JP2021083562A - Information processing device, calculation method, and program - Google Patents

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Abstract

To robustly estimate external force acting on a body during body exercise on the basis of body exercise data.SOLUTION: There is provided a walking exercise analysis device 110 for estimating floor reaction force generated during walking exercise. The walking exercise analysis device 110 includes: a body exercise data acquisition unit 112 for acquiring body exercise data; a floor reaction force initial setting unit 132 for setting a provisional value of floor reaction force; an analysis execution unit 134 for executing reverse dynamic analysis using a body model 116 on the basis of the body exercise data and the provisional value of the floor reaction force; a total load evaluation unit 136 for evaluating a load generated in the body according to a dynamic quantity generated in each joint of the body model 116 on the basis of an execution result of the reverse dynamic analysis; and a floor reaction force updating unit 140 for updating the provisional value of the floor reaction force on the basis of the evaluation result.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、身体運動を力学的に分析するための情報処理装置、計算方法およびプログラムに関する。 The present invention relates to an information processing device, a calculation method and a program for dynamically analyzing body movements.

歩行などの身体運動を力学的に分析および評価するためには、通常、身体動作や身体に作用する力を計測する必要がある。しかしながら、関節モーメントなどの生体内における力学量は、直接測定が困難である。このため、身体の力学特性を数値化して表現した筋骨格モデルを用いて、逆動力学解析を行うことにより、生体内における力学量を推定することが行われている。 In order to dynamically analyze and evaluate physical movements such as walking, it is usually necessary to measure body movements and forces acting on the body. However, it is difficult to directly measure dynamic quantities in the living body such as joint moments. Therefore, the amount of dynamics in the living body is estimated by performing inverse dynamics analysis using a musculoskeletal model that numerically expresses the mechanical characteristics of the body.

筋骨格モデルを用いた逆動力学解析を行うためには、モーション・キャプチャ・システムから得られる身体各部の3次元位置に加えて、床反力計などの力覚センサにより得られる外力情報が必要となる。しかしながら、足部に生じる外力を計測するための床反力計は、床に埋め込んだり、機器の高さにあわせた台を用意したりする必要があるため、その設置は、容易ではない。また、床反力計の設置により、被験者は、計測機器を意識してしまい、不自然な歩行や走行などを誘発させる可能性がある。 In order to perform inverse dynamics analysis using a musculoskeletal model, in addition to the three-dimensional position of each part of the body obtained from the motion capture system, external force information obtained by a force sensor such as a floor reaction force meter is required. It becomes. However, it is not easy to install a floor reaction force meter for measuring the external force generated on the foot because it is necessary to embed it in the floor or prepare a table according to the height of the equipment. In addition, the installation of the floor reaction force meter may cause the subject to become aware of the measuring device and induce unnatural walking or running.

上述した背景から、これまでも、歩行時に床反力計を不要とするための種々の開発がおこなわれている。床反力計が不要な解析を可能とする技術としては、全身の筋活動状態の最小化に基づき床反力を推定する技術(非特許文献1,非特許文献2)や人工ニューラルネットワークを用いて床反力を推定する技術(非特許文献3)を挙げることができる。 Against the background described above, various developments have been made to eliminate the need for a floor reaction force meter when walking. As a technique that enables analysis that does not require a floor reaction force meter, a technique for estimating the floor reaction force based on the minimization of the muscle activity state of the whole body (Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2) and an artificial neural network are used. A technique for estimating the floor reaction force (Non-Patent Document 3) can be mentioned.

非特許文献1は、光学式モーション・キャプチャ・システムにより得られた体表面マーカ位置に基づいて構築した筋骨格モデルの足部に、それぞれが5つの人工筋肉をもつ12個の接触点を設ける構成を開示する。そして、本来は静的最適化で求められる身体各部の筋活動状態を最適化計算により最小化することにより、未知の床反力が探索的に求められる。ここで、各人工筋肉は、摩擦力を表すために設けたものであり、両脚支持の際に生じる不静定問題を解くために定義される。 Non-Patent Document 1 has a configuration in which 12 contact points, each having 5 artificial muscles, are provided on the foot of a musculoskeletal model constructed based on the position of a body surface marker obtained by an optical motion capture system. To disclose. Then, the unknown floor reaction force is exploratoryly obtained by minimizing the muscle activity state of each part of the body, which is originally obtained by static optimization, by the optimization calculation. Here, each artificial muscle is provided to express the frictional force, and is defined to solve the statically indeterminate problem that occurs when both legs are supported.

また、非特許文献2は、足部の接触点をさらに増やし、これまでは関数近似などで試行錯誤的に決定していた人工筋肉の強度情報を、各点の速度、位置情報に応じて変化するように改良した技術を開示する。非特許文献2では、推定値の妥当性が、10名の男性被験者の歩行運動における推定値と実測値と比較することで検証されており、比較的に高い精度で推定されたことが示されている。しかしながら、筋特性は各個人でのばらつきが大きいため、女性被験者や高齢者、障害者などの身体運動に対しては、高精度の推定が困難な可能性がある。 Further, Non-Patent Document 2 further increases the contact points of the foot, and changes the strength information of the artificial muscle, which has been determined by trial and error by function approximation or the like, according to the speed and position information of each point. Disclose the improved technology to do so. In Non-Patent Document 2, the validity of the estimated value was verified by comparing the estimated value in the walking movement of 10 male subjects with the measured value, and it was shown that the estimated value was estimated with relatively high accuracy. ing. However, since the muscle characteristics vary widely among individuals, it may be difficult to estimate with high accuracy for physical exercises of female subjects, the elderly, and persons with disabilities.

非特許文献3は、平地歩行動作中の床反力を、床反力計を用いずに、精度高く推定することができる新規な技術を開発することを目的とした技術を開示する。非特許文献3では、不静定問題を解くために、人工ニューラルネットワークモデルを歩行運動の両脚相に適用されている。なお、非特許文献3の方法では、学習データが必要となる。 Non-Patent Document 3 discloses a technique for developing a new technique capable of estimating the floor reaction force during a flat ground walking motion with high accuracy without using a floor reaction force meter. In Non-Patent Document 3, an artificial neural network model is applied to both leg phases of walking motion in order to solve the statically indeterminate problem. The method of Non-Patent Document 3 requires learning data.

しかしながら、上述した従来技術においては、技術を適用するための準備に手間を要し、また被験者の特性の相違によって推定精度が大きく異なる可能性が懸念され、充分なものではなかった。 However, in the above-mentioned conventional technique, it takes time and effort to prepare for applying the technique, and there is a concern that the estimation accuracy may be significantly different due to the difference in the characteristics of the subject, which is not sufficient.

R. Fluit, et al.,”Prediction of ground reaction forces and moments during various activities of daily living”,Journal of Biomechanics,Vol.47,No.10,pp.2321-2329(2014).R. Fluit, et al., "Prediction of ground reaction forces and moments during various activities of daily living", Journal of Biomechanics, Vol. 47, No. 10, pp. 2321-2329 (2014). Y. Jung, et al.,“Dynamically adjustable foot ground contact model to estimate ground reaction force during walking and running“,Gait & Posture,Vol.45,pp.62-68(2016).Y. Jung, et al. , “Dynamically adjustable foot ground contact model to estimate ground reaction force during walking and running”, Gait & Posture, Vol. 45, pp. 62-68 (2016). E. S. Oh, et al.,“Prediction of ground reaction forces during gait based on kinematics and a neural network model“,Journal of Biomechanics,46(14),2372-2380(2013).E. S. Oh, et al., “Prediction of ground reaction forces during gait based on kinematics and a neural network model”, Journal of Biomechanics, 46 (14), 2372-2380 (2013).

本発明は、上記従来技術における不充分な点に鑑みてなされたものであり、本発明は、身体運動データに基づき、身体運動時に身体に作用する外力をロバストに推定することが可能な情報処理装置、計算方法およびプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the deficiencies in the above-mentioned prior art, and the present invention is information processing capable of robustly estimating an external force acting on the body during physical exercise based on physical exercise data. It is an object of the present invention to provide an apparatus, a calculation method and a program.

本発明では、上記課題を解決するために、身体運動時に生じる外力を推定するための下記特徴を有する情報処理装置が提供される。本情報処理装置は、身体運動データを取得する取得手段と、外力の暫定値を設定する設定手段と、身体運動データおよび外力の暫定値に基づき、身体モデルを用いた逆動力学解析を実行する実行手段と、逆動力学解析の実行結果に基づいて、身体モデルの各関節に生じる力学量に応じて身体に生じる負荷を評価する評価手段と、評価の結果に基づいて、外力の暫定値を更新する更新手段とを含む。 In the present invention, in order to solve the above problems, an information processing device having the following features for estimating an external force generated during physical exercise is provided. This information processing device executes inverse dynamics analysis using a body model based on the acquisition means for acquiring the physical exercise data, the setting means for setting the provisional value of the external force, and the physical exercise data and the provisional value of the external force. Based on the execution means and the execution result of the inverse dynamics analysis, the evaluation means for evaluating the load generated on the body according to the dynamic amount generated on each joint of the body model, and the provisional value of the external force based on the evaluation result. Includes update means to update.

本発明では、また、身体運動時に生じる外力を推定するための下記特徴を有する計算方法が提供される。本計算方法は、コンピュータが、身体運動データを取得するステップと、外力の暫定値を設定するステップとを含む。本計算方法は、さらに、コンピュータが、身体運動データおよび外力の暫定値に基づき、身体モデルを用いた逆動力学解析を実行するステップと、逆動力学解析の実行結果に基づいて、身体モデルの各関節に生じる力学量に応じて身体に生じる負荷を評価するステップと、評価の結果に基づいて、外力の暫定値を更新するステップとを含む。 The present invention also provides a calculation method having the following characteristics for estimating an external force generated during physical exercise. This calculation method includes a step in which the computer acquires physical exercise data and a step in which a provisional value of external force is set. In this calculation method, the computer further performs a reverse dynamics analysis using the body model based on the body movement data and the provisional value of the external force, and based on the execution result of the reverse dynamics analysis of the body model. It includes a step of evaluating the load generated on the body according to the dynamic amount generated in each joint, and a step of updating the provisional value of the external force based on the evaluation result.

本発明では、さらに、上述した身体運動時に生じる外力を推定するための上記特徴を有する情報処理装置を実現するためのプログラムを提供する。 The present invention further provides a program for realizing an information processing device having the above-mentioned characteristics for estimating the external force generated during the above-mentioned physical exercise.

上記構成により、身体運動データに基づき、身体運動時に身体に作用する外力をロバストに推定することが可能となる。 With the above configuration, it is possible to robustly estimate the external force acting on the body during physical exercise based on the physical exercise data.

図1は、本発明の実施形態による歩行運動解析装置を含む解析システムの全体構成を示す機能ブロック図である。FIG. 1 is a functional block diagram showing an overall configuration of an analysis system including a walking motion analysis device according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施形態による歩行運動解析装置における最適化計算部のより詳細な機能ブロック図である。FIG. 2 is a more detailed functional block diagram of the optimization calculation unit in the walking motion analysis device according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施形態による歩行運動解析装置が実行する、歩行運動解析処理を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing a walking motion analysis process executed by the walking motion analysis device according to the embodiment of the present invention. 図4は、本発明の実施形態による歩行運動解析処理で用いられる剛体リンクモデルを説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a rigid body link model used in the walking motion analysis process according to the embodiment of the present invention. 図5は、本発明の実施形態による歩行運動解析処理における足部に定義される接触点を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a contact point defined on the foot in the walking motion analysis process according to the embodiment of the present invention. 図6は、本発明の実施形態による歩行運動解析装置を実現するための典型的なコンピュータを示すハードウェアブロック図である。FIG. 6 is a hardware block diagram showing a typical computer for realizing the walking motion analysis device according to the embodiment of the present invention. 図7は、歩行運動の測定実験の環境を説明する図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the environment of the measurement experiment of walking motion. 図8は、図7に示す環境で実測された床反力の実測値と、図3に示す歩行運動解析処理で推定された床反力の推定値と示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the measured value of the floor reaction force actually measured in the environment shown in FIG. 7 and the estimated value of the floor reaction force estimated by the walking motion analysis process shown in FIG. 図9は、図7に示す環境で実測された床反力の作用点の実測値と、図3に示す歩行運動解析処理で推定された床反力の作用点の推定値とを示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the measured values of the floor reaction force action points actually measured in the environment shown in FIG. 7 and the estimated values of the floor reaction force action points estimated by the walking motion analysis process shown in FIG. is there. 図10は、図7に示す環境で実測された床反力の実測値および図3に示す歩行運動解析処理で推定された床反力の推定値に基づく、通常歩行における歩行周期の各時点の下肢の関節モーメントを示すグラフである。FIG. 10 shows the measured values of the floor reaction force measured in the environment shown in FIG. 7 and the estimated values of the floor reaction force estimated by the walking motion analysis process shown in FIG. 3 at each time point of the walking cycle in normal walking. It is a graph which shows the joint moment of the lower limbs.

以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明の実施形態は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。なお、以下に説明する実施形態では、身体運動時に生じる外力を推定するための情報処理装置の一例として、歩行運動を対象とし、歩行運動時に生じる床反力を推定するとともに身体モデルの各関節で生じる力学量を算出する歩行運動解析装置110を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the embodiments of the present invention are not limited to the embodiments described below. In the embodiment described below, as an example of the information processing device for estimating the external force generated during physical exercise, the walking exercise is targeted, the floor reaction force generated during the walking exercise is estimated, and each joint of the body model is used. This will be described using the walking motion analyzer 110 for calculating the generated dynamics.

図1は、本実施形態による歩行運動解析装置110を含む解析システム100の全体構成を示す機能ブロック図である。図1に示す解析システム100は、歩行運動時の人などの身体の運動を計測するモーション・キャプチャ・システム102と、モーション・キャプチャ・システム102からの計測データの入力を受けて、歩行運動を解析する歩行運動解析装置110とを含み構成される。 FIG. 1 is a functional block diagram showing an overall configuration of an analysis system 100 including a walking motion analysis device 110 according to the present embodiment. The analysis system 100 shown in FIG. 1 analyzes walking motion by receiving input of measurement data from a motion capture system 102 that measures the movement of a person or the like during walking exercise and the motion capture system 102. It is configured to include a walking motion analysis device 110.

モーション・キャプチャ・システム102は、光学式、慣性センサ式、機械式、磁気式またはビデオ式など任意の方式のキャプチャ技術に基づいて、動作中の身体の動きをデジタル化するシステムである。ここで、光学式とは、対象の身体に反射マーカを装着し、複数のカメラを周囲に設置し、反射マーカの位置を光学的に検出する方式であり、画像式や赤外線式などがある。慣性センサ式とは、角速度計や加速度計を含む慣性センサを身体各部に装着し、得られた加速度および角速度情報から逆算して位置および姿勢を得る方式である。機械式とは、エンコーダやポテンショメータなどの機械的に回転角や変位を測定するセンサを利用して各関節角の計測を行う方式である。磁気式とは、磁気センサを身体に装着し、磁気発生装置から磁場を印加し、磁気センサにおいて、コイルで検出した磁力線に基づいて磁気発生装置からの位置および姿勢を求める方式である。ビデオ式とは、ビデオ映像を解析して、位置情報を求める方式である。なお、以下、便宜上、標準的な方式である光学式が採用された場合を中心に説明する。 The motion capture system 102 is a system that digitizes the movement of the body during operation based on any type of capture technology such as optical type, inertial sensor type, mechanical type, magnetic type or video type. Here, the optical type is a method in which a reflection marker is attached to the target body, a plurality of cameras are installed around the object, and the position of the reflection marker is optically detected, and there are an image type and an infrared type. The inertial sensor type is a method in which an inertial sensor including an angular velocity meter and an accelerometer is attached to each part of the body, and the position and posture are obtained by back calculation from the obtained acceleration and angular velocity information. The mechanical type is a method in which each joint angle is measured by using a sensor such as an encoder or a potentiometer that mechanically measures the angle of rotation or displacement. The magnetic type is a method in which a magnetic sensor is attached to a body, a magnetic field is applied from the magnetic generator, and the position and orientation from the magnetic generator are obtained based on the magnetic field lines detected by the coil in the magnetic sensor. The video method is a method of analyzing a video image to obtain position information. Hereinafter, for convenience, the case where the optical method, which is a standard method, is adopted will be mainly described.

図1には、また、歩行運動解析装置110の詳細な機能ブロックが示されている。図1に示すように、歩行運動解析装置110は、モーション・キャプチャ・システム102から身体運動データを取得する身体運動データ取得部112と、取得された身体運動データに基づいて、所定の床反力の下、逆動力学計算を行う逆動力学解析部120と、逆動力学解析部120による計算の結果に基づいて、求めるべき未知の床反力を、最適化計算により推定する最適化計算部130とを含み構成される。 FIG. 1 also shows a detailed functional block of the gait motion analysis device 110. As shown in FIG. 1, the walking motion analysis device 110 has a physical motion data acquisition unit 112 that acquires physical motion data from the motion capture system 102, and a predetermined floor reaction force based on the acquired physical motion data. Underneath, the inverse dynamics analysis unit 120 that performs the inverse dynamics calculation, and the optimization calculation unit that estimates the unknown floor reaction force to be obtained by the optimization calculation based on the calculation results by the inverse dynamics analysis unit 120. It is configured to include 130.

身体運動データ取得部112は、身体の運動を記述する所定の形式の身体運動データ114を取得する。ここで、モーション・キャプチャ・システム102から直接得られる身体運動データは、上述した光学式の場合、身体の運動変位データである。一方、ここでは、後述する逆動力学計算を行うために、所定の身体モデル116に従った身体運動データ114が取得される。 The physical exercise data acquisition unit 112 acquires physical exercise data 114 in a predetermined format that describes the physical exercise. Here, the body movement data directly obtained from the motion capture system 102 is the movement displacement data of the body in the case of the above-mentioned optical type. On the other hand, here, the body movement data 114 according to the predetermined body model 116 is acquired in order to perform the inverse dynamics calculation described later.

身体モデル116は、特定の実施形態においては、剛体リンクモデルである。剛体リンクモデルとは、身体の各体節が変形しない剛体節(リンク)で近似できると仮定し、身体力学構造を剛体リンクが連結した剛体リンクモデルとして表したモデルである。 The body model 116 is, in certain embodiments, a rigid body link model. The rigid body link model is a model in which each body segment is assumed to be approximated by a rigid body node (link) that does not deform, and the body dynamic structure is expressed as a rigid body link model in which rigid body links are connected.

マーカ計測から得られる身体の運動変位測定データは、身体表面上に設けられたマーカの位置の絶対座標系(空間座標系)における3次元座標である。身体運動データ取得部112は、モーション・キャプチャ・システム102から運動変位測定データを取得し、さらに、マーカの絶対座標系(空間座標系)における3次元座標から、例えばグローバル最適化法やポイントクラスタ法に基づき、各身体節の3次元的な動き、すなわち関節角度などを求める。なお、上述する逆動力学計算では、関節角度のような運動変位に加えて、角速度、角加速度なども用いられるため、光学式の場合、これらの速度および加速度情報を、運動変位を数値微分することによって計算する。なお、モーションキャプチャの方式によって、上述した関節角度の計算および速度や加速度の計算の一部を省略することができる場合がある。身体運動データ取得部112は、モーション・キャプチャ・システム102から直接得られるデータから、剛体リンクモデルの身体各節の節長や関節自由度など運動学的特性に基づき、関節角度、角速度および角加速度などの運動学量を算出し、所定の身体モデル116に従った身体運動データ114を得る。 The body motion displacement measurement data obtained from the marker measurement is three-dimensional coordinates in the absolute coordinate system (spatial coordinate system) of the position of the marker provided on the body surface. The body motion data acquisition unit 112 acquires motion displacement measurement data from the motion capture system 102, and further, from the three-dimensional coordinates in the absolute coordinate system (spatial coordinate system) of the marker, for example, the global optimization method or the point cluster method. Based on, the three-dimensional movement of each body segment, that is, the joint angle and the like are obtained. In the above-mentioned inverse dynamics calculation, in addition to the motion displacement such as the joint angle, the angular velocity and the angular acceleration are also used. Therefore, in the case of the optical type, the motion displacement is numerically differentiated from these velocity and acceleration information. Calculate by Depending on the motion capture method, it may be possible to omit a part of the above-mentioned joint angle calculation and velocity and acceleration calculation. The body movement data acquisition unit 112 uses data obtained directly from the motion capture system 102 to determine joint angles, angular velocities, and angular accelerations based on kinematic characteristics such as node length and joint freedom of each body node of the rigid body link model. The kinematics such as and the like are calculated, and the physical exercise data 114 according to the predetermined body model 116 is obtained.

逆動力学解析部120は、取得された身体運動データ(関節角度、角速度、角加速度など)114に基づいて、所定の床反力の下、身体モデル116の運動方程式の逆動力学計算を行って、身体各部の力学量、より具体的には、身体モデル116の各関節で生じる関節モーメント(関節トルクや筋トルクなどとも参照され、これらは同義である。)や関節反力を算出する。逆動力学計算の際には、一般的には、床反力といった外力情報が用いられるが、本発明の実施形態においては、床反力の暫定値118が仮定され、その暫定値118の下で、逆動力学計算が行われる。逆動力学計算の実行により、仮定された床反力の暫定値に対して各関節モーメントの推定値122が算出される。 The inverse dynamics analysis unit 120 performs inverse dynamics calculation of the equation of motion of the body model 116 under a predetermined floor reaction force based on the acquired body motion data (joint angle, angular velocity, angular acceleration, etc.) 114. Therefore, the dynamics of each part of the body, more specifically, the joint moment (also referred to as joint torque and muscle torque, which are synonymous with each other) and the joint reaction force generated in each joint of the body model 116 are calculated. External force information such as floor reaction force is generally used in the inverse dynamics calculation, but in the embodiment of the present invention, a provisional value 118 of the floor reaction force is assumed, and the value is lower than the provisional value 118. Then, the inverse dynamics calculation is performed. By executing the inverse dynamics calculation, the estimated value 122 of each joint moment is calculated with respect to the provisional value of the assumed floor reaction force.

ここで、逆動力学計算で用いられる床反力には、より具体的には、床反力の大きさおよび方向を表す床反力ベクトルおよび床反力の作用点が含まれる。また、歩行運動は、左右いずれかの足が床に接地する片脚支持期および左右両方の足が床に接地する両脚支持期がある。片脚支持期においては、床反力は、接地する足部のものであり、両脚支持期においては、典型的には、床反力は、左右足部それぞれに別々に設定される。 Here, the floor reaction force used in the inverse dynamics calculation includes, more specifically, the floor reaction force vector representing the magnitude and direction of the floor reaction force and the point of action of the floor reaction force. In addition, walking exercise has a one-leg support period in which either the left or right foot touches the floor and a two-leg support period in which both the left and right feet touch the floor. In the one-leg support period, the floor reaction force is that of the foot that touches the ground, and in the two-leg support period, the floor reaction force is typically set separately for each of the left and right feet.

最適化計算部130は、逆動力学解析部120と連携して、求めるべき未知の床反力118(床反力ベクトルおよび床反力の作用点(COP:Center Of Pressure))を最適化計算により推定する。最適化計算部130は、所定の床反力の暫定値118を与えて、逆動力学解析部120により逆動力学解析を実行させ、その結果得られる解析結果122を評価し、次の最適化計算で用いる床反力の暫定値118を更新することを繰り返し、所定の目的関数が最小化(ペナルティとして定義した場合)または最大化(リワードとして定義した場合)されるような床反力を探索する。得られた解析結果に基づいて、探索空間において目的関数が改善される方向が得られる。この逆動力学解析、評価および床反力の暫定値の更新の繰り返しにより、床反力の推定値が最適化され、解析結果として求められる。同時に、最適化された床反力の推定値を与えた場合の身体モデル116の関節モーメントおよび関節反力などの力学量の推定値122も解析結果として与えられる。 The optimization calculation unit 130, in cooperation with the inverse dynamics analysis unit 120, optimizes and calculates an unknown floor reaction force 118 (floor reaction force vector and floor reaction force action point (COP: Center Of Pressure)) to be obtained. Estimated by. The optimization calculation unit 130 gives a provisional value 118 of the predetermined floor reaction force, causes the inverse dynamics analysis unit 120 to execute the inverse dynamics analysis, evaluates the analysis result 122 obtained as a result, and evaluates the next optimization. Repeatedly updating the provisional value 118 of the floor reaction force used in the calculation to search for the floor reaction force such that the predetermined objective function is minimized (when defined as a penalty) or maximized (when defined as a reward). To do. Based on the obtained analysis results, the direction in which the objective function is improved in the search space can be obtained. By repeating this inverse dynamics analysis, evaluation, and updating of the provisional value of the floor reaction force, the estimated value of the floor reaction force is optimized and obtained as the analysis result. At the same time, the estimated value 122 of the dynamics such as the joint moment and the joint reaction force of the body model 116 when the optimized floor reaction force estimate is given is also given as the analysis result.

身体モデル116の関節モーメントおよび関節反力などの力学量の最適値が得られると、筋力学モデルおよび筋骨格幾何学モデルと組み合わせて、さらに、筋負担を最小化するように最適化計算手法を適用することで、筋力などの筋骨格系の生体内負荷を算出することができる。ここで、筋力学モデルは、個々の筋の力発揮に伴う力学特性を表したモデルであり、筋骨格幾何学モデルは、筋の付着位置や筋走行(筋の幾何学的配置、パス)などを表すモデルである。剛体リンクモデル、筋力学モデルおよび筋骨格幾何学モデルを合わせて筋骨格モデルが構成される。なお、得られた身体モデル116(剛体リンクモデル)の力学量をどのように用いるかは特に限定されるものではない。また、身体モデル116(剛体リンクモデル)の力学量のみならず、最終的に得られた床反力ベクトルおよび作用点だけでも有用な情報である。なお、本発明の実施形態においては、逆動力学計算で用いられる床反力などの外力の推定を中心に説明するため、床反力ベクトルおよび作用点を推定した後段の処理については、これ以上立ち入らない。 Once the optimal values of the dynamics such as joint moment and joint reaction force of the body model 116 are obtained, the optimization calculation method is combined with the musculoskeletal model and the musculoskeletal geometry model to further minimize the muscle load. By applying it, it is possible to calculate the in vivo load of the musculoskeletal system such as muscle strength. Here, the muscular dynamics model is a model that expresses the mechanical characteristics associated with the exertion of force of individual muscles, and the musculoskeletal geometry model is a muscle attachment position, muscle running (muscle geometric arrangement, path), etc. It is a model that represents. A musculoskeletal model is constructed by combining a rigid body link model, a musculoskeletal model, and a musculoskeletal geometry model. It should be noted that how to use the mechanical quantity of the obtained body model 116 (rigid body link model) is not particularly limited. Further, not only the mechanical quantity of the body model 116 (rigid body link model) but also the finally obtained floor reaction force vector and the point of action are useful information. In the embodiment of the present invention, the estimation of the external force such as the floor reaction force used in the inverse dynamics calculation will be mainly described. Therefore, the subsequent processing for estimating the floor reaction force vector and the point of action will be further described. Do not enter.

図2は、図1に示した最適化計算部130のより詳細な機能ブロックを示す。図2に示すように、最適化計算部130は、床反力初期設定部132と、解析実行部134と、総負荷評価部136と、終了判定部138と、床反力更新部140とを含み構成される。 FIG. 2 shows a more detailed functional block of the optimization calculation unit 130 shown in FIG. As shown in FIG. 2, the optimization calculation unit 130 includes a floor reaction force initial setting unit 132, an analysis execution unit 134, a total load evaluation unit 136, an end determination unit 138, and a floor reaction force update unit 140. Consists of.

床反力初期設定部132は、まず、初期値としての床反力の暫定値を設定する。初期値としては、特に限定されるものではないが、任意の固定値を設定してもよいし、乱数関数を用いて所定の範囲内で生成された乱数を設定してもよい。ここで、逆動力学解析に与えられる床反力には、床反力ベクトル(方向および大きさ)および床反力の作用点が含まれ、床反力の暫定値には、床反力ベクトルおよび作用点座標の暫定値が含まれる。 The floor reaction force initial setting unit 132 first sets a provisional value of the floor reaction force as an initial value. The initial value is not particularly limited, but an arbitrary fixed value may be set, or a random number generated within a predetermined range may be set using a random number function. Here, the floor reaction force given to the inverse kinetic analysis includes the floor reaction force vector (direction and magnitude) and the point of action of the floor reaction force, and the provisional value of the floor reaction force is the floor reaction force vector. And the provisional value of the point of action coordinates is included.

解析実行部134は、取得された身体運動データおよび現時点で設定される床反力の暫定値を逆動力学解析部120に与えて、身体モデル116を用いた逆動力学解析を実行し、逆動力学解析の実行結果を得る。逆動力学解析の実行結果には、各関節に生じる力学量の推定値が含まれる。総負荷評価部136は、逆動力学解析部120による逆動力学解析の実行結果に基づいて、つまりこの力学量の推定値に基づいて、身体モデルの各関節に生じる力学量の総和を計算し、身体に生じる負荷を評価する。床反力更新部140は、総負荷評価部136による評価の結果に基づいて、床反力の暫定値を更新する。 The analysis execution unit 134 gives the acquired body movement data and the provisional value of the floor reaction force currently set to the inverse dynamics analysis unit 120, executes the inverse dynamics analysis using the body model 116, and reverses. Obtain the execution result of the dynamic analysis. The results of the inverse dynamics analysis include estimates of the dynamics that occur in each joint. The total load evaluation unit 136 calculates the total amount of dynamics generated in each joint of the body model based on the execution result of the inverse dynamics analysis by the inverse dynamics analysis unit 120, that is, based on the estimated value of this dynamics. , Evaluate the load on the body. The floor reaction force updating unit 140 updates the provisional value of the floor reaction force based on the evaluation result by the total load evaluation unit 136.

所定の条件の下、逆動力学解析部120による逆動力学解析の実行、総負荷評価部136による評価および床反力更新部140による床反力の暫定値の更新を繰り返すことにより、所定の目的関数が最小化(ペナルティとして定義した場合)または最大化(リワードとして定義した場合)され、床反力が最適化される。 Under predetermined conditions, the inverse dynamics analysis unit 120 executes the inverse dynamics analysis, the total load evaluation unit 136 evaluates, and the floor reaction force updating unit 140 updates the provisional value of the floor reaction force. The objective function is minimized (when defined as a penalty) or maximized (when defined as a reward) and the floor reaction force is optimized.

終了判定部138は、逆動力学解析部120による逆動力学解析の終了条件が満たされたか否かを判定する。例えば、所定の打ち切り回数や目的関数の収束を検出するための条件が用いられる。終了判定部138が、終了条件を満たしたと判定した場合は、解析を終了させて、身体モデル116の各関節に生じる力学量の最終的な値および床反力の最終的な値が得られる。 The end determination unit 138 determines whether or not the end condition of the inverse dynamics analysis by the inverse dynamics analysis unit 120 is satisfied. For example, conditions for detecting a predetermined number of censoring times and convergence of the objective function are used. When the end determination unit 138 determines that the end condition is satisfied, the analysis is terminated to obtain the final value of the mechanical quantity generated in each joint of the body model 116 and the final value of the floor reaction force.

図2には、好ましい実施形態も示されており、図2に示すように、好ましい実施形態では、最適化計算部130は、接地判定部142と、内外判定部144とをさらに含み構成される。好ましい実施形態では、上述した最適化の際の所定の条件には、床反力の作用点を足部の接地面内に収めるための制約が含まれる。この制約を導入することにより、床反力の作用点位置が足裏の外に推定されてしまう可能性を低減することができる。 FIG. 2 also shows a preferred embodiment, and as shown in FIG. 2, in the preferred embodiment, the optimization calculation unit 130 further includes a grounding determination unit 142 and an inside / outside determination unit 144. .. In a preferred embodiment, the predetermined conditions for the above-mentioned optimization include a constraint for keeping the point of action of the floor reaction force within the contact patch of the foot. By introducing this constraint, it is possible to reduce the possibility that the position of the action point of the floor reaction force is estimated outside the sole of the foot.

運動変位測定データは、上述したように、身体表面上に設けられたマーカの3次元座標位置を保持するが、好ましい実施形態では、さらに、足部を構成する複数のマーカを補間するように複数の接触点が定義される。接地判定部142は、足部に定義した各接触点について、接触点の高さおよび接触点の速度に基づいて接地判定を行う。そして、接地していると判定された接触点で構成される凸包として、接触面が与えられる。 As described above, the motion displacement measurement data holds the three-dimensional coordinate positions of the markers provided on the body surface, but in a preferred embodiment, a plurality of markers are further interpolated so as to interpolate the plurality of markers constituting the foot. Contact point is defined. The ground contact determination unit 142 makes a ground contact determination for each contact point defined on the foot based on the height of the contact point and the speed of the contact point. Then, a contact surface is provided as a convex hull composed of contact points determined to be in contact with the ground.

内外判定部144は、作用点の暫定値が、接触点の接地判定に基づき得られる接地面の内側に位置する否かを判定する。この床反力の作用点を足部の接地面内に収めるための制約は、最適化計算の制約式(制約条件)として組み込まれてもよいし、最適化計算の目的関数に組み込まれてもよい。特定の実施形態においては、作用点の暫定値が接地面外に位置する場合に与えられるペナルティ項として、あるいは、作用点の暫定値が接地面の内側に位置する場合に与えられるリワード項として、最適化計算の目的関数に組み込まれる。 The inside / outside determination unit 144 determines whether or not the provisional value of the action point is located inside the ground contact surface obtained based on the ground contact determination of the contact point. The constraint for keeping the point of action of the floor reaction force in the ground plane of the foot may be incorporated as a constraint equation (constraint condition) of the optimization calculation, or may be incorporated into the objective function of the optimization calculation. Good. In certain embodiments, as a penalty term given when the provisional value of the point of action is located outside the tread, or as a reward term given when the provisional value of the point of action is located inside the tread. It is incorporated into the objective function of the optimization calculation.

以下、図3を参照しながら、本実施形態による歩行運動時の床反力の推定を含む歩行運動解析処理について、より詳細に説明する。図3は、本発明の実施形態による歩行運動解析装置110が実行する、歩行運動解析処理を示すフローチャートである。図3に示す歩行運動解析処理は、歩行運動解析装置110が備えるCPUなどのプロセッサにより実行される。また、図3に示す処理は、歩行運動中の所定の時点の身体運動データに基づくものであり、一歩行周期解析するためには、一方の足の踵接地から、踵離れ、爪先離れを経て再度踵接地するまでの各時点について同様の処理が行われることになる。なお、その際には、前の時点で得られた結果に基づいて、次の時点の計算の初期値を決定してもよい。 Hereinafter, the walking motion analysis process including the estimation of the floor reaction force during the walking motion according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a walking motion analysis process executed by the walking motion analysis device 110 according to the embodiment of the present invention. The walking motion analysis process shown in FIG. 3 is executed by a processor such as a CPU included in the walking motion analysis device 110. Further, the process shown in FIG. 3 is based on the physical exercise data at a predetermined time point during the walking exercise, and in order to analyze one walking cycle, the heel touches the heel of one foot, the heel separates, and the toe separates. The same process will be performed at each point in time until the heel touches down again. In that case, the initial value of the calculation at the next time point may be determined based on the result obtained at the previous time point.

図3に示す歩行運動解析処理は、例えば、操作者の指示に応答して、ステップS100から開始される。ステップS101では、プロセッサは、身体モデル116を読み出す。 The walking motion analysis process shown in FIG. 3 is started from step S100, for example, in response to an instruction from the operator. In step S101, the processor reads the body model 116.

図4は、本発明の実施形態による歩行運動解析処理で用いられる身体モデル116としての剛体リンクモデル200を説明する図である。図4に示すように剛体リンクモデル200は、複数のリンク202と、リンク同士を接続する関節部204とを含み構成され、各関節部204には、それぞれの関節可動特性に応じて予め所定の自由度が設定される。例えば、股関節には、屈伸、内外転および回旋の3自由度であり、膝関節および足関節は、回転の3自由度があるとして、基本的な運動拘束が設定される。 FIG. 4 is a diagram illustrating a rigid body link model 200 as a body model 116 used in the walking motion analysis process according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the rigid body link model 200 includes a plurality of links 202 and joint portions 204 that connect the links to each other, and each joint portion 204 is predetermined in advance according to the joint movable characteristics. The degree of freedom is set. For example, the hip joint has three degrees of freedom of flexion / extension, adduction / abduction, and rotation, and the knee joint and ankle joint have three degrees of freedom of rotation, and basic motor restraints are set.

再び図3を参照すると、ステップS102では、プロセッサは、モーション・キャプチャ・システム102から計測データを取得し、歩行運動時の所定時点の身体運動データを取得する。身体運動データは、身体モデル116の各関節の関節角度、角速度および角加速度などの情報を含む形式に変換される。ステップS103では、プロセッサは、床反力ベクトルおよび床反力の作用点の暫定値を初期値として設定する。初期値は、固定値、ランダム値、または過去の時点での最適値で設定される。以降、ステップS104〜S107では、所定の目的関数および制約式を用いて最適化計算が実行される。 Referring again to FIG. 3, in step S102, the processor acquires measurement data from the motion capture system 102 and acquires physical exercise data at a predetermined time point during walking exercise. The body movement data is converted into a format including information such as joint angle, angular velocity and angular acceleration of each joint of the body model 116. In step S103, the processor sets the floor reaction force vector and the provisional value of the action point of the floor reaction force as initial values. The initial value is set to a fixed value, a random value, or an optimum value at a time in the past. After that, in steps S104 to S107, the optimization calculation is executed using a predetermined objective function and constraint expression.

ステップS104では、プロセッサは、取得された身体運動データおよび現在の床反力ベクトルおよび床反力の作用点の暫定値を与えて、身体モデル116の逆動力学解析を実行する。ステップS105では、プロセッサは、逆動力学解析の実行結果に基づいて、身体モデルの各関節に生じる力学量に応じて身体に生じる負荷を評価する。ステップS105では、より具体的には、以下の目的関数Iが評価される。なお、目的関数Iは、負荷をペナルティとして構成したものである。 In step S104, the processor performs an inverse kinetic analysis of the body model 116, given the acquired body movement data and the current floor reaction force vector and provisional values of the floor reaction force action points. In step S105, the processor evaluates the load generated on the body according to the mechanical quantity generated on each joint of the body model based on the execution result of the inverse dynamic analysis. More specifically, in step S105, the following objective function I is evaluated. The objective function I is configured with the load as a penalty.

Figure 2021083562
Figure 2021083562

ここで、fpelvisは、逆動力学計算の際に空間座標に対する自由度に対応する骨盤節に生じる関節反力を示し、nは、関節iに生じる関節モーメントを示し、fgrfは、身体に作用する外力である床反力を表す。なお、各記号に添えたハットは、Hofの方式に基づき正規化されていることを表す。この正規化では、力は、体格条件として与えられる体重により正規化され、モーメントは、体格条件として与えられる体重および脚長(足長などの部位ごとの長さであってもよい。これらも体格条件として与えられる身長から求められる。)の積で正規化される。また、特定の実施形態においては、速度変化に対する正規化処理を行ってもよい。歩行運動の場合は、左右の足で、外力の数は2となる。上記式中、a,a,aは、最適化の重み係数である。パラメータa,a,aは、典型的には、所定の条件を満たす任意の値が設定される。 Here, f pelvis showed joint reaction forces occurring pelvic nodes corresponding to the degree of freedom with respect to the spatial coordinates in the inverse dynamics calculation, n i denotes the joint moment occurring on the joint i, f grf is the body Represents the floor reaction force, which is an external force acting on. The hat attached to each symbol indicates that the hat is normalized based on the Hof method. In this normalization, the force is normalized by the weight given as the physique condition, and the moment may be the weight given as the physique condition and the length of each part such as the leg length (the length of each part such as the foot length, which is also the physique condition). It is normalized by the product of). Moreover, in a specific embodiment, the normalization process for the speed change may be performed. In the case of walking exercise, the number of external forces is 2 on the left and right feet. In the above equation, a 1 , a 2 , and a 3 are optimization weighting coefficients. The parameters a 1 , a 2 , and a 3 are typically set to arbitrary values that satisfy a predetermined condition.

上記目的関数Iは、「ヒト身体各部に生じる負荷が最小となるように歩行している」との仮定に基づくものであり、逆動力学計算で求められた力学量の総和を評価するものである。最適化計算は、下記式(1)および式(2)のように定式化される。 The objective function I is based on the assumption that "walking is performed so that the load generated on each part of the human body is minimized", and evaluates the sum of the mechanical quantities obtained by the inverse dynamics calculation. is there. The optimization calculation is formulated as the following equations (1) and (2).

Figure 2021083562
Figure 2021083562

上記式(2)の第1条件に関し、骨盤節の反力fpelvisはゼロが理想であるが、モデル化や計測誤差などの影響により実際にはゼロにならないため、他項よりも重みを大きくする(a>a>a)ことで、その影響を最小限としている。また、上記式(1)の各項は、それぞれの特徴を顕著に示すため、絶対値の3乗和としている。3乗和に限定されるものではないが、非線形な単調増加関数とすることが好ましい。 Regarding the first condition of the above equation (2), the reaction force f pervis of the pelvic node is ideally zero, but it does not actually become zero due to the influence of modeling and measurement error, so the weight is larger than other terms. By doing so (a 1 > a 2 > a 3 ), the effect is minimized. Further, each term of the above equation (1) is a sum of cubes of absolute values in order to show the characteristics of each term prominently. Although not limited to the sum of cubes, it is preferable to use a non-linear monotonically increasing function.

上記式(2)の第2条件は、床反力の作用点位置pgrf(x、y)を足部の接地領域Cに収めるための制約である。足部接地領域Cは、足部のマーカ位置に基づき接触点を定義し、各接触点について接地判定を行うことにより求められる。 The second condition of the above equation (2) is a constraint for keeping the floor reaction force action point position pgrf (x, y) in the ground contact region C of the foot. The foot contact area C is obtained by defining contact points based on the position of the marker on the foot and making a ground contact determination for each contact point.

図5は、本発明の実施形態による歩行運動解析処理における足部に定義される接触点を説明する図である。図5に示すように、足部210を構成する複数のマーカ212を補間するように複数の接触点214が定義される。そして、定義された各接触点214に対して、下記式(3)で示す接地判別式を適用し、それにより接地すると判定された接触点で構成される凸包として足部接地領域Cが得られる。 FIG. 5 is a diagram illustrating a contact point defined on the foot in the walking motion analysis process according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, a plurality of contact points 214 are defined so as to interpolate a plurality of markers 212 constituting the foot portion 210. Then, the ground contact discriminant represented by the following equation (3) is applied to each of the defined contact points 214, and the foot ground contact region C is obtained as a convex hull composed of the contact points determined to be grounded. Be done.

Figure 2021083562
Figure 2021083562

上記式(3)および(4)において、添え字grfは、外力番号、jは接触点番号を示し、pは接触点の位置、vは接触点の速度を示し、pおよびvに添えられる添え字thresは、接触点位置および接触点速度に対する閾値であることを表し、pおよびvに添えられるx,yおよびzはそれぞれ進行方向、左右方向および鉛直方向の成分であることを表す。fは、推定した床反力ベクトルを表す。上記(3)は、高さが所定基準以下で、水平方向および鉛直方向の速度が基準より小さい接触点を接地していると判定する。接触点が片足につき3点以上になると接触領域が定義できる。そのため、上記式(4)により、接触点数をカウントして接触点数が3点以上になったときに床反力を与えるようにしている。 In the above equations (3) and (4), the subscript grf indicates the external force number, j indicates the contact point number, p indicates the position of the contact point, v indicates the velocity of the contact point, and is attached to p and v. The letter thres indicates that it is a threshold value for the contact point position and the contact point velocity, and x, y and z attached to p and v indicate that they are components in the traveling direction, the left-right direction and the vertical direction, respectively. f represents the estimated floor reaction force vector. In (3) above, it is determined that the contact point where the height is equal to or less than the predetermined reference and the speeds in the horizontal direction and the vertical direction are smaller than the reference is grounded. The contact area can be defined when the number of contact points is 3 or more per foot. Therefore, according to the above equation (4), the number of contact points is counted and the floor reaction force is applied when the number of contact points becomes 3 or more.

特定の実施形態では、床反力の作用点位置pfrg(x、y)を足部接地領域Cに収めるための制約は、作用点位置pfrg(x、y)が接地領域Cの外にある場合に上記式(1)の目的関数に下記式(5)で示すペナルティを第4項として加算することにより最適化計算に組み込むことができる。 In a particular embodiment, the constraint for keeping the floor reaction force action point position p frg (x, y) in the foot ground contact area C is that the action point position p frg (x, y) is outside the ground contact area C. In some cases, it can be incorporated into the optimization calculation by adding the penalty shown in the following equation (5) to the objective function of the above equation (1) as the fourth term.

Figure 2021083562
Figure 2021083562

上記式(5)中、aは重み係数であり、dは、足部接地領域Cの中心から作用点位置pgrf(x,y)までの距離を表す。中心からの作用点位置の距離に応じたペナルティを加算することにより、値の発散を防止することができる。 In the above equation (5), a is a weighting coefficient, and d represents the distance from the center of the foot contact area C to the action point position pgrf (x, y). By adding a penalty according to the distance of the position of the point of action from the center, it is possible to prevent the value from diverging.

上述した最適化計算における所定の条件には、さらに、外力の作用点とゼロモーメント点(ZMP;Zero Moment Point)の距離を最小化するための制約を含んでいてもよい。上記式(2)を再び参照すると、上記式(2)の第3条件は、この推定された床反力の作用点位置とゼロモーメント点の距離を最小にする制約を表す。ZMPは、身体重心における慣性力と重力により生じるモーメントがゼロとなる床面上の点であり、平面上での歩行において、これは床反力の作用点位置と一致するとされている。なお、片脚支持期は、支持する片足側の床反力の作用点とZMPとの距離が評価され、両脚支持期は、左右の両足の床反力の合力が作用する作用点と、ZMPとの距離を評価することができる。なお、ゼロモーメント点は、モーション・キャプチャ・システム102からの計測データに基づいて、身体各体節の重心位置を回帰的に求め、重心位置から、身体各体節の重心加速度を求め、求められた身体各体節の重心加速度から、導出される。 The predetermined conditions in the optimization calculation described above may further include a constraint for minimizing the distance between the point of action of the external force and the zero moment point (ZMP). With reference to the above equation (2) again, the third condition of the above equation (2) represents a constraint that minimizes the distance between the estimated floor reaction force action point position and the zero moment point. ZMP is a point on the floor where the moment generated by inertial force and gravity at the center of gravity of the body becomes zero, and it is said that this coincides with the position of the action point of the floor reaction force when walking on a plane. In the one-leg support period, the distance between the ZMP and the action point of the floor reaction force on the one-leg side to be supported is evaluated, and in the two-leg support period, the action point on which the resultant force of the floor reaction force of the left and right feet acts and the ZMP. The distance to and can be evaluated. The zero moment point is obtained by recursively finding the position of the center of gravity of each body segment based on the measurement data from the motion capture system 102, and finding the acceleration of the center of gravity of each body segment from the position of the center of gravity. It is derived from the acceleration of the center of gravity of each body segment.

再び図3を参照すると、ステップS106では、プロセッサは、終了条件が満たされたか否かを判定する。所定の打ち切り上限回数に達したり、これ以上目的関数の改善が見込めなくなるなどの収束条件が満たされた場合は、終了条件が満たされると判定される。ステップS106で、未だ最適化が完了していないと判定される場合は、ステップS107へ処理が分岐される。ステップS107では、プロセッサは、上述した評価の結果に基づいて、好ましくは目的関数が減少する改善方向に、床反力の暫定値を更新する。 With reference to FIG. 3 again, in step S106, the processor determines whether the termination condition is satisfied. When the convergence condition such as reaching the predetermined upper limit of censoring or the improvement of the objective function cannot be expected any more is satisfied, it is determined that the end condition is satisfied. If it is determined in step S106 that the optimization has not been completed yet, the process is branched to step S107. In step S107, the processor updates the provisional value of the floor reaction force based on the result of the evaluation described above, preferably in the direction of improvement in which the objective function decreases.

ステップS106で、終了条件を満たすと判定される場合は、ステップS108へ処理が分岐される。ステップS104の逆動力学計算の実行、ステップS105の目的関数の評価およびステップS107の床反力の暫定値の更新を、ステップS106で終了条件が成立するまで繰り返すことにより、床反力(床反力ベクトルおよび作用点)の値が最適化される。ステップS108では、プロセッサは、現在の床反力の暫定値を最終的な値とし、その床反力を与えた場合の逆動力学計算の結果としての関節モーメントおよび関節反力などの力学量の値を最終的な値として出力する。ステップS109では、本処理は終了する。 If it is determined in step S106 that the end condition is satisfied, the process is branched to step S108. The floor reaction force (floor reaction) (floor reaction) is repeated by repeating the execution of the inverse dynamics calculation in step S104, the evaluation of the objective function in step S105, and the update of the provisional value of the floor reaction force in step S107 until the end condition is satisfied in step S106. The value of the force vector and the point of action) is optimized. In step S108, the processor takes the provisional value of the current floor reaction force as the final value, and the dynamics such as the joint moment and the joint reaction force as a result of the inverse dynamics calculation when the floor reaction force is given. Output the value as the final value. In step S109, this process ends.

以下、歩行運動解析装置110のハードウェア構成について説明する。歩行運動解析装置110は、特定の実施形態においては、汎用コンピュータで実装される。図6は、本実施形態による歩行運動解析装置110のハードウェア構成図である。歩行運動解析装置110は、ボード10上に、シングルコアやマルチコアのマイクロプロセッサ・ユニット(MPU)12と、BIOS(Basic Input Output System)を格納する不揮発性メモリ14と、MPU12によるプログラム処理を可能とする実行記憶空間を提供するメモリ16とを含む。 Hereinafter, the hardware configuration of the walking motion analysis device 110 will be described. The gait motion analysis device 110 is implemented by a general-purpose computer in a specific embodiment. FIG. 6 is a hardware configuration diagram of the walking motion analysis device 110 according to the present embodiment. The gait motion analyzer 110 enables program processing by a single-core or multi-core microprocessor unit (MPU) 12, a non-volatile memory 14 that stores a BIOS (Basic Input Output System), and an MPU 12 on a board 10. Includes a memory 16 that provides an execution storage space.

MPU12は、内部バス22を介して記憶制御用インタフェース18に接続され、ハードディスク20が、MPU12からの入出力要求に応答してデータの書き込みまたは読み出しを実行する。MPU12は、内部バス22を介してUSBなどのシリアルまたはパラレル・インタフェース24を制御して、キーボード、マウス、プリンタなどの入出力装置26と通信し、ユーザからの入力を受け取る。 The MPU 12 is connected to the storage control interface 18 via the internal bus 22, and the hard disk 20 executes data writing or reading in response to an input / output request from the MPU 12. The MPU 12 controls a serial or parallel interface 24 such as USB via the internal bus 22 to communicate with an input / output device 26 such as a keyboard, a mouse, and a printer, and receives an input from a user.

歩行運動解析装置110は、さらにVRAM28とグラフィック・チップ30とを含むことができる。グラフィック・チップ30は、MPU12からの指令に応答してビデオ信号を処理し、ディスプレイ装置32へと表示させている。MPU12は、また、内部バス22を介してネットワークI/F(NIC;Network Interface Card)34と接続する。これにより、歩行運動解析装置110を、ネットワークを通して、モーションキャプチャ―・システムなどの外部装置と通信させている。 The gait motion analysis device 110 can further include a VRAM 28 and a graphic chip 30. The graphic chip 30 processes the video signal in response to the command from the MPU 12 and displays it on the display device 32. The MPU 12 also connects to the network I / F (NIC; Network Interface Card) 34 via the internal bus 22. As a result, the walking motion analysis device 110 is communicated with an external device such as a motion capture system through the network.

歩行運動解析装置110は、不揮発性メモリ14やハードディスク20(あるいはSSD(ソリッド・ステート・ドライブ))その他NV−RAM(図示せず)やSDカード(図示せず)などの記憶装置に格納されたプログラム(図示せず)を読み出し、メモリ16のメモリ領域に展開する。これにより、適切なオペレーティング・システム(OS)のもとで、上述した各機能手段および各処理を実現する。上記OSとしては、Windows(登録商標)、UNIX(登録商標)またはLINUX(登録商標)、android(登録商標)、iOS(登録商標)、MacOS(登録商標)、iPadOS(登録商標)、など、如何なるアーキテクチャを有するOSを採用することができる。 The walking motion analysis device 110 is stored in a storage device such as a non-volatile memory 14, a hard disk 20 (or SSD (solid state drive)), NV-RAM (not shown), or an SD card (not shown). A program (not shown) is read and expanded in the memory area of the memory 16. As a result, each of the above-mentioned functional means and each process is realized under an appropriate operating system (OS). The OS includes Windows (registered trademark), UNIX (registered trademark) or LINUX (registered trademark), android (registered trademark), iOS (registered trademark), MacOS (registered trademark), iPadOS (registered trademark), and the like. An OS having an architecture can be adopted.

なお、上記機能部は、アセンブラ、C、C++、C#、Java(登録商標)、などのレガシープログラミング言語やオブジェクト指向プログラミング言語などで記述されたコンピュータ実行可能なプログラムにより実現でき、ROM、EEPROM、EPROM、フラッシュメモリ、フレキシブルディスク、CD−ROM、CD−RW、DVD−ROM、DVD−RAM、DVD−RW、ブルーレイディスク、SDカード、MOなど装置可読な記録媒体に格納して、あるいは電気通信回線を通じて頒布することができる。 The above functional unit can be realized by a computer-executable program described in a legacy programming language such as an assembler, C, C ++, C #, Java (registered trademark), an object-oriented programming language, or the like. Stored in device-readable recording media such as EPROM, flash memory, flexible disc, CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-RW, Blu-ray disc, SD card, MO, or telecommunications line Can be distributed through.

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、身体運動データに基づき、歩行運動時に身体に作用する床反力をロバストに推定することが可能な情報処理装置、計算方法およびプログラムを提供することができる。 As described above, according to the embodiment of the present invention, there is provided an information processing device, a calculation method and a program capable of robustly estimating the floor reaction force acting on the body during walking exercise based on the body exercise data. can do.

上述した床反力を推定するアルゴリズムは、「ヒトは身体に生じる負荷が最小となるように歩行している」という仮定に基づいて、身体の運動学的特性と慣性特性表現した身体モデル116に基づく逆動力学計算から得られる力学量の総和を最小化することにより、その変数であり、未知数である床反力とその作用点位置を探索的にもとめるというものである。 The algorithm for estimating the floor reaction force described above is based on the assumption that "humans are walking so as to minimize the load generated on the body", and the body model 116 expressing the kinematic characteristics and inertial characteristics of the body is used. By minimizing the sum of the dynamics obtained from the inverse kinematics calculation based on it, the variable and unknown floor reaction force and the position of its point of action are searched for.

力学解析の際に必要な運動情報は、身体運動データのみで外力情報は不要なため、モーションキャプチャ用のカメラを設置できる環境での運動であれば、床反力計などの力覚センサを設けなくとも解析可能となる。また、マーカ位置に基づいて構築された身体モデルの逆動力学計算を利用した推定手法のため、被験者によらず一様な推定が可能となる。これにより、計測機器に依存せず、また被験者によらず、一様な推定が期待できる。 Since the motion information required for mechanical analysis is only physical motion data and no external force information is required, a force sensor such as a floor reaction force meter is provided for exercise in an environment where a camera for motion capture can be installed. It can be analyzed without it. In addition, since the estimation method uses the inverse dynamics calculation of the body model constructed based on the marker position, uniform estimation is possible regardless of the subject. As a result, uniform estimation can be expected regardless of the measuring device and the subject.

特定の実施形態においては、足部マーカ位置から足裏内に多数の接触点が設けられ、これに対して高さと速度からなる接地判別式が適用される。そして、接地する接触点のみで接触面を構成し、この面に対して推定された作用点の内外判定を行う。作用点が外に判定された場合はその量に応じた制約量を最適化計算式に加算することで、足裏内で生体内負荷が最小な作用点位置が推定可能となる。 In a particular embodiment, a large number of contact points are provided in the sole of the foot from the position of the foot marker, to which a ground contact discriminant consisting of height and velocity is applied. Then, the contact surface is formed only by the contact points that come into contact with the ground, and the inside / outside determination of the estimated action points is performed on this surface. When the point of action is determined to be outside, the position of the point of action with the minimum in-vivo load can be estimated in the sole of the foot by adding the constraint amount according to the amount to the optimization calculation formula.

なお、上述までの説明では、ヒトの歩行を解析の対象としていたが、解析対象は、ヒトに限定されない。動物、ロボットなどの物体であっても解析対象とすることができる。 In the above description, human walking has been the subject of analysis, but the subject of analysis is not limited to humans. Even objects such as animals and robots can be analyzed.

検証実験
以下、上述した床反力推定アルゴリズムを実装し、実際に測定された歩行時の身体運動データに対して適用し、検証実験を行った。以下、検証実験について説明する。
Verification experiment Below, the above-mentioned floor reaction force estimation algorithm was implemented and applied to the actually measured physical exercise data during walking, and a verification experiment was conducted. The verification experiment will be described below.

上述した床反力推定アルゴリズムにより推定された床反力および作用点位置の妥当性を検証するために、実際の歩行運動の計測実験を行った。被験者は、健常成人男性6名とし、計測装置には、光学式モーション・キャプチャ・システム(Optitrack、Natural Point社)と、床反力計(TF−406−D、テック技販社)を用い、図7に示すように設置した。床反力計は、推定値と比較する実測値を得るために用いた。また、床反力計1台では一歩行周期の終点の計測が困難であるため、マットスイッチ(OM−1074、大阪自動電機社)を使用し、1歩行周期の終点である踵接地の時点を計測した。図7中、光学式モーション・キャプチャ・システムのカメラは、308で示され、床反力計は、304で示される。306は、マットスイッチであり、302は、床反力計を設けた箇所と面一となる面を構成するための台である。 In order to verify the validity of the floor reaction force estimated by the above-mentioned floor reaction force estimation algorithm and the position of the point of action, an actual measurement experiment of walking motion was performed. The subjects were 6 healthy adult males, and the measuring device was an optical motion capture system (Optitrac, Natural Point) and a floor reaction force meter (TF-406-D, Tech Gihan). It was installed as shown in 7. The floor reaction force meter was used to obtain the measured value to be compared with the estimated value. In addition, since it is difficult to measure the end point of one walking cycle with one floor reaction force meter, a mat switch (OM-1074, Osaka Automatic Electric Co., Ltd.) is used to determine the point of heel contact, which is the end point of one walking cycle. I measured it. In FIG. 7, the camera of the optical motion capture system is indicated by 308 and the floor platform is indicated by 304. Reference numeral 306 is a mat switch, and reference numeral 302 denotes a table for forming a surface flush with the location where the floor reaction force meter is provided.

各装置の計測周波数に関しては、100Hzに統一し、計測信号は、平滑化のためのローパスフィルタを通し、その遮断周波数は、10Hzとした。検証実験では、各被験者の歩行路上での通常歩行、速い歩行、遅い歩行をそれぞれ3試行計測した。この際の通常歩行に対する遅速の程度は、被験者各自で決定した。推定値と実測値とを比較する指標として、類似度を示す決定係数と、誤差の大きさを示す平均平方二乗誤差を用いた。 The measurement frequency of each device was unified to 100 Hz, the measurement signal was passed through a low-pass filter for smoothing, and the cutoff frequency was set to 10 Hz. In the verification experiment, normal walking, fast walking, and slow walking on the walking path of each subject were measured in three trials. The degree of slowness with respect to normal walking at this time was determined by each subject. As an index for comparing the estimated value and the measured value, the coefficient of determination indicating the similarity and the mean square error indicating the magnitude of the error were used.

また、光学式モーション・キャプチャ・システムにより得られた身体各部の3次元位置に基づき、身体各関節の位置および座標系を定義し、全身18節、47の回転自由度をもつ身体モデルを構築した。また、計測するマーカはVICON(登録商標)Plug−in‐Gaitの配置に加え、足部に特化したVICON(登録商標)Oxford Foot Modelを参考にし、身体各部の計51箇所に装着した。また、図5に示すように、接触点の位置を、各接触点がマーカや他の接触点の中点に位置するように配置し、合計31個の接触点を設けた。 In addition, based on the three-dimensional positions of each part of the body obtained by the optical motion capture system, the positions and coordinate systems of each joint of the body were defined, and a body model with 18 segments and 47 degrees of freedom of rotation was constructed. .. In addition to the arrangement of VICON (registered trademark) Plug-in-Gait, the markers to be measured were attached to a total of 51 parts of the body with reference to the VICON (registered trademark) Oxford Foot Model specialized for the foot. Further, as shown in FIG. 5, the positions of the contact points were arranged so that each contact point was located at the midpoint of the marker and other contact points, and a total of 31 contact points were provided.

検証実験の結果
床反力およびその作用点位置の推定値と実測値を比較する。図8は、図7に示す環境で実測された床反力の実測値と、図3に示す歩行運動解析処理で推定された床反力の推定値と示すグラフである。図9は、図7に示す環境で実測された床反力の作用点の実測値と、図3に示す歩行運動解析処理で推定された床反力の作用点の推定値とを示すグラフである。図8および図9は、被験者1人における各歩行速度での床反力と作用点位置の推定値および実測値を示している。横軸には床反力計に右足部が接地した時点から、同側の足部がマットスイッチに接地するまでの一歩行周期をとった。また、作用点位置は立脚期間における軌跡を示している。評価指標を用いた推定値と実測値の比較結果を下記表1にまとめる。
Results of verification experiment Compare the estimated value of the floor reaction force and its position of action with the measured value. FIG. 8 is a graph showing the measured value of the floor reaction force actually measured in the environment shown in FIG. 7 and the estimated value of the floor reaction force estimated by the walking motion analysis process shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing the measured values of the floor reaction force action points actually measured in the environment shown in FIG. 7 and the estimated values of the floor reaction force action points estimated by the walking motion analysis process shown in FIG. is there. 8 and 9 show the estimated value and the measured value of the floor reaction force and the position of the point of action at each walking speed in one subject. On the horizontal axis, one walking cycle was taken from the time when the right foot touched the floor reaction force meter until the foot on the same side touched the mat switch. In addition, the position of the point of action shows the locus during the stance period. Table 1 below summarizes the comparison results between the estimated values and the measured values using the evaluation index.

Figure 2021083562
Figure 2021083562

上記表1の上部には、本実験の評価を示している。決定係数は1に近い値、平均平方二乗誤差は0に近い値であれば、推定値が実測値に近い結果を示したといえる。 The upper part of Table 1 above shows the evaluation of this experiment. If the coefficient of determination is close to 1 and the mean square error is close to 0, it can be said that the estimated value is close to the measured value.

上記結果より、まず床反力に関して、挙動の類似においては前後方向および鉛直方向成分が実測に近い値に推定された。また誤差の大きさにおいては、前後方向および鉛直方向は比較的小さい誤差を示したが、鉛直方向は他成分と比べ誤差が大きく、また歩行速度の上昇に伴い誤差が増加する結果となった。作用点位置に関しては、動きの少ない左右方向に比べ、前後方向における誤差が大きい結果となった。被験者間での推定精度の相違に関しては、床反力においては大きな相違は見られなかった。作用点位置に関しては、被験者間でのばらつきがあったが、図8および図9に示す被験者では、前後方向の決定係数の数値が0.7以上あり比較的高い推定精度を示していた。また誤差の大きさに関しても、被験者間でのばらつきがあったが、図8および図9の例は、0.03m程度の誤差であった。 From the above results, first, regarding the floor reaction force, the anteroposterior and vertical components were estimated to be close to the measured values in the similar behavior. Regarding the magnitude of the error, the error was relatively small in the front-back direction and the vertical direction, but the error was large in the vertical direction as compared with other components, and the error increased as the walking speed increased. Regarding the position of the point of action, the error in the front-back direction was larger than that in the left-right direction where there was little movement. Regarding the difference in estimation accuracy between the subjects, there was no significant difference in the floor reaction force. Regarding the position of the point of action, there were variations among the subjects, but in the subjects shown in FIGS. 8 and 9, the value of the coefficient of determination in the anteroposterior direction was 0.7 or more, showing relatively high estimation accuracy. The magnitude of the error also varied among the subjects, but in the examples of FIGS. 8 and 9, the error was about 0.03 m.

床反力と作用点位置の双方とも、歩行速度の増加に伴い、推定精度が低下している原因として、最適化計算の目的関数の各項において速度変化に対する正規化処理を施していないことが考えられる。目的関数の各力学量は、Hofの方式に基づき正規化されているため、最適化計算は、被験者の体格情報の相違による影響を受けづらくなっている。しかしながら、同一被験者が通常時の歩行以上の速度で歩行した場合、身体各関節に生じる負担が大きくなるため、低速時よりも目的関数の値が増加する。そのため、歩行速度が高いほど推定精度が低い結果となったと考えられる。 For both the floor reaction force and the position of the point of action, the reason why the estimation accuracy decreases as the walking speed increases is that each term of the objective function of the optimization calculation is not normalized for the speed change. Conceivable. Since each dynamic quantity of the objective function is normalized based on Hof's method, the optimization calculation is less likely to be affected by the difference in the physique information of the subject. However, when the same subject walks at a speed higher than the normal walking speed, the burden on each joint of the body increases, so that the value of the objective function increases as compared with the low speed. Therefore, it is considered that the higher the walking speed, the lower the estimation accuracy.

作用点位置に関して、床反力や前後方向の作用点位置に比べ、作用点位置の左右方向における誤差のばらつきの値は、平均の誤算の値に非常に近い値を示しており、これはZMPの推定誤差が影響していると考えられる。ZMPの導出は、モーションキャプチャデータに基づいて、回帰的に求めた身体節の重心位置から算出している。このため、その際の誤差が影響していると考えられる。また、前後方向に比べ、左右方向は作用点位置の変化が少ないため、より重心加速度の誤差が結果に影響している可能性があると考えられる。 Regarding the position of the action point, the value of the error variation in the left-right direction of the action point position is very close to the value of the average miscalculation compared to the floor reaction force and the action point position in the front-back direction, which is ZMP. It is considered that the estimation error of is affected. The derivation of ZMP is calculated from the position of the center of gravity of the body segment obtained recursively based on the motion capture data. Therefore, it is considered that the error at that time has an influence. In addition, since there is less change in the position of the point of action in the left-right direction than in the front-back direction, it is considered that the error in the acceleration of the center of gravity may affect the result.

ここで推定された床反力および作用点位置を用いて下肢の各関節における屈伸方向の関節モーメントを算出し、実測の床反力から計算された関節モーメントと比較する。 Using the floor reaction force estimated here and the position of the point of action, the joint moment in the flexion / extension direction at each joint of the lower limbs is calculated and compared with the joint moment calculated from the actually measured floor reaction force.

図10は、最も高い推定精度を示した図8および図9と同一の被験者の通常歩行における、床反力の推定値および実測値に基づく関節モーメントを示す。図10より、足関節において立脚期後半に生じている誤差が、膝関節と股関節に影響していることがわかる。目的関数の関節モーメントの正規化を各関節および体節に応じたもので行うことで推定精度が向上することが期待される。現在の正規化方式は、各関節モーメントを体重と脚長を用いた式で除算しているため、関節に連結される体節の長さや重さで正規化することで、最小化の優先度を各関節で統一することができ、これにより推定精度向上に繋がる可能性があると考えられる。 FIG. 10 shows the joint moment based on the estimated value and the measured value of the floor reaction force in the normal walking of the same subject as in FIGS. 8 and 9, which showed the highest estimation accuracy. From FIG. 10, it can be seen that the error occurring in the latter half of the stance phase in the ankle joint affects the knee joint and the hip joint. It is expected that the estimation accuracy will be improved by normalizing the joint moment of the objective function according to each joint and body segment. In the current normalization method, each joint moment is divided by a formula using body weight and leg length, so by normalizing by the length and weight of the segment connected to the joint, the priority of minimization can be set. It is possible to unify each joint, which may lead to improvement in estimation accuracy.

モーション・キャプチャ・システムからの計測データがあれば、力覚センサの情報を用いずに、身体運動の力学的評価が可能となるため、移動が困難な高齢者や障害者が住生活する施設や工作・生産機械が多数配置された工場など、これまで床反力計の設置が困難であった場所での身体動作に対する力学的解析が可能となる。 If there is measurement data from the motion capture system, it is possible to perform mechanical evaluation of physical exercise without using the information of the force sensor, so it is possible to live in facilities where elderly people and people with disabilities who have difficulty moving live. It enables mechanical analysis of body movements in places where it was difficult to install floor reaction force meters, such as factories where many machine and production machines are installed.

これまで本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 Although the embodiments of the present invention have been described so far, the embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and those skilled in the art may think of other embodiments, additions, changes, deletions, and the like. It can be changed within the range possible, and is included in the scope of the present invention as long as the action / effect of the present invention is exhibited in any of the embodiments.

100…解析システム、102…モーション・キャプチャ・システム、110…歩行運動解析装置、112…身体運動データ取得部、114…身体運動データ、116…身体モデル、118…床反力の暫定値、120…逆動力学解析部、122…力学量の推定値、130…最適化計算部、132…床反力初期設定部、134…解析実行部、136…総負荷評価部、138…収束判定部、140…床反力更新部、142…接地判定部、144…内外判定部、200…剛体リンクモデル、202…リンク、204…関節部、210…足部、212…足部マーカ、214…接触点、302…台、304…床反力計、306…マットスイッチ、308…カメラ、310…身体、10…ボード、12…MPU、14…BIOS、16…メモリ、18…記憶制御用インタフェース、20…ハードディスクドライブ(HDD)、22…内部バス、24…インタフェース、26…入出力装置、28…VRAM、30…グラフィック・チップ、32…ディスプレイ装置、34…NIC 100 ... analysis system, 102 ... motion capture system, 110 ... walking motion analysis device, 112 ... body movement data acquisition unit, 114 ... body movement data, 116 ... body model, 118 ... provisional value of floor reaction force, 120 ... Reverse dynamics analysis unit, 122 ... Estimated value of dynamics, 130 ... Optimization calculation unit, 132 ... Floor reaction force initial setting unit, 134 ... Analysis execution unit, 136 ... Total load evaluation unit, 138 ... Convergence judgment unit, 140 ... Floor reaction force update part, 142 ... Grounding judgment part, 144 ... Inside / outside judgment part, 200 ... Rigid body link model, 202 ... Link, 204 ... Joint part, 210 ... Foot part, 212 ... Foot marker, 214 ... Contact point, 302 ... stand, 304 ... floor reaction force meter, 306 ... mat switch, 308 ... camera, 310 ... body, 10 ... board, 12 ... MPU, 14 ... BIOS, 16 ... memory, 18 ... storage control interface, 20 ... hard disk Drive (HDD), 22 ... Internal bus, 24 ... Interface, 26 ... Input / output device, 28 ... VRAM, 30 ... Graphic chip, 32 ... Display device, 34 ... NIC

Claims (12)

身体運動時に生じる外力を推定するための情報処理装置であって、
身体運動データを取得する取得手段と、
前記外力の暫定値を設定する設定手段と、
前記身体運動データおよび前記外力の前記暫定値に基づき、身体モデルを用いた逆動力学解析を実行する実行手段と、
前記逆動力学解析の実行結果に基づいて、前記身体モデルの各関節に生じる力学量に応じて身体に生じる負荷を評価する評価手段と、
前記評価の結果に基づいて、前記外力の暫定値を更新する更新手段と、
を含む、情報処理装置。
An information processing device for estimating the external force generated during physical exercise.
Acquisition method for acquiring physical exercise data,
Setting means for setting the provisional value of the external force and
An execution means for performing a reverse dynamics analysis using a body model based on the body movement data and the provisional value of the external force.
Based on the execution result of the inverse dynamic analysis, an evaluation means for evaluating the load generated on the body according to the mechanical quantity generated on each joint of the body model, and an evaluation means.
An update means for updating the provisional value of the external force based on the result of the evaluation, and
Information processing equipment, including.
前記逆動力学解析の実行結果は、各関節に生じる力学量の推定値を含み、前記評価手段による評価は、前記力学量の前記推定値に基づいて行われる、請求項1に記載の情報処理装置。 The information processing according to claim 1, wherein the execution result of the inverse dynamics analysis includes an estimated value of the dynamics generated in each joint, and the evaluation by the evaluation means is performed based on the estimated value of the dynamics. apparatus. 所定の条件の下、前記実行手段による逆動力学解析の実行、前記評価手段による評価および前記更新手段による前記外力の暫定値の更新を繰り返すことにより、前記外力の値が最適化される、請求項1または2に記載の情報処理装置。 The value of the external force is optimized by repeating the execution of the inverse dynamic analysis by the executing means, the evaluation by the evaluation means, and the update of the provisional value of the external force by the updating means under a predetermined condition. Item 2. The information processing apparatus according to item 1 or 2. 前記外力は、外力の方向および大きさと、外力が作用する作用点とを含み、前記所定の条件は、前記作用点を足部の接地面内に収めるための制約を含む、請求項3に記載の情報処理装置。 The third aspect of claim 3, wherein the external force includes a direction and magnitude of the external force and a point of action on which the external force acts, and the predetermined condition includes a constraint for keeping the point of action within the contact patch of the foot. Information processing device. 前記情報処理装置は、前記足部に定義した接触点の接地判定を行う接地判定手段と、
前記作用点の暫定値が、前記接触点の接地判定に基づき得られる前記接地面の内側に位置する否かを判定する内外判定手段と
を含み、前記作用点の前記暫定値が内側に位置するか否かが前記評価手段による評価に反映される、請求項4に記載の情報処理装置。
The information processing device includes a grounding determination means for determining the grounding of a contact point defined on the foot.
The provisional value of the action point is located inside, including an inside / outside determination means for determining whether or not the provisional value of the action point is located inside the ground contact surface obtained based on the ground contact determination of the contact point. The information processing apparatus according to claim 4, wherein whether or not the information processing device is reflected in the evaluation by the evaluation means.
前記接触点は、前記足部を構成する複数のマーカを補間するように定義され、前記接地判定は、各接触点について、接触点の高さおよび接触点の速度に基づいて行われる、請求項5に記載の情報処理装置。 The contact point is defined to interpolate a plurality of markers constituting the foot, and the ground contact determination is performed for each contact point based on the height of the contact point and the velocity of the contact point. The information processing apparatus according to 5. 前記所定の条件は、さらに、前記外力の作用点とゼロモーメント点の距離を最小化するための制約を含む、請求項4〜6のいずれか1項に記載の情報処理装置。 The information processing apparatus according to any one of claims 4 to 6, wherein the predetermined condition further includes a constraint for minimizing the distance between the action point of the external force and the zero moment point. 前記情報処理装置は、
前記逆動力学解析の終了を判定する終了判定手段をさらに含み、前記終了判定手段により解析が終了したと判定された際に、前記身体モデルの各関節に生じる力学量の最終的な値および前記外力の最終的な値が得られる、請求項1〜7のいずれか1項に記載の情報処理装置。
The information processing device
The end determination means for determining the end of the inverse dynamics analysis is further included, and when the end determination means determines that the analysis is completed, the final value of the mechanical quantity generated in each joint of the body model and the said. The information processing apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the final value of the external force can be obtained.
前記身体運動は、歩行運動であり、前記外力は、床反力であり、前記身体モデルは、身体力学構造を剛体リンクが連結したモデルとして表す剛体リンクモデルを含み、前記力学量は、関節モーメントを含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の情報処理装置。 The body movement is a walking movement, the external force is a floor reaction force, the body model includes a rigid body link model representing a physical dynamic structure as a model in which rigid body links are connected, and the mechanical quantity is a joint moment. The information processing apparatus according to any one of claims 1 to 8, further comprising. 身体運動時に生じる外力を推定するための計算方法であって、コンピュータが、
身体運動データを取得するステップと、
前記外力の暫定値を設定するステップと、
前記身体運動データおよび前記外力の前記暫定値に基づき、身体モデルを用いた逆動力学解析を実行するステップと、
前記逆動力学解析の実行結果に基づいて、前記身体モデルの各関節に生じる力学量に応じて身体に生じる負荷を評価するステップと、
前記評価の結果に基づいて、前記外力の暫定値を更新するステップと
を含む、計算方法。
It is a calculation method for estimating the external force generated during physical exercise, and the computer
Steps to get physical exercise data and
The step of setting the provisional value of the external force and
A step of performing a reverse dynamics analysis using a body model based on the body movement data and the provisional value of the external force, and
Based on the execution result of the inverse dynamics analysis, a step of evaluating the load generated on the body according to the mechanical quantity generated on each joint of the body model, and a step of evaluating the load generated on the body.
A calculation method including a step of updating the provisional value of the external force based on the result of the evaluation.
前記計算方法は、コンピュータが、所定の条件の下、前記実行するステップ、前記評価するステップおよび前記更新するステップを繰り返すことにより、前記外力の値を最適化するステップを含む、請求項10に記載の計算方法。 The calculation method according to claim 10, wherein the calculation method includes a step of optimizing the value of the external force by repeating the step of executing, the step of evaluating, and the step of updating under predetermined conditions. Calculation method. 身体運動時に生じる外力を推定するための情報処理装置を実現するためのプログラムであって、コンピュータを、
身体運動データを取得する取得手段、
前記外力の暫定値を設定する設定手段、
前記身体運動データおよび前記外力の前記暫定値に基づき、身体モデルを用いた逆動力学解析を実行する実行手段、
前記逆動力学解析の実行結果に基づいて、前記身体モデルの各関節に生じる力学量に応じて身体に生じる負荷を評価する評価手段、および
前記評価の結果に基づいて、前記外力の暫定値を更新する更新手段、
として機能させるためのプログラム。
A program for realizing an information processing device for estimating the external force generated during physical exercise, using a computer.
Acquisition method for acquiring physical exercise data,
Setting means for setting the provisional value of the external force,
An execution means for performing inverse dynamics analysis using a body model based on the body movement data and the provisional value of the external force.
An evaluation means for evaluating the load generated on the body according to the mechanical quantity generated in each joint of the body model based on the execution result of the inverse dynamic analysis, and the provisional value of the external force based on the evaluation result. Update means to update,
A program to function as.
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