JP2005237926A - 歩行距離と時刻を記録する機能付の靴 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の歩数計では歩数しか管理できないため、実際に歩行した距離を正確に求めることができないという課題がある。また通常は１日で歩数をリセットするために、例えば数ヶ月というような期間にわたっての歩行の運動履歴を記録することは煩雑であり、長期間にわたる運動継続の動機付けが困難であるという課題がある。
【解決手段】加速度センサにより一歩毎の歩幅を計算し、一歩毎の時刻と歩幅を記録することによって、歩数だけではなく距離を記録することができる。また、記録した運動情報を通信手段によりパソコン等に転送し、長期的に運動履歴を表示し管理することによって、歩行運動の管理を容易にし運動に対する継続性を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加速度センサにより歩行時の一歩毎の移動距離すなわち歩幅を計算し、歩行距離と時刻を記録する機能を持った靴に関するものである。
本発明に関連する特許は、以下の特許文献１に示されている。
特願２００３−１０３４０２

加速度センサを使用して、移動距離を計算する従来技術は、下記の特許文献２に示されている。
特許公開平１０−３３２４１８
この従来技術においては、加速度から速度を計算し、さらに速度から移動距離を計算する点においては本発明と同一であるが、加速度がある時間範囲では一定として扱っている点が本発明とは異なっている。また、加速度から速度を計算する場合および速度から距離を計算する場合の詳細が記載されていないという点においても、本発明とは異なっている。本発明は、加速度の一歩の間の時間的な変化が複雑である場合においても、正確に歩幅を計算することができるという特徴を持っている。また、歩行運動による靴の運動の特徴を考慮した計算を行うことにより、誤差を少なくできるという特徴も持っている。

健康のために歩行運動が良いことは周知の事実であるが、歩行運動を行った場合に歩行距離を正確に求めることは容易ではない。本発明は歩行運動の歩行距離の情報を正確に記録し管理することによって、歩行運動の管理を容易にし、また歩行運動の継続性を高める。

２軸の加速度センサを、靴のつま先に配置し、移動方向と平行な方向に一方の軸（本発明ではこれをＸ軸とする）を向け、もう一方の軸を鉛直上方（本発明ではこれをＹ軸とする）に向け、靴の運動に関する情報を加速度センサから得る手段を設け、マイコン等により加速度から速度を計算し、さらに速度から移動距離を計算し、靴が着地するときの加速度の変化から着地したことを判断し、一歩の歩幅を求めて一歩毎の移動距離と時刻をメモリに格納するように構成する。
本発明の加速度センサの軸の定義は便宜的なものであり、例えばＸ軸とＹ軸を入れ替えた場合においても、同様の考えかたにより移動距離の計算を実施することができる。

さらにその記録した情報を外部のパソコン等に転送する手段も備える。この転送手段やパソコン等での制御に関しては、特許文献１に詳細が記載されているので、本明細書ではこの点の詳細な記述は省略する。

本発明によれば、一歩毎の歩幅を加速度センサからの情報から計算により求めることができ、実際に歩行した距離と時刻を記録することによって、歩行運動の状況を容易に管理することができ、従来の歩幅を入力し、歩数の情報から歩行距離を計算する場合に比較し、正確な運動情報をより容易に得ることができ、歩行運動の管理が容易になり運動の動機付けを行うことができる。

図１に本発明の運動情報を記録する機能を持つ靴の構成を示す。図において、１２０は２軸の加速度センサ、１１０は制御のためのマイコン、１３０は時刻を保持するための時計、１４０は情報を記録するためのメモリ、１５０は赤外線通信等の外部装置との通信手段である。

図２に本発明の靴の一歩の間の運動を示す。図において、靴のつま先に加速度センサが配置されており、２個の矢印は加速度センサの２つの軸（Ｘ軸とＹ軸）の方向を示している。Ｘ軸は進行方向、Ｙ軸は鉛直上方となるように配置されている。
歩行運動の最初の期間においては、靴がつま先を下げた状態になるため移動方向はＸ軸とＹ軸の中間の方向となり、加速度はＸ軸成分とＹ軸成分の両方を持つ。靴が水平な状態になった後の運動では、加速度はほぼＸ軸方向のみとなる。
図２において、加速度センサの移動方向つまり加速度の方向を破線の矢印により表している。

一歩の運動の最後の運動状態は、靴が水平に移動する状態とは異なり、つま先が上から下に運動する状態となる。このため、本発明においては便宜的に靴の踵が着地してから靴底全体が着地するまでの期間を着地フェーズと定義する。
着地フェーズにおいては、つま先の運動が上下方向の運動であるという特徴があり、また着地して静止する場合に上下方向に大きな加速度の変化があるという特徴がある。

図３に歩行運動における、加速度および速度および距離の時間変化のグラフをＸ軸とＹ軸に関して示す。図において加速度は重力加速度を１としてそれに対する比例係数で示す。また、速度は１秒間に移動する距離が何メートルとなるか、つまりメートル毎秒（ｍ／秒）で示す。また、距離はメートル（ｍ）で示す。
図３において、加速度等は０．０５秒毎に情報を更新している。つまり、以下の説明における時間差は、図３の例では０．０５秒となる

図４に本発明の靴の着地フェーズにおける運動状態を示す。図において速度の方向を破線の矢印で示す。着地フェーズにおいては、速度はＹ軸のマイナスの方向となる。
また図５に着地フェーズの運動における、加速度、速度、距離の時間変化のグラフをＸ軸とＹ軸に関して示す。図において加速度は図３と同様重力加速度との比で示す。また、速度はメートル毎秒（ｍ／秒）で示すが、距離（高さ）はｃｍで示している。
加速度等の情報更新の時間差は、０．０２５秒である。

本発明においては、着地フェーズでのＹ軸方向の加速度が大きく変化するという特徴を利用して、歩行運動と車両による移動運動の差を判断するという特徴を持つ。また、着地フェーズにおいては水平方向の移動が少ないことを利用して、Ｙ軸の速度成分がマイナスになった場合には移動距離に合計することをやめることにより、移動距離の計算誤差を少なくするように制御するという特徴を持っている。

図６に本発明の靴の運動状態と、つま先および足の甲の部分の軌跡を示す。つま先の軌跡の方が、位置が低く足の甲に比較して移動距離との差が小さい。本発明では、このことを利用して加速度センサをつま先に設置することにより、加速度センサから計算した移動距離と実際の移動距離の誤差を小さくしている。

加速度センサからの情報により、移動距離を計算するための手順は以下のようになる。
この手順はマイコンのプログラムにより実行される。
以下の計算では、Ｘ軸方向の移動に関して計算する例を示す。
加速度から速度を計算するために以下の式を使用する。

数１

Ｖ_（Ｎ）＝Ｖ_{（Ｎ−１）}＋時間差×平均加速度 （１）
ここでＶ_{（Ｎ−１）}は現在の時点より時間差分だけ前の速度の値であり、Ｖ_（Ｎ）は現時点での速度の値である。

また、平均加速度を現時点での加速度Ａ_（Ｎ）と、現時点より時間差分だけ前の加速度のＡ_{（Ｎ−１）}を用いて表すと以下の式となる。

数２

Ｖ_（Ｎ）＝Ｖ_{（Ｎ−１）}＋時間差×（Ａ_（Ｎ）＋Ａ_{（Ｎ−１）}）／２ （２）

同様にして、速度から位置を計算するために以下の式を使用する。

数３

Ｘ_（Ｎ）＝Ｘ_{（Ｎ−１）}＋時間差×平均速度 （３）
ここでＸ_{（Ｎ−１）}は現在の時点より時間差分だけ前の位置の値であり、Ｘ_（Ｎ）は現時点での位置の値である。

また、平均速度を現時点での速度Ｖ_（Ｎ）と現時点より時間差分だけ前の速度のＶ_{（Ｎ−１）}を用いて表すと以下の式となる。

数４

Ｘ_（Ｎ）＝Ｘ_{（Ｎ−１）}＋時間差×（Ｖ_（Ｎ）＋Ｖ_{（Ｎ−１）}）／２ （４）

式（２）により現時点での速度を計算し、式（４）により現時点での位置を計算することにより、時間差の間に移動した距離を求めることができる。

さらに、移動の方向がＸ軸方向だけではなく、図２の移動例で靴が地面から離れた直後のようにＹ軸の方向の移動成分を持つような場合には、以下の式で移動距離を計算する。

図７にマイコンにより一歩の歩幅を計算する処理のフローチャートを示す。最初にステップ（Ｓ１）で加速度が０かどうかを判断する。加速度が０の場合は靴が移動していないので、最初に戻り加速度が０以外になるまで同じ処理を繰り返す。
加速度が０でない場合には、判断処理（Ｓ２）で加速度０でない時間が２秒以上であるかどうかを判断し、２秒以上の場合は歩行以外による靴の移動であると認識し歩幅の計算をクリアする。

２秒以下の場合は歩行による靴の移動である可能性があるので、移動距離を計算するステップ（Ｓ３）に進む。最初にステップ（Ｓ３）において、加速度センサから加速度の値を読み込む。加速度から距離を計算するステップ（Ｓ４）では、

数２

の式を使用する。ステップ（Ｓ５）では、Ｙ軸の速度がマイナスであるかどうかを判定して、マイナスの場合には着地フェーズであるので、距離の計算をスキップしてステップ（Ｓ９）に進む。
Ｙ軸速度がマイナスでない場合には、靴が前方に移動しているので一歩の歩幅を計算するために次のステップ（Ｓ６）に進む。

速度から距離を計算するステップ（Ｓ６）では、

数４

の式でＸ軸方向の距離とＹ方向の距離を計算し、ステップ（Ｓ７）では

数５

の式により実際の移動距離を計算する。ステップ（Ｓ８）では、時間差毎の移動距離を足し合わせてその時点までの靴の移動距離を求める。
次に、着地したかどうかをＹ軸の加速度から（Ｓ９）で判断し、着地していない場合には時間待ちを行い、処理（Ｓ２）に戻り、距離計算の積算を行う。

着地した場合には、ステップ（Ｓ１０）で一歩の歩幅とその時点の時刻を記録する。
また着地した後では、速度が０となるはずなので速度を０とする。
これにより、計算の誤差による速度の誤差の修正を行うことができる。

本発明の運動情報記録機構の構成図である。 本発明の靴の運動状態の図である。 加速度と速度と距離の時間変化の図である。 本発明の靴の着地フェーズの運動状態の図である。 着地フェーズの加速度と速度と距離の時間変化の図である。 靴のつま先と甲の軌跡の図である。 本発明の制御フローの図である。

符号の説明

１００：本発明の運動情報記録機構
１１０：マイコン
１２０：加速度センサ
１３０：時計
１４０：メモリ
１５０：赤外線あるいは無線等の通信手段
２００：ノートパソコン等

Claims (5)

1. ２軸の加速度センサであって、移動方向と平行な方向に一方の軸を向け、もう一方の軸を鉛直な方向に向けるように配置した加速度センサを備え、歩行による加速度の変化から速度を計算し、さらに速度から移動距離を計算し、一歩の間に移動した距離を合計することにより一歩の距離を計算する手段と、一歩毎の時刻と歩幅を記録する手段と、記録した情報を外部に転送する手段を備え、運動情報を正確に記録する機能をもったことを特徴とする運動情報の記録機能を持った靴。
2. 加速度センサを靴のつま先に付けることによって、加速度センサの運動の軌跡と直線的な移動距離の差を小さくすることにより、靴の動きから計算した移動距離と、実際の移動距離の誤差を少なくしたことを特徴とする請求項１の靴。
3. 足が着地する時の靴のつま先の上から下への運動つまりＹ軸速度がマイナスとなる運動は、水平方向の移動がほとんど無いことを利用して、この上下運動の移動距離は一歩の歩幅に含めないようにすることにより、靴の動きから計算した移動距離と、実際の移動距離の誤差を少なくしたことを特徴とする請求項１の靴。
4. 靴が着地する時には上下方向の加速度が大きく変化することを利用して、着地したことを判断し、着地した直後では靴の速度が０となることを利用して、加速度の積分による速度の誤差をなくすように構成したことを特徴とする請求項１の靴。
5. 電車あるいは自動車等に乗車した場合の加速度の連続的な変化と、歩行による加速度の１秒程度の周期で繰り返す加速度の変化の時間的な変動パターンの違いを判断し、数秒以内に速度が０とならない場合には、歩行以外による靴の移動であると認識することによって、歩行時のみの記録を残すように制御し、実際の歩行情報のみを記録できるように構成したことを特徴とする請求項１の靴。

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