移動型床反力計測装置
【課題】カメラを使うことなく比較的低コストで装置を構成することができ、しかも、歩行時に足のかかと部分と先端部分の姿勢が変わった場合であっても、正確に床面からの反力やモーメントなどを計測できるようにする。
【解決手段】被験者の足と床面との間に設けられ、床面からの反力に基づいて直交する３軸方向の力と当該各軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置１００において、足のかかと側と足の先端側にそれぞれ分離して設けられ、前記直交する３軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを計測するセンサユニット１０１、１０２と、当該各センサユニット１０１、１０２の位置を検出する姿勢検出センサ１０７とを備えるようにする。また、この姿勢検出センサ１０７として、ジャイロセンサを用い、好ましくは、角速度の積分値による誤差を修正できるように加速度センサも併用する。
【解決手段】被験者の足と床面との間に設けられ、床面からの反力に基づいて直交する３軸方向の力と当該各軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置１００において、足のかかと側と足の先端側にそれぞれ分離して設けられ、前記直交する３軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを計測するセンサユニット１０１、１０２と、当該各センサユニット１０１、１０２の位置を検出する姿勢検出センサ１０７とを備えるようにする。また、この姿勢検出センサ１０７として、ジャイロセンサを用い、好ましくは、角速度の積分値による誤差を修正できるように加速度センサも併用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＸＹＺ軸方向にかかる力とそのＸＹＺ軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置に関するものであり、より詳しくは、床からの反力に基づいて人間の下肢にかかる関節モーメントや筋力などを推定できるようにした移動型床反力計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、リハビリテーションや福祉、スポーツなどの分野においては、人間の歩行状態や、下肢関節にかかるモーメント、下肢にかかる筋力などを推定できるようにした履物やその履物に取り付けられる反力計測装置などが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
このような反力計測装置うち、特開２００７−１０８０７９号公報には、図１０に示すような、履物５の底面（床面と接する面）側に取り付けられる反力計測装置が開示されている。
【０００４】
この反力計測装置は、外力が作用する上下２枚の上板６ｕと下板６ｄとの間に複数の反力センサ７０を取り付けて構成されるもので、各反力センサ７０からの出力値に基づいてＸＹＺ方向の力を出力するとともに、各反力センサ７０との距離や力の差分に基づいてＸ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りのモーメントを計測できるようにしたものである。
【０００５】
また、この特許文献１には、歩行時における安定性を向上させるために、足のかかと部分と先端部分の２カ所にセンサユニット７１とセンサユニット７２とを分離して設け、また、このセンサユニット７１、７２に設けられたマーカー８の位置をカメラで撮像することによって、床からの反力やモーメントを計測できるようにしている。
【特許文献１】特開２００７−１０８０７９号公報（図１７、図２２など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のような反力計測装置を用いて床からの反力を計測する方法では、次に示すような問題がある。
【０００７】
すなわち、上述のように、足のかかと部分と先端部分にセンサユニットを取り付けるようにした場合、歩行時に各センサユニットの姿勢がそれぞれ変わってしまい、正確にＸＹＺ軸方向に沿った反力やモーメントを計測することができなくなる。具体的には、人間が歩行する場合、図９（ｃ）に示すように、かかと部分から床面に接地するようになるが、この場合、かかと部分のセンサユニットは床面とほぼ平行な状態となる一方、先端側のセンサユニットは床面に対して傾斜した状態となる。すなわち、かかと側のセンサユニットの出力値は床面を基準としたＸＹＺ座標軸の出力がなされる一方、先端側のセンサユニットは床面に対して傾斜したＸＹＺ軸に沿った出力がなされるため、先端側のセンサユニットの出力値をＸＹＺ軸方向に沿った値として計測すると誤差を生じてしまう。一方、次の一歩を踏み出す場合においても同様に、図９（ａ）に示すように、かかと部分を持ち上げた状態でセンサユニットから検出値を出力すると、床面を基準としたＸＹＺ座標軸と異なる値が出力されることになる。
【０００８】
さらに、特許文献１の方法では、センサユニットにマーカーを付してカメラで撮影するようにしているため、計測できる場所がカメラの視野角内という狭い範囲に限定されてしまう。すなわち、カメラとマーカーを用いる方法では、２台以上のカメラで計測したデータを信号処理して３次元での座標を求める方法がよく用いられるが、カメラを用いた計測方法であると、歩行距離もカメラの視野角の範囲内に限定されてしまう。このため、限定された歩行でも両足での計測のためには最低４台は必要であり、ある程度の歩数を計測するためには、カメラの台数を多くしなければならず、膨大な設備費用がかかってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、カメラを使うことなく比較的低コストで装置を構成することができ、しかも、正確に床面からの反力やモーメントなどを計測することのできる移動型反力検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、被験者の足に取り付けられ、床面からの反力に基づいて直交する３軸方向の力と当該各軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置において、足のかかと側と足の先端側にそれぞれ分離して設けられ、前記直交する３軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを計測する複数のセンサユニットと、当該各センサユニットの姿勢を検出する姿勢検出センサとを備えるようにしたものである。
【００１１】
このようにすれば、姿勢検出センサによって足のかかと側や足の先端側のセンサユニットの姿勢を検出することができるため、歩行時に足の接地状態が変化した場合であっても正確に床面から受ける反力やモーメントを計測することができるようになる。しかも、カメラによって位置を検出する必要がないので、低コストに装置を構成することができ、また、データ取得範囲もカメラの視野角内に限定されないため、広範囲で反力やモーメントを計測することができるようになる。
【００１２】
また、このようなセンサユニットを構成する場合、上下一対の板材を設け、これらの板材の間において、それぞれ直線上に存在しないように３つ以上の反力センサを取り付けるようにする。
【００１３】
このようにすれば、板材の間に反力センサを設けることによって各反力センサにかかる力を分散させることができ、反力センサを小さくした場合であっても人間の重い荷重に耐えることができる。しかも、反力センサを直線上に存在しないように設けるため、各反力センサの距離とそれぞれにかかる荷重の積算によって３軸まわりのモーメントを検出することができるようになる。
【００１４】
さらに、姿勢検出センサを前記板材に共通して取り付けるようにする。
【００１５】
このようにすれば、各センサユニットに対応した数の姿勢検出センサを設ければよく、姿勢検出センサの数を少なくした状態であっても反力やモーメントを計測することができるため、装置を安価に構成することができる。
【００１６】
加えて、このような発明における姿勢検出センサとして、ジャイロセンサと加速度センサを併用する。
【００１７】
一般に、ジャイロセンサは角速度を検出するものが多いため、この角速度から姿勢を検出するには角速度を積分して角変位に直す必要があり、積分時間が長くなると誤差が累積してだんだん正解からずれていく危険性ある。これに対して、加速度センサは、重力加速度の成分と運動により生じるも加速度の成分の和を計測するため、加速度センサが傾けば、各方向の加速度センサが感知する重力成分が変化し、静止していることがわかっている状態であれば、正確に傾き角を計測することができる。そこで、静止時にジャイロセンサの姿勢を補正すれば、ジャイロセンサによる誤差を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、被験者の足に取り付けられ、床面からの反力に基づいて直交する３軸方向の力と当該各軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置において、足のかかと側と足の先端側にそれぞれ分離して設けられ、前記直交する３軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを計測する複数のセンサユニットと、当該各センサユニットの姿勢を検出する姿勢検出センサとを備えるようにしたので、姿勢検出センサによって足のかかと側や足の先端側のセンサユニットの姿勢を検出することができ、歩行時に足の接地状態が変化した場合であっても正確に床面から受ける反力やモーメントを計測することができる。しかも、カメラによって位置を検出する必要がないので、低コストに装置を構成することができ、また、データ取得範囲もカメラの視野角内に限定されないため、広範囲で反力やモーメントを計測することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の履物５に取り付けられる移動型床反力計測装置１００の概略図を示したものであり、図２はその移動型床反力計測装置１００の機能ブロック図を示したものである。また、図３から図８は、その移動型床反力計測装置１００のセンサユニット１０１、１０２に取り付けられる反力センサ１０を示したものであり、図９は、その移動型床反力計測装置１００を靴などの履物５の裏面に取り付けて使用した状態を示したものである。
【００２０】
この実施の形態における移動型床反力計測装置１００は、図９に示すように、靴やサンダルなどの履物５の裏面に取り付けて使用されるもので、足のかかと側と足の先端側に独立した２組のセンサユニット１０１、１０２を取り付け、それぞれのセンサユニット１０１、１０２から床面を基準としたＸＹＺ軸方向の力とその３軸まわりのモーメントを出力できるようにしたものである。そして、その出力値や、これ以外の下腿や大腿に設けられた姿勢センサ（図示せず）の出力値などを用いてリハビリテーションなどを行う人間の下肢の筋肉や関節にかかる荷重などを計測できるようにしたものである。以下、本実施の形態における移動型床反力計測装置１００の構成について詳細に説明する。
【００２１】
この移動型床反力計測装置１００を構成するセンサユニット１０１、１０２は、図１に示すように、上板１ｕと下板１ｄとの間に反力センサ１０を取り付け、各反力センサ１０からの出力値に基づいて床面を基準としたＸＹＺ方向の力やその各軸まわりのモーメントを計測できるようにしている。なお、図１において、上板１ｕは反力センサ１０を視認できるように想像線で記載している。ここで、この上板１ｕや下板１ｄは、金属板や硬質プラスチック、セラミックなどのように比較的硬い素材で構成される。このとき、上板１ｕや下板１ｄを比較的柔らかい素材で構成すると、特定の反力センサ１０にのみ大きな荷重がかかってしまい、その荷重に耐えられなくなってしまう。一方、この荷重に耐えられるように反力センサ１０を大きくすると、その反力センサ１０の大きさによってブーツを履いた時のように高足な状態となり、自然な歩行が困難となる。そこで、この上板１ｕや下板１ｄを固い素材で構成することで各反力センサ１０にかかる荷重を分散し、反力センサ１０自体を小さくできるようにするとともに、各反力センサ１０間の距離と荷重によってモーメントを計測できるようにしている。
【００２２】
この上板１ｕや下板１ｄは、人間の歩行時における足の動きに自由度を持たせるように、足のかかと側と先端側に分離した状態で履物５に取り付けられる。この上板１ｕや下板１ｄのうち、上板１ｕは、履物５の裏面に対して面ファスナーなどを介して着脱可能に取り付けられる。また、下板１ｄの下面側には、床面とのクッション性をよくするために、下面側にゴム板などが取り付けられる。この上板１ｕは履物５の裏面に他の方法で取り付けるようにしてもよく、また、下板１ｄの下面側については、フェルトなどの不織布などを取り付けてクッション性を持たせるようにしてもよい。
【００２３】
この上板１ｕや下板１ｄとの間に取り付けられる反力センサ１０は、直交する３軸方向の力を計測できるようにしたものが用いられる。ここで、直交する３軸とは、床面を基準とした直交座標系の各軸を示したもので、床面に沿ったＸＹ方向と、床面に垂直なＺ方向の反力を計測する。また、この反力センサ１０は、この実施の形態では、次に示すような反力センサ１０を用いるが、これ以外にも、ＸＹＺ方向の反力を計測できるようなものであればどのようなものであってもよい。
【００２４】
図３にこの実施の形態における反力センサ１０の外観斜視図を示す。図３に示す反力センサ１０は、縦横寸法が約１ｃｍ×約１ｃｍ、厚み寸法が０．５ｃｍ〜１．０ｃｍ程度の大きさを有するもので、正方形状の枠部１１と、その枠部１１の中心部から外方に向かって放射状に延びる脚部１２〜１５と、その脚部１２〜１５の長手方向の変位を検出するように脚部１２〜１５の両側面に取り付けられた８個の第一のひずみゲージ２１〜２８と、その脚部１２〜１５の長手方向に対して約４５度の角度をなして取り付けられた第二のひずみゲージ３１〜３８などを有してなる。なお、図３において第一のひずみゲージ２２、２３、２５、２８および第二のひずみゲージ３２、３３、３５、３８は脚部１２〜１５の裏面側に設けられているため図示されていない。そして、このような構成において、中心部のタップ孔に貫入された部材の変位に基づいて直交する３軸方向の力を検出できるようにしている。
【００２５】
ここで、この脚部１２〜１５は、枠体１６の底面部分から若干隙間を有するような縦長平面状に構成され、これによって厚み方向（図３におけるＺ’方向）にかかる大きな荷重に耐えられるようにしている。この脚部１２〜１５の各両側面８カ所に取り付けられる第一のひずみゲージ２１〜２８は、縦長方向に取り付けられ、また、この第一のひずみゲージ２１〜２８によって図６や図７に示すブリッジ回路４１を構成することによってＸ’方向やＹ’方向にかかる荷重を検出できるようにする。なお、ここで、Ｘ’Ｙ’Ｚ’方向とは、反力センサ１０の左右幅方向と厚み方向とする。また、第二のひずみゲージ３１〜３８は、脚部１２〜１５の各両側面に斜め４５度をなすように８カ所に取り付けられ、Ｚ’方向もしくは斜め方向にかかる荷重を検出する。この第二のひずみゲージ３１〜３８を各両側面に取り付ける場合、表面側の向きと裏面側の向きとが逆になるように取り付け、そして、この第二のひずみゲージ３１〜３８によって図８に示すようなブリッジ回路４２を形成し、そのブリッジ回路４２の抵抗値の変化によってＺ’方向の荷重を検出する。
【００２６】
この反力センサ１０について詳述すると、対向する１対の脚部１２、１４に設けられた第一のひずみゲージ２１、２２、２５、２６によって図６に示すブリッジ回路４１を形成するとともに、これに隣接して対向する１対の脚部１３、１５に設けられた第一のひずみゲージ２３、２４、２７、２８によって図７に示すブリッジ回路４１を形成する。一方、第二のひずみゲージ３１〜３８によるブリッジ回路４２については、図８に示すように、同一の脚部１２〜１５の表裏に設けられた第二のひずみゲージ３１〜３８を直列に配置し、これと対向する脚部１２〜１５の第二のひずみゲージ３１〜３８を向かい合させるようにしてブリッジ回路４２を形成する。
【００２７】
ここで、中心部に力が加わった場合について説明する。Ｚ’軸方向に力FＺが加えられた場合、中心部がＺ’軸方向に移動し、脚部１２〜１５が撓むことになる。この結果、第一のひずみゲージ２１、２２、２５、２６と第二のひずみゲージ３１、３２、３５、３６が伸びるように変化して抵抗値が増加する。一方、第一のひずみゲージ２３、２４、２７、２８は長さが伸びる方向、すなわち、抵抗値が増加する方向に変化し、第二のひずみゲージ３３、３４、３７、３８は、長さが縮む方向に変化し、抵抗値が減少する方向に変化する。このように、各ひずみゲージの長さが変化すると、第二のひずみゲージ３１〜３８で形成されるブリッジ回路４２によって、Ｚ’軸方向の変化を検出することができる。一方、第一のひずみゲージ２１〜２８によって形成されるブリッジ回路４１ではＺ’方向の変化は検出されない。すなわち、第一のひずみゲージ２１〜２８の抵抗値の増加が等しい場合には、出力電圧は変化せず、また、第一のひずみゲージ２１〜２８についても同様に出力電圧は変化しない。
【００２８】
Ｙ’軸方向に力を加えた場合は、脚部１２が圧縮され、脚部１４は延びるように変化するとともに、脚部１３や脚部１５は撓む方向に変化する。この結果、第一のひずみゲージ２１、２２と第二のひずみゲージ３１、３２は、長さが縮む方向に変化して抵抗値が減少する。一方、第一のひずみゲージ２５、２６や第二のひずみゲージ２５、３６は、長さが伸びる方向に変化するため、抵抗値が増加する。また、第一のひずみゲージ２４、２７および第二のひずみゲージ３４、３７については長さが伸びる方向に変化するため抵抗値が増加する。一方、第一のひずみゲージ２３、２８および第二のひずみゲージ３３、３８については、長さが縮む方向に変化し抵抗値が減少する。
【００２９】
このように脚部１２〜１５の長さの変化がすると、第一のひずみゲージ２１、２２、２５、２６で形成されたブリッジ回路４１（図６）によってＹ’軸方向の変化が検出され、第一のひずみゲージ２５、２６の抵抗増加、および、第一のひずみゲージ２１、２２の抵抗減少によって出力電圧に変化をもたらす。
【００３０】
一方、第一のひずみゲージ２３、２４、２７、２８で形成されたブリッジ回路４１（図７）では、Ｙ’軸方向の変化は検出されない。なぜなら、第一のひずみゲージ２３、２８の抵抗減少の大きさと、第一のひずみゲージ２４、２７の抵抗増加の大きさとが等しい場合、出力電圧に変化をもたらせないからである。このように反力センサ１０によってＹ’軸方向の力を検出することができ、Ｘ’方向についても同様にしてＸ’方向の力を検出できる。
【００３１】
このようにして、第一のひずみゲージ２１〜２８、第二のひずみゲージ３１〜３８で構成された反力センサ１０によってＸ’Ｙ’Ｚ’方向に働く反力を検出する。
【００３２】
この反力センサ１０は、上板１ｕや下板１ｄに対して一直線上に位置しないように少なくとも３つ以上の場所に配置される。ここでは、正三角形状に反力センサ１０を取り付けておき、これによってセンサユニット１０１、１０２の重心位置における反力やモーメントを計測する。
【００３３】
演算部１０３（図２参照）は、各センサユニット１０１、１０２からの出力値に基づいて各センサユニット１０１、１０２の重心位置における反力やモーメントを計測するもので、ここでは、各センサユニット１０１、１０２におけるＸ’Ｙ’Ｚ’方向の反力をF1Ｘ’、F2Ｘ’、F3Ｘ’とし、Ｙ’方向の反力をF1Ｙ’、F2Ｙ’、F3Ｙ’とし、Ｚ’方向の反力をF1Ｚ’、F2Ｚ’、F3Ｚ’とした場合、次式によって各センサユニット１０１、１０２の重心位置Ｇ１、Ｇ２における反力を計測する。ここで、F11m、F12m、F13m（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）は、センサユニット１０１における各反力センサ１０のm軸方向（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）の反力であり、また、F21m、F22m、F23m（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）は、センサユニット１０２における各反力センサ１０のm軸方向（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）の反力である。
F1Ｘ’＝F11Ｘ’＋F12Ｘ’＋F13Ｘ’
F1Ｙ’＝F11Ｙ’＋F12Ｙ’＋F13Ｙ’
F1Ｚ’＝F11Ｚ’＋F12Ｚ’＋F13Ｚ’
F2Ｘ’＝F21Ｘ’＋F22Ｘ’＋F23Ｘ’
F2Ｙ’＝F21Ｙ’＋F22Ｙ’＋F23Ｙ’
F2Ｚ’＝F21Ｚ’＋F22Ｚ’＋F23Ｚ’
【００３４】
また、各センサユニット１０１、１０２の重心位置Ｇ１、Ｇ２を基準としたＸ’Ｙ’Ｚ’軸回りにおけるモーメントは、次式で表される。ここで、L11m、L12m、L13m（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）は、センサユニット１０１における各反力センサ１０からm軸（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）までの距離であり、また、L21m、L22m、L23m（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）は、センサユニット１０２における各反力センサ１０からm軸（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）までの距離である。
M1Ｘ’＝F11Ｚ’×L 11Ｘ’＋F12Ｚ’×L 12Ｘ’＋F13Ｚ’×L 13Ｘ’
M1Ｙ’＝F11Ｚ’×L 11Ｙ’＋F12Ｚ’×L 12Ｙ’＋F13Ｚ’×L 13Ｙ’
M1Ｚ’＝F11Ｘ’×L 11Ｚ’＋F12Ｘ’×L 12Ｚ’＋F13Ｘ’×L 13Ｚ’＋F11Ｙ’×L 11Ｚ’＋F12Ｙ’×L 12Ｚ’＋F13Ｙ’×L 13Ｚ’
M2Ｘ’＝F21Ｚ’×L 21Ｘ’＋F22Ｚ’×L 22Ｘ’＋F23Ｚ’×L 23Ｘ’
M2Ｙ’＝F21Ｚ’×L 21Ｙ’＋F22Ｚ’×L 22Ｙ’＋F23Ｚ’×L 23Ｙ’
M2Ｘ’＝F21Ｘ’×L 21Ｚ’＋F22Ｘ’×L 22Ｚ’＋F23Ｘ’×L 23Ｚ’＋F21Ｙ’×L 21Ｚ’＋F22Ｙ’×L 22Ｚ’＋F23Ｙ’×L 23Ｚ’
【００３５】
そして、これらの値は、演算部１０３におけるＣＰＵによってサンプリング時間毎に計測されて補正部１０４に出力される。
【００３６】
補正部１０４は、この出力された各センサユニット１０１、１０２におけるＸ’、Ｙ’、Ｚ’方向の反力やモーメントを、床面を基準とした静止座標系での反力やモーメントとして計測する。この補正処理を行う場合、各センサユニット１０１、１０２の１つの共通する姿勢検出センサ１０７を設け、この姿勢検出センサ１０７からの出力値に基づいて各センサユニット１０１、１０２の床面に対する座標と姿勢を出力する。この姿勢検出センサ１０７としては、各センサユニット１０１、１０２の相対的な位置関係や姿勢などを出力できるようなものであればどのようなものであってもよく、例えば、ジャイロセンサや加速度センサなどを用いる。この姿勢検出センサ１０７は、上板１ｕや下板１ｄに固定して取り付けられ、その出力値が補正部１０４に出力される。
【００３７】
ここで、ジャイロセンサを用いた場合、そのジャイロセンサを取り付けたセンサユニット１０１、１０２の角速度を検出することができ、その角速度をサンプリング時間で積分することによってそのジャイロセンサを取り付けたセンサユニット１０１、１０２の姿勢を検出することができる。すなわち、床面を基準としたＸＹＺ座標を基準として、そこからの姿勢変化を検出することができる。しかしながら、この積分処理は、時間の経過によって誤差が生じ、その誤差が累計されることによって正規の姿勢から大きくずれていく可能性がある。
【００３８】
そこで、加速度センサも併用することができる。この加速度センサは、重力加速度の成分と運動によって生ずる加速度の成分の和を計測するもので、静止状態であれば重力加速度のみを計測するものを用いる。このとき、加速度センサが傾けば、重力成分が変化するので、静止していることが分かっている状態であれば、傾き姿勢を計測することができる。２組のセンサユニット１０１、１０２が床面に水平に接している状態には、加速度センサは静止しているので、そのときには、ジャイロセンサによる角速度を積分して求める傾きを補正することができる。２組のセンサユニット１０１、１０２が床面に接しているか否かは、反力センサ１０のＺ’方向の出力によって判定することができる。このようにすれば，ジャイロセンサを積分する際に生ずる誤差を抑制することができる。
【００３９】
２組のセンサユニット１０１、１０２の床面との接地状態は、反力センサ１０のＺ’方向の出力と姿勢検出センサ１０７の出力から把握することができる。接地状態と姿勢がわかれば、床面上でのセンサユニット１０１、１０２を基準位置とした静止座標系における各センサユニット重心の座標値および姿勢を得ることができるので、それらを用いれば、床面を基準とした静止座標系における床反力を得ることができる。
【００４０】
そして、このように各センサユニット１０１、１０２で計測されたＸＹＺ軸の反力やモーメントを出力部１０５を介して演算装置１０６に出力し、そこで、これらの出力値や、これ以外に別途下腿や大腿の姿勢などを検出することによって被験者の下肢にかかる負荷や関節にかかるモーメントなどを計測する。このとき、各センサユニット１０１、１０２からの反力やモーメントを出力するようにしてもよく、あるいは、足全体の重心位置にかかる反力はモーメントを演算して出力するようにしてもよい。また、この出力部１０５を介して演算装置１０６に出力する場合、通信ケーブルを介して出力するようにしてもよく、あるいは、無線によって演算装置１０６に出力するようにしてもよい。
【００４１】
次に、このように構成された移動型床反力計測装置１００の使用例について説明する。
【００４２】
まず、使用に先立って被験者に履物５を履いてもらい、履物５の裏面に設けられた各センサユニット１０１、１０２を水平な状態にして（図９（ｂ））、この状態で、加速度センサが重力加速度のみを計測し、ジャイロセンサによる傾きを補正する。このとき、人間の荷重が各センサユニット１０１、１０２にかかり、各センサユニット１０１、１０２の反力センサ１０から床面を基準としたＸＹＺ方向の反力はモーメントが出力される。
【００４３】
次に、被験者が歩行しはじめた場合、図９（ｃ）に示すように、足のかかと側を持ち上げる。このとき、かかと側のセンサユニット１０１は床面に対してθ1Ｘ、θ1Ｙ、θ1Ｚだけ傾斜するとともに、かかとが若干床面に接触している場合は、その床面からの反力やモーメントを受ける。このとき、センサユニット１０１側の反力センサ１０から出力された反力やモーメントは、床面に対して傾いた状態となるため、補正部１０４を介して床面を基準とした静止座標系での反力やモーメントに補正する。一方、先端側のセンサユニット１０２については床面と水平な状態となっているため、補正部１０４を介して補正を行っても鉛直方向の反力の出力値は変化しない。
【００４４】
次に、被験者がかかと側から着地する場合、かかと側のセンサユニット１０１はほぼ床面と水平な状態となる一方、先端側のセンサユニット１０２は床面に対して傾斜した状態となる。このとき、センサユニット１０２側の反力センサ１０から出力された反力やモーメントは、床面に対して傾いた状態となるため、補正部１０４を介して座標変換を行い、床面を基準とした静止座標系での反力やモーメントに補正する。一方、かかと側のセンサユニット１０１は、この状態では床面と水平な状態となっているため、補正部１０４を介して補正を行っても反力やモーメントの出力値は変化しない。
【００４５】
そして、このように補正部１０４を介して補正された反力やモーメントを出力部１０５を介して演算装置１０６に出力し、その出力値や、これ以外に別途、下腿や大腿の姿勢などを検出することによって被験者の下肢にかかる負荷や関節にかかるモーメントなどを計測する。
【００４６】
このように上記実施の形態によれば、被験者の足に取り付けられ、床面からの反力に基づいて直交する静止座標系での力と当該各軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置１００において、足のかかと側と足の先端側にそれぞれ分離して設けられ、前記直交する３軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを計測するセンサユニット１０１、１０２と、当該各センサユニット１０１、１０２の位置を検出する姿勢検出センサ１０７とを備えるようにしたので、歩行時に足の接地状態が変化した場合であっても正確に床面から受ける反力やモーメントを計測することができるようになる。しかも、カメラによって位置を計測する必要がないので、低コストに装置を構成することができるようになる。また、データ取得範囲もカメラの範囲内に限定されることがないため、広範囲で反力やモーメントを計測することができるようになる。
【００４７】
また、このようなセンサユニット１０１、１０２を構成する場合、上板１ｕと下板１ｄを設け、これらの間において、それぞれ直線上に存在しないように３つ以上の反力センサ１０を取り付けるようにしたので、上板１ｕと下板１ｄの間に反力センサ１０を設けることによって各反力センサ１０にかかるＺ軸方向の力を分散させることができ、反力センサ１０を小さくした場合であっても大きな人間の荷重に耐えることができるようになる。しかも、反力センサ１０を直線上に存在しないように設けたため、各反力センサ１０の距離とそれぞれにかかる荷重の積算によって３軸まわりのモーメントを検出することができるようになる。
【００４８】
さらに、姿勢検出センサ１０７を各センサユニット１０１、１０２の上板１ｕもしくは下板１ｄに取り付けるようにしたので、各センサユニット１０１、１０２に対応した数だけ姿勢検出センサ１０７を設ければよく、姿勢検出センサ１０７の数を少なくして反力やモーメントを計測することができ、装置を安価に構成することができる。
【００４９】
加えて、姿勢検出センサ１０７として、ジャイロセンサとともに加速度センサも用いるようにしたので、ジャイロセンサを積分する際に生ずる誤差を抑制することができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々の態様で実施することができる。
【００５１】
例えば、上記実施の形態によれば、上板１ｕと下板１ｄとの間に３つの反力センサ１０を設けるようにしているが、反力センサ１０の数については３つに限定されるものではなく、４つ以上設けるようにしてもよい。このとき、各反力センサ１０については、荷重のかかりやすい場所に配置するようにしてもよい。
【００５２】
また、上記実施の形態では、センサユニット１０１、１０２をかかと側と先端側に設けるようにしたが、さらに細かく分割して履物５の裏面に設けるようにしてもよい。
【００５３】
さらに、上記実施の形態では、履物５の裏面と床面との間にセンサユニット１０１、１０２を取り付けるようにしているが、履物５の中敷きの下方にセンサユニット１０１、１０２を設けるようにしてもよい。
【００５４】
加えて、上記実施の形態では、姿勢検出センサ１０７としてジャイロセンサや加速度センサなどを用いるようにしているが、各センサユニット１０１、１０２と床面との角度や位置を計測できるようなものであればどのようなものを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施の形態である移動型床反力計測装置の概略図
【図２】同形態における移動型床反力計測装置の機能ブロック図
【図３】同形態のセンサユニットに用いられる反力センサの外観斜視図
【図４】同形態の反力センサの脚部に取り付けられるひずみゲージを示す図
【図５】図４の裏面側におけるひずみゲージを示す図
【図６】同形態のブリッジ回路を示す図
【図７】同形態のブリッジ回路を示す図
【図８】同形態のブリッジ回路を示す図
【図９】人間の歩行状態を示す図
【図１０】従来例における反力計測装置
【符号の説明】
【００５６】
１００・・・移動型床反力計測装置
１０１、１０２・・・センサユニット
１ｕ・・・上板
１ｄ・・・下板
１０・・・反力センサ
１１・・・枠部
１２〜１５・・・脚部
２１〜２８・・・第一のひずみゲージ
３１〜３８・・・第二のひずみゲージ
４１、４２・・・ブリッジ回路
１０３・・・演算部
１０４・・・補正部
１０５・・・出力部
１０６・・・演算装置
１０７・・・姿勢検出センサ
５・・・履物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＸＹＺ軸方向にかかる力とそのＸＹＺ軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置に関するものであり、より詳しくは、床からの反力に基づいて人間の下肢にかかる関節モーメントや筋力などを推定できるようにした移動型床反力計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、リハビリテーションや福祉、スポーツなどの分野においては、人間の歩行状態や、下肢関節にかかるモーメント、下肢にかかる筋力などを推定できるようにした履物やその履物に取り付けられる反力計測装置などが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
このような反力計測装置うち、特開２００７−１０８０７９号公報には、図１０に示すような、履物５の底面（床面と接する面）側に取り付けられる反力計測装置が開示されている。
【０００４】
この反力計測装置は、外力が作用する上下２枚の上板６ｕと下板６ｄとの間に複数の反力センサ７０を取り付けて構成されるもので、各反力センサ７０からの出力値に基づいてＸＹＺ方向の力を出力するとともに、各反力センサ７０との距離や力の差分に基づいてＸ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りのモーメントを計測できるようにしたものである。
【０００５】
また、この特許文献１には、歩行時における安定性を向上させるために、足のかかと部分と先端部分の２カ所にセンサユニット７１とセンサユニット７２とを分離して設け、また、このセンサユニット７１、７２に設けられたマーカー８の位置をカメラで撮像することによって、床からの反力やモーメントを計測できるようにしている。
【特許文献１】特開２００７−１０８０７９号公報（図１７、図２２など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のような反力計測装置を用いて床からの反力を計測する方法では、次に示すような問題がある。
【０００７】
すなわち、上述のように、足のかかと部分と先端部分にセンサユニットを取り付けるようにした場合、歩行時に各センサユニットの姿勢がそれぞれ変わってしまい、正確にＸＹＺ軸方向に沿った反力やモーメントを計測することができなくなる。具体的には、人間が歩行する場合、図９（ｃ）に示すように、かかと部分から床面に接地するようになるが、この場合、かかと部分のセンサユニットは床面とほぼ平行な状態となる一方、先端側のセンサユニットは床面に対して傾斜した状態となる。すなわち、かかと側のセンサユニットの出力値は床面を基準としたＸＹＺ座標軸の出力がなされる一方、先端側のセンサユニットは床面に対して傾斜したＸＹＺ軸に沿った出力がなされるため、先端側のセンサユニットの出力値をＸＹＺ軸方向に沿った値として計測すると誤差を生じてしまう。一方、次の一歩を踏み出す場合においても同様に、図９（ａ）に示すように、かかと部分を持ち上げた状態でセンサユニットから検出値を出力すると、床面を基準としたＸＹＺ座標軸と異なる値が出力されることになる。
【０００８】
さらに、特許文献１の方法では、センサユニットにマーカーを付してカメラで撮影するようにしているため、計測できる場所がカメラの視野角内という狭い範囲に限定されてしまう。すなわち、カメラとマーカーを用いる方法では、２台以上のカメラで計測したデータを信号処理して３次元での座標を求める方法がよく用いられるが、カメラを用いた計測方法であると、歩行距離もカメラの視野角の範囲内に限定されてしまう。このため、限定された歩行でも両足での計測のためには最低４台は必要であり、ある程度の歩数を計測するためには、カメラの台数を多くしなければならず、膨大な設備費用がかかってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、カメラを使うことなく比較的低コストで装置を構成することができ、しかも、正確に床面からの反力やモーメントなどを計測することのできる移動型反力検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、被験者の足に取り付けられ、床面からの反力に基づいて直交する３軸方向の力と当該各軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置において、足のかかと側と足の先端側にそれぞれ分離して設けられ、前記直交する３軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを計測する複数のセンサユニットと、当該各センサユニットの姿勢を検出する姿勢検出センサとを備えるようにしたものである。
【００１１】
このようにすれば、姿勢検出センサによって足のかかと側や足の先端側のセンサユニットの姿勢を検出することができるため、歩行時に足の接地状態が変化した場合であっても正確に床面から受ける反力やモーメントを計測することができるようになる。しかも、カメラによって位置を検出する必要がないので、低コストに装置を構成することができ、また、データ取得範囲もカメラの視野角内に限定されないため、広範囲で反力やモーメントを計測することができるようになる。
【００１２】
また、このようなセンサユニットを構成する場合、上下一対の板材を設け、これらの板材の間において、それぞれ直線上に存在しないように３つ以上の反力センサを取り付けるようにする。
【００１３】
このようにすれば、板材の間に反力センサを設けることによって各反力センサにかかる力を分散させることができ、反力センサを小さくした場合であっても人間の重い荷重に耐えることができる。しかも、反力センサを直線上に存在しないように設けるため、各反力センサの距離とそれぞれにかかる荷重の積算によって３軸まわりのモーメントを検出することができるようになる。
【００１４】
さらに、姿勢検出センサを前記板材に共通して取り付けるようにする。
【００１５】
このようにすれば、各センサユニットに対応した数の姿勢検出センサを設ければよく、姿勢検出センサの数を少なくした状態であっても反力やモーメントを計測することができるため、装置を安価に構成することができる。
【００１６】
加えて、このような発明における姿勢検出センサとして、ジャイロセンサと加速度センサを併用する。
【００１７】
一般に、ジャイロセンサは角速度を検出するものが多いため、この角速度から姿勢を検出するには角速度を積分して角変位に直す必要があり、積分時間が長くなると誤差が累積してだんだん正解からずれていく危険性ある。これに対して、加速度センサは、重力加速度の成分と運動により生じるも加速度の成分の和を計測するため、加速度センサが傾けば、各方向の加速度センサが感知する重力成分が変化し、静止していることがわかっている状態であれば、正確に傾き角を計測することができる。そこで、静止時にジャイロセンサの姿勢を補正すれば、ジャイロセンサによる誤差を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、被験者の足に取り付けられ、床面からの反力に基づいて直交する３軸方向の力と当該各軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置において、足のかかと側と足の先端側にそれぞれ分離して設けられ、前記直交する３軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを計測する複数のセンサユニットと、当該各センサユニットの姿勢を検出する姿勢検出センサとを備えるようにしたので、姿勢検出センサによって足のかかと側や足の先端側のセンサユニットの姿勢を検出することができ、歩行時に足の接地状態が変化した場合であっても正確に床面から受ける反力やモーメントを計測することができる。しかも、カメラによって位置を検出する必要がないので、低コストに装置を構成することができ、また、データ取得範囲もカメラの視野角内に限定されないため、広範囲で反力やモーメントを計測することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の履物５に取り付けられる移動型床反力計測装置１００の概略図を示したものであり、図２はその移動型床反力計測装置１００の機能ブロック図を示したものである。また、図３から図８は、その移動型床反力計測装置１００のセンサユニット１０１、１０２に取り付けられる反力センサ１０を示したものであり、図９は、その移動型床反力計測装置１００を靴などの履物５の裏面に取り付けて使用した状態を示したものである。
【００２０】
この実施の形態における移動型床反力計測装置１００は、図９に示すように、靴やサンダルなどの履物５の裏面に取り付けて使用されるもので、足のかかと側と足の先端側に独立した２組のセンサユニット１０１、１０２を取り付け、それぞれのセンサユニット１０１、１０２から床面を基準としたＸＹＺ軸方向の力とその３軸まわりのモーメントを出力できるようにしたものである。そして、その出力値や、これ以外の下腿や大腿に設けられた姿勢センサ（図示せず）の出力値などを用いてリハビリテーションなどを行う人間の下肢の筋肉や関節にかかる荷重などを計測できるようにしたものである。以下、本実施の形態における移動型床反力計測装置１００の構成について詳細に説明する。
【００２１】
この移動型床反力計測装置１００を構成するセンサユニット１０１、１０２は、図１に示すように、上板１ｕと下板１ｄとの間に反力センサ１０を取り付け、各反力センサ１０からの出力値に基づいて床面を基準としたＸＹＺ方向の力やその各軸まわりのモーメントを計測できるようにしている。なお、図１において、上板１ｕは反力センサ１０を視認できるように想像線で記載している。ここで、この上板１ｕや下板１ｄは、金属板や硬質プラスチック、セラミックなどのように比較的硬い素材で構成される。このとき、上板１ｕや下板１ｄを比較的柔らかい素材で構成すると、特定の反力センサ１０にのみ大きな荷重がかかってしまい、その荷重に耐えられなくなってしまう。一方、この荷重に耐えられるように反力センサ１０を大きくすると、その反力センサ１０の大きさによってブーツを履いた時のように高足な状態となり、自然な歩行が困難となる。そこで、この上板１ｕや下板１ｄを固い素材で構成することで各反力センサ１０にかかる荷重を分散し、反力センサ１０自体を小さくできるようにするとともに、各反力センサ１０間の距離と荷重によってモーメントを計測できるようにしている。
【００２２】
この上板１ｕや下板１ｄは、人間の歩行時における足の動きに自由度を持たせるように、足のかかと側と先端側に分離した状態で履物５に取り付けられる。この上板１ｕや下板１ｄのうち、上板１ｕは、履物５の裏面に対して面ファスナーなどを介して着脱可能に取り付けられる。また、下板１ｄの下面側には、床面とのクッション性をよくするために、下面側にゴム板などが取り付けられる。この上板１ｕは履物５の裏面に他の方法で取り付けるようにしてもよく、また、下板１ｄの下面側については、フェルトなどの不織布などを取り付けてクッション性を持たせるようにしてもよい。
【００２３】
この上板１ｕや下板１ｄとの間に取り付けられる反力センサ１０は、直交する３軸方向の力を計測できるようにしたものが用いられる。ここで、直交する３軸とは、床面を基準とした直交座標系の各軸を示したもので、床面に沿ったＸＹ方向と、床面に垂直なＺ方向の反力を計測する。また、この反力センサ１０は、この実施の形態では、次に示すような反力センサ１０を用いるが、これ以外にも、ＸＹＺ方向の反力を計測できるようなものであればどのようなものであってもよい。
【００２４】
図３にこの実施の形態における反力センサ１０の外観斜視図を示す。図３に示す反力センサ１０は、縦横寸法が約１ｃｍ×約１ｃｍ、厚み寸法が０．５ｃｍ〜１．０ｃｍ程度の大きさを有するもので、正方形状の枠部１１と、その枠部１１の中心部から外方に向かって放射状に延びる脚部１２〜１５と、その脚部１２〜１５の長手方向の変位を検出するように脚部１２〜１５の両側面に取り付けられた８個の第一のひずみゲージ２１〜２８と、その脚部１２〜１５の長手方向に対して約４５度の角度をなして取り付けられた第二のひずみゲージ３１〜３８などを有してなる。なお、図３において第一のひずみゲージ２２、２３、２５、２８および第二のひずみゲージ３２、３３、３５、３８は脚部１２〜１５の裏面側に設けられているため図示されていない。そして、このような構成において、中心部のタップ孔に貫入された部材の変位に基づいて直交する３軸方向の力を検出できるようにしている。
【００２５】
ここで、この脚部１２〜１５は、枠体１６の底面部分から若干隙間を有するような縦長平面状に構成され、これによって厚み方向（図３におけるＺ’方向）にかかる大きな荷重に耐えられるようにしている。この脚部１２〜１５の各両側面８カ所に取り付けられる第一のひずみゲージ２１〜２８は、縦長方向に取り付けられ、また、この第一のひずみゲージ２１〜２８によって図６や図７に示すブリッジ回路４１を構成することによってＸ’方向やＹ’方向にかかる荷重を検出できるようにする。なお、ここで、Ｘ’Ｙ’Ｚ’方向とは、反力センサ１０の左右幅方向と厚み方向とする。また、第二のひずみゲージ３１〜３８は、脚部１２〜１５の各両側面に斜め４５度をなすように８カ所に取り付けられ、Ｚ’方向もしくは斜め方向にかかる荷重を検出する。この第二のひずみゲージ３１〜３８を各両側面に取り付ける場合、表面側の向きと裏面側の向きとが逆になるように取り付け、そして、この第二のひずみゲージ３１〜３８によって図８に示すようなブリッジ回路４２を形成し、そのブリッジ回路４２の抵抗値の変化によってＺ’方向の荷重を検出する。
【００２６】
この反力センサ１０について詳述すると、対向する１対の脚部１２、１４に設けられた第一のひずみゲージ２１、２２、２５、２６によって図６に示すブリッジ回路４１を形成するとともに、これに隣接して対向する１対の脚部１３、１５に設けられた第一のひずみゲージ２３、２４、２７、２８によって図７に示すブリッジ回路４１を形成する。一方、第二のひずみゲージ３１〜３８によるブリッジ回路４２については、図８に示すように、同一の脚部１２〜１５の表裏に設けられた第二のひずみゲージ３１〜３８を直列に配置し、これと対向する脚部１２〜１５の第二のひずみゲージ３１〜３８を向かい合させるようにしてブリッジ回路４２を形成する。
【００２７】
ここで、中心部に力が加わった場合について説明する。Ｚ’軸方向に力FＺが加えられた場合、中心部がＺ’軸方向に移動し、脚部１２〜１５が撓むことになる。この結果、第一のひずみゲージ２１、２２、２５、２６と第二のひずみゲージ３１、３２、３５、３６が伸びるように変化して抵抗値が増加する。一方、第一のひずみゲージ２３、２４、２７、２８は長さが伸びる方向、すなわち、抵抗値が増加する方向に変化し、第二のひずみゲージ３３、３４、３７、３８は、長さが縮む方向に変化し、抵抗値が減少する方向に変化する。このように、各ひずみゲージの長さが変化すると、第二のひずみゲージ３１〜３８で形成されるブリッジ回路４２によって、Ｚ’軸方向の変化を検出することができる。一方、第一のひずみゲージ２１〜２８によって形成されるブリッジ回路４１ではＺ’方向の変化は検出されない。すなわち、第一のひずみゲージ２１〜２８の抵抗値の増加が等しい場合には、出力電圧は変化せず、また、第一のひずみゲージ２１〜２８についても同様に出力電圧は変化しない。
【００２８】
Ｙ’軸方向に力を加えた場合は、脚部１２が圧縮され、脚部１４は延びるように変化するとともに、脚部１３や脚部１５は撓む方向に変化する。この結果、第一のひずみゲージ２１、２２と第二のひずみゲージ３１、３２は、長さが縮む方向に変化して抵抗値が減少する。一方、第一のひずみゲージ２５、２６や第二のひずみゲージ２５、３６は、長さが伸びる方向に変化するため、抵抗値が増加する。また、第一のひずみゲージ２４、２７および第二のひずみゲージ３４、３７については長さが伸びる方向に変化するため抵抗値が増加する。一方、第一のひずみゲージ２３、２８および第二のひずみゲージ３３、３８については、長さが縮む方向に変化し抵抗値が減少する。
【００２９】
このように脚部１２〜１５の長さの変化がすると、第一のひずみゲージ２１、２２、２５、２６で形成されたブリッジ回路４１（図６）によってＹ’軸方向の変化が検出され、第一のひずみゲージ２５、２６の抵抗増加、および、第一のひずみゲージ２１、２２の抵抗減少によって出力電圧に変化をもたらす。
【００３０】
一方、第一のひずみゲージ２３、２４、２７、２８で形成されたブリッジ回路４１（図７）では、Ｙ’軸方向の変化は検出されない。なぜなら、第一のひずみゲージ２３、２８の抵抗減少の大きさと、第一のひずみゲージ２４、２７の抵抗増加の大きさとが等しい場合、出力電圧に変化をもたらせないからである。このように反力センサ１０によってＹ’軸方向の力を検出することができ、Ｘ’方向についても同様にしてＸ’方向の力を検出できる。
【００３１】
このようにして、第一のひずみゲージ２１〜２８、第二のひずみゲージ３１〜３８で構成された反力センサ１０によってＸ’Ｙ’Ｚ’方向に働く反力を検出する。
【００３２】
この反力センサ１０は、上板１ｕや下板１ｄに対して一直線上に位置しないように少なくとも３つ以上の場所に配置される。ここでは、正三角形状に反力センサ１０を取り付けておき、これによってセンサユニット１０１、１０２の重心位置における反力やモーメントを計測する。
【００３３】
演算部１０３（図２参照）は、各センサユニット１０１、１０２からの出力値に基づいて各センサユニット１０１、１０２の重心位置における反力やモーメントを計測するもので、ここでは、各センサユニット１０１、１０２におけるＸ’Ｙ’Ｚ’方向の反力をF1Ｘ’、F2Ｘ’、F3Ｘ’とし、Ｙ’方向の反力をF1Ｙ’、F2Ｙ’、F3Ｙ’とし、Ｚ’方向の反力をF1Ｚ’、F2Ｚ’、F3Ｚ’とした場合、次式によって各センサユニット１０１、１０２の重心位置Ｇ１、Ｇ２における反力を計測する。ここで、F11m、F12m、F13m（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）は、センサユニット１０１における各反力センサ１０のm軸方向（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）の反力であり、また、F21m、F22m、F23m（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）は、センサユニット１０２における各反力センサ１０のm軸方向（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）の反力である。
F1Ｘ’＝F11Ｘ’＋F12Ｘ’＋F13Ｘ’
F1Ｙ’＝F11Ｙ’＋F12Ｙ’＋F13Ｙ’
F1Ｚ’＝F11Ｚ’＋F12Ｚ’＋F13Ｚ’
F2Ｘ’＝F21Ｘ’＋F22Ｘ’＋F23Ｘ’
F2Ｙ’＝F21Ｙ’＋F22Ｙ’＋F23Ｙ’
F2Ｚ’＝F21Ｚ’＋F22Ｚ’＋F23Ｚ’
【００３４】
また、各センサユニット１０１、１０２の重心位置Ｇ１、Ｇ２を基準としたＸ’Ｙ’Ｚ’軸回りにおけるモーメントは、次式で表される。ここで、L11m、L12m、L13m（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）は、センサユニット１０１における各反力センサ１０からm軸（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）までの距離であり、また、L21m、L22m、L23m（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）は、センサユニット１０２における各反力センサ１０からm軸（m=Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）までの距離である。
M1Ｘ’＝F11Ｚ’×L 11Ｘ’＋F12Ｚ’×L 12Ｘ’＋F13Ｚ’×L 13Ｘ’
M1Ｙ’＝F11Ｚ’×L 11Ｙ’＋F12Ｚ’×L 12Ｙ’＋F13Ｚ’×L 13Ｙ’
M1Ｚ’＝F11Ｘ’×L 11Ｚ’＋F12Ｘ’×L 12Ｚ’＋F13Ｘ’×L 13Ｚ’＋F11Ｙ’×L 11Ｚ’＋F12Ｙ’×L 12Ｚ’＋F13Ｙ’×L 13Ｚ’
M2Ｘ’＝F21Ｚ’×L 21Ｘ’＋F22Ｚ’×L 22Ｘ’＋F23Ｚ’×L 23Ｘ’
M2Ｙ’＝F21Ｚ’×L 21Ｙ’＋F22Ｚ’×L 22Ｙ’＋F23Ｚ’×L 23Ｙ’
M2Ｘ’＝F21Ｘ’×L 21Ｚ’＋F22Ｘ’×L 22Ｚ’＋F23Ｘ’×L 23Ｚ’＋F21Ｙ’×L 21Ｚ’＋F22Ｙ’×L 22Ｚ’＋F23Ｙ’×L 23Ｚ’
【００３５】
そして、これらの値は、演算部１０３におけるＣＰＵによってサンプリング時間毎に計測されて補正部１０４に出力される。
【００３６】
補正部１０４は、この出力された各センサユニット１０１、１０２におけるＸ’、Ｙ’、Ｚ’方向の反力やモーメントを、床面を基準とした静止座標系での反力やモーメントとして計測する。この補正処理を行う場合、各センサユニット１０１、１０２の１つの共通する姿勢検出センサ１０７を設け、この姿勢検出センサ１０７からの出力値に基づいて各センサユニット１０１、１０２の床面に対する座標と姿勢を出力する。この姿勢検出センサ１０７としては、各センサユニット１０１、１０２の相対的な位置関係や姿勢などを出力できるようなものであればどのようなものであってもよく、例えば、ジャイロセンサや加速度センサなどを用いる。この姿勢検出センサ１０７は、上板１ｕや下板１ｄに固定して取り付けられ、その出力値が補正部１０４に出力される。
【００３７】
ここで、ジャイロセンサを用いた場合、そのジャイロセンサを取り付けたセンサユニット１０１、１０２の角速度を検出することができ、その角速度をサンプリング時間で積分することによってそのジャイロセンサを取り付けたセンサユニット１０１、１０２の姿勢を検出することができる。すなわち、床面を基準としたＸＹＺ座標を基準として、そこからの姿勢変化を検出することができる。しかしながら、この積分処理は、時間の経過によって誤差が生じ、その誤差が累計されることによって正規の姿勢から大きくずれていく可能性がある。
【００３８】
そこで、加速度センサも併用することができる。この加速度センサは、重力加速度の成分と運動によって生ずる加速度の成分の和を計測するもので、静止状態であれば重力加速度のみを計測するものを用いる。このとき、加速度センサが傾けば、重力成分が変化するので、静止していることが分かっている状態であれば、傾き姿勢を計測することができる。２組のセンサユニット１０１、１０２が床面に水平に接している状態には、加速度センサは静止しているので、そのときには、ジャイロセンサによる角速度を積分して求める傾きを補正することができる。２組のセンサユニット１０１、１０２が床面に接しているか否かは、反力センサ１０のＺ’方向の出力によって判定することができる。このようにすれば，ジャイロセンサを積分する際に生ずる誤差を抑制することができる。
【００３９】
２組のセンサユニット１０１、１０２の床面との接地状態は、反力センサ１０のＺ’方向の出力と姿勢検出センサ１０７の出力から把握することができる。接地状態と姿勢がわかれば、床面上でのセンサユニット１０１、１０２を基準位置とした静止座標系における各センサユニット重心の座標値および姿勢を得ることができるので、それらを用いれば、床面を基準とした静止座標系における床反力を得ることができる。
【００４０】
そして、このように各センサユニット１０１、１０２で計測されたＸＹＺ軸の反力やモーメントを出力部１０５を介して演算装置１０６に出力し、そこで、これらの出力値や、これ以外に別途下腿や大腿の姿勢などを検出することによって被験者の下肢にかかる負荷や関節にかかるモーメントなどを計測する。このとき、各センサユニット１０１、１０２からの反力やモーメントを出力するようにしてもよく、あるいは、足全体の重心位置にかかる反力はモーメントを演算して出力するようにしてもよい。また、この出力部１０５を介して演算装置１０６に出力する場合、通信ケーブルを介して出力するようにしてもよく、あるいは、無線によって演算装置１０６に出力するようにしてもよい。
【００４１】
次に、このように構成された移動型床反力計測装置１００の使用例について説明する。
【００４２】
まず、使用に先立って被験者に履物５を履いてもらい、履物５の裏面に設けられた各センサユニット１０１、１０２を水平な状態にして（図９（ｂ））、この状態で、加速度センサが重力加速度のみを計測し、ジャイロセンサによる傾きを補正する。このとき、人間の荷重が各センサユニット１０１、１０２にかかり、各センサユニット１０１、１０２の反力センサ１０から床面を基準としたＸＹＺ方向の反力はモーメントが出力される。
【００４３】
次に、被験者が歩行しはじめた場合、図９（ｃ）に示すように、足のかかと側を持ち上げる。このとき、かかと側のセンサユニット１０１は床面に対してθ1Ｘ、θ1Ｙ、θ1Ｚだけ傾斜するとともに、かかとが若干床面に接触している場合は、その床面からの反力やモーメントを受ける。このとき、センサユニット１０１側の反力センサ１０から出力された反力やモーメントは、床面に対して傾いた状態となるため、補正部１０４を介して床面を基準とした静止座標系での反力やモーメントに補正する。一方、先端側のセンサユニット１０２については床面と水平な状態となっているため、補正部１０４を介して補正を行っても鉛直方向の反力の出力値は変化しない。
【００４４】
次に、被験者がかかと側から着地する場合、かかと側のセンサユニット１０１はほぼ床面と水平な状態となる一方、先端側のセンサユニット１０２は床面に対して傾斜した状態となる。このとき、センサユニット１０２側の反力センサ１０から出力された反力やモーメントは、床面に対して傾いた状態となるため、補正部１０４を介して座標変換を行い、床面を基準とした静止座標系での反力やモーメントに補正する。一方、かかと側のセンサユニット１０１は、この状態では床面と水平な状態となっているため、補正部１０４を介して補正を行っても反力やモーメントの出力値は変化しない。
【００４５】
そして、このように補正部１０４を介して補正された反力やモーメントを出力部１０５を介して演算装置１０６に出力し、その出力値や、これ以外に別途、下腿や大腿の姿勢などを検出することによって被験者の下肢にかかる負荷や関節にかかるモーメントなどを計測する。
【００４６】
このように上記実施の形態によれば、被験者の足に取り付けられ、床面からの反力に基づいて直交する静止座標系での力と当該各軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置１００において、足のかかと側と足の先端側にそれぞれ分離して設けられ、前記直交する３軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを計測するセンサユニット１０１、１０２と、当該各センサユニット１０１、１０２の位置を検出する姿勢検出センサ１０７とを備えるようにしたので、歩行時に足の接地状態が変化した場合であっても正確に床面から受ける反力やモーメントを計測することができるようになる。しかも、カメラによって位置を計測する必要がないので、低コストに装置を構成することができるようになる。また、データ取得範囲もカメラの範囲内に限定されることがないため、広範囲で反力やモーメントを計測することができるようになる。
【００４７】
また、このようなセンサユニット１０１、１０２を構成する場合、上板１ｕと下板１ｄを設け、これらの間において、それぞれ直線上に存在しないように３つ以上の反力センサ１０を取り付けるようにしたので、上板１ｕと下板１ｄの間に反力センサ１０を設けることによって各反力センサ１０にかかるＺ軸方向の力を分散させることができ、反力センサ１０を小さくした場合であっても大きな人間の荷重に耐えることができるようになる。しかも、反力センサ１０を直線上に存在しないように設けたため、各反力センサ１０の距離とそれぞれにかかる荷重の積算によって３軸まわりのモーメントを検出することができるようになる。
【００４８】
さらに、姿勢検出センサ１０７を各センサユニット１０１、１０２の上板１ｕもしくは下板１ｄに取り付けるようにしたので、各センサユニット１０１、１０２に対応した数だけ姿勢検出センサ１０７を設ければよく、姿勢検出センサ１０７の数を少なくして反力やモーメントを計測することができ、装置を安価に構成することができる。
【００４９】
加えて、姿勢検出センサ１０７として、ジャイロセンサとともに加速度センサも用いるようにしたので、ジャイロセンサを積分する際に生ずる誤差を抑制することができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々の態様で実施することができる。
【００５１】
例えば、上記実施の形態によれば、上板１ｕと下板１ｄとの間に３つの反力センサ１０を設けるようにしているが、反力センサ１０の数については３つに限定されるものではなく、４つ以上設けるようにしてもよい。このとき、各反力センサ１０については、荷重のかかりやすい場所に配置するようにしてもよい。
【００５２】
また、上記実施の形態では、センサユニット１０１、１０２をかかと側と先端側に設けるようにしたが、さらに細かく分割して履物５の裏面に設けるようにしてもよい。
【００５３】
さらに、上記実施の形態では、履物５の裏面と床面との間にセンサユニット１０１、１０２を取り付けるようにしているが、履物５の中敷きの下方にセンサユニット１０１、１０２を設けるようにしてもよい。
【００５４】
加えて、上記実施の形態では、姿勢検出センサ１０７としてジャイロセンサや加速度センサなどを用いるようにしているが、各センサユニット１０１、１０２と床面との角度や位置を計測できるようなものであればどのようなものを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施の形態である移動型床反力計測装置の概略図
【図２】同形態における移動型床反力計測装置の機能ブロック図
【図３】同形態のセンサユニットに用いられる反力センサの外観斜視図
【図４】同形態の反力センサの脚部に取り付けられるひずみゲージを示す図
【図５】図４の裏面側におけるひずみゲージを示す図
【図６】同形態のブリッジ回路を示す図
【図７】同形態のブリッジ回路を示す図
【図８】同形態のブリッジ回路を示す図
【図９】人間の歩行状態を示す図
【図１０】従来例における反力計測装置
【符号の説明】
【００５６】
１００・・・移動型床反力計測装置
１０１、１０２・・・センサユニット
１ｕ・・・上板
１ｄ・・・下板
１０・・・反力センサ
１１・・・枠部
１２〜１５・・・脚部
２１〜２８・・・第一のひずみゲージ
３１〜３８・・・第二のひずみゲージ
４１、４２・・・ブリッジ回路
１０３・・・演算部
１０４・・・補正部
１０５・・・出力部
１０６・・・演算装置
１０７・・・姿勢検出センサ
５・・・履物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者の足に取り付けられ、床面からの反力に基づいて直交する３軸方向の力と当該各軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置において、
足のかかと側と足の先端側にそれぞれ分離して設けられ、前記直交する３軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを計測する複数のセンサユニットと、
当該各センサユニットの姿勢を検出する姿勢検出センサとを備えるようにしたことを特徴とする移動型床反力計測装置。
【請求項２】
前記センサユニットが、上下一対の板材と、各板材の間でそれぞれ直線上に存在しないように少なくとも３つ以上の反力センサを備えて構成されるものである請求項１に記載の移動型床反力計測装置。
【請求項３】
前記姿勢検出センサが、一つのセンサユニットに対して共通して設けられるものである請求項１に記載の移動型床反力計測装置。
【請求項４】
前記姿勢検出センサが、ジャイロセンサと加速度センサを備えて構成されるものである請求項１に記載の移動型床反力計測装置。
【請求項１】
被験者の足に取り付けられ、床面からの反力に基づいて直交する３軸方向の力と当該各軸まわりのモーメントを計測する移動型床反力計測装置において、
足のかかと側と足の先端側にそれぞれ分離して設けられ、前記直交する３軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを計測する複数のセンサユニットと、
当該各センサユニットの姿勢を検出する姿勢検出センサとを備えるようにしたことを特徴とする移動型床反力計測装置。
【請求項２】
前記センサユニットが、上下一対の板材と、各板材の間でそれぞれ直線上に存在しないように少なくとも３つ以上の反力センサを備えて構成されるものである請求項１に記載の移動型床反力計測装置。
【請求項３】
前記姿勢検出センサが、一つのセンサユニットに対して共通して設けられるものである請求項１に記載の移動型床反力計測装置。
【請求項４】
前記姿勢検出センサが、ジャイロセンサと加速度センサを備えて構成されるものである請求項１に記載の移動型床反力計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１２７９２１（Ｐ２０１０−１２７９２１Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０６９１３（Ｐ２００８−３０６９１３）
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（５０９０９３０２６）公立大学法人高知工科大学 (95)
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【出願人】（５０３０６１４８５）株式会社テック技販 (5)
【上記２名の代理人】
【識別番号】１００１１１３４９
【弁理士】
【氏名又は名称】久留 徹
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（５０９０９３０２６）公立大学法人高知工科大学 (95)
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【出願人】（５０３０６１４８５）株式会社テック技販 (5)
【上記２名の代理人】
【識別番号】１００１１１３４９
【弁理士】
【氏名又は名称】久留 徹
【Ｆターム（参考）】
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