ ル 化 が 進 ん で い るた め,ノ
イズの
原 因 は撮 像 素 子 まわ りに限 定 され て き ま した.そ ー タ の ノ イ ズ は ゼ ロ で は あ り ませ ん.た
れ で も,得 られ た マー カ位 置 デ
とえ ば,空 間 の1個 所 にマ ー カ を固定 し
て位 置 計 測 を行 う と,精 度 の よ い計 測 シ ス テ ム で あ っ て も0.2∼0.5mm程
度の
位 置 デ ー タ の ば らつ きが 観 測 され ます.固 定 点 で あ れ ば平 均 化 して しま え ば よい の で す が,運
動 中 の マ ー カの 場 合 に は ノイ ズ 除 去 処 理 を し な け れ ば な り ませ ん.
ノ イ ズ は加 速 度 計 算 に大 き く影 響 し ます の で,後 述 す る運 動 力 学 解 析 を行 うの で あれ ば,ノ
イ ズ 除 去 は必 須 の 工 程 とい え るで し ょ う.
ノ イ ズ 除 去 に は い くつ か の 方 法 が あ り,確 立 さ れ た 決 定 的 な 方 法 が あ りませ ん.基
本 的 に は人 体 の 動 き の 周 波 数 が 低 く(数Hz∼10Hz程
で 生 じ る ノ イ ズ の 周 波 数 が 高 い(数10Hz∼
度),撮
数100Hz)こ
ス フ ィル ター を 用 い る方 法 が 中 心 で す.FFT(高 用 い て高 い 周 波 数 成 分 を取 り除 く方 法,デ
像系な ど
と を利 用 し た ロ ー パ
速 フ ー リエ 変 換)と
逆FFTを
ジ タル フ ィル タ を用 い る方 法(注
目時
点 の 前 後 の デ ー タ を 平 均 化 す る移 動 平 均 法 もデ ジ タ ル フ ィル タ の 一 種 で す),区 間 曲 線 を あ て は め る方 法 な どが あ り ます.最 近 の運 動計 測 シ ス テ ム で は この よ う な 平 滑 化 処 理 が シス テ ム に組 み 込 まれ て い ます. し た が って,ユ
ー ザ 自 身 が プ ロ グ ラ ム を組 ん で デ ー タ を処 理 す る こ とは ほ とん
どな くな りま した.そ
れ で も,後 述 す る よ うな 運 動 力 学 解 析 を行 うつ も りで あ る
な ら,シ ス テ ム の 平 滑 化 処 理 につ い て きち ん と把 握 して お くべ きで し ょ う.ポ イ ン トは2つ で す.高 周 波 の ノ イ ズ が 除 去 さ れ て い る か,そ 号 波 形(除
去 して は な らな い 本 質 的 な信 号)の
ェ ッ ク し ます.具
して,そ れ に伴 っ て信
振 幅 が小 さ くな っ て いな いか を チ
体 的 に は シス テ ム の平 滑 処 理 を加 え た 場 合 と,平 滑 処 理 を一 切
行 わ な い場 合 の グ ラ フ を描 い て 小 さ な ギ ザ ギ ザ が 減 っ て い る か,グ さ くな りす ぎ て い な い か を調 べ ます.よ
ラ フ の 山が 小
り定 量 的 に 行 うの で あ れ ば,FFTに
よ
っ て 周 波 数 分 析 を す る の が よい で し ょ う. も し,運 動 計 測 シ ス テ ム に平 滑 処 理 プ ロ セ ス が 組 み込 まれ て い な い場 合 に は, 自力 で プ ロ グ ラ ミ ン グす る こ と に な り ます.区 間 関 数 を用 いた 平 滑 化 の プ ロ グ ラ ム ソー スGCVSPLが,ISB(International サ イ ト(http://www.isbweb.org/)で
Society
of Biomechanics)のWeb
公 開 さ れ て い ま す.こ
の よ う な ソ フ トウ
エ ア は 何 人 も の 研 究 者 が 使 っ て 検 証 さ れ て い る の で 信 頼 で き ま す.こ ー ス コー ドが あ った と して も
,自
た め に,こ
こ で は,Excelで
先 に 述 べ た と お り,次 す.し
か し,移
い う も の で,あ
力 で の プ ロ グ ラ ミン グ は む ず か しい とい う方 の
もで き る デ ジ タ ル フ ィ ル タ を お 教 え し て お き ま す. 式 で表 され る移動 平均 法 もデ ジタル フ ィルタ の一種 で
動 平 均 法 はFIRフ
ィ ル タ(Finite
Impulse
ま り周 波 数 遮 断 特 性 が よ く あ り ま せ ん.つ
が あ ま り除 去 で き な い 割 に,肝
筆 者 はIIRフ
の ようなソ
ィ ル タ(Infinite
Response ま り,高
Filter)と 周波 のノイズ
心 の 低 周 波 信 号 波 形 を な ま ら せ て し ま う の で す.
Impulse
者 が よ く使 っ て い る の はBryantの
Response
提 案 し たIIRフ
こ こ で,w=tan(πF),F=Fc/Fs(Fc:
Filter)を
お 薦 め し ま す.筆
ィ ル タ で す(次
遮 断 周 波 数,Fs:
式)20).
遮 断 周 波 数), と す る.
FIRフ
ィル タ が 現 在 と過 去 の生 デ ー タ の線 形 結 合 で 平 滑 さ れ た デ ー タ を計 算
す る の に対 し,IIRフ い ます.遮
ィル タ で は現 在 と過 去 の 生 デ ー タ と平 滑 デ ー タ の 両 方 を用
断 特 性 に優 れ,信
く除 去 で き ます.た
号 波 形 を あ ま りな ま らせ ず に高 周 波 ノ イズ を効 率 よ
だ し,平 滑 後 の 波 形 に位 相 ず れ が 起 き て し まい ます.そ
で,時 刻 が 増 え る方 向 と減 る方 向 に2回 ます.式
は 複 雑 で す が,少
こ
フ ィル タ を施 し,位 相 差 を打 ち消 して い
し考 え れ ば 簡 単 にExcelで
計 算 で き ます.Excelな
らば す ぐ に計 算 結 果 を グ ラ フ と して み る こ とが で き ます の で,適 切 な遮 断 周 波 数 を選 ぶ の に も便 利 で す.
3.5.2
関節 中心位置 の推定
電 子 光 学 式 標 点 計 測 シ ス テ ム で は体 表 面 に貼 り付 けた マ ー カ の位 置 が 得 られ ま す.こ れ が そ の ま ま人 体 運 動 を意 味 す るわ けで は あ り ませ ん.マ ー カ は あ く まで も体 表 面 上 の 点 で あ り,関 節 中心 で は な い か らで す.そ
の た め,電 子光 学 式 標 点
計 測 シ ス テ ム にお い て は,体 表 面 に貼 り付 けた マ ー カ位 置 か ら生 体 内 の 関 節 位 置 を精 度 よ く推 定 す る技 術 が 求 め られ て い ます.体 表 面 マ ー カ か ら生 体 内 関 節 位 置 を推 定 す る技 術 に は,大
き く2つ の ア プ ロ ー チ が あ りま す.第 一 は 関節 部 の 解 剖
学 的 ・幾 何 学 的 モ デ ル を構 築 し,統 計 情 報 に基 づ い てモ デ ル の 形 状 や 寸 法 を個 人 に対 応 させ る もの で,第 二 は マ ー カ をつ け た状 態 で 被 験 者 に所 定 の運 動 を させ, 運 動 学 的 ・機 構 学 的 モ デ ル に基 づ い て 回転 中心 を計 算 す る 方 法 で す. 解 剖 学 的 ・幾何 学 的 統 計 モ デ ル に基 づ く方 法 は,触 察 に よっ て 解 剖 学 的 特 徴 点 直 上 にマ ー カ を貼 り,そ の マ ー カ位 置 情 報 か ら生体 内関 節 中 心 を計 算 す る方 法 で す.レ
ン トゲ ン撮 影 な どか ら得 られ た 体 表 特 徴 点 と生 体 内 関 節 中 心 との 相対 的 な
位 置 関 係 の統 計 量 か ら関 係 式 を導 出 して い ます.Davis21),Vaughan22)の 有 名 です.ま
た,Helen
Hayes
Hospitalで
開 発 され たHelen
ト と呼 ば れ る 関 節 中 心 推 定 方 法(図3.9)23)も,い
Hayesマ
方法が ーカセ ッ
くつ か の 光 学 式 運 動 計 測 シ ス
テ ム で 採 用 さ れ て い ます.臨 床 歩 行 分 析 研 究 会 が提 唱 す る運 動 デ ー タ フ ァイ ル の
図3.9
Helen
Hayesマ
ー カ セ ッ ト
図3.10
互 換 フ ォー マ ッ トDIFFに
DIFFマ
ー カセ ッ ト
お い て も,関 節 中 心 位 置 の 推 定 方 法 が 提 案 さ れ て い
ます(図3.10)24). この う ち,股 関 節 に つ い て は,体 表 面 マ ー カ か ら推 定 した 関 節 中心 と,レ ン ト ゲ ン やMR画
像 か ら取 得 した 実 際 の 股 関 節 中 心 との 誤 差 を検 証 した 研 究25∼27)が
あ り ます.股
関節 の 検 証 研 究 が 多 い の は,股 関 節 中 心 が 深 部 に あ り体 表 面 マ ー カ
か ら の推 定 誤 差 が 大 き くな りや す い た め で し ょう.MR画 証 結 果27)に よれ ば,も
像 を用 い た筆 者 らの検
っ と も単 純 な幾 何 モ デ ル に基 づ くDIFFの
フ ォー マ ンス を示 し ま した.複 雑 な幾 何 モ デ ル を用 い る場 合,そ
方 式 が よいパ の モ デ ル の形 状
パ ラ メー タ を統 計 的 に推 定 す る部 分 で 誤 差 が重 畳 し て し ま い,最 終 的 な精 度 が悪 くな る よ うで す.統 計 的 な推 定 式 が 欧 米 人 体 型 に最 適 化 され て い る こ と も一 因 で し ょ う. これ に対 して,運 動 学 的 ・機 構 学 的 モ デ ル で は,マ ー カ は関 節 部 直 上 に貼 り付 けず 節 の 中 央 付 近 に貼 り付 け ます.Cappozzoら
の研 究25)に よ れ ば,運 動 に よ る
皮 膚 変 形 に よっ て生 じ る 体 表 面 マ ー カ と骨 格 との ず れ(Skin
Movement
Arti
fact)は
関 節 直 上 が も っ と も大 き く,体 節 中 央 付 近 が も っ と も小 さ い と さ れ て い
ます.こ
うい う点 か ら も,関 節 直 上 に マ ー カ を貼 るの で は な く,体 節 中央 付 近 に
マ ー カ を貼 る ほ うが ず れ が 出 に くい と考 え られ ます. この よ うに マ ー カ を貼 っ た う え で,実 際 に関 節 を運 動 させ,な
ん らか の 数 学 的
制 約 条 件 を お い て 回転 中 心 を計 算 す る の が 運 動 学 的 ・機 構 学 的 モ デ ル に よ る方 法28,29)です.筆 者 らの 方 法 で は,1つ
の体 節 に つ い て 最 低3つ
とに な る た め,全 身 の マ ー カ の 数 は40個
の マ ー カ を貼 る こ
以 上 に も な り ます.も
っ と も,最 近 の
電 子 光 学 式 標 点 計 測 シ ス テ ム で は,こ の よ う な多 数 マ ー カセ ッ トで も問 題 な く追 従 ・認 識 で き ます.マ ー カ セ ッ トを装 着 した 段 階 で,関 節 中 心 を計 算 す る た め の 基 準 動 作 を被 験 者 に行 わ せ ます.基 準 動 作 全 行 程 を通 して,マ
ー カ セ ッ トと推 定
す べ き関 節 中 心 との相 対 関 係 が 一 定 で あ り,か つ ご く短 い 時 間 間 隔 で あ れ ば 関 節 中 心 が絶 対 空 間 で 並進 移 動 しな い とい う制 約 条 件 下 で 最 適 化 計 算 を行 い,マ セ ッ トに対 す る関 節 中 心 の 相 対 位 置 を計 算 し ま す(図3.11).こ
ーカ
こで は,関 節 中
心 の 並 進 運 動 を許 容 し,マ ー カ セ ッ トと体 節 間 に生 じ る皮 膚 変 形 の ず れ は無 視 で
図3.11 運 動 計 測 による機 能 的 肩 関節 中心 位 置 の推 定
図3.12
運動 計 測 による機 能 的 肩 関節 中心 位 置 の推 定結 果
き る と仮 定 して い ます.MR画
像 を用 いた 検 証 か ら,肩 関 節 ・足 関 節 以 外 で は 関
節 窩 の 中 央 付 近 に 回 転 中 心 が 同 定 され て い る こ とが 確 認 で きて い ま す.肩 関 節 で は上 腕 骨 の や や 内 側(図3.12)に,足 よ り もや や 下 側 に 推 定 さ れ ます.こ
関 節 で は 内 果 最 突 点 と外 果 最 突 点 の 中点 れ らの 関 節 は 実 際 に は 関節 複 合 体 で あ り,そ
れ を 単 純 な機 構 学 モ デル で再 現 した場 合 の 機 能 的 関 節 中心 を計 算 して い る と考 え る こ と もで き ま す. 前 者 の統 計 に基 づ く方 法 と,後 者 の 運 動 に基 づ く方 法 と は そ れ ぞ れ 得 失 が あ り,ど ち らが 有 利 と も い い きれ ませ ん.後 者 の ほ うが 個 別 対 応 の 点 で優 れ て い る の は 明 らか で あ り,最 新 の電 子 光 学 式 標 点 計 測 シ ス テ ム を もっ て い て,多 点 マ ー カ セ ッ トの 貼 り付 け や 関 節 中 心 決 定 の た め の基 準 動 作 計 測 に抵 抗 が な い の で あ れ ば,筆 者 と し て は後 者 の 方 法 をお 薦 め し ます.前 者 が 他 人(場 る人 種)の
合 に よっ て は異 な
統 計 量 か ら推 定 して い る の に対 し,後 者 は あ く まで も 自分 の運 動 デ ー
タか ら最 適 化 し て い るた め で す. い ず れ に し て も,運 動 計 測 シ ス テ ム で 得 られ た マ ー カ の 座 標 値 か ら関 節 中 心 を 推 定 す る ソ フ トウ ェ ア が 必 要 と な り ます.市 販 の電 子 光 学 式 標 点 計 測 シ ス テ ム に は,こ の よ う な ソ フ トウ ェ ア が組 み込 まれ て い る こ とが 多 く,た と え ば 上 述 した Helen Hayesマ
ー カ セ ッ トが シ ス テ ム に組 み込 まれ て い て,マ
ニ ュ ア ル どお り
に マ ー カ を貼 れ ば統 計 的 に 関 節 中 心 を計 算 して くれ る よ う に な っ て い ます.ま た,DIFFを
推 奨 す る 臨床 歩 行 分 析 研 究 会 が 会 員 に配 布 して い る 歩 行 解 析 ソ フ ト
ウ ェ アDIFFGAITで
も,DIFF方
式 で の関 節 中 心 計 算 が で き ま す.運 動 学 ・機
構 学 モ デ ル に基 づ く方 法 は ま だ あ ま り一 般 化 して い ませ ん が,筆 者 らの研 究 セ ン タ ー で は基 準 動 作 か らマ ー カ セ ッ トと関 節 中心 の 相 対 関係 を取 得 し,体 表 面 マ ー カ 座 標 か ら 関 節 中 心 座 標 を推 定 す る ソ フ トウ ェ ア を 提 供 し て い ます(http:// www.dh.aist.go.jp/).も
ち ろ ん,こ
れ 以 外 の 方 法 で も論 文 に詳 細 な 方 法 が 出 て
い ます か ら,コ ン ピ ュー タ プ ロ グ ラ ム を独 自 に組 め ば 関節 中 心 推 定 は そ れ ほ どむ ず か し い こ とで は あ りませ ん. プ ロ グ ラ ミ ン グ の 敷 居 が 高 い とい う人 に は,た のBody
Builderと い う ソ フ トウ ェ ア な どが 便 利 で す.こ
は,簡 易 プ ロ グ ラ ム機 能 を も っ て い て(C/C++で 簡 単),相
と え ば,Vicon
Motion
Systems
の ソ フ トウ ェ ア
プ ロ グ ラ ム を組 む よ りず っ と
対 的 に動 か な い3つ の マ ー カ で マ ー カ セ ッ トを構 成 し,そ の マ ー カ セ
ッ ト座 標 系 の6自
由度(位
置 と姿 勢)を
計 算 した り,マ ー カ セ ッ ト座 標 系 と相 対
的 に位 置 関 係 が 変 化 しな い仮 想 点 の座 標 値 が 計 算 で き ま す.
3.5.3
運 動 による皮膚 変形の影 響
関 節 中 心 を推 定 す る 方法 は,基 本 的 に マ ー カ が 生 体 内 骨 格 で 決 定 され る特 徴 点 の 直 上 に 貼 り付 け られ て い る こ と を前 提 と して い ます.解 剖 学 的 特 徴 点 を,静 止 立 位 状 態 で 注 意 深 く触 察 した と して も,運 動 中 に皮 膚 が 変 形 して し ま い,体 表 面 上 の マ ー ク と骨 の 相 対 的 な位 置 関 係 が 変 わ っ て し まい ま す.こ れ をSkin Artifactと 呼 び ます.よ
り精 密 な計 測 を行 う に は,こ
Movement
の問 題 も考 慮 す る必
要 が あ る で し ょ う.特 に,関 節 を単 純 な ピ ン ジ ョイ ン ト と仮 定 せ ず,関 節 で起 こ るす べ り運 動 な ど を計 測 した い と考 え る場 合 に は,こ の 問 題 の解 決 が 必 須 と もい え ます.残
念 な が ら,こ の 問題 を きれ い に解 決 で き る簡 便 な方 法 は確 立 され て い
ませ ん.大
き く3つ の ア プ ロ ー チ が あ る よ うで す.第 一 は,皮 膚 変 形 を受 け に く
い場 所 を探 し,そ
こ にマ ー カ を貼 る方 法.第
二 は,皮 膚 変 形 を生 じな い よ う に し
て し ま う方 法.第 三 は,部 位 に よ る皮 膚 変 形 の 大 き さや 方 向 の確 率 分 布 モ デル に 基 づ い て マ ー カ の ず れ を補 正 す る方 法 で す. 第 一 に つ い て は,Cappozzoら
の 研 究 が あ りま す25).節 の 中央 付 近 に3つ 以 上
図3.13
マ ー カ セ ッ ト座 標 系 か らAnatomical
Frame(解
剖 学 的 座 標 系)へ の 変 換
の マ ー カ をつ け,そ の マ ー カ セ ッ トで 構 成 され る座 標 系 に対 し て,関 節 中 心 を特 定 す るた め の 解 剖 学 的特 徴 点 の 相 対 位 置 を あ らか じ め入 力 し ます.こ で,時
うす る こ と
々 刻 々 計 測 さ れ る マ ー カセ ッ ト座 標 系 を,解 剖 学 的特 徴 点 に よ っ て構 成 さ
れ る 骨 基 準 解 剖 学 座 標 系(Bone うに な り ます(図3.13).マ
embedded
anatomical
frame)に
変換 で きるよ
ー カセ ッ ト座 標 系 が 皮 膚 変 形 の 影 響 を受 け に くい 場
所 に セ ッ トされ て いれ ば,皮 膚 変 形 の 影 響 を受 けず に解 剖 学 的 特 徴 点 を推 定 し, 関 節 中 心 を計 算 で き る こ とに な り ます.一 and
Posture誌
連 の研 究 がLeardiniら
に よ っ てGait
に ま とめ られ て い ます30).定 量 的 な 考 察 が加 え られ て お り,参 考
に な ります. 第 二 に つ い て は,た ば,図3.14の
と え ばSatiら
の 研 究 が あ り ます31,32).彼等 の研 究 に よれ
よ うな 装 具 を付 け て 膝 関 節 付 近 の 皮 膚 変 形 を抑 え る こ とで,体
表
面 マ ー カ と骨 との 相 対 的 な ず れ が 生 じな くな る と され て い ます. 第 三 の 解 剖 学 的 なモ デル に よ る ア プ ロー チ で は,決 定 的 な 方 法 は提 案 さ れ て い な い よ うで す.コ
ン ピ ュー タ グ ラ フ ィ ク ス の 世 界 で は,ノ イ ズ や ず れ を含 む 実 測
マ ー カ か ら,合 理 的 な関 節 中心 を最 適 化 す る方 法 が提 案 され て い ま す33).こ れ ら
図3.14
皮膚 変形 をお さえ る膝 関節 ア タ ッチ メ ン ト(文献31中
の 図 を改 変)
は,生 体 関 節 が機 械 の ピ ン ジ ョイ ン ト関 節 で あ る な どの 構 造 的 仮 定 を置 き,実 測 した マ ー カ座 標 か ら,最 適 な ピ ン ジ ョイ ン ト関 節 中 心 を計 算 す る もの で す.
3.6 運 動 デ ー タ 表 現
3.6.1
関節 角度表 現
人 体 運 動 を記 述 ・表 現 す る の に,関 節 角 度 は 合 理 的 な 方 法 で す.関 節 角 度 表 現 に は 関 節 構 造 や 機 構 は関 係 あ りませ ん.2つ
の 剛体 節 の 相 対 的 な位 置 と姿 勢 の 関
係 を 角 度 で表 す とい うだ け の こ とで す.2つ
の 剛 体 節 が,異
な る2人 の被 験 者 の
じよ うに 数 学 的 に表 現 で き ま す.た
だ表 現 して も医 学 的
前 腕 同 士 で あ って も,同 に は意 味 が あ りませ ん.バ か しい と こ ろ は,こ
イ オ メ カ ニ ク スや 医 学 で 利 用 す る関 節 角度 表 現 の むず
方 法 で あ り,か つ,医
こ に あ る と思 って い ます.す
な わ ち,数 学 的 に 合 理 的 な表 現
学 的 に理 解 しや す い 表 現 方法 で あ る とい う両 者 を満 足 させ
な け れ ば な らな い の で す. 関 節 角度 を記 述 す る た め に は,ま ず座 標 系 を決 め な け れ ば な りま せ ん.座 標 系
の 問 題 も,ま
じめ に 考 え る とた い へ ん 深 遠 な課 題 で す.た
とえ ば,膝 関 節 の2次
元 運 動 で屈 曲 伸 展 角 度 を記 述 す る と し ま し ょ う.「 大 腿 節 の 長 軸 と下 腿 節 の 長 軸 の な す角 度 を屈 曲 角 と し,伸 展位 をゼ ロ,屈 曲 方 向 に正 とす る」 とい う定 義 を し た とき,長 軸 と はな にか,と
い う こ とで す.
大 き く2つ の 考 え方 が あ ります.第 一 は解 剖 学 的 に 定 義 す る 方 法,第 二 は運 動 学 的 に定 義 す る方 法 で す.解 剖 学 的 な定 義 と は解 剖 学 的 特 徴 点 にマ ー カ を貼 り付 け,そ の マ ー カ に よ っ て規 定 され る座 標 系 を利 用 す る とい う意 味 で す.個 人 間 の 対 応 が確 実 で,運 動 に支 障 が あ る被 験 者 で も定 義 が で き ま す が,運 動 軸 は骨 の形 状 に よ って 決 ま っ て い るの で は な い とい う問 題 が あ ります. 運 動 学 的 に 定 義 す る とい う の は,た カ を つ け,膝
と え ば股 関 節 と膝 関 節,足
関節付近 にマー
を屈 曲伸 展 運 動 させ た と きの 運 動 平 面 に基 づ い て 屈 曲伸 展 軸 を 定 義
す る と い う方 法 で す.合 理 的 で は あ り ます が,屈
曲 伸 展 しな が ら,実 は下 腿 の 回
旋 も同 時 に起 き て い るか も しれ ませ ん し,運 動 機 能 障 害 が あ れ ば座 標 の定 義 もむ ず か し くな りま す.ま
さ し く一 長 一短.全
体 的 に は,解 剖 学 的 な定 義 が 数 多 く利
用 され て い る よ うで す. 座 標 系 が 定 義 で きた ら,次 は 隣 り合 う2つ の節 の 座 標 系 の 相 対 的 な位 置 と姿 勢 を 数 学 表 現 す る ス テ ッ プ で す.こ
こで は,3次
元 の 角 度 表 現 に触 れ る こ とに し ま
す.数 学 的 な合 理 性 と医 学 的 な解 釈 容 易 性 を両 立 した3次 元 角 度 表 現 はな か な か む ず か し く,こ れ とい っ た決 め 手 は あ り ませ ん.ま ん.Niggの
た,日 本 語 の 良 書 も あ りませ
本34)に う ま くま とめ られ て い ま す の で,紹 介 して お き ます.主
つ の 角 度 表 現 法 が 提 案 さ れ て い ます.そ
に3
れ ぞ れ 得 失 が あ りま す が,ポ イ ン トは
●医 学 的 な解 釈 が 容 易 か ●順 序 依 存 性 が あ る か ●加 算 性 が あ るか ●ジ ンバ ル ロ ッ ク が あ るか だ と思 い ま す. (1) オ イ ラ ー角 / カ ル ダ ン 角 第 一 はオ イ ラ ー角 とい わ れ る もの で,厳 密 に は オ イ ラ ー 角(Eular
angles)と
図3.15
カ ル ダ ン 角(Cardan る2つ
angles)が
2つ の 節 座 標 系
あ り ま す12).原
の 剛 体 座 標 系 は 図3.15の
よ う に な り ま す.こ
に 一 致 さ せ る よ う に 回 転 す る に は,ま る と,Xa軸 は,こ
とYa軸
ず,Za軸
も 回 っ て し ま っ て,新
の 新 し いY'a軸
点 を 重 ね て 図 を 描 く と,隣
に 回 し ま す.そ
こ で,座
とY'a軸
う す る と,X'a軸
回 転 し て し ま い,X"a軸
とZ"a軸
せ る と,座
重 ね る こ と が で き ま す(図3.16)
標 系AをBに
回 転 角 度 が 必 要 で し た の で,こ の3つ
ル ダ ン 角 は3つ
最 初 にZa軸,次
にY'a軸
で す.人
す れ ば,ま
曲 伸 展 軸 をZa軸,内
順 で 角 度 を 定 義 で き る の で す.
後 に,Z"a軸
まわ りに 回 転 さ .こ
の と き,3つ
の
イ ラ ー 角 が 最 初 の 軸 と最 後 の 軸 が 同 じ で
だ と し た ら,三
ず 屈 曲 伸 展 さ せ,そ
とZ'a軸(=Za軸)は
と も 違 う 軸 ま わ り で 回 転 さ せ ま す(図3.17).
間 の 運 動 を 記 述 す る に は,こ
え ば 膝 で あ れ ば,屈
うす
に な り ま す .次
の 回 転 角 度 で 表 現 す る の が オ イ ラ ー 角 で す.
カ ル ダ ン 角 も ほ と ん ど 同 じ で す が,オ あ る の に 対 し,カ
座 標 系B
ま わ り に 回 転 さ せ ま す .そ
し いX'a軸
が で き ま す.最
標 系Aを
接 す
番 目 はX"a軸
まわ り に 回 転 させ る の
の カ ル ダ ン 角 の ほ うが 適 し て い ま す .た 外 転 軸 をY'a軸,回
の う え で 内 外 転 さ せ て,最
旋 軸 をX"a軸
と と
後 に 回旋 させ る とい う
図3.16
図3.17
オ イ ラー角
カ ル ダ ン角
オ イ ラ ー / カ ル ダ ン角 は,簡 単 な 三 角 関 数 の 数 式 で 表 現 で き,そ れ は,3×3 の行 列 の 形 で 表 す こ とが で き ます.3×3の
行 列 は座 標 系 の 回 転 を表 す もの で,
座 標 系 の単 位 方 向 余 弦 ベ ク トル か ら構 成 す る こ とが で き ます.し た が っ て,運 動 計 測 で 得 られ た マ ー カ の座 標 か ら剛体 の座 標 系(の 絶 対 座 標 系 に対 す る 姿 勢)を 3×3の 行 列 で 表 現 で き,そ れ を 用 い れ ば,2つ 3×3の 行 列 で 表 現 で き ます.そ 数 式 に あ て は め て解 けば,3つ こ と に な り ます が,こ 能 で す が,sin-1の
れ を,先 の オ イ ラ ー / カ ル ダ ン角 の 三 角 関 数 の の角 度 を計 算 で き ま す.逆 三 角 関 数 を使 っ て 解 く
の と き,定 義 域 に注 意 して くだ さ い.角 度 は360度 定 義 可
定 義 域 は0度
か ら180度, cos-1の 定 義 域 は −180度 か ら+
180度 まで しか あ り ませ ん.ま た,tan-1も ち ませ ん.分
の 剛 体 座 標 系 の 相 対 的 な 回転 も
普 通 に使 う と ±90度 の 定 義 域 し か も
母 と分 子 の 象 限 を チ ェ ッ ク して符 号 を判 定 す る 関 数(C/C++で
れ ばatan2)を
使 う よ う に し ま し ょ う.
オ イ ラ ー/ カ ル ダ ン角 は 医 学 的 な解 釈 が 容 易 で す.一 存 性 が あ り,3つ
で き ませ ん.当
方,角 度 表 現 に は順 序 依
の 角 度 は定 義 した 順 番 どお りに 回 さ な け れ ば な り ませ ん.し た
が っ て,厳 密 に は3つ の 角度 をバ ラバ ラ に扱 っ て,足
ん.ま
然,角 速 度 を単 純 な 引 き算(差
分)で
し算 や 引 き算 をす る こ とは 計 算 す る こ と も で き ませ
た,角 度 が 定 義 で きな くな る特 異 点 が 存 在 し ます.北 極 に行 く と,西
が な くな っ て し ま うの と同 じ で す.こ 呼 ば れ ます.な い れ ば,こ
お,Gyroscopic
れ は,ジ
Eular
ンバ ル ロ ッ ク(gimbal
コラ ム
angleと い う積 分 形 式 の 角 度 表 現35)を 用
ジ ンバル ロック
ジ ンバ ル ロ ッ ク(特 異 点)は,バ
イ オ メ カ ニ ク ス分 野 で は,コ ー ドマ
ンの パ ラ ド クス と して 有 名 で す(コ
ラ ム 図).背
筋 を伸 ば し,肘
を伸 展 さ せ た ま ま掌 を下 に 向 け て右 腕 を前 方 に 伸 ば し ます.こ 右 腕 を外 側 に 向 け て 水 平 に90度
と東
lock)と
れ らの 問 題 を解 決 で き ます.
度 は,そ
あ
回 し ます.肩
の ま ま右 腕 を挙 上 し ます.そ
と手 首
の ま ま,
関 節 の 水 平 外 転 で す.今
して,最 後 に右 腕 を前 方 に倒 して
い く と,掌 は 外 側 に90度 ね じれ て い ます.一
度 も 回 旋 運 動 を行 う こ と
図
な く,前
腕 が 回 旋 し て し ま う.こ
ジ ン バ ル ロ ッ ク は,そ
れ が コ ー ドマ ン の パ ラ ド ク ス で す.
れ 以 上 に,航
空 宇 宙 工 学 の世 界 で は人 工 衛 星 の
制 御 に お い て き わ め て 重 要 な 課 題 で し た.映 も,「 姿 勢 に 気 を つ け ろ!ジ が あ り ま す.1970年 (Quaternion)が
画"APPOLO13"の
ン バ ル ロ ッ ク す る ぞ!」
に,ジ
中 で
と怒 鳴 る シ ー ン
ン バ ル ロ ッ ク を 解 決 す る4元
提 案 さ れ て お り,現
数 表 現
在 は 解 決 さ れ て い ま す.Quaternion
も 物 体 の 瞬 間 的 な 回 転 方 向 の 単 位 ベ ク トル と 回 転 角 度 で 姿 勢 を 記 述 す る 方 法 で す.バ も,基
本 的 に はQuaternionと
Grubin, Axis
イ オ メ カ ニ ク ス 分 野 で 提 案 さ れ たHelical
and
C.:Derivation Angle,
Journal
angles
同 義 で す. of the
Quaternion
Scheme
of Spacecraft,7(10)(1970).
via
the
Eular
(2)
Joint
Groodら
の 座 標 系 が あ る と き,回
中 のZa軸=e1).通
軸 は 座 標 系Bに
常 は,こ
し て,3つ
中 のe2軸).カ
転 軸 の1つ
は 座 標 系Aに
れ を 屈 曲 伸 展 軸 と し ま す.も
よ っ て 決 ま り ま す(図
回 旋 軸 と し ま す.そ ま す(図
System
に よ っ て 提 案 さ れ た 人 体 関 節 角 度 の 表 現 方 法36)で す.図3.18を
く だ さ い.2つ ま す(図
Coordinate
中 のYb軸=e3).通
目 の 軸 は,第1軸
と 第2軸
ル ダ ン 角 と よ く似 て い ま す.特
ル ダ ン 角 と対 応 し て い ま す.本
常 は,こ
見て
よって決 ま り う1つ
の 回転
れ を 長 軸=
の 外 積 に よっ て 決 ま り に,第1軸
書 で は 数 式 展 開 し ま せ ん が,両
と 第3軸
はカ
者 は数 学 的 に変 換
可 能 で す36). で は,Joint ま た,e1,e2,e3と
Coordinate
Systemの
利 点 は,順
序 依 存 性 が な い と い う 点 で す.
い う 単 位 ベ ク トル を 用 い る こ と で,関
進 移 動 成 分 も表 記 可 能 で す.屈 学 的 な 解 釈 も 容 易 で す.た
曲 伸 展 角 度,内
だ し,一
図3.18
外 転 角 度,回
節 の 回 転 だ け で な く並 旋 角 度 の よ う に,医
般 的 な 角 度 ゼ ロ の 定 義 と90度
Joint
Coordinate
System
ずれ た角度が
計 算 さ れ る の で 姿 勢 に 応 じ て 換 算 す る 必 要 が あ り ま す.な 問 題 は 解 決 し て い ま せ ん(Xa軸
とZb軸
お,ジ
ンバ ル ロ ッ クの
の な す 角 度 が 小 さ くな る と計 算 誤 差 が
増 大). (3) 3つ
Helical
angles
め に 紹 介 す る の は ヘ リ カ ル 軸 で す.こ
れ た 方 法37)で,1つ
の 物 体 が,あ
位 置 と姿 勢 の 変 化 を1つ 3.19).こ
の 軸 を,Finite
Helical Helical
anglesで anglesは
に よって提 案 さ
る 参 照 姿 勢 か ら別 の 姿 勢 に 移 動 し た と き,そ
の
の 仮 想 軸 ま わ り の 回 転 と 並 進 で 記 述 す る 方 法 で す(図 Helical
が 表 現 で き る の で す か ら,2つ が,Helical
れ は,Woltringら
す.数
Axisと
呼 び ま す.1つ
の 物 体 の2時
点 での姿勢
の 物 体 の 相 対 位 置 と 姿 勢 も 表 現 で き ま す.そ 学 的 な 証 明 は 省 き ま す が,オ
れ
イ ラ ー / カル ダ ン角 と
anglesの
変 換 可 能 で す37). 最 大 の 特 徴 は,ジ
ンバ ル ロ ッ ク を 回 避 で き る 点 で す.回
1回 し か な い の で す か ら順 序 依 存 性 も あ り ま せ ん.も
図3.1
9
Helical
angles
し,対
転 も
象 関節が指 節関節 や
膝 関 節 の よ う に,ほ
と ん ど1自
由 度 し か な い 関 節 で あ れ ば,Helical
イ ラ ー / カ ル ダ ン 角 や,Joint
Coordinate
多 自 由 度 関 節 で は そ う は い き ま せ ん.し
Systemとほ た が っ て,一
anglesは
ぼ 一 致 し ま す.た
オ
だ し,
般 的 に は 医学 的 な角 度 に対
応 づ け て 解 釈 す る の が 困 難 で す.
3.6.2
運 動 デ ー タ の 記 述 形 式
形 状 デ ー タ に さ ま ざ ま な 記 述 形 式(フ
ァ イ ル 形 式)が
ー タ も さ ま ざ まな 記 述 形 式 が 混 在 して い ます
.バ
あ る よ う に,人
体運動 デ
イ オ メ カ ニ ク ス分 野 で 使 わ れ る
フ ァ イ ル 形 式 と,コ
ン ピ ュー タ グ ラ フ ィ クス 分 野 で使 わ れ て い る フ ァ イ ル形 式 と
に 大 別 で き ま す.た
だ し,バ
(Visualization)の
イ オ メ カ ニ ク ス 分 野 で あ っ て も,デ
ータ の可視化
た め に コ ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ク ス の 市 販 ソ フ トウ ェ ア を活 用
す る ケ ー ス も増 え 始 め て お り,コ
ン ピ ュー タ グ ラ フ ィ クス で の デ ー タ形 式 を知 っ
て お くの も 役 に 立 つ と思 い ま す. 基 本 的 に は,運 お り,も
動 計 測 シス テ ム が各 社 独 自 の フ ァイ ル形 式 で デ ー タ を保 存 して
し 他 者 と デ ー タ 交 換 し な い の で あ れ ば,そ
こ で は,そ
の よ う な 独 自 フ ァ イ ル で は な く,フ
イ ル 形 式 で 保 存 し た デ ー タ のViewerやEditorな
れ で 十 分 か も し れ ま せ ん.こ
ァ イ ル 形 式 が 公 開 さ れ,そ
の ファ
どが ツ ー ル と し て 公 開 さ れ て
い る も の を 紹 介 し ま す. (1)
バ イオ メカニクス分野
バ イ オ メ カ ニ ク ス 分 野 で は,C3D,DST,DIFFの3つ 名 で す.C3D形
式 は,1987年
ォ ー マ ッ ト で す.Vicon
Motion
にNational
り,さ
Institute
Systemsが
染 み の あ る 人 も 多 い と 思 い ま す.デ
の フ ァイル形 式 が有 of Healthで
開発 された フ
採 用 し て い る デ ー タ 形 式 で あ り,馴
ー タ 形 式 はWebサ
イ ト38)で 公 開 さ れ て お
ま ざ ま な デ ー タ 変 換 ツ ー ル や エ デ ィ タ な ど が 配 布 さ れ て い ま す.
DST形
式 は,CAMARC(Computer
Context)と
Aided
Analysis
in Rehabilita‐tion
い う欧 州 の 団 体 が 策 定 し た フ ァ イ ル 形 式 で す.こ
サ イ ト39)で フ ァ イ ル 形 式 が 公 開 さ れ て お り,同 Editorが
Motion
ダ ウ ン ロ ー ド で き ま す.DSTフ
ち ら も,Web
サ イ トか ら フ リ ー のViewerや
ァ イ ル も,Vicon
Clinical
Managerな
ど が サ ポ ー ト し て い る よ う で す. 3つ め のDIFFは,純
日 本 製 の フ ァ イ ル 形 式 で す.と
準 の ひ と つ と し て 認 知 さ れ て い ま す.臨 用 の フ ァ イ ル フ ォ ー マ ッ トで,人
開 さ れ て い ま す.こ
間 中 心 の 座 標 系 を と っ て い る 点 が 特 徴 で す.歩
ァ イ ル 形 式 は,臨
示,Poserと
の ほか の運 動 デ ー タ に も
床 歩 行 分 析 研 究 会 のWebサ
の フ ァ イ ル 形 式 に 対 応 し た,さ
が 公 開 さ れ て お り,同
派 な世 界 標
床 歩 行 分 析 研 究 会 が 策 定 した デ ー タ互 換
行 デ ー タ を タ ー ゲ ッ ト と し た 仕 様 に な っ て い ま す が,そ 十 分 利 用 で き ま す.フ
い っ て も,立
研 究 会 会 員 で あ れ ば,関
イ ト40)で 公
ま ざ ま な ソ フ トウ ェ ア ツ ール
節 モ ー メ ン トの 計 算 や グ ラ フ 表
い う ア ニ メ ー シ ョ ン ソ フ トウ ェ ア との リン ク ツ ー ル な ど を入 手 で き
ま す. (2)
コ ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィク ス分 野
一 方 の コ ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ク ス 分 野 で は,BVHと で す.こ
れ は,BioVision社
フ ォ ー マ ッ トで,BioVision
とい う 運 動 計 測 サ ー ビ ス を し て い た 会 社 が 開 発 し た Hierarchical
ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ク ス ソ フ ト ウ ェ ア が,こ BVHフ
い うフ ァイル形式 が有 名
Formatの
略 だ そ う で す.多
の フ ォ ー マ ッ ト に 対 応 し て い ま す.
ァ イ ル 形 式 を 記 述 し た も の と し て,筆
者 の 手 元 に あ る の は,SIG‐GRAPH
と い う コ ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ク ス の 国 際 会 議 で,1999年 ュ ー ト リ ア ル の テ キ ス トで す.同
くの コ ン
内 容 が,Webサ
に行 わ れ た チ
イ ト41)で も 閲 覧 で き ま す .
コ ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ク ス 分 野 で も う ひ と つ 重 要 な の が,MPEG‐4と 格 で す.MPEGと MPEG‐4の
い う と,デ
い う規
ジ タ ル 動 画 圧 縮 の 国 際 標 準 規 格 で す.実
中 に 人 体 運 動 記 述 の 規 格 が 盛 り込 ま れ て い る の で す.こ
は,
れ は,ス
イ
スEPFLのThalmann教
授 ら が 策 定 し て い たH‐Animと
い う形 式 が べ ー ス に な
っ て い ま す42).コ
ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ク ス と は い え,骨
格 な どの詳 細 な情 報 が 記
述 様 式 に な っ て い ま す. せ っ か く で す の で,コ
ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ク ス に つ い て も,日
ッ ト を 紹 介 し て お き ま す.SEGAが,東 で 開 発 し たAnimaniumと
本 発 の フ ォー マ
京 大 学 ・中 村 仁 彦 教 授 の 研 究 室 と共 同
い う ソ フ トウ ェ ア で す43).人
さ ま ざ ま な 骨 格 系 の 生 き も の の 動 き を 記 述,編
間 だ け で な く,動
物 な ど
集 で き る フ ォ ー マ ッ ト と,そ
の ソ
フ トウ ェア 群 が 開発 され て い て,SEGAか
ら販 売 さ れ て い ます.
3.7 運 動 デ ー タ分 析 運 動 デ ー タ の処 理 に つ い て は,床 反 力 計 測 の と ころ で挙 げ た 参 考 書 籍 が 役 に立 ち ま す17∼19). これ ら の 書 籍 に計 測 の 原 理,計 同 時 計 測,関
節 モ ー メ ン トの計 算 方 法,さ
解 説 さ れ て い ます.本
測 誤 差 の検 証 方 法,床
反 力 計 との
らに その 読 み 方 や利 用 方 法 まで 丁 寧 に
書 の 目 的 は,こ れ らの 書 籍 に載 っ て い な い よ うな ノ ウハ ウ
を伝 え る こ とに あ り ます.理 論 の詳 細 よ り は考 え方 の大 要 と具体 的 な処 理 方 法 を 記 載 した い と思 い ます. 運 動 分 析 手 法 は 大 き く3つ (kinematics)で
に 分 け る こ と が で き ま す.第
す.こ れ は 関 節 角 度 を 中 心 と した 分 析 で,目
一 は運 動 学
で 見 え る運 動 の違
い を定 量 的 に比 較 す る方 法 で す.第 二 は運 動 力 学(kinetics,dynamics)で こ ち らは運 動 デー タ だ けで は分 析 で き ませ ん.先 ど を併 用 して 体 に働 く力(関
す.
に述 べ た よ うな 床 反 力 デ ー タ な
節 モ ー メ ン トな ど)を 計 算 し,目 に見 え に くい働 き
を定 量 的 に 分 析 す る方 法 で す.第 三 は第 二 の 方 法 を拡 張 した もの で,人
体 を3.1
節 で 述 べ た よ う な剛 体 リ ン クモ デ ル とす る だ け で な く,そ こ に筋 骨 格 系 の モ デ ル を加 え て,運 動 中 に働 く筋 力 を推 定 す る方 法 で す.
3.7.1
運 動 学 的分 析
運 動 デ ー タ か ら時 間 や 関 節 角 度 の指 標 を計 算 し ます.移 動 を伴 う運 動 で あれ ば さ ら に移 動 距 離 を用 い た指 標 が 加 わ り ます. (1) 時 間 因 子 周 期 的 な運 動 で あれ ば1周 期 の時 間 が 指 標 に な ります.歩 行 分 析 に お け るケ ー デ ンス(Cadence,歩 姿 勢 が あ る場 合,そ
調)は
これ に 相 当 し ま す.1周
期 の う ち に あ る特 定 の キ ー
れ で 運 動 区 間 を切 り分 け,区 間 ご との時 間比 率 を指 標 化 す る
こ と もで き ます.歩 行 の場 合,両 れ の比 率 も指 標 に な ります.
足 立 脚 期 と片 足 立脚 期 に分 け られ ます か ら,こ
(2) 角 度 因子 関 節 角 度 で は,最 大 角 度 や 最 小 角 度,角 す.周
度 振 幅 な ど を指 標 に す る こ とが で き ま
波 数 分 析 を行 って 周 波 数 成 分 比 か ら運 動 の な め らか さ な どを 指標 化 す る こ
と もで き ます. (3) 距 離 ・並 進 移 動 因 子 歩 行 や 昇 降 な ど並 進 移 動 を伴 う動 作 で は,そ の移 動 量 そ の もの が 指 標 とな り ま す.ま た,時
3.7.2
間 因 子 と組 み 合 わ せ る こ とで 移 動 速 度 の 指 標 を計 算 で き ます.
運 動力学 的分析
床 反 力 デー タや 足 底 圧 力 分 布 デ ー タ に よ る分 析,あ
るい は そ れ ら と運 動 デ ー タ
を統 合 して 分 析 す る方 法 で す.本 書 で は運 動 計 測 を 目的 と し て い るの で,床 反 力 デ ー タの み,足 底 圧 力 分 布 デ ー タ の み に 基 づ く力 学 的 分 析 に つ い て は 触 れ ませ ん.こ
れ らに 興 味 の あ る方 は,参 考 書 籍 や 文 献 を参 照 して くだ さ い.
3.4.2項 で述 べ た よ うに運 動 デ ー タ と床 反 力 デ ー タ の 時 空 間 同 期 が で きれ ば, 剛 体 リン ク モ デ ル をべ ー ス と した運 動 力 学 的 分 析 が 可 能 に な り ま す.そ れ ぞれ の 節 に働 く力 は慣 性 力 と外 力 で あ り,慣 性 力 は運 動 デ ー タか ら得 られ る加 速 度 ・角 加 速 度 に よ っ て生 じ ま す.外 力 に は 隣 接 す る節 か ら伝 達 され る もの と,そ の 節 に 直 接 働 く外 力 とが あ り ます(図3.20).床 接 働 く外 力 で す.こ り合 い 式(図3.20中
反 力 な どで 実 測 して い る もの は節 に 直
れ らの 向 き と大 き さを 考 慮 して節 ご と に力 とモ ー メ ン トの 釣 に記 載)を
立 て れ ば,関 節 モ ー メ ン トや 関 節 パ ワ ー を計 算
で き ま す.こ の と き,慣 性 力 の計 算 の た め に体 節 ご との質 量 と慣 性 モ ー メ ン トが 必 要 に な り ます.こ れ らに つ い て は,人 体 慣 性 特 性 と して さ ま ざ まな推 定 方 法 が 研 究 され て お り,そ の 推 定 式 を利 用 す る のが 便 利 で す.既 研 デ ジ タ ル ヒ ュ ー マ ン研 究 セ ンタ ー のWebサ bodyDB/)に
出文 献 に つ い て は産 総
イ ト(http://www.dh.aist.go.jp/
ま とめ て あ ります の で参 考 に して くだ さい .
力 とモ ー メ ン トの 釣 り合 い式 を立 て て 関 節 モ ー メ ン ト等 を計 算 す る こ と は,プ ロ グ ラ ム言 語 やMATLABな
どの 心 得 が あ れ ば さ ほ どむ ず か しい もの で は あ り
ませ ん.加 速 度 や 速 度 な ど微 分 項 に相 当 す るデ ー タ を 実測 して い るの で,単
なる
図3.20 剛 体 リ ンク各 節 に働 く力
連 立 方 程 式(=行
列)を
解 くだ けで す.プ
ロ グ ラ ミン グが 苦 に な ら ない の で あ れ
ば,自 分 で プ ロ グ ラム を書 い て み る と,ど の 項 の 影 響 が 大 きい か な どが よ くわ か り,理 解 が 深 ま ります(ス
ポ ー ツや 衝 突 の よ う な加 速 度 の 大 きな運 動 で は な い 日
常 生 活 動 作 で は,慣 性 項 は さ ほ ど大 き くな い).た
だ,自 分 で つ くった プ ロ グ ラ
ム の 確 認 の た め に も,便 利 な 既 存 分 析 ツ ー ル につ い て は知 っ て お い た ほ う が便 利 で す.も
ち ろ ん,自 分 で プ ロ グ ラム を組 む つ も りの な い方 は,既 存 分 析 ツ ー ル を
利 用 して簡 便 に解 析 が で き ます. ま ず,臨 床 歩 行 分 析 研 究 会 が会 員 向 け に配 布 し て い るDIFFGAITと ツー ル が あ り ます.3.6.2項
で述 べ たDIFF形
い う分 析
式 の フ ォ ー マ ッ トの デ ー タ を読 み
込 ん で 関 節 中 心 を推 定 し,関 節 角 度 や モ ー メ ン ト,パ ワ ー を計 算 し て くれ ます. こ の ほ か に,Vaughanら
に よ る3次
元 歩 行 解 析 ソ フ ト ウ ェ アGAITLAB
(http://www.kiboho.co.za/GaitCD),C‐Motion
Inc.のVisual3Dな
どが よ く
使 わ れ て い る よ うで す. 計 算 され た 関 節 モ ー メ ン トや 関 節 パ ワー か ら運 動 を理 解 し把 握 す るの は,モ ー メ ン トや パ ワ ー の 意 味 が よ くわ か っ て い る研 究 者 に と って も容 易 な こ とで は あ り ませ ん.そ れ で も,こ れ を怠 って 計 算 結 果 を並 べ る だ けで は意 味 が あ りませ ん. 煩 雑 な 関 節 モ ー メ ン ト計 算 を す る 目的 は,現 象 と して観 察 され る運 動 を引 き起 こ した 本 質 的 な働 き(動 き を つ く りだ した人 間 の 意 図 や制 御)を 知 ろ う と い う と こ ろ に あ ります.よ 図3.21は
とつ だ け実 例 を紹 介 し て お き ます.
歩 行 中 の右 膝 の 関 節 角 度 変 化 と関 節 モ ー メ ン ト,関 節 パ ワー を 表 し
た も の で す.図 (RHC)か
く知 られ た 例 で す が,ひ
中 に キ ー と な る 時 点 を描 き入 れ て お き ま し た.右 足 の 踵 接 地
ら,左 足 の つ ま先 離 地(LTO),左
先 離 地(RTO),再
び 右 踵 接 地(RHC)と
足 の 踵 接 地(LHC),右 続 き ます.関
足 のつ ま
節 角 度 は大 き く2つ の
山 を描 い て い ます.最 初 に 踵 を設 置 した と きに 少 し 曲が っ て,再 び 伸 展 し,そ の 後,足
を空 中 で 前 方 に振 り出 す た め に 大 き く屈 曲 して い ます.3.5.6項
の運 動学
的 分 析 手 法 で は,こ の波 形 の み か ら指 標 を計 算 し ます. 運 動 力 学 的 分 析 で は,こ れ に関 節 モ ー メ ン トを加 えて 考 え ます.な ぜ 着 地 した あ と に 「少 し屈 曲 す る」 の か を考 え て み ます.図 とき,膝
は徐 々 に 屈 曲 し て い ます が,計
中 の ア ミ掛 け の 区 間 で す.こ の
算 され た モ ー メ ン トを見 る と伸 展 モ ー メ
ン トが 発 生 して い る こ とが わ か ります.大
腿 四 頭 筋 な ど を使 っ て(人 間 は)膝
を
伸 ば そ う と して い るの で す が,結 果 的 に膝 は屈 曲 して い る こ とに な ります.関
節
モ ー メ ン トの 向 き(伸 展)と 膝 関 節 運 動 の 向 き(屈 曲)が 逆 に な っ て い るた め, 関 節 パ ワー は負 に な っ て い ま す.エ ネ ル ギ ー の 吸 収 が起 きて い る の で す.つ
まり
「人 は踵 が 床 に 接 地 した と き,踵 に働 く着 地 衝 撃 で膝 折 れ が起 き る よ う に し,か つ 膝 折 れ に ブ レ ー キ をか け る よ うな 筋 力 を発 揮 させ て衝 撃 エ ネ ル ギ ー を 吸 収 して い る」 とい う よ う な こ とが わ か る の で す. 関 節 モ ー メ ン トとい っ て も人 間 の 関 節 に は ロ ボ ッ トの よ う にモ ー タ ー が つ い て
図3.21
歩 行 中 の 右 膝 の 関 節 角 度,関
い るわ け で は な い の で,そ
節 モ ー メ ン ト,関
節パ ワー の 変化
れ は結 局,筋 力 の働 きで あ る とい う こ と にな ります .
た だ し,計 算 され た 関 節 モ ー メ ン トを そ の ま ま筋 力 の働 き と見 る に は問題 が あ り ます.人
間 は伸 筋 と屈 筋 を 同 時 に働 か せ て(拮 抗),関
こ とが あ り ます.こ
の よ う な場 合,関
節 を硬 くし な が ら動 か す
節 モ ー メ ン トに は伸 筋 に よ る モ ー メ ン ト と
屈 筋 に よ る モ ー メ ン トの 差 分 しか 出 て き ませ ん.ま た,モ
ー メ ン ト計 算 に関 節 受
動 抵 抗 を加 え て い な い 場 合 で は,筋 力 で 支 え て い るの で は な く,関 節 が 受動 的 な 構 造 で 支 え て い る場 合 に 大 き な モ ー メ ン トが 計 算 され ま す. た と え ば,掌
を上 に む けて 腕 を前 方 に伸 ば し た と き,肘 関 節 は構 造 的 に ロ ッ ク
して お り,肘 を伸 展 位 に保 つ た め に筋 力 を働 か せ て い るわ け で は あ りま せ ん.そ れ で も,計 算 上 は肘 関 節 に も大 き な屈 曲 モ ー メ ン トが 表 れ る の で す.こ
れ らの 点
に 留 意 して,モ
ー メ ン トや パ ワ ー を分 析 す る こ とが 重 要 で す.
な お,臨 床 歩 行 分 析 研 究 会 で は,運 動 力 学 解 析 と デ ー タ理 解 の た め の セ ミナ ー を 開 催 して い ます.こ
3.7.3
うい うセ ミナ ー を利 用 す るの もよ い で し ょう.
筋骨 格系モ デル による分析
剛 体 リ ン ク モ デ ル に よ る分 析 で は,関 節 モ ー メ ン トま で しか計 算 で き ませ ん. 人 間 の 関 節 に は モ ー ター が つ い て い る の で はな く,関 節 モ ー メ ン トは筋 の働 きに よ って 生 じて い る の で す が,そ
の 筋 力 自体 を計 算 で き るわ け で は ない ので す.基
本 的 な 考 え 方 は,剛 体 リン ク モ デ ル か ら計 算 され た 関節 モ ー メ ン トが その 関 節 に 付 着 し て い る筋 に よ って 生 成 さ れ た も の と考 え,モ ー メ ン トを筋 力 に分 配 す る と い う もの で す. 人 体 の 関 節 にお い て,筋
は関 節 中 心 に付 着 して い る の で は な く,関 節 中 心 か ら
少 し離 れ た 場 所 に付 着 して い ま す.で す か ら,筋 が 収 縮 す る こ とで,関 節 中 心 と 筋 付 着 位 置 の距 離 を テ コの 長 さ(モ ー メ ン トア ー ム)と き ま す.1つ
した 関 節 モ ー メ ン トが 働
の 関 節 に付 着 して い る筋 は1つ で は あ り ませ ん.複 数 の 筋 が 協 働 的
に 作 用 して 最 終 的 に1つ の 関 節 モ ー メ ン ト とな ります.計 節 モ ー メ ン トが 得 られ ます の で,そ
算 上 は先 に合 成 した 関
れ を複 数 の筋 力 に よ るモ ー メ ン トに配 分 す る
こ とに な りま す.関 節 ご とに筋 の 数 も違 い ま す し,筋 ご とに 付 着 位 置 も異 な りま す. した が っ て,ど の よ うな筋 が,関 節 に対 し て どの位 置 に,ど の 向 き に つ い て い る か とい う構 造 が わ か らな け れ ば配 分 計 算 が で き ませ ん.そ
こで,剛 体 リ ンク モ
デ ル と と も に関 節 へ の 筋 の 付 着 位 置 や 走 行 の 構 造 を幾 何 学 的 に モ デル 化 した筋 骨 格 系 モ デル を利 用 し ます.実 際 に は筋 骨 格 系 モ デ ル を使 っ て も関 節 モ ー メ ン トの 筋 力 分 配 計 算 は う ま くい き ませ ん.そ
もそ も複 数 の筋 で 生 成 され た モ ー メ ン トを
足 した 結 果 が 関 節 モ ー メ ン トで あ り,こ の逆 問題 を数 学 的 に一 意 に解 くこ とは で き な い か らで す.3つ
の数 字 を足 した ら10に な っ た,3つ
の 数 字 をい い 当 て ろ,
と い う問 題 に 唯 一 の答 えが ない の と同 じ こ とで す. そ こで 評 価 関 数 を 導入 し,そ の評 価 関 数 の値 が 目標 値 に近 づ く よ う に筋 力 配 分
を 最適 化 す る方 法 が 利 用 さ れ ます.単 純 に 考 え る と 「筋 力 の 総 和 最 小 」 とい うの が よ さそ うで す が,実
は そ うで は あ り ませ ん.筋 力 の総 和 を最 小 化 す る と,関 節
に付 着 す る筋 の うち も っ と もモ ー メ ン トア ー ム の 長 い筋 が1人 で 活 躍 し,残
りの
筋 が す べ て お 休 み す る とい うの が もっ と も合 理 的 だ とい う こ とに な って し まい ま す. そ こで,多
くの研 究 で は筋 の 生 理 断面 積 に応 じた 「筋 疲 労 最 小 」 とい う評 価 関
数 を利 用 して い ま す. 筋 骨 格 系 モ デ ル に よ る筋 力 推 定 の 研 究 と し て は,山 崎 の モ デ ル44)が 有 名 で す (図3.22).近
年 で は,こ の筋 骨 格 系 モ デ ル を3次 元 に して 筋 走 行 経 路 ま で 考 え,
筋 の協 調 動 作 を踏 ま え て 筋 力 推 定 の 最 適 化 計 算 を し て い ま す45∼49)(図3.23).こ う な る と,気 軽 に プ ロ グ ラ ミ ン グで き る レベ ル で は あ り ませ ん.筋 骨 格 系 モ デ ル を独 自 開発 して い る研 究 者 に コ ン タ ク トを とっ て 共 同 研 究 す るか,あ
る い は市 販
の 筋 骨 格 系 モ デ ル を備 えた ソ フ トウ ェ ア を利 用 す る のが 合 理 的 で し ょ う.筋 骨 格 系 モ デ ル を備 えた ソ フ トウ ェ ア と して は,Musculographics 名 で す.こ
れ 以 外 に も,J.Rassmussenら
Technology社 ARMOな
のAnybody,幸
どが あ り ます.
Inc.のSIMMが
有
の 研 究 成 果48)に 基 づ くAnybody
村 拓 ら の 研 究 成 果49)に 基 づ くG‐Sport社
の
(a) 人 間 の下 肢 筋骨 格 系構 造 図3.22
(b) 筋付 着 位 置 のモ ー メ ン トァー ムを 考 慮 した筋 骨 格系 モ デ ル
2次 元 筋 骨格 系 モ デ ル(山 崎 のモ デ ル,文 献44中
図3.23 3次 元 筋 骨格 モ デ ルの 例(文 献49参
の 図 を改 変)
照,東 京 大 学情 報 理 工学 系 研 究 科 ・山根 克 氏 提供)
参考文献
第1章
人体 寸法計測
1) Martin,
R. und
R. Knussmann:Anthropologie.
Band I.,
Gustav
Fischer
(1988). 2) 鈴 木 尚:人
体 計 測,人 間 と 技 術 社(1973).
3) 保 志 宏:生
体 の 線 計 測 法,て
4) 保 志 宏,江
藤 盛 治,河
ら ぺ い あ(1989).
内 ま き 子 :人 類 学 講 座 別 巻1人
体 計 測 法,雄
山閣
(1991). 5)
生 命 工 学 工 業 技 術 研 究 所 編
:設 計 の た め の 人 体 計 測 マ ニ ュ ア ル,日
本 出 版
サ ー ビ ス(1994). 6)
Kouchi, in
7)
M.,
Mochimaru,
Anthropometry,
Kouchi,
M.
Hrdlicka,
and
ISO
Koizumi,
11)
Society
K.
Human
Yokoi,
T.:Random
Errors
Ergology,25,155‐166(1996).
K.:An of
and
analysis
of
errors
in
craniometry.
J.
Nippon,93(4),409‐424(1986). The
Wistar
Institute
of
Anatomy
and
Philadelphia(1920).
15535:2003,
databases 10)
of
A.:Anthropometry.
Biology. 9)
Tsuzuki,
Journal
Anthropological 8)
M,
General
requirements
for
establishing
anthropometric
Kouchi,
(2003). M.:Secular
somatometric
data,
河 内 ま き 子,持
丸 正 明
changes Anthropological
in
the
Japanese
head
form
from
Science,112,41‐52(2004).
:人 体 寸 法 デ ー タ ベ ー ス に つ い て,く
タ ー 研 究 報 告 集,4,46‐53(2000).
viewed
ら し とJISセ
ン
12)
河 内 ま き 子,持
丸 正 明
:人 体 寸 法 デ ー タ ベ ー ス,ヒ
ュ ー マ ン イ ン タ フ ェー ス
学 会 誌,4,252‐258(2000). 13)
(社)人
間 生 活 工 学 研 究 セ
bodysize 14)
data'92−'94
河 内 ま き子 ほ か
ン タ ー
:日 本 人
の 人 体 計 測
デ ー タJapanese
(1997).
:設 計 の た め の 人 体 寸 法 デ ー タ 集,生
命 工 学 工 業 技 術 研 究
所 技 術 報 告(1994). 15)
生 命 工 学 工 業 技 術 研 究 所 編 ー ビ ス(1996)
16)
(社)人 発
17)
(社)人
18)
編
:平 成12年
デ ー タ ベ ー ス 整 備(寸
間生 活 工 学 研 究 セ ン タ ー
第Ⅰ
編
法
C. R.,
Robinette,
the
population(ages
度
K.
高 齢 者 対 応 基 盤 整 備 研 究 開
・形 態 特 性)(2001).
:平 成13年
デ ー タ ベ ー ス 整 備(寸
Harrison, adult
本 出 版 サ
.
間 生 活 工 学研 究 セ ン タ ー
第Ⅰ
発
:設 計 の た め の 人 体 寸 法 デ ー タ 集,日
法
度
高 齢 者 対 応 基 盤 整 備 研 究 開
・形 態 特 性)(2002).
M.:CAESAR:Summary
18‐65)of
the
statistics United
States
of
for
America,
AFRL‐HE‐WP‐TR‐2002‐0170(2002). 19)
ADULTDATA.1998:The Strength Safety
20)
OLDER and
Handbook
Measurements‐Data Research,
Department
ADULT
DATA.2000:The
Strength
Safety 22)
Research,
Research,
Bittner
Jr.,
and
for
A.
Carde:afamily
Department C., of
Wherry manikins
for of Jr., for
of Adult
Design Trade R. J.,
Safety.
Trade of
Safety.
Anthropometric Consumer
Industry. Anthropometric
Government
and Consumer
Industry.
Glenn Ⅲ,
workstation
Consumer
Government
and
Adult
and
and
Industry.
Design of
Anthropometric Government
Handbook
Handbook
Measurements‐Data
Adult
Safety.
Trade
Department
CHILDATA.1995:The Strength
of
Design
Measurements‐Data
Safety 21)
for
of
F. A., design,
Harris,
Technical
2100.07B(1986). 23)
JIS
Z
8500:2002人
間 工 学―
設 計 の た め の 基 本 人 体 測 定 項 目(2002).
R.
M.:
Report
24)
ISO
7250:1996
Basic
human
body
measurements
for
technological
design (1996). 25)
ISO
20685:2005
3‐D
scanning
methodologies
for
internationally
compatible
anthropometric databases(2005).
第2章
人体形 状計測
1) 井 口 征 士 :広 が りを 見 せ る 三 次 元 計 測 技 術,計
測 と制 御,31(9),968‐974
(1992). 2) 小 澤 慎 治 :三 次 元 画 像 計 測 技 術,日 3) 吉 澤 徹 :三 次 元 工 学1―
本 機 械 学 会 誌98(918),385‐388(1995).
光 三 次 元 計 測(第2版),新
技 術 コ ミニ ュケ ー シ ョ ン
ズ(1998). 4) 吉 澤 徹:光
に よ る ヒ トの3次
元 形 状 計 測,計
測 と制 御,39(4),267‐272
(2000). 5) 河 内 ま き 子,持 討:計
丸 正 明 :形 状 ス キ ャ ナ に よ る 人 体 寸 法 計 測 の 誤 差 要 因 の 検
測 時 の 姿 勢 に よ る 寸 法 の 違 い,Anthropological
Series),113,63‐75 6) 持 丸 正 明,河 発.第19回
矢 高 司:人
体 形 状 の 高 速 ・隠 れ な し 計 測 装 置 の 開
セ ン シ ン グ フ ォ ー ラ ム,47‐52(2002). 山 将 晃,角
所 考,美
濃 導 彦:身
像 の 認 識 ・理 解 シ ン ポ ジ ウ ムMIRU
8) Mochimaru, using
(2005).
内 ま き子,大
7) 舩 富 卓 哉,飯 測,画
Science(Japanese
M., Kouchi,
the
FFD
method
M., Dohi, and
体 動 揺 を考 慮 した 人 体 形 状 の 計 2004,I‐565‐570(2004)
M.:Analysis
its application
of 3D
human
in grading
foot forms
shoe
last, Ergonomics
,43(9),1301‐1313(2000). 9) Allen,
B., Curless,
reconstruction
B., Popovi'c,
and
Z.:The
parameterization
space from
of human range
body
scans,
ACM
shapes: SIG‐GRAPH2003
(2003). 10) 稲 垣 知 大,浅
田 友 紀,倉
賀 野 譲,鈴
木 宏 正,持 丸 正 明,河
内 ま き 子 :解 剖 学 的
特 徴 点 に よ る 点 群 か ら の 足 形 状 の 再 構 成 と人 体 寸 法 の 抽 出,精
密 工学 会春
季 大 会 学 術 講 演 会,(2004). 11)
Mochimaru,
M.,
Digital
Human
Paper 12)
Kouchi,
Allen,
Modeling
for
Curless,
Human
Kouchi,
M.,
change
patterns,
持 丸 正 明,河
内 ま き子
forms,
2000,
the
space
anthropometric
SAE
of
SAE Technical
human
control,
and Engineering
SAE
Digital
Technical
Human Paper
body
SAE
2004, SAE
Digital
Technical
Kouchi,
M.,
CAD
Mochimaru,
of
spectacle
variations
in intra‐individual
Modeling
for
Design
元 顔 形
京 大 学 出 版 会(2002).
M.:Analysis frames,
and
2006‐01‐2353(2006).
:適 合 メ ガ ネ フ レ ー ム 開 発 を 目 的 と し た3次
イ オ メ カ ニ ズ ム16,87‐99,東
of 3D
face
forms
for
proper
sizing
Ergonomics,47(14),1499‐1516(2004).
運 動 計 測 Abdel‐Aziz,
Y.
comparator
I., Karara,
H.
coordinates
on 2)
body
Engineering
M.:Inter‐individual
2006,
and
1)
under
for Design
Mochimaru,
Engineering
第3章
human
2004‐01‐2188(2004).
状 分 類,バ 15)
and
3D
Z.:Exploring
synthesis
Modeling
shape
14)
Design
B., Popovi'c,
shapes:data‐driven
13)
for
2000‐01‐2149(2000).
B.,
Paper
M.:Statistics
Marzan,
Close‐Range G.
T.,
in
M.:Direct
close‐range
transformation
photogrammetry,
from
ASP
Symposium
Photogrammetry,1‐18(1971).
Karara,
H.
M.:A
transformation
solution
of
colimearity
of
Symposium
it, ASP/UI
linear
on
computer
program
condition,
Close‐Range
for and
some
direct
linear
application
Photogrammetry,420‐476
(1975). 3)
Hatze,
H.:High‐precision and
4)
object
Journal
of
Miller,
N.R.,
space
three‐dimensional reconstruction
photogrammetric
using
modified
calibration
DLT‐approach,
Biomechanics,21,533‐538(1988). Shapiro,
R.,
McLaughlin,
T.
M.:Atechnique
for
obtaining
spatial
kinematic
parameters
cinematographic 5)
Dapena,
data,
J.,
Harman,
with 15(1),11‐19
6)
Tsai,
7)
Cappozzo,
shape,
and
calibration using
Robotics
Croce,
using
Ehara,
unknown
metrology
of
A.,
analysis
8)
J. A.:Three‐dimensional
camera
vision
Journal
Gait
of
system
from
Biomechanics,13,535‐547(1980).
Miller,
object
Y.:Aversatile
machine
IEEE
A.,
of
of biomechanical
cinematography
Journal
of
Biomechanics,
(1982).
R.
3D
Journal E.
control
of segments
and
U.
D.,
technique
off‐the‐self
Automation,
Leardini,
TV
high-accuracy
cameras
and
lenses,
RA‐3(4),323‐344(1987).
A.,
stereophotogrammetry
for
Chiari,
Part
L.:Human
movement
1:theoretical
background,
Posture,21,186‐196(2005). Y.,
Fujimoto,
al:Comparison
H., of
the
Miyazaki,
S.,
performance
of
Mochimaru, 3D
M.,
camera
Tanaka,
systems Ⅱ,
S., Gait
et. and
Posture,5,251‐255(1997).
9)
Fishler, for
M.
model
A.,
fitting
cartography, 10)
Bolles, with
Y.,
human
activity, and
11) 上 田 雄 一,日
Aizawa,
sample
application
Communication
Nisida,
Robots
R. C.:Random
of
H.:3D
to the
image
analysis
Paradigm and
automated
ACM,24(6),381‐395(1981).
ultrasonic
tagging
IEEE/RSJ International
Systems(IROS
consensus:a
system
Conference
for on
observing Intelligent
2003),785‐791(2003).
吉 克 彦 :ジ ャ イ ロ セ ン サ の 仕 組 み と活 用 法,エ
レ ク トロ ニ ク ス
ラ イ フ,10,30‐36(1994). 12)
Chao, joint
E.
Y.
S.:Justification
rotation,
13) 森 本 正 治,山
Journal
of
of
triaxial
Della
Croce,
下 保 :導 電 性 ゴ ム 方 式2軸
U.,
Cappozzo,
errors,
for
measurement
of
Biomechanics,13,989‐1006(1980).
バ イ オ メ カ ニ ズ ム12,223‐230(1994) 14)
goniometer
A.:A
型 フレキ シブル関節 角度計 の開発,
. spot
Medical&Biological
check
for
estimating
stereophotogrammetric
Engineering&Computing,
38(3),260‐6(2000). 15)
Chiari,
L., Croce,
analysis and
using
U.
D.,
Leardini,
A.,
stereophotogrammetry
Cappozzo,
A.:Human
movement
Part2:Instrumental
errors,
Gait
Posture,21,197‐211(2005).
16) 持 丸 正 明 :リ
ア ル タ イ ム モ ー シ ョ ン キ ャ プ チ ャ,日
(3),290‐293
本 ロ ボ ッ ト学 会 誌,23
(2005).
17) 窪 田 俊 夫,山 崎 信 寿 :歩 行 分 析 デ ー タ活 用 マ ニ ュ ア ル― 床 反 力 編―,て
らぺ
い あ(1994).
18) 臨 床 歩 行 分 析 研 究 会 :関 節 モ ー メ ン トに よ る歩 行 分 析,医 歯 薬 出 版 株 式 会 社(1997).
19) 高橋 正 明,山 本 澄 子 :理 学 療 法MOOK6運 20)
Bryant,
J. T.,
centre
of
Wevers,
rotation
H.:Method
動 分 析,三 輪 書 店(2000). of
measurements,
data
smoothing
for
Medical&Biological
instantaneous Engineering&
Computing,22,597‐602(1984). 21)
Davis,
R.
B.,
collection ‐ 587 22)
Ounpuu,
and
Tybruski,
D.,
technique,
Human
reduction
Gage,
J. R.:A
gait
Movement
analysis
data
Science,10,575
(1991).
Vaughan,
C.
L.,
15‐43,Human
23)
S.,
Kadaba, lower
Davis, Kinetics
M.
P.,
R.
B.,
O'Conners,
C.:Dynamics
of
human
gait,
Publisher(1992).
Ramakrishnan,
extremity
J.
kinematics
H.
K.,
Wootten,
during level
M.
E.:Measurement
walking,
Journal
of of
Orthopaedic
Research,8,383‐392(1990). 24)
臨 床 歩 行 分 析 懇 談 会 ュ アル
25)
A.,
al:Validation
26)
・フ ァ イ ル 活 用 マ ニ
歩 行 デ ー タ フ ォ ー マ ッ ト標 準 化 提 案 書(1992).
Leardini,
centre
:歩 行 デ ー タ ・ イ ン タ ー フ ェ イ ス
location,
Cappozzo, of
A., a
Journal
Bell, A. L., Pedersen,
functional of
Catani,
F., method
Toksvig‐Larsen, for
the
S., estimation
Petitto, of
A., hip
et.
joint
Biomechanics,32,99‐103(1999).
D. R., Brand,
R. A.:Acomparison
of the accuracy
of
several
hip
center
location
,23(6),617‐21 27)
倉 林 準,持
prediction
methods,
Journal
of
Biomechanics
(1990).
丸 正 明,河
内 ま き子
:股 関 節 中 心 推 定 方 法 の 比 較
・検 討,バ
イ オ
メ カ ニ ズ ム 学 会 誌,27(1),29‐35(2003). 28)
Bao,
H.,
Willems,
estimation ‐50 29)
P. Y.:On
of the
human
the
kinematic
shoulder,
Journal
modelling
and
the
parameter
of Biomechanics,32(9),943
(1999).
Aoki,
K.,
joint
Kouchi,
modeling of the
M.,
for
accurate
rotation
Engineering
Mochimaru,
reach
center,
Symposium
M.,
Kawachi,
K.:Functional
SAE
envelopes Digital
2005,
based
Human
SAE
on
kinematic
Modeling
Transactions
shoulder
for
Paper
estimation Design
and
2005‐01‐2726
(2005). 30)
Leardini,
A.,
analysis
using and
31)
Sati,
M., of
32)
L.,
Croce,
de
Guise,
skin‐bone
Sati,
M.,
de
knee
kinematic
U.
D.,
Cappozzo,
stereophotogrammetry
compensation,
, The 33)
Chiari,
Guise,
Part
Gait J. A.,
and
at
J. A.,
Larouche,
3:Soft
movement
tissue
artifact
assessment
Posture,21(2005).
Larouche,
movement
A.:Human
S., the
Drouin,
knee, S.,
G.:Quantitative
The
Knee,3,121‐138(1996).
Drouin,
measurements:application
assessment
G.:Improving
to
prosthetic
in ligament
vivo analysis
Knee,3,179‐190(1996).
Bodenheimer,
B.,
motion
Rose,
C.,
capture:dealing
Rosenthal,S.,
with
the
data,
Pella,
J.:The
Eurographics
process
of
CAS'97,1‐14
(1997).
34)
Nigg,
B. M., , John
Herzog,
W.:Biomechanics
Wiley&Sons
35)
石 田 明 允:関
36)
Grood,
節 運 動
E. S., Suntay,
of
the
Musculo‐skeletal
System
Ltd.(1998). と そ の 計 測,医 W.
of three‐dimensional
J.:Ajoint
用 電 子 と 生 体 工 学 ,5(1),1‐6(1991). coordinate
motions:application
system
for of the
the knee,
clinical
de‐scription
Transaction
tion 37)
of ASME
Journal
Woltring, axis
H.
J.,
estimation
human
of
Huiskes,
R.,
from
joint
Biomechanical
noisy
kinematics,
Engineering,105,136‐144(1983).
Lange,
A.
D.:Finite
landmark
centroid
measurements
Journal
of
and
in
the
helical study
of
Biomechanics,18(5),379‐389
(1985). 38)
http://www.c3d.org/
39)
http://www.emgsrus.com/camarc.htm
40)
http://www.ne.jp/asahi/gait/analysis/comparison99/DIFF‐SPEC‐J.pdf
41)
http://www.cs.wisc.edu/graphics/Courses/cs‐838‐1999/Jeff/BVH.html
42)
http://coven.lancs.ac.uk/mpeg4/
43)
http://sega.jp/animanium/
44) 山 崎 信 寿:2足
歩 行 の 総 合 解 析 モ デ ル と シ ミ ュ レ ー シ ョ ン,バ
ム3,261‐269,東
45) 長 谷 和 徳,山
京 大 学 出 版 会(1975)
崎 信 寿:汎
C‐61(591),295‐300 46)
Nakamura,
Adaptive
Motion
Yamane,
K.,
model
Fujita,
Y.,
valid on
Robotics
Fujita,
based
Proceedings of Animals
physiologically
48)
K., Suzuki, I., human
chains,
Conference
本 機 械 学 会 論 文 誌,
(1995)
of musculo‐skeletal
47)
用3次 元 骨 格 モ デル の開 発,日
Y., Yamane,
kinematic
of and
the
on 2nd
Machines,
Y.:Dynamic efficient
algorithm
International
Y.:Estimation
somatosensory
information,
active
Human 2001‐2705
motion
Modeling
system for
Design
for
closed
Symposium
Kyoto,4‐8,
Nakamura,
and
computation
on
SaP‐I‐2(2003). of IEEE
physically
and
International
Automation(ICRA),2635‐2641(2005).
M.de Zee, J. Lem, K. Siebertz and J.Rasmussen:Computer of the
イオ メ カ ニ ズ
with and
musculo‐skeletal Engineering
models, Symposium
simulations SAE
Digital
2005,2005‐
(2005)
49) 幸村 琢,品 川 嘉 久 :筋 骨 格 系 モ デル を用 い た 人 体 動 作 の 生 成 ・変 形,情 報 処 理 学 会 研 究 報 告 グ ラ フ ィ ク ス とCAD,2000(115),31‐36(2000)
索引
■英数字
■あ
2値 画像 処 理
72
ア ー テ ィ ブ ァ ク ト
2点 マ ー カ 間距 離 2変 量散 布 図
99
21
4元 数表 現
ア ク ロ ミオ ン
119
Animanium
ア ン トロ ポ メ ー タ
family
31
式
122
CMM(Coordinate
Measuring
式
Finite
Helical
FIRフ
ィ ル タ
Helen
Hayesマ
1GES形
式
Rフ
Axis
ー カ セ ッ ト
115
■か
107 Difference)
7
外果最突点
15
外 側上顆 最 突 点
NURBS(Non‐Uniform )曲
101,124
オイラー角
108
104
Movement
81
運動力学
エ ラ ー デ ー タ除 去 技 術
121
123
節
101,124
運 動計 測
107
Absolute
MPEG‐4
Rational 線
error
B‐Splines.
外部同期
合併
112
of measurement)
point)
101
73
50,66
可 動 尺
5
カ ル ダ ン角
24 moment
14
96
重ね合わせ
64 Artifact
TEM(technical
ZMP(Zero
12
64
ィル タ
MP関
10
イ リオ ス ピナ ー レ ・ポ ス テ リ ウ ス
122
MAD(Mean
Skin
101
123
DST形
50,65,73
イ リオ ス ピナ ー レ ・ア ン テ リウ ス
運動学 of Pressure)
DIFF
2
Machine)
40
COP(Center
II
位 置あわせ
123
C3D形
43
8
123
Boundary BVH
65
ア ク テ ィブ ス テ レオ 法
眼窩点
17
桿状計
2
慣 性主軸
116
71
88
関節
固定尺 5
MP―
コ ン ピ ュー タ グ ラ フ ィ ク ス
104
―角 度 表 現 機構
■さ
81
股―
104
足―
104
再 現性
膝―
104
細線 化
簡 便 な検 証 方 法
93
53 72
最 大身長
7
細 分割曲面 機械 式
74
サブ ピクセル処理
40
キ ャ リブ レー シ ョン デ ー タ 曲 面 パ ッチ モ デ ル 曲面 モデル
47
114
64
64
曲面 モデル化
70
く り返 し性 能
85
50
53
耳 眼面
17
磁 気式
40
磁気 セ ンサ
86
時 空間同期
101
耳珠 点
17
システム
形状 スキャナ
44
人 体 運 動計 測―
82
モ ー シ ョ ンキ ャプ チ ャ―
計測 運動―
81
―周 波数
94
受動型―
42
人体運動―
シス テム
人体形状―
82
写真測量 学
84
尺骨茎突 点
10
35
遮蔽
93
受動型計測
50
上後腸骨棘 点
―精度 多方向―
電子工学式標 点―
法
83
83 42 12
人体
42
―運 動 計 測 シス テ ム
―範 囲
92
―形 状 計 測
能動型―
リアル タイム― 計 測点
95
7
ケー デンス 肩峰点
124
8
―寸 法
40
校 正
84
剛体 リンクモデル化
1
形状 モデル
標 準―
モデル
身長
真度
6 54,93
104
誤差
55
ス コヤ
骨格
72
ス タ ジオ メ ー タ
113
118
信 頼 性 の 高 い検 証 方 法
股 関節
骨基 準解剖学座標 系
74
75
7
ジ ンバ ル ロ ック
81
82
35
相 同―
身長計
光 学式
指標化 70 ジャイロセ ンサ 89
93
15 6
ス テ ィ リオ ン ・ウ ル ナ ー レ
10
82
ス プ ラ タ ル サ ー レ ・フ ィ ブ ラー レ
正立位 姿勢
接 触 式3次
63
40
ノイズ除去
64
101
能動型計測
42
37
元 デ ジ タ イ ザ
ゼ ロ モ ー メ ン トポ イ ン ト
相同人体 形状モデル 足関節
■な な ま デ ー タ
8
石 膏 型 取 り法
15
■は
74
104
ソ フ トリア ル タ イ ム
ハ ー ド リア ル タ イ ム
95
ば らつ き
95
53,93
■た 光切 断法 体節 の分割 大転 子
104
脾側 中足点
13
多方向計測
50
超音 波セ ンサ 腸棘 点
44
膝 関節
81
15
標準人体 モデル
75
ピ ンジ ョイ ン ト
82
フ ー リエ 記 述 子
72
87
10
平均絶対誤差
デー タ エ ラー―
除去技術
88
キ ャ リブ レ ー シ ョ ン―
―処 理 機 能
52
テ ク ス チ ャ付 き―
51
24
ヘ リカル軸 121 50
偏角関数 歩調
72
124
点 群―
51,63
ポ リ ゴ ン化
な ま―
63
ポ リ ゴ ン減 数 処 理
―の編 集 テ ク ス チ ャ
69
21
■ま
47
テ クスチャ付きデー タ 点 群 デ ー タ
69
51 メ タ タ ル サ ー レ ・フ ィ ブ ラ ー レ
51,63
電 子 光 学 式標 点 計 測 法
83
メ リオ ン ・ラ テ ラ ー レ
転子点
13
橈骨 点
9
モー キャプ
特徴点
36
モ ー シ ョン キ ャ プ チ ャ
モ ア レ法
ド リフ ト
43 81 81
モ ー シ ョン キ ャ プ チ ャ シス テ ム
89
トレ ー サ ビ リテ ィー
47,101
モ ー メ ン トア ー ム
目標集 団
25
モデル 曲面―
15
14
64
129
82
曲面―
化
70
曲面パ ッチ―
剛体 リンク―
化
■ ら
64 81
相同人体形状― 標準人体―
ラディ アー レ
リア ル タ イム
75
―計 測
■や 床反力作用 点位 置
9
74
101
95
〈 著者紹介〉
持 丸 正明 学 職
著
歴 慶應 義塾 大 学大 学 院 理工 学 研 究 科後 期 博 士 課程 修 了(1993) 博 士(工 学)(1993) 歴 工 業 技術 院 生命 工 学工 業 技 術 研 究所 研 究 員(1993) 改 組 によ り,産 業 技術 総 合 研 究 所 デ ジ タル ヒ ュー マ ン研 究 ラボ 副 セ ン ター長(2001) 産 業 技術 総 合研 究 所 デ ジ タル ヒュ ー マ ン研 究 セ ン タ ー 副 セ ンタ ー 長(2003) 書 「人 間 生活 工 学 第2巻 」分 担 執 筆,丸 善 ほ か
河 内 ま き子 学 職
著
歴 東 京 大学 大 学 院理 学 系研 究 科 博 士 課程 修 了(1979) 理 学 博 士(1982) 歴 東 京 大学 助 手(1979) 工 業 技術 院 製 品科 学 研 究所 主 任研 究官(1987) 改 組 に よ り,生 命 工 学 工業 技 術 研 究所 主 任 研 究官(1993) 改 組 に よ り,産 業 技 術総 合 研 究 所 デ ジ タル ヒ ュー マ ン研 究 ラ ボ 主 任 研 究 員(2001) 産 業 技術 総 合 研究 所 デ ジタル ヒ ュー マ ン研 究 セ ンタ ー 主 任 研 究 員 (2003) 書 「 設 計 の ための人 体 計測 マ ニュアル 」共 著,日 本 出版 サー ビス ほか
バ イ オ メ カ ニ ズ ム ・ラ イ ブ ラ リ ー
人 体 を 測 る― 寸法 ・形状 ・運 動― 2006年11月30日
第1版1刷
発行
編
者 バ イオ メ カニ ズ ム学 会
著 者 持丸正明 河内 まき子
学校法人 東京電機大 学
発行所 東京電 機大 学 出版 局 代 表者 加 藤 康 太 郎 〒101‐8457 東 京 都 千 代 田 区 神 田 錦 町2‐2 振 替 口 座 00160‐5‐71715
印刷 三美印刷㈱ 製本 渡辺製本㈱ 装丁 右澤康之
〓
電 話 (03)5280‐3433(営
業)
(03)5280‐3422(編
集)
Society
of
Biomechanisms
Japan
2006 Printed in Japan *無 断 で転 載 す る こと を禁 じます 。 *落 丁 ・乱 丁 本 は お取替 えいた し ます。 ISBN
4‐501‐32540‐2
C3050
東京電機大学出版局 書籍のご案内 バイオメカニズム・ライブラリー 看 護 動 作 の エ ビ デ ンス
バ イ オ メカ ニ ズ ム ・ラ イ ブ ラ リー
バ イオメカニズ ム 学 会 編
バ イオメカニズム学会 編 小川鑛 一著 A5判 144頁 初学 者を対象 にひずみ ゲージの原理 や使 い方 を平 易 に解説。また,筆 者の看 護 ・介助師の動作研 究を もとにした人間工学へ の応用事例 や手法 を解説。
人 と物 の 動 き の計 測 技 術 ∼ ひずみゲー ジとその応用∼
小川 ・ 鈴 木 ・大 久保 ・ 國澤 ・ 小 長 谷 共 著 A5判 176頁 筆 者 らが 約10年 に わ た り実 験 ・研 究 して きた ボ デ ィ メカニ クス を意 識 した 看 護 ・介 助 動 作 につ い て,有 効 性 や 活 用 事 例 を まとめ た 関 係 者 必 読 の 書 。
バイオメカニズム ・ライブラ リー
バイオメカニズム ・ライブラリー
生 体 情 報 工 学
表 面 筋 電 図
バイオメカニズム学会編 赤 澤堅造 著 A5判 176頁 科 学 技術 と人 間の 関係が急 速 に密接 になって きて いる状 況で,生体 についての基礎 知識 はエンジニア にとって必 須である。生体機 能の知識 と工学 との関 連を平易に解説。
バ イオメカニ ズ ム学 会 編 木 塚 朝 博 ・増 田 正 ・木 竜 徹 ・佐 渡 山 亜 兵 共 著 筋 電 図測 定 法 の 基 礎 か ら,適 切 な測 定 方 法 の種 々 ノ ウハ ウ まで をとりまとめた もの で あ る。
看護動作を助ける 基 礎 人 間 工 学
看護・介護のための 人 間工 学 入 門
小 川 鑛 一 著 A5判 242頁 看 護 者 が 患 者 を看 護 ・介 助 す る際 の良 好 な動 作 に つ い て,人 間工 学 の 立 場 か らイ ラス トを多 く用 い て や さしく解 説 。
小川 ・ 鈴木 ・ 大 久保 ・ 國澤 ・ 小 長 谷 共 著 A5判 216頁 看 護 ・介 助 分 野 を対 象 と した 「人 間工 学 」につ いて, 多 くの 図 表 に より初 学 者 向 け にや さ しく解 説 。人 間 工 学 の有 効 性 や 看 護 師 ・介 助 士 の 身 体 的 安 全 性 に つ い て も解 説 。
ワ トソン
遺伝子の分子生物学 第5版
代謝工学 原理と方法論
J・D・ワ トソン他 著 / 中 村 桂 子 監 訳 A4変 型 816頁 生 命 現 象 を 「ゲ ノム の 働 き」で 理 解 す る とい う姿 勢 を明 確 に 打 ち出 し,『 ゲノムの 分 子 生 物 学 』ともよぶ べ き新 しい教 科 書 。
G.N.ス テ フ ァノポ ー ラス他 著 清 水 ・ 塩 谷訳 B5判 578頁 本 書 は,基 本 原 理 か ら具 体 的 方 法 論 ま で を工 学 的 応 用 に 向 け解 説 。バ イオ技 術 者 や 生 命 工 学 関 係 の 研 究 者,学 生 必 携 の書 。
初めて学ぶ 基礎 制 御 工 学 第2版
初めて学ぶ 基礎 機 械 シス テム
森 政広/小川鑛一 共著 A5判 288頁 初 めて制御工学 を学ぶ人のために,多岐 にわたる制 御技 術の うち,制御 の基本 と基礎 事項 を厳 選 し,わ かりやす く解 説 した ものである。
小 川 鑛 一 著 A5判 168頁 初 め て学 ぶ 人 の た め に,基 本 的 機 械 要 素 で あ る ば ね,ダ ンパ ー,質 量 の 組 合 せ 機 械 システ ム に対 す る 運 動 方 程 式 の 誘 導 方 法 と,そ れ ら を解 くラプ ラス変 換 につ いて わ か りや す く解 説 。
*定価,図 書 目録 の お問 い合 わせ ・ご要 望 は出版 局 まで お願 い いた します。 URL
http://www.tdupress.jp/
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