JP4899725B2 - 歩数計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、歩行時の人体の上下前後運動に基づいて、正確に歩数を計測できる歩数計測装置に関するものである。

従来より、加速度センサを人体に装着し、歩行時における人体の動きを加速度センサで検出することにより歩数を計測する装置が提供されている。

例えば、特許文献１に開示されている技術は、路面の状態、靴、歩き方等を考慮して、歩行時に得られる上向き加速度と下向き加速度を検出し、どちらか一方の加速度を適時選択して、加速度の絶対値が予め設定した所定の値以上のものを抽出して歩数を計測する方法である。

また、下記特許文献２に開示されている技術は、加速度センサにより出力された歩行時の加速度波形とその加速度波形から平均波形を算出し、各時間における２つの波形の差分を算出する。各差分を順次加算して、加算された結果の時間変化を示す加算波形の極大値を歩数として計測する方法である。
特許第２６７５８４２号公報 特開２００６−１２７１９３号公報

しかしながら、歩行時に検出される加速度は、歩行速度が速いときは大きい値となり、遅い時は小さい値となる。また、歩行時の歩行速度は一定ではなく、一歩毎に増減を繰り返している。特に高齢者においては各歩の速度変化が大きい。

特許文献１の技術においては、ある歩行速度以上で歩けば歩数を計測できるが、所定の値未満の加速度となるような遅い歩行速度の場合は歩数を計測できないという問題がある。基準値を小さい値に設定した場合は、ノイズによる影響を受ける可能性あるため、歩数を高精度に計測することは難しい。

また、特許文献２の技術においては、例えば３０歩のうち３歩目、４歩目の速度が極端に小さい場合、平均波形との差が適切に算出されない可能性がある。従って、歩数を計測できない可能性がある、或は多く計測される可能性があるといった問題が生じる。

本発明は、上記のような現状を鑑みてなされたものであって、歩行者の歩行速度の大きさに影響を受けず、より高精度に歩数を計測する装置を提供することを課題とする。

そこで、本発明者らはこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、歩行時における腰部の上下方向、前後方向の各加速度の時間変化を計測すること、歩行時における特定の歩行動作が行われる特定期間を抽出すること、抽出された特定期間における加速度を乗算すること、その乗算結果の極大値に注目し歩数を正確に計測することを見出した。

すなわち、本発明においては、歩行時における腰部の上下方向における加速度である上下加速度と、歩行時における腰部の前後方向における加速度である前後加速度とをそれぞれ検出し、それらの時間変化を計測する加速度計測手段と、前記加速度の時間変化に基づいて、歩行時に前記上下加速度が正、且つ前記前後加速度が負の値となる特定の歩行動作が行われる特定期間を抽出する特定期間抽出手段と、前記特定期間における加速度を抽出する加速度抽出手段と、前記加速度抽出手段により抽出された少なくとも１つの加速度の絶対値を乗算する加速度乗算手段と、１つの前記特定期間内で前記加速度乗算手段により算出された積の結果の中で極大値を算出する極大値算出手段と、全測定期間において、前記極大値算出手段により算出された極大値の出現回数を計測する計測手段とを備えることを特徴とする。
上記構成において、前記加速度乗算手段は、前記特定期間における前記上下加速度と前記前後加速度の絶対値を乗算すると良い。
また、前記加速度乗算手段は、前記特定期間における前記上下加速度の絶対値の最大値と前記前後加速度の絶対値の最大値を乗算すると良い。
また、前記加速度乗算手段は、前記特定期間における１つの加速度の絶対値を２乗すると良い。
また、前記加速度乗算手段は、前記特定期間における１つの加速度の絶対値の最大値を２乗すると良い。
また、前記特定期間以外の加速度は０に変換すると良い。

本発明によれば、歩行時に上下加速度が正、且つ前後加速度が負の値となる特定の歩行動作が行われる特定期間に限定した少なくとも１つの加速度を乗算するため、歩行速度の小さいデータにおいても十分に大きな値とすることができる。従って、基準値を小さな値に設定する必要が無く、ノイズによる影響を受ける可能性も少なくなり、上下加速度と前後加速度の値に基づいて、左右の両足の特定歩行動作が行われる期間を抽出することにより、正確に歩数を計測することができる。
この場合、特定期間における上下加速度と前後加速度の絶対値を乗算することにより、ノイズによる影響を受けずに歩数を計測することができる。
また、特定期間における上下加速度の絶対値の最大値と前後加速度の絶対値の最大値を乗算することにより、少ないデータ数で、ノイズの影響を受けずに歩数を計測することができる。
また、特定期間における上下、前後のいずれか１つの加速度の絶対値を２乗することにより、少ないデータ数で、ノイズの影響を受けずに歩数を計測することができる。
また、前記特定期間以外の加速度は０に変換することにより、前記特定期間以外で生じた誤データを歩数として計測することが無い。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の歩数計測装置の一例を示すブロック図である。図１に示す装置１００は、歩行時における使用者の腰部の加速度を検出し、その加速度に対応する信号（以下、加速度信号とする）を出力する加速度計測手段としての加速度計１０と、加速度計１０からの加速度信号を受けて、使用者の歩行能力を推定する演算部２０とを有する。

さらに、歩行時間などを計測する時間計測部３０と、歩数の計測結果等の情報や使用者の情報等を表示することができる表示部４０と、歩数の計測結果等の情報や使用者の情報等を記憶することができる記録部５０とを有するものである。なお、これら加速度計１０、演算部２０、時間計測部３０、表示部４０、記録部５０は一体化することができ、例えば、人体の腰部に一体的に装着することができるようになっている。例えば、歩数計のようにベルト、ズボン、スカート等に懸架できるフックを備えたものを例示することができる。

加速度計１０は、使用者の歩行時において腰部の前後加速度を検出する前後加速度検出部としてのＸ方向加速度検出部１２と、腰部の上下加速度を検出する上下加速度検出部としてのＹ方向加速度検出部１４とにより構成されている。それぞれの検出部は、一体化されて加速度計１０とされており、該加速度計１０を使用者の腰部に装着すれば、前後加速度、上下加速度を検出することができるようになっている。これらそれぞれの検出部により検出されたそれぞれの方向における加速度は、それぞれの加速度に対応する電気信号（それぞれ、前後加速度信号、上下加速度信号とする）とされて、それぞれ独立に演算部２０に出力されるようになっている。なお、加速度計１０としては、一般的に知られている加速度センサを使用することができる。例えば、圧電素子を用いた３軸の加速度センサや、静電容量型の３軸の加速度センサ等を使用することができる。または、１軸の加速度センサを組み合わせて使用してもよい。

演算部２０は、Ａ／Ｄ変換器２２と、演算装置としてのＣＰＵ２４と、記憶装置としてのＲＯＭ２６と、ＲＡＭ２８とから構成されている。Ａ／Ｄ変換器２２は、加速度計１０からの信号をデジタル信号に変換するものであり、該Ａ／Ｄ変換器２２からデジタル化された加速度信号がＣＰＵ２４、ＲＯＭ２６、ＲＡＭ２８にそれぞれ送信されるようになっている。デジタル化された信号（前後加速度信号、上下加速度信号）は、ＲＡＭ２８に一旦記憶され、ＣＰＵ２４により所定の処理がされるようになっている。例えば、ＲＡＭ２８には、腰部の加速度信号の時間変化波形が時間計測部３０からの時間情報とともに記憶されるようになっている。加速度信号の時間変化波形は、例えば歩行動作の数周期分がＲＡＭ２８に記憶されるようにすることができる。

また、ＲＯＭ２６には、ＲＡＭ２８に記憶される前後加速度信号、上下加速度信号から、特定の歩行動作を行うタイミングやその期間（特定期間）を抽出するためのプログラムが格納されている。特定の歩行動作とは、減速動作と加速動作である。ここで減速動作は地面に左右どちらかの足（Ａ足）の踵が接地し、もう一方の足（Ｂ足）が地面から離れるまでの動作である。加速動作は、地面から離れた足（Ｂ足）が地面に接地するまでの動作である。このプログラムはＣＰＵ２４により実行されるようになっており、このプログラムと、該プログラムを格納するＲＯＭ２６と、ＣＰＵ２４とが本実施形態特定期間を抽出する手段を構成する。また、ＲＯＭ２６には、ＲＡＭ２８に記憶される加速度信号の時間変化から、特定期間抽出手段により特定期間であると判定された期間内における各加速度に基づいて、歩数を算出するプログラムが格納されている。特定期間抽出手段と同様に、該プログラムとＣＰＵ２４とが本実施形態における歩数計測手段を構成する。

また、本実施形態の歩数計測装置は、外部とのデータのやりとりをできる入出力インターフェースを有するようにしてもよい。

また、本実施形態の歩数計測装置は、使用者の情報等を入力する入力部を備えるようにしてもよい。

（第１実施形態）
続いて、本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。まず、第１実施形態として、特定期間における上下加速度と前後加速度の絶対値を乗算することにより歩数を計測する実施形態について説明する。

第１実施形態に係る歩数計測装置１００は、歩行時の腰部における上下方向、前後方向の各加速度を検出する加速度計測手段（加速度計１０）と、該加速度のうち少なくとも１つの加速度の時間変化に基づいて、特定の歩行動作が行われる特定期間を抽出する期間抽出手段（ＲＯＭ２６、ＣＰＵ２４）と、該特定期間における加速度を抽出する加速度抽出手段（ＲＯＭ２６、ＣＰＵ２４）と、該加速度抽出手段により抽出された上下加速度と前後加速度の絶対値を乗算する加速度乗算手段（ＲＯＭ２６、ＣＰＵ２４）と、該加速度乗算手段により算出された積の結果の中で極大値を算出する極大値算出手段（ＲＯＭ２６、ＣＰＵ２４）と、全ての測定期間において、前記極大値算出手段により算出された極大値の出現回数を計測する計測手段（ＲＯＭ２６、ＣＰＵ２４）と、該期間以外の加速度は０に変換する処理手段（ＲＯＭ２６、ＣＰＵ２４）とを有する。

次に、該期間抽出手段について説明する。

図２に検出された２方向の加速度を、上下加速度の上方向を正、前後方向の加速方向を正としてＸ軸を時間、Ｙ軸を加速度として時間と加速度の関係を示す。図３は一周期（１歩）を拡大し、上下前後の加速度と時間の関係を示す。

歩行動作とは、減速動作と加速動作を繰り返している。減速動作を行っている期間を減速期、加速動作を行っている期間を加速期と示す。減速期は地面に左右どちらかの足（Ａ足）の踵が接地し、もう一方の足（Ｂ足）が地面から離れるまでの期間とする。加速期は、地面から離れた足（Ｂ足）が地面に接地するまでの期間とする。図３に示すように、減速期は上下加速度が正の値、前後加速度が負の値を示す特徴がある。一方、加速期は上下加速度の前半期が負、後半期が正の値を示し、前後加速度は正の値を示す。

実施形態では特定期間として減速期を抽出したが、減速期、加速期のいずれか１つを抽出すれば良い。

次に加速度乗算手段、極大値抽出手段及び計測手段について説明する。

加速度乗算手段では、該各特定期間において、該上下加速度と該前後加速度の絶対値を乗算する。その結果を図４に示す。該特定期間以外の加速度は０に変換している。極大値抽出手段では、各該特定期間において、極大値を検出する。第１実施形態では０より大きい極大値を検出しているが、１（ｍ／sec^２）以上、或いは１．５（ｍ／sec^２）以上の極大値のみを検出してもよい。計測手段では、全測定期間において極大値の出現回数を歩数として計測する。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態にかかる歩数計測装置１００について説明する。第１実施形態と異なる点は、加速度乗算手段である。第２実施形態では、該特定期間における該上下加速度の絶対値の最大値と該前後加速度の絶対値の最大値を乗算している。その結果を図５に示す。各該特定期間における極大値を検出し、全測定期間において極大値の出現回数を歩数として計測する。

（第３実施形態）
第３実施形態にかかる歩数計測装置１００について説明する。第１実施形態と異なる点は、加速度乗算手段である。第３実施形態では、該特定期間における該上下加速度の絶対値の最大値、或いは該前後加速度の絶対値の最大値を２乗している。その結果を図６及び図７に示す。各該特定期間における極大値を検出し、全測定期間において極大値の出現回数を歩数として計測する。

本発明においては、前述したような方法により歩行者の歩行速度の大きさに影響を受けず、より高精度に歩数を計測することができる。

本発明の歩数計測装置の一例を示すブロック図 上下方向及び前後方向と時間の関係を示す図 上下方向及び前後方向と時間の関係を示す図（１周期） 第１実施形態において、特定期間において、上下加速度と前後加速度の絶対値を乗算した歩数計測波形図 特定期間における上下加速度の絶対値の最大値と前後加速度の絶対値の最大値を乗算した歩数計測波形図 第３実施形態において、特定期間における上下加速度の絶対値の最大値を２乗した歩数計測波形図 第３実施形態において、特定期間における前後加速度の絶対値の最大値を２乗した歩数計測波形図

符号の説明

１０ 加速度計（加速度計測手段）
２０ 演算部
２４ ＣＰＵ
２６ ＲＯＭ
１００ 歩数計測装置

Claims (6)

1. 歩行時における腰部の上下方向における加速度である上下加速度と、歩行時における腰部の前後方向における加速度である前後加速度とをそれぞれ検出し、それらの時間変化を計測する加速度計測手段と、
   前記加速度の時間変化に基づいて、歩行時に前記上下加速度が正、且つ前記前後加速度が負の値となる特定の歩行動作が行われる特定期間を抽出する特定期間抽出手段と、
   前記特定期間における加速度を抽出する加速度抽出手段と、
   前記加速度抽出手段により抽出された少なくとも１つの加速度の絶対値を乗算する加速度乗算手段と、
   １つの前記特定期間内で前記加速度乗算手段により算出された積の結果の中で極大値を算出する極大値算出手段と、
   全測定期間において、前記極大値算出手段により算出された極大値の出現回数を計測する計測手段とを備えることを特徴とする歩数計測装置。
2. 請求項１に記載の歩数計測装置において、
   前記加速度乗算手段は、前記特定期間における前記上下加速度と前記前後加速度の絶対値を乗算することを特徴とする歩数計測装置。
3. 請求項１に記載の歩数計測装置において、
   前記加速度乗算手段は、前記特定期間における前記上下加速度の絶対値の最大値と前記前後加速度の絶対値の最大値を乗算することを特徴とする歩数計測装置。
4. 請求項１に記載の歩数計測装置において、
   前記加速度乗算手段は、前記特定期間における１つの加速度の絶対値を２乗することを特徴とする歩数計測装置。
5. 請求項１に記載の歩数計測装置において、
   前記加速度乗算手段は、前記特定期間における１つの加速度の絶対値の最大値を２乗することを特徴とする歩数計測装置。
6. 請求項１に記載の歩数計測装置において、
   前記特定期間以外の加速度は０に変換することを特徴とする歩数計測装置。

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