JP2020039483A - センサのキャリブレーション方法、この方法に用いるための椅子及び、この方法を実行する歩行動作計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】自身で身体を直立させることが困難なユーザであっても、キャリブレーションを精度良く行える方法を提供する。【解決手段】ユーザＵの動作を計測するためにユーザＵの上体部、大腿部及び下腿部に、３軸の加速度及び角速度を検出する複数の慣性計測センサ２を取り付け、上体部と下腿部とが互いに平行をなし且つ大腿部が上体部及び下腿部に対して直交する基準姿勢をもってユーザＵを座らせ、基準姿勢をもってユーザＵが座った状態で取得した複数の慣性計測センサ２の出力に基づいて複数の慣性計測センサ２のキャリブレーションを行う。【選択図】図４

Description

本開示は、ユーザの動作を計測する慣性計測センサのキャリブレーション方法、この方法に用いるのに好適なキャリブレーション用椅子及び、この方法を精度良く行える歩行動作計測システムに関する。

使用者の歩行動作を補助する歩行補助装置として、使用者の左右の股関節角度の差分角に基づいて、使用者に与えるべき補助力を算出するものが公知である（特許文献１）。この歩行補助装置は、股関節角度の差分角に基づいて補助力を算出することにより、片麻痺患者等へ装着された場合であっても患脚の左右非対称の歩行に対して適切な周期的な補助を付与することができる。

使用者の起立動作を支援する装置において、使用者の起立動作の開始をできる限り早く検出するために、使用者の筋電値を計測する筋電計測部に加え、使用者の上半身の前傾角度を取得する角度計測部を備えたものが公知である（特許文献２）。この発明では、角度計測部として、３軸の加速度、３軸の角速度及び３軸の地磁気を検出する９軸センサ（ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit；慣性計測センサ））が使用者の上半身（腰）に取り付けられ、椅子に座っている使用者の上半身の前傾角度を検出することで、起立動作ではなく起立の準備動作（前傾姿勢）を検出して起立動作の意図を検出している。

ところで、使用者の身体に慣性計測センサを装着して使用者の姿勢を検出することにより、使用者の動作や、動作補助装置により動作を補助された場合の動作の変化等を計測することができる。また、必要に応じ、その計測結果を動作補助装置にフィードバックすることも可能である。このような慣性計測センサを使用する際にはキャリブレーションが必要となる。

使用者が装着する支援装置に用いられる３軸の加速度センサのキャリブレーション方法として、使用者が上半身を直立させた姿勢でスイッチを操作した時に、加速度センサのキャリブレーションが行われる技術が公知である（特許文献３の明細書段落［００２１］〜［００２２］）。これにより、直立姿勢を基準にした傾斜角の差分に基づいて上半身の傾斜角度を検出することができる。

特許第５９３８１２４号公報 特開２０１７−１６４４７０号公報 特許第６１０３２８０号公報

しかしながら、例えば片麻痺患者といった姿勢障害や運動障害を有するユーザの動作を慣性計測センサにより計測する場合、ユーザが自身で身体を直立させることが困難な場合があり、このようなユーザに歩行補助装置や慣性計測センサに基づく姿勢検出装置を装着できたとしても、キャリブレーションが困難となる虞があった。

本発明は、このような背景に鑑み、姿勢障害や運動障害を有し、自身で身体を直立させることが困難なユーザであっても、キャリブレーションを精度良く行える方法を提供することを課題とする。また、本発明は、このキャリブレーション方法に好適なキャリブレーション用椅子を提供することを課題とする。更に、本発明は、キャリブレーションを精度良く行える歩行動作計測システムを提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明のある実施形態は、センサのキャリブレーション方法であって、ユーザ（Ｕ）の動作を計測するために前記ユーザの上体部、大腿部及び下腿部に、３軸の加速度及び角速度を検出する複数の慣性計測センサ（２）を取り付けるステップ（ＳＴ１）と、前記上体部と前記下腿部とが互いに平行をなし且つ前記大腿部が前記上体部及び前記下腿部に対して直交する姿勢である基準姿勢をもって前記ユーザを座らせるステップ（ＳＴ２）と、前記基準姿勢をもって前記ユーザが座った状態で取得した複数の前記慣性計測センサの出力に基づいて複数の前記慣性計測センサのキャリブレーションを行うステップ（ＳＴ３）と、を備えることを特徴とする。

脳性麻痺児などの患者は座位で安定した姿勢をとりやすい傾向がある。そのため、この構成によれば、動作計測対象のユーザが自身で身体を直立させることが困難な患者であっても、複数の慣性計測センサを取り付けて座らせた状態で複数の慣性計測センサのキャリブレーションを行うことで、精度良くキャリブレーションを行うことができる。これにより、計測精度の向上を図ることができる。

また、上記構成において、複数の前記慣性計測センサ（２）が取り付けられた前記ユーザ（Ｕ）の動作を光学式モーションキャプチャで計測するステップ（ＳＴ７）と、前記光学式モーションキャプチャで検出した前記ユーザの動作に基づいて、複数の前記慣性計測センサの出力の線形モデルの傾きを補正するステップ（ＳＴ８、ＳＴ９）とを更に備えるとよい。

この構成によれば、後処理として光学式モーションキャプチャで検出したユーザの動作に基づいて、複数の慣性計測センサの出力の線形モデルの傾きを補正することで、慣性計測センサの性能のばらつきによる誤差を小さくし、動作の計測精度を向上させることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明のある実施形態は、上記構成のキャリブレーション方法に用いるための椅子（２）であって、前記ユーザ（Ｕ）の前記大腿部が座面（２１ａ）に沿うように、足接地面（２６ａ）から前記座面までの高さが調整可能に構成された着座部（２１）と、前記ユーザの前記下腿部の膝裏が前記座面の前縁に接し且つ前記ユーザの背部が背凭れ面（２２ａ）に沿うように、前記着座部に対して前後方向に移動可能に構成された背凭れ（２２）と、前記座面の前縁の下方に踵を位置させるべく前記ユーザの前記下腿部をガイドする下腿ガイド部材（２５）と、を有することを特徴とする。

安定した座位でキャリブレーションを行うためには、膝関節と股関節、足関節の角度を保持しやすい専用の椅子を用意するとよい。この構成によれば、足接地面から前記座面までの高さが調整可能であるため、大腿部を水平にすることが容易である。また、下腿ガイド部材と座面の前縁とにより下腿部を鉛直にすることが容易である。更に、背凭れ面が前後方向に移動可能であるため、下腿部の鉛直及び大腿部の水平を保ったまま上半身を鉛直にすることが容易である。これらにより、安定した姿勢を保持できないユーザの動作を計測する場合であっても、複数の慣性計測センサのキャリブレーションを精度良く行うことができる。また、ユーザの身体的負担も緩和できる。

また、上記課題を解決するために、本発明のある実施形態は、歩行動作計測システム（１）であって、ユーザ（Ｕ）の動作を計測するために前記ユーザの上体部、大腿部及び下腿部に取り付けられ、３軸の加速度及び角速度を検出する複数の慣性計測センサ（２）と、前記ユーザの腰部に装着される腰フレーム（１１）及び前記ユーザの脚部に装着される脚フレーム（１２）を有し、前記ユーザの歩行動作を補助する補助力を発生する歩行補助装置（１０）と、前記歩行補助装置が前記ユーザの歩行動作を補助している時に、複数の前記慣性計測センサの出力に基づいて前記ユーザの前記上体部、前記大腿部及び前記下腿部の動作を計測する計測装置（４）と、を備え、前記上体部と前記下腿部とが互いに平行をなし且つ前記大腿部が前記上体部及び前記下腿部に対して直交する姿勢である基準姿勢を前記ユーザがとった状態で、前記計測装置が複数の前記慣性計測センサの出力に基づいて複数の前記慣性計測センサのキャリブレーションを行うように構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、歩行補助装置がユーザの歩行動作を補助している時にユーザの前記上体部、前記大腿部及び前記下腿部の動作を計測する場合に、ユーザが自身で身体を直立させることが困難な患者であっても、複数の慣性計測センサを取り付けて座らせた状態で複数の慣性計測センサのキャリブレーションを行うことで、精度良くキャリブレーションを行うことができる。これにより、歩行補助装置によって補助されているユーザの歩行動作の計測精度の向上を図ることができる。

また、上記構成において、前記計測装置（４）は、光学式モーションキャプチャにより予め計測した前記ユーザ（Ｕ）の動作に対する複数の前記慣性計測センサ（２）の出力の線形モデルの傾き（β）に基づいて、複数の前記慣性計測センサの出力を補正するとよい。

この構成によれば、後処理として光学式モーションキャプチャで検出したユーザの動作に基づいて、複数の慣性計測センサの出力の線形モデルの傾きを補正することで、慣性計測センサの性能のばらつきによる誤差を小さくし、動作の計測精度を向上させることができる。

また、上記構成において、前記歩行補助装置（１０）は発生する補助力を制御する制御装置（１４）を備え、前記制御装置が前記ユーザ（Ｕ）の背側に配置され、前記上体部に取り付けられる前記慣性計測センサ（２）が前記ユーザの腹側に配置されるとよい。

この構成によれば、上体部に取り付けられる慣性計測センサが歩行補助装置の制御装置の影響を受けてその出力中のノイズが大きくなることを抑制できる。

また、上記構成において、足接地面（２６ａ）から座面（２１ａ）までの高さが調整可能な着座部（２１）、前記着座部に対して前後方向に移動可能な背凭れ（２２）及び、前記座面の前縁の下方に踵を位置させるべく前記下腿部をガイドする下腿ガイド部材（２５）を有する椅子（２）と、前記計測装置（４）に対し、複数の前記慣性計測センサ（２）のキャリブレーションを開始させる操作を受け付ける入力部（５）と、を更に備えるとよい。

この構成によれば、座面の足接地面からの高さの調整及び、背凭れの前後方向位置の調整により、ユーザの大腿部が着座部に沿うと共に、ユーザの下腿部の膝裏が座面の前縁に接し且つユーザの背部が背凭れに沿うように、ユーザが椅子に座った状態で、複数の慣性計測センサのキャリブレーションを計測装置に開始させる指示を、入力部の操作により行うことができる。これにより、簡単な構成で複数の慣性計測センサのキャリブレーションを精度良く行うことができる。

また、上記構成において、前記椅子の前記背凭れ（２２）は、前記歩行補助装置（１０）の前記腰フレーム（１１）を受容可能な装置受容孔（３７）と、前記装置受容孔の周囲に形成された椅子側目印（３８）とを備え、前記歩行補助装置の前記腰フレームには、前記椅子側目印に対して左右方向について対応する位置に装置側目印（３９）が形成されているとよい。

この構成によれば、大腿部が着座部に沿うと共に下腿部の膝裏が座面の前縁に接し且つ背部が背凭れに沿うように、ユーザが椅子に座った時に、歩行補助装置の腰フレームが邪魔になることがない。また、このような姿勢をもってユーザを椅子に座らせた状態で、椅子の後方から装置受容孔を介して歩行補助装置をユーザに装着することも可能である。この装着により、歩行補助装置を装着する際のユーザの負担が軽くなる。また、ユーザが椅子の中心に座っていれば、装置側目印が椅子側目印に整合するように歩行補助装置をユーザに装着することによって歩行補助装置がユーザの適切な位置に装着されるため、装着作業が容易である。

また、上記構成において、前記着座部（２１）は、前記座面（２１ａ）の面圧を検出する面圧センサ（２７）を備え、前記計測装置（４）は、前記基準姿勢をもって前記ユーザ（Ｕ）が前記椅子（２）に座った状態で取得した前記面圧センサの出力に基づいて、前記ユーザの左右方向の重心位置が前記椅子の左右方向の所定の中心領域にあるか否かを判定する左右中心判定部（４５）を備えるとよい。

この構成によれば、計測装置が左右中心判定部によってユーザが椅子の中心に座っているか否かを判定した上で、複数の慣性計測センサのキャリブレーションを開始させることができる。

また、上記構成において、前記計測装置（４）は、前記左右中心判定部により、前記ユーザ（Ｕ）の左右方向の重心位置が前記椅子（２）の左右方向の所定の中心領域にあることが判定された場合に、合格判定を報知する報知手段（７）を更に備えるとよい。

この構成によれば、歩行補助装置をユーザに取り付ける人は、ユーザが椅子の中心に座ったことを容易に認識でき、適正な着座状態のユーザに対して歩行補助装置を装着することができる。

このように本発明によれば、姿勢障害や運動障害を有し、自身で身体を直立させることが困難なユーザであっても、キャリブレーションを精度良く行える方法、このキャリブレーション方法に好適なキャリブレーション用椅子、キャリブレーションを精度良く行える歩行動作計測システムを提供することができる。

実施形態に係る歩行動作計測システムを示す全体図 図１に示す歩行補助装置の斜視図 図１に示す椅子の斜視図 図１に示す椅子のユーザ着座状態を示す側面図 図４に示す状態にて椅子の要部を後方から見た斜視図 図４に示す状態にて椅子の要部を示す背面図 図１に示す計測装置のブロック図 （Ａ）比較例、（Ｂ）本発明における膝角度のタイムチャート 図１に示す慣性計測センサと光学式モーションキャプチャとにおける、動作の検出角度の相関図 キャリブレーションの手順を示すフロー図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る歩行動作計測システム１を示す全体図である。図１に示されるように、歩行動作計測システム１は、ユーザＵの歩行動作を検出するものであり、ユーザＵの身体の各部に設けられた複数の慣性計測センサ２と、無線通信機３を介してこれらの慣性計測センサ２の出力を取得する計測装置４とを備えている。歩行動作計測システム１は、ユーザＵの歩行動作の計測を行う人やその補助者（以下、オペレータという）によって使用される。

慣性計測センサ２は、３軸の加速度、３軸の角速度及び３軸の地磁気を検出する９軸のＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）であり、検出したこれらのデータを無線送信部から出力として送信する。なお、慣性計測センサ２は３軸の加速度及び３軸の角速度を検出する６軸のＩＭＵであってもよい。図示例では、合計で１０個の慣性計測センサ２が、ユーザＵの上体のうち胸部の前面中央、左右の肩部の背面、腰部の前面、左右の大腿部の前面、左右の下腿部の前面、左右の脚の上面に取り付けられている。

計測装置４は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を含む電子回路ユニットを備えたコンピュータであり、入力操作を受け付ける入力操作盤５（キーボード）と、各種データを表示可能に構成されたディスプレイ６と、報知音を発生可能に構成されたスピーカ７（図７）とを備えている。計測装置４は、慣性計測センサ２からの出力を、無線通信機３を介して取得し、取得した慣性計測センサ２の出力に基づいて、ユーザＵの身体の各部の動作を数値データとして算出し、算出したデータを保存及び解析できるように構成されている。算出、保存及び解析できるように構成されているとは、計測装置４を構成する演算処理装置（ＣＰＵ）が、記憶装置（メモリ）から必要なデータ及びアプリケーションソフトウェアを読み取り、当該ソフトウェアに従って当該所定の演算処理を実行するようにプログラムされていることを意味する。

また計測装置４は、ユーザＵが何も装着せずに歩行動作を行った時のデータと、ユーザＵが歩行補助装置１０を装着して歩行動作を行った時のデータとを比較できるように構成されている。そのため、慣性計測センサ２は、上体の１箇所、左右の大腿部の２箇所、及び左右の下腿部又は足の２箇所の少なくとも５箇所に取り付けられる必要がある。言い換えれば、上記１０箇所の全てに慣性計測センサ２が取り付けられる必要はない。

慣性計測センサ２は、ユーザＵの身体に取り付けられる際に様々な姿勢（向きに）で取り付けられる。そのため、計測装置４は、慣性計測センサ２がユーザＵに取り付けられた後にキャリブレーションを行う必要がある。慣性計測センサ２のキャリブレーションを行うにあたっては、例えば直立姿勢等、ユーザＵが歩行を行っていない基準となる姿勢をとっている時に行う必要がある。

片麻痺患者といった姿勢障害や運動障害を有するユーザＵの動作を慣性計測センサ２により計測する場合、ユーザＵが自身で身体を直立させることが困難な場合がある。また、健常者の動作を慣性計測センサ２により計測する場合であっても、ユーザＵが揺れのない不動の姿勢をキャリブレーションに必要な時間にわたって維持することが困難な場合等もある。

そこで、本実施形態では、キャリブレーションの間にユーザＵが安定して基準となる姿勢をとり続けるようにするために専用のキャリブレーション用椅子（以下、単に椅子２０という）が用意される。

まず、図２を参照して歩行補助装置１０について説明する。図２は、図１に示す歩行補助装置１０の斜視図である。図２に示されるように、歩行補助装置１０は、ユーザＵの胴体に装着される腰フレーム１１と、ユーザＵの股関節部を中心にして変位し得るように腰フレーム１１に連結され、ユーザＵの各脚体に装着される脚フレームである左右の大腿フレーム１２と、左右の大腿フレーム１２を腰フレーム１１に対して変位させる左右の駆動源１３と、左右の駆動源１３の動作を制御するように構成されている制御装置１４（図３参照）と、左右の大腿フレーム１２の腰フレーム１１に対する角度を検出する左右の角度センサ１５と、左右の駆動源１３及び制御装置１４に電力を供給するバッテリ（図示せず）と、を備えている。

腰フレーム１１は硬質樹脂や金属等の剛性素材と繊維等の柔軟素材とが組み合わせられて構成され、腰フレーム１１に連結されたベルト１６によってユーザＵの腰部に装着される。ベルト１６には、ユーザＵの腰部の前面に配置される慣性計測センサ２が取り付けられている。腰フレーム１１の前面（腰部の背面に対向する位置）には、柔軟素材により形成された腰部サポータ１７が取り付けられている。

大腿フレーム１２は、使用者（ユーザＵ）の大腿部に装着される左右の脚部サポータ１８と、脚部サポータ１８を支持する左右のアーム部１９とを備えている。脚部サポータ１８は剛性素材と柔軟素材とが組み合わせられて構成されている。脚部サポータ１８には、ユーザＵの左右の大腿部の前面に配置される慣性計測センサ２が取り付けられている。アーム部１９は硬質樹脂又は金属により形成され、大腿部に沿って下方に伸びており、駆動源１３の出力軸と脚部サポータ１８とを連結する。つまり、大腿フレーム１２は、駆動源１３を介して腰フレーム１１に連結されている。

駆動源１３はモータにより構成され、減速機構及びコンプライアンス機構のうち一方又は両方を適宜備えている。駆動源１３は、制御装置１４により所定の補助力（アシストトルク）を発揮するように制御された電力をバッテリから供給されることによりアーム部１９に動力を加える。アーム部１９に加えられた動力は、脚部サポータ１８を介してユーザＵの脚体に伝達される。

角度センサ１５はユーザＵの腰部の横に配置されるアブソリュート型のセンサにより構成され、左右の大腿フレーム１２の腰フレーム１１に対する角度（絶対角度）を検出することで、対応する脚体の上体部に対する角度信号を出力する。角度センサ１５から出力された角度信号は、制御装置１４に入力される。

バッテリは、例えば、腰フレーム１１の内部に収容されるように腰フレーム１１に固定されており、制御装置１４及び駆動源１３に対して電力を供給する。なお、制御装置１４及びバッテリのそれぞれは大腿フレーム１２に取り付けられ又は収納されていてもよく、歩行補助装置１０とは別個に設けられてもよい。

制御装置１４は、腰フレーム１１に収納されたＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を含む電子回路ユニットにより構成され、駆動源１３の動作、ひいてはユーザＵに作用させる補助力の演算・制御処理を実行するように構成されている。制御装置１４が演算・制御処理を実行するように構成されているとは、制御装置１４を構成する演算処理装置（ＣＰＵ）が、記憶装置（メモリ）から必要なデータ及びアプリケーションソフトウェアを読み取り、当該ソフトウェアに従って当該所定の演算処理を実行するようにプログラムされていることを意味する。

このように構成された歩行補助装置１０は、腰フレーム１１及び大腿フレーム１２を介して、バッテリを電源とする駆動源１３の動力を歩行補助力としてユーザＵに作用させることにより、当該ユーザＵの歩行運動を補助する。

図３は、図１に示す椅子２０の斜視図であり、図４は、椅子２０のユーザＵ着座状態を示す側面図である。図３及び図４に示されるように、椅子２０は、慣性計測センサ２がノイズを生じさせないように木製とされており、床面に平行な、即ち水平な座面２１ａを形成する着座部２１と、着座部２１に前後方向にスライド可能に設けられ、座面２１ａに対して直交する背凭れ面２２ａを形成する背凭れ２２と、着座部２１の両側方に配置された左右の手すり２３とを備えている。

着座部２１は、幅方向寸法に比べて前後方向寸法が長い直方体形状をしており、座面２１ａを形成する座板２４と、座面２１ａの前縁から座面２１ａに対して直角に垂下する前板２５と、前板２５の下部前方に配置された高さ調整機構としての足置き２６とを備えている。座面２１ａには、周縁部を除く略全域にわたって面圧センサ２７が設けられている。前板２５は、着座部２１の略全幅にわたって且つ着座部２１の略全高にわたって設けられており、座面２１ａの前縁の下方に踵を位置させるべくユーザＵの下腿部をガイドする下腿ガイド部材をなす。

座板２４の上面（座面２１ａ）の前部及び前板２５の前面には、座面２１ａの幅方向の中央にて前後方向及び鉛直方向に延びる前側目印２８が付されている。そのため、椅子２０に座ったユーザＵは、自分が座面２１ａの左右方向の中央に座っているか否かを確認することができる。また、オペレータは、椅子２０に座ったユーザＵが座面２１ａの左右方向の中央に座っているか否かを椅子２０の前方から確認することができる。

足置き２６は、互いに平行に配置された底板２９及び天板３０と、底板２９と天板３０とを連結するＸリンク３１とを備えており、Ｘリンク３１によって底板２９に対する天板３０の高さを変更できるように構成されている。このように天板３０の上面がなす足接地面２６ａの高さが変更可能とされたことにより、着座部２１の足接地面２６ａから座面２１ａまでの高さが調整可能となっている。着座部２１の側面には、図４に示されるように座面２１ａから足接地面２６ａまでの寸法を計測するために座面２１ａを０とする座面高目盛り３２が付されている。

前板２５は、膝裏が座面２１ａの前縁に接するように着座部２１に着座したユーザＵの下腿部を着座部２１の前面に沿わせるのに利用される。着座部２１の足接地面２６ａから座面２１ａまでの高さを調整することにより、上記のように着座したユーザＵの大腿部を座面２１ａに沿わせることが可能になる。このようにユーザＵを椅子２０に座らせることにより、ユーザＵの下腿部を大腿部に対して直交させ、膝関節角度を９０°にすることができる。

背凭れ２２は、座面２１ａにおける前後方向の位置を調整することにより、下腿部の膝裏が座面２１ａの前縁に接するように着座したユーザＵの臀部及び背部を背凭れ面２２ａに沿わせることができる。ユーザＵをこのように椅子２０に座らせることにより、ユーザＵの上体を大腿部に対して直交させ、股関節角度を９０°にすることができる。

背凭れ２２は、幅方向の両端に立設された左右のポスト３３と、左右のポスト３３を連結して背凭れ面２２ａを形成する背当て部３４とを備えている。着座部２１の側面には、図４に示されるように座面２１ａの前縁から背凭れ面２２ａまでの寸法を計測するために座面２１ａの前縁を０とする座面長目盛り３５が付されている。また、背凭れ２２の側面には、座面２１ａからの高さ（例えば、腰フレーム１１の配置高さや、慣性計測センサ２の配置高さ等）を計測するために座面２１ａを０とする背凭れ高目盛り３６が付されている。

図５は、図４に示す状態にて椅子２０の要部を後方から見た斜視図であり、図６は、図４に示す状態にて椅子２０の要部を示す背面図である。図５及び図６に示されるように、
背当て部３４は、ポスト３３の上部に架け渡されており、歩行補助装置１０を装着したユーザＵが座面２１ａに着座した時にユーザＵの腰部から後方へ突出する腰フレーム１１を受容可能な装置受容孔３７をポスト３３間の下部に形成している。装置受容孔３７は、歩行補助装置１０の幅（左右の駆動源１３の幅）よりも大きな幅及び、左右の大腿フレーム１２を含まない歩行補助装置１０の高さよりも大きな高さを有する大きさに形成されている。そのため、椅子２０に着座したユーザＵに対してオペレータが歩行補助装置１０を装着することもできる。また、ユーザＵが上記のように椅子２０に座った状態において、座面２１ａは背凭れ２２から更に後方へ延びており、このスペースを歩行補助装置１０の仮置きスペースとして利用できる。これにより、歩行補助装置１０のユーザＵへの装着が容易に行える。

着座部２１の上面（座面２１ａ）の後部及び後面並びに、背凭れ２２の背面には、座面２１ａの幅方向の中央にて前後方向及び鉛直方向に延びる背側目印３８が付されている。そのため、オペレータは、椅子２０に座ったユーザＵが座面２１ａの左右方向の中央に座っているか否かを椅子２０の後方から確認することができる。

歩行補助装置１０の腰フレーム１１の後面には、幅方向の中央にて鉛直方向に延びる装置側目印３９が付されている。そのため、オペレータは、歩行補助装置１０を装着したユーザＵが座面２１ａの左右方向の中央に座っているか否か、或いは、座面２１ａの左右方向の中央に座っているユーザＵに対して後方から装着する歩行補助装置１０がユーザＵの身体の中心に配置されたか否かを椅子２０の後方から確認することができる。

以上のようにして、ユーザＵを椅子２０に座らせることにより、上体部と下腿部とが互いに平行をなし且つ大腿部が上体部及び下腿部に対して直交する基準とすべき姿勢（以下、基準姿勢という）をもってユーザＵを座らせることができ、ユーザＵの姿勢が座位で安定する。計測装置４は、この状態で慣性計測センサ２のキャリブレーションを行う。以下、計測装置４について説明する。

図７は、図１に示す計測装置４のブロック図である。図７に示されるように、計測装置４は、入力操作盤５からの指令信号に応じて慣性計測センサ２のキャリブレーションを行うキャリブレーション部４１を備えている。また、計測装置４は、光学式モーションキャプチャ４２からのデータ信号及び慣性計測センサ２から無線通信機３を介して受信したセンサ信号に基づいて、慣性計測センサ２の出力の線形モデルの傾きの補正係数である傾き係数βを算出する傾き係数算出部４３を備えている。また、計測装置４は、慣性計測センサ２から無線通信機３を介して受信したセンサ信号と傾き係数βとに基づいて、ユーザＵの動作を計測する動作計測部４４を備えている。また、計測装置４は、面圧センサ２７の出力に基づいてユーザＵが座面２１ａの左右方向の中心に座っているか否かを判定する左右中心判定部４５を備えている。

左右中心判定部４５は、面圧センサ２７の出力に基づいて、左側の面圧と右側の面圧との差が所定値以内である場合に、ユーザＵが座面２１ａの中心に座っているものとして合格判定を行う。左右中心判定部４５は、合格判定を行うと、スピーカ７に合格判定を報知する報知音を発生させる。

スピーカ７からの合格判定の報知音が発生され、オペレータが入力操作盤５にてキャリブレーションの開始操作を行うと、指令信号を受けたキャリブレーション部４１は慣性計測センサ２のキャリブレーションを開始する。キャリブレーション部４１は、ユーザＵの身体の各部に取り付けられた慣性計測センサ２の出力値（具体的には、３軸回りの加速度及び３軸回りの角速度）を、ユーザＵが基準姿勢をとっている時の値であるものとして０に設定する（図９に示される差分αが０になるようにリセットする）。

図８は、（Ａ）比較例、（Ｂ）本発明における膝角度のタイムチャートである。図８（Ａ）の比較例は、姿勢障害或いは運動障害を有するユーザＵが立位をとっている場合の膝角度を示しており、図８（Ｂ）は、姿勢障害或いは運動障害を有するユーザＵが本発明に係る椅子２０に座って基準姿勢（座位）をとっている場合の膝角度を示している。図８（Ａ）に示されるように、ユーザＵが立位をとっている場合、膝角度は大きく変化しており、膝角度の揺らぎＲ１は１．５°程度であった。一方、図８（Ｂ）に示されるように、ユーザＵが座位の基準姿勢をとっている場合、膝角度は安定しており、膝角度の揺らぎＲ２は０．１°程度であった。

このことから、本発明に係るキャリブレーション方法は、慣性計測センサ２のキャリブレーションを精度良く行えることがわかる。

各慣性計測センサ２は、３軸回りの加速度や角速度に比例する検出値を出力する。但し、慣性計測センサ２は、個体によって性能のばらつきがあるため、同じ加速度や角速度を検出する場合であっても個体によって異なる値を出力する。図９は、図１に示す慣性計測センサ２の１つと光学式モーションキャプチャ４２とにおける、動作の検出角度の相関図である。なお、慣性計測センサ２の検出角度は角加速度の積分値である。慣性計測センサ２が線形モデルの検出値を出力するため、慣性計測センサ２の誤差は、図９に示されるように、検出値の値が大きいほど大きくなる。

そこで、傾き係数算出部４３は、光学式モーションキャプチャ４２が検出した角度や角速度を正しい値として、各慣性計測センサ２について、図中の矢印で示すように検出値をこの値に補正するのに必要な傾き係数βを算出する。具体的には、傾き係数算出部４３は、ユーザＵが行った動作について、慣性計測センサ２からの出力を、光学式モーションキャプチャ４２が検出したユーザＵの動作に基づいて求められる値に対して除算することで傾き係数βを算出する。傾き係数算出部４３は、算出した傾き係数βを慣性計測センサ２に関連付けてＲＯＭ等の図示しない保存装置に保存する。

なお、光学式モーションキャプチャ４２は、計測装置４が内蔵しているものでもよく、他の装置のものでもよい。

動作計測部４４は、慣性計測センサ２からのセンサ信号から得られる値に傾き係数βを乗算することで補正し、ユーザＵの動作を計測する。更に、動作計測部４４は、補正されたユーザＵの動作を示す値（加速度や角速度）を積分することで速度や角度を算出し、２階積分することで位置を算出する。また、動作計測部４４は、補正されたユーザＵの動作を示す値（角速度）を微分することで角加速度を検出することもできる。動作計測部４４は、計測したユーザＵの動作を示すこれらの値の少なくとも１つをディスプレイ６に表示させる。

次に、このようにして行うキャリブレーションの手順について説明する。図１０は、キャリブレーションの手順を示すフロー図である。キャリブレーションにあっては、まず、オペレータは、ユーザＵの上体部、大腿部及び下腿部に慣性計測センサ２を取り付ける（ステップＳＴ１）。次に、オペレータは、ユーザＵを基準姿勢で椅子２０に座らせる（ステップＳＴ２）。なお、ステップＳＴ１とステップＳＴ２とは逆であってもよい。ユーザＵが椅子２０に基準姿勢で座り、中心判定部による合格判定の報知音が鳴った後、オペレータは操作盤を操作して、計測装置４に慣性計測センサ２のキャリブレーションを開始させる（ステップＳＴ３）。キャリブレーションには所定に時間がかかる。キャリブレーションの完了後、計測装置４が各慣性計測センサ２の傾き係数βを既に保持しているか否かを判定する（ステップＳＴ４）。判定は計測装置４が行ってもよく、オペレータが操作盤を操作してディスプレイ６で確認しながら行ってもよい。全ての慣性計測センサ２について傾き係数βを保持している場合には（ステップＳＴ４；Ｙｅｓ）、ステップＳＴ９の処理に進む。

少なくとも１つの慣性計測センサ２について傾き係数βを保持していない場合（ステップＳＴ４；Ｎｏ）、オペレータはユーザＵに歩行動作やキャリブレーション用の動作を行わせる（ステップＳＴ５）。オペレータは、計測装置４でこの動作を検出するように計測装置４を操作すると共に（ステップＳＴ６）、光学式モーションキャプチャ４２でこの動作を検出するように光学式モーションキャプチャ４２を操作する（ステップＳＴ７）。その後、光学式モーションキャプチャ４２が検出したユーザＵの動作と計測装置４が検出したユーザＵの動作との値に基づいて傾き係数βを算出する処理を計測装置４に行わせる（ステップＳＴ８）。傾き係数βは、慣性計測センサ２に関連付けて計測装置４の保存装置に保存される。その後、オペレータはユーザＵに歩行動作等の動作を行わせることにより、計測装置４に傾き補正を行いながら動作を検出させること（ステップＳＴ９）が可能になる。

オペレータは、ステップＳＴ９にて、歩行補助装置１０による歩行補助がない状態でユーザＵに歩行させ、また、歩行補助装置１０による歩行補助がある状態でユーザＵに歩行させ、両動作を計測装置４に検出させることにより、歩行補助による動作の変化を確認することができる。

このように、本実施形態に係るキャリブレーション方法は、ユーザＵの上体部、大腿部及び下腿部に複数の慣性計測センサ２を取り付け（ステップＳＴ１）、基準姿勢をもってユーザＵを座らせ（ステップＳＴ２）、慣性計測センサ２の出力に基づいて慣性計測センサ２のキャリブレーションを行う（ステップＳＴ３）。そのため、ユーザＵが自身で身体を直立させることが困難な脳性麻痺児などの患者であっても、姿勢が安定する座位で精度良くキャリブレーションを行うことができる。これより動作の計測制度が向上する。

また、本実施形態に係るキャリブレーション方法は、後処理として慣性計測センサ２が取り付けられたユーザＵの動作を光学式モーションキャプチャ４２で計測し（ステップＳＴ７）、光学式モーションキャプチャ４２で検出したユーザＵの動作に基づいて、慣性計測センサ２の出力の線形モデルの傾きを補正する（ステップＳＴ８、ステップＳＴ９）。これにより、慣性計測センサ２の性能のばらつきによる誤差が小さくなり、動作の計測精度が向上する。

本実施形態に係る椅子２０は、図３及び図４に示されるように、足接地面２６ａから座面２１ａまでの高さが調整可能に構成された着座部２１と、着座部２１に対して前後方向に移動可能に構成された背凭れ２２と、座面２１ａの前縁の下方に踵を位置させるべくユーザＵの下腿部をガイドする下腿ガイド部材としての前板２５とを有する。これにより、ユーザＵの大腿部を座面２１ａに沿って水平にすること及び下腿部を前板２５に沿って鉛直にすることが容易であり、ユーザＵの下腿部の膝裏が座面２１ａの前縁に接した状態でユーザＵの背部を背凭れ面２２ａに沿わせ、下腿部の鉛直及び大腿部の水平を保ったまま上半身を鉛直にすることが容易である。従って、安定した姿勢を保持できないユーザＵの動作を計測する場合であっても、慣性計測センサ２のキャリブレーションを精度良く行うことができる。また、ユーザＵの身体的負担も緩和される。

本実施形態に係る歩行動作計測システム１は、図１に示されるように、ユーザＵの上体部、大腿部及び下腿部に取り付けられた複数の慣性計測センサ２と、歩行補助装置１０がユーザＵの歩行動作を補助している時に、これらの慣性計測センサ２の出力に基づいてユーザＵの上体部、大腿部及び下腿部の動作を計測する計測装置４とを備える。計測装置４は、ユーザＵが基準姿勢とった状態で、慣性計測センサ２の出力に基づいて慣性計測センサ２のキャリブレーションを行うように構成されている。従って、精度良く慣性計測センサ２のキャリブレーションを行うことができ、歩行補助装置１０によって補助されているユーザＵの歩行動作の計測精度が向上する。

図７及び図１０に示されるように、計測装置４が、光学式モーションキャプチャ４２により予め計測したユーザＵの動作に対する慣性計測センサ２の出力の線形モデルの傾きに基づいて、慣性計測センサ２の出力を補正するため、慣性計測センサ２の性能のばらつきによる誤差が小さくなり、動作の計測精度が向上する。

図１及び図３に示されるように、歩行補助装置１０の制御装置１４がユーザＵの背側に配置され、上体部に取り付けられる慣性計測センサ２がユーザＵの腹側に配置されるため、上体部に取り付けられる慣性計測センサ２が歩行補助装置１０の制御装置１４の影響を受けてその出力中のノイズが大きくなることが抑制される。

本実施形態に係る歩行動作計測システム１は、図３及び図４に示されるように、足接地面２６ａから座面２１ａまでの高さが調整可能な着座部２１、着座部２１に対して前後方向に移動可能な背凭れ２２及び、座面２１ａの前縁の下方に踵を位置させるべくユーザＵの下腿部をガイドする下腿ガイド部材としての前板２５を有する椅子２０を備える。また、歩行動作計測システム１は、図１及び図７に示されるように、計測装置４に対し、慣性計測センサ２のキャリブレーションを開始させる操作を受け付ける入力部としての入力操作盤５を備える。そのため、オペレータは、座面２１ａの足接地面２６ａからの高さの調整及び、背凭れ２２の前後方向位置の調整を行って、ユーザＵの大腿部が着座部２１に沿うと共に、ユーザＵの下腿部の膝裏が座面２１ａの前縁に接し且つユーザＵの背部が背凭れ２２に沿うようにユーザＵを椅子２０に座らせることができる。また、その状態で、オペレータは、慣性計測センサ２のキャリブレーションを計測装置４に開始させる指示を、入力操作盤５の操作により行うことができる。これにより、簡単な構成で慣性計測センサ２のキャリブレーションを精度良く行うことができる。

椅子２０の背凭れ２２は、図５及び図６に示されるように、歩行補助装置１０の腰フレーム１１を受容可能な装置受容孔３７と、装置受容孔３７の周囲に形成された椅子側目印をなす背側目印３８とを備え、歩行補助装置１０の腰フレーム１１には、背側目印３８に対して左右方向について対応する位置に装置側目印３９が形成されている。そのため、ユーザＵが基準姿勢をもって椅子２０に座った時に、歩行補助装置１０の腰フレーム１１が邪魔になることがなく、椅子２０の後方から装置受容孔３７を介して歩行補助装置１０をユーザＵに装着することも可能である。この装着により、歩行補助装置１０を装着する際のユーザＵの負担が軽くなる。また、ユーザＵが椅子２０の中心に座っていれば、装置側目印３９が椅子２０の背側目印３８に整合するように歩行補助装置１０をユーザＵに装着することによって歩行補助装置１０がユーザＵの適切な位置に装着されるため、装着作業が容易である。

着座部２１は、図２に示されるように座面２１ａの面圧を検出する面圧センサ２７を備え、計測装置４は、図４に示される基準姿勢をもってユーザＵが椅子２０に座った状態で取得した面圧センサ２７の出力に基づいて、ユーザＵの左右方向の重心位置が椅子２０の左右方向の所定の中心領域にあるか否かを判定する左右中心判定部４５（図７）を備える。そのため、計測装置４が左右中心判定部４５によってユーザＵが椅子２０の中心に座っているか否かを判定した上で、慣性計測センサ２のキャリブレーションを開始させることができる。

計測装置４は、左右中心判定部４５により、ユーザＵの左右方向の重心位置が椅子２０の左右方向の所定の中心領域にあることが判定された場合に、合格判定を報知する報知手段としてのスピーカ７を更に備える。そのため、歩行補助装置１０をユーザＵに取り付けるオペレータは、ユーザＵが椅子２０の中心に座ったことを容易に認識でき、適正な着座状態のユーザＵに対して歩行補助装置１０を装着することができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度、手順など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

１ 歩行動作計測システム
２ 慣性計測センサ
４ 計測装置
５ 入力操作盤（入力部）
６ ディスプレイ
７ スピーカ（報知手段）
１０ 歩行補助装置
１１ 腰フレーム
１２ 大腿フレーム
１４ 制御装置
２０ 椅子
２１ 着座部
２１ａ 座面
２２ 背凭れ
２２ａ 背凭れ面
２５ 前板（下腿ガイド部材）
２６ 足置き
２６ａ 足接地面
２７ 面圧センサ
２８ 前側目印
３７ 装置受容孔
３８ 背側目印（椅子側目印）
３９ 装置側目印
４１ キャリブレーション部
４２ 光学式モーションキャプチャ
４３ 傾き係数算出部
４４ 動作計測部
４５ 左右中心判定部
Ｕ ユーザ
β 傾き係数

Claims (10)

1. ユーザの動作を計測するために前記ユーザの上体部、大腿部及び下腿部に、３軸の加速度及び角速度を検出する複数の慣性計測センサを取り付けるステップと、
   前記上体部と前記下腿部とが互いに平行をなし且つ前記大腿部が前記上体部及び前記下腿部に対して直交する姿勢である基準姿勢をもって前記ユーザを座らせるステップと、
   前記基準姿勢をもって前記ユーザが座った状態で取得した複数の前記慣性計測センサの出力に基づいて複数の前記慣性計測センサのキャリブレーションを行うステップと
   を備えることを特徴とするセンサのキャリブレーション方法。
2. 複数の前記慣性計測センサが取り付けられた前記ユーザの動作を光学式モーションキャプチャで検出するステップと、
   前記光学式モーションキャプチャで検出した前記ユーザの動作に基づいて、複数の前記慣性計測センサの出力の線形モデルの傾きを補正するステップと
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサのキャリブレーション方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の前記センサのキャリブレーション方法に用いるための椅子であって、
   前記ユーザの前記大腿部が座面に沿うように、足接地面から前記座面までの高さが調整可能に構成された着座部と、
   前記ユーザの前記下腿部の膝裏が前記座面の前縁に接し且つ前記ユーザの背部が背凭れ面に沿うように、前記着座部に対して前後方向に移動可能に構成された背凭れと、
   前記座面の前縁の下方に踵を位置させるべく前記ユーザの前記下腿部をガイドする下腿ガイド部材と、を有することを特徴とするキャリブレーション用椅子。
4. ユーザの動作を計測するために前記ユーザの上体部、大腿部及び下腿部に取り付けられ、３軸の加速度及び角速度を検出する複数の慣性計測センサと、
   前記ユーザの腰部に装着される腰フレーム及び前記ユーザの脚部に装着される脚フレームを有し、前記ユーザの歩行動作を補助する補助力を発生する歩行補助装置と、
   前記歩行補助装置が前記ユーザの歩行動作を補助している時に、複数の前記慣性計測センサの出力に基づいて前記ユーザの前記上体部、前記大腿部及び前記下腿部の動作を計測する計測装置と、を備え、
   前記上体部と前記下腿部とが互いに平行をなし且つ前記大腿部が前記上体部及び前記下腿部に対して直交する姿勢である基準姿勢を前記ユーザがとった状態で、前記計測装置が複数の前記慣性計測センサの出力に基づいて複数の前記慣性計測センサのキャリブレーションを行うように構成されていることを特徴とする歩行動作計測システム。
5. 前記計測装置は、光学式モーションキャプチャにより予め計測した前記ユーザの動作に対する複数の前記慣性計測センサの出力の線形モデルの傾きに基づいて、複数の前記慣性計測センサの出力を補正することを特徴とする請求項４に記載の歩行動作計測システム。
6. 前記歩行補助装置は発生する補助力を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置が前記ユーザの背側に配置され、前記上体部に取り付けられる前記慣性計測センサが前記ユーザの腹側に配置されることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の歩行動作計測システム。
7. 足接地面から座面までの高さが調整可能な着座部、前記着座部に対して前後方向に移動可能な背凭れ及び、前記座面の前縁の下方に踵を位置させるべく前記下腿部をガイドする下腿ガイド部材を有する椅子と、
   前記計測装置に対し、複数の前記慣性計測センサのキャリブレーションを開始させる操作を受け付ける入力部と、を更に備えることを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれかに記載の歩行動作計測システム。
8. 前記椅子の前記背凭れは、前記歩行補助装置の前記腰フレームを受容可能な装置受容孔と、前記装置受容孔の周囲に形成された椅子側目印とを備え、
   前記歩行補助装置の前記腰フレームには、前記椅子側目印に対して左右方向について対応する位置に装置側目印が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の歩行動作計測システム。
9. 前記着座部は、前記座面の面圧を検出する面圧センサを備え、
   前記計測装置は、前記基準姿勢をもって前記ユーザが前記椅子に座った状態で取得した前記面圧センサの出力に基づいて、前記ユーザの左右方向の重心位置が前記椅子の左右方向の所定の中心領域にあるか否かを判定する左右中心判定部を備えることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の歩行動作計測システム。
10. 前記計測装置は、前記左右中心判定部により、前記ユーザの左右方向の重心位置が前記椅子の左右方向の所定の中心領域にあることが判定された場合に、合格判定を報知する報知手段を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の歩行動作計測システム。

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