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JP5594689B2 - Ankle impedance measuring device - Google Patents

Ankle impedance measuring device Download PDF

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JP5594689B2
JP5594689B2 JP2010225939A JP2010225939A JP5594689B2 JP 5594689 B2 JP5594689 B2 JP 5594689B2 JP 2010225939 A JP2010225939 A JP 2010225939A JP 2010225939 A JP2010225939 A JP 2010225939A JP 5594689 B2 JP5594689 B2 JP 5594689B2
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JP
Japan
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foot
subject
foot plate
ankle
plate
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JP2010225939A
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志偉 羅
健志 林
眞一 吉村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ASUKA ELECTRIC CO Ltd
Kobe University NUC
Original Assignee
ASUKA ELECTRIC CO Ltd
Kobe University NUC
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Publication date
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Description

本発明は、足首のインピーダンス(足首の粘弾性係数)を測定するための測定装置に関する。   The present invention relates to a measuring apparatus for measuring an ankle impedance (ankle viscoelastic coefficient).

本発明に係る測定装置は、足首の弾性係数および粘性係数などのインピーダンスを測定することを目的とするが、足首の弾性係数を測定する装置自体は、非特許文献1、2などに開示されており、公知である。   The measuring device according to the present invention is intended to measure impedances such as the elastic modulus and viscosity coefficient of the ankle, but the device itself for measuring the elastic modulus of the ankle is disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2, etc. It is publicly known.

非特許文献1に記載の測定装置では、倒立振り子に連結されて、水平軸まわりに揺動可能に構成されたフットプレート上に被験者を立たせたうえで、被験者に所定のトルクの発生を求め、さらに倒立振り子を所定角度に倒すように求める。そして、測定されたトルクと角度から足首の弾性係数を算出している。   In the measuring device described in Non-Patent Document 1, the subject is placed on a foot plate connected to an inverted pendulum and configured to be swingable about a horizontal axis, and then the subject is asked to generate a predetermined torque. Further, the inverted pendulum is requested to be tilted at a predetermined angle. Then, the elastic modulus of the ankle is calculated from the measured torque and angle.

非特許文献2に記載の測定装置では、サーボモータに連結されて、水平軸まわりに揺動可能に構成されたフットプレート上に被験者を立たせたうえで、所定角度範囲(−0.5°〜+0.5°)で被験者の足先が上下動するようにフットプレートを駆動揺動させる。つまり、非特許文献2に記載の装置では、上記角度範囲に対応した短周期(1秒)のパルスをサーボモータに与えて、被験者の足先にパルス刺激を与えており、測定後の床反力(フットプレートに対する反力)の加わる圧の中心位置(COP)と足首との距離を測定し、COPの位置からトルクを算出し、さらに足首の弾性係数を算出している。   In the measuring apparatus described in Non-Patent Document 2, the subject is placed on a foot plate that is connected to a servo motor and configured to be swingable about a horizontal axis, and then a predetermined angle range (−0.5 ° to At + 0.5 °, the foot plate is driven and swung so that the subject's foot moves up and down. That is, in the apparatus described in Non-Patent Document 2, a pulse with a short period (1 second) corresponding to the above angle range is given to the servomotor to give a pulse stimulus to the subject's foot, and the floor reaction after the measurement is performed. The distance between the center position (COP) of the pressure to which force (reaction force against the foot plate) is applied and the ankle is measured, the torque is calculated from the position of the COP, and the elastic coefficient of the ankle is calculated.

Loram.D and LakieM,"Direct measurement of human ankle stiffness during quiet standing:The intrinsic mechanical stiffness is insufficient for stability.",Journal of Physiology,545.3,pp.1041-1053(2002)Loram.D and LakieM, "Direct measurement of human ankle stiffness during quiet standing: The intrinsic mechanical stiffness is insufficient for stability.", Journal of Physiology, 545.3, pp.1041-1053 (2002) Casadio M,Morasso P and Sanguineti V,"Direct measurement of ankle stiffness during quiet standing: implications for control modering and clinical application",Gait&posture,21pp.410-424(2004)Casadio M, Morasso P and Sanguineti V, "Direct measurement of ankle stiffness during quiet standing: implications for control modering and clinical application", Gait & posture, 21pp.410-424 (2004)

これら非特許文献1、2に開示された測定装置では、静止立位姿勢の身体動揺は、倒立振り子の運動と同等であるという見解に基づき、フットプレート上に立たせた被験者に対して測定を行い、その測定結果から足首の弾性係数を求めている。しかし、このように被験者を立位姿勢としたうえで測定を行う方法では、足首により全身の体重が受け止められた状態で測定を行うため、得られた弾性係数が全身の関節等による力の影響を受けて、真に純粋な足首を中心とした弾性係数を得ることは不可能であった。すなわち、非特許文献1、2に開示された測定装置では、得られた弾性係数の値が、被験者の体重、或いは平衡を保つための被験者の全身の関節や筋力を使った体重移動など、種々の要因により左右されやすく、正確に足首の弾性係数の値を得ることは困難であった。   In the measurement devices disclosed in these Non-Patent Documents 1 and 2, measurement is performed on a subject standing on the foot plate based on the view that body swinging in a stationary posture is equivalent to the motion of an inverted pendulum. The elastic modulus of the ankle is obtained from the measurement result. However, in the method of measuring with the subject placed in a standing posture in this way, the measurement is performed with the whole body weight received by the ankle, so the obtained elastic modulus is the influence of the force of the joints etc. In response, it was impossible to obtain an elastic modulus centered on a truly pure ankle. That is, in the measuring devices disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2, the obtained elastic modulus values are various such as the body weight of the subject or weight shift using joints and muscle strength of the whole body of the subject to maintain equilibrium. It was difficult to obtain the value of the elastic modulus of the ankle accurately.

加えて、足首を含む人間の骨格筋は、非常に大きな力を発生させることが可能なアクチュエータと考えることができ、しかも単に力を発生させるだけではなく、バネ、ダンパのような粘弾性も併せ持っている。このことは、骨格筋を活動させると筋は硬くなり、逆に力を抜いてリラックスすると柔らかくなることからも明らかである。従って、例えば立位姿勢時における身体平衡維持のメカニズム解明には、足首の弾性係数のみならず、足首の粘性係数についても勘案することが必要であるが、上記非特許文献1では、弾性係数のみを測定しており、粘性係数の測定には至っておらず、その点にも改良の余地があった。また、上記非特許文献2においても、粘性に着目はしているものの立位において測定しており上体の影響を考慮しておらず、その点に改良の余地があった。   In addition, human skeletal muscles, including the ankles, can be thought of as actuators that can generate very large forces, and not only generate forces but also viscoelasticity like springs and dampers. ing. This is clear from the fact that muscles become stiff when skeletal muscles are activated, and conversely, they become soft when relaxed with relaxation. Therefore, for example, in order to elucidate the mechanism of maintaining the body balance in the standing posture, it is necessary to consider not only the elastic coefficient of the ankle but also the viscosity coefficient of the ankle. The viscosity coefficient was not measured, and there was room for improvement. In Non-Patent Document 2, although attention is paid to viscosity, the measurement is performed in a standing position and the influence of the upper body is not taken into consideration, and there is room for improvement in that respect.

本発明は、以上のような従来の測定装置の抱える問題を解決するためになされたものであり、より正確に弾性係数および粘性係数(以下、これら粘弾性係数をインピーダンスと記す)を求めることができる、新規な足首インピーダンスの測定装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the problems of the conventional measuring apparatus as described above, and more accurately obtaining an elastic coefficient and a viscosity coefficient (hereinafter, these viscoelastic coefficients are referred to as impedance). An object of the present invention is to obtain a novel ankle impedance measuring device that can be used.

本発明者等は、被験者を座位姿勢としたうえで測定を行えば、より正確に足首のトルクの測定が可能であり、加えて、測定された足首のトルクに基づいて、より正確に足首の弾性係数のみならず、粘性係数の計測が可能となることを見出して、本発明を完成するに至った。   The present inventors can measure the ankle torque more accurately if the measurement is performed with the subject in the sitting position, and in addition, based on the measured ankle torque, the ankle torque can be measured more accurately. It has been found that not only the elastic coefficient but also the viscosity coefficient can be measured, and the present invention has been completed.

すなわち本発明は、足首インピーダンスの測定装置を対象とする。この測定装置は、被験者2が着座したときに、該被験者2の臀部2aを受け止める着座板11と、水平に配された回転軸18まわりに揺動回転可能に構成されて、被験者2の足先2bが載せられるフットプレート12と、前記回転軸18を介して、前記フットプレート12に駆動回転力を付与する駆動源31と、揺動回転時に前記フットプレート12に加わるトルクを検出するためのトルク検出手段33と、揺動回転時の前記フットプレート12の傾斜角度を検出するための角度検出手段23と、着座姿勢における被験者2の下腿部2cを固定するための下腿固定具25と、前記フットプレート12上に載せられた被験者2の足先2bを固定するための足先固定具20とを備える。そして、前記下腿固定具25および前記足先固定具20を使って、被験者2の踝2dが前記回転軸18の軸心上に位置するように被験者2の脚部を固定し、かかる脚部の固定状態で、前記駆動源31を駆動して前記フットプレート12を前記回転軸18まわりに揺動回転駆動して、足先2bを踝2dまわりに上下方向に強制的に姿勢変位させ、かかる足先2bを上下方向に姿勢変位させた際の前記トルク検出手段33による検出値と、前記角度検出手段23による検出値と、前記フットプレート12の質量Mと、下腿部2cと足先2bの質量で規定される被験者の足の質量mと、前記回転軸18の軸心からフットプレート12の重心G1までの距離L1と、該回転軸18の軸心から足圧中心G2までの距離L2と、該フットプレート12の重心G1位置における該フットプレート12の重量に由来する慣性モーメントI 1 と、該足圧中心G2位置における被験者の足の重量に由来する慣性モーメントI 2 と、前記角度検出手段23による検出値から得られる角速度および角加速度と、に基づいて、足首の粘弾性係数を算出することを特徴とする。 That is, the present invention is directed to an ankle impedance measurement device. This measuring device is configured to swing and rotate around a rotating shaft 18 horizontally disposed on a seating plate 11 that receives the buttocks 2a of the subject 2 when the subject 2 is seated. 2b on which the foot plate 12 is mounted, a drive source 31 for applying a driving rotational force to the foot plate 12 via the rotating shaft 18, and a torque for detecting the torque applied to the foot plate 12 at the time of swinging rotation. A detecting means 33; an angle detecting means 23 for detecting an inclination angle of the foot plate 12 at the time of swinging rotation; a crus fixing tool 25 for fixing the crus 2c of the subject 2 in the sitting position; And a foot tip fixing tool 20 for fixing the foot tip 2b of the subject 2 placed on the foot plate 12. Then, using the crus fixing device 25 and the toe fixing device 20, the leg portion of the subject 2 is fixed so that the heel 2d of the subject 2 is positioned on the axis of the rotation shaft 18, and the leg portion In the fixed state, the driving source 31 is driven to swing and rotate the foot plate 12 around the rotary shaft 18 to forcibly displace the foot 2b in the vertical direction around the heel 2d. The detection value by the torque detection means 33 when the tip 2b is displaced in the vertical direction, the detection value by the angle detection means 23 , the mass M of the foot plate 12, the crus 2c and the toes 2b The mass m of the subject's foot defined by the mass, the distance L1 from the axis of the rotating shaft 18 to the center of gravity G1 of the foot plate 12, and the distance L2 from the axis of the rotating shaft 18 to the foot pressure center G2 The weight of the foot plate 12 The moment of inertia I 1 derived from the weight of the foot plate 12 at the G1 position, the moment of inertia I 2 derived from the weight of the subject's foot at the foot pressure center G2 position obtained from the value detected by said angle detecting means 23 A viscoelastic coefficient of the ankle is calculated based on the angular velocity and the angular acceleration .

前記フットプレート12には、足先2bを該フットプレート12に載せたとき、被験者2の踵を受け止めるための緩衝材28が配されている構成を採ることができる。   The foot plate 12 may have a configuration in which a cushioning material 28 is provided for receiving the heel of the subject 2 when the foot tip 2b is placed on the foot plate 12.

前記フットプレート12の前記回転軸18まわりの揺動回転限界を規制するための規制機構40を備える構成を採ることができる。   It is possible to adopt a configuration including a regulation mechanism 40 for regulating the swing rotation limit of the foot plate 12 around the rotary shaft 18.

前記測定装置には、着座板11の上下方向の位置調整機構、および/又はフットプレート12の上下方向および/又は前後方向の位置調整機構を設けることができる。   The measuring device may be provided with a vertical position adjustment mechanism for the seating plate 11 and / or a vertical position adjustment mechanism and / or a longitudinal position adjustment mechanism for the foot plate 12.

本発明によれば、下肢筋が力を発揮していない座位状態で足首のインピーダンスを計測することができるので、従来の非特許文献1、2に記載の計測装置に比べて、より正確に足首のトルクを計測し、加えて、該トルクから足首の粘弾性係数を得ることができる。すなわち、人は立位状態で姿勢を維持しようとすると、脚部だけでなく、身体全体を用いてバランスを取ろうとする。その為、非特許文献1、2に記載の計測装置のように、立位姿勢で足首のトルクを測定するものでは、得られた値は、他の関節、特に上半身の関節の影響を受けた値となることが避けられない。これに対して、本発明のように被験者を座位姿勢としたうえで計測を行うようにしていると、上半身による姿勢を維持しようとする要因を完全に排除することができるため、より正確に足首の粘弾性係数を計測することができる。   According to the present invention, since the impedance of the ankle can be measured in a sitting position where the lower limb muscles do not exert a force, the ankle is more accurately compared to the conventional measuring devices described in Non-Patent Documents 1 and 2. The viscoelastic coefficient of the ankle can be obtained from the torque. That is, when trying to maintain a posture in a standing position, a person tries to balance using not only the legs but the entire body. Therefore, as in the measurement devices described in Non-Patent Documents 1 and 2, when the ankle torque is measured in a standing posture, the obtained value is influenced by other joints, particularly the upper body joint. It is inevitable that it becomes a value. On the other hand, if the measurement is performed after the subject is in the sitting position as in the present invention, the factor for maintaining the posture by the upper body can be completely eliminated, and thus the ankle can be more accurately detected. The viscoelastic coefficient can be measured.

被験者2の踝2dが、足先2bが載せられるフットプレート12の回転軸18の軸心とずれていると、フットプレート12の回転に伴って、足の踵の位置が前後にずれる。このため、被験者2の下腿部2cが前後に動くことが避けられず、下腿部2cの筋力が足先2bを介してフットプレート12に加わり(下肢筋が力を発揮し)、正確に足首の粘弾性係数を測定することが困難となる。これに対して、本発明のように、被験者2の踝2dを、足先2bが載せられるフットプレート12の回転軸18の軸心上に位置させていると、フットプレート12の回転に伴って被験者2の下腿部2cが動くことは無く、該下腿部2cの筋力(下肢筋の筋力)の影響を排除して、より正確に足首の粘弾性係数を測定することができる。   If the heel 2d of the subject 2 deviates from the axis of the rotation shaft 18 of the foot plate 12 on which the foot tip 2b is placed, the position of the heel of the foot shifts back and forth as the foot plate 12 rotates. For this reason, it is inevitable that the lower leg 2c of the subject 2 moves back and forth, and the muscular strength of the lower leg 2c is applied to the foot plate 12 via the toes 2b (the lower limb muscle exerts the force), and accurately. It becomes difficult to measure the viscoelastic coefficient of the ankle. On the other hand, when the heel 2d of the subject 2 is positioned on the axis of the rotary shaft 18 of the foot plate 12 on which the foot 2b is placed as in the present invention, the foot plate 12 is rotated. The lower leg 2c of the subject 2 does not move, and the influence of the muscle strength of the lower leg 2c (muscle strength of the lower limb muscle) can be eliminated, and the viscoelastic coefficient of the ankle can be measured more accurately.

以上のような本発明に係る計測装置によって計測された足首の粘弾性係数は、例えば、高齢者の転倒事故の防止等に貢献し得る極めて有用な情報であると考える。すなわち、身体の各部位を異なった速さで動かすと、重心の位置は刻一刻と変化するが、それにもかかわらずバランスを崩すことなく立っていられるのは平衡機能の働きによるものである。この平衡機能は、高齢になると平常に働かなくなり、高齢者(総務省で定義されている65歳以上の方を示す)における転倒の主な原因となっている。また、平衡機能は、身体を支える支点となる足圧中心(center of presser:COP)の動きにより管理されており、足首のインピーダンス(粘弾性)特性によって大きな影響を受ける。従って、足首の粘弾性係数を正確に計測することができれば、被験者の平衡機能の低下度合いの推測が可能となり、転倒事故等の発生を未然に防ぐことが可能となる。また、足首の粘弾性係数を正確に計測することができれば、医学的リハビリテーションの現場において、平衡機能の回復具合を定量的に評価することも可能となる。
また、高齢者や治療中の患者に対して、立位姿勢で足首のインピーダンスを測定することは被験者の負担が大きく、そもそも測定自体が困難となるおそれがあるが、本発明に係る装置を用いれば、座位姿勢で測定を行うことができるため被験者の負担は少なく、実用利便性に優れている。
The ankle viscoelasticity coefficient measured by the measurement apparatus according to the present invention as described above is considered to be extremely useful information that can contribute to, for example, prevention of a fall accident of the elderly. That is, if each part of the body is moved at a different speed, the position of the center of gravity changes every moment, but it is nevertheless due to the balance function that it can stand without breaking the balance. This balance function does not work normally when aged, and is a major cause of falls in elderly people (showing those 65 years and older as defined by the Ministry of Internal Affairs and Communications). The balance function is managed by the movement of the center of pressure (COP), which is a fulcrum that supports the body, and is greatly influenced by the impedance (viscoelasticity) characteristics of the ankle. Accordingly, if the viscoelastic coefficient of the ankle can be accurately measured, it is possible to estimate the degree of decrease in the equilibrium function of the subject, and it is possible to prevent the occurrence of a fall accident or the like. In addition, if the ankle viscoelasticity coefficient can be accurately measured, it is possible to quantitatively evaluate the recovery of the equilibrium function in the field of medical rehabilitation.
In addition, for an elderly person or a patient being treated, measuring the impedance of the ankle in a standing posture places a heavy burden on the subject, and the measurement itself may be difficult in the first place, but the apparatus according to the present invention is used. For example, since the measurement can be performed in the sitting position, the burden on the subject is small and the practical convenience is excellent.

フットプレート12に、被験者2の踵を受け止めるための緩衝材28を配していると、フットプレート12内における足先2bの位置調整が容易となる。つまり、フットプレート12内において足先2bを位置調整しながら、しかも、足先固定具20を使って足先2bを確りと固定することが可能となる。このことは、被験者2の足のサイズとは無関係に、フットプレート12内で足先2bを所定位置(踝2dが回転軸18の軸心上に在る位置)に配置させることができることを意味し、装置の測定精度および実用利便性の向上に貢献できる。   When the cushioning material 28 for catching the subject's 2 eyelid is disposed on the foot plate 12, the position of the foot tip 2b in the foot plate 12 can be easily adjusted. That is, while adjusting the position of the foot tip 2 b in the foot plate 12, it is possible to securely fix the foot tip 2 b using the foot tip fixing tool 20. This means that the foot tip 2b can be placed in a predetermined position (position where the heel 2d is on the axis of the rotation shaft 18) in the foot plate 12 irrespective of the size of the foot of the subject 2. In addition, it can contribute to the improvement of the measurement accuracy and practical convenience of the device.

フットプレート12の回転軸18まわりの揺動回転限界を規制するための規制機構40を設けていると、フットプレート12が過剰に揺動回転することに起因にする測定事故の発生を確実に防ぐことができる。   Providing a regulation mechanism 40 for regulating the swing rotation limit of the foot plate 12 around the rotation shaft 18 reliably prevents measurement accidents caused by excessive swing rotation of the foot plate 12. be able to.

着座板11の上下方向の位置調整機構、および/又はフットプレート12の上下方向および/又は前後方向の位置調整機構を設けていると、被験者2の足の長さやサイズに応じた、踝2dの正確な位置調整、および下腿部2cの正確な姿勢調整が可能となる。すなわち、本発明者等は、立位姿勢における身体平衡維持機能のメカニズム解明には、座位姿勢でありながら、脚部については立位姿勢に近い状態、すなわち、下腿部2cが鉛直姿勢にある状態で足首インピーダンスを測定することが重要であると考えている。従って、着座板11およびフットプレート12の位置調整機構を設けていると、被験者2の身体部位(特に下腿部2c)の長さ寸法の大小とは無関係に、下腿部2cを鉛直姿勢とすることができ、本測定装置を使った足首インピーダンスの測定精度の向上を図ることができる。また、下腿部2cおよび踝2dの正確な位置調整を容易に行うことができるので、測定装置の実用利便性が格段に向上する点でも優れている。位置調整機構の具体例としては、機械式ジャッキ、油圧式ジャッキ、空気式ジャッキ等を挙げることができる。   When a vertical position adjustment mechanism for the seating plate 11 and / or a vertical position adjustment mechanism for the foot plate 12 and / or a front-rear position adjustment mechanism are provided, Accurate position adjustment and accurate posture adjustment of the lower leg 2c are possible. That is, for elucidating the mechanism of the body balance maintaining function in the standing posture, the present inventors are in the sitting posture but in the state close to the standing posture, that is, the lower leg 2c is in the vertical posture. We believe it is important to measure the ankle impedance in the state. Accordingly, when the position adjusting mechanism for the seating plate 11 and the foot plate 12 is provided, the lower leg 2c is set in the vertical posture regardless of the length of the body part of the subject 2 (particularly the lower leg 2c). Therefore, it is possible to improve the measurement accuracy of the ankle impedance using this measuring apparatus. Moreover, since accurate position adjustment of the lower leg 2c and the heel 2d can be easily performed, it is also excellent in that the practical convenience of the measuring device is greatly improved. Specific examples of the position adjustment mechanism include a mechanical jack, a hydraulic jack, a pneumatic jack, and the like.

本発明の足首インピーダンスの測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the measuring apparatus of the ankle impedance of this invention. 測定装置の外観斜視図である。It is an external appearance perspective view of a measuring device. 測定装置の平面図である。It is a top view of a measuring device. 図3のA−A線断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along line AA in FIG. 3. 本発明の測定装置を使った測定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measuring method using the measuring apparatus of this invention. 規制機構を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a control mechanism. 本発明の測定装置の回路構成を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the circuit structure of the measuring apparatus of this invention. 足首インピーダンスの算出方法を模式的に示す図である。It is a figure which shows the calculation method of an ankle impedance typically. トルクの設定値、実測角度値、およびトルクメータの実測値の経時的変化を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the time-dependent change of the setting value of torque, an actual measurement angle value, and the actual value of a torque meter. インピーダンス測定モデルを示す図である。It is a figure which shows an impedance measurement model. 別の足首インピーダンスの算出方法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the calculation method of another ankle impedance. 本発明の足首インピーダンスの測定装置の他の実施例を示す図である。It is a figure which shows the other Example of the measuring apparatus of the ankle impedance of this invention.

(実施例) 本発明に係る足首インピーダンスの測定装置について、図1乃至図7を参照して詳細に説明する。なお、本実施例の説明において、前後、左右、および上下方向は、図1乃至図4に示す矢印と、該矢印に付記された方向の記載に従う。 (Example) The ankle impedance measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In the description of this embodiment, front and rear, left and right, and up and down directions are in accordance with the arrows shown in FIGS. 1 to 4 and the directions attached to the arrows.

図1に示すように、本実施例に係る測定装置1は、被験者2が座った状態で弾性係数(k)および粘性係数(d)といった、被験者2の足首のインピーダンス(粘弾性係数)を測定するものである。図2に示すように、測定装置1は、左方に配されて被験者2が座る測定部3と、右方に配されてモータ31等が組み付けられた機械部4と、制御部5(図7参照)とからなる。   As shown in FIG. 1, the measuring apparatus 1 according to the present embodiment measures the ankle impedance (viscoelastic coefficient) of the subject 2 such as the elastic coefficient (k) and the viscosity coefficient (d) while the subject 2 is sitting. To do. As shown in FIG. 2, the measuring device 1 includes a measuring unit 3 that is disposed on the left and on which the subject 2 sits, a mechanical unit 4 that is disposed on the right and that includes a motor 31 and the like, and a control unit 5 (see FIG. 2). 7).

図1乃至図4に示すように、測定部3は、縦(上下)方向、前後水平方向、および左右水平方向に延びる複数本のフレームで構成されるフレーム体10を基体とするものであり、着座姿勢をとった際に被験者2の臀部2aを受け止める着座板11と、被験者2の足先2bが載せられるフットプレート12とを備える。   As shown in FIGS. 1 to 4, the measuring unit 3 is based on a frame body 10 composed of a plurality of frames extending in the vertical (vertical) direction, the front-rear horizontal direction, and the left-right horizontal direction, A sitting plate 11 that receives the buttocks 2a of the subject 2 when the sitting posture is taken, and a foot plate 12 on which the toes 2b of the subject 2 are placed.

図2に示すように、測定部3を構成するフレーム体10は、上下方向に走る複数本の縦支柱13と、これら縦支柱の間を繋ぐように、左右水平方向に走る複数本の左右横支柱14と前後水平方向に走る前後横支柱15とで構成される。各支柱13・14・15はアルミニウム製の角管である。   As shown in FIG. 2, the frame body 10 constituting the measuring unit 3 includes a plurality of vertical columns 13 that run in the vertical direction and a plurality of horizontal columns that run in the horizontal direction so as to connect the vertical columns. It is comprised by the support | pillar 14 and the front-back horizontal support | pillar 15 which runs in the front-back horizontal direction. Each support | pillar 13,14,15 is a square tube made from aluminum.

詳しくは、縦支柱13は、測定部3の左右端部に配された上下長さ寸法が大きな4本の縦支柱13a・13a・13b・13bと、該縦支柱13a・13bよりも上下長さ寸法の小さな縦支柱13c・13cとで構成される。前後横支柱15は、縦支柱13a・13bの上端どうしを連結する横支柱15aと、縦支柱13a・13bの上下方向の中途部と、縦支柱13cの上端とを連結する横支柱15bと、該横支柱15bよりも下方に配されて、縦支柱13a・13bの中途部どうしを連結する横支柱15cと、縦支柱13a・13b・13cの下端を連結する横支柱15dとで構成される。左右横支柱14は、縦支柱13a・13aの下端どうしを連結する横支柱14aと、縦支柱13c・13cの下端どうしを連結する横支柱14bと、縦支柱13c・13cの上端どうしを連結する横支柱14cと、横支柱15b・15bの前後方向の中途部どうしを連結する横支柱14dとで構成される。横支柱14c・14dは、着座板11を受け止める板受フレームを構成する。図1に示すように、横支柱15aの上端の高さ位置は、被験者2が着座姿勢を取った際に、おおよそ被験者2の肩の高さ位置にくるようになっている。   Specifically, the vertical strut 13 has four vertical struts 13a, 13a, 13b, and 13b that are arranged at the left and right ends of the measuring unit 3 and have a larger vertical length than the vertical struts 13a and 13b. It is composed of small vertical columns 13c and 13c. The front and rear horizontal struts 15 include a horizontal strut 15a that connects the upper ends of the vertical struts 13a and 13b, a horizontal strut 15b that connects the middle of the vertical struts 13a and 13b and the upper end of the vertical strut 13c, The horizontal support 15c is arranged below the horizontal support 15b and connects the middle portions of the vertical supports 13a and 13b, and the horizontal support 15d connects the lower ends of the vertical supports 13a, 13b, and 13c. The left and right horizontal struts 14 are a horizontal strut 14a that connects the lower ends of the vertical struts 13a and 13a, a horizontal strut 14b that connects the lower ends of the vertical struts 13c and 13c, and a horizontal link that connects the upper ends of the vertical struts 13c and 13c. It is comprised by the support | pillar 14c and the horizontal support | pillar 14d which connects the middle parts of the front-back direction of the horizontal support | pillar 15b * 15b. The horizontal struts 14c and 14d constitute a plate receiving frame that receives the seating plate 11. As shown in FIG. 1, the height position of the upper end of the horizontal strut 15a is approximately at the shoulder height position of the subject 2 when the subject 2 takes the sitting posture.

図1および図2に示すように、着座板11の前方には、該着座板11に被験者2が腰を降ろした際に、被験者2の下腿部2cおよび足先2bの挿入を許す測定空間Sが形成されており、該測定空間Sの下方にフットプレート12が配されている。フットプレート12は、左右一対の回転軸18・18により揺動可能に支持されている(図4参照)。図3および図4において、符号19・19は、フレーム体10(15c)に固定されたベアリングブロックを示しており、該ベアリングブロック19・19に回転軸18・18は支持されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, a measurement space that allows insertion of the lower leg 2 c and the toe 2 b of the subject 2 when the subject 2 sits down on the seating plate 11, in front of the seating plate 11. S is formed, and a foot plate 12 is disposed below the measurement space S. The foot plate 12 is swingably supported by a pair of left and right rotating shafts 18 and 18 (see FIG. 4). 3 and 4, reference numerals 19 and 19 denote bearing blocks fixed to the frame body 10 (15c), and the rotary shafts 18 and 18 are supported by the bearing blocks 19 and 19, respectively.

図2乃至図5に示すように、フットプレート12は、被験者2の足裏が接する底壁12aと、底壁12aの後端に立設された後壁12bと、底壁12aの左右端に立設された側壁12c・12cとを備え、上方および前方に開口を有する有底容器状に形成されている。底壁12aには、該底壁12a上に載せられた被験者2の足先2bを固定するための足先固定具20が、左右一対設けられている。各足先固定具20は、底壁12aに装着された左右一対のバンド21・21と、一方のバンド21の下面に配されたウレタン樹脂製の緩衝材22とで構成される。両バンド21・21には、面ファスナーが設けられており、足裏全体を底壁12aに接するように載せたうえで、足の甲側に緩衝材22を押し付ながら、両バンド21・21の面ファスナーどうしを係合させることにより、被験者2の足先2bを遊動不能に固定することができる。両足先固定具20・20の間には、フットプレート12の傾斜角度を検出するための角度センサ(角度検出手段)23が設けられている。   As shown in FIGS. 2 to 5, the foot plate 12 has a bottom wall 12 a that contacts the sole of the subject 2, a rear wall 12 b erected at the rear end of the bottom wall 12 a, and left and right ends of the bottom wall 12 a. It is formed in the shape of a bottomed container that has standing side walls 12c and 12c and that has openings upward and forward. The bottom wall 12a is provided with a pair of left and right foot tip fixing tools 20 for fixing the foot tip 2b of the subject 2 placed on the bottom wall 12a. Each foot fixing tool 20 includes a pair of left and right bands 21 and 21 attached to the bottom wall 12 a and a urethane resin cushioning material 22 disposed on the lower surface of the one band 21. Both bands 21, 21 are provided with hook-and-loop fasteners, and the entire soles are placed in contact with the bottom wall 12 a, and both bands 21, 21 are pressed against the back of the foot while the cushioning material 22 is pressed. By engaging the hook-and-loop fasteners, the toe 2b of the subject 2 can be fixed so as not to move freely. An angle sensor (angle detection means) 23 for detecting the inclination angle of the foot plate 12 is provided between the both foot tip fixtures 20.

図4に示すように、着座板11の前方には、着座姿勢における被験者2の下腿部2cを固定するための下腿固定具25が左右一対設けられている。各下腿固定具25は、左右横支柱14dに装着された左右一対のバンド26・26からなる。両バンド26・26には、面ファスナーが設けられている。各下腿固定具25に対応して左右横支柱14dには、緩衝材27が配されている。緩衝材27は、ウレタン樹脂を素材とする長方体形のブロック体である。緩衝材27にふくらはぎ上部を押し当てながら、下腿固定具25で被験者2の下腿部2cを固定することで、遊動不能に、しかも過度の圧迫感を与えることなく、下腿部2cを固定することができる。   As shown in FIG. 4, a pair of left and right leg fixing tools 25 for fixing the lower leg part 2 c of the subject 2 in the sitting posture are provided in front of the seating plate 11. Each crus fixing device 25 includes a pair of left and right bands 26 and 26 attached to the left and right lateral struts 14d. Both bands 26 and 26 are provided with hook-and-loop fasteners. Corresponding to each crus fixing device 25, a cushioning material 27 is arranged on the left and right horizontal struts 14d. The buffer material 27 is a rectangular block body made of urethane resin. By fixing the lower leg 2c of the subject 2 with the lower leg fixing device 25 while pressing the upper part of the calf against the cushioning material 27, the lower leg 2c is fixed without immobility and without giving excessive pressure. be able to.

図3および図5に示すように、フットプレート12の後壁12bには、各足先固定具20に対応して、被験者2の踵を受け止める緩衝材28が左右一対配されている。各緩衝材28は、ウレタン樹脂を素材とする長方体形のブロック体であり、この緩衝材28に踵を押し当てた際に、該緩衝材28が変形することで、足のサイズ等のとは無関係に、被験者2の足先2bを底壁12aの所望位置に位置させることができる。尤も、後述するように、この測定装置1では、被験者2の踝2dを回転軸18・18の軸心上に位置させることが重要であり、当該位置に踝2dが配されるように、被験者2の足先2bを底壁12a上で位置調整することが重要である。符号28aは、緩衝材28の前面に設けられた上下方向に長い凹溝を示しており、該凹溝28aに踵を合わることで、緩衝材28の過剰な反発力が踵に加わるのを防ぐことができる。なお、図2では、足先固定具20、下腿固定具25、および緩衝材22・27・28の記載を省略している。   As shown in FIGS. 3 and 5, a pair of left and right cushioning members 28 that receive the heel of the subject 2 are arranged on the rear wall 12 b of the foot plate 12 corresponding to each foottip fixture 20. Each cushioning material 28 is a rectangular block body made of urethane resin, and when the heel is pressed against this cushioning material 28, the cushioning material 28 is deformed, so that the size of the foot, etc. Regardless, the toe 2b of the subject 2 can be positioned at a desired position on the bottom wall 12a. However, as will be described later, in this measuring apparatus 1, it is important to place the heel 2d of the subject 2 on the axis of the rotation shafts 18 and 18, and the subject 2 so that the heel 2d is arranged at the position. It is important to position the second toe 2b on the bottom wall 12a. Reference numeral 28a denotes a vertically long concave groove provided on the front surface of the cushioning material 28. By fitting the ridge to the concave groove 28a, an excessive repulsive force of the cushioning material 28 is applied to the ridge. Can be prevented. In FIG. 2, the description of the foot tip fixing tool 20, the crus fixing tool 25, and the cushioning materials 22, 27, and 28 is omitted.

図2、図3および図4に示すように、機械部4は、長方体形に組まれたフレーム体30を基体とするものであり、該フレーム体30の内部に、フットプレート12の駆動源となるモータ(駆動源)31、減速機構32、トルクメータ(トルク検出手段)33、減速機構32の出力軸32aと回転軸18とを連結する伝動機構34などが組み付けられている。伝動機構34は、伝動軸35と、該伝動軸35の一端(右端)と減速機構32の出力軸32aとを連結する第1カップリング36と、測定部3から突出して機械部4の内部に至る右側の回転軸18と伝動軸35の他端(左端)とを連結する第2カップリング37とで構成される。伝動軸35の中途部には、伝動軸35に作用するトルクを計測するためのトルクメータ(トルク検出手段)33が設けられている。   As shown in FIGS. 2, 3, and 4, the mechanical unit 4 has a frame body 30 assembled in a rectangular shape as a base, and a drive source of the foot plate 12 is provided inside the frame body 30. A motor (drive source) 31, a reduction mechanism 32, a torque meter (torque detection means) 33, a transmission mechanism 34 that connects the output shaft 32 a of the reduction mechanism 32 and the rotary shaft 18, and the like are assembled. The transmission mechanism 34 includes a transmission shaft 35, a first coupling 36 that connects one end (right end) of the transmission shaft 35 and the output shaft 32 a of the speed reduction mechanism 32, and protrudes from the measurement unit 3 into the mechanical unit 4. And a second coupling 37 that connects the other end (left end) of the transmission shaft 35 to the right rotation shaft 18. A torque meter (torque detection means) 33 for measuring torque acting on the transmission shaft 35 is provided in the middle of the transmission shaft 35.

図3および図4に示すように、伝動軸35の中途部には、伝動軸35の回転限界、すなわち、フットプレート12の回転軸18まわりの揺動回転限界を規制するための規制機構40が設けられている。図6に示すように、規制機構40は、伝動軸35の中途部に装着される被規制部材41と、該被規制部材41に接触して、その移動限界を規制する規制部材42とからなる。被規制部材41は、上下一対の長方板状のプレート41a・41aと、両プレート41a・41aを連結するための一対のボルト41b・41bとで構成される。規制部材42は、支持プレート43に固定された前後一対の板体であり、両板体は下拡がりのハ字状の姿勢で支持プレート43に固定されている。図6において仮想線で示すように、伝動軸35の回転に伴って被規制部材41の姿勢角度が水平面に対して所定角度(本実施例では、±30°)に至ると、規制部材42に該被規制部材41が面接触状に接触し、これにて、被規制部材41、伝動軸35、回転軸18、およびフットプレート12の回転限界が規制されるようになっている。これにて、フットプレート12が過剰に揺動回転されることに起因して、被験者2が足首を痛めることを防ぐことができる。   As shown in FIGS. 3 and 4, a regulating mechanism 40 for regulating the rotation limit of the transmission shaft 35, that is, the swing rotation limit around the rotation shaft 18 of the foot plate 12, is provided in the middle of the transmission shaft 35. Is provided. As shown in FIG. 6, the regulation mechanism 40 includes a regulated member 41 mounted in the middle portion of the transmission shaft 35 and a regulating member 42 that contacts the regulated member 41 and regulates its movement limit. . The regulated member 41 includes a pair of upper and lower rectangular plate-like plates 41a and 41a and a pair of bolts 41b and 41b for connecting both the plates 41a and 41a. The restricting member 42 is a pair of front and rear plates fixed to the support plate 43, and both plates are fixed to the support plate 43 in a C-shaped posture that extends downward. As indicated by the phantom line in FIG. 6, when the attitude angle of the regulated member 41 reaches a predetermined angle (± 30 ° in this embodiment) with respect to the horizontal plane as the transmission shaft 35 rotates, the regulating member 42 The regulated member 41 comes into surface contact so that the rotational limits of the regulated member 41, the transmission shaft 35, the rotating shaft 18, and the foot plate 12 are regulated. Thus, the subject 2 can be prevented from hurting the ankle due to the foot plate 12 being excessively swung and rotated.

図7は、本実施例に係る測定装置1の回路構成を示すブロック図である。同図に示すように、この測定装置1は、装置全体を制御する制御部5からの信号によりモータ31を駆動してフットプレート12を揺動操作する。また、この制御部5には、揺動操作時において角度センサ23により検出されたフットプレート12の傾斜角度に関する検出結果、およびトルクメータ33により検出されたフットプレート12に作用するトルクに関する検出結果が送り込まれる。制御部5は、傾斜角度やトルクの検出結果が表示されるオシロスコープと、傾斜角度やトルクの検出結果に基づいて、足首の粘弾性係数を算出するパーソナルコンピュータと、パーソナルコンピュータからの制御信号をパルス化して、これをモータ31に送出するモーターコントローラなどで構成される。   FIG. 7 is a block diagram illustrating a circuit configuration of the measuring apparatus 1 according to the present embodiment. As shown in the figure, the measuring apparatus 1 drives the motor 31 by a signal from the control unit 5 that controls the entire apparatus to swing the foot plate 12. In addition, the control unit 5 includes a detection result regarding the inclination angle of the foot plate 12 detected by the angle sensor 23 during the swing operation and a detection result regarding the torque acting on the foot plate 12 detected by the torque meter 33. It is sent. The control unit 5 pulses an oscilloscope on which the tilt angle and torque detection results are displayed, a personal computer that calculates the viscoelastic coefficient of the ankle based on the tilt angle and torque detection results, and a control signal from the personal computer. And a motor controller or the like that sends it to the motor 31.

上記に規制機構40以外に、この測定装置1には種々の安全対策が講じられている。まず、モーターコントローラは、モータ31に流れる電流値を管理し、過電流が指定時間以上流れると、直ちにモータ31の回転を停止するようになっている。また、外乱やシステムを要因とした被験者2に危険を及ぼす可能性のあるトルクが伝動軸35に与えられると、機構的にモータ31より先に第1カップリング36が壊れ、トルクフリーとなるように設計されている。また、フレーム体10の上部に非常停止ボタン45を設けて、被験者2が危険を感じたときに該ボタン45を押圧操作すると、モータ31の回転が即時に停止されて、フットプレート12の回転が直ちに停止されるようになっている。   In addition to the restriction mechanism 40 described above, various safety measures are taken for the measuring device 1. First, the motor controller manages the value of the current flowing through the motor 31, and immediately stops the rotation of the motor 31 when an overcurrent flows for a specified time or longer. Further, when torque that may cause danger to the subject 2 due to disturbance or system is applied to the transmission shaft 35, the first coupling 36 is mechanically broken before the motor 31 so that the torque becomes free. Designed to. Further, when an emergency stop button 45 is provided on the upper portion of the frame body 10 and the subject 2 feels danger, when the button 45 is pressed, the rotation of the motor 31 is immediately stopped and the foot plate 12 is rotated. It will stop immediately.

次に、上記構成からなる測定装置1を使った足首インピーダンスの測定方法について、図8乃至図10を参照して説明する。かかる足首インピーダンスは、トルク(τ)と角度(θ)の測定(測定工程)と、これらトルク(τ)と角度(θ)のサンプルデータから最小二乗法を使った足首インピーダンス(弾性係数:k、粘性係数:d)の算出(算出工程)に大別できる。   Next, an ankle impedance measuring method using the measuring apparatus 1 having the above configuration will be described with reference to FIGS. The ankle impedance is obtained by measuring the torque (τ) and the angle (θ) (measurement process) and using the least square method from the sample data of the torque (τ) and the angle (θ) (elastic coefficient: k, Viscosity coefficient: can be roughly divided into calculation (d) of d).

測定工程においては、被験者2を着座板11の上に座らせてから、下腿固定具25および足先固定具20を使って、被験者2の下腿部2cと足先2bを固定する。このとき、被験者2の踝2dが回転軸18の軸心上に在るように、フットプレート12上における被験者2の足先位置を調整したうえで、被験者2の下腿部2cと足先2bを固定する。また、被験者2の下腿部2cが鉛直姿勢となるように、被験者2の座り位置や足先位置などを調整したうえで、被験者2の下腿部2cと足先2bを固定する。   In the measurement process, the subject 2 is seated on the seating plate 11, and then the lower leg part 2 c and the foot tip 2 b of the subject 2 are fixed using the lower leg fixing tool 25 and the foot tip fixing tool 20. At this time, after adjusting the toe position of the subject 2 on the foot plate 12 so that the heel 2d of the subject 2 is on the axis of the rotation shaft 18, the lower leg 2c and the toe 2b of the subject 2 are adjusted. To fix. Further, after adjusting the sitting position and the toe position of the subject 2 so that the lower leg 2c of the subject 2 is in a vertical posture, the lower leg 2c and the toe 2b of the subject 2 are fixed.

次に、フットプレート12を所定の初期角度姿勢(例えば水平姿勢(傾斜角度=0°))とする。具体的には、角度センサ23からの検出信号を勘案しながら、パーソナルコンピュータからモーターコントローラを介して指示を与えてモータ31を駆動させて、フットプレート12を初期角度姿勢となるまで揺動する。なお、モータ31が駆動されると、減速機構32の出力軸32aが駆動回転し、該出力軸32aの駆動回転力は、伝動機構34および回転軸18を介してフットプレート12に伝わり、これにて、フットプレート12を所定の初期角度姿勢とすることができる。   Next, the foot plate 12 is set to a predetermined initial angle posture (for example, a horizontal posture (tilt angle = 0 °)). Specifically, while taking the detection signal from the angle sensor 23 into consideration, an instruction is given from a personal computer via a motor controller to drive the motor 31, and the foot plate 12 is swung until it reaches the initial angle posture. When the motor 31 is driven, the output shaft 32a of the speed reduction mechanism 32 is driven to rotate, and the driving rotational force of the output shaft 32a is transmitted to the foot plate 12 via the transmission mechanism 34 and the rotating shaft 18, and to this. Thus, the foot plate 12 can be set to a predetermined initial angle posture.

次に、上記の初期角度姿勢から、フットプレート12を所定の角度範囲(例えば±15°)で、所定のトルク(τ1 )を加えながらゆっくりと揺動させ、このときの伝動軸35に作用するトルクの変化をトルクメータ33で計測する。具体的には、例えば、1周期が1秒以上の長周期となるように、所定のトルク(τ1 )を与えてフットプレート12を揺動させる。図9にトルク設定値(τ1 )、実側角度値(θ)、トルクメータ33によるトルク実測値(τ)の時間変化の例を示す。 Next, from the initial angle posture, the foot plate 12 is slowly swung while applying a predetermined torque (τ 1 ) within a predetermined angle range (for example, ± 15 °), and acts on the transmission shaft 35 at this time. The torque change is measured by the torque meter 33. Specifically, for example, the foot plate 12 is swung by applying a predetermined torque (τ 1 ) so that one cycle is a long cycle of 1 second or longer. FIG. 9 shows an example of the time change of the torque set value (τ 1 ), the actual side angle value (θ), and the actual torque value (τ) measured by the torque meter 33.

ここでは、フットプレート12が初期角度姿勢から所定の角度範囲(±15°)で揺動されたのちに初期角度姿勢に戻るまでの間(一周期)で、各角度(θ)におけるトルク(τ)を測定する。本測定装置1では、一つの周期において、数回から数千回の測定を行うことができる。また、測定は、数周期〜数十周期に亘って実行される。   Here, the torque (τ) at each angle (θ) until the footplate 12 returns to the initial angle posture after being swung from the initial angle posture within a predetermined angle range (± 15 °) (one cycle). ). In this measuring apparatus 1, it is possible to perform several to thousands of measurements in one cycle. Further, the measurement is performed over several cycles to several tens of cycles.

次の算出工程では、得られた実測角度(θ)とトルク実測値(τ)の値から、最小二乗法を使って弾性係数(k)と粘性係数(d)とを推定する(図8参照)。図10は、本発明装置のインピーダンス測定モデルである。同図からわかるように、伝動軸35には、測定時において、フットプレート12の重量(Mg)に由来する慣性モーメント(I1 )と、被験者2の足の重量(mg)に由来する慣性モーメント(I2 )とが作用する。従って、この測定モデルにおける力学式を示すと、以下の式(1)の如くとなる。 In the next calculation step, the elastic coefficient (k) and the viscosity coefficient (d) are estimated from the obtained measured angle (θ) and measured torque value (τ) using the least square method (see FIG. 8). ). FIG. 10 is an impedance measurement model of the device of the present invention. As can be seen from the figure, the transmission shaft 35 includes an inertia moment (I 1 ) derived from the weight (Mg) of the foot plate 12 and an inertia moment derived from the weight (mg) of the foot of the subject 2 at the time of measurement. (I 2 ) acts. Therefore, the dynamic equation in this measurement model is expressed as the following equation (1).

Figure 0005594689
Figure 0005594689

上記式(1)のうち、τはトルクメータ33の実測値、θは角度センサ23の実測値である。フットプレート12の質量(M)、フットプレート12の重心(G)からフットプレート12の回転中心までの距離(L)は、常に変わることの無い既知の値である。本実施例の測定装置1には、被験者2の足の質量(m)、およびCOPである(G2 )の位置を計測するためのフォースプレートを使用していない。これは、フォースプレートの重量による慣性モーメント(I2 )の増加を防ぐ目的、さらに(I2 )の増加に伴う被験者2の足に対する負荷を低減させて安全性を向上させるためである。しかし、被験者2の足の質量(m)は、実質的に下腿部2cと足先2bの質量であるので、当該質量(m)は、足(下腿部2cと足先2b)の被験者2の身体重に占める割合から算出できる。すなわち、人間の身体重に占める足の重量の割合は凡そ決まっているため、足の質量(m)は、被験者2の身長および体重データから推定可能な値である。また、COPである(G2 )の位置は、足のサイズから推定可能である。従って、(G2 )からフットプレート12の回転中心までの距離(L2 )も推定可能な値である。
以上のように、式(1)は、弾性係数(k)、粘性係数(d)の二つの未知の値を含むものとなる。
In the above formula (1), τ is an actual measurement value of the torque meter 33, and θ is an actual measurement value of the angle sensor 23. The mass (M) of the foot plate 12 and the distance (L 1 ) from the center of gravity (G 1 ) of the foot plate 12 to the center of rotation of the foot plate 12 are known values that do not always change. The measuring apparatus 1 of the present embodiment does not use a force plate for measuring the mass of the subject 2 (m) and the position of COP (G 2 ). This is for the purpose of preventing an increase in the moment of inertia (I 2 ) due to the weight of the force plate, and further reducing the load on the subject's 2 foot due to the increase in (I 2 ) to improve safety. However, since the mass (m) of the foot of the subject 2 is substantially the mass of the lower leg 2c and the toe 2b, the mass (m) is the subject of the foot (the lower leg 2c and the toe 2b). It can be calculated from the ratio of 2 to the body weight. That is, since the ratio of the weight of the foot to the human body weight is roughly determined, the foot mass (m) is a value that can be estimated from the height and weight data of the subject 2. Further, the position of (G 2 ) that is COP can be estimated from the size of the foot. Therefore, the distance (L 2) that can also be estimated value of to the rotational center of the foot plate 12 from (G 2).
As described above, the expression (1) includes two unknown values of the elastic coefficient (k) and the viscosity coefficient (d).

次に、上記式(1)を微分の差分近似により離散化して(θ)のみの式に変換し、当該式に所定のサンプリング間隔毎で得られた実測値(θ)(τ)を当てはめて、n個の角度データおよびトルクデータを取得する。ここで、上記式(1)を微分の差分近似により離散化すると以下の式(2)の如くとなる。式(3)は、式(2)をまとめたものである。   Next, the above equation (1) is discretized by differential approximation and converted into an equation of only (θ), and the measured value (θ) (τ) obtained at every predetermined sampling interval is applied to the equation. , N pieces of angle data and torque data are acquired. Here, when the above equation (1) is discretized by differential difference approximation, the following equation (2) is obtained. Expression (3) summarizes Expression (2).

Figure 0005594689
Figure 0005594689

Figure 0005594689
Figure 0005594689

最後に、疑似逆行例を用いた最小二乗法により、式(3)に含まれる誤差成分を最小にすることで、弾性係数(k)、粘性係数(d)を算出することができる。   Finally, the elastic coefficient (k) and the viscosity coefficient (d) can be calculated by minimizing the error component included in Equation (3) by the least square method using a pseudo-retrograde example.

上記の測定方法では、足の質量(m)、および(G2 )からフットプレート12の回転中心までの距離(L2 )は被験者2の身長および体重データから推定したが、式(1)における、弾性係数(k)、粘性係数(d)、および足の質量(m)と距離(L2 )を掛け合わせた数値(L2 m)の三つの未知の値を含むものとして算出しても良い(図11参照)。ここで、(L2 m)を一つの値としたのは、(L2 )または(m)の個々の値のみを用いての計算が式中にないためである。取得した角度データおよびトルクデータから、疑似逆行例を用いた最小二乗法により、式(3)に含まれる誤差成分を最小にすることで、弾性係数(k)、粘性係数(d)および足の質量とフットプレート12の回転中心までの距離を掛け合わせた数値(L2 m)を算出することができる。以上のように、図11に示す測定方法であっても、弾性係数(k)、粘性係数(d)を算出することができる。 In the above measurement method, the weight (m) of the foot and the distance (L 2 ) from (G 2 ) to the center of rotation of the foot plate 12 were estimated from the height and weight data of the subject 2, but in the formula (1) , The elastic modulus (k), the viscosity coefficient (d), and the numerical value (L 2 m) obtained by multiplying the foot mass (m) and the distance (L 2 ). Good (see FIG. 11). Here, (L 2 m) is set as one value because there is no calculation using only the individual values of (L 2 ) or (m) in the formula. By minimizing the error component included in Equation (3) from the obtained angle data and torque data by the least square method using a pseudo-reverse example, the elastic coefficient (k), the viscosity coefficient (d), and the foot A numerical value (L 2 m) obtained by multiplying the mass and the distance to the rotation center of the foot plate 12 can be calculated. As described above, even with the measurement method shown in FIG. 11, the elastic coefficient (k) and the viscosity coefficient (d) can be calculated.

図12に、本発明の別実施例を示す。図12では、着座板11の下方に機械式のジャッキ(位置調整機構)50を設けて、該ジャッキ50により被験者2の身体寸法に合わせて、着座板11の位置を上下方向に調整できるようにしている。また、フットプレート12の下方にジャッキ(位置調整機構)51を設けて、該ジャッキ51により被験者2の身体寸法に合わせて、フットプレート12の位置を上下方向に調整できるようにしている。また、ジャッキ51は、これを前後方向に移動可能に構成して、フットプレート12の位置を前後方向に調整できるようにしてもよい。この場合には、フットプレート12およびジャッキ51を支持するコ字状の支持体52を配し、この支持体52に左右一対の回転軸18・18を設けて揺動可能に支持するようにする。   FIG. 12 shows another embodiment of the present invention. In FIG. 12, a mechanical jack (position adjustment mechanism) 50 is provided below the seating plate 11 so that the position of the seating plate 11 can be adjusted in the vertical direction according to the body size of the subject 2 by the jack 50. ing. Further, a jack (position adjusting mechanism) 51 is provided below the foot plate 12 so that the position of the foot plate 12 can be adjusted in the vertical direction according to the body size of the subject 2 by the jack 51. Further, the jack 51 may be configured to be movable in the front-rear direction so that the position of the foot plate 12 can be adjusted in the front-rear direction. In this case, a U-shaped support body 52 that supports the foot plate 12 and the jack 51 is provided, and a pair of left and right rotating shafts 18 and 18 are provided on the support body 52 so as to be swingably supported. .

このように、ジャッキ50・51を配して、着座板11を上下方向に移動可能に構成するとともに、フットプレート12を上下および前後方向に移動可能に構成していると、より正確且つ確実に下腿部2cの位置合わせや、踝2dの位置合わせを行うことが可能となる。   As described above, the jacks 50 and 51 are arranged so that the seating plate 11 can be moved in the vertical direction, and the foot plate 12 is configured to be movable in the vertical direction and the front-rear direction. It is possible to align the crus 2c and the heel 2d.

1 足首インピーダンスの測定装置
2 被験者
2a 被験者の臀部
2b 被験者の足先
2d 被験者の踝
12 フットプレート
18 回転軸
23 角度検出手段(角度センサ)
28 緩衝材
31 駆動源(モータ)
33 トルク検出手段(トルクメータ)
40 規制機構
50 位置調整機構(ジャッキ)
51 位置調整機構(ジャッキ)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ankle impedance measuring apparatus 2 Test subject 2a Test subject's buttocks 2b Test subject's toe 2d Test subject's heel 12 Foot plate 18 Rotating shaft 23 Angle detection means (angle sensor)
28 Buffer material 31 Drive source (motor)
33 Torque detection means (torque meter)
40 Restriction mechanism 50 Position adjustment mechanism (jack)
51 Position adjustment mechanism (jack)

Claims (4)

被験者(2)が着座したときに、該被験者(2)の臀部(2a)を受け止める着座板(11)と、
水平に配された回転軸(18)まわりに揺動回転可能に構成されて、被験者(2)の足先(2b)が載せられるフットプレート(12)と、
前記回転軸(18)を介して、前記フットプレート(12)に駆動回転力を付与する駆動源(31)と、
揺動回転時に前記フットプレート(12)に加わるトルクを検出するためのトルク検出手段(33)と、
揺動回転時の前記フットプレート(12)の傾斜角度を検出するための角度検出手段(23)と、
着座姿勢における被験者(2)の下腿部(2c)を固定するための下腿固定具(25)と、
前記フットプレート(12)上に載せられた被験者(2)の足先(2b)を固定するための足先固定具(20)と、
を備え、
前記下腿固定具(25)および前記足先固定具(20)を使って、被験者(2)の踝(2d)が前記回転軸(18)の軸心上に位置するように被験者(2)の脚部を固定し、
かかる脚部の固定状態で、前記駆動源(31)を駆動して前記フットプレート(12)を前記回転軸(18)まわりに揺動回転駆動して、足先(2b)を踝(2d)まわりに上下方向に強制的に姿勢変位させ、
かかる足先(2b)を上下方向に姿勢変位させた際の前記トルク検出手段(33)による検出値と、前記角度検出手段(23)による検出値と、前記フットプレート(12)の質量(M)と、下腿部(2c)と足先(2b)の質量で規定される被験者の足の質量(m)と、前記回転軸(18)の軸心からフットプレート(12)の重心(G1)までの距離(L1)と、該回転軸(18)の軸心から足圧中心(G2)までの距離(L2)と、該フットプレート(12)の重心(G1)位置における該フットプレート(12)の重量に由来する慣性モーメント(I 1 )と、該足圧中心(G2)位置における被験者の足の重量に由来する慣性モーメント(I 2 )と、前記角度検出手段(23)による検出値から得られる角速度および角加速度と、に基づいて、足首の粘弾性係数を算出することを特徴とする足首インピーダンスの測定装置。
A sitting plate (11) for receiving the buttocks (2a) of the subject (2) when the subject (2) is seated;
A foot plate (12) configured to be swingable and rotatable about a rotation shaft (18) disposed horizontally, and on which a foot tip (2b) of the subject (2) is placed;
A driving source (31) for applying a driving rotational force to the foot plate (12) via the rotating shaft (18);
Torque detecting means (33) for detecting torque applied to the foot plate (12) during swinging rotation;
An angle detecting means (23) for detecting an inclination angle of the foot plate (12) at the time of swinging rotation;
A lower leg fixing device (25) for fixing the lower leg (2c) of the subject (2) in the sitting position;
A toe fixture (20) for fixing the toe (2b) of the subject (2) placed on the foot plate (12);
With
Using the crus fixing device (25) and the toe fixing device (20), the subject (2) is placed on the axis of the rotation shaft (18) so that the heel (2d) of the subject (2) is positioned on the axis of the rotation shaft (18). Fix the legs,
With the legs fixed, the drive source (31) is driven to drive the foot plate (12) to oscillate and rotate about the rotation shaft (18), so that the foot tip (2b) is heeled (2d). Forcibly displace the posture up and down around
The detected value by the torque detecting means (33) when the posture of the foot (2b) is displaced in the vertical direction, the detected value by the angle detecting means (23), and the mass (M of the foot plate (12)) ), The mass (m) of the subject's foot defined by the mass of the lower leg (2c) and the tip of the foot (2b), and the center of gravity (G1) of the foot plate (12) from the axis of the rotating shaft (18) ), The distance (L2) from the axis of the rotation shaft (18) to the foot pressure center (G2), and the foot plate (G1) at the center of gravity (G1) position of the foot plate (12). 12) the moment of inertia (I 1 ) derived from the weight of the subject, the moment of inertia (I 2 ) derived from the weight of the subject's foot at the position of the foot pressure center (G2 ), and the detected value by the angle detection means (23). and the angular velocity and angular acceleration obtained from the Zui, the measuring device of the ankle impedance and calculates the viscoelastic coefficients of the ankle.
前記フットプレート(12)には、足先(2b)を該フットプレート(12)に載せたとき、被験者(2)の踵を受け止めるための緩衝材(28)が配されている、請求項1記載の足首インピーダンスの測定装置。   The foot plate (12) is provided with a cushioning material (28) for receiving a heel of the subject (2) when the foot tip (2b) is placed on the foot plate (12). The ankle impedance measuring apparatus as described. 前記フットプレート(12)の前記回転軸(18)まわりの揺動回転限界を規制するための規制機構(40)を備える、請求項1又は2記載の足首インピーダンスの測定装置。   The ankle impedance measuring device according to claim 1 or 2, further comprising a regulating mechanism (40) for regulating a swing rotation limit of the foot plate (12) around the rotation axis (18). 前記着座板(11)の上下方向の位置調整機構(50)、および/又は前記フットプレート(12)の上下方向および/又は前後方向の位置調整機構(51)を備える、請求項1乃至3のいずれかに記載の足首インピーダンスの測定装置。   The position adjustment mechanism (50) of the up-down direction of the said seating board (11) and / or the position adjustment mechanism (51) of the up-down direction and / or the front-back direction of the said footplate (12) are provided. The ankle impedance measuring apparatus according to any one of the above.
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