JP6297407B2

JP6297407B2 - Angle sensor device

Info

Publication number: JP6297407B2
Application number: JP2014102828A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　正平; 正平佐藤; 橋本　和信; 和信橋本
Original assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2034-05-16
Also published as: JP2015217126A

Description

本発明は、腕部や脚部などの肢部の角度を計測する角度センサ装置に関するものであって、特に関節部を介して繋がる第一肢部と第二肢部の角度を何れも計測可能とされた角度センサ装置に関するものである。 The present invention relates to an angle sensor device that measures angles of limbs such as arms and legs, and in particular, can measure both angles of a first limb and a second limb connected via a joint. It is related with the angle sensor apparatus made into.

従来から、歩行や腕の曲げ伸ばしなどの動作を補助する関節運動補助具が提案されており、このような関節運動補助具では、装用者の動作に応じた適切な補助力を及ぼすために、センサを用いて装用者の動作を検出する必要がある。例えば、特開２０１３−７０７８５号公報（特許文献１）に示された歩行支援装置では、下肢の各部にそれぞれ姿勢や反力を検出するセンサが取り付けられており、それらセンサの検出結果に基づいて下肢の動作が把握されて、適切な補助力が下肢の各部に及ぼされるようになっている。 Conventionally, joint exercise assisting devices that assist movements such as walking and bending and stretching of arms have been proposed, and in such joint exercise assisting devices, in order to exert an appropriate assisting force according to the operation of the wearer, It is necessary to detect the movement of the wearer using a sensor. For example, in the walking support device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-70785 (Patent Document 1), sensors for detecting posture and reaction force are attached to each part of the lower limb, and based on the detection results of these sensors. The movement of the lower limb is grasped, and an appropriate assisting force is applied to each part of the lower limb.

ところで、特許文献１のような複雑な構造を有する歩行支援装置が提案されている一方で、本出願人は、特開２０１２−１９２０１３号公報（特許文献２）において、簡易な構造で容易に着脱可能な関節運動補助具を提案している。即ち、特許文献１の構造では、装置の脱着が面倒で補助力を簡便に得難いと共に、多数のアクチュエータやセンサを備えた装置自体が極めて高価になると考えられるからである。このような関節運動補助具では、センサ自体とそれを制御する計測手段を含む角度センサ装置が、関節運動補助具の着脱や装用状態での動作を著しく妨げない簡単な構造で、且つ優れた検出精度を実現し得るものであることが望ましい。 Meanwhile, while a walking support device having a complicated structure as in Patent Document 1 has been proposed, the applicant of the present application disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-192013 (Patent Document 2) easily with a simple structure. Proposal of possible joint exercise aids. That is, in the structure of Patent Document 1, it is considered that the device is troublesome to attach and detach and it is difficult to easily obtain the assisting force, and the device including a large number of actuators and sensors is considered to be extremely expensive. In such an articulation assisting tool, the angle sensor device including the sensor itself and the measuring means for controlling the sensor has a simple structure that does not significantly disturb the operation of the articulation assisting tool when it is attached or detached, and has excellent detection. It is desirable to be able to achieve accuracy.

ところが、特許文献２の構造において、動作を検出するために使用するセンサなどは、あくまでも例示に留まるものであって、第一，第二の肢部の動作を測定する角度センサ装置において、採用するセンサの種類や配置、数などに更なる検討の余地があった。 However, in the structure of Patent Document 2, the sensor used for detecting the motion is merely an example, and is employed in the angle sensor device that measures the motion of the first and second limbs. There was room for further study on the type, arrangement, and number of sensors.

なお、特許文献２の関節運動補助具は、屈伸運動の補助を主に考慮するものとされていることから、補助力を設定するためのセンサにおいて、第一肢部の動作を三次元的に検出する能力は必ずしも求められていなかった。しかしながら、装用者の動作の状態をより高度に検出することが求められる場合もあり、第一肢部の自由度の大きな動作を三次元的に検出し得るセンサの採用も検討されている。 Note that the joint exercise assisting device of Patent Document 2 mainly considers the assistance of bending and stretching exercises, and therefore, in the sensor for setting the auxiliary force, the operation of the first limb is three-dimensionally performed. The ability to detect was not always required. However, there are cases where it is required to detect the state of movement of the wearer at a higher level, and the adoption of a sensor that can detect the movement of the first limb with a high degree of freedom in three dimensions is also being studied.

特開２０１３−７０７８５号公報JP 2013-70785 A 特開２０１２−１９２０１３号公報JP 2012-192013 A

本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、簡単な構造によって第一肢部と第二肢部の角度をそれぞれ精度良く検出することができる、新規な構造の角度センサ装置を提供することにある。 The present invention has been made in the background of the above-described circumstances, and its solution is a novel structure that can accurately detect the angles of the first and second limbs with a simple structure. An object of the present invention is to provide an angle sensor device having a structure.

以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。 Hereinafter, the aspect of this invention made | formed in order to solve such a subject is described. In addition, the component employ | adopted in each aspect as described below is employable by arbitrary combinations as much as possible.

本発明の第一の態様は、第一肢部の角度と、該第一肢部と第二肢部とを繋ぐ関節部の角度とを、計測可能とされた角度センサ装置であって、前記第一肢部に装着される第一の取付部を備えており、該第一の取付部には該第一肢部の角速度を検出するジャイロセンサを含んだ第一のセンサ部が設けられていると共に、該第一の取付部には該第一のセンサ部に接続されて該第一肢部の角度の計測を実行する計測手段が設けられている一方、前記第二肢部に装着される第二の取付部を備えており、該第一の取付部と該第二の取付部に跨って延びて前記関節部の角度を検出する曲げセンサを含んだ第二のセンサ部が設けられていると共に、該第二のセンサ部が該第一の取付部への取付端側で該計測手段に接続されて、該計測手段が該第二のセンサ部によって該関節部の角度を計測可能とされていることを、特徴とする。 A first aspect of the present invention is an angle sensor device capable of measuring an angle of a first limb part and an angle of a joint part connecting the first limb part and the second limb part. A first attachment portion mounted on the first limb, and the first attachment portion is provided with a first sensor portion including a gyro sensor for detecting an angular velocity of the first limb portion; In addition, the first attachment portion is provided with measuring means connected to the first sensor portion to measure the angle of the first limb portion, while being attached to the second limb portion. And a second sensor portion including a bending sensor that extends across the first attachment portion and the second attachment portion and detects an angle of the joint portion. And the second sensor part is connected to the measuring means on the attachment end side to the first attaching part, and the measuring means is connected to the second sensor part. That the angle of articulation portion there is a measurable I, characterized.

このような第一の態様に従う構造とされた角度センサ装置によれば、第一のセンサ部に角速度を検出するジャイロセンサを採用することで、第二の肢部側の関節部と反対側の関節を跨ぐように第一のセンサ部を配することなく、第一の肢部の角度を計測することができる。一方、第二のセンサ部に曲げセンサを採用して、曲げセンサを第一の取付部と第二の取付部の間に跨がって配することで、関節部の角度を簡単な構造で検出可能としつつ、第二のセンサ部を第一の取付部に取り付けられた計測手段に容易に接続することができる。このように、第一のセンサ部を構成するジャイロセンサと、第二のセンサ部を構成する曲げセンサとを、組み合わせて採用したことにより、それら第一, 第二のセンサ部への給電や検出信号の演算処理などを実行する計測手段を、第一の取付部に集約的に設けることが可能とされる。その結果、計測手段による肢部の拘束範囲が抑えられると共に、構造が極めて簡略化されて装用が容易になる。加えて、ジャイロセンサを計測手段の演算装置などと同じ基板上に実装する等して、更なる小型軽量化を図ることも可能となる。なお、一軸の角速度のみを検出するジャイロセンサを採用することもできるが、例えば、角速度を三軸で検出可能なジャイロセンサを採用すれば、第一肢部の姿勢をより高度に計測することもできる。 According to the angle sensor device having the structure according to the first aspect as described above, by adopting the gyro sensor that detects the angular velocity in the first sensor unit, it is on the side opposite to the joint part on the second limb side. The angle of the first limb can be measured without arranging the first sensor so as to straddle the joint. On the other hand, by adopting a bending sensor for the second sensor part and arranging the bending sensor across the first attachment part and the second attachment part, the angle of the joint part has a simple structure. The second sensor part can be easily connected to the measuring means attached to the first attachment part while enabling detection. Thus, by adopting a combination of the gyro sensor that constitutes the first sensor part and the bending sensor that constitutes the second sensor part, power feeding and detection to these first and second sensor parts It is possible to collectively provide measurement means for performing signal processing and the like on the first mounting portion. As a result, the range of restraint of the limbs by the measuring means is suppressed, and the structure is extremely simplified to facilitate wearing. In addition, it is possible to further reduce the size and weight by mounting the gyro sensor on the same substrate as the arithmetic unit of the measuring means. Note that a gyro sensor that detects only the uniaxial angular velocity can be used.For example, if a gyro sensor that can detect the angular velocity in three axes is used, the posture of the first limb can be measured at a higher level. it can.

さらに、第一の取付部を第一肢部に取り付けると共に、第二の取付部を第二肢部に取り付けることにより、複数のセンサを個別に着脱することなく、角度センサ装置を人体などに着脱することができる。従って、角度センサ装置を長期間に亘って断続的に使用する場合などにも、着脱作業の負担が低減される。 Furthermore, by attaching the first attachment part to the first limb part and attaching the second attachment part to the second limb part, the angle sensor device can be attached to and detached from the human body without attaching or detaching a plurality of sensors individually. can do. Therefore, even when the angle sensor device is used intermittently over a long period of time, the burden of attaching / detaching work is reduced.

本発明の第二の態様は、第一の態様に従う構造とされた角度センサ装置において、前記第一のセンサ部が加速度センサを含んでおり、該第一のセンサ部および前記計測手段が前記ジャイロセンサによって検出される前記第一肢部の角速度に基づいて該加速度センサによって検出される重力加速度方向に対する該第一肢部の角度を計測するものである。 According to a second aspect of the present invention, in the angle sensor device having the structure according to the first aspect, the first sensor unit includes an acceleration sensor, and the first sensor unit and the measuring means are the gyroscope. The angle of the first limb with respect to the gravitational acceleration direction detected by the acceleration sensor is measured based on the angular velocity of the first limb detected by the sensor.

第二の態様によれば、第一のセンサ部に加速度センサを設けることにより、加速度センサによって検出される重力加速度方向を、第一肢部の角度の基準方向として設定することができることから、任意の姿勢で検出を開始しても、第一肢部の向きを有効に検出することができる。 According to the second aspect, by providing an acceleration sensor in the first sensor unit, the gravitational acceleration direction detected by the acceleration sensor can be set as the reference direction of the angle of the first limb, so that any Even if the detection is started with this posture, the orientation of the first limb can be detected effectively.

本発明の第三の態様は、第二の態様に記載された角度センサ装置において、前記計測手段が前記加速度センサの検出結果に基づいて前記ジャイロセンサの較正を実行するものである。 According to a third aspect of the present invention, in the angle sensor device described in the second aspect, the measurement unit performs calibration of the gyro sensor based on a detection result of the acceleration sensor.

第三の態様によれば、ジャイロセンサの検出信号に基づいて算出される重力加速度方向にノイズなどによる誤差が生じても、加速度センサによって検出される実際の重力加速度方向に基づいた較正を実行することにより、長期間の計測であっても優れた計測精度を維持することができる。 According to the third aspect, even if an error due to noise or the like occurs in the gravitational acceleration direction calculated based on the detection signal of the gyro sensor, the calibration based on the actual gravitational acceleration direction detected by the acceleration sensor is executed. Therefore, excellent measurement accuracy can be maintained even for long-term measurement.

本発明の第四の態様は、第一〜第三の何れか一つの態様に記載された角度センサ装置において、前記第一のセンサ部によって前記第一肢部の角度が三次元で検出されると共に、前記第二のセンサ部によって前記第二肢部の該第一肢部に対する相対角度が一次元で検出されるものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the angle sensor device according to any one of the first to third aspects, the angle of the first limb is detected in three dimensions by the first sensor unit. At the same time, the relative angle of the second limb to the first limb is detected one-dimensionally by the second sensor.

第四の態様によれば、三軸の角速度を検出可能なジャイロセンサを採用することにより、第一肢部の動きの自由度が大きい場合にも、角速度を三次元で検出可能とされて、第一肢部の角度を高度に計測することができる。従って、人体において、股関節や肩関節によって三次元の複雑な動作が許容される大腿部や上腕部の角度を、有効に計測することが可能となる。一方、人体において、膝関節や肘関節によって一次元の簡単な屈伸運動のみを許容される下腿部や前腕部の角度は、曲げセンサを含む簡単な構造の第二のセンサ部によって、複雑な演算処理を要することなく簡易に計測することができる。 According to the fourth aspect, by adopting a gyro sensor capable of detecting a three-axis angular velocity, even when the degree of freedom of movement of the first limb is large, the angular velocity can be detected in three dimensions, The angle of the first limb can be measured highly. Therefore, in the human body, it is possible to effectively measure the angle of the thigh and the upper arm where a three-dimensional complicated motion is allowed by the hip joint and the shoulder joint. On the other hand, in the human body, the angle of the lower leg and forearm where only one-dimensional simple bending and stretching movements are allowed by the knee joint and elbow joint is complicated by the second sensor part having a simple structure including a bending sensor. Measurement can be easily performed without requiring arithmetic processing.

本発明の第五の態様は、第一〜第四の何れか一つの態様に記載された角度センサ装置において、前記曲げセンサが誘電性の弾性材で形成された誘電膜の両面に導電性の弾性材によって変形可能に形成された一対の電極膜が設けられたセンサ本体を有しており、該一対の電極膜が前記計測手段に接続されているものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the angle sensor device according to any one of the first to fourth aspects, the bending sensor is electrically conductive on both surfaces of a dielectric film formed of a dielectric elastic material. The sensor main body is provided with a pair of electrode films formed to be deformable by an elastic material, and the pair of electrode films is connected to the measuring means.

第五の態様によれば、関節部を跨ぐように延びて配設される曲げセンサが、柔軟な誘電膜の両面に弾性的な電極膜を設けられたセンサ本体を備えており、センサ本体の全体が弾性的に曲げ変形可能とされた柔軟な構造とされている。これにより、センサ本体の曲げ変形に伴う静電容量の変化などに基づいて関節部の角度を検出する際に、関節部の動きがセンサ本体によって妨げられるのを防ぐことができる。特に、誘電膜だけでなく電極膜も弾性材で形成されていることから、長期間に亘って曲げ変形が繰り返し生ぜしめられても、優れた耐久性が発揮される。 According to the fifth aspect, the bending sensor disposed so as to extend over the joint portion includes the sensor main body provided with the elastic electrode films on both sides of the flexible dielectric film. The entire structure is a flexible structure that can be bent and deformed elastically. Thereby, when detecting the angle of a joint part based on the change of the electrostatic capacitance accompanying the bending deformation of a sensor main body, it can prevent that the motion of a joint part is prevented by the sensor main body. In particular, since not only the dielectric film but also the electrode film is formed of an elastic material, excellent durability is exhibited even if bending deformation is repeatedly generated over a long period of time.

本発明では、第一〜第五の何れか一つの態様に記載された角度センサ装置において、前記第一肢部が大腿部とされていると共に、前記第二肢部が下腿部とされており、前記第一のセンサ部および前記第二のセンサ部と前記計測手段とによって、歩行動作の周期と歩行速度と歩幅と歩行動作の段階との少なくとも一つが検出されるようにしても良い。 In the present invention , in the angle sensor device according to any one of the first to fifth aspects, the first limb is a thigh, and the second limb is a lower leg. are, also be at least one of said by said measuring means and the first sensor portion and the second sensor unit, the stage of the walking operation cycle of the walking movement and the walking speed and stride are detected Good .

このような態様によれば、本発明に係る角度センサ装置を脚部に適用することにより、装用者の歩行状態を優れた精度で計測することができる。しかも、第一の取付部と第二の取付部を膝関節の両側に対して着脱することで、角度センサ装置を容易に着脱できることから、長期間に亘って断続的に計測する場合にも装用者の負担を軽減できる。 According to such an aspect, by applying the angle sensor device according to the present invention to the legs, the walking state of the wearer can be measured with excellent accuracy. Moreover, since the angle sensor device can be easily attached / detached by attaching / detaching the first attachment part and the second attachment part to both sides of the knee joint, it can be used even when measuring intermittently over a long period of time. Can be reduced.

本発明によれば、第一のセンサ部がジャイロセンサを含んで構成されていると共に、第二のセンサ部が曲げセンサを含んで構成されており、ジャイロセンサが第一の取付部に取り付けられていると共に、曲げセンサの両端部が第一の取付部と第二の取付部の各一方に取り付けられている。これにより、第一のセンサ部と第二のセンサ部によって第一肢部と第二肢部の角度を計測する計測手段を、第一の取付部に集約的に設けることができて、装置の小型化や軽量化、構造の簡略化などが図られる。しかも、第一の取付部を第一肢部に装着すると共に、第二の取付部を第二肢部に装着することで、角度センサ装置を容易に装用可能であり、着脱作業による装用者の負担が軽減される。 According to the present invention, the first sensor unit is configured to include the gyro sensor, the second sensor unit is configured to include the bending sensor, and the gyro sensor is attached to the first mounting unit. In addition, both end portions of the bending sensor are attached to one of the first attachment portion and the second attachment portion. Thereby, the measurement means for measuring the angles of the first limb and the second limb by the first sensor part and the second sensor part can be collectively provided in the first attachment part. Miniaturization, weight reduction, simplification of structure, and the like can be achieved. In addition, the angle sensor device can be easily worn by attaching the first attachment portion to the first limb and attaching the second attachment portion to the second limb. The burden is reduced.

本発明の第一の実施形態としての角度センサ装置を、脚部への装着状態で示す側面図。The side view which shows the angle sensor apparatus as 1st embodiment of this invention in the mounting state to a leg part. 図１に示す角度センサ装置を構成する第一のセンサ部および第二のセンサ部と計測手段のブロック図。The block diagram of the 1st sensor part which comprises the angle sensor apparatus shown in FIG. 1, a 2nd sensor part, and a measurement means.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１には、本発明の第一の実施形態としての角度センサ装置１０が、脚部１２への装着状態で示されている。角度センサ装置１０は、第一の取付部１４と第二の取付部１６を備えている。そして、角度センサ装置１０は、第一の取付部１４が第一肢部としての大腿部１８に装着されると共に、第二の取付部１６が第二肢部としての下腿部２０に装着されて、大腿部１８の鉛直方向に対する角度と、膝関節２２の角度とを、計測できるようになっている。なお、図１では、下方が重力加速度方向とされており、図中に一点鎖線で示すように、鉛直方向が上下方向とされている。 FIG. 1 shows an angle sensor device 10 as a first embodiment of the present invention in a state where the angle sensor device 10 is attached to a leg portion 12. The angle sensor device 10 includes a first attachment portion 14 and a second attachment portion 16. In the angle sensor device 10, the first attachment portion 14 is attached to the thigh 18 as the first limb, and the second attachment portion 16 is attached to the crus 20 as the second limb. Thus, the angle of the thigh 18 with respect to the vertical direction and the angle of the knee joint 22 can be measured. In FIG. 1, the downward direction is the gravitational acceleration direction, and the vertical direction is the vertical direction as indicated by the alternate long and short dash line in the figure.

より詳細には、第一の取付部１４は、本実施形態では大腿部１８に外挿可能なリング状とされており、布やエラストマなどで形成されて、大腿部１８の動作（変形）を妨げない程度の伸縮性を有していることが望ましい。なお、第一の取付部１４を帯状として、端部を面ファスナやフック、スナップなどによって連結することで、大腿部１８に巻き付けて大腿部１８の太さに応じたリング状としても良い。 More specifically, in the present embodiment, the first attachment portion 14 has a ring shape that can be extrapolated to the thigh 18, and is formed of a cloth, an elastomer, or the like. It is desirable to have a degree of stretchability that does not hinder. In addition, it is good also as a ring shape according to the thickness of the thigh part 18 by winding the thigh part 18 by making the 1st attachment part 14 into a strip | belt shape, and connecting an end part with a hook-and-loop fastener, a hook, a snap, etc. .

また、第一の取付部１４には、第一のセンサ部２４が取り付けられている。この第一のセンサ部２４は、ジャイロセンサ２６と加速度センサ２８を含んで構成されている。ジャイロセンサ２６は、一般的なＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）センサであって、三軸回りの回転の角速度を検出可能な三軸角速度センサとされている。加速度センサ２８は、ジャイロセンサ２６と同様にＭＥＭＳセンサであって、三軸方向の加速度を検出可能な三軸加速度センサとされている。なお、第一のセンサ部２４は、ジャイロセンサ２６と加速度センサ２８で構成されており、股関節を跨いで胴部に取り付ける必要がない。 Further, the first sensor portion 24 is attached to the first attachment portion 14. The first sensor unit 24 includes a gyro sensor 26 and an acceleration sensor 28. The gyro sensor 26 is a general MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor, and is a triaxial angular velocity sensor capable of detecting an angular velocity of rotation about three axes. The acceleration sensor 28 is a MEMS sensor similar to the gyro sensor 26, and is a triaxial acceleration sensor capable of detecting acceleration in three axial directions. The first sensor unit 24 includes a gyro sensor 26 and an acceleration sensor 28, and does not need to be attached to the trunk unit across the hip joint.

さらに、第一の取付部１４には、計測手段３０が取り付けられている。計測手段３０は、第一のセンサ部２４の検出信号を処理する演算装置３２と、第一のセンサ部２４および演算装置３２に電力を供給する電源３３とを、備えている。なお、第一のセンサ部２４と演算装置３２は、同一基板上に実装されて、電源３３によって作動に必要な電力を供給され得る。 Further, the measuring means 30 is attached to the first attachment portion 14. The measuring unit 30 includes an arithmetic device 32 that processes a detection signal of the first sensor unit 24 and a power source 33 that supplies electric power to the first sensor unit 24 and the arithmetic device 32. The first sensor unit 24 and the arithmetic device 32 can be mounted on the same substrate and supplied with power necessary for operation by the power source 33.

演算装置３２は、ジャイロセンサ２６および加速度センサ２８の検出信号に基づいて、重力加速度方向や、鉛直方向に対する大腿部１８の傾斜角度（θ，ψ，φ）を、算出する。以下に、大腿部１８の傾斜角度（θ，ψ，φ）の算出方法の一例を示す。なお、以下の説明において、ジャイロセンサ２６が検出する三軸回りの角速度（ω）をω＝（ω₁，ω₂，ω₃）、大腿部１８の姿勢を示す四元数（クォータニオン）（Ｑ）をＱ＝（ｑ₁，ｑ₂，ｑ₃；ｑ₀）とする。 The computing device 32 calculates the gravitational acceleration direction and the inclination angle (θ, ψ, φ) of the thigh 18 with respect to the vertical direction based on the detection signals of the gyro sensor 26 and the acceleration sensor 28. Hereinafter, an example of a method for calculating the inclination angle (θ, ψ, φ) of the thigh 18 will be described. In the following description, the angular velocity (ω) around the three axes detected by the gyro sensor 26 is ω = (ω ₁ , ω ₂ , ω ₃ ), and a quaternion (quaternion) indicating the posture of the thigh 18 (quaternion) ( Let Q) be Q = (q ₁ , q ₂ , q ₃ ; q ₀ ).

先ず、大腿部１８の動き（姿勢の変化）は、ジャイロセンサ２６によって角速度として検出される。そして、ジャイロセンサ２６の検出信号に基づいて、大腿部１８の姿勢変化（位置ベクトルの回転）による四元数の時間変化が、以下の［数１］のように算出される。 First, the movement (change in posture) of the thigh 18 is detected by the gyro sensor 26 as an angular velocity. Then, based on the detection signal of the gyro sensor 26, the time change of the quaternion due to the posture change (rotation of the position vector) of the thigh 18 is calculated as in the following [Equation 1].

次に、［数２］に示すように、四元数を方向余弦行列（ＤＣＭ）に変換する。 Next, as shown in [Formula 2], the quaternion is converted into a direction cosine matrix (DCM).

また、方向余弦行列と三軸回りの回転角度であるオイラー角（θ，ψ，φ）との関係は、［数３］のようになる。 The relationship between the direction cosine matrix and the Euler angles (θ, ψ, φ), which are rotation angles around three axes, is as shown in [Equation 3].

そして、［数２］と［数３］からオイラー角が算出される。以上により、演算装置３２は、ジャイロセンサ２６が検出する角速度に基づいて、大腿部１８の角度を三次元で算出することができる。 Then, the Euler angle is calculated from [Equation 2] and [Equation 3]. As described above, the computing device 32 can calculate the angle of the thigh 18 in three dimensions based on the angular velocity detected by the gyro sensor 26.

なお、例えば、角度センサ装置１０を装用した静止状態で第一のセンサ部２４を起動させて、加速度センサ２８によって重力の作用方向（鉛直方向）を検出させることにより、検出された鉛直方向が大腿部１８の角度の基準軸とされて、大腿部１８の鉛直方向に対する傾斜角度が上記の処理によって算出される。また、第一のセンサ部２４が変位（回転）することにより、第一のセンサ部２４に対する重力の作用方向が変化することから、演算装置３２は、［数４］によって、第一のセンサ部２４に対する重力の向きをジャイロセンサ２６の検出信号に基づいて算出する。このような鉛直方向の算出処理を長時間に亘って繰り返すと、実際の鉛直方向に対する誤差が徐々に大きくなることから、例えば、大腿部１８の静止時に加速度センサ２８によって鉛直方向を検出して、検出結果を実際の鉛直方向として置き換える処理を適宜に実行することが望ましい。要するに、加速度センサ２８の検出結果を利用して、鉛直方向の較正を適宜に行うことができる。 For example, when the first sensor unit 24 is activated in a stationary state in which the angle sensor device 10 is worn, and the acceleration sensor 28 detects the action direction (vertical direction) of gravity, the detected vertical direction is large. The angle of inclination of the thigh 18 with respect to the vertical direction is calculated as a reference axis for the angle of the thigh 18 by the above processing. Moreover, since the action direction of the gravity with respect to the 1st sensor part 24 changes when the 1st sensor part 24 displaces (rotates), the arithmetic unit 32 is the 1st sensor part by [Equation 4]. The direction of gravity with respect to 24 is calculated based on the detection signal of the gyro sensor 26. If such a calculation process in the vertical direction is repeated for a long time, an error with respect to the actual vertical direction gradually increases. For example, the acceleration sensor 28 detects the vertical direction when the thigh 18 is stationary. It is desirable to appropriately execute the process of replacing the detection result with the actual vertical direction. In short, the vertical calibration can be appropriately performed using the detection result of the acceleration sensor 28.

さらに、例えば、ジャイロセンサ２６と加速度センサ２８を組み合わせた計測において、拡張カルマンフィルタやパーティクルフィルタなどのセンサフュージョンアルゴリズムを採用すれば、ノイズなどに起因するジャイロセンサ２６の検出誤差を低減して、大腿部１８の角度を長時間に亘って優れた精度で計測することもできる。 Further, for example, when a sensor fusion algorithm such as an extended Kalman filter or a particle filter is employed in measurement combining the gyro sensor 26 and the acceleration sensor 28, the detection error of the gyro sensor 26 due to noise or the like is reduced, and the thigh The angle of the part 18 can also be measured with excellent accuracy over a long period of time.

一方、第二の取付部１６は、本実施形態では下腿部２０に外挿可能なリング状とされており、第一の取付部１４と同様に、布やエラストマなどで形成されて、下腿部２０の筋肉の変形を妨げない程度の伸縮性を有していることが望ましい。なお、第二の取付部１６は、第一の取付部１４と同様に、帯状とされて、端部が面ファスナやフック、スナップなどによって連結されることで、下腿部２０の外径に応じたリング状として下腿部２０に巻き付けられるようにしても良い。 On the other hand, the second attachment portion 16 has a ring shape that can be extrapolated to the crus 20 in the present embodiment, and is formed of cloth, elastomer, or the like, like the first attachment portion 14, and It is desirable to have elasticity that does not hinder the deformation of the muscles of the thigh 20. In addition, the 2nd attachment part 16 is made into strip | belt shape similarly to the 1st attachment part 14, and an end part is connected by a hook-and-loop fastener, a hook, a snap, etc., and it becomes the outer diameter of the leg part 20. You may make it wind around the lower leg part 20 as a corresponding ring shape.

第一の取付部１４と第二の取付部１６は、膝関節２２に対して各一方側に配されて、所定の距離だけ相互に離隔している。そして、膝関節２２の屈伸による角度変化を検出する第二のセンサ部３４を構成する曲げセンサ３６が、第一の取付部１４と第二の取付部１６に跨って延びて配されている。 The first attachment portion 14 and the second attachment portion 16 are arranged on one side with respect to the knee joint 22 and are separated from each other by a predetermined distance. A bending sensor 36 that constitutes a second sensor unit 34 that detects a change in angle due to bending and stretching of the knee joint 22 extends over the first mounting unit 14 and the second mounting unit 16.

曲げセンサ３６は、具体的な構造を特に限定されるものではないが、例えば、誘電性の弾性体で形成された誘電膜３８の表裏に、導電性の弾性材で形成された一対の電極膜４０，４２が被着された、積層構造のセンサ本体４４を備える構造とされている。このセンサ本体４４は、安定した湾曲形状を呈するように矩形などの一定断面形状で長さ方向に直線的に延びる板状や棒状を有しており、その具体的な構造は、前述の特開２００９−２０００６号公報にも記載されていることから、ここでは詳細な説明を省略する。 Although the specific structure of the bending sensor 36 is not particularly limited, for example, a pair of electrode films formed of a conductive elastic material on the front and back of a dielectric film 38 formed of a dielectric elastic body. A sensor body 44 having a laminated structure with 40 and 42 attached thereto is provided. The sensor main body 44 has a plate shape or a bar shape linearly extending in the length direction with a constant cross-sectional shape such as a rectangle so as to exhibit a stable curved shape, and the specific structure thereof is disclosed in the above-mentioned JP Since it is also described in Japanese Patent Application Publication No. 2009-20006, detailed description thereof is omitted here.

さらに、本実施形態に係る曲げセンサ３６において、誘電膜３８と一対の電極膜４０，４２からなる積層構造を有するセンサ本体４４には、積層方向の一方の面に対して変形規定部材４６が重ね合わされて固着されている。 Furthermore, in the bending sensor 36 according to the present embodiment, the deformation defining member 46 is superimposed on one surface in the stacking direction on the sensor body 44 having a stacked structure including the dielectric film 38 and the pair of electrode films 40 and 42. Has been fixed.

特に本実施形態では、誘電膜３８と一対の電極膜４０，４２が何れも薄肉の短冊シート形状とされており、それらと略同じ薄板形状の変形規定部材４６が用いられ、一方の電極膜４２の全面に対して変形規定部材４６が重ね合わされて密着状態で固着されている。これにより、変形規定部材４６が、センサ本体４４と一体化されており、センサ本体４４と変形規定部材４６とが一体的に変形せしめられるようになっている。 In particular, in the present embodiment, the dielectric film 38 and the pair of electrode films 40 and 42 are each formed into a thin strip sheet shape, and the same thin plate-shaped deformation regulating member 46 is used, and one electrode film 42 is used. The deformation regulating member 46 is superimposed on the entire surface of the plate and fixedly adhered. Thus, the deformation defining member 46 is integrated with the sensor main body 44, and the sensor main body 44 and the deformation defining member 46 are integrally deformed.

かかる変形規定部材４６は、外力が及ぼされた際に安定した所定形状へ変形可能とされた弾性材であり、センサ本体４４に比して初期形状の保持力と変形形状の安定性が優れている。好適には、１０Ｎ等の荷重の入力が予定される領域において引張や圧縮の変形が実質的に無視される程に小さく、直交３軸方向のうちの一方向だけの断面二次モーメントが他方向に比して格段に小さくされることで、外力が及ぼされた際に当該一方向の曲げ変形が安定して生ぜしめられるようにされる。 The deformation regulating member 46 is an elastic material that can be deformed into a predetermined shape that is stable when an external force is applied, and has an initial shape holding force and a stability of the deformed shape as compared with the sensor body 44. Yes. Preferably, in a region where a load of 10 N or the like is expected to be input, the deformation of tension or compression is so small that it is substantially ignored, and the cross-sectional secondary moment in only one of the three orthogonal directions is the other direction. By being made much smaller than the above, the bending deformation in one direction can be stably generated when an external force is applied.

具体的には、薄肉の矩形平板形状とされることにより、板面に直交する曲率半径をもって湾曲形状に変形する曲げ変形が安定して生ぜしめられるようにすることができる。また、断面二次モーメントが全長に亘って一定となる形状を採用することで、所定の曲げモーメントが外力として及ぼされた際に、長手方向の全長に亘って略一定の曲率で湾曲変形するようにできる。 Specifically, by forming a thin rectangular flat plate shape, it is possible to stably generate bending deformation that deforms into a curved shape with a radius of curvature perpendicular to the plate surface. Further, by adopting a shape in which the cross-sectional secondary moment is constant over the entire length, when a predetermined bending moment is exerted as an external force, it is curved and deformed with a substantially constant curvature over the entire length in the longitudinal direction. Can be.

さらに、安定した変形態様を確保するためには、少なくともセンサ本体４４よりも大きな曲げ剛性を有するが、装用する関節の動きに対して違和感を与えない程度に小さく設定することができる。具体的な材質は特に限定されるものでないが、ポリイミドやポリエチレン等の薄肉の樹脂プレートや薄肉のバネ鋼などの金属プレートも採用可能である。 Furthermore, in order to ensure a stable deformation mode, it has at least a bending rigidity greater than that of the sensor main body 44, but can be set to a value that does not give a sense of incongruity to the movement of the joint to be worn. The specific material is not particularly limited, but a thin resin plate such as polyimide or polyethylene or a metal plate such as thin spring steel can also be used.

また、電気安定性を考慮して絶縁材とすることが好適であるが、例えば導電性の材質からなる変形規定部材４６を採用することも可能である。その場合には、電極膜４２と変形規定部材４６との間に絶縁膜を介在させて電気的に絶縁する他、変形規定部材４６を介して、電極膜４２に給電等したり、変形規定部材４６を直接に誘電膜３８に重ね合わせて固着することにより変形規定部材４６で電極膜４２を構成することも可能である。 In addition, it is preferable to use an insulating material in consideration of electrical stability, but it is also possible to employ a deformation regulating member 46 made of, for example, a conductive material. In that case, an insulating film is interposed between the electrode film 42 and the deformation regulating member 46 to electrically insulate the electrode film 42 via the deformation regulating member 46, or a deformation regulating member. It is also possible to form the electrode film 42 with the deformation regulating member 46 by directly superimposing the 46 on the dielectric film 38 and fixing it.

このような構造とされた曲げセンサ３６は、長さ方向の一方の端部が第一の取付部１４に取り付けられていると共に、他方の端部が第二の取付部１６に取り付けられており、膝関節２２の側方に配されている。これにより、曲げセンサ３６は、人体の肢部の関節部位に装用されて、関節の屈曲に伴って湾曲変形されることとなり、図１の例示では、大腿部１８に対する下腿部２０の動きによって発生する膝関節２２の角度変化に伴って、湾曲変形するようになっている。 The bending sensor 36 having such a structure has one end portion in the length direction attached to the first attachment portion 14 and the other end portion attached to the second attachment portion 16. It is arranged on the side of the knee joint 22. As a result, the bending sensor 36 is worn at the joint part of the limb of the human body and is bent and deformed along with the bending of the joint. In the illustration of FIG. 1, the movement of the lower leg 20 relative to the thigh 18 is illustrated. In accordance with the change in the angle of the knee joint 22 generated by the above, the curve is deformed.

なお、曲げセンサ３６は、それを構成するセンサ本体４４および変形規定部材４６の板厚方向が人体の前後方向とされて、板面に直交する曲率半径をもって湾曲変形するように装用される。 The bending sensor 36 is worn so that the sensor body 44 and the deformation regulating member 46 constituting the bending sensor 36 are curved and deformed with a curvature radius orthogonal to the plate surface, with the plate thickness direction being the front-rear direction of the human body.

また、曲げセンサ３６は、股関節の屈曲に伴う外力の作用により、その長さ方向の両端に同等の曲げモーメントが及ぼされることで全体として略一定の曲率をもった円弧形状に弾性変形されるようになっている。具体的には、図１に示されているように、センサとして機能する曲げ変形領域の長さ方向の両端が入力点とされることで、長さ方向の中央点が屈曲点となる膝関節２２と略一致するように設定されている。 Further, the bending sensor 36 is elastically deformed into an arc shape having a substantially constant curvature as a whole when an equal bending moment is exerted on both ends in the longitudinal direction by the action of an external force accompanying the bending of the hip joint. It has become. Specifically, as shown in FIG. 1, knee joints in which the center point in the length direction becomes the bending point by using both ends in the length direction of the bending deformation region functioning as a sensor as input points. 22 is set to substantially match.

これにより、大腿部１８と下腿部２０が略直線的に伸ばされた膝関節２２の伸長状態から、図１に示すように下腿部２０を大腿部１８に対して傾斜させた屈曲状態をとることで、曲げセンサ３６には、両端間で円弧状の湾曲が生ぜしめられることとなる。そして、この湾曲状態の曲率半径が、膝関節２２の屈曲角度（δ）に対応した値をとることになる。 As a result, the leg 20 is bent with respect to the thigh 18 as shown in FIG. 1 from the stretched state of the knee joint 22 in which the thigh 18 and the thigh 20 are stretched substantially linearly. By taking the state, the bending sensor 36 is caused to have an arcuate curve between both ends. The curvature radius of the curved state takes a value corresponding to the bending angle (δ) of the knee joint 22.

なお、膝関節２２の屈曲に伴って曲げセンサ３６に生ぜしめられる変形態様は、曲げセンサ３６の変形態様が変形規定部材４６で規定されていることにより、数学的な演算式を用いたモデルによって近似的に表すことが可能である。特に変形規定部材４６によって変形態様を規定することで、実用的に良好な精度と演算処理可能な効率化を実現し得る演算モデルを構築することが可能とされる。 The deformation mode generated in the bending sensor 36 along with the bending of the knee joint 22 is based on a model using a mathematical calculation formula because the deformation mode of the bending sensor 36 is defined by the deformation regulating member 46. It can be expressed approximately. In particular, by defining the deformation mode by the deformation defining member 46, it is possible to construct a calculation model that can realize practically good accuracy and efficiency that can be processed.

具体的には、以下の条件（１）〜（５）の各条件を一定にする簡略化条件を適宜に採用することで、効率的な演算モデルを得ることができる。
（１）曲げセンサ３６の曲げ変形領域は全長に亘って曲率が一定。
（２）曲げセンサ３６の曲げ変形領域は全長に亘って断面形状が一定。
（３）曲げセンサ３６の変形規定部材４６への重ね合わせ側の面は曲げ変形の有無に拘わらず寸法が一定。
（４）曲げセンサ３６は曲げ変形の有無に拘わらず体積が一定。
（５）曲げセンサ３６の断面では曲げ変形に際しての幅方向の寸法変化率と高さ方向の寸法変化率との相対比が一定。 Specifically, an efficient calculation model can be obtained by appropriately adopting simplified conditions that make each of the following conditions (1) to (5) constant.
(1) The bending deformation region of the bending sensor 36 has a constant curvature over the entire length.
(2) The bending deformation region of the bending sensor 36 has a constant cross-sectional shape over the entire length.
(3) The dimension of the surface of the bending sensor 36 on the side overlapping the deformation regulating member 46 is constant regardless of the presence or absence of bending deformation.
(4) The volume of the bending sensor 36 is constant regardless of the presence or absence of bending deformation.
(5) In the cross section of the bending sensor 36, the relative ratio between the dimensional change rate in the width direction and the dimensional change rate in the height direction during bending deformation is constant.

これらの条件（１）〜（５）は少なくとも一つを採用し、また要求される精度や演算能力等を考慮して適宜に複数を組み合わせて採用することができる。特に（１）〜（５）の全ての条件を組み合わせて採用することで、演算モデルの簡略化が図られる。 At least one of these conditions (1) to (5) can be adopted, and a plurality of conditions can be appropriately combined in consideration of required accuracy, computing ability, and the like. In particular, the calculation model can be simplified by adopting a combination of all the conditions (1) to (5).

また、電極膜４０，４２の第一の取付部１４側の端部が演算装置３２に電気的に接続されており、曲げセンサ３６の検出信号が演算装置３２によって演算処理されて、膝関節２２の関節角度（δ）が算出されるようになっている。なお、膝関節２２は、屈伸だけを許容される関節であることから、誘電膜３８と電極膜４０，４２の積層方向の曲げ角度だけを一次元的に検出する曲げセンサ３６によって、関節角を有効に計測することができる。 The end portions of the electrode films 40 and 42 on the first attachment portion 14 side are electrically connected to the arithmetic device 32, and the detection signal of the bending sensor 36 is arithmetically processed by the arithmetic device 32, so that the knee joint 22 is processed. The joint angle (δ) is calculated. Since the knee joint 22 is a joint that allows only bending and stretching, the joint angle is determined by a bending sensor 36 that detects one-dimensionally only the bending angle in the stacking direction of the dielectric film 38 and the electrode films 40 and 42. It can be measured effectively.

このように、センサの検出結果に基づいて角度の演算処理を行う演算装置３２が、第一のセンサ部２４と第二のセンサ部３４で互いに共通とされて、大腿部１８に装着される第一の取付部１４に取り付けられている。更に、第一, 第二のセンサ部２４，３４や演算装置３２などに電力を供給する電源３３も、演算装置３２と共に第一の取付部１４に取り付けられている。要するに、演算装置３２や電源３３を含んで構成されて第一, 第二のセンサ部２４，３４による角度の計測を可能とする計測手段３０が、第一の取付部１４側に集約されて配設されており、本実施形態では、第二の取付部１６が曲げセンサ３６の他方の端部を下腿部２０に取り付けるためにのみ設けられている。 As described above, the arithmetic device 32 that performs the arithmetic processing of the angle based on the detection result of the sensor is attached to the thigh 18 so that the first sensor unit 24 and the second sensor unit 34 are common to each other. It is attached to the first attachment portion 14. Further, a power source 33 that supplies power to the first and second sensor units 24 and 34 and the arithmetic device 32 is also attached to the first attachment portion 14 together with the arithmetic device 32. In short, the measuring means 30 configured to include the arithmetic device 32 and the power source 33 and capable of measuring the angle by the first and second sensor portions 24 and 34 is integrated and arranged on the first mounting portion 14 side. In this embodiment, the second attachment portion 16 is provided only for attaching the other end of the bending sensor 36 to the crus 20.

このような本実施形態に従う構造とされた角度センサ装置１０によれば、第一，第二のセンサ部２４，３４と計測手段３０とによって、大腿部１８の重力加速度方向に対する角度と、膝関節２２の角度とが、それぞれ計測される。しかも、大腿部１８に取り付けられる第一の取付部１４に計測手段３０が集約配置されて、下腿部２０に装着される第二の取付部１６を軽量且つコンパクトな構造とすることができる。従って、角度センサ装置１０は、大腿部１８に比して筋力が小さい下腿部２０に重量を大きく分担させることなく装用可能とされており、装用者の体感重量を低減できる。しかも、計測手段３０の配設によって拘束される領域を狭くできると共に、装用のし易さも向上し得る。 According to the angle sensor device 10 having the structure according to this embodiment, the angle of the thigh 18 with respect to the gravitational acceleration direction and the knee are measured by the first and second sensor units 24 and 34 and the measuring unit 30. The angle of the joint 22 is measured. In addition, the measurement means 30 is centrally arranged on the first attachment portion 14 attached to the thigh 18, and the second attachment portion 16 attached to the crus 20 can be configured to be lightweight and compact. . Therefore, the angle sensor device 10 can be worn without allocating a large weight to the crus 20 having a smaller muscular strength than the thigh 18 and can reduce the sensible weight of the wearer. Moreover, the area constrained by the arrangement of the measuring means 30 can be narrowed and the ease of wearing can be improved.

また、第一のセンサ部２４が三軸のジャイロセンサ２６と加速度センサ２８を組み合わせて構成されており、自由度の大きな大腿部１８の角度を三次元で計測することができることから、大腿部１８の姿勢、換言すれば股関節の角度を、より正確に計測することができる。しかも、ジャイロセンサ２６および加速度センサ２８は、股関節を跨いで胴部と大腿部１８に取り付ける必要がなく、大腿部１８に集約的に配することが可能であり、角度センサ装置１０の脚部１２への装用の容易化や、角度センサ装置１０の小型化とそれに伴う脚部１２への装用範囲の最小化などが実現されると共に、歩行時等に装用者の手が第一のセンサ部２４に当たるのを防ぐこともできる。加えて、ＭＥＭＳセンサであるジャイロセンサ２６と加速度センサ２８は、演算装置３２と同じ基板上に実装可能であり、より集約された態様で第一の取付部１４に配することができる。 In addition, the first sensor unit 24 is configured by combining a triaxial gyro sensor 26 and an acceleration sensor 28, and can measure the angle of the thigh 18 having a large degree of freedom in three dimensions. The posture of the unit 18, in other words, the angle of the hip joint can be measured more accurately. Moreover, the gyro sensor 26 and the acceleration sensor 28 do not need to be attached to the torso and the thigh 18 across the hip joint, and can be centrally arranged on the thigh 18. The wearing of the unit 12 is facilitated, the angle sensor device 10 is miniaturized and the wearing range of the leg unit 12 is minimized, and the wearer's hand is the first sensor when walking. It is also possible to prevent hitting the portion 24. In addition, the gyro sensor 26 and the acceleration sensor 28, which are MEMS sensors, can be mounted on the same substrate as the arithmetic device 32, and can be arranged on the first mounting portion 14 in a more integrated manner.

さらに、第二のセンサ部３４が柔軟な曲げセンサ３６で構成されており、一自由度の屈伸を許容される膝関節２２の角度を十分な精度で計測することができる。しかも、第二の取付部１６にジャイロセンサや加速度センサを配する場合に比して、下腿部２０に基板や電源などを配する必要がなく、下腿部２０への装着部分の軽量化や小型化が図られる。 Further, the second sensor unit 34 is constituted by a flexible bending sensor 36, and the angle of the knee joint 22 that is allowed to bend and stretch with one degree of freedom can be measured with sufficient accuracy. Moreover, compared to the case where a gyro sensor or an acceleration sensor is arranged on the second attachment portion 16, it is not necessary to arrange a substrate, a power source, etc. on the crus 20 and the weight of the mounting part on the crus 20 is reduced. And downsizing.

以上のように、ジャイロセンサ２６と加速度センサ２８で構成された第一のセンサ部２４と、曲げセンサ３６で構成された第二のセンサ部３４とを、適切に組み合わせて採用することにより、小型化や軽量化を実現しながら、股関節および膝関節２２の可動範囲に応じたセンシングが実現されて、大腿部１８および下腿部２０の角度を高度に計測することができる。 As described above, the first sensor unit 24 configured by the gyro sensor 26 and the acceleration sensor 28 and the second sensor unit 34 configured by the bending sensor 36 are appropriately combined and employed to reduce the size. Sensing according to the movable range of the hip joint and the knee joint 22 is realized while realizing a reduction in size and weight, and the angles of the thigh 18 and the crus 20 can be highly measured.

また、脚部１２に装着される角度センサ装置１０によって計測される大腿部１８の鉛直方向に対する角度および膝関節２２の角度に基づいて、例えば、装用者の歩行動作の周期と、歩行動作の段階（遊脚期や立脚期など）と、歩行速度と、歩幅との少なくとも一つを把握できるようになっている。これにより、装用者の歩行動作に関する情報を、簡易な構造で着脱容易な角度センサ装置１０によって、簡単に得ることができる。なお、歩行速度（ｖ）は、方向余弦行列（ＤＣＭ）と加速度センサ２８の検出する加速度（α）とによって、［数５］で算出される。 Further, based on the angle of the thigh 18 with respect to the vertical direction and the angle of the knee joint 22 measured by the angle sensor device 10 attached to the leg 12, for example, the cycle of the walking motion of the wearer and the walking motion It is possible to grasp at least one of a stage (such as a swing period or a stance period), a walking speed, and a stride. Thereby, the information regarding a wearer's walking motion can be easily obtained with the angle sensor apparatus 10 with a simple structure and easy attachment / detachment. The walking speed (v) is calculated by [Equation 5] based on the direction cosine matrix (DCM) and the acceleration (α) detected by the acceleration sensor 28.

さらに、角度センサ装置１０は、それ単体で装用されて、上記の如き歩行動作情報の収集と分析などに用いられ得る一方、特開２０１２−１９２０１３号公報に示された関節運動補助具などと組み合わせて採用されることにより、脚部や腕部に及ぼされる補助力の制御などにも用いられ得る。また、関節運動補助具と組み合わせて採用される場合には、第一の取付部１４や第二の取付部１６は、関節運動補助具で構成され得る。 Furthermore, the angle sensor device 10 can be worn alone and used for collecting and analyzing walking motion information as described above, while being combined with an articulation assisting tool disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-192013. By being employed, it can also be used for controlling the auxiliary force exerted on the legs and arms. Moreover, when employ | adopting in combination with a joint exercise assistance tool, the 1st attachment part 14 and the 2nd attachment part 16 may be comprised with a joint exercise assistance tool.

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。例えば、計測手段３０の具体的な構成は、前記実施形態の記載によって限定的に解釈されるものではない。例えば、計測手段３０に無線通信装置を設けて、計測結果を外部の処理装置（パーソナルコンピュータなど）に無線で送信できるようにしても良い。 As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail, this invention is not limited by the specific description. For example, the specific configuration of the measurement unit 30 is not limitedly interpreted by the description of the embodiment. For example, the measurement unit 30 may be provided with a wireless communication device so that the measurement result can be transmitted wirelessly to an external processing device (such as a personal computer).

また、第一のセンサ部２４の構成は、あくまでも例示であって、例えば、ジャイロセンサ２６を補助する補助センサとして、加速度センサ２８に加えて或いは代えて地磁気センサを採用することもできる。更に、膝関節２２の角度を検出する第二のセンサ部３４としては、曲げセンサ３６単体で構成されるものに必ずしも限定されず、他のセンサと組み合わせることで検出精度の向上などを図ることもできる。 The configuration of the first sensor unit 24 is merely an example, and for example, as an auxiliary sensor that assists the gyro sensor 26, a geomagnetic sensor may be employed in addition to or instead of the acceleration sensor 28. Further, the second sensor unit 34 for detecting the angle of the knee joint 22 is not necessarily limited to the one constituted by the bending sensor 36 alone, and the detection accuracy can be improved by combining with other sensors. it can.

さらに、加速度センサ２８などの補助センサを設けるのに代えて或いは加えて、ジャイロセンサ２６の出力を基準位置で初期化するスイッチなどの原点出し手段を設けても良い。この場合、ジャイロセンサ２６の出力の初期化後は、ジャイロセンサ２６が出力する角速度を積分して位置（角度）を求めることも可能である。 Further, in place of or in addition to providing an auxiliary sensor such as the acceleration sensor 28, an origin-finding means such as a switch for initializing the output of the gyro sensor 26 at a reference position may be provided. In this case, after the output of the gyro sensor 26 is initialized, the angular velocity output from the gyro sensor 26 can be integrated to obtain the position (angle).

また、第二のセンサ部３４を構成する曲げセンサ３６は、前記実施形態に示された静電容量型の柔軟センサには限定されない。即ち、米国特許第５，０８６，７８５号公報に記載された角度センサや、光ファイバーを用いたゴニオメータ（例えば、バイオメトリクス社製のゴニオメータ）など、曲げ変形によって関節部の角度を計測可能な各種公知のセンサが採用可能である。 Further, the bending sensor 36 constituting the second sensor unit 34 is not limited to the capacitance type flexible sensor shown in the embodiment. That is, various known types that can measure the angle of the joint portion by bending deformation, such as an angle sensor described in US Pat. No. 5,086,785 and a goniometer using an optical fiber (for example, a goniometer manufactured by Biometrics). These sensors can be used.

また、前記実施形態では、本発明に係る角度センサ装置１０を脚部１２に適用した例を示したが、腕部に適用することも可能である。即ち、上腕部を第一肢部とすると共に、前腕部を第二肢部とし、それら上腕部と前腕部を繋ぐ肘関節を関節部として、前記実施形態と同様の角度センサ装置１０を装着せしめることにより、上腕の角度と肘関節の角度とを計測することができる。なお、第一の取付部１４を下腿部２０又は前腕部に取り付けると共に、第二の取付部１６を大腿部１８又は上腕部に取り付けても良い。 Moreover, although the example which applied the angle sensor apparatus 10 which concerns on this invention to the leg part 12 was shown in the said embodiment, it is also possible to apply to an arm part. In other words, the upper arm is the first limb, the forearm is the second limb, and the elbow joint connecting the upper arm and the forearm is used as the joint. Thus, the angle of the upper arm and the angle of the elbow joint can be measured. In addition, while attaching the 1st attaching part 14 to the leg part 20 or the forearm part, you may attach the 2nd attaching part 16 to the thigh part 18 or the upper arm part.

また、第一の取付部１４と第二の取付部１６の具体的な構造は、特に限定されるものではなく、第一肢部と第二肢部に装着可能とされていれば良い。具体的には、例えば、第一肢部や第二肢部を覆う着衣などに面ファスナやスナップなどによって取り付けられるようになっていても良く、必ずしも外挿状態で装着される必要はない。 Moreover, the specific structure of the 1st attaching part 14 and the 2nd attaching part 16 is not specifically limited, What is necessary is just to be able to mount | wear to a 1st limb part and a 2nd limb part. Specifically, for example, it may be attached to a clothing or the like covering the first limb or the second limb by a hook-and-loop fastener, a snap, or the like, and does not necessarily have to be attached in an extrapolated state.

前記実施形態では、第一のセンサ部２４および計測手段３０と第二のセンサ部３４が、何れも脚部１２の外側の側面に配されており、歩行動作などを妨げ難くされているが、動作に問題が生じなければ、肢部の前面や背面、内側の側面などに配しても良い。 In the above-described embodiment, the first sensor unit 24, the measuring unit 30, and the second sensor unit 34 are all arranged on the outer side surface of the leg unit 12, and it is difficult to hinder the walking motion. If there is no problem in operation, it may be placed on the front or back of the limb, the inner side, or the like.

１０：角度センサ装置、１４：第一の取付部、１６：第二の取付部、１８：大腿部（第一肢部）、２０：下腿部（第二肢部）、２２：膝関節（関節部）、２４：第一のセンサ部、２６：ジャイロセンサ、２８：加速度センサ、３０：計測手段、３４：第二のセンサ部、３６：曲げセンサ、３８：誘電膜、４０：電極膜、４２：電極膜、４４：センサ本体 10: Angle sensor device, 14: First attachment portion, 16: Second attachment portion, 18: Thigh (first limb), 20: Lower limb (second limb), 22: Knee joint (Joint part), 24: first sensor part, 26: gyro sensor, 28: acceleration sensor, 30: measuring means, 34: second sensor part, 36: bending sensor, 38: dielectric film, 40: electrode film , 42: electrode film, 44: sensor body

Claims

An angle sensor device capable of measuring the angle of the first limb and the angle of the joint connecting the first limb and the second limb,
A first attachment portion mounted on the first limb portion, and the first attachment portion is provided with a first sensor portion including a gyro sensor for detecting an angular velocity of the first limb portion; In addition, the first attachment portion is provided with measurement means connected to the first sensor portion to measure the angle of the first limb,
A second attachment part mounted on the second limb part, and a bending sensor that extends over the first attachment part and the second attachment part and detects an angle of the joint part; A second sensor portion is provided, and the second sensor portion is connected to the measuring means on an attachment end side to the first attaching portion, and the measuring means is connected to the second sensor portion by the second sensor portion. An angle sensor device capable of measuring an angle of the joint.

The first sensor unit includes an acceleration sensor, and the first sensor unit and the measuring means detect the gravity detected by the acceleration sensor based on the angular velocity of the first limb detected by the gyro sensor. The angle sensor device according to claim 1, wherein an angle of the first limb with respect to an acceleration direction is measured.

The angle sensor device according to claim 2, wherein the measurement unit performs calibration of the gyro sensor based on a detection result of the acceleration sensor.

The first sensor unit detects the angle of the first limb in three dimensions, and the second sensor unit detects the relative angle of the second limb to the first limb in one dimension. The angle sensor device according to any one of claims 1 to 3.

The bending sensor has a sensor body provided with a pair of electrode films formed deformably by a conductive elastic material on both surfaces of a dielectric film formed of a dielectric elastic material, and the pair of electrodes The angle sensor device according to claim 1, wherein a film is connected to the measuring unit.