JP2020003275A - フォースプレート - Google Patents

Abstract

【課題】プレートに撓みを生じたり、ロードセルの外側領域のプレートに力が作用した場合であっても、正確に力を検出できるようにしたフォースプレートを提供する。【解決手段】上下に設けられた一対の上側プレート１１および下側プレート１２と、これらの上側プレート１１と下側プレート１２の間に設けられ、直交するXYZ軸方向の力およびXY軸方向のモーメントを検出する複数のロードセル２とを備える。そして、前記ロードセル２の上側に設けられたプレートの撓みに基づく前記３軸方向の力を補正部５で補正する。この補正部５で補正を行う際、自分自身のロードセル２の値の他に、他のロードセル２の検出値に所定の係数を掛け合わせて補正値を算出する。また、加速度センサー４を設けて、フォースプレート１の傾斜角度に基づく補正も行うようにする。【選択図】図４

Description

本発明は、人間が歩行や走行する際に生ずる力や重心などを検出できるようにしたフォースプレートに関するものであり、より詳しくは、プレートに撓みを生じた場合であっても、正確に力を検出できるようにしたフォースプレートに関するものである。

人間の歩行や走行の際に生ずる力を検出するフォースプレートは、上下一対の金属製のプレートと、これらのプレートの間に設けられる３軸のロードセルなどによって構成されている（特許文献１参照）。そして、このようなフォースプレートを用いて力を検出する場合、四隅に設けられたロードセルの鉛直方向（Z軸方向）に作用する力や、プレートの平面に沿った方向（X軸方向やY軸方向）の力を検出し、また、その力の重心（COP）などを検出できるようにしている。

ところで、このような従来のフォースプレートで力を検出する場合、上側のプレートが変形しないようにするために（あるいは、変形を微小範囲に抑えるように）、比較的厚めの金属製のプレートを用いるようにしており、また、四隅のロードセルの外側領域に力を作用させないようにするとともに、ロードセルにモーメントを発生させないようにすべく、ロードセルをプレートの四隅ぎりぎりの位置に設けている。

特開２０１0−１１０３８２号公報（第５６段落）

しかしながら、このようなフォースプレートを用いて力を検出する場合、そのプレートが相対的に薄いと、どうしてもプレートに撓みを生じてしまい、力が分散されてしまう。また、このような撓みを生じると、図４に示すように、X軸方向に力がかかっているにもかかわらず、撓みによる傾斜角θによってZ軸方向の分力が発生してしまい、検出に誤差を生じてしまう。また、このようなプレートの撓みだけでなく、ロードセルのひずみゲージに剪断応力が生じると、その変形に伴う誤差を生じてしまう。さらには、撓みによる誤差を少なくするためにロードセルをプレートの中央付近に設けようとすると、そのロードセルの外側領域に足が載ってしまい、最も近いロードセルを支点として遠い側のロードセルに上向きの力が発生して正確な値を検出することができなくなる。

そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、プレートに撓みを生じたり、ロードセルの外側領域のプレートに力が作用した場合であっても、正確に力を検出できるようにしたフォースプレートを提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、上下に設けられた一対のプレートと、当該一対のプレートの間に設けられ、直交する３軸方向の力を検出する複数のロードセルと、前記ロードセルの上側に設けられたプレートの撓みに基づく前記３軸方向の力の補正値を算出する補正部とを備えるようにしたものである。

このように構成すれば、プレートを薄くしたり、プレートの面積を大きくして撓みが発生した場合であっても、その撓みに基づく補正を行うことができ、正確な力を検出することができるようになる。

また、このような発明において、前記ロードセルを、直交する３軸方向の力、および、プレートの平面に沿って直交する２軸のモーメントを検出するようにしたものを用い、また、前記補正部によって、当該ロードセルで検出されたモーメントに基づいて、前記直交する３軸方向の力を補正できるようにする。

このように構成すれば、ロードセルの出力値だけで撓みに基づく補正を行うことができるため、低コストにフォースプレートを仕上げることができるようになる。

さらには、上側のプレート、もしくは、当該上側のプレートのさらに上側に設けられる追加プレートの外側領域での力の作用を許容しうる位置に前記ロードセルを設けるようにする。

このように構成すれば、大きく構成されたプレートの境界付近を踏んでも精度良く力を検出することができ、検出範囲を大きくすることができるようになる。

また、前記ロードセルに加速度センサーを設け、前記補正部によって、当該加速度センサーによる値によって前記３軸方向の力を補正するようにすることもできる。

このように構成すれば、フォースプレートが不安定な場所に設置されて傾斜した場合であっても、加速度センサーの値によって水平面を基準とした値に力の方向を補正することができるようになる。

本発明によれば、上下に設けられた一対のプレートと、当該一対のプレートの間に設けられ、直交する３軸方向の力を検出する複数のロードセルと、前記ロードセルの上側に設けられたプレートの撓みに基づく前記３軸方向の力の補正値を算出する補正部とを備えるようにしたので、プレートを薄くしたり、プレートの面積を大きくして撓みが発生した場合であっても、その撓みに基づく補正を行うことができ、正確な力を検出することができるようになる。

本発明の一実施の形態であるフォースプレートの概略図 同形態におけるフォースプレートの平面概略図 同形態における上側プレートの上に追加プレートを配置した図 同形態におけるフォースプレートが撓んだ状態を示す図 同形態におけるフォースプレートが全体的に傾斜した状態を示す図 同形態におけるフォースプレートの力を検出するフローチャート

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

この実施の形態におけるフォースプレート１は、図１や図２に示すように、上側プレート１１と下側プレート１２と、これらのプレート１１、１２の間に設けられた複数のロードセル２とを設けて構成される。そして、特徴的に、ロードセル２の上側に設けられる上側プレート１１の撓みに基づく補正値を算出する補正部５を設け、この補正部５の値によって、直交するXYZ軸方向の力を補正できるようにしたものである。以下、本実施の形態におけるフォースプレート１の構成について詳細に説明する。なお、本実施の形態においては、水平面に設置された下側プレート１２の平面に沿った方向をX軸、Y軸とし、その平面の法線方向をZ軸として説明する。

まず、フォースプレート１は、長方形状をなす上下一対のプレート１１、１２（図２参照）で構成されるものであって、少なくとも上側に設けられた上側プレート１１については、人間がその上で運動を行なっても下側のプレート（以下、下側プレート１２と称する）に接触しないような剛性や厚みを有するものが用いられる。一方、下側プレート１２については、凹凸を有する不安定な場所などに設置された場合であっても撓みを生じないような比較的剛性の高い素材（ステンレスなど）で構成される。なお、この実施の形態では、プレートとして、長方形状をなすプレートを例に挙げて説明するが、正方形状のものや、三角形状のもの、円形状など、用途に合わせて様々な形状のプレートを用いることができる。

このフォースプレート１の四隅方向に設けられるロードセル２は、XYZ軸方向の荷重を検出するとともに、プレート１１、１２の平面に沿った方向であるXY方向のモーメントを検出できるようにした５軸のロードセル２が用いられる。このようなロードセル２としては、種々のものを用いることができるが、例えば、図示しない起歪体に貼り付けられたひずみゲージの抵抗変化を用いて荷重を検出できるようなものなどが用いられる。このようなロードセル２は、図１に示すように上側プレート１１と下側プレート１２の間に設けられ、本体のフランジ２１を上側プレート１１や下側プレート１２にボルトで取り付けられる。そして、上側プレート１１や下側プレート１２の間に跨って起歪体を取り付け、上側プレート１１の変形に伴って起歪体に取り付けられたひずみゲージを変形させるようにしている。このようなロードセル２の取り付け位置については、プレートの四隅近傍だけでなく、図２に示すような四隅のさらに内側や、図３に示すように、上側プレート１１の上面に追加プレート１３を取り付け、その追加プレート１３の中央側にロードセル２を設けて、境界付近を踏めるようにしても良い。このようにロードセル２を中央側に設ければ、プレート１１、１２、１３の中央部分にロードセル２が近づくため、上側プレート１１などの中央部分に大きな力が作用した場合であっても、大きな撓みを防止できるようなる。

また、この実施の形態では、ロードセル２に加速度センサー３（図１参照）が取り付けられる。このような加速度センサー３を用いる場合、検出された加速度から、図５に示すようなフォースプレート１の傾斜角度を算出することができ、撓みによる傾斜角度だけでなく、不安定な場所に設置されたことによるプレートの傾斜角度などを考慮して検出値を補正することができるようになる。

こうように取り付けられたロードセル２を用いて、人間の動作に伴うXYZ軸方向の力を検出する荷重検出部４（図１参照）の作用について説明する。

まず、人間が上側プレート１１に載って運動する際、すべてのロードセル２のX軸方向の力、Y軸方向の力、Z軸方向の力を検出して加算する。これらの値については、上側プレート１１に撓みが存在しない場合は、人間から作用する力とロードセル２によって検出された力とが一致するため、補正を行う必要がない。しかしながら、上側プレート１１に撓みを生じてしまうと、平面に沿った方向の力に誤差を生じてしまう。具体的には、図４に示すように、撓みを生じている状況で人間がX軸方向に足を蹴り出してPxの力を作用させると、その力Pxが撓んだプレートに沿ってロードセル２側に伝達される。このとき、ロードセル２では、プレートの撓みによる角度θに沿った方向に力Pxが作用することになるため、Z軸方向の荷重としてPx sinθの力が上向きに作用し、また、X軸方向の荷重として、Px cosθが作用することになる。また、このような上側プレート１１の撓みによる誤差だけでなく、起歪体に取り付けられたひずみゲージが剪断変形してしまうため、ロードセル２自身において誤差を生じてしまう。そこで、この実施の形態では、上側プレート１１に生じた撓みやひずみゲージに剪断変形を生じた場合であっても、誤差を補正できるような補正部５を設けるようにしている。

この補正部５では、自分自身のロードセル２を含む全てのロードセル２で検出されたXYZ軸の力やXY軸方向のモーメントによって撓みなどによる影響が生じたものと仮定し、すべてのロードセル２で検出された力Fｘ、Fｙ、Fｚ、Mｘ、Mｙに所定の係数を掛け合わせて補正後の力を算出できるようにしている。
具体的には、まず、ひずみゲージの出力である電圧を増幅させて補正前の３軸方向の力（Fx0、Fy0、Fz0）や２軸方向のモーメン(Mx0、My0）を出力する。そして、これらの値に補正行列Cを掛け合わせて補正後の３軸方向の力（Fx、Fy、Fz）や２軸方向のモーメン(Mx、My）を算出する。この補正行列Cは、自分自身を含むすべてのロードセル２で検出された力やモーメントから影響を受けるであろう係数によって構成されるものであり、XYZ軸方向の力やXY軸方向のモーメントごとに、自分自身を含めた３軸方向の力と２軸方向のモーメントの５つ係数（合計５行５列の２５個の係数）で構成されている。これらの各係数は、上側プレート１１などの慣性モーメントなどを含むものであり、これらを成分とする係数を補正前の力に掛け合わせることにより、下式を用いて補正後の力が算出される。

また、必要に応じて、これらの補正値は、加速度センサー３を用いた補正が行われる。この加速度センサー３で補正を行う場合としては、例えば、振動を生ずるような場所で力を計測するような場合や、乗り物に載った場所で力を計測するような場合などが考えられる。このような加速度センサー３を用いて補正を行う場合、それぞれのロードセル２のXYZ軸方向の加速度を各軸毎に加算し、フォースプレート１の傾斜方向を算出する。そして、その傾斜方向と水平方向の角度差に基づいて、水平面を基準としたXYZ軸方向に力を補正する。

次に、このように構成されたフォースプレート１によって人間の動作に伴う力を検出する方法について、図６を用いて説明する。

フォースプレート１を用いて人間の運動に伴う力を計測するに際して、まず、フォースプレート１を水平な床面に設置する。このとき、それぞれのロードセル２には、上側プレート１１の重みによる荷重のほか、さらにその上に設けられた追加プレート１３の荷重、また、これらの重みに伴うモーメントがかかることになるが、初期状態では、これらの値をゼロにプリセットする（ステップS1）。

そして、その状態で人間に上側プレート１１の上に載ってもらい、運動に伴うXYZ軸方向の力を検出するとともに、XY軸方向のモーメントも検出する（ステップS2）。

次に、このように検出された５つの値に対して、上記数１を用いて補正行列Cを積算し、上側プレート１１の撓みやひずみゲージの剪断変形に伴う補正後の荷重やモーメントを求める（ステップS3）。

また、加速度センサー３を設けている場合は、各ロードセル２に設けられた加速度センサー３のXYZ軸方向の加速度をそれぞれ加算し、フォースプレート１の傾斜角度を算出する（ステップS4）。

そして、この算出された傾斜角度と初期の水平面の角度の差からフォースプレート１のXYZ軸方向の傾斜角度を修正し、この角度に基づいて前記算出された補正後の力を算出する（ステップS5）。

このように上記実施の形態によれば、上側プレート１１および下側プレート１２と、当該一対のプレート１１、１２の間に設けられ、直交する３軸方向の力を検出する複数のロードセル２と、前記ロードセル２の上側に設けられた上側プレート１１の撓みに基づく前記３軸方向の力の補正値を算出する補正部５とを備えるようにしたので、上側プレート１１を薄くしたり、上側プレート１１や追加プレート１３の面積を大きくして撓みを生じやすくした場合であっても、その撓みに基づく補正を行うことができ、正確な力を検出することができるようになる。

また、前記ロードセル２を、直交する３軸方向の力、および、プレートの平面に沿って直交する２軸のモーメントを検出するようにしたものを用い、また、前記補正部５で、当該ロードセル２で検出されたモーメントに基づいて、前記直交する３軸方向の力を補正できるようにしたので、ロードセル２の出力値だけで撓みに基づく補正を行うことができ、低コストにフォースプレート１を仕上げることができるようになる。

さらには、前記ロードセル２を、上側プレート１１もしくは当該上側プレート１１のさらに上側に設けられる追加プレート１３における当該ロードセル２の外側領域での力の作用を許容しうる位置に設けるようにしたので、大きく構成された上側プレート１１や追加プレート１３の境界付近を踏んだ場合であって精度良く力を検出することができ、検出範囲を大きくすることができるようになる。

また、前記ロードセル２に加速度センサー３を設け、前記補正部５によって、当該加速度センサー３による値によって前記３軸方向の力を補正するようにしたので、フォースプレート１が不安定な場所に設置されて傾斜した場合であっても、加速度センサー３の値によって水平面を基準とした値に力の方向を補正することができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、上側プレート１１や追加プレート１３の撓みなどに基づく補正を行う場合、モーメントを用いて補正を行うようにしたが、下側プレート１２と上側プレート１１の間にそれぞれの距離を計測するセンサー（光学センサーなど）を設けておき、このセンサーの出力に基づいて撓みを検出できるようにしてもよい。このとき、例えば、センサーを中央部分に設けた場合、その出力値である中央部分の上下寸法とロードセル２が設けられている部分における上下寸法の差から上側プレート１１の傾斜角度を算出し、これによって力を補正するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、XYZ軸方向の力を補正する場合、XY軸方向のモーメントを用いて補正を行うようにしたが、Z軸方向のモーメントも用いて補正を行うようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態では、加速度センサー３をロードセル２の内部に設けるようにしたが、ロードセル２の近傍に設けるようにしてもよく、あるいは、フォースプレート１の中央部分に設けてフォースプレート１の傾斜角度を算出できるようにしてもよい。

１・・・フォースプレート
１１・・・上側プレート
１２・・・下側プレート
１３・・・追加プレート
２・・・ロードセル
２１・・・フランジ
３・・・加速度センサー
４・・・荷重検出部
５・・・補正部

Claims (4)

1. 上下に設けられた一対のプレートと、
   当該一対のプレートの間に設けられ、直交する３軸方向の力を検出する複数のロードセルと、
   前記ロードセルの上側に設けられたプレートの撓みに基づく前記３軸方向の力の補正値を算出する補正部と、
   を備えるようにしたことを特徴とするフォースプレート。
2. 前記ロードセルが、直交する３軸方向の力、および、プレートの平面に沿って直交する２軸のモーメントを検出するようにしたものであり、
   前記補正部が、当該ロードセルで検出されたモーメントに基づいて、前記直交する３軸方向の力を補正するようにしたものである請求項１に記載のフォースプレート。
3. 前記ロードセルが、上側のプレートもしくは当該上側のプレートのさらに上側に設けられるプレートにおける当該ロードセルの外側領域での力の作用を許容しうる位置に設けられたものである請求項１に記載のフォースプレート。
4. 前記ロードセルに加速度センサーを設け、
   前記補正部によって、当該加速度センサーによる値によって前記３軸方向の力を補正するようにした請求項１に記載のフォースプレート。

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