図面 (/)

技術 動作解析装置および動作解析方法

出願人 学校法人帝京大学
発明者 松尾清美丸山倫司
出願日 2013年10月25日 (6年6ヶ月経過) 出願番号 2013-222585
公開日 2015年4月30日 (5年0ヶ月経過) 公開番号 2015-083085
状態 特許登録済
技術分野 生体の呼吸・聴力・形態・血液特性等の測定
主要キーワード 自由歩行 レーザー測定器 周波数パワースペクトル 動作解析装置 計測場所 垂直加速度 身体各部位 フォースプレート
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年4月30日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

スマートフォンを利用して安価ながら理学療法作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことが可能な動作解析装置および動作解析方法の提供。

解決手段

加速度センサー10が内蔵され、ヒトの体幹に装着されるスマートフォン1に接続され、ヒトの足裏接地状態を検出することによりヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置2と、スマートフォン1を、動作信号発生装置2により発生された動作信号に基づいて加速度センサー10により検出された加速度をヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録する手段として機能させるための動作解析プログラム3とを含む。

概要

背景

従来、理学療法作業療法に必要なヒトの歩行分析は、床反力計フォースプレート)や三次元動作解析装置などを用いて行われるが、床反力計は高価であり、また1枚につき1歩の計測しか計測できないため、連続の歩行自由歩行には適さないという問題がある。また、三次元動作解析装置についても、導入コスト計測場所稼働の手間などの問題があり、容易に使用することが困難である。

そこで、近年、携帯電話機スマートフォンに内蔵されている加速度センサ等を用いて歩行分析を行うことが試みられている。例えば、特許文献1には、携帯電話に搭載されている3軸の加速度センサと、使用者が携帯電話を大腿部に装着しているか否かを検出する大腿部装着センサの信号をもとに、使用者の動作を判別し、表示することが記載されている。

また、例えば特許文献2には、スマートフォンに搭載された加速度センサ、角速度センサおよび地磁気センサにより検知したデータをもとに、使用者の行動を判定する技術が記載されている。また、スマートフォンはに装着し、さらに、加速度センサ、角速度センサおよび地磁気センサを備えた小型のヘッドセットタイプのセンサ群を頭部に装着することにより、しゃがむ動作と起立動作の判別を行うことも記載されている。

また、例えば非特許文献1には、スマートフォンに内蔵された3軸加速度センサを用いて、使用者の歩行動作分析を行うスマートフォンのアプリケーションが記載されている。また、スマートフォンは腰部分に装着することが記載されている。

概要

スマートフォンを利用して安価ながら理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことが可能な動作解析装置および動作解析方法の提供。加速度センサー10が内蔵され、ヒトの体幹に装着されるスマートフォン1に接続され、ヒトの足裏接地状態を検出することによりヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置2と、スマートフォン1を、動作信号発生装置2により発生された動作信号に基づいて加速度センサー10により検出された加速度をヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録する手段として機能させるための動作解析プログラム3とを含む。

目的

本発明においては、スマートフォンを利用して安価ながら理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことが可能な動作解析装置および動作解析方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであってヒトの体幹に装着されるスマートフォンに接続される動作信号発生装置であり、前記ヒトの足裏接地状態を検出することにより前記ヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置と、前記スマートフォンを、前記動作信号発生装置により発生された動作信号に基づいて前記加速度センサーにより検出された加速度を前記ヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録する手段として機能させるための動作解析プログラムとを含む動作解析装置

請求項2

加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであってヒトの体幹に装着されるスマートフォンと、前記ヒトの足裏の接地状態を検出することにより前記ヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置とを含み、前記スマートフォンは、前記動作信号発生装置により発生された動作信号に基づいて前記加速度センサーにより検出された加速度を前記ヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録するものである動作解析装置。

請求項3

前記動作信号発生装置は、前記ヒトの足裏に取り付けられて前記ヒトの足裏の接地状態を検出する圧力センサーを有する請求項1または2に記載の動作解析装置。

請求項4

前記圧力センサーは、前記ヒトの足裏の歩行時に接地を開始する箇所および離地する箇所にそれぞれ取り付けられるものである請求項3記載の動作解析装置。

請求項5

前記動作信号発生装置は、前記圧力センサーの入力を音声信号変調する動作信号変調部を有し、前記動作信号として前記音声信号を前記スマートフォンの音声入力端子へ入力するものである請求項3または4に記載の動作解析装置。

請求項6

前記動作信号変調部は、前記音声信号として前記圧力センサーの抵抗値によってデューティ比が変わる信号を発生する信号発生回路を含むものである請求項5記載の動作解析装置。

請求項7

加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであり、ヒトの体幹に装着されるスマートフォンを用いた動作解析方法であって、前記ヒトの足裏の接地状態を検出することにより前記ヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置により発生された前記動作信号に基づいて、前記加速度センサーにより検出された加速度を前記ヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録することを含む動作解析方法。

技術分野

0001

本発明は、ヒトの歩行分析を行う動作解析装置および動作解析方法に関する。

背景技術

0002

従来、理学療法作業療法に必要なヒトの歩行分析は、床反力計フォースプレート)や三次元動作解析装置などを用いて行われるが、床反力計は高価であり、また1枚につき1歩の計測しか計測できないため、連続の歩行自由歩行には適さないという問題がある。また、三次元動作解析装置についても、導入コスト計測場所稼働の手間などの問題があり、容易に使用することが困難である。

0003

そこで、近年、携帯電話機スマートフォンに内蔵されている加速度センサ等を用いて歩行分析を行うことが試みられている。例えば、特許文献1には、携帯電話に搭載されている3軸の加速度センサと、使用者が携帯電話を大腿部に装着しているか否かを検出する大腿部装着センサの信号をもとに、使用者の動作を判別し、表示することが記載されている。

0004

また、例えば特許文献2には、スマートフォンに搭載された加速度センサ、角速度センサおよび地磁気センサにより検知したデータをもとに、使用者の行動を判定する技術が記載されている。また、スマートフォンはに装着し、さらに、加速度センサ、角速度センサおよび地磁気センサを備えた小型のヘッドセットタイプのセンサ群を頭部に装着することにより、しゃがむ動作と起立動作の判別を行うことも記載されている。

0005

また、例えば非特許文献1には、スマートフォンに内蔵された3軸加速度センサを用いて、使用者の歩行動作分析を行うスマートフォンのアプリケーションが記載されている。また、スマートフォンは腰部分に装着することが記載されている。

0006

特開2006−180899号公報
特開2013−137178号公報

先行技術

0007

入江英嗣,“スマートフォンによる歩行動作解析アプリ“Good Walking””,[online],株式会社キャンパスクリエイトオープンイノベーション推進ポータル,[平成25年8月17日検索],インターネット<URL:http://www.open-innovation-portal.com/university/uploads/GoodWalking.pdf>

発明が解決しようとする課題

0008

前述のように、床反力計や三次元動作解析装置などを用いた歩行分析は導入コストが高い等の問題により、容易に使用することが困難であるが、特許文献1または非特許文献1に記載の装置では、加速度センサのみに基づく歩行分析であるため、一応の歩行の状態の分析はできるものの、理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことが難しい。

0009

また、特許文献2に記載の装置では、頭部にも加速度センサを装着することにより、さらにしゃがむ動作と起立動作の判別を行うことを可能としているが、特許文献1または非特許文献1と同様に、一応の歩行の状態の分析はできるものの、理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことは難しい。

0010

そこで、本発明においては、スマートフォンを利用して安価ながら理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことが可能な動作解析装置および動作解析方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0011

本発明の動作解析装置は、加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであってヒトの体幹に装着されるスマートフォンに接続される動作信号発生装置であり、ヒトの足裏接地状態を検出することによりヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置と、スマートフォンを、動作信号発生装置により発生された動作信号に基づいて加速度センサーにより検出された加速度をヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録する手段として機能させるための動作解析プログラムとを含むものである。

0012

また、本発明の動作解析装置は、加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであってヒトの体幹に装着されるスマートフォンと、ヒトの足裏の接地状態を検出することによりヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置とを含み、スマートフォンは、動作信号発生装置により発生された動作信号に基づいて加速度センサーにより検出された加速度をヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録するものであることを特徴とする。

0013

また、本発明の動作解析方法は、加速度センサーが内蔵されたスマートフォンであり、ヒトの体幹に装着されるスマートフォンを用いた動作解析方法であって、ヒトの足裏の接地状態を検出することによりヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置により発生された動作信号に基づいて、加速度センサーにより検出された加速度をヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録することを含む。

0014

これらの発明によれば、ヒトの体幹に装着されたスマートフォンに内蔵された加速度センサーにより検出された加速度が、ヒトの足裏の接地状態を検出することによりヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録されるため、ヒトの歩行動作に基づく高精度な加速度データを得ることができる。

発明の効果

0015

ヒトの足裏の接地状態を検出することによりヒトの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置により発生された動作信号に基づいて、加速度センサーにより検出された加速度をヒトの歩行動作のタイミングと同定して記録する構成により、スマートフォンを利用して安価ながら理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことが可能となる。

図面の簡単な説明

0016

本発明の実施の形態における動作解析装置の構成図である。
図1の動作解析装置をヒトに装着した状態を示す説明図である。
図1の動作信号発生装置の詳細を示す回路図である。
ヒトの歩行周期とX軸(前後成分)、Y軸(側方成分)およびZ軸(垂直成分)のそれぞれの加速度との関係を示す説明図である。
ヒトの歩行周期と歩行中の重心の位置(垂直変位)および垂直加速度との関係を示す説明図である。
平地正常歩行時のヒトの歩行周期とX軸(前後成分)、Y軸(側方成分)およびZ軸(垂直成分)のそれぞれの加速度の実測値との関係を示す図である。
図6のZ軸(垂直成分)の加速度のみを表した図である。
X軸(前後成分)、Y軸(側方成分)およびZ軸(垂直成分)のそれぞれの加速度と圧力センサーの動作信号との関係を示す図である。

実施例

0017

図1は本発明の実施の形態における動作解析装置の構成図、図2図1の動作解析装置をヒトに装着した状態を示す説明図、図3図1の動作信号発生装置の詳細を示す回路図である。

0018

図1において、本発明の実施の形態における動作解析装置は、加速度センサー10が内蔵されたスマートフォン1と、図2に示すように、ヒトPの足裏の接地状態を検出することによりヒトPの歩行動作に応じた動作信号を発生する動作信号発生装置2と、スマートフォン1の中央演算処理装置(CPU)11上で動作させる動作解析プログラム3とから構成される。スマートフォン1は、固定ベルト4を用いてヒトPの体幹に装着される。動作解析プログラム3は、スマートフォン1の内部メモリメモリーカードなどの記憶装置12に記憶され、CPU11により読み出されて実行される。

0019

動作信号発生装置2は、ヒトPの足裏に取り付けられる圧力センサー20と、圧力センサー20の入力を音声信号変調する動作信号変調部21とを有する。動作信号変調部21は、図3に示すように、圧力センサー20の抵抗値によってデューティ比が変わる音声信号を発生する信号発生回路22により構成されている。信号発生回路22は、例えばタイマーICを利用して構成することができる。

0020

また、本実施形態においては、圧力センサー20は複数並列に接続されており、ヒトPの足裏のなどの歩行時に接地を開始する箇所および母趾などの離地する箇所にそれぞれ取り付けられる。信号発生回路22によって発生した音声信号は、4極ピンジャック23を通じてスマートフォン1の音声入力端子へ入力される。

0021

スマートフォン1は、図1に示すように、前述の加速度センサー10、CPU11および記憶装置12の他、加速度センサー10のアナログ信号デジタル信号へ変換するA/D変換器13、動作信号発生装置2から入力された音声信号を圧力センサー20の動作信号へ復調する動作信号復調部14や表示操作部15等を備える。加速度センサー10は、X軸、Y軸およびZ軸の3軸の加速度をそれぞれ検出するセンサーである。スマートフォン1の装着位置は、正中線上の第3腰椎の位置が望ましい。

0022

動作解析プログラム3は、CPU11を、動作信号発生装置2により発生された動作信号に基づいて加速度センサー10により検出された加速度をヒトPの歩行動作のタイミングと同定して記録する手段として機能させるプログラムである。動作信号発生装置2により発生された動作信号は、前述のように、動作信号復調部14を経てCPU11へ入力される。また、加速度センサー10により検出された加速度は、A/D変換器13を経てCPU11へ入力される。ヒトPの歩行動作のタイミングと同定されたX軸、Y軸およびZ軸の3軸の加速度は、解析データとして記憶装置12へ記録される。

0023

また、動作解析プログラム3の実行によりCPU11は、X軸、Y軸およびZ軸の3軸の加速度を表示操作部15へ表示したり、周波数パワースペクトルFFT)を表示したり、動作信号発生装置2から入力された動作信号を表示したりすることが可能となっている。また、これらの表示データは、記憶装置12へ記憶され、外部へ出力して解析することも可能となっている。

0024

次に、動作信号発生装置2により発生された動作信号に基づいて加速度センサー10により検出された加速度をヒトPの歩行動作のタイミングと同定する処理について詳細に説明する。

0025

図4はヒトの歩行周期とX軸(前後成分)、Y軸(側方成分)およびZ軸(垂直成分)のそれぞれの加速度との関係を示している。図4に示すように、ヒトの歩行周期は、初期接地(IC)、加重応答期(LR)、立脚中期(MSt)、立脚終期(TSt)、前遊脚期(PSw)、つま先離地(TO)、遊脚初期(ISt)、遊脚中期(MSw)および遊脚終期(TSt)から構成される。

0026

図5はヒトの歩行周期と歩行中の重心の位置(垂直変位)および垂直加速度との関係を示している。図5に示すように、ヒトの歩行中、(1)IC後に重心の垂直変位は最下位置、垂直加速度は正方向へ最大値、(2)MS付近で重心の垂直変位は最高位置、加速度は負方向へ最大値、(3)TO付近で重心の垂直変位は中間点、加速度はゼロとなる。

0027

図6は平地正常歩行時のヒトの歩行周期とX軸(前後成分)、Y軸(側方成分)およびZ軸(垂直成分)のそれぞれの加速度の実測値との関係を示している。図7はこのうちZ軸(垂直成分)の加速度のみを表したものであり、図5の垂直加速度に近似した波形となっている。これらの図にはヒトの歩行周期が示されてるが、実際には歩行動作は連続して速やかに行われるため、加速度を計測しても歩行動作のどの時期(タイミング)に当たるのかは分からない。

0028

そこで、本実施形態における動作解析装置では、図6に示すように加速度センサー10により検出された加速度をヒトPの歩行動作のタイミングと同定するため、動作信号発生装置2により発生された動作信号を利用する。図8はX軸(前後成分)、Y軸(側方成分)およびZ軸(垂直成分)のそれぞれの加速度と圧力センサー20の動作信号との関係を示している。

0029

図8に示すように、圧力センサー20の動作信号からヒトPの歩行動作中のIC(足裏面が地面に設置する時期)とTO(足裏面が地面から離れる時期)を記録し、X軸(前後成分)、Y軸(側方成分)およびZ軸(垂直成分)のそれぞれの加速度波形と照らし合わせることにより、加速度センサー10に検出された加速度をヒトPの歩行動作のタイミングと同定する。なお、より正確にICとTOの時期を得るためには、圧力センサー20を踵外側と母趾先端にそれぞれ取り付けることが望ましい。動作解析プログラムは、CPU11により実行されることで、スマートフォン1に圧力センサー20からの信号強度を記憶装置12へ記録する機能、加速度波形と重ね合わせて表示する機能、その域値可変機能や、設定域値を超えた時間を記録するタイムスタンプ機能等を実現させる。

0030

以上のように、本実施形態における動作解析装置では、ヒトPの体幹に装着されたスマートフォン1に内蔵された加速度センサー10により検出された加速度が、圧力センサー20によってヒトPの足裏の接地状態を検出することによりヒトPの歩行動作のタイミングと同定して記録されるため、ヒトPの歩行動作に基づく高精度な加速度データを得ることができる。また、得られた加速度データを積分計算することによって、速度データおよび変位データを得ることがも可能である。また、得られた各種データは、スマートフォン1から有線通信または無線通信によりパーソナルコンピュータ等の他の機器へ送信することも可能である。

0031

そして、このようにヒトPの歩行動作のタイミングと同定された加速度データによれば、重心の加速度、床反力の推測、歩行周期(IC、MS、TO時間)や歩行周期の各相の期間等を解析することが可能である。図6に示す実測値は、高価な床反力計により測定した値と近似した波形となっており、本実施形態における動作解析装置は、スマートフォン1を利用した簡易床反力計として利用することが可能であり、安価ながら理学療法や作業療法に必要な高精度な歩行分析を行うことが可能である。

0032

なお、重心の移動および床反力を正確に推測するために、スマートフォン1は正中線上の第3腰椎の位置に装着することが望ましいが、この位置に限定されるものではない。また、本実施形態においては、踵外側と母趾先端にそれぞれ圧力センサー20を取り付けることで、歩行動作における足裏の前後の接地タイミングとヒトの歩行動作のタイミングとを同定して、ヒトの歩行動作に基づくより高精度な加速度データを得ているが、ヒトPの足裏の接地状態を検出することができれば、レーザー測定器等の他の検出器を用いることも可能である。

0033

また、通常、スマートフォン1には、3軸の地磁気センサー傾斜センサーおよび角速度センサーが内蔵されているため、前述の加速度センサー10に加えてこれらのセンサーの情報を元に加速度を補正計算させることも可能である。これにより、スマートフォン1を設置した場所の変化にとらわれずに、一定した加速度出力が可能となる。したがって、このスマートフォン1を身体各部位に設置することで、設置した各部位の加速度、速度および変位のデータを得ることができ、三次元動作解析装置として機能させることも可能である。

0034

また、動作信号発生装置2にLED等の発光装置を設け、動作信号の入力とLEDの発光とをシンクロさせることも可能である。これにより、ヒトPを動作信号発生装置2のLEDの発光とともに動画で記録し、動画内でのLEDの発光と加速度センサー10の加速度波形の立ち上がりとを合わせることで、動画内のヒトPの歩行動作との同期が可能となる。

0035

本発明の動作解析装置および動作解析方法は、ヒトの歩行分析を行う装置および方法として有用である。

0036

P ヒト
1スマートフォン
2動作信号発生装置
3動作解析プログラム
4固定ベルト
10加速度センター
11中央演算処理装置
12記憶装置
13 A/D変換器
14 動作信号復調部
15表示操作部
16解析データ
20圧力センサー
21 動作信号変調部
22信号発生回路
23 4極ピンジャック

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ