JP5021558B2

JP5021558B2 - 運動学習支援装置

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Publication number: JP5021558B2
Application number: JP2008125641A
Authority: JP
Inventors: 巧山田; 雅之中村; 二朗中村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2028-05-13
Also published as: JP2009273551A

Description

本発明は、検出した表面筋電信号により運動の学習を支援する運動学習支援装置に関するものである。

筋肉（骨格筋）の力のいれ具合、いわゆる筋張力は、神経パルスにより刺激された筋細胞膜が興奮して筋肉が収縮しようとすることで起こる。この興奮を皮膚上に貼着した電極により電気的に計測したものが、表面筋電信号である。なお、以降では、特の断りのない限り、表面筋電信号のことを、筋電信号という。筋電信号を運動学習に用いる技術は、例えば、特許文献１に示されているように、筋電信号から動作部分のインピーダンスを計算し、この計算の結果を表示することで筋肉の使い方を定量的に利用者に示すものである。

また、特許文献２には、正しいフォームの獲得のために、筋電センサや加速度センサにより検出された筋肉の活動状態を、音信号により利用者にフィードバックすることで、トレーニングを支援する方法について示されている。

これらは、筋電信号の強度が筋出力に比例していることを利用したものであり、利用者が無意識のうちに行っている筋への作用を、利用者が知るのに有効な手段である。さらに、電気刺激によりフィードバックを行う例として、非特許文献１に示された事例がある。これは、書道の熟練者の筋電信号をもとに電気刺激の信号を生成し、生成した電気刺激を初心者に与えることで、筆遣いの取得を感覚的に行うことを目的とした研究である。

特許第４００５８６４号公報特開平７−０６７９８２号公報内藤裕他、「感覚情報を用いた書道における教示効果」、電気情報通信学会、信学技報、Vol.103, No.734, pp.139-144,２００４。

ところで、例えばゴルフスクールやテニススクールのレッスンなどの運動指導の現場では、指導者が生徒のフォームを観察し、これについてアドバイスをすることが指導が行われている。一般に、意識しやすいゆっくりとした運動ではこの方法も有効であるが、一連の流れの中で行われる素早い動作では、意識的に動作を修正（変更）することには限界がある。さらに、一連の動作の中で各部位を使うタイミングを指導する場合には、指導者が自身の手で生徒の対象となる部位を支持して動かすことで行われることもある。しかしながらこの方法では、動作が他動的に行われるため、指導を受ける対象者（被指導者）は、どの様な筋肉の作用を行えば、目的となる動作が導かれるのを理解しにくいという問題がある。

また、前述した筋電信号から求められた筋に関する情報を表示あるいや音などで被指導者にフィードバックすることは、無意識に行われている筋への作用および結果としての運動を認知できるという点では有効であるが、被指導者がどの様に筋を作用させればよいかという直感的な解決策には乏しい。また、非特許文献１に示された、与える電気刺激を事前にプログラムしておく方法では、プログラムのために多大な労力が必要となり、様々な動作に適用させることが容易ではないという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より容易に運動の指導などの運動学習の支援が行えるようにすることを目的とする。

本発明に係る運動学習支援装置は、指導者の各部位に取り付けられ、指導者の各部位の筋肉の動きに対応して皮膚の表面に発生する筋電信号を検出する複数の検出用電極と、複数の検出用電極の各々で検出された複数の筋電信号の変化に対応する複数のフィードバック信号を生成する信号発生手段と、被指導者の各部位に取り付けられ、信号発生手段が生成する複数のフィードバック信号を被指導者の対応する各部位に出力する複数の出力用電極とを少なくとも備えるものであり、出力用電極は、被指導者の皮膚に貼着されるものであり、フィードバック信号は、被指導者の筋肉に刺激を与える信号である。

また、本発明に係る運動学習支援装置は、指導者の動作を撮影するカメラと、指導者の所定の部位に取り付けられ、指導者の動作による部位の筋肉の動きに対応して皮膚の表面に発生する筋電信号を検出する検出用電極と、カメラにより指導者の動作を撮影した画像と検出用電極で検出された筋電信号とを記憶する記憶部と、記憶部に記憶された画像を再生して表示する画像再生表示手段と、画像再生表示手段により表示される指導者の動作に同期して記憶部に記憶されている筋電信号の変化に対応するフィードバック信号を生成する信号発生手段と、被指導者の所定の部位に取り付けられ、信号発生手段が生成するフィードバック信号を出力する出力用電極とを少なくとも備えるものであり、出力用電極は、被指導者の皮膚に貼着されるものであり、フィードバック信号は、被指導者の筋肉に刺激を与える信号である。

上記運動学習支援装置において、記憶部に記憶された録画画像は、ネットワークを介して接続された画像再生表示手段に送信され、記憶部に記憶された筋電信号は、ネットワークを介して接続された信号発生手段に送信されるようにしてもよい。なお、複数の検出用電極と複数の出力用電極を備え、複数の検出用電極の各々で検出された複数の筋電信号に対応する複数のフィードバック信号が生成され、複数の出力用電極が複数のフィードバック信号の各々を出力するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、検出用電極で検出された筋電信号の変化に対応するフィードバック信号を出力用電極から出力するようにしたので、より容易に運動の指導などの運動学習の支援が行えるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における運動学習支援装置の構成を示す構成図である。本実施の形態における運動学習支援装置は、検出用電極１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃと、信号発生部１０２と、出力用電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃとを備える。図１では、運動学習支援装置をゴルフスイングのレッスンに適用した場合を例にしている。

本実施の形態では、検出用電極１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃは、指導者１３１の上腕部，大腿部，下腿部の皮膚に貼着され、各部分の筋肉の動きに対応して皮膚の表面に発生する筋電信号を検出する。例えば、検出用電極１０１ａは、上腕三頭筋の動きに対応して当該箇所の皮膚表面に発生する筋電信号を検出する。また、検出用電極１０１ｂは、大腿４頭筋の動きに対応して当該箇所の皮膚表面に発生する筋電信号を検出する。また、検出用電極１０１ａは、下腿三頭筋の動きに対応して当該箇所の皮膚表面に発生する筋電信号を検出する。

信号発生部１０２は、筋電位測定部１２１，信号加工部１２２，フィードバック信号生成・出力部１２３を備え、検出用電極１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃで検出された筋電信号の変化に対応するフィードバック信号を生成する。

まず、筋電位測定部１２１は、各検出用電極で検出された微弱な皮膚表面の電位（筋電信号）を、アナログ信号として差動増幅し、これを１ｋＨｚ〜２ｋＨｚ程度のサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換してデジタルデータ列（デジタル信号）とする。finite

信号加工部１２２は、筋電位測定部１２１より出力されるデジタル信号を、全波整流してから適宜に係数を設定したデジタルフィルタにより平均化処理して加工信号とする。デジタルフィルタとしては、よく知られたＦＩＲ(Finite-duration Impulse Response)フィルタあるいはＩＩＲ(Infinite -duration Impulse Response)フィルタを用いることができる。神経生理学的な研究から、前述したように得られた筋電信号と筋張力との関係は、上述したようなデジタルフィルタ（２次のローパスフィルタ）による平均化処理で十分に表され、筋張力を測定することなく、筋電位信号から筋張力の推定が可能であることが知られている。従って、指導者１３１から取得した筋電信号を上述したように適宜処理することで得られた信号は、指導者１３１の力の入れ具合を高い精度で反映して表現していることになる。

フィードバック信号生成・出力部１２３は、信号加工部１２２より出力される加工信号を５０Ｈｚ以下の周波数でサンプリングし、このサンプリング点に刺激用のパルス信号を当てはめたフィードバック信号を生成して出力する。出力されたフィードバック信号は、出力用電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃにより、被指導者１３２の対応する部位に印加される。出力用電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃは、被指導者１３２の上腕部，大腿部，下腿部の皮膚に貼着されている。これらは、指導者１３１における検出用電極１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの貼着部位と同様である。

フィードバック信号生成・出力部１２３が生成する刺激用のフィードバック信号は、例えば、医療用として用いられている低周波治療器と同等のパルス信号とすればよい。生成するフィードバック信号におけるパルス幅，パルス高，および繰り返し周波数は、被指導者１３２が受ける刺激に応じて事前に調節しておく。例えば、目的とする指導（運動）を行う前に、基準となる運動強度の模擬動作を行い、電気刺激の強度が足りなければパルス幅，パルス高，および繰り返し周波数を増加させ、電気刺激の強度が強ければパルス幅，パルス高，および繰り返し周波数を減じることで基準値を決めておく。

このようにして設定したパルス幅，パルス高，および繰り返し周波数による電気刺激を、出力用電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃにより、被指導者１３２の対応する筋肉に与えて筋収縮を起こさせることで、指導者１３１と同じタイミングで運動を導くことができる。また、複数の電極を、指導者と被指導者の双方に貼着することで、各部位の連動のタイミングや力の強弱を、被指導者１３２に体感させることが可能となる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２は、本発明の実施の形態２における運動学習支援装置の構成を示す構成図である。本実施の形態における運動学習支援装置は、前述した実施の形態１と同様に、指導者１３１の所定部位に貼着された検出用電極１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃと、被指導者１３２の対応する部位に貼着された出力用電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃとを備える。

また、本実施の形態では、指導者１３１の動作（例えばゴルフスイング）を撮影するカメラ（ビデオカメラ）２０１と、新たに記憶部２２４を備えた信号発生部２０２とを備える。信号発生部２０２は、筋電位測定部１２１，信号加工部１２２，記憶部２２４，およびフィードバック信号生成・出力部２２３を備え、検出用電極１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃで検出された筋電信号の変化に対応するフードバック信号を生成する。また、記憶部２２４に記憶された画像を再生出力する画像表示部２０３を備える。

まず、筋電位測定部１２１は、各検出用電極で検出された微弱な皮膚表面の電位（筋電信号）を、アナログ信号として差動増幅し、これを１ｋＨｚ〜２ｋＨｚ程度のサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換してデジタルデータ列（デジタル信号）とする。信号加工部１２２は、筋電位測定部１２１より出力されるデジタル信号を、全波整流してから適宜に係数を設定したデジタルフィルタにより平均化処理して加工信号とする。これらの処理は、前述した実施の形態１と同様である。

本実施の形態では、まず、信号加工部１２２より出力される加工信号が、記憶部２２４に記憶される。また、上述したように筋電信号が検出されたときの指導者１３１の動作が、カメラ２０１に撮影され、撮影された画像が記憶部２２４に記憶される。従って、記憶部２２４には、録画された指導者１３１の動作による指導者１３１の筋肉の動きに対応して皮膚の表面に発生した筋電信号の変化に対応した加工信号が記憶される。ここで、加工信号は、筋電信号が検出された時間的な経緯を含めた情報とともに記憶される。例えば、録画の開始とともに、時系列的に加工信号が記憶される。

フィードバック信号生成・出力部２２３は、記憶部２２４に記憶されている加工信号を５０Ｈｚ以下の周波数でサンプリングし、このサンプリング点に刺激用のパルス信号を当てはめたフィードバック信号を生成する。加えて、フィードバック信号生成・出力部２２３は、記憶部２２４に記憶されている録画画像とともに生成したフィードバック信号を出力する。ここで、フィードバック信号生成・出力部２２３は、生成したフィードバック信号を、上記録画画像に同期させて出力する。例えば、時系列的に記憶されている加工信号の記憶タイミングに対応させてフィードバック信号を出力する。フィードバック信号生成・出力部２２３より出力される録画画像は、画像表示部２０３に出力されて視認可能に再生表示される。

また、フィードバック信号生成・出力部２２３より出力されたフィードバック信号は、出力用電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃにより、被指導者１３２の対応する部位に印加される。出力用電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃは、被指導者１３２の上腕部，大腿部，下腿部の皮膚に貼着されている。これらは、指導者１３１における検出用電極１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの貼着部位と同様である。

なお、フィードバック信号生成・出力部２２３が生成する刺激用の信号（フィードバック信号）は、前述した実施の形態１と同様であり、例えば、医療用として用いられている低周波治療器と同等のパルス信号とすればよい。また、生成するフィードバック信号におけるパルス幅，パルス高，および繰り返し周波数は、被指導者１３２が受ける刺激に応じて事前に調節しておく。

このようにして設定したパルス幅，パルス高，および繰り返し周波数による電気刺激は、画像表示部２０３に表示再生される指導者１３１の動作に同期して、出力用電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃより、被指導者１３２の対応する筋肉に与えて筋収縮を起こさせることで、表示再生される指導者１３１の動作と同じタイミングで運動を導くことができる。また、複数の電極を用いることで、前述した実施の形態１と同様に、各部位の連動のタイミングや力の強弱を、被指導者１３２に体感させることが可能となる。これらのことにより、指導者がいないときでも、被指導者に対する指導が行える。また、反復して行うことができる。また、複数の被指導者に対して同時に指導を行うことも可能となる。

また、記憶部２２４に記憶する録画の画像を被指導者自身の動作とし、記憶部２２４に記憶する加工信号を被指導者自身より検出された筋電信号より生成してもよい。このようにすることで、よい動作が行えたときの動作および筋電信号（加工信号）を記憶しておけば、この状態を被指導者に再現させるための装置として用いることができる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図３は、本発明の実施の形態３における運動学習支援装置の構成を示す構成図である。本実施の形態における運動学習支援装置は、前述した実施の形態２と同様に、指導者１３１の所定部位に貼着された検出用電極１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃと、被指導者１３２の対応する部位に貼着された出力用電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃとを備える。

また、本実施の形態でも、指導者１３１の動作を撮影するカメラ２０１と、記憶部２２４を備えた信号発生部２０２とを備える。信号発生部２０２は、筋電位測定部１２１，信号加工部１２２，記憶部２２４，およびフィードバック信号生成・出力部２２３を備え、検出用電極１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃで検出された筋電信号の変化に対応するフィードバック信号を生成する。また、記憶部２２４に記憶された画像を再生出力する画像表示部２０３を備える。

筋電位測定部１２１は、各検出用電極で検出された微弱な皮膚表面の電位（筋電信号）を、アナログ信号として差動増幅し、これを１ｋＨｚ〜２ｋＨｚ程度のサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換してデジタルデータ列（デジタル信号）とする。信号加工部１２２は、筋電位測定部１２１より出力されるデジタル信号を、全波整流してから適宜に係数を設定したデジタルフィルタにより平均化処理して加工信号とする。これらの処理は、前述した実施の形態２と同様である。

また、信号加工部１２２より出力される加工信号が、記憶部２２４に記憶される。また、上述したように筋電信号が検出されたときの指導者１３１の動作が、カメラ２０１に撮影され、撮影された画像が記憶部２２４に記憶される。これらの処理は、前述した実施の形態２と同様である。

本実施の形態では、上述したように記憶部２２４に記憶された加工信号および画像が、送信部３０１よりネットワーク３０２を経由して受信部３０３に送信される。受信部３０３で受信された加工信号は、フィードバック信号生成・出力部２２３によりフィードバック信号とされ、受信された画像に同期して出力される。本実施の形態では、前述した実施の形態２における信号発生部２０２に相当する部分が、ネットワーク３０２を介して異なる箇所に分離されているようにしたものである。

なお、フィードバック信号生成・出力部２２３より出力される録画画像は、前述した実施の形態２と同様に、画像表示部２０３に出力されて視認可能に再生表示される。また、フィードバック信号生成・出力部２２３より出力されたフィードバック信号は、出力用電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃにより、被指導者１３２の対応する部位に印加される。

上述した本実施の形態３によれば、指導者と被指導者とが離れた場所に存在している場合でも、指導が行えるようになる。このように、本実施の形態によれば、例えば、指導者および被指導者の都合のよい場所において指導が行える。また、前述した実施の形態２と同様に、指導者がいないときでも、被指導者に対する指導が行える。また、反復して行うことができる。また、複数の被指導者に対して同時に指導を行うことも可能となる。

本実施の形態によれば、職業的にスポーツを行っている有名な選手の模範動作を、上述したように筋電信号に対応したフィードバック信号とともに、インターネットなどの広域通信網（ネットワーク）で配信することも可能であり、利用者（被指導者）は自宅にいながらにして理想とする運動選手の運動感覚を体験（体感）することが可能となる。また、これらのことは、課金システムと組み合わせることも可能である。

本発明の実施の形態１における運動学習支援装置の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態２における運動学習支援装置の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態３における運動学習支援装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ…検出用電極、１０２…信号発生部、１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ…出力用電極、１２１…筋電位測定部、１２２…信号加工部、１２３…フィードバック信号生成・出力部、１３１…指導者、１３２…被指導者。

Claims

指導者の各部位に取り付けられ、前記指導者の各部位の筋肉の動きに対応して皮膚の表面に発生する筋電信号を検出する複数の検出用電極と、
前記複数の検出用電極の各々で検出された複数の筋電信号の変化に対応する複数のフィードバック信号を生成する信号発生手段と、
被指導者の各部位に取り付けられ、前記信号発生手段が生成する複数の前記フィードバック信号を前記被指導者の対応する各部位に出力する複数の出力用電極と
を少なくとも備え、
前記出力用電極は、前記被指導者の皮膚に貼着されるものであり、
前記フィードバック信号は、前記被指導者の筋肉に刺激を与える信号である
ことを特徴とする運動学習支援装置。
指導者の動作を撮影するカメラと、
前記指導者の所定の部位に取り付けられ、前記指導者の前記動作による前記部位の筋肉の動きに対応して皮膚の表面に発生する筋電信号を検出する検出用電極と、
前記カメラにより前記指導者の動作を撮影した画像と前記検出用電極で検出された筋電信号とを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された画像を再生して表示する画像再生表示手段と、
前記画像再生表示手段により表示される前記指導者の動作に同期して前記記憶部に記憶されている筋電信号の変化に対応するフィードバック信号を生成する信号発生手段と、
被指導者の前記所定の部位に取り付けられ、前記信号発生手段が生成する前記フィードバック信号を出力する出力用電極と
を少なくとも備え、
前記出力用電極は、前記被指導者の皮膚に貼着されるものであり、
前記フィードバック信号は、前記被指導者の筋肉に刺激を与える信号である
ことを特徴とする運動学習支援装置。
請求項２記載の運動学習支援装置において、
前記記憶部に記憶された画像は、ネットワークを介して接続された前記画像再生表示手段に送信され、
前記記憶部に記憶された前記筋電信号は、ネットワークを介して接続された前記信号発生手段に送信される
ことを特徴とする運動学習支援装置。
請求項２または３記載の運動学習支援装置において、
複数の検出用電極と複数の出力用電極を備え、
複数の前記検出用電極の各々で検出された複数の筋電信号に対応する複数のフィードバック信号が生成され、
複数の前記出力用電極が複数の前記フィードバック信号の各々を出力する
ことを特徴とする運動学習支援装置。