JP5340133B2 - 重心揺動測定方法およびその装置 - Google Patents
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Description
身体の揺動に伴う身体の重心移動は、被験者の左右の足裏部に加わる荷重変化として現れる。この荷重変化を測定器の荷重センサの出力信号によって検出し、検出した荷重信号に基づいて平面上における身体重心位置および身体重心位置の変化量を算出し、これらの種々の算出値でもって身体の揺動状態が評価されている。
例えば図8(a)に示されるように、計量台102上からの高さがH1の位置に重心G1を持つ人間Aが計量台102上で直立姿勢を取ったところ、身体揺動によって同図(b)に示されるように角度θ1だけ傾いたとする。このとき、人間Aの計量台102上での重心移動距離L1は、下記式(1)で表すことができる。
L1=H1・sinθ1 ・・・(1)
従来の重心揺動測定装置101では、この式(1)で示される重心移動距離L1をもって身体揺動の量としている。
ここで、計量台102は、その四隅が荷重センサ1051〜1054によって支持されている。また、計量台102の中心線Cに対して対称にR/2の距離を取る2つの直線T1,T2において、一方側(図8(d)において左側)の直線T1上には荷重センサ1051,1052が配置され、他方側(図8(d)において右側)の直線T2上には荷重センサ1053,1054が配置されている。
L1={(Wb−Wa)/(Wa+Wb)}・(R/2) ・・・(2)
sinθ2=L2/H2 ・・・(3)
すなわち、重量測定値から得られる重心移動距離が同じであっても、計量台102の上面からの重心高さの低い人は重心高さの高い人よりも大きく傾いていることになる。
複数個の荷重センサによって支持される計量台上に載った被験者の身体の揺動測定に関して、前記計量台上に載った被験者の身体の傾き角度またはそれに基づいて算出されるパラメータを被験者の身体の揺動に関するパラメータとし、前記被験者の身体の揺動に関するパラメータを、前記荷重センサからの荷重信号と前記被験者の重心高さとに基づいて算出することを特徴とするものである(第1発明)。
複数個の荷重センサによって支持される計量台上に載った被験者の身体の揺動測定に関して、前記計量台上に載った被験者の身体の傾き角度またはそれに基づいて算出されるパラメータを被験者の身体の揺動に関するパラメータとし、前記被験者の身体の揺動に関するパラメータを、前記荷重センサからの荷重信号と前記被験者の重心高さとに基づいて算出する揺動パラメータ算出手段を備えることを特徴とするものである(第3発明)。
図1に示されるように、本発明の一実施形態に係る重心揺動測定装置1は、被験者が両足を踏み入れて起立状態で載ることのできる大きさの四角形状の計量台2と、この計量台2に対し中継コード3を介して接続される測定器4とを備えて構成されている。
図2に示されるように、計量台2は、その四隅が4個の荷重センサ51〜54によって支持されている。
図示のように計量台2上に足形を描き、更に計量台2の中心線に相当するY軸と、このY軸に直交するX軸とよりなる直交座標を定める。なお、X軸は、計量台2上に載った被験者の左右方向に延びる軸であり、Y軸は、同被験者の前後方向に延びる軸である。
X軸を挟むようにして、荷重センサ51と荷重センサ52とが配置され、同様にして、荷重センサ53と荷重センサ54とが配置されている。
Y軸を挟むようにして、荷重センサ51と荷重センサ53とが配置され、同様にして、荷重センサ52と荷重センサ54とが配置されている。ここで、荷重センサ51と荷重センサ53とを結ぶ直線N1と荷重センサ52と荷重センサ54とを結ぶ直線N2との距離はSに定められている(Sに構成されている)ものとする。
Y軸に対して対称にR/2の距離を取る2つの直線T1,T2において、一方側(図2において左側)の直線T1上には荷重センサ51と荷重センサ52とが配置され、他方側(図2において右側)の直線T2上には荷重センサ53と荷重センサ54とが配置されている。
X軸は荷重センサ51と荷重センサ53とを結ぶ直線N1からS´の距離に定められている。
各荷重センサ51〜54は、起歪体に所要のストレインゲージが貼り付けられて構成されるストレインゲージ式ロードセルである。
なお、本実施形態では、荷重センサ51〜54として、ストレインゲージ式の検出方式のものを採用したが、これに限定されるものではなく、フォースバランス式や音叉振動式の検出方式のものを採用してもよい。
図1に示されるように、測定器4の表面には、操作・設定用のキースイッチ6と、測定データや設定データ等を表示する表示器7とが設けられている。
測定器4の内部には、図3に示されるように、演算回路8や警報用の電子ブザー9が組み込まれるとともに、演算回路8や荷重センサ51〜54等に電力を供給する電源としての電池(図示省略)などが組み込まれている。
図3に示されるように、測定回路10は、主として、荷重信号出力回路11と、演算回路8とより構成されている。
荷重信号出力回路11は、各荷重センサ51〜54における所要のストレインゲージで組まれたブリッジ回路121〜124によって構築されている。
演算回路8は、主として、演算増幅器131〜134と、クロック信号発信回路14と、A/D変換器15と、I/O回路16と、CPU(中央処理装置)17と、メモリ18とにより構成されている。
演算増幅器131〜134は、各荷重センサ51〜54に対応して設けられ、各荷重センサ51〜54のブリッジ回路121〜124から出力される荷重信号を入力し、入力した荷重信号を所要の大きさに増幅してA/D変換器15へと出力する。
クロック信号発信回路14は、Δtの時間間隔でクロック信号を発生する。
A/D変換器15は、クロック信号発信回路14からのクロック信号にタイミングを取って各演算増幅器131〜134からの荷重信号をデジタル化する。
I/O回路16は、CPU17と周辺機器との間での信号の送受信を処理する機能を有し、割り込み処理指令に従って読み込んだA/D変換器15からの荷重信号をCPU17へと送信する。
CPU17は、メモリ18に格納されている所定プログラムに従って、I/O回路16からの荷重信号と、被験者の重心高さもしくは被験者の重心高さ関連情報とに基づいて所定の演算を実行し、被験者の身体の揺動に関する揺動パラメータを算出する。
メモリ18は、読み書き自由なRAMや読み取り専用のROM等の記憶装置により構成され、所定プログラムや演算に必要なデータ、演算過程で一時的に保持する必要があるデータなどを記憶する。
なお、荷重センサ51〜54と演算増幅器131〜134とを繋ぐ信号ケーブル191〜194(図3参照)や、測定器4から荷重センサ51〜54へ励磁電源を供給する電源ケーブル(図示省略)は、中継コード3(図1参照)に内蔵されている。
CPU17は、荷重センサ51〜54から得られたデジタル荷重信号や、予めメモリ18に記憶されている風袋引き重量値等に基づいて、風袋引き等の演算処理を実行し、計量台2上に作用する負荷荷重のみによって生じる重量測定値W1〜W4を算出する。
図4に示されるように、被験者の左右方向(X軸方向)の傾きによる計量台2(図1,2参照)上におけるX−Y軸の交点Oからの重心移動距離をxと置き、被験者の前後方向(Y軸方向)の傾きによる計量台2上におけるX−Y軸の交点Oからの重心移動距離をyと置く。
被験者の重心高さHは、被験者の身長や人種、年齢、性別などによって定まる係数から求まる関係式から導かれるものとする。
例えばキースイッチ6(図1,3参照)の操作にて身長、人種、年齢、性別を設定すると、CPU17(図3参照)は、予め多くの人間の測定データから統計的に得られた人種別、年齢別、性別による比率係数r1,r2,r3をメモリ18(図3参照)から読み出し、演算回路8(図3参照)による下記式(4)を用いた演算が実行されて、被験者の重心高さHが自動的に算出される。なお、この重心高さHの導出に関するより具体的な説明は後述することとする。
H=r1・r2・r3・h ・・・(4)
ここで、上記式(4)中の記号「h」は、人間の重心高さの標準値である。
X軸方向の重心移動距離xの値は、下記式(5)のように表される。
x={(Wb−Wa)/(Wa+Wb)}・(R/2) ・・・(5)
但し、Wa=W1+W2、Wb=W3+W4
W1:荷重センサ51による重量測定値
W2:荷重センサ52による重量測定値
W3:荷重センサ53による重量測定値
W4:荷重センサ54による重量測定値
Y軸方向の重心移動距離yの値は、下記式(6)のように表される。
y={(Wd/(Wc+Wd)}・S−S´ ・・・(6)
但し、Wc=W1+W3、Wd=W2+W4
しかし、前後の傾き量についても左右の傾き量と同様に重心の移動距離yでは被験者の実際の体の傾き量を正しく表すことはできない。
なお、従来の方法では、荷重センサ51〜54の出力信号により得られた重量測定値W1〜W4から被験者の重心GのX−Y平面上への投影点Dの移動状態をもって身体の揺動に関する種々の評価指標が定められていた。
図4に示されるように、平面上のX−Y直交座標の交点Oを通ってその平面に対し垂直なZ軸を設け、このZ軸に対する傾き角度θでもって被験者の重心移動を表して評価する。
すなわち、被験者の重心高さ(被験者の重心位置の計量台上面からの高さ)をHとすると、荷重センサ51〜54による重量測定値W1〜W4から上記式(5)(6)によってx,yの値を求め、求めたx,yの値を下記式(7)に代入して図4中記号ODで示される線分の長さを求める。
OD=(x2+y2)1/2 ・・・(7)
被験者の身体の傾き角度θは下記式(8)で表される。
θ=sin−1(OD/OG) ・・・(8)
上記式(7)(8)から下記式(9)で示されるように、被験者の身体の傾き角度θを、被験者の左右方向(X軸方向)の重心移動距離をxと前後方向(Y軸方向)の重心移動距離をyと、被験者の重心高さHとから求めることができる。
θ=sin−1{(x2+y2)1/2/H} ・・・(9)
被験者の重心Gの空間座標位置(x,y,z)におけるzの値は下記式(10)で求められる。
z=H・cosθ ・・・(10)
したがって、被験者の身体の重心Gの空間における位置は、上記式(4)(5)(6)(10)を用いて算出することができる。
図5に示されるように、被験者が計量台2(図1,2参照)上に自然の姿勢で立ったときの身体の重心Gの空間における位置を重心位置G0(初期姿勢)とする。
被験者の重心Gが重心位置G0にあるとき、上記式(5)(6)によって求められるX−Y平面での初期平面重心座標をD0(x0,y0)とする。
初期平面重心座標D0(x0,y0)と、被験者の重心高さHとによって表されるZ軸からの傾き角をθ0とする。
測定にあたっては、傾き角θ0の値を初期値としてメモリ18(図3参照)に記憶させ、その後に測定を開始する。
測定中の任意の時点で被験者の身体の重心Gの空間における位置が重心位置Gnに変化したとき、X−Y平面上での平面重心座標Dnを(xn,yn)、身体の傾き角をθnとすると、被験者の身体の傾き角度の変化量θxは下記式(11)のように表される。
θx=θn−θ0 ・・・(11)
そして、θnを算出することによってθxを算出し、θxの変化状態をもって被験者の身体Gの揺動状態を評価する。
また、身体の重心位置の空間での移動状態が揺動による実際の動作状態を表す。
X−Y平面におけるDnとD0との間の距離Pxは、下記式(12)から求められる。
Px={(xn−x0)2+(yn−y0)2}1/2 ・・・(12)
また、GnとG0との高さの差Uxは、下記式(13)から求められる。
Ux=H・cosθn−H・cosθ0 ・・・(13)
被験者の身体の重心Gの空間における位置の移動距離(変化量)、すなわち重心位置の変化量Txは、下記式(14)で表される。
Tx=(Px2+Ux2)1/2 ・・・(14)
身体の重心Gは空間を揺動するので、この重心位置の変化量Txでもって被験者の揺動を評価する方法の方が、が重心揺動を平面上に投影したものを評価する方法よりも適切である。
傾き角変化量θxを荷重センサ51〜54の重量測定値W1〜W4のサンプリング時刻t0,t1,t2,t3,・・・ti毎に算出すると、図6に示される如くであったとする。
ある一定の時間間隔t0〜tkにおける傾き角変化量の累積値Sθxは、下記式(15)で表され、ある一定時間における揺動の積算量で表される。
上記式(15)で表される累積値Sθxを、下記式(16)で表されるように、時刻t0から時刻tkまでの時間(tk−t0)で割り算すれば、単位時間当たりの平均揺動量Rθxが求められる。
Rθx=(Sθx/(tk−t0)) ・・・(16)
また、時刻t0〜tkの間で隣接する時刻間の傾き角の差|θi−θi−1|の値の最大値|θi−θi−1|maxを求めて、下記式(17)で表されるように、被験者の身体の揺動の最大変化速度Vθxが得られる。
Vθx=|θi−θi−1|max/(ti−ti−1) ・・・(17)
なお、傾き角の差を求めるための時刻差は隣接時間でなく、もっと長くてもよい。
さらに、時間の経過に伴う傾き角度の変化量θxのランダム値を最小自乗法などの手法でもって時間関数に表し、被験者の身体の揺動の時間経過に伴う増減傾向指標として表してもよい。
こうして、身体の傾き角度の変化量θxの変化状態を表す種々の値、すなわち上記の累積値Sθx、平均揺動量Rθx、最大変化速度Vθxなどを、身体の揺動状態を表す指標として用いることにより、身体の重心揺動を適正に評価することができる。
なお、身体の重心の空間における位置の変化量Txの変化状態を表す種々の値、すなわち累積値STx、平均揺動量RTx、最大変化速度VTxなどについても、身体の傾き角度の変化量θxの変化状態を表す種々の値(累積値Sθx、平均揺動量Rθx、最大変化速度Vθx等)の算出法と同様にして算出し、身体の揺動状態を表す指標として用いることにより、身体の重心揺動を評価するようにしてもよい。
被験者の重心高さHをキースイッチの操作にて直接設定してもよいが、以下に述べるように、重心高さに関連する情報(重心高さ関連情報)によって定まる係数に基づく関係式から導かれる重心高さHを設定するようにしてもよい。
すなわち、被験者の人種、身長、年齢、性別に関して、予め多くの人間に関する測定データから表1に示されるような係数値が統計的に求められていて、測定器4に被験者の身長Fおよび被験者の属性に基づいて表1の設定項目別に数値「1」,「2」等のいずれかをキースイッチ6(図1,3参照)の操作にて入力すると、設定数値に対応させて係数r1n,r2n,r3n,r4nのいずれかが選択され、下記式(18)から各個人の属性に応じた重心高さHが算出・設定される。
H=r1n・r2n・r3n・r4n・k・F ・・・(18)
ここで、kは共通の係数である。
なお、被験中に被験者の身体揺動が大きくなりすぎると、被験者が転倒する恐れがあるので、注意を喚起するため、傾き角度θxに対する警報を行うことが好ましい。
身体の揺動の方向角αは、下記式(19)にて表される。
α=tan−1(y/x) ・・・(19)
αの大きさによって転倒注意の警報を行う境界角度を設定すればよいが、人間は前向きの揺動には危険度が小さく、後向きの揺動には危険度が大きいため、例えば(1)前向きの揺動(0°≦α<180°)の場合と、(2)後ろ向きの揺動(−180°≦α<0°)に大別して、
上記(1)の前向きの揺動の場合、θx>20°
上記(2)の後向きの揺動の場合、θx>5°
が成立すると、電子ブザー9(図3参照)による警報を発するようにする。
なお、上記(1)の前向きの揺動の場合の「20°」および上記(2)後向きの揺動の場合の「5°」の値は、それぞれ警報信号発生用の境界値として、測定器4(1参照)に設けられたキースイッチ6(図1,3参照)の操作にて予め設定される。
本実施形態の重心揺動測定装置1によれば、以下のような作用効果を得ることができる。
(1)荷重センサ51〜54からの荷重信号W1〜W4と被験者の重心高さHとに基づいて、被験者の身体の揺動に関する揺動パラメータ、すなわち身体の傾き角度θ、身体の傾き角度の変化量θx、身体の傾き角度の変化量θxの変化状態を表す値(累積値Sθx、平均揺動量Rθx、最大変化速度Vθx等)、身体の重心の空間における位置G0,Gn、身体の重心の空間における位置の変化量Txまたは身体の重心の空間における位置の変化量Txの変化状態を表す値(累積値STx、平均揺動量RTx、最大変化速度VTx等)を求めることができる。
(2)上記の揺動パラメータは被験者の重心高さHを考慮して求められるので、被験者の身体の揺動を正しく評価することができる。
(3)身長の値を含む重心高さ関連情報をキースイッチ6の操作にて入力することにより、重心高さHを自動的に容易に算出・設定することができる。
(4)万一、測定中に、被験者の身体揺動が大きくなりすぎたときには電子ブザー9による警報が発せられるので、被験者の転倒を未然に防ぐことができる。
本実施形態では、計量台2を4個の荷重センサ51〜54で支持するようにされているが、図7に示されるように、3個の荷重センサ51,52´,53で計量台2Aを支持するようにしてもよい。
なお、図7においては、本実施形態における荷重センサ52と荷重センサ54との機能を、荷重センサ52´が担う態様例が例示されている。
また、計量台2が四角形状であるのに対し、計量台2Aが三角形状とされているが、計量台2,2Aの形状は特に限定されるものではない。
キースイッチ6が本発明の「重心高さ関連情報設定手段」に対応する。
演算回路8が本発明の「揺動パラメータ算出手段」、「重心高さ算出手段」に対応する。
電子ブザー9が本発明の「警報発生手段」に対応する。
2 計量台
3 中継コード
4 測定器
51〜54 荷重センサ
6 キースイッチ(重心高さ関連情報設定手段)
7 表示器
8 演算回路(揺動パラメータ算出手段、重心高さ算出手段)
9 電子ブザー(警報発生手段)
10 測定回路
11 荷重信号出力回路
121〜124 ブリッジ回路
131〜134 演算増幅器
14 クロック信号発信回路
15 A/D変換器
16 I/O回路
17 CPU(中央処理装置)
18 メモリ
191〜194 信号ケーブル
Claims (6)
- 複数個の荷重センサによって支持される計量台上に載った被験者の身体の揺動測定に関して、前記計量台上に載った被験者の身体の傾き角度またはそれに基づいて算出されるパラメータを被験者の身体の揺動に関するパラメータとし、前記被験者の身体の揺動に関するパラメータを、前記荷重センサからの荷重信号と前記被験者の重心高さとに基づいて算出することを特徴とする重心揺動測定方法。
- 前記被験者の身体の揺動に関するパラメータは、前記身体の傾き角度、前記身体の傾き角度の変化量、前記身体の傾き角度の変化量の変化状態を表す値、前記身体の重心の空間における位置、前記身体の重心の空間における位置の変化量または前記身体の重心の空間における位置の変化量の変化状態を表す値である請求項1に記載の重心揺動測定方法。
- 複数個の荷重センサによって支持される計量台上に載った被験者の身体の揺動測定に関して、前記計量台上に載った被験者の身体の傾き角度またはそれに基づいて算出されるパラメータを被験者の身体の揺動に関するパラメータとし、前記被験者の身体の揺動に関するパラメータを、前記荷重センサからの荷重信号と前記被験者の重心高さとに基づいて算出する揺動パラメータ算出手段を備えることを特徴とする重心揺動測定装置。
- 前記被験者の重心高さに関連する情報としての身長の値を設定する重心高さ関連情報設定手段が設けられ、この重心高さ関連情報設定手段によって設定される身長の値を含む重心高さ関連情報に基づいて前記被験者に応じた重心高さを算出する重心高さ算出手段が設けられる請求項3に記載の重心揺動測定装置。
- 前記被験者の身体の揺動に関するパラメータは、前記身体の傾き角度、前記身体の傾き角度の変化量、前記身体の傾き角度の変化量の変化状態を表す値、前記身体の重心の空間における位置、前記身体の重心の空間における位置の変化量または前記身体の重心の空間における位置の変化量の変化状態を表す値である請求項3または4に記載の重心揺動測定装置。
- 前記被験者の身体の揺動に関するパラメータは身体の傾き角度であり、この傾き角度の大きさに対して警報信号発生用の境界値が設定され、その傾き角度が前記境界値を超えたときに警報を発生する警報発生手段が設けられる請求項3または4に記載の重心揺動測定装置。
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