JP6183906B2 - 歩容推定装置とそのプログラム、転倒危険度算出装置とそのプログラム - Google Patents
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(1)歩行者の状態を表す3軸加速度計測データ及び角速度データを取得する取得手段と、上記取得手段により取得された加速度計測データのうち上記歩行者が静止状態のときの3軸加速度計測データをもとに重力加速度の影響が少ない2軸を選択する選択手段と、この選択された2つの軸に対応する歩行中の角速度計測データに対し計測値および計測軸方向に基づく係数を乗じて加算した値の積分値を、前記歩行者の股関節角度として算出する算出手段とを具備する。
(5)歩行者の歩行中の股関節角度を表す情報を取得する取得手段と、上記取得された股関節角度を表す情報の最大値と最小値との割合を、上記歩行者の重心位置の許容範囲に対し予め設定された閾値と比較することにより、上記歩行者の歩行中の重心位置が後ろ寄り、中央及び前寄りのいずれにあるかを判定する姿勢判定手段と、上記取得された股関節角度を表す情報を用いて算出した第一の転倒危険度に、上記姿勢判定手段により得られた重心位置の判定結果を表す値jを加算して転倒危険度Rを算出する転倒危険度算出手段とを具備する。
k θ ×(θ 0 −θa)/θ 0
として算出する。
(θ sd −θ sd0 )/θ sd0
として算出する。
R=k V ×(V 0 −Va)/V 0 +k L ×(L 0 −La)/L 0 +k T ×(Ta−T 0 )/T 0
+k θ ×(θ 0 −θa)/θ 0 +f+j
として算出する転倒危険度算出手段とを具備する。
R=(V sd −V sd0 )/V sd0 +(L sd −L sd0 )/L sd0 +(T sd −T sd0 )/T sd0
+(θ sd −θ sd0 )/θ sd0 +f+j
として算出する転倒危険度算出手段とを具備する。
(10)(1)乃至(3)のいずれかにおいて、歩容推定装置が具備する各手段による処理を、上記歩容推定装置が備えるコンピュータに実行させる。
(1)歩行者の歩行中の重心位置を、歩行者の状態を表す3軸加速度計測データ及び角速度データをもとに計算した股関節角度から判定することが可能となる。
[一実施形態]
(構成)
図1は、この発明の一実施形態に係る転送危険度算出機能を備えた歩容推定装置の構成を示すブロック図である。
この装置は、例えばスマートフォンに収容されるもので、センサユニット1と、インタフェースユニット2と、制御ユニット3と、記憶ユニット4と、入出力ユニット5と、クロック発生部6を備えている。
次に、以上のように構成された歩容推定装置の動作を説明する。図2はその処理手順と処理内容を示すフローチャート、図3はスマートフォンの収納の向き、図4は歩容パラメータの概要を示す図である。
先ず、上記歩容推定装置の機能を備えたスマートフォンを例えば歩行者のズボンの脇ポケットに収容する。
次に、歩行者が静止している状態で、制御ユニット3がステップS11によりセンサデータ取得部31を起動し、このセンサデータ取得部31の制御の下、3軸加速度センサ11により計測された3軸の加速度データをインタフェースユニット2から取り込み、センサデータ記憶部41に格納する。次に、ステップS12により姿勢推定部32を起動し、この姿勢推定部32の制御の下で静止中の3軸加速度センサ11の姿勢を以下のように推定する。
a=√(x2+y2+z2)
この発明の一実施形態では、歩行中の3軸加速度センサ11及び角速度センサ12の計測値をもとに、歩容の各パラメータを算出する。以下、その算出処理の内容について説明する。
歩行速度は、移動方向の加速度を積分することによって算出するか、または歩幅と歩行周期とから算出する。歩行速度をV(m/s) 、重力加速度をg(m/s2) 、加速度のスカラー値をat (m/s2) 、歩幅をL(m)、歩行周期をT(s)とする。歩行速度の算出式は以下のように表される。
V=∫at・sin(arccos(g/at ))dt …(1)
歩幅と周期とから算出する場合
V=2・L/T …(2)
歩行周期を算出する方法としては、上記歩行速度の算出過程において求めた加速度のスカラー値at (m/s2) のピーク値の間隔、または角速度センサ12により計測された角速度データのピーク値の間隔から算出する第1の方法と、歩行速度と歩幅から算出する第2の方法がある。ここでは前者の方法について説明する。
ak−ak-1>0かつak−ak+1>0かつak>ath
を満たす場合に、akをピーク値と判定する。角速度のピーク値も同様の方法を用いて判定する。
T=Ts・n …(3)
T=2・L/V …(4)
なお、図8は、上記(4)式を用いて算出した歩行周期の一例を示すものである。
なお、歩行周期を求める方法には、他に、角速度の波形を周波数分析、例えばフーリエ変換して、パワースペクトルが最大になる周波数成分の逆数(周期)を求める方法もある。
足関節角度は、着地時の3軸加速度センサ11の計測データ値から振動を検出し、振動の大きさによって足関節角度を推定する。具体的には、足関節角度が鋭角でつま先が上がり踵から着地しているか、或いは足関節角度が鈍角でつま先が十分に上がらずにつま先から着地しているかを二値fとして分類する。ただし、0≦f≦1の値とする。
h(ak)=ak−(0.9・h(ak-1)+0.1・ak) …(5)
なお、図9は、上記(5)式を用いて算出した足関節角度の推定値の一例を示すものである。
なお、上記足関節角度の推定処理は、加速度値を用いる以外に歩行者の歩行中の振動を検出することが可能なセンサであれば、いかなるセンサを用いてもよい。
股関節角度は、角速度センサ12により計測された3軸の角速度データ値を積分することによって求める。具体的には、X軸、Y軸、Z軸の角速度の値をそれぞれgx (rad/s),gy (rad/s),gz (rad/s)とし、先にステップS12により推定した、矢状面上と垂直に交わる2つの軸の角速度データ値の和を積分することにより算出する。
上記推定された2つの軸の角速度の和をgk (rad/s)とすると、股関節角度θ(rad)の計算式は以下のように表される。
θ=∫gk dt …(6)
なお、図7は矢状面に対し垂直なZ軸及びX軸の角速度の計測データの一例を示すもので、この場合はZ軸とX軸の両方の角速度の和を積分することにより股関節角度θ(rad)を算出することができる。
すなわち、股関節角度をθ、3軸の角速度データ値をgx、gy、gz、3軸の加速度データ値をx、y、z、重力加速度をg、適当な係数をkとおく。
角速度センサの3軸のうちの1軸が、ユーザの股関節の回旋軸と等しいと仮定すると、残る2軸の角速度と三角関数を利用して時間積分することで、股関節角度θを表すことができる。例えば、y軸が回旋軸と等しい場合、すなわちユーザが静止中のときに|y|≒gの場合、gx、gzと股関節角度を求めるための角速度(ga)との関係は、図10に示すような三角形の辺の長さで表せる。θの算出式をまとめると以下のようになる。
(gx≧0かつgz≧0)又は(gx<0かつgz<0)ならば、
θ=k*∫(gx*cos (arctan(gz/gx))+gz*sin (arctan(gz/gx)))dt
(gx<0かつgz>0)又は(gx>0かつgz<0)ならば、
θ=k*∫(−gx*cos (arctan(gz/gx))+gz*sin (arctan(gz/gx)))dt
(2)ユーザが静止中のときに|x|≒gの場合
(gy≧0かつgz≧0)又は(gy<0かつgz<0)ならば、
θ=k*∫(gy*cos (arctan(gz/gy))+gz*sin (arctan(gz/gy)))dt
(gy<0かつgz>0)又は(gy>0かつgz<0)ならば、
θ=k*∫(−gy*cos (arctan(gz/gy))+gz*sin (arctan(gz/gy)))dt
(3)ユーザが静止中のときに|z|≒gの場合
(gx≧0かつgy≧0)又は(gx<0かつgy<0)ならば、
θ=k*∫(gx*cos (arctan(gy/gx))+gy*sin (arctan(gy/gx)))dt
(gx<0かつgy>0)又は(gx>0かつgy<0)ならば、
θ=k*∫(−gx*cos (arctan(gy/gx))+gy*sin (arctan(gy/gx)))dt
として算出する。
歩行中の上半身の姿勢は、股関節角度の屈伸方向成分の変化から推定する。例えば、歩行中の重心が後ろ寄りか真ん中か前寄りかの三値jとして分類する。ただし、jの値の範囲は、0≦j≦1とする。直立時の股関節角度を0度としたとき、股関節角度の最大値をθ1、最小値をθ2、重心位置の許容範囲の閾値をα(0<α<1)とおくと、
(1) θ1/θ2>1+αのとき
後ろ重心で歩いていると推定できるため、jは重心が後ろ寄りを意味する値(例えば0.1)と判定する。
(2) 1−α≦θ1/θ2≦1+αのとき
前後に偏らずに真ん中に近い重心で歩いていると推定できるため、jは重心が真ん中を意味する値(例えば0)と判定する。
(3) θ1/θ2<1−αのとき、
前重心で前屈みに歩いていると推定できるため、jは重心が前寄りを意味する値(例えば0.2)と判定する。
ただし、重心が真ん中を意味する値は、重心が後ろ寄りを意味する値と前寄りを意味する値よりも小さい値とする。
以上の各判定結果を表す値は、ステップS30において出力され、ステップS18で歩容データ記憶部42に格納される。
なお、図11は、以上述べた股関節角度θと上半身の姿勢の推定に必要なパラメータθ1,θ2との関係を示す図である。
歩幅の算出方法には、(1) 歩行速度と歩行周期とから算出する方法と、(2) ユーザの足の長さと股関節角度とから算出する方法と、(3) ユーザの身長から概算で算出する方法がある。なお、ユーザの足の長さ及び身長を利用する場合は、これらのデータを予め制御ユニット3内のメモリに記憶しておく。歩行速度をV(m/s)、歩行周期をT(s)、ユーザの足の長さをLleg(m)、股関節角度のピーク値をθ(rad)、ユーザの身長をH(m)とすると、歩幅L(m)の算出式は以下のように表される。
(1) L=V・T/2 …(7)
(2) L=2・Lleg ・sinθ …(8)
(3) L=H・0.45 …(9)
転倒の危険度は、上記算出された歩容の各パラメータの値及びその変動幅を適正値と比較することで算出する。具体的には、一定の期間内での各パラメータの値の平均値及び標準偏差を用い、それぞれのパラメータの平均値及び標準偏差の値と適正値の差を適正値で割った値を足し合わせることで転倒危険度を算出する。適正値は、平均的な体格の健常者の歩行によって得られる平均値等のデータをもとに予め設定される。但し、足関節角度に関しては鋭角か鈍角かの二値分類であるため、つま先が上がっていないと推定された場合は予め設定された固定値を足すこととする。また、歩行中の上半身の姿勢は、重心位置が後ろか真ん中か前かの三値分類であるため、予め重心位置ごとに設定した固定値を足すこととする。
R=(V0−V)/V0+(L0−L)/L0+(T0−T)/T0+(θ0−θ)/θ0+f
(10−1)
上記(10−1)式は、転倒危険度の高い歩き方は各パラメータの値が小さいという特徴があるという知見に基づいており、Rの値が大きいほど転倒危険度が高いことを示す。
R=kV ×(V0−Va)/V0+kL ×(L0−La)/L0+kT ×(Ta−T0)/T0+kθ×(θ0−θa)/θ0+f+j
(10−2)
上記(10−2)式は、転倒危険度の高い歩き方は、歩行速度、歩幅が小さく、歩行周期が大きく、つま先が上がらず、重心が安定していないという特徴に基づいており、Rの値が大きいほど転倒危険度が高いことを示す。
Rsd=(Vsd−Vsd0)/Vsd0+(Lsd−Lsd0)/Lsd0+(Tsd−Tsd0)/Tsd0
(11−1)
上記(11−1)式は、転倒危険度の高い歩き方は歩行速度や歩幅や歩行周期のばらつきが大きいという知見に基づいており、Rsdが大きいほど転倒危険度が高いことを示す。
Rsd=(Vsd−Vsd0)/Vsd0+(Lsd−Lsd0)/Lsd0+(Tsd−Tsd0)/Tsd0
+(θsd−θsd0)/θsd0
(11−2)
上記(11−2)式は、転倒危険度の高い歩き方は、歩行速度や歩幅や歩行周期や股関節角度のばらつきが大きいという知見に基づいており、Rsdが大きいほど転倒危険度が高いことを示す。
そして、この算出された転倒危険度R,Rsdを表す表示データを生成し、この表示データをインタフェースユニット2を介して入出力ユニット5へ出力し、表示させる。したがって、歩行者は一定時間の歩容の計測後に、自身の歩行の転倒危険度を数値として確認することが可能となり、これをもとに自身の歩行の仕方に気を付けるようになり、これにより転倒を予防することが可能となる。
以上詳述したようにこの実施形態では、先ず静止中の3軸加速度センサ11の3軸の計測値をもとに重力加速度の影響が少ない2軸を歩行者の大腿骨頭の回旋運動を計測するための軸として選択し、この選択された2軸を中心とする歩行中の角速度を角速度センサ12により計測してその和を積分することにより歩行者の股関節角度を算出する。そして、この算出された股関節角度と、それと並行して歩行中の加速度の計測値をもとに算出された歩行速度、歩行周期、歩幅、足関節角度をもとに転倒危険度を算出し、その結果を歩行者に提示するようにしている。
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態ではセンサ群、制御ユニット、記憶ユニットをすべてスマートフォンに内蔵した場合を例にとって説明した。しかし、歩行者にはセンサ群のみを備えた端末を持たせ、このセンサ群の計測データを無線回線を介してパーソナル・コンピュータ又はサーバコンピュータに送信し、これらのコンピュータにおいて股関節角度を含む歩容パラメータを算出し、さらに転倒危険度を算出するようにしてもよい。
要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
Claims (10)
- 歩行者の歩行中の着地時の振動を表す振動計測データを取得する取得手段と、
前記取得された振動計測データに基づいて、振動の振幅を予め設定した閾値と比較することにより前記歩行者の足関節角度が鋭角か鈍角かを判定する足関節角度判定手段と
を具備することを特徴とする歩容推定装置。 - 歩行者の歩行中の股関節角度を表す情報を取得する取得手段と、
前記取得された股関節角度を表す情報の最大値と最小値との割合を、前記歩行者の重心位置の許容範囲に対し予め設定された閾値と比較することにより、前記歩行者の歩行中の重心位置が後ろ寄り、中央及び前寄りのいずれにあるかを判定する姿勢判定手段と
を具備することを特徴とする歩容推定装置。 - 歩行者の歩行中の股関節角度を表す情報を取得する取得手段と、
歩行者の歩行中の着地時の振動を表す振動計測データを取得する手段と、
前記取得された振動計測データに基づいて、振動の振幅を予め設定した閾値と比較することにより前記歩行者の足関節角度が鋭角か鈍角かを判定する足関節角度判定手段と、
前記取得された股関節角度を表す情報を用いて算出した第一の転倒危険度に、前記足関節角度の判定結果を表す値fを加算して転倒危険度Rを算出する転倒危険度算出手段と
を具備することを特徴とする転倒危険度算出装置。 - 歩行者の歩行中の股関節角度を表す情報を取得する手段と、
前記取得された股関節角度を表す情報の最大値と最小値との割合を、前記歩行者の重心位置の許容範囲に対し予め設定された閾値と比較することにより、前記歩行者の歩行中の重心位置が後ろ寄り、中央及び前寄りのいずれにあるかを判定する姿勢判定手段と、
前記取得された股関節角度を表す情報を用いて算出した第一の転倒危険度に、前記姿勢判定手段により得られた重心位置の判定結果を表す値jを加算して転倒危険度Rを算出する転倒危険度算出手段と
を具備することを特徴とする転倒危険度算出装置。 - 前記転倒危険度算出手段は、前記取得された股関節角度の最大値をθa 、その適正値をθ0 、係数をkθ とするとき、前記歩行者の第一の転倒危険度を
kθ×(θ0−θa)/θ0
として算出することを特徴とする請求項3または4に記載の転倒危険度算出装置。 - 前記転倒危険度算出手段は、前記取得された股関節角度の一定期間内における標準偏差値を算出し、この算出された股関節角度の標準偏差値をθsd 、その適正値をθsd0 とするとき、前記歩行者の第一の転倒危険度を
(θsd−θsd0)/θsd0
として算出することを特徴とする請求項3または4に記載の転倒危険度算出装置。 - 歩行者の状態を表す3軸加速度計測データ及び角速度データをそれぞれ取得する手段と、
前記取得された加速度計測データのうち歩行中の加速度計測データの値と、予め記憶した重力加速度の値とをもとに、前記歩行者の歩行速度、歩行周期及び歩幅をそれぞれ算出する手段と、
前記歩行者の歩行中の股関節角度を表す情報を取得する手段と、
前記歩行者の歩行中の着地時の振動を表す振動計測データを取得し、当該振動計測データに基づいて前記歩行者の足関節角度が鋭角か鈍角かを判定する足関節角度判定手段と、
前記歩行者の股関節角度を表す情報の最大値と最小値との割合を予め設定された閾値と比較することにより、前記歩行者の歩行中の重心位置が後ろ寄り、中央及び前寄りのいずれにあるかを判定する姿勢判定手段と、
前記算出された前記歩行者の歩行速度、歩行周期及び歩幅をそれぞれVa 、Ta 、La 、その適正値V0 、T0 、L0 、係数をkv 、kT 、kL とすると共に、前記取得された股関節角度の最大値をθa 、その適正値をθ0 、係数をkθ とし、さらに前記足関節角度の判定結果をf、前記歩行者の歩行中の重心位置の判定結果を表す値をjとするとき、前記歩行者の転倒危険度Rを
R=kV ×(V0−Va)/V0+kL ×(L0−La)/L0+kT ×(Ta−T0)/T0
+kθ×(θ0−θa)/θ0+f+j
として算出する転倒危険度算出手段と
を具備することを特徴とする転倒危険度算出装置。 - 歩行者の状態を表す3軸加速度計測データ及び角速度データをそれぞれ取得する手段と、
前記取得された加速度計測データのうち歩行中の加速度計測データの値と、予め記憶した重力加速度の値とをもとに、前記歩行者の歩行速度、歩行周期及び歩幅の一定時間内における標準偏差値をそれぞれ算出する手段と、
前記歩行者の歩行中の股関節角度を表す情報を取得する手段と、
前記歩行者の歩行中の着地時の振動を表す振動計測データを取得し、当該振動計測データに基づいて前記歩行者の足関節角度が鋭角か鈍角かを判定する足関節角度判定手段と、
前記歩行者の股関節角度を表す情報の最大値と最小値との割合を予め設定された閾値と比較することにより、前記歩行者の歩行中の重心位置が後ろ寄り、中央及び前寄りのいずれにあるかを判定する姿勢判定手段と、
前記取得された股関節角度の一定期間内における標準偏差値を算出する手段と、
前記算出された前記歩行者の歩行速度、歩行周期及び歩幅の標準偏差値をそれぞれVsd 、Tsd 、Lsd 、その適正値Vsd0 、Tsd0 、Lsd0とすると共に、前記算出された股関節角度の標準偏差値をθsd 、その適正値をθsd0とし、さらに前記足関節角度の判定結果をf、前記歩行者の歩行中の重心位置の判定結果を表す値をjとするとき、前記歩行者の転倒危険度Rを
R=(Vsd−Vsd0)/Vsd0+(Lsd−Lsd0)/Lsd0+(Tsd−Tsd0)/Tsd0
+(θsd−θsd0)/θsd0+f+j
として算出する転倒危険度算出手段と
を具備することを特徴とする転倒危険度算出装置。 - 請求項1または2のいずれかに記載の歩容推定装置が具備する各手段による処理を、前記歩容推定装置が備えるコンピュータに実行させるプログラム。
- 請求項3乃至8のいずれかに記載の転倒危険度算出装置が具備する各手段による処理を、前記転倒危険度算出装置が備えるコンピュータに実行させるプログラム。
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