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JP4592360B2 - Physical condition monitoring device - Google Patents

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JP4592360B2 JP2004255617A JP2004255617A JP4592360B2 JP 4592360 B2 JP4592360 B2 JP 4592360B2 JP 2004255617 A JP2004255617 A JP 2004255617A JP 2004255617 A JP2004255617 A JP 2004255617A JP 4592360 B2 JP4592360 B2 JP 4592360B2
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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
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Description

この発明は、加速度センサを用いた身体状態の監視装置に関する。   The present invention relates to a body condition monitoring apparatus using an acceleration sensor.

特許文献1には、互いに直交する3軸の加速度データを解析して、所定時間以上の転倒状態又は所定値以上の加速度を検知したとき異常信号を無線で送信する携帯型事故監視装置であると記載されている。転倒状態又は異常の検知は時間的な閾値と振幅的な閾値を用いて判断する。また、人の所在位置を検出する手段として、PHS端末機に保持されている複数の基地局からの各電界強度データに基づいて所在位置を推定する。   Patent Document 1 is a portable accident monitoring device that analyzes acceleration data of three axes orthogonal to each other and transmits an abnormal signal wirelessly when a fall state for a predetermined time or more or an acceleration of a predetermined value or more is detected. Are listed. Detection of a fall state or abnormality is determined using a temporal threshold and an amplitude threshold. Further, as a means for detecting a person's location, the location is estimated based on electric field strength data from a plurality of base stations held in a PHS terminal.

特許文献2には、加速度センサなどを組み込んだ腕時計型の表示装置を備える生体情報収集装置を使用者に装着して、生体情報をこの収集装置のメモリに保存することが記載されている。加速度センサの出力を分析することにより、使用者の動きを検出し、睡眠中の動きであるか、覚醒中の動きであるかを判定することができる。PCに接続されたドッキング・ステーションにこの生体情報収集装置を接続し、PCに組み込まれたプログラムにしたがって使用者の精神状態の問診(なぜそのような動きをしたかなど)が行われる。   Patent Document 2 describes that a biological information collection device including a wristwatch-type display device incorporating an acceleration sensor or the like is attached to a user and the biological information is stored in a memory of the collection device. By analyzing the output of the acceleration sensor, it is possible to detect the movement of the user and determine whether it is a movement during sleep or a movement during awakening. This biological information collecting apparatus is connected to a docking station connected to the PC, and the user's mental condition is interrogated (why such movement is performed) according to a program incorporated in the PC.

特許文献3には、人体に2軸又は3軸加速度計で加速度を計測し、所定時間にわたって各方向における加速度の変化の大きさにより静的状態か動的状態かを判定し、動的状態ではさらに加速度の変化の大きさにより安定状態か危険状態かを判定する。即ち、歩行、走行、階段昇降、転倒(前後左右の転倒方向を含む)といった具体的な動的状態、及び立ち止まり、しゃがみ、上向き臥せ、横向き臥せ、下向き臥せといった具体的な静的状態を加速度の変化の大きさから波形解析により自動的に判定する。判断に使われている加速度変化の閾値は0.5Gであり、データ区間は5秒である。判定インターバルは、各個人や行動状況に応じて、30分又はより短く適宜に設定することができる。また、危険状態と判定された場合、対象者の所在地はPHSやGPSにより検出することができる。
特開平10-295649号公報 特開2003-290176号公報 特開2004-81632号公報
In Patent Document 3, acceleration is measured on a human body with a two-axis or three-axis accelerometer, and a static state or a dynamic state is determined by a magnitude of a change in acceleration in each direction over a predetermined time. Further, it is determined whether the state is stable or dangerous based on the magnitude of change in acceleration. That is, specific dynamic states such as walking, running, stair climbing, falling (including the front, back, left and right falling directions) and specific static states such as stopping, crouching, leaning upward, leaning sideways, leaning downward Judgment is automatically made by waveform analysis based on the magnitude of the change. The threshold value of acceleration change used for the determination is 0.5 G, and the data interval is 5 seconds. The determination interval can be appropriately set for 30 minutes or shorter depending on each individual and the behavioral situation. In addition, when it is determined as a dangerous state, the location of the subject can be detected by PHS or GPS.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-295649 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-290176 JP 2004-81632 A

従来の加速度センサを用いた生体情報処理技術では、1つの装置を用いてユーザの姿勢、転倒、歩行リズムなどを同時に検出することはできなかった。また、正確に検出するための十分な信頼性のあるデータ処理手法が欠けていた。さらにセンサの取り付け位置によって適切なデータ処理ができないことと、遅い速度での歩行時に検出誤差が大きいという欠点があった。この発明は、1つのセンサ装置を用いて3つの直交方向において、加速度信号と重力ベクトルを検知し、ユーザの動き(姿勢、転倒、歩行リズム)をリアルタイムに精度良く検出することができるデータ処理方法と身体状態監視装置を提供することを目的とする。   Conventional biological information processing technology using an acceleration sensor cannot simultaneously detect a user's posture, falls, walking rhythm, etc. using a single device. Also, there was a lack of reliable data processing techniques for accurate detection. In addition, there are disadvantages that appropriate data processing cannot be performed depending on the sensor mounting position and that a detection error is large when walking at a low speed. The present invention is a data processing method capable of detecting an acceleration signal and a gravity vector in three orthogonal directions using one sensor device, and accurately detecting a user's movement (posture, fall, walking rhythm) in real time. It aims at providing a physical condition monitoring device.

この発明の監視装置は、直交する3軸の加速度を検知して、各加速度データを測定する加速度センサと、加速度センサからのデータを3軸座標系に変換するための初期化機能を有するデータ処理装置を有するセンサユニットと、このセンサユニットをユーザの身体に取り付けるための取り付け手段と、を備え、ユーザの身体に取り付けられて、ユーザの動きに関する情報を収集する。     The monitoring apparatus according to the present invention detects an acceleration of three orthogonal axes and measures each acceleration data, and data processing having an initialization function for converting data from the acceleration sensor into a three-axis coordinate system A sensor unit having the device and an attachment means for attaching the sensor unit to the user's body are attached to the user's body to collect information on the user's movement.

取り付け手段は、胴体との間に相対運動のないように監視装置をユーザの身体に固定する手段であり、この監視装置は、たとえば衣服のボタン、ベルトバックル、ブローチ、ブラジャー、ホットカイロのような粘着性のあるパッドなどに取り付けられる。   The attachment means is a means for fixing the monitoring device to the user's body so that there is no relative movement between the body and the body, such as a button of clothes, a belt buckle, a brooch, a brassiere, a hot body warmer, etc. It can be attached to sticky pads.

データ処理装置は、具体的には、加速度センサからの検知出力を処理するためのプロセッサ、このプロセッサが実行するコンピュータ・プログラムを格納するROM(読取専用メモリ)、およびプロセッサに作業領域を提供し、プロセッサによる処理の結果を一時記憶するRAM(ランダムアクセスメモリ)を備える。   Specifically, the data processing device provides a processor for processing a detection output from the acceleration sensor, a ROM (read only memory) for storing a computer program executed by the processor, and a work area for the processor. A RAM (random access memory) is provided for temporarily storing the results of processing by the processor.

この発明によると、3軸の加速度センサからの信号が内蔵のデータ処理装置によって処理されるので、ユーザの諸々の動き、姿勢、転倒などについての情報を収集することができ、健康管理やスポーツトレーニングなどに利用することができる。   According to the present invention, since signals from the three-axis acceleration sensor are processed by the built-in data processing device, it is possible to collect information on various movements, postures, falls, etc. of the user, and health management and sports training It can be used for

さらにこの発明の一形態においては、監視装置は、加速度センサからのz軸(垂直方向)の直流信号成分に基づいてユーザの転倒を検出するよう構成されている。加速度センサからの信号の直流成分は、ユーザの重力方向を表す。緩慢の変動成分は比較的ゆっくりした動きを表す。ユーザが転倒する場合、加速度センサの垂直方向の直流成分は、転倒前は1であったとすると、転倒後は重力方向が変わったので、直流成分が0になる。したがって、垂直方向の直流成分に基づいてユーザの転倒を検出することができる。   Furthermore, in one form of this invention, the monitoring apparatus is comprised so that a user's fall may be detected based on the DC signal component of the z-axis (vertical direction) from an acceleration sensor. The direct current component of the signal from the acceleration sensor represents the direction of gravity of the user. A slow fluctuation component represents a relatively slow movement. When the user falls, if the DC component in the vertical direction of the acceleration sensor is 1 before the fall, the DC component becomes 0 because the direction of gravity has changed after the fall. Therefore, the user's fall can be detected based on the direct current component in the vertical direction.

この発明の一形態においては、監視装置は、3軸の加速度センサからの前後方向の軸(y軸)または左右方向の軸(x軸)の信号の直流成分に基づいてユーザの転倒の向きを検出するよう構成されている。y軸の信号は、ユーザの前後方向の動きを表す。ユーザが前方向に転倒する前にy軸の直流成分が0であったとすると、転倒後は、その値が1になる。ユーザが後ろ方向に転倒するときは、y軸の直流成分が−1となる。したがって、y軸の直流成分に基づいて転倒の前後方向を検出することができる。同様に、x軸の直流成分に基づいてユーザ転倒の左右方向を検出することができる。   In one embodiment of the present invention, the monitoring device indicates the direction of the user's fall based on the DC component of the signal of the front-rear axis (y-axis) or the left-right axis (x-axis) from the triaxial acceleration sensor. Configured to detect. The y-axis signal represents the user's longitudinal movement. If the DC component of the y-axis is 0 before the user falls forward, the value becomes 1 after the fall. When the user falls backward, the y-axis DC component is -1. Therefore, it is possible to detect the front-rear direction of the fall based on the DC component of the y-axis. Similarly, the left-right direction of the user falling can be detected based on the DC component of the x axis.

この発明の一形態においては、監視装置は、垂直方向の信号の直流成分の移動平均値の差分が所定値より大きいとき、ユーザの転倒を検出するよう構成されている。すなわち、直流成分の変化を検出するため、ある時間をおいた移動平均値の差分をとり、この値が所定の値より大きいとき、転倒の判定をする。   In one form of this invention, the monitoring device is configured to detect a user's fall when the difference in the moving average value of the DC component of the signal in the vertical direction is greater than a predetermined value. That is, in order to detect a change in the DC component, a difference between moving average values over a certain period of time is taken, and when this value is greater than a predetermined value, a fall is determined.

この発明のさらに一形態では、監視装置は、3軸の加速度センサからの前後方向の軸(y軸)または左右方向の軸(x軸)の信号の直流成分の移動平均値の差分が所定値より大きいとき、ユーザの転倒の向きを検出する。垂直軸の信号の処理と同趣旨で、y軸およびx軸の直流成分について、ある時間をおいた移動平均値の差分をとり、この値が所定の値より大きいとき、転倒の向きを判定する。   In a further aspect of the present invention, the monitoring device is configured such that the difference between the moving average values of the DC components of the signals of the front-rear direction axis (y-axis) or the left-right direction axis (x-axis) from the three-axis acceleration sensor is a predetermined value. When larger, the direction of the user's fall is detected. For the same purpose as the signal processing on the vertical axis, the difference between the moving average values over a certain period of time is taken for the DC component of the y axis and the x axis, and when this value is greater than a predetermined value, the direction of the fall is determined. .

また、この発明の一形態においては、監視装置は、3軸の加速度センサからの3軸それぞれの信号の変動成分の移動平均値に基づいてユーザの姿勢を検出するよう構成されている。加速度センサからの信号の変動成分は、速度の変化(加速度)を表す。したがって、3軸の信号の合成ベクトルが変化し、この合成ベクトルを検出することによって、ユーザの姿勢(立っている、横に寝ている、下向きに寝ている、上向きに寝ているなど)を判定することができる。   Moreover, in one form of this invention, the monitoring apparatus is comprised so that a user's attitude | position may be detected based on the moving average value of the fluctuation component of the signal of each of the three axes from the three-axis acceleration sensor. The fluctuation component of the signal from the acceleration sensor represents a change in speed (acceleration). Therefore, the composite vector of the three-axis signal changes, and by detecting this composite vector, the user's posture (standing, sleeping on the side, sleeping on the bottom, sleeping on the top, etc.) Can be determined.

この発明の一実施例においては、監視装置は、ユーザの携帯電話または携帯端末装置と通信する通信手段を備え、前記プロセッサによる処理の結果、該ユーザに異常が検出されるとき、該通信手段を起動して、データを前記携帯電話または携帯端末装置を介して情報処理センタのコンピュータに送信するよう構成されている。   In an embodiment of the present invention, the monitoring device includes a communication unit that communicates with a user's mobile phone or a mobile terminal device, and when the abnormality is detected by the user as a result of the processing by the processor, the monitoring unit is provided. It is configured to start up and transmit data to the computer of the information processing center via the mobile phone or the mobile terminal device.

さらに、この発明の一形態では、情報処理センタのコンピュータは、監視装置から送られてくるユーザの転倒に関連するデータの受信に応じて、リアルタイムでこのデータを処理してユーザの状況を判定し、ユーザに助言メッセージを送信し、またはサポータとユーザとの間の音声リンクを確立するよう構成されている。   Furthermore, in one aspect of the present invention, the computer of the information processing center processes the data in real time to determine the user's situation in response to the reception of data related to the user's fall sent from the monitoring device. , Configured to send an advisory message to the user or establish a voice link between the supporter and the user.

次に図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。図1は、この発明の実施例に係るセンサの装着可能な胴体領域(網掛けの部分)と3次元座標系の定義(実際座標系Crと基準座標系Cs)を示す。監視装置10は、ユーザの衣服のボタン、ベルトバックル、ブローチ、ブラジャー、ホットカイロのような粘着性のあるパッドなどに着脱可能なセンサユニット14、およびセンサユニット14とブルートゥース(Bluetooth)または赤外線で結合して通信する携帯電話機16を有する。携帯電話機16の代わりに携帯端末装置(PDA)を用いることもできる。   Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a fuselage region (shaded portion) to which a sensor according to an embodiment of the present invention can be attached and a definition of a three-dimensional coordinate system (actual coordinate system Cr and reference coordinate system Cs). The monitoring device 10 is connected to the user's clothing buttons, belt buckles, brooches, brassieres, sticky pads such as hot warmers, etc., and the sensor unit 14 is connected to the sensor unit 14 via Bluetooth (Bluetooth) or infrared Mobile phone 16 for communication. A mobile terminal device (PDA) can be used instead of the mobile phone 16.

図2は、センサ装着時の実際座標系と計算時の基準座標系を定義する図面である。実際装着時の3次元座標系(実際座標系Cr)は必ずしも計算用の基準座標系Csと一致するとは限らない。後に記述する図6の初期化処理で求めたアフィン変換行列を用いて任意のCr座標系からCs座標系に変換することができるので、ユーザに装着時の軸合わせに気を配る必要はない。3次元空間の変換は6つの自由度があり、仮に原点の移動がなければ、3つの自由度(α、β、γ)になる。具体的な求め方は図6に関連して後に述べる。   FIG. 2 is a diagram for defining an actual coordinate system at the time of mounting the sensor and a reference coordinate system at the time of calculation. The three-dimensional coordinate system (actual coordinate system Cr) at the time of actual mounting does not necessarily coincide with the reference coordinate system Cs for calculation. Since it is possible to convert from an arbitrary Cr coordinate system to a Cs coordinate system using the affine transformation matrix obtained in the initialization process of FIG. 6 described later, it is not necessary to pay attention to the axis alignment at the time of wearing. The transformation of the three-dimensional space has six degrees of freedom, and if there is no movement of the origin, there are three degrees of freedom (α, β, γ). A specific method will be described later with reference to FIG.

図3は、センサユニット14および2つ2軸の加速度センサ15-1、15-2の配置を示す。センサユニット14の主な構成部分は、加速度IC15の他に、CPU19、ブルートゥース(Bluetooth)チップ13、無線データ通信用アンテナ11及びバッテリ17を含んでいる。   FIG. 3 shows the arrangement of the sensor unit 14 and the two biaxial acceleration sensors 15-1 and 15-2. The main components of the sensor unit 14 include a CPU 19, a Bluetooth chip 13, a wireless data communication antenna 11 and a battery 17 in addition to the acceleration IC 15.

図4に示すように、センサユニット14は、マジックテープ、ホックまたはスナップにより、たとえばブローチ(a)、ベルトのバックル(b)、ブラジャー(c)などに取り付けることができる。また、衣服の一部分、たとえばボタンに取り付けたり、ホットカイロのように貼り付けることもできる。   As shown in FIG. 4, the sensor unit 14 can be attached to, for example, a broach (a), a belt buckle (b), a brassiere (c), or the like by means of a magic tape, hook or snap. It can also be attached to a part of clothes, for example, a button, or pasted like a hot body warmer.

加速度IC15-1と15-2は、フィルム状の圧電素子を用いたセンサで、アナログデバイス社の2軸加速度センサADXL202(商品名)、または(株)東京センサの3軸加速度センサACH-04(商品名)などを用いて構成することができる。この実施例では、1つの2軸加速度IC 15-1を身体の横方向をx軸、上下方向をz軸として配置し、もう一つの2軸加速度IC15-2を、身体の前後方向をy軸、上下方向をz軸として配置することにより、3軸の加速度センサを構成する。すなわち、2つの加速度ICは、z軸を共通にして90度の角度で配置される。具体的には、第1の加速度IC15-1は、伏せて配置され、第2の加速度IC15-2は立てて配置される。   Acceleration ICs 15-1 and 15-2 are sensors using film-like piezoelectric elements, such as the 2-axis acceleration sensor ADXL202 (trade name) from Analog Devices, Inc., or the 3-axis acceleration sensor ACH-04 from Tokyo Sensor Co., Ltd. Product name) or the like. In this embodiment, one biaxial acceleration IC 15-1 is arranged with the lateral direction of the body as the x axis and the vertical direction as the z axis, and the other two axis acceleration IC15-2 is arranged as the y axis in the longitudinal direction of the body. By arranging the vertical direction as the z axis, a triaxial acceleration sensor is configured. That is, the two acceleration ICs are arranged at an angle of 90 degrees with the z-axis in common. Specifically, the first acceleration IC15-1 is placed face down, and the second acceleration IC15-2 is placed upright.

図5は、センサユニット14の構成を示す機能ブロック図である。センサユニット14は、加速度センサ15、信号検出回路32、演算部(CPU)30、演算部30の演算処理に必要なメモリ領域を与えるランダムアクセス・メモリ(RAM)42、演算部30が実行するプログラムおよびデータを記憶する書き換え可能な読み出し専用メモリ(FEPROM、EEPROM)44を備える。さらにセンサユニット14は、必要に応じて携帯電話などの通信装置16と通信する通信モジュール13を備えている。この実施例では、通信モジュール13は、ブルートゥース(Bluetooth)であるが、代替的に赤外線またはFM波を用いた通信手段を用いることもできる。通信装置16は、携帯電話の他に、代替的には携帯型情報端末(PDAなど)のような無線端末装置を用いることができる。通信装置16は、ネットワーク11を介してセンタ70と通信する。   FIG. 5 is a functional block diagram showing the configuration of the sensor unit 14. The sensor unit 14 includes an acceleration sensor 15, a signal detection circuit 32, a calculation unit (CPU) 30, a random access memory (RAM) 42 that gives a memory area necessary for calculation processing of the calculation unit 30, and a program executed by the calculation unit 30 And a rewritable read-only memory (FEPROM, EEPROM) 44 for storing data. Further, the sensor unit 14 includes a communication module 13 that communicates with a communication device 16 such as a mobile phone as necessary. In this embodiment, the communication module 13 is Bluetooth, but communication means using infrared rays or FM waves can be used instead. As the communication device 16, a wireless terminal device such as a portable information terminal (such as a PDA) can be used instead of a mobile phone. The communication device 16 communicates with the center 70 via the network 11.

センサユニット14は、バッテリ17を備えている。このバッテリ17は、充電式であってもよく、この場合、家庭またはオフィスの交流電源に接続された充電器により充電される。   The sensor unit 14 includes a battery 17. The battery 17 may be rechargeable. In this case, the battery 17 is charged by a charger connected to a home or office AC power source.

センサユニット14は、加速度センサからの信号を処理して、メモリに保存するとともに、処理プログラムにより体の動きを監視する。異常と判定されると、通信制御部から、ブルートゥース(Bluetooth)を起動して携帯電話16に加速度データを送り、更にこのデータをインターネットなどのネットワーク11を介してセンタ70に送信する。   The sensor unit 14 processes a signal from the acceleration sensor, stores it in a memory, and monitors body movements by a processing program. If determined to be abnormal, the communication control unit activates Bluetooth and sends acceleration data to the mobile phone 16, and further sends this data to the center 70 via the network 11 such as the Internet.

加速度センサ15からの出力は、演算部30の信号検出ブロック32で100Hzのサンプリング周波数でA/D変換され、ノイズ除去部33でノイズの除去処理を受け、3Dアフィン変換部35でアフィン変換される。アフィン変換までの処理を初期化処理と呼ぶ。   The output from the acceleration sensor 15 is A / D converted at a sampling frequency of 100 Hz by the signal detection block 32 of the calculation unit 30, subjected to noise removal processing by the noise removal unit 33, and affine transformed by the 3D affine conversion unit 35. . Processing up to affine transformation is called initialization processing.

図6は、加速度センサの初期化処理を示すフローチャート51である。この初期化処理では、ユーザが監視装置を装着する際の初期状態を立位又は座位と仮定する(401)。加速度センサ15の出力に基づいて3方向の加速度信号Axr、Ayr、Azrを取得し(403)、ローパスフィルタを通し(405)、間引き・補間処理を行って(407)、装着初期の直流成分Axr_0、Ayr_0、Azr_0を取得する(409)。理論的に任意の3次元空間の座標変換は6つの自由度があるが、問題を3軸(x、y、z)の回転だけに限定し、原点の移動がないとすると、3つの自由度(x軸回転角度α、y軸回転角度β、z軸回転角度γ)になる(図2)。   FIG. 6 is a flowchart 51 showing the initialization process of the acceleration sensor. In this initialization process, the initial state when the user wears the monitoring device is assumed to be standing or sitting (401). Acquire acceleration signals Axr, Ayr, and Azr in three directions based on the output of the acceleration sensor 15 (403), pass through a low-pass filter (405), perform decimation / interpolation processing (407), and install a direct current component Axr_0 , Ayr_0 and Azr_0 are acquired (409). Theoretically, coordinate conversion in an arbitrary three-dimensional space has six degrees of freedom. However, if the problem is limited to the rotation of three axes (x, y, z) and there is no movement of the origin, there are three degrees of freedom. (X-axis rotation angle α, y-axis rotation angle β, z-axis rotation angle γ) (FIG. 2).

α、β、γを求め(411)、アフィン変換行列を構成する(413)。この座標変換はアフィン変換(affine transformation)という。具体的な求め方と記号・変数定義は下記に記述する。   α, β, and γ are obtained (411), and an affine transformation matrix is constructed (413). This coordinate transformation is called affine transformation. The specific calculation method and symbol / variable definitions are described below.

基準座標系Csは下記の通り定義される。(図1参照)
1.x軸=右(+)左(−)
2.y軸=前(+)後(−)
3.z軸=上(+)下(−)
各軸の加速度信号は下記の通り定義される。
The reference coordinate system Cs is defined as follows. (See Figure 1)
1. x-axis = right (+) left (-)
2. y-axis = front (+) back (-)
3. z-axis = up (+) down (-)
The acceleration signal for each axis is defined as follows.

実際座標系Crにおいて、x、y、z軸それぞれの信号を記述する変数はAxr,Ayr,Azrとする。   In the actual coordinate system Cr, variables describing the signals of the x, y, and z axes are Axr, Ayr, and Azr.

基準座標系Csにおいて、x、y、z軸それぞれの信号を記述する変数はAxs,Ays,Azsとする。   In the reference coordinate system Cs, variables describing the signals of the x, y, and z axes are Axs, Ays, and Azs.

実際計測値から基準座標系へのデータ変換行列はMxyzとする。また、x軸回りの回転行列をM、y軸回りの回転行列をMyβ、z軸回りの回転行列をMとする。 The data conversion matrix from the actual measurement value to the reference coordinate system is Mxyz. Moreover, the x-axis around the rotation matrix M X [alpha, the M yβ y-axis of the rotation matrix, the z axis of the rotation matrix and M zγ.

アフィン変換における各軸回りの回転角度は下記の通り求められる。   The rotation angle around each axis in the affine transformation is obtained as follows.

x軸回りの回転角度α=arctg(Ayr0/Azr0)
y軸回りの回転角度β=arctg(Axr0/Azr0)
z軸回りの回転角度γ=arctg(Ayr0/Axr0)
但し、Axr0、Ayr0、Azr0は実際装着時に、重力ベクトルが3直交計測軸へのそれぞれの投影を反映する各直流成分である。また、回転軸方向に向かって右回りが角度の正方向とする。
Rotation angle around x-axis α = arctg (Ayr0 / Azr0)
Rotation angle around y-axis β = arctg (Axr0 / Azr0)
Rotation angle around the z axis γ = arctg (Ayr0 / Axr0)
However, Axr0, Ayr0, and Azr0 are direct current components in which the gravity vector reflects the respective projections onto the three orthogonal measurement axes when actually mounted. Further, the clockwise direction toward the rotation axis direction is the positive direction of the angle.

x軸回り(YZ平面上)の回転行列は、次式で求められる。

Figure 0004592360
A rotation matrix around the x-axis (on the YZ plane) is obtained by the following equation.
Figure 0004592360

y軸回り(XZ平面上)の回転行列は、次式で求められる。

Figure 0004592360
A rotation matrix around the y-axis (on the XZ plane) is obtained by the following equation.
Figure 0004592360

z軸回り(XY平面上)の回転行列は、次式で求められる。

Figure 0004592360
A rotation matrix around the z-axis (on the XY plane) is obtained by the following equation.
Figure 0004592360

変換行列MxyzはM、Myβ、Mzγから下記の式で求める。
Mxyz=M×Myβ×Mzγ
初期化処理で求めた変換行列Mxyzを用いて実際座標系から基準座標系へのデータ変換を行うため、下記の変数を定義する。
The transformation matrix Mxyz is obtained from M , M , and M by the following formula.
Mxyz = M × M × M
In order to perform data conversion from the actual coordinate system to the reference coordinate system using the conversion matrix Mxyz obtained in the initialization process, the following variables are defined.

実際計測値から構成される変換前の行列Pr=(Axr,Ayr,Azr,1)T
基準座標系への変換データから構成される変換後の行列Ps=(Axs,Ays,Azs,1)T
但し、上付き記号Tは行列の転置演算を示す。
Matrix Pr = (Axr, Ayr, Azr, 1) T before conversion composed of actual measured values
Matrix Ps = (Axs, Ays, Azs, 1) T after transformation composed of transformation data to the reference coordinate system
The superscript T indicates a matrix transposition operation.

座標変換は下記の演算式で行う。   Coordinate conversion is performed by the following arithmetic expression.

Ps=Mxyz×Pr=M×Myβ×Mzγ×Pr
上記の初期化処理は、装着時だけに、変換行列を求める。装着し直さない限り、上記の変換関係はずっと有効であり、変換行列は下記の転倒・姿勢・歩行リズム検出に用いられる。
Ps = Mxyz × Pr = M × M × M × Pr
In the above initialization process, a transformation matrix is obtained only at the time of mounting. As long as it is not put on again, the above conversion relationship is effective, and the conversion matrix is used for the following detection of falls, postures, and walking rhythms.

図7は、加速度信号に基づく転倒検出、姿勢・体位検出、および歩行リズム検出の解析方法を示すフローチャートである。3軸の加速度センサ15から実際計測座標系におけるx、y、z軸それぞれの信号Axr,Ayr,Azrを信号検出回路32より取得し(501)、Pr=(Axr,Ayr,Azr,1)Tを構成し、それから、初期化で求めた変換行列Mxyzを用いてアフィン変換を行い、Psを求める(502)。基準座標系へ変換された行列Psより、As=(Axs,Ays,Azs)を用いてデータを解析し、転倒(518、522、526、530)、姿勢(538)、歩行リズム(549)などの判断を行う。 FIG. 7 is a flowchart showing an analysis method of fall detection, posture / posture detection, and walking rhythm detection based on acceleration signals. Signals Axr, Ayr, Azr in the actual measurement coordinate system are obtained from the triaxial acceleration sensor 15 from the signal detection circuit 32 (501), Pr = (Axr, Ayr, Azr, 1) T Then, affine transformation is performed using the transformation matrix Mxyz obtained by initialization to obtain Ps (502). Analyzing data using As = (Axs, Ays, Azs) from matrix Ps converted to the reference coordinate system, falling (518, 522, 526, 530), posture (538), walking rhythm (549), etc. Make a decision.

まずは、雑音を含む高周波成分を除去するため、変換後の加速度データはローパスフィルタを通し(503)(ローパスフィルタのカットオフ周波数は、2Hzとする)、間引き・補間(505)処理によって信号の直流成分を取り出す(506)。サンプリング理論によると、低い周波数でサンプリングすると(間引きに相当する)、高周波成分は再現できず、落とされることになる。またキュービック補間(Cubic interpolation)で元の100Hzサンプリング周波数に戻ると、高周波成分は落とされたので、滑らかな基線(直流成分)のみ残される。一方において、ローパスフィルタ503の出力から、ステップ505の出力(直流成分As_)を減算して(510)、加速度信号の変動成分As~を取り出す(511)。   First, in order to remove high-frequency components including noise, the converted acceleration data is passed through a low-pass filter (503) (the cutoff frequency of the low-pass filter is 2 Hz), and the signal DC is obtained by thinning and interpolation (505) processing. The ingredients are removed (506). According to the sampling theory, if sampling is performed at a low frequency (corresponding to thinning), high-frequency components cannot be reproduced and are dropped. Also, when returning to the original 100 Hz sampling frequency by Cubic interpolation, the high frequency component was dropped, so only the smooth baseline (DC component) remains. On the other hand, the output of the step 505 (DC component As_) is subtracted from the output of the low-pass filter 503 (510) to extract the fluctuation component As ~ of the acceleration signal (511).

間引き・補間処理(505)によって取り出されたx軸、y軸、z軸の直流成分Axs_、Ays_、Azs_からそれぞれの差分ΔAx_、ΔAy_、ΔAz_を求める(507)。   Differences ΔAx_, ΔAy_, ΔAz_ are obtained from the DC components Axs_, Ays_, Azs_ of the x-axis, y-axis, and z-axis extracted by the thinning / interpolation process (505) (507).

生成された差分値ΔAx_、ΔAy_、ΔAz_は、それぞれ予め定められたしきい値Thx(=0.25G)、Thy(=0.25G)、Thz(=0.25G)と比較され、その結果に応じて前向き転倒(517)、後ろ向き転倒(521)、左向き転倒(525)、および右向き転倒(529)が判定される。すなわち、-ΔAz_がしきい値Thzより大きいときは、転倒の判定を行い、他の差分値ΔAx_およびΔAy_に応じてその向きを判定する。ΔAx_がThxより小さく、-ΔAy_がThyより大きいとき(517)、転倒は前向きであると判定する。同様にブロック521、525および529に示す条件に従って、後ろ向き転倒、左向き転倒、および右向き転倒を判定する。   The generated difference values ΔAx_, ΔAy_, ΔAz_ are compared with predetermined threshold values Thx (= 0.25G), Thy (= 0.25G), Thz (= 0.25G), respectively, and according to the result A forward fall (517), a backward fall (521), a left fall (525), and a right fall (529) are determined. That is, when -ΔAz_ is larger than the threshold value Thz, the fall is determined, and the direction is determined according to the other difference values ΔAx_ and ΔAy_. When ΔAx_ is smaller than Thx and −ΔAy_ is larger than Thy (517), it is determined that the fall is forward. Similarly, in accordance with the conditions shown in blocks 521, 525, and 529, backward fall, left fall, and right fall are determined.

図8は前向き転倒のときの各軸の加速度波形を示し、図9は、後ろ向き転倒のときの各軸の加速度波形を示し、図10は、左向き転倒の時の各軸の加速度波形を、図11は、右向き転倒のときの各軸の加速度波形を示す。   FIG. 8 shows the acceleration waveform of each axis when the vehicle falls forward, FIG. 9 shows the acceleration waveform of each axis when the vehicle falls backward, and FIG. 10 shows the acceleration waveform of each axis when the vehicle falls left. 11 shows the acceleration waveform of each axis at the time of falling to the right.

加算部510で取り出された加速度信号の変動成分Axs~、Ays~、Azs~は、3軸のそれぞれの方向における体の揺らぎ、すなわち加速度の変動成分を示す。したがって、この成分を正規化し(533)、ヨー、ピッチ、ロールの角度変動を算出し(535)、スムージング処理を通して(537)、x軸方向、y軸方向およびz軸方向のユーザの3次元空間における姿勢、動きを検出することができる。たとえば、うつ伏せに寝ている姿勢では、z軸方向の成分は、ほぼゼロであり、y軸方向の成分は最大となり、x軸方向の成分が変わらない。仰向けに寝ている場合では、z軸方向の成分は、同じくほぼゼロであり、y軸方向の成分は負の最大、即ち最小となり、x軸方向の成分が変わらない。   Fluctuation components Axs˜, Ays˜, Azs˜ of the acceleration signal extracted by the adding unit 510 indicate body fluctuations in the respective directions of the three axes, that is, fluctuation components of acceleration. Therefore, this component is normalized (533), yaw, pitch, and roll angle fluctuations are calculated (535), and through smoothing processing (537), the user's three-dimensional space in the x-axis direction, y-axis direction, and z-axis direction It is possible to detect the posture and movement in For example, in the posture of lying down, the component in the z-axis direction is almost zero, the component in the y-axis direction is maximized, and the component in the x-axis direction does not change. When lying on the back, the component in the z-axis direction is almost zero, the component in the y-axis direction is a negative maximum, that is, the minimum, and the component in the x-axis direction does not change.

また、変動成分を用いて、ユーザの歩行リズムを検出することができる。垂直方向のz軸の加速度成分Azs~を取り出し(541)、ローパスフィルタによりスムージングを経て(543)、信号の平均値をゼロになるようにセンタリング(545)を行って、ゼロクロス法(加速度波形とゼロ基線との交差点を検出する)により歩行リズムを検出することができる。   Further, the walking rhythm of the user can be detected using the fluctuation component. The vertical z-axis acceleration component Azs ~ is extracted (541), smoothed by a low-pass filter (543), centered so that the average value of the signal becomes zero (545), and the zero cross method (acceleration waveform and The walking rhythm can be detected by detecting the intersection with the zero baseline.

図12はゼロクロス法による歩行リズム検出の1例を示す。図12(a)は10秒間の歩行時に収集したz軸方向の加速度波形を示す。図12(b)はローパスフィルタを通して処理した結果を示す。図12(c)はセンタリングして、ゼロクロス法で歩行リズムを検出した結果を示す。小さい丸のしるしは歩行ステップの検出点を示す。   FIG. 12 shows an example of walking rhythm detection by the zero cross method. FIG. 12 (a) shows an acceleration waveform in the z-axis direction collected during walking for 10 seconds. FIG. 12 (b) shows the result of processing through a low-pass filter. FIG. 12 (c) shows the result of centering and detecting the walking rhythm by the zero cross method. A small circle mark indicates the detection point of the walking step.

以上の記述から明らかになったように、3軸の加速度信号と重力ベクトルをリアルタイム分析することにより、ユーザの転倒を検出し、歩数、歩行速度、歩行距離を計測することができる。また、うつ伏せに伏せた状態(伏)、仰向けに寝た状態(仰)、横向きに寝た状態、座っている状態(座)、立っている状態(立)を判定することができる。   As is clear from the above description, by performing real-time analysis of the triaxial acceleration signal and the gravity vector, the user's fall can be detected and the number of steps, walking speed, and walking distance can be measured. In addition, it is possible to determine the state of lying down (down), the state of sleeping on the back (back), the state of sleeping sideways, the sitting state (sitting), and the standing state (standing).

さらに、得られた歩数からユーザのカロリ消費量も求められる。この演算には、歩数だけでなく歩行速度を入れて演算することもできる。   Furthermore, the calorie consumption amount of the user is also obtained from the obtained number of steps. In this calculation, not only the number of steps but also the walking speed can be included in the calculation.

本発明は3次元空間における人の動きと関連する静的な信号(重力ベクトル)および動的な信号(加速度データ)を収集し、解析することにより、図13に示すように、様々な用途に、例えば、高齢者転倒の検出、睡眠品質の評価、運動量の推定、酔っ払いの検出など、また、動物行動モニタリングやロボット姿勢検出にも応用することができる。   The present invention collects and analyzes static signals (gravity vectors) and dynamic signals (acceleration data) related to human movement in a three-dimensional space, and as shown in FIG. For example, it can be applied to animal behavior monitoring and robot posture detection, such as detection of falls of elderly people, evaluation of sleep quality, estimation of momentum, detection of drunkness, and the like.

また、任意センシング座標軸を統一された基準座標軸に変換する初期化処理により、装置の装着方向性について、ユーザの配慮を求めることは不要となる。さらに、携帯電話さえ持っていれば、図13のように、ユーザのニーズに応じて利用することができる。   In addition, the initialization processing for converting the arbitrary sensing coordinate axes to the unified reference coordinate axes eliminates the need for user consideration regarding the mounting direction of the apparatus. Furthermore, as long as you have a mobile phone, you can use it according to your needs as shown in FIG.

応用の一形態では、図13のように、自宅だけでなく、ケアマンションや老人ホームに入居している高齢者を対象とするリアルタイムケアサービスを提供する。ユーザはベルトバックル型の装置を着用する。データのリアルタイム解析でユーザの不意な転倒が検出されたら、直ちに情報処理センタのコンピュータへユーザの異常発生を知らせる情報(ユーザID、時間、場所、事件)および発生時点前後の関連データが送られる。   In one form of application, as shown in FIG. 13, a real-time care service is provided not only at home but also for elderly people living in care apartments and nursing homes. The user wears a belt buckle type device. When a user's unexpected fall is detected by real-time analysis of data, information (user ID, time, place, incident) and related data before and after the occurrence point are immediately sent to the computer of the information processing center.

また、運動中の人にセンサ装置を着用してもらい、データのリアルタイム解析で運動量を推定し、運動し過ぎなどが検出されたら、直ちにユーザの携帯電話に助言メッセージを表示したりアラームを出したりする。個々のユーザにとって最適の運動量に調整するように助言できるようなシステムを構成することができる。   In addition, if a person who is exercising wears a sensor device, the amount of exercise is estimated by real-time analysis of the data, and if too much exercise is detected, an advice message or alarm is immediately displayed on the user's mobile phone. To do. A system can be constructed that can advise the individual user to adjust to the optimal momentum.

さらに、歩行リズムの解析により、飲みすぎで酔っぱらいになった状態の検出に応用することができる。歩行リズムから異常な乱れやランダム性が検出されたら、酔っぱらいになった可能性を推測することができる。   Furthermore, the analysis of walking rhythm can be applied to the detection of a drunk state after drinking too much. If abnormal turbulence or randomness is detected from the walking rhythm, the possibility of getting drunk can be estimated.

以上に、この発明の代表的な具体実施例を説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではない。   As mentioned above, although the typical concrete Example of this invention was described, this invention is not limited to such an Example.

センサの装着可能な領域。The area where the sensor can be mounted. センサの座標系定義。Sensor coordinate system definition. 加速度ICの配置とセンサユニットの概念図。Arrangement of acceleration IC and conceptual diagram of sensor unit. 色々な装着方法を示す概念図。The conceptual diagram which shows various mounting methods. センサユニットの機能ブロック図。The functional block diagram of a sensor unit. センサの初期化処理の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of the initialization process of a sensor. ユーザの姿勢、転倒、歩行リズムを検出する処理の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of the process which detects a user's attitude | position, a fall, and a walking rhythm. 前向き転倒時の波形を示す図。The figure which shows the waveform at the time of forward falling. 後ろ向き転倒時の波形を示す図。The figure which shows the waveform at the time of falling backward. 左向き転倒時の波形を示す図。The figure which shows the waveform at the time of falling to the left. 右向き転倒時の波形を示す図。The figure which shows the waveform at the time of falling to right. ゼロクロス法による歩行リズム検出の例。An example of walking rhythm detection by the zero cross method. この発明の応用例を示す図。The figure which shows the example of application of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

14 センサユニット
15 加速度IC
14 Sensor unit 15 Acceleration IC

Claims (4)

直交する3軸の加速度を検知して、各加速度データを測定する加速度センサと、
前記加速度センサがユーザに取り付けられた初期において、前記加速度センサから得られる3方向の信号の直流成分を用いて3軸それぞれにおける回転角度を算出し、該回転角度を用いて、実際座標系のデータを重力方向並びに該重力方向と直交する前後方向および左右方向からなる3軸の基準座標系に変換するためのアフィン変換行列を求める初期化手段と
前記初期化手段により前記アフィン変換行列が求められた後、前記加速度センサから得られる実際座標系のデータに前記アフィン変換行列を適用して前記基準座標系のデータに変換する手段と、
を有するセンサユニットを備え、ユーザの身体に取り付けられて、ユーザの動きに関する情報を収集する身体状態監視装置。
An acceleration sensor that detects accelerations of three orthogonal axes and measures each acceleration data;
In the initial stage when the acceleration sensor is attached to the user, the rotation angle in each of the three axes is calculated using the DC components of the signals in the three directions obtained from the acceleration sensor , and the actual coordinate system data is calculated using the rotation angle. Initialization means for obtaining an affine transformation matrix for transforming into a three-axis reference coordinate system consisting of a gravitational direction and a front-rear direction and a left-right direction orthogonal to the gravitational direction ;
Means for applying the affine transformation matrix to the data of the actual coordinate system obtained from the acceleration sensor and converting the data to the reference coordinate system after the affine transformation matrix is obtained by the initialization means;
A body state monitoring device that includes a sensor unit having a sensor unit attached to a user's body and collects information related to the movement of the user.
前記センサユニットは、
前記基準座標系の3軸の信号の合成ベクトルを検出する手段と、
前記基準座標系の3軸のそれぞれの方向における直流成分および変動成分を求める手段と、
を備える、請求項1に記載の身体状態監視装置。
The sensor unit is
Means for detecting a combined vector of three-axis signals of the reference coordinate system;
Means for determining a direct current component and a fluctuation component in each of the three axes of the reference coordinate system;
Comprises, the condition monitoring apparatus according to claim 1.
前記センサユニットは、前記基準座標系の3軸のそれぞれの方向における直流成分および変動成分に基づいて、前記ユーザの姿勢、前記ユーザの転倒、および前記ユーザの歩行リズムの少なくとも一つを検出する、請求項2に記載の身体状態監視装置。 The sensor unit detects at least one of the user's posture, the user's fall, and the user's walking rhythm based on a DC component and a fluctuation component in each of the three axes of the reference coordinate system. The physical condition monitoring apparatus according to claim 2. 前記センサユニットは、前記合成ベクトルに基づいて前記ユーザの姿勢を検出する、請求項2に記載の身体状態監視装置。 The physical condition monitoring apparatus according to claim 2 , wherein the sensor unit detects the posture of the user based on the combined vector .
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