静電気学会誌，38, 4（2014）183-188

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

帯電した人体の動きによって発生する誘導電圧を利用した動作判別
渡邊 政宏 ，市川 紀充＊，坂本 哲夫＊＊, 1＊＊（2014年1月24日受付；2014年7月5日受理）

Movement Discrimination Using an Induced Voltage Generated by
the Movement of a Charged Human Body＊＊＊, 1Masahiro WATANABE , Norimitsu ICHIKAWA＊＊

and Tetsuo SAKAMOTO(Received January 24, 2014 ; Accepted July 5, 2014)
Currently, an increase of solitary death of elderly people living alone has become a problem. The camera is used to confirm
the safety of the person living alone. However, because there is a problem of privacy, it is necessary to devise other means. In
order to confirm the safety of the person living alone, we examined monitoring method using a change in human bodypotential. We measure the induced voltage generated by the movement of the human body. We try the movement
discrimination and safety confirmation by the frequency analysis of the induced voltage．

1．はじめにの利用頻度をインターネット経由で送信するシステムも現在，高齢者をはじめとする独居者が近隣に気づかれ普及している．

ずに亡くなり，日数が経過してから発見される，いわゆ

独居者の安否を確認する方法は様々あるが，安否の確る孤独死の増加が問題となっている．日本の高齢者数や認だけでなく，現状の確認を行うことも可能な場合，孤一人暮らし世帯数も増加しており，孤独死は今後も増加独死数を低減できると考えられる．独居者の安否確認及することが見込まれている．

び現状確認を行える最適な方法はカメラを使用すること

独居者の孤独死対策として，地域による自治会コミュである．カメラを使用することで，独居者の様子をリアニティに参加する，訪問介護や訪問サービス等を利用す

ルタイムかつ目視で確認することが出来るからである．

るという方法がある．その他にも孤独死対策機器を使用

しかし，プライバシー保護の問題があるため，この方法するという方法もある．

を使用することは稀である．したがって，カメラを使用

一般的な孤独死対策機器として，センサを用いた遠隔監視サービスという対策方法がある．これらは人体の動せずに安否確認及び現状確認が可能な孤独死対策を考える必要がある．

きを感知することで安否確認を行っている．使用場所は独居者がどのような動きをしているか判別出来れば，主に屋内で，ドアの開閉や照明の点消灯，トイレの使用現状確認として役立つと考えられる．そこで，独居者の時に反応するようになっている．これらの反応情報を見動作を何らかの方法で判別することで，安否確認及び現守り役の住民に送信し，反応がない場合には警告メッセ状確認が可能ではないかと考えた．

ージとして伝わるようになっている．また，電気ポット動作判別法には様々な方法がある．撮影した動画像を画像処理することによるモーションキャプチャやジャイ

キーワード：非接触検出，静電誘導，人体電位，人体の動作，周波数解析＊
工学院大学大学院工学研究科電気・電子工学専攻（〒192-0015 東京都八王子市中野町 2665-1）
Major in Electrical and Electronic Engineering, graduate
school of Engineering, Kogakuin University, 2665-1,
Nakanomachi, Hachioji, Tokyo 192, Japan＊＊
工学院大学電気システム工学科（〒192-0015 東京都八王子市中野町 2665-1）
Department of Electrical engineering, Kogakuin University,
2665-1, Nakanomachi, Hachioji, Tokyo 192, Japan1ichikawa@cc.kogakuin.ac.jp

ロセンサ等を被験者に装着し，その計測データから人体の動作を判別する方法等がある．このような研究の

1, 2）

中から，人体の主な動作として，歩行動作のデータを測定する方法に着眼してみる．
歩行動作のデータを測定する方法も様々なものがある
が，その中に，人体が動作した時に生じる人体電位の変化を利用した測定法がある ．これら人体電位の研究では，
3）接触型の電極を使用することで被験者の歩行時の電位の変化を測定していた．また，非接触による人体電位の変化を測定する方法も存在する．これらの研究

では，人体

4, 5）

184（30）

静電気学会誌 第38巻 第 4 号（2014）の近くに導体を配置し，その導体に誘起する電位と人体のと考えられる．このような場合，銅板間の距離を変える動作の関係を検討しているが，人体と導体間の距離が離ことで銅板間の静電容量を調整する方法等が考えられる．

れると測定が困難になることが問題といえる．他方，次に測定装置はアクリル板上で人体等の帯電した物体が動説明する本研究の提案手法は，床内部に導体を配置する

作した時に浮遊電位の銅板に生じる誘導電圧を計測することを想定しており，そのような問題を解決できる．

ため，表面電位計，オシロスコープ，パーソナルコンピ

筆者らは独居者の安否確認及び動作判別を可能とする

ュータという順番で接続している．各使用器具には，表ため，各種動作時に発生する人体電圧を床内部の導体に面電位計はトレックジャパン社製の MODEL347，オシ誘起させ，その導体の電位の変化を測定し，その測定デー

ロスコープはアジレント・テクノロジー社製の U1604A，タを利用したモニタリング法を検討した．このような非接パーソナルコンピュータは DELL 社製の Vostro1520 を触測定にすることで，被験者に対する負担が抑えられるの用いた．表面電位計を用いて浮遊電位の銅板に誘導されではないかと考えられる．この測定法を用いることで，一た電圧を測定し，測定された値をオシロスコープで波形般家屋やビル，病院等の建物内のモニタリングとして利用とする．その後，パーソナルコンピュータでその波形デできると考えられる．本論文では，人体の動きによって発ータを保存・解析する．

生する誘導電圧を測定し，その誘導電圧を周波数解析す測定した誘導電圧を周波数解析するため，パーソナルることで安否確認及び動作判別を試みた結果を報告する．

コンピュータで解析ソフト（ OriginPro9.0J ）を使用し，このソフト内で高速フーリエ変換を行った．そのソフト

2．実験装置を使用することで，誘導電圧波形をスペクトルとして表

図 1 は建物内で帯電した人体が歩行等の動作を行ったすことが出来る．

時に非接触で誘導電圧を検出するシステムを示してい被験者は測定時にポリ塩化ビニール製のスリッパを履る．本システムは実験床と測定装置から構成されている．

いた．また，起立・着席時には一般的に使用される丸椅

実験床は各種動作を行う必要があるため，縦 1 m ×横子を使用した．使用した椅子は，座部分がポリエチレン，2 m の大きさとした．本実験では，各種動作時に発生す脚部分がスチールパイプの構造になっている．使用時のる誘導電圧を測定するため，帯電した物体と接触する部

服装は一般家屋の部屋での使用を想定し，ポリエステル分は電荷の逃げにくい素材としてアクリル板を使用した．

や綿を素材とした服装を使用した．

非接触で誘導電圧を測定するため，実験床は下から，接地された銅板（縦 1 m ×横 2 m ×厚さ 1 mm ），発泡スチ

3．実験方法ロール（縦 1 m ×横 2 m ×厚さ 196 mm ），浮遊電位の銅3.1 実験準備板（縦 1 m ×横 2 m ×厚さ 1 mm ），アクリル板（縦 1 m

本実験では人体の基本動作を行い，その時の浮遊電位×横 2 m ×厚さ 2 mm ）の順番で重ねた．実験床の銅板の銅板に生じる誘導電圧を測定する．基本動作は足踏み間の静電容量は銅板に表れる電圧を人体の帯電電位の 1/2動作，起立動作，着席動作とした．足踏み動作はその場にするため，人体の静電容量である約 100 pF になるようで足踏み動作を行う．起立動作は椅子を使用し，その椅に設計した．また，実験床の面積を増加させた場合，銅子に着席した状態から起立する動作を行う．着席動作は板間の静電容量は増加し，銅板に表れる電圧が低下する

起立した状態からその椅子に着席する動作を行う．

図 1 実験装置配置図
Fig.1 Experiment setup.

帯電した人体の動きによって発生する誘導電圧を利用した動作判別（渡邊 政宏ら）
測定は次の手順で行った．測定準備として，アクリル185（31）でそのままの状態を維持した．

板の初期帯電電荷を失くすため，アクリル板をエタノー

各種動作の測定を複数回行い，それらが完了した後，ルで拭いた．次に，人体の初期帯電を防ぐため，被験者測定した誘導電圧の値を高速フーリエ変換する．その後，はアース線に手で触れ，電位計で人体電位が 0 V である

誘導電圧波形及び高速フーリエ変換後の波形から動作判ことを確認する．また，その際に浮遊電位の銅板にもア別の検討を行った．本実験はいずれも同一の被験者によース線を接触させることで，浮遊電位の銅板も電位が 0る測定を行った．被験者は身長 177cm，体重 73kg の一V であることを確認する．以上の手順を踏まえた上で各般的な男性である．

種動作を行い，誘導電圧を測定する．なお，測定時間は一動作につき 20 秒とし，1 回の測定終了時には再度エ4．実験結果及び考察

タノールによるアクリル板の除電をし，被験者と浮遊電4.1 各種動作の誘導電圧位の銅板を接地する．

実験床上で足踏み動作を行った場合の誘導電圧を測定

実験は温度約 12 ℃，相対湿度約 52 ％の室内で行った．

した結果を図 （3 a）に示す．複数回実験を行っても同様

3.2 実験方法の誘導電圧が得られることを示すために，2 回目と 3 回測定準備が完了した後，被験者は測定開始から数秒後目の測定結果（図 （3 b），図 （3 c））も載せた．測定開始に動作を開始する．各種動作の手順として，足踏み動作は後に右足から足踏み動作を始め，誘導電圧は片足を上げスリッパを履き，アクリル板上で靴底と測定床の間隔を約たタイミングで最大値となり，両足着地したタイミング

30 cm として，その場での足踏み動作を行う．足踏み動作で最低値となることがわかる．これは人体と銅板との間をする際，足踏みする位置をアクリル板上にマークしておの静電容量が足踏み動作により変化することによって浮き，毎回その位置に靴底が来るように足踏み動作を行う．

遊電位の銅板の誘導電圧の値が変化するからである．片この時，足踏み動作を行う時間を 10 秒とする．また，足足を上げた時には人体の静電容量が小さくなるため，V踏み間隔として，片足を上げてから降ろすまでの時間を 1＝ Q/C（ Q：電荷，C：静電容量，V：電圧）より，誘秒とする．測定開始から 2 秒後に動作を開始し，10 秒間導電圧の値が大きくなる．誘導電圧は足踏みを繰り返すの動作後は起立状態のまま測定終了時間まで待機する．

度に徐々に減少していくことがわかる．これは動作を行

次に，起立動作はスリッパを履き，アクリル板上に丸う度に浮遊電位の銅板に誘導される負極性の電荷が徐々椅子を置き，図 2 のように丸椅子に着席した状態から起に増加しているからだと考えられる．足踏み動作を停止

立動作を行う．この時，人体の初期接地は着席した状態し，両足着地の状態を維持し始めると同時に誘導電圧ので行う．起立時は椅子に手を触れることなく，そのまま値は徐々に 0 V へと近づいた．この理由は，動作を停止立ち上がるものとする．測定開始後から 4 秒後に起立動させることで新たな電荷が発生せず，浮遊電位の銅板に作を開始した．起立後は測定時間終了までそのままの状残留していた電荷は接地された銅板等を通じてリークし態を維持した．ているからである．

最後に，着席動作は起立動作後（図 2 参照）に人体を図 2 のように実験床上に椅子を置き，起立動作を行っ接地し，起立した状態から行う．着席時は椅子に手を触た場合の誘導電圧を測定した結果を図 （4 a）に示す．図 3

れることなく，そのまま椅子に座るものとする．着席動と同様に，2 回目と 3 回目の測定結果（図 （4 b），図 （4 c））

作の測定も起立動作時の測定と同じく，測定開始後からも載せた．測定を開始した 4 秒後に椅子から立ち上がり，4 秒後に着席動作を開始した．着席後は測定時間終了ま立ち上がると同時に誘導電圧は上昇した．これは臀部（ズボン）と椅子表面との電荷分離によるものだと考えられる．この時，臀部側が正極，椅子表面側が負極に帯電していたことが確認出来た．電圧極性の確認は，人体が椅子から立ち上がったとき，椅子に接触していた臀部と椅子の座面（表面）に表面電位計を近づけて実施した．誘導電圧が最大 78 V に達した後，足踏み動作の時と同じように 0 V へと近づいた．
起立時と同じように，実験床上に椅子を置き，着席動

図 2 起立・着席動作
Fig.2 Standing and Seating motion.

作を行った場合の誘導電圧を測定した結果を図 （5 a）に示す．図 3 と同様に，2 回目と 3 回目の測定結果（図 （5 b）
，186（32）

静電気学会誌 第38巻 第 4 号（2014）
図（5 c））も載せた．こちらも測定を開始した 4 秒後に椅子に座り，座ると同時に誘導電圧は減少した．これは臀部と椅子表面とが接触した際，起立動作時に椅子表面に帯電した負極性電荷との接触が原因で人体が負極性に帯電し，浮遊電位の銅板の電位が負極性になったためと考えられる．誘導電圧が最大⊖52 V に達した後，誘導電圧の値は他の動作と同じように 0 V に近づいた．起立動
作と着席動作の波形は最大誘導電圧の値こそ若干異なるが，ほぼ対照的な波形となることがわかる．
この結果から，足踏み動作，起立動作，着席動作を行った際の誘導電圧波形は全く異なる波形であることがわかる．また，複数回の電圧波形を比較した場合，これら
図 3 足踏み動作の誘導電圧
Fig.3 Induced voltage of walking motion.の波形はどれも極性や最大誘導電圧値，波形パターンが類似していることがわかる．これらの波形から動作判別を行うことも可能であると考えられるが，床材や履物，相対湿度が変化しただけでも，極性が逆転することや誘導電圧値が大きく変化することもある．したがって，

6, 7）

誘導電圧波形だけでは動作判別の要素としては不十分と考えられる．以上の理由から，誘導電圧を高速フーリエ変換し，周波数解析した結果を用いて，次のように人体の動作判別を試みた．

4.2 各種動作時に生じる誘導電圧の高速フーリエ変換
各種動作時に生じる誘導電圧の高速フーリエ変換後のスペクトルから，その動作の特徴として認識できるスペクトルを確認する．高速フーリエ変換した結果，特徴として認識出来るのは周波数帯域とスペクトルの各ピーク値である．足踏み動作を行った場合の誘導電圧を高速フーリエ変換した結果を図 6 に示す．最大スペクトルは約
図 4 起立動作の誘導電圧
Fig.4 Induced voltage of standing motion.

0.05 Hz で 61.1 V である．その他の特徴的なスペクトルは約 1.0 Hz で 20.3 V，約 2.0 Hz で 14.0 V，約 3.0 Hz で7.8 V である．歩行動作のスペクトルには，1 Hz に特徴的なスペクトルが確認できる．これは 1 秒周期で歩行しているからだと考えられる．この結果から，足踏み動作のスペクトルには合計 4 つほどの特徴として認識できるスペクトルが確認できる．
起立動作を行った場合の誘導電圧を高速フーリエ変換した結果を図 7 に示す．最大スペクトルは約 0.04 Hz で28.9 V である．起立動作のスペクトルでは，特徴として認識できるスペクトルは約 0.04 Hz の最大スペクトルのみである．これは起立動作のような単発的な動作の時の誘導電圧波形は周期的な波形ではないため，高速フーリエ変換を行ってもその特性上，特徴的なスペクトルが表れないからだと考えられる．

図 5 着席動作の誘導電圧
Fig.5 Induced voltage of seating motion.

着席動作を行った場合の誘導電圧を高速フーリエ変換した結果を図 8 に示す．最大スペクトルは図 7 の結果と同帯電した人体の動きによって発生する誘導電圧を利用した動作判別（渡邊 政宏ら）

187（33）

ど動作判別出来る可能性が高いと考えられる．逆に，起立・着席動作は波形が類似しており，最大スペクトルの値が異なる程度にしか違いがない．したがって，このような単発的な動作の判別は高速フーリエ変換後のスペクトルでは不向きと考えられる．

5．人体電位の変化及び誘導プロセス
本研究では，人体の各種動作の際に浮遊電位の銅板に
図 6 足踏み動作のスペクトル
Fig.6 Frequency spectrum of walking motion.

生じる誘導電圧を測定した．ここでは，実際の人体電位の変化や浮遊電位の銅板への誘導プロセスを検討する．
実際の人体電位の変化を測定するため，接触型の測定方法を使用する．その際の測定には図 9 の実験装置を使用した．この実験装置を用いることで，本実験に使用した実験装置を大幅に変更することなく，非接触型から接触型に測定方法を変更することができる．
図 9 の実験装置の PVC パイプ間に張った銅線の中央から垂れている銅線（図中の①）を被験者が手で握り，その銅線と繋がっている支柱に取り付けた銅板（図中の②）に表面電位計のセンサを図 1 と同じように配置し，人体電位

図 7 起立動作のスペクトル
Fig.7 Frequency spectrum of standing motion.の変化を測定した．その状態で足踏み動作を行った結果を
図 10 に示す．なお，図 10 の波形は図 3 の波形と同時に測定してはいないため，完全な同期波形ではない．

図 8 着席動作のスペクトル
Fig.8 Frequency spectrum of seating motion.

様に約 0.04 Hz で，その大きさは 13.8 V である．この理由
も起立動作時と同じく，着席動作が単発的な動作であるからだと考えられる．歩行動作，起立動作，着席動作のスペ

図 9 接触型人体電位測定装置
Fig.9 Contact type human body potential measuring device.

クトルには約 0.05 Hz の辺りに大きく特徴的なスペクトルが存在する．これは動作後のリーク部分や動作開始前の部分の波形のスペクトルだと考えられる．測定を 20 秒間行っているので，1 周期が 20 秒と考えると，周波数に変換した場合に約 0.05 Hz になる．したがって，約 0.05 Hz の辺りにスペクトルが大きく表れると考えらえる．
これらの結果から，動作毎にスペクトルの大きさや周波数帯域などが異なることがわかる．足踏み動作のような反復性のある動作は，特徴として認識できるスペクトルが複数確認でき，このような動作判別の要素が多いほ図 10 接触型による足踏み動作時の人体の帯電電位
Fig.10 Human body potential of walking.

静電気学会誌 第38巻 第 4 号（2014）

188（34）

図 10 の実験結果から，人体の帯電電位は非接触型の実部分を認識し，そこから動作判別を行う方法を試みた．

験装置で測定した波形の値（図 3 参照）よりも全体的にその結果，各種動作時に発生する誘導電圧波形は全く大きくなることがわかる．このように浮遊電位の銅板に異なる波形であり，これらの波形から動作判別が可能で生じる誘導電圧は人体の帯電電位の約 1/10 の値となる．

あると考えられるが，測定環境が異なることで波形が大このため，本研究のように人体電位が数十 V 以上変化すきく変化する可能性がある．したがって，これらの波形る時は，十分対応できる測定法であると考えられる．

だけではなく，誘導電圧波形を高速フーリエ変換し，周非接触型で測定した足踏み動作時の誘導電圧の波形波数解析した結果も用いての人体の動作判別を試みた．

（図 3 参照）は正極性になったが，接触型で測定した足誘導電圧波形を高速フーリエ変換したスペクトルでは足踏み動作時の人体帯電電位の波形（図 10 参照）は負極

踏み動作等の規則性のある動作は動作判別の要素が多性になった．これは靴底とアクリル板間で発生した電荷く，動作判別が可能であると考えられる．しかし，起立・が帯電列に従って誘導された結果と考えられる．この結着席動作等の単発的な動作の判別は波形の特徴が少ない

果を検討するため，筆者らはどのようなプロセスでそれ点から，高速フーリエ変換後のスペクトルでは動作判別ぞれの電圧極性が決定するかを次のように測定した．には不向きであることがわかった．

測定準備は 3. 実験方法と同じ方法を行った．被験者

したがって，各種波形単体で動作判別をするのではなの右足を上げた瞬間の浮遊電位の銅板，上げた状態を維く，誘導電圧波形とスペクトル波形の 2 つの波形を動作持している右足の靴底，右足の靴底が接触していた位置判別の要素として考慮することで，動作判別が可能であのアクリル板の表面（表側）の電位を測定し，その結果ると考えられる．
本研究の結果，足踏み動作等を認識することによる独を表 1 に示す．
表 1 より，浮遊電位の銅板とアクリル板の表側の表面

居者の孤独死対策としてのモニタリング法を示すことがが正極性電圧，右足の靴底が負極性電圧になることがわ出来た．今後の課題として，ビルや病院でモニタリングかる．したがって，まず靴底に負極性，アクリル板の表するために広範囲かつ複数人数での測定の検討，一般家側に正極性の電荷が誘導される．分極により，アクリル屋等の様々な場面を想定した床材・履物を使用した測板の裏側には負極性電荷が生じる．その結果，浮遊電位定，足踏みではない連続歩行等の様々な動作の測定が考の銅板に正極性電荷が誘導される．以上の理由から，浮えられる．

遊電位の銅板は正極性電圧になると考えられる．
参考文献

6．まとめ

1） R. Williamson and B.J. Andrews: Detecting absolute human

本研究では，人体が動作した時に生じる人体電位の変化を利用した測定法を用いることで，独居者の安否確認

knee angle and angular velocity using accelerometers and rate
gyroscopes. Med.Biol.Eng. Comput., 39（2001）294

及び動作判別が可能となるのではないかと考えた．さら2） A. Mansfield and G.M. Lyons: The use of accelerometry toに，プライバシー保護を考え，被験者に対する負担も抑detect heel contact events for use as a sensor in FES assisted

えるべく，非接触による測定法に着目した．そこで，各walking. Medical Engineering & Physics, 25（2003）879

種動作時に発生する人体電圧を床内部の導体に誘起さ3） 藤原修，岡崎勝，阿座上孝：歩行動作による人体の帯電せ，その導体の電位の変化を測定し，その測定データを特性．電子情報通信学会論文誌 C-II，J74-C- II（1991）652

利用したモニタリング法を検討した．測定した誘導電圧

4） K. Takiguchi, T. Wada, and S. Toyama: Human body Detection

波形と，その誘導電圧波形を高速フーリエ変換したスペthat Uses Electric Field by Walking. Journal of Advanced

クトルの両方の波形から，その動作の特徴が表れている

Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, 1（2007）294

表 1 浮遊電位の銅板と靴底，アクリル板の電圧及び電圧極性
Table 1 The voltage and its voltage polarity of Copper plate, Soleof the right foot, and Acrylic plate.

Measurement points

Voltage［V］

Voltage polarity

5） 栗田耕一，今井一雅，池龍美，野中徹：静電誘導現象を利用した室内人物移動検出の試み．計測自動制御学会論文集，47（2011）430
6） 増井典明：帯電した人体からの放電特性．静電気学会誌，
31（2007）236

Copper plate

40POSITIVE⊖497） 萩本安昭，松井満，村崎寛雄：歩行時の人体帯電電位変Sole of the right footNEGATIVE

Acrylic plate

117

POSITIVE

化に関する等価回路的検討．静電気学会誌，29（2005）275