JP2012178164A

JP2012178164A - 歩数計

Info

Publication number: JP2012178164A
Application number: JP2012088205A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Motokura; 義信本蔵; Ryuji Masaki; 竜二正木
Original assignee: Aichi Micro Intelligent Corp
Current assignee: Aichi Micro Intelligent Corp
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2027-04-11
Also published as: JP5176047B2

Abstract

【課題】３軸の加速度センサのみで簡易に正確な歩数を検出し、併せて運動状態（歩行、走行、階段上り及び階段下り）を判定して、正確な総消費カロリーの算出を可能とする歩数計を提供するものである。
【解決手段】３軸加速度センサ２０と運動状態判定手段３３とを備える。３軸加速度センサ２０は、被測定者の歩行に伴って生じる加速度を、互いに直交する３軸方向についてそれぞれ測定する。運動状態判定手段３３は、一歩の前記歩行がされる間に前記３軸加速度センサ２０によって測定した、上下方向における加速度Ａｚの最大値Ａｚ_ｍａｘを２歩分平均し、該２歩に要した時間Δｔで除した値である運動状態判断値及び、進行方向における前記加速度の前記２歩分の平均値である加速度平均値Ａｙ_ａｖｅに基づいて、前記被測定者の運動状態が歩行、走行、階段上り及び階段下りのいずれであるかを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度センサを用いて運動状態を判定できる歩数計、走行速度計及び消費カロリー計を有する歩数計に関するものである。

従来より、加速度センサを用いて歩数を計測し、消費カロリーを計算する歩数計が開発されている。
例えば、特許文献１には、Ｘ、Ｙ、Ｚの加速度検出方向それぞれの加速度センサ出力信号の周波数成分に応じた歩数検出閾値を設けることにより、走るなどの早い速度で歩いた場合、遅い速度で歩いた場合でも歩数を確実に検出できる技術が開示されている。

しかし、周波数成分に応じた複数の歩数検出閾値を設けることが必要なために複雑な回路構成となるとともに上記技術においては一定の道路状態における歩く速度にかかわらず歩数が正確に計測できるのみで、消費カロリーの計算における運動状態に応じた負荷を一定としているため正確な消費カロリーが計算できないという問題がある。

また、特許文献２には、加速度センサに加えて気圧センサを用い、加速度センサと気圧センサの信号を解析して運動状態（歩行状態、走行状態、減速・加速状態、昇降状態の組み合わせ）を判定し、運動状態に応じた消費カロリを演算する技術が開示されている。

しかし、上記技術においては、加速度センサに加えて気圧センサ及び気圧センサ回路を必要とするために構造が複雑となり、また歩数は歩数センサから検出するとしており、その歩数の正確さは開示していないため、正確な総消費カロリーが算出できないという問題がある。

特開２００１−１４３０４８号公報特開平１１−３４７０２１号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、３軸の加速度センサのみで簡易に正確な歩数を検出し、併せて運動状態（歩行、走行、階段上り及び階段下り）を判定し、よって走行スピードの算出と正確な総消費カロリーの算出を可能とする歩数計を提供しようとするものである。

本発明の請求項１にかかる歩数計は、被測定者の歩行に伴って生じる加速度を、互いに直交する３軸方向についてそれぞれ測定する３軸加速度センサと、
一歩の前記歩行がされる間に前記３軸加速度センサによって測定した、上下方向における前記加速度の最大値を２歩分平均し、該２歩に要した時間で除した値である運動状態判断値及び、進行方向における前記加速度の前記２歩分の平均値である加速度平均値に基づいて、前記被測定者の運動状態が歩行、走行、階段上り及び階段下りのいずれであるかを判定する運動状態判定手段とを備えていることを特徴とする。

本発明の歩数計における構成要素の概略を示すブロック図である。歩行による加速度の波形を示す図である。本発明の歩数計における歩数計測を示すフロー図である。本発明における運動状態判定を示すフロー図である。

また、請求項２にかかる歩数計は、予め記憶した前記被測定者の歩幅情報と、一定走行歩数に要した時間とにより、前記被測定者の走行速度を演算する走行速度演算手段を有していることを特徴とする。

また、請求項３にかかる歩数計は、被測定者の生体条件と前記歩数計により検出された前記運動状態と前記歩数とから消費カロリーを演算する消費カロリー演算手段を備えていることを特徴とする。

従って、本発明によれば、３軸の加速度センサのみで簡易に正確な歩数を検出することが可能となり、また、３軸加速度センサから出力される上下方向と進行方向の加速度から容易に運動状態（歩行、走行、階段上り及び階段下り）の判定ができる。よって、走行状態時における歩数から走行スピードの算出が可能となる。さらに、各運動状態に応じた消費カロリーを算出できることから実際の運動状態における総消費カロリーの算出を可能とするものである。

（実施例１）
本発明の実施の形態について図１〜図４を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態における歩数計１０の構成要素の概略を示すブロック図である。この歩数計１０は、３軸加速度センサ２０、演算部３０及び表示部４０から構成され、演算部３０には加速度変化量算出部３１、歩数計測部３２、運動状態判定部３３、走行速度算出部３４、消費カロリー算出部３５及び外部メモリ３６から構成される。

３軸加速度センサ２０は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向のすべての方向の加速度を検出し、３軸加速度センサ２０から出力される３軸加速度値算出のそれぞれの成分をＡｘ、Ａｙ、Ａｚとする。
歩数計が被測定者の腰に装着されている場合には、上下方向の加速度とｚ方向の加速度は一致し、出力される３軸加速度値算出の成分の値はＡｚとなる。また、進行方向の加速度とｙ方向の加速度は一致し、出力される３軸加速度値算出の成分の値であるＡｙとする。なお、３軸加速度センサ２０を構成している直交する３軸の方向と被測定者の装着方向（上下方向及び進行方向）が一致しないときは、加速度値のベクトル成分からＡｘ、Ａｙ、Ａｚとする。

加速度変化量算出部３１では、３軸加速度センサから出力された３軸加速度の成分であるＡｘ、Ａｙ、Ａｚの値をそれぞれ二乗しその和の平方根（算出加速度という。）を求め、前回の算出加速度の値との差を変化量として算出するものである。

歩数計測部３２では、上記の変化量に応じた歩数検出しきい値を満たす場合には歩数の計測が可能となり、次いで歩数検出時間しきい値を満たしたときに歩数計測を開始するものである。歩数の計測が開始されると、その累積した歩数が表示部４０にて表示される。

図２に歩行による加速度の波形を示し、歩数計測部について詳細に説明する。
加速度の波形の中に示すサンプリングのデータは、一定のサンプリングレートでサンプリングを行ったときのサンプリング時（ｔ_ｉ）における算出加速度の変化量（ΔＡ_ｉ）を示し、歩数計測の第１条件として歩数検出しきい値を０．０４５ｇとする。なお、ｇは重力加速度である。サンプリングレートを遅くすると歩数の計測に誤差が大きくなり、他方サンプリングレートを速くすると消費電力が増加するために、サンプリングレートを１００ｍｓｅｃとしたときに歩数計測誤差を３％以下とすることができるようにしきい値として０．０４５ｇとする。
すなわち、しきい値０．０４５ｇの加速度値（図２の横軸）と交差するサンプリングした２点を用いて見かけ上のサンプリングレートを上げることにより、サンプリングレート１００ｍｓｅｃにおいても歩数計測精度３％以下を実現できる。

次に、一般に人の歩行速度は１ｓｅｃで２歩程度であり、１歩あたり０．４ｓｅｃ〜０．５ｓｅｃ程度の波形で歩いたとして判定する必要がある。そこで、上記のようにサンプリングレートを０．１ｓｅｃとすることにより５回の計測程度でも１歩と判定できるように精度を確保できるようにした。しかし、サンプリングレートは１００ｍｓｅｃ（０．１ｓｅｃ）としているためにサンプリング値のばらつきがある。そこで、しきい値０．０４５ｇを挟んだ前回の計測から今回の計測までの時間として歩数時間検出しきい値を０．２ｓｅｃとする。

運動状態判定部３３は、３軸加速度センサから出力された上下方向の加速度Ａｚと進行方向の加速度Ａｙの値を演算して、被測定者が歩いているか、走っているか、階段を上っているかあるいは階段を下っているのかを判定する。
上記の４つの運動状態に応じて上下方向の加速度Ａｚと進行方向の加速度Ａｙの値が異なってくる。すなわち、上下方向の加速度Ａｚは運動状態における着地時の衝撃状態に応じた値が検出され、「走行」が着地時の衝撃が大きいため最も大きく、次いで「階段下り」は重力による自由落下分が加えられるため大きく、「歩行」はニュートラルの状態とし、「階段上り」は重力方向と反発するため小さくなるという順で小さくなる。進行方向の加速度Ａｙは運動状態における前進方向の推進力と考えられ、「歩行」をニュートラルの状態とすると、「階段下り」は被測定者が後傾（後加重）になるために小さく、「階段上り」は被測定者が前傾（前加重）になるために大きくなる。

上下方向の加速度Ａｚは、上記の判定のため次のように演算される。
歩数の計測を行ない、２歩分の歩数計測時間Δｔを求めた後、歩数計測時間の前後０．２ｓｅｃ以内の上下方向の加速度最大値Ａｚ_ｍａｘを求める。次いで、運動状態判断値として、２歩分のＡｚ_ｍａｘの平均値×１／Δｔを算出し、加速度最大平均しきい値５５０を超える場合には「走行」状態にあると判定する。５５０より小さい場合には、「階段下り」状態、「歩行」状態又は「階段上り」状態にあると判定する。
なお、必要な場合には上下方向の加速度のオフセットを求めて、静止時の値をオフセットとする。完全に上下方向が垂直であれば加速度は１ｇである。

また、進行方向の加速度Ａｙは、上記の判定のため次のように演算される。
歩数の計測を行ない、２歩分の歩数計測時間Δｔを求めた後、進行方向の加速度の２歩分を積分し、時間で除して進行方向の加速度平均値Ａ_ｍａｘを求める。
なお、必要な場合には、静止時の値をオフセットする。完全な水平であれば、加速度は０ｇである。
進行方向の加速度平均しきい値として３つを設定し、−５０より小さい場合には「階段下り」と判定し、＋５０より大きい場合には「階段上り」と判定する。そして、−５０〜＋５０の場合には「歩行」と判定する。

走行速度算出部３４は、運動状態判定部で走行状態と判定されたとき、歩数計測部にて算出された歩数を時間で除することにより走行周期を求め、これに被測定者の走行幅（あらかじめ記憶されている情報）を乗して算出する。

消費カロリー算出部３５は、運動状態に見合った消費カロリーを算出する。
一歩あたりの消費カロリー（ｃａｌ）は、０．１０６×｜Ａｚ×１／Δｔ｜×状態係数×被測定者のパラメータ、で求められ、状態係数は「歩行」及び「走行」は１．０、「階段上り」は３．３、「階段下り」は０．８とする。また、被測定者の体重、身長、年齢、性別などの生体条件が異なることから、パラメータを外部メモリから出力する。
したがって、実際の運動状態における総消費カロリーは、それぞれの運動状態に応じた累積歩数と上記の一歩あたりの消費カロリーを乗して、加算することにより求められる。

次に、図３のフロー図を用いて本発明の実施の形態における歩数計を説明する。
ステップ１０１において、３軸加速度センサより出力された３軸加速度値を算出し、それぞれの成分をＡｘ、Ａｙ、Ａｚとする。
次のステップ１０２において、式（１）により各成分の二乗の和を算出し、その平方根による算出加速度Ａ_ｉを求める。

Ａ_ｉ＝√（Ａｘ^２＋Ａｙ^２＋Ａｚ^２）・・・（１）

ステップ１０３において、今回の算出加速度Ａ_ｉと前回の算出加速度Ａ_ｉ−１とから前回からの加速度変化量ΔＡ_ｉを、式（２）により求める。

ΔＡ_ｉ＝Ａ_ｉ−Ａ_ｉ−１・・・（２）

ステップ１０４において、前回求めた加速度変化量Ａ_ｉ−１がしきい値０．０４５ｇより小さく、かつ、今回求めた加速度変化量Ａ_ｉがしきい値０．０４５ｇより大きいときは、歩数計測の可能性がありとして次のステップ１０５に移行する。いずれか一方若しくはいずれも満たさないときは、ステップ１０７にて歩数を計測しないと判断し、終了する。

ステップ１０５において、前回歩数計測から歩数検出時間が０．２ｓｅｃ以上の場合には歩数を計測するとし、この歩数計測処理を終了する。
前回歩数計測から０．２ｓｅｃ以下の場合には、ステップ１０７にて歩数を計測しないと判断し、終了する。
なお、上記の歩数検出時間は式（３）により求める。

ｔ＝（０．０４５−ΔＡ_ｉ−１）×（ｔ_ｉ−ｔ_ｉ−１）／（ΔＡ_ｉ−ΔＡ_ｉ−１）＋ｔ_ｉ−１
・・・（３）

次に、図４のフロー図を用いて本発明の実施の形態における運動状態判定を説明する。
ステップ２０１において、２歩分の歩数を計測するために要した時間Δｔを求め、次のステップ２０２において、歩数計測時間の前後０．２ｓｅｃ以内における上下方向の加速度の最大値Ａｚ_ｍａｘを求める。

ステップ２０３において、２歩分のＡｚ_ｍａｘの平均値×１／Δｔを算出し、算出された運動状態判断値がしきい値５５０より大きい場合には、ステップ２０９において走行と判定し、終了する。一方、しきい値５５０より小さい場合には次のステップ２０４に移行する。ここで、２歩分のＡｚ_ｍａｘの平均値×１／Δｔの算出は、式（４）により行う。

運動状態判断値＝（（Ａｚ_ｍａｘ１＋Ａｚ_ｍａｘ２）／２×１／Δｔ）・・・（４）

ステップ２０４において、２歩分の時間Δｔにおける進行方向の加速度平均値Ａ_ｍａｘを求める。この加速度平均値Ａ_ｍａｘが、ステップ２０５において−５０より少ない場合にはステップ２０６に移行して階段下りと判定し、−５０〜＋５０の間にある場合にはステップ２０７に移行して歩行と判定し、＋５０より大きい場合にはステップ２０８に移行して階段上りと判定し、終了する。

本発明によれば、３軸加速度センサのみ、検出した加速度に基づいて簡易かつ正確に歩数を検出することができる。また、検出した上下方向の加速度と進行方向の加速度を求めて一定のしきい値と比較することにより、歩行、走行、階段上り及び階段下りの運動状態を判定することができるため、走行速度を求めることができる。そして、運動状態に応じた消費カロリーを算出することができるので、実際の運動状態における総消費カロリーを求めることができる。

１０歩数計
２０３軸加速度センサ
３０演算部
３１加速度変化量算出部
３２歩数計測部
３３運動状態判定部
３４歩行速度算出部
３５消費カロリー算出部
３６外部メモリ
４０表示部

Claims

被測定者の歩行に伴って生じる加速度を、互いに直交する３軸方向についてそれぞれ測定する３軸加速度センサと、
一歩の前記歩行がされる間に前記３軸加速度センサによって測定した、上下方向における前記加速度の最大値を２歩分平均し、該２歩に要した時間で除した値である運動状態判断値及び、進行方向における前記加速度の前記２歩分の平均値である加速度平均値に基づいて、前記被測定者の運動状態が歩行、走行、階段上り及び階段下りのいずれであるかを判定する運動状態判定手段とを備えていることを特徴とする歩数計。
請求項１に記載の歩数計において、予め記憶した前記被測定者の歩幅情報と、一定走行歩数に要した時間とにより、前記被測定者の走行速度を演算する走行速度演算手段を有していることを特徴とする歩数計。
請求項１又は２に記載の歩数計において、被測定者の生体条件と前記歩数計により検出された前記運動状態と前記歩数とから消費カロリーを演算する消費カロリー演算手段を備えていることを特徴とする歩数計。