2017 Fiscal Year Research-status Report
慣性センサ信号に基づく3次元運動時の体重心位置軌跡の推定
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16K12948
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
渡邉 高志 東北大学, 医工学研究科, 教授 (90250696)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 身体重心 / 慣性センサ / 足部位置軌跡 / 角度 / ストライド / 歩行 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
慣性センサによる重心位置軌跡の推定における問題点として，身体部位ベクトルの前額面内成分の誤差，ストライド軌跡の誤差が影響する可能性があったので，身体部位ベクトルの推定精度，及び回転行列の算出方法をストライド長推定において検証して，現段階で最適な方法を決定した．また，体幹部に装着するセンサ数を1個にする場合を含め，運動計測に適したセンサ取り付け位置の検討を行い，体幹部は上部に装着すること，大腿部は側面に装着することで，皮膚や筋の動きによる影響をある程度低減する可能性があることを確認し，それらのセンサ装着位置で検討を進めることにした．下腿部については特に問題は無かったが，実験上の制約から側面に変更することとし，変更後のセンサ装着位置で立位姿勢と歩行動作の計測を行い，その結果から推定した体重心位置軌跡について精度の検討を行った．変更後のセンサ位置の方が推定精度は改善する傾向があったが，体幹部の姿勢の違いが推定精度に影響しやすいという問題も確認された．
身体部位ベクトルの推定方法については，カルマンフィルタによる誤差の補正方法の変更を検討し，精度の改善が可能であることを確認したが，長時間計測では不適切になる場合があることも確認された．通常の計測時間では支障がなかったことから，当面，適用可能な計測時間の範囲で試験を継続することとした．
推定精度に関しては，センサ間の座標系の不整合が関係している可能性も確認されたので，複数センサで計測する場合の信号の校正方法について，これまでに報告された複数の方法を実用性の観点から選択し，剛体モデルを用いて同一条件で実験的に検証して，臨床的利用可能性のある方法を抽出した．しかしながら，足部位置軌跡の推定では，足部ベクトルのさらなる精度向上が必要であり，初期姿勢についてもさらに厳密に規定する必要があることも推測される結果となった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでに，慣性センサ信号による身体重心位置軌跡の推定方法の構築と実装，被験者での動作計測における推定方法の検証と実用的な推定精度の実現に向けた課題の抽出を行い，その解決方法を検討してきた．
今年度は，センサ装着位置や計算方法の改良により，重心位置の推定精度を改善することはできたが，信頼性の高い方法とするためには，推定精度のさらなる向上が必要であることも確認した．これらの評価実験では，本研究での提案方法の適用可能範囲の検討も実施できるように，歩行動作に加え，立位時の動作についても計測して検証を進めてきた．立位時の動作における重心位置推定は比較的良好な結果であったが，歩行動作に対しては，足部位置軌跡の推定精度の改善が重要な課題であると考察された．また，歩行計測において，参照信号としている3次元動作計測装置のマーカの一部で計測が困難な場合も生じたため，慣性センサと参照信号の同時計測方法を再検討してから検証実験を実施することとした．一方，特に体幹部のセンサ装着位置については，初期姿勢に加え，歩行時の姿勢や動作の個人差の影響を受けることが実験結果から考察された．
次に，複数の慣性センサを使用する場合に，推定精度の改善には計測信号の校正が必要であることを確認したため，これまでに報告されている校正方法から実用性を考慮して選択した方法について，剛体モデルを用いて検討を実施した．実験結果では，3次元運動のすべての運動成分を十分な精度で推定するには課題がある方法もあった．
一方，現段階の位置軌跡の推定精度は高くはないため，推定した位置軌跡の利用には課題があるが，重心位置の変化の傾向は捉えられることを確認した．また，特定の重心位置成分であれば，利用可能になることも考察された．これらの結果から，重心位置情報を利用することで，慣性センサによる運動評価の新しい応用も期待できると考えられた．
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| Strategy for Future Research Activity |
歩行時の身体重心位置軌跡の推定精度を改善するためには，足部位置軌跡の推定方法の改善が必要であることが実験結果から考察されたこと，また，参照信号として用いた3次元動作計測装置での計測において足部マーカの計測が歩行時に困難になる場合があったことから，慣性センサと3次元動作計測装置との同時計測実験の方法を再検討し，立位動作や歩行動作を対象に複数被験者での動作計測実験を実施して，クォータニオンを用いた部位ベクトルや足部位置軌跡の推定方法の推定精度を検証する．あわせて，足部位置軌跡推定時の誤差の補正方法についても検討する．さらに，歩行事象タイミングの検出方法の改善が足部位置軌跡の推定精度の改善につながる可能性があるので，センサ信号の特徴点を利用するこれまでの検出方法の改良も検討する．
重心位置の3次元的な軌跡の推定では，複数センサを使用する場合の計測信号の校正方法の確立が必要であることから，今年度の検討結果を踏まえて改良した方法を加えて，被験者での計測実験を通して，校正方法の実用的利用可能性の検証を行う．また，体幹部の姿勢や動作の個人差の影響については，体幹部のセンサを1個に限定する場合には対応が困難であることから，方法の検証段階では動作計測時に条件を設定することや，個人の特徴による場合分けを利用する方法も考慮して検討を進める．
以上のことから，慣性センサによる重心位置推定法の推定精度の改善を進め，リハビリテーションへの応用を想定して，本手法による重心位置推定法の適用可能範囲を検討するとともに，推定した重心位置情報を利用する評価方法を検討することで，慣性センサによる重心位置推定の実用的利用の可能性を明らかにする．
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| Causes of Carryover |
学会開催時期に都合がつかず、当初予定していた学会発表のための旅費と学会登録料が残額として生じたことが理由である．
次年度での学会発表のための旅費、論文投稿による掲載料等で使用する予定である．
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Research Products
(2 results)
