JP5985384B2 - 作用力測定装置および作用力測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、操作者が手により把持して操作するステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力の測定に係り、更に詳細には作用力測定装置および作用力測定方法に係る。

自動車などの車両において、車両の操縦操作性を向上させるためには、操縦者が手によりステアリングホイールを把持して操舵操作する際の操舵力や保舵力を測定する必要がある。車両にはステアリングトルクセンサが組み込まれているが、ステアリングトルクセンサによっては操縦者が体感的に認識する操舵力や保舵力を正確に測定することは困難である。

そのため、例えば下記の特許文献１に記載されている如く、ステアリングホイールのリム部に取り付けられたグリップを操縦者が手により把持して操舵操作する際にグリップとリム部との間に作用する力を検出する操舵力検出装置が提案されている。また、ステアリングホイールの軸部の上端に取り付けられ、軸部との間に作用する力を検出する擬似的なステアリングホイールの形態をなす操舵力計も提案されている。

特開２０１０−１６９４１４号公報

〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上述の操舵力検出装置や操舵力計においては、操縦者はステアリング装置に取り付けられた測定用の装置を介して操舵操作しなければならないため、実際の運転時に手とステアリングホイールとの間に作用する力を正確に測定することができない。また、上述の操舵力検出装置や操舵力計によっては、ステアリングホイールの周方向以外の方向の作用力を測定することはできないという問題がある。

特に、操舵力検出装置においては、操縦者はリム部ではなくリム部よりも大きいグリップを把持しなければならならず、また、操舵角が大きくなってもグリップを把持した状態を維持しなければならないため、大舵角の操舵操作時の作用力を測定することができないという問題がある。また、操舵力計においては、ステアリングホイールの軸部の上端に操舵力計を剛固に取り付ける必要があり、ステアリングホイールを傷つけてしまうため、操舵力を測定した後に、ステアリングホイールを交換しなければならないという問題がある。

本発明は、操作者が手により把持して操作するステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力を測定する従来の装置における上述の如き問題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の主要な課題は、操作者が実際にステアリングホイールを手により把持して操作する状況にできるだけ近い測定状況を確保し、ステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力を複数の方向について正確に測定することである。
〔課題を解決するための手段および発明の効果〕

上述の主要な課題は、本発明によれば、操作者が手により把持して操作するステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力を測定する作用力測定装置であって、操作者の複数の指に装着される複数の装着部材と、操作者が手によりステアリングホイールを把持するとステアリングホイールと指の第一関節との間に位置するよう対応する装着部材に固定された複数の力センサとを有する力検出装置と、前記力センサにより検出された力に基づいて作用力を演算する演算制御装置とを備え、前記力センサは、操作者の指がステアリングホイールに押圧力を与える方向および該方向に垂直な他の一つの方向の少なくとも二つの方向について力を検出し、前記演算制御装置は、前記少なくとも二つの方向の力に基づいて作用力を演算することを特徴とする作用力測定装置（請求項１の構成）によって達成される。

上記の構成によれば、測定用の装置をステアリングホイールに取り付ける必要がなく、操作者はステアリングホイールに取り付けられた装置を介することなくステアリングホイールを操作することができる。よって、実際の操作状況にできるだけ近い測定状況を確保し、ステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力を正確に測定することができる。

また、上記の構成によれば、操作者の指がステアリングホイールに押圧力を与える方向および該方向に垂直な他の一つの方向の少なくとも二つの方向について力センサにより力が検出され、少なくとも二つの方向の力に基づいて演算制御装置により作用力が演算される。操作者がステアリングホイールを手により把持して操作する際にステアリングホイールと手との間に作用する力を少なくとも二つの方向について測定することができる。特に、操作者が指によってステアリングホイールを把持して操作する場合には、操作者の指はステアリングホイールに押圧力を与える。従って、操作者がステアリングホイールを操作する際にステアリングホイールを把握する力を測定することができる。

また、上記の構成によれば、操作者が手によりステアリングホイールを把持していれば、力センサはステアリングホイールと指の第一関節との間に位置する。よって、操作者が手によりステアリングホイールを把持してステアリングホイールを操作する際に、指の第一関節及びその近傍にてステアリングホイールに与えられる力が力センサにより効率的に検出されるので、ステアリングホイールと手との間に作用する力を確実に測定することができる。また、ステアリングホイールの操作範囲が大きく、操作の過程で手によるステアリングホイールの把持位置が変化するような場合にも、作用力を確実に測定することができる。

更に、上記の構成によれば、測定用の装置をステアリングホイールに取り付けたり取り外したりする必要がない。よって、測定用の装置の取り付けや取り外しに起因してステアリングホイールを損傷することはなく、また、測定用の装置を取り付けるためにステアリングホイールを部分的に分解することも不要であり、作用力を能率的に測定することができる。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記他の一つの方向は、指の長手方向を横切る方向であるよう構成される（請求項２の構成）。

上記の構成によれば、操作者の指がステアリングホイールに押圧力を与える方向、および該方向に垂直で指の長手方向を横切る方向の少なくとも二つの方向について力を検出し、それらの力に基づいて少なくとも二つの方向について作用力を求めることができる。

また、操作者がステアリングホイールを把持して操作する場合には、親指以外の四本の指を整列させて親指と四本の指との間にステアリングホイールを挟んで把持する。よって、整列する四本の指の長手方向を横切る方向へステアリングホイールを移動させる操作が行われる場合には、その操作によりステアリングホイールと手との間に作用する力を測定することができる。また、他の一つの方向が指の長手方向に垂直でなければ、整列する四本の指の長手方向へステアリングホイールを移動させる操作が行われる場合にも、その操作によりステアリングホイールと手との間に作用する力を測定することができる。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記他の一つの方向は、指の長手方向を垂直に横切る方向であるよう構成される（請求項３の構成）。

上記の構成によれば、他の一つの方向は、操作者の指がステアリングホイールに押圧力を与える方向に垂直で指の長手方向にも垂直な方向である。よって、整列する四本の指の長手方向へステアリングホイールを移動させる操作が行われる場合には、他の一つの方向と操作の方向とが一致するので、その操作によりステアリングホイールと手との間に作用する力を正確に測定することができ、また作用力の演算も容易である。

また、本発明によれば、上記の構成において、ステアリングホイールは、回転軸線のまわりに回転操作されるものであり、前記演算制御装置は、前記少なくとも二つの方向の力に基づいて回転操作の周方向の作用力および前記回転軸線に沿う方向の作用力を演算するよう構成される（請求項４の構成）。

上記の構成によれば、例えば車両のステアリングホイールの如く、回転軸線のまわりに回転操作されるステアリングホイールについて、回転操作の周方向の作用力および回転軸線に沿う方向の作用力を測定することができる。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記装着部材は、前記力センサが指の第一関節に対し予め設定された位置に位置するよう、指の第一関節に対し前記装着部材および前記力センサを位置決めする位置決め手段を有するよう構成される（請求項５の構成）。

上記の構成によれば、力センサが指の第一関節に対し予め設定された位置に位置するよう、位置決め手段により指の第一関節に対し装着部材および力センサが位置決めされる。よって、装着部材に位置決め手段が設けられていない場合に比して、指の第一関節に対する力センサの位置決めを容易にかつ正確に行うことができ、これにより作用力の測定を容易にかつ正確に行うことができる。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記装着部材の指から押圧力を受ける部分は、力センサに対応する部位が他の部位よりも指の側へ高い「へ」の字形に屈曲した断面形状を有し、該断面形状は前記位置決め手段として機能するよう構成される（請求項６の構成）。
上記の構成によれば、装着部材の指から押圧力を受ける部分は、力センサに対応する部位が他の部位よりも指の側へ高い「へ」の字形に屈曲した断面形状を有し、該断面形状が位置決め手段として機能する。よって、「へ」の字形に屈曲した断面形状が設けられていない場合に比して、指の第一関節に対する力センサの位置決めを容易にかつ正確に行うことができる。

また本発明によれば、上記の構成において、前記装着部材は、前記装着部材が指に対し相対的に回転することを抑制する回転抑制手段を有するよう構成される（請求項７の構成）。

上記の構成によれば、装着部材が指に対し相対的に回転することが回転抑制手段によって抑制される。よって、装着部材に回転抑制手段が設けられていない場合に比して、装着部材が指に対し相対的に回転して力センサが本来あるべき位置より変位すること、およびこれに起因して作用力の測定精度が低下する虞れを低減することができる。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記複数の指は、両手の全ての指であるよう構成される（請求項８の構成）。
上記の構成によれば、両手の全ての指がステアリングホイールに与える力を検出することができるので、複数の指が両手の全ての指の一部である場合に比して、ステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力を正確に測定することができる。
また、本発明によれば、請求項１乃至８の何れか一つに記載の作用力測定装置を使用して、操作者が手により把持して操作するステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力を測定する作用力測定方法であって、前記力検出装置を操作者の少なくとも一つの指に装着し、前記力検出装置により検出される少なくとも二つの方向の力に基づいて前記演算制御装置により作用力を演算させることを特徴とする作用力測定方法（請求項９の構成）によって達成される。

上記の構成によれば、本発明による作用力測定装置の特徴を有効に利用して、ステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力を測定することができる。即ち、実際の操作状況にできるだけ近い測定状況を確保し、少なくとも二つの方向について作用力を正確に測定することができる。

また、操作範囲が大きく、操作の過程で手によるステアリングホイールの把持位置が変化するような場合にも、作用力を確実に測定することができる。また、測定用の装置の取り付けや取り外しに起因してステアリングホイールを損傷することはなく、また、測定用の装置を取り付けるためにステアリングホイールを部分的に分解することも不要であるので、作用力を能率的に測定することができる。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記ステアリングホイールは、移動体を運転するために操作されるステアリングホイールであり、前記演算制御装置により前記移動体の移動パラメータと同期して作用力を記録するよう構成される（請求項１０の構成）。

上記の構成によれば、移動体を運転するために操作されるステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力を測定すると共に、その測定した値を移動体の移動パラメータと同期した値として記録することができる。

〔課題解決手段の好ましい態様〕
本発明の一つの好ましい態様によれば、上記の構成において、力センサは、操作者の指がステアリングホイールに押圧力を与える方向、該方向に垂直な他の方向、および該他の方向に垂直な更に他の方向の三つの方向について力を検出するよう構成される。

本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記の構成において、力センサは、ピエゾ抵抗型または静電容量型の薄板状の３軸力センサである。

本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記の構成において、ステアリングホイールは、車両において回転軸線のまわりに回転操作されるステアリングホイールである。

本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記の構成において、隣接する指の装着部材が互いに平面部にて当接することにより回転抑制手段の機能が達成されるよう構成される。

本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記の構成において、ステアリングホイールは移動体としての車両を運転するために操作されるステアリングホイールであり、移動パラメータは少なくとも操舵に関連するパラメータを含んでいるよう構成される。

本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記の構成において、力検出装置が指に取り付けられた後であって、操作者が手によりステアリングホイールを把持して操作する前の段階において、力センサの出力が示す力が０以外である場合には、その値にて力センサの出力を補正する初期化が行われるよう構成される。

指サック型の力検出装置を有し、車両のステアリングホイールにおける作用力を測定するよう構成された本発明による作用力測定装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。 第一の実施形態の右手の人差指用の力検出装置の平面図である。 第一の実施形態の右手の人差指用の力検出装置の中央縦断面図である。 第一の実施形態の右手の人差指用の力検出装置の背面図である。 第一の実施形態の右手の親指用の力検出装置の平面図である。 第一の実施形態の右手の親指用の力検出装置の中央縦断面図である。 第一の実施形態の右手の親指用の力検出装置の背面図である。 各力検出装置が対応する指に装着された状態を手の甲の側より見た状態にて示す図である。 各力検出装置が対応する指に装着された状態を掌の側より見た状態にて示す図である。 人が左右の手によりステアリングホイールを把握した状況を示す説明図である。 右手がステアリングホイールを把握した状態を、ステアリングホイールの回転軸線を通る径方向の断面にて示す説明図である。 左手がステアリングホイールを把握した状態を、ステアリングホイールの回転軸線を通る径方向の断面にて示す説明図である。 車両に組み付けられたステアリングホイールを車両の左側から横方向に見た図である。 演算部により演算された値および操舵角センサ等により検出された値を示すグラフである。 指輪型の力検出装置を有し、車両のステアリングホイールにおける作用力を測定するよう構成された本発明による作用力測定装置の第二の実施形態を示す概略構成図である。 第二の実施形態の右手の人差指用の力検出装置の平面図である。 第二の実施形態の右手の人差指用の力検出装置の中央縦断面図である。 第二の実施形態の右手の人差指用の力検出装置の背面図である。 フックが突起に係合していない自由状態における先端側部分を示す断面図である。 指サック型の力検出装置を有し、機械装置の揺動操縦捍における作用力を測定するよう構成された本発明による作用力測定装置の第三の実施形態を示す概略構成図である。 ３軸力センサのｙ軸およびｘ軸が、それぞれ指の延在方向および該方向に垂直な方向に対し傾斜している場合について、等価的なｙ軸の力およびx軸の力を求める要領を示す説明図である。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。

［第一の実施形態］
図１は、指サック型の力検出装置を有し、車両のステアリングホイールにおける作用力を測定するよう構成された本発明による作用力測定装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。

図１に於いて、１０は作用力測定装置を全体的に示している。作用力測定装置１０は、人の指の数である１０個の力検出装置１１〜２０と、それぞれワイヤハーネス３１〜４０によって力検出装置１１〜２０と接続された演算制御装置５０とを含んでいる。力検出装置１１〜１５は、図１には示されていない操作者の右手の親指、人差指、中指、薬指、小指に装着され、力検出装置１６〜２０は、操作者の左手の親指、人差指、中指、薬指、小指に装着される。

図２ないし図４は、第一の実施形態の右手の人差指用の力検出装置１２のそれぞれ平面図、中央縦断面図、背面図である。

これらの図に於いて、１２１はアルミニウム合金の如き軽金属またはプラスチックの如き比較的硬質の樹脂にて形成されたケーシングを示している。ケーシング１２１は、軸線１２２に沿って延在する中空の実質的に矩形断面の筒状をなし、指先側の端部にて閉じられている。ケーシング１２１の掌側の面部１２１Ａは、人差指の第一関節（遠位指節間関節）の位置１２３より指先側へ向かうにつれて軸線１２２より離れる方向へ傾斜し、また、位置１２３より指先側とは反対の側へ向かうにつれて軸線１２２より離れる方向へ傾斜している。

ケーシング１２１内には、指嵌合部材１２４が配置され、ケーシングの内面に接着等の手段により固定されている。指嵌合部材１２４は、低硬度ウレタン、ゴムスポンジの如き低剛性の弾性材にて形成されている。指嵌合部材１２４は、軸線１２２に沿って延在する空洞部１２５を有し、空洞部１２５は、人差指の第一関節のよりも先の領域の形状に対応する形状を有している。空洞部１２５は、人差指を周囲より僅かに押圧する状態で人差指を受け入れるよう、人差指の第一関節のよりも指先側の領域の大きさよりも僅かに小さく設定されている。

面部１２１Ａと指嵌合部材１２４との間にてケーシング１２１内には、力伝達部材１２６が配置され、ケーシングの内面に接着等の手段により固定されている。力伝達部材１２６は、ケーシング１２１を構成する材料よりも高い弾性を有するが指嵌合部材１２４を構成する材料よりも高い剛性を有する材料、例えば、天然ゴムの如き高剛性の弾性材にて形成されている。

以上の説明より解る如く、力検出装置１１は指嵌合部材１２４の空洞部１２５に操作者の人差指が挿入されることによりに人差指に装着される。従って、ケーシング１２１、指嵌合部材１２４および力伝達部材１２６等は、互いに共働して操作者の人差指に装着される装着部材１２７を構成している。

人差指の第一関節の位置１２３にて面部１２１Ａの外面の幅方向中央には、例えば矩形の薄板状をなす３軸力センサ１２８が接着等の手段により固定されている。３軸力センサ１２８は、例えばピエゾ抵抗型や静電容量型の３軸力センサであることが好ましいが、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の直交３軸に沿う方向の力を検出することができる任意のセンサであってよい。図示の実施形態に於いては、ｚ軸は、軸線１２２に垂直で人差指より離れる方向、即ち人差指がステアリングホイールに対し及ぼす押圧力の方向に整合している。また、ｘ軸は、図２の平面図で見て軸線１２２に垂直で親指より離れる方向に整合し、ｙ軸は、軸線１２２に平行で人差指の指先の方向に整合している。

図３に示されている如く、３軸力センサ１２８の指先側の端部にはワイヤハーネス３２が接続されており、ワイヤハーネス３２はケーシング１２１の指先側を迂回して掌とは反対の側へ延在している。ケーシング１２１には実質的にコの字形の断面形状を有するワイヤハーネス保持板１２９が固定されており、ワイヤハーネス３２はケーシング１２１と保持板１２９との間を経て人差指の付け根の側へ延在している。

詳細には図示されていないが、力検出装置１３〜１５は、力検出装置１２と同様に構成されており、それぞれ操作者の右手の中指、薬指、小指に装着される装着部材１３７〜１５７と、３軸力センサ１３８〜１５８とを含んでいる。装着部材１３７〜１５７は、それぞれケーシング１２１、指嵌合部材１２４および力伝達部材１２６と同様のケーシング、指嵌合部材および力伝達部材を含んでいる。３軸力センサ１３８〜１５８のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の方向は、右手の中指、薬指、小指に対し３軸力センサ１２８と同様の方向に設定されている。

図５ないし図７は、第一の実施形態の右手の親指用の力検出装置１１のそれぞれ平面図、中央縦断面図、背面図である。

図５ないし図７と図２ないし図４との比較より解る如く、力検出装置１１も力検出装置１２〜１５と同様に構成されており、操作者の右手の親指に装着される装着部材１１７と、３軸力センサ１１８とを含んでいる。装着部材１１７は、それぞれケーシング１２１、指嵌合部材１２４および力伝達部材１２６と同様のケーシング１１１、指嵌合部材１１４および力伝達部材１１６を含んでいる。しかし、３軸力センサ１１８のｚ軸は、他の指と同一の方向ｚ′に対し右手の親指の中心軸の周りに僅かに人差指側にシフトした方向に設定されている。また、図５に示されている如く、３軸力センサ１１８のｘ軸は、ｚ軸に沿って見て装着部材１１７の軸線１１２に垂直で人差指より離れる方向に整合し、ｙ軸は、軸線１１２に平行で親指の付け根へ向かう方向に整合している。

図６に示されている如く、３軸力センサ１１８の指先側の端部にはワイヤハーネス３１が接続されており、ワイヤハーネス３１はケーシング１１１の指先側を迂回して掌とは反対の側へ延在している。ケーシング１１１には実質的にコの字形の断面形状を有するワイヤハーネス保持板１１９が固定されており、ワイヤハーネス３１はケーシング１１１と保持板１１９との間を経て親指の付け根の側へ延在している。

詳細には図示されていないが、力検出装置１６〜２０は、それぞれ力検出装置１１〜１５と同様に構成されており、それぞれ操作者の左手の親指、人差指、中指、薬指、小指に装着される装着部材１６７〜２０７と、３軸力センサ１６８〜２０８とを含んでいる。装着部材１６７〜２０７は、それぞれケーシング１２１、指嵌合部材１２４および力伝達部材１２６と同様のケーシング、指嵌合部材および力伝達部材を含んでいる。また、装着部材１６７〜２０７は、各部品の形状がそれぞれ装着部材１１７〜１５７の部品の形状とは左右対称である点を除き、それぞれ装着部材１１７〜１５７と同様に構成されている。各指に対する３軸力センサ１６８〜２０８のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の方向は、それぞれ３軸力センサ１１８〜１５８のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の方向と同様の方向に設定されている。

図８および図９に示されている如く、力検出装置１１〜２０が対応する指から抜け出すことを防止する保持装置７０が設けられていることが好ましい。保持装置７０は、例えばベルト７２によって手の甲に取り付けられる保持板７４と、保持板と各力検出装置のケーシングとの間に接続されたゴムバンドの如き弾性材７６−１〜７６−５とを含んでいる。なお、左手用の弾性材７６−１〜７６−１０の図示は省略されている。

特に、親指以外の指の第二関節（近位指節間関節）と指の付け根の関節（中手指節関節）との間の部分に僅かに締め付けるよう装着されるリング７８−２〜７８−５が設けられ、各弾性材が対応するリングを経て延在していてよい。また、これらの指の３軸力センサに接続されたワイヤハーネスは、対応するリングを経て保持板へ延在していることが好ましい。なお、左手用のリング７８−７〜７８−１０の図示は省略されている。

以上の説明より解る如く、各装着部材のケーシングおよび力伝達部材の実質的に「へ」の字形に屈曲した形状は、保持装置７０の弾性材と共働して力検出装置を対応する指に対し適正な位置に位置決めし維持するための位置決め手段として機能する。この場合、位置決めは、３軸力センサの中心が対応する指の長手方向について第一関節の位置に位置し、対応する指の周方向について対応する指の中心線とステアリングホイールの中心軸線とを結ぶ線上に位置するよう、行われる。

また、各装着部材のケーシングおよび力伝達部材の実質的に「へ」の字形に屈曲した形状は、保持装置７０の弾性材と共働して力検出装置が指のまわりに回転することを抑制する回転抑制手段として機能する。また、装着部材のケーシングは断面矩形をなし、操作者がステアリングホイールを操舵操作する際に、親指以外の四本の指のケーシングは側面の平面にて互いに当接するので、ケーシングの矩形の断面形状も力検出装置が指のまわりに回転することを抑制する回転抑制手段として機能する。

保持装置７０の保持板７４には、各３軸力センサよりの信号に対し増幅の如き必要な処理を行う電子回路８０が設けられていてよい。なお、図１においては、この電子回路が力検出装置１１〜２０と演算制御装置５０との間に設けられた増幅回路８０として図示されている。

演算制御装置５０は、制御部５２、演算部５４、記憶部５６、表示部５８を含み、スイッチ６０が作業者によってオンに切り替えられることにより動作を開始する。なお、制御部５２および演算部５４は、例えば、各種のデータを計測し保存するデータロガー装置６２の一部であってよく、記憶部５６及び表示部５８は、例えば、パーソナルコンピュータ６４の一部であってよい。

データロガー装置６２の制御部５２には、力検出装置１１〜２０の３軸力センサ１１８〜２０８により検出され増幅回路８０により増幅されたｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の力を示す信号がそれぞれワイヤハーネス３１〜４０を経て入力される。また、制御部５２には、図には示されていない車両に搭載された各種のセンサにより検出された車両の走行に関するパラメータを示す信号が図には示されていないＣＡＮの如き伝送バスを経て入力される。

図示の実施形態においては、車両の走行に関するパラメータは、操舵角センサ８４および操舵トルクセンサ８６によりそれぞれ検出された操舵角θおよび操舵トルクＴsを含んでいる。また、車速センサ８８、前後加速度センサ９０、横加速度センサ９２によりそれぞれ検出された車速Ｖ、車両の前後加速度Ｇx、車両の横加速度Ｇyを含んでいる。なお、上記センサは必須ではなく、上記センサの何れかが省略されてもよい。また、車両の走行に関するパラメータとして、上記以外のパラメータ、例えば、図には示されていない車両の制動装置及び駆動装置に設けられた圧力センサおよびアクセル開度センサによりそれぞれ検出されたマスタシリンダ圧力およびアクセル開度等が含まれていてもよい。

力検出装置１１〜２０の３軸力センサにより検出されるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の力をそれぞれ下記の表１の通りとする。なお、図１においては、ｉをｘ、ｙおよびｚとして、力検出装置１１〜２０の３軸力センサにより検出されるｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の力がそれぞれＦi1〜Ｆi10にて示されている。

図１０に示されている如く、人が右手１００及び左手１０２により被操作物であるステアリングホイール１０４を把握すると、各指はステアリングホイール１０４の円環部（リム部）１０４Ａの一部を取り囲むよう延在する。従って、力検出装置１１〜２０の３軸力センサ１１８〜２０８のｚ軸の方向は、指及び円環部１０４Ａを互いに接触する円筒とみなすと、３軸力センサの中心を通り二つの円筒の法線の方向である。また、３軸力センサ１１８〜２０８のｘ軸の方向は、ステアリングホイール１０４の回転軸線１０６を中心とする円環部１０４Ａの周方向、即ち、各指と円環部１０４Ａとの間にて回転軸線１０６の周りに作用する摩擦力の方向である。

＜操舵力（保舵力）＞
３軸力センサ１１８〜２０８により検出されるｘ軸方向の力Ｆx1〜Ｆx10に対する補正係数をそれぞれＫx1〜Ｋx10とし、ステアリングホイール１０４を回転軸線１０６の周りに時計まわり方向へ回転させる力を正とする。左右の手１００及び１０２によりステアリングホイール１０４を回転させる操舵力（ステアリングホイールの回転を阻止する保舵力）Ｆxr、Ｆxlは、それぞれ下記の式（１）及び（２）により表され、それらの総和Ｆxrlは下記の式（３）により表される。

Ｆxr＝Ｋx1Ｆx1＋Ｋx2Ｆx2＋Ｋx3Ｆx3＋Ｋx4Ｆx4＋Ｋx5Ｆx5 …（１）
Ｆxl＝Ｋx6Ｆx6＋Ｋx7Ｆx7＋Ｋx8Ｆx8＋Ｋx9Ｆx9＋Ｋx10Ｆx10 …（２）
Ｆxrl＝Ｆxr−Ｆxl
＝Ｋx1Ｆx1＋Ｋx2Ｆx2＋Ｋx3Ｆx3＋Ｋx4Ｆx4＋Ｋx5Ｆx5
（−Ｋx6Ｆx6＋Ｋx7Ｆx7＋Ｋx8Ｆx8＋Ｋx9Ｆx9＋Ｋx10Ｆx10） …（３）

なお、補正係数Ｋx1〜Ｋx10は、３軸力センサ１１８〜２０８のｘ軸の方向と回転軸線１０６を中心とする円環部１０４Ａの周方向との間のずれ等を補償するための係数である。また、補正係数Ｋx1〜Ｋx10は、上記方向のずれの角度に基づいて設定されてもよく、また、実験的に求められてもよい。

＜操舵トルク（保舵トルク）＞
また、ステアリングホイール１０４の回転軸線１０６と３軸力センサ１１８および１６８との半径方向の距離をＲ1とし、ステアリングホイール１０４の回転軸線１０６と３軸力センサ１２８〜１５８および１７８〜２０８との半径方向の距離をＲ2とする。左右の手１００及び１０２による操舵トルク（保舵トルク）Ｔxr、Ｔxlは、それぞれ下記の式（４）及び（５）により表され、それらの総和Ｔxrlは下記の式（６）により表される。

Ｔxr＝Ｋx1Ｆx1Ｒ1＋（Ｋx2Ｆx2＋Ｋx3Ｆx3＋Ｋx4Ｆx4＋Ｋx5Ｆx5）Ｒ2 …（４）
Ｔxl＝Ｋx6Ｆx6Ｒ1＋（Ｋx7Ｆx7＋Ｋx8Ｆx8＋Ｋx9Ｆx9＋Ｋx10Ｆx10）Ｒ2 …（５）
Ｔxrl＝Ｆxr−Ｆxl
＝Ｋx1Ｆx1Ｒ1＋（Ｋx2Ｆx2＋Ｋx3Ｆx3＋Ｋx4Ｆx4＋Ｋx5Ｆx5）Ｒ2
−｛Ｋx6Ｆx6Ｒ1＋（Ｋx7Ｆx7＋Ｋx8Ｆx8＋Ｋx9Ｆx9＋Ｋx10Ｆx10）Ｒ2｝
…（６）

また、ステアリングホイール１０４の回転軸線１０６と円環部１０４Ａの断面中心との半径方向の距離をＲとすると、左右両方の手１００及び１０２による操舵トルク（保舵トルク）Ｔxrlは、概略値として下記の式（７）により表される。
Ｔxrl＝（Ｆxr−Ｆxl）Ｒ
＝｛Ｋx1Ｆx1Ｒ1＋Ｋx2Ｆx2＋Ｋx3Ｆx3＋Ｋx4Ｆx4＋Ｋx5Ｆx5
−（Ｋx6Ｆx6Ｒ1＋Ｋx7Ｆx7＋Ｋx8Ｆx8＋Ｋx9Ｆx9＋Ｋx10Ｆx10）｝Ｒ
…（７）

＜回転軸線に沿う力＞
また、図１１および図１２は、それぞれ右手１００および左手１０２がステアリングホイール１０４を把握した状態を、円環部１０４Ａの軸線１０８に垂直な断面（ステアリングホイールの径方向の断面）にて示している。なお、図１１において、力Ｆx25Ｆ、Ｆy25、Ｆz25は、それぞれ力Ｆx2〜Ｆx5の和、力Ｆy2〜Ｆy5の和、力Ｆz2〜Ｆz5の和を示している。また、図１２において、力Ｆx710、Ｆy710、Ｆz710は、それぞれ力Ｆx7〜Ｆx10の和、Ｆy7〜Ｆy10の和、力Ｆz7〜Ｆz10の和を示している。

図１１の断面で見て、力Ｆy1およびＦy25が車両の前後方向に対しなす角度をそれぞれα1およびα25とする。また、図１２の断面で見て、力Ｆy6およびＦy710が車両の前後方向に対しなす角度をそれぞれα6およびα710とする。

右手１００の親指が回転軸線１０６に沿ってステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを運転者の側へ及ぼす力Ｆa1は、図１１において下向きの力であるので、下記の式（８）により表される。
Ｆa1＝Ｆy1・cosα1−Ｆz1・sinα1 …（８）

同様に、右手１００の親指以外の４本の指が回転軸線１０６に沿ってステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを運転者の側へ及ぼす力Ｆa25は、下記の式（９）により表される。
Ｆa25＝−Ｆy25・cosα25＋Ｆz25・sinα25 …（９）

よって、右手１００が回転軸線１０６に沿ってステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを運転者の側へ及ぼす力Ｆarは、下記の式（１０）により表される。
Ｆar＝Ｆa1＋Ｆa25
＝Ｆy1・cosα1−Ｆz1・sinα1−Ｆy25・cosα25＋Ｆz25・sinα25 …（１０）

また、左手１０２の親指が回転軸線１０６に沿ってステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを運転者の側へ及ぼす力Ｆa6は、図１２において下向きの力であるので、下記の式（１１）により表される。
Ｆa6＝Ｆy6・cosα6−Ｆz6・sinα6 …（１１）

同様に、左手１０２の親指以外の４本の指が回転軸線１０６に沿ってステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを運転者の側へ及ぼす力Ｆa710は、下記の式（１２）により表される。
Ｆa710＝−Ｆy710・cosα710＋Ｆz710・sinα710 …（１２）

よって、右手１００が回転軸線１０６に沿ってステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを運転者の側へ及ぼす力Ｆalは、下記の式（１３）により表される。
Ｆal＝Ｆa6＋Ｆa710
＝Ｆy6・cosα6−Ｆz6・sinα6−Ｆy710・cosα710＋Ｆz710・sinα710
…（１４）

従って、左右の手１００および１０２が回転軸線１０６に沿ってステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを運転者の側へ及ぼす力Ｆaは、下記の式（１５）により表される。なお、力Ｆy25およびＦy710は、それぞれ下記の式（１６）および（１７）により表され、力Ｆz25およびＦz710は、それぞれ下記の式（１８）および（１９）により表される。

Ｆa＝Ｆar＋Ｆal
＝Ｆy1・cosα1−Ｆz1・sinα1−Ｆy25・cosα25＋Ｆz25・sinα25
＋Ｆy6・cosα6−Ｆz6・sinα6−Ｆy710・cosα710＋Ｆz710・sinα710
…（１５）
Ｆy25＝Ｆy2＋Ｆy3＋Ｆy4＋Ｆy5 …（１６）
Ｆy710＝Ｆy7＋Ｆy8＋Ｆy9＋Ｆy10 …（１７）
Ｆz25＝Ｆz2＋Ｆz3＋Ｆz4＋Ｆz5 …（１８）
Ｆz710＝Ｆz7＋Ｆz8＋Ｆz9＋Ｆz10 …（１９）

なお、力Ｆaがステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａに対し回転軸線に沿って作用しても、これに対抗する力が車体よりステアリング系を介して作用し、円環部１０４Ａは移動しない。よって、力Ｆaが大きくなると、ステアリング系において発生しステアリングホイール１０４の回転を阻害する摩擦力が大きくなる。

＜前後力＞
図１３に示されている如く、水平方向に対する回転軸線１０６の傾斜角をβとすると、回転軸線１０６に沿う力Ｆaがステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを車両の後方へ及ぼす力Ｆaxは、下記の式（２０）により表される。
Ｆax＝Ｆa・cosβ …（２０）

また、図１０に示されている如く、右手１００の中心１００Ａおよび左手１０２の中心１０２Ａと回転軸線１０６とを結ぶ直線１１０Rおよび１１０Lが回転軸線１０６を通る鉛直面１０６Ｃとなす角度をそれぞれγrおよびγlとする。右手１００のｘ軸方向の力Ｆx1およびＦx25がステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを車両の後方へ及ぼす力Ｆxrは、下記の式（２１）により表される。
Ｆxr＝Ｆx1・sinγr・sinβ＋Ｆx25・sinγr・sinβ
＝（Ｆx1＋Ｆx25）sinγr・sinβ …（２１）

同様に、左手１０２のｘ軸方向の力Ｆx6およびＦx710がステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを車両の後方へ及ぼす力Ｆxlは、下記の式（２２）により表される。
Ｆxl＝Ｆx6・sinγl・sinβ＋Ｆx710・sinγl・sinβ
＝（Ｆx6＋Ｆx710）sinγl・sinβ …（２２）

従って、左右の手１００および１０２がステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを車両の後方へ及ぼす力Ｆhxは、下記の式（２３）により表される。
Ｆhx＝Ｆax＋Ｆxr＋Ｆxl
＝Ｆa・cosβ＋（Ｆx1＋Ｆx25）・sinγr・sinβ
＋（Ｆx6＋Ｆx710）・sinγl・sinβ …（２３）

＜左右力＞
右手１００の親指がステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａをステアリングホイールの径方向の右方へ及ぼす力Ｆhy1は、図１１において右向きの力であるので、下記の式（２４）により表される。
Ｆhy1＝Ｆy1・sinα1＋Ｆz1・cosα1 …（２４）

同様に、右手１００の親指以外の４本の指がステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａをステアリングホイールの径方向の右方へ及ぼす力Ｆhy25は、下記の式（２５）により表される。
Ｆhy25＝−Ｆy25・sinα25−Ｆz25・cosα25 …（２５）

よって、右手１００がステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａをステアリングホイールの径方向の右方へ及ぼす力Ｆhyrは、下記の式（２６）により表される。
Ｆhyr＝Ｆhy1＋Ｆhy25
＝Ｆy1・sinα1＋Ｆz1・cosα1−Ｆy25・sinα25−Ｆz25・cosα25 …（２６）

また、左手１０２の親指がステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａをステアリングホイールの径方向の右方へ及ぼす力Ｆhy6は、図１２において右向きの力であるので、下記の式（２７）により表される。
Ｆhy6＝−Ｆy6・sinα6−Ｆz6・cosα6 …（２７）

同様に、左手１０２の親指以外の４本の指が線ステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａをステアリングホイールの径方向の右方へ及ぼす力Ｆhy710は、下記の式（２８）により表される。
Ｆhy710＝Ｆy710・sinα710＋Ｆz710・cosα710 …（２８）

よって、右手１００がステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａをステアリングホイールの径方向の右方へ及ぼす力Ｆhylは、下記の式（２９）により表される。
Ｆhyl＝Ｆhy6＋Ｆhy710
＝−Ｆy6・sinα6−Ｆz6・cosα6＋Ｆy710・sinα710＋Ｆz710・cosα710
…（２９）

従って、左右の手１００および１０２がステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａを右方向へ及ぼす力Ｆhyは、下記の式（３０）により表される。
Ｆhy＝Ｆhyr・cosγr＋Ｆhyl・cosγl
＝（Ｆy1・sinα1＋Ｆz1・cosα1−Ｆy25・sinα25−Ｆz25・cosα25）cosγr
＋（−Ｆy6・sinα6−Ｆz6・cosα6＋Ｆy710・sinα710＋Ｆz710・cosα710）
・cosγl …（３０）

なお、回転軸線１０６に沿う力Ｆaの場合と同様に、力Ｆhyがステアリングホイール１０４の円環部１０４Ａに対し横方向へ作用しても、これに対抗する力が車体よりステアリング系を介して作用し、円環部１０４Ａは移動しない。よって、力Ｆhyが大きくなると、ステアリング系において発生しステアリングホイール１０４の回転を阻害する摩擦力が大きくなる。

＜演算制御装置の動作＞
スイッチ６０が作業者によってオンに切り替えられると、データロガー装置６２の制御部５２は、力検出装置１１〜２０および操舵角センサ８４等のセンサより予め設定された順序にて信号を取り込む。演算部５４は、上記各式に従って操舵力（保舵力）Ｆxrlまたは操舵トルク（保舵トルク）Ｔxrl、回転軸線に沿う力Ｆaまたは前後力Ｆhx、左右力Ｆhyを演算する。

また、パーソナルコンピュータ６４の記憶部５６は、予め設定された時間毎に演算部５４により演算された値を、これらの値と同期して操舵角センサ８４等のセンサにより検出された値と共に記憶する。表示部５８は、例えば図１４に示されている如く、演算部５４により演算された値および操舵角センサ８４等のセンサにより検出された値をグラフとして表示する。

＜力測定の手順＞
上述の如く構成された作用力測定装置１０を用いて行われる車両のステアリングホイールにおける作用力の測定は、以下の手順にて実行され、これにより本発明による作用力測定方法の第一の実施形態が実行される。

まず、図には示されていない車両を運転する操作者が車両に搭乗する。リング７８−２〜７８−５および７８−７〜７８−１０が、操作者の親指以外の指の第二関節と指の付け根の関節（中手指節関節）との間の部分に僅かに締め付けるよう装着される。また、力検出装置１１〜２０が左右の手の対応する１０本の指に装着され、保持板７４がベルト７２によって手の甲に取り付けられる。そして、必要に応じて弾性材７６−１〜７６−１０の付勢力が調節される。

次いで、演算制御装置５０のスイッチ６０が作業者によってオンに切り替えられ、その時の各３軸力センサの検出値が求められる。もし検出値が０でないならば、その値を補正値として各３軸力センサの検出値が０になるようセンサの出力が補正されることにより、各３軸力センサの初期化が行われる。以上の手順により作用力測定の準備が完了する。なお、上記３軸力センサの初期化は省略されてもよい。

操作者は車両のエンジンを始動し、左右の手によりステアリングホイールを所定の位置にて把握した状態で車両の走行を開始する。操作者は測定項目に則して車両を加減速させながら操舵操作を行う。その間に、各３軸力センサにより検出された力に基づいて演算制御装置５０により上述の如く種々の作用力が演算され、種々のセンサにより検出された値と共に記録される。測定項目についての必要な運転操作が終了すると、作業者によってスイッチ６０がオフに切り替えられ、作用力の測定が終了する。なお、力の測定は、車両が静止した状態にて行われてもよく、また、車両が走行試験台に載せられた状態にて行われてもよい。

［第二の実施形態］
図１５は、指輪型の力検出装置を有し、車両のステアリングホイールにおける作用力を測定するよう構成された本発明による作用力測定装置の第二の実施形態を示す概略構成図である。

図１５と図１との比較より解る如く、この実施形態の作用力測定装置１１０は、第一の実施形態の作用力測定装置１０の指サック型の力検出装置１１〜２０が、指輪型の力検出装置２１１〜２２０に置き換えられている点を除き、作用力測定装置１０と同一である。

図１６ないし図１８は、第二の実施形態の右手の人差指用の力検出装置２１２のそれぞれ平面図、中央縦断面図、背面図である。

これらの図に於いて、２２１はプラスチックの如き比較的硬質の樹脂にて形成されたケーシングを示している。ケーシング２２１は、軸線２２２Ｄに沿って延在する中空の実質的に矩形断面の筒状をなす先端側部分２２１Ｄと、軸線２２２Ｄと交差する軸線２２２Ｐに沿って延在する中空の実質的に矩形断面の筒状をなす付け根側部分２２１Ｐとを有している。先端側部分２２１Ｄは指先側の端部においても開いている。ケーシング２２１の掌側の面部２２１Ａは、人差指の第一関節の位置２２３より指先側へ向かうにつれて軸線２２２Ｐより離れる方向へ傾斜し、また、位置２２３より指先側とは反対の側へ向かうにつれて軸線２２２Ｄより離れる方向へ傾斜している。

先端側部分２２１Ｄおよび付け根側部分２２１Ｐは、面部２２１Ａ以外の部分においては互いに分離されている。換言すれば、先端側部分２２１Ｄおよび付け根側部分２２１Ｐは、第一関節の位置２２３の領域において面部２２１Ａにより互いに接続されている。また、先端側部分２２１Ｄおよび付け根側部分２２１Ｐは、第一関節の位置２２３の両側の領域における面部２２１Ａの弾性変形により、軸線２２２Ｄおよび２２２Ｐの交差角が変化するよう、互いに他に対し変位し得るようになっている。

先端側部分２２１Ｄは、下端にて面部２２１Ａと一体をなす二つの側面部２２１ＤＬおよび２２１ＤＲと、一方の側縁にて側面部２２１ＤＬの上端と一体をなす天井面部２２１ＤＴとを有している。天井面部２２１ＤＴの上面にはドーム形のワイヤハーネスガイド２２１ＤＧが設けられており、天井面部２２１ＤＴの他方の側縁にはフック２２１ＤＦが設けられている。側面部２２１ＤＲの上端近傍には、フック２２１ＤＦが係合することにより天井面部２２１ＤＴの他方の側縁が側面部２２１ＤＲの上端に係合した状態に維持するための突起２２１ＤＥが設けられている。

図１９に示されている如く、フック２２１ＤＦが突起２２１ＤＥに係合していない自由状態においては、二つの側面部２２１ＤＬおよび２２１ＤＲは面部２２１Ａより離れるにつれて互いの間隔が増大するよう延在する。従って、自由状態においては、天井面部２２１ＤＴの他方の側縁は、側面部２２１ＤＲの上端より離れた状態になり、先端側部分２２１Ｄの断面形状は、閉じた矩形ではなく、開いた矩形である。

なお、図示の実施形態においては、天井面部２２１ＤＴの他方の側縁は、フック２２１ＤＦおよび突起２２１ＤＥにより側面部２２１ＤＲの上端に固定されるようになっているが、マジックテープ（登録商標）の如き他の固定構造により固定されてもよい。また、天井面部２２１ＤＴが側面部２２１ＤＬおよび２２１ＤＲの上端の間に渡設されたゴムバンドの如き弾性材に置換されてもよい。

先端側部分２２１Ｄ内には、指嵌合部材２２４Ｄが配置され、先端側部分２２１Ｄの側面部２２１ＤＬおよび２２１ＤＲの内面に接着等の手段により固定されている。指嵌合部材２２４Ｄも、低硬度ウレタン、ゴムスポンジの如き低剛性の弾性材にて形成されている。指嵌合部材２２４Ｄは、軸線２２２Ｄに沿って延在し上縁部にて開いた空洞部２２５Ｄを有し、空洞部２２５Ｄは、人差指の第一関節のよりも先の領域の形状に実質的に対応する形状を有している。空洞部２２５Ｄは、先端側部分２２１Ｄが閉じた矩形の断面形状にあるときには、人差指の第一関節のよりも先の領域の大きさよりも僅かに小さくなり、人差指を周囲より僅かに押圧する状態で人差指を受け入れるよう、設定されている。

付け根側部分２２１Ｐも先端側部分２２１Ｄと同様に構成されている。即ち、付け根側部分２２１Ｐは、それぞれ側面部２２１ＤＬ、２２１ＤＲおよび天井面部２２１ＤＴに対応する側面部２２１ＰＬ、２２１ＰＲおよび天井面部２２１ＰＴを有している。また、付け根側部分２２１Ｐは、フック２２１ＤＦおよび突起２２１ＤＥに対応するフック２２１ＰＦおよび突起２２１ＰＥ有している。更に、付け根側部分２２１Ｐは、指嵌合部材２２４Ｄに対応する指嵌合部材２２４Ｐ有している。

面部２２１Ａの内面には、面部２２１Ａの全長にわたり延在する力伝達部材２２６が接着等の手段により固定されている。よって、力伝達部材２２６は、面部２２１Ａと指嵌合部材２２４Ｄとの間にて先端側部分２２１Ｄ内に延在すると共に、面部２２１Ａと指嵌合部材２２４Ｐとの間にて先端側部分２２１Ｐ内に延在している。力伝達部材１２６は、ケーシング２２１を構成する材料よりも弾性が高いが指嵌合部材２２４Ｄ、２２４Ｐを構成する材料よりも剛性が高い材料、例えば、天然ゴムの如き高剛性の弾性材にて形成されている。

以上の説明より解る如く、力検出装置２１１は指嵌合部材２２４Ｄ、２２４Ｐの空洞部２２５Ｄ、２２５Ｐに操作者の人差指が挿入され、フック２２１ＤＦ、２２１ＰＦがそれぞれ突起２２１ＤＥ、２２１ＰＥに係合せしめられることによりに人差指に装着される。従って、ケーシング２２１、指嵌合部材２２４Ｄ、２２４Ｐおよび力伝達部材２２６等は、互いに共働して操作者の人差指に装着される装着部材２２７を構成している。

人差指の第一関節の位置２２３にて面部２２１Ａの外面の幅方向中央には、第一の実施形態の３軸力センサ１２８と同様の３軸力センサ２２８が接着等の手段により固定されている。３軸力センサ２２８のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の方向は、第一の実施形態の３軸力センサ１２８のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の方向と同一に設定されている。

３軸力センサ２２８の指先側の端部にはワイヤハーネス２３２が接続されており、ワイヤハーネス２３２はケーシング２２１の先端側部分２２１Ｄの側部を迂回して掌とは反対の側へ延在している。また、ワイヤハーネス２３２は、先端側部分２２１Ｄおよび付け根側部分２２１Ｐの天井面部２２１ＤＴおよび２２１ＰＴに設けられたワイヤハーネスガイド２２１ＤＧおよび２２１ＰＧに挿通されている。

詳細には図示されていないが、力検出装置２１３〜２１５は、力検出装置２１２と同様に構成されており、それぞれ操作者の右手の中指、薬指、小指に装着される装着部材２３７〜２５７と、３軸力センサ２３８〜２５８とを含んでいる。また、力検出装置２１７〜２２０は、それぞれ力検出装置２１２〜２１５と同様に構成されており、それぞれ操作者の左手の人差指、中指、薬指、小指に装着される装着部材２７７〜３０７と、３軸力センサ２６８〜３０８とを含んでいる。

また、右手および左手の親指用の力検出装置２１１および２１６は、力検出装置２１２と同様に構成されており、それぞれ操作者の右手および左手の親指に装着される装着部材２１７および２６７と、３軸力センサ２１８および２６８とを含んでいる。３軸力センサ２１８および２６８のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の方向は、第一の実施形態の３軸力センサ１１８および１６８のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の方向と同一に設定されている。ただし、第一の実施形態の場合と同様に、３軸力センサ１１８および２６８のｚ軸は、他の指と同一の方向ｚ′に対し親指の中心軸の周りに僅かに人差指側にシフトした方向に設定されている。また、３軸力センサ２１８および２６８のｘ軸は、ｚ軸に沿って見て人差指より離れる方向に整合し、ｙ軸は、親指の付け根へ向かう方向に整合している。

なお、第二の実施形態においては、第一の実施形態における保持装置７０は設けられていないが、第一の実施形態における保持装置７０と同様に力検出装置２１１〜２２０が対応する指から抜け出すことを防止する保持装置が設けられてもよい。また、保持装置が例えば親指の如く一部の指についてのみ設けられてもよい。

力検出装置２１１〜２２０は、第一の実施形態の力検出装置１１〜２０と同様にｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の力を検出する。また、演算制御装置５０は、第一の実施形態の場合と同様に、制御部５２、演算部５４、記憶部５６、表示部５８を含み、力検出装置２１１〜２２０の検出結果に基づいて操舵力等を演算し、種々のセンサにより検出された値と共に記録する。

よって、第二の実施形態においては、力検出装置２１１〜２２０が左右の手の対応する１０本の指に装着される点を除き、第一の実施形態の場合と同様の要領にて車両のステアリングホイールにおける作用力の測定が行われる。なお、力検出装置の装着は、装着部材２１７〜３０７のケーシングのフックが突起より外れた状態で付け根側部分および先端側部分に指が挿入され、３軸力センサが指に対し適正な位置に位置決めされた状態にてフックが突起に係合せしめられることにより行われる。

以上の説明より解る如く、第一および第二の実施形態によれば、被操作物としてのステアリングホイールに測定用の装置を取り付ける必要がなく、操作者はステアリングホイールに取り付けられた装置を介することなくステアリングホイールを操作することができる。よって、実際の操作状況にできるだけ近い測定状況を確保し、ステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力を正確に測定することができる。

また、第一および第二の実施形態によれば、操作者の指がステアリングホイールに押圧力を与える方向および該方向に垂直で互いに垂直な二つの方向の三つの方向について力センサにより力が検出され、それらの力に基づいて作用力が演算される。これにより、操作者が車両を運転する際にステアリングホイールと手との間に作用する力として、操舵力（保舵力）、操舵トルク（保舵トルク）、ステアリングホイールの回転軸線に沿う力、前後力、左右力を測定することができる。

また、第一および第二の実施形態によれば、操作者が手によりステアリングホイールを把持していれば、力センサはステアリングホイールと指の第一関節との間に位置する。よって、ステアリングホイールの操作範囲が大きく、操作の過程でステアリングホイールの持ち替えが行われるような場合にも、必要な作用力を確実に測定することができる。

また、第一および第二の実施形態によれば、測定用の装置をステアリングホイールに取り付けたり取り外したりする必要がない。よって、測定用の装置の取り付けや取り外しに起因してステアリングホイールを損傷することはない。また、測定用の装置を取り付けるためにステアリングホイールを部分的に分解することも不要であるので、作用力を能率的に測定することができる。

特に、第一の実施形態によれば、力検出装置は指サック型であり、力検出装置が指から抜け出すことを防止する保持装置７０が設けられている。従って、力センサを指に対し予め設定された位置に容易に位置決めすることができると共に、測定中に力センサが指の延在方向へ指に対し相対的に変位する虞れを低減することができる。

また、第二の実施形態によれば、力検出装置は指輪型であり、ケーシング２２１は、先端側部分２２１Ｄと付け根側部分２２１Ｐとを有し、これらの部分は第一関節の位置２２３の両側の領域における弾性変形により互いに他に対し変位可能である。従って、第一関節の屈曲の程度を比較的自由に変化させることができ、測定に際し力検出装置により操作者の指に与えられる拘束の度合を低くすることができる。

［第三の実施形態］
図２０は、指サック型の力検出装置を有し、機械装置の揺動操縦捍における作用力を測定するよう構成された本発明による作用力測定装置の第三の実施形態を示す概略構成図である。

図２０と図１との比較より解る如く、この実施形態の作用力測定装置３１０は、第一の実施形態の作用力測定装置１０の指サック型の力検出装置１６〜２０が省略されている点を除き、作用力測定装置１０と同一である。即ち、作用力測定装置３１０は、操作者が右手で機械装置４００の被操作物である揺動操縦捍４０２を把握して支点４０４の周りに前後左右に揺動操作する際の作用力を測定するよう構成されている。

図２０には示されていないが、操作者が左手で揺動操縦捍４０２を揺動操作する場合には、第一の実施形態の作用力測定装置１０の力検出装置１１〜１５が省略される。また、揺動操縦捍４０２を揺動操作する際の作用力は、第二の実施形態の作用力測定装置２１０の指輪型の力検出装置２１１〜２１５または２１６〜２２０を使用して測定されてもよい。更に、機械装置４００の揺動操縦捍４０２は、身体障害者用の車両の操縦捍、建設土木用の重機の操縦捍、各種産業機械の操縦捍の如く、揺動操作される任意の操縦捍であってよい。

なお、この実施形態の演算制御装置５０の制御部５２へ入力される運転パラメータは、機械装置４００の運転に関するパラメータである。機械装置４００が身体障害者用の車両の操縦捍である場合には、運転パラメータは第一および第二の実施形態の車両の走行パラメータと同様であってよい。また、機械装置４００が建設土木用の重機や各種産業機械である場合には、運転パラメータは可動部材の速度、可動部材を駆動するための油圧の如きアクチュエータのパラメータなどであってよい。

また、この第三の実施形態における作用力の測定は、力検出装置１１〜１５が操作者の右手の指に装着され、その状態にて揺動操縦捍４０２が支点４０４の周りに前後左右に揺動操作されることにより行われる。そして、演算制御装置５０は、第一の実施形態の場合と同様に、力検出装置２１１〜２１５の検出結果に基づいて前後力および左右力を演算し、演算結果を必要に応じて種々のセンサにより検出された値と共に記録する。なお、力検出装置１６〜２０である場合や、指輪型の力検出装置２１１〜２１５または２１６〜２２０である場合にも、作用力の測定の要領は同一である。

＜前後力＞
前後力、即ち、揺動操縦捍４０２を前後方向に揺動操作する力は、第一の実施形態の回転軸線に沿う力と等価である。換言すれば、図１１を揺動操縦捍４０２の軸線に垂直な断面とみなし、円環部１０４Ａおよび軸線１０８をそれぞれ揺動操縦捍４０２およびその軸線４０６とみなすことができる。

よって、右手の親指が軸線４０６に垂直に揺動操縦捍４０２を手前側へ及ぼす力Ｆjx1は、上記式（８）に対応する下記の式（３１）により表される。
Ｆjx1＝Ｆy1・cosα1−Ｆz1・sinα1 …（３１）

同様に、右手の親指以外の４本の指が軸線４０６に垂直に揺動操縦捍４０２を手前側へ及ぼす力Ｆjx25は、上記式（９）に対応する下記の式（３２）により表される。
Ｆjx25＝−Ｆy25・cosα25＋Ｆz25・sinα25 …（３２）

従って、右手が軸線４０６に垂直に揺動操縦捍４０２を前後方向へ及ぼす力Ｆjxは、手前側への方向を正として、上記式（１０）に対応する下記の式（３３）により表される。
Ｆjx＝Ｆjx1＋Ｆjx25
＝Ｆy1・cosα1−Ｆz1・sinα1＋Ｆy25・cosα25＋Ｆz25・sinα25 …（３３）

＜左右力＞
右手の親指が軸線４０６に垂直に揺動操縦捍４０２を右方向へ及ぼす力Ｆjy1は、上記式（２４）に対応する下記の式（３４）により表される。
Ｆjy1＝Ｆy1・sinα1＋Ｆz1・cosα1 …（３４）

同様に、右手の親指以外の４本の指が軸線４０６に垂直に揺動操縦捍４０２を右方向へ及ぼす力Ｆjy25は、上記式（２５）に対応する下記の式（３５）により表される。
Ｆjy25＝−Ｆy25・sinα25−Ｆz25・cosα25 …（３５）

よって、右手が軸線４０６に垂直に揺動操縦捍４０２を左右方向へ及ぼす力Ｆjyは、右方向を正として、上記式（２６）に対応する下記の式（３６）により表される。
Ｆjy＝Ｆjy1＋Ｆjy25
＝Ｆy1・sinα1＋Ｆz1・cosα1−Ｆy25・sinα25−Ｆz25・cosα25 …（３６）

＜揺動トルク＞
揺動操縦捍４０２の支点４０４から力ＦjxおよびＦjyの作用点４０６までの半径をＲjとすると、前後方向の揺動トルクＴjxおよび左右方向の揺動トルクＴjyは、それぞれ下記の式（３７）および（３８）により表される。
Ｔjx＝Ｆjx・Ｒj
＝（Ｆy1・cosα1−Ｆz1・sinα1−Ｆy25・cosα25＋Ｆz25・sinα25）Ｒj
…（３７）
Ｔjy＝Ｆjy・Ｒj
＝（Ｆy1・sinα1＋Ｆz1・cosα1−Ｆy25・sinα25−Ｆz25・cosα25）Ｒj
…（３８）

なお、前後方向の揺動トルクＴjxおよび左右方向の揺動トルクＴjyは、それぞれ下記の式（３９）および（４０）に従って正確に演算されてもよい。下記の式（３９）および（４０）におけるＲj11〜Ｒj15は、揺動操縦捍４０２の支点４０４から力検出装置２１１〜２１５の３軸力センサの中心までの半径である。

Ｔjx＝（Ｆy1・cosα1−Ｆz1・sinα1）Ｒj11
＋（−Ｆy2・cosα25＋Ｆz2・sinα25）Ｒj12
＋（−Ｆy3・cosα25＋Ｆz3・sinα25）Ｒj13
＋（−Ｆy4・cosα25＋Ｆz4・sinα25）Ｒj14
＋（−Ｆy5・cosα25＋Ｆz5・sinα25）Ｒj15
…（３９）
Ｔjy＝（Ｆy1・cosα1＋Ｆz1・cosα1）Ｒj11
−（Ｆy2・sinα25＋Ｆz2・cosα25）Ｒj12
−（Ｆy3・sinα25＋Ｆz3・cosα25）Ｒj13
−（Ｆy4・sinα25＋Ｆz4・cosα25）Ｒj14
−（Ｆy5・sinα25＋Ｆz5・cosα25）Ｒj15
…（４０）

この第三の実施形態によれば、第一の実施形態の指サック型の力検出装置の構造を有効に利用して、被操作物が支点の周りに前後左右に揺動操作される揺動操縦捍について、前後方向および左右の作用力を測定することができる。そしてこの場合にも、実際の操作状況にできるだけ近い測定状況を確保することができるので、作用力を正確に測定し、操作者が覚える違和感を低減することができる。

また、揺動操縦捍に測定用の装置を取り付けたり取り外したりする必要がないので、測定用の装置の取り付けや取り外しに起因して被操作物を損傷することはない。また、測定用の装置を取り付けるために被操作物を部分的に分解することも不要であるので、作用力を能率的に測定することができる。

なお、第三の実施形態の修正例として、指サック型の力検出装置が第二の実施形態の指輪型の力検出装置に置き換えられることにより、第二の実施形態の作用力測定装置の構成が揺動操縦捍の作用力の測定に適用されてもよい。

以上の説明より解る如く、上述の各実施形態によれば、ケーシングおよび力伝達部材の実質的に「へ」の字形に屈曲した形状などによる位置決め手段により、力センサが指に対し予め設定された位置に位置するよう、指に対し装着部材および力センサが位置決めされる。よって、装着部材などに位置決め手段が設けられていない場合に比して、指に対する力センサの位置決めを容易にかつ正確に行うことができ、これにより作用力の測定を容易にかつ正確に行うことができる。

また、手によりステアリングホイールなどの被操作部材を把持する場合には、指の関節は曲げられた状態になる。上述の各実施形態によれば、ケーシングおよび力伝達部材は実質的に「へ」の字形に屈曲した形状を有する。よって、このことによっても作用力の測定が行われない現実の操舵状況に近い測定状況を確保し、被操作部材と操作者の手との間に作用する力を測定する際に操作者が覚える違和感を低減することができる。

また、上述の各実施形態によれば、ケーシングおよび力伝達部材の実質的に「へ」の字形に屈曲した形状やケーシングの矩形の断面形状などによる回転抑制手段により、装着部材が指に対し相対的に回転することが抑制される。よって、装着部材などに回転抑制手段が設けられていない場合に比して、装着部材が指に対し相対的に回転して力センサが本来あるべき位置より変位すること、およびこれに起因して作用力の測定精度が低下する虞れを効果的に低減することができる。

また、上述の各実施形態によれば、力センサは、ピエゾ抵抗型や静電容量型の３軸力センサの如き矩形の薄板状をなす３軸力センサである。よって、力センサが例えば単軸力センサが直交３軸方向に組み立てられた構造のものである場合に比して、力センサを薄く小型することができ、このことによっても測定状況を現実の操舵状況に近くすることができる。

更に、上述の各実施形態によれば、３軸力センサのｘ軸の方向は指の長手方向に垂直な方向であり、ｙ軸の方向は指の長手方向に沿う方向である。よって、３軸力センサのｘ軸およびｙ軸の方向が指の長手方向およびそれに垂直な方向に対し傾斜している場合に比して、指の長手方向に垂直な方向の作用力を容易にかつ正確に測定することができ、また演算制御装置の演算負荷を低減することができる。

以上においては、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

例えば、上述の各実施形態においては、３軸力センサのｘ軸の方向は指の長手方向に垂直な方向であり、ｙ軸の方向は指の長手方向に沿う方向である。しかし、ｙ軸およびｘ軸がそれぞれ指の長手方向およびそれに垂直な方向に対し傾斜していてもよい。

例えば、図２１は、３軸力センサ４１０がそれぞれ指の延在方向および該方向に垂直な方向、即ち実施形態のｙ軸およびｘ軸の方向に対し角度ω傾斜したｙ′軸およびｘ′軸を有する場合を示している。３軸力センサ４１０により検出されるｘ′軸方向およびｙ′軸方向の力をそれぞれＦx′およびＦy′とすると、ｘ軸方向およびｙ軸方向の力ＦxおよびＦyをそれぞれ下記の式（４１）および（４２）により求めることができる。よって、ｙ軸およびｘ軸がそれぞれ指の長手方向およびそれに垂直な方向に対し傾斜していてもよい。
Ｆx＝Ｆx′・cosω＋Ｆy′・sinω …（４１）
Ｆy＝−Ｆx′・sinω＋Ｆy′・cosω …（４２）

また、上述の各実施形態においては、３軸力センサのｚ軸の方向は、指及び被操作部材の断面形状を互いに接触する円筒とみなすと、３軸力センサの中心を通り二つの円筒の法線の方向である。しかし、ｙ軸およびｘ軸の傾斜の場合と同様に、ｚ軸の方向が法線の方向に対し傾斜していても三つの軸の方向の力に基づいて法線方向の力を求めることができる。よって、３軸力センサのｚ軸の方向は法線の方向に対し傾斜していてもよい。

また、力センサがｚ軸に垂直で指の延在方向に対し傾斜した軸を有していれば、実施形態のｙ軸の方向およびｘ軸の方向の両方の力を検出することができる。例えば、力センサがｘ′軸を有するがｙ′軸を有しない場合には、ｘ軸方向およびｙ軸方向の力ＦxおよびＦyをそれぞれ下記の式（４３）および（４４）により求めることができる。よって、３軸力センサが直交２軸の力を検出するセンサに置き換えられてもよい。また、３軸力センサが６軸力センサに置き換えられてもよい。
Ｆx＝Ｆx′・cosω …（４３）
Ｆy＝−Ｆx′・sinω …（４４）

また、上述の各実施形態においては、３軸力センサは被操作部材に直接当接するようになっているが、被操作部材に対する３軸力センサの摩擦係数が被操作部材に対する指の摩擦係数に近い値になるよう、例えば樹脂などにて力センサの表面がコーティングされてもよい。

また、上述の第一の実施形態においては、ｘ軸方向の力Ｆx1〜Ｆx10がそれらに対しそれぞれ補正係数Ｋx1〜Ｋx10が乗算されることによって補正されるようになっている。しかし、ｙ軸方向の力およびｚ軸方向の力もそれらに補正係数Ｋx1〜Ｋx10と同様の補正係数が乗算されることによって補正されるよう修正されてもよい。

また、上述の各実施形態においては、作用力は移動体としての車両のステアリングホイールなどの被操作部材を基準にした方向について測定されるようになっている。しかし、移動体はモータボートや小型漁船の如き船舶であってもよい。また、車両や船舶の如き移動体は移動時に姿勢変化するので、例えば何れかの力検出装置のジャイロセンサが組み込まれることにより、絶対空間の方向を基準に作用力が測定されるよう修正されてもよい。

また、上述の各実施形態においては、力検出装置は５本の指の全てに装着される。しかし、力検出装置は５本の指の全てに装着される必要はなく、少なくとも一つの指に装着されればよい。また、力センサが第一の関節の内側の位置に位置決めされるようになっているが、他の位置に位置決めされてもよく、一つの指に複数の力センサが使用されてもよい。

また、上述の各実施形態においては、操作者の各手と被操作部材との間に作用する力が測定されるようになっている。しかし、これらの力に加えて、両手が被操作部材を介して互いに打ち消し合うように作用する力が、例えば無駄な力や疲労をきたす力として測定されるよう修正されてもよい。

１０…作用力測定装置、１１〜２０…力検出装置、５０…演算制御装置、５２…制御部、５４…演算部、５６…記憶部、５８…表示部、６２…データロガー装置、６４…パーソナルコンピュータ、７０…保持装置、８４…操舵角センサ、８６…操舵トルクセンサ、１０４…ステアリングホイール、１１７〜２０７…装着部材、１１８〜２０８…３軸力センサ、１３７〜…装着部材、１２７…装着部材、２１０…作用力測定装置、２１１〜２２０…力検出装置、３１０…作用力測定装置、３１１〜３２０…力検出装置、４０２…揺動操縦捍４１０…３軸力センサ

Claims (10)

1. 操作者が手により把持して操作するステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力を測定する作用力測定装置であって、操作者の複数の指に装着される複数の装着部材と、操作者が手によりステアリングホイールを把持するとステアリングホイールと指の第一関節との間に位置するよう対応する装着部材に固定された複数の力センサとを有する力検出装置と、前記力センサにより検出された力に基づいて作用力を演算する演算制御装置とを備え、前記力センサは、操作者の指がステアリングホイールに押圧力を与える方向および該方向に垂直な他の一つの方向の少なくとも二つの方向について力を検出し、前記演算制御装置は、前記少なくとも二つの方向の力に基づいて作用力を演算することを特徴とする作用力測定装置。
2. 前記他の一つの方向は、指の長手方向を横切る方向であることを特徴とする請求項１に記載の作用力測定装置。
3. 前記他の一つの方向は、指の長手方向を垂直に横切る方向であることを特徴とする請求項２に記載の作用力測定装置。
4. ステアリングホイールは、回転軸線のまわりに回転操作されるものであり、前記演算制御装置は、前記少なくとも二つの方向の力に基づいて回転操作の周方向の作用力および前記回転軸線に沿う方向の作用力を演算することを特徴とする請求項１ないし３の何れか一つに記載の作用力測定装置。
5. 前記装着部材は、前記力センサが指の第一関節に対し予め設定された位置に位置するよう、指の第一関節に対し前記装着部材および前記力センサを位置決めする位置決め手段を有することを特徴とする請求項１ないし４の何れか一つに記載の作用力測定装置。
6. 前記装着部材の指から押圧力を受ける部分は、力センサに対応する部位が他の部位よりも指の側へ高い「へ」の字形に屈曲した断面形状を有し、該断面形状は前記位置決め手段として機能することを特徴とする請求項５に記載の作用力測定装置。
7. 前記装着部材は、前記装着部材が指に対し相対的に回転することを抑制する回転抑制手段を有することを特徴とする請求項１ないし６の何れか一つに記載の作用力測定装置。
8. 前記複数の指は、両手の全ての指であることを特徴とする請求項１ないし７の何れか一つに記載の作用力測定装置。
9. 請求項１乃至８の何れか一つに記載の作用力測定装置を使用して、操作者が手により把持して操作するステアリングホイールと操作者の手との間に作用する力を測定する作用力測定方法であって、前記力検出装置を操作者の複数の指に装着し、各力検出装置により検出される少なくとも二つの方向の力に基づいて前記演算制御装置により作用力を演算させることを特徴とする作用力測定方法。
10. 前記ステアリングホイールは、移動体を運転するために操作されるステアリングホイールであり、前記演算制御装置により前記移動体の移動パラメータと同期して作用力を記録することを特徴とする請求項９に記載の作用力測定方法。

Images