JPH11325881A

JPH11325881A - 関節角の計測方法及びその装置

Info

Publication number: JPH11325881A
Application number: JP12872198A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Makikawa; 方昭牧川; Satoshi Kurata; 聡倉田; Hidemitsu Kobayashi; 秀光小林; Tetsuya Kagawa; 哲也香川
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Ritsumeikan Trust
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Ritsumeikan Trust
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 1999-11-26
Anticipated expiration: 2018-05-12
Also published as: JP3394979B2

Abstract

(57)【要約】【課題】行動範囲や関節運動等を拘束することなく、
移動を伴う関節運動を正確に計測することのできる関節
運動の計測方法及びその装置を提供すること。【解決手段】１軸関節２により接合された２つの枝部
３、４における１軸関節２の近傍で各々力学的なベクト
ルを計測する第１及び第２計測手段７、８と、これらの
第１及び第２計測手段７、８で計測されるベクトルが互
いに略等しいものとして２つの枝部３、４間の角度を算
出する算出手段とを備えたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人もしくはロボッ
ト等の関節の両側に位置する２つの枝部間の角度または
関節により接合される枝部と基部との間の角度を求める
関節角の計測方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、人の運動を様々な方法で計測
し、解析することが行われている。計測により得られた
データは、スポーツ技能の向上やジェスチャー認識によ
るヒューマンインターフェースの開発に用いられたり、
産業面では、製品の使用時における人の動きや作業によ
る負担の分析、労働環境評価等の分野で応用されてき
た。医療の分野では、リハビリテーションによる成果の
指標化や義肢の制作、調整といったことにも利用されて
いる。また、様々な疾患の原因究明等に際して、その疾
患等を生じた際にどのような運動を行っていたか、その
運動が生理的にどのような影響を及ぼしたかを知ること
は極めて重要である。

【０００３】人の運動の計測方法としては、何を計測す
るかに応じて、様々な方法が考えられてきた。人が広い
空間内においてどの位置にいるかを測定するのであれ
ば、人を一つの点とみなしてその点をマッピングすると
いう方法が用いられるが、指の関節角等のより細かな計
測においては分度計等が用いられる。また、人の動作や
行動を計測して解析するには、関節の回りでの上腕部や
前腕部等の運動を計測する必要がある。このときの計測
方法としては、非接触式のものとしてビデオカメラ等を
用いた光学的方法や磁気センサによるもの等が挙げられ
る。一方、接触式の計測方法として、回転式電気角度計
や伸縮性のある電気抵抗を使用した角度計等がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記光学的方法は、近
年におけるビデオカメラの性能向上や画像の解析方法の
進歩に伴い、人の運動をかなり正確に計測できるように
なっている。しかし、マーカ等を付けて計測を行う場合
は、マーカのずれや隠れ等の問題がある。また、磁気セ
ンサを用いた計測においては、計測範囲内に金属等の磁
気に影響を与えるものがあると、正確に計測ができない
等の問題がある。さらに、これらの手法は、非接触とい
う利点はあるが、被験者の行動範囲が制限されるといっ
た問題がある。また、上記電気角度計や電気抵抗による
計測は、関節に沿って装着するため、被験者の関節運動
が拘束されたり、急激な関節運動に対して計器が破損し
やすい問題がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決し、行動範囲や関節運動等を拘束することなく、移動
を伴う関節運動を正確に計測することのできる関節運動
の計測方法及びその装置を提供することを目的とする。
そのため、本発明の請求項１の関節角の計測方法は、１
軸関節により接合された２つの枝部における上記１軸関
節の近傍で各々力学的なベクトル（例えば、加速度）を
計測し、上記２つの枝部の各計測位置におけるベクトル
が互いに略等しいものとして上記２つの枝部間の角度を
算出することを特徴とするものである。

【０００６】１軸関節の回りで屈曲運動をする時、１つ
の枝部が上記１軸関節の回りで回転する。この場合、上
記１つの枝部におけるベクトルの計測は１軸関節の近傍
で行われるので、上記回転運動によるベクトルはほとん
ど生じないものとすることができる。また、今１つの枝
部が上記１軸関節と反対側の端部を中心に回転運動を行
った時、上記２つの枝部でのベクトルの計測は１軸関節
の近傍で行われるので、上記２つの枝部でのベクトルは
略等しいものとすることができ、このことを利用して上
記２つの枝部の間の角度、つまり、関節角を求めること
ができる。

【０００７】ここで、「１軸関節」とは、例えば、人の
肘または膝のように１方向のみの屈曲（回転）のみが可
能な関節をいい、「１軸関節」が人の肘である場合、上
腕部が１つの「枝部」に、前腕部が今１つの「枝部」に
該当する。また、「１軸関節」が膝である場合、腿の部
分が１つの「枝部」に、脛の部分が今１つの「枝部」に
該当する。なお、１軸関節は１方向のみに屈曲可能なも
のであれば、人以外の動物の関節やロボットアームの関
節等であってもよく、ロボットアームの場合、その１軸
関節の両側に位置する２つのアーム部が２つの「枝部」
に該当する。

【０００８】請求項２の関節角の計測方法は、３軸関節
により接合された基部と枝部または３軸関節により接合
された２つの枝部における上記３軸関節の近傍で各々２
組の力学的なベクトルを計測し、上記基部と枝部の各計
測位置または上記２つの枝部の各計測位置における上記
２組のベクトルが各々互いに略等しいものとして上記基
部と肢部間または上記２つの枝部間のＸ、Ｙ及びＺ方向
の角度を算出することを特徴とするものである。

【０００９】ここで、「３軸関節」とは、人の肩または
股関節のように、２方向の屈曲（回転）及び捩じりが可
能な関節をいい、例えば、３軸関節が人の肩である場
合、人の胴体が「基部」に該当し、前腕部が「枝部」に
該当し、３軸関節が「股関節」である場合、胴体が「基
部」に該当し、腿の部分が「枝部」に該当する。また、
３軸関節は人以外の動物やロボットアーム等の３軸関節
であってもよく、且つ３軸関節は、必ずしも基部と枝部
間に位置していなくても、２つの枝部間に位置していて
もよい。

【００１０】請求項３の関節角の計測方法は、請求項１
または２の方法において、上記力学的なベクトルが速
度、加速度、角速度、角加速度または位置ベクトルを含
むことを特徴とするものである。ここで、位置ベクトル
とは、センサの取付方向によって値の異なる位置情報で
ある。

【００１１】請求項４の関節角の計測装置は、１軸関節
により接合された２つの枝部における上記１軸関節の近
傍に各々着脱自在に取り付けられ力学的なベクトルを計
測する第１及び第２計測手段と、これらの第１及び第２
計測手段で計測されるベクトルが互いに略等しいものと
して上記２つの枝部間の角度を算出する算出手段とを備
えたことを特徴とするものである。

【００１２】請求項５の関節角の計測装置は、３軸関節
により接合された基部と枝部または３軸関節により接合
された２つの枝部における上記３軸関節の近傍に各々取
り付けられ各々２組の力学的なベクトルを計測する第１
及び第２計測手段と、これら第１及び第２計測手段で計
測される上記２組のベクトルが各々互いに略等しいもの
として上記基部と枝部間または上記２つの枝部間のＸ、
Ｙ及びＺ方向の角度を算出する算出手段とを備えたこと
を特徴とするものである。

【００１３】請求項６の関節角の計測装置は、請求項４
または５の構成において、上記力学的なベクトルが速
度、加速度、角速度、角加速度または位置ベクトルを含
むことを特徴とするものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図面に基づいて説明する。図１に示すように、１軸関
節である人の肘２の関節運動を計測する計測装置１は、
肘２の両側の上腕部３（１つの枝部）及び前腕部４（今
１つの枝部）に各々巻付状態で取り付けられる可撓性支
持具としてのサポータ５、６と、各サポータ５、６上に
設けられた第１及び第２加速度センサ７、８（第１及び
第２計測手段）と、これら第１及び第２加速度センサ
７、８に接続される、図示しないコンピュータ等からな
る算出手段とを備えてなるものである。

【００１５】第１及び第２加速度センサ７、８は、各々
その主平面に平行なＸ方向の加速度（力学的なベクト
ル）と主平面と直交するＹ方向の加速度（力学的なベク
トル）とを検出できるものであり、肘２の回りの関節角
の測定に際して、前述のように、肘２の近傍における上
腕部３及び前腕部４に取り付けられ、且つＸ、Ｙ平面同
士が平行となるように取り付けられる。

【００１６】ここで、第１加速度センサ７により検出さ
れる加速度をａ、そのＸ方向の加速度成分をａ_x1、Ｙ方
向の加速度成分をａ_y1とし、第２加速度センサ８により
検出される加速度をａ’、そのＸ方向の加速度成分をａ
_x2、Ｙ方向の加速度成分をａ _y2とすると、前述のよう
に、第１及び第２加速度センサ７、８がともに肘２の近
傍に取り付けられていることから、ａとａ’はほぼ等し
くなる。

【００１７】ａ＝ａ’とすると、第１及び第２加速度セ
ンサ７、８の加速度成分（ａ_x1、ａ _y1）と（ａ_x2、
ａ_y2）の関係は図２のように表すことができる。但し、
θは上腕部２と前腕部３との間の関節角であり、第１及
び第２加速度センサ７、８のＸ成分同士ａ_x1、ａ_x2のな
す角度、Ｙ成分同士ａ_y1、ａ_y2同士のなす角度も各々θ
となる。これにより、（ａ_x1、ａ_y1）と（ａ_x2、ａ_y2）
との関係は、以下の数１中の行列式（１）で表される。

【００１８】

【数１】

【００１９】上記行列式（１）を解くことにより、以下
の数２中（２）及び（３）に示す連立方程式が得られ、
これを解くことにより、（４）式に示すように、関節角
θを求めることができる。従って、肘２の回りの関節角
θの計測に際しては、第１及び第２加速度センサ７、８
で各々加速度のＸ、Ｙ成分（ａ_x1、ａ_y1）及び（ａ_x2、
ａ_y2）を計測し、これらの計測値を上記算出装置に送信
して（４）式による演算を行うのみでよい。

【００２０】

【数２】

【００２１】上記第１及び第２加速度センサ７、８とし
ては、具体的には容量型の３軸加速度センサ（例えば、
住友精密工業株式会社製のＣ３Ａ−０２−３０）等を用
いることができる。この容量型の３軸加速度センサは静
電容量の変化を電圧に変換するもので、加速度をＸ、
Ｙ、Ｚの３軸成分に分解して検出することが可能であ
る。なお、本実施の形態は、１軸関節の回りの関節角を
求めるものであるから、第１及び第２加速度センサ７、
８は、Ｘ、Ｙの２軸成分に分解して検出できるものであ
ってもよい。また、上記図示しない算出装置として、コ
ンピュータを用いた場合、第１及び第２加速度センサ
７、８と上記コンピュータとの間に適宜のＡ／Ｄ変換器
を配置すればよい。このコンピュータとしては、被験者
の身体に装着可能な程度の小型のものを用いることも可
能である。

【００２２】次に、テストアーム（ロボットアーム）を
用いて、本実施の形態の計測装置１で算出した関節角
と、通常の角度センサで検出した関節角とがどの程度一
致しているかを試験した結果を示す。図３に示すよう
に、テストアーム１０は、基部１１と２つの枝部１２、
１３からなり、２つの枝部１２、１３間の第１関節１４
及び基部１１と枝部１２間の第２関節１５はともに１軸
関節として構成されるとともに、第１及び第２関節１
４、１５には各々図示しない通常の角度センサ（ポテン
ショメータ）が設けられている。枝部１２、１３は長さ
が約３０ｃｍ、厚さが３ｍｍのアクリル板で形成され、
第１関節１４の高さは約３０ｃｍである。また、第１関
節１４の近傍の２つの枝部１２、１３には各々第１及び
第２加速度センサ７、８が取り付けられる。

【００２３】図４に測定結果を示す。この測定において
は、第２関節１５の回りで枝部１２を２回屈曲、伸展さ
せる間に第１関節１４の回りで枝部１３を数回屈曲、伸
展させ。図４中の曲線Ｉは第１関節１４に設けた角度セ
ンサにより求めた２つの枝部１２、１３間の関節角、曲
線IIは本実施の形態の計測装置１により求めた枝部１
２、１３間の関節角、曲線III は第２関節１５に設けた
角度センサにより求めた基部１１と枝部１２との間の関
節角（枝部１２が水平方向に対してなす角度）である。
この結果から、本実施の形態の計測装置１による計測結
果は従来の角度センサによる計測結果とほぼ合致してお
り、計測装置１による計測精度は充分に高いものである
ことを証明している。

【００２４】図５及び図６に上記計測装置１の第１及び
第２加速度センサ７、８を実際に肘２の近傍の上腕部３
と前腕部４に取り付けて、上腕部３と前腕部４との間の
関節角を測定した結果を示す。図５は肘２を地面に対し
て垂直な平面内でほぼ一定の周期で屈曲、伸展を繰り返
した場合の時間経過と関節角との関係を示し、図６は肘
２を地面と平行な平面内でほぼ一定の周期で屈曲、伸展
を繰り返した場合の時間経過と関節角との関係を示す。

【００２５】なお、上記実施の形態では、肘２の近傍の
上腕部３側及び前腕部４側で各々加速度を計測して両者
が互いに略等しいものとすることにより、肘２の回りの
関節角を算出するようにしたが、肘２の近傍の上腕部３
側及び前腕部４側で、各々加速度以外の他の力学的なベ
クトル、例えば、速度、角速度、角加速度または位置ベ
クトルを計測し、上腕部３側及び前腕部４側における上
記ベクトルが互いに略等しいものとすることによって
も、肘２の回りの関節角の算出が可能である。

【００２６】さらに、肘２の近傍の上腕部３及び前腕部
４で各々２種類以上のベクトルを計測し、予め定めた条
件に基づいて、いずれかのベクトルを選択的に使用する
ことにより、関節角を算出することも可能である。例え
ば、上述のように、関節角を求めるためのベクトルとし
て加速度を用いた場合、肘関節が屈曲、伸展を行う平面
内に加速度が生じない場合は、関節角の算出が不可能で
あり、加速度が小さい範囲では正確な関節角の算出が困
難となる。

【００２７】すなわち、実際の計測においては、第１及
び第２加速度センサ７、８を取り付けているサポータ
５、６の伸縮作用によって、個々の加速度センサ７、８
に固有の加速度が生じるため、２つの加速度センサ７、
８に同時に生じる共有の加速度が小さくなると、固有の
加速度の影響が大きくなり、正確な関節角の計測が難し
い。

【００２８】そのため、第１及び第２加速度センサ７、
８で検出される加速度が一定値（例えば、０．４Ｇ）以
上の場合は加速度に基づいて関節角を算出し、第１及び
第２加速度センサ７、８で検出される加速度が一定値未
満の場合、加速度以外の他のベクトル、例えば、角速度
に基づいて関節角を算出するようにすることもできる。
この場合、上腕部３側及び前腕部４側に、各々加速度セ
ンサ７、８以外に角速度検出用のジャイロセンサを取り
付けておけばよい。なお、上記計測装置１を用いた関節
角の計測は、肘２以外の人の膝等の他の１軸関節や、動
物、ロボット等の１軸関節における関節角の計測にも利
用できることはいうまでもない。

【００２９】次に、本発明の第２の実施の形態を説明す
る。図７に示すように、３軸関節である人の肩関節の回
りの関節角を計測する計測装置１６は、胴体１７（基
部）における肩の近傍に取り付けられる可撓性支持具と
してのサポータ１８と、上記肩の近傍の上腕部３に取り
付けられるサポータ１９とを備え、サポータ１８、１９
上には各々第１及び第２加速度センサ２０、２１（第１
及び第２計測手段）が設けられるとともに、これらの加
速度センサ２０、２１の計測データに基づいて、上記胴
体に対する上腕部３のＸ、Ｙ、Ｚ方向の角度を求めるコ
ンピュータ等の算出手段（図示せず）が設けられてい
る。

【００３０】第１加速度センサ２０は、そのＺ軸が胴体
１７の上下方向に、Ｙ軸が胴体１７の前後方向に、Ｘ軸
が胴体１７の左右方向を向くように胴体１７に装着され
る。また、第２加速度センサ２１は、上腕部３を自然に
胴体１７の側方に沿って降ろした状態で、そのＸ、Ｙ、
Ｚ軸が第１加速度センサ２０のＸ、Ｙ、Ｚ軸と一致する
ように上腕部３に装着される。

【００３１】以下、肩関節２２の回りの関節角の計測方
法につき説明する。胴体１７側の第１加速度センサ２０
のＸ、Ｙ、Ｚ軸を基準座標系｛Ａ｝とし、上腕部３側の
第２加速度センサ２１のＸ、Ｙ、Ｚ軸を運動座標系
｛Ｂ｝とすると、胴体１７に対する上腕部３の運動は、
上記基準座標系｛Ａ｝と運動座標系｛Ｂ｝の位置関係に
よって表され、図７の状態では基準座標系｛Ａ｝と運動
座標系｛Ｂ｝は一致している。

【００３２】図８に示すように、上腕部３を回転させる
と、それに伴って、運動座標系｛Ｂ｝が基準座標系
｛Ａ｝に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向へ回転することになる
が、この時、運動座標系｛Ｂ｝は基準座標系｛Ａ｝のＺ
軸についてφ、Ｙ軸についてθ、Ｘ軸についてψだけ回
転させたものであるとして、２つの座標系の回転移動を
表現する。また、上腕部３の動きをより理解しやすいも
のとして表現するために、図９に示すように、上述の
ψ、φ、θを用いて、胴体１７に対する挙上角α、前後
方向移動角βを求めることにする。

【００３３】次に、運動座標系｛Ｂ｝を基準座標系
｛Ａ｝と一致した状態からＺ軸、Ｙ軸、Ｘ軸について順
次回転移動させる場合の、回転変換行列を求める。ま
ず、Ｚ軸についてφ回転させる時の回転変換行列は、以
下の数３中の（５）式で表される。

【数３】

【００３４】次に、運動座標系｛Ｂ｝をＹ軸についてθ
回転させる場合の回転変換行列は、次の数４中の（６）
式で表される。

【数４】

【００３５】続いて、運動座標系｛Ｂ｝をＸ軸について
φ回転させる場合の回転変換行列は、次の数５中の
（７）式で表される。

【数５】

【００３６】従って、Ｚ軸、Ｙ軸、Ｘ軸についての回転
移動を順次行った時の回転変換行列Ｒ_zyxは以下の数６
中の（８）式のように表される。

【数６】

【００３７】次に、胴体１７側の第１加速度センサ２０
で計測される加速度のＸ、Ｙ、Ｚ成分を（ａ_x1、ａ_y1、
ａ_z1）、上腕部３側の第２加速度センサ２１で計測され
る加速度のＸ、Ｙ、Ｚ成分を（ａ_x2、ａ_y2、ａ_z2）とす
る。１軸関節の場合と同様、第１及び第２加速度センサ
２０、２１は肩関節の近傍に取り付けられており、第１
及び第２加速度センサ２０、２１に生じる加速度は略等
しいものとできるので、加速度成分（ａ_x1、ａ_y1、
ａ_z1）と（ａ_x2、ａ_y2、ａ_z2）の関係は、上記回転変換
行列Ｒ_zyxを用いて、次の数７中の（９）式のように表
される。この（９）式は不定であり、（９）式のみから
φ、ψ、θを決定することはできない。

【００３８】

【数７】

【００３９】このため、本発明では、第１及び第２加速
度センサ２０、２１で計測されるＸ、Ｙ、Ｚの３方向の
加速度成分を、図１０に示すようなＣＲフィルタ２３で
フィルタリングすることにより、重力加速度成分を取り
出した。このときの、胴体１７に装着した第１加速度セ
ンサ２０から得られる重力加速度成分を（ｇ_x1、ｇ_y1、
ｇ_z1）、上腕部３に装着した第２加速度センサ２１から
得られる重力加速度成分を（ｇ_x2、ｇ_y2、ｇ_z2）とする
と、２つの重力加速度成分の関係は、元の加速度成分と
同様に上記回転変換行列Ｒ_zyxを用いて、次の数８中の
（１０）式のように表される。上記（９）式とこの（１
０）式とに基づいて、φ、ψ、θを決定した。

【００４０】

【数８】

【００４１】上腕部３の運動をより理解しやすくするた
めに用いた上記挙上角α、前後方向移動角βの算出方法
を以下に示す。上腕部３に装着した第２加速度センサ２
１は、Ｚ軸が肩から上腕部３方向を向くように装着され
ているので、上腕部３に装着した第２加速度センサ２１
のＺ軸が胴体１７に対していかなる方向であるかを表せ
ばよい。運動座標系｛Ｂ｝のＺ軸は基準座標系｛Ａ｝に
対する方向は、回転角θ、φを用いて図９のように表さ
れる。この図９から、挙上角α、前後方向移動角βは、
次の数１０中の（１１）、（１２）式のように表され
る。

【００４２】

【数９】

【００４３】次に、上記の計測装置１６により、実際に
肩の回りの関節角を計測した結果を図１１に示す。ここ
では、被験者が自然な立位の状態から上腕部３を体の前
方に肩の高さまで上げた後、元の立位の状態に戻す動作
を行い、その間に上記第１及び第２加速度センサ２０、
２１の計測値に基づいて上記３方向の回転角φ、θ、ψ
を不図示のコンピュータにより算出した。図１１中曲線
ＩはＺ軸についての回転角φ、曲線IIはＹ軸についての
回転角θ、曲線III はＸ軸についての回転角ψの時間的
変化を算出した結果を各々示している。また、上記挙上
角α、前後方向移動角βの時間的変化を上記計測装置１
６で算出したものを図１２中曲線Ｉ及びIIに示す。

【００４４】なお、上記の計測方法において、被験者が
静止している時は、上記（９）式で表される加速度成分
と、（１０）式で表される重力加速度成分とが等しくな
り、関節角を決定することができなくなる。そのため、
上記加速度成分と重力加速度成分との差がある一定値よ
り小さくなって両者が略等しくなった場合、関節角の変
化が生じていないものとみなして、加速度成分と重力加
速度成分との差が上記一定値より小さくなる直前の関節
角をそのまま維持しているものとすればよい。

【００４５】また、この第２の実施の形態においても、
第１の実施の形態と同様に、加速度以外の速度、角速
度、角加速度、位置ベクトル等の他の力学的なベクトル
を利用して３軸関節の関節角の算出を行うこともでき、
必要により、２種類以上ベクトルを、所定の条件の下で
使い分けて関節角の算出を行うことも可能である。ま
た、上記計測装置１６を用いた関節角の計測は、人の股
関節等の他の基部（胴体１７）と枝部（腿の部分）間の
３軸関節や、足首の関節等の２つの枝部間の３軸関節、
さらに、動物やロボット等の３軸関節における関節角の
計測にも利用できることはいうまでもない。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
の関節角の計測方法は、１軸関節により接合された２つ
の枝部における上記１軸関節の近傍で各々力学的なベク
トルを計測し、上記２つの枝部の各計測位置におけるベ
クトル（例えば、加速度等）が互いに略等しいものとし
て上記２つの枝部間の角度を求めるものであるから、従
来の各種計測方法と異なり、計測中における被験者等の
行動範囲が制限されたり、関節の運動が拘束されること
がなく、且つ被験者等が移動中であっても１軸関節の関
節角を正確に測定することが可能になる。

【００４７】請求項２の関節角の計測方法は、３軸関節
により接合された基部と枝部または３軸関節により接合
された２つの枝部における上記３軸関節の近傍で各々２
組の力学的なベクトルを計測し、上記基部及び枝部の各
計測位置または上記２つの枝部の各計測位置における上
記２組のベクトルが各々互いに略等しいものとして上記
基部と肢部間または上記２つの枝部間のＸ、Ｙ及びＺ方
向の角度を求めるものであるから、従来の各種計測方法
と異なり、計測中の行動範囲が制限されたり、関節の運
動が拘束されることがなく、且つ移動中であっても３軸
関節の関節角を正確に測定することが可能となる。

【００４８】請求項３の関節角の計測方法は、請求項１
または２の方法において、上記力学的なベクトルが速
度、加速度、角速度、角加速度または位置ベクトルを含
むものであり、関節が１軸関節か３軸関節に応じて、こ
れらの中から任意の１または２のベクトルを使用するこ
とにより、関節角を容易に且つ正確に計測することがで
きるようになる。

【００４９】請求項４の関節角の計測装置は、１軸関節
により接合された２つの枝部における上記１軸関節の近
傍に各々着脱自在に取り付けられ力学的なベクトルを計
測する第１及び第２計測手段と、これらの第１及び第２
計測手段で計測されるベクトルが互いに略等しいものと
して上記２つの枝部間の角度を算出する算出手段とを備
えたものであるから、従来の各種計測装置と異なり、計
測中における被験者等の行動範囲が制限されたり、関節
の運動が拘束されることがなく、且つ被験者等が移動中
であっても１軸関節の関節角を正確に測定することがで
きるとともに、構造簡単で安価な計測装置を提供するこ
とが可能となる。

【００５０】請求項５の関節角の計測装置は、３軸関節
により接合された基部と枝部または３軸関節により接合
された２つの枝部における上記３軸関節の近傍に各々取
り付けられ各々２組の力学的なベクトルを計測する第１
及び第２計測手段と、これら第１及び第２計測手段で計
測される上記２組のベクトルが各々互いに略等しいもの
として上記基部と枝部間または上記２つの枝部間のＸ、
Ｙ及びＺ方向の角度を算出する算出手段とを備えたもの
であるから、従来の各種計測装置と異なり、計測中にお
ける被験者等の行動範囲が制限されたり、関節の運動が
拘束されることがなく、且つ被験者等が移動中であって
も３軸関節の関節角を正確に測定することができるとと
もに、構造簡単で安価な計測装置を提供することが可能
となる。

【００５１】請求項６の関節角の計測装置は、請求項４
または５の構成において、上記力学的なベクトルが速
度、加速度、角速度、角加速度または位置ベクトルを含
むものであるから、関節が１軸関節か３軸関節かに応じ
て、これらの中から任意の１または２のベクトルを使用
することにより、関節角を容易に且つ正確に計測するこ
とができるとともに、構造簡単で安価な計測装置を提供
することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る計測装置を被
験者の上腕部と前腕部とに装着した状態を示す概略斜視
図。

【図２】上記計測装置を用いて関節角を求める原理を示
す説明図。

【図３】テストアームを用いて上記計測装置の計測精度
を試験する様子を示す概略正面図。

【図４】上記テストアームを用いて上記計測装置及び通
常の角度センサで関節角を計測した結果を示すグラフ。

【図５】地面に対して垂直な平面内での前腕部の回転運
動を上記計測装置で計測した結果を示すグラフ。

【図６】地面に対して平行な平面内での前腕部の回転運
動を上記計測装置で計測した結果を示すグラフ。

【図７】本発明の第２の実施の形態に係る計測装置を被
験者の胴体と上腕部とに装着した状態をしそ巣概略斜視
図。

【図８】図７の計測装置を装着した状態で上腕部を運動
させる様子を示す概略斜視図。

【図９】挙上角及び前後方向移動角を求める原理を示す
説明図。

【図１０】加速度における重力加速度成分をフィルタリ
ングするためのＣＲフィルタを示す説明図。

【図１１】被験者が自然な立位の状態から上腕部を胴体
の前方に肩の高さまで上げて元に戻す動作を行う際の
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の角度を図７の計測装置を用いて計測し
た結果を示すグラフ。

【図１２】図１１の計測時に上記挙上角及び前後方向移
動角を上記計測装置で同時に求めた結果を示すグラフ。

【符号の説明】

１、１６計測装置２肘（１軸関節）３上腕部（１つの枝部）４前腕部（今１つの枝部）７、２０第１加速度センサ（第１計測手段）８、２１第２加速度センサ（第２計測手段）１７胴体２２肩関節（３軸関節）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者倉田聡滋賀県草津市野路東１−１−１立命館大学びわこ・くさつキャンパス理工学部内 (72)発明者小林秀光兵庫県尼崎市扶桑町１番10号住友精密工業株式会社内 (72)発明者香川哲也兵庫県尼崎市扶桑町１番10号住友精密工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１軸関節により接合された２つの枝部に
おける上記１軸関節の近傍で各々力学的なベクトルを計
測し、上記２つの枝部の各計測位置におけるベクトルが
互いに略等しいものとして上記２つの枝部間の角度を算
出することを特徴とする関節角の計測方法。
【請求項２】３軸関節により接合された基部と枝部ま
たは３軸関節により接合された２つの枝部における上記
３軸関節の近傍で各々２組の力学的なベクトルを計測
し、上記基部と枝部の各計測位置または上記２つの枝部
の各計測位置における上記２組のベクトルが各々互いに
略等しいものとして上記基部と肢部間または上記２つの
枝部間のＸ、Ｙ及びＺ方向の角度を算出することを特徴
とする関節角の計測方法。
【請求項３】上記力学的なベクトルが速度、加速度、
角速度、角加速度または位置ベクトルを含むことを特徴
とする請求項１または２記載の関節角の計測方法。
【請求項４】１軸関節により接合された２つの枝部に
おける上記１軸関節の近傍に各々着脱自在に取り付けら
れ力学的なベクトルを計測する第１及び第２計測手段
と、これらの第１及び第２計測手段で計測されるベクト
ルが互いに略等しいものとして上記２つの枝部間の角度
を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする関節角
の計測装置。
【請求項５】３軸関節により接合された基部と枝部ま
たは３軸関節により接合された２つの枝部における上記
３軸関節の近傍に各々取り付けられ各々２組の力学的な
ベクトルを計測する第１及び第２計測手段と、これら第
１及び第２計測手段で計測される上記２組のベクトルが
各々互いに略等しいものとして上記基部と枝部間または
上記２つの枝部間のＸ、Ｙ及びＺ方向の角度を算出する
算出手段とを備えたことを特徴とする関節角の計測装
置。
【請求項６】上記力学的なベクトルが速度、加速度、
角速度、角加速度または位置ベクトルを含むことを特徴
とする請求項４または５記載の関節角の計測装置。