JP5421571B2 - Walking characteristic evaluation system and locus generation method - Google Patents
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Description
本発明は歩行特性評価システムおよび軌跡生成方法に係り、人間の歩行特性、特に歩行が困難な患者などにおける歩数、歩幅、歩調、歩行速度、爪先と床との距離、爪先の振り上げ角度あるいは踵の角度などといった３次元歩行特性を、どこでも無拘束で長時間測定し、医師や検査者が病状や治療効果の診断に利用する情報を提示することのできる、歩行特性評価システムおよび軌跡生成方法に関する。 The present invention relates to a walking characteristic evaluation system and a trajectory generation method, and relates to human walking characteristics, in particular, the number of steps, step length, pace, walking speed, distance between toes and floor, toe swing angle, or wrinkle in a patient who is difficult to walk. The present invention relates to a walking characteristic evaluation system and a trajectory generation method capable of measuring a three-dimensional walking characteristic such as an angle for a long time without restriction anywhere and presenting information used by a doctor or an examiner to diagnose a medical condition or a therapeutic effect.
従来、歩行が困難な患者などの３次元歩行特性を測定して、医師や検査者による診断に利用可能な情報を得る方法は、検査者が巻き尺やストップウォッチを使用して、患者の歩幅や歩行周期を実測するというものであった。しかし、一歩ごとに歩行周期や歩幅のばらつきを求めることは不可能であった。 Conventionally, a method for obtaining information that can be used for diagnosis by a doctor or an examiner by measuring three-dimensional walking characteristics of a patient who is difficult to walk, etc., is as follows. It was to measure the walking cycle. However, it was impossible to determine the variation in walking cycle and step length for each step.
また、ビデオカメラを利用することによって、一歩ごとの歩行特性を評価することは可能であるが、長距離歩行に対しては適用できるものではない。さらに、歩数計を利用することで長距離歩行時でも一歩ごとに歩行周期を求めることは可能であるが、歩幅の計測は不可能である。すなわち、従来の技術では、長時間に亘り、場所に依存せず歩行特性を計測し評価することは困難であった。 In addition, it is possible to evaluate the walking characteristics for each step by using a video camera, but it is not applicable to long-distance walking. Furthermore, by using a pedometer, it is possible to determine the walking cycle for each step even during long distance walking, but it is impossible to measure the stride. That is, with the conventional technology, it has been difficult to measure and evaluate the walking characteristics without depending on the location for a long time.
なお、歩行や足の動きを３次元的に計測、分析する手法に関しては近年、技術的提案もなされている。後掲特許文献１に開示されている技術はその一例であり、歩行者などのステップの仕方に配慮した歩行動作評価を支援することを目的として、爪先側に配された第１の三軸のジャイロセンサと、踵側に配された第２の三軸のジャイロセンサとを有する靴を用いて、靴の爪先側のジャイロセンサの出力と、踵側のジャイロセンサの出力により歩行動作に関する評価情報を生成する評価情報生成手段と、評価情報生成手段で生成した評価情報を出力する出力手段とを備えた解析装置を提案している。 In recent years, technical proposals have been made regarding methods for measuring and analyzing walking and foot movements three-dimensionally. The technique disclosed in Patent Document 1 described below is an example, and the first three-axis arranged on the toe side is intended to support the evaluation of walking motion in consideration of the stepping method of a pedestrian or the like. Using shoes having a gyro sensor and a second three-axis gyro sensor arranged on the heel side, evaluation information on walking motion based on the output of the gyro sensor on the toe side of the shoe and the output of the gyro sensor on the heel side An analysis apparatus is proposed that includes an evaluation information generation unit that generates the evaluation information and an output unit that outputs the evaluation information generated by the evaluation information generation unit.
しかし、上記特許文献１開示技術は、測定・分析に特別な靴が必要である上、特に歩行が困難な患者などにおける歩数、歩幅、歩調、歩行速度、爪先と床との距離、爪先の振り上げ角度あるいは踵の角度などといった３次元歩行特性を、場所を選ばず無拘束で長時間測定して、医師などの診断に利用する情報を十分に提供できるものとはいえない。 However, the technique disclosed in Patent Document 1 requires special shoes for measurement and analysis, and the number of steps, step length, pace, walking speed, distance between toe and floor, swinging up of the toe, especially in patients who are difficult to walk. It cannot be said that information used for diagnosis by doctors or the like can be sufficiently provided by measuring a three-dimensional walking characteristic such as an angle or a heel angle for a long time without restriction at any place.
本発明の課題は、かかる従来の問題を解決しようとするものであり、人間の歩行特性、特に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、測定データからより有用な３次元歩行特性データを導出することができ、医師などの診断に必要な情報を十分に提示することのできる、歩行特性評価システムおよび軌跡生成方法を提供することである。 An object of the present invention is to solve such a conventional problem, and measure various three-dimensional walking characteristics in a human walking characteristic, particularly a patient who is difficult to walk for a long time without restriction anywhere, It is an object to provide a walking characteristic evaluation system and a trajectory generation method capable of deriving more useful three-dimensional walking characteristic data from measurement data and sufficiently presenting information necessary for diagnosis by a doctor or the like.
本願発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、被験者の足に装着できる小型軽量のセンサを用い、歩行の一歩ごとの足爪先の３次元軌跡を生成する方法に基づいて課題を解決し得ることを見出し、本発明に至った。すなわち、本願において特許請求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 diligent study to solve the above problems, the present inventor has solved the problem based on a method of generating a three-dimensional trajectory of a toe for each step of walking using a small and lightweight sensor that can be worn on the subject's foot. As a result, the present invention has been found. That is, the invention claimed or at least disclosed in the present application is as follows.
（１） 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歩行特性評価システムであって、該身体装着型センサは足の加速度および角速度を測定可能でありかつ少なくとも足爪先装着用のものが備えられており、該携帯型データ記録装置は該身体装着型センサにより測定されたデータを記録するものであり、該解析装置は該携帯型データ記録装置に記録されたデータを演算処理して一歩ごとの足爪先の３次元軌跡を生成するものであり、該解析装置は、遊脚終了時とその後の立脚時のフレームマトリックス（歩行中に足が回転することによって変化するセンサシステムの向きや傾きのこと。)が一致するよう遊脚時のフレームマトリックスを修正すべく構成されており、かかる構成により、場所を選ばずどこでも無拘束で長時間測定して得られたデータから、修正されたより有用な３次元歩行特性データを導出でき、一歩ごとに足爪先挙動を３次元で測定できることを特徴とする、歩行特性評価システム。
（２） 前記解析装置は、一歩ごとに水平方向および垂直方向加速度の２階積分によって足爪先の３次元軌跡を生成可能に構成されていることを特徴とする、（１）に記載の歩行特性評価システム。
（３） 前記解析装置は、一歩ごとに水平方向および垂直方向加速度の２階積分によって足爪先の３次元軌跡を生成可能であり、一歩ごとの足爪先の３次元軌道および方向を描画可能に構成されていることを特徴とする、（１）に記載の歩行特性評価システム。
（４） 前記解析装置は、一歩ごとの３次元軌跡から、歩数、歩幅、歩調、歩行速度、足爪先と歩行面との距離および足爪先の振り上げ角度の各３次元歩行特性を導出可能に構成されていることを特徴とする、（２）または（３）に記載の歩行特性評価システム。
(1) A walking characteristic evaluation system comprising one or more body-mounted sensors, a portable data recording device, and an analysis device, the body-mounted sensor being capable of measuring foot acceleration and angular velocity and at least a toe tip A portable data recording device for recording data measured by the body-mounted sensor, and the analysis device for recording data recorded on the portable data recording device. The calculation device generates a three-dimensional trajectory of the toe at every step , and the analysis device uses a frame matrix at the end of the free leg and a subsequent stand (a sensor that changes as the foot rotates during walking). System orientation and inclination.) It is configured to correct the frame matrix at the time of the swing leg so that it matches, and this configuration makes it possible to From the data obtained by measuring long unrestrained, can derive three-dimensional gait characteristic data more useful are modified, characterized in that the foot toes behavior can be measured in three dimensions at every step, gait characterization system.
(2) The walking characteristic according to (1), wherein the analysis device is configured to be able to generate a three-dimensional trajectory of a toe by second-order integration of horizontal and vertical accelerations for each step. Evaluation system.
(3) The analysis device can generate a three-dimensional trajectory of the toe by stepwise integration of horizontal and vertical accelerations for each step, and can draw a three-dimensional trajectory and direction of the toe for each step. The walking characteristic evaluation system according to (1), characterized in that:
(4) The analysis device is configured to be able to derive each three-dimensional walking characteristic of the number of steps, step length, pace, walking speed, distance between the toe and the walking surface, and the swing angle of the toe from the three-dimensional trajectory for each step. The walking characteristic evaluation system according to (2) or (3), characterized in that:
（５） 前記解析装置は、一歩ごとの３次元軌跡から、一重複歩距離および歩行周期の各３次元歩行特性を導出可能に構成されていることを特徴とする、（２）または（３）に記載の歩行特性評価システム。
（６） 歩行特性評価に利用可能な軌跡を生成、表示する方法であって、加速度および角速度測定可能なセンサにより測定された加速度および角速度データに基づき、運動の周期ごとに水平方向および垂直方向加速度の２階積分によって３次元軌跡を生成し、３次元軌跡生成にあたっては、遊脚終了時とその後の立脚時のフレームマトリックスが一致するよう遊脚時のフレームマトリックスが修正され、これにより場所を選ばずどこでも無拘束で長時間測定して得られたデータから修正されたより有用な３次元歩行特性データが導出され、一歩ごとに該センサ設置部位の３次元軌道および方向を運動の周期ごとに描画して表示できることを特徴とする、軌跡生成方法。
（７） 前記センサは歩行者の足爪先に装着可能であることによって、歩行時における足爪先の軌跡を生成、表示可能であることを特徴とする、（６）に記載の軌跡生成方法。
(5) The analysis apparatus is configured to be capable of deriving each three-dimensional walking characteristic of a one-step walking distance and a walking cycle from a three-dimensional trajectory for each step, (2) or (3) The walking characteristic evaluation system described in 1.
(6) A method for generating and displaying a trajectory that can be used for evaluation of walking characteristics, and based on acceleration and angular velocity data measured by a sensor capable of measuring acceleration and angular velocity, horizontal and vertical accelerations for each period of motion. A 3D trajectory is generated by the second-order integration, and when generating a 3D trajectory, the frame matrix at the time of the free leg is modified so that the frame matrix at the end of the free leg and the subsequent leg is matched, and the location is selected accordingly. From the data obtained by long-term measurement without restraint anywhere, more useful three-dimensional walking characteristics data is derived, and the three-dimensional trajectory and direction of the sensor installation site are drawn for each step of the movement for each step. A trajectory generation method characterized by being capable of being displayed.
(7) The trajectory generation method according to (6), wherein the sensor can be mounted on a toe tip of a pedestrian to generate and display a trajectory of the toe tip during walking.
本発明の歩行特性評価システムおよび軌跡生成方法は上述のように構成されるため、これによれば、人間の歩行特性、特に歩行が困難な患者などにおける歩数、歩幅、歩調、歩行速度、爪先と床との距離、爪先の振り上げ角度あるいは踵の角度などといった３次元歩行特性を、どこでも無拘束で長時間測定して、測定データからより有用な３次元歩行特性データを導出することができ、医師などの診断に必要な情報を十分に提示することができる。 Since the walking characteristic evaluation system and the trajectory generation method of the present invention are configured as described above, according to this, the human walking characteristics, in particular, the number of steps, the step length, the pace, the walking speed, the toe, and the like in patients who have difficulty walking. 3D walking characteristics such as distance to the floor, toe swing angle or heel angle can be measured for long periods of time without restriction, and more useful 3D walking characteristics data can be derived from the measured data. It is possible to present sufficient information necessary for diagnosis.
特に本発明システムは、歩行特性の評価に際して、長時間に亘り場所を選ばず検査が行えることと、一歩ごとに足爪先挙動を３次元で測定することを同時に実現できる。従来のビデオカメラを利用した歩行特性評価では、室内の限られた環境での短時間・短距離の検査しかできなかった。また長時間の検査では、検査者が被験者とともに歩行することで実現可能ではあるが、客観的に一歩ごとの歩行特性を評価することは不可能であった。本発明は、このような問題点を一度に解決できるものである。 In particular, the system according to the present invention can simultaneously perform the inspection of the walking characteristics for any time for any time and can measure the toe toe behavior in three dimensions for each step. In conventional walking characteristics evaluation using video cameras, only short-time and short-distance inspections were possible in a limited indoor environment. Moreover, in a long-time examination, although it is feasible when the examiner walks with the subject, it is impossible to objectively evaluate the walking characteristics for each step. The present invention can solve such problems at a time.
以下、本発明について、図面を用いてより詳細に説明する。
図１は、本発明の歩行特性評価システムの基本構成を示す概念図である。図示するように本歩行特性評価システム１は、一または複数の身体装着型センサ２、携帯型データ記録装置３、および解析装置４からなる。そして、身体装着型センサ２としては、足の加速度および角速度を測定可能であるとともに、少なくとも足爪先装着用のセンサが備えられており、また携帯型データ記録装置３は、身体装着型センサ２によって測定されたデータを記録するものであり、また解析装置４は、携帯型データ記録装置３に記録されたデータを演算処理して一歩ごとの足爪先の３次元軌跡を生成するように形成されていることを、主たる構成とする。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic configuration of a walking characteristic evaluation system of the present invention. As shown in the figure, the walking characteristic evaluation system 1 includes one or more body-mounted sensors 2, a portable data recording device 3, and an analysis device 4. The body-mounted sensor 2 can measure the acceleration and angular velocity of the foot, and is provided with at least a sensor for mounting a toe. The portable data recording device 3 is provided with the body-mounted sensor 2. The measured data is recorded, and the analysis device 4 is formed so as to generate a three-dimensional trajectory of the toe for each step by performing arithmetic processing on the data recorded in the portable data recording device 3. Is the main configuration.
かかる構成により本システム１では、身体装着型センサ２は被験者の身体、特に足に装着され、かつ携帯型データ記録装置３は被験者において携帯された状態もしくは被験者に伴う状態にて、測定・解析の準備がなされる。身体装着型センサ２としては、最低限、足爪先装着用のセンサが被験者の足爪先に装着される。被験者が歩行を開始すると、足の加速度および角速度の身体装着型センサ２による測定が開始されるが、最低限、足爪先に装着されたセンサ（２）によって、足爪先の加速度および角速度の測定が連続してなされる。 With this configuration, in this system 1, the body-mounted sensor 2 is mounted on the subject's body, particularly the foot, and the portable data recording device 3 is used for measurement / analysis while being carried by the subject or accompanying the subject. Preparations are made. As the body-mounted sensor 2, at least a sensor for mounting a toe toe is mounted on the toe toe of a subject. When the subject starts walking, measurement of the acceleration and angular velocity of the foot by the body-mounted sensor 2 is started, but at a minimum, the measurement of the acceleration and angular velocity of the toe tip is performed by the sensor (2) attached to the toe tip. It is made continuously.
身体装着型センサ２にて測定された足の加速度および角速度の測定データは、携帯型データ記録装置３に記録され、ここに記録されたデータは、解析装置４において演算処理され、最終的に、歩行を行った被験者の各種歩行特性のデータが得られる。つまり、最低限測定される被験者の足爪先の一歩ごとの３次元軌跡が解析装置４では生成され、その軌跡に基づき、各種の歩行特性のデータが得られる。 Measurement data of the acceleration and angular velocity of the foot measured by the body-mounted sensor 2 is recorded in the portable data recording device 3, and the recorded data is subjected to arithmetic processing in the analysis device 4, and finally, Data on various walking characteristics of the subject who walked can be obtained. That is, the analysis device 4 generates a three-dimensional trajectory for each step of the toe of the subject to be measured at a minimum, and data of various walking characteristics is obtained based on the trajectory.
本発明システム１において、身体装着型センサ２は一または複数設けられるが、得るべき歩行特性に鑑み、最低限設ける足爪先装着用のセンサも左右両足用の計２個を備えることが、本発明目的の歩行特性評価上極めて望ましい。したがって身体装着型センサ２は２個以上とすることが、極めて望ましい。また、場所に依存することなく長時間歩行特性を評価可能とするため、身体装着型センサ２はできるだけ小型かつ軽量であることが望ましい。 In the system 1 according to the present invention, one or a plurality of body-mounted sensors 2 are provided. However, in view of walking characteristics to be obtained, the minimum toe-tip-mounted sensors are also provided with a total of two sensors for both left and right feet. This is extremely desirable for the purpose of evaluating the desired walking characteristics. Therefore, it is extremely desirable that the number of the body-mounted sensors 2 is two or more. Moreover, in order to be able to evaluate long-time walking characteristics without depending on the location, it is desirable that the body-mounted sensor 2 be as small and light as possible.
また、足爪先に加えて踵に身体装着型センサを設けることは、特に推奨される。この場合も左右両足用の計２個を設けることが本発明目的の歩行特性評価上望ましく、この場合は、足爪先用と合わせて計４個のセンサが備えられることとなる。つまり、左右両足爪先と踵にセンサ２を取り付けることによって、足の加速度と角速度を測定する。なお身体装着型センサ２は加速度および角速度を測定できるものであれば、その具体的構造、仕様等は特に限定されない。 It is particularly recommended to provide a body-mounted sensor on the heel in addition to the toes. In this case as well, it is desirable to provide a total of two sensors for both the left and right feet for the purpose of evaluating the walking characteristics for the purpose of the present invention. That is, the foot acceleration and angular velocity are measured by attaching the sensor 2 to both the right and left toes and the heel. As long as the body-mounted sensor 2 can measure acceleration and angular velocity, its specific structure, specifications, etc. are not particularly limited.
携帯型データ記録装置３も同様に、身体装着型センサ２により測定されたデータを記録して解析装置４での処理に供することができるものであれば、その具体的構造、仕様等は特に限定されない。従来公知で入手可能な携帯型データロガーを適宜選択して用いることができる。携帯型データロガーとしては、ＳＤカード等着脱可能なメモリを搭載できるものを用いれば、取扱いが便利である。 Similarly, as long as the portable data recording device 3 can record data measured by the body-mounted sensor 2 and can be used for processing in the analysis device 4, its specific structure, specification, etc. are particularly limited. Not. Conventionally available and available portable data loggers can be appropriately selected and used. If a portable data logger that can be mounted with a removable memory such as an SD card is used, the handling is convenient.
携帯型データ記録装置３は、被験者が携帯できるサイズ・重量の仕様のものを用いることができ、この場合は身体装着型センサ２と同様被験者の身体に装着あるいは携帯保持される。一方、携帯型データ記録装置３は必ずしも被験者によって携帯されるべき仕様とする必要はなく、たとえばこれを携帯しないことが推奨されるような被験者用として、身体装着型センサ２からのデータを無線受信できる携帯型データ記録装置３とし、伴って歩行する者や移動装置がこれを携帯保持することが可能な構成としてもよい。 The portable data recording device 3 can be of a size and weight specification that can be carried by the subject. In this case, the portable data recording device 3 is attached to or held by the subject's body in the same manner as the body-mounted sensor 2. On the other hand, the portable data recording device 3 does not necessarily have a specification that should be carried by the subject. For example, for a subject who is recommended not to carry the portable data recording device 3, the data from the body-mounted sensor 2 is received wirelessly. The portable data recording device 3 can be configured so that a person who walks along with the mobile data recording device 3 can carry it with him.
本発明歩行評価システム１の解析装置４は、水平方向および垂直方向加速度の２階積分によって、被験者の歩行の一歩ごとの足爪先の３次元軌跡を生成可能に構成されたものである。かかる構成によって本解析装置４では、足爪先の３次元軌跡が生成される。また、生成された軌跡を画像として認識可能とするために、本解析装置４に映像ディスプレイや印刷装置等の画像出力手段を設けた場合には、一歩ごとの足爪先の３次元軌道および方向が描画されて、画像としての出力を得ることができる。 The analysis device 4 of the gait evaluation system 1 of the present invention is configured to be able to generate a three-dimensional trajectory of the toe for each step of the subject's walk by second-order integration of horizontal and vertical accelerations. With this configuration, the analysis device 4 generates a three-dimensional trajectory of the toe. Further, in order to make it possible to recognize the generated trajectory as an image, when the analysis device 4 is provided with image output means such as a video display or a printing device, the three-dimensional trajectory and direction of the toe for each step are determined. Rendered to obtain an output as an image.
すなわち、身体装着型センサ２により測定されたデータは、携帯型データ記録装置３により媒介され、解析装置４において処理されて、被験者の一歩ごとの３次元軌跡が得られる。ここで、携帯型データ記録装置３による媒介は、上述の着脱可能なメモリ媒体による形態が便利であるが、無線等による通信手段を介した転送でもよい。いずれにせよ解析装置４においては、歩行特性評価用の解析プログラムによって、送られてきたデータに基づき、３次元足爪先軌道と足爪先の方向が１歩毎に描画され、３次元足爪先軌跡を生成することができる。 That is, data measured by the body-mounted sensor 2 is mediated by the portable data recording device 3 and processed by the analysis device 4 to obtain a three-dimensional trajectory for each step of the subject. Here, the mediation by the portable data recording device 3 is conveniently in the form of the above-described removable memory medium, but may be transfer via wireless communication means. In any case, the analysis device 4 draws the 3D toe toe trajectory and the toe toe direction for each step based on the data sent by the analysis program for evaluating the walking characteristics. Can be generated.
そして、このようにしてに得られた３次元足爪先軌跡に基づき、歩数、歩幅、歩調、歩行速度、足爪先と歩行面との距離、および足爪先の振り上げ角度の各３次元歩行特性を得ることが可能である。さらには、一重複歩距離および歩行周期の各３次元歩行特性を導出可能な構成とすることもできる。これらは、ファイルに保存したり、グラフとして描画することできる。 Based on the three-dimensional toe trajectory obtained in this way, the three-dimensional walking characteristics of the number of steps, the step length, the pace, the walking speed, the distance between the toe and the walking surface, and the swing-up angle of the toe are obtained. It is possible. Furthermore, it can also be set as the structure which can derive | lead-out each three-dimensional walking characteristic of an overlapped walk distance and a walk cycle. These can be saved in a file or rendered as a graph.
以下、加速度および角速度データを基にして、足爪先の３次元軌跡を生成する具体的手順の例を説明する。
図２は、本発明歩行特性評価システムにおける３次元軌跡生成方法の例を示すフローチャートである。手順を追って説明すると、図示するように、加速度および角速度データは解析装置に転送されて、内蔵された解析ソフトウェア（○付数字３ 以下、「《３》」のように表記する。）の機能により、まず手順《４》において、角速度波形から、一歩分の遊脚状態の選択がなされる。ここで、遊脚とは爪先に装着したセンサが動いている状態であり、立脚はセンサが静止している状態をいう。摺り足歩行などの場合、爪先が地面に接しているが、移動している場合も遊脚と定義する。
Hereinafter, an example of a specific procedure for generating a three-dimensional trajectory of the toe based on the acceleration and angular velocity data will be described.
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a three-dimensional trajectory generation method in the walking characteristic evaluation system of the present invention. To explain the procedure step by step, the acceleration and angular velocity data are transferred to the analysis device as shown in the figure, and the function of the built-in analysis software (shown as “<< 3 >>”). First, in step << 4 >>, the free leg state for one step is selected from the angular velocity waveform. Here, the free leg is a state where the sensor attached to the toe is moving, and the standing leg is a state where the sensor is stationary. In the case of sliding foot walking or the like, the tip of the toe is in contact with the ground, but the moving leg is also defined as a free leg.
図２−２は、以下説明する立脚と遊脚の判断、および遊脚期間の決定方法を示すグラフである。立脚と遊脚の判断は、爪先で測定した角速度の合成値（３軸合成角速度）で観測される遊脚開始直後のピークＰ１，Ｐ２，Ｐ３を利用する。具体的には、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を検出し、それぞれの時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３から対象とする遊脚候補のＴａ＝Ｔ２−Ｔ１ および Ｔｂ＝Ｔ３−Ｔ２ を求める。対象とする遊脚の期間は、Ｔ２のＡ秒前から、Ｔ２のＢ秒後まで、と決定する。 FIG. 2-2 is a graph illustrating a method for determining a standing leg and a free leg and a method for determining a free leg period, which will be described below. The determination of the standing leg and the free leg uses the peaks P 1 , P 2 , and P 3 immediately after the start of the free leg, which is observed with the combined value of the angular velocities measured with the toes (three-axis combined angular velocities). Specifically, P 1, P 2, detecting the P 3, each time T 1, T 2, from T 3 of the free leg candidates of interest Ta = T 2 -T 1 and Tb = T 3 -T 2 is determined. Period of the free leg of interest, from A seconds before T 2, until the B seconds after T 2, and determined.
ここで、ＡとＢは歩行距離の推定誤差を最小にするように実験的に求めた値であり、次式のように、ＴａおよびＴｂに依存する。 Here, A and B are values obtained experimentally so as to minimize the estimation error of the walking distance, and depend on Ta and Tb as in the following equations.
この方法により得られた遊脚を利用して求めた歩行距離は、通常の前進歩行の他、速い歩行やゆっくりした歩行、横歩きや後ろ歩きに対しても高い精度で推定可能である。また、式の係数を変更することにより、摺り足歩行に対しても遊脚の判断を行うことが可能である。 The walking distance obtained by using the free leg obtained by this method can be estimated with high accuracy not only for normal forward walking but also for fast walking, slow walking, sidewalking and backward walking. In addition, by changing the coefficient of the equation, it is possible to determine the free leg even for the sliding foot walk.
手順《４》により一歩分の遊脚状態が選択（探索）された後、手順《５》へと進む。手順《５》では、足の初期状態、すなわち姿勢・フレームマトリクスが計算されて、一定の算出値が得られる。そしてここでの算出値が用いられて手順《６》において、角速度が積分され、足の姿勢更新がなされる。 After the swing leg state for one step is selected (searched) by the procedure << 4 >>, the process proceeds to the procedure << 5 >>. In step << 5 >>, the initial state of the foot, that is, the posture / frame matrix is calculated, and a constant calculated value is obtained. Then, using the calculated value here, in step << 6 >>, the angular velocity is integrated and the posture of the foot is updated.
ここで姿勢更新とは、歩行中に足が回転することによって変化するセンサシステムの向きや傾き(フレームマトリックス)を計算によって求めることである。具体的には、下式のように、
センサで測定した角速度ω’＝［ω'ｘ ω'ｘ ω'ｘ］を、直前のフレームマトリックスＥｎによって、
固定座標系の角速度ω＝［ωｘ ωｘ ωｘ］に変換する。
ω＝Ｅｎω’
Here, the posture update is to calculate the orientation and inclination (frame matrix) of the sensor system that changes as the foot rotates during walking. Specifically,
The angular velocity ω '= [ω' x ω 'x ω' x] measured by the sensor, the frame matrix E n immediately before,
The angular velocity ω = [ω x ω x ω x ] of the fixed coordinate system is converted.
ω = E n ω '
ここで、遊脚直前のフレームマトリックスＥ０（ｎ＝０）は、
立脚時の測定加速度ａ’＝［ａ'ｘ ａ'ｙ ａ'ｚ］と重力加速度ｇを利用し、以下のように求める。
Here, the frame matrix E 0 (n = 0) immediately before the swing leg is
Using the measured acceleration a ′ = [a ′ x a ′ y a ′ z ] and the gravitational acceleration g at the time of standing, it is obtained as follows.
図２−３は、上記式にて示した重力加速度ｇを利用した遊脚開始時の足の姿勢（フレームマトリックスＥ０）の導出に関し、各計測軸の角度計算方法を示す図である。また、
図２−４は、重力加速度ｇを利用した遊脚開始時の足の姿勢（フレームマトリックスＥ０）の導出方法を示す図である。これらに示すように、センサ装着時には、フレームマトリックスのiベクトルが爪先方向を向くように合わせる。次に、遊脚開始後の測定角速度ω’からサンプリング周期Δｔ中のフレームマトリックスの回転量θを求め、ベクトルωの周りに角度θだけ回転させる次式の等価回転マトリックスＲωθ を直前のフレームマトリックスＥｎに適用して次のフレームマトリックスＥｎ＋１を、次式のようにして求める。
FIG. 2-3 is a diagram illustrating an angle calculation method for each measurement axis with respect to derivation of the foot posture (frame matrix E 0 ) at the start of the swing leg using the gravitational acceleration g expressed by the above equation. Also,
FIG. 2-4 is a diagram illustrating a method for deriving the posture of the foot (frame matrix E 0 ) at the start of the swing leg using the gravitational acceleration g. As shown in these figures, when the sensor is mounted, the i-vector of the frame matrix is adjusted to face the toe direction. Next, the rotation amount θ of the frame matrix during the sampling period Δt is obtained from the measured angular velocity ω ′ after the start of the swing leg, and the equivalent rotation matrix R ωθ of the following equation for rotating the vector ω by the angle θ is used as the immediately preceding frame matrix. Applying to E n , the next frame matrix E n + 1 is obtained as follows:
ついで手順《７》では、更新した足の姿勢が利用されて、測定加速度の座標変換および積分がなされる。つまり、
測定加速度ａ’＝［ａ'ｘ ａ'ｙ ａ'ｚ］は下式のように、フレームマトリックスＥｎによって、
固定座標系の加速度ａ＝［ａｘ ａｙ ａｚ］に変換する。
ａ＝Ｅｎａ’
In step << 7 >>, the updated posture of the foot is used to perform coordinate conversion and integration of the measured acceleration. That means
The measured acceleration a ′ = [a ′ x a ′ y a ′ z ] is expressed by the frame matrix En as shown in the following equation.
The acceleration of the fixed coordinate system is converted to a = [a x a y a z ].
a = E n a '
一歩分の爪先の３次元経路ｐ(t)＝［ｐｘ(t) ｐｙ(t) ｐｚ(t) ］は、
一歩分の遊脚時間中の加速度ａ(t)＝［ａｘ(t) ａｙ(t) ａｚ(t) ］を積分して、
３次元速度ｖ(t)＝［ｖｘ(t) ｖｙ(t) ｖｚ(t) ］を求め、再度積分して求める。すなわち次式の通りである。
The three-dimensional path p (t) = [p x (t) py (t) p z (t)] of the toe for one step is
Integrating acceleration a (t) = [a x (t) a y (t) a z (t)] during one step of swing leg time,
3 dimensional velocity v (t) = seeking [v x (t) v y (t) v z (t)], obtained by integrating again. That is, it is as follows.
手順《７》において加速度座標変換と積分がなされた後、手順《８》において遊脚終了時とその後の立脚時のフレームマトリックスが一致するように、遊脚時のフレームマトリックスが修正される。つまり、遊脚中の推定フレームマトリックスは、角速度の積分により更新するが、積分誤差の影響で、正しいフレームマトリックスとは異なる値となる。一方、遊脚終了後の立脚時のフレームマトリックスは、垂直軸周りの方向の誤差を無視すれば、重力加速度を利用して正確に求めることが可能である。そこで、遊脚終了後の推定フレームマトリックスＥＮと、重力加速度から求めたフレームマトリックスＥ'Ｎが一致するように、遊脚時のフレームマトリックスＥＮを修正する。初めに、以下の式により、Ｅ'Ｎをベクトルωｅの周りに角度θｅ 回転させてＥＮと一致させる、
等価回転行列Ｒωｅθｅ の成分を求める。
After the acceleration coordinate conversion and integration are performed in the procedure << 7 >>, the frame matrix at the time of the free leg is corrected so that the frame matrix at the end of the free leg and the subsequent standstill match in the procedure << 8 >>. That is, the estimated frame matrix in the free leg is updated by integration of the angular velocity, but becomes a value different from the correct frame matrix due to the influence of the integration error. On the other hand, the frame matrix at the time of standing after the end of the free leg can be accurately obtained using gravitational acceleration if errors in the direction around the vertical axis are ignored. Therefore, the frame matrix E N at the time of the free leg is corrected so that the estimated frame matrix E N after the end of the free leg and the frame matrix E ′ N obtained from the gravitational acceleration coincide. First, E ′ N is rotated around the vector ω e by an angle θ e to coincide with E N according to the following equation:
Equivalent rotation matrix R ωeθe Find the components of
これより、角度θｅとベクトルωｅは以下のようになる。 Accordingly, the angle θ e and the vector ω e are as follows.
結局、遊脚中の正しいフレームマトリックスＥ'Ｎは、次式のように推定する。
なお図２−５は、以上述べたフレームマトリクスの修正方法を示す説明図である。図中、「ＦＭ」とはフレームマトリクスを示す。
Eventually, the correct frame matrix E ′ N during the swing leg is estimated as follows:
FIG. 2-5 is an explanatory diagram showing the frame matrix correction method described above. In the figure, “FM” indicates a frame matrix.
手順《８》についで、手順《９》において遊脚終了時速度がゼロとなるように加速度の積分誤差除去（修正）の処理がなされて、一歩分の解析処理が終了となる。加速度の積分誤差修正は次のように行う。
誤差を含む計測加速度ａｍ(t)は、真の加速度ａｒ(t)と加速度のオフセット値ａeを用いて、下式のように表されると仮定する。
ａｍ(t)＝ａｒ(t)＋ａe
Following step << 8 >>, in step << 9 >>, acceleration integral error removal (correction) processing is performed so that the free leg end speed becomes zero, and the analysis processing for one step is completed. The integral error correction of acceleration is performed as follows.
It is assumed that the measured acceleration a m (t) including an error is expressed by the following equation using the true acceleration a r (t) and the acceleration offset value a e .
a m (t) = ar (t) + a e
これを積分して速度を求めると、以下のようになる。 When this is integrated, the speed is obtained as follows.
ここで、Ｔは遊脚の継続時間、Ｖｒ(t)は真の速度、Ｖeは加速度積分の誤差により生じた遊脚終了時の推定速度であり、本来ゼロとなるべき値である。これより、真の速度Ｖｒ(t)は次式のように求められる。
なお図２−６は、以上述べた加速度の積分誤差修正方法を示す説明図である。
Here, T is the duration of the free leg, V r (t) is the true speed, V e is the estimated speed at the end of the free leg caused by the error of acceleration integration, and is a value that should be essentially zero. From this, the true speed V r (t) is obtained as follows.
FIG. 2-6 is an explanatory diagram showing the acceleration integration error correction method described above.
手順《９》の処理がなされた後、手順《１０》においては、歩行が継続しているか、終了したかが判断される。「終了」と判断された場合は、手順《１１》において解析結果の描画、ファイル等への出力処理がなされ、一連の解析が終了となる（手順《１２》）。一方、歩行が「継続している」と判断された場合は、手順《４》へと戻り、以降の手順が繰り返される。このような手順によって、足爪先の３次元軌跡が生成される。後述する実施例では、図６にその描画例を示す。 After the processing of the procedure << 9 >>, in the procedure << 10 >>, it is determined whether walking is continued or completed. If it is determined to be “finished”, the analysis result is drawn and output to a file or the like in step << 11 >>, and a series of analysis is completed (step << 12 >>). On the other hand, if it is determined that walking is “continuing”, the procedure returns to the procedure << 4 >>, and the subsequent procedures are repeated. By such a procedure, a three-dimensional locus of the toe is generated. In an embodiment described later, FIG. 6 shows a drawing example.
なお図中、手順《１１》において、出力される歩行特性として列挙された事項のうち、歩調とは、1分あたりの歩数である。また、歩行周期とは、遊脚と立脚を合わせた時間である。本発明においては、一歩分の遊脚開始の時刻から次の遊脚開始の時刻までとしている。 In the figure, among the items listed as the walking characteristics that are output in the procedure << 11 >>, the pace is the number of steps per minute. The walking cycle is the time when the free leg and the standing leg are combined. In the present invention, the time is from the start time of the free leg for one step to the start time of the next free leg.
図３は、本発明歩行特性評価システムにおいて生成した３次元軌跡から各歩行特性を導出する過程を示すフローチャートである。図示するように、まず手順《１》において、解析結果から全ての爪先軌道と爪先方向のデータが準備される。そして手順《２》においては、爪先軌跡の数から歩数が決定されて歩数データとして得られる。またこれと並行的な手順《３》においては、爪先軌跡が合計されて、総歩行距離が算出され、相歩行距離データとして得られる。 FIG. 3 is a flowchart showing a process of deriving each walking characteristic from the three-dimensional trajectory generated in the walking characteristic evaluation system of the present invention. As shown in the figure, in step << 1 >>, all toe trajectories and toe direction data are prepared from the analysis results. In step << 2 >>, the number of steps is determined from the number of toe trajectories and obtained as step number data. Further, in the procedure << 3 >> in parallel with this, the toe trajectories are summed, and the total walking distance is calculated and obtained as phase walking distance data.
また手順《２》、《３》と並行的な手順《４》においては、手順《１》において準備された全ての爪先軌道と爪先方向のデータの中から、一歩分の爪先軌道すなわち３次元歩行経路と爪先方向が選択される。ここでは、全歩数分の遊脚区間に対して、最初の一歩目から順次一歩分の遊脚区間を対象として、計算から求めた３次元爪先軌道の情報と、爪先の方向を表すフレームマトリックスのｉベクトル成分が選択される。 Further, in the procedure << 4 >> in parallel with the procedures << 2 >> and << 3 >>, the toe trajectory for one step, that is, the three-dimensional walking, from all the toe trajectories and toe direction data prepared in the procedure << 1 >>. The path and toe direction are selected. Here, with respect to the free leg sections for the total number of steps, information on the three-dimensional toe trajectory obtained from the calculation and the frame matrix representing the toe direction for the free leg sections for one step sequentially from the first step. The i vector component is selected.
手順《４》において選択された一歩分の爪先軌道と爪先方向の各データに基づいて、並行的な手順《５》、《７》、《１０》および《１１》において、それぞれ演算処理がなされて各歩行特性データが得られる。すなわち手順《５》においては、一歩の開始と終了の時刻が導出され、各時刻データが得られる。また手順《７》においては、一歩の開始と終了の位置が導出され、各位置データが得られる。また手順《１０》においては、足爪先と歩行面との距離が計算され、距離データが得られる。また手順《１１》においては、足爪先の振り上げ角度が計算され、振り上げ角度データが得られる。 Based on the data of the toe trajectory and the toe direction for one step selected in step << 4 >>, the arithmetic processing is performed in parallel steps << 5 >>, << 7 >>, << 10 >>, and << 11 >>, respectively. Each walking characteristic data is obtained. That is, in step << 5 >>, the start and end times of one step are derived, and each time data is obtained. In step << 7 >>, the start and end positions of one step are derived, and each position data is obtained. In step << 10 >>, the distance between the toe and the walking surface is calculated, and distance data is obtained. In step << 11 >>, the toe-up angle of the toe is calculated, and the up-angle data is obtained.
さらに、手順《５》において得られた各時刻データに基づいて、手順《６》において、歩調（一分あたりの歩数）および歩行周期が計算されて、これらのデータが得られる。また、手順《７》において得られた一歩の開始と終了の位置データに基づいて、手順《８》において、歩幅が計算されて、歩幅データが得られる。そして、手順《６》において得られた歩調（歩行周期）データと、手順《８》において得られた歩幅データに基づいて、手順《９》において、一歩分の歩行速度が計算されて、一歩分の歩行速度データが得られる。このような手順によって、各歩行特性データが得られる。 Furthermore, based on the time data obtained in the procedure << 5 >>, in step << 6 >>, the pace (number of steps per minute) and the walking cycle are calculated, and these data are obtained. Further, on the basis of the position data of the start and end of one step obtained in the procedure << 7 >>, the step length is calculated in the procedure << 8 >> to obtain the stride data. Then, on the basis of the pace (walking cycle) data obtained in the procedure << 6 >> and the stride data obtained in the procedure << 8 >>, the walking speed for one step is calculated in the procedure << 9 >>. Walking speed data can be obtained. Each walking characteristic data is obtained by such a procedure.
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明がかかる実施例に限定されるものではない。
＜実施例 足爪先装着型センサによる歩行特性評価システム＞
身体装着型センサとして、足爪先装着型センサのみを用いた歩行特性評価システムを構築した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to this Example.
<Embodiment walking system evaluation system using toe-mounted sensor>
As a body-worn sensor, a walking characteristic evaluation system using only a toe-worn sensor was constructed.
図４は、被験者の足（靴）の爪先にセンサを装着し、これが携帯型データ記録装置（データロガー）と接続されている状態を示した写真である。また、
図５は、本実施例システムの構成を示すブロック図である。図４に示す足爪先装着型センサにより、被験者の歩行中の足の加速度および角速度信号が測定される。測定されたデータは、データロガーに装着されたＳＤカードに記録される。その後、ＳＤカードに記録されたデータは、解析プログラムに読み込まれる。解析プログラムによってデータは処理され、一歩ごとに、加速度および角速度を積分して足爪先の３次元位置と方向が求められる。
FIG. 4 is a photograph showing a state in which a sensor is attached to a toe of a subject's foot (shoes) and connected to a portable data recording device (data logger). Also,
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the system of this embodiment. The toe-tip-mounted sensor shown in FIG. 4 measures the acceleration and angular velocity signal of the foot while the subject is walking. The measured data is recorded on an SD card attached to the data logger. Thereafter, the data recorded on the SD card is read into the analysis program. Data is processed by the analysis program, and for each step, the acceleration and angular velocity are integrated to determine the three-dimensional position and direction of the toe.
図６は、本実施例システムにより描画、生成された全ての３次元爪先経路と爪先の方向が描画されたグラフである。このようにして全ての３次元軌跡が得られる。これに基づき、各歩行特性データを得る手順を示す。遊脚開始の時刻を０、遊脚終了の時刻をＴとする。また、ｘｙｚ方向の移動距離をそれぞれ ｐｘ(t)、ｐｙ(t)、ｐｚ(t) 、遊脚直前の立脚時のフレームマトリックスのｉベクトル成分を
ｉ０＝［ｉｘ０ ｉｙ０ ｉｚ０ ］、遊脚時のフレームマトリックスのｉベクトルの成分を
ｉ＝［ｉｘ ｉｙ ｉｚ ］ とすると、次に示す各式によって、各歩行特性データが得られる。
FIG. 6 is a graph in which all three-dimensional toe paths and toe directions drawn and generated by the system of this embodiment are drawn. In this way, all three-dimensional trajectories are obtained. Based on this, a procedure for obtaining each walking characteristic data is shown. Assume that the free leg start time is 0 and the free leg end time is T. Further, each of the moving distance p x of xyz-direction (t), p y (t ), p z (t), i 0 = i-vector components of the standing time of the frame matrix of the free leg just before [i x0 i y0 i z0 ], where i = [i x i y i z ] is the component of the i vector of the frame matrix at the time of the free leg, each walking characteristic data is obtained by the following equations.
なお図７は、一歩分の遊脚期における爪先の３次元経路を示すグラフである。また図８は、本実施例システムによる爪先と床との角度すなわち爪先角度θｔの導出方法を示す説明図である。さらに図９の歩行特性解析結果例に示すように、一歩ごとの重複歩距離や歩行周期の結果を提示することが可能である。 FIG. 7 is a graph showing a three-dimensional path of the toe during the swing leg period for one step. The Figure 8 is an explanatory diagram showing a method of deriving the angular i.e. toe angle theta t the toe and the floor according to the embodiment system. Furthermore, as shown in the example of the walking characteristic analysis result in FIG. 9, it is possible to present the result of the overlapping walking distance and the walking cycle for each step.
本発明の歩行特性評価システムによれば、歩行特性の評価に際して、長時間に亘り場所を選ばず検査が行えることと、一歩ごとに足爪先挙動を３次元で測定することを同時に実現でき、関連産業分野において利用性が高い発明である。 According to the walking characteristic evaluation system of the present invention, when evaluating walking characteristics, it is possible to simultaneously perform an inspection without selecting a place for a long time and to measure toe toe behavior in three dimensions for each step. It is an invention with high utility in the industrial field.
１…歩行特性評価システム
２…身体装着型センサ
３…携帯型データ記録装置
４…解析装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Walking characteristic evaluation system 2 ... Body-mounted sensor 3 ... Portable data recording device 4 ... Analysis device
Claims (7)
The trajectory generation method according to claim 6, wherein the sensor can be attached to a toe tip of a pedestrian to generate and display a toe trajectory during walking.
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