(57)【要約】  精度よく歩容を計測するために、慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出するとともに、加速度データを時間積分して速度データを計算し、歩行フェーズと速度データとを用いてそれぞれの歩行フェーズに対応する補正量を計算し、それぞれの歩行フェーズに対応する速度データから補正量を減じて補正速度データを計算し、算出した補正速度データを時間積分して軌跡データを算出する軌跡計算装置と、軌跡計算装置によって算出された軌跡データを用いて歩容指標を計算する指標計算装置とを備える歩容計測システムとする。
2020105115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出するとともに、前記加速度データを時間積分して速度データを計算し、前記歩行フェーズと前記速度データとを用いてそれぞれの前記歩行フェーズに対応する補正量を計算し、それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記速度データから前記補正量を減じて補正速度データを計算し、算出した前記補正速度データを時間積分して軌跡データを算出する軌跡計算装置と、
前記軌跡計算装置によって算出された前記軌跡データを用いて歩容指標を計算する指標計算装置とを備える歩容計測システム。
【請求項２】
前記慣性計測ユニットから前記加速度データを取得し、取得した前記加速度データを用いて少なくとも一つの前記歩行フェーズを検出する歩行フェーズ検出手段と、
前記慣性計測ユニットから前記加速度データを取得し、取得した前記加速度データを時間積分して前記速度データを計算する第１積分手段と、
前記歩行フェーズと前記速度データとを用いて、それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記補正量を計算する補正量計算手段と、
前記各歩行フェーズに対応する補正量を前記速度データから減じて前記補正速度データを計算する減算手段と、
前記補正速度データを時間積分して前記軌跡データを計算する第２積分手段とを有する請求項１に記載の歩容計測システム。
【請求項３】
前記歩行フェーズ検出手段は、
前記歩行フェーズとして立脚期と遊脚期とを検出し、
前記補正量計算手段は、
前記立脚期における速度バイアスをゼロにするための第１補正量と、前記遊脚期におけるドリフトを抑制するための第２補正量とを計算し、算出した前記第１補正量と前記第２補正量とを前記速度データから減じて前記補正速度データを計算する請求項２に記載の歩容計測システム。
【請求項４】
前記歩行フェーズ検出手段は、
踵接地から爪先離地までの期間を前記立脚期として検出し、
爪先離地から踵接地までの期間を前記遊脚期として検出する請求項３に記載の歩容計測システム。
【請求項５】
前記慣性計測ユニットから前記加速度データおよび角速度データを取得し、取得した前記角速度データを用いて、前記加速度データを世界座標系の補正加速度データに座標変換する座標変換手段と、
前記座標変換手段から前記補正加速度データを取得し、取得した前記補正加速度データを用いて少なくとも一つの前記歩行フェーズを検出する歩行フェーズ検出手段と、
前記座標変換手段から前記補正加速度データを取得し、取得した前記補正加速度データを時間積分して前記速度データを計算する第１積分手段と、
前記歩行フェーズと前記速度データとを用いて、それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記補正量を計算する補正量計算手段と、
前記各歩行フェーズに対応する補正量を前記速度データから減じて前記補正速度データを計算する減算手段と、
前記補正速度データを時間積分して前記軌跡データを計算する第２積分手段とを有する請求項１に記載の歩容計測システム。
【請求項６】
前記慣性計測ユニットから前記加速度データおよび角速度データを取得し、取得した前記角速度データを用いて、前記加速度データを世界座標系の補正加速度データに座標変換する座標変換手段と、
前記慣性計測ユニットから前記加速度データを取得し、取得した前記補正加速度データを用いて少なくとも一つの前記歩行フェーズを検出する歩行フェーズ検出手段と、
前記座標変換手段から前記補正加速度データを取得し、取得した前記補正加速度データを時間積分して前記速度データを計算する第１積分手段と、
前記歩行フェーズと前記速度データとを用いて、それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記補正量を計算する補正量計算手段と、
前記各歩行フェーズに対応する補正量を前記速度データから減じて前記補正速度データを計算する減算手段と、
前記補正速度データを時間積分して前記軌跡データを計算する第２積分手段とを有する請求項１に記載の歩容計測システム。
【請求項７】
前記座標変換手段は、
Ｍａｄｇｗｉｃｋの手法を用いて、前記加速度データを世界座標系の補正加速度データに座標変換する請求項５または６に記載の歩容計測システム。
【請求項８】
前記慣性計測ユニットを含み、前記慣性計測ユニットによって少なくとも前記加速度データを取得する取得装置と、
前記指標計算装置によって算出される前記歩容指標を表示する表示装置とを備える請求項１乃至７のいずれか一項に記載の歩容計測システム。
【請求項９】
慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出し、
前記加速度データを時間積分して速度データを計算し、
前記歩行フェーズと前記速度データとを用いてそれぞれの前記歩行フェーズに対応する補正量を計算し、
それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記速度データから前記補正量を減じて補正速度データを計算し、
算出した前記補正速度データを時間積分して軌跡データを算出し、
算出された前記軌跡データを用いて歩容指標を計算する歩容計測方法。
【請求項１０】
慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出する処理と、
前記加速度データを時間積分して速度データを計算する処理と、
前記歩行フェーズと前記速度データとを用いてそれぞれの前記歩行フェーズに対応する補正量を計算する処理と、
それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記速度データから前記補正量を減じて補正速度データを計算する処理と、
算出した前記補正速度データを時間積分して軌跡データを算出する処理と、
算出された前記軌跡データを用いて歩容指標を計算する処理とをコンピュータに実行させるプログラムを記録させたプログラム記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩容を計測する歩容計測システム、歩容計測方法、およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、身体に取り付けられた加速度センサを使って、歩行状態や走行状態を推定する運動解析装置について開示されている。特許文献１の装置は、人の体に取り付けられた加速度センサによって検出された加速度に基づいて、移動速度または移動距離を算出する。一般に、加速度センサの計測値には誤差があり、加速度がゼロの場合でも計測値はゼロにはならない。そのため、加速度の積分値である速度の計算結果と、速度の積分値である距離の計算結果とには、積分された誤差が含まれる。この誤差は、時間とともに増大する傾向があり、ドリフトと呼ばれる。特許文献１の装置は、ドリフトが一定に増加すると仮定し、計測終了時の速度がゼロになるような補正値を加速度から差し引いて得られた補正後の加速度を積分することによってドリフトによる精度低下を防ぐ。【０００３】
特許文献２には、一方の足首に取り付けられた加速度センサを使って、歩行距離を計測する歩行距離計について開示されている。特許文献２の歩行距離計は、足が接地している間の加速度のディジタル変換値が一定の値より小さい部分を加速度０と認識する加速度不感帯を設定する。特許文献２の歩行距離計は、加速度不感帯内の期間中は加速度のディジタル変換値とクロックの計測時間との積分値を０にリセットすることにより、加速度センサの速度データのオフセットによる誤差を消去する。このようにして、特許文献２の歩行距離計は、歩幅による誤差発生を解消する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１５０１９３号公報
【特許文献２】特開平１０−３３２４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の装置は、計測開始から終了まで一定に増加するドリフトを除去することはできる。しかしながら、実際に加速度センサの計測値に基づいて算出される移動速度や移動距離の波形は、立脚期と遊脚期とで異なる特性を示すため、ドリフトが一定に増加するわけではない。そのため、特許文献１の装置では、ドリフトの変化を正確に把握することができないため、精度低下を十分に防ぎきれないという問題点があった。【０００６】
特許文献２の歩行距離計は、閾値処理により足接地期間の加速度をゼロとみなすことによって、足接地期間における積分によるドリフトが生ずることを防ぐ。しかしながら、特許文献２の歩行距離計は、足が浮いている遊脚期に生ずるドリフトが考慮されていないため、精度低下を十分に防ぎきれないという問題点があった。【０００７】
本発明の目的は、上述した課題を解決し、精度よく歩容を計測できる歩容計測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】
【０００８】
本発明の一態様の歩容計測システムは、慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出するとともに、加速度データを時間積分して速度データを計算し、歩行フェーズと速度データとを用いてそれぞれの歩行フェーズに対応する補正量を計算し、それぞれの歩行フェーズに対応する速度データから補正量を減じて補正速度データを計算し、算出した補正速度データを時間積分して軌跡データを算出する軌跡計算装置と、軌跡計算装置によって算出された軌跡データを用いて歩容指標を計算する指標計算装置とを備える。【０００９】
本発明の一態様の歩容計測方法は、慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出し、加速度データを時間積分して速度データを計算し、歩行フェーズと速度データとを用いてそれぞれの歩行フェーズに対応する補正量を計算し、それぞれの歩行フェーズに対応する速度データから補正量を減じて補正速度データを計算し、算出した補正速度データを時間積分して軌跡データを算出し、算出された軌跡データを用いて歩容指標を計算する。【００１０】
本発明の一態様のプログラムは、慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出する処理と、加速度データを時間積分して速度データを計算する処理と、歩行フェーズと速度データとを用いてそれぞれの歩行フェーズに対応する補正量を計算する処理と、それぞれの歩行フェーズに対応する速度データから補正量を減じて補正速度データを計算する処理と、算出した補正速度データを時間積分して軌跡データを算出する処理と、算出された軌跡データを用いて歩容指標を計算する処理とをコンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、精度よく歩容を計測できる歩容計測システムを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムが備える軌跡計算装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】歩行フェーズについて説明するための概念図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムが用いる加速度データについて説明するためのグラフである。
【図５】下肢荷重の時間変化について説明するためのグラフである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムが算出する速度データの一例を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムが速度データに第１補正量を適用した際に得られるグラフの一例を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムが速度データに第１補正量と第２補正量とを適用した際に得られるグラフの一例を示すグラフである。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムの動作について説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る歩容計測システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る歩容計測システムが備える軌跡計算装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る歩容計測システムが用いる加速度データおよび角速度データについて説明するためのグラフである。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る歩容計測システムが算出する補正加速度データの一例を示すグラフである。
【図１４】本発明の第２の実施形態の変形例に係る歩容計測システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムの動作について説明するためのフローチャートである。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る歩容計測システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図１７】本発明の各実施形態に係る歩容計測システムに含まれるハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。
【００１４】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムについて図面を参照しながら説明する。本実施形態の歩容計測システムは、ユーザの歩容を計測するシステムである。歩容とは、人間や動物の歩行の様態のことをいう。例えば、歩容は、歩幅（左か右、一歩分）や、歩幅（二歩分）、リズム、速度、力学的基盤、進行方向、足の角度、腰の角度、しゃがむ能力などを含む。以下において、歩行者とは、主に歩行中のユーザのことを示すが、停止しているユーザのことを歩行者と呼ぶこともある。
【００１５】
（構成）
図１は、本実施形態の歩容計測システム１の構成の一例を表す図である。図１のように、歩容計測システム１は、取得装置１１、軌跡計算装置１２、指標計算装置１３、送信装置１４を備える。
【００１６】
各装置は、有線接続されてもよいし、無線接続されてもよく、その接続形態には限定を加えない。例えば、各装置は、ＬＡＮ（Local Area Network）ケーブルやＵＳＢ（Universal Serial Bus）ケーブル等を用いて有線接続される。また、例えば、各装置は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＷｉ−Ｆｉ（登録商標）等を用いて無線接続される。
【００１７】
取得装置１１は、ユーザの身体部分に装着される。取得装置１１は、軌跡計算装置１２に接続される。取得装置１１は、加速度を計測し、計測した加速度を軌跡計算装置１２に送信する。
【００１８】
例えば、取得装置１１は、加速度計を含む慣性計測ユニット（以下、ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）によって実現される。取得装置１１は、クリップ等を使用して靴に取り付けられたり、靴の中のインソールに内蔵されたりして、３方向の加速度を計測する。例えば、取得装置１１は、ユーザから見て、前後方向、上下方向、および左右方向の３方向の加速度を計測する。また、取得装置１１は、両足に取り付けられてもよいし、片足のみに取り付けられてもよい。なお、取得装置１１は、３方向の加速度に加えて、３軸の角速度を計測するように構成してもよい。例えば、取得装置１１は、ユーザから見て、前後方向、上下方向、および左右方向の３軸の角速度を計測する。
【００１９】
取得装置１１に含まれる加速度計の計測範囲には、取得装置１１の装着位置におけるユーザの歩行時の最大加速度が含まれることが好ましい。その理由は、取得装置１１の計測範囲がユーザの動作に対応していないと、後述する軌跡計算の精度が低下するためである。
【００２０】
取得装置１１が利用者の加速度を計測する時間間隔は、特に限定しない。しかし、計測の時間間隔が長すぎると、後述する軌跡計算の精度が低下する可能性がある。また、計測の時間間隔が短すぎると、送信される加速度データの量が過剰になる可能性がある。例えば、取得装置１１は、１０ミリ秒間隔でユーザの加速度を計測することが好ましい。
【００２１】
軌跡計算装置１２は、取得装置１１と指標計算装置１３とに接続される。軌跡計算装置１２は、取得装置１１から加速度データを受信する。軌跡計算装置１２は、受信した加速度データを用いて軌跡データを計算する。軌跡データとは、取得装置１１の取り付け位置の軌跡を示すデータである。例えば、軌跡データは、時刻ｔにおける取得装置１１の取り付け位置をｘｙｚ座標系で表したデータである。軌跡計算装置１２は、算出した軌跡データを指標計算装置１３に送信する。軌跡計算装置１２の具体的な機能や構成については後述する。
【００２２】
指標計算装置１３は、軌跡計算装置１２と送信装置１４とに接続される。指標計算装置１３は、軌跡計算装置１２から軌跡データを受信する。指標計算装置１３は、受信した軌跡データから歩容指標を計算する。例えば、指標計算装置１３は、歩幅や歩行速度などを歩容指標として算出する。指標計算装置１３は、算出した歩容指標を送信装置１４に送信する。指標計算装置１３が算出する歩容指標の具体例については後述する。
【００２３】
送信装置１４は、指標計算装置１３から歩容指標を受信する。送信装置１４は、指標計算装置１３から受信した歩容指標を外部に送信する。例えば、送信装置１４は、表示機能を有する表示装置に歩容指標を送信する。また、例えば、送信装置１４は、利用者の健康状態を管理するシステムに歩容指標を送信するように構成してもよい。
【００２４】
以上が、歩容計測システム１の構成の一例についての説明である。なお、図１の歩容計測システム１の構成は一例であって、本実施形態の歩容計測システム１の構成をそのままの形態に限定するものではない。
【００２５】
〔軌跡計算装置〕
次に、軌跡計算装置１２の構成の一例について図面を参照しながら説明する。図２は、軌跡計算装置１２の構成の一例を示すブロック図である。図２のように、軌跡計算装置１２は、歩行フェーズ検出部１２１、第１積分部１２２、補正量計算部１２３、減算部１２４、第２積分部１２５を備える。
【００２６】
図２のように、歩行フェーズ検出部１２１は、取得装置１１に接続される。また、歩行フェーズ検出部１２１は、補正量計算部１２３に接続される。歩行フェーズ検出部１２１は、取得装置１１から加速度データを受信する。歩行フェーズ検出部１２１は、受信した加速度データから歩行フェーズを検出する。歩行フェーズ検出部１２１は、検出した歩行フェーズを補正量計算部１２３に送信する。
【００２７】
図３は、歩行フェーズについて説明するための概念図である。図３の歩行者の下に示す横軸は、歩行に伴う時間経過を正規化した正規化時間である。なお、以下においては右足に着目して説明するが、左足についても同様である。また、これ以降、図３に示すように、歩行者の側方向をｘ軸（紙面に対して垂直方向）、進行方向をｙ軸（紙面において左右方向）、鉛直方向をｚ軸（紙面において上下方向）に設定する。
【００２８】
人間の歩行フェーズは、立脚期と遊脚期とに大別される。立脚期は、一方の足の踵が接地（踵接地）してから、足底全体が接地している期間（足底接地）を経て、蹴り出して爪先が地面を離れる（爪先離地）までの期間である。遊脚期は、爪先が地面を離れてから、次に踵が接地するまでの期間である。ある立脚期とそれに続く遊脚期とを合わせて、１歩行周期と呼ぶ。
【００２９】
図４は、１歩行周期における右足の爪先部分に装着された取得装置１１によって計測される加速度の時間変化を示すデータ（以下、加速度波形とも呼ぶ）の一例である。図４から分かるように、踵接地および爪先離地の瞬間に大きな加速度が生じる。
【００３０】
歩行フェーズ検出部１２１は、加速度波形のピーク検出を行う。歩行フェーズ検出部１２１は、検出したピークの最大値の絶対値が一定以上である場合に、検出されたピークが最大になる時刻（以下、ピーク最大時刻と呼ぶ）が踵接地または爪先離地の瞬間であると判定する。図４の例では、加速度波形のピークの最大値の絶対値に対する閾値を約４．５メートル毎秒毎秒（ｍ／ｓｅｃ2）以上に設定すると、踵接地と爪先離地を検出できることが分かる。
【００３１】
次に、歩行フェーズ検出部１２１は、ピーク最大時刻から所定の期間前の時刻までの加速度の変動量Ｖ１と、ピーク最大時刻から所定の期間後の時刻までの加速度の変動量Ｖ２とを比較する。踵接地より前の時刻は遊脚期であるため、足部の移動のために加速度の変動量が大きくなる。それに対して、踵接地より後の時刻は立脚期であるため、足部は動かないので加速度の変動が生じない。そのため、歩行フェーズ検出部１２１は、変動量Ｖ１が変動量Ｖ２に対して大きければ、ピーク最大時刻は踵接地であると判定する。また、歩行フェーズ検出部１２１は、変動量Ｖ１が変動量Ｖ２に対して小さければ、ピーク最大時刻は爪先離地であると判定する。
【００３２】
ここで、ｎ番目の歩行周期における踵接地の時刻をｔIC（ｎ）、爪先離地の時刻をｔTO（ｎ）、足底接地の代表時刻をｔFF（ｎ）と定義する。このとき、足底接地の代表時刻ｔFF（ｎ）は、以下の式１で表される。
2020105115.tif 000003
【００３３】
式１で定義される足底接地の代表時刻ｔFF（ｎ）は、歩行周期２０％時点である。この時点は、動作解析学における分類の立脚中期に相当する。なお、足底接地の代表時刻ｔFF（ｎ）には、式１とは異なる定義を用いてもよい。例えば、足底接地の代表時刻ｔFF（ｎ）は、以下の式２で定義してもよい。
2020105115.tif 000004
【００３４】
式２で定義される足底接地の代表時刻ｔFF（ｎ）は、立脚期の中間時刻である。このように、足底接地の代表時刻ｔFF（ｎ）は、足底接地している期間内の任意の時刻に設定できる。
【００３５】
歩行フェーズ検出部１２１は、踵接地から爪先離地までの期間を立脚期、爪先離地から踵接地までの期間を遊脚期と判定する。
【００３６】
以上のようにして、歩行フェーズ検出部１２１は、立脚期と遊脚期の歩行フェーズを検出できる。なお、上記においては、歩行フェーズが立脚期と遊脚期とで構成されるものとし、立脚期と遊脚期と検出する方法を示したが、歩行フェーズ検出部１２１による歩行フェーズの検出方法は上記の手法に限定されない。
【００３７】
図２のように、第１積分部１２２は、取得装置１１に接続される。また、第１積分部１２２は、補正量計算部１２３および減算部１２４に接続される。第１積分部１２２は、取得装置１１から加速度データを受信する。第１積分部１２２は、受信した加速度データを時間積分して速度データを計算する。第１積分部１２２は、算出した速度データを補正量計算部１２３および減算部１２４に送信する。
【００３８】
第１積分部１２２は、以下の式３を用いて、踵接地の時刻ｔIC（ｎ）から時刻ｔまでの期間において、加速度データａ（ｔ）をサンプリング周波数ｆsで除した値の総和を計算することによって速度データｖ（ｔ）を算出する。
2020105115.tif 000005
【００３９】
式３において、加速度データａ（ｔ）は、ＸＹＺ軸方向の各加速度を表すベクトルであり、以下の式４で表される。また、式３において、速度データｖ（ｔ）は、ＸＹＺ軸方向の各速度を表すベクトルであり、以下の式５で表される。
2020105115.tif 000006
2020105115.tif 000007
【００４０】
図２のように、補正量計算部１２３は、歩行フェーズ検出部１２１、第１積分部１２２、および減算部１２４に接続される。図２のように、補正量計算部１２３は、第１補正量計算部１３１および第２補正量計算部１３２を有する。補正量計算部１２３は、歩行フェーズ検出部１２１および第１積分部１２２から受信するデータを用いて補正量を計算する。補正量計算部１２３は、算出した補正量を減算部１２４に送信する。
【００４１】
第１補正量計算部１３１は、歩行フェーズ検出部１２１からｎ番目の歩行周期の歩行フェーズを受信する。補正量計算部１２３は、受信した歩行フェーズを用いてｎ番目の歩行周期における第１補正量を計算する。第１補正量は、初速を考慮し、立脚期における速度バイアスがゼロになるようにするための補正量である。第１補正量計算部１３１は、算出した第１補正量を減算部１２４に出力する。
【００４２】
第１補正量計算部１３１は、以下の式６で表される定数Ｃを用いて第１補正量を計算する。
2020105115.tif 000008
【００４３】
第２補正量計算部１３２は、第１積分部１２２からｎ番目の歩行周期の速度データを受信する。第２補正量計算部１３２は、受信した速度データを用いてｎ番目の歩行周期における第２補正量を計算する。第２補正量は、遊脚期におけるドリフトを抑制し、足底接地時の速度がゼロになるように補正するための補正量である。第２補正量計算部１３２は、算出した第２補正量を減算部１２４に出力する。
【００４４】
第２補正量計算部１３２は、以下の式７で表される時刻tに関する関数f（ｔ）を第２補正量の計算に用いる。式７において、関数f（ｔ）は遊脚期、すなわち時刻ｔTO（ｎ）〜ｔIC（ｎ＋１）において定義される補正量であり、立脚期ではゼロとする。
2020105115.tif 000009
【００４５】
図２のように、減算部１２４は、第１積分部１２２、補正量計算部１２３、および第２積分部１２５に接続される。減算部１２４は、第１積分部１２２から速度データを受信する。また、減算部１２４は、補正量計算部１２３から第１補正量および第２補正量を受信する。減算部１２４は、受信した速度データから、第１補正量と第２補正量とを減算して補正速度データを計算する。減算部１２４は、算出した補正速度データを第２積分部１２５に送信する。
【００４６】
減算部１２４は、以下の式８を用いて補正速度データｖc（ｔ）を計算する。
2020105115.tif 000010
【００４７】
前述の通り、関数ｆ（ｔ）は遊脚期で定義され、立脚期ではゼロとしているので、立脚期と遊脚期の歩行フェーズでは異なる補正量が適用されることになる。
【００４８】
図２のように、第２積分部１２５は、減算部１２４に接続される。また、第２積分部１２５は、指標計算装置１３に接続される。第２積分部１２５は、減算部１２４から補正速度データｖc（ｔ）を受信する。第２積分部１２５は、受信した補正速度データｖc（ｔ）を時間積分して軌跡データｘ（ｔ）を計算する。第２積分部１２５は、算出した軌跡データｘ（ｔ）を指標計算装置１３に送信する。
【００４９】
第２積分部１２５は、以下の式９を用いて、踵接地の時刻ｔIC（ｎ）から時刻ｔまでの期間において、補正速度データｖc（ｔ）をサンプリング周波数ｆsで除した値の総和を計算することによって軌跡データｘ（ｔ）を計算する。
2020105115.tif 000011
【００５０】
式９において、軌跡データｘ（ｔ）は、時刻ｔにおける取得装置１１の位置のｘｙｚ座標であり、以下の式１０で表される。例えば、取得装置１１が爪先に取り付けられている場合、軌跡データｘ（ｔ）は爪先の位置を示す。
2020105115.tif 000012
【００５１】
以上が、軌跡計算装置１２の構成の一例についての説明である。なお、図２に示す軌跡計算装置１２の構成は一例であって、本実施形態の軌跡計算装置１２の構成をそのままの形態に限定するものではない。
【００５２】
続いて、軌跡計算装置１２によって算出された軌跡データｘ（ｔ）を用いて指標計算装置１３が歩容指標を計算する一例について説明する。
【００５３】
指標計算装置１３は、軌跡計算装置１２から軌跡データｘ（ｔ）を受信する。指標計算装置１３は、受信した軌跡データｘ（ｔ）を用いて、人の歩容を定量評価するための数値として歩幅Ｌや歩行速度ｖなどの歩容指標を計算する。
【００５４】
例えば、指標計算装置１３は、以下の式１１を用いて、歩幅Ｌを計算する。式１１の分子は、重複歩距離と呼ばれ、歩幅のおよそ２倍である。重複歩距離は、踵接地から次の踵接地までの足部の移動量を示し、ストライド距離やストライド長とも呼ばれる。
2020105115.tif 000013
【００５５】
また、例えば、指標計算装置１３は、以下の式１２を用いて、歩容指標として歩行速度ｖを計算する。
2020105115.tif 000014
【００５６】
なお、指標計算装置１３が計算する歩容指標は、歩幅や歩行速度に限定されない。例えば、指標計算装置１３は、遊脚期における爪先と地面との最小距離を示し、転倒リスクとの相関が知られているToe Clearanceを歩容指標として計算してもよい。また、例えば、指標計算装置１３は、脳卒中麻痺患者に見られる分回し歩行の程度を示す足部外側移動量を歩容指標として計算してもよい。
【００５７】
以上が、軌跡計算装置１２によって算出された軌跡データｘ（ｔ）を用いて指標計算装置１３が歩容指標を計算する一例についての説明である。
【００５８】
〔補正量〕
ここで、第１補正量および第２補正量を用いた速度データの補正について図面を参照しながら説明する。
【００５９】
図５は、歩行中の下肢荷重の参考値の時間変化を示すグラフである。ｔIC（ｎ）、ｔFF（ｎ）、ｔTO（ｎ）、ｔIC（ｎ＋１）、ｔFF（ｎ＋１）は、歩行フェーズ検出部１２１が計算した歩行フェーズに関する時刻である。図５は、踵接地ｔIC（ｎ）で荷重が増大して体重を支える立脚期に入り、遊脚期に向かって次第に荷重が小さくなり、爪先離地ｔTO（ｎ）で荷重ゼロになる様子を示す。
【００６０】
図６は、第１積分部１２２が算出する速度データの一例である。上から、ｘ軸（側方）、ｙ軸（前後）、およびｚ軸（鉛直）方向の速度の時間変化を示す波形（以下、速度波形とも呼ぶ）の一例を示す。なお、図６の速度データは、図４の加速度データから求められたものではない。
【００６１】
図６のｚ軸方向の速度波形において、足底接地の代表時刻ｔFF（ｎ）の速度に注目すると、足底接地時点では横滑りが発生しない限り足部は固定されているためにゼロになるはずであるが、正の値を示している。これは、式３において、初速（踵接地の瞬間における速度）をゼロと仮定して積分したが、実際には踵接地後も底屈により爪先は鉛直下向きに動いており、初速がゼロではなかったことに起因して生じた誤差である。
【００６２】
図７は、第１積分部１２２が算出した速度データに第１補正量を適用した際に得られる第１補正速度データｖc1（ｔ）である。第１補正速度データｖc1（ｔ）は、以下の式１３によって算出される。
2020105115.tif 000015
【００６３】
第１補正量は、初速を考慮し、立脚期における速度バイアスがゼロになるようにするための補正量である。図７の足底接地の代表時刻ｔFF（ｎ）の各軸方向の速度に注目すると、速度バイアスがゼロになり、足底接地時に足部が固定されている状態に正しく対応することが分かる。
【００６４】
しかしながら、図７においては、次の歩行周期の足底接地の代表時刻ｔFF（ｎ＋１）における速度が非ゼロになっている。これは、遊脚期中にセンサの角度が変動することなどによる計測誤差が積分により蓄積したことに起因するドリフト誤差である。このドリフト誤差は、立脚期における誤差とは特性が異なるため、第１補正量では補正できない。
【００６５】
図８は、第１補正量で補正された速度データ（第１補正速度データ）に、さらに第２補正量を適用した第２補正速度データである。第２補正速度データでは、遊脚期におけるドリフト誤差が除去され、次の歩行周期の足底接地の代表時刻ｔFF（ｎ＋１）における速度がゼロに補正されている。
【００６６】
以上のように、第１補正量および第２補正量を用いて速度データを補正することによって、立脚期における速度バイアスをゼロとするとともに、遊脚期におけるドリフト誤差を除去することができる。
【００６７】
以上が、本実施形態の歩容計測システム１の構成についての説明である。なお、図１〜図８を用いた歩容計測システム１の構成は一例であって、本実施形態の歩容計測システム１の構成をそのままの形態に限定するわけではない。
【００６８】
（動作）
次に、本実施形態の歩容計測システム１の動作について図面を参照しながら説明する。図９は、歩容計測システム１の動作について説明するためのフローチャートである。図９のフローチャートに沿った説明においては、歩容計測システム１を構成する各構成要素を動作主体として説明する。なお、図９のフローチャートに沿った処理の動作主体を歩容計測システム１とみなしてもよい。
【００６９】
図９において、まず、取得装置１１が、加速度データを取得する（ステップＳ１１）。
【００７０】
次に、軌跡計算装置１２の歩行フェーズ検出部１２１が、加速度データから歩行フェーズを検出する（ステップＳ１２）。
【００７１】
次に、軌跡計算装置１２の第１積分部１２２が、加速度データを時間積分して速度データを計算する（ステップＳ１３）。
【００７２】
次に、軌跡計算装置１２の補正量計算部１２３が、歩行フェーズおよび速度データを用いて第１補正量および第２補正量を計算する（ステップＳ１４）。
【００７３】
次に、軌跡計算装置１２の減算部１２４が、速度データから第１補正量と第２補正量とを減じて補正速度データを計算する（ステップＳ１５）。
【００７４】
次に、軌跡計算装置１２の第２積分部１２５が、補正速度データを時間積分して軌跡データを計算する（ステップＳ１６）。
【００７５】
次に、指標計算装置１３が、軌跡データから歩容指標を計算する（ステップＳ１７）。
【００７６】
そして、送信装置１４が、歩容指標を表示装置に送信する（ステップＳ１８）。
【００７７】
以上が、本実施形態の歩容計測システム１の動作についての説明である。なお、図９のフローチャートに沿った歩容計測システム１の動作は一例であって、本実施形態の歩容計測システム１の動作をそのままの手法に限定するものではない。
【００７８】
以上のように、本実施形態の歩容計測システムは、軌跡計算装置および指標計算装置を備える。軌跡計算装置は、慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出するとともに、加速度データを時間積分して速度データを計算する。軌跡計算装置は、歩行フェーズと速度データとを用いてそれぞれの歩行フェーズに対応する補正量を計算し、それぞれの歩行フェーズに対応する速度データから補正量を減じて補正速度データを計算する。軌跡計算装置は、算出した補正速度データを時間積分して軌跡データを算出する。指標計算装置は、軌跡計算装置によって算出された軌跡データを用いて歩容指標を計算する。
【００７９】
本実施形態の軌跡計算装置は、歩行フェーズ検出部、第１積分部、補正量計算部、減算部、第２積分部を有する。歩行フェーズ検出部は、慣性計測ユニットから加速度データを取得し、取得した加速度データを用いて少なくとも一つの歩行フェーズを検出する。第１積分部は、慣性計測ユニットから加速度データを取得し、取得した加速度データを時間積分して速度データを計算する。補正量計算部は、歩行フェーズと速度データとを用いて、それぞれの歩行フェーズに対応する補正量を計算する。減算部は、各歩行フェーズに対応する補正量を速度データから減じて補正速度データを計算する。第２積分部は、補正速度データを時間積分して軌跡データを計算する。
【００８０】
本実施形態の歩行フェーズ検出部は、歩行フェーズとして立脚期と遊脚期とを検出する。補正量計算部は、立脚期における速度バイアスをゼロにするための第１補正量と、遊脚期におけるドリフトを抑制するための第２補正量とを計算し、算出した第１補正量と第２補正量とを速度データから減じて補正速度データを計算する。例えば、歩行フェーズ検出部は、踵接地から爪先離地までの期間を立脚期として検出し、爪先離地から踵接地までの期間を遊脚期として検出する。
【００８１】
本実施形態の歩容計測システムによれば、立脚期と遊脚期とで異なる特性を示すドリフトを除去することができるため、精度よく歩容を計測できる。
【００８２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る歩容計測システムについて図面を参照しながら説明する。本実施形態の歩容計測システムは、角速度データを用いて加速度データを座標変換する点で第１の実施形態の歩容計測システムとは異なる。
【００８３】
（構成）
図１０は、本実施形態の歩容計測システム２の構成の一例を表す図である。図１０のように、歩容計測システム２は、取得装置２１、軌跡計算装置２２、指標計算装置２３、送信装置２４を備える。以下においては、第１の実施形態の歩容計測システム１と同様の点については説明を省略する場合がある。
【００８４】
取得装置２１は、ユーザの身体部分に装着される。取得装置２１は、軌跡計算装置２２に接続される。取得装置２１は、加速度および角速度を計測し、計測した加速度および角速度を軌跡計算装置２２に送信する。
【００８５】
例えば、取得装置２１は、加速度計および角速度計を含むＩＭＵによって実現される。例えば、取得装置２１は、クリップ等を使用して靴に取り付けられたり、靴の中のインソールに内蔵されたりして、３方向の加速度および３軸の角速度を計測する。なお、取得装置１１は、両足に取り付けられてもよいし、片足のみに取り付けられてもよい。
【００８６】
取得装置２１に含まれる加速度計の計測範囲には、取得装置２１の装着位置におけるユーザの歩行時の最大加速度が含まれることが好ましい。同様に、取得装置２１に含まれる角速度計の計測範囲には、取得装置２１の装着位置におけるユーザの歩行時の最大角速度が含まれることが好ましい。その理由は、取得装置２１の計測範囲がユーザの動作に対応していないと、後述する軌跡計算の精度が低下するためである。なお、取得装置２１が利用者の加速度および角速度を計測する時間間隔は、特に限定しない。
【００８７】
軌跡計算装置２２は、取得装置２１と指標計算装置２３とに接続される。軌跡計算装置２２は、取得装置２１から加速度データおよび角速度データを受信する。取得装置２１は、角速度データを用いて加速度データの座標系を世界座標系に座標変換して補正加速度データを生成する。軌跡計算装置２２は、座標変換された補正加速度データを用いて軌跡データを計算する。軌跡計算装置２２は、算出した軌跡データを指標計算装置２３に送信する。軌跡計算装置２２の具体的な機能や構成については後述する。
【００８８】
指標計算装置２３は、軌跡計算装置２２と送信装置２４とに接続される。指標計算装置２３は、軌跡計算装置２２から軌跡データを受信する。指標計算装置２３は、受信した軌跡データから歩容指標を計算する。例えば、指標計算装置２３は、歩幅や歩行速度などを歩容指標として算出する。指標計算装置２３は、算出した歩容指標を送信装置２４に送信する。
【００８９】
送信装置２４は、指標計算装置２３から歩容指標を受信する。送信装置２４は、指標計算装置２３から受信した歩容指標を外部に送信する。
【００９０】
以上が、歩容計測システム２の構成の一例についての説明である。なお、図１０の歩容計測システム２の構成は一例であって、本実施形態の歩容計測システム２の構成をそのままの形態に限定するものではない。
【００９１】
〔軌跡計算装置〕
次に、軌跡計算装置２２の構成の一例について図面を参照しながら説明する。図１１は、軌跡計算装置２２の構成の一例を示すブロック図である。図１１のように、軌跡計算装置２２は、座標変換部２２０、歩行フェーズ検出部２２１、第１積分部２２２、補正量計算部２２３、減算部２２４、第２積分部２２５を備える。
【００９２】
図１１のように、座標変換部２２０は、取得装置２１に接続される。また、座標変換部２２０は、歩行フェーズ検出部２２１および第１積分部２２２に接続される。座標変換部２２０は、取得装置２１から加速度データおよび角速度データを取得する。座標変換部２２０は、角速度データを用いて、加速度データの座標系を世界座標系に座標変換して補正加速度データを生成する。座標変換部２２０が生成する補正加速度データは、世界座標系に対するＩＭＵの姿勢を考慮した加速度データに相当する。座標変換部２２０は、補正加速度データを歩行フェーズ検出部２２１および第１積分部２２２に送信する。
【００９３】
図１２は、１歩行周期における右足の爪先部分に装着された取得装置１１によって計測される加速度の時間変化を示すデータ（以下、加速度波形とも呼ぶ）と角速度の時間変化を示すデータ（以下、角速度波形とも呼ぶ）との一例である。図１２から分かるように、踵接地および爪先離地の瞬間に大きな加速度・角速度が生じる。
【００９４】
例えば、座標変換部２２０は、以下の非特許文献１などに開示されたＭａｄｇｗｉｃｋの手法を用いて加速度データを補正する。
非特許文献１：S. Madgwick, A. Harrison, R. Vaidyanathan, “Estimation of IMU and MARG orientation using a gradient descent algorithm,” 2011 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics, Rehab Week Zurich, ETH Zurich Science City, Switzerland, June 29 - July 1, pp.179-185, 2011.
一般的な手法では、角速度の積分を用いてＩＭＵの姿勢を計算する。しかしながら、角速度の計測データには、主にバイアスに起因する誤差があり、その誤差は積分によって蓄積される。Ｍａｄｇｗｉｃｋの手法では、重力加速度を基準にして、角速度の計測データと加速度の計測データとを統合利用することにより、誤差の蓄積を低減する。
【００９５】
例えば、座標変換部２２０は、上述の式４で表されるＩＭＵ座標系（固体座標系とも呼ぶ）における加速度データａ（ｔ）を、以下の式１４を用いて世界座標系における補正加速度データａc（ｔ）に座標変換する。ただし、Ｒ-1（ｔ）は、３次元の回転行列Ｒ（ｔ）の逆行列である。
2020105115.tif 000016
【００９６】
図１３は、座標変換部２２０が生成する補正加速度データの一例である。図１３のグラフは、上から順番に、ｘ軸（側方）、ｙ軸（前後）、およびｚ軸（鉛直）方向の補正加速度の時間変化を示す波形（以下、補正加速度波形とも呼ぶ）の一例を示す。なお、図１３の補正加速度データは、図１２の加速度データおよび角速度から求められたものではない。
【００９７】
歩行フェーズ検出部２２１は、座標変換部２２０と補正量計算部２２３とに接続される。歩行フェーズ検出部２２１は、座標変換部２２０から補正加速度データを受信する。歩行フェーズ検出部２２１は、受信した補正加速度データから歩行フェーズを検出する。歩行フェーズ検出部２２１は、検出した歩行フェーズを補正量計算部２２３に送信する。
【００９８】
歩行フェーズ検出部２２１は、加速度波形のピーク検出を行う。歩行フェーズ検出部２２１は、検出したピークの最大値の絶対値が一定以上である場合に、検出されたピークが最大になる時刻（以下、ピーク最大時刻と呼ぶ）が踵接地または爪先離地の瞬間であると判定する。
【００９９】
次に、歩行フェーズ検出部２２１は、ピーク最大時刻から所定の期間前の時刻までの加速度の変動量Ｖ１と、ピーク最大時刻から所定の期間後の時刻までの加速度の変動量Ｖ２とを比較する。踵接地より前の時刻は遊脚期であるため、足部の移動のために加速度の変動量が大きくなる。それに対して、踵接地より後の時刻は立脚期であるため、足部は動かないので加速度の変動が生じない。そのため、歩行フェーズ検出部２２１は、変動量Ｖ１が変動量Ｖ２に対して大きければ、ピーク最大時刻は踵接地であると判定する。また、歩行フェーズ検出部２２１は、変動量Ｖ１が変動量Ｖ２に対して小さければ、ピーク最大時刻は爪先離地であると判定する。
【０１００】
歩行フェーズ検出部２２１は、踵接地から爪先離地までの期間を立脚期、爪先離地から踵接地までの期間を遊脚期と判定する。
【０１０１】
以上のようにして、歩行フェーズ検出部２２１は、立脚期と遊脚期の歩行フェーズを検出できる。なお、上記においては、歩行フェーズが立脚期と遊脚期とで構成されるものとし、立脚期と遊脚期と検出する方法を示したが、歩行フェーズ検出部２２１による歩行フェーズの検出方法は上記の手法に限定されない。
【０１０２】
第１積分部２２２は、座標変換部２２０、補正量計算部２２３、および減算部２２４に接続される。第１積分部２２２は、座標変換部２２０から補正加速度データを受信する。第１積分部２２２は、受信した加速度データを時間積分して速度データを計算する。第１積分部２２２は、算出した速度データを補正量計算部２２３および減算部２２４に送信する。
【０１０３】
補正量計算部２２３は、歩行フェーズ検出部２２１、第１積分部２２２、および減算部２２４に接続される。図１１のように、補正量計算部２２３は、第１補正量計算部２３１および第２補正量計算部２３２を有する。補正量計算部２２３は、歩行フェーズ検出部２２１および第１積分部２２２から受信するデータを用いて補正量を計算する。補正量計算部２２３は、算出した補正量を減算部２２４に送信する。
【０１０４】
第１補正量計算部２３１は、歩行フェーズ検出部２２１からｎ番目の歩行周期の歩行フェーズを受信する。補正量計算部２２３は、受信した歩行フェーズを用いてｎ番目の歩行周期における第１補正量を計算する。第１補正量は、初速を考慮し、立脚期における速度バイアスがゼロになるようにするための補正量である。第１補正量計算部２３１は、算出した第１補正量を減算部２２４に出力する。
【０１０５】
第２補正量計算部２３２は、第１積分部２２２からｎ番目の歩行周期の速度データを受信する。第２補正量計算部２３２は、受信した速度データを用いてｎ番目の歩行周期における第２補正量を計算する。第２補正量は、遊脚期におけるドリフトを抑制し、足底接地時の速度がゼロになるように補正するための補正量である。第２補正量計算部２３２は、算出した第２補正量を減算部２２４に出力する。
【０１０６】
減算部２２４は、第１積分部２２２、補正量計算部２２３、および第２積分部２２５に接続される。減算部２２４は、第１積分部２２２から速度データを受信する。また、減算部２２４は、補正量計算部２２３から第１補正量および第２補正量を受信する。減算部２２４は、受信した速度データから、第１補正量と第２補正量とを減算して補正速度データを計算する。減算部１２４は、算出した補正速度データを第２積分部２２５に送信する。
【０１０７】
第２積分部２２５は、減算部２２４に接続される。また、第２積分部２２５は、指標計算装置２３に接続される。第２積分部２２５は、減算部２２４から補正速度データｖc（ｔ）を受信する。第２積分部２２５は、受信した補正速度データｖc（ｔ）を時間積分して軌跡データｘ（ｔ）を計算する。第２積分部２２５は、算出した軌跡データｘ（ｔ）を指標計算装置２３に送信する。
【０１０８】
以上が、軌跡計算装置２２の構成の一例についての説明である。なお、図１１に示す軌跡計算装置２２の構成は一例であって、本実施形態の軌跡計算装置２２の構成をそのままの形態に限定するものではない。
【０１０９】
指標計算装置２３は、軌跡計算装置２２から軌跡データｘ（ｔ）を受信する。指標計算装置２３は、受信した軌跡データｘ（ｔ）を用いて、人の歩容を定量評価するための数値として歩幅Ｌや歩行速度ｖなどの歩容指標を計算する。
【０１１０】
ここで、軌跡計算装置２２の変形例について図面を参照しながら説明する。図１４は、変形例の軌跡計算装置２２−２の構成の一例を示すブロック図である。図１４の軌跡計算装置２２−２は、歩行フェーズ検出部２２１が取得装置２１から加速度データを取得し、その加速度データを用いて歩行フェーズを検出する点で図１１の軌跡計算装置２２とは異なる。軌跡計算装置２２−２のその他の点は軌跡計算装置２２と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【０１１１】
以上が、本実施形態の歩容計測システム１の構成についての説明である。なお、図１０〜図１１を用いた歩容計測システム２の構成は一例であって、本実施形態の歩容計測システム２の構成をそのままの形態に限定するわけではない。
【０１１２】
（動作）
次に、本実施形態の歩容計測システム２の動作について図面を参照しながら説明する。図１５は、歩容計測システム２の動作について説明するためのフローチャートである。図１５のフローチャートに沿った説明においては、歩容計測システム２を構成する各構成要素を動作主体として説明する。なお、図１５のフローチャートに沿った処理の動作主体を歩容計測システム２とみなしてもよい。
【０１１３】
図１５において、まず、取得装置２１が、加速度データおよび角速度データを取得する（ステップＳ２１）。
【０１１４】
次に、座標変換部２０が、加速度データと角速度データを用いて補正加速度データを計算する（ステップＳ２２）。
【０１１５】
次に、軌跡計算装置２２の歩行フェーズ検出部１２１が、補正加速度データから歩行フェーズを検出する（ステップＳ２３）。
【０１１６】
次に、軌跡計算装置２２の第１積分部２２２が、補正加速度データを時間積分して速度データを計算する（ステップＳ２４）。
【０１１７】
次に、軌跡計算装置２２の補正量計算部２２３が、歩行フェーズおよび速度データを用いて第１補正量および第２補正量を計算する（ステップＳ２５）。
【０１１８】
次に、軌跡計算装置２２の減算部２２４が、速度データから第１補正量と第２補正量とを減じて補正速度データを計算する（ステップＳ２６）。
【０１１９】
次に、軌跡計算装置２２の第２積分部２２５が、補正速度データを時間積分して軌跡データを計算する（ステップＳ２７）。
【０１２０】
次に、指標計算装置２３が、軌跡データから歩容指標を計算する（ステップＳ２８）。
【０１２１】
そして、送信装置２４が、歩容指標を表示装置に送信する（ステップＳ２９）。
【０１２２】
以上が、本実施形態の歩容計測システム２の動作についての説明である。なお、図１５のフローチャートに沿った歩容計測システム２の動作は一例であって、本実施形態の歩容計測システム２の動作をそのままの手法に限定するものではない。
【０１２３】
以上のように、本実施形態の歩容計測システムの軌跡計算装置は、歩行フェーズ検出部、第１積分部、補正量計算部、減算部、第２積分部に加えて、座標変換部を有する。座標変換部は、慣性計測ユニットから加速度データおよび角速度データを取得し、取得した角速度データを用いて、加速度データを世界座標系の補正加速度データに座標変換する。歩行フェーズ検出部は、座標変換部から補正加速度データを取得し、取得した補正加速度データを用いて少なくとも一つの歩行フェーズを検出する。第１積分部は、座標変換部から補正加速度データを取得し、取得した補正加速度データを時間積分して速度データを計算する。補正量計算部は、歩行フェーズと速度データとを用いて、それぞれの歩行フェーズに対応する補正量を計算する。減算部は、各歩行フェーズに対応する補正量を速度データから減じて補正速度データを計算する。第２積分部は、補正速度データを時間積分して軌跡データを計算する。
【０１２４】
本実施形態の歩容計測システムの別の形態の軌跡計算装置において、座標変換部は、慣性計測ユニットから加速度データおよび角速度データを取得し、取得した角速度データを用いて、加速度データを世界座標系の補正加速度データに座標変換する。歩行フェーズ検出部は、慣性計測ユニットから加速度データを取得し、取得した補正加速度データを用いて少なくとも一つの歩行フェーズを検出する。第１積分部は、座標変換部から補正加速度データを取得し、取得した補正加速度データを時間積分して速度データを計算する。補正量計算部は、歩行フェーズと速度データとを用いて、それぞれの歩行フェーズに対応する補正量を計算する。減算部は、各歩行フェーズに対応する補正量を速度データから減じて補正速度データを計算する。第２積分部は、補正速度データを時間積分して軌跡データを計算する。
【０１２５】
例えば、本実施形態の歩容計測システムの座標変換部は、Ｍａｄｇｗｉｃｋの手法を用いて、加速度データを世界座標系の補正加速度データに座標変換する。
【０１２６】
本実施形態の歩容計測システムにおいては、座標変換部が世界座標系に対するＩＭＵの姿勢変化を検出して加速度データを補正することにより、ＩＭＵの姿勢変化の影響がなくなる。そのため、本実施形態の歩容計測システムによれば、ＩＭＵを取り付けする姿勢を任意に設定できる。また、本実施形態の歩容計測システムによれば、歩行者が底背屈したり、歩行中にセンサがずれたりしてＩＭＵの姿勢が変化した場合の歩容計算精度が向上する。
【０１２７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る歩容計測システムについて図面を参照しながら説明する。本実施形態の歩容計測システムは、第１〜第２の実施形態の歩容計測システムから取得装置および送信装置を除いた構成を有する。
【０１２８】
図１６は、本実施形態の歩容計測システム３０の構成を示すブロック図である。図１６のように、歩容計測システム３０は、軌跡計算装置３２および指標計算装置３３を備える。歩容計測システム３０は、取得装置３１と送信装置３４とに接続される。取得装置３１および送信装置３４は、第１の実施形態の歩容計測システム１の取得装置１１および送信装置１４と同様の構成である。例えば、取得装置１１は、慣性計測ユニットを含む。
【０１２９】
軌跡計算装置３２は、取得装置３１に接続される。また、軌跡計算装置３２は、指標計算装置３３に接続される。軌跡計算装置３２は、取得装置３１から加速度データを受信する。軌跡計算装置３２は、慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出するとともに、加速度データを時間積分して速度データを計算する。軌跡計算装置３２は、歩行フェーズと速度データとを用いてそれぞれの歩行フェーズに対応する補正量を計算し、それぞれの歩行フェーズに対応する速度データから補正量を減じて補正速度データを計算する。軌跡計算装置３２は、算出した補正速度データを時間積分して軌跡データを算出する。軌跡計算装置３２は、算出した軌跡データを指標計算装置３３に送信する。
【０１３０】
指標計算装置３３は、軌跡計算装置３２に接続される。また、指標計算装置３３は、送信装置３４に接続される。指標計算装置３３は、軌跡計算装置３２から軌跡データを受信する。指標計算装置３３は、受信した軌跡データを用いて歩容指標を計算する。例えば、指標計算装置３３は、歩幅や歩行速度などを歩容指標として算出する。指標計算装置３３は、算出した歩容指標を送信装置３４に送信する。なお、指標計算装置３３が計算した歩容指標を外部に送信するように構成してもよい。
【０１３１】
以上が、歩容計測システム３０の構成の一例についての説明である。なお、図１６の歩容計測システム３０の構成は一例であって、本実施形態の歩容計測システム３０の構成をそのままの形態に限定するものではない。
【０１３２】
以上のように、本実施形態の歩容計測システムは、軌跡計算装置および指標計算装置を備える。軌跡計算装置は、慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出するとともに、加速度データを時間積分して速度データを計算する。軌跡計算装置は、歩行フェーズと速度データとを用いてそれぞれの歩行フェーズに対応する補正量を計算し、それぞれの歩行フェーズに対応する速度データから補正量を減じて補正速度データを計算する。軌跡計算装置は、算出した補正速度データを時間積分して軌跡データを算出する。指標計算装置は、軌跡計算装置によって算出された軌跡データを用いて歩容指標を計算する。
【０１３３】
本実施形態の歩容計測システムによれば、立脚期と遊脚期とで異なる特性を示すドリフトを除去することができるため、精度よく歩容を計測できる。
【０１３４】
（ハードウェア）
ここで、本発明の各実施形態に係る軌跡計算装置および指標計算装置の処理を実行するハードウェア構成について、図１７の情報処理装置９０を一例として挙げて説明する。なお、図１７の情報処理装置９０は、各実施形態の軌跡計算装置および指標計算装置の処理を実行するための構成例であって、本発明の範囲を限定するものではない。
【０１３５】
図１７のように、情報処理装置９０は、プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３、入出力インターフェース９５および通信インターフェース９６を備える。図１７においては、インターフェースをＩ／Ｆ（Interface）と略して表記する。プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３、入出力インターフェース９５および通信インターフェース９６は、バス９９を介して互いにデータ通信可能に接続される。また、プロセッサ９１、主記憶装置９２、補助記憶装置９３および入出力インターフェース９５は、通信インターフェース９６を介して、インターネットやイントラネットなどのネットワークに接続される。
【０１３６】
プロセッサ９１は、補助記憶装置９３等に格納されたプログラムを主記憶装置９２に展開し、展開されたプログラムを実行する。本実施形態においては、情報処理装置９０にインストールされたソフトウェアプログラムを用いる構成とすればよい。プロセッサ９１は、本実施形態に係る軌跡計算装置および指標計算装置による処理を実行する。
【０１３７】
主記憶装置９２は、プログラムが展開される領域を有する。主記憶装置９２は、例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの揮発性メモリとすればよい。また、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）などの不揮発性メモリを主記憶装置９２として構成・追加してもよい。
【０１３８】
補助記憶装置９３は、種々のデータを記憶する。補助記憶装置９３は、ハードディスクやフラッシュメモリなどのローカルディスクによって構成される。なお、種々のデータを主記憶装置９２に記憶させる構成とし、補助記憶装置９３を省略することも可能である。
【０１３９】
入出力インターフェース９５は、情報処理装置９０と周辺機器とを接続するためのインターフェースである。通信インターフェース９６は、規格や仕様に基づいて、インターネットやイントラネットなどのネットワークを通じて、外部のシステムや装置に接続するためのインターフェースである。入出力インターフェース９５および通信インターフェース９６は、外部機器と接続するインターフェースとして共通化してもよい。
【０１４０】
情報処理装置９０には、必要に応じて、キーボードやマウス、タッチパネルなどの入力機器を接続するように構成してもよい。それらの入力機器は、情報や設定の入力に使用される。なお、タッチパネルを入力機器として用いる場合は、表示機器の表示画面が入力機器のインターフェースを兼ねる構成とすればよい。プロセッサ９１と入力機器との間のデータ通信は、入出力インターフェース９５に仲介させればよい。
【０１４１】
また、情報処理装置９０には、情報を表示するための表示機器を備え付けてもよい。表示機器を備え付ける場合、情報処理装置９０には、表示機器の表示を制御するための表示制御装置（図示しない）が備えられていることが好ましい。表示機器は、入出力インターフェース９５を介して情報処理装置９０に接続すればよい。
【０１４２】
また、情報処理装置９０には、必要に応じて、ディスクドライブを備え付けてもよい。ディスクドライブは、バス９９に接続される。ディスクドライブは、プロセッサ９１と図示しない記録媒体（プログラム記録媒体）との間で、記録媒体からのデータ・プログラムの読み出し、情報処理装置９０の処理結果の記録媒体への書き込みなどを仲介する。記録媒体は、例えば、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの光学記録媒体で実現できる。また、記録媒体は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリやＳＤ（Secure Digital）カードなどの半導体記録媒体や、フレキシブルディスクなどの磁気記録媒体、その他の記録媒体によって実現してもよい。
【０１４３】
以上が、本発明の各実施形態に係る軌跡計算装置および指標計算装置を可能とするためのハードウェア構成の一例である。なお、図１７のハードウェア構成は、各実施形態に係る軌跡計算装置および指標計算装置の演算処理を実行するためのハードウェア構成の一例であって、本発明の範囲を限定するものではない。また、各実施形態に係る軌跡計算装置および指標計算装置に関する処理をコンピュータに実行させるプログラムも本発明の範囲に含まれる。さらに、各実施形態に係るプログラムを記録したプログラム記録媒体も本発明の範囲に含まれる。
【０１４４】
各実施形態の軌跡計算装置および指標計算装置の構成要素は、任意に組み合わせることができる。また、各実施形態の軌跡計算装置および指標計算装置の構成要素は、ソフトウェアによって実現してもよいし、回路によって実現してもよい。
【０１４５】
以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【０１４６】
１、２    歩容計測システム
１１、２１、３１    取得装置
１２、２２、３２    軌跡計算装置
１３、２３、３３    指標計算装置
１４、２４、３４    送信装置
１２１、２２１    歩行フェーズ検出部
１２２、２２２    第１積分部
１２３、２２３    補正量計算部
１２４、２２４    減算部
１２５、２２５    第２積分部
１３１、２３１    第１補正量計算部
１３２、２３２    第２補正量計算部
２２０    座標変換部
【図１】
2020105115.tif 000017
【図２】
2020105115.tif 000018
【図３】
2020105115.tif 000019
【図４】
2020105115.tif 000020
【図５】
2020105115.tif 000021
【図６】
2020105115.tif 000022
【図７】
2020105115.tif 000023
【図８】
2020105115.tif 000024
【図９】
2020105115.tif 000025
【図１０】
2020105115.tif 000026
【図１１】
2020105115.tif 000027
【図１２】
2020105115.tif 000028
【図１３】
2020105115.tif 000029
【図１４】
2020105115.tif 000030
【図１５】
2020105115.tif 000031
【図１６】
2020105115.tif 000032
【図１７】
2020105115.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】令和3年3月17日(2021.3.17)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出するとともに、前記加速度データを時間積分して速度データを計算し、前記歩行フェーズと前記速度データとを用いてそれぞれの前記歩行フェーズに対応する補正量を計算し、それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記速度データから前記補正量を減じて補正速度データを計算し、算出した前記補正速度データを時間積分して軌跡データを算出する軌跡計算装置と、
前記軌跡計算装置によって算出された前記軌跡データを用いて歩容指標を計算する指標計算装置とを備える歩容計測システム。
【請求項２】
前記慣性計測ユニットから前記加速度データを取得し、取得した前記加速度データを用いて少なくとも一つの前記歩行フェーズを検出する歩行フェーズ検出手段と、
前記慣性計測ユニットから前記加速度データを取得し、取得した前記加速度データを時間積分して前記速度データを計算する第１積分手段と、
前記歩行フェーズと前記速度データとを用いて、それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記補正量を計算する補正量計算手段と、
前記各歩行フェーズに対応する補正量を前記速度データから減じて前記補正速度データを計算する減算手段と、
前記補正速度データを時間積分して前記軌跡データを計算する第２積分手段とを有する請求項１に記載の歩容計測システム。
【請求項３】
前記歩行フェーズ検出手段は、
前記歩行フェーズとして立脚期と遊脚期とを検出し、
前記補正量計算手段は、
前記立脚期における速度バイアスをゼロにするための第１補正量と、前記遊脚期におけるドリフトを抑制するための第２補正量とを計算し、算出した前記第１補正量と前記第２補正量とを前記速度データから減じて前記補正速度データを計算する請求項２に記載の歩容計測システム。
【請求項４】
前記歩行フェーズ検出手段は、
踵接地から爪先離地までの期間を前記立脚期として検出し、
爪先離地から踵接地までの期間を前記遊脚期として検出する請求項３に記載の歩容計測システム。
【請求項５】
前記慣性計測ユニットから前記加速度データおよび角速度データを取得し、取得した前記角速度データを用いて、前記加速度データを世界座標系の補正加速度データに座標変換する座標変換手段と、
前記座標変換手段から前記補正加速度データを取得し、取得した前記補正加速度データを用いて少なくとも一つの前記歩行フェーズを検出する歩行フェーズ検出手段と、
前記座標変換手段から前記補正加速度データを取得し、取得した前記補正加速度データを時間積分して前記速度データを計算する第１積分手段と、
前記歩行フェーズと前記速度データとを用いて、それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記補正量を計算する補正量計算手段と、
前記各歩行フェーズに対応する補正量を前記速度データから減じて前記補正速度データを計算する減算手段と、
前記補正速度データを時間積分して前記軌跡データを計算する第２積分手段とを有する請求項１に記載の歩容計測システム。
【請求項６】
前記慣性計測ユニットから前記加速度データおよび角速度データを取得し、取得した前記角速度データを用いて、前記加速度データを世界座標系の補正加速度データに座標変換する座標変換手段と、
前記慣性計測ユニットから前記加速度データを取得し、取得した前記補正加速度データを用いて少なくとも一つの前記歩行フェーズを検出する歩行フェーズ検出手段と、
前記座標変換手段から前記補正加速度データを取得し、取得した前記補正加速度データを時間積分して前記速度データを計算する第１積分手段と、
前記歩行フェーズと前記速度データとを用いて、それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記補正量を計算する補正量計算手段と、
前記各歩行フェーズに対応する補正量を前記速度データから減じて前記補正速度データを計算する減算手段と、
前記補正速度データを時間積分して前記軌跡データを計算する第２積分手段とを有する請求項１に記載の歩容計測システム。
【請求項７】
前記座標変換手段は、
Ｍａｄｇｗｉｃｋの手法を用いて、前記加速度データを世界座標系の補正加速度データに座標変換する請求項５または６に記載の歩容計測システム。
【請求項８】
前記慣性計測ユニットを含み、前記慣性計測ユニットによって少なくとも前記加速度データを取得する取得装置と、
前記指標計算装置によって算出される前記歩容指標を表示する表示装置とを備える請求項１乃至７のいずれか一項に記載の歩容計測システム。
【請求項９】
慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出し、
前記加速度データを時間積分して速度データを計算し、
前記歩行フェーズと前記速度データとを用いてそれぞれの前記歩行フェーズに対応する補正量を計算し、
それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記速度データから前記補正量を減じて補正速度データを計算し、
算出した前記補正速度データを時間積分して軌跡データを算出し、
算出された前記軌跡データを用いて歩容指標を計算する歩容計測方法。
【請求項１０】
慣性計測ユニットによって計測される加速度データから少なくとも一つの歩行フェーズを検出する処理と、
前記加速度データを時間積分して速度データを計算する処理と、
前記歩行フェーズと前記速度データとを用いてそれぞれの前記歩行フェーズに対応する補正量を計算する処理と、
それぞれの前記歩行フェーズに対応する前記速度データから前記補正量を減じて補正速度データを計算する処理と、
算出した前記補正速度データを時間積分して軌跡データを算出する処理と、
算出された前記軌跡データを用いて歩容指標を計算する処理とをコンピュータに実行させるプログラム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムが備える軌跡計算装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図３】歩行フェーズについて説明するための概念図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムが用いる加速度データについて説明するためのグラフである。
【図５】下肢荷重の時間変化について説明するためのグラフである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムが算出する速度データの一例を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムが速度データに第１補正量を適用した際に得られるグラフの一例を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムが速度データに第１補正量と第２補正量とを適用した際に得られるグラフの一例を示すグラフである。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る歩容計測システムの動作について説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る歩容計測システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る歩容計測システムが備える軌跡計算装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る歩容計測システムが用いる加速度データおよび角速度データについて説明するためのグラフである。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る歩容計測システムが算出する補正加速度データの一例を示すグラフである。
【図１４】本発明の第２の実施形態の変形例に係る歩容計測システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る歩容計測システムの動作について説明するためのフローチャートである。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る歩容計測システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図１７】本発明の各実施形態に係る歩容計測システムに含まれるハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
例えば、取得装置２１は、加速度計および角速度計を含むＩＭＵによって実現される。例えば、取得装置２１は、クリップ等を使用して靴に取り付けられたり、靴の中のインソールに内蔵されたりして、３方向の加速度および３軸の角速度を計測する。なお、取得装置２１は、両足に取り付けられてもよいし、片足のみに取り付けられてもよい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８７】
軌跡計算装置２２は、取得装置２１と指標計算装置２３とに接続される。軌跡計算装置２２は、取得装置２１から加速度データおよび角速度データを受信する。軌跡計算装置２２は、角速度データを用いて加速度データの座標系を世界座標系に座標変換して補正加速度データを生成する。軌跡計算装置２２は、座標変換された補正加速度データを用いて軌跡データを計算する。軌跡計算装置２２は、算出した軌跡データを指標計算装置２３に送信する。軌跡計算装置２２の具体的な機能や構成については後述する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９３】
図１２は、１歩行周期における右足の爪先部分に装着された取得装置２１によって計測される加速度の時間変化を示すデータ（以下、加速度波形とも呼ぶ）と角速度の時間変化を示すデータ（以下、角速度波形とも呼ぶ）との一例である。図１２から分かるように、踵接地および爪先離地の瞬間に大きな加速度・角速度が生じる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０６】
減算部２２４は、第１積分部２２２、補正量計算部２２３、および第２積分部２２５に接続される。減算部２２４は、第１積分部２２２から速度データを受信する。また、減算部２２４は、補正量計算部２２３から第１補正量および第２補正量を受信する。減算部２２４は、受信した速度データから、第１補正量と第２補正量とを減算して補正速度データを計算する。減算部２２４は、算出した補正速度データを第２積分部２２５に送信する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１１】
以上が、本実施形態の歩容計測システム２の構成についての説明である。なお、図１０〜図１１を用いた歩容計測システム２の構成は一例であって、本実施形態の歩容計測システム２の構成をそのままの形態に限定するわけではない。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１４】
次に、軌跡計算装置２２の座標変換部２２０が、加速度データと角速度データを用いて補正加速度データを計算する（ステップＳ２２）。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１５】
次に、軌跡計算装置２２の歩行フェーズ検出部２２１が、補正加速度データから歩行フェーズを検出する（ステップＳ２３）。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２８】
図１６は、本実施形態の歩容計測システム３０の構成を示すブロック図である。図１６のように、歩容計測システム３０は、軌跡計算装置３２および指標計算装置３３を備える。歩容計測システム３０は、取得装置３１と送信装置３４とに接続される。取得装置３１および送信装置３４は、第１の実施形態の歩容計測システム１の取得装置１１および送信装置１４と同様の構成である。例えば、取得装置３１は、慣性計測ユニットを含む。
【国際調査報告】
2020105115.tif 000034
2020105115.tif 000035
2020105115.tif 000036
2020105115.tif 000037