JP2012157580A - 運動支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】使用者に正しい運動を習得させることができる運動支援システムを提供する。
【解決手段】運動支援システム１は、測定装置４の測定結果に基づき使用者２の運動に伴う左右の荷重の分布の変化を検出する運動検出部５１と、距離画像センサ６で得られた距離画像から使用者２の左右の肩部の位置を検出する位置検出部５５とを制御装置５に有している。ずれ量検出部５６は、検出された肩部の位置に基づいて、左右の両肩部を結ぶ直線の水平面からの傾きを、ずれ量として検出する。評価部５７は、運動検出部５１で検出された荷重の分布の変化と、ずれ量検出部５６で検出されたずれ量とを用いて、運動が正しく行われているか否かを評価する。評価部５７の評価結果は、提示部としての表示装置３に表示される。
【選択図】図１

Description

本発明は、使用者の運動を支援する運動支援システムに関する。

人の重要な運動機能の１つに重心移動の機能があるが、たとえば病気や怪我により身体の動きに障害のある患者や高齢者等においては、この重心移動の機能が衰えている場合がある。重心移動の機能が不十分な人は、たとえば左右の脚に交互に荷重が掛かるようにスムーズに荷重を移動させることができないがために、歩行などの基本的な運動にも支障がでる場合がある。そのため、荷重の移動をスムーズに行わせるための運動は、たとえば介護予防やリハビリテーション等の分野に広く取り入れられている。

この種の運動に用いられる装置として、使用者の左右の足から床に加えられた力を検知する測定装置（床反力検知装置）を備え、測定装置の出力から左右の足の荷重の大きさ表す画像を表示装置に表示する装置が提案されている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１記載の装置を用いれば、使用者は、表示装置にて自らの重心移動の範囲や現在の体幹移動状態等を確認し、その結果を自ら姿勢にフィードバックすることにより、より高い運動の効果を得ることができる。

特開２００５−４６５３６号公報

しかし、特許文献１記載の装置では、運動時に使用者から掛かる荷重の大きさは管理されているものの、使用者の姿勢については特に管理されていないため、使用者に正しい運動を習得させることはできないことがある。すなわち、使用者によっては、左右の足に掛かる荷重の調節に気をとられ、たとえば左右の肩を結ぶ直線が水平面から大きく傾いたような誤った姿勢で運動を行うことがあり、運動の効果が十分に得られない可能性がある。

本発明は上記事由に鑑みて為されており、使用者に正しい運動を習得させることができる運動支援システムを提供することを目的とする。

本発明の運動支援システムは、使用者が身体の特定部位の動きを所定の制限条件によって制限しつつ身体の他の部位を移動させるように行う運動を支援する運動支援システムであって、水平面内での前記使用者の荷重の分布を測定する測定装置と、前記測定装置の測定結果に基づいて前記使用者の前記運動に伴う前記荷重の分布の変化を検出する運動検出部と、前記使用者を撮像した画像から前記使用者の身体の前記特定部位の位置を検出する位置検出部と、前記位置検出部で検出された前記特定部位の位置に基づいて、前記制限条件によって制限された動きに対する当該特定部位の動きのずれ量を検出するずれ量検出部と、前記運動検出部で検出された前記変化と前記ずれ量検出部で検出された前記ずれ量とを用いて前記運動が正しく行われているか否かを評価する評価部と、前記評価部の評価結果を提示する提示部とを備えることを特徴とする。

この運動支援システムにおいて、表示面に映像を表示する表示装置と、前記表示面に対して前記使用者側に配置され、前記表示面に表示される映像を透過させるとともに前記使用者の鏡像を映すハーフミラーとをさらに備えることが望ましい。

この運動支援システムにおいて、表示面に映像を表示する表示装置と、前記使用者の映像を撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮像された前記使用者の映像を前記表示装置に表示させる表示制御部とをさらに備えることがより望ましい。

この運動支援システムにおいて、前記位置検出部で検出された前記特定部位の位置を表す指標を前記表示装置に表示させる指標表示部をさらに備えることがより望ましい。

この運動支援システムにおいて、前記使用者に行わせる前記運動の模範となる前記荷重の分布の変化を示す模範映像を前記表示装置に表示させる模範表示部をさらに備えることがより望ましい。

この運動支援システムにおいて、前記測定装置は、前記使用者の臀部を載せる座面に掛かる荷重の分布を測定することがより望ましい。

この運動支援システムにおいて、前記特定部位は前記使用者の左肩部および右肩部であって、前記ずれ量検出部は、前記使用者の前記左肩部と前記右肩部とを結ぶ直線の水平面に対する傾きの大きさをずれ量として検出することがより望ましい。

この運動支援システムにおいて、前記測定装置は、前記使用者の左右の荷重の分布を測定することがより望ましい。

この運動支援システムにおいて、前記ずれ量検出部で検出される前記ずれ量が所定の許容範囲を超えると前記ずれ量が前記許容範囲を超えていることを報知する報知部をさらに備えることがより望ましい。

本発明は、評価部は、使用者の荷重の分布の変化のみではなく、ずれ量検出部で検出される特定部位の動きのずれ量をも用いて運動が正しく行われた否かを評価するので、使用者に正しい運動を習得させることができるという利点がある。

実施形態１の運動支援システムのシステム構成を示す概略図である。 同上の表示装置の表示例を示す説明図である。

以下の実施形態では、病気や怪我により運動機能が衰えた患者を対象として、運動機能を回復するために行うリハビリテーションに用いられる運動支援システムについて説明する。ただし、以下の実施形態の記載は運動支援システムの用途を限定する趣旨ではなく、たとえば介護予防や、健常者が日頃の運動や、各種の筋群を鍛えるためのトレーニングなどに運動支援システムを用いてもよい。

（実施形態１）
本実施形態の運動支援システム１は、図１に示すように、使用者（患者）２の正面に配置され表示面３０に映像を映す表示装置３と、使用者２から掛かる荷重の分布を測定する測定装置４と、表示装置３等の動作を制御する制御装置５とを備えている。さらに、運動支援システム１は、距離画像を生成する距離画像センサ６を備えている。表示装置３と測定装置４と距離画像センサ６とは、いずれも制御装置５に対して接続されている。

また、この運動支援システム１は、表示装置３の使用者２と向き合う表示面３０の手前（使用者２側）に配置されたハーフミラー７をさらに備えている。ハーフミラー７は、その前面（鏡面）が使用者２と向き合うように、表示装置３と使用者２との間に垂直に立てて配置されており、背後の表示装置３に表示された映像を使用者２側に透過させる。

表示装置３は、ここではプラズマディスプレイからなり、ハーフミラー７の背面側に取り付けられている。図１では、ハーフミラー７を支持する構造や、表示装置３の取付構造の図示を省略しているが、適宜選択される構造で、ハーフミラー７および表示装置３は十分な強度をもって定位置に固定される。なお、表示装置３はプラズマディスプレイに限らず、液晶ディスプレイ等、他のディスプレイ装置であってもよい。また、ディスプレイ装置の代わりに、ハーフミラー７の背面に貼り付けられる拡散シート（図示せず）と、ハーフミラー７の後方（使用者２とは反対側）から拡散シートに映像を投影する投影装置（図示せず）とで構成される表示装置を用いることも考えられる。

本実施形態においては、ハーフミラー７は、前面が縦長の長方形状であって、使用者２の全身を映す姿見として機能する大きさに形成されている。ハーフミラー７の透過率は、ハーフミラー７を鏡として利用でき、且つ使用者２がハーフミラー７を通して表示装置３に表示される映像を視認できるように設計される。ハーフミラー７は、ガラスや合成樹脂の透明な基材の少なくとも一表面に、金属膜などによる鏡面コーティングが施されることにより形成されている。

ここでは、表示装置３は、ハーフミラー７の背面に表示面３０が接するように配置されている。表示装置３の高さ位置は、下端縁がハーフミラー７の下端から所定の間隔を空けて位置し、且つ上端縁がハーフミラー７の上端から所定の間隔を空けて位置するように決められている。ここで、表示装置３はハーフミラー７の中心よりもやや上方寄りに配置されている。また、表示装置３に表示される映像をハーフミラー７の前面に高輝度で表示できるよう、ハーフミラー７と表示面３０との間には、屈折率を調節して反射を防止する透明材料が充填されていてもよい。

上記構成によれば、ハーフミラー７の前面は、鏡として使用者２の鏡像を映し出すとともに、表示装置３の表示面３０に表示された映像を映し出すように機能する。つまり、ハーフミラー７の正面に使用者２が居れば、使用者２の鏡像がハーフミラー７の前面に映るとともに、表示装置３に表示される映像がハーフミラー７を透過してハーフミラー７の前面に映し出されることになる。詳しくは後述するが、表示装置３に表示される映像は制御装置５によって生成される。

測定装置４は、ハーフミラー７の手前に設置されている椅子４０に設けられている。この測定装置４は、椅子４０の座面４１に載置され、椅子４０に座った状態の使用者２の臀部から座面４１に掛かる荷重を測定するシート状の荷重センサ４２を具備している。荷重センサ４２は、右臀部と左臀部とのそれぞれに対応して少なくとも一対設けられている。

本実施形態では、測定装置４は、左右の各荷重センサ４２でそれぞれ荷重を測定することにより、椅子４０に座っている使用者２から座面４１に掛かる荷重について、水平面（座面４１に沿う面）内での分布を測定する。つまり、測定装置４は、座面４１の左右方向の中心線を境に左側の領域に掛かる荷重と右側の領域に掛かる荷重とをそれぞれ測定し、左臀部と右臀部との各々に掛かる荷重の分布をリアルタイムで測定する。

このように、測定装置４は水平面内での使用者２の荷重の分布をリアルタイムで測定し、測定結果を制御装置５に対して出力する。制御装置５に出力される測定装置４の測定結果は水平面内での使用者２の荷重の分布を表す値であればよく、本実施形態では、測定装置４は使用者２の左臀部と右臀部とのそれぞれに掛かる荷重を制御装置５に出力する。なお、測定装置４から制御装置５への測定結果の出力は、ＵＳＢ（登録商標）ケーブル等を用いた有線通信で行ってもよいし、無線（ワイヤレス）通信で行ってもよい。無線通信の場合、測定装置４と制御装置５との間にケーブルを引き回す必要がない分、測定装置４と制御装置５との位置関係の制限が緩和されるという利点がある。

ここで、測定装置４は、荷重センサ４２により使用者２の左臀部と右臀部との一方のみに掛かる荷重を測定する構成であってもよい。つまり、測定装置４は、使用者２の体重が既知として予め与えられていれば、たとえば左臀部に掛かる荷重を測定することにより、この荷重が体重に占める割合から、使用者２の左右の臀部に掛かる荷重の分布を求めることができる。

距離画像センサ６は、強度変調光を用いタイムオブフライト法の原理で、画素値が距離値となる距離画像を生成する。ただし、距離画像センサ６は、距離画像を生成する構成であればよく、タイムオブフライト法を用いる距離画像センサに限らない。この距離画像センサ６は、センシング領域内に存在する検出対象（使用者２）までの距離を検出し、三次元空間内での検出対象の位置を距離画像として検出する。

ここでは、距離画像センサ６は、表示装置３と重ならないように表示装置３の上方に配置され、ハーフミラー７の正面の椅子４０に座っている使用者２の距離画像を生成する。距離画像センサ６は、表示装置３の上方であって左右方向の略中央に位置決めされ、使用者２を斜め上前方から見下ろすように上下方向の向き（チルト角）が決められている。

さらに、距離画像センサ６は、その視野内に椅子４０に座った使用者２の全身が含まれ、且つ使用者２が体幹を直立させた状態で使用者２の身体の左右方向における中心線が距離画像の左右方向の中心線に一致するように、左右方向の向き（パン角）が調節されている。

なお、距離画像センサ６は、上記配置に限らずたとえばカメラスタンド等を利用してハーフミラー７の正面側（使用者２側）における使用者２の目の高さ位置に設置されていてもよい。

上述したような距離画像センサ６の位置および向きの調節は、使用者２の位置および姿勢が決定してから初期設定として行われる。これにより、距離画像センサ６では、使用者２の全身を撮像した距離画像の動画が生成されることになる。

また、本実施形態の運動支援システム１は、測定装置４の測定結果に基づき使用者２の運動に伴う左右の荷重の分布の変化を検出する運動検出部５１を制御装置５に有している。さらに、制御装置５は、運動検出部５１で検出された荷重の分布の変化を表す実測映像を生成する実測表示部５２と、模範を示す模範映像を生成する模範表示部５３と、各種設定値等が記憶される記憶部５４とを有している。実測表示部５２および模範表示部５３は、それぞれ生成した実測映像、模範映像を表示装置３に表示させる。

運動検出部５１は、測定装置４の測定結果から、座面４１の左右方向の中心線より左側の領域に掛かる荷重（左臀部に掛かる荷重）と右側の領域に掛かる荷重（右臀部に掛かる荷重）との比率を表すバランス値を、リアルタイムで算出する。具体的には、運動検出部５１は、使用者２の左臀部と右臀部とのそれぞれに掛かる荷重に基づいて、その総和（つまり座面４１に掛かる全荷重）を基準として左右の各荷重が占める割合を、バランス値としてリアルタイムで算出する。

たとえば、左臀部に掛かる荷重が３０ｋｇ、右臀部に掛かる荷重が１０ｋｇであれば、運動検出部５１は、左＝７５％（＝０．７５）、右＝２５％（＝０．２５）というバランス値を算出する。なお、バランス値にて示される左臀部に掛かる荷重の割合と右臀部に掛かる荷重の割合との和は、常に１００％（＝１）になる。

実測表示部５２は、運動検出部５１で算出されたバランス値に基づいて、実測映像を生成して表示装置３に表示させる。一方、模範表示部５３は、記憶部５４に記憶されている設定値に従って、模範映像を生成して表示装置３に表示させる。

ここでいう実測映像および模範映像は、いずれもバランス値をリアルタイムで表す動画映像であって、本実施形態では、図２に例示するように、左臀部に掛かる荷重の割合と右臀部に掛かる荷重の割合とを高さで表す棒グラフの映像である。図２の例では、表示面３０の左右方向に棒グラフが４本並んで表示されているが、そのうち外側の２本の棒グラフが実測映像３１であって、内側の２本は模範映像３２である。ここで、使用者２が実測映像３１と模範映像３２とを容易に区別可能となるように、たとえば実測映像３１の棒グラフは白色で表示され、模範映像３２の棒グラフは橙色で表示される。

すなわち、実測映像３１と模範映像３２とは、左臀部と右臀部に対応するように棒グラフを一対ずつ含んでおり、それぞれ縦長の長方形状の枠内に表示された棒グラフの高さによって、１００％を上限に左右の各臀部に掛かる荷重の全体重に占める割合を示している。本実施形態では、表示面３０の中央よりも左側に表示される棒グラフが左臀部、右側に表示される棒グラフが右臀部に対応しており、実測映像３１および模範映像３２は左右の各臀部に掛かる荷重の割合を１％刻みで各棒グラフの高さに反映している。

したがって、たとえば使用者２が左臀部から右臀部に荷重を移すように運動を行った場合、実測映像３１は、荷重移動に伴って左臀部に対応する棒グラフが徐々に低くなり右臀部に対応する棒グラフが徐々に高くなるように変化する。これに対して、模範映像３２は、使用者２の動きには関係なく、所定の周期で左右の棒グラフが交互に高くなるように変化することにより、使用者２に行わせる運動の模範となる荷重の分布の周期的な変化を表す。

記憶部５４には、模範映像３２の動きを決める設定値として、周期と運動強度と運動時間とが予め記憶されている。ここでいう周期はバランス値の変化の周期を表しており、運動強度は左右の各臀部に掛かる荷重の割合の最大値（つまり棒グラフの最大値）を表しており、運動時間は使用者２に運動をさせる時間を表している。これらの設定値は、制御装置５の入力部となるキーボード等の入力インタフェース（図示せず）を用いて外部から任意に設定され、記憶部５４に予め記憶されている。なお、運動強度は、左臀部と右臀部とで別々の値が設定されてもよい。

模範表示部５３は、記憶部５４に記憶されている周期と運動強度とによって決定されるバランス値の変化のパターンを示す模範映像３２を生成し、この模範映像３２を運動時間に亘って表示装置３に表示させる。本実施形態においては、模範表示部５３は、棒グラフの高さの時間変化が正弦波状となるようなパターンで変化する模範映像３２を生成する。

なお、図２の例では、運動強度３３、周期（周波数）３４、運動時間３５がそれぞれ表示面３０における実測映像３１、模範映像３２の上方に表示され、残り時間３６が実測映像３１、模範映像３２の下方に表示されている。ここでいう残り時間は、運動時間から経過時間を差し引いた時間である。これらの情報が表示されることにより、使用者２は模範映像３２中の棒グラフの変化によって示される運動のパターンを定量的に認識することができる。

上述したように実測映像３１と模範映像３２とが表示装置３に表示されることにより、使用者２に対して、模範映像３２中の棒グラフの動きを実測映像３１で追従するように、左右の各臀部に掛かる荷重の割合を変化させるための運動を行わせることができる。すなわち、使用者２は、模範映像３２中の棒グラフの動きに合わせて左右の各臀部に掛かる荷重の割合を変化させるべく座位での荷重の移動を行うことができる。ここで、運動検出部５１で算出されたバランス値が、模範映像３２の表すバランス値を中心とする所定の許容範囲（たとえば±３％）に入ると、模範表示部５３がたとえば棒グラフの表示色を変化させるなどして使用者２に通知するようにしてもよい。

ここにおいて、制御装置５が実測映像３１と模範映像３２とを表示装置３に表示させて使用者２に運動を行わせる運動期間は、制御装置５の入力インタフェースに対し運動を開始する所定の操作が為されることにより開始する。この運動期間は、開始から予め定められた制限時間が経過した時点で終了してもよいし、時間制限を設けずに制御装置５の入力インタフェースに対し運動を終了する所定の操作が為されることによって終了してもよい。

ところで、本実施形態の運動支援システム１は、距離画像から使用者２の特定部位の位置を検出する位置検出部５５と、検出された特定部位の位置に基づいて特定部位の動きのずれ量を検出するずれ量検出部５６とを制御装置５に有している。また、制御装置５は、運動検出部５１で検出された荷重の分布の変化と、ずれ量検出部５６で検出されたずれ量とを用いて、運動が正しく行われているか否かを評価する評価部５７をさらに有している。

位置検出部５５は、画像認識技術によって、距離画像センサ６で得られた距離画像中の使用者２の身体の特定部位の位置を検出する。ここでいう特定部位は、頭頂部、肩部、肘部、手部、腰部、膝部、足首など、使用者２の身体の中で特定可能な部位を示す点である。このように位置検出部５５にてその位置が検出される特定部位については、使用者２の運動時にその動きが所定の制限条件によって制限されている。要するに、使用者２は、身体の特定部位の動きを所定の制限条件によって制限しつつ、身体の他の部位を移動させるようにして、左右の各臀部に掛かる荷重の割合を変化させる運動を行うことになる。

本実施形態では、位置検出部５５は距離画像中から使用者２の左右の各肩部をそれぞれ特定部位として検出する。この特定部位については、両特定部位（左右の両肩部）を結ぶ直線が水平となる（つまり水平面に対して平行となる）ように、制限条件によってその動きが制限されている。したがって、使用者２は、椅子４０に座った状態で、左右の両肩部を結ぶ直線が水平となるように左右の両肩部の動きを制限条件によって制限しつつ、体幹等を移動させて左右の各臀部に掛かる荷重の分布を変化させるように運動を行うことになる。

ずれ量検出部５６は、上述のようにして位置検出部５５で検出された特定部位の動きの、制限条件によって制限された動きからのずれ量を定量的に検出する。ここでは、ずれ量検出部５６は、使用者２の左右の両肩部を結ぶ直線の水平面に対する傾きを、動きのずれ量として検出する。すなわち、位置検出部５５で検出された両特定部位を結ぶ直線が水平であればずれ量検出部５６で検出されるずれ量はゼロとなり、この直線の水平面に対する傾きが大きくなる程ずれ量が大きくなる。

ここで、本実施形態においては、特定部位の位置を表す指標を表示装置３に表示させる指標表示部５８と、ずれ量検出部５６で検出されるずれ量が所定の許容範囲を超えるとその旨を報知する報知部５９とが、制御装置５にさらに設けられている。

指標表示部５８は、運動期間において、図２に示すような指標３７を、実測映像３１と模範映像３２と共に表示面３０上に表示させる。図２に例示する指標３７は、位置検出部５５で検出された特定部位（使用者２の左右の各肩部）を結ぶ直線を表しており、ここでは、実測映像３１および模範映像３２に重ねて表示されている。したがって、使用者２は、自身の特定部位の動きを指標３７にて確認しながら、制限条件によって制限されている特定部位の動きからのずれ量を小さくするように、運動を行うことが可能となる。なお、指標表示部５８は、使用者２から見てハーフミラー７に映る自身の鏡像中の特定部位（使用者２の左右の各肩部）と指標３７が重なるように、表示面３０上における指標３７のサイズおよび位置を調整している。

報知部５９は、ずれ量検出部５６で検出されるずれ量を監視し、このずれ量が許容範囲を超えて大きくなった場合に、ずれ量が許容範囲を超えていることを報知する。ここでは、指標表示部５８で表示されている指標３７の水平面に対する傾きがずれ量に相当するので、報知部５９は、この傾きが予め設定された許容範囲を超えると、指標表示部５８に表示させる指標３７の色を変えることにより、その旨を報知する。ただし、報知部５９の報知方法は他の方法であってもよく、たとえば特定部位の動きのずれを注意するメッセージの表示や、警告音あるいは音声などによって報知が行われてもよい。

評価部５７は、まず運動検出部５１で検出された荷重の分布の変化を定量的に評価する。ここでは、評価部５７は、使用者２の運動に伴う荷重の分布の変化を示す実測映像３１と、使用者２に行わせる運動の模範となる荷重の分布の変化を示す模範映像３２とを対比し、運動検出部５１で検出された荷重の分布の変化を表す評価点を第１評価点として算出する。この第１評価点は、模範映像３２にて示される模範的な運動に対する、実測映像３１によって示される実際の使用者２の運動の追従性を表しており、追従性が良いほど高い評価を与える。

具体的に説明すると、評価部５７は、所定のサンプリング周期（たとえば１００ｍｓｅｃ）で、一方の臀部（たとえば右臀部）に掛かる荷重の全荷重に占める割合について、模範映像３２が示す値と実測映像３１が示す値との差分を算出する。このようにして算出される差分には、その大きさに応じた点数が予め割り当てられており、評価部５７は、差分を算出する度に当該差分に対応する点数を加算していき、最終的に求まった合計点数を第１評価点とする。このようにして求まる第１評価点は、差分が小さい（つまりずれが小さい）ほど高得点となるように割り当てられている。

要するに、本実施形態では、評価部５７は模範映像３２と実測映像３１との間で同一タイミングにおけるバランス値の差を評価対象に含み、運動検出部５１で検出された荷重の分布の変化の評価点を第１評価点として算出する。これにより、評価部５７では、たとえば模範映像３２と実測映像３１とで、バランス値の変化のタイミングだけは合っているものの、バランス値の大きさがずれているような場合に、その大きさのずれをも評価することができる。その結果、評価部５７は、模範映像３２にて示される模範的な運動と、実測映像３１によって示される実際の使用者２の運動とのずれを厳密に評価することができるという利点がある。

ただし、評価部５７が行う荷重の分布の変化の評価方法は上述した方法に限らず、運動検出部５１で検出された荷重の分布の変化を評価できる方法であればよい。たとえば、評価部５７は、模範映像３２と実測映像３１との間で所定のサンプリング周期ごとに算出したバランス値の差分の累計を求め、求まった累計値を点数に換算することにより第１評価点を求めてもよい。

また、同一タイミングにおけるバランス値の差を評価対象に含まない場合でも、評価部５７は、模範映像３２と実測映像３１との間でバランス値が変化するタイミングのずれを評価することができる。つまり、評価部５７は、たとえば模範映像３２と実測映像３１との各々から一方の臀部（たとえば右臀部）に掛かる荷重の全荷重に占める割合の極大点（または極小点）を抽出し、時間軸方向における極大点（または極小点）のずれを数値化することで評価できる。

ここにおいて、評価部５７は、上述したように算出される荷重の分布の変化を表した第１評価点と、ずれ量検出部５６で検出されたずれ量を表す第２評価点とを総合的に評価することによって、運動が正しく行われているか否かを評価する。すなわち、評価部５７は、運動検出部５１で検出された荷重の分布の変化を単独で評価するのではなく、ずれ量検出部５６で検出される特定部位の動きのずれ量との組み合わせによって評価する。

具体的には、評価部５７は、ずれ量検出部５６で検出されたずれ量を、制限条件によって制限されている動きからのずれが小さくなるほど高得点となる評価点（第２評価点）で表し、この第２評価点と第１評価点との積を、運動の達成度を表す評価値として算出する。ここでいう運動の達成度は、運動の出来具合を表しており、言い換えれば、運動が正しく行われているか否かの度合いを表している。

ここでは一例として、第１評価点が０〜１００点の間で１点刻みで変動し、第２評価点が０〜１．０点の間で０．１点刻みで変動することにより、評価値は０〜１００点の間で変動することとする。つまり、たとえば運動検出部５１で検出された荷重の分布の変化の評価が比較的よく第１評価点が９０点の場合、ずれ量検出部５６で検出されたずれ量が小さく第２評価点が０．９点であれば、評価値は８１点となる。一方、第１評価点は同じく９０点であっても、ずれ量検出部５６で検出されたずれ量が大きく第２評価点が０．５点であれば、評価値は４５点となる。

ただし、評価部５７は、第１評価点と第２評価点との積を評価値とする構成に限らない。たとえば、評価部５７は、ずれ量検出部５６で検出されたずれ量に関して、所定の許容範囲内にあるか否かを判定し、ずれ量が許容範囲内にあれば第１評価点を評価値とし、ずれ量が許容範囲内になければ第１評価点に関わらず無効と評価する構成であってもよい。

ここで、表示装置３は評価部５７の評価結果（評価値）を提示する提示部として兼用されており、評価部５７の評価結果は表示装置３に表示されることになる。ただし、この構成に限らず、提示部は表示装置３と別に設けられ、評価部５７の評価結果をたとえば音声や光等で使用者２に提示する構成であってもよい。表示装置３が提示部として兼用される場合、運動期間の終了後、表示面３０に評価結果が表示される構成とすることが考えられる。

提示部が提示する内容は、評価部５７で算出された評価値を数値のまま表す得点であってもよいし、得点を複数の段階に分けてランク付けした結果であってもよい。また、提示部は、評価値と共に、運動検出部５１で検出された荷重の分布の変化を表す第１評価点、ずれ量検出部５６で検出されたずれ量を表す第２評価点をそれぞれ提示してもよい。さらに、提示部は、運動期間において評価部５７の評価結果をリアルタイムで提示してもよい。

次に、上述した運動支援システム１を用いて使用者２が運動を行う例について説明する。

制御装置５は、入力インタフェースに対し運動を開始する操作が為されると、タイマ（図示せず）にて運動期間の計時を開始するとともに、実測映像３１および模範映像３２、指標３７等を表示装置３に表示させる。使用者２は、実測映像３１と模範映像３２とを見ながら、実測映像３１の棒グラフの動きを模範映像３２に合わせるように、左右の各臀部に掛かる荷重の分布を変化させるべく座位での荷重の移動を行うことができる。このとき、使用者２は、表示面３０上の指標３７を確認し、左右の両肩部を結ぶ直線を水平に保つように意識しながら運動を行うことで、正しい運動を行うことができる。

運動期間が終了すると、制御装置５は、実測映像３１および模範映像３２、指標３７等の表示を終了するとともに、評価部５７での評価結果を使用者２に提示する。この状態で、入力インタフェースに対し運動を開始する所定の操作が為されると、制御装置５は再度、運動期間の計時を開始するとともに、実測映像３１および模範映像３２、指標３７等を表示装置３に表示させる。

以上説明した構成の運動支援システム１によれば、使用者２は、模範映像３２に実測映像３１を合わせるように座位での荷重の移動を行うことで、模範映像３２にて模範される運動を習得することができる。このとき、使用者２は、ゲームを楽しんでいるような感覚で身体を動かすだけで、必要な運動を行うことができる。

しかも、評価部５７は、使用者２の荷重の分布の変化のみを評価するのではなく、ずれ量検出部５６で検出される特定部位の動きのずれ量との組み合わせによって、運動が正しく行われた否かを評価するので、使用者２に正しい運動を習得させることができる。すなわち、使用者２は、高得点を目指すことにより、単に荷重の移動を行うだけでなく、特定部位の動きを正しく制限するように努めることになり、結果的に、正しい運動の習得が可能となる。本実施形態の場合、使用者２は、座位での荷重の移動を行うに当たって、左右の両肩部を結ぶ直線を水平に保った状態での正しい運動を習得することができる。このような運動を行うことにより、使用者２は、たとえば歩行時の転倒防止などにつながる筋群が刺激され、転倒防止などの効果を得られることになる。

さらに、位置検出部５５で検出された特定部位の位置を表す指標３７を表示装置３に表示させる指標表示部５８が設けられていることにより、使用者２は、運動中に指標３７を見て、常に自身の特定部位の動きを意識して運動することができる。また、特定部位の動きのずれ量が所定の許容範囲を超えるとその旨を報知する報知部５９が設けられていることにより、使用者２に対して、運動中に特定部位の動きの制限を意識させやすくなり、正しい運動を積極的に促すことができる。

また、本実施形態の運動支援システム１では、使用者２は、ハーフミラー７に映る自身の鏡像を見ながら運動することができるので、自身がどのような姿勢のときにどのように荷重が移動するのかということを視覚的に学習することができる。そのため、使用者２は、運動を行う中で、たとえば右臀部に荷重を掛ける場合には身体をどのように傾ければよいか等、運動に必要な身体の動きを習得しやすくなるという利点がある。

ところで、制御装置５は、記憶部５４に記憶されている模範映像３２の動きを決めるための設定値を、評価部５７の評価結果に応じて自動的に変更する設定更新部（図示せず）を有していてもよい。この構成では、模範表示部５３は、評価部５７の評価結果に応じて模範映像３２の内容を変更することになる。

つまり、評価部５７にて高い評価が得られた場合（運動の達成度が高い場合）、設定更新部は、模範映像３２が示す運動の難易度を上げるべく、設定値の周期を短くしたり、運動強度を上げたりする。一方、評価部５７にて低い評価が得られた場合（運動の達成度が低い場合）、設定更新部は、模範映像３２が示す運動の難易度を下げるべく、設定値の周期を長くしたり、運動強度を下げたりする。

その結果、運動支援システム１は、使用者２の能力に合った難易度の運動を使用者２に行わせることができ、使用者２に過度な負担を与えることなく、適切な運動を支援することができる。

また、位置検出部５５は、上述したように距離画像センサ６で得られた距離画像を用いて使用者２の特定部位の位置を検出する構成に限らない。たとえば、位置検出部５５は、ＣＣＤ（Charge CoupledDevice）カメラなどの二次元カメラで撮影された使用者２の二次元画像や、使用者２に取着されたジャイロセンサ式のモーションキャプチャ等のセンサ出力を用いて、使用者２の特定部位の位置を検出してもよい。さらに、位置検出部５５は、使用者２を撮像した静止画像を用いて、使用者２の特定部位の位置を検出してもよい。

また、椅子４０に座った状態の使用者２の足元にシート状の荷重センサが設けられ、制御装置５が、この荷重センサの出力を用いて、運動中に使用者２の足が床から離れないように監視してもよい。さらにまた、椅子４０の背もたれ部分にシート状の荷重センサが設けられ、制御装置５が、この荷重センサの出力を用いて、運動中に使用者２の腰部の位置が変化しないように監視してもよい。これらの場合、使用者２の足が床から離れているか否か、および使用者２の腰部の位置が移動しているか否かは、評価部５７での評価対象に加えられてもよく、その結果、評価部５７はさらに細かい運動の達成度の評価が可能になる。

なお、本実施形態では、実測映像３１および模範映像３２として、棒グラフの映像を例示したが、この例に限らず、たとえば真上を指した基準位置から左右に振れるように回動する針の映像などであってもよい。

（実施形態２）
本実施形態の運動支援システム１は、使用者２が椅子に座った状態（座位）ではなく、立ち上がった状態（立位）で行う運動に使用される点が実施形態１の運動支援システム１と相違する。

本実施形態では、測定装置４は、ハーフミラー７の手前の床であって使用者２の足元に配置されている。この測定装置４は、使用者２が搭乗する搭乗台（図示せず）と、搭乗台上での使用者２の左右の各脚にそれぞれ掛かる荷重を測定する荷重センサ（図示せず）とを具備している。荷重センサは、右脚側の搭乗台と左脚側の搭乗台とのそれぞれに対応して少なくとも１個ずつ設けられている。

測定装置４は、各荷重センサでそれぞれ荷重を測定することにより、搭乗台上に立つ使用者２の水平面内での荷重の分布を測定する。つまり、測定装置４は、搭乗台の左右方向の中心線を境に左側の領域に掛かる荷重と右側の領域に掛かる荷重とをそれぞれ測定し、左脚と右脚との各々に掛かる荷重の分布をリアルタイムで測定する。

このように、測定装置４は水平面内での使用者２の荷重の分布をリアルタイムで測定し、測定結果を制御装置５に対して出力する。制御装置５に出力される測定装置４の測定結果は水平面内での使用者２の荷重の分布を表す値であればよく、本実施形態では、測定装置４は使用者２の左脚と右脚とのそれぞれに掛かる荷重を制御装置５に出力する。

ここで、測定装置４は、荷重センサにより使用者２の左脚と右脚との一方のみに掛かる荷重を測定する構成であってもよい。つまり、測定装置４は、使用者２の体重が既知として予め与えられていれば、たとえば左脚に掛かる荷重を測定することにより、この荷重が体重に占める割合から、使用者２の荷重の分布を求めることができる。

また、本実施形態では、位置検出部５５は距離画像中から使用者２の頭頂部を特定部位として検出する。この特定部位については、特定部位の位置が定位置となる（つまり移動させない）ように、制限条件によってその動きが制限されている。したがって、使用者２は、搭乗台上に立った状態で、頭頂部の位置を定位置に固定するように頭頂部の動きを制限条件によって制限しつつ、体幹等を移動させて左脚と右脚とに掛かる荷重の分布を変化させるように運動を行うことになる。

ずれ量検出部５６は、上述のようにして位置検出部５５で検出された特定部位の動きの、制限条件によって制限された動きからのずれ量を定量的に検出する。ここでは、ずれ量検出部５６は、使用者２の頭頂部の基準位置からの距離を、特定部位の動きのずれ量として検出する。すなわち、位置検出部５５で検出された頭頂部が基準位置にあればずれ量検出部５６で検出されるずれ量はゼロとなり、頭頂部が基準位置から離れる程ずれ量が大きくなる。

本実施形態の運動支援システム１を用いれば、使用者２は、立った状態で頭頂部の位置を固定しつつ、実測映像３１の棒グラフの動きを模範映像３２に合わせるように、左右の各脚にそれぞれ掛かる荷重を移動させることにより、正しい運動を行うことができる。この運動を行うことにより、使用者２は歩行などに必要なスムーズな重心移動を習得するための訓練を行うことができる。

また、立位で行う運動としては、上述した運動の他にも、所謂バラコン運動のように、頭部および足先を定位置に固定しつつ腰部を水平面内で移動させる運動があり、本実施形態の運動支援システム１はこのような運動にも用いることができる。この場合、測定装置４は、使用者２の左右の荷重の分布だけでなく、使用者２の前後の荷重の分布についても測定可能な構成とすることが望ましい。また、位置検出部５５は距離画像中から使用者２の頭頂部と足先とをそれぞれ特定部位として検出し、ずれ量検出部５６は、使用者２の頭頂部および足先の各基準位置からの距離を、それぞれ特定部位の動きのずれ量として検出する。

その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本実施形態の運動支援システム１は、ハーフミラーを備えていない点が実施形態１の運動支援システム１と相違する。また、本実施形態では、使用者２の前方に配置され使用者２を前方から撮像する向きにレンズが向けられた撮像装置（図示せず）が設けられている。

撮像装置は、たとえばカメラスタンド等を利用して表示装置３の正面側（使用者２側）における使用者２の目の高さ位置に設置されている。さらに、撮像装置は、その視野内に使用者２の全身が含まれ、且つ使用者２が体幹を直立させた状態で身体の左右方向における中心線が距離画像の左右方向の中心線に一致するように、チルト角およびパン角が調節されている。

上述したような撮像装置の位置および向きの調節は、使用者２の位置、目線の高さ等が決定してから初期設定として行われる。これにより、撮像装置では、使用者２の全身を映した動画像（以下、「全身映像」という）が撮像されることになる。

制御装置５は、表示装置３と撮像装置との両方に接続されており、撮像装置で撮像された映像を加工して表示装置３に表示させる表示制御部としての機能を持つ。具体的には、制御装置５は、全身映像を撮像装置から取得し、取得した全身映像を左右反転させて反転映像を生成する反転処理部（図示せず）を有する。さらに、制御装置５は、反転映像の左右方向の中心線が表示面３０の左右方向の中心線に一致するように、反転映像を表示装置３に表示させる。これにより、表示装置３の表示面３０には、使用者２の全身の映像が、鏡に映った鏡像のように左右反転されて表示されることになる。

すなわち、撮像装置で撮像される映像は、何の加工も施されなければ、鏡像のように左右が反転されることはなく、表示面３０に正対する使用者２から見た左右と、表示面３０に表示される映像における左右とは反対になる。要するに、撮像装置で撮像された使用者２の全身の映像が、何の加工も施されずに、使用者２と正対する表示装置３の表示面３０に表示されると、表示面３０上では右側に使用者２の左半身が映り、左側に使用者２の右半身が映ることになる。

これに対して、反転映像は全身映像を左右反転させた映像であるから、表示装置３は、表示面３０上では右側に使用者２の右半身が映り、左側に使用者２の左半身が映るように反転映像を表示する。その結果、表示装置３は、表示面３０に映る反転映像を使用者２に視認させることにより、使用者２に対して、反転映像を自らの全身の鏡像と錯覚させることができる。

ここで、制御装置５は、撮像装置から入力される映像をリアルタイム（１秒間に１５〜３０フレーム程度）で加工（反転）して、表示装置３に映像信号を出力する。表示装置３は、制御装置５からの映像信号を受け、リアルタイムで反転映像を表示する。そのため、表示装置３の表示面３０には、実際の使用者２の動きに合わせて動く動画像が反転映像として表示されることになる。たとえば、使用者２が右腕を上げると、その動きに合わせて表示面３０に表示される反転映像においても使用者２から見て右側の腕が上がることになる。

すなわち、本実施形態の運動支援システム１は、光学的に形成される鏡像を提示することはなく、表示装置３に表示された反転映像を使用者２に視認させ、使用者２に対して、反転映像を自身の鏡像と錯覚させることができる。

さらに、実測表示部５２および模範表示部５３は、反転処理部で生成された反転映像と共に、実測映像３１および模範映像３２を表示装置３に表示させる。反転映像は実測映像３１および模範映像３２と重なるように表示されてもよいが、この場合、反転映像は半透明（たとえば透過率５０％）の映像として表示されることが望ましい。

以上説明した本実施形態の運動支援システム１によれば、ハーフミラーを省略した分だけ、実施形態１のシステムに比べて構成を簡略化できるという利点がある。しかも、本実施形態の構成では、比較的大型の画面を備えるディスプレイが予め備わっていれば、専用のディスプレイを新設しなくても、既存のディスプレイを表示装置３として用いることが可能であるため、システムの導入コストを低減できる。

また、制御装置５は、使用者２の鏡像の代わりに、使用者２を模した所謂アバターのような身体モデルをコンピュータグラフィックスで生成し、使用者２の動きを反映させた身体モデルを表示装置３に表示させてもよい。

この場合、制御装置５は、身体モデルを生成する際、距離画像から検出された特定部位の位置を、距離画像センサ６で得られる距離画像について規定された撮像座標系の座標位置から、仮想空間に規定された表示座標系の座標位置へと座標変換する。ここでいう仮想空間は、表示装置３の前方における使用者２の位置を含む直方体状の空間に対応しており、使用者２の前後方向、左右方向、上下方向をそれぞれ座標軸とする三次元直交座標系の空間である。つまり、制御装置５は、所定の変換式を用いて、距離画像センサ６が基準となる極座標系から、仮想空間に規定された三次元直交座標系へと特定部位の位置を座標変換した上で、身体モデルを生成する。ここで、身体モデルを生成するために必要な使用者２の特定部位の位置は、位置検出部５５にて検出可能である。

なお、使用者２の荷重の分布は実測映像３１にて使用者２に提示されているので、使用者２が自身の像（鏡像）を見ながら運動できることは必須ではなく、反転映像を表示する機能は省略されていてもよい。

その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

また、実施形態３の構成は、実施形態２の構成と組み合わされてもよい。

１ 運動支援システム
２ 使用者
３ 表示装置（提示部）
４ 測定装置
５ 制御装置（表示制御部）
６ 距離画像センサ
７ ハーフミラー
３０ 表示面
３２ 模範映像
４１ 座面
５１ 運動検出部
５３ 模範表示部
５５ 位置検出部
５６ ずれ量検出部
５７ 提示部
５８ 指標表示部
５９ 報知部

Claims (9)

1. 使用者が身体の特定部位の動きを所定の制限条件によって制限しつつ身体の他の部位を移動させるように行う運動を支援する運動支援システムであって、
   水平面内での前記使用者の荷重の分布を測定する測定装置と、前記測定装置の測定結果に基づいて前記使用者の前記運動に伴う前記荷重の分布の変化を検出する運動検出部と、前記使用者を撮像した画像から前記使用者の身体の前記特定部位の位置を検出する位置検出部と、前記位置検出部で検出された前記特定部位の位置に基づいて、前記制限条件によって制限された動きに対する当該特定部位の動きのずれ量を検出するずれ量検出部と、前記運動検出部で検出された前記変化と前記ずれ量検出部で検出された前記ずれ量とを用いて前記運動が正しく行われているか否かを評価する評価部と、前記評価部の評価結果を提示する提示部とを備えることを特徴とする運動支援システム。
2. 表示面に映像を表示する表示装置と、前記表示面に対して前記使用者側に配置され、前記表示面に表示される映像を透過させるとともに前記使用者の鏡像を映すハーフミラーとをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の運動支援システム。
3. 表示面に映像を表示する表示装置と、前記使用者の映像を撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮像された前記使用者の映像を前記表示装置に表示させる表示制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の運動支援システム。
4. 前記位置検出部で検出された前記特定部位の位置を表す指標を前記表示装置に表示させる指標表示部をさらに備えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の運動支援システム。
5. 前記使用者に行わせる前記運動の模範となる前記荷重の分布の変化を示す模範映像を前記表示装置に表示させる模範表示部をさらに備えることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の運動支援システム。
6. 前記測定装置は、前記使用者の臀部を載せる座面に掛かる荷重の分布を測定することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の運動支援システム。
7. 前記特定部位は前記使用者の左肩部および右肩部であって、前記ずれ量検出部は、前記使用者の前記左肩部と前記右肩部とを結ぶ直線の水平面に対する傾きの大きさをずれ量として検出することを特徴とする請求項６に記載の運動支援システム。
8. 前記測定装置は、前記使用者の左右の荷重の分布を測定することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の運動支援システム。
9. 前記ずれ量検出部で検出される前記ずれ量が所定の許容範囲を超えると前記ずれ量が前記許容範囲を超えていることを報知する報知部をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の運動支援システム。
   

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