JP5234934B2 - 人体装着型多関節構造体 - Google Patents

Description

本発明は、人の歩行及び/又は動作に基づいた変化を計測することにより、人の運動状態、特に人の転倒を検出する装置に関するものである。

高齢者が寝たきりになる大きな原因として、以前より転倒による大腿骨頚部骨折が指摘されている。高齢化によって、刺激に対する反応の鈍化やバランス感覚の低下が生じ転倒しやすくなり、転倒した場合には、骨粗鬆症等により骨がもろくなっているので骨折が生じやすい。そして、骨折した場合には治癒に時間がかかり、又、治癒したとしても長期入院により筋力が低下するので従前の筋力等体力を回復するのが困難になるからである。これを防止するため、危険な場所における歩き方等諸々の予防方法が紹介されている。

転倒の場所としては坂道や階段よりもむしろ平坦な道や家の中の床面における場合が多いといわれている。傾斜している場所や外出先では歩行に慎重になるが、平坦な場所や自宅では注意がおろそかになる。又、筋力の低下により足の持ち上げが不十分になるので、平坦な場所におけるわずかな段差や電気コード等にも躓きやすい。このように、転倒の危険のある場所は無数にあり、転倒しないように注意するだけでは十分とはいえない。

転倒による衝撃を緩和するために、障害物と人との距離と相対速度をセンサで検出し、所定の条件に該当する場合にはエアバッグを膨張させる発明がある（特許文献１）。しかし、センサの取り付け方向によっては転倒を検知できず、多方向への転倒に対して十分に検知できない。

又、足裏荷重分布を基準モデルと対比し、荷重分布が異常な場合に転倒と判断してエアバッグを作動させる発明がある（特許文献２）。しかし、足裏荷重の分布では、跳びはねや走行という通常の歩行以外の動作を異常と判断する可能性があり誤作動を招くおそれがある。

又、鉛直下向きの加速度を検出し、基準加速度を超えた場合にエアバッグを起動して転倒による衝撃を緩和する発明がある（特許文献３）。この発明は、完全に転倒する場合には足がわずかに地面から離れ、自由落下状態になることの知見に基づいて提案されている。しかし、自由落下状態は転倒がなり進行した状態であり、より早期の段階で転倒に至る状況を認識することが求められている。

特開２０００−３１７００２ 特開２００３−２３６００２ 特開２００４−２５２６１８

本発明は、これらの問題点を解決するために、人の運動状態、特に転倒の開始や衝突が不可避となった状態を早期に検出することを目的とする。又、転倒や衝突の状況に応じて、状況や位置情報を伝達することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、球を有する可動部と球を有しない可動部が交互に連結された関節群、及び制御出力ブロックを含む多関節構造体であって、前記多関節構造体における前記関節群は、前記可動部の角度変化を検出するセンサと、ＣＰＵでセンサ信号を演算処理して処理データを伝送する処理通信部と、を有する。制御出力ブロックは、伝送された前記処理データを基に前記関節群の形状の変化情報を算出すると共に、算出された前記変化情報を、予め設定している保存情報と対比して処理する制御部と、前記制御部で処理された情報を出力する出力部と、を有する。多関節構造体の前記関節群は、少なくとも人体の両脚、及び背中の脊椎に沿って腰部まで配置され、人体の背部に配置された前記制御出力ブロックに接続されて全体として一体に連結されている。前記保存情報は、人体の両足外側部により形成される範囲を基準として人の重心位置がその範囲内で移動しても転倒しないで立っていられる範囲を拡張した範囲に関する情報であり、前記制御部は、前記関節群全体の形状の変化または前記関節群全体の形状における特定の関節の位置を検出することによって、人の重心位置の移動状況を検出し、人の歩行又は動作のいずれかの行為に伴う前記検出された移動状況に基づく前記関節群の形状の前記変化情報と前記保存情報を対比して、人の重心位置の下垂線の地面との接点が、前記転倒しないで立っていられる範囲を超えて移動したことによって、人の転倒の開始と判断する。多関節構造体を形成する関節群中の関節の可動部の角度変化は可動部又は可動部の近傍に配置されたセンサによって検出され、処理、伝送される。伝送されたデータに基づく情報は制御部に保存された保存情報と対比されて、変化の状態が判断される。判断された変化情報は設定に応じて、常時又は一定の条件を満たした場合に出力される。又、多関節構造体は少なくとも人体の背部、腰部、両下肢部に配置装着される。両腕部にも配置装着されることが好ましい。多関節構造体の形状の変化情報を通じて装着者の転倒の開始が検出される。関節群の形状の変化を介して人の姿勢の変化の大きさが検出され、関節群の変化の速度を介して人の姿勢の変化の急激さが検出されるのである。例えば、多関節構造体の形状が直線状であり、かつ形状の変化が全くないか極めて小さい状態が長時間継続している場合には、操作者が寝ている状態であることが示唆され、転倒又は衝突によって倒れている可能性が示される。又、関節群の形状の変化が、保存されている保存情報と対比されることにより通常の歩行又は動作に伴う範囲にあるか否かが示される。

関節群の形状の変化をほとんど伴わずに転倒する場合等において、速度センサ又は加速度センサが多関節構造体による転倒開始の検出機能を補完することができる。

又、両足部に足裏圧力センサを更に備え、前記足裏圧力センサによる荷重の不均衡分布情報に基づく転倒の開始情報を組み合わせることによって、人の転倒の開始を判断することが好ましい。足裏圧力センサは両足裏に装着され、足裏の荷重のバランス状態を関節群の形状の変化と組みわせて転倒の開始を検出する。

又、距離検出センサを備えることが好ましい。距離センサにより周囲の障害物との距離を計測することができるが、連続して計測した結果、障害物との距離が一定距離以下となった場合、転倒に伴う障害物と人体との衝突が不可避であることを検出することができる。速度センサ又は加速度センサを備えた場合には、多関節構造体の形状の変化と移動速度情報、及び距離センサによる障害物との距離情報とを組み合わせることにより、転倒及び転倒に伴う障害物との衝突不可避を精度良く検出することができる。
距離検出センサとしては赤外線、超音波等の反射を受光、受信するセンサがあるが特に限定されるものではない。

又、少なくともＧＰＳ又は高度センサを更に備えることにより、転倒の開始の位置を検出することが好ましい。転倒場所周辺に介護者等がいない場合には、遠方の介護者等に転倒位置を通知することが可能である。又、高度センサを用いることにより転倒場所の高さが把握される。

又、転倒の開始の位置が、一定時間後に予め設定された基準距離範囲内に留まっている場合には、出力部より警報が発せられることが好ましい。転倒場所に長時間留まっている場合は自力で立ち上がれない場合が多く長時間放置されると重大な事態を招くおそれがある。警報を発動と位置情報の通知により早期発見が可能となる。

又、前記多関節構造体が人体の背部、腰部、両脚部及び両腕部に配置される場合において、両腕及び両脚部分については腕及び脚の側部に装着されることが好ましい。多関節構造体は配置装着される人体の部分の形状に沿っていなければならないが、両腕及び両脚は肘及び膝の関節部で鋭角に折り曲げられる場合が多く、腕又は脚の内側及び外側に配置装着されると関節群を構成する関節同士が接触しやすくなる。よって両腕及び両脚部分に装着される関節群は腕及び脚の側部に装着されることが好適である。

本発明により、多関節構造体の形状の変化情報を通じて装着者の転倒の開始を把握することができる。

又、本発明により、足裏の人体荷重の不均衡分布情報を組み合わせて、転倒の開始を検出することができる。両足間の荷重の不均衡、一方の足の中の荷重の不均等情報が転倒開始の検出につながる。足裏の人体荷重の不均衡分布情報のみの場合には、跳び上がった場合や走った場合にも荷重が不均衡となって転倒と誤認する可能性があるが、関節群の形状の変化情報と組み合わせることにより精度の高い転倒開始の検出をすることができる。

又、本発明により、転倒の場所が特定される。特に、夜間に倒れた場合、山中で倒れた場合、高層ビルの中で倒れた場合等に特に効果が大きい。がれきの中等災害現場にあっても有効に場所を特定できる。倒れて動けない状態になったとき等、警報を鳴らすことにより早期発見を促すことが可能となる。

又、関節群を腕及び脚の側部に装着することにより、装着に伴う人体の負担が軽減され、又、誤作動の招来を防止することができる。

以下、本発明の最良の実施形態に係る人体装着型多関節構造体について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明に係る人体装着型多関節構造体を人体に装着した場合の正面図である。又、図２は本発明に係る人体装着型多関節構造体を人体に装着した場合の背面図である。本発明に係る人体装着型多関節構造体１は関節群２と制御出力ブロック６と中間フィット４とエンドフィット５により構成される。関節群は両腕及び両脚の側面に、及び背中の脊椎に沿って腰部まで配置され、全体として一体に連結されている。関節群の配置は本実施形態の配置に限定されるものではないが、装着者の全体の姿勢が把握できるような配置である必要がある。又、関節群は両肘及び両膝部分で中間フィット４により、手首及び足首部分でエンドフィット５により固定されている。したがって、関節群が装着者の体からフィットして装着者の姿勢が正しく反映される。なお、装着者の腹部にはエアバッグ１６が装着されているが、図１及び図２では図示されていない。

又、装着者の腰部にはベルトで固定された速度及び加速度センサ３が装着されている。速度及び加速度センサ３は関節群の形状変化及び変化速度の検出による装着者の動作等の検出機能を補完している。速度及び加速度センサは公知技術に係るものであり、詳細は省略する。又、配置される位置は腰の前面又は背面に限定されない。例えば、首部や頭部に装着し、距離センサ（図示していない）と組み合わせて、転倒に伴う周囲の障害物との衝突の不可避を検出して、サブエアバッグ（図示していない）によって、頭部を保護することも可能である。

関節群２と制御出力プロック６の構成を図３に基づいて説明する。関節群２は可動部を有さない関節７と可動部９を有する関節８により構成され、可動部の近傍には可動部の角度変化を検出するポテンショメータ１０が配置されている。角度変化を検出するのにはポテンショメータに限定されず、その位置も可動部に接触していなくても可動部の近傍であれば検出可能である。又、可動部を有さない関節の一部にはＣＡＮ機能を有したＣＰＵが配されている。制御出力ブロック６は制御部１２と出力部１３により構成されている。出力部１３には無線で発信装置及びアラームが備えられている。（図示していない）

図４、図５、図６、図７に基づいて、多関節構造体の装着者が歩行中につまづいて転倒する場合の転倒開始検出及びエアバッグの作動を説明する。図４は高齢者である多関節構造体装着者の通常の歩行中の斜面図である。エアバッグが腹部に装着されているが図示していない。歩行に伴う装着者の足の運び、腕の振り、或いは背中の上下動や左右への揺れに伴い、配置された関節群は装着者のそれらの動作に対応して変形を繰り返す。関節単位で見ると、可動部を有する関節の隣接する関節との角度が装着者の動作により変化する。この変化はポテンショメータ１０で検知され、その信号はＣＰＵ１１に送られ、処理される。ＣＰＵはＣＡＮ通信機能を有しており、本多関節構造体全体で１つのＣＡＮネットワークが構築されているので、すべてのＣＰＵから制御出力部に無線送信されて演算される。

演算処理された関節群のデータは、予め制御部内メモリーに保存していた関節群の変化量及び変化速度基準と照らされる。変化量と変化速度の基準は組み合わされた状態の基準値として設定されている。基準値は一律ではなく、装着者の体型、年齢、性別などに応じた基準値となっている。変化量が大きい場合は変化速度が比較的小さくても基準値を上回り、変化量が比較的小さい場合は変化速度が大きい場合に基準値を上回る。前者の場合は、よろめき崩れるような転倒を検知でき、後者の場合はつまづきや滑りのような転倒を検知できる。制御部で保存データと照らされ、転倒開始と判断された場合には、その情報が出力部より警報として発せられる。同時に無線で設定されたアドレスにその情報が送信される。図４では関節群の変化量はそれほど大きくなく、特に軸となっている背部の変化量は小さい。又、変化の速度も小さい。したがって、形状の変化は基準値を下回り、転倒開始の情報は外部送信されず、警報も発動されない。

図５は装着者が石につまずいた状態の斜面図である。この場合、装着者は反射的に両腕を前に突き出し、反対側の足は少し後ろに放り出すように動かしている。両腕の動きは大きくそれ以外の部分の動きは比較的小さい。全体的な関節群の形状の変化量を検出する場合には、両腕以外の部分の変化量に重点を置くことが好ましい。両手は通常の動きでも、大きく速く動かす場合があるのに対し、その他の部分、特に背部はそのような場合はほとんどないからである。図５の場合、両腕以外の変化量は大きくないので、全体的な関節群の形状の変化量は大きいとはいえない。一方、関節群の形状の変化の速度は大きく、特に、脚の動き、腕の振りが速い。したがって、図５の場合、形状の変化はそれほど大きくないものの変化速度が非常に速く、組み合わせると形状の変化は基準値を上回り、転倒の開始と判断されて情報の外部送信や警報や発動がなされる。送信はエアバッグ作動装置及び設定されたアドレス先の双方になされる。

形状の変化速度基準について、補完的に或いは置き換えて別の基準を設けることも可能である。例えば、関節群の１の関節を人の手で可能な限り早く動かした状態で計測した際の角度をフーリエ変換後に絶対値を取った周波数スペクトルでは、通常１０Ｈｚ以上のケースは見られない。このことから、１０Ｈｚ等一定以上の周波数スペクトルの検出をもって、異常な状態、すなわち、転倒開始と判断されることが示唆される。

図６は高齢者である装着者がつまづいて、そのまま転倒した場合の斜面図である。両腕で衝撃を吸収できない高齢者は全身を強打してしまう。図７は転倒開始情報によりエアバッグ１６が作動した場合の斜面図である。装着者の転倒衝撃は緩衝され、装着者は骨折を免れることができる。なお、エアバッグの内容については既知であるので省略する。又、転倒の衝撃を緩和する装置としてばエアバッグに限定されるものではない。

図８、図９、図１０、図１１は別の転倒例である。エアバッグは装着者の背部に配されているが図示していない。装着者は図８では通常の歩行をしているが、図９で路面に滑っている。図９記載の関節群の形状は、つまづきによる転倒と同様に、両腕を除いた形状の変化はそれほど大きなものではない。しかし、変化の速度はつまづきの場合と同様に大きい。図１０はエアバッグなしの場合、図１１はエアバッグ有りの場合の転倒後の装着者の状態を示している。エアバッグは、前後双方への転倒に対応するため２つ装着することもできる。又、さらに別個に頭部周囲に配するのも有効である。頭部を保護するエアバッグの作動に関しては、速度センサ又は加速度センサと距離センサを頭部周囲に装着し、その近傍に配されたエアバッグに周囲の障害物との衝突不可避情報を送信して作動させることが考えられる。

図１２、図１３はさらに別の転倒例である。関節群２は両足の外側かかと部分から小指方向に延長されている。１７は装着者の重心位置を、１９は重心位置の下垂線の地面との接点を示す。１８は装着者が自らを転倒させずに立っていられる範囲を示す。この範囲は、両足外側部により形成される範囲を基準とし外側に一定範囲を拡張した範囲である。拡張の程度は装着者の年齢や性別などの属性、或いは筋力や体反応速度によって異なるので、装着者に適合して設定することが必要である。又、重心位置は、歩行の状態では通常は腹部にあるので、重心位置を特定の関節との位置関係に基づいて求めることができる。したがって、関節群全体の形状の変化や関節群全体の形状における該特定の関節の位置を検出することによって、重心位置の移動状況を検出することができる。

図１３では、膝の角度、腰の角度の変化が検出され、さらに、足首（かかと部分）の角度が検出される。よって、装着者の全体姿勢及び姿勢の傾斜を検出することができる。全体姿勢及び傾斜から、かかと部分にある関節と重心位置部分にある関節の位置関係が把握され、その結果、重心位置が両足外側部により形成される範囲を基準に拡張した範囲、すなわち、転倒しないで立っていられる範囲を越えたか否かが判断される。歩行中のつまづき等により、重心位置の下垂線接点が設定された支え得る範囲を超えたとき、転倒の開始と判断されるのである。転倒の開始と判断された場合の情報の外部送信や警報や発動及び転倒開始情報によるエアバッグの作動は上述の転倒例と同様である。

図１４は靴底に装着した足裏圧力センサ２０の概念図である。センサ２１は親指部、小指部、かかと部に配置されている。装着者は歩行中で右足を前に踏み出している。図５のように何かにつまづいて体が前に投げ出される状況において、つまづいた右足足裏の荷重分布は親指部と小指部に集中する。かかと部は浮いた状態でほとんど荷重がかからない。一方、左足は完全に浮いているので、全体に荷重が全くかかっていない状態である。このように荷重の分布を関節群の形状の変化及び/又は変化速度と組み合わせることにより、転倒の開始と判断することができる。なお、圧力センサは公知技術に係るものであり、詳細は省略する。

装着者が走り出したり、片足で跳びはねたときは、左右の腕は前後に配されて速く振られる。したがって、足裏の荷重の分布が不均衡の状態でも、両腕に配置された関節群の形状の変化によって転倒の開始ではないと認められる。又、立ち幅跳びのような動作をした場合は、左右の各々の足においては足裏荷重の分布が不均衡となるが、両足間における荷重分布を対比すると全く同一である。又、両膝を同様に屈曲してから伸張する動作を行う。この場合も転倒の開始ではないと認められる。その他、人間の動作による関節群の形状の変化を分析し、分析された関節群の形状の変化と足裏圧力センサの分布状態を組み合わせることにより精度の高い転倒開始の検出を行うことができ、エアバッグ等の誤作動を防止することができる。

図１５と図１６は関節群の両腕と両脚への装着配置図である。関節群は肘及び膝の内側及び外側部分を回避して、側部に配置装着されている。肘、膝の折り曲げによる関節間の接触や装着者の苦痛を避け、折り曲げによる関節群長の過度の変動を避けている。

本発明は、転倒を有効に検出することにより、転倒に伴う衝撃を緩和して骨折等を防止すると共に転倒に早期に対処することを可能とするもので、産業上の利用の可能性は高いものである。

多関節構造体装着正面概念図 多関節構造体装着背面概念図 関節群及び制御部概念図 通常歩行時概念図１ 転倒開始時概念図１ 転倒概念図１ エアバッグ作動概念図１ 通常歩行時概念図２ 転倒開始時概念図２ 転倒概念図２ エアバッグ作動概念図２ 通常歩行時概念図３ 転倒開始時概念図３ 足裏圧力センサ装着概念図 腕部関節群装着概念図 脚部関節群装着概念図

符号の説明

１ 多関節構造体
２ 関節群
３ 速度及び加速度センサ
４ 中間フィット
５ エンドフィット
６ 制御出力ブロック
７ 可動部なし関節
８ 可動部付関節
９ 可動部
１０ ポテンショメータ
１１ ＣＰＵ
１２ 制御部
１３ 出力部
１４ 腕
１５ 脚
１６ エアバッグ
１７ 重心位置
１８ 基準範囲
１９ 重心下垂点
２０ 足裏センサ
２１ センサ部

Claims (5)

1. 球を有する可動部と球を有しない可動部が交互に連結された関節群、及び制御出力ブロックを含む多関節構造体であって、
   前記多関節構造体における前記関節群は、
   前記可動部の角度変化を検出するセンサと、
   ＣＰＵでセンサ信号を演算処理して処理データを伝送する処理通信部と、
   を有し、
   前記多関節構造体における前記制御出力ブロックは、
   伝送された前記処理データを基に前記関節群の形状の変化情報を算出すると共に、算出された前記変化情報を、予め設定している保存情報と対比して処理する制御部と、
   前記制御部で処理された情報を出力する出力部と、
   を有し、
   前記多関節構造体の前記関節群は、少なくとも人体の両脚、及び背中の脊椎に沿って腰部まで配置され、人体の背部に配置された前記制御出力ブロックに接続されて全体として一体に連結されており、
   前記保存情報は、人体の両足外側部により形成される範囲を基準として人の重心位置がその範囲内で移動しても転倒しないで立っていられる範囲に関する情報であり、
   前記制御部は、前記関節群全体の形状の変化または前記関節群全体の形状における特定の関節の位置を検出することによって、人の重心位置の移動状況を検出し、人の歩行又は動作のいずれかの行為に伴う前記検出された移動状況に基づく前記関節群の形状の前記変化情報と前記保存情報を対比して、人の重心位置の下垂線の地面との接点が、前記転倒しないで立っていられる範囲を超えて移動したことによって、人の転倒の開始と判断する、
   ことを特徴とする人体装着型多関節構造体。
2. 前記多関節構造体が人体の両腕、両脚、及び背中の脊椎に沿って腰部まで配置される場合において、両腕及び両脚部分については腕及び脚の側部に装着されることを特徴とする請求項１に記載の人体装着型多関節構造体。
3. 両足部に足裏圧力センサを更に備え、前記足裏圧力センサによる荷重の不均衡分布情報に基づく転倒の開始情報を組み合わせることによって、前記人の転倒の開始と判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の人体装着型多関節構造体。
4. 少なくともＧＰＳ又は高度センサを更に備え、前記人の転倒の開始の位置を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の人体装着型多関節構造体。
5. 前記人の転倒の開始の位置が、一定時間後に予め設定された基準距離範囲内に留まっている場合には、前記出力部より警報が発せられることを特徴とする請求項４に記載の人体装着型多関節構造体。