計測自動制御学会東北支部第163回研究集会（19弧10．19）
資料番号163−16

加速度情報を用いた階段昇降移動量の推定法
Estimationofverticaldisplacementbyaccelerometerwhilemovingup／downbythestairs○伊奈淳．佐川貢−，猪岡光
OAtBuShiIna，KouichiSagawa，HikaruInooka

東北大学大学院情報科学研究科

GraduateSchoolofInねmationSciencesITohokuUniversity
キーワード：加速度波形（accelerationwaveform），歩行形腰（walkingstate），ハイパスフィルタ（highpa卓SRlter），積分開始点（integralinitiation），上下方向移動量（verticaldispLacement．）

連梅先：〒9純一77 仙台市青葉区荒巻字青葉東北大学大学院情報杵学研究科措同研究室
伊奈軌Tel・＝（022）217−7021．Fax∴（022）217−7019，E−mail：imaQcontrol．i＄．tOhokl C．jp

1．緒言

走を行う方法について考察する．

近年，高齢者や心臓痛を有する患者の日常生活での運動量を，無拘束で把握するための研究が多2．実験装置

く行われてVlる．特に，歩数計やカロリーカウン

タは，歩行による消費エネルギを簡単に求めるこ

実験装置の概略をFig・1に示す．Fig．1中の（Pre）とができることから，従来から多く使用されてきは予備実験でのみ用いたものを表す．加速度の検た．しかL，これらの装置では，階段昇降による消出には，互いに直行した3方向（Ⅹ＝前後，Yニ上費エネルギの違いを正確に求めることは不可能で下，Z＝左右）の加速度を検出する3軸加速度センある．これは，階段昇降時の歩行形態判別を行ってサ（共和電業社製AS−5TG，縦叫mm】，横44［mm】，いないためである．高橋らは，腰部加速度波形を厚さ叫mmj）を用い，これを専用のベルトに固定用い，いくつかの歩行形態に対Lてクラスタ分析して被験者の右膝に装着Lた．本実験では．X，Y，Z法により得られた基準波形群とのパターンマッチの3方向の信号をそれぞれアンプで増幅し，分解ングを行うことで，屋内歩行における歩行形態の能12bitのA／D変換ボードを通してサンプ1）ング判別を高い精度で行うことに成功Lている1）．そ周期10【ms】でコンピュータに取り込む．また歩行こで本報告では− きらに進んで．歩行形態に応じ中のつま先と踵の杜若地の情報を得るため，マイて，その上下方向移動量を上下方向加速度の2階クロスイッチを取り付けたサンダルを用いた．ま

積分により計算することで．階段昇降移動量の推た．歩行時の身体各部の動きを把握するため．歩ー1

性1名である．歩行中の足の各部の動きを把握するため，ここではPSDに代えてビデオカメラを用いた，

4．データ処理に由ける問題点およぴその解決法
4．1加速度センサの装着時の傾き角による計測誤差

加速度センサを腰部に装着するとき，センサは水平面に対してある傾き角を持つ状態で取り付け

Fig．1実験装置の概略図られる．この傾き角βをPSDを用いて調べた結果をFig．2の上のグラフに示す．このグラフより，加行の様子をビデオカメラで撮影した．

速度センサが歩行中に水平面から平均Lて約7度傾いていることが確認できる．センサの傾きによっ

3．実験方法て生じる重力加速度の感度方向成分は，階段昇降a．1 予備実験

移動量の推定を行う上で無視できない計測誤差を予備実験では，平地歩行中の加速度と共に．足生み出す．ここでは，このような問題を解決するの各部（右腰のセンサの両脇，右膝および右足首ことを考える．センサの装着時の傾き角がそのまの計4点）の位置をPSDを用いて測定した．これ

ま歩行中にも保存されるとすると，これによる計は，歩行中の加速度センサの水平面からの傾き角測誤差は，ごく低い周波数成分を持つ．そこで，を詳細に把握するためである叶なお．広角範囲

叩叫近傍の低周波数成分をカットすることで．セの制限から，階段昇降時の測定は行っていない．

ンサの傾きによる計測誤差を除去することを考え

Fig．1に示すPSD（PositionSensorDetector）（浜る．本報告では，ⅠIR（In丘niteImpulseResponse）デ

松ホトニクス社製）は，カメラの広角範囲の制限ジタルフィルタの設計を行い．加速度波形に適用から，1回の計測で2歩分のデータしか測定するした．設計Lたフィルタはバタワースフィルタで，ことができない．したがって，同時に計測される加速度情報も2歩分の短いデータとなってしまう．
そこで，PSDを伴う実験を予備実験とし，1回当たりの計測時間の長い本実験を改めて行った．

3．2 本葉暁
本実験では，平地，階段昇りおよび降りの3種類の歩行形態に対し，歩行中の加速度を計測した．

実験場所は，大学の体育館内のロビー（平地歩行¶血Ⅶ【l】

距離的6【m】）と体育館人口前の階段（1段の高さFig．2 加速度センサの傾き角は約1恥mlで7段）である・被験者は，20代の男−2−

4．2 ≡憤分間始点による影響
加速度波形から移動距離を求める際に積分を行うが，このとき積分開始点を適当に選ぶと．誤った計算が行われてしまう．実際に，階段昇り時の上下方向の加速度波形〔フィルタ処理したもの）を適当な場所から2階積分L，上下方向移動量を求めた結果をrig．4に表す．階段昇りの場合上土下方
0．00．20．4

ロ．60月1．0

向移動量は増加することが予想されるが，Fig．4のFroquonGy【H王】

積分結果より．移動量は逆に減少している．このFig．3 加速度波形の周波数特性

ような誤った計算結果は，階段昇りに限らずどの歩行形態にも生じているが，この原因は，積分開その仕様は．カットオフ周波数0．2【H塊2次のハイ始点の選択を誤ったことによると思われる．積分

パスフィルタであが14）．式（1）に設計した2次の開始点の選択には，以下のことを考慮する必要がバタワースフィルタの伝達関数ガ伺を示す・あると考えられる．まず積分の計算過程では．積分完敗を0としている．つまり，上下方向の加速ヱ0−2才一1十三ー2g（ヱ）＝0・989284x

度波形を積分する場合，波形の切り出L点の速度

1＿1．97845エー1＋0．978鮎2（上下方向の初速鹿）は．必ず0として計算され（1）

ここで，カットオフ周波数の設定に関Lて．以る．したがって，もし任意の速度勒をもつ時点か下のことを考慮した．Fig．2の下のグラフに示すよら積分を開始すると，その後の積分結果全てに初

うに，20代の健康な男性の歩行ペースは．およそ期値における誤差叫が影響し，誤った計算が行わ1秒あたり2歩であり，歩行によって生じる加速れることになる．このことより積分開始点とLて，度は，約2tI珂の周波数成分をもつといえる・し加速度センサの上下方向の速度成分が0となる時

かし．高齢者ヤ患者の場合，歩行ペースはより遅点を選択する必要があると考えられる．

くなり．歩行により生じる加速度は，より低い周波数成分をもつことが予想される．本報告で設計したハイパスフィルタでは，カットオフ周波数を0．叩IE］に設定したため，歩行ペースがより遅い場合でも， 計測誤差成分のみを除去することができると考えられる．

0．5

1．0

1．52，01．52．0¶mo【写】

速度波形の周波数成分である．フィルタ処理前の周∧U︽U人じ波数成分Fig．3（破線）と比較すると，周波数0・2【HE】■−︸

す盲点l空中一中8くFig．3（実線）は，フィルタ処理後の上下方向の加以下の成分がカットされたことが確認できる．今
0．0

後のデータ処理には，上記のハイパスフィルタを0．5

1．0

Fig．4 積分聞軌報誤った場合適用していくことにする．

−3−

5．解析結果および考察
5．1 ビデオ映像からの積分開始点の選択
撮影したビデオをスロー再生で観察することにより，平地，階段の昇り降りの各歩行形態において，腰部（センサ）の上下方向速度が0になるタイミングを調べた．この観察によって得られたタイミングと，それをもとに選択Lた加速度波形上の積分開始点を．各歩行形態ごとに表1にまとめた．
0．0

表中の記号については，右足の踵が着地Lた瞬間

0．2

0．ヰ

tL8

0．8

1．0

¶叶帽【81Fig．5 積分開始点（平地）を亡「．選択Lた積分開始点を貴iとしている．表1より，平地と階段昇りについては，積分開始点は，右踵着地の瞬間であるという共通Lた情報が得られたが，階段降りの場合は踵が着いてから87［ms】（ビデオ映像の2フレーム分）の遅れがある．これは，踵を着いてから腰部（センサ）の上下動が止〇．

ためであると考えられる．なお，加速度データの5︻盟∪虐l巴〇一中じりV

まるまでに，膝のクッションによる時間差がある

サンプリング周波数が100【Hz】であるのに対Lて，ビデオのサンプリング周波数が30【Hヱ］であるため，約20【ms】以内の時間差については微調整を行った・
0．00．20．4

ロ．80．81．0¶肝帽【61表1積分開始点の選択
歩行形態

センサ上下動の静止点

Fig．6 積分開始点（階段昇り）

積分開始点fi

平地歩行 右接着地の暁闇

fr＋0．0串］

階段昇り 右踵着地の瞬間

fr

階段降り 右踵着地後約67【ms】

fr＋0．0串】

Fig．5，6，7は．それぞれ平地．階段の昇りおよび降りの各歩行形態での，上下方向の加速度波形（フィルタ処理Lたもの）と右踵の離着地の情報である．
また，積分開始点f を一点鎖線で示した．ここで，右踵＝鮎ghtⅡeel）の情報に関しては，接地Lている時には 0 ，離れている時には 1 が出力されている．
0．00，20．4

0．8

¶mo回

Fig．7 積分開始点（階段降り）−4−0．81．0

5．2 ∃惜分結果
次に，Fig．5からFig．7に示Lた積分開始点fi（一一呈 D．0点鎖線）から．平地，階段昇りおよび降りの各歩￠U

一口行形態の加速度波形（フィルタ処理したものとし．望 −0．1【⊃ないもの）を2階領分Lて移動距離を求めた結果

・0．2を，それぞれFig．8，9，10に示す．なお，Fig・9げig・10

0．0

0．5

1．0

1．5

2．O1．52．O

1．5

2．O

1．5

2．O

1．5

2．D

1．5

2．O

Tim自r8】
1月り，1歩あたり数cInの誤差はあるものの，平地，階段の昇りおよび降りを区別する程度には十分なh︶︶0■∧U∧∩Ut旦亡○焉﹂￠一缶むくには．階段の段差を点線で示Lた．これらの固よ結果が得られているといえる．
0．5
5

8．結言

1．0
Time【B】

Fig．8 積分結果（平地）54

本報告では，人間の歩行時の上下方向の加速度

3﹂0︻U︹U法を考察した．その結果，加速度情報に対して．ハ2︻∈︼Oロリ巾l飢占を2階積分し，上下方向の移動距柾を推定する方n︶

イパスフィルタ処理を行い，且つ積分開始点をセ

∧U

0．5

竜L．現段階では，マイクロスイッチャビデオ映像∩︶〇．

昇降移動量の推定を行えることがわかった．しか5〇．

︻旦uq焉﹂む一缶OVすることにより，加速度データを積分Lて，階段ハリ ︵UO1

ンサの上下方向の速度成分が0となる時点に選択

1，0Time阿50．5をもとに積分開始点を選択している．今後は，加1．0
Timo【s】

Fig，9 積分結果（階投昇り）

速度情報のみを用いる方法で，腰部（センサ）のO

1︻∈︼中UUdl虐凸する必要がある．

・l・ ︷U

上下動が止まっている瞬間を検出する方法を解明

2へJ
2

無拘束計測のための歩行形態分析アルゴリズム叩†

医用電子と生体工学，Vol．33，Ⅳ0，2，別刷（1995）．
261．

欄

1ビギナーズデジタルフィル

タ ，（198恥pp45−76．

0．D

0．5

1，0Tim8ls】

ディジタルフィルタの設計入門■ ，（1990）・

Fig．10 積分結果（階段降り〕
54）尾知博，﹁P O

3）中村尚瓦︵リ2）高木幹軋下田隈久， 画像解析ハンドプッデ●，pp259−

1．0
T血相【s】

5︻邑uO；空中−￠日日く1）高橋隆行，山中信幸，大沢博丸猪岡光， 歩行運動の0．5

ハリ参考文献5