(57)【要約】      （修正有）【課題】装着式動作補助装置の創傷リスクを容易に評価できるようにすること。【解決手段】装着式動作補助装置１は、人体の足２に取り付けられる装置であり、２つのリンク１０ａ、ｂと、２つのリンクを接続する駆動部１１と、リンク１０ａ、ｂにそれぞれ接続されたカフ１２ａ、ｂを有している。リンク１０ａとカフ１２ａとは力覚センサを介して接続されている。また、カフ１２ａには、２つの滑り覚センサが設けられている。２つの滑り覚センサは離間して設けられている。また、力覚センサを挟んで対向する位置であって、リンク１０ａの長手方向に対向して設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体や義肢に接触させ、人体や義肢の相対的な滑り量、滑り速度、および人体や義肢からの力、モーメントを計測する計測装置において、
人体や義肢に接触させて装着する接触部と、
前記接触部における、前記接触部に対する人体や義肢の滑り量と滑り速度を計測する、離間して設けられた２つの滑り覚センサと、
前記接触部における人体や義肢からの力、モーメントを計測する力覚センサと、
を有し、
前記滑り覚センサは、
人体や義肢側に光を放射する発光装置と、
人体や義肢によって反射された光を受光してイメージを取得し、そのイメージの時間変化から前記滑り量と前記滑り速度を算出するイメージセンサと、を有し、
２つの前記滑り覚センサの計測した前記滑り量と前記滑り速度から、２つの滑り方向の成す平面に垂直な回転軸回りの滑り量および滑り速度を算出する、
ことを特徴とする計測装置。
【請求項２】
２つの前記滑り覚センサは、力覚センサの作用点を挟んで対向して設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記力覚センサは、接触平面における直交する２軸方向の力成分と、その２軸に直交する軸回りのモーメント成分の３成分を少なくとも検出するセンサであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項４】
駆動部と、リンクを介して前記駆動部に接続される請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の計測装置と、
を有することを特徴とする装着式動作補助装置。
【請求項５】
２つの前記滑り覚センサは、前記リンクの長手方向に対向して設けられている、ことを特徴とする請求項４に記載の装着式動作補助装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装着式動作補助装置を人体に装着して動作し、
前記装着式動作補助装置の前記滑り覚センサおよび前記力覚センサにより、前記接触部における、前記接触部に対する前記人体の滑り量、滑り速度、および力、モーメントを計測し、
マニピュレータに請求項１ないし請求項４に記載の計測装置を取り付け、前記計測装置の前記接触部を義肢に装着し、
計測した滑り量、滑り速度、および力、モーメントの値に基づいてマニピュレータを制御して前記接触部を動作させることで、人体の動作時の前記接触部の動作を模倣し、
この模倣動作時の滑り量、滑り速度、および力、モーメントを計測し、その計測値から、創傷リスクを評価する、
ことを特徴とする装着式動作補助装置の創傷リスク評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体や義肢に装着して滑り量、滑り速度、力、モーメントを計測する計測装置に関する。また、その計測装置を人体に装着し、人体の動作を補助する装着式動作補助装置に関する。特に、人体や義肢と接触部との間の滑りを検出して創傷リスクを容易に評価可能な装置に関する。また、創傷リスク評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
事故、怪我、故障、老化などによって人が所望の動作を行えなくなった場合に、あるいは動作に伴う負荷を軽減したい場合などに、人体に装着して行動を補助する装置が注目されている（たとえば特許文献１）。この装着式動作補助装置によって動作を補助することで、リハビリや作業効率向上に役立てようというのである。
【０００３】
そのような装着式動作補助装置では、カフ等の接触部と人体を接触させ、その接触部を介して力を伝達することにより動作を補助する。ここで、人体の関節の動きと装置の回転機構の相違などの要因により、接触部と人体との間に滑りが生じる。そのため、接触部が接触する部分の皮膚に負担がかかり、創傷を負う可能性がある。装着式動作補助装置は人体に直接密着させて使用するものであるため、安全性には特に配慮が必要であり、創傷リスクを十分に評価する必要がある。
【０００４】
創傷リスクを評価するためには、装置の接触部と人体との間の滑り（接触部に対する人体の相対的位置や速度。滑り量、滑り速度）を計測して評価することが考えられる。たとえば非特許文献１では、マニピュレータに以下の構成の滑り覚センサを用いている。非特許文献１に記載の滑り覚センサは、レーザーと、ストライプ状のパターンの回折格子と、レンズと、フォトトランジスタと、を有している。回折格子はレーザーの射出口近傍に配置されている。回折格子を透過したレーザー光はレンズによって集光された後対象物に照射され、その対象物（皮膚）による散乱光をフォトトランジスタにより検出する。そして、フォトトランジスタにより検出された信号の自己相関を求め、フーリエ変換してパワースペクトルのピークの周波数ｆを求める。対象物の滑り速度ｖは、その周波数ｆと回折格子の格子間隔ｄからｖ＝ｆ・ｄによって算出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１７３１９０号公報
【０００６】
【非特許文献１】黒田敏秋，北川秀夫，松田文夫，内川嘉樹，服部秀三，格子像投影型非接触小型スリップセンサの開発，日本ロボット学会誌，Vol.9 ，No.4，pp.464-468，1991
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１の滑り覚センサでは、１次元の変位しか原理的に計測することができず、多方向の変位を計測することができない。そのため、多方向の変位を計測するためには非特許文献１の滑りセンサを複数台設ける必要がある。
【０００８】
しかし、非特許文献１の滑り覚センサは比較的大きく、複数台設けようとすると装置の小型化を図る必要性が生じ、大きな開発コストがかかってしまう。また、非特許文献１の滑り覚センサは、回折格子の格子間隔で測定精度が決まるため、測定精度を向上させることが難しいという問題もある。これらの理由により、非特許文献１の滑り覚センサを備えた装着式動作補助装置は実用化には至っていなかった。
【０００９】
そこで本発明の目的は、滑り量を計測して創傷リスクを評価可能な装着式動作補助装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、人体や義肢に接触させ、人体や義肢の相対的な滑り量、滑り速度、および人体や義肢からの力、モーメントを計測する計測装置において、人体や義肢に接触させて装着する接触部と、接触部における、接触部に対する人体や義肢の滑り量と滑り速度を計測する、離間して設けられた２つの滑り覚センサと、接触部における前記人体や義肢からの力、モーメントを計測する力覚センサと、を有し、滑り覚センサは、人体や義肢側に光を放射する発光装置と、人体や義肢によって反射された光を受光してイメージを取得し、そのイメージの時間変化から滑り量と滑り速度を算出するイメージセンサと、を有し、２つの滑り覚センサの計測した滑り量と滑り速度から、２つの滑り方向の成す平面に垂直な回転軸回りの滑り量および滑り速度を算出する、ことを特徴とする計測装置である。
【００１１】
２つの滑り覚センサは、力覚センサの作用点を挟んで対向して設けてもよいし、リンクの長手方向に対向して設けてもよい。
【００１２】
力覚センサは、３軸力覚センサや６軸力覚センサなどを用いることができる。力覚センサは、接触平面における直交する２軸（ｘ軸、ｙ軸）方向の力成分と、その２軸に直交する軸（ｚ軸）回りのモーメント成分の３成分を少なくとも検出するセンサであればよい。創傷リスク評価の精度を高めるために６軸力覚センサを用いることが望ましい。また、力覚センサの方式は、ひずみゲージを用いる方式、光学式、圧電素子を用いる方式、など従来知られている各種方式のものを用いることができる。
【００１３】
本発明の他の１つは、駆動部と、リンクを介して駆動部に接続される本発明の計測装置と、を有することを特徴とする装着式動作補助装置である。
【００１４】
本発明の装着式動作補助装置は、任意の箇所の動作を補助するものであってよい。たとえば、足、腰、腕、肩、指などであり、それらの箇所のうち複数箇所の動作を補助するものであってもよいし、全身を補助するものであってもよい。
【００１５】
本発明の他の１つは、上記本発明の装着式動作補助装置を人体に装着して動作し、装着式動作補助装置の滑り覚センサおよび力覚センサにより、接触部における、接触部に対する人体の滑り量、滑り速度、および力、モーメントを計測し、マニピュレータに本発明の計測装置を取り付け、計測装置の接触部を義肢に装着し、計測した滑り量、滑り速度、および力、モーメントの値に基づいてマニピュレータを制御して接触部を動作させることで、人体の動作時の接触部の動作を模倣し、この模倣動作時の滑り量、滑り速度、および力、モーメントを計測し、その計測値から、創傷リスクを評価する、ことを特徴とする装着式動作補助装置の創傷リスク評価方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、装着部と人体や義肢との間の並進および回転方向の滑り量や滑り速度、並びに装着部に対する皮膚からの力、モーメントを簡易に計測することができ、それらの計測値から創傷リスクを容易に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１の装着式動作補助装置の構成を示した図。
【図２】カフ１２の構成を示した図。
【図３】カフ１２とリンク１０との接続部分の構成を分解して示した図。
【図４】滑り覚センサの構成を示した図。
【図５】回転方向の滑り速度について説明する図。
【図６】カフ１２とリンク１０との接続部分を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
［装着式動作補助装置の構成］
図１は、実施例１の装着式動作補助装置１の構成を示した図である。実施例１の装着式動作補助装置１は、図１に示すように、人体の足２に取り付けられる装置であり、２つのリンク１０ａ、ｂと、２つのリンク１０ａ、ｂを接続する駆動部１１と、リンク１０ａ、ｂにそれぞれ接続されたカフ（本発明の接触部に相当する）１２ａ、ｂを有している。以下、装着式動作補助装置１の各構成要素についてより詳しく説明する。
【００２０】
駆動部１１は、図１のように、膝関節部分に設けられている。駆動部１１にはリンク１０ａ、ｂの一端が接続されている。リンク１０ａは、足２の膝下部分に沿って設けられ、リンク１０ｂは膝上部分に沿って設けられている。また、駆動部１１は、リンク１０ａ、ｂに作用する力を制御するモータ、およびリンク１０ａ、ｂの成す角度を検出する角度センサ、リンク１０ａ、ｂに作用する出力を検出するセンサを備えている（いずれも図示しない）。駆動部１１は、使用者からの入力や使用者の運動状態に基づいてモータを制御し、それによりリンク１０ａ、ｂに作用する力を制御する。使用者の運動状態はたとえば生体センサを用いて検出する。リンク１０ａ、ｂの角度が所望の位置となった時点でリンク１０ａ、ｂを停止したり、リンク１０ａ、ｂの回転方向を逆転させたりすることも可能である。
【００２１】
リンク１０ａの駆動部１１が接続されている側とは反対側の一端には、カフ１２ａが接続されている。同様にリンク１０ｂの一端にもカフ１２ｂが接続されている。カフ１２ａ、ｂは足２に接触している。図示しないが、カフ１２ａ、ｂの上に伸縮性のバンドが巻かれ、足２とカフ１２ａ、ｂが接触した状態で装着されている。
【００２２】
図２は、足２側からリンク１０ａ方向に見たときのカフ１２ａの構成を示した図であり、図６は、リンク１０ａとカフ１２ａとの接続部分を拡大して示した図である。また、図３は、リンク１０ａとカフ１２ａの接続部分の構成を分解して示した図である。
【００２３】
カフ１２の形状は、図２のように、足２の膝下部分の形状に沿った円筒の一部分の形状である。図３のように、リンク１０ａとカフ１２ａとは力覚センサ１４を介して接続されている。また、図２のように、カフ１２ａには、滑り覚センサパッケージ１５が設けられている。滑り覚センサパッケージ１５は、２つの滑り覚センサ１５ａ、ｂを有している。これらカフ１２ａ、ｂ、力覚センサ１４、滑り覚センサ１５ａ、ｂが本発明の計測装置に相当している。２つの滑り覚センサ１５ａ、ｂは、滑り覚センサパッケージ１５内において離間して設けられている。また、力覚センサ１４の作用点１６を挟んで接触平面内において対向する位置であって、リンク１０ａの長手方向に対向して設けられている。カフ１２ａには孔１７が設けられ、その孔にはめ込むようにして１つの滑り覚センサパッケージ１５が設けられている。
【００２４】
カフ１２ｂの形状は、足２の膝上部分の形状に沿った円筒の一部分の形状であり、それ以外の構成はカフ１２ａと同様である。また、リンク１０ｂとカフ１２ｂとの接続部分の構成も、リンク１０ａとカフ１２ａの接続部分の構成と同様である。
【００２５】
［装着式動作補助装置の動作］
次に、実施例１の装着式動作補助装置１の動作について説明する。
【００２６】
実施例１の装着式動作補助装置１を足２に装着した状態で、足２を延ばしたり曲げたりする動作を行う場合に、使用者からの入力を受けるか、駆動部１１の有する角度センサを利用して、使用者の運動状態を検出する。
【００２７】
駆動部１１は、使用者からの入力や使用者の運動の状態と、駆動部１１の有する角度センサ、出力センサが計測した値に基づき、モータを制御し、リンク１０ａ、ｂに作用する出力が所定の値となるように制御する。
【００２８】
駆動部１１によるリンク１０ａ、ｂの制御により、リンク１０ａ、ｂに接続するカフ１２ａ、ｂに力が伝達され、さらにカフ１２ａ、ｂが接触する人体へと力が伝達される。そして、人体に加えられた力によって、足２の膝関節を延ばしたり曲げたりする動作が補助される。
【００２９】
この実施例１の装着式動作補助装置１を用いることで、たとえば以下のような効果を期待できる。病気や怪我などによって運動機能に障害を負った人や、老化などによって体力の低下した人、大きな負荷のかかる動作、たとえば重量物の運搬などを行う人に対して、実施例１の装着式動作補助装置１を用いることで動作を容易にすることができる。
【００３０】
次に、カフ１２ａ、ｂの有する滑り覚センサ１５ａ、ｂおよび力覚センサ１４の構成についてより詳細に説明する。
【００３１】
［滑り覚センサの構成］
図４は、滑り覚センサ１５ａの構成を示した図である。滑り覚センサ１５ｂも同様の構成である。滑り覚センサ１５ａは、図４に示すように、基板１５０と、基板１５０裏面（人体に光が照射される側とは反対側の面）に配置された発光装置１５１およびイメージセンサ１５３と、基板１５０表面（人体に光が照射される側の面）に配置されたレンズ１５２とを有している。また、基板１５０裏面から表面に貫通し、発光装置１５１に接する導光体１５４を有している。
【００３２】
発光装置１５１は半導体レーザーあるいは発光ダイオードである。図４のように、発光装置１５１は導光体１５４に接しており、発光装置１５１から放射される光は、導光体１５４によって基板１５０裏面側から基板１５０表面側に導かれ、そしてレンズ１５２を介して人体側に照射される。導光体１５４は透光性の材料であり、たとえばレンズ１５２と同一材料である。
【００３３】
レンズ１５２は、人体によって反射された発光装置１５１からの光が、孔１５４を通してイメージセンサ１５３に集光されるよう配置されている。
【００３４】
イメージセンサ１５３は、レンズ１５１によって集光された皮膚からの反射光を受光する。レンズ１５２はシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などの透光性の樹脂からなり、孔１５４は、レンズ１５２と同一の材料で埋められている。イメージセンサ１５３は、ＣＭＯＳなどの受光素子と、算出手段とを有する。算出手段は、受光素子によって取得した画像の時間変化から、カフ１２ａ接触部分における、滑り覚センサ１５ａに対する足２の膝下部分の滑り量（相対位置）を算出する。
【００３５】
滑り覚センサ１５ａ、ｂの動作原理をまとめると次の通りである。発光装置１５１から放射された光は、人体に照射される。そして、人体によって乱反射された光をレンズ１５２によって集光し、イメージセンサ１５３によってその集光された光を受光する。これによりイメージセンサ１５３は滑り覚センサ１５ａ、ｂ近傍の人体表面の画像を所定間隔で取得する。前回取得した画像と今回取得した画像とを比較し、同一形状部分を検出する。その同一形状部分の変化から、カフ１２ａ、ｂに対する人体の２次元的な移動量、すなわち、並進方向（カフ１２ａ、ｂと人体とが接触する接触平面内の直交する２つの軸（ｘ軸、ｙ軸）方向の滑り量（滑り方向とその距離）を算出することができる。滑り量の計測は、所定の時間間隔Δｔで繰り返し行う。滑り量は所定時間Δｔ当たりのものであるから、並進方向の滑り速度とみなすことができる。このようにして、滑り覚センサ１５ａ、ｂによって、並進方向の滑り量、滑り速度を計測することができる。
【００３６】
また、２つの滑り覚センサ１５ａ、ｂによって計測された並進方向の滑り量、滑り速度は、滑り覚センサパッケージ１５内の演算部（図示しない）に送信される。演算部では、それら並進方向の滑り量、滑り速度から、回転方向の滑り量、滑り速度を算出する。回転軸（ｚ軸）は、滑り覚センサ１５ａ、ｂによって計測された２つの滑り方向の成す平面に垂直であり、滑り覚センサ１５ａを通り所定の角度（たとえば９０°）を成すｘｙ平面内の直線Ｌ１と、滑り覚センサ１５ｂを通り所定の角度を成すｘｙ平面内の直線Ｌ２との交点を通る（図５参照）。また、回転方向の滑り速度は、滑り覚センサ１５ａによって計測された滑り速度ｖ１と滑り覚センサ１５ｂによって計測された滑り速度ｖ２の和の１／２である。
【００３７】
なお、回転方向の滑り量、滑り速度を算出する演算部は、カフ１２ａ、ｂにそれぞれ設けてもよいし、駆動部１１に設けてもよい。
【００３８】
［力覚センサの構成］
次に、力覚センサ１４の構成について説明する。力覚センサ１４は、３軸または６軸力覚センサであり、カフ１２ａ、ｂが接する皮膚から力覚センサ１４に加わる３次元（互いに直交する３軸方向）の力のベクトルと、３つの各軸回りのモーメントを計測することができる。
【００３９】
なお、力覚センサ１４には、ひずみゲージを用いるもの以外にも従来知られている各種方式のものを採用することができる。たとえば、圧電素子を用いるもの、光学式のもの、などを用いることができる。
【００４０】
また、力覚センサ１４には３軸力覚センサなどを用いることもできる。また、実施例１では滑り覚センサ１５は２つ、力覚センサ１４は１つ用いているが、測定精度向上のため、滑り覚センサ１５を３つ以上用いてもよいし、力覚センサ１４を２つ以上用いてもよい。
【００４１】
［滑り覚センサと力覚センサの配置］
２つの滑り覚センサ１５ａ、ｂは、図２、３のように、接触平面（ｘｙ平面）内においてリンク１０ａの長手方向に離間して配置されている。また、力覚センサ１４は、図３のように、接触平面内において、２つの滑り覚センサ１５ａ、ｂの間に力覚センサ１４の作用点が来るように配置されている。このように滑り覚センサ１５ａ、ｂと力覚センサ１４を配置することで、精度よく計測できるようにしている。
【００４２】
［創傷リスクの評価方法］
次に、カフ１２における皮膚の創傷リスクを評価する方法について説明する。
【００４３】
まず、実施例１の装着式動作補助装置１を図１と同様にして人体の足２に装着する。装着した状態で足２の膝関節を曲げたり延ばしたりする。このとき、実施例１の装着式動作補助装置１の滑り覚センサ１５ａ、ｂおよび力覚センサ１４によって、カフ１２ａ、ｂに対する人体の並進方向および回転方向の滑り量、滑り速度と、力およびモーメントを計測する。計測した値はコンピュータ等の記憶装置に記録しておく。合わせて、モーションキャプチャによって外部から見たカフ１２ａ、ｂの移動量を計測してもよい。
【００４４】
次に、実施例１の装着式動作補助装置１を人体から着脱し、実施例１の装着式動作補助装置１のカフ１２ａ、ｂと同一のカフを用意する。つまりそのカフは図２、３のように滑り覚センサ１５ａ、ｂと力覚センサ１４を備えている。装着式動作補助装置１からカフ１２ａ、ｂを取り外して使用してもよい。そのカフを義肢に装着するとともに、マニピュレータと接続してカフの位置を可動できるようにする。義肢表面は人工皮膚で覆われている。この人工皮膚は、実際の皮膚の滑り特性とよく類似したものである。
【００４５】
次に、記憶装置に記録しておいた滑り量、滑り速度、力、モーメントの数値に基づき、マニピュレータを動作させてカフに力を加えることにより、人体の足２の動きを模倣する。モーションキャプチャを用いてカフ１２ａ、ｂの移動量を計測していた場合にはその値を考慮してもよい。この模倣した動作を複数回繰り返し、その間、カフの備える滑り覚センサ１５ａ、ｂと力覚センサ１４によって、カフに対する義肢の並進方向および回転方向の滑り量、滑り速度と、力およびモーメントを計測する。
【００４６】
このようにして計測した、カフに対する義肢の滑り量、滑り速度、力、モーメントの値を用いて、皮膚の創傷リスクを評価する。そして、その評価に基づき、実際のカフ１２ａ、ｂの形状、装着位置、材質、装着時の締め方などを変えることにより、カフ１２ａ、ｂの装着部の皮膚の創傷を防止することができる。
【００４７】
この創傷リスク評価方法は、人体に負荷をかけずに創傷リスクを評価することができるので安全性が高く、また容易に評価することができる。
【００４８】
なお、実施例１の装着式動作補助装置１は、人体の足に装着して膝の動きをサポートするものであったが、本発明の装着式動作補助装置は膝部分に装着するものに限らない。たとえば、腕、肩、腰、指などの動きをサポートする装着式動作補助装置であってもよい。さらには複数箇所の動き（たとえば足と腰の動き）をサポートするものであってもよいし、全身をサポートするものであってもよい。
【００４９】
また、本発明の装着式動作補助装置は、創傷リスクの評価だけでなく、創傷リスクの警告などにも用いることができる。たとえば、装着式動作補助装置の動作によって創傷リスクが所定の基準値を超えた場合に、警告音を発する構成とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、装着式動作補助装置の創傷リスクを容易に評価することができるので、安全性の高い装着式動作補助装置を低コストで実現することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１：装着式動作補助装置
２：足
１０ａ、ｂ：リンク
１１：駆動部
１２ａ、ｂ：カフ
１４：力覚センサ
１５：滑り覚センサパッケージ
１５ａ、ｂ：滑り覚センサ
１５０：基板
１５１：発光装置
１５２：レンズ
１５３：イメージセンサ
【図１】
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【図２】
2015077362.tif 000004
【図３】
2015077362.tif 000005
【図４】
2015077362.tif 000006
【図５】
2015077362.tif 000007
【図６】
2015077362.tif 000008