JP7146190B2 - State estimation system and state estimation method - Google Patents
State estimation system and state estimation method Download PDFInfo
- Publication number
- JP7146190B2 JP7146190B2 JP2018204854A JP2018204854A JP7146190B2 JP 7146190 B2 JP7146190 B2 JP 7146190B2 JP 2018204854 A JP2018204854 A JP 2018204854A JP 2018204854 A JP2018204854 A JP 2018204854A JP 7146190 B2 JP7146190 B2 JP 7146190B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- moment
- mass
- center
- calculation unit
- state estimation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Description
特許法第30条第2項適用 平成30年3月6日に日本機械学会 中国四国学生会 第48回学生員卒業研究発表講演会にて発表、平成30年8月29日にDynamics and Design Conference2018講演論文集にて発表Application of
本発明は、人間の各部位の動き、姿勢、各関節回りのモーメントなどを推定できるようにした状態推定システムに関するものであって、より具体的には、フォースプレートに起立した状態で下半身、上半身の動きや姿勢、足関節や股関節のモーメントなどを推定できるようにした状態推定システムに関するものである。 The present invention relates to a state estimation system capable of estimating the motion, posture, moment around each joint, etc. of each part of a human being, and more specifically, to a state estimation system that is capable of estimating the motion, posture, and moment of each part of a human being. This relates to a state estimation system that can estimate the motion and posture of the body, and the moment of the ankle and hip joints.
従来より、起立している人間の各部位の角度や位置などを推定できるようにしたシステムとして、下記の特許文献1に記載されるようなシステムなどが存在している。
Conventionally, as a system capable of estimating the angle and position of each part of a standing human being, there is a system such as that described in
この特許文献1に記載されるシステムは、人間の左右の少なくとも一方の大腿部に装着された第一加速度センサーと、この人間の上半身に装着された第二加速度センサーとを備えてなるものであって、これら第一加速度センサーや第二加速度センサーで計測された加速度を用いて、人間の下半身の腰や膝などの関節の屈曲状態などを推定できるようにしたものである。
The system described in
また、別の従来例として、人間の姿勢を推定する場合、人間の各部位にマーキングを施し、そのマーキングをモーションキャプチャーで取得することによって、マークの変位情報から各関節の位置や各部位の動きなどを検出できるようにしたシステムもある。 As another conventional example, when estimating the posture of a human, each part of the human is marked, and the marking is obtained by motion capture. Some systems are designed to detect
このようなシステムを用いれば、人間の足や脚、上半身などの角度や動きなどを推定することができるため、例えば、これを患者に適用した場合に、その患者のリハビリ時における回復状況などを客観的に判断することができるようになる。 Using such a system makes it possible to estimate the angles and movements of a person's legs, legs, and upper body. You will be able to judge objectively.
しかしながら、上述のようなシステムを用いて人間の各部における位置や動きなどの状態を推定する場合、次のような問題がある。 However, when estimating the position, motion, and other states of each part of a human using the system described above, there are the following problems.
すなわち、上述のようなシステムでは、人間の複数の部位に加速度センサーやモーションキャプチャーのためのマークを付さなければならず、加速度センサーを装着するための準備や、マークを付するための準備などに手間がかかるといった問題があった。また、加速度センサーやモーションキャプチャーを用いた場合は、身体表面の位置や加速度しか検出することができず、質量中心の変位を推定する場合、どうしても誤差を生じてしまうといった問題があった。 In other words, in the system described above, it is necessary to attach marks for accelerometers and motion capture to multiple parts of the human body. There was a problem that it took a lot of time and effort. In addition, when an acceleration sensor or motion capture is used, only the position and acceleration of the body surface can be detected, and when estimating the displacement of the center of mass, there is a problem that an error inevitably occurs.
そこで、本発明は、上記課題に着目して、簡単かつ迅速に被検体の各部位における位置や動き、モーメントなどの状態を推定できるようにした状態推定システムを提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention aims to provide a state estimation system capable of easily and quickly estimating the state of each part of a subject, such as position, motion, and moment.
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、複数のロードセルを備えたフォースプレートと、当該ロードセルからの出力値に基づいて、当該フォースプレートの平面に沿った被験体からの剪断力と被検体の立位状態における圧力中心を算出する第一演算部と、当該第一演算部で算出された剪断力と圧力中心を用いて、被検体の各部位の角度、角速度、角加速度、モーメントの少なくとも一つを算出する第二演算部と、当該第二演算部で算出された値を出力する出力部とを備え、前記第二演算部で、あらかじめ足部質量、身体部質量、フォースプレートから各関節までの高さ、足部の質量中心までの高さ、身体部の質量中心の高さをパラメーターとして演算するようにしたものである。
That is, in order to solve the above problems, the present invention provides a force plate having a plurality of load cells, and based on the output values from the load cells, the shear force from the subject along the plane of the force plate and the subject At least the angle, angular velocity, angular acceleration, and moment of each part of the subject using the first calculation unit that calculates the center of pressure in the standing state, and the shear force and the center of pressure calculated by the first calculation unit and an output unit for outputting the value calculated by the second calculation unit. The height up to the joint, the height up to the center of mass of the foot, and the height of the center of mass of the body are used as parameters for calculation .
そして、前記第二演算部で演算を行う場合、人間の矢状面における足関節のモーメントを算出する。 Then, when performing the calculation in the second calculation unit, the moment of the ankle joint in the sagittal plane of the human being is calculated.
そして、このように足関節のモーメントを算出した後に、矢状面における下半身と上半身の2つの質量中心の加速度と変位、速度を算出していくようにする。 After calculating the moment of the ankle joint in this way, the acceleration, displacement, and velocity of the two centers of mass of the lower body and the upper body in the sagittal plane are calculated.
同様にして、このように矢状面における下半身と上半身の2つの質量中心の加速度と変位、速度を算出した後、股関節のモーメントを推定していくようにする。 Similarly, after calculating the acceleration, displacement, and velocity of the two centers of mass of the lower body and the upper body in the sagittal plane, the moment of the hip joint is estimated.
また、別の発明では、前記第二演算部で、前額面における足関節のモーメントを算出する。 In another aspect of the invention, the moment of the ankle joint on the frontal plane is calculated by the second calculation unit.
このとき、前額面における足関節のモーメントを算出した後に、前額面における下半身と上半身の2つの質量中心の加速度と変位、速度を算出していくようにする。 At this time, after calculating the moment of the ankle joint on the frontal plane, the acceleration, displacement, and velocity of the two centers of mass of the lower body and the upper body on the frontal plane are calculated.
そして、この前額面における下半身と上半身の2つの質量中心の加速度と変位、速度を算出した後、股関節のモーメントを推定していくようにする。 Then, after calculating the acceleration, displacement, and velocity of the two centers of mass of the lower body and the upper body on the frontal plane, the moment of the hip joint is estimated.
また、前記フォースプレートを左右の足に対応して独立して設けることによって、下半身のモーメントを別々に求めるようにすることもできる。 Also, by independently providing the force plates corresponding to the left and right feet, the moment of the lower half of the body can be determined separately.
このように、本発明によれば、フォースプレーの剪断力と圧力中心だけで被検体の各部位の角度や角加速度、モーメントなどの状態を検出することができるため、従来のようにモーションキャプチャーのためのマークを施すことなく、簡単に被検体の状態を推定していくことができるようになる。 In this way, according to the present invention, it is possible to detect the angle, angular acceleration, moment, etc. of each part of the subject using only the shear force and pressure center of the force spray. It becomes possible to easily estimate the state of the subject without applying marks for the purpose.
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状態推定システム1は、フォースプレート2上に起立する人間の各部位の位置や速度、加速度、モーメントなどの状態(以下、「状態」と略する)を推定できるようにしたものであって、図1や図2に示すように、複数のロードセル4を備えたフォースプレート2と、このフォースプレート2に起立した被検体である人間からの水平面方向に沿った剪断力と、フォースプレート2上の圧力中心を算出する第一演算部5と、この第一演算部5で演算された剪断力と圧力中心を用いて、被検体の各部の角度、加速度、角加速度、モーメントなどの状態を算出する第二演算部6とを備えるようにしたものである。以下、この実施の形態における状態推定システム1について詳細に説明する。なお、この実施の形態において、説明の関係上、図1に示すように、フォースプレート2の前後方向をX軸方向、左右方向をY軸方向、上下方向をZ軸方向として説明し、被検体にX軸方向に向かって起立してもらうものとする。また、矢状面とはXZ平面、前額面とはXY平面を示すものとする。
The
まず、フォースプレート2は、矩形状のプレート3の四隅下方にロードセル4を備えて構成される。このロードセル4は、図示しないひずみゲージを起歪体に貼り付けて構成されるものであって、その起歪体の変形をひずみゲージを用いて検出して、XYZ方向に作用する荷重や、そのXYZ軸回りのモーメントなどを検出できるようになっている。そして、これらのロードセル4を用いて、プレート3に作用する被検体からのXY平面に沿った剪断力や、XY平面に作用するZ軸方向からの荷重に対する圧力中心などを算出できるようになっている。また、この実施の形態では、人間を揺動させて各部位の状態の変化を検出できるようになっており、フォースプレート2の動きを検出する加速度センサーや、そのフォースプレートの移動状態を検出するためのロータリーエンコーダーなどの揺動検出手段8が設けられている。なお、ここでは、加速度センサーやロータリーエンコーダーで揺動検出手段8を構成するようにしているが、モーターでフォースプレート2を前後揺動させる場合は、このモーターへの電圧入力値を揺動検出手段8としてもよい。
First, the
このようなフォースプレート8に起立された被検体の重心は、動作を行う瞬間において、前後方向に移動し、これに伴って足からフォースプレート2に剪断力が作用するようになる。第一演算部5では、この剪断力を算出するとともに、その被検体のZ軸方向の荷重などによって圧力中心を算出できるようにしている。このとき、剪断力を算出する場合は、四隅に設けられたロードセル4のX軸方向の荷重の合計を算出し、サンプリング時間における前後の荷重合計値の差分を剪断力として算出する。一方、圧力中心を算出する場合は、四隅に設けられたロードセル4のZ軸方向の荷重を検出し、圧力中心の座標を未知数として、モーメントの釣り合い式を用いて圧力中心の座標を算出していく。そして、このように算出された剪断力や圧力中心を第二演算部6に出力する。
The center of gravity of the subject standing on the
第二演算部6では、この剪断力や圧力中心を用いて、まず、矢状面における被検体の足関節の角度や角加速度、足関節に作用するモーメントを算出する。これらの値を算出するに際して、事前に被検体の足部の質量、身体部の質量、身体部の質量中心まわりの慣性モーメント、足関節の地面からの高さ、足部の質量中心の高さ、足関節から身体部質量中心までの長さをパラメーターとして入力しておくものとする。これらのパラメーターは、被検体から直接測定してもよいし、あるいは被検体の身長や体重から過去の統計値を用いて推測してもよい。
Using this shearing force and the center of pressure, the
これらのパラメーターや剪断力、圧力中心を用いて、矢状面における足と脚の関節の角度や角加速度、足関節に作用するモーメントを算出する場合、図3の1リンクモデルを用いて、次のようにして算出する。 Using these parameters, the shear force, and the center of pressure, when calculating the joint angle and angular acceleration of the foot and leg in the sagittal plane, and the moment acting on the ankle joint, using the one-link model in Fig. 3, Calculate as follows.
<矢状面における状態> <State in the sagittal plane>
まず、足部におけるX方向、Z方向、および、足関節まわりのモーメントは、次の数1によってそれぞれ算出される。なお、パラメーターとして、mfを足部質量、mbを身体部質量、Jbを身体部質量中心まわりの慣性モーメント、Lfを足関節の高さ、lfを足部質量中心の高さ、l1を足関節から下半身質量中心までの長さ、Mを被検体の体重とする。
First, the X-direction, Z-direction, and moment around the ankle joint in the foot are calculated by the following
一方、身体部におけるX方向、Z方向、および、足関節まわりのモーメントは、次の数2によってそれぞれ算出される。
On the other hand, the X-direction, Z-direction, and moment around the ankle joint in the body part are calculated by the following
そして、上記数1と数2の第一式(X軸方向の釣り合い式)の和より、次の数3が得られる。
Then, the following
また、上記数1と数2の第三式(モーメントの釣り合い式)の和より、次の数4が得られる。
Further, the following
これらの数3と数4の右辺はすべてパラメーターや計測値であり、左辺は算出対象となる足関節の角度と角加速度の連立1次方程式になる。そして、これを解くことにより、数5や数6のように足関節の角加速度と角度を得ることができる。
The right sides of these
また、足関節に作用するモーメントについては、数1の第三式(モーメントの釣り合い式)より、床反力に作用する力(Z軸方向の力)のみから数7のようにして求められる。 Also, the moment acting on the ankle joint can be obtained from only the force acting on the floor reaction force (the force in the Z-axis direction) from the third formula (moment balance formula) of Formula 1, as shown in Formula 7.
次に、このように算出された足関節の角度、角加速度、モーメントから、今度は、図4に示す2リンクモデルを用いて被検体の下半身、上半身の状態を算出していく。 Next, from the ankle joint angles, angular accelerations, and moments thus calculated, the states of the subject's lower body and upper body are calculated using the two-link model shown in FIG.
人間の下半身、上半身のそれぞれの角度や角加速度、あるいは、下半身と上半身の関節部分である股関節回りのモーメントを算出する場合、次のようにして算出する。なお、ここでは、パラメーターとして、mfを足部質量、m1、m2をそれぞれ下半身および上半身の質量、J1、J2を下半身および上半身の各質量中心まわりの慣性モーメント、Lfを足関節の高さ、lfを足部質量中心の高さ、l1を足関節から下半身質量中心までの長さ、L1を足関節から股関節の長さ、l2を股関節から上半身質量中心までの長さとする。これらのパラメーターは、同様に被検体の身長や体重などを用い、過去の統計値などから推定されるものとする。 When calculating the angle and angular acceleration of each of the lower body and upper body of a human, or the moment around the hip joint, which is the joint between the lower body and upper body, the calculation is performed as follows. Here, as parameters, m f is the foot mass, m 1 and m 2 are the masses of the lower body and upper body, respectively, J 1 and J 2 are the moments of inertia around the centers of mass of the lower body and upper body, and L f is the leg mass. Joint height, l f is the height of the foot center of mass, l 1 is the length from the ankle joint to the lower body center of mass, L 1 is the length from the ankle joint to the hip joint, l 2 is the hip joint to the upper body center of mass be the length of These parameters are assumed to be similarly estimated from past statistical values using the subject's height, weight, and the like.
パラメーターや剪断力、圧力中心、および、数5から数7を用いて算出された足関節の角度、角加速度、足関節まわりのモーメントを用い、2リンクモデルである図4のように、下半身のX軸方向の釣り合い式、Z軸方向の釣り合い式、足関節まわりのモーメントは、次の数8のように成立する。
Using the parameters, shear force, center of pressure, and ankle joint angles, angular accelerations, and moments around the ankle joints calculated using
一方、上半身におけるX軸方向の釣り合い式、Z軸方向の釣り合い式、足関節まわりのモーメントは、次の数9のように成立する。 On the other hand, the balance equation in the X-axis direction, the balance equation in the Z-axis direction, and the moment around the ankle joint in the upper body are established as shown in Equation 9 below.
そして、数1や数8、数9の第一式(X軸方向の釣り合い式)の和より、X軸方向の運動方程式が数10のように得られる。
Then, the equation of motion in the X-axis direction is obtained as shown in
一方、数1や数8、数9の第二式(Z軸方向の釣り合い式)の和より、Z軸方向の運動方程式が数11のように得られる。
On the other hand, the equation of motion in the Z-axis direction is obtained as shown in Equation 11 from the sum of the second equations (balance equations in the Z-axis direction) of
ここで、Mは被検体の体重を示すものである。そして、数1や、数8、数9の第三式(モーメントの釣り合い式)に数11を代入すると、回転に関する運動方程式が、数12のように得られる。
Here, M indicates the body weight of the subject. Substituting Equation 11 into the third equation (moment balance equation) of
ここで、図3と図4のリンクモデルの質量中心は、次の数13のように表される。 Here, the center of mass of the link model in FIGS. 3 and 4 is represented by the following equation (13).
この関係を数12の左辺第3項と第4項に代入すると、次の数14のようになる。
Substituting this relationship into the third and fourth terms on the left side of
この数14の右辺第1項は数6で推定していると仮定すると、数10と数14の右辺はすべて既知であり、これらは、下半身の角加速度と上半身の角加速度の2元連立1次方程式となる。そして、これを解くことにより、下半身と上半身の角加速度が得られ、このように得られた角加速度を積分することによって下半身と上半身の角度がそれぞれ計算される。
Assuming that the first term on the right side of Equation 14 is estimated by
このように図4の2リンクモデルの角加速度と角度が算出できた場合、股関節まわりのモーメントは、数1と数8の第三式の和に数1と数8の第一式から算出したRhxを代入することにより、次の数15で表される。
When the angular acceleration and angle of the two-link model in FIG. 4 can be calculated in this way, the moment around the hip joint is calculated from the sum of the third formula of
このように、上半身と下半身の角加速度および角度を推定することができれば、数15により自動的に股関節まわりのモーメントNhを得ることができるようになる。 If the angular accelerations and angles of the upper and lower bodies can be estimated in this way, the moment N h around the hip joints can be automatically obtained from equation (15).
そして、このように算出された、足関節や下半身、上半身の角加速度、角速度、モーメントなどを出力し、被検体の状態を判断できるようにする。なお、このような値を算出する場合、フォースプレートが加速している場合は、揺動検出手段8で検出された方向の加速度などを考慮して算出していく。 Then, the angular acceleration, angular velocity, moment, and the like of the ankle joints, the lower body, and the upper body calculated in this way are output so that the state of the subject can be determined. When calculating such a value, if the force plate is accelerating, the acceleration in the direction detected by the swing detection means 8 is taken into account in the calculation.
<前額面における状態> <State in the frontal plane>
次に、前額面(XY平面)におけるモデルを図5に示す。このモデルでは、身体を両足、両脚部、骨盤部、上半身の6つのセグメントに構成し、両足関節、両股関節、腰部に5つのジョイントを持つモデルとしている。ここで、(Xf,r,Zf,r)、(Xf,l,Zf,l)を左右足部の質量中心、(Xl,r,Zl,r)、(Xl,l,Zl,l)を左右脚部の質量中心、(Xp,Zp)を骨盤部の質量中心、(Xu,Zu)を上半身の質量中心の座標とする。身体のパラメーターとして、mfを足部の質量、mlを脚部質量、mwを骨盤部の質量、muを上半身の質量、Jlを脚部質量中心まわりの慣性モーメント、Juを上半身質量中心まわりの慣性モーメントとする。また、Lfを足関節の高さ、lfを足部質量中心の高さ、llを足関節から脚部質量中心までの長さ、Llを足関節から股関節までの長さ、lpを股関節から骨盤部質量中心までの長さ、Lpを股関節から腰部ジョイントまでの長さ、luを腰部ジョイントから上半身質量中心までの長さとする。そして、θl,r、θl,lは鉛直軸からみた両脚部の姿勢角度、θuを上半身の角度とする。 Next, FIG. 5 shows a model in the frontal plane (XY plane). In this model, the body is composed of six segments, both feet, both legs, pelvis, and upper body, and has five joints in both ankle joints, both hip joints, and waist. Here, (X f,r ,Z f,r ), (X f,l ,Z f,l ) are the centers of mass of the left and right feet, (X l,r ,Z l,r ), (X l, l , Z l, l ) are the coordinates of the center of mass of the left and right legs, (X p , Z p ) of the center of mass of the pelvis, and (X u , Z u ) of the center of mass of the upper body. As body parameters, m f is the mass of the foot, m l is the mass of the leg, m w is the mass of the pelvis, m u is the mass of the upper body, J l is the moment of inertia around the center of mass of the leg, and Ju is Let it be the moment of inertia around the center of mass of the upper body. In addition, L f is the height of the ankle joint, l f is the height of the center of mass of the foot, l l is the length from the ankle joint to the center of mass of the leg, L l is the length from the ankle joint to the hip joint, l Let p be the length from the hip joint to the pelvic center of mass, L p be the length from the hip joint to the waist joint, and l u be the length from the waist joint to the upper body center of mass. Let θ l,r and θ l,l be the posture angles of both legs viewed from the vertical axis, and θ u be the angle of the upper body.
両足のスタンス幅は、股関節幅wと一致すると仮定し、両脚部は常に平行で角度は等しいと仮定する。これにより、θl=θl,r=θl,lとなる。また、膝関節による上下動はなく、姿勢角の変化は微小であるとする。これにより、線形システムと考えることができ、各関節ジョイントには、図5に示すような拘束力とモーメントが作用していると考える。 The stance width of both feet is assumed to match the hip width w, and the legs are assumed to always be parallel and at equal angles. As a result, θ l =θ l,r =θ l,l . In addition, it is assumed that there is no up-and-down movement due to the knee joint and the change in posture angle is minimal. As a result, it can be considered as a linear system, and it is considered that each articulated joint is acted upon by a restraining force and a moment as shown in FIG.
このような前提のもとで、左右の足、左右の脚、骨盤、上半身は次の数16の関係式が成立する。 Under such a premise, the following relational expression (16) holds for the left and right legs, the left and right legs, the pelvis, and the upper body.
次に、各セグメントの運動方程式をフリーボディダイアグラムに基づいて求める。ただし、以下の式では、セグメントの水平加速度は、数16より支持面加速度と各セグメントの角加速度に変換する。また、左右の脚部姿勢角は常に等しいと仮定しているため、角度および角加速度も同じとして計算する。 Next, the equation of motion for each segment is obtained based on the free body diagram. However, in the following equations, the horizontal acceleration of the segment is converted into the supporting surface acceleration and the angular acceleration of each segment according to Equation (16). Also, since it is assumed that the left and right leg posture angles are always equal, the angles and angular accelerations are also assumed to be the same in the calculations.
これにより、右足部の水平方向、鉛直方向、モーメントの式は次の数17でそれぞれ示される。 Accordingly, the equations for the horizontal direction, the vertical direction, and the moment of the right foot are given by the following equations 17, respectively.
同様に、左足部の水平方向、鉛直方向、モーメントの式は次の数18でそれぞれ示される。 Similarly, the horizontal, vertical and moment equations for the left foot are shown in Equation 18 below.
同様に、右脚部の水平方向、鉛直方向、モーメントの式は次の数19でそれぞれ示される。 Similarly, the horizontal, vertical and moment equations for the right leg are shown in Equation 19 below.
同様に、左脚部の水平方向、鉛直方向、モーメントの式は次の数20でそれぞれ示される。
Similarly, the horizontal, vertical, and moment equations for the left leg are shown in
同様に、骨盤部の水平方向、鉛直方向、モーメントの式は次の数21でそれぞれ示される。 Similarly, the equations for the horizontal, vertical and moment of the pelvis are shown in Equation 21 below.
同様に、上半身の水平方向、鉛直方向、モーメントの式は次の数22でそれぞれ示される。 Similarly, the horizontal, vertical, and moment equations for the upper body are shown in Equation 22 below.
上記式に基づいて、床反力と姿勢の関係式を順に示す。まず、数17から数22の第一式(水平方向の関係式)より、Y軸に関する並進運動の運動方程式は次のようになる。 Based on the above formula, the relational expression between the floor reaction force and the posture will be shown in order. First, from the first equation (horizontal relational expression) of Equations 17 to 22, the motion equation of translational motion about the Y-axis is as follows.
ここで、Mは体重を示し、Ry=Ry,r=Ry,lとする。次に、数17から数22の第二式(鉛直方向の関係式)より、Z軸に関する力の釣り合いは次のようになる。 Here, M indicates body weight and R y =R y,r =R y,l . Next, from the second equation (vertical relational expression) of Equations 17 to 22, the balance of force with respect to the Z axis is as follows.
次に、回転に関する運動方程式を示す。式の整理のために、Rhy,r、Rhy,l、Rhz,r、Rhz,l、が必要となるので、まず、数17と数19の第一式より、Rhy,rを得る。 Next, the equation of motion for rotation is shown. R hy,r , R hy,l , R hz,r , and R hz,l are required for arranging the formulas . get
同様に、数18と数20の第二式より、Rhy,lを得る。
Similarly, R hy,l is obtained from the second expressions of
数17と数19の第二式より、Rhz,rを得る。 R hz,r is obtained from the second equation of Equations 17 and 19.
数18と数20の第二式より、Rhz,lを得る。
R hz,l is obtained from the second equation of
また、Rwyも必要になるので、数17から数21の第一式より次式を得る。 Also, since R wy is also required, the following equation is obtained from the first equation of Equations 17 to 21.
回転に関する式の総和として、数17から数22の第三式の総和を計算し、Rhy,r、Rhy,l、Rhz,r、Rhz,lの部分に数25から数28を代入すると、次式が得られる。 As the summation of the formulas related to rotation, calculate the sum of the third formulas of formulas 17 to 22, and replace the parts R hy,r , R hy,l , R hz,r , and R hz,l with formulas 25 to 28. Substituting, we get:
ここで、mb=M-2mfは身体部の質量である。1リンクモデルと2リンクモデルの質量中心の関係より、次式が成り立つ。 where m b =M-2m f is the mass of the body part. The following equation holds from the relationship between the centers of mass of the 1-link model and the 2-link model.
そして、これを数30に代入すると、次式が得られる。
Substituting this into
これにより、図3の1リンクモデルの姿勢角θbが既知の場合、数23と数32の連立1次方程式を解くことで上半身および下半身の角速度を求めることができる。また、身体が床面から受けるモーメントはNsであり、プレートが一枚である場合は、計測されたX軸まわりのモーメントMxを反転させたものになり、Ns=-Mxとなる。 Accordingly, when the posture angle θ b of the one-link model in FIG. 3 is known, the angular velocities of the upper body and lower body can be obtained by solving the simultaneous linear equations of Equations 23 and 32. In addition, the moment that the body receives from the floor is N s , and if there is only one plate, it is the inverse of the measured moment M x around the X axis, and N s =-M x . .
一方、フォースプレートが2枚の場合は、次式で表される。 On the other hand, when there are two force plates, it is represented by the following equation.
ここで、wはスタンス幅、Rz,r、Rz,lは圧力中心を左右の足の仮想的な中心一から相対変位で表したものである。Yp1、Yp2はそれぞれのフォースプレートの圧力中心、Rz1、Rz2は垂直反力、hは2枚のフォースプレートの原点間の距離である。この添字1は右足、添字2は左足のフォースプレートの出力値を示す。
Here, w is the stance width, and R z,r and R z,l are the relative displacements of the center of pressure from the virtual center of the left and right feet. Y p1 and Y p2 are the pressure centers of the respective force plates, R z1 and R z2 are the vertical reaction forces, and h is the distance between the origins of the two force plates. The
数23と数30がこの2リンクモデルの基礎式となる。これを1リンクモデルとするために拘束条件を与えると次式が得られる。
以上の通り、前額面においても矢状面と同じ理論で展開することができる。すなわち、矢状面の1リンクモデルの運動方程式である数3と数4が、前額面の1リンクモデルの運動方程式である数34と数35に対応しており、矢状面における2リンクモデルの運動方程式である数10と数12が、前額面の2リンクモデルの運動方程式である数23と数30に対応する。
As described above, the frontal plane can be developed with the same theory as the sagittal plane. That is,
<前額面の関節モーメントの推定> <Estimation of Joint Moment on Frontal Plane>
次に、フォースプレート2に基づく姿勢推定の結果を用いて、前額面の関節モーメントの推定を行う。フォースプレート2が一枚の場合は、「下半身モーメント(両股関節・両足関節モーメントの和)」と「腰部まわりのモーメント」が推定できる。一方、片足ずつ2枚のフォースプレートで計測する場合には、「左足関節モーメント」「右足関節モーメント」「左股関節モーメント」「右股関節モーメント」「腰部まわりのモーメント」の5つのモーメントが推定できる。
Next, using the posture estimation result based on the
まず、左右の足関節モーメントは、数17と数18のそれぞれの第三式の和から次のように求められる。 First, the left and right ankle joint moments are obtained as follows from the sum of the third equations of Equations 17 and 18, respectively.
また、右股関節モーメントは、数17と数19のそれぞれの第三式の和を計算し、Rhy,r、Rhz,rの部分に数25と数29を代入すると、次のようになる。 Also, the right hip joint moment is obtained by calculating the sum of the third expressions of Equations 17 and 19 and substituting Equations 25 and 29 for Rhy,r and Rhz,r.
左股関節モーメントは、数18と数20のそれぞれの第三式の和で計算できる。
The left hip joint moment can be calculated by the sum of the third expressions of
このように2枚のフォースプレート2があれば、左右の関節モーメントを独立に推定することができる。
If there are two
次に、左右の足関節トルクの和は、数36と数37の和から次のようになる。 Next, the sum of the left and right ankle joint torques is obtained from the sum of Equations 36 and 37 as follows.
また、左右の股関節トルクの和は、数38と数39の和から次のようになる。 Also, the sum of the left and right hip joint torques is obtained from the sum of Equations 38 and 39 as follows.
数40と数41では、左右のフォースプレート2の垂直反力の差Rz,r-Rz,lが必要となるため、股関節と足関節を区別して計算することができない。一方、下半身全体のモーメントτlは数40と数41の差より、
Equations 40 and 41 require the difference Rz,r-Rz,l between the vertical reaction forces of the left and
最後に腰部まわりのモーメントを求める。この計算では、数17から数21の第一式の和で次式が得られる。 Finally, find the moment around the waist. In this calculation, the following equation is obtained by summing the first equations of equations 17 to 21.
数17から数21の第三式の計算をしたうえで、数43を代入すると、次式のようになる。 After calculating the third formula of formulas 17 to 21, and substituting formula 43, the following formula is obtained.
こちらも1枚のフォースプレート2の計測値によって計算することができるようになる。
This can also be calculated from the measured values of one
次に、このように構成された状態推定システム1を用いて、人間の各部における角度、角加速度、モーメントなどを推定していく方法について、図6のフローチャートを用いて説明する。
Next, a method of estimating the angle, angular acceleration, moment, etc. of each part of a human being using the
まず、事前に被検体である人間の身長や体重などを計測しておき、演算に必要な各パラメーターを算出しておく。そして、その状態でフォースプレート2に起立してもらい、プレート3の四隅に設けられたロードセル4を用いて、プレート3の平面に沿った剪断力や、プレート3にかかる圧力中心を第一演算部5を用いて算出する(ステップS1)。
First, the height, weight, etc. of a human subject are measured in advance, and each parameter necessary for calculation is calculated. In that state, the
そして、このように既知数であるパラメーターや剪断力を用いて、矢状面である1リンクモデルの足関節の角加速度や角度、足関節に作用するモーメントを数5、数6、数7を用いて求める(ステップS2)。
Then, using such known parameters and shear force, the angular acceleration and angle of the ankle joint in the sagittal plane, the angle, and the moment acting on the ankle joint are expressed by
次に、このように足関節の角加速度や角度、モーメントが算出できた状態で、次に2リンクモデルを用いて、下半身や上半身の角加速度、角度、股関節のモーメントなどを数10、数14、数15から求める(ステップS3)。
Next, with the angular acceleration, angle, and moment of the ankle joints calculated in this way, next, using the two-link model, the angular acceleration, angle, and moment of the hip joint, etc. of the lower body and upper body are calculated by
今度は、このように算出された1リンクモデルの角度θbを用い、数23や数32を用いて前額面における角加速度を求め、これを積分することにより角度を求める。また、身体が床面から受けるモーメントは、圧力中心におけるX軸まわりのモーメントであるため、Ns=-Mxとなり、フォースプレート2が2枚の場合は、数33からモーメントが求められる(ステップS4)。
Next, using the angle .theta.b of the one-link model thus calculated, the angular acceleration in the frontal plane is obtained using equations 23 and 32, and the angle is obtained by integrating this. In addition, since the moment that the body receives from the floor surface is the moment around the X-axis at the center of pressure, N s =-M x , and if there are two
そして、最後に前額面の関節モーメントを数39、数39、数42、数44を用いて算出する(ステップS5)。このように矢状面の1リンクモデルから2リンクモデル、また、前額面におけるモデルの順に計算をしていき、各部の角加速度、角度、モーメントを算出して出力する(ステップS6)。 Finally, the joint moment on the frontal plane is calculated using Equations 39, 39, 42, and 44 (step S5). In this way, calculations are performed in order from the 1-link model on the sagittal plane to the 2-link model and then the model on the frontal plane, and the angular acceleration, angle, and moment of each part are calculated and output (step S6).
このように上記実施の形態によれば、複数のロードセル3を備えたフォースプレート2と、当該ロードセル3からの出力値に基づいて、当該フォースプレート2の平面に沿った被検体からの剪断力と被検体の立位状態における圧力中心を算出する第一演算部5と、当該第一演算部5で算出された剪断力と圧力中心を用いて、被検体の各部位の角度、角速度、角加速度、モーメントの少なくとも一つを算出する第二演算部6と、当該第二演算部6で算出された値を出力する出力部7とを備え、前記第二演算部6で、あらかじめ足部質量、身体部質量、フォースプレートから各関節までの高さ、足部の質量中心までの高さ、身体部の質量中心の高さをパラメーターとして演算するようにしたので、フォースプレート2の剪断力と圧力中心だけから人間の各部の状態を検出することができ、従来のようにモーションキャプチャーのマークなどを施すことなく、簡単に被検体の状態を推定していくことができるようになる。
Thus, according to the above embodiment, the
上述のフォースプレートのみを用いた状態方法による結果と、従来例であるモーションキャプチャーとフォースプレートを用いて検出した結果の比較例を示す。実証実験においては、30秒間計測で行い、モーションキャプチャーで計測された値を太線、上記実施の形態で推定された値を細線で示す。サンプリング周波数は、ともに100Hzとし、モーションキャプチャーで計測された角速度および角加速度の算出は、数値微分により行った。被検体として、身長180cm、体重73kgの男性に静止床面に起立してもらった。 An example of comparison between the result of the state method using only the force plate described above and the result of detection using the conventional motion capture and force plate will be shown. In the demonstration experiment, measurement was performed for 30 seconds, and the values measured by motion capture are indicated by a thick line, and the values estimated in the above embodiment are indicated by a thin line. The sampling frequency was set to 100 Hz for both, and the angular velocity and angular acceleration measured by motion capture were calculated by numerical differentiation. As a test subject, a man with a height of 180 cm and a weight of 73 kg was asked to stand on a stationary floor.
図7の上から順に矢状面における1リンクモデルの角度、角速度、角加速度を示す。図7からわかるようにモーションキャプチャーで計算された値と近似していることがわかる。 The angle, angular velocity, and angular acceleration of the one-link model in the sagittal plane are shown in order from the top of FIG. As can be seen from FIG. 7, the values are similar to those calculated by motion capture.
また、2リンクモデルの角度、角速度、角加速度を図8に示す。同様に、図8においても、モーションキャプチャーで計算された値と近似していることがわかる。 FIG. 8 shows the angles, angular velocities, and angular accelerations of the two-link model. Similarly, in FIG. 8, it can be seen that the values are similar to those calculated by motion capture.
さらに、股関節まわりのモーメントを図9に示す。図9においても、モーションキャプチャーで計算された値と近似していることがわかる。 Further, the moment around the hip joint is shown in FIG. Also in FIG. 9, it can be seen that the values are similar to the values calculated by motion capture.
次に、フォースプレートに振動装置を備えて揺動実験を行った場合の実証結果を示す。フォースプレートの揺動は、0.1Hzから1.0Hzの間で複数の揺動波形を重ね合わせて不規則に揺動させるようにした。 Next, we will show the results of a rocking experiment in which the force plate is equipped with a vibrating device. The force plate was oscillated irregularly by superimposing a plurality of oscillating waveforms between 0.1 Hz and 1.0 Hz.
この図10に示すように、1リンクモデルにおいても、従来のモーションキャプチャーを用いた手法と近似していることが分かり、2リンクモデル(図11)や股関節モーメント(図12)においても非常に近似していることが分かった。 As shown in Fig. 10, it can be seen that the 1-link model is similar to the conventional motion capture method, and the 2-link model (Fig. 11) and hip joint moment (Fig. 12) are also very similar. I found out that I do.
一方、前額面の実証実験を行った。この場合も同様にモーションキャプチャーとの比較例を示す。1リンクモデルによる値を図13、2リンクモデルによる値を図14、関節モーメントの値を図15に示す。これらの値から分かるように、フォースプレートのみを用いた推定方法によっても、モーションキャプチャーによる推定と非常に近似していることが分かった。 On the other hand, a demonstration experiment was conducted on the frontal plane. In this case as well, a comparative example with motion capture is shown. FIG. 13 shows the values of the one-link model, FIG. 14 shows the values of the two-link model, and FIG. 15 shows the joint moment values. As can be seen from these values, the estimation method using only the force plate was found to be very similar to the estimation by motion capture.
1・・・状態推定システム
2・・・フォースプレート
3・・・プレート
4・・・ロードセル
5・・・第一演算部
6・・・第二演算部
7・・・出力部
8・・・揺動検出手段
1
Claims (9)
当該ロードセルからの出力値に基づいて、当該フォースプレートの平面に沿った被検体からの剪断力と被検体の立位状態における圧力中心を算出する第一演算部と、
当該第一演算部で算出された剪断力と圧力中心を用いて、被検体の各部位の角度、角速度、角加速度、モーメントの少なくとも一つを算出する第二演算部と、
当該第二演算部で算出された値を出力する出力部と、
を備えてなる状態推定システムにおいて、
前記第二演算部が、あらかじめ足部質量、身体部質量、フォースプレートから各関節までの高さ、足部の質量中心までの高さ、身体部の質量中心の高さをパラメーターとして演算されるものである状態推定システム。 a force plate with multiple load cells;
a first calculation unit that calculates the shear force from the subject along the plane of the force plate and the center of pressure of the subject in the standing state based on the output value from the load cell;
a second calculation unit that calculates at least one of the angle, angular velocity, angular acceleration, and moment of each part of the subject using the shear force and the center of pressure calculated by the first calculation unit;
an output unit that outputs the value calculated by the second calculation unit;
In a state estimation system comprising
The second calculation unit calculates in advance the mass of the foot, the mass of the body, the height from the force plate to each joint, the height to the center of mass of the foot, and the height of the center of mass of the body as parameters. A state estimation system that is
前記ロードセルの値を用いて、当該フォースプレートの平面に沿った被検体からの剪断力と被検体の圧力中心を算出する第一演算ステップと、
当該第一演算ステップで算出された剪断力と圧力中心を用いて、被検体の各部位の角度、角速度、角加速度、モーメントの少なくとも一つを算出する第二演算ステップと、
当該第二演算ステップで算出された値を出力するステップと、
を備えた状態推定方法において、
前記第二演算ステップで、あらかじめ足部質量、身体部質量、フォースプレートから各関節までの高さ、足部の質量中心までの高さ、身体部の質量中心の高さをパラメーターとして演算するようにした状態推定方法。 In a state estimation method for estimating the state of a subject standing on a force plate using a force plate equipped with a plurality of load cells,
a first calculation step of calculating the shear force from the subject along the plane of the force plate and the center of pressure of the subject using the load cell values;
a second calculation step of calculating at least one of the angle, angular velocity, angular acceleration, and moment of each part of the subject using the shear force and the center of pressure calculated in the first calculation step;
a step of outputting the value calculated in the second calculation step ;
In a state estimation method comprising
In the second calculation step, the mass of the foot, the mass of the body, the height from the force plate to each joint, the height to the center of mass of the foot, and the height of the center of mass of the body are calculated in advance as parameters. state estimation method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018204854A JP7146190B2 (en) | 2018-10-31 | 2018-10-31 | State estimation system and state estimation method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018204854A JP7146190B2 (en) | 2018-10-31 | 2018-10-31 | State estimation system and state estimation method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020069078A JP2020069078A (en) | 2020-05-07 |
JP7146190B2 true JP7146190B2 (en) | 2022-10-04 |
Family
ID=70548539
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018204854A Active JP7146190B2 (en) | 2018-10-31 | 2018-10-31 | State estimation system and state estimation method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7146190B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113080946B (en) * | 2021-04-29 | 2024-05-14 | 合肥工业大学 | Human body sitting station transfer capability measuring device, measuring method and electronic equipment |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004173875A (en) | 2002-11-26 | 2004-06-24 | Matsushita Electric Works Ltd | Foot joint function evaluating device |
JP2004329280A (en) | 2003-04-30 | 2004-11-25 | Kochi Univ Of Technology | Floor reaction force estimation device using sole pressure, and estimation system of leg joint moment and leg muscle tension using the device |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9526451B1 (en) * | 2012-01-11 | 2016-12-27 | Bertec Corporation | Force measurement system |
-
2018
- 2018-10-31 JP JP2018204854A patent/JP7146190B2/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004173875A (en) | 2002-11-26 | 2004-06-24 | Matsushita Electric Works Ltd | Foot joint function evaluating device |
JP2004329280A (en) | 2003-04-30 | 2004-11-25 | Kochi Univ Of Technology | Floor reaction force estimation device using sole pressure, and estimation system of leg joint moment and leg muscle tension using the device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2020069078A (en) | 2020-05-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3173191B1 (en) | Method for estimating posture of robotic walking aid | |
JP4291093B2 (en) | Method for estimating joint moments of biped walking objects | |
EP1721593A1 (en) | Generated torque control method for leg body exercise assistive apparatus | |
RU2004106542A (en) | METHOD FOR ASSESSING SUPPORT REACTIONS AND METHOD FOR ASSESSING MOMENTS OF TWO-WALKING BODY JOINTS | |
CA2451730A1 (en) | Method of estimating floor reactions of bipedal walking body, and method of estimating joint moments of bipedal walking body | |
JP4440759B2 (en) | Method for estimating floor reaction force of biped walking object | |
US11320450B2 (en) | Method for estimating attachment posture of inertial sensor | |
JP7146190B2 (en) | State estimation system and state estimation method | |
EP1649985B1 (en) | Method of estimating joint moment of two-legged walking mobile body | |
US20190328304A1 (en) | Joint torque computation device, joint torque computation method, and joint torque computation program | |
Kim | Development of 6-axis force/moment sensor for a humanoid robot's foot | |
JP2024066016A (en) | State Estimation System | |
Bordron et al. | Human squat motion: joint torques estimation with a 3D model and a sagittal model | |
CN111419236A (en) | Motion mode-independent lower limb dynamics real-time resolving method based on inertial sensor | |
US20200292571A1 (en) | Method for estimating attachment posture of inertial sensor | |
JP6589354B2 (en) | Lower limb training equipment | |
Hou et al. | Modeling and control of anterior–posterior and medial–lateral sways in standing posture | |
Imai et al. | Human motion oriented control method for humanoid robot | |
Takamori et al. | Estimation of applied force by using human body dynamics model | |
Hasan et al. | Development of a low cost system for lifting related injury analysis | |
JP2009219557A (en) | Simulation method and apparatus for exercise action with passive motion training device | |
Homma et al. | Utilization of Minimum Set of Inertial Parameters Identification Method Using Free Vibration Measurement to Improve the Accuracy of Ground Reaction Force Estimation | |
JP4291092B2 (en) | Method for estimating joint moments of biped walking objects | |
Kusumah | Foot force sensor implementation and analysis of ZMP walking on 2D bipedal robot with linear actuators | |
Tahboub et al. | Multisensory Human Postural Control: Neurological and Engineering Perspectives |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A80 | Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80 Effective date: 20181122 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20211006 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220819 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220824 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220826 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220909 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220909 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7146190 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |