JP4279000B2

JP4279000B2 - Shoes with 3D ground pressure measurement function

Info

Publication number: JP4279000B2
Application number: JP2003025979A
Authority: JP
Inventors: 健矢野; 祥弘佐々木; 英二丹羽; 正雄三寺
Original assignee: THE FOUDATION: THE RESEARCH INSTITUTE FOR ELECTRIC AND MAGNETIC MATERIALS; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: THE FOUDATION: THE RESEARCH INSTITUTE FOR ELECTRIC AND MAGNETIC MATERIALS; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2023-02-03
Also published as: JP2004239622A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＥＳ（機能的電気刺激）医学、リハビリテーション医学、スポーツ医学、あるいは人間型ロボット等において、人の姿勢状態を足裏に加わる圧力の計測値から判定し、倒れないように機能的電気刺激の電圧あるいはアクチュエータ等を制御し、あるいは、姿勢の善し悪しを判定して、その改善点を明確にする装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人の足裏に加わる圧力を測定することは、靴底に圧力センサを設けることにより達成できる。例えば以下に示す圧力センサは下記非特許文献１に開示されている。
【０００３】
図１１はかかる従来の３次元接地圧力値計測機能を有する靴の分解斜視図である。
【０００４】
この図において、十字形のスプリングエレメント１の表面には、上下および側面に歪ゲージ２が接着されており、十字形のスプリングエレメント１の４端に配置されるエンドサポート３と中心の間で６自由度の力計測が可能である。つまり、このスプリングエレメント１をマウンティングプレート４と靴５のソールプレート（靴底）６との間に配置しているため、６自由度の力が計測可能である。
【０００５】
さらに、従来技術では圧力のみを計測する他の技術もあるが、この場合には、一つの方向の圧力値のみしか計測することができない。人の姿勢の状態を把握するには、１方向の圧力値のみでは不十分であり、前後および左右方向の圧力成分も必要である。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｇ．Ａ．Ｓｐｏｌｅｋ，Ｆ．Ｇ．Ｌｉｐｐｅｒｔ，“ＡｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄＳｈｏｅ−ＡＰｏｒｔａｂｌｅＦｏｒｃｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＤｅｖｉｃｅ”，Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．９，ｐｐ．７７９−７８３，１９７６
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の３次元接地圧力値計測機能を有する靴を実際の応用に適用しようとした場合に、大きな問題があることが判明した。
【０００８】
その一つは、センサが地面に当たる部分が平面になっていることである。人が歩く場合には、靴は床に対して平行な上下運動のみではなく、前後に回転運動を起こす必要がある。しかし、上記した従来の靴の構造では、ソールプレート６が平らなため、前後に起こる回転運動を邪魔する結果となり、この靴を履いた場合の接地圧力は実際の歩行状態の圧力とは違ったものになっている。
【０００９】
また、もう一つの問題は、センサ構造体の高さ寸法が高いため、靴底の厚さが通常の靴よりもかなり厚いものになることである。これも現実問題としては計測した結果が現実の歩行状態のものとは異なる原因になる。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みて、棒状スタッドを持った３次元力センサを靴底に配置し、棒状スタッドの先端を接地に供することにより、各々３次元の力成分を検出し、自然な歩行を妨げることなく姿勢の推定に必要な圧力情報を得ることができる３次元接地圧力値計測機能を有する靴を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、靴本体（１０１）の靴底（１０２）に棒状スタッド（１０４）を持った３次元圧力センサ（１０３）が結合されており、前記棒状スタッド（１０４）は靴本体（１０１）の靴底（１０２）から飛び出しており、前記靴本体（１０１）が接地した場合に前記棒状スタッド（１０４）の先端が接地するように構成され、前記３次元圧力センサ（１０３）は、前記棒状スタッド（１０４）の先端に加えられる接地圧力値を検出し、該接地圧力値を前記棒状スタッドの軸方向圧力値、前後圧力値および左右圧力値として信号処理回路（１０５）で信号処理し、信号出力手段（１０７）で信号を出力することを特徴とする。
【００１２】
〔２〕上記〔１〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記３次元圧力センサの３個の組が、靴底のつま先部分と踵部分に各々１組ずつ配置されることを特徴とする。
【００１３】
〔３〕上記〔２〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記信号処理回路は、前記３次元圧力センサの３個の組に対して、前記棒状スタッドの軸方向圧力値に関しては、各々３個の３次元圧力センサからの圧力値を独立に前記信号出力手段に出力し、前後圧力値および左右圧力値に関しては、前記３個の３次元圧力センサ圧力値の合計値を前記信号出力手段に出力するよう構成されることを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔１〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記３次元圧力センサは、棒状スタッド、靴底に接地圧力センサを固定するためのベース部材、前記棒状スタッドの一端とベース部材との間に接地される板状の曲げ歪検出板、およびこの曲げ歪検出板の表面に配置される歪センサよりなり、前記棒状スタッドの他端部分が接地に供せられる結果、接地圧力が前記曲げ歪検出板上に配置された歪センサにより検出されることを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔４〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記曲げ歪検出板は十字形状部を有し、この十字形状部の中心には前記棒状スタッドが結合されており、前記十字形状部の周辺部分にはベース部材が結合されており、前記十字形状部を形成する、上向きアーム、右向きアーム、下向きアーム、および左向きアームの表面上に各々、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄからなる前記歪センサが配置されており、前記信号処理回路は、接地圧力が無い場合の歪センサ抵抗値を、各々、Ｒａ０、Ｒｂ０、Ｒｃ０、Ｒｄ０とし、接地圧力が加えられた場合の歪センサ抵抗値を、各々、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄとするとき、〔（Ｒａ−Ｒａ０）＋（Ｒｂ−Ｒｂ０）＋（Ｒｃ−Ｒｃ０）＋（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍を、前記棒状スタッド軸方向接地圧力値とし、〔（Ｒａ−Ｒａ０）−（Ｒｃ−Ｒｃ０）〕の定数倍を前後の接地圧力値とし、〔（Ｒｂ−Ｒｂ０）−（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍を左右の接地圧力値として前記信号出力手段に出力するように構成されることを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔５〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記曲げ歪検出板は十字形状部を有し、該十字形状部の周辺は各々結合されており、前記十字形状部の中心には前記棒状スタッドが結合されており、また、前記十字形状部を結合する周辺部分で、この十字形状部の方向とほぼ４５度の方向上において前記ベース部材と結合されることを特徴とする。
【００１７】
〔７〕上記〔４〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、３個の前記３次元圧力センサよりなり、各々の３次元圧力センサは、前記棒状スタッド、靴底に接地圧力センサを固定するためのベース部材、前記棒状スタッドの一端とベース部材との間に接地される板状の曲げ歪検出板、および該曲げ歪検出板の表面に配置される歪センサよりなり、前記ベース部材が３個の３次元圧力センサに共通な部材よりなることを特徴とする。
【００１８】
〔８〕上記〔４〕記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記曲げ歪検出板は十字形状部を有し、この十字形状部の中心には前記棒状スタッドが結合されており、前記十字形状部の周辺部分にはベース部材が結合されており、前記十字形状部を形成する各４個のアームの表面の、棒状スタッド寄りの部分には、各々、Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓａ３、Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３、Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３、Ｓｄ１、Ｓｄ２、Ｓｄ３からなる歪センサが配置されており、また、十字形状部を形成する各４個のアームの表面の、前記ベース部材寄りの部分には、Ｓａ４、Ｓｂ４、Ｓｃ４、Ｓｄ４からなる歪センサが配置されており、前記信号処理回路は、Ｓａ１とＳｃ１との直列回路、Ｓａ４とＳｃ４との直列回路、Ｓｂ１とＳｄ１との直列回路、およびＳｂ４とＳｄ４との直列回路の４つのアームにより形成されるブリッジの出力電圧を適宜増幅して棒状スタッド軸方向接地圧力値とし、また、Ｓａ２、Ｓｃ２、Ｓａ３、Ｓｃ３を各アームとするブリッジの出力を適宜増幅して前後方向の接地圧力値とし、更にＳｂ２、Ｓｄ２、Ｓｂ３、Ｓｄ３を各アームとするブリッジの出力を適宜増幅して左右方向の接地圧力値として各々前記信号出力手段に出力することを特徴とする。
【００１９】
〔９〕上記〔４〕から〔６〕のいずれか１項に記載の３次元接地圧力値計測機能を有する靴において、前記歪センサは絶縁材料上に形成されたＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒ薄膜よりなることを特徴とする。
【００２０】
本発明では、従来の構造の問題を解決するため、地面に接する部分の構造を平面でなく、基本的に点となるようにしている。地面との接触が点である場合には、最低限３個以上の接触点がないと靴の状態は不安定になる。歩行の途中等では過渡的現象として、地面との接触点が３点以下であったり、あるいは他方側の足が地面に着いているために全く地面に接触しないこともある。しかし、静的に姿勢を保持するには、３点以上の接触点が必要である。
【００２１】
このような靴の構造は、運動靴で用いられるスパイクに見ることができる。但し、運動靴のスパイクの場合には、靴の接地が必ずしもスパイクを通してのみ行なわれるとは限らないが、本発明の場合には、必ずスパイクのうち少なくとも一つを通して靴は接地されることを前提としている。このような前提のもとでは、圧力測定ができるようなスパイクを実現すれば接地圧力の計測は完全に可能になる。
【００２２】
このように地面との接触を点で考える場合には、接地応力の計測として６自由度は不必要である。つまり、棒状スタッド先端の接触が一点で行われる場合には、棒状スタッドに対して回転モーメントあるいは曲げモーメントを加えることは原理的にできないので、直交する３つの力成分が計測できれば十分である。つまり、棒状スタッドを持った３次元力センサを用意し、その３次元センサを靴底に配置し、棒状スタッドの他端を接地に供することが本発明の基本的技術思想である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２４】
図１は本発明の第１実施例を示す３次元接地圧力値計測機能を有する靴の模式図であり、図１（ａ）はその靴の側面図、図１（ｂ）はその靴の底面図である。
【００２５】
これらの図において、１０１は靴本体、靴本体１０１の靴底１０２は、つま先部分の靴底１０２Ａと踵部分の靴底１０２Ｂを有している。１０３は３次元圧力センサ、１０４は３次元圧力センサ１０３に力を伝える棒状スタッド、１０５は３次元圧力センサ１０３に接続される信号処理回路、１０６はリード線、１０７は信号出力手段である。
【００２６】
このように、靴本体１０１のつま先部分の靴底１０２Ａには、棒状スタッド１０４を持った３次元力センサ１０３が結合されている。３次元力センサ１０３が計測する力は、棒状スタッド１０４の先端に加えられた力である。この棒状スタッド１０４は靴本体１０１のつま先部分の靴底１０２Ａより飛び出しており、靴が接地した場合には必ずこの棒状スタッド１０４の先端が接地するように構成されている。
【００２７】
ここで、３次元力センサ１０３の取付け方向は、靴の前後と左右が３次元力センサ１０３の検出する力方向と一致するように取り付けられている。３次元圧力センサ１０３からは、信号処理回路１０５に向かってリード線１０６が延びている。信号処理回路１０５は、この図では靴の脇に配置されているが、小型化により、靴底１０２の目立たない部分に収納することも可能である。信号処理回路１０５からは信号出力手段１０７が出ており、これは他の機器との接続に供せられる。信号出力手段は他の機器との間を有線で接続するものであっても良く、また、必要に応じて無線とすることも可能である。
【００２８】
図２は本発明の第２実施例を示す３次元接地圧力値計測機能を有する靴の模式図であり、図２（ａ）はその靴の側面図、図２（ｂ）はその靴の底面図である。
【００２９】
これらの図において、２０１は靴本体、靴本体２０１の靴底２０２は、つま先部分の靴底２０２Ａと踵部分の靴底２０２Ｂを有している。２０３Ａ〜２０３Ｆは３次元圧力センサ（図示なし）に結合される棒状スタッドである。つまり、つま先部分の靴底２０２Ａには三角形状に棒状スタッド２０３Ａ〜２０３Ｃが、踵部分の靴底２０２Ｂにも三角形状に棒状スタッド２０３Ｄ〜２０３Ｆがそれぞれ配置されている。その他の点は上記した第１実施例と同様である。
【００３０】
このように、ここでは、棒状スタッド２０３Ａ〜２０３Ｃ，および２０３Ｄ〜２０３Ｆを有する３個の３次元圧力センサの組を靴のつま先部分と踵部分に各１組ずつ配列している。信号処理回路および出力信号手段は図１と同様なのでここでは省略している。３次元圧力センサを１組３個としている理由は、３個であれば任意の地面形状に接する場合に一意的に位置が決まるからである。
【００３１】
しかし、歩行の際には靴の底は曲がることが必要で、靴のつま先と踵部分は独立して動けるようになっているため、このような３個の３次元圧力センサの組はつま先部分と踵部分の２か所に分割して配置している。このような合計６個の３次元圧力センサは、歩行時点ではすべてが地面に接することは前提としていない。
【００３２】
図３は本発明の第２実施例における３次元圧力センサを用いた３次元接地圧力値計測システムの構成図である。
【００３３】
この図において、３個の３次元圧力センサ３０１〜３０３については、各々３方向の力成分の計測結果として、合計９個の結果が得られる。この９個の結果をすべて利用することも可能であるが、より簡単な情報で十分な場合もある。つまり、重心位置と、前後の圧力および左右の圧力があれば十分な場合もある。
【００３４】
重心位置を求めるには、３個の３次元圧力センサ３０１〜３０３の棒状スタッド３０４〜３０６の軸方向圧力３０７〜３０９と各々のセンサの座標位置が必要であり、軸方向圧力３０７〜３０９については３個の情報を３個共に残す必要がある。
【００３５】
一方、前後方向圧力３１０〜３１２および左右方向圧力３１３〜３１５については、各々３個の情報をそのまま残す必要はなく、加算器３１６と３１７で加算された３個の和である前後方向接地圧力３１８と左右方向接地圧力３１９があれば良い。そのように簡略化することにより、出力手段の簡略化と出力手段を受けた後の回路の処理が楽になる。
【００３６】
図４は本発明の第１の３次元圧力センサの構成例を示す図であり、図４（ａ）はその上面図、図４（ｂ）はその側面図である。
【００３７】
これらの図において、４０１は靴底（図示なし）に結合されるとともに、円形の穴４０２が形成されたリング状のベース部材、４０３はベース部材４０１上に配置される曲げ歪検出板、４０４〜４０７は曲げ歪検出板４０３に配置される歪センサ、４０８は曲げ歪検出板４０３の中央部に結合される棒状スタッドである。
【００３８】
このように、靴底（図示なし）との結合に供せられるベース部材４０１と、棒状スタッド４０８の間には曲げ歪検出板４０３が配置される。曲げ歪検出板４０３の上には複数個の歪センサ４０４〜４０７が結合、または曲げ歪検出板４０３の上に直接形成される。本発明の場合には、棒状スタッド４０８が点接触することを前提としているので、その接触点から得られる圧力情報は６個ではなく、軸方向・前後方向・左右方向の３個である。
【００３９】
このような場合には、図１１の従来例で示した力センサのように十字形の側面に歪センサを設けることは不必要で、図４に示すように曲げ歪検出板４０３の表面上のみで十分である。また、一般に曲げ歪検出板４０３の伸び変形は無視できるので、曲げ変形のみを検出すればよい。この前提に立てば、曲げ歪検出板４０３の表面上に形成される歪センサ４０４〜４０７は曲げ歪検出板４０３の両面には必要なく、どちらか片面のみで十分である。また、図４において、曲げ歪検出板４０３をベース部材４０１の裏面に結合することも可能であり、これによれば３次元圧力センサの高さ寸法を更に低くすることが可能である。
【００４０】
図５は本発明の第２の３次元圧力センサの構成例を示す図であり、図５（ａ）はその上面図、図５（ｂ）はその側面図である。
【００４１】
これらの図において、５０１は靴底（図示なし）に結合されるとともに、円形の穴５０２が形成されたリング状のベース部材、５０３はベース部材５０１上に配置される曲げ歪検出板であり、この曲げ歪検出板５０３はほぼ十字形の部分を残して、４箇所に穴５０４〜５０７が形成され、棒状スタッド５１２はその十字形のほぼ中央に結合される。歪センサ５０８〜５１１（Ｓａ〜Ｓｄ）は棒状スタッド５１２の軸方向の圧力と、前後方向圧力および左右方向圧力を検出するように曲げ歪検出板５０３の４箇所に配置する。
【００４２】
曲げ歪検出板５０３の曲げ歪はその曲げ歪検出板５０３の中心から上下および左右に引いた直線上に最も大きな歪が現れ、これらの直線の間での歪は少である。そこで、歪が大きい部分の上に歪センサ５０８〜５１１（Ｓａ〜Ｓｄ）を形成し、その他の部分については歪が大きい部分に歪が集中するよう、曲げ歪検出板５０３に穴５０４〜５０７をあけたが、この方がより良い結果が得られた。
【００４３】
この場合に、３方向から加えられた圧力と、各歪センサ５０８〜５１１（Ｓａ〜Ｓｄ）の出力の関係は表１のようになる。
【００４４】
【表１】

ここで、歪センサ出力とは例えば抵抗値変化の意味であり、＋および−とは抵抗値の変化方向を示す。０は変化しないことを意味する。ここで、歪センサ５０８（Ｓａ）、５０９（Ｓｂ）、５１０（Ｓｃ）、５１１（Ｓｄ）の変化の和を取れば、上下方向および左右方向圧力による抵抗値変化はキャンセルされて出て来ないので、軸方向の圧力が得られる。また、歪センサ５０８（Ｓａ）と５１０（Ｓｃ）の差を取れば上下方向の圧力を得ることができ、５０９（Ｓｂ）と５１１（Ｓｄ）の差を取れば左右方向の圧力を得ることができる。
【００４５】
この場合に、抵抗値については、変化量が必要なので、あらかじめ、圧力０の場合の抵抗値を測定し、この抵抗値を基準としてこれからの変化を測定すればよい。また、抵抗値の変化は圧力値そのものではなく、それぞれの場合対応した比例係数（符号を含む）を決めて、抵抗値変化に比例係数を掛けて圧力を求める必要がある。このようにして、各圧力値は次のようにして決定される。
【００４６】
（１）棒状スタッドの軸方向圧力値；
〔（Ｒａ−Ｒａ０）＋（Ｒｂ−Ｒｂ０）＋（Ｒｃ−Ｒｃ０）＋（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍
（２）上下方向の圧力値；
〔（Ｒａ−Ｒａ０）−（Ｒｃ−Ｒｃ０）〕の定数倍
（３）左右方向の圧力値；
〔（Ｒｂ−Ｒｂ０）−（Ｒｄ−Ｒｄ０）〕の定数倍
ここで、Ｒａ０、Ｒｂ０、Ｒｃ０、Ｒｄ０は圧力０の場合の抵抗値、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄは圧力が加わった場合の抵抗値である。この図では、上下方向と左右方向となっているが、靴に配置された場合には上下方向を前後方向に読み替えられる。
【００４７】
図６は本発明の第３の３次元圧力センサの構成例を示す図であり、図６（ａ）はその上面図、図６（ｂ）はその側面図である。
【００４８】
この図において、６０１は靴底（図示なし）に結合されるとともに、円形の穴６０２が形成されたリング状のベース部材、６０３はベース部材６０１上に配置される曲げ歪検出板であり、この曲げ歪検出板６０３はほぼ十字形の部分を残して、４箇所に穴６０４〜６０７が形成され、棒状スタッド６１２はその十字形のほぼ中央に結合される。６０８〜６１１は曲げ歪検出板６０３とベース部材６０１との結合部である。なお、歪センサ（図示なし）は棒状スタッド６１２の軸方向の圧力と、前後方向圧力および左右方向圧力を検出するように曲げ歪検出板６０３の４箇所に配置する。
【００４９】
このように、曲げ歪検出板６０３については、中心付近は十字形であるが、図１１の従来例のように十字形そのままではなく、周縁部は十字形が互いに接続された構造になっている。この理由は、曲げ歪検出板６０３とベース部材６０１との結合構造に関連する。曲げ歪検出板６０３が曲げ変形を起こす場合には、一般に曲げ歪検出板６０３の周辺は図６の矢印で示すように、力６１３〜６１６が働き、内側に引っ張られるような変形を起こす。
【００５０】
この変形は極めて微細なものであるが、この微細な変形を許容しない場合には曲げ歪変形自体が拘束されて、圧力と歪センサ出力の関係が比例関係にならず、徐々に傾斜が低下するいわゆるクリッピング現象を呈することが分かった。そこで、曲げ歪検出板６０３とベース部材６０１との結合は、十字形の延長上で行なわず、十字形の周辺で十字形と４５度をなす線上で行なうこととした。結合方法としては、スポット溶接、電子ビーム溶接等が適用可能である。
【００５１】
図７は本発明の第４の３次元圧力センサの構成例を示す図であり、図７（ａ）はその上面図、図７（ｂ）はその側面図である。
【００５２】
この図において、７０１は３個の３次元圧力センサの共通のベース部材、７０２〜７０４は図６において得られた３次元圧力センサ、７０６〜７０８は棒状スタッドである。
【００５３】
３次元圧力センサ７０２〜７０４を靴底に配置するに当たっては、十字の方向が靴の前後左右方向に一致している必要がある。一方、前後の圧力および左右の圧力を検出する場合には、ベース部材７０１自体が前後あるいは左右に傾いてしまってはならないので、ベース部材７０１を靴底に固く固定する必要がある。しかし、靴底は一般にゴムのようなやわらかい素材でできているので、靴底に固く固定するには、ベース部材７０１の面積もどうしてもある程度大きくする必要が出てくる。しかし、ベース部材７０１の面積を大きくすることは、全体としての重量増加に繋がり、望ましくない。
【００５４】
そこで、図７に示すように、３個の３次元圧力センサ７０２〜７０４間でベース部材７０１を共通化することが有効になる。つまり、各々のベース部材の占有面積はそれほど大きくしなくても、３個のベース部材を結合した場合の面積はかなり大きくなり、前後および左右の圧力に十分抗し得るだけの固さで靴底に結合することが可能になる。十字形の方向を靴の前後方向に一致させるように配置することは、３個の３次元圧力センサ７０２〜７０４のベース部材を共通化した場合には容易である。
【００５５】
このように３個の３次元圧力センサ７０２〜７０４のベース部材７０１を共通化した場合には、３個の３次元圧力センサ７０２〜７０４から出る出力リード線（図示なし）を共通化して信号処理回路（図示なし）に持っていくことが可能になるため、例えばフレキケーブルの採用等により大変簡潔な構造にすることが可能である。
【００５６】
図８は本発明の３次元圧力センサの歪センサの配置を示す図、図９はその歪センサの回路図である。
【００５７】
図８において、８０１は曲げ歪検出板、８０２〜８０５は４個の穴、８０６〜８０９は曲げ歪検出板８０１とベース部材（図示なし）との結合部、Ｓａ１〜Ｓａ４は第１の歪センサ、Ｓｂ１〜Ｓｂ４は第２歪センサ、Ｓｃ１〜Ｓｃ４は第３の歪センサ、Ｓｄ１〜Ｓｄ４は第４の歪センサである。
【００５８】
３次元圧力センサ全体構造は図５と同様であり、図８は曲げ歪検出板８０１の部分のみを示している。この場合には、曲げ歪検出板８０１上に配置された歪センサとしては、十字の各アームに対して棒状スタッド（図示なし）に近い位置に各々３個、ベース部材に近い位置に各１個、合計１６個の歪センサが配置されている。
【００５９】
図９において、歪センサＳａ１〜Ｓａ４，Ｓｂ１〜Ｓｂ４，Ｓｃ１〜Ｓｃ４，Ｓｄ１〜Ｓｄ４の回路図が示されている。つまり、Ｓａ１とＳｃ１の直列回路と、Ｓａ４とＳｃ４との直列回路と、Ｓｂ１とＳｄ１との直列回路と、Ｓｂ４とＳｄ４との直列回路とを入力電圧８１０を印加したホイートストンブリッジ接続すると、その出力として軸方向圧力８１１を得ることができる。
【００６０】
また、Ｓａ２とＳｃ２とＳａ３とＳｃ３とで入力電圧８１０を印加したホイートストンブリッジ接続すると、その出力として前後方向圧力８１２を得ることができる。
【００６１】
更に、Ｓｄ２とＳｂ３とＳｄ３とＳｂ２とで入力電圧８１０を印加したホイートストンブリッジ接続すると、その出力として左右方向圧力８１３を得ることができる。
【００６２】
この場合の圧力とセンサ出力の関係は、表１と同様に＋−を定義するとき、表２のようになる。
【００６３】
【表２】

ここで、Ｓａ４、Ｓｂ４、Ｓｃ４、Ｓｄ４がＳａ１〜Ｓａ３等と比較して符号が反転する理由は、図８において中心付近に結合された棒状スタッド（図示なし）に圧力が加わるとき、曲げ歪検出板８０１の曲げ変形は単に円弧の一部のような変形でなく、途中に変曲点の存在するＳ字状の変形になる。それは周辺部分がベース部材に結合されているからである。従って、曲げ歪検出板８０１の表面上では、片側の面の中でも、棒状スタッドに近い部分とベース部材に近い部分では歪センサの出力としては符号が逆転するような場所が存在する。これを利用すれば、ブリッジ回路の４つの素子を歪センサのみで構成することができる。また、この構成では、各アームに複数個の独立した歪センサを配置しているので、これらの歪センサを用いて複数個のブリッジ回路を直接構成することができる。図９はこのブリッジ回路の例である。この場合には、図５に示す実施例のように各センサの出力に対して更に加減算を施すことなく、直接ブリッジ出力として３方向の圧力を得ることができる。このことにより、各圧力成分をより正確に、また簡単な回路で検出することが可能になる。
【００６４】
図１０は本発明の第５の３次元圧力センサの構成例を示す図であり、図１０（ａ）はその上面図、図１０（ｂ）はその側面図である。
【００６５】
通常、歪センサには、樹脂基板の上に圧延成形した抵抗歪材料を接着等の手段で接合したものが用いられる。この歪センサは曲げ歪検出板に接着して使用する。しかし、図７に示す実施例のように歪センサを多数個配置する場合には、通常の歪センサでは形が大きく、実行が難しい。
【００６６】
そこで、図１０では、曲げ歪検出板９０１が金属である場合には、その表面上にＡｌ₂Ｏ₃またはＳｉＯ₂等の絶縁膜９０２を形成し、その上にＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒからなる歪センサ９０３を形成するようにしている。この形成プロセスはフォトプロセスおよびスパッタプロセスであり、極めて微細な形状の形成が比較的容易に実現できる。これらの材料の中で、ＣｒＮはゲージ率（加えられた歪に対する抵抗変化率）が約６と、通常の抵抗歪材料の２に対して約３倍大きいので、加えられた圧力に対する出力感度の向上が可能である。
【００６７】
本発明によれば、
（１）棒状スタッド先端に加えられる３次元圧力値を検出する３次元圧力センサ、３次元圧力センサ出力を信号処理し、出力する信号処理回路、信号出力手段および靴本体からなり、３次元圧力センサは、靴本体の底部に、靴が接地する際には接地が棒状スタッド先端で行なわれるように配置され、靴が接地する時は、棒状スタッド軸方向圧力値、前後方向圧力値、および左右方向圧力値として信号出力することができる。
【００６８】
（２）３次元圧力センサの３個の組を、靴のつま先部分と踵部分に各１組ずつ配置することができる。
【００６９】
（３）信号処理回路は、３個の３次元圧力センサの組に対して棒状スタッドの軸方向成分に対しては、３個の独立な信号とし、前後方向および左右方向力成分に関しては３個の合計値を出力するよう構成することができる。
【００７０】
（４）３次元圧力センサは、棒状スタッド、ベース部材、曲げ歪検出板、曲げ歪検出板の表面に配置される歪センサより構成することができる。
【００７１】
（５）曲げ歪検出板は十字形状部を有し、十字形状部の各アーム上に配置された歪センサ出力の和および差を用いて、棒状スタッド軸方向成分、前後方向成分、左右方向成分に分離することができる。
【００７２】
（６）十字形状部の４つのアーム上に各々４個の歪センサを配置し、その１６個の歪センサを直並列接続することにより、軸方向成分、前後方向成分、および左右方向成分を出力するブリッジ回路を得ることができる。
【００７３】
（７）歪センサはＣｒＮよりなる薄膜により形成することができる。ＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒ薄膜の適用により、従来抵抗歪材料として用いられている圧延材料では不可能であった微細な形状、寸棒の実現が可能になる。またＣｒＮ薄膜の場合には、ＣｒＮ薄膜の高いゲージ率のために高い出力感度を付与することが可能になる。
【００７４】
下肢完全麻痺患者を機能的電気刺激システム（ＦＥＳ）により、目的の場所で起立・歩行させるためには、患者の姿勢の把握とこれに基づいて適切に設定された電気刺激の発生が必要である。本発明の靴は、この目的を達成するための基本的な道具を提供することができる。
【００７５】
さらに、本発明の靴は、健常者の歩行時の各人のクセを検出して、正しい歩行習慣を身に付けさせることや、また、スポーツ医学の分野で、可能な限り効率的な走り方がどうあるべきかの研究、また、ゴルフ練習時において体重移動が適切に行なわれているかどうかの判定など、広い応用と社会貢献が可能である。
【００７６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００７８】
（Ａ）従来技術では、接地される部分の形状が板であったのに対して、本発明で接地される部分の形状は点とし、点の数は複数個を許容する。これらの各点に対して各々３次元の力成分を検出するため、自然な歩行を妨げることなく姿勢の推定に必要な圧力情報を得ることができる。つまり、この圧力値情報は、人間の姿勢状態を推定し、ＦＥＳシステムに対して姿勢状態の立て直しのための信号を出力することに用いることができる。
【００７９】
（Ｂ）圧力計測センサとしては、印加された圧力を曲げ歪検出板の曲げ変形に変換し、また、曲げ歪検出板に生じた歪を歪センサで検出することにより、正確な値を測定することができる。
【００８０】
（Ｃ）人の姿勢を靴の圧力から推定するには、接地される棒状スタッドの軸方向、前後方向および左右方向の圧力成分を分離検出することが必要である。本発明では、曲げ歪検出板上に歪センサを複数個配置してそれらを直列および並列に接続することにより、これらの力方向成分を直接且つ正確に計測することを可能にしている。
【００８１】
（Ｄ）歪センサをＣｒＮ，ＣｕＮｉまたはＮｉＣｒ薄膜で形成することにより、接地圧力計測精度の向上と、小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す３次元接地圧力値計測機能を有する靴の模式図である。
【図２】本発明の第２実施例を示す３次元接地圧力値計測機能を有する靴の模式図である。
【図３】本発明の第２実施例における３次元圧力センサを用いた３次元接地圧力値計測システムの構成図である。
【図４】本発明の第１の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図５】本発明の第２の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図６】本発明の第３の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図７】本発明の第４の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図８】本発明の３次元圧力センサの歪センサの配置を示す図である。
【図９】本発明の３次元圧力センサの歪センサの回路図である。
【図１０】本発明の第５の３次元圧力センサの構成例を示す図である。
【図１１】従来の３次元接地圧力値計測機能を有する靴の分解斜視図である。
【符号の説明】
１０１，２０１靴本体
１０２，２０２靴本体の靴底
１０２Ａ，２０２Ａつま先部分の靴底
１０２Ｂ，２０２Ｂ踵部分の靴底
１０３，３０１〜３０３，７０２〜７０４３次元圧力センサ
１０４，２０３Ａ〜２０３Ｆ，３０４〜３０６，４０８，５１２，６１２，７０６〜７０８棒状スタッド
１０５信号処理回路
１０６リード線
１０７信号出力手段
３０７〜３０９，８１１軸方向圧力
３１０〜３１２，８１２前後方向圧力
３１３〜３１５，８１３左右方向圧力
３１６，３１７加算器
３１８前後方向接地圧力
３１９左右方向接地圧力
４０１，５０１，６０１ベース部材
４０２，５０２，６０２円形の穴
４０３，５０３，６０３，８０１，９０１曲げ歪検出板
４０４〜４０７，５０８〜５１１（Ｓａ〜Ｓｄ）歪センサ
５０４〜５０７，６０４〜６０７，８０２〜８０５穴
Ｒａ０、Ｒｂ０、Ｒｃ０、Ｒｄ０圧力０の場合の抵抗値
Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄ圧力が加わった場合の抵抗値
６０８〜６１１，８０６〜８０９結合部
６１３〜６１６力
７０１３個の３次元圧力センサの共通のベース部材
Ｓａ１〜Ｓａ４第１の歪センサ
Ｓｂ１〜Ｓｂ４第２の歪センサ
Ｓｃ１〜Ｓｃ４第３の歪センサ
Ｓｄ１〜Ｓｄ４第４の歪センサ
８１０入力電圧
９０２絶縁膜（樹脂ベース）
９０３ＣｒＮからなる歪センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, in FES (functional electrical stimulation) medicine, rehabilitation medicine, sports medicine, or a humanoid robot, the posture of a person is determined from a measured value of pressure applied to the sole, and the functional electricity is prevented from falling down. The present invention relates to an apparatus for controlling a stimulation voltage or an actuator or the like, or determining whether the posture is good or bad and clarifying the improvement point.
[0002]
[Prior art]
Measuring pressure applied to a person's sole can be achieved by providing a pressure sensor on the sole. For example, the pressure sensor shown below is disclosed in Non-Patent Document 1 below.
[0003]
FIG. 11 is an exploded perspective view of a shoe having such a conventional three-dimensional ground pressure measurement function.
[0004]
In this figure, strain gauges 2 are adhered to the surface of the cross-shaped spring element 1 on the top and bottom and the side surface, and the end support 3 disposed at the four ends of the cross-shaped spring element 1 and the center 6 It is possible to measure the force of freedom. That is, since the spring element 1 is disposed between the mounting plate 4 and the sole plate (sole) 6 of the shoe 5, a force with 6 degrees of freedom can be measured.
[0005]
Furthermore, there are other techniques for measuring only the pressure in the prior art, but in this case, only the pressure value in one direction can be measured. In order to grasp the state of a person's posture, a pressure value in only one direction is not sufficient, and pressure components in the front-rear and left-right directions are also necessary.
[0006]
[Non-Patent Document 1]
G. A. Spolek, F.M. G. Lippert, “An Instrumented Shoe-A Portable Force Measuring Device”, J. Mol. Biomechanics, Vol. 9, pp. 779-783,1976
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, it has been found that there is a significant problem when trying to apply the above-described conventional shoe having a three-dimensional ground pressure measurement function to an actual application.
[0008]
One of them is that the part where the sensor hits the ground is flat. When a person walks, the shoes need to be rotated not only in the vertical motion parallel to the floor but also in the forward and backward directions. However, in the conventional shoe structure described above, since the sole plate 6 is flat, it results in obstructing the rotational movement that occurs in the front and rear, and the ground pressure when wearing this shoe is different from the pressure in the actual walking state. It is a thing.
[0009]
Another problem is that the height of the sensor structure is high, so that the thickness of the shoe sole is considerably thicker than that of a normal shoe. This is also a real problem because the measured result is different from the actual walking state.
[0010]
In view of the above situation, the present invention provides a three-dimensional force sensor having a rod-shaped stud on a shoe sole, Ahead Providing a shoe with a three-dimensional ground pressure measurement function that can detect pressure components necessary for estimating postures by detecting the three-dimensional force components by touching the ends and preventing natural walking. The purpose is to do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In a shoe having a three-dimensional ground pressure measurement function, A three-dimensional pressure sensor (103) having a rod-shaped stud (104) is coupled to a shoe sole (102) of the shoe body (101), and the rod-shaped stud (104) is connected to the shoe sole (102 of the shoe body (101). ) And the tip of the rod-shaped stud (104) is grounded when the shoe body (101) is grounded, and the three-dimensional pressure sensor (103) is connected to the rod-shaped stud (104). A ground pressure value applied to the tip is detected, and the ground pressure value is signal-processed by the signal processing circuit (105) as an axial pressure value, a front-rear pressure value, and a left-right pressure value of the rod-shaped stud, and a signal output means (107) Output signal with It is characterized by that.
[0012]
[2] In the shoe having the three-dimensional ground pressure measurement function described in [1] above, the three sets of the three-dimensional pressure sensor are respectively arranged on the toe portion and the heel portion of the shoe sole. It is characterized by.
[0013]
[3] Above [ 2 ] The shoe having the three-dimensional ground pressure value measuring function described above, wherein the signal processing circuit applies the axial pressure of the rod-shaped stud to the three sets of the three-dimensional pressure sensors. value , Each of the pressure values from the three three-dimensional pressure sensors is independently output to the signal output means, and the front-rear pressure value and the left-right pressure value are the total values of the three three-dimensional pressure sensor pressure values. It is configured to output to the signal output means.
[0014]
[4] The shoe having the three-dimensional ground pressure measurement function according to [1], wherein the three-dimensional pressure sensor includes a rod-shaped stud, a base member for fixing the ground pressure sensor to the shoe sole, and one end of the rod-shaped stud. The other end portion of the rod-shaped stud comprises a plate-shaped bending strain detection plate grounded between the base member and a strain sensor disposed on the surface of the bending strain detection plate But As a result of being subjected to grounding, grounding pressure But It is detected by a strain sensor arranged on the bending strain detection plate.
[0015]
[5] The shoe having the three-dimensional ground pressure measurement function according to [4] above, wherein the bending strain detection plate Is ten It has a letter-shaped part and in the center of this cross-shaped part Before A rod-shaped stud is coupled, and a base member is coupled to a peripheral portion of the cross-shaped portion, and on the surfaces of the upward arm, the right arm, the downward arm, and the left arm that form the cross-shaped portion. Each consists of Sa, Sb, Sc, Sd Above The strain sensor is arranged, and the signal processing circuit sets Ra0, Rb0, Rc0, Rd0 as the strain sensor resistance values when there is no ground pressure, and sets the strain sensor resistance values when the ground pressure is applied. , R a, R b, R c, R d, respectively, a constant multiple of [(Ra−Ra 0) + (R b−R b 0) + (R c−R c 0) + (R d−R d 0)]] is the rod-shaped stud axial grounding The pressure value is a constant multiple of [(Ra-Ra0)-(Rc-Rc0)] and the ground pressure value before and after, and the constant multiple of [(Rb-Rb0)-(Rd-Rd0)] is the right and left ground pressure value. It is characterized by being configured to output to the signal output means.
[0016]
[6] The shoe having the three-dimensional ground pressure measurement function according to [5], wherein the bending strain detection plate Is ten A cross-shaped portion, the periphery of the cross-shaped portion is coupled to each other, the rod-shaped stud is coupled to the center of the cross-shaped portion, and at the peripheral portion that couples the cross-shaped portion, It is characterized by being coupled to the base member in a direction of approximately 45 degrees with the direction of the cross-shaped portion.
[0017]
[7] The shoe having the three-dimensional ground pressure measurement function according to [4], including three three-dimensional pressure sensors, each of the three-dimensional pressure sensors including the rod-shaped stud and the ground pressure sensor on the sole. A base member for fixing the base plate, a plate-like bending strain detection plate grounded between one end of the rod-shaped stud and the base member, and a strain sensor disposed on the surface of the bending strain detection plate. Element But It consists of a member common to three three-dimensional pressure sensors.
[0018]
[8] The shoe having the three-dimensional ground pressure measurement function according to [4], wherein the bending strain detection plate Is ten The rod-shaped stud is coupled to the center of the cross-shaped portion, and a base member is coupled to the peripheral portion of the cross-shaped portion, and each of the four studs forming the cross-shaped portion. Strain sensors composed of Sa1, Sa2, Sa3, Sb1, Sb2, Sb3, Sc1, Sc2, Sc3, Sd1, Sd2, and Sd3 are arranged on portions of the surface of each arm near the rod-shaped stud, In addition, a strain sensor made of Sa4, Sb4, Sc4, and Sd4 is disposed on the surface of each of the four arms forming the cross-shaped portion near the base member, and the signal processing circuit includes Sa1. And Sc1 series circuit, Sa4 and Sc4 series circuit, Sb1 and Sd1 series circuit, and Sb4 and Sd4 series circuit. Is appropriately amplified to obtain the rod-shaped stud axial ground pressure value, and the outputs of the bridges having Sa2, Sc2, Sa3, and Sc3 as respective arms are appropriately amplified to obtain the ground pressure values in the front-rear direction, and Sb2, Sd2, and Sb3 The outputs of the bridges having Sd3 as the respective arms are appropriately amplified and output to the signal output means as ground pressure values in the horizontal direction.
[0019]
[9] In the shoe having the three-dimensional ground pressure measurement function according to any one of [4] to [6], the strain sensor is made of a CrN, CuNi, or NiCr thin film formed on an insulating material. It is characterized by that.
[0020]
In the present invention, in order to solve the problems of the conventional structure, the structure of the portion in contact with the ground is basically a point, not a plane. If the point of contact with the ground is a point, the state of the shoe becomes unstable if there are at least three or more points of contact. As a transitional phenomenon during walking or the like, there are cases where the number of contact points with the ground is 3 or less, or the other foot does not touch the ground at all because it is on the ground. However, in order to maintain a static posture, three or more contact points are necessary.
[0021]
Such a shoe structure can be seen in the spikes used in athletic shoes. However, in the case of spikes of athletic shoes, the grounding of shoes is not necessarily performed only through the spikes, but in the case of the present invention, it is assumed that the shoes are always grounded through at least one of the spikes. It is said. Under such a premise, the ground pressure can be completely measured if a spike capable of measuring pressure is realized.
[0022]
When the contact with the ground is considered as a point in this way, six degrees of freedom are not necessary for measuring the ground stress. That is, when the contact of the rod-shaped stud tip is made at a single point, it is not possible in principle to apply a rotational moment or a bending moment to the rod-shaped stud, so it is sufficient if three orthogonal force components can be measured. That is, the basic technical idea of the present invention is to prepare a three-dimensional force sensor having a rod-shaped stud, place the three-dimensional sensor on the shoe sole, and use the other end of the rod-shaped stud for grounding.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0024]
FIG. 1 is a schematic view of a shoe having a three-dimensional contact pressure value measuring function according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a side view of the shoe, and FIG. 1 (b) is a bottom surface of the shoe. FIG.
[0025]
In these drawings, reference numeral 101 denotes a shoe body, and a shoe sole 102 of the shoe body 101 has a shoe sole 102A at a toe portion and a shoe sole 102B at a heel portion. Reference numeral 103 is a three-dimensional pressure sensor, 104 is a rod-shaped stud that transmits force to the three-

dimensional pressure sensor

103, 105 is a signal processing circuit connected to the three-

dimensional pressure sensor

103, 106 is a lead wire, and 107 is a signal output means.
[0026]
Thus, the three-dimensional force sensor 103 having the rod-shaped stud 104 is coupled to the shoe sole 102A of the toe portion of the shoe main body 101. The force measured by the three-dimensional force sensor 103 is a force applied to the tip of the rod-shaped stud 104. The rod-shaped stud 104 protrudes from the shoe sole 102A at the toe portion of the shoe body 101, and is configured such that the tip of the rod-shaped stud 104 is always grounded when the shoe is grounded.
[0027]
Here, the attachment direction of the three-dimensional force sensor 103 is attached so that the front and rear and the left and right of the shoe coincide with the force direction detected by the three-dimensional force sensor 103. A lead wire 106 extends from the three-dimensional pressure sensor 103 toward the signal processing circuit 105. Although the signal processing circuit 105 is arranged on the side of the shoe in this figure, it can be housed in an inconspicuous portion of the shoe sole 102 by downsizing. A signal output means 107 is output from the signal processing circuit 105 and is used for connection with other devices. The signal output means may be connected to other devices by wire, and may be wireless as necessary.
[0028]
2A and 2B are schematic views of a shoe having a three-dimensional ground pressure measurement function according to a second embodiment of the present invention. FIG. 2A is a side view of the shoe, and FIG. 2B is a bottom surface of the shoe. FIG.
[0029]
In these drawings, reference numeral 201 denotes a shoe body, and a shoe sole 202 of the shoe body 201 has a shoe sole 202A at a toe portion and a shoe sole 202B at a heel portion. 203A to 203F are rod-shaped studs coupled to a three-dimensional pressure sensor (not shown). That is, the rod-shaped studs 203A to 203C are arranged in a triangular shape on the shoe sole 202A of the toe portion, and the rod-shaped studs 203D to 203F are arranged in a triangular shape on the shoe sole 202B of the heel portion. Other points are the same as in the first embodiment.
[0030]
Thus, here, a set of three three-dimensional pressure sensors each having rod-like studs 203A to 203C and 203D to 203F is arranged on the toe portion and the heel portion of the shoe. Since the signal processing circuit and the output signal means are the same as in FIG. 1, they are omitted here. The reason why three sets of three-dimensional pressure sensors are used is that the number of three three-dimensional pressure sensors is uniquely determined when contacting with an arbitrary ground shape.
[0031]
However, when walking, it is necessary to bend the bottom of the shoe, and the toe and heel of the shoe can move independently, so such a set of three three-dimensional pressure sensors is a toe portion. It is divided and arranged in two places on the heel part. A total of six such three-dimensional pressure sensors are not assumed to be in contact with the ground at the time of walking.
[0032]
FIG. 3 is a configuration diagram of a three-dimensional ground pressure measurement system using a three-dimensional pressure sensor in the second embodiment of the present invention.
[0033]
In this figure, for the three three-dimensional pressure sensors 301 to 303, a total of nine results are obtained as the measurement results of force components in three directions. It is possible to use all nine results, but simpler information may be sufficient. In other words, the center of gravity position, the front-rear pressure, and the left-right pressure may be sufficient.
[0034]
In order to obtain the position of the center of gravity, the axial pressures 307 to 309 of the rod-shaped studs 304 to 306 of the three three-dimensional pressure sensors 301 to 303 and the coordinate positions of the respective sensors are required. It is necessary to leave all three pieces of information.
[0035]
On the other hand, for the longitudinal pressures 310 to 312 and the lateral pressures 313 to 315, it is not necessary to leave three pieces of information as they are, and the longitudinal ground pressure 318 that is the sum of the three added by the

adders

316 and 317. And the right and left direction ground pressure 319 is sufficient. Such simplification facilitates simplification of the output means and processing of the circuit after receiving the output means.
[0036]
4A and 4B are diagrams showing a configuration example of the first three-dimensional pressure sensor of the present invention. FIG. 4A is a top view thereof, and FIG. 4B is a side view thereof.
[0037]
In these drawings, 401 is coupled to a shoe sole (not shown) and a ring-shaped base member in which a circular hole 402 is formed, 403 is a bending strain detection plate disposed on the base member 401, 404-. Reference numeral 407 denotes a strain sensor disposed on the bending strain detection plate 403, and reference numeral 408 denotes a rod-shaped stud coupled to the central portion of the bending strain detection plate 403.
[0038]
As described above, the bending strain detection plate 403 is disposed between the base member 401 used for coupling with a shoe sole (not shown) and the rod-shaped stud 408. A plurality of strain sensors 404 to 407 are coupled on the bending strain detection plate 403 or directly formed on the bending strain detection plate 403. In the case of the present invention, since it is assumed that the rod-shaped stud 408 is in point contact, pressure information obtained from the contact point is not six, but three in the axial direction, the front-rear direction, and the left-right direction.
[0039]
In such a case, it is unnecessary to provide a strain sensor on the cross-shaped side surface like the force sensor shown in the conventional example of FIG. 11, and only on the surface of the bending strain detection plate 403 as shown in FIG. Is enough. In general, since the bending deformation of the bending strain detecting plate 403 can be ignored, only the bending deformation needs to be detected. Based on this premise, the strain sensors 404 to 407 formed on the surface of the bending strain detection plate 403 are not necessary on both surfaces of the bending strain detection plate 403, and only one of them is sufficient. In FIG. 4, it is also possible to couple the bending strain detection plate 403 to the back surface of the base member 401. According to this, the height dimension of the three-dimensional pressure sensor can be further reduced.
[0040]
5A and 5B are diagrams showing a configuration example of the second three-dimensional pressure sensor of the present invention. FIG. 5A is a top view thereof, and FIG. 5B is a side view thereof.
[0041]
In these drawings, reference numeral 501 denotes a ring-shaped base member that is coupled to a shoe sole (not shown) and is formed with a

circular hole

502, and 503 is a bending strain detection plate disposed on the base member 501. The bending strain detection plate 503 is formed with holes 504 to 507 at four positions, leaving a substantially cruciform portion, and the rod-shaped stud 512 is coupled to substantially the center of the cruciform. The strain sensors 508 to 511 (Sa to Sd) are arranged at four locations on the bending strain detection plate 503 so as to detect the axial pressure of the rod-shaped stud 512, the front-rear direction pressure, and the left-right direction pressure.
[0042]
As for the bending strain of the bending strain detecting plate 503, the largest strain appears on a straight line drawn vertically and horizontally from the center of the bending strain detecting plate 503, and the strain between these straight lines is small. Therefore, the strain sensors 508 to 511 (Sa to Sd) are formed on the portion where the strain is large, and the holes 504 to 507 are formed in the bending strain detection plate 503 so that the strain is concentrated on the portion where the strain is large for the other portions. I opened it, but this gave better results.
[0043]
In this case, the relationship between the pressure applied from three directions and the output of each of the strain sensors 508 to 511 (Sa to Sd) is as shown in Table 1.
[0044]
[Table 1]

Here, the strain sensor output means, for example, a change in resistance value, and + and − indicate the direction of change in resistance value. 0 means no change. Here, if the sum of the changes of the strain sensors 508 (Sa), 509 (Sb), 510 (Sc), and 511 (Sd) is taken, the resistance value change due to the vertical and horizontal pressures is canceled and does not come out. Thus, axial pressure is obtained. Further, if the difference between the strain sensors 508 (Sa) and 510 (Sc) is taken, the pressure in the vertical direction can be obtained, and if the difference between 509 (Sb) and 511 (Sd) is taken, the pressure in the left and right direction can be obtained. it can.
[0045]
In this case, since the amount of change is necessary for the resistance value, the resistance value in the case of zero pressure is measured in advance, and the future change may be measured using this resistance value as a reference. In addition, the change in resistance value is not the pressure value itself, but a proportional coefficient (including a sign) corresponding to each case is determined, and the pressure must be obtained by multiplying the change in resistance value by the proportional coefficient. Thus, each pressure value is determined as follows.
[0046]
(1) Axial pressure value of rod-shaped stud;
A constant multiple of [(Ra−Ra0) + (Rb−Rb0) + (Rc−Rc0) + (Rd−Rd0)].
(2) Vertical pressure value;
A constant multiple of [(Ra-Ra0)-(Rc-Rc0)]
(3) Pressure value in the left-right direction;
A constant multiple of [(Rb−Rb0) − (Rd−Rd0)]
Here, Ra0, Rb0, Rc0, and Rd0 are resistance values when pressure is 0, and Ra, Rb, Rc, and Rd are resistance values when pressure is applied. In this figure, the vertical direction and the horizontal direction are shown, but when arranged on a shoe, the vertical direction can be read back and forth.
[0047]
6A and 6B are diagrams showing a configuration example of the third three-dimensional pressure sensor of the present invention. FIG. 6A is a top view thereof, and FIG. 6B is a side view thereof.
[0048]
In this figure, reference numeral 601 denotes a ring-shaped base member that is coupled to a shoe sole (not shown) and is formed with a

circular hole

602, and 603 is a bending strain detection plate disposed on the base member 601. The bending strain detection plate 603 is formed with holes 604 to 607 at four positions, leaving a substantially cross-shaped portion, and the rod-shaped stud 612 is coupled to the center of the cross-shape. Reference numerals 608 to 611 denote joints between the bending strain detection plate 603 and the base member 601. The strain sensors (not shown) are arranged at four locations on the bending strain detection plate 603 so as to detect the axial pressure of the rod-shaped stud 612, the front-rear direction pressure, and the left-right direction pressure.
[0049]
As described above, the bending strain detection plate 603 has a cross shape in the vicinity of the center, but is not a cross shape as in the conventional example of FIG. 11, and the peripheral portions have a structure in which the cross shapes are connected to each other. . This reason is related to the connection structure between the bending strain detection plate 603 and the base member 601. When the bending strain detection plate 603 causes bending deformation, generally, the force strain 613 to 616 acts on the periphery of the bending strain detection plate 603 as indicated by arrows in FIG.
[0050]
This deformation is extremely fine, but if this fine deformation is not allowed, the bending strain deformation itself is constrained, and the relationship between the pressure and the strain sensor output is not proportional, and the slope gradually decreases. It was found that the so-called clipping phenomenon was exhibited. Therefore, the bending strain detection plate 603 and the base member 601 are not connected on the extension of the cross shape, but on the line that forms 45 degrees with the cross shape around the cross shape. As a coupling method, spot welding, electron beam welding, or the like can be applied.
[0051]
FIG. 7 is a view showing a configuration example of a fourth three-dimensional pressure sensor of the present invention, FIG. 7 (a) is a top view thereof, and FIG. 7 (b) is a side view thereof.
[0052]
In this figure, reference numeral 701 is a common base member for three three-dimensional pressure sensors, reference numerals 702 to 704 are three-dimensional pressure sensors obtained in FIG. 6, and reference numerals 706 to 708 are rod-shaped studs.
[0053]
In arranging the three-dimensional pressure sensors 702 to 704 on the shoe sole, the direction of the cross needs to coincide with the front / rear and left / right directions of the shoe. On the other hand, when detecting the front-rear pressure and the left-right pressure, the base member 701 itself should not be tilted back and forth or left and right, so the base member 701 needs to be firmly fixed to the shoe sole. However, since the shoe sole is generally made of a soft material such as rubber, the area of the base member 701 must be increased to some extent in order to be firmly fixed to the shoe sole. However, increasing the area of the base member 701 leads to an increase in weight as a whole, which is not desirable.
[0054]
Therefore, as shown in FIG. 7, it is effective to share the base member 701 among the three three-dimensional pressure sensors 702 to 704. In other words, even if the area occupied by each base member is not so large, the area when the three base members are combined is considerably large, and the sole is sufficiently hard to withstand the pressure in the front and rear and left and right. Can be combined. When the base members of the three three-dimensional pressure sensors 702 to 704 are shared, it is easy to arrange the cruciform shape so as to coincide with the front-rear direction of the shoe.
[0055]
When the base members 701 of the three three-dimensional pressure sensors 702 to 704 are made common in this way, output lead wires (not shown) output from the three three-dimensional pressure sensors 702 to 704 are made common to perform signal processing. Since it can be taken to a circuit (not shown), it is possible to make a very simple structure by adopting, for example, a flexible cable.
[0056]
FIG. 8 is a diagram showing the arrangement of strain sensors of the three-dimensional pressure sensor of the present invention, and FIG. 9 is a circuit diagram of the strain sensor.
[0057]
In FIG. 8, 801 is a bending strain detection plate, 802 to 805 are four holes, 806 to 809 are joints between the bending strain detection plate 801 and a base member (not shown), and Sa1 to Sa4 are first strain sensors. , Sb1 to Sb4 are second strain sensors, Sc1 to Sc4 are third strain sensors, and Sd1 to Sd4 are fourth strain sensors.
[0058]
The overall structure of the three-dimensional pressure sensor is the same as that shown in FIG. 5, and FIG. 8 shows only the bending strain detection plate 801. In this case, three strain sensors arranged on the bending strain detection plate 801 are each located near the rod-shaped stud (not shown) with respect to each arm of the cross, and one each near the base member. A total of 16 strain sensors are arranged.
[0059]
FIG. 9 shows a circuit diagram of the strain sensors Sa1 to Sa4, Sb1 to Sb4, Sc1 to Sc4, and Sd1 to Sd4. That is, the input voltage 810 is applied to the series circuit of Sa1 and Sc1, the series circuit of Sa4 and Sc4, the series circuit of Sb1 and Sd1, and the series circuit of Sb4 and Sd4. Wheatstone When bridged, an axial pressure 811 can be obtained as an output.
[0060]
Moreover, the input voltage 810 was applied by Sa2, Sc2, Sa3, and Sc3. Wheatstone When the bridge connection is used, a longitudinal pressure 812 can be obtained as an output thereof.
[0061]
Furthermore, an input voltage 810 was applied between Sd2, Sb3, Sd3, and Sb2. Wheatstone When the bridge connection is used, a lateral pressure 813 can be obtained as the output.
[0062]
The relationship between the pressure and the sensor output in this case is as shown in Table 2 when +-is defined as in Table 1.
[0063]
[Table 2]

Here, the reason why the signs of Sa4, Sb4, Sc4, and Sd4 are reversed compared to Sa1 to Sa3, etc. is that bending strain is detected when pressure is applied to a rod-like stud (not shown) coupled in the vicinity of the center in FIG. The bending deformation of the plate 801 is not just a deformation of a part of an arc, but an S-shaped deformation having an inflection point in the middle. This is because the peripheral portion is coupled to the base member. Therefore, on the surface of the bending strain detection plate 801, there is a place where the sign is reversed as the output of the strain sensor in a portion close to the rod-shaped stud and a portion close to the base member on one side. If this is utilized, the four elements of the bridge circuit can be configured with only the strain sensor. Further, in this configuration, since a plurality of independent strain sensors are arranged on each arm, a plurality of bridge circuits can be directly configured using these strain sensors. FIG. 9 shows an example of this bridge circuit. In this case, as in the embodiment shown in FIG. 5, the pressure in three directions can be directly obtained as the bridge output without further adding / subtracting the output of each sensor. Thus, each pressure component can be detected more accurately and with a simple circuit.
[0064]
FIG. 10 is a view showing a configuration example of a fifth three-dimensional pressure sensor of the present invention, FIG. 10 (a) is a top view thereof, and FIG. 10 (b) is a side view thereof.
[0065]
Usually, a strain sensor is formed by joining a resistance strain material rolled and formed on a resin substrate by means such as adhesion. This strain sensor is used by being bonded to a bending strain detection plate. However, when a large number of strain sensors are arranged as in the embodiment shown in FIG. 7, a normal strain sensor has a large shape and is difficult to execute.
[0066]
Therefore, in FIG. 10, when the bending strain detection plate 901 is a metal, Al is formed on the surface thereof. ₂ O _Three Or SiO ₂ A strain sensor 903 made of CrN, CuNi or NiCr is formed thereon. This forming process is a photo process and a sputter process, and an extremely fine shape can be formed relatively easily. Among these materials, CrN has a gauge factor (resistance change rate with respect to the applied strain) of about 6, which is about 3 times larger than 2 of a normal resistive strain material, so that the output sensitivity to the applied pressure is high. Improvement is possible.
[0067]
According to the present invention,
(1) A three-dimensional pressure sensor comprising a three-dimensional pressure sensor that detects a three-dimensional pressure value applied to the tip of a rod-shaped stud, a signal processing circuit that outputs and processes a three-dimensional pressure sensor output, a signal output means, and a shoe body. Is arranged at the bottom of the shoe body so that when the shoe is grounded, the grounding is performed at the tip of the rod-shaped stud, and when the shoe is grounded, the rod-shaped stud axial pressure value, the longitudinal pressure value, and the left-right direction A signal can be output as a pressure value.
[0068]
(2) Three sets of three-dimensional pressure sensors can be arranged on the toe portion and the heel portion of each shoe.
[0069]
(3) The signal processing circuit has three independent signals for the axial direction component of the rod-shaped stud for a set of three three-dimensional pressure sensors, and three for the longitudinal and lateral force components. Can be configured to output the total value of.
[0070]
(4) The three-dimensional pressure sensor can be composed of a rod-shaped stud, a base member, a bending strain detection plate, and a strain sensor disposed on the surface of the bending strain detection plate.
[0071]
(5) The bending strain detection plate has a cross-shaped portion, and uses the sum and difference of strain sensor outputs arranged on each arm of the cross-shaped portion, and uses the rod-shaped stud axial direction component, the front-rear direction component, the left-right direction component. Can be separated.
[0072]
(6) Four strain sensors are arranged on each of the four arms of the cross-shaped portion, and the 16 strain sensors are connected in series and parallel to output an axial component, a longitudinal component, and a lateral component. A bridge circuit can be obtained.
[0073]
(7) The strain sensor can be formed of a thin film made of CrN. By applying a CrN, CuNi or NiCr thin film, it becomes possible to realize a fine shape and a sizing bar that were impossible with a rolling material conventionally used as a resistance strain material. In the case of a CrN thin film, high output sensitivity can be imparted due to the high gauge factor of the CrN thin film.
[0074]
In order to let a patient with complete leg paralysis stand up and walk at a desired location with a functional electrical stimulation system (FES), it is necessary to grasp the posture of the patient and generate an electrical stimulation appropriately set based on this. . The shoe of the present invention can provide a basic tool to achieve this goal.
[0075]
Furthermore, the shoes of the present invention can detect the habits of each person during walking of a healthy person and acquire the correct walking habits, and can also run as efficiently as possible in the field of sports medicine. Wide range of applications and social contributions are possible, such as studying what should be done and determining whether weight transfer is being performed properly during golf practice.
[0076]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0077]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0078]
(A) In the prior art, the shape of the portion to be grounded is a plate, whereas the shape of the portion to be grounded in the present invention is a point, and a plurality of points are allowed. Since a three-dimensional force component is detected for each of these points, pressure information necessary for posture estimation can be obtained without hindering natural walking. That is, this pressure value information can be used to estimate a human posture state and output a signal for reestablishing the posture state to the FES system.
[0079]
(B) As a pressure measurement sensor, an accurate value is measured by converting an applied pressure into a bending deformation of a bending strain detecting plate, and detecting a strain generated in the bending strain detecting plate with a strain sensor. be able to.
[0080]
(C) In order to estimate the posture of a person from the pressure of a shoe, it is necessary to separately detect pressure components in the axial direction, the front-rear direction, and the left-right direction of the rod-shaped stud to be grounded. In the present invention, by arranging a plurality of strain sensors on the bending strain detection plate and connecting them in series and in parallel, these force direction components can be directly and accurately measured.
[0081]
(D) By forming the strain sensor with a CrN, CuNi or NiCr thin film, it is possible to improve the ground pressure measurement accuracy and reduce the size.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a shoe having a three-dimensional ground pressure value measuring function according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a shoe having a three-dimensional ground pressure value measuring function according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a three-dimensional ground pressure measurement system using a three-dimensional pressure sensor in a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a first three-dimensional pressure sensor of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a second three-dimensional pressure sensor of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a third three-dimensional pressure sensor of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a fourth three-dimensional pressure sensor of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an arrangement of strain sensors of the three-dimensional pressure sensor of the present invention.
FIG. 9 is a circuit diagram of a strain sensor of the three-dimensional pressure sensor of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of a fifth three-dimensional pressure sensor of the present invention.
FIG. 11 is an exploded perspective view of a shoe having a conventional three-dimensional ground pressure value measuring function.
[Explanation of symbols]
101,201 shoe body
102,202 Shoe sole
102A, 202A Toe shoe sole
102B, 202B Shoe sole
103, 301-303, 702-704 Three-dimensional pressure sensor
104, 203A to 203F, 304 to 306, 408, 512, 612, 706 to 708 Rod-shaped stud
105 Signal processing circuit
106 Lead wire
107 Signal output means
307-309,811 Axial pressure
310-312,812 Front-rear pressure
313 to 315, 813 Left and right direction pressure
316,317 Adder
318 Ground pressure in the front-rear direction
319 Left and right ground pressure
401, 501, 601 Base member
402,502,602 Circular holes
403, 503, 603, 801, 901 Bending strain detection plate
404 to 407, 508 to 511 (Sa to Sd) Strain sensor
504 to 507, 604 to 607, 802 to 805 holes
Ra0, Rb0, Rc0, Rd0 Resistance value when pressure is 0
Ra, Rb, Rc, Rd Resistance when pressure is applied
608-611, 806-809 coupling part
613-616 force
701 Common base member of three three-dimensional pressure sensors
Sa1-Sa4 first strain sensor
Sb1 to Sb4 second strain sensor
Sc1 to Sc4 Third strain sensor
Sd1 to Sd4 Fourth strain sensor
810 Input voltage
902 Insulating film (resin base)
Strain sensor composed of 903 CrN

Claims

(A) A three-dimensional pressure sensor (103) having a rod-shaped stud (104) is coupled to the shoe sole (102) of the shoe body (101),
(B) The rod-shaped stud (104) protrudes from the shoe sole (102) of the shoe body (101) so that the tip of the rod-shaped stud (104) is grounded when the shoe body (101) is grounded. Configured,
(C) The three-dimensional pressure sensor (103) detects a ground pressure value applied to the tip of the rod-shaped stud (104), and uses the ground pressure value as an axial pressure value, a front-rear pressure value, and a left-right pressure value of the rod-shaped stud. A shoe having a three-dimensional ground pressure measurement function, wherein a signal processing circuit (105) performs signal processing as a pressure value and a signal output means (107) outputs a signal .

The shoe having a three-dimensional ground pressure value measuring function according to claim 1, wherein the three sets of the three-dimensional pressure sensors are respectively arranged on the toe portion and the heel portion of the shoe sole. Shoes with a three-dimensional pressure measurement function.

3. The shoe having a three-dimensional ground pressure value measuring function according to claim 2 , wherein the signal processing circuit has three sets of axial pressure values of the rod-shaped studs for three sets of the three-dimensional pressure sensors. Pressure values from the three three-dimensional pressure sensors are independently output to the signal output means, and regarding the front and rear pressure values and the left and right pressure values, the total value of the three three-dimensional pressure sensor pressure values is supplied to the signal output means. A shoe having a three-dimensional ground pressure measurement function, characterized by being configured to output.

The shoe having a three-dimensional ground pressure value measuring function according to claim 1, wherein the three-dimensional pressure sensor includes a rod-shaped stud, a base member for fixing the ground pressure sensor to a shoe sole, one end of the rod-shaped stud and a base member. a plate-shaped bending strain detection plate is grounded during, and curved consists strain sensors disposed on the surface of up distortion detection plate, the results of the other end portion of the rod-shaped stud is subjected to a ground, the ground pressure A shoe having a three-dimensional ground pressure measurement function, which is detected by a strain sensor arranged on a bending strain detection plate.

In shoes having a three-dimensional ground pressure value measuring function according to claim 4, comprising the bending strain sensing plate Cross-shaped section, is coupled previous SL rod-shaped stud at the center of the cross-shaped section, the A base member is coupled to a peripheral portion of the cross-shaped portion, and Sa, Sb, Sc, and Sd are respectively formed on the surfaces of the upward arm, the right arm, the downward arm, and the left arm that form the cross-shape portion. said strain sensor is arranged comprising, the signal processing circuit, a strain sensor resistance in the absence of ground pressure, respectively, Ra0, Rb0, Rc0, and Rd0, the strain sensor resistance when the ground pressure is applied When the values are Ra, Rb, Rc, and Rd, respectively, a constant multiple of [(Ra−Ra0) + (Rb−Rb0) + (Rc−Rc0) + (Rd−Rd0)] is set to the rod-shaped stud shaft. Directional ground pressure The constant multiple of [(Ra−Ra0) − (Rc−Rc0)] is the front and back ground pressure value, and the constant multiple of [(Rb−Rb0) − (Rd−Rd0)] is the left and right ground pressure value. A shoe having a three-dimensional ground pressure measurement function, wherein the shoe is configured to output to the signal output means.

In shoes having a three-dimensional ground pressure value measuring function according to claim 5, comprising the bending strain sensing plate Cross-shaped portion, being coupled each periphery of the cross-shaped section, the center of the cross-shaped portion The rod-shaped stud is coupled to the base member, and is coupled to the base member in a direction approximately 45 degrees to the direction of the cross-shaped portion at a peripheral portion where the cross-shaped portion is coupled. Shoes with 3D ground pressure measurement function.

5. A shoe having a three-dimensional ground pressure measurement function according to claim 4, comprising three three-dimensional pressure sensors, each of the three-dimensional pressure sensors for fixing the ground pressure sensor to the rod stud and the sole. the base member, the plate-shaped bending strain detection plate is grounded between the one end and the base member of the rod-shaped stud, and consists strain sensors disposed on the surface of the bending strain detection plate, three said base member A shoe having a three-dimensional ground pressure measurement function, characterized by comprising a member common to the three-dimensional pressure sensor.

In shoes having a three-dimensional ground pressure value measuring function according to claim 4, comprising the bending strain sensing plate Cross-shaped section, the center of the cross-shaped portion is coupled said rod-shaped stud, the cross A base member is coupled to the peripheral portion of the shape portion, and Sa1, Sa2, Sa3, Sb1, Sb2 are respectively provided on the portions of the surfaces of the four arms forming the cross-shaped portion, near the rod-shaped stud. , Sb3, Sc1, Sc2, Sc3, Sd1, Sd2, Sd3 strain sensors are arranged, and on the surface of each of the four arms forming the cross-shaped portion, the portion closer to the base member, A strain sensor composed of Sa4, Sb4, Sc4, and Sd4 is disposed, and the signal processing circuit includes a series circuit of Sa1 and Sc1, a series circuit of Sa4 and Sc4, a series circuit of Sb1 and Sd1, The output voltage of the bridge formed by the four arms of the series circuit of Sb4 and Sd4 is appropriately amplified to obtain the rod-shaped stud axial ground pressure value, and the bridges having Sa2, Sc2, Sa3, and Sc3 as the respective arms. The output is appropriately amplified to obtain the ground pressure value in the front-rear direction, and the output of the bridge having Sb2, Sd2, Sb3, Sd3 as each arm is appropriately amplified and output to the signal output means as the ground pressure value in the left-right direction. A shoe having a three-dimensional ground pressure measurement function.

The shoe having a three-dimensional ground pressure measurement function according to any one of claims 4 to 6, wherein the strain sensor is made of a CrN, CuNi or NiCr thin film formed on an insulating material. Shoes with dimension ground pressure measurement function.