JP2022134578A

JP2022134578A - ３軸荷重計測システム、３軸荷重計測方法、及びプログラム

Info

Publication number: JP2022134578A
Application number: JP2021033788A
Authority: JP
Inventors: 啓補岸; Keisuke Kishi; 光一小幡; Koichi Obata
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2022-09-15

Abstract

【課題】荷重センサの取り付けに求められる加工精度を抑えることで製造コストを抑えることが可能な３軸荷重計測システム、３軸荷重計測方法、及びプログラムを提供する。【解決手段】対象物の荷重がかかる荷重部と、前記荷重部にかかる荷重により自身にかかる荷重の荷重値を計測する少なくとも３個の１軸荷重センサと、変換行列を用いて、前記１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値から前記荷重部にかかる荷重の荷重値を算出する算出部と、を備え、前記１軸荷重センサの各々は、前記荷重部と接触する面が他の１軸荷重センサとは異なる方向を向いて前記荷重部と接触するように設けられ、前記変換行列は、前記１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値を前記荷重部にかかる荷重の３軸方向の荷重値に変換する行列である、３軸荷重計測システム。【選択図】図８

Description

本発明は、３軸荷重計測システム、３軸荷重計測方法、及びプログラムに関する。

従来、人間の挙動を検知するヒューマンセンシングの分野において、各種センサを用いたセンシングが行われている。例えば、ベッド上における臥位や座席における座位、立位といった人間の状態に関する情報の取得において、荷重センサが用いられる場合がある。荷重センサには、例えば、１軸のみの荷重値を取得する１軸荷重センサ、３軸の荷重値を取得する３軸荷重センサ、３軸の荷重値と各軸周りのモーメントを取得する６軸荷重センサ等がある。

一般的に、取得する情報量（軸数）が多くなるほど荷重センサの価格は高くなる。また、例えば体重計等に利用されている１軸荷重センサの起歪体に比べ、３軸荷重センサや６軸荷重センサの起歪体は複雑な形状である。そのため、軸数が多い荷重センサを用いた製品ほど製造コストが高くなり得る。また、荷重の計測対象の大きさによっては、同種の荷重センサが複数必要となる場合があり、この場合も製造コストが高くなり得る。
このように、軸数が多い荷重センサを用いた製品ほど、製造コストが高くなる。そのため、軸数が多く価格が高い荷重センサを用いた製品（技術）を一般に普及させることは困難である。
そこで、軸数が少ない荷重センサを複数組み合わせることで、軸数が多い荷重センサと同様の機能を実現する取り組みがなされている。

例えば、下記特許文献１には、複数の１軸荷重センサを組み合わせることで、３軸の荷重値を取得する技術が開示されている。即ち、当該技術では、複数の１軸荷重センサを組み合わせて３軸荷重センサと同様の機能を実現している。

また、下記特許文献２には、複数の３軸荷重センサを組み合わせることで、３軸の荷重値及び各軸周りのモーメントの計６軸の情報を取得する技術が開示されている。即ち、当該技術では、複数の３軸荷重センサを組み合わせて６軸荷重センサと同様の機能を実現している。

このように、軸数が少なく価格が安い荷重センサを複数組み合わせて用いることで、製造コストを抑えつつ、軸数が多い荷重センサと同様の機能を実現することが可能である。

特開２０１３－１１６５４６号公報特開２０２０－８５８１０号公報

しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、荷重センサの方向が既知であることが前提となっている。例えば、荷重センサが取り付けられている角度が既知である必要がある。荷重センサが配置される角度は予め設定される角度である。設定された角度と、荷重センサが実際に取り付けられた角度に誤差があると、３軸の荷重値の算出に誤差が生じ得る。そのため、荷重センサは、設定された角度で正確に取り付けられる必要があり、荷重センサの取り付けに高い加工精度が求められる。求められる加工精度が高くなるほど荷重センサの取り付けに必要な工数が増えるため、製造コストが高くなってしまう。

上述の課題を鑑み、本発明の目的は、荷重センサの取り付けに求められる加工精度を抑えることで製造コストを抑えることが可能な３軸荷重計測システム、３軸荷重計測方法、及びプログラムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明の一態様に係る３軸荷重計測システムは、対象物の荷重がかかる荷重部と、前記荷重部にかかる荷重により自身にかかる荷重の荷重値を計測する少なくとも３個の１軸荷重センサと、変換行列を用いて、前記１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値から前記荷重部にかかる荷重の荷重値を算出する算出部と、を備え、前記１軸荷重センサの各々は、前記荷重部と接触する面が他の１軸荷重センサとは異なる方向を向いて前記荷重部と接触するように設けられ、前記変換行列は、前記１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値を前記荷重部にかかる荷重の３軸方向の荷重値に変換する行列である。

本発明の一態様に係る、３軸荷重計測方法は、算出部が、変換行列を用いて、対象物の荷重がかかる荷重部にかかる荷重により自身にかかる荷重の荷重値を計測する少なくとも３個の１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値から前記荷重部にかかる荷重の荷重値を算出する過程、を含み、前記１軸荷重センサの各々は、前記荷重部と接触する面が他の１軸荷重センサとは異なる方向を向いて前記荷重部と接触するように設けられ、前記変換行列は、前記１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値を前記荷重部にかかる荷重の３軸方向の荷重値に変換する行列である。

本発明の一態様に係るプログラムは、コンピュータを、変換行列を用いて、対象物の荷重がかかる荷重部にかかる荷重により自身にかかる荷重の荷重値を計測する少なくとも３個の１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値から前記荷重部にかかる荷重の荷重値を算出する算出手段、として機能させ、前記１軸荷重センサの各々は、前記荷重部と接触する面が他の１軸荷重センサとは異なる方向を向いて前記荷重部と接触するように設けられ、前記変換行列は、前記１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値を前記荷重部にかかる荷重の３軸方向の荷重値に変換する行列である。

本発明によれば、荷重センサの取り付けに求められる加工精度を抑えることで製造コストを抑えることができる。

本実施形態に係る３軸荷重計測システムの装置構成の一例を示す図である。本実施形態に係る荷重部１０の装置構成の一例を示す図である。本実施形態に係る基盤部２０の装置構成の一例を示す図である。本実施形態に係る１軸荷重センサの計測値の一例を示す図である。本実施形態に係る１軸荷重センサと配置の一例を示す図である。本実施形態に係る１軸荷重センサと配置の一例を示す図である。本実施形態に係る１軸荷重センサと配置の一例を示す図である。本実施形態に係る３軸荷重計測システムの機能構成の一例を示す図である。本実施形態に係るデータセットの取得方法の一例を示す図である。本実施形態に係る３軸荷重計測システムにおけるデータセット取得処理の流れの一例を示すフローチャートである。本実施形態に係る３軸荷重計測システムにおける荷重算出処理の流れの一例を示すフローチャートである。本実施形態に係る変形例における３軸荷重計測システムの装置構成の一例を示す図である。本実施形態に係る変形例における３軸荷重計測システムの装置構成の一例を示す図である。本実施形態に係る３軸荷重計測システムの具体例の一例を示す図である。本実施形態に係る３軸荷重計測システムの適用例の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。なお、図面には、必要に応じて相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。各軸において、矢印が延びる方向を「正方向」、正方向と逆の方向を「負方向」と称する。

＜１．３軸荷重計測システムの装置構成＞
図１から図７を参照して、本実施形態に係る３軸荷重計測システムの装置構成について説明する。図１は、本実施形態に係る３軸荷重計測システムの装置構成の一例を示す図である。図１に示すように、３軸荷重計測システム１は、例えば蓋部１０及び身部２０を備える箱型の装置である。

（１）蓋部１０
蓋部１０は、対象物の荷重がかかる部（以下、「荷重部１０」とも称される）である。例えば、３軸荷重計測システム１は、面１１に対して対象物が接するように使用される。そのため、面１１は、対象物の荷重Ｆがかかる面（以下、「荷重面１１」とも称される）である。

ここで、図２を参照して、荷重部１０の装置構成について説明する。図２は、本実施形態に係る荷重部１０の装置構成の一例を示す図である。図２には、図１に示した荷重部１０における荷重面１１の反対側にある面１２（Ｚ軸の負方向から見た面）が示されている。面１２は、身部２０に設けられる１軸荷重センサと接触する面（以下、「接触面１２」とも称される）である。

図２に示すように、接触面１２には、接触板１３、接触板１４、接触板１５が設けられる。接触板１３～１５は、身部２０に設けられる１軸荷重センサと接触する板である。接触板１３～１５の各々は、蓋部１０と身部２０とが嵌合された際に、身部２０に設けられる１軸荷重センサと接触するように設けられる。例えば、接触板１３～１５の各々は、各々が接触させられる１軸荷重センサと対応する位置に設けられる。又、接触面１２において接触板１３～１５が配置される各々の位置は傾斜を有し、当該傾斜は、身部２０において１軸荷重センサが設けられる位置の傾斜に合わせて設定される。

蓋部１０が上述の構成であることにより、荷重部１０の面１１に対して荷重がかけられると、接触板１３～１５の各々と接触している１軸荷重センサの各々に対して、面１１にかけられた荷重に対応する荷重がかかる。

蓋部１０には、身部２０に設けられる１軸荷重センサと同じ数だけ、接触板が設けられる。本実施形態の身部２０には、少なくとも３個の１軸荷重センサが設けられる。よって、本実施形態の蓋部１０には、少なくとも３個の接触板が設けられる。
なお、蓋部１０に設けられる接触版の数は、少なくとも３個以上かつ身部２０に設けられる１軸荷重センサの数と同数であれば、その数は特に限定されない。

（２）身部２０
身部２０は、各種部品が設けられる基盤を有する部（以下、「基盤部２０」とも称される）である。

ここで、図３を参照して、基盤部２０の装置構成について説明する。図３は、本実施形態に係る基盤部２０の装置構成の一例を示す図である。図３には、図１に示した基盤部２０をＺ軸の正方向から見た面２１が示されている。面２１は、身部２０において各種部品が設けられる面（以下、「基盤面２１」とも称される）である。
図３に示すように、基盤面２１には、制御装置２２、１軸荷重センサ２３、１軸荷重センサ２４、及び１軸荷重センサ２５が設けられる。制御装置２２と１軸荷重センサ２３～２５の各々は、有線通信又は無線通信によって通信可能に接続されている。

制御装置２２は、３軸荷重計測システム１の動作全般を制御する装置である。制御装置２２は、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）にプログラムを実行させることによって実現される。

１軸荷重センサ２３～２５は、１軸の荷重値を計測するセンサ装置である。１軸荷重センサ２３～２５は、荷重部１０にかかる荷重により自身にかかる荷重の荷重値を計測する。１軸荷重センサ２３～２５の各々は、計測した荷重値を制御装置２２へ送信する。

１軸荷重センサ２３～２５の各々は、荷重部１０と接触する面が他の１軸荷重センサとは異なる方向を向いて荷重部１０と接触するように設けられる。
例えば、１軸荷重センサ２３～２５の各々は、基盤面２１に対して、互いに異なる傾斜で設けられる。具体的に、基盤面２１において１軸荷重センサ２３～２５の各々が配置される位置の面に傾斜を持たせ、それぞれの面に１軸荷重センサが配置される。
なお、１軸荷重センサが設けられる位置の傾斜の度合（角度）の大きさは、各１軸荷重センサが互いに異なる方向を向く角度であれば特に限定されない。例えば、１軸荷重センサ２３～２５が互いに異なる方向を向いていれば、それぞれの１軸荷重センサが設けられている面と基準面とのなす角度の大きさはそれぞれ同じであってもよい。

以下、本実施形態では、図３に示すように、３軸荷重計測システム１が３個の１軸荷重センサを備える例について説明するが、軸荷重計測システム１が備える１軸荷重センサの数は、少なくとも３個以上であれば、その数は特に限定されない。

ここで、図４を参照して、１軸荷重センサの計測値について説明する。図４は、本実施形態に係る１軸荷重センサと荷重の関係の一例を示す図である。以下、１軸荷重センサの荷重を検出する検出面に対して垂直である主軸方向の成分を主軸成分Ｎとする。また、１軸荷重センサが計測する荷重の荷重値は、計測値Ｌとする。
図４には、一例として、１軸荷重センサ２３の計測値の一例が示されている。対象物の荷重Ｆが荷重部１０にかかったことに伴い、図４に示すように１軸荷重センサ２３の荷重を検出する検出面２３１に対して、傾斜θ_１を有する荷重Ｆ_１がかかったとする。１軸荷重センサの計測値は、検出面に対して垂直である主軸方向の成分である主軸成分Ｎに反応する。即ち、１軸荷重センサ２３の計測値は、主軸成分Ｎ_１に反応する。
よって、検出面２３１に荷重Ｆ_１がかかった際に１軸荷重センサ２３が計測する計測値Ｌ_１は、以下の（１）式に示すように、主軸方向と荷重方向の内積で表される。なお、以下の（１）式におけるｋは、単位変換係数である。単位変換係数ｋは、１軸荷重センサ２３が計測した電流値（Ａ）を力の大きさ（Ｎ）に変換するための係数である。

なお、１軸荷重センサ２４の計測値Ｌ_２及び１軸荷重センサ２５の計測値Ｌ_３も同様にして、上記の（１）式のように表される。

ここで、図５から図７を参照して、基盤部２０における１軸荷重センサ２３～２５の配置について説明する。図５～図７は、本実施形態に係る１軸荷重センサの配置の一例を示す図である。

図５は、３個の１軸荷重センサ２３～２５の配置の全体像を示す図である。図５に示すように、１軸荷重センサ２３～２５は、それぞれ傾斜を有するように設けられる。この時、各１軸荷重センサは、各１軸荷重センサの主軸方向ベクトル（Ｎ_１～Ｎ_３）が同一平面上に存在しないように配置される。

図６は、図５におけるＸ軸の正方向から見た１軸荷重センサ２３の配置を示す図である。図６には、一例として、１軸荷重センサ２３における傾斜の一例が示されている。図６に示すように、例えば、１軸荷重センサ２３は、傾斜角度θ_１１を有するように基盤面２１に配置される。１軸荷重センサ２４及び１軸荷重センサ２５の場合も同様に、それぞれ傾斜角度θ_１２（不図示）、傾斜角度θ_１３（不図示）を有するように配置される。なお、傾斜角度θ_１１～θ_１３は、任意の角度でよく、所定の角度を意図的に設定する必要はない。

図７は、図５におけるＸ軸の正方向から見た１軸荷重センサ２３～２５の配置の全体像を示す図である。図７に示すように、１軸荷重センサ２３～２５は、それぞれ傾斜（傾斜角度θ_１１～θ_１３）を有するように設けられる。この時、各１軸荷重センサは、各１軸荷重センサの主軸方向ベクトル（Ｎ_１～Ｎ_３）が同一平面上に存在しないように配置される。また、図７に示すように各１軸荷重センサは、１軸荷重センサ２３と１軸荷重センサ２４との間の角度がθ_２１、１軸荷重センサ２４と１軸荷重センサ２５との間の角度がθ_２２、１軸荷重センサ２５と１軸荷重センサ２３との間の角度がθ_２３となるように配置される。なお、角度θ_２１～θ_２３は、任意の角度でよく、所定の角度を意図的に設定する必要はない。

ここで、１軸荷重センサをｎ個（ｎ≧３）用いる場合、上述した（１）式は、以下の（２）式で表される。なお、（２）式において、Ｌ_ｎは１軸荷重センサｎの計測値、ｋ_ｎは１軸荷重センサｎの変換係数、Ｎ_ｎは１軸荷重センサｎの主軸ベクトルを示す。

また、主軸ベクトルＮ_ｎは、以下の（３）式のように行列Ｍで表される。

上述した（３）式のように主軸ベクトルＮ_ｎを行列Ｍで表すことにより、３軸荷重計測システム１にかかる荷重Ｆと１軸荷重センサの計測値Ｌの関係は、行列Ｍと荷重ベクトルＦの積によって以下の（４）式で表される。

なお、本実施形態のように３個の１軸荷重センサを用いる場合、上述した（３）式と（４）式は、それぞれ以下の（５）式と（６）式のように表すことができる。

上述した（４）式より、３軸荷重計測システム１にかかる荷重Ｆは、１軸荷重センサの計測値Ｌと行列Ｍの逆行列Ｍ^－１とにより算出可能である。従来のように、（４）式を用い荷重Ｆを算出する場合、各１軸荷重センサの主軸成分Ｎの取得が必要となる。しかしながら、主軸成分Ｎを取得するためには、１軸荷重センサが取り付けられた角度が既知の情報として必要となる。この場合、特許文献１や特許文献２の技術のように、各１軸荷重センサが予め設定された角度にて高精度に取り付けられる必要があり、製造コストの増加に影響してしまう。

そこで、本実施形態では、１軸荷重センサが取り付けられた角度を既知の情報として用いることなく、３軸荷重計測システム１にかかる荷重Ｆの荷重値を算出することを可能とする。
例えば、３軸荷重計測システム１は、本実施形態では、荷重値が既知である荷重Ｆを荷重部１０にかけた際に、各１軸荷重センサによって計測される計測値Ｌ（荷重値）と、既知の荷重Ｆの荷重値とのデータセットを予め取得しておく。
３軸荷重計測システム１は、荷重値が未知である荷重Ｆが３軸荷重計測システム１にかけられた際に各１軸荷重センサが計測する荷重値に近い荷重値を含むデータセットを用いて、上述した（４）式より逆行列Ｍ^－１を推定する。
そして、３軸荷重計測システム１は、推定した逆行列Ｍ^－１と各１軸荷重センサが計測した計測値Ｌを用いて、（４）式より荷重Ｆの荷重値を算出する。（４）式では、逆行列Ｍ^－１によって、各１軸荷重センサが計測した計測値Ｌが３軸荷重計測システム１にかかる荷重Ｆに変換される。即ち、逆行列Ｍ^－１は、計測値Ｌを荷重Ｆに変換する行列（以下、「変換行列」とも称される）である。

このように、本実施形態に係る３軸荷重計測システム１は、各１軸荷重センサの計測値を変換行列によってキャリブレーションすることで、１軸荷重センサが取り付けられた角度を既知の情報として用いることなく、３軸荷重計測システム１にかかる荷重Ｆの荷重値を算出する。

＜２．３軸荷重計測システムの機能構成＞
以上、本実施形態に係る３軸荷重計測システム１の装置構成について説明した。
続いて、図８から図１１を参照して、本実施形態に係る３軸荷重計測システム１の機能構成について説明する。図８は、本実施形態に係る３軸荷重計測システム１の機能構成の一例を示す図である。図８に示すように、３軸荷重計測システム１は、通信部１１０、データ取得部１２０、推定部１３０、算出部１４０、出力処理部１５０、及び記憶部１６０を備える。通信部１１０、データ取得部１２０、推定部１３０、算出部１４０、出力処理部１５０、及び記憶部１６０の機能は、例えば、３軸荷重計測システム１がハードウェアとして備える制御装置２２によって実現される。

（１）通信部１１０
通信部１１０は、各種情報の送受信を行う機能を有する。例えば、通信部１１０は、有線通信又は無線通信によって３軸荷重計測システム１に接続される外部装置と通信を行い、各種情報の送受信を行う。

（２）データ取得部１２０
データ取得部１２０は、各種情報を取得する機能を有する。例えば、データ取得部１２０は、変換行列の推定に用いられるデータセットを取得する。データ取得部１２０は、取得したデータセットを記憶部１６０に書き込んで記憶させる。
なお、データ取得部１２０は、データセットとして取得する既知の荷重の荷重値を、変換行列の推定における真値として取得する。

データセットの取得方法の一例として、既知の荷重ベクトルを３軸荷重計測システム１の各１軸荷重センサに加える方法と、適当な荷重を３軸荷重センサと３軸荷重計測システム１の各１軸荷重センサに加える方法がある。

まず、既知の荷重ベクトルを３軸荷重計測システム１の各１軸荷重センサに加える方法について説明する。
当該方法では、例えば、３軸荷重計測システム１をアングルバイス等の固定装置に固定した上で、３軸荷重計測システム１に対してフォースゲージ等の圧縮試験機（外部装置の一例）で既知の荷重を与える。アングルバイスは、角度を指定して姿勢を保持する器具である。また、圧縮試験機は、鉛直方向に与えられた数値で荷重を掛けることを可能とする実験機器である。

当該方法の場合、データ取得部１２０は、圧縮試験機によって与えられる既知の荷重の荷重値を真値として取得する。データ取得部１２０は、例えば、通信部１１０を介した通信によって、圧縮試験機や、ユーザによって既知の荷重の荷重値が入力されたユーザ端末等から既知の荷重の荷重値を取得する。そして、データ取得部１２０は、取得した既知の荷重の荷重値と、１軸荷重センサ２３～２５の各々が計測した計測値を１組のデータセットとして取得し、記憶部１６０に書き込んで記憶させる。

ユーザは、データ取得部１２０が１組のデータセットを取得するごとに、アングルバイスの水平角度及び垂直角度を変化させ、それぞれの角度において圧縮試験機によって３軸荷重計測システム１に荷重を掛ける。この時、圧縮試験機によってかけられる荷重の荷重値も変化させてよい。これにより、データ取得部１２０は、複数のデータセットを大量に取得することができる。データ取得部１２０によって取得されるデータセットの数が多いほど、後述する推定部１３０による推定の精度を向上することができる。

続いて、図９を参照して、適当な荷重を３軸荷重センサと３軸荷重計測システム１の各１軸荷重センサに加える方法について説明する。図９は、本実施形態に係るデータセットの取得方法の一例を示す図である。

図９に示すように、例えば、３軸荷重計測システム１の荷重部１０の荷重面１１に対して、３軸荷重センサ３０を固定して設ける。この状態で３軸荷重センサ３０に対して荷重を加えると、３軸荷重センサ３０と３軸荷重計測システム１の荷重部１０に対して同じ力がかかる。荷重部１０にかかった荷重は、基盤部２０の１軸荷重センサ２３～２５の各々にもかかる。
３軸荷重センサ３０は、ケーブル４０によって、基盤部２０の制御装置２２と接続されている。３軸荷重センサ３０が計測した計測値は、ケーブル４０を介して制御装置２２へ送信される。これにより、データ取得部１２０は、３軸荷重センサ３０が計測した計測値を取得することができる。

当該方法の場合、データ取得部１２０は、３軸荷重センサが計測する計測値を荷重の荷重値の真値として取得する。そして、データ取得部１２０は、３軸荷重センサが計測した荷重の荷重値と、１軸荷重センサ２３～２５の各々が計測した計測値を１組のデータセットとして取得し、記憶部１６０に書き込んで記憶させる。

ユーザは、データ取得部１２０が１組のデータセットを取得するごとに、３軸荷重センサ３０に加える荷重の方向と大きさを変化させる。これにより、データ取得部１２０は、複数のデータセットを大量に取得することができる。データ取得部１２０によって取得されるデータセットの数が多いほど、後述する推定部１３０による推定の精度を向上することができる。

なお、当該方法において、３軸荷重センサ３０は、あくまでデータセットを取得するために一時的に３軸荷重計測システム１に設けられ、データセットの取得後には３軸荷重計測システム１から取り外される。他の３軸荷重計測システム１のデータセットを取得する際には、同一の３軸荷重センサ３０を使い回してよい。また、３軸荷重計測システム１は、３軸荷重センサ３０が取り付けられたまま製品として出荷されるものではない。よって、本実施形態では、３軸荷重計測システム１の製造において、３軸荷重センサ３０はデータセットの取得に最低限必要な台数だけ用意されればよいため、３軸荷重センサ３０の用意にかかるコストを抑えることができる。

データセットを取得するためのいずれの方法においても、３軸荷重計測システム１に力を加える作業を機械によって自動化することが可能である。例えば、ロボットアームを用いることで、後述する推定部１３０における変換行列の推定方法に適した、十分にランダムなデータセットを取得することが可能である。

また、３軸荷重計測システム１は、実運用において、実際の利用状況により近い状況にて取得されたデータセットを用いてキャリブレーションを行うことで、キャリブレーションの精度即ち荷重の算出の精度をより高めることができる。そのため、データセットの取得は、３軸荷重計測システム１の実際の利用状況を想定した状況にて取得されることが望ましい。

また、データ取得部１２０は、荷重部１０にかけられた荷重の算出に用いられる、１軸荷重センサ２３～２５の各々が計測した計測値を取得する。
データ取得部１２０は、取得した計測値を記憶部１６０に書き込んで記憶させる。

（３）推定部１３０
推定部１３０は、変換行列を推定する機能を有する。変換行列は、１軸荷重センサ２３～２５の各々によって計測された荷重値の計測値Ｌを、荷重部１０にかかる荷重の３軸方向の荷重値に変換する行列である。

例えば、推定部１３０は、データ取得部１２０によって取得された計測値に基づき、当該計測値により近い値を含むデータセットを記憶部１６０から取得する。推定部１３０は、記憶部１６０から取得したデータセットを用いて、変換行列を推定する。推定後、推定部１３０は、推定した変換行列を算出部１４０へ出力する。なお、推定部１３０は、推定した変換行列を、推定に用いたデータセットに対応付けて、記憶部１６０に書き込んで記憶させてもよい。

具体的に推定部１３０は、取得したデータセットに含まれる、荷重部１０にかけられた荷重の荷重値の真値と、当該荷重が荷重部１０にかけられた際に１軸荷重センサ２３～２５の各々によって計測された荷重値を用いて、変換行列を推定する。
既知の荷重ベクトルを３軸荷重計測システム１の各１軸荷重センサに加える方法によって取得されたデータセットを用いる場合、推定部１３０は、荷重部１０に荷重をかける外部装置に設定された荷重値を真値として用いる。また、適当な荷重を３軸荷重センサと３軸荷重計測システム１の各１軸荷重センサに加える方法によって取得されたデータセットを用いる場合、推定部１３０は、真値を取得する際にのみ荷重部１０に設けられる３軸荷重センサ３０が検出した荷重値を真値として用いる。

推定部１３０は、例えば、ＲＡＮＳＡＣ（ＲａｎｄｏｍＳａｍｐｌｅＣｏｎｓｅｎｓｕｓ）やＬＭｅｄＳ等のロバスト推定や機械学習といった統計的手法によって、変換行列を推定する。

（４）算出部１４０
算出部１４０は、荷重部１０にかかる荷重の荷重値を算出する機能を有する。例えば、算出部１４０は、変換行列を用いて、荷重部１０にかかる荷重の荷重値を算出する。具体的に、算出部１４０は、推定部１３０が推定した変換行列（逆行列Ｍ^－１）と、１軸荷重センサ２３～２５の各々によって計測された荷重値（計測値Ｌ）を用いて、上述した（４）式より、荷重部１０にかかる荷重Ｆの荷重値を算出する。

（５）出力処理部１５０
出力処理部１５０は、各種情報の出力を行う機能を有する。例えば、出力処理部１５０は、１軸荷重センサ２３～２５によって計測された計測値や、算出部１４０によって算出された荷重部１０にかかる荷重Ｆの荷重値を、３軸荷重計測システム１に接続された外部装置（例えばサーバ装置等）へ送信する。

（６）記憶部１６０
記憶部１６０は、各種情報を記憶する機能を有する。記憶部１６０は、例えば、データ取得部１２０によって取得されたデータセットを記憶する。また、記憶部１６０は、推定部１３０によって推定された変換行列をデータセットに対応付けて記憶してもよい。

記憶部１６０は、記憶媒体、例えば、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓｒｅａｄ／ｗｒｉｔｅＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、またはこれらの記憶媒体の任意の組み合わせによって構成される。

＜３．処理の流れ＞
本実施形態に係る３軸荷重計測システム１の機能構成について説明した。
続いて、図１０及び図１１を参照して、本実施形態に係る３軸荷重計測システム１における処理の流れについて説明する。

（１）データセット取得処理
図１０を参照して、本実施形態に係るデータセット取得処理について説明する。図１０は、本実施形態に係る３軸荷重計測システムにおけるデータセット取得処理の流れの一例を示すフローチャートである。

図１０に示すように、まず、３軸荷重計測システム１のデータ取得部１２０は、データセットの取得のために荷重部１０にかけられた荷重Ｆの荷重値を、真値として取得する（ステップＳ１０１）。
次いで、データ取得部１２０は、当該荷重Ｆが荷重部１０にかけられた際に１軸荷重センサ２３～２５の各々が計測した計測値を取得する（ステップＳ１０２）。
そして、データ取得部１２０は、取得した真値と計測値を１組のデータセットとして、記憶部１６０に書き込んで記憶させる（ステップＳ１０３）。

なお、データ取得部１２０は、複数のデータセットを取得する場合には、ステップＳ１０１からステップＳ１０３の処理を複数回繰り返し行ってもよい。

（２）荷重算出処理
図１１を参照して、本実施形態に係る荷重算出処理について説明する。図１１は、本実施形態に係る３軸荷重計測システムにおける荷重算出処理の流れの一例を示すフローチャートである。

図１１に示すように、まず、３軸荷重計測システム１のデータ取得部１２０は、荷重値の算出対象である荷重が荷重部１０にかけられた際に１軸荷重センサ２３～２５の各々が計測した計測値を取得する（ステップＳ２０１）。

次いで、３軸荷重計測システム１の推定部１３０は、データ取得部１２０が取得した計測値により近い値を含むデータセットを記憶部１６０から取得する（ステップＳ２０２）。
次いで、３軸荷重計測システム１の推定部１３０は、記憶部１６０から取得したデータセットを用いて、変換行列を推定する（ステップＳ２０３）。

そして、３軸荷重計測システム１の算出部１４０は、データ取得部１２０によって取得された計測値と、推定部１３０によって推定された変換行列を用いて、荷重部１０にかけられた荷重の荷重値を算出する（ステップＳ２０４）。

以上説明したように、本実施形態に係る３軸荷重計測システム１は、荷重部１０と、少なくとも３個の１軸荷重センサ２３～２５と、算出部１４０とを備える。
荷重部１０は、対象物の荷重がかかる部である。
少なくとも３個の１軸荷重センサ２３～２５は、荷重部１０にかかる荷重により自身にかかる荷重の荷重値を計測する。なお、１軸荷重センサ２３～２５の各々は、荷重部１０と接触する面が他の１軸荷重センサとは異なる方向を向いて荷重部１０と接触するように設けられる。
算出部１４０は、変換行列を用いて、１軸荷重センサ２３～２５の各々によって計測された荷重値から荷重部１０にかかる荷重の荷重値を算出する。なお、変換行列は、１軸荷重センサ２３～２５の各々によって計測された荷重値を荷重部１０にかかる荷重の３軸方向の荷重値に変換する行列である。

かかる構成により、本実施形態に係る３軸荷重計測システム１は、１軸荷重センサが取り付けられた角度を既知の情報として用いることなく、３軸荷重計測システム１にかかる荷重Ｆの荷重値を算出することができる。そのため、本実施形態では、１軸荷重センサ２３～２５は、基盤部２０に対して設定された角度で正確に取り付けられる必要がない。これにより、１軸荷重センサの取り付けに高い加工精度が求められないため、従来のように１軸荷重センサの取り付けに高い加工精度が求められる場合と比較して、荷重センサの取り付けに必要な工数を抑えることができる。

よって、本実施形態に係る３軸荷重計測システム１は、荷重センサの取り付けに求められる加工精度を抑えることで製造コストを抑えることを可能とする。

＜４．変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明した。
続いて、本発明の実施形態の変形例について説明する。なお、以下に説明する各変形例は、単独で本発明の実施形態に適用されてもよいし、組み合わせで本発明の実施形態に適用されてもよい。また、各変形例は、本発明の実施形態で説明した構成に代えて適用されてもよいし、本発明の実施形態で説明した構成に対して追加的に適用されてもよい。

上述の実施形態では、３軸荷重計測システム１に必要な３個の１軸荷重センサが、全て１つの基盤部２０に対して設けられる例について説明したが、かかる例に限定されない。例えば、１つの１軸荷重センサのみが設けられた基盤部２０と当該基盤部２０に対応する荷重部１０のセットを少なくとも３つ用意することで、上述した実施形態における３軸荷重計測システム１と同様の機能を実現してもよい。

例えば、対象物の大きさが図１に示した３軸荷重計測システム１の筐体よりも大きく、当該３軸荷重計測システム１を１つのみ用いた計測が困難である場合に、本変形例は有効である。この場合、１つの１軸荷重センサのみが設けられた基盤部２０と当該基盤部２０に対応する荷重部１０とを１組のセットとし、複数のセットが対象物の大きさに応じた配置間隔で設けられる。なお、図１に示した３軸荷重計測システム１を複数用いることで、当該３軸荷重計測システム１を１つのみ用いた計測が困難な対象物に対応することは可能である。

しかしながら、図１に示した３軸荷重計測システム１を複数用いる場合、対象物を支えるために少なくとも３個の３軸荷重計測システム１が必要となる。この場合、少なくとも９個の１軸荷重センサを用いることになる。
一方、本変形例に示すセットを複数用いる場合、対象物を支えるために少なくとも３個のセットが必要となる。この場合、少なくとも３個の１軸荷重センサを用いることになる。

よって、対象物の大きさが図１に示した３軸荷重計測システム１の筐体よりも大きく、当該３軸荷重計測システム１を１つのみ用いた計測が困難である場合、当該３軸荷重計測システム１を複数用いるよりも本変形例に示すセットを複数用いる方が、１軸荷重センサの数が少なくて済む。よって、本変形例に示すセットを複数用いることでコストを抑えることができる。

ここで、図１２及び図１３を参照して、本変形例の具体例について説明する。図１２及び図１３は、本実施形態に係る変形例における３軸荷重計測システムの装置構成の一例を示す図である。図１２は対象物がベッドであり、図１３は対象物が椅子である例が示されている。

図１２と図１３に示すように、変形例における３軸荷重計測システム１Ａは、筐体６０Ａ～６０Ｄを備える。筐体６０Ａ～６０Ｄは、それぞれ、荷重部６１Ａ～６１Ｄと基盤部６２Ａ～６２Ｄが嵌合された装置である。

基盤部６２Ａ～６２Ｄには、それぞれ１つずつ１軸荷重センサ（不図示）が設けられている。各１軸荷重センサは、荷重部６１Ａ～６１Ｄと接触する面が他の１軸荷重センサとは異なる方向を向いて荷重部１０と接触するように設けられる。各１軸荷重センサの向きは、例えば、基盤部６２Ａ～６２Ｄにおける１軸荷重センサが配置される面の傾斜を調整することで、それぞれ異なるように調整される。また、各１軸荷重センサの向きは、例えば、筐体６０Ａ～６０Ｄを配置する向きを調整することでそれぞれ異なるように調整されてもよい。

図１２に示すベッド５０が有する４本の脚は、それぞれ荷重部６１Ａ～６１Ｄの上にのせられている。また、図１３に示す椅子７０が有する４本の脚も同様に、それぞれ荷重部６１Ａ～６１Ｄの上にのせられている。これにより、変形例における３軸荷重計測システム１Ａは、各筐体６０Ａ～６０Ｄが計測した荷重値の計測値に基づき、上述の実施形態における３軸荷重計測システム１と同様にして、対象物の荷重を算出することができる。

なお、図１２及び図１３に示す３軸荷重計測システム１Ａでは、各基盤部６２Ａ～６２Ｄに設けられている制御装置の内、いずれかの制御装置にて各筐体６０Ａ～６０Ｄによって計測された計測値に基づく荷重値の算出が行われてもよい。また、３軸荷重計測システム１Ａは、サーバ等の外部装置（不図示）を別途備え、当該外部装置にて各筐体６０Ａ～６０Ｄによって計測された計測値に基づく荷重値の算出が行われてもよい。

＜５．具体例＞
以上、本発明の実施形態の変形例について説明した。
続いて、図１４を参照して、本発明の実施形態に係る具体例について説明する。図１４は、本実施形態に係る３軸荷重計測システムの具体例の一例を示す図である。図１４には、図１に示した３軸荷重計測システム１の荷重部１０に対して、約１．５ｋｇの荷重をかけた際のキャリブレーションの結果が示されている。図１４に示すグラフの縦軸は荷重（ｇ）を示し、横軸は経過時間（ｓｅｃ）を示す。また、図１４に示す実線のグラフは３軸荷重計測システム１が算出した荷重の推定値の時系列変化を示し、破線のグラフは荷重の真値の時系列変化を示している。図１４に示す各グラフより、３軸荷重計測システム１は、一部の時間を除いて、真値と大きな誤差が生じることなく荷重値の推定を行うことができている。

＜６．適用例＞
以上、本発明の実施形態の具体例について説明した。
続いて、図１５を参照して、本発明の適用例について説明する。図１５は、本実施形態に係る３軸荷重計測システム１の適用例の一例を示す図である。図１５には、３軸荷重計測システム１がベッドセンシングシステム１０００に適用される例が示されている。なお、ベッドセンシングシステム１０００に適用される３軸荷重計測システムは、変形例にて説明した３軸荷重計測システム１Ａであってもよい。

図１５に示すように、ベッドセンシングシステム１０００は、ベッド１００１の各脚の下に設けられた複数の３軸荷重計測システム１、無線通信装置１００２、アクセスポイント１００３、サーバ１００４、クラウドサーバ１００５、及びユーザ端末１００６を備える。

ベッド１００１は、例えば医療現場向けのベッドや、介護現場向けのベッドや、一般ヘルスケア向けのベッドであるが、かかる例に限定されない。
無線通信装置１００２は、無線通信を行う装置である。無線通信装置１００２が用いる無線通信規格は、例えば、無線ＬＡＮである。具体的な無線ＬＡＮの規格は、例えばＷｉ－Ｆｉ（登録商標）である。また、無線通信装置１００２が用いる無線通信規格は、ＬＰＷＡ（ＬｏｗＰｏｗｅｒＷｉｄｅＡｒｅａ）であってもよい。具体的なＬＰＷＡの規格は、例えばＺＥＴＡ（ゼタ）である。なお、無線通信装置１００２が用いる無線通信規格は、無線ＬＡＮ（Ｗｉ－Ｆｉ）やＬＰＷＡ（ＺＥＴＡ）に限定されない。
無線通信装置１００２とアクセスポイント１００３との間は、無線通信によって接続されている。アクセスポイント１００３とサーバ１００４との間、サーバ１００４とクラウドサーバ１００５との間、クラウドサーバ１００５とユーザ端末１００６との間は、例えばインターネットによって接続されている。

図１５に示すように、複数の３軸荷重計測システム１は、それぞれベッド１００１の各脚の下に設けられている。複数の３軸荷重計測システム１は、例えば、ベッド１００１に寝ている人の体位が変化した際の荷重を算出する。当該人は、例えば、医療現場であれば患者であり、介護現場であれば被介護者である。
各３軸荷重計測システム１が算出した荷重を示す情報（以下、「荷重情報」とも称される）は、無線通信装置１００２へ送信される。

無線通信装置１００２は、各３軸荷重計測システム１から受信した荷重情報を、アクセスポイント１００３を介して、サーバ１００４へ送信する。
サーバ１００４は、無線通信装置１００２から受信した荷重情報をクラウドサーバ１００５へ送信する。

クラウドサーバ１００５は、サーバ１００４から受信する荷重情報を蓄積する。クラウドサーバ１００５は、ユーザ端末１００６から要求があった場合には、蓄積している荷重情報をユーザ端末１００６へ送信する。

ユーザ端末１００６は、ユーザが用いる端末である。ユーザは、例えば医師である。医師は、例えば、ユーザ端末１００６を用いて、クラウドサーバ１００５に蓄積された患者の荷重情報を参照する。医師は、参照した荷重情報を、例えばベッド１００１に寝ている患者の挙動や姿勢の推定に応用することができる。

以上、本発明の適用例について説明した。なお、上述した実施形態における３軸荷重計測システム１が備える構成の一部又は全部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

１、１Ａ３軸荷重計測システム
１０、６１Ａ～６１Ｄ荷重部（蓋部）
１１荷重面
１２接触面
１３～１５接触板
２０、６２Ａ～６２Ｄ基盤部（身部）
２１基盤面
２２制御装置
２３～２５１軸荷重センサ
３０３軸荷重センサ
４０ケーブル
５０ベッド
６０Ａ～６０Ｄ筐体
７０椅子
１１０通信部
１２０データ取得部
１３０推定部
１４０算出部
１５０出力処理部
１６０記憶部
１０００ベッドセンシングシステム
１００１ベッド
１００２無線通信装置
１００３アクセスポイント
１００４サーバ
１００５クラウドサーバ
１００６ユーザ端末

Claims

対象物の荷重がかかる荷重部と、
前記荷重部にかかる荷重により自身にかかる荷重の荷重値を計測する少なくとも３個の１軸荷重センサと、
変換行列を用いて、前記１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値から前記荷重部にかかる荷重の荷重値を算出する算出部と、
を備え、
前記１軸荷重センサの各々は、前記荷重部と接触する面が他の１軸荷重センサとは異なる方向を向いて前記荷重部と接触するように設けられ、
前記変換行列は、前記１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値を前記荷重部にかかる荷重の３軸方向の荷重値に変換する行列である、
３軸荷重計測システム。
前記１軸荷重センサの各々は、前記対象物の大きさに応じた配置間隔で設けられる、
請求項１に記載の３軸荷重計測システム。
前記荷重部にかかる荷重の荷重値の真値と、当該荷重が前記荷重部にかけられた際に前記１軸荷重センサの各々によって計測される荷重値とに基づき、前記変換行列を推定する推定部、
をさらに備える、請求項１又は請求項２に記載の３軸荷重計測システム。
前記推定部は、外部装置によって前記荷重部に荷重がかけられる場合、前記外部装置に設定される荷重値を前記真値とする、
請求項３に記載の３軸荷重計測システム。
前記推定部は、前記真値を取得する際にのみ前記荷重部に設けられる３軸荷重センサに対して荷重がかけられる場合、前記３軸荷重センサが検出する荷重値を前記真値とする、
請求項３に記載の３軸荷重計測システム。
算出部が、変換行列を用いて、対象物の荷重がかかる荷重部にかかる荷重により自身にかかる荷重の荷重値を計測する少なくとも３個の１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値から前記荷重部にかかる荷重の荷重値を算出する過程、
を含み、
前記１軸荷重センサの各々は、前記荷重部と接触する面が他の１軸荷重センサとは異なる方向を向いて前記荷重部と接触するように設けられ、
前記変換行列は、前記１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値を前記荷重部にかかる荷重の３軸方向の荷重値に変換する行列である、
３軸荷重計測方法。
コンピュータを、
変換行列を用いて、対象物の荷重がかかる荷重部にかかる荷重により自身にかかる荷重の荷重値を計測する少なくとも３個の１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値から前記荷重部にかかる荷重の荷重値を算出する算出手段、
として機能させ、
前記１軸荷重センサの各々は、前記荷重部と接触する面が他の１軸荷重センサとは異なる方向を向いて前記荷重部と接触するように設けられ、
前記変換行列は、前記１軸荷重センサの各々によって計測された荷重値を前記荷重部にかかる荷重の３軸方向の荷重値に変換する行列である、
プログラム。