歩行分析システム
【課題】 被験者に負荷を与えることなく、被験者の足の動きを３次元的に計測し、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができる歩行分析システムを実現する。
【解決手段】 歩行者の片足または両足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを無線出力する歩行センサと、
前記検出データを受信する無線通信装置と、
この無線通信手段を介して取得する前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備える。
【解決手段】 歩行者の片足または両足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを無線出力する歩行センサと、
前記検出データを受信する無線通信装置と、
この無線通信手段を介して取得する前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行者の歩行状態を計測、解析し、個々人の歩行パターンを識別可能にすることで作業効率改善、能力向上の定量的な目安を得ることができる歩行分析システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサを使って求めた足圧分布の計測結果から、歩行データを算出する歩行分析に関しては、特許文献１に技術開示がある。図８は、特許文献１に記載されている歩行分析装置の概観図である。
【０００３】
この発明の特徴は、床に帯状に設置された圧力センサ部１０１上を人が歩き、足圧分布の計測結果を分析装置１０２〜１０５により分析し、歩き方の良さを反映したパラメータを出力させる構成にある。
【０００４】
人に複数のセンサを取り付け、センサの検出データを無線手段でリモートに収集して体動を分析する計測器が特許文献２に開示されている。図９は、特許文献２に記載されている体動計測器の概観図である。
【０００５】
この発明の特徴は、足部の複数個所に取り付けた体動センサの検出データを無線により携帯受信装置に送りその記憶装置に保存すると共に、この検出データを分析装置に送り、分析結果を各種の形態で出力させる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１１３８８４号公報
【特許文献２】特開平１０−２７７０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術による歩行分析手法では、次のような問題点がある。
（１）特許文献１記載の発明では、足圧分布を測定するための圧力センサを床または地面に敷いて、歩行者がその上を歩行し、歩行時の足の圧力分布より歩行分析を行う。この場合には、圧力センサを予め歩行する場所に設置しなければならず、設置場所等の制約がでてしまう。
【０００８】
更に、圧力センサ上を歩くため、患者の日常歩行と異なる感覚、意識が発生し、歩行結果に違いが出る可能性がある。歩行結果も足跡に限られるため、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができない。また、歩行距離によっては、圧力センサを複数枚数用意しなければならない。
【０００９】
（２）特許文献２記載の発明では、体動作解析を行うための複数のセンサ（筋電計、下肢加重計）を、所定の位置に専用のバンドで被験者に取り付け固定する必要があり、測定が簡便に行えるわけではない。
【００１０】
また、歩行状態の３次元的な動きを測定する手段がなく、遊脚の空間的な動きを計測、解析することはできない。無線もセンサと腰等に取り付けた、CPU等を内蔵する分析装置との間の通信に使用するものであり、腰に分析装置を取り付けるという患者への負荷を軽減するものではない。
【００１１】
この発明は、被験者の筋電、下肢加重、関節の角度等を測定し、姿勢、歩数、心拍数等を分析するものであり、被験者の３次元的な歩行パターン解析ができるものではない。
【００１２】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、被験者に負荷を与えることなく、被験者の足の動きを３次元的に計測し、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができる歩行分析システムの実現を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）歩行者の片足または両足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを無線出力する歩行センサと、
前記検出データを受信する無線通信装置と、
この無線通信装置を介して取得する前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備えることを特徴とする歩行分析システム。
【００１４】
（２）前記検出データの取得開始及び取得終了を、足部の停止状態が一定時間継続したことにより判断することを特徴とする（１）に記載の歩行分析システム。
【００１５】
（３）前記足部の停止状態の検出に、前記角速度の検出値がある閾値以下または前記加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断することを特徴とする（１）または（２）に記載の歩行分析システム。
【００１６】
（４）前記歩行センサは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の加速度センサまたはＸ，Ｙ，Ｚ方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１７】
（５）前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１８】
（６）前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１９】
（７）前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【００２０】
（８）前記歩行解析装置は、前記無線アクセスポイントよりネットワークを介して前記検出データを取得することを特徴とする（７）に記載の歩行分析システム。
【００２１】
（９）前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする（１）乃至（８）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００２２】
（１０）前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して２次元または３次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする（１）乃至（９）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００２３】
（１１）前記歩行解析装置は、一歩ごとの距離誤差の補正手段として角速度の積分誤差または加速度の積分誤差のすくなくともいずれかを用いることを特徴とする（１）乃至（１０）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００２４】
（１２）前記歩行解析装置は、前記検出データに対してリアルタイムに前記位置情報及び状態情報を算出することを特徴とする（１）乃至（１１）のいずれかに記載の歩行分析析システム。
【００２５】
（１３）前記歩行解析装置は、所定期間の前記検出データを前記無線通信装置に送信しないで自身のメモリ資源に保持することを特徴とする（１）乃至（１）２のいずれかに記載の歩行分析析システム。
【００２６】
（１４）前記歩行解析装置は、前記無線通信装置を介して前記歩行センサと通信し、前記歩行センサのチューニングを実行することを特徴とする（１）乃至（１３）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、次のような効果を期待することできる。
（１）歩行データを容易に取得できるため、リハビリテーション等、病院等の治療の現場での使用が容易となる。靴に歩行センサを装着することが可能なため、歩行者は、靴を履くだけでよい。このため、測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことができ、被験者への負担が極めて小さい。
【００２８】
（２）歩行センサは、超小型に実装可能のため、測定場所への制約が少ない。また、多人数が存在するリハビリ訓練室等での使用が可能になる。
【００２９】
（３）歩行データは、歩行解析装置内に蓄積できるため、歩行者の過去と現在の状態を比較して見ることで歩行状態の変化を簡単に把握することができ、リハビリの回復度合いを定量的に把握することができる。
【００３０】
（４）無線が届く範囲であれば、測定可能なため、余分な機器を追加することなく広い歩行範囲（約１００ｍ）をカバーできる。
【００３１】
（５）歩行センサ手段に内蔵した３軸の加速度センサ、３軸の角速度（ジャイロ）センサにより、それらの出力を演算処理することで足の３次元空間内での動きを測定でき、歩行パターンの違いを上下左右前後から解析することができる。
【００３２】
（６）特にリハビリテーションへの応用では、障害内容による歩き方の違いを３次元的に解析でき、感圧マットによる足跡解析では不可能な、着地していない足（遊脚）の動きが解析できる。
【００３３】
（７）無線アクセスポイントとデータの送受信ができるセンサ数は、１個に限られることがないため、複数人の歩行動作でも同時解析が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した歩行分析システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態の歩行分析システムは、歩行センサ１、無線アクセスポイント２、ネットワーク３、歩行解析装置４からなる。
【００３５】
歩行センサ１は、歩行者Ｍの片足または両足部に直接または履物（つま先部または踵部）に装着され、加速度センサ１１、角速度センサ１２、無線インタフェース１３を備え、無線通信装置の一形態である無線アクセスポイント２と無線通信する。
【００３６】
無線アクセスポイント２は、歩行センサ１と通信する無線インタフェース２１及びネットワーク３に接続するネットワークインタフェース２２を備え、歩行センサ１より収集した歩行データを、ネットワーク３を介して歩行解析装置４に渡す。
【００３７】
歩行解析装置４は、歩行データ計測部４１及び歩行データ解析部４２を備え、無線アクセスポイント２から渡される歩行データを保存すると共に、歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出する。
【００３８】
更に、歩行解析装置４は、この相対移動距離に基づき歩行解析アプリケーションにより各種の分析を実行する。分析対象項目は、歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、立脚率、遊脚率等である。
【００３９】
図２は、歩行センサ１の構成例を示す機能ブロック図である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を検出する３個の加速度センサ１１、同じくＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の角速度を検出する３個の角速度センサ１２、これらセンサの検出値をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器１４を備える。
【００４０】
Ａ／Ｄ変換器１４の出力は、ＣＰＵ１５に渡されて所定の演算処理が実行される。ＣＰＵ１５は、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ資源１６を有しており、検出データの一時的な保存も可能となっている。
【００４１】
ＣＰＵ１５の演算結果は、無線インタフェース１３を介して無線アンテナ１７より無線アクセスポイント２に送信される。この歩行センサ１は、充電可能な電池１８で駆動されると共に、充電回路１９を備えている。
【００４２】
歩行センサ１を構成するこれら要素は、きわめて小型のチップとして実装することが可能であり、歩行者の片足または両足部に直接または履物に装着したときに、歩行者は測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことがでるので、被験者への負担を極めて小さくすることができる。
【００４３】
図３は、無線アクセスポイント２の構成例を示す機能ブロック図である。外付け、あるいは内蔵の無線アンテナ２３を介して無線インタフェース２１で受信したデータは、ＣＰＵ２４で演算処理され、ネットワークインタフェース２２を介してネットワーク３に出力される。
【００４４】
ＣＰＵ２４は、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ資源２５を有しており、受信データの一時的なバッファ機能を備える。バッファに蓄積された受信データは、一定量になった段階でネットワーク３に送出される。
【００４５】
図４は、歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。無線アクセスポイント２からのデータは、ネットワークインタフェース４３を介してＣＰＵ４４に渡される。歩行データ計測部４４の歩行データ収集手段４１１は、ＣＰＵ４４から歩行データを取得して計測データファイル４１２に所定期間格納する。格納する計測データは、加速度及び角速度データである。
【００４６】
ＣＰＵ４４は、計測データファイル４１２より格納データを読み出して歩行データ解析部４２に渡し、各種の解析処理を実行させる。解析結果は、表示装置５や印刷装置６に出力される。
【００４７】
解析結果は、直接またはネットワークを介して外部機器や機関、リハビリを指導する医師、理学療法士、更には歩行者自身にも配信することができる。
【００４８】
図５は、歩行データ解析部４２の構成例を示す機能ブロック図である。歩行解析手段４２１は、計測データファイル４１２より格納されている計測データを取り出して歩行解析アルゴリズム４２１Ａに渡して各種の解析を実行し、解析結果を歩行解析アプリケーション４２２に出力する。
【００４９】
歩行解析アプリケーション４２２による解析結果は、歩行者の足の３次元位置情報並びに歩行時間、速度、立脚、遊脚データ等の歩行状態情報である。
【００５０】
歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、計測データファイル４１２に格納されている、加速度データを１回積分演算して速度を算出する。この積分演算は、Ｘ，Ｙ，Ｚ成分毎に実行される。
【００５１】
算出された速度は、もう１回積分演算され、距離データとなる。角速度は、同様に積分演算されて、角度が算出される。このように、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸のデータが算出されるため、３次元の位置情報を求めることが可能である。
【００５２】
同時に、歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、歩行の状態情報を算出するために、歩の区切りを算出する。歩の区切りは、加速度、角速度データから、停止していると思われる期間を停止期間として算出し、動作している期間と停止している期間と分けることで、決定される。
【００５３】
足部の停止状態の検出は、角速度の検出値がある閾値以下または加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断する。
【００５４】
歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、歩の区切りから、立脚時間（足が地面に接地している時間）、遊脚時間（足が地面から離れている時間）等、歩に関連する状態情報を算出する。
【００５５】
一歩毎の距離誤差の補正手段として角速度の積分誤差または加速度の積分誤差のすくなくともいずれかを用いることができる。算出された距離データは、角度データと合わせて、座標データに変換される。
【００５６】
これら位置情報及び状態情報の歩行データを歩行解析手段４２１から取得する歩行解析アプリケーション４２２は、歩行解析装置４に接続された表示装置５に歩行データを表示することができ、ユーザは歩行状態を容易に把握することができる。
【００５７】
また、過去データをファイルとして蓄積しているため、過去から現在に至る歩行状態を参照でき、トレンドグラフ等で、歩行状態の変化を表示することが可能である。更に必要であれば、印刷装置６への出力も可能である。
【００５８】
図６は、歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１で加速度、角速度センサの個体差に基づくデータを補正し、ステップＳ２では歩の停止を検出する。具体的には、加速度、角速度データより、歩行停止区間を算出する。
【００５９】
ステップＳ３では、角速度データを積分して、角度を算出する。ステップＳ４では、加速度、角速度のＸ，Ｙ，Ｚ軸を、ローカル座標（センサ上の座標）から、ワールド座標（ユーザ空間）に変換する。
【００６０】
ステップＳ５では、加速度データを積分して、速度を算出する。更にステップＳ６では、位置座標を算出する。具体的には、速度×サンプリング時間で距離を求め、前回値に加算することで相対移動距離（位置）を算出する。
【００６１】
図７は、歩行解析アプリケーション４２２のデータ処理手順を示すフローチャート図である。ステップＳ１では、歩行解析アルゴリズム４２１Ａの出力データとして、３次元の位置情報、歩の停止位置情報、速度情報を取得する。
【００６２】
ステップＳ２では、ステップＳ１で取得した出力データを計算し、歩行時間、歩行速度、歩幅、立脚、遊脚時間等の歩行の状態情報を算出する。
【００６３】
以下、本発明の応用実施例を説明する。実施形態では、歩行解析装置４はデータに対してリアルタイムに位置情報及び状態情報を算出する信号処理の例を説明したが、歩行センサ１が、所定期間の検出データを無線通信装置に送信しないで自身のメモリ資源１６に保持する実施形態であってもよい。
【００６４】
歩行解析装置４は、無線アクセスポイント２を介して歩行センサ１と双方向に通信できるので、加速度センサ及び角速度センサの感度やオフセットを、歩行解析装置４側から所定値にチューニングすることができる。
【００６５】
歩行データを、ファイルに蓄積すると同時にリアルタイムに演算して現在の歩行の軌跡を画面上に表示させるようにすることで、歩行者の現在の状況をそのまま見ることができる。
【００６６】
歩行の軌跡データが得られるため、製造現場等での人の動きを把握することが可能になる。また、病院内での患者の動きも把握することが可能になる。
【００６７】
無線アクセスポイント２と、歩行解析装置４間の接続をネットワーク３以外の手段、例えばＵＳＢ、無線ＬＡＮ等で接続することも可能である。
【００６８】
実施形態では、データの演算処理を歩行解析装置４で実行している例を説明したが、センサ１内で演算処理を行ない、携帯端末等で演算データの表示や蓄積を行なうことで、より簡便な機器で歩行分析システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明を適用した歩行分析システムの基本構成を示す機能ブロック図である。
【図２】歩行センサの構成例を示す機能ブロック図である。
【図３】無線アクセスポイントの構成例を示す機能ブロック図である。
【図４】歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図５】歩行データ解析部の構成例を示す機能ブロック図である。
【図６】歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。
【図７】歩行解析アプリケーションのデータ処理手順を示すフローチャート図である。
【図８】特許文献１に記載されている歩行分析装置の概観図である。
【図９】特許文献２に記載されている体動計測器の概観図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 歩行センサ
１１ 加速度センサ
１２ 角速度センサ
１３ 無線インタフェース
２ 無線アクセスポイント
２１ 無線インタフェース
２２ ネットワークインタフェース
３ ネットワーク
４ 歩行解析装置
４１ 歩行データ計測部
４２ 歩行データ解析部
４３ ネットワークインタフェース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行者の歩行状態を計測、解析し、個々人の歩行パターンを識別可能にすることで作業効率改善、能力向上の定量的な目安を得ることができる歩行分析システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサを使って求めた足圧分布の計測結果から、歩行データを算出する歩行分析に関しては、特許文献１に技術開示がある。図８は、特許文献１に記載されている歩行分析装置の概観図である。
【０００３】
この発明の特徴は、床に帯状に設置された圧力センサ部１０１上を人が歩き、足圧分布の計測結果を分析装置１０２〜１０５により分析し、歩き方の良さを反映したパラメータを出力させる構成にある。
【０００４】
人に複数のセンサを取り付け、センサの検出データを無線手段でリモートに収集して体動を分析する計測器が特許文献２に開示されている。図９は、特許文献２に記載されている体動計測器の概観図である。
【０００５】
この発明の特徴は、足部の複数個所に取り付けた体動センサの検出データを無線により携帯受信装置に送りその記憶装置に保存すると共に、この検出データを分析装置に送り、分析結果を各種の形態で出力させる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１１３８８４号公報
【特許文献２】特開平１０−２７７０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術による歩行分析手法では、次のような問題点がある。
（１）特許文献１記載の発明では、足圧分布を測定するための圧力センサを床または地面に敷いて、歩行者がその上を歩行し、歩行時の足の圧力分布より歩行分析を行う。この場合には、圧力センサを予め歩行する場所に設置しなければならず、設置場所等の制約がでてしまう。
【０００８】
更に、圧力センサ上を歩くため、患者の日常歩行と異なる感覚、意識が発生し、歩行結果に違いが出る可能性がある。歩行結果も足跡に限られるため、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができない。また、歩行距離によっては、圧力センサを複数枚数用意しなければならない。
【０００９】
（２）特許文献２記載の発明では、体動作解析を行うための複数のセンサ（筋電計、下肢加重計）を、所定の位置に専用のバンドで被験者に取り付け固定する必要があり、測定が簡便に行えるわけではない。
【００１０】
また、歩行状態の３次元的な動きを測定する手段がなく、遊脚の空間的な動きを計測、解析することはできない。無線もセンサと腰等に取り付けた、CPU等を内蔵する分析装置との間の通信に使用するものであり、腰に分析装置を取り付けるという患者への負荷を軽減するものではない。
【００１１】
この発明は、被験者の筋電、下肢加重、関節の角度等を測定し、姿勢、歩数、心拍数等を分析するものであり、被験者の３次元的な歩行パターン解析ができるものではない。
【００１２】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、被験者に負荷を与えることなく、被験者の足の動きを３次元的に計測し、遊脚の空間的な動きを測定、解析することができる歩行分析システムの実現を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）歩行者の片足または両足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを無線出力する歩行センサと、
前記検出データを受信する無線通信装置と、
この無線通信装置を介して取得する前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備えることを特徴とする歩行分析システム。
【００１４】
（２）前記検出データの取得開始及び取得終了を、足部の停止状態が一定時間継続したことにより判断することを特徴とする（１）に記載の歩行分析システム。
【００１５】
（３）前記足部の停止状態の検出に、前記角速度の検出値がある閾値以下または前記加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断することを特徴とする（１）または（２）に記載の歩行分析システム。
【００１６】
（４）前記歩行センサは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の加速度センサまたはＸ，Ｙ，Ｚ方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１７】
（５）前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１８】
（６）前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００１９】
（７）前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【００２０】
（８）前記歩行解析装置は、前記無線アクセスポイントよりネットワークを介して前記検出データを取得することを特徴とする（７）に記載の歩行分析システム。
【００２１】
（９）前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする（１）乃至（８）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００２２】
（１０）前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して２次元または３次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする（１）乃至（９）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００２３】
（１１）前記歩行解析装置は、一歩ごとの距離誤差の補正手段として角速度の積分誤差または加速度の積分誤差のすくなくともいずれかを用いることを特徴とする（１）乃至（１０）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【００２４】
（１２）前記歩行解析装置は、前記検出データに対してリアルタイムに前記位置情報及び状態情報を算出することを特徴とする（１）乃至（１１）のいずれかに記載の歩行分析析システム。
【００２５】
（１３）前記歩行解析装置は、所定期間の前記検出データを前記無線通信装置に送信しないで自身のメモリ資源に保持することを特徴とする（１）乃至（１）２のいずれかに記載の歩行分析析システム。
【００２６】
（１４）前記歩行解析装置は、前記無線通信装置を介して前記歩行センサと通信し、前記歩行センサのチューニングを実行することを特徴とする（１）乃至（１３）のいずれかに記載の歩行分析システム。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、次のような効果を期待することできる。
（１）歩行データを容易に取得できるため、リハビリテーション等、病院等の治療の現場での使用が容易となる。靴に歩行センサを装着することが可能なため、歩行者は、靴を履くだけでよい。このため、測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことができ、被験者への負担が極めて小さい。
【００２８】
（２）歩行センサは、超小型に実装可能のため、測定場所への制約が少ない。また、多人数が存在するリハビリ訓練室等での使用が可能になる。
【００２９】
（３）歩行データは、歩行解析装置内に蓄積できるため、歩行者の過去と現在の状態を比較して見ることで歩行状態の変化を簡単に把握することができ、リハビリの回復度合いを定量的に把握することができる。
【００３０】
（４）無線が届く範囲であれば、測定可能なため、余分な機器を追加することなく広い歩行範囲（約１００ｍ）をカバーできる。
【００３１】
（５）歩行センサ手段に内蔵した３軸の加速度センサ、３軸の角速度（ジャイロ）センサにより、それらの出力を演算処理することで足の３次元空間内での動きを測定でき、歩行パターンの違いを上下左右前後から解析することができる。
【００３２】
（６）特にリハビリテーションへの応用では、障害内容による歩き方の違いを３次元的に解析でき、感圧マットによる足跡解析では不可能な、着地していない足（遊脚）の動きが解析できる。
【００３３】
（７）無線アクセスポイントとデータの送受信ができるセンサ数は、１個に限られることがないため、複数人の歩行動作でも同時解析が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した歩行分析システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態の歩行分析システムは、歩行センサ１、無線アクセスポイント２、ネットワーク３、歩行解析装置４からなる。
【００３５】
歩行センサ１は、歩行者Ｍの片足または両足部に直接または履物（つま先部または踵部）に装着され、加速度センサ１１、角速度センサ１２、無線インタフェース１３を備え、無線通信装置の一形態である無線アクセスポイント２と無線通信する。
【００３６】
無線アクセスポイント２は、歩行センサ１と通信する無線インタフェース２１及びネットワーク３に接続するネットワークインタフェース２２を備え、歩行センサ１より収集した歩行データを、ネットワーク３を介して歩行解析装置４に渡す。
【００３７】
歩行解析装置４は、歩行データ計測部４１及び歩行データ解析部４２を備え、無線アクセスポイント２から渡される歩行データを保存すると共に、歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出する。
【００３８】
更に、歩行解析装置４は、この相対移動距離に基づき歩行解析アプリケーションにより各種の分析を実行する。分析対象項目は、歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、立脚率、遊脚率等である。
【００３９】
図２は、歩行センサ１の構成例を示す機能ブロック図である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を検出する３個の加速度センサ１１、同じくＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の角速度を検出する３個の角速度センサ１２、これらセンサの検出値をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器１４を備える。
【００４０】
Ａ／Ｄ変換器１４の出力は、ＣＰＵ１５に渡されて所定の演算処理が実行される。ＣＰＵ１５は、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ資源１６を有しており、検出データの一時的な保存も可能となっている。
【００４１】
ＣＰＵ１５の演算結果は、無線インタフェース１３を介して無線アンテナ１７より無線アクセスポイント２に送信される。この歩行センサ１は、充電可能な電池１８で駆動されると共に、充電回路１９を備えている。
【００４２】
歩行センサ１を構成するこれら要素は、きわめて小型のチップとして実装することが可能であり、歩行者の片足または両足部に直接または履物に装着したときに、歩行者は測定を意識することなく、通常歩行と変わらない感覚で自由に歩行を行うことがでるので、被験者への負担を極めて小さくすることができる。
【００４３】
図３は、無線アクセスポイント２の構成例を示す機能ブロック図である。外付け、あるいは内蔵の無線アンテナ２３を介して無線インタフェース２１で受信したデータは、ＣＰＵ２４で演算処理され、ネットワークインタフェース２２を介してネットワーク３に出力される。
【００４４】
ＣＰＵ２４は、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ資源２５を有しており、受信データの一時的なバッファ機能を備える。バッファに蓄積された受信データは、一定量になった段階でネットワーク３に送出される。
【００４５】
図４は、歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。無線アクセスポイント２からのデータは、ネットワークインタフェース４３を介してＣＰＵ４４に渡される。歩行データ計測部４４の歩行データ収集手段４１１は、ＣＰＵ４４から歩行データを取得して計測データファイル４１２に所定期間格納する。格納する計測データは、加速度及び角速度データである。
【００４６】
ＣＰＵ４４は、計測データファイル４１２より格納データを読み出して歩行データ解析部４２に渡し、各種の解析処理を実行させる。解析結果は、表示装置５や印刷装置６に出力される。
【００４７】
解析結果は、直接またはネットワークを介して外部機器や機関、リハビリを指導する医師、理学療法士、更には歩行者自身にも配信することができる。
【００４８】
図５は、歩行データ解析部４２の構成例を示す機能ブロック図である。歩行解析手段４２１は、計測データファイル４１２より格納されている計測データを取り出して歩行解析アルゴリズム４２１Ａに渡して各種の解析を実行し、解析結果を歩行解析アプリケーション４２２に出力する。
【００４９】
歩行解析アプリケーション４２２による解析結果は、歩行者の足の３次元位置情報並びに歩行時間、速度、立脚、遊脚データ等の歩行状態情報である。
【００５０】
歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、計測データファイル４１２に格納されている、加速度データを１回積分演算して速度を算出する。この積分演算は、Ｘ，Ｙ，Ｚ成分毎に実行される。
【００５１】
算出された速度は、もう１回積分演算され、距離データとなる。角速度は、同様に積分演算されて、角度が算出される。このように、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸のデータが算出されるため、３次元の位置情報を求めることが可能である。
【００５２】
同時に、歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、歩行の状態情報を算出するために、歩の区切りを算出する。歩の区切りは、加速度、角速度データから、停止していると思われる期間を停止期間として算出し、動作している期間と停止している期間と分けることで、決定される。
【００５３】
足部の停止状態の検出は、角速度の検出値がある閾値以下または加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断する。
【００５４】
歩行解析アルゴリズム４２１Ａは、歩の区切りから、立脚時間（足が地面に接地している時間）、遊脚時間（足が地面から離れている時間）等、歩に関連する状態情報を算出する。
【００５５】
一歩毎の距離誤差の補正手段として角速度の積分誤差または加速度の積分誤差のすくなくともいずれかを用いることができる。算出された距離データは、角度データと合わせて、座標データに変換される。
【００５６】
これら位置情報及び状態情報の歩行データを歩行解析手段４２１から取得する歩行解析アプリケーション４２２は、歩行解析装置４に接続された表示装置５に歩行データを表示することができ、ユーザは歩行状態を容易に把握することができる。
【００５７】
また、過去データをファイルとして蓄積しているため、過去から現在に至る歩行状態を参照でき、トレンドグラフ等で、歩行状態の変化を表示することが可能である。更に必要であれば、印刷装置６への出力も可能である。
【００５８】
図６は、歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１で加速度、角速度センサの個体差に基づくデータを補正し、ステップＳ２では歩の停止を検出する。具体的には、加速度、角速度データより、歩行停止区間を算出する。
【００５９】
ステップＳ３では、角速度データを積分して、角度を算出する。ステップＳ４では、加速度、角速度のＸ，Ｙ，Ｚ軸を、ローカル座標（センサ上の座標）から、ワールド座標（ユーザ空間）に変換する。
【００６０】
ステップＳ５では、加速度データを積分して、速度を算出する。更にステップＳ６では、位置座標を算出する。具体的には、速度×サンプリング時間で距離を求め、前回値に加算することで相対移動距離（位置）を算出する。
【００６１】
図７は、歩行解析アプリケーション４２２のデータ処理手順を示すフローチャート図である。ステップＳ１では、歩行解析アルゴリズム４２１Ａの出力データとして、３次元の位置情報、歩の停止位置情報、速度情報を取得する。
【００６２】
ステップＳ２では、ステップＳ１で取得した出力データを計算し、歩行時間、歩行速度、歩幅、立脚、遊脚時間等の歩行の状態情報を算出する。
【００６３】
以下、本発明の応用実施例を説明する。実施形態では、歩行解析装置４はデータに対してリアルタイムに位置情報及び状態情報を算出する信号処理の例を説明したが、歩行センサ１が、所定期間の検出データを無線通信装置に送信しないで自身のメモリ資源１６に保持する実施形態であってもよい。
【００６４】
歩行解析装置４は、無線アクセスポイント２を介して歩行センサ１と双方向に通信できるので、加速度センサ及び角速度センサの感度やオフセットを、歩行解析装置４側から所定値にチューニングすることができる。
【００６５】
歩行データを、ファイルに蓄積すると同時にリアルタイムに演算して現在の歩行の軌跡を画面上に表示させるようにすることで、歩行者の現在の状況をそのまま見ることができる。
【００６６】
歩行の軌跡データが得られるため、製造現場等での人の動きを把握することが可能になる。また、病院内での患者の動きも把握することが可能になる。
【００６７】
無線アクセスポイント２と、歩行解析装置４間の接続をネットワーク３以外の手段、例えばＵＳＢ、無線ＬＡＮ等で接続することも可能である。
【００６８】
実施形態では、データの演算処理を歩行解析装置４で実行している例を説明したが、センサ１内で演算処理を行ない、携帯端末等で演算データの表示や蓄積を行なうことで、より簡便な機器で歩行分析システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明を適用した歩行分析システムの基本構成を示す機能ブロック図である。
【図２】歩行センサの構成例を示す機能ブロック図である。
【図３】無線アクセスポイントの構成例を示す機能ブロック図である。
【図４】歩行解析装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図５】歩行データ解析部の構成例を示す機能ブロック図である。
【図６】歩行解析アルゴリズムの信号処理手順を示すフローチャートである。
【図７】歩行解析アプリケーションのデータ処理手順を示すフローチャート図である。
【図８】特許文献１に記載されている歩行分析装置の概観図である。
【図９】特許文献２に記載されている体動計測器の概観図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 歩行センサ
１１ 加速度センサ
１２ 角速度センサ
１３ 無線インタフェース
２ 無線アクセスポイント
２１ 無線インタフェース
２２ ネットワークインタフェース
３ ネットワーク
４ 歩行解析装置
４１ 歩行データ計測部
４２ 歩行データ解析部
４３ ネットワークインタフェース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行者の片足または両足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを無線出力する歩行センサと、
前記検出データを受信する無線通信装置と、
この無線通信装置を介して取得する前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備えることを特徴とする歩行分析システム。
【請求項２】
前記検出データの取得開始及び取得終了を、足部の停止状態が一定時間継続したことにより判断することを特徴とする請求項１に記載の歩行分析システム。
【請求項３】
前記足部の停止状態の検出に、前記角速度の検出値がある閾値以下または前記加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断することを特徴とする請求項１または２に記載の歩行分析システム。
【請求項４】
前記歩行センサは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の加速度センサまたはＸ，Ｙ，Ｚ方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項５】
前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項６】
前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項７】
前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【請求項８】
前記歩行解析装置は、前記無線アクセスポイントよりネットワークを介して前記検出データを取得することを特徴とする請求項７に記載の歩行分析システム。
【請求項９】
前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項１０】
前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して２次元または３次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項１１】
前記歩行解析装置は、一歩ごとの距離誤差の補正手段として角速度の積分誤差または加速度の積分誤差のすくなくともいずれかを用いることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項１２】
前記歩行解析装置は、前記検出データに対してリアルタイムに前記位置情報及び状態情報を算出することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の歩行分析析システム。
【請求項１３】
前記歩行解析装置は、所定期間の前記検出データを前記無線通信装置に送信しないで自身のメモリ資源に保持することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の歩行分析析システム。
【請求項１４】
前記歩行解析装置は、前記無線通信装置を介して前記歩行センサと通信し、前記歩行センサのチューニングを実行することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項１】
歩行者の片足または両足部に装着され、加速度または角速度の少なくともいずれかの検出データを無線出力する歩行センサと、
前記検出データを受信する無線通信装置と、
この無線通信装置を介して取得する前記検出データに基づき、前記足部の任意時間における２次元または３次元の位置情報及び状態情報を算出する歩行解析装置と、
を備えることを特徴とする歩行分析システム。
【請求項２】
前記検出データの取得開始及び取得終了を、足部の停止状態が一定時間継続したことにより判断することを特徴とする請求項１に記載の歩行分析システム。
【請求項３】
前記足部の停止状態の検出に、前記角速度の検出値がある閾値以下または前記加速度の検出値がある閾値以下の少なくともいずれかの条件が満足されることにより判断することを特徴とする請求項１または２に記載の歩行分析システム。
【請求項４】
前記歩行センサは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の加速度センサまたはＸ，Ｙ，Ｚ方向の角速度センサの少なくともいずれかを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項５】
前記歩行センサは、前記歩行者の履物のつま先部近傍に装着されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項６】
前記歩行センサは、前記歩行者の履物のかかと部近傍に装着されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項７】
前記無線通信装置は、ネットワーク上に形成された無線アクセスポイントであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の歩行計分析システム。
【請求項８】
前記歩行解析装置は、前記無線アクセスポイントよりネットワークを介して前記検出データを取得することを特徴とする請求項７に記載の歩行分析システム。
【請求項９】
前記歩行解析装置は、前記検出データを処理する所定の歩行解析アルゴリズムにより相対移動距離を算出し、この相対移動距離に基づいて歩行位置、歩行時間、歩幅、歩行速度、立脚率、遊脚率データの少なくともいずれかの状態情報を算出することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項１０】
前記歩行解析装置は、一歩ごとの角速度または加速度の少なくともいずれかを積分して２次元または３次元の角度、速度、移動距離を算出することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項１１】
前記歩行解析装置は、一歩ごとの距離誤差の補正手段として角速度の積分誤差または加速度の積分誤差のすくなくともいずれかを用いることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の歩行分析システム。
【請求項１２】
前記歩行解析装置は、前記検出データに対してリアルタイムに前記位置情報及び状態情報を算出することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の歩行分析析システム。
【請求項１３】
前記歩行解析装置は、所定期間の前記検出データを前記無線通信装置に送信しないで自身のメモリ資源に保持することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の歩行分析析システム。
【請求項１４】
前記歩行解析装置は、前記無線通信装置を介して前記歩行センサと通信し、前記歩行センサのチューニングを実行することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の歩行分析システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１４８７２２（Ｐ２００８−１４８７２２Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３６６１９（Ｐ２００６−３３６６１９）
【出願日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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