JP2012065723A

JP2012065723A - 歩行状態表示システム等

Info

Publication number: JP2012065723A
Application number: JP2010211194A
Authority: JP
Inventors: Masaru Hoshino; 優星野
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: JP5644312B2

Abstract

【課題】対象者の歩行状態を的確に把握可能な歩行状態表示システム等を提供する。
【解決手段】本発明は、歩行にともなう重心変動と脚部の関節角度の変動を計測し、前記計測された重心変動、関節角度の変動、及び歩行によって変化しないユーザの人体情報に基づいて前記ユーザの歩行動作を示す指標を演算し、前記指標を表示する。
【選択図】図２

Description

本発明は、現状の利用者の歩行状態を表示する歩行状態表示システム等の技術分野に関する。

近年、筋力の衰えた老人や傷病者の、歩行動作、階段の昇降動作、着座姿勢からの起立動作、起立姿勢からの着座動作などを補助することで、筋力低下の抑制を図る歩行補助装置が存在する（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の歩行補助装置は、利用者の膝部にリンク機構部を設け、モータ等を備えた駆動部によって当該リンク機構部を動作させて前記膝部の動作を補助し歩行を補助するものである。この種の歩行補助装置は、予め制御プログラムにより駆動部の動作が制御される。

このような歩行補助装置を用いる場合、当該装置による適切な歩行補助のためには、その者の歩行状態を的確に知る必要がある。

歩行状態を知るために歩行にともなう脚の踏み出しによる脚体の角度に基づいて歩行状態を判定する手法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

また、歩行状態を知るために、歩行エリア内に、複数の高速のビデオカメラを配置し、対象者の体に複数のマーカを付与し、その状態での歩行状態をビデオカメラにより撮影して、画像解析する手法が知られている。

特開２００７−３２５７３２号公報特開２０００−３２５３２９号公報

上記一例に示す特許文献２による歩行状態の判定は、歩行者毎に脚体の長さが異なるため、歩行時の大腿部の上げ具合は相違し、歩行状態が的確に判定されないおそれがある。

また、従来から知られている画像解析では、測定結果の誤差が大きく、対象者の歩行状態を的確に把握できていない場合がある。

また、画像解析の場合は、ビデオカメラの測定エリアを外れると測定できず、数歩程度の解析となり、十分な測定結果を得られず信頼性の点で問題がある。

また、脚体の角度は、ポテンショメータと称される角度センサを所定の関節部に取り付けて測定されることが考えられるものの、この角度センサは、関節中心位置に設置する必要があり、この設置が非常に困難であるとともに、誤差を生じるため、正確な角度を測定することが非常に困難である。

そこで、このような課題の一例を解消するために、本発明は、対象者の歩行状態を的確に把握可能な歩行状態表示システム等を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、請求項１に記載の歩行状態表示システム（Ｓ）は、ユーザの人体情報を記憶する記憶手段（１２）と、当該ユーザの歩行にともなう重心変動を計測する第１のジャイロセンサ（７）及び測域センサ（６）と、前記ユーザの歩行にともなう脚部の関節角度の変動を測定する第２のジャイロセンサ（５）と、前記計測された重心変動、関節角度の変動、及び人体情報に基づいて前記ユーザの歩行動作を示す指標を演算する演算手段（１３）と、演算された前記指標を表示する表示手段（４ａ）と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の歩行状態表示システムは、請求項１に記載の歩行状態表示システムにおいて、前記第１及び第２のジャイロセンサ及び測域センサにより測定されるデータは一定時間間隔で時系列データとして取得され、前記演算された指標を時系列的に表して表示する制御手段（１５）を更に備えていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の歩行状態表示システムは、請求項２に記載の歩行状態表示システムにおいて、前記制御手段は、予め定められた歩行動作パターンと前記演算された指標により表示される歩行動作パターンとを比較して表示することを特徴とする。

また、請求項４に記載の歩行状態表示システムは、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の歩行状態表示システムにおいて、前記第２のジャイロセンサは、ユーザの前記脚部の股関節、膝関節、足首関節のそれぞれの関節部を挟む人体の一部に取り付けられることを特徴とする。

また、請求項５に記載の歩行状態表示システムは、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の歩行状態表示システムにおいて、前記測域センサは、ユーザの腰部に配置され、当該ユーザの歩行にともなう足部の移動によって前記測域センサから放出されるレーザ光が遮られないように床面に向けて傾けて配置されることを特徴とする。

また請求項６に記載の歩行状態表示方法は、歩行にともなう重心変動を第１のジャイロセンサ及び測域センサで計測し、且つ歩行にともなう脚部の関節角度の変動を第２のジャイロセンサで計測し、前記計測された重心変動、関節角度の変動、及び歩行によって変化しないユーザの人体情報に基づいて前記ユーザの歩行動作を示す指標を演算し、前記指標を表示することを特徴とする。

本発明によれば、歩行者の現状の歩行状態を的確且つリアルタイムに把握することができる。

歩行状態表示システムの簡易構成図である。歩行動作計測装置を取り付けた歩行者モデルを示し、図２（ａ）は側面図、図２（ｂ）は正面図である。測域センサを用いた測定例を説明するための図である。歩行状態表示システムの構成図である。重心が中心にある場合の演算処理例を説明するための図である。重心が変動した場合の演算処理例を説明するための図である。

本発明の歩行状態表示システムの実施形態について図面を用いて説明する。

本実施形態の歩行状態表示システムＳは、歩行者に取り付けられる歩行動作計測装置２によって歩行動作情報を計測し、その歩行動作情報を電波等の通信回線を介して接続された端末装置４に送信して、当該端末装置４が当該歩行動作情報に基づいて歩行状態を示すための指標等を求めて表示部４ａに表示する。なお、この歩行動作情報とは、歩行者の歩行動作を示す種々のパラメータであって、後述する測域センサ６、及び３軸振動ジャイロ（以下、単に「ジャイロセンサ５、７」と称する。）によって測定される情報である。また、指標とは、歩行状態を示す歩幅、歩行周期、重心の変動状態、足部高さ、膝高さなどの情報である。

図２に示すように、歩行者１には測域センサ６、及びジャイロセンサ５、７（歩行動作計測装置の一例）が取り付けられる。なお、ジャイロセンサ５、７は、互いに直交する３軸（ピッチ角、ロール角、方位角）廻りの回転角速度を検出するものである。一方、測域センサ６は、レーザ光を照射して所定の平面を走査し、そのレーザ光が測定対象物に反射して戻ってくるまでの時間から距離を測定するものである。これら測域センサ６、及びジャイロセンサ５、７は、従来から公知の技術であるため詳しい説明は省略する。

ジャイロセンサ５、７は、脚部の関節角度を測定するために配置され、具体的には、前記脚部の股関節、膝関節、足首関節のそれぞれの関節部を挟む人体の一部に取り付けられる。これにより、一対のジャイロセンサ５、７によりそれぞれ測定されたピッチ角の変位から所定の関節部回りの角度が演算される。

ジャイロセンサ５、７の取り付け例を示す具体例を以下に説明すると、例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、歩行者１には、その腰部１ａ、大腿部１ｂ、及び下腿部１ｃにわたってその両側側方部に複数の支持体８を枢軸８ａ、８ｂを介して連結したリンク機構９が装着され、ジャイロセンサ５は、大腿部１ｂ及び下腿部１ｃに取り付けられている支持体８に取り付けられる。さらに、足部１ｄの甲にも、ジャイロセンサ５が取り付けられる。この時、各ジャイロセンサは、両者の相対角度が同一となるように設置される。

後述する腰部１ａに取り付けられたジャイロセンサ７と大腿部１ｂに取り付けられたジャイロセンサ５は、それらのピッチ角の変位を測定し、その測定結果から歩行者１の股関節回りの股関節角度が演算され、大腿部１ｂに取り付けられたジャイロセンサ５と下腿部１ｃに取り付けられたジャイロセンサ５は、それらのピッチ角の変位を測定し、その測定結果から歩行者１の膝部１ｅにおける膝関節回りの角度（膝関節角度）が演算される。さらには、下腿部１ｃに取り付けられたジャイロセンサ５と足部１ｄの甲に取り付けられたジャイロセンサ５は、それらのピッチ角の変位を測定し、その測定結果から歩行者１の足首関節回りの角度（足首角度）が演算される。

なお、これら股関節角度、膝関節角度、及び足首角度を測定する際のセンサとして、ポテンショメータと称される角度センサを、リンク機構９の連結部等に取り付けて測定することが考えられるものの、この角度センサは、関節中心位置に設置する必要があり、この設置が非常に困難であるとともに、誤差を生じるため、正確な角度を測定することが非常に困難である。そのため、本実施形態では、その取り付けが容易であり、取り付けによって測定誤差が生じないジャイロセンサ５を用いることで、容易、且つ正確に当該股関節角度や膝関節角度を測定することが可能である。

図２（ａ）に示すように、股関節角度は、股関節を含む鉛直平面Ｈに対して大腿部１ｂがなす角度θ_RAであり、歩行者１が立位状態を基準として、大腿部１ｂが進行方向に動作するときを正、進行方向とは逆方向に動作するときを負とする角度として定義される。

また、膝関節角度は、大腿部１ｂを含む平面Ｈ１に対して左右の下腿部１ｃがなす角度θ_RBであり、下腿部１ｃが進行方向に動作するときを正、進行方向とは逆方向に動作するときを負とする角度として定義される。

また、足首角度は、下腿部１ｃを含む平面Ｈ２に対して足部１ｄがなす角度θ_RCであり、足先が反時計回りに動作するときを正、時計回りに動作するときを負とする角度として定義される。なお、この足首角度と、人体情報としての足部１ｄの長さＲＣから歩行者１の歩行中の足部１ｄの運び方が演算可能となる。

図２（ｂ）に示すように、ジャイロセンサ７が、歩行者の腰部１ａの前方中央部であって、その中心軸が水平面と平行に設けられ、そのピッチ角やロール角の変位によって、ユーザの重心変動等を測定する。

さらに、図２（ｂ）に示すように、測域センサ６ａが、歩行者１の腰部１ａの前方中央部であって、走査面が水平面に対して下向きに設けられている。図３に示すように、この測域センサ６ａは、床−股関節間の距離Ｌを測定する。

一方で、図２（ｂ）に示すように、他の測域センサ６ｂが、歩行者１の胴部の前方上部であって、走査面が水平面に対して平行に設けられている。図３に示すように、この他方の測域センサ６ｂは、予め定められた測定領域Ｒにおいて、測定スタート地点Ｒ１から測定終了地点Ｒ２までの距離、又は歩行時における移動距離を測定する。なお、測定終了地点Ｒ２には、衝立Ｋを設けておき、他方の測域センサ６ｂは、歩行者−衝立Ｋ間の距離を測定する。

なお、図示しないが、測域センサ６ａは、上述のジャイロセンサ７とともに、腰部１ａに取り付けられた固定板（幅広のベルト等）固定して取り付けられる。この測域センサ６ａ及びジャイロセンサ７は、特に姿勢を検知するため略中央部に設けられることが好ましい。また、測域センサ６ａは、床との距離を測るため、真下方向にレーザ光が放出されるように配置するのが望ましいが、足部が邪魔となるため、歩行を考慮しレーザ光を遮らないように斜め前方に傾けて設けられる。この測域センサ６ａは、より好ましくは、腰部１ａの背中側に配置される。このようにすれば、歩行上、後方への足部の動きは少なくなるため、腰部１ａの正面側よりも傾斜角を少なくして取り付けることが可能となり、測域センサ６ａの測定精度の向上がはかれる。

端末装置４は、図４に示すように、歩行動作計測装置２から送信される歩行動作情報を受信する受信部１１と、歩行者１の人体情報が記憶された記憶部１２と、当該歩行動作情報及び人体情報に基づいて歩行者１の歩行状態を認識するための指標を演算する演算部１３と、当該指標に基づいて歩行者１の歩行状態を表示制御するとともに、各部１１〜１３を統括的に制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）等からなる制御部１５と、を備えている。また、図１に示すように、端末装置５は、当該演算または分析された結果を表示する表示部４ａや所定のキーを備える入力部４ｂを備えている。端末装置４は、例えば、一般的に汎用コンピュータと称される装置であって利用者によって操作される。

記憶部１２は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等を備え、歩行者の股関節−膝関節間距離、膝関節−足首間距離、測定領域におけるスタート位置−衝立Ｋ間距離、股関節の中心座標、膝関節の中心座標、足首の中心座標等が記憶される。この記憶部１２に記憶される情報は、歩行によって変化しない情報であって、歩行動作計測装置２によって得られる情報以外の指標を演算するために必要な情報である。

また、演算部１３は、上述した指標を求める。

具体的には、演算部１３は、歩行者１の胴部上部に配置される測域センサ６ｂにより測定される衝立Ｋとの距離に基づき、歩幅を求める。

また、演算部１３は、ジャイロセンサ７により測定されるロール角やピッチ角に基づき、重心の変動状態や歩行周期を求める。

また、演算部１３は、測域センサ６、及びジャイロセンサ５、７により測定（演算）される地面との距離、及び股関節や膝関節の角度に基づき、足部高さＲＨ、膝高さＲＬ₂＋ＲＨを求める。

ここで、歩行中における、足部高さＲＨや膝高さＲＬ₂＋ＲＨは、股関節角度θ_RA、膝関節角度θ_RB、及び大腿部の長さＲＡ、下腿部の長さＲＢが測定できれば、初歩的な関数の公式等を用いて演算することができることが図５から明らかであるものの、重心の変動により、股関節−床部間Ｒ_L0の距離は異なる。

そこで、本実施形態では、このような指標をできる限り正確に求めるべく、測域センサ６ａとジャイロセンサ７を用いている。

具体的には、この股関節−床部間の距離を求める場合には、図６に示すように、体の左右の傾斜θ_ロールをジャイロセンサ７により取得し、予め記憶された左右の股関節の中心座標から左右の股関節の中心の距離Ｌ_R0、Ｌ_L0をそれぞれ算出し、測域センサ６ａにより床部までの最短距離Ｌを測定し、左右の股関節−床部の距離Ｌ_R、Ｌ_Lを求める。すなわち、重心が中心にあるときの股関節−床部の距離から重心によって移動した股関節分の距離を補正して求める。

図６の歩行者モデルの場合、左股関節−床部の距離をＬ_L、右股関節−床部の距離をＬ_R、測域センサと左股関節中心の距離をＬ_L0、測域センサと右股関節中心の距離をＬ_R0、ジャイロセンサにより測定される床とのロール角がθロールであれば、
Ｌ_L＝Ｌ−Ｌ_L0ｓｉｎθ_ロール
Ｌ_R＝Ｌ＋Ｌ_R0ｓｉｎθ_ロール
となる。

なお、図６に示す歩行者モデルの足部高さＲＨ、膝高さＲＬ₂＋ＲＨは、この結果をもとに、一般の関数の公式を用いることで求められる。

制御部１５は、演算部により演算された指標を表示部４ａに表示するための制御を行う。また、制御部１５は、演算部１３により演算された指標を歩行動作パターンとして表示し、当該現状の歩行者の歩行動作パターンと、予め規定された最適な歩行動作パターンと、を比較して表示部４ａに表示するようにしても良い。なお、当該演算部１３により演算された指標を一定時間間隔で時系列的に示したグラフに表して表示し、さらには、最適な指標とを比較したグラフを表示するようにしてもよい。

以上に説明した歩行状態表示システムＳによれば、対象者に所定の歩行動作計測装置２を取り付けて所定の測定領域Ｒを歩行させることで、対象者の現状の歩行状態を的確且つリアルタイムに把握することができる。また、最適な歩行動作パターンとを比較又は表示することで、歩行に関して修正すべき箇所を的確に把握することができる。さらに、歩行者に過度に負担をかけることなく、正確に長時間の歩行データを取得することができる。

なお、本実施形態は一形態であって、この形態に限定されるものではない。例えば、左右の傾斜（ロール角）について例示的に説明したが、前後の傾斜（ピッチ角）、及び進行方向に対する人体の傾斜（方位角）についても勘案して演算することが好ましい。この演算は一般的な関数の公式等を考慮すれば演算可能であるためここではその説明を省略する。また、本実施形態では、ジャイロセンサを用いて股関節の角度や膝関節の角度を測定しているが、誤差なく関節中心位置に設置することが可能であるならば、従来からあるポテンショメータ等を用いても構わない。

Ｓ歩行状態表示システム
２歩行動作計測装置
４ａ表示部
１２記憶部
１３演算部
１５制御部

Claims

ユーザの人体情報を記憶する記憶手段と、
当該ユーザの歩行にともなう重心変動を測定する第１のジャイロセンサ及び測域センサと、
前記ユーザの歩行にともなう脚部の関節角度の変動を計測する第２のジャイロセンサと、
前記計測された重心変動、関節角度の変動、及び人体情報に基づいて前記ユーザの歩行動作を示す指標を演算する演算手段と、
前記指標を表示する表示手段と、
を備えることを特徴とする歩行状態表示システム。
前記第１及び第２のジャイロセンサ及び測域センサにより測定されるデータは一定時間間隔で時系列データとして取得され、前記演算された指標を時系列的に表して表示する制御手段を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の歩行状態表示システム。
前記制御手段は、予め定められた歩行動作パターンと前記演算された指標により表示される歩行動作パターンとを比較して表示することを特徴とする請求項２に記載の歩行状態表示システム。
前記第２のジャイロセンサは、ユーザの前記脚部の股関節、膝関節、足首関節のそれぞれの関節部を挟む人体の一部に取り付けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の歩行状態表示システム。
前記測域センサは、ユーザの腰部に配置され、当該ユーザの歩行にともなう足部の移動によって前記測域センサから放出されるレーザ光が遮られないように床面に向けて傾けて配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の歩行状態表示システム。
歩行にともなう重心変動を第１のジャイロセンサ及び測域センサで計測し、且つ歩行にともなう脚部の関節角度の変動を第２のジャイロセンサで計測し、
前記計測された重心変動、関節角度の変動、及び歩行によって変化しないユーザの人体情報に基づいて前記ユーザの歩行動作を示す指標を演算し、
前記指標を表示することを特徴とする歩行状態表示方法。