足圧中心(COP)の測定方法と活用
シューズ開発・競技データ分析

足圧中心とは、足裏と接地面の間に作用する床反力の作用点のことです。足底圧中心やCOP(Center Of Pressure)とも呼ばれています。

人が立っているときに地面から受ける鉛直・前後・左右方向の力(=床反力)をベクトルで示すとします。床反力の合成ベクトルと足裏の交点が、足圧中心です。

足圧中心の軌跡は、身体重心(Center Of Mass:COM)の軌跡を床面に投影したものに近いですが、完全に一致するわけではありません。
三次元動作解析装置を用いて高齢者の体節ごとの静止立位制御を調べた実験によると、頭部、骨盤部の重心の動きと足圧中心の動きは一致していないという結果が見られています。

足圧中心(COP)の測定

足圧中心の測定結果は、運動学・スポーツ科学、生体医工学、理学療法学で活用されています。足圧中心は、立位や歩行中に刻々と変化します。立位では足の中心付近に位置し、歩行時には踵から足先に向かって移動します。足圧中心の座標点の測定自体が目的となることは少なく、足圧中心の変化を測定します。

足圧中心の変位をもとに身体の動的なバランス制御のメカニズムを理解でき、バランス能力の向上やスポーツパフォーマンスの改善に役立てられます。

スポーツ選手の足圧中心の軌跡を分析すれば、パフォーマンスに影響する動作の癖を特定し、改善につなげられます。

研究者や医療従事者は、求めた足圧中心のデータを高齢者やパーキンソン病患者の転倒要因研究や、スポーツ中の怪我発生要因の分析、競技パフォーマンスの評価に利用しています。
足圧情報により歩行状態を識別できたという報告や、足圧中心を使って個人識別をする試みも実施されています。

測定の目的

足圧中心測定データを活用した製品開発の事例を2つ紹介します。

歩行関連製品への応用

歩行・運動状態の測定と分析結果は、リハビリテーション機器やインソール設計の開発に生かされています。

高齢者や、パーキンソン病、脳卒中などにより歩行に困難を抱えている患者の歩行訓練にも使われます。目視では分かりにくい足圧をリアルタイムに計測することで、理学療法士・作業療法士はリハビリの指導がしやすくなります。

姿勢矯正や腰痛防止のためにオーダーメイドのインソールを作る人も増えています。個人の癖や好みに合わせたインソールは、今後ますます需要が増えると予想されます。

3軸、6軸力覚センサーが計測できる状態量

スポーツパフォーマンス改善

サッカーで発生しやすいスポーツ障害「第5中足骨骨折」では、足圧中心の測定が、危険因子の評価や予防策の検討材料として有用だとされています。サッカー選手の足圧中心測定結果をもとにインソールを開発できれば、ケガ発生を抑制できるようになります。

ゴルフでは、スイング中の足圧中心軌跡を測定することが有効です。ゴルファーは、測定結果を分析することで自身にとってヘッドスピードを最大化できるフォームを見つけられます。

3軸、6軸力覚センサーが計測できる状態量

関連資料

3軸力覚の面内分布測定

摩擦・せん断力センサーの
製品カタログ/用途別事例集

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測定方法

足圧中心の測定には「重心動揺計」「感圧シート」の2種類が主に使われています。
機器に内蔵されたフォースセンサーが、足と接触面の間の圧力を電気信号の変化として多点で計測します。フォースセンサーの計測結果をもとに、時間・場所ごとの圧力とその中心座標を算出します。
計測した圧力の合力の作用点を算出することで、足圧中心が求められます。

重心動揺計の使用

重心動揺計が臨床検査のための機器としてJIS規格が認められたのは1987年です。現在でも重心動揺計は使われていますが、測定できる姿勢や動作が限られており、自然な状態での測定が難しいという短所があります。

重心動揺計は大きく分けて測定部と制御部に分かれています。荷重の重心位置を求めるために、重心動揺計の測定部は最低3つの荷重センサーを内蔵しています。荷重センサーには、ロードセルや歪みゲージが使われていることが多いです。制御部のコンピューターが、足圧中心座標を算出し、値を記録します。足圧中心座標の算出法はメーカーによって異なります。

感圧シートの使用

重心動揺計は今でも医療目的で使われていますが、日常動作における足圧中心の軌跡を調べるには感圧シートを利用した足圧中心測定装置の方が優れています。感圧シートの動作原理は、抵抗歪み型やピエゾ抵抗型、静電容量型などがあります。

重心動揺計と比較して感圧センサーは測定環境の自由度が上がりますが、耐久性は重心動揺計に比べて劣ります。

測定上の課題

感圧シートだけでは水平方向にかかる力の測定は困難でした。スポーツ中の怪我の発生要因を正確に特定するためには、あらゆる方向にかかる力の測定が必要です。せん断力を測れなければ、怪我の原因を突き止めることが難しくなります。

三次元的な動きを知るために、モーションキャプチャと組み合わせたり、微細加工した3軸力センサーを複数使用するような新システムが開発されたりしています。

せん断方向(XY)の力も同時測定できるせん断力センサー

摩擦・せん断力センサーを活用することで、足圧中心だけではなく、足裏にかかる摩擦力の向きと強さをマッピングできます。

◾️測定におけるせん断センサーの利点
せん断センサーを用いることによる利点をご紹介します。
 
3軸の力の分布を測定
圧力(Z)の測定による足圧中心情報に加え、摩擦せん断力(XY)の面内分布を測定することができます。せん断力(XY)の力から、蹴り出し方向や足の回転を同時に可視化することができるようになります。摩擦・せん断センサーにより足圧中心の情報だけではわからない体の動きをとらえることに繋がります。
 
その場ですぐ測定可能、シート状で持ち運びが容易
センサー部分はフィルムシート状のため、曲げることができ軽くて持ち運びが便利です。またセンサー・コントローラー・Viewerソフトをセットでご提供できますので、PCに繋いで簡単に測定することができます。
 
ご興味を持っていただけた方は、まずは一度お気軽にご相談ください。

6軸力覚センサーが採用されるロボットの種類

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