(57)【要約】  本発明は表面上の荷重を変化させる原因のタイプ、例えば被験者の動作のタイプを識別可能な感知システムに関する。このシステムはスポーツ動作（例えばゴルフクラブスイング分析）を始めとする多様な用途を有する。システムは変形可能な荷重支持表面（２）と、複数の相互離間センサ（６）と、プロセッサ（８）と、出力装置（１０）とを備える。センサ（６）は表面（２）の変形応答を通じて印加荷重（４）に結合して表面（２）から局所的知覚データを受け取る。プロセッサ（８）はセンサ（６）に結合して動作するとともに例えばニューラルネットワークアルゴリズムにより、知覚データを表面（２）に加えられた荷重（４）に関する情報データに変換するように設けられている。代替実施形態では変形可能な荷重支持表面（２）を含む筐体は表面の変形に応じて流れる流動性材料（例えば液体）を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形可能な荷重支持表面と、
前記表面の変形応答を通じて印加荷重に結合して前記表面から局所的知覚データを受け取る複数の相互離間センサと、
前記センサに結合して動作するとともに、前記知覚データを前記センサから受け取って前記知覚データを前記表面に加えられた荷重に関する情報データに変換するように設けられているプロセッサと、
前記情報データを出力するための出力装置とを備え、
前記プロセッサがすべての前記センサにより受け取った前記知覚データをまとめて処理するように設けられている感知システム。
【請求項２】
前記情報データが前記知覚データと非線形関係を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記センサが変換器である請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記変換器が抵抗、光学、ホール効果、静電容量、近接体、または圧力差による変換器である請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記変換器が前記表面に物理的に接続または接触している請求項３または４に記載のシステム。
【請求項６】
前記システムが前記情報データを表示するディスプレイ装置を備える請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記システムの前記出力がロギングシステムまたは特定の処理を制御する自動システムの入力として機能する請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記プロセッサが、前記知覚データを受け取るとともに非線形変換を施して前記情報データを生成するマトリックス操作技術またはニューラルネットワークなどの、アルゴリズムまたは他の分析機能を内蔵している請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記変形可能な荷重支持表面が弾性変形可能および／または伸縮性である請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記変形可能な荷重支持表面が筐体の一部分を形成し、前記センサがその内部に封止されている請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記筐体が前記表面の変形応答の機構の一部分として表面内または下を流れる流動性材料を含み、前記センサが前記材料の流れによる圧力差を検出するように設けられている請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記筐体が前記表面の変形時に前記流動性材料の流動特性に影響を与える１つまたは複数の流れ制限器をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記表面が平坦である請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステムを備えるゴルフスイング分析装置。
【請求項１５】
荷重支持表面に加えられた荷重の特徴を表す方法であって、
（ｉ）前記表面に結合して動作する複数の感知素子から前記表面について知覚データを生成するステップと、
（ｉｉ）前記知覚データを変換用の入力の単一ベクトルに組み合わせるステップと、
（ｉｉｉ）前記入力のベクトルに変換を施すことにより前記荷重の特徴を表す情報データを生成するステップと、
（ｉｖ）前記情報データを出力するステップと
を含む方法。
【請求項１６】
前記ステップ（ｉｉｉ）の変換が非線形変換である請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
コンピュータを制御して請求項１５または１６のステップ（ｉｉ）および（ｉｉｉ）を行うためのコンピュータで実行可能なソフトウェアプログラムを格納する格納媒体。
【請求項１８】
前記格納媒体がフロッピーディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤまたはコンピュータハードドライブなどの記憶媒体である請求項１７に記載の格納媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は感知システムに関し、特に動的な力を感知および分析するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
触覚プロセスにおける接触力を測定するために用いることができる多様な力感知システムがある。既知の点を介して作用する力を検出できる単軸または多軸力感知装置を含む点力センサがある。剛性の平板の角部に点力感知素子を配置することにより、接触力の大きさおよび重心の位置を評価するために用いることができるフォースプレートを作製することが可能である。フォースアレイ面は個々の点力感知素子のマトリックスに加えられた力の判定により新たな対象物の接触圧痕を判定することができる。このようなアレイの位置分解能は直接的には個々の感知素子の距離に直接的に依存している。フォースプレートおよびアレイ共に表面に対する通常の力成分に加えて剪断力を判定するように製造することができる。これらのシステムを用いて静的および過渡的力の両方を検出することができるとともに、アレイを用いて分配接触状態を評価することができる。アレイセンサおよび多軸センサは電気的に多く接続されるようになっている複雑な構造である。アレイセンサの空間分解能の限界は、感知素子を具現化している表面の微細加工の最小規模ならびに信号を外部に送信するその多数の導電性トラックおよびコネクタによる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は従来技術の感知システムの欠点の少なくとも１つを排除または軽減する改良感知システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、変形可能な荷重支持表面と、前記表面の変形応答を通じて印加荷重に結合して前記表面から局所的知覚データを受け取る複数の相互離間センサと、前記センサに結合して動作するとともに、前記知覚データをセンサから受け取って前記知覚データを表面に加えられた荷重に関する情報データに変換するように設けられているプロセッサと、情報データを出力するための出力装置とを備え、プロセッサがすべてのセンサにより受け取った知覚データをまとめて処理するように設けられている感知システムを提供する。
【０００５】
知覚データをまとめて処理するとは各センサからの知覚データを他のセンサの各々からの知覚データと組み合わせて、組み合わせた知覚データセットから情報データを導き出すことを意味することは理解されよう。換言すれば情報データは各センサからの個々の処理知覚データの単なる合計または積からではなく、まとめて非線形的に出力を生成するように導き出される。各センサ出力は表面上のどこかに加えられた荷重により影響を受けるため、センサの配置は加えられる荷重の変動間の識別を最適化するように決めれば十分である。そのため表面連続体という意味での変形の重要性は、センサ出力間に結合があるとともに、表面上のどこかにおける荷重の影響が表面の応答によって個々のセンサのすべてに伝達されることである。これは感知素子が感知素子と同一地点で加えられた荷重にのみ応答するアレイセンサとは対照的である。
【０００６】
情報データは知覚データと線形または非線形関係を有し得る。情報データはプロセッサ出力と非線形関係を有し得る。
【０００７】
センサの数は判定すべき情報の性質により変化する。しかし、非線形性により、標準的なセンサアレイで必要とされるよりも比較的少ないセンサを用いて複雑な情報を判定することができる。通例このシステムは３〜１０個のセンサを有し、より好適には４〜８個のセンサ、最も好適には４〜６個のセンサを有する。システムを機能させるためには少数のセンサしか必要ではないが、厳密に必要とされるより多くのセンサを設けて（冗長性）、システムのロバスト性を向上させるとともにいくつかのセンサの故障を許容し、そのとき残りのセンサを用いて加えられた荷重に対応する情報データを推測できるようにすることが望ましいことは理解されよう。
【０００８】
前記センサが変換器であることが好ましく、機械的な力を電気信号に変換する変換器であることがより好ましい。例えばセンサは歪みを検出してもよく、この場合、抵抗、光学、ホール効果、または静電容量に基づく変換器を用い得る。あるいは変形または撓みを検出してもよく、この場合近接体、または圧力差、光学または静電容量に基づく変換器を用い得る。
【０００９】
変換器は、例えば変換器のアームが表面に接続またはバイアスをかけて接触している抵抗または可変磁気抵抗変換器の場合、表面に物理的に接続または接触し得る。あるいは、例えば静電容量、圧力または光学変換器の場合、センサと表面との間に物理的な接触がなくてもよい。
【００１０】
情報データは静的または過渡的荷重重心値、荷重配向、接触形状と関連し得る処理アルゴリズムと共に用いられる。これは対象物認識または周波数、速度またはリズムなどの動的情報に関連し得る。このシステムは情報データ（ユーザ読み取り可能な形式への変換が必要な場合もある）を表示するディスプレイ装置を備え得る。あるいは、または追加的にはシステムの出力はロギングシステムまたは特定の処理を制御する自動システムの入力として機能し得る。
【００１１】
プロセッサは、知覚データを受け取るとともに非線形変換を施して情報データを生成するマトリックス操作技術またはニューラルネットワーク（例えばＭＬＰなどの確率的誤差逆伝播訓練ネットワーク）などの、アルゴリズムまたは他の分析機能を内蔵していることが好ましい。プロセッサは追加的にまたは代替的に他の非線形変換構成要素を内蔵し得る。
【００１２】
変形可能な荷重支持表面が弾性変形可能および／または伸縮性であることが好ましい。適当な材料にはゴム、プラスチック、金属および木がある。表面は２つ以上の材料の積層体であってもよい。表面は平坦なシート（平面）の形状または代替的には所望の構成に成型し得る。変形は剪断、引張りおよび／または曲げ力に応答する多様な機構によるものでもよい。
【００１３】
変形可能な荷重支持表面が筐体の一部分を形成し、センサがその内部に封止されていることが好ましい。センサを筐体の内部に封止することでセンサが外部環境にさらされることがなくなり、これによりセンサの動作寿命および過酷な環境条件に対するシステムの物理的ロバスト性を延ばす。
【００１４】
代替的（好適な）実施形態では、筐体は表面の変形応答の機構の一部分として表面内または下を流れる流動性材料（例えば液体）を含む。センサは材料の流れによる圧力差を検出するように設けられている。筐体は表面の変形時に流動性材料の流動特性に影響を与える１つまたは複数の流れ制限器も備える。例えば流動性材料は部分的または完全に筐体を満たす多孔性材料内で流動可能であってもよい。上記の好適な実施形態をわずかに変形した例では、センサは表面と筐体の他の部分、例えば基部との間の距離の変化を測定するように設けられている。
【００１５】
多数の用途に対して表面は平坦であることが都合がよい。しかしシステムは平坦な表面に限定されず、その意図する用途によっていかなる形状も取ることができる。
【００１６】
また本発明は、荷重支持表面に加えられた荷重の特徴を表す方法であって、
（ｉ）表面に結合して動作する複数の感知素子から表面について知覚データを生成するステップと、
（ｉｉ）知覚データを組み合わせて非線形変換用の入力の単一ベクトルとするステップと、
（ｉｉｉ）入力のベクトルに非線形変換を施すことにより荷重の特徴を表す情報データを生成するステップと、
（ｉｖ）情報データを出力するステップとを含む方法に存する。
【００１７】
出力情報は例えば接触対象物、その状態またはその動作を説明する情報であってもよい。
【００１８】
ステップ（ｉｉ）および（ｉｉｉ）はプログラムされたコンピュータにより好適に行われる。そのため本発明はさらに、コンピュータを制御して本発明の方法のステップ（ｉｉ）および（ｉｉｉ）を行うためのコンピュータで実行可能なソフトウェアプログラムを格納する格納媒体に存する。
【００１９】
格納媒体がフロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤまたはコンピュータハードドライブなどの記憶媒体であることが好ましい。しかし、格納媒体が例えば電気的または光学的信号で一時的に格納するものでもよいことは理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態をあくまでも一例として説明する。
【００２１】
図１を参照すると、本発明による一般的なシステムは荷重４が加えられる表面２と、表面に結合した複数のセンサ６と、センサ６からの出力が伝達される信号プロセッサ８と、出力ディスプレイ１０とを備える。
【００２２】
このシステムは戦略的に設けられたセンサ箇所に連続する表面の対応変形による、接触荷重４に対する表面２の応答の伝達に基づいている。センサ６は、局所的な変形または歪みを検出するために用いられる。センサ出力をプロセッサ８への入力の同時ベクトルとして結合することによって、コンピュータアルゴリズムを用いて荷重４を出力として記述するディスクリプタを判定する。ディスクリプタは、これによりユーザが荷重を認識することができるようにする因子であり、ディスプレイ１０、ロギングシステムまたは処理の制御用自動システムへ出力させる。このシステムは表面の静的および過渡的挙動ならびに感知素子を用いて、加えられた荷重の静的および動的挙動を記述することができる。このアルゴリズムは通常コンピュータにインストールされたソフトウェア機能であり、「リアルタイム」で入力のベクトルを出力のディスクリプタのベクトルに置き換えることができる。例えばこのような機能にはファジーツール、ニューラルネットワークおよびカルーネンレーブ（Ｋａｒｈｕｎｅｎ  Ｌｏｅｖｅ）モーダル解析がある。
【００２３】
この感知システムの利点は、表面の非線形変形挙動によりつながっている知覚データ出力間に強い結合があることである。これは荷重の特徴を表すためには比較的少ない知覚位置（通例平面上で４〜５）しか必要としないが、追加知覚点を用いてシステム内の冗長度を向上することができるということを意味する。
【実施例１】
【００２４】
図２を参照すると本発明による感知システムは荷重支持要素２０を備えている。荷重支持要素２０は、互いにわずかな距離離間したほぼ平面状である上部側壁２２および下部側壁２４と、上部側壁２２と下部側壁２４との間でその周囲に延びるとともに封止され、それにより上部側壁２２と下部側壁２４との間に密閉空間２８を規定している周囲側壁２６とを有する。上部側壁２２は使用する際に感知面として機能するもので、荷重３６がかけられると変形可能な用途において荷重支持に対して適切な曲げ剛性を有する弾性変形可能な可撓性材料で作製されている。下部側壁２４は荷重支持要素２０の基部として機能し、この実施形態の場合比較的剛性且つ均質である（均質性は再現性にとって重要である）。この場合、上部側壁２２、下部側壁２４、および周囲側壁２６は軟材で作製されている。
【００２５】
密閉空間２８は、小荷重（０〜６Ｎ）に対して約２．５×１０６Ｐａのヤング率を有するシリコーン管などの圧縮性の多孔媒体、および流動性媒体３０、この場合シリコーンまたは水などの粘性非圧縮性流体で満たされている。他の実施形態では他の流動性媒体を用い得ることは理解されよう（例えば油、ポリマーまたはゴム化合物）。さらなる実施形態においてこのシリコーン管はスポンジと置き換えられ、またはシリコーン管に流れ制限器を設ける。また密閉空間２８内に含まれているのは３つの互いに離間した圧力変換器３２であり、変換器の位置における圧力の変化に従って電圧を出力する。変換器３２は上面２２と下面２４との間の適所に固定されている。代替実施形態（図示せず）では他の変換器、例えば出力が変換器位置における上部側壁２２と下部側壁２４との間の距離による変換器を用いる。変換器３２は必要なアルゴリズムを搭載したディスプレイ３４を有するコンピュータに電気的に接続されている。
【００２６】
使用時には荷重支持要素２０の感知面２２に荷重３６が外部から加えられると、感知面２２は変形して密閉空間２８内の多孔媒体を局所的に圧縮する。次にこの圧縮が密閉空間２８内の液体３０を拡散プロセスにより流動させる。圧縮／液体流動により生じた圧力過渡は変換器３２で測定されて経時変化する電圧として出力される。測定された圧力過渡が液体３０の流れに対するインピーダンス、感知面２２の伸縮性／変形性および多孔媒体の性質および構造により影響を受けることは理解されよう。流体媒体が１００％液体ではない実施形態では流体体積のコンプライアンスも影響因子である。
【００２７】
１つの実験ではこのシステムを一次元で加えられた荷重３６の位置を判定するように構成した。３箇所の変換器（図３中に示す変換器１〜３）の位置において圧力差を測定し、典型的な一組の過渡を図３に示した。これらの同時測定値を用いることで、その周波数領域で機能して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを用いてこれらの過渡を表す振幅、位相および特定の周波数を求めることができた。あるいは、信号間の位相のずれおよび振幅の大きさを調べることにより情報を取り出すことができる。これらの値を荷重の位置の単一出力で仕立てられたニューラルネットワークに入力した。この単純な手法を用いると位置の測定は全域の２％以内であり、荷重値とは関係なかった。
【実施例２】
【００２８】
図４を参照するとこのシステムは図２に図示されたものと同様である。４つの変換器４０が用いられており、荷重支持要素４２は可撓性プラスチックシートであるが金属（例えばアルミニウム）、木およびボール紙を用いてもよい。変換器４０は荷重支持要素４２の下面に取り付けられた歪みゲージであり、これらは荷重支持要素４２に加えられた局所的曲げ力に応じた電圧を出力する。荷重支持要素４２は支持フレーム４４に装着されている。
【００２９】
本発明のシステムの重要な利点は、これらのシステムによりシステムから離れた三次元の動的力学動作を荷重支持表面に加えられた力のみにより分析することができることである。
【００３０】
（ゴルフにおける身体動作の有効性の判定）
この用途では図４のシステムを用いて、両足元の反応力過渡からゴルフスイングの練習をするユーザの動力学および運動学を推論した。このシステムは可撓性荷重支持シート４２の応答により両足の下の圧力分散の過渡を判定することができる。ユーザは主として屈曲時に歪む可撓性シート４２上に乗った。ゴルフクラブをスイングすると可撓性シート４２は変換器感知位置において過渡撓みによりその応答を伝達した。ゴルフドライブスイングの場合の典型的なデータセットを図５に示す。空間−時間データに基づいて動作のずれを記載するパラメータの評価により、模範的または理想的なアプローチから摂動の推定値を得ることができる。ニューラルネットワークを用いると身体動作におけるエラーの点で理想的な動作からの摂動を定量化することができる。このようにしてユーザの技術の欠点を特定するとともに自動的に改善のアドバイスを提供することが可能である。同様な手法を他のタイプの活動、例えばラケットスイング（図６に示したバドミントンラケットスイングの場合の典型的なデータセット）、トレッドミル上の歩行情報またはダンスフロア上のダンス技術に適用することができる。
【００３１】
１つのスイングに対するこのような複数のデータ時系列の場合、過渡をプロセスの別個の時間に自動的に区分するとともに、動作の運動学および動力学を記載するパラメータを評価することが可能である。歩行または反復ラケットスイングなどの反復信号の場合、カルーネンレーブ（Ｋａｒｈｕｎｅｎ  Ｌｏｅｖｅ）モーダル解析などの他の非線形分析を適用して、同時知覚時系列データを直接身体動作に関係付ける非線形モデルパラメータを評価することが可能である。
【００３２】
上記の例はシステムを荷重を変化させる個々のタイプ、例えば被験者の動作のタイプを識別するように設計できるということを示している。被験者らが身長が異なっても、値ではなく時間内の変化過渡の特性が同様であるため、これを用いて動作の異なる段階、分類またはタイプを区別することができる。そのため例えば被験者がいるようなスポーツまたは健康用途において、知覚過渡の組合せセットにおける特性の差および時間的分離および相対的な大きさ、例えばピークを用いて特定の動作におけるまたは行われる異なるタイプの動作間の変動を識別することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の感知システムは以下の広範囲な実用性を有するがこれに限定されない。
・スポーツ動作の判定。このシステムを例えばトレッドミルのベルトに組み込む、または移動を調べない場合マットとして実現することができる。
・歩行または動揺およびバランスからの診断およびリバビリテーションプロセスにおける身体動作の判定。
・例えば末梢血管障害（糖尿病）に起因する圧力分布における基準からの摂動などの足元状態の認識。
・手、足および歩行の圧痕を識別する安全認識システム。
・スポーツなどのレジャー活動において、ダンス、空手、エアロビクス、体操フィットネス装置などの監視および訓練システムをフロアシステムとして構成することができる。
・人間を監視するための同じシステムをスポーツおよび健康の目的で動物を監視するように実施することができる。
・位置および歩行についての家畜監視。
・道路さらには橋の機械搭載部分としての交通監視システム。車両の負荷配分。
・車両タイプ、車両輪荷重、車両速度、交通密度、サスペンションの状態、タイヤ接地状態、乗客タイプ、オペレータ認識、オペレータ意識の認識。コントロールパネル／表面。
・冗長知覚キーパッドシステム、キーボード、マウスポインティングパッドを非電気的および非金属製部品で製造することができる。
・製造プロセスにおいて、特に食品および薬品プロセスにおいてこのシステムは静止状態および可動表面上で重量、位置および大きさを監視するのに理想的である。
・健康管理用途
外科：可撓性内視鏡、可撓性腹腔鏡、ＭＩＳ（Minimally Invasive Surgery）用可撓性トンネル、触診情報、触感による遠隔ナビゲーション。器具および装置と組織との間の接触圧力の維持。マイクロ／ナノスケールでの装置と細胞との間の接触の測定。
内科：手の大きさ、形状、手振りおよび把持情報、脊椎形状。理学療法における動作。外科的処置（関節置換術）、活性インプラントおよび触覚的なフィードバックから動作する補綴装置前後の姿勢の測定および比較。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による一般的なシステムの概略図である。
【図２】本発明による感知システムの概略図である。
【図３】荷重による図２のシステムからの出力を示す。
【図４】本発明による他の感知システムの概略図である。
【図５】異なる荷重による図４のシステムからの出力を示す。
【図６】異なる荷重による図４のシステムからの出力を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2007526990.tif 000009
2007526990.tif 000010
2007526990.tif 000011