JP2006034343A

JP2006034343A - 生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法及び装置

Info

Publication number: JP2006034343A
Application number: JP2004214536A
Authority: JP
Inventors: Michihiko Mimura; 道彦三村
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】本発明は、３軸加速度計及び３軸角速度計から得られた６軸データの静止状態の零点誤差を補正することにより、動作を正確に測定することを目的とする。
【解決手段】本発明による生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法及び装置は、姿勢モニタ部(61)に設けた３軸加速度計(65)及び３軸角速度計(66)から得た６軸データ(62)を慣性演算部(63)に入力し、６軸データ(62)の静止状態(M,N)の零点誤差を補正して高精度に生体(50)の動作を測定する方法と構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法及び装置に関し、特に、扁平型の姿勢モニタ部を設け、３軸角速度計及び３軸加速度計からの６軸データを慣性演算部で演算し、静止時の零点補正を行って得た３軸の角速度、加速度、角度、速度を用いて生体の姿勢を検出するための新規な改良に関する。

従来、用いられていたこの種の生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法及び装置としては、カメラ画像を使用したモーションキャプチャが用いられ、また、慣性センサを用いる構成は、特許文献１及び２に開示されている。
すなわち、モーションキャプチャ方法としては、図９に示されるように、被験者５０の表面に多数のマーカー５１を取り付け、この各マーカー５１を異なる角度方向からビデオカメラ５２で撮像し、各ビデオカメラ５２からの画像データをパソコン５３に取り込み、画像解析することによって各マーカー５１の動きをとらえ、被験者５０の動きをかなり正確に得ることができる。

特開２００２−３２８１３４号公報特開２００２−２６３０８６号公報

従来の生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法及び装置は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、モーションキャプチャ方法は、マーカーを見ることによって、被験者の動きをかなり正確に見ることはできるが、数台のビデオカメラ、操作員も複数人必要であると共に、相当のスペースを必要とするため、装置としてのコストも高く、限られた施設しか用いることができなかった。
また、慣性センサを用いた方法は、前述のカメラ画像を用いたモーションキャプチャ方式に比べると、動作を表現するデータとしては十分なものではなく、実用レベルには到達していなかった。

本発明による生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法は、姿勢モニタ部に設けた少なくとも３軸加速度計及び３軸角速度計から得られた少なくとも６軸データを慣性演算部に入力し、前記慣性演算部では前記６軸データの静止状態の零点誤差を補正することにより、生体の動作を測定する方法であり、また、前記姿勢モニタ部に設けられた前記３軸加速度計及び３軸角速度計は、シリコン基板を用いた静電検出型よりなる方法であり、また、前記姿勢モニタ部は複数用い、かつ、前記生体の異なる複数の場所に取付けて用いる方法であり、また、前記姿勢モニタ部は、板状に形成されて用いられる方法であり、また、姿勢モニタ部に設けられた少なくとも３軸加速度計及び３軸角速度計と、前記３軸加速度計及び３軸角速度計から得られた６軸データを慣性演算するための慣性演算部とを備え、前記慣性演算部では前記６軸データの静止状態の零点誤差を補正することにより、生体の動作を測定するようにした構成であり、また、前記姿勢モニタ部に設けられた前記３軸加速度計及び３軸角速度計は、シリコン基板を用いた静電検出型よりなる構成であり、また、前記姿勢モニタ部は、板状に形成されている構成である。

本発明による生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法及び装置は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、３軸角速度計及び３軸加速度計の６軸データを用いて慣性演算する際に、生体の歩き始めの静止状態及び歩き終りの静止状態のデータから慣性センサである３軸角速度計及び３軸加速度計の零点誤差を補正することによって、モーションキャプチャ方式に匹敵するデータを得ることができる。
また、３軸角速度計及び３軸加速度計がシリコン基板を加工して製作されるＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を用いた超小型で薄型であるため、装置全体が板状で小型となり、生体に取付ける場合、ウェアラブルに取付けが可能である。

本発明は、３軸角速度及び３軸加速度の６軸データを用いて慣性演算部で演算し、静止時の零点補正を行って得た３軸の角速度、加速度、角度、速度を用いて生体の姿勢を検出することを目的とする。

以下、図面と共に本発明による生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法及び装置の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には同一符号を用いて説明する。
図１において符号５０で示されるものは被験者である生体であり、この成体５０は人間又は動物を対象とするものである。

前記成体５０の腰、足等の動きが出る複数の部分には、バンド等の取付部材６０を介して扁平な板状に形成された姿勢モニタ部６１が設けられており、この各姿勢モニタ部６１から無線（有線の場合もある）を介して送られてきた３軸角速度及び３軸加速度のデータ６２は、図４で示されるように、慣性演算部６３に取り込まれ、この慣性演算部６３はパソコン６４に接続されている。

前記姿勢モニタ部６１は、図７から図９で示されるように、シリコン基板を周知のＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を用いて製作した３軸加速度計６５及び３軸角速度計６６によって構成されている。

前記３軸加速度計６５及び３軸角速度計６６は、本出願人の出願による特開２００１−３３０６２２号公報に開示された構成について説明する。
すなわち、図７及び図８において符号１で示されるものは平面形状で四角状の枠体をなす外枠部であり、この外枠部１は下層シリコン基板１１ａと、絶縁酸化膜１１ｂと、上層シリコン薄膜１１ｃと、貼り合わせシリコン基板１１ｄとからなる周知のＳＯＩウェハの半導体ウェハ１１で構成されている。

前記外枠部１は、ガラス製の上部パッケージ５ａと下部パッケージ５ｂとによって挟持されて積層された状態に構成されている。
前記上部パッケージ５ａの内面には、複数の上部検出電極４ａ、４ｂが形成されていると共に、前記下部パッケージ５ｂの内面には、複数の下部検出電極５Ａ、５Ｂが形成されている。

前記上部検出電極４ａ、４ｂには、ワイヤボンディングによる各々上部電極取り出し部８ａ、８ｂが接続されて上部パッケージ５ａで保持され、前記各下部検出電極５Ａ、５Ｂには、ワイヤボンディングによる各々電極取り出し部１０ａ、１０ｂが接続されている。

前記外枠部１を介して上部及び下部パッケージ５ａ、５ｂにより形成された空間部２０内には、前記外枠部１である半導体ウェハ１１をエッチング処理して得られた重錘体３が前記半導体ウェハ１１の一部に保持された複数の梁部２ａ、２ｂによって上下に移動できるように構成されている。
前記梁部２ａ、２ｂには、ワイヤボンディングによる各々重錘体電極取り出し部９が共通接続されている。

前記重錘体３は、前記梁部２ａ、２ｂを挟持するように同じ質量の第１、第２重錘片３ａ、３ｂが貼り付けて設けられており、この重錘体３の重心Ｇは前記梁２ａ、２ｂの長手方向の延長線上に位置している。
なお、前記第１重錘片３ａは前記下層シリコン基板１１ａよりなり、前記各梁部２ａ、２ｂは前記絶縁酸化膜１１ｂと上層シリコン薄膜１１ｃとからなり、前記第２重錘片３ｂは前記貼り合わせシリコン基板１１ｄより構成されている。

なお、前述の半導体ウェハ１１は、約６００μｍ厚の単結晶シリコン基板上に、１μｍ厚の絶縁酸化膜１１ｂを挟んで２０〜４０μｍ厚のシリコン薄膜１１ｃを有する３層構造で構成されている。この上下２層のシリコンをドライエッチングする際に中間の絶縁酸化膜１１ｂをマスクに利用することにより寸法精度の優れた重錘体３及び梁部２ａ、２ｂを形成しており、他軸感度が発生しないように、各重錘片３ａ、３ｂの質量は同一となるように構成されている。
また、前述のシリコン同志の張り合わせは、酸素雰囲気中、約１１００℃にてアニール処理することにより可能であり、これによって梁部の長手方向の延長線上に重錘体３の重心が配置され、他軸感度の発生を抑えることができる。

また、前述の他軸感度を発生させる要因としては、前述の重錘体３の構成とは別に、重錘体３の中心軸まわりに回転が加わった場合が考えられるが、特に問題となるのは梁部２ａ、２ｂの長手方向の回転であるが、この現象を抑えるために重錘体３の上下すなわち各パッケージ５ａ、５ｂの上部検出電極４ａ、４ｂ及び下部検出電極５Ａ，５Ｂを各々独立して一対構成とし、回転が加わった時の重錘体３の偏り（すなわち静電容量の変化）を検出し、図示しない電子回路で処理することにより、回転による他軸感度の発生を抑えることができる。また、この電子回路によりサーボループを組んで周知のフィードバック制御を行うことにより、高精度な加速度センサを実現している。

前記３軸加速度計６５及び３軸角速度計６６は、図２で示されるように、Ｘ軸Ｘ（前、ロール）、Ｙ軸（左、ピッチ）、Ｚ軸（下、ヨー）を検出することができるように、前述の図７及び図８で示される検出素子３０が３軸方向に設けられて構成されている。

前記慣性演算部６３では、周知のカルマンフィルタ６３ａを内蔵していると共に、温度補正６３ｂ及び静止ドリフト補正６３ｃを行う機能を有しており、前記３軸角速度及び３軸加速度の６軸データ６２において、歩行計測の場合に、歩き始めと終わりには必ず静止状態が存在し、例え、静止状態に少し動いていたとしても歩行状態とは全く異なる動きであり、この６軸データ６２によりその状態を明らかに識別できる。

従って、図５で示されるように、前記６軸データ６２は、（Ａ）で示される歩き始めの静止状態Ｍと歩き終わりの静止状態Ｎから、３軸加速度計６５及び３軸角速度計６６の零点誤差を慣性演算部６３で誤差を推定して補正し、（Ｂ）のように補正後の６軸データ６２ａを得ることができる。

また、図５における歩行状態Ｐも、前記カルマンフィルタ６３ａによって誤差を推定して補正しているが、この歩行分析はリアルタイムで行う必要性はなく、計測で記録した前記６軸データ６２をオフラインで処理する際に補正して演算することにより、従来のモーションキャプチャ方式に匹敵する内容の補正後の６軸データ６２ａを得ることができる。

尚、図４の慣性演算部６３による演算／補正によって得られる補正後の６軸データ６２ａは、より詳しく示すと図３の通りであり、前記姿勢モニタ部６１は生体５０に取付けが容易でウェラブルとなるように、板状でかつ柔軟部材等で包装されて構成されている。

次に、図６は、前述の生体５０の腰部に装着した姿勢モニタ部６１から得られた補正後の６軸データ６２ａを示しており、この補正後の６軸データ６２ａによって、おじぎ、前歩き、後歩き等の動作状態のデータを得ることができる。
尚、この動作状態のデータをパターン化し、他の生体５０から得られたデータと比較することにより、比較的容易にその時の状態を検出しやすくなるものである。

本発明は、生体のみならず、ロボット等の動作確認にも適用可能である。

本発明による生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法及び装置を示す構成図である。図１の姿勢モニタ部の検出軸を示す説明図である。図４の要部を示す説明図である。本発明のデータ処理を示す概略図である。図４の補正を示す説明図である。本発明の歩行データを示す波形データである。本発明における姿勢モニタ部の加速度計及び角速度計の構成図である。図７の斜視構成図である。従来構成を示す構成図である。

符号の説明

６１姿勢モニタ部
６２６軸データ
６３慣性演算部
６５３軸加速度計
６６３軸角速度計

Claims

姿勢モニタ部(61)に設けた少なくとも３軸加速度計(65)及び３軸角速度計(66)から得られた少なくとも６軸データ(62)を慣性演算部(63)に入力し、前記慣性演算部(63)では前記６軸データ(62)の静止状態(M,N)の零点誤差を補正することにより、生体の動作を測定することを特徴とする生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法。
前記姿勢モニタ部(61)に設けられた前記３軸加速度計(65)及び３軸角速度計(66)は、シリコン基板を用いた静電検出型よりなることを特徴とする請求項１記載の生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法。
前記姿勢モニタ部(61)は複数用い、かつ、前記生体の異なる複数の場所に取付けて用いることを特徴とする請求項１又は２記載の生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法。
前記姿勢モニタ部(61)は、板状に形成されて用いられることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の生体のリハビリ用姿勢モニタリング方法。
姿勢モニタ部(61)に設けられた少なくとも３軸加速度計(65)及び３軸角速度計(66)と、前記３軸加速度計(65)及び３軸角速度計(66)から得られた６軸データ(62)を慣性演算するための慣性演算部(63)とを備え、
前記慣性演算部(63)では前記６軸データ(62)の静止状態(M,N)の零点誤差を補正することにより、生体の動作を測定するように構成したことを特徴とする生体のリハビリ用姿勢モニタリング装置。
前記姿勢モニタ部(61)に設けられた前記３軸加速度計(65)及び３軸角速度計(66)は、シリコン基板を用いた静電検出型よりなることを特徴とする請求項５記載の生体のリハビリ用姿勢モニタリング装置。
前記姿勢モニタ部(61)は、板状に形成されていることを特徴とする請求項５又は６記載の生体のリハビリ用姿勢モニタリング装置。