情報処理学会 インタラクション 2019
IPSJ Interaction 2019

1B-22
2019/3/6

ぴたっとキャプチャー２~ひざ下へ取り付け角度を推定する慣性モーションセンサ~
松下宗一郎†1
概要：歩行における身体運動には健康状態をはじめとする重要な情報が含まれていることから，様々な手法による評価手法の研究が進められている．本研究では利用者のひざ下に設置した慣性モーションセンサについて，歩行時に計測される運動信号の特徴から装着角度を推定する手法の検討を行った．その結果，角速度信号の時間積算による姿勢角トラッキングにより，足の中心軸周りでのセンサの取り付け角度を 5 度程度の精度で推定できることが分かった．

1. は じ め に	  	 2. ひ ざ 下 装 着 型 モ ー シ ョ ン セ ン サ デ バ イ ス	  歩行における身体運動には健康状態をはじめとする重要	  図 1 に本研究にて用いた慣性モーションセンサデバイスな情報が含まれていることから，様々な手法による評価手を示す．デバイスには 9 軸慣性モーションセンサ IC，マイ法の研究が進められている．例えば，体格や歩き方の違い

クロコントローラ，マイクロ SD メモリカード，並びにバといった個人差に対し，複雑な変化が生じる身体運動を正ッテリーを搭載しており，サンプリング周波数 100Hz にて確に計測する技術としては，利用者の身体上に設置した位連続 14 時間の運動データ記録を行うことができる．センサ

置基準点（マーカー）をカメラにて撮影し，三次元位置座のサイズは縦 40標を推定するモーションキャプチャーが広く用いられていへの装着が可能である．また，温度補償処理を行うことでる．一方で，カメラを用いる運動計測手法では，機材設置角速度のゼロ点ドリフトは約 0.1dps 以内となっている．そや計測システムの運用コストといった視点からは，日常生して，文献[2]にて報告がなされている 3

活において気軽に利用できるものとはなっていない．そこ

勢角表現（Rotation Matrix）を用いたモーショントラッキン

で，近年小型ならびに高性能化が進んでいる慣性モーショ

グ演算により，図 1 に示したセンサの x, y, z の各軸の方位ンセンサデバイスを利用者の身体に装着する手法の検討がベクトル（direction cosine）を絶対静止座標上にて得ること行われている．例えば，Hu らは可用性を高めるためにモーができる．ここで，デバイスは市販のひざサポーターバンションセンサデバイスの台数を片足あたり４個にまで低減ドに縫い付けられた状態にて設置されているが，身体が曲しつつ，下肢の運動にて高い計測精度が得られることを報面にて構成されていることや足の形状の個人差等により，告している [1]．また，甲斐らが提案している小型軽量な取り付け位置にずれが生じる．そこで，センサ位置のずれセンサデバイスを注目する身体部位に１箇所のみ設置するは足を中心軸とする円周上にて起きるものと仮定し，センシステムでは，正確な運動情報を得ることは困難であるもサのｘ軸が正面前方に向かっているときを基準としたオフのの，注目部位の姿勢角変動を任意の視点から観測するこセット角にて表現することを考える．すなわち，オフセッとで主観的な運動評価を行える可能性を示している[2]．しト角がゼロ度である場合には，センサデバイスのｘ軸が足かしながら，センサデバイスの身体への装着位置を正確にの正面前方方向と一致する．

横 55mm，厚さ 20mm であり，ズボン下3 行列による姿維持するために専用の装具等を用いることが多く，圧接力が長時間作用することによる不快感といった観点からも，日常生活における気軽な利用には適していない状況となっていた．	  そこで本研究では市販のひざ保護用サポーターバンドを用いることで，弱めの圧接力にて設置した慣性モーション
センサデバイスの取り付け位置を推定する信号処理アルゴリズムの検討を行った．ここでは，長時間の装着における位置ずれが生じにくいとともに，日常生活における身体運動の妨げとならないことを考慮し，デバイスを足の外側に沿って装着することとした．
図 1	  ひざ下に取り付けた慣性モーションセンサデバイス†1 東京工科大学コンピュータサイエンス学部© 2019 Information Processing Society of Japan262

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内にて約 10 度の緩やかなオフセット角変動が認められた．
ここで，数分間といった比較的短い時間の中ではオフセッ
ト角度はほとんど一定であったことから，約 10 度という取り付け角変動は，センサの取り付け位置がゆっくりとずれていったことによるものと考えられる．一方で，階段の昇降時や，極端な曲線路等にてひざ下の回旋運動が進行方向に沿っていない歩行では，オフセット角の推定値が短時間にて大きく変動していることが分かった．このような条件
図 2	  直線路歩行における STL とセンサ位置との関係

では，「足の振り」という視点からはセンサ取り付け位置推
定の計算手法が前提としている歩行運動から大きく外れた	  ここで，角速度センサのゼロ点ドリフトを始めとする誤運動が生じていたことが推察される．一方で，ゆるやかな差特性により，絶対静止座標上での方位ベクトルには時間曲線路やなだらかな勾配路における継続的な歩行では，概経過とともに大きな計算誤差が蓄積されることが知られて

ね 5 度以内程度の誤差範囲での位置推定が行われていた．

いる．そこで本研究では，1 秒間といった単位時間内に絶対座標系上にてセンサの各軸に沿った単位ベクトルが描く
軌跡長（STL : Spherical Trace Length）を運動評価に用いることを考えた[3]．そして，センサデバイスの取り付け位置が足周りにて変化する際に，図 1 における y 軸周りでの角度変化が生じることから，オフセット角θの変化に対するSTL を計算する．このとき，センサの z 軸と x 軸の方位ベクトルをそれぞれ a, b とすると，オフセット角θにより補正された歩行観測軸ベクトル z'は，z' = a cosθ+ b sinθにて計算することができる．図 2 は健常者における直線路の歩行におけるｚ軸の STL 値を，オフセット角を 5 度刻みにて変化しつつ計算した結果であり，約 5 度の位置にて極小値をとっていることが分かる．ここで，z 軸の STL は歩行を横から見た際に，ひざ下の部分に生じた姿勢のぶれを反映しており，歩行に伴う足の振りに起因する成分が STL に混入していく度合が観測されているものと考えられる．

図 3	  センサ取り付け位置の推定実験結果

3. セ ン サ 取 り 付 け 角 度 の 推 定 実 験

4. 結 論 お よ び 今 後 の 展 望	  ひざ下でのセンサ取り付け位置を推定する計算手法の正	  本研究では利用者のひざ下に小型軽量なモーションセン当性を検証するため，ゆるやかな曲線路（半径約 65m, 片サデバイスを 1 点のみ設置する状況において，歩行の様態道約 90m）において，異なるスピードにて歩行した際のオに対しロバストにセンサの取り付け位置を推定することがフセット角の推定実験を行った．また，身体装着時のセンできる可能性を見出した．今後は疲労による歩行様態の変

サｚ軸は前進方向へ約 12 度回転した状態となっていた．

化といった運動パラメータの検討を進めることで，日常的	  続いて，歩行時に計測された角速度信号からセンサ取りな健康管理への適用を目指して行きたいと考えている．

付けのオフセット角（1 度刻み）に対する z 軸 STL の値を1 秒ごとに計算し，最小の STL 値を与える角度の値を抽出した．図 3 上段はオフセット角の推移を示したものであり，参考文献[1]

下段に記載したｚ軸周りの角速度変化により，歩行状況との照合を行うことができる．この結果，中速(mid.)，低速(slow)，高速(fast)での曲線路歩行に対し，概ね 10〜15 度の[2]範囲でオフセット角の推定が行えていることが分かった．	  続いて，同じ被験者の日常生活におけるセンサ取り付け位置を推定する実験を行った．起床時から 14 時間にわたる運動信号計測に対し，z 軸 STL が最小値を与えるセンサ位置オフセット角を探索する計算を行ったところ，測定時間© 2019 Information Processing Society of Japan[3]

Hu X, Yao C., Soh G.S., "Performance evaluation of lower limb
ambulatory measurement using reduced Inertial Measurement
Units and 3R gait model, 2015 IEEE Int. Conf. on Rehabilitation
Robotics (ICOPR), pp.549-554 (2015).
甲斐美月，松下宗一郎,:ぴたっとキャプチャー〜日常生活で使えるモーションキャプチャーの提案〜，インタラクション
2017，発表番号 1-404-49（2017）．
松下宗一郎，菅野谷知佳，出口智基，八木浩一，愛甲丞，瀬戸泰之，手首装着型運動センサによる内視鏡下鉗子操作技量
評価~手首傾斜角と回旋角による手術鉗子操作状況の可視化~，日本コンピュータ外科学会大会，J. JSCAS, Vol.20, No.4,
pp. 316-317（2018）．

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