JP2006068312A

JP2006068312A - リハビリ用姿勢モニタリング方法及びリハビリ用姿勢モニタ

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Publication number: JP2006068312A
Application number: JP2004255897A
Authority: JP
Inventors: Michihiko Mimura; 道彦三村
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: JP4512703B2

Abstract

【課題】本発明は、取付対象の各部位の動きに合わせて加速度計及びジャイロの検出レンジを変え、全体形状の小型化及びコストダウンを達成することを目的とする。
【解決手段】本発明によるリハビリ用姿勢モニタ方法及びリハビリ用姿勢モニタは、本体(100)内に設けたＸ、Ｙ、Ｚ軸加速度計(65a,65b,65c)とＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ(66a,66b,66c)の検出レンジを取付対象(50)の各部位の動きの軸方向に合わせて変え、小型化とコストダウンを達成する方法と構成である。
【選択図】図９

Description

本発明は、リハビリ用姿勢モニタ方法及びリハビリ用姿勢モニタに関し、特に、箱型の本体内に３軸の加速度計及び３軸のジャイロを設け、３軸の各加速度計及びジャイロの各分解能を取付対象の部位に応じて異ならせ、小型で高性能かつ低コストの構成と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取付対象のリハビリ用姿勢モニタリング方法及びリハビリ用姿勢モニタとしては、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１１に示されるように、取付対象である生体からなる被験者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方法及びリハビリ用姿勢モニタは、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。また、３軸の加速度計及びジャイロは同一の分解能で製作されていたため、生体の部位によっては、一部しか動作せず、他は飽和に近い動作の場合も多く、３軸共同一の分解能ではコスト的にも無駄で、また、形状も大型化し、省スペース化にも逆行することになっていた。

本発明によるリハビリ用姿勢モニタリング方法は、本体に設けられＸ、Ｙ、Ｚ軸加速度計及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロからなるリハビリ用姿勢モニタを用いて取付対象の動作を検出するようにしたリハビリ用姿勢モニタリング方法において、前記取付対象の各部位に複数の前記リハビリ用姿勢モニタを設け、前記各リハビリ用姿勢モニタに設けられた前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロの分解能は前記各部位の前記各軸の方向の動作に応じて異ならせて用いる方法であり、また、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロは、前記本体内で各々独立して設けた状態で用いる方法であり、また、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロは、全体形状が箱型をなす前記本体内に設けられて用いられる方法であり、また、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計の中、前記Ｘ、Ｙ軸加速度計の分解能は、前記Ｚ軸加速度計の分解能より小であり、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロの中、前記Ｘ、Ｙ軸ジャイロの分解能は、前記Ｚ軸ジャイロの分解能より大とする方法である。
また、本発明によるリハビリ用姿勢モニタは、全体形状が箱型をなす本体と、前記本体内に設けられた３軸のＸ、Ｙ、Ｚ軸加速度計及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロとからなり、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロは、前記３軸の中の１軸又は複数軸において加速度及び角速度の分解能を互いに異ならせた構成であり、また、前記本体には、電源部、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸信号処理部が設けられていると共に、長手形状の取付部材が設けられている構成であり、また、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ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Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計の中、前記Ｘ、Ｙ軸加速度計の分解能は、前記Ｚ軸加速度計の分解能より小であり、前記Ｘ、Ｙ軸ジャイロの中、前記Ｘ、Ｙ軸ジャイロの分解能は、前記Ｚ軸ジャイロの分解能より大である構成である。

本発明によるリハビリ用姿勢モニタ方法及びリハビリ用姿勢モニタは、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軸の加速度計及び３軸のジャイロの各分解能を取付対象の部位における各軸方向の動作の大小に応じて異ならせ、その部位の動きに合わせ、動きが大きい部位には分解能が大きく精度が悪い安価な加速度計やジャイロを用い、動きが前記大よりも小さい部位には分解能が小さく精度が良い高価な加速度計やジャイロを用いているため、モニタ自体の形状を小型化し、安価とすることができる。
また、ジャイロ及び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、モニタの小型化及び薄型化に寄与することができ、生体等に取付ける場合、ウェアラブルに取付けが可能である。

本発明は、３軸の加速度計及び３軸のジャイロの各分解能を取付対象の部位の軸方向の動作に応じて異ならせ、動きが小さく高精度の検出が必要な軸方向には分解能が小さく精度が良い加速度計やジャイロを用い、前記小よりも大きい動きがありあまり高精度の検出の必要性の少ない軸方向には分解能が大きく精度が悪い安価な加速度計やジャイロを用い、モニタ自体の形状を小型化し、安価とすることを目的とする。

以下、図面と共に本発明によるリハビリ用姿勢モニタ方法及びリハビリ用姿勢モニタ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で示されるものは生体（人間、動物等）である被験者からなる取付対象であり、この取付対象５０の腰、足等の動きが出る複数の部分には、バンド等の長手形状の取付部材６０を介して扁平な板状に形成されたリハビリ用姿勢モニタ６１が設けられており、この各リハビリ用姿勢モニタ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。

前記リハビリ用姿勢モニタ６１は、図７から図１０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軸ジャイロ６６によって構成されている。

前記３軸加速度計６５及び３軸ジャイロ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。

前記各上部検出電極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下部電極取り出し部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は前記梁部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貼り合わせは、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のＸ、Ｙ、Ｚ軸加速度計６５ａ〜６５ｃ及び３軸ジャイロ６６のＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ６６ａ〜６６ｃは、図２２で示されるように、Ｘ軸Ｘ（前、ロール）、Ｙ軸Ｙ（左、ピッチ）、Ｚ軸Ｚ（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、歩き始めと歩き終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と歩き終りの静止状態Ｎから、３軸の加速度計６５及び３軸のジャイロ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、前記リハビリ用姿勢モニタ６１は取付対象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、前述の取付対象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が検出しやすくなるものである。

前記リハビリ用姿勢モニタ６１は、図９及び図１０で示されるように、全体形状が箱型をなす本体１００で形成され、この本体１００内には、３軸加速度計６５を構成するためのＸ軸加速度計６５ａとＹ軸加速度計６５ｂとＺ軸加速度計６５ｃが各々独立して設けられ、さらに、３軸ジャイロ６６を構成するためのＸ軸ジャイロ６６ａとＹ軸ジャイロ６６ｂとＺ軸ジャイロ６６ｃが各々独立して設けられている。

前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計６５ａ〜６５ｃ及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ６６ａ〜６６ｃには、電源部１０１からの電源が供給されていると共に、各出力信号はＸ軸信号処理部１０２とＹ軸信号処理部１０３とＺ軸信号処理部１０４によって信号処理されるように構成されている。

前記リハビリ用姿勢モニタ６１は、実際に使用して姿勢をモニタする場合には、図１で示されるように、複数個を取付部材６０を介して、取付対象５０の腰、もも、足等の各部位に固定し、３軸加速度計６５及び３軸ジャイロ６６からの各出力信号がパソコン６４に取り込まれて演算処理され、図６の歩行データに示されるような測定結果を得て、各部位の動作状態の把握を行うことができる。

前述の場合、取付対象５０の各部位はＸ，Ｙ、Ｚの３軸方向において同じ動きをするのではなく、互いに異なる動きをすることになる。
そこで、本発明は、各部位に対し、３軸共高精度の小さい分解能の各加速度計６５ａ〜６５ｃ及び各ジャイロ６６ａ〜６６ｃを用いるとスペース的にも、コスト的にも不利であるため、あまり大きい動作が発生しない軸方向の加速度計やジャイロのみの分解能を他のものよりも高分解能すなわち高精度検出型とし他のもの低精度検出型の安価構成として、１個のリハビリ用姿勢モニタ６１内でも検出の軸方向によって分解能が異なるように構成されている。

例えば、１個のリハビリ用姿勢モニタ６１の中において、ジャイロの場合、Ｘ、Ｙ軸ジャイロ６６ａ、６６ｂは分解能をＺ軸ジャイロ６６ｃの分解能より大とし、Ｚ軸ジャイロ６６ｃは分解能を前記大よりも小とする。
また、加速度計の場合、Ｘ、Ｙ軸加速度計６５ａ、６５ｂは分解能をＺ軸加速度計６５ｃの分解能より小とし、Ｚ軸加速度計６５ｃは分解能を前記小よりも大とする。
すなわち、本発明における分解能の定義は、分解能小が精度良く分解能精状態を示し、分解能大（前記小よりは大）が精度悪く（前記精度良くよりは悪い）分解能粗状態を示している。
従って、各リハビリ用姿勢モニタ６１を用いる場合、その部位において動きが大きい軸方向（前記動きが小さい軸方向よりは大である）は分解能が大きく精度が悪い安価な加速度計又はジャイロを用い、その部位において動きが小さい軸方向（前記動きが大きい軸方向よりは小である）は分解能が小さく精度が良い高価な加速度計又はジャイロを用いている。

前述のように構成されたリハビリ用姿勢モニタ６１は、前述のように、予め、動きの少ない（小さい）軸方向の検出を行う加速度計６５ａ〜６５ｃやジャイロ６６ａ〜６６ｃのみの分解能を前記各部位の状態に合わせて他の動きの大きい軸方向の分解能よりも小さく（精度が良く）なるように設定されており、腰用、もも用、足用、手用等のように各部位専用に予め構成されている。

従って、実際の使用に際しては、各リハビリ用姿勢モニタ６１の本体１００の表面に、各部位別用の表示がなされており、その部位に合わせて取付部材６０で装着することにより、最適な検出を行うことができる。

本発明は、取付対象としては、人間に限ることなく、犬、ねこ等の動物、家畜にも適用できると共に、ロボットへの適用も可能である。

本発明によるリハビリ用姿勢モニタ方法及びリハビリ用姿勢モニタ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。本発明におけるリハビリ用姿勢モニタの加速度計及びジャイロの構成図である。図７の斜視構成図である。本発明によるリハビリ用姿勢モニタの構成図である。図９の右側面図である。従来構成を示す構成図である。

符号の説明

６１リハビリ用姿勢モニタ
６２６軸データ
６３慣性演算部
６５３軸加速度計
６６３軸ジャイロ
６５ａ、６５ｂ、６５ｃＸ、Ｙ、Ｚ軸加速度計
６６ａ、６６ｂ、６６ｃＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ
１００本体
１０２、１０３、１０４Ｘ、Ｙ、Ｚ軸信号処理部

Claims

本体(100)に設けられＸ、Ｙ、Ｚ軸加速度計(65a〜65c)及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ(66a〜66c)からなるリハビリ用姿勢モニタ(61)を用いて取付対象(50)の動作を検出するようにしたリハビリ用姿勢モニタリング方法において、
前記取付対象(50)の各部位に複数の前記リハビリ用姿勢モニタ(61)を設け、前記各リハビリ用姿勢モニタ(61)に設けられた前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計(65a〜65c)及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ(66a〜66c)の分解能は前記各部位の前記各軸の方向の動作に応じて異ならせて用いることを特徴とするリハビリ用姿勢モニタリング方法。
前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計(65a〜65c)及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ(66a〜66c)は、前記本体(100)内で各々独立して設けた状態で用いることを特徴とする請求項１記載のリハビリ用姿勢モニタリング方法。
前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計(65a〜65c)及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ(66a〜66c)は、全体形状が箱型をなす前記本体(100)内に設けられて用いられることを特徴とする請求項１又は２記載のリハビリ用姿勢モニタリング方法。
前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計(65a〜65c)の中、前記Ｘ、Ｙ軸加速度計(65a,65b)の分解能は、前記Ｚ軸加速度計(65c)の分解能より小であり、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ(66a〜66c)の中、前記Ｘ、Ｙ軸ジャイロ(66a,66b)の分解能は、前記Ｚ軸ジャイロ(66c)の分解能より大であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のリハビリ用姿勢モニタリング方法。
全体形状が箱型をなす本体(100)と、前記本体(100)内に設けられた３軸のＸ、Ｙ、Ｚ軸加速度計(65a〜65c)及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ(66a〜66c)とからなり、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計(65a〜65c)及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ(66a〜66c)は、前記３軸の中の１軸又は複数軸において加速度及び角速度の分解能を互いに異ならせた構成よりなることを特徴とするリハビリ用姿勢モニタ。
前記本体(100)には、電源部(101)、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸信号処理部(102,103,104)が設けられていると共に、長手形状の取付部材(60)が設けられていることを特徴とする請求項４記載のリハビリ用姿勢モニタ。
前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計(65a〜65c)及びＸ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ(66a〜66c)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４又は５記載のリハビリ用姿勢モニタ。
前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸加速度計(65a〜65c)の中、前記Ｘ、Ｙ軸加速度計(65a,65b)の分解能は、前記Ｚ軸加速度計(65c)の分解能より小であり、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸ジャイロ(66a〜66c)の中、前記Ｘ、Ｙ軸ジャイロ(66a,66b)の分解能は、前記Ｚ軸ジャイロ(66c)の分解能より大であることを特徴とする請求項５ないし７の何れかに記載のリハビリ用姿勢モニタ。