(57)【要約】【課題】２つの部材が可動限界に達したことを検出できると共に、限界範囲に達してから更に加えられた外力の大きさを計測可能にする。【解決手段】２つの部材に形成されると共に互いに当接することにより２つの部材の相対移動を所定範囲に制限するストッパと、ストッパ同士の間に設けられる力センサとを備える。２つの部材を相対移動させ、ストッパが互いに当接したときに、ストッパの間の押し付け力が力センサにより検出され、ヒンジの２つの部材が可動範囲の限界に達したことを検出できる上に、その後さらに同じ方向に加わった力の大きさを検出することができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材を回動方向のみに相対移動可能なように支持する連結部印加力検出機構であって、
前記２つの部材に形成されると共に互いに当接することにより前記２つの部材の相対移動を所定範囲に制限するストッパと、
前記ストッパ同士の間に設けられる力センサとを備えていることを特徴とする連結部印加力検出機構。
【請求項２】
前記２つの部材を連動させるギア部をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の連結部印加力検出機構。
【請求項３】
前記力センサは、
外圧によって導電抵抗が変化する感圧部と、
前記感圧部を挟む２つの電極部とを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の連結部印加力検出機構。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の連結部印加力検出機構を関節に備えることを特徴とする人体模型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つの部材を回動方向のみに相対移動可能なように支持する連結部印加力検出機構及びこれを備えた人体模型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
昨今、地震や戦争などの災害時に被災者を如何にして素早く安全に救助するかの方法の模索が盛んになっている。その手段の一つとしてレスキューロボットの開発が活発になっている。その開発にあたり、被災者に痛みを与えず安全に救出できることが重要な課題になっている。また、高齢化社会が進むにつれ、ロボットやベッド等の介護支援用装置の開発が進んでいる。ここでも被介護者に痛みを与えず安全に介護する技術の確立が必要になっている。
【０００３】
これらの技術開発の過程では被災者や被介護者の代わりにダミーの人体模型が使用されている。この種の人体模型において例えば手足の関節を無理に引っ張ることによる痛みの検出を行うため、関節部分に引っ張り力測定機構を内蔵したものが開発されている。引っ張り力測定機構により、人体模型が救助あるいは介護されるときの負荷を人の痛みとして数値化することが可能になっている。
【０００４】
非特許文献１には、人体模型の関節に引っ張り力測定機構１００を備えたものが記載されている。この引っ張り力測定機構１００は、図６および図７に示すように透孔１０１を有する第１部材１０２と、この透孔１０１を貫通する軸部１０３と軸部１０３にフランジ状に形成されて透孔１０１の周縁部を押圧可能な押圧部１０４とを有する第２部材１０５と、透孔１０１の周縁部と押圧部１０４との間に設けられるシート状の力センサ１０６とを備えている。そして、第２部材１０５の軸部１０３を第１部材１０２の透孔１０１に貫通させて引っ張った時に（図７中に矢示）、力センサ１０６により透孔１０１の周縁部と押圧部１０４との間の押し付け力を検出する。これにより、第１部材１０２と第２部材１０５との引っ張り力を検知するものとしている。
【０００５】
この力センサ１０６は、図８に示すようにポリエステルやＰＥＮ、ポリイミド等から成るフィルム基材１０７と、フィルム基材１０７に銀インクをスクリーン印刷等で印刷乾燥して成る電極部１０８および端子部１０９と、押し付け力によって導電抵抗が変化する感圧インクを電極部１０８の上に塗布して成る感圧部１１０と、電極部１０８と端子部１０９を接続する接続部１１２とを備えた片面シート１１１を、図９に示すように印刷面同士を対向させて張り合わせて形成されている。感圧部１１０に外部から挟み込む方向の力を加えることにより、各電極部１０８間の抵抗値が変化して押し付け力の増減を検出することができる。電極部１０８及び感圧部１１０とその近傍のフィルム基材１０７は円環形状としている。その透孔１１３に第２部材１０５の軸部１０３が嵌入される。
【０００６】
【非特許文献１】
日本機械学会［Ｎｏ，０１−４］ロボテックス・メカトロニクス講演会’０１講演論文集（１Ａ１−Ｅ８「レスキューロボットコンテストのためのセンサ内蔵ダミーの開発」、Ｆｉｇ．５）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献１に記載の技術を、人体模型の肘や膝などの関節に適用した場合、これらの関節を引っ張る力の検出は可能であるが、関節が可動限界に達したことの検出、並びに可動限界方向に加えられる力の大きさを検出することができない。特にこれらの関節では曲げ方向あるいは伸ばし方向の可動範囲の限界に達した時に、それ以上同じ方向に加えられた力の大きさから人の痛みを推測することが望まれる。このため、可動限界に達した後に更に作用する力を検出できないのでは、人の痛みの数値化はできない。
【０００８】
また、従来から知られるロードセルなどの力センサを関節に設けることも考えられるが、これでは装置が大掛かりになってしまうため人体模型の肘や膝などの関節に組み込むことは難しい。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、可動限界に達したことを検出できると共に限界範囲に達してから更に加えられた力の大きさを計測可能な連結部印加力検出機構及びこれを備えた人体模型を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の連結部印加力検出機構は、２つの部材を回動方向のみに相対移動可能なように支持する連結部印加力検出機構であって、前記２つの部材に形成されると共に互いに当接することにより前記２つの部材の相対移動を所定範囲に制限するストッパと、前記ストッパ同士の間に設けられる力センサとを備えている（請求項１）。
【００１１】
この構成によると、２つの部材を回動方向に相対移動させ、ストッパが互いに当接したときに、ストッパの間の押し付け力が力センサにより検出される。これにより、連結部印加力検出機構の２つの部材が可動範囲の限界に達したことを検出できる上に、その後さらに同じ方向に加わった力の大きさを検出することができる。なお、本明細書中で「回動」とは２つの部材を曲げたり伸ばしたりする方向に旋回することを意味すると共に、「伸ばす」とは２つの部材を引っ張ることではなく２つの部材が真っ直ぐになる方向に旋回させることを意味する。
【００１２】
本発明の連結部印加力検出機構では、前記２つの部材を連動させるギア部をさらに備えていてもよい（請求項２）。
【００１３】
この構成によると、２つの部材を一方向のみに曲げ伸ばしする構造を小型化することができる。従って、通常のピンジョイントでは入らないような形状の部分においても曲げ伸ばしする構造を得ることができる。
【００１４】
本発明の連結部印加力検出機構では、前記力センサは、外圧によって導電抵抗が変化する感圧部と、前記感圧部を挟む２つの電極部とを備えていてもよい（請求項３）。
【００１５】
この構成によると、各ストッパが感圧部を挟み込む方向の力を加えることにより、２つの電極部間の抵抗値が変化して押し付け力の増減を検出できる。このため、薄型で簡易な構造の力センサを得ることができる。
【００１６】
本発明の人体模型は、請求項１〜３のいずれかに記載の連結部印加力検出機構を関節に備えている（請求項４）。
【００１７】
この構成によると、肘や膝といった関節が曲げ方向あるいは伸ばし方向の限界まで達したことが検出される上に、限界に達した後に更に同じ方向に加えられた力を検出できるので、人の痛みの検出がより現実に即したものになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態によるヒンジ２を備えた人体模型３を描いた概略正面図である。この人体模型３は、レスキューロボットや介護支援用装置の開発過程で使用される人間のダミーである。図１において、人体模型３は、関節４に設けられる引っ張り力測定機構およびアクチュエータと、肘と膝の１自由度の関節４に設けられる連結部印加力検出機構としてのヒンジ２（図２及び図３参照）と、頭部に内蔵されるＣＣＤカメラ５と、体表に設けられる体表センサ６と、胴体に内蔵される姿勢センサ７と、加速度センサ８と、熱や二酸化炭素を発生する信号発生装置９と、各部からの情報を収集したり各部を制御するコンピュータ１０と、情報を外部に送受信する無線装置１１と、各部を作動させる電源１２とを備えている。但し、人体模型３としては、ヒンジ２以外の構成については特に限られるものではない。
【００２０】
図２は、本発明の実施の形態によるヒンジ２を備えた関節４を描いた概略の側面図である。この関節４は一方の部材１３と他方の部材１４とを回動方向のみの１自由度で連結するものであり、ここでは肘の関節４としている。すなわち、一方の部材１３を前腕２５に内蔵させて心材にすると共に、他方の部材１４を上腕に内蔵させて心材にする。
【００２１】
図２において、ヒンジ２は、２つの部材１３、１４の回動方向の相対移動を所定範囲に制限するストッパ１５、１６と、ストッパ１５、１６同士の間に設けられる力センサ１７とを備えている。このヒンジ２は、２つの部材１３、１４のヒンジ側端にそれぞれ一体化された連結ブロック１８、１９と、各連結ブロック１８、１９を各々支持軸２０、２１を中心に回転可能に連結する結合部材２２とを備えている。
【００２２】
ストッパ１５、１６は、２つの部材１３、１４にそれぞれ一体化された連結ブロック１８、１９に形成されると共に、互いに当接することにより２つの部材１３、１４の相対移動を所定範囲に制限する。ここでは、２つの部材１３、１４が真っ直ぐに伸びたときにストッパ１５、１６が当接してそれ以上伸びないように規制している。
【００２３】
各連結ブロック１８、１９には、２つの部材１３、１４を連動させるギア部２３、２４が形成されている。このため、２つの部材１３、１４の相対回転の中心は一軸になり、ストッパ１５、１６同士を確実に当接させることができる。
【００２４】
力センサ１７は、図２及び図３に示すように一方のストッパ１５に貼り付けられている。よって、前腕２５が上腕に対して真っ直ぐ伸ばされてストッパ１５、１６同士が当接するときに、力センサ１７がその間の押し付け力を検出する。
【００２５】
図４は、力センサ１７を構成する片面シート２６を描いた断面図と平面図である。力センサ１７は、２枚の片面シート２６を図５に示すように印刷面同士を対向させて貼り合わせて形成されている。
【００２６】
図４において、片面シート２６は、ポリエステルやＰＥＮ、ポリイミド等から成るフィルム基材２７と、フィルム基材２７に銀インクをスクリーン印刷等で印刷乾燥して成る単一の長方形状の電極部２８および端子部２９と、電極部２８と端子部２９を接続する接続部３０と、押し付け力によって導電抵抗が変化する感圧インクを電極部２８の上に塗布して成る感圧部３１とを備えている。
【００２７】
力センサ１７の電極部２８及び感圧部３１の部分が、図２および図３に示すようにストッパ１５に貼り付けられる。端子部２９は人体模型３のコンピュータ１０に接続される。そして、感圧部３１にストッパ１５、１６から挟み込む方向の力を加えることにより、各片面シート２６、２６の電極部２８、２８の間の抵抗値が変化して押し付け力の増減を検出することができる。
【００２８】
次に、本実施の形態のヒンジ２を備えた関節４の動作の一例について説明する。
【００２９】
前腕２５を上腕に対して曲げたり伸ばしたりすると、一方の部材１３が他方の部材１４に対して回転される。このとき、ギア部２３、２４が噛み合っているので、２つの部材１３、１４は一軸を中心に相対回転する。そして、前腕２５を上腕に対して真っ直ぐ伸ばすとストッパ１５、１６同士が当接し、力センサ１７が押し付け力を検出する。これにより、ヒンジ２の２つの部材１３、１４が可動範囲の限界に達したこと、即ち肘の関節４が可動限界まで伸ばされたことが検出される。
【００３０】
また、伸ばした肘の関節４を更に外側に曲げようとする方向に力を加えると、この力も力センサ１７により検出される。これにより、可動限界に達した後の更なる作用力の大きさを検出できるので、人の痛みの検出がより現実に即したものになる。
【００３１】
さらに、本実施の形態の関節４を人体模型３の膝の関節４に使用することにより、脛が真っ直ぐ伸びて可動限界に達したことを検出できる上に、脛を前側に曲げようとする方向への作用力の大きさを検出できる。よって、人の痛みの検出をより現実に即して行うことができる。
【００３２】
以上説明したように、本実施の形態のヒンジ２によると、２つの部材１３、１４を連動させるギア部２３、２４を備えているので、２つの部材１３、１４を一方向のみに曲げ伸ばしする構造を小型化することができる。従って、通常のピンジョイントでは入らないような形状の部分、例えば肘の関節４等においても曲げ伸ばしする構造を得ることができる。
【００３３】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述した実施の形態では、力センサ１７は前腕２５側のストッパ１５に設けられているが、上腕側のストッパ１６に設けるようにしてもよい。また、上述した実施の形態では、ストッパ１５、１６はヒンジ２が真っ直ぐ伸びたときにそれ以上移動しないように規制するものであるが、これには限られずヒンジ２が曲がったときにそれ以上曲がらないように規制するものであってもよい。この場合にもストッパの間に力センサ１７を設けることにより、関節４が曲げ方向の移動限界まで達したこと及びそれ以上曲げようとする力の大きさを検出することができる。
【００３４】
上述した実施の形態では、各連結ブロック１８、１９を結合部材２２により回転可能に連結すると共に互いに噛み合うギア部２３、２４を形成しているが、ヒンジ２の構成はこれに限られない。すなわち、２つの部材１３、１４を一軸を中心に回転させる構造であれば既知のあるいは新規の構造であってもよい。
【００３５】
さらに、上述した実施の形態では、力センサ１７の各電極部２８は長方形状を成しているが、これには限られず他の形状であってもよい。そして、上述した実施の形態では、力センサ１７として電極部２８と感圧部３１を備えたものを使用しているが、その他の構造の力センサを使用してもよい。
【００３６】
また、上述した実施の形態では、関節４を人体模型３に使用しているが、例えば動物模型や能動的（自律的）に動くロボット等のように他の用途に使用することもできる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、連結部印加力検出機構の２つの部材が可動範囲の限界に達したことを検出できる上に、その後さらに同じ方向に加わった力の大きさを検出することができる。また、２つの部材を連動させるギア部を設けることにより、２つの部材を一方向のみに曲げ伸ばしする構造を小型化することができる。従って、通常のピンジョイントでは入らないような形状の部分、例えば肘の関節４等においても曲げ伸ばしする構造を得ることができる。
【００３８】
さらに、この連結部印加力検出機構を関節に備えた人体模型では、肘や膝の関節が伸ばし方向あるいは曲げ方向の限界まで達したことが検出される上に、限界に達した後に更に同じ方向に加えられた力を検出できるので、人の痛みの検出がより現実に即したものになる。すなわち、肘や膝が伸ばし方向か曲げ方向のどちらに負荷を掛かっているのかを判断することが可能になり、痛みが発生している状況などを詳細に分析することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による人体模型の内部構成を描いた概略正面図である。
【図２】本発明の一実施の形態によるヒンジを利用した関節を描いた概略の側面図である。
【図３】図２のヒンジを伸ばした概略の側面図である。
【図４】力センサの片面シートを描いた図であり、（Ａ）は（Ｂ）のＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図５】力センサを図４のＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図である。
【図６】従来技術における引っ張り力測定機構を描いた概略の分解斜視図である。
【図７】図６の引っ張り力測定機構の中央縦断面側面図である。
【図８】図６の引っ張り力測定機構の力センサの片面シートを描いた図であり、（Ａ）は（Ｂ）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線で切断した断面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図９】図６の引っ張り力測定機構の力センサを図８のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線で切断した断面図である。
【符号の説明】
２  ヒンジ
３  人体模型
４  関節
１３  一方の部材
１４  他方の部材
１５、１６  ストッパ
１７  力センサ
２３、２４  ギア部
２８  電極部
３１  感圧部
【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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