JP2006118909A

JP2006118909A - 歩行計

Info

Publication number: JP2006118909A
Application number: JP2004305201A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Kidera; 和憲木寺
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】正確な歩行距離や歩行速度を算出することのできる歩行検出のできる歩行計を提供する。
【解決手段】歩行者の加速度を検出する加速度センサと、前記加速度センサから出力された加速度データを演算して演算結果を出力する演算部と、加速度データ及び演算結果を記憶する記憶部と、演算結果を表示する表示部と、を有してなり、前記加速度データから導出された周期と振幅を用いて、歩行者の歩行ピッチ、歩幅と歩行速度を演算部にて算出して、表示部に表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、歩行者に取り付けて歩行ピッチ、歩幅と歩行速度を測定して表示する歩行計に関するものである。

従来から、歩行者が歩行する時の振動を検知することにより歩数を測定し、これに予め入力されている歩幅を乗ずることにより歩行距離や歩行速度を算出する歩行計が使用されている。しかしながら、この種の歩行計では、歩行以外の振動により歩数がカウントされることがあり、さらに、実際の歩幅を測定していないために、必ずしも正確な歩行距離や歩行速度を算出することができなかった。

これを改良した歩行検出方法として、歩行者の発する振動をマイクロフォンで検知いるものが、特開２００２−１９７４３７号公報に開示されている。また、加速度センサにより、歩行時の振動を検知する歩行計が、特開平９−１５２３５５号公報に開示されている。
特開２００２−１９７４３７号公報特開平９−１５２３５５号公報

しかしながら、特許文献１の歩行検出方法では、マイクロフォンを使用しているために、外部の音声の影響を受けるおそれがある。また、特許文献２の歩行検出方法では、測定された加速度から歩幅を対応テーブルによって求めている。このため、短い歩幅で速く場合と長い歩幅でゆっくりと歩く場合とを必ずしも区別することができず、歩行状態によっては正確な歩行距離や歩行速度を得ることができないことがあった。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたもので、歩幅の変化や歩行ピッチが変化しても、リアルタイムで正確な歩行距離や歩行速度を算出して表示することのできる歩行計を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明の歩行計は、歩行者の加速度を検出する加速度センサと、前記加速度センサから出力された加速度データを演算して演算結果を出力する演算部と、加速度データ及び演算結果を記憶する記憶部と、演算結果を表示する表示部と、を有してなり、前記加速度データから導出された周期と振幅を用いて、歩行者の歩行ピッチ、歩幅と歩行速度を演算部にて算出して、表示部に表示することを特徴としている。

本発明の歩行計は、加速度データから導出された周期と振幅を用いて、歩行者の歩行ピッチ、歩幅と歩行速度を演算部にて算出しているので、歩行状態に影響されずに正確な歩行距離や歩行速度を算出することができる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１の歩行計の構成と動作を図１、図２に基づいて説明する。この歩行計１は、図１のブロック図に示すように、3つの加速度センサ２ａ、２ｂ、２ｃと、それぞれの加速度センサの出力のノイズ成分を除去するローパスフィルター３ａ、３ｂ、３ｃ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）と、加速度センサ２ａ、２ｂ、２ｃからの加速度データを演算する演算部４と、演算に必要なデータ等を記憶しておく記憶部５と、演算結果を表示する表示部６と、歩行者の基本情報を入力する入力部７と、を具備している。

まず、加速度センサ２ａ、２ｂ、２ｃは加速度を検出する方向をそれぞれ直交する軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）になるように配置している。また、ノイズを除去するローパスフィルタ３ａ、３ｂ、３ｃはそれぞれ同じ特性を有し、カットオフ周波数は１０Hz〜１００Hzとし、人体の激しい動きによる衝撃などによるノイズ成分を加速度データから取り除いて、演算部４に伝えている。次に、演算部４では、人の歩行の軌跡を分析可能なレベルの一定時間（例えば５０msごと）に測定した加速度データをサンプリングして、これを記憶部５に記憶する。そして、記憶された加速度データをもとに演算部４で歩幅や歩行ピッチを演算する。

図２に加速度データ出力波形の一例を示す。縦軸は、加速度センサ２ａ、２ｂ、２ｃから出力される出力電圧（単位：Ｖ）であり、横軸は時間である。ここで、人体が歩行しているときも一歩一歩の動作中には様々な動きをする。また、人体が歩行しているとき加速度センサ２ａ、２ｂ、２ｃは様々な方向に傾いたり、動いたりするため出力電圧は様々な値に変化する。しかし、この変化の仕方には周期性がある。したがって、図２に示すように、一歩一歩の動き全体ではその動きを周期的に繰り返している。つまり、加速度センサ２ａ、２ｂ、２ｃから出力される出力電圧の周期性は人体に動きの一歩に対応しており、加速度センサの出力電圧の周期は人体の歩行ピッチ（一秒間の歩数）を表している。また、加速度センサの出力電圧の振幅は人体の動きの大きさに対応している。よって、歩行者の歩行状態が、ある状態（歩行状態Ａ）から他の状態（歩行状態Ｂ）へと変化した場合には、出力電圧の周期は周期Ａから周期Ｂへと、振幅は振幅Ａから振幅Ｂへと変化する。このようにして、加速度センサ２ａ、２ｂ、２ｃから出力される出力電圧の周期から歩行ピッチを求めるとともに、振幅から歩幅を求めることができる。そして、歩行ピッチと歩幅とを乗じることにより歩行の速度を算出する。

以下に、具体的な歩行ピッチの演算の手順を説明する。まず、歩行ピッチｆｐ（単位：Hz）は加速度センサ２ａ、２ｂ、２ｃの出力電圧の変化の周期から算出する。ここで、ノイズの影響を小さくするため、測定した出力電圧の移動平均を演算部４にて算出する。平均を算出するデータ数は想定される最速の歩行ピッチの約半分の時間分を取り、移動平均を算出することによりノイズの影響を除去して、周波数測定の精度を向上させる。例えば、サンプリングを５０ｍｓ毎に行い、想定される最速の歩行ピッチが３００msであった場合、その半分の１５０ｍｓ分のデータつまり１５０ms／５０ｍｓ＝３個のデータの平均をそれぞれ時間毎にとり、そのデータを記憶部５に記憶させる。次に、加速度センサ２ａ、２ｂ、２ｃから出力される出力電圧のうち、最も変化量の大きい（つまり、振幅が大きい）加速度センサから出力された出力電圧を選択して、この出力電圧を一定時間ごとに離散的フーリエ級数変換をすることにより、周波数に変換する。そして、この周波数変換でのピークの周波数を求めることにより、歩行ピッチｆｐを求める。

次に、歩幅の算出の手順について説明する。歩幅は加速度データからは直接求めることができない。そこで、加速度データと歩幅の関係を表すデータベースを記憶部５の内部にデータベース部として構築しておき、このデータベースを用いて歩幅を算出する。表１は歩行者の身長・性別とこれに対応する平均歩幅Waとの関係を示すデータテーブルで、表２は歩行者の年齢と年齢ファクタＡとの関係を示すデータテーブルで、表３は歩行者の取り付け部位と部位ファクタＢとの関係を示すデータテーブルの例である。表１〜３のデータテーブルの他に、歩行者の取り付け部位と歩行ピッチファクタＰとの関係を示すデータテーブルと、歩行者の平均振幅Vaと測定された出力電圧の振幅の演算値Vs（後述）との関係を示すデータテーブルとが必要となる。これらのデータテーブルは、データベース部として記憶部５の内部に記憶されている。

まず、測定前に、歩行者の身長、性別、年齢、歩行計の取り付け部位の情報を入力部７から入力し、基本歩幅を設定する。

Wb = Wa×A×B×P
記憶部５には性別毎の身長毎の平均的な歩幅データテーブルがあり、その歩幅Waに年齢による平均的な歩幅の変化を示す年齢ファクタAをかけることにより、基準歩幅（Wa×A）を求める。

次に振幅データについて説明する。データベース部には性別毎の身長毎の平均的な振幅データテーブルがあり、その平均振幅Vaと測定された加速度データの振幅の演算値Vsとの比Vs／Vaを算出する。この比Vs／Vaと取り付け部位によるファクタBと歩行ピッチによるファクタPと基準歩幅を乗じることにより歩幅Wを求める。歩幅Wは以下の式で算出される。

W=Wb×Vs／Va =Wa×A×B×P×Vs／Va
ここで取り付け部位ファクタBは歩行計１が取り付けられている部位、例えば腰の横や腰の前、または腕など場所によって大きく振幅が変わってしまうので、これを補正するものである。また、歩行ピッチファクタPは歩行時と走行時では体の動きが大きく割る変わるため、振幅が大きく変化する。この変化を補正するために、ある程度ピッチが早くなると走行しているとみなし、Pを小さくし、補正する。

以下に、加速度センサの出力電圧の振幅の演算値Vsの演算方法について説明する。振幅の演算は歩行ピッチの測定と同様にノイズの影響を除去するために、それぞれの加速度センサの移動平均をとる。さらに加速度のベクトル和を求めるために、出力電圧の振幅をそれぞれ二乗して、その和を採り、更に平方根を採ったものをＶsとすると、Ｖsは以下の式で表される。ここでＶｘ、Ｖｙ、Ｖｚはそれぞれの加速度センサ出力の移動平均をとった振幅値を示している。

このようしてに求めた歩行ピッチｆｐを歩幅Wに乗じることにより、速度Vを求めて（V＝W×ｆｐ）、この結果を表示部６に表示する。

本発明の歩行計は、歩行者の加速度を検出する加速度センサと、前記加速度センサから出力された加速度データを演算して演算結果を出力する演算部と、加速度データ及び演算結果を記憶する記憶部と、演算結果を表示する表示部と、を有してなり、前記加速度データから導出された周期と振幅を用いて、歩行者の歩行ピッチ、歩幅と歩行速度を演算部にて算出して、表示部に表示するので、歩幅の変化や歩行ピッチが変化しても、歩行距離や走行速度をリアルタイムに表示することができる。

また、前記加速度センサは２方向以上の加速度を検出するものであり、加速度の変化量の大きいデータから周期を算出し、加速度の絶対値のデータから振幅を演算部にて算出するものであるので、１方向のセンサにノイズの影響があった場合でも、正しい加速度データを測定することができ、測定精度を向上することができる。

さらに、周期及び振幅と歩幅との関係をデータベースとして収納するデータベース部を有してなり、演算部にて算出した周期及び振幅とデータベースから歩幅を算出するものであるので、歩行計やその取り付け部位が変化した場合でも、これを補正して歩幅を精度良く求めることが可能となる。

加えて、前記加速度センサと前記演算部との間にカットオフ周波数が１０Hz以上１００Hz以下であるローパスフィルタを備えてなるので、歩行時の振動によって生じるノイズの影響を除去することができる。

加えて、演算部にて加速度データを所定時間毎に離散的フーリエ級数変換をすることにより、周期と振幅を算出するので、加速度データから周期と振幅を精度良く算出することができる。

あわせて、演算部にて加速度データの移動平均を演算することにより、周期と振幅を算出するので、加速度データから精度良く歩行距離や走行速度を求めることができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２の歩行計の構成と動作を図３、図４に基づいて説明する。図３は本実施形態の歩行計１のブロック図で、実施形態１の歩行計に通信部９と補正部８が追加されている。また、ウォーキングマシン１１は、図４の斜視図に示すように、歩行者１０が載るベルト部１２を備え、このベルト部１２が所定の速度で動くことにより、歩行者１０がこの所定速度で歩行する構成となっている。また、ウォーキングマシン１１は、歩行計１との間に通信機能を有し、ベルト部１２の速度を歩行計１からの指令により変動できるようになっている。歩行計１は補正モードを有し、入力部７からの指令により補正モードに入る。そして、この情報は補正部８から通信部９を通して、ウォーキングマシン１１に伝達される。この場合、ウォーキングマシン１１は、様々な速度で一定時間動いて、歩行ピッチと出力電圧の振幅の演算値Vsから歩幅と歩行ピッチファクタBを求めることができる。

例えば、補正モードに入ると補正部８により、ウォーキングマシン１１のベルト部１２の移動速度を３ｋｍ/ｈから１０ｋｍ/hまで１ｋｍ/hづつ増加していく制御を行う。そして、それぞれの速度に対応する歩行ピッチと出力電圧の振幅の演算値Vsを求める。さらに、最初の３km/hの歩行で歩幅を逆算して求め、その後、他の速度ではそれぞれの歩行ピッチでの歩行ピッチファクタBを逆算して求め、これらの結果を記憶部５のデータベース部に記憶される。

歩行者が模擬的に歩行することにより歩幅を予め測定するウォーキングマシンを用いて前記データベースを作成する時に、ウォーキングマシンとデータ通信をする通信部を有してなるので、歩行者ごとの歩幅を様々な歩行ピッチで実測するので、さらに精度よく速度を求めることができるようになる。

実施形態１の歩行計の構成を示すブロックである。同上の加速度センサの出力波形である。実施形態２の歩行計の構成を示すブロックである。同上の測定状態を示す斜視図である。

符号の説明

１歩行計
２ａ〜ｃ加速度センサ
３ａ〜ｃＬＰＦ（ローパスフィルター）
４演算部
５記憶部
６表示部
７入力部
８補正部
９通信部
１０歩行者
１１ウォーキングマシン
１１ベルト部

Claims

歩行者の加速度を検出する加速度センサと、前記加速度センサから出力された加速度データを演算して演算結果を出力する演算部と、加速度データ及び演算結果を記憶する記憶部と、演算結果を表示する表示部と、を有してなり、
前記加速度データから導出された周期と振幅を用いて、歩行者の歩行ピッチ、歩幅と歩行速度を演算部にて算出して、表示部に表示することを特徴とする歩行計。
前記加速度センサは２方向以上の加速度を検出するものであり、加速度の変化量の大きいデータから周期を算出し、加速度の絶対値のデータから振幅を演算部にて算出することを特徴とする請求項１記載の歩行計。
周期及び振幅と歩幅との関係をデータベースとして収納するデータベース部を有してなり、
演算部にて算出した周期及び振幅とデータベースから歩幅を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の歩行計。
歩行者が模擬的に歩行することにより歩幅を予め測定するウォーキングマシンを用いて前記データベースを作成する時に、ウォーキングマシンとデータ通信をする通信部を有してなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の歩行計。
前記加速度センサと前記演算部との間にカットオフ周波数が１０Hz以上１００Hz以下であるローパスフィルタを備えてなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の歩行計。
演算部にて加速度データを所定時間毎に離散的フーリエ級数変換をすることにより、周期を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の歩行計。
演算部にて加速度データの移動平均を演算することにより、周期と振幅を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の歩行計。