JP6882916B2 - 歩行支援システム、歩行支援方法、および歩行支援プログラム - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態の歩行支援システム10の概略を示す図である。歩行支援システム10は、例えば、運動情報検出部100と、表示装置200とを備える。運動情報検出部100は、例えば、上体情報検出部110と、足部情報検出部120とを備える。上体情報検出部110および足部情報検出部120と、表示装置200とは、例えば、有線または無線で通信可能に接続されている。
ここで、本実施形態で適用される動力学271について説明する。図3は、動力学271について説明するための図である。動力学271は、例えば、ヒトの動力学モデルとして、質点の高さが一定の線形倒立振子を用いる。また、倒立振子質点の水平位置は、上体に固定された代表点の水平位置あるいは全体重心の水平位置を表すものとする。また、サジタル面上の運動とラテラル面上の運動は、独立しているものとする。また、ZMP位置は、着地位置(より具体的には着地した脚の足首の床投影点)に設定されるものとする。
次に、推奨着地位置決定部240における推奨着地位置の決定方法の第1の形態例について、具体的に説明する。まず、以下の説明で用いる用語と記号の定義を行う。「歩容の期間」は、一方の脚の着地から反対側の脚の着地までの期間とする。最新の着地から始まる歩容を「現在歩容」と呼び、「Curr」と記す。現在歩容の前の歩容を「前回歩容」と呼び、「B1」と記す。さらに、その前の歩容を「前々回歩容」と呼び、「B2」と記す。現在歩容の次の歩容を「次回歩容」と呼び、「N1」と記す。さらにその次の歩容を「次々回歩容」と呼び、「N2」と記す。さらにその次の歩容を「次々々回歩容」と呼び、「N3」と記す。さらにその次の歩容を「次々々々回歩容」と呼び、「N4」と記す。歩容の初期における着地位置を「歩容の着地位置」と呼ぶ。歩容の初期における着地の向き(着地した足部の向き)を「歩容の着地の向き」と呼ぶ。前々回歩容、前回歩容、現在歩容、次回歩容、次々回歩容、次々々回歩容、次々々々回歩容のそれぞれの着地位置を、「P(B2)、P(B1)、P(Curr)、P(N1)、P(N2)、P(N3)、P(N4)」と記す。前々回歩容、前回歩容、現在歩容、次回歩容、次々回歩容、次々々回歩容、次々々々回歩容それぞれの着地の向きを、「S(B2)、S(B1)、S(Curr)、S(N1)、S(N2)、S(N3)、S(N4)」と記す。前々回歩容、前回歩容、現在歩容、次回歩容、次々回歩容、次々々回歩容それぞれの周期(歩容の時間)を、「T(B2)、T(B1)、T(Curr)、T(N1)、T(N2)、T(N3)」と記す。
「P’(N1)=P(N1)+q(t_curr)−q_cyc_init」、
「P’(N2)=P(N2)+q(t_curr)−q_cyc_init」、
「P’(N3)=P(N3)+q(t_curr)−q_cyc_init」、
「q_cyc_init’=q(t_curr)」
により、それぞれの平行位置を取得する。そして、推奨着地位置決定部240は、平行移動した次回歩容N1’の着地位置P(N1’)を推奨着地位置P_aimとして決定する。
次に、推奨着地位置の決定方法の第2の形態例について説明する。推奨着地位置を表示する場合に、ユーザPの足が着地してから次の着地位置にZMPが移動するまでに遅れが生じる場合がある。そこで、推奨着地位置決定部240は、定常歩容の初期発散成分q(t_curr)と、現在発散成分q_cyc_initとが一致するように、現在発散成分q_cyc_init、次回歩容N1の着地位置P(N1)、次々回歩容N2の着地位置P(N2)、次々々回歩容N3の着地位置P(N3)を平行移動する代わりに、現在より所定時刻Ta後の発散成分の予想値q(t_curr+Ta)と、定常歩容の初期発散成分q_cyc_initとが一致するように、定常歩容の初期発散成分q_cyc_init、次回歩容N1の着地位置P(N1)、次々回歩容N2の着地位置P(N2)、次々々回歩容N3のP(N3)のそれぞれを平行移動させる。
次に、推奨着地位置の決定方法の第3の形態例について説明する。推奨着地位置の決定方法の第1および第2の形態例では、着地タイミングは、ユーザPの自由意思で決めることができるものであるのに対し、第3の形態では、推奨着地位置決定部240が次の推奨着地タイミングも決定し、ユーザPに推奨着地タイミングで着地するように誘導する。推奨着地位置決定部240は、例えば、次の推奨着地タイミングを、現在歩容の開始時刻から前々回歩容の周期T(B2)だけ後とする。図12は、推奨着地位置の決定方法の第3の形態例を説明するための図である。図12の横軸は時間を示し、縦軸はZMP(=着地位置)を示す。図12に示すように、今回歩容の周期T(Curr)を前々回歩容の周期T(B2)に一致させる。推奨着地位置決定部240は、次の推奨の着地タイミングにおける推奨着地位置を決定する。より具体的には、推奨着地位置決定部240は、次の推奨着地タイミングにおける発散成分の予想値q_next_landと、定常歩容の初期発散成分q_cyc_initとが一致するように、定常歩容の初期発散成分q_cyc_init、次回歩容N1の着地位置P(N1)、次々回歩容N2の着地位置P(N2)、次々々回歩容N3のP(N3)のそれぞれを平行移動させる。この場合、推奨着地位置決定部240は、図12に示すように、現在の着地位置P(Curr)にZMPが保持されているものとして、発散成分の予想値q_next_landを、動力学271を用いて推定する。そして、推奨着地位置決定部240は、平行移動した次回歩容N1’の着地位置P(N1’)を推奨着地位置P_aimとして決定する。表示制御部250は、推奨の着地タイミングの少し前の時刻から、推奨の着地タイミングまでの残り時間が分かる表示をしつつ、推奨着地位置も示す。推奨着地位置は、推奨着地タイミングよりも所定時間前に決定し、その後の着地まで一定の位置でもよいが、その瞬間毎の運動の発散成分の変動に応じて、再計算して表示してもよい。
次に、表示部260に表示される画面例について説明する。図13は、ある瞬間に表示部260に表示される画面の一例を示す図である。表示部260の画面262には、実空間上に存在する床面264等が示されている。表示制御部250は、推奨着地位置決定部240により決定された推奨着地位置P_aimに予め設定されたユーザPの着地位置を示すオブジェクト画像266を表示する。
図14は、第1実施形態の推奨着地位置の表示処理の流れの一例を示すフローチャートである。まず、運動情報検出部100は、ユーザPの上体の位置、速度と左右の足部の位置、速度を検出する(ステップS100)。次に、重心位置/速度検出部220は、ユーザPの上体の位置、速度と左右の足部の位置、速度から重心位置、速度を算出する(ステップS102)。次に、着地位置/向き検出部230は、足の着地位置および向きを取得する(ステップS104)。
次に、歩行支援システムの第2実施形態について説明する。第2の実施形態における歩行支援システムは、上述した第1実施形態の歩行支援システム10と同様の構成を適用できるため、ここでの具体的な説明は省略する。トレッドミル上の歩行および他の人の後を追従する歩行においては、着地位置は所定の範囲に制限される。そこで、第2実施形態では、各時刻での着地位置が所定の範囲に制限されている場合における推奨着地位置を決定する。この場合、推奨着地位置決定部240は、上記制限とユーザPの過去の着地位置とに基づいて、目標の定常歩容(以降、目標の定常歩容を単に定常歩容と略す場合がある)の着地位置を決定する。また、推奨着地位置決定部240は、定常歩容の初期発散成分を求め、さらに現在発散成分と理想の定常歩容の初期発散成分との差を求める。また、現在着地位置と理想着地位置との差を求める。
次に、歩行支援システムの第3実施形態について説明する。図18は、第3実施形態の歩行支援システム10Aの機能構成の一例を示す図である。なお、第3実施形態における歩行支援システム10Aの各構成のうち、第1実施形態の歩行支援システム10の各構成と同様の構成については、同一の符号を付するものとし、ここでの具体的な説明は省略する。
ここで、上述した実施形態の変形例について説明する。上述した歩行支援システム10では、推奨着地位置を決定するための機能を表示装置200内に設けたが、表示装置200以外の装置で行ってもよい。例えば、推奨着地位置を示すオブジェクトを、実際の路面等に投影する場合には、表示装置200の代わりに、投影装置をユーザPの腰部等に取り付け、腰部に取り付けた投影装置から推奨着地位置を示すオブジェクト画像を路面に投影してもよい。これにより、ユーザPは、頭部に表示装置200を取り付ける必要がないため、頭部の負荷を軽減することができる。また、ユーザPの歩行を支援する支援者がユーザPに付き添っている場合には、その支援者にも推奨着地位置を把握させることができる。そのため、支援者は、ユーザPの歩行を適切に支援することができる。
Claims (10)
- 情報出力部と、
ユーザの運動を検出する運動検出部と、
前記ユーザの着地位置を検出する着地位置検出部と、
前記運動検出部により検出される前記ユーザの歩行運動と、前記着地位置検出部により検出される着地位置と動力学とに基づいて、前記ユーザの歩行運動を安定にするために適した足の着地位置である推奨着地位置を決定する決定部と、
前記決定部により決定された推奨着地位置を示す情報を、前記情報出力部に出力する出力制御部と、を備え、
前記決定部は、前記ユーザの現在の移動速度を加速させる場合に、前記移動速度と前記着地位置と前記動力学とに基づいて決定された推奨着地位置を、前記ユーザに近付けた位置に補正し、前記ユーザの現在の移動速度を減速させる場合に、前記移動速度と前記着地位置と前記動力学とに基づいて決定された推奨着地位置を、前記ユーザから遠ざけた位置に補正する、
歩行支援システム。 - 前記決定部は、上体あるいは重心の水平方向の運動を表す倒立振子を含む動力学モデルを用いて、ユーザの運動が所定の運動に収束するように推奨着地位置を決定する、
請求項1に記載の歩行支援システム。 - 前記所定の運動は定常歩容である、
請求項2に記載の歩行支援システム。 - 前記決定部は、現在時刻に着地した場合の推奨着地位置を連続して決定する、
請求項1から3のうち、何れか1項に記載の歩行支援システム。 - 前記決定部は、マップまたはディープラーニングによって得られたニューラルネットワークを用いて推奨着地位置を決定する、
請求項1から4のうち、何れか1項に記載の歩行支援システム。 - 前記ユーザの足部の動きを支援する支援部と、
前記支援部により前記ユーザの足を前記推奨着地位置に誘導する支援制御部と、を更に備える、
請求項1から5のうち、何れか1項に記載の歩行支援システム。 - 前記ユーザの足が着地したときの基準方向に対する足部の向きを検出する向き検出部を、更に備え、
前記決定部は、前記向き検出部により検出された向きに基づいて、前記ユーザの身体の重心の軌跡が前記足部の向きに応じて旋回するように、前記推奨着地位置を決定する、
請求項1から6のうち、何れか1項に記載の歩行支援システム。 - 前記ユーザからの操作を受け付ける操作受付部を、更に備え、
前記決定部は、前記操作受付部により受け付けられた操作内容に基づいて、表示モードを切り替えて前記推奨着地位置を決定する、
請求項1から7のうち、何れか1項に記載の歩行支援システム。 - コンピュータが、
ユーザの運動を検出し、
前記ユーザの着地位置を検出し、
検出される前記ユーザの歩行運動と、検出される前記着地位置と動力学とに基づいて、前記ユーザの歩行運動を安定にするために適した足の着地位置である推奨着地位置を決定し、
決定された前記推奨着地位置を示す情報を情報出力部に出力し、
前記ユーザの現在の移動速度を加速させる場合に、前記移動速度と前記着地位置と前記動力学とに基づいて決定された推奨着地位置を、前記ユーザに近付けた位置に補正し、前記ユーザの現在の移動速度を減速させる場合に、前記移動速度と前記着地位置と前記動力学とに基づいて決定された推奨着地位置を、前記ユーザから遠ざけた位置に補正する、
歩行支援方法。 - コンピュータに、
ユーザの運動を検出させ、
前記ユーザの着地位置を検出させ、
検出される前記ユーザの歩行運動と、検出される前記着地位置と動力学とに基づいて、前記ユーザの歩行運動を安定にするために適した足の着地位置である推奨着地位置を決定させ、
決定された前記推奨着地位置を示す情報を情報出力部に出力させ、
前記ユーザの現在の移動速度を加速させる場合に、前記移動速度と前記着地位置と前記動力学とに基づいて決定された推奨着地位置を、前記ユーザに近付けた位置に補正させ、前記ユーザの現在の移動速度を減速させる場合に、前記移動速度と前記着地位置と前記動力学とに基づいて決定された推奨着地位置を、前記ユーザから遠ざけた位置に補正させる、
歩行支援プログラム。
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