バイオフィードバック方法およびバイオフィードバックシステム、ゴルフスイングのテンポ測定システム
【課題】本発明は、長尺部材を具備し、前記長尺部材のスイングテンポを示す音声をフィードバックするバイオフィードバックシステムを提供する。
【解決手段】
バイオフィードバックシステムは、長尺部材の長方向に沿った複数の位置において、加速度を測定するように配置された複数の加速度測定装置と、測定された加速度の信号を処理して、重力の影響を低減させるとともに、角速度のべき乗数に相関したデジタル数データを形成するための第１のマイクロコントローラと、複数のビット情報を含むデジタル数データと、デジタル数データを受信し、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ含む複数の群に関連付けるとともに、音調成分および振幅値に対応したコマンドを形成するための第２のマイクロコントローラと、コマンドに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、音響信号を出力する手段と、を含む
【解決手段】
バイオフィードバックシステムは、長尺部材の長方向に沿った複数の位置において、加速度を測定するように配置された複数の加速度測定装置と、測定された加速度の信号を処理して、重力の影響を低減させるとともに、角速度のべき乗数に相関したデジタル数データを形成するための第１のマイクロコントローラと、複数のビット情報を含むデジタル数データと、デジタル数データを受信し、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ含む複数の群に関連付けるとともに、音調成分および振幅値に対応したコマンドを形成するための第２のマイクロコントローラと、コマンドに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、音響信号を出力する手段と、を含む
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゴルフスイングのテンポ測定システム等として、ゴルフスイング等の動きやテンポに対応した音響によるバイオフィードバックを供する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゴルフ、テニス、フィッシング、ボーリング、野球等のいずれのスポーツを行う場合でも、同じスイングを繰り返すためには、一定のテンポで、長尺物等をスイングすることが重要となる。そして、試合（ゲーム）における一定の状況下でいったん正しいスイングを得ると、同じ状況で、そのスイングを繰り返すことができるはずである。ここで、一定のテンポとは、そのスイング中の速度変化が、スイングを何回おこなっても繰り返されることをいう。
【０００３】
また、長尺物等のスイングにおいて競技者が、所定のテンポの感覚を得ることは、各種スポーツにおいては一般にきわめて困難である。速い、遅いと感じる競技者の感覚は、ムードや、アドレナリンのレベルなどによって、日々に、そして、時々刻々と変わるためである。また、映像機器を用いた場合であっても、一貫した動きを得ることはさらに複雑となる。というのは、概して競技者は、より集中すべきポイントから注意をそらすことになるからである。さらに、トレーニングは、一般に、競技者本人より、その回りの人が感触や目で見て感じるものに重点が置かれていて、一方、それらの人が、競技者に対して、スイング速度やテンポを伝えることはほとんど困難である。従って、スイングの動きに干渉することなく、競技者にテンポを定量的に感得させる方法は競技者のトレーニング・運動を効果的に助長する。
【０００４】
また、テンポを競技者に感じさせる自然な方法は音や音楽を通して行うことであり、これによって、競技者はスイングに集中することができる。全ての文化において普遍的な音楽を競技者が絶え間なく聴く機会を与えることにより、競技者は音響的感覚に基づいたテンポに対応したタイミングに感覚的に慣れることになる。
【０００５】
また、ゴルフスイングにおける競技者の瞬間的動きは、競技者の意識的な制御より速く生じ、制御速度及びテンポは確実で再生可能なスイングの動きを得るためには、きわめて重要である。さらに、筋肉の活動を無意識に調整する筋肉の記憶は、正しいテンポの繰り返し行う練習によって学ぶことができる。従って、音響による方法は競技者の注意をそらすことなくスイングテンポ情報を無意識的に競技者に与えることができる優れたメカニズムである。
【０００６】
ここで、ゴルフスイングのテンポとは、ゴルフクラブがバックスイングとフォロースルーとの間でボールを叩きながら描く円状軌跡を通過する際の、ゴルフスイングの速度変化である。ゴルフスイングは、円軌跡による動きによって支配されている為、ゴルフスイングはクラブの角速度の時間的履歴又はテンポを示す。さらに、円運動内で動く物体の求心加速度は、物体の角速度の関数であるため、ゴルフクラブの近傍に設けた加速度計は、テンポを示す信号を出すことになる。
【０００７】
そして、スイングしているゴルフクラブ上の特定点における求心加速度は、その点に設けた加速度計によって測定することができ、検出軸はシャフトの軸線と同一である。一般に、この求心加速度acはac=ω2rの関係式を用いてゴルフクラブの角速度の二乗として、瞬間的に測定することができる。ここで、ωは角速度であり、rは加速度計が動く際の有効半径である。
【０００８】
しかし、先行技術において、重力の影響で測定に誤差が出ることが判明した。所望の求心加速度に紛れ込む誤差信号は、シャフトの軸線に沿って異なった位置に設置された２つの加速度計を用いて差動測定を行うことにより低減又は除去することができる。即ち、各加速度計は同一の重力加速度を検出するが、求心加速度はゴルフクラブの動きの有効半径に基づいて測定される。
【０００９】
しかし、ゴルフクラブに取りつけた加速度計及び音響フィードバックを用いることによって十分な利点を得ることは努力なしにはかなり困難である。例えば、米国特許No.6,261,102（特許文献１）は、加速度計の出力をバイオフィードバック用音響信号に変換する技術を開示している。加速度計の軸線をゴルフクラブの軸線と一致させることにより、加速度計は求心加速度を測定し、測定値に基づいて、ゴルフクラブの角速度の二乗を決定する。次に、ゴルフクラブの角速度の二乗に比例する信号は周波数に変換され、音響信号として使用者に供される。しかし、重力作用に対する補償が十分なされていないため、感受性が不十分であり、ゴルフスイングにおける大きな速度変化によって、不快な“金切り（チャープ）”音（chirp like sound）が生じがちである。
【００１０】
他の二つの先行技術をなす特許も、同様な問題点を有する。具体的には、コバヤシ（Kobayashi）に付与された米国特許No.5,233,544（特許文献２）は、ゴルフクラブシャフトに沿って多くの加速度計を取り付けたものであるが、音質に問題が生じる可能性を認識しておらず、また、本発明が提供する複数の音調の使用についても何ら開示しておらず又示唆してもいない。さらに、Kobayashiは角速度の二乗の信号よりも角速度そのものを用いるので、角速度の二乗の信号による良好な感度を与えることができない。
【００１１】
また、キム（Kim）に付与された米国特許No.5,694,340（特許文献３）は、同様に加速度信号を展開する多数の加速度計の使用を開示するが、重力によってもたらされる有害な作用をなくすことができる多数の加速度計を用いることによる利益を何ら開示しておらず又示唆してもいない。しかもKimは多数の周波数を用いているものの、これらの周波数は３つの軸を識別するために用いられ、金切り音（chirp sound）を除去したり、音声の音質を改善したりするために用いられていない。
【特許文献１】米国特許No.6,261,102
【特許文献２】米国特許No.5,233,544
【特許文献３】米国特許No.5,694,340
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、この技術分野において、さらなる改良が求められている。特に、運動用具の一つ、例えば、ゴルフクラブ（特に限定するものでないが）において、ゴルフクラブの軸線に沿って生じる重力のような直線加速度(回転運動によらない)の効果を除去する、又は、低減でき、かつ、感度を高めると共に音響効果を高め音調要素と振幅がテンポを示すべく変化する快適な音を作成する二乗の角速度を用いるバイオフィードバックシステムを提供することが望ましい。よって、本発明は、ここで説明された目的や利点を実現することで、前述の欠点を克服するものである。
【００１３】
すなわち、本発明は、従来技術における感度不足を解決することを目的とする。
また、本発明は、重心の影響を相殺することによって、より改善されたスイングテンポの表示するための装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、角速度の二乗に関連した信号を用いてテンポの変化の測定感度を向上することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、さらに、耳に心地よい音調要素や振幅を用いた改良型音響フィードバックを提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明は、さらに、測定信号や測定信号から得られた情報やコマンドを後に行うプレイバックや解析のために記憶するシステムを提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は、さらに、バイオフィードバック信号を搬送する無線リンクを用いる改良型音響フィードバック方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
一般に、本発明は、長尺部材を具備し、かかる長尺部材のスイングテンポを示す合成音声をフィードバックするバイオフィードバックシステムを提供する。
本発明の好ましい実施態様としてのバイオフィードバックシステムは、長尺部材の長方向に沿った、複数の位置において、加速度を測定するように配置された複数の加速度測定装置と、測定された信号を処理し、重力の影響を低減するとともに、角速度のべき乗に相関した複数のビット情報を含むデジタル数データを形成する第１のマイクロコントローラと、複数のビット情報を含むデジタル数データと、かかるデジタル数データを受信し、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ含む複数の群に関連付けるとともに、当該音調成分および当該振幅値に対応したコマンドを形成するための第２のマイクロコントローラと、かかるコマンドに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、かかる音響信号を出力する手段と、を含むものである。
【００１９】
また、本発明の好ましい実施態様に係る方法は、長尺部材の長方向かつ異なった位置において、長尺部材の加速度を示す複数の加速度信号を生成するステップと、加速度信号を処理し、加速度信号における重力の影響を低減するステップと、加速度信号が処理され、かつ、角速度のべき乗に相関した複数のビット情報をそれぞれ含んだ、一連のデジタルサンプルを形成するステップと、群固有のデジタル値に対応した音響成分および振幅値を有する、各群のうち、デジタルサンプルにおける複数のビット情報に対応した群を決定するステップと、群における音調成分および振幅値を表す合成音を形成するためのコマンドを生成するステップと、合成音をフィードバックするステップと、を含む。
【００２０】
また、本発明の別の実施態様に係るシステムは、長尺部材の運動状態に対応したデジタル信号を抽出するための、前記長尺部材に連結された複数のセンサーと、デジタル信号を処理して、重力の影響を低減し、角速度のべき乗に相関したマルチビットデジタル数のデータを生成するとともに、マルチビットデジタル数のデータを、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ含む複数の群に関連付ける手段と、コマンドに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、音響信号を出力する手段と、を含む。
【００２１】
また、本発明の他の実施態様に係る方法は、長尺部材の運動状態に対応したデジタル信号を抽出するために、長尺部材の長手方向に沿って取り付けられた複数のセンサーを取りつけるステップと、デジタル信号を処理して、重力の影響を除去又し、長尺部材に沿った少なくとも２か所において、角速度のべき乗に相関したマルチビットデジタル数のデータを生成するとともに、マルチビットデジタル数のデータを、マルチビットデジタル信号の情報に対応した音調成分および振幅をそれぞれ有する複数の群にマッピングするステップと、群固有のビット値に対応した音調成分および振幅値を有する音響信号を合成するステップと、音響信号を出力するステップと、を含む
【００２２】
また、本発明の他の実施態様に係るシステムは、長尺部材の運動特性を音声に変換するバイオフィードバックシステムであって、マルチビットデジタル数のデータとして、運動パラメータを捕捉するために、長尺部材の長手方向に沿って配置された複数のセンサーと、マルチビットデジタル数のデータを、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する複数の群に、それぞれマッピングする処理装置と、マッピングされたマルチビットデジタル数のデータに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、前記音響信号を出力する手段と、を含む。
【００２３】
また、このシステムに関連する方法は、マルチビットデジタル数のデータとして運動パラメータを補足するために、長尺部材の長手方向に沿って配置された複数のセンサーを配置するステップと、マルチビットデジタル数のデータを、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する複数の群に、それぞれマッピングするステップと、マルチビットデジタル数のデータに応答し、音響信号を作成して、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する音響信号を生成するステップと、音響信号を出力するステップと、を含む
【００２４】
さらに、具体的な実施態様としては、長尺部材がゴルフクラブである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、具体例として、長尺部材の一つであるゴルフクラブを例にとって、本発明の実施形態を説明する。
【００２６】
ここで、各図は本発明の全ての特徴を示すものではなく、また、図面中、同様な又は同一の構成要素は同一の符号で示される。
【００２７】
先ず、図１および図２を参照して本発明を説明する。図中、数字１００は本発明に係るバイオフィードバックシステムを示し、数字２００は本発明に係るゴルフクラブを示す。また、本発明は、ゴルフクラブ２００と共に、音響によるバイオフィードバック装置に係るものである。バイオフィードバックシステム１００は、好ましくは、演算処理装置３００と、モニタ２５０と、を具備する。本実施例では、演算処理装置３００と、モニタ２５０は相互に無線で接続されており、又、ゴルフクラブ２００と無線で接続することもできる。
【００２８】
ゴルフクラブ２００は、長尺部材２１５からなり、長尺部材２１５は少なくとも１つのシャフトで構成され、さらに長尺部材２１５にクラブヘッド２３０を取り付けることもできる。第１の加速度計２２０と、第２の加速度計２２５が長尺部材２１５に取り付けられている。長尺部材２１５をスイングすると、加速度計２２０、２２５は、長尺部材２１５の軸線に沿って加速度をモニタする。
【００２９】
好ましくは、部材２１５の内部には、それぞれ加速度計２２０、２２５に協動可能に接続された２つのＡ／Ｄコンバータ２５４、２５５と、これらのコンバータ２５４、２５５に接続されたマイクロプロセッサ２６０と、マイクロコントローラ２６０の出力端に接続された無線式送受信機２６５と、を具備する回路２４５を装着されている。マイクロプロセッサ２６０は、加速度計２２０、２２５のデジタル化された出力の差を計算し、その情報を、アンテナ２３５を介して、演算処理装置３００に伝送する。具体的には、クラブヘッドに設けられる加速度計も、長尺部材の長方向に沿って設けられた加速度計とみなされる。
【００３０】
また、演算処理装置３００は、アンテナ３１５を介して伝送されたデータを受信し、以下に説明する信号を音響的に組み込んだ後、バイオフィードバック音響信号としてスピーカ３５５又はモニタ２５０に公知の方式で出力する。モニタ２５０は、イヤホン２５２と小型携帯受信機２５６を含めてもよい。他の実施例では、一体型受信機と、ヘッドセットを使用者が身に着けてもよい。
【００３１】
一般的背景技術を、図３を参照して説明すると、スイング分析パラメータが全体として２０５で示されており、測定軸をゴルフクラブ２００の軸と等しくする加速度計２２０、２２５を取り付けたゴルフクラブ２００が示されている。腕１０５と、手首１１０を有するプレーヤー（図示しない）は、ボール１４０を打つため、ヘッド２３０を有するクラブ２００を、手首１１０回りに角速度ω raｄ／sで円運動１３５を描くようにスイングする。
【００３２】
ここで、スイングするクラブ上の特定の点における求心加速度は、同特定点に設けられかつ検出軸を長尺部材の軸線と等しくした加速度計を用いて測定することができる。一般に、この求心加速度acは、ac=ω2rの関係式を用いてクラブの角速度を瞬間的に測定するため使用される。ここで、ωはクラブヘッドの角速度（ヘッド部あるいはヘッド近傍の加速度計を想定した）であり、ｒは加速度計が移動する有効半径である。
【００３３】
この加速度の大きさの最大値を推定するためには、プレーヤーがクラブヘッド速度を１００ｍｐｈ程度でスイングできるということが留意されている。クラブヘッドが移動する円運動を形成する典型的な半径は５フィート（１．５ｍ）程度であるが、加速度計は通常約４．５フィート（１．３５ｍ）の位置にある。このことから、求心加速度の最大測定値は１２００ｍ／ｓ２程度となる。一般に、重力加速度 ９．８ｍ／ｓ２により標準化すれば、約１２０ｇとなる。これは測定に必要なダイナミックレンジを画定する手段として有用である。
【００３４】
測定誤差は、重力の影響によるものである。加速度計は、検出軸に沿って受ける全ての加速度を測定する。地球の引力は等加速度９．８ｍ／ｓ２であり、１ｇで表され、地球の中心に向かって働く。重力加速度の方向は、矢印「ｇ」で表され、本発明においては垂直方向と定義される。
【００３５】
図３に示すように、重力加速度ｇの方向に対するゴルフクラブ２００の方向性は、クラブヘッド２３０が軌跡１３５に沿って移動するに従って変わる。この方向性の変化は、重力加速度に係る時間的に変化する誤差信号の原因となり、加速度計２２５および２２０の出力に現れる。
【００３６】
したがって、誤差信号は、所望の求心加速度信号に加味され得るものであり、ｒ１およびｒ２にそれぞれ位置する加速度計２２０および２２５からのデータを使用して示差測定を行うことにより除去される。当業者が認識するように、各加速度計は同一の重力加速度を検出するが、運動の有効半径に従う求心加速度の大きさは検出できない。このことを要約すると、
【００３７】
【数１】
【００３８】
ここで、ａ１は加速度計２２０で測定された加速度である。
【００３９】
【数２】
【００４０】
ここで、ａ２は加速度計２２５で測定された加速度である。ｇ・ｒは長尺部材の軸線に沿った重力加速度の大きさを表している。式（１）と式（２）の差を取れば、以下のようになる。
【００４１】
【数３】
【００４２】
この差はω２（角速度の二乗）に比例するが、重力加速度に依存しない値となる。ここで、（ｒ２−ｒ１）は定数である。
【００４３】
式（３）より、二つの加速度計を最大限離れた位置に置くことにより、発生信号が最適化されることは明らかである。これにより、一方の加速度計をグリップ端の近傍に、他方の加速度計をヘッド端近傍に置くことが望ましく、この状態がこの好適な実施例で説明されている。
【００４４】
ω２、すなわち、角速度の二乗信号の代表的なプロットを図４に示す。図４の信号の平方根、すなわち、角速度ωの関係を図５に示す。図４および図５により、角速度の二乗信号であるω２信号を用いれば、感度を向上でき、スイング速度の変化に対して出力レベル大きく変化させられることが理解できる。また、ω２は、クラブの機械的回転エネルギーの尺度ともなるものである。
【００４５】
本発明は、ω２信号を、略瞬時加速度差値の１２ビットのデジタルで表されたビットをマッピングあるいは関連付けることによって、ビット群の間隔に組み込んで各群に独自の音響を与えるシステムである。すなわち、一つまたは複数の機器が和音や音符の音を出すようにしたものである。各群に独自の音を与え、その群内のビット値の関数として各音の大きさを変化させて、バイオフィードバック音響信号に情報を加え、スイングテンポの違いを認識できるようにしている。全体的な効果として、和音の調和関係を維持し、周波数チャープを避けながら、音調要素と、振幅値を変化させることができる。
【００４６】
また、本発明の好適な実施例では、選択された群に対しユニークな音を発生させるために、ＭＩＤＩウェーブテーブル生成装置を使用している。
【００４７】
図１および図２を再び参照して説明する。加速度計２２５は、クラブヘッド２３０近傍に位置しているため、二つの求心加速度のうちより高い加速度を読み込む。加速度計のアナログ出力はＡ／Ｄコンバータ２５４、２５５に送られ、そこでデジタルデータストリームに変換されて、シリアルリンク２６２を介してマイクロプロセッサ２６０に送られ処理される。本好適な実施例には、加速度計のアナログ出力をデジタルデータストリームに変換してマイクロプロセッサ２６０に送るためのマイクロチップ ＭＣＰ３２１０ １２ピットＡ／Ｄコンバータを含むが、好ましくは、マイクロチップ ８ビットマイクロコントローラ ＰＩＣ１６Ｆ８７３Ａである。
【００４８】
また、マイクロプロセッサ２６０は、加速度計の読みを減算し、その結果の１２ビットＮＲＺデータをフォーマット化して送受信機２６５から演算処理装置３００に伝送する。他の実施例では、減算は演算処理装置３００で行われる。
【００４９】
また、送受信機２６５は、好ましくは、マイクロプロセッサ２６０からのＮＲＺシリアルデータ受信し、そのデータを同期マンチェスターコーディングに再フォーマット化して９１５ＭＨｚでアンテナ２３５に送るように構成された、チップコン社製のＣＣ１０００送受信機である。初期化値は、データ書式や周波数選択を含み、マイクロプロセッサ２６０にあるフラッシュメモリに格納され、シリアルリンク２６６により送受信機２６５に送られる。マイクロコントローラ２６０からの加速度データは、シリアルリンク２６４により送受信機２６５に送られる。
【００５０】
好適な実施例に適した加速度計の選択は、以下のように進められる。上述のように、円運動を定義する代表的半径を約５フィート、クラブヘッド速度を約１００ｍｐｈ台とし、加速度計を長尺部材２１５のグリップ端より約４．５フィートに取り付けることによって、加速度計２２５による加速度は約１２００ｍ／ｓ２あるいは約１２０ｇとなる。従って、好適な加速度計は、アナログ装置ＡＤＸＬ１９３（ＡＤ２２２８２）等のｇレンジが１２０ｇ台を有するものである。特に速いスイングをするゴルファーに対する他の実施例では、加速度計はＡＤＸＬ１９３（ＡＤ２２２８２）等のｇレンジが２５０ｇを有するものが用いられ、比較的遅いスイングのゴルファーに対する第３の実施例では、加速度計は、ＡＤＸＬ７８（ＡＤ２２２８０）等のｇレンジが５０ｇを有するものを用いてもよい。他の実施例では、加速度計２２０は、グリップ２２２に近いため加速度計２２５よりも低い等級となり、従って、加速度計２２５よりも低い求心加速度となる。この最後の実施例に対しては、加速度計２２０の出力は、好ましくは、式（３）を得るために式（１）と（２）の減算が容易になるように増減される。
【００５１】
あるいは、前述のようなタイプの加速度計を複数備えて、クラブ２００に取り付けたスイッチ（図示しない）により選択できるようにしてもよい。これにより、同じクラブを異なるスイング速度の複数のゴルファーが使用できるようになり、また、同一のゴルファーが、それぞれ大きく異なる複数のスイング速度で使用することも可能となる。他の実施例では、加速度計の選択は、送受信機２６５と送受信機３３０間を無線リンクにより行ってもよい。
【００５２】
図６は、演算処理装置３００内の回路のブロック図である。送受信機２６５と、アンテナ２３５により送信された１２ビットのデータは、アンテナ３１５により受信され、送受信機３３０によりＮＲＺコードに復調されてＮＲＺシリアルストリームを介してマイクロコントローラ３３５に送られる。シリアルバス３３２と３３４は、ブロック３３０と３３５間の通信に使用され、シリアルバス３３７は、ブロック３３５と３４０間の通信に使用され、バス３４２は、ブロック３４０と３４５間の通信に使用される。
【００５３】
また、マイクロコントローラ３３５は、好ましくはＰＩＣ１６Ｆ８３７Ａであり、１２ビットのデジタルデータストリームを受信し、その１２ビット加速度信号のビットを６群にマッピングする。群１〜４は９ビット、群５は８ビット、群６は７ビットを含む。好適な実施例において各群で定義されたビットを表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
各群のビットはワードとして取り扱われ、マイクロコントローラ３３５はこのワードの数値を計算する。例えば、ワードｂ８−ｂ０が０００００１０１０の場合は、ワードの値は１０となる。
０でないワードの値を持つ群については、マイクロコントローラ３３５は、好ましくは、ＭＩＤＩコマンドをシンセサイザー３４０に伝送し、特定の群の発信音をＯＮし、ＯＮされた群のワード値に比例した値と等しいＯＮされた群の信服を指令する。これにより発生したＭＩＤＩコマンドはシンセサイザー３４０と連続的に交信する。シンセサイザー３４０は、以下に詳細に説明するように、ＮＩＤＩコマンドを解釈し、これをバイオフィードバック信号値に変換する。好適な実施例では、Ｇｅｎｅｒａｌ ＭＩＤＩ規格対応のＣＲＹＳＴＡＬシングルチップウェーブテーブルミュージックシンセサイザーＣＳ９２３６を用いている。他の実施例では音調群が予め記録されており、この音調群をメモリーから呼び出しれ組み合わせることによって、シンセサイザーバイオフィードバック信号を形成する。
【００５６】
また、好適な実施例では、シンセサイザー３４０はマイクロコントローラ３３５によりプログラムされ、各群を特定のＭＩＤＩチャンネルと関連付ける。各ＭＩＤＩチャンネルは、好適な実施例における特定の和音を出すようにプログラムされ、音楽的には第５音として知られている二つの音符と、根音とその完全５度の音程を含む。基本周波数ｆ０の第５音を用いた場合、関連する第５音の周波数は１．５ｆ０である。他の和音関係は、図６のパネルコントロール３７０によりスイッチを操作して選択可能である。さらに他の実施例では、異なった和音関係を有する一連の音程を用いてもよく、また、和音関係のない一連の音程を用いてもよい。すべての群に好適な楽器はロックオルガンであるが、すべての群に対する他の楽器あるいは各群に対する異なった楽器がパネルコントロール３７０により選択可能である。
【００５７】
好適な実施例の音程群関係あるいは音調構成を表２に示す。ここで、Ｃ４は中央C（約２６１．６Ｈｚ）、Ｃ３はオクターブ下（約１３０．８Ｈｚ）、Ｃ５はオクターブ上（約５２３．２Ｈｚ）等を示す。
【００５８】
【表２】
【００５９】
各ＭＩＤＩチャンネルの音の振幅値（ボリューム値）は、対応する群のビット値により決められる。例えば、群１では、ボリューム値は１２ビット完全信号のビットｂ８−ｂ０により定義される。ここで、ｂ０は最小桁ビットである。ビットｂ８−ｂ０のワード値が０と１２７の間の場合、出力ボリューム値はワード値に比例して決められる。ワード値が１２８から２５５の間の場合には、出力ボリューム値は１２７に比例した値に限定される。ワード値が２５６から５１１の間の場合には、出力ボリューム値は、（５１１−群内ビットのワード値）／２と等しく決められる。これにより群１の波形、例えば、ボリューム値が最大値１２７まで角加速度の二乗で増加し、１２７で留まり、次に負の勾配となり、角加速度がさらに増加しながら０に戻るような波形ができる。この振幅値特性を図７に示す。
【００６０】
この基本的なプロセスはすべての群について同じである。１から４の各群は９ビットで定義され、振幅値は各々図７に示す振幅値曲線に合致している。群５は８ビットで、群６は７ビットで定義され、これらの振幅値特性はそれぞれ１２７まで達し、逆方向ではないが負の勾配となる。すべての群の音の高さとボリューム値の編成結果を図８に示す。正味効果はボリューム値変化と音調成分であり、それには和音関係が維持できて周波数チャープを回避できるフォーマットでの信号増加を伴う。表２は特定のチャンネルに関係するそれぞれの和音を示す一方で、他の実施例では、１つまたは複数のチャンネルにおける複数の和音を提供する。
【００６１】
また、処理装置３００はフラッシュメモリ３６５を備え、これに音響効果を組み込んだデータ（ＭＩＤＩコマンドおよび１２ビット加速度データの形式）を格納する。ＭＩＤＩコマンドは好ましくは練習中のプレイバックに使用するが、１２ビット加速度データは処理装置３００の代わりにパソコンと併せて使用するか、あるいは他の音響や音響効果の実験に使用することもできる。
【００６２】
また、情報は処理装置３００からデータポート３７５を介してダウンロードできるが、他の実施例では、メモリーカードによって取り出すことも可能である。同様に、プレーヤーの自由選択で、他の音響効果仕組みを処理装置３００へデータポート３７５を介してアップロードし、コントロールパネル３７０から選択することが可能である。
【００６３】
また、シンセサイザー３４０の出力は、音響効果の組み込まれた角速度二乗信号を表すデジタルデータストリームであり、クラブの回転機械エネルギーの大きさである。この信号は、アナログ値への変換のためにＤ／Ａコンバータ３４５に送られる。このアナログ値は、オーディオアンプ３６０とスピーカ３５５へ送られる。Ｄ／Ａコンバータ３４５からのアナログ信号は、アンテナ３２０を有する無線送信機３５０へ随意接続するコネクタ（図示なし）のところでも利用可能である。無線送信機３５０は、電波を介しての送信に使用するが、他の実施例では赤外線信号が使用される。
【００６４】
本発明のさらなる特徴として、図４の一般形を有するゴルフスイング曲線を重ね合わせることが可能であることが挙げられる。したがって、それらを互いに比較して、一人のユーザーあるいは様々なユーザーの間で繰り返されるスイングのスイングテンポを目に見える形で表示（および比較）することが可能である。このような情報は、その後、後で再び見ることができるように格納でき、また、例えば家庭内のユーザーに目に見える形で連絡することが可能である。このようにして、ユーザーは、例えば本発明のゴルフクラブ２００を使用しているプロゴルファーのゴルフスイングを分析することができる。
従って、本発明は、従来技術にはない多くの利点を備えている。例えば、本発明は、音響効果を組み込んだ角速度二乗値を用いた音響フィードバックや、重力加速度の角速度二乗値の補正を備え、またスイング速度を表すため、掃引周波数よりもむしろ、変化する音調成分や振幅値を使用するものである。
【００６５】
本発明を、その好適な実施例を参照して特に説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲および精神を逸脱することなく形態や細部を変更させることができるということは明らかである。例えば、以上説明した方法や機能を遂行するために、マイクロプロセッサが所定の速さを求められる場合等は、マイクロプロセッサ機能として、一つのユニットにすべてまとめて提供することもできる。従って、以上説明したような構成要素の配置は典型的なものであり、これに限定されるものではない。
【００６６】
同様に、角速度べき乗するべき数について、上記した説明では、すべて、実質的に２として述べられているが、誰かがこの量をわずかでも変えた場合であっても、請求範囲はそれほど限定的ではない。従って、ここでは、少なくとも大体（好ましくは正確にであるが）２と記載している。さらに、長尺部材の長手方向に沿って置かれた加速度計は、その長尺部材における部材内部または部材上に取り付けることができ、いずれも本発明の特許請求の範囲に含まれることは明らかである。
【００６７】
最後に、同様に、センサーを、例えば長尺部材の壁面上等に物理的に取り付けない、すなわち、所定距離だけ離して分離させて取り付けるようにすることもできる。この場合、特許請求の範囲は、長尺部材の加速度は、長尺部材から物理的に分離された一つあるいは複数のセンサーにより測定される実施例を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明によって構成されたバイオフィードバック装置の説明図である。
【図２】本発明の好ましい実施例に係るゴルフクラブ中に装着した電子回路のブロック図である。
【図３】は、ゴルフクラブを用いたゴルフスイングの解析に用いる概念図である（但し、例えば、テニスラケットのような長尺部材のスイングの解析にも同様に適用できるものである）。
【図４】図３の形態における典型的な角速度の二乗のデータ特性を示すグラフである。
【図５】図３の形態における典型的な角速度のデータ特性を示すグラフである。
【図６】本発明の好ましい実施例における処理部のブロック図である。
【図７】単一音調群の振幅特性をプロットしたグラフである。
【図８】本発明の１２ビットのデジタルデータを表すため用いられる全音調群の振幅特性を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゴルフスイングのテンポ測定システム等として、ゴルフスイング等の動きやテンポに対応した音響によるバイオフィードバックを供する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゴルフ、テニス、フィッシング、ボーリング、野球等のいずれのスポーツを行う場合でも、同じスイングを繰り返すためには、一定のテンポで、長尺物等をスイングすることが重要となる。そして、試合（ゲーム）における一定の状況下でいったん正しいスイングを得ると、同じ状況で、そのスイングを繰り返すことができるはずである。ここで、一定のテンポとは、そのスイング中の速度変化が、スイングを何回おこなっても繰り返されることをいう。
【０００３】
また、長尺物等のスイングにおいて競技者が、所定のテンポの感覚を得ることは、各種スポーツにおいては一般にきわめて困難である。速い、遅いと感じる競技者の感覚は、ムードや、アドレナリンのレベルなどによって、日々に、そして、時々刻々と変わるためである。また、映像機器を用いた場合であっても、一貫した動きを得ることはさらに複雑となる。というのは、概して競技者は、より集中すべきポイントから注意をそらすことになるからである。さらに、トレーニングは、一般に、競技者本人より、その回りの人が感触や目で見て感じるものに重点が置かれていて、一方、それらの人が、競技者に対して、スイング速度やテンポを伝えることはほとんど困難である。従って、スイングの動きに干渉することなく、競技者にテンポを定量的に感得させる方法は競技者のトレーニング・運動を効果的に助長する。
【０００４】
また、テンポを競技者に感じさせる自然な方法は音や音楽を通して行うことであり、これによって、競技者はスイングに集中することができる。全ての文化において普遍的な音楽を競技者が絶え間なく聴く機会を与えることにより、競技者は音響的感覚に基づいたテンポに対応したタイミングに感覚的に慣れることになる。
【０００５】
また、ゴルフスイングにおける競技者の瞬間的動きは、競技者の意識的な制御より速く生じ、制御速度及びテンポは確実で再生可能なスイングの動きを得るためには、きわめて重要である。さらに、筋肉の活動を無意識に調整する筋肉の記憶は、正しいテンポの繰り返し行う練習によって学ぶことができる。従って、音響による方法は競技者の注意をそらすことなくスイングテンポ情報を無意識的に競技者に与えることができる優れたメカニズムである。
【０００６】
ここで、ゴルフスイングのテンポとは、ゴルフクラブがバックスイングとフォロースルーとの間でボールを叩きながら描く円状軌跡を通過する際の、ゴルフスイングの速度変化である。ゴルフスイングは、円軌跡による動きによって支配されている為、ゴルフスイングはクラブの角速度の時間的履歴又はテンポを示す。さらに、円運動内で動く物体の求心加速度は、物体の角速度の関数であるため、ゴルフクラブの近傍に設けた加速度計は、テンポを示す信号を出すことになる。
【０００７】
そして、スイングしているゴルフクラブ上の特定点における求心加速度は、その点に設けた加速度計によって測定することができ、検出軸はシャフトの軸線と同一である。一般に、この求心加速度acはac=ω2rの関係式を用いてゴルフクラブの角速度の二乗として、瞬間的に測定することができる。ここで、ωは角速度であり、rは加速度計が動く際の有効半径である。
【０００８】
しかし、先行技術において、重力の影響で測定に誤差が出ることが判明した。所望の求心加速度に紛れ込む誤差信号は、シャフトの軸線に沿って異なった位置に設置された２つの加速度計を用いて差動測定を行うことにより低減又は除去することができる。即ち、各加速度計は同一の重力加速度を検出するが、求心加速度はゴルフクラブの動きの有効半径に基づいて測定される。
【０００９】
しかし、ゴルフクラブに取りつけた加速度計及び音響フィードバックを用いることによって十分な利点を得ることは努力なしにはかなり困難である。例えば、米国特許No.6,261,102（特許文献１）は、加速度計の出力をバイオフィードバック用音響信号に変換する技術を開示している。加速度計の軸線をゴルフクラブの軸線と一致させることにより、加速度計は求心加速度を測定し、測定値に基づいて、ゴルフクラブの角速度の二乗を決定する。次に、ゴルフクラブの角速度の二乗に比例する信号は周波数に変換され、音響信号として使用者に供される。しかし、重力作用に対する補償が十分なされていないため、感受性が不十分であり、ゴルフスイングにおける大きな速度変化によって、不快な“金切り（チャープ）”音（chirp like sound）が生じがちである。
【００１０】
他の二つの先行技術をなす特許も、同様な問題点を有する。具体的には、コバヤシ（Kobayashi）に付与された米国特許No.5,233,544（特許文献２）は、ゴルフクラブシャフトに沿って多くの加速度計を取り付けたものであるが、音質に問題が生じる可能性を認識しておらず、また、本発明が提供する複数の音調の使用についても何ら開示しておらず又示唆してもいない。さらに、Kobayashiは角速度の二乗の信号よりも角速度そのものを用いるので、角速度の二乗の信号による良好な感度を与えることができない。
【００１１】
また、キム（Kim）に付与された米国特許No.5,694,340（特許文献３）は、同様に加速度信号を展開する多数の加速度計の使用を開示するが、重力によってもたらされる有害な作用をなくすことができる多数の加速度計を用いることによる利益を何ら開示しておらず又示唆してもいない。しかもKimは多数の周波数を用いているものの、これらの周波数は３つの軸を識別するために用いられ、金切り音（chirp sound）を除去したり、音声の音質を改善したりするために用いられていない。
【特許文献１】米国特許No.6,261,102
【特許文献２】米国特許No.5,233,544
【特許文献３】米国特許No.5,694,340
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、この技術分野において、さらなる改良が求められている。特に、運動用具の一つ、例えば、ゴルフクラブ（特に限定するものでないが）において、ゴルフクラブの軸線に沿って生じる重力のような直線加速度(回転運動によらない)の効果を除去する、又は、低減でき、かつ、感度を高めると共に音響効果を高め音調要素と振幅がテンポを示すべく変化する快適な音を作成する二乗の角速度を用いるバイオフィードバックシステムを提供することが望ましい。よって、本発明は、ここで説明された目的や利点を実現することで、前述の欠点を克服するものである。
【００１３】
すなわち、本発明は、従来技術における感度不足を解決することを目的とする。
また、本発明は、重心の影響を相殺することによって、より改善されたスイングテンポの表示するための装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、角速度の二乗に関連した信号を用いてテンポの変化の測定感度を向上することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、さらに、耳に心地よい音調要素や振幅を用いた改良型音響フィードバックを提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明は、さらに、測定信号や測定信号から得られた情報やコマンドを後に行うプレイバックや解析のために記憶するシステムを提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は、さらに、バイオフィードバック信号を搬送する無線リンクを用いる改良型音響フィードバック方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
一般に、本発明は、長尺部材を具備し、かかる長尺部材のスイングテンポを示す合成音声をフィードバックするバイオフィードバックシステムを提供する。
本発明の好ましい実施態様としてのバイオフィードバックシステムは、長尺部材の長方向に沿った、複数の位置において、加速度を測定するように配置された複数の加速度測定装置と、測定された信号を処理し、重力の影響を低減するとともに、角速度のべき乗に相関した複数のビット情報を含むデジタル数データを形成する第１のマイクロコントローラと、複数のビット情報を含むデジタル数データと、かかるデジタル数データを受信し、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ含む複数の群に関連付けるとともに、当該音調成分および当該振幅値に対応したコマンドを形成するための第２のマイクロコントローラと、かかるコマンドに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、かかる音響信号を出力する手段と、を含むものである。
【００１９】
また、本発明の好ましい実施態様に係る方法は、長尺部材の長方向かつ異なった位置において、長尺部材の加速度を示す複数の加速度信号を生成するステップと、加速度信号を処理し、加速度信号における重力の影響を低減するステップと、加速度信号が処理され、かつ、角速度のべき乗に相関した複数のビット情報をそれぞれ含んだ、一連のデジタルサンプルを形成するステップと、群固有のデジタル値に対応した音響成分および振幅値を有する、各群のうち、デジタルサンプルにおける複数のビット情報に対応した群を決定するステップと、群における音調成分および振幅値を表す合成音を形成するためのコマンドを生成するステップと、合成音をフィードバックするステップと、を含む。
【００２０】
また、本発明の別の実施態様に係るシステムは、長尺部材の運動状態に対応したデジタル信号を抽出するための、前記長尺部材に連結された複数のセンサーと、デジタル信号を処理して、重力の影響を低減し、角速度のべき乗に相関したマルチビットデジタル数のデータを生成するとともに、マルチビットデジタル数のデータを、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ含む複数の群に関連付ける手段と、コマンドに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、音響信号を出力する手段と、を含む。
【００２１】
また、本発明の他の実施態様に係る方法は、長尺部材の運動状態に対応したデジタル信号を抽出するために、長尺部材の長手方向に沿って取り付けられた複数のセンサーを取りつけるステップと、デジタル信号を処理して、重力の影響を除去又し、長尺部材に沿った少なくとも２か所において、角速度のべき乗に相関したマルチビットデジタル数のデータを生成するとともに、マルチビットデジタル数のデータを、マルチビットデジタル信号の情報に対応した音調成分および振幅をそれぞれ有する複数の群にマッピングするステップと、群固有のビット値に対応した音調成分および振幅値を有する音響信号を合成するステップと、音響信号を出力するステップと、を含む
【００２２】
また、本発明の他の実施態様に係るシステムは、長尺部材の運動特性を音声に変換するバイオフィードバックシステムであって、マルチビットデジタル数のデータとして、運動パラメータを捕捉するために、長尺部材の長手方向に沿って配置された複数のセンサーと、マルチビットデジタル数のデータを、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する複数の群に、それぞれマッピングする処理装置と、マッピングされたマルチビットデジタル数のデータに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、前記音響信号を出力する手段と、を含む。
【００２３】
また、このシステムに関連する方法は、マルチビットデジタル数のデータとして運動パラメータを補足するために、長尺部材の長手方向に沿って配置された複数のセンサーを配置するステップと、マルチビットデジタル数のデータを、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する複数の群に、それぞれマッピングするステップと、マルチビットデジタル数のデータに応答し、音響信号を作成して、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する音響信号を生成するステップと、音響信号を出力するステップと、を含む
【００２４】
さらに、具体的な実施態様としては、長尺部材がゴルフクラブである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、具体例として、長尺部材の一つであるゴルフクラブを例にとって、本発明の実施形態を説明する。
【００２６】
ここで、各図は本発明の全ての特徴を示すものではなく、また、図面中、同様な又は同一の構成要素は同一の符号で示される。
【００２７】
先ず、図１および図２を参照して本発明を説明する。図中、数字１００は本発明に係るバイオフィードバックシステムを示し、数字２００は本発明に係るゴルフクラブを示す。また、本発明は、ゴルフクラブ２００と共に、音響によるバイオフィードバック装置に係るものである。バイオフィードバックシステム１００は、好ましくは、演算処理装置３００と、モニタ２５０と、を具備する。本実施例では、演算処理装置３００と、モニタ２５０は相互に無線で接続されており、又、ゴルフクラブ２００と無線で接続することもできる。
【００２８】
ゴルフクラブ２００は、長尺部材２１５からなり、長尺部材２１５は少なくとも１つのシャフトで構成され、さらに長尺部材２１５にクラブヘッド２３０を取り付けることもできる。第１の加速度計２２０と、第２の加速度計２２５が長尺部材２１５に取り付けられている。長尺部材２１５をスイングすると、加速度計２２０、２２５は、長尺部材２１５の軸線に沿って加速度をモニタする。
【００２９】
好ましくは、部材２１５の内部には、それぞれ加速度計２２０、２２５に協動可能に接続された２つのＡ／Ｄコンバータ２５４、２５５と、これらのコンバータ２５４、２５５に接続されたマイクロプロセッサ２６０と、マイクロコントローラ２６０の出力端に接続された無線式送受信機２６５と、を具備する回路２４５を装着されている。マイクロプロセッサ２６０は、加速度計２２０、２２５のデジタル化された出力の差を計算し、その情報を、アンテナ２３５を介して、演算処理装置３００に伝送する。具体的には、クラブヘッドに設けられる加速度計も、長尺部材の長方向に沿って設けられた加速度計とみなされる。
【００３０】
また、演算処理装置３００は、アンテナ３１５を介して伝送されたデータを受信し、以下に説明する信号を音響的に組み込んだ後、バイオフィードバック音響信号としてスピーカ３５５又はモニタ２５０に公知の方式で出力する。モニタ２５０は、イヤホン２５２と小型携帯受信機２５６を含めてもよい。他の実施例では、一体型受信機と、ヘッドセットを使用者が身に着けてもよい。
【００３１】
一般的背景技術を、図３を参照して説明すると、スイング分析パラメータが全体として２０５で示されており、測定軸をゴルフクラブ２００の軸と等しくする加速度計２２０、２２５を取り付けたゴルフクラブ２００が示されている。腕１０５と、手首１１０を有するプレーヤー（図示しない）は、ボール１４０を打つため、ヘッド２３０を有するクラブ２００を、手首１１０回りに角速度ω raｄ／sで円運動１３５を描くようにスイングする。
【００３２】
ここで、スイングするクラブ上の特定の点における求心加速度は、同特定点に設けられかつ検出軸を長尺部材の軸線と等しくした加速度計を用いて測定することができる。一般に、この求心加速度acは、ac=ω2rの関係式を用いてクラブの角速度を瞬間的に測定するため使用される。ここで、ωはクラブヘッドの角速度（ヘッド部あるいはヘッド近傍の加速度計を想定した）であり、ｒは加速度計が移動する有効半径である。
【００３３】
この加速度の大きさの最大値を推定するためには、プレーヤーがクラブヘッド速度を１００ｍｐｈ程度でスイングできるということが留意されている。クラブヘッドが移動する円運動を形成する典型的な半径は５フィート（１．５ｍ）程度であるが、加速度計は通常約４．５フィート（１．３５ｍ）の位置にある。このことから、求心加速度の最大測定値は１２００ｍ／ｓ２程度となる。一般に、重力加速度 ９．８ｍ／ｓ２により標準化すれば、約１２０ｇとなる。これは測定に必要なダイナミックレンジを画定する手段として有用である。
【００３４】
測定誤差は、重力の影響によるものである。加速度計は、検出軸に沿って受ける全ての加速度を測定する。地球の引力は等加速度９．８ｍ／ｓ２であり、１ｇで表され、地球の中心に向かって働く。重力加速度の方向は、矢印「ｇ」で表され、本発明においては垂直方向と定義される。
【００３５】
図３に示すように、重力加速度ｇの方向に対するゴルフクラブ２００の方向性は、クラブヘッド２３０が軌跡１３５に沿って移動するに従って変わる。この方向性の変化は、重力加速度に係る時間的に変化する誤差信号の原因となり、加速度計２２５および２２０の出力に現れる。
【００３６】
したがって、誤差信号は、所望の求心加速度信号に加味され得るものであり、ｒ１およびｒ２にそれぞれ位置する加速度計２２０および２２５からのデータを使用して示差測定を行うことにより除去される。当業者が認識するように、各加速度計は同一の重力加速度を検出するが、運動の有効半径に従う求心加速度の大きさは検出できない。このことを要約すると、
【００３７】
【数１】
【００３８】
ここで、ａ１は加速度計２２０で測定された加速度である。
【００３９】
【数２】
【００４０】
ここで、ａ２は加速度計２２５で測定された加速度である。ｇ・ｒは長尺部材の軸線に沿った重力加速度の大きさを表している。式（１）と式（２）の差を取れば、以下のようになる。
【００４１】
【数３】
【００４２】
この差はω２（角速度の二乗）に比例するが、重力加速度に依存しない値となる。ここで、（ｒ２−ｒ１）は定数である。
【００４３】
式（３）より、二つの加速度計を最大限離れた位置に置くことにより、発生信号が最適化されることは明らかである。これにより、一方の加速度計をグリップ端の近傍に、他方の加速度計をヘッド端近傍に置くことが望ましく、この状態がこの好適な実施例で説明されている。
【００４４】
ω２、すなわち、角速度の二乗信号の代表的なプロットを図４に示す。図４の信号の平方根、すなわち、角速度ωの関係を図５に示す。図４および図５により、角速度の二乗信号であるω２信号を用いれば、感度を向上でき、スイング速度の変化に対して出力レベル大きく変化させられることが理解できる。また、ω２は、クラブの機械的回転エネルギーの尺度ともなるものである。
【００４５】
本発明は、ω２信号を、略瞬時加速度差値の１２ビットのデジタルで表されたビットをマッピングあるいは関連付けることによって、ビット群の間隔に組み込んで各群に独自の音響を与えるシステムである。すなわち、一つまたは複数の機器が和音や音符の音を出すようにしたものである。各群に独自の音を与え、その群内のビット値の関数として各音の大きさを変化させて、バイオフィードバック音響信号に情報を加え、スイングテンポの違いを認識できるようにしている。全体的な効果として、和音の調和関係を維持し、周波数チャープを避けながら、音調要素と、振幅値を変化させることができる。
【００４６】
また、本発明の好適な実施例では、選択された群に対しユニークな音を発生させるために、ＭＩＤＩウェーブテーブル生成装置を使用している。
【００４７】
図１および図２を再び参照して説明する。加速度計２２５は、クラブヘッド２３０近傍に位置しているため、二つの求心加速度のうちより高い加速度を読み込む。加速度計のアナログ出力はＡ／Ｄコンバータ２５４、２５５に送られ、そこでデジタルデータストリームに変換されて、シリアルリンク２６２を介してマイクロプロセッサ２６０に送られ処理される。本好適な実施例には、加速度計のアナログ出力をデジタルデータストリームに変換してマイクロプロセッサ２６０に送るためのマイクロチップ ＭＣＰ３２１０ １２ピットＡ／Ｄコンバータを含むが、好ましくは、マイクロチップ ８ビットマイクロコントローラ ＰＩＣ１６Ｆ８７３Ａである。
【００４８】
また、マイクロプロセッサ２６０は、加速度計の読みを減算し、その結果の１２ビットＮＲＺデータをフォーマット化して送受信機２６５から演算処理装置３００に伝送する。他の実施例では、減算は演算処理装置３００で行われる。
【００４９】
また、送受信機２６５は、好ましくは、マイクロプロセッサ２６０からのＮＲＺシリアルデータ受信し、そのデータを同期マンチェスターコーディングに再フォーマット化して９１５ＭＨｚでアンテナ２３５に送るように構成された、チップコン社製のＣＣ１０００送受信機である。初期化値は、データ書式や周波数選択を含み、マイクロプロセッサ２６０にあるフラッシュメモリに格納され、シリアルリンク２６６により送受信機２６５に送られる。マイクロコントローラ２６０からの加速度データは、シリアルリンク２６４により送受信機２６５に送られる。
【００５０】
好適な実施例に適した加速度計の選択は、以下のように進められる。上述のように、円運動を定義する代表的半径を約５フィート、クラブヘッド速度を約１００ｍｐｈ台とし、加速度計を長尺部材２１５のグリップ端より約４．５フィートに取り付けることによって、加速度計２２５による加速度は約１２００ｍ／ｓ２あるいは約１２０ｇとなる。従って、好適な加速度計は、アナログ装置ＡＤＸＬ１９３（ＡＤ２２２８２）等のｇレンジが１２０ｇ台を有するものである。特に速いスイングをするゴルファーに対する他の実施例では、加速度計はＡＤＸＬ１９３（ＡＤ２２２８２）等のｇレンジが２５０ｇを有するものが用いられ、比較的遅いスイングのゴルファーに対する第３の実施例では、加速度計は、ＡＤＸＬ７８（ＡＤ２２２８０）等のｇレンジが５０ｇを有するものを用いてもよい。他の実施例では、加速度計２２０は、グリップ２２２に近いため加速度計２２５よりも低い等級となり、従って、加速度計２２５よりも低い求心加速度となる。この最後の実施例に対しては、加速度計２２０の出力は、好ましくは、式（３）を得るために式（１）と（２）の減算が容易になるように増減される。
【００５１】
あるいは、前述のようなタイプの加速度計を複数備えて、クラブ２００に取り付けたスイッチ（図示しない）により選択できるようにしてもよい。これにより、同じクラブを異なるスイング速度の複数のゴルファーが使用できるようになり、また、同一のゴルファーが、それぞれ大きく異なる複数のスイング速度で使用することも可能となる。他の実施例では、加速度計の選択は、送受信機２６５と送受信機３３０間を無線リンクにより行ってもよい。
【００５２】
図６は、演算処理装置３００内の回路のブロック図である。送受信機２６５と、アンテナ２３５により送信された１２ビットのデータは、アンテナ３１５により受信され、送受信機３３０によりＮＲＺコードに復調されてＮＲＺシリアルストリームを介してマイクロコントローラ３３５に送られる。シリアルバス３３２と３３４は、ブロック３３０と３３５間の通信に使用され、シリアルバス３３７は、ブロック３３５と３４０間の通信に使用され、バス３４２は、ブロック３４０と３４５間の通信に使用される。
【００５３】
また、マイクロコントローラ３３５は、好ましくはＰＩＣ１６Ｆ８３７Ａであり、１２ビットのデジタルデータストリームを受信し、その１２ビット加速度信号のビットを６群にマッピングする。群１〜４は９ビット、群５は８ビット、群６は７ビットを含む。好適な実施例において各群で定義されたビットを表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
各群のビットはワードとして取り扱われ、マイクロコントローラ３３５はこのワードの数値を計算する。例えば、ワードｂ８−ｂ０が０００００１０１０の場合は、ワードの値は１０となる。
０でないワードの値を持つ群については、マイクロコントローラ３３５は、好ましくは、ＭＩＤＩコマンドをシンセサイザー３４０に伝送し、特定の群の発信音をＯＮし、ＯＮされた群のワード値に比例した値と等しいＯＮされた群の信服を指令する。これにより発生したＭＩＤＩコマンドはシンセサイザー３４０と連続的に交信する。シンセサイザー３４０は、以下に詳細に説明するように、ＮＩＤＩコマンドを解釈し、これをバイオフィードバック信号値に変換する。好適な実施例では、Ｇｅｎｅｒａｌ ＭＩＤＩ規格対応のＣＲＹＳＴＡＬシングルチップウェーブテーブルミュージックシンセサイザーＣＳ９２３６を用いている。他の実施例では音調群が予め記録されており、この音調群をメモリーから呼び出しれ組み合わせることによって、シンセサイザーバイオフィードバック信号を形成する。
【００５６】
また、好適な実施例では、シンセサイザー３４０はマイクロコントローラ３３５によりプログラムされ、各群を特定のＭＩＤＩチャンネルと関連付ける。各ＭＩＤＩチャンネルは、好適な実施例における特定の和音を出すようにプログラムされ、音楽的には第５音として知られている二つの音符と、根音とその完全５度の音程を含む。基本周波数ｆ０の第５音を用いた場合、関連する第５音の周波数は１．５ｆ０である。他の和音関係は、図６のパネルコントロール３７０によりスイッチを操作して選択可能である。さらに他の実施例では、異なった和音関係を有する一連の音程を用いてもよく、また、和音関係のない一連の音程を用いてもよい。すべての群に好適な楽器はロックオルガンであるが、すべての群に対する他の楽器あるいは各群に対する異なった楽器がパネルコントロール３７０により選択可能である。
【００５７】
好適な実施例の音程群関係あるいは音調構成を表２に示す。ここで、Ｃ４は中央C（約２６１．６Ｈｚ）、Ｃ３はオクターブ下（約１３０．８Ｈｚ）、Ｃ５はオクターブ上（約５２３．２Ｈｚ）等を示す。
【００５８】
【表２】
【００５９】
各ＭＩＤＩチャンネルの音の振幅値（ボリューム値）は、対応する群のビット値により決められる。例えば、群１では、ボリューム値は１２ビット完全信号のビットｂ８−ｂ０により定義される。ここで、ｂ０は最小桁ビットである。ビットｂ８−ｂ０のワード値が０と１２７の間の場合、出力ボリューム値はワード値に比例して決められる。ワード値が１２８から２５５の間の場合には、出力ボリューム値は１２７に比例した値に限定される。ワード値が２５６から５１１の間の場合には、出力ボリューム値は、（５１１−群内ビットのワード値）／２と等しく決められる。これにより群１の波形、例えば、ボリューム値が最大値１２７まで角加速度の二乗で増加し、１２７で留まり、次に負の勾配となり、角加速度がさらに増加しながら０に戻るような波形ができる。この振幅値特性を図７に示す。
【００６０】
この基本的なプロセスはすべての群について同じである。１から４の各群は９ビットで定義され、振幅値は各々図７に示す振幅値曲線に合致している。群５は８ビットで、群６は７ビットで定義され、これらの振幅値特性はそれぞれ１２７まで達し、逆方向ではないが負の勾配となる。すべての群の音の高さとボリューム値の編成結果を図８に示す。正味効果はボリューム値変化と音調成分であり、それには和音関係が維持できて周波数チャープを回避できるフォーマットでの信号増加を伴う。表２は特定のチャンネルに関係するそれぞれの和音を示す一方で、他の実施例では、１つまたは複数のチャンネルにおける複数の和音を提供する。
【００６１】
また、処理装置３００はフラッシュメモリ３６５を備え、これに音響効果を組み込んだデータ（ＭＩＤＩコマンドおよび１２ビット加速度データの形式）を格納する。ＭＩＤＩコマンドは好ましくは練習中のプレイバックに使用するが、１２ビット加速度データは処理装置３００の代わりにパソコンと併せて使用するか、あるいは他の音響や音響効果の実験に使用することもできる。
【００６２】
また、情報は処理装置３００からデータポート３７５を介してダウンロードできるが、他の実施例では、メモリーカードによって取り出すことも可能である。同様に、プレーヤーの自由選択で、他の音響効果仕組みを処理装置３００へデータポート３７５を介してアップロードし、コントロールパネル３７０から選択することが可能である。
【００６３】
また、シンセサイザー３４０の出力は、音響効果の組み込まれた角速度二乗信号を表すデジタルデータストリームであり、クラブの回転機械エネルギーの大きさである。この信号は、アナログ値への変換のためにＤ／Ａコンバータ３４５に送られる。このアナログ値は、オーディオアンプ３６０とスピーカ３５５へ送られる。Ｄ／Ａコンバータ３４５からのアナログ信号は、アンテナ３２０を有する無線送信機３５０へ随意接続するコネクタ（図示なし）のところでも利用可能である。無線送信機３５０は、電波を介しての送信に使用するが、他の実施例では赤外線信号が使用される。
【００６４】
本発明のさらなる特徴として、図４の一般形を有するゴルフスイング曲線を重ね合わせることが可能であることが挙げられる。したがって、それらを互いに比較して、一人のユーザーあるいは様々なユーザーの間で繰り返されるスイングのスイングテンポを目に見える形で表示（および比較）することが可能である。このような情報は、その後、後で再び見ることができるように格納でき、また、例えば家庭内のユーザーに目に見える形で連絡することが可能である。このようにして、ユーザーは、例えば本発明のゴルフクラブ２００を使用しているプロゴルファーのゴルフスイングを分析することができる。
従って、本発明は、従来技術にはない多くの利点を備えている。例えば、本発明は、音響効果を組み込んだ角速度二乗値を用いた音響フィードバックや、重力加速度の角速度二乗値の補正を備え、またスイング速度を表すため、掃引周波数よりもむしろ、変化する音調成分や振幅値を使用するものである。
【００６５】
本発明を、その好適な実施例を参照して特に説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲および精神を逸脱することなく形態や細部を変更させることができるということは明らかである。例えば、以上説明した方法や機能を遂行するために、マイクロプロセッサが所定の速さを求められる場合等は、マイクロプロセッサ機能として、一つのユニットにすべてまとめて提供することもできる。従って、以上説明したような構成要素の配置は典型的なものであり、これに限定されるものではない。
【００６６】
同様に、角速度べき乗するべき数について、上記した説明では、すべて、実質的に２として述べられているが、誰かがこの量をわずかでも変えた場合であっても、請求範囲はそれほど限定的ではない。従って、ここでは、少なくとも大体（好ましくは正確にであるが）２と記載している。さらに、長尺部材の長手方向に沿って置かれた加速度計は、その長尺部材における部材内部または部材上に取り付けることができ、いずれも本発明の特許請求の範囲に含まれることは明らかである。
【００６７】
最後に、同様に、センサーを、例えば長尺部材の壁面上等に物理的に取り付けない、すなわち、所定距離だけ離して分離させて取り付けるようにすることもできる。この場合、特許請求の範囲は、長尺部材の加速度は、長尺部材から物理的に分離された一つあるいは複数のセンサーにより測定される実施例を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明によって構成されたバイオフィードバック装置の説明図である。
【図２】本発明の好ましい実施例に係るゴルフクラブ中に装着した電子回路のブロック図である。
【図３】は、ゴルフクラブを用いたゴルフスイングの解析に用いる概念図である（但し、例えば、テニスラケットのような長尺部材のスイングの解析にも同様に適用できるものである）。
【図４】図３の形態における典型的な角速度の二乗のデータ特性を示すグラフである。
【図５】図３の形態における典型的な角速度のデータ特性を示すグラフである。
【図６】本発明の好ましい実施例における処理部のブロック図である。
【図７】単一音調群の振幅特性をプロットしたグラフである。
【図８】本発明の１２ビットのデジタルデータを表すため用いられる全音調群の振幅特性を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺部材を具備し、当該長尺部材のスイングテンポを示す合成音声をフィードバックするためのバイオフィードバックシステムであって、
前記長尺部材の長手方向に沿った複数の位置において、加速度を測定するように配置された複数の加速度測定装置と、
測定された前記加速度の信号を処理して、重力の影響を低減させるとともに、角速度のべき乗数に相関したデジタル数データを形成するための第１のマイクロコントローラと、
複数のビット情報を含む前記デジタル数データと、
前記デジタル数データを受信し、前記ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ含む複数の群に関連付けるとともに、当該音調成分および当該振幅値に対応したコマンドを形成するための第２のマイクロコントローラと、
前記コマンドに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、
前記音響信号を出力する手段と、を含むバイオフィードバックシステム。
【請求項２】
前記角速度のべき乗数は、少なくとも実質的に２であることを特徴とする請求項１に記載のバイオフィードバックシステム。
【請求項３】
長尺部材のスイングテンポを示す合成音をフィードバックするためのバイオフィードバック方法であって、
前記長尺部材の長手方向かつ異なった位置において、当該長尺部材の加速度を示す複数の加速度信号を生成するステップと、
前記加速度信号を処理し、当該加速度信号における重力の影響を低減するステップと、
前記加速度信号が処理され、かつ、角速度のべき乗に相関した複数のビット情報をそれぞれ含んだ、一連のデジタルサンプルを形成するステップと、
群固有のデジタル値に対応した音響成分および振幅値を有する、各群のうち、前記デジタルサンプルにおける複数のビット情報に対応した群を決定するステップと、
前記群における音調成分および振幅値を表す合成音を形成するためのコマンドを生成するステップと、
前記合成音をフィードバックするステップと、を含むバイオフィードバック方法。
【請求項４】
長尺部材を具備し、当該長尺部材のスイングテンポを示す合成音声をフィードバックするためのバイオフィードバックシステムであって、
前記長尺部材の運動状態に対応したデジタル信号を抽出するための、前記長尺部材に連結された複数のセンサーと、
前記デジタル信号を処理して、重力の影響を低減し、角速度のべき乗に相関したマルチビットデジタル数のデータを生成するとともに、当該マルチビットデジタル数のデータを、前記ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ含む複数の群に関連付ける手段と、
前記コマンドに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、
前記音響信号を出力する手段と、を含むバイオフィードバックシステム。
【請求項５】
前記角速度のべき乗数は、少なくとも実質的に２であることを特徴とする請求項４に記載のバイオフィードバックシステム。
【請求項６】
長尺部材のスイングテンポを表す音声をフィードバックするバイオフィードバック方法であって、
前記長尺部材の運動状態に対応したデジタル信号を抽出するために、当該長尺部材の長手方向に沿って取り付けられた複数のセンサーを取りつけるステップと、
前記デジタル信号を処理して、重力の影響を除去又し、前記長尺部材に沿った少なくとも２か所において、角速度のべき乗に相関したマルチビットデジタル数のデータを生成するとともに、当該マルチビットデジタル数のデータを、前記マルチビットデジタル信号の情報に対応した音調成分および振幅をそれぞれ有する複数の群にマッピングするステップと、
群固有のビット値に対応した音調成分および振幅値を有する音響信号を合成するステップと、
前記音響信号を出力するステップと、を含むバイオフィードバック方法。
【請求項７】
長尺部材の運動特性を音声に変換するバイオフィードバックシステムであって、
マルチビットデジタル数のデータとして、運動パラメータを捕捉するために、前記長尺部材の長手方向に沿って配置された複数のセンサーと、
前記マルチビットデジタル数のデータを、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する複数の群に、それぞれマッピングする処理装置と、
マッピングされた前記マルチビットデジタル数のデータに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、
前記音響信号を出力する手段と、を含むバイオフィードバックシステム。
【請求項８】
長尺部材の運動特性を捕捉するためにセンサーを用いて、バイオフィードバック信号を使用者に供給するバイオフィードバック方法であって、
マルチビットデジタル数のデータとして運動パラメータを補足するために、前記長尺部材の長手方向に沿って配置された複数のセンサーを配置するステップと、
前記マルチビットデジタル数のデータを、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する複数の群に、それぞれマッピングするステップと、
前記マルチビットデジタル数のデータに応答し、音響信号を作成して、前記ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する音響信号を生成するステップと、
前記音響信号を出力するステップと、を含むバイオフィードバック方法。
【請求項９】
前記長尺部材がゴルフクラブであることを特徴とする請求項１に記載のバイオフィードバックシステム。
【請求項１０】
長尺部材がゴルフクラブであるであることを特徴とする請求項４に記載のバイオフィードバックシステム
【請求項１１】
請求項１に記載のバイオフィードバックシステムを用いてなる長尺部材。
【請求項１２】
請求項４に記載のバイオフィードバックシステムを用いてなる長尺部材。
【請求項１】
長尺部材を具備し、当該長尺部材のスイングテンポを示す合成音声をフィードバックするためのバイオフィードバックシステムであって、
前記長尺部材の長手方向に沿った複数の位置において、加速度を測定するように配置された複数の加速度測定装置と、
測定された前記加速度の信号を処理して、重力の影響を低減させるとともに、角速度のべき乗数に相関したデジタル数データを形成するための第１のマイクロコントローラと、
複数のビット情報を含む前記デジタル数データと、
前記デジタル数データを受信し、前記ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ含む複数の群に関連付けるとともに、当該音調成分および当該振幅値に対応したコマンドを形成するための第２のマイクロコントローラと、
前記コマンドに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、
前記音響信号を出力する手段と、を含むバイオフィードバックシステム。
【請求項２】
前記角速度のべき乗数は、少なくとも実質的に２であることを特徴とする請求項１に記載のバイオフィードバックシステム。
【請求項３】
長尺部材のスイングテンポを示す合成音をフィードバックするためのバイオフィードバック方法であって、
前記長尺部材の長手方向かつ異なった位置において、当該長尺部材の加速度を示す複数の加速度信号を生成するステップと、
前記加速度信号を処理し、当該加速度信号における重力の影響を低減するステップと、
前記加速度信号が処理され、かつ、角速度のべき乗に相関した複数のビット情報をそれぞれ含んだ、一連のデジタルサンプルを形成するステップと、
群固有のデジタル値に対応した音響成分および振幅値を有する、各群のうち、前記デジタルサンプルにおける複数のビット情報に対応した群を決定するステップと、
前記群における音調成分および振幅値を表す合成音を形成するためのコマンドを生成するステップと、
前記合成音をフィードバックするステップと、を含むバイオフィードバック方法。
【請求項４】
長尺部材を具備し、当該長尺部材のスイングテンポを示す合成音声をフィードバックするためのバイオフィードバックシステムであって、
前記長尺部材の運動状態に対応したデジタル信号を抽出するための、前記長尺部材に連結された複数のセンサーと、
前記デジタル信号を処理して、重力の影響を低減し、角速度のべき乗に相関したマルチビットデジタル数のデータを生成するとともに、当該マルチビットデジタル数のデータを、前記ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ含む複数の群に関連付ける手段と、
前記コマンドに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、
前記音響信号を出力する手段と、を含むバイオフィードバックシステム。
【請求項５】
前記角速度のべき乗数は、少なくとも実質的に２であることを特徴とする請求項４に記載のバイオフィードバックシステム。
【請求項６】
長尺部材のスイングテンポを表す音声をフィードバックするバイオフィードバック方法であって、
前記長尺部材の運動状態に対応したデジタル信号を抽出するために、当該長尺部材の長手方向に沿って取り付けられた複数のセンサーを取りつけるステップと、
前記デジタル信号を処理して、重力の影響を除去又し、前記長尺部材に沿った少なくとも２か所において、角速度のべき乗に相関したマルチビットデジタル数のデータを生成するとともに、当該マルチビットデジタル数のデータを、前記マルチビットデジタル信号の情報に対応した音調成分および振幅をそれぞれ有する複数の群にマッピングするステップと、
群固有のビット値に対応した音調成分および振幅値を有する音響信号を合成するステップと、
前記音響信号を出力するステップと、を含むバイオフィードバック方法。
【請求項７】
長尺部材の運動特性を音声に変換するバイオフィードバックシステムであって、
マルチビットデジタル数のデータとして、運動パラメータを捕捉するために、前記長尺部材の長手方向に沿って配置された複数のセンサーと、
前記マルチビットデジタル数のデータを、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する複数の群に、それぞれマッピングする処理装置と、
マッピングされた前記マルチビットデジタル数のデータに応答し、音響信号を作成するシンセサイザーと、
前記音響信号を出力する手段と、を含むバイオフィードバックシステム。
【請求項８】
長尺部材の運動特性を捕捉するためにセンサーを用いて、バイオフィードバック信号を使用者に供給するバイオフィードバック方法であって、
マルチビットデジタル数のデータとして運動パラメータを補足するために、前記長尺部材の長手方向に沿って配置された複数のセンサーを配置するステップと、
前記マルチビットデジタル数のデータを、ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する複数の群に、それぞれマッピングするステップと、
前記マルチビットデジタル数のデータに応答し、音響信号を作成して、前記ビット情報に対応した音調成分および振幅値をそれぞれ有する音響信号を生成するステップと、
前記音響信号を出力するステップと、を含むバイオフィードバック方法。
【請求項９】
前記長尺部材がゴルフクラブであることを特徴とする請求項１に記載のバイオフィードバックシステム。
【請求項１０】
長尺部材がゴルフクラブであるであることを特徴とする請求項４に記載のバイオフィードバックシステム
【請求項１１】
請求項１に記載のバイオフィードバックシステムを用いてなる長尺部材。
【請求項１２】
請求項４に記載のバイオフィードバックシステムを用いてなる長尺部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００８−５１３１０２（Ｐ２００８−５１３１０２Ａ）
【公表日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５３２３０３（Ｐ２００７−５３２３０３）
【出願日】平成１６年９月２２日（２００４．９．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３１４９０
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０４１４４９
【国際公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【出願人】（５０５０４２６６４）エール大学 (3)
【公表日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２２日（２００４．９．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３１４９０
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０４１４４９
【国際公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【出願人】（５０５０４２６６４）エール大学 (3)
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