JP2015202160A

JP2015202160A - 踏力計測装置

Info

Publication number: JP2015202160A
Application number: JP2014082184A
Authority: JP
Inventors: 喜仁小沢; Yoshihito Ozawa; 義宏吉田; Yoshihiro Yoshida
Original assignee: Fukushima University NUC
Current assignee: Fukushima University NUC
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2015-11-16

Abstract

【課題】歩行者の足裏による歩行面への圧力だけでなく、歩行面に平行な方向の力の掛かり具合を計測することができ、さらにその力の分布も計測できる踏力計測装置を提供する。
【解決手段】本発明の踏力計測装置１は、上端面が同一平面上に位置するように複数箇所に立設され、当該上端面に歩行者の足裏が載る棒体２と、この棒体２に生じたひずみを計測するひずみセンサ３と、このひずみセンサ３によって計測されたひずみから、前記棒体２に与えられた圧縮荷重および曲げ荷重を算出する演算装置４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、踏力計測装置、より詳細には、歩行中の人の足裏が靴底等に与える力を計測するための踏力計測装置に関する。

特許文献１には、従来の踏力計測装置（特許文献１では「足圧等の分布測定装置」と称される）が開示されている。この特許文献１記載の足圧等の分布測定装置は、アクリル板によって形成された受圧部と、この受圧部の平面上の縦横に並ぶように多数配置された受圧棒体と、この受圧棒体の下端に回転自在に設けられた鋼球とを備えている。この鋼球の下方には、上面に反射塗料が塗布されたエポキシラバ板が敷かれている。このエポキシラバ板の下方には、二層のアクリル板と、このアクリル板の間に挟まれた偏光板とが設けられている。

歩行中の人の足裏が受圧棒体の上端面に載ると、鋼球に押圧されたエポキシラバ板とアクリル板と偏光板との作用によって、アクリル板には足圧の分布が縞状に現われる。これによって、この足圧等の分布測定装置は、歩行中の歩行者の足圧分布を測定して、踏力の解析をしようとするものである。

特開平５−１１５４６０号公報

ところで、この特許文献１記載の足圧等の分布測定装置は、歩行者の足裏が載る地面（歩行面）上の圧力（つまり、Ｚ方向の力の大きさ）の分布を測定するものに過ぎない。すなわち、この特許文献１記載の足圧等の分布測定装置では、歩行面において、当該歩行面に平行な方向（Ｘ方向およびＹ方向）の力の掛かり具合を計測することはできず、踏力の解析としては不十分であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、歩行者の足裏による歩行面への圧力だけでなく、歩行面に平行な方向の力の掛かり具合を計測することができ、さらにその力の分布も計測できる踏力計測装置を提供することにある。

本発明の踏力計測装置は、それらの上端面が同一平面上に位置するように基台に立設され、当該上端面に歩行者の足裏が載せられる複数の棒体と、歩行者の足裏が与える力によって前記棒体に生じたひずみを計測するひずみセンサと、このひずみセンサによって計測されたひずみから、歩行者の足裏により前記棒体に与えられた圧縮荷重および曲げ荷重を算出する演算装置とを備えていることを特徴とする。

またこの踏力計測装置において、前記棒体が断面円形の丸棒であることが好ましい。

またこの踏力計測装置において、前記ひずみセンサは、前記棒体の外周面に取り付けられた少なくとも３つ以上のひずみゲージであり、このひずみゲージは、前記棒体の直径線上の２点と、当該２点の間の１点とに取り付けられており、各ひずみゲージは、前記棒体の上端面との間の距離が一定の寸法となるよう配置されることが好ましい。

またこの踏力計測装置において、前記直径線は、歩行者の進行方向に平行であることが好ましい。

またこの踏力計測装置において、前記演算装置によって算出された算出結果を出力する出力装置をさらに備えていることが好ましい。

本発明の踏力計測装置によれば、各棒体について、圧縮荷重の計測によって歩行面に掛かるＺ方向の力が測定でき、曲げ荷重の計測によって歩行面に掛かる当該歩行面に平行な方向（Ｘ方向およびＹ方向）の力が測定できる。これにより、足裏が歩行面に与える力について、３方向の力が計測できる上に、力の分布も計測することができる。

この結果、本発明の踏力計測装置によれば、歩行者の足裏による歩行面への圧力だけでなく、歩行面に平行な方向の力の掛かり具合を計測することができ、さらにその力の分布も計測することができる。

本実施形態の踏力計測装置の斜視図である。本実施形態の踏力計測装置の分解斜視図である。本実施形態の踏力計測装置の棒体の拡大図であり、（ａ）は斜視図であり（ｂ）は平面図である。本実施形態の踏力計測装置の出力装置から出力された一例のグラフである。本実施形態の踏力計測装置の使用状態の斜視図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面に基づいて説明する。

本実施形態の踏力計測装置１は、歩行中の人（歩行者）の足裏が地面等（以下、歩行面）に与える３方向の力（Fx,Fy,Fz）および、その力の分布を測定できるものである。これによって、足裏が靴底に与える力や、歩行者の足裏が受ける歩行面からの反力等の解析ができる。この解析結果は、例えば、各個人の歩行態様に合わせた靴の形状設計等に利用することができ、医療やスポーツ等広く利用することができる。

以下においては、歩行者の進行方向を前後方向（第１の方向）として定義し、進行方向に直角な水平方向を左右方向（第２の方向）として定義する。

踏力計測装置１は、図１に示すように、計測体１１と、演算装置４と、出力装置５とを備えている。計測体１１は、基台１２と、基台１２に立設された棒体２と、この棒体２に生じたひずみを計測するひずみセンサ３とを備えている。

基台１２は、複数の棒体２を支持する。基台１２は、棒体２が固定される支持部１３と、この支持部１３を支える脚部１６とを備えている。支持部１３は、複数の帯状金属板１４によって構成されている。

帯状金属板１４は、幅方向に複数並べられて脚部１６に取り付けられる。複数の帯状金属板１４の上面同士は、面一となっており、これにより、支持部１３の上面は水平面となっている。帯状金属板１４は、長手方向の両端に取付孔（図示せず）が設けられており、この取付孔に通された固着具を介して脚部１６に固定されている。

帯状金属板１４には、図２に示すように、棒体２を取り付けるための複数の貫通孔１５が設けられる。貫通孔１５は帯状金属板１４を上下に貫通する。貫通孔１５は、帯状金属板１４の長さ方向に平行な方向に並んで設けられている。

なお、貫通孔１５間のピッチＰは、例えば２０ｍｍに形成されるが、これに限定されない。また、帯状金属板１４が脚部１６に取り付けられた状態において、帯状金属板１４の幅方向に平行な方向の貫通孔１５間のピッチＰは、例えば２０ｍｍに形成される。

脚部１６は、矩形枠状に形成されており、床や地面等の設置面に載置される。脚部の上面には帯状金属板１４が取り付けられる。脚部１６は、支持部１３の上面を水平に保持させる。基台１２は、例えば、ステンレスやアルミ合金等の金属によって構成される。支持部１３と脚部１６とは、固着具を介して連結されているが、一体に成形されてもよい。

棒体２は、支持部１３の上面から立ち上がるようにして取り付けられる。棒体２は、上下方向に長さを有する断面円形の丸棒によって構成されている。棒体２の材質は、例えば、アルミ合金などの金属や、ＭＣナイロン（登録商標）等の樹脂が用いられる。なお、本実施形態の丸棒は、ＭＣナイロンにより構成される。

棒体２は、本体部２１と、この本体部２１の下端から下方に延出したねじ部２２とを備えている。ねじ部２２の外径は、本体部２１の外径（本実施形態においては、１０ｍｍ）よりも短く形成されている。また、ねじ部２２の外径は、貫通孔１５の内径よりも小さく形成されており、本体部２１の外径は、貫通孔１５の内径よりも長く形成される。

棒体２は、ねじ部２２を貫通孔１５に上方から挿入し、この状態で支持部１３の下方からナットをねじ込むことで、帯状金属板１４に固定される。棒体２が取り付けられた帯状金属板１４は、脚部１６に固定される。これにより棒体２は、支持部１３上に立設される。

なお、棒体２の基台１２への固定方法は、ねじ部２２とナットとを用いたものでなくてもよい。例えば、基台１２の貫通孔１５に雌ねじを設け、ねじ部２２をこの雌ねじにねじ込むことで固定してもよいし、基台１２に一体成形によって棒体２を形成してもよい。

本体部２１の長さは、すべての棒体２において、一定の長さＬ（本実施形態では、１００ｍｍ）となるように形成される。これにより、支持部１３上に棒体２が固定されると、棒体２の上端面は同一平面上に位置する。この棒体２の上端面は、歩行者の足裏が載せられる踏み面となる。

ひずみセンサ３は、棒体２の上端に歩行者が載ることで棒体２に生じたひずみを計測する。このひずみセンサ３は、図１に示すように、演算装置４に電気的に接続されている。ひずみセンサ３は、棒体２に生じたひずみを計測すると、その信号を演算装置４に出力する。

ひずみセンサ３は、図３に示すように、複数のひずみゲージ３１によって構成される。ひずみゲージ３１は、少なくとも３つ設けられる（本実施形態では、計３つ設けられている）。ひずみゲージ３１は、棒体２に生じた微小変化を電気信号として検出するものである。ひずみゲージ３１は、棒体２の外周面に取り付けられている。具体的には、図３（ｂ）に示すように、棒体２の直径線上の２点（直径線と外周との交点）と、この２点の間の１点とに貼着されている。また、ひずみゲージ３１と棒体２の上端面との間の距離ｘは、すべてのひずみゲージ３１において同一の寸法となるように配置される。

棒体２の外周面に取り付けられたひずみゲージ３１は、棒体２の直径線上の２点と、この２点の間の１点の計３点に貼着されるが、棒体２の直径線上の２点は、前後方向に並ぶように（つまり、歩行者の進行方向に平行に）取り付けられることが好ましい。また、この間の１点は、前後方向の直径線に直交する直径線（左右方向の直径線）と外周面との交点のうちの１点に設けられることが好ましい。これによって、棒体２に与えられた圧縮荷重および曲げ荷重を、より精度よく算出することができる。

以下、必要に応じて、丸棒の前側に貼着されたひずみゲージ３１を第１のひずみゲージ３２とし、丸棒の後ろ側に貼着されたひずみゲージ３１を第２のひずみゲージ３３とし、第１のひずみゲージ３２と第２のひずみゲージ３３との間に設けられたひずみゲージ３１を第３のひずみゲージ３４として区別する。

ひずみゲージ３１は、演算装置４に電気的に接続されている。ひずみゲージ３１は、ひずみを検出すると、これに応じた電気信号を演算装置４に出力する。

演算装置４は、ひずみゲージ３１から電気信号が入力されると、その電気信号からひずみを検出し、これに基づいて各棒体２に与えられた圧縮荷重と曲げ荷重とを算出する。本実施形態の演算装置４は、次の数式に基づいて、圧縮荷重と曲げ荷重とを算出する。

図３に示すように、第１のひずみゲージ３２によって検出されたひずみをε₁，第２のひずみゲージ３３によって検出されたひずみをε₂，第３のひずみゲージ３４によって検出されたひずみをε₃とし、ひずみゲージ３１と棒体２の上端面との間の寸法をｘ，棒体２の半径をｒ，棒体２の縦弾性係数をＥとすると、曲げ荷重Ｗ_ｍ（曲げ荷重Ｗ_ｍ１とＷ_ｍ２との合力）および圧縮荷重Ｗ_ｐは、以下のようにして求められる。

ε₁とε₂は、圧縮によるひずみε_pと、前後方向（Ｘ方向とする）の曲げ荷重Ｗ_m1が掛かることで生じる曲げによるひずみε_m1とを用いて表すと、次のようになる。

これよりε_p,ε_m1を求めると、つぎのようになる。

次に、（式３）（式４）で求めたε_p,ε_m1から、圧縮荷重Ｗ_ｐと前後方向の曲げ荷重Ｗ_m1とを求めると、

となる。

また、ε_３は、圧縮によるひずみε_pと、左右方向（Ｙ方向とする）の曲げ荷重Ｗ_m2によるひずみε_m2とを用いて表すと、

となり、これと（式３）とから、

が求められる。よって、左右方向の曲げ荷重Ｗ_m2は、

となり、従って、曲げ荷重Ｗ_mは次のように求められる。

このように演算装置４は、ひずみセンサ３によって計測されたひずみから棒体２に与えられた圧縮荷重および曲げ荷重を算出することができる。圧縮荷重は、歩行者の足裏が棒体２に与える鉛直方向（Ｚ方向）の力を表す。また、曲げ荷重Ｗ_ｍ１，Ｗ_ｍ２は、それぞれ、歩行者の足裏が棒体２に与える水平方向（Ｘ方向およびＹ方向）の力を表し、つまり、歩行面に平行な方向（歩行面の面方向）の力を表す。これによって、本実施形態の踏力計測装置１によれば、歩行面の３方向の力を測定することができる。また、踏力計測装置１は、この棒体２に掛かる圧縮荷重と曲げ荷重とを、棒体ごとに算出することで、歩行面の３方向の力の分布を測定することができる。演算装置４は、棒体２ごとに算出した圧縮荷重と曲げ荷重のデータを出力装置５に出力する。

出力装置５は、演算装置４によって算出された算出結果を外部に出力する。出力装置５は、例えば、モニターやプリンターによって構成される。出力の態様は、数値を表にして出力してもよいし、グラフにして出力してもよく、特に限定されない。

出力装置５は、例えば、図４のようにして、圧縮荷重と曲げ荷重とを出力する。この出力態様は、各棒体２の支持部１３上の位置座標と対応するようにして、ベクトル表示を行うものである。これにより、圧縮荷重および曲げ荷重の絶対値と、曲げ荷重の力の方向と、力の分布とを一見して把握することができる。

このような構成の踏力計測装置１は、例えば、図５に示すような測定用設備６に設置して使用される。この測定用設備６は、歩行者が歩行する歩行路６２を備えている。歩行路６２の上面は、歩行面であり、歩行者の足裏が接地する。この歩行路には、凹部６１が設けられている。

凹部６１は、歩行面から凹没している。凹部６１には、本実施形態の踏力計測装置１が設置される。踏力計測装置１は、棒体２の上端面が歩行面と略同一平面上に位置するように配置される。

歩行者は、歩行路を進行し凹部６１に差し掛かったら、棒体２の上端面を踏むようにする。これによって、歩行者の通常の歩行状態の踏力を計測することができる。なお、本実施形態の踏力計測装置１は、歩く場合だけでなく走る場合の踏力も計測することができる。従って、本実施形態にいう「歩行者」は、走行する者も含むものとする。

以上、説明したように、本実施形態の踏力計測装置１は、棒体２と、ひずみセンサ３と、演算装置４とを備えている。棒体２は、それぞれの上端面が同一平面上に位置するように基台１２に立設されている。棒体２の上端面には歩行者の足裏が載せられる。ひずみセンサ３は、歩行者の足裏により与えられた力によって棒体２に生じたひずみを計測する。演算装置４は、このひずみセンサ３によって計測されたひずみから、棒体２に与えられた圧縮荷重および曲げ荷重を算出する。

このため、本実施形態の踏力計測装置１によれば、各棒体２について、圧縮荷重の計測によって歩行面に掛かるＺ方向の力が測定でき、曲げ荷重の計測によって歩行面に平行な方向（Ｘ方向およびＹ方向）の力が測定できる。これにより、足裏が歩行面に与える力について、３方向の力が計測できる上に、力の分布も計測することができる。

また、本実施形態の棒体２は、断面円形の丸棒である。

このため、本実施形態の踏力計測装置１によれば、曲げ荷重の大きさと方向の算出を容易に行うことができる。

また、本実施形態のひずみセンサ３は、棒体２の外周面に取り付けられた少なくとも３つ以上のひずみゲージ３１である。このひずみゲージ３１は、棒体２の直径線上の２点と、当該２点の間の１点とに取り付けられており、各ひずみゲージ３１は、前記棒体２の上端面との間の距離が一定の寸法となるよう配置される。

このため、本実施形態の踏力計測装置１は、簡単な演算によって、圧縮荷重と曲げ荷重とを算出することができる。このため、本実施形態の踏力計測装置１によれば、演算装置４として、処理能力が高いものを用いなくてもよい。

また、本実施形態の上述の直径線は、歩行者の進行方向に平行である。

このため、本実施形態の踏力計測装置１によれば、より精度よく圧縮荷重と曲げ荷重とを算出することができる。

また、本実施形態の踏力計測装置１は、演算装置４によって算出された算出結果を出力する出力装置５をさらに備えている。

このため、本実施形態の踏力計測装置１によれば、歩行者の足裏が歩行面に対して与える３分力やその反力を見やすく表示できる。

また、本実施形態の棒体２は、ＭＣナイロンによって構成されている。ＭＣナイロンは、機械的強度に優れている一方、金属等に比べて縦弾性係数が小さい。このため、本実施形態の棒体２は、歩行者が棒体２の上端面に載った際に、ひずみが生じやすい。この結果、より精度よく、歩行面の３分力の計測を行うことができる。

なお、本実施形態の踏力計測装置１は、出力装置５を備えていたが、本発明において出力装置５は必ずしも必要ではない。例えば、踏力計測装置１は、演算装置によって算出された圧縮荷重および曲げ荷重の電子データを、ＣＳＶ形式のデータに変換して通信手段により、ユーザー等に送信してもよい。

１踏力計測装置
１１計測体
１２基台
１３支持部
１４取付部
１５貫通孔
１６脚部
２棒体
２１本体部
２２ねじ部
３ひずみセンサ
３１ひずみゲージ
３２第１のひずみゲージ
３３第２のひずみゲージ
３４第３のひずみゲージ
４演算装置
５出力装置
６測定用設備
６１凹部

Claims

それらの上端面が同一平面上に位置するように基台に立設され、当該上端面に歩行者の足裏が載せられる複数の棒体と、
歩行者の足裏が与える力によって前記棒体に生じたひずみを計測するひずみセンサと、
このひずみセンサによって計測されたひずみから、歩行者の足裏により前記棒体に与えられた圧縮荷重および曲げ荷重を算出する演算装置と
を備えている
ことを特徴とする踏力計測装置。
前記棒体が断面円形の丸棒である
ことを特徴とする請求項１記載の踏力計測装置。
前記ひずみセンサは、前記棒体の外周面に取り付けられた少なくとも３つ以上のひずみゲージであり、
このひずみゲージは、前記棒体の直径線上の２点と、当該２点の間の１点とに取り付けられており、
各ひずみゲージは、前記棒体の上端面との間の距離が一定の寸法となるよう配置される
ことを特徴とする請求項２記載の踏力計測装置。
前記直径線は、歩行者の進行方向に平行である
ことを特徴とする請求項３記載の踏力計測装置。
前記演算装置によって算出された算出結果を出力する出力装置をさらに備えている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の踏力計測装置。