CN1287733C - 身体动作检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的动作检测装置包括容器(10)，支持于该容器内，形成于由压电材料构成的弹性板内、靠身体的至少第一方向(X)的动作振动的第一振动部(16)，以及以第二方向(Z)为中心振动的第二振动部(17)。两个振动部的振动被变换成电信号，由显示部(5)显示经变换后的信号值。

Description

身体动作检测装置
技术领域
本发明涉及检测身体动作的装置。
背景技术
佩戴在使用者的身体上用传感器检测身体的运动并用其数据判断使用者的运动状况，用于健康管理的目的的发明的提案已有很多。例如
(1)在特开平10-295651号公开的技术中，使用者在腰部包括装着加速度计的携带终端，将事先输入的个人数据与自动测量的运动量进行电话发送到外部的中心计算机，作分析与健康诊断，其结果发送到携带终端，按照使用者的要求进行显示。
(2)在特开平2000-41953号公开的技术中，使用者身上佩戴的行动数据收集装置的体动传感器对检测的动作进行一次加工，接收该动作的外部个人计算机侧的行动数据输出装置输出用个人信息进行二次加工后的数据。该装置在数据收集装置侧不需要个人信息输入和大量的二次加工信息的存储，谋求操作性的提高与存储器容量的削减。
(3)在特开平2000-41952号中，为削减行动信息检测设备的存储器容量，用内部MPU从传感器与体动检测电路的输出中计算步数、步行速度、行动种类、运动强度、消耗卡路里等生物信息，将每分钟的计算结果加以存储、显示或发送到外部。
上述以往例(1)、(2)、(3)中的装置并不十分地小型，由佩戴引起使用者不少负担。
本发明的目的在于提供小型、轻量且佩戴的负担感小的装置。
发明概述
本发明的动作检测装置，包括
容器，
支持于该容器内，靠身体的至少第一方向的动作振动的第一振动部，
以第二方向为中心振动的第二振动部，
将两振动部的振动变换为电信号的变换装置，以及
显示变换后的信号值的显示部。
第一振动部由一对平行的棒形振动体构成，
第二振动部由音叉构成。
变换装置由压电材料构成弹性板，具有附着在两振动部分的检测电极膜。
容器收容于外壳内，外壳可戴于手腕上。
第一振动部为检测加速度的部分，
第二振动部为检测角速度的部分。
第一方向为垂直方向。
第二方向为垂直面内的方向。
本发明进一步提供的动作检测装置，包括
支持于支持体上的压电极，
在压电板上沿三个辐射方向配到连续的多个电极膜，固定于压电板的中心下侧的负荷质量，以及
显示电极膜的输出的显示部。
音叉由一对外脚及其中间的中脚构成。
音叉配置在中央，振动体在音叉的两侧与音叉的长度方向平行地配设。
棒形振动体以基部的固定于容器，前端部以比基部的固定部小的面和只的固定部固定于容器。
附图简要说明
图1表示动作测定装置的平面图。
图2表示图1的II~II剖视图。
图3表示本发明的第一实施例的动作传感器的一例的内部构造平面图。
图4a表示本发明的动作测定装置的实施例的测定动作的流程图，图4b、图4c表示其中进行能量计算的流程图。
图5表示判断第一被测者存在周期性的动运的加速度Gx与角速度ωz的绝对值之和的关系的曲线。
图6表示判断同一被测者进行的非周期性动运的gx与ωz的绝对值的和的关系的曲线。
图7表示5个被测者的步行、行走的速度与ωz的绝对值之和之间的关系的曲线。
图8表示5个被测者的步行、行走的速度与Gx的绝对值之和的关系的曲线。
图9表示对被测者以实质上指定的速度步行、行走时的Gx、ωz绝对值之和的分布曲线。
图10表示对第二被测者采取的同样数据的曲线。
图11表示每15分钟地识别第一被测者的一天时间的运动的结果的曲线。
图12表示第一被测者的一整天内每15分钟的能量消耗的变动曲线。
图13表示第一被测者的一整天内每15分钟的步数变动曲线。
图14表示本发明的第二实施例的动作测定装置的平面图。
图15表示图14的中央剖视图。
图16表示本发明第二实施例中所用的动作传感器平面图。
图17表示图16的剖视图。
图18、图19表示采用第二实施例的通信系统的方框图。
图20表示本发明的第三实施例的示意图。
图21表示本发明的第三实施例的示意图。
图22a表示第三实施例所用的三轴加速度传感器的具体一例的平面图，图22b表示图22a的剖视图。
图23a、图23b表示由加速度引起的变形状态略图。
图24a表示上述那样的获得的各轴方向的加速度Gx、Gy、Gz的波形的一例，图24b表示各加速度数据经二次积分得到的每个时刻的传感器位置信息在三维坐标上再合成的、经推定的轨迹的立体图。
图25表示定义位置矢量的大小和方向的立体图。
图26表示以根据本发明识别的各种运动作为直方图的图。
图27表示本发明的手表型设备的第四实施例的测定装置的平面图。
图28表示图27的右侧面图。
图29表示从6时方向见到的下面图。
图30表示图27的剖视图。
图31表示外部设备的功能动作的流程图。
图32表示外部设备侧的目标设定画面。
图33表示外部设备侧的步数设计处理画面。
图34表示步行合计处理中用具体地名表示到达距离用的设定输入画面。
实施发明的最佳形态
下面，对本发明的动作检测分析装置的第一实施例进行说明。图1为动作测定装置的平面图，图2为图1的II~II剖视图。动作测定装置包括实质上为手表型的壳体，利用一对腕带3可戴于使用者的手腕。壳体中设置动作传感器4、液晶显示装置5、与外部装置的通信电路模块6、电源电池、以及操作开关8。动作测定装置1小型、薄形、不成为佩戴者的负担。显示装置5配置成最宽的表面，易于观看。动作传感器与配置成最宽的表面，易于观看。动作传感器与显示装置与平行地配置。显示装置与用薄型的液晶显示板，动作传感器4也收纳在薄形的外壳中。
动作传感器4相对于动作测定装置1的固有方向使成为至少分别测定一个方向的加速度和角速度。图中示出的加速度Gx的方向相当于佩戴者直立手腕自然下垂于体侧时的身体的上下方向(即铅垂方向。以此作为X轴)。又，测定的角速度ωz的方向相当于与体测面平行摆动手臂时下臂绕身体的左右轴(Z轴)自然转动方向。
与显示装置5平行地配置动作传感器4的理由如下。设将动作测定装置如手表那样佩戴，显示面在手腕的背侧或手掌侧，在上体直立、肘自顽弯曲伸展或上臂绕肩转动时，固其旋转面与体侧平行，与如手表那样佩戴在手腕上的测定装置1的显示面即显示装置5平行，所以如有持有与其最宽面平行的旋转检测面的角速度传感器，则将其包含在内部的动作传感器4配置成与显示装置5平行较为理想。
图3表示本发明第一实施例的动作传感器的一例的内部构造平面图。该动作传感器的结构全部满足上述的有关形状、配置、检测方向的要求。容器10是薄的箱形且气密的，但为显示内部构造，图中除去容器的顶部。容器内设有贯穿底部的多数密封端子的引脚11，各引脚与振动体12上的检测电极膜组(未图示)的每一个以连接线相连。动作传感器用光刻技术从一块压电材料平板上刻成，故加速度传感器16与角速度传感器17被一体化形成。动作传感器振动体12通过将基部13的内表面的固定部14与小面积的固定部15的内表面粘接到容器10的基座(未图示)上得以支持。
角速度传感器17做成所谓的三脚音叉形，由各自L字形的第一外脚18、第二外脚19、中脚20以及音叉基部21、支点22构成。外脚18、19与通常的二脚音叉同样地分别用单端支持梁关于对称轴进行对称地振动，由角速度测定电路(未图示)所含的振荡电路发出的振动电流以一定振幅激振。中脚20虽不被激振，但为检测其挠曲在中脚的四面各贴有检测电极(未图示)。在各脚的前端部由金属的厚电镀层形成各自的附加质量23、24、25，为降低固有振动频率且使其互相相等而设。此外，中脚20的固有振动频率与两外脚的固有振动频率有适当的差异。
若动作传感器振动体12以角速度ωz绕平行于图示的方向即垂直于低面的Z轴旋转时，则在两外脚的振动脚18、19上作用有与角速度成比例的科里奥利力。其方向是脚的长度方向，若某一瞬间向脚前端的力作用在外脚18上，则向脚的基部的力作用在外脚19上。力的方向与脚的振动同时并按正弦地变化，周期性地反转。由于两外脚平行地分开且附加质量的偏心方向对外脚轴也相反，故两个力构成力偶，摇摆着音叉基部21，引起绕支点22的微小的旋转振动。这种固科里奥利力引起的力矩造成音叉基部21的振动，由中脚20所感知，中脚20以与科里奥利力成比例的振幅振动。由中脚20上所设置的检测电极提取的振动电压是角速度ωz的检出信号，经变换成显示信号后显示于显示装置5。
动作传感器振动体12的加速度传感器部16由其端部由基部支持的一对平行振动的两条棒形振动体27、28以及附加质量30构成。附加质量30由大面积的材料板的一部分质量与其表面上施加的厚电镀材料的质量构成。附加质量30利用一对空白部形成2条支持弹簧31、32，它们与固定部15成一体并支持附加质量30，使允许在图示的X方向上微小变位。固定部15支持固定附加质量30使在Y、Z方向上不大能变位，而在X方向上多少地能变位。各自两端被固定的棒形振动体27、28以形成关于振动体12的对称轴对称的弓形的姿态由振荡电路激振。
其振动频率通常是一定的，然而当图示X方向的加速度Gx作用在附加质量30时，以与其大小成比例的力，附加质量30在棒形振动体27、28的长度方向上压缩或拉伸棒形振动体27、28，利用其力的方向与大小增减改变振动频率。因此，设定基准频率，比较基准频率与变化的振动频率，用振动体27、28上的检测电极膜检测振动频率的变化方向与量，就可求得X轴方向的加速度Gx。基准频率源不需特别设置，而可利用角速度传感器用的振动体即外脚18、19的振动频率。
测得的加速度Gx以及角速度ωz的输出被进行各种加工，以用于动运识别和消耗能量的显示装置5观测。此外，也可以在演算之前，这中或之后的数据无线传送到固定的计算机，或者汇总一天的数据用有线传送，用固定装置侧的演算使最验信息视觉化或进行记录。
本发明的特征之一是用于从加速度Gx及角速度ωz中得到必要的信息的算法。以下述其大概，进而用表示本发明的实施例工作的流程图详细说明。
又，加速度Gx、角速度ωz采用以10-100Hz(例如20或50Hz)采样测定值的数据。作为表示加速度Gx、角速度ωz的大小的量，使用采样得到的数据的规定个数的绝对值的和，或2乘方的和。
(1)身体的行动识别如在加速度Gx、角速度ωz的采样数据中看到某种程度的周期性，则判断为步行或行走，如看不出周期性，则判断为其他动运。此外，可通过明显示地看出加速度Gx的差异来区别步行与行走。根据表示加速度Gx或角速度ωz的大小的量进一步弄明白其强度为哪个等级。此外，从数据的周期性中来计数步数可判定步行还是行走。
(2)短时间的消耗能量根据以往大范围的研究，以20-29岁的男性为基准，给出对各种行动的形态以单位体重(kg)的消耗能量作为“行动类别系数”如表1。(据日本体育协会运动科学委员会)进而对于不同年龄、性别的被测者给出其校正系数如表2。据此，包含基础代谢的消耗能量如决定行走的行动就能计算消耗能量。
                           表1  行动类别系数(单位kcal/kg/分钟)
  座位行动   立位行动   步行
  饮食案头工作驾车休息·谈话裁缝趣味·娱乐教养熨烫   0.02690.03040.02870.02330.02870.02870.02330.0464   散步步行·普通楼梯·升楼梯·降炊事扫除机使用洗涤机使用洗涤物干燥   0.04640.0570.13490.06580.04810.04990.0410.0587   60m/min70m/min80m/min90m/min100m/min   0.05340.06230.07470.09060.1083
  运动项目   自行车   缓步行进
  乒乓球练习节律体操体操·轻体操·强   0.1490.14720.05520.0906   普通平地10km/hr登坡10km/hr降坡   0.06580.080.14720.0269   轻强   0.13840.1561
                                表2  年龄、性别的校正灵数
  年龄   男   女   年龄   男   女
  10111213141516171819   1.5421.4541.3751.2881.2171.1581.1251.0961.0711.05   1.4711.3711.2881.2131.1421.0791.0381.0081.0040.999   20～2930～3940～4950～5960～6465～6970～7475～7980～   10.9540.9250.9170.9080.90.8960.8750.867   0.9710.9170.8790.8630.8580.8630.8630.8710.867
(3)长时间的消耗能量只要对时间上变化的短时间的消耗能量求积分就可。或者也可以使动作传感器不是常时地而是间歇地动作，从动作中的数据识别行动的种类和强度进行积算作为例如几分钟~十几分钟的间歇动作间隔期间中持续的数据计算的消耗能量。
图4a示出本发明的动作测定装置的第一实施例的测定动作的流程图的动作，图4b、4c为其中进行能量计算部分的流程图的动作。
图4a中，在步骤41输入使用者的年龄、性别、体重，以及根据目的输入步长等数据。在步骤42接通电源，动作传感器与测定电路开始动作，在步骤43以规定的时刻多次测定Gx与ωz。在步骤44用例如20Hz采样ωz，使没有小于4hz的频率每隔0.1Hz用离散傅里叶变换进行频率分析。数据每2秒进行更新。步行频率约为0.5-1.8Hz。此外，在步骤45，计算期间中的Gx数据的平均值a与峰值b之比值。
在步骤46进行周期性判定。b/a＜7时作为无周期性移行列图4b的分支点A，进行非周期运动的能量计算。在周期性清楚的b/a＞7时，在步骤47识别是步行或行走，在步骤48以ωz的峰值频率的2倍×2秒作为2秒钟的步数进行计数。对判断的界限所用的b/a＝7的值是实验中选定的值，故这时对数据采用绝对值的和的场合是判断为实质上最合适的值。步骤49中显示该步数，并存储保存例如最大24小时的数据或者其变化为几目的数据。然后移到进一步计算步行、行走的能量的流程的开始点B。
图4b中步骤51判断为步行或行走以外的行动，步骤52中Gx采用例如以20Hz采样的2秒时间的数据的2乘方和(或绝对值的和)，用下面的式子分类非周期的行动，决定如图示的行动系数。即，第Gx＜2时认显是案头工作，2＜Gx＜6时为轻作业，6＜Gx＜16时为轻运动，16＜Gx时为激列运动。对于各自分类的运动适用规定的行动系数。又，这里所用的表示Gx、ωz大小的数值是测定电路的输出电压值，它与加速度、角速度或者它们的绝对值之间存在比例的关系，但不是保持它们的力学单位的值。
步骤53中按下式计算消耗能量。
消耗能量[kcal]＝行动类别系数[kcal/kg/min]×体重[kg]×时间[分]×校正系数
然后在步骤54中消耗量值的显示与保存根据需要以无线或者有线方式将数据转送给外部计算机。消耗量的值显示例如每15分钟的值或每一天的值是适当的。数据处理结束时从终点C返回图4a的步骤44，进行下次运动分析。
在步行、行走的情况下在图4c的步骤55进一步分类，决定各自的行动系数。即用Gx、ωz的2乘方和(或绝对值的和)，若Gx＜8且ωz＜2.8，作为步行1，2.8＜ωz＜5时作为步行2，5＜ωz＜7.2时作为步行3，7.2＜ωz时作为步行4，若8＜Gx＜16时作为行走1，若16＜Gx时作为行走2。在步骤56采用行动系数利用上述公式计算消耗能量。离开D点的流程送到图4b的步骤54，进行数据的显示与保持。
以下用表示采用本发明的算法的实验结果的图5-图13检证本发明的实用性。
图5表示判断被测者P有周期性的运动的Gx与ωz的绝对值之和的关系的曲线，图6表示同一被测者被判断为进行非周期性的运动的Gx与ωz的绝对值之和的关系的曲线。从图中，行走与剧烈运动的强度可用Gx、步行与其他运动的强度可用ωz分类。
图7表示5个被测者P、Q、R、S、T的步行、行走的速度与ωz的绝对值之和之间的关系的曲线。步行的速度与ωz成比例，可用ωz推定步行速度(强度)。另一方面，难以用ωz推定行走速度。其原因是行走时肘部弯曲。
图8表示同一被测者的步行、行走的速度与Gx的绝对值之和之间的关系的曲线。可以用Gx推定行走速度。
图9表示对被测者P以实质上指定的速度步行、行走时的Gx、ωz绝对值之和的分布曲线。相同速度的数据集中起来，表示足以用Gx的大小分类行走，用Gx的等级与ωz的大小分类步行。
图10是对被测者R所采取的同样数据的曲线，但这时ωz聚集成一小团，不能成功地分离步行速度。观察被测者R的行动时可知，步行时有使手掌朝向前方的习惯，佩戴手手腕的装置的传感器的方向被改变，不能测定正确的ωz。其对策是如果将动作测定装置绕手腕稍作移动地佩戴可得到校正。另一方面，未见用Gx对行走速度分类的妨碍。
图11用每15分钟识别的结果示出被测者P的一天内的运动的曲线。根据本发明使用者的行动解析成为可能，有用性高。
图12示出被测者P一整天内的，每15分钟的消耗能量的变动的曲线。为了掌握使用者的能量消耗模式或者总消耗能量，这也是本发明有用的曲线。
图13为以每15分钟地示出被测者P一整天内的步数变动的曲线。本图也能够了解使用者的行动模式，与其他的曲线、数据一起作为诊断、生活改善方面的资料。
本发明的实施例不限于以上所述。例如，加速度和角速度的检测方面在上述实施例中都是一个轴，这虽然是以最低成本实现动作测定装置的结构，但也可以组合二轴或三轴的G或ω传感器。这时有增加分析运动用的信息的效果。此外可能不根据测定装置的姿态和方向来算出加速度和角速度的绝对最大值和最小值。这样即使如图10的被测者R那样由于使用者的习惯想要检测的方向在装置上偏移，也能从例如两个方向的角速度分量计算求出最大值。
此外，将动作测定装置的动作传感器佩戴在手腕以外的上臂、胸、腰、脚等部位，将得到的测量值单独地，或与手腕的测量值关连起来也能实现更高程度的运动解析。例如通过戴在脚部的角速度传感器，在自行车上运动解析就变的容易。
此外，对戴在臂上的装置使包括全部功能的结构之外，也可以构成为。戴在臂上的部分极力地限定与传感器有关的功能，使装置小型轻量化，减轻佩戴的负担，将演算部以后的部分分成附加在佩戴上的装置和便携电话机等，或在那里显示解析结果，或将数据从那里转送到主计算机。这样一来，也可能对起搏器使用者的某种程度的照料。
此外，除上述的演算功能之外，使其具备特殊场合下的检测功能，可有助于使用者的安全。例如加速度或角速度在规定时间几乎未被检测到的情况下或在以通常不考虑的缓慢频率动作的情况下，使用者也许已经神志昏迷了。此外，在使用者转移的场合，动作传感器产生瞬时的异常波形如冲击性的波形的输出。此外，在使用者紧急求助的情况下，使激烈地叩击或摇摆装置能送出信号。针对于此，在结构上使对预定的那些信号的运动，运动测定装置检测出特有的图形，同时用发声或无线电发送紧急信号。在发声的场合使用附属于设备上的扬声器，在无线电的场合直接对外部设备发送电波，或经由包括所持便携电话机等的无线电功能的设备发送救难信号。装置在检到加速度和角速度的异常值的场合的救难信号发生功能，插入例如图4a-4c所示的通常处理程序中，优先处理。
图14示出本发明的第二实施例的动作测定装置的平面图，图15的其中央剖视图。本实施例主要是将本发明适用于将使用者的意思传达给第三者用的装置。
动作测定装置58的壳体60中设有显示窗61、操作开关62。壳体内设置有搭载动作传感器63、液晶显示装置64、显示驱动电路及控制用电路的IC的电路基板65。
此外，还设置有电源电池66、有收发信用IC的通模块67、搭载通信模块67加IC及天线部件的通信基板68。
壳体60用带戴在臂上，当进行姿态或手势时，与其对应的信息显示于显示窗，且对外部无线通信。动作传感器是厚度的箱形体，将它与显示装置64及电路基板6平行地配置。
图14中取X、Y、Z坐标系如图所示。设加速度的大小为G，角速度的大小为ω，它们的方向分量表示成如图所示的Gy、ωz。
图16示出第二实施例所用的动作传感器63内部的本体部分的平面图，图17为其剖视图。该传感器虽与第一实施例实质上相同，但作重复说明。传感器振动体71是由晶体Z板等压电板材加工而成，角速度检测部(所谓振动回转仪)与加速度检测部做成一体，封入未图示的气容性容器。角速度检测部是三脚音叉，由开闭激振的外脚72、73与不驱动的中脚74、连接它们的音叉基部所构成。三脚音叉是为了检测绕垂直于板面的Z轴的角速度ωz的较适合的回转传感器，利用这样的回转产生在各外脚72、73在Y方向上互相相反的科里利力的力偶使中脚74振动。通过同步检波得自中脚的检测电极的振动电压，得到科里奥利力，从而得到与角速度成比例的模拟输出。
本传感器振动体71的加速度检测部，由利用一对孔76、77形成在三脚音叉的周围的2条一组的棒形振动体的2组78A、78B、79A、79B，与结合在它们上面的附加质量80所构成。各棒形振动体组由用振动姿态81所示那样对称地开闭激振。当垂直于手臂的Y方向上作用加速度Gy时，由附加质量80的质量与紧连在其下面的压电材料的质量构成的负荷质量发生的惯性力对各棒形振动体施加张力或压缩力，使其因有振动频率改变，因此能用任意的方法直接或间接测出该变化量，从而得到加速度Gy。此外，也可以如第一实施例那样在传感器振动体71的两侧上各用一条棒形振动体，对它们进行对称地激振。
传感器振动体71的基部83的下面粘接到固定于容器底部的台座84的上面。为使附加质量80在Y方向容易移动，在下理想的X或Z方向上难以移动，通过一对支持弹簧设置的小面积的固定部86粘接到固定于容器底部的台座87的上面。
图18、19为用第二实施例的通信系统的框图。该系统由图14所示的动作测定装置与受信者所持的信号接收装置90组成。
动作传感器63内的传感器振动体71有加速度传感器部91与角速度传感器部92。通过它们与检测电路93、94的作用按时间系列地输出加速度信号与角速度信号。
动作测定装置58的使用者例如身体障碍者按下操作开关，起动电路103动作，身障者如作出姿态，由传感器部91、92、检测电路93、94检出的加速度、角速度信号就用波形存储装置96、97在规定时间存储信号波形。特征提取电路98、99调查存储的信号波形的特征与组合状态消息判定电路100将其与规定的各姿态的基本模式相比较，识别使用者作了哪个姿态，根据其结果输出信号。电路98、99、100成为动作分析装置(电路)的核心部分。该信号由显示用信号与发送用信号组成，前者输入显示装置101，变换成文字、记号或声音并显示，使用者利用确认装置104确认，后者由送信装置102发送到外部。
消息确认装置104包括防止发送无意的或误判定的姿态信号，并在使用者确认并操作有意发送的姿态信号之前禁止发送装置102动作的作用。
另一方面，受信装置90包括接受动作测定装置58发送的姿态信号的受信装置106，该消息信息由姿态显示装置显示。在受信者不持有受信装置的场合，也起动对受信者的便携电话的通信装置108、对受信者的个人计算机的通信装置109，分别进行消息发送。此外，受信者用返信装置110进行返信操作，返信信号发送到测定装置58的受信装置111。
图20示出用于本发明的动作测定装置的动作传感器的另一例的平面图。本例中在公共的箱形容器115内互不接触地使在高度上错开设置2块检测方向不同的传感器振动体，使能同时测量多个方向的角速度与加速度，下部传感器振动体116L和上部传感器振动体116U互相垂直。
各传感器振动体由二脚音叉118L、118U及其两测的分别一个棒形振动体120L、120U构成。二脚音叉是角速度传感器部分，与前例的三脚音叉不同，通过检出由利用绕平行于其轴方向的旋转轴旋转产生的科里奥利力引起的各脚的板面垂直的方向的振动，能知其角速度。
此外，棒形振动体120L、120U分别是一条的加速度检测部，不激振，只直接测量由于其静态挠曲发生的压电偏极。传感器振动体116L根据其棒形振动体的平行弹簧的挠曲测量其附加质量小板面内与音叉轴垂直的变位，测量GL，传感器116U根据其棒形振动体的板面垂直方向的挠曲测量其与附加质量的板面垂直方向的变位，测量GU。在单独使用图20的传感器的场合使GL、GU、ωL、ωU朝向规定的方向地将容器115收容在壳体60内，然而如果以该图面的方向原样将图16所示的传感器振动体追加层叠，则GL、GU、ωL、ωU分别成为GX、GZ、ωy、ωx，能将可检测运动的全部自由度的传感器收容到小型的容器内。
例如在一起使用图16、图20的两种传感器全方向的动作检测成为可能的场合，例示出直接检测成为容易的基本动作与检出方向
(1)Ωx在手腕的周围扭转下臂(下胳膊)的动作。
(2)Ωy在垂直于手背方向上挥动下臂的招手那样的动作。
(3)Ωz在平行于手背方向上挥动下臂铁否定那样的动作。
(4)Gx使下臂在其方向上前后推动那样的动作。
(5)Gy与手背平行地挪动下臂铁如刀砍那样的动作。
(6)Gz与手背垂直地挪动下臂铁拍手那样的动作。
图21示出本发明的第三实施例的大略。壳体125上装有带子，还设有显示部127。此外图中还标明表示壳体125的方位的坐标轴。
图22a是用于第三实施例的三轴加速度传感器的具体一例的平面图，图22b为剖视图。本实施例X、Y、Z三轴加速度传感器是加工磷青铜块材而成的，包括支持体130上的金属圆板部分131与中心轴132以及固定于圆板部分上的压电极133。中心轴132上压入环形负荷质量134。
压电板133由在厚度方向上分极的钛酸锆酸铅等压电陶瓷材料制成，上面蒸镀8片轴对称地配置的扇形的X电极膜135、136、Y电极膜137、138、以及面积约为它们一半的Z电极膜140、141、142、143，下面粘接在金属圆板部131的上面，金属圆板部兼作压电板133的公共电极。各电极膜135-143以及金属圆板部131分别连接到加速度检测电路上。
图23a、23b示出由加速度引起的变形状态的示意图。图的方向同图22的剖视图。当加速度GX作用时，就在图23a所示负荷质量134的重心上发生反方向惯性力FX，负荷质量134在FX的方向变位，金属圆板部131变成波浪形。在金属圆板部131的上侧粘贴的压电板133中，X电极膜135覆盖的部位的压电材料由于凸侧而伸长，X电极膜136覆盖的部位的压由材料由于成凹型而压缩，各电极膜上反方向地发生与挠曲量成比例的电压。又由惯性力Fx引起Y电极膜137、138覆盖的部位其变形凹凸等量故不发生电压。加速度Gy也作用于与板面平行的方向，方向垂直但是发生同样的规象，Y电极膜137、138上各自发生反方向的电压。
又，当加速度Gz作用时就在图23b所示那样负荷质量134的重心上发生惯性力Fz，使金属圆板部131上面变成凹形。这时在压电板133所有部位便成同等的压缩，故Z电极膜140-143上发生同极性且等量的电压。由于有上述那样的作用，将X电极膜135、136以及Y电极膜137、138的输出分别接到两个差动放大器的输入部，将Z电极膜140-143集中一起接到放大器的输入部，通过测量它们的输出的变化，可知道加速度的各方向分量的大小。这样，本例的加速度传感器虽是简单的构造，但能够测量三轴的加速度。
图24a示出如上述得到的各轴方向的加速度Gx、Gy、Gz的波形的一例波形图，在步行运动中的臂姿态的场合，横轴为时间，纵轴为检测电压。加速度数据以例如50Hz采样，作为数字数据在规定时间加以存储。图24b是在3维坐标上再次合成2次积分各加速度数据而得到的各时刻的传感器的位置信息后推定的轨迹的立体图。145为一次测量的始点，146为终点。
动作分析电路装置进行位置矢量的计算与由此引起的动作的种类和强度的识别。图25是定义位置矢量的大小和方向的立体图。V是利用对加速度进行2次积分的结果求出的、某一时刻的位置矢量，矢量的始点是积分时期内(几秒至几分钟)的全部位置矢量的平均的位置，令其为坐标原点。位置矢量V的前端表示该瞬间的传感器变位的大小与变位的方位。变位的方位以位置矢量V与X-Z面的倾角θ与位置矢量V对X-Z面的投影与Z轴的夹角中来表示。但不论位置矢量V的方向如何，θ、φ在-90＜θ≤+90、-180＜φ≤+180的范围内确定。
对多数的加速度数据进行数值积分，得到规定时间内多数的位置矢量，据此识别运动读出模块的使用者的运动。首先，多数的位置矢量的大小的平均值可以说与臂的反复运动的振隔有关，表示运动的强度，同时由于其值的程度也根据运动的种类而异，故也用于运动的识别。此外，多数的位置矢量的平均的方向(方位角θ、φ)根据相当程度运动的种类被认为固有的。例如对肘的伸或屈、臂挥动的情况作比较的话，传感器的运动方向改变，位置矢量的方向也不同。
图26为示出根据本发明识到的各种运动作为直方图的图，是将进行一种运动的期间的位置矢量的平均大小与平均方位角θ和φ图形化后的图。基准面上使方位角的φ轴、θ轴正交，位置矢量的平均大小作为图形的高度。作为被测者选择40岁男性，使左手腕戴内置加速度传感器的运动读出模块，并穿运动鞋。采样频率50HZ，A/D变换精度10比特。
作为运动取合计9类，采纳全身运动与实质上只是手臂姿态的运动两方面。151为行走(walking)，152为跑步(running)，153为缓步行进(jogging)，154为拍手，155为摆手的姿态，156为慢步行，157为普通步行，158为快步行，159为两手插袋状态的步行。
关于步行，随着速度增大，手臂摆动变大，平均θ增大，Y方向公量增加。行走、跑步、缓步行进与步行比较，肘成弯曲动作，故X轴方向的分量增加。因为行走意识到臂的摆动故强度比跑步或缓步行进来得大。此外，由于拍手在加速度信息中较多地包含脉冲性的高次谐波成分，故用从以往较好地实行的加速度信息中提取直接运动图形的技巧有较大偏差，识别精度降低。采用加速度波形的相互关系的技巧也一样。可见采用本发明的二次积分的方法的方面识别精度度稍胜一筹。
从图26可见，各种运动各自包括固有的强度和方向性，尽管进行多种运动，而利用从加速度计算得到的运动轨迹的强度，方向的图形的特征，能够清楚地将它们加以区别。因而可见，至少对某个人来说，通过事先存储他的数据并作比较，在再次进行同类运动的任一种时，识别该运动的种类是十分可能的。此外，本发明的技巧，形成对便利地进行手语那样的通信的辅肋装置的应用发展方面的可能性也很大。
其次，对于位置矢量的数据平均的采用方法，并不限于普通所用的相加平均。只要目的在于提高多种类运动的识别精度，可以采用方法相乘平均，伴随某种加权的加权平均，调和平均，伴随某种加权的加权平均，调和平均，或者采用中央值，排除异常值后的处理，以及将其他数据变换成某种函数后进行平均操作的一般化方法。
图27-30示出本发明的半表型设备的第四实施例的测定装置，图27为平面图，图28为右侧面图，图29为从6时方向看到的下面图，图30为剖视图。
本测定装置有壳体160及里盖161，从侧面看壳体弯曲成约120度，内装诸多部件的壳体较为薄型地配置在手腕上，而且做得使增加对手腕的密接性，佩戴感良好且不成为使用者的负担。腕带162有柔软性，用带子装与针163与壳体160结合。
壳体160的正面设有用于时刻及数据的数字显示的显示窗164，在紧挨着的下面表面上设操作开关面板165。操作开关面板165面上配置4个操作开关166。开关用于或输入使用者步数、卡路里、体重等数据，或将数据输出到外部设备。这些操作开关166位于易于朝向使用者的内侧且用未佩戴的另一只手的手指容易按压的位置和方向。此外，壳体160的右侧面有6个导通引脚167，由数据收发信用与作为设备的电源的二次电池的充电用的引脚构成。
在主平面(平行于L字型壳体160较宽一方的面)内部从壳体上面侧朝向里盖侧，配置LCD面板168、加速度传感器170部与安装它的加速度传感器面板173、电池174。副平面(平行于L字型壳体160较窄一方的面)内设置有从LCD面板168延伸过来的软基反及在其上安装的LCD驱动器IC171、CPU172(它包含动作分析电路装置的一部或全部)与安装它的CPU基板175、其上有操作开关166的开关按键的开关基板176以及角速度传感器部177。
加速度传感器部170为一轴型的，检测手表型设备的3时-9时方向即实质上手腕-肘方向的加速度分量。
长箱型的角速度传感器177由于是检测绕其长度方向的旋转轴的角速度分量的一轴型的，故配置得如图示那样使其长度方向实质上垂直于主平面。传感器177并非完全垂直而倾斜约10°的理由在于，考虑到有少数人包括步行时手腕摆动不与行进方向平行，向外侧分开摆动的习惯，对于这些人使检测旋转轴实质上接近身体的左右轴。
壳体160由透明树脂材料形成。壳体的里侧除显示窗部外施以里面涂层178。涂料以银-金属或珠光白系的光反射性材料为好，既遮蔽内部部件又使外观好看。该里面涂层178的一部分上有非涂层部180，使该部分为平面并配置多个LCD灯181。当LCD灯181发光时，光从非涂层部入射到壳体160的内部，透光性的壳体160作为导光体将光扩散到周围，使手表型设备在黑暗场所微微发光。
图31示出外部设备(例如使用笔记本型的个人计算机)的功能动作的流程图。该功能包含动作分析装置的功能的全部或一部分，利用主菜单的操作，从步数合计处理、消耗能量。体重合计处理、运动图形合计处理、用户信息登录。编集处理、读入处理中选择一项，接着实行各自的功能。能从任一项的处理返回主菜单移到别的处理，也能根据结束处理全部功能而结束。
图32为外部设备侧的目标设定画面。
外部设备的显示画面由显示区域A、显示区域B、显示区域C组成。上部的显示区域A中配列从主菜单选择各种处理或印刷画面用的7个按钮。左方的显示区域B确定使用者，表明进行各种合计处理的日期以及记录笔记的区域。显示区域C中是显示进行各种合计处理的结果以及根据需要设定其他条件用的画面的区域。显示区域C显示确定或设定日期用的日历、目标值设定用的操作按钮以及目标值。
图33为外部设备的步数合计处理画面。显示区域C中显示一个月时间的每日的步数与目标值的曲线，以图形与数值显示一个月时间的合计步数与目标值，此外显示换算成步行距离时相当于达到哪个都市，比较达到值与目标值后的评价结果等，鼓励使用者的信息等，以及有关的操作按钮。
图34为例示步行合计处理中用具体地名表示到达距离用的设定入力画面。
以下说明在选择各处理的场合阶进行的功能动作。又，已从手表型设备读出过去的数据到外部设备，并作为文本文件保存在硬盘等中。
主菜单
(1)从文本文件读入使用者文件，显示上次结束时的使用者。
(2)选择“1日”或“1个月”，如在日历或表选择日期时能从文本文件预先读入数据。
(3)可指定位于PC上的、显示使用者的数据文件的年月日。
(4)“笔记”可用于日记和特记事项的记录。
(5)按压“用户登录，编集”按钮时，作用户登录，编集处理。
(6)按压“步数”按钮时，作步数合计处理。
(7)按压“消耗能量，体重”按钮时，作消耗能量，体重合计处理。
(8)按压“运动图形”按钮时，作运动图形合计处理。
(9)按压“数据读入”按钮时，作从手表型设备读入数据。
(10)按压“印刷”按钮时，印刷输出结果(画面消息)。
(11)按压“结束”按钮时，结果应用。
步数合计处理
(1)选择合计期间。(1日或1个月)
(2)期间为1日的场合
(A)选择日期时作以下处理。
(a)读入对象日期的文本文件。
(b)根据步数数据，曲线显示每15分钟的步数。
(c)曲线显示1日的步数合计，距离的实绩值，目标值。
(d)根据(C)作评价，显示结果。
(e)计算并显示每1小时的间距，分速。
(f)显示马拉松是手等评价对象的间距，分速，可供比较。
(g)按压“目标设定”按钮时，打开设定画面。
(h)按压“评价对象设定”按钮时，打开设定画面。
(i)指定时间，按压“扩大”按钮时，改变横轴范围，扩大显示曲线。用一个按钮恢复原来的全时间显示。
(j)用“返回”按钮关闭步数合计画面。
(B)按压“目标值设定”按钮的场合(图32所示的画面)。
(a)打开输入画面。
(b)用日历设定日期，输入目标值。
(c)“仅设定当日”的场合，仅登录经设定的日。
(d)“在当周相同设定值”的场合，经设定的日的周每日完全为同值。
(e)“在当月相同值”按钮被按压的场合，经设定的目的某月内每日完全为同值。
(f)“关闭”按钮被按压的场合，关闭格式。
(C)按压“评价对象设定”按钮时的处理。
(a)打开输入画面。
(b)用“向前”“向后”按钮可阅览登录的数据(选手姓名、记录时间、距离、步幅、间距、分速等)。
(c)用“新规”按钮可登录新数据。
(d)用“登录”按钮登录新数据。
(e)用“变更”按钮改写已存数据变更部分。
(f)用“删除”按钮删除选择数据。
(g)用“结束”按钮关闭画面。
(3)期间为“1个月”的场合(图33所示画面)
(A)月被选的场合作以下处理。
(a)全部读入对象月的文本文件。
(b)曲线显示根据步数据得到的每1日的步数合计(目标值，实绩值)。
(c)曲线显示1个月的步数，距离合计的实绩值与目标值。
(d)根据(c)进行评价，显示结果。
(e)算出距离，与距东京的到达点的距离作比较，显示最近的地名。
(f)按压“地名设定”按钮时，打开地名设定画面。
(g)按压“目标设定”按钮时，打开地名目标值设定画面。
(h)按压“返回”按钮时，关闭画面。
(B)按压“地名设定”按钮的场合
(a)打开输入画面。(显示区域C为图34的画面)
(b)用“向前”“向后”按钮可阅览登录的数据。
(c)用“新规”按钮可登录新数据。
(d)用“登录”按钮登录新数据。
(e)用“变更”按钮改写已存的变更部分。
(f)用“删除”按钮删除选择数据。
(g)用“结束”按钮关闭画面。
消耗能量，体重合计处理
(1)期间的选择
(2)进行以下的处理。
(A)选择“1日”的场合作以下的处理
(a)读入对象日期的文本文件。
(b)曲线显示每15分钟的卡路里。
(c)显示1日的卡路里合计，该日的体重的实绩值，目标值。
(d)与目标值的比较，评价。
(e)按压“目标值设定”按钮时，打开设定画面。
(f)指定时间，按压“扩大”按钮时横轴的范围就改变，曲线被扩大显示。用一个按钮恢复原来的全时间显示。
(g)按压“返回”按钮时关闭画面。
(B)“1个月”被选的场合作以下处理。
(a)读入对象月的文本文件。
(b)可曲线显示以下数据。
每1日的卡路里与体重的实绩
相同的卡路里的实绩值与目标值
相同的体重的实绩值与目标值
(c)实绩值，目标值显示1个月的卡路里合计，最新日的体重。
(d)与目标值的比较，评价。
(e)按压“目标设定”按钮时打开目标值设定画面。
(f)按压“返回”按钮时关闭画面。
运动图形合计处理
(1)选择期间
(2)进行以下的处理。
(A)“1日”被选的场合作以下处理。
(a)读入对象日期的文本文件。
(b)用条曲线，圆曲线显示每1日的运动图形的比例。
条曲线用一条以每15分钟区分开显示1日的部分。图形不同的比例也可用颜色区分显示。
圆曲线按下述那样切分成4个来显示深夜、午前、午后、夜间。或者指定任意一个小时，用4个圆曲线显示每15分钟的图形比例。
(c)用圆曲线显示1日的行动图形。用数值显示大分类的比例。
(d)按压“返回”按钮时关闭画面。
(B)“1个月”被选的场合作以下处理。
(a)读入对象月的文本文件。
(b)用条曲线，圆曲线显示每1日运动图形的比例。
条曲线以每1日区分开显示。图形不同的比例也可显示。
圆曲线可显示每1周的合计，也可显示周的每一天的合计。
(c)用圆曲线显示1个月的行动图形的合计。用数值显示大分类的比例。
(d)按压“返回”按钮时关闭画面。
读入处理
(1)打开读入画面。
(2)选择读入数据的使用者名。
(3)用“实行”按钮进行读入。
(4)用“结束”按钮关闭画面。
印刷处理
原样印刷现在出现的画面。
用户登录，编集处理
(a)打开输入画面。
(b)用“向前”“向后”按钮可阅览登录的数据。
(c)用“新规”按钮可登录新数据。
(d)用“登录”按钮登录新数据。
(e)用“变更”按钮改写已存数据的变更部分。
(f)用“删除”按钮删除选择数据。
(g)用“结束”按钮关闭画面。
以下示明上述实施例以外的变形例。
(1)将无线发送机内装于手表型设备中，通过将外部设备连接到其受信机，使用者能将紧急的手势信号送到远地，寻求救助与护理。
(2)主平面与副平面的交角范围100°-160°是有效的。
(3)本实施例中采用单独的加速度传感器与角速度传感器，但若做成一体型传感器(例如本发明第一实施例中所用的)，则动作测定装置的更加小型化是可能的。此外如一并使用包括与本实施例不同方向的检测轴的传感器，则能增加可能识别的运动图形和姿态信号的种类。
(4)为了不直接看到入射到壳全的LED灯的强光，可在壳体的光入射部的外侧表面上施加遮光或减光用的涂层，或将LED灯配置在不透明或暗色的材料的背后。
(5)里盖除了二平面相交的形状外也可以是圆筒面等的曲面。
(6)如进一步将脉搏、血压的传感器装入动作测定装置，组合利用脉搏，血压信息与运动检测信息，则能实行更高度的健康管理。
以下说明本发明的第五实施例的手表型身体运动测定装置。本实施例中不用角速度传感器而用二轴的加速度传感器，仅用检测到的动作的速度进行与第一实施例实质上同等的动作分析。检测的加速度的两个数据是图1、图14或图21中任一个的X方向与Y方向分量即Gx与Gy。其中Gx与图4a、4b的Gx完全相同。关于Gy，通过将其对时间求一次积分，形成沿体侧的实质上为圆弧形的轨迹，得到近似于手腕的运动的切线速度的数据，因此用它来代替ωz。这是因为Gy与作臂摆动动作的手腕的轨迹的切线方向即使并不严格地但也实质上地相一致，轨迹的贺弧中心应该位于肩与肘的中间附近，所以手腕的轨迹的半径实质上位于所定的范围。因为切线速度是轨迹的半径与角速度的乘积，所以Gy与ωz之间存在持有依存于使用者的体格的比例常数的比例关系，在动作分析上用一个代替另一个是可以理解的。此外，如有必要也可引用Gx作校正演算。该积分运算被实施作为动作分析电路装置的作用之一。又，为防止因积分运算发生的偏差成分(积分运算误差)，从积分的输入数据(或进而输出数据)中滤除低频成分，或通过演算除掉低频成分。此外，这对第三实施例中的二次积分操作来说，为防止其输出的位置的演算误差也是必须考虑的。
第五实施例使用的加速度传感器中采用图22所示的传感器。在本例中由于不要Gz，故Z电极膜140-143不作连接，不使用，或者去掉Z电极膜，代之以增大X电极膜135、136及Y电极膜137、138的面积。本实施例的优点在于，由于不用有必要使常时振动的某种角速度传感器，而用静态的检测变形或力的加速度传感器，故不需要使传感器常时缴振用的功率，大幅度地延长电源电池的寿命，或者可使手表型装置随着电源而小型化。本实施例中不限于二轴的加速度传感器，也可用2个一轴的加速度传感器(不使常时振动型的)。
工业上的实用性
根据本发明，通过使用小型的动作传感器或设法将壳体做成L字形，可提供对使用者即使长时间佩戴也很少有负担感的动作测定装置，能容易地实现运动测量，健康管理、或者姿态信号传达，并提高动作测定装置的实用性。

Claims (5)

1.一种身体动作检测装置，该身体动作检测装置包括：
壳体(2)，具有佩带在使用者手腕上的一对腕带(3)和显示装置(5)；
用于测量至少一个轴上的加速度数据的加速度传感器(16)；
用于测量至少一个轴上的角速度数据的角速度传感器(17)；其特征在于，该身体动作检测装置还备有：
(a)把加速度数据和角速度数据记入具有表示加速度和角速度的坐标系统的曲线图的曲线图构成手段、
(b)根据该曲线图中的数据配置识别动作的识别手段、
(c)在所述显示装置上显示该识别的动作的显示手段。
2.如权利要求1所述的身体动作检测装置，其特征在于，
所述一个方向上的加速度数据是从手腕向肘的方向上的加速度数据，
所述一个方向上的角速度数据为手腕围绕肘旋转的角速度。
3.如权利要求1所述的身体动作检测装置，其特征在于，
所述一个方向的加速度数据是从手腕向肘的方向上的加速度数据，
检测手腕围绕肘的旋转的切线方向的加速度以产生加速度信号；并对该检出的加速度信号进行一次积分产生速度数据信号，取代所述一个方向上的角速度数据。
4.如权利要求1所述的身体动作检测装置，其特征在于，
所述分析手段根据所述加速度数据的大小与至少一个加速度数据的周期性，将身体动作分类成步行或跑步和非周期性运动。
5.如权利要求4所述的身体动作检测装置，其特征在于，
进一步根据加速度数据的大小将跑步动作分类成多个强度级，并根据所述角速度的大小将所述步行动作分类成多个强度级。
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