衝撃発電素子を用いた無電源ウェアラブル行動認識技術の確立

• Project/Area Number: 21K17790
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 61020:Human interface and interaction-related
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 大西 鮎美 神戸大学, 工学研究科, 助教 (10869142)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: スマートシューズ / 無電源 / 行動認識 / 路面推定 / ウェアラブルコンピューティング / 環境発電 / 発電

Outline of Research at the Start

本研究では，シューズやサポータ，杖といった道具に小型の衝撃発電素子を組み込み，発電素子の発電量や動作の瞬間の発電波形の形状から機械学習によってユーザの行動を推定する，低消費電力で高度なコンテキストを推定可能な無電源行動認識システムを構築する．

Outline of Annual Research Achievements

本年度は，振動発電モジュールが搭載された靴を用いて，着地時の衝撃で発電して得られた発電情報に基づき路面種別を推定し，推定結果を収集するシステムでバッテリなしでの路面種別推定精度を評価した．
本研究では，靴型デバイスの発電により発電情報を送信できる電力が蓄えられると逐次的に情報を送信する手法と約5 歩分の発電情報を連続で計測できるようになるまで電力を蓄えた後，情報を送信する手法の2 つの路面推定のアルゴリズムを提案した．これら2 つの手法を用いて提案システムの路面種別推定精度を評価した結果，前者の手法では，自分自身のデータを学習データに用いて機械学習モデルを構築した場合には高齢者などにとって障害となる路面のうちの4 種類の路面に平地を加えた5 種類の路面を約65%の精度で推定できた．また，後者の手法では，自分自身のデータを学習データに用いて機械学習モデルを構築した場合には高齢者などにとって障害となる路面のうちの6 種類の路面に平地を加えた7 種類の路面を約64%の精度で推定できた．
さらに，実験結果をふまえて，提案システムがどれだけ早くかつ正確にバリアフリーマップを作成できるかを調査するため，マップ作成のシミュレーションを実装した．評価実験の5 人の被験者がそれぞれ1 日に1回，マップ内のある経路を歩行し，歩行する経路は1 日ごとに異なるというシナリオでシミュレーションを行った結果，120 日目には推定結果のマッピング率が約95%になることがわかった．また，路面種別の推定精度は約66%となり，ある程度正確に推定できることがわかった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

路面推定の無電源環境での評価実験は順調に進められ，さらに複数人数分のデータを組合せた際の路面推定精度をシミュレーションで評価できたため，概ね順調である．

Strategy for Future Research Activity

路面推定の実験はある程度当初の目標を達成したため，次年度は，論文化を進める．さらに，トレッドミルで行う発電情報から足裏の圧力推定をする評価実験を進める．

Research Products

• [Journal Article] Push Practice Support System for Field Hockey with Auditory Feedback Using a Stick with Pressure Sensors (2022)
  • Author(s): 岩本宗大, 大西鮎美, 寺田努, 塚本昌彦
  • Journal Title: 情報処理学会論文誌 Volume: 63 Issue: 10 Pages: 1574-1582
  • DOI: 10.20729/00220238
  • ISSN: 1882-7764
  • Year and Date: 2022-10-15
  • Peer Reviewed
• [Presentation] バリアフリーマップ作成のための充電不要な振動発電素子内蔵靴を用いた路面種別 推定手法 (2024)
  • Author(s): 國武勇希, 大西鮎美, 寺田努, 塚本昌彦
  • Organizer: 情報処理学会研究報告(ユビキタスコンピューティング研究会研究報告)
• [Presentation] 充電不要な振動発電素子内蔵靴から得られる発電特徴に基づく路面種別推定手法 (2023)
  • Author(s): 國武勇希, 大西鮎美, 寺田努, 塚本昌彦
  • Organizer: ユ ビキタスウェアラブルワークショップ(UWW2023) 論文集
• [Presentation] A Knee Injury Prevention System by Continuous Knee Angle Recognition using Stretch Sensors (2023)
  • Author(s): Ayumi OHNISHI, Kota KIRINOE, Tsutomu TERADA, and Masahiko TSUKAMOTO
  • Organizer: Proc. of the 21th International Conference on Advances in Mobile Computing and Multimedia (MoMM 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 振動発電素子内蔵靴から得られる発電特徴に基づく路面種別推定手法 (2023)
  • Author(s): 國武勇希, 大西鮎美, 寺田努, 塚本昌彦
  • Organizer: 情報処理学会インタラクション2023 インタラクティブ発表
• [Presentation] 振動発電素子が搭載された靴から得られる発電量に基づく路面種別推定手法 (2022)
  • Author(s): 國武勇希, 大西鮎美, 寺田努, 塚本昌彦
  • Organizer: 情報処 理学会マルチメディア，分散，協調とモバイルシンポジウム(DICOMO 2022)
• [Presentation] バリアフリーマップ作成のための振動発電素子内蔵靴から得られる発電特徴に基づく路面種別推定手法 (2022)
  • Author(s): 國武勇希, 大西鮎美, 寺田努, 塚本昌彦
  • Organizer: ユビキタスウェアラブルワークショップ(UWW2022)
• [Presentation] Sensor-Based Motion Analysis of Paralympic Boccia Athletes (2021)
  • Author(s): Ayumi OHNISHI, Tsutomu TERADA, and Masahiko TSUKAMOTO
  • Organizer: Proc. of the 24-th International Conference on Network-Based Information Systems (NBiS 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 充電不要な発電モジュール搭載靴を用いた発電量に基づく路面状況推定手法 (2021)
  • Author(s): 國武 勇希, 大西 鮎美, 寺田 努, 塚本 昌彦
  • Organizer: ユビキタスウェアラブルワークショップ (UWW2021) 論文集