(57)【要約】【課題】  歩行者に負荷を与えることなく、歩行者の足の動きを３次元的に計測し、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができる歩行分析システムを実現する。【解決手段】  歩行者の足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを所定のサンプリング周期で無線出力する歩行センサと、前記検出データを受信する無線通信装置と、この無線通信装置を介して取得する前記検出データの加速度の絶対値に基づき、一歩毎のデータにおける前半部分の最大値のタイミングを離地時刻とし、後半部分の最大値のタイミングを接地時刻として算出する歩行解析装置と、を備える。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行者の足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを所定のサンプリング周期で無線出力する歩行センサと、
前記検出データを受信する無線通信装置と、
この無線通信装置を介して取得する前記検出データの加速度の絶対値に基づき、一歩毎のデータにおける前半部分の最大値のタイミングを離地時刻とし、後半部分の最大値のタイミングを接地時刻として算出する歩行解析装置と、
を備えることを特徴とする歩行分析システム。
【請求項２】
前記歩行解析装置は、前記離地時刻及び前記接地時刻に基づき、離地時刻から接地時刻の期間のデータ数とサンプリング周期により遊脚時間を、接地時刻から離地時刻の期間のデータ数とサンプリング周期により立脚時間を算出することを特徴とする請求項１に記載の歩行分析システム。
【請求項３】
前記歩行センサは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の加速度センサまたはＸ，Ｙ，Ｚ方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の歩行分析システム。
【請求項４】
前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項５】
前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項６】
前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【請求項７】
前記歩行解析装置は、前記無線アクセスポイントよりネットワークを介して前記検出データを取得することを特徴とする請求項６に記載の歩行分析システム。
【請求項８】
前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、歩行率、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項９】
前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して２次元または３次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の歩行分析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行者の歩行状態を計測、解析し、個々人の歩行パターンを識別可能にすることで、リハビリテーション、作業効率改善、能力向上の定量的な目安を得ることができる歩行分析システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサを使って求めた足圧分布の計測結果から、歩行データを算出する歩行分析に関しては、特許文献１に技術開示がある。図１０は、特許文献１に記載されている歩行分析装置の概観図である。
【０００３】
この発明の特徴は、床に帯状に設置された圧力センサ部１０１上を人が歩き、足圧分布の計測結果を分析装置１０２〜１０５により分析し、歩き方の良さを反映したパラメータを出力させる構成にある。
【０００４】
同じく、圧力センサを使って求めた足圧分布の計測結果から、歩行の特徴を表すパラメータを検出し表示する装置が特許文献２に開示されている。図１１は、特許文献２に記載されている歩行パターン処理装置の機能ブロック図である。
【０００５】
この発明の特徴は、歩行に基づく２次元の圧力分布を一定時間間隔で時系列圧力分布画像として取得し、時系列圧力分布画像を時間方向に重畳して重畳画像を作成し、重畳画像から複数の足圧塊領域を抽出し、足圧塊領域ごとに、時系列圧力分布画像との対応付けを行い、対応付けに基づき、歩行の特徴を表すパラメータを検出し、表示し又は印刷する。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１１３８８４号公報
【特許文献２】特開平０９−０９１４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術による歩行分析手法では、次のような問題点がある。
（１）特許文献１記載の発明及び特許文献２記載の発明では、足圧分布を測定するための圧力センサを床または地面に敷いて、歩行者がその上を歩行し、歩行時の足の圧力分布より歩行分析を行う。この場合には、圧力センサを予め歩行する場所に設置しなければならず、設置場所等の制約がでてしまう。また、歩行距離によっては、圧力センサを複数枚数用意しなければならない。
【０００８】
（２）圧力センサ上を歩くため、患者の日常歩行と異なる感覚、意識が発生し、歩行結果に違いが出る可能性がある。歩行結果も足跡に限られるため、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができない。
【０００９】
（３）歩行結果も足跡に限られるため、歩行状態の３次元的な動きを測定する手段がなく、遊脚の空間的な動きを計測、解析することはできない。
【００１０】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、歩行者に負荷を与えることなく、歩行者の足の動きを３次元的に計測し、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができる歩行分析システムの実現を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）歩行者の足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを所定のサンプリング周期で無線出力する歩行センサと、
前記検出データを受信する無線通信装置と、
この無線通信装置を介して取得する前記検出データの加速度の絶対値に基づき、一歩毎のデータにおける前半部分の最大値のタイミングを離地時刻とし、後半部分の最大値のタイミングを接地時刻として算出する歩行解析装置と、
を備えることを特徴とする歩行分析システム。
【００１２】
（２）前記歩行解析装置は、前記離地時刻及び前記接地時刻に基づき、離地時刻から接地時刻の期間のデータ数とサンプリング周期により遊脚時間を、接地時刻から離地時刻の期間のデータ数とサンプリング周期により立脚時間を算出することを特徴とする（１）に記載の歩行分析システム。
【００１３】
（３）前記歩行センサは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の加速度センサまたはＸ，Ｙ，Ｚ方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする（１）または（２）に記載の歩行分析システム。
【００１４】
（４）前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１５】
（５）前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１６】
（６）前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【００１７】
（７）前記歩行解析装置は、前記無線アクセスポイントよりネットワークを介して前記検出データを取得することを特徴とする（６）に記載の歩行分析システム。
【００１８】
（８）前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、歩行率、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１９】
（９）前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して２次元または３次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする（１）乃至（８）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、次のような効果を期待することできる。
（１）歩行データを容易に取得できるため、リハビリテーション等、病院等の治療の現場での使用が容易となる。
【００２１】
（２）靴に歩行センサを装着することが可能なため、歩行者は、靴を履くだけでよい。このため、測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことができ、被験者への負担が極めて小さい。
【００２２】
（３）歩行状態の３次元的な動きを測定することが可能となり、遊脚の空間的な動きを計測、解析することができる。
【００２３】
（４）加速度の絶対値に基づき、一歩分のデータにおける前半部分の最大値のタイミングを離地時刻とし、後半部分の最大値のタイミングを接地時刻として算出し、離地時刻及び前記接地時刻に基づき、離地時刻から接地時刻の期間のデータ数とサンプリング周期により遊脚時間を、接地時刻から離地時刻の期間のデータ数とサンプリング周期により立脚時間を高精度で算出できる。
【００２４】
（５）歩行センサ手段に内蔵した３軸の加速度センサ、３軸の角速度（ジャイロ）センサにより、それらの出力を演算処理することで足の３次元空間内での動きを測定でき、歩行パターンの違いを上下左右前後から解析することができる。
【００２５】
（６）歩行センサは、超小型に実装可能のため、測定場所への制約が少ない。また、多人数が存在するリハビリ訓練室等での使用が可能になる。
【００２６】
（７）歩行データは、歩行解析装置内に蓄積できるため、歩行者の過去と現在の状態を比較して見ることで歩行状態の変化を簡単に把握することができ、リハビリの回復度合いを定量的に把握することができる。
【００２７】
（８）特にリハビリテーションへの応用では、障害内容による歩き方の違いを３次元的に解析でき、感圧マットによる足跡解析では不可能な、着地していない足（遊脚）の動きが解析できる。
【００２８】
（９）無線アクセスポイントとデータの送受信ができるセンサ数は、１個に限られることがないため、複数人の歩行動作でも同時解析が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した歩行分析システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態の歩行分析システムは、歩行センサ１、無線アクセスポイント２、ネットワーク３、歩行解析装置４からなる。
【００３０】
歩行センサ１は、歩行者Ｍの片足または両足部に直接または履物（つま先部または踵部）に装着され、加速度センサ１１、角速度センサ１２、無線インタフェース１３を備え、無線通信装置の一形態である無線アクセスポイント２と無線通信する。
【００３１】
無線アクセスポイント２は、歩行センサ１と通信する無線インタフェース２１及びネットワーク３に接続するネットワークインタフェース２２を備え、歩行センサ１より収集した歩行データを、ネットワーク３を介して歩行解析装置４に渡す。
【００３２】
歩行解析装置４は、歩行データ計測部４１及び歩行データ解析部４２を備え、無線アクセスポイント２から渡される歩行データを保存すると共に、歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出する。
【００３３】
更に、歩行解析装置４は、この相対移動距離に基づき歩行解析アプリケーションにより各種の分析を実行する。分析対象項目は、歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、歩行率、立脚率、遊脚率等である。
【００３４】
図２は、歩行センサ１の構成例を示す機能ブロック図である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を検出する３個の加速度センサ１１、同じくＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の角速度を検出する３個の角速度センサ１２、これらセンサの検出値をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器１４を備えている。
【００３５】
Ａ／Ｄ変換器１４の出力は、ＣＰＵ１５に渡されて所定の演算処理が実行される。ＣＰＵ１５は、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ資源１６を有しており、検出データの一時的な保存が可能となっている。
【００３６】
ＣＰＵ１５の演算結果は、無線インタフェース１３を介して無線アンテナ１７より無線アクセスポイント２に送信される。この歩行センサ１は、充電可能な電池１８で駆動されると共に、充電回路１９を備えている。
【００３７】
歩行センサ１を構成するこれら要素は、きわめて小型のチップとして実装することが可能であり、歩行者の片足または両足部に直接または履物に装着したときに、歩行者は測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことがでるので、被験者への負担を極めて小さくすることができる。
【００３８】
図３は、無線アクセスポイント２の構成例を示す機能ブロック図である。外付け、あるいは内蔵の無線アンテナ２３を介して無線インタフェース２１で受信したデータは、ＣＰＵ２４で演算処理され、ネットワークインタフェース２２を介してネットワーク３に出力される。
【００３９】
ＣＰＵ２４は、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ資源２５を有しており、受信データの一時的なバッファ機能を備える。バッファに蓄積された受信データは、一定量になった段階でネットワーク３に送出される。
【００４０】
図４は、歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。無線アクセスポイント２からのデータは、ネットワークインタフェース４３を介してＣＰＵ４４に渡される。歩行データ計測部４４の歩行データ収集手段４１１は、ＣＰＵ４４から歩行データを取得して計測データファイル４１２に所定期間格納する。格納する計測データは、加速度及び角速度データである。
【００４１】
ＣＰＵ４４は、計測データファイル４１２より格納データを読み出して歩行データ解析部４２に渡し、各種の解析処理を実行させる。解析結果は、表示装置５や印刷装置６に出力される。
【００４２】
解析結果は、直接またはネットワークを介して外部機器や機関、リハビリを指導する医師、理学療法士、更には歩行者自身にも配信することができる。
【００４３】
図５は、歩行データ解析部４２の構成例を示す機能ブロック図である。歩行解析手段４２１は、計測データファイル４１２より格納されている計測データを取り出して歩行解析アルゴリズム４２１Ａに渡して各種の解析を実行し、解析結果を歩行解析アプリケーション４２２に出力する。
【００４４】
歩行解析アプリケーション４２２による解析結果は、歩行者の足の３次元位置情報並びに歩行時間、歩行速度、歩行率、立脚時間、遊脚時間等の歩行状態情報である。
【００４５】
歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、計測データファイル４１２に格納されている、加速度データを１回積分演算して速度を算出する。この積分演算は、Ｘ，Ｙ，Ｚ成分毎に実行される。
【００４６】
算出された速度は、もう１回積分演算され、距離データとなる。角速度は、同様に積分演算されて、角度が算出される。このように、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸のデータが算出されるため、３次元の位置情報を求めることが可能である。
【００４７】
同時に、歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、歩行の状態情報を算出するために、歩の区切りを算出する。歩の区切りは、加速度、角速度データから、停止していると思われる期間を停止期間として算出し、動作している期間と停止している期間と分けることで、決定される。
【００４８】
足部の停止状態の検出は、角速度の検出値がある閾値以下または加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断する。
【００４９】
歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、歩の区切りから、立脚時間（足が地面に接地している時間）、遊脚時間（足が地面から離れている時間）等、歩に関連する状態情報を算出する。
【００５０】
一歩毎の距離誤差の補正手段として角速度の積分誤差または加速度の積分誤差のすくなくともいずれかを用いることができる。算出された距離データは、角度データと合わせて、座標データに変換される。
【００５１】
これら位置情報及び状態情報の歩行データを歩行解析手段４２１から取得する歩行解析アプリケーション４２２は、歩行解析装置４に接続された表示装置５に歩行データを表示することができ、ユーザは歩行状態を容易に把握することができる。
【００５２】
また、過去データをファイルとして蓄積しているため、過去から現在に至る歩行状態を参照でき、トレンドグラフ等で、歩行状態の変化を表示することが可能である。更に必要であれば、印刷装置６への出力も可能である。
【００５３】
図６は、歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１で加速度、角速度センサの個体差に基づくデータを補正し、ステップＳ２では歩の停止を検出する。具体的には、加速度、角速度データより、歩行停止区間を算出する。
【００５４】
ステップＳ３では、角速度データを積分して、角度を算出する。ステップＳ４では、加速度、角速度のＸ，Ｙ，Ｚ軸を、ローカル座標（センサ上の座標）から、ワールド座標（ユーザ空間）に変換する。
【００５５】
ステップＳ５では、加速度データを積分して、速度を算出する。更にステップＳ６では、位置座標を算出する。具体的には、速度×サンプリング時間で距離を求め、前回値に加算することで相対移動距離（位置）を算出する。
【００５６】
図７は、歩行解析アプリケーション４２２のデータ処理手順を示すフローチャート図である。ステップＳ１では、歩行解析アルゴリズム４２１Ａの出力データとして、３次元の位置情報、歩の停止位置情報、速度情報を取得する。
【００５７】
ステップＳ２では、ステップＳ１で取得した出力データを計算し、歩行時間、歩行速度、歩行率、歩幅、立脚時間、遊脚時間等の歩行の状態情報を算出する。
【００５８】
図８は、加速度データに基づく、離地及び接地の検出を説明する特性図である。検出データの加速度の絶対値に基づき、一歩毎のデータにおける前半部分の最大値のタイミングｔ１を離地時刻とし、後半部分の最大値のタイミングｔ２を接地時刻として算出する。
【００５９】
図９は、加速度データに基づく、遊脚及び立脚の検出を説明する特性図である。図８で説明した離地時刻ｔ１１，ｔ２１及び接地時刻ｔ１２，ｔ２２に基づき、離地時刻ｔ１１，ｔ２１から接地時刻ｔ１２，ｔ２２の期間のデータ数とサンプリング周期により遊脚時Ｔｍ間を、接地時刻ｔ１２から離地時刻ｔ２１の期間のデータ数とサンプリング周期により立脚時間Ｔｓを算出する。
【００６０】
以下、本発明の応用実施例を説明する。実施形態では、歩行解析装置４はデータに対してリアルタイムに位置情報及び状態情報を算出する信号処理の例を説明したが、歩行センサ１が、所定期間の検出データを無線通信装置に送信しないで自身のメモリ資源１６に保持する実施形態であってもよい。
【００６１】
歩行解析装置４は、無線アクセスポイント２を介して歩行センサ１と双方向に通信できるので、加速度センサ及び角速度センサの感度やオフセットを、歩行解析装置４側から所定値にチューニングすることができる。
【００６２】
歩行データを、ファイルに蓄積すると同時にリアルタイムに演算して現在の歩行の軌跡を画面上に表示させるようにすることで、歩行者の現在の状況をそのまま見ることができる。
【００６３】
歩行の軌跡データが得られるため、製造現場等での人の動きを把握することが可能になる。また、病院内での患者の動きも把握することが可能になる。
【００６４】
無線アクセスポイント２と、歩行解析装置４間の接続をネットワーク３以外の手段、例えばＵＳＢ、無線ＬＡＮ等で接続することも可能である。
【００６５】
実施形態では、データの演算処理を歩行解析装置４で実行している例を説明したが、センサ１内で演算処理を行ない、携帯端末等で演算データの表示や蓄積を行なうことで、より簡便な機器で歩行分析システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明を適用した歩行分析システムの基本構成を示す機能ブロック図である。
【図２】歩行センサの構成例を示す機能ブロック図である。
【図３】無線アクセスポイントの構成例を示す機能ブロック図である。
【図４】歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図５】歩行データ解析部の構成例を示す機能ブロック図である。
【図６】歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。
【図７】歩行解析アプリケーションのデータ処理手順を示すフローチャート図である。
【図８】加速度データに基づく、離地及び接地の検出を説明する特性図である。
【図９】加速度データに基づく、遊脚及び立脚の検出を説明する特性図である。
【図１０】特許文献１に記載されている歩行分析装置の概観図である。
【図１１】特許文献２に記載されている歩行パターン処理装置の機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  歩行センサ
１１  加速度センサ
１２  角速度センサ
１３  無線インタフェース
２  無線アクセスポイント
２１  無線インタフェース
２２  ネットワークインタフェース
３  ネットワーク
４  歩行解析装置
４１  歩行データ計測部
４２  歩行データ解析部
４３  ネットワークインタフェース
【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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【図１０】
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【図１１】
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