JP2005192744A

JP2005192744A - 足底圧センサ

Info

Publication number: JP2005192744A
Application number: JP2004001246A
Authority: JP
Inventors: Ryokichi Hirata; 亮吉平田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】歩行中における被験者の足底の任意の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測する足底圧センサを提供する。
【解決手段】被験者の下肢を装着する下肢装着部２と、下肢装着部２の足底に足底圧計測手段３と、足底圧計測手段３の計測情報を基に前記被験者の足底圧を計測する計測部４とを備えた足底圧センサにおいて、下肢装着部２の足底の被計測部位に複数個の足底圧計測手段３を備え、計測部４が、前記被験者が下肢装着部２を装着したときの圧力がかっている足底圧計測手段３の位置を基に被験者の足サイズを判断するとともに、前記被験者の足先から踵部の下にある足底圧計測手段３を選択し、前記被験者の足底の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測することを特徴とする足底圧センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、歩行中における被験者の足底の任意の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測する足底圧センサに関するものである。

従来の足型測定装置を用いた靴のフィット性を改善する方法は、被験者が足置き台上面に足を乗せ、足裏の圧力分布を感圧センサで、足の外輪郭を非接触レーザ式変位センサでそれぞれ測定し、足の外輪郭線を出力している（例えば、特許文献１参照）。
図５は、特許文献１に記載の従来技術の足型測定装置の全体斜視図である。
図において、１０１は計測部、１０２は制御部、１０３は重心表示部、１０４はキーボード、１０５はタッチパネル付きディスプレイ、１０６はプロッタ、１０７はプリンタ、１１０は本体ケースであり、計測器１０１の左右の足置き台１１８、１１８上に被測定者が左右の足を乗せて立つと、その重心の位置が重心表示器１０３に例えばバーグラフ等によって表示され、ディスプレイ１０５の指示にしたがって上記ディスプレイのタッチパネルを操作することにより、計測部１０１の足置き台１１８、１１８の圧力分布センサが作動して足裏の接地部が検出され、この接地部形状がプロッタ１０６から出力され、また計測部１０１のレーザー式変位センサ１３６が動作して足の各部の寸法が測定され、制御部１０２のコンピュータで演算され、足の外輪郭Ａがプロッタ１０６から出力され、各測定値がプリンタ１０７から出力される。
計測部１０１の本体ケース１１０の底板上に後部の左右および前部の中央の合計３箇所のロードセルを介して台板が設置され、これら３個のロードセルにそれぞれ加わる荷重をＷａ、Ｗｂ、Ｗｃとするとき、制御部１０２において上記個別荷重の平均値（Ｗａ＋Ｗｂ＋Ｗｃ）／３＝Ｗｍが算出され、更に個別荷重と平均値との差Ｗａ−Ｗｍ、Ｗｂ−Ｗｍ、Ｗｃ−Ｗｍがそれぞれ算出され、重心表示部１０３上の３本の放射状１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃに上記の差Ｗａ−Ｗｍ、Ｗｂ−Ｗｍ、Ｗｃ−Ｗｍが中心からの距離として表示される。したがって、左右の足置き台１１８、１１８の各爪先側および踵側の合計４箇所にそれぞれロードセルを設置した場合は、左側踵部の荷重が上式のＷａに、右側踵部の荷重が上式のＷｂに、また左右の爪先部の荷重の平均値が上式のＷｃにそれぞれ代入される。この場合は、本体ケース１１０の底板上にロードセルを配置した場合に比べ、変位センサの移動に伴う重心の移動の影響を受けない。
上記台板の上面左右に前後方向のガイド板が並設され、その対向面に設けた水平なガイド溝に揺動板が揺動自在に支架される。そして、この揺動板を前後方向にまたぐように左右の足台フレームが固定され、この足台フレームは前後方向の水平部とその前後両端の脚部とで門形に形成されており、脚部によって上記台板上に固定される。そして、上記水平部上に足置き台が固定され、この足置き台上面に圧力分布センサが設けられる。この圧力分布センサは、圧力によって導電性が変化する感圧性ゴムシートの片側に前後方向の導線を、反対側に幅方向の導線をそれぞれ多数本、５ｍｍ間隔で配置し、圧力が設定値を超えた部分に導線が生じるようにしたものであり、足置き台上に被測定者が立ったとき、足裏の接地面中、所定圧以上の部分が検出され、この接触面形状Ｓが前記プロッタ１０６によって描かれる。
以上の構成において、足型測定装置は、左足用および右足用の足置き台を備え、これらの足置き台に靴の着用者が左右の足を乗せて立つと、着用者の体の傾き等に応じて重心が移動し、その重心が表示されるので、着用者がその表示を見ながら自分で体の傾斜等を制御して重心を所定の範囲に保つことができるようになっている。
また、足置き台の上面には、圧力センサが設けられており、足裏の微小部分ごとにその接地圧を検出し、その検出値の設定値を超える接地点が演算装置およびプロッタを介して記録紙上にプロットされるようになっている。
さらに、上記足型測定装置の左右の足置き台には、それぞれ該足置き台を挟んで対向する左右２個のレーザー式変位センサ１３６が前後摺動自在に、かつ昇降自在に設けられており、上記のレーザー式変位センサを前後に往復させながら足の高さ方向に移動して上記変位センサから足の表面までの水平距離を測定し、これを記憶し、この記憶データから足の立体形状を求め、更に足の任意位置の横断面形状、前記の外輪郭等を求め、足の外輪郭線を出力するようになっている。
このように、足型測定装置を用いた靴のフィット性を改善する方法は、被験者が足置き台上面に足を乗せ、足裏の圧力分布を感圧センサで、足の外輪郭を非接触レーザ式変位センサでそれぞれ測定し、足の外輪郭線を出力するのである。
特開平５−１８４４０９公報（第１３〜１４頁、図５〜図７）

従来の足型測定装置を用いた靴のフィット性を改善する方法においては、被験者が足置き台の上面に足を乗せると、足置き台の上面の圧力センサにより、足裏の微小部分ごとにその接地圧を検出し、その検出値の設定値を超える接地点が演算装置およびプロッタを介して記録紙上にプロットされるとともに、レーザー式変位センサにより、前記変位センサから足の表面までの水平距離を測定し、これを記憶し、この記憶データから足の立体形状を求め、更に足の任意位置の横断面形状、前記の外輪郭等を求め、足の外輪郭線を出力することができるが、歩行中における被験者の足底が地面に接地するタイミングを計測することができないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、歩行中における任意の被験者の足底の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測する足底圧センサを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、被験者の下肢を装着する下肢装着部と、前記下肢装着部の足底に足底圧計測手段と、前記足底圧計測手段の計測情報を基に前記被験者の足底圧を計測する計測部とを備えた足底圧センサにおいて、前記下肢装着部の足底の被計測部位に複数個の足底圧計測手段を備え、前記計測部は、前記被験者が前記下肢装着部を装着したときの圧がかっている足底圧計測手段の位置を基に前記被験者の足サイズを判断するとともに、前記被験者の足先から踵部の下にある足底圧計測手段を選択し、前記被験者の足底の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測するものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記足底圧計測手段として、前記下肢装着部の踵部に１個の感圧センサ、ＭＰ関節外側部と足尖部に複数個の感圧センサを備え、前記計測部は、前記被験者が前記下肢装着部を装着したときの圧がかかっている足尖部の感圧センサの位置を基に前記被験者の足サイズを判断するとともに、人体寸法の統計値を基にＭＰ関節外側部の位置を推定し、前記被験者の足底の踵部、ＭＰ関節外側部、および足尖部が地面に接地する圧力を計測するものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記足底圧計測手段として、前記下肢装着部の足底に複数個のスイッチを備え、前記計測部は、前記被験者が前記下肢装着部を装着したときのＯＮとなっているスイッチの位置を基に前記被験者の足サイズを判断するとともに、前記被験者の足先から踵部の下にあるスイッチを選択し、前記被験者の足底の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測するものである。
さらにまた、請求項４に記載の発明は、前記足底圧計測手段として、前記下肢装着部の踵部に１個のスイッチ、ＭＰ関節外側部と足尖部に複数個のスイッチを備え、前記計測部は、前記被験者が前記下肢装着部を装着したときのＯＮとなっている足尖部のスイッチの位置を基に前記被験者の足サイズを判断するとともに、人体寸法の統計値を基にＭＰ関節外側部の位置を推定し、前記被験者の足底の踵部、ＭＰ関節外側部、および足尖部が地面に接地するタイミングを計測するものである。

請求項１に記載の発明によると、被験者の足サイズの個人差に対応でき、歩行中における被験者の足底の任意の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測することができる。また、請求項２に記載の発明によると、被験者の足サイズの個人差に対応でき、歩行中における任意の被験者の足底の踵部、ＭＰ関節外側部、および足尖部が地面に接地する圧力を計測することができる。さらに、請求項３に記載の発明によると、被験者の足サイズの個人差に対応でき、歩行中における任意の被験者の足底の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測することができる。さらにまた、請求項４に記載の発明によると、被験者の足サイズの個人差に対応でき、歩行中における任意の被験者の足底の踵部、ＭＰ関節外側部、および足尖部が地面に接地するタイミングを計測することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る足底圧センサのシステム構成を示す図、（ｂ）はその足底圧計測手段の配置を示す図である。
両図において、１は被験者、２は被験者１の下肢を装着する下肢装着部、３は下肢装着部２の足底にかかる足底圧を計測する足底圧計測手段、４は被験者１の足サイズを推定し、被験者１の足底圧を計測する計測部、５は下肢装着部２の足底に配置された感圧センサである。
下肢装着部２は歩行リハビリ訓練に用いる短下肢装具で、その先端の足底を載置する部分に足底圧を計測する足底圧計測手段３が設けられ、足底圧計測手段３では圧力に応じたアナログ電圧が出力される。感圧センサ５は足底圧計測手段３の１例である。感圧センサ５で計測された出力電圧は、増幅されて、Ａ／Ｄ変換された後、一定時間毎にＰＣカードなどのメモリに格納される。
本発明に係る足底圧センサが特許文献１のそれと異なる部分は、下肢装着部の足底の被計測部位に複数個の足底圧計測手段を備え、歩行中における被験者の足底の任意の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測することである。

まず、被験者の足サイズの計測方法について説明する。
足底圧の計測前に、被験者１に下肢装着部２を装着させる。そして、計測部４が、被験者１が下肢装着部２を装着したときの圧のかかっている足底圧計測手段の位置を基に、被験者の足サイズを判断する。
次に、歩行中の足底圧の計測方法について説明する。図１（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態の歩行周期における足底圧の発生する位相を示す図である。歩行周期の位相における代表的な関節角度変化も示している。歩行周期の位相は、（１）踵接地、（２）足底接地、（３）立脚中期、（４）踵離地、（５）足尖離地、（６）遊脚初期、および（７）遊脚後期から構成され、各位相に応じて股関節、膝関節、足関節の屈曲・伸展運動が繰り返される。
（１）踵接地
・股関節は最大屈曲位となり以後伸展していく。
・膝関節はほぼ完全に伸展し以後屈曲していく。
・足関節は背屈位から底屈していく。
（２）足底接地
・股関節は伸展していく。
・膝関節は屈曲していく。
・足関節は底屈位（約１０°）となる。
（３）立脚中期
・股関節は伸展していく。
・膝関節は立脚期での最大屈曲位（約２０°）となる。
・足関節は背屈していく。
（４）踵離地
・股関節は最大伸展位（約１０°）となる。
・膝関節は伸展から屈曲していく。
・足関節は最大底屈位（約１０°）となり以後は底屈していく。
（５）足尖離地
・股関節は屈曲していく。
・膝関節は屈曲していく。
・足関節は最大底屈位（約２０°）となる。
（６）遊脚初期
・股関節は加速しながら屈曲していく。
・膝関節は最大約６０°まで屈曲していく。
・足関節は背屈していく。
（７）遊脚後期
・股関節は減速しながら屈曲していく。
・膝関節は伸展していく。
・足関節は背屈位を保つ。

したがって、計測部は、被験者の足サイズよりも内側にある足底圧計測手段を用いることで、歩行中における被験者の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測する。具体的には、被験者の足底が地面に接地している期間（踵接地、足底接地、立脚中期、踵離地、および足尖離地）において、被験者の踵部から足尖部までの被計測部位が地面に接地するタイミングを計測する。

図２は本発明の第２の実施の形態に係る足底圧センサの感圧センサを説明する図で、（ａ）はその配置を示す図、（ｂ）はそのＭＰ関節外側部の推定方法を示す図である。
図において、１は被験者、２は被験者１の下肢を装着する下肢装着部、３は下肢装着部２の足底にかかる足底圧を計測する足底圧計測手段、４は被験者１の足サイズを推定し、被験者１の足底圧を計測する計測部、５は下肢装着部２の足底に配置された感圧センサである。
まず、被験者の足サイズの計測方法について説明する。
足底圧の計測前に、被験者１に下肢装着部２を装着させる。そして、計測部４が、被験者１が下肢装着部２を装着したときの圧力のかかっている足尖部の感圧センサの位置を基に、被験者の足サイズは例えば次のようにして判断する。
足尖部の感圧センサが図のように下側（土踏まず側）から上側（つま先側）に向けて例えば４個が、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの順に配設されているとし、
（１）感圧センサＡのみが出力したときは、足サイズＬｆは２３ｃｍ、
（２）感圧センサＡ，Ｂが出力したときは、足サイズＬｆは２４ｃｍ、
（３）感圧センサＡ，Ｂ，Ｃが出力したときは、足サイズＬｆは２５ｃｍ、
（４）感圧センサＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄが出力したときは、足サイズＬｆは２６ｃｍ、
といったようにして足サイズＬｆを判断する。

次に、ＭＰ関節外側部の位置の推定方法について説明する。
図２（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態の足底圧センサのＭＰ関節外側部の推定方法を示す図である。人体寸法の統計値を基に、被験者の足サイズＬｆの推定値と、踵部後方−ＭＰ関節外側部ＬＭＰとの割合から、ＭＰ関節外側部の位置を例えば次のようにして推定する。
人体寸法の統計値より、足サイズＬｆと、踵部後方−ＭＰ関節外側部ＬＭＰとの比率ｒが判かるので、
ＭＰ関節外側部の位置＝被験者の足サイズの推定値Ｌｆ×比率ｒ
といったように、被験者の足サイズの推定値Ｌｆに比率ｒを乗算することで、ＭＰ関節外側部が推定できる。
そして、第１の実施の形態と同様にして、被験者の踵部、ＭＰ関節外側部、および足尖部が地面に接地する圧力を計測する。

図３は本発明の第３の実施の形態の足底圧センサのスイッチの配置を示す図である。１は被験者、２は被験者１の下肢を装着する下肢装着部、３は下肢装着部２の足底にかかる足底圧を計測する足底圧計測手段、４は被験者１の足サイズを推定し、被験者１の足底圧を計測する計測部、６は下肢装着部の足底に配置されたスイッチである。
まず、被験者の足サイズの計測方法について説明する。足底が地面に接地するタイミングを計測する前に、被験者１に下肢装着部２を装着させる。そして、計測部４が、被験者１が下肢装着部２を装着したときのＯＮとなっているスイッチの位置を基に、被験者の足サイズを判断する。
そして、第１の実施の形態と同様にして、計測部は、被験者の足サイズよりも内側にあるスイッチを用いることで、歩行中における被験者の踵部から足尖部までの被計測部位が地面に接地するタイミングを計測する。

図４は、本発明の第４の実施の形態の足底圧センサのスイッチの配置を示す図である。１は被験者、２は被験者１の下肢を装着する下肢装着部、３は下肢装着部２の足底にかかる足底圧を計測する足底圧計測手段、４は被験者１の足サイズを推定し、被験者１の足底圧を計測する計測部、６は下肢装着部の足底に配置されたスイッチである。
まず、被験者の足サイズの計測方法について説明する。
第２の実施の形態と同様にして、足底圧の計測前に、被験者１に下肢装着部２を装着させる。そして、計測部４が、被験者１が下肢装着部２を装着したときのＯＮとなっている足尖部のスイッチの位置を基に、被験者の足サイズを判断する。
次に、第２の実施の形態と同様にして、人体寸法の統計値を基に、被験者の足サイズＬｆの推定値と、踵部後方−ＭＰ関節外側部ＬＭＰとの割合から、ＭＰ関節外側部の位置を推定する。
そして、第３の実施の形態と同様にして、歩行中における被験者の踵部、ＭＰ関節外側部、および足尖部が地面に接地するタイミングを計測する。
このように、下肢装着部の足底の被計測部位に複数個の足底圧計測手段を備え、歩行中における任意の被験者の足底の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測することができる。
なお、下肢装着部に関しては、靴底に足底圧計測手段を配置してもよく、脳卒中患者等が装着する短下肢装具、長下肢装具の足底に配置し、踵部から接地しているかどうかを基に障害レベル（ＢｒｕｎｎｓｔｒｏｍＳｔａｇｅ等）を評価するという用途にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態に係る足底圧センサを説明する図で、（ａ）はそのシステム構成を示す図、（ｂ）はその足底圧計測手段の配置を示す図、（ｃ）は歩行周期における足底圧の発生する位相を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係る足底圧センサの感圧センサを説明する図で、（ａ）はその配置を示す図、（ｂ）はそのＭＰ関節外側部の推定方法を示す図である。本発明の第３の実施の形態に係る足底圧センサのスイッチの配置を示す図である。本発明の第４の実施の形態に係る足底圧センサのスイッチの配置を示す図である。従来技術の足型測定装置の全体斜視図である。

符号の説明

１被験者
２下肢装着部
３足底圧計測手段
４計測部
５感圧センサ
６スイッチ

Claims

被験者（１）の下肢を装着する下肢装着部（２）と、前記下肢装着部（２）の足底に足底圧計測手段（３）と、前記足底圧計測手段（３）の計測情報を基に前記被験者（１）の足底圧を計測する計測部（４）とを備えた足底圧センサにおいて、前記下肢装着部（２）の足底の被計測部位に複数個の足底圧計測手段（３）を備え、前記計測部（４）は、前記被験者（１）が前記下肢装着部（２）を装着したときの圧がかっている足底圧計測手段（３）の位置を基に前記被験者（１）の足サイズを判断するとともに、前記被験者（１）の足先から踵部の下にある足底圧計測手段（３）を選択し、前記被験者（１）の足底の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測することを特徴とする足底圧センサ。
前記足底圧計測手段（３）として、前記下肢装着部（２）の踵部に１個の感圧センサ（５）、ＭＰ関節外側部と足尖部に複数個の感圧センサ（５）を備え、前記計測部（４）は、前記被験者（１）が前記下肢装着部（２）を装着したときの圧がかかっている足尖部の感圧センサ（５）の位置を基に前記被験者（１）の足サイズを判断するとともに、人体寸法の統計値を基にＭＰ関節外側部の位置を推定し、前記被験者（１）の足底の踵部、ＭＰ関節外側部、および足尖部が地面に接地する圧力を計測することを特徴とする請求項１記載の足底圧センサ。
前記足底圧計測手段（３）として、前記下肢装着部（２）の足底に複数個のスイッチ６を備え、前記計測部（４）は、前記被験者（１）が前記下肢装着部（２）を装着したときのＯＮとなっているスイッチの位置を基に前記被験者（１）の足サイズを判断するとともに、前記被験者（１）の足先から踵部の下にあるスイッチを選択し、前記被験者（１）の足底の被計測部位が地面に接地するタイミングを計測することを特徴とする請求項１記載の足底圧センサ。
前記足底圧計測手段（３）として、前記下肢装着部（２）の足底の踵部に１個のスイッチ（６）、ＭＰ関節外側部と足尖部に複数個のスイッチ（６）を備え、前記計測部（４）は、前記被験者（１）が前記下肢装着部（２）を装着したときのＯＮとなっている足尖部のスイッチの位置を基に前記被験者（１）の足サイズを判断するとともに、人体寸法の統計値を基にＭＰ関節外側部の位置を推定し、前記被験者（１）の足底の踵部、ＭＰ関節外側部、および足尖部が地面に接地するタイミングを計測することを特徴とする請求項１記載の足底圧センサ。