平成 28 年度

卒業研究論文ロードセルを用いた床反力計の開発

平成 29 年 2 月 15 日
指導教員

福永道彦

准教授

大分大学工学部
機械・エネルギーシステム工学科
エネルギーコース

1351002

一ノ瀬颯斗

目次
1 章序

12章 現状の装置と仕組み
2.1 現用の装置の概要
2.2 アナログ回路
2.3 現用の装置の問題点

33343章 床反力計の再構築
3.1 改良の目的
3.2 回路基板の改良

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53.3 装置の概要

64 章 床反力の静特性の検定

75章 実験
5.1 直立時での床反力の計測

995.1.1 実験方法
5.1.2 実験結果
5.1.3 考察9996章 結言

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＜参考文献＞

1 章 序論
歩行動作は人間が生活する中で必要不可欠である.しかし現代社会では,便利な生活のため歩かない生活が多くなってきている[1].更には,高齢化問題が深刻になる中,様々な理由で歩行に障害を持つ患者が増加している.歩行分析は歩行障害の重症度の診断,治療方針の決定,治療の効果判定を行ううえで極めて重要とされている.床反力の計測は歩行分析に非常に重要であり,多く用いられている.床反力とは,人の足が床を押すのに対応して,床が人の足に与える反作用の力のことである.今後歩行リハビリテーションが注目される中,床反力を用いての診断が可能になることは重要である.
高度な歩行分析装置には多くの問題点が存在する.歩行分析装置は非常に高価であり,解析にも多くの時間を必要とすることである.そして,測定空間には大きな部屋を使用する必要があるなどの問題点が存在し,歩行分析装置を用いるにはいくつか制限がある.現状,一般的に歩行分析装置を用いるには至っていない.
そこで,近年非常に注目を集めているものが小型化,高性能化,低価格化をあわせもつ装置の開発である.
足底の圧力を測定する方法には,様々な方法が存在する.足底の圧力を計測する装置は大きく 2 種類に分けられる.センサ自身を床に設置し計測する「設置型計測装置」と靴など履物自身がセンサで構成され,被測定者の足に直接装着する「装着型計測装置である.設置型,身体装着型は,それぞれ足底面の圧力分布を測定する「足底圧力分布計測型」と足底に作用する床からの反力を計測する「床反力計測型」に分類される[2].さらに,使用されるセンサの種類や計測法,機能に応じて細分化される(図 1.1[2]参照).に足底圧力計測装置の分類について示す.これまで櫻井が装着型床反力計を開発しているが,ケーブルにより歩く距離が制限されることや,装置を装着している理由から自然な歩行を行えなかった.また装置の装着にも時間を必要とした.本研究では,より自然な歩行に近い計測が可能で,装置の取り扱いが容易な設置型を用いることにした[3].
足底圧力分布計測型について述べる.歩行中の足部にかかる圧力分布を床面に設置し,測定する機器にはマット型の歩行解析装置が主である.薄いセンサユニットを床面に設置することから計測器を設置するための工事等は不要であり.また足や靴に対する装具（計測器）も不要のため歩行に対する影響は少ないメリットがある.しかし,床面に設置し計測を行うため,少なくとも計測装置が敷設できる十分な空きスペースが必要である.また,マット型の歩行解析装置は,センシング可能部分は約 4m しかないため歩行距離が限定され数歩しか測定ができない[3].以上の理由より,計測装置の設置の自由度は低いため容易な計測は困難であると考えられる．
次に床反力計測型について述べる.歩行中に床から足部にどのような力が加わっているかを計測するためには,床反力計（Force Plate,Force Platform）が一般的に用いられる[4].市販されている床反力計は,センサや形状の違いから数多くの種類があり特性も様々である.床反力計には歪みゲージを用いる方法と水晶圧電素子のセンサを用いる方法がある.一般的な
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形状は四角形であるが,40×60cm の小さなものから長さが 2m を超えるものまで大きさは様々である.水晶圧電式センサを使用した床反力計は,Kistler 社の 1 社のみから販売されている.また,装置が高価である.歪みゲージ型は,足が床に与える力を計測する.方法として,床反力をバネの伸びや梁のたわみなどから歪みゲージを用いて求める方法がある.現在,一般的に用いられている床反力計は平板 4 隅のロードセル,または柔軟な弾性要素の支柱で支えてある.測定物により荷重が掛かると 4 隅に設置されたセンサの合力を計算し反力を求める仕組みとなっている[3].以上のことから,装置の構造が容易で,センサーが安価で入手が容易なロードセルを用いた床反力計測型を開発することにした.
これまで本研究室では,そのロードセルや連続的に電気信号を取り扱えるアナログ回路を用いて小型床反力計を開発した.しかし,装置の設定に時間がかかる問題があり,床反力計を容易に使うには困難であった.本研究ではこれらの問題を解決した床反力計の改良を行う.

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2 章 現用の装置の仕組み
2.1 現用の装置の概要
本研究に先立って,櫻井[7],岩間[8]が小型床反力計の製作を行ってきた.本章ではこの床反力計について説明する.
現状の装置は,ロードセルを含む市販の体重計,回路基板,アナログ回路でで成り立っている.これらの装置は櫻井[7],岩間[8]が開発したものである.
ロードセルとは力（質量,トルク）を検出するもので,力を加えるとそれを電気信号に変換
す る も の で あ る . 本 研 究 に 使 用 し た ロ ー ド セ ル を 図 2.1.1 に 示 す . 体 重 計 （ DRETEC
BODYSCALE「Glasse」)に使用されていたものを分解して使用した.ロードセルの剛性によって測定可能な荷重の範囲が規定される.そこでデジタルマルチメーターを使用して計測したところ,最大約 50kgf まで量ることが可能であった.本研究では,人の歩行時の床反力を計測し,必要な総荷重は体重の 1 倍程度なので,総荷重は最大 100kgf 程度[5]であると考えられる.床反力計の四隅にロードセルを設置すると荷重が分散するので,使用するロードセルの計測範囲としては十分であると考えられる.
体重計の仕組みとしては,体重計に乗った時の荷重全てが四隅のロードセルに掛かるようになっている.この仕組みを図2.1.2に示す.
床反力計を開発する前段階で体重計の台座を決定する必要がある.この問題は,これまでの研究で解決されている.本研究でも現用のものを使用した.

2.2 アナログ回路
アナログ回路はマイクロコンピュータ,電源安定回路,ロードセル使用上の回路で構成されている.ロードセル使用上の回路図を図 2.2.1 の左側,回路基板を図 2.2.2 左側に示す.ロードセル内部にある 1kΩの抵抗値 R3 に,R1 と R2 の抵抗値を合わせて,R1,R2,R3,R4 の四つの抵抗でブリッジ回路を形成する（図 2.2.3 の左側).計装アンプで増幅した電圧では arduinoleonardo の動作電圧である 5v をはるかに超え,荷重値を算出できない.算出に必要な電位差を取り出すためにブリッジ回路を形成している.R1 は 1kΩの固定抵抗で,R2 は固定抵抗 975Ωである.この固定抵抗に 25Ωの半固定抵抗１つを用いて調整し,合計 1kΩにする.ロードセ
ルへの荷重がないとき R1×R4=R2×R3 で平衡状態を作ると,図 2.2.1 の－IN と＋IN の電位差が 0 となる.ロードセルに荷重をかけると R4 がわずかに減少し,電位差が生じる[6].この電位差を測定することにより,R4 の抵抗値を逆算し,ロードセルにかかっている荷重を求めることが可能である.しかし,個々の抵抗に微小な誤差があれば平衡状態にならず,非荷重時にも微小な電圧差が生じてしまう.ロードセルの荷重による電位差の変化自体が微小であるため,非荷重時には電位差がなるべく 0 に近くなるよう調整する必要がある.この問題点を回避する方法として,本研究では,誤差 1%の金属皮膜抵抗値を複数用意して,デジタルマル
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電源安定回路は,三端子レギュレーターと電解コンデンサで構成されている.電源安定回路には,電源電圧を安定させるために,9vの電池を電圧コンバータで,5vに変換させている.
出力電位差が微小であるため,計装アンプで増幅した.増幅した電圧の測定には,arduinoleonardoを用いた.arduino leonardoを図 2.2.4に示す.

2.3 現用の装置の問題点
現状の床反力計では,床反力計の静特性の検定に多くの時間を必要とする問題点があった.2.2節のように25Ωの半固定抵抗1つを用いた設定方法ではブリッジ回路を形成することが困難であった.岩間[8]は,この設定に最大で90分費やしている.

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3 章 床反力計の改良
3.1 改良の目的
2.3節で説明したように,設定に多くの時間が必要なため,床反力計を容易に使用できない.
この設定時間を大幅に短縮するために,床反力計の改良を行う.

3.2 回路基板の改良設定を容易にするために,回路基板内ののブリッジ回路に注目した.このブリッジ回路の形成方法を新たに改良する.
従来の装置で設定に時間がかかったのは,出力を得るためのブリッジ回路において無荷重時の出力を0にするのが困難であったためである.これまで,25Ωの半固定抵抗で975Ωの固定抵抗を1kΩに近づけることは可能であったが,微小な調整に25Ωでは抵抗値が高く,設定に多くの時間を必要とした.そこで,今回,1つのロードセルに対して用いる半固定抵抗の抵抗値の種類,数を増やし,ブリッジ回路を形成し（図 2.2.3の右側）,設定を容易にする.1つのロードセルに対し,半固定抵抗を1つ使っていたところを4つに増やした.半固定抵抗の抵抗値が異なるものを複数使用することで,より粉かな調整を可能にし,設定時間の短縮を図った.ロードセルを1つ使用するための新たな回路図を図2.2.1の右側に示す.R1とR2は同じ抵抗である.固定抵抗1つと半固定抵抗2つの合計3つの抵抗を合わせた抵抗値である.固定抵
抗は誤差0.1%未満の975Ωで,半固定抵抗は,10Ω（多回転半固定ボリューム たて型 3296Ｗ
10Ω [100])と25Ω（半固定抵抗器 Bourns 25Ω 0.5W 上面調整）である.R3とR4はロードセルの内部にある抵抗である.R4は荷重によって抵抗値が変化するひずみゲージの部分である.
これまで計装アンプを取り付ける際,取り付けるのが困難で計装アンプが変形することがあった.そこで,計装アンプを取り付けやすくするために,丸ピン IC ソケット 8 ピンを 2 つ使用した.
図 2.2.1の回路で増幅したアナログ信号をマイクロコンピュータで計測可能にするためにゲイン調整を行う.ゲインはアンプに対する入出力電圧の倍率を示すものであり,これを調整することによって,ロードセルの測定範囲での入力電圧範囲がマイコンで計測可能な出力電圧範囲になるように調整した.本研究で用いたAD623ANでは,R5=100kΩ/(G-1)のような関係にある.G（ゲイン）は,ロードセルの測定可能な域とarduino leonardoの出力範囲を満たす,501倍にするために固定抵抗を2つ直列に繋いだ.
改良した回路基板を図 2.2.2（表）の右側に示す.図 2.2.2（表）の右側の回路基板は,ユニバーサル基板に図 2.2.1 の右側の回路を 2 つ付けたものである.本研究では,ロードセルを 4つ用いるため,この回路基板を 2 つ作製した.図 2.2.2 の回路基板には電源安定回路も含まれている.電源安定回路は従来と同様である.
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ロードセル 1 つ使用する上で必要な機器の一覧を Table 3.2.1 に示す.図 2.2.2 の右側の固定抵抗 R5(200Ω）は 120Ωと 80Ωの固定抵抗を用いた.
積層セラミックコンデンサー0.1μFは1つ使用した.発振防止,電源のインピーダンスを下げるために用いた.その他には,配線に用いるジャンパ線4本,回路の基板としてユニバーサル基板1枚を用いた.

3.3 装置の概要
開発する床反力計は,元にする体重計と機械的には全く同じで,四角形の体重計の四隅にロードセルが取り付けられた物とした.体重計の4つのロードセルを基板から取り出し,ロードセルから出ているコードをジャンパ線と半田付けして,図2.3.2の回路と接続した(図3.3.1).3.2節で述べているように本研究で改良,変更した回路基板とarduino leonardoも合わせた床反力計の全体図を図3.3.2に示す.回路基板を板の上に乗せているのは,回路基板が移動することで起こるブリッジ回路の再設定を防ぐものである.

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4 章 床反力計の静特性の検定
本研究で開発した床反力計からは電圧が得られる.その電圧を荷重値に変換する必要がある.そのため,計測される電圧とロードセルに掛かる荷重の関係について調べた.計測方法
としては,圧縮試験機を使用して行う方法が一般的であり,試行したものの,圧縮試験機とロードセルを接触するための工夫を要した.また,試験自体の準備が容易ではなく,ロードセル単体で実験を行うため,センサーの取り付け位置や床反力計の硬さなどにより検出感度の変化を考える必要がないように,計測に圧縮試験機を用いなかった.
従来の検定方法を説明する.製作した床反力計の4つのロードセルを,製作した回路とユニバーサル基板に接続し,無荷重から6kgfまで1kgfごとに負荷した(図 4.1).錘となるペットボトルは縦に重畳した.この際,単一のロードセルに荷重をかけるよう,各ペットボトルの重心が対象となるロードセルの鉛直線上に位置するように配置した.荷重をかけた後,デジタルマルチメータを用いて,増幅後電圧差を計測した.
本研究では2種類の半固定抵抗を1つの回路基板に8つ用いることで回路基板の再設計を行った.検定方法は今までと同様に行った.ロードセルと荷重の線形な関係が得られ,その検定時間は大幅に短縮できた.これまで検定に多くの時間を必要とされ問題点であった.岩間の論文では設定に90分要したと述べられている.本研究で床反力計を改良して結果が得られた.従来最大で,90分費やしていたところを,5分で4つ全てのロードセルの検定を行うことができた.その実験結果を図4.2に示す.
4つすべてのロードセルにおいて,荷重と電位差の間に線形な関係が得られた.この結果か
ら荷重値と電圧値を線形近似をし,荷重換算式を作った.4つのロードセルの荷重換算式は図4.2の式(1)～(4)のようになった.f(x)はロードセルにかかる荷重kgfであり,xは測定される電位差vである.
f(x)＝20.00x-22.00 (1)～(4)
ブリッジ回路の調整が上手く行えないと,ロードセルと荷重に線形な関係が得られない.これまで,ロードセルと荷重の間に線形な関係が得られたが,ロードセルごとに傾きが異なっていた場合があった.これは,ブリッジ回路における平衡点が個々の機器の個体差によるものだと考えられる.本研究では,975Ωの固定抵抗と10Ωと25Ωの半固定抵抗を繋ぐことで,これまでより粉かな抵抗値の調整が可能になった.その結果ブリッジ回路における平衡点が個々の機器の個体差によらず一定になったと考えられる.
改良前は設定に最大で90分要していたところ,5分で設定できるまでに設定時間の短縮に成功した.
電位差を測定するarduinoは5vを超える電位差を測定することはできないが,この換算式で電位差が5vになるのは,ロードセル1つにつき78.00kgfになるときである.この荷重はロードセル由来の測定可能範囲を超えているため,arduinoでロードセルを用いて荷重を測定するための適切な増幅がされていたことが確認できた.

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5 章 実験
5.1 直立時での床反力の計測
新たに開発した床反力計の精度を検証するため,直立時の床反力の計測をした.3.2節ではロードセルの静特性について検証した.この実験では4つのロードセルを組み合わせた装置が正確な荷重値を測定できるかを確かめるための実験である.

5.1.1 実験方法
被験者は体重71.2kgfの健常男子1名とした.
直立時の床反力の計測を,市販の体重計と開発した床反力計で計測し,得られた値を比較した.
初めに,被験者の体重を市販の体重計で測定した.その後直ちに開発した床反力計で体重を測定した.この際,床反力計では,わずかな重心の位置で荷重値が異なるため,被験者にはなるべく動かないように注意してもらい,安定した測定値20個分の平均値を記録した.この工程を5回繰り返した.

5.1.2 実験結果
実験結果をTable 5.1に示す.市販の体重計と開発した床反力計との測定値には,最大で0.35kgf,0.57%の差がみられた.

5.1.3 考察
本実験では,直立時の誤差0.35kgfであり,従来の誤差0.7kgfより誤差範囲を小さくすることができた.これは静特性の検定時でこれまでより細かに調整できたからだと考えられる.
実験をする前段階としてロードセルの静特性を検定する設定時間は,最大で 90 分必要だ
ったところを 5 分で設定でき,設定時間の短縮に成功した.これは 3.2 節でも説明して要るよ
うに,半固定抵抗を 10Ωと 25Ωの 2 種類用い,ブリッジ回路を形成したことによるものである.だが,回路基板が設定中に大きく移動した際,再設定を要した場合があった.これは回路基板が移動した際の微小な衝撃により,ブリッジ回路が平衡状態でなくなったためだと考えられる.3.3 節にもあるように,本実験では,回路基板を板の上に置き,移動しないよう工夫している.今後は回路基板を板に固定したり,体重計と一体になる回路基板の土台を製作するなどして固定できると設定時に起こる問題を解決できると考えられる.また,開発した床反力計の設定を行ったが,重りを乗せると電圧値が延々と上昇する現象が起きた.これは 25Ωの半固定抵抗のみで設定を行い,上手く設定できたと誤認識した場合に起きた.10Ωの半固8定抵抗も用い,細かく設定しブリッジ回路を形成することでこの問題は解決された.
この加重換算式を作る上で半固定抵抗を調整しても静特性の検定を行う際の無荷重時の電圧を 0.01V より下げることができなかった.0v で静特性の検定を行わないのは,0v 以下の電圧時に arduino では負の電圧を計測できないためである.そのためデジタルマルチメータ
ーで計測できる範囲で 0v に近い 0.01v で設定を行っている.しかし,arduino leonardo では
0.01V を読み取ることができず,0V と表示されたため問題ないと思われる.
半田付けが不十分であると考えられる理由から,電圧値が出力されない場合もあった.今後は半田付けを再度行い,また,予備の回路基板を複数作製し,接続不良な場合においても容易に実験できるようにする必要がある.

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6 章 結言
岩間らの製作した床反力計のブリッジ回路を改良し,精度検証実験を行った.結果と問題であった加重換算式を算出する時間の短縮と精度の向上に成功した.
改良した床反力計は正確な測定ができていると考えられるが,動作中の測定までには至っていない.今後の課題は,動作中の測定を行い,実験結果を検証することである.また,櫻井らが開発している床反力推定インソールと合わせた装置での動作中の測定である.

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＜参考文献＞[1] 井上喜雄,芝田京子,山崎陽平,足底内蔵センサを用いた床反力計測システムの開発
Development of Reaction Force Measurement Systemby Using Plantar Pressure Sensor,pp1[2] 辻内伸好,伊藤彰人,人間工学のための計測手法,Vol.50,No,5[3] 井上喜雄,王 碩玉,松田拓也,足底圧計測装置による床反力,及び下肢関節モーメントの推定 Estimation of Ground Reaction Force and Joint Moment by Plantar Pressure Measurement
Device,pp7-13[4] 松田拓也,足底圧計測装置による床反力,及び下肢関節モーメントの推定,高知工科大学
大学院,修士論文,2014[5] 岡田誠,才藤栄一,大塚圭,櫻井宏明,武田斉子,寺西利生,鈴木由佳理,岡西哲夫, 寺尾研二,
加賀順子,金田嘉清,トレッドミル歩行と平地歩行における床反力の比較, 理学療法
学,Vol.29,pp209-211,2002[6] 浜野悠介,重量センサを用いた忘れ物防止のための持ち物の組み合わせ推定手法,筑波大学情報学群情報科学類,卒業論文,2012[7] 福永道彦,櫻井和人,足底圧測定装置による床反力の測定 2015[8] 福永道彦,岩間隆之,マイコンを使用した小型床反力計の製作 2016

11図 1.1 足底圧力計測装置の分類

図 2.1.1

ロードセル

12図2.1.2 体重計の仕組み

図 2.2.1 ロードセルを用いた現用と改良後の回路図

13図2.2.2 現用と改良後の回路基板（表)図2.2.2 現用と改良後の回路基板（裏)14図 2.2.3 現用と改良後のブリッジ回路

15プロセッサAtmel ATmega32u4

クロック

16MHZ

動作電圧5v

デジタル入出力

24 本

PWM 出力7本

アナログ入力12 本

プログラミング可能容量

32kB

SRAM メモリ容量

2.5kB

EEPROM 容量1kB

図2.2.4 arduino leonardo

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Table 3.2.1 ロードセル１つ使用する上で必要な機器の一覧
機器

仕様個数

ロードセル

1固定抵抗（975Ω）

2半固定抵抗（10Ω）

2半固定抵抗（25Ω）

2固定抵抗（80Ω）

1固定抵抗（120Ω）

1計装アンプ（AD623AN)

1丸ピン IC ソケット 8 ピン

2

ユニバーサル基盤

1

ジャンパ線

4

積層セラミックコンデンサー 0.1μF

1

図 3.3.1 ロードセルとジャンパ線接続17図 3.3.2 完成した床反力計

図 4.1 床反力計の静特性の検定方法
18図 4.2 ロードセルの静特性の検定

Table 5.1 直立時での体重計と床反力計の計測値の比較

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