JP6288706B2 - 上体運動計測システム及び上体運動計測方法 - Google Patents
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Description
前記被験者の上体に装着された各慣性センサユニットの角速度センサ及び加速度センサのそれぞれの検出出力により示される角速度の検出値と加速度の検出値を基に、前記被験者の運動環境における各慣性センサユニットの姿勢を推定するセンサユニット姿勢推定手段と、
前記被験者の上体に装着された各慣性センサユニットの加速度センサの検出出力により示される加速度の検出値と、前記センサユニット姿勢推定手段により推定された各慣性センサユニットの姿勢とを基に、前記被験者の運動環境に設定されたグローバル座標系で見た各慣性センサユニットの加速度を推定するセンサユニット加速度推定手段と、
前記複数の慣性センサユニットのうちの少なくとも2つの慣性センサユニットのそれぞれに関して前記センサユニット加速度推定手段により推定された加速度を線形結合することにより、前記グローバル座標系で見た前記被験者の上体の角加速度を推定する上体角加速度推定手段とを備えることを特徴とする(第1発明)。
前記第1工程で取得された各慣性センサユニットの角速度センサ及び加速度センサのそれぞれの検出出力により示される角速度の検出値と加速度の検出値とを基に、前記被験者の運動環境における各慣性センサユニットの姿勢を推定する第2工程と、
前記第1工程で取得された各慣性センサユニットの加速度センサの検出出力により示される加速度の検出値と、各慣性センサユニットに関して前記第2工程で推定され各慣性センサユニットの姿勢とを基に、前記被験者の移動環境に設定されたグローバル座標系で見た各慣性センサユニットの加速度を推定する第3工程と、
前記複数の慣性センサユニットのそれぞれに関して前記3工程で推定された加速度の組を基に、前記グローバル座標系で見た前記被験者の上体の角加速度を推定する第4工程とを備えることを特徴とする(第10発明)。
本発明の第1実施形態を図1〜図8を参照して以下に説明する。
なお、上記式(1a),(1b)の右辺の上付き添え字“T”は転置を意味する。また、式(1c)により表される回転行列M_i(t)の第1列、第2列、第3列は、それぞれ、第iグローバル座標系で見た第iローカル座標系のx軸の基底ベクトル、y軸の基底ベクトル、z軸の基底ベクトルを意味する。
ave_period_R=(period_R_1+period_R_2+……+period_R_n)/n …(2a)
ave_period_L=(period_L_1+period_L_2+……+period_L_n)/n …(2b)
次いで、STEP4において、データ収集装置10は、R支持歩容及びL支持歩容のそれぞれの時間軸を正規化するための正規化R支持歩容周期norm_period_Rと正規化L支持歩容周期norm_period_Lとを算出する。
norm_period_R=Tnorm*ave_period_R/(ave_period_R+ave_period_L) …(3a)
norm_period_L=Tnorm*ave_period_L/(ave_period_R+ave_period_L) …(3b)
式(3a),(3b)のTnorm(=norm_period_R+norm_period_L)は、2歩分の歩容の期間の時間幅を正規化して表す値として任意に設定した定数値Tnorm(≠0)であり、例えば“1”である。以降、Tnormを正規化基準時間幅という。
θx_dot2_with_offset(τ)
=−(norm_ave_acc_1_y_global(τ)−norm_ave_acc_2_y_global(τ))/(h1−h2)
…(4a)
θy_dot2_with_offset
=(norm_ave_acc_1_x_global(τ)−norm_ave_acc_2_x_global(τ))/(h1−h2)
…(4b)
ただし、
h1:床面からの第1センサユニット2の高さ
h2:床面からの第2センサユニット2の高さ(<h1)
上式(4a),(4b)における右辺の各項の係数を規定するh1−h2は、第1センサユニット2と第2センサユニット2との上下方向の距離に相当する。
そして、データ収集装置10は、次式(6a),(6b)で示す如く、2歩分正規化平均歩容における各時刻τにおけるロール方向の角加速度θx_dot2_with_offset(τ)から上記の如く算出した平均値θx_dot2_ave(オフセット成分)を差し引いた値と、ピッチ方向の角加速度θy_dot2_with_offset(τ)から上記の如く算出した平均値θy_dot2_ave(オフセット成分)を差し引いた値とをそれぞれ、2歩分正規化平均歩容における被験者Pの上体の実際のロール方向の角加速度θx_dot2(τ)の推定値(オフセット成分の除去後の推定値)、ピッチ方向の角加速度θy_dot2(τ)の推定値(オフセット成分の除去後の推定値)として算出する。これにより、2歩分正規化平均歩容における被験者Pの上体の角加速度θx_dot2(τ),θy_dot2(τ)の推定値の波形データが得られることとなる。
θx_dot2(τ)=θx_dot2_with_offset(τ)−θx_dot2_ave …(6a)
θy_dot2(τ)=θy_dot2_with_offset(τ)−θy_dot2_ave …(6a)
次に、STEP9において、データ収集装置10は、2歩分正規化平均歩容の各時刻τにおける被験者Pの上体の角速度(ロール方向の角速度θx_dot(τ)及びピッチ方向の角速度θy_dot(τ))の推定値を算出する。
ここで、一般に、人の定常的な直進歩行の2歩分の歩容の期間における上体の角速度の平均値は、一般に、ゼロもしくはほぼゼロとなる。そこで、本実施形態では、データ収集装置10は、2歩分正規化平均歩容におけるロール方向の角速度θx_dot(τ)及びピッチ方向の角速度θy_dot(τ)のそれぞれの平均値がゼロになるように、ロール方向の角速度θx_dot(τ)及びピッチ方向の角速度θy_dot(τ)のそれぞれの初期値θx_dot(0),θy_dot(0)を決定する。
すなわち、2歩分正規化平均歩容におけるθx_dot_with_offset(τ)の平均値θx_dot_aveの逆極性の値と、θy_dot_with_offset(τ)の平均値θy_dot_aveの逆極性の値とがそれぞれθx_dot(0),θy_dot(0)として算出される。
θx_dot(τ)=θx_dot_with_offset(τ)+θx_dot(0) …(9a)
θy_dot(τ)=θy_dot_with_offset(τ)+θy_dot(0) …(9b)
次に、STEP10において、データ収集装置10は、2歩分正規化平均歩容の各時刻τにおける被験者Pの上体の姿勢(ロール方向の傾斜角θx(τ)及びピッチ方向の傾斜角θy(τ))の推定値を算出する。
ここで、2歩分正規化平均歩容における被験者Pの上体のロール方向の傾斜角θx(τ)の平均値は、前記2n歩容における第1センサユニット2(首の付け根付近のセンサユニット2)の姿勢のうちのロール方向の実際の傾斜角の平均値(以降、これをθx_neck_aveと表記する)と、被験者Pの直立姿勢における第1センサユニット2の姿勢のうちのロール方向の実際の傾斜角(以降、これをθx_neck_up_rightと表記する)との差(以降、これをθx_neck_offsetと表記する)に一致もしくはほぼ一致すると考えられる。
θx_neck_offset=θx_neck_ave−θx_neck_up_right …(11a)
θy_neck_offset=θy_neck_ave−θy_neck_up_right …(11b)
ここで、θx_neck_ave,θy_neck_aveは、第1センサユニット2の演算処理部7で前記した如く逐次推定された第1センサユニット2の姿勢におけるロール方向の傾斜角の値と、ピッチ方向の傾斜角の値とからそれぞれ算出される。また、θx_neck_up_right,θy_neck_up_rightは、被験者Pの直立姿勢であらかじめ計測されてデータ収集装置10に記憶保持された値である。
さらに、次式(13a)で示す如く、θx_aveの上記の算出値とθx_neck_offsetの上記の算出値との差の逆極性の値がθx(0)として算出される。また、次式(13b)で示す如く、θy_aveの上記の算出値とθy_neck_offsetの上記の算出値との差の逆極性の値がθy(0)として算出される。
θx(0)=−(θx_ave−θx_neck_offset) …(13a)
θy(0)=−(θy_ave−θy_neck_offset) …(13b)
そして、データ収集装置10は、次式(14a),(14b)で示す如く、上記初期値θx(0),θy(0)をそれぞれθx_with_offset(τ)、θy_with_offset(τ)に加算してなる値を、それぞれ各時刻τでのロール方向の傾斜角θx(τ)の推定値、ピッチ方向の傾斜角θy(τ)の推定値として算出する。これにより、2歩分正規化平均歩容における被験者Pの上体の傾斜角θx(τ),θy(τ)の推定値の波形データが得られることとなる。
θx(τ)=θx_with_offset(τ)+θx(0) …(14a)
θy(τ)=θy_with_offset(τ)+θy(0) …(14b)
補足すると、本実施形態では、以上説明したSTEP7〜10の処理が、本発明における上体角加速度推定手段及び上体角速度推定手段としての機能を有する上体姿勢運動推定部12により実行される処理である。この場合、STEP7,8の処理が、上体角加速度推定手段として処理、STEP9の処理が、上体角速度推定手段としての処理に相当する。
次に、本発明の第2実施形態を図8等を参照して説明する。なお、本実施形態の上体運動計測システムは、前記第1実施形態の上体運動計測システム1とセンサユニットの配置構成と、データ収集装置の一部の処理だけが第1実施形態と相違する。そこで、本実施形態の説明は、第1実施形態と相違する部分を中心に行い、第1実施形態と同一の事項については説明を省略する。
θz_dot2_with_offset(τ)
=(norm_ave_acc_3_x_global(τ)−norm_ave_acc_4_x_global(τ))/Δy…(4c)
ただし、
Δy:第3センサユニット2と第4センサユニット2間のY軸方向(左右方向)の距離
上式(4c)のΔyの値としては、被験者Pの直立姿勢状態での第3センサユニット2と第4センサユニット2との間のY軸方向の距離の、あらかじめ計測された値(一定値)が用いられる。
そして、データ収集装置10は、次式(6c)で示す如く、2歩分正規化平均歩容における各時刻τにおけるヨー方向の角加速度θz_dot2_with_offset(τ)から上記の如く算出した平均値θz_dot2_ave(オフセット成分)を差し引いた値を、被験者Pの上体の実際のヨー方向の角加速度θz_dot2(τ)の推定値として算出する。これにより、2歩分正規化平均歩容における被験者Pの上体のヨー方向の角加速度θz_do2(τ)の推定値の波形データがさらに得られることとなる。
θz_dot2(τ)=θz_dot2_with_offset(τ)−θz_dot2_ave …(6c)
また、次のSTEP9において、データ収集装置10は、2歩分正規化平均歩容の各時刻τにおける被験者Pの上体のロール方向の角速度θx_dot(τ)及びピッチ方向の角速度θy_dot(τ)の推定値に加えて、ヨー方向の角速度θz_dot(τ)の推定値を算出する。
ここで、前記したように、人の定常的な直進歩行の2歩分の歩容の期間における上体の角速度の平均値は、一般に、ゼロもしくはほぼゼロとなる。そこで、データ収集装置10は、2歩分正規化平均歩容におけるヨー方向の角速度θz_dot(τ)の平均値がゼロになるように、ヨー方向の角速度θz_dot(τ)の初期値θz_dot(0)を決定する。
すなわち、2歩分正規化平均歩容におけるθz_dot_with_offset(τ)の平均値θz_dot_aveの逆極性の値がθz_dot(0)として算出される。
θz_dot(τ)=θz_dot_with_offset(τ)+θz_dot(0) …(9c)
次のSTEP10において、データ収集装置10は、2歩分正規化平均歩容の各時刻τにおける被験者Pの上体のロール方向の傾斜角θx(τ)及びピッチ方向の傾斜角θy(τ)の推定値に加えて、ヨー方向の回転角θz(τ)の推定値を算出する。
ここで、2歩分正規化平均歩容における被験者Pの上体のヨー方向の傾斜角θx(τ)の平均値は、一般にゼロもしくはほぼゼロになる。
そして、データ収集装置10は、次式(14c)で示す如く、上記初期値θz(0)をθz_with_offset(τ)に加算してなる値を、各時刻τでのヨー方向の回転角θz(τ)の推定値として算出する。これにより、2歩分正規化平均歩容における被験者Pの上体のヨー方向の回転角θz(τ)の推定値の波形データがさらに得られることとなる。
θz(τ)=θz_with_offset(τ)+θz(0) …(14c)
本実施形態は、以上説明した事項以外は、第1実施形態と同じである。
次に、以上説明した各実施形態に関連する変形態様をいくつか説明する。
なお、Nは、上体に装着するセンサユニット2の個数、w_xy_i,wxz_i,w_yx_i,wyz_i,w_zx_i、w_zy_i(i=1,2,…,N)は重み係数である。これらの重み係数w_xy_i,wxz_i,w_yx_i,wyz_i,w_zx_i、w_zy_iの値は、あらかじめ実験等に基づいて設定すればよい。この場合、重み係数w_xy_i,wxz_i,w_yx_i,wyz_i,w_zx_i、w_zy_iのうちの一部の重み係数はゼロであってもよい。
Claims (10)
- 角速度を検出する角速度センサと加速度を検出する加速度センサとの組が各々搭載されており、被験者の上体の互いに異なる箇所に装着される複数の慣性センサユニットと、
前記被験者の上体に装着された各慣性センサユニットの角速度センサ及び加速度センサのそれぞれの検出出力により示される角速度の検出値と加速度の検出値を基に、前記被験者の運動環境における各慣性センサユニットの姿勢を推定するセンサユニット姿勢推定手段と、
前記被験者の上体に装着された各慣性センサユニットの加速度センサの検出出力により示される加速度の検出値と、前記センサユニット姿勢推定手段により推定された各慣性センサユニットの姿勢とを基に、前記被験者の運動環境に設定されたグローバル座標系で見た各慣性センサユニットの加速度を推定するセンサユニット加速度推定手段と、
前記複数の慣性センサユニットのそれぞれに関して前記センサユニット加速度推定手段により推定された加速度の組を基に、前記グローバル座標系で見た前記被験者の上体の角加速度を推定する上体角加速度推定手段とを備えることを特徴とする上体運動計測システム。 - 請求項1記載の上体運動計測システムにおいて、
前記複数の慣性センサユニットは、前記被験者の体幹軸に沿って該上体の上下方向に間隔を存するように該上体に装着される2つの慣性センサユニットを少なくとも含んでおり、
前記上体角加速度推定手段が推定する角加速度は、前記被験者のロール方向での上体の角加速度と前記被験者のピッチ方向での角加速度とのうちの少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする上体運動計測システム。 - 請求項2記載の上体運動計測システムにおいて、
前記2つの慣性センサユニットのうちの上側の慣性センサユニットは、前記被験者の上体のうち、該被験者の胸椎と腰椎との境目よりも上側の箇所に装着され、前記2つの慣性センサユニットのうちの下側の慣性センサユニットは、前記被験者の上体のうち、該被験者の胸椎と腰椎との境目よりも下側の箇所に装着されることを特徴とする上体運動計測システム。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の上体運動計測システムにおいて、
前記グローバル座標系で見た各慣性センサユニットの加速度、又は前記グローバル座標系で見た前記被験者の上体の角加速度を対象状態量と定義したとき、前記センサユニット加速度推定手段又は前記上体角加速度推定手段は、前記複数の慣性センサユニットを上体に装着した前記被験者の歩行動作が行われた場合に、該歩行動作における前記対象状態量の推定値の時系列を生成する基本推定値生成処理と、該歩行動作における2歩分の歩容での前記対象状態量の平均波形データを生成する平均波形データ生成処理とを実行するように構成されており、
前記平均波形データ生成処理は、前記被験者の歩行動作に含まれるn個(n:2以上の整数)の2歩分の歩容のそれぞれに対応して前記基本推定値生成処理により生成された前記対象状態量の推定値の時系列により示される波形データを時間軸方向にスケール変換することにより、2歩分の歩容の期間の時間幅を正規化してなる正規化波形データを生成し、さらに、前記n個の2歩分の歩容のそれぞれに対応するn個の前記正規化波形データの平均の波形データを前記平均波形データとして生成するように構成されていることを特徴とする上体運動計測システム。 - 請求項4記載の上体運動計測システムにおいて、
前記平均波形データ生成処理のうちの前記正規化波形データを生成する処理は、該正規化波形データにおける前記被験者の右脚側の1歩の期間の時間幅と左脚側の1歩の期間の時間幅との比率が、前記被験者の歩行動作に含まれるn個の2歩分の歩容における右脚側の1歩の期間の実際の時間幅の平均値と、該n個の2歩分の歩容における左脚側の1歩の期間の実際の時間幅の平均値との比率に一致するように、前記正規化波形データを生成するように構成されていることを特徴とする上体運動計測システム。 - 請求項4又は5記載の上体運動計測システムにおいて、
前記平均波形データ生成処理を実行する前記センサユニット加速度推定手段又は前記上体角加速度推定手段は、前記平均波形データ生成処理により生成した前記平均波形データからオフセット成分を除去するオフセット成分除去処理をさらに実行するように構成されており、該オフセット成分除去処理は、前記オフセット成分を除去した後の平均波形データにより示される前記対象状態量の値の、前記2歩分の歩容の期間における平均値がゼロになるという条件を満たすように前記オフセット成分を除去するように構成されていることを特徴とする上体運動計測システム。 - 請求項4〜6のいずれか1項に記載の上体運動計測システムにおいて、
前記平均波形データ生成処理を実行する前記センサユニット加速度推定手段又は前記上体角加速度推定手段は、前記複数の慣性センサユニットのうちの少なくとも1つの慣性センサユニットの加速度センサの検出出力により示される加速度の検出値又は当該少なくとも1つの慣性センサユニットに関して前記センサユニット加速度推定手段により推定された加速度の変化に基づいて、前記被験者の歩行動作における1歩毎の切替わりのタイミングを認識するように構成されていることを特徴とする上体運動計測システム。 - 請求項4〜7のいずれか1項に記載の上体運動計測システムにおいて、
前記センサユニット加速度推定手段は、前記各慣性センサユニットの加速度に関する前記平均波形データを生成するように構成されており、
前記上体角加速度推定手段は、前記複数の慣性センサユニットのそれぞれに関して前記センサユニット加速度推定手段により生成された平均波形データに示される各慣性センサユニットの加速度の推定値を用いて前記2歩分の歩容の期間における前記被験者の上体の角加速度の推定値の時系列により構成される角加速度波形データを生成するように構成されており、
前記上体角加速度推定手段により生成された前記角加速度波形データにより示される角加速度の推定値を積分することにより前記被験者の上体の角速度の推定値を算出する上体角速度推定手段をさらに備えており、
前記上体角速度推定手段は、前記2歩分の歩容の期間における前記被験者の上体の角速度の推定値の平均値がゼロになるという条件を満たすように、前記被験者の上体の角速度の推定値を算出するように構成されていることを特徴とする上体運動計測システム。 - 請求項4〜7のいずれか1項に記載の上体運動計測システムにおいて、
前記上体角加速度推定手段は、前記被験者の上体の角加速度に関する前記平均波形データを生成するように構成されており、
前記上体角加速度推定手段により生成された前記平均波形データにより示される角加速度の推定値を積分することにより前記被験者の上体の角速度の推定値を算出する上体角速度推定手段をさらに備えており、
前記上体角速度推定手段は、前記2歩分の歩容の期間における前記被験者の上体の角速度の推定値の平均値がゼロになるという条件を満たすように、前記被験者の上体の角速度の推定値を算出するように構成されていることを特徴とする上体運動計測システム。 - 角速度を検出する角速度センサと加速度を検出する加速度センサとの組が各々搭載された複数の慣性センサユニットを被験者の上体の互いに異なる箇所に装着した状態で各慣性センサユニットの角速度センサ及び加速度センサのそれぞれの検出出力を取得する第1工程と、
前記第1工程で取得された各慣性センサユニットの角速度センサ及び加速度センサのそれぞれの検出出力により示される角速度の検出値と加速度の検出値とを基に、前記被験者の運動環境における各慣性センサユニットの姿勢を推定する第2工程と、
前記第1工程で取得された各慣性センサユニットの加速度センサの検出出力により示される加速度の検出値と、各慣性センサユニットに関して前記第2工程で推定され各慣性センサユニットの姿勢とを基に、前記被験者の移動環境に設定されたグローバル座標系で見た各慣性センサユニットの加速度を推定する第3工程と、
前記複数の慣性センサユニットのそれぞれに関して前記3工程で推定された加速度の組を基に、前記グローバル座標系で見た前記被験者の上体の角加速度を推定する第4工程とを備えることを特徴とする上体運動計測方法。
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