(57)【要約】【課題】力センサを用いることなく、被検体にかかる反力を高い精度で推定することができる反力推定装置及び反力推定方法を提供する。【解決手段】  被検体の姿勢を計測する計測部３と、被検体に働く重力と、上記姿勢に応じて求められた被検体の部位に働く慣性力から、被検体の零モーメント点を算出した上で、被検体の物に対する接触点と零モーメント点の両座標から接触点における反力を推定する演算部４と、演算部４により推定された反力の向き及び大きさを表示する表示部６とを備えた反力推定装置１を提供する。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体の姿勢を計測する計測手段と、
前記被検体に働く重力と、前記姿勢に応じて求められた前記被検体の部位に働く慣性力から、前記被検体の零モーメント点を算出した上で、前記被検体の物に対する接触点と前記零モーメント点の両座標から前記接触点における反力を推定する演算手段と、
前記演算手段により推定された前記反力の向き及び大きさを表示する表示手段とを備えた反力推定装置。
【請求項２】
前記計測手段は、前記被検体を模した多関節リンクモデルに前記姿勢を反映させることにより前記姿勢を計測すると共に、
前記部位は、前記多関節リンクモデルにおける手及び足を含む、請求項１に記載の反力推定装置。
【請求項３】
前記演算手段は、前記物に対して接触する前記手若しくは前記足の位置座標同士を結ぶことにより形成される線、面、若しくは立体上に前記零モーメント点を定義する、請求項２に記載の反力推定装置。
【請求項４】
前記被検体の両手と両足が物に接触した状態において、
前記演算手段は、前記零モーメント点を、前記多関節リンクモデルにおける両手の位置座標を結ぶ第一の線分に射影して第一の射影点を、前記多関節リンクモデルにおける両足の位置座標を結ぶ第二の線分に射影して第二の射影点を求めた上で、前記零モーメント点と前記第一の射影点との間における第一の距離と、前記零モーメント点と前記第二の射影点との間における第二の距離との比に応じて前記両手と前記両足にかかる反力の総和を推定し、推定された前記両手にかかる反力の総和と前記第一の射影点から左右の前記手までの距離の比から前記左右の前記手にかかる反力を推定すると共に、推定された前記両足にかかる反力の総和と前記第二の射影点から左右の前記足までの距離の比から前記左右の前記足にかかる反力を推定する、請求項２に記載の反力推定装置。
【請求項５】
被検体の姿勢を計測する第一のステップと、
前記被検体に働く重力と、前記姿勢に応じて求められた前記被検体の部位に働く慣性力から、前記被検体の零モーメント点を算出する第二のステップと、
前記被検体の物に対する接触点と前記零モーメント点の両座標から前記接触点における反力を推定する第三のステップと、
前記第三のステップにおいて推定された前記反力の向き及び大きさを表示する第四のステップを有する反力推定方法。
【請求項６】
前記第一のステップでは、前記被検体を模した多関節リンクモデルに前記姿勢を反映させることにより前記姿勢を計測すると共に、
前記部位は、前記多関節リンクモデルにおける手及び足を含む、請求項５に記載の反力推定方法。
【請求項７】
前記第二のステップでは、前記物に対して接触する前記手若しくは前記足の位置座標同士を結ぶことにより形成される線、面、若しくは立体上に前記零モーメント点を定義する、請求項６に記載の反力推定方法。
【請求項８】
前記被検体の両手と両足が物に接触した状態において、
前記第三のステップでは、前記零モーメント点を、前記多関節リンクモデルにおける両手の位置座標を結ぶ第一の線分に射影して第一の射影点を、前記多関節リンクモデルにおける両足の位置座標を結ぶ第二の線分に射影して第二の射影点を求めた上で、前記零モーメント点と前記第一の射影点との間における第一の距離と、前記零モーメント点と前記第二の射影点との間における第二の距離との比に応じて前記両手と前記両足にかかる反力の総和を推定し、推定された前記両手にかかる反力の総和と前記第一の射影点から左右の前記手までの距離の比から前記左右の前記手にかかる反力を推定すると共に、推定された前記両足にかかる反力の総和と前記第二の射影点から左右の前記足までの距離の比から前記左右の前記足にかかる反力を推定する、請求項６に記載の反力推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手や足などにかかる反力を推定するための装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リハビリテーションを含む医療やスポーツなどの分野においては、人の運動を可視化するニーズが高まっており、近年においては、このようなニーズに応えるべく種々の考案や研究がなされている。例えば、以下の特許文献１，２や非特許文献１〜３においては、関節等にかかる負荷や筋活動等を可視化するシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１７９０４８号公報
【特許文献２】特開２０１７−８６１８４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“Visual feedback system showing loads on handrails for gait training”, R. Sabe, T. Hayashi, and Y. Sankai, 2012 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII), pp. 337-342, 2012
【非特許文献２】“Training Assist System of a Lower Limb Prosthetic Visualizing Floor-Reaction Forces Using a Color-Depth Sensing Camera”, Kunihiro OGATA, Tomoki MITA, Takeshi SHIMIZU and Nobuya YAMASAKI, IEICE TRANSACTIONS on Information and Systems Vol.E98-D No.11, pp.1916-1922, 2015
【非特許文献３】“Estimating Zero Moment Point and Floor Reaction Force Using Visual Markers”, Kunihiro Ogata, Hideyuki Tanaka and Yoshio Matsumoto, 2016 IEEE 4th International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors , 2016
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１や非特許文献１に開示されたシステムではいわゆる力センサが用いられているが、一般的に力センサを組み込んだシステムの運用は必ずしも簡便とは言えず、コストも高いという問題がある。
【０００６】
また、特許文献２や非特許文献２には、脚に作用する床反力を算出して可視化するシステムが開示されているが、手に作用する力までは考えられていないという問題がある。
【０００７】
また、非特許文献３には、両足のみならず片手に生じる反力も推定する手法が開示されているが、三次元的な手先の位置を考慮していないために、実測値と十分適合する推定値を得ることができていないという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、力センサを用いることなく、被検体にかかる反力を高い精度で推定することができる反力推定装置及び反力推定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は、被検体の姿勢を計測する計測手段と、被検体に働く重力と、上記姿勢に応じて求められた被検体の部位に働く慣性力から、被検体の零モーメント点を算出した上で、被検体の物に対する接触点と零モーメント点の両座標から接触点における反力を推定する演算手段と、演算手段により推定された反力の向き及び大きさを表示する表示手段とを備えた反力推定装置を提供する。
【００１０】
また、上記課題を解決するため、本発明は、被検体の姿勢を計測する第一のステップと、被検体に働く重力と、上記姿勢に応じて求められた被検体の部位に働く慣性力から、被検体の零モーメント点を算出する第二のステップと、被検体の物に対する接触点と零モーメント点の両座標から接触点における反力を推定する第三のステップと、第三のステップにおいて推定された反力の向き及び大きさを表示する第四のステップを有する反力推定方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、力センサを用いることなく、被検体にかかる反力を高い精度で推定することができる反力推定装置及び反力推定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る反力推定装置１の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る反力推定方法を示すフローチャートである。
【図３】零モーメント点ZMPの意義を説明するための図である。
【図４】多関節リンクモデルにおける手と足の接触点により形成される凸包を示す図である。
【図５】多関節リンクモデルの片手片足が物と接触する場合における零モーメント点の算出方法を説明するための図である。
【図６】図５に示された場合において、零モーメント点ZMPから接触点Ph,Pfまでの距離の比に応じた反力の推定方法を説明するための図である。
【図７】多関節リンクモデルの両手両足が物と接触する場合における零モーメント点の算出方法を説明するための図である。
【図８】図７に示された場合において、零モーメント点ZMPの直線L1,L2への射影を説明するための図である。
【図９】図８に示された直線L1,L2上への射影により得られる零モーメント点Pz1,Pz2の算出方法を説明するための図である。
【図１０】図９に示された零モーメント点Pz1,Pz2に基づいて、各手足における反力を推定する方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下において、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に係る反力推定装置１の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、反力推定装置１はバス２と、それぞれバス２に接続された計測部３、演算部４、記憶部５、及び表示部６を備える。
【００１５】
なお、図１に示された反力推定装置１においては、計測部３はバス２に接続されるが、計測部３は、計測することにより得られたデータを無線通信により記憶部５へ送信する構成としても良い。
【００１６】
図２は、本発明の実施の形態に係る反力推定方法を示すフローチャートである。以下においては、図２に示された反力推定方法を図１に示された反力推定装置１を動作させることにより実行する場合について説明するが、本反力推定方法は反力推定装置１を用いる場合に限られず広く適用することができる。
【００１７】
ステップＳ１では、計測部３が被検体の姿勢を計測する。なお、本計測により得られたデータは記憶部５に格納される。
【００１８】
次に、ステップＳ２において、演算部４は記憶部５に格納されたデータに基づいて、被検体に働く重力と、上記姿勢に応じて求められた被検体の各部位に働く慣性力から、被検体の零モーメント点を算出する。なお、零モーメント点の意義や算出方法については後に詳しく説明する。
【００１９】
次に、ステップＳ３において、演算部４は被検体の物に対する接触点と零モーメント点の両座標から接触点における反力を推定し、推定された反力の向き及び大きさを示すデータを記憶部５に格納する。なお、この反力の推定方法についても後に詳しく説明する。
【００２０】
そして、ステップＳ４において、表示部６は記憶部５に格納された上記反力の向き及び大きさを示すデータに基づいて、当該反力の向き及び大きさをモニタ等に表示して可視化する。なお、このとき、推定された反力の向き及び大きさを、被検体を模した多関節リンクモデルに重ねて表示することにより、ユーザにとって反力の推定値の把握が容易になる。さらに、反力推定装置１が上記推定及び表示をリアルタイムに実行することにより、被検体の手足にかかる反力の推定値をリアルタイムに可視化できる。以下においては、以上のような図２に示された反力推定方法の具体例につき詳しく説明する。
【００２１】
計測部３は、距離画像などを撮像するセンサによって全身の関節の位置あるいは体節の重心位置を示す座標データを取得するにより、被検体の重心の位置を示す座標データを取得する。
【００２２】
また、演算部４は、計測部３により取得された重心の座標データの時間的遷移（重心軌道）から重心加速度を算出し、上記の座標データ及び重心加速度に基づいて、被検体が物に及ぼす力の代表点として零モーメント点を算出する。
【００２３】
ここで、零モーメント点とは、図３に示されるように、重心Cの周りに働く慣性力Icと、重力や周囲の環境から受ける外力による慣性力、例えば両足が床から受ける慣性力Ifr,Iflとが釣り合う点を意味する。なお、図３には被検体を表現するために使用される多関節リンクモデルが示される。
【００２４】
零モーメント点は一般的に、二足歩行ロボットの歩行パターン生成に用いられるパラメータとして用いられる。そして多くの場合は、図３に示されるように、足からだけ反力を受けると仮定した上で、床面に働く力の代表点としての零モーメント点ZMPが床面上に定義される。
【００２５】
ここで、零モーメント点ZMPの座標xG,yG,zGは、重心Cの座標xC,yC,zC、被検体の質量（体重）M、重力加速度g、角運動量Lx,Ly,Lzを用いて、次式（１）により算出できる。なお、座標zGは、上記のように零モーメント点ZMPが床面上に定義されることによりゼロとされる。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
また、上記のように零モーメント点は被検体が物に及ぼす力の代表点であることから、物へのＮ個の接触点で働く力（接触力）をfi（i =１〜Ｎ）とするとき、式（１）における座標xGは次式（２）のように表すことができる。なお、対称性により、座標yG,zGについてもそれぞれ同様な式で表すことができる。
【００２８】
【数２】
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【００２９】
このことから、上記の各接触点が既知となれば、式（２）を用いることにより、当該接触点と零モーメント点の座標から接触力、すなわち当該物からの反力を算出することができることになる。
【００３０】
そこで演算部４は、図４に示されるように、被検体が手で物と接触する場合、手や足の接触面を点で近似した上でこれらの点を結んでできる凸包（Convex hull）Chを定義する。そして、零モーメント点を上記凸包上に定義することで、以下のように手と足に働く反力の推定を行う。
【００３１】
被検体が手と足で物と接触する場合、図５に示されるように片手片足の２つの接触点Ph,Pfで接触する場合（２点接触）と、図７に示されるように両手両足の４つの接触点Phr,Phl,Pfr,Pflで接触する場合（４点接触）の二つのパターンが考えられる。以下においては、これら二つのパターンについて、２点接触、４点接触の順に説明する。
【００３２】
２点接触においては、各々の手足における接触点Ph,Pfを結ぶ、図５に示された線分Ｌ上に零モーメント点を定義する。このとき、手の接触点Phの座標を座標xh,yh,zh、足の接触点Pfの座標を座標xf,yf,zfとすると、零モーメント点の座標xG,yG,zGは、上式（１）と線分Ｌを示す式を連立させた次式（３）を解くことにより得ることができる。
【００３３】
【数３】
2019033954.tif 000005
【００３４】
但し、式（３）は過拘束となるため、２次最小近似によって解を得る。
【００３５】
次に、図６に示された零モーメント点ZMPと各接触点Ph,Pfとの距離δh,δfの比を式（４）により算出することで、手と足の接触点Ph,Pfにかかる反力Fh,Ffを推定することができる。
【００３６】
【数４】
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【００３７】
但し、式（４）における距離δh,δfは、次式（５）により算出される。
【００３８】
【数５】
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【００３９】
一方、４点接触においては、図５に示された線分Ｌを図７に示された平面PLに拡張することで、各手足の接触点Phr,Phl,Pfr,Pflに働く力を推定することができる。ここで、これらの接触点、つまり４つの接触点から一つの平面を決めることはできない。そこで、本平面を２次最小の平面として近似し、次式（６）の連立方程式から得られるものとする。
【００４０】
【数６】
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【００４１】
なお、式（６）において、それぞれ座標xh,l,yh,l,zh,lは接触点Phlの座標、座標xh,r,yh,r,zh,rは接触点Phrの座標、座標xf,l,yf,l,zf,lは接触点Pflの座標、座標xf,r,yf,r,zf,rは接触点Pfrの座標を示す。また、係数α0，α1，α2は、平面PLの式（x+α0y+α1z+α2=0）の係数を示す。
【００４２】
図７に示されるように、上式（６）を解くことにより得られた平面上に零モーメント点ZMPがあると定義する。そして、式（１）と式（６）から得られる平面の方程式としての式（７）を解くことにより、平面PL上の零モーメント点ZMPの座標xG,yG,zGが算出される。
【００４３】
【数７】
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【００４４】
ここで、式（７）を解くことにより得られた零モーメント点ZMPと各接触点Phr,Phl,Pfr,Pflとの距離から、各接触点Phr,Phl,Pfr,Pflに働く力（反力）を推定する。
【００４５】
初めに、両手の接触点Phr,Phlにかかる力の総和Fh,allと両足の接触点Pfr,Pflにかかる力の総和Ff,allを求める。具体的には、図８に示されるように、平面PL上にある零モーメント点ZMPを両手の接触点Phr,Phlを結ぶ線分L1と、両足の接触点Pfr,Pflを結ぶ線分L2にそれぞれ射影する。
【００４６】
このとき、図９に示されるように、零モーメント点ZMPの座標を座標xG,yG,zG、左の接触点Phl, Pflの座標を座標xL,yL,zL、右の接触点Phr,Pfrの座標を座標xR,yR,zRとすると、線分L1上の射影点Pz1と線分L2上の射影点Pz2の座標を示す座標xH,yH,zHは、次式（８）により算出される。
【００４７】
【数８】
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【００４８】
但し、式（８）において、λ、ｌ、dx、dy、dzはそれぞれ式（９）〜（１１）により示される。
【００４９】
【数９】
2019033954.tif 000011
【００５０】
【数１０】
2019033954.tif 000012
【００５１】
【数１１】
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【００５２】
そして、零モーメント点ZMPと、このようにして座標が算出された線分L1上の射影点Pz1と線分L2上の射影点Pz2までの各距離の比から、両手の接触点Phr,Phlにかかる力の総和Ff,allと両足の接触点Pfr,Pflにかかる力の総和Ff,allが求められる。
【００５３】
次に、図１０に示されるように、左右の手における接触点Phr,Phlから両手の間の射影点Pz1までの距離δR,δLの比から、次式（１２）を用いて左右の手にかかる反力Fi,l,Fi,rを推定する。なお、左右の足にかかる反力も同様に推定することができるため、式（１２）の添え字iは、手を表すh、又は足を表すfのいずれかを意味するものとされ、以下の式（１３）でも同様である。
【００５４】
【数１２】
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【００５５】
なお、式（１２）における距離δR,δLは、それぞれ式（１３）で示される。
【００５６】
【数１３】
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【００５７】
なお、式（１３）における座標xi,G,yi,G,zi,Gは、両手あるいは両足を結ぶ線分L1,L2に射影された射影点Pz1, Pz2の座標を示す。
【００５８】
ところで、上記のように平面上に位置する零モーメント点ZMPは、被検体の手が物と接触することで、両手と両足の４つの接触点を結ぶ四角形の内部に存在する。ここで、両手が物から離れた場合は、式（７）により算出される零モーメント点ZMPは、上記四角形の内部には存在せず、被検体の姿勢にもよるが両足の間（床面）、あるいは足の位置よりも下に存在することになる。そこで、零モーメント点ZMPのｚ座標の値が左右の足の位置より高いか否かによって、被検体の物への接触状態、特に手が物に接触しているか否かを判別することができる。
【００５９】
すなわち、零モーメント点ZMPのｚ座標の値が左右の足の位置より高いと判別された場合には、上記の４点接触における反力の推定方法を適用する。
【００６０】
以上より、本発明の実施の形態に係る反力推定装置１及び反力推定方法によれば、力センサを用いることなく、被検体の手足にかかる反力を高い精度で推定することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１  反力推定装置
３  計測部
４  演算部
６  表示部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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