特許 7057556 被服、解析装置および被検者の関節回動角を計測する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-12

(45)【発行日】2022-04-20

(54)【発明の名称】被服、解析装置および被検者の関節回動角を計測する方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/30 20060101AFI20220413BHJP

   A61B 5/11 20060101ALI20220413BHJP

【ＦＩ】

G01B7/30 D

A61B5/11 230

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2017249306

(22)【出願日】2017-12-26

(65)【公開番号】P2019113496

(43)【公開日】2019-07-11

【審査請求日】2020-12-03

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000150774

【氏名又は名称】株式会社槌屋

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】平田 仁

(72)【発明者】

【氏名】岩月 克之

(72)【発明者】

【氏名】山田 整

(72)【発明者】

【氏名】下田 真吾

(72)【発明者】

【氏名】大野 健介

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 陽久

(72)【発明者】

【氏名】吉田 統

【審査官】續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１４－５２８０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１４６２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９８６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１２５９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１７３５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／２０４３２３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ７／３０

Ａ６１Ｂ ５／１１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一方向へ伸縮されると静電容量が変化し、伸縮方向へ縦長の形状を有する複数の繊維型センサが備えられた被服であって、
前記複数の繊維型センサは、被検者が前記被服を装着した場合に、
前記被検者の肩関節に対応する位置に、当該肩関節から伸びる腕部のうち胸部側に長辺が沿うように組み込まれた第１センサと、
前記肩関節に対応する位置に、長辺が胸部側から背部側へ向かうように組み込まれた第２センサと、
前記肩関節に対応する位置に、当該肩関節から伸びる腕部のうち背部側に長辺が沿うように組み込まれた第３センサと、を含む
被服。

【請求項2】

前記複数の繊維型センサは、被検者が前記被服を装着した場合に、
前記肩関節に隣接する肘関節に対応する位置に、腕部に長辺が沿うように組み込まれた第４センサをさらに含む
請求項１に記載の被服。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の被服と接続して用いられる解析装置であって、
前記被検者が計測対象となる前記肩関節を回動させるキャリブレーション動作を行うことによって得られる前記第１～第３センサの出力から、それぞれの軸周りの回動角を算出するための、前記第１～第３センサのそれぞれの出力に対する重み付け係数を算出する係数算出部と、
前記重み付け係数を用いて、前記被検者の任意の動作に対するそれぞれ軸周りの回動角を算出する回動角算出部と
を備える解析装置。

【請求項4】

一方向へ伸縮されると静電容量が変化し、伸縮方向へ縦長の形状を有する複数の繊維型センサが備えられた被服を、被検者が装着する装着ステップと、
解析装置のコンピュータが、前記被検者が計測対象となる肩関節を回動させるキャリブレーション動作を行うことによって得られる前記繊維型センサの出力から、それぞれの軸周りの回動角を算出するための、前記繊維型センサのそれぞれの出力に対する重み付け係数を算出する係数算出ステップと、
前記コンピュータが、前記重み付け係数を用いて、前記被検者の任意の動作に対するそれぞれ軸周りの回動角を算出する回動角算出ステップと
を有する被検者の関節回動角を計測する方法であって、
前記複数の繊維型センサは、前記装着ステップにおいて、前記被検者が前記被服を装着した場合に、
前記肩関節に対応する位置に、当該肩関節から伸びる腕部のうち胸部側に長辺が沿うように組み込まれた第１センサと、
前記肩関節に対応する位置に、長辺が胸部側から背部側へ向かうように組み込まれた第２センサと、
前記肩関節に対応する位置に、当該肩関節から伸びる腕部のうち背部側に長辺が沿うように組み込まれた第３センサと、を含む
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被服、解析装置および被検者の関節回動角を計測する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

繊維に導電性の伸縮部材を編み込み、伸縮部材の伸縮によって生じる静電容量の変化を測定することで、当該繊維に加わる圧力などを計測する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－１７７５６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１によれば、導電性の伸縮素材を埋め込んだ繊維型センサを、腕の肘の動きを計測するシステムに応用する例が示されている。肘の動きのように１軸周りに回動する動きであればその解析は比較的容易であるが、人体は２軸以上の自由度を以て回動する関節を有する。被検者の装着感が良好なこのような繊維型センサを用いて、２軸以上の自由度を有する関節のそれぞれの軸周りの回動角を解析することは、これまで非常に困難であった。

【0005】

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、被検者の装着感を維持しつつ、２軸以上の自由度を有する関節のそれぞれの軸周りの回動角を比較的容易に解析するための、繊維型センサが備えられた被服等を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の態様における被服は、一方向へ伸縮されると静電容量が変化する繊維型センサが備えられた被服であって、被検者が当該被服を装着した場合に被検者の少なくとも２軸周りに回動可能な関節に対応する位置に、少なくとも２つの繊維型センサが互いに平行とならないように組み込まれている。

【0007】

被検者がこのような被服を着れば、複数の繊維型センサは被検者の身体に対して自ずと好ましい位置に配置される。すなわち、補助者等が被検者に対してセンサの厳密な配置作業を行わなくても良い。そして、少なくとも２つの繊維型センサが互いに平行とならないように組み込まれていることから、同一関節の少なくとも２つの軸周りのそれぞれの回動動作を、相互に与え合う影響も考慮して解析するためのセンサ出力を提供することができる。

【0008】

また、上記の被服において、当該関節は肩関節であり、少なくとも、肩関節から伸びる腕部に沿って胸部側に１つと背部側に１つ、および胸部側から背部側へ向かって１つの繊維型センサが組み込まれていると良い。肩関節は３つの軸周りに回動できるので、それぞれの回動動作を解析するためには、このような繊維型センサの配置が好ましいとの知見を得た。

【0009】

また、上記の被服において、関節に隣接する隣接関節に対応する位置にも、繊維型センサが組み込まれていると良い。ある関節の回動動作は、その関節に隣接する関節の回動動作からも多少の影響を受けるので、隣接する関節の回動動作も計測対象にすると良い。計測対象を肩関節とする場合には、隣接関節は肘関節であり、少なくとも、腕部に沿って１つの繊維型センサが組み込まれると良い。肩関節の回動動作は、肘関節の回動動作から影響を受けることがわかったので、肩関節の回動動作を計測対象とする場合には、肘関節の回動動作も併せて監視すると良い。

【0010】

本発明の第２の態様は、第１の態様の被服と接続して用いられる解析装置であって、被検者が計測対象となる関節を回動させるキャリブレーション動作を行うことによって得られる繊維型センサの出力から、それぞれの軸周りの回動角を算出するための、繊維型センサのそれぞれの出力に対する重み付け係数を算出する係数算出部と、重み付け係数を用いて、被検者の任意の動作に対するそれぞれ軸周りの回動角を算出する回動角算出部とを備える。被服に備えられた繊維型センサは、当該被服を着る被検者の身体に対して厳密な位置調整がなされるわけではないので、まずはキャリブレーションを被検者に行わせることにより、センサの出力とそれぞれの軸周りの回動角の相関関係を把握する。具体的には、それぞれの軸周りの回動角を算出するための、繊維型センサのそれぞれの出力に対する重み付け係数を算出する。このように係数を予め算出しておくことにより、ある軸周りの回動角を算出する場合であっても、その回動動作によって敏感に反応するセンサの出力のみならず、他のセンサの出力も重み付け係数を介して取り込むことにより、より精確な回動角を算出することができる。

【0011】

本発明の第３の態様における被検者の関節回動角を計測する方法は、一方向へ伸縮されると静電容量が変化する少なくとも２つの繊維型センサを互いに平行とならないように、被検者の少なくとも２軸周りに回動可能な関節に対応する位置に装着する装着ステップと、解析装置のコンピュータが、被検者が計測対象となる関節を回動させるキャリブレーション動作を行うことによって得られる繊維型センサの出力から、それぞれの軸周りの回動角を算出するための、繊維型センサのそれぞれの出力に対する重み付け係数を算出する係数算出ステップと、コンピュータが、重み付け係数を用いて、被検者の任意の動作に対するそれぞれ軸周りの回動角を算出する回動角算出ステップとを有する。

【0012】

少なくとも２つの繊維型センサが、予め被服に組み込まれている場合に限らず、補助者等が被検者の身体に装着する場合であっても、少なくとも２つの繊維型センサを互いに平行とならないように装着するという簡単なルールに従って装着すれば、回動動作の回動角をより精確に算出することができる。すなわち、上述のように、キャリブレーションを被検者に行わせることにより、センサの出力とそれぞれの軸周りの回動角の相関関係を把握することができ、より精確な回動角を算出することができる。また、繊維型センサを用いるので、被検者の装着感も良好である。

【発明の効果】

【0013】

本発明により、被検者の装着感を維持しつつ、２軸以上の自由度を有する関節のそれぞれの軸周りの回動角を比較的容易に解析するための、繊維型センサが備えられた被服等を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】測定システムの全体構成を示す概略図である。

【図2】繊維型センサの構成を示す図である。

【図3】肩関節の第１の回動動作を説明する図である。

【図4】肩関節の第２の回動動作を説明する図である。

【図5】肩関節の第３の回動動作を説明する図である。

【図6】肘関節の回動動作を説明する図である。

【図7】キャリブレーション動作の一例を示す図である。

【図8】それぞれのセンサ出力の一例を示す図である。

【図9】実際の回動動作と計算された回動角とを比較する図である。

【図10】一連の測定工程を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。

【0016】

図１は、被検者の関節回動角を計測する計測システム１００の全体構成を示す概略図である。計測システム１００は、主に、被検者が装着する被服２００と、被服２００からの信号を取得して回動動作を解析する解析用ＰＣ３００と、その結果を表示するモニタ４００によって構成される。本実施形態においては、被検者の右肩と右肘の回動動作を解析するシステムとして説明する。

【0017】

被服２００は、全体としては一般的な繊維で編まれた衣服であるが、所定の位置に複数の繊維型センサ２１０が組み込まれている。具体的には後述するが、繊維型センサ２１０は、一方向へ伸縮されると静電容量が変化するセンサである。繊維型センサ２１０は、静電容量が変化する伸縮方向へ縦長の形状を有する。被服２００には、４つの繊維型センサ２１０が組み込まれている。

【0018】

第１センサ２１０ａは、右肩の肩関節に対応する位置であって、当該肩関節から伸びる右腕部のうち胸部側に長辺が沿うように組み込まれている。第２センサ２１０ｂは、右肩の肩関節に対応する位置であって、長辺が胸部側から背部側へ向かうように組み込まれている。第３センサ２１０ｃは、右肩の肩関節に対応する位置であって、当該肩関節から伸びる右腕部のうち背部側に長辺が沿うように組み込まれている。第４センサ２１０ｄは、右肘の肘関節に対応する位置であって、右腕部のうち背部側に長辺が沿うように組み込まれている。なお、右肘の肘関節は、身体的に右肩の肩関節に隣接する関節であり、右肩の肩関節の回動動作が右肘の肘関節の回動動作に多少の影響を与え、同様に、右肘の肘関節の回動動作が右肩の肩関節の回動動作に多少の影響を与える関係にある。

【0019】

それぞれの繊維型センサ２１０（第１センサ２１０ａ～第４センサ２１０ｄ）の出力は、制御ユニット２２０へ集約されてＡＤ変換され、近距離無線通信によって解析用ＰＣ３００へ送信される。なお、制御ユニット２２０と解析用ＰＣ３００との通信は、直接的な近距離無線通信に限らず、クラウドサーバーを介しての通信でも構わないし、有線接続による通信でも構わない。

【0020】

解析用ＰＣ３００は、例えばデスクトップＰＣであり、制御ユニット２２０から繊維型センサ２１０の出力を受信して被検者の右肩および右肘の動作に関する解析を実行する解析装置として機能する。解析用ＰＣ３００は、ＣＰＵである、制御演算プログラムを実行するシステム制御部３１０を備える。システム制御部３１０は、機能演算部として、計数算出部３１１と回動角算出部３１２とを備える。係数算出部３１１は、被検者が計測対象となる関節を回動させるキャリブレーション動作を行うことによって得られる繊維型センサ２１０の出力から、それぞれの軸周りの回動角を算出するための、繊維型センサ２１０のそれぞれの出力に対する重み付け係数を算出する。回動角算出部は、係数算出部が算出した重み付け係数を用いて、被検者の任意の動作に対するそれぞれ軸周りの回動角を算出する。具体的な動作と算出手順については後述する。

【0021】

モニタ４００は、例えば液晶モニタであり、解析用ＰＣ３００と接続されている。解析用ＰＣ３００で計算、解析された結果は、被検者や監督者が視認可能なように、モニタ４００に表示される。

【0022】

図２は、繊維型センサ２１０の構成を示す図である。繊維型センサ２１０は、横糸として交互に配置された第１導電糸２１１および第２導電糸２１２と、これらに交叉する縦糸である絶縁糸２１５が互いに織り込まれた基本構造を有する。第１導電糸２１１および第２導電糸２１２は、導電線（例えばステンレス線）を芯として備え、その周囲を非導電鞘（例えばポリエステルの中空糸）が取り囲む構造を有する。絶縁糸２１５は、伸縮性を備え、例えばポリウレタン繊維を素材とするストレッチ糸が用いられる。これにより、繊維型センサ２１０は、加えられる引張力に応じて矢印方向に伸びることができ、伸びに応じて第１導電糸２１１と第２導電糸２１２の間隔が拡がる。

【0023】

第１導電糸２１１は、それぞれの一端部が第１電極線２１３に接続されている。同様に、第２導電糸２１２は、それぞれの一端部が第２電極線２１４に接続されている。第１電極線２１３および第２電極線２１４は、それぞれ導電線（例えばステンレス線）であれば良いが、非導電性素材で被覆されていても良い。なお、第１電極線２１３および第２電極線２１４は、絶縁糸２１５が矢印方向へ伸張する作用を妨げないだけの長さを有し、引張力を受けていない通常時には撚れて縮んでいる。

【0024】

ここで、静電容量の変化について簡単に説明する。単位長さの導電平行線の静電容量Ｃ_ｐは、第１導電糸２１１と第２導電糸２１２の間隔をＤ、それぞれの導電糸の半径をａ、誘電体の誘電率をε_０とすると、次の式（１）で表される。

【数1】

【0025】

繊維型センサ２１０全体の静電容量Ｃは、隣り合う第１導電糸２１１と第２導電糸２１２で形成されるキャパシタが並列に接続されていると見なすことができることから、このキャパシタの総数をＭｃ，向かい合う第１導電糸２１１と第２導電糸２１２の幅をＷとすると、次の式（２）で表される。

【数2】

【0026】

したがって、加えられる引張力に応じて第１導電糸２１１と第２導電糸２１２の間隔が拡がると静電容量Ｃが変化するので、第１電極線２１３および第２電極線を検出回路に接続してこの変化を観察すれば、繊維型センサ２１０の伸張量を計測することができる。このような繊維型センサ２１０を、例えば肘関節の近傍に装着すれば、肘の回動に追従して繊維型センサ２１０が伸張する。そして、繊維型センサ２１０の出力の変化を観察すれば、繊維型センサ２１０の伸張量と肘の回動角との相関関係を把握することができる。したがって、一度その相関関係を把握できれば、その後の肘の回動動作に対して、繊維型センサ２１０の出力から当該回動動作の回動角を算出することができる。なお、最初の装着状態において若干伸張した状態となるように繊維型センサ２１０を配置すれば、回動動作に伴って収縮する変化も観察することができる。

【0027】

このように、肘関節のような１軸周りの回動を許容する関節の回動動作であれば、１つの繊維型センサ２１０の出力を観察すればその回動角を比較的高い精度で算出することができる。しかし、肩関節のように２軸以上の自由度を以て回動する関節に対しては、単一の繊維型センサ２１０の出力の変化を観察するだけでは、それぞれの回動角を算出することができない。また、何ら考慮することなく複数の繊維型センサ２１０を装着するだけでは、それぞれのセンサ出力とそれぞれの軸周りの回動角との対応関係が把握できない。

【0028】

そこで、本実施形態においては、上述のように、肩関節に対応する位置に、肩関節が許容する回動軸の自由度に合わせて３つの繊維型センサ２１０（第１センサ２１０ａ、第２センサ２１０ｂ、第３センサ２１０ｃ）を配置している。具体的には、第１センサ２１０ａと第２センサ２１０ｂ、第２センサ２１０ｂと第３センサ２１０ｃが、それぞれの伸長方向が互いに平行とならないように配置している。なお、対応する２つのセンサの伸長方向が成す角は、４５度以上１３５度以下が好ましい。このように配置すれば、それぞれのセンサ出力とそれぞれの軸周りの回動角との対応関係が把握できる。以下に具体的に説明する。

【0029】

図３は、肩関節の第１の回動動作を説明する図である。第１の回動動作は、図示するように、両肩を通る水平軸を肩関節の第１軸と定めた場合の、第１軸周りの回動動作である。この第１軸周りの回動角をθ_ｗ１とする。

【0030】

係数算出部３１１は、キャリブレーションとして、被検者が第１軸周りに腕を回動させたときの繊維型センサ２１０の出力を取得する。なお、このキャリブレーションにおいては、肘関節に対応して配置した第４センサ２１０ｄの出力も併せて取得する。具体的には、被検者にキャリブレーション動作として、例えば、θ_ｗ１＝０度（腕を垂直に下げた状態）、θ_ｗ１＝４５度、θ_ｗ１＝９０度（腕を前方向へ水平に保った状態）の順に腕を上げさせ、その都度それぞれのセンサ出力値を取得しサンプリングデータとして記憶する。なお、キャリブレーション動作においては、補助者等の目分量で角度を判断しても良いが、併設した他のセンサの出力や被検者を撮像した撮像データなどを用いて、より正しい角度を算出して対応付けても良い。この場合は、一定周期でサンプリングすることにより、回動角θ_ｗ１と各センサ出力との組（サンプリングデータ）を連続的に生成して記憶することができる。なお、他のセンサの出力や撮像データから算出される回動角は、正確な値であるものとする。

【0031】

このような第１軸周りのキャリブレーション動作を複数回繰り返して、サンプリングデータを蓄積すれば、回動角θ_ｗ１と各センサ出力の対応関係を把握することができる。具体的には、サンプリングデータを重回帰分析にかけることにより、次の式（３）の重み付け係数ａ_１１、ａ_１２、ａ_１３、ａ_１４と、定数ｂ_１を算出する。なお、第１センサ２１０ａの出力をＬ_１、第２センサ２１０ｂの出力をＬ_２、第３センサ２１０ｃの出力をＬ_３、第４センサ２１０ｄの出力をＬ_１４とする。

【数3】

【0032】

キャリブレーションにより式（３）が定まれば、その後の第１軸周りの任意の回動動作に対して、その時に得られるセンサ出力から回動角θ_ｗ１を算出することができる。

【0033】

図４は、肩関節の第２の回動動作を説明する図である。第２の回動動作は、図示するように、胸部側から背部側へ向かう水平軸を第２軸と定めた場合の、第２軸周りの回動動作である。この第２軸周りの回動角をθ_ｗ２とする。

【0034】

係数算出部３１１は、キャリブレーションとして、被検者が第２軸周りに腕を回動させたときの繊維型センサ２１０の出力を取得する。なお、ここでも第４センサ２１０ｄの出力も併せて取得する。具体的には、被検者にキャリブレーション動作として、例えば、θ_ｗ２＝０度（腕を垂直に下げた状態）、θ_ｗ２＝４５度、θ_ｗ２＝９０度（腕を右方向へ水平に保った状態）の順に腕を上げさせ、その都度それぞれのセンサ出力値を取得しサンプリングデータとして記憶する。この場合も、第１軸の場合と同様に撮像データ等を利用しても良い。

【0035】

このような第２軸周りのキャリブレーション動作を複数回繰り返して、サンプリングデータを蓄積すれば、回動角θ_ｗ２と各センサ出力の対応関係を把握することができる。具体的には、サンプリングデータを重回帰分析にかけることにより、次の式（４）の重み付け係数ａ_２１、ａ_２２、ａ_２３、ａ_２４と、定数ｂ_２を算出する。

【数4】

【0036】

キャリブレーションにより式（４）が定まれば、その後の第２軸周りの任意の回動動作に対して、その時に得られるセンサ出力から回動角θ_ｗ２を算出することができる。

【0037】

図５は、肩関節の第３の回動動作を説明する図である。第３の回動動作は、図示するように、上腕の伸長方向を第３軸と定めた場合の、第３軸周りの回動動作（ねじり動作）である。この第３軸周りの回動角をθ_ｗ３とする。

【0038】

係数算出部３１１は、キャリブレーションとして、被検者が第３軸周りに腕を回動させたときの繊維型センサ２１０の出力を取得する。なお、ここでも第４センサ２１０ｄの出力も併せて取得する。具体的には、被検者にキャリブレーション動作として、例えば、θ_ｗ３＝０度（手の平が垂直の状態）、θ_ｗ３＝４５度、θ_ｗ３＝９０度（手の平が水平の状態）の順に腕をねじらせ、その都度それぞれのセンサ出力値を取得しサンプリングデータとして記憶する。この場合も、第１軸の場合と同様に撮像データ等を利用しても良い。

【0039】

このような第３軸周りのキャリブレーション動作を複数回繰り返して、サンプリングデータを蓄積すれば、回動角θ_ｗ３と各センサ出力の対応関係を把握することができる。具体的には、サンプリングデータを重回帰分析にかけることにより、次の式（５）の重み付け係数ａ_３１、ａ_３２、ａ_３３、ａ_３４と、定数ｂ_３を算出する。

【数5】

【0040】

キャリブレーションにより式（５）が定まれば、その後の第３軸周りの任意の回動動作に対して、その時に得られるセンサ出力から回動角θ_ｗ３を算出することができる。

【0041】

本実施形態においては、肘関節の回動動作も計測対象とする。図６は、肘関節の回動動作を説明する図である。肘関節の回動動作は、図示するように、肘関節の回動軸を第４軸と定めた場合の、第４軸周りの回動動作である。この第４軸周りの回動角をθ_ｗ４とする。

【0042】

そもそも肘関節に対応する位置に第４センサ２１０ｄが装着されているので、第４センサ２１０ｄの出力のみを観察すれば、回動角θ_ｗ４との対応関係を把握することができる。しかし、肘関節の回動動作は、その時の肩関節の状態から影響を受けることがわかってきた。そこで、本実施形態においては、肩関節のセンサの出力を併せて利用することにより、算出される回動角θ_ｗ４の精度向上を図る。なお、肩関節の回動角θ_ｗ１、θ_ｗ２、θ_ｗ３の算出に第４センサ２１０ｄの出力も用いるのは同様の理由であり、肩関節の回動動作は、その時の肘関節の状態から影響を受けることがわかってきたからである。すなわち、計測対象となる関節の回動動作は、隣接する関節の回動動作も考慮すれば、より精度良く回動角を算出することができる。

【0043】

係数算出部３１１は、キャリブレーションとして、被検者が第４軸周りに腕を回動させたときの繊維型センサ２１０の出力を取得する。具体的には、被検者にキャリブレーション動作として、例えば、θ_ｗ４＝０度（前腕を垂直に下げた状態）、θ_ｗ４＝４５度、θ_ｗ４＝９０度（前腕を水平にした状態）の順に腕を上げさせ、その都度それぞれのセンサ出力値を取得しサンプリングデータとして記憶する。この場合も、第１軸の場合と同様に撮像データ等を利用しても良い。

【0044】

このような第４軸周りのキャリブレーション動作を複数回繰り返して、サンプリングデータを蓄積すれば、回動角θ_ｗ４と各センサ出力の対応関係を把握することができる。具体的には、サンプリングデータを重回帰分析にかけることにより、次の式（６）の重み付け係数ａ_４１、ａ_４２、ａ_４３、ａ_４４と、定数ｂ_４を算出する。

【数6】

【0045】

キャリブレーションにより式（６）が定まれば、その後の第４軸周りの任意の回動動作に対して、その時に得られるセンサ出力から回動角θ_ｗ４を算出することができる。

【0046】

式（３）から式（６）を纏めると、次の式（７）で表される。

【数7】

【0047】

上述においては、対象とする軸周りのキャリブレーションを実行する場合には、他の軸周りの回動角を一定に保つことを前提として説明した。しかし、式（７）からもわかるように、例えば１分程度の間に被検者に自由に腕を動かしてもらい、その間に取得される（θ_ｗ１，θ_ｗ２，θ_ｗ３，θ_ｗ４）と（Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４）の組合せであるサンプリングデータを相当数蓄積すれば、重回帰分析により式（７）の重み付け係数行列と定数ベクトルを算出することができる。

【0048】

次に実際の検証結果について説明する。図７は、検証として行ったキャリブレーション動作の一例を示す図である。横軸は、サンプリング回数であり、実質的には経過時間を表す。縦軸は、他のセンサによって計測された第１軸周りの回動角を表す。計測結果の変化からもわかるように、被検者は、第１軸周りに腕の上げ下げを３回繰り返した。

【0049】

図８は、図７に示すキャリブレーション動作を実行した時に得られた、各センサの出力値を示す図である。横軸は、図７と同様にサンプリング回数であり、実質的には経過時間を表す。縦軸は、センサ出力を表す。二点鎖線は第１センサ２１０ａの出力Ｌ_１の変化を表し、点線は第２センサ２１０ｂの出力Ｌ_２の変化を表し、実線は第３センサ２１０ｃの出力Ｌ_３の変化を表し、一点鎖線は第４センサ２１０ｄの出力Ｌ_４の変化を表す。腕の上げ動作に応じて、第３センサ２１０ｃが大きく伸張する一方で、第２センサ２１０ｂが収縮している様子がわかる。このキャリブレーション動作から得られたサンプリングデータを重回帰分析して得られた重み付け係数は、ａ_１１＝０．０１７、ａ_１２＝－０．０２１、ａ_１３＝０．１４０、ａ_１４＝０．３９０であり、定数は、ｂ_１＝－５５．９９６である。

【0050】

図９は、実際の回動動作である図７の計測値と、図８のサンプリングデータによって算出された重み付け係数および定数を式（３）に当てはめて計算した算出値とを重ねて比較した図である。横軸、縦軸は図７と同様であり、点線が計測値を示し、実線が算出値を示す。両者は比較的良好に一致しており、本実施形態における計測手法が実用に耐えることを表している。

【0051】

図１０は、測定システム１００を用いて回動角θ_ｗ１～θ_ｗ４を測定する一連の測定工程を示すフロー図である。被検者は、ステップＳ１０１において、被服２００を装着する。これにより、被服２００に埋め込まれた第１センサ２１０ａ～第３センサ２１０ｃは肩関節に対応する位置に配置され、第４センサ２１０ｄは肘関節に対応する位置に配置される。

【0052】

ステップＳ１０２において、被検者は第１軸から第４軸までそれぞれに応じたキャリブレーション動作を行う。被検者がキャリブレーション動作を試行している期間に、制御ユニット２２０は、第１センサ２１０ａ～第４センサ２１０ｄの出力であるＬ_１～Ｌ_４を逐次収集して解析用ＰＣ３００へ送信する。係数算出部３１１は、制御ユニット２２０から受信したＬ_１～Ｌ_４を、その時点で別センサの出力等から算出された計測値である回動角θ_ｗ１～θ_ｗ４と組み合わせてサンプリングデータとして蓄積する。

【0053】

キャリブレーション動作の試行が終了したら、ステップＳ１０３へ進み、係数算出部３１１は、蓄積したサンプリングデータを重回帰分析にかけることにより、重み付け係数行列と定数ベクトルを算出する。重み付け係数行列と定数ベクトルを算出に成功したら、その旨をモニタ４００に表示しても良い。また、本試行が可能となった旨を表示しても良い。

【0054】

被検者は、ステップＳ１０４で、肩関節および肘関節を任意に動作させる本試行を行う。被検者が本試行を行っている期間に、制御ユニット２２０は、第１センサ２１０ａ～第４センサ２１０ｄの出力であるＬ_１～Ｌ_４を逐次収集して解析用ＰＣ３００へ送信する。回動角算出部３１２は、制御ユニット２２０から受信したＬ_１～Ｌ_４を式（７）に当てはめ、回動角θ_ｗ１～θ_ｗ４を算出する（ステップＳ１０５）。回動角θ_ｗ１～θ_ｗ４を算出したら、システム制御部３１０は、その結果を逐次モニタ４００に表示する（ステップＳ１０６）。計測が終了するまではステップＳ１０４、Ｓ１０５を繰り返す。計測が終了し、例えば電源オフの操作がなされた場合には、一連の処理を終了する。

【0055】

以上説明した本実施形態においては、キャリブレーションとして（θ_ｗ１，θ_ｗ２，θ_ｗ３，θ_ｗ４）と（Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４）の組合せであるサンプリングデータを相当数蓄積し、このサンプリングデータを重回帰分析にかけることにより、式（７）を完成させた。しかし、任意の回動動作に対するそれぞれの回動角を求める手法は、これに限らない。例えば、入力値を（Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４）、出力値を（θ_ｗ１，θ_ｗ２，θ_ｗ３，θ_ｗ４）とするニューラルネットワークを構築しても良い。この場合、キャリブレーションを通じてサンプリングデータとしてまず（θ_ｗ１，θ_ｗ２，θ_ｗ３，θ_ｗ４）と（Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４）の組合せを蓄積し、これらを教師データとして学習済みニューラルネットワークを構築すれば良い。

【0056】

また、以上説明した本実施形態においては、肩関節の３軸周りのそれぞれの回動角を計測するにあたり、精度を高めるために隣接する肘関節のセンサ出力も参照したが、肩関節に対応して配置された３つのセンサの出力に限って参照するように構成しても良い。また、本実施形態においては、少なくとも２軸周りに回動可能な関節の例として肩関節を示したが、もちろん他の関節でも同様に適用できる。例えば、股関節を計測対象とすることもできる。このとき、股関節の各軸周りの回動角を計測するにあたり、股関節に隣接する膝関節近傍に装着したセンサの出力も利用して計測精度を高めても良い。

【0057】

また、上記の測定システム１００は、繊維型センサ２１０が埋め込まれた被服２００を含む構成であった。被服２００を採用することにより、繊維型センサ２１０は被検者の身体に対して自ずと好ましい位置に配置されるので、センサ配置に関する作業が大幅に軽減される。しかし、繊維型センサ２１０が単体として例えば伸縮性のある基材に設けられており、そのような繊維型センサをそれぞれ直接的に被検者の対象箇所に装着する構成であっても構わない。その場合には、少なくとも２つの繊維型センサが互いに平行とならないように、計測対象となる関節の対応する位置に装着する。あるいは、被検者の身体に対して位置すべき箇所に単体の繊維型センサ２１０を装着する装着部が被服に設けられていても良い。装着部は、例えば伸縮性を損なわない収容ポケットを採用し得る。このような被服であっても、単体の繊維型センサ２１０を所定箇所に容易に配置することができる。すなわち、繊維型センサ２１０が被服に埋め込まれた形式であっても、装着する形式であっても、使用時において被服が繊維型センサ２１０を備えるものであれば良い。

【符号の説明】

【0058】

１００ 計測システム、２００ 被服、２１０ 繊維型センサ、２１１ 第１導電糸、２１２ 第２導電糸、２１３ 第１電極線、２１４ 第２電極線、２１５ 絶縁糸、２２０ 制御ユニット、３００ 解析用ＰＣ、３１０ システム制御部、３１１ 係数算出部、３１２ 回動角算出部、４００ モニタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】