情報処理学会 インタラクション 2018
IPSJ Interaction 2018

1B18
2018/3/5

SenShoe: センシング機能付きシューズによる足底圧力中心推定
稲葉このみ†1村井昭彦†2杉浦裕太†1杉本麻樹†1

概要： 歩行計測とその解析は医療・リハビリテーション分野において重要な課題である．本研究では靴型足底圧力計測デバイスの開発及び圧力中心推定を行う．本システムでは靴のソール部分にフォトリフレクタを設置し，ソールの変形から足底にかかる圧力を計測する．

SenShoe: Estimation of Center of Pressure Using Shoes with Sensors
KONOMI INABA†1 AKIHIKO MURAI†2
YUTA SUGIURA†1 MAKI SUGIMOTO†1
Abstract: Gait analysis is an important issue in the medical and rehabilitation field. We develop a shoe-type device to estimate
the center of pressure. Our system measures the deformations of the soles and estimates pressure using photoreflectors installed in
the sole of the shoes.

1. はじめに心推定を目的とする．複数のフォトリフレクタをソール部分に配置し，圧力によるソール部分の変形から各部位にか歩行は日常生活に密接にかかわる動作である．正しい姿

かる圧力を測定し，圧力中心の推定を行う．センサ部に直勢で歩行することで膝や腰への負担を減らすことができ，接的に負荷が加わらないため，システムの耐久力の向上や見た目も美しくなる．また様々な疾患で歩行障害がおこる

広いダイナミックレンジの確保ができる．

ことが知られており，健常者の歩行との差を定量的に評価することが求められる．このため，医療・リハビリテーシ

2. 関連研究ョン分野において歩行計測とその解析は重要な課題となっ

2.1 歩行解析ている．

歩行解析に対するアプローチとして筋電図計測や関節モ歩行計測の方法として，大きく 2 つに分類できる．1 つーメントの計測が行われる．筋電図計測では筋電計を用いは環境に設置したセンサを用いて計測する方法であり，もて表面筋電図を計測し，歩行に伴う足の人体電位の変化かう 1 つは身体に装着したウェアラブルセンサによる計測でら解析を行う．電位法を用いた研究として滝口の自然歩行ある．環境設置型のセンサの例として，光学式モーションデータ取得システム[5]が存在する．表面筋電図を計測する

キャプチャや床反力計，小澤らのレーザレンジファインダ

際は隣接している筋の活動も計測してしまうクロストークを用いた歩行計測システム[1]がある．センサを装着する手を考慮して計測を行う必要がある．

間が省けるが，計測する環境が限定される．

関節モーメントの計測ではフォースプレートと 3 次元動

そこで本手法は，身体に装着するアプローチを選択する．

作解析装置を組み合わせて得られたデータに逆動力学を適

ウェアラブルセンサを用いることで広い場所の確保が難し用し関節モーメントを算出するものが主流である．3 次元

い現場や日常生活の中での計測が可能となる．身体に装着

動作計測装置では被験者の身体に反射マーカーを貼り付けして歩行計測をする研究としては林らの移動式床反力計

複数のカメラで撮影をおこない，3 次元上の空間座標を取[2]や杉本らの行動認識システム[3]，渡邊らの歩行ナビゲー得する．フォースプレートによって足底圧力中心を求め，ションシステム[4]があるが，その中でも靴のインソール部関節モーメントを計算する．山本[6]は関節モーメントを求分に感圧センサを配置して圧力分布を計測するシステムがめ身体モデルにあてはめることで脳血管障害が歩行に及ぼ提案されている[5]．インソール型のセンサは直接このセンす特徴を検討した．歩幅やスライド長を算出することが可

サ部分に力が加わるため，耐久力に課題がある．

能であるが，3 次元動作計測用に専用の装置をとりつける

そこで本研究ではフォトリフレクタを用いた靴型足底圧力計測デバイスの開発，およびデバイスを使用した圧力中必要があるため計測に時間がかかる．
そこで，日常的に歩行時の軌跡を計測し評価する方法と†1 慶應義塾大学
Keio University.
†2 国立研究開発法人 産業技術総合研究所
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology© 2018 Information Processing Society of Japan253

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して足底圧力中心のみの測定も行われている．足底圧中心は健常者の場合踵から弧を書くように足の外側を通り拇指球付近から抜けていくとされる．偏平足や片麻痺患者の場合は異なる軌跡を描くため足底圧力中心を計測することで評価することができる．大塚らは変形性膝関節症の一般的な外科治療として普及している全人工膝関節置換術において，その手術前後での下肢アライメント変化と足圧中心軌跡の変移についての関連性を明らかにした[7]．
2.2 足底圧力中心解析装置
足底圧力中心を計測する装置は環境設置型と身体装着型に大別される．また，環境設置型と身体装着型それぞれの中でさらに床反力を計測するシステムと足底圧力分布を計測するシステムに分類される．
環境設置型ではセンサ自身を床に設置する．足底圧力分

図1

靴のソール部分に設置した光センサモジュールによ布をとるシステムとしてかかる圧力により電気抵抗値が変る足底圧力計測の原理化するマット型のシステムが，床反力をとるシステムとしFigure 1てひずみゲージを用いた床反力計が存在する．山崎[8]は床pressure by photoreflectors installed in the sole of the shoes

Measurement principle of estimating center of

反力計を用いて歩行運動の定量的評価を行い，障害度指数

靴底に圧力がかかると力の大きさに応じてソール部分について検討した．安定したデータをとることが可能だが，が変形するため，ソールにかかる圧力の大きさをセンサに計測場所が固定されるという欠点がある．

よって検知することができる． 開発した靴デバイスの外観

身体装着型は被験者の足に直接センサやデバイスを装着を図２に示す．靴デバイスは On 社の Cloud，フォトリフレする．大規模な設備が必要ないため日常的なシナリオでのクタ（コーデンシ製 SG-105）とマイクロコントローラ使用が可能である．装着型床反力計測システムには小型の（Arduino mini）で構成されている．ここでは各ソール部分床反力計を靴にとりつけたものが存在する[9]．しかし，床に１つずつ，合計で片足に 16 個のフォトリフレクタを設

反力計の重さや厚みが被験者の歩行に影響する可能性があ置し，マイクロコントローラに接続した．

る．
対して圧力計測システムは，インソール等に小型センサを埋め込む手法が一般的である．葉山ら[10]はインソール内にフォースセンサを配置した計測器を開発し，足圧中心軌跡を推定した．センサが歩行に与える影響は床反力計測システムよりも小さく，センサの配置により床反力計測システムよりもより多くのデータを得ることができる．グローバル座標系で表されていた設置型床反力計測で困難であった圧力中心の軌跡の評価が，ウェアラブルなデバイスで圧力を計測することで可能になる．一方でインソールにセ

図2ンサを埋め込む手法ではセンサに直接的に力が加わることFigure 2となり，耐久性が低いという欠点がある．

3. 実装
3.1 原理

靴型デバイス
Shoe-type device

3.2 センサ値の取得
靴デバイスを履き踵とつま先を 2 回ずつ踏んだ時の各センサのデータを図３に示す．図３から，足を踏んだ時にソール部分の底面と各センサの距離が変化していることが分提案手法では，フォトリフレクタを靴のソール部分の中かる．これにより足を踏むという動作を検出できると考えに底面を向くように設置し，セルの底とセンサの距離 d のられる．また，圧力が強くかかっている部位のセンサほど変化を計測することで，ソールの変形を検知する（図 1）．

強く反応するため，圧力中心の推定が可能だと考えられる．

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4. 終わりに本研究ではフォトリフレクタを用いた靴型足底圧力計測デバイスを提案し試作した．靴底のセルにフォトリフレクタを配置することでセンサの耐久度を保ったまま足底にかかる圧力の中心を測定することが可能となる．
今後は足底圧力中心の推定精度を評価する実験を実施す
る．さらに，地面と水平方向にもフォトリフレクタを配置し，剪断力を計測することを検討したい．剪断力とは面と水平方向にかかる力であり，剪断力を計測することで着地時に足にかかっている力の方向の計測ができる． 力の方向を調べることにより，詳細なユーザの歩行の癖に応じたインソールの作成が可能となると期待される．
図3
Figure 3

センサ値の可視化

The visualized data from sensors

3.3 圧力中心の推定

謝辞

本 研究 は ， 日 本学術 振 興 会 科 研 費（ 課 題 番 号

JP16H01741）の助成を受けたものである．

ホスト PC 上のソフトウェアでは取得したセンサ値から圧力中心の推定を行う．圧力中心位置は質点系の重心の参考文献計算式を応用して求められる．n はセンサの数，𝑃𝑖 は靴の各[1]セルに加わる圧力，𝑝𝑖 は i 番目のフォトリフレクタのセンサ値，𝑥𝑖 と𝑦𝑖 は i 番目のセンサの座標値，M は全てのセルに加わる力を足し合わせたものである．𝐹𝑖 はセルに加わる力とフォトリフレクタのセンサ値の関係を表す関数であり，今後，本シューズとフォースプレートを用いた実験により同定する．
1𝑥 = 𝑀 ∑𝑛𝑖=1 𝑃𝑖 𝑥𝑖 …（1）1𝑦 = 𝑀 ∑𝑛𝑖=1 𝑃𝑖 𝑦𝑖 …（2）𝑀 = ∑𝑛𝑖=1 𝑃𝑖 …（3）𝑃𝑖 = 𝐹𝑖 (𝑝𝑖 )... (4)
図 4 に推定を行っている様子を示す．

図4

𝑃𝑖 = 𝑝𝑖 と仮定した場合の圧力中心が時系列に変化している様子

Figure 4

Estimating center of pressure© 2018 Information Processing Society of Japan

小澤真裕美，萬礼応，村松哲哉，高橋正樹．レーザレンジフ
ァインダを用いた歩行計測システムの提案．日本機械学会論文集 C 編，79 巻，801 号，p325-335．2013-5-25．
[2] 林祐一郎，辻内伸好，小泉孝之，松田靖史，土屋陽太郎，井上喜雄．移動式床反力計を用いた制約のない健常者および大腿切断者の歩行運動解析．日本機械学会論文集Ｃ編．79
巻．805 号．p3059-3074．2013-09-25．
[3] 杉本千佳, 長井宏和, 江副亮介, 保坂寛, 佐々木健, 板生清,龍田成示, ウェアラブルセンサによる行動認識システムの開発(研究), マイクロメカトロニクス．51 巻．197 号．p1-12．
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2005．
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Chronic Hemiplegia, Journal of UOEH, Released March 14, 2014
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