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人の姿勢動作判別装置およびエネルギー消費量算出装置

国内特許コード P07A013267
整理番号 NUBIC-2005010064
掲載日 2008年3月14日
出願番号 特願2006-194381
公開番号 特開2007-160076
登録番号 特許第5120795号
出願日 平成18年7月14日(2006.7.14)
公開日 平成19年6月28日(2007.6.28)
登録日 平成24年11月2日(2012.11.2)
優先権データ
  • 特願2005-330902 (2005.11.15) JP
発明者
  • 杉本 隆夫
出願人
  • 学校法人日本大学
発明の名称 人の姿勢動作判別装置およびエネルギー消費量算出装置
発明の概要

【課題】人体に装着した3軸加速度センサを用いて、その人が立位、座位、臥位、走行、歩行、階段上昇、階段下降、転倒のいずれの状態にあるかを正確に判別できる人の姿勢動作判別装置を提供すること。
【解決手段】人体にX方向が前後、Y方向が左右、Z方向が上下となるように装着した加速度検出手段を用いて姿勢動作状態を判別する人の姿勢動作判別装置において、互いに直交するX方向の加速度、Y方向の加速度およびZ方向の加速度を検出する加速度検出手段と、検出したZ方向の加速度からZ方向の姿勢成分を演算する手段と、検出した3方向の加速度から3方向の加速度の合成加速度の運動成分の平均値を演算する手段と、演算したZ方向の姿勢成分と3方向の加速度の合成加速度の運動成分の平均値から姿勢状態と動作状態のいずれの状態にあるかを判別する第1の判別手段を備えることを特徴とする人の姿勢動作判別装置。
【選択図】図2

従来技術、競合技術の概要


少子高齢化が急速に進み、特に高齢者の介護は社会問題化している。要介護者の中には、外出すると行方不明になったり急に倒れたりするおそれがあるため、外出時に付添いの必要な人達がいる。また、現在は介護不要であっても身体の衰え等により自由な行動に自信が持てず、家に引きこもりがちな人達もいる。後者は要介護予備軍といわれ、近い将来に介護負担増につながる人達である。このような人達が一人で外出し自由に行動できるようにして生きる喜びを持たせ、特に後者の人達が再び社会に貢献できるようにすることは社会的な責務である。そのためには、プライバシーを保護しつつ人の動作状態を監視し、危険な状態になったときには直ちに救援に駆けつけることができるシステムを構築する必要がある。



このようなシステムは従来から提案されており、人体の腰部に2軸加速度計を装着し、人の体軸方向および前後方向の加速度変化から、その人が立っているか、座っているか、臥しているか、歩行しているか、電車、自動車、自転車に乗車しているか等を判定する技術が示されている(例えば、非特許文献1参照)。また、3軸加速度計を装着して、上下方向、前後方向、横方向の直交3軸の加速度変化から、歩行、走行、立位静止、転倒の各状態を判定する技術が示されている(例えば、特許文献1参照)。しかし、上記文献の技術では人の具体的な動作状態、特に安定状態なのか危険状態なのかを精度よく判定できず、信頼性に問題が残されていた。



さらに、我が国における死因の6割以上となる生活習慣病についても迅速な対応が求められている。特に40歳代から50歳代のいわゆる働き盛りの世代においては悪性新生物、心疾患、脳血管疾患、糖尿病といった生活習慣病対策が重要であるが、これまで我が国における生活習慣病対策としては早期発見、早期治療を目指す二次予防に力が注がれてきた。生活習慣病の多くは無自覚なまま病態が進行し、気がついたときには脳卒中や心筋梗塞などの重篤な症状発作を起こし、その結果生活の質の低下をもたらすことが極めて重大な問題となる。そこで、近年においては生活習慣を変えることで疾病の発症・進行を防止することが期待されており、健康増進・発症予防を目的とする一次予防の考え方が重視されるようになっている。生活習慣の改善とは、家庭における食生活や運動習慣の改善などを意味し、運動習慣については早足歩行などの無理のない運動を毎日の生活習慣としていくことが理想とされている。そして、これを実現するためには身体活動量ないしはエネルギー消費量の正確な把握が欠かせない。



日常生活における身体活動量を測定しようとする技術、特に加速度センサを用いた技術については、従来から種々の方法や装置が提案されている。例えば、検出した加速度から被験者の運動質量の力積MVを求め、求めた力積から消費カロリーを計算する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。しかし、足が地面に接地する際に発生する加速度の大きさは無視することができないため、加速度センサで検出した加速度を積分することによって得られる速度Vには大きな誤差が含まれる。このため、運動質量の力積MVにも大きな誤差が生じて精度の高いカロリー計算を得ることは期待できない。また、加速度センサにより体動を検出して運動成分を求め、求めた運動成分から消費カロリーを計算する方法が提案されているが(例えば、特許文献3参照)、この方法では階段昇降の判別が困難である。したがって、運動形態と消費されるエネルギーとの間には密接な関係があるところ、運動形態を正確に判別できない方法では精度の高いカロリー計算を行うことはできない。

【非特許文献1】日本機械学会誌1996Vol.101No.950p14~16

【特許文献1】特開平10-295649号公報

【特許文献2】特開2001-258870号公報

【特許文献3】特開2004-141669号公報

産業上の利用分野


本発明は人の姿勢動作判別装置に関し、特に人体に装着した3軸加速度センサを用いて、その人が立位、座位、臥位、走行、歩行、階段上昇、階段下降、転倒のいずれの状態にあるかを判別する人の姿勢動作判別装置に関する。
さらには、本発明はエネルギー消費量算出装置に関し、特に人体に装着した3軸加速度センサを用いて、その人が立位、座位、臥位、走行、歩行、階段上昇、階段下降のいずれの状態にあるかを判別し、当該姿勢動作状態に応じたエネルギー消費量を算出するエネルギー消費量算出装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
人体にX方向が前後、Y方向が左右、Z方向が上下となるように装着した加速度検出手段を用いて姿勢動作状態を判別する人の姿勢動作判別装置において、
互いに直交するX方向の加速度G、Y方向の加速度GおよびZ方向の加速度Gを検出する加速度検出手段と、
検出したZ方向の加速度GからZ方向の姿勢成分GSZを演算する手段と、
検出した3方向の加速度から3方向の加速度の合成加速度の運動成分の平均値GMXYZAVEを演算する手段と、
演算したZ方向の姿勢成分GSZと所定の閾値を比較することにより臥位とそれ以外の姿勢動作状態とを判別し、演算した3方向の加速度の合成加速度の運動成分の平均値GMXYZAVEと所定の閾値を比較することにより立位、座位からなる姿勢状態とそれ以外の動作状態とを判別し、これにより立位、座位、臥位からなる姿勢状態と走行、歩行、階段上昇、階段下降、転倒からなる動作状態のいずれの状態にあるかを判別する第1の判別手段を備えることを特徴とする人の姿勢動作判別装置。

【請求項2】
検出したX方向の加速度GからX方向の姿勢成分GSXを演算する手段と、
演算したX方向の姿勢成分GSXとZ方向の姿勢成分GSZが、立位、座位、臥位とX方向の姿勢成分GSXおよびZ方向の姿勢成分GSZの関係を示す分布図のどの領域に位置するかにより、立位、座位、臥位のいずれの姿勢状態にあるかを判別する第2の判別手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の人の姿勢動作判別装置。

【請求項3】
検出したZ方向の加速度GからZ方向の姿勢成分の変化量ΔGSZを演算する手段と、
検出したX方向の加速度GとY方向の加速度GからX方向とY方向の加速度の合成加速度GXYを演算する手段と、
演算したX方向とY方向の加速度の合成加速度GXYおよびZ方向の姿勢成分の変化量ΔGSZの各々について所定の閾値と比較することにより、走行、歩行、階段上昇、階段下降からなる通常動作と転倒からなる危険動作のいずれの動作状態にあるかを判別する第3の判別手段を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の人の姿勢動作判別装置。

【請求項4】
演算した3方向の加速度の合成加速度の運動成分の平均値GMXYZAVEと所定の閾値を比較することにより、走行とそれ以外の通常動作のいずれの動作状態にあるかを判別する第4の判別手段を備えることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の人の姿勢動作判別装置。

【請求項5】
検出したX方向の加速度GからX方向の運動成分の平均値GMXAVEを演算する手段と、
検出したY方向の加速度Gの周波数スペクトルを解析する周波数解析手段と、
当該周波数解析手段により解析されたY方向の加速度の周波数スペクトルのピークパワー値Sを検出する手段と、
検出したZ方向の加速度GからZ方向の運動成分の平均値GMZAVEを演算する手段と、
演算したX方向の姿勢成分GSX、X方向の運動成分の平均値GMXAVE、Z方向の運動成分の平均値GMZAVEおよびピークパワー値Sの各々に予め定めた所定の係数を乗じて和を採った演算結果Z1、Z2が、歩行、階段上昇、階段下降とZ1、Z2の関係を示す分布図のどの領域に位置するかにより、歩行、階段上昇、階段下降のいずれの通常動作状態にあるかを判別する第5の判別手段を備えることを特徴とする請求項4に記載の人の姿勢動作判別装置。

【請求項6】
検出したX方向の加速度GからX方向の運動成分の平均値GMXAVEを演算する手段と、
検出した3方向の加速度の周波数スペクトルを解析する周波数解析手段と、
当該周波数解析手段により解析された3方向のパワースペクトルからY方向とZ方向の基本周波数のパワースペクトル値YMAXとZMAXを演算する手段と、
演算したX方向の姿勢成分GSX、X方向の運動成分の平均値GMXAVE、パワースペクトル値YMAXおよびZMAXを入力として予め定めた各動作状態のメンバーシップ関数を用いて予め定めたファジィルールに従うファジィ推論を行い、各ルールのメンバーシップ関数の論理和の重心をとることにより、歩行、階段上昇、階段下降のいずれの通常動作状態にあるかを判別する第6の判別手段を備えることを特徴とする請求項4に記載の人の姿勢動作判別装置。

【請求項7】
さらに、前記周波数解析手段により解析された3方向のパワースペクトルから歩行率Rを演算する手段を備え、
前記第6の判別手段が、歩行率Rに対応した予め定めた各動作状態のメンバーシップ関数を用いて予め定めたファジィルールに従うファジィ推論を行い、各ルールのメンバーシップ関数の論理和の重心をとることにより、歩行、階段上昇、階段下降のいずれの通常動作状態にあるかを判別することを特徴とする請求項6に記載の人の姿勢動作判別装置。

【請求項8】
さらに、加速度検出手段を装着した人が歩行、階段上昇、階段下降のいずれの通常動作状態にあるかを入力する動作状態入力手段と、
入力された真の動作状態と、入力されたX方向の姿勢成分GSX、X方向の運動成分の平均値GMXAVE、パワースペクトル値YMAXおよびZMAXに基づいて、予め定めた各動作状態のメンバーシップ関数を書き換えるメンバーシップ関数学習手段を備えることを特徴とする請求項6または7に記載の人の姿勢動作判別装置。

【請求項9】
前記判別手段による判別結果を装置本体の外部に設置した外部機器に送信する無線通信手段を備えることを特徴とする請求項1~8のいずれか1項に記載の人の姿勢動作判別装置。

【請求項10】
人体にX方向が前後、Y方向が左右、Z方向が上下となるように装着した加速度検出手段を用いて立位、座位、臥位、走行、歩行、階段上昇、階段下降からなる姿勢動作状態を判別し、当該姿勢動作状態に応じたエネルギー消費量を算出するエネルギー消費量算出装置において、
立位、座位、臥位における基礎代謝量および走行、歩行、階段上昇、階段下降における歩行率とエネルギー消費量との相関関係を示す回帰式を記憶する回帰式記憶手段と、
互いに直交するX方向の加速度G、Y方向の加速度GおよびZ方向の加速度Gを検出する加速度検出手段と、
検出したX方向の加速度GからX方向の姿勢成分GSXおよびX方向の運動成分の平均値GMXAVEを演算する手段と、
検出したZ方向の加速度GからZ方向の姿勢成分GSZおよびZ方向の運動成分の平均値GMZAVEを演算する手段と、
検出した3方向の加速度の周波数スペクトルを各々解析する周波数解析手段と、
当該周波数解析手段により解析されたY方向の加速度の周波数スペクトルのピークパワー値Sを検出する手段と、
前記周波数解析手段により解析されたX方向の加速度の周波数スペクトルのピーク周波数とZ方向の加速度の周波数スペクトルのピーク周波数を検出するピーク周波数検出手段と、
検出したX方向の加速度の周波数スペクトルのピーク周波数とZ方向の加速度の周波数スペクトルのピーク周波数から歩行率Rを検出する手段と、
検出した3方向の加速度から3方向の加速度の合成加速度の運動成分の平均値GMXYZAVEを演算する手段と、
演算したZ方向の姿勢成分GSZと所定の閾値を比較することにより臥位とそれ以外の姿勢動作状態とを判別し、演算した3方向の加速度の合成加速度の運動成分の平均値GMXYZAVEと所定の閾値を比較することにより立位、座位からなる姿勢状態とそれ以外の動作状態とを判別し、これにより立位、座位、臥位からなる姿勢状態と走行、歩行、階段上昇、階段下降からなる動作状態のいずれの状態にあるかを判別する第1の判別手段と、
演算したX方向の姿勢成分GSXとZ方向の姿勢成分GSZが、立位、座位、臥位とX方向の姿勢成分GSXおよびZ方向の姿勢成分GSZの関係を示す分布図のどの領域に位置するかにより、立位、座位、臥位のいずれの姿勢状態にあるかを判別する第2の判別手段と、
演算した3方向の加速度の合成加速度の運動成分の平均値GMXYZAVEと所定の閾値を比較することにより、走行とそれ以外の通常動作のいずれの通常動作状態にあるかを判別する第3の判別手段と、
演算したX方向の姿勢成分GSX、X方向の運動成分の平均値GMXAVE、Z方向の運動成分の平均値GMZAVEおよびピークパワー値Sの各々に予め定めた所定の係数を乗じて和を採った演算結果Z1、Z2が、歩行、階段上昇、階段下降とZ1、Z2の関係を示す分布図のどの領域に位置するかにより、歩行、階段上昇、階段下降のいずれの通常動作状態にあるかを判別する第4の判別手段と、
前記判別手段による判別結果にしたがって適用すべき基礎代謝量または回帰式を選択する回帰式選択手段と、
選択された基礎代謝量または回帰式に基づいて姿勢動作状態に応じたエネルギー消費量を算出するエネルギー消費量算出手段を備えることを特徴とするエネルギー消費量算出装置。

【請求項11】
人体にX方向が前後、Y方向が左右、Z方向が上下となるように装着した加速度検出手段を用いて立位、座位、臥位、走行、歩行、階段上昇、階段下降からなる姿勢動作状態を判別し、当該姿勢動作状態に応じたエネルギー消費量を算出するエネルギー消費量算出装置において、
立位、座位、臥位における基礎代謝量および走行、歩行、階段上昇、階段下降における歩行率とエネルギー消費量との相関関係を示す回帰式を記憶する回帰式記憶手段と、
互いに直交するX方向の加速度G、Y方向の加速度GおよびZ方向の加速度Gを検出する加速度検出手段と、
検出したX方向の加速度GからX方向の姿勢成分GSXおよびX方向の運動成分の平均値GMXAVEを演算する手段と、
検出したZ方向の加速度GからZ方向の姿勢成分GSZを演算する手段と、
検出した3方向の加速度の周波数スペクトルを各々解析する周波数解析手段と、
当該周波数解析手段により解析された3方向のパワースペクトルからY方向とZ方向の基本周波数のパワースペクトル値YMAXとZMAXを演算する手段と、
前記周波数解析手段により解析された3方向のパワースペクトルから歩行率Rを演算する手段と、
検出した3方向の加速度から3方向の加速度の合成加速度の運動成分の平均値GMXYZAVEを演算する手段と、
演算したZ方向の姿勢成分GSZと所定の閾値を比較することにより臥位とそれ以外の姿勢動作状態とを判別し、演算した3方向の加速度の合成加速度の運動成分の平均値GMXYZAVEと所定の閾値を比較することにより立位、座位からなる姿勢状態とそれ以外の動作状態とを判別し、これにより立位、座位、臥位からなる姿勢状態と走行、歩行、階段上昇、階段下降からなる動作状態のいずれの状態にあるかを判別する第1の判別手段と、
演算したX方向の姿勢成分GSXとZ方向の姿勢成分GSZが、立位、座位、臥位とX方向の姿勢成分GSXおよびZ方向の姿勢成分GSZの関係を示す分布図のどの領域に位置するかにより、立位、座位、臥位のいずれの姿勢状態にあるかを判別する第2の判別手段と、
演算した3方向の加速度の合成加速度の運動成分の平均値GMXYZAVEと所定の閾値を比較することにより、走行とそれ以外の通常動作のいずれの動作状態にあるかを判別する第3の判別手段と、
演算したX方向の姿勢成分GSX、X方向の運動成分の平均値GMXAVE、パワースペクトル値YMAXおよびZMAXを入力として歩行率Rに対応した予め定めた各動作状態のメンバーシップ関数を用いて予め定めたファジィルールに従うファジィ推論を行い、各ルールのメンバーシップ関数の論理和の重心をとることにより、歩行、階段上昇、階段下降のいずれの通常動作状態にあるかを判別する第5の判別手段と、
前記判別手段による判別結果にしたがって適用すべき基礎代謝量または回帰式を選択する回帰式選択手段と、
選択された基礎代謝量または回帰式に基づいて姿勢動作状態に応じたエネルギー消費量を算出するエネルギー消費量算出手段を備えることを特徴とするエネルギー消費量算出装置。

【請求項12】
さらに、加速度検出手段を装着した人が歩行、階段上昇、階段下降のいずれの通常動作状態にあるかを入力する動作状態入力手段と、
入力された真の動作状態と、入力されたX方向の姿勢成分GSX、X方向の運動成分の平均値GMXAVE、パワースペクトル値YMAXおよびZMAXに基づいて、予め定めた各動作状態のメンバーシップ関数を書き換えるメンバーシップ関数学習手段を備えることを特徴とする請求項11に記載のエネルギー消費量算出装置。

【請求項13】
算出したエネルギー消費量を一定時間毎に順次記憶する消費量記憶手段と、
算出したエネルギー消費量を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項10~12のいずれか1項に記載のエネルギー消費量算出装置。

【請求項14】
算出したエネルギー消費量を積算する手段と、
積算したエネルギー消費量を記憶する積算消費量記憶手段と、
積算したエネルギー消費量を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項10~13のいずれか1項に記載のエネルギー消費量算出装置。

【請求項15】
立位、座位、臥位における基礎代謝量または走行、歩行、階段上昇、階段下降における歩行率とエネルギー消費量との相関関係を示す回帰式を入力する回帰式入力手段を備えることを特徴とする請求項10~14のいずれか1項に記載のエネルギー消費量算出装置。
産業区分
  • 治療衛生
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2006194381thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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