JP2003284699A - 力検出装置 - Google Patents
力検出装置Info
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Abstract
ズを発生させることなく、力を正確に検出できるように
する。 【解決手段】 磁気共鳴イメージング装置外に設置され
る発光部6および受光部7と、磁気共鳴イメージング装
置内に配設される検出部2と、上記受光部7において検
出されたデータを処理するデータ処理部3と、上記発光
部6から照射された検出光を検出部2に伝送する光ファ
イバからなる送光管4と、この送光管4の先端部から照
射された検出光を受光して上記受光部7に伝送する光フ
ァイバからなる受光管5とを有し、上記送光管4および
受光管5の先端部を支持する非磁性材料からなるフレー
ム9を上記検出部2に設けるとともに、この検出部2に
入力された力に応じて弾性変形する弾性変形部14を上
記フレーム9に設け、かつ上記送光管4および受光管5
の先端部の一方を上記弾性変形部14に支持させた。
Description
ング装置内で使用される圧力検出装置に関するものであ
る。
強磁場を発生させる超電導磁石等を備えた磁気共鳴イメ
ージング装置(MRI装置)が広く用いられている。つ
まり、前者においては、微少整脈や毛細血管における赤
血球中の脱酸素化ヘモグロビンの濃度が減少する現象
(BOLD効果)に対応した水素原子の核磁気共鳴信号
(MRI信号)の上昇を測定することによって脳の活動
を測定し、後者においては、人体の断面図を撮像するこ
とにより、臓器の材料特性の同定や病巣部の特定が行わ
れている。
者に一定の課題を与え、この課題実行時と、平常時とに
おける脳の活動をそれぞれ観測し、その差分に応じて脳
の活動部位を測定することが行われている。具体的に
は、人の視聴覚情報処理に関する研究において、被験者
に視覚刺激もしくは聴覚刺激を与え、上記磁気共鳴イメ
ージング装置によって脳の活動を測定することが行われ
ている。一方、人の運動機能に関する研究では、被験者
に何らかの運動を行わせつつ、上記磁気共鳴イメージン
グ装置によって脳の活動を測定することが行われてい
る。上記被験者が行う動作としては、物体の把持運動等
が考えられ、例えば歪みゲージを備えた把持力検出装置
の検出部を被験者が把持することにより、この把持力検
出装置に作用する力を検出しつつ、被験者が上記把持運
動を行う際の脳活動を上記磁気共鳴イメージング装置に
より測定したいという要求がある。
た把持力検出装置には、磁性を有する金属材が使用され
ているため、これを上記磁気共鳴イメージング装置内に
持ち込むと、種々の弊害が発生するという問題がある。
すなわち、上記磁気共鳴イメージング装置による撮像
は、磁場の均一性を前提としており、磁気共鳴イメージ
ング装置内に磁性体が持ち込まれることによって上記磁
場が乱されると、磁気共鳴イメージング装置の出力画像
に深刻なノイズが発生して正確な画像が得られないとい
う問題がある。また、磁気共鳴イメージング装置が発す
る強磁場の影響により上記把持力検出装置の出力信号に
ノイズが発生して、上記把持力を正確に測定できないと
いう問題もある。
チック材等からなる非磁性体により形成された検出部2
1と、この検出部21に設けられた水圧ポンプ22によ
り発生した水圧を伝達するゴムホース23と、このゴム
ホース23により伝達された水圧を容器24内の水頭に
応じて計測する計測部25とを有する水圧式力検出装置
を使用し、被験者により上記検出部21に加えられる把
持力に対応した水圧を上記計測部25に発生させ、その
値を計測することにより、磁性体を磁気共鳴イメージン
グ装置内に持ち込むことなく、上記水圧に対応した把持
力を検出することが行われている。
ジは、その最大値が800N程度と比較的大きいが、5
0N程度以下が不感帯となるため、微少な力を検出する
ことができないという問題がある。さらに、上記水圧式
力検出装置では、計測可能な力の作用方向が一方向に限
定されるので、多方向に作用する複雑な力を正確に検出
することができず、汎用性が得られないという問題があ
った。
であり、汎用性が高いとともに、検出レンジの設定が自
由に行うことができ、かつ磁気共鳴イメージング装置の
出力画像にノイズを発生させることなく、力を正確に検
出することができる力検出装置を提供することを目的と
している。
磁気共鳴イメージング装置とともに使用される力検出装
置であって、磁気共鳴イメージング装置外に設置される
発光部および受光部と、磁気共鳴イメージング装置内に
配設される検出部と、上記受光部において検出されたデ
ータを処理するデータ処理部と、上記発光部から照射さ
れた検出光を検出部に伝送する光ファイバからなる送光
管と、この送光管の先端部から照射された検出光を受光
して上記受光部に伝送する光ファイバからなる受光管と
を有し、上記送光管および受光管の先端部を支持する非
磁性材料からなるフレームを上記検出部に設けるととも
に、検出部に入力された力に応じて弾性変形する弾性変
形部を上記フレームに設け、かつ上記送光管および受光
管の先端部の一方を上記弾性変形部に支持させたもので
ある。
装置内に磁性体が持ち込まれることに起因して磁気共鳴
イメージング装置の磁場が乱されたり、磁気共鳴イメー
ジング装置が発する強磁場の影響により上記力検出装置
の出力信号にノイズが発生したりすることが防止される
ことになる。
の力検出装置において、上記受光管を3本以上の光ファ
イバにより構成するとともに、各光ファイバを介して導
出された光をそれぞれ受光する3個以上の受光素子を上
記受光部に設け、各受光素子の受光量を比較することに
より、複数方向に作用する力をそれぞれ検出するように
構成したものである。
数方向の力がそれぞれ正確に検出されるため、優れた検
出精度が得られることになる。
の力検出装置において、上記弾性変形部が、一定間隔を
隔てて相対向する一対の第1平行板と、この第1平行板
と直交する方向に延びるとともに、一定間隔を隔てて相
対向する一対の第2平行板とを備えたものである。
向の力にそれぞれ比例して上記第1,第2平行板が変形
するため、この変形量を測定することにより、上記2方
向の力がそれぞれ正確に検出されることになる。
のいずれかに記載の力検出装置において、上記検出部
に、被験者によって把持される把持部を設けるととも
に、この把持部に先窄まりの当接面を設けたものであ
る。
部を把持した際に、上記当接面が被験者の掌および指等
に線接触することにより、上記把持部の特定方向に作用
する力が正確に検出されることになる。
の実施形態を示している。この力検出装置は、図外の磁
気共鳴イメージング装置外に設置される電気ボックス1
と、磁気共鳴イメージング装置(MRI)内において使
用される検出部2と、上記電気ボックス1において検出
されたデータを処理するとともに記録するパソコン等か
らなるデータ処理部3とを有し、上記電気ボックス1と
検出部2とは、光ファイバからなる送光管4および受光
管5により接続されている。
はレーザ光源等からなる発光部6と、この発光部6から
照射されるとともに上記送光管4および受光管5を介し
て伝送された検出光を受光する4個の受光素子からなる
受光部7と、この受光部7から出力された検出信号を増
幅する4個のアンプ8とが設けられている。そして、上
記発光部6から照射された検出光が、1本の光ファイバ
からなる送光管4を介して上記検出部2に照射されると
ともに、この検出部2に接続された4本の光ファイバ5
a〜5dにより受光された後に、上記電気ボックス1に
設けられた上記受光部7に伝送されて受光される。ま
た、上記受光部7において検出された受光量が電気信号
に変換されるとともに、アンプ8によって増幅された
後、上記データ処理部3にそれぞれ伝送されるようにな
っている。
に、アクリル樹脂またはガラス材等の非磁性材料によっ
て中空の長方形状に形成されたフレーム9と、このフレ
ーム9の上辺部9aおよび下辺部9bの外面側に突設さ
れた一対の把持部10,11とを有し、この把持部1
0,11を被験者が手で握ることができる大きさに形成
されている。上記把持部10,11は、その上下両面が
それぞれ先窄まりの円弧状に形成されることにより、被
験者が上記検出部2を把持した際に、上記把持部10,
11の上下両面が、被験者の掌および指等に線接触する
当接面10a,10bとなるように構成されている。
9dには、1本の光ファイバからなる上記送光管4の挿
通孔と、4本の光ファイバ5a〜5dからなる受光管5
の挿通孔とがそれぞれ形成されている。そして、上記送
光管4の先端部が、フレーム9の右辺部9dを貫通して
フレーム9の中空部内に導入された状態で、下辺部9b
の内面側に突設された支持部9eに支持されている。ま
た、上記受光管5の先端部が、フレーム9の左辺部9c
を貫通するとともに、上記送光管4の先端部に対向した
状態でフレーム9に固定されている。
ように、互いに平行に延びる上下一対の第1平行板1
2,12と、前後一対の第2平行板13,13と有する
弾性変形部14が、送光管4の支持部9eを挟んでその
左右両側にそれぞれ配設されている。上記第1,第2平
行板12,13は、その厚みが1mm程度に形成され、
下方の把持部11から入力される把持力に比例して弾性
変形することにより、上記支持部9eに支持された送光
管4の支持位置が上下左右(図のY方向およびX方向)
に変位するように構成されている。
3は、それぞれ両端支持ばりとみなすことができるた
め、上記把持部11から入力されるY方向の荷重Fと、
第1平行板12の変形量δとの関係式は下式のように表
され、この変形量δが上記荷重Fに比例することにな
る。
あり、Eはヤング率、Iは断面二次モーメント、Lは第
1平行板12からなる両端支持ばりの長さである。
向に作用する荷重に応じて第1,第2平行板12,13
に微少なねじれが生じ、このねじれ変形量は、上記X方
向の荷重に比例して変化する。
5a〜5dは、上記把持部11からの入力がない通常時
に、図5に示すように、送光管6から照射される検出光
の軸心Oを中心として上下左右に等間隔で配置されてい
る。これによって上記送光管4からの検出光が、上記光
ファイバ5a〜5dの先端部にそれぞれ均等に照射され
るように構成されている。
は、まず上記把持部11からの入力がない状態で、発光
部6から送光管4を介して上記受光管5の先端部に向け
て検出光を照射する。そして、上記受光管5を構成する
4本の光ファイバ5a〜5cを介して受光部7に伝送さ
れた検出光を、受光部7に設けられた4個の受光素子に
よりそれぞれ受光し、その光量を表す検出信号を上記4
個のアンプ8によって増幅した状態で、上記データ処理
部3に入力して上記光量を検証する。
a〜5dに均等に光が照射されず、あるいは上記4個の
受光素子の感度に差がある等の理由で、上記光量の検出
値にばらつきがあることが確認された場合には、各受光
素子により検出された光量が均等になるように、上記ア
ンプ8の増幅率を調節することにより、初期設定を行
う。
上に横たわった被験者に、上記検出部2の把持部10,
11を把持させた状態で、下方の把持部11に把持力を
作用させるとともに、発光部6から送光管4を介して上
記受光管5の先端部に向けて検出光を照射しつつ、上記
受光管5および受光部7を介して伝送された検出光を受
光部7において受光し、その受光データに基づき、上記
検出部2に加えられた把持力を上記データ処理部3にお
いて求める。
持力が加えられると、フレーム9の下辺部9dに設けら
れた弾性変形部14が上記把持力に比例して弾性変形す
ることにより、上記受光管5を構成する4本の光ファイ
バ5a〜5cを介して受光部7に伝送される検出光の光
量に差が生じるため、上記受光部7を構成する4個の受
光素子の検出信号に基づき、上記光量の差を上記データ
処理部3において比較することにより、上記弾性変形部
14の変形量および上記把持力を正確に検出することが
できる。
(上下方向)に入力される力に応じ、弾性変形部14が
Y方向に弾性変形して送光管4の支持部9eが上方に移
動すると、この送光管4から照射される検出光の軸心O
が図5のY方向に変位することにより、上側に配設され
た光ファイバ5a,5cに入射される検出光の光量が、
下側に配設された光ファイバ5b,5dに比べて多くな
るため、これに応じて上記弾性変形部14の上下変形
量、つまりY方向に作用する力の大きさを検出すること
ができる。
(左右方向)に入力される力に応じ、弾性変形部14に
微少なねじれ変形が生じて送光管4の支持部9eがX方
向に移動すると、この送光管4から照射される検出光の
軸心Oが図5のX方向に変位することにより、図5の右
側に配設された光ファイバ5c,5dに入射される検出
光の光量が、左方に配設された光ファイバ5a,5bに
比べて多くなるため、これに応じて上記弾性変形部14
のねじれ変形量、つまりX方向に作用する力の大きさを
検出することができる。
に設置される発光部6および受光部7と、磁気共鳴イメ
ージング装置内に配設される検出部2と、上記受光部7
において検出されたデータを処理するデータ処理部3
と、上記発光部6から照射された検出光を検出部2に伝
送する光ファイバからなる送光管4と、この送光管4の
先端部から照射された検出光を受光して上記受光部7に
伝送する光ファイバからなる受光管5とを有し、上記送
光管4および受光管5の先端部を支持する非磁性材料か
らなるフレーム9を検出部2に設けるとともに、この検
出部2に入力された力に応じて弾性変形する弾性変形部
14を上記フレーム9に設け、かつ上記送光管4の先端
部を上記弾性変形部14に支持させたため、上記磁気共
鳴イメージング装置内に磁性体が持ち込まれることによ
り、磁気共鳴イメージング装置の出力画像にノイズが発
生したり、力の検出信号にノイズが発生したりする等の
弊害を生じることなく、上記検出部2を被験者が把持す
ることにより入力される力を正確に検出することができ
る。
および受光素子等からなる受光部7の磁性体を上記磁気
共鳴イメージング装置外に配設し、かつ磁気共鳴イメー
ジング装置内に持ち込まれる検出部2をアクリル樹脂等
の非磁性体により形成するとともに、上記送光管4およ
び受光管5を光ファイバからなる非磁性体により形成し
たため、上記磁気共鳴イメージング装置内に磁性体が持
ち込まれることに起因して磁気共鳴イメージング装置の
磁場が乱されたり、磁気共鳴イメージング装置が発する
強磁場の影響により上記把持力検出装置の出力信号にノ
イズが発生したりするのを確実に防止することができ
る。したがって、磁気共鳴イメージング装置の出力画像
にノイズが発生するのを防止しつつ、把持力検出装置力
の検出精度が低下するのを効果的に抑制することがで
き、しかも上記弾性変形部14の変形量に応じて50N
以下の小さな力も正確に検出することができる。
の光ファイバ5a〜5dにより構成するとともに、各光
ファイバ5a〜5dを介して導出された光をそれぞれ受
光する4個の受光素子を上記受光部7に設け、上記各受
光素子の受光量を比較することにより、Y方向およびX
方向の2方向に作用する力をそれぞれ検出するように構
成したため、図6に示すように、力の検出方向が1方向
に限定された把持力検出装置に比べて、複雑な力を正確
に検出できるという利点がある。
隔を隔てて相対向する一対の第1平行板12,12と、
この第1平行板12,12と直交する方向に延びるとと
もに、一定間隔を隔てて相対向する一対の第2平行板1
3,13とを上記弾性変形部14に設けた場合には、上
記検出部2に作用する2方向X,Yの力に比例して上記
両平行板12,12,13,13がそれぞれ弾性変形す
るため、この変形量を測定することにより、上記2方向
X,Yの力をそれぞれ正確に検出することができる。
把持される把持部10,11を検出部2に設けるととも
に、この把持部10,11に先窄まりの当接面10a,
10bを設けることにより、被験者が上記検出部2を把
持した際に、上記把持部10,11の当接面10a,1
1aが被験者の掌および指等に線接触するように構成し
たため、被験者の掌および指等に当接する把持部10,
11の位置が変化することに起因して、上記X方向に変
位する弾性変形部14の変位量に差が発生するという事
態の発生を効果的に防止し、この変位量に応じてX方向
に作用する力を正確に検出できるという利点がある。
うに構成された上記実施形態に代え、互いに直交する3
方向に変形する弾性変形部14を上記フレーム9に設
け、かつ3個以上の受光素子を上記受光部7に設けると
ともに、3本以上の光ファイバによって上記受光管5を
構成することにより、上記3方向に作用する力をそれぞ
れ検出するようにしてもよく、これに3方向の角変位を
加えた6軸方向の力を検出するようにしてもよい。
の把持力に検出する場合に限られず、測定者が検出部2
を把持し、磁気共鳴イメージング装置上に横たわる被験
者に対して上記把持部11等を押し当てた状態で、その
押圧力を検出するとともに、その押圧力に応じた断面変
形を計測することにより、内臓等の硬さを検出する装置
しても使用することができる。この場合、上記のように
複数方向の力を検出する必要はなく、一方向のみに変形
する弾性変形部を上記フレーム9に設けるとともに、上
記受光部7において一方向の変位を検出するように構成
すればよい。
部14に支持させてなる上記実施形態に代え、受光管5
の先端部を弾性変形部14に支持させるとともに、送光
管4の先端部をフレーム9の左辺部9c等に固定した構
造としてもよい。
鳴イメージング装置とともに使用される力検出装置であ
って、磁気共鳴イメージング装置外に設置される発光部
および受光部と、磁気共鳴イメージング装置内に配設さ
れる検出部と、上記受光部において検出されたデータを
処理するデータ処理部と、上記発光部から照射された検
出光を検出部に伝送する光ファイバからなる送光管と、
この送光管の先端部から照射された検出光を受光して上
記受光部に伝送する光ファイバからなる受光管とを有
し、上記送光管および受光管の先端部を支持する非磁性
材料からなるフレームを上記検出部に設けるとともに、
この検出部に入力された力に応じて弾性変形する弾性変
形部を上記フレームに設け、かつ上記送光管および受光
管の先端部の一方を上記弾性変形部に支持させたため、
上記磁気共鳴イメージング装置内に磁性体が持ち込まれ
ることに起因して磁気共鳴イメージング装置の磁場が乱
されたり、磁気共鳴イメージング装置が発する強磁場の
影響により上記把持力検出装置の出力信号にノイズが発
生したりするのを確実に防止して、上記検出部に作用す
る力を正確に検出できるという利点がある。
を示す説明図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 磁気共鳴イメージング装置とともに使用
される力検出装置であって、磁気共鳴イメージング装置
外に設置される発光部および受光部と、磁気共鳴イメー
ジング装置内に配設される検出部と、上記受光部におい
て検出されたデータを処理するデータ処理部と、上記発
光部から照射された検出光を検出部に伝送する光ファイ
バからなる送光管と、この送光管の先端部から照射され
た検出光を受光して上記受光部に伝送する光ファイバか
らなる受光管とを有し、上記送光管および受光管の先端
部を支持する非磁性材料からなるフレームを上記検出部
に設けるとともに、検出部に入力された力に応じて弾性
変形する弾性変形部を上記フレームに設け、かつ上記送
光管および受光管の先端部の一方を上記弾性変形部に支
持させたことを特徴とする力検出装置。 - 【請求項2】 上記受光管を3本以上の光ファイバによ
り構成するとともに、各光ファイバを介して導出された
光をそれぞれ受光する3個以上の受光素子を上記受光部
に設け、各受光素子の受光量を比較することにより、複
数方向に作用する力をそれぞれ検出するように構成した
ことを特徴とする請求項1記載の力検出装置。 - 【請求項3】 上記弾性変形部は、一定間隔を隔てて相
対向する一対の第1平行板と、この第1平行板と直交す
る方向に延びるとともに、一定間隔を隔てて相対向する
一対の第2平行板とを備えたことを特徴とする請求項2
記載の力検出装置。 - 【請求項4】 上記検出部に、被験者によって把持され
る把持部を設けるとともに、この把持部に先窄まりの当
接面を設けたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか
に記載の力検出装置。
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福田敏男 他: "ロボット用力計測センサに関する基礎的研究(第4報,光ファイバを用いたロボット用6軸力センサ)", 日本機会学会論文集C編, vol. 56, no. 529, JPNX007016331, 25 September 1990 (1990-09-25), pages 2468 - 2473, ISSN: 0000835823 * |
福田敏男 他: "ロボット用力計測センサに関する基礎的研究(第4報,光ファイバを用いたロボット用6軸力センサ)", 日本機会学会論文集C編, vol. 56, no. 529, JPNX007033887, 25 September 1990 (1990-09-25), pages 2468 - 2473, ISSN: 0000867263 * |
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