JP2011064483A - 関節角度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の関節角度計測装置は、ビデオカメラによって被験者を撮影するスペースや、画像解析を行うコンピュータ等が必要となるので、設備が大がかりなものとなり、製品コストが増大している。
【解決手段】本発明による関節角度計測装置は、例えば上腕及び前腕や腰及び上腿等の関節を挟む第１及び第２部位に第１及び第２慣性センサ１，２が取付けられ、信号処理器３の信号回路３４がｃｏｓ^−１（Ｘ_１・Ｘ_２＋Ｙ_１・Ｙ_２＋Ｚ_１・Ｚ_２）の演算を行うことで関節の曲げ角度φを算出する構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、関節角度計測装置に関し、特に、関節を挟む第１及び第２部位に取り付けられた第１及び第２慣性センサからの信号に基づいて、信号処理器が関節の曲げ角度φを算出するように構成することで、大がかり設備を不要にでき、製品コストを低減できるようにするための新規な改良に関するものである。

従来用いられていたこの種の関節角度計測装置としては、例えば特許文献１等に示された装置が用いられている。すなわち、従来装置では、各所にマーカが貼り付けられた被験者をビデオカメラで撮影し、ビデオカメラによって撮影された画像を解析することで関節の曲げ角度を算出すめるようにしている。

特開平１０−２８１７号公報

上記のような従来の関節角度計測装置では、ビデオカメラによって被験者を撮影するスペースや、画像解析を行うコンピュータ等が必要となるので、設備が大がかりなものとなり、製品コストが増大している。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、大がかり設備を不要にでき、製品コストを低減できるようにする関節角度計測装置を提供することである。

本発明に係る関節角度計測装置は、関節を挟む第１及び第２部位に取り付けられた第１及び第２慣性センサと、前記第１及び第２慣性センサからの信号に基づいて、前記関節の曲げ角度φを算出する信号処理器とを備える。

また、前記第１部位の方位角及びピッチ角をψ_１及びθ_１とし、前記第２部位の方位角及びピッチ角をψ_２及びθ_２とした場合に、
前記信号処理器は、
前記第１部位の３次元空間中の座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）を次のように規定し、

前記第２部位の３次元空間中の座標（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２）を次のように規定し、

ｃｏｓ^−１（Ｘ_１・Ｘ_２＋Ｙ_１・Ｙ_２＋Ｚ_１・Ｚ_２）の演算を行うことで前記関節の曲げ角度φを算出する。

本発明の関節角度計測装置によれば、関節を挟む第１及び第２部位に取り付けられた第１及び第２慣性センサからの信号に基づいて、信号処理器が関節の曲げ角度φを算出するので、広いスペースや複雑な画像解析を不要にできる。すなわち、大がかり設備を不要にでき、製品コストを低減できる。

また、信号処理器は、ｃｏｓ^−１（Ｘ_１・Ｘ_２＋Ｙ_１・Ｙ_２＋Ｚ_１・Ｚ_２）の演算を行うことで関節の曲げ角度φを算出するので、より確実に曲げ角度φを算出でき、装置の信頼性を向上できる。

本発明の実施の形態１による関節角度計測装置を示す構成図である。 図１の第１及び第２慣性センサが取付けられる第１及び第２部位の関係を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による関節角度計測装置を示す構成図であり、図２は、図１の第１及び第２慣性センサ１，２が取付けられる第１及び第２部位５，６の関係を示す説明図である。図１において、関節角度計測装置には、第１及び第２慣性センサ１，２と信号処理器３とが設けられている。第１及び第２慣性センサ１，２は、例えば上腕及び前腕や腰及び上腿等の図２に示す関節４を挟む被験者の第１及び第２部位５，６に取付けられている。

図１に示すように、第１慣性センサ１は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸のジャイロ部１０と、３軸の加速度計部１１と、温度センサ部１２とを有しており、例えばＭＥＭＳ慣性センサ等から構成されている。周知のように、ジャイロ１０は各軸回りの角速度を検出するものであり、加速度計部１１は各軸に沿う加速度を検出するものであり、温度センサ部１２はジャイロ部１０及び加速度計部１１の出力信号の補償に用いられるものである。すなわち、第１慣性センサ１は、空間に対する第１部位５の姿勢を検出するためのものである。図１では具体的には示さないが、第２慣性センサ２の構成も第１慣性センサ１の構成と同様であり、第２慣性センサ２は、空間に対する第２部位６の姿勢を検出する。

信号処理器３は、第１及び第２慣性センサ１，２に有線で接続されており、第１又は第２慣性センサ１，２とともに第１及び第２部位５，６のいずれか一方に取付けられている。信号処理器３には、充電回路３０、バッテリ３１、ＤＣ／ＤＣ変換器３２、内部電源回路３３、信号回路３４、及びアンテナ３５が設けられている。充電回路３０は、外部電源３６（商用電源）からの交流１００Ｖの電力をバッテリ３１に充電するための回路である。ＤＣ／ＤＣ変換器３２は、バッテリ３１からのＤＣ電圧を適宜変圧して、内部電源回路３３を通して信号回路３４に電力を供給する。

信号回路３４には、ＭＵＸ４０、Ａ／Ｄ変換器４１、ＳＲＡＭ４２、ＦＲＡＳＨ４３、ＭＰＵ４４、ＳＩＯ４５、及びＲＦユニット４６が設けられている。ＭＵＸ４０は、第１及び第２慣性センサ１，２のジャイロ部１０、加速度計部１１、及び温度センサ部１２からそれぞれ入力される複数のアナログ信号を１つのＡ／Ｄ変換器４１でデジタル信号に変換するために、ジャイロ信号、加速度計信号、及び温度信号を定期的に切換えるためのアナログスイッチである。ＳＲＡＭ４２は、展開されているプログラムや演算中のデータを一次保存するための記憶素子である。ＦＲＡＳＨ４３は、プログラム及び補正量を格納するとともに、計測結果及び演算結果を記憶するための記憶素子である。ＭＰＵ４４は、計測データ変換（電圧から物理量への変換）、姿勢角演算、及び外部との通信の制御を行う演算素子である。ＳＩＯ４５は、外部との通信を行うためのインターフェースである。ＲＦユニット４６は、周知の無線通信モジュールであり、アンテナ３５を介して外部装置（図示せず）からの例えば計測開始指令等の情報を受信するとともに、計測結果及び演算結果を外部装置に送信する。

信号処理器３、すなわち信号回路３４は、第１及び第２慣性センサ１，２からの信号に基づいて、関節４の曲げ角度φを算出する。ここで、第１慣性センサ１が検出した第１部位５の方位角及びピッチ角をψ_１及びθ_１とし、第１部位５の初期位置を（Ｘ_０１，Ｙ_０１，Ｚ_０１）＝（１，０，０）とすると、信号処理器３は、次の［数３］の式から、第１部位５の３次元空間中の座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）を［数４］のように規定する。［数３］の式は、第１部位５が初期位置（Ｘ_０１，Ｙ_０１，Ｚ_０１）から方位角ψ_１及びピッチ角θ_１の順に回転されたことを示す座標変換式である。

同様に、信号処理器３は、第２慣性センサ２が検出した第２部位６の方位角及びピッチ角をψ_２及びθ_２とし、第２部位６の初期位置を（Ｘ_０２，Ｙ_０２，Ｚ_０２）＝（１，０，０）とすると、第２部位６の３次元空間中の座標（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２）を［数５］のように規定する。

第１及び第２部位５，６間の関節４の曲げ角度φを求めるためには、第１及び第２部位５，６の内積（各成分の積の和）を計算し、その値のアークコサインを求めればよい。すなわち、信号回路３４は、ｃｏｓ^−１（Ｘ_１・Ｘ_２＋Ｙ_１・Ｙ_２＋Ｚ_１・Ｚ_２）の演算を行うことで関節４の曲げ角度φを算出する。

このような関節角度計測装置によれば、関節４を挟む第１及び第２部位５，６に取り付けられた第１及び第２慣性センサ１，２からの信号に基づいて、信号処理器３が関節４の曲げ角度φを算出するので、広いスペースや複雑な画像解析を不要にできる。すなわち、大がかり設備を不要にでき、製品コストを低減できる。

また、信号処理器３は、ｃｏｓ^−１（Ｘ_１・Ｘ_２＋Ｙ_１・Ｙ_２＋Ｚ_１・Ｚ_２）の演算を行うことで関節の曲げ角度φを算出するので、より確実に曲げ角度φを算出でき、装置の信頼性を向上できる。

１，２ 慣性センサ
３ 信号処理器
４ 関節
５，６ 第１及び第２部位

Claims (2)

1. 関節（４）を挟む第１及び第２部位（５，６）に取り付けられた第１及び第２慣性センサ（１，２）と、
   前記第１及び第２慣性センサ（１，２）からの信号に基づいて、前記関節（４）の曲げ角度φを算出する信号処理器（３）と
   を備えることを特徴とする関節角度計測装置。
2. 前記第１部位（５）の方位角及びピッチ角をψ_１及びθ_１とし、前記第２部位（６）の方位角及びピッチ角をψ_２及びθ_２とした場合に、
   前記信号処理器（３）は、
   前記第１部位（５）の３次元空間中の座標（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）を次のように規定し、
   

   

   前記第２部位（６）の３次元空間中の座標（Ｘ_２，Ｙ_２，Ｚ_２）を次のように規定し、
   

   

   ｃｏｓ^−１（Ｘ_１・Ｘ_２＋Ｙ_１・Ｙ_２＋Ｚ_１・Ｚ_２）の演算を行うことで前記関節（４）の曲げ角度φを算出することを特徴とする請求項１記載の関節角度計測装置。

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