JP2016202381A - Gait measuring device, gait measuring method, and program for causing computer to execute gait measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、歩行部位の動作を測定する歩行測定装置に関する。 The present invention relates to a walking measurement device that measures the motion of a walking region.
特許文献１に、歩行特性評価システムに関する発明が記載されている。この歩行特性評価システムは、人間の歩行特性、特に歩行が困難な患者などにおける三次元歩行特性を無拘束で長時間測定し、病状や治療効果の診断に利用する情報を得るというものである。 Patent Document 1 describes an invention related to a walking characteristic evaluation system. This walking characteristic evaluation system measures human walking characteristics, particularly three-dimensional walking characteristics in patients who are difficult to walk for a long time without restriction, and obtains information to be used for diagnosis of medical conditions and therapeutic effects.
この歩行特性評価システムは、複数の身体装着型センサと携帯型データ記録器と解析装置とから構成されている。身体装着型センサによって、足の加速度と角速度が測定される。 This walking characteristic evaluation system includes a plurality of body-mounted sensors, a portable data recorder, and an analysis device. The body acceleration sensor measures the acceleration and angular velocity of the foot.
加速度と角速度の測定データは解析装置で演算される。この演算は、角速度波形から一歩分の遊脚状態が探索され、遊脚状態が探索されると、足の姿勢・フレームマトリクスが計算される。この計算は、加速度として検出された重力加速度を利用して行われる。さらに、遊脚開始後の測定角速度からサンプリング周期中のフレームマトリクスの回転量が求められ、測定加速度の座標変換および積分が行われる。 Measurement data of acceleration and angular velocity is calculated by an analysis device. In this calculation, the free leg state for one step is searched from the angular velocity waveform, and when the free leg state is searched, the posture / frame matrix of the foot is calculated. This calculation is performed using the gravitational acceleration detected as the acceleration. Further, the rotation amount of the frame matrix during the sampling period is obtained from the measured angular velocity after the start of the free leg, and the coordinate conversion and integration of the measured acceleration are performed.
加速度の座標変換と積分が行われた後に、遊脚終了時とその後の立脚時のフレームマトリクスが一致するように、遊脚時のフレームマトリクスが修正される。 After the coordinate conversion and integration of acceleration are performed, the frame matrix at the time of the free leg is corrected so that the frame matrix at the end of the free leg and the frame at the time of the subsequent standing match.
特許文献１に記載された歩行測定評価システムは、加速度データと角速度データが、それぞれオイラー角の測定情報として得られ、オイラー角の測定情報を用いて、フレームマトリクス手法で足の姿勢を算出している。フレームマトリクス手法は、３軸の加速度成分から３次元加速度行列を求め、３軸の角速度成分から３次元加速度行列の回転量を算出するというものである。 In the walking measurement evaluation system described in Patent Document 1, acceleration data and angular velocity data are obtained as Euler angle measurement information, respectively, and the posture of the foot is calculated by a frame matrix method using the Euler angle measurement information. Yes. In the frame matrix method, a three-dimensional acceleration matrix is obtained from three-axis acceleration components, and the rotation amount of the three-dimensional acceleration matrix is calculated from three-axis angular velocity components.
しかしながら、特許文献１に記載された歩行測定評価システムで得られる算出結果は、爪先の移動距離の変化などであり、足部などの歩行部位の三次元的な移動は立体的に把握されていなかった。特に、歩行時の足の向き、姿勢については何ら考慮されておらず、歩行中の足部の傾きを把握することは困難であった。例えば、足部が踵から着床するときや、爪先から離床するときに足の姿勢に異変が生じると、歩行者がけがをすることがある。しかしながら、従来の歩行測定評価システムは、足の姿勢を診断するものではなく、足の姿勢に起因する異変状態を把握できなかった。 However, the calculation result obtained by the walking measurement evaluation system described in Patent Document 1 is a change in the movement distance of the toe, and the three-dimensional movement of the walking part such as the foot is not grasped in three dimensions. It was. In particular, no consideration was given to the direction and posture of the foot during walking, and it was difficult to grasp the inclination of the foot during walking. For example, a pedestrian may be injured if an abnormal change occurs in the posture of the foot when the foot is landing from the heel or leaving the toe. However, the conventional gait measurement evaluation system does not diagnose the posture of the foot and cannot grasp an abnormal state caused by the posture of the foot.
本発明はかかる事情に鑑みてなされ、歩行時の歩行部位の姿勢を評価することができる歩行測定装置とその方法並びにプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a walking measurement device that can evaluate the posture of a walking part during walking, a method thereof, and a program.
本発明に係る歩行測定装置は、歩行部位の空間的な運動を表わす物理量として加速度及び角速度の少なくとも一方を検出するセンサと、歩行運動に伴って変化する前記歩行部位の姿勢を表わす仮想的なベクトルを、前記センサにおいて検出された前記物理量に基づいて算出するベクトル算出部と、歩行方向と床面に垂直な仮想の平面である前額面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記前額面における第１傾斜角を算出する第１傾斜角算出部と、を有する。 The walking measurement apparatus according to the present invention includes a sensor that detects at least one of acceleration and angular velocity as a physical quantity representing a spatial motion of a walking portion, and a virtual vector that represents the posture of the walking portion that changes with walking motion. A vector calculation unit that calculates the vector based on the physical quantity detected by the sensor, and projects the vector onto a frontal plane that is a virtual plane perpendicular to the walking direction and the floor, and based on the projected vector A first inclination angle calculation unit for calculating a first inclination angle of the walking region on the frontal plane.
この構成によれば、前記歩行部位の空間的な運動を表わす物理量に基づいて、前記歩行部位の姿勢を表わす仮想的なベクトルが算出され、当該ベクトルを前記前額面に射影した結果に基づいて、前記歩行部位の前記前額面における傾斜角が算出される。これにより、歩行運動時における前記歩行部位（例えば足部）の姿勢を詳しく評価することが可能となる。 According to this configuration, based on the physical quantity representing the spatial motion of the walking part, a virtual vector representing the posture of the walking part is calculated, and based on the result of projecting the vector onto the front face, An inclination angle at the frontal plane of the walking part is calculated. Thereby, it becomes possible to evaluate in detail the posture of the walking region (for example, the foot) during walking motion.
好適には、本発明の歩行測定装置はさらに、前記歩行方向と平行かつ前記床面と垂直な仮想の平面である矢状面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記矢状面における第２傾斜角を算出する第２傾斜角算出部と、前記第２傾斜角の変化に応じた前記第１傾斜角の変化が最小となるように、前記ベクトルの向きを前記第２傾斜角に応じて補正するベクトル補正部とを有し、前記第１傾斜角算出部は、前記ベクトル補正部において補正されたベクトルを前記前額面に射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記第１傾斜角を算出する。 Preferably, the walking measurement apparatus of the present invention further projects the vector onto a sagittal plane that is a virtual plane parallel to the walking direction and perpendicular to the floor surface, and the walking region based on the projected vector A second inclination angle calculation unit for calculating a second inclination angle in the sagittal plane, and an orientation of the vector so that a change in the first inclination angle according to a change in the second inclination angle is minimized. A vector correction unit that performs correction according to the second tilt angle, wherein the first tilt angle calculation unit projects the vector corrected by the vector correction unit onto the frontal plane, and based on the projected vector To calculate the first inclination angle.
この構成によれば、前記歩行部位の前記矢状面における前記第２傾斜角が算出され、前記第２傾斜角の変化に応じた前記第１傾斜角の変化が最小となるように、前記ベクトルの向きが前記第２傾斜角に応じて補正される。前記第１傾斜角は、前記補正されたベクトルを前記前額面に射影した結果に基づいて算出される。これにより、前記第２傾斜角の影響による誤差が低減された精度の高い前記第１傾斜角が得られる。 According to this configuration, the second inclination angle in the sagittal plane of the walking region is calculated, and the vector is set such that the change in the first inclination angle according to the change in the second inclination angle is minimized. Is corrected according to the second inclination angle. The first inclination angle is calculated based on a result of projecting the corrected vector onto the front face. Thereby, the first tilt angle with high accuracy in which the error due to the influence of the second tilt angle is reduced can be obtained.
好適には、本発明の歩行測定装置によると、前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、前記床面に垂直な基準ベクトルと一致し、前記ベクトル補正部は、前記ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルと前記基準ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルとが一致するように、前記矢状面に垂直な軸の周りにおいて前記第２傾斜角に応じた角度だけ前記ベクトルを回転する。 Preferably, according to the walking measurement device of the present invention, when the walking part is in a predetermined reference posture, the vector coincides with a reference vector perpendicular to the floor surface, and the vector correction unit calculates the vector as follows. The vector projected on the sagittal plane and the vector projected on the sagittal plane with the reference vector coincide with each other around the axis perpendicular to the sagittal plane by an angle corresponding to the second inclination angle. Rotate the vector.
好適には、本発明の歩行測定装置によると、前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、所定の基準ベクトルと一致し、前記ベクトル算出部は、前記センサにおいて検出された前記物理量に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わすクォータニオンを取得し、前記クォータニオンに応じた回転行列によって前記基準ベクトルに回転変換を施した結果を前記ベクトルとして取得する。 Preferably, according to the walking measurement device of the present invention, when the walking part is in a predetermined reference posture, the vector matches a predetermined reference vector, and the vector calculation unit is detected by the sensor. A quaternion representing the rotational transformation of the reference vector is acquired based on the physical quantity, and a result obtained by performing the rotational transformation on the reference vector by a rotation matrix corresponding to the quaternion is acquired as the vector.
好適には、本発明の歩行測定装置によると、前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、所定の基準ベクトルと一致し、前記センサは、互いに直交する３軸における角速度成分及び互い直交する３軸における加速度成分を前記物理量として検出し、前記ベクトル算出部は、前記３軸の角速度成分に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わす第１クォータニオンを取得し、前記３軸の加速度成分に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わす第２クォータニオンを取得し、前記第２クォータニオンを観測値として、前記第１クォータニオンにカルマンフィルタを適用することにより前記第１クォータニオンを補正し、前記補正した第１クォータニオンに応じた回転行列によって前記基準ベクトルに回転変換を施した結果を前記ベクトルとして取得する。 Preferably, according to the walking measurement device of the present invention, when the walking part is in a predetermined reference posture, the vector matches a predetermined reference vector, and the sensor includes an angular velocity component in three axes orthogonal to each other and An acceleration component in three axes orthogonal to each other is detected as the physical quantity, and the vector calculation unit obtains a first quaternion representing a rotational transformation of the reference vector based on the angular velocity component of the three axes, and Obtaining a second quaternion representing a rotational transformation of the reference vector based on an acceleration component, correcting the first quaternion by applying a Kalman filter to the first quaternion using the second quaternion as an observed value, and The reference vector is rotationally transformed by a rotation matrix corresponding to the corrected first quaternion. Acquires result as the vector.
この構成によれば、前記３軸の角速度成分に基づいて取得される前記第１クォータニオンの時間的な累積誤差が、前記３軸の加速度成分に基づいて取得される前記第２クォータニオンを観測値として、前記第１クォータニオンにカルマンフィルタを適用することにより補正される。従って、誤差の低減された精度の高い前記ベクトルが得られる。 According to this configuration, the temporal cumulative error of the first quaternion acquired based on the three-axis angular velocity component is obtained using the second quaternion acquired based on the three-axis acceleration component as an observed value. The correction is made by applying a Kalman filter to the first quaternion. Therefore, the highly accurate vector with reduced error can be obtained.
好適には、本発明の歩行測定装置によると、前記センサは、前記歩行部位である足の甲に配置される。これにより、前記センサが足部の骨の上に配置されるため、歩行動作時における足部の運動を表わす前記物理量が精度良く検出される。 Preferably, according to the walking measurement device of the present invention, the sensor is disposed on the instep of the foot that is the walking site. Thereby, since the sensor is disposed on the bone of the foot, the physical quantity representing the motion of the foot during the walking motion is detected with high accuracy.
本発明に係る歩行測定方法は、歩行部位の空間的な運動を表わす物理量としてセンサにより検出された加速度及び角速度の少なくとも一方に基づき、歩行運動に伴って変化する前記歩行部位の姿勢を表わす仮想的なベクトルをコンピュータが算出する工程と、前記コンピュータが、歩行方向と床面に垂直な仮想の平面である前額面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記前額面における第１傾斜角を算出する工程とを有する。 The walking measurement method according to the present invention is a virtual method that represents the posture of the walking part that changes with the walking movement based on at least one of acceleration and angular velocity detected by the sensor as a physical quantity representing the spatial movement of the walking part. A computer calculating a correct vector, and the computer projects the vector onto a frontal plane that is a virtual plane perpendicular to the walking direction and the floor, and the frontal plane of the walking part is based on the projected vector And calculating a first inclination angle.
好適には、本発明に係る歩行測定方法はさらに、前記コンピュータが、前記歩行方向と平行かつ前記床面と垂直な仮想の平面である矢状面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記矢状面における第２傾斜角を算出する工程と、前記コンピュータが、前記第２傾斜角の変化に応じた前記第１傾斜角の変化が最小となるように、前記ベクトルの向きを前記第２傾斜角に応じて補正する工程とを有し、前記第１傾斜角を算出する工程では、前記コンピュータが、前記ベクトルを補正する工程において前記第２傾斜角に応じて補正したベクトルを前記前額面に射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記第１傾斜角を算出する。 Preferably, in the walking measurement method according to the present invention, the computer further projects the vector onto a sagittal plane that is a virtual plane parallel to the walking direction and perpendicular to the floor surface, and converts the vector into the projected vector. Calculating the second inclination angle in the sagittal plane of the walking region based on the computer, and the computer so that the change in the first inclination angle according to the change in the second inclination angle is minimized. And correcting the direction of the vector according to the second tilt angle, and calculating the first tilt angle, wherein the computer corrects the vector according to the second tilt angle. The corrected vector is projected onto the front face and the first tilt angle is calculated based on the projected vector.
好適には、本発明に係る歩行測定方法によると、前記ベクトルは、前記歩行部位が所定の基準姿勢にある場合、前記床面に垂直な基準ベクトルと一致し、前記ベクトルを補正する工程では、前記コンピュータが、前記ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルと前記基準ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルとが一致するように、前記矢状面に垂直な軸の周りにおいて前記第２傾斜角に応じた角度だけ前記ベクトルを回転する。 Preferably, according to the walking measurement method according to the present invention, when the walking portion is in a predetermined reference posture, the vector coincides with a reference vector perpendicular to the floor surface, and in the step of correcting the vector, The second tilt around an axis perpendicular to the sagittal plane such that the vector that projects the vector onto the sagittal plane matches the vector that projects the reference vector onto the sagittal plane; The vector is rotated by an angle corresponding to the angle.
本発明にかかるプログラムは、上述のいずれかの歩行測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。 A program according to the present invention is a program for causing a computer to execute one of the above-described walking measurement methods.
本発明の歩行測定装置により、歩行部位の前額面における傾斜角を求めることができるので、歩行運動時における歩行部位の姿勢を正しく評価することができる。ベクトルとしてのみ得られていた歩行部位の傾斜の情報を第１傾斜角として得ることができるので、足部の姿勢をより的確に把握することができ、歩行時の異変の予防に役立てることができる。 With the walking measurement device of the present invention, the inclination angle of the walking part on the front face can be obtained, so that the posture of the walking part during the walking motion can be correctly evaluated. Since the information of the inclination of the walking part obtained only as a vector can be obtained as the first inclination angle, the posture of the foot can be grasped more accurately, and it can be used for the prevention of anomalies during walking. .
また、本発明の歩行測定装置の一例によれば、歩行部位の矢状面における第２傾斜角により第１傾斜角を補正することができるので、第２傾斜角の影響による誤差が低減され、前額面内運動の結果の影響が抑制された精度の高い第１傾斜角を求めることができる。その結果、歩行部位の矢状面内運動をより正確に把握することができ、歩行時の異変の予防に役立てることができる。 In addition, according to an example of the walking measurement apparatus of the present invention, the first inclination angle can be corrected by the second inclination angle in the sagittal plane of the walking portion, so that the error due to the influence of the second inclination angle is reduced, It is possible to obtain the first tilt angle with high accuracy in which the influence of the result of the in-front frame motion is suppressed. As a result, the sagittal in-plane motion of the walking part can be grasped more accurately, which can be useful for preventing anomalies during walking.
本実施の形態にかかる歩行測定装置によって測定すべき歩行動作について、図１および図２を用いて説明する。 A walking motion to be measured by the walking measurement device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図１は、歩行者ＢＤの歩行動作と歩行測定装置の関係を説明する図である。本実施の形態では、歩行者ＢＤが人体である場合を想定して説明するが、歩行者ＢＤに関する説明は、人体に限らず他の動物や、ロボットなど歩行動作を行ういかなる対象にも適用される。 FIG. 1 is a diagram for explaining the relationship between a walking motion of a pedestrian BD and a walking measurement device. In this embodiment, the case where the pedestrian BD is a human body will be described. However, the description regarding the pedestrian BD is not limited to the human body, and may be applied to other objects such as other animals and robots that perform a walking operation. The
歩行者ＢＤは、歩行部位の一例である足部ＦＴによって空間的に歩行動作を行う。この歩行動作の進行方向をＹ軸とし、床面に垂直な方向をＺ軸とし、歩行者ＢＤから見て左右となる方向をＸ軸とする。はじめに足部ＦＴは床面に接地しているが、歩行の開始とともにかかと、爪先の順に床面を離れ、歩行動作とともに床面に接地する動作を繰り返す。 The pedestrian BD performs a walking motion spatially by a foot FT that is an example of a walking part. The advancing direction of this walking motion is taken as the Y axis, the direction perpendicular to the floor surface is taken as the Z axis, and the direction left and right as viewed from the pedestrian BD is taken as the X axis. First, the foot part FT is in contact with the floor surface, but with the start of walking, the heel and the tip of the toe leave the floor surface in order of the heel and repeat the operation of contacting the floor surface with the walking motion.
この足部ＦＴの姿勢をベクトルｅｆによって説明する。ベクトルｅｆは足の裏を平面としたときのこの平面に対する法線ベクトルである。はじめに足部ＦＴは床面に接地し、床面に対して垂直方向を示しているが、このときのベクトルが基準ベクトルｅ０となる。すなわち、ベクトルｅｆは、足部ＦＴが静止状態などの所定の基準姿勢にある場合、床面に垂直な基準ベクトルｅ０と一致する。本実施の形態では、この基準ベクトルｅ０を基準としたベクトルｅｆの変化について説明するが、基準とすべきベクトルは基準ベクトルｅ０に限られず、例えば床面に接地する前後のベクトルを基準ベクトルとしてもよい。 The posture of the foot FT will be described with a vector ef. The vector ef is a normal vector for this plane when the sole of the foot is a plane. First, the foot portion FT contacts the floor surface and shows a direction perpendicular to the floor surface. The vector at this time is the reference vector e0. That is, the vector ef matches the reference vector e0 perpendicular to the floor surface when the foot FT is in a predetermined reference posture such as a stationary state. In the present embodiment, the change of the vector ef based on the reference vector e0 will be described. However, the vector to be used as a reference is not limited to the reference vector e0. For example, a vector before and after contacting the floor may be used as the reference vector. Good.
足部ＦＴの足の甲には慣性センサ１が取り付けられている。慣性センサ１の位置は足の甲に限られず、足首や足の裏に取り付けられる形態も考えられる。慣性センサ１の出力が処理部２に送られる。本実施の形態にかかる歩行測定装置は、慣性センサ１と処理部２を備える。この歩行測定装置により歩行者ＢＤの足部ＦＴの姿勢を測定するとき、足部の三次元的なベクトルを評価しやすくするために二次元平面に射影する。この二次元平面について図２を用いて説明する。 An inertial sensor 1 is attached to the instep of the foot FT. The position of the inertial sensor 1 is not limited to the instep of the foot, and a form that is attached to the ankle or the sole of the foot is also conceivable. The output of the inertial sensor 1 is sent to the processing unit 2. The walking measurement device according to the present embodiment includes an inertial sensor 1 and a processing unit 2. When the posture of the foot part FT of the pedestrian BD is measured by this walking measuring device, the three-dimensional vector of the foot part is projected onto a two-dimensional plane so as to be easily evaluated. This two-dimensional plane will be described with reference to FIG.
図２は、歩行者ＢＤに対する射影面の関係を示した図である。射影面は、歩行者ＢＤを基準とした仮想の平面であり、前額面６、矢状面７、水平面８の３つからなる。前額面６は、歩行方向と床面に垂直な面である。矢状面７は、歩行方向と平行かつ床面と垂直な面である。水平面８は、床面と平行であり、前額面６および矢状面７の双方に垂直である。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship of the projection plane with respect to the pedestrian BD. The projection plane is a virtual plane based on the pedestrian BD, and is composed of a frontal plane 6, a sagittal plane 7, and a horizontal plane 8. The frontal plane 6 is a plane perpendicular to the walking direction and the floor surface. The sagittal plane 7 is a plane parallel to the walking direction and perpendicular to the floor surface. The horizontal plane 8 is parallel to the floor surface and is perpendicular to both the frontal plane 6 and the sagittal plane 7.
図３は、足部ＦＴのベクトルｅｆを射影面に射影したときの位置関係を示した図である。ベクトルｅｆは、図２に示した前額面６または矢状面７への射影により、二次元的に評価することができる。ベクトルｅｆを前額面６に射影することにより、ベクトルｅｆ６が得られる。ベクトルｅｆが前額面６となす角の変化に応じて、ベクトルｅｆ６の大きさは変化する。また、ベクトルｅｆを矢状面７に射影することにより、ベクトルｅｆ７が得られる。ベクトルｅｆが矢状面７となす角の変化に応じて、ベクトルｅｆ７の大きさは変化する。 FIG. 3 is a diagram showing a positional relationship when the vector ef of the foot FT is projected onto the projection plane. The vector ef can be evaluated two-dimensionally by the projection onto the front face 6 or the sagittal plane 7 shown in FIG. The vector ef6 is obtained by projecting the vector ef onto the front face 6. The magnitude of the vector ef6 changes according to the change in the angle that the vector ef makes with the front face 6. In addition, the vector ef7 is obtained by projecting the vector ef onto the sagittal plane 7. The magnitude of the vector ef7 changes according to the change in the angle formed by the vector ef and the sagittal plane 7.
図４は、本実施の形態にかかる歩行測定装置の構成の一例を示すブロック図である。足部ＦＴのベクトルｅｆと射影面との関係については、図３も併せて参照しながら説明する。図４に示す本実施の形態の歩行測定装置は、慣性センサ１と処理部２を備える。慣性センサ１からの検知出力は処理部２に与えられる。 FIG. 4 is a block diagram showing an example of the configuration of the walking measurement device according to the present embodiment. The relationship between the foot FT vector ef and the projection plane will be described with reference to FIG. The walking measurement device according to the present embodiment shown in FIG. 4 includes an inertial sensor 1 and a processing unit 2. The detection output from the inertial sensor 1 is given to the processing unit 2.
慣性センサ１は、加速度センサ１１と、角速度センサ１２とを備える。しかしながら両方を必ずしも備えなければならない訳ではなく、いずれか一方であってもよい。慣性センサ１は、足部ＦＴの空間的な運動を表わす物理量として加速度及び角速度の少なくとも一方を検出する。 The inertial sensor 1 includes an acceleration sensor 11 and an angular velocity sensor 12. However, both are not necessarily provided, and either one may be provided. Inertial sensor 1 detects at least one of acceleration and angular velocity as a physical quantity representing the spatial motion of foot FT.
加速度センサ１１は、例えば質量が可撓性の支持部に支持されており、加速度による質量の変位が支持部の撓み量として圧電素子などで検知される。加速度センサ１１で、互いに直交する３軸方向の加速度成分（ａｘ、ａｙ、ａｚ）が検知される。加速度センサ１１は、互いに直交する３軸における加速度成分のすべてを検出するものとして説明するが、このうち１軸または２軸についての加速度成分のみを検出して、この１軸または２軸についての加速度成分のみを用いてもよい。 For example, the acceleration sensor 11 is supported by a support portion having a flexible mass, and a displacement of the mass due to the acceleration is detected by a piezoelectric element or the like as a deflection amount of the support portion. In the acceleration sensor 11, orthogonal three-axis directions of the acceleration component (a x, a y, a z) are detected together. The acceleration sensor 11 will be described as detecting all acceleration components in three axes orthogonal to each other. Of these, only the acceleration component for one or two axes is detected, and the acceleration for the one or two axes is detected. Only the components may be used.
角速度センサ１２は、例えば振動型ジャイロスコープであり、コリオリ力を利用して角速度が検知される。角速度センサ１２では、互いに直交する３軸方向（３軸回り）の角速度成分（ωｘ、ωｙ、ωｚ）が検知される。角速度センサ１２は、互いに直交する３軸における角速度成分のすべてを検出するものとして説明するが、このうち１軸または２軸についての角速度成分のみを検出して、この１軸または２軸についての角速度成分のみを用いてもよい。 The angular velocity sensor 12 is, for example, a vibration gyroscope, and the angular velocity is detected using Coriolis force. The angular velocity sensor 12 detects angular velocity components (ω x , ω y , ω z ) in three axial directions (around three axes) orthogonal to each other. The angular velocity sensor 12 will be described as detecting all angular velocity components in three axes orthogonal to each other. Of these, only the angular velocity component for one or two axes is detected, and the angular velocity for the one or two axes is detected. Only the components may be used.
慣性センサ１の検知出力は、送信部１３、受信部２１を介して処理部２に伝えられる。無線通信の場合、送信部１３、受信部２１は無線通信機能を持ったインターフェースによって実現される。慣性センサ１と処理部２とが一体化している場合は、送信部１３と受信部２１は慣性センサ１と処理部２の間の接続端子であり、これにより両者は直接接続される。 The detection output of the inertial sensor 1 is transmitted to the processing unit 2 via the transmission unit 13 and the reception unit 21. In the case of wireless communication, the transmission unit 13 and the reception unit 21 are realized by an interface having a wireless communication function. When the inertial sensor 1 and the processing unit 2 are integrated, the transmission unit 13 and the reception unit 21 are connection terminals between the inertial sensor 1 and the processing unit 2, and thus both are directly connected.
処理部２は、慣性センサ１において検出された物理量のデータに基づいて、足部ＦＴの歩行運動に関する測定値を算出する回路である。処理部２は、例えば、記憶装置に格納されるプログラムの命令コードに従って演算処理を行うコンピュータや、特定の機能を実現するロジック回路を含んで構成される。処理部２の処理は、その全てをコンピュータとプログラムにより実現してもよいし、その一部若しくは全部を専用のロジック回路で実現してもよい。プログラムは、ＤＶＤ等の非一時的な記録媒体に記録されたものを媒体読み取り装置によって処理部２のコンピュータが読み取ってもよい。処理部２は、足部ＦＴに装着されるものであってもよいし、足部ＦＴから離れた位置にあって、慣性センサ１からの検知出力が有線または無線で処理部２に伝達されるものであってもよい。ここでは、慣性センサ１からの検知出力を無線で伝達する場合について説明する。 The processing unit 2 is a circuit that calculates a measurement value related to the walking motion of the foot FT based on the physical quantity data detected by the inertial sensor 1. The processing unit 2 includes, for example, a computer that performs arithmetic processing according to an instruction code of a program stored in a storage device, and a logic circuit that realizes a specific function. All of the processing of the processing unit 2 may be realized by a computer and a program, or part or all of the processing may be realized by a dedicated logic circuit. The program may be recorded on a non-temporary recording medium such as a DVD by the computer of the processing unit 2 using a medium reading device. The processing unit 2 may be attached to the foot FT, or at a position away from the foot FT, and the detection output from the inertial sensor 1 is transmitted to the processing unit 2 by wire or wirelessly. It may be a thing. Here, a case where the detection output from the inertial sensor 1 is transmitted wirelessly will be described.
処理部２は、例えば図４に示すように、ベクトル算出部２２と、第１傾斜角算出部２３と、第２傾斜角算出部２４と、ベクトル補正部２５を備える。 As illustrated in FIG. 4, for example, the processing unit 2 includes a vector calculation unit 22, a first inclination angle calculation unit 23, a second inclination angle calculation unit 24, and a vector correction unit 25.
ベクトル算出部２２は、歩行運動に伴って変化する足部ＦＴの姿勢を表わす仮想的なベクトルｅｆを、慣性センサ１において検出された物理量に基づいて算出する。ベクトル算出部２２は、慣性センサ１において検出された物理量に基づいて、基準ベクトルｅ０の回転変換を表わすクォータニオンを取得し、クォータニオンに応じた回転行列によって基準ベクトルｅ０に回転変換を施した結果をベクトルｅｆとして取得する。 The vector calculation unit 22 calculates a virtual vector ef representing the posture of the foot FT that changes with walking motion based on the physical quantity detected by the inertial sensor 1. The vector calculation unit 22 obtains a quaternion representing the rotational transformation of the reference vector e0 based on the physical quantity detected by the inertial sensor 1, and obtains a vector obtained by performing the rotational transformation on the reference vector e0 using a rotation matrix corresponding to the quaternion. Get as ef.
ベクトル算出部２２は、３軸の角速度成分および３軸の加速度成分を用いる場合、次のようにベクトルｅｆを求める。まずベクトル算出部２２は、３軸の角速度成分に基づいて、基準ベクトルｅ０の回転変換を表わす第１クォータニオンを取得する。またベクトル算出部２２は、３軸の加速度成分に基づいて、基準ベクトルｅ０の回転変換を表わす第２クォータニオンを取得する。そして、ベクトル算出部２２は、第２クォータニオンを観測値として、第１クォータニオンにカルマンフィルタを適用することにより第１クォータニオンを補正し、補正した第１クォータニオンに応じた回転行列によって基準ベクトルｅ０に回転変換を施し、その回転変換の結果をベクトルｅｆとして取得する。ベクトルｅｆの算出処理については、図５を参照して後述する。しかしながら、ベクトルｅｆの算出処理は、クォータニオンおよび回転行列を用いて算出するものに限られず、例えば角速度データと加速度データからオイラー角の測定情報を得て、フレームマトリクス手法を用いて求めてもよい。 When using the triaxial angular velocity component and the triaxial acceleration component, the vector calculation unit 22 obtains the vector ef as follows. First, the vector calculation unit 22 acquires a first quaternion representing the rotational transformation of the reference vector e0 based on the three-axis angular velocity components. Further, the vector calculation unit 22 acquires a second quaternion representing the rotational transformation of the reference vector e0 based on the triaxial acceleration components. Then, the vector calculation unit 22 corrects the first quaternion by applying the Kalman filter to the first quaternion using the second quaternion as an observation value, and performs rotation conversion to the reference vector e0 by a rotation matrix corresponding to the corrected first quaternion. And the rotation transformation result is obtained as a vector ef. The calculation process of the vector ef will be described later with reference to FIG. However, the calculation process of the vector ef is not limited to the calculation process using the quaternion and the rotation matrix. For example, the Euler angle measurement information may be obtained from the angular velocity data and the acceleration data, and obtained using the frame matrix method.
第１傾斜角算出部２３は、前額面６にベクトルｅｆを射影し、射影したベクトルｅｆ６に基づいて足部ＦＴの前額面６における第１傾斜角を算出する。例えば、射影したベクトルｅｆ６とＺ軸のなす角を第１傾斜角とする。また、後述するベクトル補正部２５によりベクトルｅｆ６が補正された場合は、補正されたベクトルｅｆ６’を前額面６に射影し、射影したベクトルに基づいて第１傾斜角を算出する。具体的には、射影したベクトルｅｆ６’とＺ軸のなす角を第１傾斜角とする。 The first inclination angle calculation unit 23 projects the vector ef on the front face 6 and calculates the first inclination angle on the front face 6 of the foot FT based on the projected vector ef6. For example, the angle formed by the projected vector ef6 and the Z axis is the first tilt angle. When the vector ef6 is corrected by the vector correction unit 25 described later, the corrected vector ef6 'is projected onto the frontal plane 6, and the first tilt angle is calculated based on the projected vector. Specifically, an angle formed by the projected vector ef6 'and the Z axis is set as the first inclination angle.
第２傾斜角算出部２４は、矢状面７にベクトルｅｆを射影し、射影したベクトルｅｆ７に基づいて足部ＦＴの矢状面７における第２傾斜角を算出する。例えば、射影したベクトルｅｆ７とＹ軸のなす角を第２傾斜角とする。 The second tilt angle calculation unit 24 projects the vector ef onto the sagittal plane 7 and calculates the second tilt angle at the sagittal plane 7 of the foot FT based on the projected vector ef7. For example, an angle formed by the projected vector ef7 and the Y axis is set as the second inclination angle.
ベクトル補正部２５は、第２傾斜角の変化に応じた第１傾斜角の変化が最小となるように、ベクトルｅｆの向きを第２傾斜角に応じて補正する。つまり、第２傾斜角が変化すると、前額面６に射影されるベクトルｅｆ６がこの影響を受けて変化するため、第２傾斜角の変化に対する第１傾斜角の影響が小さくなるようにベクトルｅｆを補正する。 The vector correction unit 25 corrects the direction of the vector ef according to the second inclination angle so that the change in the first inclination angle according to the change in the second inclination angle is minimized. That is, when the second inclination angle changes, the vector ef6 projected on the front face 6 changes under this influence, and therefore the vector ef is set so that the influence of the first inclination angle on the change of the second inclination angle is reduced. to correct.
ベクトル補正部２５は、ベクトルｅｆを矢状面７に射影したベクトルｅｆ７と基準ベクトルｅ０を矢状面７に射影したベクトルとが一致するように、矢状面７に垂直なＸ軸の周りにおいて第２傾斜角に応じた角度だけベクトルｅｆを回転する。 The vector correction unit 25 is arranged around the X axis perpendicular to the sagittal plane 7 so that the vector ef7 that projects the vector ef onto the sagittal plane 7 and the vector that projects the reference vector e0 onto the sagittal plane 7 match. The vector ef is rotated by an angle corresponding to the second inclination angle.
表示部２６は、処理部２の各部で求められた算出結果を表示するディスプレイおよびその制御部によって構成され、表示部２６の制御部が算出結果を受け取って、その内容をディスプレイに表示する。表示部２６は、ベクトルｅｆ、基準ベクトルｅ０、第１傾斜角、第２傾斜角を表示する。また、これらの継時的な軌跡を表示してもよい。 The display unit 26 includes a display that displays calculation results obtained by each unit of the processing unit 2 and its control unit. The control unit of the display unit 26 receives the calculation results and displays the contents on the display. The display unit 26 displays the vector ef, the reference vector e0, the first tilt angle, and the second tilt angle. Further, these temporal trajectories may be displayed.
図５は、足部ＦＴのベクトルｅｆについての演算処理を説明するフローチャートである。まず、ステップＳＴ１−１では角速度センサ１２が角速度の検出を、ステップＳＴ２−１では加速度センサ１１が加速度の検出を行い、ステップＳＴ１−２、ＳＴ２−２では、ベクトル算出部２２がクォータニオンの算出を行う。 FIG. 5 is a flowchart for explaining a calculation process for the vector ef of the foot FT. First, in step ST1-1, the angular velocity sensor 12 detects angular velocity, in step ST2-1, the acceleration sensor 11 detects acceleration, and in steps ST1-2 and ST2-2, the vector calculation unit 22 calculates quaternions. Do.
ステップＳＴ１−２では、ベクトル算出部２２が、角速度センサ１２で検知された３軸方向の角速度成分の全てに基づいてクォータニオンを算出する。クォータニオンはｑ（ｑ０，ｑ１，ｑ２，ｑ３）で表される４次元ベクトルであり、「ｑ０」は角度成分θを意味し、「ｑ１」「ｑ２」「ｑ３」は、回転軸の成分を意味している。 In step ST <b> 1-2, the vector calculation unit 22 calculates a quaternion based on all the angular velocity components in the three axial directions detected by the angular velocity sensor 12. The quaternion is a four-dimensional vector represented by q (q 0 , q 1 , q 2 , q 3 ), “q 0 ” means the angle component θ, and “q 1 ” “q 2 ” “q 3 ” Means the component of the rotating shaft.
３軸方向の角速度成分からのクォータニオンｑの算出は、クォータニオンの時間変化を積分することで行われ、時間発展の式により求められ、例えば１０ｍ秒周期で繰り返される。ある時刻をｋとすると、次のサンプリング時刻ｋ＋１において、角速度成分から求められるクォータニオンｑｋ＋１は、以下の数１で表される。 The quaternion q is calculated from the angular velocity components in the three-axis directions by integrating the quaternion time change, is obtained by a time evolution formula, and is repeated, for example, at a cycle of 10 milliseconds. Assuming that a certain time is k, the quaternion q k + 1 obtained from the angular velocity component at the next sampling time k + 1 is expressed by the following equation (1).
上記において、ωｘｋ、ωｙｋ、ωｚｋは、時刻ｋに角速度センサ１２から得られた３軸の（３軸回りの）角速度成分である。Δｔはサンプリング時間である。 In the above, ω xk , ω yk , and ω zk are three-axis (around three axes) angular velocity components obtained from the angular velocity sensor 12 at time k. Δt is a sampling time.
ステップＳＴ２−２では、ベクトル算出部２２が、加速度センサ１１で測定された３軸の加速度成分（ａｘ，ａｙ，ａｚ）から求められる時刻ｋにおけるクォータニオンｚｋを算出する。 In step ST <b> 2-2, the vector calculation unit 22 calculates a quaternion z k at time k obtained from the three-axis acceleration components (a x , a y , a z ) measured by the acceleration sensor 11.
時刻ｋにおいて、加速度成分から求められるクォータニオンｚｋは、以下の数２で表される。 At time k, the quaternion z k obtained from the acceleration component is expressed by the following formula 2.
ａｋは、時刻ｋにおいて３軸の加速度成分から求められた重力加速度であり、ａ０は、ベクトルｅｆが基準ベクトルｅ０に一致している場合に検知される重力加速度である。θｋは、重力の加速度ａｋ， ａ０を測定することで得られる回転量であり、Ａｋは、時刻ｋにおける回転軸である。
なお、ステップＳＴ１−２とＳＴ２−２のクォータニオンへの変換処理は、どちらが先に行われてもよいし、同時のステップとして処理されてもよい。
ak is the gravitational acceleration obtained from the triaxial acceleration components at time k, and a0 is the gravitational acceleration detected when the vector ef matches the reference vector e0. θk is the rotation amount obtained by measuring the accelerations ak and a0 of gravity, and Ak is the rotation axis at time k.
Note that either of the conversion processing to quaternions in steps ST1-2 and ST2-2 may be performed first, or may be performed as simultaneous steps.
角速度成分からクォータニオンｑを算出する際に、時間発展の式が積分になるため、角速度センサ１２のオフセットドリフトが累積されることになり、角速度成分から求められるクォータニオンｑには、累積した誤差が含まれる。そこで、ベクトル算出部２２は、ステップＳＴ３において、角速度成分から算出されたクォータニオンｑにカルマンフィルタを適用し、このときに、加速度成分から算出したクォータニオンｚを観測値とすることで、誤差の修正を行う。 When calculating the quaternion q from the angular velocity component, the equation of time evolution is integral, so that the offset drift of the angular velocity sensor 12 is accumulated, and the quaternion q obtained from the angular velocity component includes an accumulated error. It is. Therefore, the vector calculation unit 22 applies a Kalman filter to the quaternion q calculated from the angular velocity component in step ST3, and corrects the error by using the quaternion z calculated from the acceleration component as an observation value at this time. .
すなわち、ベクトル算出部２２は、ステップＳＴ３において、数３に示す角速度成分から求められるクォータニオンの状態式と、数４に示す加速度成分から求められるクォータニオンの観測式の空間モデルから、カルマンフィルタにおいて以下の数５に示すように、予測値の補正を行う。 That is, in step ST3, the vector calculation unit 22 calculates the following numerical values in the Kalman filter from the quaternion state equation obtained from the angular velocity component shown in Equation 3 and the quaternion observation equation obtained from the acceleration component shown in Equation 4. As shown in FIG. 5, the prediction value is corrected.
数３におけるｗはプロセス雑音、数４におけるｖは観測雑音（測定雑音）を示す。数５におけるＫは、数３の状態式に対するカルマンゲイン、すなわち角速度成分から得られたクォータニオンｑの補正におけるカルマンゲインを示している。カルマンフィルタでは、プロセス雑音に関係する値と観測雑音に関係する値とに基づく雑音比によってカルマンゲインＫが決定される。例えば、前記雑音比が小さいほどカルマンゲインＫが大きくなり、雑音比が大きくなるとカルマンゲインＫが小さくなるように設定される。数５では、カルマンフィルタにより推定されたクォータニオンが「ハット付きのｑｋ」で表現されている。また、直前の推定値から予測されたクォータニオンが「バー付きのｑｋ」で表現されている。 In Equation 3, w represents process noise, and v in Equation 4 represents observation noise (measurement noise). K in Equation 5 represents the Kalman gain for the state equation of Equation 3, that is, the Kalman gain in the correction of the quaternion q obtained from the angular velocity component. In the Kalman filter, the Kalman gain K is determined by a noise ratio based on a value related to process noise and a value related to observation noise. For example, the Kalman gain K increases as the noise ratio decreases, and the Kalman gain K decreases as the noise ratio increases. In Equation 5, the quaternion estimated by the Kalman filter is expressed as “q k with hat”. Further, the quaternion predicted from the immediately preceding estimated value is expressed as “q k with a bar”.
なお、雑音比は、雑音比が小さいほどカルマンゲインＫが小さくなり、雑音比が大きくなるとカルマンゲインＫが大きくなるように設定することもできる。 The noise ratio can be set so that the Kalman gain K decreases as the noise ratio decreases, and the Kalman gain K increases as the noise ratio increases.
ステップＳＴ４では、ベクトル算出部２２が、カルマンフィルタで補正されたクォータニオンｑ（ハット付き）を回転行列Ｒに変換する。回転行列Ｒは、以下の数６で表される。数６におけるｑ０，ｑ１，ｑ２，ｑ３は、カルマンフィルタで補正されたクォータニオンの構成要素であり、前述のように「ｑ０」は角度θ成分を意味し、「ｑ１」「ｑ２」「ｑ３」は、回転軸の成分を意味している。 In step ST4, the vector calculation unit 22 converts the quaternion q (with a hat) corrected by the Kalman filter into a rotation matrix R. The rotation matrix R is expressed by Equation 6 below. In Equation 6, q 0 , q 1 , q 2 , and q 3 are quaternion components corrected by the Kalman filter, and “q 0 ” means the angle θ component as described above, and “q 1 ” “q” “ 2 ” and “q 3 ” mean components of the rotation axis.
図３に示すｘ−ｙ−ｚ座標内に現れるベクトルｅｆは、基準ベクトルｅ０を数６に示す回転行列Ｒによって回転させたものに相当している。したがって、ステップＳＴ５において、数６に示す回転行列Ｒへの変換を例えば１０ｍ秒間隔で行えば、１０ｍ秒毎のベクトルｅｆを求めることができる。 A vector ef appearing in the xyz coordinate shown in FIG. 3 corresponds to the reference vector e0 rotated by the rotation matrix R shown in Equation 6. Therefore, in step ST5, if the conversion into the rotation matrix R shown in Formula 6 is performed at intervals of 10 milliseconds, for example, the vector ef every 10 milliseconds can be obtained.
上述のように説明したベクトルｅｆについて、図３を参照して説明したようにベクトルｅｆの射影を行うことにより、ベクトルｅｆ６とベクトルｅｆ７を求めることができる。そして、ベクトルｅｆ６は前額面６に射影されたベクトルであるから、ベクトルｅｆ６を用いて足部ＦＴの前額面６内の傾斜角度を算出することができる。また、ベクトルｅｆ７は矢状面７に射影されたベクトルであるから、ベクトルｅｆ７を用いて足部ＦＴの矢状面７内の傾斜角度を算出することができる。 For the vector ef described above, the vector ef6 and the vector ef7 can be obtained by projecting the vector ef as described with reference to FIG. Since the vector ef6 is a vector projected onto the frontal plane 6, the inclination angle of the foot FT in the frontal plane 6 can be calculated using the vector ef6. Further, since the vector ef7 is a vector projected onto the sagittal plane 7, the inclination angle within the sagittal plane 7 of the foot FT can be calculated using the vector ef7.
図６は、矢状面内傾斜角度と足部ＦＴの姿勢について説明する図である。ベクトルｅｆ７により、第２傾斜角としての矢状面内傾斜角度が求められる。足部ＦＴが床面に接地した基準姿勢における矢状面内傾斜角度を基準値とし、この基準値に対する矢状面内傾斜角度のずれを求めることで、足部ＦＴの姿勢が図６に示す背屈又は底屈の何れであるかを推定することができる。 FIG. 6 is a diagram illustrating the sagittal in-plane inclination angle and the posture of the foot FT. The sagittal in-plane inclination angle as the second inclination angle is obtained from the vector ef7. FIG. 6 shows the posture of the foot portion FT by determining the deviation of the in-sagittal tilt angle with respect to the reference value in the reference posture where the foot portion FT is in contact with the floor surface. It can be estimated whether it is dorsiflexion or plantar flexion.
図７は、前額面内傾斜角度と足部ＦＴの姿勢について説明する図である。ベクトルｅｆ６により第１傾斜角としての前額面内傾斜角度が求められる。足部ＦＴが床面に接地した基準姿勢における前額面内傾斜角度を基準値とし、この基準値に対する前額面傾斜角度のずれを求めることで、足部ＦＴの姿勢が図７に示す外反又は内反の何れであるかを推定することができる。 FIG. 7 is a diagram for explaining the in-front-plane inclination angle and the posture of the foot FT. The in-plane inclination angle as the first inclination angle is obtained from the vector ef6. By using the inclination angle in the frontal plane in the reference posture in which the foot part FT is in contact with the floor as a reference value, and obtaining the deviation of the frontal face inclination angle with respect to this reference value, the posture of the foot part FT is shown in FIG. It is possible to estimate which is a varus.
次に、足部ＦＴの矢状面７内及び前額面６内の運動について説明する。通常の歩行動作は、両足を交互に前に進めることにより行い、足部ＦＴの動きは主として矢状面７内の動きとなる。歩行時に足部ＦＴは前額面６内でも運動するが、その動きは矢状面７内での動きに比較するとあまり大きくない。そのため、足部ＦＴに設定したベクトルｅｆの矢状面７内の傾斜角（第２傾斜角）は、前額面６内の運動にあまり影響をうけることなく比較的正確に測定できるが、ベクトルｅｆの前額面７内での傾斜角（第１傾斜角）は、矢状面７内の運動に応じて大きく変化する。 Next, the movement in the sagittal plane 7 and the frontal plane 6 of the foot FT will be described. The normal walking motion is performed by alternately moving both feet forward, and the movement of the foot FT is mainly the movement in the sagittal plane 7. While walking, the foot FT moves within the frontal plane 6, but the movement is not so large as compared to the movement within the sagittal plane 7. Therefore, the inclination angle (second inclination angle) of the vector ef set in the foot portion FT in the sagittal plane 7 can be measured relatively accurately without being affected much by the movement in the frontal plane 6, but the vector ef The inclination angle (first inclination angle) in the frontal plane 7 greatly changes according to the movement in the sagittal plane 7.
図８および図９は、足部ＦＴの矢状面７内での運動が前額面６内の傾斜角度に与える影響について説明する図である。図８は、矢状面７内で運動していない状態の足部ＦＴを、前額面６内において傾斜させた状態を示す。この前額面６内での傾斜を保ったまま足部ＦＴを矢状面７内で運動させると、図９に示す状態となる。足部ＦＴに設定されたベクトルｅｆを前額面６に射影したベクトルｅｆ６は、図８と図９を比較して分かるように、前額面６内での傾斜角度（第１傾斜角）が異なっている。従って、矢状面７内で運動する足部ＦＴのベクトルｅｆをそのまま前額面６に射影したベクトルｅｆ６は、前額面６内での足部ＦＴの傾斜角を正しく反映していない。 FIGS. 8 and 9 are diagrams for explaining the influence of the movement of the foot FT in the sagittal plane 7 on the inclination angle in the frontal plane 6. FIG. 8 shows a state in which the foot portion FT that is not moving in the sagittal plane 7 is inclined in the frontal plane 6. If the foot FT is moved in the sagittal plane 7 while maintaining the inclination in the frontal plane 6, the state shown in FIG. 9 is obtained. The vector ef6 obtained by projecting the vector ef set on the foot FT onto the front face 6 has different inclination angles (first inclination angles) within the front face 6 as can be seen by comparing FIG. 8 and FIG. Yes. Therefore, the vector ef6 obtained by directly projecting the vector ef of the foot FT moving in the sagittal plane 7 onto the frontal plane 6 does not correctly reflect the inclination angle of the foot FT in the frontal plane 6.
このような矢状面７内の運動による前額面６内の傾斜角の誤差を補正するために、図４を用いて説明したベクトル補正部２５では、ベクトルｅｆをＸ軸の周りで第２傾斜角に応じた角度だけ回転する補正を行い、補正後のベクトルｅｆ’を前額面６に射影し、この射影したベクトルｅｆ６’の前額面６内での傾斜角度を第１傾斜角として算出する。 In order to correct the error of the inclination angle in the frontal plane 6 due to the movement in the sagittal plane 7, the vector correction unit 25 described with reference to FIG. 4 sets the vector ef to the second inclination around the X axis. Correction that rotates by an angle corresponding to the angle is performed, the corrected vector ef ′ is projected onto the front face 6, and the inclination angle of the projected vector ef 6 ′ within the front face 6 is calculated as the first inclination angle.
次に、第２傾斜角について補正を行った場合の実験結果について図１０と図１１を参照して説明する。
図１０は、本実施形態にかかる歩行測定装置を剛体実験により検証する際のモデルを説明する図である。この剛体実験では、剛体９０に対して慣性センサ１を前額面内傾斜角度−３０度で固定する。そして、剛体９０および慣性センサ１を矢状面７内で運動可能に配置する。その上で、図示した０度の状態から始めて目標角度±５０度で剛体９０及び慣性センサ１を振るという実験を行う。実験結果は図１１の通りとなった。
Next, experimental results when the second tilt angle is corrected will be described with reference to FIGS. 10 and 11.
FIG. 10 is a diagram for explaining a model when the walking measurement apparatus according to the present embodiment is verified by a rigid body experiment. In this rigid body experiment, the inertial sensor 1 is fixed to the rigid body 90 at a tilt angle of −30 degrees in the frontal plane. The rigid body 90 and the inertial sensor 1 are arranged so as to be movable within the sagittal plane 7. Then, an experiment is performed in which the rigid body 90 and the inertial sensor 1 are shaken at a target angle of ± 50 degrees, starting from the 0 degree state shown in the figure. The experimental results are as shown in FIG.
図１１は、剛体実験の結果に基づく歩行動作に伴う第１傾斜角と第２傾斜角の推移を示すグラフである。グラフ１０１は、第２傾斜角の測定値を示す。グラフ１０２は、第２傾斜角によるベクトルｅｆの補正を行わずに算出した第１傾斜角の測定値を示す。グラフ１０３は、第２傾斜角によるベクトルｅｆの補正を行った上で算出した第１傾斜角の測定値を示す。まず歩行動作に入る前の段階１００から測定が始まる。歩行動作に入っていないことから、矢状面内運動が始まっておらず、グラフ１０１に示す矢状面内の第２傾斜角度はほぼ０度の状態で推移する。剛体９０に対して慣性センサ１の前額面内の第１傾斜角度が−３０度で固定され、運動が始まっていないことから、グラフ１０１及び１０２はほぼ−３０度の状態で推移している。 FIG. 11 is a graph showing transition of the first inclination angle and the second inclination angle associated with the walking motion based on the result of the rigid body experiment. Graph 101 shows the measured value of the second tilt angle. A graph 102 shows a measured value of the first tilt angle calculated without correcting the vector ef by the second tilt angle. A graph 103 shows a measured value of the first tilt angle calculated after correcting the vector ef by the second tilt angle. First, measurement starts from step 100 before entering the walking motion. Since it is not in the walking motion, the sagittal in-plane motion has not started, and the second tilt angle in the sagittal plane shown in the graph 101 changes in a state of approximately 0 degrees. Since the first inclination angle in the frontal plane of the inertial sensor 1 is fixed at −30 degrees with respect to the rigid body 90 and the movement has not started, the graphs 101 and 102 change at a state of approximately −30 degrees.
次に歩行動作に移行する。このとき、上述のように剛体９０および慣性センサ１を矢状面７内で０度の状態から始めて目標角度±５０度で振っているので、矢状面内の第２傾斜角度はグラフ１０１に示すように推移する。一方で前額面内の第１傾斜角度については、グラフ１０２及び１０３に示したように推移する。 Next, it shifts to walking motion. At this time, since the rigid body 90 and the inertial sensor 1 are swung at the target angle ± 50 degrees starting from 0 degrees in the sagittal plane 7 as described above, the second inclination angle in the sagittal plane is shown in the graph 101. Transition as shown. On the other hand, the first inclination angle in the front face changes as shown in the graphs 102 and 103.
第２傾斜角によるベクトルｅｆの補正を行わずに算出した第１傾斜角の測定値は、グラフ１０２に示すように、矢状面運動の影響を受けて大きく変化する。すなわち、第１傾斜角の測定値は、第２傾斜角が大きくなるほど実際の値（−３０度）から大きく離れた値となっている。 The measured value of the first tilt angle calculated without correcting the vector ef by the second tilt angle changes greatly under the influence of the sagittal plane motion, as shown in the graph 102. That is, the measured value of the first tilt angle is a value that is far from the actual value (−30 degrees) as the second tilt angle increases.
一方、第２傾斜角によるベクトルｅｆの補正を行った上で算出した第１傾斜角の測定値は、グラフ１０３に示すように、矢状面運動の影響を殆ど受けておらず、実際の値（−３０度）とほぼ等しくなっている。ベクトルｅｆの補正を行うことにより、第１傾斜角の測定値は、第２傾斜角が変化してもほぼ一定の値となっている。このように、剛体実験の結果、矢状面７内の第２傾斜角度に応じて補正したベクトルｅｆ’に基づいて前額面内の第１傾斜角度を算出することにより、矢状面内運動の影響を受けにくい正確な測定値を取得できることが示された。 On the other hand, the measured value of the first tilt angle calculated after correcting the vector ef by the second tilt angle is hardly influenced by the sagittal motion, as shown in the graph 103, and is an actual value. It is almost equal to (−30 degrees). By correcting the vector ef, the measured value of the first inclination angle becomes a substantially constant value even when the second inclination angle changes. Thus, as a result of the rigid body experiment, by calculating the first inclination angle in the frontal plane based on the vector ef ′ corrected according to the second inclination angle in the sagittal plane 7, It was shown that accurate measurement values that are not easily affected can be obtained.
図１２は、本実施形態にかかる歩行測定装置による歩行動作の測定処理について説明するフローチャートである。 FIG. 12 is a flowchart for explaining the walking movement measurement process by the walking measurement apparatus according to the present embodiment.
まず、慣性センサ１は、それぞれ検出データを取得する。すなわち、加速度センサ１１は加速度データを、角速度センサ１２は角速度データをそれぞれ取得する。得られた検出データは送信部１３、受信部２１を介して処理部２に送られ、処理部２は、慣性センサ１の検出データを取得する（ステップＳＴ１１）。 First, the inertial sensor 1 acquires detection data, respectively. That is, the acceleration sensor 11 acquires acceleration data, and the angular velocity sensor 12 acquires angular velocity data. The obtained detection data is sent to the processing unit 2 via the transmission unit 13 and the reception unit 21, and the processing unit 2 acquires the detection data of the inertial sensor 1 (step ST11).
次に、ベクトル算出部２２は、検出データに基づいて足部ＦＴのベクトルｅｆを算出する（ステップＳＴ１２）。ベクトルｅｆの算出については、図５を参照して説明したとおりである。 Next, the vector calculation unit 22 calculates the vector ef of the foot FT based on the detection data (step ST12). The calculation of the vector ef is as described with reference to FIG.
第２傾斜角算出部２４は、ベクトルｅｆを矢状面７に射影してベクトルｅｆ７を求め、矢状面７内におけるベクトルｅｆ７の傾斜角を第２傾斜角として算出する（ステップＳＴ１３）。 The second inclination angle calculation unit 24 obtains the vector ef7 by projecting the vector ef onto the sagittal plane 7, and calculates the inclination angle of the vector ef7 in the sagittal plane 7 as the second inclination angle (step ST13).
ベクトル補正部２５は、第２傾斜角を用いてベクトルｅｆを補正する（ステップＳＴ１４）。すなわち、ベクトル補正部２５は、第２傾斜角の変化に応じた第１傾斜角の変化が最小となるように、矢状面７に垂直なＸ軸の周りにおいて第２傾斜角に応じた角度だけベクトルｅｆを回転する補正を行う。 The vector correction unit 25 corrects the vector ef using the second tilt angle (step ST14). That is, the vector correction unit 25 has an angle corresponding to the second inclination angle around the X axis perpendicular to the sagittal plane 7 so that the change of the first inclination angle corresponding to the change of the second inclination angle is minimized. The correction which rotates the vector ef only is performed.
そして第１傾斜角算出部２３は、補正後のベクトルｅｆ’を前額面６に射影してベクトルｅｆ６’を求め、前額面６内におけるベクトルｅｆ６’の傾斜角を第２傾斜角として算出する（ステップＳＴ１５）。 Then, the first inclination angle calculation unit 23 projects the corrected vector ef ′ onto the front face plane 6 to obtain a vector ef6 ′, and calculates the inclination angle of the vector ef6 ′ in the front face face 6 as the second inclination angle ( Step ST15).
以上のように、本実施の形態によれば、足部ＦＴに設けた慣性センサ１の検出データに基づいて、足部ＦＴの姿勢を表わすベクトルｅｆが算出され、そのベクトルｅｆを前額面６に射影したベクトルに基づいて、前額面６内における足部ＦＴの第１傾斜角が算出される。また、ベクトルｅｆを矢状面７に射影したベクトルに基づいて、矢状面７内における第２傾斜角が算出される。従って、歩行運動時における足部ＦＴの姿勢を詳しく評価することができる。更に、得られた第２傾斜角に基づいてベクトルｅｆの向きが補正され、補正されたベクトルｅｆに基づいて第１傾斜角が算出されるので、図１１に示したように、矢状面内運動の影響を殆ど受けることなく精度の高い第１傾斜角を得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, the vector ef representing the posture of the foot FT is calculated based on the detection data of the inertial sensor 1 provided on the foot FT, and the vector ef is applied to the front face 6. Based on the projected vector, the first inclination angle of the foot FT in the front face 6 is calculated. Further, the second inclination angle in the sagittal plane 7 is calculated based on the vector obtained by projecting the vector ef onto the sagittal plane 7. Therefore, the posture of the foot FT during the walking exercise can be evaluated in detail. Furthermore, since the direction of the vector ef is corrected based on the obtained second inclination angle, and the first inclination angle is calculated based on the corrected vector ef, as shown in FIG. A highly accurate first tilt angle can be obtained without being substantially affected by the motion.
（変形例１）
上述の実施の形態では、図５を参照して説明したように、慣性センサ１として加速度センサ１１および角速度センサ１２の両方を用いてベクトルｅｆを求めた。しかしながら、加速度センサ１１および角速度センサ１２はいずれか一方でもよい。変形例１では、加速度センサ１１のみを用いたベクトルｅｆについての演算処理を説明する。
(Modification 1)
In the above-described embodiment, as described with reference to FIG. 5, the vector ef is obtained by using both the acceleration sensor 11 and the angular velocity sensor 12 as the inertial sensor 1. However, either the acceleration sensor 11 or the angular velocity sensor 12 may be used. In the first modification, a calculation process for the vector ef using only the acceleration sensor 11 will be described.
図１３は、加速度センサ１１を用いた足部ＦＴのベクトルｅｆについての演算処理を説明するフローチャートである。変形例１においては、ステップＳＴ２−１から処理が開始する。このステップＳＴ２−１、ＳＴ２−２の処理は、図５を参照して説明した場合と同じであり、加速度センサ１１で測定された３軸の加速度成分（ａｘ，ａｙ，ａｚ）から求められる時刻ｋにおけるクォータニオンｚｋを算出する。ステップＳＴ２−２の次のステップＳＴ３については、角速度センサ１２の検出データを用いず加速度センサ１１の検出データのみでベクトルｅｆを求めることから、カルマンフィルタの処理は行わず、ステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４の処理は図５を参照して説明した場合と同様であり、クォータニオンｑを回転行列Ｒに変換する。足部ＦＴの運動による加速度が重力加速度に対して比較的小さい場合は、この変形例１で示すように、加速度センサ１１の検出データのみで簡易的にベクトルｅｆを算出することができる。 FIG. 13 is a flowchart for explaining a calculation process for the vector ef of the foot FT using the acceleration sensor 11. In the first modification, the process starts from step ST2-1. This step ST2-1, the processing of ST2-2 is the same as that described with reference to FIG. 5, the acceleration components of 3 axes measured by the acceleration sensor 11 (a x, a y, a z) from The quaternion z k at the required time k is calculated. In step ST3 subsequent to step ST2-2, since the vector ef is obtained only from the detection data of the acceleration sensor 11 without using the detection data of the angular velocity sensor 12, the process of the Kalman filter is not performed, and the process proceeds to step ST4. The process of step ST4 is the same as that described with reference to FIG. 5, and the quaternion q is converted into the rotation matrix R. When the acceleration due to the motion of the foot FT is relatively small with respect to the gravitational acceleration, the vector ef can be simply calculated using only the detection data of the acceleration sensor 11 as shown in the first modification.
（変形例２）
次に変形例２では角速度センサ１２のみを用いたベクトルｅｆについての演算処理を説明する。図１４は、角速度センサ１２を用いた足部ＦＴのベクトルｅｆについての演算処理を説明するフローチャートである。変形例２においては、ステップＳＴ１−１から処理が開始する。ステップＳＴ１−１、ＳＴ１−２の処理は、図５を参照して説明した場合と同じであり、ステップＳＴ１−２では、角速度センサ１２で検知された３軸方向の角速度成分の全てに基づいてクォータニオンを算出する。そして変形例１の場合と同様にカルマンフィルタの処理は行わず、ステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４の処理は、図５を参照して説明した場合と同様であり、クォータニオンｑを回転行列Ｒに変換する。運動時間が比較的短い場合は、この変形例２で示すように、角速度センサ１２の検出データのみで簡易的にベクトルｅｆを算出することができる。
(Modification 2)
Next, in Modification 2, calculation processing for the vector ef using only the angular velocity sensor 12 will be described. FIG. 14 is a flowchart for explaining a calculation process for the vector ef of the foot FT using the angular velocity sensor 12. In the second modification, the process starts from step ST1-1. The processing in steps ST1-1 and ST1-2 is the same as that described with reference to FIG. 5. In step ST1-2, based on all the angular velocity components in the three axial directions detected by the angular velocity sensor 12. Calculate the quaternion. Then, as in the case of the first modification, the Kalman filter process is not performed, and the process proceeds to step ST4. The process of step ST4 is the same as that described with reference to FIG. 5, and the quaternion q is converted into the rotation matrix R. When the exercise time is relatively short, as shown in the second modification, the vector ef can be simply calculated using only the detection data of the angular velocity sensor 12.
（変形例３）
図１５は、歩行測定装置が人体の大腿部と下腿部および足部に装着された場合の変形例を示す図である。上述の実施の形態では足部にのみ慣性センサを用いてベクトルｅｆを求め、第１、第２傾斜角を求めたが、慣性センサを足部のみでなく、下腿部、大腿部にそれぞれ取り付けてもよく、それにより得られたベクトルをそれぞれ求め、各部の回転運動の影響を除去した成分を求めることができる。
(Modification 3)
FIG. 15 is a diagram illustrating a modification in which the walking measurement device is mounted on the thigh, the lower leg, and the foot of the human body. In the above-described embodiment, the vector ef is obtained using the inertial sensor only on the foot, and the first and second inclination angles are obtained. However, the inertial sensor is applied not only to the foot but also to the lower leg and the thigh. It may be attached, and the vector obtained thereby can be obtained, and the component from which the influence of the rotational motion of each part is removed can be obtained.
この変形例では、人体ＢＤの腰部（体幹部）、大腿部、下腿部についてもそれぞれの動作を測定できるようにしている。腰部に慣性センサＳｂが固定され、大腿部に慣性センサＳｔが固定され、下腿部に慣性センサＳｓが固定され、足部ＦＴに慣性センサＳｆが固定されている。慣性センサＳｂ，Ｓｓ，Ｓｆのそれぞれは、大腿部に固定された慣性センサＳｔと同様に、角速度センサ１２と加速度センサ１１を有している。 In this modification, the movements of the waist (trunk), thigh, and lower leg of the human body BD can be measured. Inertial sensor Sb is fixed to the waist, inertial sensor St is fixed to the thigh, inertial sensor Ss is fixed to the lower leg, and inertial sensor Sf is fixed to foot FT. Each of the inertial sensors Sb, Ss, and Sf includes an angular velocity sensor 12 and an acceleration sensor 11 in the same manner as the inertial sensor St fixed to the thigh.
慣性センサＳｂにより、人体ＢＤの背骨に沿うベクトルｅｂが設定される。大腿部にベクトルｅｔが設定され、下腿部にベクトルｅｓが設定され、足部ＦＴにベクトルｅｆが設定される。ベクトルｅｓは下骨と平行に設定され、ベクトルｅｓの先部はくるぶしに向けられる。ベクトルｅｆは足部ＦＴの裏体部と垂直に設定され、ベクトルｅｆの先部は床面側に向けられる。 A vector eb along the spine of the human body BD is set by the inertial sensor Sb. A vector et is set for the thigh, a vector es is set for the lower leg, and a vector ef is set for the foot FT. The vector es is set parallel to the lower bone, and the tip of the vector es is directed to the ankle. The vector ef is set perpendicular to the back body part of the foot part FT, and the tip part of the vector ef is directed to the floor surface side.
足部ＦＴの動作は下腿部の動作とつながったものであり、さらに大腿部の動作とのつながりによって各ベクトルは与えられる。そして各部のベクトルについて上述のようにクォータニオンを求め、回転行列を求める。下腿部の回転には大腿部の回転の影響が含まれているので、逆クォータニオン、逆回転行列を求めて下腿部のベクトルに適用することにより、大腿部の回転の影響を除いた下腿部のベクトルを求めることができる。同様に、足部ＦＴの回転には下腿部の回転の影響が含まれているので、逆クォータニオン、逆回転行列を求めて足部ＦＴのベクトルに適用することにより、下腿部の回転の影響を除いた足部ＦＴのベクトルｅｆを求めることができる。 The movement of the foot FT is connected to the movement of the lower leg, and each vector is given by the connection to the movement of the thigh. Then, as described above, the quaternion is obtained for each part vector, and the rotation matrix is obtained. Since the rotation of the lower leg includes the influence of the rotation of the thigh, the inverse quaternion and the inverse rotation matrix are obtained and applied to the vector of the lower leg to eliminate the influence of the rotation of the thigh. The vector of the lower leg can be obtained. Similarly, since the rotation of the foot FT includes the effect of the rotation of the lower leg, by calculating the inverse quaternion and the inverse rotation matrix and applying them to the vector of the foot FT, The vector ef of the foot FT excluding the influence can be obtained.
ここで、下腿部に固定された慣性センサＳｓの検知出力に着目すると、慣性センサＳｓから得られる角速度成分と加速度成分は、下腿部のみの動作によるものではなく、大腿部の動作と下腿部の動作とが合成されたものである。よって、慣性センサＳｓから得られる角速度成分と加速度成分のみを用い、図５に示したのと同じフローでクォータニオンから回転行列を求め、これによりベクトルの回転を求めたとしても、求められたものは、ベクトルｅｓのみの回転動作を表すのではなく、ベクトルｅｓの回転動作とベクトルｅｔの回転動作とが合成されたものとなる。 Here, paying attention to the detection output of the inertial sensor Ss fixed to the crus, the angular velocity component and the acceleration component obtained from the inertial sensor Ss are not based on the motion of the crus, but the motion of the thigh. The movement of the lower leg is synthesized. Therefore, even if only the angular velocity component and acceleration component obtained from the inertial sensor Ss are used to obtain the rotation matrix from the quaternion in the same flow as shown in FIG. Instead of representing the rotation operation of only the vector es, the rotation operation of the vector es and the rotation operation of the vector et are combined.
そこで、慣性センサＳｓから得られる角速度成分と加速度成分を用いてクォータニオンから回転行列を求め、回転行列を適用してベクトルの回転を求めたときに、その計算結果から、慣性センサ１の検知出力に基づいて測定されたベクトルｅｔの動作の成分を除去することで、下腿部に設定されたベクトルｅｓのみの回転動作を算出できる。 Therefore, when the rotation matrix is obtained from the quaternion using the angular velocity component and the acceleration component obtained from the inertial sensor Ss, and the rotation of the vector is obtained by applying the rotation matrix, the detection output of the inertial sensor 1 is obtained from the calculation result. By removing the motion component of the vector et measured based on this, it is possible to calculate the rotational motion of only the vector es set in the lower leg.
その算出の一例としては、数７に示すように、下腿部の姿勢を示すクォータニオンｑｓを回転行列Ｒｓに変換し、これを下腿部の基準ベクトルｅｓ０に適用することで、下腿部のベクトルｅｓを算出する。ここで、大腿部の動作による影響を排除するために、大腿部の姿勢を示すクォータニオンｑｔの逆クォータニオンｑｔ−１を算出し、これを回転行列Ｒｔ−１に変換する。回転行列Ｒｔ−１を下腿部のベクトルｅｓに適用する（積算する）ことで、下腿部の動作のみを示すベクトルｅｓ´を求めることが可能になる。 As an example of the calculation, as shown in Equation 7, the quaternion qs indicating the posture of the lower leg is converted into a rotation matrix Rs, and this is applied to the reference vector es0 of the lower leg, thereby Calculate the vector es. Here, in order to eliminate the influence due to the movement of the thigh, an inverse quaternion qt −1 of the quaternion qt indicating the posture of the thigh is calculated and converted into a rotation matrix Rt −1 . By applying (accumulating) the rotation matrix Rt −1 to the lower leg vector es, it is possible to obtain a vector es ′ indicating only the lower leg movement.
さらに、足部ＦＴに設定されたベクトルｅｆを算出するときには、足部のクォータニオンを回転行列に変換することより、基準ベクトルｅ０に対するベクトルｅｆを算出する。次に、下腿部の姿勢を示すクォータニオンｑｓの逆クォータニオンｑｓ−１を算出し、これを回転行列Ｒｓ−１に変換する。回転行列Ｒｓ−１を足部ＦＴのベクトルｅｆに適用する（積算する）ことで、足部ＦＴの動作のみを示すベクトルｅｆ´を求めることができる。 Furthermore, when calculating the vector ef set for the foot FT, the vector ef for the reference vector e0 is calculated by converting the quaternion of the foot into a rotation matrix. Next, an inverse quaternion qs −1 of the quaternion qs indicating the posture of the lower leg is calculated and converted into a rotation matrix Rs −1 . By applying (accumulating) the rotation matrix Rs −1 to the vector ef of the foot FT, a vector ef ′ indicating only the motion of the foot FT can be obtained.
本発明は上述した実施形態には限定されない。すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。 The present invention is not limited to the embodiment described above. That is, those skilled in the art may make various modifications, combinations, subcombinations, and alternatives regarding the components of the above-described embodiments within the technical scope of the present invention or an equivalent scope thereof.
前記実施の形態では、歩行測定装置によって人体の歩行動作を測定することを基本として発明が説明されているが、本発明は、いわゆるロボットの歩行動作部や義足の歩行動作部の動作測定、さらには各種機械の三次元動作の角度測定に使用することが可能である。 In the above embodiment, the invention has been described on the basis of measuring a walking motion of a human body by a walking measurement device, but the present invention is a motion measurement of a walking motion portion of a so-called robot or a walking motion portion of a prosthetic leg. Can be used to measure the angle of three-dimensional motion of various machines.
ＢＤ… 歩行者
ＦＴ… 足部
ｅｆ… ベクトル
ｅ０… 基準ベクトル
１… 慣性センサ
２… 処理部
６… 前額面
７… 矢状面
８… 水平面
１１… 加速度センサ
１２… 角速度センサ
１３… 送信部
２１… 受信部
２２… ベクトル算出部
２３… 第１傾斜角算出部
２４… 第２傾斜角算出部
２５… ベクトル補正部
２６… 表示部
BD ... Pedestrian FT ... Foot ef ... Vector e0 ... Reference vector 1 ... Inertial sensor 2 ... Processing unit 6 ... Frontal plane 7 ... Sagittal plane 8 ... Horizontal plane 11 ... Acceleration sensor 12 ... Angular velocity sensor 13 ... Transmitting unit 21 ... Reception Unit 22 ... Vector calculation unit 23 ... First tilt angle calculation unit 24 ... Second tilt angle calculation unit 25 ... Vector correction unit 26 ... Display unit
Claims (10)
歩行運動に伴って変化する前記歩行部位の姿勢を表わす仮想的なベクトルを、前記センサにおいて検出された前記物理量に基づいて算出するベクトル算出部と、
歩行方向と床面に垂直な仮想の平面である前額面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記前額面における第１傾斜角を算出する第１傾斜角算出部と、
を有する歩行測定装置。 A sensor that detects at least one of acceleration and angular velocity as a physical quantity representing a spatial motion of a walking region;
A vector calculating unit that calculates a virtual vector representing the posture of the walking part that changes with walking motion based on the physical quantity detected by the sensor;
A first inclination angle calculation unit that projects the vector onto a frontal frame that is a virtual plane perpendicular to the walking direction and the floor, and calculates a first inclination angle at the frontal frame of the walking region based on the projected vector. When,
A gait measuring device.
前記第２傾斜角の変化に応じた前記第１傾斜角の変化が最小となるように、前記ベクトルの向きを前記第２傾斜角に応じて補正するベクトル補正部とを有し、
前記第１傾斜角算出部は、前記ベクトル補正部において補正されたベクトルを前記前額面に射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記第１傾斜角を算出する、
請求項１に記載の歩行測定装置。 The vector is projected onto a sagittal plane that is a virtual plane parallel to the walking direction and perpendicular to the floor surface, and a second inclination angle at the sagittal plane of the walking portion is calculated based on the projected vector. A second inclination angle calculation unit;
A vector correction unit that corrects the direction of the vector according to the second inclination angle so that the change of the first inclination angle according to the change of the second inclination angle is minimized;
The first inclination angle calculation unit projects the vector corrected by the vector correction unit onto the front face and calculates the first inclination angle based on the projected vector.
The walking measurement device according to claim 1.
前記ベクトル補正部は、前記ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルと前記基準ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルとが一致するように、前記矢状面に垂直な軸の周りにおいて前記第２傾斜角に応じた角度だけ前記ベクトルを回転する、
請求項２に記載の歩行測定装置。 When the walking part is in a predetermined reference posture, the vector matches a reference vector perpendicular to the floor surface,
The vector correction unit is arranged around the axis perpendicular to the sagittal plane so that a vector obtained by projecting the vector onto the sagittal plane matches a vector obtained by projecting the reference vector onto the sagittal plane. Rotate the vector by an angle corresponding to 2 tilt angles,
The walking measurement device according to claim 2.
前記ベクトル算出部は、前記センサにおいて検出された前記物理量に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わすクォータニオンを取得し、前記クォータニオンに応じた回転行列によって前記基準ベクトルに回転変換を施した結果を前記ベクトルとして取得する、
請求項１乃至３の何れか一項に記載の歩行測定装置。 The vector coincides with a predetermined reference vector when the walking part is in a predetermined reference posture,
The vector calculation unit obtains a quaternion representing a rotational transformation of the reference vector based on the physical quantity detected by the sensor, and a result obtained by performing the rotational transformation on the reference vector by a rotation matrix corresponding to the quaternion. Get as the vector,
The gait measuring device according to any one of claims 1 to 3.
前記センサは、互いに直交する３軸における角速度成分及び互い直交する３軸における加速度成分を前記物理量として検出し、
前記ベクトル算出部は、前記３軸の角速度成分に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わす第１クォータニオンを取得し、前記３軸の加速度成分に基づいて、前記基準ベクトルの回転変換を表わす第２クォータニオンを取得し、前記第２クォータニオンを観測値として、前記第１クォータニオンにカルマンフィルタを適用することにより前記第１クォータニオンを補正し、前記補正した第１クォータニオンに応じた回転行列によって前記基準ベクトルに回転変換を施した結果を前記ベクトルとして取得する、
請求項１乃至３の何れか一項に記載の歩行測定装置。 The vector coincides with a predetermined reference vector when the walking part is in a predetermined reference posture,
The sensor detects an angular velocity component in three axes orthogonal to each other and an acceleration component in three axes orthogonal to each other as the physical quantity,
The vector calculation unit obtains a first quaternion representing a rotational transformation of the reference vector based on the three-axis angular velocity component, and represents a rotational transformation of the reference vector based on the three-axis acceleration component. The second quaternion is acquired, the second quaternion is used as an observed value, and the first quaternion is corrected by applying a Kalman filter to the first quaternion. Obtain the result of the rotation transformation as the vector,
The gait measuring device according to any one of claims 1 to 3.
請求項１乃至５の何れか一項に記載の歩行測定装置。 The walking measurement device according to any one of claims 1 to 5, wherein the sensor is disposed on an instep that is the walking region.
前記コンピュータが、歩行方向と床面に垂直な仮想の平面である前額面に前記ベクトルを射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記歩行部位の前記前額面における第１傾斜角を算出する工程と
を有することを特徴とする歩行測定方法。 A computer calculating a virtual vector representing the posture of the walking part that changes with the walking movement based on at least one of acceleration and angular velocity detected by the sensor as a physical quantity representing a spatial movement of the walking part; ,
The computer projects the vector onto a frontal frame that is a virtual plane perpendicular to the walking direction and the floor, and calculates a first inclination angle of the walking part on the frontal frame based on the projected vector; A gait measurement method characterized by comprising:
前記コンピュータが、前記第２傾斜角の変化に応じた前記第１傾斜角の変化が最小となるように、前記ベクトルの向きを前記第２傾斜角に応じて補正する工程とを有し、
前記第１傾斜角を算出する工程では、前記コンピュータが、前記ベクトルを補正する工程において前記第２傾斜角に応じて補正したベクトルを前記前額面に射影し、当該射影したベクトルに基づいて前記第１傾斜角を算出する
ことを特徴とする請求項７に記載の歩行測定方法。 The computer projects the vector onto a sagittal plane that is a virtual plane parallel to the walking direction and perpendicular to the floor surface, and a second slope in the sagittal plane of the walking region based on the projected vector Calculating a corner;
The computer correcting the direction of the vector according to the second tilt angle so that the change of the first tilt angle according to the change of the second tilt angle is minimized,
In the step of calculating the first inclination angle, the computer projects the vector corrected in accordance with the second inclination angle in the step of correcting the vector onto the frontal plane, and the first inclination angle is calculated based on the projected vector. The walking measurement method according to claim 7, wherein one inclination angle is calculated.
前記ベクトルを補正する工程では、前記コンピュータが、前記ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルと前記基準ベクトルを前記矢状面に射影したベクトルとが一致するように、前記矢状面に垂直な軸の周りにおいて前記第２傾斜角に応じた角度だけ前記ベクトルを回転する
ことを特徴とする請求項８に記載の歩行測定方法。 When the walking part is in a predetermined reference posture, the vector matches a reference vector perpendicular to the floor surface,
In the step of correcting the vector, the computer is perpendicular to the sagittal plane so that a vector obtained by projecting the vector onto the sagittal plane matches a vector obtained by projecting the reference vector onto the sagittal plane. The walking measurement method according to claim 8, wherein the vector is rotated about an axis by an angle corresponding to the second inclination angle.
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