JP2004209003A - 片足歩行検出用歩行路、片足歩行検出システム、及び片足歩行検出方法 - Google Patents
片足歩行検出用歩行路、片足歩行検出システム、及び片足歩行検出方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004209003A JP2004209003A JP2002383758A JP2002383758A JP2004209003A JP 2004209003 A JP2004209003 A JP 2004209003A JP 2002383758 A JP2002383758 A JP 2002383758A JP 2002383758 A JP2002383758 A JP 2002383758A JP 2004209003 A JP2004209003 A JP 2004209003A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- walking
- walking path
- detection
- path
- legged
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Distances Traversed On The Ground (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
【解決手段】片足歩行検出システムは、歩行路14、プローブ11、及び電位センサ12を備える。歩行路14は、被検者Pに、その検出対象の一方の足で歩行させる第1の歩行路14Aと、その非検出対象の残りの足で歩行させる第2の歩行路14Bとを併設して備える。検出対象の足の底面が第1の歩行路14Aの路面に接触・剥離したときの解離帯電による人体電位が、前記非検出対象の足の底面が前記第2の歩行路の路面に接触・剥離したときのそれよりも多くなるように、第1及び第2の歩行路14A,14Bに差別化した帯電特性を持たせる。プローブ11は、歩行路14を被検者Pが歩行するときの剥離帯電に因る人体の電位変化を感知する。電位センサ12は、プローブ11が感知した信号から電位変化の波形信号を得る。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検者が歩行運動をするときに片側ずつの足の動きに関わる歩行運動を両足のそれから分離して検出できる片足歩行検出用歩行路、片足歩行検出システム、及び片足運動検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、例えば非特許文献1に見られるように、人間の歩行運動を検出・解析し、その解析結果を、スポーツ運動、ロボット義足の製作、再生医療におけるリハビリテーション、防犯用の認証システムなどに応用しようとする研究が進みつつある。このような状況において、解析の元データを得るために、人間の歩行運動を検出することが特に重要で、例えば特許文献1に一例が記載されている如く、そのための様々な方法が試みられている。
【0003】
人間の2足歩行は、大まかには、片足で人体を支えつつ、もう一方の足が蹴り出されるというプロセスが左右交互に繰り返されるパターンを基本としている。
しかしながら、両足の動きは単純では無く、片足が蹴り出されている間にも、その後半には、支持しているもう一方の足がその踵を路面から離し始め、蹴り出しの準備に入るというように、非常に複雑である。加えて、同じ人であっても、左右両足の形状や長さが物理的に異なっていることが普通であり、直進歩行運動の場合でも、左右両足の運動は均一では無く、動的に様々な揺らぎが伴う。しかも、これに歩行の個人差が加わる。
【0004】
従来、歩行時の足底面と路面(床面)との接触・剥離に因る人体帯電の変化を利用して、歩行運動を精密に検出する手法が知られていた。このように、人体帯電の変化を利用する検出法の場合、純電気的であるため、ジャイロや加速度センサなどを多軸化して組み込むセンサを利用する場合に比べて、歩行以外の身体動作による振動の影響や、センサの身体への取付位置に拠る依存性など、機械的な検出構造であるが故の問題も少ないという利点がある。また、人体帯電の変化を利用する検出法の場合、そのセンサを身体のどの部位に取り付けても、同一の電位波形を検出できるという利点もある。
【特許文献1】
特開2002−197437号公報
【非特許文献1】
日経サイエンス2002年2月号、108〜111ページ、滝口清昭署「歩行にみる固有パターンの存在」
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の人体帯電の変化を利用する検出法の場合、その検出電位は左右両足の電位が合成された状態でしか得られない。前述したように、両足の運動にはゆらぎが伴うことから、実際には、左右両足の運動に伴う帯電現象が相互干渉し、検出電位を解析しても再現性の無い波形パターンになってしまう。このため、路面と両足との間で発生する帯電量の変化に基づく電位波形から左右両足それぞれの動きを個別に精密に検出・解析することは殆ど不可能であった。
【0006】
そこで、両足の動きをそれぞれ個別に検出・解析するには、検出側の足と非検出側の足の電位波形を分離して検出する必要があった。
【0007】
本発明は、上述した従来の様々な歩行運動の検出・解析法が有する問題に鑑みてなされたもので、詳細な足の運動パターン及び路面と足との間の帯電メカニズムに着目してなされたもので、歩行以外の身体動作による振動の影響や、センサの身体への取付位置に拠る依存性などの問題を著しく軽減又は回避した状態で、従来不可能と考えられていた片足歩行運動の電位波形のみを高精度に検出することができるようにすることを、その目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成させるため、本発明に係る片足歩行検出用歩行路は、被検者にその検出対象の一方の足で歩行させる第1の歩行路と、その非検出対象の残りの足で歩行させる第2の歩行路とを併設して備え、前記検出対象の足の底面が前記第1の歩行路の路面に接触・剥離したときの剥離帯電による人体電位が、前記非検出対象の足の底面が前記第2の歩行路の路面に接触・剥離したときの剥離帯電による人体電位よりも多くなるように、当該第1及び第2の歩行路に差別化した帯電特性を持たせたことを特徴とする。
【0009】
例えば、前記第1及び第2の歩行路それぞれは、前記第1の歩行路を成す素材と前記検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いが、前記第2の歩行路を成す素材と前記非検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いよりも大きく、且つ、前記検出対象の足の当該第1の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積が、前記非検出対象の足の当該第2の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積よりも大きくなるように選択した素材を用いて形成される。
【00010】
好適には、前記第1の歩行路には、当該第1の歩行路に用いる素材の下方に、接地された導電性部材を設けられる。
【00011】
例えば、前記第1及び第2の歩行路それぞれは、前記帯電系列上の離間の度合いと前記実効有効面積の違いとに基づく素材から成るシート材を含む複数のシート材から成る積層構造に形成される。
【00012】
また例えば、前記第1の歩行路は、前記導電性部材としての、接地された導電性シート材を含む複数のシート材から成る積層構造に形成される。
【00013】
前記第1の歩行路は、その下方から、高さ調節用のスペーサ材、前記導電性シート材、及び前記シート材をこの順に積層して形成されるとともに、前記第2の歩行路は、その下方から、絶縁シート材及び前記シート材をこの順に積層して形成されることも好適な一例である。
【00014】
例えば、前記第1の歩行路の前記シート材は塩ビを用いて構成されるとともに、前記第2の歩行路の絶縁シート材は発砲スチロール材を用いて構成され、且つ、前記シート材はベニヤ板を用いて構成される。
【00015】
一方、本発明に係る片足歩行検出システムは、上述した何れかの片足歩行検出用歩行路と、この歩行路の路面を被検者が歩行するときの剥離帯電に因る人体の電位変化を感知するプローブと、このプローブが感知した信号から前記電位変化の波形信号を得る電位センサとを備えたことを特徴とする。
【00016】
さらに、本発明に係る片足歩行検出方法によれば、歩行運動の被検者が左右両足それぞれに専用に併設された歩行路に沿って歩行するときに、非検出側の足が一方の歩行路との間の接触及び剥離することにより人体に生じる電荷を、検出側の足と他方の歩行路との間に生じる静電容量を介して電荷結合させ、この電荷をアースに逃がすステップを含むことを特徴とする。
【00017】
なお、本発明において、「歩行」とは、被検者が予め検出用に形成した歩行路を歩くこと、及び、この歩行路を走る(ジョギング、ランニング)ことを含む概念とする。したがって、本発明における「歩行路」は被検者の歩行のみならず、ランニング等にも供し得るものである。
【00018】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る片足歩行検出システムを説明する。なお、この片足歩行検出システムは、本発明に係る片足運動検出方法及び片足歩行検出用歩行路を併せて実施するものである。
【00019】
本実施形態に係る片足歩行検出システムは、検出対象の人(被検者)が検出専用に製造された歩行路を自然体で歩きながら、検出対象の一方の足の歩行運動が表す信号を、残りの足の歩行運動とは検出段階から差別化した状態で、その人体への剥離帯電に因る電位変化の波形として検出するシステムである。
【00020】
この検出システムにより検出された電位波形の信号は、記録媒体に記録された状態で、電波による通信媒体で、或いは、ケーブルなどの通信ラインを介して解析装置に送られる。解析装置は、送られたきた電位波形を、AGC(ゲイン調整)、1周期切り出し、基本タイミング検出、特徴量抽出、歩行動作作成、歩行動作表示などの処理を行う。
【00021】
図1に示すように、この片足歩行検出システムは、被検者Pに対して接触又は非接触の状態で設けられるプローブ11と、このプローブ11に接続され且つ電位波形を検出する電位センサ12と、この電位センサ12が検出した電位波形の信号を受信して記録する記録装置13と、被検者が片足歩行運動解析のために歩行する歩行路14とを備える。
【00022】
この片足歩行検出システムは、一例として、検出対象の足としての右足の歩行運動に関する電位波形を検出するように構成されているが、左足用に適用することもできる。
【00023】
まず、歩行路13について説明する。この歩行路13は、一例として、厚さが数cm(10cm程度)、長さが数m(1.5〜6m程度)、幅が1m程度の大きさを有する。このため、この歩行路13の路面(上面)を歩行者が歩行することができる。
【00024】
歩行路14は、その長手方向の中心線Cを境にして左右に分割された構造を有し、検出対象の足(例えば右足)で歩行する第1の歩行路14Aと、非検出対象の足(例えば左足)で歩行する第2の歩行路14Bとが長手方向に沿って併設されている。第1及び第2の歩行路14A、14Bを分割する中心線Cの位置には、ギャップを設けてもよいし、またギャップレスで構成してもよい。
【00025】
第1及び第2の歩行路14A,14Bは、図2に模式的に示すように、それぞれ積層構造に形成されている。このうち、検出対象の右足を歩行させる第1の歩行路14Aは、下から順に、任意厚さを有する高さ調整用のスペーサ21、アルミニウム製の薄膜で成るアルミ箔シート(以下、アルミシートという)22、及び、厚さ5mm程度の塩ビ製のシート部材(以下、塩ビシートという)23を重ねて構成されている。スペーサ21は例えばベニヤ板から成る。
【00026】
一方、検出対象の左足を歩行させる第2の歩行路14Bは、下から順に、厚さ4cm程度の発泡スチロール材から成る発泡スチロールシート31、及び、厚さ2,3cm程度のベニヤ板32を重ねて構成されている。
【00027】
この第1及び第2の歩行路14A,14Bそれぞれの積層構造を成すシート材料の選択の基準は以下のようである。
【00028】
いま、被検者が検出のために履く履物は、木綿又は絹の靴下など、帯電系列上で帯電符号がプラス側に位置する素材の履物を着用しているものとする。但し、被検者は、同様の帯電特性を有する靴を履いていてもよい。
【00029】
検出側の第1の歩行路14Aの場合、帯電系列上で、被検者の右足(検出対象の足)の足底面の素材(靴下の素材)から離れている位置の素材を選択することが望ましい。これは剥離帯電のときの帯電電位をなるべく上げるためである。本実施形態では、この条件を満たすために、一例として、帯電系列上で帯電符号がマイナス側の殆ど端部に位置し、誘電率のより高い塩ビを選択している。つまり、塩ビシート23である。
【00030】
また、この条件と併せて、検出対象の右足の靴下及び第1の歩行路14Aの少なくとも一方を、より滑らかな外表面を有する素材に選択することが望ましい。
これは、右足の足底面と第1の歩行路14Aの路面との実効接触面積を多くするためである。この追加条件を満たすために、本実施形態では、第1の歩行路14Aの最上層に塩ビシート23を用いて、その滑らかな表面を利用している。
【00031】
これにより、図4(a)に模式的に示す如く、検出対象の右足が第1の歩行路14Aの路面(塩ビシート23の上面)に接触・剥離するときに、より大きな剥離帯電が生じる。
【00032】
検出側の第1の歩行路14Aにおける第2層には、上述したようにアルミシート22を用いている。このアルミシート22は接地されている。これは、非検出対象の左足が蹴り出しに入り、路面から離床する間に、検出対象の右足が路面に着床していることを利用するもので、左足の離床の際に発生する剥離帯電による電荷を、着床している右足が第1の歩行路14Aとの間で形成しているコンデンサによる電荷結合を介して、アースに逃げる。この様子を図5(b)に模式的に示す。
【00033】
この接地構造により、非検出側の左足の歩行運動による帯電電荷が人体に蓄積しないようにし、かかる帯電電荷がプローブ11の検出信号にノイズ成分として混入することを極力防いでいる。
調整用のスペーサ21は、左右の第1及び第2の歩行路14A,14Bの高さを合わせるために置かれているが、このスペーサ21が無くても、かかる高さが一致している場合、スペーサ21は省略してもよい。
【00034】
さらに、この第1の歩行路14Aにあっては、塩ビシート23、アルミ箔シート22、及びスペーサ21から成る厚さは極力薄くして、接地との間の距離を小さくしている。これにより、検出対象の右足の底面と接地との間の静電容量を最大化が図られる。
【00035】
一方、非検出側の第2の歩行路14Bの場合、帯電系列上で、被検者の左足(非検出対象の足)の足底面の素材(靴下の素材)と殆ど離れていない(帯電列上で同じか又は非常に近い)位置の素材を選択することが望ましい。本実施形態では、この条件を満たすために、一例として、帯電系列上で靴下に近い位置の木材(ベニヤ板32)を選択している。
【00036】
また、この条件と併せて、非検出対象の左足の靴下及び第2の歩行路14Bの少なくとも一方を、より粗い(凹凸のある)外表面を有する素材に選択することが望ましい。これは、左足の足底面と第2の歩行路14Bの路面との実効接触面積を少なくしている。この追加条件を満たすために、本実施形態では、第2の歩行路14Bの最上層にベニヤ板32を用いて、足底面との接触表面を極力減らしている。
【00037】
これにより、図4(b)に模式的に示す如く、非検出対象の左足が第2の歩行路14Bの路面(ベニヤ板32の上面)に接触・剥離するときに生じる剥離帯電は、より小さくなる。
また、この第2の歩行路14Bの下層には、誘電率のより低い発泡スチロール材を選択している。つまり、発泡スチロールシート31である。
【00038】
さらに、ベニヤ板32及び発泡スチロールシート31から成る歩行路の厚さは厚くして、接地との間の距離を大きくしている。これにより、非検出対象の左足の底面と接地との間の静電容量が最小化が図られる。
【00039】
上述の説明から明らかなように、第2の歩行路14Bには、第1の歩行路14Aとは違って、導電性シートを介在させて電荷をアースに逃がす構造は採用していない。このため、検出対象の右足の運動に伴う路面との接触・剥離に起因した電荷はアースに逃げ難くなり、人体に積極的に蓄積される(図5(a)の模式図を参照)。
【00040】
つまり、検出対象の右足が歩行する第1の歩行路14Aと非検出対象の左足が歩行する第2の歩行路14Bとでは、足底と路面との接触・剥離によって発生ささせる電荷量を差別化する(第1の歩行路14Aとの間で発生する電荷量を第2の歩行路14Bとの間のそれよりも大きくする)とともに、発生した電荷の逃げを差別化する(非検出対象の左足の動きによって発生した電荷は、接触状態にある検出対象の右足から第1の歩行路14Aを介して直ちにアースに逃げるが、その反対の場合には逃げ難い)ようにしている。これにより、検出対象の右足の歩行に伴う剥離帯電の現象を非検出対象の左足のそれに比べて著しく強調する仕組みが構築されている。
【00041】
次に、プローブ11および電位センサ12を説明する。
【00042】
上述したように検出対象の足の歩行運動に伴って発生する、強調された剥離帯電によって、約10Hz程度の低周波の静電界が被検者Pの人体の周囲に発生する。プローブ11は、この低周波の静電界を検出するアンテナとして機能させるもので、形状は任意である。プローブ11は被検者Pの身体に接触させて取り付けてもよいし、非接触で取り付けてもよい。また、その個数は1個でなくても、複数個であってもよい。また、取り付け位置は被検者Pの身体のどの部分でもよいし、さらに被検者Pに取り付けないで、歩行路14に設置するようにしてもよい。この場合には、複数個のプローブ11を、例えば、歩行路14の長手方向の一方の端部に沿って一定間隔で配置するようにすることが望ましい。これにより、被検者Pは全くプローブやセンサを意識すること無く、歩行運動に専念できる。
【00043】
本実施形態では、プローブ11、電位センサ12、及び記録装置13は、一例として、歩行中の被検者Pが自分で保有できるように一体のポータブル型に形成され、電位センサ12及び記録装置13はその両者が一体のポータル型ユニットに納められている。また、記録装置13は検出歩行中の基準電位を取得するようになっている。この基準電位の信号は、検出された電位波形の信号と共に解析装置に送られて解析に用いられる。
【00044】
被検者Pの人体、プローブ11、及び電位センサ12で構成される、等価回路を含む電気回路を説明する。
【00045】
人体の漏洩抵抗を無視し、足が路面に接する部分を左踵、左つま先、右踵、及び、右つま先の4つの部分に分解して考える。
【00046】
皮膚の誘電体の部分、靴底(靴下の底)、及び歩行路(床)の合成コンデンサについては、
CL1:左足踵、
CL2:左足つま先、
CR1:右足踵、
CR2:右足つま先、
CB:人体と床(或いは壁)との間のコンデンサ(静電容量は比較的小さいので、通常は無視可能)
の5種類が典型的である。
【00047】
この等価コンデンサを用いて、プローブ11及び電位センサ12の電気回路を表すと、図6に示すようになる。
【00048】
同図に示すように、アースGとプローブ11との間に、上述した5種類の等価コンデンサが並列に介在する。プローブ11は結合コンデンサCsを介してFETのゲートに接続され、このゲートのドレイン・ソース間で電荷変動に伴う電位信号を取り出すセンサ構造になっている。結合コンデンサCs、FET、バイアス用の抵抗R、及び出力コンデンサCにより電位センサ12が形成されている。
【00049】
上述の回路構成において、コンデンサCL1、CL2、CR1、CR2、CBの部分は、足が床から離れるときに剥離帯電が生じるときには、図6の点線で示す如く、等価的にバッテリに置換される。つまり、この場合には、剥離帯電により発電されている。
【00050】
次に、本実施形態に係る片足歩行検出システムの動作を説明する。
【00051】
一般に、2種類の物質が剥離したときに帯電現象が発生する。本実施形態にあっては、検出対象の右足側に関して、絹又は木綿と塩ビシート23とは帯電系列が十分に離れており、右足を路面から離したときに人体はプラス側に帯電する。
一方、左足側に関しては、絹又は木綿と木材(ベニヤ板32)とは帯電系列が近いため、剥離帯電による電荷量は小さい。さらに、ベニヤ板32の表面は粗いため、左足底との接触面積は少なくなる。これによっても、左足の剥離帯電による電荷量は更に小さくなっている。
【00052】
右足側は、人体とアルミシート22との間でコンデンサが形成される。そして、右足と路面との間の距離dが変化することで、人体の電位が変化する。つまり、人体の電荷Qが一定であるとすると、距離dが大きくなると、右足と路面との間の静電容量が小さくなり、人体電位の絶対値が大きくなる。その反対に、距離dが小さくなると、かかる静電容量が大きくなって、人体電位の絶対値が小さくなる。
【00053】
左足側については、コンデンサが極力、形成されないように、ベニヤ板32の下に誘電率の小さい発砲スチロールシート31が置かれている。このため、左足と路面との間の距離が変化しても、人体電位の変化は小さい。
【00054】
さらに、被検者Pの歩行によって発生する人体の電位は、約10Hz程度の低周波の交流信号として変化する。このため、左足の剥離帯電によって生じた電荷は、そのときに右足が第1の歩行路14A、すなわち塩ビシート23に当接していることによって右足と歩行路14Aとで形成されるコンデンサを介してアースに逃げる(図5(b)参照)。このため、非検出対象の左足の歩行に伴う電位変化はプローブ11の検出には殆ど関与しない。したがって、プローブ11が検出する電位変化は、その殆どが検出対象の右足の歩行に伴う信号成分となり、左足の歩行に因るノイズ成分は殆ど検出されないので、片側の足の歩行運動のみを高精度に選択的に検出することができる。
【00055】
また、本実施形態の人体電位の検出法は電気式であるため、従来のジャイロや加速度センサなどを利用した検出法に比べて、歩行以外の身体動作による振動の影響や、センサの身体への取付位置に拠る依存性などの問題を著しく軽減又は回避することができる。この点でも、より正確な測定を行うことができる。
【00056】
なお、この実施形態の検出システムの場合、歩行方向を反対にすることにより、今までとは反対に、検出対象を左足に、非検出対象を右足にして測定できる。
【00057】
次に、1周期の歩行動作と電荷及び電位との関係を説明する。
【00058】
右足が未だ後方に在り、その右足の踵が接地している時点からの歩行運動を想定する。この場合、歩行運動は、
(1)右足踵が路面から離れる、
(2)左足踵が接地する、
(3)左足底が接地する、
(4)右足つま先が離れる、
(5)右足が遊脚して前方に運ばれる、
(6)左足踵が路面から離れる、
(7)右足踵が路面に接地する、
(8)右足底が接地する、及び、
(9)左足つま先が路面から離れる、
のプロセスが繰り返されてなされる。
【00059】
(1)まず、右踵が離れる。
(1.1)右踵が路面から離れた瞬間に、右足底と路面(床面)との間で剥離帯電が発生する。これにより、人体の蓄積電荷の量が大きくなる。この電荷がQ1になったとする。
(1.2)この後、右踵が徐々に路面から離れると、人体の電荷量は変化しないが、右足踵と路面との間の距離が変わる。このため、この距離が十分に大きくなったときに、コンデンサCR1の静電容量が0になったと見なすことができる。
ゆえに人体の静電容量はCR1+CR2からCR2に変わる。この静電容量の変化に応じて、電位はQ1/(CR1+CR2)からQ1/CR2に変わる。
【00060】
(2)次に、左踵が接地する。
(2.1)この接地動作の進行に伴って、左足踵の接地面積は徐々に増えるが、左足が等価的に有するコンデンサの静電容量はもともと小さい(その静電容量はほぼ零と見なすことができる)。このため、人体合計の静電容量はCR2のまま維持され、人体の蓄積電荷及び電位も変化しない。
【00061】
(3)次に、左足底が接地する。
(3.1)この接地動作の進行に伴って、左足底の接地面積は徐々に増える。しかしながら、上述と同様に、左足の静電容量はもともと小さい(ほぼ零と見なすことができる)。このため、左足底全部が接地した場合でも、人体の静電容量はCR2のまま維持され、その蓄積電荷及び電位も変化しない。
【00062】
(4)次に、右足のつま先が離れる。
(4.1)右足のつま先が路面から離れた瞬間に、右足の足底と路面との間で剥離帯電が発生し、人体の蓄積電荷は大きくなる。これにより、蓄積電荷がQ2になったとする(Q2>Q1)。このため、電位はQ2/CR2となる。
(4.2)次いで、右足のつま先が徐々に路面から離れる。この場合、人体の蓄積電荷は変わらないが、右足踵と路面との間の距離が変化する。この距離が十分に大きくなったときに、コンデンサCR2の静電容量が零になったと見なすことができる。これにより、人体の静電容量はCBになる(このCBの値は非常に小さい)。同時に、電位はQ2/CBとなる。
【00063】
(5)次に、右足が前方に遊脚し、その右足が接地する前に、左足踵が路面から離れる。
(5.1)この動作の場合、左足踵が路面から離れた瞬間であっても、左足底と路面との間における剥離帯電は殆ど生じない。このため、人体の蓄積電荷はQ2のままである。
(5.2)次いで、左足踵が路面から徐々に離れると、人体の蓄積電荷は変わらないが、左足踵と路面との間の距離が変わる。しかし、左足踵が等価的に有するコンデンサの静電容量は小さいので、人体の合計の静電容量に対する影響は殆ど無く、その静電容量はCBのままである。このため、電位もQ2/CBの値を保持する。
【00064】
(6)次に、右足踵が接地する。
この接地動作によって、人体の静電容量はCR1になる。また、接地することで人体の蓄積電荷が減少し、その値はQ3になる(Q3<Q2)。同時に、電位はQ3/CR1に変わる。
【00065】
(7)次に、右足底が接地する。
この接地動作によって、人体全体の静電容量はCR1+CR2に変わる。また、接地することにより、人体の蓄積電荷が減少し、その値はQ4になる(Q4<Q3)。電位はQ4/(CR1+CR2)に変化する。
【00066】
(8)次に、左つま先が路面から離れる。
この離間があっても、人体の電荷はCR1+CR2のまま保持される。
【00067】
以上の関係をグラスで表すと、図7に示すようになる。同図(a)は歩行動作を、同図(b)は人体の帯電した電荷量の変化を、同図(c)は人体が路面との間で形成する静電容量の変化を、及び同図(d)は人体電位の変化をそれぞれ示している。
【00068】
このため、検出対象の片側の足の歩行運動に対して、プローブ11及び電位センサ12により検出される電位波形の例(実測波形例)は、図7(e)に示すようになる。なお、同図の波形は、絶対電位の波形ではなく、電位の変化の状態が測定されている。すなわち、人体電位の急激な上昇は実測波形の谷に、反対に、人体電位の急激な下降は実測波形の山にそれぞれ相当する。
【00069】
この電位波形は、前述したように、図示しない解析装置に送られて波形解析に付され、個人特有の歩行パターンなどの有用な情報が得られる。
【00070】
従来、左右両足それぞれで発生する剥離帯電や静電容量の相互干渉と両足の運動の揺らぎとに因って、左右両足で合成された人体電位や電界波形は再現性が無いことから、かかる波形から歩行運動の特徴量を判別することは困難であった。
これに対し、本実施形態の片足歩行検出システムによれば、検出対象の足の運動に伴う人体電位が非検出対象のそれから分離されて検出される。このため、従来困難であった、片側のみの足の歩行運動を精度良く測定し、解析することができる。
【00071】
このように高精度に測定される片足ずつの歩行運動の情報は、様々な分野への活用が期待されている。幾つかの例を列記すれば、まず、基礎技術としては、「歩行センサの開発」、「辞書の作成(歩行波形、路面性状、感情)」、「個人認証技術への応用」などがある。また、応用技術としては、「歩行ペースメーカの開発」、「2足歩行ロボットの歩行運動感覚モジュール化」、「早期診断システム」、「気配ディスプレイ」などがある。
【00072】
このうち、「辞書の作成(歩行波形、路面性状、感情)」は、データの蓄積と解析により電位波形の特徴データの辞書化を進め、歩行認識として確立させると共に、路面の材質・性状による波形への固有の影響を辞書化することで逆に路面をある程度識別可能なシステムを構築するものである。また、感情の介入により波形や左右位相に影響が出ることを見出したため、歩行時の感情状態を識別する辞書の作成も可能である。
【00073】
また、「歩行ペースメーカの開発」は脊髄電気刺激による歩行に関する。近年の研究により、脊髄に歩行学習機能やCPGの中枢が存在することが判明してきた。事故などにより脊髄損傷して歩行が不可能な患者においても損傷部から下の脊髄の電気刺激により歩行運動が生起することが確認されている。しかし、そのままでは電気刺激に対するフィードバックが無いため歩行再建には至らない。神経再生の時代に先行して、脊髄電気刺激による歩行において、歩行波形のフィードバックにより適切な電気刺激パターンを生成するアルゴリズムにより、脊髄に印加して安定した歩行を制御する歩行ペースメーカーを脊髄損傷患者用に開発することも可能である。
【00074】
さらに、「早期診断システム」は、若年時から定期的に計測、データを記録し、比較評価することで中高年以降の潜在的な病変の発見や腰痛発生予測を極めて早期に行う診断システムである。
【00075】
さらに、「気配ディスプレイ」は、電位波形を人体に逆に印加することにより、漠然とした人の「気配」や移動を感じさせる可能性を見出したことに着目した新たなVR技術である。
【00076】
なお、上記実施形態にあっては、被検者は靴下や靴を着用して歩行運動の測定を受けるとして説明したが、本発明の係る片足歩行検出システムは必ずしもそのような態様で測定を受けることに限定されない。被検者は素足のまま測定を受けるように設定することもできる。人の皮膚を含む全ての物質は帯電系列上に位置付けられ、人の皮膚は絹とアセテートの間位に位置し、相対的にはプラス側の帯電を示す。このため、例えば、検出側の第1の歩行路14Aの表面層を塩ビで形成し、非検出側の第2の歩行路14Bの表面層を絹、アセテート、アクリルなどの素材で形成すればよい。
【00077】
また、上述した実施形態にあっては、歩行路を長めの矩形状のプレートであるとして説明したが、円形、楕円など様々な形状に変形してもよいし、回転式にして設置面積を節約するようにしてもよい。
【00078】
さらに、上述した実施形態の片足歩行検出システムは、必ずしも歩行運動に限らず、ジョギング、ランニングなどの運動における片側の足の運動解析に用いてもよい。
【00079】
【発明の効果】
本発明に係る片足歩行検出用歩行路、片足歩行検出システム、及び片足歩行検出方法によれば、歩行以外の身体動作による振動の影響や、センサの身体への取付位置に拠る依存性などの問題を軽減又は回避した状態で、従来不可能と考えられていた片足歩行運動の電位波形のみを高精度に検出することができる。したがって、この電位波形を解析して歩行運動に関する有用な情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る片足歩行検出システムの構成の概要を説明する概要構成図。
【図2】この片足歩行検出システムに用いる歩行路の積層構造を例示する模式図。
【図3】帯電系列を説明する図。
【図4】検出対象及び非検出対象の足による剥離帯電を説明する図。
【図5】検出対象及び非検出対象の足による剥離帯電後の電荷の挙動を説明する図。
【図6】人体と路面との間のコンデンサ、プローブ、及び電位センサの電気回路図。
【図7】歩行動作、人体の帯電電荷、人体の静電容量、人体電位、及び電位波形との関係を説明する図。
【符号の説明】
11 プローブ
12 電位センサ
13 記録計
14 歩行路
14A 第1の歩行路(検出側)
14B 第2の歩行路(非検出側)
21 スペーサ
22 アルミシート
23 塩ビシート
31 発泡スチロールシート
32 ベニヤ板
P 被検者
Claims (13)
- 被検者にその検出対象の一方の足で歩行させる第1の歩行路と、その非検出対象の残りの足で歩行させる第2の歩行路とを併設して備え、
前記検出対象の足の底面が前記第1の歩行路の路面に接触・剥離したときの剥離帯電による人体電位が、前記非検出対象の足の底面が前記第2の歩行路の路面に接触・剥離したときの剥離帯電による人体電位よりも多くなるように、当該第1及び第2の歩行路に差別化した帯電特性を持たせたことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。 - 請求項1に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第1及び第2の歩行路それぞれを、前記第1の歩行路を成す素材と前記検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いが、前記第2の歩行路を成す素材と前記非検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いよりも大きくなるように選択した素材を用いて形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。 - 請求項1に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第1及び第2の歩行路それぞれ、及び、前記検出対象及び非検出対象の足の底面それぞれについて、歩行路側及び足側の少なくとも一方を、当該検出対象の足の当該第1の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積が、当該非検出対象の足の当該第2の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積よりも大きくなるように選択した素材を用いて形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。 - 請求項3に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第1及び第2の歩行路それぞれを、前記検出対象の足の当該第1の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積が、前記非検出対象の足の当該第2の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積よりも大きくなるように選択した素材を用いて形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。 - 請求項1に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第1及び第2の歩行路それぞれを、前記第1の歩行路を成す素材と前記検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いが、前記第2の歩行路を成す素材と前記非検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いよりも大きく、且つ、前記検出対象の足の当該第1の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積が、前記非検出対象の足の当該第2の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積よりも大きくなるように選択した素材を用いて形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。 - 請求項1〜5の何れか一項に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第1の歩行路は、当該第1の歩行路に用いる素材の下方に、接地された導電性部材を設けたことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。 - 請求項6に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第1及び第2の歩行路それぞれを、前記帯電系列上の離間の度合いと前記実効有効面積の違いとに基づく素材から成るシート材を含む複数のシート材から成る積層構造に形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。 - 請求項7に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第1の歩行路を、前記導電性部材としての、接地された導電性シート材を含む複数のシート材から成る積層構造に形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。 - 請求項8に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第1の歩行路を、その下方から、高さ調節用のスペーサ材、前記導電性シート材、及び前記シート材をこの順に積層して形成するとともに、
前記第2の歩行路を、その下方から、絶縁シート材及び前記シート材をこの順に積層して形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。 - 請求項9に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第1の歩行路の前記シート材を塩ビを用いて構成するとともに、
前記第2の歩行路の絶縁シート材を発砲スチロール材を用いて構成し、且つ、前記シート材をベニヤ板を用いて構成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。 - 請求項9に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第1の歩行路の前記シート材を前記第2の歩行路の前記シート材よりも誘電率の高い材料で構成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。 - 前記請求項1〜11の何れか一項に記載の片足歩行検出用歩行路と、この歩行路の路面を被検者が歩行するときの剥離帯電に因る人体の電位変化を感知するプローブと、このプローブが感知した信号から前記電位変化の波形信号を得る電位センサとを備えたことを特徴とする片足歩行検出システム。
- 歩行運動の被検者が左右両足それぞれに専用に併設された歩行路に沿って歩行するときに、非検出側の足が一方の歩行路との間の接触及び剥離することにより人体に生じる電荷を、検出側の足と他方の歩行路との間に生じる静電容量を介して電荷結合させ、この電荷をアースに逃がすステップを含むことを特徴とする片足歩行検出方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002383758A JP4251269B2 (ja) | 2002-12-30 | 2002-12-30 | 片足歩行検出用歩行路、片足歩行検出システム、及び片足歩行検出方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002383758A JP4251269B2 (ja) | 2002-12-30 | 2002-12-30 | 片足歩行検出用歩行路、片足歩行検出システム、及び片足歩行検出方法 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004209003A true JP2004209003A (ja) | 2004-07-29 |
JP2004209003A5 JP2004209003A5 (ja) | 2006-05-11 |
JP4251269B2 JP4251269B2 (ja) | 2009-04-08 |
Family
ID=32818391
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002383758A Expired - Lifetime JP4251269B2 (ja) | 2002-12-30 | 2002-12-30 | 片足歩行検出用歩行路、片足歩行検出システム、及び片足歩行検出方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4251269B2 (ja) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008154733A (ja) * | 2006-12-22 | 2008-07-10 | Sony Corp | 歩行波形処理方法及び歩行波形処理装置 |
JP2008190902A (ja) * | 2007-02-01 | 2008-08-21 | Osaka Univ | 物体検知センサ |
JP2011027630A (ja) * | 2009-07-28 | 2011-02-10 | Toyota Motor Corp | 非接触動作検出装置 |
JP2013132584A (ja) * | 2011-12-26 | 2013-07-08 | Mitsubishi Electric Corp | 静電選別装置 |
JP2013534833A (ja) * | 2010-05-07 | 2013-09-09 | ヤン,チャンミン | 織物静電容量センサによる生理信号発生の方法及びシステム |
CN108452480A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-08-28 | 杭州启望科技有限公司 | 一种跑步机及跑步机上跑步姿势的检测方法和装置 |
CN115105789A (zh) * | 2021-03-23 | 2022-09-27 | 乔山健康科技(上海)有限公司 | 具有使用验证功能的运动器材 |
-
2002
- 2002-12-30 JP JP2002383758A patent/JP4251269B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008154733A (ja) * | 2006-12-22 | 2008-07-10 | Sony Corp | 歩行波形処理方法及び歩行波形処理装置 |
JP2008190902A (ja) * | 2007-02-01 | 2008-08-21 | Osaka Univ | 物体検知センサ |
JP2011027630A (ja) * | 2009-07-28 | 2011-02-10 | Toyota Motor Corp | 非接触動作検出装置 |
JP2013534833A (ja) * | 2010-05-07 | 2013-09-09 | ヤン,チャンミン | 織物静電容量センサによる生理信号発生の方法及びシステム |
US10376155B2 (en) | 2010-05-07 | 2019-08-13 | Chang-Ming Yang | Method and system for generating physiological signals with fabric capacitive sensors |
JP2013132584A (ja) * | 2011-12-26 | 2013-07-08 | Mitsubishi Electric Corp | 静電選別装置 |
CN108452480A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-08-28 | 杭州启望科技有限公司 | 一种跑步机及跑步机上跑步姿势的检测方法和装置 |
CN115105789A (zh) * | 2021-03-23 | 2022-09-27 | 乔山健康科技(上海)有限公司 | 具有使用验证功能的运动器材 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4251269B2 (ja) | 2009-04-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Jarchi et al. | A review on accelerometry-based gait analysis and emerging clinical applications | |
Khandelwal et al. | Evaluation of the performance of accelerometer-based gait event detection algorithms in different real-world scenarios using the MAREA gait database | |
EP1804194B1 (en) | Gait waveform feature extracting method and individual identification system | |
Yoneyama et al. | Accelerometry-based gait analysis and its application to Parkinson's disease assessment—part 1: detection of stride event | |
US5952585A (en) | Portable pressure sensing apparatus for measuring dynamic gait analysis and method of manufacture | |
US20030009308A1 (en) | Instrumented insole | |
KR20150122235A (ko) | 사람의 무게를 결정하기 위한 방법 및 이러한 방법을 실행하기 위한 인솔 | |
US10386249B2 (en) | Wearable inductive-force sensor | |
JP4894500B2 (ja) | 歩行波形処理方法及び歩行波形処理装置 | |
JP6771154B2 (ja) | 転倒リスク判定装置、転倒リスク判定装置の作動方法、およびコンピュータプログラム | |
JP6761549B2 (ja) | 速度を使用する足存在信号処理 | |
JP4251269B2 (ja) | 片足歩行検出用歩行路、片足歩行検出システム、及び片足歩行検出方法 | |
CN109331406B (zh) | 一种基于跑步机力台的下肢运动能力定量评价方法和系统 | |
Hahm et al. | In-home health monitoring using floor-based gait tracking | |
Maculewicz et al. | A technological review of the instrumented footwear for rehabilitation with a focus on Parkinson’s disease patients | |
Crouse et al. | Measurement of the temporal and spatial parameters of gait using a microcomputer based system | |
CN110680328B (zh) | 一种足底应力检测系统、装置、服务器、方法和存储介质 | |
JP7041869B2 (ja) | 活性度推定装置 | |
Patoz et al. | A novel kinematic detection of foot-strike and toe-off events during noninstrumented treadmill running to estimate contact time | |
Begg et al. | A method for the reconstruction of ground reaction force-time characteristics during gait from force platform recordings of simultaneous foot falls | |
Takiguchi et al. | Rhythm pattern of sole through electrification of the human body when walking | |
Lacirignola et al. | Instrumented footwear inserts: a new tool for measuring forces and biomechanical state changes during dynamic movements | |
Pai et al. | Smart shoe | |
Kurita | Physical activity estimation method by using wireless portable sensor | |
Ahmad et al. | A low-cost of foot plantar shoes for gait monitoring system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A625 | Written request for application examination (by other person) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A625 Effective date: 20051227 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20060209 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060217 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20060209 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080416 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080424 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080612 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080821 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080916 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081106 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20081202 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20081225 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090107 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 4251269 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120130 Year of fee payment: 3 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120130 Year of fee payment: 3 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120130 Year of fee payment: 3 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120130 Year of fee payment: 3 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120130 Year of fee payment: 3 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120130 Year of fee payment: 3 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R3D04 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120130 Year of fee payment: 3 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R3D03 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130130 Year of fee payment: 4 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140130 Year of fee payment: 5 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |