JP6161001B2 - Measuring device, wearable motion assist device and wound risk evaluation method thereof - Google Patents

Description

本発明は、人体や義肢に装着して滑り量、滑り速度、力、モーメントを計測する計測装置に関する。また、その計測装置を人体に装着し、人体の動作を補助する装着式動作補助装置に関する。特に、人体や義肢と接触部との間の滑りを検出して創傷リスクを容易に評価可能な装置に関する。また、創傷リスク評価方法に関する。   The present invention relates to a measuring device that is attached to a human body or a prosthetic limb and measures a slip amount, a sliding speed, a force, and a moment. The present invention also relates to a wearable movement assist device that wears the measuring device on a human body and assists the movement of the human body. In particular, the present invention relates to an apparatus capable of easily evaluating a wound risk by detecting a slip between a human body or a prosthetic limb and a contact portion. The present invention also relates to a wound risk evaluation method.

事故、怪我、故障、老化などによって人が所望の動作を行えなくなった場合に、あるいは動作に伴う負荷を軽減したい場合などに、人体に装着して行動を補助する装置が注目されている（たとえば特許文献１）。この装着式動作補助装置によって動作を補助することで、リハビリや作業効率向上に役立てようというのである。   A device that is attached to the human body and assists in actions when a person becomes unable to perform a desired action due to an accident, injury, failure, aging, etc., or when it is desired to reduce the load associated with the action, has attracted attention (for example, Patent Document 1). By assisting the operation with this wearable motion assisting device, it is intended to help rehabilitation and improve work efficiency.

そのような装着式動作補助装置では、カフ等の接触部と人体を接触させ、その接触部を介して力を伝達することにより動作を補助する。ここで、人体の関節の動きと装置の回転機構の相違などの要因により、接触部と人体との間に滑りが生じる。そのため、接触部が接触する部分の皮膚に負担がかかり、創傷を負う可能性がある。装着式動作補助装置は人体に直接密着させて使用するものであるため、安全性には特に配慮が必要であり、創傷リスクを十分に評価する必要がある。   In such a wearable movement assist device, a contact portion such as a cuff and a human body are brought into contact with each other, and the operation is assisted by transmitting a force through the contact portion. Here, slipping occurs between the contact portion and the human body due to factors such as the movement of the joints of the human body and the difference in the rotation mechanism of the apparatus. Therefore, a burden is applied to the skin of the part which a contact part contacts, and a wound may be borne. Since the wearable motion assist device is used in direct contact with the human body, special consideration is necessary for safety, and it is necessary to sufficiently evaluate the wound risk.

創傷リスクを評価するためには、装置の接触部と人体との間の滑り（接触部に対する人体の相対的位置や速度。滑り量、滑り速度）を計測して評価することが考えられる。たとえば非特許文献１では、マニピュレータに以下の構成の滑り覚センサを用いている。非特許文献１に記載の滑り覚センサは、レーザーと、ストライプ状のパターンの回折格子と、レンズと、フォトトランジスタと、を有している。回折格子はレーザーの射出口近傍に配置されている。回折格子を透過したレーザー光はレンズによって集光された後対象物に照射され、その対象物（皮膚）による散乱光をフォトトランジスタにより検出する。そして、フォトトランジスタにより検出された信号の自己相関を求め、フーリエ変換してパワースペクトルのピークの周波数ｆを求める。対象物の滑り速度ｖは、その周波数ｆと回折格子の格子間隔ｄからｖ＝ｆ・ｄによって算出することができる。   In order to evaluate the wound risk, it is conceivable to measure and evaluate slippage between the contact portion of the device and the human body (relative position and speed of the human body with respect to the contact portion; slip amount and slip speed). For example, in Non-Patent Document 1, a slip sensor having the following configuration is used as a manipulator. The slip sensor described in Non-Patent Document 1 includes a laser, a diffraction grating having a stripe pattern, a lens, and a phototransistor. The diffraction grating is disposed in the vicinity of the laser emission port. The laser beam that has passed through the diffraction grating is collected by a lens and then irradiated onto an object, and scattered light from the object (skin) is detected by a phototransistor. Then, the autocorrelation of the signal detected by the phototransistor is obtained, and Fourier transform is performed to obtain the peak frequency f of the power spectrum. The slip velocity v of the object can be calculated from the frequency f and the grating interval d of the diffraction grating by v = f · d.

特開２０１３−１７３１９０号公報JP 2013-173190 A

黒田敏秋，北川秀夫，松田文夫，内川嘉樹，服部秀三，格子像投影型非接触小型スリップセンサの開発，日本ロボット学会誌，Vol.9 ，No.4，pp.464-468，1991Toshiaki Kuroda, Hideo Kitagawa, Fumio Matsuda, Yoshiki Uchikawa, Shuzo Hattori, Development of lattice image projection type non-contact small slip sensor, Journal of the Robotics Society of Japan, Vol.9, No.4, pp.464-468, 1991

非特許文献１の滑り覚センサでは、１次元の変位しか原理的に計測することができず、多方向の変位を計測することができない。そのため、多方向の変位を計測するためには非特許文献１の滑りセンサを複数台設ける必要がある。   In the slip sensor of Non-Patent Document 1, only a one-dimensional displacement can be measured in principle, and a multi-directional displacement cannot be measured. Therefore, in order to measure displacement in multiple directions, it is necessary to provide a plurality of slip sensors of Non-Patent Document 1.

しかし、非特許文献１の滑り覚センサは比較的大きく、複数台設けようとすると装置の小型化を図る必要性が生じ、大きな開発コストがかかってしまう。また、非特許文献１の滑り覚センサは、回折格子の格子間隔で測定精度が決まるため、測定精度を向上させることが難しいという問題もある。これらの理由により、非特許文献１の滑り覚センサを備えた装着式動作補助装置は実用化には至っていなかった。   However, the slip sensor of Non-Patent Document 1 is relatively large, and if it is intended to provide a plurality of sensors, it is necessary to reduce the size of the device, and a large development cost is required. Further, the slip sensor of Non-Patent Document 1 has a problem that it is difficult to improve the measurement accuracy because the measurement accuracy is determined by the grating interval of the diffraction grating. For these reasons, the wearable movement assist device including the slip sensor of Non-Patent Document 1 has not been put into practical use.

そこで本発明の目的は、滑り量を計測して創傷リスクを評価可能な装着式動作補助装置を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a wearable movement assist device capable of measuring a slip amount and evaluating a wound risk.

本発明は、人体や義肢に接触させ、人体や義肢の相対的な滑り量、滑り速度、および人体や義肢からの力、モーメントを計測する計測装置において、人体や義肢に接触させて装着する接触部と、接触部における、接触部に対する人体や義肢の滑り量と滑り速度を計測する、離間して設けられた２つの滑り覚センサと、接触部における前記人体や義肢からの力、モーメントを計測する力覚センサと、を有し、滑り覚センサは、人体や義肢側に光を放射する発光装置と、人体や義肢によって反射された光を受光してイメージを取得し、そのイメージの時間変化から滑り量と滑り速度を算出するイメージセンサと、を有し、２つの滑り覚センサの計測した滑り量と滑り速度から、２つの滑り方向の成す平面に垂直な回転軸回りの滑り量および滑り速度を算出する、ことを特徴とする計測装置である。   The present invention relates to a contact device that is brought into contact with a human body or a prosthetic limb in contact with the human body or the prosthetic limb in a measuring device that measures the relative slip amount, the sliding speed of the human body or the prosthetic limb, and the force or moment from the human body or the prosthetic limb. Two slip sensors that measure the sliding amount and sliding speed of the human body and the prosthetic limb with respect to the contact portion at the contact portion and the contact portion, and the force and moment from the human body and the prosthetic limb at the contact portion are measured. A slip sensor, a light emitting device that emits light to the human body and the prosthetic limb, and a light that is reflected by the human body and the prosthetic limb to acquire an image, and the time change of the image An image sensor that calculates a slip amount and a slip speed from the slip amount and slip speed measured by the two slip sensors, and a slip amount and a slip around a rotation axis perpendicular to a plane formed by the two slip directions Speed Calculating a, that is the measurement apparatus according to claim.

２つの滑り覚センサは、力覚センサの作用点を挟んで対向して設けてもよいし、リンクの長手方向に対向して設けてもよい。   The two slip sensors may be provided to face each other across the action point of the force sensor, or may be provided to face in the longitudinal direction of the link.

力覚センサは、３軸力覚センサや６軸力覚センサなどを用いることができる。力覚センサは、接触平面における直交する２軸（ｘ軸、ｙ軸）方向の力成分と、その２軸に直交する軸（ｚ軸）回りのモーメント成分の３成分を少なくとも検出するセンサであればよい。創傷リスク評価の精度を高めるために６軸力覚センサを用いることが望ましい。また、力覚センサの方式は、ひずみゲージを用いる方式、光学式、圧電素子を用いる方式、など従来知られている各種方式のものを用いることができる。   As the force sensor, a 3-axis force sensor, a 6-axis force sensor, or the like can be used. The force sensor is a sensor that detects at least three components of a force component in two orthogonal directions (x-axis and y-axis) in a contact plane and a moment component around an axis (z-axis) orthogonal to the two axes. That's fine. It is desirable to use a 6-axis force sensor to increase the accuracy of wound risk assessment. As the force sensor system, various conventionally known systems such as a system using a strain gauge, an optical system, and a system using a piezoelectric element can be used.

本発明の他の１つは、駆動部と、リンクを介して駆動部に接続される本発明の計測装置と、を有することを特徴とする装着式動作補助装置である。   Another aspect of the present invention is a wearable motion assisting device having a driving unit and the measuring device of the present invention connected to the driving unit via a link.

本発明の装着式動作補助装置は、任意の箇所の動作を補助するものであってよい。たとえば、足、腰、腕、肩、指などであり、それらの箇所のうち複数箇所の動作を補助するものであってもよいし、全身を補助するものであってもよい。   The wearable movement assist device of the present invention may assist the operation at an arbitrary location. For example, it may be a foot, a waist, an arm, a shoulder, a finger, and the like, and may assist the movements of a plurality of places, or may assist the whole body.

本発明の他の１つは、上記本発明の装着式動作補助装置を人体に装着して動作し、装着式動作補助装置の滑り覚センサおよび力覚センサにより、接触部における、接触部に対する人体の滑り量、滑り速度、および力、モーメントを計測し、マニピュレータに本発明の計測装置を取り付け、計測装置の接触部を義肢に装着し、計測した滑り量、滑り速度、および力、モーメントの値に基づいてマニピュレータを制御して接触部を動作させることで、人体の動作時の接触部の動作を模倣し、この模倣動作時の滑り量、滑り速度、および力、モーメントを計測し、その計測値から、創傷リスクを評価する、ことを特徴とする装着式動作補助装置の創傷リスク評価方法である。   According to another aspect of the present invention, the wearable motion assisting device of the present invention is mounted on a human body to operate, and the human body with respect to the contact portion is in contact with the slip sensor and the force sensor of the wearable motion assisting device. Measure the amount of sliding, sliding speed, force, and moment, attach the measuring device of the present invention to the manipulator, attach the contact part of the measuring device to the prosthesis, and measure the amount of sliding, sliding speed, force, and moment measured By controlling the manipulator based on this, the contact part is moved to imitate the movement of the contact part during the movement of the human body, and the amount of sliding, the sliding speed, the force, and the moment during this imitation movement are measured and measured. A wound risk evaluation method for a wearable motion assist device, characterized in that a wound risk is evaluated from a value.

本発明によれば、装着部と人体や義肢との間の並進および回転方向の滑り量や滑り速度、並びに装着部に対する皮膚からの力、モーメントを簡易に計測することができ、それらの計測値から創傷リスクを容易に評価することができる。   According to the present invention, it is possible to easily measure the translational and rotational slippage and sliding speed between the wearing part and the human body and the prosthetic limb, as well as the force and moment from the skin against the wearing part, and the measured values thereof. Therefore, the wound risk can be easily evaluated.

実施例１の装着式動作補助装置の構成を示した図。The figure which showed the structure of the mounting | wearing type movement assistance apparatus of Example 1. FIG. カフ１２の構成を示した図。The figure which showed the structure of the cuff. カフ１２とリンク１０との接続部分の構成を分解して示した図。The figure which decomposed | disassembled and showed the structure of the connection part of the cuff 12 and the link 10. FIG. 滑り覚センサの構成を示した図。The figure which showed the structure of the slip sensor. 回転方向の滑り速度について説明する図。The figure explaining the sliding speed of a rotation direction. カフ１２とリンク１０との接続部分を示した図。The figure which showed the connection part of the cuff 12 and the link 10. FIG.

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.

［装着式動作補助装置の構成］
図１は、実施例１の装着式動作補助装置１の構成を示した図である。実施例１の装着式動作補助装置１は、図１に示すように、人体の足２に取り付けられる装置であり、２つのリンク１０ａ、ｂと、２つのリンク１０ａ、ｂを接続する駆動部１１と、リンク１０ａ、ｂにそれぞれ接続されたカフ（本発明の接触部に相当する）１２ａ、ｂを有している。以下、装着式動作補助装置１の各構成要素についてより詳しく説明する。 [Configuration of wearable motion assist device]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a wearable motion assisting apparatus 1 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the wearing-type motion assisting device 1 according to the first embodiment is a device that is attached to a human foot 2, and includes two links 10 a and b and a drive unit 11 that connects the two links 10 a and b. And cuffs 12a and 12b (corresponding to contact portions of the present invention) connected to the links 10a and 10b, respectively. Hereinafter, each component of the wearable motion assist device 1 will be described in more detail.

駆動部１１は、図１のように、膝関節部分に設けられている。駆動部１１にはリンク１０ａ、ｂの一端が接続されている。リンク１０ａは、足２の膝下部分に沿って設けられ、リンク１０ｂは膝上部分に沿って設けられている。また、駆動部１１は、リンク１０ａ、ｂに作用する力を制御するモータ、およびリンク１０ａ、ｂの成す角度を検出する角度センサ、リンク１０ａ、ｂに作用する出力を検出するセンサを備えている（いずれも図示しない）。駆動部１１は、使用者からの入力や使用者の運動状態に基づいてモータを制御し、それによりリンク１０ａ、ｂに作用する力を制御する。使用者の運動状態はたとえば生体センサを用いて検出する。リンク１０ａ、ｂの角度が所望の位置となった時点でリンク１０ａ、ｂを停止したり、リンク１０ａ、ｂの回転方向を逆転させたりすることも可能である。   The drive part 11 is provided in the knee joint part as shown in FIG. One end of the links 10a and 10b is connected to the drive unit 11. The link 10a is provided along the lower knee portion of the foot 2, and the link 10b is provided along the upper knee portion. The drive unit 11 includes a motor that controls the force acting on the links 10a and 10b, an angle sensor that detects an angle formed by the links 10a and 10b, and a sensor that detects an output acting on the links 10a and 10b. (Neither shown). The drive unit 11 controls the motor based on the input from the user and the motion state of the user, thereby controlling the force acting on the links 10a and 10b. The movement state of the user is detected using, for example, a biosensor. When the angles of the links 10a and 10b reach desired positions, the links 10a and 10b can be stopped or the rotation directions of the links 10a and 10b can be reversed.

リンク１０ａの駆動部１１が接続されている側とは反対側の一端には、カフ１２ａが接続されている。同様にリンク１０ｂの一端にもカフ１２ｂが接続されている。カフ１２ａ、ｂは足２に接触している。図示しないが、カフ１２ａ、ｂの上に伸縮性のバンドが巻かれ、足２とカフ１２ａ、ｂが接触した状態で装着されている。   A cuff 12a is connected to one end of the link 10a opposite to the side to which the drive unit 11 is connected. Similarly, a cuff 12b is connected to one end of the link 10b. The cuffs 12 a and b are in contact with the foot 2. Although not shown, a stretchable band is wound on the cuffs 12a, b, and the foot 2 and the cuffs 12a, b are in contact with each other.

図２は、足２側からリンク１０ａ方向に見たときのカフ１２ａの構成を示した図であり、図６は、リンク１０ａとカフ１２ａとの接続部分を拡大して示した図である。また、図３は、リンク１０ａとカフ１２ａの接続部分の構成を分解して示した図である。   FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the cuff 12a when viewed from the foot 2 side in the direction of the link 10a, and FIG. 6 is an enlarged view of a connection portion between the link 10a and the cuff 12a. FIG. 3 is an exploded view of the configuration of the connecting portion between the link 10a and the cuff 12a.

カフ１２の形状は、図２のように、足２の膝下部分の形状に沿った円筒の一部分の形状である。図３のように、リンク１０ａとカフ１２ａとは力覚センサ１４を介して接続されている。また、図２のように、カフ１２ａには、滑り覚センサパッケージ１５が設けられている。滑り覚センサパッケージ１５は、２つの滑り覚センサ１５ａ、ｂを有している。これらカフ１２ａ、ｂ、力覚センサ１４、滑り覚センサ１５ａ、ｂが本発明の計測装置に相当している。２つの滑り覚センサ１５ａ、ｂは、滑り覚センサパッケージ１５内において離間して設けられている。また、力覚センサ１４の作用点１６を挟んで接触平面内において対向する位置であって、リンク１０ａの長手方向に対向して設けられている。カフ１２ａには孔１７が設けられ、その孔にはめ込むようにして１つの滑り覚センサパッケージ１５が設けられている。   The shape of the cuff 12 is a shape of a part of a cylinder along the shape of the lower knee portion of the foot 2 as shown in FIG. As shown in FIG. 3, the link 10 a and the cuff 12 a are connected via a force sensor 14. Further, as shown in FIG. 2, the cuff 12a is provided with a slip sensor package 15. The slip sensor package 15 has two slip sensors 15a and 15b. These cuffs 12a and 12b, force sensor 14 and slip sensor 15a and 15b correspond to the measuring device of the present invention. The two slip sensors 15a and 15b are provided apart from each other in the slip sensor package 15. Moreover, it is the position which opposes in a contact plane on both sides of the action point 16 of the force sensor 14, Comprising: It is provided facing the longitudinal direction of the link 10a. A hole 17 is provided in the cuff 12a, and one slip sensor package 15 is provided so as to be fitted into the hole.

カフ１２ｂの形状は、足２の膝上部分の形状に沿った円筒の一部分の形状であり、それ以外の構成はカフ１２ａと同様である。また、リンク１０ｂとカフ１２ｂとの接続部分の構成も、リンク１０ａとカフ１２ａの接続部分の構成と同様である。   The shape of the cuff 12b is a shape of a part of a cylinder along the shape of the upper knee portion of the foot 2, and the other configuration is the same as that of the cuff 12a. The configuration of the connection portion between the link 10b and the cuff 12b is the same as the configuration of the connection portion between the link 10a and the cuff 12a.

［装着式動作補助装置の動作］
次に、実施例１の装着式動作補助装置１の動作について説明する。 [Operation of wearable motion assist device]
Next, operation | movement of the mounting | wearing type movement assistance apparatus 1 of Example 1 is demonstrated.

実施例１の装着式動作補助装置１を足２に装着した状態で、足２を延ばしたり曲げたりする動作を行う場合に、使用者からの入力を受けるか、駆動部１１の有する角度センサを利用して、使用者の運動状態を検出する。   When performing the operation of extending or bending the foot 2 with the mounting-type motion assisting device 1 according to the first embodiment mounted on the foot 2, an input from the user or an angle sensor of the driving unit 11 is provided. This is used to detect the movement state of the user.

駆動部１１は、使用者からの入力や使用者の運動の状態と、駆動部１１の有する角度センサ、出力センサが計測した値に基づき、モータを制御し、リンク１０ａ、ｂに作用する出力が所定の値となるように制御する。   The drive unit 11 controls the motor based on the input from the user and the state of the user's movement and the values measured by the angle sensor and the output sensor of the drive unit 11, and outputs acting on the links 10a and 10b are output. Control to be a predetermined value.

駆動部１１によるリンク１０ａ、ｂの制御により、リンク１０ａ、ｂに接続するカフ１２ａ、ｂに力が伝達され、さらにカフ１２ａ、ｂが接触する人体へと力が伝達される。そして、人体に加えられた力によって、足２の膝関節を延ばしたり曲げたりする動作が補助される。   By controlling the links 10a and 10b by the drive unit 11, force is transmitted to the cuffs 12a and b connected to the links 10a and 10b, and further, the force is transmitted to the human body that the cuffs 12a and 12b contact. And the operation | movement which extends or bends the knee joint of the leg 2 is assisted by the force applied to the human body.

この実施例１の装着式動作補助装置１を用いることで、たとえば以下のような効果を期待できる。病気や怪我などによって運動機能に障害を負った人や、老化などによって体力の低下した人、大きな負荷のかかる動作、たとえば重量物の運搬などを行う人に対して、実施例１の装着式動作補助装置１を用いることで動作を容易にすることができる。   For example, the following effects can be expected by using the wearable movement assist device 1 of the first embodiment. Wearable operation of the first embodiment for a person who has impaired motor function due to illness or injury, a person whose physical strength has decreased due to aging, or a person who performs a heavy load operation such as carrying heavy objects Operation can be facilitated by using the auxiliary device 1.

次に、カフ１２ａ、ｂの有する滑り覚センサ１５ａ、ｂおよび力覚センサ１４の構成についてより詳細に説明する。   Next, the configurations of the slip sensors 15a and 15b and the force sensor 14 of the cuffs 12a and b will be described in more detail.

［滑り覚センサの構成］
図４は、滑り覚センサ１５ａの構成を示した図である。滑り覚センサ１５ｂも同様の構成である。滑り覚センサ１５ａは、図４に示すように、基板１５０と、基板１５０裏面（人体に光が照射される側とは反対側の面）に配置された発光装置１５１およびイメージセンサ１５３と、基板１５０表面（人体に光が照射される側の面）に配置されたレンズ１５２とを有している。また、基板１５０裏面から表面に貫通し、発光装置１５１に接する導光体１５４を有している。 [Configuration of slip sensor]
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the slip sensor 15a. The slip sensor 15b has the same configuration. As shown in FIG. 4, the slip sensor 15 a includes a substrate 150, a light emitting device 151 and an image sensor 153 that are disposed on the back surface of the substrate 150 (a surface opposite to the side on which the human body is irradiated with light), a substrate, 150 and a lens 152 disposed on the surface (surface on the side where light is irradiated on the human body). In addition, a light guide body 154 that penetrates from the back surface to the front surface of the substrate 150 and contacts the light emitting device 151 is provided.

発光装置１５１は半導体レーザーあるいは発光ダイオードである。図４のように、発光装置１５１は導光体１５４に接しており、発光装置１５１から放射される光は、導光体１５４によって基板１５０裏面側から基板１５０表面側に導かれ、そしてレンズ１５２を介して人体側に照射される。導光体１５４は透光性の材料であり、たとえばレンズ１５２と同一材料である。   The light emitting device 151 is a semiconductor laser or a light emitting diode. As shown in FIG. 4, the light emitting device 151 is in contact with the light guide 154, and the light emitted from the light emitting device 151 is guided from the back surface side of the substrate 150 to the front surface side of the substrate 150 by the light guide body 154. It is irradiated to the human body side through. The light guide 154 is a translucent material, for example, the same material as the lens 152.

レンズ１５２は、人体によって反射された発光装置１５１からの光が、孔１５４を通してイメージセンサ１５３に集光されるよう配置されている。   The lens 152 is disposed so that light from the light emitting device 151 reflected by the human body is condensed on the image sensor 153 through the hole 154.

イメージセンサ１５３は、レンズ１５１によって集光された皮膚からの反射光を受光する。レンズ１５２はシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などの透光性の樹脂からなり、孔１５４は、レンズ１５２と同一の材料で埋められている。イメージセンサ１５３は、ＣＭＯＳなどの受光素子と、算出手段とを有する。算出手段は、受光素子によって取得した画像の時間変化から、カフ１２ａ接触部分における、滑り覚センサ１５ａに対する足２の膝下部分の滑り量（相対位置）を算出する。   The image sensor 153 receives the reflected light from the skin collected by the lens 151. The lens 152 is made of a translucent resin such as silicone resin, epoxy resin, or acrylic resin, and the hole 154 is filled with the same material as the lens 152. The image sensor 153 includes a light receiving element such as a CMOS and a calculation unit. The calculating means calculates a slip amount (relative position) of the lower knee portion of the foot 2 with respect to the slip sensor 15a in the contact portion of the cuff 12a from the time change of the image acquired by the light receiving element.

滑り覚センサ１５ａ、ｂの動作原理をまとめると次の通りである。発光装置１５１から放射された光は、人体に照射される。そして、人体によって乱反射された光をレンズ１５２によって集光し、イメージセンサ１５３によってその集光された光を受光する。これによりイメージセンサ１５３は滑り覚センサ１５ａ、ｂ近傍の人体表面の画像を所定間隔で取得する。前回取得した画像と今回取得した画像とを比較し、同一形状部分を検出する。その同一形状部分の変化から、カフ１２ａ、ｂに対する人体の２次元的な移動量、すなわち、並進方向（カフ１２ａ、ｂと人体とが接触する接触平面内の直交する２つの軸（ｘ軸、ｙ軸）方向の滑り量（滑り方向とその距離）を算出することができる。滑り量の計測は、所定の時間間隔Δｔで繰り返し行う。滑り量は所定時間Δｔ当たりのものであるから、並進方向の滑り速度とみなすことができる。このようにして、滑り覚センサ１５ａ、ｂによって、並進方向の滑り量、滑り速度を計測することができる。   The operation principle of the slip sensors 15a, 15b is summarized as follows. The light emitted from the light emitting device 151 is applied to the human body. Then, the light irregularly reflected by the human body is collected by the lens 152 and the collected light is received by the image sensor 153. As a result, the image sensor 153 acquires images of the human body surface near the slip sensors 15a and 15b at predetermined intervals. The image acquired last time is compared with the image acquired this time, and the same shape portion is detected. From the change in the same shape portion, the two-dimensional movement amount of the human body relative to the cuffs 12a, b, that is, the translation direction (two orthogonal axes (x-axis, x in the contact plane where the cuffs 12a, b and the human body contact). It is possible to calculate the slip amount (slip direction and distance) in the y-axis) direction, since the slip amount is repeatedly measured at a predetermined time interval Δt. In this way, the slip amount and the slip speed in the translation direction can be measured by the slip sensors 15a and 15b.

また、２つの滑り覚センサ１５ａ、ｂによって計測された並進方向の滑り量、滑り速度は、滑り覚センサパッケージ１５内の演算部（図示しない）に送信される。演算部では、それら並進方向の滑り量、滑り速度から、回転方向の滑り量、滑り速度を算出する。回転軸（ｚ軸）は、滑り覚センサ１５ａ、ｂによって計測された２つの滑り方向の成す平面に垂直であり、滑り覚センサ１５ａを通り所定の角度（たとえば９０°）を成すｘｙ平面内の直線Ｌ１と、滑り覚センサ１５ｂを通り所定の角度を成すｘｙ平面内の直線Ｌ２との交点を通る（図５参照）。また、回転方向の滑り速度は、滑り覚センサ１５ａによって計測された滑り速度ｖ１と滑り覚センサ１５ｂによって計測された滑り速度ｖ２の和の１／２である。   Further, the translational slip amount and the slip speed measured by the two slip sensors 15a and 15b are transmitted to a calculation unit (not shown) in the slip sensor package 15. The calculation unit calculates the slip amount and slip speed in the rotational direction from the slip amount and slip speed in the translation direction. The rotation axis (z-axis) is perpendicular to the plane formed by the two slip directions measured by the slip sensors 15a and 15b, and passes through the slip sensor 15a in the xy plane forming a predetermined angle (for example, 90 °). It passes through the intersection of the straight line L1 and the straight line L2 in the xy plane passing through the slip sensor 15b and forming a predetermined angle (see FIG. 5). Further, the sliding speed in the rotation direction is ½ of the sum of the sliding speed v1 measured by the slip sensor 15a and the sliding speed v2 measured by the slip sensor 15b.

なお、回転方向の滑り量、滑り速度を算出する演算部は、カフ１２ａ、ｂにそれぞれ設けてもよいし、駆動部１１に設けてもよい。   Note that the calculation units for calculating the slip amount and the sliding speed in the rotation direction may be provided in the cuffs 12a and 12b, respectively, or in the drive unit 11.

［力覚センサの構成］
次に、力覚センサ１４の構成について説明する。力覚センサ１４は、３軸または６軸力覚センサであり、カフ１２ａ、ｂが接する皮膚から力覚センサ１４に加わる３次元（互いに直交する３軸方向）の力のベクトルと、３つの各軸回りのモーメントを計測することができる。 [Configuration of force sensor]
Next, the configuration of the force sensor 14 will be described. The force sensor 14 is a three-axis or six-axis force sensor, and includes a three-dimensional (three-axis direction orthogonal to each other) force vector applied to the force sensor 14 from the skin in contact with the cuffs 12a and 12b, The moment around the axis can be measured.

なお、力覚センサ１４には、ひずみゲージを用いるもの以外にも従来知られている各種方式のものを採用することができる。たとえば、圧電素子を用いるもの、光学式のもの、などを用いることができる。   The force sensor 14 may employ various types of conventionally known methods other than those using a strain gauge. For example, a piezoelectric element or an optical element can be used.

また、力覚センサ１４には３軸力覚センサなどを用いることもできる。また、実施例１では滑り覚センサ１５は２つ、力覚センサ１４は１つ用いているが、測定精度向上のため、滑り覚センサ１５を３つ以上用いてもよいし、力覚センサ１４を２つ以上用いてもよい。   Further, a triaxial force sensor or the like can be used as the force sensor 14. In the first embodiment, two slip sensors 15 and one force sensor 14 are used. However, in order to improve measurement accuracy, three or more slip sensors 15 may be used. Two or more may be used.

［滑り覚センサと力覚センサの配置］
２つの滑り覚センサ１５ａ、ｂは、図２、３のように、接触平面（ｘｙ平面）内においてリンク１０ａの長手方向に離間して配置されている。また、力覚センサ１４は、図３のように、接触平面内において、２つの滑り覚センサ１５ａ、ｂの間に力覚センサ１４の作用点が来るように配置されている。このように滑り覚センサ１５ａ、ｂと力覚センサ１４を配置することで、精度よく計測できるようにしている。 [Arrangement of slip sensor and force sensor]
As shown in FIGS. 2 and 3, the two slip sensors 15 a and 15 b are spaced apart from each other in the longitudinal direction of the link 10 a in the contact plane (xy plane). Moreover, the force sensor 14 is arrange | positioned so that the action point of the force sensor 14 may come between two slip sensor 15a, b in a contact plane like FIG. By arranging the slip sensors 15a, 15b and the force sensor 14 in this way, measurement can be performed with high accuracy.

［創傷リスクの評価方法］
次に、カフ１２における皮膚の創傷リスクを評価する方法について説明する。 [Wound risk assessment method]
Next, a method for evaluating the skin wound risk in the cuff 12 will be described.

まず、実施例１の装着式動作補助装置１を図１と同様にして人体の足２に装着する。装着した状態で足２の膝関節を曲げたり延ばしたりする。このとき、実施例１の装着式動作補助装置１の滑り覚センサ１５ａ、ｂおよび力覚センサ１４によって、カフ１２ａ、ｂに対する人体の並進方向および回転方向の滑り量、滑り速度と、力およびモーメントを計測する。計測した値はコンピュータ等の記憶装置に記録しておく。合わせて、モーションキャプチャによって外部から見たカフ１２ａ、ｂの移動量を計測してもよい。   First, the wearing-type motion assisting device 1 of the first embodiment is worn on the human foot 2 in the same manner as in FIG. The knee joint of the foot 2 is bent or extended in the worn state. At this time, the slip sensor 15a, b and the force sensor 14 of the wearable movement assist device 1 according to the first embodiment use the slip amount, the slip speed, the force, and the moment in the translational and rotational directions of the human body with respect to the cuff 12a, b. Measure. The measured value is recorded in a storage device such as a computer. In addition, the movement amount of the cuffs 12a and 12b viewed from the outside may be measured by motion capture.

次に、実施例１の装着式動作補助装置１を人体から着脱し、実施例１の装着式動作補助装置１のカフ１２ａ、ｂと同一のカフを用意する。つまりそのカフは図２、３のように滑り覚センサ１５ａ、ｂと力覚センサ１４を備えている。装着式動作補助装置１からカフ１２ａ、ｂを取り外して使用してもよい。そのカフを義肢に装着するとともに、マニピュレータと接続してカフの位置を可動できるようにする。義肢表面は人工皮膚で覆われている。この人工皮膚は、実際の皮膚の滑り特性とよく類似したものである。   Next, the wearable motion assisting device 1 of the first embodiment is detached from the human body, and the same cuffs as the cuffs 12a and 12b of the wearable motion assisting device 1 of the first embodiment are prepared. That is, the cuff includes slip sensors 15a and 15b and a force sensor 14 as shown in FIGS. The cuffs 12a and 12b may be removed from the wearable movement assist device 1 for use. The cuff is attached to a prosthesis and connected to a manipulator so that the position of the cuff can be moved. The artificial limb surface is covered with artificial skin. This artificial skin is very similar to the slip characteristics of actual skin.

次に、記憶装置に記録しておいた滑り量、滑り速度、力、モーメントの数値に基づき、マニピュレータを動作させてカフに力を加えることにより、人体の足２の動きを模倣する。モーションキャプチャを用いてカフ１２ａ、ｂの移動量を計測していた場合にはその値を考慮してもよい。この模倣した動作を複数回繰り返し、その間、カフの備える滑り覚センサ１５ａ、ｂと力覚センサ１４によって、カフに対する義肢の並進方向および回転方向の滑り量、滑り速度と、力およびモーメントを計測する。   Next, the movement of the foot 2 of the human body is imitated by applying a force to the cuff by operating the manipulator based on the slip amount, slip speed, force, and moment values recorded in the storage device. When the movement amount of the cuffs 12a and 12b is measured using motion capture, the value may be taken into consideration. This imitated motion is repeated a plurality of times, and during that time, the slip sensor 15a, 15b and force sensor 14 provided in the cuff measure the amount of slip, the slip speed, the force and the moment in the translational and rotational directions of the prosthesis with respect to the cuff. .

このようにして計測した、カフに対する義肢の滑り量、滑り速度、力、モーメントの値を用いて、皮膚の創傷リスクを評価する。そして、その評価に基づき、実際のカフ１２ａ、ｂの形状、装着位置、材質、装着時の締め方などを変えることにより、カフ１２ａ、ｂの装着部の皮膚の創傷を防止することができる。   The wound risk of skin is evaluated using the values of slip amount, slip speed, force and moment of the prosthesis with respect to the cuff thus measured. And based on the evaluation, by changing the shape, the mounting position, the material, the fastening method at the time of mounting, and the like of the actual cuff 12a, b, it is possible to prevent the wound of the mounting portion of the cuff 12a, b.

この創傷リスク評価方法は、人体に負荷をかけずに創傷リスクを評価することができるので安全性が高く、また容易に評価することができる。   Since this wound risk evaluation method can evaluate the wound risk without imposing a load on the human body, it is highly safe and can be easily evaluated.

なお、実施例１の装着式動作補助装置１は、人体の足に装着して膝の動きをサポートするものであったが、本発明の装着式動作補助装置は膝部分に装着するものに限らない。たとえば、腕、肩、腰、指などの動きをサポートする装着式動作補助装置であってもよい。さらには複数箇所の動き（たとえば足と腰の動き）をサポートするものであってもよいし、全身をサポートするものであってもよい。   In addition, although the wearing type movement assistance apparatus 1 of Example 1 was mounted | worn on the leg of a human body and supported the movement of a knee, the wearing type movement assistance apparatus of this invention is restricted to what is mounted | worn to a knee part. Absent. For example, it may be a wearable movement assist device that supports movement of arms, shoulders, waist, fingers, and the like. Further, it may support movements at a plurality of locations (for example, movements of legs and hips) or may support the whole body.

また、本発明の装着式動作補助装置は、創傷リスクの評価だけでなく、創傷リスクの警告などにも用いることができる。たとえば、装着式動作補助装置の動作によって創傷リスクが所定の基準値を超えた場合に、警告音を発する構成とすることができる。   In addition, the wearable movement assist device of the present invention can be used not only for evaluation of wound risk but also for warning of wound risk. For example, a warning sound can be generated when the wound risk exceeds a predetermined reference value due to the operation of the wearable motion assisting device.

本発明によれば、装着式動作補助装置の創傷リスクを容易に評価することができるので、安全性の高い装着式動作補助装置を低コストで実現することができる。   According to the present invention, since the wound risk of the wearable movement assist device can be easily evaluated, a highly safe wearable movement assist device can be realized at low cost.

１：装着式動作補助装置
２：足
１０ａ、ｂ：リンク
１１：駆動部
１２ａ、ｂ：カフ
１４：力覚センサ
１５：滑り覚センサパッケージ
１５ａ、ｂ：滑り覚センサ
１５０：基板
１５１：発光装置
１５２：レンズ
１５３：イメージセンサ 1: Wearable motion assist device 2: Foot 10a, b: Link 11: Drive unit 12a, b: Cuff 14: Force sensor 15: Slip sensor package 15a, b: Slip sensor 150: Substrate 151: Light emitting device 152 : Lens 153: Image sensor

Claims (6)

人体や義肢に接触させ、人体や義肢の相対的な滑り量、滑り速度、および人体や義肢からの力、モーメントを計測する計測装置において、
人体や義肢に接触させて装着する接触部と、
前記接触部における、前記接触部に対する人体や義肢の滑り量と滑り速度を計測する、離間して設けられた２つの滑り覚センサと、
前記接触部における人体や義肢からの力、モーメントを計測する力覚センサと、
を有し、
前記滑り覚センサは、
人体や義肢側に光を放射する発光装置と、
人体や義肢によって反射された光を受光してイメージを取得し、そのイメージの時間変化から前記滑り量と前記滑り速度を算出するイメージセンサと、を有し、
２つの前記滑り覚センサの計測した前記滑り量と前記滑り速度から、２つの滑り方向の成す平面に垂直な回転軸回りの滑り量および滑り速度を算出する、
ことを特徴とする計測装置。 In a measuring device that contacts the human body and prosthetic limbs and measures the relative sliding amount, sliding speed, and force and moment from the human body and prosthetic limbs,
A contact part to be worn in contact with the human body and a prosthesis
Two slip sensors provided at a distance from each other to measure a sliding amount and a sliding speed of a human body and a prosthetic limb with respect to the contact portion in the contact portion,
A force sensor for measuring the force and moment from the human body and prosthetic limbs in the contact portion;
Have
The slip sensor is
A light emitting device that emits light to the human body and the prosthetic limbs;
An image sensor that receives light reflected by a human body or a prosthesis to acquire an image, and calculates the slip amount and the slip speed from a temporal change of the image, and
A slip amount and a slip speed about a rotation axis perpendicular to a plane formed by two slip directions are calculated from the slip amount and the slip speed measured by the two slip sensors.
A measuring device characterized by that. ２つの前記滑り覚センサは、力覚センサの作用点を挟んで対向して設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。   The measuring apparatus according to claim 1, wherein the two slip sensors are provided to face each other across an action point of the force sensor. 前記力覚センサは、接触平面における直交する２軸方向の力成分と、その２軸に直交する軸回りのモーメント成分の３成分を少なくとも検出するセンサであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の計測装置。   2. The force sensor according to claim 1, wherein the force sensor is a sensor that detects at least three components of a force component in a biaxial direction orthogonal to the contact plane and a moment component around an axis orthogonal to the two axes. Item 3. The measuring apparatus according to any one of Items 2 above. 駆動部と、リンクを介して前記駆動部に接続される請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の計測装置と、
を有することを特徴とする装着式動作補助装置。 The measurement device according to any one of claims 1 to 3, wherein the measurement device is connected to the drive unit via a drive unit and a link.
A wearable motion assisting device characterized by comprising: ２つの前記滑り覚センサは、前記リンクの長手方向に対向して設けられている、ことを特徴とする請求項４に記載の装着式動作補助装置。   The wearable motion assisting device according to claim 4, wherein the two slip sensors are provided so as to face each other in a longitudinal direction of the link. 請求項５に記載の装着式動作補助装置を人体に装着して動作し、
前記装着式動作補助装置の前記滑り覚センサおよび前記力覚センサにより、前記接触部における、前記接触部に対する前記人体の滑り量、滑り速度、および力、モーメントを計測し、
マニピュレータに請求項１ないし請求項４に記載の計測装置を取り付け、前記計測装置の前記接触部を義肢に装着し、
計測した滑り量、滑り速度、および力、モーメントの値に基づいてマニピュレータを制御して前記接触部を動作させることで、人体の動作時の前記接触部の動作を模倣し、
この模倣動作時の滑り量、滑り速度、および力、モーメントを計測し、その計測値から、創傷リスクを評価する、
ことを特徴とする装着式動作補助装置の創傷リスク評価方法。 The wearable movement assist device according to claim 5 is operated by being worn on a human body,
By the slip sensor and the force sensor of the wearable movement assist device, the amount of slip, the slip speed, and the force and moment of the human body with respect to the contact part in the contact part are measured,
The measurement device according to claim 1 is attached to a manipulator, the contact portion of the measurement device is attached to a prosthesis,
By controlling the manipulator based on the measured sliding amount, sliding speed, force, and moment value, and operating the contact portion, imitating the operation of the contact portion during human movement,
Measure the amount of sliding, sliding speed, force, and moment during this imitation operation, and evaluate the wound risk from the measured values.
A wound risk evaluation method for a wearable motion assist device.

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