3次元軌道計測用慣性センサを 利用した歩行能力評価装置 · センサシステムの姿勢（爪先角度）推定可能 立脚相で姿勢を決定...

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３次元軌道計測用慣性センサを利用した歩行能力評価装置

弘前大学 大学院理工学研究科 知能機械工学コース

教授 佐川 貢一

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歩き方の計測に関する従来技術とその問題点

• ストップウォッチ＋巻き尺

– 安価

– 歩行パラメータの平均値のみ計測

– 一歩毎の詳細な計測は困難

• 歩数計，カロリーカウンタ

– 安価

– 歩数のみ，不要な振動の影響

– 一歩毎の詳細な計測は困難

• ビデオカメラ

– 簡単

– 一歩毎の詳細な計測可能

– 計測後に画像処理必要

• GPS– ２次元位置・歩行経路計測可能

– 屋外のみ

– 一歩毎の詳細な計測は困難

• 光学式動作解析装置

– 一歩毎の詳細な３次元計測可能

– 高価

– 事前準備，複数マーカ，専門知識必要

• 圧力センサシート

– 一歩毎の体重の移動軌跡計測可能

– 遊脚期の計測は困難

– 測定範囲限定

• 慣性センサ（加速度，角速度）

– 安価

– 一歩毎の動きを予測可能

– どこでも計測可能

– 方向，角度計測可能（１階積分）

– 位置計測は困難（２階積分の誤差大）

計測内容： 歩数[step]，歩幅[m]，歩行率[step/min]，速度[m/s]爪先高さ[m]，爪先角度[deg]，歩行経路，その他

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何ができるようになったのかどんなことに使えるのか

• 医学的分野（一歩毎の歩き方の計測）歩幅，歩行速度，爪先角度，爪先高さ

リハビリ効果確認

転倒予測

• 行動・スポーツ解析作業の評価

健康意識向上

どっちの方向に，どこを向いて歩いているのか？

ダンスの足の運びのモニタリング

ジャンプ動作計測

ノルディックウォークの上達度

慣性センサシステム

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開発したセンサシステム

慣性センサシステム

microSDcard

CPU

加速度・角速度センサ

地磁気センサ

無線モジュール

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遊脚

立脚

遊脚相の加速度のみ積分

立脚相での速度はゼロ

加速度の積分誤差を一歩毎にキャンセル

センサシステムの姿勢（爪先角度）推定可能

立脚相で姿勢を決定

遊脚相では角速度を利用して推定

角速度の積分誤差を一歩毎にキャンセル

センサの精度向上により，不要な場合が多い

爪先加速度測定の利点

6

00.5

1

-0.6-0.4

-0.20

00.050.1

○ VICON△ Proposed method

Dow

n <->

Up

[m]

West <-> East [m]South <-> North [m]

StartStart

EndEnd

RMS=0.036[m]RMS=0.036[m]3Dセンサ

一歩分の爪先経路の比較例

0 0.5 112

30

0.10.2

0 0.5 112

30

0.10.2

爪先経路の比較例

3歩目ストライド長誤差率：-4.9％ピーク高さ誤差：0.020[m]歩行周期誤差：0.12[s]

2歩目ストライド長誤差率：-0.96％ピーク高さ誤差：0.013[m]歩行周期誤差：0.03[s]

1歩目ストライド長誤差率：-4.6％ピーク高さ誤差：0.019[m]

0.01 0.87 1.2 2.06 2.37 3.4-40-20

020

Pitc

h [d

eg]

Tiptoe pitch angle

0.01 0.87 1.2 2.06 2.37 3.4-15-10-50

Yaw

[deg

]

Tiptoe yaw angle

0.01 0.87 1.2 2.06 2.37 3.4-10-505

Rol

l [de

g]

Tiptoe roll angle

Time [s]

VICONSENSOR

VICONSENSOR

VICONSENSOR

+-

+-

+-

遊脚 立脚

R=1.00, RMS誤差＝2.8[deg]

R=0.92, RMS=2.2[deg]

R=0.96, RMS=1.7[deg]

爪先角度

0.01 1 1.52 2.5 3.03 4-10

-50

Pitc

h [d

eg]

Tiptoe pitch angle

0.01 1 1.52 2.5 3.03 4-10

-5

0

Yaw

[deg

]

Tiptoe yaw angle

0.01 1 1.52 2.5 3.03 4-1012

X: 3.02Y: 1.148

Rol

l [de

g]Tiptoe roll angle

Time [s]

VICONSENSOR

VICONSensor

VICONSENSOR

R=0.98, RMS誤差＝0.8[deg]

R=0.97, RMS=0.9[deg]

R=0.56, RMS=0.5[deg]

+-

+-

+-

３次元爪先軌道

通常歩行 摺り足歩行

３次元爪先軌道

遊脚 立脚

爪先角度

－ 3Dセンサ－ VICON

歩数 歩数距離 [m] 距離 [m]

3歩目ストライド長誤差率：-2.7％ピーク高さ誤差：0.000[m]歩行周期誤差：0.01[s]

2歩目ストライド長誤差率：-5.4％ピーク高さ誤差：0.001[m]歩行周期誤差：-0.04[s]

1歩目ストライド長誤差率：-4.6％ピーク高さ誤差：0.002[m]

－ 3Dセンサ－ VICON

7

0 0.5 112

34

56

78

910

1100.050.10.15

爪先移動距離 [m]

歩数

Dow

n<==

>Up

[m]

0 0.5 112

34

56

78

910

1100.050.10.15

爪先移動距離 [m]

歩数

Dow

n<==

>Up

[m]

一歩ごとの爪先の動き

歩行計測

解析ソフトウェア

計測・解析 解析結果

爪先の軌道爪先の方向

2 3 4 5 6 7 8 9 10 110.5

1

1.5

重複

歩距

離[m

]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 111

1.5

2

歩数

歩行

周期

[s]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 110.5

1

1.5

重複

歩距

離[m

]

2 3 4 5 6 7 8 9 10 111

1.5

2

歩数

歩行

周期

[s]

一重複歩距離と歩行周期

解析手順の例

8

9

Forw

ard

<=>

Bac

k [m

]

自由歩行時（前後左右）の歩行経路推定例

スタート

ゴール

前進後ろ向き歩行

横歩き（右）

横歩き（左）

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Dow

n

U

p [m

]

移動量 51.0[m] (11.1[%])

ゴールの差 2.6[m] (5.6[%])

Start

Goal

階段昇り時の３次元経路推定

-5

0

5

05

1015-2

0

2

4

6

スタート（１階）

ゴール（２階）

階段

（使用例）岩木健康増進プロジェクト

体力・運動能力評価（10日で1000人）近年、歩行速度とその変化は、認知症に先立って現れることの多い、軽度認知障害の発症を示す可能性が指摘されている。

一方、歩行運動は、認知症予防のために有効であることが示されている。

爪先装着型センサで、歩幅や爪先高さなどを測定して、病気や転倒の危険性を予測する。

10[m]

一歩毎の• 歩幅• 歩行速度• 爪先高さ・角度

（平均）歩行速度

爪先装着型慣性センサ

10[m]歩行所要時間

高さ

角度

重複歩距離，歩行速度11

体力診断フロア 歩行計測窓口

慣性センサ（赤：右用，白：左用） 充電器

岩木プロジェクト会場の様子

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センサスイッチONセンサスイッチOFF

転倒経験など聞き取り スタート地点で歩き方説明 スタート地点

歩行時間計測

5分程度で計測終了

10m最大速度歩行時間計測

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歩行パラメータの推定例

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Pressure sensor

WIMU2

Wireless Inertial Measurement Unit version2 :WIMU2

全身の動作計測

23.0

41.040.0[mm]

3軸加速度センサ3軸ジャイロ3軸地磁気センサ圧力センサ

足先，下腿，大腿，腰，胸，上腕，前腕の12ヶ所へWIMU2を装着手のひら，足底には圧力センサ装着

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1234

5678

1234

5678

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企業への期待

• ハードウェア（小型計測装置）開発– 30[mm]×30[mm]×20[mm]以下–高サンプリング周波数 (1000[Hz])–加速度，角速度，地磁気，アナログ電圧計測–長寿命 (24[hrs])–無線 and/or USB接続

• ソフトウェア（解析アプリ）開発–優れた（かっこいい？）GUIの解析プログラム–タブレット対応（iPad，Androidなど）–クラウド技術

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実用化に向けた課題

• 医学的検証に必要な精度の確認• 高速歩行やスポーツに対応したハードウェア，解析アルゴリズム

• あらゆる履物に対応• 充電方法，駆動時間• データ送信方向• 操作の優しい解析プログラム

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産学連携の経歴

• 青森県医工連携事業化推進実証事業–転倒予測や運動機能評価に貢献する身体装着型歩行能力計測システムの開発（2014年度）

–疾病予兆の発見に貢献する高速歩行計測システムの開発（2015年度）

–疾病予兆の発見に貢献する高精度身体装着型歩行計測システムの開発（2016年度）

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：歩行特性評価システムおよび軌跡生成方法

• 登録番号 ：特許第5421571号• 出願人 ：国立大学法人弘前大学

• 発明者 ：佐川貢一

参考文献Koichi Sagawa, Kensuke Ohkubo2D trajectory estimation during free walking using a tiptoe-mounted inertial sensor, Journal of Biomechanics, 48(10), (2015) 2054-2059

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お問い合わせ先

国立大学法人 弘前大学

産学官連携コーディネーター

三上 夫美加

ＴＥＬ0172-39-3178

ＦＡＸ0172-39-2105

e-mail [email protected]