(57)【要約】【課題】ユーザの歩行動作を阻害することなく足関節角度を継続的に推定できるようにする。【解決手段】ユーザの脛部周辺部に配置されたフォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈから取得された、ユーザの歩行動作に応じた、ユーザの脛部表面との間の各距離データに基づいて、ユーザの歩行動作が反映された特徴量ベクトルが生成される。生成された特徴量ベクトルから足関節角度が推定される。各々がユーザの脛部の異なる位置に設置された複数の電極４Ａ〜４Ｄの各々の識別情報と足関節角度とを対応付けて記憶するアクチュエータテーブルに基づいて、複数の電極４Ａ〜４Ｄの中から、上記推定された足関節角度に対応する電極が選択される。加速度センサ３から取得された加速度データから、電極を動作させるタイミングが判定される。上記選択された電極を上記判定されたタイミングで動作させるための信号が送信される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの脛部周辺部に配置された距離センサから、前記ユーザの歩行動作に応じた、前記ユーザの脛部表面と前記距離センサとの間の距離を表す距離データを取得する距離取得部と、
前記取得された距離データに基づいて、前記歩行動作が反映された距離特徴量を算出する距離特徴量算出部と、
前記算出された距離特徴量から前記ユーザの足関節角度を推定する足関節角度推定部と
を備える足関節角度推定装置。
【請求項２】
前記距離取得部は、各々が前記ユーザの脛部周辺部の異なる位置に配置された複数の距離センサから、当該各距離センサと前記ユーザの脛部表面との間の距離を表す距離データをそれぞれ取得し、
前記距離特徴量算出部は、前記取得された複数の距離データに基づいて、前記歩行動作が反映された距離特徴量を算出する、
請求項１に記載の足関節角度推定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の足関節角度推定装置を備える歩行支援装置であって、
前記推定された足関節角度に基づいて、前記ユーザの脛部に設置されたアクチュエータを動作させるための信号を送信するアクチュエータ駆動指示部を備える歩行支援装置。
【請求項４】
前記アクチュエータ駆動指示部は、
各々が前記ユーザの脛部の異なる位置に設置された複数のアクチュエータの各々の識別情報と足関節角度とを対応付けて記憶するアクチュエータテーブルに基づいて、前記複数のアクチュエータの中から、前記推定された足関節角度に対応するアクチュエータを選択するアクチュエータ選択部と、
前記選択されたアクチュエータを動作させるための信号を送信する信号送信部と
を備える、請求項３に記載の歩行支援装置。
【請求項５】
前記歩行支援装置は、前記歩行動作を検知する加速度センサから加速度データを取得する加速度取得部をさらに備え、
前記アクチュエータ駆動指示部は、
前記取得された加速度データから、前記アクチュエータを動作させるタイミングを判定するタイミング判定部と、
前記アクチュエータを前記判定されたタイミングで動作させるための信号を送信する信号送信部と
を備える、請求項３または４に記載の歩行支援装置。
【請求項６】
コンピュータおよびメモリを備える装置が実行する足関節角度推定方法であって、
ユーザの脛部周辺部に配置された距離センサから、前記ユーザの歩行動作に応じた、前記ユーザの脛部表面と前記距離センサとの間の距離を表す距離データを取得する過程と、
前記取得された距離データに基づいて、前記歩行動作が反映された距離特徴量を算出する過程と、
前記算出された距離特徴量から前記ユーザの足関節角度を推定する過程と
を備える足関節角度推定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の足関節角度推定方法を使用して、前記コンピュータおよびメモリを備える装置が実行する歩行支援方法であって、
前記推定された足関節角度に基づいて、前記ユーザの脛部に設置されたアクチュエータを動作させるための信号を送信する過程を備える歩行支援方法。
【請求項８】
請求項１または２に記載の足関節角度推定装置、あるいは、請求項３乃至５のいずれかに記載の歩行支援装置が備える各部としてコンピュータを機能させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、歩行中のユーザの足関節角度を推定する足関節角度推定装置、方法およびプログラムと、推定された足関節角度に基づいて、当該足関節角度を矯正させるための指示を送信する歩行支援装置、方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒトの歩き方の一つの指標として、歩行中の足首の関節（以後、足関節と称する）の使い方が挙げられる。例えば、足関節を十分に背屈させることや、外転や内転が大きくなりすぎないことが重要である。
【０００３】
歩行中の足関節の動きを支援する歩行支援装置を実現する場合には、一般的に、足関節角度を推定する技術と、推定された足関節角度に基づいて足関節角度を矯正する技術が利用される。
【０００４】
足関節角度を推定する技術としては、マーカとカメラを用いたモーションキャプチャを利用して足関節角度を推定するものや、足首付近に装着させたゴニオメータや慣性センサの計測データから足関節角度を測定するものや、前脛骨筋の表面に設置させた筋電センサから計測される筋電位から足関節角度を推定するものが知られている（例えば、非特許文献１を参照）。一方、足関節角度を矯正する技術としては、アシストスーツを利用して足関節を動かすもの（例えば、非特許文献１を参照）や、脛部に設置された電極に、当該電極が設置された前脛骨筋などの筋肉の表面に電気刺激を提示させて足関節を動かすもの（例えば、非特許文献２を参照）が知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】武富卓三，山海嘉之，“ロボットスーツ HAL による脳性麻痺患者の歩行支援に関する研究”，生体医工学，50(1)，pp.105-110（2012）
【非特許文献２】半田康延，星宮望，“機能的電気刺激 (FES) による麻ひ上下しの制御”，医用電子と生体工学，24(1)，pp.1-7（1986）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、非特許文献１に記載されるような足関節角度を推定する技術には、以下のような問題がある。  
すなわち、マーカとカメラを用いたモーションキャプチャを利用する技術では、利用される装置のサイズが大きく装着負荷が高いので、反って歩行が阻害されてしまう可能性がある。ゴニオメータや慣性センサを用いる技術では、足首付近に設置された装置が、反って歩行動作を阻害してしまう可能性や、足の着地の衝撃によって故障してしまう可能性がある。筋電センサを用いる技術では、特に足関節角度の矯正にも筋電センサを用いる場合に、矯正のために筋電センサから電気刺激を提示している最中には正確な筋電位を測定することができず、継続的に足関節角度を推定して足関節角度を矯正することができなくなる。
【０００７】
また、足関節角度を矯正する技術のうち、アシストスーツを利用するものでは、利用される装置のサイズが大きく装着負荷が高いので、反って歩行が阻害されてしまう可能性がある。
【０００８】
この発明は上記事情に着目してなされたもので、ユーザの歩行動作を阻害することなく足関節角度を継続的に推定できる足関節角度推定装置、方法およびプログラムと、推定された足関節角度に基づいて当該足関節角度を矯正できるようにした歩行支援装置、方法およびプログラムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、足関節角度推定装置にあって、ユーザの脛部周辺部に配置された距離センサから、前記ユーザの歩行動作に応じた、前記ユーザの脛部表面と前記距離センサとの間の距離を表す距離データを取得する距離取得部と、前記取得された距離データに基づいて、前記歩行動作が反映された距離特徴量を算出する距離特徴量算出部と、前記算出された距離特徴量から前記ユーザの足関節角度を推定する足関節角度推定部とを備えるようにしたものである。
【００１０】
この発明の第２の態様は、前記距離取得部が、各々が前記ユーザの脛部周辺部の異なる位置に配置された複数の距離センサから、当該各距離センサと前記ユーザの脛部表面との間の距離を表す距離データをそれぞれ取得し、前記距離特徴量算出部が、前記取得された複数の距離データに基づいて、前記歩行動作が反映された距離特徴量を算出するようにしたものである。
【００１１】
この発明の第３の態様は、上記足関節角度推定装置を備える歩行支援装置にあって、前記推定された足関節角度に基づいて、前記ユーザの脛部に設置されたアクチュエータを動作させるための信号を送信するアクチュエータ駆動指示部を備えるようにしたものである。
【００１２】
この発明の第４の態様は、前記アクチュエータ駆動指示部が、各々が前記ユーザの脛部の異なる位置に設置された複数のアクチュエータの各々の識別情報と足関節角度とを対応付けて記憶するアクチュエータテーブルに基づいて、前記複数のアクチュエータの中から、前記推定された足関節角度に対応するアクチュエータを選択するアクチュエータ選択部と、前記選択されたアクチュエータを動作させるための信号を送信する信号送信部とを備えるようにしたものである。
【００１３】
この発明の第５の態様は、前記歩行支援装置が、前記歩行動作を検知する加速度センサから加速度データを取得する加速度取得部をさらに備え、前記アクチュエータ駆動指示部が、前記取得された加速度データから、前記アクチュエータを動作させるタイミングを判定するタイミング判定部と、前記アクチュエータを前記判定されたタイミングで動作させるための信号を送信する信号送信部とを備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の第１の態様によれば、ユーザの脛部周辺部に配置された距離センサから取得された、ユーザの歩行動作に応じた、ユーザの脛部表面と前記距離センサとの間の距離を表す距離データに基づいて、ユーザの足関節角度が推定される。このように、装着負荷が高くない距離センサを用いるので、ユーザに装着される装置によってユーザの歩行動作が阻害されることはなくなる。また、距離センサは脛部に配置されるので、ユーザの歩行動作による足の着地の衝撃によって装置が故障するリスクが軽減される。
【００１５】
この発明の第２の態様によれば、各々がユーザの脛部周辺部の異なる位置に配置された複数の距離センサからそれぞれ距離データが取得され、取得された複数の距離データに基づいて、ユーザの足関節角度が推定される。このように複数の距離データを使用することにより、より精度の高い足関節角度の推定を行うことができる。
【００１６】
この発明の第３の態様によれば、上記推定された足関節角度に基づいて、ユーザの脛部に設置されたアクチュエータを動作させるための信号が送信される。このように、足関節角度を推定するのに用いられる距離センサと、足関節角度を矯正するのに用いられるアクチュエータが別の装置であるために、足関節角度の矯正中にも継続して足関節角度を推定することができ、推定された足関節角度に基づいて足関節角度を継続的に矯正することができる。また、距離センサとアクチュエータの両方が小型の装置であるため、双方が干渉せず、ユーザの脛部に装置を集約することができる。
【００１７】
すなわちこの発明の各態様によれば、ユーザの歩行動作を阻害することなく足関節角度を継続的に推定できる足関節角度推定装置、方法、およびプログラムと、推定された足関節角度に基づいて、当該足関節角度を矯正させるための指示を送信する歩行支援装置、方法、およびプログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る歩行支援装置の機能構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した歩行支援装置中の制御ユニットによって実行される足関節角度推定処理および歩行支援処理の例示的なフロー図。
【図３】ユーザの足関節の動きの一例を示す図。
【図４】この発明の第１の実施形態に係るフォトリフレクタの配置位置の一例を示す図。
【図５】この発明の第１の実施形態に係る足関節の背屈時のフォトリフレクタのセンサ値の一例を示すグラフ。
【図６】この発明の第１の実施形態に係る足関節の底屈時のフォトリフレクタのセンサ値の一例を示すグラフ。
【図７】この発明の第１の実施形態に係る足関節角度の一例を示す図。
【図８】この発明の第１の実施形態にしたがって推定された足関節角度と、足関節角度の正解値との比較を示すグラフ。
【図９】この発明の第１の実施形態に係る電極の設置位置の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。  
［第１の実施形態］
（構成）
図１は、本実施形態に係る歩行支援装置１の機能構成を示すブロック図である。図１に図示される歩行支援装置１は、例えばマイクロコンピュータを内蔵した小型の専用ユニットやスマートフォン、ウェアラブル端末によって実現することができる。また歩行支援装置１は、足関節角度推定処理および歩行支援処理を実現するために、例えばユーザの脛部に配置された複数の距離センサ２、加速度センサ３、および複数のアクチュエータ４との間で通信をする機能を有する。
【００２０】
複数の距離センサ２は、例えばフォトリフレクタからなり、例えば図４に示すように、ユーザの脛部の周辺部に横一列に並べて配置される。そして、ユーザの歩行動作に応じて変化する上記脛部表面と各距離センサ２との間の距離をそれぞれ計測し、計測された距離データをそれぞれ送信する。
【００２１】
加速度センサ３は、ユーザの歩行動作に伴う足の動きを示す加速度を検出するもので、検出した加速度データを送信する。
【００２２】
複数のアクチュエータ４は、例えば電極からなり、例えば図９に示すように、ユーザの脛部の歩行動作に使用する異なる複数の筋肉の表面に貼付される。そして、歩行支援装置１から送信されるアクチュエータ駆動指示信号を受信し、当該駆動指示信号に応じて上記筋肉に電気刺激を与える。
【００２３】
本実施形態に係る歩行支援装置１は、制御ユニット１１と、記憶ユニット１２と、入出力インターフェースユニット１３とを備えている。
【００２４】
入出力インターフェースユニット１３は、例えば、１つ以上のワイヤードおよび／またはワイヤレスな通信インターフェースユニットを含んでいる。そして、この通信インターフェースユニットにより、上記複数の距離センサ２によって計測された距離データを受信し、その受信データを制御ユニット１１に入力する。また上記通信インターフェースユニットにより、上記加速度センサ３によって計測された加速度データを受信し、その受信データを制御ユニット１１に入力する。さらに、制御ユニット１１から出力されるアクチュエータ駆動指示信号を、上記通信インターフェースユニットによりアクチュエータ４へ送信する。
【００２５】
記憶ユニット１２は、記憶媒体としてＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）等の随時書き込みおよび読み出しが可能な不揮発メモリを使用したもので、本実施形態を実施するために使用される記憶領域として、距離記憶部１２１と、足関節角度記憶部１２２と、アクチュエータテーブル記憶部１２３と、加速度記憶部１２４とを備えている。
【００２６】
距離記憶部１２１は、入出力インターフェースユニット１３を介して入力された、距離センサ２からの距離データを記憶するために使用される。
【００２７】
足関節角度記憶部１２２は、制御ユニット１１において推定された足関節角度を記憶するために使用される。
【００２８】
アクチュエータテーブル記憶部１２３は、足関節角度と複数のアクチュエータ４の各々の識別情報とを対応付けたテーブル情報を記憶するために使用される。
【００２９】
加速度記憶部１２４は、入出力インターフェースユニット１３を介して入力された、加速度センサ３からの加速度データを記憶するために使用される。
【００３０】
制御ユニット１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含み、本実施形態における処理機能を実行するために、距離取得部１１１と、距離特徴量算出部１１２と、足関節角度推定部１１３と、加速度取得部１１４と、アクチュエータ駆動指示部１１５とを備えている。これらの各部における処理機能はいずれも、図示しないプログラムメモリに格納されたプログラムを上記ＣＰＵに実行させることにより実現される。
【００３１】
距離取得部１１１は、上記複数の距離センサ２から送信された上記距離データを、上記入出力インターフェースユニット１３を介してそれぞれ取得し、取得された各距離データを記憶ユニット１２の距離記憶部１２１に記憶させる処理を実行する。
【００３２】
距離特徴量算出部１１２は、記憶ユニット１２の距離記憶部１２１に記憶された上記各距離データを読み出し、当該各距離データに基づいて、ユーザの歩行動作が反映された距離特徴量を算出する処理を実行する。
【００３３】
足関節角度推定部１１３は、距離特徴量算出部１１２において算出された距離特徴量からユーザの足関節角度を推定し、推定された足関節角度を記憶ユニット１２の足関節角度記憶部１２２に記憶させる処理を実行する。
【００３４】
加速度取得部１１４は、上記加速度センサ３から送信された加速度データを、上記入出力インターフェースユニット１３を介して取得し、取得された加速度データを記憶ユニット１２の加速度記憶部１２４に記憶させる処理を実行する。
【００３５】
アクチュエータ駆動指示部１１５は、アクチュエータ選択部１１５１と、タイミング判定部１１５２とを備えている。
【００３６】
アクチュエータ選択部１１５１は、記憶ユニット１２の足関節角度記憶部１２２に記憶された足関節角度を読み出す。そして、アクチュエータテーブル記憶部１２３に記憶された、足関節角度と複数のアクチュエータ４の各々の識別情報とを対応付けたテーブル情報を参照して、上記複数のアクチュエータ４の中から、上記読み出された足関節角度に対応するアクチュエータ４を選択する処理を実行する。
【００３７】
タイミング判定部１１５２は、記憶ユニット１２の加速度記憶部１２４に記憶された加速度データを読み出し、読み出された加速度データから、アクチュエータ４を動作させるタイミングを判定する処理を実行する。
【００３８】
アクチュエータ駆動指示部１１５は、アクチュエータ選択部１１５１の制御下で選択されたアクチュエータ４を、タイミング判定部１１５２の制御下で判定されたタイミングで動作させるためのアクチュエータ駆動指示信号を送信する処理を実行する。
【００３９】
（動作）
次に、以上のように構成された歩行支援装置１の動作を説明する。図２は、図１に示した歩行支援装置１中の制御ユニット１１によって実行される足関節角度推定処理および歩行支援処理の例示的なフロー図である。図３では足関節のさまざまな動きの一例を図示しており、本実施形態に係る足関節角度推定処理および歩行支援処理では、例として、図３に図示する背屈方向の足関節角度を推定し、当該足関節角度を矯正するための処理を実現する。
【００４０】
以下、図２に示した足関節角度推定処理および歩行支援処理について、図４〜図９を参照しながら説明する。
【００４１】
（１）足関節角度推定処理
本実施形態では、ユーザの脛部周辺部に配置された複数の距離センサ２から計測される距離データに基づいて、歩行中のユーザの足関節角度を推定する。距離センサ２としては、例えば合計８個のフォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈが使用される。
【００４２】
図４は、本実施形態に係る、ユーザの脛部へのフォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈの配置位置の一例を示す図である。図４に図示されているように、例えば、ユーザの脛部の右側面に２個のフォトリフレクタ２Ａ，２Ｂを、右側面と正面との間に１個のフォトリフレクタ２Ｃを、正面に２個のフォトリフレクタ２Ｄ，２Ｅを、正面と左側面との間に１個のフォトリフレクタ２Ｆを、左側面に２個のフォトリフレクタ２Ｇ，２Ｈを配置するように、フォトリフレクタの各々をユーザの脛部の周辺部の異なる位置に配置する。各フォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈは、脛部の表面との間の数ｍｍの範囲の距離の変化を測定するもので、ユーザの歩行動作に応じて前脛骨筋や腓骨筋や下腿三頭筋（腓腹筋とヒラメ筋）の形状が変化すると、それに伴って変化した脛部表面との間の距離を計測する。
【００４３】
最初に、ステップＳ１１において、制御ユニット１１は、距離取得部１１１の制御の下、距離センサ２としてのフォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈから、ユーザの歩行動作に応じて変化する、ユーザの脛部表面と各フォトリフレクタとの間の距離を表す距離データをそれぞれ取得し、取得された各距離データを距離記憶部１２１に記憶させる。
【００４４】
次に、ステップＳ１２において、制御ユニット１１は、距離特徴量算出部１１２の制御の下、例えば一定の時間間隔で、計測タイミングが対応する各距離データを距離記憶部１２１から読み出し、読み出された複数の距離データに基づいて、各々の距離データを要素とする特徴量ベクトルを生成する。
【００４５】
図５および図６は、図４で図示したフォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈにおいてそれぞれ計測された距離データであるセンサ値の一例を、ｃｈ１〜ｃｈ８として示している。図５のグラフは足関節の背屈時、図６のグラフは足関節の底屈時のものである。図５のグラフと図６のグラフとを比較すると、足関節の動きの違いによってフォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈから異なるセンサ値が入力されており、したがって、これらのセンサ値に基づいて生成される特徴量ベクトルが、ユーザの歩行動作が反映されたものとなることがわかる。
【００４６】
次に、ステップＳ１３において、制御ユニット１１は、足関節角度推定部１１３の制御の下、ステップＳ１２において生成された特徴量ベクトルから、フォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈが配置されている足の足関節角度を推定し、推定された足関節角度を足関節角度記憶部１２２に記憶させる。足関節角度の推定手法としては、例えば、特徴量ベクトルをもとに回帰分析を行って足関節角度を算出する手法が用いられる。回帰分析の手法としては、一般的な重回帰分析やサポートベクトル回帰を利用する。なお、当該推定処理は、歩行支援装置１とは別の装置で実行してもよく、推定された足関節角度は、当該推定処理を実行した装置に記憶させるようにしてもよい。
【００４７】
図７は、本実施形態において推定される足関節角度の説明図である。図７に図示されているように、本実施形態では、膝関節と足関節とを結んだ直線と垂直に交わる直線を基準線として足関節角度が０°であると定義し、当該基準線に対する背屈および底屈の角度を推定する。
【００４８】
図８は、推定された足関節角度と、足関節角度の正解値との比較を示すグラフである。図８のグラフでは、足関節の底屈方向の角度を正の値で、背屈方向の角度を負の値として示している。なお、図８に示される、推定された足関節角度は、サポートベクトル回帰を用いて推定されたものであり、足関節角度の正解値は、９軸の慣性センサを用いて測定したものである。図８から分かるように、推定された足関節角度は、足関節角度の正解値とほぼ一致する。
【００４９】
（２）歩行支援処理
本実施形態では、歩行中のユーザの推定された足関節角度に基づいてユーザが適切な歩き方をしているか否かを判定し、適切な歩き方をしていないと判定された場合に、足関節角度を矯正して適切な歩き方となるようにする。
【００５０】
ユーザの足関節角度を矯正するには、アクチュエータ４として例えば電極４Ａ〜４Ｄを使用する。図９は、本実施形態に係る、足関節角度を矯正するための電極４Ａ〜４Ｄのユーザの脛部への設置位置の一例を示す図である。図９に図示されているように、例えば、足首を背屈させる際に使用される筋肉である前脛骨筋の表面に、縦方向に２個の電極４Ａ，４Ｂを、足首を底屈させるときに使用される筋肉である下腿三頭筋の表面に、縦方向に２個の電極４Ｃ，４Ｄを設置するようにする。電極４Ａ〜４Ｄを動作させて電気刺激を提示させることによって足関節角度を矯正することができる。例えば、足首を背屈させる際に使用される筋肉である前脛骨筋の表面に設置された電極４Ａ，４Ｂによって電気刺激が提示されると、電気刺激が提示された前脛骨筋が収縮されて足関節の背屈が促される。なお、電気刺激の電圧は、例えば３０〜４０Ｖ程度とする。
【００５１】
最初に、ステップＳ１４において、制御ユニット１１は、アクチュエータ駆動指示部１１５の制御の下、足関節角度記憶部１２２に記憶された足関節角度を読み出し、読み出された足関節角度が所定の範囲内にあるかを判定して、足関節角度を矯正するか否かを決定する。当該所定の範囲は、ユーザが適切な歩き方をしているとされる範囲であり、予め設定しておくものとする。例えば、足関節角度が背屈方向に１０°以上である範囲を所定の範囲として設定しておく。
【００５２】
ステップＳ１４において足関節角度が所定の範囲内にあるとされた場合は、ユーザが適切な歩き方をしているので足関節角度を矯正する必要がなく、以下に説明する処理は実行されない。一方、ステップＳ１４において足関節角度が所定の範囲内にないと判定された場合は、ユーザが適切な歩き方をするように足関節角度を矯正する必要があるので、以下のステップＳ１５からの処理が実行される。
【００５３】
ステップＳ１５において、制御ユニット１１は、アクチュエータ選択部１１５１の制御の下、足関節角度記憶部１２２に記憶された足関節角度を読み出し、その後、アクチュエータテーブル記憶部１２３に記憶された、足関節角度と複数の電極４Ａ〜４Ｄの各々の識別情報とを対応付けたテーブル情報を参照して、複数の電極４Ａ〜４Ｄの中から、読み出された足関節角度に対応する電極を選択する。当該電極の選択では、電気刺激を提示させるように動作させる電極が選択される。
【００５４】
例えば、足関節角度が背屈方向に０°以上であり５°未満である場合は、ユーザが歩行中ではない可能性があるのでいずれの電極も選択されないようにし、また、足関節角度が背屈方向に５°以上であり１０°未満である場合は、足関節の背屈を促したいので、足関節の背屈を担う前脛骨筋の表面に設置されている電極４Ａ，４Ｂが選択されるようにする。このためには、アクチュエータテーブルにおいて、足関節角度が背屈方向に０°以上であり５°未満である範囲に対してはいずれの電極の識別情報も対応付けず、足関節角度が背屈方向に５°以上であり１０°未満である範囲に対しては電極４Ａ，４Ｂの識別情報を対応付けておく。このようなアクチュエータテーブルにおける対応付けは、予めユーザが設定するものとしてもよい。
【００５５】
次に、歩行支援処理はステップＳ１６に続く。ステップＳ１６の処理の前に予め、制御ユニット１１は、加速度取得部１１４の制御の下、ステップＳ１１において、ユーザの脛部に配置されユーザの歩行動作を検知する加速度センサ３から加速度データを取得し、取得された加速度データを加速度記憶部１２４に記憶させる。ステップＳ１６において、制御ユニット１１は、タイミング判定部１１５２の制御の下、加速度記憶部１２４に記憶された加速度データを読み出し、読み出された加速度データから、電極４Ａ〜４Ｄを動作させるタイミングを判定する。例えば、電極４Ａ〜４Ｄを動作させて電気刺激を提示させるタイミングは、足が地面から離れている遊脚期が効果的であるので、加速度データにおける、踵設置時を示すピークを避けて電気刺激を提示させるようにする。具体的には、ピーク間隔が約１秒の場合には、ピークが検出されてから０．６秒後から０．８秒後までの間に電気刺激が提示されるようにする。
【００５６】
ステップＳ１５およびステップＳ１６における処理に応じて、ステップＳ１７において、制御ユニット１１は、アクチュエータ駆動指示部１１５の制御の下、ステップＳ１５において電極４Ａ〜４Ｄの中から選択された電極を、ステップＳ１６において判定されたタイミングで動作させるための信号を送信する。当該信号により、ユーザの脛部に設置された電極が動作し、動作した電極が設置されている筋肉が収縮されて足関節角度が矯正される。なお、上記で説明したステップＳ１５およびステップＳ１６における処理は、上記信号の内容の詳細を決定するためのオプション的なものであり、省略されてもよく、また、両ステップ間の順序も問わない。
【００５７】
（効果）
以上詳述したように、この発明の第１の実施形態では、以下のような効果が奏せられる。
【００５８】
（１）ユーザの脛部周辺部に配置されたフォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈから取得された、ユーザの歩行動作に応じた、ユーザの脛部表面との間の各距離データに基づいて、ユーザの歩行動作が反映された特徴量ベクトルが生成される。生成された特徴量ベクトルから、フォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈが配置されている足の足関節角度が推定される。
【００５９】
このように、装着負荷が高くないフォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈを用いるので、ユーザに装着される装置によってユーザの歩行動作が阻害されることはなくなる。また、フォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈは脛部に配置されるので、ユーザの歩行動作による足の着地の衝撃によって装置が故障するリスクが軽減される。さらに、各々がユーザの脛部周辺部の異なる位置に配置された複数のフォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈを用いることによって、単一のフォトリフレクタを用いた場合と比較して、より精度の高い足関節角度の推定を行うことができる。
【００６０】
（２）各々がユーザの脛部の異なる位置に設置された複数の電極４Ａ〜４Ｄの各々の識別情報と足関節角度とを対応付けて記憶するアクチュエータテーブルに基づいて、複数の電極４Ａ〜４Ｄの中から、上記推定された足関節角度に対応する電極が選択される。加速度センサ３から取得された加速度データから、電極を動作させるタイミングが判定される。上記選択された電極を上記判定されたタイミングで動作させるための信号が送信される。
【００６１】
このように、足関節角度を推定するのに用いられるフォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈと、足関節角度を矯正するのに用いられる電極４Ａ〜４Ｄが別の装置であるために、足関節角度の矯正中にも継続して足関節角度を推定することができ、推定された足関節角度に基づいて足関節角度を継続的に矯正することができる。また、フォトリフレクタ２Ａ〜２Ｈと電極４Ａ〜４Ｄはいずれも小型の装置であるため、双方が干渉せず、ユーザの脛部に装置を集約することができる。
【００６２】
［他の実施形態］
なお、この発明は上記第１の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記第１の実施形態では、距離センサから取得された距離データに基づいて足関節の背屈および底屈方向の角度を推定し、推定された足関節角度に基づいて背屈方向の足関節角度を矯正する例を説明したが、足関節の外転および内転、外反および内反のいずれかの足関節角度を推定し、推定された足関節角度に基づいて足関節角度を矯正するようにしてもよい。また、足関節の背屈・底屈、外転・内転、外反・内反の３次元の角度を推定して、推定された足関節の３次元の角度に基づいて足関節角度を矯正するようにしてもよい。この際には、アクチュエータテーブルにおいて、３次元の角度情報と複数のアクチュエータの各々の識別情報とを対応付けるようにする。なお、アクチュエータテーブルにおいて、特定の足関節角度に、各々が前脛骨筋や腓骨筋などの異なる筋肉に設置されている複数のアクチュエータを対応付けて、複数の筋肉が同時に動かされるようにアクチュエータが動作されるようにしてもよい。
【００６３】
また、上記第１の実施形態では、脛部周辺部に配置された距離センサの距離データから、足首の関節である足関節の角度を推定するようにした。しかしながら、適切な位置に配置された距離センサの距離データから、足関節ではなく膝関節の角度を推定し、推定された膝関節角度に基づいて膝関節角度を矯正するようにしてもよい。
【００６４】
さらに、上記第１の実施形態では、複数の距離センサおよび複数のアクチュエータを用いる例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、単一の距離センサまたは単一のアクチュエータを用いるようにしてもよい。また、距離センサの配置の仕方およびアクチュエータの設置の仕方は、図示したものに限定されない。また、上記第１の実施形態では、アクチュエータとして電極を用いる例を説明したが、電極の代わりに、例えば振動子等のような他の装置を用いてもよい。振動子は、動作することによりユーザに足の動かし方を直すように意識させることができる。さらに、上記第１の実施形態では、ユーザの脛部に配置された加速度センサを用いる例を説明したが、加速度センサの代わりに、ユーザの歩行動作を検知することができるような他の装置、例えばジャイロ素子等を用いてもよく、また、これらはユーザの脛部に配置されるものに限られない。
【００６５】
その他、足関節角度推定処理および歩行支援処理を実行する装置、距離センサ、加速度センサ、およびアクチュエータの種類とその構成、ならびに、アクチュエータテーブルの構成等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
【００６６】
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。
【符号の説明】
【００６７】
１…歩行支援装置、２…距離センサ、３…加速度センサ、４…アクチュエータ、１１…制御ユニット、１２…記憶ユニット、１３…入出力インターフェースユニット、１１１…距離取得部、１１２…距離特徴量算出部、１１３…足関節角度推定部、１１４…加速度取得部、１１５…アクチュエータ駆動指示部、１２１…距離記憶部、１２２…足関節角度記憶部、１２３…アクチュエータテーブル記憶部、１２４…加速度記憶部、１１５１…アクチュエータ選択部、１１５２…タイミング判定部、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈ…フォトリフレクタ、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ…電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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