フォースプレートを用いた床反力の測定は、スポーツ科学やリハビリテーションの分野で30年以上前から用いられてきました。 疾走能力1つとっても、走技術との関連性を評価するためには床反力を含めたバイオニクス的な評価・分析が必要です。
本記事では、フォースプレートの課題を解決する新たな提案として、シート状センサーについて紹介します。
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フォースプレートは、人と地面の間にはたらく上下、左右、前後方向の力（＝床反力）を測定できる装置です。フォースプレートで測定したデータで、3軸方向の力とモーメントや足圧中心（COP）が分かります。
大きく分けて測定ユニットとAD変換ユニット、演算ユニットから成り立っており、それぞれが有線または無線で繋がれています。特に測定ユニットを「フォースプレート」と呼んでいます。すべて測定ユニットに内蔵されている製品もあります。
平坦な形状で、外装にはアルミ合金などが使われています。大きさは150mm× 150mmから1200mm× 600mm、重量は可搬型で10kg前後、設置型で最大150kgと幅広く、用途に応じて設置型（埋め込み型）と可搬型から選択します。
フォースプレート裏面には、受けた力の大きさを電気信号に変換するためのロードセルが四隅に設置されています。歪みゲージ型のロードセルが多いですが、より微弱な変化を捉えるために水晶ピエゾ式を採用している製品もあります。
人の動作や運動と、フォースプレートで測定できる床反力の関連性について簡単に解説します。
動作・運動中、人に加わる外力は、重力と床反力に分けられます。人間を剛体とみなしたとき、地面で静止した状態における垂直抗力が床反力です。重力は体重と重力加速度によって決まりますが、床反力は人間の動作・運動に伴って変化します。
人が静止状態から歩き出すとき、まず片方の足を少し曲げます。床反力の作用点は、曲げた後ろ足にずれます。 片足を曲げたことで身体は重力に引かれて前方に少し傾くため、前足に力が入り床反力ベクトルも前方に傾きます。そこで水平成分の床反力が増えて身体を前に押すことになるので、人は歩き始められることが可能となります。
身体を動かそうとして力を入れたときに関節にかかる力を関節モーメントと呼びます。力のモーメントとは、物を回転させようとする力のはたらきのことです。厳密には、関節にかかるモーメントには関節を回転させようとする外力が生み出す外部モーメントと、外部モーメントに拮抗しようとして身体内部ではたらく内部モーメントがありますが、一般に関節モーメントといえば内部モーメントを指します。他にも関節トルク、筋トルクとも呼ばれています。
力のモーメントは、かかる力の大きさと、力の作用点から回転軸までの距離で決まります。ランニング中の身体の動きでいえば、上肢の重心を回転運動の支点である肩関節に近づけた方が、関節モーメントが小さくなり、腕を振りやすくなります。
動作時に関節にかかる負荷を最小限に抑えた製品設計や、パフォーマンス向上に直結するトレーニング法開発では、動作中の関節モーメントを解析しています。
フォースプレートで測定した床反力のデータを、パフォーマンスの向上や怪我防止に活用している事例をいくつかご紹介します。
運動中の重心と関節モーメントの測定によって、優れたプレー分析や、バイオニクス的に最適なトレーニングもできるようになると期待がされています。 例えば近年の研究結果では、剣道競技中の打突動作に着目し、優秀な選手は踏み込み足と蹴り足では、踏み込み足がより高い力を発揮しているとの報告がなされました。
フォースプレートによる床反力の測定結果は、運動中の動作解析や怪我予防にも活用されています。
フォースプレートを用いた実験結果によると、トレーニング用に開発されたソールが前後に湾曲した形状のソールは通常の平らなソール形状に比べて推進力を低下させることが示唆されています。 このように、フォースプレートは様々な分野で活用されていますが、従来のフォースプレートにはいくつかの課題があります。次の章では、これらの課題について詳しく見ていきます。
フォースプレートには、測定範囲や設置、運用面での課題が存在します。これらの課題は、日常動作、スポーツ動作の解析や研究において測定可能な場面を限定してしまう要因となっていました。
フォースプレートはアルミ合金などの硬い材料が使われ、平坦な測定面を想定しております。ところが実際の生活環境には階段や坂道があり、材質も様々です。高齢者の転倒予防や、下肢の怪我からの復帰プロセスで日常動作における転倒リスクを評価するのであれば、こういった歩きにくい場面も想定しなくてはなりません。
また、アウトドアスポーツの分野でも、山道や凸凹道での動作解析は必須です。トレイルランニングやハイキング、オリエンテーリングでは、不整地での動作が中心となります。専用のシューズ開発は平坦面のデータだけでは難しいでしょう。
フォースプレートは、四隅にロードセルが配置された長方形や正方形の設計が一般的です。ところが、特定のスポーツ動作の詳細な解析には、動作の特性に合わせた形状のフォースプレートが必要となる可能性があります。研究・開発対象に合わせ、ニーズに合わせた形状のフォースプレートを選択すべきだと言えるでしょう。
例えば、陸上競技の短距離走やハードル走のスタート動作、体操競技の着地動作、格闘技における打撃動作の床反力測定に特殊な形状のフォースプレートを使用すれば、より正確な力の伝達を測定できるかもしれません。
頑丈な構造が必要なフォースプレートでは、運搬可能な比較的軽量なモデルでも10キロ近い重さがあります。フォースプレート測定専用のスペースを確保できる場合は埋め込み型のモデルを選ぶこともできますが、設置には労力とコストがかかります。
より幅広い環境で自由動の高い動作解析を可能にするためには、革新的な床反力測定装置が必要です。
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
※ 本製品は医療機器ではありません
◾️測定における摩擦・せん断力センサーの利点 摩擦・せん断力センサーを用いることによる利点をご紹介します。フォースプレートでは測定が難しいシーンでの利用や、フォースプレートと組み合わせることで解析の幅が広がることが期待できます。 3軸の力の分布を測定 足裏にかかる圧力(Z)とせん断力(XY)の面内分布を測定することができます。これにより足裏にかかる部分的な力の強弱を把握することができ、よりきめの細かい指示(リハビリテーションやコーチング)に繋がる可能性があります。
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。またセンサー部は≦2mmと薄く、床に埋め込まず置くだけでも大きな段差は生じません。そのため、設置場所の確保が難しい室内でのリハビリテーションやトレーニングなどにもご検討いただけます。
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。
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