JP4021137B2 - Body motion sensing device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、身体が行った運動を検出し、その情報を観測者に提供することができる身体動作センシング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
使用者の身体に取付け、身体の運動をセンサで検出してそのデータで使用者の運動状況を判断し、健康管理等の目的に利用する発明の提案は数多い。例えば、(1)特開平10−295651号に開示された技術において、利用者が身につけた(腰などに)加速度計を持つ携帯端末は、入力しておいた個人データと自動計測した運動量を外部のセンタコンピュータに電話送信し分析して健康診断させ、その結果を受信し表示する。
【0003】
(2)特開2000−41953号に開示された技術においては、行動データ収集装置(利用者身体側)の体動センサが検出した体動を1次加工し、それを受信した行動データ出力装置(外部パソコン側)は個人情報を用いて2次加工したデータを出力する。生体情報収集機器側での個人情報入力や大量の2次加工情報の蓄積を不要とし、操作性やメモリ容量の削減を図る。
(3)特開2000−41952号においては、行動情報検出機器のメモリ容量を低減するため、センサと体動検出回路の出力より内部MPUを用いて歩数、歩行ペース、行動の種類、運動強度、消費カロリ等の生体情報を計算し、1分毎に計算結果を記憶、表示、あるいは外部に送信する。
【0004】
(4)その他、歩数計や多機能型の腕時計等に加速度センサを内蔵させ、歩数や運動強度を測定して運動による消費カロリー等の健康管理情報を知らせるようにした製品や文献もあったようである。
(5)更に医療管理上の目的で、行動に障害を生じた患者の動作のモニタリング、あるいは緊急自動通報を行うため、加速度センサに加えて振動ジャイロスコープ等の回転角速度センサを追加して、特定の運動の検出を目的とする研究や実験がなされていることが関連学会における報告などに見られる。
(6)一方運動センサ技術を見ると、従来加速度と角速度は別個のセンサで測定されていた。殊に角速度センサではフリーフリーバーや2脚の音叉をコリオリ力を検知する振動体として利用した振動ジャイロスコープが実用されつつある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例(1)、(2)、(3)における発明の各実施の形態を見るに、まだ十分に小型で装着による使用者(体が不自由な患者である場合が多い)の負担が少ない身体側機器が提案されているとは言えないと考えられる。従来例(4)では機器の小型化の点では進歩があるが、これらの従来例では得ようとしている情報が健常者の健康管理の範囲内に止まっており、例えば患者のリハビリテーションの評価等の医療目的にも直ちに用いうる技術ではない。
【0006】
上記従来例(5)の研究の目的は医療技術の改善であることでは本発明と共通する点もあるが、特定の疾患を対象としそれに関連する動作の検出を具体的な目的としており(例えば循環器系疾患と心機能に負担のかかる運動)、脳梗塞による麻痺患者の動作をも視野に入れようとする本発明に直接適用し難い部分が多い。また実際に患者に運動センサを装着する具体的な最適技術についての言及はあまりないようである。
【0007】
また従来例(6)に挙げた従来技術における角速度センサは、角速度が検出できる回転軸が2脚の音叉または棒状振動体の長手軸に平行、即ち検出可能な回転面は長手軸に垂直となっている。これは検出可能な回転面を身体に装着する装置の主な表面と平行とするとき必然的に身体側装置の厚さを増す。また加速度センサと角速度センサが別体であると身体側装置を大型にしてしまう。これらの事情により装着の負担感を軽減するため薄型・小型にすることが現状では困難である。なお他の形態のセンサが提案された例も多い。
【0008】
本発明の目的は、使用者の身体の動作を検出し、それが所定の動作であることを判別してその情報を表示し、本人あるいは観察者に提供することができる実用性の高い身体動作センシング装置を提供することである。また、少なくとも歩行の計測とリハビリテーションの評価を可能にした身体動作センシング装置を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の身体動作センシング装置は次の(1)の特徴を備える。
(1)1つの方向の加速度と1つの軸の回りの回転角速度を測定できる運動センサと、該運動センサによって前記1つの方向の加速度と1つの軸の回りの回転角速度とを所定の期間測定する測定回路手段とを含み、身体の所定の部位に装着される身体側装置と、該測定回路手段の加速度出力と角速度出力とにそれぞれ所定の演算を施す演算回路手段と、前記所定の演算が施された加速度出力と角速度出力との組み合わせによって前記所定の期間における身体運動の種類および強度を判定する判定回路手段と、前記判定された身体運動の種類および強度あるいはその評価結果を表示する表示手段とを有する身体動作センシング装置において、
前記身体の所定の部位は手首であり、前記運動センサの検出する1つの方向の加速度は身体のほぼ上下方向または前後方向の加速度であり、前記運動センサの検出する1つの方向の角速度は身体のほぼ鉛直方向および前後方向を含む平面内における回転運動に対する角速度であり、また前記判定手段は前記身体のほぼ鉛直方向または前後方向の加速度の分散値と前記身体のほぼ鉛直方向および前後方向を含む平面内における回転運動に対する角速度の分散値またはそれらの対数の組み合わせに基づいて、前記身体の運動の種類を判定する機能を有すること。
【0011】
本発明の身体動作センシング装置は、更に次の(2)ないし(4)の特徴のいずれかを備えることがある。
)前記運動センサと、前記測定回路手段と、前記演算回路手段と、前記判定回路手段と、前記表示手段のうち、少なくとも前記運動センサと前記測定回路手段とが身体の所定の部位に装着される身体側装置に内蔵されており、その他の手段が前記身体に装着されない外部装置に内蔵されており、かつ前記身体側装置は中間データの送信手段を備え、前記外部装置は前記中間データの受信手段を備えていること。
【0013】
)前記身体側装置は腕に装着される機器であり、その内部で前記運動センサの角速度センサ部は厚みの薄い箱型の容器に収納されていて前記身体側装置の最も広い面にほぼ平行に配置されており、前記角速度センサ部の検出回転方向は前記箱型の容器の最も広い表面にほぼ平行な方向であること
【0014】
)前記身体側装置は主な表面に表示装置を有し、前記運動センサの箱型の容器には一体化された構造の加速度センサ部と角速度センサ部とが収納されており、また前記運動センサの容器は前記表示装置にほぼ平行に前記身体側装置内に配置されており、前記運動センサの加速度検出方向は前記箱型の容器の最も広い表面にほぼ平行な方向であること。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の身体動作センシング装置の第1の実施の形態のブロック図である。本装置は使用者が身体の所定の部位に取り付ける身体側装置1と、例えば医療センター的な場所に設置される外部装置2より成る。身体側装置1の内部構成は、その特定の方向への加速度を検知する加速度センサ11、特定の面に平行な回転の角速度を検知する角速度センサ12、それら機械的振動体であるセンサを各々励振し(駆動信号はP130およびP140)また加速度および角速度の検出信号P11およびP12を抽出し検波・増幅等の処理をしてそれぞれ検出値に比例する電圧を出力する加速度測定回路13および角速度測定回路14を含んでいる。
【0018】
所定の期間(使用者自身が決める、あるいは予め使用者と医療関係者が打合わせて決める、あるいは装置が自己の時計で決める等種々考えられる)内の加速度出力P13と角速度出力P14はそれぞれ加速度演算回路15および角速度演算回路16によって所定の演算が施される。所定の演算とは信号P13、P14の波形に加工を施して信号を変換することであり、例えば入力波形のピーク値を抽出する、整流・平滑化を行って平均化する、所定期間に現れる波形のピーク値の分散値を求める、所定期間の信号を細かくサンプリングしてその分散値を出す、また更にそれらの対数を求める、あるいはその他の数学的処理を行うことや、振動する波形の周期を求めること等を意味する。それらの出力である運動データは加速度演算出力P15および角速度演算出力P16である。この両出力は通信回路22によって、例えば電波出力P22として外部装置2に対して共に送信される。データの送受信は双方の通信回路22、23が連携し、互いの動作をチェックしながら双方向的に行われる。また制御回路24は身体側装置1内の各回路に作用し、制御信号P241、P242、P243、P244、P245を発生し、各回路の動作タイミングや各回路間の連携動作を調整する役割を持つ。
【0019】
外部装置2の構成および動作は以下のようである。電波信号P22に含まれる運動データを受信した通信回路23はそれを復調し内部信号P23に変換する。運動判定回路17は内部信号P23を受けて、それに含まれる加速度演算出力と角速度演算出力の2種類の情報と、あらかじめ何種類かの運動について実験的に求めておいたそれぞれの数値範囲とを比較し、ある期間内に使用者が行った運動の種類とその強度を判定する。あるいは更に判定された運動に対する評価(例えばリハビリテーションの進度状況等)の情報も付加する。
【0020】
それらの情報を含む判定結果信号P17は記憶装置19に記憶されると共に表示装置18(必要な回路を含む)に送られてその内容(運動の種類、強度、その評価)等があらかじめ登録されていた使用者の個人情報と共に表示され、記録装置21にて記録され、医療担当者など観察者の診断を可能にする。また記憶された内容を含む記憶信号P19は、再生回路20によって必要に応じて再生信号P20として随時再生され、表示装置18により表示される。制御回路26は外部装置2内の各回路に作用し、受信信号P231を受け、制御信号P251、P252、P253、P254、P255、P256を発生し、各回路の動作タイミングや各回路間の連携動作を調整する役割を持つ。
【0021】
図2は本発明の身体動作センシング装置の第2の実施の形態のブロック図である。本例では身体側装置1内に既に説明した必要な各回路および表示装置18を有し(通信回路は不要となる)、運動の状況やその評価の情報が表示され、使用者(着用者)自身がそれを確認できる利点がある。もちろん記憶された情報を再生回路20によって後刻再生させ、第三者等に確認させたり外部機器に記録させたりすることも可能である。制御回路26は身体側装置1内の各回路に作用し、制御信号P261、P262、P263、P264、P265を発生し、各回路の動作タイミングや各回路間の連携動作を調整する。
【0022】
図3は本発明の実施の形態における身体側装置の一例を示し、(a)は部分平面図、(b)はそのA−A断面図である。本身体側装置3はほぼ腕時計型をしており、腕巻き用のバンド36を備えて手首に装着できる。主要な部品として運動センサ31、表示装置32、通信回路モジュール33、電源となる電池34、操作スイッチ35を示した。身体側装置3は装着が使用者の負担にならぬように薄型・小型でなくてはならない。表示装置32は見易さを重視すると腕時計の表示面に相当する身体側装置3の最も広い表面に配置することになる。運動センサ31も同じ面に、従って表示装置32と平行に配置する。表示装置32は液晶表示パネル等薄型のものが利用できるので、運動センサ31も十分薄いパッケージに納められていなければならない。
【0023】
運動センサ31を表示装置32と平行に配置する理由は次の通りである。最適な運動検出方向は、後に述べるような実験結果から、加速度については身体の上下(鉛直)方向の直線運動即ち(a)図に示すX方向、回転角速度については身体の上下方向と前後方向の双方を含む平面内の回転(同図のΩ方向)、即ち身体の左右方向を向きかつ水平な回転軸(図示Z軸に平行)回りの回転運動である。身体側装置3を腕時計のように、表示面が手首の甲側または掌側になるよう装着したとし(これが最も自然で望ましい)、上体を直立させ肘を自然に曲げ伸ばしするとき、その回転面は身体側装置3の表示面すなわち表示装置32と平行になるので、その最も広い面に平行な回転検出面を持つ薄型の角速度センサがあれば、それを内部に含む運動センサ31を表示装置32と平行に配置することが好ましい。
【0024】
図4は本発明の実施の形態における運動センサの一例の内部構造を示す平面図である。この運動センサの構造は上記のような形状、配置、検出方向に関する要求を全て満たすものである。40は薄い箱型で気密(好ましくは真空)の容器で、内部構造を示すため蓋(容器の天井部分)を取り除いてある。41は容器の底部を貫通する多数のハーメチック端子ピンである。各ピンは運動センサ振動体50上の電極膜群の個々と例えばワイヤボンディングの手法で接続されるが、電極膜やボンディングワイヤは図示を省略してある。運動センサ振動体50は1枚の圧電性材料の平板から成形されており、加速度センサ部と角速度センサ部が一体化されている。運動センサ振動体50は総基部51の裏面の固定部A52(斜線部)と、小面積の固定部B64(斜線部)の裏面とが容器40側の台座(図示せず)上に接着され支持されている。
【0025】
角速度センサ部はいわゆる三脚音叉型の形状をした部分であり、各々平行な外脚A53、外脚B55、中脚C54、および音叉基部56、支点57より成る。外脚A53と外脚B55とは通常の2脚音叉と同様にそれぞれが片持ち梁的で対称軸(図示せず)に関して対称な振動を行うように、角速度測定回路(例えば図1の14)に含まれる励振回路(発振回路)によって一定振幅で励振させられている。中脚C54は励振されないが、その撓みを検出するための表面電極を持っている。固定部と異なるハッチングを付して示した58A、58B、58Cはそれぞれ付加質量で、固有振動数を下げかつ互いに等しくするために脚先端部に施した金属の厚メッキ層等より成る(中脚C54の固有振動数は両外脚の固有振動数と適宜に差をつけることがある)。
【0026】
今運動センサ50が図示の方向、即ち紙面に垂直なZ軸に平行な回転軸の回りに角速度Ωで回転すると、両外側の振動脚には角速度Ωに比例するコリオリ力が作用する。その方向は脚の長手方向であって、ある瞬間外脚A53に脚先端向きの力が作用すれば、外脚B55には脚の基部に向かう力が作用する。力の方向は脚の振動と同期して正弦的に変化し周期的に反転する。2つの力は両外脚が平行に離れているため偶力を構成し、音叉基部56を揺さぶり、支点57の回りに微小な回転振動を惹起する。このコリオリ力によるモーメントに起因する音叉基部56の振動を感知して中脚C54はコリオリ力に比例した振幅で振動する。中脚C54に設けた検出電極で抽出された振動電圧が角速度の検出信号(図1のP11)である。
【0027】
運動センサ50の加速度センサ部は1対の平行な振動するバネ部である棒A61、棒B62、負荷質量60(広い面積の素材板の一部の質量とその表面に施した厚メッキ材の質量とよりなる)、2本の支持バネ63(負荷質量60を支持しながら図示Z方向の微小な変位を許すための部材)、固定部B(負荷質量60が特にX方向に大きく変位しないように支持固定するための部分)より成る。各々両端固定である棒A61、棒B62は運動センサ50の対称軸に関して対称な弓形をなす振動姿態で発振回路(例えば図1の加速度測定回路13に含まれる)によって励振させられる。
【0028】
その発振周波数は通常一定であるが、負荷質量60に図示X方向の加速度が作用すると、その大きさに比例する力で負荷質量60は棒A61、棒B62をその長手方向に圧縮あるいは引張ることになり、その力の方向と大きさにより発振周波数が増減し変化する。そこで別途設けた基準周波数と上記発振周波数とを比較し、発振周波数の変化の方向と量を知ればX軸方向の加速度を求めることができる。基準周波数源を特に設けず、代わりに角速度センサ用の振動体である外脚A53、B55の発振周波数を利用し得る可能性もある。
【0029】
次に、本発明の最適な実施の形態を求めるために行った諸実験について、図5〜図10を用いて説明する。まず図5は身体動作センシングにおける振動応答の実験状況の説明図である。被験者である人体4を直立させ、片足を固定台5に乗せ、他の脚を鉛直方向に振動する加振機6の台上に乗せた。なお人体4を基準として図示のようにX,Y,Zの座標軸を設定した。人体4に付した黒丸は、加速度センサを装着した部位を示す。そして先ずX方向(鉛直方向)の加振に対する各部位に装着したセンサの応答を求めた。加振は正弦波で4.9m/s*sの一定加速度で5〜1000Hzをスイープした。なおX方向の加速度は歩行等の普通の運動での消費カロリーを求めるために必須のデータでもある。
【0030】
図6は上記の実験条件で片方の足裏を加振したときの身体の各部位に装着した加速度センサのZ方向の振動応答の実験結果を示すグラフで、横軸は加振周波数、縦軸は検出された加速度をそれぞれ対数目盛で示した。(a)は頭頂、(b)は胸ポケット、(c)は腰ベルト、(d)は足首、(e)は肘を延ばした手首、(f)は肘を曲げて水平にした手首にそれぞれ装着した場合である。(c)腰ベルト、(d)足首、(e)肘を伸ばした場合、(f)肘を曲げた手首の各場合はセンサを体の加振側に取り着けた場合と体の中心軸(左右を分ける面)に関して対称な部位に取り付けた場合の両者を同じ図上に示して比較を容易にしてある。これらのデータを見るに、(e)図で加振側と対称側の応答の差が全周波数範囲にわたってほとんどなく波形も最もなだらかである。また約20Hz以上の足裏振動は伝達率が低く、歩行や走行の検出において履物や地面の固さの影響を受けにくく安定した検出が期待できる。これらの理由で、特別な身体部位の測定が目的でなければ、一般的には手首にセンサを装着するのが最も優れていることがわかる。
【0031】
次に脳梗塞による片麻痺患者の病状の程度を評価するために行われるテストの一例である「指−鼻テスト」の運動検出を、手首に装着した加速度センサと角速度センサを用いて行ってみた。これはメトロノーム信号に合わせて指を繰り返し自分の鼻に持ってゆく動作を被検者にして貰う。図7は指−鼻テストにおける右手および左手の運動の計測結果をそのまま検出波形で示すグラフで、横軸は時間(秒)、縦軸は検出値である。(a)、(b)は健常者A、(c)、(d)は健常者B、(e)、(f)は左上肢まひ患者の場合を示す。これらの図を見るに、二人の健常者ではいずれの側の手の動作も加速度、角速度とも滑らかで一定のリズムが認められるが、片側麻痺患者では動作のテンポが遅く、波形も乱れており、特に麻痺側の上肢の場合それが顕著であるから、症状の重篤さや過去のデータと比較しての改善程度などが容易に判断でき、手首型の身体側装置が極めて有効であることがわかる。
【0032】
次に、手首に正しく装着した運動センサによって、数種類の歩行を各方向の加速度と角速度の測定結果を用いて識別する実験を行った。座標軸は図5に示した通りであり、X軸は直立した身体の上下軸、Y軸は前後軸、Z軸は水平な左右軸である。被験者は20〜40代の男女14名、運動の種類は普通歩行、早歩き、ジョギング、走行、腕拘束歩き(腕組み、ポケット入れ、鞄持ち)の5種であり、20歩あるいは50歩を一まとめとしてデータ採取を行った。検出波形はそのままではなく演算処理し加工してある。1つは振動のピーク(歩行に応じて測定回路から出力される振動的な電圧波形の各ピーク値)を検出した場合、他は波形を多点サンプリング(20〜50歩の歩行中の波形電圧を50Hzでサンプリングする)して各点の値の分散(各データと平均値との差の2乗の平均)を計算した場合で、更にそれらの対数を取っている。結果は図8〜図10に分けて示してある。
図8(a)はX軸とY軸の加速度波形の分散値同志、(b)はX軸とY軸の加速度波形のピーク値同志を用いた図である。
図9(a)はX軸加速度とZ軸角速度、(b)はY軸加速度とZ軸角速度を採り、いずれも検出波形のピーク値を用いた図である。
図10(a)はX軸加速度とZ軸角速度、(b)はY軸加速度とZ軸角速度の、いずれも分散値同志を用いた図である。
【0033】
各図を見るに、まずピーク値同志を組み合わせた図8(b)および図9(a)、(b)では各種の運動を示す測定点に互いに固まり、しかもかなり入り組んでいるものがあるため、運動の識別が確実に行われない恐れがある。それに対し、検出波形の分散値同志を組み合わせた例では、加速度同志である図8(a)では運動の分離性が悪いが、加速度と角速度を組み合わせた図10の両図は比較的分離性が良い。中でも上下方向加速度Gxと上下−前後面内回転角速度Ωzを用いた(a)図の方がやや識別性が良いと考えられる。
【0034】
以上の結果から、身体側装置内の運動の感受性方向として上下方向加速度Gxと上下−前後面内回転角速度Ωzを用いるのが一般的な場合に運動識別上最適であり、これは図7のようなリハビリテーションの判定にも適しており、また例えば図4のような検出方向を持つ薄型の運動センサを用いて図3のような装着性と使用感の良い身体側装置によって実現できることを示している。
【0035】
本発明の実施の形態は、以上述べたいくつかの形態にとらわれないことはもちろんである。例えば、加速度や角速度の感受性の方向は、装置の使用目的によって異なる方位を選んでもよい。身体側装置と外部装置との間で送受信されるデータは必要な運動情報が伝達される限りどのようなものであってもよい。また身体側装置は時計や携帯電話等の機能を備えていてもよい(時計機能はタイミングの制御にも用いうる)。また身体側装置の装着位置も必ずしも手首に限らず例えば腕上任意の位置とすることができる。また運動計測結果は常に図8以下のように加工して表示するとは限らず、図7の各図のように加速度あるいは角速度の検出波形をそのまま表示してもよい。また測定値の演算処理も実験で示した以外に例えば絶対値の平均を求めるなど種々の場合があり得る。また他の方向の加速度あるいは角速度をも計測して補助データとし、診断や運動評価の精度を上げることも考えられる。
【0036】
また本装置の用途としては運動データの採取と評価に限られず、例えばコミュニケーションツールとしての利用がある。使用者が遠隔の医療担当者に対し「すぐに来て欲しい」等の何種類かの要求や意志の伝達を、予め取り決めておいた身体動作を合図として行い、外部装置側で運動検出波形を分析してその合図動作即ち意図を知ることができる。
【0037】
【発明の効果】
本発明の身体動作センシング装置は、1方向の加速度と1方向の回転角速度を検出し、それらに所定の演算を加えて運動を判定しあるいは評価するので、
(1)最少限のセンサと測定回路により、簡素な構成でかつ身体側装置が小型化され、その電源にも余裕を持たせることができるし、取扱い易いコミュニケーションツールともなる基本的な効果を有する。
【0038】
請求項1の構成に請求項2〜7の構成要件を加えることにより、それぞれ更に次の効果を加えることができる。
(2)動作判定結果や評価結果が身体側装置にて直読できるので使用者が健康の自己管理を容易に行える効果がある。
【0039】
(3)身体側装置からのデータ送信により、動作判定結果や評価結果が外部装置側に表示されるので、医療機関側で複数の使用者(患者)の状態を観察し管理することができる。また使用者からのメッセージを受け、対応した処置を行うことができる効果がある。
【0040】
(4)身体側装置の直線運動と回転運動の身体に関する検出方向を特定することにより、少ない検出要素数で目的に応じた必要かつ十分な情報が得られる効果がある。また特に重要な歩行や走行運動と上肢の運動の双方を検出できるので、例えば消費エネルギの推定やリハビリテーションの評価が可能となる。
【0041】
(5)身体側装置の最も広い面と薄型の運動センサの最も広い面と検出回転面をほぼ平行としたので、薄型で装着負担感が少ない身体側装置が実現できた効果がある。
【0042】
(6)更に加速度センサを角速度センサと一体化しかつ表示部と重ねたので、更に小型化され表示も見やすい身体側装置が実現できた効果がある。
【0043】
(7)加速度出力あるいは角速度出力の分散を求めることにより、運動の種類の判別がより明確になる効果がある。
【0044】
(8)更に運動計測値の対数をとることにより、運動の種類の判別が更に明確になる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態のブロック図である。
【図2】本発明の第2の実施の形態のブロック図である。
【図3】本発明の実施の形態における身体側装置の一例を示し、(a)は部分平面図、(b)はそのA−A断面図である。
【図4】本発明の実施の形態における運動センサの内部構造を示す平面図である。
【図5】身体動作センシングにおける振動応答の実験状況の説明図である。
【図6】身体の各部位の振動応答の実験結果を示すグラフで、(a)は頭頂、(b)は胸ポケット、(c)は腰ベルト、(d)は脚首、(e)は肘を延ばした手首、(f)は肘を曲げて水平にした手首の場合である。
【図7】指−鼻テストにおける右手および左手の運動の計測結果を示すグラフで、(a)、(b)は健常者A、(c)、(d)は健常者B、(e)、(f)は左上肢まひ患者の場合を示す。
【図8】各種の身体運動を行って手首の各方向の運動データを演算処理して組合わせた実験結果を示すグラフで、(a)はX軸とY軸の加速度波形の分散値同志、(b)はX軸とY軸の加速度波形のピーク値同志を用いた図である。
【図9】各種の身体運動を行って手首の各方向の運動データを演算処理して組合わせた実験結果を示すグラフで、(a)はX軸加速度とZ軸角速度、(b)はY軸加速度とZ軸角速度を採り、いずれも検出波形のピーク値を用いた図である。
【図10】各種の身体運動を行って手首の各方向の運動データを演算処理して組合わせた実験結果を示すグラフで、(a)はX軸加速度とZ軸角速度、(b)はY軸加速度とZ軸角速度の、いずれも分散値同志を用いた図である。
【符号の説明】
1、3 身体側装置
2 外部装置
4 人体
5 固定台
6 加振機
11 加速度センサ
12 角速度センサ
13 加速度測定回路
14 角速度測定回路
15 加速度演算回路
16 角速度演算回路
17 運動判定回路
18 表示装置
19 記憶装置
20 再生回路
21 記録装置
22、23 通信回路
24、25、26 制御回路
31 運動センサ
32 表示装置
33 通信モジュール
34 電池
35 操作スイッチ
36 腕巻きバンド
40 センサ容器
41 ハーメチック端子ピン
50 運動センサ振動体
51 総基部
52 固定部A
53 外脚A
54 中脚B
55 外脚C
56 音叉基部
57 支点
58A、58B、58C 脚付加質量
60 負荷質量
61 棒A
62 棒B
63 支持バネ
64 固定部B
G 加速度
Z 座標軸
Ω 角速度
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a body motion sensing device that can detect movement performed by a body and provide the information to an observer.
[0002]
[Prior art]
There are many proposals of inventions that are attached to the user's body, detect the movement of the body with a sensor, judge the user's movement status from the data, and use it for the purpose of health management and the like. For example, (1) In the technology disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-295651, a portable terminal having an accelerometer worn by a user (such as on the waist) The telephone is sent to an external center computer, analyzed and subjected to a health check, and the result is received and displayed.
[0003]
(2) In the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-41953, a behavior data output device that firstly processes and receives a body motion detected by a body motion sensor of a behavior data collection device (user body side) (External personal computer side) outputs the secondary processed data using personal information. It eliminates the need to input personal information and store a large amount of secondary processing information on the biometric information collection device side, thereby reducing operability and memory capacity.
(3) In Japanese Patent Laid-Open No. 2000-41952, in order to reduce the memory capacity of the behavior information detection device, the number of steps, the walking pace, the type of behavior, the exercise intensity, Biological information such as calorie consumption is calculated, and the calculation result is stored, displayed, or transmitted to the outside every minute.
[0004]
(4) Other stepsTotalThere seemed to be products and documents in which an acceleration sensor was built in a multifunctional wristwatch or the like, and the number of steps and exercise intensity were measured to inform health management information such as calories consumed by exercise.
(5) For the purpose of medical management, in addition to the acceleration sensor, a rotational angular velocity sensor such as a vibration gyroscope is added and specified in order to monitor the movement of a patient who has a disorder in behavior or to make an emergency automatic notification. Researches and experiments aimed at detecting the movement of human beings are reported in related academic conferences.
(6) On the other hand, looking at the motion sensor technology, conventionally, acceleration and angular velocity were measured by separate sensors. In particular, in an angular velocity sensor, a vibration gyroscope using a free free bar or a biped tuning fork as a vibrating body for detecting Coriolis force is being put into practical use.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Looking at the embodiments of the invention in the above conventional examples (1), (2), and (3), the burden on the user (often a patient with a physical disability) is still small enough and worn. It may not be said that few body devices have been proposed. In the conventional example (4), there is an improvement in the miniaturization of the device, but in the conventional example, the information to be obtained remains within the range of the health management of the healthy person, for example, evaluation of patient rehabilitation, etc. It is not a technology that can be used immediately for medical purposes.
[0006]
Although the purpose of the research in the above-mentioned conventional example (5) is to improve the medical technology, there is a common point with the present invention, but the specific purpose is to detect a motion related to a specific disease (for example, There are many parts that are difficult to apply directly to the present invention, which is intended to take into account the movements of patients suffering from cerebral infarction and cerebral infarction. Also, there seems to be little mention of a specific optimal technique for actually mounting a motion sensor on a patient.
[0007]
Further, in the angular velocity sensor in the prior art given in the conventional example (6), the rotation axis capable of detecting the angular velocity is parallel to the longitudinal axis of the biped tuning fork or the rod-shaped vibrating body, that is, the detectable rotational surface is perpendicular to the longitudinal axis. ing. This inevitably increases the thickness of the body side device when the detectable surface of rotation is parallel to the main surface of the device worn on the body. In addition, if the acceleration sensor and the angular velocity sensor are separate, the body side device becomes large. Under these circumstances, it is difficult to reduce the thickness and size in order to reduce the burden of wearing. There are many examples in which other forms of sensors have been proposed.
[0008]
It is an object of the present invention to detect a movement of a user's body, determine that the movement is a predetermined movement, display the information, and provide a practical action to the person or an observer. It is to provide a sensing device. Another object of the present invention is to provide a body motion sensing device that enables at least measurement of walking and evaluation of rehabilitation.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the body motion sensing device of the present invention is as follows.(1)With the features of
(1) A motion sensor capable of measuring acceleration in one direction and a rotational angular velocity around one axis, and measuring the acceleration in one direction and the rotational angular velocity around one axis for a predetermined period by the motion sensor. A body-side device that is attached to a predetermined part of the body, an arithmetic circuit unit that performs a predetermined calculation on the acceleration output and the angular velocity output of the measurement circuit unit, and the predetermined calculation. Determination circuit means for determining the type and intensity of physical exercise in the predetermined period by a combination of the determined acceleration output and angular velocity output, and display means for displaying the determined type and intensity of physical exercise or the evaluation result thereof HaveIn the body motion sensing device,
The predetermined part of the body is a wrist, the acceleration in one direction detected by the motion sensor is substantially the vertical or longitudinal acceleration of the body, and the angular velocity in one direction detected by the motion sensor is the body's angular velocity. An angular velocity with respect to a rotational motion in a plane including a substantially vertical direction and a front-rear direction, and the determination means is a plane including a dispersion value of acceleration in the substantially vertical direction or the front-rear direction of the body and a substantially vertical direction and the front-rear direction of the body. A function of determining the type of body motion based on a dispersion value of an angular velocity with respect to a rotational motion in the body or a logarithmic combination thereofthing.
[0011]
  The body motion sensing device of the present invention further includesAny of the following features (2) to (4)May be provided.
(2) Of the motion sensor, the measurement circuit means, the arithmetic circuit means, the determination circuit means, and the display means, at least the motion sensor and the measurement circuit means are attached to a predetermined part of the body. Built in the body side device, other means are built in the external device not attached to the body, and the body side device is provided with intermediate data transmitting means, and the external device is the intermediate data receiving means. It is equipped with.
[0013]
(3) The body side device is a device attached to the arm, and the angular velocity sensor portion of the motion sensor is housed in a thin box-shaped container, and is substantially parallel to the widest surface of the body side device. The rotation direction of the angular velocity sensor unit is a direction substantially parallel to the widest surface of the box-shaped container.
[0014]
(4) The body side device has a display device on the main surface, and the box-shaped container of the motion sensor houses an acceleration sensor portion and an angular velocity sensor portion of an integrated structure, and the motion sensor The container is arranged in the body side device substantially parallel to the display device, and the acceleration detection direction of the motion sensor is a direction substantially parallel to the widest surface of the box-shaped container.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of a body motion sensing device of the present invention. This apparatus comprises a body side device 1 which is attached to a predetermined part of the body by a user, and an external device 2 which is installed at a place like a medical center, for example. The internal structure of the body side device 1 excites an acceleration sensor 11 that detects acceleration in a specific direction, an angular velocity sensor 12 that detects an angular velocity of rotation parallel to a specific surface, and a sensor that is a mechanical vibrator. (The driving signals are P130 and P140). Further, the acceleration and angular velocity detection signals P11 and P12 are extracted, subjected to processing such as detection and amplification, and outputs a voltage proportional to the detected value, respectively. Is included.
[0018]
The acceleration output P13 and the angular velocity output P14 within a predetermined period (which can be determined by the user himself / herself, determined in advance by the user and the medical staff, or determined by the device's own clock) are acceleration calculation circuits, respectively. 15 and the angular velocity calculation circuit 16 perform a predetermined calculation. The predetermined calculation is to process the waveforms of the signals P13 and P14 and convert the signals. For example, the peak value of the input waveform is extracted, rectified and smoothed and averaged, and the waveform appearing in a predetermined period To obtain the dispersion value of the peak value of the signal, to sample the signal of a predetermined period finely to obtain the dispersion value, to further obtain the logarithm thereof, to perform other mathematical processing, and to obtain the period of the oscillating waveform It means that. The motion data which are those outputs are the acceleration calculation output P15 and the angular velocity calculation output P16. Both outputs are transmitted to the external device 2 by the communication circuit 22 as, for example, a radio wave output P22. Data transmission / reception is performed bidirectionally while both communication circuits 22 and 23 cooperate to check each other's operation. The control circuit 24 acts on each circuit in the body side device 1 to generate control signals P241, P242, P243, P244, and P245, and has a role of adjusting the operation timing of each circuit and the cooperative operation between the circuits. .
[0019]
The configuration and operation of the external device 2 are as follows. The communication circuit 23 that has received the motion data contained in the radio signal P22 demodulates it and converts it into an internal signal P23. The motion determination circuit 17 receives the internal signal P23, and compares the two types of information included in the acceleration calculation output and the angular velocity calculation output included therein with respective numerical ranges that have been experimentally obtained for some types of motion in advance. The type and intensity of exercise performed by the user within a certain period are determined. Alternatively, information on evaluation (for example, progress status of rehabilitation) for the determined exercise is also added.
[0020]
The determination result signal P17 including such information is stored in the storage device 19 and sent to the display device 18 (including necessary circuits), and its contents (type of exercise, intensity, evaluation thereof) and the like are registered in advance. It is displayed together with the user's personal information and recorded by the recording device 21 to enable diagnosis of an observer such as a medical staff. The stored signal P19 including the stored contents is reproduced as needed by the reproducing circuit 20 as the reproduced signal P20 and displayed on the display device 18. The control circuit 26 acts on each circuit in the external device 2, receives the received signal P231, generates control signals P251, P252, P253, P254, P255, and P256, the operation timing of each circuit, and the cooperative operation between the circuits Have a role to adjust.
[0021]
FIG. 2 is a block diagram of a second embodiment of the body motion sensing device of the present invention. In this example, the body side device 1 has the necessary circuits and the display device 18 already described (no communication circuit is required), information on the state of exercise and its evaluation is displayed, and the user (wearer) There is an advantage that you can confirm it. Of course, the stored information can be reproduced later by the reproducing circuit 20 and confirmed by a third party or recorded on an external device. The control circuit 26 acts on each circuit in the body side device 1 to generate control signals P261, P262, P263, P264, and P265, and adjusts the operation timing of each circuit and the cooperative operation between the circuits.
[0022]
FIG. 3 shows an example of the body side device in the embodiment of the present invention, where (a) is a partial plan view and (b) is an AA cross-sectional view thereof. The body side device 3 is substantially a wristwatch type, and can be worn on the wrist with a wrist-wound band 36. A motion sensor 31, a display device 32, a communication circuit module 33, a battery 34 serving as a power source, and an operation switch 35 are shown as main components. The body side device 3 must be thin and small so that wearing is not burdened by the user. The display device 32 is arranged on the widest surface of the body side device 3 corresponding to the display surface of the wristwatch when the visibility is emphasized. The motion sensor 31 is also arranged on the same plane and thus parallel to the display device 32. Since a thin display device 32 such as a liquid crystal display panel can be used, the motion sensor 31 must also be housed in a sufficiently thin package.
[0023]
The reason why the motion sensor 31 is arranged in parallel with the display device 32 is as follows. From the experimental results described later, the optimal motion detection direction is determined based on the linear motion in the vertical direction of the body for acceleration, that is, the X direction shown in FIG. This is a rotation in a plane including both (Ω direction in the figure), that is, a rotational movement around the horizontal rotation axis (parallel to the Z axis in the figure) that faces the left-right direction of the body. Suppose that the body side device 3 is mounted like a wrist watch so that the display surface is on the back side of the wrist or the palm side (this is the most natural and desirable), and when the upper body is upright and the elbow is naturally bent and stretched, its rotation Since the surface is parallel to the display surface of the body side device 3, that is, the display device 32, if there is a thin angular velocity sensor having a rotation detection surface parallel to the widest surface, the motion sensor 31 including this is included in the display device. 32 is preferably arranged in parallel.
[0024]
FIG. 4 is a plan view showing the internal structure of an example of the motion sensor in the embodiment of the present invention. The structure of the motion sensor satisfies all the requirements regarding the shape, arrangement, and detection direction as described above. Reference numeral 40 denotes a thin box-shaped airtight (preferably vacuum) container from which a lid (a ceiling portion of the container) is removed to show the internal structure. Reference numeral 41 denotes a number of hermetic terminal pins that penetrate the bottom of the container. Each pin is connected to each of the electrode film groups on the motion sensor vibrating body 50 by, for example, a wire bonding technique, but the electrode films and bonding wires are not shown. The motion sensor vibrating body 50 is formed from a single flat plate of piezoelectric material, and the acceleration sensor unit and the angular velocity sensor unit are integrated. The motion sensor vibrating body 50 is supported by fixing a fixed portion A52 (shaded portion) on the back surface of the total base 51 and a back surface of a small area fixing portion B64 (shaded portion) on a base (not shown) on the container 40 side. Has been.
[0025]
  The angular velocity sensor portion is a so-called tripod tuning fork-shaped portion, and includes a parallel outer leg A53, outer leg B55, middle leg C54, tuning fork base 56, and fulcrum 57, respectively. The outer leg A53 and the outer leg B55 are cantilevered like an ordinary two-leg tuning fork, and are each oscillated symmetrically with respect to a symmetry axis (not shown).14) Is excited with a constant amplitude by an excitation circuit (oscillation circuit) included in the circuit. The middle leg C54 is not excited, but has a surface electrode for detecting the deflection thereof. 58A, 58B, and 58C shown with hatching different from the fixed portion are each an additional mass, and are composed of a thick plated layer of metal or the like applied to the tip of the leg in order to lower the natural frequency and equalize each other (the middle leg). The natural frequency of C54 may be appropriately different from the natural frequency of both outer legs).
[0026]
When the motion sensor 50 is rotated at an angular velocity Ω around a rotation axis parallel to the Z axis perpendicular to the paper surface, a Coriolis force proportional to the angular velocity Ω acts on both outer vibration legs. The direction is the longitudinal direction of the leg, and if a force toward the leg tip acts on the outer leg A53 at a certain moment, a force toward the base of the leg acts on the outer leg B55. The direction of the force changes sinusoidally in synchronism with the vibration of the leg and reverses periodically. The two forces constitute a couple because the outer legs are separated in parallel, sway the tuning fork base 56, and cause minute rotational vibrations around the fulcrum 57. The middle leg C54 vibrates with an amplitude proportional to the Coriolis force by sensing the vibration of the tuning fork base 56 caused by the moment due to the Coriolis force. The vibration voltage extracted by the detection electrode provided on the middle leg C54 is the angular velocity detection signal (P11 in FIG. 1).
[0027]
  The acceleration sensor portion of the motion sensor 50 is a pair of parallel vibrating spring portions, rod A61, rod B62, load mass 60 (partial mass of a large area material plate and mass of thick plating material applied to the surface thereof) And two support springs 63 (members for allowing a minute displacement in the Z direction shown in the figure while supporting the load mass 60), and a fixed portion B (the load mass 60 is not particularly greatly displaced in the X direction). Part for supporting and fixing). Each of the rods A61 and B62, which are fixed at both ends, is an oscillation circuit (for example, as shown in FIG.Acceleration measurement circuit 13Included).
[0028]
The oscillation frequency is usually constant, but when acceleration in the X direction shown in the figure acts on the load mass 60, the load mass 60 compresses or pulls the rod A61 and the rod B62 in the longitudinal direction with a force proportional to the magnitude. Thus, the oscillation frequency varies depending on the direction and magnitude of the force. Therefore, by comparing a separately provided reference frequency with the oscillation frequency and knowing the direction and amount of change in the oscillation frequency, the acceleration in the X-axis direction can be obtained. There is a possibility that the oscillation frequency of the outer legs A53 and B55, which are vibration bodies for the angular velocity sensor, can be used instead without providing a reference frequency source.
[0029]
Next, various experiments conducted for obtaining the optimum embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, FIG. 5 is an explanatory diagram of an experimental situation of vibration response in body motion sensing. The human body 4 as the test subject was placed upright, one leg was placed on the fixed base 5, and the other leg was placed on the base of the vibrator 6 that vibrates in the vertical direction. Note that the coordinate axes of X, Y, and Z are set with the human body 4 as a reference as shown in the figure. A black circle attached to the human body 4 indicates a portion where the acceleration sensor is mounted. First, the response of the sensor mounted on each part to the vibration in the X direction (vertical direction) was obtained. The excitation was a sine wave and swept from 5 to 1000 Hz with a constant acceleration of 4.9 m / s * s. Note that the acceleration in the X direction is also indispensable data for determining the calorie consumption during normal exercise such as walking.
[0030]
FIG. 6 is a graph showing experimental results of vibration response in the Z direction of an acceleration sensor attached to each part of the body when one sole is vibrated under the above experimental conditions, where the horizontal axis represents the excitation frequency and the vertical axis Shows the detected acceleration on a logarithmic scale. (A) is the top of the head, (b) is the chest pocket, (c) is the waist belt, (d) is the ankle, (e) is the wrist with the elbow extended, and (f) is the wrist with the elbow bent and leveled. This is the case. (C) waist belt, (d) ankle, (e) elbow stretched, (f) wrist with bent elbow, sensor attached to body vibration side and body center axis ( Both are shown on the same figure for easy comparison when they are attached to a symmetrical part with respect to the left and right surfaces. Looking at these data, the difference in response between the excitation side and the symmetric side is almost zero over the entire frequency range in FIG. In addition, foot vibrations of about 20 Hz or more have a low transmission rate, and stable detection can be expected to be less affected by the hardness of footwear or the ground in detection of walking and running. For these reasons, it can be seen that it is generally best to wear a sensor on the wrist unless special body part measurements are intended.
[0031]
Next, I tried to detect the motion of the “finger-nose test”, which is an example of a test performed to evaluate the degree of pathology of a hemiplegic patient due to cerebral infarction, using an acceleration sensor and an angular velocity sensor attached to the wrist. . This asks the subject to move his finger to his nose repeatedly according to the metronome signal. FIG. 7 is a graph showing the measurement results of the right and left hand movements in the finger-nose test as they are as detection waveforms, where the horizontal axis is time (seconds) and the vertical axis is the detection value. (A), (b) shows healthy person A, (c), (d) shows healthy person B, (e), (f) shows the case of a left upper limb paralysis patient. As can be seen from these figures, in both healthy subjects, the movement of the hand on either side has a smooth and constant rhythm in both acceleration and angular velocity, but the tempo of movement is slow and the waveform is disturbed in patients with unilateral paralysis. This is especially true for the upper limbs on the paralyzed side, so the severity of symptoms and the degree of improvement compared to past data can be easily determined, and the wrist-type body side device is extremely effective. Recognize.
[0032]
Next, an experiment was performed to identify several types of walking using the measurement results of acceleration and angular velocity in each direction with a motion sensor correctly worn on the wrist. The coordinate axes are as shown in FIG. 5, the X axis is the vertical axis of the upright body, the Y axis is the anteroposterior axis, and the Z axis is the horizontal left and right axis. The subjects are 14 men and women in their 20s and 40s, and there are five types of exercise: normal walking, fast walking, jogging, running, arm-constrained walking (arms crossed, pocketed, holding arm), with 20 or 50 steps as one. The data was collected as a summary. The detected waveform is processed and processed instead of as it is. When one detects a peak of vibration (each peak value of a vibration voltage waveform output from the measurement circuit in response to walking), the other multi-samples the waveform (waveform voltage during 20-50 steps walking) Is sampled at 50 Hz), and the variance of the values at each point (average of the square of the difference between each data and the average value) is calculated. The results are shown separately in FIGS.
FIG. 8A is a diagram using the dispersion values of the X-axis and Y-axis acceleration waveforms, and FIG. 8B is a diagram using the peak values of the X-axis and Y-axis acceleration waveforms.
FIG. 9A shows the X-axis acceleration and the Z-axis angular velocity, and FIG. 9B shows the Y-axis acceleration and the Z-axis angular velocity, both of which use the peak value of the detected waveform.
FIG. 10A is a diagram using dispersion values for both the X-axis acceleration and the Z-axis angular velocity, and FIG. 10B is the Y-axis acceleration and the Z-axis angular velocity.
[0033]
As shown in each figure, first, in FIG. 8 (b) and FIG. 9 (a), (b) in which the peak values are combined, measurement points indicating various movements are solidified with each other, and some of them are quite complicated. There is a risk that the identification of movement is not performed reliably. On the other hand, in the example in which the dispersion values of the detected waveforms are combined, the separability of the motion is poor in FIG. 8A, which is the accelerations, but both the diagrams in FIG. 10 combining the acceleration and the angular velocity are relatively separable. good. In particular, it is considered that the figure (a) using the vertical acceleration Gx and the vertical-front-rear in-plane rotational angular velocity Ωz is slightly more distinguishable.
[0034]
From the above results, it is optimal for motion discrimination when it is general to use the vertical acceleration Gx and the vertical-front-rear in-plane rotational angular velocity Ωz as the motion sensitivity direction in the body side device, as shown in FIG. It is suitable for determination of rehabilitation, and for example, using a thin motion sensor having a detection direction as shown in FIG. 4, it can be realized by a body side device having good wearability and usability as shown in FIG. .
[0035]
It goes without saying that the embodiments of the present invention are not limited to the several forms described above. For example, the direction of sensitivity of acceleration and angular velocity may be selected in different directions depending on the purpose of use of the apparatus. The data transmitted and received between the body side device and the external device may be any data as long as necessary exercise information is transmitted. The body side device may have a function such as a clock or a mobile phone (the clock function can also be used for timing control). Further, the mounting position of the body side device is not necessarily limited to the wrist, and can be set to an arbitrary position on the arm, for example. Further, the motion measurement result is not always processed and displayed as shown in FIG. 8 or below, and the acceleration or angular velocity detection waveform may be displayed as it is as shown in each diagram of FIG. In addition to the experimental processing shown in the experiment, there may be various cases such as obtaining an average of absolute values. It is also conceivable to increase the accuracy of diagnosis and motion evaluation by measuring acceleration or angular velocity in other directions as auxiliary data.
[0036]
Further, the use of this apparatus is not limited to the collection and evaluation of exercise data, and for example, is used as a communication tool. The user performs several types of requests and intentions such as “I want you to come soon” to the remote medical staff, using the pre-arranged physical motion as a cue, and the motion detection waveform on the external device side The cueing action or intention can be known by analyzing.
[0037]
【The invention's effect】
Since the body motion sensing device of the present invention detects acceleration in one direction and rotational angular velocity in one direction and applies a predetermined calculation to them to determine or evaluate motion,
(1) With the minimum number of sensors and measurement circuits, the body-side device can be miniaturized with a simple structure, allowing the power supply to have a margin, and has the basic effect of being an easy-to-handle communication tool. .
[0038]
By adding the constituent features of claims 2 to 7 to the configuration of claim 1, the following effects can be further added.
(2) Since the motion determination result and the evaluation result can be directly read by the body side device, there is an effect that the user can easily perform self-management of health.
[0039]
(3) Since the operation determination result and the evaluation result are displayed on the external device side by data transmission from the body side device, it is possible to observe and manage the states of a plurality of users (patients) on the medical institution side. Further, there is an effect that it is possible to receive a message from the user and perform a corresponding treatment.
[0040]
(4) By specifying the detection direction of the body side device regarding the linear motion and the rotational motion of the body, it is possible to obtain necessary and sufficient information according to the purpose with a small number of detection elements. In addition, since particularly important walking and running movements and upper limb movements can be detected, for example, estimation of energy consumption and evaluation of rehabilitation are possible.
[0041]
(5) Since the widest surface of the body side device and the widest surface of the thin motion sensor are substantially parallel to the detection rotation surface, there is an effect that a thin body side device with less wearing burden can be realized.
[0042]
(6) Further, since the acceleration sensor is integrated with the angular velocity sensor and overlapped with the display unit, there is an effect that a body-side device that is further downsized and easy to see can be realized.
[0043]
(7) By determining the dispersion of the acceleration output or the angular velocity output, there is an effect that the type of exercise is more clearly identified.
[0044]
(8) Further, by taking the logarithm of the exercise measurement value, there is an effect that the discrimination of the exercise type becomes clearer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a first exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a second exemplary embodiment of the present invention.
FIGS. 3A and 3B show an example of a body side device according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 3A is a partial plan view, and FIG.
FIG. 4 is a plan view showing the internal structure of the motion sensor in the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of an experimental situation of vibration response in body motion sensing.
FIG. 6 is a graph showing experimental results of vibration response of each part of the body, where (a) is the crown, (b) is the chest pocket, (c) is the waist belt, (d) is the ankle, and (e) is the ankle. The wrist with the elbow extended, (f) is the wrist with the elbow bent and leveled.
7 is a graph showing measurement results of right and left hand movements in a finger-nose test, in which (a) and (b) are healthy subjects A, (c) and (d) are healthy subjects B, (e), (F) shows the case of a left upper limb paralysis patient.
FIG. 8 is a graph showing experimental results obtained by performing various body movements and calculating and combining movement data in each direction of the wrist, in which (a) is a dispersion value of acceleration waveforms of the X axis and the Y axis; (B) is a diagram using the peak values of the X-axis and Y-axis acceleration waveforms.
FIGS. 9A and 9B are graphs showing experimental results obtained by combining various movements of the wrist and calculating the movement data in each direction of the wrist. FIG. 9A is an X-axis acceleration and a Z-axis angular velocity, and FIG. It is a figure which took axial acceleration and Z-axis angular velocity, and both used the peak value of a detection waveform.
FIGS. 10A and 10B are graphs showing experimental results obtained by performing various physical exercises and calculating and combining movement data in each direction of the wrist, where FIG. 10A is an X-axis acceleration and a Z-axis angular velocity, and FIG. It is the figure which used dispersion values for both axial acceleration and Z-axis angular velocity.
[Explanation of symbols]
1, 3 Body side device
2 External device
4 Human body
5 fixed base
6 Exciters
11 Accelerometer
12 Angular velocity sensor
13 Acceleration measurement circuit
14 Angular velocity measurement circuit
15 Acceleration calculation circuit
16 Angular velocity calculation circuit
17 Movement judgment circuit
18 Display device
19 Storage device
20 Playback circuit
21 Recording device
22, 23 Communication circuit
24, 25, 26 Control circuit
31 Motion sensor
32 display devices
33 Communication module
34 batteries
35 Operation switch
36 arm winding band
40 Sensor container
41 Hermetic terminal pin
50 Motion sensor vibrator
51 Total base
52 Fixing part A
53 Outer leg A
54 Middle leg B
55 Outer leg C
56 tuning fork base
57 fulcrum
58A, 58B, 58C Additional mass for legs
60 Load mass
61 Bar A
62 Bar B
63 Support spring
64 Fixed part B
G acceleration
Z coordinate axis
Ω Angular velocity

Claims (4)

1つの方向の加速度と1つの軸の回りの回転角速度を測定できる運動センサと、該運動センサによって前記1つの方向の加速度と1つの軸の回りの回転角速度とを所定の期間測定する測定回路手段とを含み、身体の所定の部位に装着される身体側装置と、該測定回路手段の加速度出力と角速度出力とにそれぞれ所定の演算を施す演算回路手段と、前記所定の演算が施された加速度出力と角速度出力との組み合わせによって前記所定の期間における身体運動の種類および強度を判定する判定回路手段と、前記判定された身体運動の種類および強度あるいはその評価結果を表示する表示手段とを有する身体動作センシング装置において、
前記身体の所定の部位は手首であり、前記運動センサの検出する1つの方向の加速度は身体のほぼ上下方向または前後方向の加速度であり、前記運動センサの検出する1つの方向の角速度は身体のほぼ鉛直方向および前後方向を含む平面内における回転運動に対する角速度であり、また前記判定手段は前記身体のほぼ鉛直方向または前後方向の加速度の分散値と前記身体のほぼ鉛直方向および前後方向を含む平面内における回転運動に対する角速度の分散値またはそれらの対数の組み合わせに基づいて、前記身体の運動の種類を判定する機能を有することを特徴とする身体動作センシング装置。
A motion sensor capable of measuring an acceleration in one direction and a rotational angular velocity about one axis, and a measurement circuit means for measuring the acceleration in the one direction and the rotational angular velocity about one axis for a predetermined period by the motion sensor A body-side device mounted on a predetermined part of the body, arithmetic circuit means for performing predetermined calculations on the acceleration output and the angular velocity output of the measurement circuit means, and the acceleration on which the predetermined calculation is performed body by a combination of output and angular velocity output and a display means for displaying the body and movement type and determining circuit means to strength, the type of the determined physical exercise and intensity or evaluation results in the predetermined time period In motion sensing device,
The predetermined part of the body is a wrist, the acceleration in one direction detected by the motion sensor is substantially the vertical or longitudinal acceleration of the body, and the angular velocity in one direction detected by the motion sensor is the body's angular velocity. An angular velocity with respect to a rotational motion in a plane including a substantially vertical direction and a front-rear direction, and the determination means is a plane including a dispersion value of acceleration in the substantially vertical direction or the front-rear direction of the body and a substantially vertical direction and the front-rear direction of the body A body motion sensing device having a function of determining the type of body motion based on a dispersion value of an angular velocity with respect to a rotational motion in the inside or a combination of logarithms thereof .
前記運動センサと、前記測定回路手段と、前記演算回路手段と、前記判定回路手段と、前記表示手段のうち、少なくとも前記運動センサと前記測定回路手段とが身体の所定の部位に装着される身体側装置に内蔵されており、その他の手段が前記身体に装着されない外部装置に内蔵されており、かつ前記身体側装置は中間データの送信手段を備え、前記外部装置は前記中間データの受信手段を備えていることを特徴とする請求項1の身体動作センシング装置。  A body in which at least the motion sensor and the measurement circuit means among the movement sensor, the measurement circuit means, the arithmetic circuit means, the determination circuit means, and the display means are attached to a predetermined part of the body. The other device is built in the external device that is not attached to the body, and the body side device includes intermediate data transmitting means, and the external device includes the intermediate data receiving means. The body motion sensing device according to claim 1, further comprising: 前記身体側装置は腕に装着される機器であり、その内部で前記運動センサの角速度センサ部は厚みの薄い箱型の容器に収納されていて前記身体側装置の最も広い面にほぼ平行に配置されており、前記角速度センサ部の検出回転方向は前記箱型の容器の最も広い表面にほぼ平行な方向であることを特徴とする請求項1または2の身体動作センシング装置。The body side device is a device to be worn on the arm, and the angular velocity sensor part of the motion sensor is housed in a thin box-shaped container, and is arranged almost parallel to the widest surface of the body side device. it is, the angular velocity sensor unit of the detected rotation direction claim 1 or 2 of body movements sensing apparatus characterized in that it is a direction substantially parallel to the widest surface of the container of the box type. 前記身体側装置は主な表面に表示装置を有し、前記運動センサの箱型の容器には一体化された構造の加速度センサ部と角速度センサ部とが収納されており、また前記運動センサの容器は前記表示装置にほぼ平行に前記身体側装置内に配置されており、前記運動センサの加速度検出方向は前記箱型の容器の最も広い表面にほぼ平行な方向であることを特徴とする請求項3の身体動作センシング装置。The body side device has a display device on its main surface, and the box-shaped container of the motion sensor houses an acceleration sensor portion and an angular velocity sensor portion of an integrated structure, and the motion sensor the container is arranged on the display device substantially parallel to the body side in the apparatus, according to the acceleration detection direction of the motion sensor, which is a direction substantially parallel to the widest surface of the container of the box type Item 3. The body motion sensing device of item 3 .
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