JP2014217695A - 歩行姿勢計およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】歩行中の伸膝度を手軽に定量的に評価すること。
【解決手段】被測定者の腰の正中線上に装着される加速度センサ１１２を備える。加速度センサ１１２が出力する上下軸加速度の時間的な変化波形を用いて、被測定者の歩行中の伸膝度に対応する物理量を定量的に算出する。
【選択図】図１

Description

この発明は歩行姿勢計に関し、より詳しくは、ヒトの歩行姿勢が正しい姿勢であるか否かを定量的に評価する歩行姿勢計に関する。

また、この発明は、ヒトの歩行姿勢が正しい姿勢であるか否かを定量的に評価する方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。

例えば特許文献１（特開２０１１−０７８７２８号公報）に示される装置は、ヒトが所定の姿勢をとったときにヒトの腰部に装着された加速度センサから出力にもとづき重力加速度の方向を検知することにより、当該姿勢をとったときの腰部の地面に対する傾き角を求め、これより骨盤の傾きを推定する。

特許文献２（特開２０１１−２５１０１３号公報）に示される機器は、ヒトの腰部に装着された加速度センサの出力から移動量を算出し、当該移動量にもとづいて歩行の軌跡を取得する。

特開２０１１−０７８７２８号公報 特開２０１１−２５１０１３号公報

ところで、ヒトが正しい姿勢で歩行するためには、横から見たとき前脚と後脚とが二等辺三角形を作るようにすること、言い換えれば、前脚と後脚の膝を伸ばすことが重要な要素の一つである。

しかしながら、従来は、歩行中に前脚と後脚の膝が伸びている程度（これを「伸膝度」と呼ぶ。）を手軽に定量的に評価する手段がなかった。このため、歩行姿勢が正しい姿勢であるか否かを評価する場合に、感覚的な評価に頼ることになり、例えば歩行姿勢を矯正するトレーニングを行うときなどに不便であった。

そこで、この発明の課題は、歩行中の伸膝度を手軽に定量的に評価できる歩行姿勢計を提供することにある。

また、この発明の課題は、歩行中の伸膝度を手軽に定量的に評価する方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の歩行姿勢計は、
被測定者の歩行姿勢を評価する歩行姿勢計であって、
被測定者の腰の正中線上に装着される加速度センサと、
上記加速度センサが出力する上下軸加速度の時間的な変化波形を用いて、上記被測定者の歩行中の伸膝度に対応する物理量を定量的に算出する演算部とを備える。

本明細書で、「伸膝度」とは、歩行中に前脚と後脚の膝が伸びている程度を意味する。
典型的には、後脚の爪先が地面から離れる時点における、前脚の膝の曲がり角度（大腿部と下腿部とがなす角度）と、後脚大腿部が鉛直線に対して後傾する角度とによって定義される。

この発明の歩行姿勢計では、加速度センサが被測定者の腰の正中線上に装着される。演算部は、上記加速度センサが出力する上下軸加速度の時間的な変化波形を用いて、上記被測定者の歩行中の伸膝度に対応する物理量を定量的に算出する。したがって、上記物理量に応じて、被測定者の歩行中の伸膝度を定量的に評価できる。また、この歩行姿勢計では、上記加速度センサの出力に基づいて評価を行っているので、モーションキャプチャのような大がかりな設備によらず、手軽に評価できる。

一実施形態の歩行姿勢計では、上記伸膝度に対応する物理量は、上記上下軸加速度の時間的な変化波形について、左踵が接地してから右踵が接地するまでの左脚基準期間と右踵が接地してから左踵が接地するまでの右脚基準期間とにそれぞれ現れる、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷の値を表す量を含むことを特徴とする。

本明細書で、「後脚」とは、左脚基準期間では左脚を指し、右脚基準期間では右脚を指す。

前脚の膝が十分に伸びた状態（前脚の膝の曲がり角度が小さい状態）で後脚を離地する場合、まず前方斜め上方へ体が向かうことから、上記上下軸加速度の時間的な変化波形について、後脚の蹴り出しを表すピークが生じ、続いて、前脚の突っ張りによって体が減速するため、そのピークに続く深い谷が生ずる、ということが経験的に分かる。逆に、前脚の膝が十分に伸びていない状態（前脚の膝の曲がり角度が大きい状態）で後脚を離地する場合、まず前方斜め上方へ体が向かうことから、上記上下軸加速度の時間的な変化波形について、後脚の蹴り出しを表すピークが生じ、続いて、前脚の膝をクッションにしながら体が上方へ向かうため、そのピークに続く谷が浅い、ということが経験的に分かる。このように、前脚の膝が十分に伸びているか否かは、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷の値に関係する。ここで、この一実施形態の歩行姿勢計では、上記伸膝度に対応する物理量は、上記上下軸加速度の時間的な変化波形について、左脚基準期間と右脚基準期間とにそれぞれ現れる、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷の値を表す量を含む。したがって、歩行中の伸膝度を、上記上下軸加速度の時間的な変化波形についての、上記後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷の値を表す量に応じて適切に評価できる。

一実施形態の歩行姿勢計では、上記伸膝度に対応する物理量は、上記上下軸加速度の時間的な変化波形について、左踵が接地してから右踵が接地するまでの左脚基準期間と右踵が接地してから左踵が接地するまでの右脚基準期間とにそれぞれ現れる、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷とその谷に続いて現れるピークとの間の差分を表す量を含むことを特徴とする。

前述のように、前脚の膝が十分に伸びた状態（前脚の膝の曲がり角度が小さい状態）で後脚を離地する場合、まず上方へ体が向かうことから、上記上下軸加速度の時間的な変化波形について、後脚の蹴り出しを表すピークが生じ、続いて、前脚の突っ張りによって体が減速するため、そのピークに続く深い谷が生ずる。さらに、後脚の大腿部を鉛直線に対して十分に後傾させている場合、後脚を引き寄せようとして再度上方へ体が向かうことから、上記上下軸加速度の時間的な変化波形について、上記谷に続く大きなピークが生ずる、ということが経験的に分かる。逆に、後脚の大腿部を鉛直線に対して十分に後傾させていない場合（すなわち、後脚の大腿部を十分に後傾する前に後脚を蹴り出す場合）、蹴り出しの惰性で後脚が前方へ移動するため、上記谷に続くピークが小さい、ということが経験的に分かる。このように、後脚の大腿部を鉛直線に対して十分に後傾させているか否かは、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷とその谷に続いて現れるピークとの間の差分に関係する。ここで、この一実施形態の歩行姿勢計では、上記伸膝度に対応する物理量は、上記上下軸加速度の時間的な変化波形について、左脚基準期間と右脚基準期間とにそれぞれ現れる、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷とその谷に続いて現れるピークとの間の差分を表す量を含む。したがって、歩行中の伸膝度を、上記上下軸加速度の時間的な変化波形についての、上記後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷と、その谷に続いて現れるピークとの間の差分を表す量に応じて適切に評価できる。

一実施形態の歩行姿勢計では、上記伸膝度に対応する物理量に対する閾値を設定して、上記伸膝度を上記閾値に応じて複数段階に評価する評価部を備えたことを特徴とする。

この一実施形態の歩行姿勢計では、評価部が、上記物理量に対する閾値を設定して、上記伸膝度を上記閾値に応じて複数段階に評価する。したがって、複数段階の評価結果が得られる。このような複数段階の評価結果は、ユーザ（被測定者を含む。）にとって分かり易く、便宜である。

一実施形態の歩行姿勢計では、
上記加速度センサが出力する前後軸加速度の時間的な変化波形と上下軸加速度の時間的な変化波形との一方または両方を用いて、上記被測定者の歩行中の腰の位置に対応する物理量を定量的に算出する予備演算部と、
上記腰の位置に対応する物理量が予め定められた基準を満たすか否かを判定する判定部とを備え、
上記演算部は、上記腰の位置に対応する物理量が予め定められた基準を満たすときのみ、上記伸膝度に対応する物理量を算出することを特徴とする。

本明細書で、「腰の位置」とは、歩行中の全身における相対的な腰の位置を意味する。典型的には、前脚の踵が接地した時点における、歩幅（すなわち、後脚の爪先から前脚の踵までの距離）と、腰の背面から前脚の踵までの距離とを用いて、
（腰の位置）＝（腰の背面から前脚の踵までの距離）／（歩幅）
と定義される。

この一実施形態の歩行姿勢計では、予備演算部が、上記加速度センサが出力する前後軸加速度の時間的な変化波形と上下軸加速度の時間的な変化波形との一方または両方を用いて、上記被測定者の歩行中の腰の位置に対応する物理量を定量的に算出する。判定部は、上記腰の位置に対応する物理量が予め定められた基準を満たすか否かを判定する。そして、上記演算部は、上記腰の位置に対応する物理量が予め定められた基準を満たすときのみ、上記伸膝度に対応する物理量を算出する。この結果、上記伸膝度の定量的な評価の精度が高まる。

この発明のプログラムは、
被測定者の歩行姿勢を評価する方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
上記方法は、
被測定者の腰の正中線上に装着された加速度センサの出力を取得するステップと、
上記加速度センサが出力する前後軸加速度の時間的な変化波形と上下軸加速度の時間的な変化波形との一方または両方を用いて、上記被測定者の歩行中の伸膝度に対応する物理量を定量的に算出するステップと
を備えたことを特徴とする。

この発明のプログラムをコンピュータに実行させれば、コンピュータは、まず被測定者の腰の正中線上に装着された加速度センサの出力を取得する。そして、上記加速度センサが出力する前後軸加速度の時間的な変化波形と上下軸加速度の時間的な変化波形との一方または両方を用いて、上記被測定者の歩行中の伸膝度に対応する物理量を定量的に算出する。したがって、上記物理量に応じて、被測定者の歩行中の伸膝度を定量的に評価できる。また、このプログラムでは、上記加速度センサの出力に基づいて評価を行っているので、モーションキャプチャのような大がかりな設備によらず、手軽に評価できる。

別の局面では、この発明の歩行姿勢計は、
被測定者の歩行姿勢を評価する歩行姿勢計であって、
被測定者に対して或る方向に装着される３軸加速度センサと、
上記３軸加速度センサが出力する、上記３軸加速度センサに関する互いに垂直な３方向の成分に基づいて、上下軸加速度を合成して抽出する信号処理系と、
上記信号処理系が出力する上下軸加速度の時間的な変化波形を用いて、上記被測定者の歩行中の伸膝度に対応する物理量を定量的に算出する演算部とを備える。

この発明の歩行姿勢計では、加速度センサが被測定者に対して或る方向、つまり、腰の正中線上に限られず任意の方向に装着される。信号処理系は、上記３軸加速度センサが出力する、上記３軸加速度センサに関する互いに垂直な３方向の成分に基づいて、上下軸加速度を合成して抽出する。演算部は、上記信号処理系が出力する上下軸加速度の時間的な変化波形を用いて、上記被測定者の歩行中の伸膝度に対応する物理量を定量的に算出する。したがって、上記物理量に応じて、被測定者の歩行中の伸膝度を定量的に評価できる。また、この歩行姿勢計では、上記加速度センサの出力に基づいて評価を行っているので、モーションキャプチャのような大がかりな設備によらず、手軽に評価できる。さらに、上記加速度センサ（および／または上記加速度センサを搭載したケーシング）は、被測定者に対して装着される向きの制約を受けず、着衣のポケットなどに任意の方向に装着され得る。したがって、ユーザの使い勝手が良くなる。

以上より明らかなように、この発明の歩行姿勢計によれば、歩行中の伸膝度を手軽に定量的に評価できる。

また、この発明のプログラムをコンピュータに実行させれば、歩行中の伸膝度を手軽に定量的に評価できる。

この発明の一実施形態の歩行姿勢計のシステム構成を示す図である。 上記歩行姿勢計のシステムをなす活動量計のブロック構成を示す図である。 上記歩行姿勢計のシステムをなすスマートフォンのブロック構成を示す図である。 図４（Ａ）は、上記活動量計が被測定者に装着される態様を示す図である。図４（Ｂ）は、Ｘ軸（前後軸）、Ｙ軸（左右軸）、Ｚ軸（上下軸）を説明する図である。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、全身における腰の位置についての定義を示す図である。 或る被測定者について、加速度センサが出力する上下軸加速度、前後軸加速度の時間的な変化波形を示す図である。 図６における上下軸加速度と前後軸加速度とを合成した合成加速度の時間的な変化波形を示す図である。 図６におけるのとは別の被測定者について、加速度センサが出力する上下軸加速度、前後軸加速度の時間的な変化波形を示す図である。 図８における上下軸加速度と前後軸加速度とを合成した合成加速度の時間的な変化波形を示す図である。 図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、伸膝度についての定義を示す図である。 或る被測定者について、加速度センサが出力する上下軸加速度から、伸膝度に対応する物理量として、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷の値、および後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷とその谷に続いて現れるピークとの間の差分を表す量を取り出す例を説明する図である。 図１１におけるのとは別の被測定者について、加速度センサが出力する上下軸加速度から、伸膝度に対応する物理量として、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷の値、および後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷とその谷に続いて現れるピークとの間の差分を表す量を取り出す例を説明する図である。 伸膝度を閾値に応じて複数段階に評価する仕方を説明する図である。 上記活動量計の制御部による動作フローを示す図である。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施形態の歩行姿勢計（全体を符号１で示す。）のシステム構成を示している。この歩行姿勢計１は、活動量計１００と、スマートフォン２００とを含んでいる。活動量計１００とスマートフォン２００とは、この例ではＢＬＥ（Bluetooth low energy；低消費電力Bluetooth）通信によって互いに通信可能になっている。

図２に示すように、活動量計１００は、ケーシング１００Ｍと、このケーシング１００Ｍに搭載された、制御部１１０と、発振部１１１と、加速度センサ１１２と、メモリ１２０と、操作部１３０と、表示部１４０と、ＢＬＥ通信部１８０と、電源部１９０と、リセット部１９９とを含む。

ケーシング１００Ｍは、この活動量計１００を携帯し易いように、ヒトの手のひらに収まる程度の大きさに形成されている。

発振部１１１は、水晶振動子を含み、この活動量計１００の動作タイミングの基準となるクロック信号を発生する。

加速度センサ１１２は、ケーシング１００Ｍが受ける３軸（３方向）の加速度をそれぞれ検出して、制御部１１０へ出力する。

メモリ１２０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）とＲＡＭ（Random Access Memory）とを含む。ＲＯＭは、この活動量計１００を制御するためのプログラムのデータを記憶する。また、ＲＡＭは、この活動量計１００の各種機能を設定するための設定データ、加速度測定結果および演算結果のデータなどを記憶する。

制御部１１０は、上記クロック信号に基づいて動作するＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）を含み、メモリ１２０に記憶された活動量計１００を制御するためのプログラムに従って、加速度センサ１１２からの検知信号に基づいて、この活動量計１００の各部（メモリ１２０、表示部１４０およびＢＬＥ通信部１９０を含む。）を制御する。この制御部１１０は、少なくとも、上下軸加速度と前後軸加速度とを合成する信号処理系を含む。

操作部１３０は、この例ではボタンスイッチからなり、電源オン・オフ切り替えの操作、表示内容切り替えの操作など、適宜の操作入力を受け付ける。

表示部１４０は、この例ではＬＣＤ（液晶表示素子）または有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイからなる表示画面を含み、この表示画面に制御部１１０から受けた信号に従って所定の情報を表示する。

電源部１８０は、この例ではボタン電池からなり、この活動量計１００の各部へ電力を供給する。

ＢＬＥ通信部１９０は、スマートフォン２００との間でリアルタイムで通信を行う。例えば、スマートフォン２００へ測定結果を表す情報などを送信する。また、スマートフォン２００から操作指示を受信する。

リセット部１９９は、スイッチからなり、制御部１１０の動作やメモリ１２０の記憶内容をリセットして初期化する。

図３に示すように、スマートフォン２００は、本体２００Ｍと、この本体２００Ｍに搭載された、制御部２１０と、メモリ２２０と、操作部２３０と、表示部２４０と、ＢＬＥ通信部２８０と、ネットワーク通信部２９０とを含む。このスマートフォン２００は、市販のスマートフォンに、活動量計１００への指示を行わせるようにアプリケーションソフトウェア（コンピュータプログラム）をインストールしたものである。

制御部２１０は、ＣＰＵおよびその補助回路を含み、スマートフォン２００の各部を制御し、メモリ２２０に記憶されたプログラムおよびデータに従って処理を実行する。すなわち、操作部２３０、および、通信部２８０，２９０から入力されたデータを処理し、処理したデータを、メモリ２２０に記憶させたり、表示部２４０で表示させたり、通信部２８０，２９０から出力させたりする。

メモリ２２０は、制御部２１０でプログラムを実行するために必要な作業領域として用いられるＲＡＭと、制御部２１０で実行するための基本的なプログラムを記憶するためのＲＯＭとを含む。また、メモリ２２０の記憶領域を補助するための補助記憶装置の記憶媒体として、半導体メモリ（メモリカード、ＳＳＤ（Solid State Drive））などが用いられてもよい。

操作部２３０は、この例では、表示部２４０上に設けられたタッチパネルからなっている。なお、キーボードその他のハードウェア操作デバイスを含んでいても良い。

表示部２４０は、表示画面（例えばＬＣＤまたは有機ＥＬディスプレイからなる）を含む。表示部２４０は、制御部２１０によって制御されて、所定の画像を表示画面に表示させる。

ＢＬＥ通信部２８０は、活動量計１００との間でリアルタイムで通信を行う。例えば、活動量計１００へ操作指示を送信する。また、活動量計１００から測定結果を表す情報などを受信する。

ネットワーク通信部２９０は、制御部２１０からの情報をネットワーク９００を介して他の装置へ送信するとともに、他の装置からネットワーク９００を介して送信されてきた情報を受信して制御部２１０に受け渡すことができる。

例えば図４（Ａ）に示すように、この歩行姿勢計１が例えばユーザとしての被測定者９０によって使用される場合、活動量計１００が装着クリップ１００Ｃ（図１中に示す）によって被測定者９０の正中線９１上の腰の背面側に装着される。

この例では、図４（Ｂ）に示すように、被測定者９０にとって前後方向をＸ軸、左右方向をＹ軸、上下方向をＺ軸とする。そして、活動量計１００の加速度センサ１１２は、被測定者９０が前方へ歩行するのに伴ってケーシング１００Ｍが受けるＸ軸（前後軸）の加速度、Ｙ軸（左右軸）の加速度、Ｚ軸（上下軸）の加速度をそれぞれ出力するものとする。

この歩行姿勢計１によって測定を行う場合、被測定者９０は、活動量計１００とスマートフォン２００の電源をオンする。それとともに、スマートフォン２００のアプリケーションソフトウェアを起動して、操作部２３０、ＢＬＥ通信部２８０を介して、活動量計１００へ測定スタートを指示する。

その状態で、被測定者９０は前方へ真っ直ぐ、この例では１０歩だけ歩行する。そして、被測定者９０は、スマートフォン２００の操作部２３０、ＢＬＥ通信部２８０を介して、活動量計１００へ演算および演算結果の出力を指示する。

すると、活動量計１００の制御部１１０は予備演算部および演算部として働いて、後述する演算を行う。そして、その演算結果を表す情報をＢＬＥ通信部１８０を介して、スマートフォン２００へ送信する。

図１４は、活動量計１００の制御部１１０による動作フローを示している。活動量計１００の制御部１１０は、電源がオンされると、ステップＳ１に示すように、スマートフォン２００からの測定スタートの指示を待つ。スマートフォン２００からの測定スタートの指示を受信すると（ステップＳ１でＹＥＳ）、ステップＳ２に示すように、制御部１１０は、加速度センサ１１２による３軸の出力を取得する。加速度センサ１１２の出力の取得は、この例では１０歩のデータを含む期間として、予め定められた期間（例えば１４秒間）だけ行われる。取得されたデータは、メモリ１２０に一旦記憶される。次に、制御部１１０は、ステップＳ３に示すように、スマートフォン２００からの測定スタートの指示を待つ。スマートフォン２００からの演算の指示を受信すると（ステップＳ３でＹＥＳ）、ステップＳ４に示すように、制御部１１０は予備演算部として働いて、腰の位置に対応する物理量の演算を行う。続いて、ステップＳ５に示すように、制御部１１０は判定部として働いて、その演算結果を用いて、腰の位置が前寄りであるか否かを判定する。ここで、腰の位置が前寄りであれば（ステップＳ５ででＹＥＳ）、ステップＳ６に示すように、制御部１１０は演算部として働いて、伸膝度に対応する物理量の演算を行う。そして、ステップＳ７に示すように、制御部１１０は評価部として働いて、その演算結果を用いて、伸膝度を段階的に評価する。その後、ステップＳ８に示すように、その評価の結果をスマートフォン２００へ出力（送信）する。なお、ステップＳ５で腰の位置が前寄りでなければ（ステップＳ５でＮＯ）、ステップＳ８では、腰の位置が前寄りでないから伸膝度を評価不能である旨をスマートフォン２００へ出力（送信）する。

図５（Ａ）は、或る被測定者９０についての全身における腰の位置を示している。ここで、腰の位置は、前脚の踵が地面９９に接地した時点における、歩幅（すなわち、後脚の爪先から前脚の踵までの距離）Ｄと、腰の背面から前脚の踵までの距離ｄとを用いて、
（腰の位置）＝（腰の背面から前脚の踵までの距離）／（歩幅）＝ｄ／Ｄ …（１）
によって表される。この被測定者９０は、腰の位置が前寄りになっており、したがって、式（１）によって求められる値（＝ｄ／Ｄ）が比較的小さい。

一方、図５（Ｂ）は、別の被測定者９０′についての全身における腰の位置を示している。この被測定者９０′は、腰の位置が後寄りになっており、したがって、式（１）によって求められる値（＝ｄ′／Ｄ′）が比較的大きい。

図１０（Ａ）は、或る被測定者９０についての伸膝度を示している。ここで、伸膝度は、後脚の爪先が地面９９から離れる時点における、前脚の膝の曲がり角度（大腿部と下腿部とがなす角度）θ_Ｆと、後脚大腿部が鉛直線に対して後傾する角度θ_Ｒとによって表される。この被測定者９０は、前脚の膝の曲がり角度θ_Ｆが２０°以下、かつ後脚大腿部が鉛直線に対して後傾する角度θ_Ｒが１０°以上である。したがって、伸膝度が比較的高く、歩行中の膝の伸びが正しい。

一方、図１０（Ｂ）は、別の被測定者９０′についての伸膝度を示している。この被測定者９０′は、前脚の膝の曲がり角度θ_Ｆが２０°未満、かつ後脚大腿部が鉛直線に対して後傾する角度θ_Ｒが１０°未満である。したがって、伸膝度が比較的低く、歩行中の膝の伸びが正しくない。

上述の制御部１１０は、図１４中のステップＳ４において、全身における腰の位置に対応する物理量として、式（１）によって求められる値に対応する、次のような物理量ｉ）の演算を行う。

ｉ） Ｚ軸（上下軸）加速度とＸ軸（前後軸）加速度とを合成してなる合成ベクトルの大きさを表す量

図６は、図５（Ａ）に示した被測定者９０についてのＺ軸加速度、Ｘ軸加速度の時間的な変化波形を示している。また、図８は、図５（Ｂ）に示した被測定者９０′についてのＺ軸加速度、Ｘ軸加速度の時間的な変化波形を示している。これらの図６、図８（および後述の図７、図９、図１１、図１２）において、ｔＬは左踵が接地するタイミングを示し、ｔＲは右踵が接地するタイミングを示している。左踵が接地してから右踵が接地するまでの期間を「左脚基準期間」と呼び、右踵が接地してから左踵が接地するまでの期間を「右脚基準期間」と呼ぶ。

腰の位置が前寄りである場合、基準となる後脚を蹴り出す時、上方向へも前方向へも加速度が同時に発生する、ということが経験的に分かる。つまり、図５（Ａ）中に示すように、上方向へも前方向へも加速度が同時に発生して、合成ベクトルＦとなるということが経験的に分かる。逆に、腰の位置が前寄りでない場合、図５（Ｂ）中に示すように、基準となる後脚を蹴り出す時、体を持ち上げるために一旦上方向へ加速度Ｆ１が発生してから、前方向に加速度Ｆ２が発生する、ということが経験的に分かる。このように、腰の位置が前寄りであるか否かは、上下軸加速度と前後軸加速度との両方に関係する。

図７は、図５（Ａ）に示した被測定者９０についてのＺ軸加速度とＸ軸加速度とを合成した合成加速度（ＺＸ合成加速度）の時間的な変化波形を示している。この図７から分かるように、腰の位置が前寄りである場合、基準となる後脚を蹴り出す時、上方向へも前方向へも加速度が同時に発生することから、左脚基準期間と右脚基準期間とのそれぞれにおいて、合成ベクトルが大きいピークＰ１を示している。また、図９は、図５（Ｂ）に示した被測定者９０についてのＺ軸加速度とＸ軸加速度とを合成した合成加速度（ＺＸ合成加速度）の時間的な変化波形を示している。この図９から分かるように、腰の位置が前寄りでない場合、基準となる後脚を蹴り出す時、体を持ち上げるために一旦上方向へ加速度Ｆ１が発生してから、前方向に加速度Ｆ２が発生することから、左脚基準期間と右脚基準期間とのそれぞれにおいて、合成ベクトルのピークＰ１′が小さくなっている。

そこで、式（１）によって求められる値に対応する物理量ｉ）として、Ｚ軸加速度とＸ軸加速度とを合成した合成ベクトルの大きさを表す量、より詳しくは、左脚基準期間と右脚基準期間とのそれぞれにおける最大のピークの値を算出する。なお、合成ベクトルの大きさは、Ｚ軸加速度の２乗とＸ軸加速度の２乗との和の平方根によって算出される。

この例では、１０歩分のデータのうち、最初の２歩と最後の２歩のデータを除いた６歩分のデータを平均して平均値を求める。その平均値をその物理量についての演算結果とする。このように平均値を演算結果とする点は、後述の物理量ａ），ｂ）についても同様である。

制御部１１０は、図１４中のステップＳ５において、物理量ｉ）が予め定められた基準を満たすか否かを判定する。

この例では、物理量ｉ）のための基準値を１０［ｍ／ｓｅｃ^２］に設定する。そして、物理量ｉ）が基準値１０［ｍ／ｓｅｃ^２］以上であれば、腰の位置が前寄りであると判定する。一方、物理量ｉ）が基準値１０［ｍ／ｓｅｃ^２］未満であれば、腰の位置が前寄りでないと判定する。

なお、全身における腰の位置に対応する物理量として、物理量ｉ）以外の、式（１）によって求められる値に対応する物理量を演算して求め、その物理量についての評価を、腰の位置が前寄りであるか否かの判定に加味してもよい。

図１４中のステップＳ５で腰の位置が前寄りであれば、上述の制御部１１０は、図１４中のステップＳ６において、伸膝度に対応する次のような２つの物理量ａ），ｂ）の演算を行う。

ａ） Ｚ軸（上下軸）加速度の時間的な変化波形における、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷の値を表す量

前脚の膝が十分に伸びた状態（前脚の膝の曲がり角度θ_Ｆが小さい状態）で後脚を離地する場合、まず前方斜め上方へ体が向かうことから、図１１中に示すように、Ｚ軸加速度の時間的な変化波形について、後脚の蹴り出しを表すピークＱ１が生じ、続いて、前脚の突っ張りによって体が減速するため、そのピークＱ１に続く深い谷Ｑ２が生ずる、ということが経験的に分かる。逆に、前脚の膝が十分に伸びていない状態（前脚の膝の曲がり角度θ_Ｆが大きい状態）で後脚を離地する場合、まず前方斜め上方へ体が向かうことから、図１２中に示すように、Ｚ軸加速度の時間的な変化波形について、後脚の蹴り出しを表すピークＱ１′が生じ、続いて、前脚の膝をクッションにしながら体が上方へ向かうため、そのピークＱ１′に続く谷Ｑ２′が浅い、ということが経験的に分かる。このように、前脚の膝が十分に伸びているか否かは、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷Ｑ２，Ｑ２′の値に関係する。

そこで、伸膝度に対応する物理量として、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷の値を表す量を算出する。

ｂ） Ｚ軸（上下軸）加速度の時間的な変化波形における、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷とその谷に続いて現れるピークとの間の差分を表す量

前述のように、前脚の膝が十分に伸びた状態（前脚の膝の曲がり角度θ_Ｆが小さい状態）で後脚を離地する場合、まず上方へ体が向かうことから、図１１中に示すように、Ｚ軸加速度の時間的な変化波形について、後脚の蹴り出しを表すピークＱ１が生じ、続いて、前脚の突っ張りによって体が減速するため、そのピークＱ１に続く深い谷Ｑ２が生ずる。さらに、後脚の大腿部を鉛直線に対して十分に後傾させている場合（θ_Ｒが大きい場合）、後脚を引き寄せようとして再度上方へ体が向かうことから、Ｚ軸加速度の時間的な変化波形について、上記谷Ｑ２に続く大きなピークＱ３が生ずる、ということが経験的に分かる。逆に、後脚の大腿部を鉛直線に対して十分に後傾させていない場合（すなわち、θ_Ｒが小さく、後脚の大腿部を十分に後傾する前に後脚を蹴り出す場合）、蹴り出しの惰性で後脚が前方へ移動するため、図１２中に示すように上記谷Ｑ２′に続くピークＱ３′が小さい、ということが経験的に分かる。このように、後脚の大腿部を鉛直線に対して十分に後傾させているか否かは、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷とその谷に続いて現れるピークとの間の差分ΔＱ，ΔＱ′に関係する。

そこで、伸膝度に対応する物理量として、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷とその谷に続いて現れるピークとの間の差分を表す量を算出する。

図１３は、制御部１１０が、図１４中のステップＳ７において、伸膝度を閾値に応じて複数段階に評価する仕方を示している。

詳しくは、図１３の左欄には、上述の２つの物理量ａ），ｂ）が項目として挙げられている。なお、物理量ａ），ｂ）の名称は、それぞれ「上下軸谷加速度」、「上下軸加速度差分」というように簡略化して表記されている。各物理量ａ），ｂ）の単位は、ｍ／ｓｅｃ^２になっている。

図１３の中央欄には、上述の２つの物理量ａ），ｂ）のそれぞれに対する閾値（単位はｍ／ｓｅｃ^２）と、その閾値を基準としたときの得点が挙げられている。

具体的には、物理量ａ）の「上下軸谷加速度」には、−２という閾値が設定されている。算出された上下軸谷加速度が−２以下であれば得点は＋１点となり、−２超であれば得点は０点となる。

物理量ｂ）の「上下軸加速度差分」には、４という閾値が設定されている。算出された上下軸加速度差分が４以上であれば得点は＋１点となり、４未満であれば得点は０点となる。

制御部１１０は、これらの２つの物理量ａ），ｂ）についての得点を合計して、合計点数を算出する。この合計点数は、０点から＋２点までの範囲で、１点ずつ段階的に変化する値をとる。図１３の右欄に示すように、その合計点数が２点以上であれば、その被測定者の伸膝度は「ＯＫ」であると判定する。一方、その合計点数が＋１点以下であれば、その被測定者の伸膝度は「ＮＧ」であると判定する。このようにして、制御部１１０は、この合計点数によって、伸膝度を定量的に評価する。

その被測定者の伸膝度が「ＯＫ」であるか「ＮＧ」であるかを示す情報は、図１４中のステップＳ８において、合計点数とともに評価の結果として活動量計１００からスマートフォン２００へ出力（送信）される。

スマートフォン２００は、活動量計１００からの情報を受信すると、合計点数とともに評価の結果を表示部２４０に表示する。スマートフォン２００の表示部２４０には、例えば伸膝度「ＯＫ」であれば、「あなたの膝の伸びは正しいです（点数２点）。」というようにメッセージとして表示される。また、伸膝度「ＮＧ」であれば、「あなたの膝の伸びは正しくないです（点数０点）。」というようにメッセージとして表示される。なお、表示部２４０には、合計点数に代えて、または合計点数とともに、合計点数を表す棒グラフなどの、合計点数が直感的に分かるような表示を行ってもよい。

この表示部２４０の表示内容を見て、ユーザは、歩行中に前脚と後脚の膝が伸びている程度を定量的に知ることができる。上述のような、合計点数による定量的な評価結果は、ユーザにとって分かり易く、便宜である。

本発明者は、複数の被測定者について、この歩行姿勢計１による定量的な評価結果が妥当であるか否かを検証する検証実験を行った。

具体的には、被測定者毎に、歩行中に後脚の爪先が地面９９から離れる時点における写真を撮影し、その写真画像に基づいて前脚の膝の曲がり角度θ_Ｆが２０°以下、かつ後脚大腿部が鉛直線に対して後傾する角度θ_Ｒが１０°以上であるか、否かを判定した。それとともに、それらの被測定者毎に、歩行姿勢計１による伸膝度が「ＯＫ」であるか「ＮＧ」であるかを求めた。そして、写真画像に基づく判定結果と、歩行姿勢計１による判定結果との間の一致率を調べた。

その結果、被測定者数４５人からなる或る被測定者群（データ数１７０）については、一致率が９４％という結果が得られた。また、被測定者数１０２人からなる別の被測定者群（データ数３６５）については、一致率が８６％という結果が得られた。

これにより、歩行姿勢計１による定量的な評価結果が概ね妥当であることを検証できた。

このように、この歩行姿勢計１によれば、上述の物理量ａ），ｂ）に応じて、被測定者の歩行中に前脚と後脚の膝が伸びている程度を定量的に適切に評価できる。また、この歩行姿勢計１では、加速度センサ１１２の出力に基づいて評価を行っているので、モーションキャプチャのような大がかりな設備によらず、手軽に評価できる。

また、この歩行姿勢計１では、被測定者の腰の位置が前寄りであるときのみ、上記伸膝度に対応する物理量ａ），ｂ）を算出している。この結果、上記伸膝度の定量的な評価の精度を高めることができる。

上述の実施形態では、加速度センサ１１２が被測定者の腰の正中線上に装着されたが、これに限られるものではない。加速度センサ１１２は被測定者に対して或る方向に装着されるものとし、制御部１１０が、加速度センサ１１２が出力する、加速度センサ１１２に関する互いに垂直な３方向の成分に基づいて、上下軸加速度や前後軸加速度を合成して抽出する信号処理系を構成してもよい。この場合、制御部１１０は予備演算部として働いて、上記信号処理系が出力する上下軸加速度の時間的な変化波形と前後軸加速度の時間的な変化波形との一方または両方を用いて、被測定者の歩行中の腰の位置に対応する物理量を定量的に算出する。そして、上記腰の位置に対応する物理量が予め定められた基準を満たすときのみ、制御部１１０は演算部として働いて、上記信号処理系が出力する上下軸加速度の時間的な変化波形を用いて、被測定者の歩行中の伸膝度に対応する物理量を定量的に算出する。したがって、その物理量に応じて、被測定者の歩行中の伸膝度を定量的に評価できる。このようにした場合、加速度センサ１１２（および／または加速度センサ１１２を搭載したケーシング１００Ｍ）は、被測定者に対して装着される向きの制約を受けず、着衣のポケットなどに任意の方向に装着され得る。したがって、ユーザの使い勝手が良くなる。

上述の実施形態では、活動量計１００とスマートフォン２００とは、ＢＬＥ通信によって互いに通信を行ったが、これに限られるものではない。例えば、活動量計１００とスマートフォン２００とは、ＮＦＣ（Near Field Communication；近距離無線通信）によって、スマートフォン２００と活動量計１００とが互いに接近したときに通信を行うようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、本発明の歩行姿勢計を、活動量計１００とスマートフォン２００とを含むシステムとして構成したが、これに限られるものではない。

例えば、本発明の歩行姿勢計を、スマートフォン２００のみで構成しても良い。その場合、スマートフォン２００が加速度センサを含むものとする。また、スマートフォン２００のメモリ２２０には、制御部２１０に、ヒトの歩行姿勢が正しい姿勢であるか否かを定量的に評価するプログラム、より詳しくは、歩行中の伸膝度を定量的に評価するプログラムをインストールする。これにより、本発明の歩行姿勢計を小型かつコンパクトに構成することができる。

また、そのプログラムは、アプリケーションソフトウェアとして、ＣＤ、ＤＶＤ、フラッシュメモリなどの記録媒体に記録することができる。この記録媒体に記録されたアプリケーションソフトウェアを、スマートフォン、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（パーソナル・デジタル・アシスタンツ）などの実質的なコンピュータ装置にインストールすることによって、それらのコンピュータ装置に、ヒトの歩行姿勢が正しい姿勢であるか否かを定量的に評価する方法を実行させることができる。

１ 歩行姿勢計
１００ 活動量計
２００ スマートフォン

Claims (7)

1. 被測定者の歩行姿勢を評価する歩行姿勢計であって、
   被測定者の腰の正中線上に装着される加速度センサと、
   上記加速度センサが出力する上下軸加速度の時間的な変化波形を用いて、上記被測定者の歩行中の伸膝度に対応する物理量を定量的に算出する演算部とを備えた歩行姿勢計。
2. 請求項１に記載の歩行姿勢計において、
   上記伸膝度に対応する物理量は、上記上下軸加速度の時間的な変化波形について、左踵が接地してから右踵が接地するまでの左脚基準期間と右踵が接地してから左踵が接地するまでの右脚基準期間とにそれぞれ現れる、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷の値を表す量を含むことを特徴とする歩行姿勢計。
3. 請求項１または２に記載の歩行姿勢計において、
   上記伸膝度に対応する物理量は、上記上下軸加速度の時間的な変化波形について、左踵が接地してから右踵が接地するまでの左脚基準期間と右踵が接地してから左踵が接地するまでの右脚基準期間とにそれぞれ現れる、後脚の蹴り出しを表すピークに続く谷とその谷に続いて現れるピークとの間の差分を表す量を含むことを特徴とする歩行姿勢計。
4. 請求項１から３までのいずれか一つに記載の歩行姿勢計において、
   上記伸膝度に対応する物理量に対する閾値を設定して、上記伸膝度を上記閾値に応じて複数段階に評価する評価部を備えたことを特徴とする歩行姿勢計。
5. 請求項１から３までのいずれか一つに記載の歩行姿勢計において、
   上記加速度センサが出力する前後軸加速度の時間的な変化波形と上下軸加速度の時間的な変化波形との一方または両方を用いて、上記被測定者の歩行中の腰の位置に対応する物理量を定量的に算出する予備演算部と、
   上記腰の位置に対応する物理量が予め定められた基準を満たすか否かを判定する判定部とを備え、
   上記演算部は、上記腰の位置に対応する物理量が予め定められた基準を満たすときのみ、上記伸膝度に対応する物理量を算出することを特徴とする歩行姿勢計。
6. 被測定者の歩行姿勢を評価する方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   上記方法は、
   被測定者の腰の正中線上に装着された加速度センサの出力を取得するステップと、
   上記加速度センサが出力する前後軸加速度の時間的な変化波形と上下軸加速度の時間的な変化波形との一方または両方を用いて、上記被測定者の歩行中の伸膝度に対応する物理量を定量的に算出するステップと
   を備えたことを特徴とするプログラム。
7. 被測定者の歩行姿勢を評価する歩行姿勢計であって、
   被測定者に対して或る方向に装着される３軸加速度センサと、
   上記３軸加速度センサが出力する、上記３軸加速度センサに関する互いに垂直な３方向の成分に基づいて、上下軸加速度を合成して抽出する信号処理系と、
   上記信号処理系が出力する上下軸加速度の時間的な変化波形を用いて、上記被測定者の歩行中の伸膝度に対応する物理量を定量的に算出する演算部とを備えた歩行姿勢計。

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