情報処理学会 インタラクション 2015
IPSJ Interaction 2015

B08
2015/3/6

柔軟膜センサによる運動時の関節の動作計測
中本 裕之 平田 一郎

大高 秀夫

多田 充徳

小林 太小島 史男

概要：スポーツにおける動作の評価を主として，人間の動作を計測方法が求められている．本論文では，装着しても違和感の無い柔軟性と薄さを兼ね備えた柔軟膜センサを提案する．柔軟膜センサは柔軟なウレタンを主材料としており，自身の伸びの程度を静電容量として変化させることができる．実験により，人間の関節部の皮膚の伸びを計測することでその関節の角度を計測可能なことを検証する．

                                                      

                                      

               

我々はカーボンナノチューブ溶液の塗布によって生成し はじめにた電極を備えたウレタンエラストマーを材料とする柔軟膜

スポーツの分野においては，動作の正確さの定量化や軌センサの研究を行ってきた．本論文では，柔軟膜センサを道の評価のため，運動時の上肢・下肢の軌道や速度の計測用いた人間の関節角度の計測に関する検討結果を報告する．

が必要とされている．その計測のため，現在は高速度カメ

 柔軟膜センサ

ラなどの装置が使用されているが，運動が撮影範囲内に制限される．また，齋藤らは投球運動の計測を加速度センサ

柔軟膜センサを図 ½ に示す．柔軟膜センサの構造は  層などを用いてサンプリング周波数を  で実施していのエラストマーシートの各層間に電極層を挟み込んだサンるが  ，複数のセンサを使用する場合，センサの位置のドイッチ構造となっており，エラストマーシートと電極層ずれやキャリブレーションの煩雑さから幅広い利用は難しの厚さはそれぞれ 

い．運動の計測には，被験者の移動や運動の空間的自由度

電極層の面積は を保ちつつ，動作を妨げないような計測方法を備える必要積は約  × がある．にマスクシートを張り付けてカーボンナノチューブ溶液を，電極層の厚さは約 × である．

であり，柔軟膜センサの面である．電極層はエラストマーシート塗布して形成しており，マスクシートの形状にもとづいて
神戸大学大学院システム情報学研究科

       
兵庫県立工業技術センター
    ! " # $  "   %!&#バンドー化学株式会社' (&)!# $"  # *%+,

産業技術総合研究所デジタルヒューマン工学研究センター+ # ")   !& (  -$.% ) /,",!,0© 2015 Information Processing Society of Japan

任意の形状の電極層を形成可能である．エラストマーシー
トの配合と電極層の濃度に依存するが，図に示した柔軟膜センサは  ％の伸び歪みを繰り返し生じさせても，機械的な破壊，電気的な特性の変化が生じないことを確認している．外部の計測機器との接続は，各電極層に設けた銅箔を介して行う．

468

Moon Capture

140

Strain Sensor

420

Angle deg

120

370

10080

32060
2704020

図柔軟膜センサ

2200.  !&# .  . 

-201700

図 

Strain Sensor

 

Capacitance pF

16024Time sec

68

モーションキャプチャと柔軟膜センサの計測結果の関係

#   3 )  ! " )   

きの，モーションキャプチャと柔軟膜センサの計測結果の関係を図 ¿ に示す．横軸は時間であり約 秒分のデータがあることを示す．左の縦軸はモーションキャプチャで計測

Marker

したひじの関節角度，右の縦軸は柔軟膜センサの静電容量
図  を表す．関節角度は，上腕と前腕を並行にした状態，すなひじ関節の計測実験の様子

わちひじを伸ばした状態が  !"# であり，そこから屈曲す

1 " ) 2 )  #3る回転の方向が$である．図  によると約 % !"# の回転

柔軟膜センサの電気的特性について述べる．柔軟膜セン
サは層の電極層で角度を示しており，これは正常可動範囲  から % !"# の層のエラストマーシートを挟み込ほぼ範囲を使って屈曲していることがわかる．一方，このむ構造であることから，平行平板導体によるコンデンサひじの屈曲に伴い柔軟膜センサの静電容量は約  & かを構成する．その静電容量  を求める式は式 で表される．なお，エラストマの比誘電率を  ，真空の誘電率を ¼ とする．また， は電極間の距離すなわちエラストマシートの厚さ， と  は図で示した向きで電極層の縦と横の長さ（以下，この電極層が占める部分を計測部分とする）を表す．図 の柔軟膜センサの場合，  ，  

ら約 % & まで変化しており，約倍の長さにまで伸長していたことが分かる． つの変化は同期しており，柔軟膜センサの伸長が 倍程度と大きくなっても応答が出来ていることを示す．また，グラフの表示範囲を指定するのみ
でつのグラフがほぼ一致することから，静電容量を入力，値として単純な式で関節角度を推定することが可能であるとなる．エラストマーシートのといえる．このことから，柔軟膜センサを人間の動作計測

ポワソン比が  に近いため，柔軟膜センサが横方向  に 倍だけ伸長したとき，そのときの縦の長さ  と厚さ  が それぞれ  ，  となると仮定すると，式  から静電容量も  倍に大きくなる．したがって，静電容量を計測することで伸長量を求めることができる．

   ¼
に応用できることを検証できた．

 まとめ運動時の動作の計測を目的として，柔軟膜センサを用いた関節角度の計測の可能性を検証した．実験の結果，参照



 実験
関節角度の計測に関する実験を行った．図 ¾ にひじ関節に対する実験の様子を示す．まず，柔軟膜センサに粘着層を付加し，被験者のひじの関節にまたがるように柔軟膜センサを貼り付けた．柔軟膜センサの静電容量は専用の回路用として計測したモーションキャプチャの結果と同期した静電容量の変化が得られ，静電容量から関節角度を推定できる可能性があることも結果のグラフから示唆された．

謝辞
本研究の一部は，戦略的情報通信研究開発推進事業（'()）の委託研究「超薄型柔軟膜を用いた貼付け型ヒューマンインタフェースの研究開発」の元に行われました．ここに謝意を表す．

により計測した．次に，参照のためモーションキャプチャ（   社）のマーカーを上腕と前腕に固定した．同社のカメラ 台を使用してマーカーを撮影し，マーカーの位置姿勢からひじの関節角度を算出した．ひじを秒程度の周期で回転するように被験者に指示をしたと© 2015 Information Processing Society of Japan

参考文献
齋藤健治ら： 野球投球における上肢・体幹運動の慣性セン
サ計測 名古屋学院大学論集 人文・自然科学篇  469