JP2011103553A

JP2011103553A - 信号送受信装置

Info

Publication number: JP2011103553A
Application number: JP2009257416A
Authority: JP
Inventors: Masaru Hoshino; 優星野
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-26

Abstract

【課題】より安定した動作を可能とする信号送受信装置を提供する。
【解決手段】本発明は、人体をグランドとして人体近傍の空気中を含む伝播媒体を通じて信号を送受信する信号送受信装置であって、前記人体に接触可能なグランド電極と、該グランド電極が前記人体に接触された場合に信号を送信する信号送信手段と、を有する送信部と、前記信号送信手段から前記人体近傍の前記伝播媒体を通じて送信されてきた前記信号を受信する受信部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体に取り付けられる信号送受信装置及び方法の技術分野に関する。

従来から、人体に微弱な電流を流すことで通信を行う人体通信が知られている。例えば特許文献１には、人体（腕）に取り付けられた送信器と受信器により人体通信を行う技術が開示されている。特許文献１の図１に示すように、送信器１４には、信号発生器１６、及び１対の電極１８，２０が含まれている。信号発生器１６は、これらの電極１８，２０間において電圧を変動させる被変調信号を発生する。電極（送信電極）１８は、人体１０に密接に容量結合され、電極の電位から生じる電界によって、変位電流が人体１０に送られるようになっている。一方、受信器２２には、１対の電極２４，２６、及び検出器２８が含まれている。電極（受信電極）２４は、人体１０に密接に容量結合されており、人体１０から送られてくる変位電流が、該電極２４に送られるようになっている。該電流は、さらに、検出器２８を通って、アース（グランド）１１に容量結合されたもう一方の電極２６に流れ、アース１１を通じて送信器１４に戻され、電流の経路が完成するようになっている。

特許４０７４６６１号

上述した人体通信は、様々な分野で適用可能であるが、例えば、膝疾患患者のリハビリ分野で用いられる歩行補助装置（例えば、本出願人が過去に出願した膝関節運動補助装置（特願２００８−２３１７７７））に適用すると効果的である。その理由は以下の通りである。歩行補助装置の操作を装着者自身で行う場合、歩行補助装置の動作の開始及び停止は、人体に装着された操作部で行う必要がある。しかし、リハビリ歩行状態においては、装着者の操作する手は、平行棒や杖を掴んでいる場合が多く、緊急時には操作部を操作して対応することが困難であるという問題がある。他方、歩行補助装置と操作部とを有線（例えば通信ケーブル）又は無線（例えば、近距離無線通信）により接続して、歩行補助装置を外部から操作することも可能である。しかし、この場合、装着者以外の監視者が、常時、装着者の歩行状態を監視する必要があるが、当該監視者は装着者の転倒の兆候を確認すると、歩行補助装置の動作の停止よりも、装着者の体の支えが優先され、当該動作の停止が遅れるという問題がある。また、歩行補助装置と操作部とを通信ケーブルにより接続する場合、当該ケーブルが歩行の妨げになるという問題があり、歩行補助装置と操作部を無線により接続する場合、医療現場であるリハビリ室での使用には制限があるという問題がある。

人体通信を歩行補助装置に適用すれば、上記問題を解消することが可能であると考えられる。

しかしながら、従来の人体通信を歩行補助装置に適用した場合、電流が流れる人体側に歩行補助装置が装着されるため、歩行補助装置に対する干渉等により歩行補助装置が安定して動作しない場合があった。

そこで、本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、より安定した動作を可能とする信号送受信装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、人体をグランドとして人体近傍の空気中を含む伝播媒体を通じて信号を送受信する信号送受信装置であって、前記人体に接触可能なグランド電極と、該グランド電極が前記人体に接触された場合に信号を送信する信号送信手段と、を有する送信部と、前記信号送信手段から前記人体近傍の前記伝播媒体を通じて送信されてきた前記信号を受信する受信部と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の信号送受信装置において、前記送信部の信号送信手段は、前記信号を変調して送信する変調器を有し、前記受信部は、前記変調器から前記人体近傍の前記伝播媒体を通じて送信されてきた前記信号を受信する受信アンテナと、該受信アンテナにより受信された信号を復調する復調器とを有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の信号送受信装置において、前記受信アンテナの受電点は、前記人体から所定距離以上離れていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか一項に記載の信号送受信装置において、前記送信部は、前記信号を電波として空気中に送出するための送信アンテナを兼ねる電池であって、平面領域の面積が所定面積以上である電池を有することを特徴とする。

本発明によれば、人体をグランドとして人体近傍の空気中を通じて信号の送受信が行われるように構成したので、信号送受信装置Ｓに対する干渉等が軽減され、より安定した動作を実現することができる。

本実施形態に係る信号送受信装置の概要構成例を示す図である。本実施形態に係る信号送受信のメカニズムを示す概念図である。人体に装着される歩行補助装置の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

先ず、図１を参照して、人体をグランドとして人体近傍の空気中を含む伝播媒体を通じて信号を送受信する信号送受信装置の構成及び機能等について説明する。

図１は、本実施形態に係る信号送受信装置の概要構成例を示す図である。

図１に示すように、本実施形態に係る信号送受信装置Ｓは、送信部１及び受信部２を備えて構成されている。送信部１は例えば人により手で持たれる。一方、受信部２は例えば当該人の体の所定位置に装着される。

送信部１は、グランド電極１１、情報処理部１２、変調器１３（信号送信手段の一例）、及び電池（バッテリー）１４を有する。

グランド電極１１の電位はグランド電位（０Ｖ）であり、人体に接触可能となっている。例えば、人が送信部１を手で握ることで、グランド電極１１が人体に接触される。なお、グランド電極１１の人体への接触は、人が送信部１を手で持つことに限定されるものではなく、例えば、人が椅子等に座ることによりグランド電極１１の人体へ接触するものであっても良い。

情報処理部１２は、ＣＰＵ及び不揮発性メモリ（データ及びプログラムを記憶）等からなり、受信部２に送信すべきデジタル信号を変調器１３に出力する。

変調器１３は、情報処理部１２からのデジタル信号を所定の変調方式（ＡＳＫ（Amplitude shift keying）を用いた変調方式）で変調するものであり、グランド電極１１が人体に接触された場合に、上記変調した変調信号を電池１４の金属表面を介して受信部２に送信するようになっている。

電池１４は、情報処理部１２及び変調器１３に対して電力を供給するものであり、さらに、変調器１３により変調された変調信号を電波として空気中に送出するための送信アンテナを兼ねる。なお、送信アンテナとして機能するためには、電池１４は、平面領域（金属表面）の面積が所定面積（例えば、２０ｍｍ×４０ｍｍの面積）以上である角電池であることが望ましい。このように、電池１４の平面領域の面積をある程度広くとることで、送信アンテナとしての能力を確保することができる。

受信部２は、グランド電極２１、受信アンテナ２２、復調器２３、情報処理部２４、及び電池２５を有する。

グランド電極２１の電位はグランド電位（０Ｖ）であり、人体側にグランド電極面が向けられるにようになっている。例えば、受信部２が人体の所定位置（例えば、腕や腰等に）装着されることで、グランド電極２１が衣服を介して人体に接触される。

受信アンテナ２２は、所定長（例えば、数十ｃｍ）のアンテナ線（リード線）からなり、送信部１（変調器１３）から人体近傍（例えば、人体から５ｃｍ〜１０ｃｍ程度の範囲）の伝播媒体（主に空気中）を通じて送信されてきた変調信号（電波）を受信する。なお、受信アンテナ２２が信号を精度良く受信するためには、受信アンテナ２２の受電点（受信アンテナ２２の先端）が人体から所定距離（例えば、５ｃｍ〜１０ｃｍ程度）以上離れていることが望ましい。

復調器２３は、受信アンテナ２２により受信された変調信号を復調し、情報処理部２４に出力する。

情報処理部２４は、ＣＰＵ及び不揮発性メモリ（データ及びプログラムを記憶）等からなり、復調器２３により復調された信号を入力し当該信号に応じた情報処理を実行する。

電池２５は、復調器２３及び情報処理部２４に対して電力を供給するものである。

図２は、本実施形態に係る信号送受信のメカニズムを示す概念図である。図２（Ａ）は、送信部１のグランド電極１１が人体に接触されている場合の例であり、図２（Ｂ）は、送信部１のグランド電極１１が人体から離れている場合の例である。

図２（Ａ）の場合、送信部１のグランド電極１１が人体に接触することで人体をグランド側に見立てた信号の経路が完成するようになっており、これにより、人体近傍周囲の電界変化を利用して信号の送受信（以下、「ボディエリア通信」と称する）が行われる（つまり、ボディエリア通信がＯＮになる）。このようなボディエリア通信は、従来の人体通信とはそのメカニズムが異なる。つまり、人体通信では、グランド側を人体から離れる側とし、送信器の送信電極と受信器の受信電極を人体側として微弱な電流が人体を流れる点で、本実施形態におけるボディエリア通信とは異なる。

また、図２（Ｂ）の場合、送信部１のグランド電極１１が人体から離れることで信号の経路が切断され、ボディエリア通信がＯＦＦになる。

以上のように構成された信号送受信装置Ｓによれば、人体をグランドとして人体近傍の空気中を通じて信号の送受信が行われるように構成したので、信号送受信装置Ｓに対する干渉等が軽減され、より安定した動作を実現することができる。

（実施例）
次に、図３を参照して、本発明に係る信号送受信装置を歩行補助装置に適用した場合の実施例について説明する。

図３は、人体に装着される歩行補助装置の一例を示す図である。

図３に示すように、歩行補助装置Ｈは、操作部ＯＰ、駆動機構Ｋ、制御部ＣＯ、及び各種センサー（図示せず）等を備えて構成されている。

操作部ＯＰには、操作スイッチ（例えばトグルスイッチ）ＳＷ、及び上述した送信部１等が備えられている。なお、操作部ＯＰに情報を表示する表示部を備えても良い。操作部ＯＰの各構成部分は例えば同一ハウジング内に実装される。

操作部ＯＰは、例えば電子機器等のリモコンのように人が手で握って持ち運べるものである。操作部ＯＰが人により手で握られることで送信部１のグランド電極１１が人体に接触されるようになっている。グランド電極１１は、絶縁被膜したシート状のものとすると良い。なお、操作部ＯＰは、例えば杖、棒、又は傘等のグリップ部分に仕込まれるものであっても良い。また、グランド電極１１は、杖や平行棒における、人の手の触れ易い位置に巻き付けられるようにしても良い。

操作スイッチＳＷは、送信部１の情報処理部１２にケーブルで電気的に接続されており、人に押される度にオンとオフがトグルするようになっている。

そして、送信部１の情報処理部１２は、操作スイッチＳＷのオン状態を検出している間、駆動開始信号（例えば、データ長が８ビットのデジタル信号）を変調器１３に出力（連続して出力）する。変調器１３は、上述したように、グランド電極１１が人体に接触されている場合、情報処理部１２からの駆動開始信号を変調し、その変調信号を電池１４の金属表面を介して受信部２に送信する。なお、操作部ＯＰが人により手から離れる（つまり、送信部１のグランド電極１１が人体から離れる）と、上述したように、変調信号は変調器１３から送信されなくなる。

駆動機構Ｋは、人の両足の膝関節を屈曲及び伸展させるものである。駆動機構Ｋは、患者の上腿部に配置される上添え部１０１と、患者の膝部に配置される膝部連結部１０２と、患者の下腿部に配置される下添え部１０３と、を備える。上添え部１０１の腰側端部は、腰部連結部（図示せず）に回動可能に連結されている。また、上添え部１０１の膝側端部と下添え部１０３の膝側端部は、膝部連結部１０２により回動可能に連結されている。

膝部連結部１０２は、駆動モータ及び歯車群等を備えており、膝部連結部１０２における回転動作は、制御部ＣＯにより制御される。

制御部ＣＯには、上述した受信部２が備えられており、駆動機構Ｋ及び各種センサーとケーブルで電気的に接続されている。なお、制御部ＣＯに情報を表示する表示部を備えても良い。制御部ＣＯの各構成部分は例えば同一ハウジング内に実装される。

制御部ＣＯは、人体の腰部や上肢部に装着固定（例えば、ベルト等による）される。また、制御部ＣＯが備える受信部２のグランド電極２１は、例えば基板パターンでグランド電極面が人体に向けられるにように配置される。なお、グランド電極２１が人体から離れる傾向がある場合は、例えばベルトの裏面に導電性のシートや繊維を付加しておくと感度が上がる。また、制御部ＣＯを人の腹側に配置し、操作部ＯＰとの距離を短くすることで、感度を上げることができる。

そして、制御部ＣＯにおいて、受信部２の情報処理部２４は、受信アンテナ２２により受信され、復調器２３により復調された駆動開始信号を入力している間、駆動機構Ｋに対して駆動制御信号を出力することにより駆動機構Ｋを駆動制御する。例えば、制御部ＣＯにおける情報処理部２４が備える不揮発性メモリ（例えばフラッシュメモリ）には、当該歩行補助装置Ｈが装着される人の歩行パターンデータが記憶されている。そして、情報処理部２４は、当該歩行パターンデータを不揮発性メモリから取得し当該歩行パターンデータを用いて駆動機構Ｋを駆動制御する。より具体的には、情報処理部２４は、復調器２３から駆動開始信号を受け付けると、上記歩行パターンデータに基づいて駆動モータの回転方向、回転速度など当該駆動モータを駆動制御するための駆動信号を生成（例えば、歩行パターンデータに示される歩行パターンにおける各時点の屈曲角度を微分して膝関節の角速度を算出し、当該角速度で駆動モータを回転させる駆動信号を生成）して、当該駆動信号を膝部連結部１０２における駆動モータに出力する。これにより駆動機構Ｋが駆動し、上記人は駆動機構Ｋにより補助されながら歩行することができる。ここで、歩行パターンデータとは、膝関節の屈曲角度の時系列的な変化に基づくデータである。また、通常、歩行パターンデータは一歩分であるため、一歩分の駆動信号が駆動モータに対して繰り返し出力されることになる。

各種センサーには、人の膝関節の屈曲角度を検出する膝関節角度センサー、人の股関節の屈曲角度を検出する股関節角度センサー、人の体の傾きを検出する人体傾きセンサー、人の腿部の圧力を検出する腿部圧力センサー、人の脛部の圧力を検出する脛部圧力センサー、及び人の足底の圧力を検出する足底圧力センサーが含まれる。これらのセンサーにより検出されたデータは、制御部ＣＯに出力され不揮発性メモリに書き込まれる。こうして書き込まれたデータに基づき、当該人のリハビリ効果が確認され、歩行パターンデータが修正され、制御部ＣＯにより使用されることになる。

以上説明したように、上記実施例によれば、人体をグランドとして人体近傍の空気中を通じて信号の送受信が行われるように構成したので、歩行補助装置Ｈに対する干渉等が軽減され、より安定、且つ安全な動作を実現することができる。また、歩行補助装置Ｈの装着者自身がリハビリ歩行状態でも操作できる。また、歩行補助装置Ｈの装着者は、例えば転倒兆候が現れた場合、操作部ＯＰを離すだけで歩行補助装置Ｈの停止や停止動作に移行できる。また、操作部ＯＰと制御部ＣＯ間がケーブルで接続する必要がないので、歩行の妨げにならない。

なお、上記実施例では、ボディエリア通信により操作部ＯＰから制御部ＣＯに人体近傍の空気中を通じて駆動開始信号を送信するように構成したが、その他の制御信号をボディエリア通信により操作部ＯＰから制御部ＣＯに送信するように構成することもできる。

また、上記実施例では、送信部１を操作部ＯＰに組み込み、且つ受信部２を制御部ＣＯに組み込んで、操作部ＯＰと制御部ＣＯ間で信号送受信を行う例について説明したが、その他の例として、例えば、送信部１に上述したセンサーを組み込み（或いは、センサー近傍に送信部１を配置し）、且つ受信部２を制御部ＣＯに組み込んで、センサーにより検出された検出信号がボディエリア通信により送信部１から制御部ＣＯに送信されるように構成しても良い。

更に、上記実施例においては、本発明に係る信号送受信装置を歩行補助装置に適用した場合の例について説明したが、本発明に係る信号送受信装置は、人に取り付けられるその他の種々の装置（例えば、人が乗って操作する一輪者等の乗り物）に対して適用可能である。

１送信部
２受信部
１１グランド電極
１２情報処理部
１３変調器
１４電池
２１グランド電極
２２受信アンテナ
２３復調器
２４情報処理部
２５電池
Ｓ信号送受信装置
ＯＰ操作部
Ｋ駆動機構
ＣＯ制御部
Ｈ歩行補助装置

Claims

人体をグランドとして人体近傍の空気中を含む伝播媒体を通じて信号を送受信する信号送受信装置であって、
前記人体に接触可能なグランド電極と、該グランド電極が前記人体に接触された場合に信号を送信する信号送信手段と、を有する送信部と、
前記信号送信手段から前記人体近傍の前記伝播媒体を通じて送信されてきた前記信号を受信する受信部と、
を備えることを特徴とする信号送受信装置。
請求項１に記載の信号送受信装置において、
前記送信部の信号送信手段は、前記信号を変調して送信する変調器を有し、
前記受信部は、前記変調器から前記人体近傍の前記伝播媒体を通じて送信されてきた前記信号を受信する受信アンテナと、該受信アンテナにより受信された信号を復調する復調器とを有することを特徴とする信号送受信装置。
請求項２に記載の信号送受信装置において、
前記受信アンテナの受電点は、前記人体から所定距離以上離れていることを特徴とする信号送受信装置。
請求項１乃至４の何れか一項に記載の信号送受信装置において、
前記送信部は、前記信号を電波として空気中に送出するための送信アンテナを兼ねる電池であって、平面領域の面積が所定面積以上である電池を有することを特徴とする信号送受信装置。