JP5496497B2 - Mobile floor reaction force measuring device - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a mobile floor reaction force measuring device that measures a force applied in an XYZ axis direction and a moment around the XYZ axis, and more specifically, a joint applied to a human leg based on a reaction force from the floor. The present invention relates to a movable floor reaction force measuring apparatus that can estimate moments, muscle strength, and the like.
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)。 In recent years, in fields such as rehabilitation, welfare, and sports, footwear that can estimate the walking state of human beings, moments applied to lower limb joints, muscle strength applied to lower limbs, and reaction force measurement devices attached to the footwear have been proposed. (Patent Document 1).
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。 Among such reaction force measuring device, JP 2007-108079, as shown in FIG. 9, the reaction force measuring device is disclosed which is attached to the side bottom surface (the surface in contact with the floor surface) of the footwear 5 .
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。
This reaction force measuring device is configured by attaching a plurality of
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。
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。 However, the method of measuring the reaction force from the floor using the reaction force measuring device as described above has the following problems.
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8の下図に示すように、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8の上図に示すように、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。 That is, as described above, when the sensor unit is attached to the heel portion and the tip portion of the foot, the posture of each sensor unit changes during walking, and the reaction force and moment along the XYZ axis directions are accurately calculated. It becomes impossible to measure. Specifically, when a person walks, as shown in the lower diagram of FIG. 8 , the heel portion comes into contact with the floor surface. In this case, the sensor unit of the heel portion is in a state substantially parallel to the floor surface. On the other hand, the sensor unit on the front end side is inclined with respect to the floor surface. That is, the output value of the sensor unit on the heel side is output on the XYZ coordinate axes with reference to the floor surface, while the sensor unit on the tip side outputs on the XYZ axes inclined with respect to the floor surface. If the output value of the sensor unit on the front end side is measured as a value along the XYZ axis direction, an error occurs. On the other hand, when the next step is taken, similarly, as shown in the upper diagram of FIG. 8 , if the detection value is output from the sensor unit with the heel portion lifted, the value is different from the XYZ coordinate axes based on the floor surface. Will be output.
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。
Furthermore, in the method of
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。 Therefore, in order to solve the above problems, the present invention can configure a device at a relatively low cost without using a camera, and can accurately measure a reaction force or moment from the floor surface. An object of the present invention is to provide a movable reaction force detection device.
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、前記足のかかと側と足の先端側のセンサユニットで計測された3軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを前記各センサユニットによって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補正する補正部とを備えるようにしたものである。 That is, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a movable floor reaction that is attached to a subject's foot and measures a force in three orthogonal directions and a moment around each axis based on a reaction force from the floor surface. In the force measuring device, a plurality of sensor units that are provided separately on the heel side of the foot and the tip side of the foot and measure the reaction force in the three orthogonal directions and the moment about each axis, and each of the sensors A posture detection sensor for detecting the posture of the unit, a reaction force in three axial directions measured by a sensor unit on the heel side of the foot and a tip side of the foot, and a moment around each axis are used to move the floor surface by each sensor unit. And a correction unit that corrects the reaction force and moment in the reference stationary coordinate system .
また、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、当該ジャイロセンサの積分値を補正する加速度センサとを備えて構成する。 In addition, the posture detection sensor according to the invention includes a gyro sensor and an acceleration sensor that corrects an integral value of the gyro sensor.
本発明によれば、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、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。 According to the present invention, it is possible to detect the attitude of the distal end side of the sensor unit of the heel or foot of the foot by the attitude detection sensor, accurate floor even when the legs of the ground state is changed during walking It is possible to measure the reaction force and moment received from. Moreover, since it is not necessary to detect the position with the camera, the device can be configured at low cost, and the data acquisition range is not limited to within the viewing angle of the camera, so the reaction force and moment can be measured over a wide range. Will be able to.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings .
この実施の形態における移動型床反力計測装置100は、図8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。
As shown in FIG. 8, the mobile floor reaction
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、上板と下板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。ここで、この上板や下板は、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、上板や下板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、この上板や下板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。
The
この上板や下板は、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。この上板や下板のうち、上板は、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。 The upper plate and the lower plate are attached to the footwear 5 in a state where the upper plate and the lower plate are separated into the heel side and the tip side of the foot so as to give freedom to the movement of the foot during human walking. Of the upper plate and the lower plate , the upper plate is detachably attached to the back surface of the footwear 5 via a hook-and-loop fastener or the like. Further, the lower surface of the lower plate, in order to improve the cushioning properties of the floor, such as a rubber plate is attached to the lower surface side. The upper plate may be attached to the back surface of the footwear 5 by other methods, and the lower surface side of the lower plate may be provided with cushioning properties by attaching a nonwoven fabric such as felt.
この上板や下板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。
As the
図2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2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2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。
FIG. 2 shows an external perspective view of the
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2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5や図6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7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。
Here, these leg parts 12-15 are comprised by the vertically long planar shape which has some clearance gaps from the bottom face part of the frame 16, and can endure the big load concerning a thickness direction (Z 'direction in FIG. 2 ) by this. I am doing so. The
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5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7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。
The
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。
Here, a case where a force is applied to the center will be described. When the force FZ is applied in the Z′-axis direction, the central portion moves in the Z′-axis direction, and the
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。
When a force is applied in the Y′-axis direction, the
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5)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。
When the length of the
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)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。
On the other hand, in the bridge circuit 41 ( FIG. 6 ) formed by the first strain gauges 23, 24, 27, and 28, no change in the Y′-axis direction is detected. This is because if the magnitude of the resistance decrease of the
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。
In this manner, the reaction force acting in the X′Y′Z ′ direction is detected by the
この反力センサ10は、上板や下板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。
The
演算部103(図1参照)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’
The calculation unit 103 (see FIG. 1 ) measures the reaction force and moment at the center of gravity of each
F 1X ′ = F 11X ′ + F 12X ′ + F 13X ′
F1Y ' = F11Y' + F12Y ' + F13Y'
F 1Z ' = F 11Z' + F 12Z ' + F 13Z'
F 2X ' = F 21X' + F 22X ' + F 23X'
F2Y ' = F21Y' + F22Y ' + F23Y'
F 2Z ' = F 21Z' + F 22Z ' + F 23Z '
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’
Further, moments about the X′Y′Z ′ axis with respect to the gravity center positions G1 and G2 of the
M 1X ' = F 11Z' × L 11X ' + F 12Z' × L 12X ' + F 13Z' × L 13X '
M 1Y ' = F 11Z' x L 11Y ' + F 12Z' x L 12Y ' + F 13Z' x L 13Y '
M 1Z ' = F 11X' x L 11Z ' + F 12X' x L 12Z ' + F 13X' x L 13Z ' + F 11Y' x L 11Z ' + F 12Y' x L 12Z ' + F 13Y' x L 13Z '
M 2X ' = F 21Z' × L 21X ' + F 22Z' × L 22X ' + F 23Z' × L 23X '
M 2Y ' = F 21Z' x L 21Y ' + F 22Z' x L 22Y ' + F 23Z' x L 23Y '
M 2X ' = F 21X' x L 21Z ' + F 22X' x L 22Z ' + F 23X' x L 23Z ' + F 21Y' x L 21Z ' + F 22Y' x L 22Z ' + F 23Y' x L 23Z '
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。
These values are measured every sampling time by the CPU in the
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、上板や下板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。
The correcting
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。
Here, when the gyro sensor is used, the angular velocity of the
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。
Therefore, an acceleration sensor can be used together. This acceleration sensor measures the sum of the component of gravity acceleration and the component of acceleration generated by movement, and uses a sensor that measures only the gravitational acceleration in a stationary state. At this time, if the acceleration sensor is tilted, the gravitational component changes. Therefore, if the acceleration sensor is known to be stationary, the tilt posture can be measured. Since the acceleration sensor is stationary when the two sets of
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。
The ground contact state between the two sets of
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。
Then, the reaction forces and moments of the XYZ axes measured by the
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。
Next, a usage example of the movable floor reaction
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8の中図))、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。
First, the subject puts on the footwear 5 prior to use, and the
次に、被験者が歩行しはじめた場合、図8の下図に示すように、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。
Next, when the subject starts walking, the heel side of the foot is lifted as shown in the lower diagram of FIG. At this time, the
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。
Next, when the subject lands from the heel side, the
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。
Then, the reaction force and moment corrected through the
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複数のセンサユニット101、102と、当該各センサユニット101、102の姿勢を検出する姿勢検出センサ107と、前記足のかかと側と足の先端側のセンサユニット102で計測された3軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを前記各センサユニットによって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補正する補正部104とを備えるようにしたので、姿勢検出センサ107によって足のかかと側や足の先端側のセンサユニット102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。
As described above, according to the above-described embodiment, the mobile floor reaction force measurement is performed that measures the forces in the three axial directions and the moments about the respective axes based on the reaction force from the floor surface attached to the subject's feet. In the
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。 In addition, this invention can be implemented in various aspects, without being limited to the said embodiment.
例えば、上記実施の形態によれば、上板と下板との間に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。
For example, according to the embodiment, three
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。
In the above embodiment, the
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。
Further, in the above embodiment, the
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。
In addition, in the above embodiment, a gyro sensor, an acceleration sensor, or the like is used as the
100・・・移動型床反力計測装置
101、102・・・センサユニット
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
DESCRIPTION OF
Claims (2)
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、
前記足のかかと側と足の先端側のセンサユニットで計測された3軸方向の反力と当該各軸まわりのモーメントを前記各センサユニットによって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補正する補正部と、
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。 In a mobile floor reaction force measuring device that is attached to the subject's foot and measures the forces in the three axial directions orthogonal to each other based on the reaction force from the floor surface and the moment about each axis,
A plurality of sensor units that are separately provided on the heel side of the foot and the tip end side of the foot, and that measure the reaction force in the three orthogonal directions and the moment about each axis;
An attitude detection sensor for detecting the attitude of each sensor unit;
The reaction force in the triaxial direction measured by the sensor unit on the heel side of the foot and the tip end side of the foot and the moment about each axis are reflected in the stationary coordinate system based on the floor surface by each sensor unit. A correction unit for correcting as a moment;
A movable floor reaction force measuring device characterized by comprising:
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