JP7172733B2 - Human Posture Estimation Device - Google Patents

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Description

本発明は、人又は動物(以下、「人等」と称する。)の姿勢(体幹の向き又は運動)を推定する装置に係り、より詳細には、人等の体幹にて計測される加速度に基づいて人等の姿勢を推定する装置に係る。 The present invention relates to a device for estimating the posture (orientation or movement of the trunk) of a person or an animal (hereinafter referred to as "person"), and more specifically, the apparatus measures the trunk of the person. The present invention relates to a device for estimating the posture of a person based on acceleration.

人又は動物の姿勢、即ち、人等が立っているのか、座っているのか或いは横たわっているのかなど、の情報は、それ自体が、例えば、人等の健康状態の監視・管理や作業に於ける安全性の監視・確認などのために有用な情報となり、また、人等の睡眠状態や眠気の検出や推定などの、健康管理或いは安全管理上に於いて有用な情報を精度よく検出するための参考情報として利用可能である。そこで、人等の健康上や安全上の監視・管理の目的で人等の姿勢を検知又は推定するための装置或いはシステムが種々提案されている。例えば、特許文献1に於いては、3軸加速度センサを、その第1の軸と第2の軸の方向が夫々起立状態の対象者の前後方向と上下方向と一致するように、対象者の上半身の取り付け、3軸加速度センサの出力に含まれる直流信号成分から対象者の静止状態を検出し、3軸加速度センサの出力に含まれる交流信号成分から対象者の運動状態を検出し、検出された静止状態と運動状態とから検出される対象者の状態遷移と、第1の軸の方向と重力方向とがなす傾き角度の変位とから対象者の起立状態への遷移と着座状態への遷移とを推定する技術が提案されている。特許文献2に於いては、生体に装着された第1のセンサにより取得される高度データに基づいて生体の姿勢を推定する技術が提案されている。また、特許文献3は、移動体(人)に於いて計測される加速度、角速度、地磁気の情報から算出される重力方向、水平方向及び真北方向の状態ベクトルを用いて移動体の姿勢情報を生成する構成を開示している。 Information about a person's or animal's posture, i.e. whether a person is standing, sitting, or lying down, is itself useful in, for example, the monitoring and management of the health condition of a person and work. To provide useful information for monitoring and confirming the safety of people, etc., and to accurately detect useful information in terms of health management or safety management, such as detecting and estimating the sleeping state and drowsiness of people, etc. can be used as a reference for Therefore, various devices or systems for detecting or estimating the posture of a person have been proposed for the purpose of monitoring and managing the health and safety of the person. For example, in Patent Document 1, a three-axis acceleration sensor is arranged so that the directions of the first axis and the second axis correspond to the longitudinal direction and the vertical direction of the subject in a standing state, respectively. Detecting the stationary state of the subject from the DC signal component included in the output of the three-axis acceleration sensor attached to the upper body, and detecting the motion state of the subject from the AC signal component included in the output of the three-axis acceleration sensor. The state transition of the subject detected from the stationary state and the moving state, and the transition of the subject to the standing state and the transition to the sitting state from the displacement of the tilt angle formed by the direction of the first axis and the direction of gravity. A technique for estimating is proposed. Patent Document 2 proposes a technique for estimating the posture of a living body based on altitude data acquired by a first sensor attached to the living body. Further, in Patent Document 3, posture information of a moving body (person) is obtained using state vectors in the direction of gravity, the horizontal direction, and the due north direction calculated from information on acceleration, angular velocity, and geomagnetism measured on the moving body (person). Generating configurations are disclosed.

特開2015-109915JP 2015-109915 特開2016-150034JP 2016-150034 特開2017-207456JP 2017-207456

人等の胸部、腹部又は腰部などの体幹に加速度センサを装着した状態で、人等の姿勢が変化すると、加速度センサの向きも変わり、そこで計測される加速度値が変化するので、かかる加速度値に基づいて人等の姿勢を推定することが可能である。(体幹の加速度から人等の姿勢を検知する場合には、直接的に姿勢を観察するわけではないので、「推定」という用語を用いる。)。特に、人等の体幹に装着可能な加速度センサとしては、比較的コンパクトな携帯用のセンサが入手可能であり、そのようなセンサを用いれば、人等の体の向きや運動に対してできるだけ影響を与えずに、人等が普段通りに行動している状態にて、人等の体幹上で加速度の計測と、その加速度値による人等の姿勢の推定が可能になると考えられる。しかしながら、実際に人等の体幹に加速度センサを装着する際、人等の体格、センサの装着位置や取り付け方などの違いから、センサが、その向きが常に同じになるように人等の体幹に装着されず、従って、同じ姿勢のときでも、センサによる加速度の計測値が異なってしまうことがあり、これにより、人等の体幹上で計測された加速度値から人等の姿勢の推定結果を精度良く得ることが難しくなっている。この点に関し、本発明の発明者等は、後に詳細に説明される如く、人等の体幹に加速度センサを装着して3軸方向の加速度を時系列に計測し、かかる加速度の計測データのうちの人等の歩行中の計測データを用いて、その加速度の計測データに対してセンサの装着の向きの違いを補償する処理を適用して得られたデータを用いて人等の姿勢の推定を実行すると、センサの装着される人等の体格、センサの装着位置や向きによらずに、推定結果の精度が向上できることを見出した。本発明では、その知見が利用される。 When an acceleration sensor is attached to the trunk of a person, such as the chest, abdomen, or waist, if the posture of the person changes, the direction of the acceleration sensor changes, and the acceleration value measured there also changes. It is possible to estimate the posture of a person or the like based on (When the posture of a person or the like is detected from the acceleration of the trunk, the term "estimation" is used because the posture is not directly observed.). In particular, relatively compact portable sensors are available as acceleration sensors that can be worn on the trunk of a person. It is thought that it will be possible to measure the acceleration on the trunk of the person, etc., and estimate the posture of the person, etc. based on the acceleration value, while the person etc. is acting normally without any influence. However, when actually attaching the acceleration sensor to the trunk of a person, etc., due to differences in the physique of the person, etc., and the position and method of attaching the sensor, it is necessary to ensure that the sensor always faces in the same direction. It is not attached to the trunk, and therefore, even when the posture is the same, the measured value of acceleration by the sensor may be different. It is difficult to obtain accurate results. In relation to this point, the inventors of the present invention attached an acceleration sensor to the trunk of a person, etc., measured the acceleration in three axial directions in time series, and obtained the measurement data of the acceleration. Estimate the posture of a person using the data obtained by applying a process that compensates for the difference in the orientation of the sensor to the acceleration measurement data while walking. As a result, the inventors have found that the accuracy of the estimation result can be improved regardless of the physique of the person wearing the sensor or the position or orientation of the sensor. The present invention utilizes this finding.

かくして、本発明の一つの課題は、人等の体幹に装着された加速度センサにより計測される加速度値に基づいて、精度良く、人等の姿勢を推定できる装置を提供することである。 Accordingly, one object of the present invention is to provide an apparatus capable of estimating the posture of a person with high accuracy based on acceleration values measured by an acceleration sensor attached to the trunk of the person.

本発明によれば、上記の課題は、人等の姿勢を推定する装置であって、
人等の体幹に装着され、3軸方向の加速度値を時系列に計測する加速度センサと、
前記3軸方向の加速度値のうち、前記人等が歩行状態にあるときに於ける3軸方向の加速度値を抽出し、前記抽出された3軸方向の加速度値を用いて、前記人等の歩行状態にあるときの加速度の代表方向を表す基準ベクトルを決定する基準ベクトル決定手段と、
前記3軸方向の加速度値を前記基準ベクトルの方向が所定の基準方向に一致した基準座標空間に於ける座標値である変換後加速度値に変換する変換後加速度値決定手段と、
前記変換後加速度値に基づいて前記人等の姿勢を推定する姿勢推定手段と
を含む装置によって達成される。
According to the present invention, the above problem is a device for estimating the posture of a person, comprising:
an acceleration sensor that is worn on the trunk of a person or the like and measures acceleration values in three axial directions in time series;
Among the acceleration values in the three-axis directions, the acceleration values in the three-axis directions when the person or the like is in a walking state are extracted, and the extracted acceleration values in the three-axis directions are used to determine the reference vector determination means for determining a reference vector representing a representative direction of acceleration in a walking state;
converted acceleration value determination means for converting the acceleration values in the three-axis directions into converted acceleration values, which are coordinate values in a reference coordinate space in which the direction of the reference vector coincides with a predetermined reference direction;
posture estimation means for estimating the posture of the person or the like based on the transformed acceleration value.

上記の構成に於いて、「人等」とは、既に触れた如く、人又は動物であってよく(或いは歩行型ロボットであってもよい。)、「人等の姿勢を推定する」とは、人等の姿勢が立位、座位、臥位、歩行(水平)、階段のぼり、階段くだりなどの種々の状態のうちにいずれにあるかを識別することを言う(「姿勢」という場合には、静止した状態の姿勢だけではなく、移動中の姿勢も含んでいてよいものとする。)。「人等の体幹」とは、人等の頭部、頸部、胸部、腹部、腰部、臀部など、その姿勢によって向きが変化する任意の部位であってよい。「3軸方向の加速度値」とは、互いに異なる3つの方向に沿った加速度値であり(必ずしも、3軸方向は直交していなくてもよい。)、かかる3軸方向の加速度値によって、三次元空間に於ける体幹に作用する加速度ベクトルが決定されることとなる。なお、「加速度センサ」は、3軸方向の加速度値が計測できれば、任意の形式のものであってよく、典型的には、一つのデバイスにて3軸方向の加速度値の計測できる3軸加速度センサが有利に用いられるが、これに限定されない(一軸の加速度値の計測が可能なセンサを三つの異なる方向へ向けて装着して用いられてもよい。)。「人等の歩行状態にあるときの加速度の代表方向」とは、歩行中の人等の体幹に於いて作用する加速度ベクトルが向いている方向の代表的な方向、換言すると、加速度ベクトルが殆どの時間に亙って向いていると考えられてよい方向であり、通常は、重力方向である。「基準ベクトル」は、歩行中の人等の体幹に於いて作用する加速度ベクトルの代表方向(即ち、重力方向)を表したベクトルである。「基準ベクトル」の決定に際して、それを表す3つの要素値は、歩行中の人等の体幹に於いて加速度センサの計測する方向に於ける3つの加速度値の代表値であってよく、具体的には、例えば、3軸方向の加速度値の中央値、平均値、主成分分析によって得られた値等であってよい。「基準座標空間」とは、上記の如く、基準ベクトルの方向が、任意に設定される「所定の基準方向」と一致している座標空間であり、例えば、基準ベクトルの方向が、その空間のx軸、y軸及びz軸のうちの一つの軸の正方向又は負方向と一致している座標空間である(即ち、基準ベクトルは、基準座標空間に於いてx軸、y軸及びz軸のうちのいずれか一つの正方向又は負方向と一致する。)。そして、上記の構成に於いて、「前記3軸方向の加速度値を前記基準ベクトルの方向が所定の基準方向に一致した基準座標空間に於ける座標値である変換後加速度値に変換する」とは、3軸方向の加速度値により決定される加速度ベクトルの要素値を、「計測座標空間」(加速度センサが加速度値を計測する3軸にて張られた座標空間)に於ける座標値(即ち、加速度値)から基準座標空間に於ける座標値(即ち、「変換後加速度値」)に書き換えることを意味している。 In the above configuration, the "person" may be a person or an animal (or a walking robot), as already mentioned, and "estimating the posture of a person" , standing, sitting, lying down, walking (horizontal), climbing stairs, descending stairs, and so on. , and may include not only postures in a stationary state, but also postures during movement.) The “trunk of a person, etc.” may be any part whose direction changes depending on the posture, such as the head, neck, chest, abdomen, waist, buttocks, etc. of a person. "Acceleration values in three-axis directions" are acceleration values along three mutually different directions (three-axis directions do not necessarily have to be orthogonal). An acceleration vector acting on the trunk in the original space is determined. Note that the "acceleration sensor" may be of any type as long as it can measure acceleration values in three axial directions. A sensor is advantageously used, but is not limited to this (sensors capable of measuring uniaxial acceleration values may be mounted in three different directions and used). The “representative direction of acceleration when a person is in a walking state” means a representative direction of the direction in which the acceleration vector acting on the trunk of a person while walking is directed. The direction that may be considered to be facing most of the time, usually the direction of gravity. A "reference vector" is a vector representing a representative direction (that is, the direction of gravity) of an acceleration vector acting on the trunk of a walking person. When determining the "reference vector", the three element values representing it may be representative values of the three acceleration values in the direction measured by the acceleration sensor on the trunk of a walking person. Specifically, for example, it may be a median value, an average value, or a value obtained by principal component analysis of acceleration values in three axial directions. As described above, the "reference coordinate space" is a coordinate space in which the direction of the reference vector coincides with the arbitrarily set "predetermined reference direction". A coordinate space that coincides with the positive or negative direction of one of the x-, y-, and z-axes (i.e., the reference vector is the x-, y-, and z-axes in the reference coordinate space). matches the positive or negative direction of any one of . Then, in the above configuration, "the acceleration values in the three-axis directions are converted into converted acceleration values, which are coordinate values in a reference coordinate space in which the direction of the reference vector coincides with a predetermined reference direction." converts the element values of the acceleration vector determined by the acceleration values in the three-axis directions to the coordinate values in the "measurement coordinate space" (the coordinate space spanned by the three axes in which the acceleration sensor measures the acceleration values) (that is, , acceleration values) to coordinate values in the reference coordinate space (that is, “transformed acceleration values”).

上記の本発明の装置に於いては、基本的には、人等の体幹に装着された加速度センサの向きが人等の姿勢の変化に伴って変化することにより加速度センサの計測する加速度値が変化することを利用して、かかる加速度値に基づいて人等の姿勢が推定される。しかしながら、このような構成の場合、既に述べた如く、加速度センサの装着される人等の体格や体形、体幹に於ける加速度センサの装着部位、装着部位での加速度センサの向きなどが異なることにより、加速度センサを体幹に対して常に同じ向きに装着できているとは限らず、また、人等の体幹に装着された加速度センサの向きを直接に把握することも困難であるので、加速度センサの計測軸(加速度値が得られる方向)の向きが加速度センサの体幹への装着の度に変わり、同じ姿勢のときでも、加速度センサの計測する加速度値がその時々で異なってしまい、かくして、かかる加速度値をそのまま参照して人等の姿勢の推定を行う場合には、推定結果の精度も低下してしまうことがある。即ち、人等が或る同じ姿勢にある場合でも、例えば、人等の姿勢が立位にある場合でも、体幹に装着されている加速度センサの向きによって、加速度センサの計測座標空間に於ける重力方向が変わり、従って、加速度センサの計測する加速度値が異なることとなり、加速度センサの装着の度に、人等の姿勢の推定結果が変わってしまうことが起き得る。 In the apparatus of the present invention described above, basically, the acceleration value measured by the acceleration sensor is determined by changing the direction of the acceleration sensor attached to the trunk of the person as the posture of the person changes. changes, the posture of a person or the like is estimated based on the acceleration value. However, in the case of such a configuration, as already described, the physique and body shape of the person wearing the acceleration sensor, the mounting position of the acceleration sensor on the trunk, the orientation of the acceleration sensor at the mounting position, and the like are different. Therefore, it is not always possible to attach the acceleration sensor in the same direction to the trunk, and it is difficult to directly grasp the orientation of the acceleration sensor attached to the trunk of a person. The direction of the measurement axis of the acceleration sensor (the direction in which the acceleration value is obtained) changes every time the acceleration sensor is attached to the trunk, and even when the posture is the same, the acceleration value measured by the acceleration sensor changes from time to time. Thus, when the posture of a person or the like is estimated by directly referring to the acceleration value, the accuracy of the estimation result may be lowered. That is, even when the person is in the same posture, for example, even when the person is standing, depending on the direction of the acceleration sensor attached to the trunk, the direction of the acceleration sensor in the measurement coordinate space of the acceleration sensor Since the direction of gravity changes, the acceleration values measured by the acceleration sensor will differ, and the result of estimating the posture of a person or the like may change each time the acceleration sensor is worn.

そこで、本発明装置の構成に於いては、人等の体幹に加速度センサを装着して、体幹上にて3軸方向の加速度値を計測した後、それらの加速度値に対して、上記の如く、体幹に対する加速度センサの向きの違いによる影響を補償する演算処理が実行され、かかる補償が為された加速度値を用いて人等の姿勢を推定するようにして、推定結果の精度の向上が図られる。 Therefore, in the configuration of the apparatus of the present invention, an acceleration sensor is attached to the trunk of a person, etc., and after measuring acceleration values in three axial directions on the trunk, the acceleration values are calculated as described above. Arithmetic processing is executed to compensate for the influence of the difference in orientation of the acceleration sensor with respect to the trunk, and the posture of a person or the like is estimated using the compensated acceleration value. Improvement is planned.

上記の加速度センサの計測した加速度値に於ける体幹に対する加速度センサの向きの違いによる影響を補償する演算処理に於いては、具体的には、まず、人等の体幹に装着された加速度センサの計測座標空間に於ける人等が立位にあるときの加速度ベクトルの方向、即ち、重力方向が検出される。そのために、本発明の構成に於いては、加速度センサにて時系列に計測された3軸方向の加速度値に於いて、人等が略水平方向に歩行しているときの3軸方向の加速度値が抽出され、その抽出された時系列の加速度値を用いて、人等の歩行状態にあるときの加速度の代表方向を表す基準ベクトルが決定される。人等が略水平方向に歩行しているときには、通常、人等の姿勢は立位であり、その状態に於いて体幹上に作用している加速度ベクトルは、歩行運動による体幹の揺れに伴って振動的に変化するが、その向きは、概ね重力方向を向いていると考えられる。従って、人等の歩行状態に於いて加速度センサにて計測される3軸方向の加速度値の代表的な値により表されるベクトルの方向が加速度センサの計測座標空間内に於ける立位時の重力方向として特定できることとなる。なお、加速度センサの計測座標空間内に於ける立位時の重力方向の検出に於いて、人等が立位にて静止した状態ではなく、人等が歩行状態のときの加速度値を用いるのは、人等が歩行状態のときには、加速度値に於いて歩行に伴う振動的な変化が観測されるので、加速度センサの向きが不明の状態でも、歩行状態の加速度値は他の姿勢の場合と区別可能であるが、人等が立位にて静止した状態では、加速度値の振動的な変化がなく、加速度センサの向きが不明の状態では、立位姿勢での加速度値は、それを参照しただけでは、座位、臥位などの場合と区別が付かないためである。 Specifically, in the arithmetic processing for compensating for the influence of the difference in orientation of the acceleration sensor with respect to the trunk in the acceleration values measured by the acceleration sensor, The direction of the acceleration vector when a person or the like is standing in the measurement coordinate space of the sensor, that is, the direction of gravity is detected. Therefore, in the configuration of the present invention, the acceleration values in the three-axis directions measured in time series by the acceleration sensor are the acceleration values in the three-axis directions when a person or the like is walking substantially horizontally. Values are extracted, and the extracted time-series acceleration values are used to determine a reference vector representing a representative direction of acceleration when a person or the like is in a walking state. When a person walks in a substantially horizontal direction, the posture of the person is usually in a standing position. Although it vibrates along with it, its direction is considered to be generally directed in the direction of gravity. Therefore, the direction of the vector represented by the representative value of the acceleration values in the three-axis directions measured by the acceleration sensor in the walking state of a person is It can be specified as the direction of gravity. In addition, in detecting the direction of gravity in the measurement coordinate space of the acceleration sensor when the person is standing, the acceleration value when the person is walking is used instead of when the person is standing still. , when a person is walking, a vibrational change is observed in the acceleration value due to walking. It can be distinguished, but when a person stands still, there is no vibrational change in the acceleration value, and when the direction of the acceleration sensor is unknown, the acceleration value in the standing posture is referred to it. This is because it is difficult to distinguish between the sitting position and the lying position just by doing so.

加速度センサにて時系列に計測された3軸方向の加速度値に於ける人等が略水平方向に歩行しているときの3軸方向の加速度値の抽出は、任意の手法にて達成可能である。既に述べた如く、人等の歩行中の加速度値に於いては、歩行運動に伴う振動的な変化が発生するなどの特徴があるので、時系列に計測された加速度値に於いて人等の歩行中の加速度値の特徴の有無を検出又は識別することによって人等の歩行状態に於ける加速度値が時系列データとして抽出可能である。例えば、その一つの態様に於いて、機械学習を用いて構成された識別器が人等の歩行中の加速度値のデータの抽出に利用可能である。その場合、具体的には、まず、人等が歩行を含む種々の状態を取っているときの加速度値の時系列データと、それに対応する人等の姿勢の時系列データ(正解データ)とが教師データとして準備され、加速度値の時系列データから、人等の姿勢、特に、歩行状態、の特徴を反映するものとして選択された特徴量を算出され、それらの加速度値の時系列データの特徴量を入力データとし、識別結果として正解データの姿勢を出力するように、識別器のパラメータが機械学習により決定される。そして、実際の人等の歩行区間の識別に際しては、加速度センサにて時系列に計測された3軸方向の加速度値の特徴量を上記の如く決定されたパラメータを用いて構成された識別器へ入力することにより、加速度値の時系列データに於いて、人等の姿勢が歩行状態となっている区間のデータが識別され抽出されることとなる。かかる識別器の構成に於いては、例えば、ランダムフォレスト法、サポートベクトルマシン法、k-NN法、ニューラルネットワークなどの任意の識別器を構成することのできる機械学習を用いた手法が採用されてよい。なお、人等の歩行中の加速度値のデータの抽出は、機械学習によらない任意の方法、例えば、加速度値から算出される任意の特徴量が所定の閾値範囲から逸脱したときに人等の歩行中の加速度値であると判定するなどして達成されてもよく、そのような場合も本発明の範囲に属する。 Any method can be used to extract the acceleration values in the three-axis directions when a person or the like is walking in a substantially horizontal direction from the acceleration values in the three-axis directions measured in time series by the acceleration sensor. be. As mentioned above, the acceleration value of a person while walking is characterized by vibrational changes that accompany the walking motion. By detecting or identifying the presence or absence of characteristics of the acceleration value during walking, the acceleration value in the walking state of a person or the like can be extracted as time-series data. For example, in one aspect, a discriminator configured using machine learning can be used to extract acceleration value data while a person or the like is walking. In this case, specifically, time-series data of acceleration values when a person or the like is in various states including walking, and corresponding time-series data of the posture of the person or the like (correct data) are collected. A feature quantity selected as reflecting the characteristics of the posture of a person, especially the walking state, is calculated from time-series data of acceleration values prepared as training data, and the characteristics of the time-series data of acceleration values are calculated. The parameters of the discriminator are determined by machine learning so that the amount is used as input data and the orientation of correct data is output as the discrimination result. Then, when identifying the walking section of an actual person, etc., the feature amount of the acceleration values in the three-axis directions measured in time series by the acceleration sensor is transferred to the classifier constructed using the parameters determined as described above. By inputting, the data of the section in which the posture of the person is in the walking state is identified and extracted from the time-series data of the acceleration value. In the configuration of such a discriminator, for example, a method using machine learning capable of configuring an arbitrary discriminator such as a random forest method, a support vector machine method, a k-NN method, and a neural network is adopted. good. It should be noted that the extraction of acceleration value data while a person is walking can be done by any method that does not rely on machine learning. It may be achieved by determining that it is an acceleration value during walking, and such a case also belongs to the scope of the present invention.

上記の如く、人等の歩行中の加速度値が抽出されると、その抽出された加速度値のデータを参照して、人等の歩行状態にあるときの加速度の代表方向を表す基準ベクトルが、その要素値として、加速度値を用いて、即ち、加速度センサの計測座標空間に於ける各軸方向の座標値を用いて決定される。基準ベクトルの要素値は、具体的には、既に述べた如く、例えば、3軸方向の加速度値のそれぞれの中央値、平均値、主成分分析によって得られた値であってよい。かくして、ここで得られた基準ベクトルは、重力方向を向いた加速度ベクトルであり、その要素値は、人等の姿勢が立位にあるときの加速度センサの計測座標空間に於ける座標値にて表されたものとなっている。 As described above, when acceleration values are extracted while a person is walking, the reference vector representing the representative direction of the acceleration when the person is in a walking state is obtained by referring to the extracted acceleration value data. The element values are determined using acceleration values, that is, coordinate values in each axial direction in the measurement coordinate space of the acceleration sensor. Specifically, as described above, the element values of the reference vector may be, for example, median values, average values, and values obtained by principal component analysis of acceleration values in three axial directions. Thus, the reference vector obtained here is an acceleration vector directed in the direction of gravity, and its element values are coordinate values in the measurement coordinate space of the acceleration sensor when the posture of a person, etc., is standing. It is what is represented.

加速度センサの計測座標空間に於ける座標値にて表された基準ベクトルが決定されると、その基準ベクトルの方向が所定の基準方向にしている座標空間、即ち、基準座標空間、が決定できることとなる。所定の基準方向は、上記の如く、任意に選択されてよい一つの方向であり、典型的には、三次元空間に於ける一つの軸、例えば、x軸の負方向(x,y,z)=(-1,0,0)など、が選択されてよい。そして、加速度センサにて計測される加速度値で決定される加速度ベクトルの要素値が基準座標空間に於ける座標値にて表されれば、体幹に装着されている加速度センサの向きによらず、立位時の重力方向が所定の基準方向に向いた座標空間に於ける座標値で表したものとなるので、体幹に装着されている加速度センサの向きの違いによる影響が補償されることとなる。かくして、上記の如く、3軸方向の加速度値を基準座標空間に於ける座標値である変換後加速度値に変換する処理が実行される。 When the reference vector represented by the coordinate values in the measurement coordinate space of the acceleration sensor is determined, the coordinate space in which the direction of the reference vector is the predetermined reference direction, i.e., the reference coordinate space, can be determined. Become. The predetermined reference direction is one direction that may be arbitrarily selected as described above, and is typically one axis in three-dimensional space, for example, the negative direction of the x-axis (x, y, z )=(−1,0,0), etc. may be chosen. Then, if the element values of the acceleration vector determined by the acceleration values measured by the acceleration sensor are represented by the coordinate values in the reference coordinate space, regardless of the direction of the acceleration sensor attached to the trunk, Since the direction of gravity in a standing position is represented by coordinate values in a coordinate space in the predetermined reference direction, the influence of the difference in orientation of the acceleration sensor attached to the trunk is compensated. becomes. Thus, as described above, the process of converting the acceleration values in the three-axis directions into the converted acceleration values, which are the coordinate values in the reference coordinate space, is executed.

3軸方向の加速度値から変換後加速度値への変換は種々に態様にて実行されてよい。一つの態様に於いて、或るベクトルの計測座標空間に於ける座標値(加速度値)を基準座標空間に於ける座標値に変換することは、計測座標空間に於ける所定の基準方向(例えば、x軸の負方向)を基準ベクトルの方向に一致するように座標系を回転することに相当するので、まず、計測座標空間に於ける基準ベクトルの方向と計測座標空間に於ける所定の基準方向との角度偏差が算出されてよい。そして、基準ベクトルを、かかる角度偏差を回転角として回転すると、基準ベクトルの座標値は、所定の基準方向の座標値に一致することとなるので、同様に、かかる回転角にて、(人等の姿勢の推定のために)加速度センサにて時系列に計測された3軸方向の加速度値により決定される加速度値ベクトルを回転すると、加速度値ベクトルの座標値が基準座標空間に於ける座標値に変換されることとなる。即ち、基準ベクトルを所定の基準方向に一致するよう回転させることに相当する座標変換を、加速度センサの計測した3軸方向の加速度値に対して行うことによって、3軸方向の加速度値を基準座標空間に於ける座標値である変換後加速度値に変換する処理が達成されることとなる。かかる演算処理は、具体的には、例えば、後に詳細に説明される如く、基準ベクトルの計測座標空間に於ける座標値を基準座標空間に於ける座標値へ変換する回転変換行列が、基準ベクトルの方向を所定の基準方向に一致させる回転角を用いて決定され、その回転変換行列を用いて、加速度センサの計測した3軸方向の加速度値を変換することにより達成されてよい。 The transformation from the acceleration values in the three axial directions to the transformed acceleration values may be performed in various manners. In one aspect, converting the coordinate values (acceleration values) of a vector in the measurement coordinate space to the coordinate values in the reference coordinate space is performed in a predetermined reference direction (e.g., , the negative direction of the x-axis) coincides with the direction of the reference vector. An angular deviation with direction may be calculated. When the reference vector is rotated with this angular deviation as the rotation angle, the coordinate values of the reference vector will match the coordinate values of the predetermined reference direction. When the acceleration value vector determined by the acceleration values in the 3-axis directions measured in time series by the acceleration sensor is rotated, the coordinate values of the acceleration value vector are changed to the coordinate values in the reference coordinate space. will be converted to That is, the acceleration values in the three-axis directions measured by the acceleration sensor are subjected to coordinate transformation corresponding to rotating the reference vector so as to match the predetermined reference direction, so that the acceleration values in the three-axis directions are converted to the reference coordinates. A process of transforming to a post-transformation acceleration value, which is a coordinate value in space, is accomplished. Specifically, for example, as will be described later in detail, such arithmetic processing is performed by converting the coordinate values of the reference vector in the measurement coordinate space into the coordinate values in the reference coordinate space. may be determined using a rotation angle that makes the direction of the direction coincide with a predetermined reference direction, and may be achieved by using the rotation conversion matrix to convert the acceleration values in the three-axis directions measured by the acceleration sensor.

上記の如く、変換後加速度値が得られると、それらの値を用いて、人等の姿勢の推定が実行される。上記の如く、変換後加速度値は、体幹上の加速度センサの計測した加速度ベクトルを基準座標空間に於ける座標値にて表したものなので、人等が或る同じ姿勢にある場合には、変換後加速度値ベクトルの要素値は略同じになり、人等が異なる姿勢にある場合には、変換後加速度値ベクトルの要素値も異なった値となっており、従って、変換後加速度値により、精度良く、人等の姿勢の識別が可能となることが期待される。 As described above, once the transformed acceleration values are obtained, the posture of a person or the like is estimated using those values. As described above, the post-conversion acceleration value is the acceleration vector measured by the acceleration sensor on the trunk expressed as coordinate values in the reference coordinate space. The element values of the acceleration value vectors after conversion are approximately the same, and when the person is in a different posture, the element values of the acceleration value vectors after conversion also have different values. It is expected that it will be possible to identify the posture of a person with high accuracy.

変換後加速度値による人等の姿勢の識別は、任意の手法にて達成可能である。一つの態様として、ここに於ける人等の姿勢の識別も、機械学習を用いて構成された識別器が利用可能である。その場合、具体的には、まず、人等が種々の状態を取っているときの加速度センサにより計測された3軸方向の加速度値の時系列データと、それに対応する人等の姿勢の時系列データ(正解データ)とが教師データとして準備される。そして、加速度センサにより計測された加速度値の時系列データに対しては、上記の如く、基準ベクトルの方向を所定の基準方向に一致させる変換処理によって、3軸方向の加速度値を変換後加速度値に変換し、かくして、変換後加速度値の時系列データが算出される。そして、変換後加速度値の時系列データから、人等の姿勢の特徴を反映するものとして選択された特徴量を算出され、それらの特徴量を入力データとし、識別結果として正解データの姿勢を出力するように、識別器のパラメータが機械学習により決定される。そして、人等の姿勢の推定に際しては、上記の如く決定されたパラメータを用いて構成された識別器へ加速度センサにて時系列に計測された3軸方向の加速度値から得られた変換後加速度値の特徴量を入力することにより、人等の姿勢が識別され抽出することが可能となる。かかる識別器の構成に於いては、例えば、ランダムフォレスト法、サポートベクトルマシン法、k-NN法、ニューラルネットワークなどの任意の識別器を構成することのできる機械学習を用いた手法が採用されてよい。なお、人等の姿勢の識別は、機械学習によらない任意の方法、例えば、変換後加速度値から算出される任意の特徴量の属する閾値範囲に応じて人等の姿勢が判定されてもよい。 Any method can be used to identify the posture of a person or the like based on the converted acceleration value. As one aspect, a classifier constructed using machine learning can also be used for the recognition of the posture of a person or the like here. In that case, specifically, first, time-series data of acceleration values in three axial directions measured by an acceleration sensor when a person or the like is in various states, and the corresponding time-series of the posture of the person or the like data (correct answer data) are prepared as teacher data. As described above, the time-series data of the acceleration values measured by the acceleration sensor is subjected to the conversion process for matching the direction of the reference vector with the predetermined reference direction, thereby converting the acceleration values in the three-axis directions into the converted acceleration values. , thus calculating the time-series data of the post-conversion acceleration values. Then, from the time-series data of the acceleration values after conversion, the feature amount selected as reflecting the feature of the posture of the person is calculated, and the feature amount is used as input data, and the posture of the correct data is output as the identification result. The parameters of the discriminator are determined by machine learning. Then, when estimating the posture of a person, the converted acceleration obtained from the acceleration values in the three axial directions measured in time series by the acceleration sensor is sent to the discriminator configured using the parameters determined as described above. By inputting the feature amount of the value, it becomes possible to identify and extract the posture of a person or the like. In the configuration of such a discriminator, for example, a method using machine learning capable of configuring an arbitrary discriminator such as a random forest method, a support vector machine method, a k-NN method, and a neural network is adopted. good. The posture of a person may be identified by an arbitrary method that does not rely on machine learning, for example, the posture of a person may be determined according to the threshold range to which an arbitrary feature amount calculated from the converted acceleration value belongs. .

上記の本発明の装置の構成に於いて、人等の体幹に装着されるセンサとして気圧センサを用いて体幹に於ける気圧値を計測し、加速度センサによる加速度値と共に気圧値が、人等が略水平方向に歩行しているときの抽出及び人等の姿勢の推定に用いられてよい。気圧値によれば、人等が水平方向に歩行しているか、階段等を昇降しているかなどの識別をより精度良く達成できるようになることが期待される。この場合、気圧値も機械学習による識別器の構成に於いて、入力データの一つとして用いられてよい。 In the configuration of the apparatus of the present invention described above, an air pressure sensor is used as a sensor attached to the trunk of a person, etc. to measure the air pressure value in the trunk. It may be used for extraction and estimation of the posture of a person or the like when the person or the like is walking in a substantially horizontal direction. Based on the air pressure value, it is expected that it will be possible to more accurately identify whether a person is walking horizontally or going up and down stairs. In this case, the air pressure value may also be used as one of the input data in constructing the discriminator based on machine learning.

上記の本発明の装置の構成に於いて、加速度センサ(及び気圧センサ)は、人等の体幹に装着可能な筐体に収容されてよい。計測データ(加速度値、気圧値)から人等の姿勢の推定を行うための演算、識別処理を行うための装置は、筐体内に収容されていてもよく、外部のコンピュータにて実現されてもよい。 In the configuration of the apparatus of the present invention described above, the acceleration sensor (and the atmospheric pressure sensor) may be accommodated in a housing that can be worn on the trunk of a person or the like. A device for performing calculation and identification processing for estimating the posture of a person from measurement data (acceleration value, air pressure value) may be housed in the housing or may be realized by an external computer. good.

かくして、上記の本発明の装置によれば、人等の体幹に装着された加速度センサの計測する加速度値に基づいて人等の姿勢を推定する構成に於いて、人等の体幹に於ける加速度センサの向きの違いが補償されるので、かかる加速度センサの向きに対するロバスト性があり、人等の姿勢の推定結果の精度の向上が期待される。また、本発明の装置は、比較的コンパクトな携帯用の加速度センサと計測値の演算装置にて達成できるので、人等の体の向きや運動に対してできるだけ影響を与えずに、人等が普段通りに行動している状態にて、比較的簡便に且つ廉価に人等の姿勢の推定が可能となる点で有利である。 Thus, according to the above apparatus of the present invention, in the configuration for estimating the posture of a person based on the acceleration values measured by the acceleration sensor attached to the trunk of the person, Since the difference in the orientation of the acceleration sensor is compensated for, there is robustness against the orientation of the acceleration sensor, and an improvement in the accuracy of the result of estimating the posture of a person is expected. In addition, since the device of the present invention can be achieved with a relatively compact portable acceleration sensor and a calculation device for the measured values, it is possible to reduce the effects on the orientation and movement of the body of the person as much as possible. This is advantageous in that it is possible to relatively easily and inexpensively estimate the posture of a person, etc., while they are acting normally.

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention.

図1(A)は、本発明による姿勢推定装置の実施形態に於ける加速度値及び気圧値を計測するためのセンサを含む被検者の体幹に装着される筐体を模式的に表した図である。図1(B)は、本発明による姿勢推定装置の実施形態の内部の構成をブロック図の形式で表した図である。図1(C)は、本発明による姿勢推定装置の実施形態に於ける姿勢推定に使用する識別器パラメータの機械学習のための装置の構成をブロック図の形式で表した図である。FIG. 1(A) schematically shows a housing attached to the trunk of a subject including sensors for measuring acceleration values and air pressure values in an embodiment of a posture estimation device according to the present invention. It is a diagram. FIG. 1B is a block diagram showing the internal configuration of an embodiment of a posture estimation device according to the present invention. FIG. 1(C) is a diagram showing, in the form of a block diagram, the configuration of a device for machine learning of discriminator parameters used for posture estimation in an embodiment of a posture estimation device according to the present invention. 図2(A)、(B)及び(C)は、人等の姿勢が立位、座位及び臥位にあるときの模式図である。図2(D)は、加速度センサの計測座標空間に於ける基準ベクトルを示しており、図2(E)は、基準座標空間に於ける基準ベクトルを示している。FIGS. 2A, 2B, and 2C are schematic diagrams of a person standing, sitting, and lying down. FIG. 2(D) shows reference vectors in the measurement coordinate space of the acceleration sensor, and FIG. 2(E) shows reference vectors in the reference coordinate space. 図3(A)、(B)は、被検者の体幹に装着された3軸加速度センサにより計測された加速度値の例である。(A)は、被検者が歩行中の場合であり、(B)は、被検者の姿勢が立位(静止)の場合である。FIGS. 3A and 3B are examples of acceleration values measured by a triaxial acceleration sensor attached to the trunk of the subject. (A) is when the subject is walking, and (B) is when the subject is standing (still). 図4(A)は、本発明による姿勢推定装置の実施形態に於ける被検者の姿勢を推定する処理をフローチャートの形式にて示した図である。図4(B)は、本実施形態に於ける姿勢推定に使用される識別器パラメータの決定処理をフローチャートの形式にて示した図である。図4(C)は、本実施形態に於ける特徴量の算出のタイミングを説明する図である。FIG. 4A is a diagram showing, in the form of a flow chart, processing for estimating the posture of a subject in the embodiment of the posture estimation device according to the present invention. FIG. 4B is a diagram showing, in the form of a flowchart, the process of determining classifier parameters used for posture estimation in this embodiment. FIG. 4C is a diagram for explaining the timing of calculation of feature amounts in this embodiment. 図5は、被検者の姿勢が立位、座位及び臥位である場合の被検者の体幹に装着された3軸加速度センサにより計測されたX軸加速度値とY軸加速度値の分布図である。(A)は、加速度センサの計測値によりプロットしたものであり、(B)は、本実施形態の教示に従い、加速度センサの装着時の向きのずれを補償する補正を施した加速度値(変換後加速度値)によりプロットしたものである。FIG. 5 shows distributions of X-axis acceleration values and Y-axis acceleration values measured by a 3-axis acceleration sensor attached to the trunk of the subject when the posture of the subject is standing, sitting, and lying. It is a diagram. (A) is a plot of the measurement values of the acceleration sensor, and (B) is the acceleration value corrected to compensate for the orientation deviation when the acceleration sensor is worn (after conversion) according to the teaching of the present embodiment. acceleration value). 図6(A)は、本実施形態による姿勢推定装置の作用効果の検証実験を行った際に被検者に装着したセンサを収容した筐体の位置を示しており、図6(B)、(C)に被検者に課した実験中の行動プロトコルを示している。FIG. 6(A) shows the position of the housing containing the sensor worn by the subject when the verification experiment of the effect of the posture estimation apparatus according to the present embodiment was conducted. (C) shows the behavioral protocol imposed on the subjects during the experiment. 図7は、本実施形態に於いて姿勢推定装置の作用効果の検証実験に於ける推定結果に於けるF値を示している。FIG. 7 shows the F value in the estimation result in the verification experiment of the effect of the attitude estimation device in this embodiment.

1…筐体
10…姿勢推定装置
12…機械学習装置
P…被検者
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Housing 10... Posture estimation device 12... Machine learning device P... Examinee

装置の構成
図1(A)を参照して、本発明による人等の姿勢推定装置の一つの実施形態は、人等である被検者Pの体幹、例えば、頭部、頸部、胸部、腹部、腰部、臀部に装着可能な(ウェアラブルな)筐体1を有し、かかる筐体1内に姿勢の推定に使用される構成要素が収容された形態となっていてよい。筐体1内には、姿勢推定のために参照される加速度値を計測する加速度センサが収容され、更に、気圧値を計測する気圧センサが収容されていてよい。加速度センサは、被検者の姿勢変化(体幹の向きの変化)に伴って変化する加速度ベクトルを決定する3軸方向の加速度値を計測できるセンサであり、典型的には、3軸加速度センサが用いられてよいが、これに限定されない(例えば、一方向の加速度を計測するセンサが3つ準備され、それぞれ互いに異なる方向の加速度値を計測するようになっていてもよい。)。また、加速度センサは、被検者の体の向きや運動に対してできるだけ影響を与えずに、被検者が普段通りに行動している状態にて、その体幹上で加速度の計測が可能な比較的コンパクトで携帯用の筐体1に収納可能なセンサが有利に用いられる。一方、気圧センサは、被検者が歩行中に階段の昇り降りや登坂・降坂した際に生ずる気圧の変化を計測可能なものであり、加速度センサの場合と同様に被検者の体の向きや運動に対してできるだけ影響を与えずに、被検者が普段通りに行動している状態にて気圧の計測が可能な比較的コンパクトで携帯用の筐体1に収納可能なセンサが有利に用いられる。センサを収容する筐体1の形態は、採用されるセンサの形態に応じて種々のものであってよいことは理解されるべきである。
Configuration of Apparatus Referring to FIG. 1(A), one embodiment of the apparatus for estimating posture of a person or the like according to the present invention is configured to measure the torso, for example, the head, neck, and chest of a subject P who is a person or the like. , the abdomen, the waist, and the buttocks (wearable) housing 1, and components used for posture estimation are housed in the housing 1. The housing 1 may house an acceleration sensor that measures an acceleration value referred to for posture estimation, and further house an air pressure sensor that measures an air pressure value. The acceleration sensor is a sensor that can measure acceleration values in three-axis directions that determine acceleration vectors that change with changes in the posture of the subject (changes in the direction of the trunk). may be used, but is not limited to this (for example, three sensors that measure acceleration in one direction may be prepared, and may measure acceleration values in different directions). In addition, the acceleration sensor can measure the acceleration on the trunk of the subject while the subject is acting normally without affecting the orientation and movement of the subject's body as much as possible. A relatively compact sensor that can be housed in a portable housing 1 is advantageously used. On the other hand, the atmospheric pressure sensor can measure changes in the atmospheric pressure that occur when the subject walks up and down stairs, or climbs or descends a slope. A relatively compact sensor that can be housed in a portable housing 1 is advantageous because it is possible to measure air pressure while the examinee is acting normally without affecting orientation and movement as much as possible. used for It should be understood that the form of housing 1 containing the sensor may vary depending on the form of sensor employed.

また、本実施形態の一つの態様に於いては、筐体1内に、更に、上記のセンサの出力を受容して、後に述べる態様にて被検者の姿勢の識別を行う処理部、処理部の出力値及び/又は装置の作動状況を表示するディスプレイと、処理部の出力値を外部の装置又は設備へ送信する通信部、被検者又は使用者による装置に対する指示・操作を受容する操作パネルなどが設けられてよい。この場合、処理部は、マイクロコンピュータ、メモリ又はフラッシュメモリ等を含む通常の小型のコンピュータ装置であってよい。或いは、別の態様に於いて、上記の処理部等は、筐体1とは別体のコンピュータ装置(図示せず)に於いて構成されていてもよく、その場合には、センサの出力が有線又は無線通信にてコンピュータ装置へ送信されるようになっていてよい。更にまた、被検者の識別を行う処理の一部が筐体内で実行され、一部が外部コンピュータ装置にて実行されるようになっていてもよい。 Further, in one aspect of the present embodiment, the housing 1 further includes a processing unit and a processing unit that receive the output of the above sensor and identify the posture of the subject in a manner described later. A display that displays the output value of the unit and/or the operation status of the device, a communication unit that transmits the output value of the processing unit to an external device or facility, and an operation that receives instructions and operations on the device by the subject or user A panel or the like may be provided. In this case, the processing unit may be a conventional small computer device including a microcomputer, memory or flash memory or the like. Alternatively, in another aspect, the processing unit and the like may be configured in a computer device (not shown) separate from the housing 1. In that case, the output of the sensor is It may be transmitted to the computing device via wired or wireless communication. Furthermore, part of the process of identifying the subject may be executed within the housing, and part of the process may be executed by an external computer device.

本実施形態に於ける被検者の姿勢を推定する装置(姿勢推定装置)10に於いては、図1(B)に描かれている如く、被検者の体幹に装着された加速度センサの計測した加速度値を時々刻々に受容して、加速度値から加速度特徴量を抽出又は算出する第一の加速度値特徴量抽出部と、第一の加速度値特徴量抽出部から加速度特徴量を受容し、それらを参照して、メモリに記憶されているパラメータ(識別器パラメータ)を用いて構成される識別器によって加速度値の時系列データに於ける被検者が歩行中である歩行区間を識別し抽出する歩行区間抽出部と、抽出された歩行区間の加速度値を参照して基準ベクトルを決定し、加速度値の座標変換のための回転変換行列を決定する基準ベクトル決定部と、回転変換行列を用いて加速度センサの計測した加速度値の座標変換を行う加速度値座標変換部と、座標変換された加速度値(変換後加速度値)から特徴量を抽出又は算出する第二の加速度値特徴量抽出部と、第二の加速度値特徴量抽出部から変換後加速度値の特徴量を受容し、それらを参照して、メモリに記憶されているパラメータ(識別器パラメータ)を用いて構成される識別器によって被検者の姿勢を識別する姿勢識別部とが設けられる。なお、図示の如く、被検者の体幹に装着された気圧センサの計測した気圧値を時々刻々に受容して、気圧値から気圧特徴量を抽出又は算出する気圧値特徴量抽出部が設けられ、気圧特徴量が歩行区間抽出部に於ける歩行区間の抽出と姿勢識別部に於ける被検者の姿勢の識別の際に参照されるようになっていてよい。そして、姿勢の識別結果、即ち、推定結果がディスプレイに表示され或いは任意の記憶装置に記憶される。上記の被検者の姿勢推定の構成が筐体1内に収容されている場合も別体のコンピュータ装置に構成されている場合も、装置内の各部の作動は、メモリに記憶されたプログラムに従った作動により、実現されることは理解されるべきである。 In the device (posture estimation device) 10 for estimating the posture of the subject according to the present embodiment, an acceleration sensor attached to the trunk of the subject as shown in FIG. A first acceleration value feature quantity extraction unit that receives the measured acceleration value from time to time and extracts or calculates an acceleration feature quantity from the acceleration value, and receives the acceleration feature quantity from the first acceleration value feature quantity extraction unit. Then, referring to them, a classifier configured using parameters (classifier parameters) stored in the memory identifies the walking section in which the subject is walking in the time-series data of acceleration values. a walking zone extracting unit for extracting a walking zone, a reference vector determining unit for determining a reference vector by referring to the acceleration value of the extracted walking zone, and determining a rotation transformation matrix for coordinate transformation of the acceleration value, and a rotation transformation matrix and a second acceleration value feature quantity extractor for extracting or calculating a feature quantity from the coordinate-converted acceleration value (post-conversion acceleration value). and a discriminator that receives the feature quantity of the converted acceleration value from the second acceleration value feature quantity extraction unit, refers to them, and uses parameters (discriminator parameters) stored in the memory. and a posture identification unit that identifies the posture of the subject by. In addition, as shown in the figure, an air pressure value feature quantity extraction unit is provided which receives the air pressure value measured by the air pressure sensor attached to the trunk of the subject every moment and extracts or calculates the pressure feature quantity from the air pressure value. The atmospheric pressure feature quantity may be referred to when the walking segment extraction unit extracts the walking segment and the posture identifying unit identifies the posture of the subject. Then, the posture identification result, that is, the estimation result is displayed on the display or stored in an arbitrary storage device. Whether the configuration for estimating the subject's posture is contained in the housing 1 or configured in a separate computer device, the operation of each unit in the device is controlled by the program stored in the memory. It should be understood that what is achieved by the actuation accordingly.

上記の被検者の歩行区間抽出の処理に使用される識別器のパラメータと被検者の姿勢の推定の処理に使用される識別器のパラメータとは、それぞれ、機械学習によって決定されてよく、メモリに記憶される。かかる機械学習の処理は、筐体1内の処理部に於いて実行され、実行結果が筐体1内のメモリに記憶されるようになっていてもよいし、筐体1とは別体のコンピュータ装置に於いて実行され、実行結果がメモリに記憶されるようになっていてもよい。 The parameters of the discriminator used in the process of extracting the walking segment of the subject and the parameters of the discriminator used in the process of estimating the posture of the subject may be determined by machine learning, stored in memory. Such machine learning processing may be executed in a processing unit within the housing 1, and the execution results may be stored in the memory within the housing 1, or may be stored in a separate unit from the housing 1 It may be executed in a computer device, and execution results may be stored in memory.

図1(C)を参照して、機械学習を実行する装置(機械学習装置)12に於いては、姿勢推定装置10の場合と同様に、加速度値センサの計測した加速度値を受容して、加速度特徴量を抽出又は算出する加速度特徴量抽出部と、かかる加速度特徴量とその加速度特徴量が得られたとき、即ち、加速度値の計測時に於ける被検者の姿勢の識別結果(正解値)とを教師付き学習データとして、かかる学習データを用いて機械学習処理を実行して、加速度値の時系列データに於ける被検者が歩行中歩行区間を識別し抽出する識別器のためのパラメータを決定する機械学習(歩行識別)部と、加速度値センサの計測した加速度値とその加速度値の計測時に於ける被検者の姿勢の識別結果(正解値)とを受容し、被検者の姿勢の識別結果(正解値)を参照して加速度値の時系列データに於ける被検者が歩行中である歩行区間を抽出する歩行区間抽出部と、抽出された歩行区間の加速度値を参照して基準ベクトルを決定し、加速度値の座標変換のための回転変換行列を決定する基準ベクトル決定部と、回転変換行列を用いて加速度センサの計測した加速度値の座標変換を行う加速度値座標変換部と、座標変換された加速度値(変換後加速度値)から特徴量を抽出又は算出する第二の加速度値特徴量抽出部と、かかる変換後加速度特徴量とその変換後加速度特徴量が得られたとき、即ち、加速度値の計測時に於ける被検者の姿勢の識別結果(正解値)とを教師付き学習データとして、かかる学習データを用いて機械学習処理を実行して、被検者の姿勢を識別する識別器のためのパラメータを決定する機械学習(姿勢識別)部と、歩行識別のための識別器パラメータと姿勢識別のための識別器パラメータとをそれぞれ記憶するメモリとが設けられてよい。 Referring to FIG. 1C, in a device (machine learning device) 12 that executes machine learning, as in posture estimation device 10, an acceleration value measured by an acceleration value sensor is received and Acceleration feature quantity extraction unit for extracting or calculating acceleration feature quantity; ) as supervised learning data, machine learning processing is performed using such learning data, and the subject identifies and extracts the walking section during walking in the acceleration value time series data. A machine learning (walking identification) unit that determines parameters, and a recognition result (correct value) of the posture of the subject at the time of measurement of the acceleration value measured by the acceleration value sensor and the acceleration value. A walking segment extraction unit that extracts the walking segment in which the subject is walking in the acceleration value time-series data by referring to the posture identification result (correct value), and extracting the acceleration value of the extracted walking segment A reference vector determination unit that determines a reference vector by referring to the reference vector and determines a rotation transformation matrix for coordinate transformation of the acceleration value, and acceleration value coordinates that perform coordinate transformation of the acceleration value measured by the acceleration sensor using the rotation transformation matrix a transformation unit, a second acceleration value feature amount extraction unit for extracting or calculating a feature amount from the coordinate-transformed acceleration value (transformed acceleration value), and obtaining the transformed acceleration feature amount and the transformed acceleration feature amount. When it is determined, that is, the identification result (correct value) of the posture of the subject at the time of measurement of the acceleration value is used as supervised learning data, and machine learning processing is performed using this learning data. A machine learning (posture identification) unit that determines parameters for a classifier that identifies the posture of the body, and a memory that stores classifier parameters for walking recognition and classifier parameters for posture recognition. you can

なお、加速度センサと共に気圧センサが被検者に準備され、被検者の体幹に装着された気圧センサの計測した気圧値を時々刻々に受容して、気圧値から気圧特徴量を抽出又は算出する気圧値特徴量抽出部が設けられ、気圧特徴量が機械学習(歩行識別)部及び機械学習(姿勢識別)部に於ける機械学習に於いて、学習データに於ける入力データとして参照されるようになっていてよい。 In addition, an air pressure sensor is prepared for the subject together with the acceleration sensor, and the air pressure value measured by the air pressure sensor attached to the trunk of the subject is received every moment, and the air pressure feature value is extracted or calculated from the air pressure value. A pressure value feature value extraction unit is provided, and the pressure feature value is referred to as input data in learning data in machine learning in the machine learning (walking identification) unit and the machine learning (posture identification) unit. It's okay to be like this.

上記の図1(C)の構成に於いて、加速度センサ、気圧センサ、第一及び第二の加速度特徴量抽出部、気圧特徴量抽出部、基準ベクトル決定部、加速度値座標変換部は、姿勢推定装置10内のものと同一のものであってよい(共用であってよい。)。上記の被検者の機械学習装置12が筐体1内に収容されている場合も別体のコンピュータ装置に構成されている場合も、装置内の各部の作動は、メモリに記憶されたプログラムに従った作動により、実現されることは理解されるべきである。 In the configuration of FIG. 1(C), the acceleration sensor, the atmospheric pressure sensor, the first and second acceleration feature extraction units, the atmospheric pressure feature extraction unit, the reference vector determination unit, and the acceleration value coordinate conversion unit It may be the same as that in the estimating device 10 (may be shared). Whether the machine learning device 12 for the subject is housed in the housing 1 or configured as a separate computer device, the operation of each part in the device is controlled by the program stored in the memory. It should be understood that what is achieved by the actuation accordingly.

装置の作動
(1)姿勢推定に於ける改良の概要
「発明の概要」の欄に於いても説明されている如く、本発明による姿勢推定装置に於いては、図2(A)~(C)にて模式的に描かれている如く、被検者Pに筐体1に収納された加速度センサを装着した場合に、加速度センサの加速度値の計測軸(実線矢印)に対する重力方向gが被検者Pの姿勢によって変化することにより、加速度センサにて計測される加速度値が変化するので、かかる加速度値の変化に基づいて被検者Pの姿勢が立位(A)、座位(B)、臥位(C)などのいずれにあるのかが推定される。この加速度値による姿勢の推定に関して、加速度センサの計測する加速度値は、被検者Pの体幹に対する加速度センサの向きが変わることによっても変化するところ、被検者Pの体幹に対する加速度センサの向きは、加速度センサの装着の度に変わり得るので、加速度センサに於いて得られた加速度値を参照しただけでは被検者Pの姿勢を識別することは困難となる。例えば、姿勢の立位の時に加速度センサがその計測軸が上向きになるように装着されているときに姿勢が臥位になった場合は、姿勢の立位の時に加速度センサがその計測軸が横向きになるように装着されているときに姿勢が立位になっている場合と区別がつかず、また、同じ姿勢であっても、加速度センサの計測軸の向きが異なれば、加速度値が変わってしまうので、異なる姿勢であると判定してしまう場合が起き得る。即ち、被検者Pの体幹に対する加速度センサの計測軸の向きが常に同一でない場合、或いは、把握できていない場合には、加速度値に基づいて精度良く姿勢を推定することが困難となるところ、加速度センサの計測軸の向きは、被検者の体格、センサの装着位置や取り付け方などが異なることから、必ずしも同じにはならず、また、体幹に対するセンサの向きを正確に把握することも容易ではない。
Operation of the Device (1) Outline of Improvement in Posture Estimation As explained in the section "Summary of the Invention", in the posture estimation device according to the present invention, Figs. ), when the subject P is equipped with an acceleration sensor housed in the housing 1, the direction of gravity g with respect to the measurement axis (solid arrow) of the acceleration value of the acceleration sensor is Since the acceleration value measured by the acceleration sensor changes due to the change in the posture of the examinee P, the posture of the examinee P changes between the standing position (A) and the sitting position (B) based on the change in the acceleration value. , recumbent position (C), and so on. Regarding posture estimation based on the acceleration value, the acceleration value measured by the acceleration sensor changes depending on the orientation of the acceleration sensor with respect to the trunk of the subject P. Since the orientation may change each time the acceleration sensor is worn, it is difficult to identify the posture of the subject P only by referring to the acceleration values obtained by the acceleration sensor. For example, if the accelerometer is mounted so that its measurement axis faces upward when the posture is standing, and the posture is lying down, the accelerometer is placed so that its measurement axis faces sideways when the posture is standing. It is indistinguishable from a standing posture, and even if the posture is the same, if the direction of the measurement axis of the accelerometer changes, the acceleration value will change. Therefore, it may be determined that they are in different postures. That is, when the direction of the measurement axis of the acceleration sensor with respect to the trunk of the subject P is not always the same, or when it cannot be grasped, it becomes difficult to accurately estimate the posture based on the acceleration value. However, the direction of the measurement axis of the acceleration sensor is not necessarily the same because the physique of the subject and the position and mounting method of the sensor are different. is not easy either.

ところで、上記の加速度値に基づく姿勢の推定に於いて、体幹に作用する加速度は、体動による一時的な変動が生ずるが、そのベクトル(加速度ベクトル)は、概して、常に同じ大きさにて、重力方向(g)を向いており(図2(D)参照)、同じ姿勢でも、加速度値が異なるのは、加速度センサの計測軸(x-y-z)にて張られる座標空間(計測座標空間)、即ち、加速度ベクトルを加速度値で表す際の座標空間の座標軸(加速度センサの計測軸)が、加速度センサの装着の度に変わってしまうことによっている。そこで、姿勢の推定に際しては、加速度センサの計測した加速度値をそのまま用いるのではなく、加速度センサの計測した加速度値にて決定される加速度ベクトルが、体幹に対して或る特定の方向に設定された座標空間(体幹に対して固定された座標空間)に於ける座標値にて表されるように、加速度センサの計測した加速度値を座標変換して得られる値(変換後加速度値)を用いれば、かかる変換後加速度値は、同じ姿勢のときには、同じ値であり、異なる姿勢のときには、異なった値となるので、姿勢推定の精度が向上されることが期待される。 By the way, in estimating the posture based on the above acceleration values, the acceleration acting on the trunk undergoes temporary fluctuations due to body movements, but the vector (acceleration vector) is generally always of the same magnitude. , faces the direction of gravity (g) (see FIG. 2(D)). This is because the coordinate space), that is, the coordinate axis of the coordinate space when the acceleration vector is represented by the acceleration value (the measurement axis of the acceleration sensor) changes each time the acceleration sensor is attached. Therefore, when estimating the posture, instead of using the acceleration values measured by the acceleration sensor as they are, an acceleration vector determined by the acceleration values measured by the acceleration sensor is set in a specific direction with respect to the trunk. A value obtained by coordinate transformation of the acceleration value measured by the acceleration sensor so that it is represented by the coordinate value in the coordinate space (the coordinate space fixed with respect to the trunk) (post-transformation acceleration value) is used, the post-transformation acceleration value is the same value when the posture is the same, and becomes a different value when the posture is different. Therefore, it is expected that the accuracy of posture estimation is improved.

この点に関し、既に述べた如く、体幹に作用する加速度ベクトルは、基本的には、重力方向を向いており、或る姿勢、例えば、立位に於ける重力方向を加速度センサの計測座標空間に於いて検出すれば、その重力方向は、姿勢が立位にあるとき、体幹に対して常に同じ方向を向くので、その重力方向を一つの基準の方向として定めた座標空間(基準座標空間、図2(E)参照)が、体幹に対して固定された座標空間として利用可能である。また、姿勢が立位、座位又は臥位にて静止している場合、加速度センサの計測する加速度値は、図3(B)に例示されている如く、或る値にて停留するだけなので、加速度センサの装着の向きが不明であるときには、加速度値から姿勢を区別することはできないが、被検者が歩行中の場合には、通常、立位であると想定され、且つ、図3(A)に例示されている如く、歩行に伴う体動により、加速度センサの計測する加速度値に於いて特徴的な振動が発生するので、加速度値の時系列データから被検者が歩行中であることは検出が可能であり、かくして、姿勢が立位であるときの加速度値が時系列データとして抽出可能である。そして、抽出された歩行中の加速度値にて表される特徴的な振動を除いた大半の部分の加速度ベクトルの方向は、重力方向であると想定できるので、かかる重力方向を検出し、その重力方向が一つの基準の方向として定めた基準座標空間として設定できることとなる。実際、図3(A)の歩行中の加速度値の中央値が図3(B)の立位(静止)時の加速度値とほぼ一致しているので、歩行中の加速度値から立位に於ける加速度ベクトルの方向が検出可能である。 In this regard, as already mentioned, the acceleration vector acting on the trunk basically points in the direction of gravity. , the direction of gravity always faces the same direction with respect to the trunk when the posture is in a standing position. , see FIG. 2(E)) can be used as a coordinate space fixed with respect to the trunk. Also, when the posture is standing, sitting, or lying still, the acceleration value measured by the acceleration sensor only stops at a certain value, as illustrated in FIG. When the orientation of the acceleration sensor is unknown, the posture cannot be distinguished from the acceleration value. As exemplified in A), the body motion associated with walking causes a characteristic vibration in the acceleration value measured by the acceleration sensor. This can be detected, and thus the acceleration value when the posture is standing can be extracted as time-series data. Then, since it can be assumed that the direction of most of the acceleration vectors except for the characteristic vibration represented by the extracted acceleration value during walking is the direction of gravity, the direction of gravity is detected, and the direction of gravity is detected. The direction can be set as a reference coordinate space defined as one reference direction. Actually, since the median value of the acceleration value during walking in FIG. The direction of the acceleration vector can be detected.

かくして、本実施形態の装置では、姿勢の推定に際して、端的に述べると、被検者に装着された加速度センサの計測する加速度値から、まず、被検者が歩行中の区間が検出され、その歩行区間に於ける加速度値から重力方向を向いた加速度ベクトルが基準ベクトルとして決定される。そして、被検者に装着された加速度センサの計測する加速度値が、基準ベクトルが所定の基準方向に一致した基準座標空間に於ける座標値、即ち、変換後加速度値、に変換され、かくして、加速度センサの計測する加速度値にて決定される加速度ベクトルが、被検者の体幹に固定された座標空間内の座標値で表されることとなり、その変換後加速度値を用いて被検者の姿勢の推定が実行される。なお、以下に詳細に説明される如く、加速度センサの計測する加速度値を用いた被検者の歩行中の区間の識別と、変換後加速度値を用いた被検者の姿勢の識別に於いては、それぞれ、被検者が種々の姿勢を取った場合の加速度センサにて計測した加速度値とその加速度値の計測時に於ける被検者の姿勢の識別結果(正解値)とを教師付き学習データとして用いた機械学習によって構成された識別器が用いられてよい。また、被検者の歩行中の区間の識別と被検者の姿勢の識別とに於いては、加速度センサの計測する加速度値に加えて、気圧センサにより計測される気圧値が入力変数として参照されてよい。気圧値には、体幹の重力方向の変位が反映されているので、被検者の移動が水平方向であるか、上下方向を含んでいるか(階段の昇り降りなど)がより精度良く識別できることとなる。 Thus, in estimating the posture, the apparatus of the present embodiment first detects the walking section of the subject from the acceleration values measured by the acceleration sensor attached to the subject. An acceleration vector directed in the direction of gravity is determined as a reference vector from the acceleration values in the walking section. Then, the acceleration value measured by the acceleration sensor attached to the subject is converted into the coordinate value in the reference coordinate space in which the reference vector coincides with the predetermined reference direction, that is, the converted acceleration value. The acceleration vector determined by the acceleration value measured by the acceleration sensor is represented by the coordinate value in the coordinate space fixed to the trunk of the subject, and the converted acceleration value is used to move the subject pose estimation is performed. As will be described in detail below, in the identification of the walking section of the subject using the acceleration value measured by the acceleration sensor and the identification of the subject's posture using the converted acceleration value, is a supervised learning of the acceleration values measured by the acceleration sensor when the subject takes various postures and the identification result (correct value) of the subject's posture at the time of measurement of the acceleration value. A discriminator configured by machine learning using data may be used. In addition to the acceleration value measured by the acceleration sensor, the air pressure value measured by the pressure sensor is referred to as an input variable in the identification of the walking section of the subject and the identification of the posture of the subject. may be Since the air pressure value reflects the displacement of the trunk in the direction of gravity, it is possible to more accurately identify whether the subject's movement is horizontal or includes vertical movement (such as climbing stairs). becomes.

(2)姿勢の推定
本実施形態の装置の人等の姿勢の推定に於いては、図4(A)に示されている如く、加速度値・気圧値の取得(ステップ1~3)、歩行区間の識別(ステップ5~6)、基準ベクトルの決定(ステップ8)、加速度値の座標変換(ステップ9)、姿勢の識別(ステップ10~11)が順々に実行され、推定結果が出力されてよい。以下、各処理について説明する。
(2) Estimation of Posture In estimating the posture of a person, etc., in the device of this embodiment, as shown in FIG. Section identification (steps 5 and 6), reference vector determination (step 8), coordinate transformation of acceleration values (step 9), and orientation identification (steps 10 and 11) are executed in sequence, and the estimation results are output. you can Each process will be described below.

(i)加速度値・気圧値の取得(ステップ1~3)
姿勢の推定のために計測される加速度値と気圧値とは、上記の如く、それぞれ、加速度センサと気圧センサとにより、時系列に計測され記憶される。後の一連の処理に於いては、これらの計測値の時系列データから、図4(C)に模式的に示されている如きエポックという単位毎に算出される特徴量が識別器の入力データとして用いられるので、加速度値と気圧値の計測が1エポック完了毎に、次の処理が実行されることとなる。なお、一つのエポックは、前後のエポックと重複していても(前後のエポックと重複する割合は任意に変更されてよい。)、重複していなくてもよい。図示の如く、例えば、4秒幅のエポックが、2秒間ずつ前後のエポックと重複するようになっていてもよく、各エポックの終了時Ct1、Ct2…に於いて各エポックに於ける時系列の計測データを用いて特徴量が抽出又は算出されることとなる。従って、この場合、図4(A)に示されている如く、各エポックが完了するまで、加速度値・気圧値の計測(ステップ1)と記憶(ステップ2)が反復して実行され、エポックの完了毎(ステップ3)に次の処理が実行されることとなる(ステップ4)。
(i) Acquisition of acceleration values and atmospheric pressure values (steps 1 to 3)
The acceleration value and the air pressure value measured for posture estimation are measured and stored in time series by the acceleration sensor and the air pressure sensor, respectively, as described above. In the subsequent series of processing, from the time-series data of these measured values, the feature amount calculated for each unit called epoch as schematically shown in FIG. , the following processing is executed each time the measurement of the acceleration value and the atmospheric pressure value is completed one epoch. Note that one epoch may overlap with the preceding and following epochs (the ratio of overlap with the preceding and succeeding epochs may be changed arbitrarily), or may not overlap. As shown in the figure, for example, an epoch with a width of 4 seconds may be overlapped with the epoch before and after it by 2 seconds, and at the end of each epoch Ct1, Ct2, . . . A feature amount is extracted or calculated using the measurement data. Therefore, in this case, as shown in FIG. 4A, the measurement (step 1) and storage (step 2) of the acceleration value and the atmospheric pressure value are repeatedly executed until each epoch is completed. The next process is executed (step 4) each time the process is completed (step 3).

(ii)歩行区間の識別(ステップ5~6)
加速度値・気圧値の計測・記憶のエポック完了毎に、後に説明する基準ベクトルが決定されていないときには(ステップ4)、基準ベクトルを決定するために、加速度値・気圧値の特徴量を参照して、その加速度値・気圧値の時系列データに於いて、被検者が歩行中の区間が特定され抽出される。具体的には、まず、加速度値・気圧値のエポック毎の特徴量が算出される。かかる特徴量は、加速度値・気圧値の各エポック内の時系列データから適宜選択されてよい。典型的は、特徴量として、時系列データの所定の時間毎の統計量が採用されよい。具体的には、特徴量としては、例えば、各軸の加速度値の平均値、中央値、標準偏差、平方自乗平均(RMS)、特定の周波数領域のエネルギー、自己相関関数のピーク位置・高さ、気圧波形を線形回帰したときの係数などが利用可能である。また、歩行中の区間の識別に於いて、複数の特徴量(例えば、7つの特徴量)が参照されてよい。
(ii) Identification of Walking Segments (Steps 5-6)
Each time an epoch of acceleration/air pressure measurement/storage is completed, if a reference vector, which will be described later, has not been determined (step 4), the feature values of the acceleration/air pressure are referred to in order to determine the reference vector. Then, the section in which the subject is walking is specified and extracted from the time-series data of the acceleration value and the air pressure value. Specifically, first, feature amounts for each epoch of the acceleration value and the atmospheric pressure value are calculated. Such a feature amount may be appropriately selected from the time-series data within each epoch of acceleration values and atmospheric pressure values. Typically, a statistic for each predetermined time of time-series data may be employed as the feature amount. Specifically, the feature values include, for example, the average value, median value, standard deviation, root mean square (RMS) of acceleration values of each axis, energy in a specific frequency region, peak position/height of autocorrelation function , coefficients for linear regression of atmospheric pressure waveforms, etc. can be used. Also, multiple feature amounts (for example, seven feature amounts) may be referred to in identifying the section during walking.

かくして、加速度値と気圧値の特徴量が算出されると、それらを参照して、それらの特徴量が得られた加速度値と気圧値の計測区間に於いて被検者が歩行中であったか否かが識別される。かかる識別は、後に説明される如き学習データを用いて教師付き機械学習の手法にて決定されたパラメータ(識別器パラメータ)を用いて構成される識別器を用いて実行されてよい。識別器は、ランダムフォレスト法、サポートベクターマシン法、勾配ブースティング法、k-NN法などの任意の教師付き機械学習の手法に従って構成されてよい。識別器パラメータは、後に説明される如く予め準備されて、メモリ内に記憶され、使用する際に呼び出される。特徴量から被検者が歩行中か否かを識別する具体的な処理は、任意のアルゴリズムにより実行されてよく、典型的には、プログラム言語にて用意された関数やモジュールを使用して実行されてよい。 Thus, when the feature values of the acceleration value and the air pressure value are calculated, they are referenced to determine whether or not the subject was walking in the measurement section of the acceleration value and the air pressure value from which those feature values were obtained. is identified. Such identification may be performed using a classifier configured using parameters (classifier parameters) determined by a supervised machine learning technique using learning data as described later. The discriminator may be constructed according to any supervised machine learning approach such as random forest method, support vector machine method, gradient boosting method, k-NN method. The discriminator parameters are prepared in advance, stored in memory, and recalled for use, as described below. A specific process for identifying whether or not the subject is walking from the feature amount may be executed by any algorithm, and is typically executed using functions and modules prepared in a programming language. may be

(iii)基準ベクトルの決定(ステップ8)
上記の被検者が歩行中であったか否かの識別により、歩行区間が検出されると、基準ベクトルを決定可能か否かが判定される(ステップ7)。後に説明される如く、基準ベクトルは、歩行区間に於ける3軸方向の加速度値を参照して、それらの表す加速度ベクトルの代表的な方向に選択されるところ、参照する3軸方向の加速度値の区間が短過ぎるときには、精度良く基準ベクトルを選択できないこととなる。従って、基準ベクトルを選択するのに十分な長さの歩行区間が検出されてから、基準ベクトルの決定が実行されるようになっていてよい(即ち、基準ベクトルを選択するのに十分な長さの歩行区間が蓄積されるまで、ステップ1~6がそのまま反復されるようになっていてよい。)。
(iii) Determination of Reference Vector (Step 8)
When the walking section is detected by identifying whether the subject was walking or not, it is determined whether or not the reference vector can be determined (step 7). As will be explained later, the reference vectors are selected in the representative directions of the acceleration vectors representing them with reference to the acceleration values in the three-axis directions in the walking section. is too short, the reference vector cannot be selected with high accuracy. Thus, a walk segment long enough to select a reference vector may be detected before determination of the reference vector is performed (i.e. Steps 1-6 may be directly repeated until .

かくして、十分な長さの歩行区間の加速度値の時系列データが蓄積されると、3軸方向の各加速度値に於ける代表値が基準ベクトルの要素値(bx,by,bz)として選択される(図2(D)参照))。かかる代表値としては、具体的には、3軸方向の加速度値のそれぞれの中央値、平均値、主成分分析によって得られた値であってよい(図3(A)参照)。既に述べた如く、3軸方向の各加速度値の代表値に表される基準ベクトルの方向は、重力方向を向いていると考えられ、従って、図2(D)に示されている如く、基準ベクトルVrの要素値(bx,by,bz)は、加速度センサの計測座標空間[x-y-z]に於ける座標値にて重力方向gのベクトルを表していることとなる。 Thus, when time-series data of acceleration values for a walking section of sufficient length are accumulated, representative values of acceleration values in three axial directions are selected as element values (bx, by, bz) of the reference vector. (see FIG. 2(D))). Specifically, such a representative value may be a median value, an average value, or a value obtained by principal component analysis of acceleration values in three axial directions (see FIG. 3A). As described above, the direction of the reference vector represented by the representative value of each acceleration value in the three axial directions is considered to be in the direction of gravity. The element values (bx, by, bz) of the vector Vr represent the vector in the direction of gravity g with coordinate values in the measurement coordinate space [xyz] of the acceleration sensor.

上記の重力方向gの基準ベクトルVrは、加速度センサの計測座標空間の座標軸が如何なる方向を向いていても(即ち、加速度センサの装着の向きが如何なる方向であっても)、加速度センサの計測座標空間に於いて、立位姿勢にある体幹に対して実質的に常に同じ方向に選択可能である。従って、図2(E)に示されているように、被検者が歩行中であり、その体幹の姿勢が立位であるときの重力方向が所定の基準方向(例えば、x軸の負方向)に設定された座標空間が、上記の如く、体幹に対して固定された基準座標空間として利用可能であり、加速度センサの計測した加速度値(加速度ベクトルの計測座標空間に於ける座標値)を基準座標空間に於ける座標値に変換すれば、その変換後の加速度値は、加速度センサの装着の向きによらずに体幹の向きの変化によって変化する値となる。 The reference vector Vr of the gravitational direction g is the measurement coordinate of the acceleration sensor regardless of the direction of the coordinate axis of the measurement coordinate space of the acceleration sensor (that is, regardless of the direction in which the acceleration sensor is mounted). In space, the same direction can be selected virtually always with respect to the trunk in a standing position. Therefore, as shown in FIG. 2(E), when the subject is walking and the posture of the trunk is standing, the direction of gravity is a predetermined reference direction (for example, the negative direction of the x-axis). direction) can be used as a reference coordinate space fixed with respect to the trunk as described above, and the acceleration values measured by the acceleration sensor (the coordinate values in the measurement coordinate space of the acceleration vector ) into coordinate values in the reference coordinate space, the acceleration value after the conversion is a value that varies with changes in the direction of the trunk regardless of the direction in which the acceleration sensor is worn.

(iv)加速度値の座標変換(ステップ9)、
上記の基準ベクトルが決定されると、加速度センサの計測した加速度値を基準ベクトルが所定の基準方向に設定された基準座標空間の座標値に変換する処理が可能となる。この点に関し、かかる変換処理は、加速度センサの計測座標空間の座標値(bx,by,bz)にて表された基準ベクトルの方向を所定の基準方向に回転する回転変換の操作に相当する。例えば、所定の基準方向をx軸の負方向、即ち、(-1,0,0)の方向に設定したとすると、図2(D)、(E)を参照して、基準ベクトルVrの方向を(-1,0,0)に一致させるためには(即ち、加速度センサのx軸の負方向を基準ベクトルの方向に一致させるためには)、基準ベクトルVrをy軸周りとz軸周りとに回転させればよい。具体的には、例えば、まず、基準ベクトルVrがy軸周りにて回転角βだけ回転され、x-y平面上に配置される。ここで、回転角βは、

Figure 0007172733000001
により与えられ、基準ベクトルVrをy軸周りに回転する回転行列Ryは、
Figure 0007172733000002
により与えられ、かくして、基準ベクトルVrがx-y平面上に延在するよう回転して得られたベクトルVr’の座標値(bx’,by’,bz’)は、
Figure 0007172733000003
により与えられる。次いで、ベクトルVr’がz軸周りにて回転角γだけ回転され、これにより、基準ベクトルVrがx軸の負方向に一致させられることとなる。ここで、回転角γは、
Figure 0007172733000004
により与えられ、基準ベクトルVrをz軸周りに回転する回転行列Rzは、
Figure 0007172733000005
により与えられる。従って、基準ベクトルVrの座標値(bx,by,bz)は、回転変換行列Rz・Ryを乗ずることによって、x軸の負方向に一致することになるので(この操作は、加速度センサの計測座標空間のx軸の負方向が基準ベクトルの方向に一致するように計測座標空間の座標軸を回転することに相当する。)、加速度センサの計測した3軸方向の加速度値Amに対して、回転変換行列Rz・Ryを乗ずることによって、3軸方向の加速度値Amに対応する加速度ベクトルが基準座標空間に於ける座標値Asにて表されることとなる。かくして、ステップ9に於いては、基準ベクトルVrの要素値(bx,by,bz)を用いて、Ry、Rzを決定し、更に、加速度センサの計測した3軸方向の加速度値Amに対して、
As=Rz・Ry・Am …(6)
の変換処理を実行し、変換後加速度値(As)が算出される。 (iv) coordinate transformation of acceleration values (step 9);
Once the reference vector is determined, it becomes possible to convert the acceleration value measured by the acceleration sensor into a coordinate value in a reference coordinate space in which the reference vector is set in a predetermined reference direction. In this respect, the conversion process corresponds to a rotational conversion operation that rotates the direction of the reference vector represented by the coordinate values (bx, by, bz) in the measurement coordinate space of the acceleration sensor in a predetermined reference direction. For example, assuming that the predetermined reference direction is set to the negative direction of the x-axis, that is, the (-1, 0, 0) direction, referring to FIGS. to (-1, 0, 0) (that is, to align the negative direction of the x-axis of the accelerometer with the direction of the reference vector), the reference vector Vr is set around the y-axis and around the z-axis as It should be rotated to Specifically, for example, first, the reference vector Vr is rotated about the y-axis by a rotation angle β and arranged on the xy plane. Here, the rotation angle β is
Figure 0007172733000001
The rotation matrix Ry, which rotates the reference vector Vr around the y-axis, is given by
Figure 0007172733000002
and thus the coordinate values (bx', by', bz') of the vector Vr' obtained by rotating the reference vector Vr so that it extends on the xy plane are
Figure 0007172733000003
given by The vector Vr' is then rotated about the z-axis by a rotation angle γ, which aligns the reference vector Vr in the negative direction of the x-axis. Here, the rotation angle γ is
Figure 0007172733000004
The rotation matrix Rz that rotates the reference vector Vr around the z-axis is given by
Figure 0007172733000005
given by Therefore, the coordinate values (bx, by, bz) of the reference vector Vr are aligned in the negative direction of the x-axis by multiplying the rotation transformation matrix Rz·Ry (this operation is equivalent to the measurement coordinates of the acceleration sensor (corresponding to rotating the coordinate axes of the measurement coordinate space so that the negative direction of the x-axis of the space coincides with the direction of the reference vector), and the rotation transformation By multiplying the matrix Rz·Ry, the acceleration vector corresponding to the acceleration value Am in the three axial directions is represented by the coordinate value As in the reference coordinate space. Thus, in step 9, Ry and Rz are determined using the element values (bx, by, bz) of the reference vector Vr. ,
As=Rz.Ry.Am (6)
, and the converted acceleration value (As) is calculated.

なお、上記の如く、加速度センサの計測した3軸方向の加速度値から得られた変換後加速度値に於いては、被検者の姿勢によって、値の分布する範囲がより明瞭に分離することが見出されている。図5(A)、(B)を参照して、被検者の姿勢の立位、座位及び臥位である場合について、加速度センサの計測した3軸方向の加速度値の各姿勢の分布範囲(A)と、変換後加速度値の各姿勢の分布範囲(B)とを比較すると、後者の方が、姿勢による加速度値の分布範囲の境界がより明瞭であることが理解される。かくして、上記の如く、変換後加速度値を用いて姿勢の識別を行った場合に推定結果の精度が向上することが期待される。 As described above, in the converted acceleration values obtained from the acceleration values in the three axial directions measured by the acceleration sensor, the distribution range of the values can be separated more clearly depending on the posture of the subject. have been discovered. With reference to FIGS. 5A and 5B, the distribution range of each posture of the acceleration values in the three axial directions measured by the acceleration sensor ( Comparing A) with the distribution range (B) of the post-conversion acceleration value for each orientation, it is understood that the latter has a clearer boundary of the distribution range of the acceleration value depending on the orientation. Thus, as described above, it is expected that the accuracy of the estimation result will be improved when the posture is identified using the converted acceleration value.

(v)姿勢の識別(ステップ10~11)
上記の一連の処理によって、変換後加速度値が得られると、変換後加速度値を用いて、ステップ5と同様の要領にて、変換後加速度値・気圧値のエポック毎の特徴量が算出される(ステップ10)。かかる特徴量は、変換後加速度値・気圧値の各エポック内の時系列データから適宜選択されてよい。典型的は、特徴量として、時系列データの所定の時間毎の統計量が採用されよい。特徴量としては、例えば、各軸の変換後加速度値の平均値、中央値、標準偏差、平方自乗平均(RMS)、特定の周波数領域のエネルギー、自己相関関数のピーク位置・高さ、気圧波形を線形回帰したときの係数などが利用可能である。また、姿勢の識別に於いて、複数の特徴量(例えば、7つの特徴量)が参照されてよい。
(v) pose identification (steps 10-11)
When the converted acceleration value is obtained through the series of processes described above, the converted acceleration value is used to calculate the feature amount of the converted acceleration value and atmospheric pressure value for each epoch in the same manner as in step 5. (Step 10). Such a feature amount may be appropriately selected from the time-series data within each epoch of the converted acceleration value and atmospheric pressure value. Typically, a statistic for each predetermined time of time-series data may be employed as the feature amount. The features include, for example, the average value, median value, standard deviation, root mean square (RMS) of the converted acceleration values for each axis, energy in a specific frequency region, peak position and height of the autocorrelation function, atmospheric pressure waveform can be used, such as the coefficient when linear regression is performed. Also, multiple feature amounts (for example, seven feature amounts) may be referred to in posture identification.

かくして、加速度値と気圧値の特徴量が算出されると、それらを参照して、それらの特徴量が得られたエポックに於ける被検者の姿勢の識別が実行される。識別される姿勢は、具体的には、立位、座位、臥位、歩行(水平)、階段のぼり、階段くだりなどであってよい。かかる識別は、歩行区間の識別の場合と同様に、後に説明される如き学習データを用いて教師付き機械学習の手法にて決定されたパラメータ(識別器パラメータ)を用いて構成される識別器を用いて実行されてよい。識別器は、ランダムフォレスト法、サポートベクターマシン法、勾配ブースティング法、k-NN法などの任意の教師付き機械学習の手法に従って構成されてよい。識別器パラメータは、後に説明される如く予め準備されて、メモリ内に記憶され、使用する際に呼び出される。特徴量から被検者の姿勢を識別する具体的な処理は、任意のアルゴリズムにより実行されてよく、典型的には、プログラム言語にて用意された関数やモジュールを使用して実行されてよい。ここで、得られた姿勢の識別結果が、本装置の最終的な姿勢の推定結果である。 Thus, when the feature values of the acceleration value and the air pressure value are calculated, they are referenced to identify the posture of the subject in the epoch when those feature values were obtained. Specifically, the postures identified may be standing, sitting, lying down, walking (horizontal), climbing stairs, descending stairs, and the like. Such identification, as in the case of walking section identification, uses a classifier configured using parameters (classifier parameters) determined by a supervised machine learning method using learning data as described later. may be implemented using The discriminator may be constructed according to any supervised machine learning approach such as random forest method, support vector machine method, gradient boosting method, k-NN method. The discriminator parameters are prepared in advance, stored in memory, and recalled for use, as described below. A specific process of identifying the posture of the subject from the feature quantity may be executed by any algorithm, typically using functions and modules prepared in a program language. Here, the obtained orientation identification result is the final orientation estimation result of the apparatus.

なお、上記の一連の処理は、リアルタイムに姿勢の識別を実行する場合について説明しているが、任意の期間に亙って加速度値又は更に気圧値を計測した後に、一括して、計測された期間に亙る姿勢の推定が実行されるようになっていてもよい。その場合には、得られている計測データのうちで、まず、被検者の歩行中の区間が特定され、その歩行区間のデータを用いて、基準ベクトルを決定し、その基準ベクトルの座標値を用いて、得られている計測データに於ける加速度値の座標変換を行い、かくして、変換後加速度値を用いて、姿勢の識別が実行されてよい(ステップ7の判定処理は、不要である。)。 The series of processes described above describes the case of performing posture identification in real time. An estimation of pose over time may be performed. In that case, first, the section in which the subject is walking is identified from the obtained measurement data, the reference vector is determined using the data of the walking section, and the coordinate values of the reference vector are determined. may be used to perform coordinate transformation of the acceleration values in the obtained measurement data, and thus posture identification may be performed using the transformed acceleration values (the determination processing in step 7 is unnecessary. .).

(3)姿勢の推定のための機械学習
上記の本実施形態の装置の姿勢の推定に於いては、被検者の歩行区間の識別のための識別器のパラメータと、被検者の姿勢の識別のための識別器のパラメータとが、予め機械学習の手法によって決定され、メモリに記憶される。既に述べた如く、いずれの識別器もランダムフォレスト法、サポートベクターマシン法、勾配ブースティング法、k-NN法などの任意の教師付き機械学習の手法に従って構成されてよい。
(3) Machine learning for estimating posture In estimating the posture of the apparatus of the present embodiment, the parameters of the discriminator for discriminating the walking section of the subject and the posture of the subject Parameters of the discriminator for discrimination are determined in advance by a machine learning technique and stored in memory. As already mentioned, any discriminator may be constructed according to any supervised machine learning method such as random forest method, support vector machine method, gradient boosting method, k-NN method.

図4(B)を参照して、機械学習処理に於いては、まず、学習データの調製(ステップ21)に於いて、被検者が種々の姿勢を取る間に加速度センサによる加速度値の計測と気圧センサによる気圧値の計測を実行すると共に被検者の姿勢を記録し、加速度値と気圧値の計測データを入力データとし、各計測データが得られた際の姿勢を正解データとして関連付けられた教師付き学習データが調製される。かかる学習データに於いて含まれる被検者の姿勢には、水平方向の歩行の他に、立位、座位、臥位、階段のぼり、階段くだりが含まれていてよい。 Referring to FIG. 4B, in the machine learning process, first, in preparation of learning data (step 21), acceleration values are measured by the acceleration sensor while the subject assumes various postures. and measure the air pressure value with the air pressure sensor, record the posture of the subject, use the measurement data of the acceleration value and the air pressure value as input data, and associate the posture when each measurement data is obtained as correct data. supervised learning data are prepared. The subject's postures included in such learning data may include standing, sitting, lying down, climbing stairs, and descending stairs in addition to horizontal walking.

そして、被検者の歩行区間の識別のための識別器のパラメータの決定に於いては、上記の学習データに於ける加速度値と気圧値の計測データから図4(A)のステップ5の場合と同様に加速度特徴量と気圧特徴量とが算出され(ステップ22)、それらの特徴量と対応する正解値データ(姿勢)とを用いて、歩行区間の識別に採用する機械学習の手法に応じて、歩行区間に於ける特徴量が入力されたときには、歩行区間であることが識別されるように、識別器のパラメータの決定が適宜実行されてよい(ステップ23)。既に述べた如く、具体的な処理は、任意のアルゴリズム或いは任意のプログラム言語にて用意された関数やモジュールを使用して実行されてよく、識別器パラメータは、使用するアルゴリズム、プログラム言語の関数又はモジュールの仕様によって決まるので、かかる仕様に応じて、識別器パラメータの具体的な値が適宜設定されることは当業者に於いて理解されるであろう。 Then, in determining the parameters of the discriminator for discriminating the walking section of the subject, from the measurement data of the acceleration value and the air pressure value in the above learning data, in the case of step 5 in FIG. Similarly, the acceleration feature amount and the pressure feature amount are calculated (step 22). Therefore, when the feature amount in the walking section is input, the parameters of the discriminator may be appropriately determined so that the walking section is identified (step 23). As already mentioned, the specific processing may be executed using any algorithm or any function or module prepared in any programming language, and the discriminator parameter is the algorithm to be used, the function of the programming language or It will be understood by those skilled in the art that the specific values of the discriminator parameters are appropriately set according to the specifications of the module since they are determined by the specifications of the module.

一方、被検者の姿勢の識別のための識別器のパラメータの決定に於いては、まず、上記の学習データに於ける正解値データが参照され、被検者の歩行中の区間が加速度値の計測データに於いて特定され抽出される(ステップ24)。そして、抽出された被検者の歩行区間に於ける3軸方向の加速度値の時系列データの各々に於いて、図2(A)のステップ8の場合と同様に、加速度値の代表値が、基準ベクトルの要素値として選択され、基準ベクトルが決定される(ステップ25)。しかる後、学習データに於ける加速度値に対して、ステップ9と同様の座標変換が実行され、変換後加速度値が算出され(ステップ26)、ステップ10と同様に、変換後加速度値と気圧値の特徴量が算出される。かくして、かかる変換後加速度値と気圧値の特徴量が得られると、それらの特徴量と対応する正解値データ(姿勢)とを用いて、姿勢の識別に採用する機械学習の手法に応じて、各姿勢に対応する特徴量が入力されたときには、その姿勢が識別結果として出力されるように、識別器のパラメータの決定が適宜実行されてよい(ステップ28)。既に述べた如く、具体的な処理は、任意のアルゴリズム或いは任意のプログラム言語にて用意された関数やモジュールを使用して実行されてよく、識別器パラメータは、使用するアルゴリズム、プログラム言語の関数又はモジュールの仕様によって決まるので、かかる仕様に応じて、識別器パラメータの具体的な値が適宜設定されることは当業者に於いて理解されるであろう。 On the other hand, in determining the parameters of the discriminator for discriminating the posture of the subject, first, the correct value data in the learning data is referred to, and the section during walking of the subject is the acceleration value. are identified and extracted from the measurement data of (step 24). Then, in each of the extracted time-series data of the acceleration values in the three axial directions in the walking section of the subject, the representative value of the acceleration value is , are selected as the element values of the reference vector and the reference vector is determined (step 25). After that, the acceleration values in the learning data are subjected to the same coordinate conversion as in step 9, the converted acceleration values are calculated (step 26), and the converted acceleration values and the atmospheric pressure values are calculated in the same manner as in step 10. is calculated. Thus, when the feature values of the converted acceleration value and the atmospheric pressure value are obtained, using these feature values and the corresponding correct value data (posture), depending on the machine learning method adopted for posture identification, When the feature amount corresponding to each posture is input, determination of parameters of the discriminator may be appropriately executed so that the posture is output as a discrimination result (step 28). As already mentioned, the specific processing may be executed using any algorithm or any function or module prepared in any programming language, and the discriminator parameter is the algorithm to be used, the function of the programming language or It will be understood by those skilled in the art that the specific values of the discriminator parameters are appropriately set according to the specifications of the module since they are determined by the specifications of the module.

かくして、上記の如く、機械学習により決定された識別器パラメータは、それぞれ、メモリに記憶され、加速度値と気圧値とを参照して被検者の姿勢の推定を行う際に利用される。 Thus, as described above, the discriminator parameters determined by machine learning are each stored in the memory and used when estimating the subject's posture by referring to the acceleration value and the air pressure value.

検証実験
上記に説明した本発明の有効性を検証するために、以下の如き実験を行った。なお、以下の実施例は、本発明の有効性を例示するものであって、本発明の範囲を限定するものではないことは理解されるべきである。
Verification Experiment In order to verify the effectiveness of the present invention described above, the following experiment was conducted. It should be understood that the following examples illustrate the effectiveness of the present invention and do not limit the scope of the invention.

上記の本実施形態の装置により被検者に装着された加速度センサと気圧センサによりにより計測された加速度値と気圧値とを用いて被検者の姿勢を推定する実験を行った。実験に於いては、被検者に、図6(A)の如く、腹部、左右脇腹部の3箇所のそれぞれに、加速度センサと気圧センサが収容された筐体を装着し、図6(B)、(C)に示されたプロトコルに従って行動した被検者に於いて、各センサにより3軸方向の加速度値と気圧値を計測すると共にその際の姿勢を記録した。計測は、4名の被検者について2回ずつ行った(学習データとして24組(4×3×2組)のデータ群を取得した。)。特徴量には、計測データから抽出された次の特徴量を用いた。:各軸の加速度値の平均値、平方自乗平均、気圧値の回帰直線の係数(合計7つの特徴量)。歩行区間の識別及び姿勢の識別のための識別器は、ランダムフォレスト法を用いて構成した。識別器は、歩行区間の識別に於いては、加速度値及び気圧値から算出された上記の特徴量を用いて、被検者の状態を水平方向に歩行中とそれ以外のいずれかに分類するよう構成し、姿勢の識別に於いては、変換後加速度値及び気圧値から算出された上記の特徴量を用いて、被検者の姿勢を、歩行(水平)、階段のぼり、階段くだり、立位(静止)、座位(静止)及び臥位(静止)のいずれかに分類するよう構成した。姿勢の推定の評価は、下記のLOSOCV(Leave One Subject Out Cross Validation)の手順にて各被検者の各センサの計測値を用いて各被検者の姿勢を推定し、推定結果のF値(精度と再現率の調和平均)を算出した。LOSOCVの手順に於いては、被検者1名に装着した3つのセンサのうちの一つのデータをテストデータとし、残りの被検者のデータを用いた機械学習により識別器パラメータを決定し、決定された識別器パラメータの設定の下、テストデータを用いて姿勢の推定と推定結果のF値を算出する処理を、被検者全員の全部のセンサのデータがテストデータとなるように12回繰り返した。 An experiment was conducted to estimate the posture of a subject using the acceleration value and the pressure value measured by the acceleration sensor and the pressure sensor attached to the subject by the apparatus of the present embodiment. In the experiment, as shown in FIG. 6(A), the subject was equipped with housings containing an acceleration sensor and an air pressure sensor on each of the abdomen and the left and right flanks. ) and (C), the subjects who acted according to the protocol shown in (C) measured the acceleration values and air pressure values in three axial directions by each sensor, and recorded the posture at that time. The measurement was performed twice for each of the four subjects (24 sets (4×3×2 sets) of data groups were obtained as learning data). The following feature values extracted from the measurement data were used as the feature values. : Mean value of acceleration value for each axis, root mean square value, coefficient of regression line of atmospheric pressure value (7 features in total). A classifier for walking section identification and posture identification was configured using the random forest method. The discriminator classifies the state of the subject into walking or not in the horizontal direction by using the above-mentioned feature values calculated from the acceleration value and the air pressure value in identifying the walking section. In identifying the posture, the posture of the subject is classified into walking (horizontal), climbing stairs, descending stairs, and standing using the above feature values calculated from the converted acceleration value and atmospheric pressure value. It was configured to be categorized as one of position (static), sitting (static) and lying (static). The evaluation of the posture estimation is performed by estimating the posture of each subject using the measurement values of each sensor of each subject in the procedure of LOSOCV (Leave One Subject Out Cross Validation) below, and calculating the F value of the estimation result. (harmonic mean of precision and recall) was calculated. In the procedure of LOSOCV, the data of one of the three sensors attached to one subject is used as test data, and the discriminator parameters are determined by machine learning using the data of the remaining subjects, Under the determined discriminator parameter setting, the process of estimating the posture and calculating the F value of the estimation result using the test data is performed 12 times so that the data of all the sensors of all the subjects become the test data. repeated.

図7を参照して、かくして、上記の如く実行された姿勢の推定の結果に於いて、識別器の入力変数として、加速度センサの計測した加速度値を用いた場合(座標変換なし)と、上記の本実施形態の教示に従って得られた変換後加速度値を用いた場合(座標変換あり)とのF値を比較すると、後者に於いて、階段のぼりを除く全ての姿勢の推定結果の精度が向上した。特に、臥位の場合、本発明による手法によれば、F値は1となり、これは、一つの間違いもなく完璧に推定できたことを示している。また、座位と立位に対する性能の向上が顕著に見られ、本発明の手法により、姿勢の推定精度の向上を達成できていることが理解される。(階段のぼりついては、本発明の手法の方が性能低下しているものの減少幅がわずかであり、歩行と階段おりの精度は向上しているので、被検者の歩行中の姿勢の推定に於いても精度が概ね向上されていると判断される。)。 Referring to FIG. 7, in the results of posture estimation executed as described above, the acceleration values measured by the acceleration sensor are used as the input variables of the discriminator (without coordinate transformation), and the above Comparing the F value between the case of using the transformed acceleration value obtained according to the teaching of this embodiment (with coordinate transformation) and the latter, the accuracy of the estimation results for all postures except for climbing stairs is improved. did. In particular, in the supine position, the method according to the present invention gave an F value of 1, which indicates that the estimation was perfect without a single error. In addition, it is understood that the improvement of the performance in the sitting position and the standing position is remarkably improved, and the method of the present invention achieves improvement in the accuracy of posture estimation. (For stair climbing, although the performance of the method of the present invention is lower, the decrease is slight, and the accuracy of walking and climbing stairs is improved, so in estimating the posture of the subject while walking It is judged that the accuracy is generally improved even if the

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。 Although the above description has been made with respect to the embodiments of the present invention, many modifications and changes can be easily made by those skilled in the art, and the present invention is limited only to the above-exemplified embodiments. It will be clear that the invention is non-limiting and can be applied to a variety of devices without departing from the concept of the invention.

例えば、歩行区間の識別及び/又は姿勢の識別は、機械学習により構成される識別器によらず、加速度特徴量若しくは変換後加速度特徴量又は更に気圧特徴量が実験的に又は理論的に適宜設定された閾値範囲に属しているか否かを判別することによって為されてもよい。又、加速度値の座標変換は、加速度センサの計測座標空間の座標値を基準ベクトルが所定の基準方向に一致した基準座標空間に於ける座標値に変換できれば、上記に例示された回転変換行列を用いた手法の他に、四元数を用いた方法などによってもよい。 For example, the identification of the walking section and/or the identification of the posture is not based on a classifier configured by machine learning, but the acceleration feature value, the converted acceleration feature value, or the pressure feature value is experimentally or theoretically set as appropriate. by determining whether it falls within a specified threshold range. For the coordinate transformation of the acceleration values, if the coordinate values in the measurement coordinate space of the acceleration sensor can be transformed into the coordinate values in the reference coordinate space in which the reference vector coincides with the predetermined reference direction, the rotation transformation matrix exemplified above can be used. In addition to the method used, a method using a quaternion or the like may be used.

Claims (1)

人又は動物又は歩行型ロボット(以下、「人等」と称する。)の姿勢を推定する装置であって、
人等の体幹に装着され、3軸方向の加速度値を時系列に計測する加速度センサ及び前記体幹に於ける気圧値を計測する気圧センサと、
前記3軸方向の加速度値及び気圧値のうち、前記人等が略水平方向の歩行状態にあるときに於ける3軸方向の加速度値及び気圧値を抽出し、前記抽出された3軸方向の加速度値及び気圧値を用いて、前記人等の略水平方向の歩行状態にあるときの加速度の代表方向を表す基準ベクトルを決定する基準ベクトル決定手段と、
前記3軸方向の加速度値を前記基準ベクトルの方向が所定の基準方向に一致した基準座標空間に於ける座標値である変換後加速度値に変換する変換後加速度値決定手段と、
前記変換後加速度値及び気圧値に基づいて前記人等の姿勢を推定する姿勢推定手段と
を含み、
前記基準ベクトル決定手段が、機械学習を用いて構成された第一の識別器を含み、
前記第一の識別器が、前記人等が前記略水平方向の歩行状態を含む種々の状態を取っているときの加速度値及び気圧値の時系列データとそれらの加速度値及び気圧値の時系列データに対応する前記人等の姿勢の時系列の正解データとから成る教師データを用いて、前記加速度値及び前記気圧値の時系列データから前記人等の姿勢の特徴を反映するものとして選択された特徴量が入力データとして与えられたときに前記正解データの姿勢を識別結果として出力するパラメータを決定し、
前記パラメータを用いて構成された前記第一の識別器へ前記加速度センサにて時系列に計測された3軸方向の加速度値及び前記気圧センサにて時系列に計測された気圧値の特徴量を入力することにより、前記加速度値及び前記気圧値の時系列データに於いて前記人等の姿勢が前記略水平方向の歩行状態となっている区間のデータを識別し抽出するよう構成され、
前記姿勢推定手段が、機械学習を用いて構成された第二の識別器を含み、
前記第二の識別器が、前記人等が種々の状態を取っているときの前記加速度センサにより計測された3軸方向の加速度値及び前記気圧センサにより計測された気圧値の時系列データとそれらの前記加速度値及び前記気圧値の時系列データに対応する人等の姿勢の時系列の正解データとから成る教師データを用いて、前記教師データの前記加速度値の時系列データを前記基準座標空間に於ける座標値である変換後加速度値に変換し、前記変換後加速度値及び前記気圧値の時系列データから前記人等の姿勢の特徴を反映するものとして選択された特徴量を算出し、それらの特徴量を入力データとし、識別結果として前記正解データの姿勢を出力するようにパラメータを決定し、
前記パラメータを用いて構成された前記第二の識別器へ前記加速度センサにて時系列に計測された3軸方向の加速度値から得られた変換後加速度値及び前記気圧センサにより計測された気圧値の特徴量を入力することにより、前記人等の姿勢を識別し推定するよう構成されている
装置。
A device for estimating the posture of a human, an animal, or a walking robot (hereinafter referred to as "human, etc."),
an acceleration sensor that is attached to the trunk of a person and measures acceleration values in three axial directions in chronological order and an air pressure sensor that measures the air pressure value in the trunk;
Among the acceleration values and pressure values in the three-axis directions, the acceleration values and pressure values in the three-axis directions when the person or the like is in a substantially horizontal walking state are extracted; reference vector determination means for determining a reference vector representing a representative direction of acceleration when the person or the like is in a substantially horizontal walking state, using the acceleration value and the air pressure value;
converted acceleration value determination means for converting the acceleration values in the three-axis directions into converted acceleration values, which are coordinate values in a reference coordinate space in which the direction of the reference vector coincides with a predetermined reference direction;
posture estimation means for estimating the posture of the person or the like based on the converted acceleration value and the atmospheric pressure value;
The reference vector determination means includes a first discriminator configured using machine learning,
The first discriminator comprises time-series data of acceleration values and air pressure values when the person or the like is in various states including the substantially horizontal walking state, and time-series data of the acceleration values and air pressure values. Using teacher data consisting of time-series correct data of the posture of the person, etc. corresponding to the data, selected from the time-series data of the acceleration value and the air pressure value that reflects the characteristics of the posture of the person, etc. Determining a parameter for outputting the posture of the correct data as an identification result when the feature amount is given as input data,
The first discriminator constructed using the parameters is provided with feature amounts of acceleration values in three axial directions measured in time series by the acceleration sensor and air pressure values measured in time series by the air pressure sensor. By inputting, it is configured to identify and extract the data of the section in which the posture of the person is in the substantially horizontal walking state in the time-series data of the acceleration value and the air pressure value,
the posture estimation means includes a second discriminator configured using machine learning;
The second discriminator comprises time-series data of acceleration values in three axial directions measured by the acceleration sensor and air pressure values measured by the air pressure sensor when the person or the like is in various states. time-series correct data of the posture of a person corresponding to the time-series data of the acceleration value and the air pressure value of , and calculating a feature amount selected as reflecting the characteristics of the posture of the person, etc. from the time-series data of the converted acceleration value and the atmospheric pressure value, Determining a parameter so as to output the posture of the correct data as an identification result using the feature values as input data,
Converted acceleration values obtained from acceleration values in three axial directions measured in time series by the acceleration sensor to the second discriminator configured using the parameters and pressure values measured by the pressure sensor It is configured to identify and estimate the posture of the person by inputting the feature amount of
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