JP6031386B2 - 歩行計測システム - Google Patents

Description

本発明は、歩行計測システムに関する。

従来、例えばMulti-target stepping test（ＭＴＳＴ）等の歩行訓練において、被験者の歩行時の歩行特性（脚部の運び）を計測する歩行計測システムが用いられている。この種の技術として、例えば特許文献１には、歩行訓練のデータを記録して訓練状況を定量的に把握し、過去のデータとの比較により訓練データを診断装置に応用することが図られた足跡分析装置が記載されている。

この特許文献１に記載された足跡分析装置は、画像取り込み装置と画像演算装置と表示装置とを備え、画像取り込み装置により取り込まれた画像から、各足の床面接触位置及び床面接触位置の各足毎の経時変化を画像演算装置により演算し、表示装置に床面接触位置の各足毎の経時変化を表示している。

特開２００２−３４５７８５号公報

ところで、一般的に、歩行計測システムでは、被験者の脚部の状態によっては観測値に対する信頼度（観測精度）は異なってしまう等のため、被験者の脚部位置を特定することが困難になる場合があり、脚部位置を精度よくトレース（追跡）することができないおそれがある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、脚部位置を精度よくトレースすることができる歩行計測システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る歩行計測システムは、水平方向に沿って走査するように検出波を出射し、該検出波の反射状態に基づいて該検出波を反射した物体との距離に関する距離情報を経時的に取得する距離情報取得手段と、距離情報取得手段で取得された距離情報に少なくとも基づいて、被験者の脚部位置を経時的に特定する脚部位置特定手段と、を備えている。脚部位置特定手段は、距離情報に少なくとも基づき脚部位置の観測値である脚部観測位置を検出する観測位置検出部と、過去の時刻の脚部位置に少なくとも基づき脚部位置の予測値である脚部予測位置を算出する予測位置算出部と、脚部観測位置及び脚部予測位置の相関処理を行って脚部位置を特定する相関処理部と、を有している。相関処理部は、脚部予測位置を基準に所定範囲に拡がるゲートを設定するゲート設定部と、脚部観測位置がゲート内に存在するとき、該脚部観測位置を脚部位置として対応付ける対応付け部と、を含んでいる。ゲート設定部は、ゲートの範囲を被験者の脚部の状態に応じて変化させる。

この歩行計測システムでは、脚部位置を特定する際の相関処理において設定されるゲートの範囲を、被験者の脚部の状態に応じて変化させることができる。これにより、検出された脚部観測位置の信頼度が脚部状態に応じて異なることを考慮でき、この脚部の状態の違いに起因して脚部位置を精度よく特定できないことを抑制できる。その結果、脚部位置を精度よくトレースすることが可能となる。

また、脚部位置特定手段は、被験者の脚部が遊脚状態又は立脚状態の何れであるかを判定する立脚遊脚判定部をさらに有しており、ゲート設定部は、脚部が遊脚状態と判定されたときのゲートの範囲を、脚部が立脚状態と判定されたときのゲートの範囲に比べて大きくなるように変化させることが好ましい。脚部が遊脚状態のときには、脚部の急な加速にも対応する必要性が高い一方で、脚部が立脚状態のときには、その必要性が低く脚部観測位置の信頼度が高いという特徴が見出される。そこでこのように、脚部が遊脚状態と判定されたときに、立脚状態のときと比べて大きくなるようにゲートの範囲を変化させることにより、立脚期と遊脚期との脚部の動きの特徴を生かして脚部位置を精度よくトレースすることが可能となる。

また、ゲート設定部は、ゲートの範囲を、被験者の脚部の速度が大きくなるに連れて大きくなるように変化させることが好ましい。検出される脚部観測位置の信頼度は脚部の速度に応じて異なっており、速度が大きいほど低下するという知見が見出される。そこでこのように、脚部の速度が大きくなるに連れて大きくなるようにゲートの範囲を変化させることにより、脚部の速度に係る当該知見を考慮して脚部位置を精度よくトレースすることが可能となる。

また、ゲート設定部は、検出波の出射方向から見て被験者の一方の脚部が隠れた状態である場合、一方の脚部に係るゲートの範囲を、当該隠れた状態が継続するに連れて大きくなるように変化させることが好ましい。一方の脚部が隠れたとき、この一方の脚部は隠れている間にも移動している可能性があり、現れた時点で大きい速度を有している場合がある。そこでこのように、一方の脚部について隠れた状態が継続するに連れてゲートの範囲を大きくなるように変化させることにより、一方の脚部が隠れた場合を好適に考慮して脚部位置を精度よくトレースすることが可能となる。

ここで、通常、被験者の両脚部が互いに交差した状態であるクロスステップの検出は、それら両脚部の着床位置により判定すれば足りる。しかし、被験者が体の向き（体幹）自体を進行方向とは異なる方向に向けて移動する場合には、両脚部の着床位置だけでは、クロスステップを精度よく検出することが困難となるおそれがある。この点、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、クロスステップが検出されるときには、両脚部それぞれの脚部位置及び軌跡が特徴的な傾向を有することを見出した。すなわち、一方の脚部の着床位置が所定位置に位置しているとき、この一方の脚部を他方の脚部が弧を描くように回避しながら移動するという傾向があることを見出した。
従って、本発明の歩行計測システムにおいては、脚部位置特定手段で特定された脚部位置に少なくとも基づいて、被験者における一方及び他方の脚部が互いに交差した状態であるクロスステップを検出するクロスステップ検出手段をさらに備え、クロスステップ検出手段は、複数の脚部位置の中から複数の着床位置を特定し、一方の脚部における複数の着床位置のうち互いに最も近い一対の着床位置を通る着床ラインを設定し、着床ラインに平行で、且つ着床ラインから一方の脚部の内側に第１所定距離離れる第１基準ラインを設定すると共に、着床ラインに平行で、且つ着床ラインから一方の脚部の外側に第２所定距離離れる第２基準ラインを設定し、他方の脚部における着床位置が、第１基準ラインよりも一方の脚部の外側に位置したときにおいて、一方の脚部についての一対の着床位置間における脚部位置の軌跡の一部が、第２基準ラインよりも一方の脚部の外側に位置している場合、クロスステップを検出することが好ましい。
これにより、クロスステップの際の上記特徴的な傾向を利用し、クロスステップを精度よく検出することが可能となる。

また、脚部位置特定手段は、被験者の脚部の太さに関する脚部情報が記憶された記憶部をさらに有し、観測位置検出部は、距離情報から脚部のエッジ位置を検出し、エッジ位置及び脚部情報から脚部観測位置を検出することが好ましい。この場合、脚部観測位置を精度よく検出することができる。

また、距離情報取得手段は、被験者の脛部の高さに対応する高さ位置において検出波が出射されるように設置されていることが好ましい。この場合、被験者の脛部を基準に脚部位置を特定することができる。これにより、例えばつま先部に比べて脛部の速度は安定していることから、脚部位置を安定してトレースすることができる。

また、距離情報取得手段は、被験者の前方側から検出波が出射されるように設置されていることが好ましい。これにより、例えば検出波の出射方向から見て一方の脚部が他方の脚部に隠れる場合、この一方の脚部は立脚状態となり易く、よって、隠れた一方の脚部における脚部観測位置の信頼度を高めることができる。

本発明によれば、脚部位置を精度よくトレースすることが可能となる。

一実施形態に係る歩行計測システムの構成を示すブロック図である。 図１の歩行計測システムが適用されたＭＴＳＴを示す概略図である。 図１の歩行計測システムのレーザレンジセンサを説明する平面図である。 図１の歩行計測システムにおける処理を示すフローチャートである。 図１の歩行計測システムによる脚部位置の特定を説明するための図である。 図１の歩行計測システムによる脚部観測位置の検出に用いられる観測パターンの例を説明する図である。 図１の歩行計測システムによる脚部観測位置の検出に用いられる観測パターンの他の例を説明する図である。 図１の歩行計測システムによる立脚遊脚判定を説明するための脚部の速度を示すグラフである。 図１の歩行計測システムによるステップ判定を説明するための図である。 図１の歩行計測システムによるクロスステップ検出の一例を説明するための図である。 図１の歩行計測システムにより計測された脚部位置のトレース結果の例を示す図である。 図１１中の丸枠内の拡大図である。 図１の歩行計測システムにより計測された脚部位置のトレース結果の他の例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

図１は一実施形態に係る歩行計測システムの構成を示すブロック図であり、図２は図１の歩行計測システムが適用されたＭＴＳＴを示す概略図である。図１及び図２に示すように、歩行計測システム１００は、歩行する被験者１の脚部位置及び脚部の動きを検知して特定することによって被験者１の歩行特性を取得するものであり、レーザレンジセンサ(Laser Range Sensor，距離情報取得手段)１０と、電子制御装置（脚部位置特定手段）２０と、モニタ３０と、を含んで構成されている。

ここでの歩行計測システム１００は、例えば高齢者や足腰の不自由な者等の被験者１の歩行訓練の一つであるMulti-Target Stepping Test (MTST)に適用することができ、歩行訓練の転倒予防への効果を評価し、定量的な歩行計測や歩行能力評価することができる。

ＭＴＳＴとは、運動機能及び認知機能を同時に強化するための歩行訓練であって、三色のターゲット２がランダムに複数配置されたマット等の歩行路３を用意し、この歩行路３上の指定された一色のターゲット２のみを踏むように被験者１が進行方向４に沿って歩くという歩行訓練である。なお、ＭＴＳＴでは、図示するように、被験者１の転倒等を避けるため、歩行訓練士等の介添人５が被験者１の隣あるいは後方に連れ添って行われる。また、図２中においては、紙面奥側がスタート側であり、紙面手前側がゴール側とされている。

図３は、図１の歩行計測システムのレーザレンジセンサを説明する平面図である。レーザレンジセンサ１０は、ある高さの二次元平面におけるセンサ周辺の物体までの距離である二次元平面距離情報（距離情報）を取得するものである。図３に示すように、このレーザレンジセンサ１０は、水平方向に沿って走査するようにレーザ光（検出波）Ｌを出射すると共に、このレーザ光Ｌの反射状態に基づいて、レーザ光Ｌを反射した物体との距離に関する二次元平面距離情報を経時的に取得する。

具体的には、図２及び図３に示すように、レーザレンジセンサ１０では、レーザ光Ｌを出射すると共に、このレーザ光Ｌを回転ミラーで反射させることにより、歩行路３を含む測定領域においてレーザ光Ｌを扇状に水平方向に走査する。そして、例えば被験者１の脚部Ｆで反射されたレーザ光Ｌの反射光を受光し、反射光の検出角度（走査角度）、及びレーザ光Ｌの出射から受光までの時間（伝播時間）を計測し、該脚部Ｆとの角度及び距離に係る情報を含む二次元平面距離情報を検出する。

このレーザレンジセンサ１０は、レーザ光Ｌを出射する光窓部の高さが調整可能に構成されており、被験者１の脛部の高さ（つまり、足首から膝下までの高さ）に対応する高さ位置でレーザ光Ｌが出射されるように設置されている。また、このレーザレンジセンサ１０の光窓部の高さは、脚部Ｆが遊脚期（脚部Ｆが遊脚状態の時期））で離床すること及び被験者１がレーザレンジセンサ１０から離れている場合にも脚部Ｆを検出可能にすることを考慮し、脚部Ｆの幅が最大となる平均高さに基づき設定され、例えば床面から０．２７ｍとされている。

また、このレーザレンジセンサ１０は、歩行路３の進行方向４の先にてレーザ光Ｌの出射方向が歩行路３に向くように配置されており、被験者１の前方側から被験者１に向けてレーザ光Ｌが出射されるようになっている。また、レーザレンジセンサ１０は、そのレーザ光Ｌの出射方向が床面に対して水平になるように設置されている。

なお、レーザレンジセンサ１０としては、測距範囲が０．１〜３０ｍ、測域角度が２７０ｄｅｇ、測距精度が±３０ｍｍ、角度分解能が０．２５ｄｅｇ、及びサンプリング周期が２５ｍｓ／ｓｃａｎのものが用いられている。ちなみに、レーザレンジセンサ１０は、そのタイプや仕様（スペック）について限定されるものではなく、例えば測定環境に応じて種々のものを用いることができる。

電子制御装置２０は、レーザレンジセンサ１０で取得した二次元平面距離情報に基づく演算を行って被験者１の脚部Ｆの位置である脚部位置を経時的に特定し、被験者１の歩行特性を取得するものである。電子制御装置２０としては、例えば、パーソナルコンピュータや専用制御用コンピュータが用いられ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read OnlyMemory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んで構成されている。

この電子制御装置２０は、機能的要素として、被験者１の脚部位置の観測値である脚部観測位置を検出する観測位置検出部２１と、被験者１の脚部位置の予測値である脚部予測位置を算出する予測位置算出部２２と、脚部観測位置及び脚部予測位置の相関処理を行い脚部位置の特定（割当て）を行う相関処理部２３と、特定した脚部位置の事後処理を行う事後処理部２４と、脚部Ｆが立脚状態又は遊脚状態の何れであるかを判定する立脚遊脚判定部２５と、を有している。

観測位置検出部２１は、二次元平面距離情報に基づいて脚部観測位置を検出するものである。具体的には、観測位置検出部２１は、脚部Ｆの二次元平面距離情報が特徴的な形状となることに鑑み、二次元平面距離情報からエッジ検出処理して脚部Ｆのエッジ位置を検出し、複数の観測パターンを用いたパターン認識によって、エッジ位置から脚部Ｆの候補点として脚部観測位置を検出する。このとき、本実施形態では、被験者１の脚部Ｆの太さに関する脚部情報を用い、脚部Ｆの太さを既知としている。

予測位置算出部２２は、過去の時刻の脚部位置に基づいて脚部予測位置を算出するものであり、具体的には、過去の脚部位置と該脚部Ｆの速度から脚部予測位置を算出する。相関処理部２３は、脚部観測位置及び脚部予測位置の相対的な位置関係から脚部位置を特定するものであり、ゲート設定部２３ａ及び対応付け部２３ｂを含んでいる。

ゲート設定部２３ａは、混雑環境下において目標に相関し得る脚部観測位置を限定するためのものとして、脚部予測位置を中心に所定範囲に拡がる判定範囲であるゲートを設定する。また、このゲート設定部２３ａは、脚部Ｆの状態である脚部の状態（立脚、遊脚、速さ及び隠れ）に応じて、ゲートの範囲を変化させる（詳しくは後述）。

対応付け部２３ｂは、脚部観測位置がゲート内に存在するときに、このゲート内の脚部観測位置のみを目標に対応付けし、例えば脚部観測位置を脚部位置として特定する。また、対応付け部２３ｂは、脚部観測位置がゲート内に存在しないとき、脚部予測位置を目標に対応付けし、例えば脚部予測位置を脚部位置として特定する。

事後処理部２４は、特定した脚部位置から観測ノイズの影響を除去するものであり、例えば、脚部位置に対して人間行動モデルに基づく演算を行うことにより、該脚部位置からレーザレンジセンサ１０のノイズの影響を除去する。立脚遊脚判定部２５は、脚部Ｆの速度に基づいて、脚部Ｆが立脚状態又は遊脚状態の何れであるかの立脚遊脚判定を行うものである。

なお、遊脚状態とは、身体の重みのかからない脚部の状態を意味し、床面（地面）から脚部Ｆが離れている状態を含んでいる。立脚状態とは、身体の重みがかかっている脚部の状態を意味し、床面に脚部Ｆが接地している状態を含んでおり、支持脚状態とも称する。

また、電子制御装置２０は、機能的要素として、脚部Ｆが床面に着床した位置である着床位置を取得する着床位置取得部２６と、指定されたターゲット２（図２参照）を被験者１が正しく踏んだか否かを判定するステップ判定部２７と、脚部Ｆの一方及び他方が互いに交差した状態であるクロスステップを検出するクロスステップ検出部２８と、歩行特性に係る各情報が記憶される記憶部２９と、をさらに有している。

着床位置取得部２６は、脚部Ｆの速度に基づき着床位置を取得する。ここでは、立脚期（脚部Ｆが立脚状態の時期）の際に脚部Ｆの速さが最も小さくなった時刻を着床時刻とし、その時刻における脚部位置を着床位置としている。ステップ判定部２７は、ターゲット２に対応する位置にステップ判定領域を設定し、このステップ判定領域内に着床位置が含まれる場合に、該ターゲット２を正しく踏んだと判定する。

クロスステップ検出部２８は、一方の脚部Ｆにおける複数の着床位置のうち互いに最も近い一対の着床位置から着床ラインＬ０、第１基準ラインＬ１及び第２基準ラインＬ２を設定し、これらラインＬ０〜Ｌ３を基準にしてクロスステップを検出する（詳しくは後述）。

記憶部２９は、脚部位置、脚部Ｆの速度、立脚遊脚判定部２５の立脚遊脚判定結果、ステップ判定部２７の判定結果、及びクロスステップ検出部２８の検出結果に関する情報を、時刻（サンプリング時刻）に関連付けて少なくとも格納する。また、記憶部２９は、被験者１の脚部Ｆの太さ（脛部の直径に対応する長さ）に関する脚部情報を格納する。この脚部Ｆの太さは、例えば被験者１に歩行前若しくは歩行後に、レーザレンジセンサ１０を用いて検出することによって取得できる。

モニタ３０は、電子制御装置２０による演算結果を表示するためのものである。ここでのモニタ３０は、記憶部２９に記憶された各情報を例えば被験者１の歩行特性や正しく移動できたか否かの移動結果等として表示し、被験者１にフィードバックする。なお、モニタ３０は、表示に代えて又は加えて音声等を出力する構成としてもよい。また、モニタ３０に代えて若しくは加えて、演算結果等を紙媒体にプリント出力する出力部をさらに備えていてもよい。

次に、本実施形態の歩行計測システム１００を用いてＭＴＳＴおける歩行特性を計測する場合について、図４に示すフローチャートを参照しつつ説明する。

まず、歩行計測システム１００では、レーザレンジセンサ１０による二次元平面距離情報の取得、及び取得した二次元平面距離情報に基づく処理を逐次行い、被験者１の両脚部Ｆ_Ｒ，Ｆ_Ｌの脚部位置及び速度をカルマンフィルタにより推定し、追跡する。以下、サンプリング時刻ｋにおける処理を例示して説明する。

［脚部観測位置の検出］
図５は、図１の歩行計測システムによる脚部位置の特定を説明するための図である。図５（ａ）に示すように、レーザレンジセンサ１０で取得した二次元平面距離情報から、観測位置検出部２１により被験者１の脚部観測位置ｙ_ｋを検出する（Ｓ１）。具体的には、二次元平面距離情報から脚部Ｆのエッジ位置Ｅを検出し、検出したエッジ位置の位置関係に基づいて、複数の観測パターンＯ１〜Ｏ５（図６及び図７参照）を用いたパターン検出によって脚部観測位置ｙ_ｋを検出する。

図６及び図７は、脚部観測位置の検出に用いられる観測パターンの例を説明する図である。図６（ａ）はＳＬ（Single Leg）パターンを用いた例、図６（ｂ）はＬＴ（two LegsTogether）パターンを用いた例、図６（ｃ）はＦＳＯ（Forward StraddleObservable）パターンを用いた例である。図７（ａ）はＦＳＵ（Forward StraddleUnobservable）パターンを用いた例、図７（ｂ）はＵＯ（Unobservable）パターンを用いた例である。

図６及び図７に示すように、ＳＬパターンとしての観測パターンＯ１は、脚部Ｆが単独でレーザレンジセンサ１０から完全に観測できている状態である。ＬＴパターンとしての観測パターンＯ２は、脚部Ｆがそろってレーザレンジセンサ１０から完全に観測できている状態である。ＦＳＯパターンとしての観測パターンＯ３は、片方の脚部Ｆや杖等の影響によってパターンが壇状になり、エッジ位置Ｅ間の幅が被験者１の脚部Ｆの幅の１／２以上あり、脚部Ｆの中心位置がレーザレンジセンサ１０から観測できている状態である。

ＦＳＵパターンとしての観測パターンＯ４は、ＦＳＯパターンと同様にパターンが壇状になるが、エッジ位置Ｅ間の幅が被験者１の脚部Ｆの幅の１／２未満で脚部Ｆの中心位置がレーザレンジセンサ１０から直接観測できない状態である。ＵＯパターンとしての観測パターンＯ５は、片方の脚部Ｆや杖等の影響によって観測できない状態である。

なお、脚部観測位置ｙ_ｋの検出において、観測パターンＯ１〜Ｏ４を満たさないエッジ位置Ｅは脚部Ｆではないと判定する。また、ＭＴＳＴでは測定領域が予め分かっていることから、不要な相関処理を避けるために、歩行路３の領域に対して所定長広い領域を測定領域とし、測定領域外の脚部観測位置ｙ_ｋとそれに対応するエッジ位置Ｅは除外する。

ここで、脚部観測位置ｙ_ｋの検出では、脚部Ｆの太さ（脛部の直径に対応する長さ）ｗを用いており、例えば、図７（ａ）に示すＦＳＵパターンの観測パターンＯ４では、右脚部Ｆ_Ｒについて、エッジ位置Ｅ間の中央が脚部観測位置ｙ_ｋとして検出されるのではなく、例えばエッジ位置Ｅから太さｗの１／２だけ内側に入った位置が脚部観測位置ｙ_ｋとして検出される。以上のように複数の観測パターンＯ１〜Ｏ５に応じて脚部Ｆの脚部観測位置を検出することにより、レーザレンジセンサ１０から見て脚部Ｆが重なって隠れた場合にも、脚部Ｆを好適に検出することが可能となる。

［脚部予測位置の算出］
続いて、図５（ｂ）に示すように、過去の時刻の脚部位置に基づいて、予測位置算出部２２により脚部予測位置ｙ＾_ｋ（図中の×印を参照）を算出する（Ｓ２）。具体的には、下式（１），（２）に示す線形離散時間方程式で記述される移動モデルにカルマンフィルタを用いて推定を行うとし、前サンプリング時刻ｋ−１で得た各状態推定値を基に、下式（１)から事前状態推定値及び事前誤差共分散行列を下式（３），（４）によりそれぞれ求める。

ここで、Ｍは追跡する目標数、ｖ_ｋは平均ベクトル０で共分散行列Ｑのシステム雑音ベクトル、ｗ_ｋは平均ベクトル０で共分散行列Ｒの観測雑音ベクトルであり、互いに独立な正規性白色雑音と仮定している。そして、下式（５）に基づき，脚部予測位置ｙ＾_ｋを算出する。

［相関処理］
続いて、図５（ｃ）に示すように、相関処理部２３により脚部観測位置ｙ_ｋ及び脚部予測位置ｙ＾_ｋの相関処理を行って、脚部位置Ｐ_ｋを特定する（Ｓ３）。具体的には、脚部予測位置ｙ＾_ｋを中心とする円形のゲートＧを設定し、この中に入った脚部観測位置ｙ_ｋのみを脚部位置Ｐ_ｋとするメモリトラッキングを行う。ここでは、Χ^２検定に基づいて、脚部観測位置ｙ_ｋが次式（６）を満たす場合に該脚部観測位置ｙ_ｋがゲートＧ内に存在すると判定する。

なお，Ｓ_ｋはレーザレンジセンサ１０の観測雑音共分散行列Ｒとカルマンフィルタの予測誤差共分散行列Ｐ_ｋ/ｋ-1により算出される残差共分散行列であり、次式（７）で得られる。また、Ｇは、検定の有意水準に基づき設定されるパラメータである。

ゲートＧ内に脚部観測位置ｙ_ｋが得られなかった場合には、カルマンフィルタによる前サンプリング時刻ｋ−１からの脚部予測位置ｙ＾_ｋを現時刻ｋにおける脚部位置Ｐ_ｋとするメモリトラッキングを行う。ゲートＧ内に複数の脚部観測位置ｙ_ｋが得られた場合には，ＮＮ（Nearest Neighbor）法等を使った対応付けを行ってもよいし、また、ゲートＧが重なった場合には，ＧＮＮ（Global Nearest Neighbor）法を用いてもよい。

［事後処理］
続いて、事後処理部２４により、脚部位置Ｐ_ｋに対して人間行動モデルに基づく演算を行うことにより、該脚部位置Ｐ_ｋからレーザレンジセンサ１０のノイズの影響を除去する（Ｓ４）。

［立脚遊脚判定］
続いて、立脚遊脚判定部２５により、脚部Ｆの速度に基づいて、脚部Ｆが立脚状態又は遊脚状態の何れであるかの立脚遊脚判定を行う（Ｓ５）。人間の歩行においては、脚部Ｆの速度を指標とすることで各脚部Ｆの状態を識別することが可能であることが見出される。そこで、上記Ｓ５では、時刻ｋにおける右脚部Ｆ_Ｒの速度ｖ^Ｒ _ｋと左脚部Ｆ_Ｌの速度ｖ^Ｌ _ｋとを、カルマンフィルタによる推定値を用いて求める。そして、これら速度ｖ^Ｒ _ｋ，ｖ^Ｌ _ｋの大小関係から、遊脚状態又は立脚状態を判定する。

図８は、立脚遊脚判定を説明するための脚部の速度を示すグラフである。図８中において、小さい黒丸印は遊脚状態の脚部Ｆに係る値を示し、二重の丸印（大きい黒丸印を含む）は立脚状態の脚部Ｆに係る値を示している（図５，１１〜１３において同様）。図８に示すように、ここでの立脚遊脚判定では、被験者１に躓くような動きがあった際には両脚部Ｆ_Ｒ，Ｆ_Ｌが離床する場合もあることを考慮し、立脚期の最大速度ｖ_{st_max}と遊脚期の最小速度ｖ_{sw_min}を定義し，脚部Ｆの速度ｖが最大速度ｖ_{st_max}を超えた場合は遊脚状態とし、最小速度ｖ_{sw_min}よりも遅い場合は立脚状態としている。

好ましいとして、最大速度ｖ_{st_max}については人の平均歩行速度１．１ｍ／ｓの１／３に設定することができ、最小速度ｖ_{sw_min}については最大速度ｖ_{st_max}の１／２に設定することができる。なお、上記の立脚遊脚判定では、例えば速度ｖ^Ｌ _ｋ，ｖ^Ｒ _ｋのうち大きい方に係る脚部Ｆを遊脚状態とし、小さい方に係る脚部Ｆを立脚状態として判定してもよい。

続いて、二次元平面距離情報の取得が終了するまで上記Ｓ１〜Ｓ５が繰り返し実施され、被験者１の両脚部Ｆ_Ｒ，Ｆ_Ｌの脚部位置Ｐ_ｋがトレースされることとなる（Ｓ６）。

ここで、本実施形態においては、上記相関処理（上記Ｓ３）にて設定するゲートＧの範囲を、被験者１の脚部の状態に応じて変化させている。すなわち、前サンプリング時刻ｋ−１における脚部Ｆの状態を考慮し、被験者１の脚部Ｆの太さｗ、時刻ｋ−１における脚部Ｆの速度ｖ（ｋ−１）、及び、レーザレンジセンサ１０で観測できなかった時間を用いて下表１に示すようにゲートＧの範囲を設定する。ここで、Ｈ（ｋ）は、時刻ｋにおいて連続して脚部Ｆが観測できなかった回数である。また、解析結果及び人間の平均移動速度を考慮し、ａ＝０．７５，ｂ＝１．０，ｖ_st＝１．１，ｖ_sw＝ｖ_st／２としている。

具体的には、図５（ｃ）に示すように、脚部Ｆが遊脚期のゲートＧ１の範囲を大きく設定する一方で、脚部Ｆが立脚期のゲートＧ２の範囲を、遊脚期のゲートＧ１に対し、観測精度は高いために小さく設定する。つまり、脚部Ｆが遊脚状態と判定されたときのゲートＧ１の範囲を、脚部Ｆが立脚状態と判定されたときのゲートＧ２の範囲に比べて大きくなるように変化させる。

ここでは、立脚期のゲートＧ２の基本サイズａ・ｗと、遊脚期のゲートＧ１の基本サイズｂ・ｗとについて、ａ・ｗ＜ｂ・ｗとなるように設定する。なお、立脚期のゲートＧ２の基本サイズａ・ｗは、レーザレンジセンサ１０の性能誤差に基づき定まる最小値を用いることができる。

また、脚部観測位置ｙ_ｋの信頼度は脚部Ｆの速度ｖに応じて異なり、速度ｖが大きいほど観測精度は低下する。よって、ゲートＧの範囲について、サンプリング時刻ｋ−１における速度ｖ（ｋ−１）とサンプリング周期Δｔとの積（Δｔ間の移動量）を加え、速度ｖが大きいほど範囲が大きくなるように設定する。

さらに、クロスステップ等によってレーザレンジセンサ１０に対し脚部Ｆが隠れて検出できない場合には，該脚部Ｆが隠れていた間に移動した場合も考慮し、隠れていた時間Ｈ（ｋ）とその間の速度ｖとに応じてゲートＧの範囲を大きくする。つまり、レーザ光Ｌの出射方向から見て一方の脚部Ｆが隠れた状態である場合、この一方の脚部Ｆに係るゲートＧの範囲を、当該隠れた状態が継続するに連れて大きくなるように変化させる。

ここでは、例えば、上記脚部観測位置の検出におけるパターン検出の結果、ＵＯパターン（図７（ｂ）参照）とされたとき、隠れる直前の脚部Ｆが立脚状態であった場合には速度ｖ_stで移動しているものとする一方、遊脚状態であった場合にはｖ_sw（但し、ｖ_sw＞ｖ_st）で移動しているものとし、ゲートＧの範囲を拡大する。

以上の処理より，追跡する脚部ＦをゲートＧ内に含有した上で、脚部Ｆ以外の脚部観測位置ｙ_ｋが含有されることを極力防ぎ、これにより、左右の脚部Ｆ_Ｒ，Ｆ_Ｌや介添人５の脚部を誤識別することが低減される。つまり、ゲートＧの範囲を変化させることにより、杖や介添人５等による誤検出を軽減することが可能となる。例えば図５（ｃ）に示す例では、被験者１が使用する杖の位置が脚部観測位置ｙ’_ｋとして検出された場合でも、この脚部観測位置ｙ’_ｋが脚部位置Ｐ_ｋとして特定されてしまうのを回避できる。また、脚部Ｆが一時的に観測不能な場合にも，刻々とゲートＧの範囲を拡大することにより、脚部Ｆが観測可能な状態に復帰したときに該脚部Ｆを好適にトレースできる。

次に、上記Ｓ１〜Ｓ６の後、着床位置取得部２６により、立脚期の際に最も早さが小さくなった時刻を着床時刻（図８中の大きい黒丸印を参照）として求め、着床時刻における脚部位置Ｐ_ｋを着床位置として取得する（Ｓ７）。続いて、取得した複数の着床位置の全てについて、ステップ判定部２７により、被験者１が指定されたターゲット２（図２参照）を正しく踏んだか否かを判定する（Ｓ８）。

図９（ａ）は、ステップ判定により用いられる脚部モデルを示す図であり、図９（ｂ）はステップ判定におけるステップ判定領域を示す図である。上記Ｓ８では、図９に示すように、高齢者の身体データの平均値に基づく脚部モデル４０を作成し、取得した着床位置に該脚部モデル４０を設定すると共に、指定された色のターゲット２に対しステップ判定領域４１を設定する。そして、脚部モデル４０が設定された着床位置がステップ判定領域４１内に含まれる場合、ターゲット２を正しく踏んだと判定する。

続いて、取得した複数の着床位置の全てについて、クロスステップ検出部２８により被験者１のクロスステップを検出する（Ｓ９）。具体的には、以下に説明するように、遊脚状態の脚部Ｆが弧を描くように立脚状態の脚部Ｆを回避しながら移動した場合、クロスステップの検出を行う。

図１０は、クロスステップ検出の一例を説明するための図である。図１０中においては、上側が進行方向とされ、脚部位置Ｐ_ｋが黒丸印で表され、脚部位置Ｐ_ｋのうち着床位置が大きい黒丸印で表されている。図１０に示すように、右脚部Ｆ_Ｒが着床位置５１に着床した場合、一時刻前の右脚部Ｆ_Ｒの着床位置５０を原点とし、着床位置５１をｘ軸にとるｘｙ座標系を定義し、着床位置５０，５１を通るように延びる着床ライン５２を設定する。

また、着床ライン５２に平行で且つ着床ライン５２から右脚部Ｆ_Ｒの内側（ｙ軸方向の負側，図示左側）に所定距離ｗ_ｃだけ離れる第１基準ライン５３を設定する。これと共に、着床ライン５２に平行で且つ着床ライン５２から右脚部Ｆ_Ｒの外側（ｙ軸方向の正側、図示右側）に所定距離ｗ_ｃだけ離れる第２基準ライン５４を設定する。なお、ｗ_ｃは閾値であって、被験者１の脚部Ｆの太さｗを考慮して、ｗ_ｃ＝ｗ／２としている。

そして、図示する状態のように、左脚部Ｆ_Ｌにおける着床位置５５が、第１基準ライン５３よりも右脚部Ｆ_Ｒの外側に位置したときにおいて、右脚部Ｆ_Ｒについての着床位置５０，５１間における脚部位置Ｐ_ｋの軌跡６０の一部が、第２基準ライン５４よりも右脚部Ｆ_Ｒの外側に位置している場合、左右の脚部Ｆ_Ｒ，Ｆ_Ｌが交差したとしてクロスステップを検出する。

以上により、電子制御装置２０による処理が終了し、その後、被験者１の歩行特性の計測結果、ステップ判定結果及びクロスステップ検出結果がモニタ３０に表示され、被験者１にフィードバックされることとなる。

ところで、ゲートＧの範囲が大きいと、脚部Ｆの急激な速度変化にも対応可能であるが、この場合、杖や介添人５（図２参照）の脚部等もゲートＧ内に含有されてしまい、相関処理が複雑になることがあり、誤検出が生じるおそれが高くなる。一方で，ゲートＧの範囲が小さいと、ゲートＧ内に脚部観測位置ｙ_ｋが含有され難くなるために誤検出が生じる可能性は低いものの、脚部Ｆの急激な速度変化に対応できない場合がある。

この点、本実施形態の歩行計測システム１００では、上述したように、脚部位置Ｐ_ｋを特定する際の相関処理（上記Ｓ３）で設定されるゲートＧの範囲を、被験者１の脚部Ｆの状態に応じて変化させることができる。これにより、検出された脚部観測位置ｙ_ｋの信頼度が脚部Ｆの状態に応じて異なることを考慮でき、脚部Ｆの状態の違いに起因して脚部位置Ｐ_ｋを精度よく特定できないことを抑制できる。つまり、歩行における特徴を生かし、クロスステップ等による脚部Ｆの隠れや、介添人５及び杖等が二次元平面距離情報に含まれることに好適に対応することができ、脚部位置Ｐ_ｋを精度よくトレースすることが可能となる。

また、脚部Ｆが遊脚状態のときには、ゲートＧの範囲を脚部Ｆの急加速に対応させる必要性が高く、脚部観測位置ｙ_ｋに脚部Ｆが存在するという信頼度が低くなる。一方、脚部Ｆが立脚状態のときには、ゲートＧの範囲を脚部Ｆの急加速に対応させる必要性が低く、脚部観測位置の信頼度が高くなる。よって、本実施形態では、上述したように、脚部Ｆが遊脚状態又は立脚状態の何れであるかを判定し、そして、脚部Ｆが遊脚状態のゲートＧ１の範囲を、脚部Ｆが立脚状態と判定されたときのゲートＧ２の範囲に比べて大きくなるように変化させている。これにより、立脚期と遊脚期との脚部Ｆの動きの特徴を生かし、脚部位置Ｐ_ｋを精度よくトレースすることが可能となる。

また、検出される脚部観測位置ｙ_ｋの信頼度は、脚部Ｆの速度に応じて異なり、脚部Ｆの速度が大きいほど低下するという知見が見出される。そこで、本実施形態では、上述したように、脚部Ｆの速度が大きくなるに連れて大きくなるようにゲートＧの範囲を変化させており、これにより、脚部Ｆの速度に係る当該知見を考慮して脚部観測位置ｙ_ｋを精度よくトレースすることが可能となる。

また、レーザレンジセンサ１０に対して一方の脚部Ｆが他方の脚部Ｆ等に隠れたとき、この一方の脚部Ｆは、隠れている間にも移動している可能性があり、その後に現れた時点（レーザレンジセンサ１０により観察可能になった時点）で大きい速度を有している場合がある。この点、本実施形態では、上述したように、脚部Ｆの隠れた状態が継続するに連れて、該脚部ＦのゲートＧの範囲を大きくなるように変化させている。これにより、例えば、隠れた脚部Ｆが大きい速度を有して現れた場合でも、この脚部Ｆの脚部位置Ｐ_ｋを精度よく特定することができる。すなわち、脚部Ｆが隠れた場合を好適に考慮して脚部位置Ｐ_ｋを精度よくトレースすることが可能となる。

また、通常、直進の歩行訓練のクロスステップ検出を行う場合、被験者１がゴール方向を向いて移動している場合には、左右の脚部Ｆ_Ｒ，Ｆ_Ｌの着床位置の座標による判定を行えばよい。しかし、体の向き自体をゴール方向ではなく次のターゲット２の方向に向けて移動する場合、着床位置だけではクロスステップを検出することは困難である。

そこで、本実施形態では、上述したように、一方の脚部Ｆにおける複数の着床位置のうち互いに最も近い一対の着床位置５０，５１から着床ラインＬ０、第１及び第２基準ラインＬ１，Ｌ２を設定している。そして、他方の脚部Ｆにおける着床位置５５が、第１基準ラインＬ１よりも一方の脚部Ｆの外側に位置したときにおいて、一方の脚部Ｆについての着床位置５０，５１間の脚部位置Ｐ_ｋの軌跡の一部が、第２基準ラインＬ２よりも一方の脚部Ｆの外側に位置する場合、クロスステップを検出している。

これにより、クロスステップの際の特徴的な傾向、すなわち、クロスステップ時には、一方の脚部Ｆの着床位置が所定位置に位置し、この一方の脚部Ｆを他方の脚部Ｆが弧を描くように回避しつつ移動するという傾向を好適に利用することができ、その結果、クロスステップを精度よく検出することが可能となる。

また、本実施形態では、上述したように、被験者１の脚部Ｆの太さｗに関する脚部情報を記憶部２９に記憶しており、二次元距離情報から検出したエッジ位置Ｅ及び脚部Ｆの太さから脚部観測位置ｙ_ｋを検出している。これにより、例えば、他方の脚部Ｆや杖等の影響によって一方の脚部Ｆの中心位置がレーザレンジセンサ１０から直接観測できない状態(上記ＦＳＵパターン等の状態)であっても、脚部観測位置ｙ_ｋを精度よく検出することができる。

また、本実施形態では、上述したように、被験者１の脛部の高さに対応する高さ位置においてレーザ光Ｌが出射されるようにレーザレンジセンサ１０が設置されている。これにより、被験者１の脛部を基準に脚部位置Ｐ_ｋを特定することができる。その結果、例えばつま先部に比べ脛部の速度は安定しており速度変動が急峻でないことから、脚部位置Ｐ_ｋを安定して好適にトレースすることができる。

また、本実施形態では、上述したように、被験者１の前方側からレーザ光Ｌが出射されるようにレーザレンジセンサ１０が設置されている。これにより、例えばレーザ光Ｌの出射方向から見て一方の脚部Ｆが他方の脚部Ｆに隠れる場合、この一方の脚部Ｆは立脚状態となり易い。よって、隠れた脚部Ｆにについて、その急加速に対応させる必要性を低減でき、脚部観測位置ｙ_ｋの信頼度を高めることができる。

図１１は歩行計測システムにより計測された脚部位置のトレース結果の例を示す図であり、図１２は図１１中の丸枠内の拡大図である。図１２（ａ）は一の時刻における状態を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）で示す状態より所定時間経過後における状態を示している。

図１１及び図１２（ａ）に示すように、右脚部Ｆ_Ｒの脚部観測位置ｙ_ｋが右脚部Ｆ_ＲのゲートＧ１から外れているが、左脚部Ｆ_Ｌは立脚期であるため、ゲートＧ２の範囲は小さく、ゲートＧ２には右脚部Ｆ_Ｒの脚部観測位置ｙ_ｋは含まれない。よって，左脚部Ｆ_ＬはゲートＧ２内において左脚部Ｆ_Ｌの脚部観測位置ｙ_ｋと対応付けることができ、右脚部Ｆ_Ｒについては、脚部予測位置ｙ＾_ｋを用いてメモリトラッキングによる移動を行いながらゲートＧ１の範囲を拡大し、図１２（ｂ）に示すように、所定時間経過後には、ゲートＧ１内に脚部観測位置ｙ_ｋを検出できる。これにより、精度よいトレースを実現することが可能となっている。

図１３は、歩行計測システムにより計測された脚部位置のトレース結果の他の例を示す図である。図１３に示す結果において、ターゲット２のステップ判定をビデオカメラにより判定した場合には、ターゲット２が正しく踏まれた回数が４１４回であったところ、本実施形態の上記ステップ判定により判定した場合には、４１０回であった。これにより、９９％（４１０／４１４）という高い精度でステップ判定が可能となることを確認することができた。

また、図１３に示す結果において、クロスステップ検出をビデオカメラによる解析で行った場合には、１９回のクロスステップが検出されたところ、本実施形態の上記クロスステップ検出では、１５回のクロスステップを検出することができた。また、本実施形態では、誤ってクロスステップを検出することはなかった。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、上記実施形態では、歩行計測システム１００をＭＴＳＴおける歩行特性の計測に適応したが、これに限定されず、その他の種々の歩行訓練等における歩行特性の計測に適応することができる。また、上記実施形態では、ゲートＧを脚部予測位置ｙ＾_ｋを中心とする円形に設定したが、ゲートＧは脚部予測位置ｙ＾_ｋを基準に設定されていればよく、また、円形以外のその他の形状に設定されていてもよい。

また、上記実施形態では、脚部Ｆの立脚、遊脚、速さ及び隠れに応じてゲートＧの範囲を可変したが、これら少なくとも１つに応じてゲートＧの範囲を可変してもよいし、その他の脚部Ｆの状態に応じてゲートＧの範囲を可変してもよい。

また、上記実施形態では、クロスステップ検出において、第１及び第２基準ライン５３，５４を着床ライン５２から共に所定距離ｗ_ｃだけ離れるように設定したが、これに限定されるものではない。第１基準ライン５３が着床ライン５２から離れる第１所定距離と、第２基準ライン５４が着床ライン５２から離れる第２所定距離とは、互いに等しくなくてもよいし、その他の閾値であってもよい。

また、上記実施形態では、歩行計測システム１００を用いて歩行特性を計測する場合、上記Ｓ１〜上記Ｓ６をリアルタイム処理で実施した後、上記Ｓ７〜上記Ｓ９を非リアルタイム処理で実施しているが、これに限定されるものではない。上記Ｓ１〜上記Ｓ６を非リアルタイム処理で実施してもよいし、また、上記Ｓ７〜上記Ｓ９をリアルタイム処理で実施してもよい。

なお、上記実施形態では、遊脚状態の脚部ＦのゲートＧ１の範囲を、立脚状態の脚部ＦのゲートＧ２の範囲に比べて大きくなるように変化させたが、場合によっては、立脚状態の脚部ＦのゲートＧ２の範囲を、遊脚状態の脚部ＦのゲートＧ１の範囲に比べて小さくなるように変化させてもよい。上記において、着床位置取得部２６及びクロスステップ検出部２８が、特許請求の範囲のクロスステップ検出手段を構成する。

１０…レーザレンジセンサ（距離情報取得手段）、２０…電子制御装置（脚部位置特定手段）、２１…観測位置検出部、２２…予測位置算出部、２３…相関処理部、２３ａ…ゲート設定部、２３ｂ…対応付け部、２５…立脚遊脚判定部、２６…着床位置取得部（クロスステップ検出手段）、２８…クロスステップ検出部（クロスステップ検出手段）、２９…記憶部、１００…歩行計測システム、Ｆ…脚部、Ｆ_Ｌ…左脚部（脚部）、Ｆ_Ｒ…右脚部（脚部）、Ｌ…レーザ光（検出波）。

Claims (8)

1. 水平方向に沿って走査するように検出波を出射し、該検出波の反射状態に基づいて該検出波を反射した物体との距離に関する距離情報を経時的に取得する距離情報取得手段と、
   前記距離情報取得手段で取得された前記距離情報に少なくとも基づいて、被験者の脚部位置を経時的に特定する脚部位置特定手段と、を備え、
   前記脚部位置特定手段は、
   前記距離情報に少なくとも基づき前記脚部位置の観測値である脚部観測位置を検出する観測位置検出部と、
   過去の時刻の前記脚部位置に少なくとも基づき前記脚部位置の予測値である脚部予測位置を算出する予測位置算出部と、
   前記脚部観測位置及び前記脚部予測位置の相関処理を行って前記脚部位置を特定する相関処理部と、を有し、
   前記相関処理部は、
   前記脚部予測位置を基準に所定範囲に拡がるゲートを設定するゲート設定部と、
   前記脚部観測位置が前記ゲート内に存在するとき、該脚部観測位置を前記脚部位置として対応付ける対応付け部と、を含んでおり、
   前記ゲート設定部は、前記ゲートの範囲を前記被験者の脚部の状態に応じて変化させる、ことを特徴とする歩行計測システム。
2. 前記脚部位置特定手段は、前記被験者の脚部が遊脚状態又は立脚状態の何れであるかを判定する立脚遊脚判定部をさらに有しており、
   前記ゲート設定部は、前記脚部が遊脚状態と判定されたときの前記ゲートの範囲を、前記脚部が立脚状態と判定されたときの前記ゲートの範囲に比べて大きくなるように変化させる、ことを特徴とする請求項１記載の歩行計測システム。
3. 前記ゲート設定部は、前記ゲートの範囲を、前記被験者の脚部の速度が大きくなるに連れて大きくなるように変化させる、ことを特徴とする請求項１又は２記載の歩行計測システム。
4. 前記ゲート設定部は、前記検出波の出射方向から見て前記被験者の一方の脚部が隠れた状態である場合、前記一方の脚部に係る前記ゲートの範囲を、当該隠れた状態が継続するに連れて大きくなるように変化させる、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記の歩行計測システム。
5. 前記脚部位置特定手段で特定された前記脚部位置に少なくとも基づいて、前記被験者における一方及び他方の脚部が互いに交差した状態であるクロスステップを検出するクロスステップ検出手段をさらに備え、
   前記クロスステップ検出手段は、
   複数の前記脚部位置の中から複数の着床位置を特定し、
   前記一方の脚部における複数の前記着床位置のうち互いに最も近い一対の着床位置を通る着床ラインを設定し、
   前記着床ラインに平行で、且つ前記着床ラインから前記一方の脚部の内側に第１所定距離離れる第１基準ラインを設定すると共に、
   前記着床ラインに平行で、且つ前記着床ラインから前記一方の脚部の外側に第２所定距離離れる第２基準ラインを設定し、
   前記他方の脚部における前記着床位置が、前記第１基準ラインよりも前記一方の脚部の外側に位置したときにおいて、前記一方の脚部についての前記一対の着床位置間における前記脚部位置の軌跡の一部が、前記第２基準ラインよりも前記一方の脚部の外側に位置している場合、前記クロスステップを検出する、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の歩行計測システム。
6. 前記脚部位置特定手段は、前記被験者の脚部の太さに関する脚部情報が記憶された記憶部をさらに有し、
   前記観測位置検出部は、前記距離情報から前記脚部のエッジ位置を検出し、前記エッジ位置及び前記脚部情報から前記脚部観測位置を検出する、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載の歩行計測システム。
7. 前記距離情報取得手段は、前記被験者の脛部の高さに対応する高さ位置において前記検出波が出射されるように設置されている、ことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項記載の歩行計測システム。
8. 前記距離情報取得手段は、前記被験者の前方側から前記検出波が出射されるように設置されている、ことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項記載の歩行計測システム。

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