JP5392671B2 - Walking measurement device - Google Patents
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Description
本発明は歩行計測装置に係り、更に詳しくは、歩行者の歩行に伴う下肢の動きを把握するための歩行計測装置に関する。 The present invention relates to a gait measuring device, and more particularly to a gait measuring device for grasping the movement of a lower limb accompanying pedestrian walking.
高齢化により生じる歩行機能の低下を未然に把握し、このような機能低下防止のトレーニング等を効果的に行うためには、適正な歩行評価が必要になる。また、高齢化や疾病により歩行障害が生じた場合には、適正な歩行評価を行った上で、適切なリハビリテーションを行う必要がある。以上の歩行評価は、医師や理学療法士が対象者(患者)を目視観察して行われるが、各医師や理学療法士の感覚に頼る部分が大きく、視者によって評価結果が異なる場合がある。 Appropriate walking evaluation is required to grasp the decline in walking function caused by aging and to effectively perform training for preventing such function deterioration. In addition, when a walking disorder occurs due to aging or illness, it is necessary to perform an appropriate rehabilitation after performing an appropriate walking evaluation. The above gait evaluation is performed by a doctor or a physical therapist visually observing the subject (patient), but it depends largely on the sense of each doctor or the physical therapist, and the evaluation result may vary depending on the viewer. .
ところで、特許文献1には、被験者となる歩行者の足部の動きを計測可能な歩行解析システムが開示されている。この歩行解析システムは、歩行者の足部に装着されて当該足部の加速度データや角速度データを測定した上で無線出力するセンサと、このセンサからのデータを受信するアクセスポイントと、当該アクセスポイントからネットワークを通じて前記データが入力され、当該データから歩行者の歩行速度等のリハビリテーション用解析項目を求める歩行解析装置とからなる。
しかしながら、前記歩行解析システムにあっては、リハビリテーション用解析項目として、足部のストライド長、ステップ長、歩行速度等を求めるに過ぎないことから、歩行者の下肢全体の動きを定量的に求めることができず、下肢全体の動きの評価は、依然として医師や理学療法士の目視観察に頼らざるを得ないという問題がある。また、前記歩行解析システムでは、センサからのデータがネットワークを通じて歩行解析装置に送信される構造であるため、センサからのデータを送受信可能な領域範囲でしか利用することができず、どこでも自由に利用できないという問題もある。更に、前記歩行解析システムでは、前記センサを足部のみならず脚部の複数箇所に付けると、データ通信量が増大するため、データ通信を効率良く、且つ、瞬時に行うための別の機能を付加しなければならず、システム構成が大掛かりになってしまうという問題がある。 However, in the gait analysis system, as the analysis items for rehabilitation, only the stride length, step length, walking speed, etc. of the foot are obtained, so the movement of the entire limb of the pedestrian is quantitatively obtained. However, there is a problem that the evaluation of the movement of the entire lower limbs still depends on the visual observation of a doctor or a physical therapist. In the gait analysis system, the data from the sensor is transmitted to the gait analysis device through the network, so the data from the sensor can be used only in the area where data can be transmitted and received, and can be used anywhere. There is also a problem that it cannot be done. Furthermore, in the gait analysis system, if the sensor is attached not only to the foot part but also to a plurality of parts of the leg part, the amount of data communication increases, so another function for performing data communication efficiently and instantaneously is provided. There is a problem that the system configuration becomes large.
本発明は、このような問題に着目して案出されたものであり、その目的は、簡単な装置構成で、設置場所を問わずに歩行者の下肢の動きを定量的に求めることができる歩行計測装置を提供することにある。 The present invention has been devised by paying attention to such a problem, and its purpose is to quantitatively determine the movement of the lower limbs of a pedestrian regardless of the installation location with a simple device configuration. The object is to provide a walking measurement device.
(1)前記目的を達成するため、本発明は、歩行者とともに移動しながら歩行者の下肢の動きを計測する歩行計測装置であって、
前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出する、という構成を採っている。
(1) In order to achieve the above object, the present invention is a gait measuring device that measures the movement of a limb of a pedestrian while moving with the pedestrian,
A position and orientation sensor that measures the three-dimensional position and posture of the pedestrian's thigh and toe, and a plurality of feature points set in the lower limb to specify the state of the lower limb at predetermined time intervals A feature point calculation means to be obtained,
The feature point calculation means employs a configuration in which the position of each feature point is calculated at each predetermined time by substituting the measurement value of the position and orientation sensor into an arithmetic expression based on a predetermined lower limb model. Yes.
(2)また、本発明は、歩行者に自動的に追従しながら当該歩行者の下肢の動きを計測する歩行計測装置であって、
装置全体を駆動装置によって自律移動させる移動体と、前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、当該位置姿勢センサの測定値から、前記歩行者との相対位置関係を予め設定した一定状態に維持するように前記駆動装置の動作を制御する移動制御手段と、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出する、という構成を採ることが好ましい。
(2) Moreover, this invention is a walk measurement apparatus which measures the motion of the said leg of the said pedestrian, following a pedestrian automatically,
From a moving body that autonomously moves the entire apparatus by a driving device, a position and orientation sensor that measures the three-dimensional position and orientation of the thigh and toe of the pedestrian, and the measured value of the position and orientation sensor, the pedestrian Movement control means for controlling the operation of the driving device so as to maintain the relative positional relationship in a preset constant state, and a plurality of feature point positions set in the lower limb to specify the state of the lower limb. And feature point calculation means for obtaining every predetermined time,
The feature point calculation means adopts a configuration in which the position of each feature point is calculated at each predetermined time by substituting the measurement value of the position and orientation sensor into an arithmetic expression based on a predetermined lower limb model. Is preferred.
本発明によれば、下肢の状態を特定するのに必要となる複数の特徴点の位置が一定時間毎に測定されることになるため、各測定時間において、得られた各特徴点の位置を順に結ぶことで、時間毎の下肢の状態を得ることができ、当該下肢状態を時系列的に並べて対比することで、下肢の動きを定量的に求めることができる。また、本発明の歩行計測装置では、歩行者とともに移動しながら当該歩行者の下肢の動きを計測するため、インターネット等のネットワーク通信等の通信環境が不要となり、簡単な装置構成により、屋内屋外問わずに通信環境が整わない場所でも、歩行者の下肢の動きを求めることができる。更に、下肢の状態を特定するのに必要となる複数の特徴点全部にセンサを取り付ける必要がなく、大腿部及び爪先部の最低二箇所の位置姿勢をセンシングすることで、各特徴点の位置を求めることができる。このため、データの複雑なやり取りが不要となるばかりか、前記特徴点として挙げられる関節部分にセンサを取り付ける必要がなくなるため、当該センサによる歩行者への歩行負担を低減することができる。しかも、センサを固定し易い大腿部及び爪先部にセンサを取り付ければ良いことから、歩行中のセンサの不意な脱落を防止することもできる。この結果、簡単な装置構成で下肢のデータを確実に取得することができる。 According to the present invention, since the positions of a plurality of feature points necessary for specifying the state of the lower limb are measured at regular time intervals, the position of each obtained feature point is determined at each measurement time. By connecting in order, the state of the lower limb for each hour can be obtained, and the movement of the lower limb can be quantitatively obtained by comparing the lower limb state in time series. Further, in the walking measurement apparatus of the present invention, since the movement of the lower limbs of the pedestrian is measured while moving with the pedestrian, a communication environment such as network communication such as the Internet is not required, and the simple apparatus configuration can Even in a place where the communication environment is not established, the movement of the lower limbs of the pedestrian can be obtained. Furthermore, it is not necessary to attach sensors to all of the plurality of feature points required to specify the state of the lower limbs, and by sensing the position and orientation of at least two locations of the thigh and toe, the position of each feature point Can be requested. For this reason, not only complicated exchange of data becomes unnecessary, but it is not necessary to attach a sensor to the joint portion mentioned as the feature point, so that the walking burden on the pedestrian by the sensor can be reduced. In addition, since the sensor only needs to be attached to the thigh and the toe portion where the sensor is easily fixed, it is possible to prevent the sensor from being accidentally dropped during walking. As a result, lower limb data can be reliably acquired with a simple device configuration.
特に、前記(2)のように構成することで、歩行者に自動追従しながら、歩行者の下肢の動きを求めることができるため、位置姿勢センサの本体や特徴点算出手段等を構成する機器が大型であり、当該機器を歩行者の身体の一部に取り付けできないような場合でも、歩行者や他の者が前記機器を歩行者の歩行とともに人為的に移動させる必要がなく、このような手間を掛けずに下肢の動きを求めることができる。また、歩行者の歩行動作を測定するための位置姿勢センサの測定値を使って、移動体の自動追従制御も行われることになるため、当該自動追従制御用として新たなセンサ等を歩行者に取り付ける必要がなく、当該自動追従制御に伴う装置構成の大型化や複雑化を抑制することができる。 In particular, by configuring as described in (2) above, it is possible to obtain the movement of the lower limbs of the pedestrian while automatically following the pedestrian, so that the apparatus constituting the body of the position and orientation sensor, the feature point calculation means, etc. Even if the device is large and the device cannot be attached to a part of the pedestrian's body, there is no need for the pedestrian or other person to artificially move the device along with the pedestrian's walk. The movement of the lower limb can be obtained without taking time and effort. In addition, since the automatic tracking control of the moving body is also performed using the measurement value of the position and orientation sensor for measuring the walking motion of the pedestrian, a new sensor or the like for the automatic tracking control is provided to the pedestrian. There is no need to attach it, and the increase in size and complexity of the device configuration associated with the automatic tracking control can be suppressed.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1には、本実施形態に係る移動式の歩行計測装置の概略構成図が示されている。この図において、歩行計測装置10は、装置全体を移動させる移動体11と、移動体11に搭載された位置姿勢センサ13及び計測制御機器14とを備えて構成されている。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a mobile walking measurement apparatus according to the present embodiment. In this figure, the
前記移動体11は、計測制御機器14による後述の動作制御によって、被験者となる歩行者Hの歩行に伴い、当該歩行者Hの後方で自動的に追従可能となるように自律移動する。この移動体11は、位置姿勢センサ13及び計測制御機器14が配置された本体16と、本体16の底部の前側左右二箇所に回転可能に支持されたキャスター17,17と、本体16の底部の後側左右二箇所に回転可能に支持された駆動輪18,18と、左右両側の駆動輪18,18をそれぞれ独立して駆動させる駆動装置としてのモータ20と、左右両側の各駆動輪18,18の回転角度を測定するエンコーダ21とを備えて構成されている。
The
前記位置姿勢センサ13は、歩行者Hの下肢Kに存在する所定点の三次元位置・姿勢を測定可能なセンサであり、本実施形態では、公知の磁気センサが用いられている。この位置姿勢センサ13は、本体16に固定されて交流磁場を発生させるトランスミッタ22と、トランスミッタ22で本体16周辺に発生した交流磁場に応じて電流を発生するコイルからなるレシーバ23(マーカ)と、本体16に固定されるとともに、レシーバ23からの電流に応じて当該レシーバ23の三次元位置・姿勢を特定するセンサ本体25とからなる。
The position / orientation sensor 13 is a sensor capable of measuring the three-dimensional position / orientation of a predetermined point existing on the lower limb K of the pedestrian H. In the present embodiment, a known magnetic sensor is used. The position / orientation sensor 13 includes a
前記レシーバ23は、歩行者Hに装着されて当該装着部位の位置及び姿勢を測定するための装着用レシーバ27と、事前の設定に使用される初期設定用レシーバ28とが存在する。装着用レシーバ27は、歩行者Hの左右の大腿部K1と左右の爪先部K4とにベルト等の装着具30で着脱自在に装着される。初期設定用レシーバ28は、後述するように、歩行者Hが歩行を開始する前の静止状態で、歩行者Hの下肢Kに設定された複数の特徴点A〜Eの位置及び姿勢を測定する際に用いられる。これら各レシーバ27,28は、それぞれで発生した電流がケーブル32を通じてセンサ本体25に伝送するようになっている。なお、以下の説明において、大腿部K1に取り付けられた装着用レシーバ27の装着点を「大腿部測定点P1」と称し、爪先部K4に取り付けられた装着用レシーバ27の装着点を「爪先部測定点P2」と称する。また、以上の装着用レシーバ27及び初期設定用レシーバ28で検出される位置及び姿勢は、移動体11に取り付けられたトランスミッタ22の所定位置を原点G1とする位置姿勢センサ13の座標系における位置及び姿勢であり、以下、当該座標系を「移動体座標系」と称する。ここで、移動体座標系は、直交三軸(x軸、y軸、z軸)とし、以下、特に明示しない限り、移動体座標系における座標を(x,y,z)と表し、z軸回りの回転角A、y軸回りの回転角E、x軸回りの回転角Rとし、移動体座標系における姿勢を(A,E,R)と表す。
The
なお、ここでの位置姿勢センサ13は、公知のセンサを用いており、その構成や構造は、本発明の本質ではないことから、詳細な説明を省略する。また、位置姿勢センサ13としては、歩行者の大腿部K1及び爪先部K4の三次元位置・姿勢を測定可能なセンサであれば何でも良く、無線式等の他の磁気センサや光学式センサを用いることも可能である。但し、磁気センサを用いた方が、遮蔽物等が存在する等、計測環境が変化する屋外等で使用しても、より高精度に大腿部K1及び爪先部K4の三次元位置・姿勢を測定することができる。 The position / orientation sensor 13 used here is a known sensor, and since its configuration and structure are not the essence of the present invention, detailed description thereof will be omitted. The position / orientation sensor 13 may be any sensor that can measure the three-dimensional position / orientation of the pedestrian's thigh K1 and toe part K4. It is also possible to use it. However, even if the magnetic sensor is used outdoors where the measurement environment changes, such as the presence of a shielding object, the three-dimensional positions and postures of the thigh K1 and toe K4 can be more accurately determined. Can be measured.
前記計測制御機器14は、CPUボード、シリアルボード、カウンタボード、DAボード、モータドライバー、メモリ等からなるコンピュータによって構成され、複数のプログラムモジュール及び/又は処理回路より成り立っている。
The
この計測制御機器14は、位置姿勢センサ13の測定値から、歩行者Hとの相対位置関係を予め設定した一定状態に維持するようにモータ20の動作を制御する移動制御手段34と、予め仮定した下肢モデルに基づく演算式に所定時間毎に検出した位置姿勢センサ13の測定値を代入することで、前記特徴点A〜Eの位置を演算で求める特徴点算出手段35とを備えている。
This
前記移動制御手段34は、以下のようにモータ20を動作制御する。先ず、歩行者Hが歩行を開始する初期時(図2(A))に、歩行者Hの後方に位置する移動体11に取り付けられたセンサ本体25により、前記移動体座標系における左右両側の大腿部測定点P1,P1の位置が検出され、これら各測定点P1,P1の中点の位置が算出される。当該中点の位置は、歩行者Hを基準とした座標系(以下、「歩行者座標系」と称する。)の原点G2とされる。そして、歩行者座標系の原点G2から移動体座標系の原点G1に延びる位置ベクトルHpが求められる。位置ベクトルHpは、移動中一定となるように記憶される。なお、位置ベクトルHpは、一定値を予め記憶しておいてもよい。
The movement control means 34 controls the operation of the motor 20 as follows. First, at the initial time when the pedestrian H starts walking (FIG. 2 (A)), the
そして、所定時間後、歩行者Hが移動したときに(図2(B))には、歩行者座標系の原点G2から延びる一定の前記位置ベクトルHpが達する地点が、一瞬、移動体座標系の原点G1から外れ、この地点が移動体11の移動目標地点Mとなる。このとき、センサ本体25により、移動体座標系における左右両側の大腿部測定点P1,P1の位置及び姿勢が検出され、これら各測定点P1,P1の中点となる原点G2について、移動体座標系における平面位置が算出されるとともに、移動体座標系における上下方向(同図中紙面直交方向)となるz軸回りの回転角が算出される。
Then, after a predetermined time, when the pedestrian H is moved to (FIG. 2 (B)), it points to a certain of the position vector H p extending from the origin G2 pedestrian coordinate system reaches, momentarily, the mobile coordinate The point deviates from the origin G1 of the system, and this point becomes the movement target point M of the
次に、移動体座標系の原点G1から移動目標地点Mへの位置ベクトルEpが、以下の演算式を使って算出される。
そして、上式で求めた位置ベクトルEpの大きさと移動体座標系のy軸(図2(B)中上下方向)とのなす角θを内積によって求め、次式により、左右両側の駆動輪18,18の平均角速度ωと、移動体11の左右方向の回転(ステアリング)に必要となる左右両側の駆動輪18,18の差分速度ωsとが算出される。
更に、平均角速度ωから差分速度ωsを減算することで、左側の駆動輪18の角速度ω1が決定される一方、平均角速度ωに差分速度ωsを加算することで、右側の駆動輪18の角速度ω2が決定される。
Then, an angle θ formed by the magnitude of the position vector Ep obtained by the above equation and the y axis (vertical direction in FIG. 2B) of the moving object coordinate system is obtained by an inner product, and the left and right drive wheels are obtained by the following equation: The average angular speed ω of 18 and 18 and the differential speed ω s of the left and
Further, by subtracting the differential speed ω s from the average angular speed ω, the angular speed ω 1 of the
以上で求められた角速度ω1,ω2で各駆動輪18,18が回転するように、モータ20の駆動が制御される。この結果、移動体11は、自律移動して移動目標地点Mに到達し、歩行者Hの歩行に自動的に追従して、当該歩行者Hの後方の一定位置に移動することになる。なお、この移動制御は、移動体11の追従性を損ねない程度に一定時間毎に行われる。
The drive of the motor 20 is controlled so that the
前記特徴点算出手段35では、次のように歩行者Hの歩行中の特徴点A〜Eの位置(座標)が求められる。この特徴点A〜Eは、下肢Kの状態を特定するのに必須となる左右両側の下肢Kの五箇所にそれぞれ設定され、これら特徴点A〜Eを順に直線で結ぶと実際の下肢Kの状態に沿う模擬脚線が得られる。ここで、図1に示されるように、特徴点Aは、大腿骨の一部位である大転子であり、特徴点Bは、膝関節中心付近となる大腿骨外側顆(膝外側点)であり、特徴点Cは、足関節付近となるくるぶし部分(踝点)であり、特徴点Dは、中足骨関節付近となる足部で最も外側に張り出している部位(第五中足骨頭点)であり、特徴点Eは、足部で最も前側に張り出している部位(第一末節骨先端)である。 In the feature point calculation means 35, the positions (coordinates) of the feature points A to E during walking of the pedestrian H are obtained as follows. These feature points A to E are set at five locations on the left and right lower limbs K, which are essential for specifying the state of the lower limbs K. A simulated leg line that matches the condition is obtained. Here, as shown in FIG. 1, the feature point A is the greater trochanter which is one part of the femur, and the feature point B is the outer femoral condyle (outer knee point) near the knee joint center. Yes, the feature point C is an ankle portion (saddle point) near the ankle joint, and the feature point D is a portion (fifth metatarsal head point) that projects outwardly in the foot portion near the metatarsal joint. ), And the feature point E is a portion (first distal phalanx tip) that protrudes most forward in the foot.
そして、前記下肢モデルとして、図3に示されるように、片方の下肢Kを大腿部K1、下腿部K2、後足部K3、爪先部K4の四つの剛体で構成されていると考える。そこで、特徴点A、特徴点Bが大腿部K1の剛体上に存在し、特徴点D、特徴点Eが爪先部K4の剛体上に存在していると仮定する。また、大腿部K1と下腿部K2の間は、これらを直交三軸回りに相対回転可能にする三自由度の膝関節S1で連結され、下腿部K2と後足部K3の間は、同三自由度の足関節S2で連結され、後足部K3及び爪先部K4の間は、爪先部K4を後足部K3に対して上下方向にのみ回転可能にする一自由度の中足骨関節S3で構成されていると考える。 As the lower limb model, as shown in FIG. 3, one lower limb K is considered to be composed of four rigid bodies including a thigh K1, a crus K2, a hind leg K3, and a toe K4. Therefore, it is assumed that the feature point A and the feature point B exist on the rigid body of the thigh K1, and the feature point D and the feature point E exist on the rigid body of the toe portion K4. Further, the thigh K1 and the crus K2 are connected by a three-degree-of-freedom knee joint S1 that enables relative rotation about three orthogonal axes, and the crus K2 and the rear foot K3 are connected. The middle foot with one degree of freedom that is connected by the foot joint S2 having the same degree of freedom and that allows the toe portion K4 to rotate only in the vertical direction with respect to the rear foot portion K3 between the rear foot portion K3 and the toe portion K4. It is considered that it is composed of a bone joint S3.
そこで、特徴点算出手段35では、先ず、大腿部測定点P1を原点としたローカル座標系において当該大腿部測定点P1から特徴点A、特徴点Bにそれぞれ延びる剛体内位置ベクトルthpと、爪先部測定点P2を原点としたローカル座標系において当該爪先部測定点P2から特徴点D、特徴点Eにそれぞれ延びる剛体内位置ベクトルthpとが算出される。これら剛体内位置ベクトルthpは、大腿部測定点P1と特徴点A、特徴点Bとの相対位置関係、及び爪先部測定点P2と特徴点D、特徴点Eとの相対位置関係が歩行中も変わらないため、歩行者Hが歩行中であっても常に一定である。また、歩行者Hが歩行中のときは、大腿部K1及び爪先部K2に装着用レシーバ27が装着され、大腿部測定点P1と爪先部測定点P2の三次元位置・姿勢が測定されるため、これら測定値と、一定となる前記剛体内の位置ベクトルthpとから、歩行中における特徴点A、B、D、Eの座標が算出され、当該座標から、歩行中における残りの特徴点Cの座標が算出されることになる。当該算出手順につき、図4のフローチャートを用いながら以下に詳述する。
Therefore, in the feature point calculation means 35, first, a rigid body position vector th p extending from the thigh measurement point P1 to the feature point A and the feature point B in the local coordinate system with the thigh measurement point P1 as the origin, and Then, in the local coordinate system with the toe portion measurement point P2 as the origin, a rigid body position vector th p extending from the toe portion measurement point P2 to the feature point D and the feature point E is calculated. These rigid body position vectors th p have a relative position relationship between the thigh measurement point P1 and the feature point A and the feature point B, and a relative position relationship between the toe portion measurement point P2 and the feature point D and the feature point E. Since the inside does not change, even if the pedestrian H is walking, it is always constant. Further, when the pedestrian H is walking, the mounting
先ず、歩行者Hが歩行を開始する前の静止状態(以下、「測定開始前状態」と称する。)において、各剛体内位置ベクトルthpが次のように求められる(ステップS101)。 First, in a stationary state before the pedestrian H starts walking (hereinafter referred to as “pre-measurement start state”), each rigid body position vector th p is obtained as follows (step S101).
この際に用いられる前記初期測定用レシーバ28には、図1に示されるように、棒状体37が取り付けられており、医師や理学療法士等が、測定対象となる歩行者Hの左右両側の下肢Kにおける特徴点A〜Eに相当する部位を目視等で特定し、当該各部位に棒状体37の先端をそれぞれ接触させることで、移動体11のセンサ本体25で、各接触時における初期測定用レシーバ28の移動体座標系における三次元位置・姿勢がそれぞれ検出される。そして、次式により、移動体座標系の原点G1から各特徴点A〜Eにそれぞれ延びる移動体座標系の初期位置ベクトルtrpが求められる。
次に、歩行者Hが静止状態のままで、装着用レシーバ23により、大腿部測定点P1及び爪先部測定点P2の位置(x,y,z)及び姿勢(A、E、R)がそれぞれ検出され、当該位置(x,y,z)及び姿勢(A、E、R)を使い、先に求めた特徴点A、B、D、E点の初期位置ベクトルtrpから、次式により、各剛体内位置ベクトルthpが求められる。
その後、歩行者Hが移動を開始し、一定時間毎に、装着用レシーバ27により、大腿部測定点P1及び爪先部測定点P2の位置(x,y,z)及び姿勢(A、E、R)がそれぞれ検出される。この際、当該検出された位置(x,y,z)及び姿勢(A、E、R)と、先に求めた一定の各剛体内位置ベクトルthpとを使い、以下の式から、歩行中における移動体座標系の原点G1から特徴点A,B,D,Eにそれぞれ延びる移動時位置ベクトルtrpが、前記一定時間毎に求められる(ステップS102)。
次に、移動体座標系の原点G1から特徴点Cへ延びる移動時位置ベクトルtrcが、移動時位置ベクトルtrb、trd、treを使って以下のように算出される(ステップS103)。 Next, a moving position vector tr c extending from the origin G1 of the moving object coordinate system to the feature point C is calculated as follows using the moving position vectors tr b, tr d, and tr e (step S103). .
この際、図5に示されるように、下肢モデルの中足骨関節S3には、ローカル座標系となる中足骨関節座標系が定義される。この中足骨関節座標系は、特徴点Dを原点G3として相互に直交するX軸、Y軸、Z軸からなる。ここで、原点G3から特徴点Eを通る直線をX’軸とし、原点G3から予め設定した固定点D1を通る直線をY軸とし、X’軸とY軸との外積によってZ軸を定義し、当該Z軸とY軸との外積によってX軸を定義する。固定点D1は、第一中足骨頭点に相当する点であり、歩行者Hの歩行中でも、特徴点Dとの相対位置関係が一定になるように予め設定された定点で、特徴点Dとともに移動すると仮定される。従って、Y軸は、中足骨関節の軸方向すなわち足の横方向に沿う軸線となる。 At this time, as shown in FIG. 5, a metatarsal joint coordinate system serving as a local coordinate system is defined for the metatarsal joint S3 of the lower limb model. This metatarsal joint coordinate system includes an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other with the feature point D as the origin G3. Here, a straight line passing through the characteristic point E from the origin G3 X 'as an axis, a straight line passing through the fixed point D 1 set in advance from the origin G3 and Y-axis, X' defines the Z-axis by the cross product between the axis and Y-axis Then, the X axis is defined by the outer product of the Z axis and the Y axis. Fixing point D 1 is a point which corresponds in the first metatarsal head point, even pedestrians walking in H, at a preset fixed point so that the relative positional relationship between the feature point D becomes constant, characteristic point D It is assumed to move with. Therefore, the Y axis is an axis along the axial direction of the metatarsal joint, that is, the lateral direction of the foot.
先ず、前述のように求めた測定開始前状態の特徴点B,C,Dの初期位置ベクトルtrpから、特徴点BC間の距離lSと特徴点CD間の距離lhとが算出されてメモリに記憶される。これら距離lS,lhは、前述した下肢モデルの構造上、歩行中でも常に一定となる。また、先に求めた特徴点Dへの移動時位置ベクトルtrdに基づき、移動体座標系の原点G1から固定点D1に延びる移動時位置ベクトルtrd1が求められる。 First, the distance l S between the feature points BC and the distance l h between the feature points CD are calculated from the initial position vectors tr p of the feature points B, C, and D in the pre-measurement state obtained as described above. Stored in memory. These distances l S and l h are always constant during walking due to the structure of the lower limb model described above. Further, based on the movement during position vector tr d to the feature point D determined previously, when moving the position vector tr d 1 is obtained which extends from the origin G1 of the moving body coordinate system fixed point D 1.
次に、中足骨関節座標系の原点G3から特徴点Cに延びるローカル位置ベクトルmecは、次の通りとなる。
そして、以上で求めたローカル位置ベクトルmecから、上式(11)による変換マトリクスtrTmeを用いた次式により、特徴点Bの移動時位置ベクトルtrcが算出される。
最後に、移動体座標系の各移動時位置ベクトルtrp(tra、trb、trc、trd、tre)は、次式により、移動体11が移動を開始する前の移動体11の所定部分を原点とするワールド座標系の移動時位置ベクトルWpに変換される(ステップS104)。
なお、ここでは、エンコーダ21の測定値に基づき、前記平面位置xt、ytと回転角度θtを演算で求めているが、本発明はこれに限らず、GPSを使い、その測定値をそのまま適用することもできる。
Here, the plane positions x t and y t and the rotation angle θ t are obtained by calculation based on the measurement values of the
以上のように、ワールド座標系に変換された特徴点A〜Eの移動時位置ベクトルWpが一定時間毎にそれぞれ求められると、当該移動時位置ベクトルWpから、ワールド座標系における特徴点A〜Eの三次元座標がそれぞれ求められる。これら特徴点A〜Eの三次元座標は、当該各座標を直線で結ぶ解析ソフトウェアに入力されることで、測定時間毎に、歩行者Hの下肢Kの状態を表す模擬脚線が形成され、当該模擬脚線を図示しないモニター等で時系列的に表示することで、歩行者Hの下肢の動きを定量的に把握することができる。 As described above, when moving the position vector W p of the transformed feature point A~E the world coordinate system are obtained, respectively at predetermined intervals, the from the movement time of the position vector W p, the feature point in the world coordinate system A Each of the three-dimensional coordinates of ~ E is obtained. The three-dimensional coordinates of these feature points A to E are input to analysis software connecting the coordinates with straight lines, so that a simulated leg line representing the state of the lower limb K of the pedestrian H is formed for each measurement time, The movement of the lower limbs of the pedestrian H can be grasped quantitatively by displaying the simulated leg line in a time series on a monitor or the like (not shown).
なお、前記移動体11は、キャスター17及び駆動輪18からなる車輪の回転で移動するが、キャタビラーや脚体等による移動構造に代替することもできる。また、駆動装置としては、本体16に駆動力を与えることができる限り、他のアクチュエータに代替してもよい。
The moving
また、前記実施形態では、前記移動体11が歩行者Hの後方に自動追従しているが、本発明はこれに限らず、移動体11が歩行者Hの側方や前方に自動追従させるようにしてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the said
更に、移動制御手段34を省略し、歩行者Hやその他の者の操作によって移動体11を手動又は自動で動かすようにしてもよい。但し、前記実施形態のようにすることで、移動体11の操作が不要になり、歩行者Hの下肢Kの動きを簡単に測定することができる。
Further, the movement control means 34 may be omitted, and the moving
また、前記位置姿勢センサ13及び特徴点算出手段34を含む機器は、歩行者Hが携帯或いは装着できるサイズ及び重量である場合、歩行者Hが保持することにより、移動体11に搭載しなくても良く、この場合には、移動体11及び移動制御手段34を省略することができる。
In addition, when the pedestrian H has a size and weight that can be carried or worn by the pedestrian H, the device including the position and orientation sensor 13 and the feature
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。 In addition, the configuration of each part of the apparatus in the present invention is not limited to the illustrated configuration example, and various modifications are possible as long as substantially the same operation is achieved.
10 移動式歩行制御装置
11 移動体
12 位置姿勢センサ
20 モータ(駆動装置)
34 移動制御手段
35 特徴点算出手段
DESCRIPTION OF
34 Movement control means 35 Feature point calculation means
Claims (2)
前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出することを特徴とする歩行計測装置。 A gait measuring device that measures the movement of the lower limbs of a pedestrian while moving with the pedestrian,
A position and orientation sensor that measures the three-dimensional position and posture of the pedestrian's thigh and toe, and a plurality of feature points set in the lower limb to specify the state of the lower limb at predetermined time intervals A feature point calculation means to be obtained,
The feature point calculating means calculates the position of each feature point at each predetermined time by substituting the measured value of the position and orientation sensor into an arithmetic expression based on a predetermined lower limb model. Measuring device.
装置全体を駆動装置によって自律移動させる移動体と、前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、当該位置姿勢センサの測定値から、前記歩行者との相対位置関係を予め設定した一定状態に維持するように前記駆動装置の動作を制御する移動制御手段と、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出することを特徴とする歩行計測装置。 A gait measuring device that measures the movement of the lower limb of the pedestrian while automatically following the pedestrian,
From a moving body that autonomously moves the entire apparatus by a driving device, a position and orientation sensor that measures the three-dimensional position and orientation of the thigh and toe of the pedestrian, and the measured value of the position and orientation sensor, the pedestrian Movement control means for controlling the operation of the driving device so as to maintain the relative positional relationship in a preset constant state, and a plurality of feature point positions set in the lower limb to specify the state of the lower limb. And feature point calculation means for obtaining every predetermined time,
The feature point calculating means calculates the position of each feature point at each predetermined time by substituting the measured value of the position and orientation sensor into an arithmetic expression based on a predetermined lower limb model. Measuring device.
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