JP2015136582A - 体動判別装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】歩行動作の種類を適切に判別することができる体動判別装置を提供する。【解決手段】体動判別装置100は、歩行動作に応じて変化する信号である検知信号に基づいて、遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、遊脚通期時間のうちの少なくとも1つを算出する。遊脚前期時間は、1歩行周期において遊脚前期が形成されていた時間である。遊脚後期時間は、1歩行周期において遊脚後期が形成されていた時間である。遊脚通期時間は、1歩行周期において遊脚期が形成されていた時間である。体動判別装置100は、遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、遊脚通期時間のうちの少なくとも1つに基づいて歩行動作の種類を判別する。【選択図】図5
Description
本発明は、体動判別装置に関する。
特許文献1および2をはじめとするいくつかの技術文献は、使用者の歩行を補助する人体刺激装置を提示している。典型的な構成を持つ人体刺激装置は、使用者の平地歩行の動作がいずれの歩行フェーズに該当するかを判別する制御部、および、大腿に電気刺激を与える複数の電極を含む。制御部は、判別した歩行フェーズに基づいて電極に電流を流すことにより、そのときどきの歩行フェーズに応じた電気刺激を大腿に与える。
このような人体刺激装置は、主として、歩行時における下肢の運動能力を高める機能、下肢を鍛錬する機能、または、歩行時における膝の痛みを緩和する機能を持つ。なお、人体刺激装置は、例示した複数の機能を複合的に持つこともできる。
従来の人体刺激装置は、使用者が平地を歩行する歩行動作である平地歩行以外の歩行動作を形成しているときに、使用者に電気刺激を与えることを想定していない。一方、使用者が平地歩行以外の歩行動作を形成する場合であっても、人体刺激装置が脚に刺激を与えることにより、使用者が平地歩行している場合に電気刺激を与えることにより得られる効果と同様または類似の効果が得られると考えられる。そのためには、歩行動作の種類を判別する技術が必要になる。しかし、特許文献1および2は、いずれもそのような技術を提示していない。
本発明の目的は、歩行動作の種類を適切に判別することができる体動判別装置を提供することである。
本体動判別装置の独立した一形態は、歩行動作の種類を判別する体動判別装置であって、歩行動作に応じて変化する信号である検知信号に基づいて、1歩行周期において遊脚前期が形成されていた時間である遊脚前期時間、1歩行周期において遊脚後期が形成されていた時間である遊脚後期時間、および、1歩行周期において遊脚期が形成されていた時間である遊脚通期時間のうちの少なくとも1つを算出し、前記遊脚前期時間、前記遊脚後期時間、および、前記遊脚通期時間のうちの少なくとも1つに基づいて歩行動作の種類を判別する。
本体動判別装置は、歩行動作の種類を適切に判別することができる。
(本体動判別装置が取り得る形態の一例)
〔1〕本体動判別装置の独立した一形態は、歩行動作の種類を判別する体動判別装置であって、歩行動作に応じて変化する信号である検知信号に基づいて、1歩行周期において遊脚前期が形成されていた時間である遊脚前期時間、1歩行周期において遊脚後期が形成されていた時間である遊脚後期時間、および、1歩行周期において遊脚期が形成されていた時間である遊脚通期時間のうちの少なくとも1つを算出し、前記遊脚前期時間、前記遊脚後期時間、および、前記遊脚通期時間のうちの少なくとも1つに基づいて歩行動作の種類を判別する。
〔1〕本体動判別装置の独立した一形態は、歩行動作の種類を判別する体動判別装置であって、歩行動作に応じて変化する信号である検知信号に基づいて、1歩行周期において遊脚前期が形成されていた時間である遊脚前期時間、1歩行周期において遊脚後期が形成されていた時間である遊脚後期時間、および、1歩行周期において遊脚期が形成されていた時間である遊脚通期時間のうちの少なくとも1つを算出し、前記遊脚前期時間、前記遊脚後期時間、および、前記遊脚通期時間のうちの少なくとも1つに基づいて歩行動作の種類を判別する。
歩行動作の種類の違いは、身体の動作に関する各種のパラメーターに現れる。本願発明者は、そのようなパラメーターのなかでも、遊脚期に関連する時間である遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、遊脚通期時間のそれぞれが、歩行動作の種類の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。本体動判別装置は、このような事項を踏まえ、上記〔1〕のとおり歩行動作の種類を判別する。このため、歩行動作の種類を適切に判別することができる。
なお、本体動判別装置が想定する平地は、完全に水平な接地面だけではなく、日常生活において実質的に水平とみなすことができる範囲に含まれる多様な接地面を意味する。例えば、完全に水平な接地面に対して傾斜を持つ接地面であっても、傾斜の程度が日常生活において実質的に水平とみなすことができる範囲に含まれる場合、この接地面は、本体動判別装置が想定する平地に含まれる。
〔2〕前記体動判別装置に従属する一形態は、前記遊脚前期時間および前記遊脚後期時間を算出し、前記遊脚前期時間および前記遊脚後期時間に基づいて歩行動作の種類を判別する。
本願発明者は、遊脚前期時間および遊脚後期時間に基づいて演算した値が、歩行動作の種類の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。本体動判別装置は、このような事項を踏まえ、上記〔2〕のとおり歩行動作の種類を判別する。このため、歩行動作の種類をより適切に判別することができる。
〔3〕前記体動判別装置に従属する一形態は、前記遊脚前期時間と前記遊脚後期時間との差である差時間に基づいて歩行動作の種類を判別する。
本願発明者は、差時間が、歩行動作の種類の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。本体動判別装置は、このような事項を踏まえ、上記〔3〕のとおり歩行動作の種類を判別する。このため、歩行動作の種類をより適切に判別することができる。
本願発明者は、差時間が、歩行動作の種類の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。本体動判別装置は、このような事項を踏まえ、上記〔3〕のとおり歩行動作の種類を判別する。このため、歩行動作の種類をより適切に判別することができる。
〔4〕前記体動判別装置に従属する一形態は、前記検知信号に基づいて、1歩行周期が形成されていた時間である1歩行周期時間を算出し、前記1歩行周期時間および前記差時間に基づいて歩行動作の種類を判別する。
本願発明者は、1歩行周期時間および差時間に基づいて演算した値が、歩行動作の種類の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。本体動判別装置は、このような事項を踏まえ、上記〔4〕のとおり歩行動作の種類を判別する。このため、歩行動作の種類をより適切に判別することができる。
〔5〕前記体動判別装置に従属する一形態は、前記検知信号に基づいて、1歩行周期が形成されていた時間である1歩行周期時間、および、前記遊脚前期時間を算出し、前記1歩行周期時間および前記遊脚前期時間に基づいて、歩行動作の種類を判別する。
本願発明者は、1歩行周期時間および遊脚前期時間に基づいて演算した値が、歩行動作の種類の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。本体動判別装置は、このような事項を踏まえ、上記〔5〕のとおり歩行動作の種類を判別する。このため、歩行動作の種類をより適切に判別することができる。
〔6〕前記体動判別装置に従属する一形態は、前記検知信号に基づいて、1歩行周期が形成されていた時間である1歩行周期時間、および、前記遊脚後期時間を算出し、前記1歩行周期時間および前記遊脚後期時間に基づいて、歩行動作の種類を判別する。
本願発明者は、1歩行周期時間および遊脚後期時間に基づいて演算した値が、歩行動作の種類の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。本体動判別装置は、このような事項を踏まえ、上記〔6〕のとおり歩行動作の種類を判別する。このため、歩行動作の種類をより適切に判別することができる。
〔7〕前記体動判別装置に従属する一形態は、歩行動作の種類が平地歩行および昇降歩行のいずれに該当するかを判別する。
遊脚期に関連する時間である遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、遊脚通期時間は、それぞれ、平地歩行および昇降歩行の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当する。その理由は、次のように考えられる。
遊脚期に関連する時間である遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、遊脚通期時間は、それぞれ、平地歩行および昇降歩行の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当する。その理由は、次のように考えられる。
脚は、平地歩行の遊脚期、および、昇降歩行の遊脚期において、互いに異なる動作を形成する。一方、任意の歩行動作における歩行フェーズが遊脚期に該当する場合、足が接地面から離れている。このため、遊脚期は、実質的に歩行フェーズの全期間において足が接地面と接触している立脚期と比較して、平地歩行における脚の動作、および、昇降歩行における脚の動作のそれぞれの特徴が現れやすい。このため、平地歩行および昇降歩行の違いが、遊脚期に関連する時間である遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、遊脚通期時間のそれぞれに反映されると考えられる。このため、これらの時間の少なくとも1つに基づいて、歩行動作の種類が平地歩行および昇降歩行のいずれに該当するかを適切に判別することができる。
〔8〕前記体動判別装置に従属する一形態は、歩行動作の種類が平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のいずれに該当するかを判別する。
脚は、階段昇り歩行の遊脚期、および、階段降り歩行の遊脚期において、互いに異なる動作を形成する。このため、遊脚期に関連する時間である遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、遊脚通期時間のそれぞれに、階段昇り歩行および階段降り歩行の違いも反映されると考えられる。このため、これらの時間の少なくとも1つに基づいて、歩行動作の種類が平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のいずれに該当するかを適切に判別することができる。なお、階段昇り歩行は、使用者が歩行しながら階段を昇る歩行動作を示す。また、階段降り歩行は、使用者が歩行しながら階段を降りる歩行動作を示す。
脚は、階段昇り歩行の遊脚期、および、階段降り歩行の遊脚期において、互いに異なる動作を形成する。このため、遊脚期に関連する時間である遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、遊脚通期時間のそれぞれに、階段昇り歩行および階段降り歩行の違いも反映されると考えられる。このため、これらの時間の少なくとも1つに基づいて、歩行動作の種類が平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のいずれに該当するかを適切に判別することができる。なお、階段昇り歩行は、使用者が歩行しながら階段を昇る歩行動作を示す。また、階段降り歩行は、使用者が歩行しながら階段を降りる歩行動作を示す。
(第1実施形態)
図1は、人体刺激装置10を使用する使用者300のモデルを示している。人体刺激装置10は、歩行時における下肢の運動能力を高める機能、下肢を鍛錬する機能、および、歩行時における膝の痛みを緩和する機能の少なくとも1つを持つ。人体刺激装置10は、体動判別装置100(図5参照)により、使用者300の歩行フェーズおよび歩行動作の種類を判別し、判別した結果に基づいて、大腿電極70および下腿電極80の少なくとも一方から電気的な刺激を出力する。このような人体刺激装置10の動作が、上記の各機能の1つまたは複数を実現する。
図1は、人体刺激装置10を使用する使用者300のモデルを示している。人体刺激装置10は、歩行時における下肢の運動能力を高める機能、下肢を鍛錬する機能、および、歩行時における膝の痛みを緩和する機能の少なくとも1つを持つ。人体刺激装置10は、体動判別装置100(図5参照)により、使用者300の歩行フェーズおよび歩行動作の種類を判別し、判別した結果に基づいて、大腿電極70および下腿電極80の少なくとも一方から電気的な刺激を出力する。このような人体刺激装置10の動作が、上記の各機能の1つまたは複数を実現する。
人体刺激装置10は、機能的に結合した複数の構成要素の集合体であり、右脚用のサポーター20、左脚用のサポーター20、および、1つのコントローラー50を含む。コントローラー50は、一例として、使用者300の衣服に取り付けられる。
なお、右脚用のサポーター20および左脚用のサポーター20は、身体の正中面に対して左右対称の関係を有し、実質的に同じ構成を有している。以下の説明は、右脚用のサポーター20および左脚用のサポーター20に共通する事項を説明する場合、サポーター20の種類を区別していない。
図2は、サポーター20を装着した使用者300の膝およびその周辺の部位を示している。サポーター20は、大腿電極70、下腿電極80、大腿センサー110、および、下腿センサー120を保持している。サポーター20の上部は、脚310の大腿320にフィットする。サポーター20の下部は、脚310の下腿330にフィットする。
大腿電極70は、一対の正電極および負電極を含む。大腿電極70は、サポーター20の上部の内周面に取り付けられている。このため、サポーター20が脚310に装着されているとき、大腿電極70が大腿320に接触している。
下腿電極80は、一対の正電極および負電極を含む。下腿電極80は、サポーター20の下部の内周面に取り付けられている。このため、サポーター20が脚310に装着されているとき、下腿電極80が下腿330に接触している。
コントローラー50は、複数のボタン51およびディスプレイ52を含む。ケーブル60が、コントローラー50と大腿電極70、下腿電極80、大腿センサー110、および、下腿センサー120とを電気的に接続している。
図3は、サポーター20の内周面側を示している。
右側の連結バンド23が、サポーター20の上部の右側部、および、サポーター20の下部の右側部のそれぞれと結合している。左側の連結バンド23が、サポーター20の上部の左側部、および、サポーター20の下部の左側部のそれぞれと結合している。各連結バンド23は、高い伸縮性を有する。
右側の連結バンド23が、サポーター20の上部の右側部、および、サポーター20の下部の右側部のそれぞれと結合している。左側の連結バンド23が、サポーター20の上部の左側部、および、サポーター20の下部の左側部のそれぞれと結合している。各連結バンド23は、高い伸縮性を有する。
右側の大腿バンド30が、サポーター20の上部の右側部と結合している。面ファスナーのフック31が、右側の大腿バンド30と結合している。左側の大腿バンド30が、サポーター20の上部の左側部と結合している。面ファスナーのループ32が、左側の大腿バンド30と結合している。
右側の下腿バンド40が、サポーター20の下部の右側部と結合している。面ファスナーのフック41が、右側の下腿バンド40と結合している。左側の下腿バンド40が、サポーター20の下部の左側部と結合している。面ファスナーのループ42が、左側の下腿バンド40と結合している。
第1ホルダー21が、サポーター20の上部の内周面と結合している。第1ホルダー21は、大腿センサー110を収容している。第2ホルダー22が、サポーター20の下部の内周面と結合している。第2ホルダー22は、下腿センサー120を収容している。
大腿センサー110の一例は、加速度センサーである。大腿センサー110は、股関節を中心に回転する大腿320の加速度に応じて変化する信号である大腿検知信号STを、コントローラー50に出力する。
下腿センサー120の一例は、角速度センサーである。下腿センサー120は、膝関節を中心に回転する下腿330の角速度に応じて変化する信号である下腿検知信号SLを、コントローラー50に出力する。
図4を参照して、人の歩行動作について説明する。
図4(a)は、人が平地歩行するときの右脚310および左脚310の動作の一例を示している。図4(b)は、右脚310の1歩行周期の一例を示している。右脚310の1歩行周期は、右足の踵が接地したタイミングから、次に右足の踵が接地するタイミングまでの期間である。図4(c)は、左脚310の1歩行周期の一例を示している。左脚310の1歩行周期は、左足の踵が接地したタイミングから、次に左足の踵が接地するタイミングまでの期間である。
図4(a)は、人が平地歩行するときの右脚310および左脚310の動作の一例を示している。図4(b)は、右脚310の1歩行周期の一例を示している。右脚310の1歩行周期は、右足の踵が接地したタイミングから、次に右足の踵が接地するタイミングまでの期間である。図4(c)は、左脚310の1歩行周期の一例を示している。左脚310の1歩行周期は、左足の踵が接地したタイミングから、次に左足の踵が接地するタイミングまでの期間である。
図4(d)は、右脚310の歩行動作の一例を示している。図4(e)は、左脚310の歩行動作の一例を示している。1歩行周期における脚310の動作は、複数の歩行フェーズに区分される。この動作は、大きくは2つの歩行フェーズである立脚期および遊脚期に区分される。立脚期は、一例として、2つの歩行フェーズである立脚前期および立脚後期にさらに区分される。遊脚期は、一例として、2つのフェーズである遊脚前期および遊脚後期にさらに区分される。
立脚期は、右脚310の足または左脚310の足が接地面に接地している期間である。立脚前期は、立脚期において、踵が接地面に接地してから、踵が接地面から離れるまでの期間である。立脚後期は、立脚期において、踵が接地面から離れてから、爪先が接地面から離れるまでの期間である。
遊脚期は、右脚310の足または左脚310の足が接地面から離れている期間である。遊脚前期は、遊脚期において、右脚310または左脚310が体幹よりも後方に存在している期間である。遊脚後期は、遊脚期において、右脚310または左脚310が体幹よりも前方に存在している期間である。
左脚310の歩行フェーズは、右脚310の歩行フェーズが立脚期から遊脚期に変化する前に、遊脚期から立脚期に移行する。また、右脚310の歩行フェーズは、左脚310の歩行フェーズが立脚期から遊脚期に変化する前に、遊脚期から立脚期に移行する。このように、人の歩行動作によれば、一方の脚310の立脚期の後半、および、他方の脚310の立脚期の前半がオーバーラップする。このため、1歩行周期の一部に左右の脚310が接地している期間が存在する。
図5を参照して、人体刺激装置10の機能ブロックの構成について説明する。
コントローラー50は、電源ブロック53および制御部200を内蔵している。電源ブロック53は、1次電池または2次電池の電力を各電気ブロックに供給する。ボタン51、ディスプレイ52、大腿センサー110、下腿センサー120、制御部200、大腿電極70、および、下腿電極80は、電源ブロック53から電力が供給される電気ブロックの一例に該当する。
コントローラー50は、電源ブロック53および制御部200を内蔵している。電源ブロック53は、1次電池または2次電池の電力を各電気ブロックに供給する。ボタン51、ディスプレイ52、大腿センサー110、下腿センサー120、制御部200、大腿電極70、および、下腿電極80は、電源ブロック53から電力が供給される電気ブロックの一例に該当する。
制御部200が取り得る形態の一例は、マイクロコントローラーである。制御部200は、右脚310および左脚310の大腿センサー110から入力される大腿検知信号ST、ならびに、右脚310および左脚310の下腿センサー120から入力される下腿検知信号SL等に基づいて、歩行フェーズおよび歩行動作の種類を判別する。制御部200は、判別結果に基づいて、歩行フェーズおよび歩行動作の種類に適した電気刺激を大腿電極70および下腿電極80の一方または両方に出力させる。
制御部200は、このような機能を実現する機能ブロックである判別部210および出力部240を含む。判別部210は、歩行に関する判別を実行する。判別部210は、その機能を実現する機能ブロックであるフェーズ判別部220および動作種類判別部230を含む。
フェーズ判別部220は、歩行フェーズが予め区分した複数の歩行フェーズのいずれに該当するかを判別し、その結果を動作種類判別部230および出力部240に出力する。フェーズ判別部220は、その機能を実現する機能ブロックである演算処理部221、比較部222、および、論理演算部223を含む。フェーズ判別部220は、一例として、歩行フェーズを立脚前期、立脚後期、遊脚前期、および、遊脚後期に区分している。
演算処理部221は、各大腿センサー110の大腿検知信号ST、および、各下腿センサー120の下腿検知信号SLの信号処理を実行する。この信号処理は、一例として、高周波成分等のノイズの除去、移動平均値の算出、および、周波数解析等を含む。演算処理部221は、信号処理の結果を比較部222に出力する。
比較部222は、演算処理部221の演算結果に基づいて歩行フェーズに関する判別を実行する。比較部222は、該当する歩行フェーズを複数の歩行フェーズのうちの1つに特定できた場合、その結果を動作種類判別部230および出力部240に出力する。比較部222は、該当する歩行フェーズが複数存在する場合、その結果を論理演算部223に出力する。
論理演算部223は、比較部222の比較結果に基づいて歩行フェーズに関する判別を実行し、該当する歩行フェーズを複数の歩行フェーズのうちの1つに特定し、その結果を動作種類判別部230および出力部240に出力する。
動作種類判別部230は、歩行動作の種類が予め規定した複数の歩行動作の種類のいずれに該当するかを判別し、その結果を出力部240に出力する。動作種類判別部230は、その機能を実現する機能ブロックである時間記憶部231および判別値演算部232を含む。動作種類判別部230は、一例として、歩行動作の種類として平地歩行、昇降歩行の1つに該当する階段昇り歩行、および、昇降歩行の1つに該当する階段降り歩行を規定している。
時間記憶部231は、フェーズ判別部220の判別結果に基づいて、各歩行フェーズが形成されていた時間である区分時間を求める処理、および、各区分時間を用いて四則演算した結果である組合時間を求める処理を実行し、その結果を順次記憶する。各区分時間を用いた四則演算の一例は、異なる2種類の区分時間の差を算出する処理、および、異なる2種類の区分時間の合計に対する一方の区分時間の割合を算出する処理である。
判別値演算部232は、時間記憶部231が記憶している区分時間、組合時間、および、予め記憶している判別関数に基づいて、歩行動作の種類を判別し、判別結果である歩行動作の種類を出力部240に出力する。
出力部240は、右脚310および左脚310の各電極70,80に出力させる電気刺激の大きさを、判別値演算部232が出力した歩行動作の種類および歩行フェーズに基づいて個別に設定し、設定した電気刺激を出力させるための指令信号を生成する。出力部240は、一例として、脚310の大腿電極70および下腿電極80に対して同じタイミングで電気刺激を出力させる。
大腿電極70および下腿電極80は、それぞれ、出力部240が出力した指令信号を受信したことに基づいて、歩行動作の種類および歩行フェーズに応じた電気刺激を出力する。各電極70,80が、対応する脚310に電気刺激を与えることにより、この脚310の筋肉が収縮する。なお、体動判別装置100の一形態は、大腿センサー110、下腿センサー120、および、判別部210を含む。
図6を参照して、歩行フェーズの判別方法について説明する。
フェーズ判別部220は、予め設定された判別関数に基づいて、そのときどきの歩行フェーズが立脚前期、立脚後期、遊脚前期、および、遊脚後期のいずれに該当するかを判別する。判別関数は、一例として、下記式[1]により記述される。
フェーズ判別部220は、予め設定された判別関数に基づいて、そのときどきの歩行フェーズが立脚前期、立脚後期、遊脚前期、および、遊脚後期のいずれに該当するかを判別する。判別関数は、一例として、下記式[1]により記述される。
係数a,b,c,d(以下、「係数a〜d」)および定数Cは、一例として、多変数解析手法の1手法である判別分析法を用いて設定される。これらの係数a〜dおよび定数Cの設定方法の一例を以下に示す。
判別関数の立案者は、歩行フェーズと相関を持つパラメーターを測定する歩行テストを実施する。この歩行テストによれば、大腿センサー110および下腿センサー120とは別のセンサーを複数の被験者の身体に取り付け、被験者が歩行動作することにより得られるセンサーの出力を記録する。別のセンサーの一例は、足にかかる力を検知する圧力センサーである。次に、センサーの出力に基づいて歩行フェーズ毎に変数X1〜X4を算出する。
立案者は、センサーの出力から得られた多数の変数X1〜X4を、判別の目的としての歩行フェーズを示す群、および、判別の目的としての歩行フェーズを示さない群にグループ化するための判別関数を判別分析法により立案する。このとき、そのような判別関数が得られるように係数a〜dおよび定数Cが設定される。係数a〜dは、歩行フェーズ毎に設定される。
判別値Zの1つである所定閾値は、任意の変数X1〜X4に基づいて算出される判別値Zが属する群を判別する。判別関数が持つ所定閾値の一例は、「0」である。判別関数が目的の歩行フェーズに対応する係数a〜dを持つ場合、変数X1〜X4を代入して得られた判別値Zが所定閾値よりも大きいとき、すなわち、正の値を取るとき、その判別値Zは判別の目的としての歩行フェーズを示す群に属する。一方、得られた判別値Zが所定閾値よりも小さいとき、すなわち、負の値を取るとき、その判別値Zは判別の目的としての歩行フェーズを示さない群に属する。
フェーズ判別部220による具体的な歩行フェーズの判別方法を以下に示す。
フェーズ判別部220は、右脚310の大腿センサー110および下腿センサー120の検知結果に基づく歩行フェーズの判別、ならびに、左脚310の大腿センサー110および下腿センサー120の検知結果に基づく歩行フェーズの判別を実行する。フェーズ判別部220は、歩行フェーズ毎に設定された係数a〜dの組み合わせ、および、この組み合わせに対応付けて設定された複数の所定閾値を記憶している。複数の所定閾値の一例は、第1閾値TH1、第2閾値TH2、第3閾値TH3、および、第4閾値TH4(以下、「閾値TH1〜TH4」)であり、この一例ではこれらの閾値がいずれも「0」に設定されている。
フェーズ判別部220は、右脚310の大腿センサー110および下腿センサー120の検知結果に基づく歩行フェーズの判別、ならびに、左脚310の大腿センサー110および下腿センサー120の検知結果に基づく歩行フェーズの判別を実行する。フェーズ判別部220は、歩行フェーズ毎に設定された係数a〜dの組み合わせ、および、この組み合わせに対応付けて設定された複数の所定閾値を記憶している。複数の所定閾値の一例は、第1閾値TH1、第2閾値TH2、第3閾値TH3、および、第4閾値TH4(以下、「閾値TH1〜TH4」)であり、この一例ではこれらの閾値がいずれも「0」に設定されている。
演算処理部221は、大腿検知信号STおよび下腿検知信号SLに基づいて、変数X1〜X4を算出する。演算処理部221は、歩行フェーズ毎の係数a〜dの組み合わせのなかから、予め設定されたルールに従い1つの組み合わせを選択し、判別関数に代入する。演算処理部221は、この判別関数、および、変数X1〜X4に基づいて判別値Zを算出する。
比較部222は、演算処理部221において算出された判別値Zと、係数a〜dの組み合わせに対応する所定閾値とを比較し、判別値Zが正の値および負の値のいずれを取るかを判定する。なお、比較部222は、判別値Zが所定閾値と一致するとき、一例として、判別結果を確定することを保留し、新しく取得した判別値Zに基づいて上記と同様の比較を再び実行する。
比較部222は、判別値Zが正の値を取るとき(判別値Zが所定閾値よりも大きいとき)、そのときの歩行フェーズが係数a〜dの組み合わせに対応する歩行フェーズに該当すると判別する。すなわち、比較部222は、そのときの歩行フェーズを複数の歩行フェーズのうちの1つの歩行フェーズに特定する。この場合、比較部222は、判別結果である歩行フェーズを動作種類判別部230および出力部240に出力する。
比較部222は、判別値Zが負の値を取るとき(判別値Zが所定閾値よりも小さいとき)、そのときの歩行フェーズが係数a〜dの組み合わせに対応する歩行フェーズに該当しないと判別する。すなわち、比較部222は、そのときの歩行フェーズが複数の歩行フェーズのうちのいくつかの歩行フェーズに該当すると判別する。この場合、比較部222は、判別結果であるいくつかの歩行フェーズを論理演算部223に出力する。
論理演算部223は、比較部222の判別結果に基づいて論理演算を実行し、そのときの歩行フェーズを複数の歩行フェーズのうちの1つの歩行フェーズに特定し、その結果を動作種類判別部230に出力する。なお、論理演算部223は、そのときの歩行フェーズを複数の歩行フェーズのうちの1つの歩行フェーズに特定できるまで、比較部222の判別結果を順次蓄積して論理演算を繰り返す。
図6(a)は、平地歩行にともなう判別値Zの変化の一例を示している。図6(b)は、判別値Zに基づいて判別された歩行フェーズを示している。なお、図6(a)において閾値TH1〜TH4により区画される判別値Zの各領域は、歩行フェーズが立脚期に該当する場合、および、歩行フェーズが遊脚期に該当する場合において、正および負の符号が互いに異なる。歩行フェーズが立脚期に該当する場合、各閾値TH1,TH2よりも上側の領域が判別値Zの正の領域であり、各閾値TH1,TH2よりも下側の領域が判別値Zの負の領域である。歩行フェーズが遊脚期に該当する場合、各閾値TH3,TH4よりも下側の領域が判別値Zの正の領域であり、各閾値TH3,TH4よりも上側の領域が判別値Zの負の領域である。
歩行フェーズが立脚前期のとき、時刻t11〜t12の期間に示されるとおり、判別値Zが第1閾値TH1よりも大きい値を取る。このため、フェーズ判別部220は、歩行フェーズが立脚前期であると判定する。
歩行フェーズが立脚後期のとき、時刻t12〜t13の期間に示されるとおり、判別値Zが第2閾値TH2よりも大きい値を取る。このため、フェーズ判別部220は、歩行フェーズが立脚前期であると判定する。
歩行フェーズが遊脚前期のとき、時刻t13〜t14の期間に示されるとおり、判別値Zが第3閾値TH3よりも大きい値を取る。このため、フェーズ判別部220は、歩行フェーズが遊脚前期であると判定する。
歩行フェーズが遊脚前期のとき、時刻t14〜t15の期間に示されるとおり、判別値Zが第4閾値TH4よりも大きい値を取る。このため、フェーズ判別部220は、歩行フェーズが遊脚後期であると判定する。
図7A〜図7Cを参照して、歩行動作の種類の判別方法について説明する。
歩行動作の種類の違いは、身体の動作に関する各種のパラメーターに現れる。本願発明者は、そのようなパラメーターのなかでも、遊脚期に関連する時間が、歩行動作の種類の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。体動判別装置100は、このような事項を踏まえ、遊脚期に関連する時間を変数として記述される判別関数を用いて、歩行動作の種類を判別する。
歩行動作の種類の違いは、身体の動作に関する各種のパラメーターに現れる。本願発明者は、そのようなパラメーターのなかでも、遊脚期に関連する時間が、歩行動作の種類の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。体動判別装置100は、このような事項を踏まえ、遊脚期に関連する時間を変数として記述される判別関数を用いて、歩行動作の種類を判別する。
遊脚期に関連する時間が、上記のとおり歩行動作の種類を反映する理由は、次のように考えられる。脚310は、平地歩行の遊脚期、および、昇降歩行の遊脚期において、互いに異なる動作を形成する。一方、任意の歩行動作における歩行フェーズが遊脚期に該当する場合、足が接地面から離れている。このため、遊脚期は、実質的に歩行フェーズの全期間において足が接地面と接触している立脚期と比較して、平地歩行における脚310の動作、および、昇降歩行における脚310の動作のそれぞれの特徴が現れやすい。このため、平地歩行および昇降歩行の違いが、遊脚期に関連する時間に反映されると考えられる。
また、脚310は、階段昇り歩行の遊脚期、および、階段降り歩行の遊脚期において、互いに異なる動作を形成する。このため、階段昇り歩行および階段降り歩行の違いも遊脚期に関連する時間に反映されると考えられる。
このため、遊脚期に関連する時間に基づいて、歩行動作の種類が平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のいずれに該当するかを適切に判別することができると考えられる。
体動判別装置100に含まれる構成要素のうちの動作種類判別部230が、歩行動作の種類を判別する役割を持つ。動作種類判別部230は、予め設定された複数の判別関数に基づいて、そのときどきの歩行動作の種類が平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のいずれに該当するかを判別する。複数の判別関数は、一例として、下記式[2]、下記式[3]、および、下記式[4]により記述される。
式[2]の係数a1,b1,c1(以下、「係数a1〜c1」)および定数C1は、一例として、多変数解析手法の1手法である判別分析法を用いて設定される。式[3]の係数a2,b2,c2(以下、「係数a2〜c2」)および定数C2、ならびに、式[4]の係数a3,b3,c3(以下、「係数a3〜c3」)および定数C3も同様に設定される。これらの係数および定数の設定方法の一例を以下に示す。
判別関数の立案者は、歩行動作の種類と相関を持つパラメーターを測定する歩行テストを実施する。この歩行テストによれば、複数の被験者が、平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のそれぞれの歩行動作を形成し、歩行動作の種類が既知である条件において、フェーズ判別部220を含む計測装置により歩行フェーズを判別する。次に、この判別結果に基づいて、それぞれの歩行動作における遊脚前期時間である変数Xm1、遊脚後期時間である変数Xm2、および、差時間である変数Xm3を算出する。
立案者は、測定により得られた多数の変数Xm1〜Xm3を、平地歩行および階段昇り歩行を示す群、および、階段降り歩行および階段昇り歩行を示す群にグループ化するための判別関数を判別分析法により立案する。このとき、そのような判別関数が得られるように、式[2]における係数a1〜c1および定数C1が設定される。
式[2]における第1判別値Z1の1つである第1判別閾値TX1は、任意の変数Xm1〜Xm3に基づいて算出される第1判別値Z1が属する群を判別する。判別関数が持つ第1判別閾値TX1の一例は、「0」である。変数Xm1〜Xm3を式[2]に代入して得られた第1判別値Z1が第1判別閾値TX1よりも大きいとき、すなわち、正の値を取るとき、その第1判別値Z1は平地歩行および階段昇り歩行を示す群に属する。一方、得られた第1判別値Z1が第1判別閾値TX1よりも小さいとき、すなわち、負の値を取るとき、その第1判別値Z1は階段降り歩行および階段昇り歩行を示す群に属する。
立案者は、測定により得られた多数の変数Xm1〜Xm3を、平地歩行および階段降り歩行を示す群、および、階段昇り歩行および階段降り歩行を示す群にグループ化するための判別関数を判別分析法により立案する。このとき、そのような判別関数が得られるように、式[3]における係数a2〜c2および定数C2が設定される。
式[3]における第2判別値Z2の1つである第2判別閾値TX2は、任意の変数Xm1〜Xm3に基づいて算出される第2判別値Z2が属する群を判別する。判別関数が持つ第2判別閾値TX2の一例は、「0」である。変数Xm1〜Xm3を式[3]に代入して得られた第2判別値Z2が第2判別閾値TX2よりも大きいとき、すなわち、正の値を取るとき、その第2判別値Z2は平地歩行および階段降り歩行を示す群に属する。一方、得られた第2判別値Z2が第2判別閾値TX2よりも小さいとき、すなわち、負の値を取るとき、その第2判別値Z2は階段昇り歩行および階段降り歩行を示す群に属する。
立案者は、測定により得られた多数の変数Xm1〜Xm3を、階段降り歩行および平地歩行を示す群、および、階段昇り歩行および平地歩行を示す群にグループ化するための判別関数を判別分析法により立案する。このとき、そのような判別関数が得られるように、式[4]における係数a3〜c3および定数C3が設定される。
式[4]における第3判別値Z3の1つである第3判別閾値TX3は、任意の変数Xm1〜Xm3に基づいて算出される第3判別値Z3が属する群を判別する。判別関数が持つ第3判別閾値TX3の一例は、「0」である。変数Xm1〜Xm3を式[4]に代入して得られた第3判別値Z3が第3判別閾値TX3よりも大きいとき、すなわち、正の値を取るとき、その第3判別値Z3は階段降り歩行および平地歩行を示す群に属する。一方、得られた第3判別値Z3が第3判別閾値TX3よりも小さいとき、すなわち、負の値を取るとき、その第3判別値Z3は階段昇り歩行および平地歩行を示す群に属する。
図7Aは、第1判別値Z1および第2判別値Z2の座標平面を示している。横の座標軸は、第1判別値Z1の軸を示している。縦の座標軸は、第2判別値Z2の軸を示している。第1判別閾値TX1である「0」の第1判別値Z1は、縦の座標軸と一致している。第2判別閾値TX2である「0」の第2判別値Z2は、横の座標軸と一致している。
縦の座標軸よりも右側の領域は、第1判別値Z1が正の符号を持つ領域を示している。縦の座標軸よりも左側の領域は、第1判別値Z1が負の符号を持つ領域を示している。横の座標軸よりも上側の領域は、第2判別値Z2が正の符号を持つ領域を示している。横の座標軸よりも下側の領域は、第2判別値Z2が負の符号を持つ領域を示している。
図7Aの座標平面の第1象限は、第1判別値Z1が正の値を取り、かつ、第2判別値Z2が正の値を取る領域を規定している。このため、第1象限に属する点は、第1判別閾値TX1により階段降り歩行を示す群に属さないことが判別され、第2判別閾値TX2により階段昇り歩行を示す群に属さないことが判別される。このため、第1象限は、その象限に属する点が平地歩行を示す群に属することを示す。
図7Bは、第2判別値Z2および第3判別値Z3の座標平面を示している。横の座標軸は、第2判別値Z2の軸を示している。縦の座標軸は、第3判別値Z3の軸を示している。第2判別閾値TX2である「0」の第2判別値Z2は、縦の座標軸と一致している。第3判別閾値TX3である「0」の第3判別値Z3は、横の座標軸と一致している。
縦の座標軸よりも右側の領域は、第2判別値Z2が正の符号を持つ領域を示している。縦の座標軸よりも左側の領域は、第2判別値Z2が負の符号を持つ領域を示している。横の座標軸よりも上側の領域は、第3判別値Z3が正の符号を持つ領域を示している。横の座標軸よりも下側の領域は、第3判別値Z3が負の符号を持つ領域を示している。
図7Bの座標平面の第3象限は、第3判別値Z3が負の値を取り、かつ、第2判別値Z2が負の値を取る領域を規定している。このため、第3象限に属する点は、第3判別閾値TX3により階段降り歩行を示す群に属さないことが判別され、第2判別閾値TX2により平地歩行を示す群に属さないことが判別される。このため、第3象限は、その象限に属する点が階段昇り歩行を示す群に属することを示す。
図7Cは、第3判別値Z3および第1判別値Z1の座標平面を示している。横の座標軸は、第3判別値Z3の軸を示している。縦の座標軸は、第1判別値Z1の軸を示している。第3判別閾値TX3である「0」の第3判別値Z3は、縦の座標軸と一致している。第1判別閾値TX1である「0」の第1判別値Z1は、横の座標軸と一致している。
縦の座標軸よりも右側の領域は、第3判別値Z3が正の符号を持つ領域を示している。縦の座標軸よりも左側の領域は、第3判別値Z3が負の符号を持つ領域を示している。横の座標軸よりも上側の領域は、第1判別値Z1が正の符号を持つ領域を示している。横の座標軸よりも下側の領域は、第1判別値Z1が負の符号を持つ領域を示している。
図7Cの座標平面の第4象限は、第3判別値Z3が正の値を取り、かつ、第1判別値Z1が負の値を取る領域を規定している。このため、第4象限に属する点は、第3判別閾値TX3により階段昇り歩行を示す群に属さないことが判別され、第1判別閾値TX1により平地歩行を示す群に属さないことが判別される。このため、第4象限は、その象限に属する点が階段降り歩行を示す群に属することを示す。
図7A〜図7Cの各記号は、それぞれ、歩行動作の種類に関する歩行テストにより得られた第1判別値Z1および第2判別値Z2の点、第2判別値Z2および第3判別値Z3の点、ならびに、第3判別値Z3および第1判別値Z1の点を示している。
図7Aに示されるとおり、被験者が平地歩行しているときに得られた第1判別値Z1および第2判別値Z2の点は、概ね第1象限に属している。この結果から、式[2]の判別関数により、歩行動作の種類を平地歩行と判別できることが示されている。
図7Bに示されるとおり、被験者が階段昇り歩行しているときに得られた第2判別値Z2および第3判別値Z3の点は、概ね第3象限に属している。この結果から、式[3]の判別関数により、歩行動作の種類を階段昇り歩行と判別できることが示されている。
図7Cに示されるとおり、被験者が階段降り歩行しているときに得られた第3判別値Z3および第1判別値Z1の点は、概ね第4象限に属している。この結果から、式[4]の判別関数により、歩行動作の種類を階段降り歩行と判別できることが示されている。
動作種類判別部230による具体的な歩行動作の種類の判別方法を以下に示す。
動作種類判別部230は、式[2]〜式[4]により記述される各判別関数、ならびに、第1判別閾値TX1、第2判別閾値TX2、および、第3判別閾値TX3(以下、「判別閾値TX1〜TX3」)を予め記憶している。
動作種類判別部230は、式[2]〜式[4]により記述される各判別関数、ならびに、第1判別閾値TX1、第2判別閾値TX2、および、第3判別閾値TX3(以下、「判別閾値TX1〜TX3」)を予め記憶している。
時間記憶部231は、フェーズ判別部220の判別結果に基づいて、区分時間である遊脚前期時間および遊脚後期時間、ならびに、組合時間である差時間を算出し、算出した各時間を順次記憶する。
判別値演算部232は、時間記憶部231が記憶している遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、差時間、ならびに、式[2]〜式[4]に基づいて、第1判別値Z1、第2判別値Z2、および、第3判別値Z3(以下、「判別値Z1〜Z3」)を算出する。判別値演算部232は、第1判別値Z1と第1判別閾値TX1との比較、第2判別値Z2と第2判別閾値TX2との比較、および、第3判別値Z3と第3判別閾値TX3との比較を実行する。
判別値演算部232は、第1判別値Z1が第1判別閾値TX1よりも大きく、すなわち、正の値を取り、かつ、第2判別値Z2が第2判別閾値TX2よりも大きいとき、すなわち、正の値を取るとき、歩行動作の種類が平地歩行に該当すると判別する。この判別結果は、第1判別値Z1および第2判別値Z2が、図7Aに示される座標平面の第1象限に属することにより、歩行動作の種類が平地歩行と判別される場合と実質的に同じことを示している。
判別値演算部232は、第2判別値Z2が第2判別閾値TX2よりも小さく、すなわち、負の値を取り、かつ、第3判別値Z3が第3判別閾値TX3よりも小さいとき、すなわち、負の値を取るとき、歩行動作の種類が階段昇り歩行に該当すると判別する。この判別結果は、第2判別値Z2および第3判別値Z3が、図7Bに示される座標平面の第3象限に属することにより、歩行動作の種類が階段昇り歩行と判別される場合と実質的に同じことを示している。
判別値演算部232は、第3判別値Z3が第3判別閾値TX3よりも大きく、すなわち、正の値を取り、かつ、第1判別値Z1が第1判別閾値TX1よりも小さいとき、すなわち、負の値を取るとき、歩行動作の種類が階段降り歩行に該当すると判別する。この判別結果は、第3判別値Z3および第1判別値Z1が、図7Cに示される座標平面の第4象限に属することにより、歩行動作の種類が階段降り歩行と判別される場合と実質的に同じことを示している。
なお、判別値演算部232は、判別値Z1〜Z3の少なくとも1つが、対応する判別閾値TX1〜TX3と一致するとき、一例として、判別結果を確定することを保留し、新しく取得した判別値Z1〜Z3に基づいて上記と同様の比較を再び実行する。
図8A〜図8Cを参照して、電気刺激の出力方法について説明する。
出力部240は、歩行動作の種類および歩行フェーズに応じて電気刺激の強さを変化させるための複数のマップを予め記憶している。その一例は、図8Aに示される歩行種類対応刺激マップ、図8Bに示される平地歩行専用刺激マップ、および、図8Cに示されるフェーズ対応刺激マップである。出力部240は、一例として、ボタン51の操作により選択された刺激出力モードに基づいて、そのモードに対応するマップを選択する。
出力部240は、歩行動作の種類および歩行フェーズに応じて電気刺激の強さを変化させるための複数のマップを予め記憶している。その一例は、図8Aに示される歩行種類対応刺激マップ、図8Bに示される平地歩行専用刺激マップ、および、図8Cに示されるフェーズ対応刺激マップである。出力部240は、一例として、ボタン51の操作により選択された刺激出力モードに基づいて、そのモードに対応するマップを選択する。
使用者300は、ボタン51を操作することにより、複数の刺激出力モードのうちの任意のモードを選択できる。複数の刺激出力モードの一例は、歩行種類対応刺激モード、平地歩行専用刺激モード、および、フェーズ対応刺激モードである。
出力部240は、ボタン51により歩行種類対応刺激モードが選択されているとき、歩行種類対応刺激マップを選択する。出力部240は、ボタン51により平地歩行専用刺激モードが選択されているとき、平地歩行専用刺激マップを選択する。出力部240は、ボタン51によりフェーズ対応刺激モードが選択されているとき、フェーズ対応刺激マップを選択する。
出力部240は、選択したマップ、および、予め規定された演算式に基づいて、各電極70,80に出力させる電気刺激の強さを決める電流値Iを算出し、算出した電流値Iを各電極70,80に出力する。上記演算式は、一例として、下記式[5]により記述される。
係数Kは、歩行動作の種類および歩行フェーズに応じて電気刺激の強さを変化させる役割を持つ。係数Kは、定数Bが最大値を取る場合において、人体が電気刺激を受けたときに強い痛みを感じない範囲の大きさを取ることが好ましい。
図8Aは、歩行種類対応刺激マップの一例を示している。
係数Kは、歩行動作の種類に応じて異なる値を取り、かつ、それぞれの歩行動作においていずれの歩行フェーズにおいても同じ値を取る。係数Kは、平地歩行に対応する係数K、階段降り歩行に対応する係数K、および、階段昇り歩行に対応する係数Kの順に大きくなる。この係数Kの設定形態は、脚310にかかる負荷が大きい歩行動作が形成されているときに、脚310に与える電気刺激を強くすることを意図している。
係数Kは、歩行動作の種類に応じて異なる値を取り、かつ、それぞれの歩行動作においていずれの歩行フェーズにおいても同じ値を取る。係数Kは、平地歩行に対応する係数K、階段降り歩行に対応する係数K、および、階段昇り歩行に対応する係数Kの順に大きくなる。この係数Kの設定形態は、脚310にかかる負荷が大きい歩行動作が形成されているときに、脚310に与える電気刺激を強くすることを意図している。
図8Bは、平地歩行専用刺激マップの一例を示している。
係数Kは、歩行動作の種類が平地歩行に該当するときに「0」より大きい値を取り、かつ、平地歩行のいずれの歩行フェーズにおいても同じ値を取る。係数Kは、歩行動作の種類が階段降り歩行または階段昇り歩行に該当するとき、「0」を取る。この係数Kの設定形態は、階段降り歩行および階段昇り歩行が形成されるときに、脚310に電気刺激を与えないことを意図している。
係数Kは、歩行動作の種類が平地歩行に該当するときに「0」より大きい値を取り、かつ、平地歩行のいずれの歩行フェーズにおいても同じ値を取る。係数Kは、歩行動作の種類が階段降り歩行または階段昇り歩行に該当するとき、「0」を取る。この係数Kの設定形態は、階段降り歩行および階段昇り歩行が形成されるときに、脚310に電気刺激を与えないことを意図している。
図8Cは、フェーズ対応刺激マップの一例を示している。
係数Kは、それぞれの歩行動作において歩行フェーズ毎に異なる値を取る。この係数Kの設定形態は、脚310が形成する歩行動作および歩行フェーズに応じて、各種の観点から決められた好ましいと推定される電気刺激を脚310に与えることを意図している。
係数Kは、それぞれの歩行動作において歩行フェーズ毎に異なる値を取る。この係数Kの設定形態は、脚310が形成する歩行動作および歩行フェーズに応じて、各種の観点から決められた好ましいと推定される電気刺激を脚310に与えることを意図している。
各歩行動作の遊脚期が形成されているとき、脚310に電気刺激が与えられても、立脚期において脚310に電気刺激が与えられる場合と比較して、電気刺激がもたらす効果が小さいと推定されることがある。このため、電気刺激を効率的に脚310に与えることを意図して、各歩行動作の遊脚期に対応する係数Kが「0」に設定されている。
平地歩行によれば、立脚前期が形成されている場合、立脚後期が形成されている場合と比較して、脚310にかかる負荷が大きいと推定されることがある。このため、立脚前期において脚310にかかる負荷を相対的に小さくすることを意図して、平地歩行の立脚前期に対応する係数Kが、平地歩行の立脚後期に対応する係数Kよりも大きい値に設定されている。
階段降り歩行によれば、立脚前期が形成されている場合、立脚後期が形成されている場合と比較して、脚310にかかる負荷が大きいと推定されることがある。このため、立脚前期において脚310にかかる負荷を相対的に小さくすることを意図して、階段降り歩行の立脚前期に対応する係数Kが、階段降り歩行の立脚後期に対応する係数Kよりも大きい値に設定されている。
階段昇り歩行によれば、立脚後期が形成されている場合、立脚前期が形成されている場合と比較して、脚310にかかる負荷が大きいと推定されることがある。このため、立脚後期において脚310にかかる負荷を相対的に小さくすることを意図して、階段昇り歩行の立脚後期に対応する係数Kが、階段昇り歩行の立脚前期に対応する係数Kよりも大きい値に設定されている。
階段昇り歩行の立脚前期に脚310にかかる負荷は、階段降り歩行の立脚後期に脚310にかかる負荷、および、平地歩行の立脚前期に脚310にかかる負荷よりも大きくなりやすい。階段降り歩行の立脚後期に脚310にかかる負荷は、平地歩行の立脚前期に脚310にかかる負荷よりも大きくなりやすい。このため、係数Kは、階段昇り歩行の立脚前期に対応する係数K、階段降り歩行の立脚後期に対応する係数K、および、平地歩行の立脚前期に対応する係数Kの順に大きい値に設定されている。
図9を参照して、人体刺激装置10により得られる効果の一例について説明する。
変形性膝関節症を持つ人が歩行するとき、歩行動作にともない膝の痛みを感じやすい。痛みの発生原因の1つは、脚310の動作にともない下腿が大腿に対して左右方向に触れることである。一方、人体刺激装置10は、脚310に電気刺激を与えることにより、そのような下腿の振れを小さくし、使用者300の痛みを緩和する効果をもたらすことができる。
変形性膝関節症を持つ人が歩行するとき、歩行動作にともない膝の痛みを感じやすい。痛みの発生原因の1つは、脚310の動作にともない下腿が大腿に対して左右方向に触れることである。一方、人体刺激装置10は、脚310に電気刺激を与えることにより、そのような下腿の振れを小さくし、使用者300の痛みを緩和する効果をもたらすことができる。
本願発明者は、確認試験を実施することにより、人体刺激装置10が上記効果を奏することを確認した。確認試験は、大腿の加速度面積を測定することにより、下腿の左右方向の振れと相関を持つ膝関節の回旋の程度を定量的に評価した。
本願発明者は、一例として、次の方法により確認試験を実施した。この試験に用いられた主な測定装置は、3軸加速度センサー、解析用演算装置、および、人体刺激装置10である。被験者は、左右の大腿のそれぞれに3軸加速度センサーおよび大腿電極70を取り付け、左右の下腿のそれぞれに下腿電極80を取り付け、次の2種類の条件下において歩行した。1つ目の条件では、被験者の平地歩行時において人体刺激装置10を動作させることにより、歩行動作にともない脚310に電気刺激を与えた。2つ目の条件では、人体刺激装置10を動作させていない状態において被験者が平地歩行した。
3軸加速度センサーは、大腿の加速度に応じて変化する信号を解析用演算装置に出力する。解析用演算装置は、3軸加速度センサーの出力信号に基づいて、加速度の左右方向成分の波形、加速度の垂直方向成分の波形、および、加速度の前後方向成分の波形のそれぞれの面積である加速度面積を算出する。
図9は、確認試験により得られた各方向成分の加速度面積の一例を示している。なお、以下で説明する確認試験の結果は、被験者が階段昇り歩行した場合、および、階段降り歩行した場合においても概ね共通している。
左右方向成分の加速度面積は、脚310が電気刺激を受けていない場合よりも脚310が電気刺激を受けている場合において小さくなる。この結果は、人体刺激装置10が脚310に電気刺激を与えることにより、平地歩行時において下腿が左右方向に触れにくいことを示している。このことにより、人体刺激装置10が脚310に電気刺激を与えることにより、下腿の振れが小さくなり、使用者300の痛みが緩和することが裏付けられている。
垂直方向成分の加速度面積は、脚310が電気刺激を受けていない場合よりも脚310が電気刺激を受けている場合において大きくなる。この結果は、人体刺激装置10が脚310に電気刺激を与えることにより、平地歩行時における大腿の垂直方向の運動速度が高められていることを示している。
前後方向成分の加速度面積は、脚310が電気刺激を受けていない場合よりも脚310が電気刺激を受けている場合において大きくなる。この結果は、人体刺激装置10が脚310に電気刺激を与えることにより、平地歩行時における大腿の前後方向の運動速度が高められていることを示している。
人体刺激装置10によれば、以下の効果が得られる。
(1)歩行動作の種類の違いは、身体の動作に関する各種のパラメーターに現れる。本願発明者は、そのようなパラメーターのなかでも、遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、差時間のそれぞれが、歩行動作の種類の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。
(1)歩行動作の種類の違いは、身体の動作に関する各種のパラメーターに現れる。本願発明者は、そのようなパラメーターのなかでも、遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、差時間のそれぞれが、歩行動作の種類の違いを明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。
体動判別装置100は、このような事項を踏まえ、遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、差時間を変数として規定する判別関数である式[2]〜式[4]を用いて、歩行動作の種類を判別する。このため、歩行動作の種類を適切に判別することができる。
(2)脚310にかかる負荷は、歩行動作の種類および歩行フェーズに応じて異なる。人体刺激装置10は、このような事項を踏まえ、歩行動作の種類および歩行フェーズに応じて規定された係数Kに基づいて、各電極70,80に出力させる電気刺激の強さを設定している。このため、歩行動作の種類および歩行フェーズに応じた強さの電気刺激を脚310に与えることができる。
(3)昇降歩行は、平地歩行と比較して身体のバランスの安定性が低い。また、人体刺激装置10が脚310に電気刺激を与えた場合、その刺激に対して使用者300が取り得る動作は、使用者300の身体の状態、および、与えられる電気刺激に対して向けられる意識の度合等に応じて異なる。このため、昇降歩行によれば、平地歩行と比較して、人体刺激装置10が脚310に電気刺激を付与することにより身体のバランスの不安定さが強められるおそれがある。
人体刺激装置10は、このような事項を踏まえ、使用者300が昇降歩行しているとき、電気刺激の出力を停止する。このため、人体刺激装置10を使用していない場合と実質的に同じ感覚が得られる。このため、使用者300が昇降歩行しているときに、人体刺激装置10に起因して身体のバランスが不安定化することが回避される。
(4)歩行動作の種類が階段昇り歩行のときに脚310にかかる負荷、および、歩行動作の種類が階段降り歩行のときに脚310にかかる負荷は、互いに異なる。人体刺激装置10は、このような事項を踏まえ、歩行動作の種類に応じて規定された係数Kに基づいて、各電極70,80に出力させる電気刺激の強さを設定している。このため、歩行動作の種類に応じた強さの電気刺激を脚310に与えることができる。
(5)歩行フェーズが立脚前期のときに脚310にかかる負荷、および、歩行フェーズが立脚後期のときに脚310にかかる負荷は、互いに異なる。人体刺激装置10は、このような事項を踏まえ、歩行フェーズに応じて規定された係数Kに基づいて、各電極70,80に出力させる電気刺激の強さを設定している。このため、歩行フェーズに応じた強さの電気刺激を脚310に与えることができる。
(6)人体刺激装置10は、電気刺激を使用者300に与える。このため、出力する電気刺激の応答速度が高いことにより、歩行動作における多様な脚310の動きの変化に応じて、脚310により適切に電気刺激を与えることができる。
(第2実施形態)
第2実施形態の人体刺激装置10Xは、以下に説明する点において第1実施形態の人体刺激装置10と相違し、その他の点において第1実施形態の人体刺激装置10と実質的に同じ構成を有している。なお、第2実施形態の人体刺激装置10Xの説明は、第1実施形態の人体刺激装置10と共通する構成に同一の符号を付し、共通する構成の説明の一部または全部を省略している。
第2実施形態の人体刺激装置10Xは、以下に説明する点において第1実施形態の人体刺激装置10と相違し、その他の点において第1実施形態の人体刺激装置10と実質的に同じ構成を有している。なお、第2実施形態の人体刺激装置10Xの説明は、第1実施形態の人体刺激装置10と共通する構成に同一の符号を付し、共通する構成の説明の一部または全部を省略している。
第1実施形態の体動判別装置100は、加速度センサーである大腿センサー110、および、加速度センサーである下腿センサー120を有し、それぞれのセンサーの検知信号に基づいて歩行フェーズを判別する。一方、第2実施形態の体動判別装置100Xは、角速度センサーである大腿センサー110、角速度センサーである下腿センサー120、圧力センサーである爪先センサー130、および、圧力センサーである踵センサー140を有する。体動判別装置100Xは、これらのセンサーの検知信号に基づいて歩行フェーズを判別する。なお、このような第2実施形態の人体刺激装置10Xによれば、第1実施形態の人体刺激装置10により得られる(1)〜(6)の効果に準じた効果が得られる。
図10は、第2実施形態の人体刺激装置10Xの機能ブロックの構成を示している。人体刺激装置10Xは、第1実施形態の人体刺激装置10の各構成要素に加え、右足用の靴90、左足用の靴90、爪先センサー130、および、踵センサー140をさらに含む。なお、右足用の靴90および左足用の靴90は、身体の正中面に対して左右対称の関係を有し、実質的に同じ構成を有している。以下の説明は、右足用の靴90および左足用の靴90に共通する事項を説明する場合、靴90の種類を区別していない。
靴90の爪先の部分が、爪先センサー130を保持している。爪先センサー130の一例である圧力センサーは、爪先に作用する圧力に応じて変化する爪先検知信号SFを、コントローラー50に出力する。爪先センサー130の出力特性の一例によれば、爪先に作用する圧力が大きくなるにつれて爪先検知信号SFが小さくなる。
靴90の踵の部分が、踵センサー140を保持している。踵センサー140の一例である圧力センサーは、踵に作用する圧力に応じて変化する踵検知信号SHを、コントローラー50に出力する。踵センサー140の出力特性の一例によれば、踵に作用する圧力が大きくなるにつれて踵検知信号SHが小さくなる。
図11を参照して、歩行フェーズの判別方法について説明する。図11は、人が平地歩行しているときに得られる爪先検知信号SF、踵検知信号SH、大腿検知信号ST、および、下腿検知信号SLの変化の一例を示している。
1歩行周期における脚310の立脚期は、複数の歩行フェーズに区分される。立脚期は、一例として、3つの歩行フェーズである立脚前期、立脚中期、および、立脚後期に区分される。この区分によれば、立脚期の各期間は、それぞれ次の動作を示す。
立脚前期は、立脚期において、踵が接地面に接地してから、爪先が接地面に接地するまでの期間である。立脚中期は、立脚期において、爪先が接地面に接地してから、踵が接地面から離れるまでの期間である。立脚後期は、立脚期において、踵が接地面から離れてから、爪先が接地面から離れるまでの期間である。
歩行フェーズが立脚前期のとき、爪先が接地面から離れ、踵が接地している。このため、時刻t21〜t22の期間に示されるとおり、爪先検知信号SFが閾値XA以上の大きさを示し、踵検知信号SHが閾値XB未満の大きさを示す。
このように、爪先検知信号SFおよび閾値XAの関係、ならびに、踵検知信号SHおよび閾値XBの関係は、所定の組み合わせを持つとき、歩行フェーズが立脚前期であることを示唆する。このため、フェーズ判別部220は、一例として、次の2つの条件が成立することに基づいて、歩行フェーズが立脚前期に該当すると判定する。1つ目の条件は、爪先検知信号SFが閾値XA以上の大きさを示すことである。2つ目の条件は、踵検知信号SHが閾値XB未満を示すことである。
歩行フェーズが立脚中期のとき、爪先および踵が接地している。このため、時刻t22〜t23の期間に示されるとおり、爪先検知信号SFが閾値XA未満の大きさを示し、踵検知信号SHが閾値XB未満の大きさを示す。
このように、爪先検知信号SFおよび閾値XAの関係、ならびに、踵検知信号SHおよび閾値XBの関係は、所定の組み合わせを持つとき、歩行フェーズが立脚中期であることを示唆する。このため、フェーズ判別部220は、一例として、次の2つの条件が成立することに基づいて、歩行フェーズが立脚中期に該当すると判定する。1つ目の条件は、爪先検知信号SFが閾値XA未満を示すことである。2つ目の条件は、踵検知信号SHが閾値XB未満を示すことである。
歩行フェーズが立脚後期のとき、爪先が接地し、踵が接地面から離れている。このため、時刻t23〜t24の期間に示されるとおり、爪先検知信号SFが閾値XA未満の大きさを示し、踵検知信号SHが閾値XB以上の大きさを示す。
このように、爪先検知信号SFおよび閾値XAの関係、ならびに、踵検知信号SHおよび閾値XBの関係は、所定の組み合わせを持つとき、歩行フェーズが立脚後期であることを示唆する。このため、フェーズ判別部220は、一例として、次の2つの条件が成立することに基づいて、歩行フェーズが立脚後期に該当すると判定する。1つ目の条件は、爪先検知信号SFが閾値XA未満を示すことである。2つ目の条件は、踵検知信号SHが閾値XB以上を示すことである。
歩行フェーズが遊脚前期のとき、爪先および踵が接地面から離れている。このため、時刻t24〜t25の期間に示されるとおり、爪先検知信号SFが閾値XA以上の大きさを示し、踵検知信号SHが閾値XB以上の大きさを示す。また、歩行フェーズが遊脚前期のとき、大腿320が股関節を中心に前方に向けて回転している。このため、時刻t24〜t25の期間に示されるとおり、大腿検知信号STが増加傾向を示し、下腿検知信号SLが緩やかな変動を示す。
このように、爪先検知信号SFおよび閾値XAの関係、踵検知信号SHおよび閾値XBの関係、大腿検知信号STの変化傾向、ならびに、下腿検知信号SLの変化傾向は、所定の組み合わせを持つとき、歩行フェーズが遊脚前期であることを示唆する。このため、フェーズ判別部220は、一例として、次の4つの条件が成立することに基づいて、歩行フェーズが遊脚前期に該当すると判定する。1つ目の条件は、爪先検知信号SFが閾値XA以上の大きさを示すことである。2つ目の条件は、踵検知信号SHが閾値XB以上の大きさを示すことである。3つ目の条件は、大腿検知信号STの変化傾向が増加傾向を示すことである。4つ目の条件は、下腿検知信号SLの変化速度が所定速度未満を示すことである。
歩行フェーズが遊脚後期のとき、爪先および踵が接地面から離れている。このため、時刻t25〜t26の期間に示されるとおり、爪先検知信号SFが閾値XA以上の大きさを示し、踵検知信号SHが閾値XB以上の大きさを示す。また、歩行フェーズが遊脚後期のとき、大腿320の運動速度が次第に低下し、下腿330が膝関節を中心に前方に向けて回転している。このため、時刻t25〜t26の期間に示されるとおり、大腿検知信号STが減少傾向を示し、下腿検知信号SLが大きなピークを示す。
このように、爪先検知信号SFおよび閾値XAの関係、踵検知信号SHおよび閾値XBの関係、大腿検知信号STの変化傾向、ならびに、下腿検知信号SLの変化傾向は、所定の組み合わせを持つとき、歩行フェーズが遊脚後期であることを示唆する。このため、フェーズ判別部220は、一例として、次の4つの条件が成立することに基づいて、歩行フェーズが遊脚後期に該当すると判定する。1つ目の条件は、爪先検知信号SFが閾値XA以上を示すことである。2つ目の条件は、踵検知信号SHが閾値XB以上を示すことである。3つ目の条件は、大腿検知信号STの変化傾向が減少傾向を示すことである。4つ目の条件は、下腿検知信号SLが大きなピークを示すことである。
図8A〜図8Cを参照して、出力部240による電気刺激の出力方法について説明する。出力部240は、図8Aの歩行種類対応刺激マップに準じたマップ、図8Bの平地歩行専用刺激マップに準じたマップ、および、図8Cのフェーズ対応刺激マップに準じたマップを予め記憶している。出力部240は、第1実施形態の人体刺激装置10の出力部240と同様に、フェーズ判別部220による歩行フェーズの判別結果、動作種類判別部230による歩行動作の種類の判別結果、および、各マップに基づいて、電流値Iを算出する。なお、動作種類判別部230は、第1実施形態の人体刺激装置10の動作種類判別部230と同様の判別方法により、歩行動作の種類を判別する。
歩行種類対応刺激マップに準じたマップは、立脚期のグループに立脚中期の列を有する。立脚中期の列における係数Kは、歩行動作の種類に応じて設定されている。この列における各歩行動作の種類に対応した係数Kは、立脚前期および立脚後期の列における同一の歩行動作の種類に対応した係数Kと同じ値に設定されている。
平地歩行専用刺激マップに準じたマップは、立脚期のグループに立脚中期の列を有する。立脚中期の列における係数Kは、歩行動作の種類に応じて設定されている。この列における各歩行動作の種類に対応した係数Kは、立脚前期および立脚後期の列における同一の歩行動作の種類に対応した係数Kと同じ値に設定されている。
フェーズ対応刺激マップに準じたマップは、立脚期のグループに立脚中期の列を有する。立脚中期の列における係数Kは、歩行動作の種類に応じて設定されている。この列における各歩行動作の種類に対応した係数Kは、立脚前期および立脚後期の列における同一の歩行動作の種類に対応した係数Kよりも大きい値に設定されている。
各歩行動作によれば、立脚中期が形成されている場合、立脚前期および立脚後期が形成されている場合と比較して、脚310にかかる負荷が大きいと推定されることがある。このため、立脚中期において脚310にかかる負荷を相対的に小さくすることを意図して、各歩行動作の立脚中期に対応する係数Kが、同一の歩行動作における立脚前期および立脚後期に対応する係数Kよりも大きい値に設定されている。
階段昇り歩行の立脚中期、および、階段降り歩行の立脚中期に脚310にかかる負荷は、平地歩行の立脚中期に脚310にかかる負荷よりも大きくなりやすい。このため、フェーズ対応刺激マップに準じたマップの一例によれば、階段昇り歩行の立脚中期に対応する係数K、および、階段降り歩行の立脚中期に対応する係数Kが、平地歩行の立脚中期に対応する係数Kよりも大きい値に設定されている。なお、段昇り歩行の立脚中期に対応する係数K、および、階段降り歩行の立脚中期に対応する係数Kは、互いに同じ値、または、互いに異なる値に設定される。
階段昇り歩行の立脚中期、および、階段降り歩行の立脚中期に脚310にかかる負荷は、各歩行動作の立脚前期に脚310にかかる負荷、および、各歩行動作の立脚後期に脚310にかかる負荷よりも大きくなりやすい。このため、フェーズ対応刺激マップに準じたマップの一例によれば、階段昇り歩行の立脚中期に対応する係数K、および、階段降り歩行の立脚後期に対応する係数Kが、各歩行動作の立脚前期および立脚後期に対応する係数Kよりも大きい値に設定されている。なお、階段昇り歩行の立脚中期に対応する係数K、および、階段降り歩行の立脚後期に対応する係数Kは、互いに同じ値、または、互いに異なる値に設定される。
(第3実施形態)
第3実施形態の人体刺激装置10は、以下に説明する点において第1実施形態の人体刺激装置10と相違し、その他の点において第1実施形態の人体刺激装置10と実質的に同じ構成を有している。なお、第3実施形態の人体刺激装置10の説明は、第1実施形態の人体刺激装置10と共通する構成に同一の符号を付し、共通する構成の説明の一部または全部を省略している。
第3実施形態の人体刺激装置10は、以下に説明する点において第1実施形態の人体刺激装置10と相違し、その他の点において第1実施形態の人体刺激装置10と実質的に同じ構成を有している。なお、第3実施形態の人体刺激装置10の説明は、第1実施形態の人体刺激装置10と共通する構成に同一の符号を付し、共通する構成の説明の一部または全部を省略している。
第1実施形態の体動判別装置100は、式[2]〜式[4]により記述される判別関数を用いて、歩行動作の種類が平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のうちのいずれに該当するかを判別する。一方、第3実施形態の体動判別装置100は、1歩行周期が形成された時間である1歩行周期時間、および、区分時間の1つである遊脚後期時間を用いて演算した値に基づいて、歩行動作の種類が階段降り歩行に該当するか否かを判別する。なお、このような第3実施形態の人体刺激装置10によれば、第1実施形態の人体刺激装置10により得られる(2)、(5)、および、(6)の効果に準じた効果が得られる。
本願発明者は、身体の動作に関する各種のパラメーターのなかでも、1歩行周期時間および区分時間を用いて演算した値が、歩行動作の種類を明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。1歩行周期時間に対する区分時間の割合である区分時間割合は、1歩行周期時間および区分時間を用いて演算した値の一例に該当する。1歩行周期時間に対する遊脚後期時間の割合である遊脚後期割合は、区分時間割合の一例に該当する。
本願発明者は、遊脚後期割合が、歩行動作の種類が階段降り歩行に該当するか否かを明確に反映するパラメーターに該当することを実験等により確認した。第3実施形態の体動判別装置100は、このような事項を踏まえ、歩行動作の種類が階段降り歩行に該当するか否かを遊脚後期割合に基づいて判別する。
図12は、各歩行動作における遊脚後期割合を確認する歩行テストにより得られた結果の一例を示している。横軸は、被験者の1歩行周期時間の測定結果を示している。縦軸は、被験者の1歩行周期時間および遊脚後期時間を測定した結果から得られた遊脚後期割合を示している。
本歩行テストの結果は、遊脚後期割合が次のような特徴を持つことを示している。各歩行動作の遊脚後期割合は、1歩行周期時間に依存しない。階段降り歩行の遊脚後期割合と、平地歩行および階段昇り歩行の遊脚後期割合とは、互いに異なる群を形成する。本歩行テストの結果によれば、階段降り歩行の遊脚後期割合が閾値TXAよりも大きい遊脚後期割合の群を形成し、平地歩行および階段昇り歩行の遊脚後期割合が閾値TXAよりも小さい遊脚後期割合の群を形成している。このため、閾値TXAおよび遊脚後期割合の関係に基づいて、歩行動作の種類が階段降り歩行に該当するか否かを判別することができる。
図12を参照して、歩行動作の種類の具体的な判別手順について説明する。
時間記憶部231は、フェーズ判別部220が判別した歩行フェーズの判別結果に基づいて、1歩行周期時間、遊脚後期時間、および、遊脚後期割合を算出し、算出したこれらの時間を順次記憶する。
時間記憶部231は、フェーズ判別部220が判別した歩行フェーズの判別結果に基づいて、1歩行周期時間、遊脚後期時間、および、遊脚後期割合を算出し、算出したこれらの時間を順次記憶する。
判別値演算部232は、時間記憶部231により算出された遊脚後期割合と、予め記憶している閾値TXAとを比較する。判別値演算部232は、遊脚後期割合が閾値TXAよりも大きいとき、歩行動作の種類が階段降り歩行に該当すると判別する。判別値演算部232は、遊脚後期割合が閾値TXAよりも小さいとき、歩行動作の種類が平地歩行または階段昇り歩行に該当すると判別する。なお、判別値演算部232は、遊脚後期割合が閾値TXAと一致するとき、判別結果を確定することを保留し、新しく取得した遊脚後期割合に基づいて上記と同様の比較を再び実行する。
(第4実施形態)
第4実施形態の人体刺激装置10は、以下に説明する点において第1実施形態の人体刺激装置10と相違し、その他の点において第1実施形態の人体刺激装置10と実質的に同じ構成を有している。なお、第4実施形態の人体刺激装置10の説明は、第1実施形態の人体刺激装置10と共通する構成に同一の符号を付し、共通する構成の説明の一部または全部を省略している。
第4実施形態の人体刺激装置10は、以下に説明する点において第1実施形態の人体刺激装置10と相違し、その他の点において第1実施形態の人体刺激装置10と実質的に同じ構成を有している。なお、第4実施形態の人体刺激装置10の説明は、第1実施形態の人体刺激装置10と共通する構成に同一の符号を付し、共通する構成の説明の一部または全部を省略している。
第1実施形態の体動判別装置100は、式[2]〜式[4]により記述される判別関数を用いて、歩行動作の種類が平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のうちのいずれに該当するかを判別する。一方、第4実施形態の体動判別装置100は、1歩行周期時間および区分時間の1つである遊脚前期時間を用いて演算した値に基づいて、歩行動作の種類が階段降り歩行に該当するか否かを判別する。なお、このような第4実施形態の人体刺激装置10によれば、第1実施形態の人体刺激装置10により得られる(2)〜(6)の効果に準じた効果が得られる。
本願発明者は、区分時間割合の一例であり、1歩行周期時間に対する遊脚前期時間の割合である遊脚前期割合が、各歩行動作の種類を明確に反映するパラメーターに該当することを実験等により確認した。第4実施形態の体動判別装置100は、このような事項を踏まえ、歩行動作の種類が平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のいずれに該当するかを遊脚前期割合に基づいて判別する。
図13は、各歩行動作における遊脚前期割合を確認する歩行テストにより得られた結果の一例を示している。横軸は、被験者の1歩行周期時間の測定結果を示している。縦軸は、被験者の1歩行周期時間および遊脚前期時間を測定した結果から得られた遊脚前期割合を示している。
本歩行テストの結果は、遊脚前期割合が次のような特徴を持つことを示している。各歩行動作の遊脚前期割合は、1歩行周期時間に依存しない。平地歩行の遊脚前期割合、階段昇り歩行の遊脚前期割合、および、階段降り歩行の遊脚前期割合は、互いに異なる群を形成する。本歩行テストの結果によれば、平地歩行の遊脚前期割合が閾値TXBよりも大きい遊脚前期割合の群を形成し、階段降り歩行の遊脚前期割合が閾値TXCよりも小さい遊脚前期割合の群を形成している。また、階段昇り歩行の遊脚前期割合が閾値TXBと閾値TXCとの間の遊脚前期割合の群を形成している。このため、閾値TXB、閾値TXC、および、遊脚前期割合の関係に基づいて、歩行動作の種類が平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のいずれに該当するかを判別することができる。
図13を参照して、歩行動作の種類の具体的な判別手順について説明する。
時間記憶部231は、フェーズ判別部220が判別した歩行フェーズの判別結果に基づいて、1歩行周期時間、遊脚前期時間、および、遊脚前期割合を算出し、算出したこれらの時間を順次記憶する。
時間記憶部231は、フェーズ判別部220が判別した歩行フェーズの判別結果に基づいて、1歩行周期時間、遊脚前期時間、および、遊脚前期割合を算出し、算出したこれらの時間を順次記憶する。
判別値演算部232は、時間記憶部231により算出された遊脚前期割合と、予め記憶している閾値TXB,TXCとを比較する。判別値演算部232は、遊脚前期割合が閾値TXBよりも大きいとき、歩行動作の種類が平地歩行に該当すると判別する。判別値演算部232は、遊脚前期割合が閾値TXCよりも小さいとき、歩行動作の種類が階段降り歩行に該当すると判別する。判別値演算部232は、遊脚前期割合が閾値TXBよりも小さく、かつ、閾値TXCよりも大きいとき、歩行動作の種類が階段昇り歩行に該当すると判別する。なお、判別値演算部232は、遊脚前期割合が閾値TXBまたは閾値TXCと一致するとき、判別結果を確定することを保留し、新しく取得した遊脚前期割合に基づいて上記と同様の比較を再び実行する。
(第5実施形態)
第5実施形態の人体刺激装置10は、以下に説明する点において第1実施形態の人体刺激装置10と相違し、その他の点において第1実施形態の人体刺激装置10と実質的に同じ構成を有している。なお、第5実施形態の人体刺激装置10の説明は、第1実施形態の人体刺激装置10と共通する構成に同一の符号を付し、共通する構成の説明の一部または全部を省略している。
第5実施形態の人体刺激装置10は、以下に説明する点において第1実施形態の人体刺激装置10と相違し、その他の点において第1実施形態の人体刺激装置10と実質的に同じ構成を有している。なお、第5実施形態の人体刺激装置10の説明は、第1実施形態の人体刺激装置10と共通する構成に同一の符号を付し、共通する構成の説明の一部または全部を省略している。
第1実施形態の体動判別装置100は、式[2]〜式[4]により記述される判別関数を用いて、歩行動作の種類が平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のうちのいずれに該当するかを判別する。一方、第5実施形態の体動判別装置100は、1歩行周期が形成された時間である1歩行周期時間、および、組合時間の1つである差時間を用いて演算した値に基づいて歩行動作の種類が平地歩行に該当するか否かを判別する。なお、このような第5実施形態の人体刺激装置10によれば、第1実施形態の人体刺激装置10により得られる(2)、(3)、(5)、および、(6)の効果に準じた効果が得られる。
本願発明者は、身体の動作に関する各種のパラメーターのなかでも、1歩行周期時間および組合時間を用いて演算した値が、歩行動作の種類を明確に反映するパラメーターの1つに該当することを実験等により確認した。1歩行周期時間に対する組合時間の割合である組合時間割合は、1歩行周期時間および組合時間を用いて演算した値の一例に該当する。1歩行周期時間に対する差時間の割合である差時間割合は、組合時間割合の一例に該当する。
本願発明者は、組合時間割合が、歩行動作の種類が平地歩行に該当するか否かを明確に反映するパラメーターに該当することを実験等により確認した。第5実施形態の体動判別装置100は、このような事項を踏まえ、歩行動作の種類が平地歩行に該当するか否かを組合時間割合に基づいて判別する。
図14は、各歩行動作における組合時間割合を確認する歩行テストにより得られた結果の一例を示している。横軸は、被験者の1歩行周期時間の測定結果を示している。縦軸は、被験者の1歩行周期時間、遊脚前期時間、および、遊脚後期時間を測定した結果から得られた組合時間割合を示している。
本歩行テストの結果は、組合時間割合が次のような特徴を持つことを示している。各歩行動作の組合時間割合は、1歩行周期時間に依存しない。平地歩行の組合時間割合と、階段昇り歩行および階段降り歩行の組合時間割合とは、互いに異なる群を形成する。本歩行テストの結果によれば、平地歩行の組合時間割合が閾値TXDよりも大きい組合時間割合の群を形成し、階段昇り歩行および階段降り歩行の組合時間割合が閾値TXDよりも小さい組合時間割合の群を形成している。このため、閾値TXDおよび組合時間割合の関係に基づいて、歩行動作の種類が平地歩行に該当するか否かを判別することができる。
図14を参照して、歩行動作の種類の具体的な判別手順について説明する。
時間記憶部231は、フェーズ判別部220が判別した歩行フェーズの判別結果に基づいて、1歩行周期時間、差時間、および、組合時間割合を算出し、算出したこれらの時間を順次記憶する。
時間記憶部231は、フェーズ判別部220が判別した歩行フェーズの判別結果に基づいて、1歩行周期時間、差時間、および、組合時間割合を算出し、算出したこれらの時間を順次記憶する。
判別値演算部232は、時間記憶部231により算出された組合時間割合と、予め記憶している閾値TXDとを比較する。判別値演算部232は、組合時間割合が閾値TXDよりも大きいとき、歩行動作の種類が平地歩行に該当すると判別する。判別値演算部232は、組合時間割合が閾値TXDよりも小さいとき、歩行動作の種類が階段昇り歩行または階段降り歩行に該当すると判別する。なお、判別値演算部232は、組合時間割合が閾値TXDと一致するとき、判別結果を確定することを保留し、新しく取得した組合時間割合に基づいて上記と同様の比較を再び実行する。
(その他の実施形態)
本体動判別装置が取り得る具体的な形態は、上記各実施形態に例示された形態に限定されない。本体動判別装置は、本発明の目的が達成される範囲において、上記各実施形態とは異なる各種の形態を取り得る。以下に示される上記各実施形態の変形例は、本体動判別装置が取り得る各種の形態の一例である。
本体動判別装置が取り得る具体的な形態は、上記各実施形態に例示された形態に限定されない。本体動判別装置は、本発明の目的が達成される範囲において、上記各実施形態とは異なる各種の形態を取り得る。以下に示される上記各実施形態の変形例は、本体動判別装置が取り得る各種の形態の一例である。
・第1実施形態の変形例の体動判別装置100は、加速度センサーである大腿センサー110に代えて、エンコーダ、ポテンショメータ、ゴニオメータ、または、角速度センサーである大腿センサー110を含む。なお、第2実施形態〜第5実施形態の体動判別装置100X,100においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の体動判別装置100は、角速度センサーである下腿センサー120に代えて、エンコーダ、ポテンショメータ、ゴニオメータ、または、加速度センサーである下腿センサー120を含む。なお、第2実施形態〜第5実施形態の体動判別装置100X,100においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の体動判別装置100は、大腿センサー110および下腿センサー120に代えて、腰、腕、または、足首の動作を検知するセンサーを含む。センサーの取付形態の好ましい例によれば、身体において関節を形成する部位の一方および他方のそれぞれにセンサーが取り付けられる。その一例によれば、上腕および下腕のそれぞれに、腕の動作を検知するセンサーが取り付けられる。別の一例によれば、足および足首のそれぞれに、足の動作を検知するセンサーが取り付けられる。なお、第2実施形態〜第4実施形態の体動判別装置100においても、本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の体動判別装置100は、次の各構成を有する。体動判別装置100は、無線通信手段を含む。ケーブル60が人体刺激装置10から省略される。出力部240は、サポーター20に取り付けられる。コントローラー50は、無線通信手段により、大腿センサー110、下腿センサー120、および、出力部240と通信する。なお、第2実施形態〜第5実施形態の体動判別装置100X,100においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の制御部200は、歩行フェーズおよび歩行動作の種類の少なくとも一方に応じて、歩行に関する評価結果および解析結果をディスプレイ52に表示させる。評価結果の一例は、消費カロリーまたは運動強度である。解析結果の一例は、安全性または痛みのレベルである。なお、第2実施形態〜第5実施形態の体動判別装置100X,100においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の動作種類判別部230は、歩行動作の種類を判別するとき、遊脚前期時間、遊脚後期時間、および、差時間のうちのいずれか1つに代えて、または、これらの時間に加えて、遊脚期が形成されていた時間である遊脚通期時間を用いる。
・第1実施形態の変形例の動作種類判別部230は、右脚310および左脚310の歩行動作の種類を個別に判定する。そして、右脚310に関する判別結果、および、左脚310に関する判別結果が一致するとき、その結果を歩行動作の種類として最終的に確定する。一方、右脚310に関する判別結果、および、左脚310に関する判別結果が一致しないとき、動作種類判別部230は、歩行フェーズの時間に関する情報を新しく取得し、その情報に基づいて上記と同様の判別を再び実行する。なお、第2実施形態〜第5実施形態の体動判別装置100X,100においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の時間記憶部231は、累積使用時間および使用予定時間を記憶する。累積使用時間は、人体刺激装置10のスイッチが投入されてから現在までの経過時間である。使用予定時間は、ボタン51の操作により設定される時間である。制御部200は、累積使用時間が使用予定時間に達したとき、大腿電極70および下腿電極80に電気刺激を出力させない。
この変形例によれば、使用者が、人体刺激装置10から電気刺激を受ける時間を任意に設定できる。このため、人体刺激装置10を利用した運動量を、体調等に応じて調整できる。なお、第2実施形態〜第5実施形態の人体刺激装置10X,10においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の判別部210は、任意の歩行動作が形成されている場合、所定の期間における遊脚前期時間の平均時間を算出し、この平均時間を歩行動作の種類の判別に用いる。なお、第2実施形態、第4実施形態、および、第5実施形態の体動判別装置100X,100においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の判別部210は、任意の歩行動作が形成されている場合、1歩行周期における右脚310の遊脚前期時間および左脚310の遊脚前期時間の平均時間を算出し、この平均時間を歩行動作の種類の判別に用いる。なお、第2実施形態、第4実施形態、および、第5実施形態の体動判別装置100X,100においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の判別部210は、任意の歩行動作が形成されている場合、所定の期間における遊脚後期時間の平均時間を算出し、この平均時間を歩行動作の種類の判別に用いる。なお、第2実施形態、第3実施形態、および、第5実施形態の体動判別装置100X,100においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の判別部210は、任意の歩行動作が形成されている場合、1歩行周期における右脚310の遊脚後期時間および左脚310の遊脚後期時間の平均時間を算出し、この平均時間を歩行動作の種類の判別に用いる。なお、第2実施形態、第3実施形態、および、第5実施形態の体動判別装置100X,100においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の判別部210は、遊脚前期期間および遊脚後期時間の少なくとも一方が「0」のとき、使用者300が歩行していないと判定する。制御部200は、判別部210がこのように判定したとき、大腿電極70および下腿電極80に電気刺激を出力させない。
この変形例によれば、歩行していない使用者300に電気刺激が付与される機会が少なくなる、または、歩行していない使用者300に刺激が付与されない。このため、使用者300にかかる負荷が小さくなる。なお、第2実施形態〜第5実施形態の人体刺激装置10X,10においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の制御部200は、歩行種類対応刺激マップ(図8A)、平地歩行専用刺激マップ(図8B)、および、フェーズ対応刺激マップ(図8C)に加え、さらに別のマップを予め記憶する。
別のマップの一例は、平地歩行専用刺激マップ(図8B)の一部を変更したマップであり、平地歩行の遊脚期の係数Kを「0」に設定している。別のマップの一例は、フェーズ対応刺激マップ(図8C)の一部を変更したマップであり、各歩行動作の遊脚期の係数Kを「1」に設定している。別のマップの一例は、昇降弱刺激マップ(図示略)であり、各歩行動作の各フェーズの係数Kを「0」よりも大きい値に設定し、階段昇り歩行および階段降り歩行の各フェーズの係数Kを平地歩行における対応するフェーズの係数Kよりも小さい値に設定している。この昇降弱刺激マップによれば、使用者300が昇降歩行しているときに、人体刺激装置10が脚310に電気刺激を与えても身体のバランスが不安定になりにくい。なお、第2実施形態〜第5実施形態の人体刺激装置10X,10においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第1実施形態の変形例の体動判別装置100は、歩行動作の種類の判別に用いるパラメーターが第1実施形態の体動判別装置100と異なる。その変形例の一例では、遊脚後期時間から遊脚前期時間を減算した時間である差時間に基づいて歩行動作の種類を判別する。なお、第2実施形態および第5実施形態の体動判別装置100X,100においても本変形例に準じた変形が成立する。
・第2実施形態の変形例の体動判別装置100Xは、大腿センサー110の検知信号のみに基づいて、歩行フェーズを判別する。
・第2実施形態の変形例の体動判別装置100Xは、下腿センサー120の検知信号のみに基づいて、歩行フェーズを判別する。
・第2実施形態の変形例の体動判別装置100Xは、下腿センサー120の検知信号のみに基づいて、歩行フェーズを判別する。
・第3実施形態の変形例の動作種類判別部230は、歩行動作の種類を判別するとき、遊脚後期割合に代えて、遊脚後期時間を用いる。なお、第4実施形態および第5実施形態の体動判別装置100においても本変形例に準じた変形が成立する。
・変形例の動作種類判別部は、歩行動作の種類を判別するために用いるパラメーターが第3実施形態〜第5実施形態と異なる。その変形例の一例によれば、1歩行周期に対する遊脚通期時間の割合である遊脚通期割合、または、遊脚通期時間と、予め設定した閾値との比較に基づいて使用者300の歩行動作の種類を判別する。
・変形例の人体刺激装置は、電気刺激の出力方法が第1実施形態の人体刺激装置10と異なる。その変形例の一例では、制御部200が次のとおり、各電極70,80の出力を制御する。制御部200は、フェーズ判別部220が歩行動作の種類が平地歩行から階段昇り歩行または階段降り歩行に変化したことを判別した場合、そのときからの経過時間が規定時間に達するまで、平地歩行に対応した電気刺激を各電極70,80に出力させる。制御部200は、上記経過時間が規定時間に達したことに基づいて、階段昇り歩行または階段降り歩行に対応した電気刺激を各電極70,80に出力させる。
使用者300が歩行動作の種類を変化させるとき、その意識が主として歩行動作に関する脚310の動きに向く。このため、歩行動作の種類が変化する場合には、同じ種類の歩行動作が継続されている場合と比較して、使用者300が脚310に与えられる電気刺激を意識する度合が低くなりやすい。このため、そのような状況のときに脚310に電気刺激が与えられた場合、身体のバランスの不安定さが強められるおそれがある。一方、本変形例の人体刺激装置によれば、上記のとおりフェーズ判別部220が平地歩行から昇降歩行に変化したと判断した場合、そのときからの経過時間が規定時間に達するまで、平地歩行に対応した電気刺激が出力される。このため、使用者300が昇降歩行しているときに、人体刺激装置に起因して身体のバランスの不安定さが強められるおそれが低くなる。
・変形例の人体刺激装置は、脚310に刺激を付与するためのデバイスが各実施形態と異なる。その変形例の一例では、エアバッグにより脚310に刺激を与える。
・変形例の体動判別装置は、装置全体としての形態が各実施形態の人体刺激装置10,10Xと異なる。その変形例の一例によれば、体動判別装置が人体刺激装置10から独立し、歩行フェーズおよび歩行動作の種類を判別することに特化した装置の形態を有する。また、別の一例によれば、体動判別装置が人体刺激装置10とは別の装置に組み込まれ、この装置に含まれる他の機能ブロックと協同して動作する装置の形態を有する。
・変形例の体動判別装置は、装置全体としての形態が各実施形態の人体刺激装置10,10Xと異なる。その変形例の一例によれば、体動判別装置が人体刺激装置10から独立し、歩行フェーズおよび歩行動作の種類を判別することに特化した装置の形態を有する。また、別の一例によれば、体動判別装置が人体刺激装置10とは別の装置に組み込まれ、この装置に含まれる他の機能ブロックと協同して動作する装置の形態を有する。
100…体動判別装置
Claims (8)
- 歩行動作の種類を判別する体動判別装置であって、
歩行動作に応じて変化する信号である検知信号に基づいて、1歩行周期において遊脚前期が形成されていた時間である遊脚前期時間、1歩行周期において遊脚後期が形成されていた時間である遊脚後期時間、および、1歩行周期において遊脚期が形成されていた時間である遊脚通期時間のうちの少なくとも1つを算出し、前記遊脚前期時間、前記遊脚後期時間、および、前記遊脚通期時間のうちの少なくとも1つに基づいて歩行動作の種類を判別する
体動判別装置。 - 前記遊脚前期時間および前記遊脚後期時間を算出し、前記遊脚前期時間および前記遊脚後期時間に基づいて歩行動作の種類を判別する
請求項1に記載の体動判別装置。 - 前記遊脚前期時間と前記遊脚後期時間との差である差時間に基づいて歩行動作の種類を判別する
請求項2に記載の体動判別装置。 - 前記検知信号に基づいて、1歩行周期が形成されていた時間である1歩行周期時間を算出し、前記1歩行周期時間および前記差時間に基づいて歩行動作の種類を判別する
請求項3に記載の体動判別装置。 - 前記検知信号に基づいて、1歩行周期が形成されていた時間である1歩行周期時間、および、前記遊脚前期時間を算出し、前記1歩行周期時間および前記遊脚前期時間に基づいて歩行動作の種類を判別する
請求項1に記載の体動判別装置。 - 前記検知信号に基づいて、1歩行周期が形成されていた時間である1歩行周期時間、および、前記遊脚後期時間を算出し、前記1歩行周期時間および前記遊脚後期時間に基づいて歩行動作の種類を判別する
請求項1に記載の体動判別装置。 - 歩行動作の種類が平地歩行および昇降歩行のいずれに該当するかを判別する
請求項1〜6のいずれか一項に記載の体動判別装置。 - 歩行動作の種類が平地歩行、階段昇り歩行、および、階段降り歩行のいずれに該当するかを判別する
請求項7に記載の体動判別装置。
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-
2014
- 2014-01-24 JP JP2014011581A patent/JP2015136582A/ja active Pending
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