JP2015087175A - Forward motion acceleration calculation method, apparatus and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、人の前進運動を評価するために、人に装着した加速度センサ(sensor)の出力に基づいて当該人の前進運動によって生じる加速度を求める技術に関する。 The present invention relates to a technique for determining an acceleration generated by a forward movement of a person based on an output of an acceleration sensor attached to the person in order to evaluate the forward movement of the person.
従来、医療施設や介護施設等において、歩行障害を持つ患者に対するリハビリテーション(rehabilitation)が行われている。このリハビリテーションでは、一般的に、患者に適した歩行訓練プログラム(program)を作成したり、患者の回復レベル(level)を把握したりするために、理学療法士などの指導員が、患者の歩行状態を繰り返し評価する。 Conventionally, rehabilitation for patients with gait disorders has been performed in medical facilities, nursing homes, and the like. In this rehabilitation, an instructor, such as a physical therapist, generally creates a gait training program (program) that is appropriate for the patient and understands the patient's recovery level. Is repeatedly evaluated.
近年、患者の歩行状態を客観的かつ定量的に評価できるよう、患者に加速度センサを取り付け、患者の歩行中における加速度センサの出力から患者の歩行によって生じる各方向での加速度を測定し、これらの加速度を画像化して表示する方法が種々提案されている。 In recent years, an acceleration sensor is attached to the patient so that the patient's walking state can be objectively and quantitatively evaluated, and the acceleration in each direction caused by the patient's walking is measured from the output of the acceleration sensor during the patient's walking. Various methods for imaging and displaying the acceleration have been proposed.
加速度センサには、通常、3軸加速度センサを用いる。一般的な3軸加速度センサは、センサ本体を基準にした3次元直交座標系におけるx,y,zの3軸方向の各々について加速度を計測し、その加速度データ(data)を出力する。実空間の3次元直交座標系における患者の左右方向、水平進行方向(前後方向)及び鉛直方向(上下方向)の加速度は、上記3軸方向の加速度データに基づいて求められる。 As the acceleration sensor, a triaxial acceleration sensor is usually used. A general three-axis acceleration sensor measures acceleration in each of the three axis directions of x, y, and z in a three-dimensional orthogonal coordinate system with the sensor body as a reference, and outputs the acceleration data (data). The acceleration in the left-right direction, horizontal traveling direction (front-rear direction), and vertical direction (up-down direction) of the patient in the real space three-dimensional orthogonal coordinate system is obtained based on the acceleration data in the three-axis directions.
ところで、加速度センサは、原理上、加速度センサに作用するすべての加速度を計測する。すなわち、加速度センサは、患者自身の歩行等の動作によって生じる加速度だけでなく、重力によって生じる加速度(重力加速度)が合成された加速度を計測する。したがって、加速度センサから出力された加速度データに基づいて歩行による加速度を求める際に、この重力加速度を考慮して減算しないと、求めた加速度には無視できない誤差が含まれることになる。指導員が、このように誤差を含む加速度を参照した場合、患者の誤った動作の把握や指導につながる恐れがある。そのため、患者の歩行によって生じる加速度を求める際には、加速度センサによって直接得られた加速度から重力加速度の成分を減算して求めることが望ましい。 By the way, in principle, the acceleration sensor measures all accelerations acting on the acceleration sensor. That is, the acceleration sensor measures not only the acceleration caused by the patient's own walking or the like but also the acceleration obtained by combining the acceleration caused by gravity (gravity acceleration). Therefore, when the acceleration due to walking is obtained based on the acceleration data output from the acceleration sensor, if the gravity acceleration is not taken into consideration and subtracted, an error that cannot be ignored is included in the obtained acceleration. When the instructor refers to the acceleration including the error in this way, there is a possibility that it may lead to grasping or instructing the patient's erroneous motion. For this reason, when obtaining the acceleration caused by walking of the patient, it is desirable to subtract the gravitational acceleration component from the acceleration directly obtained by the acceleration sensor.
重力加速度は、鉛直方向下向きの一定の大きさの加速度である。一方、加速度センサ本体の姿勢は、患者の歩行動作によって随時変化する。そのため、加速度センサ本体を基準にした座標系において、加速度センサに対して重力加速度が作用する向きも随時変化する。つまり、加速度センサから出力される加速度データには、向きが随時変化する重力加速度の成分が常時含まれることになり、加速度センサによって直接得られた加速度から重力加速度の成分を精度よく減算することが難しい。 The gravitational acceleration is an acceleration of a certain magnitude in the vertical direction. On the other hand, the posture of the acceleration sensor body changes as needed depending on the walking motion of the patient. Therefore, in the coordinate system based on the acceleration sensor body, the direction in which the gravitational acceleration acts on the acceleration sensor also changes as needed. In other words, the acceleration data output from the acceleration sensor always includes a gravitational acceleration component whose direction changes from time to time, and the gravitational acceleration component can be accurately subtracted from the acceleration directly obtained by the acceleration sensor. difficult.
そこで、一般的には、患者に加速度センサと角速度センサ(ジャイロセンサ;gyro sensor)とを取り付け、これらのセンサの出力から加速度センサの座標系における各時刻での重力加速度の成分を特定し、加速度センサの出力を基に得られた加速度から、特定した重力加速度の成分を減算する方法を用いることが考えられる(特許文献1,要約等参照)。
Therefore, in general, an acceleration sensor and an angular velocity sensor (gyro sensor) are attached to the patient, and the components of gravitational acceleration at each time in the coordinate system of the acceleration sensor are specified from the output of these sensors, and the acceleration is performed. It is conceivable to use a method of subtracting the specified gravitational acceleration component from the acceleration obtained based on the sensor output (see
しかしながら、上記の方法では、加速度センサ以外に別のセンサが必要になるため、コスト(cost)高となる。また、患者に取り付けるセンサ類が大型化し、患者への身体的な負担が増大したり、センサ類の取り付け作業が煩雑になったりする。 However, in the above method, since another sensor is required in addition to the acceleration sensor, the cost is high. In addition, the sensors attached to the patient increase in size, increasing the physical burden on the patient, and complicating the attaching work of the sensors.
このような事情により、人に加速度センサ以外のハードウェア(hardware)を装着することなく、人の前進運動による加速度を高精度に求めることができる技術が望まれている。 Under such circumstances, there is a demand for a technology that can accurately determine acceleration due to a person's forward movement without attaching hardware other than the acceleration sensor to the person.
第1の観点の発明は、
当該加速度センサを基準とした直交座標系におけるx軸が人の左右方向と実質的に一致するよう該人に装着されており、該人の前進運動に伴って姿勢が変化する加速度センサから出力される前記前進運動中のz軸方向の加速度成分Az及びy軸方向の加速度成分Ayを取得するステップ(step)と、
取得された加速度成分Az及びAyと重力加速度gとにより特定される物理量の時間変化を表す波形を求め、該波形の振動成分として前記人の前進運動によって生じる鉛直方向の加速度成分azを算出するステップと、を備えた前進運動加速度算出方法を提供する。
The invention of the first aspect
The x-axis in the Cartesian coordinate system with reference to the acceleration sensor is attached to the person so that it substantially coincides with the left-right direction of the person, and is output from the acceleration sensor whose posture changes as the person moves forward. and step (step) for acquiring acceleration component a y of the acceleration component in the z-axis direction in the forward movement a z and y-axis direction that,
A waveform representing a time change of a physical quantity specified by the acquired acceleration components A z and A y and gravitational acceleration g is obtained, and a vertical acceleration component a z generated by the forward movement of the person is obtained as a vibration component of the waveform. A forward motion acceleration calculating method comprising: a calculating step;
第2の観点の発明は、
前記人の前進運動によって生じる鉛直方向の加速度成分az及び水平進行方向の加速度成分ayと、前記重力加速度gと、前記加速度センサから得られる前記z軸方向の加速度成分Az及びy軸方向の加速度成分Ayとの関係を表す下記の第1の数式
に基づいて、前記鉛直方向の加速度成分azを求める、上記第1の観点の前進運動加速度算出方法を提供する。
The invention of the second aspect is
The vertical acceleration component a z and the horizontal acceleration component a y generated by the forward movement of the person, the gravitational acceleration g, and the z-axis acceleration components A z and y-axis directions obtained from the acceleration sensor. The following first mathematical expression representing the relationship with the acceleration component A y of
Based on the above, there is provided a forward motion acceleration calculation method according to the first aspect, wherein the vertical acceleration component a z is obtained.
第3の観点の発明は、
時間tに対して振動しながら増大していく波形を表す前記第1の数式の左辺を求める第1のステップと、
前記第1のステップにて求められた前記第1の数式の左辺に基づいて、時間tに対して増大していく成分を表す前記第1の数式の右辺第1項を求める第2のステップと、
前記第2のステップにて求められた前記第1の数式の右辺第1項から前記第1のステップにて求められた前記第1の数式の左辺を減算して、振動する成分を表す前記第1の数式の右辺第2項を求める第3のステップと、
前記第3のステップにて求められた前記第1の数式の右辺第2項を2gで除した後、時間tで微分することにより、前記鉛直方向の加速度成分azを求める第4のステップとを備えた、上記第2の観点の前進運動加速度算出方法を提供する。
The invention of the third aspect is
A first step of obtaining a left side of the first mathematical expression representing a waveform increasing while oscillating with respect to time t;
A second step of obtaining a first term on the right side of the first mathematical expression representing a component increasing with respect to time t based on the left side of the first mathematical expression obtained in the first step; ,
Subtracting the left side of the first mathematical formula obtained in the first step from the first term on the right side of the first mathematical formula obtained in the second step, the first representing the vibration component A third step for obtaining the second term on the right-hand side of the formula of 1;
A fourth step for obtaining the vertical acceleration component a z by dividing the second term on the right side of the first mathematical formula obtained in the third step by 2 g and then differentiating it by time t; A forward motion acceleration calculation method according to the second aspect is provided.
第4の観点の発明は、
当該加速度センサを基準とした直交座標系におけるx軸が人の左右方向と実質的に一致するよう該人に装着されており、該人の前進運動に伴って姿勢が変化する加速度センサから出力される前記前進運動中のz軸方向の加速度成分Az及びy軸方向の加速度成分Ayを得る取得手段と、
前記取得手段により取得された加速度成分Az及びAyと重力加速度gとにより特定される物理量の時間変化を表す波形を求め、該波形の振動成分として前記人の前進運動によって生じる鉛直方向の加速度成分azを算出する算出手段と、を備えた前進運動加速度算出装置を提供する。
The invention of the fourth aspect is
The x-axis in the Cartesian coordinate system with reference to the acceleration sensor is attached to the person so that it substantially coincides with the left-right direction of the person, and is output from the acceleration sensor whose posture changes as the person moves forward. wherein the z-axis direction acceleration component a z and y-axis direction obtaining means for obtaining an acceleration component a y of in forward motion that,
A waveform representing a temporal change of a physical quantity specified by the acceleration components A z and A y and the gravitational acceleration g acquired by the acquisition means is obtained, and vertical acceleration generated by the forward movement of the person as a vibration component of the waveform There is provided a forward motion acceleration calculating device including a calculating means for calculating a component a z .
第5の観点の発明は、
前記算出手段が、
前記人の前進運動によって生じる鉛直方向の加速度成分az及び水平進行方向の加速度成分ayと、前記重力加速度gと、前記加速度センサから得られる前記z軸方向の加速度成分Az及びy軸方向の加速度成分Ayとの関係を表す下記の第1の数式
に基づいて、前記鉛直方向の加速度成分azを求める、上記第4の観点の前進運動加速度算出装置を提供する。
The invention of the fifth aspect is
The calculating means is
The vertical acceleration component a z and the horizontal acceleration component a y generated by the forward movement of the person, the gravitational acceleration g, and the z-axis acceleration components A z and y-axis directions obtained from the acceleration sensor. The following first mathematical expression representing the relationship with the acceleration component A y of
The forward motion acceleration calculating apparatus according to the fourth aspect is provided that calculates the vertical acceleration component a z based on the above.
第6の観点の発明は、
前記算出手段が、
時間tに対して振動しながら増大していく波形を表す前記第1の数式の左辺を求める第1のステップと、
前記第1のステップにて求められた前記第1の数式の左辺に基づいて、時間tに対して増大していく成分を表す前記第1の数式の右辺第1項を求める第2のステップと、
前記第2のステップにて求められた前記第1の数式の右辺第1項から前記第1のステップにて求められた前記第1の数式の左辺を減算して、振動する成分を表す前記第1の数式の右辺第2項を求める第3のステップと、
前記第3のステップにて求められた前記第1の数式の右辺第2項を2gで除した後、時間tで微分することにより、前記鉛直方向の加速度成分azを求める第4のステップとを実行する、上記第5の観点の前進運動加速度算出装置を提供する。
The invention of the sixth aspect is
The calculating means is
A first step of obtaining a left side of the first mathematical expression representing a waveform increasing while oscillating with respect to time t;
A second step of obtaining a first term on the right side of the first mathematical expression representing a component increasing with respect to time t based on the left side of the first mathematical expression obtained in the first step; ,
Subtracting the left side of the first mathematical formula obtained in the first step from the first term on the right side of the first mathematical formula obtained in the second step, the first representing the vibration component A third step for obtaining the second term on the right-hand side of the formula of 1;
A fourth step for obtaining the vertical acceleration component a z by dividing the second term on the right side of the first mathematical formula obtained in the third step by 2 g and then differentiating it by time t; The forward motion acceleration calculating apparatus according to the fifth aspect is provided.
第7の観点の発明は、
前記第2のステップが、各時刻における前記第1の数式の左辺のプロットに対して最小二乗法を適用し、前記第1の数式の右辺第1項として、該プロットに近似する直線または曲線を求めるステップである、上記第6の観点の前進運動加速度算出装置を提供する。
The invention of the seventh aspect
In the second step, a least square method is applied to the plot of the left side of the first mathematical expression at each time, and a straight line or curve that approximates the plot is obtained as the first term on the right side of the first mathematical expression. The forward motion acceleration calculating apparatus according to the sixth aspect, which is a step for obtaining, is provided.
第8の観点の発明は、
前記第2のステップが、各時刻における前記第1の数式の左辺のプロットに対して周波数解析処理を行い、前記第1の数式の右辺第1項として、該プロットの低周波成分を表す直線または曲線を求めるステップである、上記第6の観点の前進運動加速度算出装置を提供する。
The invention of the eighth aspect
The second step performs frequency analysis processing on the left side plot of the first mathematical expression at each time, and the first term on the right side of the first mathematical expression represents a straight line representing a low frequency component of the plot or The forward motion acceleration calculating apparatus according to the sixth aspect, which is a step of obtaining a curve, is provided.
第9の観点の発明は、
前記第2のステップが、各時刻における前記第1の数式の左辺のプロット(plot)に対してスムージング(smoothing)処理を行い、前記第1の数式の右辺第1項として、該プロットに近似する直線または曲線を求めるステップである、上記第6の観点の前進運動加速度算出装置を提供する。
The invention of the ninth aspect is
The second step performs a smoothing process on the plot of the left side of the first mathematical expression at each time, and approximates the plot as the first term on the right side of the first mathematical expression. The forward motion acceleration calculating apparatus according to the sixth aspect, which is a step of obtaining a straight line or a curve, is provided.
第10の観点の発明は、
前記鉛直方向の加速度成分azの時間変化を表すグラフ(graph)を生成する生成手段をさらに備えた上記第4の観点から第9の観点のいずれか一つの観点の前進運動加速度算出装置を提供する。
The invention of the tenth aspect is
Provided is a forward motion acceleration calculating device according to any one of the fourth to ninth aspects, further comprising generating means for generating a graph representing a temporal change in the acceleration component a z in the vertical direction. To do.
第11の観点の発明は、
前記算出手段が、前記関係を表す下記の第2の数式
に、前記z軸方向の加速度成分Az及びy軸方向の加速度成分Ayと、前記重力加速度gと、前記第4のステップにて求められた前記鉛直方向の加速度成分azとを代入して、前記水平進行方向の加速度成分ayを求める第5のステップをさらに実行する、上記第6の観点から第9の観点のいずれか一つの観点の前進運動加速度算出装置を提供する。
The invention of the eleventh aspect is
The calculation unit calculates the following second formula representing the relationship:
To, substituted and acceleration component A y of the acceleration component A z and y-axis direction of the z-axis direction, and the gravitational acceleration g, the acceleration component a z of the fourth of the vertical direction obtained in step Thus, the forward motion acceleration calculating apparatus according to any one of the sixth to ninth aspects is provided, which further executes a fifth step of obtaining the acceleration component a y in the horizontal traveling direction.
第12の観点の発明は、
前記取得手段が、前記加速度センサからx軸方向の加速度成分Axを、前記前進運動によって生じる左右方向の加速度axとして得、
前記左右方向の加速度ax及び水平進行方向の加速度成分ayの頻度または軌跡を表す2次元マップを生成する生成手段をさらに備えた、上記第11の観点の前進運動加速度算出装置を提供する。
The invention of the twelfth aspect is
The acquisition unit obtains an acceleration component A x in the x-axis direction from the acceleration sensor as a lateral acceleration a x generated by the forward movement,
Wherein further comprising a generating means for generating a two-dimensional map representing the lateral direction of the acceleration a x and the frequency or the locus of the acceleration component a y in the horizontal travel direction, to provide a forward motion acceleration calculation device of the eleventh aspect.
第13の観点の発明は、
前記前進運動が、歩行である、上記第4の観点から第12の観点のいずれか一つの観点の前進運動加速度算出装置を提供する。
The invention of the thirteenth aspect is
Provided is a forward motion acceleration calculating device according to any one of the fourth to twelfth aspects, wherein the forward movement is walking.
第14の観点の発明は、
前記前進運動が、走行である、上記第4の観点から第12の観点のいずれか一つの観点の前進運動加速度算出装置を提供する。
The invention of the fourteenth aspect is
Provided is a forward motion acceleration calculating device according to any one of the fourth to twelfth aspects, wherein the forward movement is traveling.
第15の観点の発明は、
コンピュータ(computer)を、上記第4の観点から第14の観点のいずれか一つの観点の前進運動加速度算出装置として機能させるためのプログラムを提供する。
The invention of the fifteenth aspect is
A program for causing a computer to function as the forward motion acceleration calculating device according to any one of the fourth to fourteenth aspects is provided.
上記観点の発明によれば、前進運動を行う人に装着された加速度センサから出力される前進運動中のz軸方向の加速度成分Az及びy軸方向の加速度成分Ayと重力加速度gとにより特定される物理量の時間変化を表す波形を求め、この波形の振動成分として人の前進運動によって生じる鉛直方向の加速度成分azを算出するので、加速度センサの姿勢が不明であっても、人の前進運動による加速度を理論的に導き出すことができ、人に加速度センサ以外のハードウェアを装着することなく、人の前進運動による加速度を高精度に求めることができる。 According to the invention of the above aspect, the acceleration component A y of the acceleration component A z and y-axis direction of the z-axis direction in the forward movement is output from the acceleration sensor mounted on the person performing the forward movement and the gravitational acceleration g Since a waveform representing a time change of the specified physical quantity is obtained and a vertical acceleration component a z generated by a person's forward movement is calculated as a vibration component of this waveform, even if the posture of the acceleration sensor is unknown, The acceleration due to the forward movement can be theoretically derived, and the acceleration due to the forward movement of the person can be obtained with high accuracy without mounting hardware other than the acceleration sensor on the person.
以下、発明の実施形態について説明する。なお、これにより発明は限定されない。 Embodiments of the invention will be described below. The invention is not limited thereby.
図1は、歩行状態表示システムの構成を概略的に示す図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a walking state display system.
図1に示すように、歩行状態表示システム1は、加速度センサ2と、歩行状態表示装置3とを有している。なお、歩行状態表示装置3は、発明における前進運動加速度算出装置の一例である。
As shown in FIG. 1, the walking
加速度センサ2は、対象者10の背面の腰部中央等に装着される。加速度センサ2は、3軸加速度センサであり、センサ本体を基準とした3次元直交座標系におけるx,y,zの各軸方向の加速度を、所定のサンプリング(sampling)周波数、例えば128Hzで計測する。ここでは、加速度センサ2は、センサ本体のx軸方向、y軸方向及びz軸方向が、それぞれ、対象者10のRL(Right-Left)方向、AP(Anterior-Posterior)方向及びSI(Superior-Inferior)方向と一致するように取り付けられる。なお、RL方向、AP方向及びSI方向は、それぞれサジタル(sagittal)方向、コロナル(coronal)方向及びアキシャル(axial)方向とも言う。対象者10の姿勢は、対象者10の運動によって変化するので、加速度センサ2の姿勢も対象者10の運動中に変化する。なお、ここでは、加速度センサ2の姿勢(傾き)は、対象者10の歩行中において、前後方向には変化するが、左右方向には変化しないものと仮定する。
The
加速度センサ2は、送信部21を有している。送信部21は、計測された加速度を表す加速度データをほぼリアルタイム(real time)にて無線で送信する。加速度センサ2は、例えば、1g(重力加速度)=9.8m/s2=加速度データ値128となるスケール(scale)で、加速度データを出力する。なお、ここでは、加速度の正負は、右側寄り、前側寄り、上側寄りをそれぞれ正とする。
The
歩行状態表示装置3は、例えば、スマートフォン(smart
phone)、タブレット型コンピュータ(tablet computer)、ノートパソコン(note PC)などのコンピュータ端末に、所定のプログラムを実行させることによって実現される。
The walking state display device 3 is, for example, a smartphone (smart
This is realized by causing a computer terminal such as a phone), a tablet computer, or a notebook PC to execute a predetermined program.
歩行状態表示装置3は、操作部31と、ディスプレイ(display)部32と、受信部33と、歩行加速度算出部34と、グラフ・マップ(graph・map)生成部35と、表示制御部37とを有している。なお、受信部33は、発明における取得手段の一例であり、歩行加速度算出部34は、発明における算出手段の一例であり、グラフ・マップ生成部35は、発明における生成手段の一例である。
The walking state display device 3 includes an
操作部31は、操作者の操作を受け付ける。操作部31は、例えば、タッチパネル(touch panel)、タッチパッド(touch pad)、キーボード(keyboard)、マウス(mouse)などを含む。なお、操作者は、例えば、理学療法士などの指導員である。
The
ディスプレイ部32は、画像を表示する。ディスプレイ部32は、液晶パネル、有機ELパネルなどを含む。
The
受信部33は、加速度センサ2の送信部21から送信された加速度データを無線で受信する。なお、送信部21と受信部33との無線通信には、例えば、ブルートゥース(Bluetooth(登録商標))等の規格を用いることができる。
The receiving
歩行加速度算出部34は、取得された加速度データに基づいて、重力加速度を考慮して、対象者10における鉛直方向(上下方向)の加速度成分を算出する。なお、この加速度成分を算出するためのアルゴリズムについては、後ほど詳述する。
The walking
グラフ・マップ生成部35は、受信部33が受信した加速度データを基に、時刻と対象者10における鉛直方向の加速度とを2軸とする2次元座標空間において、鉛直方向の加速度の時間変化を表すグラフを生成する。このグラフは、例えば、対象者10の歩行周期や着地及び踏切のタイミング、歩行動作の力強さ、これらの安定性等を評価するのに参照される。また、グラフ・マップ生成部35は、受信した加速度データを基に、対象者10における左右方向の加速度と水平進行方向の加速度とを2軸とする2次元座標空間において、左右方向及び水平進行方向の加速度の頻度を表す2次元ヒストグラムなどの2次元マップを生成する。この2次元マップは、例えば、対象者10の歩行中における水平方向での体重移動について、移動範囲の広さや左右対称性、前後方向でのバランス、移動パターン、体重のバランス位置等を評価するのに参照される。
Based on the acceleration data received by the receiving
表示制御部37は、ディスプレイ部32に、上記のグラフ及び2次元マップを表示させる。
The
これより、加速度データから、重力加速度gを考慮して、対象者10における鉛直方向(上下方向)の加速度を算出するアルゴリズムについて説明する。 An algorithm for calculating the acceleration in the vertical direction (vertical direction) in the subject 10 from the acceleration data in consideration of the gravitational acceleration g will be described.
図2は、実空間の直交座標系にて表現された対象者10の歩行によって生じる加速度と、加速度センサ2の直交座標系にて表現された加速度センサ出力との関係を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the acceleration generated by the walking of the subject 10 expressed in the orthogonal coordinate system of the real space and the acceleration sensor output expressed in the orthogonal coordinate system of the
今、対象者10の腰部に加速度センサ2を取り付け、歩行してもらう場面を想定する。ここでは、図2に示すように、加速度センサ2のy軸方向及びz軸方向は、それぞれ、対象者10のAP方向(Coronal方向)及びSI方向(Axial方向)に一致しているものとする。この場合、加速度センサ2の出力は、対象者10の加速度と、重力加速度とを用いて、以下のように記述することができる。
ここで、Az及びAyは、それぞれ加速度センサ2のz軸方向及びy軸方向の出力であり、いずれも重力加速度gの影響を含んでいる。また、az及びayは、本来観測すべき歩行による加速度であり、それぞれ、対象者10の鉛直方向(上下方向)の加速度成分と水平進行方向(前後方向)の加速度成分である。θは、対象者10のSI方向すなわち加速度センサ2のz軸と、対象者10が歩行する水平な地面とで成す角度であり、対象者10の姿勢を表している。したがって、対象者10が直立で静止している場合に、θ=90°となる。
Here, A z and A y are outputs of the
(1)式,(2)式から分かるように、重力加速度g自体は定数であるものの、この重力加速度gの影響は、対象者10の姿勢θの変化に伴って変化する。 As can be seen from the equations (1) and (2), although the gravitational acceleration g itself is a constant, the influence of the gravitational acceleration g changes as the posture θ of the subject 10 changes.
次に、(1)式及び(2)式をそれぞれ二乗し、和を取ると、以下のように(3)式が得られる。
(3)式では、加速度センサ2の姿勢を表す角度θの三角関数が含まれていない。したがって、(3)式は、角度θそのものが不明であったとしても、各項を特定し得る構成となっている。
Equation (3) does not include a trigonometric function of the angle θ representing the attitude of the
次に、(3)式の両辺からg2を引き、全時間に渡って積分することで、(4)式を得る。
(4)式において、重力加速度gは定数であるから、(4)式左辺は、実際の加速度センサ2の出力を用いて計算することができる。
In the equation (4), since the gravitational acceleration g is a constant, the left side of the equation (4) can be calculated using the actual output of the
図3は、人の歩行中における当該人の腰部に装着された加速度センサの出力を用いて各時刻における(4)式左辺を求め、それらをプロットして得られたグラフである。このグラフを見ると、(4)式左辺は、一定の周期で振動しながら徐々に増加していくことが分かる。 FIG. 3 is a graph obtained by obtaining the left side of equation (4) at each time using the output of the acceleration sensor attached to the waist of the person while walking and plotting them. From this graph, it can be seen that the left side of equation (4) gradually increases while vibrating at a constant period.
ここで、(4)式右辺第1項は、実数の二乗の和であるため、常に正であり、積分時間の長さに応じて増加し続ける。なお、歩行という動作においては、鉛直方向の加速度成分azと水平進行方向の加速度成分ayの両方が、同時に0近くになったりピーク近くになったりすることはまれであることが、経験上分かっている。したがって、この(4)式右辺第1項は、ある程度の線形性を保ちながら、すなわち、大きな振動成分を持たずに、増加する傾向にある。 Here, since the first term on the right side of the equation (4) is the sum of the squares of the real numbers, it is always positive and keeps increasing according to the length of the integration time. In walking, it is rarely experienced that both the acceleration component a z in the vertical direction and the acceleration component a y in the horizontal traveling direction are close to 0 or close to the peak at the same time. I know. Therefore, the first term on the right side of the equation (4) tends to increase while maintaining a certain degree of linearity, that is, without having a large vibration component.
一方、(4)式右辺第2項は、歩行による鉛直方向の加速度azを積分し、定数倍したものである。歩行時の鉛直方向の加速度azは、足の着地及び踏切でピークを持つため、一定の周期で振動し、その積分である(4)式右辺第2項もはやり同じ周期で振動すると考えられる。図3のグラフの曲線と照らし合わせてみると、各項はそれぞれ以下のように説明することができる。
図4は、(4)′式における各項に対応する曲線もしくは直線を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing curves or straight lines corresponding to the terms in the expression (4) ′.
次に、増加し続ける成分である(4)式右辺第1項については、定数である重力加速度gと加速度センサ2の出力とから構成される(4)式左辺のプロットを用いて、一般的手法により求めることができる。例えば、(4)式左辺のプロットに対して最小二乗法などの数学的手法を適用し、プロットに近似する直線または直線に近い滑らかな曲線を求める。また例えば、(4)式左辺のプロットに対して周波数解析などの解析的手法を適用して、直流成分または直流に近い低周波成分を求める。また例えば、(4)式左辺のプロットに対してスムージング処理を行い、直線に近い滑らかな曲線を求める。
Next, the first term on the right side of equation (4), which is a component that continues to increase, is generally expressed using a plot on the left side of equation (4) that is composed of constant gravitational acceleration g and the output of
このように、(4)式左辺及び右辺第1項は、加速度センサ2の出力と定数である重力加速度gとから求めることができる。その結果、(4)式は、次のように表現することができる。
計算可能である部分をまとめてF(t)とおけば、次式のように表すことができる。
つまり、計算可能である部分F(t)を定数2gで除し、時間tで微分することで、歩行時の鉛直方向の加速度azを求めることができる。すなわち、上述のプロセスを辿ることで、加速度センサ2の姿勢と共に変化する重力加速度gの影響を大幅に抑え、歩行時の鉛直方向の加速度のみを高い精度で抽出し観測することができる。
That is, the vertical acceleration az at the time of walking can be calculated | required by dividing | segmenting the part F (t) which can be calculated by the constant 2g, and differentiating with time t. That is, by following the above-described process, the influence of the gravitational acceleration g that changes with the attitude of the
本アルゴリズムの流れをまとめると以下のようになる。 The flow of this algorithm is summarized as follows.
図5は、対象者10の歩行によって生じる鉛直方向の加速度成分azを求めるためのアルゴリズムの流れを示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing a flow of an algorithm for obtaining the vertical acceleration component a z generated by the walking of the subject 10.
ステップT1では、各時刻tiにおける加速度センサ2の出力Az及びAyと重力加速度gとに基づいて、(4)式左辺の値を求める。
In step T1, the value of the left side of equation (4) is obtained based on the outputs A z and A y of the
ステップT2では、ステップT1にて求められた(4)式左辺の値に基づいて、増加し続ける低周波成分を求める。 In step T2, low frequency components that continue to increase are obtained based on the value on the left side of equation (4) obtained in step T1.
ステップT3では、ステップT2にて求められた低周波成分から、ステップT1にて求められた(4)式左辺を減算してF(t)を求める。 In step T3, F (t) is obtained by subtracting the left side of equation (4) obtained in step T1 from the low frequency component obtained in step T2.
ステップT4では、ステップT3にて求められたF(t)を定数2gで除算してF(t)/2gを求める。 In step T4, F (t) obtained in step T3 is divided by a constant 2g to obtain F (t) / 2g.
ステップT5では、ステップT4にて求められたF(t)/2gを時間微分して、鉛直方向の加速度azを求める。 In step T5, F (t) / 2g obtained in step T4 is time-differentiated to obtain vertical acceleration az .
ステップT6では、(3)式に、ステップT5にて求められた鉛直方向の加速度azを代入して、水平進行方向の加速度ayを求める。 In step T6, the acceleration a y in the horizontal traveling direction is obtained by substituting the vertical acceleration a z obtained in step T5 into equation (3).
図6は、人の歩行中における当該人の腰部に装着された加速度センサ2の出力に、本アルゴリズムを適用した結果の一例を示す図である。この図の波形では、一周期の間に着地及び踏切による2本のピークが見られる。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a result of applying this algorithm to the output of the
図7は、人の歩行中における当該人の腰部に装着された加速度センサ2の出力に、本アルゴリズムを適用した場合と適用しない場合との比較結果の一例を示す図である。なお、本アルゴリズムを適用しない場合では、加速度センサの3次元直交座標系において重力加速度が常に同じ向きに作用すると仮定して、重力加速度の減算処理を行っている。なお、諸般の都合により、図7のグラフにおける縦軸の正負は、図6のグラフと逆になっているので、注意されたい。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a comparison result between the case where the present algorithm is not applied and the case where the present algorithm is not applied to the output of the
本来、対象者10が歩行などの水平移動を行っている場合には、対象者10における各時刻での鉛直方向の加速度azの合計値は、十分な観測時間で見た場合、理論的には0に近い値を取る。図7の例では、サンプリング番号i=1000〜2000のazにおいて、本アルゴリズム適用前でのazの総和Σaz=6.53×103であり、本アルゴリズム適用後でのazの総和Σaz=1.05×10-12である。この比較結果からは、同一の加速度センサ2の出力に対し、本アルゴリズム適用前と比較して適用後の方が、合計値が0に近いことが確認できる。つまり、本アルゴリズム適用前よりも適用後の方が、対象者10における鉛直方向の加速度azを、高い精度で求められていることが分かる。
Originally, when the subject 10 is moving horizontally such as walking, the total value of the vertical acceleration az at each time in the subject 10 is theoretically considered when viewed in sufficient observation time. Takes a value close to zero. In the example of FIG. 7, in a z sampling number i = 1000 to 2000, a sum Σa z = 6.53 × 10 3 of a z in front the algorithm applied, the sum of a z in after the algorithm applied Σa z = 1.05 × 10 −12 . From this comparison result, it can be confirmed that the total value of the output of the
これより、歩行状態表示システムにおける処理の流れについて説明する。 Hereafter, the flow of processing in the walking state display system will be described.
図8は、歩行状態表示システムにおける処理の流れを示すフロー図である。 FIG. 8 is a flowchart showing the flow of processing in the walking state display system.
ステップ(step)S1では、対象者10の歩行中の各時刻tiにおける加速度データを取得する。ここでは、対象者10の腰部に加速度センサ2を装着する。そして、対象者10に、標準的な歩行速度で10〜30秒程度、あるいは、10歩〜20歩程度、歩行してもらう。加速度センサ2は、対象者10の歩行中に、x軸方向、y軸方向、z軸方向それぞれの加速度Ax,Ay,Azをサンプリングして計測する。送信部21は、計測された加速度を表す加速度データをほぼリアルタイムで送信する。歩行状態表示装置3は、送信部21から送信された加速度データを、受信部33を用いて受信して取得する。
In step S1, acceleration data at each time t i during the walking of the subject 10 is acquired. Here, the
ステップS2では、歩行加速度算出部34が、取得された加速度データに基づいて、重力加速度gを考慮した上記アルゴリズムにより、対象者10における各時刻での鉛直方向(上下方向)の加速度azと、水平進行方向(前後方向)の加速度ayとを算出する。左右方向の加速度axは、取得された加速度データが表すx軸方向の加速度Axをそのまま採用する。
In step S <
ステップS3では、グラフ・マップ生成部35が、ステップS2にて得られた鉛直方向の加速度azの時間変化を表すグラフを生成する。例えば、対象者10における鉛直方向の加速度azと時刻tiとを2軸とした2次元座標空間において、各時刻tiでの鉛直方向の加速度az(i)に対応したデータ点[az(i),ti]をそれぞれプロットし、折れ線状のグラフを生成する。なお、iはサンプリング番号であり、時刻tiは、加速度をサンプリングした時刻もしくはデータの取得開始からの経過時間である。
In step S3, the graph /
また、グラフ・マップ生成部35は、ステップS2にて得られた左右方向の加速度axと水平進行方向(前後方向)の加速度ayの計測された頻度あるいは軌跡を表す2次元マップを生成する。例えば、対象者10における左右方向の加速度axと水平進行方向の加速度ayとを2軸とした2次元座標空間において、各時刻tiでの左右方向の加速度ax及び水平進行方向の加速度ay(i) に対応したデータ点[ax(i),ay(i)]をそれぞれプロットして積算し、各データ点の頻度を表す2次元ヒストグラムを2次元マップとして生成する。
A graph
ステップS4では、表示制御部37が、ステップS3にて生成されたグラフと2次元マップとをディスプレイ部2に表示させる。
In step S4, the
このような本実施形態によれば、歩行する対象者10に装着された加速度センサ2から出力される歩行中のz軸方向の加速度成分Az及びy軸方向の加速度成分Ayと重力加速度gとにより特定される物理量の時間変化を表す波形を求め、この波形の振動成分として対象者10の歩行によって生じる鉛直方向の加速度成分azを算出するので、加速度センサ2の姿勢が不明であっても、対象者10の歩行による加速度を理論的に導き出すことができ、対象者10に加速度センサ2以外のハードウェアを装着することなく、対象者10の歩行による加速度を高精度に求めることができる。
According to the present embodiment, gait during walking output from the
また、本実施形態によれば、対象者10の歩行によって生じる鉛直方向の加速度成分az及び水平進行方向の加速度成分ayと、重力加速度gと、加速度センサ2から得られるz軸方向の加速度成分Az及びy軸方向の加速度成分Ayとの関係を表す(4)式において、時間tに対して振動しながら増加し続ける値を持つ左辺を加速度センサ2の出力を用いて求め、求めた左辺から時間tに対して増加し続ける値を持つ右辺第1項を求め、残った対象者10の鉛直方向の加速度成分azを含む右辺第2項を求めるプロセスを実行することにより、対象者10の鉛直方向の加速度成分azを求める。故に、複雑な計算を膨大な量の計算を行うことなく、鉛直方向の加速度成分azを求めることができ、装置の演算部への負担を抑えることができる。その結果、スマートフォンなどの小型のモバイル端末を歩行状態表示装置として積極的に使用することができ、指導員の歩行評価を行う上での利便性が向上する。例えば、対象者10の歩行中には、歩行状態表示装置であるスマートフォンをポケットに収めて、対象者10の安全に注意し、歩行が終わったら、その場で、歩行状態表示装置に表示された加速度のグラフや2次元マップを対象者10に見せて、歩行評価の結果について説明することができる。
In addition, according to the present embodiment, the acceleration component a z in the vertical direction and the acceleration component a y in the horizontal traveling direction, the gravitational acceleration g, and the acceleration in the z-axis direction obtained from the
また、本実施形態によれば、加速度センサ2の姿勢の特定を必要としないアルゴリズムにより、対象者10の鉛直方向の加速度成分azだけでなく、水平進行方向の加速度成分ayをも高精度に求めることができ、より適正で広範な歩行評価が可能となる情報を、指導員に提供することができる。
In addition, according to the present embodiment, not only the vertical acceleration component a z of the subject 10 but also the acceleration component a y in the horizontal traveling direction is highly accurate by an algorithm that does not require the posture of the
なお、発明は、上記実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 The invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
例えば、本実施形態では、対象者10の歩行による鉛直方向(上下方向)の加速度azの時間変化を表すグラフと、対象者10の歩行による左右方向の加速度ax及び水平進行方向(前後方向)の加速度ayの計測された頻度あるいは軌跡を表す2次元マップとを生成し、表示している。しかし、例えば、対象者10の水平進行方向(前後方向)の加速度ayあるいは左右方向の加速度axの時間変化を表すグラフと、他の2軸方向の加速度の計測された頻度あるいは軌跡を表す2次元マップとを生成し、表示するようにしてもよい。 For example, in this embodiment, the time and graphs showing changes, in the horizontal direction by the walking of the subject 10 acceleration a x and the horizontal traveling direction (longitudinal acceleration a z in the vertical direction by the walking of the subject 10 (vertical direction) ) And a two-dimensional map representing the measured frequency or trajectory of the acceleration a y is generated and displayed. However, for example, a graph representing the temporal change of the acceleration a y in the horizontal traveling direction (front-rear direction) or the acceleration a x in the left-right direction of the subject 10 and the measured frequency or trajectory of the acceleration in the other biaxial directions. A two-dimensional map may be generated and displayed.
また例えば、本実施形態は、発明を、人の歩行によって生じる加速度に適用した例であるが、人のその他の前進運動によって生じる加速度、例えば人の走行によって生じる加速度などにも適用することができる。 Further, for example, the present embodiment is an example in which the invention is applied to acceleration caused by a person's walking, but can also be applied to acceleration caused by other forward movements of a person, for example, acceleration caused by a person's running. .
また例えば、本実施形態は、人に装着した加速度センサの出力から人の前進運動によって生じる加速度を上記アルゴリズムを用いて高精度に求める装置であるが、コンピュータをこのような装置として機能させるためのプログラムもまた発明の実施形態の一つである。 Further, for example, the present embodiment is a device that obtains the acceleration generated by the forward movement of the person from the output of the acceleration sensor worn on the person with high accuracy using the above algorithm, but for causing the computer to function as such a device. A program is also one embodiment of the invention.
1 歩行状態表示システム
2 加速度センサ
3 歩行状態表示装置
10 対象者
21 送信部
31 操作部
32 ディスプレイ部
33 受信部
34 歩行加速度算出部
35 グラフ・マップ生成部
37 表示制御部
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記取得手段により取得された加速度成分Az及びAyと重力加速度gとにより特定される物理量の時間変化を表す波形を求め、該波形の振動成分として前記人の前進運動によって生じる鉛直方向の加速度成分azを算出するステップと、を備えた前進運動加速度算出方法。 An acceleration sensor, which is attached to the person so that the x-axis in the Cartesian coordinate system with reference to the acceleration sensor substantially coincides with the left-right direction of the person, and the posture changes as the person moves forward and obtaining an acceleration component a y of the acceleration component in the z-axis direction in the forward movement output from the acceleration sensor a z and y-axis direction,
A waveform representing a temporal change of a physical quantity specified by the acceleration components A z and A y and the gravitational acceleration g acquired by the acquisition means is obtained, and vertical acceleration generated by the forward movement of the person as a vibration component of the waveform A step of calculating a component a z , and a forward motion acceleration calculation method.
に基づいて、前記鉛直方向の加速度成分azを求める、請求項1に記載の前進運動加速度算出方法。 The vertical acceleration component a z and the horizontal acceleration component a y generated by the forward movement of the person, the gravitational acceleration g, and the z-axis acceleration components A z and y-axis directions obtained from the acceleration sensor. The following first mathematical expression representing the relationship with the acceleration component A y of
The forward motion acceleration calculation method according to claim 1, wherein the vertical acceleration component a z is obtained based on
前記第1のステップにて求められた前記第1の数式の左辺に基づいて、時間tに対して増大していく成分を表す前記第1の数式の右辺第1項を求める第2のステップと、
前記第2のステップにて求められた前記第1の数式の右辺第1項から前記第1のステップにて求められた前記第1の数式の左辺を減算して、振動する成分を表す前記第1の数式の右辺第2項を求める第3のステップと、
前記第3のステップにて求められた前記第1の数式の右辺第2項を2gで除した後、時間tで微分することにより、前記鉛直方向の加速度成分azを求める第4のステップとを備えた、請求項2に記載の前進運動加速度算出方法。 A first step of obtaining a left side of the first mathematical expression representing a waveform increasing while oscillating with respect to time t;
A second step of obtaining a first term on the right side of the first mathematical expression representing a component increasing with respect to time t based on the left side of the first mathematical expression obtained in the first step; ,
Subtracting the left side of the first mathematical formula obtained in the first step from the first term on the right side of the first mathematical formula obtained in the second step, the first representing the vibration component A third step for obtaining the second term on the right-hand side of the formula of 1;
A fourth step for obtaining the vertical acceleration component a z by dividing the second term on the right side of the first mathematical formula obtained in the third step by 2 g and then differentiating it by time t; The forward motion acceleration calculation method according to claim 2, comprising:
前記取得手段により取得された加速度成分Az及びAyと重力加速度gとにより特定される物理量の時間変化を表す波形を求め、該波形の振動成分として前記人の前進運動によって生じる鉛直方向の加速度成分azを算出する算出手段と、を備えた前進運動加速度算出装置。 An acceleration sensor, which is attached to the person so that the x-axis in the Cartesian coordinate system with reference to the acceleration sensor substantially coincides with the left-right direction of the person, and the posture changes as the person moves forward and obtaining means for obtaining an acceleration component a y of the z-axis direction acceleration component a z and y-axis direction in the forward movement which is output from the acceleration sensor,
A waveform representing a temporal change of a physical quantity specified by the acceleration components A z and A y and the gravitational acceleration g acquired by the acquisition means is obtained, and vertical acceleration generated by the forward movement of the person as a vibration component of the waveform A forward motion acceleration calculating device comprising: calculating means for calculating a component a z .
前記人の前進運動によって生じる鉛直方向の加速度成分az及び水平進行方向の加速度成分ayと、前記重力加速度gと、前記加速度センサから得られる前記z軸方向の加速度成分Az及びy軸方向の加速度成分Ayとの関係を表す下記の第1の数式
に基づいて、前記鉛直方向の加速度成分azを求める、請求項4に記載の前進運動加速度算出装置。 The calculating means includes
The vertical acceleration component a z and the horizontal acceleration component a y generated by the forward movement of the person, the gravitational acceleration g, and the z-axis acceleration components A z and y-axis directions obtained from the acceleration sensor. The following first mathematical expression representing the relationship with the acceleration component A y of
The forward motion acceleration calculating apparatus according to claim 4, wherein the vertical acceleration component a z is obtained based on
時間tに対して振動しながら増大していく波形を表す前記第1の数式の左辺を求める第1のステップと、
前記第1のステップにて求められた前記第1の数式の左辺に基づいて、時間tに対して増大していく成分を表す前記第1の数式の右辺第1項を求める第2のステップと、
前記第2のステップにて求められた前記第1の数式の右辺第1項から前記第1のステップにて求められた前記第1の数式の左辺を減算して、振動する成分を表す前記第1の数式の右辺第2項を求める第3のステップと、
前記第3のステップにて求められた前記第1の数式の右辺第2項を2gで除した後、時間tで微分することにより、前記鉛直方向の加速度成分azを求める第4のステップとを実行する、請求項5に記載の前進運動加速度算出装置。 The calculating means includes
A first step of obtaining a left side of the first mathematical expression representing a waveform increasing while oscillating with respect to time t;
A second step of obtaining a first term on the right side of the first mathematical expression representing a component increasing with respect to time t based on the left side of the first mathematical expression obtained in the first step; ,
Subtracting the left side of the first mathematical formula obtained in the first step from the first term on the right side of the first mathematical formula obtained in the second step, the first representing the vibration component A third step for obtaining the second term on the right-hand side of the formula of 1;
A fourth step for obtaining the vertical acceleration component a z by dividing the second term on the right side of the first mathematical formula obtained in the third step by 2 g and then differentiating it by time t; The forward motion acceleration calculating apparatus according to claim 5, wherein:
に、前記z軸方向の加速度成分Az及びy軸方向の加速度成分Ayと、前記重力加速度gと、前記第4のステップにて求められた前記鉛直方向の加速度成分azとを代入して、前記水平進行方向の加速度成分ayを求める第5のステップをさらに実行する、請求項6から請求項9のいずれか一項に記載の前進運動加速度算出装置。 The calculating means is the following second mathematical expression representing the relationship.
To, substituted and acceleration component A y of the acceleration component A z and y-axis direction of the z-axis direction, and the gravitational acceleration g, the acceleration component a z of the fourth of the vertical direction obtained in step The forward motion acceleration calculating apparatus according to any one of claims 6 to 9, further executing a fifth step of obtaining the acceleration component ay in the horizontal traveling direction.
前記左右方向の加速度ax及び水平進行方向の加速度成分ayの頻度または軌跡を表す2次元マップを生成する生成手段をさらに備えた、請求項11に記載の前進運動加速度算出装置。 The acquisition means obtains an acceleration component A x in the x-axis direction from the acceleration sensor as a lateral acceleration a x generated by the forward movement,
Wherein further comprising a generating means for generating a two-dimensional map representing the lateral direction of the acceleration a x and the frequency or the locus of the acceleration component a y in the horizontal direction of travel, forward motion acceleration calculating apparatus according to claim 11.
The program for functioning a computer as a forward movement acceleration calculation apparatus as described in any one of Claims 4-14.
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