運動能力検出装置
【課題】子供から高齢者までの柔軟性や平衡感覚を簡便に測定でき、機能回復訓練の進捗度を簡便に測定できる運動能力検出装置を提供すること。
【解決手段】直交する3軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記3方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の姿勢を取得する姿勢計測手段と、前記姿勢計測手段により計測した二つの姿勢の成す角度を運動体の回転による姿勢変化量として計算する姿勢変化量演算手段と、前記姿勢変化量を出力する出力手段とを備える。
【解決手段】直交する3軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記3方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の姿勢を取得する姿勢計測手段と、前記姿勢計測手段により計測した二つの姿勢の成す角度を運動体の回転による姿勢変化量として計算する姿勢変化量演算手段と、前記姿勢変化量を出力する出力手段とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、人体などの運動体の運動能力を検出する運動能力検出装置に関する。また、人体の運動能力を検出することにより柔軟性や平衡感覚からみた年齢を推定する運動能力検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、人体の運動能力として筋力、全身持久力に加えて柔軟性、平衡感覚があり、これらの運動能力は年齢や健康状態に対応している。そして、これらの運動能力を測定する器具が開発され、柔軟性や平衡感覚に関する運動能力検出装置としては次のような装置が使用され、提案されている。
例えば、非特許文献1には、ヒトの関節の動きや肢位の測定機器として万能角度計や重力角度計などの使用が報告されている。これらの角度計は、被測定者自身が使用するものではなく理学療法士らによるリハビリテーションで使用されるものであり、人体などの運動体の運動能力を被測定者が自ら、かつ簡便に使用できるものではない。
【0003】
また、特許文献1には、柔軟性やバランス(平衡感覚)を改善するトレーニングの成果を測定する器具として高齢者や子供等の被測定者が簡単に座位体前屈測定を行うことのできる脚置き、測定ボード、測定用スライド部材及び目盛り等からなる座位体前屈器が提案されている。この測定器は、測定器本体が固定されているためにどこでも簡便に座位体前屈測定を行うことができない。
【0004】
一方、加速度センサや磁気センサなどの各種センサを用いた装置として、特許文献2には人の動作や身体の一部の動きなどを計測する運動検出装置を含む空間姿勢センサからなる運動検出装置が提案されている。この装置は、空間姿勢センサとして角速度センサと加速度センサよりなる自立型運動検出部と撮影部とから構成され、運動する物体の空間位置と姿勢と動きを認識するために光学系を含むため人体などの運動体の運動能力を簡便に測定できるものではない。
【0005】
また、特許文献3には関節の屈曲状態を高精度に検出できるようにセンサユニット等からなる四肢訓練装置が提案されている。この装置は、センサユニットによって検出・算出された姿勢角度が求められる装置であるが、リハビリテーション用機器のために関節を中心に屈曲する機構を備え、センサユニットを器具に固定化するために人体などの運動体の運動能力を簡便に測定できるものではない。
【0006】
【非特許文献1】Cynthia C.Norkin,D.Joyce White 著、山口 昇ら訳、「関節可動域測定法」協同医書出版社出版、2002年2月1日発行、pp.16〜21
【特許文献1】 実用新案登録第3127368号
【特許文献2】 特開2004−264892号公報
【特許文献3】 特開2006−20780号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、子供から高齢者までの柔軟性や平衡感覚のトレーニングの成果を簡便に測定でき、また、身体のリハビリテーションによる機能回復度や訓練の進捗度を簡便に測定できる運動能力検出装置を提供することを目的とする。さらに、人体の運動能力を検出することにより柔軟性や平衡感覚からみた年齢を推定することができる運動能力検出装置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】
【0008】
本発明の運動能力検出装置は、直交する3軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記3方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の姿勢を取得する姿勢計測手段と、前記姿勢計測手段により計測した二つの姿勢のなす角度を運動体の回転による姿勢変化量として計算する姿勢変化量演算手段と、前記姿勢変化量を出力する出力手段とを備えていることを特徴とする。
【0009】
また、本発明の運動能力検出装置において前記姿勢計測手段は、前記加速度成分と前記地磁気成分とに基づいて、鉛直方向単位ベクトルを求め、前記鉛直方向単位ベクトルから地磁気の東方向または西方向の第1地磁気単位ベクトルを求め、次いで前記第1地磁気単位ベクトルに直交する北方向または南方向の第2地磁気単位ベクトルを求めた後に姿勢行列を計算して姿勢を計測することを特徴とする。
【0010】
また、本発明の運動能力検出装置において、前記姿勢変化量演算手段は前記姿勢計測手段により計測された基準姿勢から所定の姿勢への移行による一軸回転角度を算出することを特徴とする。
【0011】
また、本発明の運動能力測定装置は、直交する3軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記3方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の基準姿勢を取得する基準姿勢計測手段と、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記磁気センサで測定された地磁気成分とを用いて運動体の回転による姿勢変化量を計算する姿勢変化量演算手段と、前記基準姿勢計測手段により計測された基準姿勢から前記姿勢変化量演算手段により計算された姿勢変化量が運動体の回転により所定の変化量を超えるまでの時間を測定する基準姿勢保持時間計測手段と、前記基準姿勢保持時間を出力することを特徴とする。
【0012】
さらに、本発明の運動能力検出装置において、前記姿勢変化量あるいは基準姿勢の保持時間と運動体年齢パラメータとから運動体の年齢を計算することを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明の運動能力検出装置は、3軸の加速度センサ、3軸の磁気センサ、計測手段・演算手段及び出力手段とからなるので、小型化が可能で手に把持したり、身体の一部に装着することにより簡便に運動能力を検出することができる。このために使用者は年齢を問わず、柔軟性や平衡感覚のトレーニングに、また、リハビリテーションに使用できる。そして、検出した運動能力から柔軟性や平衡感覚の年齢を推定したりすることができる。
また、運動能力検出装置において画面表示や音声により、運動能力を容易に認知できるので楽しみながらできる。あるいは、運動能力検出装置からの出力を無線通信手段によりパソコン上で画面表示や音声化、パソコンの記憶装置に検出データを記憶することもできる。
【発明の実施の最良の形態】
【0014】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施の形態による運動能力検出装置の構成を示すブロック図である。本発明の運動能力検出装置は、コントローラ子機10、コントローラ親機20およびパソコンPC30を有している。
【0015】
また、本発明の運動能力検出装置は、図1に示すように、コントローラ子機10は3軸磁気センサおよび3軸加速度センサ11と、制御用マイコン12と、3軸磁気センサにより測定された地磁気データおよび3軸加速度センサにより測定された加速度データをコントローラ親機20に出力して送信する無線送信ユニット13とを有し、コントローラ親機20はUSBデータ変換ユニット21とコントローラ子機10の無線送信ユニット13から送信されるデータを受信する無線受信ユニット22とを有しており、コントローラ親機20からUSBによりパソコンPC30に接続されている。
【0016】
本例では、加速度センサと磁気センサの出力をコントローラ子機10から出力し、パソコンPC30で姿勢計算を行っているが、コントローラ子機10の制御用マイコン12で姿勢計算を行ってもよく、また、コントローラ親機20に別途マイコンを設置して姿勢計算を行っても良い。
【0017】
パソコンPC30においては、地磁気データおよび加速度データを処理する演算部、演算データを画面又は音声により表示する表示部、そして演算データから年齢推定するためのデータベースと年齢変換部とを有している。
【0018】
なお、図1の実施の形態によれば、無線通信手段を用いてコントローラ子機10、コントローラ親機20およびパソコンPC30から構成されている運動能力検出装置であるが、3軸磁気センサおよび3軸加速度センサ、制御用マイコン、演算部、表示部等を全て有する携帯型運動能力検出装置として構成することもできる。
また、携帯電話機に運動能力検出装置を搭載して使用することもできる。
【0019】
図2は、本発明の運動能力検出装置のフロー図を示し、(2A)は柔軟性に関するフロー図、(2B)は平衡感覚に関するフロー図をそれぞれ示す。
また、本発明の運動能力検出装置により検出する運動能力を図6〜図10に示す。
【0020】
まず、運動能力の測定において基準となる基準姿勢について、図6により説明する。
基準姿勢Aは、図1に示すコントローラ子機10(以下、測定器という。)を図6(A)に示すように頭上に両手で握っている姿勢とする。基準姿勢Bは、測定器を図6(B)に示すように水平に持っている姿勢とする。
測定対象となる運動能力により、基準姿勢として基準姿勢Aまたは基準姿勢Bを採用することとする。
【0021】
次に、運動能力の対象としては、柔軟性として(1)側屈、(2)前後屈、(3)旋回の3種類と、平衡感覚として(4)バランスとからの4種類とする。
(1)側屈は、図7(a1)に示すように、基準姿勢Aの状態から右腕の方向へ身体を倒した状態の右側屈と、図7(b1)に示すように、基準姿勢Aの状態から左腕の方向へ身体を倒した状態の左側屈とからなる。
【0022】
(2)前後屈は、図8(a2)に示すように、基準姿勢Bの状態から前方向へ身体を倒した状態の前屈と、図8(b2)に示すように、基準姿勢Bの状態から後方向へ身体を倒した状態の後屈とからなる。
【0023】
(3)旋回は、図9(a3)に示すように、基準姿勢Bの状態から水平方向の右へ身体を回転した状態の右旋回と、図9(b3)に示すように、基準姿勢Bの状態から水平方向の左へ身体を回転した状態の左旋回とからなる。
【0024】
(4)バランスは、図10に示すように、基準姿勢Bの状態から右足または左足による片足だけで立った状態を維持する。
【実施例1】
【0025】
図2(2A)の柔軟性に関するフロー図を用いて本発明の運動能力検出装置の実施例について詳細に説明する。
以下、(1)側屈の実施例を説明する。
ステップS101において、測定器を持ち、電源スイッチを投入して測定を開始する。
基準姿勢A0を取得するために基準姿勢Aの静止姿勢をとって「基準姿勢Aの静止指示」をPCからの音声の指示により測定器のスイッチを入れる(ステップS102)。これにより、基準姿勢A0を取得する(ステップS103)。
なお、ステップS103における基準姿勢A0取得の演算処理については後述する。
【0026】
次に、基準姿勢Aの状態から右腕の方向へ身体を倒した状態の右側屈の姿勢(a1)の変化量を測定するために「姿勢a指示」を測定器に指示(ステップS104)した後、身体を右腕の方向に倒していくことにより姿勢変化量Aaの計算が開始される(ステップS105)。そして、ステップS107において5秒後の姿勢をもっとも倒した上体とみなし、5秒経過を終了条件(ステップS106)として「姿勢Aa」の変化量を取得する。5秒経過していない場合は、ステップS105に戻って姿勢変化量Aaの計算が再開される。これにより、二つの姿勢の成す角度である基準姿勢Aの状態から右側屈の姿勢(a1)の変化量が測定できる。
【0027】
ステップS107の「姿勢Aa取得」が終えた後、基準姿勢Aの状態から左腕の方向へ身体を倒した状態の左側屈の姿勢(b1)の変化量を測定するために「姿勢b指示」を測定器に指示(ステップS108)した後、姿勢(a1)の状態から基準姿勢Aに戻し、さらに身体を左腕の方向に倒していくことにより姿勢変化量Abの計算が開始される(ステップS109)。
そして、ステップS111においても5秒後の姿勢をもっとも倒した上体とみなし、5秒経過を終了条件(ステップS110)として「姿勢Ab」の変化量を取得する。5秒経過していない場合は、ステップS109に戻って姿勢変化量Abの計算が再開される。
これにより、二つの姿勢の成す角度である基準姿勢Aの状態から左側屈の姿勢(b1)の変化量が測定できる。
【0028】
なお、ステップS105およびステップS109における姿勢変化量計算の演算処理については後述する。
【0029】
ステップS112において、「姿勢Aa」の変化量と「姿勢Ab」の変化量との和である姿勢変化量(Aa+Ab)を計算し、終了する(ステップS113)。
【0030】
次に、他の(2)前後屈および(3)旋回については、基準姿勢Bの姿勢状態から開始する点は異なるが、その後のフローは同じである。
【0031】
基準姿勢A0取得の演算処理について、図3により説明する。
ステップS201により演算処理が開始されると、3軸磁気センサおよび3軸加速度センサから測定データが出力される(ステップS202)。その出力から、センサのオフセット、ゲインを考慮して、加速度および磁場の強度(HxHyHz)、(GxGyGz)が求めることができる。
【0032】
【0033】
度ベクトルの絶対値は(式1)により求められる。
【数1】
【0034】
したがって、磁気ベクトル、加速度ベクトルおよび加速度ベクトルの絶対値を用いて鉛直方向単位ベクトル、東方向単位ベクトルおよび北方向単位ベクトルはそれぞれ次式で求められる(ステップS203〜ステップS205)。
【0035】
鉛直方向ベクトルは、次式(式2)により求められる。
【数2】
【0036】
東方向単位ベクトルは、次式(式3)により求められる。
【数3】
【0037】
北方向単位ベクトルは、次式(式4)により求められる。
【数4】
【0038】
姿勢行列は(式5)により表され、単位行列は(式6)により表される。
ここで、X軸を北方向、Y軸を東方向およびZ軸を鉛直方向として基準とする。
【数5】
【数6】
【0039】
ステップS206において、姿勢行列Aと単位行列Iを用いて、鉛直方向、東方向および北方向のベクトル値を姿勢行列Aに導入する。そして、ある時間(t)にて静止を指示し、「基準姿勢A0取得」により演算処理を終了する(ステップS207〜ステップS209)。
【0040】
また、他の(2)前後屈および(3)旋回における基準姿勢Bの基準姿勢B0取得の演算処理については、基準姿勢の静止状態は異なるが、その後のフローは同じである。
【0041】
次に、姿勢変化量の演算処理について、図4(4A)により説明する。
ステップS301により演算処理が開始し、時間(t)における基準姿勢A0取得する(ステップS302)。
【0042】
基準姿勢A0(時間=t)から姿勢aおよび姿勢bが指示され、最も身体が傾いたとき
次式(式7)で表される。
【数7】
【0043】
(式7)で求められた回転行列Rの行列成分(Rxx,Ryy,Rzz)を用いて、姿勢aおよび姿勢bの一軸回転角(θa,θb)を次式(式8)により求められる。ここで求めた一軸回転角θaおよび一軸回転角θbがそれぞれ姿勢変化量Aaおよび姿勢変化量Abである。
【数8】
【0044】
【数9】
【0045】
よって、姿勢aから姿勢bまでの一軸回転角度θは、一軸回転角θaおよび一軸回転角θbの和で求められ(ステップS304)、終了する(ステップS307)。そして、姿勢変化量は一軸回転角度θである。
【0046】
ここで、基準姿勢A0から姿勢aを指示して姿勢aに身体を傾けていく際に、基準姿勢A0から姿勢bを指示して姿勢bに身体を傾けていく際に、あるいは姿勢Aaを取得して姿勢bを指示して姿勢bに身体を傾けていく際に、一軸回転からずれを生じた場合には上述の姿勢変化量の演算処理(図4(4A))では誤差が生ずることとなる。
この誤差を補正する姿勢変化量の演算処理を図4(4B)により説明する。
【0047】
上記のステップS304において一軸回転角度を求めた後、回転ベクトルKx、KyおよびKzを次式(式10)〜(式12)により求める(ステップS305)。
【数9】
【0048】
【数10】
【0049】
【数11】
【0050】
回転ベクトルKx、KyおよびKzの絶対値の大きさを比較して最も大きい回転ベクトルを求めて一軸回転角度θを乗する。
例えば、回転ベクトルKxが最も大きい場合には、Θ補正はΘ=|Kx|×θ により求められる。
ここで、ステップS305〜ステップS306においては一軸回転角θaおよび一軸回転角θbに対応した回転ベクトル(Ka,Kb)を求め、Θ補正(Ka,Kb)を行って終了している(ステップS306)。
【実施例2】
【0051】
図2(2B)の平行感覚に関するフロー図を用いて本発明の運動能力検出装置の実施例について詳細に説明する。
以下、(4)バランスの実施例を説明する。
ステップS151において、測定器を持ち、電源スイッチを投入して測定を開始する。
基準姿勢B0を取得するために基準姿勢Bの静止姿勢をとって「基準姿勢Bの静止指示」をPCからの音声の指示により測定器のスイッチを入れる(ステップS152)。引き続きPCからの音声の指示により「片足立ち」の姿勢をとって、「静止」して「基準姿勢B0」を取得する(ステップS153〜ステップS155)。
【0052】
なお、ステップS155における基準姿勢B0取得の演算処理は上記の基準姿勢A0取得の演算処理と同様である。
【0053】
次に、ステップS155において基準姿勢B0取得後に、片足立ち静止状態の開始の合図により静止状態の保持時間を取得する(ステップS159)。
すなわち、測定開始の合図(ステップS155)により、静止状態の時間カウント(ステップS156)を行い、姿勢変化量を計算(ステップS157)して基準姿勢一軸回転角度θが7°のしきい値を超えた場合には、超えたときの時間を基準姿勢保持時間として取得して終了する(ステップS157〜ステップS160)。
【0054】
なお、ステップS157における姿勢変化量の計算は上記の姿勢変化量の計算と同様である。
【実施例3】
【0055】
図5の年齢判定処理のフロー図を用いて本発明の運動能力検出装置の実施例について詳細に説明する。
ここで、(5A)は柔軟性について得られた姿勢変化量から年齢判定を行うフロー図を示し、(5B)は平衡感覚について得られた基準姿勢保持時間から年齢判定を行うフロー図である。
【0056】
まず、図5(5A)の柔軟性に関するフロー図を説明する。
ステップ401において、パソコンPC30に年齢判定処理の開始の指示を行う。パソコンPC30のデータベースから姿勢変化量を取り出して(ステップ402A)、年齢変換部にて年齢判定を行い(ステップ403)、終了する(ステップ404)。
【0057】
年齢変換部における演算は、表1のパラメータを用いて次式(式12)により行う。
【数12】
【0058】
【表1】
【0059】
次に、図5(5B)の平衡感覚に関するフロー図を説明する。
ステップ401において、パソコンPC30に年齢判定処理の開始の指示を行う。パソコンPC30のデータベースから基準姿勢保持時間を取り出して(ステップ402B)、年齢変換部にて年齢判定を行い(ステップ403)、終了する(ステップ404)。
【0060】
年齢変換部における演算は、表1のパラメータを用いて次式(式13)により行う。
【数13】
【0061】
【表2】
【0062】
上記の年齢判定処理結果については、パソコンPC30の画面に表示したり、音声により表示して被測定者が知ることができる。
また、運動能力検出装置に測定機能とともに年齢判定演算処理機能、そして画面表示機能または音声化機能を有することにより、測定後にすぐにその場において被測定者が知ることができるようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】 運動能力検出装置の構成を示すブロック図である。
【図2】 本発明の運動能力検出装置のフロー図を示し、(2A)は柔軟性に関するフロー図、(2B)は平衡感覚に関するフロー図をそれぞれ示す。
【図3】 基準姿勢A0取得の演算処理を示すフロー図である。
【図4】 姿勢変化量の演算処理を示すフロー図を示し、(4A)は一般的な姿勢変化量の演算処理に関するフロー図、(4B)は誤差を補正する勢変化量の演算処理に関するフロー図をそれぞれ示す。
【図5】 年齢判定の演算処理を示すフロー図を示し、(5A)は柔軟性に関するフロー図、(5B)は平衡感覚に関するフロー図をそれぞれ示す。
【符号の説明】
【0061】
10 コントロール子機
11 3軸磁気センサおよび3軸加速度センサ
12 制御用マイコン
13 無線送信ユニット
20 コントロール親機
21 無線受信ユニット
22 USBデータ変換ユニット
30 パソコンPC
【技術分野】
【0001】
本発明は、人体などの運動体の運動能力を検出する運動能力検出装置に関する。また、人体の運動能力を検出することにより柔軟性や平衡感覚からみた年齢を推定する運動能力検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、人体の運動能力として筋力、全身持久力に加えて柔軟性、平衡感覚があり、これらの運動能力は年齢や健康状態に対応している。そして、これらの運動能力を測定する器具が開発され、柔軟性や平衡感覚に関する運動能力検出装置としては次のような装置が使用され、提案されている。
例えば、非特許文献1には、ヒトの関節の動きや肢位の測定機器として万能角度計や重力角度計などの使用が報告されている。これらの角度計は、被測定者自身が使用するものではなく理学療法士らによるリハビリテーションで使用されるものであり、人体などの運動体の運動能力を被測定者が自ら、かつ簡便に使用できるものではない。
【0003】
また、特許文献1には、柔軟性やバランス(平衡感覚)を改善するトレーニングの成果を測定する器具として高齢者や子供等の被測定者が簡単に座位体前屈測定を行うことのできる脚置き、測定ボード、測定用スライド部材及び目盛り等からなる座位体前屈器が提案されている。この測定器は、測定器本体が固定されているためにどこでも簡便に座位体前屈測定を行うことができない。
【0004】
一方、加速度センサや磁気センサなどの各種センサを用いた装置として、特許文献2には人の動作や身体の一部の動きなどを計測する運動検出装置を含む空間姿勢センサからなる運動検出装置が提案されている。この装置は、空間姿勢センサとして角速度センサと加速度センサよりなる自立型運動検出部と撮影部とから構成され、運動する物体の空間位置と姿勢と動きを認識するために光学系を含むため人体などの運動体の運動能力を簡便に測定できるものではない。
【0005】
また、特許文献3には関節の屈曲状態を高精度に検出できるようにセンサユニット等からなる四肢訓練装置が提案されている。この装置は、センサユニットによって検出・算出された姿勢角度が求められる装置であるが、リハビリテーション用機器のために関節を中心に屈曲する機構を備え、センサユニットを器具に固定化するために人体などの運動体の運動能力を簡便に測定できるものではない。
【0006】
【非特許文献1】Cynthia C.Norkin,D.Joyce White 著、山口 昇ら訳、「関節可動域測定法」協同医書出版社出版、2002年2月1日発行、pp.16〜21
【特許文献1】 実用新案登録第3127368号
【特許文献2】 特開2004−264892号公報
【特許文献3】 特開2006−20780号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、子供から高齢者までの柔軟性や平衡感覚のトレーニングの成果を簡便に測定でき、また、身体のリハビリテーションによる機能回復度や訓練の進捗度を簡便に測定できる運動能力検出装置を提供することを目的とする。さらに、人体の運動能力を検出することにより柔軟性や平衡感覚からみた年齢を推定することができる運動能力検出装置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】
【0008】
本発明の運動能力検出装置は、直交する3軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記3方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の姿勢を取得する姿勢計測手段と、前記姿勢計測手段により計測した二つの姿勢のなす角度を運動体の回転による姿勢変化量として計算する姿勢変化量演算手段と、前記姿勢変化量を出力する出力手段とを備えていることを特徴とする。
【0009】
また、本発明の運動能力検出装置において前記姿勢計測手段は、前記加速度成分と前記地磁気成分とに基づいて、鉛直方向単位ベクトルを求め、前記鉛直方向単位ベクトルから地磁気の東方向または西方向の第1地磁気単位ベクトルを求め、次いで前記第1地磁気単位ベクトルに直交する北方向または南方向の第2地磁気単位ベクトルを求めた後に姿勢行列を計算して姿勢を計測することを特徴とする。
【0010】
また、本発明の運動能力検出装置において、前記姿勢変化量演算手段は前記姿勢計測手段により計測された基準姿勢から所定の姿勢への移行による一軸回転角度を算出することを特徴とする。
【0011】
また、本発明の運動能力測定装置は、直交する3軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記3方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の基準姿勢を取得する基準姿勢計測手段と、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記磁気センサで測定された地磁気成分とを用いて運動体の回転による姿勢変化量を計算する姿勢変化量演算手段と、前記基準姿勢計測手段により計測された基準姿勢から前記姿勢変化量演算手段により計算された姿勢変化量が運動体の回転により所定の変化量を超えるまでの時間を測定する基準姿勢保持時間計測手段と、前記基準姿勢保持時間を出力することを特徴とする。
【0012】
さらに、本発明の運動能力検出装置において、前記姿勢変化量あるいは基準姿勢の保持時間と運動体年齢パラメータとから運動体の年齢を計算することを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明の運動能力検出装置は、3軸の加速度センサ、3軸の磁気センサ、計測手段・演算手段及び出力手段とからなるので、小型化が可能で手に把持したり、身体の一部に装着することにより簡便に運動能力を検出することができる。このために使用者は年齢を問わず、柔軟性や平衡感覚のトレーニングに、また、リハビリテーションに使用できる。そして、検出した運動能力から柔軟性や平衡感覚の年齢を推定したりすることができる。
また、運動能力検出装置において画面表示や音声により、運動能力を容易に認知できるので楽しみながらできる。あるいは、運動能力検出装置からの出力を無線通信手段によりパソコン上で画面表示や音声化、パソコンの記憶装置に検出データを記憶することもできる。
【発明の実施の最良の形態】
【0014】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施の形態による運動能力検出装置の構成を示すブロック図である。本発明の運動能力検出装置は、コントローラ子機10、コントローラ親機20およびパソコンPC30を有している。
【0015】
また、本発明の運動能力検出装置は、図1に示すように、コントローラ子機10は3軸磁気センサおよび3軸加速度センサ11と、制御用マイコン12と、3軸磁気センサにより測定された地磁気データおよび3軸加速度センサにより測定された加速度データをコントローラ親機20に出力して送信する無線送信ユニット13とを有し、コントローラ親機20はUSBデータ変換ユニット21とコントローラ子機10の無線送信ユニット13から送信されるデータを受信する無線受信ユニット22とを有しており、コントローラ親機20からUSBによりパソコンPC30に接続されている。
【0016】
本例では、加速度センサと磁気センサの出力をコントローラ子機10から出力し、パソコンPC30で姿勢計算を行っているが、コントローラ子機10の制御用マイコン12で姿勢計算を行ってもよく、また、コントローラ親機20に別途マイコンを設置して姿勢計算を行っても良い。
【0017】
パソコンPC30においては、地磁気データおよび加速度データを処理する演算部、演算データを画面又は音声により表示する表示部、そして演算データから年齢推定するためのデータベースと年齢変換部とを有している。
【0018】
なお、図1の実施の形態によれば、無線通信手段を用いてコントローラ子機10、コントローラ親機20およびパソコンPC30から構成されている運動能力検出装置であるが、3軸磁気センサおよび3軸加速度センサ、制御用マイコン、演算部、表示部等を全て有する携帯型運動能力検出装置として構成することもできる。
また、携帯電話機に運動能力検出装置を搭載して使用することもできる。
【0019】
図2は、本発明の運動能力検出装置のフロー図を示し、(2A)は柔軟性に関するフロー図、(2B)は平衡感覚に関するフロー図をそれぞれ示す。
また、本発明の運動能力検出装置により検出する運動能力を図6〜図10に示す。
【0020】
まず、運動能力の測定において基準となる基準姿勢について、図6により説明する。
基準姿勢Aは、図1に示すコントローラ子機10(以下、測定器という。)を図6(A)に示すように頭上に両手で握っている姿勢とする。基準姿勢Bは、測定器を図6(B)に示すように水平に持っている姿勢とする。
測定対象となる運動能力により、基準姿勢として基準姿勢Aまたは基準姿勢Bを採用することとする。
【0021】
次に、運動能力の対象としては、柔軟性として(1)側屈、(2)前後屈、(3)旋回の3種類と、平衡感覚として(4)バランスとからの4種類とする。
(1)側屈は、図7(a1)に示すように、基準姿勢Aの状態から右腕の方向へ身体を倒した状態の右側屈と、図7(b1)に示すように、基準姿勢Aの状態から左腕の方向へ身体を倒した状態の左側屈とからなる。
【0022】
(2)前後屈は、図8(a2)に示すように、基準姿勢Bの状態から前方向へ身体を倒した状態の前屈と、図8(b2)に示すように、基準姿勢Bの状態から後方向へ身体を倒した状態の後屈とからなる。
【0023】
(3)旋回は、図9(a3)に示すように、基準姿勢Bの状態から水平方向の右へ身体を回転した状態の右旋回と、図9(b3)に示すように、基準姿勢Bの状態から水平方向の左へ身体を回転した状態の左旋回とからなる。
【0024】
(4)バランスは、図10に示すように、基準姿勢Bの状態から右足または左足による片足だけで立った状態を維持する。
【実施例1】
【0025】
図2(2A)の柔軟性に関するフロー図を用いて本発明の運動能力検出装置の実施例について詳細に説明する。
以下、(1)側屈の実施例を説明する。
ステップS101において、測定器を持ち、電源スイッチを投入して測定を開始する。
基準姿勢A0を取得するために基準姿勢Aの静止姿勢をとって「基準姿勢Aの静止指示」をPCからの音声の指示により測定器のスイッチを入れる(ステップS102)。これにより、基準姿勢A0を取得する(ステップS103)。
なお、ステップS103における基準姿勢A0取得の演算処理については後述する。
【0026】
次に、基準姿勢Aの状態から右腕の方向へ身体を倒した状態の右側屈の姿勢(a1)の変化量を測定するために「姿勢a指示」を測定器に指示(ステップS104)した後、身体を右腕の方向に倒していくことにより姿勢変化量Aaの計算が開始される(ステップS105)。そして、ステップS107において5秒後の姿勢をもっとも倒した上体とみなし、5秒経過を終了条件(ステップS106)として「姿勢Aa」の変化量を取得する。5秒経過していない場合は、ステップS105に戻って姿勢変化量Aaの計算が再開される。これにより、二つの姿勢の成す角度である基準姿勢Aの状態から右側屈の姿勢(a1)の変化量が測定できる。
【0027】
ステップS107の「姿勢Aa取得」が終えた後、基準姿勢Aの状態から左腕の方向へ身体を倒した状態の左側屈の姿勢(b1)の変化量を測定するために「姿勢b指示」を測定器に指示(ステップS108)した後、姿勢(a1)の状態から基準姿勢Aに戻し、さらに身体を左腕の方向に倒していくことにより姿勢変化量Abの計算が開始される(ステップS109)。
そして、ステップS111においても5秒後の姿勢をもっとも倒した上体とみなし、5秒経過を終了条件(ステップS110)として「姿勢Ab」の変化量を取得する。5秒経過していない場合は、ステップS109に戻って姿勢変化量Abの計算が再開される。
これにより、二つの姿勢の成す角度である基準姿勢Aの状態から左側屈の姿勢(b1)の変化量が測定できる。
【0028】
なお、ステップS105およびステップS109における姿勢変化量計算の演算処理については後述する。
【0029】
ステップS112において、「姿勢Aa」の変化量と「姿勢Ab」の変化量との和である姿勢変化量(Aa+Ab)を計算し、終了する(ステップS113)。
【0030】
次に、他の(2)前後屈および(3)旋回については、基準姿勢Bの姿勢状態から開始する点は異なるが、その後のフローは同じである。
【0031】
基準姿勢A0取得の演算処理について、図3により説明する。
ステップS201により演算処理が開始されると、3軸磁気センサおよび3軸加速度センサから測定データが出力される(ステップS202)。その出力から、センサのオフセット、ゲインを考慮して、加速度および磁場の強度(HxHyHz)、(GxGyGz)が求めることができる。
【0032】
【0033】
度ベクトルの絶対値は(式1)により求められる。
【数1】
【0034】
したがって、磁気ベクトル、加速度ベクトルおよび加速度ベクトルの絶対値を用いて鉛直方向単位ベクトル、東方向単位ベクトルおよび北方向単位ベクトルはそれぞれ次式で求められる(ステップS203〜ステップS205)。
【0035】
鉛直方向ベクトルは、次式(式2)により求められる。
【数2】
【0036】
東方向単位ベクトルは、次式(式3)により求められる。
【数3】
【0037】
北方向単位ベクトルは、次式(式4)により求められる。
【数4】
【0038】
姿勢行列は(式5)により表され、単位行列は(式6)により表される。
ここで、X軸を北方向、Y軸を東方向およびZ軸を鉛直方向として基準とする。
【数5】
【数6】
【0039】
ステップS206において、姿勢行列Aと単位行列Iを用いて、鉛直方向、東方向および北方向のベクトル値を姿勢行列Aに導入する。そして、ある時間(t)にて静止を指示し、「基準姿勢A0取得」により演算処理を終了する(ステップS207〜ステップS209)。
【0040】
また、他の(2)前後屈および(3)旋回における基準姿勢Bの基準姿勢B0取得の演算処理については、基準姿勢の静止状態は異なるが、その後のフローは同じである。
【0041】
次に、姿勢変化量の演算処理について、図4(4A)により説明する。
ステップS301により演算処理が開始し、時間(t)における基準姿勢A0取得する(ステップS302)。
【0042】
基準姿勢A0(時間=t)から姿勢aおよび姿勢bが指示され、最も身体が傾いたとき
次式(式7)で表される。
【数7】
【0043】
(式7)で求められた回転行列Rの行列成分(Rxx,Ryy,Rzz)を用いて、姿勢aおよび姿勢bの一軸回転角(θa,θb)を次式(式8)により求められる。ここで求めた一軸回転角θaおよび一軸回転角θbがそれぞれ姿勢変化量Aaおよび姿勢変化量Abである。
【数8】
【0044】
【数9】
【0045】
よって、姿勢aから姿勢bまでの一軸回転角度θは、一軸回転角θaおよび一軸回転角θbの和で求められ(ステップS304)、終了する(ステップS307)。そして、姿勢変化量は一軸回転角度θである。
【0046】
ここで、基準姿勢A0から姿勢aを指示して姿勢aに身体を傾けていく際に、基準姿勢A0から姿勢bを指示して姿勢bに身体を傾けていく際に、あるいは姿勢Aaを取得して姿勢bを指示して姿勢bに身体を傾けていく際に、一軸回転からずれを生じた場合には上述の姿勢変化量の演算処理(図4(4A))では誤差が生ずることとなる。
この誤差を補正する姿勢変化量の演算処理を図4(4B)により説明する。
【0047】
上記のステップS304において一軸回転角度を求めた後、回転ベクトルKx、KyおよびKzを次式(式10)〜(式12)により求める(ステップS305)。
【数9】
【0048】
【数10】
【0049】
【数11】
【0050】
回転ベクトルKx、KyおよびKzの絶対値の大きさを比較して最も大きい回転ベクトルを求めて一軸回転角度θを乗する。
例えば、回転ベクトルKxが最も大きい場合には、Θ補正はΘ=|Kx|×θ により求められる。
ここで、ステップS305〜ステップS306においては一軸回転角θaおよび一軸回転角θbに対応した回転ベクトル(Ka,Kb)を求め、Θ補正(Ka,Kb)を行って終了している(ステップS306)。
【実施例2】
【0051】
図2(2B)の平行感覚に関するフロー図を用いて本発明の運動能力検出装置の実施例について詳細に説明する。
以下、(4)バランスの実施例を説明する。
ステップS151において、測定器を持ち、電源スイッチを投入して測定を開始する。
基準姿勢B0を取得するために基準姿勢Bの静止姿勢をとって「基準姿勢Bの静止指示」をPCからの音声の指示により測定器のスイッチを入れる(ステップS152)。引き続きPCからの音声の指示により「片足立ち」の姿勢をとって、「静止」して「基準姿勢B0」を取得する(ステップS153〜ステップS155)。
【0052】
なお、ステップS155における基準姿勢B0取得の演算処理は上記の基準姿勢A0取得の演算処理と同様である。
【0053】
次に、ステップS155において基準姿勢B0取得後に、片足立ち静止状態の開始の合図により静止状態の保持時間を取得する(ステップS159)。
すなわち、測定開始の合図(ステップS155)により、静止状態の時間カウント(ステップS156)を行い、姿勢変化量を計算(ステップS157)して基準姿勢一軸回転角度θが7°のしきい値を超えた場合には、超えたときの時間を基準姿勢保持時間として取得して終了する(ステップS157〜ステップS160)。
【0054】
なお、ステップS157における姿勢変化量の計算は上記の姿勢変化量の計算と同様である。
【実施例3】
【0055】
図5の年齢判定処理のフロー図を用いて本発明の運動能力検出装置の実施例について詳細に説明する。
ここで、(5A)は柔軟性について得られた姿勢変化量から年齢判定を行うフロー図を示し、(5B)は平衡感覚について得られた基準姿勢保持時間から年齢判定を行うフロー図である。
【0056】
まず、図5(5A)の柔軟性に関するフロー図を説明する。
ステップ401において、パソコンPC30に年齢判定処理の開始の指示を行う。パソコンPC30のデータベースから姿勢変化量を取り出して(ステップ402A)、年齢変換部にて年齢判定を行い(ステップ403)、終了する(ステップ404)。
【0057】
年齢変換部における演算は、表1のパラメータを用いて次式(式12)により行う。
【数12】
【0058】
【表1】
【0059】
次に、図5(5B)の平衡感覚に関するフロー図を説明する。
ステップ401において、パソコンPC30に年齢判定処理の開始の指示を行う。パソコンPC30のデータベースから基準姿勢保持時間を取り出して(ステップ402B)、年齢変換部にて年齢判定を行い(ステップ403)、終了する(ステップ404)。
【0060】
年齢変換部における演算は、表1のパラメータを用いて次式(式13)により行う。
【数13】
【0061】
【表2】
【0062】
上記の年齢判定処理結果については、パソコンPC30の画面に表示したり、音声により表示して被測定者が知ることができる。
また、運動能力検出装置に測定機能とともに年齢判定演算処理機能、そして画面表示機能または音声化機能を有することにより、測定後にすぐにその場において被測定者が知ることができるようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】 運動能力検出装置の構成を示すブロック図である。
【図2】 本発明の運動能力検出装置のフロー図を示し、(2A)は柔軟性に関するフロー図、(2B)は平衡感覚に関するフロー図をそれぞれ示す。
【図3】 基準姿勢A0取得の演算処理を示すフロー図である。
【図4】 姿勢変化量の演算処理を示すフロー図を示し、(4A)は一般的な姿勢変化量の演算処理に関するフロー図、(4B)は誤差を補正する勢変化量の演算処理に関するフロー図をそれぞれ示す。
【図5】 年齢判定の演算処理を示すフロー図を示し、(5A)は柔軟性に関するフロー図、(5B)は平衡感覚に関するフロー図をそれぞれ示す。
【符号の説明】
【0061】
10 コントロール子機
11 3軸磁気センサおよび3軸加速度センサ
12 制御用マイコン
13 無線送信ユニット
20 コントロール親機
21 無線受信ユニット
22 USBデータ変換ユニット
30 パソコンPC
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直交する3軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、
前記3方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、
前記加速度センサで測定された加速度成分と前記磁気センサで測定された地磁気成分とを用いて運動体の姿勢を計測する姿勢計測手段と、
前記姿勢計測手段により計測した二つの姿勢のなす角度を運動体の回転による姿勢変化量として計算する姿勢変化量演算手段と、
前記姿勢変化量を出力する出力手段とを備えていることを特徴とする運動能力検出装置
【請求項2】
請求項1の運動能力検出装置において、
前記姿勢計測手段は、
前記加速度成分と前記地磁気成分とに基づいて、
鉛直方向単位ベクトルを求め、前記鉛直方向単位ベクトルから地磁気の東方向または西方向の第1地磁気単位ベクトルを求め、次いで前記第1地磁気単位ベクトルに直交する北方向または南方向の第2地磁気単位ベクトルを求めた後に姿勢行列を計算して運動体の姿勢を計測することを特徴とする運動能力検出装置。
【請求項3】
請求項1の運動能力検出装置において、
前記姿勢変化量演算手段は、
前記姿勢計測手段により計測された基準姿勢から
所定の姿勢への移行による一軸回転角度を計算することを特徴とする運動能力検出装置。
【請求項4】
直交する3軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記3方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の基準姿勢を取得する基準姿勢計測手段と、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記磁気センサで測定された地磁気成分とを用いて運動体の回転による姿勢変化量を計算する姿勢変化量演算手段と、前記基準姿勢計測手段により計測された基準姿勢から前記姿勢変化量演算手段により計算された姿勢変化量が運動体の回転により一定の変化量を超えるまでの時間を測定する基準姿勢保持時間計測手段と、前記基準姿勢保持時間を出力することを特徴とする運動能力測定装置。
【請求項5】
請求項1乃至4の運動能力検出装置において、
前記姿勢変化量と運動体年齢パラメータとから運動体の年齢を計算することを特徴とする運動能力検出装置。
【請求項1】
直交する3軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、
前記3方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、
前記加速度センサで測定された加速度成分と前記磁気センサで測定された地磁気成分とを用いて運動体の姿勢を計測する姿勢計測手段と、
前記姿勢計測手段により計測した二つの姿勢のなす角度を運動体の回転による姿勢変化量として計算する姿勢変化量演算手段と、
前記姿勢変化量を出力する出力手段とを備えていることを特徴とする運動能力検出装置
【請求項2】
請求項1の運動能力検出装置において、
前記姿勢計測手段は、
前記加速度成分と前記地磁気成分とに基づいて、
鉛直方向単位ベクトルを求め、前記鉛直方向単位ベクトルから地磁気の東方向または西方向の第1地磁気単位ベクトルを求め、次いで前記第1地磁気単位ベクトルに直交する北方向または南方向の第2地磁気単位ベクトルを求めた後に姿勢行列を計算して運動体の姿勢を計測することを特徴とする運動能力検出装置。
【請求項3】
請求項1の運動能力検出装置において、
前記姿勢変化量演算手段は、
前記姿勢計測手段により計測された基準姿勢から
所定の姿勢への移行による一軸回転角度を計算することを特徴とする運動能力検出装置。
【請求項4】
直交する3軸方向の運動体の加速度成分を測定する加速度センサと、前記3方向の軸において運動体の地磁気成分をそれぞれ測定する磁気センサと、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記で測定された地磁気成分とを用いて運動体の基準姿勢を取得する基準姿勢計測手段と、前記加速度センサで測定された加速度成分と前記磁気センサで測定された地磁気成分とを用いて運動体の回転による姿勢変化量を計算する姿勢変化量演算手段と、前記基準姿勢計測手段により計測された基準姿勢から前記姿勢変化量演算手段により計算された姿勢変化量が運動体の回転により一定の変化量を超えるまでの時間を測定する基準姿勢保持時間計測手段と、前記基準姿勢保持時間を出力することを特徴とする運動能力測定装置。
【請求項5】
請求項1乃至4の運動能力検出装置において、
前記姿勢変化量と運動体年齢パラメータとから運動体の年齢を計算することを特徴とする運動能力検出装置。
【図1】
【図2】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図2】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【公開番号】特開2009−101108(P2009−101108A)
【公開日】平成21年5月14日(2009.5.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−298648(P2007−298648)
【出願日】平成19年10月22日(2007.10.22)
【出願人】(501034106)アイチ・マイクロ・インテリジェント株式会社 (42)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年5月14日(2009.5.14)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年10月22日(2007.10.22)
【出願人】(501034106)アイチ・マイクロ・インテリジェント株式会社 (42)
【Fターム(参考)】
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