(57)【要約】【課題】使用者の足の筋力を考慮して歩容を容易に改善させることができる歩容改善支援システムを提供する。【解決手段】歩行動作を行う使用者の大腿部の加速度および方向を計測する姿勢角度検出部１０Ｌ，１０Ｒ、足首の加速度および方向を計測する姿勢角度検出部２０Ｌ，３０Ｒと、足裏に加わる地面からの反力を計測する圧力センサ４０Ｌ，４０Ｒと、計測した加速度、方向、力に基づいて足の筋力バランスを推測する筋力推測部６０２と、推測した足の筋力バランスに基づいて使用者の歩容を改善するための画像情報を生成する改善情報生成部６０３と、改善情報生成部６０３が生成し画像情報を出力するヘッドマウントディスプレイ７０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】
歩行動作を行う使用者の足の所定部位の加速度および方向と足裏に加わる地面からの反力とを計測する計測手段と、
当該計測した加速度および方向と力とに基づいて足の筋力バランスを推測する筋力推測手段と、
推測した足の筋力バランスに基づいて使用者の歩容を改善するための情報を生成する改善情報生成手段と、
改善情報生成手段が生成した情報を提示する改善情報提示手段と
を備えることを特徴とする歩容改善支援システム。
【請求項２】
前記計測手段は、使用者の足の所定部位に装着された２軸以上の加速度センサおよび１軸以上のジャイロセンサによって、使用者の足の所定部位の加速度および方向を計測することを特徴とする請求項１記載の歩容改善支援システム。
【請求項３】
前記計測手段は、使用者の足の所定部位に装着された２軸以上の加速度センサおよび３軸の地磁気センサによって、使用者の足の所定部位の加速度および方向を計測することを特徴とする請求項１記載の歩容改善支援システム。
【請求項４】
前記計測手段は、使用者が履いた靴のソールに設けられた圧力センサまたは使用者の足首に装着された加速度センサによって、使用者の足裏に加わる地面からの反力を計測することを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の歩容改善支援システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用者の歩容を改善する歩容改善支援システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、使用者の腰部またはその周辺に加速度計を装着して、歩行動作の角速度ベクトルと共に加速度ベクトルを検出し、これらのデータに基づいて歩容を検出する歩行動作検出処理装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１１４５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の技術では、使用者の歩容を検出することはできるが、歩容を改善させる構成はなく、使用者は自分で改善方法を考える必要があり、歩容の改善が容易ではなかった。さらに、検出した歩容は使用者の足の筋力を考慮したものではなかった。
【０００４】
また、筋肉の活動状態を知る技術としては、筋電を測定することが考えられるが、筋収縮時に発生する電位差を計測するために、運動補助装置の使用者にセンサとなる電極を直接取り付ける必要があり、手軽に使用することができないという問題がある。特に、筋電を正確に測定するには電極を貼り付ける位置などに専門知識が必要であった。したがって、このような筋電図を用いた筋力の計測方法は上記問題により、一般的な歩行改善システムに採用することはできなかった。
【０００５】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用者の足の筋力を考慮して歩容を容易に改善させることができる歩容改善支援システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、歩行動作を行う使用者の足の所定部位の加速度および方向と足裏に加わる地面からの反力とを計測する計測手段と、当該計測した加速度および方向と力とに基づいて足の筋力バランスを推測する筋力推測手段と、推測した足の筋力バランスに基づいて使用者の歩容を改善するための情報を生成する改善情報生成手段と、改善情報生成手段が生成した情報を提示する改善情報提示手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、使用者の足の筋力バランスに基づいて歩容を容易に改善させることができる。
【０００８】
なお、本発明における「歩行」とは、散歩やウォーキング等に加えて、ジョギングやランニング等の走行も含むものとする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１において、前記計測手段は、使用者の足の所定部位に装着された２軸以上の加速度センサおよび１軸以上のジャイロセンサによって、使用者の足の所定部位の加速度および方向を計測することを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、使用者の足の所定部位の加速度を精度よく計測することができる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１において、前記計測手段は、使用者の足の所定部位に装着された２軸以上の加速度センサおよび３軸の地磁気センサによって、使用者の足の所定部位の加速度および方向を計測することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、使用者の足の所定部位の加速度を精度よく計測することができる。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかにおいて、前記計測手段は、使用者が履いた靴のソールに設けられた圧力センサまたは使用者の足首に装着された加速度センサによって、使用者の足裏に加わる地面からの反力を計測することを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、使用者の足裏に加わる地面からの反力を精度よく計測することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明では、使用者の足の筋力を考慮して歩容を容易に改善させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
（実施形態）
本実施形態の歩容改善支援システムは、図２に示すように、使用者Ｈの左大腿部および右大腿部に各々装着された姿勢角度検出部１０Ｌ，１０Ｒ、無線送信部３０Ｌ，３０Ｒと、左足首および右足首に各々装着された姿勢角度検出部２０Ｌ，２０Ｒと、使用者Ｈが履いている左靴ＳＬ，右靴ＳＲの各インナーソールＳ１Ｌ，Ｓ１Ｒに設けられた圧力センサ４０Ｌ，４０Ｒ、無線送信部５０Ｌ，５０Ｒと、腰に取り付けられたコントローラ６０と、使用者Ｈの頭部に装着されたヘッドマウントディスプレイ７０とで構成され、使用者Ｈの歩容を解析して改善するものである。
【００１８】
図１は本システムのブロック構成を示し、姿勢角度検出部１０Ｌは２軸の加速度センサ１１Ｌと１軸のジャイロセンサ１２Ｌとで構成され、姿勢角度検出部１０Ｒは２軸の加速度センサ１１Ｒと１軸のジャイロセンサ１２Ｒとで構成され、姿勢角度検出部２０Ｌは２軸の加速度センサ２１Ｌと１軸のジャイロセンサ２２Ｌとで構成され、姿勢角度検出部２０Ｒは２軸の加速度センサ２１Ｒと１軸のジャイロセンサ２２Ｒとで構成される。そして、加速度センサ１１Ｌ，１１Ｒおよびジャイロセンサ１２Ｌ，１２Ｒは、歩行時の使用者Ｈの左右の大腿部の動きによる加速度データおよび角速度データを各々検出し、加速度センサ２１Ｌ，２１Ｒおよびジャイロセンサ２２Ｌ，２２Ｒは、歩行時の使用者Ｈの左右の足首の動きによる加速度データおよび角速度データを各々検出する。なお、上記加速度データおよび角速度データは、上下方向に立っている使用者Ｈが前方向に歩行している場合に、前後方向および上下方向の２軸の加速度データであり、左右方向を軸とした１軸の角速度データ（大腿、足首の前後・上下の各方向を示すデータ）である。
【００１９】
無線送信部３０Ｌは電池等の動作電源を備えており、配線を介して受け取った加速度センサ１１Ｌ，２１Ｌおよびジャイロセンサ１２Ｌ，２２Ｌからの加速度データおよび角速度データを、無線信号に変換してコントローラ６０へ送信する。無線送信部３０Ｒは電池等の動作電源を備えており、配線を介して受け取った加速度センサ１１Ｒ，２１Ｒおよびジャイロセンサ１２Ｒ，２２Ｒからの加速度データおよび角速度データを、無線信号に変換してコントローラ６０へ送信する。
【００２０】
圧力センサ４０Ｌ，４０Ｒは、使用者Ｈの足裏のかかとに対向して配置され、かかとの接地圧力を測定しており、左右の足毎に足裏の接地圧力を測定している。この圧力センサ４０Ｌ，４０Ｒは、圧電式、または圧力による抵抗変化を利用する方式のものである。
【００２１】
無線送信部５０Ｌ，５０Ｒは電池等の動作電源を備えており、無線送信部５０Ｌは、圧力センサ４０Ｌからの圧力データをコントローラ６０へ無線信号で送信し、無線送信部５０Ｒは、圧力センサ４０Ｒからの圧力データをコントローラ６０へ無線信号で送信する。
【００２２】
コントローラ６０は、マイクロコンピュータや、動作電源としての電池等を具備しており、姿勢角度検出部１０Ｌ，１０Ｒから無線信号で送信された大腿部の加速度データおよび角速度データと、姿勢角度検出部２０Ｌ，２０Ｒから無線信号で送信された足首の加速度データおよび角速度データと、圧力センサ４０Ｌ，４０Ｒから無線信号で送信された足裏の圧力データとを受信する無線受信部６０１と、無線受信部６０１が受信した各データに基づいて足の筋力バランスを推測する筋力推測部６０２と、推測した足の筋力バランスに基づいて使用者Ｈの歩容を改善するための画像情報を生成する改善情報生成部６０３と、改善情報生成部６０３が生成した画像情報をヘッドマウントディスプレイ７０へ配線を介して送信する改善情報送信部６０４と、各機能の動作開始および終了や各種設定を行う操作部６０５とで構成される。
【００２３】
ヘッドマウントディスプレイ７０は、使用者Ｈの目を覆うゴーグル型に形成された表示部７０１を備え、歩容を改善するための画像情報を表示部７０１に表示して使用者Ｈに提示する。
【００２４】
次に、本歩容改善支援システムによる、使用者Ｈの歩容改善について説明する。
【００２５】
まず、コントローラ６０の筋力推測部６０２は、操作部６０５の操作によって、姿勢角度検出部１０Ｌ，１０Ｒから送信された大腿部の加速度データおよび角速度データの各波形、姿勢角度検出部２０Ｌ，２０Ｒから送信された足首の加速度データおよび角速度データの各波形を解析して、大腿部の姿勢変化、足首の姿勢変化を導出し、下肢の姿勢角度を経時的に同定する。さらに、圧力センサ４０Ｌ，４０Ｒから送信された足裏の圧力データの波形を解析して、地面からの反力Ｆａを経時的に同定する。
【００２６】
次に筋力推測部６０２は、使用者Ｈの下肢を図３のようなリンクでモデル化し、下肢の力学系モデルを設定し、下肢の各関節（足関節Ｐ１、膝関節Ｐ２、股関節Ｐ３）の回りのモーメントである関節モーメントＭｉ（図５参照）を、以下のように推定する。なお、ｉ＝１，２，３であって、１は足関節Ｐ１、２は膝関節Ｐ２、３は股関節Ｐ３に各々対応する。
【００２７】
まず、各リンクにおける質量ｍｉ、質量中心比ｒｉ、慣性モーメントｌｉは、それぞれ以下のように表される。なお、ｉ＝１，２，３であって、１は足の地面との接触点Ｐ０と足関節Ｐ１との間、２は足関節Ｐ１と膝関節Ｐ２との間、３は膝関節Ｐ２と股関節Ｐ３との間の各リンクに対応し、ｂｗは使用者Ｈの体重であり、これらの関係は、「岡田ら；「日本人高齢者の身体部分慣性特性」，バイオメカニズム１３」に記載されている。
ｍ１＝０．０１７ｂｗ
ｍ２＝０．０４７ｂｗ
ｍ３＝０．０９２ｂｗ
ｒ１＝５８．１％
ｒ２＝４２．３％
ｒ３＝４８．１％
ｌ１＝３２．６（ｋｇ・ｃｍ２）
ｌ２＝２３７．４（ｋｇ・ｃｍ２）
ｌ３＝４９５．１（ｋｇ・ｃｍ２）］。
【００２８】
一方、リンクモデルにおいて図４（ａ）（ｂ）（ｃ）のように力の釣り合いを考えると、各関節（足関節Ｐ１、膝関節Ｐ２、股関節Ｐ３）における、全体座標系での力のｘ方向成分Ｆｉｘとｙ方向成分Ｆｉｙと関節モーメントＭｉとには［数１］の関係が成立する。なお、ｉ＝１，２，３であって、１は足関節Ｐ１、２は膝関節Ｐ２、３は股関節Ｐ３に各々対応し、ｇは重力加速度を示す。
【００２９】
【数１】
2009125506.tif 000003
【００３０】
そして、上述のようにして求めた関節モーメントＭｉに基づいて筋・骨格モデルを設定し、下肢の各筋が発生している力の大きさを計算する。ここで筋の種類は、図５に示すように、大殿筋Ｋ１、大腿二頭筋長頭Ｋ２、腓腹筋Ｋ３、ヒラメ筋Ｋ４、腸腰筋Ｋ５、大腿直筋Ｋ６、内側広筋Ｋ７、前脛骨筋Ｋ８、大腿二頭筋短頭Ｋ９の９つの筋群を対象とする。いま、筋Ｋｊの生理断面積をＳｊ、関節Ｐｉの回りの腕の長さ（モーメントアーム）をａｉｊとして表１に示す値を用いる。
【００３１】
【表１】
2009125506.tif 000004
【００３２】
ただし、モーメントアームは筋の収縮によって関節モーメントＭｉが図５に示す方向に働くものを正、反対の方向に働くものを負としている。筋の収縮力をＭＦｊとすると、各関節Ｐｉについて［数２］に示すモーメントの釣り合いの式が成り立つ。
【００３３】
【数２】
2009125506.tif 000005
【００３４】
また、筋の収縮速度ｖｊは、モーメントアームａｉｊと関節の角速度ｗｉとを用いて［数３］で表される。
【００３５】
【数３】
2009125506.tif 000006
【００３６】
ところで、筋が発揮できる力は生理断面積Ｓｊと収縮速度ｖｊと長さｂとによって変化することが知られており、本実施形態では、［数４］によって各時刻における最大筋力ＭＦｍａｘｊを定義している。ただし、ＭＦａ＝Ｓｊ・αで表される等尺性最大収縮力であり、本実施形態ではα＝６０００００Ｎ／ｍｍ２とする。
【００３７】
【数４】
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【００３８】
以上説明したデータを用いることにより、関節モーメントを発揮させるための各筋の力を計算することができる。ここでは、未知数が筋の数すなわち９個であるのに対して、満たすべき釣合い式は関節の数すなわち３個であるため、解を得ることができない。そこで、最適化の手法を用いて各筋の発揮筋力／最大筋力の総和が最小となるような解を求める。すなわち、
設計変数Ｘｊ＝ＭＦｊ／ＭＦｍａｘｊ
目的関数ｆ＝ΣＸｊ２を最小値にする制約条件：
等式制約：Ｍｉ＝Σａｉｊ・ＭＦｊ・Ｘｊ
不等式制約：０≦Ｘｊ≦１
上述した制約条件の下で解ＭＦｊを求めることによって、各時刻において発揮されている筋力を推定することができ、筋の活動量および活動のタイミングを知ることができる。
【００３９】
このように、下肢の９種類の筋肉の発生筋力ＭＦ１〜ＭＦ９を左右の足毎に同定し、足の筋力バランスを推測する。
【００４０】
改善情報生成部６０３は、様々な筋力バランス（誤った筋力バランス）に対して改善点を教示する画像情報を、使用者Ｈの身長、体重、性別、年齢等の属性毎に分類して予め格納しており、この画像情報は、使用者Ｈの属性に適した教示内容（左右の重心のずれを改善するための筋肉の使い方や、足の関節等に負担を掛けない筋肉の使い方や、筋肉を痛めないための筋肉の使い方等）を画像で説明するものである。そして、筋力推測部６０２が推測した足の筋力バランスと使用者Ｈの属性とに基づいて、歩容を改善するための筋肉の正しい使い方を教示する画像情報を選択し、当該画像情報を改善情報送信部６０４へ送信する。
【００４１】
改善情報送信部６０４は、改善情報生成部６０３が生成した画像情報をヘッドマウントディスプレイ７０へ送信し、ヘッドマウントディスプレイ７０の表示部７０１に画像を表示させる。使用者Ｈは、自己の属性に適した筋肉の正しい使い方を教示する画像を参照して歩行動作を行えばよく、使用者の足の筋力を考慮して歩容（例えば、左右の足の荷重移動の癖や、右一歩時間と左一歩時間との時間差、右歩幅と左歩幅との差、歩隔など）が容易に改善される。
【００４２】
さらに改善情報送信部６０４は、操作部６０５の操作によって、姿勢角度検出部１０Ｌ，１０Ｒから送信された大腿部の加速度データおよび角速度データや、姿勢角度検出部２０Ｌ，２０Ｒから送信された足首の加速度データおよび角速度データや、圧力センサ４０Ｌ，４０Ｒから送信された足裏の圧力データをグラフ等に変換した画像情報をヘッドマウントディスプレイ７０へ送信し、使用者Ｈは、各データを見ることで歩容の改善度合を知ることができる。
【００４３】
また、圧力センサ，無線送信部を設けたインナーソールＳ１を靴に装着する構成であり、複数の靴、複数の使用者に対して本システムを構成できるので、システムとしての汎用性が高くなる。
【００４４】
また、姿勢角度検出部１０Ｌ，１０Ｒ，２０Ｌ，２０Ｒにおいて、加速度センサは２軸以上、ジャイロセンサは１軸以上であれば、筋力推測部６０２において下肢の姿勢角度を導出可能であり、さらにジャイロセンサの代わりに３軸の地磁気センサを用いてもよい。
【００４５】
また、圧力センサ４０Ｌ，４０Ｒが測定した足裏の接地圧力の代わりに、足首に設けた加速度センサ２１Ｌ，２１Ｒが測定した足首の動きによる加速度を用いて足裏に加わった地面からの反力Ｆａを求めることも可能である。この場合、圧力センサ４０Ｌ，４０Ｒ、無線送信部５０Ｌ，５０Ｒが不要となり、システムの構成を簡略化できる。
【００４６】
なお、上述の実施形態における「歩行」とは、散歩やウォーキング等に加えて、ジョギングやランニング等の走行も含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施形態の歩容改善支援システムのブロック構成を示す図である。
【図２】同上の使用者への装着状態を示す図である。
【図３】同上の下肢のリンクモデルを示す図である。
【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）同上の関節モーメントを求めるために用いる力学系モデルを示す説明図である。
【図５】同上の筋骨格系モデルを示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０Ｌ，１０Ｒ  姿勢角度検出部
２０Ｌ，２０Ｒ  姿勢角度検出部
３０Ｌ，３０Ｒ  無線送信部
４０Ｌ，４０Ｒ  圧力センサ
５０Ｌ，５０Ｒ  無線送信部
６０  コントローラ
６０１  無線受信部
６０２  筋力推測部
６０３  改善情報生成部
６０４  改善情報送信部
６０５  操作部
７０  ヘッドマウントディスプレイ
【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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