(57)【要約】【課題】歩行時の歩行部位の姿勢を評価することができる歩行測定装置及び歩行測定方法を提供する。【解決手段】  慣性センサ１は、歩行部位の空間的な運動を表わす物理量として加速度及び角速度の少なくとも一方を検出する。ベクトル算出部２２は、歩行運動に伴って変化する前記歩行部位の姿勢を表わす仮想的なベクトルを、前記センサにおいて検出された前記物理量に基づいて算出する。第１傾斜角算出部２３は、歩行方向と床面に垂直な仮想の平面である前額面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記前額面における第１傾斜角を算出する。【選択図】図４
2016202381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行部位の空間的な運動を表わす物理量として加速度及び角速度の少なくとも一方を検出するセンサと、
歩行運動に伴って変化する前記歩行部位の姿勢を表わす仮想的なベクトルを、前記センサにおいて検出された前記物理量に基づいて算出するベクトル算出部と、
歩行方向と床面に垂直な仮想の平面である前額面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記前額面における第１傾斜角を算出する第１傾斜角算出部と、
を有する歩行測定装置。
【請求項２】
前記歩行方向と平行かつ前記床面と垂直な仮想の平面である矢状面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記矢状面における第２傾斜角を算出する第２傾斜角算出部と、
前記第２傾斜角の変化に応じた前記第１傾斜角の変化が最小となるように、前記ベクトルの向きを前記第２傾斜角に応じて補正するベクトル補正部とを有し、
前記第１傾斜角算出部は、前記ベクトル補正部において補正されたベクトルを前記前額面に射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記第１傾斜角を算出する、
請求項１に記載の歩行測定装置。
【請求項３】
前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、前記床面に垂直な基準ベクトルと一致し、
前記ベクトル補正部は、前記ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルと前記基準ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルとが一致するように、前記矢状面に垂直な軸の周りにおいて前記第２傾斜角に応じた角度だけ前記ベクトルを回転する、
請求項２に記載の歩行測定装置。
【請求項４】
前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、所定の基準ベクトルと一致し、
前記ベクトル算出部は、前記センサにおいて検出された前記物理量に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わすクォータニオンを取得し、前記クォータニオンに応じた回転行列によって前記基準ベクトルに回転変換を施した結果を前記ベクトルとして取得する、
請求項１乃至３の何れか一項に記載の歩行測定装置。
【請求項５】
前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、所定の基準ベクトルと一致し、
前記センサは、互いに直交する３軸における角速度成分及び互い直交する３軸における加速度成分を前記物理量として検出し、
前記ベクトル算出部は、前記３軸の角速度成分に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わす第１クォータニオンを取得し、前記３軸の加速度成分に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わす第２クォータニオンを取得し、前記第２クォータニオンを観測値として、前記第１クォータニオンにカルマンフィルタを適用することにより前記第１クォータニオンを補正し、前記補正した第１クォータニオンに応じた回転行列によって前記基準ベクトルに回転変換を施した結果を前記ベクトルとして取得する、
請求項１乃至３の何れか一項に記載の歩行測定装置。
【請求項６】
前記センサは、前記歩行部位である足の甲に配置される
請求項１乃至５の何れか一項に記載の歩行測定装置。
【請求項７】
歩行部位の空間的な運動を表わす物理量としてセンサにより検出された加速度及び角速度の少なくとも一方に基づき、歩行運動に伴って変化する前記歩行部位の姿勢を表わす仮想的なベクトルをコンピュータが算出する工程と、
前記コンピュータが、歩行方向と床面に垂直な仮想の平面である前額面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記前額面における第１傾斜角を算出する工程と
を有することを特徴とする歩行測定方法。
【請求項８】
前記コンピュータが、前記歩行方向と平行かつ前記床面と垂直な仮想の平面である矢状面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記矢状面における第２傾斜角を算出する工程と、
前記コンピュータが、前記第２傾斜角の変化に応じた前記第１傾斜角の変化が最小となるように、前記ベクトルの向きを前記第２傾斜角に応じて補正する工程とを有し、
前記第１傾斜角を算出する工程では、前記コンピュータが、前記ベクトルを補正する工程において前記第２傾斜角に応じて補正したベクトルを前記前額面に射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記第１傾斜角を算出する
ことを特徴とする請求項７に記載の歩行測定方法。
【請求項９】
前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、前記床面に垂直な基準ベクトルと一致し、
前記ベクトルを補正する工程では、前記コンピュータが、前記ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルと前記基準ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルとが一致するように、前記矢状面に垂直な軸の周りにおいて前記第２傾斜角に応じた角度だけ前記ベクトルを回転する
ことを特徴とする請求項８に記載の歩行測定方法。
【請求項１０】
請求項７乃至９の何れか一項に記載された歩行測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行部位の動作を測定する歩行測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、歩行特性評価システムに関する発明が記載されている。この歩行特性評価システムは、人間の歩行特性、特に歩行が困難な患者などにおける三次元歩行特性を無拘束で長時間測定し、病状や治療効果の診断に利用する情報を得るというものである。
【０００３】
この歩行特性評価システムは、複数の身体装着型センサと携帯型データ記録器と解析装置とから構成されている。身体装着型センサによって、足の加速度と角速度が測定される。
【０００４】
加速度と角速度の測定データは解析装置で演算される。この演算は、角速度波形から一歩分の遊脚状態が探索され、遊脚状態が探索されると、足の姿勢・フレームマトリクスが計算される。この計算は、加速度として検出された重力加速度を利用して行われる。さらに、遊脚開始後の測定角速度からサンプリング周期中のフレームマトリクスの回転量が求められ、測定加速度の座標変換および積分が行われる。
【０００５】
加速度の座標変換と積分が行われた後に、遊脚終了時とその後の立脚時のフレームマトリクスが一致するように、遊脚時のフレームマトリクスが修正される。
【０００６】
特許文献１に記載された歩行測定評価システムは、加速度データと角速度データが、それぞれオイラー角の測定情報として得られ、オイラー角の測定情報を用いて、フレームマトリクス手法で足の姿勢を算出している。フレームマトリクス手法は、３軸の加速度成分から３次元加速度行列を求め、３軸の角速度成分から３次元加速度行列の回転量を算出するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１１０３９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された歩行測定評価システムで得られる算出結果は、爪先の移動距離の変化などであり、足部などの歩行部位の三次元的な移動は立体的に把握されていなかった。特に、歩行時の足の向き、姿勢については何ら考慮されておらず、歩行中の足部の傾きを把握することは困難であった。例えば、足部が踵から着床するときや、爪先から離床するときに足の姿勢に異変が生じると、歩行者がけがをすることがある。しかしながら、従来の歩行測定評価システムは、足の姿勢を診断するものではなく、足の姿勢に起因する異変状態を把握できなかった。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされ、歩行時の歩行部位の姿勢を評価することができる歩行測定装置とその方法並びにプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る歩行測定装置は、歩行部位の空間的な運動を表わす物理量として加速度及び角速度の少なくとも一方を検出するセンサと、歩行運動に伴って変化する前記歩行部位の姿勢を表わす仮想的なベクトルを、前記センサにおいて検出された前記物理量に基づいて算出するベクトル算出部と、歩行方向と床面に垂直な仮想の平面である前額面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記前額面における第１傾斜角を算出する第１傾斜角算出部と、を有する。
【００１１】
この構成によれば、前記歩行部位の空間的な運動を表わす物理量に基づいて、前記歩行部位の姿勢を表わす仮想的なベクトルが算出され、当該ベクトルを前記前額面に射影した結果に基づいて、前記歩行部位の前記前額面における傾斜角が算出される。これにより、歩行運動時における前記歩行部位（例えば足部）の姿勢を詳しく評価することが可能となる。
【００１２】
好適には、本発明の歩行測定装置はさらに、前記歩行方向と平行かつ前記床面と垂直な仮想の平面である矢状面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記矢状面における第２傾斜角を算出する第２傾斜角算出部と、前記第２傾斜角の変化に応じた前記第１傾斜角の変化が最小となるように、前記ベクトルの向きを前記第２傾斜角に応じて補正するベクトル補正部とを有し、前記第１傾斜角算出部は、前記ベクトル補正部において補正されたベクトルを前記前額面に射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記第１傾斜角を算出する。
【００１３】
この構成によれば、前記歩行部位の前記矢状面における前記第２傾斜角が算出され、前記第２傾斜角の変化に応じた前記第１傾斜角の変化が最小となるように、前記ベクトルの向きが前記第２傾斜角に応じて補正される。前記第１傾斜角は、前記補正されたベクトルを前記前額面に射影した結果に基づいて算出される。これにより、前記第２傾斜角の影響による誤差が低減された精度の高い前記第１傾斜角が得られる。
【００１４】
好適には、本発明の歩行測定装置によると、前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、前記床面に垂直な基準ベクトルと一致し、前記ベクトル補正部は、前記ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルと前記基準ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルとが一致するように、前記矢状面に垂直な軸の周りにおいて前記第２傾斜角に応じた角度だけ前記ベクトルを回転する。
【００１５】
好適には、本発明の歩行測定装置によると、前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、所定の基準ベクトルと一致し、前記ベクトル算出部は、前記センサにおいて検出された前記物理量に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わすクォータニオンを取得し、前記クォータニオンに応じた回転行列によって前記基準ベクトルに回転変換を施した結果を前記ベクトルとして取得する。
【００１６】
好適には、本発明の歩行測定装置によると、前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、所定の基準ベクトルと一致し、前記センサは、互いに直交する３軸における角速度成分及び互い直交する３軸における加速度成分を前記物理量として検出し、前記ベクトル算出部は、前記３軸の角速度成分に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わす第１クォータニオンを取得し、前記３軸の加速度成分に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わす第２クォータニオンを取得し、前記第２クォータニオンを観測値として、前記第１クォータニオンにカルマンフィルタを適用することにより前記第１クォータニオンを補正し、前記補正した第１クォータニオンに応じた回転行列によって前記基準ベクトルに回転変換を施した結果を前記ベクトルとして取得する。
【００１７】
この構成によれば、前記３軸の角速度成分に基づいて取得される前記第１クォータニオンの時間的な累積誤差が、前記３軸の加速度成分に基づいて取得される前記第２クォータニオンを観測値として、前記第１クォータニオンにカルマンフィルタを適用することにより補正される。従って、誤差の低減された精度の高い前記ベクトルが得られる。
【００１８】
好適には、本発明の歩行測定装置によると、前記センサは、前記歩行部位である足の甲に配置される。これにより、前記センサが足部の骨の上に配置されるため、歩行動作時における足部の運動を表わす前記物理量が精度良く検出される。
【００１９】
本発明に係る歩行測定方法は、歩行部位の空間的な運動を表わす物理量としてセンサにより検出された加速度及び角速度の少なくとも一方に基づき、歩行運動に伴って変化する前記歩行部位の姿勢を表わす仮想的なベクトルをコンピュータが算出する工程と、前記コンピュータが、歩行方向と床面に垂直な仮想の平面である前額面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記前額面における第１傾斜角を算出する工程とを有する。
【００２０】
好適には、本発明に係る歩行測定方法はさらに、前記コンピュータが、前記歩行方向と平行かつ前記床面と垂直な仮想の平面である矢状面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記矢状面における第２傾斜角を算出する工程と、前記コンピュータが、前記第２傾斜角の変化に応じた前記第１傾斜角の変化が最小となるように、前記ベクトルの向きを前記第２傾斜角に応じて補正する工程とを有し、前記第１傾斜角を算出する工程では、前記コンピュータが、前記ベクトルを補正する工程において前記第２傾斜角に応じて補正したベクトルを前記前額面に射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記第１傾斜角を算出する。
【００２１】
好適には、本発明に係る歩行測定方法によると、前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、前記床面に垂直な基準ベクトルと一致し、前記ベクトルを補正する工程では、前記コンピュータが、前記ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルと前記基準ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルとが一致するように、前記矢状面に垂直な軸の周りにおいて前記第２傾斜角に応じた角度だけ前記ベクトルを回転する。
【００２２】
本発明にかかるプログラムは、上述のいずれかの歩行測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の歩行測定装置により、歩行部位の前額面における傾斜角を求めることができるので、歩行運動時における歩行部位の姿勢を正しく評価することができる。ベクトルとしてのみ得られていた歩行部位の傾斜の情報を第１傾斜角として得ることができるので、足部の姿勢をより的確に把握することができ、歩行時の異変の予防に役立てることができる。
【００２４】
また、本発明の歩行測定装置の一例によれば、歩行部位の矢状面における第２傾斜角により第１傾斜角を補正することができるので、第２傾斜角の影響による誤差が低減され、前額面内運動の結果の影響が抑制された精度の高い第１傾斜角を求めることができる。その結果、歩行部位の矢状面内運動をより正確に把握することができ、歩行時の異変の予防に役立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】歩行者の歩行動作と歩行測定装置の関係を説明する図である。
【図２】歩行者に対する射影面の関係を示した図である。
【図３】足部のベクトルを射影面に射影したときの位置関係を示した図である。
【図４】本実施の形態にかかる歩行測定装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図５】足部のベクトルについての演算処理を説明するフローチャートである。
【図６】矢状面内傾斜角度と足部ＦＴの姿勢について説明する図である。
【図７】前額面内傾斜角度と足部ＦＴの姿勢について説明する図である。
【図８】足部の矢状面内での運動が前額面内の傾斜角度に与える影響を説明する第１の図である。
【図９】足部の矢状面内での運動が前額面内の傾斜角度に与える影響を説明する第２の図である。
【図１０】本実施形態にかかる歩行測定装置を剛体実験により検証する際のモデルを説明する図である。
【図１１】剛体実験の結果に基づく歩行動作に伴う第１傾斜角と第２傾斜角の推移を示すグラフである。
【図１２】本実施形態にかかる歩行測定装置による歩行動作の測定処理について説明するフローチャートである。
【図１３】加速度センサを用いた足部のベクトルについての演算処理を説明するフローチャートである。
【図１４】角速度センサを用いた足部のベクトルについての演算処理を説明するフローチャートである。
【図１５】歩行測定装置が人体の大腿部と下腿部および足部に装着された場合の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本実施の形態にかかる歩行測定装置によって測定すべき歩行動作について、図１および図２を用いて説明する。
【００２７】
図１は、歩行者ＢＤの歩行動作と歩行測定装置の関係を説明する図である。本実施の形態では、歩行者ＢＤが人体である場合を想定して説明するが、歩行者ＢＤに関する説明は、人体に限らず他の動物や、ロボットなど歩行動作を行ういかなる対象にも適用される。
【００２８】
歩行者ＢＤは、歩行部位の一例である足部ＦＴによって空間的に歩行動作を行う。この歩行動作の進行方向をＹ軸とし、床面に垂直な方向をＺ軸とし、歩行者ＢＤから見て左右となる方向をＸ軸とする。はじめに足部ＦＴは床面に接地しているが、歩行の開始とともにかかと、爪先の順に床面を離れ、歩行動作とともに床面に接地する動作を繰り返す。
【００２９】
この足部ＦＴの姿勢をベクトルｅｆによって説明する。ベクトルｅｆは足の裏を平面としたときのこの平面に対する法線ベクトルである。はじめに足部ＦＴは床面に接地し、床面に対して垂直方向を示しているが、このときのベクトルが基準ベクトルｅ０となる。すなわち、ベクトルｅｆは、足部ＦＴが静止状態などの所定の基準姿勢にある場合、床面に垂直な基準ベクトルｅ０と一致する。本実施の形態では、この基準ベクトルｅ０を基準としたベクトルｅｆの変化について説明するが、基準とすべきベクトルは基準ベクトルｅ０に限られず、例えば床面に接地する前後のベクトルを基準ベクトルとしてもよい。
【００３０】
足部ＦＴの足の甲には慣性センサ１が取り付けられている。慣性センサ１の位置は足の甲に限られず、足首や足の裏に取り付けられる形態も考えられる。慣性センサ１の出力が処理部２に送られる。本実施の形態にかかる歩行測定装置は、慣性センサ１と処理部２を備える。この歩行測定装置により歩行者ＢＤの足部ＦＴの姿勢を測定するとき、足部の三次元的なベクトルを評価しやすくするために二次元平面に射影する。この二次元平面について図２を用いて説明する。
【００３１】
図２は、歩行者ＢＤに対する射影面の関係を示した図である。射影面は、歩行者ＢＤを基準とした仮想の平面であり、前額面６、矢状面７、水平面８の３つからなる。前額面６は、歩行方向と床面に垂直な面である。矢状面７は、歩行方向と平行かつ床面と垂直な面である。水平面８は、床面と平行であり、前額面６および矢状面７の双方に垂直である。
【００３２】
図３は、足部ＦＴのベクトルｅｆを射影面に射影したときの位置関係を示した図である。ベクトルｅｆは、図２に示した前額面６または矢状面７への射影により、二次元的に評価することができる。ベクトルｅｆを前額面６に射影することにより、ベクトルｅｆ６が得られる。ベクトルｅｆが前額面６となす角の変化に応じて、ベクトルｅｆ６の大きさは変化する。また、ベクトルｅｆを矢状面７に射影することにより、ベクトルｅｆ７が得られる。ベクトルｅｆが矢状面７となす角の変化に応じて、ベクトルｅｆ７の大きさは変化する。
【００３３】
図４は、本実施の形態にかかる歩行測定装置の構成の一例を示すブロック図である。足部ＦＴのベクトルｅｆと射影面との関係については、図３も併せて参照しながら説明する。図４に示す本実施の形態の歩行測定装置は、慣性センサ１と処理部２を備える。慣性センサ１からの検知出力は処理部２に与えられる。
【００３４】
慣性センサ１は、加速度センサ１１と、角速度センサ１２とを備える。しかしながら両方を必ずしも備えなければならない訳ではなく、いずれか一方であってもよい。慣性センサ１は、足部ＦＴの空間的な運動を表わす物理量として加速度及び角速度の少なくとも一方を検出する。
【００３５】
加速度センサ１１は、例えば質量が可撓性の支持部に支持されており、加速度による質量の変位が支持部の撓み量として圧電素子などで検知される。加速度センサ１１で、互いに直交する３軸方向の加速度成分（ａｘ、ａｙ、ａｚ）が検知される。加速度センサ１１は、互いに直交する３軸における加速度成分のすべてを検出するものとして説明するが、このうち１軸または２軸についての加速度成分のみを検出して、この１軸または２軸についての加速度成分のみを用いてもよい。
【００３６】
角速度センサ１２は、例えば振動型ジャイロスコープであり、コリオリ力を利用して角速度が検知される。角速度センサ１２では、互いに直交する３軸方向（３軸回り）の角速度成分（ωｘ、ωｙ、ωｚ）が検知される。角速度センサ１２は、互いに直交する３軸における角速度成分のすべてを検出するものとして説明するが、このうち１軸または２軸についての角速度成分のみを検出して、この１軸または２軸についての角速度成分のみを用いてもよい。
【００３７】
慣性センサ１の検知出力は、送信部１３、受信部２１を介して処理部２に伝えられる。無線通信の場合、送信部１３、受信部２１は無線通信機能を持ったインターフェースによって実現される。慣性センサ１と処理部２とが一体化している場合は、送信部１３と受信部２１は慣性センサ１と処理部２の間の接続端子であり、これにより両者は直接接続される。
【００３８】
処理部２は、慣性センサ１において検出された物理量のデータに基づいて、足部ＦＴの歩行運動に関する測定値を算出する回路である。処理部２は、例えば、記憶装置に格納されるプログラムの命令コードに従って演算処理を行うコンピュータや、特定の機能を実現するロジック回路を含んで構成される。処理部２の処理は、その全てをコンピュータとプログラムにより実現してもよいし、その一部若しくは全部を専用のロジック回路で実現してもよい。プログラムは、ＤＶＤ等の非一時的な記録媒体に記録されたものを媒体読み取り装置によって処理部２のコンピュータが読み取ってもよい。処理部２は、足部ＦＴに装着されるものであってもよいし、足部ＦＴから離れた位置にあって、慣性センサ１からの検知出力が有線または無線で処理部２に伝達されるものであってもよい。ここでは、慣性センサ１からの検知出力を無線で伝達する場合について説明する。
【００３９】
処理部２は、例えば図４に示すように、ベクトル算出部２２と、第１傾斜角算出部２３と、第２傾斜角算出部２４と、ベクトル補正部２５を備える。
【００４０】
ベクトル算出部２２は、歩行運動に伴って変化する足部ＦＴの姿勢を表わす仮想的なベクトルｅｆを、慣性センサ１において検出された物理量に基づいて算出する。ベクトル算出部２２は、慣性センサ１において検出された物理量に基づいて、基準ベクトルｅ０の回転変換を表わすクォータニオンを取得し、クォータニオンに応じた回転行列によって基準ベクトルｅ０に回転変換を施した結果をベクトルｅｆとして取得する。
【００４１】
ベクトル算出部２２は、３軸の角速度成分および３軸の加速度成分を用いる場合、次のようにベクトルｅｆを求める。まずベクトル算出部２２は、３軸の角速度成分に基づいて、基準ベクトルｅ０の回転変換を表わす第１クォータニオンを取得する。またベクトル算出部２２は、３軸の加速度成分に基づいて、基準ベクトルｅ０の回転変換を表わす第２クォータニオンを取得する。そして、ベクトル算出部２２は、第２クォータニオンを観測値として、第１クォータニオンにカルマンフィルタを適用することにより第１クォータニオンを補正し、補正した第１クォータニオンに応じた回転行列によって基準ベクトルｅ０に回転変換を施し、その回転変換の結果をベクトルｅｆとして取得する。ベクトルｅｆの算出処理については、図５を参照して後述する。しかしながら、ベクトルｅｆの算出処理は、クォータニオンおよび回転行列を用いて算出するものに限られず、例えば角速度データと加速度データからオイラー角の測定情報を得て、フレームマトリクス手法を用いて求めてもよい。
【００４２】
第１傾斜角算出部２３は、前額面６にベクトルｅｆを射影し、射影したベクトルｅｆ６に基づいて足部ＦＴの前額面６における第１傾斜角を算出する。例えば、射影したベクトルｅｆ６とＺ軸のなす角を第１傾斜角とする。また、後述するベクトル補正部２５によりベクトルｅｆ６が補正された場合は、補正されたベクトルｅｆ６’を前額面６に射影し、射影したベクトルに基づいて第１傾斜角を算出する。具体的には、射影したベクトルｅｆ６’とＺ軸のなす角を第１傾斜角とする。
【００４３】
第２傾斜角算出部２４は、矢状面７にベクトルｅｆを射影し、射影したベクトルｅｆ７に基づいて足部ＦＴの矢状面７における第２傾斜角を算出する。例えば、射影したベクトルｅｆ７とＹ軸のなす角を第２傾斜角とする。
【００４４】
ベクトル補正部２５は、第２傾斜角の変化に応じた第１傾斜角の変化が最小となるように、ベクトルｅｆの向きを第２傾斜角に応じて補正する。つまり、第２傾斜角が変化すると、前額面６に射影されるベクトルｅｆ６がこの影響を受けて変化するため、第２傾斜角の変化に対する第１傾斜角の影響が小さくなるようにベクトルｅｆを補正する。
【００４５】
ベクトル補正部２５は、ベクトルｅｆを矢状面７に射影したベクトルｅｆ７と基準ベクトルｅ０を矢状面７に射影したベクトルとが一致するように、矢状面７に垂直なＸ軸の周りにおいて第２傾斜角に応じた角度だけベクトルｅｆを回転する。
【００４６】
表示部２６は、処理部２の各部で求められた算出結果を表示するディスプレイおよびその制御部によって構成され、表示部２６の制御部が算出結果を受け取って、その内容をディスプレイに表示する。表示部２６は、ベクトルｅｆ、基準ベクトルｅ０、第１傾斜角、第２傾斜角を表示する。また、これらの継時的な軌跡を表示してもよい。
【００４７】
図５は、足部ＦＴのベクトルｅｆについての演算処理を説明するフローチャートである。まず、ステップＳＴ１−１では角速度センサ１２が角速度の検出を、ステップＳＴ２−１では加速度センサ１１が加速度の検出を行い、ステップＳＴ１−２、ＳＴ２−２では、ベクトル算出部２２がクォータニオンの算出を行う。
【００４８】
ステップＳＴ１−２では、ベクトル算出部２２が、角速度センサ１２で検知された３軸方向の角速度成分の全てに基づいてクォータニオンを算出する。クォータニオンはｑ（ｑ０，ｑ１，ｑ２，ｑ３）で表される４次元ベクトルであり、「ｑ０」は角度成分θを意味し、「ｑ１」「ｑ２」「ｑ３」は、回転軸の成分を意味している。
【００４９】
３軸方向の角速度成分からのクォータニオンｑの算出は、クォータニオンの時間変化を積分することで行われ、時間発展の式により求められ、例えば１０ｍ秒周期で繰り返される。ある時刻をｋとすると、次のサンプリング時刻ｋ＋１において、角速度成分から求められるクォータニオンｑｋ＋１は、以下の数１で表される。
【００５０】
【数１】
2016202381.tif 000003
【００５１】
上記において、ωｘｋ、ωｙｋ、ωｚｋは、時刻ｋに角速度センサ１２から得られた３軸の（３軸回りの）角速度成分である。Δｔはサンプリング時間である。
【００５２】
ステップＳＴ２−２では、ベクトル算出部２２が、加速度センサ１１で測定された３軸の加速度成分（ａｘ，ａｙ，ａｚ）から求められる時刻ｋにおけるクォータニオンｚｋを算出する。
【００５３】
時刻ｋにおいて、加速度成分から求められるクォータニオンｚｋは、以下の数２で表される。
【００５４】
【数２】
2016202381.tif 000004
【００５５】
ａｋは、時刻ｋにおいて３軸の加速度成分から求められた重力加速度であり、ａ０は、ベクトルｅｆが基準ベクトルｅ０に一致している場合に検知される重力加速度である。θｋは、重力の加速度ａｋ， ａ０を測定することで得られる回転量であり、Ａｋは、時刻ｋにおける回転軸である。
なお、ステップＳＴ１−２とＳＴ２−２のクォータニオンへの変換処理は、どちらが先に行われてもよいし、同時のステップとして処理されてもよい。
【００５６】
角速度成分からクォータニオンｑを算出する際に、時間発展の式が積分になるため、角速度センサ１２のオフセットドリフトが累積されることになり、角速度成分から求められるクォータニオンｑには、累積した誤差が含まれる。そこで、ベクトル算出部２２は、ステップＳＴ３において、角速度成分から算出されたクォータニオンｑにカルマンフィルタを適用し、このときに、加速度成分から算出したクォータニオンｚを観測値とすることで、誤差の修正を行う。
【００５７】
すなわち、ベクトル算出部２２は、ステップＳＴ３において、数３に示す角速度成分から求められるクォータニオンの状態式と、数４に示す加速度成分から求められるクォータニオンの観測式の空間モデルから、カルマンフィルタにおいて以下の数５に示すように、予測値の補正を行う。
【００５８】
【数３】
2016202381.tif 000005
【００５９】
【数４】
2016202381.tif 000006
【００６０】
【数５】
2016202381.tif 000007
【００６１】
数３におけるｗはプロセス雑音、数４におけるｖは観測雑音（測定雑音）を示す。数５におけるＫは、数３の状態式に対するカルマンゲイン、すなわち角速度成分から得られたクォータニオンｑの補正におけるカルマンゲインを示している。カルマンフィルタでは、プロセス雑音に関係する値と観測雑音に関係する値とに基づく雑音比によってカルマンゲインＫが決定される。例えば、前記雑音比が小さいほどカルマンゲインＫが大きくなり、雑音比が大きくなるとカルマンゲインＫが小さくなるように設定される。数５では、カルマンフィルタにより推定されたクォータニオンが「ハット付きのｑｋ」で表現されている。また、直前の推定値から予測されたクォータニオンが「バー付きのｑｋ」で表現されている。
【００６２】
なお、雑音比は、雑音比が小さいほどカルマンゲインＫが小さくなり、雑音比が大きくなるとカルマンゲインＫが大きくなるように設定することもできる。
【００６３】
ステップＳＴ４では、ベクトル算出部２２が、カルマンフィルタで補正されたクォータニオンｑ（ハット付き）を回転行列Ｒに変換する。回転行列Ｒは、以下の数６で表される。数６におけるｑ０，ｑ１，ｑ２，ｑ３は、カルマンフィルタで補正されたクォータニオンの構成要素であり、前述のように「ｑ０」は角度θ成分を意味し、「ｑ１」「ｑ２」「ｑ３」は、回転軸の成分を意味している。
【００６４】
【数６】
2016202381.tif 000008
【００６５】
図３に示すｘ−ｙ−ｚ座標内に現れるベクトルｅｆは、基準ベクトルｅ０を数６に示す回転行列Ｒによって回転させたものに相当している。したがって、ステップＳＴ５において、数６に示す回転行列Ｒへの変換を例えば１０ｍ秒間隔で行えば、１０ｍ秒毎のベクトルｅｆを求めることができる。
【００６６】
上述のように説明したベクトルｅｆについて、図３を参照して説明したようにベクトルｅｆの射影を行うことにより、ベクトルｅｆ６とベクトルｅｆ７を求めることができる。そして、ベクトルｅｆ６は前額面６に射影されたベクトルであるから、ベクトルｅｆ６を用いて足部ＦＴの前額面６内の傾斜角度を算出することができる。また、ベクトルｅｆ７は矢状面７に射影されたベクトルであるから、ベクトルｅｆ７を用いて足部ＦＴの矢状面７内の傾斜角度を算出することができる。
【００６７】
図６は、矢状面内傾斜角度と足部ＦＴの姿勢について説明する図である。ベクトルｅｆ７により、第２傾斜角としての矢状面内傾斜角度が求められる。足部ＦＴが床面に接地した基準姿勢における矢状面内傾斜角度を基準値とし、この基準値に対する矢状面内傾斜角度のずれを求めることで、足部ＦＴの姿勢が図６に示す背屈又は底屈の何れであるかを推定することができる。
【００６８】
図７は、前額面内傾斜角度と足部ＦＴの姿勢について説明する図である。ベクトルｅｆ６により第１傾斜角としての前額面内傾斜角度が求められる。足部ＦＴが床面に接地した基準姿勢における前額面内傾斜角度を基準値とし、この基準値に対する前額面傾斜角度のずれを求めることで、足部ＦＴの姿勢が図７に示す外反又は内反の何れであるかを推定することができる。
【００６９】
次に、足部ＦＴの矢状面７内及び前額面６内の運動について説明する。通常の歩行動作は、両足を交互に前に進めることにより行い、足部ＦＴの動きは主として矢状面７内の動きとなる。歩行時に足部ＦＴは前額面６内でも運動するが、その動きは矢状面７内での動きに比較するとあまり大きくない。そのため、足部ＦＴに設定したベクトルｅｆの矢状面７内の傾斜角（第２傾斜角）は、前額面６内の運動にあまり影響をうけることなく比較的正確に測定できるが、ベクトルｅｆの前額面７内での傾斜角（第１傾斜角）は、矢状面７内の運動に応じて大きく変化する。
【００７０】
図８および図９は、足部ＦＴの矢状面７内での運動が前額面６内の傾斜角度に与える影響について説明する図である。図８は、矢状面７内で運動していない状態の足部ＦＴを、前額面６内において傾斜させた状態を示す。この前額面６内での傾斜を保ったまま足部ＦＴを矢状面７内で運動させると、図９に示す状態となる。足部ＦＴに設定されたベクトルｅｆを前額面６に射影したベクトルｅｆ６は、図８と図９を比較して分かるように、前額面６内での傾斜角度（第１傾斜角）が異なっている。従って、矢状面７内で運動する足部ＦＴのベクトルｅｆをそのまま前額面６に射影したベクトルｅｆ６は、前額面６内での足部ＦＴの傾斜角を正しく反映していない。
【００７１】
このような矢状面７内の運動による前額面６内の傾斜角の誤差を補正するために、図４を用いて説明したベクトル補正部２５では、ベクトルｅｆをＸ軸の周りで第２傾斜角に応じた角度だけ回転する補正を行い、補正後のベクトルｅｆ’を前額面６に射影し、この射影したベクトルｅｆ６’の前額面６内での傾斜角度を第１傾斜角として算出する。
【００７２】
次に、第２傾斜角について補正を行った場合の実験結果について図１０と図１１を参照して説明する。
図１０は、本実施形態にかかる歩行測定装置を剛体実験により検証する際のモデルを説明する図である。この剛体実験では、剛体９０に対して慣性センサ１を前額面内傾斜角度−３０度で固定する。そして、剛体９０および慣性センサ１を矢状面７内で運動可能に配置する。その上で、図示した０度の状態から始めて目標角度±５０度で剛体９０及び慣性センサ１を振るという実験を行う。実験結果は図１１の通りとなった。
【００７３】
図１１は、剛体実験の結果に基づく歩行動作に伴う第１傾斜角と第２傾斜角の推移を示すグラフである。グラフ１０１は、第２傾斜角の測定値を示す。グラフ１０２は、第２傾斜角によるベクトルｅｆの補正を行わずに算出した第１傾斜角の測定値を示す。グラフ１０３は、第２傾斜角によるベクトルｅｆの補正を行った上で算出した第１傾斜角の測定値を示す。まず歩行動作に入る前の段階１００から測定が始まる。歩行動作に入っていないことから、矢状面内運動が始まっておらず、グラフ１０１に示す矢状面内の第２傾斜角度はほぼ０度の状態で推移する。剛体９０に対して慣性センサ１の前額面内の第１傾斜角度が−３０度で固定され、運動が始まっていないことから、グラフ１０１及び１０２はほぼ−３０度の状態で推移している。
【００７４】
次に歩行動作に移行する。このとき、上述のように剛体９０および慣性センサ１を矢状面７内で０度の状態から始めて目標角度±５０度で振っているので、矢状面内の第２傾斜角度はグラフ１０１に示すように推移する。一方で前額面内の第１傾斜角度については、グラフ１０２及び１０３に示したように推移する。
【００７５】
第２傾斜角によるベクトルｅｆの補正を行わずに算出した第１傾斜角の測定値は、グラフ１０２に示すように、矢状面運動の影響を受けて大きく変化する。すなわち、第１傾斜角の測定値は、第２傾斜角が大きくなるほど実際の値（−３０度）から大きく離れた値となっている。
【００７６】
一方、第２傾斜角によるベクトルｅｆの補正を行った上で算出した第１傾斜角の測定値は、グラフ１０３に示すように、矢状面運動の影響を殆ど受けておらず、実際の値（−３０度）とほぼ等しくなっている。ベクトルｅｆの補正を行うことにより、第１傾斜角の測定値は、第２傾斜角が変化してもほぼ一定の値となっている。このように、剛体実験の結果、矢状面７内の第２傾斜角度に応じて補正したベクトルｅｆ’に基づいて前額面内の第１傾斜角度を算出することにより、矢状面内運動の影響を受けにくい正確な測定値を取得できることが示された。
【００７７】
図１２は、本実施形態にかかる歩行測定装置による歩行動作の測定処理について説明するフローチャートである。
【００７８】
まず、慣性センサ１は、それぞれ検出データを取得する。すなわち、加速度センサ１１は加速度データを、角速度センサ１２は角速度データをそれぞれ取得する。得られた検出データは送信部１３、受信部２１を介して処理部２に送られ、処理部２は、慣性センサ１の検出データを取得する（ステップＳＴ１１）。
【００７９】
次に、ベクトル算出部２２は、検出データに基づいて足部ＦＴのベクトルｅｆを算出する（ステップＳＴ１２）。ベクトルｅｆの算出については、図５を参照して説明したとおりである。
【００８０】
第２傾斜角算出部２４は、ベクトルｅｆを矢状面７に射影してベクトルｅｆ７を求め、矢状面７内におけるベクトルｅｆ７の傾斜角を第２傾斜角として算出する（ステップＳＴ１３）。
【００８１】
ベクトル補正部２５は、第２傾斜角を用いてベクトルｅｆを補正する（ステップＳＴ１４）。すなわち、ベクトル補正部２５は、第２傾斜角の変化に応じた第１傾斜角の変化が最小となるように、矢状面７に垂直なＸ軸の周りにおいて第２傾斜角に応じた角度だけベクトルｅｆを回転する補正を行う。
【００８２】
そして第１傾斜角算出部２３は、補正後のベクトルｅｆ’を前額面６に射影してベクトルｅｆ６’を求め、前額面６内におけるベクトルｅｆ６’の傾斜角を第２傾斜角として算出する（ステップＳＴ１５）。
【００８３】
以上のように、本実施の形態によれば、足部ＦＴに設けた慣性センサ１の検出データに基づいて、足部ＦＴの姿勢を表わすベクトルｅｆが算出され、そのベクトルｅｆを前額面６に射影したベクトルに基づいて、前額面６内における足部ＦＴの第１傾斜角が算出される。また、ベクトルｅｆを矢状面７に射影したベクトルに基づいて、矢状面７内における第２傾斜角が算出される。従って、歩行運動時における足部ＦＴの姿勢を詳しく評価することができる。更に、得られた第２傾斜角に基づいてベクトルｅｆの向きが補正され、補正されたベクトルｅｆに基づいて第１傾斜角が算出されるので、図１１に示したように、矢状面内運動の影響を殆ど受けることなく精度の高い第１傾斜角を得ることができる。
【００８４】
（変形例１）
上述の実施の形態では、図５を参照して説明したように、慣性センサ１として加速度センサ１１および角速度センサ１２の両方を用いてベクトルｅｆを求めた。しかしながら、加速度センサ１１および角速度センサ１２はいずれか一方でもよい。変形例１では、加速度センサ１１のみを用いたベクトルｅｆについての演算処理を説明する。
【００８５】
図１３は、加速度センサ１１を用いた足部ＦＴのベクトルｅｆについての演算処理を説明するフローチャートである。変形例１においては、ステップＳＴ２−１から処理が開始する。このステップＳＴ２−１、ＳＴ２−２の処理は、図５を参照して説明した場合と同じであり、加速度センサ１１で測定された３軸の加速度成分（ａｘ，ａｙ，ａｚ）から求められる時刻ｋにおけるクォータニオンｚｋを算出する。ステップＳＴ２−２の次のステップＳＴ３については、角速度センサ１２の検出データを用いず加速度センサ１１の検出データのみでベクトルｅｆを求めることから、カルマンフィルタの処理は行わず、ステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４の処理は図５を参照して説明した場合と同様であり、クォータニオンｑを回転行列Ｒに変換する。足部ＦＴの運動による加速度が重力加速度に対して比較的小さい場合は、この変形例１で示すように、加速度センサ１１の検出データのみで簡易的にベクトルｅｆを算出することができる。
【００８６】
（変形例２）
次に変形例２では角速度センサ１２のみを用いたベクトルｅｆについての演算処理を説明する。図１４は、角速度センサ１２を用いた足部ＦＴのベクトルｅｆについての演算処理を説明するフローチャートである。変形例２においては、ステップＳＴ１−１から処理が開始する。ステップＳＴ１−１、ＳＴ１−２の処理は、図５を参照して説明した場合と同じであり、ステップＳＴ１−２では、角速度センサ１２で検知された３軸方向の角速度成分の全てに基づいてクォータニオンを算出する。そして変形例１の場合と同様にカルマンフィルタの処理は行わず、ステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４の処理は、図５を参照して説明した場合と同様であり、クォータニオンｑを回転行列Ｒに変換する。運動時間が比較的短い場合は、この変形例２で示すように、角速度センサ１２の検出データのみで簡易的にベクトルｅｆを算出することができる。
【００８７】
（変形例３）
図１５は、歩行測定装置が人体の大腿部と下腿部および足部に装着された場合の変形例を示す図である。上述の実施の形態では足部にのみ慣性センサを用いてベクトルｅｆを求め、第１、第２傾斜角を求めたが、慣性センサを足部のみでなく、下腿部、大腿部にそれぞれ取り付けてもよく、それにより得られたベクトルをそれぞれ求め、各部の回転運動の影響を除去した成分を求めることができる。
【００８８】
この変形例では、人体ＢＤの腰部（体幹部）、大腿部、下腿部についてもそれぞれの動作を測定できるようにしている。腰部に慣性センサＳｂが固定され、大腿部に慣性センサＳｔが固定され、下腿部に慣性センサＳｓが固定され、足部ＦＴに慣性センサＳｆが固定されている。慣性センサＳｂ，Ｓｓ，Ｓｆのそれぞれは、大腿部に固定された慣性センサＳｔと同様に、角速度センサ１２と加速度センサ１１を有している。
【００８９】
慣性センサＳｂにより、人体ＢＤの背骨に沿うベクトルｅｂが設定される。大腿部にベクトルｅｔが設定され、下腿部にベクトルｅｓが設定され、足部ＦＴにベクトルｅｆが設定される。ベクトルｅｓは下骨と平行に設定され、ベクトルｅｓの先部はくるぶしに向けられる。ベクトルｅｆは足部ＦＴの裏体部と垂直に設定され、ベクトルｅｆの先部は床面側に向けられる。
【００９０】
足部ＦＴの動作は下腿部の動作とつながったものであり、さらに大腿部の動作とのつながりによって各ベクトルは与えられる。そして各部のベクトルについて上述のようにクォータニオンを求め、回転行列を求める。下腿部の回転には大腿部の回転の影響が含まれているので、逆クォータニオン、逆回転行列を求めて下腿部のベクトルに適用することにより、大腿部の回転の影響を除いた下腿部のベクトルを求めることができる。同様に、足部ＦＴの回転には下腿部の回転の影響が含まれているので、逆クォータニオン、逆回転行列を求めて足部ＦＴのベクトルに適用することにより、下腿部の回転の影響を除いた足部ＦＴのベクトルｅｆを求めることができる。
【００９１】
ここで、下腿部に固定された慣性センサＳｓの検知出力に着目すると、慣性センサＳｓから得られる角速度成分と加速度成分は、下腿部のみの動作によるものではなく、大腿部の動作と下腿部の動作とが合成されたものである。よって、慣性センサＳｓから得られる角速度成分と加速度成分のみを用い、図５に示したのと同じフローでクォータニオンから回転行列を求め、これによりベクトルの回転を求めたとしても、求められたものは、ベクトルｅｓのみの回転動作を表すのではなく、ベクトルｅｓの回転動作とベクトルｅｔの回転動作とが合成されたものとなる。
【００９２】
そこで、慣性センサＳｓから得られる角速度成分と加速度成分を用いてクォータニオンから回転行列を求め、回転行列を適用してベクトルの回転を求めたときに、その計算結果から、慣性センサ１の検知出力に基づいて測定されたベクトルｅｔの動作の成分を除去することで、下腿部に設定されたベクトルｅｓのみの回転動作を算出できる。
【００９３】
その算出の一例としては、数７に示すように、下腿部の姿勢を示すクォータニオンｑｓを回転行列Ｒｓに変換し、これを下腿部の基準ベクトルｅｓ０に適用することで、下腿部のベクトルｅｓを算出する。ここで、大腿部の動作による影響を排除するために、大腿部の姿勢を示すクォータニオンｑｔの逆クォータニオンｑｔ−１を算出し、これを回転行列Ｒｔ−１に変換する。回転行列Ｒｔ−１を下腿部のベクトルｅｓに適用する（積算する）ことで、下腿部の動作のみを示すベクトルｅｓ´を求めることが可能になる。
【００９４】
【数７】
2016202381.tif 000009
【００９５】
さらに、足部ＦＴに設定されたベクトルｅｆを算出するときには、足部のクォータニオンを回転行列に変換することより、基準ベクトルｅ０に対するベクトルｅｆを算出する。次に、下腿部の姿勢を示すクォータニオンｑｓの逆クォータニオンｑｓ−１を算出し、これを回転行列Ｒｓ−１に変換する。回転行列Ｒｓ−１を足部ＦＴのベクトルｅｆに適用する（積算する）ことで、足部ＦＴの動作のみを示すベクトルｅｆ´を求めることができる。
【００９６】
本発明は上述した実施形態には限定されない。すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
前記実施の形態では、歩行測定装置によって人体の歩行動作を測定することを基本として発明が説明されているが、本発明は、いわゆるロボットの歩行動作部や義足の歩行動作部の動作測定、さらには各種機械の三次元動作の角度測定に使用することが可能である。
【符号の説明】
【００９８】
ＢＤ…  歩行者
ＦＴ…  足部
ｅｆ…  ベクトル
ｅ０…  基準ベクトル
１…  慣性センサ
２…  処理部
６…  前額面
７…  矢状面
８…  水平面
１１…  加速度センサ
１２…  角速度センサ
１３…  送信部
２１…  受信部
２２…  ベクトル算出部
２３…  第１傾斜角算出部
２４…  第２傾斜角算出部
２５…  ベクトル補正部
２６…  表示部
【図１】
2016202381.tif 000010
【図２】
2016202381.tif 000011
【図３】
2016202381.tif 000012
【図４】
2016202381.tif 000013
【図５】
2016202381.tif 000014
【図６】
2016202381.tif 000015
【図７】
2016202381.tif 000016
【図８】
2016202381.tif 000017
【図９】
2016202381.tif 000018
【図１０】
2016202381.tif 000019
【図１１】
2016202381.tif 000020
【図１２】
2016202381.tif 000021
【図１３】
2016202381.tif 000022
【図１４】
2016202381.tif 000023
【図１５】
2016202381.tif 000024