JP2009101108A

JP2009101108A - 運動能力検出装置

Info

Publication number: JP2009101108A
Application number: JP2007298648A
Authority: JP
Inventors: Ryuji Masaki; 竜二正木; Yoshinobu Motokura; 義信本蔵; Hitoshi Aoyama; 均青山
Original assignee: Aichi Micro Intelligent Corp
Current assignee: Aichi Micro Intelligent Corp
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-10-22
Also published as: JP5034012B2

Abstract

【課題】子供から高齢者までの柔軟性や平衡感覚を簡便に測定でき、機能回復訓練の進捗度を簡便に測定できる運動能力検出装置を提供すること。
【解決手段】直交する３軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記３方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の姿勢を取得する姿勢計測手段と、前記姿勢計測手段により計測した二つの姿勢の成す角度を運動体の回転による姿勢変化量として計算する姿勢変化量演算手段と、前記姿勢変化量を出力する出力手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体などの運動体の運動能力を検出する運動能力検出装置に関する。また、人体の運動能力を検出することにより柔軟性や平衡感覚からみた年齢を推定する運動能力検出装置に関する。

従来、人体の運動能力として筋力、全身持久力に加えて柔軟性、平衡感覚があり、これらの運動能力は年齢や健康状態に対応している。そして、これらの運動能力を測定する器具が開発され、柔軟性や平衡感覚に関する運動能力検出装置としては次のような装置が使用され、提案されている。
例えば、非特許文献１には、ヒトの関節の動きや肢位の測定機器として万能角度計や重力角度計などの使用が報告されている。これらの角度計は、被測定者自身が使用するものではなく理学療法士らによるリハビリテーションで使用されるものであり、人体などの運動体の運動能力を被測定者が自ら、かつ簡便に使用できるものではない。

また、特許文献１には、柔軟性やバランス（平衡感覚）を改善するトレーニングの成果を測定する器具として高齢者や子供等の被測定者が簡単に座位体前屈測定を行うことのできる脚置き、測定ボード、測定用スライド部材及び目盛り等からなる座位体前屈器が提案されている。この測定器は、測定器本体が固定されているためにどこでも簡便に座位体前屈測定を行うことができない。

一方、加速度センサや磁気センサなどの各種センサを用いた装置として、特許文献２には人の動作や身体の一部の動きなどを計測する運動検出装置を含む空間姿勢センサからなる運動検出装置が提案されている。この装置は、空間姿勢センサとして角速度センサと加速度センサよりなる自立型運動検出部と撮影部とから構成され、運動する物体の空間位置と姿勢と動きを認識するために光学系を含むため人体などの運動体の運動能力を簡便に測定できるものではない。

また、特許文献３には関節の屈曲状態を高精度に検出できるようにセンサユニット等からなる四肢訓練装置が提案されている。この装置は、センサユニットによって検出・算出された姿勢角度が求められる装置であるが、リハビリテーション用機器のために関節を中心に屈曲する機構を備え、センサユニットを器具に固定化するために人体などの運動体の運動能力を簡便に測定できるものではない。

ＣｙｎｔｈｉａＣ．Ｎｏｒｋｉｎ，Ｄ．ＪｏｙｃｅＷｈｉｔｅ著、山口昇ら訳、「関節可動域測定法」協同医書出版社出版、２００２年２月１日発行、ｐｐ．１６〜２１実用新案登録第３１２７３６８号特開２００４−２６４８９２号公報特開２００６−２０７８０号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、子供から高齢者までの柔軟性や平衡感覚のトレーニングの成果を簡便に測定でき、また、身体のリハビリテーションによる機能回復度や訓練の進捗度を簡便に測定できる運動能力検出装置を提供することを目的とする。さらに、人体の運動能力を検出することにより柔軟性や平衡感覚からみた年齢を推定することができる運動能力検出装置を提供することを目的とする。

本発明の運動能力検出装置は、直交する３軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記３方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の姿勢を取得する姿勢計測手段と、前記姿勢計測手段により計測した二つの姿勢のなす角度を運動体の回転による姿勢変化量として計算する姿勢変化量演算手段と、前記姿勢変化量を出力する出力手段とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の運動能力検出装置において前記姿勢計測手段は、前記加速度成分と前記地磁気成分とに基づいて、鉛直方向単位ベクトルを求め、前記鉛直方向単位ベクトルから地磁気の東方向または西方向の第１地磁気単位ベクトルを求め、次いで前記第１地磁気単位ベクトルに直交する北方向または南方向の第２地磁気単位ベクトルを求めた後に姿勢行列を計算して姿勢を計測することを特徴とする。

また、本発明の運動能力検出装置において、前記姿勢変化量演算手段は前記姿勢計測手段により計測された基準姿勢から所定の姿勢への移行による一軸回転角度を算出することを特徴とする。

また、本発明の運動能力測定装置は、直交する３軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記３方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の基準姿勢を取得する基準姿勢計測手段と、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記磁気センサで測定された地磁気成分とを用いて運動体の回転による姿勢変化量を計算する姿勢変化量演算手段と、前記基準姿勢計測手段により計測された基準姿勢から前記姿勢変化量演算手段により計算された姿勢変化量が運動体の回転により所定の変化量を超えるまでの時間を測定する基準姿勢保持時間計測手段と、前記基準姿勢保持時間を出力することを特徴とする。

さらに、本発明の運動能力検出装置において、前記姿勢変化量あるいは基準姿勢の保持時間と運動体年齢パラメータとから運動体の年齢を計算することを特徴とする。

本発明の運動能力検出装置は、３軸の加速度センサ、３軸の磁気センサ、計測手段・演算手段及び出力手段とからなるので、小型化が可能で手に把持したり、身体の一部に装着することにより簡便に運動能力を検出することができる。このために使用者は年齢を問わず、柔軟性や平衡感覚のトレーニングに、また、リハビリテーションに使用できる。そして、検出した運動能力から柔軟性や平衡感覚の年齢を推定したりすることができる。
また、運動能力検出装置において画面表示や音声により、運動能力を容易に認知できるので楽しみながらできる。あるいは、運動能力検出装置からの出力を無線通信手段によりパソコン上で画面表示や音声化、パソコンの記憶装置に検出データを記憶することもできる。

発明の実施の最良の形態

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態による運動能力検出装置の構成を示すブロック図である。本発明の運動能力検出装置は、コントローラ子機１０、コントローラ親機２０およびパソコンＰＣ３０を有している。

また、本発明の運動能力検出装置は、図１に示すように、コントローラ子機１０は３軸磁気センサおよび３軸加速度センサ１１と、制御用マイコン１２と、３軸磁気センサにより測定された地磁気データおよび３軸加速度センサにより測定された加速度データをコントローラ親機２０に出力して送信する無線送信ユニット１３とを有し、コントローラ親機２０はＵＳＢデータ変換ユニット２１とコントローラ子機１０の無線送信ユニット１３から送信されるデータを受信する無線受信ユニット２２とを有しており、コントローラ親機２０からＵＳＢによりパソコンＰＣ３０に接続されている。

本例では、加速度センサと磁気センサの出力をコントローラ子機１０から出力し、パソコンＰＣ３０で姿勢計算を行っているが、コントローラ子機１０の制御用マイコン１２で姿勢計算を行ってもよく、また、コントローラ親機２０に別途マイコンを設置して姿勢計算を行っても良い。

パソコンＰＣ３０においては、地磁気データおよび加速度データを処理する演算部、演算データを画面又は音声により表示する表示部、そして演算データから年齢推定するためのデータベースと年齢変換部とを有している。

なお、図１の実施の形態によれば、無線通信手段を用いてコントローラ子機１０、コントローラ親機２０およびパソコンＰＣ３０から構成されている運動能力検出装置であるが、３軸磁気センサおよび３軸加速度センサ、制御用マイコン、演算部、表示部等を全て有する携帯型運動能力検出装置として構成することもできる。
また、携帯電話機に運動能力検出装置を搭載して使用することもできる。

図２は、本発明の運動能力検出装置のフロー図を示し、（２Ａ）は柔軟性に関するフロー図、（２Ｂ）は平衡感覚に関するフロー図をそれぞれ示す。
また、本発明の運動能力検出装置により検出する運動能力を図６〜図１０に示す。

まず、運動能力の測定において基準となる基準姿勢について、図６により説明する。
基準姿勢Ａは、図１に示すコントローラ子機１０（以下、測定器という。）を図６（Ａ）に示すように頭上に両手で握っている姿勢とする。基準姿勢Ｂは、測定器を図６（Ｂ）に示すように水平に持っている姿勢とする。
測定対象となる運動能力により、基準姿勢として基準姿勢Ａまたは基準姿勢Ｂを採用することとする。

次に、運動能力の対象としては、柔軟性として（１）側屈、（２）前後屈、（３）旋回の３種類と、平衡感覚として（４）バランスとからの４種類とする。
（１）側屈は、図７（ａ１）に示すように、基準姿勢Ａの状態から右腕の方向へ身体を倒した状態の右側屈と、図７（ｂ１）に示すように、基準姿勢Ａの状態から左腕の方向へ身体を倒した状態の左側屈とからなる。

（２）前後屈は、図８（ａ２）に示すように、基準姿勢Ｂの状態から前方向へ身体を倒した状態の前屈と、図８（ｂ２）に示すように、基準姿勢Ｂの状態から後方向へ身体を倒した状態の後屈とからなる。

（３）旋回は、図９（ａ３）に示すように、基準姿勢Ｂの状態から水平方向の右へ身体を回転した状態の右旋回と、図９（ｂ３）に示すように、基準姿勢Ｂの状態から水平方向の左へ身体を回転した状態の左旋回とからなる。

（４）バランスは、図１０に示すように、基準姿勢Ｂの状態から右足または左足による片足だけで立った状態を維持する。

図２（２Ａ）の柔軟性に関するフロー図を用いて本発明の運動能力検出装置の実施例について詳細に説明する。
以下、（１）側屈の実施例を説明する。
ステップＳ１０１において、測定器を持ち、電源スイッチを投入して測定を開始する。
基準姿勢Ａ０を取得するために基準姿勢Ａの静止姿勢をとって「基準姿勢Ａの静止指示」をＰＣからの音声の指示により測定器のスイッチを入れる（ステップＳ１０２）。これにより、基準姿勢Ａ０を取得する（ステップＳ１０３）。
なお、ステップＳ１０３における基準姿勢Ａ０取得の演算処理については後述する。

次に、基準姿勢Ａの状態から右腕の方向へ身体を倒した状態の右側屈の姿勢（ａ１）の変化量を測定するために「姿勢ａ指示」を測定器に指示（ステップＳ１０４）した後、身体を右腕の方向に倒していくことにより姿勢変化量Ａａの計算が開始される（ステップＳ１０５）。そして、ステップＳ１０７において５秒後の姿勢をもっとも倒した上体とみなし、５秒経過を終了条件（ステップＳ１０６）として「姿勢Ａａ」の変化量を取得する。５秒経過していない場合は、ステップＳ１０５に戻って姿勢変化量Ａａの計算が再開される。これにより、二つの姿勢の成す角度である基準姿勢Ａの状態から右側屈の姿勢（ａ１）の変化量が測定できる。

ステップＳ１０７の「姿勢Ａａ取得」が終えた後、基準姿勢Ａの状態から左腕の方向へ身体を倒した状態の左側屈の姿勢（ｂ１）の変化量を測定するために「姿勢ｂ指示」を測定器に指示（ステップＳ１０８）した後、姿勢（ａ１）の状態から基準姿勢Ａに戻し、さらに身体を左腕の方向に倒していくことにより姿勢変化量Ａｂの計算が開始される（ステップＳ１０９）。
そして、ステップＳ１１１においても５秒後の姿勢をもっとも倒した上体とみなし、５秒経過を終了条件（ステップＳ１１０）として「姿勢Ａｂ」の変化量を取得する。５秒経過していない場合は、ステップＳ１０９に戻って姿勢変化量Ａｂの計算が再開される。
これにより、二つの姿勢の成す角度である基準姿勢Ａの状態から左側屈の姿勢（ｂ１）の変化量が測定できる。

なお、ステップＳ１０５およびステップＳ１０９における姿勢変化量計算の演算処理については後述する。

ステップＳ１１２において、「姿勢Ａａ」の変化量と「姿勢Ａｂ」の変化量との和である姿勢変化量（Ａａ＋Ａｂ）を計算し、終了する（ステップＳ１１３）。

次に、他の（２）前後屈および（３）旋回については、基準姿勢Ｂの姿勢状態から開始する点は異なるが、その後のフローは同じである。

基準姿勢Ａ０取得の演算処理について、図３により説明する。
ステップＳ２０１により演算処理が開始されると、３軸磁気センサおよび３軸加速度センサから測定データが出力される（ステップＳ２０２）。その出力から、センサのオフセット、ゲインを考慮して、加速度および磁場の強度（ＨｘＨｙＨｚ）、（ＧｘＧｙＧｚ）が求めることができる。

度ベクトルの絶対値は（式１）により求められる。

したがって、磁気ベクトル、加速度ベクトルおよび加速度ベクトルの絶対値を用いて鉛直方向単位ベクトル、東方向単位ベクトルおよび北方向単位ベクトルはそれぞれ次式で求められる（ステップＳ２０３〜ステップＳ２０５）。

鉛直方向ベクトルは、次式（式２）により求められる。

東方向単位ベクトルは、次式（式３）により求められる。

北方向単位ベクトルは、次式（式４）により求められる。

姿勢行列は（式５）により表され、単位行列は（式６）により表される。
ここで、Ｘ軸を北方向、Ｙ軸を東方向およびＺ軸を鉛直方向として基準とする。

ステップＳ２０６において、姿勢行列Ａと単位行列Ｉを用いて、鉛直方向、東方向および北方向のベクトル値を姿勢行列Ａに導入する。そして、ある時間（ｔ）にて静止を指示し、「基準姿勢Ａ０取得」により演算処理を終了する（ステップＳ２０７〜ステップＳ２０９）。

また、他の（２）前後屈および（３）旋回における基準姿勢Ｂの基準姿勢Ｂ０取得の演算処理については、基準姿勢の静止状態は異なるが、その後のフローは同じである。

次に、姿勢変化量の演算処理について、図４（４Ａ）により説明する。
ステップＳ３０１により演算処理が開始し、時間（ｔ）における基準姿勢Ａ０取得する（ステップＳ３０２）。

基準姿勢Ａ０（時間＝ｔ）から姿勢ａおよび姿勢ｂが指示され、最も身体が傾いたとき

次式（式７）で表される。

（式７）で求められた回転行列Ｒの行列成分（Ｒｘｘ，Ｒｙｙ，Ｒｚｚ）を用いて、姿勢ａおよび姿勢ｂの一軸回転角（θａ，θｂ）を次式（式８）により求められる。ここで求めた一軸回転角θａおよび一軸回転角θｂがそれぞれ姿勢変化量Ａａおよび姿勢変化量Ａｂである。

よって、姿勢ａから姿勢ｂまでの一軸回転角度θは、一軸回転角θａおよび一軸回転角θｂの和で求められ（ステップＳ３０４）、終了する（ステップＳ３０７）。そして、姿勢変化量は一軸回転角度θである。

ここで、基準姿勢Ａ０から姿勢ａを指示して姿勢ａに身体を傾けていく際に、基準姿勢Ａ０から姿勢ｂを指示して姿勢ｂに身体を傾けていく際に、あるいは姿勢Ａａを取得して姿勢ｂを指示して姿勢ｂに身体を傾けていく際に、一軸回転からずれを生じた場合には上述の姿勢変化量の演算処理（図４（４Ａ））では誤差が生ずることとなる。
この誤差を補正する姿勢変化量の演算処理を図４（４Ｂ）により説明する。

上記のステップＳ３０４において一軸回転角度を求めた後、回転ベクトルＫｘ、ＫｙおよびＫｚを次式（式１０）〜（式１２）により求める（ステップＳ３０５）。

回転ベクトルＫｘ、ＫｙおよびＫｚの絶対値の大きさを比較して最も大きい回転ベクトルを求めて一軸回転角度θを乗する。
例えば、回転ベクトルＫｘが最も大きい場合には、Θ補正はΘ＝｜Ｋｘ｜×θ により求められる。
ここで、ステップＳ３０５〜ステップＳ３０６においては一軸回転角θａおよび一軸回転角θｂに対応した回転ベクトル（Ｋａ，Ｋｂ）を求め、Θ補正（Ｋａ，Ｋｂ）を行って終了している（ステップＳ３０６）。

図２（２Ｂ）の平行感覚に関するフロー図を用いて本発明の運動能力検出装置の実施例について詳細に説明する。
以下、（４）バランスの実施例を説明する。
ステップＳ１５１において、測定器を持ち、電源スイッチを投入して測定を開始する。
基準姿勢Ｂ０を取得するために基準姿勢Ｂの静止姿勢をとって「基準姿勢Ｂの静止指示」をＰＣからの音声の指示により測定器のスイッチを入れる（ステップＳ１５２）。引き続きＰＣからの音声の指示により「片足立ち」の姿勢をとって、「静止」して「基準姿勢Ｂ０」を取得する（ステップＳ１５３〜ステップＳ１５５）。

なお、ステップＳ１５５における基準姿勢Ｂ０取得の演算処理は上記の基準姿勢Ａ０取得の演算処理と同様である。

次に、ステップＳ１５５において基準姿勢Ｂ０取得後に、片足立ち静止状態の開始の合図により静止状態の保持時間を取得する（ステップＳ１５９）。
すなわち、測定開始の合図（ステップＳ１５５）により、静止状態の時間カウント（ステップＳ１５６）を行い、姿勢変化量を計算（ステップＳ１５７）して基準姿勢一軸回転角度θが７°のしきい値を超えた場合には、超えたときの時間を基準姿勢保持時間として取得して終了する（ステップＳ１５７〜ステップＳ１６０）。

なお、ステップＳ１５７における姿勢変化量の計算は上記の姿勢変化量の計算と同様である。

図５の年齢判定処理のフロー図を用いて本発明の運動能力検出装置の実施例について詳細に説明する。
ここで、（５Ａ）は柔軟性について得られた姿勢変化量から年齢判定を行うフロー図を示し、（５Ｂ）は平衡感覚について得られた基準姿勢保持時間から年齢判定を行うフロー図である。

まず、図５（５Ａ）の柔軟性に関するフロー図を説明する。
ステップ４０１において、パソコンＰＣ３０に年齢判定処理の開始の指示を行う。パソコンＰＣ３０のデータベースから姿勢変化量を取り出して（ステップ４０２Ａ）、年齢変換部にて年齢判定を行い（ステップ４０３）、終了する（ステップ４０４）。

年齢変換部における演算は、表１のパラメータを用いて次式（式１２）により行う。

次に、図５（５Ｂ）の平衡感覚に関するフロー図を説明する。
ステップ４０１において、パソコンＰＣ３０に年齢判定処理の開始の指示を行う。パソコンＰＣ３０のデータベースから基準姿勢保持時間を取り出して（ステップ４０２Ｂ）、年齢変換部にて年齢判定を行い（ステップ４０３）、終了する（ステップ４０４）。

年齢変換部における演算は、表１のパラメータを用いて次式（式１３）により行う。

上記の年齢判定処理結果については、パソコンＰＣ３０の画面に表示したり、音声により表示して被測定者が知ることができる。
また、運動能力検出装置に測定機能とともに年齢判定演算処理機能、そして画面表示機能または音声化機能を有することにより、測定後にすぐにその場において被測定者が知ることができるようにすることも可能である。

運動能力検出装置の構成を示すブロック図である。本発明の運動能力検出装置のフロー図を示し、（２Ａ）は柔軟性に関するフロー図、（２Ｂ）は平衡感覚に関するフロー図をそれぞれ示す。基準姿勢Ａ０取得の演算処理を示すフロー図である。姿勢変化量の演算処理を示すフロー図を示し、（４Ａ）は一般的な姿勢変化量の演算処理に関するフロー図、（４Ｂ）は誤差を補正する勢変化量の演算処理に関するフロー図をそれぞれ示す。年齢判定の演算処理を示すフロー図を示し、（５Ａ）は柔軟性に関するフロー図、（５Ｂ）は平衡感覚に関するフロー図をそれぞれ示す。

符号の説明

１０コントロール子機
１１３軸磁気センサおよび３軸加速度センサ
１２制御用マイコン
１３無線送信ユニット
２０コントロール親機
２１無線受信ユニット
２２ＵＳＢデータ変換ユニット
３０パソコンＰＣ

Claims

直交する３軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、
前記３方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、
前記加速度センサで測定された加速度成分と前記磁気センサで測定された地磁気成分とを用いて運動体の姿勢を計測する姿勢計測手段と、
前記姿勢計測手段により計測した二つの姿勢のなす角度を運動体の回転による姿勢変化量として計算する姿勢変化量演算手段と、
前記姿勢変化量を出力する出力手段とを備えていることを特徴とする運動能力検出装置
請求項１の運動能力検出装置において、
前記姿勢計測手段は、
前記加速度成分と前記地磁気成分とに基づいて、
鉛直方向単位ベクトルを求め、前記鉛直方向単位ベクトルから地磁気の東方向または西方向の第１地磁気単位ベクトルを求め、次いで前記第１地磁気単位ベクトルに直交する北方向または南方向の第２地磁気単位ベクトルを求めた後に姿勢行列を計算して運動体の姿勢を計測することを特徴とする運動能力検出装置。
請求項１の運動能力検出装置において、
前記姿勢変化量演算手段は、
前記姿勢計測手段により計測された基準姿勢から
所定の姿勢への移行による一軸回転角度を計算することを特徴とする運動能力検出装置。
直交する３軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記３方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の基準姿勢を取得する基準姿勢計測手段と、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記磁気センサで測定された地磁気成分とを用いて運動体の回転による姿勢変化量を計算する姿勢変化量演算手段と、前記基準姿勢計測手段により計測された基準姿勢から前記姿勢変化量演算手段により計算された姿勢変化量が運動体の回転により一定の変化量を超えるまでの時間を測定する基準姿勢保持時間計測手段と、前記基準姿勢保持時間を出力することを特徴とする運動能力測定装置。
請求項１乃至４の運動能力検出装置において、
前記姿勢変化量と運動体年齢パラメータとから運動体の年齢を計算することを特徴とする運動能力検出装置。