移動型床反力計測装置
【課題】カメラを使うことなく床面からの反力やモーメントを正確に計測できるようにし、また、水平面内において足の向きも計測できるようにする。
【解決手段】被験者の足のかかと側に設けられるセンサユニット１０１と、その足の先端側に設けられる１０２のそれぞれに３カ所ずつ反力センサ１０を取り付けて直交３軸方向の力とその軸周りのモーメントを求める。また、各センサユニット１０１、１０２には、それぞれの水平面からの角度を検出する姿勢検出センサ１０７と、被験者の足の水平方向における向きを検出する地磁気センサ１０８とを備えており、床面とのなす角度については姿態検出センサ１０７を用いて補正するとともに、床面内における向きの変化については地磁気センサ１０８を用いて補正する。
【解決手段】被験者の足のかかと側に設けられるセンサユニット１０１と、その足の先端側に設けられる１０２のそれぞれに３カ所ずつ反力センサ１０を取り付けて直交３軸方向の力とその軸周りのモーメントを求める。また、各センサユニット１０１、１０２には、それぞれの水平面からの角度を検出する姿勢検出センサ１０７と、被験者の足の水平方向における向きを検出する地磁気センサ１０８とを備えており、床面とのなす角度については姿態検出センサ１０７を用いて補正するとともに、床面内における向きの変化については地磁気センサ１０８を用いて補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、足の裏に加わるXYZ軸方向の力とそのXYZ軸まわりのモーメントを計測するとともにその足の移動方向も検出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９に示すように履物５の床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、このセンサユニット７１、７２に設けられたマーカー８０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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１０８０７９号公報（図１７、図２２など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、次のような問題がある。
【０００８】
すなわち、上述のように足のかかと部分と先端部分に分離したセンサユニットを取り付けるようにした場合、歩行時にそれぞれのセンサユニットの相対的な角度が変わってしまうため、正確に反力やモーメントを計測することができなくなるといった問題がある。これを詳述すると、人間が歩行する場合、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、まずは、かかと部分から先に床面に接地するようになるが（図７（ａ））、この場合、かかと部分のセンサユニット１０１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１０２は床面に対して傾斜した状態となる。このような状態でそれぞれのセンサユニット１０１、１０２で床面からの反力を求めると、かかと側のセンサユニット１０１と先端側のセンサユニット１０２との角度が違うため異なる方向での力やモーメントを計測してしまうことになる。また、次の一歩を踏み出す場合についても同様に、図７（ｃ）に示すように、先端側のセンサユニット１０２が床面とほぼ平行な状態となる一方、かかと部分のセンサユニット１０１は床面に対して傾斜した状態となるため、それぞれ違った角度での力やモーメントを計測してしまうことになる。
【０００９】
また、このように力やモーメントを計測する場合、センサユニットを基準に座標を決めるのではなく、絶対座標系で力やモーメントを計測するのが好ましい場合がある。例えば、歩行時にかかとを接地させた後につま先側を内側に回転させるように内股状態で歩くような場合や、自動車のアクセルとブレーキを踏み換えるような場合、絶対座標系でどのような方向にどのような力がかかるかを検出できるようにしておくのが好ましい。
【００１０】
これに対して、上記特許文献１では、センサユニット７１、７２にマーカーを付けてカメラで撮影するようにしているが、このようなカメラを用いた方法であると、計測できる場所がカメラの視野角の範囲内に限定されてしまうといった問題点がある。このため、カメラを設置させることができないような狭い場所や、非常に長い距離の歩行を要するような広い場所ではカメラを用いた検査ができなくなる。
【００１１】
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床面からの反力やモーメントを正確に計測できるようにし、また、水平面内において足の向きも計測できるようにした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】
【００１２】
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、前記被験者の足の水平方向に対する向きを検出する方位センサとを備えるようにしたものである。
【００１３】
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のセンサユニットと先端側のセンサユニットの角度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。しかも、方位センサによってそれらのセンサユニット自体がどのような方向を向いているかを検出することができるため、カメラの視野角に限定されることなく、どのような環境下でも足の方向や角度に基づく力やモーメントを計測することができるようになる。
【００１４】
また、このような発明において、センサユニットに反力センサを設ける場合、足の土踏まず側を頂点とする三角形状をなすように反力センサを設ける。
【００１５】
このようにすれば、最も体重のかかるかかと部分や足の先端部分に多くの反力センサを設けているため、各反力センサにかかる力を分散させて反力センサの耐荷重を小さくすることができる。これにより、反力センサを靴裏などに取り付けた場合であっても厚みを薄くして違和感をなくすことができるようになる。
【発明の効果】
【００１６】
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、前記被験者の足の水平方向に対する向きを検出する方位センサとを備えるようにしたもので、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。しかも、方位センサによってそれらのセンサユニット自体がどのような方向を向いているかを検出することができるため、カメラの視野角に限定されることなく、どのような環境下でも足の方向や角度に基づく力やモーメントを計測することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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断面概略図
【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】同形態における移動型床反力計測装置の機能ブロック図
【図５】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（ａ）とその裏面側におけるひずみゲージを示す図（ｂ）
【図６】同形態のブリッジ回路を示す図
【図７】人間の歩行状態を示す図
【図８】水平面である床面に対して足を上げて角度を変えた状態と座標系を示す図
【図９】従来例における反力計測装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。この実施の形態における移動型床反力計測装置１００は、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、図１に示すように、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を設け、それぞれのセンサユニット１０１、１０２から絶対座標系XYZにおける床からの反力とその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。なお、本実施の形態においては、X'Y'Z'を各センサユニット１０１、１０２を基準とした座標系とし、XYZを絶対座標系として説明する。
【００１９】
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や図２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絶対座標系における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たものである。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。なお、図１では、上板１ｕを破線で示している。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。この反力センサ１０にかかる荷重を分散させる方法としては、まず、図１に示すように、かかと側のセンサユニット１０１については、足のかかと側に２つの反力センサ１０を設けるとともに、土踏まず側に１つの反力センサ１０を設ける。また、足の先端側のセンサユニット１０２については、足の先端側に２つの反力センサ１０を設け、土踏まず側に１つの反力センサ１０を正三角形状をなすように設ける。このようにすると、最も荷重のかかりやすい場所に複数の反力センサ１０を配置することになるので、それぞれの耐荷重を小さくすることができ、上下の厚み幅を小さくして靴底の厚みを小さくすることができるようになる。
【００２０】
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（図７参照）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か、もしくは、靴底と一体的に取り付けられ、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を取り付けている。なお、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。
【００２１】
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を用いる。ここで、直交する３軸とは、各反力センサ１０を基準とした直交座標系の各軸X'Y'Z'を示したもので、この各軸方向の値と後述する姿態検出センサ１０７および地磁気センサ１０８を用いて絶対座標系に変換しXYZ方向の反力を計測する。
【００２２】
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２０mm×約２０mm、厚み寸法が５mm〜６mm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の両側面に設けられた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ピン１６に荷重を作用させることによって直交する３軸方向の力を検出できるようにしている。
【００２３】
これらの脚部１２〜１５は、枠部１１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（ａ）（ｂ）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。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、この第二のひずみゲージ３１〜３８によって図６（ｃ）に示すようなブリッジ回路４２を形成して、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。
【００２４】
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（ａ）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６（ｂ）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６（ｃ）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。
【００２５】
ここで、中心部のピン１６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。
【００２６】
一方、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。
【００２７】
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（ａ））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。
【００２８】
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６（ｂ））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。
【００２９】
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。
【００３０】
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正三角形状をなす位置に配置され、図２に示すように、枠部１１を下板１ｄに固定するとともに、中心部に挿入されるピン１６を上板１ｕに固定するようにしている。そして、上板１ｕと下板１ｄの間に少しだけ空間を設けた状態にしておき、上板１ｕと下板１ｄの相対的な変位に基づく荷重によってX'Y'Z'方向に働く反力を検出する。そして、各センサユニット１０１、１０２の３つの反力センサ１０のX'Y'Z'方向に働く反力を検出し、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。なお、この正三角形状をなすように設けられた反力センサ１０の間には、力を計測するための演算部１０３を有する基板や、ジャイロセンサ、加速度センサなどの姿態検出センサ１０７、および、地磁気センサ１０８などが設けられる。
【００３１】
演算部１０３（図４参照）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'
【００３２】
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'×L11X'＋F12Z'×L12X'＋F13Z'×L13X'
M1Y'＝F11Z'×L11Y'＋F12Z'×L12Y'＋F13Z'×L13Y'
M1Z'＝F11X'×L11Z'＋F12X'×L12Z'＋F13X'×L13Z'＋F11Y'×L11Z'＋F12Y'×L12Z'＋F13Y'×L13Z'
M2X'＝F21Z'×L21X'＋F22Z'×L22X'＋F23Z'×L23X'
M2Y'＝F21Z'×L21Y'＋F22Z'×L22Y'＋F23Z'×L23Y'
M2X'＝F21X'×L21Z'＋F22X'×L22Z'＋F23X'×L23Z'＋F21Y'×L21Z'＋F22Y'×L22Z'＋F23Y'×L23Z'
【００３３】
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。
【００３４】
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、絶対座標系における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の絶対座標に対する座標と姿勢を出力する。ここで、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。
【００３５】
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、床面を基準とした角度の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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。このように接地状態と姿勢がわかれば、床面を基準位置とした床反力やモーメントを得ることができる。
【００３８】
なお、このように床からの反力やモーメントを得た場合において、図８に示すように、足の向く方向が床面と水平面に沿って変化した場合、Z方向の力やモーメントについては変化しないものの、反力センサ１０のX方向やY方向の力の向きが変化してしまう。このため、これらの方向の力やモーメントを絶対座標系におけるXYZ方向の力やモーメントに変換するために、地磁気センサ１０８を用いてセンサユニット１０１、１０２がどちらの方向を向いているのかを検出する。この実施の形態では、地磁気センサ１０８をかかと側のセンサユニット１０１と先端側のセンサユニット１０２の両方に設けるようにしているが、いずれか一方側のみでもよい。そして、このような地磁気センサ１０８を用いて絶対座標系でのセンサユニット１０１、１０２の向く方向を検出し、その値を用いて床面からの反力やモーメントを補正する。
【００３９】
そして、このように補正された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。
【００４０】
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。
【００４１】
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７（ｂ））、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とともに地磁気センサを用いてセンサユニット１０１、１０２の方向を検出しておく。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から絶対座標系におけるXYZ方向の反力やモーメントが出力される。
【００４２】
次に、被験者が歩行しはじめた場合、図７（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。
【００４３】
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って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。
【００４４】
また、このような歩行において、図８に示すように、被験者が床面に沿って足の向きを変えた場合、地磁気センサ１０８を用いてそのセンサユニット１０１、１０２の方向を検出し、すでに算出された反力やモーメントをXYZ方向の反力やモーメントとして補正する。
【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、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、各センサユニット１０１、１０２の姿勢を検出するジャイロセンサや加速度センサなどの姿勢検出センサ１０７、および、被験者の足の水平方向における向きを検出する地磁気センサ１０８とを備えるようにしたもので、歩行時に足の接地状態や足の方向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、地磁気センサ１０８によってそれらのセンサユニット１０１、１０２自体がどのような方向を向いているかを検出するため、カメラの視野角に限定されることなく、どのような環境下でも足の方向や角度に基づく力やモーメントを計測することができるようになる。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、地磁気センサ１０８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、方向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。
【符号の説明】
【００５２】
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
１６・・・ピン
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（１０７ａ：ジャイロセンサ、１０７ｂ：加速度センサ）
１０８・・・地磁気センサ
５・・・履物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、足の裏に加わるXYZ軸方向の力とそのXYZ軸まわりのモーメントを計測するとともにその足の移動方向も検出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９に示すように履物５の床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、このセンサユニット７１、７２に設けられたマーカー８０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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１０８０７９号公報（図１７、図２２など）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、次のような問題がある。
【０００８】
すなわち、上述のように足のかかと部分と先端部分に分離したセンサユニットを取り付けるようにした場合、歩行時にそれぞれのセンサユニットの相対的な角度が変わってしまうため、正確に反力やモーメントを計測することができなくなるといった問題がある。これを詳述すると、人間が歩行する場合、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、まずは、かかと部分から先に床面に接地するようになるが（図７（ａ））、この場合、かかと部分のセンサユニット１０１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１０２は床面に対して傾斜した状態となる。このような状態でそれぞれのセンサユニット１０１、１０２で床面からの反力を求めると、かかと側のセンサユニット１０１と先端側のセンサユニット１０２との角度が違うため異なる方向での力やモーメントを計測してしまうことになる。また、次の一歩を踏み出す場合についても同様に、図７（ｃ）に示すように、先端側のセンサユニット１０２が床面とほぼ平行な状態となる一方、かかと部分のセンサユニット１０１は床面に対して傾斜した状態となるため、それぞれ違った角度での力やモーメントを計測してしまうことになる。
【０００９】
また、このように力やモーメントを計測する場合、センサユニットを基準に座標を決めるのではなく、絶対座標系で力やモーメントを計測するのが好ましい場合がある。例えば、歩行時にかかとを接地させた後につま先側を内側に回転させるように内股状態で歩くような場合や、自動車のアクセルとブレーキを踏み換えるような場合、絶対座標系でどのような方向にどのような力がかかるかを検出できるようにしておくのが好ましい。
【００１０】
これに対して、上記特許文献１では、センサユニット７１、７２にマーカーを付けてカメラで撮影するようにしているが、このようなカメラを用いた方法であると、計測できる場所がカメラの視野角の範囲内に限定されてしまうといった問題点がある。このため、カメラを設置させることができないような狭い場所や、非常に長い距離の歩行を要するような広い場所ではカメラを用いた検査ができなくなる。
【００１１】
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床面からの反力やモーメントを正確に計測できるようにし、また、水平面内において足の向きも計測できるようにした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】
【００１２】
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、前記被験者の足の水平方向に対する向きを検出する方位センサとを備えるようにしたものである。
【００１３】
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のセンサユニットと先端側のセンサユニットの角度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。しかも、方位センサによってそれらのセンサユニット自体がどのような方向を向いているかを検出することができるため、カメラの視野角に限定されることなく、どのような環境下でも足の方向や角度に基づく力やモーメントを計測することができるようになる。
【００１４】
また、このような発明において、センサユニットに反力センサを設ける場合、足の土踏まず側を頂点とする三角形状をなすように反力センサを設ける。
【００１５】
このようにすれば、最も体重のかかるかかと部分や足の先端部分に多くの反力センサを設けているため、各反力センサにかかる力を分散させて反力センサの耐荷重を小さくすることができる。これにより、反力センサを靴裏などに取り付けた場合であっても厚みを薄くして違和感をなくすことができるようになる。
【発明の効果】
【００１６】
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、前記被験者の足の水平方向に対する向きを検出する方位センサとを備えるようにしたもので、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。しかも、方位センサによってそれらのセンサユニット自体がどのような方向を向いているかを検出することができるため、カメラの視野角に限定されることなく、どのような環境下でも足の方向や角度に基づく力やモーメントを計測することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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断面概略図
【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】同形態における移動型床反力計測装置の機能ブロック図
【図５】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（ａ）とその裏面側におけるひずみゲージを示す図（ｂ）
【図６】同形態のブリッジ回路を示す図
【図７】人間の歩行状態を示す図
【図８】水平面である床面に対して足を上げて角度を変えた状態と座標系を示す図
【図９】従来例における反力計測装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。この実施の形態における移動型床反力計測装置１００は、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、図１に示すように、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を設け、それぞれのセンサユニット１０１、１０２から絶対座標系XYZにおける床からの反力とその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。なお、本実施の形態においては、X'Y'Z'を各センサユニット１０１、１０２を基準とした座標系とし、XYZを絶対座標系として説明する。
【００１９】
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や図２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絶対座標系における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たものである。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。なお、図１では、上板１ｕを破線で示している。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。この反力センサ１０にかかる荷重を分散させる方法としては、まず、図１に示すように、かかと側のセンサユニット１０１については、足のかかと側に２つの反力センサ１０を設けるとともに、土踏まず側に１つの反力センサ１０を設ける。また、足の先端側のセンサユニット１０２については、足の先端側に２つの反力センサ１０を設け、土踏まず側に１つの反力センサ１０を正三角形状をなすように設ける。このようにすると、最も荷重のかかりやすい場所に複数の反力センサ１０を配置することになるので、それぞれの耐荷重を小さくすることができ、上下の厚み幅を小さくして靴底の厚みを小さくすることができるようになる。
【００２０】
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（図７参照）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か、もしくは、靴底と一体的に取り付けられ、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を取り付けている。なお、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。
【００２１】
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を用いる。ここで、直交する３軸とは、各反力センサ１０を基準とした直交座標系の各軸X'Y'Z'を示したもので、この各軸方向の値と後述する姿態検出センサ１０７および地磁気センサ１０８を用いて絶対座標系に変換しXYZ方向の反力を計測する。
【００２２】
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２０mm×約２０mm、厚み寸法が５mm〜６mm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の両側面に設けられた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ピン１６に荷重を作用させることによって直交する３軸方向の力を検出できるようにしている。
【００２３】
これらの脚部１２〜１５は、枠部１１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（ａ）（ｂ）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。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、この第二のひずみゲージ３１〜３８によって図６（ｃ）に示すようなブリッジ回路４２を形成して、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。
【００２４】
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（ａ）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６（ｂ）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６（ｃ）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。
【００２５】
ここで、中心部のピン１６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。
【００２６】
一方、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。
【００２７】
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（ａ））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。
【００２８】
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６（ｂ））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。
【００２９】
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。
【００３０】
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正三角形状をなす位置に配置され、図２に示すように、枠部１１を下板１ｄに固定するとともに、中心部に挿入されるピン１６を上板１ｕに固定するようにしている。そして、上板１ｕと下板１ｄの間に少しだけ空間を設けた状態にしておき、上板１ｕと下板１ｄの相対的な変位に基づく荷重によってX'Y'Z'方向に働く反力を検出する。そして、各センサユニット１０１、１０２の３つの反力センサ１０のX'Y'Z'方向に働く反力を検出し、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。なお、この正三角形状をなすように設けられた反力センサ１０の間には、力を計測するための演算部１０３を有する基板や、ジャイロセンサ、加速度センサなどの姿態検出センサ１０７、および、地磁気センサ１０８などが設けられる。
【００３１】
演算部１０３（図４参照）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'
【００３２】
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'×L11X'＋F12Z'×L12X'＋F13Z'×L13X'
M1Y'＝F11Z'×L11Y'＋F12Z'×L12Y'＋F13Z'×L13Y'
M1Z'＝F11X'×L11Z'＋F12X'×L12Z'＋F13X'×L13Z'＋F11Y'×L11Z'＋F12Y'×L12Z'＋F13Y'×L13Z'
M2X'＝F21Z'×L21X'＋F22Z'×L22X'＋F23Z'×L23X'
M2Y'＝F21Z'×L21Y'＋F22Z'×L22Y'＋F23Z'×L23Y'
M2X'＝F21X'×L21Z'＋F22X'×L22Z'＋F23X'×L23Z'＋F21Y'×L21Z'＋F22Y'×L22Z'＋F23Y'×L23Z'
【００３３】
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。
【００３４】
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、絶対座標系における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の絶対座標に対する座標と姿勢を出力する。ここで、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。
【００３５】
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、床面を基準とした角度の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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。このように接地状態と姿勢がわかれば、床面を基準位置とした床反力やモーメントを得ることができる。
【００３８】
なお、このように床からの反力やモーメントを得た場合において、図８に示すように、足の向く方向が床面と水平面に沿って変化した場合、Z方向の力やモーメントについては変化しないものの、反力センサ１０のX方向やY方向の力の向きが変化してしまう。このため、これらの方向の力やモーメントを絶対座標系におけるXYZ方向の力やモーメントに変換するために、地磁気センサ１０８を用いてセンサユニット１０１、１０２がどちらの方向を向いているのかを検出する。この実施の形態では、地磁気センサ１０８をかかと側のセンサユニット１０１と先端側のセンサユニット１０２の両方に設けるようにしているが、いずれか一方側のみでもよい。そして、このような地磁気センサ１０８を用いて絶対座標系でのセンサユニット１０１、１０２の向く方向を検出し、その値を用いて床面からの反力やモーメントを補正する。
【００３９】
そして、このように補正された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。
【００４０】
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。
【００４１】
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７（ｂ））、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とともに地磁気センサを用いてセンサユニット１０１、１０２の方向を検出しておく。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から絶対座標系におけるXYZ方向の反力やモーメントが出力される。
【００４２】
次に、被験者が歩行しはじめた場合、図７（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。
【００４３】
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って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。
【００４４】
また、このような歩行において、図８に示すように、被験者が床面に沿って足の向きを変えた場合、地磁気センサ１０８を用いてそのセンサユニット１０１、１０２の方向を検出し、すでに算出された反力やモーメントをXYZ方向の反力やモーメントとして補正する。
【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、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、各センサユニット１０１、１０２の姿勢を検出するジャイロセンサや加速度センサなどの姿勢検出センサ１０７、および、被験者の足の水平方向における向きを検出する地磁気センサ１０８とを備えるようにしたもので、歩行時に足の接地状態や足の方向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、地磁気センサ１０８によってそれらのセンサユニット１０１、１０２自体がどのような方向を向いているかを検出するため、カメラの視野角に限定されることなく、どのような環境下でも足の方向や角度に基づく力やモーメントを計測することができるようになる。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、地磁気センサ１０８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、方向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。
【符号の説明】
【００５２】
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
１６・・・ピン
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（１０７ａ：ジャイロセンサ、１０７ｂ：加速度センサ）
１０８・・・地磁気センサ
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、
前記被験者の足の水平方向に対する向きを検出する方位センサと、
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、土踏まず側を頂点とする三角形をなす位置に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、
前記被験者の足の水平方向に対する向きを検出する方位センサと、
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、土踏まず側を頂点とする三角形をなす位置に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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１５８４０４（Ｐ２０１１−１５８４０４Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１６７２（Ｐ２０１０−２１６７２）
【出願日】平成２２年２月２日（２０１０．２．２）
【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)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２日（２０１０．２．２）
【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)
【Ｆターム（参考）】
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