JP2016214377A - 歩行速度推定装置およびこれを備える電気刺激装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歩行速度を正確に推定することに寄与する歩行速度推定装置およびこれを備える電気刺激装置を提供する。
【解決手段】歩行速度推定装置１は、大腿の角速度が反映された信号を出力する角速度センサー２０と、角速度センサー２０の検出結果から得られる大腿の角速度に関する情報である角速度情報に基づいて歩行速度を算出する演算部４３とを備える。演算部４３は予め決められた演算周期である所定の時間毎に歩行速度を繰り返し算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は歩行速度推定装置およびこれを備える電気刺激装置に関する。

歩行速度を推定する歩行速度推定装置が知られている。その一例である特許文献１の歩行速度推定装置は、ユーザーが歩行している時間を計測するストップウォッチ、歩数を検出する加速度センサー、および、ユーザー毎に設定される歩幅を記憶する記憶部を備える。この歩行速度推定装置によれば、ストップウォッチにより計測された時間、加速度センサーにより検出された歩数、および、ユーザー毎に設定された歩幅に基づいて歩行速度の平均値が演算される。

実開平２−５９４１９号公報

ユーザーの歩幅は歩行中に変化することがある。このため、ユーザー毎に設定された一定の歩幅を用いて歩行速度を算出する上記歩行速度推定装置によれば、歩行中に歩幅が変化した場合、推定される歩行速度が実際の歩行速度から大きくずれるおそれがある。

本発明の目的は歩行速度を正確に推定することに寄与する歩行速度推定装置およびこれを備える電気刺激装置を提供することである。

本発明に従う歩行速度推定装置の一形態は、大腿の角速度が反映された信号を出力する角速度センサーと、前記角速度センサーの検出結果から得られる大腿の角速度に関する情報である角速度情報に基づいて、予め決められた演算周期である所定の時間毎に歩行速度を繰り返し算出する演算部とを備える。

本発明に従う電気刺激装置の一形態は、歩行速度推定装置と、電気刺激を出力する電極と、前記電極により出力される前記電気刺激を前記歩行速度推定装置により算出された前記歩行速度に基づいて制御する電圧制御部とを備える。

上記歩行速度推定装置およびこれを備える電気刺激装置は、歩行速度を正確に推定することに寄与する。

は実施の形態１の歩行速度推定装置の模式図である。 は図１の歩行速度推定装置のブロック図である。 は歩行時における角速度の値と使用時間との関係を示すグラフである。 は歩行時の角速度に関するグラフである（（ａ）は右脚、（ｂ）は左脚）。 は実施の形態２の歩行速度推定装置のブロック図である。 は歩行時の角速度に関するグラフである。 は実施の形態３の電気刺激装置の模式図である。 は図７の電気刺激装置のブロック図である。 は歩行時の各事項の変化の一例を示すタイムチャートである（（ａ）は角速度の値、（ｂ）は第１の出力形態、（ｃ）は第２の出力形態）。

（歩行速度推定装置およびこれを備える電気刺激装置が取り得る形態の一例）
〔１〕本発明に従う歩行速度推定装置の一形態は、大腿の角速度が反映された信号を出力する角速度センサーと、前記角速度センサーの検出結果から得られる大腿の角速度に関する情報である角速度情報に基づいて、予め決められた演算周期である所定の時間毎に歩行速度を繰り返し算出する演算部とを備える。

大腿が股関節まわりで回転することにより人体の歩行動作が形成されるため、大腿の角速度は歩行速度と相関を有する。このため、上記歩行速度推定装置によれば歩行速度が正確に推定される。また、所定の時間毎に歩行速度が繰り返し算出されるため、歩行動作を開始してから終了するまでの間において歩行速度が１回だけ算出される従来の技術と異なり、歩行中における歩行速度の変化をユーザーに提供できる。

〔２〕前記歩行速度推定装置の一例によれば、前記角速度情報は前記所定の時間内に検出される前記大腿の角速度の最大値と最小値との差を含む。
立脚期および遊脚期の一方の期間において大腿が体幹の下方を通過するとき、大腿の角速度は１歩行周期における最大値を取る。また、立脚期および遊脚期の他方の期間において大腿が体幹の下方を通過するとき、大腿の角速度は１歩行周期における最小値を取る。本願発明者が実施した試験によれば、これら最大値と最小値との差が歩行速度と高い相関を有することが確認された。このため、上記歩行速度推定装置によれば、例えば角速度の最大値だけを用いて歩行速度を算出する場合よりも正確な歩行速度が得られやすい。また、例えば１歩行周期において多数の角速度情報を取得し、それに基づいて歩行速度を算出する場合よりも演算部の演算が簡素化される。

〔３〕前記歩行速度推定装置の一例によれば、身長に関する情報および性別に関する情報の少なくとも一方を含む情報である生体情報を入力するための情報入力部をさらに備え、前記演算部は前記角速度情報および前記生体情報に基づいて歩行速度を算出する。

大腿の角速度と歩行速度との関係は身体の特徴および性別に応じて異なることがある。例えば、脚が長いユーザーおよび脚が短いユーザーを取り上げた場合、各ユーザーの大腿の角速度が等しくても歩行速度は脚が長いユーザーの方が速い。上記歩行速度推定装置によれば、大腿の角速度に加えて生体情報も歩行速度の算出に用いられるため、より正確な歩行速度が得られやすい。

〔４〕前記歩行速度推定装置の一例によれば、前記角速度センサーの検出結果に基づいて歩行周期を算出する歩行周期算出部と、前記歩行周期に基づいて前記演算周期を更新する演算周期更新部とをさらに備える。

角速度情報に基づいて算出される歩行速度の精度はその演算周期に依存する。演算周期が長い場合、歩行速度が算出されるまでに実際の歩行速度が大きく変動することがある。その場合、算出された歩行速度がその時点での実際の歩行速度から大きくずれているおそれがある。上記歩行速度推定装置によれば、歩行周期に基づいて演算周期が更新されるため、算出される歩行速度の精度が低下しにくい。

〔５〕前記歩行速度推定装置の一例によれば、前記歩行周期算出部は算出した前記歩行周期を立脚期および遊脚期に分割し、前記演算部は前記立脚期および前記遊脚期の一方の期間において前記大腿の角速度の最大値を算出し、前記立脚期および前記遊脚期の他方の期間において前記大腿の角速度の最小値を算出する。

脚が規則的に歩行動作を形成する場合、遊脚期および立脚期の一方において大腿の角速度が最大値を取り、遊脚期および立脚期の他方において大腿の角速度が最小値を取る。一方、脚が不規則な歩行動作を形成する場合、例えば遊脚期において大腿の角速度が最大値および最小値を取ることがある。このような場合、角速度の最大値と最小値との差に基づいて歩行速度を正確に算出することが難しい。上記歩行速度推定装置によれば、角速度の最大値および最小値を算出する期間が決められているため、脚の不規則な歩行動作に起因して歩行速度の推定精度が低下するおそれが低減される。

〔６〕本発明に従う電気刺激装置の一形態は、上記〔１〕〜〔５〕のいずれか一項に記載の歩行速度推定装置と、電気刺激を出力する電極と、前記電極により出力される前記電気刺激を前記歩行速度推定装置により算出された前記歩行速度に基づいて制御する電圧制御部とを備える。

電気刺激が下腿に与えられた場合、筋肉の収縮により下腿の動作を補助する効果、および、下腿の筋肉を鍛錬する効果などが得られる。これらの効果は主に、歩行速度と電気刺激の強さとの関係に依存する。上記電気刺激装置によれば、下腿の動作を反映する歩行速度に基づいて電気刺激が出力されるため、上述の効果が高められることが期待できる。

（実施の形態１）
図１は歩行速度推定装置１の使用状態の一例を示す。歩行速度推定装置１は、大腿２００に装着される一対のサポーター１０、各サポーター１０に取り付けられる角速度センサー２０、および、電気的な複数の要素により構成されるコントローラー３０を備える。歩行速度推定装置１はさらに、各角速度センサー２０とコントローラー３０とを電気的に接続するケーブル６０を備える。

右脚の大腿２００に装着される右脚用のサポーター１０、および、左脚の大腿２００に装着される左脚用のサポーター１０は、身体の正中面に対して左右対称の関係を有し、実質的に同じ構成である。なお、図１は左脚用のサポーター１０を示し、右脚用のサポーター１０を省略している。

各サポーター１０は、角速度センサー２０を収容するホルダー１１を備える。ホルダー１１は、例えばサポーター１０の内面に形成される。角速度センサー２０は、歩行時の遊脚期において角速度の値が正の値を示し、歩行時の立脚期において角速度の値が負の値を示すようにホルダー１１に収容される。角速度センサー２０は、股関節まわりで回転する大腿２００の角速度が反映された信号を出力する。

コントローラー３０は、歩行速度推定装置１の電源のオンおよびオフを切り替える電源スイッチ３１Ａを含む操作部３１、および、情報が出力される表示部３２を備える。表示部３２の一例はディスプレイである。

図２は歩行速度推定装置１の電気的な接続関係を示す。コントローラー３０は、各角速度センサー２０の検出結果が入力される制御部４０、および、一次電池または二次電池の電力を制御部４０に供給する電源部５０をさらに備える。電源部５０は制御部４０の他に、操作部３１および表示部３２と電気的に接続されている。

制御部４０は、各角速度センサー２０から入力された信号を信号処理する信号処理部４１、および、各角速度センサー２０の検出結果から得られる大腿２００（図１参照）の角速度に関する情報である角速度情報に基づいて歩行速度を算出する演算部４３を備える。制御部４０はさらに、演算部４３が歩行速度を演算する周期である演算周期を設定する演算周期設定部４２を備える。

信号処理部４１は例えばマイクロコンピューターを含み、各角速度センサー２０から入力された信号を信号処理することにより正弦波信号を生成する。信号処理は、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。信号処理部４１は、生成した正弦波信号を演算周期設定部４２に出力する。

演算周期設定部４２は歩行中に時間を計測するタイマー（図示略）を含む。演算周期設定部４２はタイマーによりカウントされた時間に基づいて、信号処理部４１から得られた正弦波信号を予め決められた演算周期である所定の時間毎に演算部４３に出力する。所定の時間の一例は１．５秒である。

演算部４３は、信号処理部４１から演算周期設定部４２を介して得られる所定の時間毎の正弦波信号に基づいて角速度情報を算出する。角速度情報は、例えば所定の時間内に検出される大腿２００の角速度の最大値と最小値との差を含む。大腿２００の角速度の最大値は、主に遊脚期において大腿２００が体幹の下方を通過するときに検出される。一方、大腿２００の角速度の最小値は、主に立脚期において大腿２００が体幹の下方を通過するときに検出される。

図３を参照して、角速度情報の算出方法について説明する。なお、図３は歩行時において演算部４３に入力される正弦波信号の一例を示す。
演算部４３はまず、正弦波信号に基づいて大腿２００の角速度の最大値である第１の特徴点ＰＡ、および、大腿２００の角速度の最小値である第２の特徴点ＰＢを算出する。第１の特徴点ＰＡおよび第２の特徴点ＰＢは、演算周期設定部４２により設定された所定の時間内において検出される変曲点から算出される。

演算部４３は不適切な各特徴点ＰＡ，ＰＢを破棄するための２つの閾値ＴＡ，ＴＢを記憶している。閾値ＴＡは角速度の値が正の値を示す位置に設定され、閾値ＴＢは角速度の値が負の値を示す位置に設定される。演算部４３は、算出した第１の特徴点ＰＡが閾値ＴＡ以下の場合、または、算出した第２の特徴点ＰＢが閾値ＴＢ以上の場合、その特徴点を破棄し、この所定の時間に対応する歩行速度を算出しない。

演算部４３は次に、第１の特徴点ＰＡおよび第２の特徴点ＰＢに基づいて、大腿２００の角速度の最大値と最小値との差である特徴値ＰＰを算出する。これにより、角速度情報として特徴値ＰＰが算出される。

演算部４３は、角速度情報に基づいて歩行速度を算出するための関係式である第１の関係式をさらに記憶している。第１の関係式は、例えば下記式［１］により記述される。演算部４３は角速度情報および第１の関係式に基づいて、所定の時間毎に歩行速度Ｖを繰り返し算出する。

変数Ｘ１は角速度情報である特徴値ＰＰが代入される。係数ａ１および定数Ｃ１は、例えば回帰分析によって設定される。係数ａ１および定数Ｃ１の設定方法の一例を以下に示す。

歩行速度との相関が高い角速度情報について検討した結果、特徴値ＰＰが歩行速度と高い相関を有することを確認した。そこで、歩行速度と相関を持つ特徴値ＰＰを測定する歩行テストを実施した。この歩行テストでは、複数の被験者の大腿２００に角速度センサー２０を取り付け、歩行時における角速度センサー２０の検出結果から得られる特徴値ＰＰを記録し、記録された特徴値ＰＰと対応する歩行速度をトレッドミル等の別の手法により測定した。そして、上記歩行テストにより測定された歩行速度と特徴値ＰＰとの関係を示す検量線に基づいて、係数ａ１および定数Ｃ１を設定した。

演算部４３は、特徴値ＰＰを第１の関係式に代入することにより歩行速度Ｖを算出する。歩行速度Ｖは、一方の角速度センサー２０の検出結果から得られる特徴値ＰＰおよび第１の関係式に基づいて算出される歩行速度と、他方の角速度センサー２０の検出結果から得られる特徴値ＰＰおよび第１の関係式に基づいて算出される歩行速度との平均値である。演算部４３は算出した歩行速度Ｖに関する情報を表示部３２に出力する。

図４を参照して、歩行速度の演算周期について説明する。
時刻ｔ１１において、電源スイッチ３１Ａがオンに設定されることにより、各角速度センサー２０が大腿２００の角速度が反映された信号を制御部４０に出力し始める。

時刻ｔ１１から所定の時間が経過した時刻である時刻ｔ１２において、演算周期設定部４２から得られる時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの所定の時間内における正弦波信号に基づいて、演算部４３が特徴値ＰＰを算出する。このとき、図４（ａ）に示される一方の角速度センサー２０の検出結果から得られる特徴値ＰＰ、および、図４（ｂ）に示される他方の角速度センサー２０の検出結果から得られる特徴値ＰＰが算出される。演算部４３は、一方の特徴値ＰＰを第１の関係式に代入することにより得られる歩行速度と、他方の特徴値ＰＰを第１の関係式に代入することにより得られる歩行速度との平均値を演算することにより歩行速度Ｖを算出する。そして、表示部３２は演算部４３から得られた歩行速度Ｖに関する情報を出力する。

時刻ｔ１２から所定の時間が経過した時刻である時刻ｔ１３において、演算周期設定部４２から得られる時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの所定の時間内における正弦波信号に基づいて、演算部４３が特徴値ＰＰを算出する。演算部４３は時刻ｔ１２における処理と同様に歩行速度Ｖを算出する。そして、表示部３２は演算部４３から得られた歩行速度Ｖに関する情報を出力する。なお、時刻ｔ１２および時刻ｔ１３における所定の時間は１．５秒である。

このように、演算部４３は所定の時間毎に歩行速度を繰り返し算出する。なお、時刻ｔ１３以降においても歩行動作が継続される場合、制御部４０は時刻ｔ１２に実施する処理と同様の処理を繰り返し実行する。

図１および図２を参照して、歩行速度推定装置１の作用について説明する。
歩行速度推定装置１を利用するユーザーは、右脚用のサポーター１０を右脚の大腿２００に装着し、左脚用のサポーター１０を左脚の大腿２００に装着する。そして、ユーザーは例えば衣服等にコントローラー３０を取り付ける。

ユーザーは歩行前または歩行中において、電源スイッチ３１Ａをオフからオンに切り替える。電源スイッチ３１Ａがオンに設定されることにより、各角速度センサー２０が大腿２００の角速度が反映された信号を制御部４０に出力し始め、演算部４３が特徴値ＰＰおよび第１の関係式に基づいて所定の時間毎に歩行速度Ｖを繰り返し算出する。そして、歩行速度Ｖに関する情報が所定の時間毎に表示部３２に表示される。このため、ユーザーは歩行中にその時々の歩行速度を把握できる。

大腿２００が股関節まわりで回転することにより人体の歩行動作が形成されるため、大腿２００の角速度は歩行速度と相関を有する。一方、歩行速度推定装置１によれば、各角速度センサー２０の検出結果から得られる特徴値ＰＰに基づいて歩行速度Ｖが算出される。このため、歩行速度が正確に推定される。

実施の形態１の歩行速度推定装置１によれば、さらに以下の効果が得られる。
（１）歩行速度推定装置１によれば、所定の時間毎に歩行速度Ｖが繰り返し算出される。このため、歩行動作を開始してから終了するまでの間において歩行速度が１回だけ算出される場合と異なり、歩行中における歩行速度の変化をユーザーに提供できる。

（２）正確な歩行速度を推定するために、歩行速度との相関が高い角速度情報について検討した結果、大腿の角速度の最大値と最小値との差である特徴値ＰＰが歩行速度と高い相関を有することが確認された。歩行速度推定装置１はこの点を踏まえ、所定の時間内に検出される特徴値ＰＰを角速度情報として利用している。このため、例えば角速度の最大値だけを用いて歩行速度を算出する場合よりも正確な歩行速度が得られやすい。また、例えば１歩行周期において多数の角速度情報を取得し、それに基づいて歩行速度を算出する場合よりも演算部４３の演算が簡素化される。

（３）歩行速度推定装置１は、不適切な各特徴点ＰＡ，ＰＢを破棄するための２つの閾値ＴＡ，ＴＢを備える。演算部４３は、算出した第１の特徴点ＰＡが閾値ＴＡ以下の場合、または、算出した第２の特徴点ＰＢが閾値ＴＢ以上の場合、その特徴点を破棄し、この所定の時間に対応する歩行速度を算出しない。すなわち、ユーザーの動作が微小な場合、または、角速度センサー２０が誤検出した場合等により得られた各特徴点ＰＡ，ＰＢが破棄される。このため、上記の場合等における不正確な歩行速度に関する情報がユーザーに提供されにくい。

（実施の形態２）
実施の形態２の歩行速度推定装置１は、以下に説明する点において実施の形態１の歩行速度推定装置１と相違し、その他の点において実施の形態１の歩行速度推定装置１と実質的に同じ構成を備える。なお、実施の形態２の歩行速度推定装置１の説明は、実施の形態１の歩行速度推定装置１と共通する構成に同一の符号を付し、その構成の説明の一部または全部を省略する。

図５は歩行速度推定装置１の電気的な接続関係を示す。演算周期設定部４２は、角速度センサー２０の検出結果に基づいて歩行周期を算出する歩行周期算出部４２Ａ、および、歩行周期算出部４２Ａにより算出された歩行周期に基づいて演算周期を更新する演算周期更新部４２Ｂを備える。

歩行周期算出部４２Ａは、演算部４３により算出された第１の特徴点ＰＡおよび第２の特徴点ＰＢに基づいて１歩行周期の時間を算出する。例えば、歩行周期算出部４２Ａは第１の特徴点ＰＡと第２の特徴点ＰＢとの間の時間の２倍の時間を１歩行周期の時間として算出する。歩行周期算出部４２Ａは各特徴点ＰＡ，ＰＢに基づいて１歩行周期の時間を繰り返し算出する。

演算周期更新部４２Ｂは歩行周期算出部４２Ａにより算出された１歩行周期の時間に基づいて予め設定された演算周期を更新する。具体的には、演算周期更新部４２Ｂは予め設定された所定の時間と１歩行周期の時間とが乖離している場合、所定の時間を１歩行周期の時間に更新する。すなわち、演算周期を１歩行周期の時間に更新する。また、演算周期更新部４２Ｂは更新された１歩行周期の時間と更新後に算出された１歩行周期の時間とが乖離している場合、演算周期をさらに更新する。

歩行周期算出部４２Ａはさらに、算出された１歩行周期の時間を所定の割合で分割することによって、１歩行周期を立脚期および遊脚期に分割する。例えば、歩行周期算出部４２Ａは１歩行周期の時間を半分の期間で分割し、一方の期間を立脚期とし、他方の期間を遊脚期とする。歩行周期算出部４２Ａは、例えば信号処理部４１から得られた正弦波信号の変化に基づいて、分割した一方の期間が立脚期であると判定し、他方の期間が遊脚期であると判定する。歩行周期算出部４２Ａは立脚期および遊脚期に関する情報を演算部４３に出力する。

演算部４３は歩行周期算出部４２Ａから得られる遊脚期に関する情報に基づいて、遊脚期の期間において検出される変曲点から第１の特徴点ＰＡを算出する。すなわち、演算部４３は１歩行周期のうちの遊脚期の期間に得られた正弦波信号に基づいて第１の特徴点ＰＡを算出する。一方、演算部４３は歩行周期算出部４２Ａから得られる立脚期に関する情報に基づいて、立脚期の期間において検出される変曲点から第２の特徴点ＰＢを算出する。すなわち、演算部４３は１歩行周期のうちの立脚期の期間に得られた正弦波信号に基づいて第２の特徴点ＰＢを算出する。

操作部３１は、身長に関する情報および性別に関する情報の両方を含む情報である生体情報を入力するための情報入力部３１Ｂをさらに備える。情報入力部３１Ｂは例えば複数のボタンにより構成される。ユーザーは電源スイッチ３１Ａをオフからオンに切り替えた後において、情報入力部３１Ｂにより生体情報である身長に関する情報および性別に関する情報を入力する。操作部３１は情報入力部３１Ｂにより入力された生体情報を演算部４３に出力する。

演算部４３は、角速度情報および情報入力部３１Ｂから得られる生体情報に基づいて歩行速度を算出するための関係式である第２の関係式を記憶している。第２の関係式は、例えば下記式［２］により記述される。演算部４３は角速度情報、生体情報、および、第２の関係式に基づいて歩行速度Ｖを繰り返し算出する。

変数Ｘ１は角速度情報である特徴値ＰＰが代入される。変数Ｘ２は生体情報のうちの身長に関する情報が代入される。変数Ｘ３は生体情報のうちの性別に関する情報が代入される。各係数ａ２，ｂ２，ｃ２および定数Ｃ２は、例えば重回帰分析によって設定される。各係数ａ２，ｂ２，ｃ２および定数Ｃ２の設定方法は、第１の関係式に基づく係数ａ１および定数Ｃ１の設定方法と実質的に同じである。例えば、歩行速度と特徴値ＰＰとの関係を示す検量線、歩行速度と身長に関する情報との関係を示す検量線、および、歩行速度と性別に関する情報との関係を示す検量線に基づいて各係数ａ２，ｂ２，ｃ２および定数Ｃ２が設定される。

演算部４３は、特徴値ＰＰ、身長に関する情報、および、性別に関する情報を第２の関係式に代入することにより歩行速度Ｖを算出する。演算部４３は算出した歩行速度Ｖに関する情報を表示部３２に出力する。なお、情報入力部３１Ｂにより生体情報が入力されない場合、演算部４３は特徴値ＰＰを第１の関係式に代入することにより歩行速度Ｖを算出してもよい。

図６を参照して、歩行速度の演算周期について説明する。なお、図６は一方の角速度センサー２０の検出結果から得られる正弦波信号の一例を示し、他方の角速度センサー２０の検出結果から得られる正弦波信号を省略している。

時刻ｔ２１において、電源スイッチ３１Ａがオンに設定されることにより、各角速度センサー２０が大腿２００の角速度が反映された信号を制御部４０に出力し始める。
時刻ｔ２１から所定の時間が経過した時刻である時刻ｔ２２において、演算周期設定部４２から得られる時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの所定の時間内における正弦波信号に基づいて、演算部４３が特徴値ＰＰを算出する。歩行周期算出部４２Ａは、演算部４３により算出された各特徴点ＰＡ，ＰＢに基づいて１歩行周期の時間を算出する。演算周期更新部４２Ｂは予め設定された所定の時間と１歩行周期の時間とが乖離していると判定した場合、演算周期を更新する。演算部４３は、例えば特徴値ＰＰ、身長に関する情報、および、性別に関する情報を第２の関係式に代入することにより歩行速度Ｖを算出する。そして、表示部３２は演算部４３から得られた歩行速度Ｖに関する情報を出力する。

時刻ｔ２２から所定の時間または更新された演算周期に相当する時間が経過した時刻である時刻ｔ２３において、演算周期設定部４２から得られる時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの所定の時間内における正弦波信号に基づいて、演算部４３が特徴値ＰＰを算出する。歩行周期算出部４２Ａ、演算周期更新部４２Ｂ、および、演算部４３は時刻ｔ２２における処理と同様の処理を実行する。そして、表示部３２は演算部４３から得られた歩行速度Ｖに関する情報を出力する。

このように、演算部４３は演算周期を更新しながら歩行速度を繰り返し算出する。なお、時刻ｔ２３以降においても歩行動作が継続される場合、制御部４０は時刻ｔ２３に実施する処理と同様の処理を繰り返し実行する。

実施の形態２の歩行速度推定装置１によれば、実施の形態１により得られる（１）〜（３）の効果に加えて、さらに以下の効果が得られる。
（４）大腿２００の角速度と歩行速度との関係は身体の特徴および性別に応じて異なることがある。例えば、脚が長いユーザーおよび脚が短いユーザーを取り上げた場合、各ユーザーの大腿２００の角速度が等しくても歩行速度は脚が長いユーザーの方が速い。歩行速度推定装置１によれば、大腿２００の角速度に加えて生体情報も歩行速度の算出に用いられるため、より正確な歩行速度が得られやすい。

（５）角速度情報に基づいて算出される歩行速度の精度はその演算周期に依存する。演算周期が長い場合、歩行速度が算出されるまでに実際の歩行速度が大きく変動することがある。その場合、算出された歩行速度がその時点での実際の歩行速度から大きくずれているおそれがある。

一方、演算周期が短い場合、演算部４３により適切な各特徴点ＰＡ，ＰＢが算出されないことがある。これは、演算周期がユーザーの１歩行周期よりも短い場合に生じる。その場合、算出された歩行速度が実際の歩行速度から大きくずれているおそれがある。歩行速度推定装置１によれば、歩行周期に基づいて演算周期が更新されるため、算出される歩行速度の精度が低下しにくい。

（６）脚が規則的に歩行動作を形成する場合、遊脚期において大腿２００の角速度が最大値を取り、立脚期において大腿２００の角速度が最小値を取る。一方、脚が不規則な歩行動作を形成する場合、例えば遊脚期において大腿２００の角速度が最大値および最小値を取ることがある。このような場合、角速度の最大値と最小値との差である特徴値ＰＰに基づいて歩行速度を正確に算出することが難しい。歩行速度推定装置１によれば、第１の特徴点ＰＡおよび第２の特徴点ＰＢを算出する期間が決められているため、脚の不規則な歩行動作に起因して歩行速度の推定精度が低下するおそれが低減される。

（実施の形態３）
実施の形態３の歩行速度推定装置１は、以下に説明する点において実施の形態２の歩行速度推定装置１と相違し、その他の点において実施の形態２の歩行速度推定装置１と実質的に同じ構成を備える。なお、実施の形態３の歩行速度推定装置１の説明は、実施の形態２の歩行速度推定装置１と共通する構成に同一の符号を付し、その構成の説明の一部または全部を省略する。

図７は電気刺激装置１００の使用状態の一例を示す。電気刺激装置１００は、歩行速度推定装置１、および、電気刺激を出力する一対の電極１１０を備える。なお、図７は左脚用のサポーター１０を示し、右脚用のサポーター１０を省略している。

各電極は一対の陽極および陰極を有する。各電極１１０は、例えばサポーター１０の内面のうちのホルダー１１と対応する位置において外部に露出するように取り付けられる。各電極１１０はケーブル６０を介してコントローラー３０と電気的に接続されている。

図８は電気刺激装置１００の電気的な接続関係を示す。電気刺激装置１００は、各電極１１０により出力される電気刺激を歩行速度推定装置１の演算部４３により算出された歩行速度Ｖに基づいて制御する電圧制御部１２０をさらに備える。電圧制御部１２０はコントローラー３０の内部に収容され、電源部５０と電気的に接続されている。なお、電圧制御部１２０は、パルス変調した電気刺激を各電極１１０に出力させる。

電圧制御部１２０は、各電極１１０により出力される電気刺激の出力形態として第１の出力形態および第２の出力形態を記憶している。第１の出力形態では、歩行速度Ｖが所定の歩行速度以上のときに電気刺激がオンに設定され、歩行速度Ｖが所定の歩行速度未満のときに電気刺激がオフに設定される。所定の歩行速度は、例えば時速３ｋｍである。なお、第１の出力形態において電気刺激がオンに設定されている場合、各電極１１０から第１の出力電圧Ｖ１が出力される。

第２の出力形態では、歩行速度Ｖに比例して段階的に電気刺激が強められる。第２の出力形態において各電極１１０から出力される出力電圧は、第３の出力電圧Ｖ３、第３の出力電圧Ｖ３よりも高い電圧である第２の出力電圧Ｖ２、および、第２の出力電圧Ｖ２よりも高い電圧である第１の出力電圧Ｖ１である。電圧制御部１２０は第２の出力形態において、第１の出力電圧Ｖ１、第２の出力電圧Ｖ２、および、第３の出力電圧Ｖ３を歩行速度Ｖに基づいて切り替える。

操作部３１は、各電極１１０から出力される電気刺激の出力形態を選択するための出力形態選択部３１Ｃをさらに備える。出力形態選択部３１Ｃは選択された出力形態に関する情報を電圧制御部１２０に出力する。

図９を参照して、第１の出力形態および第２の出力形態について説明する。なお、図９（ａ）は一方の角速度センサー２０の検出結果から得られる正弦波信号の一例を示し、他方の角速度センサー２０の検出結果から得られる正弦波信号を省略している。

図９（ｂ）に示されるとおり、時刻ｔ３１において、出力形態選択部３１Ｃにより第１の出力形態が選択される。このとき、演算部４３により歩行速度Ｖが算出されていないため、電圧制御部１２０は各電極１１０から出力される電気刺激をオフに設定する、または、オフの状態を維持する。

時刻ｔ３１から所定の時間が経過した時刻である時刻ｔ３２において、演算部４３が図６に示される時刻ｔ２２における処理と同様に歩行速度Ｖを算出する。電圧制御部１２０は演算部４３により算出された歩行速度Ｖが所定の歩行速度以上であるか否かを判定する。所定の歩行速度は、例えば時速３ｋｍである。電圧制御部１２０は歩行速度Ｖが所定の歩行速度未満であると判定したため、各電極１１０から出力される電気刺激がオフの状態を維持する。

時刻ｔ３２から所定の時間または更新された演算周期に相当する時間が経過した時刻である時刻ｔ３３において、演算部４３が図６に示される時刻ｔ２３における処理と同様に歩行速度Ｖを算出する。電圧制御部１２０は演算部４３により算出された歩行速度Ｖが所定の歩行速度以上であるか否かを判定する。電圧制御部１２０は歩行速度Ｖが所定の歩行速度以上であると判定したため、各電極１１０から第１の出力電圧Ｖ１を出力させる。

このように、電圧制御部１２０は第１の出力形態により各電極１１０から出力される電気刺激を制御する。なお、時刻ｔ３３以降においても歩行動作が継続される場合、制御部４０および電圧制御部１２０は時刻ｔ３３に実施する処理と同様の処理を繰り返し実行する。

図９（ｃ）に示されるとおり、時刻ｔ３１において、出力形態選択部３１Ｃにより第２の出力形態が選択される。このとき、演算部４３により歩行速度Ｖが算出されていないため、電圧制御部１２０は各電極１１０から第３の出力電圧Ｖ３を出力させる。

時刻ｔ３１から所定の時間が経過した時刻である時刻ｔ３２において、演算部４３が図６に示される時刻ｔ２２における処理と同様に歩行速度Ｖを算出する。電圧制御部１２０は演算部４３により算出された歩行速度Ｖに基づいて出力電圧を選択する。電圧制御部１２０は時刻ｔ３２において、例えば第３の出力電圧Ｖ３に代えて第２の出力電圧Ｖ２を各電極１１０から出力させる。なお、電圧制御部１２０は例えば予め決められた歩行速度に関する複数の閾値（図示略）に基づいて出力電圧を選択する。

時刻ｔ３２から所定の時間または更新された演算周期に相当する時間が経過した時刻である時刻ｔ３３において、演算部４３が図６に示される時刻ｔ２３における処理と同様に歩行速度Ｖを算出する。電圧制御部１２０は演算部４３により算出された歩行速度Ｖに基づいて出力電圧を選択する。電圧制御部１２０は時刻ｔ３３において、例えば第２の出力電圧Ｖ２に代えて第１の出力電圧Ｖ１を各電極１１０から出力させる。

このように、電圧制御部１２０は第２の出力形態により各電極１１０から出力される電気刺激を制御する。なお、時刻ｔ３３以降においても歩行動作が継続される場合、制御部４０および電圧制御部１２０は時刻ｔ３３に実施する処理と同様の処理を繰り返し実行する。

図７および図８を参照して、電気刺激装置１００の作用について説明する。
電気刺激装置１００を利用するユーザーは、右脚用のサポーター１０を右脚の大腿２００に装着し、左脚用のサポーター１０を左脚の大腿２００に装着する。そして、ユーザーは例えば衣服等にコントローラー３０を取り付ける。

ユーザーは歩行前または歩行中において、電源スイッチ３１Ａをオフからオンに切り替え、出力形態選択部３１Ｃにより各電極１１０により出力される電気刺激の出力形態を選択する。これにより、演算部４３により算出された歩行速度Ｖ、および、選択された出力形態に基づいて各電極１１０から出力される電気刺激が制御される。

第１の出力形態が選択される場合、歩行速度Ｖが所定の歩行速度以上のときに電気刺激がオンに設定され、歩行速度Ｖが所定の歩行速度未満のときに電気刺激がオフに設定される。一方、歩行速度が遅いとき、すなわち大腿２００にかかる負荷が小さいときは、電気刺激により得られる効果が小さいことが予想される。電気刺激装置１００によれば、第１の出力形態が選択される場合において、電気刺激により得られる効果が小さいときに電気刺激がオフに設定されるため、電力の浪費が抑制される。

第２の出力形態が選択される場合、歩行速度Ｖに比例して段階的に電気刺激が強められる。すなわち、歩行速度が遅い場合は電気刺激が弱められ、歩行速度が速い場合は電気刺激が強められる。このため、大腿２００にかかる負荷に応じた電気刺激が与えられることにより、電気刺激により得られる効果が高められることが期待できる。また、電気刺激装置１００によれば、第２の出力形態が選択される場合において、大腿２００に与えられる電気刺激が急に強くなりにくいため、人体に負担がかかりにくい。

実施の形態３の電気刺激装置１００によれば、実施の形態２により得られる（１）〜（６）の効果に加えて、さらに以下の効果が得られる。
（７）電気刺激が大腿２００に与えられた場合、筋肉の収縮により大腿２００の動作を補助する効果、および、大腿２００の筋肉を鍛錬する効果などが得られる。これらの効果は主に、歩行速度と電気刺激の強さとの関係に依存する。電気刺激装置１００によれば、大腿２００の動作を反映する歩行速度Ｖに基づいて電気刺激が出力されるため、上述の効果が高められることが期待できる。

（変形例）
実施の形態に関する説明は本発明に従う歩行速度推定装置および電気刺激装置が取り得る形態の例示であり、その形態を制限することを意図していない。本発明に従う歩行速度推定装置および電気刺激装置は実施の形態以外に例えば以下に示される実施の形態の変形例、および、相互に矛盾しない少なくとも２つの変形例が組み合わせられた形態を取り得る。

・実施の形態１の変形例の演算部４３は、第１の関係式に代えて、角速度情報と歩行速度とが関連付けられたマップに基づいて歩行速度Ｖを算出する。なお、実施の形態２および実施の形態３の第２の関係式においても同様の変形が成立する。

・実施の形態１の変形例の演算部４３は、一方の角速度センサー２０の検出結果から得られる特徴値ＰＰと、他方の角速度センサー２０の検出結果から得られる特徴値ＰＰとの平均値を演算し、演算された特徴値ＰＰを第１の関係式に代入することにより歩行速度Ｖを算出する。なお、実施の形態２および実施の形態３においても同様の変形が成立する。

・実施の形態２の変形例の歩行周期算出部４２Ａは、第１の特徴点ＰＡと次の演算周期に算出される第１の特徴点ＰＡとの間の時間を１歩行周期の時間として算出する。別の変形例の歩行周期算出部４２Ａは、第２の特徴点ＰＢと次の演算周期に算出される第２の特徴点ＰＢとの間の時間を１歩行周期の時間として算出する。なお、実施の形態３においても同様の変形が成立する。

・実施の形態２の変形例の歩行周期算出部４２Ａは、靴の裏等に取り付けられた圧力センサーの検出結果に基づいて１歩行周期を算出する。また、変形例の歩行周期算出部４２Ａは、圧力センサーの検出結果に基づいて１歩行周期を立脚期および遊脚期に分割する。この変形例によれば、１歩行周期を正確に算出できるとともに、１歩行周期を立脚期および遊脚期に正確に分割できる。

・実施の形態２の変形例の演算周期更新部４２Ｂは、歩行周期算出部４２Ａにより１歩行周期の時間が算出される毎に演算周期を更新する。なお、実施の形態３においても同様の変形が成立する。

・実施の形態２の変形例の演算部４３は、角速度情報および情報入力部３１Ｂから得られる生体情報のうちの身長に関する情報に基づいて歩行速度を算出するための関係式である第３の関係式を記憶している。第３の関係式は、例えば下記式［３］により記述される。演算部４３は角速度情報、身長に関する情報、および、第３の関係式に基づいて歩行速度Ｖを繰り返し算出する。

変数Ｘ１は角速度情報である特徴値ＰＰが代入される。変数Ｘ２は生体情報のうちの身長に関する情報が代入される。各係数ａ３，ｂ３および定数Ｃ３は、例えば重回帰分析によって設定される。各係数ａ３，ｂ３および定数Ｃ３の設定方法は、第１の関係式に基づく係数ａ１および定数Ｃ１の設定方法と実質的に同じである。例えば、歩行速度と特徴値ＰＰとの関係を示す検量線、および、歩行速度と身長に関する情報との関係を示す検量線に基づいて各係数ａ３，ｂ３および定数Ｃ３が設定される。演算部４３は、特徴値ＰＰおよび身長に関する情報を第３の関係式に代入することにより歩行速度Ｖを算出する。

また、別の変形例の演算部４３は、角速度情報および情報入力部３１Ｂから得られる生体情報のうちの性別に関する情報に基づいて歩行速度を算出するための関係式である第４の関係式を記憶している。演算部４３は、角速度情報、性別に関する情報、および、第４の関係式に基づいて歩行速度Ｖを繰り返し算出する。

・実施の形態３の変形例の電圧制御部１２０によれば、各電極１１０に出力させる電気刺激の周波数を歩行速度Ｖに応じて変化させる。
・実施の形態３の変形例のサポーター１０によれば、大腿２００および下腿に跨って装着される。この変形例によれば、各電極１１０に代えてまたは加えて、下腿に装着される部分における各サポーター１０の内面に電極を取り付けてもよい。

・変形例の演算部４３は、角速度情報として第１の特徴点ＰＡを用いて歩行速度Ｖを算出する。
・変形例の演算部４３は、角速度情報として第２の特徴点ＰＢを用いて歩行速度Ｖを算出する。

・変形例の制御部４０によれば、演算部４３から２つの閾値ＴＡ，ＴＢが省略される。
・変形例の歩行速度推定装置１は、演算部４３が歩行速度Ｖおよび歩行周期等に基づいて消費カロリーおよび歩数等を算出し、表示部３２が歩行速度Ｖに加えて消費カロリーおよび歩数等を出力する。

・変形例の歩行速度推定装置１によれば、一対の角速度センサー２０のうちの一方が省略される。
・変形例の歩行速度推定装置１によれば、一対のサポーター１０のうちの一方が省略される。

・変形例の歩行速度推定装置１によれば、各角速度センサー２０とコントローラー３０とが無線により電気的に接続される。
・変形例の歩行速度推定装置１は、表示部３２に代えてまたは加えて、音声により歩行速度Ｖに関する情報を出力する報知部を備える。

（課題を解決するための手段に関する付記）
〔付記１〕大腿の角速度が反映された信号を出力する角速度センサーと、前記角速度センサーの検出結果から得られる大腿の角速度に関する情報である角速度情報に基づいて歩行速度を算出する演算部とを備え、前記角速度情報は、歩行時に検出される前記大腿の角速度の最大値、歩行時に検出される前記大腿の角速度の最小値、および、歩行時に検出される前記大腿の角速度の最大値と最小値との差のいずれかを含む、歩行速度推定装置。

〔付記２〕大腿の角速度が反映された信号を出力する角速度センサーと、身長に関する情報および性別に関する情報の少なくとも一方を含む情報である生体情報を入力するための情報入力部と、前記角速度センサーの検出結果から得られる大腿の角速度に関する情報である角速度情報および前記生体情報に基づいて歩行速度を演算する演算部とを備える、歩行速度推定装置。

〔付記３〕大腿の角速度が反映された信号を出力する角速度センサーと、前記角速度センサーの検出結果に基づいて歩行周期を算出する歩行周期算出部と、前記角速度センサーの検出結果から得られる大腿の角速度に関する情報である角速度情報および前記歩行周期に基づいて歩行速度を演算する演算部とを備える、歩行速度推定装置。

本歩行速度推定装置およびこれを備える電気刺激装置は携帯可能な小型電気機器、および、トレーニングのための据置型電気機器をはじめとして各種の装置に適用可能である。

１ ：歩行速度推定装置
２０ ：角速度センサー
３１Ｂ：情報入力部
４２Ａ：歩行周期算出部
４２Ｂ：演算周期更新部
４３ ：演算部
１００：電気刺激装置
１１０：電極
１２０：電圧制御部
２００：大腿
Ｖ ：歩行速度

Claims (6)

1. 大腿の角速度が反映された信号を出力する角速度センサーと、
   前記角速度センサーの検出結果から得られる大腿の角速度に関する情報である角速度情報に基づいて、予め決められた演算周期である所定の時間毎に歩行速度を繰り返し算出する演算部とを備える
   歩行速度推定装置。
2. 前記角速度情報は前記所定の時間内に検出される前記大腿の角速度の最大値と最小値との差を含む
   請求項１に記載の歩行速度推定装置。
3. 身長に関する情報および性別に関する情報の少なくとも一方を含む情報である生体情報を入力するための情報入力部をさらに備え、
   前記演算部は前記角速度情報および前記生体情報に基づいて歩行速度を算出する
   請求項１または２に記載の歩行速度推定装置。
4. 前記角速度センサーの検出結果に基づいて歩行周期を算出する歩行周期算出部と、
   前記歩行周期に基づいて前記演算周期を更新する演算周期更新部とをさらに備える
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の歩行速度推定装置。
5. 前記歩行周期算出部は算出した前記歩行周期を立脚期および遊脚期に分割し、
   前記演算部は前記立脚期および前記遊脚期の一方の期間において前記大腿の角速度の最大値を算出し、前記立脚期および前記遊脚期の他方の期間において前記大腿の角速度の最小値を算出する
   請求項２を直接的または間接的に引用する請求項４に記載の歩行速度推定装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の歩行速度推定装置と、
   電気刺激を出力する電極と、
   前記電極により出力される前記電気刺激を前記歩行速度推定装置により算出された前記歩行速度に基づいて制御する電圧制御部と
   を備える電気刺激装置。