JP4787957B2 - Wearable plantar pressure presentation device - Google Patents
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Description
本発明は、足底圧感覚に障害のある運動障害者が行う歩行運動において、足底圧力を提示する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for presenting plantar pressure in a walking motion performed by a disabled person with a disability in plantar pressure sensation.
足底圧感覚の低下または失調を有する障害者（足底圧感覚障害者）は、歩行において転倒に強い不安を持っている。このため歩行訓練などのリハビリテーションでは療法士が補助を行うなど転倒事故に細心の注意が払われている。歩行者の転倒は，足底圧力の中心位置と密接に関係することから、足底圧感覚障害者が転倒を予期し、回避するためには足底圧力に関する情報を，足底圧感覚障害者にリアルタイムに認知させるための手段が必要である。 A disabled person (plantar pressure sensation disabled person) having a decrease or ataxy of plantar pressure sensation has a strong anxiety about falling during walking. For this reason, in rehabilitation such as walking training, careful attention is paid to fall accidents, such as assistance by a therapist. Because pedestrian falls are closely related to the center position of plantar pressure, in order to prevent and avoid the fall of plantar pressure sensation, information on plantar pressure should be provided. It is necessary to have a means for making them recognize in real time.
足底圧感覚障害者に，足底圧力を，視覚または聴覚によって，リアルタイムに提示する装置はすでにいくつか存在する。（ 特許文献１，特許文献２） There are already some devices that present the plantar pressure to the person with plantar pressure sensation in real time, visually or auditorily. (Patent Document 1, Patent Document 2)
足底圧感覚障害者に，足底圧力を提示する手段として、特許文献１に記載の視覚的な提示を用いた場合、歩行を行いながら足底圧力の提示を目視することが難しい点が問題である。また、特許文献２に記載の聴覚による提示法では、提示音が周囲への騒音となること、提示音と足底圧力の時間空間的パターンとの対応関係が歩行者にわかりにくいこと、および提示音の設定にパーソナルコンピュータを使用するために、装置の設置場所とケーブルにより使用者の運動が制限されることが問題である。すなわち、従来の装置ではリハビリテーションや訓練においてのみ適用可能であり、日常生活への適用が困難であるという問題点がある。 When visual presentation described in Patent Document 1 is used as a means for presenting plantar pressure to a person with plantar pressure sensation disorder, it is difficult to visually present the plantar pressure while walking. It is. Further, in the auditory presentation method described in Patent Document 2, the presentation sound becomes noise to the surroundings, the correspondence between the presentation sound and the temporal and spatial pattern of the sole pressure is difficult to understand for the pedestrian, and the presentation In order to use a personal computer for sound setting, the problem is that the user's movement is limited by the installation location of the device and the cable. That is, the conventional apparatus can be applied only in rehabilitation and training, and is difficult to apply to daily life.
本発明は、足底圧感覚障害者の歩行において、足底圧力の情報を皮膚感覚提示手段によってリアルタイムに提示し、かつ、位置によって異なる足底圧力の弁別が容易であり、さらに、足底圧力情報の提示が周囲に影響を与えず、装置全体を使用者の身体に着用することが可能であり、使用者の運動範囲に制限のない足底圧力提示装置を提供する。 In the walking of a person with plantar pressure sensation disorder, the present invention presents the plantar pressure information in real time by the skin sensation presentation means, and can easily discriminate the plantar pressure depending on the position. Provided is a plantar pressure presentation device in which the presentation of information does not affect the surroundings, the entire device can be worn on the user's body, and the range of motion of the user is not limited.
第１の発明は、複数の圧力センサを配置した足底圧センサと、この足底圧センサにより計測される足底圧力信号を皮膚刺激信号に変換するコントローラと、このコントローラから出力される皮膚刺激信号により皮膚感覚を提示する皮膚感覚提示手段とを備え、前記コントローラは、前記足底信号をデジタル信号の足底圧力データに変換するＡＤ変換機能と、足底圧力信号の変化に対応する皮膚刺激信号の変化量を設定するためのゲインのパラメータおよび靴の内圧のために生じる圧力を除去するためのオフセットのパラメータを設定する刺激設定用ボリュームと、前記足底圧力データならびに前記ゲインおよびオフセットのパラメータに基づいて皮膚刺激データを計算する演算機能と、前記皮膚刺激データのデジタル信号をアナログ信号の皮膚刺激信号に変換するＤＡ変換機能とを備えるコントローラであり、前記皮膚感覚提示手段は、皮膚に接触するように装着され、前記ＤＡ変換機能から出力される皮膚刺激信号に応じた皮膚刺激を発生させる皮膚感覚提示手段であることを特徴とする足底圧提示装置である。 The first invention, the skin to be output and Ashisoko圧sensor disposed a pressure sensor of multiple, the plantar pressure signal measured by the foot sole pressure sensor and a controller to convert the skin stimulus signal from the controller Skin sense presentation means for presenting a skin sensation with a stimulus signal, and the controller includes an AD conversion function for converting the plantar signal into digital plantar pressure data, and skin corresponding to a change in the plantar pressure signal. A stimulation setting volume for setting a gain parameter for setting a change amount of a stimulation signal and an offset parameter for removing a pressure generated due to an internal pressure of the shoe, the sole pressure data, the gain and the offset a calculation function for calculating a skin irritation data based on the parameters, skin digital signal an analog signal of the skin irritation data A controller having a DA conversion function for converting to a stimulation signal, wherein the skin sensation presentation means is mounted so as to come into contact with the skin, and generates a skin stimulation according to the skin stimulation signal output from the DA conversion function A plantar pressure presentation device characterized by being a skin sensation presentation means .
第２の発明は，該足底圧力提示装置において、足底内の異なる部位に作用する足底圧力の大きさを、それぞれ異なる位置に取り付けられた皮膚感覚提示手段を用いて足底圧力を提示することを特徴とする足底圧力提示装置である。 According to a second aspect of the present invention, in the plantar pressure presentation device, the plantar pressure is expressed by using skin sensation presentation means attached to different positions of the plantar pressure acting on different sites in the plantar. This is a plantar pressure presentation device.
第３の発明は，該足底圧力提示装置において、装置全体を身体に着用することが可能であることを特徴とする足底圧力提示装置である。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the plantar pressure presentation device characterized in that the entire device can be worn on the body.
本発明の動作原理について図１および図２に基づいて説明する。足底圧感覚障害者が歩行する際の足底圧力を足底圧センサ００４により計測する。コントローラ００３では、図２に示すように、足底圧力信号００５をAD変換００６によりマイクロコンピュータに取り込み、刺激量計算００７において、足底圧力データから皮膚刺激データを計算する。皮膚刺激データからDA変換００８により、皮膚刺激信号００９に変換する。皮膚刺激信号から皮膚感覚刺激装置００２によって足底圧力情報を提示する。 The operation principle of the present invention will be described with reference to FIGS. A plantar pressure sensor 004 measures the plantar pressure when a person with plantar pressure sensation disorder walks. In the controller 003, as shown in FIG. 2, the plantar pressure signal 005 is taken into the microcomputer by the AD conversion 006, and the skin stimulation data is calculated from the plantar pressure data in the stimulation amount calculation 007. The skin stimulation data is converted into a skin stimulation signal 009 by DA conversion 008. The plantar pressure information is presented by the skin sensory stimulation device 002 from the skin stimulation signal.
足底圧センサ００４において、爪先や踵など、足底に複数の圧力センサが取り付けられる。足底に取り付けられる圧力センサの位置と対応して、複数の皮膚感覚刺激装置００２が感覚機能の障害の及ばない体部位に取り付けられる。爪先や踵などの足底の場所によって異なる足底圧力の大きさをそれぞれ異なる部位に提示される皮膚刺激により提示する。 In the plantar pressure sensor 004, a plurality of pressure sensors such as a toe and a heel are attached to the plantar. Corresponding to the position of the pressure sensor attached to the sole of the foot, a plurality of skin sensory stimulation devices 002 are attached to a body part that does not impair sensory function. The level of plantar pressure, which varies depending on the location of the sole, such as the toe and the heel, is presented by skin stimulation presented to different sites.
提示刺激の大きさの設定する方法としてボリュームを用い、AD変換機能、DA変換機能および演算機能を有するマイクロコンピュータを用いて、身体に着用可能な足底圧力提示装置を構成する。 A volume is used as a method for setting the magnitude of the presentation stimulus, and a plantar pressure presentation device that can be worn on the body is configured using a microcomputer having an AD conversion function, a DA conversion function, and a calculation function.
本発明により足底圧感覚障害者は、足底圧力の大きさを，感覚障害のない部位に提示される皮膚感覚提示刺激の大きさから，リアルタイムに認知することができる。爪先や踵などで異なる足底圧力の大きさを、異なる部位に取り付けられた皮膚感覚刺激装置を用いて，提示することにより、異なる位置の足底圧力の大きさを弁別することができるとともに、提示刺激量のパラメータ設定を，簡便化することが可能になる。足底内における複数の位置の圧力を，異なる部位に取り付けられた皮膚感覚刺激装置によって提示することにより、マイクロコンピュータを使用したコンパクトな足底圧力提示装置を，構成することができる。本発明によれば、足底圧力提示装置を，身体に取り付けることができ、訓練やリハビリテーションのみにとどまらず、日常的に利用することが可能になる。 According to the present invention, a person with plantar pressure sensation disorder can recognize the magnitude of the plantar pressure in real time from the magnitude of the skin sensation presentation stimulus presented at a site without sensory impairment. By using the skin sensory stimulator attached to different parts to indicate the magnitude of plantar pressure that differs between toes and heels, it is possible to discriminate the magnitude of plantar pressure at different locations, It is possible to simplify the parameter setting of the presentation stimulus amount. A compact plantar pressure presentation device using a microcomputer can be configured by presenting pressures at a plurality of positions in the plantar by skin sensation stimulation devices attached to different sites. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a plantar pressure presentation apparatus can be attached to a body and it becomes possible not only to exercise and rehabilitation but to use on a daily basis.
足底圧感覚障害者の歩行中において、爪先と踵に作用する足底圧力を，それぞれ前腕と上腕に取り付けられた振動モータによって励起される皮膚振動感覚によって，提示する装置の実施形態を図３に基づいて説明する。ただし、皮膚感覚による提示法は，皮膚圧感覚による提示法や，電気刺激により励起される皮膚痛覚による提示法であってもよく，なお，これらの方法に限定されるものではない。 FIG. 3 shows an embodiment of an apparatus for presenting plantar pressure acting on the toes and heels by a skin vibration sensation excited by a vibration motor attached to the forearm and upper arm, respectively, during walking of a person with a plantar pressure sensation disorder. Based on However, the presentation method by skin sensation may be a presentation method by skin pressure sensation or a presentation method by skin pain sensation excited by electrical stimulation, and is not limited to these methods.
本発明に係る足底圧力提示装置の入力は，踵と爪先に作用する荷重と、提示刺激の大きさの設定において必要なパラメータであるゲインとオフセットの設定用ボリュームの大きさである。足底圧力提示装置の出力は，左右の爪先と踵に作用する足底圧力の大きさを提示するモータの振動である。 The inputs of the plantar pressure presentation device according to the present invention are the load acting on the heel and the toe, and the size of the volume for setting the gain and offset, which are parameters necessary for setting the size of the presentation stimulus. The output of the plantar pressure presentation device is the vibration of the motor that presents the magnitude of plantar pressure acting on the left and right toe and heel.
靴の中に挿入された足底圧センサ１０４は，コントローラ１０３と接続される。足底圧センサにかかる荷重の大きさに応じて変化するセンサの出力電圧は、アンプフィルタ機能を持つアナログ回路とマイクロコンピュータ０１１のAD変換を通してディジタル信号に変換され、マイクロコンピュータ０１１のメモリに格納される。このデータを圧データと呼ぶこととする。刺激設定用ボリューム０１０の大きさに応じて変化する電圧値が、計測用アンプフィルタ機能を持つアナログ回路とマイクロコンピュータ０１１のAD変換を通してディジタル信号に変換され、マイクロコンピュータ０１１のメモリに格納される。このデータをパラメータデータと呼ぶこととする。 The sole pressure sensor 104 inserted into the shoe is connected to the controller 103. The sensor output voltage, which changes according to the magnitude of the load applied to the plantar pressure sensor, is converted into a digital signal through an analog circuit having an amplifier filter function and AD conversion of the microcomputer 011, and stored in the memory of the microcomputer 011. The This data is called pressure data. A voltage value that changes according to the size of the stimulation setting volume 010 is converted into a digital signal through AD conversion of an analog circuit having a measurement amplifier filter function and the microcomputer 011, and is stored in the memory of the microcomputer 011. This data is called parameter data.
マイクロコンピュータ０１１の演算機能を用いて、圧データ（Vin）から刺激データ（Vout）を次式により計算する。
ここで、本発明に係る足底圧力提示装置の入力と出力の間の，ゲインとオフセットのパラメータの作用について説明する。ゲインは圧力の変化に対する刺激データの変化の大きさを設定するパラメータである。ゲインのパラメータにより、使用者の体重の違いによって生じる刺激量の違いを調整することができる。オフセットは靴の内圧のために生じる圧力のオフセットを除去するためのパラメータである。オフセットのパラメータにより、足が地面から離れ、圧力が０となったときに刺激量を０として、足の接地状態をより明確に提示することができる。なお、刺激のゲインとオフセットはあらかじめマイクロコンピュータのプログラムに記述してもよい。 Here, the operation of the gain and offset parameters between the input and output of the plantar pressure presentation device according to the present invention will be described. The gain is a parameter for setting the magnitude of the change in the stimulus data with respect to the change in the pressure. A difference in stimulation amount caused by a difference in weight of the user can be adjusted by a gain parameter. The offset is a parameter for removing the pressure offset caused by the internal pressure of the shoe. With the offset parameter, when the foot leaves the ground and the pressure becomes 0, the stimulation amount is set to 0, and the ground contact state of the foot can be presented more clearly. The stimulus gain and offset may be described in advance in a microcomputer program.
次に、知覚閾値のパラメータVthの作用について説明する。振動や圧力などの刺激に対するヒトの皮膚感覚は、ある一定の刺激強度（知覚閾値）を超えたときに初めてその刺激に反応する。したがって、知覚閾値のパラメータを使用者の皮膚感覚刺激閾値に相当する電圧値に設定することにより、足の接地状態をより明確に提示することができるとともに、圧力の大きさと刺激量との関係がより明確になる。本実施形態では知覚閾値のパラメータはプログラムにあらかじめ記述しているが、ゲインとオフセットのパラメータと同様にボリュームにより調整可能としてもよい。 Next, the operation of the perceptual threshold parameter V th will be described. The human skin sensation to a stimulus such as vibration or pressure responds to the stimulus only when a certain stimulus intensity (perception threshold) is exceeded. Therefore, by setting the perceptual threshold parameter to a voltage value corresponding to the user's skin sensory stimulus threshold, the ground contact state of the foot can be presented more clearly, and the relationship between the magnitude of the pressure and the stimulus amount is Become clearer. In the present embodiment, the perceptual threshold parameter is described in advance in the program, but it may be adjustable by the volume in the same manner as the gain and offset parameters.
計算された刺激データがマイクロコンピュータのDA変換によってディジタル値からアナログ値に変換される。コントローラのアナログ出力はモータ駆動用のアンプを備えるアナログ回路を通して、振動モータ１０２に供給される。供給される電圧値の大きさに応じて振動の回転数が制御され、振動の周波数および振幅の変化から、足底圧感覚障害者は皮膚感覚を通して足底圧力を認知する。 The calculated stimulus data is converted from a digital value to an analog value by DA conversion of the microcomputer. The analog output of the controller is supplied to the vibration motor 102 through an analog circuit having an amplifier for driving the motor. The rotation speed of the vibration is controlled in accordance with the magnitude of the supplied voltage value, and the person with plantar pressure sensation impairment recognizes the plantar pressure through the skin sensation from changes in the frequency and amplitude of the vibration.
図４に足底圧力提示装置の製作例のひとつを示す。振動モータ１０２と足底圧センサ１０４がコントローラと接続される。また、コントローラの電源として電池０１３がコントローラと接続される。 FIG. 4 shows one example of manufacturing a plantar pressure presentation device. The vibration motor 102 and the plantar pressure sensor 104 are connected to the controller. Further, a battery 013 is connected to the controller as a power source for the controller.
図５に当該の足底圧力提示装置のコントローラ部の製作例のひとつを示す。コントローラ部は刺激設定ボリューム０１０とマイクロコンピュータ０１１および電池のコネクタ０１４と振動モータのコネクタ０１５と足底圧センサのコネクタ０１６を備える。 FIG. 5 shows one example of manufacturing the controller unit of the plantar pressure presentation apparatus. The controller unit includes a stimulation setting volume 010, a microcomputer 011, a battery connector 014, a vibration motor connector 015, and a sole pressure sensor connector 016.
図６に当該の足底圧力提示装置の足底圧センサの製作例のひとつを示す。足底圧センサは爪先部の２箇所に取り付けられた圧センサ０１７と踵に取り付けられた圧センサ０１８を備え、靴に挿入することが可能な形態とする。 FIG. 6 shows one example of manufacturing a plantar pressure sensor of the plantar pressure presentation device. The plantar pressure sensor includes a pressure sensor 017 attached to two locations on the toe portion and a pressure sensor 018 attached to the heel, and can be inserted into a shoe.
図７に当該の足底圧力提示装置の振動モータの取り付け例のひとつを示す。踵の圧データを提示する振動モータが上腕サポータ０１９に取り付けられる。一方、爪先の圧データを提示する振動モータが前腕サポータ０２０に取り付けられる。振動モータの取り付けられた上腕サポータ０１９および前腕サポータ０２０が使用者の腕に取り付けられる。 FIG. 7 shows one example of attachment of the vibration motor of the plantar pressure presentation device. A vibration motor for presenting heel pressure data is attached to the upper arm supporter 019. On the other hand, a vibration motor for presenting toe pressure data is attached to the forearm supporter 020. Upper arm supporter 019 and forearm supporter 020 to which a vibration motor is attached are attached to the user's arm.
図８に当該の足底圧力提示装置を身体に取り付けた例のひとつを示す。足底圧センサを靴底に挿入し、コントローラを大腿部に取り付け、上腕サポータと前腕サポータを腕に取り付けることによって、装置全体を身体に取り付けられる。 FIG. 8 shows one example in which the plantar pressure presentation device is attached to the body. The entire device can be attached to the body by inserting a plantar pressure sensor into the sole, attaching the controller to the thigh, and attaching the upper arm supporter and forearm supporter to the arm.
本発明は、足底圧感覚の低下もしくは失調を有する障害者が使用する医療、福祉機器として利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a medical or welfare device used by a disabled person who has a decrease or malfunction of plantar pressure.
００１ 足底圧感覚障害者
００２ 皮膚感覚提示装置
００３ コントローラ
００４ 足底圧センサ
００５ 足底圧力信号
００６ A/D変換
００７ 刺激量計算
００８ D/A変換
００９ 皮膚刺激信号
０１０ 刺激設定用ボリューム
０１１ マイクロコンピュータ
０１２ 振動モータ
０１３ 電池
０１４ 電池のコネクタ
０１５ 振動モータのコネクタ
０１６ 足底圧センサのコネクタ
０１７ 爪先部の圧力センサ
０１８ 踵部の圧力センサ
０１９ 振動モータ取付け用の上腕サポータ
０２０ 振動モータ取付け用の前腕サポータ
０２１ 振動モータとコントローラを結ぶコード
０２２ 足底圧センサとコントローラを結ぶコード
１０２ 振動モータ
１０３ コントローラ
１０４ 足底圧センサ
001 Plantar pressure sensory disabled 002 Skin sensory presentation device 003 Controller 004 Plantar pressure sensor 005 Plantar pressure signal 006 A / D conversion 007 Stimulation amount calculation 008 D / A conversion 009 Skin stimulation signal 010 Stimulus setting volume 011 Microcomputer 012 Vibration motor 013 Battery 014 Battery connector 015 Vibration motor connector 016 Foot pressure sensor connector 017 Toe pressure sensor 018 Hip sensor pressure sensor 019 Upper arm supporter 020 for vibration motor attachment Forearm supporter 021 for vibration motor attachment Code 022 connecting vibration motor and controller Code 102 connecting sole pressure sensor and controller Vibration motor 103 Controller 104 Foot pressure sensor
Claims (3)
前記コントローラは、前記足底信号をデジタル信号の足底圧力データに変換するＡＤ変換機能と、足底圧力信号の変化に対応する皮膚刺激信号の変化量を設定するためのゲインのパラメータおよび靴の内圧のために生じる圧力を除去するためのオフセットのパラメータを設定する刺激設定用ボリュームと、前記足底圧力データならびに前記ゲインおよびオフセットのパラメータに基づいて皮膚刺激データを計算する演算機能と、前記皮膚刺激データのデジタル信号をアナログ信号の皮膚刺激信号に変換するＤＡ変換機能とを備えるコントローラであり、
前記皮膚感覚提示手段は、皮膚に接触するように装着され、前記ＤＡ変換機能から出力される皮膚刺激信号に応じた皮膚刺激を発生させる皮膚感覚提示手段である
ことを特徴とする足底圧提示装置。 A plantar pressure sensor with a plurality of pressure sensors, a controller that converts the plantar pressure signal measured by the plantar pressure sensor into a skin stimulation signal, and a skin sensation signal that is output from the controller presents skin sensation Skin sensation presentation means
The controller includes an AD conversion function for converting the plantar signal into digital plantar pressure data, a gain parameter for setting a change amount of the skin stimulation signal corresponding to a change in the plantar pressure signal, and a shoe parameter A stimulation setting volume for setting an offset parameter for removing pressure generated due to internal pressure, a calculation function for calculating skin stimulation data based on the plantar pressure data and the gain and offset parameters, and the skin A controller having a DA conversion function that converts a digital signal of stimulation data into an analog skin stimulation signal;
Said skin sensation presentation unit is mounted so as to be in contact with the skin, wherein the <br/> DA is skin sensation presentation means for generating a skin irritation in accordance with the skin irritation signal outputted from the conversion function Plantar pressure presentation device.
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