JP6440406B2 - ストライド計測システム - Google Patents

Description

本発明は、被検者のストライドの計測を行うシステムに関する。

走行者の走行状態を解析する際に、ストライドの計測を行う場合がある。走行者のストライドの計測を正確に行うことにより、シューズやウェアの相違によるストライドの相違や、フォームによるストライドの相違が判明するので、走行者の記録の向上に寄与することができる。

従来から知られているストライドの計測方法としては、複数の高速度カメラを用い、高速度カメラで撮影された画像を解析することによって行われることが知られている。

しかしながら高速度カメラを用いて計測をする方法については、装置が高価であり、手軽に計測を行えないという課題があり、さらに解析する範囲が狭いという課題もある。例えば、３０台程度の高速度カメラを使用したとしても、解析できる範囲は、せいぜい２０ｍ程度であり、歩数になると４〜５歩程度である。
また解析手法が複雑であるという課題もある。

そこで、加速度センサ等のモーションセンサを用いてストライドの計測を行うことが提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

例えば、特許文献１に開示されている歩行分析システムによれば、歩行者の足に加速度又は角速度のいずれかを検出するセンサを設け、センサの検出するデータの加速度の絶対値に基づいて接地時刻と次の接地時刻を算出することによって歩幅を算出可能としている。

また、特許文献２に開示されている歩行解析システムによれば、歩行者の片足又は両足に加速度又は角速度のいずれかを検出するセンサを設け、センサの検出するデータによってストライド長を算出可能としている。

特開２００８−１７５５５９号公報 特開２００８−１６１２２８号公報

上述してきた従来の技術によれば、加速度センサ等のモーションセンサによって、被験者のストライドを算出可能としているが、加速度センサを用いてストライド等の距離成分を算出する場合には、加速度データの積分処理を行うことになる。加速度を１回積分すれば速度データとなり、２回積分すれば位置データとなる。
したがって、加速度センサ等のモーションセンサを用いて距離成分を算出する場合には解析時間が長いほど誤差成分が大きくなってしまい正確な計測ができない場合もあるという課題がある。

また、従来の技術では角速度を検出することも開示されているが、角速度センサは温度変化により値がドリフトする場合もあり、正確な計測ができない場合も考えられる。

そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、被験者のストライドの正確な値を計測可能なシステムを提供することにある。

本発明は上記目的を達成すべく、以下の構成を備える。
すなわち、本発明にかかるストライド計測システムによれば、加速度センサ、角速度センサ及び地磁気センサを有し、被験者の膝関節よりも下の足の甲近傍又は足関節近傍に取り付けられて加速度データ、角速度データ及び地磁気データを検出可能なモーションセンサと、モーションセンサによって計測されたデータに基づいて、少なくとも被験者のストライドを算出する算出手段と、を具備し、前記算出手段は、加速度センサ及び角速度センサからのデータに基づいて、着地時の座標及び向きを算出し、地磁気センサからのデータに基づいて、前記算出される向きを補正し、速度の進行方向成分が、０又は極小値になる点を着地として算出し、進行方向への回転角速度に基づいて、着地時の速度を補正することを特徴としている。
この構成を採用することにより、地磁気センサにより方角を正確に把握することができるので、加速度センサと角速度センサの誤差について地磁気センサが誤差の補正をすることができる。
また、この構成によれば、特に温度変化によりドリフトが生じてしまう角速度センサの角速度データ又は角度データの補正を行うことができる。
また、足の甲近傍に取り付けられることで、足の甲であれば足が止まった瞬間すなわち着地時が正確に把握できるので、正確なストライド計測を行え、さらに足関節近傍に取り付けられることで、シューズの変形にかかわりなく測定が可能である。
さらに、モーションセンサを足関節近傍に取り付けた場合であって、着地時の速度が０にならないような場合であっても、進行方向への回転角速度の検出によって着地時の速度を補正し、ストライド算出時の積分誤差を低減させることができる。

本発明にかかるストライド計測システムによれば、正確なストライドの計測ができる。

被験者へのモーションセンサの設置個所を示す説明図である。 ストライドの説明をする説明図である。 ストライド計測システムの全体構成を説明する説明図である。 モーションセンサの内部構成を示す説明図である。 装置本体の内部構成を示す説明図である。 ストライド算出機能を説明するブロック図である。 算出されたストライド、ピッチ、平均速度の表示の一例を示す説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１に、本実施形態における被験者を示す。
本システムは、走行者である被験者のストライドを計測するシステムであって、モーションセンサ２０が被験者１０の膝関節よりも下肢側に取り付けられる。取り付け箇所としては、膝関節よりも下であればいずれの場所でもよいが、本実施形態では、被験者１０の足の甲にモーションセンサ２０を取り付けている例を示す。
足の甲にモーションセンサを取り付けることにより、速度又は加速度が０又は極小値となる位置を着地時であると判断できるため、より正確な着地時を把握できる。

図２にストライドの概念を示す。
本実施形態でいうストライドとは、右足又は左足のいずれか一方が着地してから、再度同じ足が着地するまでの距離をいう。
図２では、左足の着地から次の着地までを図示し、これを左足のストライドとしている。

図３に、本実施形態のシステム全体の概略説明図を示し、図４に、モーションセンサの概略内部構成を示し、図５に装置本体の概略内部構成を示す。
ストライド計測システム３０は、モーションセンサ２０と、算出手段２２を有する装置本体３１とを具備する。

モーションセンサ２０は、内部に３軸加速度センサ２４、３軸角速度センサ２６、及び３軸磁気センサ（地磁気センサ）２８とを有しており、加速度データ、角速度データ、及び地磁気データを検出可能である。
モーションセンサ２０内には、ＡＤ変換器１９が設けられており、３軸加速度センサ２４、３軸角速度センサ２６、及び３軸磁気センサ（地磁気センサ）２８の各センサで検出されたアナログの加速度データ、アナログの角速度データ及びアナログの地磁気データを、それぞれデジタルデータに変換する。
ＡＤ変換器１９で変換されたデジタルデータはマイコン１６に入力される。

また、モーションセンサ２０内には、データ送信可能な通信回路２３が設けられており、各センサにより検出され、且つＡＤ変換された各データを無線送信可能である。各データの送信タイミングなどはマイコン１６によって制御される。
無線通信機能としては、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などを採用することができる。

さらに、モーションセンサ２０内には、記憶装置２９が設けられている。記憶装置２９には、加速度センサ２４、角速度センサ２６、及び地磁気センサ２８で検出されＡＤ変換後の各データを記憶させておくことができる。
このため、データ送信部２３から装置本体３１へデータ送信し、装置本体３１側でリアルタイム処理をしなくても、記憶装置２９内に記憶させておいたデータを後に装置本体３１内で処理することもできる。

次に、装置本体３１の具体的構成について説明する。
装置本体３１としては、一般的なコンピュータを採用することができる（以下、コンピュータと称する場合がある）。
コンピュータ３１は、制御プログラムに基づいて動作する制御部４２を具備している。制御部４２は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等から構成されている。制御部４２には、ディスプレイ４６と、記憶装置４４とが接続されている。

制御部４２は、加速度データ、角速度データ及び地磁気データをモーションセンサ２０から受信する通信回路３３を備えている。上記のように、モーションセンサ２０の通信回路２３との通信方法としては、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などを採用することができる。

制御部４２は、通信回路３３で受信した各データに基づいて、被験者１０のストライドを算出する算出手段２２を実現する。
また、本実施形態では、算出手段２２において、ストライドを算出するストライド算出手段３４、ピッチを算出するピッチ算出手段３５、及び速度を算出する速度算出手段３６を有している。
算出手段２２によって算出されたストライド、ピッチ及び速度は、ディスプレイ４６に表示される。また、算出手段２２によって算出されたストライド、ピッチ及び速度は、記憶装置４４にも記憶される。

次に、図６に基づいて算出手段２２の動作を説明する。
算出手段２２は、通信回路３３で受信した加速度データ、及び角速度データを積分器（図面では省略している）によって積分することができる。
加速度データは１回積分されると速度データとなり、２回積分されると位置データとなる。角速度データは、１回積分されると角度データとなる。

積分された値を正確に算出する際には、積分の時間間隔を短くした方が良い。そこで算出手段２２は、加速度データ及び角速度データの値を１／１００秒おきなどの短い時間間隔で計測し、積分器による積分を行うようにするとよい。

まず、３軸加速度センサ２４による加速度データによって、水平面内の左右方向をｘ軸方向とし、水平面内の歩行方向をｙ軸方向とし、鉛直方向をｚ軸方向とした場合における装着個所の各方向の加速度及び速度が計測できる。
すなわち、この加速度データにより、モーションセンサ装着箇所における基準座標系の加速度及び速度が推定される。
なお、後述するように、基準座標系の加速度及び速度は、モーションセンサ２０の姿勢に基づいて補正がなされる。

また、算出手段２２は、加速度データ、角速度データ、及び地磁気データによってモーションセンサ２０の姿勢について推定する。
すなわち、被験者の走行時には、モーションセンサ２０の姿勢が変化するので、角速度データ及び角速度を積分した角度データによってモーションセンサ２０の姿勢を推定することができる。推定されたモーションセンサ２０の姿勢に基づき、上述した基準座標系の加速度及び速度が補正される。
そして、補正された加速度及び速度に基づいて、ストライドが算出される。

モーションセンサ２０が足の甲に取り付けられている場合には、着地時には加速度データ又は速度データの進行方向の値が、０又は極小値となる。このため、算出手段２２は、加速度データに基づき、加速度データ又は速度データの値が、０又は極小値となった時点を着地時として判定することができる。
そして、算出手段２２は、次の着地時までの位置情報（速度データを１回積分）に基づいてストライドを算出することができる。

モーションセンサ２０を足の甲以外の場所に取り付けた場合、例えば、足関節より上方に取り付けた場合には、足が着地してもモーションセンサ２０は前方に移動しており、着地時の速度を０とみなすことができない場合も想定される。
着地時には、足の甲部分は停止しているが、足関節よりも上の部分では足関節を中心に回動しており、速度データが０又は極小値を取ることができないためである。そこで、足関節を中心にして進行方向にのみ足が回動する角速度又は角度を検知することによって着地時の速度を推定することができる。

なお、角速度センサ２６は温度によるドリフトがあり、計測される角速度データを補正した方が正確な値となる。
このため、モーションセンサ２０の姿勢を推定する際には、磁気センサ２８によって地磁気を計測し、地磁気に基づいてモーションセンサ２０の姿勢についての補正を行う。これにより、さらに正確なストライドの算出が行える。
なお、磁気センサ２８による地磁気の検出は、他のセンサよりも検出するための時間が長く必要である。このため、走行中に常時地磁気による補正を行うことはできない。そこで、算出手段２２は、所定のタイミングにおいて、モーションセンサ２０の姿勢についての地磁気による補正を行うようにするとよい。所定のタイミングとは、例えば着地時などにすることができる。

なお、ストライドは、着地から次の着地までの距離であるが、ピッチは着地から次の着地までの時間であり、上述したように着地時が判明すればピッチも算出することができる。
また、算出されたストライドを算出されたピッチで除算することにより、着地から次の着地までの平均速度を算出することも可能である。

図７に、算出されたストライド、ピッチ、平均速度をディスプレイ４６に表示させた際の表示画面を示す。
ここでは、１つの時系列グラフにストライド、ピッチ、平均速度を折れ線表示させている。この時系列グラフは、横軸が着地の数、縦軸にストライド（ｍ）とピッチ（ｓ）と平均速度（ｍ／ｓ）を示している。
また、時系列グラフの下には、各着地時におけるストライド（ｍ）とピッチ（ｓ）と平均速度（ｍ／ｓ）を一覧表にまとめており、グラフだけでなく定量的な把握も容易に行うことが可能である。

以上本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのはもちろんである。

１０ 被験者
１６ マイコン
１９ 変換器
２０ モーションセンサ
２２ 算出手段
２３ データ送信部
２３ 通信回路
２４ ３軸加速度センサ
２６ ３軸角速度センサ
２８ 地磁気センサ
２９ 記憶装置
３０ ストライド計測システム
３１ 装置本体（コンピュータ）
３３ 通信回路
３４ ストライド算出手段
３５ ピッチ算出手段
３６ 速度算出手段
４２ 制御部
４４ 記憶装置
４６ ディスプレイ

Claims (1)

1. 加速度センサ、角速度センサ及び地磁気センサを有し、被験者の膝関節よりも下の足の甲近傍又は足関節近傍に取り付けられて加速度データ、角速度データ及び地磁気データを検出可能なモーションセンサと、
   モーションセンサによって計測されたデータに基づいて、少なくとも被験者のストライドを算出する算出手段と、を具備し、
   前記算出手段は、
   加速度センサ及び角速度センサからのデータに基づいて、着地時の座標及び向きを算出し、
   地磁気センサからのデータに基づいて、前記算出される向きを補正し、
   速度の進行方向成分が、０又は極小値になる点を着地として算出し、
   進行方向への回転角速度に基づいて、着地時の速度を補正することを特徴とするストライド計測システム。