JP7106065B2 - force plate - Google Patents
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本発明は、人間が歩行や走行する際に生ずる力や重心などを検出できるようにしたフォースプレートに関するものであり、より詳しくは、プレートに撓みを生じた場合であっても、正確に力を検出できるようにしたフォースプレートに関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a force plate that can detect force and the center of gravity generated when a person walks or runs. It relates to force plates that are made detectable.
人間の歩行や走行の際に生ずる力を検出するフォースプレートは、上下一対の金属製のプレートと、これらのプレートの間に設けられる3軸のロードセルなどによって構成されている(特許文献1参照)。そして、このようなフォースプレートを用いて力を検出する場合、四隅に設けられたロードセルの鉛直方向(Z軸方向)に作用する力や、プレートの平面に沿った方向(X軸方向やY軸方向)の力を検出し、また、その力の重心(COP)などを検出できるようにしている。 A force plate that detects force generated when a person walks or runs is composed of a pair of upper and lower metal plates and a triaxial load cell provided between these plates (see Patent Document 1). . When detecting force using such a force plate, the force acting in the vertical direction (Z-axis direction) of the load cells provided at the four corners and the direction along the plane of the plate (X-axis direction and Y-axis direction) direction) and the center of gravity (COP) of that force.
ところで、このような従来のフォースプレートで力を検出する場合、上側のプレートが変形しないようにするために(あるいは、変形を微小範囲に抑えるように)、比較的厚めの金属製のプレートを用いるようにしており、また、四隅のロードセルの外側領域に力を作用させないようにするとともに、ロードセルにモーメントを発生させないようにすべく、ロードセルをプレートの四隅ぎりぎりの位置に設けている。 By the way, when detecting force with such a conventional force plate, a relatively thick metal plate is used in order to prevent the upper plate from deforming (or to limit the deformation to a small range). In addition, the load cells are provided at the very four corners of the plate so as not to apply force to the outer regions of the load cells at the four corners and to prevent the load cells from generating moments.
しかしながら、このようなフォースプレートを用いて力を検出する場合、そのプレートが相対的に薄いと、どうしてもプレートに撓みを生じてしまい、力が分散されてしまう。また、このような撓みを生じると、図4に示すように、X軸方向に力がかかっているにもかかわらず、撓みによる傾斜角θによってZ軸方向の分力が発生してしまい、検出に誤差を生じてしまう。また、このようなプレートの撓みだけでなく、ロードセルのひずみゲージに剪断応力が生じると、その変形に伴う誤差を生じてしまう。さらには、撓みによる誤差を少なくするためにロードセルをプレートの中央付近に設けようとすると、そのロードセルの外側領域に足が載ってしまい、最も近いロードセルを支点として遠い側のロードセルに上向きの力が発生して正確な値を検出することができなくなる。 However, when such a force plate is used to detect force, if the plate is relatively thin, the plate will inevitably flex and the force will be dispersed. In addition, when such bending occurs, as shown in FIG. 4, even though the force is applied in the X-axis direction, a force component in the Z-axis direction is generated due to the tilt angle θ due to the bending. error occurs. In addition to the bending of the plate, if a shearing stress is generated in the strain gauge of the load cell, an error associated with the deformation will occur. Furthermore, if you try to install a load cell near the center of the plate to reduce the error due to deflection, your foot will rest on the outer area of the load cell, and an upward force will be applied to the load cell on the far side with the nearest load cell as a fulcrum. It will not be possible to detect the exact value.
そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、プレートに撓みを生じたり、ロードセルの外側領域のプレートに力が作用した場合であっても、正確に力を検出できるようにしたフォースプレートを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and is a force sensor that can accurately detect a force even when the plate is bent or a force acts on the plate in the outer region of the load cell. Intended to serve plates.
すなわち、本発明のフォースプレートは、上記課題を解決するために、上下に設けられた一対のプレートと、当該一対のプレートの間に設けられ、直交する3軸方向の力、および、上側のプレートの平面に沿って直交する2軸のモーメントを検出する複数のロードセルと、前記ロードセルの上側に設けられたプレートの撓みによって生じた前記2軸のモーメントに基づいて、前記直交する3軸方向の力を補正する補正部と、を備えるようにしたものである。 That is, in order to solve the above problems, the force plate of the present invention is provided between a pair of plates provided on the top and bottom, and between the pair of plates . A plurality of load cells that detect the moment of two orthogonal axes along the plane of the load cell, and the force in the three orthogonal axes based on the moment of the two axes generated by the deflection of the plate provided on the upper side of the load cell and a correction unit for correcting the
また、このような発明において、前記ロードセルに加速度センサーを設け、前記補正部によって、当該加速度センサーによる値によって前記3軸方向の力を補正するようにすることもできる。 Moreover, in such an invention, an acceleration sensor may be provided in the load cell, and the forces in the three axial directions may be corrected by the correction unit based on the values obtained by the acceleration sensor.
本発明によれば、プレートを薄くしたり、プレートの面積を大きくして撓みが発生した場合であっても、その撓みに基づく補正を行うことができ、正確な力を検出することができるようになる。 According to the present invention, even if the plate is made thinner or the area of the plate is increased and deflection occurs, correction based on the deflection can be performed, and accurate force can be detected. become.
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
この実施の形態におけるフォースプレート1は、図1や図2に示すように、上側プレート11と下側プレート12と、これらのプレート11、12の間に設けられた複数のロードセル2とを設けて構成される。そして、特徴的に、ロードセル2の上側に設けられる上側プレート11の撓みに基づく補正値を算出する補正部5を設け、この補正部5の値によって、直交するXYZ軸方向の力を補正できるようにしたものである。以下、本実施の形態におけるフォースプレート1の構成について詳細に説明する。なお、本実施の形態においては、水平面に設置された下側プレート12の平面に沿った方向をX軸、Y軸とし、その平面の法線方向をZ軸として説明する。
The
まず、フォースプレート1は、長方形状をなす上下一対のプレート11、12(図2参照)で構成されるものであって、少なくとも上側に設けられた上側プレート11については、人間がその上で運動を行なっても下側のプレート(以下、下側プレート12と称する)に接触しないような剛性や厚みを有するものが用いられる。一方、下側プレート12については、凹凸を有する不安定な場所などに設置された場合であっても撓みを生じないような比較的剛性の高い素材(ステンレスなど)で構成される。なお、この実施の形態では、プレートとして、長方形状をなすプレートを例に挙げて説明するが、正方形状のものや、三角形状のもの、円形状など、用途に合わせて様々な形状のプレートを用いることができる。
First, the
このフォースプレート1の四隅方向に設けられるロードセル2は、XYZ軸方向の荷重を検出するとともに、プレート11、12の平面に沿った方向であるXY方向のモーメントを検出できるようにした5軸のロードセル2が用いられる。このようなロードセル2としては、種々のものを用いることができるが、例えば、図示しない起歪体に貼り付けられたひずみゲージの抵抗変化を用いて荷重を検出できるようなものなどが用いられる。このようなロードセル2は、図1に示すように上側プレート11と下側プレート12の間に設けられ、本体のフランジ21を上側プレート11や下側プレート12にボルトで取り付けられる。そして、上側プレート11や下側プレート12の間に跨って起歪体を取り付け、上側プレート11の変形に伴って起歪体に取り付けられたひずみゲージを変形させるようにしている。このようなロードセル2の取り付け位置については、プレートの四隅近傍だけでなく、図2に示すような四隅のさらに内側や、図3に示すように、上側プレート11の上面に追加プレート13を取り付け、その追加プレート13の中央側にロードセル2を設けて、境界付近を踏めるようにしても良い。このようにロードセル2を中央側に設ければ、プレート11、12、13の中央部分にロードセル2が近づくため、上側プレート11などの中央部分に大きな力が作用した場合であっても、大きな撓みを防止できるようなる。
The
また、この実施の形態では、ロードセル2に加速度センサー3(図1参照)が取り付けられる。このような加速度センサー3を用いる場合、検出された加速度から、図5に示すようなフォースプレート1の傾斜角度を算出することができ、撓みによる傾斜角度だけでなく、不安定な場所に設置されたことによるプレートの傾斜角度などを考慮して検出値を補正することができるようになる。
Further, in this embodiment, the
こうように取り付けられたロードセル2を用いて、人間の動作に伴うXYZ軸方向の力を検出する荷重検出部4(図1参照)の作用について説明する。
Using the
まず、人間が上側プレート11に載って運動する際、すべてのロードセル2のX軸方向の力、Y軸方向の力、Z軸方向の力を検出して加算する。これらの値については、上側プレート11に撓みが存在しない場合は、人間から作用する力とロードセル2によって検出された力とが一致するため、補正を行う必要がない。しかしながら、上側プレート11に撓みを生じてしまうと、平面に沿った方向の力に誤差を生じてしまう。具体的には、図4に示すように、撓みを生じている状況で人間がX軸方向に足を蹴り出してPxの力を作用させると、その力Pxが撓んだプレートに沿ってロードセル2側に伝達される。このとき、ロードセル2では、プレートの撓みによる角度θに沿った方向に力Pxが作用することになるため、Z軸方向の荷重としてPx sinθの力が上向きに作用し、また、X軸方向の荷重として、Px cosθが作用することになる。また、このような上側プレート11の撓みによる誤差だけでなく、起歪体に取り付けられたひずみゲージが剪断変形してしまうため、ロードセル2自身において誤差を生じてしまう。そこで、この実施の形態では、上側プレート11に生じた撓みやひずみゲージに剪断変形を生じた場合であっても、誤差を補正できるような補正部5を設けるようにしている。
First, when a person moves on the
この補正部5では、自分自身のロードセル2を含む全てのロードセル2で検出されたXYZ軸の力やXY軸方向のモーメントによって撓みなどによる影響が生じたものと仮定し、すべてのロードセル2で検出された力Fx、Fy、Fz、Mx、Myに所定の係数を掛け合わせて補正後の力を算出できるようにしている。
In this
具体的には、まず、ひずみゲージの出力である電圧を増幅させて補正前の3軸方向の力(Fx0、Fy0、Fz0)や2軸方向のモーメン(Mx0、My0)を出力する。そして、これらの値に補正行列Cを掛け合わせて補正後の3軸方向の力(Fx、Fy、Fz)や2軸方向のモーメン(Mx、My)を算出する。この補正行列Cは、自分自身を含むすべてのロードセル2で検出された力やモーメントから影響を受けるであろう係数によって構成されるものであり、XYZ軸方向の力やXY軸方向のモーメントごとに、自分自身を含めた3軸方向の力と2軸方向のモーメントの5つ係数(合計5行5列の25個の係数)で構成されている。これらの各係数は、上側プレート11などの慣性モーメントなどを含むものであり、これらを成分とする係数を補正前の力に掛け合わせることにより、下式を用いて補正後の力が算出される。
Specifically, first, the voltage, which is the output of the strain gauge, is amplified to output forces in three axial directions (Fx0, Fy0, Fz0) and moments in two axial directions (Mx0, My0) before correction. Then, these values are multiplied by the correction matrix C to calculate the force (Fx, Fy, Fz) in three axial directions and the moment (Mx, My) in two axial directions after correction. This correction matrix C is composed of coefficients that will be affected by the forces and moments detected by all the
また、必要に応じて、これらの補正値は、加速度センサー3を用いた補正が行われる。この加速度センサー3で補正を行う場合としては、例えば、振動を生ずるような場所で力を計測するような場合や、乗り物に載った場所で力を計測するような場合などが考えられる。このような加速度センサー3を用いて補正を行う場合、それぞれのロードセル2のXYZ軸方向の加速度を各軸毎に加算し、フォースプレート1の傾斜方向を算出する。そして、その傾斜方向と水平方向の角度差に基づいて、水平面を基準としたXYZ軸方向に力を補正する。
Further, these correction values are corrected using the
次に、このように構成されたフォースプレート1によって人間の動作に伴う力を検出する方法について、図6を用いて説明する。
Next, a method of detecting a force associated with a human motion using the
フォースプレート1を用いて人間の運動に伴う力を計測するに際して、まず、フォースプレート1を水平な床面に設置する。このとき、それぞれのロードセル2には、上側プレート11の重みによる荷重のほか、さらにその上に設けられた追加プレート13の荷重、また、これらの重みに伴うモーメントがかかることになるが、初期状態では、これらの値をゼロにプリセットする(ステップS1)。
When using the
そして、その状態で人間に上側プレート11の上に載ってもらい、運動に伴うXYZ軸方向の力を検出するとともに、XY軸方向のモーメントも検出する(ステップS2)。
Then, in this state, a person is placed on the
次に、このように検出された5つの値に対して、上記数1を用いて補正行列Cを積算し、上側プレート11の撓みやひずみゲージの剪断変形に伴う補正後の荷重やモーメントを求める(ステップS3)。
Next, the five values thus detected are multiplied by the correction matrix
また、加速度センサー3を設けている場合は、各ロードセル2に設けられた加速度センサー3のXYZ軸方向の加速度をそれぞれ加算し、フォースプレート1の傾斜角度を算出する(ステップS4)。
Further, when the
そして、この算出された傾斜角度と初期の水平面の角度の差からフォースプレート1のXYZ軸方向の傾斜角度を修正し、この角度に基づいて前記算出された補正後の力を算出する(ステップS5)。
Then, the tilt angle of the
このように上記実施の形態によれば、上側プレート11および下側プレート12と、当該一対のプレート11、12の間に設けられ、直交する3軸方向の力、および、上側プレート11の平面に沿って直交する2軸のモーメントを検出する複数のロードセル2と、前記ロードセル2の上側に設けられた上側プレート11の撓みによって生じた前記2軸のモーメントに基づいて前記直交する3軸方向の力の補正値を算出する補正部5とを備えるようにしたので、上側プレート11を薄くしたり、上側プレート11や追加プレート13の面積を大きくして撓みを生じやすくした場合であっても、その撓みに基づく補正を行うことができ、正確な力を検出することができるようになる。
As described above, according to the above-described embodiment, the
また、前記ロードセル2に加速度センサー3を設け、前記補正部5によって、当該加速度センサー3による値によって前記3軸方向の力を補正するようにしたので、フォースプレート1が不安定な場所に設置されて傾斜した場合であっても、加速度センサー3の値によって水平面を基準とした値に力の方向を補正することができるようになる。
In addition , the
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。 It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various modes.
例えば、上記実施の形態では、XYZ軸方向の力を補正する場合、XY軸方向のモーメントを用いて補正を行うようにしたが、Z軸方向のモーメントも用いて補正を行うようにしてもよい。 For example, in the above embodiment, when correcting the force in the X , Y, and Z axis directions, the correction is performed using the moment in the XY axis direction. good.
さらに、上記実施の形態では、加速度センサー3をロードセル2の内部に設けるようにしたが、ロードセル2の近傍に設けるようにしてもよく、あるいは、フォースプレート1の中央部分に設けてフォースプレート1の傾斜角度を算出できるようにしてもよい。
Furthermore, in the above embodiment, the
1・・・フォースプレート
11・・・上側プレート
12・・・下側プレート
13・・・追加プレート
2・・・ロードセル
21・・・フランジ
3・・・加速度センサー
4・・・荷重検出部
5・・・補正部
Claims (2)
当該一対のプレートの間に設けられ、直交する3軸方向の力、および、上側のプレートの平面に沿って直交する2軸のモーメントを検出する複数のロードセルと、
前記ロードセルの上側に設けられたプレートの撓みによって生じた前記2軸のモーメントに基づいて、前記直交する3軸方向の力を補正する補正部と、
を備えるようにしたことを特徴とするフォースプレート。 a pair of upper and lower plates;
a plurality of load cells provided between the pair of plates and detecting forces in three orthogonal axes and moments in two orthogonal axes along the plane of the upper plate ;
a correction unit that corrects the force in the orthogonal three-axis directions based on the biaxial moment generated by the deflection of a plate provided on the upper side of the load cell;
A force plate characterized by comprising a
前記補正部によって、当該加速度センサーによる値によって前記3軸方向の力を補正するようにした請求項1に記載のフォースプレート。 An acceleration sensor is provided on the load cell,
2. The force plate according to claim 1, wherein the correcting unit corrects the forces in the three axial directions according to values obtained by the acceleration sensor.
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