JP2016043092A - Movement measuring device - Google Patents

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高志 渡邉
Takashi Watanabe
高志 渡邉
真帆 塩谷
Maho Shiotani
真帆 塩谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a movement measuring device that can calculate the motion of thighs as the movement on the three-dimensional coordinate in the case of walking motion.SOLUTION: A quaternion q is calculated from angular velocity components on 3-axes obtained from an angular velocity sensor 12 attached to the thighs, and a quaternion z is calculated from acceleration components on 3-axes obtained from an acceleration sensor 13. The quaternion q of the angular velocity components is corrected by the quaternion z of the acceleration components using a Kalman filter. Further, the quaternion corrected by the Kalman filter is converted into rotational matrices. The rotational matrices are provided to the reference vector of vectors set in the thighs, and thereby the rotational motion of the vector at the present can be obtained as information on three dimensions.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、角速度センサと加速度センサを使用して歩行動作部の動作を測定する運動測定装置に関する。   The present invention relates to a motion measuring device that measures the motion of a walking motion unit using an angular velocity sensor and an acceleration sensor.

特許文献1に、歩行特性評価システムに関する発明が記載されている。この歩行特性評価システムは、人間の歩行特性、特に歩行が困難な患者などにおける三次元歩行特性を無拘束で長時間測定し、病状や治療効果の診断に利用する情報を得るというものである。   Patent Document 1 describes an invention related to a walking characteristic evaluation system. This walking characteristic evaluation system measures human walking characteristics, particularly three-dimensional walking characteristics in patients who are difficult to walk for a long time without restriction, and obtains information to be used for diagnosis of medical conditions and therapeutic effects.

この歩行特性評価システムは、複数の身体装着型センサと携帯型データ記録器と解析装置とから構成されている。身体装着型センサによって、足の加速度と角速度が測定される。   This walking characteristic evaluation system includes a plurality of body-mounted sensors, a portable data recorder, and an analysis device. The body acceleration sensor measures the acceleration and angular velocity of the foot.

加速度と角速度の測定データは解析装置で演算される。この演算は、角速度波形から一歩分の遊脚状態が探索され、遊脚状態が探索されると、足の姿勢・フレームマトリクスが計算される。この計算は、加速度として検出された重力加速度を利用して行われる。さらに、遊脚開始後の測定角速度からサンプリング周期中のフレームマトリクスの回転量が求められ、測定加速度の座標変換および積分が行われる。   Measurement data of acceleration and angular velocity is calculated by an analysis device. In this calculation, the free leg state for one step is searched from the angular velocity waveform, and when the free leg state is searched, the posture / frame matrix of the foot is calculated. This calculation is performed using the gravitational acceleration detected as the acceleration. Further, the rotation amount of the frame matrix during the sampling period is obtained from the measured angular velocity after the start of the free leg, and the coordinate conversion and integration of the measured acceleration are performed.

加速度の座標変換と積分が行われた後に、遊脚終了時とその後の立脚時のフレームマトリクスが一致するように、遊脚時のフレームマトリクスが修正される。   After the coordinate conversion and integration of acceleration are performed, the frame matrix at the time of the free leg is corrected so that the frame matrix at the end of the free leg and the frame at the time of the subsequent standing match.

特開2010−110399号公報JP 2010-110399 A

特許文献1に記載された歩行測定評価システムは、加速度データと角速度データとが、それぞれオイラー角の測定情報として得られ、オイラー角の測定情報を用いて、フレームマトリクス手法で足の姿勢を算出している。フレームマトリクス手法は、3軸の加速度成分から3次元加速度行列を求め、3軸の角速度成分から3次元加速度行列の回転量を算出するというものである。   In the walking measurement evaluation system described in Patent Document 1, acceleration data and angular velocity data are obtained as Euler angle measurement information, respectively, and the posture of the foot is calculated by a frame matrix method using the Euler angle measurement information. ing. In the frame matrix method, a three-dimensional acceleration matrix is obtained from three-axis acceleration components, and the rotation amount of the three-dimensional acceleration matrix is calculated from three-axis angular velocity components.

この計算手法では、固有ベクトル(固有関数)が複数存在するために、物理量の算出の際に縮退が発生するため、演算に時間を要することになり、また3次元の歩行事象などを算出する際に誤差が大きくなる欠点がある。   In this calculation method, since there are a plurality of eigenvectors (eigenfunctions), degeneration occurs in the calculation of the physical quantity, so that it takes time for the calculation, and when calculating a three-dimensional walking event, etc. There is a drawback that the error becomes large.

また、特許文献1に記載された歩行測定評価システムで得られる算出結果は、爪先の移動距離の変化などであり、この算出結果から、歩行動作部が三次元空間内でどのように動いているかを立体的に把握することが困難である。   Moreover, the calculation result obtained by the walking measurement evaluation system described in Patent Document 1 is a change in the movement distance of the toe, etc. From this calculation result, how the walking motion unit moves in the three-dimensional space It is difficult to grasp three-dimensionally.

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、歩行動作を迅速な演算で算出でき、さらに、測定結果から、歩行動作部が三次元空間内でどのように動いているかを立体情報として容易に把握できる運動測定装置を提供することを目的としている。   The present invention solves the above-described conventional problems, and can calculate walking motion by a quick calculation. Further, from the measurement result, it is easy as three-dimensional information on how the walking motion section moves in a three-dimensional space. It is an object of the present invention to provide a motion measurement device that can be easily grasped.

本発明は、歩行動作部に設置される角速度センサおよび加速度センサを有する運動測定装置において、
前記角速度センサは互いに直交する3軸方向の角速度成分を検知し、前記加速度センサは互いに直交する3軸方向の加速度成分を検知するものであり、
前記角速度成分の検知信号と、前記加速度成分の検知信号と、が与えられる演算部が設けられ、
前記演算部では、前記角速度成分の検知信号と前記加速度成分の検知信号とから、前記歩行動作部の動作がベクトルの動作として算出されることを特徴とするものである。
The present invention relates to a motion measuring device having an angular velocity sensor and an acceleration sensor installed in a walking motion unit.
The angular velocity sensor detects angular velocity components in three axial directions orthogonal to each other, and the acceleration sensor detects acceleration components in three axial directions orthogonal to each other,
A calculation unit is provided to which the angular velocity component detection signal and the acceleration component detection signal are provided,
In the calculation unit, the motion of the walking motion unit is calculated as a vector motion from the detection signal of the angular velocity component and the detection signal of the acceleration component.

本発明の運動測定装置は、前記演算部では、3軸方向の前記角速度成分をクォータニオンに変換するステップおよび3軸方向の前記加速度成分をクォータニオンに変換するステップと、加速度成分から変換された前記クォータニオンを観測値とし、角速度成分から変換された前記クォータニオンを、カルマンフィルタを適用して補正するステップ、とを有し、
前記カルマンフィルタで補正されたクォータニオンから回転行列を算出し、前記回転行列と重力方向ベクトルから、前記ベクトルが求められる。
In the motion measuring apparatus according to the present invention, in the arithmetic unit, the step of converting the angular velocity component in the three-axis direction into a quaternion, the step of converting the acceleration component in the three-axis direction into a quaternion, and the quaternion converted from the acceleration component And correcting the quaternion converted from the angular velocity component by applying a Kalman filter,
A rotation matrix is calculated from the quaternion corrected by the Kalman filter, and the vector is obtained from the rotation matrix and the gravity direction vector.

本発明の運動測定装置は、基準ベクトルが設定され、歩行動作では、前記基準ベクトルを基準とし、前記回転行列を用いて、現在のベクトルが求められるものである。   In the motion measuring device of the present invention, a reference vector is set, and in walking motion, the current vector is obtained using the rotation matrix with the reference vector as a reference.

本発明の運動測定装置は、基準姿勢が設定され、前記加速度センサによって前記基準姿勢と前記基準ベクトルとの関係が求められ、この関係から前記ベクトルと現在の姿勢との関係、および前記基準姿勢と現在の姿勢との関係 が求められるものである。   In the motion measuring apparatus of the present invention, a reference posture is set, and a relationship between the reference posture and the reference vector is obtained by the acceleration sensor. From this relationship, a relationship between the vector and the current posture, and the reference posture A relationship with the current posture is required.

本発明の運動測定装置は、前記角速度センサと前記加速度センサが大腿部に設けられ、演算対象となる前記ベクトルが、大腿骨と平行で且つ膝関節に向けられて設定されるものである。   In the motion measuring apparatus of the present invention, the angular velocity sensor and the acceleration sensor are provided in the thigh, and the vector to be calculated is set parallel to the femur and directed to the knee joint.

本発明の運動測定装置は、前記角速度センサと前記加速度センサが下腿部にも設けられ、下腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号と、大腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号とから、下腿部の動作がベクトルの動作として算出されるものとすることが可能である。   In the motion measuring apparatus according to the present invention, the angular velocity sensor and the acceleration sensor are also provided on the lower leg, the angular velocity component detection signal and the acceleration component detection signal in the lower leg, and the angular velocity component detection signal in the thigh. Further, from the detection signal of the acceleration component, it is possible to calculate the motion of the lower leg as a vector motion.

さらに、前記角速度センサと前記加速度センサが足部にも設けられ、足部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号と、下腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号とから、足部の動作がベクトルの動作として算出されるものとすることが可能である。   Further, the angular velocity sensor and the acceleration sensor are also provided on the foot, and from the detection signal of the angular velocity component and the acceleration component in the foot, and the detection signal of the angular velocity component and the acceleration component in the crus The foot motion can be calculated as a vector motion.

さらに、本発明の運動測定装置では、ベクトルの先端部の軌跡を三次元座標上で立体的に求めることが可能である。また、ベクトルの先端部の軌跡を平面に投影した動作軌跡が求められるものであり、さらには、互いに直交する3つの平面に動作軌跡が投影される。   Furthermore, in the motion measuring device of the present invention, the locus of the tip of the vector can be obtained three-dimensionally on the three-dimensional coordinates. Further, an operation locus obtained by projecting the locus of the tip of the vector onto a plane is obtained, and further, the operation locus is projected onto three planes orthogonal to each other.

本発明の運動測定装置は、3軸方向の角速度成分と3軸方向の加速度成分から、歩行動作部の動作がベクトルの動作として算出されるため、歩行動作部の動きを三次元座標上で立体的に把握することができる。   Since the motion measuring apparatus of the present invention calculates the motion of the walking motion unit as a vector motion from the angular velocity component in the 3 axis direction and the acceleration component in the 3 axis direction, the motion of the walking motion unit is three-dimensionally represented in 3D coordinates. Can be grasped.

本発明の運動測定装置では、3軸方向の角速度成分をクォータニオンに変換し、3軸方向の加速度成分をクォータニオンに変換し、このクォータニオンから回転行列を求めている。例えば、重力方向ベクトルまたは加速度センサの検知出力に基づいて求めた歩行動作部のベクトルを基準ベクトルに設定し、その後、回転行列を適用することによって、現在の歩行動作部のベクトルが基準ベクトルに対してどのような回転状態となっているかを比較的容易に算出することが可能である。   In the motion measuring apparatus of the present invention, the angular velocity component in the triaxial direction is converted into quaternion, the acceleration component in the triaxial direction is converted into quaternion, and the rotation matrix is obtained from the quaternion. For example, the vector of the walking motion unit obtained based on the gravity direction vector or the detection output of the acceleration sensor is set as the reference vector, and then the rotation matrix is applied so that the current walking motion unit vector is compared with the reference vector. It is possible to calculate the rotation state relatively easily.

歩行動作部の動作をベクトルの立体的な動作として把握することにより、人の歩行動作に適用した場合に、健常者の歩行動作と運動機能障害者の歩行動作との比較測定などが可能となり、運動機能障害者の治療やリハビリに有効に活用できるようになる。   By grasping the motion of the walking motion unit as a three-dimensional motion of the vector, when applied to the walking motion of a person, it becomes possible to perform a comparative measurement between the walking motion of a healthy person and the walking motion of a person with motor impairment, It can be effectively used for treatment and rehabilitation of people with motor impairment.

本発明の実施の形態での運動測定装置の処理ステップを示すブロック図、The block diagram which shows the processing step of the movement measuring apparatus in embodiment of this invention, 本発明の運動測定装置が人体の大腿部に装着された状態を示す構成図、The block diagram which shows the state with which the movement measuring apparatus of this invention was mounted | worn to the thigh of the human body, 一人の被験者の大腿部の歩行動作を、ベクトルの先端部の三次元軌跡として表した三次元線図、A three-dimensional diagram representing the walking motion of one subject's thigh as a three-dimensional trajectory of the tip of the vector, 複数人の被験者の大腿部の歩行動作を、ベクトルの先端部の三次元軌跡として表した三次元線図、A three-dimensional diagram representing the walking motion of the thighs of multiple subjects as a three-dimensional locus of the tip of the vector, 図4の三次元軌跡をx−y座標に投影した二次元線図、A two-dimensional diagram obtained by projecting the three-dimensional trajectory of FIG. 4 onto xy coordinates; 図4の三次元軌跡をz−y座標に投影した二次元線図、A two-dimensional diagram obtained by projecting the three-dimensional trajectory of FIG. 図4の三次元軌跡をx−z座標に投影した二次元線図、A two-dimensional diagram obtained by projecting the three-dimensional trajectory of FIG. 健常者と歩行機能障害者とのベクトル軌跡の違いを比較するx−z座標の二次元線図Two-dimensional diagram of xz coordinates comparing the difference of vector trajectories between healthy and gait disabled people 本発明の運動測定装置が人体の大腿部と下腿部および足部に装着された発展例を示す構成図、The block diagram which shows the development example with which the movement measuring apparatus of this invention was mounted | worn to the thigh of the human body, the lower leg, and the foot | leg part,

本発明の実施の形態の運動測定装置10は、歩行動作部の動作を測定するものである。以下の実施の形態では、運動測定装置10によって、人体の歩行動作部が測定される場合を例として説明する。   The motion measuring device 10 according to the embodiment of the present invention measures the motion of the walking motion unit. In the following embodiments, a case where a walking motion unit of a human body is measured by the motion measurement device 10 will be described as an example.

図2には、歩行中の人体1が模式的に示されている。人体の歩行動作部は、腰部(体幹部)2、大腿部3、下腿部4、足部5に大別されるが、この実施の形態では、大腿部3に慣性センサStが固定されている。図2では、慣性センサStが大腿部3の前部に取付けられているが、大腿部3の運動を的確に検出できる位置であれば、慣性センサStは大腿部3のどの部位でどの向きに取付けられていてもよい。大腿部3の動きを測定して被験者の歩行状態を把握するためには、両脚の大腿部3に慣性センサStが取り付けられていることが好ましい。ただし、以下においては、説明を簡潔にするために、図2に示すように、左脚の大腿部3に取付けられた慣性センサStのみに着目し、左脚の大腿部3の動作の解析について説明する。   FIG. 2 schematically shows the human body 1 during walking. The walking motion part of the human body is roughly divided into a waist part (trunk part) 2, a thigh part 3, a crus part 4, and a foot part 5. In this embodiment, an inertial sensor St is fixed to the thigh part 3. Has been. In FIG. 2, the inertial sensor St is attached to the front part of the thigh 3, but the inertial sensor St is located at any part of the thigh 3 as long as the movement of the thigh 3 can be accurately detected. It may be installed in any orientation. In order to measure the movement of the thigh 3 and grasp the walking state of the subject, it is preferable that an inertial sensor St is attached to the thigh 3 of both legs. However, in the following, for the sake of brevity, as shown in FIG. 2, attention is paid only to the inertial sensor St attached to the thigh 3 of the left leg, and the operation of the thigh 3 of the left leg is described. The analysis will be described.

本発明の実施の形態の運動測定装置10は、前記慣性センサStと演算部11とで構成されている。慣性センサStからの検知出力は演算部11に与えられる。演算部11はCPUとメモリとから構成されている。演算部11は、人体1に装着されるものであってもよいし、人体1から離れた位置にあって、慣性センサStからの検知出力が有線または無線で演算部11に伝達されるものであってもよい。   The motion measuring apparatus 10 according to the embodiment of the present invention includes the inertial sensor St and the calculation unit 11. The detection output from the inertial sensor St is given to the calculation unit 11. The calculation unit 11 includes a CPU and a memory. The calculation unit 11 may be attached to the human body 1 or may be located away from the human body 1 and the detection output from the inertial sensor St is transmitted to the calculation unit 11 by wire or wirelessly. There may be.

図1は、運動測定装置10の処理ステップを示すブロック図である。
慣性センサStは、角速度センサ12と加速度センサ13とから構成されており、角速度センサ12の検知出力ωと加速度センサ13の検知出力aが演算部11に与えられ、演算部11では、図1に示すステップ1(ST1)からステップ6(ST6)に示す演算処理が行われる。
FIG. 1 is a block diagram showing processing steps of the motion measuring apparatus 10.
The inertial sensor St is composed of an angular velocity sensor 12 and an acceleration sensor 13, and a detection output ω of the angular velocity sensor 12 and a detection output a of the acceleration sensor 13 are given to the calculation unit 11, and the calculation unit 11 in FIG. The calculation processing shown in step 1 (ST1) to step 6 (ST6) is performed.

角速度センサ12は、例えば振動型ジャイロスコープであり、コリオリ力を利用して角速度が検知される。角速度センサ12では、互いに直交する3軸方向(3軸回り)の角速度成分(ω、ω、ω)が検知される。加速度センサ13は、例えば質量が可撓性の支持部に支持されており、加速度による質量の変位が支持部の撓み量として圧電素子などで検知される。加速度センサ13で、互いに直交する3軸方向の加速度成分(a、a、a)が検知される。 The angular velocity sensor 12 is, for example, a vibration gyroscope, and the angular velocity is detected using Coriolis force. The angular velocity sensor 12 detects angular velocity components (ω x , ω y , ω z ) in three axial directions (around three axes) orthogonal to each other. For example, the acceleration sensor 13 is supported by a support portion having a flexible mass, and a displacement of the mass due to the acceleration is detected by a piezoelectric element or the like as a deflection amount of the support portion. In the acceleration sensor 13, orthogonal three-axis directions of the acceleration component (a x, a y, a z) are detected together.

図1に示す演算処理では、大腿部3の動作がベクトルの動作として算出される。すなわち、大腿部3の動作が、この大腿部3に設定されたベクトルeの立体的な回転動作として表現される。大腿部3の歩行動作を三次元情報として正確に把握するためには、ベクトルeは、大腿部3の大腿骨と平行で、その基部が大腿部3の付け根である股関節に向けられ、ベクトルeの先部が、大腿部3と下腿部4との境界の膝関節に向けられることが好ましい。 In the arithmetic processing shown in FIG. 1, the motion of the thigh 3 is calculated as a vector motion. That is, the operation of the thigh section 3 are represented as three-dimensional rotation of the thigh 3 to the set vector e T. In order to accurately grasp the walking motion of the thigh 3 as three-dimensional information, the vector e T is parallel to the femur of the thigh 3 and its base is directed to the hip joint that is the root of the thigh 3 is, front portion of the vector e T is preferably directed to the knee joint of the boundary between the thigh part 3 and the lower leg portion 4.

図2に示すように、x−y−zの三次元座標は、y軸方向を重力方向に設定し、z軸方向を被験者である人体1の歩行方向に設定し、x軸方向をy軸及びz軸と直交する方向に設定する。   As shown in FIG. 2, in the three-dimensional coordinates of xyz, the y-axis direction is set as the gravity direction, the z-axis direction is set as the walking direction of the human body 1 as the subject, and the x-axis direction is set as the y-axis. And a direction perpendicular to the z-axis.

前記三次元座標上でのベクトルeを測定するために、まず、前記三次元座標の座標軸をもとに基準ベクトルeT0を設定する。次に、大腿部3の基準姿勢と基準ベクトルとの関係を加速度センサ13の検知出力より求める。その後の歩行動作では、基準ベクトルeT0を基準として、それぞれの時刻でのクォータニオン、及び、回転行列を求めることでベクトルeを求める。そして、基準姿勢と基準ベクトルとの関係をもとに、ベクトルeから大腿部3の姿勢を測定することができる。図2に示す例では、被験者の静止直立姿勢を基準姿勢とし、図2のy軸方向を基準ベクトルeT0に設定し、加速度センサ13で検知される大腿骨の傾斜角度から基準姿勢と基準ベクトルeT0との関係を求めている。なお 、重力方向に対する大腿骨の傾斜角度を測定し、加速度センサ13で検知される大腿骨の傾斜角度との差を求めることで、基準姿勢と基準ベクトルeT0との関係を求めてもよい。 To measure the vector e T on the three-dimensional coordinates, first, set the reference vector e T0 based on the coordinate axes of the three-dimensional coordinates. Next, the relationship between the reference posture of the thigh 3 and the reference vector is obtained from the detection output of the acceleration sensor 13. Subsequent walking motion, with reference to the reference vector e T0, quaternion at each time, and obtains a vector e T by obtaining the rotation matrix. Then, based on the relationship between the reference position and the reference vector, it is possible to measure the attitude of the thigh section 3 from the vector e T. In the example illustrated in FIG. 2, the stationary upright posture of the subject is set as the reference posture, the y-axis direction in FIG. 2 is set as the reference vector e T0 , and the reference posture and the reference vector are determined from the tilt angle of the femur detected by the acceleration sensor 13. e We are looking for a relationship with T0 . Note that the relationship between the reference posture and the reference vector eT0 may be obtained by measuring the tilt angle of the femur with respect to the direction of gravity and obtaining the difference from the tilt angle of the femur detected by the acceleration sensor 13.

図1に示す演算部11の演算処理のステップ1(ST1)では、角速度センサ12で検知された3軸方向の角速度成分の全てに基づいてクォータニオンが算出される。クォータニオンはq(q,q,q,q)で表される4次元ベクトルであり、「q」は角度成分θを意味し、「q」「q」「q」は、回転軸の成分を意味している。 In step 1 (ST1) of the calculation process of the calculation unit 11 shown in FIG. 1, the quaternion is calculated based on all the angular velocity components in the three axial directions detected by the angular velocity sensor 12. The quaternion is a four-dimensional vector represented by q (q 0 , q 1 , q 2 , q 3 ), “q 0 ” means the angle component θ, and “q 1 ” “q 2 ” “q 3 ” Means the component of the rotating shaft.

3軸方向の角速度成分からのクォータニオンqの算出は、クォータニオンの時間変化を積分することで行われ、時間発展の式により求められる。図1に示すブロック図に示す処理ステップは、例えば10m秒周期で繰り返される。ある時刻をkとすると、次のサンプリング時刻k+1において、角速度成分から求められるクォータニオンqk+1は、以下の数1で表される。 The quaternion q is calculated from the angular velocity components in the three-axis directions by integrating the quaternion time change, and is obtained by a time evolution formula. The processing steps shown in the block diagram shown in FIG. 1 are repeated, for example, at a cycle of 10 milliseconds. Assuming that a certain time is k, the quaternion q k + 1 obtained from the angular velocity component at the next sampling time k + 1 is expressed by the following equation (1).

Figure 2016043092
Figure 2016043092

上記において、ωxk、ωyk、ωzkは、時刻kにおいて角速度センサ12から得られた3軸の(3軸回りの)角速度成分である。Δtはサンプリング時間である。 In the above, ω xk , ω yk , and ω zk are three-axis (around three axes) angular velocity components obtained from the angular velocity sensor 12 at time k. Δt is a sampling time.

ST2では、加速度センサ13で測定された3軸の加速度成分(a,a,a)から求められる時刻kにおけるクォータニオンzを算出する。aは、時刻kにおいて3軸の加速度成分から求められた重力加速度であり、aは、ベクトルeが基準ベクトルeT0に一致している場合に検知される重力加速度である。θは、重力の加速度a,aを測定することで得られる回転量であり、Aは、時刻kにおける回転軸である。 In ST2, the acceleration components of 3 axes measured by the acceleration sensor 13 (a x, a y, a z) for calculating a quaternion z k at time k determined from. a k is the gravitational acceleration obtained from the acceleration components in three axial at time k, a 0 is the gravitational acceleration detected when the vector e T coincides with the reference vector e T0. θ k is the rotation amount obtained by measuring the accelerations a k and a 0 of gravity, and A k is the rotation axis at time k.

時刻kにおいて、加速度成分から求められるクォータニオンzは、以下の数2で表される。 At time k, the quaternion z k obtained from the acceleration component is expressed by the following formula 2.

Figure 2016043092
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なお、ST1とST2のクォータニオンへの変換処理は、どちらが先に行われてもよいし、同時のステップとして処理されてもよい。   Note that either of the conversion processing of ST1 and ST2 into a quaternion may be performed first or may be performed as a simultaneous step.

角速度成分からクォータニオンqを算出する際に、時間発展の式が積分になるため、角速度センサ12のオフセットドリフトが累積されることになり、角速度成分から求められるクォータニオンqには、累積した誤差が含まれる。そこで、図1に示すST3では、角速度成分から算出されたクォータニオンqにカルマンフィルタを適用し、このときに、加速度成分から算出したクォータニオンzを観測値とすることで、誤差の修正が行われる。   When calculating the quaternion q from the angular velocity component, the equation of time evolution is integral, so that the offset drift of the angular velocity sensor 12 is accumulated, and the quaternion q obtained from the angular velocity component includes an accumulated error. It is. Therefore, in ST3 shown in FIG. 1, the Kalman filter is applied to the quaternion q calculated from the angular velocity component, and at this time, the quaternion z calculated from the acceleration component is used as an observation value, thereby correcting the error.

すなわち、図1に示すST3では、数3に示す角速度成分から求められるクォータニオンの状態式と、数4に示す加速度成分から求められる クォータニオンの観測式の空間モデルから、カルマンフィルタにおいて以下の数5に示すように、予測値の補正が行なわれる。   That is, in ST3 shown in FIG. 1, from the quaternion state equation obtained from the angular velocity component shown in Equation 3 and the quaternion observation equation obtained from the acceleration component shown in Equation 4, the following Kalman filter shows the following Equation 5. As described above, the prediction value is corrected.

Figure 2016043092
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Figure 2016043092
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数3におけるwはプロセス雑音、数4におけるvは観測雑音(測定雑音)を示す。数5におけるKは、数3の状態式に対するカルマンゲイン、すなわち角速度成分から得られたクォータニオンqの補正における カルマンゲインを示している。カルマンフィルタでは、プロセス雑音に関係する値と観測雑音に関係する値とに基づく雑音比によってカルマンゲインKが決定される。例えば、前記雑音比が小さいほどカルマンゲインKが大きくなり、雑音比が大きくなるとカルマンゲインKが小さくなるように設定される。図1と数5では、カルマンフィルタにより推定されたクォータニオンがハット付き のqで表現されている。   In Equation 3, w represents process noise, and v in Equation 4 represents observation noise (measurement noise). K in Equation 5 represents the Kalman gain for the state equation of Equation 3, that is, the Kalman gain in the correction of the quaternion q obtained from the angular velocity component. In the Kalman filter, the Kalman gain K is determined by a noise ratio based on a value related to process noise and a value related to observation noise. For example, the Kalman gain K increases as the noise ratio decreases, and the Kalman gain K decreases as the noise ratio increases. 1 and 5, the quaternion estimated by the Kalman filter is expressed as q with a hat.

なお、雑音比は、雑音比が小さいほどカルマンゲインKが小さくなり、雑音比が大きくなるとカルマンゲインKが大きくなるように設定することもできる。   The noise ratio can be set so that the Kalman gain K decreases as the noise ratio decreases, and the Kalman gain K increases as the noise ratio increases.

図1に示す演算部11の演算処理のST5では、カルマンフィルタで補正されたクォータニオンq(ハット付き)を回転行列Rに変換する。回転行列Rは、以下の数6で表される。数6におけるq,q,q,qは、カルマンフィルタで補正されたクォータニオンの構成要素であり、前述のように「q」は角度θ成分を意味し、「q」「q」「q」は、回転軸の成分を意味している。 In ST5 of the calculation process of the calculation unit 11 shown in FIG. 1, the quaternion q (with a hat) corrected by the Kalman filter is converted into a rotation matrix R. The rotation matrix R is expressed by Equation 6 below. In Equation 6, q 0 , q 1 , q 2 , and q 3 are quaternion components corrected by the Kalman filter, and “q 0 ” means the angle θ component as described above, and “q 1 ” “q” “ 2 ” and “q 3 ” mean components of the rotation axis.

Figure 2016043092
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図2に示すx−y−z座標内に現れるベクトルeは、基準ベクトルeT0を数6に 示す回転行列Rによって回転させたものに相当している。したがって、図1に示すST5において、数6に示す回転行列Rへの変換を例えば10m秒間隔で行えば、10m秒毎のベクトルeを求めることができる。 The vector e T that appears in the xyz coordinates shown in FIG. 2 corresponds to the reference vector e T0 rotated by the rotation matrix R shown in Equation 6. Therefore, in ST5 shown in FIG. 1, if the conversion to the rotation matrix R shown in Equation 6 is performed at intervals of, for example, 10 milliseconds, the vector e T every 10 milliseconds can be obtained.

ST5において、ベクトルeが求められると、ST6では、ベクトルeの軌跡を求めることができる。ここでのベクトルeの軌跡とは、腰部2と大腿部3との境界に位置する股関節を原点とするベクトルeの先端部の軌跡であり、この先端部の軌跡は、股関節位置を原点としたときの大腿部3と下腿部4との境界に位置する膝関節の移動軌跡と相似になる。この移動軌跡を知ることで、被験者の股関節位置を原点としたときの膝関節位置の移動軌跡を、三次元座標上の立体データとして容易に求めることが可能になる。 When the vector e T is obtained in ST5, the locus of the vector e T can be obtained in ST6. The trajectory of the vector e T here is a trajectory of the tip of the vector e T with the hip joint located at the boundary between the waist 2 and the thigh 3 as the origin, and the trajectory of the tip includes the hip joint position. This is similar to the movement trajectory of the knee joint located at the boundary between the thigh 3 and the crus 4 when the origin is used. By knowing this movement trajectory, the movement trajectory of the knee joint position when the subject's hip joint position is the origin can be easily obtained as three-dimensional data on three-dimensional coordinates.

図3と図4には、前記慣性センサSを大腿部3に固定した被験者が歩行動作を行ったときに、図1に示す演算部11で演算されたベクトルeの先端部の移動軌跡(股関節位置を原点としたときの膝関節位置の移動軌跡と相似 )を、x−y−z上の三次元座標上で示している。 FIGS. 3 and 4 show the movement of the tip of the vector e T calculated by the calculation unit 11 shown in FIG. 1 when the subject who fixed the inertial sensor ST to the thigh 3 performs a walking motion. The trajectory (similar to the movement trajectory of the knee joint position when the hip joint position is the origin) is shown on the three-dimensional coordinates on xyz.

図3と図4のHC(heel contact)は、歩行途中で足部5の踵が着地したときのベクトルeの先端部の位置を示している。演算部11では、例えば加速度センサ13で検知される加速度が所定のしきい値を超えたとき(所定値以上の衝撃を受けたとき)に、踵が着地したと認識する。図3と図4では、HCと認識されたときのベクトルeの先部の位置が白丸で示されている。 3 and 4 of the HC (heel contact) is heel of the foot 5 in the middle walking indicates the position of the tip portion of the vector e T when landed. For example, when the acceleration detected by the acceleration sensor 13 exceeds a predetermined threshold (when an impact greater than or equal to a predetermined value is received), the calculation unit 11 recognizes that the kite has landed. In Figure 3 and Figure 4, the position of the front portion of the vector e T when it is recognized HC are indicated by white circles.

図3の線図は、健常者を被験者とし、同一人の被験者の3歩分の歩行動作において測定されたベクトルeの先端部の移動軌跡を重ねあわせたものである。図3には、歩行動作時のベクトルeの先端部の移動方向が矢印で示されている。図3の三次元座標は、マイナスzが走行方向の後方を示している。図3によれば、HCではベクトルeの先端部すなわち膝が腰部2よりもやや前方に位置しており、その後、立脚期で膝が後方へ動いてから、遊脚期に膝が 前方へ動くことが立体的に把握できる。 The diagram of Figure 3, the healthy subjects and subjects, in which superposed movement locus of the tip of the measured vector e T in walking three paces of the same person in the subject. In FIG. 3, the moving direction of the distal end portion of the vector e T during walking operation is indicated by arrows. In the three-dimensional coordinates in FIG. 3, the minus z indicates the rear in the traveling direction. According to FIG. 3, the tip portion or the knee of the HC in the vector e T is positioned slightly forward of the waist 2, then the knee in the stance phase is moved rearward, the knee forward swing phase The movement can be grasped in three dimensions.

図4は、三人の健常者1と健常者2および健常者3を被験者とし、同様にして歩行動作を測定したものである。図4では健常者1のHCのみが白丸で示されている。図5は、図4に示すベクトルeの先端部の軌跡をx−y平面に投影した二次元グラフである。図6はz−y平面に投影した二次元グラフであり、図7はx−z平面に投影した二次元グラフである。 FIG. 4 shows the measurement of walking motion in the same manner with three healthy persons 1, healthy persons 2, and healthy persons 3 as subjects. In FIG. 4, only the HC of the healthy person 1 is indicated by white circles. Figure 5 is a two-dimensional graph obtained by projecting the locus of the tip of the vector e T shown in FIG. 4 in the x-y plane. 6 is a two-dimensional graph projected onto the yz plane, and FIG. 7 is a two-dimensional graph projected onto the xz plane.

本発明の実施の形態の運動測定装置10は、カルマンフィルタで修正されたクォータニオンを回転行列Rに変換している。この回転行列Rを基準ベクトルeT0に適用することによってベクトルeを求めることができる。図2に示すように、ベクトルeは大腿部3において大腿骨と平行で先端部が膝関節に向くように設定されているものであるため、ベクトルeから大腿部の立体的な動作を理解できる。また、ベクトルeの先端部の軌跡を知ることができるため、膝関節位置の動きを三次元座標上で把握することが可能となる。 The motion measurement apparatus 10 according to the embodiment of the present invention converts a quaternion corrected by a Kalman filter into a rotation matrix R. It can be obtained vector e T by applying the rotation matrix R to the reference vector e T0. As shown in FIG. 2, the vector e T is therefore stereoscopic thighs from the vector e T those parallel tip and femur in the femoral part 3 is set to face the knee joint Can understand the operation. Moreover, since it is possible to know the trajectory of the tip of the vector e T, it is possible to grasp the movement of the knee joint position on the three-dimensional coordinates.

したがって、運動測定装置10を使用して、健常者が歩行したときの膝関節位置の動きと、運動機能障害者が歩行したときの膝関節位置の動きとを比較することによって、運動機能障害者の診断に使用することが可能である。また運動機能障害者が電気刺激を受けながら歩行するときの膝関節位置の移動軌跡を、電気刺激を与えていないときの歩行動作や健常者の歩行動作と比較することなどが可能である。   Therefore, by using the movement measuring device 10, by comparing the movement of the knee joint position when a healthy person walks with the movement of the knee joint position when the movement functional person walks, the movement impaired person It can be used for diagnosis. In addition, it is possible to compare the movement trajectory of the knee joint position when a person with motor impairments walks while receiving electrical stimulation and the walking movement when no electrical stimulation is given or the walking movement of a healthy person.

図8は、図7と同様に、ベクトルeの先端部の軌跡をx−z平面に投影したものであるが、被験者は図7に示した健常者3人とさらに運動機能障害者(片麻痺者)1名としている。図8から、運動機能障害者が歩行するときのベクトルeの先端部の軌跡はx軸方向に膨らんでおり、いわゆるぶん回し歩行となっているのを把握できる。 FIG. 8 shows the projection of the locus of the tip of the vector e T on the xz plane, similar to FIG. 7, but the test subjects were three healthy persons and a motor impairment person (one piece) shown in FIG. One person is paralyzed. 8, the trajectory of the tip of the vector e T when motor disabilities to walk bulges in the x-axis direction, can be grasped from a so-called sentence turning gait.

図9は、本発明の発展的な他の実施の形態を示している。
図9に示す実施の形態では、人体1の腰部(体幹部)2、大腿部3、下腿部4、足部5のそれぞれの動作を測定できるようにしている。腰部2に慣性センサSbが固定され、大腿部3に慣性センサStが固定され、下腿部4に慣性センサSsが固定され、足部5に慣性センサSfが固定されている。慣性センサSb,Ss,Sfのそれぞれは、大腿部3に固定された慣性センサStと同様に、角速度センサ12と加速度センサ13を有している。
FIG. 9 shows another developmental embodiment of the present invention.
In the embodiment shown in FIG. 9, the movements of the waist (trunk) 2, thigh 3, crus 4, and foot 5 of the human body 1 can be measured. An inertial sensor Sb is fixed to the waist 2, an inertial sensor St is fixed to the thigh 3, an inertial sensor Ss is fixed to the crus 4, and an inertial sensor Sf is fixed to the foot 5. Each of the inertial sensors Sb, Ss, and Sf has an angular velocity sensor 12 and an acceleration sensor 13 as in the inertial sensor St fixed to the thigh 3.

慣性センサSbにより、人体1の背骨に沿うベクトルeが設定される。下腿部4にベクトルeが設定され、足部にベクトルeが設定される。ベクトルeは下腿骨と平行に設定され、ベクトルeの先部はくるぶしに向けられる。ベクトルeは足部5の裏体部と平行に設定され、ベクトルeの先部はつま先に向けられる。 The inertial sensor Sb, the vector e B along the spine of the human body 1 is set. A vector e S is set for the lower leg 4 and a vector e F is set for the foot. The vector e S is set parallel to the lower leg bone and the tip of the vector e S is directed to the ankle. The vector e F is set parallel to the back body part of the foot 5 and the tip of the vector e F is directed to the toes.

ここで、下腿部4に固定された慣性センサSsの検知出力に着目すると、慣性センサSsから得られる角速度成分と加速度成分は、下腿部4のみの動作によるものではなく、大腿部3の動作と下腿部4の動作とが合成されたものである。よって、慣性センサSsから得られる角速度成分と加速度成分のみを用い、図1に示したのと同じフローでクォータニオンから回転行列を求め、これによりベクトルの回転を求めたとしても、求められたものは、ベクトルeのみの回転動作を表すのではなく、ベクトルeの回転動作とベクトルeの回転動作とが合成されたものとなる。 Here, paying attention to the detection output of the inertial sensor Ss fixed to the crus 4, the angular velocity component and the acceleration component obtained from the inertial sensor Ss are not due to the operation of the crus 4 alone, but the thigh 3 And the movement of the lower leg 4 are combined. Therefore, even if only the angular velocity component and acceleration component obtained from the inertial sensor Ss are used to obtain the rotation matrix from the quaternion in the same flow as shown in FIG. Instead of representing the rotation operation of only the vector e S, the rotation operation of the vector e S and the rotation operation of the vector e T are combined.

そこで、慣性センサSsから得られる角速度成分と加速度成分を用いてクォータニオンから回転行列を求め、回転行列を適用してベクトルの回転を求めたときに、その計算結果から、慣性センサSの検知出力に基づいて測定されたベクトルeの動作の成分を除去することで、下腿部4に設定されたベクトルeのみの回転動作を算出できる。 Therefore, seeking a rotation matrix from quaternion using an angular velocity component and the acceleration component obtained from the inertial sensor Ss, when asked the rotation of a vector by applying the rotation matrix from the calculation result, the inertial sensor S T detection output the components of the operation of the measured vector e T by removing can calculate the rotational movement of only the set vector e S to crus 4 based on.

その算出の一例としては、数7に示すように、下腿部4の姿勢を示すクータニオンqを回転行列Rに変換し、これを下腿部4の基準ベクトルeS0に適用することで、下腿部4のベクトルeを算出する。ここで、大腿部3の動作による影響を排除するために、大腿部3の姿勢を示すクォータニオンqの逆クォータニオンq −1を算出し、これを回転行列R −1に変換する。回転行列R −1を下腿部4のベクトルeに適用する(積算する)ことで、下腿部4の動作のみを示すベクトルe´を求めることが可能になる。 As an example of the calculation, as shown in Equation 7, the Kutanion q S indicating the posture of the crus 4 is converted into a rotation matrix R S and applied to the reference vector e S0 of the crus 4. The vector e S of the crus 4 is calculated. Here, in order to eliminate the influence of the operation of the thigh section 3, and calculates an inverse quaternion q T -1 of the quaternion q T indicating the posture of the thigh 3 and converts it into the rotation matrix R T -1 . By applying (accumulating) the rotation matrix R T −1 to the vector e S of the crus 4, it is possible to obtain a vector e S ′ indicating only the operation of the crus 4.

Figure 2016043092
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さらに、足部5に設定されたベクトルeを算出するときには、足部のクォータニオンを回転行列に変換することより、基準ベクトルeF0に対するベクトルeを算出する。次に、下腿部4の姿勢を示すクォータニオンqの逆クォータニオンq −1を算出し、これを回転行列R −1に変換する。回転行列R −1を足部5のベクトルeに適用する(積算する)ことで、足部5の動作のみを示すベクトルe´を求めることができる。 Furthermore, when calculating the vector e F set in the foot 5, than to convert a quaternion of the foot to the rotation matrix, we calculate a vector e F with respect to the reference vector e F0. Then, to calculate the inverse quaternion q S -1 of the quaternion q S indicating the posture of the lower leg portion 4, converts it into the rotation matrix R S -1. By applying (accumulating) the rotation matrix R S −1 to the vector e F of the foot 5, a vector e F ′ indicating only the motion of the foot 5 can be obtained.

前記実施の形態では、運動測定装置10によって人体の歩行動作を測定することを基本として発明が説明されているが、本発明は、いわゆるロボットの歩行動作部や義足の歩行動作部の動作測定、さらには各種機械の三次元動作の角度測定に使用することが可能である。   In the above embodiment, the invention has been described on the basis of measuring the walking motion of the human body by the motion measuring device 10, but the present invention is a motion measurement of a walking motion portion of a so-called robot or a walking motion portion of a prosthetic leg, Furthermore, it can be used for angle measurement of three-dimensional motion of various machines.

1 人体
2 腰部
3 大腿部
5 足部
10 運動測定装置
11 演算部
12 角速度センサ
13 加速度センサ
,e,e,e ベクトル
q,z クォータニオン
1 body 2 waist 3 thigh 5 feet 10 movement measuring device 11 calculating unit 12 the angular velocity sensor 13 acceleration sensor e B, e T, e S , e F vector q, z quaternion

Claims (10)

歩行動作部に設置される角速度センサおよび加速度センサを有する運動測定装置において、
前記角速度センサは互いに直交する3軸方向の角速度成分を検知し、前記加速度センサは互いに直交する3軸方向の加速度成分を検知するものであり、
前記角速度成分の検知信号と、前記加速度成分の検知信号と、が与えられる演算部が設けられ、
前記演算部では、前記角速度成分の検知信号と前記加速度成分の検知信号とから、前記歩行動作部の動作がベクトルの動作として算出されることを特徴とする運動測定装置。
In a motion measuring device having an angular velocity sensor and an acceleration sensor installed in a walking motion unit,
The angular velocity sensor detects angular velocity components in three axial directions orthogonal to each other, and the acceleration sensor detects acceleration components in three axial directions orthogonal to each other,
A calculation unit is provided to which the angular velocity component detection signal and the acceleration component detection signal are provided,
The motion measuring device, wherein the computing unit calculates the motion of the walking motion unit as a vector motion from the angular velocity component detection signal and the acceleration component detection signal.
前記演算部では、3軸方向の前記角速度成分をクォータニオンに変換するステップおよび3軸方向の前記加速度成分をクォータニオンに変換するステップと、加速度成分から変換された前記クォータニオンを観測値とし、角速度成分から変換された前記クォータニオンを、カルマンフィルタを適用して補正するステップ、とを有し、
前記カルマンフィルタで補正されたクォータニオンから回転行列を算出し、前記回転行列から、前記ベクトルが求められる請求項1記載の運動測定装置。
In the calculation unit, the step of converting the angular velocity component in the three-axis direction into a quaternion, the step of converting the acceleration component in the three-axis direction into a quaternion, the quaternion converted from the acceleration component as an observation value, Correcting the converted quaternion by applying a Kalman filter,
The motion measurement apparatus according to claim 1, wherein a rotation matrix is calculated from a quaternion corrected by the Kalman filter, and the vector is obtained from the rotation matrix.
基準ベクトルを設定し、歩行動作では、前記基準ベクトルを基準とし、前記回転行列を用いて、現在のベクトルが求められる請求項2記載の運動測定装置。   The motion measuring apparatus according to claim 2, wherein a reference vector is set, and the current vector is obtained by using the rotation matrix with the reference vector as a reference in the walking motion. 基準姿勢を設定し、前記加速度センサの検知信号によって前記基準ベクトルと前記基準姿勢との関係が求められ、この関係から前記ベクトルと現在の姿勢との関係、および前記基準姿勢と現在の姿勢との関係が求められる請求項3記載の運動測定装置。   A reference posture is set, and a relationship between the reference vector and the reference posture is obtained from a detection signal of the acceleration sensor. From this relationship, a relationship between the vector and the current posture, and a relationship between the reference posture and the current posture. The motion measuring device according to claim 3, wherein the relationship is required. 前記角速度センサと前記加速度センサが大腿部に設けられ、演算対象となる前記ベクトルが、大腿骨と平行で且つ膝関節に向けられて設定される請求項1ないし4のいずれかに記載の運動測定装置。   The exercise according to any one of claims 1 to 4, wherein the angular velocity sensor and the acceleration sensor are provided in a thigh, and the vector to be calculated is set so as to be parallel to the femur and toward the knee joint. measuring device. 前記角速度センサと前記加速度センサが下腿部にも設けられ、下腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号と、大腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号とから、下腿部の動作がベクトルの動作として算出される請求項5記載の運動測定装置。   The angular velocity sensor and the acceleration sensor are also provided on the crus, from the detection signal of the angular velocity component and the acceleration component in the crus, and the detection signal of the angular velocity component and the acceleration component in the thigh The motion measurement device according to claim 5, wherein the motion of the lower leg is calculated as a motion of a vector. 前記角速度センサと前記加速度センサが足部にも設けられ、足部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号と、下腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号とから、足部の動作がベクトルの動作として算出される請求項6記載の運動測定装置。   The angular velocity sensor and the acceleration sensor are also provided on the foot. From the detection signal of the angular velocity component and the acceleration component in the foot, and the detection signal of the angular velocity component and the acceleration component in the crus, The motion measuring device according to claim 6, wherein the motion of the unit is calculated as a motion of a vector. ベクトルの先端部の軌跡が三次元座標上で立体的に求められる請求項1ないし7のいずれかに記載の運動測定装置。   The motion measuring apparatus according to claim 1, wherein the locus of the tip of the vector is obtained three-dimensionally on three-dimensional coordinates. ベクトルの先端部の軌跡を平面に投影した動作軌跡が求められる請求項1ないし7のいずれかに記載の運動測定装置。   The motion measuring apparatus according to claim 1, wherein an operation locus obtained by projecting a locus of a tip portion of a vector onto a plane is obtained. 互いに直交する3つの平面に動作軌跡が投影される請求項9記載の運動測定装置。   The motion measuring apparatus according to claim 9, wherein the motion trajectory is projected on three planes orthogonal to each other.
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