JP2020113098A

JP2020113098A - 歩数計測装置および方法、並びにプログラム

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Publication number: JP2020113098A
Application number: JP2019004157A
Authority: JP
Inventors: 優生橋本; Yuki Hashimoto
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2020-07-27
Also published as: WO2020149171A1; US20210404842A1; US11982542B2

Abstract

【課題】歩行動作の誤検出を低減する。【解決手段】第１算出部１０２は、測定部１０１によって計測された、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のそれぞれの加速度の計測値を合成して合成加速度を算出する。第２算出部１０３は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のそれぞれの加速度の計測値より、測定部１０１を装着した装着者の体軸方向（鉛直方向）の加速度を算出する。第３算出部１０４は、第２算出部１０３が算出した、体軸方向の加速度の時間変化の振幅を算出する。基準設定部１０５は、第３算出部１０４が算出した振幅を元に、一歩と判断する基準時間を設定する。歩行検出部１０６は、合成加速度に基づいて、一歩の時間が基準時間の範囲となる装着者による一歩の歩行動作を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、歩数計測装置および方法、並びにプログラムに関する。

近年、世界的な高齢化に伴う健康志向の高まりとともに、日常生活における自身の生体情報の計測・監視を通じ、生活習慣の見直しや改善を行う人々が増えている。歩数計は、こうした生体情報計測装置の１つであり、加速度センサなどを使用して、装着者の歩行あるいは走行動作を検知し、歩数を計測している。

一般的な人間の歩行および走行時には、足の接地および振り上げが周期的に行われることによって、歩行者の体軸方向（重力方向）加速度に関して、周期的にピークが発生する。加速度センサを使用した歩数計では、こうした加速度のピークを歩行動作毎に逐一検出することで、歩数を計測している（特許文献１参照）。

特開２０１７−０３８６３１号公報

「３軸加速度センサーアプリケーションノートピエゾ抵抗型３軸加速度センサＨＡＡＭ−３２６Ｂ歩数計編」、北陸電気工業株式会社、第１版、２００７年。

しかしながら、１歩行の動作において測定された加速度に複数のピークが生じることがあり、この場合、上述した技術では、１歩行において発生した各ピークを歩行動作として誤検出してしまうという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、歩行動作の誤検出の低減を目的とする。

本発明に係る歩数計測装置は、複数の計測軸の加速度を測定する測定部によって計測された、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値を合成して合成加速度を算出するように構成された第１算出部と、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より、測定部を装着した装着者の体軸方向の加速度を算出するように構成された第２算出部と、第２算出部が算出した加速度の時間変化の振幅を算出するように構成された第３算出部と、振幅を元に一歩と判断する基準時間を設定するように構成された基準設定部と、合成加速度に基づいて、一歩の時間が基準時間の範囲となる装着者による歩行動作を検出するように構成された歩行検出部と、歩行検出部が検出した歩行動作による歩数を算出するように構成された第４算出部とを備える。

上記歩数計測装置の一構成例において、歩行検出部が検出した歩行動作の一歩に要した時間を算出するように構成された第５算出部をさらに備える。

上記歩数計測装置の一構成例において、第２算出部は、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より重力加速度の成分を抽出するローパスフィルタを備え、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より、重力加速度の成分を減算することで装着者の体軸方向の加速度を算出する。

上記歩数計測装置の一構成例において、第２算出部は、装着者の体軸方向と測定部の座標軸とのずれを算出し、算出したずれに応じて装着者の体軸方向の加速度を補正して算出する。

本発明に係る歩数計測方法は、複数の計測軸の加速度を測定する測定部によって計測された、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値を合成して合成加速度を算出する第１ステップと、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より、測定部を装着した装着者の体軸方向の加速度を算出する第２ステップと、第２ステップで算出した加速度の時間変化の振幅を算出する第３ステップと、振幅を元に一歩と判断する基準時間を設定する第４ステップと、合成加速度に基づいて、一歩の時間が基準時間の範囲となる装着者による歩行動作を検出する第５ステップと、第５ステップで検出された歩行動作による歩数を算出する第６ステップとを備える。

上記歩数計測方法の一構成例において、第５ステップで検出された歩行動作の一歩に要した時間を算出する第７ステップをさらに備える。

上記歩数計測方法の一構成例において、第２ステップは、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より重力加速度の成分を抽出し、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より、重力加速度の成分を減算することで装着者の体軸方向の加速度を算出する。

上記歩数計測方法の一構成例において、第２ステップは、装着者の体軸方向と測定部の座標軸とのずれを算出し、算出したずれに応じて装着者の体軸方向の加速度を補正して算出する。

また、本発明に係るプログラムは、コンピュータに、上述した歩数計測方法における各ステップを実行させるためのプログラムである。

以上説明したように、本発明によれば、体軸方向の加速度の時間変化の振幅を元に一歩と判断する基準時間を設定するので、歩行動作の誤検出が低減できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る歩数計測装置の構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態に係る歩数計測を説明するフローチャートである。図３は、実測した体軸方向の加速度の振幅と、一歩の時間との関係を示す特性図である。図４は、実施の形態に係る歩数計測装置による歩行検出結果を示す説明図である。図５は、本発明に係る歩数計測装置のハードウエア構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態に係る歩数計測装置について図１を参照して説明する。この歩数計測装置は、測定部１０１、第１算出部１０２、第２算出部１０３、第３算出部１０４、基準設定部１０５、歩行検出部１０６、および第４算出部１０７を備える。また、実施の形態に係る歩行計測装置は、第５算出部１０８、表示部１１０、通信部１１１を備える。

測定部１０１は、複数の計測軸を有する加速度センサから構成され、被測定者（装着者）に装着されて加速度を測定する。測定部１０１は、加速度センサが取得したアナログ信号を、例えば２５Ｈｚのサンプリングレートでデジタル信号に変換し、各軸の加速度の計測値として出力するアナログ／デジタル変換器を備えている。測定部１０１は、例えば、互いに直交するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３方向の加速度を周期的に測定することで、加速度の計測値の時系列を得る。測定部１０１が測定した加速度の計測値は、例えば、記憶部１０９に記憶される。記憶部１０９は、例えば、フラッシュメモリに代表される不揮発性メモリや、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの揮発性メモリから構成されている。

第１算出部１０２は、測定部１０１によって計測された、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のそれぞれの加速度の計測値を合成して合成加速度を算出する。第１算出部１０２は、記憶部１０９に記憶されている加速度の計測値より合成加速度を算出する。第１算出部１０２は、例えば、計測開始からｎ番目（ｎ≧１）に測定部１０１が測定した加速度成分（ａ_X［ｎ］，ａ_Y［ｎ］，ａ_Z［ｎ］）から式（１）に基づき合成加速度を算出する。

ここで、Ｘ，Ｙ，Ｚは直交座標系における測定部１０１の加速度センサの計測軸を示しており，α_X、α_Y、α_Zは加速度の本座標系における各成分を指している。実施の形態では、Ｘ，Ｙ軸は、装着者の水平方向，Ｚ軸は体軸方向を向くよう測定部１０１が装着されていることを想定している。

第２算出部１０３は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のそれぞれの加速度の計測値より、測定部１０１を装着した装着者の体軸方向（鉛直方向）の加速度を算出する。第２算出部１０３は、記憶部１０９に記憶されている加速度の計測値より体軸方向の加速度を算出する。

実施の形態において、第２算出部１０３は、計測開始からｎ番目（ｎ≧１）に測定部１０１が測定した加速度成分（ａ_X［ｎ］，ａ_Y［ｎ］，ａ_Z［ｎ］）から重力加速度成分を抽出し、体軸方向（重力方向）と測定部１０１の座標軸（Ｚ軸）とのずれ（角度）を算出し、算出したずれに応じて体軸方向（鉛直方向）の加速度を補正して算出する。

より詳細に説明すると、第２算出部１０３は、まず、測定部１０１により計測された加速度成分から、ローパスフィルタにより高周波成分を除去することで、重力成分を抽出する。実施の形態では、一例として式（２）に示すローパスフィルタを使用した。

式（２）において、αは任意のフィルタ係数であり、０＜α＜１の値を取る。αを１に近い値に設定することにより、除去される周波数領域が広がるため、急激な加速度変化を除去することができる。実施の形態では、α＝０．９に設定した。なお、式（２）を用いた計算はあくまで一例であり、重力成分が抽出可能な計算であればいずれの計算を用いてもよい。

次に、式（３）に示すように、測定部１０１により計測された加速度成分から、式（２）より得た重力成分を減算することで、非重力成分を算出する。

次に、体軸方向の加速度を算出するために、測定部１０１のＺ軸の重力加速度方向からのずれを補正する処理を行う。具体的には、重力成分からなるベクトルと補正後のベクトル（ｇは重力加速度）とのなす角θを式（４）を用いて算出する。また、上記両ベクトルに垂直な単位ベクトルを、式（５）を用いて算出する。

次に、以下に示す式（６）を用いて、補正後の体軸方向（ｚ方向）の非重力成分を算出し、算出した非重力成分を体軸方向の加速度とする。

第３算出部１０４は、第２算出部１０３が算出した、体軸方向の加速度（α^* _HZ［ｎ］）の時間変化の振幅を算出する。基準設定部１０５は、第３算出部１０４が算出した振幅を元に、一歩と判断する基準時間を設定する。

歩行検出部１０６は、合成加速度に基づいて、一歩の時間が基準時間の範囲となる装着者による一歩の歩行（または走行）動作を検出する。実施の形態において、歩行検出部１０６は、まず、合成加速度が第１の閾値（例えば、０．９［ｍ／ｓ²]）より低い値を取ってから、第２の閾値（例えば、１．１［ｍ／ｓ²]）よりも高い値を取ると、一歩とする（非特許文献１参照）。次に、今回の第２の閾値を超えた時点の、前回の第２の閾値越えからの経過時間（一歩の時間）が、基準設定部１０５により設定された基準時間の範囲の場合、この一歩を歩行（または走行）動作として検出する。

上述した一歩の歩行（または走行）動作の検出について、より詳細に説明する。図３に、実測した体軸方向の加速度（α^* _HZ［ｎ］）の振幅と、一歩の時間との関係を示す。図３に示すように、体軸方向加速度の振幅が増加すると、一歩の時間の上限下限は減少する傾向にあり、体軸方向加速度の振幅がある程度大きくなると、一歩の時間の上限下限はほとんど変わらなくなる傾向がある。したがって、一歩毎の体軸方向加速度の振幅を求めることで、一歩の時間の有効範囲を設定することが可能となる。

実施の形態における基準設定部１０５は、一例として、以下に示すように、体軸方向加速度（α^* _HZ［ｎ］）の振幅に応じて、一歩の時間の基準時間ｔを設定する。

２８０［ｍｓ］≦ｔ≦７２０［ｍｓ］（振幅＜１．７）
１６０［ｍｓ］≦ｔ≦５６０［ｍｓ］（１．７≦振幅＜２．４）
１６０［ｍｓ］≦ｔ≦４８０［ｍｓ］（２．４≦振幅＜３．８）
１６０［ｍｓ］≦ｔ≦４２０［ｍｓ］（３．８≦振幅）

例えば、第３算出部１０４が算出した振幅が１．７（ｍ／ｓ）より小さい場合、基準設定部１０５は、基準時間ｔを２８０［ｍｓ］≦ｔ≦７２０［ｍｓ］とする。この場合、歩行検出部１０６は、経過時間（一歩の時間）が、２８０［ｍｓ］以上、７２０［ｍｓ］以下のとき、合成加速度が第１の閾値より低い値を取ってから、第２の閾値）よりも高い値を取ると、一歩の歩行（歩行動作）として検出する。このようにして歩行検出部１０６が検出した、一歩の歩行（または走行）動作による歩数が、第４算出部１０７により算出される。また、第５算出部１０８が、検出された一歩の歩行動作に要した時間（一歩の時間）を算出する。

また、実施の形態に係る歩数計測装置は、第４算出部１０７が算出した歩数、および第５算出部１０８が算出した一歩の時間を、表示部１１０に表示する。表示部１１０は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（electro-luminescenc）ディスプレイ、プラズマディスプレイなどのディスプレイから構成できる。

また、実施の形態に係る歩数計測装置は、第４算出部１０７が算出した歩数、および第５算出部１０８が算出した一歩の時間を、通信部１１１が、ＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）などの無線やイーサネット（登録商標）などの有線通信により、所定のネットワークを介して外部機器に送信する。外部機器は、例えば、スマートフォン，コンピュータ，スマートウォッチなどである。なお、表示部１１０および通信部１１１は、いずれか１つが歩数計測装置に備えられていてもよく、両者が歩数計測装置に備えられていてもよい。

次に、本発明の実施の形態に係る歩数計測方法について、図２を参照して説明する。

まず、第１ステップＳ１０１で、第１算出部１０２が、測定部１０１によって計測された、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値を合成して合成加速度を算出する。次に、第２ステップＳ１０２で、第２算出部１０３が、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より、測定部１０１を装着した装着者の体軸方向の加速度を算出する。例えば、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より重力加速度の成分を抽出し、複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より、重力加速度の成分を減算することで装着者の体軸方向の加速度を算出する。

次に、第３ステップＳ１０３で、第３算出部１０４が、算出された体軸方向の加速度の時間変化の振幅を算出する。次に、第４ステップＳ１０４で、基準設定部１０５が、算出された振幅を元に一歩と判断する基準時間を設定する。次に、第５ステップＳ１０５で、歩行検出部１０６が、算出されている合成加速度に基づいて、一歩の時間が基準時間の範囲となる装着者による歩行動作を検出する。次に、第６ステップＳ１０６で、第４算出部１０７が、検出された歩行動作による歩数を算出する。また、第７ステップＳ１０７で、第５算出部１０８が、検出された歩行動作の一歩に要した時間を算出する。

図４に、実施の形態における歩行検出結果を示す。図４において、黒丸は、従来技術による歩行検出結果を示し、白四角は、実施の形態おける歩行検出結果を示している。図４において、ｔ１は、基準時間の範囲外であり、ｔ２は、基準時間の範囲内とする。従来技術では、時刻１．４ｓ付近で閾値越えの際に歩行動作を検出した後、１．７ｓ付近での閾値越えの際においても歩行動作を誤検出している。一方で、実施の形態によれば、１．７ｓ付近での閾値越えでは、前回の検出からの経過時間ｔ１をもとに歩行としてカウントせず、ｔ２経過後の新たな閾値越えをもって歩行動作として検出している。このように、本発明により、歩行動作の誤検出が低減できていることが確認された。

なお、上述した実施の形態に係る歩数計測装置は、図５に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）２０１と主記憶装置２０２と外部記憶装置２０３とネットワーク接続装置２０４となどを備えたコンピュータ機器とし、主記憶装置２０２に展開されたプログラムによりＣＰＵ２０１が動作する（プログラムを実行する）ことで、上述した各機能（スケジューリング方法）が実現されるようにすることもできる。上記プログラムは、上述した実施の形態で示した歩数計測方法をコンピュータが実行するためのプログラムである。ネットワーク接続装置２０４は、ネットワーク２０５に接続する。また、各機能は、複数のコンピュータ機器に分散させることもできる。

また、上述した実施の形態における歩数計測装置は、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などのプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：Programmable Logic Device）により構成することも可能である。例えば、ＦＰＧＡのロジックエレメントに、記憶部、第１算出部、第２算出部、第３算出部、基準設定部、歩行検出部、第４算出部、および第５算出部の各々を回路として備えることで、歩数計測装置として機能させることができる。１算出回路、第２算出回路、第３算出回路、基準設定回路、歩行検出回路、第４算出回路、および第５算出回路の各々は、所定の書き込み装置を接続してＦＰＧＡに書き込む。

以上に説明したように、本発明によれば、体軸方向の加速度の時間変化の振幅を元に一歩と判断する基準時間を設定するので、歩行動作の誤検出が低減できる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…測定部、１０２…第１算出部、１０３…第２算出部、１０４…第３算出部、１０５…基準設定部、１０６…歩行検出部、１０７…第４算出部、１０８…第５算出部、１０９…記憶部、１１０…表示部、１１１…通信部。

Claims

複数の計測軸の加速度を測定する測定部によって計測された、前記複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値を合成して合成加速度を算出するように構成された第１算出部と、
前記複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より、前記測定部を装着した装着者の体軸方向の加速度を算出するように構成された第２算出部と、
前記第２算出部が算出した加速度の時間変化の振幅を算出するように構成された第３算出部と、
前記振幅を元に一歩と判断する基準時間を設定するように構成された基準設定部と、
前記合成加速度に基づいて、一歩の時間が前記基準時間の範囲となる前記装着者による歩行動作を検出するように構成された歩行検出部と、
前記歩行検出部が検出した歩行動作による歩数を算出するように構成された第４算出部と
を備える歩数計測装置。
請求項１記載の歩数計測装置において、
前記歩行検出部が検出した歩行動作の一歩に要した時間を算出するように構成された第５算出部をさらに備える
ことを特徴とする歩数計測装置。
請求項１または２記載の歩数計測装置において、
前記第２算出部は、
前記複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より重力加速度の成分を抽出するローパスフィルタを備え、
前記複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より、前記重力加速度の成分を減算することで前記装着者の体軸方向の加速度を算出する
ことを特徴とする歩数計測装置。
請求項３記載の歩数計測装置において、
前記第２算出部は、
前記装着者の体軸方向と前記測定部の座標軸とのずれを算出し、算出したずれに応じて前記装着者の体軸方向の加速度を補正して算出する
ことを特徴とする歩数計測装置。
複数の計測軸の加速度を測定する測定部によって計測された、前記複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値を合成して合成加速度を算出する第１ステップと、
前記複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より、前記測定部を装着した装着者の体軸方向の加速度を算出する第２ステップと、
前記第２ステップで算出した加速度の時間変化の振幅を算出する第３ステップと、
前記振幅を元に一歩と判断する基準時間を設定する第４ステップと、
前記合成加速度に基づいて、一歩の時間が前記基準時間の範囲となる前記装着者による歩行動作を検出する第５ステップと、
前記第５ステップで検出された歩行動作による歩数を算出する第６ステップと
を備える歩数計測方法。
請求項５記載の歩数計測方法において、
前記第５ステップで検出された歩行動作の一歩に要した時間を算出する第７ステップをさらに備える
ことを特徴とする歩数計測方法。
請求項５または６記載の歩数計測方法において、
前記第２ステップは、
前記複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より重力加速度の成分を抽出し、
前記複数の計測軸のそれぞれの加速度の計測値より、前記重力加速度の成分を減算することで前記装着者の体軸方向の加速度を算出する
ことを特徴とする歩数計測方法。
請求項７記載の歩数計測方法において、
前記第２ステップは、
前記装着者の体軸方向と前記測定部の座標軸とのずれを算出し、算出したずれに応じて前記装着者の体軸方向の加速度を補正して算出する
ことを特徴とする歩数計測方法。
コンピュータに、請求項５〜８のいずれか１項に記載の歩数計測方法における各ステップを実行させるためのプログラム。