JP5888582B2 - エネルギー消費量呈示装置およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー消費量呈示装置およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法に関する。

従来、歩行や走行をする運動者に、運動の効果を呈示し、効果的な運動を提案するために、歩数や運動時間、歩行速度、歩行距離、消費カロリーなどの消費エネルギー、脂肪燃焼量などを出力するものがある。特に、運動時のエネルギー消費量を求める装置として、歩数計や加速度センサなどを用いて、歩幅や歩数などを求め、それらから歩行速度などの移動速度を求め、移動速度から消費カロリーを求めるものや（例えば、特許文献１乃至３参照）、加速度や角速度のデータに基づいて、運動パターンを求め、その運動パターンから消費カロリーを求めるものがある（例えば、特許文献４参照）。

特許文献１乃至４に記載の運動時のエネルギー消費量を求める装置または方法は、歩行速度などの移動速度が増加するとエネルギー消費量が増加するという観点から、エネルギー消費量を歩行速度などの移動速度をパラメータとする近似式により求めるものである。歩行速度は単位時間当たりの歩数（歩調、歩行率）と歩幅との積で求めることができるため、歩数計や加速度センサで計測されたデータまたは歩幅は、最終的にエネルギー消費量を求める際に用いる歩行速度を求める目的で計測されているにすぎない。

また、運動時のエネルギー消費量と単位時間当たりの歩数（歩調、歩行率）との関係に関する研究も行われている（例えば、非特許文献１乃至３参照）。非特許文献１では、ある歩行速度において、ヒトは最もエネルギー効率の良い歩行率を選んで歩行を行っていることを示し、エネルギー消費量と歩行率との強い関連を報告している。非特許文献１の報告以降、非特許文献２や３では、ある一定の歩行速度において、歩行率を変化させて歩行を行うことがエネルギー消費量に与える影響の検討や、歩行率からエネルギー消費量を推定する試みが行われている。

特開２００９−３０１２８６号公報 特開２００２−３５０１７５号公報 特表２００２−５００７６８号公報 特開２００６−１０１９７３号公報

Holt K.G., et al, "Predicting theminimal energy costs of human walking", Medicine and Science in Sports andExercise, 1995, 23, p.491-498 Delextrant A., et al, "Effect of stride frequency on the energy costof walking in obese teenagers", Human Movement Science, 2011, 30, p.115-124 Abel A., et al, "Determination of step rate thresholds correspondingto physical activity intensity classifications in adults", Journal of PhysicalActivity and Health, 2011, 8, p.45-51

特許文献１乃至４、非特許文献１乃至３に記載のように、これまで運動時のエネルギー消費量を求める装置または方法では、その推定に歩行速度などの移動速度や、歩行率をパラメータとして採用して実施することが行われてきた。歩行速度が歩行率と歩幅との積により求めることができる関係において、歩行速度および歩行率は時間の概念が考慮されている時間的パラメータとして理解されている。時間的パラメータは歩数計や加速度センサ等の計測機器により測定しやすいパラメータであるため、運動時のエネルギー消費量への影響や、近似式による運動時のエネルギー消費量の推定に用いるパラメータとして採用する研究、開発が精力的に進められてきた。

一方で、歩幅は時間的パラメータに対し、空間的パラメータと理解されている。歩幅は、運動者の歩行する路面の状況（段差、凹凸、傾斜など）のような環境の影響を受けるため、各種計測機器を用いて精度よく測定するのは一般に困難である。加えて、歩幅は、運動者の身長、体重、性別、年齢等の運動者固有の身体的特性によって大きく差が生じるパラメータであること、さらには、上記属性によらず、歩幅を意識せずに歩行する運動者の一歩毎の歩幅は、その都度違う値となることが、時間的パラメータに比べ計測を困難にしている。こうした背景により、運動学的に歩幅の重要性を指摘する報告はなく、また、歩幅の運動学的重要性の観点から、直接的に運動時のエネルギー消費量の推定、近似に用いるパラメータとして歩幅を採用している研究、開発の報告はない。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、歩幅または歩幅率を直接利用することにより、移動時のエネルギー消費量を高精度で推定することができるエネルギー消費量呈示装置およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法を提供することを目的としている。

本発明者等は、歩幅が有する運動学的意義を見直すことにより、運動者が歩行や走行をするとき、同じ移動速度であっても、歩幅が異なればエネルギー消費量は異なることを見出し、本発明に至った。図１に、歩幅が有する運動学的意義を検証するために行った予備的実験結果を示す。つまり、図１は、歩行速度を分速８０ｍと一定にした条件で、様々な歩幅で複数の運動者に歩行させ、歩行時の運動者のエネルギー消費量の指標として酸素摂取量を計測し、その変動を表したものである。なお、歩幅は運動者の身長の影響を受けるため、その影響を小さくすべく、歩幅を身長で除した歩幅率（歩幅／身長比）に対して酸素摂取量をプロットしている。図１に示すように、エネルギー消費量の指標である酸素摂取量は、ある歩幅率で極小値を有する傾向であることがわかり、また２次回帰式での近似でその傾向を精度よく近似できることが明らかになった。

これまで、消費エネルギーは、歩行速度のような移動速度の増加に伴って増加するという単調増加傾向を有する変動量と理解され、さらに、歩行速度は単位時間当たりの歩数（歩調、歩行率）と歩幅との積で表わされることからも、歩幅が増加するに伴って増加するという単調増加関係として理解されてきた。しかしながら、図１に示すように、歩幅の増加は必ずしもエネルギー消費量の増加を伴っていないことが確認された。このことから、歩行速度、単位時間当たりの歩数（歩調、歩行率）または歩幅と、消費エネルギー量との単調増加傾向を前提とした既存のエネルギー消費量提示装置およびエネルギー消費量推定方法に代えて、歩幅と消費エネルギーとの関係に基づいたエネルギー消費量提示装置およびエネルギー消費量推定方法を用いることにより、より高精度に消費エネルギーを求めることができるといえる。

すなわち、本発明に係るエネルギー消費量呈示装置は、運動者の歩行または走行による移動時のエネルギー消費量を推定して呈示するエネルギー消費量呈示装置であって、前記運動者の歩幅または、歩幅を身長で割った歩幅率と、前記運動者の移動速度とを求める運動算出手段と、あらかじめ移動速度ごとに求められた、歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係に基づいて、前記運動算出手段で求められた歩幅または歩幅率と、移動速度とから、前記運動者のエネルギー消費量を求める消費量算出手段と、前記消費量算出手段で算出されたエネルギー消費量を出力する出力手段とを有し、前記歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係は、歩幅または歩幅率を横軸に、エネルギー消費量を縦軸にしたグラフで、下に凸になる式であることを特徴とする。

本発明に係るエネルギー消費量呈示装置の作動方法は、運動者の歩行または走行による移動時のエネルギー消費量を推定して呈示するエネルギー消費量呈示装置の作動方法であって、前記運動者の歩幅または、歩幅を身長で割った歩幅率と、前記運動者の移動速度とを求める運動算出工程と、あらかじめ移動速度ごとに求められた、歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係に基づいて、前記運動算出工程で求められた歩幅または歩幅率と、移動速度とから、前記運動者のエネルギー消費量を求める消費量算出工程とを有し、前記歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係は、歩幅または歩幅率を横軸に、エネルギー消費量を縦軸にしたグラフで、下に凸になる式であることを特徴とする。

本発明に係るエネルギー消費量呈示装置およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法は、ある運動者が歩行または走行により移動したときの歩幅または歩幅率（歩幅／身長比）から、運動者のエネルギー消費量を求めることができる。このことは、同じ移動速度であっても、歩幅が異なればエネルギー消費量が異なることを考慮したものであり、本発明に係るエネルギー消費量呈示装置およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法は、歩幅または歩幅率を直接利用して、移動時のエネルギー消費量を高精度で推定することができる。また、同じ移動速度であっても、歩幅が異なればエネルギー消費量が異なることを考慮して、所定の移動速度での運動者の歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係を求め、これを利用しているため、移動速度から直接エネルギー消費量を求める場合と比べて、より正確にエネルギー消費量を求めることができる。

歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係は、例えば、以下のようにして求めることができる。まず、様々な運動者に対して、一定の移動速度および一定の単位時間当たりの歩数（歩調、歩行率）で移動したときのエネルギー消費量を求める。これを、単位時間当たりの歩数をさまざまに変えて実施する。移動速度を単位時間当たりの歩数で割ることにより歩幅を求めることができる。また、歩幅は身長に影響を受けるため、その影響を小さくする必要がある場合は歩幅を身長で除して、歩幅率を求める。これにより、所定の移動速度に対する歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係を求めることができる。この関係を、移動速度を変えて繰り返し求めることにより、移動速度ごとに歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係を求めることができる。なお、移動時のエネルギー消費量は、呼気ガスから求めることができる。また、エネルギー消費量は、エネルギー消費量に換算可能な消費カロリーや酸素摂取量などであってもよい。

本発明に係るエネルギー消費量呈示装置で、前記運動算出手段は、前記運動者の移動時の３軸方向の加速度を測定する３軸加速度センサを有し、前記３軸加速度センサの測定データから３軸合成加速度の標準偏差と単位時間当たりの歩数とを求め、求められた前記３軸合成加速度の標準偏差と前記単位時間当たりの歩数とから、前記歩幅または前記歩幅率を求めることが好ましい。

本発明に係るエネルギー消費量呈示装置の作動方法で、前記運動算出工程は、前記運動者の移動時の３軸方向の加速度を測定するよう前記運動者に装着された３軸加速度センサの測定データから、３軸合成加速度の標準偏差と単位時間当たりの歩数とを求め、求められた前記３軸合成加速度の標準偏差と前記単位時間当たりの歩数とから、前記歩幅または前記歩幅率を求めることが好ましい。

移動時には、運動者の身体の上下変動に伴う上下方向の加速度変化や、左右の脚の振りに伴う左右方向の加速度変化、接地〜遊脚時の進行方向への加速や遊脚〜接地時の進行歩行での減速など、あらゆる方向の加速度が変化する。このため、３軸加速度センサを用いることにより、このようなあらゆる方向の加速度変化を捉えることができ、歩幅や移動速度を正確に求めることができる。歩幅や移動速度を求めるときに３軸合成加速度を用いることにより、３軸加速度センサの装着方向や使用中の装着方向のズレを考慮する必要がなく、実用的である。また、３軸合成加速度の標準偏差を用いることにより、３軸加速度センサのオフセット成分や重力加速度成分を差し引くことができ、３軸加速度センサの種類や環境依存性を取り除くことができる。これらにより、データ品質を高め、歩幅や移動速度を正確に求めることができる。なお、単位時間当たりの歩数（歩調、歩行率）は、例えば、３軸加速度センサの合成加速度のピーク間隔が１歩を表すため、そのピーク間隔の時間幅から求めることができる。

また、歩幅または歩幅率と、３軸合成加速度の標準偏差と単位時間当たりの歩数との関係は、例えば、以下のようにして求めることができる。まず、３軸加速度センサを装着した様々な運動者の、歩行または走行による移動時の様子をビデオ撮影する。撮影されたビデオ映像から所定の区間の歩行距離、歩行時間、歩数を抽出し、歩行速度、単位時間当たりの歩数を求める。また、３軸加速度センサの測定データから３軸合成加速度の標準偏差を求める。求められた単位時間当たりの歩数、３軸合成加速度の標準偏差、さらに歩行速度および単位時間当たりの歩数から求められた歩幅から、これらの関係を求めることができる。なお、３軸合成加速度の標準偏差から分散を求め、標準偏差の代わりに分散を用いてもよい。

本発明に係るエネルギー消費量呈示装置で、前記運動算出手段は、求められた前記３軸合成加速度の標準偏差と前記単位時間当たりの歩数とから、歩幅Ｓ_Ｌと身長Ｈ_Ｅと３軸合成加速度の標準偏差Ａ_Ｃと単位時間当たりの歩数Ｃ_Ｅとの関係式
Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝ａ_０×Ａ_Ｃ＋ａ_１×Ｃ_Ｅ＋ａ_２ （１）
を用いて歩幅率Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅを求めるよう構成されており、前記（１）式は、係数ａ_０、ａ_１、ａ_２が、１以上の運動者において測定された歩幅率と３軸合成加速度の標準偏差と単位時間当たりの歩数とを用いて、歩幅率の測定値と（１）式により求められる歩幅率の計算値との誤差を最小化する統計学的処理によって決定された値を有していてもよい。
本発明に係るエネルギー消費量呈示装置の作動方法で、歩幅Ｓ_Ｌと身長Ｈ_Ｅと３軸合成加速度の標準偏差Ａ_Ｃと単位時間当たりの歩数Ｃ_Ｅとの関係式
Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝ａ_０×Ａ_Ｃ＋ａ_１×Ｃ_Ｅ＋ａ_２ （１）
について、１以上の運動者において測定された歩幅率と３軸合成加速度の標準偏差と単位時間当たりの歩数とを用いて、歩幅率の測定値と（１）式により求められる歩幅率の計算値との誤差を最小化する統計学的処理によって、係数ａ_０、ａ_１、ａ_２をあらかじめ決定しておく関係式決定工程を有し、前記運動算出工程は、求められた前記３軸合成加速度の標準偏差と前記単位時間当たりの歩数とから、前記（１）式を用いて歩幅率Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅを求めてもよい。
この場合、（１）式を用いてより正確に歩幅率を求めることができ、歩幅率を直接利用して、移動時のエネルギー消費量をより高精度で推定することができる。

本発明に係るエネルギー消費量呈示装置で、前記（１）式は、運動者の属性ごとに前記係数ａ_０、ａ_１、ａ_２が決定されており、前記運動算出手段は、前記運動者の属性に対応する前記（１）式を用いて、前記歩幅率を求めてもよい。
本発明に係るエネルギー消費量呈示装置の作動方法で、前記関係式決定工程は、運動者の属性ごとに前記（１）式の係数ａ_０、ａ_１、ａ_２を決定しておき、前記運動算出工程は、前記運動者の属性に対応する前記（１）式を用いて、前記歩幅率を求めてもよい。
この場合、運動者の属性に対応して、より正確に歩幅率を求めることができ、より高精度でエネルギー消費量を求めることができる。運動者の属性は、例えば、年齢、性別、ボディマス指数（ＢＭＩ）、運動レベルなどである。

本発明に係るエネルギー消費量呈示装置で、前記統計学的処理は最小二乗法またはカーブフィッティング法であってもよい。
本発明に係るエネルギー消費量呈示装置の作動方法で、前記統計学的処理は最小二乗法またはカーブフィッティング法であってもよい。
この場合、残差二乗和や曲線とデータ点群との距離が最小になるよう係数ａ_０、ａ_１、ａ_２を決定するため、歩幅率をより正確に求めることができる。

本発明によれば、歩幅または歩幅率を直接利用することにより、移動時のエネルギー消費量を高精度で推定することができるエネルギー消費量呈示装置およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法を提供することができる。

本発明に係るエネルギー消費量呈示装置およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法に関する予備的試験における、歩行速度が分速８０ｍのときの、歩幅率に対する酸素摂取量（エネルギー消費量）の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置を示す構成図。 図１に示すエネルギー消費量呈示装置の３軸加速度センサの（ａ）ノルディックウォーキング（ＮＷ）のときの測定例、（ｂ）歩行時（Ｗａｌｋｉｎｇ）の測定例を示すグラフである。 本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置の作動方法で利用される、歩幅率と３軸合成加速度の標準偏差と歩調との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置の作動方法で利用される、（ａ）男性２０〜５０歳、（ｂ）女性２０〜５０歳、（ｃ）４０歳以上の男性、（ｄ）４０歳以上の女性、（ｅ）男性ＮＷの中級〜上級者、（ｆ）女性ＮＷの中級〜上級者の、歩幅率と３軸合成加速度の標準偏差と歩調との関係を示すグラフ（単位は図３と同じ）である。 本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置の作動方法で利用される、（ａ）２０代の男女１０名を対象とし、歩行速度が分速８０ｍのとき、（ｂ）２０代の男性１名における、歩行速度が分速１００ｍのときの、歩幅率に対するエネルギー消費量の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置の作動方法で利用される、歩行速度と歩幅率とエネルギー消費量との関係のイメージを示すグラフである。 本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置の作動方法で利用される、歩行速度が分速８０ｍのときの（ａ）男性、（ｂ）女性の、歩幅率に対するエネルギー消費量の変化を示すグラフである。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図２乃至図８は、本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法を示している。本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置の作動方法は、本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置により好適に実施される。
以下、図２乃至図８に従って、本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法について、実施例を適宜参照しながら説明する。

図２に示すように、エネルギー消費量呈示装置１０は、運動者１の歩行または走行による移動時のエネルギー消費量を推定して呈示するエネルギー消費量呈示装置１０であって、主に運動者１の腰部付近に装着して使用される。エネルギー消費量呈示装置１０は、運動算出手段１１と消費量算出手段１２と出力手段１３とを有している。なお、以下の実施例では、ノルディックウォーキング（ＮＷ）やウォーキングなどの歩行時について、運動者１のエネルギー消費量の推定を行っている。

［運動算出手段１１による歩幅または歩幅率の算出］
運動算出手段１１は、運動者１の歩行時の３軸方向の加速度を測定するための３軸加速度センサ（図示せず）を有している。運動算出手段１１は、３軸加速度センサの測定データから３軸合成加速度の標準偏差と単位時間当たりの歩数（歩調、歩行率；以下、「歩調」という）とを求め、求められた３軸合成加速度の標準偏差と歩調とから、運動者の歩幅を求めるようになっている。また、歩幅への身長の影響を小さくする目的で、求められた歩幅を運動者１の身長で除すことで歩幅率（歩幅／身長比）を求める工程を加えられるようになっている。

３軸加速度センサの測定例を、図３に示す。図３に示すように、歩行時には、運動者１の身体の上下変動に伴う上下方向の加速度変化や、左右の脚の振りに伴う左右方向の加速度変化、接地〜遊脚時の進行方向への加速や遊脚〜接地時の進行歩行での減速など、あらゆる方向の加速度が変化する。このようなあらゆる方向の加速度変化を捉えるために、運動算出手段１１は、３軸加速度センサを用いている。運動算出手段１１は、３軸加速度センサの装着方向や使用中の装着方向のズレを考慮しなくてもよいように、測定データから３軸合成加速度を求めるようになっている。また、３軸加速度センサのオフセット成分や重力加速度成分を差し引いて、３軸加速度センサの種類や環境依存性を取り除くために、３軸合成加速度の標準偏差を用いるようになっている。これにより、３軸加速度センサによるデータ品質を高めることができ、歩幅や移動速度を正確に求めることができる。また、図３に示すように、３軸加速度センサの合成加速度のピーク間隔が１歩を表すため、そのピーク間隔の時間幅から歩調を求めるようになっている。

運動算出手段１１で、歩幅または歩幅率は、あらかじめ求められた歩幅または歩幅率と、３軸合成加速度の標準偏差と歩調との関係に基づいて求めるようになっている。この歩幅または歩幅率と３軸合成加速度の標準偏差と歩調との関係は、以下のようにして求めることができる。まず、３軸加速度センサを装着した様々な属性の歩行者の、歩行時の様子をビデオ撮影する。撮影されたビデオ映像から所定の区間の歩行距離、歩行時間、歩数を抽出し、歩行速度、歩調、歩幅を求める。また、３軸加速度センサの測定データから３軸合成加速度の標準偏差を求める。求められた歩調、歩幅、３軸合成加速度の標準偏差および歩行者の身長から、歩幅または歩幅率と、３軸合成加速度の標準偏差と歩調との関係を求める。

求められた歩幅率と３軸合成加速度の標準偏差と歩調とをグラフにプロットした例を、図４に示す。図４は、健常者（データ数ｎ＝７２）を対象に得られたものである。ここで、歩幅率Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ（％）および歩行速度Ｗ_Ｓ（ｍ／ｍｉｎ）が、３軸合成加速度の標準偏差Ａ_Ｃ（Ｇ^２）と歩調Ｃ_Ｅ（ｓｔｅｐ／ｍｉｎ）と身長Ｈ_Ｅ（ｍ）とをパラメータとして、次の（１）式および（２）式で近似できると仮定する（ａ_０，ａ_１，ａ_２；係数）。
Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝ａ_０×Ａ_Ｃ＋ａ_１×Ｃ_Ｅ＋ａ_２ （１）
Ｗ_Ｓ＝Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ×Ｈ_Ｅ×Ｃ_Ｅ （２）

図４のデータから、最小二乗法により（１）式の係数を求めると、ａ_０＝１３．９６５，ａ_１＝−０．１２８，ａ_２＝５１．３６１となり、歩幅率は次の（３）式で近似できることが明らかとなった。
Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝１３．９６５×Ａ_Ｃ−０．１２８×Ｃ_Ｅ＋５１．３６１ （３）

（３）式に示すように、歩幅率は、３軸合成加速度の標準偏差と歩調という、３軸加速度センサで取得できるデータのみを近似のパラメータに用いることで出力することができる。また、例えば、健常者という属性のあらたな運動者については、あらかじめ（３）式で歩幅率を求め、運動者に対し図２に示すように歩幅率を提示してもよいし、さらに消費エネルギー推定のパラメータに用いてもよい。また、より正確な近似を行うには、年齢、性別、ボディマス指数（ＢＭＩ）、運動レベルといった運動者の属性に基づいて、近似を行うことが望ましい。

なお、運動算出手段１１は、あらかじめ年齢、性別、運動レベルといった運動者１の属性ごとに求められた、歩幅率と３軸合成加速度の標準偏差と歩調との関係に基づいて、歩幅率と歩行速度とを求めるようになっていてもよい。このような関係を示す例を、図５（ａ）〜（ｆ）に示す。図５（ａ）〜（ｆ）に示す各関係から、それぞれ（１）式の係数を求め、（１）式および（２）式を利用することにより、運動者１の属性に応じて、正確に歩幅と歩行速度とを求めることができる。

図５（ａ）〜（ｆ）のそれぞれについて（１）式の係数を求めると、以下のようになった。
図５（ａ）：Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝１０．７６８×Ａ_Ｃ−０．１３０×Ｃ_Ｅ＋５４．４３８
（ｎ＝３８）
図５（ｂ）：Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝１０．０２８×Ａ_Ｃ−０．０７６×Ｃ_Ｅ＋４９．０５１
（ｎ＝３４）
図５（ｃ）：Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝１３．１５１×Ａ_Ｃ−０．２７１×Ｃ_Ｅ＋６９．１０５
（ｎ＝１０）
図５（ｄ）：Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝ ７．４８０×Ａ_Ｃ−０．１４７×Ｃ_Ｅ＋６０．２８９
（ｎ＝１８）
図５（ｅ）：Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝１１．９４９×Ａ_Ｃ−０．３０８×Ｃ_Ｅ＋７４．８５３
（ｎ＝１５）
図５（ｆ）：Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝１１．０７３×Ａ_Ｃ−０．１８７×Ｃ_Ｅ＋６３．４２３
（ｎ＝１５）
このように、運動者個人の属性を考慮して、歩幅率の近似式を適宜変更して使用してもよく、これにより、運動者１の属性に応じて、正確に歩幅率を求めることができる。

（１）式や（３）式の近似式が示す通り、歩幅率を近似する際に用いるパラメータである３軸合成加速度の標準偏差Ａ_Ｃおよび歩調Ｃ_Ｅはいずれも、３軸加速度センサでの計測データから得ることができるものである。また、これまで歩幅の正確な計測もしくは推定は、歩幅というパラメータの特性により困難であったが、本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置１０およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法によれば、（１）式や（３）式の近似式に示すように、非常に簡便な一次近似により歩幅を求めることができる。

［消費量算出手段１２によるエネルギー消費量の算出］
消費量算出手段１２は、歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係に基づいて、運動算出手段１１で求められた歩幅または歩幅率から、運動者１のエネルギー消費量を求めるようになっている。

歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係は、以下のようにして求めることができる。様々な歩行者に対して、一定の歩行速度において一定の様々な歩調で移動したときのエネルギー消費量を求める。エネルギー消費量は、呼気ガスの測定から求める。歩行速度を歩調で割ることにより歩幅を求めることができるため、これらのデータから、所定の歩行速度に対する歩幅とエネルギー消費量との関係を求める。なお、歩幅への身長の影響を小さくすることを目的に、歩幅の代わりに歩幅を身長で除して求められる歩幅率（歩幅／身長比）を用いてもよい。

２０代の男女１０名を対象とし、歩行速度が分速８０ｍのときの、歩幅率に対するエネルギー消費量をグラフにプロットした例を、図６（ａ）に示す。また、２０代の男性１名における、歩行速度が分速１００ｍのときの、歩幅率に対するエネルギー消費量をグラフにプロットした例を、図６（ｂ）に示す。図６（ａ）および（ｂ）に示すように、運動者１が歩行するとき、同じ歩行速度であっても、歩幅率（歩幅）が異なればエネルギー消費量が異なることがわかる。

歩行速度ごとに、歩幅率とエネルギー消費量との関係について、回帰分析を行う。当てはめる回帰式は、一次関数、二次関数、指数関数、対数関数、これらを複数組み合わせたものなど、いかなる式であってもよいが、ある歩幅率のときにエネルギー消費量が最小になるということを考慮して、下に凸になるような式であることが好ましい。図６（ａ）および（ｂ）に対し、回帰式として二次関数を用い、最小二乗法にて回帰分析を行った結果を、図中の実線および式で示す。

例えば、２０代の男女という属性に属するあらたな運動者のエネルギー消費量は、あらかじめ図６（ａ）に記載の近似式を有する消費量算出手段１２により求めることができる。この場合、２０代の男女という属性に属する運動者における、歩幅率の近似式を有する運動算出手段１１によって求められた歩幅率を、図６（ａ）に記載の近似式に代入してエネルギー消費量を推定することにより、３軸加速度センサで計測されるデータのみからエネルギー消費量を求めることができる。

また、図６に示すような分析を、できるだけ多くの歩行速度について行うことで、回帰分析結果から求められた、歩行速度と歩幅率とエネルギー消費量との関係を図７のように構築することができる。こうして、歩行速度ごとの歩幅率とエネルギー消費量との関係を求めることができる。

消費量算出手段１２は、運動算出手段１１で求められた歩幅率と歩行速度とから、図６または図７に示すような回帰分析から得られた、歩行速度と歩幅率とエネルギー消費量との関係を表す式に基づいて、エネルギー消費量を求めるようになっている。

なお、消費量算出手段１２は、あらかじめ年齢、性別、ボディマス指数（ＢＭＩ）、運動レベルといった運動者１の属性ごとに求められた、歩幅率とエネルギー消費量との関係に基づいて、エネルギー消費量を求めるようになっていてもよい。このような関係を示す例として、図８（ａ）および（ｂ）に、性別の違いによる歩幅率とエネルギー消費量との関係を示す。図８（ａ）および（ｂ）に示す回帰分析で得られた式を利用することにより、運動者１の属性に応じて、より高精度でエネルギー消費量を求めることができる。

［出力手段１３によるエネルギー消費量の出力］
図１に示すように、出力手段１３は、液晶画面から成り、消費量算出手段１２で算出されたエネルギー消費量や歩幅、歩幅率、歩行速度を、歩行時にリアルタイムで表示するようになっている。なお、出力手段１３は、プリンタやディスプレイなどの外部出力機器から成り、消費量算出手段１２で算出されたエネルギー消費量等を印刷したり、表示したりするようになっていてもよい。

このように、本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置１０およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法は、運動者１が歩行したときの歩幅または歩幅率から、運動者１の歩行時のエネルギー消費量を求めることができる。このことは、同じ歩行速度であっても、歩幅または歩幅率が異なればエネルギー消費量が異なることを考慮したものであり、本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置１０およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法は、歩幅または歩幅率を直接利用して、歩行時のエネルギー消費量を高精度で推定することができる。

本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置１０およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法は、比較的簡単な計算処理でエネルギー消費量を求めることができるため、歩行時にリアルタイムでエネルギー消費量等を出力することができる。このため、運動者１が歩行中にリアルタイムで参考にすることができ、生活習慣病予防などのための日常生活における運動レベルの形成に寄与することができる。本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置１０は、小型であり、携帯しやすい。本発明の実施の形態のエネルギー消費量呈示装置１０は、腰部装着型に限らず、腕時計式や首ぶら下げ式などであってもよい。また、３軸加速度センサが搭載されている携帯型活動量計やスマートフォン等に内蔵されてもよい。

なお、本発明に係るエネルギー消費量呈示装置およびエネルギー消費量呈示装置の作動方法と、特許文献２の歩行運動計測システムとを比較すると、以下のようになる。特許文献２では、運動時のエネルギー消費量として消費カロリーを、体重と歩幅と歩行ピッチ（歩調）の３つをパラメータとし、消費カロリー＝１÷２×体重×歩幅×歩行ピッチ÷４．２（４．２は熱の仕事当量）、とする式にて求めている。また、この計算に用いる歩幅および歩行ピッチは、実装される歩数計で計測した歩数をもとに、歩数を歩行時間で割ることで歩行ピッチを求め、次に身長、歩行ピッチおよび歩幅の関係から得られる１次回帰式により、歩幅を求めている。特許文献２で計算される消費カロリーは、歩行ピッチから計算される歩幅に、さらに歩行ピッチと体重を乗じる手法によって計算されるため、計測された歩数の正誤が、算出される消費カロリーに影響しやすく、誤差が大きくなり消費カロリーが過小または過大に算出される可能性がある。これに対し、本発明は、身長は歩幅に影響を与える要因であるとの観点から、身長を歩幅の補正のために使用する点で、誤差を小さくできるものとなっている。また、特許文献２では、運動時のエネルギー消費量と、歩幅や歩行ピッチとの関係が単調増加傾向であることに立脚してエネルギー消費量を求めている。これに対し、本発明は、図１および図８に示すように、歩幅と運動時のエネルギー消費量とは単調増加傾向の関係にあるものではなく、単調増加傾向に立脚した手法では正しい運動時のエネルギー消費量を算出できないことということに基づいて、より精度よくエネルギー消費量を算出するための手法を開示するものである。

１ 運動者
１０ エネルギー消費量呈示装置
１１ 運動算出手段
１２ 消費量算出手段
１３ 出力手段

Claims (10)

1. 運動者の歩行または走行による移動時のエネルギー消費量を推定して呈示するエネルギー消費量呈示装置であって、
   前記運動者の歩幅または、歩幅を身長で割った歩幅率と、前記運動者の移動速度とを求める運動算出手段と、
   あらかじめ移動速度ごとに求められた、歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係に基づいて、前記運動算出手段で求められた歩幅または歩幅率と、移動速度とから、前記運動者のエネルギー消費量を求める消費量算出手段と、
   前記消費量算出手段で算出されたエネルギー消費量を出力する出力手段とを有し、
   前記歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係は、歩幅または歩幅率を横軸に、エネルギー消費量を縦軸にしたグラフで、下に凸になる式であることを
   特徴とするエネルギー消費量呈示装置。
2. 前記運動算出手段は、前記運動者の移動時の３軸方向の加速度を測定する３軸加速度センサを有し、前記３軸加速度センサの測定データから３軸合成加速度の標準偏差と単位時間当たりの歩数とを求め、求められた前記３軸合成加速度の標準偏差と前記単位時間当たりの歩数とから、前記歩幅または前記歩幅率を求めることを特徴とする請求項１記載のエネルギー消費量呈示装置。
3. 前記運動算出手段は、求められた前記３軸合成加速度の標準偏差と前記単位時間当たりの歩数とから、歩幅Ｓ_Ｌと身長Ｈ_Ｅと３軸合成加速度の標準偏差Ａ_Ｃと単位時間当たりの歩数Ｃ_Ｅとの関係式
   Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝ａ_０×Ａ_Ｃ＋ａ_１×Ｃ_Ｅ＋ａ_２ （１）
   を用いて歩幅率Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅを求めるよう構成されており、
   前記（１）式は、係数ａ_０、ａ_１、ａ_２が、１以上の運動者において測定された歩幅率と３軸合成加速度の標準偏差と単位時間当たりの歩数とを用いて、歩幅率の測定値と（１）式により求められる歩幅率の計算値との誤差を最小化する統計学的処理によって決定された値を有していることを
   特徴とする請求項２記載のエネルギー消費量呈示装置。
4. 前記（１）式は、運動者の属性ごとに前記係数ａ_０、ａ_１、ａ_２が決定されており、
   前記運動算出手段は、前記運動者の属性に対応する前記（１）式を用いて、前記歩幅率を求めることを
   特徴とする請求項３記載のエネルギー消費量呈示装置。
5. 前記統計学的処理は最小二乗法またはカーブフィッティング法であることを特徴とする請求項３または４記載のエネルギー消費量呈示装置。
6. 運動者の歩行または走行による移動時のエネルギー消費量を推定して呈示するエネルギー消費量呈示装置の作動方法であって、
   前記運動者の歩幅または、歩幅を身長で割った歩幅率と、前記運動者の移動速度とを求める運動算出工程と、
   あらかじめ移動速度ごとに求められた、歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係に基づいて、前記運動算出工程で求められた歩幅または歩幅率と、移動速度とから、前記運動者のエネルギー消費量を求める消費量算出工程とを有し、
   前記歩幅または歩幅率とエネルギー消費量との関係は、歩幅または歩幅率を横軸に、エネルギー消費量を縦軸にしたグラフで、下に凸になる式であることを
   特徴とするエネルギー消費量呈示装置の作動方法。
7. 前記運動算出工程は、前記運動者の移動時の３軸方向の加速度を測定するよう前記運動者に装着された３軸加速度センサの測定データから、３軸合成加速度の標準偏差と単位時間当たりの歩数とを求め、求められた前記３軸合成加速度の標準偏差と前記単位時間当たりの歩数とから、前記歩幅または前記歩幅率を求めることを特徴とする請求項６記載のエネルギー消費量呈示装置の作動方法。
8. 歩幅Ｓ_Ｌと身長Ｈ_Ｅと３軸合成加速度の標準偏差Ａ_Ｃと単位時間当たりの歩数Ｃ_Ｅとの関係式
   Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅ＝ａ_０×Ａ_Ｃ＋ａ_１×Ｃ_Ｅ＋ａ_２ （１）
   について、１以上の運動者において測定された歩幅率と３軸合成加速度の標準偏差と単位時間当たりの歩数とを用いて、歩幅率の測定値と（１）式により求められる歩幅率の計算値との誤差を最小化する統計学的処理によって、係数ａ_０、ａ_１、ａ_２をあらかじめ決定しておく関係式決定工程を有し、
   前記運動算出工程は、求められた前記３軸合成加速度の標準偏差と前記単位時間当たりの歩数とから、前記（１）式を用いて歩幅率Ｓ_Ｌ／Ｈ_Ｅを求めることを
   特徴とする請求項７記載のエネルギー消費量呈示装置の作動方法。
9. 前記関係式決定工程は、運動者の属性ごとに前記（１）式の係数ａ_０、ａ_１、ａ_２を決定しておき、
   前記運動算出工程は、前記運動者の属性に対応する前記（１）式を用いて、前記歩幅率を求めることを
   特徴とする請求項８記載のエネルギー消費量呈示装置の作動方法。
10. 前記統計学的処理は最小二乗法またはカーブフィッティング法であることを特徴とする請求項８または９記載のエネルギー消費量呈示装置の作動方法。