CN105387871A - 运动解析装置、运动解析方法及运动解析系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了能容易地求出运动能效等的使用便利的运动解析装置、运动解析方法及运动解析系统。该运动解析装置具备：数据处理部，使用惯性传感器的输出求出被试者的行走中的做功量及在所述被试者的所述行走中已消耗的消耗能量；以及运算处理部，使用所述做功量及所述消耗能量，求出所述被试者的运动能效。

Description

运动解析装置、运动解析方法及运动解析系统

技术领域

本发明涉及运动解析装置、运动解析方法及运动解析系统。

背景技术

以往，公开了根据施加了负荷的同时进行运动中根据被试者排出的呼吸气体，计算脂肪燃烧率最大的运动负荷并调整运动负荷的运动负荷控制系统(运动解析装置)(例如，参照专利文献1)。专利文献1的运动负荷控制系统具备：负荷荷重部，用于对被试者提供负荷并使被试者运动；气体分析装置，用于在由该负荷荷重部提供的负荷的运动中，检测被试者排出的呼吸气体；负荷运算部，用于基于由该气体分析装置检测出的呼吸气体的信息，计算被试者的脂肪燃烧率最大的运动负荷；以及负荷控制部，用于基于由该负荷运算部计算的运动负荷调整负荷荷重部的负荷。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本特开2012-11133号公报

在跑步(行走)等运动中，能效的好坏是重要的。能效(运动能效)高则持久力高，用相同能量可延长距离。已知如专利文献1所记载的那样，用气体分析装置分析在运动中排出的呼吸气体，根据该分析结果求出能效。然而，在例如跑步时安装呼吸气体的气体分析装置，对跑步者来说，使用便利性变差。

发明内容

本发明是为了解决上述课题的至少一部分而提出，可采用以下的方式或作为适用例实现。

[适用例1]本适用例涉及的运动解析装置的特征在于，具备：数据处理部，使用来自惯性传感器的输出，求出被试者的行走中的做功量及所述被试者的所述行走中已消耗的消耗能量；以及运算处理部，使用所述做功量及所述消耗能量，求出所述被试者的运动能效。

依据本适用例，能根据来自惯性传感器的输出求出的被试者的行走中的做功量以及被试者已消耗的消耗能量，求出被试者的运动能效。这样，即使在行走时，也能用不成为被试者的负荷的简易运动解析装置求出运动能效，且能提高被试者的使用便利性。

[适用例2]在上述适用例中记载的运动解析装置中，优选来自所述惯性传感器的输出至少包含加速度数据，利用根据所述被试者的体重及行走中的所述加速度数据求出的力和所述行走中的移动距离之积来求出所述做功量。

依据本适用例，能根据至少包括在惯性传感器的输出中的加速度数据等，简便地求出做功量。

[适用例3]在上述适用例中记载的运动解析装置中，优选基于从所述惯性传感器的输出计算出的所述被试者的行走速度和行走时间，求出所述消耗能量。

依据本适用例，能基于根据惯性传感器的输出计算出的被试者的行走速度和行走时间，简便地求出消耗能量。

[适用例4]在上述适用例中记载的运动解析装置中，优选基于根据所述行走速度和所述行走时间求出的氧摄取量来求出所述消耗能量。

依据本适用例，能根据惯性传感器的输出简便地求出消耗能量。即，消耗能量能基于根据来自惯性传感器的输出计算出的被试者的行走速度和行走时间计算的氧摄取量容易地求出。

[适用例5]在上述适用例中记载的运动解析装置中，优选通过从对所述做功量加上因所述行走而产生的散热量的值中，减去弹性势能来求出所述消耗能量，所述弹性势能根据将所述力除以从所述惯性传感器的输出计算出的所述被试者的弹簧变形量而求出的弹性常数、以及所述弹簧变形量来计算。

依据本适用例，能从惯性传感器的输出简便地求出消耗能量。即，消耗能量能基于从惯性传感器的输出计算的被试者的做功量，因行走产生的散热量和弹性势能容易地求出。

[适用例6]在上述适用例中记载的运动解析装置中，优选基于所述被试者的脚的接地时间、接地角度和所述弹性常数而求出所述散热量。

依据本适用例，能从惯性传感器的输出简便地求出散热量。即，散热量能基于从惯性传感器的输出计算的被试者的脚的接地时间、接地角度和弹性常数容易地求出。

此外，在本说明书中，将下肢中的脚踝前端部分表达为“足”，包含该足的部分的下肢表达为“脚”。

[适用例7]在上述适用例中记载的运动解析装置中，优选所述运动解析装置还具备通知处理部，该通知处理部生成将所述运动能效通知给所述被试者的通知信号。

依据本适用例，被试者能基于由通知处理部生成的通知信号通知求出的运动能效。由此，即使被试者在行走中，也能试行用于提高行走时的运动能效的要素等，能高效地提高运动能效。

[适用例8]在上述适用例中记载的运动解析装置中，优选所述通知处理部进行所述运动能效和设定的目标值的比较，并基于比较结果生成所述通知信号。

依据本适用例，被试者能随时知晓运动能效是接近还是远离设定的目标值等。由此，被试者在行走中能尝试适当改变影响运动能效的高低的例如运动姿势、步幅(Stride)等，并马上知晓其结果。换言之，被试者能马上知晓因运动状态的变化带来的运动能效的变化，且能高效地提高运动能效。

[适用例9]本适用例涉及运动解析方法的特征在于，包括：使用来自惯性传感器的输出求出被试者的行走中的做功量的步骤；求出在所述行走中所述被试者已消耗的消耗能量的步骤；以及使用所述做功量及所述消耗能量，求出所述被试者的运动能效的步骤。

依据本适用例，能根据从惯性传感器的输出求出的被试者的行走中的做功量及被试者消耗的消耗能量，求出被试者的运动能效。这样，即使在行走时，也能以不成为被试者的负荷的简易方法求出运动能效，能提高被试者的使用便利性。

[适用例10]本适用例涉及的运动解析系统的特征在于，具备：惯性传感器，安装于被试者并获取所述被试者的行走中的惯性数据；数据处理部，使用来自所述惯性传感器的输出，求出在所述被试者的行走中的做功量及在所述行走中已消耗的消耗能量；以及运算处理部，使用所述做功量及所述消耗能量，求出所述被试者的运动能效。

依据本适用例，能根据从安装在被试者的例如腰部的惯性传感器的输出求出的被试者的行走中的做功量及被试者消耗的消耗能量，求出被试者的运动能效。这样，即使在行走时也能以不成为被试者的负荷的简易运动解析系统求出运动能效，能提高被试者的使用便利性。

[适用例11]在上述适用例所记载的运动解析系统中，优选所述运动解析系统具备通知部，所述通知部将所述运动能效通知给所述被试者。

依据本适用例，被试者能利用通知部通知求出的运动能效。由此，即使被试者在行走中，也能试行提高行走时的运动能效的要素等，能高效地提高运动能效。

附图说明

图1是示出具备运动解析装置的运动解析系统的整体结构例的示意图。

图2是示出运动解析装置的功能结构例的框图。

图3是示出离着地数据的数据结构例的图。

图4是示出行走中的运动信息的计算处理的处理步骤的流程图。

图5是示出跑步者(用户)的足的移步周期的时序图。

图6是示出求出行走时的脚的弹性常数的弹簧模型。

图7是示出足的移步中的正做功量(MW+)的概念图。

图8是示出足的移步中的负做功量(MW-)的概念图。

图9是示出求出脚的接地角度La(LandingAngle)的一种方法的图。

图10是根据IMU(惯性测量单元)的输出计算运动能效(EE)的计算所必需的要素的公式。

符号说明

1用户(被试者、跑步者)3运动解析装置

5作为通知部的通知装置

33作为惯性测量单元的IMU(InertialMeasurementUnit)

53作为通知部的第二显示部55作为通知部的第二振动部

100运动解析系统310操作部

320作为通知部的第一显示部325作为通知部的第一振动部

33I作为惯性传感器的加速度传感器

333作为惯性传感器的陀螺传感器340GPS模块

350通信部360处理部

361坐标转换部362着地定时检测部

363离地定时检测部

364作为数据处理部的行走数据计算部

365运算处理部366通知处理部

370存储部371行走信息计算程序

372移动体坐标加速度向量数据

373离着地数据374行走数据。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的运动解析方法及运动解析装置的一实施方式。在本实施方式中，例示装入了运动解析装置的运动解析系统。此外，以下说明的实施方式并不限定本发明，可适用本发明的方式并不限定于以下的实施方式。另外，在附图的记载中，对相同部分标记相同的符号。

[系统结构]

首先，参照图1说明具备运动解析装置3的运动解析系统100。图1是示出具备运动解析装置的运动解析系统的整体结构例的示意图。运动解析系统100具备：作为惯性测量单元而公知的IMU(InertialMeasurementUnit)33；以及运动解析装置3，使用来自IMU33的输出计算或通知例如被试者(以下，称为用户1。)的行走中的运动信息(以下，称为行走数据。)。

IMU33是至少具备在本地坐标系统中测量加速度的加速度传感器331、及在本地坐标系统中测量角速度的陀螺传感器333作为惯性传感器的传感器单元。IMU33检测作为与加速度传感器331及陀螺传感器333关联的相同三维正交坐标系统的本地坐标系统(传感器坐标系统)的各轴方向的加速度、及绕各轴的角速度。记该本地坐标系统的三轴为x轴、y轴及z轴。在这些惯性传感器(加速度传感器331及陀螺传感器333)中，能使用利用例如MEMS(MicroElectroMechanicalSystems，微机电系统)技术的MEMS传感器。

运动解析装置3是行走中的用户1携带使用的小型电子设备。运动解析装置3也可采用并用作为通知部的一个例子而设置的非一体的通知装置5的结构。在该情况下，这些运动解析装置3和通知装置5构成为可进行采用无线通信的数据的收发，例如，如图1所示，运动解析装置3安装于用户1的躯体部(例如，右腰或左腰)，通知装置5安装于用户1的臂(右臂或左臂)。另外，运动解析装置3适当搭载配设于框体前面等的按钮开关31、显示器32。

该运动解析装置3将在IMU33搭载的加速度传感器331在本地坐标系统中测量的作为惯性数据的加速度向量(本地坐标加速度向量)，坐标转换到与用户1关联的三维正交坐标系统的移动体坐标系统，并计算移动体坐标加速度向量。移动体坐标系统是例如由设用户1的前方为正的前后方向(前进方向)、设右方为正的左右方向及以铅直下方为正的重力方向(上下方向)定义的坐标系统。在该移动体坐标系统中，记前进方向为X轴，左右方向为Y轴，上下方向为Z轴。

作为实际的处理，设在开始行走前的用户1停止的状态时由加速度传感器331检测出的加速度向量的方向(重力方向)为Z轴方向的正方向(下方向)。另外，设用户1开始行走时，从停止状态踏出一步时的加速度向量的方向为X轴方向正方向(前进方向)。而且，将与这些Z轴方向及X轴方向正交的方向作为Y轴方向(左右方向)，求出从本地坐标系统到移动体坐标系统的坐标转换矩阵，进行移动体坐标系统的初始设定。

然后，能使用在IMU33搭载的陀螺传感器333的检测值(惯性数据)，随时修正移动体坐标系统。另外，行走时按左右顺序反复出足(脚)，使包含腰的躯体部左右交替地扭转前进，故也可视该躯体部的左右的旋转(扭转)为噪声，适用用于降低该噪声的卡尔曼滤波处理，随时修正移动体坐标系统(特别是前进方向(X轴方向))。此外，在本方式中，将下肢中的脚踝前端称为“足”、称下肢为“脚”来进行说明。

而且，运动解析装置3设移动体坐标加速度向量包含的前进方向的加速度(移动体坐标加速度向量的X轴成分)为前进方向加速度，上下方向的加速度(移动体坐标加速度向量的Z轴成分)为上下方向加速度，并基于这些检测着地定时和离地定时，计算规定的评价指标值并发送到通知装置5。在本实施方式中，基于检测的着地定时和离地定时，例如，将从着地定时到离地定时的接地时间、从离地定时到着地定时的滞空时间及滞空时间对接地时间的比率(接地滞空时间比)的各值计算作为评价指标值。

另外，运动解析装置3对移动体坐标加速度向量积分，计算速度向量(移动体坐标速度向量)，随时计算用户1的移动速度(行走速度)、或随时计算从行走开始时移动的距离(行走距离)，发送到通知装置5。这里，“积分”意味着对规定的单位时间量的值进行累加。行走速度、行走距离是行走数据的一个例子。

作为通知部的一个例子的通知装置5是接收从运动解析装置3发送的评价指标值、行走数据并进行显示或振动来通知用户的装置，其具备配设于主体外壳51的前面(用户1安装时朝向外部的一面)的第二显示部53、未图示的第二振动部55(参照图2)。此外，虽未图示，但通知装置5也可具备配设于主体外壳51的适当位置的按钮开关、扬声器，与第二显示部53的显示画面一体形成的触摸面板等。

另外，也可将行走数据等显示在设于运动解析装置3的显示器32。另外，同样地，也可从设于运动解析装置3的第一振动部325向用户1通知行走数据等。此外，作为第一振动部325及第二振动部55的通知方法，使用振动电机等，基于从运动解析装置3发送的评价指标值、行走数据，改变振动的有无(振动间隔、振动时间)、振动的强弱等进行通知。

此外，可以不一定设置通知装置5设置第二显示部53及第二振动部55双方，也可以是设置第二显示部53及第二振动部55中的至少一个的结构。

[功能结构]

图2是示出本实施方式中的运动解析装置3的功能结构例的框图。如图2所示，运动解析装置3具备操作部310、作为通知部的第一显示部320及第一振动部325、GPS模块340、通信部350、处理部360、以及存储部370。

操作部310用按钮开关、杠杆开关、拨盘开关等各种开关、触摸面板等的输入装置来实现，其向处理部360输出与操作输入对应的操作信号。在图1中，按钮开关31与此相当。

第一显示部320用LCD(LiquidCrystalDisplay，液晶显示器)、EL显示器(Electroluminescencedisplay，场致发光显示器)等显示装置来实现，第一显示部320基于从处理部360输入的显示信号(通知信号)显示各种画面。在图1中，显示器32与此相当。

第一振动部325利用振动向用户1传达(通知)信息，用例如振动电机等振动产生装置来实现。第一振动部325基于从处理部360输入的通知信号，能通过进行振动或停止的ON-OFF动作(包含振动间隔、振动时间的长短)、改变振动的强弱等，通知评价指标值或行走数据。

此外，可以不必设置第一显示部320及第一振动部325双方，也可以是设置第一显示部320及第一振动部325中的至少一个的结构。

GPS模块340利用GPS天线341接收从作为测位用卫星的GPS卫星发送的GPS卫星信号，基于接收到的GPS卫星信号测量用户1的位置，并随时输出到处理部360。此外，该GPS模块340不是必要的结构，故在图2中用虚线表示。

通信部350是用于利用无线通信与外部装置无线连接的通信装置。在第一实施方式中，经由该通信部350随时向通知装置5发送评价指标值、行走数据，并显示在第二显示部53(参照图1)。由此，用户1能手头确认评价指标值、行走数据的同时行走。

处理部360由CPU(CentralProcessingUnit，中央处理单元)、DSP(DigitalSignalProcessor，数字信号处理)等的微处理器、ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，应用型专用集成电路)等控制装置及运算装置实现。处理部360具备：作为获取部的坐标转换部361、作为检测部的着地定时检测部362及离地定时检测部363、作为数据处理部的行走数据计算部364、运算处理部365以及通知处理部366。此外，构成处理部360的各部分可用专用模块电路等的硬件构成。

坐标转换部361对IMU33的测量结果进行规定的坐标转换运算，从本地坐标加速度向量求出移动体坐标加速度向量。

着地定时检测部362从前进方向加速度的变化检测着地定时。另一方面，离地定时检测部363根据用户1的行走速度切换进行第一离地定时检测和第二离地定时检测。例如，离地定时检测部363在用户1的行走速度为规定基准速度(例如，5[m/s])以上时，进行根据前进方向加速度的变化和上下方向加速度的变化检测着地定时的第一离地定时检测。用户1的行走速度不足基准速度时，离地定时检测部363进行根据上下方向加速度的变化检测离地定时的第二离地定时检测。

行走数据计算部364基于由着地定时检测部362检测出的着地定时、和由离地定时检测部363检测出的离地定时，计算例如接地时间、滞空时间等。另外，行走数据计算部364将用户1的行走速度、行走距离和行走时间计算作为行走数据。具体而言，行走数据计算部364通过对单位时间量的移动体坐标加速度向量积分，计算该单位时间期间的在移动体坐标系统的速度向量，得到当前的行走速度。另外，行走数据计算部364将计算出的行走速度乘以单位时间并计算出该单位时间内的行走距离，通过加到前次计算出的行走距离上来得到当前的行走距离。

而且，作为数据处理部的行走数据计算部364将用户1的行走中的做功量(MW)和消耗能量(EU)计算作为行走数据。具体而言，能通过由根据用户1的体重及在IMU33搭载的加速度传感器331所测量的行走中的加速度数据而求出的力(ma)、与用户1的行走距离(行走中的移动距离)之积来求出用户(被试者)1行走中的做功量(MW)。这样，能从至少包含于作为惯性传感器的加速度传感器331的输出的加速度数据等，简便地求出。此外，在本方式中，将消耗能量说明为消耗能量(EU：theenergyused)，但也能另称为消耗能量(ME：themetabolicenergy)。

另外，消耗能量(EU)能利用如上地求出的用户1的行走速度及测量出的行走时间来求出。具体而言，例如消耗能量(EU)能根据如上地求出的用户1的行走速度和行走时间求出氧摄取量，并基于求出的氧摄取量来求出。这样，能基于根据从加速度传感器331输出计算的用户1的行走速度和行走时间计算的氧摄取量，简便地求出消耗能量(EU)。

此外，求出做功量(MW)及消耗能量(EU)的方法，在后面的运动解析方法的说明中详述。

运算处理部365使用求出的做功量(MW)及消耗能量(EU)，求出作为用户1的行走(例如跑步)等运动中的能效的运动能效(EE)。运动能效(EE)越高则持久力越高，以相同能量能延展距离。此外，在本方式中，将运动能效说明为运动能效(EE：energyefficiency)，但也可另称为运动能效(AEE：Athleticenergyefficiency)。

通知处理部366例如生成将求出的运动能效(EE)通知给用户1的通知信号，发送到作为通知部的第一显示部320、第一振动部325、或者通知装置5的第二显示部53、第二振动部55，然后，用户1能利用通知装置(通知部)5等通知单元，知晓求出的自身运动能效(EE)。由此，用户1即使在例如行走中等的运动中，也能随时知晓求出的自身运动能效(EE)，能试行用于提高行走时的运动能效(EE)的单元等，能高效地提高运动能效(EE)。

此外，通知处理部366可比较运动能效(EE)和预先输入并存储于后述的存储部370的目标值，基于比较结果生成通知信号。而且，比较结果发送到通知装置5的第二显示部53、第二振动部55，利用图像显示、振动的强弱等通知给用户1。这样的话，用户1能随时知晓运动能效(EE)是接近还是远离设定的目标值等。由此，用户1能在行走中适当改变影响运动能效(EE)的高低的例如运动姿势、步幅(Stride)等，并马上知晓其结果。换言之，被试者能马上知晓因运动状态的变化导致的运动能效的变化，能高效地提高运动能效(EE)。

存储部370用ROM(ReadOnlyMemory，只读存储器)、闪速ROM、RAM(RandomAccessMemory，随机存取存储器)等各种IC(IntegratedCircuit，集成电路)存储器、硬盘等的存储介质来实现。在存储部370中，事先存储用于使运动解析装置3动作、实现该运动解析装置3具备的各种功能的程序、或在该程序的执行中使用的、以运动能效(EE)的目标值数据作为一个例子的数据等、或每次在处理时临时存储。

在该存储部370中，存储有行走信息计算程序371，该行走信息计算程序371用于使处理部360作为坐标转换部361、着地定时检测部362、离地定时检测部363、行走数据计算部364、运算处理部365及通知处理部366起作用，进行运动解析的处理(参照图4)。

另外，在存储部370中，存储有移动体坐标加速度向量数据372、离着地数据373以及行走数据374。

在移动体坐标加速度向量数据372中，按时间序列存储在每一单位时间由坐标转换部361计算出的移动体坐标加速度向量。该移动体坐标加速度向量数据372由可保持最近过去规定秒数的移动体坐标加速度向量的环形缓冲器等构成。此外，在计算行走信息时，判定足从地面离开的滞空时为检测定时，每次检测最近的离着地的定时。

在每次规定的检测定时，利用着地定时检测部362及离地定时检测部363检测离着地数据373，按时间序列存储由行走数据计算部364计算出的着地及离地的定时以及评价指标值。

图3是示出第一实施方式中的离着地数据373的数据结构例的图。如图3所示，离着地数据373是关联着地定时、离地定时、接地时间、滞空时间及接地滞空时间比的各评价指标值的数据表。这里，接地时间为从对应的着地定时到离地定时为止的时间。另一方面，滞空时间是例如从前次检测的离地定时到本次检测的着地定时的时间。例如，将记录仪D31的滞空时间Td3计算作为从作为离地定时的前次值的记录仪D32的离地定时Tb2到记录仪D31的着地定时Ta3为止的时间。

在行走数据374中，按时间序列存储在每个单位时间由行走数据计算部364计算的用户1的行走速度和行走距离。

依据上述的运动解析装置3(运动解析系统100)，能根据从作为惯性传感器的加速度传感器331及陀螺传感器333的输出求出的用户1(被试者)的行走中的做功量(MW)及用户1消耗的消耗能量(EU)，求出用户1的运动能效(EE)。这样，即使在行走时，仅靠安装不会成为用户1的负荷的简易运动解析装置3，就能随时求出运动能效(EE)，能提高用户1的使用便利性。

[处理流程]

接着，参照图4说明本实施方式中的运动解析方法的处理流程。图4是示出行走中的运动信息(以下，称为行走数据。)的计算处理(运动解析方法)的处理步骤的流程图。这里说明的处理流程能通过处理部360从存储部370读出行走信息计算程序371(参照图2)并执行来实现。另外，这里说明的行走数据以用户1的行走中的做功量(MW)、消耗能量(EU)和运动能效(EE)为中心进行说明，省略其计算步骤。

本实施方式中的运动解析的处理，在例如经由操作部310做出行走开始操作时开始。首先，处理部360获取由在IMU33搭载的惯性传感器(加速度传感器331、陀螺传感器333等)测定并输出的传感数据(步骤S100)。

接着，构成处理部360的坐标转换部361基于IMU33的测量结果(惯性数据)将本地坐标加速度向量坐标转换到移动体坐标加速度向量，开始在移动体坐标加速度向量数据372中累积存储的处理(步骤S102)。

接着，作为数据处理部的行走数据计算部364根据单位时间量的移动体坐标加速度向量，将用户1的当前行走速度、行走距离和行走时间计算作为行走数据(步骤S104)。

然后，行走数据计算部364基于来自在IMU33搭载的惯性传感器的输出数据(传感数据)，将用户1的行走中的做功量(MW)和消耗能量(EU)计算作为行走数据(步骤S106，步骤S108)。做功量(MW)由根据用户1的体重及行走中的加速度数据求出的力(ma)、以及用户1的行走距离(行走中的移动距离)之积来求出。另外，消耗能量(EU)根据用户1的行走速度和行走时间求出氧摄取量，并基于求出的氧摄取量来求出。

接着，运算处理部365使用求出的做功量(MW)及消耗能量(EU)计算作为用户1的行走(例如跑步)等运动中的能效的运动能效(EE)(步骤S110)。此外，对于运动能效(EE)的计算方法，在后述的[运动解析方法]中详细说明。

接着，通知处理部366生成例如向用户1通知求出的运动能效(EE)的通知信号，发送到第一显示部320和第一振动部325、或通知装置5的第二显示部53和第二振动部55的至少一个(步骤S112)。

第一显示部320、第一振动部325、或者通知装置5基于从通知处理部366发送的通知信号，对用户1通知运动能效(EE)的状态(步骤S114)。由此，用户1能知晓计算的自身运动能效(EE)。另外，用户1即使在例如行走时等的运动中，也能随时知晓求出的自身运动能效(EE)，能试行用于提高行走时的运动能效(EE)的单元等，能高效地提高运动能效(EE)。

此外，通知处理部366可比较运动能效(EE)和预先输入并存储在后述的存储部370的目标值，基于比较结果生成通知信号。然后，能将基于比较结果的通知信号发送到通知装置5的第二显示部53、第二振动部55，进行通知。

利用以上的步骤，结束与运动信息(行走数据)的计算处理(运动解析方法)相关的处理步骤。

依据上述的处理步骤的运动信息(行走数据)的计算处理(运动解析方法)，能提高作为被试者的用户1的便利性。详细而言，能根据从作为惯性传感器的加速度传感器331、陀螺传感器333的输出求出的用户1的行走中的做功量(MW)、以及用户1的消耗的消耗能量(EU)，求出用户1的运动能效(EE)。这样，即使在行走时，也能用不会成为用户1的负荷的简易方法随时求出运动能效(EE)，且能随时进行通知(反馈)并进行跑步。因此，能高效地提高运动能效(EE)。

[运动解析方法]

接着，参照图5至图10说明本实施方式中的运动解析方法。图5是示出跑步者(用户1)的足的移步周期的时序图。另外，图6是求出行走时中的跑步者(用户1)的脚的弹性常数的弹簧模型。另外，图7是示出足的移步中的正做功量(MW+)的概念图，图8是示出足的移步中的负做功量(MW-)的概念图。另外，图9是示出求出跑步者(用户1)的、脚的接地角度La(LandingAngle)的一方法的图。另外，图10示出用于从IMU(惯性测量单元)的输出计算运动能效(EE)的计算所需要素的公式(计算式)。

近年来，随着小型惯性传感器的发展，体育领域的运动姿态、动作解析越来越受到关注。在具备本实施方式中的运动解析装置3的运动解析系统100中，能使用具备作为小型惯性传感器的多个陀螺传感器、加速度传感器的IMU33(惯性测量单元：参照图1)的输出，进行用户1(运动体)的姿态、动作的解析。在运动解析系统100中，可通过利用运动解析装置3运算、解析来自惯性传感器的信号来获取用于提高田径场、马拉松领域等的跑步者表现的多个参数。

本实施方式的运动解析方法，使用从IMU33的惯性传感器(例如，加速度传感器331，陀螺传感器333)输出的数据在作为运动解析装置3的数据处理部的行走数据计算部364中，计算作为用户1的跑步者(运动员)的跑步(行走)中的能量相关的参数。而且，在运算处理部365中，使用该能量相关参数计算跑步者(运动员)的能效(运动能效(EE))。计算的能效(运动能效(EE))利用在通知处理部366中生成的通知信号，作为行走的机制和能效相关的信息提供给跑步者(运动员)。由此，跑步者(运动员)能聚焦在行走的机制上改善能效。以下，具体说明本实施方式中的运动解析方法。

在本运动解析方法中，使用式(1)所示的热力学第一定律“系统内部能量的变化量(ΔU)是对系统提供的热量(Q)和从系统取出的做功量(W)之差”。

ΔU＝Q-W...(1)

而且，标识与跑步者的能量变化相关的所有源，包括生理学及机械双方的源。这里，跑步者中的能量变化的生理学源是消耗能量(UE)。另外，跑步者获取例如脚步等的机械能量变化的源，是跑步者的弹性势能(SP)。

跑步的运动(动作)能分解为基本的步伐(Gait)序列。如图5所示，一个步伐(Gait)由左足(左脚)和右足(右脚)的动作对构成。而且，步伐(Gait)的周期能如图5所示那样定义。此外，图5所示的步伐(Gait)的周期是公知的，例如能参考“ReviewPaper，Thebiomechanicsofrunning”，byTomF.Novacheck，1997，UniversityofMinnesota，MotionAnalysisLaboratory。

另外，步伐(Gait)的接地部分中的动作，如图6所示那样，能模型化为弹簧模型。下肢的筋肉和腱能如弹簧那样动作，在着地时继续能量，在离地时释放该能量。垂直弹性常数(K)能利用力(Fmax)和作为弹簧变形量的垂直方向的移动量(dz)，用下式(2)计算。

[式2]

$K=\frac{F_{\max }}{dz}...\left(2\right)$

这里，力(Fmax)能由跑步者(用户1的体重(m(kg))和IMU33所具备的加速度传感器输出的加速度数据(a)之积(Fmax＝m·a)来求出。另外，作为弹簧变形量的垂直方向的移动量(dz)，能通过对来自IMU33的惯性传感器的输出来求出。

另外，弹性势能(SP)，所谓的弹簧(理想弹簧)蓄积、释放的能量，能用如下所示的式(3)定义。

[式3]

$SP=\frac{1}{2}\·K{\left(dz\right)}^z...\left(3\right)$

这样基于来自IMU33的输出数据，根据力(Fmax)及作为弹簧变形量的垂直方向的移动量(dz)，能求出作为重要参数的垂直弹性常数(K)、弹性势能(SP)，故可对跑步获取连续的数据。

而且，能基于来自IMU33的输出数据求出做功量(MW)。就是说，可根据IMU33的输出数据计算位置(x)、速度(v)及加速度(a)的向量，故在跑步时，可使用下述的式(4)随时计算做功量(MW)。

[式4]

MW＝∫(F·v)dt…(4)

这里，力(F＝ma：m是体重(kg)，a是加速度向量)，是运动体(跑步者)所费的力，v是运动体(跑步者)的速度。

此外，正的做功量表示为“MW+”，负的做功量表示为“MW-”。图7中示出跑步时做功量为正的做功量的MW+的例子，图8示出跑步时做功量为负的做功量的MW-的例子。此外，图7示出右足(右脚)RL抬起离地、跑步者(用户1)向前方前进的状态，图8示出右足(右脚)RL着地的状态。

接着，求出跑步中的消耗能量(EU)。

作为求出消耗能量(EU)的方法，有以往使用的测定跑步者吸入的氧量，并基于该吸入氧量计算消耗能量(EU)的方法，但在马拉松行走等时，测定氧量是不现实的。在本方式中，使用根据IMU33的输出数据间接求解的方法。如本方式那样，根据IMU33的输出数据计算近似的消耗能量(EU)的值，这是现实的，能容易地求出消耗能量(EU)。

在书籍“Daniels’RunningFormula”中，作为其作者的JackDaniels提示了估计跑步时的氧量(V0)的方法。据此，能量的计算能近似为1ml(毫升)l氧＝20.1(Joules)。该模型如下式(5)所示。

[式5]

VO₂＝(-4.60+0.182258s+0.000104s²)…(5)

此外，氧量(VO)在某一值以上不再增长，称该点为最大氧量点(VO_2max)。该最大氧量点(VO_2max)能用下式(6)求出。这里，s是速度(m/min)，t是时间(min)。另外，氧量(VO)的单位是ml/kg/min。

[式6]

${\mathrm{VO}}_{2max}=\frac{(-4.60+0.182258s+0.000104s^2)}{(0.8+0.1894393e^{-0.012778t}+0.2989558e^{-0.1932605t})}...\left(6\right)$

消耗能量(EU)能通过使用这样求出的氧量(VO)来计算。消耗能量(EU)根据由上述式(4)及式(5)求出的氧量(VO)来计算。最大氧量点(VO_2max)根据跑步者的最佳表现计算并保存。为了计算实际的消耗能量(EU)，比较该氧量(VO)的值和最大氧量点(VO_2max)的值。

然后，使用下式(7)计算消耗能量(EU)。具体而言，利用计算求出的氧量(VO)的值在最大氧量点(VO_2max)的值以上时，利用最大氧量点(VO_2max)的值计算消耗能量(EU)。在计算的求出的氧量(VO)值比最大氧量点(VO_2max)的值小(不足)时，使用氧量(VO)的值计算消耗能量(EU)。

[式7]

EU＝20.1m∫VO₂dt{VO₂＜VO_2max}

＝20.1m∫VO_2maxdt{VO₂≥VO_2max}…(7)

这样确定消耗能量(EU)后，进行运动能效(EE)的计算。效率高的跑步者，以较少的消耗能量(EU)做更多的功。运动能效(EE)能用下式(8)定义。

[式8]

$EE=\frac{MW}{EU}...\left(8\right)$

另外，能根据热力学做出如下式(9)那样的定义。具体而言，累加消耗运动能量(EU)和弹性势能(SP)的值，与累加做功量(MW)和散热量(HD)的值相等。

EU+SP＝MW+HD...(9)

就是说，消耗能量(EU)能如下式(10)那样定义。

EU＝MW+HD-SP...(10)

这样，能基于惯性传感器的输出简便地求出消耗能量(EU)。即，消耗能量(EU)能基于从惯性传感器的输出计算的跑步者的做功量(MW)、因行走产生的散热量(HD)和弹性势能(SP)，容易地求出。

根据上述式(8)及式(10)，运动能效(EE)能如下式(11)那样定义。此外，参照上述式(8)，通过减少消耗运动能量(EU)，能提高运动员的运动能效(EE)。另外，为了从上述式(10)中减少消耗运动能量(EU)，能通过适用增大弹性势能(SP)的值、以及减少成为浪费的能量的散热量(HD)的值的至少一个来实现。另外，参照式(11)，为了提高运动能效(EE)，需要进行增加弹性势能(SP)和降低及散热量(HD)中的至少一个。

[式11]

$EE=\frac{MW}{MW+HD-SP}...\left(11\right)$

此外，消耗运动能量(EU)、弹性势能(SP)及做功量(MW)能根据IMU33的输出数据(信息)计算并求出。而且，散热量(HD)能用下式(12)求出。

[式12]

HD＝EU+SP-MW…(12)

跑步者为了能高效率地行走，需要降低作为跑步中的浪费散热能量的散热量(HD)。而且，重要的是跑步者如何克服并达到该课题。对于该课题，只要明白跑步的其他单元和散热量(HD)的关联即可，是可克服的。这里，与散热量(HD)关联的要素的例子，是跑步者步伐(Gait)的接地部分时间、即足接地的接地时间(Tc)、脚的接地角度(La)、以及下肢(脚)的垂直弹簧系数(K)。用该用相关系数模型化这些单元的关联，能将散热量(HD)表示如为下式(13)的单元函数。

[式13]

HD＝a₁T_c+a₂L_A+a₃K…(13)

在式(13)中，a₁、a₂、a₃是相关系数。

这样，能根据惯性传感器的输出简便地求出散热量(HD)。即，散热量(HD)能基于从惯性传感器的输出计算的跑步者的足(脚)的接地时间(Tc)、脚的接地角度(La)和脚的弹性常数(K)来容易地求出。

式(13)中的接地时间(Tc)、接地角度(La)及垂直弹性常数(K)的值，可根据IMU33输出的输出数据(信息)实时地计算并求出。因此，能实时地向跑步者反馈散热量(HD)的值相关的信息。由此，能实时地改变这些要素并降低散热量(HD)的值，能有效地提高运动能效(EE)。

参照图9，接地时间(Tc)能通过足与地面相接期间的时间监视运动体的动作来计算。例如，接地时间(Tc)能通过解析IMU33的加速度的信息和零交叉(ZeroCross)的部位来计算。另外，例如，接地角度(La)能利用水平移动(Dx₂)和垂直移动(dz)来计算。

在图9中，接地角度(La)用“θ”定义。这表示着地时的身体的重心CoM(Centerofmass)相对地面倾斜的角度。该角度(θ)能用(dz/dx)的反正切函数(arctan)来计算。图9中的dx如式(14)所示，是水平移动(dx₂)近似一半。另外，dz用上述的弹簧模型(参照图6)说明，与作为弹簧变形量的跑步者的重心的垂直方向的移动量(dz)相同。

此外，能代替上述内容，不用弹簧的模型、弹性势能(SP)，如下式(16)及下式(17)那样定义运动能效(EE)和散热量(HD)。

HD＝(EU)-(MW+)...(16)

EE＝(MW+)/[(MW+)+(HD)]...(17)

在上述式(16)、式(17)的计算中，需要进行力的计算，因此需要输入跑步者的体重信息。然而，通过按单位质量重写计算式，能避免该信息的输入。在图10中示出与该单位质量相关的计算式。此外，图10列举了用于根据IMU33的输出计算运动能效(EE)的计算所需的要素的公式(计算式)。

此外，跑步者也能对作为散热量(HD)相关要素的接地时间(Tc)、接地角度(La)及垂直弹性常数(K)等添加假想的变化，进行运动能效(EE)的模拟。另外，为了获取目标运动能效(EE)，可对各个单元设定目标值，在实际跑步时随时反馈这些要素是接近目标值还是远离等。

该反馈例如能以图像显示、声音、振动等进行。例如，在采用振动的反馈中，如下地进行通知：从目标值远离时，越远离则振动越快(改变振动数)，在接近目标值时，逐渐减少振动数，在达到目标值时停止振动等。

另外，可改变足(脚)的踏出方向来进行通知。在这样的情况下，例如，能适用在靠右着地(落地)时快速振动、靠左着地(落地)时缓慢振动等的通知方法。

另外，与上述同样，可对运动能效(EE)也设定目标值，在实际的跑步时，随时反馈这些要素是否接近目标等。

依据上述的运动解析方法，能提高作为被试者的跑步者(用户1)的使用便捷性。详细而言，能根据从作为惯性传感器的加速度传感器331、陀螺传感器333的输出求出的跑步者(用户1)行走中的做功量(MW)、以及跑步者的消耗的消耗能量(EU)，求出跑步者的运动能效(EE)。这样，在行走时，也能以不给被试者带来负担的程度的简易方法随时求出运动能效(EE)，且能随时在进行通知(反馈)的同时进行跑步。

Claims (11)

1.一种运动解析装置，其特征在于，具备：

数据处理部，使用来自惯性传感器的输出，求出被试者的行走中的做功量及所述被试者的所述行走中已消耗的消耗能量；以及

运算处理部，使用所述做功量及所述消耗能量，求出所述被试者的运动能效。

2.根据权利要求1所述的运动解析装置，其特征在于，

来自所述惯性传感器的输出至少包括加速度数据，

利用根据所述被试者的体重及行走中的所述加速度数据求出的力和所述行走中的移动距离之积来求出所述做功量。

3.根据权利要求1或2所述的运动解析装置，其特征在于，

基于从所述惯性传感器的输出计算出的所述被试者的行走速度和行走时间，求出所述消耗能量。

4.根据权利要求3所述的运动解析装置，其特征在于，

基于根据所述行走速度和所述行走时间求出的氧摄取量来求出所述消耗能量。

5.根据权利要求2所述的运动解析装置，其特征在于，

通过从对所述做功量加上因所述行走而产生的散热量的值中，减去弹性势能来求出所述消耗能量，

所述弹性势能根据将所述力除以从所述惯性传感器的输出计算出的所述被试者的弹簧变形量而求出的弹性常数、以及所述弹簧变形量来计算。

6.根据权利要求5所述的运动解析装置，其特征在于，

基于所述被试者的脚的接地时间、接地角度和所述弹性常数而求出所述散热量。

7.根据权利要求1所述的运动解析装置，其特征在于，

所述运动解析装置还具备通知处理部，该通知处理部生成将所述运动能效通知给所述被试者的通知信号。

8.根据权利要求7所述的运动解析装置，其特征在于，

所述通知处理部进行所述运动能效和设定的目标值的比较，并基于比较结果生成所述通知信号。

9.一种运动解析方法，其特征在于，包括：

使用来自惯性传感器的输出求出被试者的行走中的做功量的步骤；

求出在所述行走中所述被试者已消耗的消耗能量的步骤；以及

使用所述做功量及所述消耗能量，求出所述被试者的运动能效的步骤。

10.一种运动解析系统，其特征在于，具备：

惯性传感器，安装于被试者并获取所述被试者的行走中的惯性数据；

数据处理部，使用来自所述惯性传感器的输出，求出在所述被试者的行走中的做功量及在所述行走中已消耗的消耗能量；以及

运算处理部，使用所述做功量及所述消耗能量，求出所述被试者的运动能效。

11.根据权利要求10所述的运动解析系统，其特征在于，

所述运动解析系统具备通知部，所述通知部将所述运动能效通知给所述被试者。