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JP5496497B2 - Mobile floor reaction force measuring device - Google Patents

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JP5496497B2
JP5496497B2 JP2008306913A JP2008306913A JP5496497B2 JP 5496497 B2 JP5496497 B2 JP 5496497B2 JP 2008306913 A JP2008306913 A JP 2008306913A JP 2008306913 A JP2008306913 A JP 2008306913A JP 5496497 B2 JP5496497 B2 JP 5496497B2
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涛 劉
伸好 辻内
和美 纐纈
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Kochi University of Technology
Doshisha
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Kochi University of Technology
Doshisha
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  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

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 reaction force sensors 70 between two upper and lower upper plates 6u and 6d on which an external force acts. XYZ direction force is output based on the above, and moments about the X axis, the Y axis, and the Z axis can be measured based on the distance from each reaction force sensor 70 and the difference in force.

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。
特開2007−108079号公報(図17、図22など)
Further, in Patent Document 1, in order to improve the stability during walking, a sensor unit 71 and a sensor unit 72 are separately provided at two locations, ie, a heel portion and a tip portion of the foot. By capturing the positions of the markers 8 provided at 71 and 72 with a camera, the reaction force and moment from the floor can be measured.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-108079 (FIGS. 17, 22, etc.)

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 Patent Document 1, since the sensor unit is attached with a marker and photographed with a camera, the place where measurement can be performed is limited to a narrow range within the viewing angle of the camera. That is, in the method using the camera and the marker, a method of obtaining the coordinates in three dimensions by processing the data measured by two or more cameras is often used, but if the measurement method using the camera is used, the walking distance However, it is limited to the range of the viewing angle of the camera. For this reason, at least four units are necessary for measurement with both feet even in limited walking, and in order to measure a certain number of steps, the number of cameras must be increased, and huge equipment costs are required. It will take.

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 force measuring device 100 in this embodiment is used by being attached to the back surface of footwear 5 such as shoes and sandals, on the heel side of the foot and the tip side of the foot. Two independent sets of sensor units 101 and 102 are attached so that force from each sensor unit 101 and 102 in the XYZ-axis directions and moments about the three axes can be output. Then, using the output value and the output value of the posture sensor (not shown) provided on the lower leg and thigh other than this, it is possible to measure the load on the muscles and joints of the human lower limb that performs rehabilitation etc. It is a thing. Hereinafter, the configuration of the movable floor reaction force measuring apparatus 100 according to the present embodiment will be described in detail.

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 sensor units 101 and 102 constituting the movable floor reaction force measuring apparatus 100 are provided with a reaction force sensor 10 between an upper plate and a lower plate, and the floor surface is determined based on an output value from each reaction force sensor 10. The reference force in the XYZ directions and the moments around each axis can be measured . In here, the upper plate and the lower plate is a metal plate or a hard plastic, and a relatively hard material such as ceramic. At this time, if the upper plate and the lower plate are made of a relatively soft material, a large load is applied only to the specific reaction force sensor 10, and the load cannot be endured. On the other hand, if the reaction force sensor 10 is enlarged so as to be able to withstand this load, the size of the reaction force sensor 10 increases the state of the foot as when the boots are worn, making natural walking difficult. Therefore, by configuring the upper plate and the lower plate with a hard material, the load applied to each reaction force sensor 10 can be dispersed, the reaction force sensor 10 itself can be made smaller, and the distance between each reaction force sensor 10 can be reduced. The moment can be measured by the load.

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 reaction force sensor 10 attached between the upper plate and the lower plate , a sensor capable of measuring forces in three orthogonal directions is used. Here, the three orthogonal axes indicate each axis of the orthogonal coordinate system based on the floor surface, and measure reaction forces in the XY direction along the floor surface and in the Z direction perpendicular to the floor surface. . Further, in this embodiment, the reaction force sensor 10 uses the reaction force sensor 10 as shown below. However, any other reaction force sensor can be used as long as it can measure reaction forces in the XYZ directions. It may be a thing.

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 reaction force sensor 10 in this embodiment. The reaction force sensor 10 shown in FIG. 2 has a size of about 1 cm × about 1 cm in length and width, and a thickness of about 0.5 cm to 1.0 cm. Leg portions 12-15 extending radially outward from the center of the leg portion and eight pieces attached to both side surfaces of the leg portions 12-15 so as to detect displacement in the longitudinal direction of the leg portions 12-15 The first strain gauges 21 to 28 and the second strain gauges 31 to 38 attached at an angle of about 45 degrees with respect to the longitudinal direction of the leg portions 12 to 15 are included. In FIG. 2 , the first strain gauges 22, 23, 25, 28 and the second strain gauges 32, 33, 35, 38 are not shown because they are provided on the back side of the leg portions 12-15. And in such a structure, based on the displacement of the member penetrated into the tap hole of the center part, it is possible to detect the forces in the three axial directions orthogonal to each other.

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 first strain gauges 21 to 28 attached to the eight sides on each side of the legs 12 to 15 are attached in the longitudinal direction, and are shown in FIGS. 5 and 6 by the first strain gauges 21 to 28 . By configuring the bridge circuit 41, a load applied in the X ′ direction and the Y ′ direction can be detected. Here, the X′Y′Z ′ direction is the left-right width direction and the thickness direction of the reaction force sensor 10. In addition, the second strain gauges 31 to 38 are attached at eight positions so as to form an oblique 45 degrees on each side surface of the leg portions 12 to 15 and detect a load applied in the Z ′ direction or the oblique direction. When the second strain gauges 31 to 38 are attached to the both side surfaces, they are attached so that the direction of the front surface side and the direction of the back surface side are reversed, and the second strain gauges 31 to 38 in FIG. A bridge circuit 42 as shown is formed, and a load in the Z ′ direction is detected by a change in the resistance value of the bridge circuit 42.

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 reaction force sensor 10 will be described in detail . A bridge circuit 41 shown in FIG. 5 is formed by the first strain gauges 21, 22, 25, 26 provided on the pair of opposing legs 12, 14 . A bridge circuit 41 shown in FIG. 7 is formed by the first strain gauges 23, 24, 27, and 28 provided on the pair of leg portions 13 and 15 that face each other adjacent to each other. On the other hand, as shown in FIG. 7 , the second strain gauges 31 to 38 provided on the front and back of the same leg portions 12 to 15 are arranged in series for the bridge circuit 42 by the second strain gauges 31 to 38 . The bridge circuit 42 is formed so that the second strain gauges 31 to 38 of the leg portions 12 to 15 facing each other face each other.

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F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 leg portions 12 to 15 are bent. As a result, the first strain gauges 21, 22, 25, 26 and the second strain gauges 31, 32, 35, 36 change so as to extend, and the resistance value increases. On the other hand, the first strain gauges 23, 24, 27, and 28 change in the direction in which the length increases, that is, the direction in which the resistance value increases, and the second strain gauges 33, 34, 37, and 38 have a length in the direction. It changes in the direction of shrinking, and changes in the direction of decreasing the resistance value. Thus, when the length of each strain gauge changes, the bridge circuit 42 formed by the second strain gauges 31 to 38 can detect a change in the Z′-axis direction. On the other hand, no change in the Z ′ direction is detected in the bridge circuit 41 formed by the first strain gauges 21 to 28. That is, when the increase in resistance value of the first strain gauges 21 to 28 is equal, the output voltage does not change, and the output voltage does not change for the first strain gauges 21 to 28 as well.

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 leg portion 12 is compressed, the leg portion 14 changes so as to extend, and the leg portion 13 and the leg portion 15 change in a bending direction. As a result, the first strain gauges 21, 22 and the second strain gauges 31, 32 change in the direction in which the length contracts, and the resistance value decreases. On the other hand, since the first strain gauges 25 and 26 and the second strain gauges 25 and 36 change in the direction in which the length increases, the resistance value increases. Further, since the first strain gauges 24 and 27 and the second strain gauges 34 and 37 change in the direction in which the length increases, the resistance value increases. On the other hand, the first strain gauges 23 and 28 and the second strain gauges 33 and 38 change in the direction in which the length is reduced, and the resistance value decreases.

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 leg portions 12 to 15 is changed in this way, a change in the Y′-axis direction is detected by the bridge circuit 41 ( FIG. 5 ) formed by the first strain gauges 21, 22, 25, and 26 . The output voltage is changed by increasing the resistance of the first strain gauges 25 and 26 and decreasing the resistance of the first strain gauges 21 and 22.

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 first strain gauges 23 and 28 is equal to the magnitude of the resistance increase of the first strain gauges 24 and 27, the output voltage cannot be changed. In this way, the reaction force sensor 10 can detect the force in the Y′-axis direction, and can detect the force in the X ′ direction in the same manner in the X ′ direction.

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 reaction force sensor 10 including the first strain gauges 21 to 28 and the second strain gauges 31 to 38.

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 reaction force sensors 10 are arranged in at least three or more places so as not to be positioned on a straight line with respect to the upper plate and the lower plate . Here, the reaction force sensor 10 is attached in a regular triangle shape, and the reaction force and moment at the center of gravity of the sensor units 101 and 102 are thereby measured.

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 sensor unit 101, 102 based on the output value from each sensor unit 101, 102. Here, each sensor unit 101 , 102, the reaction forces in the X′Y′Z ′ direction are F 1X ′ , F 2X ′ , F 3X ′ , the reaction forces in the Y ′ direction are F 1Y ′ , F 2Y ′ , F 3Y ′ , and the Z ′ direction Where F 1Z ′ , F 2Z ′ and F 3Z ′ are measured, the reaction force at the gravity center positions G1 and G2 of the sensor units 101 and 102 is measured by the following equation. Here, F 11m , F 12m , and F 13m (m = X ′, Y ′, Z ′) are the m-axis directions (m = X ′, Y ′, Z ′) of the reaction force sensors 10 in the sensor unit 101. F 21m , F 22m , F 23m (m = X ′, Y ′, Z ′) are the m-axis directions (m = X ′, Y) of each reaction force sensor 10 in the sensor unit 102. ', Z').
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 sensor units 101 and 102 are expressed by the following equations. Here, L 11m , L 12m , L 13m (m = X ′, Y ′, Z ′) are from each reaction force sensor 10 in the sensor unit 101 to the m-axis (m = X ′, Y ′, Z ′). L 21m , L 22m , L 23m (m = X ′, Y ′, Z ′) are m-axis (m = X ′, Y ′, Z ′).
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 calculation unit 103 and output to the correction unit 104.

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 unit 104 measures the reaction forces and moments in the X ′, Y ′, and Z ′ directions of the output sensor units 101 and 102 as reaction forces and moments in a stationary coordinate system with the floor as a reference. . When this correction processing is performed, one common posture detection sensor 107 is provided for each of the sensor units 101 and 102, and the coordinates and postures of the sensor units 101 and 102 with respect to the floor surface based on the output value from the posture detection sensor 107. Is output. The attitude detection sensor 107 may be any sensor that can output the relative positional relationship and attitude of the sensor units 101 and 102, such as a gyro sensor or an acceleration sensor. Is used. The posture detection sensor 107 is fixedly attached to the upper plate or the lower plate , and the output value is output to the correction unit 104.

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 sensor units 101 and 102 to which the gyro sensor is attached can be detected, and the sensor unit 101 to which the gyro sensor is attached by integrating the angular velocity with the sampling time. The posture of 102 can be detected. That is, it is possible to detect a change in posture from the XYZ coordinates with the floor as a reference. However, in this integration process, an error occurs with the passage of time, and there is a possibility that the error is greatly deviated from the normal posture by accumulating the errors.

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 sensor units 101 and 102 are in contact with the floor surface, the inclination obtained by integrating the angular velocity by the gyro sensor can be corrected. Whether or not the two sets of sensor units 101 and 102 are in contact with the floor surface can be determined by the output of the reaction force sensor 10 in the Z ′ direction. In this way, errors that occur when integrating the gyro sensor can be suppressed.

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 sensor units 101 and 102 can be grasped from the Z ′ direction output of the reaction force sensor 10 and the output of the attitude detection sensor 107. If the grounding state and posture are known, the coordinate value and posture of each sensor unit centroid in the stationary coordinate system with the sensor units 101 and 102 on the floor as a reference position can be obtained. It is possible to obtain a floor reaction force in a stationary coordinate system with reference to.

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 sensor units 101 and 102 are output to the arithmetic unit 106 via the output unit 105, where the output values and other than these, the lower leg and By detecting the posture of the thigh, the load on the lower limb of the subject and the moment on the joint are measured. At this time, reaction forces and moments from the sensor units 101 and 102 may be output, or reaction forces applied to the position of the center of gravity of the entire foot may be calculated and output. Moreover, when outputting to the arithmetic device 106 via this output part 105, you may make it output via a communication cable, or you may make it output to the arithmetic device 106 by radio | wireless.

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 force measuring apparatus 100 configured as described above will be described.

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 sensor units 101 and 102 provided on the back surface of the footwear 5 are in a horizontal state ( the middle diagram in FIG . 8 ). In this state, the acceleration sensor Measures only the gravitational acceleration and corrects the tilt by the gyro sensor. At this time, a human load is applied to each of the sensor units 101 and 102, and a moment is output from the reaction force sensor 10 of each sensor unit 101 and 102 in the XYZ direction reaction force with respect to the floor surface.

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 sensor unit 101 on the heel side is inclined by θ 1X , θ 1Y , θ 1Z with respect to the floor surface, and when the heel is slightly in contact with the floor surface, the reaction force or moment from the floor surface is Receive. At this time, the reaction force and moment output from the reaction force sensor 10 on the sensor unit 101 side are inclined with respect to the floor surface, and therefore, in a stationary coordinate system based on the floor surface via the correction unit 104. Correct to the reaction force and moment. On the other hand, since the sensor unit 102 on the front end side is in a horizontal state with the floor surface, the output value of the reaction force in the vertical direction does not change even if correction is performed via the correction unit 104.

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 sensor unit 101 on the heel side is substantially horizontal with the floor surface, while the sensor unit 102 on the distal end side is inclined with respect to the floor surface. At this time, since the reaction force and moment output from the reaction force sensor 10 on the sensor unit 102 side are inclined with respect to the floor surface, coordinate conversion is performed via the correction unit 104 and the floor surface is used as a reference. Correct the reaction force and moment in the stationary coordinate system. On the other hand, since the sensor unit 101 on the heel side is in a horizontal state with the floor surface in this state, even if correction is performed via the correction unit 104, the output values of the reaction force and the moment do not change.

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 correction unit 104 in this way are output to the arithmetic unit 106 through the output unit 105, and the output value and the posture of the lower leg, thigh, etc. are detected separately. To measure the load on the lower limb of the subject and the moment on the joint.

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 apparatus 100, a plurality of sensor units 101 and 102, which are separately provided on the heel side of the foot and the distal end side of the foot, and measure the reaction force in the three orthogonal directions and the moment about each axis, The reaction force in the three axial directions measured by the posture detection sensor 107 for detecting the posture of each sensor unit 101, 102, the sensor unit 102 on the heel side of the foot and the tip side of the foot, and the moment about each axis since so and a correcting unit 104 for correcting a reaction force and moment in the still coordinate system based on the floor surface by the sensor unit, the attitude detection sensor 107 The posture of the sensor unit 102 on the heel side or the tip of the foot can be detected, and the reaction force and moment received from the floor surface can be accurately measured even when the ground contact state of the foot changes during walking. it can. 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.

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 reaction force sensors 10 are provided between the upper plate and the lower plate , but the number of reaction force sensors 10 is not limited to three. Four or more may be provided. At this time, each reaction force sensor 10 may be arranged in a place where a load is easily applied.

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 sensor units 101 and 102 are provided on the heel side and the front end side. However, the sensor units 101 and 102 may be further divided and provided on the back surface of the footwear 5.

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 sensor units 101 and 102 are attached between the back surface and the floor surface of the footwear 5, but the sensor units 101 and 102 may be provided below the insole of the footwear 5. Good.

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 posture detection sensor 107. However, it is possible to measure the angle and position between each sensor unit 101, 102 and the floor surface. Any type may be used.

本発明の一実施の形態における移動型床反力計測装置の機能ブロック図Functional block diagram of a mobile floor reaction force measuring device according to an embodiment of the present invention 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External perspective view of reaction force sensor used in sensor unit of same form 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The figure which shows the strain gauge attached to the leg part of the reaction force sensor of the same form 図3の裏面側におけるひずみゲージを示す図The figure which shows the strain gauge in the back surface side of FIG. 同形態のブリッジ回路を示す図The figure which shows the bridge circuit of the same form 同形態のブリッジ回路を示す図The figure which shows the bridge circuit of the same form 同形態のブリッジ回路を示す図The figure which shows the bridge circuit of the same form 人間の歩行状態を示す図Diagram showing human walking state 従来例における反力計測装置Reaction force measuring device in conventional example

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 SYMBOLS 100 ... Mobile floor reaction force measuring device 101, 102 ... Sensor unit 10 ... Reaction force sensor 11 ... Frame part 12-15 ... Leg part 21-28 ... First distortion Gauges 31-38 ... Second strain gauges 41, 42 ... Bridge circuit 103 ... Calculation unit 104 ... Correction unit 105 ... Output unit 106 ... Calculation device 107 ... Attitude detection Sensor 5 ... Footwear

Claims (2)

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:
前記姿勢検出センサが、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。The mobile floor reaction force measuring device according to claim 1, wherein the posture detection sensor includes a gyro sensor and an acceleration sensor that corrects an integral value of the gyro sensor.
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