(57)【要約】      （修正有）【課題】訓練者に何らかの機器を装着する必要が無く、簡易な方法で訓練者の運動データや動力学データを取得できる関節負荷可視化システムを提供する。【解決手段】訓練者１０の関節に加わる負荷を表示する関節負荷可視化システムであって、訓練者１０の３次元的な姿勢を計測する距離カメラ４０と、訓練者１０の手が接触する器具２０に加わる力及びモーメントの大きさと方向とを検出する力覚センサ３０と、距離カメラ４０で取得した訓練者１０の姿勢の情報、並びに、力覚センサ３０で取得した力及びモーメントの情報に基づいて、訓練者１０を模した多関節リンクモデルの関節の負荷を算出する演算手段６０と、演算手段６０が算出した多関節リンクモデルの関節の負荷情報を視覚的に表示する表示手段５０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】
人物の関節に加わる負荷を表示する関節負荷可視化システムであって、
前記人物の３次元的な姿勢を計測する距離カメラと、
前記人物の手が接触する器具に加わる力及びモーメントの大きさと方向とを検出する力覚センサと、
前記距離カメラで取得した前記人物の姿勢の情報、並びに、前記力覚センサで取得した前記力及びモーメントの情報に基づいて、人間を模した多関節リンクモデルの関節の負荷を算出する演算手段と、
前記演算手段が算出した前記多関節リンクモデルの関節の負荷情報を視覚的に表示する表示手段と、
を備えることを特徴とする関節負荷可視化システム。
【請求項２】
請求項１に記載の関節負荷可視化システムであって、
前記表示手段は、前記多関節リンクモデルの関節の負荷情報を、前記距離カメラが撮影した前記人物の動画像に重ねて表示することを特徴とする関節負荷可視化システム。
【請求項３】
請求項１に記載の関節負荷可視化システムであって、
前記演算手段が、さらに、前記人物の足裏に働く足裏反力を、前記距離カメラで取得した前記人物の姿勢の情報、並びに、前記力覚センサで取得した前記力及びモーメントの情報に基づいて算出し、
前記表示手段が、前記多関節リンクモデルの関節の負荷情報とともに、前記足裏反力の情報を視覚的に表示することを特徴とする関節負荷可視化システム。
【請求項４】
請求項３に記載の関節負荷可視化システムであって、
前記表示手段は、前記多関節リンクモデルの動画像を表示し、前記関節の負荷情報を前記動画像の関節から縦に伸びるバーにより表示し、前記足裏反力の情報を前記動画像の足位置から縦に伸びるバーにより表示することを特徴とする関節負荷可視化システム。
【請求項５】
請求項４に記載の関節負荷可視化システムであって、
前記表示手段は、前記関節の負荷及び足裏反力の大きさに応じて、前記バーの長さまたは色を変えることを特徴とする関節負荷可視化システム。
【請求項６】
請求項１に記載の関節負荷可視化システムであって、
前記演算手段は、
前記力覚センサの検出データに基づいて前記器具から前記人物の手先に働く力を算出する手先反力算出部と、
前記人物の身体の慣性力と、前記人物の足裏に床から受ける足裏反力とが釣り合う点であるＧＺＭＰ（Generalized Zero Moment Point）を算出するＧＺＭＰ算出部と、
前記ＧＺＭＰに基づいて前記人物の各足裏に働く足裏反力を算出する足裏反力算出部と、
前記人物の手先及び足裏に働く力に基づいて前記多関節リンクモデルの関節に働く力を算出する関節負荷算出部と、
を備えることを特徴とする関節負荷可視化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行訓練を行う訓練者の関節に掛かる負荷等を画面に表示してリハビリテーション効果を高めるシステムであり、訓練者が特別の機器を装着しなくても関節負荷等の可視化を可能にするものである。
【背景技術】
【０００２】
障害者や高齢者の歩行訓練では、訓練者の身体の動きや身体の各部に加わる荷重等をリアルタイムに視覚化し、それに基づいて訓練中の姿勢を修正することがリハビリテーション効果を高める上で有効であることが知られている。
従来の可視化システムでは、訓練者にセンサやマーカーを取り付けたり、下記特許文献１に記載されているように、訓練者を床反力計（フォースプレート）の上を歩かせたりして訓練者の運動データや動力学データを取得し、それを基に関節負荷等の可視化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００９／１４７８７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、訓練者の身体にセンサやマーカーを取り付けることは、訓練者に取って負担である。
また、床反力計は高価であり、訓練施設の広い範囲に床反力計を敷き詰めると経済的負担が増大する。そのため、実際上、訓練の場所は床反力計を設置した狭い範囲に限られることになる。
【０００５】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、訓練者に何らかの機器を装着する必要が無く、簡易な方法で訓練者の運動データや動力学データを取得することができる関節負荷可視化システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、人物の関節に加わる負荷を表示する関節負荷可視化システムであって、人物の３次元的な姿勢を計測する距離カメラと、人物の手が接触する器具に加わる力及びモーメントの大きさと方向とを検出する力覚センサと、距離カメラで取得した人物の姿勢の情報、並びに、力覚センサで取得した力及びモーメントの情報に基づいて、人間を模した多関節リンクモデルの関節の負荷を算出する演算手段と、演算手段が算出した多関節リンクモデルの関節の負荷情報を視覚的に表示する表示手段と、を備えることを特徴としている。
このシステムでは、距離カメラの計測データと、平行棒などの訓練器具に設置した力覚センサの検出データとを用いて訓練者の関節に掛かる負荷を推定し、それを表示することができる。
【０００７】
また、本発明の関節負荷可視化システムでは、表示手段は、多関節リンクモデルの関節の負荷情報を、距離カメラが撮影した人物の動画像に重ねて表示する。
そのため、訓練者は、表示された動画像から、自分の身体の状態や関節への荷重の掛かり具合をリアルタイムで知ることができる。
【０００８】
また、本発明の関節負荷可視化システムでは、演算手段が、さらに、人物の足裏に働く足裏反力を、距離カメラで取得した人物の姿勢の情報、並びに、力覚センサで取得した力及びモーメントの情報に基づいて算出し、表示手段が、多関節リンクモデルの関節の負荷情報とともに、足裏反力の情報を視覚的に表示する。
このシステムでは、関節に掛かる負荷と共に、足裏に作用する足裏反力を表示する。
【０００９】
また、本発明の関節負荷可視化システムでは、表示手段は、多関節リンクモデルの動画像を表示し、関節の負荷情報を多関節リンクモデルの関節から縦に伸びるバーにより表示し、足裏反力の情報を多関節リンクモデルの足位置から縦に伸びるバーにより表示する。
そのため、訓練者は、表示された動画像から、自分の関節に掛かる荷重や足裏反力を容易に知ることができる。
【００１０】
また、本発明の関節負荷可視化システムでは、表示手段が、関節の負荷及び足裏反力の大きさに応じて、バーの長さまたは色を変えるようにしても良い。
そのため、訓練者は、表示された動画像から、自分の関節に掛かる荷重や足裏反力の大きさを容易に知ることができる。
【００１１】
また、本発明の関節負荷可視化システムでは、演算手段が、力覚センサの検出データに基づいて器具から人物の手先に働く力を算出する手先反力算出部と、この人物の身体の慣性力と人物の足裏に床から受ける足裏反力とが釣り合う点であるＧＺＭＰ（Generalized Zero Moment Point）を算出するＧＺＭＰ算出部と、ＧＺＭＰに基づいて人物の左右の足裏に働く足裏反力を算出する足裏反力算出部と、人物の手先及び足裏に働く力に基づいて多関節リンクモデルの関節に働く力を算出する関節負荷算出部と、を備えている。
演算手段は、これらの算出部を有することで、距離カメラの計測データと力覚センサの検出データとから訓練者の足裏反力や関節の負荷を算出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の関節負荷可視化システムは、訓練者の運動データや動力学データを簡易な方法で取得して、訓練者の関節の負荷を可視化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る関節負荷可視化システムを模式的に示す図
【図２】図１の関節負荷可視化システムを示すブロック図
【図３】図２のコンピュータの動作を示すフロー図
【図４】図１のディスプレイの表示画面例
【図５】図１のディスプレイの他の表示画面例
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の関節負荷可視化システムを模式的に示している。
このシステムは、訓練者１０が歩行訓練時に手で持つ平行棒２０に設置された力覚センサ３０と、歩行訓練の様子を撮影する距離カメラ４０と、距離カメラ４０及び力覚センサ３０の検出データから訓練者１０の関節の負荷や床面の足裏に対する反発力（足裏反力）を算出するコンピュータ（演算手段）６０と、訓練者１０の動画像に関節負荷や足裏反力の情報を重畳して表示するディスプレイ（表示手段）５０とを備えている。
【００１５】
力覚センサ３０は、加わる力の三軸（ｘ、ｙ、ｚ軸）方向の力成分と、各軸回りに作用するモーメント成分とを検出することができる。
距離カメラ４０は、撮影対象に照射した光の反射時間を計測して撮影対象までの距離を検出する機能を有しており、各ピクセルの画像に３次元距離情報を付加した画像情報を出力する。
コンピュータ６０は、距離カメラ４０の画像情報及び力覚センサ３０の検出情報を用いて、足裏反力や人間を模した多関節リンクモデルの関節の負荷を算出する。
ディスプレイ５０には、距離カメラ４０が撮影した訓練者１０の動画像に重ねて、多関節リンクモデル、その関節に加わる負荷、及び足裏反力を表す図形が表示される。
【００１６】
次に、コンピュータ６０の動作について説明する。
コンピュータ６０は、図２に示すように、距離カメラ４０の画像情報から訓練者１０の重心位置、及び、重心位置でのモーメントを算出する重心位置／モーメント算出部６１と、力覚センサ３０の検出データに基づいて平行棒２０から訓練者１０の手先に働く力（手先反力）を算出する手先反力算出部６２と、訓練者１０の身体の慣性力と床を通じて訓練者１０の足裏に働く足裏反力とが釣り合うＧＺＭＰ（Generalized Zero Moment Point）を算出するＧＺＭＰ算出部６３と、ＧＺＭＰに基づいて訓練者１０の左右の足裏に働く足裏反力を算出する足裏反力算出部６４と、手先反力及び足裏反力に基づいて多関節リンクモデルの関節に働く力を算出する関節負荷算出部６５と、を備えている。
なお、コンピュータ６０のこれらの各部は、コンピュータ６０がプログラムに従って動作することにより実現される。
【００１７】
図３は、コンピュータ６０の動作手順を示すフロー図である。
重心位置／モーメント算出部６１は、距離カメラ４０の画像情報に含まれる訓練者１０の各関節及び体節の３次元距離情報から訓練者１０の重心位置（ｘ、ｙ、ｚ）を求め、この重心位置の時間的な差分から重心加速度を求め、訓練者１０の角運動量（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）を算出する（ステップ１）。
【００１８】
手先反力算出部６２は、力覚センサ３０の検出データに基づいて、（数１）により左右の手先に働く手先反力（ｆHjx、ｆHjy、ｆHjz）を算出する（ステップ２）。
【数１】
2016179048.tif 000003
ここで、ｊ＝１，２であり、左右の手を指す。また、（ｆｓkx、ｆｓky、ｆｓkz）はｋ番目の力覚センサ３０の各軸方向の力であり、手先反力はＮ番目からＭ番目までの力覚センサ３０の検出データから計算される。
【００１９】
ＧＺＭＰ算出部６３は、手先反力を受ける訓練者１０のＧＺＭＰを算出する。
なお、訓練者１０が手先反力を受けないときに、訓練者１０の身体の慣性力と足裏反力（床反力）とが釣合う点はＺＭＰ（Zero Moment Point）と呼ばれている。ＺＭＰ（ｘE，ｙE）は、訓練者１０の重心位置（ｘ、ｙ、ｚ）、角運動量（Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚ）、質量Ｍ、及び重力加速度ｇを用いて（数２）により算出される。なお、訓練者１０の質量Ｍは、事前に測定されているものとする。
【数２】
2016179048.tif 000004
【００２０】
しかし、訓練者１０が手先反力を受ける場合は、手先反力のモーメントを考慮する必要がある。そのため、ＧＺＭＰ算出部６３は、距離カメラ４０の画像情報から、訓練者１０の手先位置（ｘHj、ｙHj、ｚHj）を求め（ステップ３１）、（数３）によりＧＺＭＰ（ｘZ，ｙZ）を算出する（ステップ３）。
【数３】
2016179048.tif 000005
【００２１】
足裏反力算出部６４は、各足の足裏反力を算出するために距離カメラ４０の画像情報から、訓練者１０の足位置を求める（ステップ４１）。ｙ軸上での右足の位置をｙFR、ｙ軸上での左足の位置をｙFLとし、また、求めようとする右足に掛かる鉛直方向の力をｆFR、左足に掛かる鉛直方向の力をｆFLとすると、ＧＺＭＰは各足裏に掛かる力の代表点であるため、
ｆFR（ｙFR−ｙZ）＝ｆFL（ｙZ−ｙFL）の関係を有し、
ｙZ＝（ｆFRｙFR＋ｆFLｙFL）／（ｆFR＋ｆFL）      （数４）
と表すことができる。
また、重心に働く慣性力は手先と足裏に働く力と釣り合うため、左右の足裏に働く力の和は（数５）となる．
ｆFR＋ｆFL＝Ｆ                （数５）
ここで、Ｆは、（数６）として表される。
【数６】
2016179048.tif 000006
足裏反力算出部６４は、（数４）（数５）の関係から、次式（数７）により各足裏の足裏反力を算出する。
【数７】
2016179048.tif 000007
【００２２】
関節負荷算出部６５は、距離カメラ４０の画像情報から、訓練者１０の各関節の位置情報を求め（ステップ５１）、訓練者１０の身体をヒンジジョイントの組み合わせとしてモデル化した多関節リンクモデルを用いて各関節に掛かる負荷を算出する（ステップ５）。
これは、距離カメラ４０の画像情報からは、訓練者１０の各関節の位置を取得することはできるが、関節の姿勢（関節角度）を求めることが困難なためである。
そこで、多関節リンクモデルに基づき複数の関節位置情報を入力として、各関節の関節角度を逆運動学計算によって求め、次に、計算した関節角度の時間差分を計算することで関節角速度、関節角加速度を計算し、各体節の速度や加速度を算出する。
ここで、i番目の体節の空間速度ベクトルを（数８）とする。
【数８】
2016179048.tif 000008
（数８）において、ｖoiは並進速度、ωiは角速度である。
このとき、i番目の体節の運動方程式は（数９）のようになる。
【数９】
2016179048.tif 000009
ここで、ｆiはi-1の体節から掛かる力、τiはi-1の体節から掛かるモーメントである。また、ｆEiは外部から働く力、τEiは外部から働くモーメントである。また、ＩSは空間慣性行列で、次式（数１０）となる。
【数１０】
2016179048.tif 000010
ここで、ｍは質量、Ｉは慣性モーメント、ｃは重心の位置座標である。＾は歪対称行列を表している。
【００２３】
（数９）の運動方程式から（数１１）の漸化式が得られる。
【数１１】
2016179048.tif 000011
手先や足先などの先端部では、（数１２）の値がそれぞれゼロになる。
【数１２】
2016179048.tif 000012
そのため、先端部から逐次的に計算することで各体節に働く力とモーメントを計算することができる。
ここで、手部における外力は手先反力（ｆHjx、ｆHjy、ｆHjz）を用いる。また、足裏反力の推定アルゴリズムではせん断力を推定することは困難であるため、足部における外力は（０，０，ｆFR）（０，０，ｆFL）とする。
上記の手法によって各関節の力を推定すると、i番目の体節における関節トルク（関節の負荷）は、次式（数１３）によって算出することができる。
【数１３】
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ここで、ｐiは関節の位置座標、ａiは関節軸ベクトルである。
【００２４】
コンピュータ６０は、ディスプレイ５０の表示が終了するまで、ステップ１〜ステップ５の動作を繰り返す（ステップ６）。そうすることで、ディスプレイ５０には、歩行訓練を行う訓練者１０の実画像と、訓練者１０の姿勢を示す多関節リンクモデルの画像と、足裏反力や関節負荷の情報とを重畳した動画像が、リアルタイムで表示される。
【００２５】
図４、図５は、本システムの実証実験において、ディスプレイ５０に表示された画像を示している。
ここでは、足裏反力や関節の負荷情報を、多関節リンクモデルの足位置や関節位置から縦に伸びるバーで表しており、足裏反力や関節負荷が大きい程、バーの長さが伸びるように設定している。
歩行訓練者は、この画像を見て、歩く姿勢や、不要な力が入っている箇所等を確認することができる。
【００２６】
また、図４の状態と図５の状態では、訓練者が触る横棒の高さが違っている。そのため、訓練者の手の関節に加わる負荷の大きさが図４と図５で異なっている。
このように、ディスプレイ５０の画像から、訓練者が使用する器具の高さ等が訓練者に合っているかどうかを関節の負荷の大きさから識別することもできる。
なお、ここに示した足裏反力や関節負荷の表示例は一例であって、それに限るものではない。足裏反力や関節負荷の大きさに応じた色分けや、足裏反力や関節負荷を、その大きさに応じた線幅の矢印で表示するなど、各種の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の関節負荷可視化システムは、歩行訓練者の身体的負担が少なく、また、導入時のコストが低いため、病院、リハビリテーション施設、高齢者施設等で広く利用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１０  訓練者
２０  平行棒
３０  力覚センサ
４０  距離カメラ
５０  ディスプレイ
６０  コンピュータ
６１  重心位置／モーメント算出部
６２  手先反力算出部
６３  ＧＺＭＰ算出部
６４  足裏反力算出部
６５  関節負荷算出部
【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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