JP4504043B2

JP4504043B2 - 歩行速度算出装置及び歩行速度算出方法

Info

Publication number: JP4504043B2
Application number: JP2004043081A
Authority: JP
Inventors: 徹尾崎; 文晴岩崎
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: JP2005233771A

Description

本発明は、人体表面に装着して歩行速度を検出する装置及びその方法であって、特に２軸の加速度を検出するセンサと装着者の足の角度振幅データを備えた歩行速度検出装置及び歩行速度検出方法に関するものである。

従来、歩行時における足の上下軸方向加速度と前後軸方向加速度及び足の左右方向軸まわりの回転角度を検出して、絶対水平軸方向と絶対鉛直軸方向の加速度を算出し、絶対水平軸方向の加速度を時間積分することで水平方向の歩行速度を導出するアルゴリズムが下記特許文献１にて考案されている。特許文献１においては、上下軸方向、前後軸方向加速度の計測のためにそれぞれ１軸方向に感度を持つ加速度センサをひとつずつ用いている。また左右軸まわりの回転角度検出のために、前後軸方向に感度を持つ加速度センサを２つ用いて回転角度を算出し、積分することで回転角度を求めている（例えば特許文献１参照）。
US005955667

ところが特許文献１に記載の歩行速度検出装置では、歩行速度検出を目的として上下軸方向加速度を検出する第１の加速度センサと、前後軸方向加速度を検出する第２の加速度センサと、第２の加速度センサと平行に配置された第３の加速度センサであって第２の加速度センサの出力と合わせて足の左右軸まわりの角速度を検出するための第３の加速度センサという、少なくとも３つの加速度センサを必要とするため、消費電力が大きくなるという問題点があった。装置は足に固定され、電池サイズに制約があるため消費電力が大きくなると連続稼働時間が短くなることが問題であった。また、第２の加速度センサと第３の加速度センサという２つの加速度センサから回転の角速度を求める場合、２つの該加速度センサの平行度などの位置決めを厳密にする必要があり、装置の加工が困難という問題もあった。

そこで本発明は前記課題を鑑みてなされたものであり、足に装着して、装着者の歩行速度を検出する歩行速度検出装置を、２軸加速度を検出する加速度検出手段と、予め歩行時の足の角度振幅データが記録されている記録手段と、加速度検出手段の出力と記録手段に記録されている足の角度振幅データから歩行速度を算出する演算手段とを備えた構成とした。

加速度検出手段は、足に対して上下軸方向の加速度を検出する第１の加速度検出センサと、足に対して前後軸方向の加速度を検出する第２の加速度検出センサから構成し、また記録手段に記録されている足の角度振幅データは、第１の角度振幅と、第２の角度振幅なる２種の角度振幅とした。

演算手段は、後述する歩行速度検出方法を実行する演算機から構成されており、歩行速度検出方法は、足の加速度を検出する第１のステップと、第１のステップから得られた加速度データと足の角度振幅データから足の角度の擬似波形を作成する第２のステップと、第１のステップから得られた加速度データと、第２のステップから得られた足の角度の擬似波形から歩行速度を算出する第３のステップとから構成される。

第１のステップは、足の上下軸方向加速度と前後軸方向加速度を検出する。

さらに第２のステップは、加速度データから歩行の特性周波数と特性周波数の２倍成分周波数と歩行周期を算出する第１の演算と、加速度データから歩行における足の接地のタイミングを検出する第２の演算と、歩行の特性周波数に対応する第１の角度振幅と２倍成分周波数に対応する第２の角度振幅からなる足の角度振幅データから、足の角度の擬似波形を導出する第３の演算とから構成される。
第１の演算は、足の前後軸方向加速度に対して、高速フーリエ変換を行い、第２の演算は、足の前後軸方向加速度に対して閾値判定を行って足の接地のタイミングに発生するピーク検出を行う。さらに第３の演算は、第１の演算から算出された歩行周期の１周期を切り出して、第２の演算で検出された足の接地のタイミングを基点として、足の接地から１／４周期の間は足の角度を０とし、１／４周期から３／４周期の間は、第１の角度振幅と特性周波数で規定され、かつ符号が正である第１の正弦波を足の角度の擬似波形とし、３／４周期から１周期の間は、第２の角度振幅と２倍成分周波数で規定され、かつ符号が負である第２の正弦波を足の角度の擬似波形として１周期分の足の角度の擬似波形が導出される。

第３のステップは、足の上下軸方向加速度と前後軸方向加速度と足の角度の擬似波形から水平方向加速度を算出し、一定時間区間の水平方向加速度を積分して水平方向速度を算出する。

従来15.7mAの消費電流であったところ、加速度センサをひとつ削減することにより、2mAの消費電流削減が可能であり、消費電力で従来比１３％の削減となる。

また、足の回転角度を求めるのにセンサを使用しないため、センサの位置決め精度が従来よりも厳密である必要がなく、装置作製が容易となる

以下、本発明に係る歩行速度検出装置及び歩行速度検出方法の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図面において同一の引用符号で表した構成要素は、各図面共通で同一の構成要素を示すものとする。

図１は、本発明に係る歩行速度検出装置のブロック図を示したものであり、本発明の基本形例である。

図１に示したように、歩行速度検出装置は前後軸方向加速度センサ１０１、上下軸方向加速度センサ１０２、Ａ／Ｄ変換器１０３、ＲＯＭ１０４、ＣＰＵ１０５、ＲＡＭ１０６、送信機１０７から構成される。

前後軸方向加速度センサ１０１、上下軸方向加速度センサ１０２は検出手段であり、感度方向が互いに直交する２つのセンサであっても良いし、１つのパッケージに集積されても良い。また前後軸方向加速度センサ１０１、上下軸方向加速度センサ１０２はいずれも重力加速度を検出するＤＣタイプであっても良いし、重力加速度を検出しないＡＣタイプであっても良い。さらに検出方法は圧電型や静電型であっても良いし、その他加速度を定量的に検出することができれば方法に限定されず任意の検出方法であっても良い。

Ａ／Ｄ変換器１０３は前後軸方向加速度センサ１０１、上下軸方向加速度センサ１０２の検出したアナログ出力をデジタル値に変換する機能を有すれば、特に限定されず任意の形態であってよい。

ＲＯＭ１０４には、Ａ／Ｄ変換器１０３によって得られたデジタル値に対して高速フーリエ変換を行うための演算式と、足の角度振幅データベース、足の角度の擬似波形を作成するアルゴリズム、歩行速度を演算するアルゴリズム、足の角度の擬似波形作成および歩行速度の演算を行う時間間隔が予め記録されている。それぞれのアルゴリズムの詳細については図４を用いて後述する。

ＣＰＵ１０５は、ＲＯＭ１０４に記録されたアルゴリズムを実行する。また後述する送信機１０７の駆動を制御する。

ＲＡＭ１０６は、ＣＰＵ１０５で実行されたアルゴリズムの結果、得られた歩行速度を一定時間間隔で記録する。

送信機１０７は、ＲＡＭ１０６に記録された歩行速度データを一定時間間隔ごとに外部へ送信する。送信機１０７は好ましくは無線であるが、有線であっても良い。また送信機１０７が無線である場合、無線方式は好ましくは微弱無線あるいはブルートゥースで人体表面に装着された受信機へ送信されるが、例えば公衆の無線方式であっても良いし、任意の無線方式であって良い。

図２は本発明の歩行速度検出装置の靴への装着方法の例を示した図である。図２に示すように歩行速度検出装置２０３は靴２０１の踵部に装着されても良い。歩行速度検出装置２０３には互いに感度方向が直交している前後軸方向加速度センサ２０４と前後軸方向加速度センサ２０５を備えている。また第２の装着例として、歩行速度検出装置２０６は靴２０２の足の甲部に装着されても良い。歩行速度検出装置２０６には互いに感度方向が直交している前後軸方向加速度センサ２０８と前後軸方向加速度センサ２０７を備えている。歩行速度検出装置２０３と靴２０１あるいは歩行速度検出装置２０６と靴２０２の装着方法は、好ましくは紐形状の固定具で固定されるが、面ファスナーで固定されても良いし、装着方法に限定されず、任意の方法が適用可能である。また、歩行速度検出装置は足に固定されれば靴への固定に限定されず、例えば足首に直接紐形状の固定具で固定されても良い。

図３は、靴の踵部に歩行速度検出装置を装着した場合の各軸方向を示した図である。α_xは上下軸方向加速度を、α_yは前後軸方向加速度を、α_zは左右軸方向加速度を、θは足の角度を、α_Hは水平軸方向加速度を、α_Vは鉛直軸方向加速度を、Ｇは重力加速度を表す。図３を用いて、歩行速度の検出を理論的に説明する。

歩行速度Ｖはα_Hを時間積分することで求める。理論式は式１で示される。

α_Hは式２から求められる。

α_x、α_yはそれぞれ上下軸方向加速度センサ、前後軸方向加速度センサの出力を用い、θは後述する足の角度の擬似波形を用いることで式２からα_Hが導出される。

図４は本発明の歩行速度検出方法のアルゴリズムを示すステップ図である。

図４においてアルゴリズムはステップＳ４０１、ステップＳ４０２、ステップＳ４０３に大別される。

ステップＳ４０１は加速度を検出する第１のステップであり、ステップＳ４０２はステップＳ４０１で検出された加速度データと後述する足の角度振幅データから足の角度の擬似波形を作成する第２のステップであり、ステップＳ４０３は加速度データと足の角度の擬似波形から歩行速度を算出する第３のステップである。

ステップＳ４０１は、前後軸方向加速度を検出するステップＳ４０４と上下軸方向加速度を検出するＳ４０５からなる。

ステップＳ４０２は、ステップＳ４０４から得られた前後軸方向加速度出力のピークから足の接地タイミングの検出を行うステップＳ４０９と、該前後軸方向加速度出力に対して高速フーリエ変換を行い、運動の特性周波数ｆと２倍成分周波数２ｆを導出するステップＳ４０８と、歩行の足の角度振幅を記録しているデータベース４０６から特性周波数に対応する角度振幅θ_fと、２倍成分周波数に対応する角度振幅θ_2fを呼び出すステップＳ４０７と、足の接地タイミング、特性周波数、２倍成分周波数、足の角度振幅から歩行１周期について足の角度の擬似波形を作成するステップＳ４１０からなる。

ステップＳ４０３は、前後軸方向加速度と、上下軸方向加速度と、足の角度の擬似波形と、式２を用いて水平方向加速度を算出するステップＳ４１１と、水平方向加速度を式１を用いて、一定時間積分して水平方向の歩行速度を算出するステップＳ４１２からなる。

図５は、足の接地タイミング検出のステップＳ４０９を説明するための説明図であり、１秒周期で歩行したときにおける、足の前後軸方向加速度の生波形を示したグラフである。

図５より、接地のタイミングで３Ｇ以上の急峻なピークが検出される。接地のタイミングを検出するアルゴリズムは、閾値とデータの変動率から判定することができる。例えば３Ｇに閾値を設定して、閾値以上の極大値を検出し、かつピーク値前のデータに対するピーク値の変動率が、３００Ｇ／ｓ以上で、ピーク値後のデータのピーク値に対する変動量がー２００Ｇ／ｓ以下である場合に足の接地と判定するアルゴリズムを用いることができる。足の接地タイミングで発生する急峻なピークを検出するアルゴリズムならば、アルゴリズムに限定されず、任意のアルゴリズムが適用可能である。

図６はステップＳ４０８を説明するための説明図で、図５に示した１秒周期で歩行したときの前後軸方向加速度出力に対し、高速フーリエ変換を行った結果を示すグラフである。

図６より、前後軸方向加速度は歩行の特性周波数である１Ｈｚとその２倍成分周波数である２Ｈｚのパワースペクトルに有意なピークが見られ、これをもとに行動の特性周波数と２倍成分周波数を特定することができる。

データベース４０６に記録されている足の角度振幅データを参照するステップＳ４０７において、特性周波数ｆに対応する足の角度振幅θ_fと２倍成分周波数２ｆに対応する足の角度振幅θ_2fが参照されるが、θ_fとθ_2fは予め多くの被験者から足の角度振幅データを採取しておき、そこから導出された健常成人の一般的な角度振幅を年齢別、性別によって記憶しても良いし、被験者ごとにカスタマイズされた角度振幅値を記憶しても良い。

図７はステップＳ４０７を説明するための説明図であり、１秒周期で歩行したときの右足の角度波形を１秒分だけ切り出したグラフである。

図７で、前半０．２５秒は足が着地及び接地している第１の領域、０．２５秒から０．７５秒の間は右足を後方へ蹴り出した後に前方へ振り出す第２の領域、０．７５秒から１秒の間は前方へ振り出した足を着地する第３の領域である。また図７のグラフの被験者においては、第２の領域で後方へ蹴り出す角度振幅が６０度、周波数が１Ｈｚ、第３の領域で前方へ振り出す角度振幅が３０度、周波数が２Ｈｚと規定することができる。

図８は足の角度の擬似波形を作成するステップＳ４１０を説明する説明図であり、５．５秒の間、周波数１Ｈｚで歩行したときの足の角度波形と角度振幅６０度で周波数が１Ｈｚの第１の正弦波と、角度振幅３０度で周波数が２Ｈｚの第２の正弦波を重ねて表したグラフである。

図８より足を後方へ蹴り出す第２の領域においては第１の正弦波によって近似可能であり、足を前方へ振り出す第３の領域においては第２の正弦波によって近似可能であることが示されている。これに基づいて周波数ｆで歩行したときの、足の角度の擬似波形は後述するアルゴリズムによって規定される。ただし周波数ｆで歩行するときの周波数ｆに対応する角度振幅をθ_f、２倍成分周波数２ｆに対応する角度振幅をθ_2fとする。

まず第１の領域に相当する、足が接地してから０．２５／ｆの時間ｔは足の角度θは０とする。次に第２の領域に相当する０．２５／ｆから０．７５／ｆの時間ｔは、足の角度θは式３により定められる。さらに第３の領域に相当する０．７５／ｆから１／ｆの時間ｔは、足の角度θは式４により定められる。

水平方向の歩行速度を導出するステップＳ４１２において、ステップＳ４１１によって算出された水平方向加速度に対する積分区間は、１周期以上であれば任意の時間を取ることができるが、好ましくは前後軸方向加速度センサと上下軸方向加速度センサのノイズを吸収する目的で例えば４から５秒ごとに積分することができる。

本発明の歩行速度検出装置の基本形例の構成を示すブロック図である。本発明の歩行速度検出装置の靴への装着方法の例を示した図である。靴の踵部に歩行速度検出装置を装着した場合の各軸方向を示した図である。本発明の歩行速度検出方法のアルゴリズムを示すステップ図である。１秒周期で歩行したときの、足の前後軸方向加速度生波形を示したグラフである。１秒周期で歩行したときの前後軸方向加速度出力に対し、高速フーリエ変換を行った結果を示すグラフである。１秒周期で歩行したときの右足の角度波形を１秒分だけ切り出したグラフである。周波数１Ｈｚで歩行したときの足の角度波形と角度振幅６０度で周波数が１Ｈｚの第１の正弦波と、角度振幅３０度で周波数が２Ｈｚの第２の正弦波を重ねて表したグラフである。

符号の説明

Ｓ４０１：加速度の検出
Ｓ４０２：足の角度の擬似波形作成
Ｓ４０３：歩行速度の算出
Ｓ４０４：前後軸方向加速度の検出
Ｓ４０５：上下軸方向加速度の検出
４０６：データベース
Ｓ４０７：足の角度振幅データ参照
Ｓ４０８：運動の特性周波数と２倍成分周波数の導出
Ｓ４０９：接地タイミングの検出
Ｓ４１０：足の角度の擬似波形作成
Ｓ４１１：水平方向加速度算出
Ｓ４１２：水平方向の歩行速度算出

Claims

足の加速度データと、予め設定された角度振幅データであり足と足接地面とのなす角度振幅のデータを示す前記角度振幅データとから歩行速度を算出する歩行速度算出装置であって、
前記加速度データと前記加速度データに対応する角度振幅データとを用いて、足と足接地面とのなす角度の擬似波形を導出する導出手段と、
前記加速度データと前記擬似波形とを用いて歩行速度を算出する演算手段と
を備えることを特徴とする歩行速度算出装置。
前記加速度データは、
足の上下軸方向加速度のデータと前後軸方向加速度のデータとを備えることを特徴とする請求項１に記載の歩行速度算出装置。
前記導出手段は、
前記加速度データから歩行における足の接地タイミングを検出する第１の導出手段と、
前記接地タイミングと前記加速度データとを用いて歩行の特性周波数と前記特性周波数の２倍成分周波数と歩行周期とを算出する第２の導出手段と、
前記歩行の特性周波数に対応する第１の角度振幅のデータと前記２倍成分周波数に対応する第２の角度振幅のデータとを示す角度振幅データを用いて、前記擬似波形を導出する第３の導出手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の歩行速度算出装置。
前記加速度データは、足の前後軸方向加速度のデータであり、
前記第２の導出手段は、
足の前後軸方向加速度のデータの時間変化を周波数変化に変換するために、足の前後軸方向加速度のデータの時間変化に対して高速フーリエ変換を行うとともに、変換した周波数変化におけるピーク値のそれぞれに対応する周波数を前記特性周波数及び前記２倍成分周波数として算出することを特徴とする請求項３に記載の歩行速度算出装置。
前記第１の導出手段は、
足の前後軸方向加速度に対して閾値判定を行うとともに、前記接地タイミングで発生するピークを検出することを特徴とする請求項３に記載の歩行速度算出装置。
前記第３の導出手段は、
前記第１の演算で検出された前記接地タイミングを基点にして、前記第２の演算から算出された前記歩行周期の１周期を用いるとともに、
前記接地タイミングから１／４周期の間は、足と足接地面とのなす角度を０とし、
１／４周期から３／４周期の間は、前記第１の角度振幅と前記特性周波数とにより規定され、かつ符号が正である第１の正弦波を足と足接地面とのなす角度の第１擬似波形とし、
３／４周期から１周期の間は、前記第２の角度振幅と前記２倍成分周波数とにより規定され、かつ符号が負である第２の正弦波を足と足接地面とのなす角度の第２擬似波形として、
前記第１擬似波形と前記第２擬似波形とを用いて、前記１周期分の足と足接地面とのなす角度の擬似波形を導出する
ことを特徴とする請求項３に記載の歩行速度算出装置。
前記第２の導出手段は、
足の上下軸方向加速度と前後軸方向加速度と前記擬似波形とを用いて水平方向加速度を算出するとともに、一定時間区間の前記水平方向加速度を積分して水平方向速度を算出することを特徴とする請求項３に記載の歩行速度算出装置。
前記角度振幅データは、
装着者毎に設定されることを特徴とする請求項１に記載の歩行速度算出装置。
前記角度振幅データは、
予め求められた統計データに基いて設定された値であることを特徴とする請求項１に記載の歩行速度算出装置。
圧電素子を備えており、前記圧電素子を用いて前記加速度データに対応する歪みを検出する加速度センサを備えることを特徴とする請求項１に記載の歩行速度算出装置。
前記加速度データに対応する静電容量変化を検出する加速度センサを備えることを特徴とする請求項１に記載の歩行速度算出装置。
足の加速度データと、予め設定された角度振幅データであり足と足接地面とのなす角度振幅のデータを示す前記角度振幅データとから歩行速度を算出する歩行速度算出方法であって、
前記加速度データと前記加速度データに対応する角度振幅データとを用いて、足と足接地面とのなす角度の擬似波形を導出する第１のステップと、
前記加速度データと前記擬似波形とを用いて歩行速度を算出する第２のステップと
を備えることを特徴とする歩行速度算出方法。
前記加速度データは、
足の上下軸方向加速度のデータと前後軸方向加速度のデータとを備えることを特徴とする請求項１２に記載の歩行速度算出方法。
前記第１のステップは、
前記加速度データから歩行における足の接地タイミングを検出する第１の演算と、
前記接地タイミングと前記加速度データとを用いて歩行の特性周波数と前記特性周波数の２倍成分周波数と歩行周期とを算出する第２の演算と、
前記歩行の特性周波数に対応する第１の角度振幅のデータと前記２倍成分周波数に対応する第２の角度振幅のデータとを示す角度振幅データを用いて、前記擬似波形を導出する第３の演算と
を備えることを特徴とする請求項１２に記載の歩行速度算出方法。
前記加速度データは、足の前後軸方向加速度のデータであり、
前記第２の演算は、
足の前後軸方向加速度のデータの時間変化を周波数変化に変換するために、足の前後軸方向加速度のデータの時間変化に対して高速フーリエ変換を行うとともに、変換した周波数変化におけるピーク値のそれぞれに対応する周波数を前記特性周波数及び前記２倍成分周波数として算出することを特徴とする請求項１４に記載の歩行速度算出方法。
前記第１の演算は、
足の前後軸方向加速度に対して閾値判定を行い、前記接地タイミングで発生するピークを検出することを特徴とする請求項１４に記載の歩行速度算出方法。
前記第３の演算は、
前記第１の演算で検出された前記接地タイミングを基点にして、前記第２の演算から算出された前記歩行周期の１周期を用いるとともに、
前記接地タイミングから１／４周期の間は、足と足接地面とのなす角度を０とし、
１／４周期から３／４周期の間は、前記第１の角度振幅と前記特性周波数とにより規定され、かつ符号が正である第１の正弦波を足と足接地面とのなす角度の第１擬似波形とし、
３／４周期から１周期の間は、前記第２の角度振幅と前記２倍成分周波数とにより規定され、かつ符号が負である第２の正弦波を足と足接地面とのなす角度の第２擬似波形として、
前記第１擬似波形と前記第２擬似波形とを用いて、前記１周期分の足と足接地面とのなす角度の擬似波形を導出する
ことを特徴とする請求項１４に記載の歩行速度算出方法。
前記第２のステップは、
足の上下軸方向加速度と前後軸方向加速度と前記擬似波形とを用いて水平方向加速度を算出し、
一定時間区間の前記水平方向加速度を積分して水平方向速度を算出することを特徴とする請求項１２に記載の歩行速度算出方法。