JP6804612B1

JP6804612B1 - 椅子型生体情報システム

Info

Publication number: JP6804612B1
Application number: JP2019188062A
Authority: JP
Inventors: 泰平和光; 寿昭山崎
Original assignee: 新光商事株式会社
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: JP2021061998A

Abstract

【課題】市販の安価なロードセルや歪ゲージのみを用いて、着席者の体重信号、心拍波形、呼吸波形を含む生体信号を同時に得ることが可能な椅子型生体情報システムを提供する。【解決手段】椅子１０、３０と、該椅子１０、３０の着席者の体重を検出可能な位置に配設されたロードセル２０、４０Ａ〜４０Ｄ又は歪ゲージと、該ロードセル２０、４０Ａ〜４０Ｄ又は歪ゲージの出力を処理して、着席者の体重信号、心拍波形、呼吸波形を同時に取得する信号処理ユニット１００と、前記信号処理ユニット１００の処理結果である体重、心拍数、呼吸数を表示する表示手段（表示部１２０）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、椅子型生体情報システムに係り、特に、市販の安価なロードセルや歪ゲージのみを用いて、着席者の体重信号、心拍波形、呼吸波形を含む生体信号を同時に得ることが可能な椅子型生体情報システムに関する。

椅子にロードセルを組み込んで体重を表示する椅子型体重計が、特許文献１や２に記載されている。

一方、体重以外の心拍や呼吸速度を得るものとしては、特許文献３や４に人体生理パラメータ測定に用いることができるインテリジェントな椅子が記載されている。

又、特許文献５や６には、被施療者の生体情報に応じた適切なマッサージを行うことが可能なマッサージ機が提案されている。

実開平２−６５１２８号公報実開平２−１３５８２４号公報中国特許出願公開ＣＮ１０２３３４９８４Ａ号公報中国登録実用新案ＣＮ２０２１９１２７４Ｕ号公報特開平９−１９２１８６号公報特開２００３−２７５２６５号公報

しかしながら、特許文献１や２では体重以外の生体情報を得ることができなかった。

又、特許文献３や４は、生体情報のセンサとして光ファイバを用いており、ロードセルや歪ゲージは用いてなかった。

又、特許文献５では、生体情報のセンサとして圧電素子、静電容量センサ、光ファイバを列挙しているが、やはりロードセルや歪ゲージは使っていなかった。

更に、特許文献６も、生体情報を得るセンサとして、ヘッドホンに取り付けた電極を用いており、ロードセルや歪ゲージは使っていなかった。

又、いずれの文献も、一つのセンサの出力から体重および心拍波形、呼吸波形を含む生体情報を同時に得ることは考えられていなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、センサとして市販の安価なロードセルや歪ゲージを用いた極めて簡単な機械的構成で、着席者の体重信号、心拍波形、呼吸波形を含む生体信号及び重心位置を同時に得ることが可能な、汎用性の高い椅子型生体情報システムを提供することを課題とする。

本発明は、椅子と、該椅子の支柱毎に配設されたロードセル又は歪ゲージと、該ロードセル又は歪ゲージの出力を処理して、着席者の体重信号、心拍波形、呼吸波形及び重心位置を同時に取得する信号処理ユニットと、該信号処理ユニットの処理結果である体重、心拍数、呼吸数及び重心位置を表示する表示手段と、を備えた椅子型生体情報システムであって、前記信号処理ユニットが、前記ロードセル又は歪ゲージの出力を増幅する荷重信号増幅部と、該荷重信号に重畳している心拍波形及び呼吸波形を抽出するための、アナログの呼吸フィルタ部、心拍フィルタ部、生体オフセット追従部及び生体信号増幅部と、該生体信号増幅部の出力をＡ／Ｄ変換して生体ＡＤ値を得るＡ／Ｄ変換部と、該生体ＡＤ値が生体フルスケール範囲の中心に近い値となり、且つ、振幅が所定範囲内に入るように前記荷重信号のオフセットとゲインを動的に制御する、デジタルの生体オフセット追従処理部と、重心検出部とを含み、前記呼吸フィルタ部及び心拍フィルタ部のフィルタの時定数が可変とされて、心拍と認識したパルスの幅が所定値以上となるように調整され、前記表示手段に初めに表示される心拍数又は呼吸数が、測定開始直後の複数の心拍波形又は呼吸波形から推定されたものであることを特徴とする椅子型生体情報システムにより、前記課題を解決するものである。

ここで、前記ロードセル又は歪ゲージを車両の運転席に配設し、運転者の生体情報及び重心位置を得るようにすることができる。

本発明によれば、センサとしてロードセルや歪ゲージという安価なセンサを用いるだけの極めて簡単な機械的構成により、着席者の体重信号、心拍波形、呼吸波形を含む生体信号及び重心位置を同時に取得することが可能となり、安価で且つ簡便な、汎用性の高い椅子型生体情報システムを提供することが可能となる。

参考形態の全体構成を示す斜視図同じく信号処理ユニットを示す回路図同じく信号波形の例を示す線図同じく生体信号処理の手順を示す流れ図同じく表示例を示す図本発明の実施形態のロードセル配設位置を示す斜視図同じく信号処理ユニットを示す回路図同じくロードセルの椅子への配設位置を示す平面図同じく重心位置検出処理で用いる荷重テーブルのサンプル点の例を示す平面図同じく２点間重心の検出例を示す平面図同じく２点間重心から椅子上重心位置を検出する例を示す平面図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

参考形態は、図１に示す如く、支柱１２が１本の回転型の椅子１０と、該椅子１０の着座シート１４に着席する着席者の体重を検出可能な位置に配設されたロードセル２０と、該ロードセル２０の出力を処理して、着席者の体重信号、心拍波形、呼吸波形を同時に取得する信号処理ユニット１００と、該信号処理ユニット１００の処理結果である体重、心拍数、呼吸数を表示する表示部１２０と、を備えている。

前記ロードセル２０は、前記椅子１０の着座シート１４とベース１６の間に設けられた支柱１２の間に挿入された、いわゆるＺ型ロードセルとされている。

前記ロードセル２０の出力は、図２に示す如く、信号処理ユニット１００の荷重信号増幅部１０２に入力される。該荷重信号増幅部１０２で増幅されたロードセル２０の出力は呼吸フィルタ部１０３Ａと心拍フィルタ部１０３Ｂを経て生体オフセット追従部１０４に入力される。

前記呼吸フィルタ部１０３Ａ及び心拍フィルタ部１０３Ｂのフィルタは、それぞれ呼吸波形及び心拍波形の抽出に適した時定数でフィルタリングを行って、ロードセル２０の違いや、ロードセル２０よりも上の部分の椅子１０の重量によって変化する外来ノイズの影響を低減している。

本参考形態においては、後出図５（Ｂ）中に示す、例えば上下の振幅が所定値以上の心拍と認識したパルスＰの振幅Ｗが所定値以上になるようにフィルタ時定数を調整している。フィルタ時定数の調整は、基板上のスイッチを切り換えたり、経験に基づいて予め作成した定数テーブルからソフトウェアで選択したり、生体信号検出部１１０の心拍検出部１１０Ｂの出力に応じてフィードバック制御したりすることができる。このようにして時定数を変えることで、１本の脚で支えるためベッドよりも外来ノイズに敏感と考えられる１本脚の椅子においても、ロードセル２０の違いや、ロードセル２０より上の部分の椅子１０の重量の変化に関わらず良好な生体信号を得ることができる。

前記生体オフセット追従部１０４の出力は、時定数が固定されたフィルタを含む生体信号増幅部１０６に入力される。該生体信号増幅部１０６の出力は、生体用Ａ／Ｄ変換部１０８Ａ、１０８Ｂでデジタル信号に変換された後、呼吸検出部１１０Ａ、心拍検出部１１０Ｂ、生体オフセット追従処理部１１０Ｃを含む生体信号検出部１１０に入力される。

ロードセル出力信号の荷重値全体の変化範囲に対する生体信号の変化範囲は、図３（Ａ）に例示する如く非常に小さい。そこで、生体オフセット追従処理部１１０Ｃにおいて、図３（Ｂ）及び図４に示すような追従処理を行って、生体信号を見つける。

具体的には、まず図４のステップ１１００で、ロードセル２０の出力信号を荷重信号増幅部１０２及び生体信号増幅部１０６により増幅する。

次いでステップ１１１０で、生体用Ａ／Ｄ変換部１０８Ａ、１０８Ｂに入力して、生体ＡＤ値を取得する。ここで取得した信号を時系列に並べた波形が生体信号となる。

この生体信号に対して、まず生体オフセットレンジ設定処理を行う。

具体的には、ステップ１１２０に進み、生体信号が生体ＡＤフルスケール範囲に入っているか否かを判定する。

判定結果がＮｏであるときには、ステップ１１３０に進み、生体オフセットを大きく変化させ、生体ＡＤ値が生体ＡＤフルスケール範囲の中心に最も近い状態となるように調整する。

ステップ１１２０の判定結果がＹｅｓとなったときには、ステップ１１４０に進み、生体オフセット粗調整処理を行う。

具体的には、ステップ１１４０で生体オフセットレンジ処理よりも細かく生体オフセットを中程度に変化させ、生体ＡＤ値が生体ＡＤフルスケール範囲の中心に近い値となるように調整する。

ステップ１１５０の判定結果がＹｅｓとなったときには、生体オフセット微調整処理を行う。

具体的には、ステップ１１６０で生体信号用のゲインを微調整用に設定し、信号を増幅する。そしてステップ１１７０で生体信号のオフセットを細かく調整し、生体信号の振幅全体が微調上限から微調下限の微調範囲内に入るように調整する。

ステップ１１８０で、生体信号の振幅全体が微調上限から微調下限の微調範囲内に入ったと判定されば、生体信号を見つける処理は終了する。

一方、前記ロードセル２０の出力信号は、荷重信号増幅部１０２により増幅した後、荷重用Ａ／Ｄ変換部１１２に入力してＡ／Ｄ変換し、荷重用ＡＤ値を取得する。

椅子上荷重値の検出は以下の流れで行う。

まず、１．電源投入直後及びリセット直後の荷重用ＡＤ値を０オフセット値とする。

次いで、２．椅子上に荷重を加えた際の荷重用ＡＤ値から０オフセット値を減算した値に、ロードセルの感度の違いを補正するための感度補正係数を乗じる。

このようにして椅子上のリアルタイムで得られる荷重値が、荷重検出部１１４に入力される。

この際、電気信号に重畳する床や、空気の振動による外来ノイズをキャンセルし、生体検出精度を向上することもできる。

前記荷重検出部１１４の出力は、着座検出部１１６に入力され、着席又は離席が検出される。

前記着座検出部１１６の出力は、通信部１１８に入力され、体重表示部１２０Ａ、呼吸数表示部１２０Ｃ及び心拍数表示部１２０Ｄを備えた表示部１２０に入力され表示される。

本参考形態における離席時（Ａ）及び着席時（Ｂ）の表示例を図５に示す。離席時は図５（Ａ）の表示だったものが、着席するだけで図５（Ｂ）のように心拍数、呼吸数、体重が表示される。

本参考形態においては、心拍検出部１１０Ｂにおける心拍数演算を早めるため、図５（Ｂ）に示す最初の２つの心拍波形Ｐ₁、Ｐ₂から、表示用の例えば１分当たりの心拍数を予測している。これにより数秒で心拍数を表示することができる。そして時間経過とともに実測する心拍数を少しずつ増やし、１分経過後は実測した心拍数を正確に表示するようにしている。

呼吸数についても、同様に最初の所定時間、例えば１０秒間の呼吸数を計数し、所定された例えば１分間の値を推測して表示することにより迅速な表示が可能である。この場合も、時間経過とともに実測値に近づけ、１分経過後は実測値を表示することで正確な呼吸数を表示することができる。

次にロードセルを複数、実施形態では４個設けて着席者の重心位置も検出するようにした本発明の実施形態を説明する。

本実施形態では、図６に例示するような、４本脚の回転しない椅子３０の４本の脚３２Ａ〜３２Ｄのそれぞれにロードセル４０Ａ〜４０Ｄが配設されている。図において３４は着座シートである。

本実施形態の信号処理ユニットを図７に示す。本実施形態においては、図８に示す如く、椅子３０に４つのロードセル４０Ａ〜４０Ｄが設けられ、これに対応してＡ／Ｄ変換部が１１２Ａ〜１１２Ｄの４つ設けられ、荷重検出部１１４の代わりに荷重／重心検出部１１５が設けられ、該荷重／重心検出部１１５に荷重／重心テーブル１１５Ａ、荷重検出部１１５Ｂ、重心検出部１１５Ｃが設けられ、表示部１２０に重心表示部１２０Ｂが設けられている点が前記参考形態と異なる。他の構成及び重心検出以外の処理は、参考形態と同様であるので説明は省略する。

本実施形態における重心検出は次のようにして行う。

前記ロードセル４０Ａ〜４０Ｄの出力は、図７に示す如く、信号処理ユニット１００の荷重信号増幅部１０２に入力される。該荷重信号増幅部１０２で増幅されたロードセル出力のうち、例えばロードセル４０Ａと４０Ｄの出力は呼吸フィルタ部１０３Ａと心拍フィルタ部１０３Ｂを経て生体オフセット追従部１０４に入力される。生体用信号の以下の処理は参考実施形態と同様である。

一方、前記４つのロードセル４０Ａ〜４０Ｄの出力信号は、荷重信号増幅部１０２により増幅した後、荷重用Ａ／Ｄ変換部１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄにそれぞれ入力してＡ／Ｄ変換し、荷重用ＡＤ値を取得する。

椅子上荷重値の検出は以下の流れで行う。

次いで、２．椅子上に荷重を加えた際の荷重用ＡＤ値から０オフセット値を減算した値に、ロードセルごとの感度の違いを補正するための感度補正係数を乗じる。これがロードセルごとの荷重値となる。

次いで、３．ロードセルごとの荷重値を合計することで、椅子上荷重値を検出することができる。

このようにして椅子上のリアルタイムで得られる荷重値が、荷重／重心テーブル１１５Ａ、荷重検出部１１５Ｂ及び重心検出部１１５Ｃを備えた荷重／重心検出部１１５に入力される。

この際、片側のロードセル４０Ａ、４０Ｂの出力信号に反対側のロードセル４０Ｃ、４０Ｄの出力信号の逆相を加えて、電気信号に重畳する床や、空気の振動による外来ノイズをキャンセルし、生体検出精度を向上することができる。反対側のロードセル４０Ｃ、４０Ｄにも生体の振動が存在するため、生体信号も減衰するが、床や、空気の振動による外来ノイズの減衰効果が高いため、Ｓ／Ｎ比は向上する。実施例では、振動ノイズが約５０％減少するが生体信号は約３０％の減少で済み、Ｓ／Ｎ比は１．４倍以上向上することが確認できた。

前記荷重検出部１１５Ｂにおける椅子上重心位置検出は、例えば次のようにして行うことができる。

ここでは、先に求めたロードセルごとの椅子上荷重値を用いて、４点のロードセルごとの荷重値の割合により重心位置の検出を行う。

まず、１）ロードセルごとの椅子上荷重値、および表１のような荷重テーブルより、４点のロードセル４０Ａ〜４０Ｄの中の以下の２点の組合せに対して、それぞれ２点間の重心位置を検出する。
・右奥ロードセル４０Ａ上と左奥ロードセル４０Ｂ上の２点
・右奥ロードセル４０Ａ上と右手前ロードセル４０Ｃ上の２点
・左奥ロードセル４０Ｂ上と左手前ロードセル４０Ｄ上の２点
・右手前ロードセル４０Ｃ上と左手前ロードセル４０Ｄ上の２点

例えば、右奥ロードセル４０Ａ上と左奥ロードセル４０Ｂ上の２点から重心位置を算出する場合は、次のようにする。

まず、４点の荷重の合計に対する右奥荷重、左奥荷重の割合をそれぞれ算出する。荷重割合を算出するために表１のような荷重テーブルを用いる。

表１は図９の各サンプル点において荷重を加えた際に４つのロードセルに加わる荷重の割合を表す。

１Ａ）椅子上で４点の合計に対して右奥荷重割合となる可能性のある重心位置を、図１０に例示する如く、荷重テーブルから線形補間により算出する。図１０では右奥荷重割合が１０％となる位置の線形補間の例を示している。
１Ｂ）椅子上で４点の合計に対して左奥荷重割合となる可能性のある重心位置を、荷重テーブルから線形補間により算出する。図１０では左奥荷重割合が１０％となる位置の線形補間の例を示している。
１Ｃ）右奥荷重割合１０％の線形補間ラインと左奥荷重割合１０％の線形補間ラインの交点を算出する。これが右奥ロードセル４０Ａ上と左奥ロードセル４０Ｂの２点間の重心位置となる（図１０参照）。

２）次いで、４点のロードセル４０Ａ〜４０Ｄ中の「２点に対する重心位置」から椅子上重心位置を検出する。即ち、１）の処理で以下の４つの「２点に対する重心位置」が検出される。
・右奥ロードセル４０Ａ上と左奥ロードセル４０Ｂ上の２点
・右奥ロードセル４０Ａ上と右手前ロードセル４０Ｃ上の２点
・左奥ロードセル４０Ｂ上と左手前ロードセル４０Ｄ上の２点
・右手前ロードセル４０Ｃ上と左手前ロードセル４０Ｄ上の２点

そこで、図１１に例示する如く、これら４つの「２点に対する重心位置」の交点から椅子上重心位置を検出する。

前記荷重／重心検出部１１５及び前記生体信号検出部１１０の出力は、着座検出部１１６に入力され、着席／離席が検出される。

該着座検出部１１６の出力は、通信部１１８に入力され、体重表示部１２０Ａ、重心表示部１２０Ｂ、呼吸数表示部１２０Ｃ及び心拍数表示部１２０Ｄを備えた表示部１２０に入力され表示される。

前記参考形態及び実施形態においては、いずれも、時定数可変の呼吸フィルタ部及び心拍フィルタ部を設けることで、汎用的な色々な種類の市販ロードセルや椅子に、システムを変えることなく、そのまま対応できる。

なお、前記参考形態及び実施形態では、Ｚ型ロードセルが用いられていたが、ロードセルの種類は、これに限定されず、更に歪ゲージを用いたセンサであればロードセルにも限定されない。

また、ロードセルや歪ゲージを用いた着座センサを備えた車両においては、該着座センサの出力を利用して、運転者の生体情報を得ることが可能である。したがって、生体信号に異常が発見された運転者の場合は、例えばエンジンがかからないようにして、安全性を高めることが可能である。

又、事故発生時の運転者の生体情報（特に生死）を知ることは、今後の自動運転との関係で自動車保険上、極めて重要である。

１０、３０…椅子
２０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ…ロードセル
１００…信号処理ユニット
１０２…荷重信号増幅部
１０３Ａ…呼吸フィルタ部
１０３Ｂ…心拍フィルタ部
１０４…生体オフセット追従部
１０６…生体信号増幅部
１０８Ａ、１０８Ｂ…生体用Ａ／Ｄ変換部
１１０…生体信号検出部
１１０Ａ…呼吸検出部
１１０Ｂ…心拍検出部
１１０Ｃ…生体オフセット追従処理部
１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄ…荷重用Ａ／Ｄ変換部
１１４…荷重検出部
１１５…荷重／重心検出部
１１５Ａ…荷重／重心テーブル
１１５Ｂ…荷重検出部
１１５Ｃ…重心検出部
１１６…着座検出部
１１８…通信部
１２０…表示部
１２０Ａ…体重表示部
１２０Ｂ…重心表示部
１２０Ｃ…呼吸数表示部
１２０Ｄ…心拍数表示部

Claims

椅子と、
該椅子の支柱毎に配設されたロードセル又は歪ゲージと、
該ロードセル又は歪ゲージの出力を処理して、着席者の体重信号、心拍波形、呼吸波形及び重心位置を同時に取得する信号処理ユニットと、
該信号処理ユニットの処理結果である体重、心拍数、呼吸数及び重心位置を表示する表示手段と、
を備えた椅子型生体情報システムであって、
前記信号処理ユニットが、前記ロードセル又は歪ゲージの出力を増幅する荷重信号増幅部と、該荷重信号に重畳している心拍波形及び呼吸波形を抽出するための、アナログの呼吸フィルタ部、心拍フィルタ部、生体オフセット追従部及び生体信号増幅部と、該生体信号増幅部の出力をＡ／Ｄ変換して生体ＡＤ値を得るＡ／Ｄ変換部と、該生体ＡＤ値が生体フルスケール範囲の中心に近い値となり、且つ、振幅が所定範囲内に入るように前記荷重信号のオフセットとゲインを動的に制御する、デジタルの生体オフセット追従処理部と、重心検出部とを含み、
前記呼吸フィルタ部及び心拍フィルタ部のフィルタの時定数が可変とされて、心拍と認識したパルスの幅が所定値以上となるように調整され、
前記表示手段に初めに表示される心拍数又は呼吸数が、測定開始直後の複数の心拍波形又は呼吸波形から推定されたものであることを特徴とする椅子型生体情報システム。
前記ロードセル又は歪ゲージが車両の運転席に配設され、
運転者の生体情報及び重心位置を得るようにされていることを特徴とする請求項１に記載の椅子型生体情報システム。