JP2009125506A - Walking figure improvement support system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、使用者の歩容を改善する歩容改善支援システムに関するものである。 The present invention relates to a gait improvement support system for improving a user's gait.
従来、使用者の腰部またはその周辺に加速度計を装着して、歩行動作の角速度ベクトルと共に加速度ベクトルを検出し、これらのデータに基づいて歩容を検出する歩行動作検出処理装置がある(例えば、特許文献1参照)。
しかし、従来の技術では、使用者の歩容を検出することはできるが、歩容を改善させる構成はなく、使用者は自分で改善方法を考える必要があり、歩容の改善が容易ではなかった。さらに、検出した歩容は使用者の足の筋力を考慮したものではなかった。 However, with the conventional technology, the user's gait can be detected, but there is no configuration for improving the gait, and the user needs to consider an improvement method by himself, and the improvement of the gait is not easy. It was. Furthermore, the detected gait did not consider the muscle strength of the user's foot.
また、筋肉の活動状態を知る技術としては、筋電を測定することが考えられるが、筋収縮時に発生する電位差を計測するために、運動補助装置の使用者にセンサとなる電極を直接取り付ける必要があり、手軽に使用することができないという問題がある。特に、筋電を正確に測定するには電極を貼り付ける位置などに専門知識が必要であった。したがって、このような筋電図を用いた筋力の計測方法は上記問題により、一般的な歩行改善システムに採用することはできなかった。 In addition, as a technique to know the activity state of muscles, it is conceivable to measure myoelectricity, but in order to measure the potential difference generated during muscle contraction, it is necessary to directly attach the sensor electrode to the user of the exercise assisting device There is a problem that it cannot be used easily. In particular, in order to accurately measure myoelectricity, specialized knowledge is required at the position where the electrode is attached. Therefore, such a method for measuring muscle strength using an electromyogram could not be employed in a general walking improvement system due to the above problem.
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用者の足の筋力を考慮して歩容を容易に改善させることができる歩容改善支援システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and an object thereof is to provide a gait improvement support system capable of easily improving gait in consideration of muscle strength of a user's foot. .
請求項1の発明は、歩行動作を行う使用者の足の所定部位の加速度および方向と足裏に加わる地面からの反力とを計測する計測手段と、当該計測した加速度および方向と力とに基づいて足の筋力バランスを推測する筋力推測手段と、推測した足の筋力バランスに基づいて使用者の歩容を改善するための情報を生成する改善情報生成手段と、改善情報生成手段が生成した情報を提示する改善情報提示手段とを備えることを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a measuring means for measuring the acceleration and direction of a predetermined part of a user's foot performing a walking motion and a reaction force from the ground applied to the sole, and the measured acceleration, direction and force. Based on the muscle strength estimating means for estimating the strength balance of the foot based on, the improvement information generating means for generating information for improving the gait of the user based on the estimated strength balance of the foot, and the improvement information generating means And an improved information presenting means for presenting information.
この発明によれば、使用者の足の筋力バランスに基づいて歩容を容易に改善させることができる。 According to the present invention, the gait can be easily improved based on the muscular strength balance of the user's foot.
なお、本発明における「歩行」とは、散歩やウォーキング等に加えて、ジョギングやランニング等の走行も含むものとする。 The “walk” in the present invention includes running such as jogging and running in addition to walking and walking.
請求項2の発明は、請求項1において、前記計測手段は、使用者の足の所定部位に装着された2軸以上の加速度センサおよび1軸以上のジャイロセンサによって、使用者の足の所定部位の加速度および方向を計測することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the measuring means includes a predetermined part of the user's foot by means of an acceleration sensor having two or more axes and a gyro sensor having one or more axes attached to the predetermined part of the user's foot It is characterized by measuring the acceleration and direction.
この発明によれば、使用者の足の所定部位の加速度を精度よく計測することができる。 According to this invention, the acceleration of a predetermined part of the user's foot can be accurately measured.
請求項3の発明は、請求項1において、前記計測手段は、使用者の足の所定部位に装着された2軸以上の加速度センサおよび3軸の地磁気センサによって、使用者の足の所定部位の加速度および方向を計測することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the measurement unit is configured to detect a predetermined part of the user's foot by using a biaxial or more acceleration sensor and a three-axis geomagnetic sensor attached to the predetermined part of the user's foot. It is characterized by measuring acceleration and direction.
この発明によれば、使用者の足の所定部位の加速度を精度よく計測することができる。 According to this invention, the acceleration of a predetermined part of the user's foot can be accurately measured.
請求項4の発明は、請求項1乃至3いずれかにおいて、前記計測手段は、使用者が履いた靴のソールに設けられた圧力センサまたは使用者の足首に装着された加速度センサによって、使用者の足裏に加わる地面からの反力を計測することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the measuring means is a user using a pressure sensor provided on a shoe sole worn by the user or an acceleration sensor mounted on the ankle of the user. It measures the reaction force from the ground applied to the sole of the foot.
この発明によれば、使用者の足裏に加わる地面からの反力を精度よく計測することができる。 According to this invention, the reaction force from the ground applied to the user's sole can be accurately measured.
以上説明したように、本発明では、使用者の足の筋力を考慮して歩容を容易に改善させることができるという効果がある。 As described above, the present invention has an effect that the gait can be easily improved in consideration of the muscle strength of the user's foot.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態)
本実施形態の歩容改善支援システムは、図2に示すように、使用者Hの左大腿部および右大腿部に各々装着された姿勢角度検出部10L,10R、無線送信部30L,30Rと、左足首および右足首に各々装着された姿勢角度検出部20L,20Rと、使用者Hが履いている左靴SL,右靴SRの各インナーソールS1L,S1Rに設けられた圧力センサ40L,40R、無線送信部50L,50Rと、腰に取り付けられたコントローラ60と、使用者Hの頭部に装着されたヘッドマウントディスプレイ70とで構成され、使用者Hの歩容を解析して改善するものである。
(Embodiment)
As shown in FIG. 2, the gait improvement support system of the present embodiment includes posture angle detection units 10 L and 10 R and a wireless transmission unit 30 mounted on the left and right thighs of the user H, respectively. L, 30 R and each mounting attitude angle detection unit 20 to the left ankle and right ankle L, 20 R and, Hidarikutsu S L user H is worn, the right shoe S each inner sole S1 L of R, It comprises pressure sensors 40 L and 40 R provided in S1 R , wireless transmitters 50 L and 50 R , a
図1は本システムのブロック構成を示し、姿勢角度検出部10Lは2軸の加速度センサ11Lと1軸のジャイロセンサ12Lとで構成され、姿勢角度検出部10Rは2軸の加速度センサ11Rと1軸のジャイロセンサ12Rとで構成され、姿勢角度検出部20Lは2軸の加速度センサ21Lと1軸のジャイロセンサ22Lとで構成され、姿勢角度検出部20Rは2軸の加速度センサ21Rと1軸のジャイロセンサ22Rとで構成される。そして、加速度センサ11L,11Rおよびジャイロセンサ12L,12Rは、歩行時の使用者Hの左右の大腿部の動きによる加速度データおよび角速度データを各々検出し、加速度センサ21L,21Rおよびジャイロセンサ22L,22Rは、歩行時の使用者Hの左右の足首の動きによる加速度データおよび角速度データを各々検出する。なお、上記加速度データおよび角速度データは、上下方向に立っている使用者Hが前方向に歩行している場合に、前後方向および上下方向の2軸の加速度データであり、左右方向を軸とした1軸の角速度データ(大腿、足首の前後・上下の各方向を示すデータ)である。
FIG. 1 shows a block configuration of this system. The posture angle detection unit 10 L includes a
無線送信部30Lは電池等の動作電源を備えており、配線を介して受け取った加速度センサ11L,21Lおよびジャイロセンサ12L,22Lからの加速度データおよび角速度データを、無線信号に変換してコントローラ60へ送信する。無線送信部30Rは電池等の動作電源を備えており、配線を介して受け取った加速度センサ11R,21Rおよびジャイロセンサ12R,22Rからの加速度データおよび角速度データを、無線信号に変換してコントローラ60へ送信する。
The wireless transmission unit 30 L includes an operation power source such as a battery, and converts acceleration data and angular velocity data from the
圧力センサ40L,40Rは、使用者Hの足裏のかかとに対向して配置され、かかとの接地圧力を測定しており、左右の足毎に足裏の接地圧力を測定している。この圧力センサ40L,40Rは、圧電式、または圧力による抵抗変化を利用する方式のものである。 The pressure sensors 40 L and 40 R are arranged to face the heel of the user H's sole, measure the ground pressure of the heel, and measure the ground pressure of the sole for each of the left and right feet. The pressure sensors 40 L and 40 R are of a piezoelectric type or a type using a resistance change due to pressure.
無線送信部50L,50Rは電池等の動作電源を備えており、無線送信部50Lは、圧力センサ40Lからの圧力データをコントローラ60へ無線信号で送信し、無線送信部50Rは、圧力センサ40Rからの圧力データをコントローラ60へ無線信号で送信する。
The wireless transmission units 50 L and 50 R are provided with an operating power source such as a battery. The wireless transmission unit 50 L transmits the pressure data from the pressure sensor 40 L to the
コントローラ60は、マイクロコンピュータや、動作電源としての電池等を具備しており、姿勢角度検出部10L,10Rから無線信号で送信された大腿部の加速度データおよび角速度データと、姿勢角度検出部20L,20Rから無線信号で送信された足首の加速度データおよび角速度データと、圧力センサ40L,40Rから無線信号で送信された足裏の圧力データとを受信する無線受信部601と、無線受信部601が受信した各データに基づいて足の筋力バランスを推測する筋力推測部602と、推測した足の筋力バランスに基づいて使用者Hの歩容を改善するための画像情報を生成する改善情報生成部603と、改善情報生成部603が生成した画像情報をヘッドマウントディスプレイ70へ配線を介して送信する改善情報送信部604と、各機能の動作開始および終了や各種設定を行う操作部605とで構成される。
The
ヘッドマウントディスプレイ70は、使用者Hの目を覆うゴーグル型に形成された表示部701を備え、歩容を改善するための画像情報を表示部701に表示して使用者Hに提示する。
The head mounted
次に、本歩容改善支援システムによる、使用者Hの歩容改善について説明する。 Next, the gait improvement of the user H by the gait improvement support system will be described.
まず、コントローラ60の筋力推測部602は、操作部605の操作によって、姿勢角度検出部10L,10Rから送信された大腿部の加速度データおよび角速度データの各波形、姿勢角度検出部20L,20Rから送信された足首の加速度データおよび角速度データの各波形を解析して、大腿部の姿勢変化、足首の姿勢変化を導出し、下肢の姿勢角度を経時的に同定する。さらに、圧力センサ40L,40Rから送信された足裏の圧力データの波形を解析して、地面からの反力Faを経時的に同定する。
First, the muscle
次に筋力推測部602は、使用者Hの下肢を図3のようなリンクでモデル化し、下肢の力学系モデルを設定し、下肢の各関節(足関節P1、膝関節P2、股関節P3)の回りのモーメントである関節モーメントMi(図5参照)を、以下のように推定する。なお、i=1,2,3であって、1は足関節P1、2は膝関節P2、3は股関節P3に各々対応する。
Next, the muscular
まず、各リンクにおける質量mi、質量中心比ri、慣性モーメントliは、それぞれ以下のように表される。なお、i=1,2,3であって、1は足の地面との接触点P0と足関節P1との間、2は足関節P1と膝関節P2との間、3は膝関節P2と股関節P3との間の各リンクに対応し、bwは使用者Hの体重であり、これらの関係は、「岡田ら;「日本人高齢者の身体部分慣性特性」,バイオメカニズム13」に記載されている。
m1=0.017bw
m2=0.047bw
m3=0.092bw
r1=58.1%
r2=42.3%
r3=48.1%
l1=32.6(kg・cm2)
l2=237.4(kg・cm2)
l3=495.1(kg・cm2)]。
First, the mass mi, the mass center ratio ri, and the moment of inertia li in each link are expressed as follows. Note that i = 1, 2, and 3, where 1 is between the contact point P0 with the ground of the foot and the ankle joint P1, 2 is between the ankle joint P1 and the knee joint P2, and 3 is the knee joint P2. Corresponding to each link with the hip joint P3, bw is the weight of the user H, and these relations are described in “Okada et al .; Body part inertia characteristic of Japanese elderly”, Biomechanism 13 ”. ing.
m1 = 0.017bw
m2 = 0.047bw
m3 = 0.092bw
r1 = 58.1%
r2 = 42.3%
r3 = 48.1%
l1 = 32.6 (kg · cm 2 )
l2 = 237.4 (kg · cm 2 )
l3 = 495.1 (kg · cm 2 )].
一方、リンクモデルにおいて図4(a)(b)(c)のように力の釣り合いを考えると、各関節(足関節P1、膝関節P2、股関節P3)における、全体座標系での力のx方向成分Fixとy方向成分Fiyと関節モーメントMiとには[数1]の関係が成立する。なお、i=1,2,3であって、1は足関節P1、2は膝関節P2、3は股関節P3に各々対応し、gは重力加速度を示す。 On the other hand, considering the balance of forces in the link model as shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, the force x in the global coordinate system at each joint (ankle joint P1, knee joint P2, hip joint P3). The relationship of [Equation 1] is established among the direction component Fix, the y-direction component Fiy, and the joint moment Mi. It should be noted that i = 1, 2, 3 where 1 corresponds to the ankle joint P1, 2 corresponds to the knee joint P2, 3 corresponds to the hip joint P3, and g denotes the gravitational acceleration.
そして、上述のようにして求めた関節モーメントMiに基づいて筋・骨格モデルを設定し、下肢の各筋が発生している力の大きさを計算する。ここで筋の種類は、図5に示すように、大殿筋K1、大腿二頭筋長頭K2、腓腹筋K3、ヒラメ筋K4、腸腰筋K5、大腿直筋K6、内側広筋K7、前脛骨筋K8、大腿二頭筋短頭K9の9つの筋群を対象とする。いま、筋Kjの生理断面積をSj、関節Piの回りの腕の長さ(モーメントアーム)をaijとして表1に示す値を用いる。 Then, a muscle / skeletal model is set based on the joint moment Mi obtained as described above, and the magnitude of the force generated by each muscle of the lower limb is calculated. As shown in FIG. 5, the types of muscles are: gluteal muscle K1, biceps long head K2, gastrocnemius muscle K3, soleus muscle K4, iliopsoas muscle K5, rectus femoris muscle K6, medial vastus muscle K7, anterior tibia Nine muscle groups of muscle K8 and biceps femoris short head K9 are targeted. Now, the values shown in Table 1 are used, where Sj is the physiological cross-sectional area of the muscle Kj, and aij is the arm length (moment arm) around the joint Pi.
ただし、モーメントアームは筋の収縮によって関節モーメントMiが図5に示す方向に働くものを正、反対の方向に働くものを負としている。筋の収縮力をMFjとすると、各関節Piについて[数2]に示すモーメントの釣り合いの式が成り立つ。 However, the moment arm is assumed to be positive when the joint moment Mi acts in the direction shown in FIG. Assuming that the muscle contraction force is MFj, the equation of moment balance shown in [Equation 2] holds for each joint Pi.
また、筋の収縮速度vjは、モーメントアームaijと関節の角速度wiとを用いて[数3]で表される。 The muscle contraction speed vj is expressed by [Equation 3] using the moment arm aij and the joint angular speed wi.
ところで、筋が発揮できる力は生理断面積Sjと収縮速度vjと長さbとによって変化することが知られており、本実施形態では、[数4]によって各時刻における最大筋力MFmaxjを定義している。ただし、MFa=Sj・αで表される等尺性最大収縮力であり、本実施形態ではα=600000N/mm2とする。 By the way, it is known that the force that the muscle can exert varies depending on the physiological sectional area Sj, the contraction speed vj, and the length b. In this embodiment, the maximum muscle strength MFmaxj at each time is defined by [Equation 4]. ing. However, it is an isometric maximum contraction force represented by MFa = Sj · α, and α = 600000 N / mm 2 in this embodiment.
以上説明したデータを用いることにより、関節モーメントを発揮させるための各筋の力を計算することができる。ここでは、未知数が筋の数すなわち9個であるのに対して、満たすべき釣合い式は関節の数すなわち3個であるため、解を得ることができない。そこで、最適化の手法を用いて各筋の発揮筋力/最大筋力の総和が最小となるような解を求める。すなわち、
設計変数Xj=MFj/MFmaxj
目的関数f=ΣXj2を最小値にする制約条件:
等式制約:Mi=Σaij・MFj・Xj
不等式制約:0≦Xj≦1
上述した制約条件の下で解MFjを求めることによって、各時刻において発揮されている筋力を推定することができ、筋の活動量および活動のタイミングを知ることができる。
By using the data described above, it is possible to calculate the force of each muscle for exerting the joint moment. Here, the unknown number is the number of muscles, that is, nine, whereas the balance formula to be satisfied is the number of joints, that is, three, so a solution cannot be obtained. Therefore, an optimization method is used to find a solution that minimizes the sum of the exerted muscle strength / maximum muscle strength of each muscle. That is,
Design variable Xj = MFj / MFmaxj
Constraints for minimizing the objective function f = ΣXj2:
Equality constraint: Mi = Σaij · MFj · Xj
Inequality constraint: 0 ≦ Xj ≦ 1
By obtaining the solution MFj under the constraint conditions described above, the muscle strength exerted at each time can be estimated, and the amount of muscle activity and the timing of the activity can be known.
このように、下肢の9種類の筋肉の発生筋力MF1〜MF9を左右の足毎に同定し、足の筋力バランスを推測する。 Thus, to identify the occurrence of nine leg muscles strength MF 1 ~MF 9 for each of the left and right feet, guess strength balance of the foot.
改善情報生成部603は、様々な筋力バランス(誤った筋力バランス)に対して改善点を教示する画像情報を、使用者Hの身長、体重、性別、年齢等の属性毎に分類して予め格納しており、この画像情報は、使用者Hの属性に適した教示内容(左右の重心のずれを改善するための筋肉の使い方や、足の関節等に負担を掛けない筋肉の使い方や、筋肉を痛めないための筋肉の使い方等)を画像で説明するものである。そして、筋力推測部602が推測した足の筋力バランスと使用者Hの属性とに基づいて、歩容を改善するための筋肉の正しい使い方を教示する画像情報を選択し、当該画像情報を改善情報送信部604へ送信する。
The improvement
改善情報送信部604は、改善情報生成部603が生成した画像情報をヘッドマウントディスプレイ70へ送信し、ヘッドマウントディスプレイ70の表示部701に画像を表示させる。使用者Hは、自己の属性に適した筋肉の正しい使い方を教示する画像を参照して歩行動作を行えばよく、使用者の足の筋力を考慮して歩容(例えば、左右の足の荷重移動の癖や、右一歩時間と左一歩時間との時間差、右歩幅と左歩幅との差、歩隔など)が容易に改善される。
The improvement
さらに改善情報送信部604は、操作部605の操作によって、姿勢角度検出部10L,10Rから送信された大腿部の加速度データおよび角速度データや、姿勢角度検出部20L,20Rから送信された足首の加速度データおよび角速度データや、圧力センサ40L,40Rから送信された足裏の圧力データをグラフ等に変換した画像情報をヘッドマウントディスプレイ70へ送信し、使用者Hは、各データを見ることで歩容の改善度合を知ることができる。
Further, the improvement
また、圧力センサ,無線送信部を設けたインナーソールS1を靴に装着する構成であり、複数の靴、複数の使用者に対して本システムを構成できるので、システムとしての汎用性が高くなる。 Further, the inner sole S1 provided with the pressure sensor and the wireless transmission unit is mounted on the shoe, and the present system can be configured for a plurality of shoes and a plurality of users, so that the versatility of the system is enhanced.
また、姿勢角度検出部10L,10R,20L,20Rにおいて、加速度センサは2軸以上、ジャイロセンサは1軸以上であれば、筋力推測部602において下肢の姿勢角度を導出可能であり、さらにジャイロセンサの代わりに3軸の地磁気センサを用いてもよい。
Further, in the posture angle detection units 10 L , 10 R , 20 L , and 20 R , if the acceleration sensor has two or more axes and the gyro sensor has one or more axes, the muscle
また、圧力センサ40L,40Rが測定した足裏の接地圧力の代わりに、足首に設けた加速度センサ21L,21Rが測定した足首の動きによる加速度を用いて足裏に加わった地面からの反力Faを求めることも可能である。この場合、圧力センサ40L,40R、無線送信部50L,50Rが不要となり、システムの構成を簡略化できる。 Further, instead of the ground contact pressure measured by the pressure sensors 40 L and 40 R, from the ground applied to the sole using the acceleration due to the movement of the ankle measured by the acceleration sensors 21 L and 21 R provided on the ankle. It is also possible to obtain the reaction force Fa. In this case, the pressure sensors 40 L and 40 R and the wireless transmitters 50 L and 50 R are not necessary, and the system configuration can be simplified.
なお、上述の実施形態における「歩行」とは、散歩やウォーキング等に加えて、ジョギングやランニング等の走行も含むものとする。 It should be noted that “walking” in the above-described embodiment includes traveling such as jogging and running in addition to walking and walking.
10L,10R 姿勢角度検出部
20L,20R 姿勢角度検出部
30L,30R 無線送信部
40L,40R 圧力センサ
50L,50R 無線送信部
60 コントローラ
601 無線受信部
602 筋力推測部
603 改善情報生成部
604 改善情報送信部
605 操作部
70 ヘッドマウントディスプレイ
10 L , 10 R attitude angle detection unit 20 L , 20 R attitude angle detection unit 30 L , 30 R wireless transmission unit 40 L , 40 R pressure sensor 50 L , 50 R
Claims (4)
当該計測した加速度および方向と力とに基づいて足の筋力バランスを推測する筋力推測手段と、
推測した足の筋力バランスに基づいて使用者の歩容を改善するための情報を生成する改善情報生成手段と、
改善情報生成手段が生成した情報を提示する改善情報提示手段と
を備えることを特徴とする歩容改善支援システム。 Measuring means for measuring the acceleration and direction of a predetermined part of a user's foot performing walking motion and the reaction force from the ground applied to the sole;
Muscle strength estimation means for estimating the strength balance of the foot based on the measured acceleration and direction and force;
Improvement information generating means for generating information for improving the gait of the user based on the estimated muscle strength balance of the foot;
A gait improvement support system comprising: improvement information presentation means for presenting information generated by the improvement information generation means.
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