JP2015217202A - 3次元形状作製方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態にかかる3次元形状作製方法は、圧力分布測定工程と、変形量算出工程と、3次元形状作製工程と、を有する。
hh(x,y):(x,y)位置にある被験者の身体の変形量
kh:被験者の体表面のばね定数
s:接触圧センサの接触面積
p(x,y):(x,y)位置における圧力
3次元形状作製工程では、変形量算出工程で算出された前記被験者の身体の対象部位の変形量に基づいて3次元形状を作製する。3次元形状の作製は特に限定されるものではなく、例えば3次元プリンタやCNC加工機等により作製することが可能である。
本実施形態にかかる発明では、圧力分布測定工程で得られた圧力分布データを画像として表示し、その画像に対してスムージングの処理を行うスムージング処理工程を有する。
本実施形態では、被験者と台座との間には弾性力を有する緩衝材が配置されており、この状態にて被験者の身体の対象部位表面の3次元形状を作製する。
hm(x,y):(x,y)位置にある緩衝材の変形量
km:緩衝材のばね定数
s:接触圧センサの接触面積
p(x,y):(x,y)位置における圧力
3次元形状作製工程では、下記式(3)に示すように、変形量算出工程で算出された被験者の身体の対象部位の変形量と緩衝材の変形量との和に基づいて3次元形状を作製する。
これは、z=0を基準面として負の方向に凹んだ面の(x,y)座標の節点p(x,y)=(x,y,h(x,y))を表している。本実施形態にかかる発明によれば、被験者と台座との間に緩衝材が配置されており、被験者が緩衝材で保護された状態にて、身体の対象部位表面の3次元形状を作製できる。
上述の実施形態1〜3では、変形量算出工程においてばね定数を用いた。しかしながら、人体は部位毎の体組織の厚さが相違し、部位毎に体組織の内部組織構成が異なる上、そもそも人体はばねと異なり非線形の係数を有している。そこで、力-変位の特性を精密に計測し、非線形な係数を用いることも可能である。
被験者の仰臥位における背中の圧力分布を測定した。マットレスを敷いた台座としての介護用ベッドに、被験者は仰臥位をとった。被験者の背中の下に、接触圧センサを引いた。接触圧センサとしては、XSENSOR社X3PROシートセンサを用いた。このシートセンサは、1/2インチ(=12.7mm)間隔に縦横それぞれ36列づつ、計1296個の計測点を持つものであった。シートセンサは、人間の左右方向に横方向、身長方向に縦方向を合わせ、それぞれ、X軸,Y軸とした。座標系はユークリッド座標、右手系を使用した。
接触圧センサでの計測は点における計測であるため、連続ではなく、離散的である。そのため、得られた離散的な高さをそのまま線形に接続すると、計測点で尖った形状になる。これでは、圧分散の役を果たせない虞もある。そこで、空間周波数を落とす平滑化処理を行った。具体的には、縦横ともに1/2ピッチの線形補間を行い、3×3のガウシアンフィルタをかけた。
人体の弾性組織及びマットレスのばね定数は線形時不変と仮定し、それぞれの単位面積当たりのばね定数をkh,km,(x,y)位置にある点の圧力をp(x,y),センサの面積をsとした。
マットレスの変形量hm(x,y)は下記式(2)で示された。
作製するべき曲面高さh(x,y)は下記式(3)で示された。
kh,kmは、下記に示す簡易計測で実験的に得た224[N/m]を用いた。
(a)質量:m=0.10[kg],底面積:S=1.61×10-4[m2]の錘を用意した。底面積は、使用した面状圧力センサのセンササイズ(12.7mm×12.7mm)に合わせた。
(b)測定部位と同じ弾力性を持つ部位として、前腕の内側を使用した。
(c)前腕に上記の錘を置き、沈んだ長さを計測した。沈んだ長さδd=4.4×10-3[m]であった。
(d)この時の皮膚のばね定数kh=mg/δd=224[N/m]であった。なお、gは重力加速度で9.8[m/s2]である。同様に、同じ錘を実験で使用するマットレスに置き、沈み量を計測すると、δd=4.4×10-3[m]であったので、kh=kmとした。
CNC加工機により3次元曲面を作製した。具体的には3次元加工機としてOneCNC社製,OneCNC XR5を用いて、ポリアセタール樹脂(0.3[m]×0.3[m]×0.05[m])に加工を行った。
(a)スムージングした圧力値から節点p(x,y)を算出した。
(b)3次元点列から3次元CADが読める形式にするために、節点p(x,y)及び隣接2点,p(x+0.0127,y),p(x,y+0.0127)からなる3角形を作り面を構成し、これにより点列から面に変換した。
(c)構成した面を3次元CADが読める形式、即ちSTL形式に変換し、入力した。
(d)3次元CAD(OneCNC 社製,OneCNC XR5)を用いてスプライン曲線による補完を行い滑らかな曲面を作製した。
作製した3次元曲面の体圧分散効果を調べた。具体的には下記3種類で体圧分布を計測した。
(i)被験者と介護用ベッドとの間にマットレスを配置した場合のマットレス面
(ii)被験者と介護用ベッドとの間に直方体形状の非加工樹脂を配置した場合の樹脂非加工面
(iii)被験者と介護用ベッドとの間に3次元曲面を加工した樹脂を配置した場合の樹脂加工面
上記の(i)(ii)(iii)における体圧分布図を図1に示す。(i)のマットレスは表面が柔らかいため、腰のあたりまで接触していた。一方、(ii)の非加工面では、肩甲骨のみが接触し高い圧力が発生していることがわかった。(iii)の加工面では、背中全体が当たり均一に圧力が発生していることが分かった。その一方で(i)と異なり腰のあたりに圧力が発生していないが、これは、樹脂加工面が腰まで届いていないからと考えられた。
Claims (4)
- 台座上に水平位にて位置する被験者の身体の対象部位表面の圧力分布を接触圧センサで測定する圧力分布測定工程と、
前記圧力分布測定工程で測定された前記被験者の対象部位表面にかかる圧力と、前記接触圧センサの接触面積と、前記被験者の体表面のばね定数の逆数と、を乗じることにより、前記被験者の身体の対象部位の変形量を算出する変形量算出工程と、
前記変形量算出工程で算出された前記被験者の身体の対象部位の変形量に基づいて3次元形状を作製する3次元形状作製工程と、を有することを特徴とする被験者の身体の対象部位表面の3次元形状作製方法。 - 前記圧力分布測定工程で得られた圧力分布データを画像として表示し、その画像に対してスムージングの処理を行うスムージング処理工程を有することを特徴とする請求項1に記載の被験者の身体の対象部位表面の3次元形状作製方法。
- 前記被験者と前記台座との間には弾性力を有する緩衝材が配置されており、
前記圧力分布測定工程では、前記被験者の身体の対象部位表面の圧力分布と、前記緩衝材の圧力分布とを接触圧センサで測定し、
前記変形量算出工程では、
前記被験者の身体の対象部位の変形量を算出すると共に、前記圧力分布測定工程で測定された前記緩衝材にかかる圧力と、前記接触圧センサの接触面積と、前記緩衝材のばね定数の逆数と、を乗じることにより、前記緩衝材の変形量を算出し、
前記3次元形状作製工程では、前記変形量算出工程で算出された前記被験者の身体の対象部位の変形量と前記緩衝材の変形量との和に基づいて3次元形状を作製することを特徴とする請求項1又は2に記載の被験者の身体の対象部位表面の3次元形状作製方法。 - 台座上に位置する前記被験者の身体の姿勢は仰臥位であり、
前記対象部位は前記被験者の背面であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の被験者の身体の対象部位表面の3次元形状作製方法。
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