(57)【要約】【課題】外部から加えられた力の大きさ及び曲げモーメントを検知すると共に、コストアップを極力抑える。【解決手段】透孔を有する第１部材と、透孔を貫通する軸部と軸部に形成されて透孔の周縁部を押圧可能な押圧部とを有する第２部材と、透孔の周縁部と押圧部との間に設けられると共に複数に分割された電極部を有する力センサとを備える。従って、軸部１８を第１部材１７に対してその軸方向に真っ直ぐ引っ張ったときは、力センサの分割された電極部で検出された押し付け力から引っ張り力の大きさを検知できると共に、軸部１８と第１部材１７との間に曲げモーメントが作用したときは、力センサの分割された電極部で検出された押し付け力から曲げモーメントを検知することができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透孔を有する第１部材と、
前記透孔を貫通する軸部と前記軸部に形成されて前記透孔の周縁部を押圧可能な押圧部とを有する第２部材と、
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おり、少なくとも一方の前記電極部は複数に分割されているものであって、前記透孔の周縁部と前記押圧部との間に設けられると共に、前記軸部に加えられる力を検知可能な力センサとを備えることを特徴とする連結部印加力検出機構。
【請求項２】
請求項１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、外圧、特に接触圧を測定する力センサを備えた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、関節部分に連結部印加力検出機構を内蔵したものが開発されている。この連結部印加力検出機構により、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、人体模型の関節に連結部印加力検出機構１００を備えたものが記載されている。この連結部印加力検出機構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、例えば第１部材１０２の透孔１０１を貫通する第２部材１０５の軸部１０３に対して、押圧部１０４が透孔１０１の周縁部を押圧するような引っ張り力（図７中に矢示する方向の引っ張り力）が加えられると、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との間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】
しかしながら、非特許文献１に記載の連結部印加力検出機構１００では、力センサ１０６の電極部１０８が円環形状であり単一であるので、第２部材１０５の軸部１０３に対して押圧部１０４が透孔１０１の周縁部を押圧するような引っ張り力が加えられた場合にはその大きさを検出することができるが、第２部材１０５の軸部１０３の軸の曲げモーメントを検出することができない。従って、この連結部印加力検出機構１００を人体模型の首や四肢の関節に適用した場合、首や四肢に加わる曲げモーメントを検出できず、人の痛みの検出が不十分であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、外部から加えられる力の大きさ及び曲げモーメント（２成分）を検出できる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。
【０００９】
【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、透孔を有する第１部材と、前記透孔を貫通する軸部と前記軸部に形成されて前記透孔の周縁部を押圧可能な押圧部とを有する第２部材と、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おり、少なくとも一方の前記電極部は複数に分割されているものであって、前記透孔の周縁部と前記押圧部との間に設けられると共に、前記軸部に加えられる力を検知可能な力センサとを備えている（請求項１）。
【００１０】
この構成によると、第２部材の軸部に対して押圧部が第１部材の透孔の周縁部を押圧する力が加えられた場合に、力センサが透孔の周縁部と押圧部との間の押し付け力を検出して、第２部材の軸部に加えられた力を検知することができる。
また、力センサの少なくとも一方の電極部は複数に分割されているので、力センサの分割された電極部がそれぞれ押し付け力を検出する。ここで、第２部材の軸部と第１部材との間に曲げモーメントが作用する場合には、力センサが不均一に押圧されるので、力センサの分割された電極部がそれぞれ異なる押し付け力を検出する。よって、力センサの分割された各電極部の押し付け力から第２部材の軸部に加えられた力の大きさを検知できると共に、曲げモーメントを検知することができる。
【００１１】
また、力センサがシート状である場合には、ひずみゲージを有する力センサが用いられる場合と比較して、力センサの設置スペースを小さくすることができ、連結部印加力検出機構の小型化が可能となる。また、シート状の力センサは比較的簡単な構成であるため、高い荷重に耐えうることができると共に、コストアップを押さえることができる。
【００１２】
ここで、請求項１の連結部印加力検出機構において検知可能な力としては、第１部材と第２部材との間に設けられた力センサに対して押し付け力が加わるような力を全て含んでいる。従って、この連結部印加力検出機構では、第１部材と第２部材との間に垂直方向の力が作用し力センサに対して均一な押し付け力が加わる場合、及び、第１部材と第２部材との間に曲げモーメントが作用し力センサに対して不均一な押し付け力が加わる場合のいずれにおいても、軸部に加えられる力を検知することができる。よって、この連結部印加力検出機構の第２部材の軸部と第１部材との間に曲げモーメントが作用すると、力センサに対して作用する不均一な押し付け力の分布を検出することによって、第２部材の軸部の軸の曲げモーメント（２成分）を検知することをできる。
【００１３】
本発明の人体模型は、請求項１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２）。
【００１４】
この構成によると、首や肘、膝、股といった四肢に加わった引っ張り力のみならず、曲げモーメントも検出できるので、人の痛みの検出がより現実に即したものになる。また、本発明の人体模型において、シート状の力センサが用いられる場合には、人体模型の小型化が可能となると共に、コストアップを押さえることができる。
【００１５】
【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。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態による連結部印加力検出機構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に設けられる連結部印加力検出機構２（図２及び図３参照）およびアクチュエータと、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、関節４に設けられる連結部印加力検出機構２以外の構成については特に限られるものではない。
【００１７】
図２は、本発明の実施の形態による連結部印加力検出機構２を備えた関節４を描いた概略の分解斜視図である。この関節４は、一方の部材１３と他方の部材１４とを所定の自由度で連結するものであり、ここでは肘や膝に使用される１自由度のものとしている。図２において、関節４は、一方の部材１３と他方の部材１４とを連結する蝶番１５と、一方の部材１３に設けられた連結部印加力検出機構２とを備えている。連結部印加力検出機構２は、透孔１６を有する第１部材１７と、透孔１６を貫通する軸部１８と軸部１８に形成されて透孔１６の周縁部を押圧可能な押圧部１９とを有する第２部材２０と、透孔１６の周縁部と押圧部１９との間に設けられると共に分割された電極部２１ａ〜２１ｄを有するシート状の力センサ１とを備えている。押圧部１９は円盤形状とされている。押圧部１９と力センサ１との間には、押圧部１９が力センサ１を損傷することを防止するためにＯリング２２とテフロン（登録商標）シート２３が介在されている。
【００１８】
第２部材２０の軸部１８は、蝶番１５に取り付けられた接続部材２４に止めねじ２５により固定されている。また、第１部材１７は一方の部材１３の関節側端部とは反対側に固定される。このため、一方の部材１３と他方の部材１４とをそれぞれ反対方向に引っ張ったときには、第１部材１７が関節４から離れる方向に引っ張られると共に第２部材２０が関節４側に引っ張られる。
【００１９】
図４及び図５は、本発明の実施の形態による力センサ１を構成する片面シート２５、２６をそれぞれ描いた断面図と平面図である。力センサ１は、各片面シート２５、２６を印刷面同士を対向させて張り合わせて形成されている。
【００２０】
図４において、一方の片面シート２５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複数に分割した電極部２１ａ〜２１ｄおよび端子部２８ａ〜２８ｄ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２１ａ〜２１ｄの上に塗布して成る感圧部２９と、電極部２１ａ〜２１ｄと端子部２８ａ〜２８ｄを接続する接続部３０ａ〜３０ｄとを備えている。
【００２１】
電極部２１ａ〜２１ｄは、それぞれ約９０度の円弧形状であり、全体で断続的な円環形状を成すように配置されている。感圧部２９は、断続的な円環形状に配置された電極部２１ａ〜２１ｄの全体を覆うように設けられている。
【００２２】
図５において、他方の片面シート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３１と、フィルム基材３１に銀インクをスクリーン印刷等で印刷乾燥して成る円環形状の単一の電極部３２および端子部３３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の上に塗布して成る感圧部３４と、電極部３２と端子部３３を接続する接続部３５と、端子部３３の周辺以外を覆う絶縁部３６とを備えている。絶縁部３６は両方の片面シート２５、２６を重ねたときに電極部３２がもう一方の電極部２１ａ〜２１ｄのいずれかと接触することを防止する。
【００２３】
力センサ１の電極部２１ａ〜２１ｄ、３２及び感圧部２９、３４の透孔３７には第２部材２０の軸部１８が嵌入される。そして、感圧部２９、３４に外部から挟み込む方向の力を加えることにより、電極部２１ａ〜２１ｄと電極部３２と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。
【００２４】
次に、本実施の形態の連結部印加力検出機構２を備えた関節４に含まれる第２部材２０の軸部１８に対して力が加えられたときの動作の一例について説明する。
【００２５】
一方の部材１３と他方の部材１４とをそれぞれ反対方向に引っ張ると、図３に示すように、第２部材２０の押圧部１９が、軸部１８及び接続部材２４を介して、第１部材１７の透孔１６の周縁部を押圧するように引っ張られる。ここで、軸部１８を第１部材１７に対してその軸方向に真っ直ぐ引っ張ったときは（図３中、矢印Ａ）、力センサ１の片面シート２５の全ての電極部２１ａ〜２１ｄが均一に押圧される。このため、各電極部２１ａ〜２１ｄで検出された押し付け力の合計が軸部１８の軸方向の引っ張り力の大きさとして検出される。なお、このときは、連結部印加力検出機構２には、軸部１８の軸方向の引っ張り力だけが作用しており、軸部１８の軸の曲げモーメントは作用していない。その結果、力センサ１の各電極部２１ａ〜２１ｄで検出された押し付け力が均一であることから、関節４には軸部１８の軸方向の引っ張り力だけが作用していることを検知することができる。
【００２６】
また、軸部１８と第１部材１７との間に曲げモーメントだけが作用したときは（図３中、矢印Ｂ）、力センサ１の片面シート２５の電極部２１ａ〜２１ｄが偏って押圧される。このため、力センサ１の各電極部２１ａ〜２１ｄでは異なる押し付け力が検出される。その結果、力センサ１の各電極部２１ａ〜２１ｄで検出された押し付け力が不均一であることから、関節４には曲げモーメント（２成分）が作用していることを検知することができる。なお、力センサ１の各電極部２１ａ〜２１ｄで検出された押し付け力の大きさから、関節４には軸部１８の軸方向の引っ張り力が作用していないことを検知することができる場合もある。
【００２７】
また、軸部１８と第１部材１７との間に軸部１８の軸方向の引っ張り力と曲げモーメントが同時に作用したときは（図３中、矢印Ａおよび矢印Ｂ）、力センサ１の片面シート２５の電極部２１ａ〜２１ｄが偏って押圧される。このため、力センサ１の各電極部２１ａ〜２１ｄでは異なる押し付け力が検出される。その結果、力センサ１の各電極部２１ａ〜２１ｄで検出された押し付け力が不均一であることから、関節４には曲げモーメント（２成分）が作用していることを検知することができる。なお、力センサ１の各電極部２１ａ〜２１ｄで検出された押し付け力の大きさから、関節４には曲げモーメントの他に軸部１８の軸方向の引っ張り力が作用していることを検知することができる場合もある。
【００２８】
このように、本実施の形態の連結部印加力検出機構２では、力センサ１が４つに分割された電極部２１ａ〜２１ｄを有しており、各電極部２１ａ〜２１ｄで検出された押し付け力に対応する出力を演算処理することによって、関節４に含まれる第２部材２０の軸部１８の軸方向の引っ張り力の大きさを検知することができると共に、軸部１８の軸の曲げモーメント（２成分）を検知することができる。
【００２９】
さらに、本実施の形態の連結部印加力検出機構２を人体模型３の首や四肢の関節に使用することにより、首や四肢に加わった引っ張り力のみならず、曲げモーメントも検出できるので、人の痛みの検出をより現実に即して行うことができる。
【００３０】
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１の片面シート２５の電極部２１ａ〜２１ｄは約９０度ごとに４分割しているが、これには限られず他の角度ごとに他の数に分割してもよく、例えば約６０度ごとに６分割するようにしてもよい。また、分割した電極部同士は同じ大きさでなくてもよい。そして、上述した実施の形態では、力センサ１の一方の片面シート２５の電極部２１ａ〜２１ｄのみ分割しているが、両方の片面シート２５、２６の電極部２１ａ〜２１ｄ、３２を分割するようにしてもよい。さらに、上述した実施の形態では、力センサ１の各電極部２１ａ〜２１ｄ、３２は円環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。また、力センサ１はシート状のものに限られない。
【００３１】
また、上述した実施の形態では、連結部印加力検出機構２を関節４に使用しているが、例えば、ばねばかりのように被検体をぶらさげて計量するはかり等のように他の用途に使用することもできる。さらに、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。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、力センサが分割された電極部ごとに別個に押し付け力を検出することができる。ここで、例えば第２部材２０の軸部に曲げモーメントが作用する場合のように、押圧部が力センサが不均一に押圧された場合には、力センサが分割された電極部ごとに異なる押し付け力を検出する。
よって、力センサの分割された各電極部で検出された押し付け力から、第２部材２０の軸部に加えられた引っ張り力の大きさを検知できると共に、曲げモーメントを検知することができる。
【００３３】
また、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、首や四肢に加わった引っ張り力の大きさのみならず、曲げモーメントも検出できる。これにより、人の痛みに相当する関節に掛かる負荷をより客観的に数値化および定量化できるので、人の痛みの検出をより現実に即したものにすることができる。
【００３４】
また、力センサがシート状である場合には、ひずみゲージを有する力センサが用いられる場合と比較して、センサの設置スペースを小さくすることができ、連結部印加力検出機構および人体模型の小型化が可能となる。また、シート状の力センサは比較的簡単な構成であるため、高い荷重に耐えうることができると共に、コストアップを押さえることができる。
【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連結部印加力検出機構を描いた概略の分解斜視図である。
【図３】図２の連結部印加力検出機構の中央縦断面側面図である。
【図４】本発明の一実施の形態による力センサの分割された電極部を有する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】本発明の一実施の形態による力センサの分割された電極部を有しない片面シートを描いた図であり、（Ａ）は（Ｂ）のＶ−Ｖ線で切断した断面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図６】従来技術における連結部印加力検出機構を描いた概略の分解斜視図である。
【図７】図６の連結部印加力検出機構の中央縦断面側面図である。
【図８】図６の連結部印加力検出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の連結部印加力検出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】
１  力センサ
２  連結部印加力検出機構
３  人体模型
４  関節
１６  透孔
１７  第１部材
１８  軸部
１９  押圧部
２０  第２部材
２１ａ〜２１ｄ、３２  電極部
２９、３４  感圧部
【図１】
2004309389.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004309389.tif 000006
【図５】
2004309389.tif 000007
【図６】
2004309389.tif 000008
【図７】
2004309389.tif 000009
【図８】
2004309389.tif 000010
【図９】
2004309389.tif 000011