JP7028563B2

JP7028563B2 - 足裏荷重検出装置

Info

Publication number: JP7028563B2
Application number: JP2017023849A
Authority: JP
Inventors: 崇博山名
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2022-03-02
Anticipated expiration: 2037-02-13
Also published as: JP2018130136A

Description

本発明は足裏荷重検出装置に関する。

歩行が不自由な人の歩行を支援するための装置として、ユーザの足に装着するウェアラブルタイプの歩行支援ロボットが知られている。歩行支援ロボットは、ユーザの足裏の荷重を検出し、ユーザの歩幅や速度に合わせて歩行のアシストを行う。

特許文献１では、足裏の荷重を検出する技術として、足底に対応する大きさの下板と上板とがバネ部材によって接近するように付勢してあり、下板と上板との間に３つ以上の力センサを配した構成とする足裏荷重を検出する足平センサが提案されている。

特開２０００－２５４８８８号公報

ユーザの足に装着して用いる装置は、ユーザの負担を軽減させるために、軽いこと、及び薄いことが求められる。しかしながら、特許文献１において提案されている装置は、軽量化のためにバネ部材を薄くすると、下板と上板とを付勢する力が充分に確保できなくなる。その結果、歩行時において、遊脚側の下板が自重及び歩行時の慣性力によって、がたつきを生じる虞がある。そして、下板のがたつきによって、歩行時に不快な打音が発生する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、歩行時に発生する打音を抑制する足裏荷重検出装置を提供するものである。

本発明にかかる足裏荷重検出装置は、平板状の第１フレームと、前記第１フレームの主面に対向するように設けられた平板状の第２フレームと、前記第１フレームと前記第２フレームとにそれぞれ連結された板バネと、前記第１フレームと前記第２フレームとの間に設けられ前記第１フレームと前記第２フレームとの間に生じる圧力を検出する圧力センサと、を備え、ユーザが足部を載置して歩行することにより、前記足部の足裏荷重を検出する、足裏荷重検出装置であって、前記第１フレームと前記第２フレームとの間には、前記第１フレームと前記第２フレームとを互いに近付ける方向の力を発生させるように設けられた、弾性部材をさらに備えているものである。

このような構成により、第１フレームと第２フレームとが離間する方向に力が加わった場合において、弾性部材が圧縮されて、前記第１フレームと前記第２フレームとの間に発生するがたつきを抑制することができる。

本発明により、歩行時に発生する打音を抑制する足裏荷重検出装置を提供するものである。

実施の形態にかかる足裏荷重検出装置の上面図である。実施の形態にかかる足裏荷重検出装置の断面図である。実施の形態にかかる足裏荷重検出装置のスタビライザ部１７の断面図である。実施の形態にかかる足裏荷重検出装置の構造模式図である。

実施の形態
以下に図面を参照しながら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検出装置の上面図である。実施の形態にかかる足裏荷重検出装置１０は、歩行が不自由な人が足に装着するウェアラブルタイプの歩行支援ロボット等に備わるものである。足裏荷重検出装置１０は、ユーザが足裏に装着して歩行することにより、足裏荷重を検出する。

足裏荷重検出装置１０は、第１フレーム１１、第２フレーム１２、板バネ１３、第１固定部１４、第２固定部１５、圧力センサ１６、及びスタビライザ部１７を備えている。

第１フレーム１１は、足裏荷重検出装置１０の上側に設けられた矩形平板状のフレームである。第１フレーム１１の主面は、ユーザが足を充分に載置することができる程度の大きさ及び形状を呈している。第１フレーム１１の上側の主面にはユーザの足が載置される。あるいは、第１フレーム１１の上側の主面には、クッション材などの部材を介して、ユーザの足が載置される。第１フレーム１１の下側の主面には、第１固定部１４、及び圧力センサ１６が固定されている。

第２フレーム１２は、足裏荷重検出装置１０の下側に設けられ、第１フレーム１１に対向するように設けられた矩形平板状のフレームである。第２フレーム１２の下側の主面は、地面に接地する。あるいは、第２フレーム１２の下側の主面は、クッション材などの部材を介して、地面に接地する。第２フレーム１２の上側の主面は、第１フレーム１１の下側の主面に対向している。また、第２フレーム１２の上側の主面には、第２固定部１５が固定されている。さらに、第２フレーム１２の上側の主面には第１フレーム１１に固定された圧力センサ１６が当接している。

板バネ１３は、板状のバネ部材であり、好ましくはオーステナイト系ステンレスや、ベリリウム銅などのバネ用金属により形成されている。板バネ１３は、第１固定部１４により第１フレーム１１と連結し、第２固定部１５により第２フレーム１２と連結している。板バネ１３は、第１フレーム１１と第２フレーム１２とにそれぞれ連結していることにより、第１フレーム１１と第２フレーム１２とを互いに近付ける方向に付勢している。第１フレーム１１と第２フレーム１２とを付勢する力は、各部材の重さや、足裏荷重検出装置１０の使用状態を加味したうえで決定される。

第１固定部１４は、第１フレーム１１に固定され、第１フレーム１１と板バネ１３とを連結している。足裏荷重検出装置１０は、第１フレーム１１の長手方向中央部に、第１固定部１４を２個備えている。

第２固定部１５は、第２フレーム１２に固定され、第２フレーム１２と板バネ１３とを連結している。足裏荷重検出装置１０は、第２フレーム１２の長手方向端部に、第２固定部１５を各１個、合計２個備えている。

圧力センサ１６は、第１フレーム１１と第２フレーム１２との間に生じる圧力を検出する。圧力センサは、例えば、ダイヤフラム型のロードセルであり、第１フレーム１１と第２フレーム１２との間に生じた微小変位を取得したうえで荷重値を算出する。圧力センサ１６は、矩形平板状の第１フレーム１１の角部付近にそれぞれ固定されており、第２フレーム１２にそれぞれ当接している。すなわち、足裏荷重検出装置１０は、圧力センサ１６を４個備えている。このような構成を採用することにより、圧力センサ１６は、足裏の荷重値、重心位置、及び傾き等を算出することができる。尚、圧力センサ１６が第１フレーム１１には固定され、第２フレーム１２には固定されていない。これにより、第１フレーム１１又は第２フレーム１２が例えば撓むように変形した場合であっても、第１フレーム１１及び第２フレーム１２の変位差によって圧力センサ１６にせん断応力が作用することを防ぎ、圧力センサ１６にこのようなせん断応力が入力されない。これにより、圧力センサ１６の検出精度を確保することができる。一方、第２フレーム１２と圧力センサ１６とが固定されていないため、がたつきや打音の原因となることが懸念されるが、後述のスタビライザ部１７によりこれを抑制する。

本実施の形態の場合、圧力センサ１６は、第１フレーム１１に固定されており、且つ、第２フレーム１２に当接している。しかし、これに限らず、圧力センサ１６は、第２フレーム１２に固定されており、且つ、第１フレーム１１に当接していてもよい。あるいは、圧力センサ１６は、いずれにも固定されず、第１フレーム１１と第２フレーム１２とに挟まれていてもよい。

スタビライザ部１７は、第１フレーム１１と第２フレーム１２とを互いに近付ける方向の力を発生させるように設けられた弾性部材を有している。スタビライザ部１７は、４個の圧力センサ１６の近傍にそれぞれ設けられている。このように、本実施例においては、スタビライザ部１７は、圧力センサ１６の近傍にそれぞれ設けられているため、足裏荷重検出装置１０のつま先側と、踵側とにそれぞれ２個設けられている。しかし、スタビライザ部１７は、足裏荷重検出装置１０のつま先側と、踵側とにそれぞれ少なくとも１個設けられていればよい。このような構成にすることで、つま先側と踵側のそれぞれのがたつきを抑制することができ、つま先側と踵側のそれぞれの打音を抑制することができる。尚、スタビライザ部１７のさらなる詳細は後述する。

次に、図２を参照しながら、板バネ１３の作用について説明する。図２は実施の形態にかかる足裏荷重検出装置１０の断面図である。図２は、図１のII断面を示している。

図２において示すように、板バネ１３は、第１フレーム１１の長手方向中央部において、第１固定部１４により第１フレーム１１に連結し、第２フレーム１２の長手方向端部において、第２固定部１５により第２フレーム１２に連結している。尚、第１固定部１４と第２フレーム１２との間は隙間があり、第２固定部１５と第１フレーム１１との間は隙間がある。第１固定部１４は、板バネ１３により矢印Ｆ１の方向に付勢力を受けている。一方、第２固定部１５は、板バネ１３により矢印Ｆ２の方向に付勢力を受けている。すなわち、板バネ１３は、第１フレーム１１と第２フレーム１２とを互いに近付ける方向に付勢している。

ところで、第１フレーム１１に固定されている圧力センサ１６は、板バネ１３により付勢されている第２フレーム１２と当接している。つまり、第１フレーム１１と第２フレーム１２との隙間Ｇは、圧力センサ１６と第２フレーム１２とが当接することによって定まっている。

次に、図３を参照しながら、スタビライザ部１７の構造の一例を説明する。図３は実施の形態にかかる足裏荷重検出装置のスタビライザ部１７の断面図である。図２は、図１のIII断面を示している。

スタビライザ部１７は、第１フレーム１１の凹部１１ａ、第１フレーム１１の穴１１ｂ、第２フレーム１２のネジ穴１２ａ、段付きネジ１８、及び弾性部材１９を有している。第１フレーム１１の穴１１ｂは、凹部１１ａに設けられている。第１フレーム１１の穴１１ｂ、及び第２フレーム１２のネジ穴１２ａは、それぞれの穴の中心軸を共通とするように設けられている。段付きネジ１８は、穴１１ｂを挿通し、ネジ穴１２ａに螺合している。また、段付きネジ１８と、穴１１ｂとの間には隙間がある。そのため、第１フレーム１１は、穴１１ｂを介して段付きネジ１８又は第２フレーム１２に拘束されない。

第１フレーム１１の凹部１１ａにおいて、段付きネジ１８と、第１フレーム１１との間には、弾性部材１９が設置されている。弾性部材１９は、ドーナツ状の形状を呈しており、段付きネジ１８に挿通されている。弾性部材１９は、圧縮を受けると反発力を有する弾性体であって、例えばゴムやスポンジなどである。また、弾性部材１９は、所定の減衰率を有するオイルダンパであってもよい。あるいは、弾性部材１９は、圧縮コイルばねを採用することもできる。

弾性部材１９は、段付きネジ１８により、段付きネジ１８と第１フレーム１１との間に圧縮された状態となって固定されている。より具体的には、弾性部材１９は、段付きネジ１８と第１フレーム１１とから矢印Ｆ３の方向にそれぞれ圧縮力を受けている。弾性部材１９は、段付きネジ１８及び第１フレーム１１に対して、それぞれ反発力を生じる。すなわち、弾性部材１９は、第１フレーム１１と第２フレーム１２とを互いに近付ける方向の反発力を発生する。しかし、第１フレーム１１と第２フレーム１２との隙間Ｇは、圧力センサ１６により定まっており、これ以上近付くことはない。

尚、本実施の形態において、弾性部材１９は圧縮された状態となって固定されているが、これに限らない。すなわち、第１フレーム１１と第２フレーム１２とを互いに近付ける方向の力を発生させるように、第１フレーム１１と第２フレーム１２との間に、これらに引っ張られた状態又は圧縮された状態で、固定して設けられていればよい。この場合、弾性部材１９として引っ張りばねを採用することもできる。

尚、段付きネジ１８のネジ頭の上面と、第１フレーム１１の上面との間は、隙間が設けられている。すなわち、第１フレーム１１に対して下方向に力が加えられた場合においても、段付きネジ１８のネジ頭が第１フレーム１１の上面を超えて、他の構成要素に接触することがないように設定されている。

次に、図４を参照しながら、歩行時の足裏荷重検出装置１０における各構成要素の力の関係を説明する。図４は、実施の形態にかかる足裏荷重検出装置の構造模式図である。足裏荷重検出装置１０は、第１フレーム１１の上面にクッション材２１を設置しており、ユーザは足部２０をクッション材２１の上に載置する。そして、ユーザの足部２０がクッション材２１の上に載置された状態で、ユーザの足部２０と足裏荷重検出装置１０とを固定する。換言すると、図４は、ユーザの足部２０に足裏荷重検出装置１０が装着された状態を示している。

ユーザは、足裏荷重検出装置１０を装着した状態において、歩行を行う。ユーザが歩行する際、足部２０を持ち上げると、足裏荷重検出装置１０は矢印Ａの方向に移動する。このとき、第２フレーム１２は、自重に加えて慣性力が働き、矢印Ｆ４の力を受ける。

ところで、第２フレーム１２は、板バネ１３により矢印Ｆ２の力を受けている。すなわち、第２フレーム１２は、板バネ１３により、第１フレーム１１に近付く方向の力を受けている。そのため静的な状態において足裏荷重検出装置１０を持ち上げた場合には、第２フレーム１２は第１フレーム１１に近付く方向の力Ｆ２により、隙間Ｇを保つことになる。しかしながら、ユーザにより足部２０が過渡的に上昇した場合には、第２フレーム１２に強い慣性力が加わる。そのため、矢印Ｆ２の反力である矢印Ｆ５の力が、矢印Ｆ２の力よりも大きくなる虞がある。これにより、圧力センサ１６と第２フレーム１２との当接面１６ａと、第２フレーム１２の上面１２ｂとの間に隙間が生じた場合、第２フレーム１２にがたつきが生じる。

ところで、第２フレーム１２に矢印Ｆ４の力が加わる場合、段付きネジ１８には矢印Ｆ６の方向に力が加わる。段付きネジ１８に矢印Ｆ６の力が加わると、弾性部材１９は、矢印Ｆ６の力に応じて、矢印Ｆ７の方向に反発力を発生させる。矢印Ｆ７は、第１フレーム１１と第２フレーム１２と互いに近付ける方向である。

以上に説明したように、第１フレーム１１と第２フレーム１２とが離間する方向に力が加わった場合において、弾性部材１９は圧縮された力に応じた反発力を発生させる。あるいは、弾性部材１９は、第２フレーム１２の振動を減衰させる。したがって、本実施の形態にかかる足裏荷重検出装置１０は歩行時に発生するがたつきを抑制し、ユーザないし理学療法士等に不快感を与える打音を抑制する。このように、本実施の形態により、歩行時に発生する打音を抑制する足裏荷重検出装置を提供することができる。

尚、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。例えば、圧力センサ１６は、４個でなく、３個であっても５個であっても、あるいはそれ以上であってもよい。同様に、弾性部材１９を有するスタビライザ部１７も、４か所でなく３か所であっても５か所であってもあるいはそれ以上であってもよい。また、圧力センサ１６は、第１フレーム１１又は第２フレーム１２の何れか一方に固定されていればよい。すなわち、上述した場合とは逆に、圧力センサ１６は、第２フレーム１２に固定されており、第１フレーム１１に当接していてもよい。

１０足裏荷重検出装置
１１第１フレーム
１２第２フレーム
１３板バネ
１６圧力センサ
１９弾性部材
２０足部

Claims

平板状の第１フレームと、
前記第１フレームの主面に対向するように設けられた平板状の第２フレームと、
前記第１フレームと前記第２フレームとにそれぞれ連結された板バネと、
前記第１フレームと前記第２フレームとの間に設けられ前記第１フレームと前記第２フレームとの間に生じる圧力を検出する圧力センサと、を備え、
ユーザが足部を載置して歩行することにより、前記足部の足裏荷重を検出する、足裏荷重検出装置であって、
前記第１フレームは前記ユーザの足部側に位置し、
前記第２フレームは地面側に位置し、
前記第１フレームには、前記第２フレームに向かって張り出すように凹部が設けられ、
前記凹部に段付きネジが挿入され、当該段付きネジによって前記第１フレームと第２フレームとが連結されており、
前記凹部において前記段付きネジと前記第１フレームとの間には、前記第１フレームと前記第２フレームとを互いに近付ける方向の力を発生させるように設けられた、弾性部材をさらに備えている、足裏荷重検出装置。