JP4673342B2 - 運動情報の決定方法、及び腕時計式装置 - Google Patents

Description

本発明は、運動情報の決定方法、及び腕時計式装置に関する。

人間の歩行に起因する複雑な運動に基づいて前記歩行の周期を測定するために種々の方法が提案されている。人体の骨盤や運動靴などに装着し、前記人体の機械的な揺れなどに起因して前記歩行周期を計測する万歩計（登録商標）を利用する方法や、１あるいは２以上の方向における加速度を計測するような加速度センサを利用した方法などは良く知られた技術である。これらの技術は、地磁気を利用して前記歩行運動などを磁気的に計測する方法である。

しかしながら、上述した従来の方法では、人体の歩行に起因して生じる運動が複雑であるために、上述した歩行周期を決定することが極めて困難になってしまうという問題がある。したがって、前記運動に起因した情報を簡易に決定できる技術の確立が望まれている。

本発明は、人体の運動情報を高い信頼性の下に決定することが可能な方法、及び腕時計式の装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、使用者の歩行に伴う動きから加速度を計測するための運動パルス決定ユニットを具えた腕時計式装置であって、前記運動パルス決定ユニットは、前記加速度を使用することによって、前記使用者の歩行に起因した横方向運動に関係した運動パルスを決定するように構成したことを特徴とする、腕時計式装置に関する。

本発明の第２の態様は、使用者の歩行中に、前記使用者が装着した腕時計式装置の動きから加速度を計測するステップと、前記加速度を用い、前記使用者の歩行に起因した横方向運動に関連した運動パルスを決定するステップと、を具えることを特徴とする、運動情報の決定方法に関する。

本発明の好ましい態様は、それぞれ従属クレイムにおいて記載されている。

本発明は、使用者の歩行に起因した横方向運動に関連した運動パルスの決定に基づく。使用者が歩行を開始すると、前記使用者の足位置が変化することによって、前記重心は横方向に動くことになる。これによって、前記使用者の歩行周期に相当するような横方向運動の時間的間隔が生じるようになる。使用者の上腕の動きは、前記重心の動きに追随するようになり、同様の時間的間隔が、上腕の横方向運動において生じるようになる。したがって、腕時計式装置を用いて、前記横方向運動と関連した運動パルスの測定を行うことが可能となる。

本発明の方法及び装置によれば、複数の利益を提供することができる。すなわち、人体の歩行によって生成される横方向の動きに関連した動きのパルスが、前記歩行の周期と高度に相関関係を呈するようになるので、前記パルス中において不要な成分が減少するとともに、不必要なパルスの数が減少する。したがって、上述した人体の歩行に起因する横方向の動きを採用することによって、前記動きに関連したパルスを高い信頼性の下に得ることができ、前記動きパルスに関連して動き情報を高い信頼性の下に得ることができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について説明する。

最初に、図１を参照して、本発明の腕時計式装置１０２を利用した人体の歩行に関する動力学について考察する。装置１０２の使用者は、歩行に関連して、重力の中心を一方の足から他方の足へスイッチする。状態１００Aは、使用者の右足に重力がかかるような態様を示しており、状態１００Ｂは、使用者の左足に重力がかかるような態様を示している。散歩やランニングなどの複雑な運動は、上述したような歩行を基礎としてなされるが、一時停止したようなゆっくりした状態での歩行も行われる。

状態１００Ａ及び１００Ｂにおいて、使用者の重心は横方向に移動し、これによって前記使用者はバランスを保持している。重心１０４の横方向の動き１０６は、上述した歩行によってなされている。使用者の歩行に伴って、横方向に連続した運動がなされる場合、その横方向の動き１０６は周期的となる。したがって、このような横方向の周期的な動き１０６は、運動パルスとして見做すことができる。

腕時計式装置１０２の横方向運動１０８は、使用者の重心１０４の横方向の動き１０６と関連している。したがって、重心１０４の横方向の動き１０６は、腕時計式装置１０２の横方向の動き１０８を検討する際に、特徴的な技術的事項として考慮することができ、それに基づいて、前記歩行に関連したパルス動作を特徴づけることができる。

図２は、腕時計式装置２００の構成の一例を示す図である。腕時計式装置２００は、プロセシングユニット（ＰＵ）２０４と、メモリユニット（ＭＥＭ）２０６と、加速度センサ（Ａ）２０２と、ユーザインターフェイス（ＵＩ）２０８とを具えている。

プロセシングユニット２０４は、アナログ回路、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）回路、デジタルプロセッサ、メモリ及びコンピュータソフトウエアなどから構成される。プロセシングユニット２０４は、腕時計式装置２００のコンピュータの一部を構成することができる。プロセシングユニット２０４は、メモリユニット２０６内に記憶されたエンコード情報に基づいてコンピュータ処理を実行し、動き情報を決定するように構成することもできる。

本実施形態において、加速度センサ２０２は、圧電技術（圧電抵抗）に基づいて構成されている。圧電抵抗技術においては、圧力が負荷されることによってその抵抗が変化するような材料が用いられる。比較的大きさ加速度が生成され、それに起因した力が圧電抵抗素子に負荷されると、前記圧電抵抗素子には一定の電流が流れるようになり、その電流値は前記加速度に起因した前記力の大きさに従って変化する。

圧電技術においては、この技術を用いて構成された圧電センサが加速されることによってその抵抗が変化する。

シリコンブリッジ技術においては、梁の端部においてシリコンの質量がそのまま保持されるようにしてエッチングを施し、シリコンチップを形成する。前記シリコンチップに対して加速度が負荷されるようになると、シリコンの質量が前記梁に対してある種の力として負荷されるようになり、その部分の抵抗が変化するようになる。

シリコンの微細加工技術は、微分容量の利用に基づいてなされる。また、ボイスコイル技術は、マイクロフォンと同様な技術的に原理においてなされる。上述した動きセンサに適したものとして、Analog Devices ADXL105、Pewatron HW及びVTI Technologies SCA シリーズなどを例示することができる。

加速度センサ２０２は、他の技術を用いて構成することもできる。例えば、シリコンチップ上に集積したジャイロスコープや、パネル状の装着用部材に配置されたマイクロ振動子、機械的な振り子などを用いて構成することができる。

加速度センサ２０２から得た加速度情報は、プロセシングユニット２０４又はメモリユニット２０６に送信される。

ユーザインターフェイス２０８は、表示ユニット（ＤＩＳＰ）２１０と表示コントローラとを具えている。表示ユニット２１０は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）を含むことができる。表示ユニット２１０は、使用者に対して、この使用者の運動によって特徴付けられた運動パルスから決定される歩行数や歩行距離、エネルギー消費量などの運動パルスに起因した積算値や二次的な値を図的及び／または数的に示すことができる。

ユーザインターフェイス１２４は、キーパッド（ＫＰ）を含むことができ、これによって、使用者は腕時計式装置２００に対して所定の指示を入力することができる。

また、腕時計式装置２００は、パルス計測器として構成することもできる。この場合、腕時計式装置２００は、パルス測定ユニットから送信されてきた信号を受信するための受信機を含む。前記パルス測定ユニットは、使用者の胸の部分に装着したベルト状の構造とすることができ、心電図の測定（ＥＣＧ）を実行して、得られたＥＣＧ情報を腕時計式装置２００に送信するための手段を具えるようにすることができる。

図３に示す例では、腕時計式装置（ＷＤ）３００は、本装置の使用者が歩行運動を実施している最中に、前記装置の動きに起因した加速度を測定するための運動パルス決定ユニット３０２を具えている。このユニット３０２は、前記加速度を利用することによって、前記使用者の歩行によって生じた横方向の動き１０８に関連した運動パルスを決定する。

運動パルス決定ユニット３０２は、加速度センサ（Ａ）３０２及びパルス検出器（ＰＤ）３０６を具えている。

加速度センサ３０４は、加速度を瞬間的に決定し、得られた加速度値に関連したデータストリーム３０８を生成する。加速度センサ３０４は、データストリーム３０８をパルス検出器３０６に送信する。

パルス検出器３０６は、データストリーム３０８を受信し、データストリーム３０６から得た横方向運動１０８の加速度変化を指示する。また、パルス検出器３０６は、パルス数を計算し、パルス情報３１０として出力し、種々の加工及び記録などの工程に付すようにする。

パルス検出器３０６は、図２に示すメモリユニット２０６に記憶され、プロセッシングユニット２０４によって駆動されるコンピュータソフトウエアによって瞬時に駆動させることができる。

本発明において、加速度センサ３０４は、使用者の歩行に伴う横方向運動１０８の加速度を計測するためのものである。パルス検出器３０６は、横方向運動１０８の加速度を利用することによって、横方向運動１０８に関連した動きパルスを検出する。

加速度センサ３０４は、一次元加速度センサとすることができ、これによって、歩行に起因した前記横方向運動における加速度を効果的に計測することができる。図３は、ベクトルダイヤグラム３２２であって、一次元加速度センサの計測方向３１２、腕時計式装置の横方向運動における加速度３１４、横方向運動１０８に垂直な加速度３１６が記載されている。横方向運動１０８に垂直な加速度３１６は、使用者の歩行や運動などによって、腕時計式装置が手首周りに回転することなどによって生じる。

一次元加速度センサ３０２は、測定すべき加速度の、測定方向３１２に投影された成分を測定する。横方向運動１０８の加速度３１４の投影成分はベクトル３１８によって表すことができ、横方向運動３１８に垂直な方向における加速度３１６の投影成分はベクトル３２０で表すことができる。

本発明において、一次元加速度センサ３０２は、横方向運動１０８の方向における加速度の投影成分が、横方向運動１０８に垂直な方向における加速度の投影成分よりも大きくなるようにして、前記腕時計式装置内に設ける。

また、一次元加速度センサ３０２の装着に際しては、腕時計式装置３００に対する加速度センサ３０４の向き、使用者の上腕部分に対する腕時計式装置３００の向き、及び使用者の歩行スタイルなどをも考慮する。また、使用者の歩行スタイルは、手の甲や上腕の手根骨などの動きにも影響を与える。

図４は、一次元加速度センサ３０４を、測定方向４０２が使用者の手の甲４００に対して垂直方向のベクトル４１０に対して４５度の範囲に制限されるようにして配置している。また、前記範囲は、指に垂直なベクトル４１６の周囲に生成された円錐領域４０６内に制限されている。円錐領域４０６の広がり角度は予め特定されている。広がり角度４０８は、例えば９０度とすることができる。この場合、測定距離４０２は、使用者の相異なる歩行形態、上腕部の運動形態、及び腕時計式装置１０２の装着形態などによって生じる誤差を補償することができる。垂直ベクトル４１０は、腕時計式装置１０２の平面４０４に対する垂直な方向において定義することもできる。

図４において、角度４１２は４５度とすることができ、角度４１４は直角とすることができる。円錐領域４０６を画定するベクトル４１６は、図４に従って、腕時計式装置の面４０４の反対側の領域において画定することができる。

腕時計式装置の面４０４は、腕時計式装置１０２のガラス面として定義することもできるし、腕時計式装置１０２を腕によって支えている面として定義することもできる。また、腕時計式装置の面４０４は仮想的に設定した面とすることもできる。

図５は、一次元加速度センサ３０４を、腕時計式装置の使用中において、その主要成分５１０が、使用者の手の甲５００に対して垂直なベクトル５０４によって画定される面５０２で加速度を測定できるように装着している。また、前記面は、使用者の指５０８及び手の甲５００に対して垂直なベクトルに対して垂直となるベクトル５０６によっても画定される。垂直ベクトル５０４は、腕時計式装置１０２の面４０４に対して画定することもできる。また、面５０２は、使用者の腕回りにおいてアームバンド状に生成される仮想の面とすることもできる。

一次元加速度センサ３０４の主要な測定方向は、実質的に腕時計式装置の面４０４内の垂直ベクトル５０４の方向である。

腕時計式装置５００が、使用者の指に垂直な、例えばベクトル５１０の方向において使用されるような場合、一次元加速度センサ３０４の主要な計測方向は腕時計式装置の面４０４内で行われる。

図６及び７に示す例では、腕時計式装置６００の運動パルス決定ユニット６０２が、複数の方向の加速度成分６１８，６２０及び６２２を計測し、使用者の歩行に起因した横方向運動の加速度７０８を決定する。この場合、前記複数の加速度成分６１８、６２０及び６２２を合算して行う。横方向運動の加速度ａ_ｓをベクトル表記すると、（１）式のように書き表すことができる。

一次係数ａ_１、ａ_２及びａ_３は、線形結合によって横方向運動１０８の加速度が最適な状態となるようにして選択する。一次係数ａ_１、ａ_２及びａ_３は、腕時計式装置６００の製造段階で決定することもできるし、その使用中において決定することもできる。一次係数ａ_１、ａ_２及びａ_３は、例えば、プロセッシングユニット２０４において計算することができる。

腕時計式装置６００は、多次元加速度測定ユニット（ＡＭＵ）６０４を具えることができる。このユニット６０４は、複数の方向における加速度を測定することができる。測定に際して典型的な形状因子を確定しておけば、異なる方向で測定された加速度から目的とする加速度を得ることができるようになる。異なる方向で加速度を測定する際の加速度測定素子は、互いに直交するようにして配置することもできるし、所定の角度をなすようにして配置することもできる。加速度測定ユニット６０４は、多次元加速度センサや複数の一次元加速度センサを用いることによって駆動することができる。加速度センサユニット６０４は、加速度成分６１８、６２０及び６２２を一次結合させるための運動アナライザ６０６を具えることもできる。

運動アナライザ６０６は、加速度測定ユニット６０４によって得られた加速度成分を特徴づける信号６１２Ａ及び６１２Ｂを受信し、例えば一次結合を利用して得たパルスを利用することによって、前記加速度信号の一次係数を決定する。運動アナライザ６０６は、前記一次結合性を計算し、パルス検出器６０８に送信する。パルス検出器６０８では、一次結合６１４に利用することによって得た横方向運動１０８の運動パルスを決定する。パルス情報６１６は、さらに加工され使用者に対して表示される。

運動アナライザ６０６は、例えばプロセッシングユニット２０４を用いたコンピュータ処理によって駆動させることができる。

図８は、運動パルスの例を示す図である。横軸８００は時間を示し、縦軸８０２は加速度ユニット内における運動パルスの強度を示す。第１の曲線８０８は、使用者の腕が縦方向に動かされる場合などランダムな方向における運動パルスを示す。パルス３Ａから３Ｄは歩行に起因したパルスを表し、それらパルスの間に介在するパルス４Ａから４Ｃは、例えば、使用者の腕の反復運動に起因したパルスを表す。曲線８０８において、パルス４Ａから４Ｃは、歩行周期を特徴づけるパルスとして解釈することができ、結果として、誤った歩行周期を得る結果となる。パルス４Ａから４Ｃの大きさは、使用者毎に異なるようになる。したがって、パルス３Ａから３Ｄの同定も不確かなものとなる。

第２の曲線８０６は、加速度センサの方向が、横方向運動１０８の測定に対して最適化された状態を示すものであって、このときのパルス１Ａから１Ｄは、横方向運動を特徴づけるものである。また、これらのパルス間に介在するパルス２Ａから２Ｃは、加速度センサの僅かな配置ミスに起因した誤差としてのパルスである。パルス２Ａから２Ｃの大きさは、曲線８０８のパルスの大きさに比べて十分に小さい。したがって、運動パルスの誤差も十分に小さくなっている。また、パルス２Ａから２Ｃの使用者依存性は十分に小さい。したがって、歩行周期は、２つの連続した運動パルスの時間間隔８１０を決定し、その逆数を取ることによって得ることができる。

本発明で得た運動パルスは、複数の目的のために使用することができる。プロセッシングユニット２０４は、前記運動パルスに基づいて、歩行周期、速度、歩幅、消費エネルギーなどを計算することができる。

次に、図９及び１０に基づいて、本発明の方法について説明する。

図９に示すように、本方法はステップ９００から開始する。

ステップ９０２において、加速度は、使用者の歩行に起因して装着した腕時計式装置の動きを計測することによって得ることができる。

ステップ９０４において、使用者の歩行に起因した横方向運動１０８に関係した運動パルスは、上述したようにして得た加速度を利用することによって決定することができる。

ステップ９０２において、使用者の歩行に起因した横方向運動１０８の加速度が測定され、ステップ９０４において、前記使用者の歩行に起因した横方向運動１０８の運動パルスが前記加速度を用いることによって決定される。

使用者の歩行による横方向運動に起因した加速度は、ステップ９０２において一次元加速度センサ３０４によって測定される。

ステップ９０２において、使用者の歩行に伴う横方向運動１０８における加速度は、一次元加速度センサ３０４によって計測することができる。その計測方向は、使用者の手の甲に対して垂直なベクトルに対して４５度の範囲であって、前記使用者の指に関して垂直なベクトルの回りに形成された円錐状の領域である。なお、その領域の広がり角度は予め知られている。

ステップ９０２において、使用者の歩行に伴う横方向運動の加速度は、一次元加速度センサ３０４によって測定することができる。また、その加速度の主成分は、手の甲に垂直なベクトル及び指に垂直なベクトルに対して垂直なベクトルによって画定される面内で存在する。

本方法は、ステップ９０６で終了する。

図１０に示す例において、本方法はステップ９２０で開始する。

ステップ９２２では、種々の方向の加速度成分６１８，６２０及び６２２が測定される。

ステップ９２４では、加速度成分６１８，６２０及び６２２が一次的に結合され、この結合によって、使用者の歩行に伴う横方向運動１０８を表すことができる。

ステップ９２６では、使用者の横方向運動１０８に起因した複数の運動パルスを、加速度成分６１８，６２０及び６２２を用いることによって、例えばそれらの一次結合を用いて画定することができる。

本方法は、ステップ９２８で終了する。

本方法は、コンピュータプロセスとして実施することができ、例えばプロセシングユニット２０５を用いて行うことができ、メモリユニット２０６内に記憶させることができる。前記コンピュータプロセスは、所定の公知のプログラム言語を用いて実行されるエンコード化されたインストラクションの範疇に含めることもできる。このエンコード化インストラクションは、コンピュータソフトウエア製品内に含ませることができ、その物理的な表記は、記憶手段や信号を用いて行うことができる。前記記憶手段は、光学的又は磁気的な記憶データ入力装置とすることができる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

使用者の歩行に関する動力学的態様を示す図である。 腕時計式装置の構造の第１の例を示す図である。 腕時計式装置の構造の第２の例を示す図である。 測定系の第１の例を示す図である。 測定系の第２の例を示す図である。 腕時計式装置の構造の第３の例を示す図である。 測定系の第２の例を示す図である。 運動パルスの構成の一例を示す図である。 本発明の方法の第１の例を示すフローチャートである。 本発明の方法の第２の例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０２，２００，３００，６００ 腕時計式装置
２０２，３０４ 加速度センサ
２０４ プロセッシングユニット（ＰＵ）
２０６ メモリユニット（ＭＥＭ）
２０８ ユーザインターフェイス
２１０ 表示ユニット
３０２ 運動パルス決定ユニット
３０６，６０８ パルス検出器（Ｐ）
６０４ 加速度測定ユニット
６０６ 運動アナライザ

Claims (13)

1. 使用者の歩行に伴う動きから加速度を計測するための運動パルス決定ユニットを具えた腕時計式装置であって、
   前記運動パルス決定ユニットは、方向が異なる複数の方向の加速度成分を計測し、これらの加速度成分を結合させることによって、前記使用者の横方向運動の加速度を決定し、前記加速度を使用することによって、前記使用者の歩行に起因した前記横方向運動に関係した運動パルスを決定するように構成したことを特徴とする、腕時計式装置。
2. 前記運動パルス決定ユニットは、前記使用者の歩行に起因した前記横方向運動の加速度を測定し、この加速度を使用することによって、前記横方向運動に関連した運動パルスを決定するように構成したことを特徴とする、請求項１に記載の腕時計式装置。
3. 前記運動パルス決定ユニットは、前記使用者の前記横方向運動に起因した前記加速度を測定するように構成された、一次元加速度センサを具えることを特徴とする、請求項２に記載の腕時計式装置。
4. 前記一次元加速度センサは、前記使用者の手の甲に垂直なベクトルに関して４５度の角度をなし、前記使用者の指方向に垂直なベクトルの周囲に形成された、所定の広がり角度の円錐状領域で加速度を計測するように構成されたことを特徴とする、請求項３に記載の腕時計式装置。
5. 前記一次元加速度センサは、前記使用者の手の甲に垂直なベクトル及び前記使用者の指方向に対して垂直なベクトルで画定された面内の、主加速度成分を計測するように構成されたことを特徴とする、請求項３に記載の腕時計式装置。
6. 前記運動パルス決定ユニットは、方向が異なる複数の加速度成分を計測するように構成された多次元加速度センサと、前記使用者の歩行に起因した横方向運動の方向と一致するようにして、前記複数の加速度成分を線形結合するための運動アナライザとを具え、
   前記複数の加速度成分の線形結合を使用することによって、前記使用者の歩行に起因した前記横方向運動に関連した運動成分を決定するように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の腕時計式装置。
7. 使用者の歩行中に、前記使用者が装着した腕時計式装置の動きから、方向が異なる複数の方向の加速度成分を計測するステップと、
   前記複数の加速度成分を結合させて、前記使用者の歩行に起因した前記横方向運動の加速度を決定するステップと、
   前記加速度を用い、前記使用者の歩行に起因した前記横方向運動に関連した運動パルスを決定するステップと、
   を具えることを特徴とする、運動情報の決定方法。
8. 前記使用者の歩行に起因した前記横方向運動の方向における加速度を計測するステップと、
   前記横方向運動の方向における前記加速度を使用することによって、前記横方向運動に関連した運動パルスを決定するステップと、
   を具えることを特徴とする、請求項７に記載の運動情報の決定方法。
9. 前記使用者の歩行に起因した前記横方向運動の加速度を、一次元加速度センサで計測するステップを具えることを特徴とする、請求項７に記載の運動情報の決定方法。
10. 前記使用者の手の甲に垂直なベクトルに関して４５度の角度をなし、前記使用者の指に垂直なベクトルの周囲に形成された、所定の広がり角度の円錐状領域内で、一次元加速度センサにより、前記使用者の歩行に起因した前記横方向運動の加速度を計測するステップを具えることを特徴とする、請求項７に記載の運動情報の決定方法。
11. 前記使用者の手の甲に垂直なベクトル及び前記使用者の指方向に対して垂直なベクトルで画定された面内の、前記使用者の歩行に起因した前記横方向運動の加速度の主度成分を、一次元加速度センサによって計測するステップを具えることを特徴とする、請求項７に記載の運動情報の決定方法。
12. 使用者の歩行に起因した前記横方向運動の方向と一致するようにして、前記複数の加速度成分を線形結合するステップと、
    前記複数の加速度成分の線形結合を使用することによって、前記使用者の歩行に起因した前記横方向運動に関連した運動パルスを決定するステップと、
    を具えることを特徴とする、請求項７に記載の運動情報の決定方法。
13. 請求項７に記載の方法をコンピュータプロセスによって実施するための、エンコード化されたインストラクションを具えることを特徴とする、コンピュータプログラム。

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