(57)【要約】【課題】シャフトが曲げ方向の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】ボール部を有するシャフトと、ボール部を回転可能に保持する玉受けと、玉受けに固定されると共にシャフトが当接することによりシャフトの動きを所定範囲に制限する規制部材と、規制部材とシャフトとの間に設けられる力センサとを備える。シャフトを揺動させ規制部材に当接したときに、シャフトと規制部材との間の押し付け力が力センサにより検出され、シャフトが可動範囲の限界に達したことを検出できる上に、その後さらに曲げ方向に加わった力の大きさを検出できる。また、電極部を分割した力センサを使用することにより、シャフトが曲げられた力の大きさ及び作用方向を検出できる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボール部を有するシャフトと、前記ボール部を回転可能に保持する玉受けとを有する連結部印加力検出機構であって、
前記玉受けに固定されると共に前記シャフトが当接することにより前記シャフトの動きを所定範囲に制限する規制部材と、
前記規制部材と前記シャフトと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、
前記感圧部を挟むと共に少なくとも一方は複数に分割されている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に記載の連結部印加力検出機構。
【請求項３】
請求項１または２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、ボール部を中心にシャフトを３６０度旋回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８および図９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９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１０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１１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、人体模型の首、肩、股関節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可動範囲の限界に達した時に、それ以上曲げ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の曲げ方向への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関節に組み込むことは難しい。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、曲げ方向の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、ボール部を有するシャフトと、前記ボール部を回転可能に保持する玉受けとを有する連結部印加力検出機構であって、前記玉受けに固定されると共に前記シャフトが当接することにより前記シャフトの動きを所定範囲に制限する規制部材と、前記規制部材と前記シャフトと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、ボール部を支点にしてシャフトを揺動させ、シャフトが規制部材に当接したときに、シャフトと規制部材と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は、シャフトが可動範囲の限界に達したことを検出できる上に、その後さらに曲げ方向に加わった力の大きさを検出することができる。
【００１２】
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、前記感圧部を挟むと共に少なくとも一方は複数に分割されている２つの電極部とを備えていてもよい（請求項２）。
【００１３】
この構成によると、力センサは、感圧部に外部から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する。ここで、少なくとも一方の電極部は複数に分割されているので、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。このため、電極部のどの部分に押し付け力が加わったかを検出することにより、シャフトが曲げられた力の大きさ及び作用方向（シャフトの軸の曲げモーメント）を検出することができる。
【００１４】
本発明の人体模型は、請求項１または２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３）。
【００１５】
この構成によると、首、肩、股といった関節が曲げ方向の限界まで曲げられたことが検出される上に、限界に達した後に更に曲げ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。特に請求項２に記載の連結部印加力検出機構を備える場合は力の大きさのみならず作用方向も検出できるので、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。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態によるボールジョイント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、首、肩、股の３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ボールジョイント２（図２及び図３参照）と、頭部１３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、ボールジョイント２以外の構成については特に限られるものではない。
【００１８】
図２は、本発明の実施の形態によるボールジョイント２を備えた関節４を描いた概略の中央縦断面側面図である。この関節４は一方の部材と他方の部材とを３自由度で連結するものであり、ここでは首の関節４としている。図２において、ボールジョイント２は、回転中心となるボール部１４を有するシャフト１５と、ボール部１４を回転可能に保持する玉受け１６と、玉受け１６に固定されると共にシャフト１５が当接してシャフト１５の動きを制限する規制部材１７と、規制部材１７とシャフト１５との間に設けられるシート状の力センサ１８とを備えている。
【００１９】
シャフト１５の先端には取り付け板１５ａが固定されている。この取り付け板１５ａに頭部１３が固定されている。また、規制部材１７は、玉受け１６が収容されて固定される筐体３８の開口縁部により形成されている。筐体３８は人体模型３の胴体側に固定されている。
【００２０】
力センサ１８は、図２及び図３に示すようにシャフト１５に巻かれている。よって、頭部１３が胴体に対して曲げられてシャフト１５が規制部材１７に当接するときに、力センサ１８がシャフト１５と規制部材１７との間の押し付け力を検出する。
【００２１】
図４は、力センサ１８を構成する片面シート１９を描いた断面図と平面図である。力センサ１８は、２枚の片面シート１９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。
【００２２】
図４において、片面シート１９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２０と、フィルム基材２０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２１および端子部２２と、電極部２１と端子部２２を接続する接続部２３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２１の上に塗布して成る感圧部２４とを備えている。
【００２３】
力センサ１８の電極部２１及び感圧部２４の部分が、図３に示すようにシャフト１５に巻かれる。端子部２２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２４に外部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１９、１９の電極部２１同士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。ここで、力センサ１８の電極部２１及び感圧部２４の部分が、シャフト１５の外周の全周にわたって配置することによって、シャフト１５を３６０度のどの向きに曲げられ場合でも、シャフト１５が規制部材１７に当接したことを検出することができる。
【００２４】
次に、本実施の形態のボールジョイント２を備えた関節４を曲げたときの動作の一例について説明する。
【００２５】
頭部１３を胴体に対して曲げると、シャフト１５がボール部１４を中心に玉受け１６及び規制部材１７に対して揺動する。そして、シャフト１５が規制部材１７に当接するまで曲げると、力センサ１８が押し付け力を検出する。これにより、シャフト１５が可動範囲の限界に達したこと、即ち頭部１３が可動限界まで曲げられたことが検出される。
【００２６】
さらに頭部１３に曲げ方向への力が加わると、この力も力センサ１８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。
【００２７】
また、本実施の形態の関節４を人体模型３の肩や股の関節に使用することにより、上腕や腿が可動限界に達したことを検出できる上に、更なる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。
【００２８】
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１８の電極部２１はいずれも単一の長方形状であるが、これには限られず例えば図６および図７に示すように少なくとも一方の電極部は複数に分割されていてもよい。
【００２９】
図６及び図７は、力センサ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。この力センサは、各片面シート２５、２６を印刷面同士を対向させて貼り合わせて形成されている。
【００３０】
図６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、例えば４つに分割した電極部２８ａ〜２８ｄおよび端子部２９ａ〜２９ｄと、電極部２８ａ〜２８ｄと端子部２９ａ〜２９ｄを接続する接続部３０ａ〜３０ｄと、感圧インクを電極部２８ａ〜２８ｄの上に塗布して成る感圧部３１とを備えている。
【００３１】
電極部２８ａ〜２８ｄは、それぞれ長方形状であり、全体で断続的な長方形状を成すように配置されている。感圧部３１は、断続的な長方形状に配置された電極部２８ａ〜２８ｄの全体を覆うように設けられている。
【００３２】
図７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３２と、フィルム基材３２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３３および端子部３４と、電極部３３と端子部３４を接続する接続部３５と、感圧インクを電極部３３の上に塗布して成る感圧部３６と、端子部３４の周辺以外を覆う絶縁部３７とを備えている。絶縁部３７は両方の片面シート２５、２６を重ねたときに電極部３３がもう一方の電極部２８ａ〜２８ｄのいずれかと接触することを防止する。
【００３３】
この力センサを備えたボールジョイント２では、シャフト１５が曲げられて規制部材１７に当接したときに、力センサの片面シート２５の電極部２８ａ〜２８ｄのいずれか１つまたは隣り合った２つのみが押し付け力を検出する。このため、電極部２８ａ〜２８ｄの配置を予め定めておくことにより、どの電極部２８ａ〜２８ｄから検出されたかによってシャフト１５の曲げられた方向を検出することができる。また、曲げ方向への力が更に加わると、この力も力センサにより検出される。このため、シャフト１５が曲げられた力の大きさ及び作用方向（シャフト１５の軸の曲げモーメント）を同時に検出することができるので、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。
【００３４】
また、上述した力センサの片面シート２５の電極部２８ａ〜２８ｄは４分割しているが、これには限られず他の数に分割してもよい。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１８の一方の片面シート２５の電極部２８ａ〜２８ｄのみ分割しているが、両方の片面シート２５、２６の電極部２８ａ〜２８ｄ、３３を分割するようにしてもよい。さらに、上述した力センサの各電極部２８ａ〜２８ｄ、３３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。
【００３５】
また、上述した実施の形態では、力センサとして電極部２１、２８ａ〜２８ｄ、３３と感圧部２４、３１、３６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。また、力センサ１８はシャフト１５に巻かれて設けられているが、規制部材１７側に設けるようにしてもよい。
【００３６】
また、上述した実施の形態では、ボールジョイント２を関節４に使用しているが、例えば大型のセンサを人体模型の腕や足などに巻き付けて体表に物があたる力を検出する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。
【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は、シャフトが可動範囲の限界に達したことを検出できる上に、その後さらに曲げ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、分割された電極部を有する力センサを利用する場合は、電極部のどの部分に押し付け力が加わったかを検出することにより、シャフトが曲げられた力の大きさ及び作用方向を検出することができる。
【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、首や肩や股の関節が曲げ方向の限界まで曲げられたことが検出される上に、限界に達した後に更に曲げ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。特に分割された電極部を有する力センサを利用する場合は力の大きさのみならず作用方向も検出できるので、首や上腕や腿が前後左右のどちらに傾けられて負荷が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ボールジョイントを利用した関節を描いた概略の中央縦断面側面図である。
【図３】図２のボールジョイントの概略の斜視図である。
【図４】力センサの単一の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】力センサを図４のＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図である。
【図６】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ＶＩ−ＶＩ線で切断した断面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図７】力センサの単一の電極部を有する片面シートを描いた図であり、（Ａ）は（Ｂ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線で切断した断面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図８】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９】図８の引っ張り力測定機構の中央縦断面側面図である。
【図１０】図８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Ｘ−Ｘ線で切断した断面図であり、（Ｂ）は平面図である。
【図１１】図８の引っ張り力測定機構の力センサを図１０のＸ−Ｘ線で切断した断面図である。
【符号の説明】
２  ボールジョイント
３  人体模型
４  関節
１４  ボール部
１５  シャフト
１６  玉受け
１７  規制部材
１８  力センサ
２１、２８ａ〜２８ｄ、３３  電極部
２４、３１、３６  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】
2004309916.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004309916.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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