JP2015078959A - Walking distance measurement system, inertial measurement device, and footwear for measurement - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は歩行距離計測システム、慣性計測装置および計測用履物に係り、特に、慣性センサ（ジャイロ、加速度計）を用いた慣性計測装置を歩行計測に応用し、整形外科、理学療法（リハビリテーション）、療術分野での使用に供することのできる歩行距離計測システム、慣性計測装置および計測用履物に関するものである。 The present invention relates to a walking distance measurement system, an inertial measurement device, and footwear for measurement. In particular, an inertial measurement device using an inertial sensor (gyroscope, accelerometer) is applied to walking measurement, orthopedics, physical therapy (rehabilitation), The present invention relates to a walking distance measuring system, an inertial measuring device, and measuring footwear that can be used in the medical field.
従来、人間の歩行解析には、モーションキャプチャやカメラ等が用いられてきた。しかしながら医療関係（主にリハビリ等）においては、これらは扱うにはいずれも高価なシステムであるため、採用が難しい。そこで当該分野では、定量的な評価は行われず、多くは目視確認を主として歩行の評価がなされているのが現状である。 Conventionally, motion capture and cameras have been used for human walking analysis. However, in medical relations (mainly rehabilitation, etc.), these are expensive systems to handle, and are difficult to adopt. Therefore, in this field, quantitative evaluation is not performed, and in most cases, walking is mainly evaluated by visual confirmation.
もっとも技術的な提案は従来からなされており、たとえば特許文献１には、慣性センサの使用に基づく信頼性の高い歩数計の制御方法および歩数計を提供可能なものとして、歩数計のユーザの動作に相関される信号を発生し、信号に基づいてユーザの歩行ステップを検出するステップを含み、検出された歩行ステップのシーケンスが予め定められた規則性の条件を満足するか否かをチェックし、規則性の条件が満足されるならば有効な歩行ステップの総数を更新し、満足されないならば有効な歩行ステップの総数の更新を阻止するステップを考慮するといった手順を主とする制御技術が開示されている。 The most technical proposal has hitherto been made. For example, Patent Document 1 discloses a pedometer operation method that can provide a reliable pedometer control method based on the use of an inertial sensor and a pedometer. Generating a signal correlated to the user, and detecting a user's walking step based on the signal, and checking whether the sequence of the detected walking step satisfies a predetermined regularity condition, A control technique is disclosed that mainly includes a procedure that considers a step that updates the total number of effective walking steps if the regularity condition is satisfied and a step that prevents updating the total number of effective walking steps if the condition is not satisfied. ing.
また、特許文献２には、ヒトの行動をモニタする方法が、少なくとも１個所は脚部でない人体の複数の個所の１つに設置される慣性センサを使用して加速度をモニタする段階を含んだヒトの行動のモニタ方法技術が開示されており、この加速度に基づいて複数のステップがカウントされ、複数のステップの歩行特性が求められ、それを使用して歩幅が求められ、さらに歩幅に基づいて移動距離や移動速度が求められる、としている。 Further, Patent Document 2 includes a step of monitoring acceleration of a human using an inertial sensor installed at one of a plurality of portions of a human body that is not at least one leg. A human behavior monitoring method technique is disclosed, and a plurality of steps are counted based on this acceleration, a walking characteristic of the plurality of steps is obtained, and a stride is obtained using the step characteristics, and further, based on the stride. The travel distance and travel speed are required.
また、特許文献３には、歩行が困難な患者などにおける種々の３次元歩行特性を、どこでも無拘束で長時間測定して導出できる歩行特性評価システムとして、 一または複数の身体装着型センサ、携帯型データ記録装置および解析装置からなるシステムが開示されており、身体装着型センサとして足の加速度および角速度を測定可能かつ少なくとも足爪先装着用のセンサを備え、携帯型データ記録装置は身体装着型センサによって測定されたデータを記録し、解析装置はそのデータを演算処理して一歩ごとの足爪先の３次元軌跡を生成可能であるとしている。 Patent Document 3 discloses one or a plurality of body-worn sensors, mobile phones, and the like as a walking characteristic evaluation system that can derive various three-dimensional walking characteristics in patients who are difficult to walk by measuring them anywhere for a long time without restriction. A system comprising a type data recording device and an analysis device is disclosed, and as a body-worn sensor, a foot acceleration and angular velocity sensor capable of measuring foot acceleration and angular velocity is provided, and at least a toe-tip-worn sensor is provided. The data measured by the method is recorded, and the analysis apparatus can calculate the data and generate a three-dimensional trajectory of the toe for each step.
しかしながら、各特許文献開示技術も含め、歩行距離計測を安価に、かつ精度よく直接計測できる技術は未だに提案されていない。そこで本発明が解決しようとする課題は、かかる従来技術の問題点をなくし、歩行距離計測を安価に、かつ精度よく直接計測することのできる、歩行距離計測システム、慣性計測装置および計測用履物を提供することである。 However, no technology has yet been proposed that can directly measure the walking distance at a low cost and with high accuracy, including the technology disclosed in each patent document. Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a walking distance measurement system, an inertial measurement device, and a footwear for measurement that can eliminate the problems of the prior art and can directly measure the walking distance with low cost and high accuracy. Is to provide.
本願発明者は上記課題について検討した結果、歩行距離を計測するために、慣性計測装置を使用してこれを直接履物に取り付けるための構成をとり、また、センサ取り付け側の足の踏み込み時に６軸センサのオフセットキャンセルを行うことによって位置の測定精度の向上を図り、さらには、履物として硬い材質の物を使用することによってオフセットキャンセルの精度を向上させるといった手段によって当該課題を解決できることを見出し、これに基づいて本発明を完成するに至った。すなわち、上記課題を解決するための手段として本願で特許請求される発明、もしくは少なくとも開示される発明は、以下の通りである。 As a result of studying the above problems, the inventor of the present application has adopted a configuration for directly attaching it to the footwear using an inertial measurement device in order to measure the walking distance. It has been found that the position measurement accuracy can be improved by performing offset cancellation of the sensor, and that the problem can be solved by means of improving the accuracy of offset cancellation by using a hard material as footwear. Based on this, the present invention has been completed. That is, the invention claimed in the present application, or at least the disclosed invention, as means for solving the above-described problems is as follows.
〔１〕 慣性計測装置および計測用履物を用いて構成される歩行距離計測システムであって、該慣性計測装置は、本体と、該本体に内蔵されたセンサと、該センサにより検知された情報に演算処理を施す演算部と、および該計測用履物に取り付けるための該本体上の取付部とを備えて構成され、該演算部では検知対象である該計測用履物の運動状態に基づくオフセットキャンセルが行われる、歩行距離計測システム。
〔２〕 前記オフセットキャンセルは、歩行動作中繰り返しなされることを特徴とする、〔１〕に記載の歩行距離計測システム。
〔３〕 前記オフセットキャンセルは、前記計測用履物の静止時から運動開始時の間においてなされることを特徴とする、〔１〕または〔２〕に記載の歩行距離計測システム。
[1] A walking distance measurement system configured by using an inertial measurement device and measurement footwear, the inertial measurement device including a main body, a sensor built in the main body, and information detected by the sensor An arithmetic unit that performs arithmetic processing and an attachment part on the main body for attaching to the footwear for measurement are configured, and in the arithmetic unit, offset cancellation based on the motion state of the footwear for measurement that is a detection target is performed. A walking distance measurement system.
[2] The walking distance measuring system according to [1], wherein the offset cancellation is repeatedly performed during a walking motion.
[3] The walking distance measuring system according to [1] or [2], wherein the offset cancellation is performed between when the measurement footwear is stationary and when the exercise starts.
〔４〕 前記オフセットキャンセルは、前記計測用履物の踏み込み時の静止状態から踏み出し開始へと移行する際に毎回なされることを特徴とする、〔１〕に記載の歩行距離計測システム。
〔５〕 前記踏み込み時の開始は、加速度値の変化に基づいて判断されることを特徴とする、〔４〕に記載の歩行距離計測システム。
〔６〕 前記オフセットキャンセルは、前記センサの静止時における一定時間の複数のセンサ出力値に基づき得られるオフセット量によりなされることを特徴とする、〔１〕ないし〔５〕のいずれかに記載の歩行距離計測システム。
[4] The walking distance measuring system according to [1], wherein the offset cancellation is performed every time when the measuring footwear is shifted from a stationary state when the measuring footwear is stepped on to a start of stepping.
[5] The walking distance measuring system according to [4], wherein the start of the stepping is determined based on a change in acceleration value.
[6] The offset cancellation is performed based on an offset amount obtained based on a plurality of sensor output values for a certain period of time when the sensor is stationary, according to any one of [1] to [5]. Walking distance measurement system.
〔７〕 前記演算部では歩行時ごとの歩幅距離に基づいて歩行距離が直接演算され、歩数は歩行距離演算に不要であることを特徴とする、〔１〕ないし〔６〕のいずれかに記載の歩行距離計測システム。
〔８〕 前記センサは、ジャイロセンサおよび加速度センサからなる６軸センサであることを特徴とする、〔１〕ないし〔７〕のいずれかに記載の歩行距離計測システム。
〔９〕 前記計測用履物としては、前記オフセットキャンセルの精度を高めるべく、該計測用履物の静止時における前記センサの振動発生が抑制される履物が用いられることを特徴とする、〔１〕ないし〔８〕のいずれかに記載の歩行距離計測システム。
〔１０〕 前記計測用履物としては、前記オフセットキャンセルの精度を高めるべく、より硬い材質の履物、またはより高い剛性の履物が用いられることを特徴とする、〔１〕ないし〔８〕のいずれかに記載の歩行距離計測システム。
[7] The calculation unit according to any one of [1] to [6], wherein the calculation unit directly calculates a walking distance based on a stride distance for each walking, and the number of steps is not necessary for calculating the walking distance. Walking distance measurement system.
[8] The walking distance measuring system according to any one of [1] to [7], wherein the sensor is a six-axis sensor including a gyro sensor and an acceleration sensor.
[9] As the measurement footwear, in order to increase the accuracy of the offset cancellation, the footwear that suppresses the vibration of the sensor when the measurement footwear is stationary is used. [8] The walking distance measuring system according to any one of [8].
[10] Any one of [1] to [8], wherein as the measurement footwear, a harder material footwear or a higher rigidity footwear is used in order to increase the accuracy of the offset cancellation. The walking distance measurement system described in 1.
〔１１〕 前記計測用履物には前記慣性計測装置を取り付けるための装置受部が設けられていることを特徴とする、〔１〕ないし〔１０〕のいずれかに記載の歩行距離計測システム。
〔１２〕 前記装置受部は前記計測用履物の底部に設けられていることを特徴とする、〔１１〕に記載の歩行距離計測システム。
〔１３〕 前記慣性計測装置には、前記センサにより検知された情報、または前記演算部により処理された情報の少なくともいずれかを外部へ伝達する送出部が内蔵されていることを特徴とする、〔１〕ないし〔１２〕のいずれかに記載の歩行距離計測システム。
[11] The walking distance measuring system according to any one of [1] to [10], wherein the measuring footwear is provided with a device receiving portion for attaching the inertial measuring device.
[12] The walking distance measuring system according to [11], wherein the device receiving portion is provided at a bottom of the measuring footwear.
[13] The inertial measurement device includes a sending unit that transmits at least one of information detected by the sensor or information processed by the calculation unit to the outside. [1] The walking distance measuring system according to any one of [12].
〔１４〕 前記センサにより検知された情報または前記演算部により処理された情報は、無線もしくは有線による送信手段または情報記録媒体により前記送出部から外部へ伝達可能であることを特徴とする、〔１３〕に記載の歩行距離計測システム。
〔１５〕 前記演算部で得られた情報を出力する出力部を備えていることを特徴とする、〔１〕ないし〔１４〕のいずれかに記載の歩行距離計測システム。
〔１６〕 〔１〕ないし〔１５〕のいずれかに記載の歩行距離計測システムに用いるための、慣性計測装置。
〔１７〕 〔１〕ないし〔１５〕のいずれかに記載の歩行距離計測システムに用いるための、計測用履物。
[14] The information detected by the sensor or the information processed by the calculation unit can be transmitted from the transmission unit to the outside by wireless or wired transmission means or an information recording medium. ] The walking distance measuring system according to the above.
[15] The walking distance measurement system according to any one of [1] to [14], further including an output unit that outputs information obtained by the calculation unit.
[16] An inertial measurement device for use in the walking distance measurement system according to any one of [1] to [15].
[17] Footwear for measurement for use in the walking distance measuring system according to any one of [1] to [15].
本発明の歩行距離計測システム、慣性計測装置および計測用履物は上述のように構成されるため、これによれば歩行距離計測を安価に、かつ精度よく直接被験者の歩行距離を計測することができる。つまり本発明によれば、従来用いられているモーションキャプチャやカメラのような非常に高価で大がかりな装置を用いることなく、慣性センサ（ジャイロ、加速度計）を用いた慣性計測装置を履物に取り付けるという簡易な構成によって、安価に、精度の高い歩行距離計測を行い、歩行解析に用いることができる。 Since the walking distance measuring system, inertial measuring device and measuring footwear of the present invention are configured as described above, the walking distance of the subject can be directly measured at a low cost and with high accuracy. . In other words, according to the present invention, an inertial measurement device using an inertial sensor (gyroscope, accelerometer) is attached to footwear without using a very expensive and large-scale device such as a conventionally used motion capture or camera. With a simple configuration, it is possible to measure walking distance with high accuracy at low cost and use it for walking analysis.
以下、図面により本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の歩行距離計測システムの基本構成を示す概念図である。また、
図１−２は、本発明の歩行距離計測システムの別の構成（（ａ）、（ｂ））を示す概念図である。まず図１に示すように本発明歩行距離計測システム１０は、慣性計測装置１および計測用履物９を用いて構成されるシステムであって、慣性計測装置１は、本体６と、本体６に内蔵されたセンサ２と、センサ２により検知された情報に演算処理を施す演算部３と、および計測用履物９に直接取り付けるための本体６上の取付部５とを備えて構成され、演算部３では検知対象である計測用履物９の運動状態に基づくオフセットキャンセルが行われるよう構成されていることを、基本とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic configuration of a walking distance measuring system of the present invention. Also,
FIGS. 1-2 is a conceptual diagram which shows another structure ((a), (b)) of the walking distance measuring system of this invention. First, as shown in FIG. 1, the walking distance measuring system 10 of the present invention is a system configured by using an inertial measuring device 1 and measuring footwear 9, and the inertial measuring device 1 is built in the main body 6 and the main body 6. The sensor 2, the arithmetic unit 3 that performs arithmetic processing on the information detected by the sensor 2, and the attachment unit 5 on the main body 6 for direct attachment to the footwear 9 for measurement are configured. Then, it is basically configured that offset cancellation is performed based on the motion state of the measurement footwear 9 that is a detection target.
かかる構成により本歩行距離計測システム１０においては、計測用履物９が被験者に着用され、そこに慣性計測装置１本体６が取付部５によって取り付けられる。そして、この状態で被験者が歩行すると、慣性計測装置１内のセンサ２が加速度や角加速度を検知し、これらの情報は演算部３において演算処理され、歩行時の歩幅距離が演算され、歩行距離計測の結果が得られる。 With this configuration, in the walking distance measurement system 10, the measurement footwear 9 is worn by the subject, and the inertial measurement device 1 main body 6 is attached thereto by the attachment portion 5. When the subject walks in this state, the sensor 2 in the inertial measurement apparatus 1 detects acceleration and angular acceleration, and these pieces of information are processed in the calculation unit 3 to calculate the stride distance during walking. Measurement results are obtained.
演算部３では、検知対象である計測用履物９の運動状態に基づくオフセットキャンセルが行われる、すなわちセンサ２の零点キャンセルが行われるため、歩行継続（歩数累積）による計測結果（位置）の発散が効果的に抑制される。従来は、歩幅と歩数のデータを用いて間接的に歩行距離が演算されていたところ、本発明によれば、歩行距離を計測するために慣性計測装置が用いられ、さらにかかるオフセットキャンセルがなされることにより、歩行距離を直接、精度良く計測することが可能である。 In the calculation unit 3, offset cancellation based on the motion state of the measurement footwear 9 that is a detection target is performed, that is, the zero point cancellation of the sensor 2 is performed. Therefore, the divergence of the measurement result (position) due to continuation of walking (cumulative number of steps) is generated. Effectively suppressed. Conventionally, when the walking distance is indirectly calculated using the data of the step length and the number of steps, according to the present invention, an inertial measurement device is used to measure the walking distance, and further such offset cancellation is performed. Thus, it is possible to directly measure the walking distance with high accuracy.
図１−２の概念図に示すように、本発明歩行距離計測システム別の構成をとるものとすることもできる。つまり、（ａ）の歩行距離計測システム１１０のように、慣性計測装置１１および計測用履物１９を用いて構成されるシステムにおいて、慣性計測装置１１を、本体１６および本体１６外に別に設けられた演算部１３とから構成し、本体１６にはセンサ１２が内臓されるとともに計測用履物１９に直接取り付けるための取付部１５が設けられ、また演算部１３ではセンサ１２により検知された情報に演算処理が施されるものとし、演算部１３では検知対象である計測用履物１９の運動状態に基づくオフセットキャンセルが行われるよう構成されている、というものである。つまりこの構成では、慣性計測装置１１は、センサ１２を内臓していて計測用履物１９に取り付けて用いるための本体１６と、別に設けられる演算部１３とから構成される。 As shown in the conceptual diagram of FIG. 1-2, it can also take the structure according to this invention walking distance measuring system. That is, in the system configured using the inertial measurement device 11 and the measurement footwear 19 like the walking distance measurement system 110 in FIG. 5A, the inertial measurement device 11 is provided separately from the main body 16 and the main body 16. The calculation unit 13 includes a sensor 12 built in the body 16 and an attachment unit 15 for direct attachment to the footwear 19 for measurement. The calculation unit 13 performs calculation processing on information detected by the sensor 12. The calculation unit 13 is configured to perform offset cancellation based on the motion state of the measurement footwear 19 that is a detection target. In other words, in this configuration, the inertial measurement device 11 includes a main body 16 that has the sensor 12 built-in and is attached to the measurement footwear 19 and a calculation unit 13 provided separately.
また、同図（ｂ）の歩行距離計測システム２１０のように、演算部を本体２６中に設ける演算部２３Ａと、外部に設ける演算部２３Ｂとから構成することとしてもよい。もっとも図１に示したように、演算部３全体が本体６中に内蔵されたものとする構成は本発明の目的達成に十分であるが、図１−２のような各構成もまた本発明からは除外されない。 Further, as in the walking distance measuring system 210 of FIG. 5B, the calculation unit may be configured by a calculation unit 23A provided in the main body 26 and a calculation unit 23B provided outside. However, as shown in FIG. 1, the configuration in which the entire arithmetic unit 3 is built in the main body 6 is sufficient to achieve the object of the present invention, but each configuration as shown in FIG. Is not excluded.
なお、センサ６等としては、ジャイロセンサおよび加速度センサからなる６軸センサを、本歩行距離計測システム１０等において好適に用いることができる。従来から移動体や飛翔物体等の位置、姿勢計測に用いられてきた慣性センサ（ジャイロ、加速度計）を歩行時の歩幅距離計測のために用いるにあたり６軸センサを採用することで、本発明所期の目的たる高精度の計測結果を十分に得ることができる。 As the sensor 6 or the like, a 6-axis sensor including a gyro sensor and an acceleration sensor can be suitably used in the walking distance measurement system 10 and the like. By adopting a six-axis sensor when using inertial sensors (gyroscopes, accelerometers) that have been used for measuring the position and posture of moving objects and flying objects for walking distance measurement during walking, the present invention It is possible to sufficiently obtain a highly accurate measurement result that is the purpose of the period.
６軸センサは、角速度（ジャイロ）３軸、加速度３軸により構成され、検出されたセンサ値の積分や種種の演算が演算部において行われ、位置の値が得られる。なお６軸センサはたとえば、水平面基準で軸調整されており、たとえばＮＥＤ座標において慣性計測諸元（姿勢・方位角（ロール角、ピッチ角、ヨー角）、角速度、加速度、位置）を出力する構成とすればよい。ただし軸定義はＮＥＤに限らず、任意の座標系を設定してももちろんよい。 The six-axis sensor is configured by three axes of angular velocity (gyro) and three axes of acceleration, and integration of detected sensor values and various types of calculations are performed in the calculation unit, and position values are obtained. The 6-axis sensor is adjusted, for example, with respect to a horizontal plane, and outputs, for example, inertial measurement parameters (attitude / azimuth angle (roll angle, pitch angle, yaw angle), angular velocity, acceleration, position) in NED coordinates. And it is sufficient. However, the axis definition is not limited to NED, and an arbitrary coordinate system may be set.
図２は、本発明歩行距離計測システムにおける本体の取付方法を示す説明図である。計測用履物３９等としては、上述したオフセットキャンセルの精度を高めるべく、計測用履物３９等の静止時における本体３６等内蔵のセンサの振動発生が抑制される履物が用いられることが、本発明の目的達成上望ましい。そこで、より硬い材質の履物、またはより高い剛性の履物を計測用履物３９等として用いるものとすることができる。たとえば下駄のような硬さを持ったものや、そこまでいかなくても登山靴のようなものなど、可能な限り硬い材質、高い剛性の履物とすることが、オフセットキャンセルの精度を向上させられるため、望ましい。 FIG. 2 is an explanatory view showing a method of attaching the main body in the walking distance measuring system of the present invention. As the measurement footwear 39, etc., it is used in the present invention that the footwear in which vibrations of the built-in sensor such as the main body 36 are suppressed when the measurement footwear 39 is stationary is used in order to increase the accuracy of the offset cancellation described above. It is desirable to achieve the purpose. Therefore, footwear made of a harder material or footwear with higher rigidity can be used as the measurement footwear 39 or the like. For example, it is possible to improve the accuracy of offset cancellation by using materials that are as hard as possible, such as those that have hardness like clogs, and those that do not go so far, such as climbing shoes. Therefore, it is desirable.
図２の（ｃ）に示すように本発明システム３１０において本体３６は、計測用履物３９の甲の部分に取り付けるものとすることができる。しかしながら（ｄ）のように、靴底部分に本体４６を取り付けるようにすることで、オフセットキャンセルの精度を向上させることができる。これは、靴底の方が甲など靴上部分よりも剛性を高めやすいからである。 As shown in FIG. 2 (c), in the system 310 of the present invention, the main body 36 can be attached to the upper part of the footwear 39 for measurement. However, as shown in (d), the accuracy of offset cancellation can be improved by attaching the main body 46 to the sole portion. This is because the sole of the shoe tends to be more rigid than the upper part of the shoe such as the upper.
なお、特に図示しないが、計測用履物３９等には慣性計測装置の本体３６等を取り付けるための装置受部が設けられることはいうまでもない。装置受部および取付部３５の構造は従来公知の技術を適宜用いることができる。たとえば相互適合する面ファスナーにより構成する、等である。また、図２の（ｄ）の例においては、当然ながら装置受部は計測用履物４９の底部に設けられる。 Although not particularly shown, it goes without saying that the measurement footwear 39 or the like is provided with a device receiving portion for attaching the main body 36 or the like of the inertial measurement device. Conventionally known techniques can be used as appropriate for the structure of the device receiving portion and the mounting portion 35. For example, it is composed of mutually compatible surface fasteners. Further, in the example of FIG. 2D, the device receiving portion is naturally provided at the bottom of the footwear 49 for measurement.
図３は、本発明歩行距離計測システムによりなされた一歩行解析試験例のグラフである。図では進行方向位置の経時変化を示すが、右上方への階段状で表されたグラフが本発明歩行距離計測システムを用いた歩行解析試験、下方のグラフがオフセットキャンセルを行わない場合の試験例である。 FIG. 3 is a graph of one walking analysis test example made by the walking distance measuring system of the present invention. In the figure, the time-dependent change in the position in the direction of travel is shown, but the graph represented by the step to the upper right is a walking analysis test using the walking distance measurement system of the present invention, and the lower graph is a test example when no offset cancellation is performed It is.
ここに示されるとおり本発明システムにおけるオフセットキャンセルは、歩行動作中繰り返しなされるものとすることができる。特に、一歩ごとにオフセットキャンセルされるようシステムを形成することで、良好な計測結果を得ることができる。オフセットキャンセルを行わない場合には、一歩ごとに計測の誤差が蓄積し、時間の経過と共に位置が発散してしまう。 As shown here, the offset cancellation in the system of the present invention can be repeated during the walking motion. In particular, it is possible to obtain a good measurement result by forming the system so that the offset is canceled every step. When offset cancellation is not performed, measurement errors accumulate at every step, and the position diverges as time passes.
オフセットキャンセルは、計測用履物の静止時から運動開始時の間においてなされるものとすることができ、特に、計測用履物の踏み込み時の静止状態から踏み出し開始へと移行する際に毎回なされるようにシステムを構成するものとすることができる。つまりこれにより、踏み込み時（センサ静止時）から踏み出し動作が開始された際にセンサの零点キャンセルを行い、位置の発散を有効に抑制することができ、位置測定精度を向上させることができる。 The offset cancellation can be made between the time when the footwear for measurement is stationary and the time when the exercise starts, and in particular the system so that it is made every time when the footwear for measuring footwear is moved from the stationary state to the start of stepping. Can be configured. That is, this makes it possible to cancel the zero point of the sensor when the stepping operation is started from the time of stepping (when the sensor is stationary), effectively suppressing position divergence, and improving the position measurement accuracy.
なお、慣性計測装置・本体は１個あれば十分であるが、これを取り付けた側の足の踏み込み時にオフセットキャンセルを行うようにすればよい。またこの場合、踏み込み時の開始は、加速度値の変化に基づいて判断するものとすればよい。つまり、踏み込みを開始したかどうかは加速度の値をモニタすることによって確実に行うことができる。 It should be noted that one inertial measurement device / main body is sufficient, but offset cancellation may be performed when the foot on which the inertial measurement device / main body is attached is depressed. In this case, the start of depression may be determined based on a change in acceleration value. In other words, whether or not the depression has been started can be reliably performed by monitoring the acceleration value.
図４は、一歩行解析試験において得られたセンサ値の例を示すグラフ、図５は、図４のセンサ値について平均値処理を行った後のグラフである。本発明システムにおけるオフセットキャンセルは、センサの静止時における一定時間の複数のセンサ出力値に基づき得られるオフセット量に基づいてなされるものとすることができる。このことについて、各図を参照しつつ説明する。 4 is a graph showing an example of sensor values obtained in one walking analysis test, and FIG. 5 is a graph after the average value processing is performed on the sensor values of FIG. The offset cancellation in the system of the present invention can be made based on an offset amount obtained based on a plurality of sensor output values for a fixed time when the sensor is stationary. This will be described with reference to the drawings.
位置の演算精度を上げるためには、センサの出力値がばらつかないことが重要である。つまり、演算処理ではセンサ値の積分を行っていくため、出力が０からオフセットしていると積分誤差が増大し、位置の計算値も実際より非常に大きな値となってしまうからである。センサの値はセンサ固有のばらつきにより、図４に示すように静止時（０が理想）でも０以外の値をとる。これをそのまま積分すると、静止しているはずなのに位置が動いている値となってしまうため、位置演算を開始する前に、センサの静止時値が０からどれだけ離れているのかについて取得する必要がある。 In order to increase the position calculation accuracy, it is important that the output value of the sensor does not vary. In other words, since the sensor value is integrated in the arithmetic processing, if the output is offset from 0, the integration error increases, and the calculated value of the position also becomes much larger than the actual value. The value of the sensor takes a value other than 0 even at rest (0 is ideal) as shown in FIG. 4 due to variations inherent in the sensor. If this is integrated as it is, it will be a value where the position is moving even though it should be stationary, so it is necessary to acquire how far the sensor's stationary value is from 0 before starting the position calculation. There is.
図４に示すように、センサの値は０点からのオフセット分以外に、あるノイズ幅をもってばらついている。したがって、ある１点だけをとるのでは０点からの真のオフセット量がわからない。そこで、ノイズ分を除去するためにある一定時間センサの平均値を取得し、その値をセンサの０点からのオフセットとするのである。 As shown in FIG. 4, the sensor values vary with a certain noise width other than the offset from the zero point. Therefore, if only one certain point is taken, the true offset amount from the zero point is not known. Therefore, in order to remove the noise, an average value of the sensor for a certain period of time is acquired, and the value is used as an offset from the sensor 0 point.
図５は、５秒間センサの値を平均化してプロットしたものであるが、このように、平均化処理を行うことによってノイズ分が除去され、センサのオフセット量が把握しやすくなる。この例では、Ｘ軸が−０．３４、Ｙ軸が０．２３、Ｚ軸が０．４という値がオフセット量になり、位置の演算の際に、センサの値からこの値を引いて演算を行っていく。これが、演算部におけるオフセットキャンセルの処理である。 FIG. 5 is a plot in which the sensor values are averaged for 5 seconds, and thus, the noise is removed by performing the averaging process, and the offset amount of the sensor can be easily grasped. In this example, the X axis is -0.34, the Y axis is 0.23, and the Z axis is 0.4. The offset amount is calculated by subtracting this value from the sensor value when calculating the position. I will go. This is the offset cancellation process in the calculation unit.
さて、平均値取得の時に問題となるのが、いかに静止状態を保っていられるかということである。つまり、平均値取得の際にセンサが動いている状態だと、ノイズ幅が何倍にも増加し、結果として平均値取得後のオフセット量の値が真値からはかけ離れた値となってしまう。オフセット量の値のずれは位置誤差につながる。そこで上述のとおり、計測用履物としては硬いもの、剛性の高いものを選定するのがよい。柔らかいものの場合は、センサの基板がフラフラと動いてしまい、ノイズが増えることになるからである。 Now, what becomes a problem when obtaining an average value is how to maintain a stationary state. In other words, if the sensor is moving when acquiring the average value, the noise width will increase many times, and as a result, the offset value after acquiring the average value will be far from the true value. . A deviation in the value of the offset amount leads to a position error. Therefore, as described above, it is preferable to select a hard or highly rigid footwear for measurement. This is because if the sensor is soft, the sensor substrate moves smoothly and noise increases.
また、センサのオフセット量（値）は、時間とともに変化する。これは、センサ固有の安定度の問題や周囲の温度のばらつきなど、種々の原因による。したがって、オフセットキャンセルを１回行っただけでは、最初の１回目の位置取得では問題ないものの、２回目、３回目となるにつれて指数関数的に位置誤差が大きくなってしまう（前出図３参照）。 Further, the offset amount (value) of the sensor changes with time. This is due to various causes such as a stability problem inherent to the sensor and variations in ambient temperature. Therefore, if the offset cancellation is performed once, there is no problem in the first position acquisition, but the position error increases exponentially as the second and third times (see FIG. 3). .
これを有効に回避するためには、こまめなオフセットキャンセルを行うことが重要である。本発明システムによる歩行計測方法では、静止状態は歩行開始前と踏み込み時のみであるから、このいずれかの時点をオフセットキャンセル処理のなされる時点とすればよい。しかしながら、静止状態がより安定的に継続するのは後者である。したがって、踏み込みがなされるたびにセンサの平均値を取得し、オフセットキャンセルを行うシステムが、より望ましい。 In order to avoid this effectively, it is important to perform frequent offset cancellation. In the walking measurement method according to the system of the present invention, the stationary state is only before the start of walking and at the time of stepping on, so any one of these time points may be set as the time point when the offset cancellation processing is performed. However, it is the latter that the stationary state continues more stably. Therefore, a system that obtains the average value of the sensor each time it is depressed and cancels the offset is more desirable.
なお上述のとおり、踏み込みを開始したかどうかは加速度の値をモニタすることによって行うことができる。具体的には、ある一定の閾値（図に示す試験例では０．５ｍ／ｓ２）を超えたら歩行開始とみなし、位置演算を開始するように構成することができる。 As described above, whether or not the depression has been started can be determined by monitoring the acceleration value. Specifically, it can be configured to start the position calculation by regarding the start of walking when a certain threshold value (0.5 m / s 2 in the test example shown in the figure) is exceeded.
図６は、本発明歩行距離計測システムに係る慣性計測装置の構成例を示すブロック図である。ここに示すように本発明システムは、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸の角速度（ジャイロ）、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸の加速度、計６軸のセンサを使用して検出し、演算部にてセンサ値の積分や種種の演算を行い、位置の値を求める。上述のとおり６軸センサは、ＮＥＤ座標その他任意の座標系の設定を用いて、水平面基準で軸調整されてたものとすることができる。 FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example of the inertial measurement device according to the walking distance measurement system of the present invention. As shown here, the system of the present invention detects using three-axis angular velocity (gyro) of X, Y, and Z, three-axis acceleration of X, Y, and Z, and a total of six-axis sensors. The sensor value is integrated and various calculations are performed to obtain the position value. As described above, the 6-axis sensor can be adjusted with respect to the horizontal plane using the NED coordinates and other arbitrary coordinate system settings.
歩行距離計測時には、被験者が装着計測用履物に慣性計測装置（本体）を取り付け、慣性計測装置は加速度センサの値をモニタすることで足の踏み出しを検知する。踏み出し検知とともに位置計測が開始され、踏み込み時（センサ静止時）にセンサのオフセットキャンセルがなされ、次の踏み出し検知で再度、位置計測が開始される。この手順の繰り返しにより、被験者の歩行距離を精度良く、直接計測することができる。 At the time of walking distance measurement, the subject attaches an inertial measurement device (main body) to the footwear for wearing measurement, and the inertial measurement device detects the stepping of the foot by monitoring the value of the acceleration sensor. Position measurement is started together with the detection of the stepping, the offset of the sensor is canceled when the stepping is performed (when the sensor is stationary), and the position measurement is started again when the next stepping is detected. By repeating this procedure, the walking distance of the subject can be directly measured with high accuracy.
図７は、本発明歩行距離計測システムにおける動作例を示すフロー図である。ここに示すように本システムでは、恒常的になされる加速度値モニタにより検出された加速度値（検出値）と、予め設定された加速度閾値との比較に基づいて、種々の手順がなされる。すなわち「踏み込み中（静止中）の処理」段階では、検出値が閾値内である場合にジャイロ平均値や加速度平均値が演算され取得される。 FIG. 7 is a flowchart showing an operation example in the walking distance measuring system of the present invention. As shown here, in the present system, various procedures are performed based on a comparison between an acceleration value (detected value) detected by a constant acceleration value monitor and a preset acceleration threshold value. That is, in the “stepping-in (resting) process” stage, when the detected value is within the threshold value, the gyro average value and the acceleration average value are calculated and acquired.
一方、閾値を超えた場合、すなわち「歩行中の処理」段階に入ると、かかる平均値の演算が停止し、踏み出し開始が判断されて、オフセットキャンセルがなされる。つまり、静止時に取得したジャイロ・加速度の平均値を使用してバイアス除去が行われる。 On the other hand, when the threshold value is exceeded, that is, when the “processing during walking” stage is entered, the calculation of the average value is stopped, the start of stepping is determined, and offset cancellation is performed. That is, bias removal is performed using the average value of the gyroscope / acceleration acquired at rest.
「歩行中の処理」段階において、検出値が閾値を超えている限り歩行中であると判断されて、歩行距離演算が継続され、測定値が得られる。そして、検出値が閾値内となった場合は歩行状態が終了して静止中の段階に移行したと判断され、「踏み込み中（静止中）の処理」段階の処理がなされる。 In the “processing during walking” stage, as long as the detected value exceeds the threshold value, it is determined that the user is walking, the walking distance calculation is continued, and the measurement value is obtained. When the detected value falls within the threshold value, it is determined that the walking state has ended and the stage is in a stationary state, and the process of the “stepping-in (still) process” stage is performed.
このようにして、加速度値モニタに基づいて歩行距離演算の手順が継続的に実施される。かかる方式により歩行距離演算がなされる本発明システムにおいては、演算部では歩行時ごとの歩幅距離に基づいて歩行距離が直接演算されるため、従来技術のように歩数を歩行距離演算に必要とすることがなく、直接的に歩行距離を得ることができる。 In this way, the walking distance calculation procedure is continuously performed based on the acceleration value monitor. In the system of the present invention in which the walking distance calculation is performed by such a method, since the walking distance is directly calculated based on the step distance for each walking time in the calculation unit, the number of steps is required for the walking distance calculation as in the prior art. The walking distance can be obtained directly.
図８は、本発明歩行距離計測システムの別の構成を示す概念図である。図示するように本歩行距離計測システム５１０は、慣性計測装置５１（本体５６）に、センサ５２により検知された情報、または演算部５３により処理された情報の少なくともいずれかを外部へ伝達するための送出部５４が内蔵されている構成である。 FIG. 8 is a conceptual diagram showing another configuration of the walking distance measuring system of the present invention. As shown in the figure, the walking distance measurement system 510 transmits to the inertial measurement device 51 (main body 56) at least one of information detected by the sensor 52 or information processed by the calculation unit 53 to the outside. The sending unit 54 is built-in.
かかる構成により本システム５１０では、センサ５２により検知された情報、演算部５３により処理された情報、またはその双方が、送出部５４によって本体５６の外部へと伝達される。かかる伝達によって、たとえば本体５６外に設けた出力部５８において位置データ等の表示や印刷といった出力、あるいは本体５６外における演算処理等の可能なシステムとすることができる。 With this configuration, in the present system 510, information detected by the sensor 52, information processed by the calculation unit 53, or both are transmitted to the outside of the main body 56 by the sending unit 54. By such transmission, for example, an output unit 58 provided outside the main body 56 can output a position data or the like such as printing or a calculation system outside the main body 56.
なお、センサにより検知された情報または演算部により処理された情報は、無線もしくは有線による送信手段、またはメモリカード等の情報記録媒体によって、送出部５４から外部へ伝達する形態をとることができる。無線やメモリカード等の記録方式を採用した場合は、本体５６の計測用履物５９への取り付けを簡単かつ単純なものとすることができる。 Note that the information detected by the sensor or the information processed by the calculation unit can be transmitted from the transmission unit 54 to the outside by wireless or wired transmission means or an information recording medium such as a memory card. When a recording system such as a wireless or memory card is employed, the attachment of the main body 56 to the measurement footwear 59 can be made simple and simple.
以上述べた歩行距離計測システムを構成するための要素である慣性計測装置や計測用履物自体もまた、本発明の範囲内である。 The inertial measurement device and the measurement footwear, which are elements for configuring the walking distance measurement system described above, are also within the scope of the present invention.
本発明の歩行距離計測システム、慣性計測装置および計測用履物によれば歩行距離計測を安価に、かつ精度よく直接被験者の歩行距離を計測することができる。特に整形外科、理学療法（リハビリテーション）、療術分野等での使用に便利であり、かかる分野および関連する全分野において、産業上利用性が高い発明である。 According to the walking distance measurement system, the inertial measurement device, and the footwear for measurement of the present invention, the walking distance of the subject can be directly measured with low cost and high accuracy. In particular, it is convenient for use in the fields of orthopedics, physical therapy (rehabilitation), medical treatment, and the like, and is an invention with high industrial applicability in this field and all related fields.
１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０…歩行距離計測システム
１、１１、２１、５１…慣性計測装置
９、１９、２９、３９、４９、５９…計測用履物
６、１６、２６、３６、４６、５６…本体
２、１２、２２、５２…センサ
３、１３、２３Ａ、２３Ｂ、５３…演算部
５、１５、２５、３５、４５、５５…取付部
５４…送出部
５８…出力部
10, 110, 210, 310, 410, 510 ... Walking distance measuring system 1, 11, 21, 51 ... Inertial measuring device 9, 19, 29, 39, 49, 59 ... Footwear for measurement 6, 16, 26, 36, 46, 56 ... Main body 2, 12, 22, 52 ... Sensors 3, 13, 23A, 23B, 53 ... Calculation unit 5, 15, 25, 35, 45, 55 ... Mounting unit 54 ... Sending unit 58 ... Output unit
Claims (17)
Footwear for measurement for use in the walking distance measuring system according to any one of claims 1 to 15.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013217678A JP2015078959A (en) | 2013-10-18 | 2013-10-18 | Walking distance measurement system, inertial measurement device, and footwear for measurement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013217678A JP2015078959A (en) | 2013-10-18 | 2013-10-18 | Walking distance measurement system, inertial measurement device, and footwear for measurement |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2015078959A true JP2015078959A (en) | 2015-04-23 |
Family
ID=53010476
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013217678A Pending JP2015078959A (en) | 2013-10-18 | 2013-10-18 | Walking distance measurement system, inertial measurement device, and footwear for measurement |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2015078959A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017131347A1 (en) * | 2016-01-27 | 2017-08-03 | 알바이오텍 주식회사 | Gait analysis system and method, and computer-readable recording medium |
| KR101819179B1 (en) * | 2016-06-30 | 2018-01-17 | 국민대학교 산학협력단 | Device and system for measuring distance traveled |
-
2013
- 2013-10-18 JP JP2013217678A patent/JP2015078959A/en active Pending
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