JP7376834B2

JP7376834B2 - 重心制御支援装置とその方法

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Publication number: JP7376834B2
Application number: JP2022534536A
Authority: JP
Inventors: 有信新島; 十季武田; 隆佐藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2023-11-09
Anticipated expiration: 2040-07-07
Also published as: US20230248266A1; WO2022009311A1; JPWO2022009311A1

Description

本発明は、重心制御支援装置とその方法に関する。

デスクワークにおける運動不足解消を目的に、スタンディングデスクを使って立ち姿勢（以降、立位姿勢）で作業（仕事）を行う場合がある。立位姿勢は、例えば、前屈みの姿勢等で長時間作業を行うと、骨盤や筋肉に余分な負担がかかる。体の重心の偏りは体が歪む原因になる。

したがって、立位姿勢で長時間作業を行う場合は、体に負担がかからないような立位姿勢が取れるように支援する方法があるとよい。立位姿勢は、その姿勢における重心位置を計測することで検出することが可能である。

立位姿勢の重心位置を計測するには、市販のフォースプレート、圧力センサ等を用いた方法がある。センサで計測した結果を利用者にフィードバックする方法は、例えば、画面上の表示、音、及び振動等で知らせる方法が考えられる。

表示又は音で知らせる方法は、利用者の視聴覚を阻害し、作業の邪魔になる場合がある。また、振動で知らせる方法は、利用者がその刺激に応じて意識的に姿勢を変える必要があり、利用者に認知負荷がかかる。

視聴覚を阻害せず、又認知負荷も生じさせない方法としては、電気刺激で身体の姿勢を直接制御する方法がある（例えば非特許文献１）。

藤田欣也。他３名、「ＦＥＳによる対麻痺者立位姿勢のフィードバック制御」、電子情報通信学会論文誌 D 75.1(1992):791-798.

しかしながら、非特許文献１に開示された方法は、複数の電極を身体に装着しなければならず、煩わしく手間がかかるという課題がある。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、身体への電極の装着を不要にし、煩わしくなく手間のかからない重心制御支援装置とその方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る重心制御支援装置は、利用者の立位姿勢の重心位置の変化を計測する重心計測部と、前記重心位置が所定の範囲から外れた場合に、該外れた方向に対応させて前記利用者に触覚刺激を与える触覚刺激信号を生成する触覚刺激信号生成部と、前記触覚刺激信号を触覚刺激に変換して前記利用者の足の裏に提示する触覚刺激提示部とを備えることを要旨とする。

また、本発明の一態様に係る重心制御支援方法は、上記の重心制御支援装置が行う重心制御支援方法であって、利用者の立位姿勢の重心位置の変化を計測する重心計測ステップと、前記重心位置が所定の範囲から外れた場合に、該外れた方向に対応させて前記利用者に触覚刺激を与える触覚刺激信号を生成する触覚刺激信号生成ステップと、前記触覚刺激信号を触覚刺激に変換して前記利用者の足の裏に提示する触覚刺激提示ステップとを行うことを要旨とする。

本発明によれば、身体への電極の装着を不要にし、煩わしくなく手間のかからない重心制御を行うことができる。

本発明の実施形態に係る重心制御支援装置の機能構成例を示すブロック図である。図１に示す重心制御支援装置を用いている利用者を正面から見た様子を示す模式図である。図１に示す重心制御支援装置の上面を模式的に示す図である。図１の構成例をより具体的に示すブロック図である。図１に示す触覚刺激信号生成部と触覚刺激提示部の処理手順を示すフローチャートである。触覚刺激提示部の具体例を示す図である。本発明の実施形態に係る重心制御支援方法の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施形態に係る重心制御支援装置１００の機能構成例を示すブロック図である。図１に示す重心制御支援装置１００は、利用者の立位姿勢の重心位置を検出し、重心位置が所定の範囲から外れた場合に、利用者の足の裏に触覚刺激を提示し、姿勢の改善を促すものである。

図２は、利用者が重心制御支援装置１００を使用している様子を正面から見た模式図である。重心制御支援装置１００は、利用者Ｈが、その上に体重計のように両足を載せて使用する。

立位姿勢の場合の利用者Ｈの重心Ｃは、骨盤の位置にあり、重心線は身体の中心を通る直線である。重心線は、横から見ると利用者の耳孔、肩、股関節、膝関節後方、足関節前方を通り、両足の裏に通じる２本である。

利用者が体に負担がかからない立位姿勢を取ると、重心線を通して両足の裏には体重が均等にかかる。よって重心位置は、重心Ｃの鉛直方向の真下の重心制御支援装置１００の表面に在るように検出できる。一方、利用者が体に負担のかかるバランスを欠いた姿勢を取ると、重心位置はその直下の位置から同一面上を移動する。

本実施形態に係る重心制御支援装置１００は、その重心位置の移動を検出し、重心位置が所定の範囲から外れた場合に、利用者Ｈに触覚刺激を提示して重心制御を行う。触覚刺激は、例えば人の痛覚を刺激し、屈曲反射を生起させるものである。

屈曲反射は、例えば、熱いものに触れた場合に思わず手や足を引っ込める動作を伴う現象のことである。重心制御支援装置１００は、例えば屈曲反射を用いて利用者の姿勢を制御する。

図１に示すように重心制御支援装置１００は、重心計測部１０、触覚刺激信号生成部２０、及び触覚刺激提示部３０を備える。

重心計測部１０は、利用者Ｈの立位姿勢の重心位置の変化を計測する。重心計測部１０は、重心位置の変化を例えば歪みゲージ（ストレインゲージ）で計測する。歪みゲージは、金属抵抗体に荷重することによる伸び縮みを、抵抗値の変化に変換するものである。

触覚刺激信号生成部２０は、重心位置が所定の範囲から外れた場合に、該外れた方向に対応させて利用者に触覚刺激を与える触覚刺激を生成する。

触覚刺激提示部３０は、触覚刺激信号を触覚刺激に変換して利用者Ｈの足の裏に提示する。触覚刺激の提示は、４５度以上の温覚刺激又は１５度以下の冷覚刺激を与える方法が考えられる。また、突起物を皮膚に接触させる方法も考えられる。

図３は、重心制御支援装置１００の上面を模式的に示す図である。図３に示すように、重心制御支援装置１００の上面には、例えば４つの触覚刺激提示部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄが配置されている。

触覚刺激提示部３０Ａは左足の指の付け根の足裏部分に配置され、触覚刺激提示部３０Ｃは左足のかかとの足裏部分に配置される。触覚刺激提示部３０Ｂは右足の指の付け根の足裏部分に配置され、触覚刺激提示部３０Ｄは右足のかかとの足裏部分に配置される。

図３において破線で囲った正方形の範囲αは、利用者Ｈがバランスの取れた良い姿勢を取っている場合の重心位置の範囲を示す。利用者Ｈの重心位置の変化は、所定の範囲α内に重心位置が有るか否かで計測する。

例えば、利用者Ｈが左足の前方に体重をかけた場合、重心位置は所定の範囲αを越えて左足の指の付け根付近に移動する。その重心位置の移動を計測すると、触覚刺激信号生成部２０は、触覚刺激提示部３０Ａに触覚刺激を与える触覚刺激信号を生成する。そうすると、利用者Ｈは、左足の指の付け根付近に刺激を感じ、左足の前方に体重をかける姿勢変化を反射的に停止し、反対方向に体重を移動させる屈曲反射を行う。

また、利用者Ｈが両足のかかとに体重をかけた場合、重心位置は所定の範囲αを越えて両足のかかとの間を結ぶ線の中央付近に移動する。その重心位置の移動を計測すると、触覚刺激信号生成部２０は、触覚刺激提示部３０Ｃと３０Ｄに触覚刺激を与える触覚刺激信号を生成する。そうすると、利用者Ｈは、両足のかかと付近に刺激を感じ、両足の後方に体重をかける姿勢変化を反射的に停止し、両足の前方に体重を移動させる屈曲反射を行う。

このように荷重のかかった方向に、例えば痛覚を刺激する触覚刺激を生成することで屈曲反射を生起させ、利用者Ｈの重心位置を速やかに所定の範囲αの範囲内に戻すことができる。

以上説明したように、本実施形態に係る重心制御支援装置１００は、利用者Ｈの立位姿勢の重心位置の変化を計測する重心計測部１０と、重心位置が所定の範囲αから外れた場合に、該外れた方向に対応させて利用者Ｈに触覚刺激を与える触覚刺激信号を生成する触覚刺激信号生成部２０と、触覚刺激信号を触覚刺激に変換して利用者Ｈの足の裏に提示する触覚刺激提示部３０とを備える。これにより、身体への電極の装着を不要にし、煩わしくなく手間のかからない重心制御を行うことができる。

図４は、重心制御支援装置１００の構成をより具体的に示すブロック図である。図４を参照して各部を説明する。

（重心計測部）
重心計測部１０は、電源１１、４つの歪みゲージＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、及び重心位置変化検出部１２を備える。

電源１１は、歪みゲージＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が構成するブリッジに電圧を印加する。電源１１は、重心制御支援装置１００の電源で有っても構わない。

歪みゲージＲ１とＲ２は、直列に接続され、同様に直列接続された歪みゲージＲ３とＲ４と並列に接続される。４つの歪みゲージＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４はブリッジを構成する。

４つの歪みゲージＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、同じ抵抗値を持ち、歪みを受けた場合の抵抗値の変化率も同じであるとする。歪みゲージＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のそれぞれは、例えば、図３に示す触覚刺激提示部３０Ａ～３０Ｄの付近に一つずつ配置される。

図３に示すように、触覚刺激提示部３０Ａと３０Ｃの上には利用者Ｈの左足、触覚刺激提示部３０Ｂと３０Ｄの上には利用者Ｈの右足が載せられて、利用者Ｈは立位姿勢を取る。利用者が体に負担がかからないバランスの良い立位姿勢を取ると、両足を通る重心線を通して足の裏に体重が均等にかかる。

そうすると、歪みゲージＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のそれぞれは、荷重がかかるため抵抗値が変化するが、各歪みゲージＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は同じ変化する。したがって、ブリッジは平衡状態を維持するので、歪みゲージＲ１，Ｒ２の接続点の電圧Ｖ_Ｒ２と、歪みゲージＲ３，Ｒ４の接続点の電圧Ｖ_Ｒ４との間に電位差は生じない。

一方、利用者Ｈが、身体に負担のかかるバランスの悪い姿勢を取ると、ブリッジは不平衡状態となり、電圧Ｖ_Ｒ２と電圧Ｖ_Ｒ４との間に電位差が生じる。その電位差が所定の大きさを越えると、重心位置変化検出部１２は、利用者Ｈの重心位置が所定の範囲から外れたことを検出する。

例えば、利用者Ｈが左足の前方に体重を移動させた場合を仮定する。その場合、歪みゲージＲ１の断面積が減って抵抗値が大きくなる。又は、荷重されることで歪みゲージＲ１の抵抗体の長さが伸びるように構成してもよい。どちらにしても荷重されることで、歪みゲージＲ１～Ｒ４の抵抗値は大きくなる。

利用者Ｈが左足の前方に体重を移動させた場合は、歪みゲージＲ１の抵抗値が最大になる。利用者Ｈが左足の後方に体重を移動させた場合は、歪みゲージＲ２の抵抗値が最大になる。

同様に、利用者Ｈが右足の前方に体重を移動させると歪みゲージＲ３の抵抗値が最大になる。また、利用者Ｈが右足の後方に体重を移動させると歪みゲージＲ４の抵抗値が最大になる。このように、重心位置の移動を計測することが可能である。

（触覚刺激信号生成部）
触覚刺激信号生成部２０は、利用者Ｈの重心位置が所定の範囲から外れた場合に、該外れた方向に対応させて利用者Ｈに触覚刺激を与える触覚刺激信号を生成する。本実施形態において、触覚刺激信号生成部２０は、最大値の抵抗値を示す歪みゲージＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の何れかに対応させて触覚刺激信号を生成する。

図５は、重心位置変化検出部１２と触覚刺激信号生成部２０の処理手順を示すフローチャートである。

重心位置変化検出部１２は、利用者Ｈの重心位置が所定の範囲から外れた場合に、触覚刺激信号生成部２０に対して触覚刺激信号の生成を指令する（ステップＳ１）。その指令は、電圧Ｖ_Ｒ２と電圧Ｖ_Ｒ４との間の電位差が所定の閾値Ｖ_ｔｈを越えた場合に発せられる。

電圧Ｖ_Ｒ２と電圧Ｖ_Ｒ４との間の電位差が所定の閾値Ｖ_ｔｈを越えない場合は、利用者Ｈに姿勢の変化を促す必要が無いため、重心位置の変化を検出する処理を繰り返す（ステップＳ１のＮＯ）。

触覚刺激信号生成部２０は、重心位置変化検出部１２から触覚刺激信号の生成を指令する信号が入力されると、歪みゲージＲ１～Ｒ４の何れかが最大の抵抗値であるかを判定する（ステップＳ２～Ｓ４）。

歪みゲージＲ１の抵抗値が最大の場合は、左足の指の付け根付近に配置された触覚刺激提示部３０Ａが触覚刺激を提示する触覚刺激信号を生成する（ステップＳ５）。

歪みゲージＲ２の抵抗値が最大の場合は、左足のかかと付近に配置された触覚刺激提示部３０Ｃが触覚刺激を提示する触覚刺激信号を生成する（ステップＳ６）。

歪みゲージＲ３の抵抗値が最大の場合は、右足の指の付け根付近に配置された触覚刺激提示部３０Ｂが触覚刺激を提示する触覚刺激信号を生成する（ステップＳ７）。

歪みゲージＲ４の抵抗値が最大の場合は、右足のかかと付近に配置された触覚刺激提示部３０Ｄが触覚刺激を提示する触覚刺激信号を生成する（ステップＳ８）。

このように、利用者Ｈの重心位置の移動方向に対応させた触覚刺激信号を生成することができる。

（触覚刺激提示部）
触覚刺激提示部３０は、触覚刺激信号生成部２０が生成した触覚刺激信号を触覚刺激に変換して利用者Ｈの足の裏に提示する。触覚刺激は、温度刺激、接触刺激、振動刺激、電気刺激、超音波刺激、及び風刺激の何れで有ってもよい。

本実施形態は、温度刺激をペルチェ素子で提示する例で説明する。

図６は、触覚刺激提示部３０を構成する一つの触覚刺激提示部３０Ａを、ペルチェ素子で構成した構成例を模式的に示す図である。他の触覚刺激提示部３０Ｂ～３０Ｄについても同様である。

（ペルチェ素子）
触覚刺激提示部３０Ａ（以降、ペルチェ素子３０Ａ）は、熱電モジュール１３を2枚の伝熱板３１,３２で挟んで構成され、一方の伝熱板３１から他方の伝熱板３２へ熱を移動させるものである。伝熱板３１,３２は、熱伝導率が比較的に高くて安価な例えば銅材等で構成される。

熱電モジュール１３は、正電極１４、ｐ型熱電材料１５_１,１５_２、共通電極１６_１,１６_２,１６_３、ｎ型熱電材料１７_１,１７_２、及び負電極１８を備える。伝熱板３１,３２のそれぞれと各電極（正電極１４、負電極１８、共通電極１６_１,１６_２,１６_３）の間は絶縁層（図示せず）で絶縁される。

正電極１４に電源３４のマイナス極を接続し、負電極１８に電源３４のプラス極を接続する。すると、ｐ型熱電材料１５_１,１５_２の正孔は伝熱板３１から伝熱板３２に向けて移動する。また、ｎ型熱電材料１７_１,１７_２の電子も伝熱板３１から伝熱板３２に向けて移動する。伝熱板３１,３２の周辺の熱は、正孔と電子がキャリアとなって運ばれるので、この例では伝熱板３１が吸熱板、伝熱板３２が放熱板として作用する。以降、吸熱板３１、放熱板３２と表記する場合もある。

また、逆方向に電流を流すと、正孔と電子は逆方向に移動するので伝熱板３１が放熱板、伝熱板３２が吸熱板として作用する。なお、図６に示す例は、ペルチェ素子３０Ａの原理を説明するためにｎ型熱電材料１７とｐ型熱電材料１５の積層数を２層しか示していない。実用的な発熱及び吸熱の作用を得るためにｎ型熱電材料１７とｐ型熱電材料１５は、多層に積層される。

このように電流を供給することで放熱と吸熱の作用を行うペルチェ素子３０Ａのどちらか一方の伝熱板３１（３２）を人体の皮膚に接触させることで温覚刺激と冷覚刺激のどちらか一方を提示することができる。

温度刺激は、触覚刺激信号生成部２０が生成する触覚新劇信号がスイッチ３５をＯＮさせることで提示される。人の痛覚を刺激するためには、温覚刺激で４５度以上、冷覚刺激で１５度以下の温度を足の裏の皮膚に与えればよい。

被験者で検証したところ、６０度以上の温度刺激を提示すると確実に屈曲反射が生じることが確認できた。利用者Ｈは、屈曲反射によって直ちに姿勢を改める。

（重心制御方法）
図７は、本実施形態に係る重心制御支援装置１００が行う重心制御支援方法の処理手順を示すフローチャートである。

重心制御支援装置１００が動作を開始すると、重心計測部１０は利用者Ｈの立位姿勢の重心位置の変化を計測する（ステップＳ１０）。

触覚刺激信号生成部２０は、利用者Ｈの重心位置が所定の範囲から外れた場合に、該外れた方向に対応させて利用者Ｈに触覚刺激を与える触覚刺激信号を生成する（ステップＳ２０）。

触覚刺激提示部３０は、触覚刺激信号生成部２０が生成した触覚刺激信号を触覚刺激に変換して利用者Ｈの足の裏に提示する（ステップＳ３０）。

このように、重心制御支援方法は、重心制御支援装置１００が行う重心支援制御方法であって、利用者Ｈの立位姿勢の重心位置の変化を計測する重心計測ステップ（Ｓ１０）と、重心位置が所定の範囲から外れた場合に、該外れた方向に対応させて利用者Ｈに触覚刺激を与える触覚刺激信号を生成する触覚刺激信号生成ステップ（Ｓ２０）と、触覚刺激信号を触覚刺激に変換して利用者Ｈの足の裏に提示する触覚刺激提示ステップ（Ｓ３０）とを行う。これにより、利用者Ｈの身体への電極の装着を不要にし、煩わしくなく手間のかからない重心制御を行うことができる。

以上説明したように本発明によれば、利用者Ｈの身体に装着する電極が不要である。したがって、煩わしくなく手間のかからない重心制御を行うことが可能である。

なお、上記の実施形態の重心計測は、歪みゲージでブリッジを構成する例を示したが本発明はこの例に限定されない。ブリッジを構成せず、センサのそれぞれの抵抗値を測定し、その値から重心位置の変動を求めてもよい。センサも歪みゲージに限られない。

また、重心位置を検出センサの数は、４つ以上の複数を設けるようにしてもよい。重心位置の変化を、４つ以上の多方向について検出し、その方向に対応させて触覚刺激を提示するようにしてもよい。また、重心位置は、利用者をカメラで撮影し、画像解析して計測してもよい。

触覚刺激は、温度刺激の例を示したが、例えばソレノイドのピンによる接触刺激を提示するようにしてもよい。また、触覚刺激は、人の痛覚を刺激し屈折反射を伴う例を示したが本発明はこの例に限定されない。屈折反射を伴わない触覚刺激を提示しても構わない。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０：重心計測部
１２：重心位置変化検出部
２０：触覚刺激信号生成部
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ：触覚刺激提示部
１００：重心制御支援装置

Claims

利用者の立位姿勢の重心位置の変化を計測する重心計測部と、
前記重心位置が所定の範囲から外れた場合に、該外れた方向に対応させて前記利用者に触覚刺激を与える触覚刺激信号を生成する触覚刺激信号生成部と、
前記触覚刺激信号を触覚刺激に変換して前記利用者の足の裏に提示する触覚刺激提示部とを備え、
前記重心計測部は、複数の歪みゲージで構成されるブリッジであって、
前記触覚刺激提示部は、複数の刺激提示部を備え、
前記触覚刺激信号生成部は、最大の抵抗値を示す歪みゲージに対応する刺激提示部に対する触覚刺激信号を生成する
重心制御支援装置。
前記触覚刺激は、温度刺激である請求項１に記載の重心制御支援装置。
重心制御支援装置が行う重心支援制御方法であって、
利用者の立位姿勢の重心位置の変化を計測する重心計測ステップと、
前記重心位置が所定の範囲から外れた場合に、該外れた方向に対応させて前記利用者に触覚刺激を与える触覚刺激信号を生成する触覚刺激信号生成ステップと、
前記触覚刺激信号を触覚刺激に変換して前記利用者の足の裏に提示する触覚刺激提示ステップとを行い、
前記重心計測ステップは、複数の歪みゲージで構成されるブリッジを用いて、前記重心位置の変化を計測し、
前記触覚刺激信号生成ステップは、前記触覚刺激を提示する複数の刺激提示部のうち、最大の抵抗値を示す歪みゲージに対応する刺激提示部に対する触覚刺激信号を生成する
重心制御支援方法。