JP6601268B2

JP6601268B2 - 足裏荷重算出装置

Info

Publication number: JP6601268B2
Application number: JP2016039961A
Authority: JP
Inventors: 明人後藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: JP2017153720A

Description

本発明は足裏荷重算出装置に関し、特に荷重センサを用いる足裏荷重算出装置に関する。

近年、運動の補助又は運動能力の向上などの目的のため、人の歩容、着座、起立、跳躍などの種々の動作期間に足裏にかかる荷重を解析する技術が開発されている。これに関し、例えば、特許文献１では、次のような運動補助装置について開示している。この運動補助装置では、使用者の足が載置される足置き台と、この足置き台の異なる位置に設けられた複数の荷重センサと、荷重センサのそれぞれから検出された荷重値に基づいて荷重中心位置等の荷重態様を検出する荷重態様検出部とを有する。

特開２０１４−０６８６５９号公報

このように足裏にかかる荷重の解析には、足裏載置部に配置された荷重センサにより検出された荷重値が用いられる。しかしながら、荷重センサの配置される足裏載置部の素材又は形状によっては、人の足が足裏載置部に与えた実際の荷重値と、荷重センサから検出された荷重値との乖離が大きくなる場合がある。そのような場合には、荷重センサから検出された荷重値を用いた荷重の解析結果の精度が低下する。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、荷重センサから検出された荷重値に基づく荷重の解析結果の精度の低下を抑制することができる足裏荷重算出装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る足裏荷重算出装置は、人の足裏が載置される足裏載置部と、前記足裏載置部の載置面の異なる位置に設けられた複数の荷重センサと、前記複数の荷重センサのそれぞれにより検出された荷重値に基づいて、前記人の荷重に関する値を算出する算出手段とを有する足裏荷重算出装置であって、前記複数の荷重センサのそれぞれにかけられた既知の荷重値と、前記既知の荷重値がかけられた場合の前記複数の荷重センサのそれぞれにより検出された荷重値と、から算出された補正値を用いて、前記足裏載置部に前記人の足が載置された際の前記複数の荷重センサのそれぞれにより検出された荷重値を補正する荷重値補正手段をさらに有し、前記算出手段は、前記荷重値補正手段により補正されたそれぞれの荷重値を用いて前記人の荷重に関する値を算出する。
この足裏荷重算出装置によれば、荷重センサのそれぞれにより検出された荷重値が補正されるため、人の足が足裏載置部に与えた実際の荷重値により近い荷重値を用いて、人の荷重に関する値を算出することができる。このため、荷重の解析結果の精度の低下が抑制される。

本発明によれば、荷重センサから検出された荷重値に基づく荷重の解析結果の精度の低下を抑制することができる足裏荷重算出装置を提供することができる。

実施の形態にかかる足裏荷重算出装置の構成例を示す模式図である。実施の形態にかかる足裏載置部の載置面の平面図である。実施の形態にかかる演算処理部の機能構成を示すブロック図である。荷重値を補正するための処理の流れについて示すフローチャートである。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態にかかる足裏荷重算出装置１の構成例を示す模式図である。図１に示すように、足裏荷重算出装置１は、足裏載置部１０と、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄと、演算処理部２０とを有する。

足裏載置部１０は、人の足裏が載置される部材であり、例えば、歩行リハビリロボットの構成要素である。荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄは、それぞれ、足裏載置部１０における人の足裏が載置される面である載置面の異なる位置に設けられており、足裏載置部１０の載置面にかかる荷重の値をそれぞれ検出する。なお、本実施の形態では、４つの荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄが足裏載置部１０に設けられている例を示すが、荷重センサの個数については、４つに限られず任意の個数が可能である。

演算処理部２０は、例えば、制御処理、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵによって実行される制御プログラム、演算プログラム、処理データ等を記憶する、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などにより構成される記憶装置等からなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。演算処理部２０には、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄにより検出された荷重値が入力される。本実施の形態において、演算処理部２０は、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄにより検出された荷重値に基づいて、所定の演算を行う。なお、演算処理部２０の詳細については、後述する。

ここで、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄの配置例について説明する。図２は、足裏載置部１０の載置面１２の平面図である。図２に示されるように、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄは、足裏載置部１０の載置面１２の足裏が載置される領域内において四方に分散して配置されている。具体的には、足裏のつま先側の左右に荷重センサ１１Ａと荷重センサ１１Ｂが配置されており、足裏のかかと側の左右に荷重センサ１１Ｃと荷重センサ１１Ｄが配置されている。なお、図２に示される荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄの配置は、一例であり、任意の異なる配置が可能である。

次に、演算処理部２０の詳細について説明する。図３は、演算処理部２０の機能構成を示すブロック図である。図３に示されるように、演算処理部２０は、荷重値補正部２１と、算出部２２と、記憶部２３とを有する。ここで、荷重値補正部２１及び算出部２２は、例えば、上記制御プログラム又は演算プログラムが上記ＣＰＵにより実行されることで実現される。また、記憶部２３は、例えば上記記憶装置により実現される。

荷重値補正部２１は、補正値を用いて、足裏載置部１０に人の足が載置された際の、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれにより検出された荷重値を補正する。本実施の形態では、具体的には、荷重値補正部２１は、記憶部２３に記憶された補正値を用いて、荷重値の補正を行う。なお、荷重値補正部２１による補正の詳細については、後述する。

記憶部２３は、荷重値補正部２１による補正に使用される補正値を予め記憶する。
また、算出部２２は、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれにより検出された荷重値に基づいて、人の荷重に関する値を算出する。人の荷重に関する値としては、例えば、荷重中心位置又は荷重分布などが含まれるが、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄの検出結果から算出される他の任意の値であってもよい。より具体的には、算出部２２は、人の歩容、着座、起立、跳躍などの種々の動作期間に足裏にかかる荷重に関する値を算出する。これにより、例えば、歩容動作中の足裏の荷重の解析が可能となる。ここで、算出部２２は、荷重値補正部２１により補正されたそれぞれの荷重値を用いて、人の荷重に関する値を算出する。

次に、荷重値の補正について説明する。荷重値補正部２１が補正に用いる補正値は、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれにかけられた既知の荷重値と、この既知の荷重値がかけられた場合の荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれにより検出された荷重値と、から算出された補正値である。以下、より詳細に、荷重値の補正について説明する。

足裏載置部１０に与えられた実際の荷重値と、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄにより検出される荷重値との関係は、以下の式（１）のように定式化される。

式（１）において、行列Ｙは、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄからの出力である。すなわち、行列Ｙは、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄにより検出される荷重値である。また、行列Ａは、足裏載置部１０の載置面にかけられる荷重のバランスを表す行列である。換言すると、行列Ａは、足裏載置部１０の配置面に対する当たりの分布を表す行列といえる。また、行列Ｘは、足裏載置部１０に対する入力である。すなわち、行列Ｘは、足裏載置部１０に与えられた実際の荷重値である。さらに、行列Ｂは、ゼロ点のずれ分を示すものである。なお、行列Ｙ、Ｘ、及びＢの単位は例えばニュートンである。
また、式（１）について、行列の成分を明示すると、以下の式（２）のように表される。

式（２）において、ｙ_１は荷重センサ１１Ａにより検出される荷重値である。同様に、ｙ_２〜ｙ_４は荷重センサ１１Ｂ〜１１Ｄにより検出される荷重値である。

また、ａ_１１〜ａ_４４は、行列Ａの成分である。ここで、ａ_１１、ａ_２１、ａ_３１及びａ_４１は、荷重センサ１１Ａが配置された位置に荷重が与えられた際の傾きを示している。つまり、荷重センサ１１Ａが配置された位置に荷重が与えられた場合、ａ_１１、ａ_２１、ａ_３１及びａ_４１の値に従って、荷重が荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄの各位置に分布することを意味している。同様に、ａ_１２、ａ_２２、ａ_３２及びａ_４２は、荷重センサ１１Ｂが配置された位置に荷重が与えられた際の傾きを示している。同様に、ａ_１３、ａ_２３、ａ_３３及びａ_４３は、荷重センサ１１Ｃが配置された位置に荷重が与えられた際の傾きを示している。同様に、ａ_１４、ａ_２４、ａ_３４及びａ_４４は、荷重センサ１１Ｄが配置された位置に荷重が与えられた際の傾きを示している。

また、ｘ_１は、荷重センサ１１Ａが配置された位置に与えられた実際の荷重値である。同様に、ｘ_２〜ｘ_４は、荷重センサ１１Ｂ〜１１Ｄが配置された位置に与えられた実際の荷重値である。また、ｂ_１は、荷重センサ１１Ａについてのゼロ点のずれ分を示す値である。同様に、ｂ_２〜ｂ_４は、荷重センサ１１Ｂ〜１１Ｄについてのゼロ点のずれ分を示す値である。なお、ｂ_１〜ｂ_４は、固定値である。

ここで、式（１）において、行列Ｘについて解くと、式（３）が得られる。すなわち、式（２）において、行列Ｘについて解くと、式（４）が得られる。

式（３）又は式（４）を計算することにより、人が足裏載置部１０に足を載置した際の荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄの出力（行列Ｙ）から、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄに対する実際の荷重値を推定することが可能となる。このとき、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄにより検出された荷重値に対し、行列Ａの逆行列Ａ^−１による補正が行われているため、４つの荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄの検出結果をトータルで補正することが可能となり、足裏載置部１０にかかる荷重全体としての精度の向上を図ることが可能となる。

ここで、逆行列Ａ^−１の具体的な成分は、上述の補正値に相当し、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれに既知の荷重値をかけた上で、この既知の荷重値と、この既知の荷重値がかけられた場合の荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれにより検出された荷重値と、から算出することができる。すなわち、逆行列Ａ^−１の具体的な成分は、例えば、式（３）に、既知の荷重値（行列Ｘ）と検出された荷重値（行列Ｙ）と既知の固定値（行列Ｂ）を代入して得られる数式を解くことにより算出される。荷重値補正部２１は、式（３）を用いることにより、足裏載置部１０に人の足が載置された際の荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれにより検出された荷重値を補正する。また、記憶部２３は、例えば、補正値として、逆行列Ａ^−１及び行列Ｂの各成分を記憶する。なお、上述のように、荷重センサ１１Ｂ〜１１Ｄについてのゼロ点のずれ分を補正することが好ましいが、ゼロ点のずれ分についての補正が必ずしも行われなくてもよい。すなわち、行列Ｂが零行列であってもよい。

以下、具体的な計算例について示す。以下の式（５）は、上記式（２）の具体例に相当し、以下の式（６）は、上記式（４）の具体例に相当する。なお、ここでは、説明を簡単にするため、行列Ｂが零行列であるものとして、一例を示す。すなわち、以下の式（５）及び式（６）では、上記式（２）及び式（４）における行列Ｂの成分が省略されている。

ここで、式（５）の右辺における４行１列の行列は、荷重試験機等により足裏載置部１０に実際にかけられた荷重値（行列Ｘ）である。また、式（５）の左辺及び式（６）の右辺における４行１列の行列は、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄにより検出された荷重値（行列Ｙ）である。さらに、式（６）における左辺の４行１列の行列は、荷重試験機等により足裏載置部１０に実際にかけられた荷重値の推定値（行列Ｘ）である。なお、式（５）における４行４列の行列は、上述の行列Ａに相当し、式（６）における４行４列の行列は、行列Ａの逆行列Ａ^−１である。このように、式（６）を計算することで、荷重値補正部２１は、足裏載置部１０に人の足が載置された際の荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれにより検出された荷重値を補正することができる。

次に、荷重値を補正するための処理の流れについて説明する。図４は、荷重値を補正するための処理の流れについて示すフローチャートである。以下、図４を参照しながら、荷重値を補正するための処理の流れについて説明する。

まず、ステップ１（Ｓ１）において、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄの直上を、既知の力で押す。次に、ステップ２（Ｓ２）において、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄからそれぞれ出力される荷重値から、補正値を算出する。これにより、荷重値補正部２１による補正のための準備が整うこととなる。そして、ステップ３（Ｓ３）において、足裏載置部１０に人の足が載置された際の荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄの検出値を、荷重値補正部２１が補正する。そして、ステップ４（Ｓ４）において、算出部２２が補正された荷重値を用いて人の荷重に関する値を算出する。

以上説明したように、本実施の形態にかかる足裏荷重算出装置１によれば、荷重値補正部２１が、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれにより検出された荷重値を補正する。そして、算出部２２は、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄから直接得られた荷重値ではなく、荷重値補正部２１により補正された荷重値を用いて、人の荷重に関する値を算出する。このため、荷重の解析結果の精度の低下が抑制される。

例えば、歩行リハビリロボットで使用されている足裏載置部においては、防塵及び防水、さらには薄型化の観点から、パウチ材を用いた縫製構造が採用される場合がある。この場合、足裏載置部に荷重がかかった際、荷重センサ以外の部材に荷重が逃げてしまい、荷重の真値に対し、荷重センサにより検出される荷重値は小さくなってしまう。また、製造時のばらつきや、使用による荷重センサの接触面の削れ等に起因し、荷重センサへの荷重の印加バランスが不均等となる。荷重センサへの印加バランスが不均等になると荷重中心位置の算出精度や荷重計測精度といった荷重に関する値の算出精度の誤差が大きくなる。また、印加されるバランスが不均等である場合、各荷重センサのオフセット、すなわちゼロ点のずれ分の補正だけでは精度向上につながらない。さらに、荷重センサの経年劣化においても同様に誤差が発生するため、メンテナンス期間における精度の補正方法も必要とされる。これに対し、本実施の形態にかかる足裏荷重算出装置１によれば、上述の種々の理由により、荷重センサ１１Ａ〜１１Ｄにより検出された荷重値が真値と乖離した場合であっても、人の足が足裏載置部に与えた実際の荷重値により近い荷重値へと補正することが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１足裏荷重算出装置
１０足裏載置部
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ荷重センサ
１２載置面
２０演算処理部
２１荷重値補正部
２２算出部
２３記憶部

Claims

人の足裏が載置される足裏載置部と、
前記足裏載置部の載置面の異なる位置に設けられた複数の荷重センサと、
前記複数の荷重センサのそれぞれにより検出された荷重値に基づいて、前記人の荷重に関する値を算出する算出手段と
を有する足裏荷重算出装置であって、
荷重試験機により前記複数の荷重センサの配置位置にそれぞれにかけられた荷重の実際の荷重値と、前記荷重試験機により前記荷重がかけられた状態で前記複数の荷重センサのそれぞれにより検出された荷重値と、から算出された補正値を用いて、前記足裏載置部に前記人の足が載置された状態で前記複数の荷重センサのそれぞれにより検出された荷重値を補正する荷重値補正手段をさらに有し、
前記算出手段は、前記荷重値補正手段により補正されたそれぞれの荷重値を用いて前記人の荷重に関する値を算出し、
前記補正値は、いずれか一つの前記荷重センサの配置位置に与えられた荷重が、前記複数の荷重センサのうち、どの前記荷重センサの配置位置へ分布するかを特定する行列の逆行列であり、
前記荷重値補正手段は、前記逆行列と、前記足裏載置部に前記人の足が載置された状態で前記複数の荷重センサのそれぞれにより検出された荷重値を表わす行列との積を算出することにより、補正を行なう
足裏荷重算出装置。