JP5921892B2

JP5921892B2 - A method and system for calculating approximate values of the force acting on the body center of gravity and the position of the body center of gravity using a center of gravity meter that measures COP from a vertical load

Info

Publication number: JP5921892B2
Application number: JP2012009093A
Authority: JP
Inventors: 博田里
Original assignee: 株式会社ユニメック
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2032-01-19
Also published as: JP2013146401A

Description

本発明は重心計を用いて身体重心に作用する力と身体重心位置の近似値を求める技術に関する。 The present invention relates to a technique for obtaining an approximate value of a force acting on a body center of gravity and a body center of gravity position using a center of gravity meter.

身体重心とその点に作用する力（直交する３方向成分：Fz、Fx、Fy）を計測する方法としては、現在複数台のCCDカメラで三次元位置計測装置（以下モーションキャプチャという）と人間モデル（年齢、性別、身長、体重と各体節の重心位置及び質量と慣性モーメント等のデータベース）から演算する方法が広く用いられているが、据え置き型で場所の制約をうけること、校正に手間がかかること、非常に高価であることなどがあり、研究機関や大病院でのみ用いられているのが現状である。
そこで立位状態において重心計を使い簡便に身体重心位置とFz、Fx、Fyを計測可能にする方法を開発することを指向した。重心計は安価であり病院に普及しているので重心計でFz、Fx、Fy及び身体重心が計測できれば多くの患者に有益になると考えられるからである。 As a method of measuring the center of gravity of the body and the force acting on the point (three orthogonal components: Fz, Fx, Fy), a 3D position measurement device (hereinafter referred to as motion capture) and a human model using multiple CCD cameras. (A database of age, gender, height, weight, center of gravity and mass and moment of inertia of each body segment, etc.) is widely used. This is very expensive and is used only in research institutions and large hospitals.
Therefore, we aimed to develop a method that makes it possible to easily measure the body center of gravity and Fz, Fx, and Fy using a centroid meter in a standing position. This is because centroid meters are inexpensive and are widely used in hospitals, so if it is possible to measure Fz, Fx, Fy, and body centroid with a centroid, it will be beneficial to many patients.

現在重心計で算出するプレート上の力の作用点（COP：center of pressure）は下記の方法で求められる。
図６の様に点Ｐの荷重Ｗにより、支点Ａ、ＢにＷ_Ａ、Ｗ_Ｂの荷重がかかる場合、点Ｐを中心とするモーメント（回転力）は、Ｐ、Ａ間の距離をｘとしＡ、Ｂ間の距離をＬとすると
ｘ・Ｗ_Ａ＝（Ｌ−ｘ）・Ｗ_Ｂ
の関係となるから、ｘは次式（１）で表せる。
ｘ＝Ｌ・Ｗ_Ｂ／(Ｗ_Ａ＋Ｗ_Ｂ) ‥‥‥‥‥‥‥‥（１）
従って、点Ａ、Ｂでのそれぞれの垂直荷重を検出すれば、Ａ、Ｂ間の距離Ｌを用いて支点Ｐの位置を示すｘを求めることができる。
ただし、重心計の算出する点Ｐの位置は身体の重心（COG：Center Of Gravity）の位置ではなく、プレート上の力の作用点であるCOPの位置であり、このCOPと身体重心の位置は近似するが一致しない。 The point of action of the force on the plate (COP: center of pressure) currently calculated by the centroid is obtained by the following method.
As shown in FIG. 6, when the loads W _A and W _B are applied to the fulcrums A and B by the load W at the point P, the moment (rotational force) around the point P is the distance between P and A as x. When the distance between A and B is L, x · W _A = (L−x) · W _B
Therefore, x can be expressed by the following equation (1).
x = L · W _B / (W _A + W _B ) (1)
Accordingly, if the respective vertical loads at points A and B are detected, x indicating the position of the fulcrum P can be obtained using the distance L between A and B.
However, the position of the point P calculated by the barometer is not the position of the center of gravity (COG) of the body, but the position of the COP that is the point of action of the force on the plate. Approximate but not consistent.

COPと身体重心COGとの関係については、トロント大学の政二慶氏らは、非特許文献１において「COPは身体重心の動揺と強く相関するものの、同一ではない。静止立位時の身体を１リンクの倒立振子で近似すると、倒立振子の運動方程式は
と表され、ここでＩは倒立振子の慣性モーメント、θ は身体重心変位角、ｍは身体質量、ｈは重心高、ｇは重力加速度、そしてＴは足関節トルクである。身体重心COG の挙動を表すθ はトルクＴによって制御され、トルクＴは神経中枢系により制御される筋収縮および足関節周りの粘弾性により供給される。ここで、COP 変位と足関節トルクの間にＴ≒ｍｇｕが成り立つ（ｕは足関節を基点としたCOP変位）。」としている。 Regarding the relationship between COP and body center-of-gravity COG, Mr. Seiji Kei and others of the University of Toronto stated in “Non-patent document 1“ COP strongly correlates with fluctuation of body center of gravity, but it is not the same. When approximated by an inverted pendulum with one link, the equation of motion of the inverted pendulum is
Where I is the moment of inertia of the inverted pendulum, θ is the body center of gravity displacement angle, m is the body mass, h is the center of gravity height, g is the gravitational acceleration, and T is the ankle joint torque. Θ representing the behavior of the body center of gravity COG is controlled by torque T, which is supplied by muscle contraction and viscoelasticity around the ankle joint controlled by the nervous system. Here, T≈mgu holds between the COP displacement and the ankle joint torque (u is the COP displacement with the ankle joint as the base point). "

政二慶・他「高齢者の立体制御モデル」日本バイオメカニクス学会誌 Vol.11 No.4 2007年Seiji Kei, et al. "Stereoscopic control model for the elderly" Journal of Japanese Society of Biomechanics Vol.11 No.4 2007

上記の政二論文等から、COPは足関節トルクつまり足関節の力のモーメントの係数であり、COPの変位によって身体体重が左右されることを意味し、身体重心COGの変位はCOPの変位及び、足関節モーメントの変位に比例し、足関節モーメントは床反力の変位に相関することが明らかにされた。しかし、重心計のCOP値と身体重心COGの一義的な対応関係は明らかにされていない。
本発明の目的は重心計を用いて重心に作用する仮想の力Fx、Fyを求める方法と、本来は、三次元位置計測装置と人間モデル（年齢、性別、身長、体重と各体節の重心位置及び質量と慣性モーメント等のデータベース）を基に演算する身体重心の近似値を垂直荷重からCOPを計測する重心計を用いて求める方法を提供することにある。 From the above-mentioned Seiji paper, etc., COP is the coefficient of ankle torque, that is, the moment of force of the ankle joint, which means that the body weight is influenced by the displacement of COP, and the displacement of body center of gravity COG is the displacement of COP and It was clarified that the ankle moment is correlated with the displacement of the ground reaction force in proportion to the displacement of the ankle moment. However, the unambiguous correspondence between the COP value of the center of gravity meter and the body center of gravity COG has not been clarified.
The purpose of the present invention is to obtain a virtual force Fx, Fy acting on the center of gravity using a center of gravity meter, originally a three-dimensional position measuring device and a human model (age, gender, height, weight and the center of gravity of each body segment The object of the present invention is to provide a method for obtaining an approximate value of a body centroid calculated based on a database of position, mass, and moment of inertia using a centimeter that measures COP from a vertical load.

本発明の重心計を用いて身体重心に作用する仮想の力（三次元成分：Ｆ_ｘｔ，Ｆ_ｙｔ，Ｆ_ｚｔ）を求める方法は、垂直荷重からCOPを計測する重心計を用い、Δｔ間（微小時間）の立位状態における重心計上の力の作用点（COP）の変位量ΔCOPを測定するステップと、重心位置の移動速度（Ｖ_ＣＯＰ）をＶ_ＣＯＰ＝ΔCOP／Δｔで、重心移動加速度（α_ＣＯＰ）をα_ＣＯＰ＝ΔＶ_ＣＯＰ／Δｔで算出するステップと、ｔ時の重心に作用する仮想の力Ｆｘ_ｔ，Ｆｙ_ｔとＦｚ_ｔを次式で求めるステップとから成るものとした。
ただし、Ｇは重力加速度、Ｆ_ｔは時刻ｔの荷重である。
また、左右の足をそれぞれに載せる二枚のプレートからなる重心計を用いて身体重心に作用する力を求める方法は、左足を載せるプレートＬ、右足を載せるプレートＲに対して先の方法によってそれぞれ仮想床反力を求めるステップと、左右のプレートＰ，Ｌ上の力の作用点（COP）Ｐ_ＬとＰ_Ｒを結ぶ線分を左右のプレートの荷重比で内分して合成COPを算出するステップと、前記求めた左右の仮想床反力を前記の線分に対する合成COPの位置比率でＸ，Ｙ成分ごとに算出するステップとからなる重心計を用いて身体重心に作用する力を求めるものとした。 A method for obtaining a virtual force (three-dimensional components: F _xt , F _yt , F _zt ) acting on the body center of gravity using the center of gravity of the present invention uses a center of gravity meter that measures COP from a vertical load, between Δt ( The step of measuring the displacement amount ΔCOP of the force application point (COP) of the center-of-gravity counting in the standing state for a short time) and the center-of-gravity position moving speed (V _COP ) as V _COP = ΔCOP / Δt, α _COP ) is calculated by α _COP = ΔV _COP / Δt, and virtual forces Fx _t , Fy _t and Fz _t acting on the center of gravity at time _t are obtained by the following equations.
However, G is a gravitational acceleration and _Ft is a load at time t.
In addition, the method of obtaining the force acting on the body center of gravity using a centroid consisting of two plates on which the left and right feet are placed, respectively, is applied to the plate L on which the left foot is placed and the plate R on which the right foot is placed according to the previous method. determining a virtual ground reaction force, the left and right plate P, by internally dividing a line segment connecting the point of application of force on L a (COP) P _L and P _R at a load ratio of the left and right plates calculates the synthetic COP Calculating a force acting on the body center of gravity using a center of gravity meter comprising a step and a step of calculating the obtained left and right virtual floor reaction forces for each X and Y component in the position ratio of the synthetic COP to the line segment It was.

本発明の重心計を用いて身体重心位置の近似値を求める方法は、人間モデルから身体重心（COG）の床面からの高さｌと軸（足関節）の粘性摩擦係数Ｃ＝［kgm²/S］及び慣性モーメントを参照し、立位状態を振り子モデルとして演算するステップと、体重をＷ，時刻ｔの垂直力成分をＦ_ｔ，時刻ｔの前後力成分をＦy、左右力成分をＦｘとして、次の振り子の式からθの値を算出し、極座標（ｌ，θ）から身体重心に作用する仮想の力とCOGの空間の座標値ｚ、ｙを求めるステップと、同様の手法でCOGの空間の座標値ｚ、ｘを求めるステップと、からなるものとした。
The method for obtaining an approximate value of the position of the center of gravity of the body using the center of gravity meter of the present invention is as follows: the height l from the floor of the body center of gravity (COG) from the human model and the viscous friction coefficient of the shaft (ankle joint) C = [kgm ² / S] and moment of inertia, the step of calculating the standing state as a pendulum model, weight W, vertical force component at time t F _t , longitudinal force component at time t Fy, left-right force component Fx And calculating the value of θ from the following pendulum equation, obtaining the virtual force acting on the center of gravity of the body from the polar coordinates (l, θ) and the coordinate values z and y of the COG space, And obtaining the coordinate values z and x of the space.

重心計上でしゃがみ込んだ状態でのCOGの三次元空間位置（ｘ、ｙ、ｚ）の近似値を得る本発明の方法は、人間モデルから身体重心（COG）の床面からの高さｌと軸（足関節）の粘性摩擦係数Ｃ＝［kgm²/S］及び慣性モーメントを参照し、立位状態からしゃがみ込んだ状態を振り子モデルとして演算するステップと、体重をＷ，時刻ｔのしゃがみ込み時にかかる垂直力成分をＦ_ｔ’，時刻ｔの前後力成分をＦy、左右力成分をＦｘとして、次の振り子の式からθの値を算出し、極座標（ｌ，θ）から身体重心に作用する仮想の力とCOGの空間の座標値ｚ、ｙを求めるステップと、同様の手法でCOGの空間の座標値ｚ、ｘを求めるステップとからなるものとした。
The method of the present invention for obtaining an approximate value of the three-dimensional spatial position (x, y, z) of the COG in a state of being crouched by centroid counting is obtained by calculating the height l of the body centroid (COG) from the floor surface from the human model. Referring to the viscous friction coefficient C = [kgm ² / S] of the shaft (ankle joint) and the moment of inertia, the step of calculating the state of squatting from the standing position as a pendulum model, and squatting of weight W and time t Fy and longitudinal force component in the vertical force component F _t ', the time t according to the time, a side force component as Fx, calculates the value of theta from the formula for a pendulum, acting from polar coordinates (l, theta) to the body center of gravity And the step of obtaining the coordinate values z and y of the COG space and the step of obtaining the coordinate values z and x of the COG space by the same method.

本発明の重心計を用いて身体重心位置の近似値を求めるシステムは、左足を載せるプレートＬと右足を載せるプレートＲを隣接させた重心計と、該重心計が検出したデータを基に人間モデルから身体重心（COG）の床面からの高さｌと軸（足関節）の粘性摩擦係数Ｃ＝［kgm²/S］及び慣性モーメントを参照し、立位状態を振り子モデルとして演算する手段と、体重をＷ，時刻ｔの垂直力成分をＦ_ｔ，時刻ｔの前後力成分をＦy、左右力成分をＦｘとして、次の振り子の式からθの値を算出し、極座標（ｌ，θ）から身体重心に作用する仮想の力とCOGの空間の座標値ｚ、ｙを求める手段と、同様の手法でCOGの空間の座標値ｚ、ｘを求める手段とからなる。
A system for obtaining an approximate value of a body center of gravity position using the center of gravity of the present invention is a human model based on a center of gravity that has a plate L on which a left foot is placed and a plate R on which a right foot is placed adjacent to each other, and data detected by the center of gravity. Means for calculating the standing state as a pendulum model with reference to the height l of the body center of gravity (COG) from the floor and the viscous friction coefficient C = [kgm ² / S] of the shaft (ankle joint) and the moment of inertia , Weight is W, vertical force component at time t is F _t , longitudinal force component at time t is Fy, left and right force component is Fx, and the value of θ is calculated from the following pendulum equation, and polar coordinates (l, θ) To the virtual force acting on the center of gravity of the body and the means for determining the COG space coordinate values z and y, and the same method for determining the COG space coordinate values z and x.

本発明の重心計を用いて身体重心に作用する力と身体重心位置の近似値を求める方法は、重心計と所定の演算処理を行う装置（ＰＣ）とから、モーションキャプチャを用いて求めた計測値と同様な三次元情報を得ることができるものである。したがって、モーションキャプチャを備えていない所でも容易に身体重心に作用する力と身体重心（COG）の近似値を得ることができる。 The method for obtaining an approximate value of the force acting on the body center of gravity and the position of the center of gravity of the body using the center of gravity meter of the present invention is a measurement obtained using a motion capture from the center of gravity meter and a device (PC) that performs predetermined arithmetic processing. Three-dimensional information similar to the value can be obtained. Therefore, it is possible to easily obtain an approximate value of the force acting on the body center of gravity and the body center of gravity (COG) even in a place without motion capture.

本発明の重心計を用いて身体重心に作用する力と身体重心位置の近似値を求めるシステムは、高価で大がかりなモーションキャプチャを用いることなく、単に重心計と所定の演算処理を行う装置（ＰＣ）とからなる簡素なシステムを備えるだけで、モーションキャプチャを用いて求めた計測値と同様なデータを得ることができるものである。 The system for obtaining an approximate value of the force acting on the body center of gravity and the position of the body center of gravity using the center of gravity of the present invention is a device that simply performs a predetermined calculation process with the center of gravity (PC) without using an expensive and large-scale motion capture It is possible to obtain data similar to the measurement values obtained using the motion capture.

一枚の三角プレートの場合の床反力演算を説明する図である。It is a figure explaining the floor reaction force calculation in the case of one triangular plate. 点ＰLと点Ｐ間の距離のＸ成分をRxm、Ｙ成分をRxm、点ＰRと点Ｐ間の距離のＸ成分をRxn、Ｙ成分をRxnとして求める方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of calculating | requiring the X component of the distance between the point PL and the point P as Rxm, the Y component as Rxm, the X component of the distance between the point PR and the point P as Rxn, and the Y component as Rxn. 立位状態を振り子モデルとして演算することを説明する図である。It is a figure explaining computing a standing position as a pendulum model. 本発明の方法を搭載したシステムのディスプレイ表示画面である。It is a display display screen of the system carrying the method of this invention. 従来の重心計システムでの可能な表示を比較例として示した図である。It is the figure which showed the display in the conventional centroid system as a comparative example. バーの支点Ａ，Ｂ間に荷重Ｗがかかると、支点Ａ、ＢにＷ_Ａ、Ｗ_Ｂの分荷重がかかるることを説明する図である。Bar fulcrum A, when a load W is applied between the B, fulcrum A, B to W _A, min load W _B is a diagram illustrating the Kakaruru. 一枚の三角プレート上のCOP演算を説明する図である。It is a figure explaining the COP calculation on one triangular plate. 二枚の三角プレート上のCOP演算を説明する図である。It is a figure explaining the COP calculation on two triangular plates.

三角プレート１枚形態の重心計のCOP演算について考察する。図７に示すように正三角形のプレートの各頂点近傍には３つの荷重センサー（Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３）が配置されている。プレートの各頂点から底辺に下ろした垂線の交点Ｃを原点としたプレート上の点Ｐ（ｘ，ｙ）に荷重Ｗの物体が存在するとき、３つの荷重センサー（Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３）が、それぞれ荷重Ｗ_１、Ｗ_２、Ｗ_３（Ｗ＝Ｗ_１＋Ｗ_２＋Ｗ_３）を示した場合、原点Ｃを中心にＸ方向のモーメントとＹ方向のモーメントの釣り合い式は
Ｗ・ｘ＝ｍ（Ｗ_１−Ｗ_２） ‥‥‥‥‥‥‥‥（３）
Ｗ・ｙ＝ｎ_２・Ｗ_３−ｎ_１（Ｗ_１＋Ｗ_２） ‥‥‥‥‥‥‥‥（４）
となる。点Ｐの座標（ｘ，ｙ）は、次式（５）（６）によって求めることができる。すなわち、
ｘ＝ｍ（Ｗ_１−Ｗ_２）／Ｗ ‥‥‥‥‥‥‥‥（５）
ｙ＝｛ｎ_２Ｗ_３−ｎ_１（Ｗ_１−Ｗ_２）｝／Ｗ ‥‥‥‥‥‥‥‥（６）
ここで、ｍはＰ_１、Ｐ_２の中間点をＱとしたときＰ_１、Ｑ間の長さ、ｎ_１はＣ点からＱ点までの距離、ｎ_２はＣ点からＰ_３点までの距離を示している。 Consider the COP calculation of a centimeter with a single triangular plate. As shown in FIG. 7, three load sensors (P ₁ , P ₂ , P ₃ ) are arranged in the vicinity of each vertex of the equilateral triangle plate. When an object with a load W is present at a point P (x, y) on the plate with the origin at the intersection C of the perpendicular line extending from each vertex of the plate to the bottom, three load sensors (P ₁ , P ₂ , P ₃ ) Indicate the loads W ₁ , W ₂ , and W ₃ (W = W ₁ + W ₂ + W ₃ ), respectively, the balance formula between the moment in the X direction and the moment in the Y direction around the origin C is W · x = m (W ₁ -W ₂ ) (3)
W · y = n ₂ · W ₃ −n ₁ (W ₁ + W ₂ ) (4)
It becomes. The coordinates (x, y) of the point P can be obtained by the following equations (5) and (6). That is,
x = m (W ₁ −W ₂ ) / W (5)
y = {n ₂ W ₃ −n ₁ (W ₁ −W ₂ )} / W (6)
Here, m is the length between P ₁ and Q when Q is an intermediate point between P ₁ and P ₂ , n ₁ is the distance from C point to Q point, and n ₂ is from C point to P ₃ point. Shows the distance.

三角プレートを２枚使用した場合のCOP演算について考察する。上記の三角プレートを、互いの１辺を図８に示すように中央で突き合わせて配置し、中央の点Ｃを原点とする。左プレートのCOPであるＰ_Ｌと右プレートのCOPであるＰ_Ｒとの合成COPであるＰ（Ｘ，Ｙ）の座標値はＰ_ＬとＰ_Ｒを結ぶ線分を各プレートの荷重比で内分し、次式（７）（８）のように表現できる。
Ｘ＝（Ｘ_Ｌ・Ｗ_Ｌ−Ｘ_Ｒ・Ｗ_Ｒ）／Ｗ ‥‥‥‥‥‥‥‥（７）
Ｙ＝（Ｙ_Ｌ・Ｗ_Ｌ−Ｙ_Ｒ・Ｗ_Ｒ）／Ｗ ‥‥‥‥‥‥‥‥（８）
そして荷重Ｗは左右の荷重の和（Ｗ＝Ｗ_Ｌ＋Ｗ_Ｒ）となる。
また、プレートが四角形でも同様に荷重比でCOPを求められることは容易に理解されよう。 Consider the COP calculation when using two triangular plates. The above triangular plates are arranged such that one side of each other is abutted at the center as shown in FIG. 8, and the center point C is the origin. Inner is a synthetic COP and P _R is the COP of the P _L and the right plate is COP of the left plate P (X, Y) coordinates of the line segment connecting the P _L and P _R at a load ratio of each plate And can be expressed as the following equations (7) and (8).
_{_{X = (X L · W L}} -X R · W R) / W ‥‥‥‥‥‥‥‥ (7)
Y = (Y _L · W _L -Y _R · W _R ) / W (8)
The load W is the sum of the left and right loads (W = W _L + W _R ).
It will be easily understood that COP can be obtained by load ratio even when the plate is square.

上記の要領で得られた重力計のCOP値を用いて、重心に作用する仮想の力Fx、Fyを求める計算方法を検討する。
まず、プレート一枚の場合（図１参照）をベクトルによる床反力演算手法によって解析する。現在の時刻ｔの重心位置をCOP_ｔ、荷重をＦ_ｔとし、時刻ｔ−Δｔの重心位置をCOP_ｔ−Δｔ、荷重をＦ_ｔ−Δｔとすると、重心位置の移動量ΔCOP は以下の式で表される。
ΔCOP＝COP_ｔ−COP_ｔ−Δｔ
＝（COP_ｔ・ｘ−COP_ｔ−Δｔ・ｘ，COP_ｔ・ｙ−COP_ｔ−Δｔ・ｙ）‥‥（９）
この時の重心位置移動速度Ｖ_ＣＯＰと重心移動加速度α_ＣＯＰは、以下の式（10）（11）で表される。
Ｖ_ＣＯＰ＝ΔCOP／Δｔ ‥‥‥‥‥‥‥‥（10）
α_ＣＯＰ＝ΔＶ_ＣＯＰ／Δｔ ‥‥‥‥‥‥‥‥（11）
これにより、質量ｍの物体が、COP_ｔ−ΔｔからCOP_ｔまで移動するのに必要な力ｆ_ＣＯＰは、以下の式（13）で表すことができる。
ここで、質量ｍはｍ＝Ｆ_ｔ／Ｇなる関係にある。ただし、Ｇは重力加速度である。
この力ｆ_ＣＯＰをプレートにかかるｘ、ｙ方向の力とすると、仮想床反力ｆは以下の式（14）で表すことができる。
ここで、ΔＶ_ＣＯＰ・x は重心位置移動速度Ｖ_ＣＯＰのＸ方向成分を、ΔＶ_ＣＯＰ・yは重心位置移動速度Ｖ_ＣＯＰのＹ方向成分を表わしている。このｆをプレート１枚のときの仮想床反力と定義し、そのＸ，Ｙ，Ｚ方向成分をＦ_Ｘｔ，Ｆ_Ｙｔ，Ｆ_Ｚｔとすれば明示的に次式のように
で示されることになる。 Using the COP value of the gravimeter obtained as described above, a calculation method for obtaining virtual forces Fx and Fy acting on the center of gravity will be examined.
First, the case of a single plate (see FIG. 1) is analyzed by a floor reaction force calculation method using vectors. Assuming that the center of gravity at the current time t is COP _t , the load is F _t , the center of gravity at the time t−Δt is COP _t−Δt , and the load is F _t−Δt , the movement amount ΔCOP of the center of gravity is expressed.
ΔCOP = COP _t −COP _t−Δt
_{= (COP t · x-COP} t-Δt · x, COP t · y-COP t-Δt · y) ‥‥ (9)
The center-of-gravity position moving speed V _COP and the center-of-gravity movement acceleration α _COP at this time are expressed by the following equations (10) and (11).
V _COP = ΔCOP / Δt (10)
α _COP = ΔV _COP / Δt (11)
Thereby, the force f _COP required for the object of mass m to move from COP _t−Δt to COP _t can be expressed by the following equation (13).
Here, the mass m has a relationship of m = F _t / G. Where G is the acceleration of gravity.
When this force f _COP is a force in the x and y directions applied to the plate, the virtual floor reaction force f can be expressed by the following equation (14).
Here, ΔV _COP · x represents the X direction component of the gravity center position moving speed V _COP , and ΔV _COP · y represents the Y direction component of the gravity center position moving speed V _COP . If f is defined as a virtual floor reaction force with one plate, and its X, Y, and Z direction components are F _Xt , F _Yt , and F _Zt , then explicitly
Will be shown.

プレート二枚の場合も一枚と同様に左プレートＬ、右プレートＲでそれぞれ仮想床反力を求め明示的に
ＦＬ＝（ＦLx_t ×RatioL1，ＦLy_t ×RatioL2，ＦLz_t ×Ratio）
ＦＲ＝（ＦRx_t ×RatioR1，ＦRy_t ×RatioR2，ＦRz_t ×Ratio）
と置く。
RatioL1，RatioL2，RatioR1，RatioR2は、図８の点Ｐ_Ｌと点Ｐ_Ｒで構成する直線を内分する点Ｐの比率で成分Ｘ，Ｙごとに求める。図２に示すように点ＰLと点Ｐ間の距離のＸ成分をRxm、Ｙ成分をRxm、点ＰRと点Ｐ間の距離のＸ成分をRxn、Ｙ成分をRxnとすると次のようになる。
RatioL1＝Rxn／（Rxm＋Rxn）
RatioL2＝Ryn／（Rym＋Ryn）
RatioR1＝Rxm／（Rxm＋Rxn）
RatioR2＝Rym／（Rym＋Ryn）
Ratio は計測対象が立位状態であることから、Ratio＝１とする。当然ながら立位状態ではない歩行などの動作の場合は１とはならない。 In the case of two plates, the virtual floor reaction force is obtained for each of the left plate L and the right plate R in the same way as one plate, and explicitly FL = (FLx _t × RatioL1, FLy _t × RatioL2, FLz _t × Ratio)
FR = (FRx _t × RatioR1, FRy _t × RatioR2, FRz _t × Ratio)
Put it.
RatioL1, RatioL2, RatioR1, RatioR2, the components in the ratio of P points internally dividing a straight line constituted by the point P _L and the point P _R in FIG. 8 X, determined for each Y. As shown in FIG. 2, when the X component of the distance between the points PL and P is Rxm, the Y component is Rxm, the X component of the distance between the points PR and P is Rxn, and the Y component is Rxn, the following is obtained. .
RatioL1 = Rxn / (Rxm + Rxn)
RatioL2 = Ryn / (Rym + Ryn)
RatioR1 = Rxm / (Rxm + Rxn)
RatioR2 = Rym / (Rym + Ryn)
Ratio is set to Ratio = 1 because the object to be measured is standing. Naturally, it is not 1 in the case of an action such as walking that is not in a standing position.

次に、上記の解析を基に身体重心の求め方を提示する。従来は、三次元位置計測装置（モーションキャプチャ）と人間モデル（年齢、性別、身長、体重と各体節の重心位置と質量及び慣性モーメント等のデータベース）から演算していた身体重心を近似値として以下の方法で求める。
人間モデルから身体重心（COG）の床面からの高さｌと軸（足関節）の粘性摩擦係数Ｃ＝［kgm²/S］及び慣性モーメント参照し、図３に示すように立位状態を振り子モデルとして演算する。（立位状態でしか使えない。） Next, how to find the body center of gravity is presented based on the above analysis. Conventionally, the body centroid calculated from a three-dimensional position measurement device (motion capture) and a human model (age, gender, height, weight, centroid position, mass, and moment of inertia of each body segment) is used as an approximate value. The following method is used.
From the human model, refer to the height l of the body center of gravity (COG) from the floor and the viscous friction coefficient C = [kgm ² / S] of the shaft (ankle joint) and the moment of inertia. Operate as a pendulum model. (Can only be used in the standing position.)

振り子の式は
上記式でＧは重力加速度である。この上記式を解き、θの値を算出し、（ｌ，θ）からCOGの空間の座標値ｚ、ｙを求める。
Fxについても同様に解くことができCOGの三次元空間位置（ｘ、ｙ、ｚ）が得られる。 The pendulum formula is
In the above equation, G is the gravitational acceleration. The above equation is solved, the value of θ is calculated, and the coordinate values z and y of the space of COG are obtained from (l, θ).
Fx can be similarly solved, and the three-dimensional spatial position (x, y, z) of COG is obtained.

体重をＷ，時刻ｔのしゃがみ込み時にかかる垂直力成分をＦ_ｔ’，時刻ｔの前後力成分をＦy として
Ｆz＝Ｗ−Ｆ_ｔ’ ‥‥‥‥‥‥‥‥（17）
この式（17）により立位状態からのしゃがみ込みにも対応し身体重心COGの座標位置が計算できる。
上記式を解き、θの値を算出し、（ｌ，θ）からCOGの空間の座標値ｚ、ｙを求める。
Fxについても同様に解くことができしゃがみ込んだ状態でのCOGの三次元空間位置（ｘ、ｙ、ｚ）が得られる。 The weight is W, the vertical force component applied when squatting at time t is F _t ′, and the longitudinal force component at time t is Fy
Fz = WF _t '(17)
By this equation (17), the coordinate position of the body center of gravity COG can be calculated corresponding to the squatting from the standing position.
The above equation is solved, the value of θ is calculated, and the coordinate values z and y of the COG space are obtained from (l, θ).
Fx can be similarly solved, and the three-dimensional spatial position (x, y, z) of the COG in a crouched state can be obtained.

本発明の重心計を用いて身体重心に作用する力及び身体重心位置の近似値を求める方法を組込んだシステムによって、従来複数台のCCDカメラからなる三次元位置計測装置（モーションキャプチャ）と人間モデル（年齢、性別、身長、体重と各体節の重心位置及び質量と慣性モーメント等のデータベース）から演算する方法によって得られたデータと同様な鉛直方向（Ｚ方向）位置を含んだ三次元データが得られたことを示す。 A system incorporating a method for obtaining an approximate value of the force acting on the body center of gravity and the position of the body center of gravity using the center of gravity meter of the present invention, and a conventional three-dimensional position measuring device (motion capture) and human being comprising a plurality of CCD cameras Three-dimensional data including vertical (Z direction) position similar to the data obtained by the method calculated from the model (database of age, gender, height, weight, center of gravity and mass and moment of inertia of each segment) Is obtained.

図４は本発明の方法を搭載したシステムのディスプレイ表示画面である。重心計には三角プレートのものを二枚左右に隣接させ、それぞれに左右の足を乗せて立位状態で25秒間計測し、そのデータをディスプレイ上に表示させた。
左側のメインの表示はプレートの上方からの画面ではなく斜視図形態として身体重心位置を立体感覚で表示されるようにしている。プレート上には左右のCOPの軌跡と合成COPの軌跡及び左右のプレートが検出した身体重心変位角θの瞬時値がベクトル表示される。この左右のベクトル値を合成したものがその時点の身体重心となって、表示されている。画面右側上段のグラフは荷重のデータであり、左右のプレートの検出値が振幅の大きな振動波形として重なり、その上方に合成荷重が示されている。画面右側中段の表示は左右のプレートのCOPの軌跡と合成COPが水平面（ＸＹ平面）で表示されている。画面右側下段の表示は計測した基礎データの表表示である。荷重と、COPが総合値、左足、右足情報として表示されている。なお、荷重欄は被検者の体重であるが、直接表示することが個人情報として嫌がられるため、一般にある値を体重で割って％表示することが当業界では慣用されている。 FIG. 4 shows a display screen of a system equipped with the method of the present invention. Two centroid plates were placed adjacent to each other on the left and right, and the left and right feet were placed on each of the centroids, and measured for 25 seconds in a standing position. The data was displayed on the display.
The main display on the left side is not a screen from above the plate, but a perspective view, so that the position of the center of gravity of the body is displayed in a stereoscopic sense. On the plate, the trajectory of the left and right COPs, the trajectory of the combined COP, and the instantaneous value of the body center-of-gravity displacement angle θ detected by the left and right plates are displayed as vectors. A combination of the left and right vector values is displayed as the body center of gravity at that time. The graph on the upper right side of the screen is load data. The detected values of the left and right plates overlap as a vibration waveform having a large amplitude, and the combined load is shown above. In the middle display on the right side of the screen, the COP trajectory and composite COP of the left and right plates are displayed in a horizontal plane (XY plane). The display on the lower right side of the screen is a table display of measured basic data. The load and COP are displayed as total values, left foot, and right foot information. Although the load column is the body weight of the subject, since direct display is disliked as personal information, it is generally used in the industry to display a certain value divided by the body weight in%.

従来の重心計システムでは鉛直方向（Ｚ方向）を含む三次元データを得ることはできないので、可能なシステム表示は図５に示すようになる。すなわち、左側のメインの表示は二次元データであるからプレートの上方からの画面となり、身体重心位置を立体感覚で表示させることはできない。プレート上には本発明と同様に左右のCOPの軌跡と合成COPの軌跡を表示できるが、合成COPは正確な位置ではない。そして、左右のプレートが検出する身体重心変位角θの瞬時値を得ることはできないのでベクトル表示させることは不可能である。画面右側上段のグラフと画面右側下段の検出データの表示は全く同じものとすることができるが、画面右側中段の表示では左右のプレートのCOPの軌跡は同じものが表示できるものの、合成COPは三次元位置としての身体重心を投影したものではないので、近似して見えても不正確な軌跡となっている。 Since the conventional barometer system cannot obtain three-dimensional data including the vertical direction (Z direction), a possible system display is as shown in FIG. That is, since the main display on the left side is two-dimensional data, it is a screen from above the plate, and the body gravity center position cannot be displayed in a stereoscopic sense. The left and right COP trajectories and the composite COP trajectory can be displayed on the plate as in the present invention, but the composite COP is not an accurate position. Since the instantaneous value of the body center-of-gravity displacement angle θ detected by the left and right plates cannot be obtained, the vector display is impossible. The graph on the upper right side of the screen and the display of the detection data on the lower right side of the screen can be exactly the same. Since it is not a projection of the center of gravity of the body as the original position, it is an inaccurate locus even if it looks close.

以上のように、本発明の方法を実施したシステムでは、モーションキャプチャを備えていなくても、従来の重心計で検出できるデータを基に、身体重心の三次元位置を測定することが可能であることを実証できた。そして、重心計とパソコンの組み合わせからなる従来の同機種のものが測定できなかった身体重心位置とそこの作用する力をデータとして得ることができるという画期的なシステムとなっている。 As described above, the system that implements the method of the present invention can measure the three-dimensional position of the body centroid based on data that can be detected by a conventional centimeter even without a motion capture. I was able to prove that. And it is an epoch-making system in which the position of the center of gravity of the body and the force acting on it can not be obtained as data, which could not be measured by the conventional model of the same type consisting of a combination of a centroid and a personal computer.

本発明の方法を組込んだシステムは、モーションキャプチャを備えた大規模システムと同様な計測をハードとしては従来の重心計とパソコンの組み合わせからなる重心計測システムで行えることから、設備費用は格段に安価となるため、小さな病院や診療所、保健所、個人医院、学校の保健室、企業等の健康管理室など広い部署で設置可能となり、その普及が見込まれる。 Since the system incorporating the method of the present invention can perform the same measurement as a large-scale system equipped with motion capture with a center-of-gravity measurement system consisting of a combination of a conventional center of gravity meter and a personal computer, the equipment cost is remarkably high. Since it becomes inexpensive, it can be installed in a wide range of departments such as small hospitals, clinics, health centers, private clinics, school health rooms, and health management rooms of companies, etc.

Claims

Using a center of gravity meter that measures COP from vertical load, the step of measuring the displacement ΔCOP of the force application point (COP) of the center of gravity in the standing state between Δt, and the movement speed (VCOP) of the center of gravity position is VCOP = A step of calculating the center-of-gravity movement acceleration (αCOP) by ΔCOP / Δt by αCOP = ΔVCOP / Δt, and a step of obtaining virtual forces Fx _t , Fy _t and Fz _t acting on the center of gravity at time _t by the following equation: A method of calculating a virtual force acting on the body center of gravity using a center of gravity meter.
However, G is a gravitational acceleration and _Ft is a load at time t.

The center of gravity meter uses a combination of a plate L on which the left foot is placed and a plate R on which the right foot is placed, and the step of obtaining the virtual floor reaction force by the method according to claim 1 and the force on the left and right plates L, R , respectively. synthesis and step of internally dividing the line segment connecting the acting point (COP) P _L and P _R at a load ratio of the left and right plate is calculated synthetic COP, a virtual floor reaction force of the obtained right and left relative to the line segment A method of calculating a virtual force acting on the body center of gravity using a center of gravity meter comprising a step of calculating for each X and Y component by the COP position ratio.

Using a center of gravity meter that measures COP from vertical load, the human body's center of gravity (COG) height l from the floor and the viscous friction coefficient C = [kgm ² / S] of the shaft (ankle joint) and moment of inertia Referring to the following pendulum equation, the step of calculating the standing state as a pendulum model, the weight is W, the vertical force component at time t is Ft, the longitudinal force component at time t is Fy, and the left and right force component is Fx The value of θ is calculated, and the virtual force acting on the center of gravity of the body from the polar coordinates (l, θ) and the coordinate values z and y of the COG space are obtained, and the COG space coordinate values z and x are obtained in the same manner. And a method of obtaining an approximate value of a body center of gravity position using a center of gravity meter comprising:

Using a center of gravity meter that measures COP from vertical load, the human body's center of gravity (COG) height l from the floor and the viscous friction coefficient C = [kgm ² / S] of the shaft (ankle joint) and moment of inertia The step of calculating as a pendulum model with reference to the squatting state from the standing position, the weight W as the vertical force component applied when squatting at time t, Ft ', the longitudinal force component at time t as Fy, and the left-right force component And Fx, the value of θ is calculated from the following pendulum equation, and the virtual force acting on the body center of gravity and the coordinate values z and y of the COG space are determined from the polar coordinates (l, θ), and a similar method And obtaining an approximate value of the three-dimensional space position (x, y, z) of the COG in a crouched state using a centroid meter.

A center of gravity that makes the plate L that carries the left foot and the plate R that carries the right foot adjacent to each other, and the height l of the body center of gravity (COG) from the floor and the axis (ankle joint) based on the data detected by the center of gravity ), The means of calculating the standing state as a pendulum model, the weight as W, the vertical force component at time t as Ft, and the longitudinal force at time t as reference to the viscous friction coefficient C = [kgm ² / S] and the moment of inertia The value of θ is calculated from the following pendulum equation with the component Fy and the left-right force component Fx, and the virtual force acting on the body center of gravity from the polar coordinates (l, θ) and the coordinate values z and y of the COG space are calculated. A system for obtaining an approximate value of the position of the center of gravity of a body using a center of gravity meter comprising means for obtaining and means for obtaining coordinate values z and x of the space of the COG by a similar method.