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JP7180378B2 - 歩行状態計測装置、歩行状態計測システム、歩行状態計測方法および歩行状態計測プログラム - Google Patents

歩行状態計測装置、歩行状態計測システム、歩行状態計測方法および歩行状態計測プログラム Download PDF

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Description

本発明は、歩行状態計測装置、歩行状態計測システム、歩行状態計測方法および歩行状態計測プログラムを記憶する記憶媒体に関し、特に、歩行者の歩行状態を容易に計測することを可能にする歩行状態計測装置、歩行状態計測システム、歩行状態計測方法および歩行状態計測プログラムを記憶する記憶媒体に関する。
高齢者やリハビリテーションを受ける患者等の対象者を支援するために、日常生活において対象者の歩行状態を簡単に計測することができる技術が求められている。
現状の技術においては、歩行状態を計測する場合、モーションキャプチャ装置とフォースプレートと、から成る計測装置を用いて、それぞれ、歩行者のモーションと、床反力の３分力（垂直分力、側方分力、前後分力）および床反力作用点（床面上の座標値）と、を計測し、逆動力学計算に基づいて、歩行状態を計測する技術が一般的である。該歩行状態として、股関節、膝関節及び足関節などにおける関節トルクや、ハムストリング及び大腿四頭筋などにおける筋張力及び筋活動量の他、代謝コストなどを計測することが可能である。
しかしながら、上述の技術においては、フォースプレートを床面に据え付ける必要があるので、日常生活における対象者の歩行状態を簡単に計測することが困難であった。そこで、フォースプレートの代わりに、例えば歩行者が履いて歩行する履物の表面に配置された圧力センサ等のごとき床反力に反応するセンサを用いて、歩行者の歩行状態を計測する技術が提案されている。
特許文献１の特許第４３９０１２９号公報「足底圧を用いた下肢関節モーメントおよび下肢筋張力の推定システム」には、被験者が履いて歩行する履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサの計測値を用いて、床反力と、下肢関節モーメントと、下肢筋張力と、を推定する技術が記載されている。
また、特許文献２の特許第４８６０４３０号公報「荷重計測装置」には、荷重の分布に依存しないシート状の荷重計測装置に関する技術が記載されている。この特許文献２の技術では、利用者の足の大きさや形状に依存することなく、足底面に印加されている垂直荷重の総量すなわち床反力の垂直分力を計測することができる。
特許文献３には、被験者の左右の足底部にかかる圧力と、足底部の位置的な遷移とに基づいて、被験者の運動特性を評価する技術が開示されている。
特許文献４には、人の体に取り付けられている、複数の、加速度センサなどの姿勢センサからの信号に基づいて、人の移動距離、人の移動速度、及び、床反力を算出する技術が記載されている。
また、非特許文献１のA. Forner Corderoらによる"Use of pressure insoles to calculate the complete ground reaction forces"には、 足底面に配置された圧力センサアレイの計測値を用いて、床反力と、下肢関節モーメントと、を推定する技術が記載されている。
特許第４３９０１２９号公報 特許第４８６０４３０号公報 特開2012-161402号公報 特開2016-150193号公報
A. Forner Cordero et al., "Use of pressure insoles to calculate the complete ground reaction forces", Journal of Biomechanics, Vol. 37, No. 9, pp. 1427-1432, 2004.
しかしながら、本発明に関連する特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び、非特許文献１のそれぞれに記載の技術には、以下に記載する課題がある。
まず、特許文献１の技術は、履物表面の少なくとも４箇所以上に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサを必要とする。そして、それらの各センサは、適切な位置（踵部、足弓部、中足骨部、及び、趾部）に配置することが必要であるが、かかる適切な位置は、対象者の足の大きさや形状に応じて異なるので、対象者ごとの調整が必要であり、調整に手間がかかるという課題がある。特許文献３に記載の技術にも、同様の課題がある。
一方、特許文献２の技術は、前述したように、対象者の足の大きさや形状に依存することなく、足底面に印加されている垂直荷重の総量すなわち床反力の垂直分力を計測することができるので、センサの配置位置の調整が不要である。しかしながら、床反力の垂直分力以外の分力や作用点については計測することができない。すなわち、床反力の側方分力、前後分力および床反力作用点については計測することができない。したがって、前述したような逆動力学計算に基づく歩行状態の計測を行うことが困難である。
また、非特許文献１の技術は、８６～９９個の圧力センサアレイを備える計測装置を使用している。かくのごとき多数の圧力センサが足底面全体の荷重を計測するので、対象者ごとにセンサの位置を調整する必要はないものの、計測装置が高価になり、利用者の経済的な負担が大きくなるという課題がある。
以上のように、本発明に関連する現状の技術においては、日常生活における対象者の歩行状態を簡単に計測することが困難であった。
（本発明の目的）
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、歩行者の足の形状や大きさの如何に関わらず、歩行者の歩行状態の計測を簡単に行うことができる歩行状態計測装置、歩行状態計測システム、歩行状態計測方法および歩行状態計測プログラムを提供することを、その目的としている。
前述の課題を解決するため、本発明による歩行状態計測装置、歩行状態計測システム、歩行状態計測方法および歩行状態計測プログラムは、主に、次のような特徴的な構成を採用している。
本発明の一態様による歩行状態計測装置は、
歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、床反力を推定して床反力データとして出力する床反力推定手段と、
前記モーションデータと前記床反力データとの少なくとも一方を用いて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力する歩行状態計算手段と
を有することを特徴とする。
本発明の一態様による歩行状態計測システムは、
歩行者のモーションデータを取得するモーション計測手段と、
前記歩行者の下肢垂直荷重データを取得する下肢垂直荷重計測手段と、
前記モーション計測手段において取得された前記モーションデータと、前記下肢垂直荷重計測手段において取得された前記下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力する歩行状態計測手段と
を有することを特徴とする。
本発明の一態様による歩行状態計測方法は、
歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、床反力を推定して床反力データとして出力し、
前記モーションデータと前記床反力データとの少なくとも一方を用いて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力する。
本発明の一態様による記憶媒体は、
歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、床反力を推定して床反力データとして出力する床反力推定処理と、
前記モーションデータと前記床反力データとの少なくとも一方を用いて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力する歩行状態計算処理と
を含む歩行状態計測処理をコンピュータに実行させることを特徴とする歩行状態計測プログラムを記憶する。本発明の一態様は、上記記憶媒体に格納されている歩行状態計測プログラムによっても実現される。
本発明の歩行状態計測装置、歩行状態計測システム、歩行状態計測方法および歩行状態計測プログラムを記憶する記憶媒体によれば、歩行者が履いて歩行する履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサの配置位置を対象者ごとに調整することが不要になるという効果を奏することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る歩行状態計測システムのシステム構成の一例を示すシステム構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る歩行状態計測システムにおける歩行状態計測装置の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る歩行状態計測システムの歩行状態計測装置における歩行状態計測処理の流れの一例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る歩行状態計測システムのシステム構成の一例を示すシステム構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る歩行状態計測システムにおける下肢モーション計測装置の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る歩行状態計測システムのシステム構成の一例を示すシステム構成図である。 本発明の第３の実施の形態に係る歩行状態計測システムにおける歩行状態計測装置の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。 本発明の実施例１の床反力推定部の出力結果の一例を示すグラフである。 本発明の実施例１の床反力推定部の出力結果の一例を示すグラフである。 本発明の実施例１の歩行状態計算部の出力結果の一例を示すグラフである。 本発明の第４の実施の形態に係る歩行状態計測装置の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る歩行状態計測装置の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る歩行状態計測装置、下肢モーション計測装置及び歩行状態計測装置を実現できるコンピュータのハードウェア構成を表すブロック図である。
以下、本発明による歩行状態計測装置、歩行状態計測システム、歩行状態計測方法、歩行状態計測プログラム、及び、歩行状態計測プログラムを記憶する記憶媒体の好適な実施形態について添付図を参照して説明する。なお、以下の説明においては、本発明による歩行状態計測装置、歩行状態計測システムおよび歩行状態計測方法について説明するが、かかる歩行状態計測方法をコンピュータにより実行可能な歩行状態計測プログラムとして実施しても良いし、あるいは、歩行状態計測プログラムをコンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録しても良いことは言うまでもない。また、以下の各図面に付した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではないことも言うまでもない。
（本発明の特徴）
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の特徴についてその概要をまず説明する。
本発明は、歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、床反力を推定して床反力データとして出力する床反力推定手段と、前記モーションデータと前記床反力データとの少なくとも一方を用いて、前記歩行者の歩行状態を計算する歩行状態計算手段とを有することを主要な特徴としている。而して、歩行者が履いて歩行する履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサの配置位置を歩行者ごとに調整することを不要にすることができる。
<本発明の実施形態＞
以下に、本発明の第１から第３の３つの実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で参照する各図面において、データ等が送信される方向は、矢印の方向に限られない。
［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。
｛構成の説明｝
（歩行状態計測システムの構成例）
本発明の第１の実施の形態に係る歩行状態計測システムのシステム構成について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る歩行状態計測システムのシステム構成の一例を示すシステム構成図である。図１に示す歩行状態計測システム１は、歩行者６０００の歩行状態を計測するシステムである。
図１に示すように、歩行状態計測システム１は、モーション計測装置１０００と、下肢垂直荷重計測装置２０００と、歩行状態計測装置３０００と、記憶装置４０００と、表示装置５０００と、を少なくとも備えて構成される。ここで、歩行状態計測システム１に含まれる装置間の接続方法は、特定の接続方法に限定されるものではない。歩行状態計測システム１に含まれる装置は、例えば、ＬＡＮ（Local Area Network）ケーブルやＵＳＢ（Universal Serial Bus）ケーブル等を用いて有線接続されてもよいし、あるいは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）や無線ＬＡＮを用いて無線接続されてもよい。
モーション計測装置１０００は、歩行者６０００のモーションを計測する装置である。モーションとは、例えば、歩行者６０００の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の、各関節の角度及び角速度、並びに、各体節の姿勢、位置、加速度及び角速度、などの情報であるが、第１の実施の形態においては、かかる情報のみに限定するものではない。モーション計測装置１０００は、計測した歩行者６０００のモーションを表す計測データ（以下、モーションデータと称する）を、歩行状態計測装置３０００に送信する。
モーション計測装置１０００の一例として、加速度計と角速度計とを有するＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測ユニット）、または、スマートフォン等を利用することができる。前記加速度計と前記角速度計とは、取り付けられた位置において、歩行者６０００の歩行時の最大加速度と最大角速度とをそれぞれ計測範囲に含むことが望ましい。モーション計測装置１０００のその他の例として、光学式モーションキャプチャ装置、ゴニオメータ、カメラなどを利用してもよい。しかし、第１の実施の形態においては、モーション計測装置１０００の具体的装置は、前述のいずれかに限定されない。
また、モーション計測装置１０００は、複数のモーションを計測してもよい。したがって、モーション計測装置の個数は１つに限定されない。
なお、モーション計測装置１０００が歩行者６０００のモーションを計測する時間間隔は、特に限定されない。しかし、前記時間間隔が長過ぎると、後述する歩行状態の計算精度が低下する可能性があり、逆に、前記時間間隔が短過ぎると、送信するデータ量が多過ぎる可能性がある。よって、モーション計測装置１０００は、歩行者６０００の歩行周期を考慮して、例えば、１０ミリ秒間隔で、モーションを計測することが望ましい。
下肢垂直荷重計測装置２０００は、歩行者６０００の下肢垂直荷重を計測する装置である。下肢垂直荷重とは、歩行者６０００の左下肢または右下肢の足底面に印加される垂直荷重の総量を指す。下肢垂直荷重計測装置２０００は、計測した下肢垂直荷重を表す計測データ（以下、下肢垂直荷重データと称する）を、歩行状態計測装置３０００に送信する。
下肢垂直荷重計測装置２０００は、例えば、足底面全体を感圧面として有する、少なくとも一つのセンサを用いて構成することが考えられる。下肢垂直荷重の計測機能を実現するために、歩行者６０００が履いて歩行する履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサとしては、例えば、特許文献２に記載の荷重計測装置、並びに、歪みゲージ式圧力計、及び、静電容量型圧力計などの圧力計を利用することができる。なお、前記センサは、歩行者６０００の歩行時の最大下肢垂直荷重を計測範囲に含むことが望ましい。
また、下肢垂直荷重計測装置２０００は、左下肢及び右下肢のいずれか一方、又は、両下肢のそれぞれに設置されて、設置されている部位において下肢垂直荷重を計測してもよい。
なお、下肢垂直荷重計測装置２０００が歩行者６０００の下肢垂直荷重を計測する時間間隔は、特に限定されない。しかし、前記時間間隔が長過ぎると、後述する歩行状態の計算精度が低下する可能性があり、逆に、前記時間間隔が短過ぎると、送信するデータ量が多過ぎる可能性がある。よって、下肢垂直荷重計測装置２０００は、歩行者６０００の歩行周期を考慮して、例えば、１０ミリ秒間隔で、下肢垂直荷重を計測することが望ましい。
歩行状態計測装置３０００は、モーション計測装置１０００と下肢垂直荷重計測装置２０００とから、それぞれ、モーションデータと下肢垂直荷重データとを受信する。歩行状態計測装置３０００は、受信したモーションデータと下肢垂直荷重データとを用いて、歩行者６０００の歩行状態を計算する。歩行状態計測装置３０００は、計算した歩行状態を表す計算データ（以下、歩行状態データと称する）を、表示装置５０００に送信する。ここで、歩行状態とは、例えば、関節トルク、筋張力、筋活動量、及び、代謝コスト等の指標であるが、第１の実施の形態においては、かくのごとき指標のみに限定されない。歩行状態計測装置３０００の具体的な機能構成については、図面を変えて別途説明を行う。
記憶装置４０００は、歩行者６０００の歩行状態を計算するために必要な所定のデータを格納する装置である。記憶装置４０００は、歩行状態計測装置３０００に対して、歩行状態を計算するために必要な所定のデータ（以下、計算必要データと称する）を送信する。第１の実施の形態においては、記憶装置４０００は、歩行状態計測装置３０００とは別個の構成として説明するが、本発明は、かかる構成に限定されるものではなく、例えば、記憶装置４０００は、歩行状態計測装置３０００に内蔵されても良い。記憶装置４０００が格納するデータについては、図面を変えて別途説明を行う。
表示装置５０００は、歩行状態計測装置３０００から受信した歩行状態データを表示する装置である。また、表示装置５０００は、歩行状態データの他に、モーションデータ、下肢垂直荷重データ、床反力に関するデータの、少なくともいずれかのデータを、合わせて表示しても良い。
（歩行状態計測装置の構成例）
次に、図２を参照して、第１の実施に形態に係る歩行状態計測システム１における歩行状態計測装置３０００の機能構成について説明する。図２は、第１の実施の形態に係る歩行状態計測システム１における歩行状態計測装置３０００および記憶装置４０００の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。図２に示すように、歩行状態計測装置３０００は、床反力推定部３１００と、歩行状態計算部３２００と、を少なくとも備えて構成される。
（（床反力推定部３１００））
歩行状態計測装置３０００の床反力推定部３１００は、モーション計測装置１０００と下肢垂直荷重計測装置２０００とから、それぞれ、モーションデータと下肢垂直荷重データとを受信する。モーションデータと下肢垂直荷重データとを受信した床反力推定部３１００は、次に、後述する記憶装置４０００における身体データ記憶部４２００を参照し、該身体データ記憶部４２００に格納された歩行者６０００の身体データを取得する。
しかる後、床反力推定部３１００は、後述する記憶装置４０００における床反力モデル記憶部４１００を参照し、該床反力モデル記憶部４１００に格納された所定の床反力モデル（例えば、あらかじめ定められている所定の床反力モデル）を取得する。次いで、床反力推定部３１００は、取得した該床反力モデルに従って、受信しているモーションデータと下肢垂直荷重データとの少なくとも一方と、先に取得した前記身体データと、を利用して、床反力を推定する。床反力推定部３１００は、推定した床反力を、床反力データとして、歩行状態計算部３２００に送信する。
ここで、床反力とは、足底面が床から受ける力の３分力（垂直分力、側方分力、前後分力）および床反力作用点（床面上の座標値）の他、力の回転の強さを表す回転モーメントなどの、足底面が床から受ける力の特性を指す。なお、床反力推定部３１００が推定する床反力は、床から受ける力の前記特性のうち、１種類に限定されない。床反力推定部３１００は、複数種類の特性を推定しても良い。
なお、床反力推定部３１００は、歩行者６０００の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の姿勢情報を、モーション計測装置１０００から受信して、床反力を推定する際に、受信した姿勢情報を前記モーションデータとして用いる。かかる場合においては、床反力推定部３１００は、各体節の前記姿勢情報のうち、少なくとも、歩行者６０００の大腿部と下腿部と足部とのうち少なくとも一つの姿勢情報を、前記モーションデータとして用いても良い。あるいは、床反力推定部３１００は、歩行者６０００の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の加速度と角速度との少なくとも一方を、モーション計測装置１０００から受信して、床反力を推定する際に、受信した加速度と角速度との少なくとも一方を、前記モーションデータとして用いしても良い。
（（歩行状態計算部３２００））
歩行状態計算部３２００は、モーション計測装置１０００と床反力推定部３１００とから、それぞれ、モーションデータと床反力データとを受信する。次に、歩行状態計算部３２００は、後述する記憶装置４０００における身体データ記憶部４２００を参照し、該身体データ記憶部４２００に格納された歩行者６０００の身体データを取得する。
しかる後、歩行状態計算部３２００は、受信していた前記モーションデータと、前記床反力データとのうち少なくとも一方と、取得した前記身体データと、を利用して、歩行者６０００の歩行状態を計算する。すなわち、歩行状態計算部３２００は、逆動力学計算に基づいて、関節トルク及び筋張力の少なくとも一方を、歩行者６０００の歩行状態として計算する。歩行状態計算部３２００は、計算した歩行者６０００の歩行状態を、歩行状態データとして、表示装置５０００に供給する。
（記憶装置の構成例）
次に、図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る歩行状態計測システム１における記憶装置４０００の機能構成について説明する。記憶装置４０００は、図２に示す通り、床反力モデル記憶部４１００、身体データ記憶部４２００、及び、計測データ記憶部４３００を、少なくとも含んでいる。
（（床反力モデル記憶部４１００））
床反力モデル記憶部４１００には、あらかじめ定めた所定の床反力モデルが格納されている。ここで、所定の床反力モデルとは、床反力と、歩行者６０００のモーションおよび下肢垂直荷重と、の相関関係を示すモデルである。床反力モデルとして、例えば、身体の力学特性に基づく物理モデルが考えられる。その他には、床反力モデルとして、床反力と、前記歩行者のモーションおよび下肢垂直荷重と、の対応関係を示したテーブル、回帰モデル（線形回帰、ｋ近傍法、ニューラルネットワーク、サポートベクタ回帰など）とその係数、なども考えられる。しかし、第１の実施の形態においては、床反力モデルは、前述のモデルに限定されない。
（（身体データ記憶部４２００））
身体データ記憶部４２００には、歩行者６０００の身体データが格納されている。ここで、身体データとは、歩行者６０００の身長、体重、各体節の長さ、重さ、慣性モーメントなどである。
（（計測データ記憶部４３００））
計測データ記憶部４３００には、少なくとも、モーション計測装置１０００と下肢垂直荷重計測装置２０００とのそれぞれが計測したモーションデータと下肢垂直荷重データとを格納している。
｛動作の説明｝
次に、図３を参照して、図１に示した第１の実施の形態に係る歩行状態計測システム１の歩行状態計測装置３０００における動作について、その一例を説明する。図３は、第１の実施の形態に係る歩行状態計測システム１の歩行状態計測装置３０００における歩行状態計測処理の流れの一例を示すフローチャートである。
図３に示すフローチャートにおいて、まず、床反力推定部３１００は、モーション計測装置１０００から送信されたモーションデータと、下肢垂直荷重計測装置２０００から送信された下肢垂直荷重計測データとのうち、少なくとも一方を用いて、床反力モデル記憶部４１００に格納されている所定の床反力モデルに従って、床反力を推定して、推定した床反力を床反力データとして出力する（ステップＳ１０１）。
次いで、歩行状態計算部３２００は、モーション計測装置１０００から送信されたモーションデータとステップＳ１０１にて床反力推定部３１００から出力された床反力データとのうち、少なくとも一方を用いて、歩行者６０００の歩行状態を計算する（ステップＳ１０２）。
第１の実施の形態に係る歩行状態計測システム１の歩行状態計測装置３０００は、以上のステップＳ１０１、Ｓ１０２の処理を行うことにより、歩行者６０００の歩行状態を計測することができる。
｛第１の実施の形態における効果の説明｝
以上に説明したように、第１の実施の形態に係る歩行状態計測システム１によれば、歩行者が履いて歩行する履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサの配置位置の調整が不要になるという効果を奏することができる。その理由は、第１の実施の形態に係る歩行状態計測システム１における歩行状態計測装置３０００が、対象者（歩行者６０００）のモーションデータと下肢垂直荷重データとの２種類の計測データに基づき、床反力を推定する機能を有する、床反力推定部３１００を備えているからである。なお、下肢垂直荷重は、例えば、特許文献２に記載の技術などを使えば、センサの配置位置を調整することなく、かつ、対象者（歩行者６０００）の足の大きさや形状に依存することなく、計測することが可能である。
さらに、下肢垂直荷重の計測のためには、床反力に反応するセンサが少なくとも１つあれば良いので、歩行状態計測装置３０００を簡易かつ安価な構成で実現することができるという効果も同時に奏することができる。
［第２の実施の形態］
次に、発明の第２の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、説明の便宜上、前述した第１の実施の形態において説明した図面に含まれる部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、ここでの重複する説明は省略する。
｛構成の説明｝
（歩行状態計測システムの構成例）
発明の第２の実施の形態に係る歩行状態計測システムのシステム構成について、図４を参照して説明する。図４は、発明の第２の実施の形態に係る歩行状態計測システムのシステム構成の一例を示すシステム構成図である。図４に示す歩行状態計測システム２は、歩行者６０００の歩行状態を計測するシステムである。
図４に示すように、歩行状態計測システム２は、下肢モーション計測装置１１００と、下肢垂直荷重計測装置２０００と、歩行状態計測装置３０００と、記憶装置４０００と、表示装置５０００と、を少なくとも備えて構成される。第１の実施の形態として図１に示した歩行状態計測システム１と、第２の実施の形態として図４に示した歩行状態計測システム２との違いは、図１のモーション計測装置１０００が、図４においては下肢モーション計測装置１１００に入れ替わった点である。
下肢モーション計測装置１１００は、歩行者６０００の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の、左大腿、左下腿、左足部、右大腿、右下腿、及び、右足部、の６個の体節のそれぞれの姿勢情報を計測する。そして、下肢モーション計測装置１１００は、計測した姿勢情報に関するデータを、モーションデータとして、歩行状態計測装置３０００に対して出力する。
（下肢モーション計測装置の構成例）
次に、図５を参照して、第２の実施に形態に係る歩行状態計測システム１における下肢モーション計測装置１１００の機能構成について説明する。図５は、第２の実施の形態に係る歩行状態計測システム２における下肢モーション計測装置１１００の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。下肢モーション計測装置１１００は、図５に示す通り、左大腿ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測ユニット）１１１０、左下腿ＩＭＵ１１２０、左足部ＩＭＵ１１３０、右大腿ＩＭＵ１１４０、右下腿ＩＭＵ１１５０、右足部ＩＭＵ１１６０、および、モーション解析部１１７０を、少なくとも備えて構成される。
左大腿ＩＭＵ１１１０、左下腿ＩＭＵ１１２０、左足部ＩＭＵ１１３０、右大腿ＩＭＵ１１４０、右下腿ＩＭＵ１１５０、右足部ＩＭＵ１１６０は、それぞれ、左大腿、左下腿、左足部、右大腿、右下腿、右足部のそれぞれの体節における加速度と、角速度と、を計測する。
また、左大腿ＩＭＵ１１１０、左下腿ＩＭＵ１１２０、左足部ＩＭＵ１１３０、右大腿ＩＭＵ１１４０、右下腿ＩＭＵ１１５０、右足部ＩＭＵ１１６０それぞれの取り付け位置については、例えば、足部を計測する場合は、歩行者６０００の足の甲に左足部ＩＭＵ１１３０、右足部ＩＭＵ１１６０それぞれを取り付けることが望ましい。
そして、その他のＩＭＵの取り付け位置の例として、大腿部または下腿部の姿勢を計測したい場合には、大腿または下腿の長手方向の取り付け位置の変化は姿勢の計測に影響しないので、大腿上または下腿上の任意の位置に、左大腿ＩＭＵ１１１０、右大腿ＩＭＵ１１４０、左下腿ＩＭＵ１１２０、右下腿ＩＭＵ１１５０のそれぞれを取り付ければ良い。
かくのごとく、左大腿ＩＭＵ１１１０、左下腿ＩＭＵ１１２０、左足部ＩＭＵ１１３０、右大腿ＩＭＵ１１４０、右下腿ＩＭＵ１１５０、右足部ＩＭＵ１１６０それぞれの取り付け位置は、それぞれのＩＭＵが計測する体節に応じて適した位置に取り付けられているものとする。
下肢モーション計測装置１１００に含まれるモーション解析部１１７０は、左大腿ＩＭＵ１１１０、左下腿ＩＭＵ１１２０、左足部ＩＭＵ１１３０、右大腿ＩＭＵ１１４０、右下腿ＩＭＵ１１５０、及び、右足部ＩＭＵ１１６０それぞれから、各体節における加速度と角速度とを受信する。
次いで、モーション解析部１１７０は、受信した前記加速度と前記角速度とを用いて、各体節の姿勢を計算する。ここで、姿勢とは、所定の基準座標系を基準とした回転行列やクォータニオン（Quaternion：４元数）を指す。また、各体節の姿勢の計算方法は、特に限定されるものではなく、一般的な方法を用いることが可能であるため、ここでの詳細な説明を省略する。なお、一般的な方法としては、例えば、重力加速度と角速度の積分値とを利用して姿勢を計算する方法などが知られている。
最終的に、モーション解析部１１７０は、計算結果の左大腿、左下腿、左足部、右大腿、右下腿、及び、右足部のそれぞれの体節の姿勢を示すデータを、モーションデータとして歩行状態計測装置３０００に対して出力する。言い換えると、モーション解析部１１７０は、歩行者６０００の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の姿勢情報を、モーションデータとして歩行状態計測装置３０００に対して出力する。かかる場合においては、モーション解析部１１７０は、各体節の前記姿勢情報のうち、少なくとも、歩行者６０００の大腿部と下腿部とのうち少なくとも一つの姿勢情報を、モーションデータとして歩行状態計測装置３０００に対して出力しても良い。あるいは、モーション解析部１１７０は、歩行者６０００の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の各体節の加速度と角速度との少なくとも一方を、モーションデータとして歩行状態計測装置３０００に対して出力しても良い。
（歩行状態計測装置の構成例）
次に、第２の実施に形態に係る歩行状態計測システム２における歩行状態計測装置３０００の機能構成について説明する。第２実施の形態に係る歩行状態計測システム２における歩行状態計測装置３０００は、第１の実施の形態の図２に示した機能構成と同様であり、床反力推定部３１００と歩行状態計算部３２００とを少なくとも備えて構成される。
（（床反力推定部３１００））
歩行状態計測装置３０００の床反力推定部３１００は、下肢モーション計測装置１１００と下肢垂直荷重計測装置２０００とから、それぞれ、モーションデータと下肢垂直荷重データとを受信する。モーションデータと下肢垂直荷重データとを受信した床反力推定部３１００は、次に、図２に示した記憶装置４０００における身体データ記憶部４２００を参照し、該身体データ記憶部４２００に格納された歩行者６０００の足部の長さＬfootを取得する。
しかる後、床反力推定部３１００は、図２に示した記憶装置４０００における床反力モデル記憶部４１００を参照し、該床反力モデル記憶部４１００に格納された所定の床反力モデル（例えば、あらかじめ定められている所定の床反力モデル）を取得する。次いで、床反力推定部３１００は、取得した該床反力モデルに従って、受信しているモーションデータと下肢垂直荷重データとの少なくとも一方と、先に取得した足部の長さＬfootとを利用して、床反力を推定して、推定した床反力を、床反力データとして、歩行状態計算部３２００に送信する。
なお、床反力推定部３１００は、床反力の推定を、以下に例示するような手順に基づいて行う。まず、次の式（１）は、床反力の３分力（垂直分力、側方分力、前後分力）を成分に持つ３次元ベクトルＧＲＦと、床反力作用点の足底面上の座標ＣｏＰと、を計算するための床反力モデルの一例である。
Figure 0007180378000001
式(１)に示す床反力モデルは、大腿部の姿勢ｘと下腿部の姿勢ｙと、床反力の３分力に関する３次元ベクトルＧＲＦの単位ベクトル
Figure 0007180378000002
および、床反力作用点の足底面上の座標を表す２次元ベクトルＣｏＰの単位ベクトル
Figure 0007180378000003
の相関関係を表す線形回帰式である。式（１）において、３次元ベクトルx(t)は大腿部の姿勢を表し、３次元ベクトルy(t)は、下腿部の姿勢を表す。３×３行列α(t)、β(t)、３次元ベクトルγ(t)、２×３行列κ(t)、λ(t)、及び、２次元ベクトルμ(t)は、それぞれ、偏回帰係数を表す。
また、ｔは、歩行周期を表し、０から１００までの間の整数値を採る。歩行周期とは、歩行の周期的な動作の時点を表す、下肢の運動を基準にして定義される値である。典型的には、左下肢（または右下肢）の踵が接地した時点のｔを０とし、左下肢（または右下肢）の爪先が離地した時点のｔを１００とするように、ｔは定義される。床反力推定部３１００が歩行周期ｔを計算する方法は、一般的な方法であり、特定の方法に限定されない。床反力推定部３１００は、例えば、計測データ記憶部４３００を参照し、過去のモーションデータと下肢垂直荷重とから、左下肢（または右下肢）の踵の接地のタイミングと，爪先の離地のタイミングとを判定して、踵の接地のタイミングと，爪先の離地のタイミングとの間の時間を１００等分して、踵の接地のタイミング及び爪先の離地のタイミングを歩行周期０～１００として定義する方法を用いてもよい。
床反力推定部３１００は、式（１）にモーションデータとして受信した大腿部の姿勢ｘと下腿部の姿勢ｙとを代入することにより、床反力の３次元ベクトルの単位ベクトル
Figure 0007180378000004
、および、床反力作用点の座標ＣｏＰの単位ベクトル
Figure 0007180378000005
を計算する。
次いで、床反力推定部３１００は、次の式（２）に、受信した下肢垂直荷重計測データＰfootを代入することにより、床反力の３分力を成分に持つ３次元ベクトルＧＲＦを計算する。
Figure 0007180378000006
しかる後、床反力推定部３１００は、次の式（３）に歩行者６０００の足部の長さＬfootを代入することにより、床反力作用点の足底面上の座標の成分を持つ２次元ベクトルＣｏＰを計算する。
Figure 0007180378000007
以上のようにして、床反力推定部３１００は、床反力（３分力からなる床反力ＧＲＦおよび床反力作用点の座標ＣｏＰ）を推定し、推定した床反力を、床反力データとして、歩行状態計算部３２００に送信する。
下肢モーション計測装置１１００と床反力推定部３１００とから、それぞれ、モーションデータと床反力データとを受信した歩行状態計算部３２００は、第１の実施の形態と同様の手順に従って、歩行者６０００の歩行状態を計算し、計算した歩行状態を、歩行状態データとして、表示装置５０００に供給する。
｛第２の実施の形態における効果の説明｝
以上に説明したように、第２の実施の形態に係る歩行状態計測システム２によれば、前述した第１の実施の形態に係る歩行状態計測システム１と同様に、歩行者が履いて歩行する履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサの配置位置の調整が不要になるという効果を奏することができる。その理由は、第２の実施の形態に係る歩行状態計測システム２においても、第１の実施の形態に係る歩行状態計測システム１と同様、歩行状態計測装置３０００が、対象者（歩行者６０００）のモーションデータと下肢垂直荷重データとの２種類の計測データに基づき、床反力を推定する床反力推定部３１００を備えているからである。
さらに、第２の実施の形態に係る歩行状態計測システム２においては、下肢モーション計測装置１１００の左大腿ＩＭＵ１１１０、左下腿ＩＭＵ１１２０、左足部ＩＭＵ１１３０、右大腿ＩＭＵ１１４０、右下腿ＩＭＵ１１５０、右足部ＩＭＵ１１６０のそれぞれは、体節の長手方向の任意の位置に取り付けられていて良いので、装着が簡単になるという効果も奏することができる。その理由は、各体節の長手方向の取り付け位置の変化は姿勢の計測に影響しないからである。
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、説明の便宜上、前述した第１、第２の実施の形態において説明した図面に含まれる部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、ここでの重複する説明は省略する。
｛構成の説明｝
（歩行状態計測システムの構成例）
本発明の第３の実施の形態に係る歩行状態計測システムのシステム構成について、図６を参照して説明する。図６は、本発明の第３の実施の形態に係る歩行状態計測システムのシステム構成の一例を示すシステム構成図である。図６に示す歩行状態計測システム３は、歩行者６０００の歩行状態を計測するシステムである。
図６に示すように、歩行状態計測システム３は、下肢モーション計測装置１１００と、下肢垂直荷重計測装置２１００と、歩行状態計測装置３０００と、記憶装置４０００と、表示装置５０００と、を少なくとも備えて構成される。なお、図６には、第２の実施の形態の図４と同様の下肢モーション計測装置１１００を用いた構成を示しているが、下肢モーション計測装置１１００の代わりに、第１の実施の形態の図１と同様のモーション計測装置１０００を用いて歩行状態計測システム３を構成してもよい。第１、第２の実施の形態として図１、図４に示した歩行状態計測システム１、２と、第３の実施の形態として図６に示した歩行状態計測システム３との違いは、図１、図２の下肢垂直荷重計測装置２０００が、図６においては２つのセンサを備えた下肢垂直荷重計測装置２１００に入れ替わった点である。そして、下肢垂直荷重計測装置２１００は、第１のセンサ２１１０と第２のセンサ２１２０とを備え、２つの下肢垂直荷重データを歩行状態計測装置３０００に対して出力する点も、図１、図２に示した歩行状態計測システム１、２とは異なっている。
（下肢垂直荷重計測装置の構成例）
下肢垂直荷重計測装置２１００は、前述したように、第１のセンサ２１１０と第２のセンサ２１２０との２つのセンサを、少なくとも備えている。第１のセンサ２１１０と第２のセンサ２１２０との２つのセンサは、足底面全体の領域をあらかじめ設定した所定の基準に基づいて２分割した、それぞれの領域における下肢垂直荷重を計測する。例えば、足底面の爪先側と踵側との２領域の下肢垂直荷重を、それぞれ、第1のセンサ２１１０、第２のセンサ２１２０が計測する構成が考えられる。そして、下肢垂直荷重計測装置２１００は、第１のセンサ２１１０と第２のセンサ２１２０とのそれぞれのセンサで計測した下肢垂直荷重を、第１の下肢垂直荷重データと第２の下肢垂直荷重データとして、歩行状態計測装置３０００に対して送信する。
（歩行状態計測装置の構成例）
次に、図７を参照して、第３の実施の形態に係る歩行状態計測システム３における歩行状態計測装置３０００の機能構成について説明する。図７は、第３の実施の形態に係る歩行状態計測システム３における歩行状態計測装置３０００および記憶装置４０００の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。図７に示すように、歩行状態計測装置３０００は、床反力推定部３１１０と、歩行状態計算部３２００と、を少なくとも備えて構成される。図７に示す歩行状態計測装置３０００は、第１の実施の形態の図２に示した歩行状態計測装置３０００における床反力推定部３１００の代わりに、床反力推定部３１１０を用いて構成されている。
（（床反力推定部３１１０））
第３の実施の形態における床反力推定部３１１０は、下肢モーション計測装置１１００と下肢垂直荷重計測装置２１００とから、それぞれ、モーションデータと第１の下肢垂直荷重データおよび第２の下肢垂直荷重データとを受信する。すなわち、床反力推定部３１１０は、下肢垂直荷重計測装置２１００からの下肢垂直荷重データに関し、第１のセンサ２１１０にて計測した第１の下肢垂直荷重データと、第２のセンサ２１２０にて計測した第２の下肢垂直荷重データという、足底面を２つの領域に分割したそれぞれの領域における２つの下肢垂直荷重データを受信する。
モーションデータと２つの下肢垂直荷重データとを受信した床反力推定部３１１０は、次に、受信した第１の下肢垂直荷重データと第２の下肢垂直荷重データとを加算することによって、下肢垂直荷重データＰfootを計算する。床反力推定部３１１０は、以降、第２の実施の形態と同様の手順に従って、３分力からなる床反力ＧＲＦおよび床反力作用点の座標ＣｏＰを推定する。
さらに、第３の実施の形態における床反力推定部３１１０は、受信した第１の下肢垂直荷重データと第２の下肢垂直荷重データとに関する比Ｒを計算する。比Ｒは、足底面の荷重バランスの情報を持っている。比Ｒは、例えば、第１の下肢垂直荷重データ又は第２の下肢垂直荷重データと、下肢垂直荷重データＰfootとの比であってもよい。例えば、爪先側に荷重がかかっている場合には、Ｒ＝１．０であり、踵側に荷重がかかっている場合には、Ｒ＝０．０であり、爪先側と踵側とに均等に荷重がかかっている場合には、Ｒ＝０．５である。
つまり、第３の実施の形態における床反力推定部３１１０は、第２の実施の形態における床反力推定部３１００の床反力に関する推定処理に加え、受信した第１の下肢垂直荷重データと第２の下肢垂直荷重データとに関する比Ｒをさらに利用して、床反力を推定する。しかる後、床反力推定部３１１０は、推定した床反力を、床反力データとして、歩行状態計算部３２００に送信する。
下肢モーション計測装置１１００と床反力推定部３１１０とから、それぞれ、モーションデータと床反力データとを受信した歩行状態計算部３２００は、第１、第２の実施の形態と同様の手順に従って、歩行者６０００の歩行状態を計算し、計算した歩行状態を、歩行状態データとして、表示装置５０００に供給する。
｛第３の実施の形態における効果の説明｝
以上に説明したように、第３の実施の形態に係る歩行状態計測システム３によれば、前述した第１、第２の実施の形態に係る歩行状態計測システム１、２と同様に、歩行者が履いて歩行する履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサの配置位置の調整が不要になるという効果を奏することができる。その理由は、第３の実施の形態に係る歩行状態計測システム３においても、歩行状態計測装置３０００が、対象者（歩行者６０００）のモーションデータと下肢垂直荷重データとの２種類の計測データに基づき、床反力を推定するという機能を有する、床反力推定部３１００を備えているからである。
さらに、第３の実施の形態に係る歩行状態計測システム３においては、歩行者６０００の歩行状態をより精度良く計算することが可能であるという効果も奏することができる。その理由は、足底面の荷重バランスの情報（すなわち、第１の下肢垂直荷重データと第２の下肢垂直荷重データとに関する比Ｒに関する情報）を追加して利用することを可能にしているので、床反力の推定精度を向上させることができるからである。
具体的に、例えば、坂道や階段における歩行においては、下肢垂直荷重データに関し、足底面を爪先側と踵側との２領域に分割する構成が有効である。坂道や階段の歩行時においては、歩行者６０００は、転倒を防ぐために、足底面の前後に細かく荷重を移動させて、バランスを調整する傾向がある。第３の実施の形態においては、第１、第２の実施の形態における歩行状態計測装置３０００に比べて、足底面の荷重バランスに関する情報をさらに使用することを可能にしているので、より精度良く床反力を推定することができ、結果として、歩行状態をより精度良く計測することができる。
また、カーブしながら歩行する場合においては、下肢垂直荷重データに関し、足底面を身体の外側と内側との２領域に分割する構成が有効である。その理由は、カーブしながら歩行する時においては、歩行者６０００は、足底面の左右に細かく荷重を移動させて、方向変換しながら、バランスを調整する傾向があるからである。
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について、図面を参照して説明する。
｛構成の説明｝
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係る歩行状態計測装置３０００の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。
図１０によると、第４の実施の形態に係る歩行状態計測装置３０００は、床反力推定部３１００と、歩行状態計算部３２００とを含む。床反力推定部３１００は、歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、床反力を推定し、推定した床反力を床反力データとして出力する。歩行状態計算部３２００は、モーションデータと床反力データとの少なくとも一方を用いて、歩行者の歩行状態を計算して出力する。
｛動作の説明｝
図１１は、本発明の第４の実施の形態に係る歩行状態計測装置の動作の一例を示すフローチャートである。
図１１によると、まず、床反力推定部３１００は、歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、床反力を推定する（ステップＳ４０１）。次に、歩行状態計算部３２００は、モーションデータと床反力データとの少なくとも一方を用いて、歩行者の歩行状態を計算する（ステップＳ４０３）。
｛第４の実施の形態における効果の説明｝
以上に説明したように、第４の実施の形態に係る歩行状態計測装置３０００によれば、歩行者が履いて歩行する履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサの配置位置の調整が不要になるという効果を奏することができる。その理由は、第１の実施の形態に係る歩行状態計測システム１における歩行状態計測装置３０００が、歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとの２種類の計測データに基づき、床反力を推定する機能を有する、床反力推定部３１００を備えているからである。なお、下肢垂直荷重は、例えば、特許文献２に記載の技術などを使えば、センサの配置位置を調整することなく、かつ、歩行者の足の大きさや形状に依存することなく、計測することが可能である。
［他の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る歩行状態計測装置、第２の実施形態に係る下肢モーション計測装置、及び、第３の実施形態に係る歩行状態計測装置は、それぞれ、プログラムの制御によって動作するコンピュータによって実現することができる。本発明の第１の実施形態に係る歩行状態計測装置、第２の実施形態に係る下肢モーション計測装置、及び、第３の実施形態に係る歩行状態計測装置は、それぞれ、回路等の専用のハードウェアによって実現することもできる。本発明の第１の実施形態に係る歩行状態計測装置、第２の実施形態に係る下肢モーション計測装置、及び、第３の実施形態に係る歩行状態計測装置は、それぞれ、上述のコンピュータと専用のハードウェアとの組み合わせによって実現することもできる。上述のコンピュータは、通信可能に接続されている複数のコンピュータであってもよい。上述の専用のハードウェアは、通信可能に接続されている複数の専用のハードウェアであってもよい。
図１２は、本発明の実施形態に係る各装置を実現することができる、コンピュータ１００００のハードウェア構成の一例を表す図である。図１２を参照すると、コンピュータ１００００は、プロセッサ１０００１と、メモリ１０００２と、記憶装置１０００３と、Ｉ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）インタフェース１０００４とを含む。また、コンピュータ１００００は、記憶媒体１０００５にアクセスすることができる。メモリ１０００２と記憶装置１０００３は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ハードディスクなどの記憶装置である。記憶媒体１０００５は、例えば、ＲＡＭ、ハードディスクなどの記憶装置、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、可搬記憶媒体である。記憶装置１０００３が記憶媒体１０００５であってもよい。プロセッサ１０００１は、メモリ１０００２と、記憶装置１０００３に対して、データやプログラムの読み出しと書き込みを行うことができる。プロセッサ１０００１は、Ｉ／Ｏインタフェース１０００４を介して、例えば、表示装置５０００等にアクセスすることができる。プロセッサ１０００１は、記憶媒体１０００５にアクセスすることができる。上述の記憶装置４０００は、例えば、記憶装置１０００３、メモリ１０００２、又は、記憶装置１０００３及びメモリ１０００２の組み合わせによって実現できる。
記憶媒体１０００５には、例えば、コンピュータ１００００を、下肢モーション計測装置１１００として動作させるプログラムが格納されている。プロセッサ１０００１は、記憶媒体１０００５に格納されている、コンピュータ１００００を、下肢モーション計測装置１１００として動作させるプログラムを、メモリ１０００２にロードする。そして、プロセッサ１０００１が、メモリ１０００２にロードされたプログラムを実行することにより、コンピュータ１００００は、下肢モーション計測装置１１００として動作する。
記憶媒体１０００５には、例えば、コンピュータ１００００を、歩行状態計測装置３０００として動作させるプログラムが格納されている。プロセッサ１０００１は、記憶媒体１０００５に格納されている、コンピュータ１００００を、歩行状態計測装置３０００として動作させるプログラムを、メモリ１０００２にロードする。そして、プロセッサ１０００１が、メモリ１０００２にロードされたプログラムを実行することにより、コンピュータ１００００は、歩行状態計測装置３０００として動作する。
モーション解析部１１７０、床反力推定部３１００、床反力推定部３１１０、及び、歩行状態計算部３２００は、例えば、プログラムを記憶する記憶媒体１０００５からメモリ１０００２に読み込まれた、各部の機能を実現することができる専用のプログラムと、そのプログラムを実行するプロセッサ１０００１により実現することができる。また、床反力モデル記憶部４１００、身体データ記憶部４２００、及び、計測データ記憶部４３００は、コンピュータ１００００が含むメモリ１０００２やハードディスク装置等の記憶装置１０００３により実現することができる。モーション解析部１１７０、床反力推定部３１００、床反力推定部３１１０、及び、歩行状態計算部３２００の一部又は全部を、各部の機能を実現する専用の回路によって実現することもできる。床反力モデル記憶部４１００、身体データ記憶部４２００、及び、計測データ記憶部４３００の一部又は全部を、各部の機能を実現する専用の回路によって実現することもできる。
本実施例１においては、前述した第２の実施の形態に係る歩行状態計測システム２と、前述した第２の実施の形態に係る歩行状態計測装置３０００と、を用いた場合の具体的な実施例について示している。
本実施例１の実験においては、下肢モーション計測装置１１００における、左大腿ＩＭＵ１１１０、左下腿ＩＭＵ１１２０、左足部ＩＭＵ１１３０、右大腿ＩＭＵ１１４０、右下腿ＩＭＵ１１５０、右足部ＩＭＵ１１６０の６個のＩＭＵセンサのそれぞれには、株式会社ＡＴＲ－Ｐｒｏｍｏｔｉｏｎｓ製の小型無線多機能センサ「ＴＳＮＤ１２１」を用いた。また、左大腿ＩＭＵ１１１０、右大腿ＩＭＵ１１４０の大腿部へのＩＭＵは、股関節と膝関節の中間の位置で、かつ、大腿部の外側の位置に、伸縮性バンドを使って取り付けた。また、左下腿ＩＭＵ１１２０、右下腿ＩＭＵ１１５０の下腿部へのＩＭＵは、膝関節と足関節の中間の位置で、かつ、下腿部の外側の位置に、伸縮性バンドを使って取り付けた。また、左足部ＩＭＵ１１３０、右足部ＩＭＵ１１６０の足部へのＩＭＵは、第３中足骨体の中間の位置で、かつ、足部の甲側の位置に、伸縮性バンドを使って取り付けた。
また、下肢垂直荷重計測装置２０００としては、株式会社イマック製の歩行分析計「ステップエイド」（靴型荷重計測装置）を用いて、左右それぞれの下肢垂直荷重を計測した。
さらに、床反力モデルとしては、第２の実施の形態に記載した線形回帰モデルを使用した。該線形回帰モデルのパラメータは、フォースプレートと光学式モーションキャプチャとを用いて計測した真の床反力とモーションデータの計測データとを真値として使って、最小二乗法に基づき決定した。また、歩行状態計測手段については、筋骨格モデルシミュレータ‘ＯｐｅｎＳＩＭ’を使用した。
以上のような具体的な構成からなる歩行状態計測システムを用いて、歩行者が約１０ｍの距離を直線歩行する条件における歩行状態を計測した。そして、歩行状態として、歩行者の足関節トルクを計測した。
次に、本実施例１において実際に計測した歩行状態の計測結果の一例について説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、本実施例１の床反力推定部３１００の出力結果の一例を示すグラフである。図８Ａは、床反力データの３分力（Ｘ軸成分（側方分力）、Ｙ軸成分（前後分力）、Ｚ軸成分（垂直分力））の推定値（Estimated）と実測値（Ground Truth）とを示し、図８Ｂは、床反力作用点の座標の推定値（Estimated）と実測値（Ground Truth）とを示している。図８に示すように、本発明の第２の実施の形態に示した歩行状態計測装置３０００の床反力推定部３１００における床反力データの推定値（Estimated）は、実測値（Ground Truth）に極めて近似した値が得られていることが分かる。
また、図９は、本実施例１の歩行状態計算部３２００の出力結果の一例を示すグラフである。図９のグラフは、歩行状態の計測結果の一例として、図８に示した床反力データの実測値（Ground Truth）を歩行状態計算部３２００に入力して、計算した足関節トルク（ankle_angle_l_moment）を表示した場合を示している。
以上のような本実施例１の実験結果から、本発明に係る歩行状態計測システムは、歩行者６０００の歩行状態を精度良く計測することが可能であることが実証された。したがって、歩行者６０００が履いて歩行する履物の表面に配置された圧力センサ等の床反力に反応するセンサの配置位置の調整が不要となるという効果が得られることが確認された。
また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、床反力を推定して床反力データとして出力する床反力推定手段と、
前記モーションデータと前記床反力データとの少なくとも一方を用いて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力する歩行状態計算手段と
を有することを特徴とする歩行状態計測装置。
（付記２）
前記歩行状態計算手段は、逆動力学計算に基づいて関節トルクまたは筋張力の少なくとも一方を計算した結果を、前記歩行者の前記歩行状態として出力する
ことを特徴とする付記１に記載の歩行状態計測装置。
（付記３）
前記床反力推定手段は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の姿勢情報を、前記モーションデータとして用いる
ことを特徴とする付記１または２に記載の歩行状態計測装置。
（付記４）
前記床反力推定手段は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各前記体節の姿勢情報のうち、前記歩行者の大腿部と下腿部とのうち少なくとも一つの姿勢情報を、前記モーションデータとして用いる
ことを特徴とする付記３に記載の歩行状態計測装置。
（付記５）
前記床反力推定手段は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の加速度と角速度との少なくとも一方を、前記モーションデータとして用いる
ことを特徴とする付記１または２に記載の歩行状態計測装置。
（付記６）
前記床反力推定手段は、足底面を２つの領域に分割したそれぞれの領域における下肢垂直荷重を計測した結果を、前記下肢垂直荷重データとして用いる
ことを特徴とする付記１ないし５のいずれか１項に記載の歩行状態計測装置。
（付記７）
歩行者のモーションデータを取得するモーション計測手段と、
前記歩行者の下肢垂直荷重データを取得する下肢垂直荷重計測手段と、
前記モーション計測手段において取得された前記モーションデータと、前記下肢垂直荷重計測手段において取得された前記下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力する歩行状態計測手段と
を有することを特徴とする歩行状態計測システム。
（付記８）
前記歩行状態計測手段は、
前記モーション計測手段が取得した前記歩行者の前記モーションデータと前記下肢垂直荷重計測手段が取得した前記歩行者の前記下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、床反力を推定して床反力データとして出力する床反力推定手段と、
前記モーションデータと前記床反力データとの少なくとも一方を用いて、前記歩行者の前記歩行状態を計算して出力する歩行状態計算手段と
を有することを特徴とする付記７に記載の歩行状態計測システム。
（付記９）
前記歩行状態計算手段は、逆動力学計算に基づいて関節トルクまたは筋張力の少なくとも一方を計算した結果を、前記歩行者の前記歩行状態として出力する
ことを特徴とする付記８に記載の歩行状態計測システム。
（付記１０）
前記床反力推定手段は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の姿勢情報を、前記モーションデータとして用いる
ことを特徴とする付記８または９に記載の歩行状態計測システム。
（付記１１）
前記床反力推定手段は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各前記体節の姿勢情報のうち、前記歩行者の大腿部と下腿部とのうち少なくとも一つの姿勢情報を、前記モーションデータとして用いる
ことを特徴とする付記１０に記載の歩行状態計測システム。
（付記１２）
前記床反力推定手段は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の加速度と角速度との少なくとも一方を、前記モーションデータとして用いる
ことを特徴とする付記８または９に記載の歩行状態計測システム。
（付記１３）
前記床反力推定手段は、足底面を２つの領域に分割したそれぞれの領域における下肢垂直荷重を計測した結果を、前記下肢垂直荷重データとして用いる
ことを特徴とする付記８ないし１２のいずれか１項に記載の歩行状態計測システム。
（付記１４）
歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、床反力を推定して床反力データとして出力し、
前記モーションデータと前記床反力データとの少なくとも一方を用いて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力する
歩行状態計測方法。
（付記１５）
逆動力学計算に基づいて関節トルクまたは筋張力の少なくとも一方を計算した結果を、前記歩行者の前記歩行状態として出力する
付記１４に記載の歩行状態計測方法。
（付記１６）
前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の姿勢情報を、前記モーションデータとして用いる
付記１４または１５に記載の歩行状態計測方法。
（付記１７）
前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各前記体節の姿勢情報のうち、前記歩行者の大腿部と下腿部とのうち少なくとも一つの姿勢情報を、前記モーションデータとして用いる
付記１６に記載の歩行状態計測方法。
（付記１８）
前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の加速度と角速度との少なくとも一方を、前記モーションデータとして用いる
付記１４または１５に記載の歩行状態計測方法。
（付記１９）
足底面を２つの領域に分割したそれぞれの領域における下肢垂直荷重を計測した結果を、前記下肢垂直荷重データとして用いる
ことを特徴とする付記１４ないし１８のいずれか１項に記載の歩行状態計測方法。
（付記２０）
歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとの少なくとも一方を用いて、床反力を推定して床反力データとして出力する床反力推定処理と、
前記モーションデータと前記床反力データとの少なくとも一方を用いて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力する歩行状態計算処理と
を含む歩行状態計測処理
をコンピュータに実行させることを特徴とする歩行状態計測プログラムを記憶する記憶媒体。
（付記２１）
前記歩行状態計算処理は、逆動力学計算に基づいて関節トルクまたは筋張力の少なくとも一方を計算した結果を、前記歩行者の前記歩行状態として出力する
ことを特徴とする付記２０に記載の記憶媒体。
（付記２２）
前記床反力推定処理は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の姿勢情報を、前記モーションデータとして用いる
ことを特徴とする付記２０または２１に記載の記憶媒体。
（付記２３）
前記床反力推定処理は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各前記体節の姿勢情報のうち、前記歩行者の大腿部と下腿部とのうち少なくとも一つの姿勢情報を、前記モーションデータとして用いる
ことを特徴とする付記２２に記載の記憶媒体。
（付記２４）
前記床反力推定処理は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の加速度と角速度との少なくとも一方を、前記モーションデータとして用いる
ことを特徴とする付記２０または２１に記載の記憶媒体。
（付記２５）
前記床反力推定処理は、足底面を２つの領域に分割したそれぞれの領域における下肢垂直荷重を計測した結果を、前記下肢垂直荷重データとして用いる
ことを特徴とする付記２０ないし２４のいずれか１項に記載の記憶媒体。
以上、本発明の好適な実施形態の構成を説明した。しかし、かかる実施形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることが、当業者には容易に理解できよう。
この出願は、２０１６年１１月２９日に出願された日本出願特願２０１６－２３１３９５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
本発明の活用例として、例えば、以下に記載のような分野が考えられる。
（１）日常生活における歩行のリアルタイム診断
（２）歩行状態から転倒リスクを提示するオンライン診断システム
（３）退院後の患者の歩行状態を医師・理学療法士に提供し、継続的なケアを提供するサービス
１ 歩行状態計測システム
２ 歩行状態計測システム
３ 歩行状態計測システム
１０００ モーション計測装置
１１００ 下肢モーション計測装置
１１１０ 左大腿ＩＭＵ
１１２０ 左下腿ＩＭＵ
１１３０ 左足部ＩＭＵ
１１４０ 右大腿ＩＭＵ
１１５０ 右下腿ＩＭＵ
１１６０ 右足部ＩＭＵ
１１７０ モーション解析部
２０００ 下肢垂直荷重計測装置
２１００ 下肢垂直荷重計測装置
２１１０ 第１のセンサ
２１２０ 第２のセンサ
３０００ 歩行状態計測装置
３１００ 床反力推定部
３１１０ 床反力推定部
３２００ 歩行状態計算部
４０００ 記憶装置
４１００ 床反力モデル記憶部
４２００ 身体データ記憶部
４３００ 計測データ記憶部
５０００ 表示装置
６０００ 歩行者
１００００ コンピュータ
１０００１ プロセッサ
１０００２ メモリ
１０００３ 記憶装置
１０００４ Ｉ／Ｏインタフェース
１０００５ 記憶媒体

Claims (9)

  1. 歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとを用いて、床反力の３分力および床反力作用点を推定して床反力データとして出力する床反力推定手段と、
    前記モーションデータと前記床反力データとを用いて、逆動力学計算に基づいて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力する歩行状態計算手段と
    を有し、
    前記床反力推定手段は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の姿勢情報、又は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の加速度と角速度との少なくとも一方を、前記モーションデータとして用い、足底面を２つの領域に分割したそれぞれの領域における下肢垂直荷重を計測した結果の比をさらに利用して、前記床反力を推定する
    ことを特徴とする歩行状態計測装置。
  2. 前記歩行状態計算手段は、逆動力学計算に基づいて関節トルクまたは筋張力の少なくとも一方を計算した結果を、前記歩行者の前記歩行状態として出力する
    ことを特徴とする請求項１に記載の歩行状態計測装置。
  3. 前記床反力推定手段は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の前記各体節の姿勢情報のうち、前記歩行者の大腿部と下腿部とのうち少なくとも一つの姿勢情報、又は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の加速度と角速度との少なくとも一方を、前記モーションデータとして用いる
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の歩行状態計測装置。
  4. 前記床反力は、足底面が床から受ける力の前記３分力と前記床反力作用点とを含む
    請求項１ないし３のいずれか１項に記載の歩行状態計測装置。
  5. 歩行者のモーションデータを取得するモーション計測手段と、
    前記歩行者の下肢垂直荷重データを取得する下肢垂直荷重計測手段と、
    前記モーション計測手段において取得された前記モーションデータと、前記下肢垂直荷重計測手段において取得された前記下肢垂直荷重データとを用いて、床反力の３分力および床反力作用点を床反力データとして推定し、前記モーションデータと前記床反力データとを用いて、逆動力学計算に基づいて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力する歩行状態計測手段と
    を有し、
    前記モーションデータは、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の姿勢情報、又は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の加速度と角速度との少なくとも一方であり、
    歩行状態計測手段は、足底面を２つの領域に分割したそれぞれの領域における下肢垂直荷重を計測した結果の比をさらに利用して、前記床反力を推定する
    ことを特徴とする歩行状態計測システム。
  6. 前記歩行状態計測手段は、
    前記モーション計測手段が取得した前記歩行者の前記モーションデータと前記下肢垂直荷重計測手段が取得した前記歩行者の前記下肢垂直荷重データとを用いて、前記床反力の３分力および床反力作用点を推定して前記床反力データとして出力する床反力推定手段と、
    前記モーションデータと前記床反力データとを用いて、前記逆動力学計算に基づいて、前記歩行者の前記歩行状態を計算して出力する歩行状態計算手段と
    を有することを特徴とする請求項５に記載の歩行状態計測システム。
  7. 前記床反力は、足底面が床から受ける力の前記３分力と前記床反力作用点とを含む
    請求項６記載の歩行状態計測システム。
  8. 歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとを用いて、床反力の３分力および床反力作用点を推定して床反力データとして出力し、
    前記モーションデータと前記床反力データとを用いて、逆動力学計算に基づいて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力し、
    前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の姿勢情報、又は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の加速度と角速度との少なくとも一方を、前記モーションデータとして用い、足底面を２つの領域に分割したそれぞれの領域における下肢垂直荷重を計測した結果の比をさらに利用して、前記床反力を推定する
    歩行状態計測方法。
  9. 歩行者のモーションデータと下肢垂直荷重データとを用いて、床反力の３分力および床反力作用点を推定して床反力データとして出力する床反力推定処理と、
    前記モーションデータと前記床反力データとを用いて、逆動力学計算に基づいて、前記歩行者の歩行状態を計算して出力する歩行状態計算処理と
    を含む歩行状態計測処理
    をコンピュータに実行させ、
    前記床反力推定処理は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の姿勢情報、又は、前記歩行者の身体を剛体リンクモデルと見做した場合の各体節の加速度と角速度との少なくとも一方を、前記モーションデータとして用い、足底面を２つの領域に分割したそれぞれの領域における下肢垂直荷重を計測した結果の比をさらに利用して、前記床反力を推定する
    ことを特徴とする歩行状態計測プログラム。
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