JPWO2014033877A1 - 荷重およびモーメントの検知装置、ならびにその検知装置を含む義肢 - Google Patents

Abstract

この発明は、ひずみゲージによる出力を大きくすることができる、荷重およびモーメントの検知装置を提供する。その検知装置は、特徴的なセンサーブロックを備える。そのセンサーブロックは、検知すべき荷重の方向に沿う軸心をもつベースと、ベースの軸心からオフセットした位置でベースから起立したフロント側壁と、そのフロント側壁とはベースの軸心から反対方向にオフセットした位置でベースから起立したリヤ側壁と、さらに、フロント側壁の上端とリヤ側壁の上端とを連結する上壁とを含む構成である。センサーブロックは、上壁の上面に各ひずみゲージを支持する。上壁は、フロント側壁とリヤ側壁との中央に位置する中央部分と、その中央部分とフロント側壁との間に位置する第１の部分と、その中央部分とリヤ側壁との間に位置する第２の部分とを含む。ひずみゲージを支持する第１の部分および第２の部分は、中央部分に比べて、厚さが小さく、相対的に変形あるいはひずみを生じやすい。

Description

この発明は、外力を受けるセンサーブロックと、そのセンサーブロックに支持され、外力の成分である荷重およびモーメントを検知するひずみゲージとを備える、荷重およびモーメントの検知装置に関し、特に、大きなひずみ出力を得る上で有効な技術に関する。また、この発明は、そのような検知装置を組み込んだ義足あるいは義手などの義肢（この義肢には、ロボットの手足をも含む）にも関する。

この種の義肢においては、それがどのような状態あるいは局面にあるかを正確に把握することが必要である。その把握が、適切な制御を導くからである。たとえば、義足について考えると、それが歩行のどの局面、すなわち、遊脚相あるいは立脚相、また、平地歩行あるいは坂道歩行、にあるかを知ることが大切である。ここで問題とする荷重およびモーメントは、膝角度とともに、そのような局面を知る重要なファクターである。以下、適用対象として義足を中心に説明を進めるが、この発明は、義足のほか、他の義肢にも適用することができるのは勿論である。

荷重（あるいは軸方向力）とモーメントとを測定あるいは検知する第１の手法は、それらの荷重とモーメントとをそれぞれ独立に検知するというものである。特許文献１や特許文献２が、そのような第１の手法を示す。また、第２の手法は、荷重とモーメントとの混合情報を一緒に取得し、それら取得した混合情報を演算により分離し、荷重とモーメントとの各情報を得るというものである。特許文献３が、第２の手法を示す。なお、それら第１および第２の両手法は、一般的に、センサーブロックおよびひずみゲージを含む検知装置を義肢に組み込み、検知装置自体を義肢の一つの構成部品とすることを前提にしている。

検知装置を義肢の構成部品にするという技術とは別に、検知装置を義肢に仮に組み込むことにより、その検知装置を用いて義肢に関する解析や評価（装着者に適合するか否かの評価）を行い、その後に、検知装置を義肢の所定の構成部品（たとえば、回転アダプター）と置き換えるという技術も知られている。特許文献４は、検知装置を仮に組み込む技術を示している。

先行特許文献

特許文献１：ＷＯ２０１１／１００１１７
特許文献２：特開２００３−７０８１７号公報
特許文献３：ＷＯ２００１／０７２２４５
特許文献４：ＷＯ２００７／０４８３７４（特表２００９−５１３１９８号公報に対応）

荷重とモーメントの各情報を独立に検知する第１の手法では、ひずみセンサーを支持するために、センサーブロックには直交する２つの面が必要である。そのため、たとえば、特許文献１や特許文献２が示すように、センサーブロックは、断面リング形状の中空構造であり、その中空構造の内部の面にひずみゲージを配置することが必要である。その点、第１の手法は、荷重とモーメントとの情報を共有しないため、ひずみゲージが倍の本数必要であり、それらのひずみゲージを設ける作業が大変であり、検知装置の製造に手間がかかるという問題がある。

第２の手法は、必要とするひずみゲージの数が相対的に少ないという特徴がある。しかし、第１、第２の手法にかかわらず、有効な信号処理を行うためには、ひずみゲージが大きな出力を生じるようにすべきである。そのために、センサーブロックに加わる外力によって、ひずみゲージを支えるセンサーブロックの部分がより大きなひずみを生じるようにすることが望まれる。ところが、大きなひずみを得ようすると、センサーブロックが大型化する傾向があり、検知装置を小型化する上で障害になってしまう。

たとえば、大きなひずみ量を得る観点から特許文献４を見ると、センサーブロックの四角のフランジの各隅に支柱を設け、フランジ上それらの各支柱（つまり、固定部分）から少し離れた箇所に各ひずみゲージを配置するようにしている。固定部分から、ひずみゲージのある箇所まで少し距離があることから、外力は曲げ力として各ひずみゲージに加わる。しかし、少しの距離はわずかであり、ひずみ量は小さく、ひずみゲージの出力は低い。

そこで、この発明は、センサーブロックの小型化を考慮しつつ、外力による曲げを大きくする構成とし、ひずみゲージによる出力を大きくすることができる検知装置を提供することを目的とする。

また、この発明は、ひずみゲージのごく近くに、ひずみゲージの検知出力を増幅するアンプを配置することができる検知装置を提供することを他の目的とする。この発明のその他の目的については、今後の説明から明らかになるであろう。

この発明では、必要とするひずみゲージの数が少ない第２の手法を採用する。そして、ひずみゲージによる出力を大きくするため、ひずみゲージを支えるセンサーブロックを特定の構成にする。すなわち、そのセンサーブロックは、検知すべき荷重の方向に沿う軸心をもつベースと、ベースの軸心からオフセットした位置でベースから起立したフロント側壁と、そのフロント側壁とはベースの軸心から反対方向にオフセットした位置でベースから起立したリヤ側壁と、さらに、フロント側壁の上端とリヤ側壁の上端とを連結する上壁とを含む構成である。

センサーブロックは、全体を一体的な構造とする。その材料に対しては、耐食性や機械的な強度にすぐれ、さらにまた、ヤング率が小さく、塑性変形しにくく（あるいは、耐力が大きく）、熱膨張しにくいなど、さまざまな特性が関係する。また、義肢を軽量化する点から、重さも重要である。そのような各種の特性を考慮しつつ、センサーブロックの材料として好適なものは、たとえば、アルミあるいはアルミ合金、ステンレス鋼、チタンあるいはチタン合金などの金属やその合金を挙げることができる。

センサーブロックは、上壁の上面に各ひずみゲージを支持するが、ひずみゲージを配置する上壁の部分は他の上壁部分よりも外力の影響を受けて変形しやすくなっている。上壁を具体的に見ると、上壁は、フロント側壁とリヤ側壁との中央に位置する中央部分と、その中央部分とフロント側壁との間に位置する第１の部分と、その中央部分とリヤ側壁との間に位置する第２の部分とを含む。ここで、中央部分は、フロント側壁およびリヤ側壁の各オフセット方向に対し直交する部分であり、ひずみゲージを支持する第１の部分および第２の部分は、その中央部分の両側に位置する。

中央部分は、第１の部分および第２の部分よりもたとえば厚さが大きく、それにより、剛性が大きく変形しにくい。剛性を大きくするため、リブを設けることもできる。そのような中央部分に対し、ひずみゲージを支持する第１の部分および第２の部分は、たとえば厚さが小さく、相対的に変形あるいはひずみを生じやすい。ひずみゲージは、上壁の第１の部分の上面に位置する第１のひずみゲージと、上壁の第２の部分の上面に位置する第２のひずみゲージとの二種類あるいは二群である。

第１および第２の各ひずみゲージとしては、一般的には抵抗線ひずみゲージを用いるが、より高出力の半導体ひずみゲージを用いることもできる。これらのひずみゲージは、センサーブロックの上壁の上面に配置し設けるので、その貼り付け作業が容易である。第１のひずみゲージと第２のひずみゲージとは、上壁の中央部分に対して対称的な配置である。したがって、両ひずみゲージは、互いに相補的な関係になり、温度特性の上でも好ましい。それに加え、対称的な配置をもつ両ひずみゲージは、貼り付け誤差を考慮した校正を有効に行うことができるという利点をも生む。

そのような第１のひずみゲージおよび第２のひずみゲージによって、一方向の荷重および一平面上のモーメントの混合情報を検知する。一方向の荷重は、センサーブロックのベースの軸心に沿う方向の荷重であり、また、一平面上のモーメントは、フロント側壁およびリヤ側壁の各オフセット方向に沿い、しかも、上壁の上面に直交する面上のモーメントである。

この発明では、荷重およびモーメントを検知すべき対象物（たとえば、義足）とセンサーブロックとの取り付け部の位置を、センサーブロックの中央部分の両端部であり、フロント側壁およびリヤ側壁の各オフセット方向に対し直交する方向の両端部とする。それら中央部分の両端部を通して、検知すべき対象物を取り付けあるいは固定する。

中央部分の両端部を対象物に固定する手段として、複数の固定ねじを用いる一般的な方法を採用することもできるが、好ましくは、リング状の固定ねじ部材を用いるのが良い。そうすれば、そのリング状の固定ねじ部材が区画する内周空間に、ひずみゲージの検知出力を増幅するアンプを配置することができるからである。しかもまた、アンプを囲む固定ねじ部材は導電体であるため、放射電波に対するシールド効果を期待することもできる。そのような固定手段による固定の結果、センサーブロックの上壁の中央部分は、両端部における固定であるにもかかわらず、その中央部分の全体を固定したと同様に機能する。なぜなら、中央部分は、剛性が高く変形しにくい、いわば剛体であるからである。

センサーブロックには、ベースおよび上壁、ならびにフロント側壁およびリヤ側壁によって空間が区画されている。そのため、ベースに加わる外力は、ベース上に起立するフロント側壁およびリヤ側壁を通して上壁に伝わる。外力が伝わる上壁の部分と、上壁の中央部分に位置する固定部分とは、上壁の径の半分相当だけ離れた箇所に位置する。そのため、フロント側壁およびリヤ側壁を通して上壁に伝わる外力は、上壁の第１の部分および第２の部分に比較的に大きな曲げを生じる。曲げが大きいことから、曲げに伴うひずみは大きく、そのひずみを検出する第１および第２のひずみゲージのひずみ出力も大きくなる。

充分な耐久性を確保し、長期にわたる使用を可能にするため、上壁の曲げの範囲を規制することが好ましい。曲げの範囲を規制あるいは制限する手段として、一方向の曲げの限界を定める第１のストッパーと、一方向とは反対方向の曲げの限界を定める第２のストッパーとを含むストッパー手段を用いることができる。第１および第２のストッパーは、フロント側壁およびリヤ側壁の外周部分に設けることができる。この点、義足側にストッパーを設けることもできるが、公差の管理上、センサーブロック側にストッパーを設ける方が好ましい。

この発明の検知装置は、義肢の中に一体的に組み込み、その検知装置を義肢の構成要素の一つにした形態で適用することもできるし、検知装置を義肢の中に仮に組み込んで、義肢の使用について評価や調整をするために用いることもできる。特に、一体的に組み込む形態の場合、小型化の観点から、検知装置のセンサーブロックを、義肢がもつアライメントブロックとして用いるようにするのが好ましい。

第１および第２のひずみゲージは、荷重とモーメントとを含む混合情報である。それらのひずみゲージは、中央部分の固定部を中心に対称的に配置されている。そのため、第１および第２の各ひずみゲージにおいて、同じ大きさの荷重が同じ方向に作用し、しかもまた、同じ大きさのモーメントが互いに逆の方向に作用する。そこで、各ひずみゲージからの出力信号の加算処理により荷重情報を得ることができ、また、減算処理によりモーメント情報を得ることができる。そのような演算処理については、義足などの義肢自体がもつ制御用のマイクロコンピュータによって行うことができるし、あるいはまた、専用のオペアンプにより行うこともできる。

この発明の検知装置を組み込んだ義足の一実施形態を示す断面構造図である。 図１の検知装置の組み込み形態を示す断面図である。 検知装置で用いるセンサーブロックを示す斜視図である。 図３の４−４線の方向に沿う断面図である。 センサーブロックにおける力の伝達を示す説明図である。 検知装置におけるストッパー手段を示す説明図である。 ひずみゲージの第１の貼り付け例を示す模式図である。 ひずみゲージの第２の貼り付け例を示す模式図である。 ひずみゲージの第３の貼り付け例を示す模式図である。 ひずみゲージの貼り付け誤差の校正の一例を示すグラフである。 校正により得た検知装置の出力例を示すグラフである。 荷重とモーメントとを算出するための演算回路の一例を示す電気回路図である。

図１は、この発明の一実施形態であり、検知装置を組み込んだ多軸義足であり、特に、膝継手の部分を中心に示している。大腿義足である義足１０は、膝の上側に位置する上部材１２と、膝の下側に位置し、上部材１２に対して屈曲あるいは揺動可能に連結して膝の屈曲を可能とする下部材１４とを備える。上部材１２は２つのプレート部分を含むプレート形態であるのに対し、下部材１４は、内部空間を区画するフレーム形態である。

そのような上部材１２の上端部には、大腿を構成するためのソケット（図示しない）、また、他方の下部材１４の下端部には、脚部を構成するための脚部材（図示しない）をそれぞれ取り付ける。その際、軸位置を適正にするため、各取り付け部にアライメントブロックを配置する。ここにおける義足１０においては、上部材１２側について、通常のアライメントブロック１２２を設けているのに対し、下部材１４側については、検知装置３０の一構成部品であるセンサーブロック４０をアライメントブロックとして機能させる。勿論、検知装置としては、アライメントと無関係に（たとえば、センサーブロックがピラミッド部を含まず）単に義足と足部とを結合させる形態をとることもできる。

また、検知装置３０は、センサーブロック４０を下部材１４であるカーボンフレームに連結する部材として、金属製のセンサーブラケット５０を備える。そのセンサーブラケット５０は、下部材１４であるカーボンフレームと一体成形され、下部材１４の下部内周に位置する。したがって、荷重およびモーメントを検知する検知装置３０は、義足１０の構成部品と一体的に融合している。

義足１０は、検知装置３０を備えるほか、防水化および防塵化のための蛇腹パッキン手段６０をも備えているが、その他は一般的な義足と同様の構成である。たとえば、上部材１２と下部材１４とを膝継手１６が連結する。膝継手１６は、４節のリンク機構から構成される。そして、下部材であるフレーム１４の内側に、電子制御のための電池１７や制御基板１８、さらには、膝継手１６の動きを補助または制限する油圧シリンダー２０を備える。油圧シリンダー２０が、絞りを通る作動油の流れ抵抗に応じて、膝継手１６の動きを制限することは良く知られたことである。

次に、図２〜４を参照しながら、検知装置３０の構成上の特徴を明らかにしよう。検知装置３０の重要な構成部分は、たとえばチタン製のセンサーブロック４０である。センサーブロック４０は、一体的な金属加工物であり、ピラミッド部４２１を含むベース４２と、ベース４２上に起立したフロント側壁４４およびリヤ側壁４６と、それら両側壁４４，４６間をかけ渡す上壁４８とを備える。

ベース４２は、ピラミッド部４２１のほか、そのピラミッド部４２１よりも大径なベース本体４２２を備える。ベース本体４２２の外径は、たとえば３０〜３５ｍｍほどである。ピラミッド部４２１の軸心に合致するベース４２の軸心は、検知すべき荷重の方向に沿う。

センサーブロック４０は、面対称であり、その対称面はベース４２の軸心を含む特定の面である。ベース４２、具体的には、大径なベース本体４２２から起立する二つの側壁４４，４６は、軸心を含む特定の面からそれぞれ反対方向にオフセットしており、互いに離れたフロント側壁４４とリヤ側壁４６とは、互いに対称な立体形状である。ここで、側壁に対し、「フロント」、「リヤ」という語を用いた理由は、義足１０による歩行方向に対応させるためである。すなわち、「フロント」とは歩行方向の前方、「リヤ」とは歩行方向の後方をそれぞれ意味する。したがって、義足１０において、フロント側壁４４は歩行方向の前方に位置する側壁であり、また、リヤ側壁４６は歩行方向の後方に位置する側壁である。

「フロント」、「リヤ」の観点から見るとき、上壁４８は、「フロント」と「リヤ」とを結ぶ方向、つまり、歩行方向に沿う方向に伸びている。上壁４８は、フロント側壁４４の上端とリヤ側壁４６の上端とを連結し、ベース４２のベース本体４２２の上面との間に空間４７を区画している。この空間４７の形や幅は、検知装置３０の出力に影響する。幅が小さすぎると出力は小さくなる。しかし、幅を大きくしすぎると機械的な破損が生じやすくなる。特に、出力に対する影響は、ひずみゲージを配置する部分、すなわち、第１の部分４８１および第２の部分４８２の幅である。したがって、それらを考慮しつつ、空間４７の形や大きさを決める。なお、空間４７の幅自体は、たとえば２５ｍｍほどである。

上壁４８は、フロント側壁４４とリヤ側壁４６との中央に位置する中央部分４８０が厚く、中央部分に隣り合う両側の第１の部分４８１および第２の部分４８２が薄い。中央部分４８０は、義足１０の下部材１４に連結する取り付け部を含む部分である。取り付け部４８０ａ，４８０ｂは、中央部分４８０の長手方向の両端に位置する。それら取り付け部４８０ａ，４８０ｂは、センサーブロック４０を固定するための部分であり、安定した取り付けあるいは固定を行うため、中央部分４８０は厚さが大きく、全体として剛体のようにふるまう。

センサーブロック４０は、下部材１４と一体のセンサーブラケット５０の内周にはめ合わせ、センサー固定ねじ７０により固定する。センサー固定ねじ７０はリング状であり、ねじ込みによりその下面が中央部分４８０の両端の取り付け部４８０ａ，４８０ｂを上から押さえつけ固定する。この場合、上壁４８の中央部分４８０は、両端の取り付け部４８０ａ，４８０ｂの下面側をセンサーブラケット５０の段差に当てつつ、上面側からセンサー固定ねじ７０の締め付け力あるいは押さえつけ力を受ける。したがって、センサー固定ねじ７０による実際の押さえつけは、中央部分４８０の両端部だけである。しかし、中央部分４８０自体が大きな剛性をもつため、センサーブロック４０は、上壁４８の中央で固定されているのと同じ効果を生む。なお、センサー固定ねじ７０は、いわゆるツイストロック形式が好ましいが、そのほか、一般的なねじ形態をとることもできる。ここで、固定に伴うセンサーブロック４０とセンサーブラケット５０との回転を確実に抑えるために、センサーブロック４０の外周部分（具体的には、上壁４８の外周部分）とセンサーブラケット５０の内周部分との間に回転止め手段を設けるのが好ましい。そのような回転止め手段として、止めねじを設けることもできるが、最も好ましくは、互いにはまり合う部分に、円周面と非円周面（平面や曲面）とを設けることである。また、図３中、符号９１および９２は、ひずみゲージの検知出力を増幅するアンプ（図示しない）を取り付けるための取り付けねじ穴である。アンプは、それらの取り付けねじ穴９１，９２を利用して、上壁４８上、センサー固定ねじ７０の内周空間の部分、すなわち、上壁４８上面のひずみゲージのごく近くに配置される。

力の伝達を有効に行う点で、上壁４８の中央部分４８０における上面および下面と、上壁４８の他の第１の部分４８１および第２の部分４８２における上面および下面との高さ関係が重要である。第１に、上壁４８の中央部分４８０の上面位置は、上壁４８の第１の部分４８１および第２の部分４８２の各上面位置よりも高さ位置が上方である。それらの高さ位置が同じ場合には、フロントおよびリヤの側壁４４，４６の上部から力が逃げ、上壁４８に力が伝わりにくくなるのに対し、高さ位置が異なるために、フロントおよびリヤの側壁４４，４６側からの力を上壁４８側に有効に伝えることができる。第２に、上壁４８の中央部分４８０の下面位置は、上壁４８の第１の部分４８１および第２の部分４８２の各下面位置よりも下方に位置する。それにより、中央部分４８０における取り付け部４８０ａ，４８０ｂの下面の高さが、上壁４８の第１の部分４８１および第２の部分４８２の各下面位置よりも下方に位置することになる。その結果、それらの下面位置を同じ高さにした場合の不都合、すなわち、センサー固定ねじ７０を締めたときにフロントおよびリヤの側壁４４、４６の下部にその力が伝わり、第１の部分４８１および第２の部分４８２にひずみが生じるという不都合を未然に防ぐことができる。

厚さの小さい第１の部分４８１および第２の部分４８２は、上壁４８において、厚さの大きい中央部分４８０の両側に位置する。第１の部分４８１および第２の部分４８２は、それぞれひずみゲージを設ける部分である。それら第１および第２の各部分４８１，４８２は、結果的に梁における曲げ的な力を受けることになる。

図５は、センサーブロック４０における力の伝達を示している。すでに述べたように、センサーブロック５０の固定部分あるいは取り付け部４８０ａ，４８０ｂは、上壁４８の中央部分４８０の両端に位置する。外力は、センターブロック４０のベース４２の下部、つまりピラミッド部４２１を通して加わる。その外力には、ベース４０の軸心に沿う方向の鉛直Ｆｚと、義足の走行方向（別に言うと、フロント側壁４４とリヤ側壁４６とを連絡する方向）に沿い、上壁４８の上面に直交する面上のモーメントＭｙとを含む。

ピラミッド部４２１を含むベース４２と上壁４８とは、空間４７を隔てて互いに離れている。そのため、ベース４２に加わる外力は、空間４７を挟み込むフロント側壁４４およびリヤ側壁４６を通して上壁４８側に伝わる。たとえば、フロント側壁４４側に押し上げ力ｆ１、リヤ側壁４６側に引き下げ力ｆ２がそれぞれ加わる。フロント側壁４４とリヤ側壁４６との中間に位置する中央部分４８０が固定されているため、それら押し上げ力ｆ１および引き下げ力ｆ２によって、第１の部分４８１には上方への曲げ力ｂ１、そして、第２の部分４８２には下方への曲げ力ｂ２がそれぞれ作用する。その結果、第１の部分４８１および第２の部分４８２におけるひずみ量が、単純な圧縮および引張におけるひずみ量に比べて拡大することになる。

ここで、ひずみ量が拡大することは、検知装置３０の検知感度が高まることであり、ひずみ出力を上げる点からも好ましい。しかし、第１の部分４８１および第２の部分４８２がひずみやすいことから、強い負荷あるいは外力が加わるような場合、それらの部分に破損を生じるおそれがないとは言い切れない。そこで、そのような破損を確実に防止するため、曲げの大きさあるいは範囲を規制することが好ましい。規制する方法として、図６に示すように、フロント側壁４４およびリヤ側壁４６の各部分に曲げの範囲を制限するストッパー手段８０を設けるのが良い。ストッパー手段８０は、曲げ範囲の一方を定める第１のストッパー８１と、曲げ範囲の他方を定める第２のストッパー８２とを含む。具体的には、フロント側壁４４およびリヤ側壁４６の上部外周のフランジをセンサーブラケット５０あるいはセンサー固定ねじ７０の部分に当てることによって規制することができる。

さて、曲げに変換した一方の曲げ力ｆ１は、第１の部分４８１中、フロント側壁４４寄りの部分４８１ｔに引張、中央部分４８０寄りの部分４８１ｃに圧縮をそれぞれもたらす。また、他方の曲げ力ｆ２は、第２の部分４８２中、リヤ側壁４６寄りの部分４８２ｔに引張、中央部分４８０寄りの部分４８２ｃに圧縮をそれぞれもたらす。それら圧縮、引張の作用力は、義足の走行方向（別に言うと、フロント側壁４４とリヤ側壁４６とを連絡する方向）に向いていることは勿論である。したがって、抵抗線ひずみゲージなどのひずみゲージは、その方向に沿うように貼り付けることになる。

図７〜９は、ひずみゲージの貼り付けの各例を示す。図７はゲージ数が２のハーフブリッジ、図８はゲージ数が１のクオータブリッジ、図９はゲージ数が４のフルブリッジをそれぞれ示す。図７のハーフブリッジにおいては、引張をもたらす部分４８１ｔ，４８２ｔに第１のひずみゲージ１０１ａあるいは１０１ｂを、また、圧縮をもたらす部分４８１ｃ，４８２ｃに第２のひずみゲージ１０２ａあるいは１０２ｂをそれぞれ貼り付ける。また、図８のクオータブリッジにおいては、両側の引張をもたらす部分４８１ｔ，４８２ｔにひずみゲージ１０１ａあるいは１０１ｂをそれぞれ貼り付ける。さらに、図９のフルブリッジにおいては、両側の引張をもたらす部分４８１ｔ，４８２ｔ、および圧縮をもたらす部分４８１ｃ，４８２ｃにそれぞれひずみゲージ１０１〜１０４を貼り付ける。

図７〜９の各図に付属して示すように、ひずみ出力については、一般的なホイーストンブリッジにより得る。その場合、フルブリッジを除き、４つの抵抗の中に固定抵抗を含むことは勿論である。図８のクオータブリッジは、ひずみゲージ数が少ないことから、他のものよりも貼り付け作業がより容易であるが、ひずみ出力の点では他のものの方が有利である。なぜなら、引張と圧縮をもたらす各部部におけるひずみゲージの検知出力の差分をとることにより、ひずみ出力の感度を倍増させることができ、しかもまた、温度特性を向上させることができるからである。

しかし、この発明では、図７〜９に示す各場合において、各ひずみゲージはセンサーブロック４０の上壁４８の上面に貼り付けるので、その貼り付け作業は容易である。そして、中央部分４８０の両側の第１の部分４８１および第２の部分４８２に貼り付けるべきひずみゲージの貼り付け誤差について校正を行うことができる。そのため、貼り付け位置について、厳密に管理することは不要である。

図１０は、貼り付け誤差の校正の一例を示している。第１の部分４８１におけるひずみゲージが関与するホイーストンブリッジをＡ、第２の部分４８２におけるひずみゲージが関与するホイーストンブリッジをＢとする。図１０は、各ホイーストンブリッジＡ，Ｂの出力を破線および実線によってそれぞれ示す。一方のホイーストンブリッジＡの振幅は「４４３４」であり、他方のホイーストンブリッジＢの振幅は「４３８５」である。その比Ｐ、つまり、Ｂ／（Ａ＋Ｂ）は０．４９７である。各ホイーストンブリッジＡ，Ｂに関与するひずみゲージが左右対称に配置され貼り付けられているとき、そのＰの値は「０．５」になる。したがって、実際のＰの値を校正係数として、貼り付け誤差を校正することができる。

両側（つまり、左右）の各ホイーストンブリッジＡ，Ｂからは、荷重とモーメント（あるいはトルク）とが混じった情報が出力される。加算処理および減算処理により、荷重ＦｚおよびモーメントＭｙに切り分けることができる。その点、貼り付け誤差の校正係数Ｐを考慮した計算式は、次のとおりである。
Ｆｚ＝Ｐｘ（Ａの出力）＋（１−Ｐ）ｘ（Ｂの出力）
Ｍｙ＝Ｐｘ（Ａの出力）−（１−Ｐ）ｘ（Ｂの出力）
図１１は、貼り付け誤差を考慮し校正した荷重ＦｚおよびモーメントＭｙの各一例を示す。なお、図１１中、負荷を細い実線で示す。

荷重ＦｚおよびモーメントＭｙの演算は、義足１０の制御のためのマイクロコンピュータを用いて行うこともできるし、オペアンプを含む電気回路を用いて行うこともできる。図１２は、その電気回路の一例を示す。

１０ 義足（義肢）
１２ 上部材
１４ 下部材
１６ 膝継手
３０ 検知装置
４０ センサーブロック
４２１ ピラミッド部
４２ ベース
４２２ ベース本体
４４ フロント側壁
４６ リヤ側壁
４７ 空間
４８ 上壁
４８０ 中央部分
４８０ａ，４８０ｂ 取り付け部
４８１ 第１の部分
４８２ 第２の部分
５０ センサーブラケット
７０ センサー固定ねじ
８０ ストッパー手段

第１および第２のひずみゲージは、荷重とモーメントとを含む混合情報を検知する。それらのひずみゲージは、中央部分の固定部を中心に対称的に配置されている。そのため、第１および第２の各ひずみゲージにおいて、同じ大きさの荷重が同じ方向に作用し、しかもまた、同じ大きさのモーメントが互いに逆の方向に作用する。そこで、各ひずみゲージからの出力信号の加算処理により荷重情報を得ることができ、また、減算処理によりモーメント情報を得ることができる。そのような演算処理については、義足などの義肢自体がもつ制御用のマイクロコンピュータによって行うことができるし、あるいはまた、専用のオペアンプにより行うこともできる。

図５は、センサーブロック４０における力の伝達を示している。すでに述べたように、センサーブロック５０の固定部分あるいは取り付け部４８０ａ，４８０ｂは、上壁４８の中央部分４８０の両端に位置する。外力は、センサーブロック４０のベース４２の下部、つまりピラミッド部４２１を通して加わる。その外力には、ベース４０の軸心に沿う方向の鉛直Ｆｚと、義足の走行方向（別に言うと、フロント側壁４４とリヤ側壁４６とを連絡する方向）に沿い、上壁４８の上面に直交する面上のモーメントＭｙとを含む。

Claims (15)

1. 外力を受けるセンサーブロックと、そのセンサーブロックに支持され、前記外力の成分である荷重およびモーメントを検知するひずみゲージとを備える、荷重およびモーメントの検知装置であって、次の各特徴を備える検知装置。
   （Ａ）前記センサーブロックは、
   ・前記荷重の方向に沿う軸心をもつベース、
   ・前記軸心からオフセットした位置で前記ベースから起立したフロント側壁、
   ・そのフロント側壁とは前記軸心から反対方向にオフセットした位置で前記ベースから起立したリヤ側壁、および
   ・前記フロント側壁の上端と前記リヤ側壁の上端とを連結する上壁、
   を含む。
   （Ｂ１）前記上壁は、
   ・前記フロント側壁およびリヤ側壁の各オフセット方向に対し直交する部分であって、それらフロント側壁とリヤ側壁との中央に位置する中央部分、
   ・その中央部分と前記フロント側壁との間に位置する第１の部分、および
   ・その中央部分と前記リヤ側壁との間に位置する第２の部分、
   を含む。
   （Ｂ２）前記上壁の中央部分は、前記第１の部分および第２の部分に比べて剛性が大きく、変形しにくい。
   （Ｃ１）前記上壁の第１の部分の上面に配置し設けた第１のひずみゲージがある。
   （Ｃ２）前記上壁の第２の部分の上面に配置し設けた第２のひずみゲージがある。
   （Ｄ）それら第１のひずみゲージおよび第２のひずみゲージによって、前記軸心に沿う方向の荷重、ならびに、前記フロント側壁およびリヤ側壁の各オフセット方向に沿い、しかも、前記上壁の上面に直交する面上のモーメントを検知する。
2. 前記中央部分の両端部であり、前記フロント側壁およびリヤ側壁の各オフセット方向に対し直交する方向の両端部に取り付け部が位置し、それら取り付け部を通して、前記荷重およびモーメントの検知情報を活用する対象物を固定する、請求項１の検知装置。
3. 前記ベースおよび前記上壁、ならびに前記フロント側壁および前記リヤ側壁によって空間が区画されており、前記ベースに加わる外力は、前記フロント側壁および前記リヤ側壁を通して前記上壁に伝わる構成である、請求項１の検知装置。
4. 前記外力は、前記上壁の第１の部分および前記第２の部分に曲げを生じさせ、その曲げに伴うひずみを前記第１のひずみゲージおよび前記第２のひずみゲージが検出する、請求項３の検知装置。
5. 前記上壁の中央部分の厚さは、前記上壁の第１の部分および第２の部分の各厚さよりも大きい、請求項１の検知装置。
6. 前記上壁の中央部分の上面位置は、前記上壁の第１の部分および第２の部分の各上面位置よりも上方であり、それにより、前記取り付け部の上面の高さは、前記上壁の第１の部分および第２の部分の各上面の高さ位置よりも上方である、請求項１あるいは２の検知装置。
7. 前記上壁の中央部分の下面位置は、前記上壁の第１の部分および第２の部分の各下面位置よりも下方であり、それにより、前記取り付け部の下面の高さは、前記上壁の第１の部分および第２の部分の各下面の高さ位置よりも下方である、請求項１あるいは２の検知装置。
8. 前記曲げの範囲を規制するため、前記フロント側壁および前記リヤ側壁の各部分に、ストッパー手段がある、請求項４の検知装置。
9. 前記センサーブロックと前記対象物とを取り付けて互いに固定するため、リング状の固定ねじ部材を備え、そのリング状の固定ねじ部材の内周空間に、前記ひずみゲージの検知出力を増幅するアンプを配置する、請求項２の検知装置。
10. アライメントブロックを含む義肢であって、前記アライメントブロックとして、前記センサーブロックを用いる形態で前記請求項１の検知装置を組み込んだ義肢。
11. 前記第１のひずみゲージおよび前記第２のひずみゲージは、抵抗線ひずみゲージあるいは半導体ひずみゲージのいずれか一つである、請求項１の検知装置。
12. 前記第１のひずみゲージおよび前記第２のひずみゲージからの各出力信号は、加算処理により荷重情報を得ることができ、また、減算処理によりモーメント情報を得ることができる、請求項１の検知装置。
13. 前記加算処理および前記減算処理を、マイクロコンピュータあるいはオペアンプにより行う、請求項１２の検知装置。
14. 前記加算処理および前記減算処理を行うにあたり、前記第１のひずみゲージまたは前記第２のひずみゲージの少なくとも一方の信号出力に、前記第１のひずみゲージおよび前記第２のひずみゲージの各出力信号の振幅比に基づいて算出される係数が乗じられる請求項１２の検知装置。
15. 前記センサーブロックの少なくとも一部が、前記対象物の側にはまり合う構成であり、それらのはまり合う部分に、非円周面を含む回転止め手段がある、請求項９の検知装置。
    

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