JP2013188452A - 足圧フィードバックシステム - Google Patents

Abstract

【課題】身体動作に応じた足底圧の分布変化をセンシングし、その際に生ずる連続的なクリック感とセンシングした信号に応じて出力された光や音・振動等とが一体となった刺激で、動作を複合的に感知させ、訓練効果を高める。
【解決手段】ドームスプリング式スイッチの足裏で感じるクリック感と同時に電気接点３を導通させるために、履物台座に面する足圧が直接作用するドームスプリング式スイッチの一層目にたわみ復元可能な硬質系たわみ部材１を使用することで、足圧の強弱を中心一点に絞り込んだ上下運動に変換し、２層目のドームスプリング２形状を変形させることなく押しこみ解放することで電気接点３を確実に導通・切断できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、身体動作に応じた足底圧分布の変化をドームスプリング方式のスイッチによりセンシングし、前記スイッチの接続・切断に伴う足裏のクリック感および、前記スイッチにより検出されたセンシング信号に応じて発生させた光や音、振動等を用いて、使用者本人に自身の身体動作を複合的に感知させることにより、動きの訓練効果を高める足圧フィードバックシステムに関する。

荷重の増減で足裏を刺激しながら動作を認識できる中敷きシートは公報で開示されている（特許文献１）。特許文献１は、荷重変化の感知と出力した電気信号の可視化で足圧分布の足圧中心軌跡を認識するものであるが、足裏で感じたスイッチのクリック感とスイッチの接続を可視化した情報が足圧作用でドームスプリングの形状が変形するために電気接続部分が接触不良を起こし、踏み込んだ荷重変化の感覚と視覚化した情報に時間的なズレが生じ、動きと視覚化した感覚に一体感がなかった。また、足圧分布の足圧中心軌跡における触覚、聴覚、視覚の情報だけでは動作を制御し訓練効果を高めることが出来なかった。
また、圧力センサをフル活用して大がかりな実験室でのフィードバックシステムは公報で開示されている（特許文献２）遠隔歩行指導システム。特許文献２は、圧力センサで足圧分布の足圧中心軌跡を求めて姿勢を制御する複雑な重たいシステムになっているため限られた空間で、且つ、歩行動作など単純な動作の制御に限られていた。また、歩行ナビゲーションシステム（特許文献３）も同様に圧力センサを使用した複雑なシステムなっているため限られた空間でしか使えない問題があった。
国際広報番号ＷＯ２００７／０９１５４９ 特願２００１−１４６０５８ 特第４５８１０８７

健康ブームの高まりからウォーキングやスポーツを始める人が増加する中、正しい歩き方や運動フォームの修得・指導システムに対するニーズが高まっているが、大がかりで特定の動作に限定されたシステムは発表されているものの、最も訓練効果が高いと考えられている、身体動作に対してそれがどの程度お手本に近いかといったようなフィードバック情報が時間的な遅れがほとんど無く即時に提示されるようなシステムは無かった。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、身体動作に応じた足底圧の分布変化をドームスプリング式のスイッチでセンシングし、その際に前記スイッチから生ずる連続的なクリック感と前記スイッチでセンシングした信号に応じて出力された光や音・振動等とが一体となった刺激で、動作を複合的に感知させ、訓練効果を高めることを最大の目的とする。

上述したシステムを実現する手段として、ドームスプリング式スイッチの足裏で感じるクリック感と同時に電気接点を導通させるために、履物台座に面する足圧が直接作用するドームスプリング式スイッチの一層目にたわみ復元可能な硬質系たわみ部材を使用することで、足圧の強弱を中心一点に絞り込んだ上下運動に変換し、２層目のドームスプリング形状を変形させることなく押しこみ解放することで電気接点を確実に導通・切断できる。

前項で示した２層構造のドームスプリング式スイッチにおいては足圧変化により電気接点を導通または切断するタイミングとクリック感とが感覚で感じ取れる範囲内で同時に行われる。

本発明に係わるモーション足圧フィードバックシステムは履物台座Ａに複数個取り付けたドームスプリング式２層たわみ音響スイッチユニットＢが身体動作に応じてクリック感と同時に電気信号を出力し、出力制御ユニットＣを経由して振動点灯マーカーＤで視覚、聴覚、触覚に足圧分布の足圧中心軌跡の刺激情報を体全体に与える。

本発明に係わる足圧フィードバックシステムの振動点灯マーカーＤは関節及び筋肉部分に身体動作に応じた荷重変化の連続的なクリック感を電気接続と同時にフィードバックすることで身体動作を複合的に感知させ、指導者が言葉で伝えることが出来なかった足圧分布の足圧中心軌跡の感覚情報を直接的に関節及び筋肉部分に導くことで驚くべき学習効果を上げることが実験でも証明された。

本発明に係わる足圧フィードバックシステムの出力制御ユニットＣは言葉に表現できない荷重変化の感覚、即ち、フォームの形と解説で説明できない感覚を出力制御ユニットＣの制御プログラムＰを経由して体の器官に足圧分布の足圧中心軌跡の選択的、且つ、連続的な刺激としてフィードバックすることで、複合的に動作を感知させることが出来る。

これによって、従来の圧力センサなど複雑なシステムを用いても解決できなかった理想的なフォームの学習が大地を受け止める足裏から動作を導く関節、筋肉部分まで視覚的、体感的に使用者と指導者更に視聴者までもが言葉に表現できなかった足圧分布の足圧中心軌跡の感覚を共有することが可能となる。

本発明に係わる足圧フィードバックシステムは単に動作の結果を関節及び筋肉部分にフィードバックさせるだけではない。

図４に示すように任意に出力制御ユニットＣのスイッチを制御することで例えば模範的な足圧分布の足圧中心軌跡になった時、或いは、間違ったフォームの足圧中心軌跡になった時、出力制御ユニットＣが信号を制御して正しいフォームに導くフォームナビゲーションの役割も果たすことが出来る。

振動点灯マーカーＤの点灯する視覚的刺激の情報は直接的に鏡、ビデオなどでリアルタイムに映し出すことで関節の動きと重心の関係が自然に理解できるようになる。

本発明に係わる足圧フィードバックシステムはリズムで身体動作を制御することもできる
例えば図４に示すように右側にＢＲ１、ＢＲ２の信号でドレの音、ＢＲ８、ＢＲ９のチャンネルがミファで左側のＢＬ１がソでＢＬ８、ＢＬ９のチャンネルがラシの音が出るように出力制御ユニットＣを制御すると、音楽的リズムで踊るように身体動作を導くことが出来る。

本発明の効果は、身体動作に応じて足裏に生じるクリック感および、それに伴うスイッチ入力により生起される音や振動、光等の刺激が複合的かつ同時に感知できるようになるため、立位で行う歩行やスポーツ等の身体動作において、自分がどう動いているかなど重心バランス等の感覚が飛躍的に認識しやすくなることである。さらに、スポーツ等の指導者の側に立った場合、視覚的には分かりにくい重心バランス等の力学的情報や、言語的に表現するのが困難な触覚的情報を共有することが可能となるため、従来よりもはるかに合理的・理論的な運動指導が可能となる。上記のように、これまでは外形的なフォーム等の視覚的情報に頼ることが中心的だったスポーツやリハビリの指導において、重心バランス等の力学的情報を容易に導入できるようになるため、教育の質を格段に高めることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の最良の形態について説明する。しかしながら、かかる実施例が本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１〜図７は、本発明の第一の実施形態を示している。
図１に示すようにモーション足圧フィードバックシステムは靴、サンダル、スリッパなど足で履く履物台座Ａに荷重変化をキャッチしセンシングするための２層たわみ音響スイッチユニットＢと足圧出力制御ユニットＣと体の関節部及び筋肉部分に取り付け刺激を発生させる振動点灯マーカーＤで構成している。

図１は本発明の第一の実施形態による履物台座Ａの上面図である。
履物台座Ａにスポット的に足圧をキャッチするための２層たわみ音響スイッチユニットＢを複数個取り付けたＢＲ１〜ＢＲ９のチャンネルで構成した左右対称の右側上面図を示しており足圧の増減で、電気接点３が接続しＯＮ／ＯＦＦの信号を出力させる構造となっている。

図２は本発明の第一の実施形態による２層たわみ音響スイッチユニットＢの要部側断面図である。
１層目の硬質系たわみ部材１が足圧の増減で中心下方に円錐状にたわむことで２層目のドームスプリング２の中心を押し込み電気接点３に正確に接続することでバネのクリック感とＯＮ／ＯＦＦ信号の出力が同時に行える構造となっている。

振動空間５は足裏に面する直径１４ミリ前後が望ましく、ドームスプリング２の反転復元の衝撃音を増幅して、硬質系たわみ部材１にたたきの刺激を与える。

図３は本発明の第一の実施形態による足圧フィードバックシステムの作用時の要部側断面図であり、足圧で１層目の硬質系たわみ部材１がたわみ、２層目のドームスプリング２の中心を押しこむことでドームスプリング頭頂部の形状が歪むことなく正確に電気接点３と接触し電気信号を接続する。

図３▲２▼は本発明の第一の実施形態による参考図である。図３▲２▼が示すように荷重が直接的にドームスプリング２に働くとドームスプリング２の形状が変形して、電気接点３に接続エラーが生じ易くなる。

硬質系たわみ部材１は０．０７ミリ前後の復元力を有する材料が望ましく、ドームスプリング２は金属製或いは樹脂系の厚み０，０７ミリ前後でドームの高さが０．４５ミリの時が最も真皮細胞の変化する圧力を敏感にキャッチして、電気接点３と容易に接続できることが実験でわかった。

また、足に接する硬質系たわみ部材１の突出高さは０．２ミリ前後が微弱な足圧の変化でもドームスプリング２が反転復元を繰り返し、特に遅筋を使った運動、例えば太極拳などいわゆる踏ん張らない動きの荷重変化をキャッチするのに適している。

硬質系たわみ部材１の突出高さが０の場合、足圧の大きな変化、即ち、速筋を使ったジャンプなどの踏み切る動作の荷重変化をキャッチするのに適している。

電気接点３は必ずしもドームスプリング２の接点と電気接点３が接触して導通する方法とは限らない。例えば、電気接点部を圧力センサに置き換えても同様に電気接続が出来る。

図４は本発明の第一の実施形態による足圧フィードバックシステムの構成図である。
履物台座Ａの各チャンネルが足圧の変化でＯＮ／ＯＦＦ信号を出力して、出力制御ユニットＣに入力され、選択された足圧分布の足圧中心軌跡の信号で振動点灯マーカーＤが振動と点灯を繰り返す。

振動点灯マーカーＤの振動発生装置Ｄ１は携帯電話などに使われている振動モーターなど小型の装置で点灯器具Ｄ２はＬＥＤなどの光を発生させる器具で構成される。

出力制御ユニットＣは関節及び筋肉部を刺激するための振動点灯マーカーＤに足圧情報をフィードバックするために動作の目的に合ったプログラムで選択的に通電を制御する。

図６は本発明の第一の実施形態による足圧フィードバックシステムの足圧分布と姿勢の関係を示した図である。

図６が示すように姿勢Ｘ１の所謂猫背姿勢の通常歩行の場合、足圧分布の足圧中心軌跡の傾向はＸ１が示すように部分的に荷重が固まる傾向にある。

図６に示すように良い姿勢Ｘ２の通常歩行の場合、足圧分布の足圧中心軌跡はつま先からかかとまでスムーズに移動する傾向にある。

前記、足圧分布の足圧中心軌跡の移動傾向を利用して出力制御ユニットＣをＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ８、ＢＲ９、ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ８，ＢＬ９のスイッチをＯＮにして腰部に取り付け振動点灯マーカーＤに接続するとＢＲ１、ＢＲ２、ＢＬ１、ＢＬ２のスイッチを入れる動作になるように指導すると自然と腰が起き、結果としてＸ２の姿勢になる。

この場合、もし、踏み込んだ姿勢で振動点灯マーカーの刺激がなかった場合、所謂猫背などに見られる悪い姿勢で、重心移動にブレーキがかかり、踵からつま先まで重心がスムーズに移動しないことを意味している。

このようにフィードバックした信号と足裏のクリック感が一致することで姿勢と動きの関係を自然に学習し最適フォームに自ら修正することができる。

振動点灯マーカーＤをＯＮ／ＯＦＦさせる場合、有線式でダイレクトに刺激を発生させ、足裏のクリック感と一致することが望ましい。

一方、無線式で振動点灯マーカーＤをＯＮ／ＯＦＦさせる場合、刺激と感覚にズレが生ずる。

この場合、無線で出力した足圧情報を統計的に演算し、移動平均値として定量化した情報をフィードバックすることが望ましい。

振動点灯マーカーＤを腰部に取り付ける理由は、重心位置と腰の角度が関係している。

実験によるとＹ１の悪い姿勢の重心位置はａ付近であるが、Ｙ２の手を合唱したいわゆる祈りの姿勢では腰の角度が上向きになり、重心が前方にシフトする傾向になる。

重心が前方にシフトすると、Ｙ３、Ｙ４の図のように足を上げただけで軽く前に進み、姿勢が真っすぐ美しくなることが多くの被験者で判明した。

この時の足裏のクリック感は踵からつま先まで均等な刺激となって体感出来たことも報告された。

上記の実験結果から、姿勢を改善し、円滑な歩行動作を達成するためには、腰の角度が重要であり、大転子最外点の位置に震動点灯マーカーを取り付け、腰が合唱した時の角度になるように出力制御ユニットＣで足圧軌跡を選択し、姿勢を制御することが有効である。

本発明の第一の実施の形態例における履物の上面図である。 本発明の実施の形態例における２層たわみ音響スイッチユニットの側断面図である。 本発明の第一の実施の形態における２層たわみ音響スイッチユニットの作用時の側断面図である。 本発明の第一の実施の形態例における２層たわみ音響ユニットと出力制御ユニットと震動点灯マーカーの参考図である。 本発明の第一の実施の形態例における２層たわみ音響スイッチユニットとマーカー制御ユニットと震動点灯マーカーの回路図である。 本発明の第一の実施の形態例における身体動作の歩行制御の参考図である。 本発明の第一の実施の形態例における姿勢と重心位置の関係を示した参考図である。

Ａ：履物台座、Ｂ：二層たわみ音響スイッチユニット、Ｃ：出力制御ユニット、ＣＬ１〜ＣＬ９：信号ポイント、ＣＲ１〜ＣＲ９：信号ポイント、Ｄ：振動点灯マーカー、Ｄ１：振動モーター、Ｄ２：点灯器具、Ｐ：制御プログラム、１：硬質系たわみ部材、２：ドームスプリング、３：電気接点、４：導通スペーサー、５：振動共鳴空間、

Claims (2)

1. 足裏と接する面全体に足底圧分布の変化をセンシングするための複数個のドームスプリング方式のスイッチを配置した履物と、前記スイッチからのセンシング信号を入力としその入力に応じてあらかじめ任意に設定した複数のＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する制御ユニットと、前記制御ユニットからの出力信号により光や音、振動等を発生する振動点灯マーカとから成る、足圧フィードバックシステム。
2. 複数個のドームスプリング方式のスイッチを、任意の履物に挿入して使用可能な敷板（インソール）上に配置したことを特徴とする、請求項１に記載の足圧フィードバックシステム。

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