JP2001218754A - ウォーキング判定装置 - Google Patents
ウォーキング判定装置Info
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- JP2001218754A JP2001218754A JP2000035061A JP2000035061A JP2001218754A JP 2001218754 A JP2001218754 A JP 2001218754A JP 2000035061 A JP2000035061 A JP 2000035061A JP 2000035061 A JP2000035061 A JP 2000035061A JP 2001218754 A JP2001218754 A JP 2001218754A
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Abstract
する。 【解決手段】 歩行計測部11は、歩行に伴って時間的
に変化する、歩行者又は動物体の動作状態を計測する。
時空間特徴抽出部12は、動作状態から時空間歩行特徴
量を抽出する。美しさ・健康度定量化部13は、時空間
歩行特徴量から歩行の美しさ又は健康度を定量化して評
価する。表示部14は、美しさ・健康度を表示する。
Description
の動作状態を計測して、歩行の美しさ・健康度を定量化
して評価するウォーキング判定装置に関するものであ
る。
や健康度の判定は、判定者の目視によって行われてい
る。また、動物体の姿勢を計測する方法が、特開平11
−235328号公報に開示されている。この姿勢計測
方法は、動物体の接地圧から動物体の接地位置と姿勢を
推定し、これらの情報とカメラ画像との照合をとること
で動物体の姿勢を計測するものである。
て診断する動作分析装置が特開平10−305023号
公報に開示されている。この動作分析装置は、被験者の
動作分析データをニューラルネットワークの手法を用い
て解析するものである。さらに、歩行者の足圧分布から
歩行特徴を定量化する歩行分析方法が特開平11−11
3884号公報に開示されている。この歩行分析方法
は、歩行時の足圧分布を計測し、その計測結果から歩行
動作を解析して、その特徴をパラメータとして出力する
ものである。
の目視によって動物体の歩行の美しさや健康度を判定す
る方法は、判定者の主観によるため、客観的かつ一定の
基準での判定が困難であるという問題点があった。例え
ば、歩行者の体形に対する判定者の趣味等、歩行そのも
のとは無関係の要因が判定結果に影響する恐れがあっ
た。また、特開平11−235328号公報、特開平1
0−305023号公報、特開平11−113884号
公報に開示された技術は、いずれも動作状態の計測に関
するものであり、センサからの計測結果そのものを出力
するか、あるいは特徴パラメータを出力するものであっ
て、動物体の歩行の美しさや健康度を定量化して客観的
に判定する方法は従来知られていなかった。
れたもので、客観的、かつ一定の基準での歩行判定を実
現することができるウォーキング判定装置を提供するこ
とを目的とする。
定装置は、歩行に伴って時間的に変化する、歩行者又は
動物体の動作状態を計測する歩行計測部(11)と、動
作状態から時空間歩行特徴量を抽出する時空間特徴抽出
部(12)と、時空間歩行特徴量から歩行の美しさ又は
健康度を定量的に解析する美しさ・健康度定量化部(1
3)とを備えるものである。また、歩行計測部は、歩行
者又は動物体の足圧分布を動作状態として計測する手段
を有し、時空間特徴抽出部は、足圧分布を足底の各部位
に分類して、分類した足底部位毎の荷重値を時空間歩行
特徴量として算出する手段を有するものである。また、
美しさ・健康度定量化部は、歩行動作の力学的合理性の
評価に基づいて歩行の美しさ又は健康度を定量的に解析
する手段を有するものである。また、時空間特徴抽出部
は、足底部位毎の荷重値を表すバブルチャートを出力す
る手段を有するものである。
の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態となるウォーキング判
定装置の構成を示すブロック図である。図1において、
ウォーキング判定装置は、歩行に伴って時間的に変化す
る、歩行者又は動物体の動作状態を計測する歩行計測部
11と、動作状態から時空間歩行特徴量を抽出する時空
間特徴抽出部12と、時空間歩行特徴量から歩行の美し
さ又は健康度を定量化して評価する美しさ・健康度定量
化部13と、美しさ・健康度を表示する表示部14とか
ら構成される。
により、歩行人物の足圧分布を時間的に連続して計測
し、足圧分布を画像化した時系列足圧画像データ列{S
1,S2,・・・,St }を時空間特徴抽出部12に出力
する。St は時刻tにおいて計測された足圧画像データ
であり、フレーム(1秒間に30枚)毎に出力される。
データ列{S1,S2,・・・,St}から時空間歩行特
徴量を示す時系列特徴ベクトル列X=(X1,X2,・・
・,XT )を抽出して、これを美しさ・健康度定量化部
13に出力する。XT は、時刻Tにおいて観測された計
測データより抽出される特徴ベクトルである。
しさ・健康度の空間への写像により、時系列特徴ベクト
ル列X=(X1,X2,・・・,XT )を歩行の美しさ・
健康度の空間に写像し、その結果、美しさ・健康度を示
す得点yを出力する。そして、表示部14は、美しさ・
健康度の得点yを表示する。
す。歩行計測部11で使用されるセンサには、足圧を計
測するための圧力センサ21がある。圧力センサ21
は、連続した数歩の足圧を計測することができる。歩行
者は、この圧力センサ21上を自然な歩行で3歩から5
歩程度で通り抜ける。圧力センサ21によって計測され
た足圧は、圧力の強さを階調値とする足圧画像データS
t として毎秒30枚出力され、コンピュータ22に取り
込まれる。
を1フレーム毎に時空間特徴抽出部12に出力すると共
に、モニタ装置23に出力する。これにより、モニタ装
置23の画面には、コンピュータ22が取り込んだ画像
が表示される。なお、図2の例では、圧力センサ21を
1台しか使用していないが、複数台使用してもよい。図
3に圧力センサ21によって計測された足圧画像の例を
示す。ただし、図3は、圧力センサ21上を歩いて通り
ぬける間の数秒に出力されるフレームをすべて重畳し、
各画素について最大値を残して重畳画像としたものであ
る。
明するための説明図である。ここでは、1歩の足が接地
してから蹴りだすまでの時系列足圧画像データ列
{S1,S2,・・・,ST }を時空間特徴抽出部12へ
の入力とする。時空間特徴抽出部12は、入力された時
系列足圧画像データ列{S1,S2,・・・,ST }の各
フレームについて、画像全体から一歩分の足型画像に内
接する矩形領域を図4(a)、図4(b)、図4
(c)、図4(d)のように切り出して、この矩形領域
の画像を{S1’,S2’,・・・,ST ’}とする。
画像St’ 内を図4(e)のようにN(Nは1以上の整
数)個の領域に分割して、分割した各領域毎に領域内の
圧力和を求めることにより、時刻tにおける足圧画像デ
ータStからN次の特徴ベクトルXt=(lt1,lt2,
・・・,ltN)を求める。ltiは、時刻tにおける足圧
画像のN個の分割領域のうちi番目の領域内の圧力和で
ある。このような処理をt=1,2,・・・,Tの各フ
レームについて行うことにより、時空間特徴抽出部12
は、次式のような時系列特徴ベクトル列Xを出力する。
を用いて説明する。図5は美しさ・健康度定量化部13
の構成を示すブロック図である。図5において、美しさ
・健康度定量化部13は、時系列特徴ベクトル列X=
(X1,X2,・・・,XT )から姿勢のバランス、対称
性や歩行の時間的な連続性といった評価項目毎の得点を
示す力学的合理性評価パラメータを生成する力学的合理
性評価パラメータ生成部131と、複数の力学的合理性
評価パラメータを合成して得点yを出力する得点合成部
132と、力学的合理性判断基準を予め記憶している力
学的合理性判断基準記億部133とからなる。
は、力学的合理性判断基準記億部133を参照し、力学
的合理性判断基準に基いて、美しさ・健康度定量化部1
3に入力された時系列特徴ベクトル列X=(X1,X2,
・・・,XT )から力学的合理性評価パラメータ
{a1,a2,・・・,aj }を計算し、この力学的合理
性評価パラメータを得点合成部132へ出力する。
ラメータ{a1,a2,・・・,aj}の和を求めて、こ
の結果を得点yとして出力する。あるいは、得点合成部
132は、力学的合理性評価パラメータ{a1,a2,・
・・,aj }の重み付け平均を次式のように求めて、こ
の結果を得点yとして出力する。
j は、それぞれa1,a2,・・・,aj に対する重みで
ある。以下に、力学的合理性判断基準記億部133に記
憶された力学的合理性判断基準と、これを参照して力学
的合理性評価パラメータ生成部131で生成される力学
的合理性評価パラメータaの実施形態を示す。
「人間の姿勢・運動の美しさの問題は力学的合理性や作
業能と大きな関連をもつ」ことや、「バランスと対称性
は姿勢の美しさを評価するときの重要な要素となる」こ
とに基づいている(参考文献:「臨床運動学第二版」、
医歯薬出版)。
称性を判定するためのしきい値が美しさの力学的合理性
判断基準として力学的合理性判断基準記億部133に記
憶されている。姿勢のバランス、対称性は、例えば右足
と左足で足圧が等しいかどうかにより判定することがで
きるので、美しさの力学的合理性判断基準としては右足
の足底荷重の和と左足の足底荷重の和との差分を用いて
いる。
「正常歩行は必要なエネルギー消費を最小限にするよう
なパターンになると仮定される」ことや、「正常歩行は
種々の臓器系機能が統合された結果であり、非常に効率
のよい運動となっている。一部の臓器系に機能障害があ
れば、最適な運動パターンは乱れ、効率も低下する」こ
とに基づいている(参考文献:同上)。
かさ)を判定するためのしきい値が健康度の力学的合理
性判断基準として力学的合理性判断基準記億部133に
記憶されている。歩行の時間的な連続性(滑らかさ)
は、例えば足圧の変化量、すなわち足圧の時間微分値で
判定することができるので、健康度の力学的合理性判断
基準としては足圧の時間微分値を用いている。
は、入力された時系列特徴ベクトル列X=(X1,X2,
・・・,XT )から右足の足底荷重の和と左足の足底荷
重の和との差分を求め、この差分を歩行のバランス、対
称性の力学的合理性判断基準(しきい値)と比較するこ
とにより、歩行のバランス、対称性についての得点を示
す力学的合理性評価パラメータa1 を計算する。この場
合、右足の足底荷重の和と左足の足底荷重の和との差分
が小さいほど、歩行のバランス、対称性がよく美しい歩
行であるとして、力学的合理性評価パラメータa1 の得
点が高くなる。
131は、時系列特徴ベクトル列X=(X1,X2,・・
・,XT )から足圧の時間微分値を求め、この時間微分
値を歩行の滑らかさの力学的合理性判断基準(しきい
値)と比較することにより、歩行の滑らかさについての
得点を示す力学的合理性評価パラメータa2 を計算す
る。この場合、足圧が滑らかに変化するほど、歩行のエ
ネルギー効率がよく健康的な歩行であるとして、力学的
合理性評価パラメータa2 の得点が高くなる。
実施の形態となるウォーキング判定装置の時空間特徴抽
出部の構成を示すブロック図である。本実施の形態の時
空間特徴抽出部12aは、足圧画像を空間的に正規化す
る空間正規化部121と、足圧画像を時間的に正規化す
る時間正規化部122とからなる。
部11から出力される時系列足圧画像データ列{S1,
S2,・・・,St }である。空間正規化部121は、
時系列足圧画像データ列{S1,S2,・・・,St }を
空間的に正規化して、足圧画像データ列{S1’,
S2’,・・・,St’ }を出力する。
{S1’,S2’,・・・,St’ }を時間的に正規化し
て、時系列特徴ベクトル列X=(X1,X2,・・・,X
T )を出力する。
ロック図である。空間正規化部121は、足圧分布を足
底の各部位に分類する足底部位分割部201と、分類し
た足底部位毎の荷重値を時空間歩行特徴量として算出す
る足底部位別特徴量抽出部202とから構成される。空
間正規化部121の足底部位分割部201は、時系列足
圧画像データ列{S 1,S2,・・・,St }において、
踵、つま先、第1指〜第5指などk個の足底部位を認識
して、図8に示すように足圧画像をk分割する。
りだすまでの時系列足圧画像データ列{S1,S2,・・
・,St }を画素毎に加算して、足底全体の足圧画像を
求めたものである。足底部位分割部201は、図8のよ
うな足圧画像を求めた上で、この足圧画像において踵、
つま先、第1指〜第5指などk(kは1以上の整数)個
の足底部位を認識し、足圧画像をk分割する(図8で
は、k=10)。
足圧画像データ列{S1,S2,・・・,St }と、足圧
画像データSi (i=1,2,・・・,t)中の各画素
に対して、どの足底部位に含まれるかを示す足底部位番
号を付与したマップM={M 1,M2,・・・,Mt }を
出力する。マップMは、フレーム毎、すなわち足圧画像
データSi (i=1,2,・・・,t)毎に生成され
る。図9はマップMの1例を示しており、図8に示す足
圧画像中の各画素に対して足底部位番号1,2,3,4
・・・・が付与されている。このとき、足底以外の領域
の画素については、負の値(図9の例では−1)が付与
される。
Mを参照して足底部位毎に、各足底部位内での荷重和な
どを特徴量として計算し、計算結果を足圧画像データS
i’(i=1,2,・・・,t)として出力する。例え
ば、足圧画像データSi の踵について計算する場合、足
底部位別特徴量抽出部202は、マップMi の足底部位
番号1の領域に相当する領域を足圧画像データSi から
抽出し、抽出した領域内の荷重和を計算して、この計算
結果を足圧画像データSi’ の踵の部位の特徴量とす
る。足底部位別特徴量抽出部202は、このような足底
部位毎の特徴量の計算を各フレームについて行う。
る。正常な歩行者には、共通して踵の着地、足底の回
転、蹴りだし、といった一連の歩行周期が存在する。歩
行周期の構成要素は、大きく立脚相と遊脚相に分けら
れ、前者が足が接地している期間、すなわち足圧が計測
される期間である。
分けられる(参考文献:「臨床運動学第二版」、医歯薬
出版)。 (1)踵接地(heel strike) (2)足底接地(foot flat) (3)立脚中期(mid−stance) (4)踵離地(heel off) (5)足尖離地(toe off)
足圧の形状から認識できる。このように、時間正規化部
122は、歩行周期を基準として、ある期間から次の期
間までが一定のフレーム数になるように足圧画像データ
列{S1’,S2’,・・・,St’ }の正規化を行い、
時系列特徴ベクトル列X=(X1,X2,・・・,XT)
を出力する。
詳細に説明する。図10は足底部位分割部201の構成
を示すブロック図である。足底部位分割部201は、確
率モデル変換パラメータ計算部401と、確率モデル生
成部402とから構成される。そして、確率モデル生成
部402は、足底画像学習データベース403と、確率
モデル記憶部404とを有している。空間に分布する与
えられたデータ点集合(特徴ベクトル)に対し、空間内
での移動・回転・尺度変換のパラメータをもつ確率モデ
ルを当てはめ、この点集合に対して移動・回転・尺度変
換を施した形状を含む2次元画像があるとき、確率モデ
ルの移動・回転・尺度変換のパラメータを推定すること
で、形状を認識することができる(参考文献:赤穂 昭
太郎、「ECM法を用いた確率分布の位置、尺度、回転
パラメータの推定法」、電子情報通信学会論文誌 D-II
Vol.J82-D-IINo.12 pp.2240-2250)。本発明では、確
率モデルとして複数の2次元正規分布の和(正規混合分
布)を用いている。このため、この確率モデルに含まれ
る各正規分布の平均、分散から、形状中での位置が分か
ることに注目し、足底部位認識を行っている。
状をk個(k=10程度)の2次元正規分布の和p
(x;ζ,θ1,・・・,θk)で近似して、足底の確率
モデルを生成する。今、j番目の確率モデルをp
j(x;θj)とすると、k個の確率モデルの混合分布
は、次式のように表すことができる(図11)。
的な足底画像を予め記憶しており、式(3)におけるパ
ラメータζj,θjを学習により求め、足底の確率モデル
を作成する。このとき、パラメータθjの分布領域がj
番目の足底部位となる。足底画像学習データベース40
3によって作成された確率モデルは、確率モデル記憶部
404に格納される。
現すると、f(x)に位置・スケール・回転の変換を施
してできる確率モデルは、回転とスケールの行列をHと
すると、次式のように表すことができる。 P(x;H,b)=|H|f(Hx+b) ・・・(4)
は、足底部位分割部201への入力である時系列足圧画
像データ列{S1,S2,・・・,St }に対し、式
(4)におけるパラメータHとbを推定する。これによ
り、足底部位を決定することができる。そして、確率モ
デル変換パラメータ計算部401は、時系列足圧画像デ
ータ列{S1,S2,・・・,St }と、マップM={M
1,M2,・・・,Mt }とを出力する。
の実施の形態となるウォーキング判定装置の時空間特徴
抽出部の構成を示すブロック図である。本実施の形態の
時空間特徴抽出部12bは、空間正規化部121と、時
間正規化部122と、時空間チャート作成部123とか
らなる。空間正規化部121と時間正規化部122につ
いては、実施の形態の2と全く同じであるので、説明を
省略する。
徴ベクトル列X=(X1,X2,・・・,XT )から図1
3のような時空間チャート(バブルチャート)を作成し
て、この時空間チャートを表示部14の画面に表示させ
る。時空間チャートは、横軸を時間(フレーム)、縦軸
を前記足底部位番号とし、足底部位毎の荷重値の和を丸
印(バブル)の大きさで表したものである。バブルの大
きさで表される各足底部位の荷重値は、左右の足底荷重
値の総和を基準値として正規化したものである。このよ
うに、足底部位毎の荷重値の時間変化をバブルチャート
表示することで、2次元平面上で、歩行の特徴を観察す
ることができる。
徴抽出部及び美しさ・健康度定量化部を設けることによ
り、歩行者の体形に対する判定者の趣味等といった、歩
行と無関係な要因に影響を受けることなく、歩行の美し
さ又は健康度を客観的、かつ一定の基準で評価すること
ができる。その結果、不特定個人の歩行を常に公正に評
価する手段が提供される。また、判定者の目視によって
歩行の美しさや健康度を判定する方法では、判定者によ
って時間や場所が制限されるが、本発明では判定者に頼
らない評価を実現できるので、歩行訓練を行う者にとっ
ては時間や場所の制約が解消される。
底の各部位に分類して、分類した足底部位毎に荷重値を
算出することにより、動作状態から時空間歩行特徴量を
抽出することができる。
の力学的合理性に基づいて評価を行うことにより、時空
間歩行特徴量から歩行の美しさ又は健康度を定量化して
評価することができる。
重値を表すバブルチャートを出力する手段を設けること
により、2次元平面上で、歩行の特徴を観察することが
できる。
グ判定装置の構成を示すブロック図である。
部の構成を示すブロック図である。
足圧画像の例を示す図である。
徴抽出部の動作を説明するための説明図である。
健康度定量化部の構成を示すブロック図である。
グ判定装置の時空間特徴抽出部の構成を示すブロック図
である。
化部の構成を示すブロック図である。
分割部の動作を説明するための説明図である。
分割部から出力されるマップの1例を示す図である。
位分割部の構成を示すブロック図である。
デル生成部の動作を説明するための説明図である。
ング判定装置の時空間特徴抽出部の構成を示すブロック
図である。
チャート作成部から出力される時空間チャートの1例を
示す図である。
抽出部、13…美しさ・健康度定量化部、14…表示
部、21…圧力センサ、22…コンピュータ、23…モ
ニタ装置、121…空間正規化部、122…時間正規化
部、123…時空間チャート作成部、131…力学的合
理性評価パラメータ生成部、132…得点合成部、13
3…力学的合理性判断基準記億部、201…足底部位分
割部、202…足底部位別特徴量抽出部401…確率モ
デル変換パラメータ計算部、402…確率モデル生成
部、403…足底画像学習データベース、404…確率
モデル記憶部。
Claims (4)
- 【請求項1】 歩行に伴って時間的に変化する、歩行者
又は動物体の動作状態を計測する歩行計測部と、 前記動作状態から時空間歩行特徴量を抽出する時空間特
徴抽出部と、 前記時空間歩行特徴量から歩行の美しさ又は健康度を定
量的に解析する美しさ・健康度定量化部とを備えること
を特徴とするウォーキング判定装置。 - 【請求項2】 請求項1記載のウォーキング判定装置に
おいて、 前記歩行計測部は、歩行者又は動物体の足圧分布を前記
動作状態として計測する手段を有し、 前記時空間特徴抽出部は、前記足圧分布を足底の各部位
に分類して、分類した足底部位毎の荷重値を前記時空間
歩行特徴量として算出する手段を有することを特徴とす
るウォーキング判定装置。 - 【請求項3】 請求項1記載のウォーキング判定装置に
おいて、 前記美しさ・健康度定量化部は、歩行動作の力学的合理
性の評価に基づいて歩行の美しさ又は健康度を定量的に
解析する手段を有することを特徴とするウォーキング判
定装置。 - 【請求項4】 請求項1記載のウォーキング判定装置に
おいて、 前記時空間特徴抽出部は、前記足底部位毎の荷重値を表
すバブルチャートを出力する手段を有することを特徴と
するウォーキング判定装置。
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