JP2016054890A

JP2016054890A - 接触型センサ

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Publication number: JP2016054890A
Application number: JP2014183081A
Authority: JP
Inventors: 厚太鍋嶌; Kota Nabeshima
Original assignee: Cyberdyne Inc
Current assignee: Cyberdyne Inc
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-09-09
Also published as: JP6435143B2

Abstract

【課題】電極の接続状態を正確に検出できる、信頼性の高い接触型センサを提供する。
【解決手段】接触型センサ１００は、生体に直接的又は間接的に取り付けられ、生体から得られる信号を収集する電極１１０と、電極１１０に固定され、電極１１０の生体への接触の有無を検出するセンサ１３０とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、接触型センサに関する。

従来より、心電計等の生体の電気的計測において、電極外れ検出についてのハードウエア的な誤検出を無くし、その構成の一部をファームウエア化することにより、回路の使用部品を減らし、更に、検出の信頼性を向上した電極外れ検出回路がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１８０７４２号公報

ところで、従来の電極外れ検出回路は、ファームウェアを用いて、１つの入力部に生体から入力される信号から、生体の状態を表す信号と、電極の接続状態を検出する信号とを抽出している。このため、ファームウェアの設定等によっては、電極の接続状態を正確に検出できないおそれがある。

すなわち、従来の電極外れ検出回路は、電極の接続状態を検出する際における信頼性が低下するおそれがある。

そこで、電極の接続状態を正確に検出できる、信頼性の高い接触型センサを提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の接触型センサは、生体に直接的又は間接的に取り付けられ、前記生体から得られる信号を収集する第１電極と、前記第１電極に固定され、前記第１電極の前記生体への接触の有無を検出するセンサとを含む。

電極の接続状態を正確に検出できる、信頼性の高い接触型センサを提供することができる。

実施の形態の接触型センサ１００を示す斜視図である。接触型センサ１００を示す側面図である。接触型センサ１００を示す図である。センサ１３０の具体例を示す図である。センサ１３０の回路構成例を示す図である。接触型センサ１００の装着者への取り付け状態を検出する原理を説明する図である。実施の形態の変形例による接触型センサ１００Ａ、１００Ｂを示す図である。

以下、本発明の接触型センサを適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の接触型センサ１００を示す斜視図である。図２は、接触型センサ１００を示す側面図である。図３は、接触型センサ１００を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面を示す図である。

接触型センサ１００は、例えば、人体の表面に取り付けられ、生体信号を検出するために用いられる。このような生体信号としては、例えば、脳からの信号により筋力を発生させる際に生じる表面筋電位がある。

生体信号（表面筋電位等）は、例えば、骨格筋の筋力低下により歩行が不自由な下肢運動機能障害者、あるいは、歩行運動のリハビリを行う患者等のように自力歩行が困難な人の歩行動作を補助（アシスト）する動作補助装置のアクチュエータの駆動に利用することができる。

動作補助装置の装着者の下肢等の体表面に接触型センサ１００を貼り付けて生体信号（表面筋電位等）を検出し、生体信号（表面筋電位等）に応じて動作補助装置を駆動すれば、装着者の歩行動作等を補助（アシスト）することができる。

このような動作補助装置は、予め入力されたデータに基づいてロボットハンドをコンピュータ制御するように構成された所謂プレイバック型ロボットとは全く異なるものであり、装着型ロボットや外骨格型ロボット、あるいはパワードスーツ等と呼ばれることもある。

動作補助装置の装着者は、自らの意思で歩行動作を行うと、その際に発生した生体信号に応じた駆動トルクがアシスト力として動作補助装置から付与され、例えば、通常歩行で必要とされる筋力の半分の力で歩行することが可能になる。従って、装着者は、自身の筋力とアクチュエータ（本実施例では、電動式の駆動モータを用いる）からの駆動トルクとの合力によって全体重を支えながら歩行することができる。

上述のような接触型センサ１００は、電極１１０、１２０、センサ１３０、ケーブル１４０、１５０、及びカバー１７０を含む。

電極１１０は、第１電極の一例であり、所謂雌型のボタン状の部材である。電極１１０は、基部１１１、凹部１１２、及び孔部１１４を有する。電極１１０の上面は、カバー１７０によって覆われている。

基部１１１は、電極１１０のベース（土台）になる部分であり、例えば、黄銅等の金属で一体的に形成され、接触耐久性や腐食耐久性等の耐久性のためにニッケルや銅でメッキされる。基部１１１は、平面視で（図３（Ａ）参照）円形であり、円板状の部材である。

凹部１１２は、基部１１１の下面１１１Ａから基部１１１の内部に向けて形成される凹状の穴部であり、平面視で基部１１１の中央に位置する。凹部１１２には、電極１２０の凸部１２２が嵌着される。すなわち、電極１２０の凸部１２２が電極１１０の凹部１１２に嵌め込まれることにより、電極１１０と１２０は、所謂雄型のボタン（１２０）と雌型のボタン（１１０）が留められた状態になる。

このため、凹部１１２は、電極１２０の凸部１２２が内部に挿入された状態で、凸部１２２が抜けないように保持できる形状を有するように形成されていればよい。なお、電極１１０と１２０は、凸部１２２が凹部１２２に嵌め込まれた状態で、互いに回動自在である。

孔部１１４は、基部１１１の下面１１１Ａと上面１１１Ｂとの間を貫通するように形成されている。孔部１１４は、平面視では基部１１１の中心からオフセットしており、電極１２０と重複しない部分に形成されている。すなわち、孔部１１４は、電極１１０と１２０を嵌め合わせた状態で、電極１２０の外側面よりも外側に位置する部位に形成されている。

孔部１１４は、内部の下面１１１Ａ側にセンサ１３０を内蔵し、上面１１１Ｂ側からケーブル１５０を引き出すために設けられている。

なお、基部１１１の上面の中央（平面視での基部１１１の上面の中央）には、ケーブル１４０がはんだ付けされている。なお、ケーブル１４０は、基部１１１にかしめられていてもよく、超音波接着によって固定されていてもよく、その他の方法で固定されていてもよい。

電極１２０は、第２電極の一例であり、所謂雄型のボタン状の部材である。電極１２０は、基部１２１及び凸部１２２を有する。

基部１２１は、電極１２０のベース（土台）になる部分であり、例えば、ＡＢＳ樹脂等で一体的に形成され、銀等の導電性の金属でメッキされる。基部１２１は、平面視で（図３（Ａ）参照）円形であり、円板状の部材である。

凸部１２２は、基部１２１の上面１２１Ａから突出するように形成されるニップル状の部分である。凸部１２２は、平面視で基部１２１の中央に位置しており、電極１１０の凹部１１２に嵌め込まれる。

電極１２０は、例えば、基部１２１の下面１２１Ｂに導電性のゲル（gel）を塗布した上で、接着式のテープ等によって人体の表面に貼り付けられる使い捨て式の電極である。電極１１０とは別に電極１２０を設けているのは、例えば、上述のような動作補助装置に接触型センサ１００を用いる場合に、電極１２０を人体に固定的に貼り付けた状態で、電極１２０に電極１１０を嵌め込むことにより、電極１２０に対して電極１１０が回動自在の状態になり、動作補助装置の装着者が歩行等を行う際に、動作を行いやすくするためである。また、装着者の動作に伴って接触型センサ１００にかかる応力を軽減し、接触型センサ１００が装着者の体表面から脱落しにくくするためである。主にこのような理由から、接触型センサ１００は、電極１２０に電極１１０を嵌め込む構成になっている。

このように、電極１２０を介して電極１１０を装着者の体表面に取り付けることにより、電極１１０で生体信号（表面筋電位等）を収集する。電極１１０で収集した生体信号（表面筋電位等）は、ケーブル１４０を介して、動作補助装置の各アクチュエータの動作を制御する制御部に入力される。なお、生体信号（表面筋電位等）は、ケーブル１４０から制御部に入力される前に、ＡＤＣ(Analog to Digital Convertor)でデジタル信号に変換される。

なお、電極１２０は、導電性と粘着性を有するゲルのみで貼りつけてもよい。

センサ１３０は、電極１１０の孔部１１４の内部に設けられており、接触型センサ１００の装着者への取り付け状態を検出するために設けられている。すなわち、センサ１３０は、接触型センサ１００が装着者の体表面に取り付けられているかどうかを検出する。

センサ１３０は、例えば、フォトリフレクタ、超音波センサ等の能動式センサや、赤外線センサ、照度センサ、焦電センサ等の受動式センサである。センサ１３０は、検出用の信号を装着者の体表面に照射等することにより、接触型センサ１００が装着者の体表面に取り付けられているかどうかを検出する。

センサ１３０は、ケーブル１５０の一端に接続されており、ケーブル１５０の他端には、装着者への取り付け状態を監視する装置（監視装置）が接続される。接触型センサ１００が動作補助装置に用いられる場合は、監視装置は、動作補助装置の各アクチュエータの動作を制御する制御部である。

例えば、センサ１３０がフォトリフレクタである場合は、監視装置が監視を行う際にセンサ１３０に赤外線を照射させ、装着者の体表面で反射される赤外線を受光し、センサ１３０が反射された赤外線を検出する。そして、監視装置がセンサ１３０によって検出された赤外線の輝度等に基づいて、接触型センサ１００が装着者の体表面に取り付けられているかどうかを判定すればよい。

なお、センサ１３０の内部で、接触型センサ１００が装着者の体表面に取り付けられているかどうかを判定してもよいし、接触型センサ１００の内部に判定部を設けておいてもよい。また、センサ１３０は、検出用の信号を装着者の体表面に照射等するセンサに限られず、例えば、装着者の体表面から放射される赤外線を検出するセンサであってもよい。この場合には、人体の体表面から放射される赤外線の周波数を予め実験的に求めておき、その周波数の赤外線が検出されるかどうかで、接触型センサ１００が装着者の体表面に取り付けられているかどうかを判定するようにすればよい。

ケーブル１４０は、一端が基部１１１の上面の中央にはんだ付けされ、一端と他端との間がカバー１７０のパイプ部１７１の内部を挿通され、他端（図示せず）が監視装置に接続される。ケーブル１４０は、例えば、銅線によって構成される。なお、ケーブル１４０は、導電体製であればよいため、例えば、アルミニウム製であってもよい。

ケーブル１５０は、一端が電極１１０の上面１１１Ｂ側から孔部１１４に挿入され、センサ１３０に接続される。ケーブル１５０は、銅線によって構成される。なお、ケーブル１５０は、導電体製であればよいため、例えば、アルミニウム製であってもよい。また、センサ１３０への銅線が複数本必要な場合は、ケーブル１５０を複数本用いればよい。

ケーブル１５０は、カバー１７０のパイプ部１７２の内部を挿通され、ケーブル１５０の他端（図示せず）は、監視装置に接続される。ケーブル１５０の一端は、センサ１３０にはんだ付け等によって固定的に接続される。

カバー１７０は、電極１１０の上面を覆うように形成されている。カバー１７０は、例えば、電極１１０の上面に貼り付けられている。カバー１７０は、パイプ部１７１及び１７２を有し、パイプ部１７１及び１７２の内部には、ケーブル１４０及び１５０が挿通されている。カバー１７０は、例えば、樹脂等の絶縁体によって形成される。

次に、図４及び図５を用いて、センサ１３０の具体例と、センサ１３０の回路構成例について説明する。

図４は、センサ１３０の具体例を示す図である。図５は、センサ１３０の回路構成例を示す図である。

図４（Ａ）に示すように、センサ１３０は、例えば、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)１３１とフォトトランジスタ１３２とで構成することができる。監視装置がＬＥＤ１３１を点灯し、装着者の体表面１で反射された光をフォトトランジスタ１３２で検出すればよい。なお、フォトトランジスタ１３２の代わりに、フォトダイオードを用いてもよい。

また、図４（Ｂ）に示すように、センサ１３０は、赤外線を電気信号（電圧又は電流）に変換するフォトトランジスタ又はフォトダイオードであってもよい。この場合は、フォトトランジスタ又はフォトダイオードで、装着者の体表面１から放射される赤外線を検出できるようにフォトトランジスタ又はフォトダイオードで検出する赤外線の周波数を設定しておけばよい。

図４（Ｃ）に示すように、フォトトランジスタ又はフォトダイオードを用いた場合のセンサ１３０の出力は、フォトトランジスタ又はフォトダイオードと、光が照射される対象物との間の距離が焦点距離にある時に最大になり、焦点距離より短い場合と長い場合には出力が低下する。

このため、センサ１３０と電極１２０の基部１２１の下面（図３（Ｂ）参照）との距離が焦点距離になるようにセンサ１３０の位置を決めておけば、接触型センサ１００が装着者の体表面１から剥がれること等によってセンサ１３０と装着者の体表面１との間の距離が変化したことを、より信頼性高く検出することができる。

なお、センサ１３０と電極１２０の基部１２１の下面（図３（Ｂ）参照）との距離を必ずしも焦点距離に設定しておく必要はない。例えば、起動時にセンサ１３０の出力の初期値を取るようにすれば、焦点距離に設定されてなくても距離の変化として検出が可能である。

センサ１３０がＬＥＤ１３１とフォトトランジスタ１３２を有するフォトリフレクタで構成される場合は、例えば、図５（Ａ）に示すように、監視装置１６０ＡのＡＤＣ(Analog to Digital Convertor)１６１Ａと、ＭＣＵ(Micro Computer Unit)１６２とを用いて、フォトトランジスタ１３２の出力をＡＤＣ１６１Ａでデジタル信号に変換し、ＭＣＵ１６２がＡＤＣ１６１Ａの出力に基づいて、センサ１３０と装着者の体表面１との間の距離の変化を検出すればよい。なお、監視装置１６０Ａとセンサ１３０とは、３本のケーブル１５０で接続される。

また、ＡＤＣ１６１Ａの代わりに、図５（Ｂ）に示すように、コンパレータ１６１Ｂを用いてもよい。この場合は、フォトトランジスタ１３２の出力を監視装置１６０Ｂのコンパレータ１６１Ｂで所定の閾値と比較し、ＭＣＵ１６２がコンパレータ１６１Ｂの出力に基づいて、センサ１３０と装着者の体表面１との間の距離の変化を検出すればよい。監視装置１６０Ｂとセンサ１３０とは、３本のケーブル１５０で接続される。

また、センサ１３０が赤外線を電気信号（電圧又は電流）に変換するフォトトランジスタ又はフォトダイオードを有する赤外線センサで構成される場合は、例えば、図５（Ｃ）に示すように、監視装置１６０ＣのＡＤＣ１６１Ｃと、ＭＣＵ１６２とを用いて、赤外線を電気信号（電圧又は電流）に変換するフォトトランジスタ又はフォトダイオードで構成されるセンサ１３０の出力をＡＤＣ１６１Ｃでデジタル信号に変換し、ＭＣＵ１６２がＡＤＣ１６１Ｃの出力に基づいて、センサ１３０と装着者の体表面１との間の距離の変化を検出すればよい。なお、監視装置１６０Ｃとセンサ１３０とは、２本のケーブル１５０で接続される。

また、ＡＤＣ１６１Ｃの代わりに、図５（Ｄ）に示すように、コンパレータ１６１Ｄを用いてもよい。この場合は、赤外線を電気信号（電圧又は電流）に変換するフォトトランジスタ又はフォトダイオードで構成されるセンサ１３０の出力を監視装置１６０Ｄのコンパレータ１６１Ｄで所定の閾値と比較し、ＭＣＵ１６２がコンパレータ１６１Ｄの出力に基づいて、センサ１３０と装着者の体表面１との間の距離の変化を検出すればよい。監視装置１６０Ｄとセンサ１３０とは、２本のケーブル１５０で接続される。

次に、図６を用いて、接触型センサ１００の装着者への取り付け状態を検出する原理について説明する。

図６は、接触型センサ１００の装着者への取り付け状態を検出する原理を説明する図である。説明の便宜上、図６では、接触型センサ１００を簡略化して示す。なお、図６では、カバー１７０を省略する。

図６（Ａ）に示すように、接触型センサ１００は、装着者の体表面１に貼り付けられる。この状態では、例えば、電極１２０が接着式のテープ又はゲル等によって体表面１に貼り付けられている。

このような状態から、例えば、ケーブル１４０又は１５０が引っ張られると、図６（Ｂ）に示すように電極１１０が電極１２０から外れる場合がある。この場合には、センサ１３０と体表面１との間の距離が変化し、センサ１３０の受光量が変化し、センサ１３０の出力が変わるため、接触型センサ１００の電極１１０又は１２０が体表面１から外れたことを監視装置で検知することができる。

また、図６（Ａ）の状態から、例えば、電極１２０を体表面１に貼り付けているテープの接着力が発汗等によって弱くなり、図６（Ｃ）に示すように電極１２０が体表面１から外れる場合がある。この場合には、センサ１３０と体表面１との間の距離が変化し、センサ１３０の受光量が変化し、センサ１３０の出力が変わるため、接触型センサ１００の電極１１０又は１２０が体表面１から外れたことを監視装置で検知することができる。

以上、実施の形態の接触型センサ１００によれば、接触型センサ１００が体表面１から外れたことを高い精度で検出することができる。

接触型センサ１００は、従来のようにファームウェアで信号処理を行う必要がなく、また、ファームウェア又はソフトウェアのエラー等が発生した場合に検出精度が低下するようなことも生じない。信号処理を行う必要がないため、検出に遅れが生じることがなく、素早く検出することができる。また、ファームウェアを用いないため、装置構成が簡易で済む。

従って、実施の形態によれば、簡易な構成で、電極の接続状態を正確に検出できる、信頼性の高い接触型センサ１００を提供することができる。また、接触型センサ１００は、電極１１０又は１２０が体表面１から外れたことをコンピュータによる演算処理等を行うことなく、監視装置で迅速に検知することができる。

特に、上述したような動作補助装置に接触型センサ１００を用いる場合には、装着者の安全性に関わるため、正確で、かつ、迅速な検出が求められる。このような用途において、接触型センサ１００は好適である。接触型センサ１００の電極１１０又は１２０が体表面１から剥がれたことを検知した場合には、動作補助装置の制御部は、アクチュエータの動作を停止すればよい。安全性を確保するためである。

また、以上では、一例として、接触型センサ１００を動作補助装置に用いる形態について説明したが、接触型センサ１００は、例えば、脈拍や心拍データ等を測定するための一般的な医療用のセンサとして用いることができる。

また、以上では、一例として、電極１２０をテープやゲル等で体表面１に貼り付ける形態について説明したが、電極１２０はベルトやバンドを用いて体表面１に取り付けてもよい。また、電極１２０は使い捨て式ではなく、繰り返し利用可能な形態のものであってもよい。

また、以上では、電極１２０を介して電極１１０を体表面１に固定して、表面筋電位としての生体信号を検出する形態について説明したが、電極１２０の代わりに絶縁体製のパッドを用いて、電極１１０で装着者の静電容量の変化を生体信号として検出するように構成してもよい。

また、以上で説明した電極１１０、１２０、及びケーブル１４０の構成は一例であり、体表面１に取り付けることができて、生体信号を検出できるのであれば、電極１１０、１２０、及びケーブル１４０は、どのような構成であってもよい。この場合に、電極１２０を用いずに、電極１１０を体表面１に直接的に取り付けるようにしてもよい。

また、接触型センサ１００の電極１２０は次のように変形することができる。

図７は、実施の形態の変形例による接触型センサ１００Ａ、１００Ｂを示す図である。

図７（Ａ）に示す接触型センサ１００Ａは、図６に示す接触型センサ１００の電極１２０を電極１２０Ａに置き換えたものである。電極１２０Ａは、電極１１０よりも平面視で大きく、電極１２０Ａには、センサ１３０に対応した貫通孔１２３Ａが形成されている。これは、センサ１３０が体表面１から光を受光できるようにするためである。また、電極１１０が電極１２０Ａに対して回転自在に取り付けられる場合には、図７（Ｂ）に示すように、貫通孔１２３Ａは、円環状に設けられていてもよい。ここで、貫通孔１２３Ａの代わりに、センサ１３０が受信する光を透過する透過部を設けてもよい。例えば、センサ１３０が赤外線を受光する場合には、赤外線を透過する透過部を貫通孔１２３Ａの代わりに設けてもよい。

また、センサ１３０は、電極１１０に固定されていればよいため、図７（Ｃ）に示すように、センサ１３０は、電極１１０の外側に固定されていてもよい。電極１１０に固定されていれば、センサ１３０で電極１１０が電極１２０から外れたことと、電極１２０が体表面１から外れたことを検知できるからである。

以上、本発明の例示的な実施の形態の接触型センサについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００、１００Ａ、１００Ｂ接触型センサ
１１０、１２０、１２０Ａ電極
１１１基部
１１２凹部
１１４孔部
１２１基部
１２２凸部
１２３Ａ貫通孔
１３０センサ
１４０、１５０ケーブル
１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄ監視装置
１６１Ａ、１６１ＣＡＤＣ
１６１Ｂ、１６１Ｄコンパレータ
１６２ＭＣＵ
１７０カバー
１７１、１７２パイプ部

Claims

生体の表面に直接的又は間接的に取り付けられ、前記生体から得られる信号を収集する第１電極と、
前記第１電極に固定され、前記第１電極の前記生体への接触の有無を検出するセンサと
を含む、接触型センサ。
前記第１電極は、前記生体の表面に直接的又は間接的に取り付けられる部位に、前記センサが挿入される穴部又は孔部を有し、
前記センサは、前記第１電極の前記穴部又は前記孔部に挿入される、請求項１記載の接触型センサ。
前記生体の表面に直接的に取り付けられる第２電極をさらに含み、
前記第１電極は、前記第２電極を介して間接的に前記生体に取り付けられる、請求項１又は２記載の接触型センサ。
前記第２電極は、前記生体から前記センサが検出する信号を透過させる透過部を有する、請求項３記載の接触型センサ。
前記第１電極は、平面視で、前記第２電極に対して回動自在に取り付けられており、
前記透過部は、前記第２電極に円環状に設けられる、請求項４記載の接触型センサ。
前記第１電極は、平面視で、前記第２電極に対して回動自在に取り付けられており、
前記第２電極は、平面視で、前記第１電極の回転中心と前記センサとの間の距離よりも短い半径を有する円形状の電極である、請求項３記載の接触型センサ。
前記センサは、フォトリフレクタ、赤外線センサ、焦電センサ、又は、超音波センサである、請求項１乃至６のいずれか一項記載の接触型センサ。