歩行計測装置
【課題】 簡単な装置構成で設置場所を問わずに歩行者の下肢の動きを定量的に求める。
【解決手段】 歩行計測装置１０は、装置全体をモータ２０によって自律移動させる移動体１１と、歩行者Ｈの大腿部Ｋ１及び爪先部Ｋ４の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサ１３と、位置姿勢センサ１３の測定値から、歩行者Ｈとの相対位置関係を予め設定した一定状態に維持するようにモータ２０の動作を制御する移動制御手段３４と、歩行者Ｈの下肢Ｋの状態を特定するために当該下肢Ｋ内に複数設定された特徴点Ａ〜Ｅの位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段３５とを備えている。特徴点算出手段３５では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に位置姿勢センサ１３の測定値を代入することで、前記各特徴点Ａ〜Ｅの位置を前記所定時間毎に算出する。
【解決手段】 歩行計測装置１０は、装置全体をモータ２０によって自律移動させる移動体１１と、歩行者Ｈの大腿部Ｋ１及び爪先部Ｋ４の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサ１３と、位置姿勢センサ１３の測定値から、歩行者Ｈとの相対位置関係を予め設定した一定状態に維持するようにモータ２０の動作を制御する移動制御手段３４と、歩行者Ｈの下肢Ｋの状態を特定するために当該下肢Ｋ内に複数設定された特徴点Ａ〜Ｅの位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段３５とを備えている。特徴点算出手段３５では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に位置姿勢センサ１３の測定値を代入することで、前記各特徴点Ａ〜Ｅの位置を前記所定時間毎に算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は歩行計測装置に係り、更に詳しくは、歩行者の歩行に伴う下肢の動きを把握するための歩行計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢化により生じる歩行機能の低下を未然に把握し、このような機能低下防止のトレーニング等を効果的に行うためには、適正な歩行評価が必要になる。また、高齢化や疾病により歩行障害が生じた場合には、適正な歩行評価を行った上で、適切なリハビリテーションを行う必要がある。以上の歩行評価は、医師や理学療法士が対象者（患者）を目視観察して行われるが、各医師や理学療法士の感覚に頼る部分が大きく、視者によって評価結果が異なる場合がある。
【０００３】
ところで、特許文献１には、被験者となる歩行者の足部の動きを計測可能な歩行解析システムが開示されている。この歩行解析システムは、歩行者の足部に装着されて当該足部の加速度データや角速度データを測定した上で無線出力するセンサと、このセンサからのデータを受信するアクセスポイントと、当該アクセスポイントからネットワークを通じて前記データが入力され、当該データから歩行者の歩行速度等のリハビリテーション用解析項目を求める歩行解析装置とからなる。
【特許文献１】特開２００８−１６１２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記歩行解析システムにあっては、リハビリテーション用解析項目として、足部のストライド長、ステップ長、歩行速度等を求めるに過ぎないことから、歩行者の下肢全体の動きを定量的に求めることができず、下肢全体の動きの評価は、依然として医師や理学療法士の目視観察に頼らざるを得ないという問題がある。また、前記歩行解析システムでは、センサからのデータがネットワークを通じて歩行解析装置に送信される構造であるため、センサからのデータを送受信可能な領域範囲でしか利用することができず、どこでも自由に利用できないという問題もある。更に、前記歩行解析システムでは、前記センサを足部のみならず脚部の複数箇所に付けると、データ通信量が増大するため、データ通信を効率良く、且つ、瞬時に行うための別の機能を付加しなければならず、システム構成が大掛かりになってしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題に着目して案出されたものであり、その目的は、簡単な装置構成で、設置場所を問わずに歩行者の下肢の動きを定量的に求めることができる歩行計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）前記目的を達成するため、本発明は、歩行者とともに移動しながら歩行者の下肢の動きを計測する歩行計測装置であって、
前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出する、という構成を採っている。
【０００７】
（２）また、本発明は、歩行者に自動的に追従しながら当該歩行者の下肢の動きを計測する歩行計測装置であって、
装置全体を駆動装置によって自律移動させる移動体と、前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、当該位置姿勢センサの測定値から、前記歩行者との相対位置関係を予め設定した一定状態に維持するように前記駆動装置の動作を制御する移動制御手段と、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出する、という構成を採ることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、下肢の状態を特定するのに必要となる複数の特徴点の位置が一定時間毎に測定されることになるため、各測定時間において、得られた各特徴点の位置を順に結ぶことで、時間毎の下肢の状態を得ることができ、当該下肢状態を時系列的に並べて対比することで、下肢の動きを定量的に求めることができる。また、本発明の歩行計測装置では、歩行者とともに移動しながら当該歩行者の下肢の動きを計測するため、インターネット等のネットワーク通信等の通信環境が不要となり、簡単な装置構成により、屋内屋外問わずに通信環境が整わない場所でも、歩行者の下肢の動きを求めることができる。更に、下肢の状態を特定するのに必要となる複数の特徴点全部にセンサを取り付ける必要がなく、大腿部及び爪先部の最低二箇所の位置姿勢をセンシングすることで、各特徴点の位置を求めることができる。このため、データの複雑なやり取りが不要となるばかりか、前記特徴点として挙げられる関節部分にセンサを取り付ける必要がなくなるため、当該センサによる歩行者への歩行負担を低減することができる。しかも、センサを固定し易い大腿部及び爪先部にセンサを取り付ければ良いことから、歩行中のセンサの不意な脱落を防止することもできる。この結果、簡単な装置構成で下肢のデータを確実に取得することができる。
【０００９】
特に、前記（２）のように構成することで、歩行者に自動追従しながら、歩行者の下肢の動きを求めることができるため、位置姿勢センサの本体や特徴点算出手段等を構成する機器が大型であり、当該機器を歩行者の身体の一部に取り付けできないような場合でも、歩行者や他の者が前記機器を歩行者の歩行とともに人為的に移動させる必要がなく、このような手間を掛けずに下肢の動きを求めることができる。また、歩行者の歩行動作を測定するための位置姿勢センサの測定値を使って、移動体の自動追従制御も行われることになるため、当該自動追従制御用として新たなセンサ等を歩行者に取り付ける必要がなく、当該自動追従制御に伴う装置構成の大型化や複雑化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１には、本実施形態に係る移動式の歩行計測装置の概略構成図が示されている。この図において、歩行計測装置１０は、装置全体を移動させる移動体１１と、移動体１１に搭載された位置姿勢センサ１３及び計測制御機器１４とを備えて構成されている。
【００１２】
前記移動体１１は、計測制御機器１４による後述の動作制御によって、被験者となる歩行者Ｈの歩行に伴い、当該歩行者Ｈの後方で自動的に追従可能となるように自律移動する。この移動体１１は、位置姿勢センサ１３及び計測制御機器１４が配置された本体１６と、本体１６の底部の前側左右二箇所に回転可能に支持されたキャスター１７，１７と、本体１６の底部の後側左右二箇所に回転可能に支持された駆動輪１８，１８と、左右両側の駆動輪１８，１８をそれぞれ独立して駆動させる駆動装置としてのモータ２０と、左右両側の各駆動輪１８，１８の回転角度を測定するエンコーダ２１とを備えて構成されている。
【００１３】
前記位置姿勢センサ１３は、歩行者Ｈの下肢Ｋに存在する所定点の三次元位置・姿勢を測定可能なセンサであり、本実施形態では、公知の磁気センサが用いられている。この位置姿勢センサ１３は、本体１６に固定されて交流磁場を発生させるトランスミッタ２２と、トランスミッタ２２で本体１６周辺に発生した交流磁場に応じて電流を発生するコイルからなるレシーバ２３（マーカ）と、本体１６に固定されるとともに、レシーバ２３からの電流に応じて当該レシーバ２３の三次元位置・姿勢を特定するセンサ本体２５とからなる。
【００１４】
前記レシーバ２３は、歩行者Ｈに装着されて当該装着部位の位置及び姿勢を測定するための装着用レシーバ２７と、事前の設定に使用される初期設定用レシーバ２８とが存在する。装着用レシーバ２７は、歩行者Ｈの左右の大腿部Ｋ１と左右の爪先部Ｋ４とにベルト等の装着具３０で着脱自在に装着される。初期設定用レシーバ２８は、後述するように、歩行者Ｈが歩行を開始する前の静止状態で、歩行者Ｈの下肢Ｋに設定された複数の特徴点Ａ〜Ｅの位置及び姿勢を測定する際に用いられる。これら各レシーバ２７，２８は、それぞれで発生した電流がケーブル３２を通じてセンサ本体２５に伝送するようになっている。なお、以下の説明において、大腿部Ｋ１に取り付けられた装着用レシーバ２７の装着点を「大腿部測定点Ｐ１」と称し、爪先部Ｋ４に取り付けられた装着用レシーバ２７の装着点を「爪先部測定点Ｐ２」と称する。また、以上の装着用レシーバ２７及び初期設定用レシーバ２８で検出される位置及び姿勢は、移動体１１に取り付けられたトランスミッタ２２の所定位置を原点Ｇ１とする位置姿勢センサ１３の座標系における位置及び姿勢であり、以下、当該座標系を「移動体座標系」と称する。ここで、移動体座標系は、直交三軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）とし、以下、特に明示しない限り、移動体座標系における座標を（ｘ，ｙ，ｚ）と表し、ｚ軸回りの回転角Ａ、ｙ軸回りの回転角Ｅ、ｘ軸回りの回転角Ｒとし、移動体座標系における姿勢を（Ａ，Ｅ，Ｒ）と表す。
【００１５】
なお、ここでの位置姿勢センサ１３は、公知のセンサを用いており、その構成や構造は、本発明の本質ではないことから、詳細な説明を省略する。また、位置姿勢センサ１３としては、歩行者の大腿部Ｋ１及び爪先部Ｋ４の三次元位置・姿勢を測定可能なセンサであれば何でも良く、無線式等の他の磁気センサや光学式センサを用いることも可能である。但し、磁気センサを用いた方が、遮蔽物等が存在する等、計測環境が変化する屋外等で使用しても、より高精度に大腿部Ｋ１及び爪先部Ｋ４の三次元位置・姿勢を測定することができる。
【００１６】
前記計測制御機器１４は、ＣＰＵボード、シリアルボード、カウンタボード、ＤＡボード、モータドライバー、メモリ等からなるコンピュータによって構成され、複数のプログラムモジュール及び／又は処理回路より成り立っている。
【００１７】
この計測制御機器１４は、位置姿勢センサ１３の測定値から、歩行者Ｈとの相対位置関係を予め設定した一定状態に維持するようにモータ２０の動作を制御する移動制御手段３４と、予め仮定した下肢モデルに基づく演算式に所定時間毎に検出した位置姿勢センサ１３の測定値を代入することで、前記特徴点Ａ〜Ｅの位置を演算で求める特徴点算出手段３５とを備えている。
【００１８】
前記移動制御手段３４は、以下のようにモータ２０を動作制御する。先ず、歩行者Ｈが歩行を開始する初期時（図２（Ａ））に、歩行者Ｈの後方に位置する移動体１１に取り付けられたセンサ本体２５により、前記移動体座標系における左右両側の大腿部測定点Ｐ１，Ｐ１の位置が検出され、これら各測定点Ｐ１，Ｐ１の中点の位置が算出される。当該中点の位置は、歩行者Ｈを基準とした座標系（以下、「歩行者座標系」と称する。）の原点Ｇ２とされる。そして、歩行者座標系の原点Ｇ２から移動体座標系の原点Ｇ１に延びる位置ベクトルＨｐが求められる。位置ベクトルＨｐは、移動中一定となるように記憶される。なお、位置ベクトルＨｐは、一定値を予め記憶しておいてもよい。
【００１９】
そして、所定時間後、歩行者Ｈが移動したときに（図２（Ｂ））には、歩行者座標系の原点Ｇ２から延びる一定の前記位置ベクトルＨｐが達する地点が、一瞬、移動体座標系の原点Ｇ１から外れ、この地点が移動体１１の移動目標地点Ｍとなる。このとき、センサ本体２５により、移動体座標系における左右両側の大腿部測定点Ｐ１，Ｐ１の位置及び姿勢が検出され、これら各測定点Ｐ１，Ｐ１の中点となる原点Ｇ２について、移動体座標系における平面位置が算出されるとともに、移動体座標系における上下方向（同図中紙面直交方向）となるｚ軸回りの回転角が算出される。
【００２０】
次に、移動体座標系の原点Ｇ１から移動目標地点Ｍへの位置ベクトルＥｐが、以下の演算式を使って算出される。
【数１】
ここで、位置ベクトルＨｐは、前述したように、移動体１１の静止状態で予め記憶された一定値であり、変換マトリクスＥＴＨは、前述のように算出された原点Ｇ２の平面位置（ｘ，ｙ）及びｚ軸回りの回転角Ａから、次式で求められる。
【数２】
【００２１】
そして、上式で求めた位置ベクトルＥｐの大きさと移動体座標系のｙ軸（図２（Ｂ）中上下方向）とのなす角θを内積によって求め、次式により、左右両側の駆動輪１８，１８の平均角速度ωと、移動体１１の左右方向の回転（ステアリング）に必要となる左右両側の駆動輪１８，１８の差分速度ωｓとが算出される。
【数３】
なお、以上において、ＫとＫｓは、実験により算出された比例定数である。
更に、平均角速度ωから差分速度ωｓを減算することで、左側の駆動輪１８の角速度ω１が決定される一方、平均角速度ωに差分速度ωｓを加算することで、右側の駆動輪１８の角速度ω２が決定される。
【００２２】
以上で求められた角速度ω１，ω２で各駆動輪１８，１８が回転するように、モータ２０の駆動が制御される。この結果、移動体１１は、自律移動して移動目標地点Ｍに到達し、歩行者Ｈの歩行に自動的に追従して、当該歩行者Ｈの後方の一定位置に移動することになる。なお、この移動制御は、移動体１１の追従性を損ねない程度に一定時間毎に行われる。
【００２３】
前記特徴点算出手段３５では、次のように歩行者Ｈの歩行中の特徴点Ａ〜Ｅの位置（座標）が求められる。この特徴点Ａ〜Ｅは、下肢Ｋの状態を特定するのに必須となる左右両側の下肢Ｋの五箇所にそれぞれ設定され、これら特徴点Ａ〜Ｅを順に直線で結ぶと実際の下肢Ｋの状態に沿う模擬脚線が得られる。ここで、図１に示されるように、特徴点Ａは、大腿骨の一部位である大転子であり、特徴点Ｂは、膝関節中心付近となる大腿骨外側顆（膝外側点）であり、特徴点Ｃは、足関節付近となるくるぶし部分（踝点）であり、特徴点Ｄは、中足骨関節付近となる足部で最も外側に張り出している部位（第五中足骨頭点）であり、特徴点Ｅは、足部で最も前側に張り出している部位（第一末節骨先端）である。
【００２４】
そして、前記下肢モデルとして、図３に示されるように、片方の下肢Ｋを大腿部Ｋ１、下腿部Ｋ２、後足部Ｋ３、爪先部Ｋ４の四つの剛体で構成されていると考える。そこで、特徴点Ａ、特徴点Ｂが大腿部Ｋ１の剛体上に存在し、特徴点Ｄ、特徴点Ｅが爪先部Ｋ４の剛体上に存在していると仮定する。また、大腿部Ｋ１と下腿部Ｋ２の間は、これらを直交三軸回りに相対回転可能にする三自由度の膝関節Ｓ１で連結され、下腿部Ｋ２と後足部Ｋ３の間は、同三自由度の足関節Ｓ２で連結され、後足部Ｋ３及び爪先部Ｋ４の間は、爪先部Ｋ４を後足部Ｋ３に対して上下方向にのみ回転可能にする一自由度の中足骨関節Ｓ３で構成されていると考える。
【００２５】
そこで、特徴点算出手段３５では、先ず、大腿部測定点Ｐ１を原点としたローカル座標系において当該大腿部測定点Ｐ１から特徴点Ａ、特徴点Ｂにそれぞれ延びる剛体内位置ベクトルｔｈｐと、爪先部測定点Ｐ２を原点としたローカル座標系において当該爪先部測定点Ｐ２から特徴点Ｄ、特徴点Ｅにそれぞれ延びる剛体内位置ベクトルｔｈｐとが算出される。これら剛体内位置ベクトルｔｈｐは、大腿部測定点Ｐ１と特徴点Ａ、特徴点Ｂとの相対位置関係、及び爪先部測定点Ｐ２と特徴点Ｄ、特徴点Ｅとの相対位置関係が歩行中も変わらないため、歩行者Ｈが歩行中であっても常に一定である。また、歩行者Ｈが歩行中のときは、大腿部Ｋ１及び爪先部Ｋ２に装着用レシーバ２７が装着され、大腿部測定点Ｐ１と爪先部測定点Ｐ２の三次元位置・姿勢が測定されるため、これら測定値と、一定となる前記剛体内の位置ベクトルｔｈｐとから、歩行中における特徴点Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅの座標が算出され、当該座標から、歩行中における残りの特徴点Ｃの座標が算出されることになる。当該算出手順につき、図４のフローチャートを用いながら以下に詳述する。
【００２６】
先ず、歩行者Ｈが歩行を開始する前の静止状態（以下、「測定開始前状態」と称する。）において、各剛体内位置ベクトルｔｈｐが次のように求められる（ステップＳ１０１）。
【００２７】
この際に用いられる前記初期測定用レシーバ２８には、図１に示されるように、棒状体３７が取り付けられており、医師や理学療法士等が、測定対象となる歩行者Ｈの左右両側の下肢Ｋにおける特徴点Ａ〜Ｅに相当する部位を目視等で特定し、当該各部位に棒状体３７の先端をそれぞれ接触させることで、移動体１１のセンサ本体２５で、各接触時における初期測定用レシーバ２８の移動体座標系における三次元位置・姿勢がそれぞれ検出される。そして、次式により、移動体座標系の原点Ｇ１から各特徴点Ａ〜Ｅにそれぞれ延びる移動体座標系の初期位置ベクトルｔｒｐが求められる。
【数４】
ここで、ｒｅｐは、初期測定用レシーバ２８の所定部位を原点としたローカル座標系において、当該原点から棒状体３７の先端に延びる位置ベクトルであり、予め設定された一定値となっている。また、ｔｒＴｒｅは、初期測定用レシーバ２８からの測定に基づく座標変換マトリクスであり、特徴点Ａ〜Ｅそれぞれに棒状体３７の先端が接触したときの各初期測定用レシーバ２８の三次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ，Ｅ，Ｒ）から、各特徴点Ａ〜Ｅそれぞれの場合について次式で求められる。
【数５】
【００２８】
次に、歩行者Ｈが静止状態のままで、装着用レシーバ２３により、大腿部測定点Ｐ１及び爪先部測定点Ｐ２の位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）がそれぞれ検出され、当該位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）を使い、先に求めた特徴点Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ点の初期位置ベクトルｔｒｐから、次式により、各剛体内位置ベクトルｔｈｐが求められる。
【数６】
ここで、ｔｒＴｔｈは、装着用レシーバ２３からの測定に基づく座標変換マトリクスであり、前述した座標変換マトリクスｔｒＴｒｅの式と同一の上式（５）で求められる。すなわち、特徴点Ａへの剛体内位置ベクトルｔｈｐは、大腿部Ｋ１に装着された装着用レシーバ２７で検出された三次元の位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）を上式（５）に代入して座標変換マトリクスｔｒＴｔｈを特定し、特徴点Ａの初期位置ベクトルｔｒｐを上式（６）に代入することで求められる。また、特徴点Ｂへの剛体内位置ベクトルｔｈｐも、特徴点Ａと同様に求められる。一方、特徴点Ｄへの剛体内位置ベクトルｔｈｐは、爪先部Ｋ４に装着された装着用レシーバ２７で検出された三次元の位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）と、特徴点Ｄの初期位置ベクトルｔｒｐとにより、特徴点Ａ、Ｂの場合と同様に求められる。また、特徴点Ｅへの剛体内位置ベクトルｔｈｐも、特徴点Ｄと同様に求められる。
【００２９】
その後、歩行者Ｈが移動を開始し、一定時間毎に、装着用レシーバ２７により、大腿部測定点Ｐ１及び爪先部測定点Ｐ２の位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）がそれぞれ検出される。この際、当該検出された位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）と、先に求めた一定の各剛体内位置ベクトルｔｈｐとを使い、以下の式から、歩行中における移動体座標系の原点Ｇ１から特徴点Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅにそれぞれ延びる移動時位置ベクトルｔｒｐが、前記一定時間毎に求められる（ステップＳ１０２）。
【数７】
すなわち、ここでは、特徴点Ａへの移動時位置ベクトルｔｒｐ（以下、「移動時位置ベクトルｔｒａ」と称する。）を求める際には、対応する大腿部Ｋ１に装着された装着用レシーバ２７で検出された三次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）を上式（５）に代入し、座標変換マトリクスｔｒＴｔｈを特定し、特徴点Ａへの剛体内位置ベクトルｔｈｐを上式（７）に代入することで求められる。また、特徴点Ｂへの移動時位置ベクトルｔｒｐ（以下、「移動時位置ベクトルｔｒｂ」と称する。）も、特徴点Ａと同様に求められる。一方、特徴点Ｄへの移動時位置ベクトルｔｒｐ（以下、「移動時位置ベクトルｔｒｄ」と称する。）を求める際には、対応する爪先部Ｋ４に装着された装着用レシーバ２７で検出された三次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）と、特徴点Ｄへの剛体内位置ベクトルｔｈｐとにより、特徴点Ａ、Ｂの場合と同様に求められる。また、特徴点Ｅへの移動時位置ベクトルｔｒｐ（以下、「移動時位置ベクトルｔｒｅ」と称する。）も、特徴点Ｄと同様に求められる。
【００３０】
次に、移動体座標系の原点Ｇ１から特徴点Ｃへ延びる移動時位置ベクトルｔｒｃが、移動時位置ベクトルｔｒｂ、ｔｒｄ、ｔｒｅを使って以下のように算出される（ステップＳ１０３）。
【００３１】
この際、図５に示されるように、下肢モデルの中足骨関節Ｓ３には、ローカル座標系となる中足骨関節座標系が定義される。この中足骨関節座標系は、特徴点Ｄを原点Ｇ３として相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる。ここで、原点Ｇ３から特徴点Ｅを通る直線をＸ’軸とし、原点Ｇ３から予め設定した固定点Ｄ１を通る直線をＹ軸とし、Ｘ’軸とＹ軸との外積によってＺ軸を定義し、当該Ｚ軸とＹ軸との外積によってＸ軸を定義する。固定点Ｄ１は、第一中足骨頭点に相当する点であり、歩行者Ｈの歩行中でも、特徴点Ｄとの相対位置関係が一定になるように予め設定された定点で、特徴点Ｄとともに移動すると仮定される。従って、Ｙ軸は、中足骨関節の軸方向すなわち足の横方向に沿う軸線となる。
【００３２】
先ず、前述のように求めた測定開始前状態の特徴点Ｂ，Ｃ，Ｄの初期位置ベクトルｔｒｐから、特徴点ＢＣ間の距離ｌＳと特徴点ＣＤ間の距離ｌｈとが算出されてメモリに記憶される。これら距離ｌＳ，ｌｈは、前述した下肢モデルの構造上、歩行中でも常に一定となる。また、先に求めた特徴点Ｄへの移動時位置ベクトルｔｒｄに基づき、移動体座標系の原点Ｇ１から固定点Ｄ１に延びる移動時位置ベクトルｔｒｄ１が求められる。
【００３３】
次に、中足骨関節座標系の原点Ｇ３から特徴点Ｃに延びるローカル位置ベクトルｍｅｃは、次の通りとなる。
【数８】
ここで、θは、中足骨関節座標系のＺ軸とローカル位置ベクトルｍｅｃのなす角度であり、θは、次式で求められる。なお、以下では、θの解が二つ得られる場合があるが、足首の構造から小さい方の値が選択される。
【数９】
上式（９）では、中足骨関節座標系における特徴点Ｂの座標（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）が代入されるが、当該座標（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）は、先に求めた移動体座標系における特徴点Ｂへの移動時位置ベクトルｔｒｂが、次式により中足骨関節座標系における特徴点Ｂへのローカル位置ベクトルｍｅｂに変換されることで求められる。
【数１０】
ここで、ｔｒＴｍｅは、中足骨関節座標系における位置ベクトルを移動体座標系における位置ベクトルに変換する座標変換マトリクスであり、移動体座標系における中足骨関節座標系のＸ軸基底ベクトルをｉ、同Ｙ軸基底ベクトルをｊ、同Ｚ軸基底ベクトルをｋ、同Ｘ’軸基底ベクトルをｉ’、移動体座標系から中足骨関節座標系への平行移動マトリクスをｔとしたときに、次式の通りとなる。
【数１１】
【００３４】
そして、以上で求めたローカル位置ベクトルｍｅｃから、上式（１１）による変換マトリクスｔｒＴｍｅを用いた次式により、特徴点Ｂの移動時位置ベクトルｔｒｃが算出される。
【数１２】
【００３５】
最後に、移動体座標系の各移動時位置ベクトルｔｒｐ（ｔｒａ、ｔｒｂ、ｔｒｃ、ｔｒｄ、ｔｒｅ）は、次式により、移動体１１が移動を開始する前の移動体１１の所定部分を原点とするワールド座標系の移動時位置ベクトルＷｐに変換される（ステップＳ１０４）。
【数１３】
ここで、ＷＴｔｒは、移動体座標系の位置ベクトルをワールド座標系の位置ベクトルに変換するための変換マトリクスであり、次のように求められる。
【数１４】
上式（１４）のｘｔ、ｙｔは、歩行者Ｈが歩行を開始してからの時間ｔにおける原点Ｇ１のワールド座標系における平面位置を表す。また、θｔは、前記時間ｔにおける原点Ｇ１のワールド座標系のｚ軸回りの移動体１１の回転角度を表す。これら平面位置（ｘｔ、ｙｔ）と回転角度θｔは、前記エンコーダ２１の測定値に基づき、次式で求められる。ここでは、エンコーダ２１の測定値から求めた左右の各駆動輪１８，１８の角速度をωｌ、ωｒとし、各駆動輪１８，１８の間隔を予め記憶された一定値ｌとし、各駆動輪１８，１８の半径を予め記憶された一定値ｒとしている。
【数１５】
【００３６】
なお、ここでは、エンコーダ２１の測定値に基づき、前記平面位置ｘｔ、ｙｔと回転角度θｔを演算で求めているが、本発明はこれに限らず、ＧＰＳを使い、その測定値をそのまま適用することもできる。
【００３７】
以上のように、ワールド座標系に変換された特徴点Ａ〜Ｅの移動時位置ベクトルＷｐが一定時間毎にそれぞれ求められると、当該移動時位置ベクトルＷｐから、ワールド座標系における特徴点Ａ〜Ｅの三次元座標がそれぞれ求められる。これら特徴点Ａ〜Ｅの三次元座標は、当該各座標を直線で結ぶ解析ソフトウェアに入力されることで、測定時間毎に、歩行者Ｈの下肢Ｋの状態を表す模擬脚線が形成され、当該模擬脚線を図示しないモニター等で時系列的に表示することで、歩行者Ｈの下肢の動きを定量的に把握することができる。
【００３８】
なお、前記移動体１１は、キャスター１７及び駆動輪１８からなる車輪の回転で移動するが、キャタビラーや脚体等による移動構造に代替することもできる。また、駆動装置としては、本体１６に駆動力を与えることができる限り、他のアクチュエータに代替してもよい。
【００３９】
また、前記実施形態では、前記移動体１１が歩行者Ｈの後方に自動追従しているが、本発明はこれに限らず、移動体１１が歩行者Ｈの側方や前方に自動追従させるようにしてもよい。
【００４０】
更に、移動制御手段３４を省略し、歩行者Ｈやその他の者の操作によって移動体１１を手動又は自動で動かすようにしてもよい。但し、前記実施形態のようにすることで、移動体１１の操作が不要になり、歩行者Ｈの下肢Ｋの動きを簡単に測定することができる。
【００４１】
また、前記位置姿勢センサ１３及び特徴点算出手段３４を含む機器は、歩行者Ｈが携帯或いは装着できるサイズ及び重量である場合、歩行者Ｈが保持することにより、移動体１１に搭載しなくても良く、この場合には、移動体１１及び移動制御手段３４を省略することができる。
【００４２】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態に係る移動式歩行計測装置の概略システム構成図。
【図２】移動制御手段による制御を説明するための移動体の概念的な平面図。
【図３】下肢モデルを説明するための概念図。
【図４】特徴点算出手段での処理手順を表すフローチャート。
【図５】中足骨関節座標系を使った処理を説明するための図。
【符号の説明】
【００４４】
１０ 移動式歩行制御装置
１１ 移動体
１２ 位置姿勢センサ
２０ モータ（駆動装置）
３４ 移動制御手段
３５ 特徴点算出手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は歩行計測装置に係り、更に詳しくは、歩行者の歩行に伴う下肢の動きを把握するための歩行計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢化により生じる歩行機能の低下を未然に把握し、このような機能低下防止のトレーニング等を効果的に行うためには、適正な歩行評価が必要になる。また、高齢化や疾病により歩行障害が生じた場合には、適正な歩行評価を行った上で、適切なリハビリテーションを行う必要がある。以上の歩行評価は、医師や理学療法士が対象者（患者）を目視観察して行われるが、各医師や理学療法士の感覚に頼る部分が大きく、視者によって評価結果が異なる場合がある。
【０００３】
ところで、特許文献１には、被験者となる歩行者の足部の動きを計測可能な歩行解析システムが開示されている。この歩行解析システムは、歩行者の足部に装着されて当該足部の加速度データや角速度データを測定した上で無線出力するセンサと、このセンサからのデータを受信するアクセスポイントと、当該アクセスポイントからネットワークを通じて前記データが入力され、当該データから歩行者の歩行速度等のリハビリテーション用解析項目を求める歩行解析装置とからなる。
【特許文献１】特開２００８−１６１２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記歩行解析システムにあっては、リハビリテーション用解析項目として、足部のストライド長、ステップ長、歩行速度等を求めるに過ぎないことから、歩行者の下肢全体の動きを定量的に求めることができず、下肢全体の動きの評価は、依然として医師や理学療法士の目視観察に頼らざるを得ないという問題がある。また、前記歩行解析システムでは、センサからのデータがネットワークを通じて歩行解析装置に送信される構造であるため、センサからのデータを送受信可能な領域範囲でしか利用することができず、どこでも自由に利用できないという問題もある。更に、前記歩行解析システムでは、前記センサを足部のみならず脚部の複数箇所に付けると、データ通信量が増大するため、データ通信を効率良く、且つ、瞬時に行うための別の機能を付加しなければならず、システム構成が大掛かりになってしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題に着目して案出されたものであり、その目的は、簡単な装置構成で、設置場所を問わずに歩行者の下肢の動きを定量的に求めることができる歩行計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）前記目的を達成するため、本発明は、歩行者とともに移動しながら歩行者の下肢の動きを計測する歩行計測装置であって、
前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出する、という構成を採っている。
【０００７】
（２）また、本発明は、歩行者に自動的に追従しながら当該歩行者の下肢の動きを計測する歩行計測装置であって、
装置全体を駆動装置によって自律移動させる移動体と、前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、当該位置姿勢センサの測定値から、前記歩行者との相対位置関係を予め設定した一定状態に維持するように前記駆動装置の動作を制御する移動制御手段と、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出する、という構成を採ることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、下肢の状態を特定するのに必要となる複数の特徴点の位置が一定時間毎に測定されることになるため、各測定時間において、得られた各特徴点の位置を順に結ぶことで、時間毎の下肢の状態を得ることができ、当該下肢状態を時系列的に並べて対比することで、下肢の動きを定量的に求めることができる。また、本発明の歩行計測装置では、歩行者とともに移動しながら当該歩行者の下肢の動きを計測するため、インターネット等のネットワーク通信等の通信環境が不要となり、簡単な装置構成により、屋内屋外問わずに通信環境が整わない場所でも、歩行者の下肢の動きを求めることができる。更に、下肢の状態を特定するのに必要となる複数の特徴点全部にセンサを取り付ける必要がなく、大腿部及び爪先部の最低二箇所の位置姿勢をセンシングすることで、各特徴点の位置を求めることができる。このため、データの複雑なやり取りが不要となるばかりか、前記特徴点として挙げられる関節部分にセンサを取り付ける必要がなくなるため、当該センサによる歩行者への歩行負担を低減することができる。しかも、センサを固定し易い大腿部及び爪先部にセンサを取り付ければ良いことから、歩行中のセンサの不意な脱落を防止することもできる。この結果、簡単な装置構成で下肢のデータを確実に取得することができる。
【０００９】
特に、前記（２）のように構成することで、歩行者に自動追従しながら、歩行者の下肢の動きを求めることができるため、位置姿勢センサの本体や特徴点算出手段等を構成する機器が大型であり、当該機器を歩行者の身体の一部に取り付けできないような場合でも、歩行者や他の者が前記機器を歩行者の歩行とともに人為的に移動させる必要がなく、このような手間を掛けずに下肢の動きを求めることができる。また、歩行者の歩行動作を測定するための位置姿勢センサの測定値を使って、移動体の自動追従制御も行われることになるため、当該自動追従制御用として新たなセンサ等を歩行者に取り付ける必要がなく、当該自動追従制御に伴う装置構成の大型化や複雑化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１には、本実施形態に係る移動式の歩行計測装置の概略構成図が示されている。この図において、歩行計測装置１０は、装置全体を移動させる移動体１１と、移動体１１に搭載された位置姿勢センサ１３及び計測制御機器１４とを備えて構成されている。
【００１２】
前記移動体１１は、計測制御機器１４による後述の動作制御によって、被験者となる歩行者Ｈの歩行に伴い、当該歩行者Ｈの後方で自動的に追従可能となるように自律移動する。この移動体１１は、位置姿勢センサ１３及び計測制御機器１４が配置された本体１６と、本体１６の底部の前側左右二箇所に回転可能に支持されたキャスター１７，１７と、本体１６の底部の後側左右二箇所に回転可能に支持された駆動輪１８，１８と、左右両側の駆動輪１８，１８をそれぞれ独立して駆動させる駆動装置としてのモータ２０と、左右両側の各駆動輪１８，１８の回転角度を測定するエンコーダ２１とを備えて構成されている。
【００１３】
前記位置姿勢センサ１３は、歩行者Ｈの下肢Ｋに存在する所定点の三次元位置・姿勢を測定可能なセンサであり、本実施形態では、公知の磁気センサが用いられている。この位置姿勢センサ１３は、本体１６に固定されて交流磁場を発生させるトランスミッタ２２と、トランスミッタ２２で本体１６周辺に発生した交流磁場に応じて電流を発生するコイルからなるレシーバ２３（マーカ）と、本体１６に固定されるとともに、レシーバ２３からの電流に応じて当該レシーバ２３の三次元位置・姿勢を特定するセンサ本体２５とからなる。
【００１４】
前記レシーバ２３は、歩行者Ｈに装着されて当該装着部位の位置及び姿勢を測定するための装着用レシーバ２７と、事前の設定に使用される初期設定用レシーバ２８とが存在する。装着用レシーバ２７は、歩行者Ｈの左右の大腿部Ｋ１と左右の爪先部Ｋ４とにベルト等の装着具３０で着脱自在に装着される。初期設定用レシーバ２８は、後述するように、歩行者Ｈが歩行を開始する前の静止状態で、歩行者Ｈの下肢Ｋに設定された複数の特徴点Ａ〜Ｅの位置及び姿勢を測定する際に用いられる。これら各レシーバ２７，２８は、それぞれで発生した電流がケーブル３２を通じてセンサ本体２５に伝送するようになっている。なお、以下の説明において、大腿部Ｋ１に取り付けられた装着用レシーバ２７の装着点を「大腿部測定点Ｐ１」と称し、爪先部Ｋ４に取り付けられた装着用レシーバ２７の装着点を「爪先部測定点Ｐ２」と称する。また、以上の装着用レシーバ２７及び初期設定用レシーバ２８で検出される位置及び姿勢は、移動体１１に取り付けられたトランスミッタ２２の所定位置を原点Ｇ１とする位置姿勢センサ１３の座標系における位置及び姿勢であり、以下、当該座標系を「移動体座標系」と称する。ここで、移動体座標系は、直交三軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）とし、以下、特に明示しない限り、移動体座標系における座標を（ｘ，ｙ，ｚ）と表し、ｚ軸回りの回転角Ａ、ｙ軸回りの回転角Ｅ、ｘ軸回りの回転角Ｒとし、移動体座標系における姿勢を（Ａ，Ｅ，Ｒ）と表す。
【００１５】
なお、ここでの位置姿勢センサ１３は、公知のセンサを用いており、その構成や構造は、本発明の本質ではないことから、詳細な説明を省略する。また、位置姿勢センサ１３としては、歩行者の大腿部Ｋ１及び爪先部Ｋ４の三次元位置・姿勢を測定可能なセンサであれば何でも良く、無線式等の他の磁気センサや光学式センサを用いることも可能である。但し、磁気センサを用いた方が、遮蔽物等が存在する等、計測環境が変化する屋外等で使用しても、より高精度に大腿部Ｋ１及び爪先部Ｋ４の三次元位置・姿勢を測定することができる。
【００１６】
前記計測制御機器１４は、ＣＰＵボード、シリアルボード、カウンタボード、ＤＡボード、モータドライバー、メモリ等からなるコンピュータによって構成され、複数のプログラムモジュール及び／又は処理回路より成り立っている。
【００１７】
この計測制御機器１４は、位置姿勢センサ１３の測定値から、歩行者Ｈとの相対位置関係を予め設定した一定状態に維持するようにモータ２０の動作を制御する移動制御手段３４と、予め仮定した下肢モデルに基づく演算式に所定時間毎に検出した位置姿勢センサ１３の測定値を代入することで、前記特徴点Ａ〜Ｅの位置を演算で求める特徴点算出手段３５とを備えている。
【００１８】
前記移動制御手段３４は、以下のようにモータ２０を動作制御する。先ず、歩行者Ｈが歩行を開始する初期時（図２（Ａ））に、歩行者Ｈの後方に位置する移動体１１に取り付けられたセンサ本体２５により、前記移動体座標系における左右両側の大腿部測定点Ｐ１，Ｐ１の位置が検出され、これら各測定点Ｐ１，Ｐ１の中点の位置が算出される。当該中点の位置は、歩行者Ｈを基準とした座標系（以下、「歩行者座標系」と称する。）の原点Ｇ２とされる。そして、歩行者座標系の原点Ｇ２から移動体座標系の原点Ｇ１に延びる位置ベクトルＨｐが求められる。位置ベクトルＨｐは、移動中一定となるように記憶される。なお、位置ベクトルＨｐは、一定値を予め記憶しておいてもよい。
【００１９】
そして、所定時間後、歩行者Ｈが移動したときに（図２（Ｂ））には、歩行者座標系の原点Ｇ２から延びる一定の前記位置ベクトルＨｐが達する地点が、一瞬、移動体座標系の原点Ｇ１から外れ、この地点が移動体１１の移動目標地点Ｍとなる。このとき、センサ本体２５により、移動体座標系における左右両側の大腿部測定点Ｐ１，Ｐ１の位置及び姿勢が検出され、これら各測定点Ｐ１，Ｐ１の中点となる原点Ｇ２について、移動体座標系における平面位置が算出されるとともに、移動体座標系における上下方向（同図中紙面直交方向）となるｚ軸回りの回転角が算出される。
【００２０】
次に、移動体座標系の原点Ｇ１から移動目標地点Ｍへの位置ベクトルＥｐが、以下の演算式を使って算出される。
【数１】
ここで、位置ベクトルＨｐは、前述したように、移動体１１の静止状態で予め記憶された一定値であり、変換マトリクスＥＴＨは、前述のように算出された原点Ｇ２の平面位置（ｘ，ｙ）及びｚ軸回りの回転角Ａから、次式で求められる。
【数２】
【００２１】
そして、上式で求めた位置ベクトルＥｐの大きさと移動体座標系のｙ軸（図２（Ｂ）中上下方向）とのなす角θを内積によって求め、次式により、左右両側の駆動輪１８，１８の平均角速度ωと、移動体１１の左右方向の回転（ステアリング）に必要となる左右両側の駆動輪１８，１８の差分速度ωｓとが算出される。
【数３】
なお、以上において、ＫとＫｓは、実験により算出された比例定数である。
更に、平均角速度ωから差分速度ωｓを減算することで、左側の駆動輪１８の角速度ω１が決定される一方、平均角速度ωに差分速度ωｓを加算することで、右側の駆動輪１８の角速度ω２が決定される。
【００２２】
以上で求められた角速度ω１，ω２で各駆動輪１８，１８が回転するように、モータ２０の駆動が制御される。この結果、移動体１１は、自律移動して移動目標地点Ｍに到達し、歩行者Ｈの歩行に自動的に追従して、当該歩行者Ｈの後方の一定位置に移動することになる。なお、この移動制御は、移動体１１の追従性を損ねない程度に一定時間毎に行われる。
【００２３】
前記特徴点算出手段３５では、次のように歩行者Ｈの歩行中の特徴点Ａ〜Ｅの位置（座標）が求められる。この特徴点Ａ〜Ｅは、下肢Ｋの状態を特定するのに必須となる左右両側の下肢Ｋの五箇所にそれぞれ設定され、これら特徴点Ａ〜Ｅを順に直線で結ぶと実際の下肢Ｋの状態に沿う模擬脚線が得られる。ここで、図１に示されるように、特徴点Ａは、大腿骨の一部位である大転子であり、特徴点Ｂは、膝関節中心付近となる大腿骨外側顆（膝外側点）であり、特徴点Ｃは、足関節付近となるくるぶし部分（踝点）であり、特徴点Ｄは、中足骨関節付近となる足部で最も外側に張り出している部位（第五中足骨頭点）であり、特徴点Ｅは、足部で最も前側に張り出している部位（第一末節骨先端）である。
【００２４】
そして、前記下肢モデルとして、図３に示されるように、片方の下肢Ｋを大腿部Ｋ１、下腿部Ｋ２、後足部Ｋ３、爪先部Ｋ４の四つの剛体で構成されていると考える。そこで、特徴点Ａ、特徴点Ｂが大腿部Ｋ１の剛体上に存在し、特徴点Ｄ、特徴点Ｅが爪先部Ｋ４の剛体上に存在していると仮定する。また、大腿部Ｋ１と下腿部Ｋ２の間は、これらを直交三軸回りに相対回転可能にする三自由度の膝関節Ｓ１で連結され、下腿部Ｋ２と後足部Ｋ３の間は、同三自由度の足関節Ｓ２で連結され、後足部Ｋ３及び爪先部Ｋ４の間は、爪先部Ｋ４を後足部Ｋ３に対して上下方向にのみ回転可能にする一自由度の中足骨関節Ｓ３で構成されていると考える。
【００２５】
そこで、特徴点算出手段３５では、先ず、大腿部測定点Ｐ１を原点としたローカル座標系において当該大腿部測定点Ｐ１から特徴点Ａ、特徴点Ｂにそれぞれ延びる剛体内位置ベクトルｔｈｐと、爪先部測定点Ｐ２を原点としたローカル座標系において当該爪先部測定点Ｐ２から特徴点Ｄ、特徴点Ｅにそれぞれ延びる剛体内位置ベクトルｔｈｐとが算出される。これら剛体内位置ベクトルｔｈｐは、大腿部測定点Ｐ１と特徴点Ａ、特徴点Ｂとの相対位置関係、及び爪先部測定点Ｐ２と特徴点Ｄ、特徴点Ｅとの相対位置関係が歩行中も変わらないため、歩行者Ｈが歩行中であっても常に一定である。また、歩行者Ｈが歩行中のときは、大腿部Ｋ１及び爪先部Ｋ２に装着用レシーバ２７が装着され、大腿部測定点Ｐ１と爪先部測定点Ｐ２の三次元位置・姿勢が測定されるため、これら測定値と、一定となる前記剛体内の位置ベクトルｔｈｐとから、歩行中における特徴点Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅの座標が算出され、当該座標から、歩行中における残りの特徴点Ｃの座標が算出されることになる。当該算出手順につき、図４のフローチャートを用いながら以下に詳述する。
【００２６】
先ず、歩行者Ｈが歩行を開始する前の静止状態（以下、「測定開始前状態」と称する。）において、各剛体内位置ベクトルｔｈｐが次のように求められる（ステップＳ１０１）。
【００２７】
この際に用いられる前記初期測定用レシーバ２８には、図１に示されるように、棒状体３７が取り付けられており、医師や理学療法士等が、測定対象となる歩行者Ｈの左右両側の下肢Ｋにおける特徴点Ａ〜Ｅに相当する部位を目視等で特定し、当該各部位に棒状体３７の先端をそれぞれ接触させることで、移動体１１のセンサ本体２５で、各接触時における初期測定用レシーバ２８の移動体座標系における三次元位置・姿勢がそれぞれ検出される。そして、次式により、移動体座標系の原点Ｇ１から各特徴点Ａ〜Ｅにそれぞれ延びる移動体座標系の初期位置ベクトルｔｒｐが求められる。
【数４】
ここで、ｒｅｐは、初期測定用レシーバ２８の所定部位を原点としたローカル座標系において、当該原点から棒状体３７の先端に延びる位置ベクトルであり、予め設定された一定値となっている。また、ｔｒＴｒｅは、初期測定用レシーバ２８からの測定に基づく座標変換マトリクスであり、特徴点Ａ〜Ｅそれぞれに棒状体３７の先端が接触したときの各初期測定用レシーバ２８の三次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ，Ｅ，Ｒ）から、各特徴点Ａ〜Ｅそれぞれの場合について次式で求められる。
【数５】
【００２８】
次に、歩行者Ｈが静止状態のままで、装着用レシーバ２３により、大腿部測定点Ｐ１及び爪先部測定点Ｐ２の位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）がそれぞれ検出され、当該位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）を使い、先に求めた特徴点Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ点の初期位置ベクトルｔｒｐから、次式により、各剛体内位置ベクトルｔｈｐが求められる。
【数６】
ここで、ｔｒＴｔｈは、装着用レシーバ２３からの測定に基づく座標変換マトリクスであり、前述した座標変換マトリクスｔｒＴｒｅの式と同一の上式（５）で求められる。すなわち、特徴点Ａへの剛体内位置ベクトルｔｈｐは、大腿部Ｋ１に装着された装着用レシーバ２７で検出された三次元の位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）を上式（５）に代入して座標変換マトリクスｔｒＴｔｈを特定し、特徴点Ａの初期位置ベクトルｔｒｐを上式（６）に代入することで求められる。また、特徴点Ｂへの剛体内位置ベクトルｔｈｐも、特徴点Ａと同様に求められる。一方、特徴点Ｄへの剛体内位置ベクトルｔｈｐは、爪先部Ｋ４に装着された装着用レシーバ２７で検出された三次元の位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）と、特徴点Ｄの初期位置ベクトルｔｒｐとにより、特徴点Ａ、Ｂの場合と同様に求められる。また、特徴点Ｅへの剛体内位置ベクトルｔｈｐも、特徴点Ｄと同様に求められる。
【００２９】
その後、歩行者Ｈが移動を開始し、一定時間毎に、装着用レシーバ２７により、大腿部測定点Ｐ１及び爪先部測定点Ｐ２の位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）がそれぞれ検出される。この際、当該検出された位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）と、先に求めた一定の各剛体内位置ベクトルｔｈｐとを使い、以下の式から、歩行中における移動体座標系の原点Ｇ１から特徴点Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅにそれぞれ延びる移動時位置ベクトルｔｒｐが、前記一定時間毎に求められる（ステップＳ１０２）。
【数７】
すなわち、ここでは、特徴点Ａへの移動時位置ベクトルｔｒｐ（以下、「移動時位置ベクトルｔｒａ」と称する。）を求める際には、対応する大腿部Ｋ１に装着された装着用レシーバ２７で検出された三次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）を上式（５）に代入し、座標変換マトリクスｔｒＴｔｈを特定し、特徴点Ａへの剛体内位置ベクトルｔｈｐを上式（７）に代入することで求められる。また、特徴点Ｂへの移動時位置ベクトルｔｒｐ（以下、「移動時位置ベクトルｔｒｂ」と称する。）も、特徴点Ａと同様に求められる。一方、特徴点Ｄへの移動時位置ベクトルｔｒｐ（以下、「移動時位置ベクトルｔｒｄ」と称する。）を求める際には、対応する爪先部Ｋ４に装着された装着用レシーバ２７で検出された三次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び姿勢（Ａ、Ｅ、Ｒ）と、特徴点Ｄへの剛体内位置ベクトルｔｈｐとにより、特徴点Ａ、Ｂの場合と同様に求められる。また、特徴点Ｅへの移動時位置ベクトルｔｒｐ（以下、「移動時位置ベクトルｔｒｅ」と称する。）も、特徴点Ｄと同様に求められる。
【００３０】
次に、移動体座標系の原点Ｇ１から特徴点Ｃへ延びる移動時位置ベクトルｔｒｃが、移動時位置ベクトルｔｒｂ、ｔｒｄ、ｔｒｅを使って以下のように算出される（ステップＳ１０３）。
【００３１】
この際、図５に示されるように、下肢モデルの中足骨関節Ｓ３には、ローカル座標系となる中足骨関節座標系が定義される。この中足骨関節座標系は、特徴点Ｄを原点Ｇ３として相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる。ここで、原点Ｇ３から特徴点Ｅを通る直線をＸ’軸とし、原点Ｇ３から予め設定した固定点Ｄ１を通る直線をＹ軸とし、Ｘ’軸とＹ軸との外積によってＺ軸を定義し、当該Ｚ軸とＹ軸との外積によってＸ軸を定義する。固定点Ｄ１は、第一中足骨頭点に相当する点であり、歩行者Ｈの歩行中でも、特徴点Ｄとの相対位置関係が一定になるように予め設定された定点で、特徴点Ｄとともに移動すると仮定される。従って、Ｙ軸は、中足骨関節の軸方向すなわち足の横方向に沿う軸線となる。
【００３２】
先ず、前述のように求めた測定開始前状態の特徴点Ｂ，Ｃ，Ｄの初期位置ベクトルｔｒｐから、特徴点ＢＣ間の距離ｌＳと特徴点ＣＤ間の距離ｌｈとが算出されてメモリに記憶される。これら距離ｌＳ，ｌｈは、前述した下肢モデルの構造上、歩行中でも常に一定となる。また、先に求めた特徴点Ｄへの移動時位置ベクトルｔｒｄに基づき、移動体座標系の原点Ｇ１から固定点Ｄ１に延びる移動時位置ベクトルｔｒｄ１が求められる。
【００３３】
次に、中足骨関節座標系の原点Ｇ３から特徴点Ｃに延びるローカル位置ベクトルｍｅｃは、次の通りとなる。
【数８】
ここで、θは、中足骨関節座標系のＺ軸とローカル位置ベクトルｍｅｃのなす角度であり、θは、次式で求められる。なお、以下では、θの解が二つ得られる場合があるが、足首の構造から小さい方の値が選択される。
【数９】
上式（９）では、中足骨関節座標系における特徴点Ｂの座標（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）が代入されるが、当該座標（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）は、先に求めた移動体座標系における特徴点Ｂへの移動時位置ベクトルｔｒｂが、次式により中足骨関節座標系における特徴点Ｂへのローカル位置ベクトルｍｅｂに変換されることで求められる。
【数１０】
ここで、ｔｒＴｍｅは、中足骨関節座標系における位置ベクトルを移動体座標系における位置ベクトルに変換する座標変換マトリクスであり、移動体座標系における中足骨関節座標系のＸ軸基底ベクトルをｉ、同Ｙ軸基底ベクトルをｊ、同Ｚ軸基底ベクトルをｋ、同Ｘ’軸基底ベクトルをｉ’、移動体座標系から中足骨関節座標系への平行移動マトリクスをｔとしたときに、次式の通りとなる。
【数１１】
【００３４】
そして、以上で求めたローカル位置ベクトルｍｅｃから、上式（１１）による変換マトリクスｔｒＴｍｅを用いた次式により、特徴点Ｂの移動時位置ベクトルｔｒｃが算出される。
【数１２】
【００３５】
最後に、移動体座標系の各移動時位置ベクトルｔｒｐ（ｔｒａ、ｔｒｂ、ｔｒｃ、ｔｒｄ、ｔｒｅ）は、次式により、移動体１１が移動を開始する前の移動体１１の所定部分を原点とするワールド座標系の移動時位置ベクトルＷｐに変換される（ステップＳ１０４）。
【数１３】
ここで、ＷＴｔｒは、移動体座標系の位置ベクトルをワールド座標系の位置ベクトルに変換するための変換マトリクスであり、次のように求められる。
【数１４】
上式（１４）のｘｔ、ｙｔは、歩行者Ｈが歩行を開始してからの時間ｔにおける原点Ｇ１のワールド座標系における平面位置を表す。また、θｔは、前記時間ｔにおける原点Ｇ１のワールド座標系のｚ軸回りの移動体１１の回転角度を表す。これら平面位置（ｘｔ、ｙｔ）と回転角度θｔは、前記エンコーダ２１の測定値に基づき、次式で求められる。ここでは、エンコーダ２１の測定値から求めた左右の各駆動輪１８，１８の角速度をωｌ、ωｒとし、各駆動輪１８，１８の間隔を予め記憶された一定値ｌとし、各駆動輪１８，１８の半径を予め記憶された一定値ｒとしている。
【数１５】
【００３６】
なお、ここでは、エンコーダ２１の測定値に基づき、前記平面位置ｘｔ、ｙｔと回転角度θｔを演算で求めているが、本発明はこれに限らず、ＧＰＳを使い、その測定値をそのまま適用することもできる。
【００３７】
以上のように、ワールド座標系に変換された特徴点Ａ〜Ｅの移動時位置ベクトルＷｐが一定時間毎にそれぞれ求められると、当該移動時位置ベクトルＷｐから、ワールド座標系における特徴点Ａ〜Ｅの三次元座標がそれぞれ求められる。これら特徴点Ａ〜Ｅの三次元座標は、当該各座標を直線で結ぶ解析ソフトウェアに入力されることで、測定時間毎に、歩行者Ｈの下肢Ｋの状態を表す模擬脚線が形成され、当該模擬脚線を図示しないモニター等で時系列的に表示することで、歩行者Ｈの下肢の動きを定量的に把握することができる。
【００３８】
なお、前記移動体１１は、キャスター１７及び駆動輪１８からなる車輪の回転で移動するが、キャタビラーや脚体等による移動構造に代替することもできる。また、駆動装置としては、本体１６に駆動力を与えることができる限り、他のアクチュエータに代替してもよい。
【００３９】
また、前記実施形態では、前記移動体１１が歩行者Ｈの後方に自動追従しているが、本発明はこれに限らず、移動体１１が歩行者Ｈの側方や前方に自動追従させるようにしてもよい。
【００４０】
更に、移動制御手段３４を省略し、歩行者Ｈやその他の者の操作によって移動体１１を手動又は自動で動かすようにしてもよい。但し、前記実施形態のようにすることで、移動体１１の操作が不要になり、歩行者Ｈの下肢Ｋの動きを簡単に測定することができる。
【００４１】
また、前記位置姿勢センサ１３及び特徴点算出手段３４を含む機器は、歩行者Ｈが携帯或いは装着できるサイズ及び重量である場合、歩行者Ｈが保持することにより、移動体１１に搭載しなくても良く、この場合には、移動体１１及び移動制御手段３４を省略することができる。
【００４２】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態に係る移動式歩行計測装置の概略システム構成図。
【図２】移動制御手段による制御を説明するための移動体の概念的な平面図。
【図３】下肢モデルを説明するための概念図。
【図４】特徴点算出手段での処理手順を表すフローチャート。
【図５】中足骨関節座標系を使った処理を説明するための図。
【符号の説明】
【００４４】
１０ 移動式歩行制御装置
１１ 移動体
１２ 位置姿勢センサ
２０ モータ（駆動装置）
３４ 移動制御手段
３５ 特徴点算出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行者とともに移動しながら歩行者の下肢の動きを計測する歩行計測装置であって、
前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出することを特徴とする歩行計測装置。
【請求項２】
歩行者に自動的に追従しながら当該歩行者の下肢の動きを計測する歩行計測装置であって、
装置全体を駆動装置によって自律移動させる移動体と、前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、当該位置姿勢センサの測定値から、前記歩行者との相対位置関係を予め設定した一定状態に維持するように前記駆動装置の動作を制御する移動制御手段と、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出することを特徴とする歩行計測装置。
【請求項１】
歩行者とともに移動しながら歩行者の下肢の動きを計測する歩行計測装置であって、
前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出することを特徴とする歩行計測装置。
【請求項２】
歩行者に自動的に追従しながら当該歩行者の下肢の動きを計測する歩行計測装置であって、
装置全体を駆動装置によって自律移動させる移動体と、前記歩行者の大腿部及び爪先部の三次元位置・姿勢を測定する位置姿勢センサと、当該位置姿勢センサの測定値から、前記歩行者との相対位置関係を予め設定した一定状態に維持するように前記駆動装置の動作を制御する移動制御手段と、前記下肢の状態を特定するために当該下肢内に複数設定された特徴点の位置を所定時間毎に求める特徴点算出手段とを備え、
前記特徴点算出手段では、予め定めた下肢モデルに基づく演算式に前記位置姿勢センサの測定値を代入することで、前記各特徴点の位置を前記所定時間毎に算出することを特徴とする歩行計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１３１０８５（Ｐ２０１０−１３１０８５Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０７９９７（Ｐ２００８−３０７９９７）
【出願日】平成２０年１２月２日（２００８．１２．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２０年６月５日〜７日 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門主催の「ロボティクス・メカトロニクス講演会２００８」において文書をもって発表
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２日（２００８．１２．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２０年６月５日〜７日 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門主催の「ロボティクス・メカトロニクス講演会２００８」において文書をもって発表
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
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