WO2018105723A1 - 負荷測定装置、介助装置、負荷測定方法、および負荷測定プログラム - Google Patents
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- A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
Definitions
- the present invention relates to a load measuring device, an assistance device, a load measuring method, and a load measuring program.
- Patent Literature JP 2012-183291 A
- the first measurement unit that measures the first physical quantity reflecting the posture of the upper body of the measurement subject, and the second that reflects the degree of muscle tension that maintains the posture.
- a load measuring device including a second measuring unit that measures a physical quantity, and a calculating unit that calculates a value of a load on the waist of the measurement subject based on the first physical quantity and the second physical quantity.
- an assistance device including the above-described measurement device and a drive unit that causes the actuator to generate a driving force that reduces the load according to the load value calculated by the calculation unit.
- the first measurement stage that measures the first physical quantity reflecting the posture of the upper body of the person to be measured, and the second that reflects the degree of muscle tension that maintains the posture.
- a load measurement method including a second measurement step of measuring a physical quantity, and a calculation step of calculating a value of a load on the measurement subject's waist based on the first physical quantity and the second physical quantity.
- Load measurement that causes a computer to execute a second acquisition step of acquiring a physical quantity, and a calculation step of calculating a value of a load applied to the lumbar spine of the subject based on the acquired first physical quantity and second physical quantity A program is provided.
- FIG. 2 is a block diagram of an assistance device 110 including a measurement device 111.
- FIG. It is a flowchart which shows the execution procedure of the process in the measuring apparatus 111. It is a figure which shows typically operation
- FIG. It is a figure which shows the link model in the case of introduce
- FIG. It is a table
- FIG. It is a graph which shows the evaluation result of the calculated value by the measuring apparatus 111.
- the measuring apparatus 111 measures the physical quantity reflecting the posture of the upper body of the person 130 to be measured and the physical quantity reflecting the degree of muscle tension maintaining the posture, and the value of the load applied to the person to be measured. Is calculated.
- the physical quantity that reflects the posture of the upper body refers to a value that reflects the posture of the upper body, such as tilting and turning.
- the physical quantity reflecting the posture of tilting the upper body refers to the angle of the spine with respect to the ground accompanying the flexion of the waist and the like.
- the angle of the spine with respect to the ground can be measured using the center line where the coronal plane and the sagittal plane intersect as an index, and can be measured simply by an acceleration sensor or the like attached to the back of the subject.
- the physical quantity reflecting the turning posture of the upper body refers to a rotation angle of a coronal surface or a sagittal surface, and can be similarly measured by an acceleration sensor or the like attached to the back of the measurement subject.
- the muscle that maintains posture refers to the trunk muscle. If a value reflecting the degree of tension can be measured for the posterior trunk muscle or part of the anterior trunk muscle among the trunk muscles, the value of the burden on the measurement subject can be calculated. Of the trunk muscles, the anterior trunk muscles are easily affected by the wearing of the measuring instrument, and therefore it is preferable to measure a value that reflects the degree of tension of the posterior trunk muscles.
- the posterior trunk muscle When measuring the posterior trunk muscle, it is preferable to measure a value reflecting the degree of tension of any one of the so-called “back muscle” of the broad back muscles, the spine standing muscles and the trapezius muscles.
- the anterior trunk muscle when measuring the anterior trunk muscle, it is necessary to measure a value that reflects the degree of tension of any of the so-called “abdominal muscles”, the rectus abdominis, transverse abdominal muscles, or oblique oblique muscles. preferable.
- the latissimus dorsi, spine erectus and trapezius are collectively referred to as the back muscle group.
- the rectus abdominis, transverse abdominal muscles, and oblique abdominal muscles are collectively referred to as the abdominal muscle group.
- the muscular strength F generated by the muscles of an active subject it is difficult to directly measure the muscular strength F generated by the muscles of an active subject. Therefore, a physical quantity that reflects the degree of muscle tension can be acquired as an index of muscle strength exhibited by the measurement subject, and the muscle strength F can be calculated based on the acquired physical quantity. Thereby, the muscular strength which the to-be-measured person's muscle produces can be measured comparatively easily.
- the physical quantity reflecting the degree of muscle tension can be measured as, for example, muscle hardness.
- muscle hardness refers to a numerical value that is an index of muscle hardness, and specifically, a body surface portion of a muscle part to be measured.
- a load cell or the like is installed in contact with the load cell, and the value measured as the force value (N) by the load cell or the like. Since the load cell outputs the load value (pressure required for wearing, etc.) generated based on wearing even in a stationary state, the muscle hardness is a value measured in a state where the muscle is not loaded at rest etc. A value obtained by calculating a difference between the measured value and the reference value may be used.
- FIG. 1 is a schematic diagram of an assistance device 110 including a measurement device 111 according to an embodiment, and a state in which the measurement device 130 to be measured by the measurement device 111 is viewed from the back side when the assistance device 110 is attached.
- the right hand side of the person 130 to be measured is right
- the left hand side of the person 130 is left
- the head side of the person 130 is up
- the foot side of the person 130 to be measured is described as “bottom”.
- the direction in which the front of the body of the person to be measured 130 faces may be described as the front
- the measuring device 111 attached to the person 130 to be measured includes a wearing part 112, a support part 122, a belt part 124, and a measuring part 118.
- the measurement unit 118 includes a right pressure sensor 125, a left pressure sensor 128, a lower acceleration sensor 127, an upper acceleration sensor 129, and a calculation unit 146.
- the right pressure sensor 125 and the left pressure sensor 128 correspond to a muscle hardness measuring unit 162 described later.
- the lower acceleration sensor 127 and the upper acceleration sensor 129 correspond to a body inclination measuring unit 161 described later.
- the wearing portion 112 is a bodysuit-like garment that is attached to at least the upper body of the person 130 to be measured, for example, formed of stretchable fabric. Many elements of the measuring device 111 are attached to the wearing part 112, and the measured person 130 becomes a measurement target of the measuring apparatus 111 when the measured person 130 wears the wearing part 112.
- the support part 122 is formed of a material having elasticity higher than that of the wearing part 112, for example, resin, metal, or the like while having elasticity, and is integrally attached to the wearing part 112, for example.
- the support part 122 is positioned around the waist 130 to the abdomen of the person 130 to be measured when the person 130 to be measured wears the measuring device 111.
- the belt part 124 is formed integrally with the wearing part 112 and is arranged around the waist of the person 130 to be measured wearing the measuring device 111.
- the belt part 124 prevents the wearing part 112 from sliding down with respect to the body of the person 130 to be measured.
- Each of the right pressure sensor 125 and the left pressure sensor 128 has, for example, a load cell that changes the output voltage according to the magnitude of the applied pressure when pressurized.
- the right pressure sensor 125 and the left pressure sensor 128 are sandwiched between the body surface of the person 130 to be measured and the support part 122.
- the right pressure sensor 125 and the left pressure sensor 128 are arranged at a position overlapping with any one of the back muscle groups of the person 130 to be measured. In FIG. 1, it is arranged at a position overlapping the spinal column standing muscle. Thereby, when the hardness of the back muscle group of the person 130 to be measured is changed with the flexion of the waist, the right pressure sensor 125 and the left pressure sensor 128 change the output voltage according to the change in the muscle hardness. .
- the lower acceleration sensor 127 and the upper acceleration sensor 129 are attached to the measurement subject 130 while being fixed to the wearing part 112. Therefore, when the body surface of the person 130 to be measured is displaced at the position where the lower acceleration sensor 127 and the upper acceleration sensor 129 are arranged, the acceleration associated with the displacement is detected by the lower acceleration sensor 127 or the upper acceleration sensor 129.
- the lower acceleration sensor 127 and the upper acceleration sensor 129 are, for example, triaxial sensors, and detect acceleration in the gravitational direction in addition to acceleration due to horizontal displacement. Thereby, in addition to the acceleration accompanying the horizontal displacement of the person 130 to be measured, the acceleration caused by the displacement in the height direction of the waist that occurs when the person 130 to bend bends and stretches can be detected.
- the lower acceleration sensor 127 is arranged near the sacrum of the person 130 to be measured.
- the vicinity of the sacrum means a position on the epidermis where the normal extending from the epidermis of the person 130 to be measured reaches the sacrum.
- the upper acceleration sensor 129 is disposed near the upper end of the wearing portion 112 on the back of the person 130 to be measured.
- the sacrum is in a position where horizontal displacement is unlikely to occur unless the entire person 130 to be measured moves.
- the upper part of the back of the person 130 to be measured is a position that is largely displaced when the inclination of the upper body of the person 130 to be measured is changed. Therefore, by calculating the difference between the detection value of the lower acceleration sensor 127 and the detection value of the upper acceleration sensor 129, the inclination of the upper body of the person 130 to be measured can be detected.
- the calculating unit 146 acquires physical quantities of pressure or acceleration by the right pressure sensor 125, the left pressure sensor 128, the lower acceleration sensor 127, and the upper acceleration sensor 129, and calculates a load on the waist of the person 130 to be measured. For example, the calculated load value is displayed as a physical quantity to the administrator who manages the load applied to the person 130 to be measured. In this case, the calculation unit 146 may transmit the calculated load value to a terminal device using a general-purpose information processing device such as a personal computer such as a personal computer that can be viewed by an administrator through a wired or wireless line.
- a general-purpose information processing device such as a personal computer such as a personal computer that can be viewed by an administrator through a wired or wireless line.
- the physical quantity display format may display the physical quantity itself as a numerical value, or may be an alarm indicating that a physical quantity exceeding a predetermined threshold has been calculated.
- the alarm may be generated by a lamp, a buzzer, a voice, or the like in addition to a method of displaying characters, figures, etc. on the display device of the information processing apparatus.
- a display unit or an alarm unit that can be worn by the person to be measured 130 may be provided to notify the person to be measured 130 of the physical quantity.
- the calculation unit 146 controls the actuator 114 that generates the assisting force acting on the person 130 to be measured by the assistance device 110 worn on the person 130 to reduce the load on the waist of the person 130 to be measured.
- the assistance device 110 may be referred to the calculated physical quantity of the waist load.
- the assistance device 110 shares the wearing portion 112, the support portion 122, and the belt portion 124 with the measuring device 111, and further includes an actuator 114 and a drive portion 116.
- the actuator 114 and the drive unit 116 operate with reference to the physical quantity output from the measurement device 111.
- the actuator 114 is arranged in the left-right direction on the back side of the person 130 to be measured and on the surface of the cloth wearing portion 112 that does not contact the person 130 to be measured. Further, the actuator 114 is affixed to the wearing part 112 over the entire length, and is in close contact with the body of the measurement subject 130 together with the wearing part 112.
- Actuator 114 converts the input energy into physical motion.
- the actuator 114 includes a drive device that converts energy into translational or rotational motion using hydraulic pressure, an electric motor, an electromagnet, or the like.
- the actuator 114 also includes a polymer material that expands and contracts when the applied voltage changes, such as a dielectric elastomer.
- the dielectric elastomer expands in the longitudinal direction when the applied voltage increases, and contracts in the longitudinal direction when the applied voltage decreases. Thereby, the fastening force with respect to the waist of the person to be measured 130 is changed, and the degree of assistance to the waist of the person to be measured 130 is changed.
- the driving unit 116 refers to the physical quantity of the measuring device 111 and controls the power supplied to the actuator 114 according to the magnitude of the load applied to the person 130 to be measured.
- the actuator 114 changes the presence / absence and magnitude of the auxiliary force generated by the electric power supplied from the drive unit 116.
- the actuator 114 reduces the load on the waist with an assisting force corresponding to the magnitude of the load on the waist of the person 130 to be measured. Further, when no load is applied to the waist, the tightening by the actuator 114 is released, so that the burden on the person 130 to be measured is reduced and the power of the assisting device 110 is saved.
- FIG. 2 is a block diagram of the entire system including the assistance device 110.
- This system includes an assistance device 110, and the assistance device 110 includes a drive unit 116, an actuator 114, and a measurement device 111.
- the measuring apparatus 111 includes a measuring unit 118 and a calculating unit 146.
- this system includes a server 133 and a terminal device 126 outside the assistance device 110, and the assistance device 110, the server 133, and the terminal device 126 are connected through a communication line 132.
- the measuring unit 118 of the measuring apparatus 111 includes a body inclination measuring unit 161 as a first measuring unit and a muscle hardness measuring unit 162 as a second measuring unit.
- the body inclination measurement unit 161 reflects, for example, the inclination of the body of the person 130 to be measured wearing the assisting device 110 based on the difference between the measurement value of the upper acceleration sensor 129 and the measurement value of the lower acceleration sensor 127.
- the calculation unit 146 acquires the value.
- the muscle hardness measurement unit 162 determines the hardness of the back muscle group 220 of the person 130 to be measured wearing the assisting device 110 based on the average value of the measurement value of the right pressure sensor 125 and the measurement value of the left pressure sensor 128. The measurement value reflecting the above is acquired by the calculation unit 146.
- the calculation unit 146 includes a storage unit 148, a measurement value acquisition unit 150, and a waist load calculation unit 152.
- the storage unit 148 stores parameter values used for calculation for calculating the load applied to the lower back.
- the storage unit 148 may store a lookup table or the like indicating the relationship between the waist load value and the drive voltage applied to the actuator, which is used when the actuator 114 is controlled.
- the storage unit 148 may be built in the calculation unit 146 worn by the person to be measured 130 or may be arranged at a position away from the person to be measured 130.
- the measurement value acquisition unit 150 acquires a measurement value used when calculating the load on the waist of the person 130 to be measured from the measurement unit 118.
- a measurement value reflecting the upper body inclination of the person 130 to be measured is acquired as the first measurement value.
- the physical quantity reflecting the hardness of the back muscle group of the person 130 to be measured is acquired as the second measurement value.
- the waist load calculation unit 152 calculates the value of the load on the waist of the person 130 to be measured based on the measurement value acquired by the measurement value acquisition unit 150. In calculating the load applied to the waist of the person 130 to be measured, the waist load calculation unit 152 may refer to the parameters stored in the storage unit 148.
- the parameters include information on mathematical formulas described later, information on the body such as the height and weight of the subject, reference values caused by individual differences in the body of the subject, and reference values at rest of the subject. Information etc. are included.
- the waist load calculation unit 152 calculates a driving force, for example, electric energy, supplied to the actuator 114 according to the value of the waist load value for the calculated waist load value of the person 130 to be measured. Then, the drive unit 116 may be notified.
- the lumbar load calculation unit 152 may warn the notification unit 140 that an alarm should be notified when each calculated value of the lumbar load exceeds a predetermined threshold value. Further, the waist load calculation unit 152 may cause the display unit 142 to display an attitude that reduces the load on the waist when the calculated load on each waist exceeds a predetermined threshold. .
- the drive unit 116 controls the actuator 114 based on the waist load value calculated by the waist load calculation unit 152. For example, the drive unit 116 acquires an applied voltage value corresponding to a load applied to the waist from the waist load calculation unit 152 and applies a voltage corresponding to the acquired applied voltage value to the actuator 114. As a result, the actuator 114 rotates or expands and contracts to tighten the waist of the person 130 to be measured with a tightening force corresponding to the waist load calculated by the waist load calculator 152.
- the terminal device 126 is connected to the assisting device 110 through a communication line 132 such as a LAN, the Internet, or Bluetooth (registered trademark).
- a communication line 132 such as a LAN, the Internet, or Bluetooth (registered trademark).
- the terminal device 126 communicates with at least the drive unit 116, the calculation unit 146, and the like.
- the terminal device 126 includes a notification unit 140, a display unit 142, and an input unit 144.
- the input unit 144 receives an instruction from the administrator 131 for the assistance device 110. Further, the input unit 144 receives an input from the measured person 130, for example, an input such as the weight of the measured person 130.
- the notification unit 140 transmits a notification, an alarm, an operating state, a charging state, and the like from the assistance device 110 to the manager 131.
- the display unit 142 displays information on the lower back load of the measurement subject 130 measured by the measurement apparatus 111 and transmits the information to the manager 131.
- the notification unit 140 notifies the administrator 131 that the physical quantity by the measurement device 111 has exceeded a predetermined threshold value by sound, light, electrical stimulation, or the like. Thereby, the manager 131 can monitor the lower back load applied to the person 130 to be measured at a place away from the person 130 to be measured.
- the terminal device 126 can be formed using a general-purpose information processing device such as a personal computer. Further, as the terminal device 126, a portable information terminal such as a smartphone or a tablet may be used.
- the person to be measured 130 may wear the notification unit 140, the display unit 142, and the input unit 144, and the person to be measured 130 may use the assistance device 110 in a stand-alone manner.
- the notification unit 140, the display unit 142, and the input unit 144 may be attached to the measurement subject 130 and operated in parallel with the terminal device 126.
- the calculation unit 146 is carried by the measurement subject 130 integrally with the measurement unit 118. However, at least a part of the calculation unit 146 may be arranged in the server 133 via the communication line 132. Thereby, the process which calculates a waist
- FIG. 3 is a flowchart showing a procedure of processing executed in the assistance device 110 and the measurement device 111.
- the measuring device 111 starts measuring the load on the waist of the person 130 to be measured by the measuring device 111 when receiving an instruction from the outside, or at a predetermined time or a preset time interval.
- the measuring device 111 When the measurement of the waist load is started, the measuring device 111 first determines the inclination of the upper body of the person 130 to be measured based on the difference between the acceleration measured by the upper acceleration sensor 129 and the acceleration measured by the lower acceleration sensor 127. Measure (Step S101). The measuring device 111 calculates the average of the physical quantity of the right pressure sensor 125 and the physical quantity of the left pressure sensor 128, and measures the muscle hardness of the back muscle group of the person 130 to be measured (Step S102).
- step S101 inclination measurement
- step S102 muscle hardness measurement
- the measurement device 111 causes the calculation unit 146 to acquire the measurement value measured by the measurement unit 118 (step S103). That is, the measurement value acquisition unit of the calculation unit 146 acquires the measurement value of the body inclination measurement unit 161 including the upper acceleration sensor 129 and the lower acceleration sensor 127. Further, the measurement value acquisition unit 150 of the calculation unit 146 acquires the measurement values of the muscle hardness measurement unit 162 including the right pressure sensor 125 and the left pressure sensor 128.
- the measuring apparatus 111 causes the waist load calculation unit 152 of the calculation unit 146 to calculate the load applied to the waist of the person to be measured 130 using the acquired measurement value (step S104).
- the waist load calculation unit 152 refers to the parameter acquired from the storage unit and calculates the magnitude of the load applied to the waist of the person 130 to be measured. The details of the calculation process executed here will be described later.
- the measurement apparatus 111 transmits the waist load value calculated by the calculation unit 146 to the drive unit 116, the terminal device 126, and the like (step S105), and ends the process.
- calculation of the waist load executed in step S104 will be described.
- FIG. 4 is a diagram schematically showing the operation of the person to be measured 130 in which a load on the waist is generated. From the state (1) in which the person 130 is standing upright in the order of numbers 1 to 3 shown in the figure, the hand is brought closer to the floor (3) by the action of bending the waist (3), and then the waist is stretched (4 ) During the period (5) until the body is raised and finally returned to an upright state, the value of the waist load generated by the mass of the body of the subject 130 acting on the waist changes.
- FIG. 5 is a diagram illustrating the physical model 200 around the lumbar vertebra when the lumbar load of the measurement subject 130 is changed as described above.
- the lumbar spine 240 has vertebrae 241, 242, 243, 244 and 245 that are sequentially connected to each other so as to be rotatable.
- the entire lumbar vertebra 240 may be regarded as a rigid body.
- the lower end of the lumbar spine 240 is supported so as to be rotatable with respect to the sacrum 250.
- this physical model 200 it is considered that the muscle force F A generated by the abdominal muscle group 230 and the muscle force F B generated by the back muscle group 220 are statically balanced at each stage of the exercise shown in FIG.
- the measurement portion 118 of the assistance device 110 is provided with the right pressure sensor 125 and the left pressure sensor 128, and hardness P R muscles of the right back muscles against lumbar 240, the left back muscles
- the muscle hardness P L is measured individually.
- the average value P S calculated according to Equation 1 below handled as a value reflecting the degree of back muscles 220 overall tension.
- M represents the mass of the upper body of the person 130 to be measured
- g represents the acceleration of gravity. Since the mass of the upper body of the person 130 to be measured is, for example, about 60% of the total mass of the person 130 to be measured, the body weight of the person 130 to be measured is measured in advance and stored in the storage unit 148, The load calculation unit 152 may be referred to.
- the load F applied to the lumbar vertebra 240 can be expressed as the following Expression 4 using the muscle strengths F A and F B.
- the gain of the muscle hardness measuring unit 162 is set as ⁇ using the forward bending action (see FIG. 4) executed without adding a load to the person to be measured 130, that is, without carrying a load.
- the offset of strength F B beta, the sensor value offset of the right pressure sensor 125 and left pressure sensors 128 as C employing a formula 5 and 6 below as the estimated equation.
- FIG. 6 is a graph showing values obtained by measuring the load applied to the waist when the operation shown in FIG. 4 is performed in a state where there is no additional load on the person 130 to be measured. Based on the values shown in FIG. 6, the values of the parameters ⁇ , ⁇ , and C in the above estimation formula (Formula 5) were determined. The value of the determined parameter is stored in the storage unit 148, and is referred to when the load during the operation of the measurement subject is estimated using the estimation formulas (Formulas 5 and 6).
- the measurement device 111 of the assisting device 110 measures the two measured values of the body inclination of the person 130 to be measured and the hardness of the muscles of the back muscle group of the person 130 to be measured.
- the load applied to the lumbar vertebra 240 as an example of the load applied to the lumbar 130 can be calculated. Since both of the two measured values can be measured from outside the body of the person 130 to be measured with a simple sensor, the assistance device 110 including the measuring device 111 is highly productive and easy to operate.
- FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the operation of the person 130 to be measured in which the load applied to the waist changes by bending and stretching the waist with the load 134 in his / her hand. That is, the person 130 to be measured who initially holds the load 134 in an upright state (1) bends the waist and lowers the load 134 (2), and further flexes the waist to lower the load 134 to near the floor. After (3), the waist is stretched and the load 134 is lifted (4), and finally the operation returns to the upright state (5). In such a series of operations, a load caused by both the mass of the body of the person 130 to be measured and the load held by the person 130 to be measured is applied to the waist of the person 130 to be measured.
- FIG. 8 is a graph for evaluating the calculation result by the measuring apparatus 111.
- the illustrated graph shows a change in the load on the waist which occurs when the measurement subject 130 executes the series of operations shown in FIG. 7 with respect to a load of 15 kg along the passage of time.
- the load value calculated in consideration of the mass and position of the upper arm hereinafter referred to as “control value”.
- control value the load value calculated in consideration of the mass and position of the upper arm
- the change is similar to the control value as a whole.
- the value of the load to be changed is low.
- the value of the lumbar load calculated by introducing the measurement value of muscle hardness shows a value closer to the control value.
- the waist portion is calculated using the above-described Expression 2, Expression 3, and Expression 4. Calculate the load value.
- the value of the waist load of the measurement subject calculated based on the muscle hardness is close to the load value with higher accuracy calculated in consideration of the movement of the center of gravity.
- information on the mass of the load and the distance between the subject's center of gravity and the center of gravity of the load is required each time, and the subject being measured Obtaining such information from 130 is not realistic.
- the measuring apparatus capable of acquiring such information has a large apparatus configuration, and the burden on the person 130 to be measured having a load increases.
- the apparatus can be centrally arranged on the back of the person to be measured, and thus the measuring apparatus 111 can be downsized.
- the assistance device 110 including the actuator 114 and the drive unit 116 is formed on the back surface of the measurement subject 130 together with the measurement device 111.
- the calculation unit 146 and the drive unit 116 are individually provided.
- the assistance device 110 including the measurement device 111 can be further reduced in size by integrally forming them.
- FIG. 10 is a graph showing evaluation results when the same evaluation is performed on three subjects by changing the magnitude of the load given to the person 130 to be measured to 5 kg, 10 kg, and 15 kg.
- the average error value is the absolute value of the difference between the load value calculated using the measured value of the muscle hardness sensor in the present embodiment and the load value calculated without using the muscle hardness sensor as a comparative example, and the control value. Represents the average value.
- FIG. 11 is a table showing the evaluation results shown in FIG. 10 converted into an improvement rate by introducing a measurement value of muscle hardness and shown for each subject.
- FIG. 12 is a graph showing both the error of the physical quantity and the improvement rate by introducing the measurement value of the muscle hardness by the average value of all the subjects.
- test subject 3 of the test subjects shown in FIG. 10 is also a test subject when the data shown in FIG. 8 is measured.
- the assistance device 110 that drives the actuator 114 to the drive unit 116 according to the value calculated by the measurement device 111 can efficiently reduce the load on the waist of the person 130 to be measured.
- the assisting force by the assisting device 110 is also reduced, so that an unnecessary burden on the person 130 to be measured is prevented.
- the estimation formula was constructed with the entire lumbar vertebra 240 as a rigid body.
- the load applied to the five vertebrae 241, 242, 243, 244, 245 forming the lumbar vertebra 240 can also be calculated individually.
- the measuring device 111 is provided with a sensor for detecting a curve drawn by the lumbar vertebra when the measurement subject 130 bends the waist, and the load on the entire lumbar vertebra 240 is distributed to each of the vertebrae 241, 242, 243, 244, 245. There is a way to do it.
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Abstract
腰椎に掛かる負荷を測定する負荷測定装置であって、被測定者の上体の姿勢を反映した第１の物理量を測定する第１の測定部と、姿勢を維持する筋肉の緊張の程度を反映した第２の物理量を測定する第２の測定部と、第１の物理量および第２の物理量に基づいて、被測定者の腰に掛かる負荷の値を算出する算出部とを備える。上記測定装置において、第１の測定部は、第１の物理量として、上体の前面側への傾きを測定してもよい。
Description
本発明は、負荷測定装置、介助装置、負荷測定方法、および負荷測定プログラムに関する。
被測定者の腰部にかかる負担を算出して、大きな負担が生じた場合に警告音を発生する装置がある（例えば、特許文献１参照）。
［特許文献］特開２０１２－１８３２９１号公報
［特許文献］特開２０１２－１８３２９１号公報
負担の算出精度を向上するには、数多くのセンサと、高速な処理を実行する処理装置を用いなければならず、介護作業等の現場で使用するには適していなかった。
本発明の第１の態様においては、被測定者の上体の姿勢を反映した第１の物理量を測定する第１の測定部と、姿勢を維持する筋肉の緊張の程度を反映した第２の物理量を測定する第２の測定部と、第１の物理量および第２の物理量に基づいて、被測定者の腰に掛かる負荷の値を算出する算出部とを備える負荷測定装置が提供される。
本発明の第２の態様においては、上記の測定装置と、算出部が算出した負荷の値に応じて負荷を軽減する駆動力をアクチュエータに発生させる駆動部とを備える介助装置が提供される。
本発明の第３の態様においては、被測定者の上体の姿勢を反映した第１の物理量を測定する第１の測定段階と、姿勢を維持する筋肉の緊張の程度を反映した第２の物理量を測定する第２の測定段階と、第１の物理量および第２の物理量に基づいて、被測定者の腰に掛かる負荷の値を算出する算出段階とを備える負荷測定方法が提供される。
本発明の第４の態様においては、被測定者の上体の姿勢を反映した第１の物理量を取得する第１の取得ステップと、姿勢を維持する筋肉の緊張の程度を反映した第２の物理量を取得する第２の取得ステップと、取得した第１の物理量および第２の物理量に基づいて、被測定者の腰椎に掛かる負荷の値を算出する算出ステップとを電子計算機に実行させる負荷測定プログラムが提供される。
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これら特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。下記の実施形態は、請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
本実施例に係る測定装置１１１は、被測定者１３０の上体の姿勢を反映した物理量と、姿勢を維持する筋肉の緊張の程度を反映した物理量を測定し、被測定者に掛かる負荷の値を算出する。上体の姿勢を反映した物理量とは、上体の傾きおよび旋回等の姿勢を反映した値をいう。上体の傾きの姿勢を反映した物理量は、腰の屈曲等に伴う地面に対する脊椎の角度等をいう。
地面に対する脊椎の角度は、冠状面と矢状面の交わる中心線を指標として測定することができ、簡易的には被測定者の背中に装着した加速度センサ等によって測定することができる。上体の旋回の姿勢を反映した物理量とは、冠状面または矢状面の回転角等をいい、同様に被測定者の背中に装着した加速度センサ等によって測定することができる。
姿勢を維持する筋肉とは、体幹筋をいう。体幹筋のうち、後体幹筋または前体幹筋の一部について緊張の程度を反映した値を測定することができれば、被測定者に掛かる負担の値を算出することができる。体幹筋のうち、前体幹筋は測定器の装着による影響を受けやすいため、後体幹筋の緊張の程度を反映した値を測定するのが好ましい。
後体幹筋を測定する場合は、いわゆる「背筋」と呼ばれている広背筋、脊柱起立筋および僧帽筋のうちいずれかの筋肉の緊張の程度を反映した値を測定するのが好ましい。また、前体幹筋を測定する場合は、いわゆる「腹筋」と呼ばれている腹直筋、腹横筋、腹斜筋のうちいずれかの筋肉の緊張の程度を反映した値を測定するのが好ましい。なお、広背筋、脊柱起立筋および僧帽筋をまとめて背筋群と呼ぶ。また、腹直筋、腹横筋、腹斜筋をまとめて腹筋群とよぶ。
ただし、活動している被測定者の筋肉が発生する筋力Ｆを直接に測定することは難しい。そこで、被測定者が発揮する筋力の指標として、筋肉の緊張の程度を反映した物理量を取得し、取得した物理量に基づいて筋力Ｆを算出することができる。これにより、比較的容易に、活動中の被測定者の筋肉が発生する筋力を測定できる。ここで、筋肉の緊張の程度を反映した物理量とは、例えば、筋肉の硬さとして測定できる。
本実施形態において筋肉の硬さ（以下、「筋肉硬さ」ともいう）とは、筋肉の硬さの指標となる数値をいい、具体的には、測定の対象となる筋肉部位の体表部分に接するようロードセル等を設置し、当該ロードセル等により力の値（Ｎ）として測定される値をいう。ロードセルは、静止状態においても着用に基づいて生じる負荷の値（装着に必要な圧力等）を出力するので、筋肉の硬さは、安静時等における筋肉に負荷がかかっていない状態で測定した値を基準値とし、測定値と基準値との差分を算出した値を用いてもよい。
図１は、一実施例に係る測定装置１１１を含む介助装置１１０の模式図であり、介助装置１１０を装着して、測定装置１１１の測定対象となる被測定者１３０を背面側から見た様子を示す。なお、図中右下に矢印で示すように、以降の説明においては、被測定者１３０の右手側を右、被測定者１３０の左手側を左、被測定者１３０の頭部側を上、被測定者１３０の足側を下と記載する。また、被測定者１３０の身体の前面が向かう方向を前方、被測定者１３０の背面が向かう方向と後方と記載する場合がある。
被測定者１３０の背面側から見た場合、被測定者１３０に装着された測定装置１１１は、着用部１１２、支持部１２２、ベルト部１２４、および測定部１１８を備える。測定部１１８は、右側圧力センサ１２５、左側圧力センサ１２８、下部加速度センサ１２７、上部加速度センサ１２９、および算出部１４６を備える。右側圧力センサ１２５、および左側圧力センサ１２８は、後述する筋肉硬さ測定部１６２に該当する。下部加速度センサ１２７、および上部加速度センサ１２９は後述する上体傾斜測定部１６１に該当する。
着用部１１２は、図１に示す通り、被測定者１３０の少なくとも上体に装着される、例えば、伸縮性を有する生地により形成されたボディスーツ状の衣服である。測定装置１１１の多くの要素は、着用部１１２に取り付けられており、被測定者１３０が着用部１１２を着用することにより、被測定者１３０は測定装置１１１の測定対象となる。
支持部１２２は、弾性を有しつつも、着用部１１２より剛性の高い材料、例えば、樹脂、金属等により形成され、例えば、着用部１１２に一体的に取り付けられている。支持部１２２は、被測定者１３０が測定装置１１１を装着した場合に被測定者１３０の腰部から腹部までの周囲に位置する。
ベルト部１２４は、着用部１１２と一体的に形成されて、測定装置１１１を装着した被測定者１３０の腰部の周囲に配される。ベルト部１２４は、着用部１１２が被測定者１３０の身体に対してずり下がることを防止する。
右側圧力センサ１２５および左側圧力センサ１２８のそれぞれは、例えば、加圧された場合に、かかった圧力の大きさに応じて出力電圧を変化させるロードセルを有する。また、右側圧力センサ１２５および左側圧力センサ１２８は、被測定者１３０の体表と支持部１２２との間に挟まれる。
更に、右側圧力センサ１２５、左側圧力センサ１２８は、被測定者１３０の背筋群のいずれかひとつの背筋に重なる位置に配される。図１では脊柱起立筋に重なる位置に配されている。これにより、腰の屈曲に伴って被測定者１３０の背筋群の硬さが変化した場合に、右側圧力センサ１２５および左側圧力センサ１２８は、筋肉の硬さの変化に応じて出力電圧を変化させる。
下部加速度センサ１２７および上部加速度センサ１２９は、着用部１１２に対して固定された状態で、被測定者１３０に装着される。よって、下部加速度センサ１２７および上部加速度センサ１２９が配された位置で被測定者１３０の体表が変位した場合、変位に伴う加速度が下部加速度センサ１２７または上部加速度センサ１２９に検出される。
また、下部加速度センサ１２７および上部加速度センサ１２９は、例えば３軸センサであり、水平方向の変位による加速度の他、重力方向の加速度も検出する。これにより、被測定者１３０の水平方向の変位に伴う加速度の他、被測定者１３０が腰を屈伸した場合に生じる腰の高さ方向の変位に起因する加速度も検出できる。
下部加速度センサ１２７は、被測定者１３０の仙骨付近に配される。仙骨付近とは、被測定者１３０の表皮から伸ばした法線が仙骨に到達する、表皮上の位置を意味する。また、上部加速度センサ１２９は、被測定者１３０の背中において、着用部１１２の上端付近に配される。
仙骨は、被測定者１３０全体が移動しない限り、水平方向の変位が生じにくい位置にある。一方、被測定者１３０の背中の上部は、被測定者１３０の上体の傾きが変化した場合に、大きく変位する位置である。よって、下部加速度センサ１２７の検出値と上部加速度センサ１２９の検出値との差分を算出することにより、被測定者１３０の上体の傾きを検出できる。
算出部１４６は、右側圧力センサ１２５、左側圧力センサ１２８、下部加速度センサ１２７、および上部加速度センサ１２９の各々による圧力または加速度の物理量を取得し、被測定者１３０の腰部にかかる負荷を算出する。算出された負荷の値は、例えば、被測定者１３０に掛かる負荷を管理する管理者に対して物理量として表示される。この場合、算出部１４６は、有線または無線の回線を通じて、管理者が視認できる表示装置、例えば、パーソナルコンピュータ等の汎用情報処理装置を用いた端末装置に算出した負荷値を送信してもよい。
また、物理量の表示形式は、物理量自体を数値で表示してもよいし、予め定めた閾値を超える物理量が算出されたことを示す警報であってもよい。警報は、情報処理装置の表示装置に文字、図形等により表示する方法の他、ランプ、ブザー、音声等によるものであってもよい。更に、被測定者１３０が身に着ける表示部または警報部を設けて、被測定者１３０自身に対して、物理量を知らせてもよい。
更に、算出部１４６は、被測定者１３０の腰部の負荷を軽減する目的で被測定者１３０に装着した介助装置１１０が、被測定者１３０に作用する補助力を発生するアクチュエータ１１４を制御する場合に、算出した腰部負荷の物理量を介助装置１１０に参照させてもよい。これにより、被測定者１３０の腰部に掛かる負荷に応じた強さで、負荷を打ち消す力をアクチュエータ１１４に発生させることができ、介助装置１１０を効率よく動作させることができる。
介助装置１１０は、着用部１１２、支持部１２２、およびベルト部１２４を測定装置１１１と共用し、更に、アクチュエータ１１４および駆動部１１６を備える。アクチュエータ１１４および駆動部１１６は、測定装置１１１が出力する物理量を参照して動作する。
アクチュエータ１１４は、被測定者１３０の背面側に、布製の着用部１１２において被測定者１３０と接しない側の面に左右方向に配される。また、アクチュエータ１１４は、全長に渡って着用部１１２に貼り付けられて、着用部１１２と共に被測定者１３０の身体に密着する。
アクチュエータ１１４は、入力されたエネルギーを物理的運動に変換する。アクチュエータ１１４には、油圧や電動モーター、電磁石等によってエネルギーを並進または回転運動に変換する駆動装置等が含まれる。また、アクチュエータ１１４には、誘電エラストマー等の印加される電圧が変化した場合に伸縮する高分子材料も含まれる。誘電エラストマーは、印加電圧が上昇すると長手方向に伸長し、印加電圧を低下させると長手方向に収縮する。これにより、被測定者１３０の腰部に対する締めつけ力を変化させて、被測定者１３０の腰部に対する介助の程度を変化させる。
駆動部１１６は、測定装置１１１の物理量を参照して、被測定者１３０にかかっている負荷の大きさに応じてアクチュエータ１１４に供給する電力を制御する。アクチュエータ１１４は、駆動部１１６から供給された電力により発生する補助力の有無および大きさを変化させる。
これにより、アクチュエータ１１４は、被測定者１３０の腰部にかかる負荷の大きさに応じた補助力で、腰部の負荷を軽減する。また、腰部に負荷が生じていない場合は、アクチュエータ１１４による締めつけが解除されるので、被測定者１３０への負担が軽減されると共に、介助装置１１０の電力の節約にもなる。
図２は、介助装置１１０を含むシステム全体のブロック図である。このシステムには介助装置１１０が含まれ、介助装置１１０は、駆動部１１６、アクチュエータ１１４、および測定装置１１１を有する。更に、測定装置１１１は、測定部１１８および算出部１４６を含む。また、このシステムは、介助装置１１０の外部に、サーバ１３３および端末装置１２６を備え、介助装置１１０、サーバ１３３および端末装置１２６は、通信回線１３２を通じて接続されている。
測定装置１１１の測定部１１８は、第１の測定部としての上体傾斜測定部１６１と、第２の測定部としての筋肉硬さ測定部１６２とを有する。上体傾斜測定部１６１は、例えば、上部加速度センサ１２９の測定値と下部加速度センサ１２７の測定値との差分に基づき、介助装置１１０を装着した被測定者１３０の上体の傾きを反映した測定値を、算出部１４６に取得させる。
筋肉硬さ測定部１６２は、例えば、右側圧力センサ１２５の測定値と、左側圧力センサ１２８の測定値との平均値に基づき、介助装置１１０を装着した被測定者１３０の背筋群２２０の硬さを反映した測定値を、算出部１４６に取得させる。
算出部１４６は、格納部１４８、測定値取得部１５０、および腰部負荷算出部１５２を有する。格納部１４８は、腰部に掛かる負荷を算出する計算に用いるパラメータの値を格納する。また、格納部１４８は、アクチュエータ１１４を制御する場合に用いる、腰部負荷値とアクチュエータに対して印加する駆動電圧との関係を示すルックアップテーブル等を格納してもよい。なお、格納部１４８は、被測定者１３０が身につける算出部１４６に内蔵されてもよいし、被測定者１３０から離れた位置に配されてもよい。
測定値取得部１５０は、測定部１１８から、被測定者１３０の腰部に掛かる負荷を算出する場合に用いる測定値を取得する。本実施例では、第１の測定値として、被測定者１３０の上体の傾きを反映した測定値を取得する。また、第２の測定値として、被測定者１３０の背筋群の硬さを反映した物理量を取得する。
腰部負荷算出部１５２は、測定値取得部１５０が取得した測定値に基づいて、被測定者１３０の腰部にかかる負荷の値を算出する。被測定者１３０の腰部にかかる負荷を算出するにあたって、腰部負荷算出部１５２は、格納部１４８に格納されたパラメータを参照してもよい。
パラメータには、後述する数式に関する情報や、被測定者の身長や体重などの身体に関する情報の他、被測定者の身体の個人差により生じる基準値や、被測定者の安静時における基準値の情報等が含まれる。また、腰部負荷算出部１５２は、算出した被測定者１３０の腰部負荷の値に対して、当該腰部負荷の値の大きさに応じて、アクチュエータ１１４に供給する駆動力、例えば、電力量を算出して、駆動部１１６に通知してもよい。
また、腰部負荷算出部１５２は、算出したそれぞれの腰部負荷の値が予め定めた閾値を超えた場合に、警報を報知すべき旨を報知部１４０に警告してもよい。また、腰部負荷算出部１５２は、算出したそれぞれの腰部にかかる負荷が、予め定められた閾値を越えた場合に、表示部１４２に腰部にかかる負荷が低減するような姿勢を表示させてもよい。
駆動部１１６は、腰部負荷算出部１５２によって算出された腰部負荷の値に基づいてアクチュエータ１１４を制御する。例えば、駆動部１１６は、腰部にかかる負荷に対応した印加電圧値を腰部負荷算出部１５２から取得し、取得した印加電圧値に対応した電圧をアクチュエータ１１４に印加する。これにより、アクチュエータ１１４は回転または伸縮して、腰部負荷算出部１５２により算出された腰部負荷に応じた締めつけ力で、被測定者１３０の腰部を締め付ける。
端末装置１２６は、ＬＡＮ、インターネット、ブルートゥース（登録商標）等の通信回線１３２を通じて、上記の介助装置１１０に接続される。図示の例では、端末装置１２６は、少なくとも駆動部１１６および算出部１４６等と通信する。
端末装置１２６は、報知部１４０、表示部１４２、および入力部１４４を有する。入力部１４４は、介助装置１１０に対する管理者１３１の指示を受け付ける。また、入力部１４４は、被測定者１３０からの入力、例えば当該被測定者１３０の体重等の入力を受け付ける。
報知部１４０は、介助装置１１０から管理者１３１に対して、通知、警報、動作状態、充電状態等を伝える。表示部１４２は、測定装置１１１の測定した被測定者１３０の腰部負荷に関する情報を表示して、管理者１３１に伝える。報知部１４０は、音、光、または電気的な刺激等により、例えば、測定装置１１１による物理量が、予め定めた閾値を超えたことを、管理者１３１に伝える。これにより、管理者１３１は、被測定者１３０にかかっている腰部負荷を、被測定者１３０から離れた場所で監視できる。
なお、端末装置１２６は、汎用の情報処理装置、例えばパーソナルコンピュータを用いて形成できる。また、端末装置１２６として、スマートフォン、タブレット等の携帯情報端末を用いてもよい。
また、報知部１４０、表示部１４２、および入力部１４４を被測定者１３０が身につけて、被測定者１３０がスタンドアローンで介助装置１１０を使用してもよい。また、報知部１４０、表示部１４２、および入力部１４４の少なくとも一部を被測定者１３０に装着して、端末装置１２６と並列に動作させてもよい。
更に、上記の例では，算出部１４６を測定部１１８と一体的に被測定者１３０に携帯させている。しかしながら、通信回線１３２を介して、少なくとも算出部１４６の一部をサーバ１３３に配してもよい。これにより、より処理容量の大きな処理装置で、腰部負荷値を算出する処理を実行できる。
図３は、介助装置１１０測定装置１１１において実行される処理の手順を示す流れ図である。測定装置１１１は、外部から指示を受けた場合、あるいは、予め定められた時刻または予め設定された時間間隔で、測定装置１１１による、被測定者１３０の腰部に掛かる負荷の測定を開始する。
腰部負荷の測定を開始すると、測定装置１１１は、まず、上部加速度センサ１２９が測定した加速度と、下部加速度センサ１２７が測定した加速度との差分に基づいて、被測定者１３０の上体の傾きを測定する（ステップＳ１０１）。また、測定装置１１１は、右側圧力センサ１２５の物理量と左側圧力センサ１２８の物理量との平均を計算して、被測定者１３０の背筋群の筋肉の硬さを測定する（ステップＳ１０２）。
なお、上記の傾きの測定（ステップＳ１０１）と筋肉の硬さの測定（ステップＳ１０２）とは、同時であってもよいし、時間的間隔が短ければ順次実行してもよい。また、ステップＳ１０１とステップＳ１０２との順序が逆であってもよい。
次に、測定装置１１１は、測定部１１８で測定された測定値を、算出部１４６に取得させる（ステップＳ１０３）。すなわち、上部加速度センサ１２９および下部加速度センサ１２７を含む上体傾斜測定部１６１の測定値を、算出部１４６の測定値取得部に取得させる。また、右側圧力センサ１２５および左側圧力センサ１２８を含む筋肉硬さ測定部１６２の測定値を、算出部１４６の測定値取得部１５０に取得させる。
次いで、測定装置１１１は、算出部１４６の腰部負荷算出部１５２に、取得した測定値を用いて、被測定者１３０の腰部にかかる負荷を算出させる（ステップＳ１０４）。腰部負荷算出部１５２は、格納部から取得したパラメータを参照して、被測定者１３０の腰部に掛かる負荷の大きさを算出する。なお、ここで実行する算出処理の内容については後述する。
次に、測定装置１１１は、算出部１４６が算出した腰部負荷の値を、駆動部１１６、端末装置１２６等に送信させて（ステップＳ１０５）、処理を終了する。ここで、上記ステップＳ１０４において実行する腰部負荷の算出について説明する。
図４は、腰部に掛かる負荷が生じる被測定者１３０の動作を模式的に示す図である。図中に示す１から３の番号順に被測定者１３０が直立した状態（１）から、腰を屈曲する動作（２）により手先を床に近づけ（３）、次に、腰を伸ばしつつ（４）上体を起こし、最終的に直立した状態に戻るまで（５）の間に、被測定者１３０自身の上体の質量が腰部に作用して生じる腰部負荷の値が変化する。
図５は、上記のように、被測定者１３０の腰部負荷が変化する動作をする場合の腰椎回りの物理モデル２００を示す図である。腰椎２４０は、互いに回転可能に順次連結された椎骨２４１、２４２、２４３、２４４、２４５を有する。この物理モデル２００では、腰椎２４０全体を剛体と見做してもよい。
腰椎２４０の下端は、仙骨２５０に対して回転可能に支持される。また、腰椎２４０の上端は、胸椎２１０の下端を、回転角度φ７で回転可能に支持する。この物理モデル２００では、腰椎２４０の前後で、腹筋群２３０が生じる筋力ＦＡと、背筋群２２０が生じる筋力ＦＢとが、図４に示した運動の各段階において静的に釣り合うと見做す。
なお、介助装置１１０の測定部１１８には、右側圧力センサ１２５と左側圧力センサ１２８とが設けられており、腰椎２４０に対して右側の背筋群の筋肉の硬さＰＲと、左側の背筋群の筋肉の硬さＰＬとを個別に測定している。しかしながら、以下の計算では、下記の式１に従って算出した平均値ＰＳを、背筋群２２０全体の緊張の程度を反映した値として取り扱う。なお、被測定者１３０の上体が脊椎回りに回転した場合の腰部への負荷を考慮する場合は、左右の圧力ＰＲ、ＰＬを個別に扱う。
腰椎２４０に支持された胸椎２１０は、腰椎２４０の背面側で収縮した背筋群２２０が筋力ＦＢを発生した場合に、回転モーメントｌｍ６・ＦＢが作用して、被測定者１３０の背中側に傾く。また、胸椎２１０は、腰椎２４０の前面側で収縮した腹筋群２３０が筋力ＦＡを発生した場合に、回転モーメントｌｎ６・ＦＡが作用して被測定者１３０の前面側に傾く。このような胸椎２１０の傾きにより、被測定者１３０の上体が傾き、腰椎２４０には、負荷ｆ７が作用する。ここで，背筋群２２０または腹筋群２３０の作用による胸椎２１０の回転角をφ７とする。
上記の物理モデル２００に沿って、被測定者１３０の腰椎に掛かる負荷を解析すると、腰椎２４０の回りには、下記の式２に示す釣り合いが成り立つ。
上式において、Ｍは、被測定者１３０の上体の質量を表し、ｇは重力加速度を表す。被測定者１３０の上体の質量は、例えば、被測定者１３０の全質量の６０％程度であることから、予め被測定者１３０の体重を測定して格納部１４８に格納しておき、腰部負荷算出部１５２に参照させてもよい。
また、仙骨２５０側において、腹筋群２３０が発揮する筋力ＦＡの回転モーメントＦＡｌｎ０と、背筋群２２０が発揮する筋力ＦＢの回転モーメントＦＢｌｍ０とが釣り合うので、下記の式３が成立する。
更に、腰椎２４０に掛かる負荷Ｆは、筋力ＦＡ、ＦＢを用いて下記の式４のように表すことができる。
ここで、被測定者１３０に、荷重を付加することなく、すなわち、荷物を持たせることなく実行させた前屈動作（図４参照）を基準データとして、筋肉硬さ測定部１６２のゲインをα、筋力ＦＢのオフセットをβ、右側圧力センサ１２５および左側圧力センサ１２８のセンサ値オフセットをＣとして、下記の式５、６を推定式として採用した。
図６は、被測定者１３０に付加的な荷重が無い状態で、図４に示した動作を実行した場合に腰部に掛かる負荷を測定した値を示すグラフである。図６に示す値に基づいて、上記の推定式（式５）におけるパラメータα、β、Ｃの値を決定した。決定したパラメータの値は格納部１４８に格納して、推定式（式５、６）を用いて、被測定者の動作中の負荷を推定する場合に参照する。
このように、介助装置１１０の測定装置１１１においては、被測定者１３０の上体の傾きと、被測定者１３０の背筋群の筋肉の硬さとの２つの測定値を測定して、被測定者１３０の腰部にかかる負荷の一例としての腰椎２４０にかかる負荷を算出できる。２つの測定値は、いずれも、簡単なセンサで被測定者１３０の体外から測定できるので、測定装置１１１を備えた介助装置１１０は生産性が高く、運用も容易である。
図７は、荷重１３４を手に持って腰部を屈伸することにより、腰部に掛かる負荷が変化する被測定者１３０の動作を模式的に示す図である。すなわち、当初は略直立した状態で荷重１３４を保持する被測定者１３０が（１）、腰を屈曲して荷重１３４を降ろし（２）、更に腰を大きく曲げて床近くまで荷重１３４を下げた後（３）、腰を伸ばして荷重１３４を持ち上げて（４）、最終的に直立する状態に戻る（５）までの動作を示す。このような一連の動作においては、被測定者１３０自身の上体の質量と、被測定者１３０が手に持つ荷重との両方に起因する負荷が、被測定者１３０の腰部に作用する。
図８は、測定装置１１１による算出結果を評価するグラフである。図示のグラフは、１５ｋｇの荷重に対して、被測定者１３０が図７に示した一連の動作を実行した場合に生じる腰部への負荷の変化を、時間の経過に沿って示す。図中には、ここまでに説明した測定装置１１１により測定した腰部負荷の値に加えて、上腕の質量と位置を考慮して算出した負荷の値（以下、「対照値」という）と、被測定者１３０の上体の傾きのみに基づいて算出した腰部負荷の値と、筋肉の硬さの測定結果を導入して算出した値とを併せて示す。
図示のように、筋肉の硬さを測定するセンサ無しに、被測定者１３０の上体の傾きのみに基づいて腰部負荷を算出した場合は、全体として対照値と似通った変化を示すが、算出される負荷の値が低めに推移する。これに対して、筋肉の硬さの測定値を導入して算出した腰部負荷の値は、対照値により近い値を示している。
なお、筋肉硬さを測定するセンサを用いずに、被測定者１３０の上体の傾きのみに基づいて腰部負荷を算出する場合は、上記の式２、式３、および式４を用いて腰部負荷の値を算出する。
このように、筋肉硬さに基づいて算出した被測定者の腰部負荷の値は、重心の移動を考慮して算出した、より精度が高い負荷の値に近い。ただし、重心の移動を負荷値の算出に導入するには、荷重の質量と、被測定者の重心と荷重の重心との間の距離に関する情報がその都度必要になり、活動中の被測定者１３０からそのような情報を取得することは現実的ではない。また、そのような情報を取得できる測定装置は、装置構成が大掛かりとなり、荷重を手に持つ被測定者１３０の負担も増加する。
換言すれば、被測定者１３０の筋肉硬さに基づいて算出することにより、付加的な荷重による重心の移動を考慮することなく、腰部負荷の値を精度よく測定できるので、測定装置１１１の構成を単純化できる。特に背筋群の硬さを指標として算出する場合は、被測定者の背部に装置を集中的に配置できるため、測定装置１１１の小型化が可能となる。
更に、上記測定装置１１１と共に、アクチュエータ１１４、駆動部１１６を備える介助装置１１０が、被測定者１３０の背面に形成される。なお、図１では、算出部１４６と駆動部１１６とを個別に設けているが、これらを一体的に形成することにより、測定装置１１１を含む介助装置１１０を一層小型化できる。
図１０は、被測定者１３０に持たせる荷重の大きさを、５ｋｇ、１０ｋｇ、１５ｋｇと変え、３人の被験者に対して同様の評価をした場合の評価結果を示すグラフである。平均誤差値は、本実施形態における筋肉硬さセンサの測定値を用いて算出した負荷の値および比較例として筋肉硬さセンサを用いず算出した負荷の値と、対照値との差分の絶対値の平均値を表している。また、図１１は、図１０に示した評価結果を、筋肉の硬さの測定値を導入したことによる改善率に換算して、被験者個別に示す表である。更に、図１２は、被験者全員の平均値により、物理量の誤差と、筋肉の硬さの測定値を導入したことによる改善率とを併せて示すグラフである。
各図に示すように、腰部負荷の算出に筋肉の硬さの測定値を導入することにより、誤差が減少することはあっても、増加することはない。なお、図１０に示す被験者のうちの被験者３は、図８に示したデータを測定した場合の被験者でもある。
上記のように、測定装置１１１の算出した値に応じて駆動部１１６にアクチュエータ１１４を駆動する介助装置１１０は、被測定者１３０の腰部にかかる負荷を効率よく軽減できる。また、被測定者１３０の腰部にかかる負荷が小さい場合は、介助装置１１０による補助力も低くなるので、被測定者１３０に無用の負担をかけることも防止される。
なお、上記の例では、腰椎２４０全体を剛体として推定式を構築した。しかしながら、腰椎２４０全体にかかる負荷を算出した後、更に、腰椎２４０を形成する５つの椎骨２４１、２４２、２４３、２４４、２４５に個別にかかる負荷を計算することもできる。例えば、測定装置１１１に、被測定者１３０が腰を曲げた場合に腰椎が描く曲線を検出するセンサを設け、腰椎２４０全体にかかる負荷を椎骨２４１、２４２、２４３、２４４、２４５の各々に配分する方法がある。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。また、変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、請求の範囲の記載から明らかである。
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いない限り、任意の順序で実現し得ることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず」、「次に」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するとは限らない。
１１０ 介助装置、１１１ 測定装置、１１２ 着用部、１１４ アクチュエータ、１１６ 駆動部、１１８ 測定部、１２２ 支持部、１２４ ベルト部、１２５ 右側圧力センサ、１２６ 端末装置、１２７ 下部加速度センサ、１２８ 左側圧力センサ、１２９ 上部加速度センサ、１３０ 被測定者、１３１ 管理者、１３２ 通信回線、１３３ サーバ、１３４ 荷重、１４０ 報知部、１４２ 表示部、１４４ 入力部、１４６ 算出部、１４８ 格納部、１５０ 測定値取得部、１５２ 腰部負荷算出部、１６１ 上体傾斜測定部、１６２ 筋肉硬さ測定部、２００ 物理モデル、２１０ 胸椎、２２０ 背筋群、２３０ 腹筋群、２４０ 腰椎、２４１、２４２、２４３、２４４、２４５ 椎骨、２５０ 仙骨
Claims (19)
- 被測定者の上体の姿勢を反映した第１の物理量を測定する第１の測定部と、
前記姿勢を維持する筋肉の緊張の程度を反映した第２の物理量を測定する第２の測定部と、
前記第１の物理量および前記第２の物理量に基づいて、前記被測定者の腰に掛かる負荷の値を算出する算出部と
を備える負荷測定装置。 - 前記第２の測定部が取り付けられ、前記上体に装着される着用部を備える請求項１に記載の負荷測定装置。
- 前記姿勢を維持する筋肉は体幹筋である、請求項１または２に記載の負荷測定装置。
- 前記第２の測定部は前記被測定者の腰に配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の負荷測定装置。
- 前記第２の測定部は前記腰に対して生じる力を測定する、請求項１から４のいずれか一項に記載の負荷測定装置。
- 前記第１の測定部は、前記第１の物理量として、前記上体の傾きを測定する請求項１から５のいずれか１項に記載の負荷測定装置。
- 前記第１の物理量は、前記第１の物理量として、前記上体の回転角を測定する請求項１から６のいずれか１項に記載の負荷測定装置。
- 前記第１の測定部は、前記上体の傾きの変化に伴って変位する加速度センサを備える請求項６または７に記載の負荷測定装置。
- 前記第２の測定部は、一端が前記被測定者の体表に当接し、他端が前記被測定者の腰に対して相対位置を固定されたロードセルを備える請求項１から８のいずれか一項に記載の負荷測定装置。
- 前記算出部は、前記第２の物理量に対して釣り合った、他の筋肉の緊張の程度を反映した値を用いて、前記負荷の値を算出する請求項１から９のいずれか一項に記載の負荷測定装置。
- 前記算出部は、前記上体の重さを反映した既定値を予め保持して、前記負荷の値を算出する場合に当該既定値を参照する請求項１から１０のいずれか一項に記載の負荷測定装置。
- 前記算出部は、前記第１の物理量および前記第２の物理量から算出した腰椎全体に対する前記負荷の値を用いて、前記腰椎を形成する椎骨の各々に対する負荷の値を個別に算出する請求項１から１１のいずれか一項に記載の負荷測定装置。
- 前記被測定者の腰椎の変位を反映した第３の物理量を測定する第３の測定部を更に備える請求項１２に記載の負荷測定装置。
- 前記第３の測定部は、前記被測定者の腰椎上端の水平位置と腰椎下端の水平位置との差分の変化を測定し、
前記算出部は、前記差分の変化を用いて、前記椎骨の各々に対する前記負荷の値を算出する請求項１３に記載の負荷測定装置。 - 前記算出部が予め定められた閾値を超える前記負荷の値を算出した場合に、外部に向かって警告を発生する警報部を更に備える請求項１から１４のいずれか一項に記載の負荷測定装置。
- 前記算出部が算出した前記負荷の値が、予め定められた閾値を越えた状態を、予め定められた閾値時間を超えて継続した場合に警告を発生する警報部を更に備える請求項１から１５のいずれか一項に記載の負荷測定装置。
- 請求項１から１６のいずれか一項に記載の負荷測定装置と、
前記算出部が算出した前記負荷の値に基づいて前記負荷を軽減する駆動力をアクチュエータに発生させる駆動部と
を備える介助装置。 - 被測定者の上体の姿勢を反映した第１の物理量を測定する第１の測定段階と、
前記姿勢を維持する筋肉の緊張の程度を反映した第２の物理量を測定する第２の測定段階と、
前記第１の物理量および前記第２の物理量に基づいて、前記被測定者の腰に掛かる負荷の値を算出する算出段階と
を備える負荷測定方法。 - 被測定者の上体の姿勢を反映した第１の物理量を取得する第１の取得ステップと、
前記姿勢を維持する筋肉の緊張の程度を反映した第２の物理量を取得する第２の取得ステップと、
取得した前記第１の物理量および前記第２の物理量に基づいて、前記被測定者の腰に掛かる負荷の値を算出する算出ステップと
を電子計算機に実行させる負荷測定プログラム。
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