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JP2016041155A - Posture and walking state estimation device - Google Patents

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JP2016041155A
JP2016041155A JP2014165763A JP2014165763A JP2016041155A JP 2016041155 A JP2016041155 A JP 2016041155A JP 2014165763 A JP2014165763 A JP 2014165763A JP 2014165763 A JP2014165763 A JP 2014165763A JP 2016041155 A JP2016041155 A JP 2016041155A
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喜雄 井上
京子 芝田
Kyoko Shibata
京子 芝田
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Abstract

【課題】より簡便かつ精度よく歩行状態および/または姿勢を推定することができる姿勢および歩行状態推定装置を提供する。【解決手段】人の体に取り付けられる検出手段10と、検出手段10からの信号に基づいて、歩行状態および/または姿勢を解析する解析手段20と、を備えており、検出手段10が、人の体の上下方向の加速度を検出する上下加速度検出部12を有しており、解析手段20は、姿勢の安定性を判断する姿勢安定判断機能22を有しており、姿勢安定判断機能22は、上下加速度検出部12からの信号に基づいて床反力を推定し、推定された床反力の時間変動に基づいて歩行状態および/または姿勢を判断する機能を有している。【選択図】図1A posture and walking state estimation device capable of estimating a walking state and / or posture more easily and accurately. A detection means 10 attached to a human body and an analysis means 20 for analyzing a walking state and / or posture based on a signal from the detection means 10 are provided. The vertical acceleration detection unit 12 that detects the vertical acceleration of the body of the human body, the analysis means 20 has a posture stability determination function 22 that determines the stability of the posture, and the posture stability determination function 22 The floor reaction force is estimated based on the signal from the vertical acceleration detection unit 12, and the walking state and / or posture is determined based on the time variation of the estimated floor reaction force. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、姿勢および歩行状態推定装置に関する。さらに詳しくは、人が身に着けた状態で、歩行状態を推定できる姿勢および歩行状態推定装置に関する。   The present invention relates to a posture and walking state estimation device. More specifically, the present invention relates to a posture and a walking state estimation device capable of estimating a walking state while being worn by a person.

従来、人の体に取り付けた角速度センサや加速度センサからの信号を処理して、人の歩行状態を推定する技術が開発されている(特許文献1〜4参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, techniques for processing a signal from an angular velocity sensor or an acceleration sensor attached to a human body to estimate a human walking state have been developed (see Patent Documents 1 to 4).

特許文献1には、前後方向の加速度曲線から歩幅、周期をもとめて歩行速度を算出する技術が開示されている。また、左右方向の加速度波形のパワースペクトラムから左右のスタンスを把握して下肢機能不全の解消度合いを把握する技術が開示されている。
また、特許文献2には、水平軸周りの各加速度の周波数の違いで、すり足と健常者の歩行を比較する技術が開示されている。
さらに、特許文献3には、腰部に加速度センサを取り付け、鉛直方向加速度成分のピークと谷ピークの差分と、歩行方向加速度成分の山ピークと谷ピークの差分と、を算出し、予め用意した差分と歩行速度との関係式により歩行能力として歩行速度や歩幅を推定する技術が開示されている。
そして、特許文献4には、腰部に加速度計を取り付けて腰部の加速度を測定するだけで背屈力や下肢筋力等を評価する技術が開示されており、これらに基づいて躓きやすさなどの歩行能力を推定できる旨の記載もある。
Patent Document 1 discloses a technique for calculating a walking speed by calculating a stride and a cycle from an acceleration curve in the front-rear direction. Also disclosed is a technique for grasping the degree of resolution of lower limb dysfunction by grasping the left and right stances from the power spectrum of the acceleration waveform in the left and right direction.
Patent Document 2 discloses a technique for comparing a gait and a normal person's walking with a difference in frequency of each acceleration around a horizontal axis.
Furthermore, in Patent Document 3, an acceleration sensor is attached to the waist, and the difference between the peak and valley peak of the vertical direction acceleration component and the difference between the peak and valley peak of the walking direction acceleration component are calculated and prepared in advance. A technique for estimating a walking speed and a stride as a walking ability by a relational expression between a walking speed and a walking speed is disclosed.
Patent Document 4 discloses a technique for evaluating dorsiflexion force, lower limb muscle strength, and the like simply by attaching an accelerometer to the waist and measuring the acceleration of the waist. There is also a statement that ability can be estimated.

特開2004−358229号公報JP 2004-358229 A 特開2003−6608号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-6608 特開2005−114537号公報JP 2005-114537 A 特開2007−125368号公報JP 2007-125368 A

特許文献1〜4の技術でも、人の体にセンサなどを取り付けることによって、ある程度の歩行状態等を検出することはできる。しかし、特許文献1〜4の技術でも、歩行状態の推定は不十分であり、より簡便かつ精度よく歩行状態を推定できるような装置が求められている。   Even in the techniques of Patent Documents 1 to 4, a certain walking state or the like can be detected by attaching a sensor or the like to a human body. However, even in the techniques of Patent Documents 1 to 4, estimation of the walking state is insufficient, and an apparatus that can estimate the walking state more easily and accurately is demanded.

本発明は上記事情に鑑み、より簡便かつ精度よく歩行状態および/または姿勢を推定することができる姿勢および歩行状態推定装置を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the attitude | position and walking state estimation apparatus which can estimate a walking state and / or attitude | position more simply and accurately in view of the said situation.

第1発明の姿勢および歩行状態推定装置は、人の体に取り付けられる検出手段と、該検出手段からの信号に基づいて、歩行状態および/または姿勢を解析する解析手段と、を備えており、前記検出手段が、人の体の上下方向の加速度を検出する上下加速度検出部を有しており、前記解析手段は、姿勢の安定性を判断する姿勢安定判断機能を有しており、該姿勢安定判断機能は、前記上下加速度検出部からの信号に基づいて鉛直床反力を推定し、該推定された鉛直床反力の時間変動に基づいて歩行状態および/または姿勢を判断する機能を有していることを特徴とする。
第2発明の姿勢および歩行状態推定装置は、第1発明において、前記姿勢安定判断機能は、前記検出手段と人の体の重心位置との相対的な位置、および、前記検出手段からの信号に基づいて、前記重心位置の変化を把握し、該重心位置の時間変動に基づいて人の歩行状態および/または姿勢の安定性を判断するものであることを特徴とする。
第3発明の姿勢および歩行状態推定装置は、第1または第2発明において、前記解析手段は、人の体の重心位置に加わる慣性力を推定し、該慣性力が加わった状態における重心位置の時間変動に基づいて人の歩行状態および/または姿勢の安定性を判断するものであることを特徴とする。
第4発明の姿勢および歩行状態推定装置は、第1、第2または第3発明において、前記姿勢安定判断機能は、前記重心位置と圧力中心との相対的に位置関係に基づいて、人の歩行状態および/または姿勢の安定性を判断するものであることを特徴とする。
第5発明の姿勢および歩行状態推定装置は、第1、第2、第3または第4発明において、前記検出手段は、人の体の前後方向の加速度を検出する前後方向加速度検出部を備えており、前記解析手段は、前記前後方向加速度検出部からの信号と前記床反力の時間変動に基づいて躓きを判断する機能を備えていることを特徴とする。
The posture and walking state estimation device of the first invention includes a detecting means attached to a human body and an analyzing means for analyzing the walking state and / or posture based on a signal from the detecting means, The detection means includes a vertical acceleration detection unit that detects vertical acceleration of a human body, and the analysis means has a posture stability determination function that determines posture stability. The stability determination function has a function of estimating a vertical floor reaction force based on a signal from the vertical acceleration detection unit and determining a walking state and / or posture based on a temporal variation of the estimated vertical floor reaction force. It is characterized by that.
In the posture and walking state estimation device according to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the posture stability determination function is based on a relative position between the detection means and the position of the center of gravity of the human body, and a signal from the detection means. On the basis of this, the change in the position of the center of gravity is grasped, and the stability of the walking state and / or posture of the person is determined based on the temporal variation of the position of the center of gravity.
In the posture and walking state estimation device according to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the analysis means estimates an inertial force applied to a center of gravity position of a human body, and calculates a center of gravity position in a state where the inertial force is applied. The present invention is characterized in that the stability of a person's walking state and / or posture is determined based on time variation.
The posture and walking state estimation device according to a fourth aspect of the present invention is the first, second or third aspect, wherein the posture stability determination function is based on a relative positional relationship between the gravity center position and the pressure center. It is characterized by determining the stability of the state and / or posture.
The posture and walking state estimation device according to a fifth aspect of the present invention is the first, second, third, or fourth aspect, wherein the detection means includes a longitudinal acceleration detection unit that detects the longitudinal acceleration of the human body. The analyzing means has a function of determining a whirl based on a signal from the longitudinal acceleration detector and a temporal variation of the floor reaction force.

第1発明によれば、鉛直床反力の時間変動を推定するので、簡便かつある程度精度よく、人の歩行状態および/または姿勢の安定性を判断することができる。
第2発明によれば、人の歩行状態や姿勢の変化や異常を把握することができるので、被験者の歩行や姿勢の異常から被験者の体調や体の不具合(例えば怪我など)を判断することができる可能性がある。
第3発明によれは、人の体の重心位置に加わる慣性力と重心位置の時間変動から人の歩行状態および/または姿勢の安定性を判断するので、より正確に人の歩行状態および/または姿勢の安定性を判断することができる。
第4発明によれば、重心位置と圧力中心の相対的な位置から人の歩行状態および/または姿勢の安定性を判断するので、人の体の揺れなどを把握することができる。
第5発明によれば、前後方向の加速度によって、人が躓いたか否かを判断できるので、人の歩行の異常の原因を解析する際に、躓きなどを人の体調や体の不具合(例えば怪我など)と誤認したりすることを抑制することができる。逆に、躓きの発生した状況から人の体調や体の不具合(例えば怪我など)を判断することも可能となる。
According to the first aspect of the invention, since the time variation of the vertical floor reaction force is estimated, it is possible to determine the stability of the person's walking state and / or posture simply and with a certain degree of accuracy.
According to the second invention, since it is possible to grasp a change or abnormality in the walking state or posture of a person, it is possible to determine a physical condition or a malfunction of the subject (for example, an injury) from an abnormality in the walking or posture of the subject. There is a possibility.
According to the third aspect of the invention, the stability of the person's walking state and / or posture is determined from the inertial force applied to the position of the center of gravity of the person's body and the temporal variation of the position of the center of gravity. The stability of the posture can be determined.
According to the fourth aspect of the present invention, the stability of the person's walking state and / or posture is determined from the relative position of the center of gravity and the center of pressure, so that the shaking of the person's body can be grasped.
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to determine whether or not a person has been hit by the longitudinal acceleration. Therefore, when analyzing the cause of a person's walking abnormalities, he / she is able to detect a person's physical condition and malfunction (for example, injury). Etc.) can be suppressed. Conversely, it is also possible to determine a person's physical condition and a physical defect (for example, an injury) from the situation where the whisper has occurred.

本実施形態の姿勢および歩行状態推定装置1の概略ブロック図ある。1 is a schematic block diagram of a posture and walking state estimation device 1 of the present embodiment. 検出手段10の取付状態を示した概略説明図である。FIG. 4 is a schematic explanatory view showing an attachment state of the detection means 10. 実験に使用した機器を被験者に取り付けた状態の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the state which attached to the test subject the apparatus used for experiment. (A)は(1)の実験結果であり、(B)は(2)の実験結果である。(A) is the experimental result of (1), (B) is the experimental result of (2). (A)は(3)の実験方法の説明図であり、(B)は(3)の実験結果である。(A) is explanatory drawing of the experimental method of (3), (B) is the experimental result of (3). (A)はセンサ座標系と平均歩行静止座標系を比較した図であり、(B)は圧力中心を算出する方法の説明図である。(A) is the figure which compared the sensor coordinate system and the average walking stationary coordinate system, (B) is explanatory drawing of the method of calculating a pressure center.

本実施形態の姿勢および歩行状態推定装置1を図面に基づいて説明する。   The posture and walking state estimation device 1 of this embodiment will be described with reference to the drawings.

図1に示すように、本実施形態の姿勢および歩行状態推定装置1は、検出手段10と、解析手段20と、を備えている。検出手段10は、人の体に加わる力や、人の体の変位を検出するものである。解析手段20は、検出手段10からの信号に基づいて、人の歩行状態や姿勢を推定する機能を有するものである。そして、本実施形態の姿勢および歩行状態推定装置1は、検出手段10が検出した加速度や速度などを解析手段20が解析することによって、本実施形態の姿勢および歩行状態推定装置1を身に着けた人の歩行状態や姿勢を推定することができるのである。   As shown in FIG. 1, the posture and walking state estimation device 1 of the present embodiment includes a detection unit 10 and an analysis unit 20. The detection means 10 detects a force applied to a human body and a displacement of the human body. The analysis unit 20 has a function of estimating the walking state and posture of a person based on the signal from the detection unit 10. The posture and walking state estimation device 1 of the present embodiment wears the posture and walking state estimation device 1 of the present embodiment by the analysis unit 20 analyzing the acceleration and speed detected by the detection unit 10. It is possible to estimate the walking state and posture of a person.

なお、本実施形態の姿勢および歩行状態推定装置1は、人の体に取り付けて使用するものであるが、解析手段20は人の体に取り付けて使用してもよいし、人の体に取り付けない状態で使用してもよい。   The posture and walking state estimation device 1 of the present embodiment is used by being attached to a human body, but the analysis means 20 may be used by being attached to a human body or attached to a human body. You may use it in the state without.

人の体に取り付けない状態で解析手段20を使用すれば、人の体に取り付ける機器を小型化できるという利点が得られる。この場合には、検出手段10が検出した信号を記憶しておく記憶装置を設けおき、この記憶装置に記憶されているデータを解析手段20に後で供給するようにすればよい。   If the analysis means 20 is used without being attached to the human body, an advantage that the device attached to the human body can be reduced in size can be obtained. In this case, a storage device for storing the signal detected by the detection unit 10 may be provided, and the data stored in the storage device may be supplied to the analysis unit 20 later.

一方、人の体に取り付けて解析手段20を使用した場合には、人が身に着けている他の機器等(歩行アシスト機器等)に解析手段20の解析結果を供給することで、他の機器等の作動状態を調整することができる。すると、他の機器等の補助を受けて人が歩行する場合には、人の歩行を常時安定させておくことが可能となる。   On the other hand, when the analysis means 20 is used by being attached to a human body, the analysis result of the analysis means 20 is supplied to other equipment or the like (walking assist equipment or the like) worn by the person. It is possible to adjust the operating state of the device. Then, when a person walks with the assistance of other equipment or the like, it becomes possible to keep the person's walking constantly stable.

もちろん、通信機能を検出手段10や解析手段20に設けておけば、解析手段20を人の体に取り付けない状態でも、検出手段10からの信号を解析手段20に供給できる。また、解析手段20の解析結果を他の機器に供給する場合には、他の機器等にも通信機能を設けておけば、解析手段20を人の体に取り付けない状態でも、解析手段20の解析結果を他の機器等に供給することもできる。   Of course, if the communication function is provided in the detection means 10 or the analysis means 20, the signal from the detection means 10 can be supplied to the analysis means 20 even when the analysis means 20 is not attached to a human body. In addition, when the analysis result of the analysis unit 20 is supplied to another device, the communication unit of the analysis unit 20 can be provided even if the analysis unit 20 is not attached to a human body if the other device has a communication function. The analysis result can also be supplied to other devices.

(検出手段10)
検出手段10の詳細を説明する。
検出手段10は、人の体幹部に取り付けて使用されるものであり、回転角度検出部11と、上下加速度検出部12と、横方向加速度検出部13と、前後方向加速度検出部14と、を備えている。
なお、検出手段10の取り付け位置は、人の体幹部のベルト位置近傍に取り付けることが好ましく、とくに、ベルト位置の背骨近傍が好ましい。かかる位置に取り付ければ、人の重心の位置の近くに検出手段10を設置できるので、精度よく加速度や回転角度などを測定できるという利点が得られる。
(Detection means 10)
Details of the detection means 10 will be described.
The detection means 10 is used by being attached to a human trunk, and includes a rotation angle detection unit 11, a vertical acceleration detection unit 12, a lateral acceleration detection unit 13, and a longitudinal acceleration detection unit 14. I have.
Note that the attachment position of the detection means 10 is preferably attached in the vicinity of the belt position of the human trunk, and particularly in the vicinity of the spine at the belt position. If it is attached to such a position, the detection means 10 can be installed near the position of the center of gravity of the person, so that the advantage that the acceleration, the rotation angle, etc. can be measured with high accuracy can be obtained.

(回転角度)
回転角度検出部11は、人の体の回転、具体的には、体幹まわりの回転を検出するために設けられるものである。例えば、公知の角度センサ等を回転角度検出部11として使用することができる。この回転角度検出部11を人の体に取り付ける位置はとく限定されないが、人が歩行したときに、鉛直軸まわりの回転がオイラー角としての最初の回転となる位置に取り付けることが望ましい。例えば、体幹部であって、歩行以外の他の運動による鉛直軸まわりの回転が少ない位置(例えばベルトの背中のあたり)に取り付ければ、上記条件を満たすことができる。なお、人が歩行したときに、鉛直軸まわりの回転がオイラー角としての最初の回転となるように取り付けるのは、人が歩行したときにおける体の向きの変化を正確に把握するためである。
(rotation angle)
The rotation angle detector 11 is provided to detect the rotation of the human body, specifically, the rotation around the trunk. For example, a known angle sensor or the like can be used as the rotation angle detection unit 11. The position where the rotation angle detector 11 is attached to the human body is not particularly limited, but it is desirable that the rotation around the vertical axis is the first rotation as the Euler angle when a person walks. For example, the above condition can be satisfied if the trunk is attached to a position where the rotation around the vertical axis is small due to movements other than walking (for example, around the back of the belt). The reason why the rotation about the vertical axis is the first rotation as the Euler angle when the person walks is to accurately grasp the change in the body direction when the person walks.

(上下方向加速度)
上下加速度検出部12は、人の体の上下方向の加速度を検出するために設けられるものである。例えば、公知の加速度センサ等を上下加速度検出部12として使用することができる。この上下加速度検出部12を人の体に取り付ける位置はとく限定されないが、人が歩行したときに、外乱(歩行以外の運動による変動)が少ない状態で人の体の上下動を測定することができる位置に取り付けることが望ましい。例えば、体幹部のベルト位置近傍に取り付ければ、上記条件を満たすことができる。
(Vertical acceleration)
The vertical acceleration detector 12 is provided to detect the vertical acceleration of the human body. For example, a known acceleration sensor or the like can be used as the vertical acceleration detection unit 12. Although the position where the vertical acceleration detection unit 12 is attached to the human body is not particularly limited, when the human walks, the vertical movement of the human body can be measured with little disturbance (variation due to movement other than walking). It is desirable to install it at a position where it can. For example, the above condition can be satisfied by attaching the trunk near the belt position.

(横方向加速度)
横方向加速度検出部13は、人の体の左右方向の加速度を検出するために設けられるものである。例えば、公知の加速度センサ等を横方向加速度検出部13として使用することができる。この横方向加速度検出部13を人の体に取り付ける位置はとく限定されないが、人が歩行したときに、外乱(歩行以外の運動による変動)が少ない状態で人の体の左右方向の動きを測定することができる位置に取り付けることが望ましい。例えば、体幹部のベルト位置近傍に取り付ければ、上記条件を満たすことができる。
(Lateral acceleration)
The lateral acceleration detection unit 13 is provided to detect the acceleration in the horizontal direction of the human body. For example, a known acceleration sensor or the like can be used as the lateral acceleration detection unit 13. The position at which the lateral acceleration detector 13 is attached to the human body is not particularly limited, but when the person walks, the lateral movement of the human body is measured with little disturbance (variation due to movement other than walking). It is desirable to attach it at a position where it can. For example, the above condition can be satisfied by attaching the trunk near the belt position.

(前後方向加速度)
前後方向加速度検出部14は、人の体の左右方向の加速度を検出するために設けられるものである。例えば、加速度センサ等を前後方向加速度検出部14として使用することができる。この前後方向加速度検出部14を人の体に取り付ける位置もとく限定されないが、人が歩行したときに、外乱(歩行以外の運動による変動)が少ない状態で人の体の前後方向の動きを測定することができる位置に取り付けることが望ましい。例えば、体幹部のベルト位置近傍に取り付ければ、上記条件を満たすことができる。
(Front-back acceleration)
The longitudinal acceleration detection unit 14 is provided to detect the lateral acceleration of the human body. For example, an acceleration sensor or the like can be used as the longitudinal acceleration detection unit 14. Although the position where the longitudinal acceleration detection unit 14 is attached to the human body is not limited, when the person walks, the movement of the human body in the front-rear direction is measured with little disturbance (variation due to movement other than walking). It is desirable to attach it at a position where it can. For example, the above condition can be satisfied by attaching the trunk near the belt position.

なお、単に人が歩行しているか否かを把握するだけであり、人の重心位置のずれや、歩行の際において左右どの足の移動であるか等を解析する必要がないのであれば、横方向加速度検出部13と前後方向加速度検出部は必ずしも設けなくてもよい。   If it is only necessary to grasp whether or not a person is walking and there is no need to analyze the shift of the center of gravity of the person or the movement of the left or right foot during walking, The direction acceleration detection unit 13 and the longitudinal acceleration detection unit are not necessarily provided.

また、後述する解析手段20において躓きを検出対象としないのであれば、前後方向加速度検出部14は必ずしも設けなくてもよい。   In addition, if the analysis unit 20 described later does not detect a whisper, the longitudinal acceleration detection unit 14 is not necessarily provided.

(検出手段10の一例)
上記例では、検出手段10が、人の体の回転や上下左右前後の加速度をそれぞれ別々なセンサで測定する場合を説明した。しかし、検出手段10には、公知の姿勢センサを使用することもできる。公知の姿勢センサは、一般的には、3軸加速度計、3軸ジャイロ(角速度測定)、3軸地磁気センサ(角変位測定)等を備えているので、人の体の上下左右前後の加速度や回転角度を一つのセンサで計測することができる。つまり、一つの姿勢センサで、回転角度検出部11、上下加速度検出部12、横方向加速度検出部13および前後方向加速度検出部14の全ての機能を発揮させることができる。この場合、姿勢センサにおいて、体幹まわりの回転を検出する機能が回転角度検出部11に相当し、人の体の上下方向の加速度を検出する機能が上下加速度検出部12に相当し、人の体の左右方向の加速度を検出する機能が横方向加速度検出部13に相当し、人の体の前後方向の加速度を検出する機能が前後方向加速度検出部14に相当することになる。
なお、以下の説明において、回転角度検出部11、上下加速度検出部12、横方向加速度検出部13、前後方向加速度検出部14という場合には、姿勢センサが、各検出部と同等の機能を発揮する場合も含んでいる。
(Example of detection means 10)
In the above example, the case has been described in which the detection means 10 measures the rotation of the human body and the accelerations in the vertical and horizontal directions with separate sensors. However, a known posture sensor can be used as the detection means 10. A known posture sensor generally includes a three-axis accelerometer, a three-axis gyro (angular velocity measurement), a three-axis geomagnetic sensor (angular displacement measurement), etc. The rotation angle can be measured with one sensor. That is, all the functions of the rotation angle detection unit 11, the vertical acceleration detection unit 12, the lateral acceleration detection unit 13, and the longitudinal acceleration detection unit 14 can be exhibited with one posture sensor. In this case, in the posture sensor, the function of detecting the rotation around the trunk corresponds to the rotation angle detection unit 11, and the function of detecting the vertical acceleration of the human body corresponds to the vertical acceleration detection unit 12. The function of detecting the acceleration in the left-right direction of the body corresponds to the lateral acceleration detection unit 13, and the function of detecting the acceleration in the front-rear direction of the human body corresponds to the longitudinal acceleration detection unit 14.
In the following description, in the case of the rotation angle detection unit 11, the vertical acceleration detection unit 12, the lateral acceleration detection unit 13, and the longitudinal acceleration detection unit 14, the posture sensor performs the same function as each detection unit. It also includes the case to do.

(静止座標系の加速度算出)
各検出部や姿勢センサが検出する加速度などは、各検出部や姿勢センサ等の瞬時静止座標系(センサ座標系)における加速度などを測定する。ここで、上述した姿勢センサ(つまり、3軸加速度計、3軸ジャイロ、3軸地磁気センサ(以下単に各センサ部という)を有するセンサ)の場合、通常、各センサ部が測定した加速度や回転角度、角速度と、姿勢センサのオイラー角(姿勢角)が出力として得られる。したがって、このオイラー角を用いて、各センサ部の加速度や角速度を座標変換すれば、人が歩いている状態でも、静止座標系における各軸方向の加速度や、各軸方向周りの角度や角速度が得られる。つまり、上述した姿勢センサを検出手段10のとして使用した場合、センサの瞬時静止座標系(センサ座標系)の3軸の加速度などを静止座標系に座標変換して、静止座標系における各方向の加速度を算出することができる。すると、上下方向の加速度やその他の加速度などを精度よく算出することができる。
(Calculation of acceleration of stationary coordinate system)
As the acceleration detected by each detection unit and posture sensor, the acceleration in the instantaneous stationary coordinate system (sensor coordinate system) of each detection unit and posture sensor is measured. Here, in the case of the above-described attitude sensor (that is, a sensor having a three-axis accelerometer, a three-axis gyro, and a three-axis geomagnetic sensor (hereinafter simply referred to as each sensor unit)), usually the acceleration and rotation angle measured by each sensor unit. The angular velocity and the Euler angle (attitude angle) of the attitude sensor are obtained as outputs. Therefore, if the Euler angles are used to coordinate the acceleration and angular velocity of each sensor unit, the acceleration in each axis direction and the angle and angular velocity around each axis direction in the stationary coordinate system can be obtained even when a person is walking. can get. That is, when the above-described attitude sensor is used as the detection means 10, the three-axis acceleration of the sensor's instantaneous stationary coordinate system (sensor coordinate system) is coordinate-converted into the stationary coordinate system, and each direction in the stationary coordinate system is converted. Acceleration can be calculated. Then, the acceleration in the vertical direction and other accelerations can be accurately calculated.

例えば、姿勢センサの出力として得られるオイラー角を用いて、センサ座標系の3軸の加速度(3軸加速度計の出力)を静止座標系に座標変換すれば、センサ座標系で得られた上下方向の加速度から静止座標系の上下方向の加速度を得ることができる。   For example, if the Euler angle obtained as the output of the attitude sensor is used to convert the triaxial acceleration of the sensor coordinate system (the output of the triaxial accelerometer) into the stationary coordinate system, the vertical direction obtained in the sensor coordinate system The acceleration in the vertical direction of the stationary coordinate system can be obtained from this acceleration.

また、上述したようにセンサ座標系の3軸の加速度を静止座標系に座標変換したのち、静止座標系の鉛直軸まわりの角変位について、1周期分(左右2歩分)平均して、その平均値を求める。そして、初期の静止座標系から鉛直軸まわりに得られた平均値分だけ回転した静止座標系を設定する。この設定された静止座標系に固定した状態で、その1周期の間に得られたセンサ座標系の加速度を、設定された静止座標系に座標変換する。すると、歩行方向の加速度と歩行方向と直交する方向(つまり左右方向)の加速度(つまり、水平かつ直交する2方向の加速度)が得られる。
なお、歩行方向をリアルタイムで把握したい場合には、1周期の平均値に代えて、一歩前あるいはそれまでの数歩について、静止座標系の鉛直軸まわりの角変位の平均値を求める。そして、その平均値を用いれば、上記と同様の方法で歩行方向の加速度と歩行方向と直交する方向の加速度を得ることができる。
In addition, as described above, after converting the three-axis acceleration of the sensor coordinate system to the stationary coordinate system, the angular displacement around the vertical axis of the stationary coordinate system is averaged for one period (two steps on the left and right) Find the average value. Then, the stationary coordinate system rotated by the average value obtained around the vertical axis from the initial stationary coordinate system is set. While being fixed to the set stationary coordinate system, the acceleration of the sensor coordinate system obtained during the one cycle is coordinate-converted to the set stationary coordinate system. Then, the acceleration in the walking direction and the acceleration in the direction orthogonal to the walking direction (that is, the horizontal direction) (that is, the acceleration in two directions orthogonal to the horizontal) are obtained.
When it is desired to grasp the walking direction in real time, the average value of the angular displacement around the vertical axis of the stationary coordinate system is obtained for the previous step or several steps before that instead of the average value for one cycle. If the average value is used, the acceleration in the walking direction and the acceleration in the direction orthogonal to the walking direction can be obtained by the same method as described above.

なお、上述したセンサ座標系の3軸の加速度(3軸加速度計の出力)を座標変換などして静止座標系の加速度を算出する機能は、検出手段10自体が有していてもよいし、解析手段20が有していてもよく、とくに限定されない。なお、検出手段10が座標変換機能を有する場合には、検出手段10は、公知の姿勢センサと座標変換部とを有することになる。
以下の説明では、原則、検出手段10によって座標変換された加速度等を利用して解析手段20が歩行状態を推定する場合を説明する。
The detecting means 10 itself may have a function of calculating the acceleration of the stationary coordinate system by converting the three-axis acceleration (output of the three-axis accelerometer) of the sensor coordinate system, as described above, The analysis means 20 may have and is not specifically limited. In addition, when the detection means 10 has a coordinate conversion function, the detection means 10 will have a well-known attitude | position sensor and a coordinate conversion part.
In the following description, a case will be described in which the analysis unit 20 estimates the walking state using the acceleration or the like coordinate-converted by the detection unit 10 in principle.

(解析手段20)
解析手段20の詳細を説明する。
解析手段20は、検出手段10からの信号に基づいて、検出手段10が取り付けられている人(以下被験者という)の歩行状態を解析するものである。この解析手段20は、歩行判断機能21と、姿勢安定判断機能22と、躓き判断機能23と、を備えている。
(Analyzing means 20)
Details of the analysis means 20 will be described.
The analysis unit 20 analyzes the walking state of a person (hereinafter referred to as a subject) to which the detection unit 10 is attached based on a signal from the detection unit 10. The analysis means 20 includes a walking determination function 21, a posture stability determination function 22, and a whisper determination function 23.

(歩行判断機能21)
歩行判断機能21は、被験者が歩行をしているか否か、また、歩行しているとすればどの方向に向かって歩行しているか、を検出する機能を有している。簡単にいえば、この歩行判断機能21は、上下加速度検出部12からの信号に基づいて人が歩行状態であるか否かを判断し、回転角度検出部11からの信号に基づいて人の歩行方向を判断する機能を有している。
(Walking judgment function 21)
The walking determination function 21 has a function of detecting whether or not the subject is walking, and in which direction, if the subject is walking, is detected. In brief, the walking determination function 21 determines whether or not a person is in a walking state based on a signal from the vertical acceleration detection unit 12, and walks on the person based on a signal from the rotation angle detection unit 11. It has a function to determine the direction.

(歩行検出)
歩行判断機能21は、上下加速度検出部12が検出する上下方向の加速度の時間変動を処理することによって、歩行状態か否かを検出している。具体的には、上下加速度検出部12からの信号に基づいて鉛直床反力を推定し、推定された床反力の時間変動に基づいて人が歩行状態か否かを判断する機能を有している。
(Walk detection)
The walking determination function 21 detects whether or not the vehicle is in a walking state by processing time fluctuations in the vertical acceleration detected by the vertical acceleration detection unit 12. Specifically, it has a function of estimating a vertical floor reaction force based on a signal from the vertical acceleration detection unit 12 and determining whether a person is in a walking state based on a temporal variation of the estimated floor reaction force. ing.

床反力は、通常、床におかれた床反力計を用いて、この床反力計に加わる力を測定することによって得られている。このため、歩行時の床反力を把握することはできなかった。   The floor reaction force is usually obtained by measuring the force applied to the floor reaction force meter using a floor reaction force meter placed on the floor. For this reason, it was impossible to grasp the floor reaction force during walking.

一方、床反力は、上下左右前後の3方向の床反力がある。各方向の床反力は、重心の3方向の加速度に質量を乗じたものと考えられる。このため、上述した鉛直床反力は、重心の上下方向の加速度に質量を乗じたものと考えられる。そこで、本実施形態の姿勢および歩行状態推定装置1では、歩行判断機能21は、検出手段10が検出した重心の3方向の加速度から、鉛直床反力を含む3方向の床反力の時間変動を推定している。   On the other hand, the floor reaction force has a floor reaction force in three directions, up, down, left, and right. It is considered that the floor reaction force in each direction is obtained by multiplying the acceleration in the three directions of the center of gravity by the mass. For this reason, it is considered that the vertical floor reaction force described above is obtained by multiplying the acceleration in the vertical direction of the center of gravity by the mass. Therefore, in the posture and walking state estimation device 1 of the present embodiment, the walking determination function 21 uses the three-way acceleration of the center of gravity detected by the detection means 10 to temporally vary the three-way floor reaction force including the vertical floor reaction force. Is estimated.

ここで、上向きの加速度が発生するときに鉛直床反力は大きくなり、下向きの加速度が発生するときに鉛直床反力は小さくなる。人が踵接地をしながら歩行している状態では、一般的に鉛直床反力は、片方の足が踵接地してからつま先離れするまでの期間に2つの上向きのピークを有するように時間変動する。そして、1つ目のピークは踵接地した直後に生じ、2つ目のピークは、踵接地した足と逆の足がつま先離れするタイミングで生じる。   Here, the vertical floor reaction force increases when an upward acceleration occurs, and the vertical floor reaction force decreases when a downward acceleration occurs. When a person is walking with heel contact, the vertical floor reaction force generally varies with time so that one foot has two upward peaks in the period from heel contact to toe separation. To do. The first peak occurs immediately after the heel contact, and the second peak occurs at the timing when the foot opposite to the heel contact is separated from the toe.

したがって、歩行判断機能21では、上下方向の加速度の変動に基づいて歩行状態を判断しており、踵接地直後に発生する1つ目のピークに着目して、遊脚期(足が地面から離れている期間)の足が接地したか否かを判断している。   Therefore, the walking determination function 21 determines the walking state based on the fluctuation of the vertical acceleration, and pays attention to the first peak that occurs immediately after the heel-contact, and the free leg period (the foot is separated from the ground). It is determined whether or not the feet are in contact with the ground.

なお、人が足踏みしている場合でも、人は左右の足を交互に上下させるため、上下方向の加速度は発生する。しかし、歩行している場合には、歩行方向(前後方向)において加速減速が繰り返されるので、歩行方向の加速度の変動を確認すれば、足踏みと歩行は区別することができる。   Even when a person is stepping on, the person raises and lowers the left and right feet alternately, and thus vertical acceleration occurs. However, when walking, acceleration / deceleration is repeated in the walking direction (front-rear direction). Therefore, if a change in acceleration in the walking direction is confirmed, stepping and walking can be distinguished.

(左右の足の判定)
また、歩行判断機能21は、左右のいずれの足が接地したかを検出する機能も有していることが望ましい。健常者の場合、通常、左右の足を交互に踏み出すことによって歩行するので、かかる機能を有していれば、人の歩行をより正確に把握することができる。
(Judgment of left and right feet)
Moreover, it is desirable that the walking determination function 21 also has a function of detecting which of the left and right feet is grounded. A healthy person usually walks by alternately stepping on the left and right feet, so that having such a function makes it possible to grasp a person's walking more accurately.

例えば、歩行判断機能21は、上記床反力の時間変動と、横方向加速度検出部13が検出する左右方向の加速度の時間変動を処理することによって、いずれの足が接地したかを検出することができる。
まず、人が左右の足を交互に上下させて歩行している場合には、足の動きに合わせて人の体には、上下方向の加速度が発生し、上述したように、踵接地直後のタイミングで上向きの加速度がピークとなる。
一方、歩行の際には、左右方向の加速度も時間変動しており、左足が接地している期間は右向きの加速度が発生し、右足が接地している期間は左向きの加速度が発生する。
したがって、上下方向の加速度が最大となっているときに、左右いずれの方向に加速度が発生しているかによって、左右のいずれの足が接地しているかを検出することができる。
For example, the walking determination function 21 detects which foot is grounded by processing the time variation of the floor reaction force and the time variation of the lateral acceleration detected by the lateral acceleration detection unit 13. Can do.
First, when a person is walking with the left and right feet alternately raised and lowered, vertical acceleration occurs in the human body according to the movement of the feet. The upward acceleration peaks at the timing.
On the other hand, when walking, the lateral acceleration also fluctuates with time, and rightward acceleration occurs during the period when the left foot is grounded, and leftward acceleration occurs during the period when the right foot is grounded.
Therefore, when the acceleration in the vertical direction is the maximum, it is possible to detect which of the left and right feet is in contact with the ground depending on which direction the acceleration is generated in the left or right direction.

なお、重心の左右方向への変位からいずれの足が接地しているかを判断してもよい。人間の歩行では、左足が接地しているときには重心は左よりになっており、右足が接地しているときには重心は右よりになっている。したがって、上下方向の加速度が最大となっているときに、重心が左右いずれの方向に偏っているかを判断すれば、左右のいずれの足が接地しているかを検出することができる。   Note that it may be determined which foot is in contact with the displacement of the center of gravity in the left-right direction. In human walking, the center of gravity is from the left when the left foot is grounded, and the center of gravity is from the right when the right foot is grounded. Therefore, when the acceleration in the vertical direction is maximized, it can be detected whether the left or right foot is in contact with the ground by determining whether the center of gravity is biased in the left or right direction.

重心の変位を把握する方法はとくに限定されない。例えば、左右方向の加速度を2度積分することによって変位を求めることは可能である。ただし、この場合には、求められた変位量がドリフトして実際の変位よりも大きくなってしまう可能性がある。かかるドリフトを防止する方法としては、バッチ処理を行う場合であれば加速度から速度を求めるときに、1周期分計算して平均値がゼロとなるように補正し,それを積分して変位を求めればドリフトの影響をなくすことができる。   The method for grasping the displacement of the center of gravity is not particularly limited. For example, the displacement can be obtained by integrating the acceleration in the left-right direction twice. However, in this case, the obtained displacement amount may drift and become larger than the actual displacement. As a method of preventing such drift, in the case of batch processing, when calculating the speed from the acceleration, it is calculated for one period, corrected so that the average value becomes zero, and integrated to obtain the displacement. The effect of drift can be eliminated.

(歩行方向検出)
歩行判断機能21は、回転角度検出部11が検出する鉛直方向の軸(Z軸)まわりの回転の時間変動を処理することによって、人がどの方向に向かって進んでいるのかを検出する機能を有している。具体的には、回転角度検出部11からの信号を解析して、歩行の一周期(2歩)または半周期(1歩)内の鉛直軸まわりの回転角度の平均値の分だけ回転した方向を歩行方向とすることができる。この場合、回転角度検出部11を、他の運動による鉛直軸まわりの回転が少ない位置に取り付ければ、鉛直軸まわりの回転の変動を正確に検出できるので、上記方法で歩行方向を把握する場合に、歩行方向を正確に把握することができる。
(Walking direction detection)
The walking determination function 21 has a function of detecting a direction in which a person is moving by processing a time variation of rotation around a vertical axis (Z axis) detected by the rotation angle detection unit 11. Have. Specifically, the direction rotated by the average rotation angle around the vertical axis in one cycle (2 steps) or half cycle (1 step) by analyzing the signal from the rotation angle detector 11 Can be the walking direction. In this case, if the rotation angle detector 11 is attached at a position where there is little rotation around the vertical axis due to other movements, fluctuations in rotation around the vertical axis can be accurately detected. It is possible to accurately grasp the walking direction.

なお、上述したように、歩行方向は、センサ座標系で得られた加速度等を静止座標系に座標変換して、静止座標系の鉛直軸まわりの角変位に基づいて判断することが望ましい。
また、この方法を採用した場合には、歩行している人の歩行方向のブレ場合を把握することも可能となる。
As described above, it is desirable to determine the walking direction based on the angular displacement around the vertical axis of the stationary coordinate system by converting the acceleration obtained in the sensor coordinate system into the stationary coordinate system.
In addition, when this method is adopted, it is possible to grasp a blurring case of a walking person in the walking direction.

また、鉛直軸まわりの角速度についても、歩行の一周期(または半周期)の平均値を求めておけば、角速度を利用して歩行方向を推定することも可能となる。例えば、次の2歩あるいは1歩の平均角度の推定値は、周期をtとすれば、その直前の平均角度と平均角速度から、以下の数1によって求めることができる。
平均角度の推定値:
直前の平均角度:
直前の平均角速度:

つまり、直前の歩行状態から、次の移動方向を推定することが可能となるのである。
As for the angular velocity around the vertical axis, if the average value of one cycle (or half cycle) of walking is obtained, the walking direction can be estimated using the angular velocity. For example, estimates of the average angle of the next two steps or one step, if a period between t i, and a mean angle of the immediately preceding average angular velocity, can be determined by the following equation (1).
Estimated average angle:
Previous average angle:
Last average angular velocity:

That is, the next moving direction can be estimated from the previous walking state.

なお、歩行方向を決定する方法は上記のごとき方法に限られず、種々の方法を採用することができる。   The method for determining the walking direction is not limited to the above method, and various methods can be adopted.

(歩行速度の推定)
また、歩行判断機能21は、歩行速度を推定する機能を有していてもよい。すると、人の歩行状態をより詳細に把握することができる。歩行速度を推定する方法としては、以下のような方法、つまり、歩行方向静止座標(後述する平均歩行静止座標系に相当する)において、歩行方向の加速度を積分して平均歩行速度を求める方法を採用することができる。
(Estimation of walking speed)
The walking determination function 21 may have a function of estimating the walking speed. Then, a person's walking state can be grasped in detail. As a method of estimating the walking speed, the following method is used, that is, a method of obtaining the average walking speed by integrating the acceleration in the walking direction in the walking direction stationary coordinates (corresponding to the average walking stationary coordinate system described later). Can be adopted.

まず、静止した状態で歩行をスタートして、ある程度歩行した後、静止して終了する。このとき、歩行する歩数や時間はとくに限定されないが、10歩以内とすることが望ましい。   First, walking is started in a stationary state, and after walking to some extent, it stops and ends. At this time, the number of steps and the time to walk are not particularly limited, but are preferably within 10 steps.

ついで、測定結果から歩行速度を以下の方法で推定する。
測定開始時から測定終了時までの時間がTの場合、初期速度をゼロとし、加速度をT時間積分して、終了時の速度を計算する。終了時は速度がゼロとなっているはずなので、積分して求めた最終速度をTで除し、加速度αを求め、この加速度αを計測した加速度から差し引く(数2参照)。そして、差し引いて得られる加速度を積分すれば、最終速度は0となる。
最終速度:
計測した加速度:
Next, the walking speed is estimated from the measurement result by the following method.
When the time from the start of measurement to the end of measurement is T, the initial speed is set to zero, the acceleration is integrated for T time, and the speed at the end is calculated. Since the speed should be zero at the end, the final speed obtained by integration is divided by T to obtain an acceleration α, and this acceleration α is subtracted from the measured acceleration (see Equation 2). Then, if the acceleration obtained by subtraction is integrated, the final speed becomes zero.
Final speed:
Measured acceleration:

そして、最終速度が0となるように求められた速度において、速度が安定している期間の平均速度を求めれば、平均歩行速度が得られる。このような方法を用いれば、積分した際のドリフトに起因する、算出された平均速度の精度低下を防ぐことができる。   Then, the average walking speed can be obtained by obtaining the average speed during the period when the speed is stable at the speed obtained so that the final speed becomes zero. If such a method is used, it is possible to prevent a decrease in accuracy of the calculated average speed due to a drift at the time of integration.

(姿勢安定判断機能22)
また、解析手段20は、人の姿勢が安定しているか、また、人が安定して歩行しているかを判断する姿勢安定判断機能22を有している。かかる機能を有していれば、人の姿勢や人の歩行状態の変化異常を把握することができるので、人の姿勢や人の歩行状態の異常から被験者の体調や体の不具合(例えば怪我など)を判断することができる可能性がある。
(Attitude stability judgment function 22)
The analysis means 20 has a posture stability determination function 22 for determining whether the posture of the person is stable and whether the person is walking stably. If it has such a function, it is possible to grasp abnormal changes in the posture of the person and the walking state of the person. ) May be possible.

姿勢安定判断機能22は、検出手段10と人の体の重心位置との相対的な位置(事前にインプット)、および、前記検出手段10からの信号に基づいて、前記重心位置の時間変動を把握し、該重心位置の時間変動に基づいて人の歩行状態の安定性を判断するものである。なお、重心位置は、重心位置と検出手段10の取り付け位置の人間座標系における傾斜角および両者間の距離から求めることができる。   The posture stability determination function 22 grasps the time variation of the center of gravity position based on the relative position between the detection unit 10 and the center of gravity of the human body (input in advance) and the signal from the detection unit 10. The stability of the walking state of the person is determined based on the temporal variation of the center of gravity position. The center-of-gravity position can be obtained from the center-of-gravity position and the inclination angle in the human coordinate system of the attachment position of the detection means 10 and the distance between them.

ここで、重心位置の時間変動、つまり、重心位置における加速度をそれほど高い精度で必要としない場合であれば、検出手段10が取り付けられている位置と、重心の加速度は同じであるとしてもよい。しかし、人の体の重心位置は、一般的には、検出手段10に対して内側に位置しており、両者の加速度は一致しない。したがって、検出手段10が検出した加速度から重心の加速度を求める場合には、検出手段10が検出した3軸周りの角速度を使って補正して、重心の加速度を求めることが望ましい。   Here, if the time variation of the centroid position, that is, the acceleration at the centroid position is not required with a very high accuracy, the acceleration at the centroid may be the same as the position where the detection means 10 is attached. However, the center of gravity of the human body is generally located inside the detection means 10 and the accelerations of the two do not match. Therefore, when obtaining the acceleration of the center of gravity from the acceleration detected by the detection means 10, it is desirable to correct using the angular velocities around the three axes detected by the detection means 10 to obtain the acceleration of the center of gravity.

一方、通常の歩行であれば、鉛直軸周り以外の回転速度は小さいと考えられるので、鉛直軸周りの角速度だけを用いて以下の方法で補正すれば、ある程度の精度で重心の加速度を求めることができる。   On the other hand, if it is normal walking, the rotational speed other than around the vertical axis is considered to be small, so if only the angular velocity around the vertical axis is used and corrected by the following method, the acceleration of the center of gravity can be obtained with a certain degree of accuracy. Can do.

まず、人が歩行する場合に設定される静止座標系には3種類ある。絶対静止座標系(初期の座標系、上述した静止座標系)、平均歩行静止座標系(平均的歩行方向を用いる静止座標系)、検出手段10の瞬時静止座標系(センサの瞬時の姿勢における静止座標系、センサ座標系)、の3つである。   First, there are three types of stationary coordinate systems that are set when a person walks. Absolute stationary coordinate system (initial coordinate system, stationary coordinate system described above), average walking stationary coordinate system (stationary coordinate system using average walking direction), instantaneous stationary coordinate system of detecting means 10 (stationary in the instantaneous posture of the sensor) Coordinate system, sensor coordinate system).

検出手段10の計測値は、センサ座標系における計測値である。この座標系においては,検出手段10の取り付け位置と重心の位置の関係は、人が歩行しても変化しない。   The measurement value of the detection means 10 is a measurement value in the sensor coordinate system. In this coordinate system, the relationship between the attachment position of the detection means 10 and the position of the center of gravity does not change even when a person walks.

図6(A)に示すように、センサ座標系における重心の加速度は以下の数3で表すことができる。この加速度を、平均歩行静止座標系に座標変換すれば、歩行方向および横方向における重心の加速度が得られる。
なお、平均歩行静止座標系における各軸周りの重心の角加速度は、近似的に、数3の加速度を平均歩行静止座標系に座標変換して得られる平均歩行静止座標系の各軸周りの角速度を微分して求めればよい。
As shown in FIG. 6A, the acceleration of the center of gravity in the sensor coordinate system can be expressed by the following equation (3). If this acceleration is transformed into the average walking stationary coordinate system, the acceleration of the center of gravity in the walking direction and the lateral direction can be obtained.
The angular acceleration of the center of gravity around each axis in the average walking stationary coordinate system is approximately the angular velocity around each axis of the average walking stationary coordinate system obtained by converting the acceleration of Equation 3 into the average walking stationary coordinate system. Is obtained by differentiating.

なお、上記方法は、2軸の角速度を用いて重心の加速度を補正する場合に容易に拡張できる。つまり、2軸(例えば鉛直軸とX軸または鉛直軸とY軸)の角速度を用いる場合は、検出手段10と重心を結ぶ直線を検出手段10の瞬時静止座標系のY軸とする。すると、センサ座標系における重心の加速度は以下の数4で表すことができる。この加速度を、平均歩行静止座標系に座標変換すれば、2軸の角速度を用いても、重心の歩行方向および横方向の加速度を得ることができる。
The above method can be easily expanded when correcting the acceleration of the center of gravity using the biaxial angular velocity. That is, when the angular velocity of two axes (for example, the vertical axis and the X axis or the vertical axis and the Y axis) is used, the straight line connecting the detection means 10 and the center of gravity is set as the Y axis of the instantaneous stationary coordinate system of the detection means 10. Then, the acceleration of the center of gravity in the sensor coordinate system can be expressed by the following formula 4. If this acceleration is coordinate-converted into the average walking stationary coordinate system, the acceleration in the walking direction and the lateral direction of the center of gravity can be obtained even if the biaxial angular velocity is used.

人の姿勢や人の歩行状態は、圧力中心の位置と重心位置の相対的な位置関係の時間変動に基づいて判断することができる。具体的には、人の体の重心位置に3方向の慣性力(鉛直方向には重力加速度も含む)が加わっているとして、この重心位置からみた圧力中心の座標を求める。そして、この圧力中心の位置と重心位置の相対的な位置関係の時間変動を測定することによって、人の姿勢や人の歩行状態の安定性を判断することができる。   The posture of the person and the walking state of the person can be determined based on the temporal variation of the relative positional relationship between the position of the pressure center and the position of the center of gravity. Specifically, assuming that inertial forces in three directions (including gravitational acceleration in the vertical direction) are applied to the center of gravity of the human body, the coordinates of the pressure center viewed from this center of gravity are obtained. Then, by measuring the temporal variation of the relative positional relationship between the position of the pressure center and the position of the center of gravity, it is possible to determine the stability of the person's posture and the walking state of the person.

例えば、様々な体型の人や様々な年齢層の人、また、運動機能障害(例えば片麻痺など)のある人等について、歩行したときにおける圧力中心の位置と重心位置の相対的な位置関係の時間変動(以下相対変動という)を測定しておく。そして、各グループにおいて、歩行が安定している状態および/または歩行が不安定な状態における相対変動のパターンをデータとしてまとめておく。すると、被験者が歩行したときに測定される相対変動と、被験者が属するグループの相対変動のパターンを比較することによって、被験者の歩行が安定している状態か否かを判断することができる。   For example, for people of various body types, people of various ages, and people with motor dysfunction (eg hemiplegia), the relative positional relationship between the position of the center of pressure and the position of the center of gravity when walking Time variation (hereinafter referred to as relative variation) is measured. And in each group, the pattern of the relative fluctuation in the state where walking is stable and / or the state where walking is unstable is put together as data. Then, by comparing the relative variation measured when the subject walks with the pattern of the relative variation of the group to which the subject belongs, it can be determined whether or not the subject's walking is stable.

(重心位置に加わる慣性力の算出方法)
上述した重心位置に加わる上下方向の慣性力は、踵接地のタイミングから定める歩行のフェーズに合わせた等価質量と上下方向加速度の積から求めることができる。つまり、人の足に加わる鉛直床反力を慣性力として推定する。
(Calculation method of inertial force applied to the center of gravity)
The vertical inertia force applied to the position of the center of gravity described above can be obtained from the product of the equivalent mass and the vertical acceleration in accordance with the walking phase determined from the timing of heel contact. That is, the vertical floor reaction force applied to the human foot is estimated as the inertial force.

ここで、等価質量は、最も簡便な方法としては、被験者の質量を等価質量として採用することができる。
一方、等価質量を正確に把握する場合には、被験者に床反力計上を歩行してもらい、同時に上下方向加速度を測定する。すると、被験者の歩行に伴う等価質量の変動(つまり歩行フェーズごとの等価質量)を把握できる。このようにして、被験者の歩行フェーズごとの等価質量を予め算出しておけば、被験者の歩行に伴う重心位置に加わる上下方向の慣性力の変動を正確に把握することができる。
Here, as for the equivalent mass, as the simplest method, the mass of the subject can be adopted as the equivalent mass.
On the other hand, in order to accurately grasp the equivalent mass, ask the subject to walk on the floor reaction force and simultaneously measure the vertical acceleration. Then, the fluctuation | variation of the equivalent mass accompanying a test subject's walk (namely, the equivalent mass for every walk phase) can be grasped | ascertained. In this way, if the equivalent mass for each walking phase of the subject is calculated in advance, it is possible to accurately grasp the fluctuation of the vertical inertia force applied to the position of the center of gravity accompanying the walking of the subject.

また、上記両方法の中間的な方法として、以下のような方法で等価質量を算出することも可能である。
まず、等価質量は、両足が接地している状態では、実質量をm、換算計数をηとすれば、鉛直方向の等価質量は、以下の数5ように表すことができる。
As an intermediate method between the above two methods, the equivalent mass can be calculated by the following method.
First, the equivalent mass in the vertical direction can be expressed as the following equation (5), assuming that the substantial mass is m and the conversion count is η z when both feet are in contact with the ground.

そして、踵接地の瞬間における換算係数ηは、以下のように規定する。
η=ηz0
The conversion coefficient η z at the moment of contact with the heel is defined as follows.
η z = η z0

また、1歩の周期をTとすれば、0≦t≦αT期間は、換算係数ηは、以下のように規定する。
η=ηz0+(1−ηz0)t/α
If the period of one step is T, the conversion coefficient η z is defined as follows during the period 0 ≦ t ≦ αT.
η z = η z0 + (1−η z0 ) t / α

さらに、αT≦t≦αTでは、換算係数ηは、以下のように規定する。
η=1
Further, when αT ≦ t ≦ αT, the conversion coefficient η z is defined as follows.
η z = 1

なお、η、αは多数の被験者の平均値(正確な床反力の同時計測より求めたもの)を用いてもよいが、被験者の計測値があれば,被験者個人のデータを用いることが望ましい。 Note that η z and α may use the average value of a large number of subjects (obtained from accurate simultaneous measurement of floor reaction force), but if there are measured values of the subjects, the individual data of the subjects can be used. desirable.

また、左右前後方向に加わる慣性力は、以下の方法で求めることができる。
例えば、検出手段取り付け位置の加速度と重心の加速度は同一として、加速度に等価質量を乗じたものを左右前後方向に加わる慣性力とすることができる。この方法を使用すれば、簡単に左右前後方向に加わる慣性力を求めることができる。
Further, the inertial force applied in the left-right front-rear direction can be obtained by the following method.
For example, the acceleration at the detection means mounting position and the acceleration at the center of gravity can be the same, and an inertial force applied in the left-right front-rear direction can be obtained by multiplying the acceleration by an equivalent mass. If this method is used, the inertial force applied in the left-right and front-back directions can be easily obtained.

なお、重心に加わる各方向の慣性力の大きさは、各方向の床反力の大きさと一致する(慣性力=−床反力)と考えることができる。したがって、段落0032でも述べたように、上述した方法(加速度に等価質量を乗じる)によって、各方向の加速度と等価質量から各方向の床反力(鉛直床反力、前後方向床反力、左右方向床反力)を求めることができる。   In addition, the magnitude of the inertial force in each direction applied to the center of gravity can be considered to coincide with the magnitude of the floor reaction force in each direction (inertia force = −floor reaction force). Therefore, as described in paragraph 0032, the floor reaction force in each direction (vertical floor reaction force, front-rear direction floor reaction force, left-right floor reaction force, left and right) is calculated from the acceleration in each direction and the equivalent mass by the above-described method (acceleration is multiplied by the equivalent mass). Directional floor reaction force).

一方、段落0050〜0055に記載した方法を用いて重心の加速度を算出し、上記方法と同様に加速度に質量を乗じれば、より精度よく左右前後方向に加わる慣性力を求めることができる。   On the other hand, if the acceleration of the center of gravity is calculated using the method described in paragraphs [0050] to [0055] and the acceleration is multiplied by the mass as in the above method, the inertial force applied in the left-right and front-back directions can be obtained with higher accuracy.

(圧力中心の算出方法)
上述した圧力中心は、以下の方法によって求めることができる。
図6(B)において、細い矢印は人に加わる加速度を示しており、太い矢印は人に加わる慣性力を示している。なお、図6(B)において、大きい円が人の重心を示しており、小さい円が圧力中心を示している。またGは地面を示している。
(Calculation method of pressure center)
The pressure center described above can be obtained by the following method.
In FIG. 6B, thin arrows indicate acceleration applied to the person, and thick arrows indicate inertial force applied to the person. In FIG. 6B, the large circle indicates the center of gravity of the person, and the small circle indicates the center of pressure. G indicates the ground.

まず、検出手段10は、重力加速度は人に加わる力として検出する。つまり、検出手段10では、重力加速度は上向きの加速度として検出される。したがって、人に加わる上下方向の加速度は、人に加わる重力加速度と人の運動加速度が合計されたものとなる。   First, the detection means 10 detects gravitational acceleration as a force applied to a person. That is, the detection means 10 detects the gravitational acceleration as an upward acceleration. Therefore, the vertical acceleration applied to the person is the sum of the acceleration of gravity applied to the person and the acceleration of movement of the person.

ここで、図6(B)におけるNまわりのモーメントは0である。したがって、図6(B)では、以下の数6が成立する。
Here, the moment around N in FIG. 6B is zero. Therefore, in FIG. 6B, the following formula 6 is established.

上記数1を変形すると、したがって、歩行方向において、検出手段10取り付け位置あるいは重心から圧力中心までの距離Δxは以下の数7で得られる。
When the above equation 1 is modified, therefore, the distance Δx from the attachment position of the detection means 10 or the center of gravity to the center of pressure in the walking direction is obtained by the following equation 7.

水平方向についても、同様の手順で、検出手段10取り付け位置あるいは重心から圧力中心までの距離圧力中心が得られる。   Also in the horizontal direction, the distance pressure center from the attachment position of the detection means 10 or the center of gravity to the center of pressure is obtained in the same procedure.

したがって、検出手段10取り付け位置あるいは重心から圧力中心までの距離が得られる。 Accordingly, the distance from the attachment position of the detection means 10 or the center of gravity to the center of pressure is obtained.

重心から圧力中心までの距離が把握できれば、以下のように、人の姿勢の安定性を判断することが可能となる。例えば、歩行せず立たっている状態(静止中)であれば、人がふらついたりすれば、重心から圧力中心までの距離が変化する。したがって、重心から圧力中心までの距離の変化を検出すれば、人の体のブレを検出することができる。つまり、本実施形態の姿勢および歩行状態推定装置1を重心動揺計としても使用することができる。具体的には、静止中の圧力中心のブレは、以下のような方法で求めることができる。   If the distance from the center of gravity to the center of pressure can be grasped, it becomes possible to determine the stability of the posture of the person as follows. For example, if the person is standing without standing (still standing), the distance from the center of gravity to the center of pressure changes if the person fluctuates. Therefore, if a change in the distance from the center of gravity to the center of pressure is detected, it is possible to detect blurring of the human body. That is, the posture and walking state estimation device 1 of the present embodiment can also be used as a sway meter. Specifically, the blur of the pressure center at rest can be obtained by the following method.

静止中であれば、前後および左右の加速度の平均値はゼロと見なせるので、計測して座標変換した静止座標系での重心の加速度を積分して変動変位xGAを求める。そして、得られた変動変位xGAをΔxに加えれば、いわゆる重心動揺計と同等の出力(Δx+xGA)を得ることが可能となる。すると、検出手段10としてモーションセンサ1個を使用しても、重心動揺計の働きをさせることが可能となる。 Since the average value of the longitudinal and lateral accelerations can be regarded as zero when the vehicle is stationary, the acceleration of the center of gravity in the stationary coordinate system that has been measured and coordinate-transformed is integrated to obtain the fluctuation displacement xGA . If the obtained variable displacement x GA is added to Δx, it is possible to obtain an output (Δx + x GA ) equivalent to a so-called center-of-gravity sway meter. Then, even if one motion sensor is used as the detection means 10, it becomes possible to make the center of gravity oscillating meter work.

したがって、変動変位xGAにより重心の動揺が得ることができ、Δx+xGAにより圧力中心の動揺が得ることができる。そして、Δxにより重心と圧力中心の関係を得ることができる。 Therefore, the fluctuation of the center of gravity can be obtained by the variable displacement x GA , and the fluctuation of the pressure center can be obtained by Δx + x GA . The relationship between the center of gravity and the center of pressure can be obtained from Δx.

そして、歩行している場合にも、フーリエ変換を1周期ごと(左右2歩ずつ歩いた期間)について上記計算を行えば、重心の動揺や圧力中心の動揺、重心と圧力中心の関係を求めることができる。   And even when walking, if the above calculation is performed for each cycle (period of walking two steps left and right), the sway of the center of gravity, the sway of the pressure center, and the relationship between the center of gravity and the center of pressure can be obtained. Can do.

なお、歩行中における圧力中心は、前述のΔxとしてもよい。また、Δxに前述の変位の変動値Δxを加えたものとしてもよく、この場合には、歩行中の平均速度に対する圧力中心の変化となる。いずれの指標もそれぞれ意味があるので、適宜選択して使用することができる。 Incidentally, the pressure center during walking, may be the aforementioned [Delta] x G. Further, Δx G may be the value obtained by adding the above-described displacement fluctuation value Δx. In this case, the pressure center changes with respect to the average speed during walking. Each index has meaning, and can be appropriately selected and used.

なお、重心の加速度を積分して変動変位xGAを求める際の積分誤差については、歩行のように1周期の変動がないので、ある程度長い時間での速度の平均値をゼロとすることによってキャンセルすることができる。
また、平均値をゼロとする手法として、計測した加速度にウインドウをかぶせ、フーリエ変換して直流(DC)成分を除き、周波数成分に1/ωを乗じて逆フーリエ変換して速度を求めてもよい。さらに、周波数成分に1/ωを乗じてフーリエ変換しても変位も求めることができる。
Note that the integration error in determining the fluctuation displacement x GA by integrating the acceleration of the center of gravity, since there is no variation in one period as walking, cancellation by a zero mean value of the velocity in the relatively long time can do.
In addition, as a method of setting the average value to zero, the measured acceleration may be covered with a window, Fourier transformed to remove the direct current (DC) component, and the frequency component multiplied by 1 / ω to obtain the velocity by inverse Fourier transformation. Good. Furthermore, the displacement can also be obtained by multiplying the frequency component by 1 / ω 2 and Fourier transform.

(歩幅の推定)
上述した方法などによって、歩行中における圧力中心を把握することができれば、人の歩幅を推定することも可能となる。
(Estimation of stride)
If the center of pressure during walking can be grasped by the above-described method or the like, it becomes possible to estimate the stride of a person.

人が歩行しているときに、片足のみが接地している状況では、圧力中心は足裏の中に位置することになる。このため、圧力中心の位置と、重心位置または検出手段10の取り付け位置との相対的な距離の変動幅を把握すれば、おおまかな歩幅を把握することができる。   When a person is walking and only one foot is in contact with the ground, the center of pressure is located in the sole. For this reason, if the relative fluctuation range of the distance between the position of the pressure center and the position of the center of gravity or the attachment position of the detection means 10 is grasped, a rough stride can be grasped.

具体的には、一方の足が片足接地している状態において、重心位置は、人の進行方向において、圧力中心の後方から前方に移動する。そして、両足接地から片足接地になる状態と片足接地から両足接地になる状態において、重心位置から圧力中心までの距離が最も離れた状態となる。すると、進行方向前方を正とすれば、両足接地から片足接地になる状態が負の最大値、片足接地から両足接地になる状態が正の最大値となるように、重心位置から圧力中心までの距離が変化する。   Specifically, in a state where one foot is in contact with one foot, the position of the center of gravity moves from the rear to the front of the center of pressure in the direction of human movement. The distance from the center of gravity position to the center of pressure is the farthest in the state where both feet are grounded and one foot is grounded. Then, if the forward direction in the direction of travel is positive, the state from the center of gravity to the center of pressure is such that the state from the ground contact to the one foot contact is the negative maximum value and the state from the one foot contact to the both foot contact is the positive maximum value The distance changes.

したがって、圧力中心の変動幅を把握すれば、両足接地から片足接地になる状態における圧力中心の位置と片足接地から両足接地になる状態における圧力中心の位置との距離、つまり歩幅をおおまかに把握することができるのである。   Therefore, if the fluctuation range of the pressure center is grasped, the distance between the position of the pressure center in the state where the ground contact from one foot is in contact with one foot and the position of the pressure center in the state where the ground contact from both feet is contacted, that is, the stride is roughly grasped. It can be done.

(躓き判断機能23)
解析手段20は、人が躓いたか否かを判断する躓き判断機能23を有していることが望ましい。かかる機能を有していれば、人の歩行状態の変化が躓いたことに起因するのか、それとも他の理由によるのかを判断することができる。すると、被験者の歩行の異常から被験者の体調や体の不具合(例えば怪我など)を判断する際に、躓きを他の状態と誤認することを防ぐことができる。逆に、躓きの発生した状況から人の体調や体の不具合(例えば怪我など)を判断することも可能となる。
(Whiggle judgment function 23)
The analysis means 20 preferably has a whisper determination function 23 for determining whether or not a person has struck. If it has such a function, it can be judged whether it is caused by a change in the walking state of a person or for another reason. Then, when judging the physical condition of the subject or the malfunction of the subject (for example, an injury) from the abnormality in the walking of the subject, it is possible to prevent mistaking the whisper as another state. Conversely, it is also possible to determine a person's physical condition and a physical defect (for example, an injury) from the situation where the whisper has occurred.

躓き判断機能23が躓きを判断する方法として、以下のような方法を挙げることができる。   The following method can be cited as a method for the whisper determination function 23 to determine whisper.

まず、人が安定した状態で歩行している場合には、前後方向加速度検出部14が検出する前後方向の加速度はゼロを中心として変動する定常振動的な波形となる。そして、その定常振動の幅は、所定の範囲内となる。   First, when a person is walking in a stable state, the longitudinal acceleration detected by the longitudinal acceleration detector 14 is a steady-state vibration waveform that fluctuates around zero. And the width of the steady vibration is within a predetermined range.

しかし、前後方向加速度検出部14が検出する前後方向の加速度の振幅が所定の範囲を超えるような変動を示した場合には、人の姿勢が大きく崩れたことを示している。つまり、前後方向の加速度の振幅によって、人の姿勢の変化をある程度把握できる。   However, when the fluctuation of the longitudinal acceleration detected by the longitudinal acceleration detection unit 14 exceeds a predetermined range, it indicates that the posture of the person is greatly collapsed. That is, the change in the posture of the person can be grasped to some extent by the amplitude of the acceleration in the front-rear direction.

ここで、躓きは、接地していない足が何かに引っかかる等により、通常の歩行のタイミングで足を前方に移動させることができずに、その足が早く接地したしまった状態である。したがって、前後方向の加速度の振幅が所定の範囲を超えるとほぼ同時に、上下方向の加速度が上向きに大きくなっておれば、躓きなどの異常が発生したと判定することができる。そして、躓きなどの異常を検出したときにおける横方向の加速度あるいは変位を参照すれば、どちらの足で躓いたかを把握することができる。   Here, whispering is a state in which the foot is grounded quickly without being able to move the foot forward at the normal walking timing due to something such as a foot that is not grounded being caught. Therefore, it can be determined that an abnormality such as a whisper has occurred if the acceleration in the vertical direction increases upward almost simultaneously with the amplitude of the acceleration in the front-rear direction exceeding a predetermined range. Then, by referring to the lateral acceleration or displacement when an abnormality such as whispering is detected, it is possible to grasp which foot has been hit.

そして、正常な歩行をしている状態での接地のタイミングと、躓いた際の設置のタイミングを比較すれば、どの時点で躓いたかを判断することも可能となる。例えば、躓きを検出するまでの歩行における接地のタイミングと比較して、躓いた際における接地タイミング(上下方向の加速度が上向きに大きくなるタイミング)が早ければ、正常な接地の前(つまり躓いた足が浮いている時期(遊脚期))に躓いたと判定することができる。   Then, by comparing the timing of grounding in a normal walking state with the timing of installation at the time of hitting, it is possible to determine at which point the user hits. For example, if the ground contact timing (the timing at which the acceleration in the vertical direction increases upward) is earlier than the ground contact timing for walking until the detection of a whisper, It can be determined that he / she crawls during the floating period (free leg period).

なお、上記方法では、躓きの発生を判断できる一方、躓き以外の原因で歩行が乱れたことを推定することも可能となる。例えば、前後方向の加速度の振幅が所定の範囲を超えても、上下方向において加速度が上向きに大きくなる現象が現れなければ、躓き以外の原因で歩行が乱れたと推定することもできる。   While the above method can determine the occurrence of whispering, it is also possible to estimate that walking has been disturbed for reasons other than whispering. For example, even if the amplitude of the acceleration in the front-rear direction exceeds a predetermined range, it can be estimated that the walking is disturbed due to a cause other than whispering if a phenomenon in which the acceleration increases upward in the vertical direction does not appear.

また、躓き判断機能23が躓きを判断する方法は上記のごとき方法に限定されない。前後方向の加速度の振幅が所定の範囲を超え、かつ、回転角度検出部11が検出する回転角速度の変化率(加速度)が大きくなった場合に、躓きが発生したと判断するようにしてもよい。例えば、センサ座標系での横軸(Y軸)回りの角加速度が大きなっていれば、前方へ倒れつつあることを示している。したがって、前後方向の加速度の振幅が所定の範囲を超え、かつ、センサ座標系での横軸(Y軸)回りの角加速度が大きくなった場合にも、躓きが発生して前方に倒れようとしていると判断することができる。   Moreover, the method by which the whispering determination function 23 determines whispering is not limited to the method as described above. When the amplitude of acceleration in the front-rear direction exceeds a predetermined range and the rate of change (acceleration) of the rotational angular velocity detected by the rotational angle detection unit 11 increases, it may be determined that a whisper has occurred. . For example, if the angular acceleration around the horizontal axis (Y axis) in the sensor coordinate system is large, it indicates that the vehicle is falling forward. Therefore, even when the amplitude of the acceleration in the front-rear direction exceeds a predetermined range and the angular acceleration around the horizontal axis (Y-axis) in the sensor coordinate system becomes large, the whirling occurs and it tends to fall forward Can be determined.

そして、センサ座標系における軸回りの角加速度を用いれば、躓いた際に倒れる方向も推定することができる。例えば、歩行方向軸(X軸)まわりの角加速度が通常より大きくなっている場合には、倒れる方向が純粋な前方ではなく斜めに倒れつつあると判断することもできる。もちろん、横方向(Y軸方向)の加速度が通常より大きくなっている場合にも、倒れる方向が純粋な前方ではなく斜めに倒れつつあると判断することもできる。   If the angular acceleration around the axis in the sensor coordinate system is used, it is possible to estimate the direction of falling when hit. For example, when the angular acceleration around the walking direction axis (X axis) is larger than normal, it can be determined that the direction of falling is not purely forward but is tilted diagonally. Of course, even when the acceleration in the lateral direction (Y-axis direction) is larger than usual, it can also be determined that the direction of falling is not purely forward but is tilting diagonally.

さらに、躓きを判断する際に、前後方向の加速度の振幅を用いずに、回転角速度の変化率(加速度)だけで躓きを判断してもよい。つまり、回転角度検出部11が検出する回転角速度の変化率(加速度)が上記のごとき状態となった場合には、躓きが発生したと判断するようにしてもよい。しかし、前後方向の加速度の振幅を利用するほうが、躓きを検出する精度を高くできる。   Furthermore, when determining the stroke, the stroke may be determined only by the change rate (acceleration) of the rotational angular velocity without using the amplitude of the acceleration in the front-rear direction. That is, when the change rate (acceleration) of the rotation angular velocity detected by the rotation angle detection unit 11 is in the state as described above, it may be determined that a whisper has occurred. However, the accuracy of detecting whispering can be increased by using the acceleration amplitude in the front-rear direction.

本発明の姿勢および歩行状態推定装置によって、歩行状態を推定可能であることを確認した。   It was confirmed that the walking state can be estimated by the posture and walking state estimation device of the present invention.

実験では、本発明の姿勢および歩行状態推定装置によって、人が歩行している状態において、(1)足が接地しているか否か、(2)左右いずれの足が接地したか、(3)躓きによる転倒の可能性があるか、を検出可能あることを確認した。   In the experiment, with the posture and walking state estimation device of the present invention, (1) whether or not the foot is grounded, (2) whether the left or right foot is grounded, or (3) It was confirmed that it was possible to detect whether there was a possibility of falling due to a whisper.

実験では、図3に示すように体幹部に取り付けられた、3軸方向の加速度が求められるモーションセンサ(テック技販製 MSD-MS)からの情報によって歩行状態の推定を行った。モーションセンサでは、人が歩行している状態において、サンプリング周期500Hzでデータを測定し、得られたテータを解析して上記(1)〜(3)の状態を推定した。   In the experiment, as shown in FIG. 3, the walking state was estimated based on information from a motion sensor (MSD-MS manufactured by Tech Gifu Co., Ltd.) that is attached to the trunk and requires acceleration in three axial directions. In the motion sensor, data was measured at a sampling period of 500 Hz while a person was walking, and the obtained data was analyzed to estimate the states (1) to (3).

なお、推定結果の妥当性を確認するために、歩行する人には、携帯型の床反力計(テック技販製 M3D-FP:Tao Liu et al,“A Mobile Force Plate and Three-Dimensional Motion Analysis System for Three-Dimensional Gait Assessment”,IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 12, NO. 5, MAY 2012 参照)を装着して、足の接地と加わる反力を測定した。   In order to confirm the validity of the estimation results, a walking floor reaction force meter (M3D-FP: Tao Liu et al, “A Mobile Force Plate and Three-Dimensional Motion, manufactured by Tech Gifu) Wearing the “Analysis System for Three-Dimensional Gait Assessment”, IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 12, NO. 5, MAY 2012), the reaction force applied to the foot contact was measured.

(1)足が接地しているか否か
本発明の姿勢および歩行状態推定装置によって足の設置を把握できるか否かを確認した結果を図4(A)に示す。なお、図4(A)において、RHTSRIOとLHTSRIOは,床反力計での左右脚の接地のオンオフを示しており、値が5のときは足が地面に接地しており、0のときは足が浮いていること示している。
(1) Whether or not the foot is in contact with the ground FIG. 4A shows the result of confirming whether or not the foot installation can be grasped by the posture and walking state estimation device of the present invention. In Fig. 4 (A), RHTSRIO and LHTSRIO indicate on / off of ground contact between the left and right legs in the floor reaction force meter. When the value is 5, the foot is grounded to the ground, and when it is 0 Shows that your feet are floating.

図4(A)に示すように、地面に足が接地したと考えらえるとき、体幹センサのZ軸方向の加速度が増加していることが確認できた。つまり、Z軸方向(つまり鉛直方向)の加速度を検出することで、足が接地しているか否かを把握できることが確認された。   As shown in FIG. 4A, it was confirmed that the acceleration in the Z-axis direction of the trunk sensor was increased when it was considered that the foot was in contact with the ground. That is, it was confirmed that it is possible to grasp whether or not the foot is in contact with the ground by detecting the acceleration in the Z-axis direction (that is, the vertical direction).

(2)左右いずれの足が接地したか
本発明の姿勢および歩行状態推定装置によって左右の足の接地を把握できるか否かを確認した結果を図4(B)に示す。図4(B)には、Z軸方向の動的加速度によって推定される接地のタイミングとY軸方向の動的加速度の値を示している。なお、ON/OFFの値が5のときが、足が地面に接地したタイミングを示している。
(2) Which of the left and right feet is grounded? FIG. 4 (B) shows the result of confirming whether the right and left feet can be grounded by the posture and walking state estimation device of the present invention. FIG. 4B shows the timing of ground contact estimated from the dynamic acceleration in the Z-axis direction and the value of the dynamic acceleration in the Y-axis direction. When the ON / OFF value is 5, it indicates the timing at which the foot touches the ground.

図4(B)に示すように、Z軸方向の動的加速度より推定される接地のタイミングにおいて、Y軸方向の動的加速度は右足が接地時には左向きとなり、左足が接地時には右向きとなっていることが確認できた。つまり、Y軸方向の動的加速度の向きと、Z軸方向の加速度を比較することで、左右いずれの足が接地しているかを把握できることが確認された。
なお、ここでいうX軸およびY軸は、平均歩行静止座標系である。本実験では、被験者がまっすぐに歩行しているので、平均歩行静止座標系は絶対静止座標系と一致している。つまり、Z軸は鉛直軸と一致しており、X軸およびY軸は水平な軸となっている。
As shown in FIG. 4B, at the timing of grounding estimated from the dynamic acceleration in the Z-axis direction, the dynamic acceleration in the Y-axis direction is leftward when the right foot is grounded and rightward when the left foot is grounded. I was able to confirm. In other words, it was confirmed that by comparing the direction of the dynamic acceleration in the Y-axis direction and the acceleration in the Z-axis direction, it is possible to grasp which of the left and right feet is grounded.
Here, the X axis and the Y axis are an average walking stationary coordinate system. In this experiment, since the subject is walking straight, the average walking stationary coordinate system matches the absolute stationary coordinate system. That is, the Z axis coincides with the vertical axis, and the X axis and the Y axis are horizontal axes.

(3)躓きによる転倒の可能性があるか
本発明の姿勢および歩行状態推定装置によって躓きを把握できるか否かを確認した。
実験では、図5(A)に示すように、歩行中に生じる躓きを足に取り付けた紐を引っ張ることで再現した。
(3) Is there a possibility of a fall due to a roll? It was confirmed whether a roll can be grasped by the posture and walking state estimation device of the present invention.
In the experiment, as shown in FIG. 5 (A), the whip generated during walking was reproduced by pulling a string attached to the foot.

実験では、被験者5名に、通常歩行を3回、左右の躓きを3回、それぞれ実施してもらった。なお,実験は、被験者全員に対して事前に、実験の目的と実験方法を十分に説明し、協力の同意を得、かつ十分に安全性を確保した状況において実施した。   In the experiment, five subjects performed normal walking three times and left and right whispers three times. The experiment was conducted in a situation where all subjects were fully explained about the purpose and method of the experiment, agreed to cooperate, and sufficiently secured.

図5(B)には、躓き時に見られるX軸方向の動的加速度の変化と通常歩行時との違いの一例を示している。図5(B)に示すように、躓き時には、通常歩行時に比べて、X軸方向の動的加速度が大きく増減していることが確認できる。   FIG. 5B shows an example of the difference between the change in the dynamic acceleration in the X-axis direction seen when whispering and the normal walking. As shown in FIG. 5 (B), it can be confirmed that the dynamic acceleration in the X-axis direction greatly increases or decreases when whispering compared to when walking normally.

表1には、被験者ごとの最大値最小値の平均から得られる動的加速度の範囲を示している。表1では、どの被験者も、躓き時には、通常の歩行時に比べて、動的加速度の増減幅が大きくなっていることが確認された。   Table 1 shows the range of dynamic acceleration obtained from the average of the maximum and minimum values for each subject. In Table 1, it was confirmed that every subject increased the increase / decrease width of the dynamic acceleration when stroking as compared to the normal walking.

以上の結果より、X軸方向の動的加速度を検出することによって躓きの検知が可能であることが確認された。   From the above results, it was confirmed that the whispering can be detected by detecting the dynamic acceleration in the X-axis direction.

本発明の姿勢および歩行状態推定装置は、人の体に取り付けて人の歩行の異常から被験者の体調や体の不具合(例えば怪我など)を判断するための装置や、転倒防止能力の診断する装置、歩行訓練等の成果を定量化する装置等に適用することができる。   The posture and walking state estimation device of the present invention is a device that is attached to a human body and is used to determine a physical condition of the subject or a malfunction of the body (for example, an injury) from a human walking abnormality, or a device that diagnoses a fall prevention ability It can be applied to a device for quantifying results of walking training and the like.

1 姿勢および歩行状態推定装置
10 検出手段
11 回転角度センサ
12 上下加速度センサ
13 横方向加速度センサ
14 前後方向加速度センサ
20 解析手段
21 歩行状態判断機能
22 姿勢安定判断機能
23 躓き判断機能
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Posture and walking state estimation apparatus 10 Detection means 11 Rotation angle sensor 12 Vertical acceleration sensor 13 Lateral acceleration sensor 14 Longitudinal acceleration sensor 20 Analysis means 21 Walking state judgment function 22 Posture stability judgment function 23 Whisper judgment function

Claims (5)

人の体に取り付けられる検出手段と、
該検出手段からの信号に基づいて、歩行状態および/または姿勢を解析する解析手段と、を備えており、
前記検出手段が、
人の体の上下方向の加速度を検出する上下加速度検出部を有しており、
前記解析手段は、
姿勢の安定性を判断する姿勢安定判断機能を有しており、
該姿勢安定判断機能は、
前記上下加速度検出部からの信号に基づいて鉛直床反力を推定し、該推定された鉛直床反力の時間変動に基づいて歩行状態および/または姿勢を判断する機能を有している
ことを特徴とする姿勢および歩行状態推定装置。
Detection means attached to the human body;
Analyzing means for analyzing a walking state and / or posture based on a signal from the detection means,
The detection means is
It has a vertical acceleration detector that detects the vertical acceleration of the human body,
The analysis means includes
It has a posture stability judgment function to judge the posture stability,
The posture stability determination function is
A function of estimating a vertical floor reaction force based on a signal from the vertical acceleration detection unit and determining a walking state and / or posture based on a temporal variation of the estimated vertical floor reaction force; Characteristic posture and walking state estimation device.
前記姿勢安定判断機能は、
前記検出手段と人の体の重心位置との相対的な位置、および、前記検出手段からの信号に基づいて、前記重心位置の変化を把握し、該重心位置の時間変動に基づいて人の歩行状態および/または姿勢の安定性を判断するものである
ことを特徴とする請求項1記載の姿勢および歩行状態推定装置。
The posture stability determination function is
Based on the relative position between the detection means and the gravity center position of the human body and the signal from the detection means, the change in the gravity center position is grasped, and the person walking based on the time variation of the gravity center position 2. The posture and walking state estimation device according to claim 1, wherein the posture and walking state stability are determined.
前記解析手段は、
人の体の重心位置に加わる慣性力を推定し、該慣性力が加わった状態における重心位置の時間変動に基づいて人の歩行状態および/または姿勢の安定性を判断するものである
ことを特徴とする請求項1または2記載の姿勢および歩行状態推定装置。
The analysis means includes
The inertial force applied to the center of gravity position of the human body is estimated, and the stability of the walking state and / or posture of the person is determined based on the temporal variation of the center of gravity position in the state where the inertial force is applied. The posture and walking state estimation device according to claim 1 or 2.
前記姿勢安定判断機能は、
前記重心位置と圧力中心との相対的に位置関係に基づいて、人の歩行状態および/または姿勢の安定性を判断するものである
ことを特徴とする請求項1、2または3記載の姿勢および歩行状態推定装置。
The posture stability determination function is
4. The posture according to claim 1, 2, or 3, wherein the posture of the person and / or the stability of the posture are determined based on a relative positional relationship between the center of gravity position and the center of pressure. Walking state estimation device.
前記検出手段は、
人の体の前後方向の加速度を検出する前後方向加速度検出部を備えており、
前記解析手段は、
前記前後方向加速度検出部からの信号と前記床反力の時間変動に基づいて躓きを判断する機能を備えている
ことを特徴とする請求項1、2、3または4記載の姿勢および歩行状態推定装置。
The detection means includes
It has a longitudinal acceleration detector that detects the longitudinal acceleration of the human body,
The analysis means includes
The posture and walking state estimation according to claim 1, 2, 3, or 4, further comprising a function of determining a whirling based on a signal from the longitudinal acceleration detection unit and a temporal variation of the floor reaction force. apparatus.
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