JP6827472B2 - 移動測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象者の歩行や走行の情報を測定する移動測定装置に関する。

特許文献１に記載の監視システムは、監視用子機と監視用親機とを備え、監視用子機は、互いに異なる周波数の無線信号を送信し、監視用親機は、受信した無線信号から算出した空間特徴量に基づいて、その無線信号に対応する送信エリアにおける人間の動作を監視する。

特許文献２に記載の歩幅測定システムは、一方の足に装着された第１無線機と、他方の足に装着された第２無線機とを備え、第１無線機から発信され第２無線機で受信された電波の強度に基づいて他方の足の相対変位を算出する。

特開２０１４−１６９９０８号公報 特開２０１５−２１７２５０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の監視システムにおいては、監視用子機の位置によっては送信した無線信号が監視用親機に届きにくい場合があり、また、電波環境が悪い場合もある。これらの場合には慣性センサなどを用いて対象となる人間の歩数を推定する必要が生じ、測定精度を一定に維持することが難しいという問題がある。

また、特許文献２に記載の歩幅測定システムにおいては、互いに近い距離で位置が変動する両足から出される電波を受信するため、電波の伝搬経路が複雑となりやすく、足の変位の算出誤差が大きくなるおそれがある。

これらに対して、加速度センサを足に装着し、この加速度センサによる検知結果に基づいて歩行距離を測定する方法も考えられる。しかし、加速度センサによる検知結果にはノイズが含まれており、この検知結果から歩行距離を算出すると、毎回の検知結果に含まれるノイズが累積されるために、測定誤差が大きくなり、精度が低下していくという問題がある。

そこで本発明は、電波環境にかかわらずに対象者の移動距離を精度よく測定することができる移動測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の移動測定装置は、対象者の片足に装着される加速度センサと、重力方向の力の増加と減少または重力方向の加速度の変化から前記片足の接地と離地を検知する離地センサと、前記加速度センサで検知された加速度を積算して前記対象者の移動距離を算出する距離算出部と、前記離地センサによって前記片足の接地が検知されてから離地が検知されるまでの期間に、前記積算をリセットして前記対象者の位置を補正する補正部と、を備え、前記距離算出部は、前記補正部によって補正された位置からの移動距離を算出することを特徴としている。
これにより、対象者が接地（着地）するごとにその位置を補正（オフセット）できるため、加速度センサによる検知結果に含まれるノイズが累積することがないことから、移動距離を精度よく算出することができる。また、加速度センサによる検知結果に基づいているため、電波環境に影響されずに移動距離を算出することができる。

本発明の移動測定装置において、前記離地センサは、前記対象者の前記片足の少なくともかかと部分に配置された圧電センサであることが好ましい。
これにより、歩行中の対象者の足の接地と離地を容易かつ確実に検知することが可能となる。

本発明の移動測定装置において、前記加速度センサが前記離地センサとして使用され、前記加速度センサが検知する重力方向の加速度の変化がゼロになってから所定時間経過したときに、前記片足が接地したことを検知し、重力方向の加速度の変化の絶対値がゼロから増加してから所定時間経過したときに、前記片足が離地したことを検知することが好ましい。
これにより、対象者の足の接地および離地を検知するための追加のセンサを設けることがなくなるため、構成要素を少なくしたコンパクトな装置を実現できる。

本発明の移動測定装置において、補正部による補正は、対象者の所定の歩数ごとに実行されることが好ましい。
これにより、対象者の位置を補正してノイズの累積を抑えることができ、これによって高精度の移動距離算出を行うことができる。また、数歩ごとに補正することにより、算出精度を一定レベルに維持しつつ、移動距離算出の精度を高めることができる。

本発明の移動測定装置において、対象者の片足に装着される角速度センサと、対象者が移動した経路を算出する経路算出部とを備え、経路算出部は、補正部が補正した位置と、距離算出部が算出した距離と、角速度センサによる検知結果とに基づいて、対象者の移動経路を算出することが好ましい。
これにより、対象者の移動距離と移動方向を算出でき、これを継続することによって移動経路を算出することが可能となる。

本発明の移動測定装置において、前記対象者の他方の足に配置され、前記他方の足の接地状態を検知する第２の離地センサと、前記片足に装着された前記離地センサによる検知結果と前記第２の離地センサによる検知結果に基づいて、前記対象者が歩行状態と走行状態のいずれであるかを判断する判断部とを備え、距離算出部は、判断部による判断結果にしたがって、歩行距離または走行距離を算出することが好ましい。
これにより、対象者の移動状態を判断でき、その移動状態に応じて移動距離を適切に算出することができる。

本発明によると、電波環境にかかわらずに対象者の移動距離を精度よく測定することができる移動測定装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る移動測定装置の構成を示すブロック図である。 対象者が地面の上を歩行している様子を側方から見た概念図である。 本発明の第１実施形態に係る移動測定装置による処理の流れを示すフローチャートである。 対象者が歩行したときの歩数に対して１歩あたりに進んだ距離の変化を示したグラフである。 歩行したときと走行したときの左右両足の接地と離地の状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る移動測定装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る移動測定装置１０の構成を示すブロック図である。図２は、対象者４０が地面Ｅの上を歩行している様子を側方から見た概念図である。図３は、移動測定装置１０による処理の流れを示すフローチャートである。図１においては、靴２０を側方から見た図を示している。図２においては、図示は省略しているが、少なくとも実線で示す右足４１に、以下に説明する靴２０を装着している。

図１に示すように、移動測定装置１０は、
（１）測定の対象者が装着する片足の靴２０の内部に設けられた、加速度センサ２１、圧電センサ２２、処理部２３、および、送信部２４と、
（２）外部装置３０に設けられた、受信部３１、制御部３２、演算部３３、操作部３４、および、表示部３５とからなる。
ここで、加速度センサ２１、圧電センサ２２、処理部２３、および、送信部２４は、対象者の片足の靴のみに設けてもよいが、両足の靴にそれぞれ設けてもよい。また、靴の内部ではなく外側に設けてもよく、また、ユニット化して、靴を介さずに対象者の片足に直接装着してもよい。

加速度センサ２１は、対象者の靴２０のかかと部分２０ｈに設けられている。この加速度センサ２１は、質量が加速度の向きに沿って移動するときの力を検知するものであり、例えば、質量を支持する梁と、梁の撓みを検知する歪センサとから構成され、歪センサで検知される歪量が前記力に比例する。質量と梁と歪センサとから成るセンサ部は３組設けられており、互いに直交する基準座標軸の３軸方向の加速度を検知できるように、それぞれの梁の撓み方向が３軸のそれぞれの方向に向けられている。３軸は、靴の上下方向（図１の上下方向）と、前後方向（図１の左右方向）と、これらの２方向に垂直な幅方向（図１の紙面に垂直な方向）とにそれぞれ設定される。加速度センサ２１による検知結果は処理部２３に出力される。

圧電センサ２２は、靴２０のかかと部分２０ｈに設けられている。圧電センサ２２は、例えば、その厚み方向の変位を検知する圧電素子であり、衝撃センサとして重力方向において加わる力の変化を検知するように、厚み方向が靴２０の上下方向に対応するように配置される。

図２（Ａ）、（Ｇ）に示すように、一般に、歩行している者は地面に対してかかとから接地する。したがって、対象者４０が、かかと４２から右足４１を地面Ｅに接地すると、その衝撃によって靴２０のかかと部分２０ｈに設けた圧電センサ２２にかかる重力方向の力が急激に増加する。このため、圧電センサ２２は、靴２０が地面Ｅに接したこと、すなわち右足４１が接地したことを検知することができる。さらに、圧電センサ２２は、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように靴底全体が接地し、図２（Ｄ）に示すようにつま先４３で蹴り出すまで、所定以上の大きさの重力方向の力を検知し続ける。その後、図２（Ｅ）に示すように靴２０が離地すると、圧電センサ２２にかかる重力方向の力が急激に減少するため、圧電センサ２２は、離地センサとして、靴２０が地面Ｅから離れたこと、すなわち右足４１の離地を検知することができる。その後、右足４１は、図２（Ｆ）に示すように、空中で後側から前側へ移動し、図２（Ｇ）に示すように再びかかと４２から接地する。
以上のように、圧電センサ２２は、第１の状態検知部として、靴２０、および、この靴２０を装着した右足４１の接地状態、すなわち、右足４１の接地から離地までの状態を検知する。

圧電センサ２２による検知結果は処理部２３に出力される。処理部２３では、靴２０が接地して圧電センサ２２からの検知出力が急増したタイミングと、靴２０が離地して圧電センサ２２からの検知出力が急減したタイミングとが測定される。これらのタイミングと、接地から離地までの圧電センサ２２からの検知出力データと、加速度センサ２１による検知結果とが送信部２４から逐次送信され、これらのデータは外部装置３０の受信部３１で受信され、その受信出力が制御部３２へ与えられる。この送受信は、例えばブルートゥース（登録商標）によって行われる。

制御部３２は、受信部３１で受信したデータを演算部３３へ与え、演算部３３は、距離算出部および補正部として以下の演算を行う（図３）。ここで、対象者４０は、歩行を始める際に、表示部３５に表示される指示にしたがって操作部３４を操作し、これに基づいて制御部３２は、この時点における対象者４０の位置を、歩行を始める前の初期位置としての原点座標に設定する。

（１）圧電センサ２２により対象者４０の右足４１が接地したことが検知されると（図３のステップＳ１でＹＥＳ）、演算部３３は、距離算出部として、前の離地から加速度センサ２１によって検知された加速度を２回時間積分（積算）することによって、原点座標からの距離を算出する（ステップＳ２）。また、演算部３３は、加速度センサの３軸のうちで靴２０の前後方向および幅方向に沿った２軸の検知出力に基づいて対象者４０が歩行した方向を算出し、また、歩数を１つ増加する。算出された、距離、方向、および、歩数は制御部３２に与えられ、制御部３２が備える記憶部（不図示）に保存される。

（２）演算部３３は、圧電センサ２２により対象者４０の右足４１が接地したことが検知されると、上記（１）の距離算出の後に、または、距離算出と並行して、補正部として、対象者４０が接地している位置を、次の歩行の出発点座標とするように、位置を補正（リセット）し、キャリブレーションを行う（ステップＳ３）。この補正は、接地している右足４１が離地するまでの期間（接地期間）に行う。

（３）上記（１）、（２）の処理が実行されると検出モード（ステップＳ４）となり、右足４１が離地した後（ステップＳ５でＹＥＳ）、加速度センサ２１による検知を、所定時間ごとに、例えば１０ｍｓごとに実行する（ステップＳ６）。また、右足４１が接地するたびに（ステップＳ１でＹＥＳ）、上記と同様に、演算部３３は、前回の接地期間で設定された出発点座標からの距離、方向、および、歩数を算出し、また、新たに出発点座標を設定する補正を行う。

（４）演算部３３は、右足４１が離地して、次に接地するまでの間に、接地期間ごとに保存されたデータに基づいて、対象者４０の移動距離と移動行程を算出する（ステップＳ７）。この算出結果は、制御部３２に与えられ、制御部３２が備える記憶部に保存される。

（５）対象者４０は、操作部３４を操作することによって歩行の終了を指示し、これにしたがって、演算部３３は、接地期間ごとに保存されたデータに基づいて、対象者４０の移動距離と移動行程を算出する。

図４は、対象者が歩行したときの歩数に対して１歩あたりに進んだ距離の変化を示したグラフである。図４においては、第１実施形態の移動測定装置１０を用いた場合の距離の算出結果を小さな丸印で結んだ線Ｌ１で示し、距離の実測値を大きな丸印を結んだ線Ｌ２で示している。図４に示すように、算出結果は実測値に対して５％前後の誤差の数値となっており、精度の高い測定ができていることが分かる。さらに、上述のように１歩ごとに位置を補正しているため、誤差が蓄積しておらず、距離の合計値の算出精度も高くなっている。

以上のように構成されたことから、上記実施形態によれば、次の効果を奏する。
（１）第１の状態検知部としての圧電センサ２２による検知結果に基づいて、対象者４０の接地と離地が検知され、接地している期間において対象者４０の位置が補正されるため、加速度センサ２１による検知結果に含まれるノイズが累積することがなくなり、これにより、演算部３３において移動距離を精度よく算出することができる。
（２）靴２０に設けた加速度センサ２１による検知結果に基づいて移動距離を算出するため、電波環境に影響されずに精度よく移動距離を算出することができる。
（３）靴２０のかかと部分２０ｈに圧電センサ２２を配置することにより、歩行中の対象者４０の足の接地と離地を容易かつ確実に検知することが可能となる。
（４）圧電センサ２２によって、対象者４０の足の接地状態を見るため、対象者の足の接地と離地を迅速かつ確実に検知することができる。

以下に変形例について説明する。
上記第１実施形態では、第１の状態検知部として圧電センサ２２による検知結果に基づいて右足４１の接地状態を測定していたが、これに代えて、または、これに加えて、加速度センサ２１を第１の状態検知部としてもよい。この構成においては、重力方向の加速度の変化がゼロになってから所定時間、例えば２０ｍｓ経過するまで加速度の変化がゼロのままであったときに右足４１が接地したものと検知する。また、接地してゼロとなった重量方向の加速度の変化の絶対値がゼロから増加してから所定時間にわたって加速度の変化がゼロでないときに右足４１が離地したものと検知する。圧電センサ２２を設けずに加速度センサ２１で接地状態を検知すると、靴２０の内部に設けるデバイスの数を減らすことができ、コンパクトな装置を実現できる。また、圧電センサ２２と加速度センサ２１の両方で接地状態を検知する場合には、接地状態の検知精度を向上させることができる。

また、離地センサとしては、圧電センサや加速度センサのほか、例えば、機械的なスイッチ、非接触式のスイッチ、光学式スイッチを用いることもできる。機械的なスイッチとしては、例えば、足が接地したときに加わる力によって変形する一方で、離地したときには前記力が解除されて変形が回復することによってオンオフを可能とするスイッチがある。非接触のスイッチとしては、例えば、接地によって対向電極間の距離が変化することによって生じる静電容量の変化に基づいてオンオフするスイッチがある。また、光学式スイッチとしては、例えば、靴底から外部へ赤外光を出射させ、接地時と離地時で地面からの反射光の強度や方向が変化することに基づいてオンオフするスイッチがある。

また、図３に示す例では、１歩ごとにキャリブレーション（位置の補正）を行っており、測定精度の観点からはこれが好ましいが、所定の歩数、例えば２、３歩ごとに行うようにしてもよい。これにより測定精度を一定以上に維持しつつ、キャリブレーションによる演算への負担を軽減することができる。

また、角速度センサをさらに備えるとよい。角速度センサは、例えば、靴２０のかかと部分２０ｈに設ける。この角速度センサは、例えば、ＭＥＭＳ素子で構成された振動型ジャイロセンサであり、振動体の質量と、振動体の速度およびコリオリ力から角速度が求められる。角速度センサによる検知結果は処理部２３に出力される。処理部２３では、角速度センサからの検知出力のタイミングが測定され、角速度センサによる検知出力とそのタイミングは、送信部２４から逐次送信され、これらのデータは外部装置３０の受信部３１で受信され、その受信出力が制御部３２を経て演算部３３へ与えられる。
演算部３３は、経路算出部として、補正部として補正した位置と、距離算出部として算出した距離と、角速度センサによる検知された角速度とに基づいて、靴２０の移動距離、移動方向を算出し、さらに、これらから移動経路を算出する。これらの算出結果は、制御部３２が備える記憶部に保存される。

さらに、補正部としての演算部３３は、圧電センサ２２により対象者４０の右足４１が接地したことが検知されたとき、角速度センサの出力値を所定値に補正することが好ましい。これにより、温度ドリフトなどで角速度センサにオフセット誤差が生じても、接地のたびにこれを補正できるため、角速度センサの検知精度を維持することができる。

＜第２実施形態＞
図５を参照しつつ、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、歩行したときと走行したときの左右両足の接地と離地の状態を示す図であって、横軸は時間である。図５（Ａ）は歩行している者の足（靴）の接地と離地を示し、図５（Ｂ）は走行している者の足（靴）の接地と離地を示している。

第２実施形態の移動測定装置においては、測定の対象者は左右両足に第１実施形態の靴２０をそれぞれ履いている。左右の靴２０のそれぞれの送信部２４から逐次送信されるデータは、外部装置３０の受信部３１で受信され、その受信出力が制御部３２へ与えられる。ここで、左右のうちの一方の靴２０における圧電センサ２２を第１の状態検知部とし、他方の靴２０における圧電センサ２２を第２の状態検知部とする。制御部３２は、第１実施形態の移動測定装置１０における機能と同様の機能を果たすほか、判断部として、左右それぞれの靴２０における圧電センサ２２（第１の状態検知部と第２の状態検知部）による検知結果に基づいて、対象者が歩行状態と走行状態のいずれであるかを判断する。

ここで、一般に、歩行している者は左右の足の少なくとも一方が常に接地しているのに対して、走行している者は左右の両足が接地していない期間がある。以下、図５（Ａ）、（Ｂ）を例にして説明する。歩行している者は、図５（Ａ）に示すように、右足の接地時間ＴＲ１と左足の接地時間ＴＬ１との間に、両足ともに接地している重なり期間ＴＯ１が存在し、全体として、左右の足の少なくとも一方が常に接地している。これに対して、走行している者は、図５（Ｂ）に示すように、右足の接地時間ＴＲ２と左足の接地時間ＴＬ２との間に、両足共に接地していない期間ＴＯ２が存在している。

したがって、判断部としての制御部３２は、第１の状態検知部と第２の状態検知部による検知結果を参照し、一方または両方の検知結果において変位が検知され続けているときは歩行状態であると判断し、いずれの検知結果においても変位が検知されていない期間が、予め定めた所定時間以上、例えば３０ｍｓ以上あったときは走行状態であると判断する。

制御部３２は、上記判断の結果に対応する移動状態を検出した圧電センサの検知出力データを演算部３３に与え、演算部３３は、第１実施形態と同様に、距離算出部として歩行距離または走行距離を算出し、また、補正部としての演算を実行する。これにより、制御部３２によって対象者４０の移動状態を判断でき、判断結果としての移動状態に応じて対象者４０の移動距離を適切に算出することができる。
なお、その他の作用、効果、変形例は第１実施形態と同様である。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る移動測定装置は、歩行する対象者の移動距離を精度よく測定することができる点で有用である。

１０ 移動測定装置
２０ 靴
２０ｈ かかと部分
２０ｔ つま先部分
２１ 加速度センサ
２２ 圧電センサ
２３ 処理部
２４ 送信部
３０ 外部装置
３１ 受信部
３２ 制御部
３３ 演算部
３４ 操作部
３５ 表示部
４０ 対象者
４１ 右足
４２ かかと
４３ つま先

Claims (7)

1. 対象者の片足に装着される加速度センサと、
   重力方向の力の増加と減少または重力方向の加速度の変化から前記片足の接地と離地を検知する離地センサと、
   前記加速度センサで検知された加速度を積算して前記対象者の移動距離を算出する距離算出部と、
   前記離地センサによって前記片足の接地が検知されてから離地が検知されるまでの期間に、前記積算をリセットして前記対象者の位置を補正する補正部と、を備え、
   前記距離算出部は、前記補正部によって補正された位置からの移動距離を算出することを特徴とする移動測定装置。
2. 前記離地センサは、前記対象者の前記片足の少なくともかかと部分に配置された圧電センサであることを特徴とする請求項１に記載の移動測定装置。
3. 前記加速度センサが前記離地センサとして使用され、
   前記加速度センサが検知する重力方向の加速度の変化がゼロになってから所定時間経過したときに、前記片足が接地したことを検知し、重力方向の加速度の変化の絶対値がゼロから増加してから所定時間経過したときに、前記片足が離地したことを検知することを特徴とする請求項１に記載の移動測定装置。
4. 前記補正部による補正は、前記対象者の所定の歩数ごとに実行されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の移動測定装置。
5. 前記対象者の前記片足に装着される角速度センサと、前記対象者が移動した経路を算出する経路算出部とを備え、
   前記経路算出部は、前記補正部が補正した位置と、前記距離算出部が算出した距離と、前記角速度センサによる検知結果とに基づいて、前記対象者の移動経路を算出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の移動測定装置。
6. 前記対象者の他方の足に配置され、前記他方の足の接地状態を検知する第２の離地センサと、
   前記片足に装着された前記離地センサによる検知結果と前記第２の離地センサによる検知結果に基づいて、前記対象者が歩行状態と走行状態のいずれであるかを判断する判断部とを備え、
   前記距離算出部は、前記判断部による判断結果にしたがって、歩行距離または走行距離を算出することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の移動測定装置。
7. 前記判断部では、両足ともに接地している重なり期間が存在しているときに前記歩行状態と判断し、
   前記片足の接地時間と前記他方の足の接地時間との間に、両足共に接地していない期間が存在しているときに前記走行状態と判断する請求項６記載の移動測定装置。

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