JP2019523672A - 刺激装置を有する運動訓練補助具 - Google Patents

Abstract

高速の知覚フィードバックを提供するための訓練補助具刺激装置１００であって、ユーザの身体に接触する第１の皮膚電極１３５と、第２の皮膚電極１３７と、第１の皮膚電極１３５に接続された人体静電容量充電モジュール１２５と、第２の皮膚電極１３７に接続された放電モジュール１６０と、第１の電圧レベルへの人体静電容量Ｃ_ＢＯＤＹの充電を制御するために人体静電容量充電モジュール１２５に接続されたプロセッサ１１０とを含み、プロセッサは、人体静電容量Ｃ_ＢＯＤＹのフィードバック放電を制御するために放電モジュール１６０に接続され、刺激装置は、人体静電容量Ｃ_ＢＯＤＹの充電レベルを測定する測定モジュール１５０を含み、プロセッサ１１０は、人体静電容量Ｃ_ＢＯＤＹの充電レベルを繰り返し測定し、人体静電容量Ｃ_ＢＯＤＹの電圧が第２の電圧レベル以下であるときに、維持充電を提供することにより刺激装置が放電できる状態を保つために構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は訓練補助具、すなわち人物または動物がその人物または動物のある活動をより良好に行うことを助けるデバイスの分野に関する。より具体的には、本発明は運動訓練補助具、すなわちユーザが行う運動に関するある種のフィードバックを提供するシステムまたはデバイスに関する。さらにより具体的には、本発明はスポーツ動作訓練補助具に関する。

運動訓練補助具の一例は、特許文献１から公知である。特許文献１は、反復運動フィードバックシステムに、たとえばゴルフスイングなどの反復運動シーケンスの態様をモニタするためのさまざまなセンサおよびデバイスが提供されることを開示している。モニタされる態様は、ユーザによって動かされる物体の運動特性、ユーザの位置特性、およびユーザの運動特性を含み得る。モニタされる態様のデータを受信するためのデータ処理システムは、たとえばグラフィカルディスプレイデバイスまたはスピーカなどのフィードバック出力デバイスに提供されるフィードバックデータを提供することによって、ユーザに反復運動シーケンスに関するフィードバックを提供する。１つの特定の実施形態においては、ユーザのパフォーマンスが前のパフォーマンスのテンプレートと比較されて、その差異に関するフィードバックが提供される。

別の先行技術文書は特許文献２であり、これはいかにして特定の身体運動を一貫した方式で行うかを人物に教えるための方法および装置を開示しており、それは実際の身体運動の１つまたはそれ以上のパラメータを電子的に測定するステップと、その１つまたはそれ以上の測定パラメータを目標身体運動の対応するパラメータと比較するステップと、その１つまたはそれ以上の測定パラメータおよび対応する目標パラメータの一致の程度に基づいて、ユーザに知覚可能なフィードバックを提供するステップとに基づく。特定の実施形態において、フィードバックは可聴である。より具体的には、フィードバックは、特定の身体運動（たとえばゴルフスイングなど）に特に好適な特定の特徴（たとえばリズムなど）を有する音楽の旋律である。フィードバックは、実際の身体運動と目標身体運動との差異に比例して音楽の旋律の音程を電子的に狂わせる形であってもよい。

特許文献３には、たとえばゴルファーなどの運動選手の人間工学的運動を教えるためのさらなる先行技術のシステムおよび方法が開示されている。このシステムは、好ましいゴルフスイングを実行するゴルファーの連続画像を捕捉するためのビデオカメラと、ゴルファーがビデオ画像の空間的領域を定めることを可能にする閾値決定システムとを含む。もしその空間的領域が侵入されれば、アラームが発動することによってフィードバックが提供されるため、ゴルファーは次に試みる運動の技術を変更してもよい。たとえばゴルファーは、もしスイングの際にクラブが平面から外れればティー除去システムがボールを消すように、その領域を決定してもよい。この方式で、ゴルファーはクラブが平面上に留まったときだけボールを打つことができる。

国際公開第２００３０２４５４４号 米国特許第６７７８８６６号 国際公開第２００５１８７５９号

発明者らは、ある種のユーザの挙動または活動を訓練して完成させるために用いられる訓練デバイスのための、高速フィードバックを提供するためのデバイスを提供することを目標としており、この挙動または活動は比較的急速に起こる。こうした挙動または活動の例は、たとえばスポーツの運動など、たとえばいくつか挙げただけでも運動競技の分野の事象（高跳び、棒高跳び、ハンマー投げ、円盤投げなど）、または体操（跳躍、振り付け、チアリーディングの動き）、または野球、またはゴルフ（ゴルフスイング、パッティングストローク）などにおいて起こる技術的に複雑な運動を含むが、それらに限定されない。

効率が低い動き、または「悪い」動き、または基準動作から逸脱した動作を信号伝達するフィードバック信号は、望ましくは即時的であるか、または少なくとも即時的であるとユーザが知覚するべきである。刺激ユニットは、非常に短い遅延、好ましくは５０ｍｓ未満、またはより好ましくは２０ｍｓ未満、または最も好ましくは１０ｍｓ未満の遅延を有して刺激を伝えるように構成される。加えて、刺激は明確であるべきである。発明者らは、望ましくない運動を示しかつ指摘して前記望ましくない運動をユーザに防止させるために、知覚可能で明確なフィードバックを提供することを目的としている。

さまざまな実施形態において、刺激ユニットは、身体電極を有する人体静電容量充電モジュールおよび放電モジュールを含む。人体静電容量充電モジュールは、活動を行う人物または動物に電気ショックをもたらすために十分なレベルに充電する。現在の運動および予め定められた所望の運動の位置値の間に不一致があるときに、電気ショックがもたらされる。人体静電容量充電モジュールの充電のレベルまたは電圧が測定され、電気ショックを提供するために十分なレベルを維持するために必要なときには、さらなる充電が供給される。

本発明の上述およびその他の利点および目的が得られる方式が容易に理解されるように、添付の図面に示されるその特定の実施形態を参照して、簡単に上述した本発明のより具体的な説明を行う。

これらの図面は本発明の典型的な実施形態のみを示すものであるため、本発明の範囲を限定するとはみなされないことを理解した上で、添付の図面を用いることによって本発明を付加的な特定性および詳細とともに記載および説明する。

本発明の一実施形態による刺激装置デバイスを示すブロック図である。 刺激装置デバイスの基本的実施形態を示す主要回路図である。 刺激装置デバイスの第２の実施形態を示す主要回路図である。 図１のデバイスによって行われる方法ステップのフローチャートである。 本発明の一実施形態による刺激装置デバイスにおいて用いられる充電プロセスを示す図である。

定義
本発明の目的のために、かつ以下の文において、以下の用語は下に説明される意味で用いられる。

「運動表現」：「運動表現」とは、通常は運動の数学的表現のことである。運動表現は、線形および回転の運動位置、運動速度、および運動加速度の表現を含んでもよい。たとえば、運動はユーザの身体の上の予め定められた点の現在位置によって表されてもよいし、運動は（運動）トラックによって表されてもよい。以下を参照。

「位置」：本明細書において用いられる「位置」という用語は、近くの基準点に対するセンサユニットまたは小さい物体の物理的局地位置であると理解され、好適な座標系を用いて表される。典型的に、本発明の状況において、位置は基準点から０〜５メートル以内の大きさである。

「望ましくない運動」：「望ましくない運動」という用語は、ユーザおよび／または彼もしくは彼女のコーチの観点から見て望ましくないか、または望ましくない特徴を含む運動を示すために用いられる。

「身体運動トラッカー」：本明細書において用いられる「身体運動トラッカー」という用語は、処理されたセンサデータに基づいて、ユーザの身体の１つまたはそれ以上の予め定められた点を時間とともに追跡できる、デバイスもしくはシステムまたは実行されるときのコンピュータコードを示す。

「追跡」：「追跡」という用語は、運動中のユーザの身体の上の１つまたはそれ以上の予め定められた点の連続的な位置を収集および保存（記録）する活動であると理解される。

「運動トラック」：「運動トラック」という用語は、追跡活動の結果を意味し、すなわち開始点または開始時間から始まって終了点または終了時間に終わる時間にわたる予め定められた身体点の保存された連続的位置の集合量を意味する。

「基準運動トラック」：「基準運動トラック」とは、運動の運動表示を比較し得るモデルを作成するために使用可能な所望の運動トラックのことである。

「回転角」または「回転の角度」：２次元空間における「回転角」は、ある物体が固定点の周りを回転した角度の量の測定値である。３次元空間における回転は、３座標軸に関する回転角を用いて測定されて示される。

「予め定められた身体点」：「予め定められた身体点」という用語は、前記点の追跡を容易にするための手段、たとえばセンサユニットなどを提供されたユーザの身体の上の点を意味する。

「姿勢」：本発明の状況において「姿勢」という用語は、空間における物体の向き（姿勢、角度位置）を示すために用いられる。姿勢はピッチ、ヨーおよびロール角によって表されてもよいし、代替的には姿勢ベクトルまたは軸と、そのベクトルまたは軸の周りの回転角、すなわち軸−角度の表現によって表されてもよい。オイラーの回転定理を参照。

「運動センサユニット」：「運動センサユニット」は、好適な参照システムにおいて、ユーザの運動中のセンサの姿勢および３次元位置または同じ位置における変化を定めることを可能にする、たとえば加速度情報などの運動情報を配信できる、ユーザの身体に取り付け可能なユニットであると理解される。センサユニットは、ユーザの運動を妨げないように十分に小型かつ軽量であることが想定される。

「制御ユニット」：本発明の状況において「制御ユニット」とは、デバイスを動作させるための人間−機械インタフェースを含むユニットのことであり、それは通常、プロセッサおよび／または運動センサユニットと通信するためのワイヤレス通信手段も含む。

「サンプル」：本発明の状況において「サンプル」という用語は、時間の特定の瞬間における運動センサユニットの算出された状態を示すために用いられ、これは運動センサユニットからの運動センサデータに基づき、かつ参照フレームすなわち座標系に基づいてプロセッサが算出した、線形および／または回転の運動位置、運動速度、および運動加速度の表現を含んでもよい。サンプルにはサンプル番号および／またはサンプル時間が付随する。

「プロセッサ」：本発明の状況において「プロセッサ」という用語は、他に何も明示的に述べられていないときは、１つまたはそれ以上の論理的または物理的プロセッサを含むかどうかにかかわらず、プロセッサシステムを示すために用いられる。

「メモリ」：本発明の状況において「メモリ」という用語は、他に何も明示的に述べられていないときは、１つまたはそれ以上の論理的または物理的メモリを含むかどうかにかかわらず、メモリシステムを示すために用いられる。

「刺激装置」：本発明の状況において刺激装置という用語は、人物または動物の身体に取り付け可能であって、コマンドを受信した際にその人物または動物が知覚可能な刺激を誘発できるデバイスを示すために用いられる。

「運動」：「運動」という用語は、人物によって行われる複合性または単純性の任意の身体動作であると理解され、それは彼もしくは彼女の四肢の１つもしくはそれ以上、または胴体、または重心の動きであってもよい。曖昧さの可能性は、用語が用いられる状況によって解決されるべきである。この用語は、センサによって検知される動きを示すためにも用いられる。運動の例は、一部または完全な走り高跳び、棒高跳び、ハンマー投げ、槍投げ、体操の跳躍、振り付けの動き、チアリーディングの動き、野球のバッティング、野球のピッチング、ゴルフスイング、パッティングストロークを含む。

刺激ユニットは、非常に短い遅延、好ましくは５０ｍｓ未満、またはより好ましくは２０ｍｓ未満、または最も好ましくは１０ｍｓ未満の遅延を有して刺激を伝えるように構成される。加えて、刺激は明確であるべきである。

短い通知によって刺激、すなわち電気の放電を伝達できるようにするために、図１に概略を示す訓練補助具刺激装置デバイスが提供される。図１のブロック図は、本発明の実施形態による刺激装置デバイスを示す。プロセッサ１１０はメモリ１２０に接続される。さらにプロセッサは、第１の身体電極１３５を介して接続された人体静電容量を充電させるための人体静電容量充電モジュール１２５に接続される。さらにプロセッサ１１０は測定スイッチ１３０に接続される。測定スイッチは、特定の時間に測定モジュール１５０と第１の身体電極１３５とを接続および切断するために、プロセッサによって制御される。測定モジュールと第１の身体電極１３５との接続および切断のそれぞれのタイミングは、以下にさらに説明される。プロセッサ１１０はさらに、第１の身体電極１３５および第２の身体電極１３７を介して接続された人体静電容量の放電の伝達を制御するために放電モジュール１６０に接続される。

図２および図３は、ユーザの皮膚に明確なバイオフィードバック電気刺激を提供できる第１の回路および第２の回路に対する代替的な主要配線図を示す。図２は、ユーザの皮膚に接触するように考案された第１の電極１３５および第２の電極１３７を含む刺激装置回路を示す。前記第１および前記第２の電極は、皮膚電極とも呼ばれ得る。Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}にて、低い電圧レベルの電力が供給される。この低電圧は通常、電池によって供給されるＤＣ（直流（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ））であり、それが変圧器デバイス１３８において昇圧されて、より高レベルのＶ_ＩＮとなる。さまざまな実施形態において、変圧器デバイス１３８はＤＣ−ＤＣ変換器または電力変換器を含む。Ｖ_ＩＮと分圧器の第１の抵抗器Ｒ_１との間に、測定スイッチ１３０が接続される。分圧器は、第１の抵抗器Ｒ_１と第２の抵抗器Ｒ_２とで作られている。抵抗器Ｒ_１およびＲ_２の間にアナログ−デジタル変換器（ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）ＡＤＣが接続されており、これらの抵抗器とともに測定モジュール１５０を構成しているといえる。測定スイッチ１３０は、プロセッサ１１０からの信号ＭＥＡＳＵＲＥ（測定）に接続され、この信号によって制御される。人の皮膚に取り付けられる刺激装置回路に対する電気的モデルが考案された。このモデルは身体の静電容量（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｄｙ）Ｃ_ＢＯＤＹと、前記第１の電極１３５および前記第２の電極１３７の間の皮膚の抵抗Ｒ_ＨＡＮＤとを含む。

刺激装置回路はさらに、バイオフィードバック電気刺激とも呼ばれるフィードバック放電を制御するための放電スイッチ１６１を含む。放電スイッチ１６１は、プロセッサのトリガ出力ＴＲＧからのトリガ信号によってトリガされるときに放電ドレインを提供するために、第２の皮膚電極１３７とアースとの間に接続される。Ｖ_{ＳＵＰＰＬＹ}にて電圧が印加されて変圧器デバイス１３８内で増加するとき、身体の容量Ｃ_ＢＯＤＹは予め定められたレベルまで充電されることになる。ＭＥＡＳＵＲＥ信号を適用し、ＡＤＣにおいて分圧器の電圧信号を読み取ることによって、実際のレベルが測定される。電圧レベルの実際の読みをプロセッサ１１０に提供するために、アナログ−デジタル変換器が用いられ得る。予め定められたレベルに達したとき、プロセッサ１１０は放電スイッチ１６１を開くためにＴＲＧにて信号を提供できる。その結果として容量Ｃ_ＢＯＤＹが放電され、前記第１の電極１３５および前記第２の電極１３７を有する人物はパルスを経験する。

ＴＲＧ信号は、特定の条件が存在するまで遅延される。図２に示される実施形態においては、測定スイッチ１３０を開くことによって、第１の抵抗器Ｒ_１および第２の抵抗器Ｒ_２を通じた継続的な放電が避けられる。図３に示される実施形態において、測定スイッチ１３０の実施は、制御入力においてＭＥＡＳＵＲＥ信号を受信する第１の制御抵抗器１６７に接続された第１のトランジスタ１６５を含む。同様のやり方で、放電スイッチ１６１は、制御入力においてプロセッサからのＴＲＧ信号を受信するために提供された第２の制御抵抗器１６９に接続された第２のトランジスタ１６８を含む。Ｃ_ＢＯＤＹからはなおも何らかの微量の継続的放電があるだろうが、図４および図５を参照して以下に説明される維持または補助充電によって、この問題を回避できる。

維持充電（補助充電または補充充電）のプロセスはブロック２０５にて開始し、ブロック２１０にて充電が開始する。次いでブロック２１５において、プロセッサ１１０は測定スイッチにＭＥＡＳＵＲＥ信号を加え、第２の抵抗器Ｒ_２における電圧が測定される。ブロック２２０において、予め定められた第１の電圧レベルに達したかどうかがチェックされる。もし予め定められた第１の電圧レベルに達していなければ、ブロック２１０における充電が続けられる。もし予め定められた第１の電圧レベルに達していれば、プロセッサはブロック２２５においてフィードバック放電に対する条件を継続的に待つ。放電に対する条件があるとき、ブロック２３０において放電モジュール１６０が起動される。次いでブロック２３２において、デバイスは停止される。もし放電に対する条件がなければ、ブロック２３５においてプロセッサは予め定められた期間だけ待機状態に入る。

次いでブロック２４０において、プロセッサは全プロセスが完了したかどうかをチェックする。もしプロセスが完了していれば、人体静電容量の充電がゆっくりと消散され、次いでブロック２３２においてデバイスが停止される。もしプロセスがまだ動作中（運動が続いている）であれば、ブロック２４２において測定モジュール１５０が起動され、ブロック２４５において分圧器Ｒ_１、Ｒ_２の電圧が予め定められた第２のレベル以下に降下したかどうかがチェックされる。図５を参照。もし電圧が前記予め定められた第２のレベル以下に降下していなければ、ブロック２４６において測定モジュールがオフに切り換えられ、プロセスはブロック２３５に戻る。

もし電圧が前記予め定められた第２のレベル以下に降下していれば、ブロック２４８において充電を保存するために測定モジュールがオフに切り換えられる。次いでブロック２５０において、維持充電が起動される。維持充電は予め定められた期間だけ維持され、その後ブロック２５２において測定モジュール１５０が起動される。ブロック２５４において、予め定められた第１の電圧レベルに達したかどうかがチェックされる。もし予め定められた第１の電圧レベルに達していなければ、ブロック２４８において測定モジュールが切断され、ブロック２５０における維持充電が続けられる。もし予め定められた第１の電圧レベルに達していれば、ブロック２４６において測定モジュールが切断され、プロセスはブロック２３５に戻る。

図５の図面は、図４を参照して上述した充電および維持充電プロセスを示す。充電ブロック２１０に対応する主要充電プロセスは、時間Ｔ１に開始される。予め定められた第１の電圧レベルに達するとき、放電プロセスが開始する。点線は、測定スイッチ１３０が省略されたときに起こるであろう放電を示す。その場合の電圧レベルはすぐに、制御された放電が意図されたやり方でユーザに感知されないようなレベルに達するだろう。代わりに、低電圧レベルを測定する測定モジュール１５０の結果として、電圧レベルが第２のレベル以下に降下したときに、補助または維持充電が開始されることになる。再び第１の電圧レベルに達すると、すぐに充電が停止される。第１のレベルと第２のレベルとの間の電圧降下は、フィードバック放電を損なわないようなレベルである。電圧レベルが第２のレベルに達するとき、補助または維持充電が繰り返し開始されることになる。

本発明の特定の例示的実施形態を特定的に説明してきたが、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなくさまざまなその他の修正が当業者に容易に明らかになることが理解されるだろう。したがって、本明細書に添付される請求項の範囲は本明細書において示される記載に限定されることは意図されず、請求項は本発明が属する技術分野の当業者にとって明らかである本発明のすべての均等物を包含するものと解釈される。

１００ 刺激装置
１１０ プロセッサ
１２０ メモリ
１２５ 人体静電容量充電モジュール
１３８ 変圧器デバイス
１３０ 測定スイッチ
１３５ 第１の皮膚電極
１３７ 第２の皮膚電極
１５０ 測定モジュール
１５２ アナログ−デジタル変換器
１６０ 放電モジュール
１６１ 放電スイッチ
１６５ 第１のトランジスタ（測定スイッチ）
１６７ 第１の制御抵抗器（測定スイッチ）
１６８ 第２のトランジスタ（放電スイッチ）
１６９ 第２の制御抵抗器（放電スイッチ）
Ｒ１、Ｒ２等 抵抗

Claims (3)

1. 訓練補助具刺激装置（１００）であって、
   − ユーザの身体に電気的に接触するための第１の皮膚電極（１３５）と、
   − ユーザの身体に電気的に接触するための第２の皮膚電極（１３７）と、
   − 前記第１の皮膚電極（１３５）に接続された人体静電容量充電モジュール（１２５）と、
   − 前記人体静電容量充電モジュール（１２５）によって充電された人体静電容量のフィードバック放電のために前記第２の皮膚電極（１３７）に接続された放電モジュール（１６０）と、
   − 予め定められた第１の電圧レベルへの人体静電容量Ｃ_ＢＯＤＹの前記充電を制御するために前記人体静電容量充電モジュール（１２５）に接続されたプロセッサ（１１０）と、を含み、
   前記プロセッサはさらに、前記第１および第２の電極（１３５、１３７）を介して前記皮膚を通じた前記人体静電容量Ｃ_ＢＯＤＹのフィードバック放電を制御するために前記放電モジュール（１６０）に接続されており、
   バイオフィードバック刺激装置はさらに、前記人体静電容量Ｃ_ＢＯＤＹの充電のレベルを測定するための測定モジュール（１５０）を含み、
   前記プロセッサ（１１０）は、前記人体静電容量Ｃ_ＢＯＤＹの充電のレベルを繰り返し測定し、かつ前記人体静電容量Ｃ_ＢＯＤＹの電圧が予め定められた第２の電圧レベル以下であるときに、前記人体静電容量充電モジュール（１２５）を起動することによって維持充電を提供することによって、前記刺激装置が放電できる状態を保つために構成される、訓練補助具刺激装置。
2. 前記測定モジュール（１５０）を接続および切断するための測定スイッチ（１３０）をさらに含み、前記プロセッサ（１１０）はさらに、前記測定スイッチ（１３０）を繰り返しオンおよびオフに切り換えるように構成される、請求項１に記載のバイオフィードバック刺激装置。
3. 電極を介してユーザの身体にバイオフィードバック電気刺激を伝えるために準備された状態にバイオフィードバック刺激装置を保つための方法であって、前記方法は以下のステップ、
   − 前記電極に充電電圧を印加するステップ（２１０）、
   − 測定モジュールを用いて前記電極における電圧を測定するステップ（２１５）であって、前記電圧は充電レベルに対応する、ステップ、
   − 第１の電圧レベルに達したときに前記測定モジュールを切断するステップ（２２０）、
   − 予め定められた期間待機するステップ（２３５）、
   − 前記測定モジュールを再接続して、もし測定された電圧レベルが第２の電圧レベル以下であれば維持充電を提供するステップ、を含む、方法。
   
   

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