JP4549758B2

JP4549758B2 - 運動測定方法、運動測定装置及び運動測定プログラム

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Publication number: JP4549758B2
Application number: JP2004194063A
Authority: JP
Inventors: 洋介遠藤; 律雄原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: US7433733B2; JP2006014837A; US20060004299A1

Description

本発明は、筋繊維の活動に伴う動物の運動を測定する方法、動物の運動を測定するシステム、及び動物の運動を測定する機能をコンピュータに付与するプログラムに関する。

人間等の動物の筋肉に生じる筋電信号を測定し、この筋電信号に基づいて当該動物の関節のトルク等を測定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。当該先行技術によれば、まず、被験者の運動部位に一定の力を発生させた場合における筋電信号が計測され、計測された複数の筋電信号が複数の擬似張力に変換され、複数の擬似張力のうちの最大値が正規化基準値として決定される。そして、被験者の運動部位に力を発生させたときの筋電信号が計測され、計測された筋電信号及び先に決定された正規化基準値に基づき擬似張力が求められ、求められた擬似張力に基づきトルクが計算される。正規化基準値は、筋電信号とトルクとの対応関係を特定し、運動部位の筋電信号に基づいてトルクを求める際の基礎となるものである。
特開２００１−２８６４５１号公報請求項１、００３８〜００６２段落

しかし、前記先行技術によれば、運動部位の筋肉の活性化が考慮された順番に従って、運動部位に複数の方向へ一定の力を逐次発生させたときの筋電信号が計測されることによって正規化基準値が決定される。従って、トルクを測定する際の基礎となる正規化基準値を決定するため、運動部位に複数の方向へ一定の力を逐次発生させることを、少なくとも一度は被験者に強要することになる。また、筋肉の疲労増大等の諸状態の変動に伴い、筋電信号とトルクとの対応関係が変動した場合、正規化基準値を再度決定するため、運動部位に複数の方向へ一定の力を発生させることを被験者に再度強要することになる。このように、当該先行技術によれば、被験者の一連の運動の前又は途中に、当該運動とは異なる一定の運動を被験者に強要することになる。

例えば、歩行中の人間の股関節や膝関節等の屈伸に伴う脚体のトルクに応じたトルクを脚体に付与することで当該人間の歩行を補助する装置に、前記先行技術が採用された場合、歩行の前又は途中に、膝の屈伸運動や片足立ち等、歩行運動とは異なる運動を人間に強制することとなる。しかるに、脚の筋力が弱いために歩行補助装置を使用している人間は、一定の運動を強要されてもその弱った筋力をもって当該運動を行うことはできず、強制されることには違和感を覚える可能性が高い。

そこで、本発明は、関節のトルク等、動物の運動に応じて変動する変数を、当該動物の一連の運動の中で正確に測定し得る方法、システム及びプログラムを提供することを解決課題とする。

前記課題を解決するための本発明の運動測定方法は、筋繊維の活動に伴う動物の運動を測定する方法であって、前記動物の身体に生じる筋電位を測定する第１筋電位測定ステップと、前記動物の関節の屈曲角度に応じた信号を出力する関節角度センサの出力信号に基づき、前記動物の運動状態を判定する運動状態判定ステップと、前記運動状態判定ステップにおいて判定された運動状態に基づき、当該運動状態に応じた前記動物の当該関節の運動に関する変数の値をメモリから読み出す第１変数測定ステップと、前記第１筋電位測定ステップにおいて測定された筋電位と、前記第１変数測定ステップにおいて測定された前記変数の値とに基づき、前記運動状態判定ステップにおいて判定された前記動物の異なる運動状態ごとに、筋電位及び前記変数の関係を表す基準関係式を設定する基準関係式設定ステップと、前記動物の身体に生じる筋電位を測定する第２筋電位測定ステップと、前記第２筋電位測定ステップにおいて測定された筋電位に基づき、前記基準関係式設定ステップにおいて設定された前記基準関係式のうち、前記運動状態判定ステップにおいて判定された前記動物の運動状態に応じた前記基準関係式に従って、前記変数の値を測定する第２変数測定ステップとを含むことを特徴とする。

本発明の運動測定方法によれば、まず、第１筋電位測定ステップにおいて測定された筋電位と、第１変数測定ステップにおいて測定された変数とに基づき、基準関係式設定ステップにおいて筋電位及び変数の関係を表す基準関係式が動物の異なる運動状態ごとに設定される。基準関係式の設定のために、動物が一定の運動を強要されることはない。そして、その後に第２筋電位測定ステップにおいて測定された筋電位に基づき、且つ、基準関係式のうち動物の運動状態に応じた基準関係式に従って、第１変数測定ステップにおける測定対象である変数の値が第２変数測定ステップにおいて測定される。例えば、動物が任意の第１及び第２運動を連続的にする場合、まず、第１運動時に測定された筋電位及び第１運動に応じた変数に基づいて基準関係式が設定される。そして、第２運動時に測定された筋電位に基づき当該基準関係式に従って第２運動に応じた変数が測定される。

従って、本発明の運動測定方法によれば、一定の運動を動物に強要することなく基準関係式を設定した上で、当該動物の一連の運動の中で変数を正確に測定することができる。

前記運動測定方法が、前記第２変数測定ステップと同時且つ別個に、前記第２変数測定ステップにおける測定対象である前記変数の値を測定する第３変数測定ステップと、前記第２変数測定ステップにおいて測定された前記変数の値と、前記第３変数測定ステップにおいて測定された前記変数の値との偏差が閾値を超えているか否かを判定する偏差判定ステップとを含み、前記基準関係式設定ステップは、前記偏差判定ステップにおいて前記偏差が前記閾値を超えていると判定された場合、前記第２筋電位測定ステップにおいて測定された筋電位と、前記第３変数測定ステップにおいて測定された前記変数の値とに基づき、新たに前記基準関係式を設定するステップであってもよい。

当該構成の運動測定方法によれば、第２変数測定ステップにおいて基準関係式に従って測定された変数と、第３変数測定ステップにおいてこれと同時且つ別個に測定された変数との偏差が閾値を超えているか否かが、偏差判定ステップにおいて判定される。「偏差」には、一の時点における偏差、複数時点又は連続時間にわたる平均偏差又は累積偏差等が含まれる。また、当該偏差が閾値を超えていると判定された場合、筋電位と、第３変数測定ステップにおいて測定された変数に基づいて基準関係式が新たに設定される。

当該偏差が閾値を超える場合、筋肉疲労、発汗等の状態変化によって基準関係式により表される筋電位及び変数の関係が、実際の当該関係から乖離していることが予測されるが、基準関係式が新たに設定されることで当該乖離が回避される。また、新たな基準関係式の設定のために一定の運動が動物に強要されることはない。従って、筋肉疲労、発汗等の状態変化があった場合も、一定の運動を動物に強要することなく、筋電位及び変数の関係を正確に表す基準関係式に従って変数を正確に測定することができる。

前記第３変数測定ステップが、前記第１変数測定ステップと同一の方法に従って、前記変数の値を測定するステップであってもよい。

当該構成の運動測定方法によれば、基準関係式及び新たな基準関係式を、同一の方法に従って測定された変数に基づいて設定し得る。

また、本発明の運動測定方法は、基準関係式設定ステップが、筋電位の関数としての擬似変数と、変数との等式を基準関係式として設定するステップであることを特徴とする。

本発明の運動測定方法によれば、基準関係式に従って、筋電位の関数として擬似変数を決定することで、変数が測定（算定）される。

前記基準関係式設定ステップが、筋電位の関数としての擬似変数と、前記変数との等式を前記基準関係式として設定するステップであってもよい。

当該構成の運動測定方法によれば、基準関係式に従って、筋電位の関数として擬似変数を決定することで、変数が測定（算定）される。また、擬似変数の最高値と変数の最高値とが等しくなるように、擬似変数が正規化されることで、変数が測定（算定）される。変数及び擬似変数の「最高値」には、それぞれ一定の時間帯における変数及び擬似変数の最高値のほか、変数及び擬似変数が周期変化する場合、各周期における変数及び擬似変数の最高値が含まれる。

前記課題を解決するための本発明の運動測定システムは、筋繊維の活動に伴う動物の運動を測定するシステムであって、前記動物の身体に生じる筋電位を測定する筋電位測定手段と、前記動物の関節の屈曲角度に応じた信号を出力する関節角度センサの出力信号に基づき、前記動物の運動状態を判定する運動状態判定手段と、前記運動状態判定手段により判定された運動状態に基づき、当該運動状態に応じた前記動物の当該関節の運動に関する変数の値をメモリから読み出す第１変数測定手段と、前記筋電位測定手段により測定された筋電位と、前記第１変数測定手段により測定された前記変数の値とに基づき、前記運動状態判定手段により判定された前記動物の異なる運動状態ごとに、筋電位及び前記変数の関係を表す基準関係式を設定する基準関係式設定手段と、前記筋電位測手段により測定された筋電位に基づき、前記基準関係式設定手段により設定された前記基準関係式のうち、前記運動状態判定手段により判定された前記動物の運動状態に応じた前記基準関係式に従って、前記変数の値を測定する第２変数測定手段とを備えていることを特徴とする。

本発明の運動測定システムによれば、一定の運動を動物に強要することなく基準関係式を設定した上で、当該動物の一連の運動の中で変数を正確に測定することができる。

前記課題を解決するための本発明の運動測定プログラムは、動物の脚体の関節の屈曲角度に応じた信号を出力する関節角度センサを備えているコンピュータを前記運動測定システムとして機能させることを特徴とする。

本発明の運動測定プログラムによれば、一定の運動を動物に強要することなく基準関係式を設定した上で、当該動物の一連の運動の中で変数を正確に測定する機能をコンピュータに持たせることができる。

まず、本発明の第１実施形態における運動測定システムについて図１〜図５を用いて説明する。

本発明の第１実施形態における運動測定システムの構成について図１及び図２を用いて説明する。

図１に示す運動測定システム１００は、人間（動物）の運動を測定するためのものであり、その運動が測定対象となる人間の胸部の傾斜角速度に応じた信号を出力する胸部ジャイロセンサ１０１と、胸部の前後方向の加速度に応じた信号を出力する胸部前後加速度センサ１０２と、腰部の傾斜角速度に応じた信号を出力する腰部ジャイロセンサ１０３と、腰部の前後方向の加速度に応じた信号を出力する腰部前後加速度センサ１０４と、腰部の上下方向の加速度に応じた信号を出力する腰部上下加速度センサ１０５と、股関節の屈曲角度に応じた信号を出力する股関節角度センサ１０６と、膝関節の屈曲角度に応じた信号を出力する膝関節角度センサ１０７とを備えている。

また、運動測定システム１００は、筋電位測定ユニット１１０と、第１トルク測定ユニット（第１変数測定手段）１２０と、基準関係式設定ユニット１３０と、第２トルク測定ユニット（第２変数測定手段）１４０とを備えている。各ユニットは、ハードウェアとしてのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータと、ソフトウェアとしてメモリに格納されている本発明の「運動測定プログラム」とにより構成されている。また、各ユニットを構成するマイクロコンピュータは、バッテリ２００を電源として作動し、当該バッテリを収納するとともに人体に装着されるケース２０２に収納されている。

筋電位測定ユニット１１０は、図２（ａ）に示されているように人体表面のうち内側広筋、外側広筋及び大腿直筋（伸筋）の部位にそれぞれ取り付けられた伸筋側表面電極１１１と、図２（ｂ）に示されているように人体表面のうち半腱様筋及び大腿二頭筋（屈筋）の部位にそれぞれ取り付けられた屈筋側表面電極１１２とを通じて筋電位を測定する。

第１トルク測定ユニット１２０は、センサ１０１〜１０７の出力に基づき、人間の挙動を表す逆動力学モデルを用いて膝関節トルクを測定する。

基準関係式設定ユニット１３０は、筋電位測定ユニット１１０により測定された筋電位と、第１トルク測定ユニット１２０により測定された膝関節トルクとに基づき、筋電位と膝関節トルクとの関係を表す「基準関係式」を設定する。また、基準関係式設定ユニット１３０は、第１トルク測定ユニット１２０により測定された膝関節トルクと、第２トルク測定ユニット１４０により測定された膝関節トルクとの偏差が閾値を超えているか否かを判定し、当該偏差が閾値を超えていると判定した場合、筋電位測定ユニット１１０により測定された筋電位と、第１トルク測定ユニット１２０により測定された膝関節トルクとに基づき、新たな基準関係式を設定する。

第２トルク測定ユニット１４０は、筋電位測定ユニット１１０により測定された筋電位に基づき、且つ、基準関係式設定ユニット１３０により設定された基準関係式に従って膝関節トルクを測定する。

前記構成の運動測定システム１００により実施される運動測定方法について図３〜図５を用いて説明する。この運動測定は、ケース２０２に付属するＯＮ／ＯＦＦスイッチ（図示略）がＯＦＦからＯＮに切り替えられることで開始される。

筋電位測定ユニット１１０が、伸筋側表面電極１１１及び屈筋側表面電極１１２を通じて伸筋電位ｘ_i+（ｉ＝１（内側広筋），２（外側広筋），３（大腿直筋））及び屈筋電位ｘ_j-（ｊ＝１（半腱様筋），２（大腿二頭筋））を測定する（Ｓ１）。伸筋電位ｘ_i+及び屈筋電位ｘ_j-は、筋繊維の活動により生じるものであり、人間の歩行運動等に伴い変動する。また、筋電位測定ユニット１１０により測定される伸筋電位ｘ_i+及び屈筋電位ｘ_j-とは、伸筋側表面電極１１１及び屈筋側表面電極１１２により検出された筋電信号が、フィルタ、増幅器を経た上でＡ／Ｄ変換され、絶対値化された後、ローパスフィルタに通されたものを意味する。

また、第１トルク測定ユニット１２０が、人間の運動に伴うセンサ１０１〜１０７からの出力に基づき、且つ、人間の挙動を表す逆動力学モデルを用いて膝関節トルクＴを測定する（Ｓ２／「第１変数測定ステップ」に該当する）。すなわち、第１トルク測定ユニット１２０が、胸部の傾斜角度及び前後方向の加速度と、腰部の傾斜角度、前後方向の加速度及び上下方向の加速度と、股関節角度と、膝関節角度に基づき、膝関節トルクＴを測定（推定）する。

逆動力学モデルを用いた膝関節トルクの具体的な測定方法としては、例えば、特開２００３−８９０８３号公報により開示されているものが採用されればよく、本願明細書ではその詳細については説明を省略する。膝関節トルクＴは、膝関節の伸展方向、すなわち、下腿部を前方に向かわせる方向を正として定義される。

さらに、基準関係式設定ユニット１３０が、筋電位測定ユニット１１０により測定された伸筋電位ｘ_i+及び屈筋電位ｘ_j-と、第１トルク測定ユニット１２０により測定された膝関節トルクＴとの基準関係式を、運動状態判定ユニット１５０により判定された運動状態ごとに設定する（Ｓ３）。

具体的には、次式（１）のように、第１トルク測定ユニット１２０により逆動力学モデルを用いて測定された膝関節トルクＴと、筋電位測定ユニット１１０により測定された伸筋電位ｘ₊及び屈筋電位ｘ_-の関数としての擬似トルクＴ’との等式が基準関係式として設定される。

Ｔ＝Ｔ’ （ｘ_i+，ｘ_j-）・・（１）

伸筋電位ｘ₊及び屈筋電位ｘ_-の関数としての擬似トルクＴ’は次式（２）によって定義される。

Ｔ’≡Σ_i=1,2,3x_i+x_i+MA_i+＋Σ_j=1,2c_j-x_j-MA_j- ・・（２）

ここで、ｃ_i+及びｃ_j-は正負が逆の係数であり、その比は例えばｃ_i+：ｃ_j-＝１：−１／３と設定される。MA_i+は伸筋のモーメントアーム、すなわち、関節の回転中心と、伸筋の骨への付着位置との距離であり、当該関節の屈曲角度に応じて変動する。同様に、MA_j-は屈筋のモーメントアーム、すなわち、関節の回転中心と、屈筋の骨への付着位置との距離であり、当該関節の屈曲角度に応じて変動する。伸筋のモーメントアームMA_i+及び屈筋のモーメントアームMA_j-は同等であると仮定されてもよい。

係数ｃ_i+及びｃ_j-は、第１トルク測定ユニット１２０により測定された膝関節トルクＴの最高値Ｔ_maxと、擬似トルクＴ’の最高値Ｔ_max’とが等しくなるように決定される。これにより、例えば図３及び図４に示されているように、膝関節トルクＴ（実線）の最高値Ｔ_max及び擬似トルク（破線）Ｔ’の最高値Ｔ_max’とが等しくなるように擬似トルクＴ’が正規化（スケール変更）される。図３は人間が階段や坂を上る「上昇歩行状態」での関節トルクＴ（実線）及び正規化された擬似トルク（破線）Ｔ’を示している。図４は人間が平地を歩行する「平地歩行状態」での関節トルクＴ（実線）の及び正規化された擬似トルク（破線）Ｔ’を示している。

なお、複数の伸筋のうち１つの伸筋電位ｘ₊及び複数の屈筋のうち１つの屈筋電位ｘ_-が測定される場合、擬似トルクＴ’が次式（３）により定義されてもよい。

Ｔ’≡c₊x₊MA₊＋c_-x_-MA_- ・・（３）

また、筋電位が測定される伸筋及び屈筋の一方が複数で他方が１つである場合、擬似トルクＴ’がそれぞれ次式（４）及び（５）により定義されてもよい。

Ｔ’≡Σ_ic_i+x_i+MA_i+＋c_-x_-MA_- ・・（４）

Ｔ’≡c₊x₊MA₊＋Σ_jc_j-x_j-MA_j- ・・（５）

この上で、筋電位測定ユニット１１０により伸筋電位ｘ_i+及び屈筋電位ｘ_j-が測定される（Ｓ４）。そして、第２トルク測定ユニット１４０が、筋電位測定ユニット１１０により伸筋電位ｘ₊及び屈筋電位ｘ_-に基づき、且つ、基準関係式設定ユニット１３０により判定された運動状態に対応する基準関係式（式（１）（２）参照）に従って膝関節トルクＴを測定する（Ｓ５／「第２変数測定ステップ）に該当する）。

さらに、第１トルク測定ユニット１２０が、センサ１０１〜１０７の出力に基づき、逆動力学モデルを用いて膝関節トルクＴを測定する（Ｓ６／「第３変数測定ステップ」に該当する）。

また、基準関係式設定ユニット１３０が、第２トルク測定ユニット１４０により測定された膝関節トルクＴ（Ｓ５）と、第１トルク測定ユニット１２０により測定された膝関節トルクＴ（Ｓ６）との偏差δＴが閾値ε以下であるか又は超えているかを判定する（Ｓ７／「偏差判定ステップ」に該当する）。偏差δＴは、両膝関節トルクの最高値の偏差であってもよく、両膝関節トルクの一定時間にわたる平均偏差や累積偏差であってもよい。

基準関係式設定ユニット１３０は、偏差δＴが閾値εを超えていると判定した場合（Ｓ７・・ＮＯ）、逆動力学モデルを用いて測定された膝関節トルクＴ（Ｓ６）と、筋電位測定ユニット１１０により測定された伸筋電位ｘ_i+及び屈筋電位ｘ_j-（Ｓ４）とに基づき、式（２）の係数ｃ_i+及びｃ_j-を再設定することにより新たな基準関係式を設定する（Ｓ３）。この後、第２トルク設測定ユニット１４０が、この新たな基準関係式に従って膝関節トルクＴを測定する（Ｓ５）。

一方、基準関係式設定ユニット１３０は、偏差δＴが閾値ε以下であると判定し（Ｓ７・・ＹＥＳ）、且つ、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ（図示略）がＯＮのままである場合（Ｓ８・・ＯＮ）、新たに基準関係式を設定しない。この場合、第２トルク測定ユニット１４０は既存の基準関係式に従って膝関節トルクＴを測定する（Ｓ５）。そして、ＯＮ／ＯＦＦスイッチがＯＦＦとされている場合（Ｓ８・・ＯＦＦ）、それ以後の筋電位測定や膝関節トルク測定等の処理が終了させられる。

前記運動測定システム１００により実施される運動測定方法によれば、例えば、人間（動物）が任意の第１及び第２運動を連続してする場合、まず、第１運動時に測定された筋電位（ｘ_i+，ｘ_j-）及び第１運動に応じた膝関節トルク（変数）Ｔに基づいて基準関係式が設定される（Ｓ１〜Ｓ３）。そして、第１運動に続く第２運動時に測定された筋電位（ｘ_i+，ｘ_j-）に基づき当該基準関係式に従って第２運動に応じた膝関節トルクＴが測定される（Ｓ４〜Ｓ５）。

従って、一定の運動を人間に強要することなく基準関係式を設定した上で、当該動物の一連の運動の中で膝関節トルクＴを正確に測定することができる。

また、基準関係式に従って測定された膝関節トルクＴ（Ｓ５）と、これと同時且つ別個に測定された膝関節トルクＴ（Ｓ６）との偏差δＴが閾値εを超えている場合（Ｓ７・・ＮＯ）、筋電位（Ｓ４）と、当該膝関節トルクＴ（Ｓ６）に基づいて基準関係式が新たに設定される（Ｓ３）。

当該偏差δＴが閾値εを超える場合、筋肉疲労、発汗等の状態変化によって基準関係式により表される筋電位（ｘ_i+，ｘ_j-）及び膝関節トルクＴの関係が、実際の当該関係から乖離していることが予測されるが、基準関係式が新たに設定されることで当該乖離が回避される。また、新たな基準関係式の設定のために一定の運動が人間に強要されることはない。従って、筋肉疲労、発汗等の状態変化があった場合も、一定の運動を人間に強要することなく、筋電位（ｘ_i+，ｘ_j-）及び膝関節トルクＴの関係を正確に表す基準関係式に従って膝関節トルクＴを正確に測定することができる。

次に、本発明の第２実施形態における運動測定システムについて図６〜図７を用いて説明する。

本発明の第２実施形態の運動測定システムの構成について図６を用いて説明する。図６に示されている第２実施形態の運動測定システム１００は、胸部ジャイロセンサ１０１、胸部前後加速度センサ１０２、腰部ジャイロセンサ１０３、腰部前後加速度センサ１０４及び腰部上下加速度センサ１０５が省略されている一方、運動状態判定ユニット１５０を付加的に備えているほかは図１及び図２に示されている第１実施形態の運動測定システム１００と構成が共通する。そこで、共通する構成については共通する符号を付するとともに説明を省略する。

運動状態判定ユニット１５０は、股関節角度センサ１０６の出力及び膝関節角度センサ１０７の出力に基づき、人間の運動状態を判定する。

前記構成の運動測定システム１００により実施される運動測定方法について図７を用いて説明する。第２実施形態の運動測定方法は、第１及び第３変数測定ステップにおける「膝関節トルクＴの測定」が、逆動力学モデルを用いる代わりに運動状態判定ユニット１５０により判定される運動状態が用いられる点を除き、第１実施形態の運動測定方法とほぼ同様である。

筋電位測定ユニット１１０が、伸筋側表面電極１１１及び屈筋側表面電極１１２を通じて伸筋電位ｘ_i+及び屈筋電位ｘ_j-を測定する（Ｓ２１）。

また、運動状態判定ユニット１５０が、股関節角度センサ１０６及び膝関節角度センサ１０７の出力に基づき、人間の運動状態を判定する（Ｓ２２）。運動状態の具体的な判定方法としては、例えば、特開２００３−１１６８９３号公報により開示されているものが採用されればよく、本願明細書ではその詳細については説明を省略する。運動状態判定ユニット１５０は、当該方法に従って人間の運動状態が、人間が平地又は傾斜がほとんど無視できるようななだらかな地面を歩行している「平地歩行状態」、階段や坂道を下がる「下降歩行状態」。階段や坂道を上がる「上昇歩行状態」、椅子から立ち上がる「椅子立ち上がり状態」及び起立状態から椅子に座る「椅子座り状態」等、複数の運動状態のうちいずれであるかを判定する。

さらに、第１トルク測定ユニット１２０が、運動状態判定ユニット１５０により判定された運動状態に基づき、当該運動状態に応じてメモリ（図示略）に格納されている膝関節トルクＴを読み出す（測定する）（Ｓ２３／「第１変数測定ステップ」に該当する）。例えば、運動状態判定ユニット１５０により「上昇歩行状態」であると判定された場合、予め上昇歩行状態に対応してメモリに記憶されていた図４に実線で示されているような膝関節トルクＴが第１トルク測定ユニット１２０により読み出される（測定される）。また、運動状態判定ユニット１５０により「平地歩行状態」であると判定された場合、予め平地歩行状態に対応してメモリに記憶されていた図５に実線で示されているような膝関節トルクＴが第１トルク測定ユニット１２０により読み出される（測定される）。

また、基準関係式設定ユニット１３０が、筋電位測定ユニット１１０により測定された伸筋電位ｘ_i+及び屈筋電位ｘ_j-と、第１トルク測定ユニット１２０により測定された膝関節トルクＴとの基準関係式を、運動状態判定ユニット１５０により判定された運動状態ごとに設定する（Ｓ２４）。

この上で、筋電位測定ユニット１１０により伸筋電位ｘ_i+及び屈筋電位ｘ_j-が測定される（Ｓ２５）。そして、第２トルク測定ユニット１４０が、筋電位測定ユニット１１０により伸筋電位ｘ₊及び屈筋電位ｘ_-に基づき、且つ、基準関係式設定ユニット１３０により設定された運動状態に対応する基準関係式に従って膝関節トルクＴを測定する（Ｓ２６／「第２変数測定ステップ）に該当する）。

また、運動状態判定ユニット１５０が股関節角度センサ１０６及び膝関節角度センサ１０７の出力に基づきユーザの運動状態を判定する（Ｓ２７）。さらに、第１トルク測定ユニット１２０が、運動状態判定ユニット１５０により判定された運動状態に基づき、当該運動状態に応じてメモリ（図示略）に格納されている膝関節トルクＴを読み出す（測定する）（Ｓ２８／「第３変数測定ステップ」に該当する）。

また基準関係式設定ユニット１３０が、第２トルク測定ユニット１４０により測定された膝関節トルクＴ（Ｓ２６）と、第１トルク測定ユニット１２０により測定された膝関節トルクＴ（Ｓ２８）との偏差δＴが閾値ε以下であるか又は超えているかを判定する（Ｓ２９／「偏差判定ステップ」に該当する）。

基準関係式設定ユニット１３０は偏差δＴが閾値εを超えていると判定した場合（Ｓ２９・・ＮＯ）、膝関節トルクＴ（Ｓ２８）と、筋電位測定ユニット１１０により測定された伸筋電位ｘ_i+及び屈筋電位ｘ_j-（Ｓ２５）とに基づき、式（２）の係数ｃ_i+及びｃ_j-を再設定することにより新たな基準関係式を設定する（Ｓ２４）。この後、第２トルク設測定ユニット１４０が、この新たな基準関係式に従って、膝関節トルクＴを測定する（Ｓ２６）。

一方、基準関係式設定ユニット１３０は、偏差δＴが閾値ε以下であると判定し（Ｓ２９・・ＹＥＳ）、且つ、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ（図示略）がＯＮのままである場合（Ｓ３０・・ＯＮ）、新たに基準関係式を設定しない。この場合、第２トルク測定ユニット１４０は既存の基準関係式に従って膝関節トルクＴを測定する（Ｓ２６）。そして、ＯＮ／ＯＦＦスイッチがＯＦＦとされているとき（Ｓ３０・・ＯＦＦ）、それ以後の筋電位測定や膝関節トルク測定等の処理が終了させられる。

前記運動測定システム１００により実施される運動測定方法によっても、一定の運動を人間に強要することなく基準関係式を設定した上で、当該動物の一連の運動の中で膝関節トルクＴを正確に測定することができる。また、筋肉疲労、発汗等の状態変化があった場合も、一定の運動を人間に強要することなく、筋電位（ｘ_i+，ｘ_j-）及び膝関節トルクＴの関係を正確に表す基準関係式に従って膝関節トルクＴを正確に測定することができる。

前記実施形態では運動測定の対象となる動物が人間であったが、他の実施形態として当該動物がサル、キリン等の哺乳類や魚類等、筋繊維の活動に伴って運動するあらゆる動物であってもよい。

前記実施形態では膝関節トルクが変数として測定されたが、他の実施形態として股関節トルク、足関節トルク、肘関節トルク、肩関節トルク等、膝関節以外の関節トルクや、膝関節等の関節角度、関節角速度、関節角加速度、関節トルクの変化率等が変数として測定されてもよい。

前記第１実施形態では膝関節角度センサ１０７等の出力に基づき、逆動力学モデルを用いて関節トルクが測定され、第２実施形態では膝関節角度センサ１０７等の出力に基づいて判定された運動状態に基づいて関節トルクが測定されたが、他の実施形態としてカメラ（図示略）により人間の動作が撮影された上で、コンピュータ（図示略）により当該カメラの影像に基づき関節トルク等の変数が測定される等、さまざまな方法で関節トルク等の変数が測定されてもよい。

前記実施形態ではトルクＴの最高値Ｔ_max及び擬似トルクＴ’の最高値Ｔ_max’が等しくなるように基準関係式（式（１）（２）参照）の係数ｃ_i+及びｃ_j-が決定されたが、他の実施形態としてトルクＴ及び擬似トルクＴ’の複数時点における又は一定時間にわたる平均偏差又は累積偏差が最小となるように基準関係式の係数ｃ_i+及びｃ_j-が決定されてもよい。

前記実施形態では第１変数測定ステップ（図３／Ｓ２、図７／Ｓ２３）及び第３変数測定ステップ（図３／Ｓ６、図７／Ｓ２６）におけるトルク（変数）の測定方法が一致していたが、他の実施形態として両ステップにおけるトルクの測定方法が相違していてもよい。

前記第２実施形態において、運動状態判定ユニット１５０により判定される運動状態に応じて係数ｃ_i+及びｃ_j-（式（１）（２）参照）、ひいては基準関係式が設定されてもよい。当該実施形態によれば、ユーザ（人間）の運動状態に応じた最適な基準関係式に従って、トルク等の変数をより正確に測定することができる。

本発明の第１実施形態における運動測定システムの構成説明図。筋電位測定方法の説明図。本発明の第１実施形態における運動測定方法の説明図。上昇歩行状態における変数による擬似変数の正規化の説明図。平地歩行状態における変数による擬似変数の正規化の説明図。本発明の第２実施形態における運動測定システムの構成説明図。本発明の第２実施形態における運動測定方法の説明図。

１００‥運動測定システム、１０１‥胸部ジャイロセンサ、１０２‥胸部前後加速度センサ、１０３‥腰部ジャイロセンサ、１０４‥腰部前後加速度センサ、１０５‥腰部上下加速度センサ、１０６‥股関節角度センサ、１０７‥膝関節角度センサ、１１０‥筋電位測定ユニット、１１１‥伸筋側表面電極、１１２‥屈筋側表面電極、１２０‥第１トルク測定ユニット（第１変数測定手段）、１３０‥基準関係式設定ユニット１３０‥第２トルク測定ユニット（第２変数測定手段）、１５０‥運動状態判定ユニット、２００・・バッテリ、２０２・・ケース。

Claims

筋繊維の活動に伴う動物の運動を測定する方法であって、
前記動物の身体に生じる筋電位を測定する第１筋電位測定ステップと、
前記動物の関節の屈曲角度に応じた信号を出力する関節角度センサの出力信号に基づき、前記動物の運動状態を判定する運動状態判定ステップと、
前記運動状態判定ステップにおいて判定された運動状態に基づき、当該運動状態に応じた前記動物の当該関節の運動に関する変数の値をメモリから読み出す第１変数測定ステップと、
前記第１筋電位測定ステップにおいて測定された筋電位と、前記第１変数測定ステップにおいて測定された前記変数の値とに基づき、前記運動状態判定ステップにおいて判定された前記動物の異なる運動状態ごとに、筋電位及び前記変数の関係を表す基準関係式を設定する基準関係式設定ステップと、
前記動物の身体に生じる筋電位を測定する第２筋電位測定ステップと、
前記第２筋電位測定ステップにおいて測定された筋電位に基づき、前記基準関係式設定ステップにおいて設定された前記基準関係式のうち、前記運動状態判定ステップにおいて判定された前記動物の運動状態に応じた前記基準関係式に従って、前記変数の値を測定する第２変数測定ステップとを含むことを特徴とする運動測定方法。
請求項１記載の運動測定方法において、
前記第２変数測定ステップと同時且つ別個に、前記第２変数測定ステップにおける測定対象である前記変数の値を測定する第３変数測定ステップと、
前記第２変数測定ステップにおいて測定された前記変数の値と、前記第３変数測定ステップにおいて測定された前記変数の値との偏差が閾値を超えているか否かを判定する偏差判定ステップとを含み、
前記基準関係式設定ステップは、前記偏差判定ステップにおいて前記偏差が前記閾値を超えていると判定された場合、前記第２筋電位測定ステップにおいて測定された筋電位と、前記第３変数測定ステップにおいて測定された前記変数の値とに基づき、新たに前記基準関係式を設定するステップであることを特徴とする運動測定方法。
請求項２記載の運動測定方法において、
前記第３変数測定ステップが、前記第１変数測定ステップと同一の方法に従って、前記変数の値を測定するステップであることを特徴とする運動測定方法。
請求項１〜３のうち１つに記載の運動測定方法において、
前記基準関係式設定ステップが、筋電位の関数としての擬似変数と、前記変数との等式を前記基準関係式として設定するステップであることを特徴とする運動測定方法。
請求項４記載の運動測定方法において、
前記基準関係式設定ステップが、前記擬似変数の最高値と前記変数の最高値とが等しくなるように前記基準関係式を設定するステップであることを特徴とする運動測定方法。
筋繊維の活動に伴う動物の運動を測定するシステムであって、
前記動物の身体に生じる筋電位を測定する筋電位測定手段と、
前記動物の関節の屈曲角度に応じた信号を出力する関節角度センサの出力信号に基づき、前記動物の運動状態を判定する運動状態判定手段と、
前記運動状態判定手段により判定された運動状態に基づき、当該運動状態に応じた前記動物の当該関節の運動に関する変数の値をメモリから読み出す第１変数測定手段と、
前記筋電位測定手段により測定された筋電位と、前記第１変数測定手段により測定された前記変数の値とに基づき、前記運動状態判定手段により判定された前記動物の異なる運動状態ごとに、筋電位及び前記変数の関係を表す基準関係式を設定する基準関係式設定手段と、
前記筋電位測手段により測定された筋電位に基づき、前記基準関係式設定手段により設定された前記基準関係式のうち、前記運動状態判定手段により判定された前記動物の運動状態に応じた前記基準関係式に従って、前記変数の値を測定する第２変数測定手段とを備えていることを特徴とする運動測定システム。
動物の脚体の関節の屈曲角度に応じた信号を出力する関節角度センサを備えているコンピュータを請求項６記載の運動測定システムとして機能させることを特徴とする運動測定プログラム。