(57)【要約】【課題】人体の関節角度を計測する装置において、ノイズなど様々な要因によって蓄積される誤差の解消を行う。【解決手段】本発明に係る関節角度測定装置は、関節を挟んでユーザーの肢体の一方に装着される第１支持部に設けられた第１関節角度検出用センサーと、関節を挟んで肢体の他方に装着される第２支持部に設けられた第２関節角度検出用センサーの出力に基づいて関節角度を検出する関節角度検出処理と、第１支持部と第２支持部が所定位置関係にあることを所定時間継続して検出した場合、第１角度検出用センサーと第２角度検出用センサーに基づいて検出される関節角度を、所定位置関係に対応する関節角度に修正する関節角度修正処理を実行することを特徴とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節を挟んでユーザーの肢体の一方に装着される第１支持部と、
前記第１支持部に設けられた第１関節角度検出用センサーと、
前記関節を挟んで前記肢体の他方に装着される第２支持部と、
前記第２支持部に設けられた第２関節角度検出用センサーと、
前記第１支持部と前記第２支持部が所定位置関係にあることを検出する基準位置検出部と、
関節角度検出処理と関節角度修正処理を実行する制御部と、を備え、
前記関節角度検出処理は、前記第１関節角度検出用センサーと前記第２関節角度検出用センサーの出力に基づいて関節角度を検出し、
前記関節角度修正処理は、前記基準位置検出部が前記所定位置関係にあることを所定時間継続して検出した場合、前記第１角度検出用センサーと前記第２角度検出用センサーに基づいて検出される関節角度を、前記所定位置関係に対応する関節角度に修正することを特徴とする
関節角度測定装置。
【請求項２】
前記基準位置検出部は、複数設けられ、
前記関節角度修正処理は、前記基準位置検出部毎に実行されることを特徴とする
請求項１に記載の関節角度測定装置。
【請求項３】
関節を挟んでユーザーの肢体の一方に装着される第１支持部に設けられた第１関節角度検出用センサーと、前記関節を挟んで前記肢体の他方に装着される第２支持部に設けられた第２関節角度検出用センサーの出力に基づいて関節角度を検出する関節角度検出処理と、
前記第１支持部と前記第２支持部が所定位置関係にあることを所定時間継続して検出した場合、前記第１角度検出用センサーと前記第２角度検出用センサーに基づいて検出される関節角度を、前記所定位置関係に対応する関節角度に修正する関節角度修正処理を実行することを特徴とする
関節角度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ユーザーが歩行あるいは荷物の上げ下ろしを行う際、アシスト力を付与することで補助する補助装置、あるいは、人体の動きを追跡するモーションキャプチャー装置などにおいて、関節角度を測定する関節角度測定装置、関節角度測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ユーザーの体に装着して、ユーザーの脚部、腕部などの可動部に対してアシスト力を付与する補助装置が開発されている。このような補助装置では、高齢者や身障者の歩行、動作を補助する装置として利用されることが期待されている。また高齢者などに限らず、宅配業者など重い荷物を運ぶ作業者に対する補助装置としても利用することで、作業者に対する負担を軽減することが期待されている。
【０００３】
このような補助装置として特許文献１には、生態信号検出手段が検出した筋電位信号に基づいてモーターなどのアクチュエーターを駆動することで、装着者の意志によってアシスト力を付与する動作補助装置が開示されている。
【０００４】
このような動作補助装置においては、装着者のとる体勢に基づいて制御を行う必要があるため、物理現象検出手段により関節角度の検出が行われている。検出した関節角度、そして、装着者の筋電位信号に基づいて駆動源（モータ）を駆動してアシスト力が加えられる。
【０００５】
一方、特許文献２には、リハビリ回復具合の調査、人体の運動解析を目的として関節がどのような動きをしているのかを測定する検出装置が開示されている。この検出装置では、角速度を検出するジャイロスコープが、人体の特定位置に位置決めされることで、人体の動作、位置を検出可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２５０５３号公報
【特許文献２】特開２０１１−９２２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように人体の動き、特に関節角度の正確な取得は、歩行にアシスト力を加える歩行補助装置においても重要となる。また、コンピュータグラフィックスの分野では、人体に取り付けたセンサーに基づいて、人体の動きを取得し、コンピュータグラフィックスの動きに適用することも行われている。このようなモーションキャプチャー装置においても、人体の動きを正確に取得することは重要である。
【０００８】
本発明は、このような状況を鑑みたものであって、人体の動きの正確な取得、特に人体の関節角度を正確に取得することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る関節角度測定装置は、
関節を挟んでユーザーの肢体の一方に装着される第１支持部と、
前記第１支持部に設けられた第１関節角度検出用センサーと、
前記関節を挟んで前記肢体の他方に装着される第２支持部と、
前記第２支持部に設けられた第２関節角度検出用センサーと、
前記第１支持部と前記第２支持部が所定位置関係にあることを検出する基準位置検出部と、
関節角度検出処理と関節角度修正処理を実行する制御部と、を備え、
前記関節角度検出処理は、前記第１関節角度検出用センサーと前記第２関節角度検出用センサーの出力に基づいて関節角度を検出し、
前記関節角度修正処理は、前記基準位置検出部が前記所定位置関係にあることを所定時間継続して検出した場合、前記第１角度検出用センサーと前記第２角度検出用センサーに基づいて検出される関節角度を、前記所定位置関係に対応する関節角度に修正することを特徴とする。
【００１０】
さらに本発明に係る関節角度測定装置において、
前記基準位置検出部は、複数設けられ、
前記関節角度修正処理は、前記基準位置検出部毎に実行されることを特徴とする。
【００１１】
また本発明に係る関節角度測定方法は、
関節を挟んでユーザーの肢体の一方に装着される第１支持部に設けられた第１関節角度検出用センサーと、前記関節を挟んで前記肢体の他方に装着される第２支持部に設けられた第２関節角度検出用センサーの出力に基づいて関節角度を検出する関節角度検出処理と、
前記第１支持部と前記第２支持部が所定位置関係にあることを所定時間継続して検出した場合、前記第１角度検出用センサーと前記第２角度検出用センサーに基づいて検出される関節角度を、前記所定位置関係に対応する関節角度に修正する関節角度修正処理を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の関節角度測定装置、関節角度測定方法によれば、角度検出用センサーによって算出される関節角度について、第１支持部と第２支持部が所定位置関係を継続した場合、所定位置関係に対応した関節角度に修正することで、ユーザー自身による初期化処理を必要とせず、略リアルタイムに初期化を行うことが可能となり、時間の経過に伴って蓄積する誤差を解消することが可能となる。
【００１３】
さらに本発明では、基準位置検出部を複数設けることで、複数の所定位置関係において関節角度修正処理を実行することが可能となり、関節角度修正処理を実行する機会を増やし、より正確に関節角度を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る歩行補助装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施形態に係る歩行補助装置の制御ブロックを示す図
【図３】従来利用された回動部における関節角度測定を説明するための図
【図４】本発明の実施形態に係る回動部を説明するための図
【図５】本発明の実施形態に係る関節角度修正処理を示すフロー図
【図６】本発明の実施形態に係る回動部を説明するための図
【図７】本発明の実施形態に係る回動部（基準位置時）を説明するための図
【図８】本発明の他の実施形態に係る回動部（第１基準位置時）を説明するための図
【図９】本発明の他の実施形態に係る回動部（第２基準位置時）を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る歩行補助装置の構成を示す図であって、図１（ａ）は
、歩行補助装置を装着したユーザーの側面図、図１（ｂ）は、その正面図となっている。本実施形態の歩行補助装置１０は、ユーザーの体躯に固定して用いられる形態であって、左右大腿部、左右下腿部にアシスト力を加えることで歩行を補助する。主な構成としては、体躯装着部１１、制御ユニット１００を備え、左右それぞれに、大腿支持部１２、大腿装着部１３、下腿支持部１４、下腿装着部１５、踵回動部２３、足底部１６、腰部アクチュエーター２１、膝部アクチュエーター２２などを備えている。
【００１６】
腰部アクチュエーター２１は、大腿支持部１２を図１（ａ）に示す方向に回動可能とするとともに、同方向にアシスト力を加えることが可能となっている。さらに、本実施形態では、図１（ｂ）に破線で示すように股を開く方向に対しても回動可能、かつ、アシスト力を加えることとしている。大腿支持部１２は、大腿装着部１３によってユーザーの大腿部に装着される。腰部アクチュエーター２１にて加えられるアシスト力は、ユーザーの大腿部の動作補助を行うこととなる。
【００１７】
膝部アクチュエーター２２は、下腿支持部１４を図１（ａ）に示す方向に回動可能とするとともに、同方向にアシスト力を加えることが可能とされている。下腿支持部１４は、下腿装着部１５によってユーザーの下腿部に装着される。膝部アクチュエーター２２にて加えられるアシスト力は、ユーザーの下腿部を動作補助する。
【００１８】
踵回動部２３、足底部１６を回動可能に支持する部材である。下腿支持部１４に連なる足底部１６が足底に対して固定された場合、歩行が不安定となるが、この踵回動部２３を回動可能とすることで、人体の動きにあわせることができ、歩行を安定させるとともに、歩行補助装置１０の装着を安定させている。なお、本実施形態では、この踵回動部２３は、人体の動きに連動して回動するのみで、アシスト力を加えていないが、この踵回動部２３に対しても腰部アクチュエーター２１などと同様、アシスト力を加える構成としてもよい。
【００１９】
体躯装着部１１に固定されている制御ユニット１００は、各種センサーからの出力に応じて、腰部アクチュエーター２１、膝部アクチュエーター２２にアシスト力を加える。アシスト力を加えるために用いられるセンサーとしては、大腿部、下腿部などに貼付した筋電位センサーや、関節角度を計測する関節センサーなどを用いることが考えられる。各アクチュエーターに対するアシスト力を加える制御方法は、各種センサー、各種アルゴリズムを用いて適宜に設計したものを採用することができる。
【００２０】
図２は、本発明の実施形態に係る歩行補助装置の制御ブロックを示す図である。本実施形態では、腰部アクチュエーター２１、膝部アクチュエーター２２が設けられ、後述する角度検出用センサー２４、２５などによって体躯の動きを予測してアシスト力を加えることとしている。また、各足底部１６には、足裏センサー１５ｃ、ｄが設けられており、足の裏が地面についた立脚状態であるか、地面から浮いた遊脚状態を取得することが可能とされている。足裏センサー１５は、さらに、足裏の荷重分布などを取得することとしてもよい。制御ＥＣＵ１０１（制御部）は、角度検出センサー２４、２５、並びに、足裏センサー１６などの出力信号に基づいて、各アクチュエーター２１、２２に対してアシスト力を付与してユーザーの方向を補助する。なお、各アクチュエーター２１、２２は、図示しないバッテリーからの電力供給を受けてアシスト力を発生することとしている。
【００２１】
また、本実施形態の制御ユニット１００には、歩行補助装置１０を装着したユーザーの周囲を検出する各種周囲センサーが設けられている。周囲センサーとしては、発光素子と、当該発光素子から発光された光の反射光を受光し、周囲の障害物を検出する光センサー３１、ユーザーの前方、後方の様子をそれぞれ撮影する前方カメラ３２ａ、後方カメラ３２ｂ、衛星からのＧＰＳ信号を受信し、歩行位置を検出するとともに、地図情報を参照す
ることでユーザーを目的地に導くナビモジュール、インターネットなどの通信網に接続し、各種情報を取得する無線モジュールなどがある。なお、前方カメラ３２ａ、後方カメラ３２ｂは、それぞれについて２つのカメラユニットを設けることで外界を立体的に撮像し、障害物までの距離を算出可能としてもよい。
【００２２】
この他、各種設備に設置され、当該位置の位置信号を送出する狭エリア位置確認システムのための受信モジュール３５が設けられている。この狭エリア位置確認システムとしては、例えば、ＬＥＤ照明などの照明駆動信号中に、当該位置の位置信号を含ませておき、照明光から位置信号を抽出することで位置を確認するシステムや、あるいは、室内ＧＰＳなど室内における位置確認システムなどが考えられる。
【００２３】
以上、本実施形態では、歩行補助装置１０に対して、このような各種周囲センサーを設けたことで、安全な歩行補助を行うことのみならず、目的地までのルート案内や、各種情報をユーザーに提供することが可能となる。なお、各種情報の確認は、制御ユニット１００に接続される拡声装置、表示装置などで音声、画像出力することとしてもよいし、制御ユニット１００と無線あるいは有線で接続された携帯情報端末（図示せず）に対して音声、画像出力することとしてもよい。
【００２４】
本実施形態の関節角度測定装置は、このような歩行補助装置１０に対して使用されるものであって、アシスト力を付与するため膝関節など歩行者の体躯の状態を検出するために使用されるものである。また、歩行に限らず腕などユーザーの上半身にアシスト力を加え、荷物の上げ下ろしや農作業、工場での作業に利用される補助装置に使用されるものであってもよい。さらにアシスト力を付与する補助装置に限らず、体躯の動きをコンピュータグラフィックに適用するためのモーションキャプチャー装置に使用されるものであってもよい。
【００２５】
では、本発明の実施形態に係る関節角度測定装置について、図１に示される歩行補助装置１０に適用した場合を例にとって説明する。
【００２６】
まず、本実施形態の関節角度測定装置が必要とされる経緯について説明しておく。図３は、従来利用された回動部を説明する図であって、図１に示される大腿支持部１２と下腿支持部１４を回動可能に接続する回動部４０を示している。この図に示されるように大腿支持部１２と下腿支持部４０とは、１つの軸で回動可能とする回動部４０によって接続されている。このような１軸で接続された形態では、回動部４０に設けられたロータリーエンコーダーなどを用いることで膝の関節角度αは、比較的簡単な構成で、また簡単な処理で取得することが可能である。
【００２７】
しかしながら、歩行補助装置１０の応用に伴う人体の動きの解析が進むに従って、人体の関節をこのような１軸の回動で賄うことに限界が生じてきた。そのため複数軸の回動でもって人体の動きに追従させる回動部４０が開発されている。
【００２８】
図４は、このような複数軸（この場合２軸）の回動を利用した回動部４０が示されており、図３と同様、大腿支持部１２と下腿支持部１４を回動可能に接続した回動部４０となっている。本実施形態の回動部４０は、第１ギア部４１と、第２ギア部４２と、支持プレート４３を備えて構成されている。第１ギア部４１は大腿支持部１２の先端に設けられ、下腿支持部１４の先端に設けられた第２ギア部４２とかみ合うことで回動可能とされている。支持プレート４３は、第１ギア部４１の回動中心と第２ギア部４２の回動中心を回動可能に支持している。
【００２９】
このような複数軸による回動部４０では、図３で説明した回動部４０と比較して、人体
の複雑な関節の動きに追従させることが可能とされている。このような構成においても関節角度を取得することは、歩行補助装置１０などに対する制御において重要となる。しかしながら、このような複雑な機構を有する回動部４０において、直接、ロータリーエンコーダーなどを用いて関節角度を取得することは構成上困難である。そのため、本実施形態の関節角度測定装置では、大腿支持部１２、下腿支持部１４のそれぞれに角度検出用センサー２４、２５を設置し、これらの出力に基づいて関節角度αを取得することとしている。
【００３０】
本実施形態の角度検出用センサー２４、２５は、それらが取り付けられた大腿支持部１２と下腿支持部１４が形成する関節角度αを算出できる信号を出力するものであればよく、例えば加速度センサーを利用することができる。加速度センサーの出力を積分することで、速度並びに位置を取得することができる。大腿支持部１２と下腿支持部１４の相対的な位置を特定することができれば、角度検出用センサー２４、２５の取り付け位置に基づいて、関節角度αを算出することが可能となる。
【００３１】
角度検出用センサー２４、２５は、このような形態に限られるものではなく、例えば、地磁気センサーや重力センサーなど、所定の方向を特定できるセンサー類であってもよい。所定の方向に対して各角度検出センサー２４、２５がとる方向を得ることで、両者の角度関係、すなわち、関節角度αを算出することが可能となる。なお、本実施形態では、紙面上のみに回動可能な回動部４０について説明したが、回動部４０は、立体的に回動、すなわち、紙面手前あるいは奥行き方向に対しても回動可能な構成としてもよい。
【００３２】
このような角度検出用センサー２４、２５を用いることで比較的簡易なセンサー構成、取り付け、並びに、演算処理で関節角度αを得ることが可能となる。しかしながら、センサー２４、２５に対するノイズ、各センサー２４、２５の出力信号を増幅するアンプに乗るノイズ、ヒステリシス特性、ＡＤコンバーターの解像度など各種要因によって、算出される関節角度αに誤差が生じることが考えられる。このような各種要因によって発生する誤差は、時間の経過に伴い蓄積されることが分かっており、所定時間毎に初期化する必要がある。例えば、歩行補助装置１０においては、利用開始前あるいは所定時間使用したときに、ユーザーに対して予め決められた姿勢をとらせることで、誤差の蓄積を初期化することが考えられる。しかしながらこのような初期化方法では長時間の利用は不可能であるとともに、ユーザーに対する負担も伴うため、製品化する上でのデメリットとなる。
【００３３】
本発明の実施形態に係る関節角度測定装置は、このような支持部に取り付けられた角度検出用センサーを用いて角度検出を行う際に発生する誤差を、ユーザーの負担無く略リアルタイムで初期化することとしている。
【００３４】
図５は、本発明の実施形態に係る関節角度修正処理を示すフロー図である。関節角度修正処理は、角度検出用センサー２４、２５が関節角度αを検出する関節角度検出処理を実行する際、同時に実行される処理である。本実施形態では、この関節角度修正処理を実行するため、大腿支持部１２（第１支持部）と下腿支持部１４（第２支持部）が特定の位置関係にあることを検出する基準位置検出部が設けられる。
【００３５】
図６、図７には、それぞれ、図４で説明した回動部４０付近の様子が図示されている。なお、これらの図では、位置関係を分かりやすくするため支持プレート４３は省略して記載している。基準位置検出部は、直接図示していないが、第１ギア部４１上に示すＡの位置と、第２ギア部４２上に示すＢの位置が対向するとき、所定の出力信号を出力することで、大腿支持部１２と下腿支持部１４が所定の位置関係にあること検出する。基準位置検出部には、両者が対向することで機械的なスイッチがオンとなるセンサー以外に、光学的、磁気的に対向することを検出する近接センサーを使用することができる。
【００３６】
図６の回動状態は、第１ギア部４１の位置Ａと第２ギア部４２の位置Ａ’が対向していない状態、すなわち、大腿支持部１２と下腿支持部１４が所定の位置関係にない状態を、図７の回動状態は、第１ギア部４１の位置Ａと第２ギア部４２の位置Ａ’が対向した状態、すなわち、大腿支持部１２と下腿支持部１４が所定の位置関係にある状態が示されている。
【００３７】
図５のフロー図に示されるように、本実施形態では、このような基準位置検出部の状態を取得し（Ｓ１０１）、基準位置検出部がオン状態（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）となったとき、すなわち、図７に示されるように、大腿支持部１２と下腿支持部１４が所定の位置関係となったとき、Ｓ１０３以降の処理を実行する。
【００３８】
基準位置検出部がオン信号を出力した場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）と、制御部１００内に設けられたタイマーのカウントを開始する（Ｓ１０３）。Ｓ１０４では、カウントしているタイマーが所定時間を経過したか否かを判定する。所定時間経過していない場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）には、再度、基準位置検出部の状態を取得する（Ｓ１０５）。基準位置検出部がオフ状態に変更となったことを検知した場合（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）には、カウントしているタイマーを停止すると共に、初期状態にリセットした（Ｓ１０８）後、Ｓ１０１に戻る。一方、基準位置検出部がオン状態を継続している場合（Ｓ１０６：Ｎｏ）には、タイマーのカウントを継続して実行する。
【００３９】
所定時間経過したことが判定された場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、すなわち、基準位置検出部が所定時間継続してオン状態を検出している場合には、Ｓ１０７にて関節角度の初期化が実行される。図７に示されたＡとＡ’が対向する基準位置では、関節角度α１をとるべきであることが分かっているため、角度検出用センサー２４、２５の出力に基づいて算出される関節角度αがα１に修正されるように初期化が実行される。初期化を実行した後はタイマーを停止させて、初期状態にリセットした（Ｓ１０８）後、再度、基準位置検出部の監視に戻る。
【００４０】
以上、本実施形態では、基準位置検出部の状態を監視し、所定の位置関係が所定時間継続した場合には、所定の位置関係に対応する関節角度α１となるように角度検出用センサー２４、２５の算出角度αを初期化することとしている。このように本実施形態では、例えば、歩行補助装置１０を装着しているユーザーが信号待ちなどで、所定の姿勢を所定時間継続してとったときに、蓄積した誤差を自動で初期化することが可能となる。そのため、ユーザー自身が初期化処理を実行するなどの煩わしさがない。基準位置検出部に設定される大腿支持部１２（第１支持部）と下腿支持部（第２支持部）の所定位置関係は、ユーザーが取りがちな姿勢に設定しておくことで関節角度を修正する機会を増加させることが可能となる。また、所定の位置関係は、１つに限ることなく複数設けることとしてもよい。複数設けることで初期化の機会を増やし、より正確な関節角度の算出を行うことが可能となる。
【００４１】
図８、図９は、このように所定の位置関係を複数設けた場合の実施形態となっている。これらの図に示されるように第１ギア部４１には、２つの所定位置Ａ、Ｂが、第２ギア部４２にも２つの所定値Ａ、Ｂが設けられている。基準位置検出部は、位置Ａと位置Ａ’が対向するときの第１基準位置（図８）、位置Ｂと位置Ｂ’が対向するときの第２基準位置（図９）をそれぞれ検出することが可能とされている。それぞれの基準位置において、所定時間経過した場合には、対応する関節角度に初期化されることとなる。図８の位置Ａと位置Ａ’が所定時間継続して対向した場合には、関節角度α１に修正することで、図９の位置Ｂと位置Ｂ’が所定時間継続して対向した場合には、関節角度α２に修正することで誤差を解消することが可能とされる。この実施形態では所定位置関係を２つの状態として
いるが、さらに数を増やすことも可能である。
【００４２】
以上、本実施形態では、角度検出用センサーによって算出される関節角度について、所定位置関係を継続した場合、所定位置関係に対応した関節角度に修正することで、ユーザー自身による初期化処理を必要とせず、略リアルタイムに初期化を行うことが可能となり、時間の経過に伴って蓄積する誤差を解消することが可能となる。本実施形態では、大腿支持部１２と下腿支持部１４が構成する膝関節を用いて説明したが、人体の関節であれば何れの関節の角度測定にも利用することが可能である。
【００４３】
なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１０…歩行補助装置
１１…体躯装着部
１２ａ、ｂ…大腿支持部
１３ａ、ｂ…大腿装着部
１４ａ、ｂ…下腿支持部
１５ａ、ｂ…下腿装着部
１６ａ、ｂ…足底部
１６ｃ、ｄ…足裏センサー
２１ａ、ｂ…腰部アクチュエーター
２１ｃ、ｄ…角度検出用センサー
２２ａ、ｂ…膝部アクチュエーター
２２ｃ、ｄ…角度検出用センサー
２３ａ、ｂ…踵回動部
２４、２５…角度検出用センサー
３１…光源装置
３２ａ…前方カメラ
３２ｂ…後方カメラ
３３…ナビモジュール
３４…無線通信モジュール
４０…回動部
４１…第１ギア部
４２…第２ギア部
４３…支持プレート
１００…制御ユニット
１０１…制御ＥＣＵ（制御部）
【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】
2013075341.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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