JP6174864B2 - Walking state estimation device and walking state estimation method - Google Patents
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Description
本発明は、複数の脚体を有する被験者の歩行状態を推定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for estimating a walking state of a subject having a plurality of legs.
被験者である人間の足部に装着されている加速度センサの出力信号に基づき、歩行時間および足部の歩行速度、ひいては当該被験者の歩幅および移動距離を推定する技術的手法が提案されている（特許文献１参照）。 A technical method has been proposed for estimating the walking time and the walking speed of the foot, and thus the stride and the moving distance of the subject based on the output signal of the acceleration sensor attached to the foot of the human subject (patent) Reference 1).
しかし、当該技術は足部の運動に着目した推定手法であって、下肢の運動状態が勘案されていないため、歩行状態の推定誤差が低下する可能性が高い。 However, this technique is an estimation method that focuses on the motion of the foot, and since the motion state of the lower limb is not taken into consideration, there is a high possibility that the estimation error of the walking state is reduced.
そこで、本発明は、人間等の被験者の歩行状態の推定精度の向上を図りうる装置および方法を提供することを解決課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an apparatus and method that can improve the estimation accuracy of the walking state of a subject such as a human.
本発明の歩行状態推定装置は、被験者の一対の脚体のそれぞれについて、下端部が床面に接触している立脚状態と下端部が床面から離反している遊脚状態とを推定し、前記一対の脚体のうち一方の脚体が立脚状態であると推定されたことを要件として、当該一方の脚体の下端部に位置するように基準点を定義するように構成されている第１演算処理要素と、前記被験者の胴体および前記一対の脚体の姿勢を測定するように構成されている第２演算処理要素と、前記第１演算処理要素により前記一対の脚体のうち前回基準点が下端部に位置するように定義された一の脚体とは異なる他の脚体の下端部に位置するように今回基準点が定義された場合、前記前回基準点の位置の世界座標系または初期身体座標系におけるベクトルまたは座標値と、前記今回基準点の定義時点において前記第２演算処理要素により測定された前記被験者の胴体および前記一対の脚体のそれぞれの姿勢とに基づき、前記今回基準点の位置の世界座標系または初期身体座標系におけるベクトルまたは座標値を推定し、かつ、前記今回基準点の位置と、前記今回基準点の定義時点以降に前記第２演算処理要素により測定された、前記胴体および前記今回基準点が下端部に位置するように定義されている一方の脚体のそれぞれの姿勢に基づき、前記胴体に対して固定されて定義されている指定点の位置を推定するように構成されている第３演算処理要素と、を備えていることを特徴とする。 The walking state estimating device of the present invention estimates a standing leg state in which the lower end part is in contact with the floor surface and a free leg state in which the lower end part is separated from the floor surface for each of the pair of legs of the subject, On the condition that one of the pair of legs is estimated to be in a standing state, a reference point is defined so as to be positioned at the lower end of the one leg. One arithmetic processing element, a second arithmetic processing element configured to measure the posture of the torso of the subject and the pair of legs, and a previous reference of the pair of legs by the first arithmetic processing element If the current reference point is defined such that the point is located at the lower end of another leg different from the one leg defined to be located at the lower end , the world coordinate system of the position of the previous reference point or a vector or coordinate values in the initial body coordinate system, before Based on the respective position of the body and the pair of legs of the subject measured by the second arithmetic processing element in the definition time of this reference point, the world coordinate system or the initial body coordinate system of the position of this reference point And the body and the current reference point measured at the lower end of the current reference point and the position of the current reference point and measured by the second arithmetic processing element after the time of definition of the current reference point. A third arithmetic processing element configured to estimate a position of a designated point that is fixed and defined with respect to the torso, based on a posture of one leg that is defined to be positioned; It is characterized by providing.
前記第３演算処理要素が、前記第１演算処理要素により前記一対の脚体がともに立脚状態であると推定された場合、前記第２演算処理要素により測定された前記被験者の胴体および前記一対の脚体の姿勢とに基づき、前記一対の脚体のそれぞれの下端部の高低差を推定し、当該高低差に基づいて前記床面の形状を推定する、あるいは、当該高低差に基づいて前記今回基準点の位置を補正するように構成されていることが好ましい。 When the third arithmetic processing element is estimated by the first arithmetic processing element that the pair of legs are both in a standing state, the torso of the subject and the pair of the pair measured by the second arithmetic processing element Based on the posture of the legs, the height difference of each lower end of the pair of legs is estimated, and the shape of the floor surface is estimated based on the height difference, or the current time based on the height difference It is preferable to be configured to correct the position of the reference point.
前記第３演算処理要素が、前記高低差が閾値以下であるか否かを判定し、当該判定結果が肯定的である場合、前記床面が水平面であるという推定結果を出力するように構成されていることが好ましい。 The third arithmetic processing element is configured to determine whether the height difference is equal to or less than a threshold value, and to output an estimation result that the floor surface is a horizontal plane when the determination result is affirmative. It is preferable.
前記第３演算処理要素が、前記高低差の複数回にわたる推定結果から得られる前記高低差の出現頻度分布に基づいて設定した前記閾値を用いて、あるいは、前記第２演算処理要素による測定誤差に基づいてあらかじめ設定されている前記閾値を用いて、前記高低差が前記閾値以下であるか否かを判定するように構成されていることが好ましい。 The third calculation processing element uses the threshold set based on the appearance frequency distribution of the height difference obtained from the estimation result of the height difference a plurality of times, or a measurement error by the second calculation processing element It is preferable that it is configured to determine whether or not the height difference is equal to or less than the threshold value using the threshold value set in advance.
前記第１演算処理要素が、前記一対の脚体のうち前記前回基準点が下端部に定義されていた一方の脚体が立脚状態から遊脚状態に遷移したと推定した場合、他方の脚体が立脚状態であると推定するように構成されていることが好ましい。 When the first arithmetic processing element estimates that one leg of which the previous reference point is defined at the lower end of the pair of legs has transitioned from the standing state to the free leg state, the other leg It is preferable that it is comprised so that may be estimated that it is a standing state.
（構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としての歩行状態推定装置１は、被験者である人間の歩行状態を推定するように構成されている。被験者である人間の左右の脚体の一方または両方が義肢である場合、または被験者が二足歩行ロボットである場合等、着床および離床を伴って一対の脚体を運動させることができるあらゆるエージェントについても、本発明の歩行状態推定方法が適用されうる。脚体等の左右を区別するために符号「Ｌ」および「Ｒ」を用いるが、左右を区別する必要がない場合や左右成分を有するベクトルを表現する場合には当該符号を省略する。
(Constitution)
A walking
歩行状態推定装置１は、コンピュータにより構成され、担当演算処理を実行するように構成されている第１演算処理要素１１と、第２演算処理要素１２と、第３演算処理要素１３とを備えている。第１演算処理要素１１には接触センサＳ１の出力信号が入力される。第２演算処理要素１２には傾斜センサＳ２の出力信号が入力される。接触センサＳ１は第１演算処理要素１１の構成要素であってもよい。傾斜センサＳ２は第２演算処理要素の構成要素であってもよい。
The walking
接触センサＳ１は、図２に示されている左右一対の接触センサＳ１ＬおよびＳ１Ｒにより構成されている。一対の接触センサＳ１ＬおよびＳ１Ｒのそれぞれは、被験者Ｐの左右それぞれの足のＭＰ関節部位と床面との接触の有無または足に作用する床反力の強弱に応じた信号を出力するように構成されている。接触センサＳ１は、被験者Ｐの足に装着される靴の底または中敷裏に配置される。 The contact sensor S1 is composed of a pair of left and right contact sensors S1L and S1R shown in FIG. Each of the pair of contact sensors S1L and S1R is configured to output a signal corresponding to the presence or absence of contact between the MP joint portion of the left and right feet of the subject P and the floor surface or the strength of the floor reaction force acting on the feet. Has been. The contact sensor S1 is disposed on the bottom or insole of a shoe that is worn on the foot of the subject P.
傾斜センサＳ２は、図２に示されている胴体傾斜センサＳ２０、左右一対の上腿傾斜センサＳ２１ＬおよびＳ２１Ｒ、左右一対の下腿傾斜センサＳ２２ＬおよびＳ２２Ｒ、ならびに左右一対の足部傾斜センサＳ２３ＬおよびＳ２３Ｒにより構成されている。胴体傾斜センサＳ２０、上腿傾斜センサＳ２１、下腿傾斜センサＳ２２および足部傾斜センサＳ２３のそれぞれは、被験者Ｐの胴体、上腿、下腿および足部のそれぞれの３軸回りの回転角度に応じた信号を出力するように構成されている。胴体傾斜センサＳ２０、上腿傾斜センサＳ２１、下腿傾斜センサＳ２２および足部傾斜センサＳ２３のそれぞれは、被験者Ｐの胴体、上腿、下腿および足部のそれぞれに装着されるバンドに固定されている。 The tilt sensor S2 includes a trunk tilt sensor S20, a pair of left and right upper leg inclination sensors S21L and S21R, a pair of left and right lower leg inclination sensors S22L and S22R, and a pair of left and right foot inclination sensors S23L and S23R shown in FIG. It is configured. The torso inclination sensor S20, the upper leg inclination sensor S21, the lower leg inclination sensor S22, and the foot part inclination sensor S23 are signals corresponding to the rotation angles around the three axes of the body, upper leg, lower leg and foot part of the subject P, respectively. Is configured to output. Each of the trunk inclination sensor S20, the upper leg inclination sensor S21, the lower leg inclination sensor S22, and the foot part inclination sensor S23 is fixed to a band attached to each of the body, upper leg, lower leg, and foot part of the subject P.
各演算処理要素１１〜１３が担当演算処理を実行するように構成されているとは、コンピュータを構成する演算処理装置（ＣＰＵ）が、記憶装置（メモリ）から必要なデータおよびアプリケーションソフトウェアを読み取り、当該ソフトウェアにしたがって当該所定の演算処理を実行するようにプログラムされているまたはデザインされていることを意味する。第１演算処理要素１１、第２演算処理要素１２および第３演算処理要素１３は、共通のハードウェア（ＣＰＵおよびメモリなど）により構成されていてもよいし、別個独立のハードウェアにより構成されていてもよい。
The
（機能）
前記構成の歩行状態推定装置１の機能として、本発明の一実施形態としての歩行状態推定方法について説明する。
(function)
As a function of the walking
まず、基準点の交替回数を表わす指数「ｍ」および最新の基準点の定義時点以降の演算処理サイクルの繰り返し回数ひいては経過時間を表わす指数「ｋ（ｍ）」がともに「０」にリセットされる（図３／ＳＴＥＰ０２）。 First, the index “m” representing the number of times the reference point is replaced and the number of repetitions of the arithmetic processing cycle after the latest reference point definition time, and hence the index “k (m)” representing the elapsed time, are both reset to “0”. (FIG. 3 / STEP02).
第１演算処理要素１１により、接触センサＳ１の出力信号に基づいて基準点が定義される（図３／ＳＴＥＰ０４）。具体的には、表１に示されている規則にしたがって、左右のいずれか一方の足部のＭＰ関節部位に基準点が定義される。
The first
接触センサＳ１の出力信号により表わされる床反力が第１閾値以上になってから第１閾値より小さい第２閾値以下になるまでの期間は当該信号が「ＯＮ」であると定義される一方、その他の場合は当該信号が「ＯＦＦ」であると定義される。表１における定義条件３が充足された場合、右足ＭＰ関節ではなく左足ＭＰ関節に基準点が定義されてもよい。定義条件６が充足された場合、左足ＭＰ関節ではなく右足ＭＰ関節に基準点が定義されてもよい。定義条件７が充足された場合に左足ＭＰ関節ではなく右足ＭＰ関節に基準点が定義されてもよい。 While the period from when the floor reaction force represented by the output signal of the contact sensor S1 is equal to or higher than the first threshold to the second threshold lower than the first threshold is defined as the signal being “ON”, In other cases, it is defined that the signal is “OFF”. When the definition condition 3 in Table 1 is satisfied, the reference point may be defined not for the right foot MP joint but for the left foot MP joint. When the definition condition 6 is satisfied, a reference point may be defined for the right foot MP joint instead of the left foot MP joint. When the definition condition 7 is satisfied, the reference point may be defined not for the left foot MP joint but for the right foot MP joint.
表１に示されている規則にしたがえば、図４上側に示されているように接触センサＳ１ＲおよびＳ１Ｌのそれぞれの出力信号が時間変化した場合、基準点は図４下側に示されているように動的に定義される。表２には、図４に示されている時刻ｔ０〜ｔ１４のそれぞれにおける接触センサＳ１ＲおよびＳ１Ｌのそれぞれの出力信号および基準点の定義の変遷態様と、当該定義に際して適用された規則とがまとめて示されている。 According to the rules shown in Table 1, when the output signals of the contact sensors S1R and S1L change with time as shown in the upper part of FIG. 4, the reference point is shown in the lower part of FIG. As defined dynamically. Table 2 summarizes the transition of the definition of the output signals and reference points of the contact sensors S1R and S1L at the times t0 to t14 shown in FIG. 4 and the rules applied in the definition. It is shown.
図４の例によれば、期間ｔ３〜ｔ４およびｔ９〜ｔ１０において、接触センサＳ１ＲおよびＳ１Ｌの出力がともにＯＦＦになっている。これは、被験者Ｐの両脚体が遊脚状態になっている空中期であることを意味するのではなく、少なくともいずれか一方の脚体が立脚状態であるにもかかわらず、接触センサＳ１ＲおよびＳ１Ｌの足への装着具合等によって生じる感度低下に由来する出力態様であることを意味している。 According to the example of FIG. 4, the outputs of the contact sensors S1R and S1L are both OFF during the periods t3 to t4 and t9 to t10. This does not mean that the both legs of the subject P are in the aerial phase where the legs are in the swinging state, but the contact sensors S1R and S1L are in spite of at least one of the legs being in the standing state. This means that it is an output mode derived from a decrease in sensitivity caused by the degree of attachment to the foot.
第２演算処理要素１２により、傾斜センサＳ２の出力信号に基づき、被験者Ｐの胴体および両脚体の姿勢Φ（ｋ（ｍ））が測定される（図３／ＳＴＥＰ０６）。当該姿勢Φ（ｋ（ｍ））は、時刻ｔ＝ｋ（ｍ）における被験者Ｐの腰部、各上腿、各下腿および各足部のそれぞれの３軸回りの回転角度（初期値からの角度変化量）を成分するベクトルとして定義される（図２参照）。
Based on the output signal of the tilt sensor S2, the second
第３演算処理要素１３により、第１演算処理要素１１および第２演算処理要素１２の出力結果に基づき、その担当演算処理が実行される。具体的には、まず、第１演算処理要素１１により定義された基準点の交替有無が判定される（図３／ＳＴＥＰ０８）。たとえば、図４に示されている時刻ｔ２、ｔ３、ｔ８、ｔ９、ｔ１２およびｔ１４において当該判定結果は肯定的となる一方、その他の時刻において当該判定結果は否定的となる（表２参照）。
Based on the output results of the first
当該判定結果が肯定的である場合（図３／ＳＴＥＰ０８‥ＹＥＳ）、指数ｍの値が「１」だけ増加されるとともに指数ｋ（ｍ）が「０」にリセットされる（図３／ＳＴＥＰ１０）。第２演算処理要素１２により測定された被験者Ｐの胴体および両脚体の姿勢Φ（ｋ（ｍ））に基づき、被験者Ｐの身体モデルにしたがって、前回基準点変位ベクトルΔＱ（ｍ−１）が計算される（図３／ＳＴＥＰ１２）。
When the determination result is affirmative (FIG. 3 / STEP08... YES), the value of the index m is increased by “1” and the index k (m) is reset to “0” (FIG. 3 / STEP10). . Based on the posture P (k (m)) of the torso and both legs of the subject P measured by the second
前回基準点変位ベクトルΔＱ（ｍ−１）は、前回基準点Ｑ（ｍ−１）を始点とし、今回基準点Ｑ（ｍ）を終点とするベクトルである（図５参照）。基準点について「前回」および「今回」は指数ｍの値の変化（＋１）により定義される。 The previous reference point displacement vector ΔQ (m−1) is a vector having the previous reference point Q (m−1) as the start point and the current reference point Q (m) as the end point (see FIG. 5). For the reference point, “previous” and “present” are defined by a change (+1) in the value of the index m.
図５には被験者Ｐの身体モデルが示されている。図５では、被験者Ｐの腰部が斜線付丸で表わされ、右脚体の股関節、膝関節、足関節およびＭＰ関節のそれぞれが黒丸（●）で表わされ、左脚体の股関節、膝関節、足関節およびＭＰ関節のそれぞれが白丸（○）で表わされている。身体モデルによれば、胴体に対して位置および姿勢が固定されている身体座標系の原点が指定点として定義されている。 FIG. 5 shows a body model of the subject P. In FIG. 5, the waist of the subject P is represented by a hatched circle, and the hip joint, knee joint, ankle joint, and MP joint of the right leg are represented by black circles (●), and the hip joint, knee of the left leg. Each of the joint, the ankle joint and the MP joint is represented by a white circle (◯). According to the body model, the origin of the body coordinate system whose position and posture are fixed with respect to the trunk is defined as the designated point.
各股関節位置は身体座標系における座標値により定義されている。身体モデルは、上腿長さ（股関節および膝関節の間隔）、下腿長さ（膝関節および足関節の間隔）および足部長さ（足関節および足部ＭＰ関節の間隔）により定義されている。身体モデルを定義するパラメータの値は、歩行状態推定装置１を構成する記憶装置、または、歩行状態推定装置１との通信が可能な外部機器を構成する記憶装置にあらかじめ記憶されている。
Each hip joint position is defined by coordinate values in the body coordinate system. The body model is defined by upper leg length (interval between hip and knee joints), lower leg length (interval between knee joint and ankle joint), and foot length (interval between ankle joint and foot MP joint). The parameter values that define the body model are stored in advance in a storage device that constitutes the walking
被験者Ｐの体格の差異が勘案されて、被験者Ｐごとに当該パラメータの値が手動でまたは自動的に設定されてもよい。パラメータの値は左右対称であっても非対称であってもよい。これは、被験者Ｐに割り当てられたＩＤと、パラメータの値とを対応付けて記憶装置に保存しておき、適当なインターフェースにより入力されたＩＤに対応する値が当該記憶装置から検索される等の手法により実現される。 The value of the parameter may be set manually or automatically for each subject P in consideration of the difference in the physique of the subject P. The parameter value may be symmetric or asymmetric. This is because the ID assigned to the subject P and the parameter value are stored in the storage device in association with each other, and the value corresponding to the ID input by an appropriate interface is retrieved from the storage device. Realized by the method.
図５の初期状態ｔ＝ｔ（０）において左足ＭＰ関節に基準点Ｑ（０）が定義され、時刻ｔ＝ｔ（１）において左足ＭＰ関節から右足ＭＰ関節に基準点Ｑ（１）が交替するように定義された場合について考える。簡単のため、床面として水平面を考える。 In the initial state t = t (0) in FIG. 5, a reference point Q (0) is defined for the left foot MP joint, and at time t = t (1), the reference point Q (1) is changed from the left foot MP joint to the right foot MP joint. Consider the case defined to do. For simplicity, consider a horizontal plane as the floor.
この場合、時刻ｔ＝ｔ（０）における初期姿勢Φ（０）（胴体、左上腿、左下腿および左足の姿勢を表わす成分）に基づき、身体モデル（少なくとも身体座標系における左股関節の座標値、左上腿長さ、左下腿長さおよび左足長さ）にしたがって、初期身体座標系における初期基準点Ｑ（０）の座標値が算出される。すなわち、最初指定点Ｐ（０）を始点とし、初期基準点Ｑ（０）を終点とするベクトルが算出される。 In this case, based on the initial posture Φ (0) at time t = t (0) (a component representing the posture of the torso, left upper leg, left lower leg, and left foot), the body model (at least the coordinate value of the left hip joint in the body coordinate system, The coordinate value of the initial reference point Q (0) in the initial body coordinate system is calculated according to the left upper leg length, left lower leg length, and left foot length). That is, a vector having the first designated point P (0) as the start point and the initial reference point Q (0) as the end point is calculated.
また、時刻ｔ＝ｔ（１）における姿勢Φ（１）に基づき、身体モデルにしたがって、前回基準点（最初基準点）Ｑ（０）を始点とし、今回基準点Ｑ（１）を終点とする前回基準点変位ベクトルΔＱ（０）が算出される。 Further, based on the posture Φ (1) at time t = t (1), according to the body model, the previous reference point (first reference point) Q (0) is set as the start point, and the current reference point Q (1) is set as the end point. A previous reference point displacement vector ΔQ (0) is calculated.
同様に、図５の時刻ｔ＝ｔ（ｍ−１）において右足ＭＰ関節に基準点Ｑ（ｍ−１）が定義され、時刻ｔ＝ｔ（ｍ）において左足ＭＰ関節から左足ＭＰ関節に基準点Ｑ（ｍ）が交替するように定義された場合についても前回基準点変位ベクトルΔＱ（ｍ−１）が算出される。前回基準点変位ベクトルΔＱ（ｍ−１）は、時刻ｔ＝ｔ（０）における初期身体座標系において定義されるが、世界座標系に対する初期身体座標系の相対的な位置（並進ベクトルにより表わされる。）および姿勢（回転行列、またはこれと同等のオイラー角もしくはクォータニオンにより表わされる。）が既知であれば、世界座標系においても定義されうる。 Similarly, a reference point Q (m−1) is defined for the right foot MP joint at time t = t (m−1) in FIG. 5, and a reference point from the left foot MP joint to the left foot MP joint at time t = t (m). The previous reference point displacement vector ΔQ (m−1) is also calculated for the case where Q (m) is defined to alternate. The previous reference point displacement vector ΔQ (m−1) is defined in the initial body coordinate system at time t = t (0), but is represented by a relative position (translation vector) of the initial body coordinate system with respect to the world coordinate system. .) And attitude (represented by a rotation matrix, or equivalent Euler angles or quaternions), can also be defined in the world coordinate system.
そして、前回基準点位置Ｑ（ｍ−１）を前回基準点変位ベクトルΔＱ（ｍ−１）だけ並進させた結果として、今回基準点位置Ｑ（ｍ）が世界座標系または初期身体座標系におけるベクトルまたは座標値として算出される（図３／ＳＴＥＰ１４）。 As a result of translating the previous reference point position Q (m−1) by the previous reference point displacement vector ΔQ (m−1), the current reference point position Q (m) is a vector in the world coordinate system or the initial body coordinate system. Alternatively, it is calculated as a coordinate value (FIG. 3 / STEP 14).
一方、当該判定結果が否定的である場合（図３／ＳＴＥＰ０８‥ＮＯ）、第２演算処理要素１２により測定された被験者Ｐの胴体および両脚体の姿勢Φ（ｍ−１）およびΦ（ｋ（ｍ））に基づき、被験者Ｐの身体モデルにしたがって、指定点変位ベクトルΔＰ（ｋ（ｍ））が計算される（図３／ＳＴＥＰ１６）。
On the other hand, when the determination result is negative (FIG. 3 / STEP08... NO), the postures Φ (m−1) and Φ (k (k () of the torso and both legs of the subject P measured by the second
指定点変位ベクトルΔＰ（ｋ（ｍ））は、前回基準点Ｑ（ｍ−１）の定義時点における指定点Ｐ（ｍ−１）を始点とし、今回指定点Ｐ（ｋ（ｍ））を終点とするベクトルである（図５参照）。基準点と異なり、指定点について「前回」および「今回」は指数ｍではなく、指数ｋ（ｍ）の値の変化（＋１）により定義される。すなわち、今回指定点Ｐ（ｋ（ｍ））に対して前回指定点Ｐ（ｋ（ｍ）−１）が定義される。前回基準点Ｑ（ｍ−１）の定義時点ｔ（ｍ−１）以降、制御周期ΔｔごとにＮｍ−１回にわたって指定点変位ベクトルΔＰ（ｋ（ｍ−１））が計算された後、今回基準点Ｑ（ｍ）が定義されたとすると、今回基準点Ｑ（ｍ）の定義時点ｔ（ｍ）は、ｔ（ｍ−１）＋Ｎｍ・Δｔと表わされる。 The designated point displacement vector ΔP (k (m)) starts from the designated point P (m−1) at the time of definition of the previous reference point Q (m−1) and ends at the current designated point P (k (m)). (See FIG. 5). Unlike the reference point, “previous” and “present” for the designated point are defined not by the index m but by the change (+1) in the value of the index k (m). That is, the previous designated point P (k (m) −1) is defined for the current designated point P (k (m)). After calculating the designated point displacement vector ΔP (k (m−1)) Nm−1 times per control cycle Δt after the previous definition time t (m−1) of the reference point Q (m−1), this time If the reference point Q (m) is defined, the definition time t (m) of the current reference point Q (m) is expressed as t (m−1) + Nm · Δt.
前記のように前回基準点変位ベクトルΔＱ（ｍ−１）が算出される過程で、前回基準点Ｑ（ｍ−１）の定義時点における指定点Ｐ（ｍ−１）を始点とし、今回基準点Ｑ（ｍ）を終点とするベクトルも算出されうる。今回測定姿勢Φ（ｋ（ｍ））に基づき、身体モデルにしたがって、今回基準点Ｑ（ｍ）を始点とし、今回指定点Ｐ（ｋ（ｍ））を終点とするベクトルが算出される。両ベクトルが足し合わされることにより、指定点変位ベクトルΔＰ（ｋ（ｍ））が算出される（図５参照）。 In the process of calculating the previous reference point displacement vector ΔQ (m−1) as described above, the designated reference point P (m−1) at the time of definition of the previous reference point Q (m−1) is used as the start point, and the current reference point. A vector whose end point is Q (m) can also be calculated. Based on the current measurement posture Φ (k (m)), a vector having the current reference point Q (m) as the start point and the current designated point P (k (m)) as the end point is calculated according to the body model. The specified point displacement vector ΔP (k (m)) is calculated by adding both vectors (see FIG. 5).
そして、前回基準点Ｑ（ｍ−１）の定義時点における指定点Ｐ（ｍ−１）を指定点変位ベクトルΔＰ（ｋ（ｍ））だけ並進させた結果として、今回指定点位置Ｑ（ｋ（ｍ））が世界座標系または初期身体座標系におけるベクトルまたは座標値として算出される（図３／ＳＴＥＰ１８）。 Then, as a result of translating the designated point P (m−1) at the definition time of the previous reference point Q (m−1) by the designated point displacement vector ΔP (k (m)), the current designated point position Q (k ( m)) is calculated as a vector or coordinate value in the world coordinate system or initial body coordinate system (FIG. 3 / STEP 18).
さらに、第１演算処理要素１１により、両接触センサＳ１ＲおよびＳ１Ｌの出力信号がともにＯＮであるか否かに応じて、被験者Ｐの両脚体が立脚状態であるか否かが判定される（図３／ＳＴＥＰ２０）。図４の例によれば、期間ｔ１〜ｔ２、ｔ５〜ｔ６、ｔ７〜ｔ８、ｔ１１〜ｔ１２およびｔ１３〜ｔ１４では当該判定結果が肯定的になる一方、その他の期間では当該判定結果が否定的になる（表２参照）。
Further, the first
当該判定結果が否定的である場合（図３／ＳＴＥＰ２０‥ＮＯ）、歩行状態推定が開始から所定時間が経過した等の停止条件を満たしているか否かがさらに判定される（図３／ＳＴＥＰ２８）。
If the determination result is negative (FIG. 3 /
一方、当該判定結果が肯定的である場合（図３／ＳＴＥＰ２０‥ＹＥＳ）、世界座標系における基準点高低差ΔＱｚが推定される（図３／ＳＴＥＰ２２）。基準点高低差ΔＱｚは、図６に示されているように、前回基準点Ｑ（ｍ−１）のｚ成分（鉛直方向成分）Ｑｚ（ｍ−１）に対する、今回基準点Ｑ（ｍ）のｚ成分Ｑｚ（ｍ）の偏差として定義される。基準点高低差ΔＱｚが閾値ΔＱｔｈ以下であるか否かが判定される（図３／ＳＴＥＰ２４）。
On the other hand, if the determination result is affirmative (FIG. 3 /
被験者が同一床面をあらかじめ歩行した際に、第３演算処理要素１３により、基準点高低差ΔＱｚが複数回にわたり推定され、当該基準点高低差ΔＱｚの出現頻度分布に基づき、最高頻度を示す代表値から所定値（たとえば標準偏差σの２〜３倍の値）が閾値ΔＱｔｈとして設定されてもよい。あるいは、傾斜センサＳ２による測定誤差に由来してあらかじめ設定されている閾値ΔＱｔｈが用いられてもよい。
When the subject walks in advance on the same floor, the third
当該判定結果が肯定的である場合（図３／ＳＴＥＰ２４‥ＹＥＳ）、停止条件を満たしているか否かがさらに判定される（図３／ＳＴＥＰ２８）。当該判定結果に鑑みて、第３演算処理要素１３により床面が水平面であると推定され、かつ、当該推定結果が出力されてもよい。
If the determination result is affirmative (FIG. 3 / STEP 24... YES), it is further determined whether or not the stop condition is satisfied (FIG. 3 / STEP 28). In view of the determination result, the third
一方、当該判定結果が否定的である場合（図３／ＳＴＥＰ２４‥ＮＯ）、今回基準点Ｑ（ｍ）のｚ成分Ｑｚ（ｍ）が補正された上で（図３／ＳＴＥＰ２６）、停止条件を満たしているか否かがさらに判定される（図３／ＳＴＥＰ２８）。 On the other hand, when the determination result is negative (FIG. 3 / STEP 24... NO), the z component Qz (m) of the current reference point Q (m) is corrected (FIG. 3 / STEP 26), and the stop condition is set. It is further determined whether or not the condition is satisfied (FIG. 3 / STEP 28).
たとえば、今回基準点Ｑ（ｍ）のｚ成分Ｑｚ（ｍ）は「０」に補正される。あるいは、今回基準点Ｑ（ｍ）のｚ成分Ｑｚ（ｍ）は、基準点高低差ΔＱｚ（ｍ−１）に適当なゲイン係数Ｇを乗じた分だけ増減補正されてもよい。第３演算処理要素１３により、基準点高低差ΔＱｚが閾値ΔＱｔｈを超えているという判定結果に応じて、当該閾値ΔＱｔｈに応じた段差または傾斜が床面に存在することが推定されてもよい。
For example, the z component Qz (m) of the current reference point Q (m) is corrected to “0”. Alternatively, the z component Qz (m) of the current reference point Q (m) may be increased or decreased by an amount obtained by multiplying the reference point height difference ΔQz (m−1) by an appropriate gain coefficient G. According to the determination result that the reference point height difference ΔQz exceeds the threshold value ΔQth, the third
歩行状態推定停止条件が満たされていないと判定された場合（図３／ＳＴＥＰ２８‥ＮＯ）、指数ｋ（ｍ）が「１」だけ増加され（図３／ＳＴＥＰ３０）、その上で基準点定義（図３／ＳＴＥＰ０４）以降の処理が繰り返される。歩行状態推定停止条件が満たされていると判定された場合（図３／ＳＴＥＰ２８‥ＹＥＳ）、一連の歩行状態推定処理が終了する。 When it is determined that the walking state estimation stop condition is not satisfied (FIG. 3 / STEP 28... NO), the index k (m) is increased by “1” (FIG. 3 / STEP 30), and then the reference point definition ( The processing from FIG. 3 / STEP 04) onward is repeated. When it is determined that the walking state estimation stop condition is satisfied (FIG. 3 / STEP28... YES), a series of walking state estimation processing ends.
（効果）
前記機能を発揮する歩行状態推定装置１によれば、被験者Ｐの一対の脚体のうち、立脚状態にあると推定される一方の脚体、すなわち、被験者Ｐが胴体の位置および姿勢を変化させる際に支えにしている蓋然性が高い脚体の下端部に基準点Ｑ（ｍ）が定義される（表２および図４参照）。よって、基準点Ｑ（ｍ）が交替した場合、当該交替前の前回基準点の位置Ｑ（ｍ−１）を基準として、当該交替後の今回基準点の定義時点における胴体および一方の脚体の姿勢に応じて今回基準点の位置Ｑ（ｍ）が高精度で推定されうる（図５参照）。
(effect)
According to the walking
その結果、今回基準点の位置Ｑ（ｍ）を基準として、当該今回基準点Ｑ（ｍ）の定義時点以降における胴体および当該一方の脚体の姿勢に応じて指定点の位置Ｐ（ｋ（ｍ））およびその時間変化態様が被験者の歩行状態として高精度で推定されうる。歩行状態には、股関節、膝関節および足関節の位置も含まれうる。 As a result, with reference to the position Q (m) of the current reference point, the position P (k (m) of the designated point is determined according to the posture of the trunk and the one leg after the current reference point Q (m) is defined. )) And its temporal variation mode can be estimated with high accuracy as the walking state of the subject. The walking state can also include the positions of the hip, knee and ankle joints.
（本発明の他の実施形態）
一対の脚体および胴体に加えて、少なくとも頭部または腕部などにも傾斜センサＳ２が設けられ、当該傾斜センサＳ２の出力信号に基づき、頭部または腕部などに対して固定されて定義されている指定点の位置Ｐ（ｋ（ｍ））およびその時間変化態様が被験者の歩行状態として推定されてもよい。
(Other embodiments of the present invention)
In addition to the pair of legs and torso, at least the head or arm is provided with a tilt sensor S2, and is defined and fixed to the head or arm based on the output signal of the tilt sensor S2. The position P (k (m)) of the designated point and the temporal change mode thereof may be estimated as the walking state of the subject.
１‥歩行状態推定装置、１１‥第１演算処理要素、１２‥第２演算処理要素、１３‥第３演算処理要素、Ｓ１‥接触センサ、Ｓ２‥傾斜センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記被験者の胴体および前記一対の脚体の姿勢を測定するように構成されている第２演算処理要素と、
前記第１演算処理要素により前記一対の脚体のうち前回基準点が下端部に位置するように定義された一の脚体とは異なる他の脚体の下端部に位置するように今回基準点が定義された場合、前記前回基準点の位置の世界座標系または初期身体座標系におけるベクトルまたは座標値と、前記今回基準点の定義時点において前記第２演算処理要素により測定された前記被験者の胴体および前記一対の脚体のそれぞれの姿勢とに基づき、前記今回基準点の位置の世界座標系または初期身体座標系におけるベクトルまたは座標値を推定し、かつ、前記今回基準点の位置と、前記今回基準点の定義時点以降に前記第２演算処理要素により測定された、前記胴体および前記今回基準点が下端部に位置するように定義されている一方の脚体のそれぞれの姿勢に基づき、前記胴体に対して固定されて定義されている指定点の位置を推定するように構成されている第３演算処理要素と、を備えていることを特徴とする歩行状態推定装置。 For each of the pair of legs of the subject, a standing leg state in which the lower end part is in contact with the floor surface and a free leg state in which the lower end part is separated from the floor surface are estimated, and one of the pair of leg bodies is estimated. A first arithmetic processing element configured to define a reference point so as to be positioned at a lower end of the one leg, on the condition that the leg is estimated to be in a standing state;
A second arithmetic processing element configured to measure the posture of the torso of the subject and the pair of legs;
The current reference point is positioned at the lower end of another leg different from the one leg defined so that the previous reference point is positioned at the lower end of the pair of legs by the first arithmetic processing element. Defined in the world coordinate system or initial body coordinate system of the position of the previous reference point, and the torso of the subject measured by the second arithmetic processing element at the time of definition of the current reference point And a vector or a coordinate value in the world coordinate system or initial body coordinate system of the position of the current reference point based on the postures of the pair of legs, and the position of the current reference point and the current time measured by the second arithmetic processing element after defining the time of the reference point, each of the attitude of the one leg of the body and the current reference point is defined to be located at the lower end portion Hazuki, walking state estimating apparatus characterized by comprising a third processing element configured to estimate a position of the specified point is fixed is defined for the body.
前記第３演算処理要素が、前記第１演算処理要素により前記一対の脚体がともに立脚状態であると推定された場合、前記第２演算処理要素により測定された前記被験者の胴体および前記一対の脚体の姿勢とに基づき、前記一対の脚体のそれぞれの下端部の高低差を推定し、当該高低差に基づいて前記床面の形状を推定する、あるいは、当該高低差に基づいて前記今回基準点の位置を補正するように構成されていることを特徴とする歩行状態推定装置。 The walking state estimation device according to claim 1,
When the third arithmetic processing element is estimated by the first arithmetic processing element that the pair of legs are both in a standing state, the torso of the subject and the pair of the pair measured by the second arithmetic processing element Based on the posture of the legs, the height difference of each lower end of the pair of legs is estimated, and the shape of the floor surface is estimated based on the height difference, or the current time based on the height difference A walking state estimation device configured to correct a position of a reference point.
前記第３演算処理要素が、前記高低差が閾値以下であるか否かを判定し、当該判定結果が肯定的である場合、前記床面が水平面であるという推定結果を出力するように構成されていることを特徴とする歩行状態推定装置。 The walking state estimation device according to claim 2,
The third arithmetic processing element is configured to determine whether the height difference is equal to or less than a threshold value, and to output an estimation result that the floor surface is a horizontal plane when the determination result is affirmative. A walking state estimation device characterized by that.
前記第３演算処理要素が、前記高低差の複数回にわたる推定結果から得られる前記高低差の出現頻度分布に基づいて設定した前記閾値を用いて、あるいは、前記第２演算処理要素による測定誤差に基づいてあらかじめ設定されている前記閾値を用いて、前記高低差が前記閾値以下であるか否かを判定するように構成されていることを特徴とする歩行状態推定装置。 The walking state estimation apparatus according to claim 3,
The third calculation processing element uses the threshold set based on the appearance frequency distribution of the height difference obtained from the estimation result of the height difference a plurality of times, or a measurement error by the second calculation processing element A walking state estimation device configured to determine whether or not the height difference is equal to or less than the threshold using the threshold set in advance based on the threshold.
前記第１演算処理要素が、前記一対の脚体のうち前記前回基準点が下端部に定義されていた一方の脚体が立脚状態から遊脚状態に遷移したと推定した場合、他方の脚体が立脚状態であると推定するように構成されていることを特徴とする歩行状態推定装置。 In the walking state estimation apparatus according to any one of claims 1 to 4,
When the first arithmetic processing element estimates that one leg of which the previous reference point is defined at the lower end of the pair of legs has transitioned from the standing state to the free leg state, the other leg It is comprised so that it may estimate that is a standing state, The walking state estimation apparatus characterized by the above-mentioned.
前記被験者の胴体および前記一対の脚体の姿勢を測定するように構成されている第２演算処理過程と、
前記第１演算処理過程において前記一対の脚体のうち前回基準点が下端部に位置するように定義された一の脚体とは異なる他の脚体の下端部に位置するように今回基準点が定義された場合、前記前回基準点の位置の世界座標系または初期身体座標系におけるベクトルまたは座標値と、前記今回基準点の定義時点において前記第２演算処理過程において測定された前記被験者の胴体および前記一対の脚体のそれぞれの姿勢とに基づき、前記今回基準点の位置の世界座標系または初期身体座標系におけるベクトルまたは座標値を推定し、かつ、前記今回基準点の位置と、前記今回基準点の定義時点以降に前記第２演算処理過程において測定された、前記胴体および前記今回基準点が下端部に位置するように定義されている一方の脚体のそれぞれの姿勢に基づき、前記胴体に対して固定されて定義されている指定点の位置を推定するように構成されている第３演算処理過程と、を含むことを特徴とする歩行状態推定方法。 For each of the pair of legs of the subject, a standing leg state in which the lower end part is in contact with the floor surface and a free leg state in which the lower end part is separated from the floor surface are estimated, and one of the pair of leg bodies is estimated. A first calculation process configured to define a reference point so as to be located at a lower end of the one leg, on the condition that the leg is estimated to be in a standing state;
A second calculation process configured to measure the posture of the torso of the subject and the pair of legs;
In the first calculation process, the current reference point is positioned at the lower end of another leg different from the one leg defined so that the previous reference point is positioned at the lower end of the pair of legs. Is defined, a vector or coordinate value in the world coordinate system or initial body coordinate system of the position of the previous reference point and the torso of the subject measured in the second calculation process at the time of definition of the current reference point And a vector or a coordinate value in the world coordinate system or initial body coordinate system of the position of the current reference point based on the postures of the pair of legs, and the position of the current reference point and the current time It measured in the second processing step after defining the time of the reference point, the body and the current reference point of one of the leg that is defined to be located at the lower end portion of each Based on energized, the walking state estimating method characterized by comprising: a third calculation process that is configured to estimate the position of the specified point is fixed is defined for the body.
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