(57)【要約】【課題】片足歩行運動の電位波形のみを高精度に検出する。【解決手段】片足歩行検出システムは、歩行路１４、プローブ１１、及び電位センサ１２を備える。歩行路１４は、被検者Ｐに、その検出対象の一方の足で歩行させる第１の歩行路１４Ａと、その非検出対象の残りの足で歩行させる第２の歩行路１４Ｂとを併設して備える。検出対象の足の底面が第１の歩行路１４Ａの路面に接触・剥離したときの解離帯電による人体電位が、前記非検出対象の足の底面が前記第２の歩行路の路面に接触・剥離したときのそれよりも多くなるように、第１及び第２の歩行路１４Ａ，１４Ｂに差別化した帯電特性を持たせる。プローブ１１は、歩行路１４を被検者Ｐが歩行するときの剥離帯電に因る人体の電位変化を感知する。電位センサ１２は、プローブ１１が感知した信号から電位変化の波形信号を得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検者にその検出対象の一方の足で歩行させる第１の歩行路と、その非検出対象の残りの足で歩行させる第２の歩行路とを併設して備え、
前記検出対象の足の底面が前記第１の歩行路の路面に接触・剥離したときの剥離帯電による人体電位が、前記非検出対象の足の底面が前記第２の歩行路の路面に接触・剥離したときの剥離帯電による人体電位よりも多くなるように、当該第１及び第２の歩行路に差別化した帯電特性を持たせたことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。
【請求項２】
請求項１に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第１及び第２の歩行路それぞれを、前記第１の歩行路を成す素材と前記検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いが、前記第２の歩行路を成す素材と前記非検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いよりも大きくなるように選択した素材を用いて形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。
【請求項３】
請求項１に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第１及び第２の歩行路それぞれ、及び、前記検出対象及び非検出対象の足の底面それぞれについて、歩行路側及び足側の少なくとも一方を、当該検出対象の足の当該第１の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積が、当該非検出対象の足の当該第２の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積よりも大きくなるように選択した素材を用いて形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。
【請求項４】
請求項３に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第１及び第２の歩行路それぞれを、前記検出対象の足の当該第１の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積が、前記非検出対象の足の当該第２の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積よりも大きくなるように選択した素材を用いて形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。
【請求項５】
請求項１に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第１及び第２の歩行路それぞれを、前記第１の歩行路を成す素材と前記検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いが、前記第２の歩行路を成す素材と前記非検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いよりも大きく、且つ、前記検出対象の足の当該第１の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積が、前記非検出対象の足の当該第２の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積よりも大きくなるように選択した素材を用いて形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第１の歩行路は、当該第１の歩行路に用いる素材の下方に、接地された導電性部材を設けたことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。
【請求項７】
請求項６に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第１及び第２の歩行路それぞれを、前記帯電系列上の離間の度合いと前記実効有効面積の違いとに基づく素材から成るシート材を含む複数のシート材から成る積層構造に形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。
【請求項８】
請求項７に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第１の歩行路を、前記導電性部材としての、接地された導電性シート材を含む複数のシート材から成る積層構造に形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。
【請求項９】
請求項８に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第１の歩行路を、その下方から、高さ調節用のスペーサ材、前記導電性シート材、及び前記シート材をこの順に積層して形成するとともに、
前記第２の歩行路を、その下方から、絶縁シート材及び前記シート材をこの順に積層して形成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。
【請求項１０】
請求項９に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第１の歩行路の前記シート材を塩ビを用いて構成するとともに、
前記第２の歩行路の絶縁シート材を発砲スチロール材を用いて構成し、且つ、前記シート材をベニヤ板を用いて構成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。
【請求項１１】
請求項９に記載の片足歩行検出用歩行路において、
前記第１の歩行路の前記シート材を前記第２の歩行路の前記シート材よりも誘電率の高い材料で構成したことを特徴とする片足歩行検出用歩行路。
【請求項１２】
前記請求項１〜１１の何れか一項に記載の片足歩行検出用歩行路と、この歩行路の路面を被検者が歩行するときの剥離帯電に因る人体の電位変化を感知するプローブと、このプローブが感知した信号から前記電位変化の波形信号を得る電位センサとを備えたことを特徴とする片足歩行検出システム。
【請求項１３】
歩行運動の被検者が左右両足それぞれに専用に併設された歩行路に沿って歩行するときに、非検出側の足が一方の歩行路との間の接触及び剥離することにより人体に生じる電荷を、検出側の足と他方の歩行路との間に生じる静電容量を介して電荷結合させ、この電荷をアースに逃がすステップを含むことを特徴とする片足歩行検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検者が歩行運動をするときに片側ずつの足の動きに関わる歩行運動を両足のそれから分離して検出できる片足歩行検出用歩行路、片足歩行検出システム、及び片足運動検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば非特許文献１に見られるように、人間の歩行運動を検出・解析し、その解析結果を、スポーツ運動、ロボット義足の製作、再生医療におけるリハビリテーション、防犯用の認証システムなどに応用しようとする研究が進みつつある。このような状況において、解析の元データを得るために、人間の歩行運動を検出することが特に重要で、例えば特許文献１に一例が記載されている如く、そのための様々な方法が試みられている。
【０００３】
人間の２足歩行は、大まかには、片足で人体を支えつつ、もう一方の足が蹴り出されるというプロセスが左右交互に繰り返されるパターンを基本としている。
しかしながら、両足の動きは単純では無く、片足が蹴り出されている間にも、その後半には、支持しているもう一方の足がその踵を路面から離し始め、蹴り出しの準備に入るというように、非常に複雑である。加えて、同じ人であっても、左右両足の形状や長さが物理的に異なっていることが普通であり、直進歩行運動の場合でも、左右両足の運動は均一では無く、動的に様々な揺らぎが伴う。しかも、これに歩行の個人差が加わる。
【０００４】
従来、歩行時の足底面と路面（床面）との接触・剥離に因る人体帯電の変化を利用して、歩行運動を精密に検出する手法が知られていた。このように、人体帯電の変化を利用する検出法の場合、純電気的であるため、ジャイロや加速度センサなどを多軸化して組み込むセンサを利用する場合に比べて、歩行以外の身体動作による振動の影響や、センサの身体への取付位置に拠る依存性など、機械的な検出構造であるが故の問題も少ないという利点がある。また、人体帯電の変化を利用する検出法の場合、そのセンサを身体のどの部位に取り付けても、同一の電位波形を検出できるという利点もある。
【特許文献１】
特開２００２−１９７４３７号公報
【非特許文献１】
日経サイエンス２００２年２月号、１０８〜１１１ページ、滝口清昭署「歩行にみる固有パターンの存在」
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の人体帯電の変化を利用する検出法の場合、その検出電位は左右両足の電位が合成された状態でしか得られない。前述したように、両足の運動にはゆらぎが伴うことから、実際には、左右両足の運動に伴う帯電現象が相互干渉し、検出電位を解析しても再現性の無い波形パターンになってしまう。このため、路面と両足との間で発生する帯電量の変化に基づく電位波形から左右両足それぞれの動きを個別に精密に検出・解析することは殆ど不可能であった。
【０００６】
そこで、両足の動きをそれぞれ個別に検出・解析するには、検出側の足と非検出側の足の電位波形を分離して検出する必要があった。
【０００７】
本発明は、上述した従来の様々な歩行運動の検出・解析法が有する問題に鑑みてなされたもので、詳細な足の運動パターン及び路面と足との間の帯電メカニズムに着目してなされたもので、歩行以外の身体動作による振動の影響や、センサの身体への取付位置に拠る依存性などの問題を著しく軽減又は回避した状態で、従来不可能と考えられていた片足歩行運動の電位波形のみを高精度に検出することができるようにすることを、その目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成させるため、本発明に係る片足歩行検出用歩行路は、被検者にその検出対象の一方の足で歩行させる第１の歩行路と、その非検出対象の残りの足で歩行させる第２の歩行路とを併設して備え、前記検出対象の足の底面が前記第１の歩行路の路面に接触・剥離したときの剥離帯電による人体電位が、前記非検出対象の足の底面が前記第２の歩行路の路面に接触・剥離したときの剥離帯電による人体電位よりも多くなるように、当該第１及び第２の歩行路に差別化した帯電特性を持たせたことを特徴とする。
【０００９】
例えば、前記第１及び第２の歩行路それぞれは、前記第１の歩行路を成す素材と前記検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いが、前記第２の歩行路を成す素材と前記非検出対象の足の底面の素材との帯電系列上の離間の度合いよりも大きく、且つ、前記検出対象の足の当該第１の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積が、前記非検出対象の足の当該第２の歩行路の路面に対する接地及び剥離で生じる帯電の時の実効接触面積よりも大きくなるように選択した素材を用いて形成される。
【０００１０】
好適には、前記第１の歩行路には、当該第１の歩行路に用いる素材の下方に、接地された導電性部材を設けられる。
【０００１１】
例えば、前記第１及び第２の歩行路それぞれは、前記帯電系列上の離間の度合いと前記実効有効面積の違いとに基づく素材から成るシート材を含む複数のシート材から成る積層構造に形成される。
【０００１２】
また例えば、前記第１の歩行路は、前記導電性部材としての、接地された導電性シート材を含む複数のシート材から成る積層構造に形成される。
【０００１３】
前記第１の歩行路は、その下方から、高さ調節用のスペーサ材、前記導電性シート材、及び前記シート材をこの順に積層して形成されるとともに、前記第２の歩行路は、その下方から、絶縁シート材及び前記シート材をこの順に積層して形成されることも好適な一例である。
【０００１４】
例えば、前記第１の歩行路の前記シート材は塩ビを用いて構成されるとともに、前記第２の歩行路の絶縁シート材は発砲スチロール材を用いて構成され、且つ、前記シート材はベニヤ板を用いて構成される。
【０００１５】
一方、本発明に係る片足歩行検出システムは、上述した何れかの片足歩行検出用歩行路と、この歩行路の路面を被検者が歩行するときの剥離帯電に因る人体の電位変化を感知するプローブと、このプローブが感知した信号から前記電位変化の波形信号を得る電位センサとを備えたことを特徴とする。
【０００１６】
さらに、本発明に係る片足歩行検出方法によれば、歩行運動の被検者が左右両足それぞれに専用に併設された歩行路に沿って歩行するときに、非検出側の足が一方の歩行路との間の接触及び剥離することにより人体に生じる電荷を、検出側の足と他方の歩行路との間に生じる静電容量を介して電荷結合させ、この電荷をアースに逃がすステップを含むことを特徴とする。
【０００１７】
なお、本発明において、「歩行」とは、被検者が予め検出用に形成した歩行路を歩くこと、及び、この歩行路を走る（ジョギング、ランニング）ことを含む概念とする。したがって、本発明における「歩行路」は被検者の歩行のみならず、ランニング等にも供し得るものである。
【０００１８】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る片足歩行検出システムを説明する。なお、この片足歩行検出システムは、本発明に係る片足運動検出方法及び片足歩行検出用歩行路を併せて実施するものである。
【０００１９】
本実施形態に係る片足歩行検出システムは、検出対象の人（被検者）が検出専用に製造された歩行路を自然体で歩きながら、検出対象の一方の足の歩行運動が表す信号を、残りの足の歩行運動とは検出段階から差別化した状態で、その人体への剥離帯電に因る電位変化の波形として検出するシステムである。
【０００２０】
この検出システムにより検出された電位波形の信号は、記録媒体に記録された状態で、電波による通信媒体で、或いは、ケーブルなどの通信ラインを介して解析装置に送られる。解析装置は、送られたきた電位波形を、ＡＧＣ（ゲイン調整）、１周期切り出し、基本タイミング検出、特徴量抽出、歩行動作作成、歩行動作表示などの処理を行う。
【０００２１】
図１に示すように、この片足歩行検出システムは、被検者Ｐに対して接触又は非接触の状態で設けられるプローブ１１と、このプローブ１１に接続され且つ電位波形を検出する電位センサ１２と、この電位センサ１２が検出した電位波形の信号を受信して記録する記録装置１３と、被検者が片足歩行運動解析のために歩行する歩行路１４とを備える。
【０００２２】
この片足歩行検出システムは、一例として、検出対象の足としての右足の歩行運動に関する電位波形を検出するように構成されているが、左足用に適用することもできる。
【０００２３】
まず、歩行路１３について説明する。この歩行路１３は、一例として、厚さが数ｃｍ（１０ｃｍ程度）、長さが数ｍ（１．５〜６ｍ程度）、幅が１ｍ程度の大きさを有する。このため、この歩行路１３の路面（上面）を歩行者が歩行することができる。
【０００２４】
歩行路１４は、その長手方向の中心線Ｃを境にして左右に分割された構造を有し、検出対象の足（例えば右足）で歩行する第１の歩行路１４Ａと、非検出対象の足（例えば左足）で歩行する第２の歩行路１４Ｂとが長手方向に沿って併設されている。第１及び第２の歩行路１４Ａ、１４Ｂを分割する中心線Ｃの位置には、ギャップを設けてもよいし、またギャップレスで構成してもよい。
【０００２５】
第１及び第２の歩行路１４Ａ，１４Ｂは、図２に模式的に示すように、それぞれ積層構造に形成されている。このうち、検出対象の右足を歩行させる第１の歩行路１４Ａは、下から順に、任意厚さを有する高さ調整用のスペーサ２１、アルミニウム製の薄膜で成るアルミ箔シート（以下、アルミシートという）２２、及び、厚さ５ｍｍ程度の塩ビ製のシート部材（以下、塩ビシートという）２３を重ねて構成されている。スペーサ２１は例えばベニヤ板から成る。
【０００２６】
一方、検出対象の左足を歩行させる第２の歩行路１４Ｂは、下から順に、厚さ４ｃｍ程度の発泡スチロール材から成る発泡スチロールシート３１、及び、厚さ２，３ｃｍ程度のベニヤ板３２を重ねて構成されている。
【０００２７】
この第１及び第２の歩行路１４Ａ，１４Ｂそれぞれの積層構造を成すシート材料の選択の基準は以下のようである。
【０００２８】
いま、被検者が検出のために履く履物は、木綿又は絹の靴下など、帯電系列上で帯電符号がプラス側に位置する素材の履物を着用しているものとする。但し、被検者は、同様の帯電特性を有する靴を履いていてもよい。
【０００２９】
検出側の第１の歩行路１４Ａの場合、帯電系列上で、被検者の右足（検出対象の足）の足底面の素材（靴下の素材）から離れている位置の素材を選択することが望ましい。これは剥離帯電のときの帯電電位をなるべく上げるためである。本実施形態では、この条件を満たすために、一例として、帯電系列上で帯電符号がマイナス側の殆ど端部に位置し、誘電率のより高い塩ビを選択している。つまり、塩ビシート２３である。
【０００３０】
また、この条件と併せて、検出対象の右足の靴下及び第１の歩行路１４Ａの少なくとも一方を、より滑らかな外表面を有する素材に選択することが望ましい。
これは、右足の足底面と第１の歩行路１４Ａの路面との実効接触面積を多くするためである。この追加条件を満たすために、本実施形態では、第１の歩行路１４Ａの最上層に塩ビシート２３を用いて、その滑らかな表面を利用している。
【０００３１】
これにより、図４（ａ）に模式的に示す如く、検出対象の右足が第１の歩行路１４Ａの路面（塩ビシート２３の上面）に接触・剥離するときに、より大きな剥離帯電が生じる。
【０００３２】
検出側の第１の歩行路１４Ａにおける第２層には、上述したようにアルミシート２２を用いている。このアルミシート２２は接地されている。これは、非検出対象の左足が蹴り出しに入り、路面から離床する間に、検出対象の右足が路面に着床していることを利用するもので、左足の離床の際に発生する剥離帯電による電荷を、着床している右足が第１の歩行路１４Ａとの間で形成しているコンデンサによる電荷結合を介して、アースに逃げる。この様子を図５（ｂ）に模式的に示す。
【０００３３】
この接地構造により、非検出側の左足の歩行運動による帯電電荷が人体に蓄積しないようにし、かかる帯電電荷がプローブ１１の検出信号にノイズ成分として混入することを極力防いでいる。
調整用のスペーサ２１は、左右の第１及び第２の歩行路１４Ａ，１４Ｂの高さを合わせるために置かれているが、このスペーサ２１が無くても、かかる高さが一致している場合、スペーサ２１は省略してもよい。
【０００３４】
さらに、この第１の歩行路１４Ａにあっては、塩ビシート２３、アルミ箔シート２２、及びスペーサ２１から成る厚さは極力薄くして、接地との間の距離を小さくしている。これにより、検出対象の右足の底面と接地との間の静電容量を最大化が図られる。
【０００３５】
一方、非検出側の第２の歩行路１４Ｂの場合、帯電系列上で、被検者の左足（非検出対象の足）の足底面の素材（靴下の素材）と殆ど離れていない（帯電列上で同じか又は非常に近い）位置の素材を選択することが望ましい。本実施形態では、この条件を満たすために、一例として、帯電系列上で靴下に近い位置の木材（ベニヤ板３２）を選択している。
【０００３６】
また、この条件と併せて、非検出対象の左足の靴下及び第２の歩行路１４Ｂの少なくとも一方を、より粗い（凹凸のある）外表面を有する素材に選択することが望ましい。これは、左足の足底面と第２の歩行路１４Ｂの路面との実効接触面積を少なくしている。この追加条件を満たすために、本実施形態では、第２の歩行路１４Ｂの最上層にベニヤ板３２を用いて、足底面との接触表面を極力減らしている。
【０００３７】
これにより、図４（ｂ）に模式的に示す如く、非検出対象の左足が第２の歩行路１４Ｂの路面（ベニヤ板３２の上面）に接触・剥離するときに生じる剥離帯電は、より小さくなる。
また、この第２の歩行路１４Ｂの下層には、誘電率のより低い発泡スチロール材を選択している。つまり、発泡スチロールシート３１である。
【０００３８】
さらに、ベニヤ板３２及び発泡スチロールシート３１から成る歩行路の厚さは厚くして、接地との間の距離を大きくしている。これにより、非検出対象の左足の底面と接地との間の静電容量が最小化が図られる。
【０００３９】
上述の説明から明らかなように、第２の歩行路１４Ｂには、第１の歩行路１４Ａとは違って、導電性シートを介在させて電荷をアースに逃がす構造は採用していない。このため、検出対象の右足の運動に伴う路面との接触・剥離に起因した電荷はアースに逃げ難くなり、人体に積極的に蓄積される（図５（ａ）の模式図を参照）。
【０００４０】
つまり、検出対象の右足が歩行する第１の歩行路１４Ａと非検出対象の左足が歩行する第２の歩行路１４Ｂとでは、足底と路面との接触・剥離によって発生ささせる電荷量を差別化する（第１の歩行路１４Ａとの間で発生する電荷量を第２の歩行路１４Ｂとの間のそれよりも大きくする）とともに、発生した電荷の逃げを差別化する（非検出対象の左足の動きによって発生した電荷は、接触状態にある検出対象の右足から第１の歩行路１４Ａを介して直ちにアースに逃げるが、その反対の場合には逃げ難い）ようにしている。これにより、検出対象の右足の歩行に伴う剥離帯電の現象を非検出対象の左足のそれに比べて著しく強調する仕組みが構築されている。
【０００４１】
次に、プローブ１１および電位センサ１２を説明する。
【０００４２】
上述したように検出対象の足の歩行運動に伴って発生する、強調された剥離帯電によって、約１０Ｈｚ程度の低周波の静電界が被検者Ｐの人体の周囲に発生する。プローブ１１は、この低周波の静電界を検出するアンテナとして機能させるもので、形状は任意である。プローブ１１は被検者Ｐの身体に接触させて取り付けてもよいし、非接触で取り付けてもよい。また、その個数は１個でなくても、複数個であってもよい。また、取り付け位置は被検者Ｐの身体のどの部分でもよいし、さらに被検者Ｐに取り付けないで、歩行路１４に設置するようにしてもよい。この場合には、複数個のプローブ１１を、例えば、歩行路１４の長手方向の一方の端部に沿って一定間隔で配置するようにすることが望ましい。これにより、被検者Ｐは全くプローブやセンサを意識すること無く、歩行運動に専念できる。
【０００４３】
本実施形態では、プローブ１１、電位センサ１２、及び記録装置１３は、一例として、歩行中の被検者Ｐが自分で保有できるように一体のポータブル型に形成され、電位センサ１２及び記録装置１３はその両者が一体のポータル型ユニットに納められている。また、記録装置１３は検出歩行中の基準電位を取得するようになっている。この基準電位の信号は、検出された電位波形の信号と共に解析装置に送られて解析に用いられる。
【０００４４】
被検者Ｐの人体、プローブ１１、及び電位センサ１２で構成される、等価回路を含む電気回路を説明する。
【０００４５】
人体の漏洩抵抗を無視し、足が路面に接する部分を左踵、左つま先、右踵、及び、右つま先の４つの部分に分解して考える。
【０００４６】
皮膚の誘電体の部分、靴底（靴下の底）、及び歩行路（床）の合成コンデンサについては、
ＣＬ１：左足踵、
ＣＬ２：左足つま先、
ＣＲ１：右足踵、
ＣＲ２：右足つま先、
ＣＢ：人体と床（或いは壁）との間のコンデンサ（静電容量は比較的小さいので、通常は無視可能）
の５種類が典型的である。
【０００４７】
この等価コンデンサを用いて、プローブ１１及び電位センサ１２の電気回路を表すと、図６に示すようになる。
【０００４８】
同図に示すように、アースＧとプローブ１１との間に、上述した５種類の等価コンデンサが並列に介在する。プローブ１１は結合コンデンサＣｓを介してＦＥＴのゲートに接続され、このゲートのドレイン・ソース間で電荷変動に伴う電位信号を取り出すセンサ構造になっている。結合コンデンサＣｓ、ＦＥＴ、バイアス用の抵抗Ｒ、及び出力コンデンサＣにより電位センサ１２が形成されている。
【０００４９】
上述の回路構成において、コンデンサＣＬ１、ＣＬ２、ＣＲ１、ＣＲ２、ＣＢの部分は、足が床から離れるときに剥離帯電が生じるときには、図６の点線で示す如く、等価的にバッテリに置換される。つまり、この場合には、剥離帯電により発電されている。
【０００５０】
次に、本実施形態に係る片足歩行検出システムの動作を説明する。
【０００５１】
一般に、２種類の物質が剥離したときに帯電現象が発生する。本実施形態にあっては、検出対象の右足側に関して、絹又は木綿と塩ビシート２３とは帯電系列が十分に離れており、右足を路面から離したときに人体はプラス側に帯電する。
一方、左足側に関しては、絹又は木綿と木材（ベニヤ板３２）とは帯電系列が近いため、剥離帯電による電荷量は小さい。さらに、ベニヤ板３２の表面は粗いため、左足底との接触面積は少なくなる。これによっても、左足の剥離帯電による電荷量は更に小さくなっている。
【０００５２】
右足側は、人体とアルミシート２２との間でコンデンサが形成される。そして、右足と路面との間の距離ｄが変化することで、人体の電位が変化する。つまり、人体の電荷Ｑが一定であるとすると、距離ｄが大きくなると、右足と路面との間の静電容量が小さくなり、人体電位の絶対値が大きくなる。その反対に、距離ｄが小さくなると、かかる静電容量が大きくなって、人体電位の絶対値が小さくなる。
【０００５３】
左足側については、コンデンサが極力、形成されないように、ベニヤ板３２の下に誘電率の小さい発砲スチロールシート３１が置かれている。このため、左足と路面との間の距離が変化しても、人体電位の変化は小さい。
【０００５４】
さらに、被検者Ｐの歩行によって発生する人体の電位は、約１０Ｈｚ程度の低周波の交流信号として変化する。このため、左足の剥離帯電によって生じた電荷は、そのときに右足が第１の歩行路１４Ａ、すなわち塩ビシート２３に当接していることによって右足と歩行路１４Ａとで形成されるコンデンサを介してアースに逃げる（図５（ｂ）参照）。このため、非検出対象の左足の歩行に伴う電位変化はプローブ１１の検出には殆ど関与しない。したがって、プローブ１１が検出する電位変化は、その殆どが検出対象の右足の歩行に伴う信号成分となり、左足の歩行に因るノイズ成分は殆ど検出されないので、片側の足の歩行運動のみを高精度に選択的に検出することができる。
【０００５５】
また、本実施形態の人体電位の検出法は電気式であるため、従来のジャイロや加速度センサなどを利用した検出法に比べて、歩行以外の身体動作による振動の影響や、センサの身体への取付位置に拠る依存性などの問題を著しく軽減又は回避することができる。この点でも、より正確な測定を行うことができる。
【０００５６】
なお、この実施形態の検出システムの場合、歩行方向を反対にすることにより、今までとは反対に、検出対象を左足に、非検出対象を右足にして測定できる。
【０００５７】
次に、１周期の歩行動作と電荷及び電位との関係を説明する。
【０００５８】
右足が未だ後方に在り、その右足の踵が接地している時点からの歩行運動を想定する。この場合、歩行運動は、
（１）右足踵が路面から離れる、
（２）左足踵が接地する、
（３）左足底が接地する、
（４）右足つま先が離れる、
（５）右足が遊脚して前方に運ばれる、
（６）左足踵が路面から離れる、
（７）右足踵が路面に接地する、
（８）右足底が接地する、及び、
（９）左足つま先が路面から離れる、
のプロセスが繰り返されてなされる。
【０００５９】
（１）まず、右踵が離れる。
（１．１）右踵が路面から離れた瞬間に、右足底と路面（床面）との間で剥離帯電が発生する。これにより、人体の蓄積電荷の量が大きくなる。この電荷がＱ１になったとする。
（１．２）この後、右踵が徐々に路面から離れると、人体の電荷量は変化しないが、右足踵と路面との間の距離が変わる。このため、この距離が十分に大きくなったときに、コンデンサＣＲ１の静電容量が０になったと見なすことができる。
ゆえに人体の静電容量はＣＲ１＋ＣＲ２からＣＲ２に変わる。この静電容量の変化に応じて、電位はＱ１／（ＣＲ１＋ＣＲ２）からＱ１／ＣＲ２に変わる。
【０００６０】
（２）次に、左踵が接地する。
（２．１）この接地動作の進行に伴って、左足踵の接地面積は徐々に増えるが、左足が等価的に有するコンデンサの静電容量はもともと小さい（その静電容量はほぼ零と見なすことができる）。このため、人体合計の静電容量はＣＲ２のまま維持され、人体の蓄積電荷及び電位も変化しない。
【０００６１】
（３）次に、左足底が接地する。
（３．１）この接地動作の進行に伴って、左足底の接地面積は徐々に増える。しかしながら、上述と同様に、左足の静電容量はもともと小さい（ほぼ零と見なすことができる）。このため、左足底全部が接地した場合でも、人体の静電容量はＣＲ２のまま維持され、その蓄積電荷及び電位も変化しない。
【０００６２】
（４）次に、右足のつま先が離れる。
（４．１）右足のつま先が路面から離れた瞬間に、右足の足底と路面との間で剥離帯電が発生し、人体の蓄積電荷は大きくなる。これにより、蓄積電荷がＱ２になったとする（Ｑ２＞Ｑ１）。このため、電位はＱ２／ＣＲ２となる。
（４．２）次いで、右足のつま先が徐々に路面から離れる。この場合、人体の蓄積電荷は変わらないが、右足踵と路面との間の距離が変化する。この距離が十分に大きくなったときに、コンデンサＣＲ２の静電容量が零になったと見なすことができる。これにより、人体の静電容量はＣＢになる（このＣＢの値は非常に小さい）。同時に、電位はＱ２／ＣＢとなる。
【０００６３】
（５）次に、右足が前方に遊脚し、その右足が接地する前に、左足踵が路面から離れる。
（５．１）この動作の場合、左足踵が路面から離れた瞬間であっても、左足底と路面との間における剥離帯電は殆ど生じない。このため、人体の蓄積電荷はＱ２のままである。
（５．２）次いで、左足踵が路面から徐々に離れると、人体の蓄積電荷は変わらないが、左足踵と路面との間の距離が変わる。しかし、左足踵が等価的に有するコンデンサの静電容量は小さいので、人体の合計の静電容量に対する影響は殆ど無く、その静電容量はＣＢのままである。このため、電位もＱ２／ＣＢの値を保持する。
【０００６４】
（６）次に、右足踵が接地する。
この接地動作によって、人体の静電容量はＣＲ１になる。また、接地することで人体の蓄積電荷が減少し、その値はＱ３になる（Ｑ３＜Ｑ２）。同時に、電位はＱ３／ＣＲ１に変わる。
【０００６５】
（７）次に、右足底が接地する。
この接地動作によって、人体全体の静電容量はＣＲ１＋ＣＲ２に変わる。また、接地することにより、人体の蓄積電荷が減少し、その値はＱ４になる（Ｑ４＜Ｑ３）。電位はＱ４／（ＣＲ１＋ＣＲ２）に変化する。
【０００６６】
（８）次に、左つま先が路面から離れる。
この離間があっても、人体の電荷はＣＲ１＋ＣＲ２のまま保持される。
【０００６７】
以上の関係をグラスで表すと、図７に示すようになる。同図（ａ）は歩行動作を、同図（ｂ）は人体の帯電した電荷量の変化を、同図（ｃ）は人体が路面との間で形成する静電容量の変化を、及び同図（ｄ）は人体電位の変化をそれぞれ示している。
【０００６８】
このため、検出対象の片側の足の歩行運動に対して、プローブ１１及び電位センサ１２により検出される電位波形の例（実測波形例）は、図７（ｅ）に示すようになる。なお、同図の波形は、絶対電位の波形ではなく、電位の変化の状態が測定されている。すなわち、人体電位の急激な上昇は実測波形の谷に、反対に、人体電位の急激な下降は実測波形の山にそれぞれ相当する。
【０００６９】
この電位波形は、前述したように、図示しない解析装置に送られて波形解析に付され、個人特有の歩行パターンなどの有用な情報が得られる。
【０００７０】
従来、左右両足それぞれで発生する剥離帯電や静電容量の相互干渉と両足の運動の揺らぎとに因って、左右両足で合成された人体電位や電界波形は再現性が無いことから、かかる波形から歩行運動の特徴量を判別することは困難であった。
これに対し、本実施形態の片足歩行検出システムによれば、検出対象の足の運動に伴う人体電位が非検出対象のそれから分離されて検出される。このため、従来困難であった、片側のみの足の歩行運動を精度良く測定し、解析することができる。
【０００７１】
このように高精度に測定される片足ずつの歩行運動の情報は、様々な分野への活用が期待されている。幾つかの例を列記すれば、まず、基礎技術としては、「歩行センサの開発」、「辞書の作成（歩行波形、路面性状、感情）」、「個人認証技術への応用」などがある。また、応用技術としては、「歩行ペースメーカの開発」、「２足歩行ロボットの歩行運動感覚モジュール化」、「早期診断システム」、「気配ディスプレイ」などがある。
【０００７２】
このうち、「辞書の作成（歩行波形、路面性状、感情）」は、データの蓄積と解析により電位波形の特徴データの辞書化を進め、歩行認識として確立させると共に、路面の材質・性状による波形への固有の影響を辞書化することで逆に路面をある程度識別可能なシステムを構築するものである。また、感情の介入により波形や左右位相に影響が出ることを見出したため、歩行時の感情状態を識別する辞書の作成も可能である。
【０００７３】
また、「歩行ペースメーカの開発」は脊髄電気刺激による歩行に関する。近年の研究により、脊髄に歩行学習機能やＣＰＧの中枢が存在することが判明してきた。事故などにより脊髄損傷して歩行が不可能な患者においても損傷部から下の脊髄の電気刺激により歩行運動が生起することが確認されている。しかし、そのままでは電気刺激に対するフィードバックが無いため歩行再建には至らない。神経再生の時代に先行して、脊髄電気刺激による歩行において、歩行波形のフィードバックにより適切な電気刺激パターンを生成するアルゴリズムにより、脊髄に印加して安定した歩行を制御する歩行ペースメーカーを脊髄損傷患者用に開発することも可能である。
【０００７４】
さらに、「早期診断システム」は、若年時から定期的に計測、データを記録し、比較評価することで中高年以降の潜在的な病変の発見や腰痛発生予測を極めて早期に行う診断システムである。
【０００７５】
さらに、「気配ディスプレイ」は、電位波形を人体に逆に印加することにより、漠然とした人の「気配」や移動を感じさせる可能性を見出したことに着目した新たなＶＲ技術である。
【０００７６】
なお、上記実施形態にあっては、被検者は靴下や靴を着用して歩行運動の測定を受けるとして説明したが、本発明の係る片足歩行検出システムは必ずしもそのような態様で測定を受けることに限定されない。被検者は素足のまま測定を受けるように設定することもできる。人の皮膚を含む全ての物質は帯電系列上に位置付けられ、人の皮膚は絹とアセテートの間位に位置し、相対的にはプラス側の帯電を示す。このため、例えば、検出側の第１の歩行路１４Ａの表面層を塩ビで形成し、非検出側の第２の歩行路１４Ｂの表面層を絹、アセテート、アクリルなどの素材で形成すればよい。
【０００７７】
また、上述した実施形態にあっては、歩行路を長めの矩形状のプレートであるとして説明したが、円形、楕円など様々な形状に変形してもよいし、回転式にして設置面積を節約するようにしてもよい。
【０００７８】
さらに、上述した実施形態の片足歩行検出システムは、必ずしも歩行運動に限らず、ジョギング、ランニングなどの運動における片側の足の運動解析に用いてもよい。
【０００７９】
【発明の効果】
本発明に係る片足歩行検出用歩行路、片足歩行検出システム、及び片足歩行検出方法によれば、歩行以外の身体動作による振動の影響や、センサの身体への取付位置に拠る依存性などの問題を軽減又は回避した状態で、従来不可能と考えられていた片足歩行運動の電位波形のみを高精度に検出することができる。したがって、この電位波形を解析して歩行運動に関する有用な情報を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る片足歩行検出システムの構成の概要を説明する概要構成図。
【図２】この片足歩行検出システムに用いる歩行路の積層構造を例示する模式図。
【図３】帯電系列を説明する図。
【図４】検出対象及び非検出対象の足による剥離帯電を説明する図。
【図５】検出対象及び非検出対象の足による剥離帯電後の電荷の挙動を説明する図。
【図６】人体と路面との間のコンデンサ、プローブ、及び電位センサの電気回路図。
【図７】歩行動作、人体の帯電電荷、人体の静電容量、人体電位、及び電位波形との関係を説明する図。
【符号の説明】
１１  プローブ
１２  電位センサ
１３  記録計
１４  歩行路
１４Ａ  第１の歩行路（検出側）
１４Ｂ  第２の歩行路（非検出側）
２１  スペーサ
２２  アルミシート
２３  塩ビシート
３１  発泡スチロールシート
３２  ベニヤ板
Ｐ  被検者
【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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