JP4981349B2 - 歩数計 - Google Patents

Description

本発明は、歩数計に関するものである。

従来、振動センサを用いた歩数計が提供されている。この歩数計は、歩数計に与えられた振動を振動センサにて検出し、その検出出力から歩数計の振動数、つまり歩数を計数するようになっている。

しかし、この振動センサを用いた歩数計では、老人などのゆっくりした歩行や、老人でなくとも摺り足歩行など振動の少ない歩行の場合、振動を正確に捉えることができず、そのため歩数を正確に計数できなかった。そのため振動かどうかを判定するための閾値を下げると、振動と雑音とが区別できなくなり、正確な歩数の計数がこれまたできないという問題がある。

このような振動センサを用いた歩数計の問題を解決するために、２軸方向や３軸方向の加速度を検知する加速度センサを搭載した歩数計が近年提供されるようなってきている。

この歩数計は、加速度センサに与えられる各軸方向の加速度を合成加速度に変換することで、振動センサでは検知できないような小さな加速度の変化を検出し、この検出に基づいて歩数を計数するものであった（例えば特許文献１）。
特開２００５−３８０１８公報（段落００１４、００１５）

ところで、上述のような加速度センサを用いた歩数計であっても、歩数計を携行する被測定者の人体由来の加速度が重力加速度に比べてごく小さい場合、人体由来の加速度をうまく分離できず、やはり歩数を求めることができないという課題があった。

本発明は、上述の点に鑑みて為されたものであって、その目的とするところは３軸方向の加速度を検知する加速度センサ部を備えた歩数計において、人体由来の加速度が重力加速度方向の加速度に比べてごく小さい摺り足歩行等の場合においても歩数を正確に求めることができる歩数計を提供することにある。

上述の目的を達成するために、請求項１の発明では、被測定者が携行して使用する歩数計であって、互いに直交する３軸方向の加速度を検知する加速度センサ部と、加速度センサ部の各軸方向の加速度を取り込む演算処理部とを備え、該演算処理部は、夫々の各軸方向の加速度を比較して定常的に最も大きな加速度が加わっている軸方向を重力加速度方向とみなして、当該軸方向の加速度を除く２軸方向の加速度を合成した合成加速度を用いて歩数を算出することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、人体由来の加速度が重力加速度方向の加速度よりごく小さくても、３軸方向の加速度の内、重力加速度方向の加速度を除く２軸方向の加速度の合成加速度で人体由来の加速度を精度良く取り出すことができ、そのため摺り足歩行やゆっくりした歩行であっても、歩数を正確に算出することができる。また、請求項１の発明によれば、加速度センサ部の軸が正確に重力加速度方向に向かない状態で被測定者が携行しても、正確な歩数の算出ができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記演算処理部は、前記重力加速度方向の加速度の変化量に基づいて、歩行状態、歩行停止状態の判断を行うことを特徴とする。

請求項２の発明によれば、歩行開始や歩行停止するときに顕著な変化が見られる重力加速度方向の加速度を用いて歩行状態や歩行停止状態を判断するため、歩行状態と歩行停止状態とを正確に区別することができ、その結果歩行停止状態で誤って歩数を算出することがなくなり、その結果正確な歩数の算出ができ、しかも歩行停止状態を判断できることで、歩行停止状態における演算処理部の無駄な歩数算出動作をなくすことができ、低消費電力化も可能となる。

本発明は、人体由来の加速度が重力加速度方向の加速度より小さくても、３軸方向の加速度の内、重力加速度方向の加速度を除く２軸方向の加速度の合成加速度で人体由来の加速度を精度良く取り出すことができ、そのため摺り足歩行やゆっくりした歩行であっても、歩数を正確に算出することができるという効果がある。

まず本発明の歩数計において３軸加速度センサを用いる理由を簡単に説明する。

さて、３軸加速度センサを用いて加速度を合成する場合、無重力状態で歩数計を使用しない限り、必ず重力加速度が３軸加速度センサに加わる。例えば、３軸加速度センサの互いに直交する３軸を仮にｘ軸、ｙ軸、ｚ軸と呼ぶことにし、簡単に説明するためｚ軸方向が常に重力加速度方向に向いているモデルを考える。

人体の歩行によって生じた加速度をａとし、そのｘ，ｙ，ｚ軸方向の成分をそれぞれ、ａ_ｘ，ａ_ｙ，ａ_ｚとする。また、重力加速度をｇとし、その大きさの２乗をｇ^２とする。このとき合成加速度ｂの大きさの２乗ｂ^２は、
ｂ^２ ＝ａ_ｘ ^２＋ａ_ｙ ^２＋（ｇ＋ａ_ｚ）^２
＝ａ_ｘ ^２＋ａ_ｙ ^２＋ｇ^２＋２ａ_ｚｇ＋ａ_ｚ ^２
となる。

ここで、人体由来の加速度を求めるために、単純にｂの大きさの２乗からｇ^２を引いてしまうと、
ｂ^２−ｇ^２＝ａ_ｘ ^２＋ａ_ｙ ^２＋２ａ_ｚｇ＋ａ_ｚ ^２
となり、検出目的である人体由来の加速度の大きさの２乗ａ_ｘ ^２＋ａ_ｙ ^２＋ａ_ｚ ^２に比べて２ａ_ｚｇだけ違っている。

ここで、重力加速度に比べて人体由来の加速度が十分に小さいという前提条件を考える。例えば、ａ_ｘ，ａ_ｙ，ａ_ｚがそれぞれ０．１、重力加速度を１とすると、人体由来の加速度の大きさの２乗は
ａｘ^２＋ａｙ^２＋ａｘ^２＝０．０３
となるが、
２ａ_ｚｇ＝０．２
となり、目的であるところの人体由来の加速度の大きさの２乗に比べて、本来は検出すべきでない２ａ_ｚｇが非常に大きくなる。

以上のことより、重力加速度方向を除いたｘ,ｙ軸方向だけを合成し、重力加速度の影響を取り除いた方が、人体由来の加速度を精度良く取り出せることがわかる。

かような理由に基づいて実現した本発明の実施形態を以下に説明する。
（実施形態１）
本実施形態の歩数計１は、図１に示すように３軸の半導体加速度センサを用いた加速度センサ部２と、ＣＰＵからなる演算処理部３と、液晶表示器からなる表示器４と、小型の押しボタンスイッチ群からなる操作部５と、各部の動作電源を供給するボタン型の電池電源６とから構成され、これら構成要素は被測定者が例えばベルト等に装着して携行できるような小型の筐体（図示せず）に内蔵され、表示器４の表示面や、操作部５のボタン部位を筐体表面に露出させている。

ここで加速度センサ部２は、ｘ，ｙ，ｚの各軸方向の加速度を検知してその検知出力（加速度データ）を演算処理部３へ出力するようになっている。尚１軸の加速度センサを３個用いてｘ，ｙ，ｚ軸方向の加速度を検出する加速度センサ部２を構成しても良い。

ＣＰＵからなる演算処理部３は、歩数計として必要な演算処理や、制御処理を行うためのプログラムが搭載され、操作部５の操作信号から歩数計１の動作状態を、待機状態（スリープ状態）や稼働状態に切り替える機能、稼働状態において加速度センサ部２から取り込んだｘ，ｙ，ｚの３軸方向の加速度データから後述する処理により歩数を算出する機能、算出する歩数をリアルタイムに表示器４に表示させる表示制御機能、算出する歩数を履歴データとして内蔵メモリ（図示せず）に保存させるデータ保存機能等を実現している。

次に本発明の特徴である加速度センサ部２のｘ、ｙ、ｚの３軸方向の加速度データを用いて演算処理部３が歩数を算出する動作を図２により詳説する。

今稼働状態にあるとすると、演算処理部３は、ステップＳ１で加速度センサ部２から出力されるｘ，ｙ，ｚの各軸方向の加速度データを取り込み、どの軸方向が重力加速度方向かをチェックする。例えばステップＳ２ではｘ軸方向が重力加速度方向か否かをチェックし、ｘ軸方向が重力加速度方向であれば、ステップＳ３でｙ、ｚ軸方向の各加速度の２乗を計算する。ｘ軸方向が重力加速度方向でなければ、ステップＳ４でｙ軸方向が重力加速度方向か否かをチェックし、ｙ軸方向が重力加速度方向であれば、ステップＳ５でｘ、ｚ軸方向の各加速度の２乗を計算する。そしてｙ軸方向が重力加速度方向でなければ、ｚ軸方向が重力加速度方向と判断してステップＳ６でｘ、ｙ軸方向の各加速度の２乗を計算する。

ステップＳ３，Ｓ５，Ｓ６の何れかで２軸方向の各加速度の２乗を計算した結果から２軸方向の加速度の合成加速度を得、例えばその合成加速度のピークを抽出するとともにピークの数をカウントすることで歩数を算出するのに必要な演算処理を行う（ステップＳ７）。

このようにして本実施形態では、重力加速度方向を除いた２軸の加速度データを合成することで、人体由来の加速度を精度良く取り出し、それにより摺り足やゆっくりした歩行であっても正確に歩数を算出し、その歩数をリアルタイム的に表示器４で表示させることができるのである。

尚歩数から消費カロリー演算を行うような機能を演算処理部３にもたせた場合にあっても，正確な歩数から精度良い消費カロリー演算が可能となる。
（実施形態２）
本実施形態は、実施形態１の機能に加えて、歩行状態と、歩行停止状態とを加速度センサ部２の加速度データから判断し、歩行停止状態での誤った歩数算出を防ぎ、正確な歩数を算出することができるようにした点に特徴がある。

つまり、一般に停止状態から歩行状態に遷移するときと、歩行状態から停止状態に遷移するときには、重力加速度方向の加速度に顕箸な変化が見られることがよく知られており、本実施形態ではこの変化を捉えて、歩行状態と、停止状態を区別するのである。

尚本実施形態の歩数計１の構成は実施形態１と同じであるので、図１を参照することとし、また重力加速度方向を除いた２軸の加速度データの合成により歩数を算出する動作についても実施形態１と同じであるので、説明は省略する。

而して、本実施形態の特徴点である歩行状態と、停止状態との判断処理における演算処理部３の動作を図３により詳説する。

まず、歩数計１が稼働状態に入ると、演算処理部３は、ステップＳ１０で加速度センサ部２から出力されるｘ，ｙ，ｚの各軸の加速度データを取り込み、どの軸方向が重力加速度方向かをチェックする（ステップＳ１１）。このチェックは図２のステップＳ２，Ｓ３に対応する。

そして重力加速度方向が判断されると，次のステップＳ１２で歩行停止の判断のための歩行停止フラグが”１”にセットされているか否かをチェックする。もし歩行停止フラグが”１”でなければ、つまり”０”であれば、ステップＳ１３で重力加速度方向の加速度変化量が予め設定している閾値を超えていないか否かをチェックし、超えていれば歩行状態であるので、ステップＳ１４で歩数算出に必要な処理（図２のフローチャートのステップＳ７に相当）を行い、処理後ステップＳ１へ戻る。

もし、閾値を超えてなければ、歩行停止状態と判断し、ステップＳ１５で歩行停止フラグを”１”にセットし、歩行開始フラグを”０”にリセットし、ステップＳ１へ戻る。

一方ステップＳ１２において歩行停止フラグが”１”にセットされていることがチェックされた場合、ステップＳ１６で重力加速度方向の加速度の変化量が上述の閾値を超えているか否かをチェックし、超えている場合には歩行状態と判断し、ステップＳ１７で歩行停止フラグを”０”にリセットし、歩行開始フラグを”１”にセットし、次のステップＳ１８でステップＳ１４と同様に歩数算出に必要な処理を行い、処理後ステップＳ１へ戻る。またステップＳ１６で重力加速度方向の加速度が閾値を超えている場合にはステップＳ１へ戻る。

このようにして本実施形態では歩数計１が稼働状態においては、演算処理部３は図３のフローチャートの処理を繰り返して、歩行状態か停止状態かを判断し、歩行状態であれば歩数算出のための処理を行い、停止状態では該処理を停止する。これにより停止状態で誤った歩数算出を行う恐れがなく、その結果正確な歩数算出ができることになる。また演算処理部３は停止状態を検知している間は、歩数算出を行う必要がないため、低消費電力化にもつながることになる。
（実施形態３）
上述の実施形態１は３軸加速度データ重力加速度方向を検出することで前提としているが、一般に加速度センサの軸が正確に重力加速度方向を向いている確率は非常に小さい。

そこで本実施形態では、３軸方向の加速度データから最大値をもつ軸を選び、その軸を仮想的に重力加速度方向とみなして、残り２軸の加速度から歩数を算出するようした点に特徴がある。

尚本実施形態の歩数計１の構成は実施形態１と同じであるので、図１を参照することとし、また重力加速度方向を除いた２軸の加速度データの合成により歩数を算出する動作についても実施形態１と同じであるので、説明は省略する。

而して、本実施形態の特徴点である仮想的な重力加速度方向を決定するための判断処理における演算処理部３の動作を図４により詳説する。

演算処理部３が稼働状態にあるとすると、演算処理部３は、ステップＳ２０で３軸加速度センサ３から読み込んだｘ，ｙ，ｚ軸方向の加速度データから定常的に最大値を取る軸方向を検出する処理を行い（ステップＳ２１）、この最大値を取る方向を仮想的に重力加速度方向とし、この重力加速度方向を除く、残りの２軸方向の各加速度の２乗を計算し（ステップＳ２２）、計算結果から２軸方向の加速度の合成加速度データを用いて歩数算出の演算処理を行う（ステップＳ２３）。

このようにして本実施形態の歩数計１は、３軸加速度センサ３の３軸とも重力加速度方向に向いていない状態で被測定者に装着されても、仮想的に重力加速度方向とみなす軸方向を検出して、この軸方向の加速度データを除いた残りの２軸方向の加速度データを合成することで、実施形態１と同様に正確な歩数を算出することができるのである。

実施形態１の歩数計の構成図である。 実施形態１の動作説明用フローチャートである。 実施形態２の動作説明用フローチャートである。 実施形態３の動作説明用フローチャートである。

符号の説明

１ 歩数計
２ ３軸加速度センサ
３ 演算制御処理部
４ 表示器
５ 操作部
６ 電池電源

Claims (2)

1. 被測定者が携行して使用する歩数計であって、互いに直交する３軸方向の加速度を検知する加速度センサ部と、加速度センサ部の各軸方向の加速度を取り込む演算処理部とを備え、該演算処理部は、夫々の各軸方向の加速度を比較して定常的に最も大きな加速度が加わっている軸方向を重力加速度方向とみなして、当該軸方向の加速度を除く２軸方向の加速度を合成した合成加速度を用いて歩数を算出することを特徴とする歩数計。
2. 前記演算処理部は、前記重力加速度方向の加速度の変化量に基づいて、歩行状態、歩行停止状態の判断を行うことを特徴とする請求項１記載の歩数計。

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