JP3908735B2 - 歩行状態判定装置及び方法 - Google Patents
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Description
【技術分野】
本発明は、複数の脚体を有する歩行者の歩行状態を判定する装置及び方法に関する。
【0002】
【背景技術】
筋力が低下した者の歩行を補助する装置が使用される場合、当該装置による適切な歩行補助のためにはその者が平地を歩行しているか階段を上り下りしているか等の歩行状態を的確に判定する必要がある。そこで、特開平7−163607号公報等において、圧力センサにより測定される歩行者の足裏の圧力に基づいて歩行状態を判定する方法が提案されている。また、特開2000−325329号公報等において、歩行者の脚体の角度に基づいて歩行状態を判定する方法が提案されている。
【0003】
しかし、足裏の圧力に基づく判定方法によれば、特に階段の上り下りに際して生じがちな事態であるが、足裏のうち圧力センサが設けられている部分が着床されず、歩行状態が誤判定されるおそれがある。例えば、踵部分に圧力センサが設けられているにも関わらず爪先部分で着床するような場合である。また、履物の底部の形状によって足裏への圧力の分布が相違するため、同様に歩行状態が誤判定されるおそれがある。さらに、底部に圧力センサが設けられた履物が使用される場合、この履物の着脱のたびに圧力センサと歩行状態判定用の演算処理装置等とを通信線や電線により接続したり、接続を解除する作業が必要となり、歩行者に煩わしさを感じさせるおそれがある。
【0004】
一方、脚体の角度に基づく判定方法によれば、歩行者の脚体の長短のため歩行状態が的確に判定されないおそれがある。例えば、同一の階段でも脚体の長さにより歩行時の大腿部の上げ具合が相違するため、小柄な歩行者については階段を歩行していると判定されるにも関わらず、長身の歩行者については平地を歩行していると誤判定されるおそれがある。
【0005】
特に歩行補助装置においては、歩行状態の誤判定は歩行者に付与される補助力の過大又は過少をもたらし、当該歩行に支障をきたすことになる。
【0006】
そこで、本発明は歩行者の足裏における着床箇所の相違や脚体の長短に関わらず、歩行状態を簡易且つ的確に判定可能な装置及び方法を提供することを解決課題とする。
【0007】
【発明の開示】
前記課題を解決するための本発明の歩行状態判定装置は、前記歩行者の一の脚体下端部に対する他の脚体下端部の変位速度又は変位加速度を表すパラメータを測定する測定手段と、該パラメータに対応する判定空間におけるプロットのパターンと、該歩行者の歩行状態とを対応付けて記憶保持する第1記憶手段と、該判定空間において、該測定手段により測定されたパラメータにより特定されるプロットを生成する生成手段と、第1記憶手段により記憶保持されている該対応関係と、該生成手段により生成されたプロットとに基づき該歩行者の歩行状態を判定する判定手段とを備えていることを特徴とする。
【0008】
前記課題を解決するための本発明の歩行状態判定方法は、測定手段と、第1記憶手段と、生成手段と、判定手段とを備えている歩行状態判定装置により複数の脚体を有する歩行者の歩行状態を判定する方法であって、前記測定手段が、前記歩行者の一の脚体下端部に対する他の脚体下端部の変位速度又は変位加速度を表すパラメータを測定する測定ステップと、前記生成手段が、該パラメータに対応する該判定空間において、該測定ステップにおいて該測定手段により測定されたパラメータにより特定されるプロットを生成する生成ステップと、前記判定手段が、前記第1記憶手段により記憶されているプロットのパターンと歩行状態との対応関係と、該生成ステップにおいて該生成手段により生成されたプロットとに基づき該歩行者の歩行状態を判定する判定ステップとを備えていることを特徴とする。
【0009】
本発明において測定される一の脚体下端部に対する他の脚体下端部の変位速度又は変位加速度は、主として平地か階段であるか等の歩行場所に依存し、歩行者の足裏における着床箇所の相違や脚体の長短にはほとんど依存しない。このため、当該変位量を表すパラメータにより特定される判定空間のプロットのパターンは、歩行者の足裏における着床箇所の相違や脚体の長短に関わらず同一歩行状態では略同一となる。また、圧力測定のように特殊な履物の着脱に伴う配線の接続・解除という煩雑さを伴わない。従って、本発明によれば、歩行者の足裏における着床箇所の相違や脚体の長短に関わらず、判定空間におけるプロットのパターンに基づいて歩行状態を簡易且つ的確に判定することができる。
【0010】
また、第1記憶手段は前記プロットのパターンとして前記判定空間におけるプロットの形状パターンを記憶保持し、前記判定手段は第1記憶手段により記憶保持されている形状パターンと、前記生成手段により生成されたプロットの形状パターンとの同否又は類否判断に基づいて前記歩行者の歩行状態を判定することを特徴とする。
本発明によれば、「形状パターン」即ちプロットが判定空間に描く形状のパターンに基づいて歩行状態を判定することができる。
【0011】
さらに、第1記憶手段は前記プロットのパターンとして前記判定空間におけるプロットの存在パターンを記憶保持し、前記判定手段は第1記憶手段により記憶保持されている存在パターンと、前記生成手段により生成されたプロットの存在パターンとの同否又は類否判断に基づいて前記歩行者の歩行状態を判定することを特徴とする。
【0012】
本発明によれば、「存在パターン」即ちプロットが判定空間のどの領域に存在するかというパターンに基づいて歩行状態を判定することができる。
【0013】
また、前記測定手段は、前記歩行者の一の脚体下端部から他の脚体下端部に向かうベクトルが水平面に対してなす勾配角の角速度を第1パラメータとして測定する第1測定手段と、該勾配角の角加速度を第2パラメータとして測定する第2測定手段とを備え、前記判定手段は、前記判定空間におけるプロットが、1歩行周期内に第1パラメータが0となったときの第2パラメータの合計が所定絶対値未満となる存在パターンの場合は該歩行者が通常歩行状態であると判定し、該合計が該所定絶対値以上となる存在パターンの場合は該歩行者が傾斜歩行状態にあると判定することを特徴とする。
【0014】
さらに、前記判定手段は、前記歩行者が前記傾斜歩行状態にあると判定した場合、前記判定空間におけるプロットが、前記合計が負となる存在パターンである場合は上昇歩行状態であると判定し、該合計が正となる存在パターンである場合は下降歩行状態にあると判定することを特徴とする。
【0015】
本発明によれば、第1、第2パラメータにより表され、判定空間のプロットの存在パターンに反映される前記勾配角の角速度及び角加速度に関し、後述する本願発明者が得た知見に基づき、歩行状態を的確に判定することができる。
【0016】
なお「通常歩行状態」とは平地、傾斜の緩やかな坂道、又は段差の低い階段を歩行している状態を意味する。また「傾斜歩行状態」とは傾斜の急な坂道、又は段差が高い階段を歩行している状態を意味する。ここで坂道の傾斜の緩急又は階段の段差の高低の区分は「所定絶対値」の設定により決定される。
【0017】
また、本発明は、前記歩行者の脚体の関節間距離を記憶保持する第2記憶手段と、該脚体の関節角度を測定する角度センサとを備え、第1及び第2測定手段は、第2記憶手段により記憶保持されている脚体の関節間距離と、該角度センサにより測定される関節角度とに基づいて第1及び第2パラメータを測定することを特徴とする。
【0018】
本発明によれば、後述のように脚体の関節間距離及び関節角度と、簡単な幾何学的考察に基づいて第1、第2パラメータを測定することができる。
【0019】
また、前記判定手段は、前記歩行者の直前回の半歩行周期にわたり前記生成手段により生成された一連のプロットに基づいて該歩行者の歩行状態を判定することを特徴とする。
【0020】
さらに、本発明は、第1測定手段により測定される第1パラメータが歩行周期中に0になるタイミングに基づいて該歩行者の半歩行周期を測定する半歩行周期測定手段を備えていることを特徴とする。
【0021】
本発明によれば、判定空間において半歩行周期ごとのプロットのパターンに基づき、歩行者の歩行状態を判定することができる。
【0022】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の歩行状態判定装置及び方法の実施形態について図面を用い説明する。図1に示す歩行状態判定装置1は、歩行者である人間に取り付けられて使用される歩行補助装置2の一部を構成する。
【0023】
歩行補助装置2は歩行者の腹部、大腿部、脛部に装着されるサポーター21a、21b、21cと、歩行者の腰部にあってサポーター21a、21bを介して股関節回りのトルクを付与する第1アクチュエータ221と、歩行者の膝部にあってサポーター21b、21cを介して膝関節回りのトルクを付与する第2アクチュエータ222と、歩行者の背中に担がれるバックパック23の中に収納され、アクチュエータ221、222の作動等を制御する制御ユニット24と、同じくバックパック23に収納され、アクチュエータ221、222に電力を供給するバッテリ25とを備えている。
【0024】
また、歩行補助装置2は歩行者の左右の腰部にあって左右の股関節角度θ1L、θ1Rを測定する第1角度センサ261と、歩行者の左右の膝部にあって左右の膝関節角度θ2L、θ2Rを測定する第2角度センサ262とを備えている。
【0025】
図3に示す脚体モデルに従い、左右の股関節角度θ1L、θ1Rは股関節Hを含む鉛直平面に対して長さl1の大腿部がなす角度であり、大腿部が当該平面より前方にあるときを正、後方にあるときを負とする角度として定義される。また、左右の膝関節角度θ2L、θ2Rは左右の大腿部を含む平面に対して長さl2の左右の脛部がなす角度であり、脛部が当該平面より前方にあるときを負、後方にあるときを正とする角度として定義される。
【0026】
歩行状態判定装置1はそれぞれ制御ユニット24の一部を構成する記憶手段11と、測定手段12と、生成手段13と、判定手段14とを備えている。
【0027】
記憶手段11はROM、RAM等により構成され、判定空間におけるプロットの存在パターン(図4参照)と、歩行者の歩行状態とを対応付けて記憶保持する第1記憶手段111と、予め測定された歩行者の股関節−膝関節間距離l1、膝関節−足関節距離l2を記憶保持する第2記憶手段112とを備えている。
【0028】
測定手段12は第1測定手段121と、第2測定手段122と、半歩行周期測定手段123とを備えている。
【0029】
第1測定手段121は第1角度センサ261、第2角度センサ262及び第2記憶手段112を構成要素として包含する。また、第1、第2角度センサ261、262により測定される歩行者の左右の股関節角度θ1L、θ1R、左右の膝関節角度θ2L、θ2R及び第2記憶手段112に記憶保持されている関節間距離l1、l2に基づき、後述する勾配角φ(図3参照)の角速度(第1パラメータ)x1を測定する。
【0030】
第2測定手段122は同じく第1角度センサ261、第2角度センサ262及び第2記憶手段112を構成要素として包含する。また、第1、第2角度センサ261、262により測定される歩行者の左右の股関節角度θ1L、θ1R、左右の膝関節角度θ2L、θ2R及び第2記憶手段112に記憶保持されている関節間距離l1、l2に基づき、後述する勾配角φ(図3参照)の角加速度(第2パラメータ)x2を測定する。
【0031】
半歩行周期測定手段123は第1測定手段121により測定される第1パラメータx1が歩行周期中に0となるタイミングに基づき、歩行者の半歩行周期を測定する。
【0032】
生成手段13はCPU、信号入出力回路、RAM、ROM等により構成され、第1パラメータx1、第2パラメータx2に対応する2次元の判定空間におけるプロット(プロットデータ)を生成する。
【0033】
判定手段14は同様にCPU、信号入出力回路、第1記憶手段111等により構成され、後述のように生成手段13により生成されたプロットの存在パターンと、第1記憶手段111により記憶保持されているプロットのパターンとに基づき歩行者の歩行状態を判定する。
【0034】
続いて歩行状態判定装置1の機能について図2〜図5を用いて説明する。
【0035】
まず、第1、第2測定手段121、122が第1、第2パラメータx1、x2を測定する(図2/s1)。この測定は、第2記憶手段112により記憶保持されている歩行者の股−膝、膝−足関節間距離l1、l2と、第1、第2角度センサ261、262により測定される左右の股、膝関節角度θ1L、θ1R、θ2L、θ2Rとを用い次式(1)、(2)に従って行われる。
【0036】
x1= dφ/dt ‥(1)
x2= d2φ/dt2 ‥(2)
【0037】
ここで、φは図3に示すように右の足関節(一の脚体下端部)から左の足関節(他の脚体下端部)に向かうベクトル(太矢印)が水平面pに対してなす勾配角の絶対値として定義される。勾配角φは、股関節Hと膝関節Kとが長さl1の剛体棒で連結され、膝関節Kと足関節Aとが長さl2の剛体棒で連結された図3に示す脚体モデルを用い、初歩的な幾何学的考察に基づく次式(3)により表される。
【0038】
φ=tan-1[|l1cosθ1L+l2cos(θ1L−θ2L)
−l1cosθ1R−l2cos(θ1R−θ2R)|
/|l1sinθ1L+l2sin(θ1L−θ2L)
−l1sinθ1R−l2sin(θ1R−θ2R)|]‥(3)
【0039】
次に、生成手段13が2次元の「判定空間」において第1、第2測定手段121、122により測定された第1、第2パラメータ(x1、x2)により特定される「プロット」を生成する(図2/s2)。
【0040】
また、半歩行周期測定手段123が第1測定手段121により測定される第1パラメータx1が0になるタイミングに基づき直前回の半歩行周期が終了したか否かを判断する(図2/s3)。当該判断があるまでの間(図2/s3‥NO)、第1、第2パラメータx1、x2の測定(図2/s1)及びプロット生成(図2/s2)が繰り返される。なお、1歩行周期にわたるプロット(x1、x2)の軌跡は図4(a)〜図4(c)に示すような曲線を描く。
【0041】
直前回の半歩行周期が終了したと判断されたとき(図2/s3‥YES)、判定手段14が歩行状態を判定する。この判定に際し、第1記憶手段111が歩行状態と対応付けて記憶保持している存在パターン、即ち、プロットが判定空間のどの領域に存在するかというパターンが用いられる(図4参照)。具体的には、第1パラメータx1が1歩行周期中に0になったときの第2パラメータx2の和(以下「Σx2」と記す。)が所定絶対値c未満となる存在パターンと「通常歩行状態」とが対応付けられている。また、当該和Σx2が所定絶対値c以上で且つ正となる存在パターンと「下降歩行状態」とが対応付けられている。さらに、当該和Σx2が所定絶対値c以上で且つ負となる存在パターンと「上昇歩行状態」とが対応付けられている。なお、この対応付けは本願発明者が行った実験の結果から得られた知見に基づいている。
【0042】
歩行状態判定に際してまず、前記和の絶対値|Σx2|が、所定絶対値c未満の存在パターンであるか否かが判定される(図2/s4)。図4(a)に黒点で示すように第1パラメータx1が2回続けて0になったときの第2パラメータx2の和Σx2が比較的小さく、所定絶対値cより小さい存在パターンであると判定された場合(図2s4でNO)、歩行者は「通常歩行状態」にあると判定される(図2s/6a)。
【0043】
一方、前記和の絶対値|Σx2|が、所定絶対値c以上の存在パターンであるかと判定された場合(図2/s4‥YES)、当該和Σx2の正負が判定される(図2/s5)。ここでΣx2が正の存在パターンであると判定された場合、歩行者は「下降歩行状態」にあると判定される(図2/s6b)。また、Σx2が負の存在パターンであると判定された場合、歩行者は「上昇歩行状態」にあると判定される(図2/s6c)。
【0044】
歩行者の歩行が停止されない限り(図2/s7‥NO)、その歩行状態が半歩行周期ごとに判定される(図2/s1〜s6)。そして、歩行状態の判定に基づいて制御ユニット24が脚体に付与されるトルクを決定し、第1、第2アクチュエータ221、222を介して当該トルクが付与される。
【0045】
上述のように第1、第2パラメータx1、x2は図3に示すように右の足関節(一の脚体下端部)から左の足関節(他の脚体下端部)に向かうベクトル(太矢印)が水平面pに対してなす勾配角の角速度、角加速度を表す。これら角速度、角加速度は主として歩行者の左右の脚体の着床位置の変動の程度に依存しており、足裏における着床箇所の相違や脚体の長短にはほとんど依存しない。
【0046】
このため、本装置1によれば、第1、第2パラメータx1、x2により特定されるプロットの存在パターンは、歩行者の個体差や歩行の緩急に関わらず同一歩行状態で判定空間において略同一となる(図4(a)〜図4(c)参照)。また、歩行状態判定にあたり圧力センサが組み込まれたような特殊な履物の着脱、これに伴う種々の配線の接続・解除という煩雑さを伴わない。従って、歩行者の足裏における着床箇所の相違や脚体の長短に関わらず、判定空間のプロット(x1、x2)に基づいて歩行状態を簡易且つ的確に判定することができる。
【0047】
なお、本実施形態では歩行者は人間であったが、他の実施形態として歩行者が二脚、四脚で歩行可能な様々な動物、人間型ロボット、動物型ロボットであってもよい。
【0048】
本実施形態では股関節に対する足関節の位置関係を表すパラメータとして2つのパラメータx1、x2が測定され、2次元の判定空間におけるプロットに基づいて歩行状態が判定されたが、他の実施形態として当該パラメータとして1つのパラメータが測定され、1次元の判定空間におけるプロットに基づいて歩行状態が判定されてもよく、3つ以上のパラメータが測定され、3次元以上の判定空間におけるプロットのパターンに基づいて歩行状態が判定されてもよい。
【0049】
本実施形態では第2パラメータx2の軸との交点となるプロット(0、x2)の位置に基づく存在パターンに応じて歩行状態が判定されたが、他の実施形態として判定空間の所定領域におけるプロット(x1、x2)の有無に基づく存在パターンに応じて歩行状態が判定されてもよい。
【0050】
また、さらに他の実施形態として判定空間に描かれるプロットの形状パターンに応じて歩行状態が判定されてもよい。例えば、1歩行周期にわたるプロットの形状が図4(a)に示すように第3象限で1回交差していれば通常歩行状態、図4(b)に示すように第3象限で鋭角的に折れ曲っていれば下降歩行状態、図4(c)に示すように第3象限で交差しないで円滑に曲がっていれば上昇歩行状態であると判定されてもよい。
【0051】
本実施形態では判定空間におけるプロットの3つの存在パターンに対応する3つの歩行状態の別が判定されたが(図2/s6a〜6c、図4(a)〜4(c)参照)、他の実施形態としてより多数の存在パターンに応じてより多くの歩行状態の別が判定されてもよい。例えば、坂道の緩急や階段の高低差の程度をより多くの段階に区分して判定されれば、より緻密に歩行状態を判定することができる。そして、歩行補助装置2の制御ユニット24は、歩行者に対してどれだけのトルクを付与すべきかをより緻密な歩行状態判定に基づいて適切に決定することができる。
【0052】
本実施形態では半歩行周期が経過するごとに歩行状態が判定されたが(図2s3参照)、他の実施形態として定常的に歩行状態が判定されてもよい。例えば、判定空間においてプロット(0、x2)が領域{x2≧c’>c}にあると判定された直後に歩行者が「下降歩行状態」にあると判定されたり、領域{x2≦−c’<−c}にあると判定された直後に歩行者が「上昇歩行状態」にあると判定されてもよい。
【図面の簡単な説明】
図1は本実施形態の歩行状態判定装置の構成説明図である。図2は本実施形態の歩行状態判定方法の手順説明図である。図3は本実施形態における第1、第2パラメータの測定方法説明図である。図4は本実施形態における歩行状態判定結果の説明図である。
Claims (9)
- 複数の脚体を有する歩行者の歩行状態を判定する装置であって、
前記歩行者の一の脚体下端部に対する他の脚体下端部の変位速度又は変位加速度を表すパラメータを測定する測定手段と、
該パラメータに対応する判定空間におけるプロットのパターンと、該歩行者の歩行状態とを対応付けて記憶保持する第1記憶手段と、
該判定空間において、該測定手段により測定されたパラメータにより特定されるプロットを生成する生成手段と、
第1記憶手段により記憶保持されている該対応関係と、該生成手段により生成されたプロットとに基づき該歩行者の歩行状態を判定する判定手段とを備えていることを特徴とする歩行状態判定装置。 - 第1記憶手段は前記プロットのパターンとして前記判定空間におけるプロットの形状パターンを記憶保持し、前記判定手段は第1記憶手段により記憶保持されている形状パターンと、前記生成手段により生成されたプロットの形状パターンとの同否又は類否判断に基づいて前記歩行者の歩行状態を判定することを特徴とする請求項1記載の歩行状態判定装置。
- 第1記憶手段は前記プロットのパターンとして前記判定空間におけるプロットの存在パターンを記憶保持し、前記判定手段は第1記憶手段により記憶保持されている存在パターンと、前記生成手段により生成されたプロットの存在パターンとの同否又は類否判断に基づいて前記歩行者の歩行状態を判定することを特徴とする請求項1記載の歩行状態判定装置。
- 前記測定手段は、前記歩行者の一の脚体下端部から他の脚体下端部に向かうベクトルが水平面に対してなす勾配角の角速度を第1パラメータとして測定する第1測定手段と、該勾配角の角加速度を第2パラメータとして測定する第2測定手段とを備え、
前記判定手段は、前記判定空間におけるプロットが、1歩行周期内に第1パラメータが0となったときの第2パラメータの合計が所定絶対値未満となる存在パターンの場合は該歩行者が通常歩行状態であると判定し、該合計が該所定絶対値以上となる存在パターンの場合は該歩行者が傾斜歩行状態にあると判定することを特徴とする請求項3記載の歩行状態判定装置。 - 前記判定手段は、前記歩行者が前記傾斜歩行状態にあると判定した場合、前記判定空間におけるプロットが、前記合計が負となる存在パターンである場合は上昇歩行状態であると判定し、該合計が正となる存在パターンである場合は下降歩行状態にあると判定することを特徴とする請求項4記載の歩行状態判定装置。
- 前記歩行者の脚体の関節間距離を記憶保持する第2記憶手段と、該脚体の関節角度を測定する角度センサとを備え、第1及び第2測定手段は、第2記憶手段により記憶保持されている脚体の関節間距離と、該角度センサにより測定される関節角度とに基づいて第1及び第2パラメータを測定することを特徴とする請求項4又は5記載の歩行状態判定装置。
- 前記判定手段は、前記歩行者の直前回の半歩行周期にわたり前記生成手段により生成された一連のプロットに基づいて該歩行者の歩行状態を判定することを特徴とする請求項1、2、3、4、5又は6記載の歩行状態判定装置。
- 第1測定手段により測定される第1パラメータが歩行周期中に0となるタイミングに基づいて該歩行者の半歩行周期を測定する半歩行周期測定手段を備えていることを特徴とする請求項7記載の歩行状態判定装置。
- 測定手段と、第1記憶手段と、生成手段と、判定手段とを備えている歩行状態判定装置により複数の脚体を有する歩行者の歩行状態を判定する方法であって、
前記測定手段が、前記歩行者の一の脚体下端部に対する他の脚体下端部の変位速度又は変位加速度を表すパラメータを測定する測定ステップと、
前記生成手段が、該パラメータに対応する該判定空間において、該測定ステップにおいて該測定手段により測定されたパラメータにより特定されるプロットを生成する生成ステップと、
前記判定手段が、前記第1記憶手段により記憶されているプロットのパターンと歩行状態との対応関係と、該生成ステップにおいて該生成手段により生成されたプロットとに基づき該歩行者の歩行状態を判定する判定ステップとを備えていることを特徴とする歩行状態判定方法。
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