(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、測定開始指令により起動するタイマにより所定時間加速度または角速度の少なくともいずれかを検出し、検出データを無線出力する歩行センサと、この歩行センサと通信して前記検出データを収集すると共に、前記測定開始指令を前記歩行センサに通知する無線通信装置と、この無線通信装置に前記測定開始指令を渡すと共に、この無線通信装置を介して取得した前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を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、測定開始指令により起動するタイマにより所定時間加速度または角速度の少なくともいずれかを検出し、検出データを無線出力する歩行センサと、
この歩行センサと通信して前記検出データを収集すると共に、前記測定開始指令を前記歩行センサに通知する無線通信装置と、
この無線通信装置に前記測定開始指令を渡すと共に、この無線通信装置を介して取得した前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を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】
複数の前記歩行センサが備える前記タイマは、前記無線通信装置から通知される測定開始指令に同期して起動され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】
前記足部の停止状態の検出に、前記角速度の検出値がある閾値以下または前記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、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４のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項６】
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４のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項７】
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６のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【請求項８】
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７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、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８のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項１０】
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９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１１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】
【特許文献１】特開平１１−１１３８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
（２）更に、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。
【０００７】
（３）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。また、左右の歩行データの時間関係を取得し、歩行解析において重要な両足支持、ステップ時間を正確に検出することができない。
【０００８】
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】
【０００９】
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、測定開始指令により起動するタイマにより所定時間加速度または角速度の少なくともいずれかを検出し、検出データを無線出力する歩行センサと、
この歩行センサと通信して前記検出データを収集すると共に、前記測定開始指令を前記歩行センサに通知する無線通信装置と、
この無線通信装置に前記測定開始指令を渡すと共に、この無線通信装置を介して取得した前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を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。
【００１０】
（２）複数の前記歩行センサが備える前記タイマは、前記無線通信装置から通知される測定開始指令に同期して起動されることを特徴とする（１）に記載の歩行分析システム。
【００１１】
（３）前記足部の停止状態の検出に、前記角速度の検出値がある閾値以下または前記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。
【００１２】
（４）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）乃至（３）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１３】
（５）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（４）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１４】
（６）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（４）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１５】
（７）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（６）のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【００１６】
（８）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（７）に記載の歩行分析システム。
【００１７】
（９）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（８）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１８】
（１０）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（９）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、次のような効果を期待することできる。
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
【００２０】
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。
【００２１】
（３）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。
【００２２】
（４）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。
【００２３】
（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。
【００２４】
（６）左右の歩行データの時間関係を取得し、歩行解析において重要な両足支持、ステップ時間を正確に検出することができる。
【００２５】
（７）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。
【００２６】
（８）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】
【００２７】
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。
【００２８】
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、タイマ１３、無線インタフェース１４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。
【００２９】
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。
【００３０】
歩行解析装置４は、歩行データ計測部４１、歩行データ解析部４２、タイマ制御部４３、ネットワークインタフェース４４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。
【００３１】
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。
【００３２】
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１５を備える。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換器１５の出力は、ＣＰＵ１６に渡されて所定の演算処理が実行される。ＣＰＵ１６は、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ資源１７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。この歩行センサ１は、充電可能な電池及び充電回路よりなる電源部１９を備えている。
【００３４】
無線インタフェース１４を介してＣＰＵ１６が測定開始指令を無線アクセスポイント２から取得すると、タイマ１３を起動し、検出データの収集が開始される。所定期間の検出データは、タイマ起動の時系列的シーケンス番号が付与されてメモリ資源１７に一時保存される。
【００３５】
メモリ資源に一時保存されたデータは、適当なデータ量毎にシーケンス番号を付与した状態で無線インタフェース１４を介して無線アンテナ１８より無線アクセスポイント２に送信される。無線アクセスポイント２は、このデータをネットワーク３を介して歩行解析装置４に転送する。
【００３６】
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。
【００３７】
図３は、歩行解析装置４からの測定開始指令に基づく複数の歩行センサのタイマ起動を説明するシーケンス図である。歩行解析装置４からの測定開始指令は、ネットワークを介して無線アクセスポイント２に渡される。無線アクセスポイント２は、複数の歩行センサ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，…に対して、同時刻に測定開始指令を通知する。
【００３８】
歩行センサ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，…が備えるタイマは、測定開始指令を無線アクセスポイント２から取得すると同期して起動され、測定（検出データの収集）が開始される。所定期間の検出データは、タイマ起動の時系列的シーケンス番号が付与されてメモリ資源に一時保存される。
【００３９】
メモリ資源に一時保存されたデータは、適当なデータ量毎にシーケンス番号を付与した状態で無線アクセスポイント２に送信される。無線アクセスポイント２は、複数の歩行センサ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，…からの検出データを収集して歩行解析装置４に転送する。
【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４４を介してＣＰＵ４５に渡される。歩行データ計測部４１の歩行データ収集手段４１１は、ＣＰＵ４５から歩行データを取得し、シーケンス番号順にソート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】
ＣＰＵ４５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。更に、ＣＰＵ４５は、タイマ制御部４３と通信し所定の周期で測定開始指令をネットワークインタフェース４４及びネットワーク３を介して無線アクセスポイント２に渡す。
【００４２】
歩行データ解析部４２の解析結果は、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、速度、立脚、遊脚データ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、遊脚時間等の歩行の状態情報を算出する。
【００５８】
次に、図８，図９により、本発明を歩行のリハビリテーションに適用した倍場合の効果を説明する。図８は、男女夫々の各年代の健常者の歩行速度(meter/sec)と歩行率(歩数/sec)の値を示した表である。
【００５９】
表に示すように、男女夫々年齢により歩行速度及び歩行率は異なる。歩行に障害のある人が歩いた場合には、歩行速度が遅く歩行率も上記の基準より低くなる。しかしながら、リハビリにより回復してくるにつれて、上記に示す健常者の歩行に近づいてくる。
【００６０】
従って、歩行計測毎のデータをトレンドグラフに表示することにより、視覚的に歩行者の回復度合い、リハビリの進行度合いが判断でき、最終的にはどの程度まで回復できるのか推測する際の評価材料になる。
【００６１】
図９は、リハビリテーション用の解析項目である、左右脚の立脚相，遊脚相，両足支持相を説明するイメージ図示である。歩行時にはそれぞれの足には「遊脚相」と「立脚相」が存在する。
【００６２】
「遊脚相」とは、歩行時に脚の底部が地面に接地していないことをいい、図の横線が引かれている枠で示している。「立脚相」とは脚の底部が接地していることをいい、図の縦線で引かれている枠で示している。
【００６３】
「両足支持」とは、各脚の立脚相の重なった部分をいい、図においては縦線枠の重なった部分が「両足支持」の状態であることがわかる。一般的な健常者の歩行では次式の関係があるといわれている。
立脚相：遊脚相：両足支持相＝６：４：２                                  （１）
【００６４】
図１０は、左右脚の歩行解析項目の立脚期（Ａ），遊脚期（Ｂ），両足支持期（Ｃ）を時系列で並べたトレンドグラフである。トレンドグラフ表示により、リハビリが進行していくに従い、これらの表示が（１）式の関係に近づいてくることを視覚的に判断することができる。
【００６５】
本発明は、３軸の加速度センサ、３軸の角速度センサを内蔵した無線通信機能を持つ歩行センサを利用することにより、歩行計測が終了したあとリアルタイムに歩行データを利用することができる。
【００６６】
計測された歩行データ及び解析データを、リアルタイムに利用することができることにより、歩行者はリハビリ直後にトレンドグラフを閲覧することができる。本人がリハビリの回復度合いをすぐに把握できることで、リハビリの励みとなる。
【００６７】
また、歩行計測をリハビリ前に行うことで理学療法士や医師が、歩行者にその日に最適なリハビリプログラムを選択するためのデータとして利用することができる。
【００６８】
以下、本発明の他の実施形態を説明する。
（１）歩行解析装置４は、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ことができるので、病院内での患者の動きもリアルタイムで把握することが可能になる。
【００６９】
（２）歩行センサ１からデータ収集する無線アクセスポイント２に代えて、リハビリを指導する介助者が身につける、無線通信機能並びにデータ保存機能を備える携帯端末を用いることができる。
【００７０】
（３）携帯端末で所定期間収集した歩行データは、ＵＳＢケーブル手段、無線ＬＡＮ等で歩行解析装置４に渡す。または、携帯端末のデータ保存部着脱可能な記憶手段（可搬型ＨＤＤ、ＵＳＢクリッブメモリ等）で構成し、これを外して歩行解析装置４に直接接続して保存データを渡すこともできる。
【００７１】
（４）歩行センサ１は、ＣＰＵ１５による演算処理機能を備えており、測定値のフィルタ処理等の１次処理を歩行センサ１内で実行することで、無線アクセスポイントや携帯端末への無線通信データ量を削減して通信速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【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】測定開始指令に基づく複数の歩行センサのタイマ起動を説明するシーケンス図である。
【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】男女夫々の各年代の健常者の歩行速度と歩行率の値を示した表である。
【図９】左右脚の立脚相，遊脚相，両足支持相を説明するイメージ図である。
【図１０】左右脚の立脚期，遊脚期，両足支持期を時系列で並べたトレンドグラフである。
【図１１】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。
【符号の説明】
【００７３】
１  歩行センサ
１１  加速度センサ
１２  角速度センサ
１３  タイマ
１４  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  タイマ制御部
４４  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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