JP6312846B2 - サイクリングケイデンスを測定するデバイス - Google Patents

Description

本発明は、サイクリングケイデンスを測定するデバイス、サイクリングケイデンスを測定するデバイスを作動させる方法及びサイクリングケイデンスコンピュータプログラムに関する。

現在、自転車運転者がペダルをこぐ速度、即ち、サイクリングケイデンスは、クランクが接近して通過したときに変動する磁場を測定するセンサをフレーム上に有する当該クランク上のマグネットのように、自転車に取り付けられる必要のあるデバイスによって測定されている。

国際特許公開公報ＷＯ２０１２／０１９６５４Ａ１は、クランクケイデンス及び自転車速度を決定するセンサ装置を開示している。センサ装置は、第１及び第２の垂直測定軸を有し、これらの２つの測定軸に依存して第１及び第２の信号を提供可能である加速度計を有するハウジングと、ワイヤレス送信器と、電源とを含む。ハウジングは、ハウジングを自転車の車輪に取り付ける取付け手段を含む。センサ装置は更に、第１の信号に連続した極性変化が生じる割合から、又は、第１の信号に連続した正及び負の極値が生じる割合からケイデンスを決定する第１の手段と、第２の信号に連続した最大及び最小極値が生じる割合から速度を決定する第２の手段とを含む。

欧州特許第１９９２３８９Ａ１は、加速度計と、角変位を検知するジャイロセンサと、位置及び速度を検知するＧＰＳユニットと、進行方向を検知する磁気探知器と、心拍数モニタと、データを操作し、心拍数、速度及び他のスポーツパラメータの表示を提供するようにプログラムされるコントローラとを含む、スポーツをモニタリングするためのデータロガーを開示している。データは、コーチによる使用のために、記憶されても、リモートコンピュータに送信されてもよい。デバイスは、各種のフットボール（サッカー）、陸上競技、水泳、ウィンタースポーツ及びサイクリングにおいて有用である。

ケイデンスを測定するために自転車に取り付けられるデバイスの欠点は、当該デバイスは、１つの自転車にしか作用しない点である。ほとんどのスポーツサイクリストは、２台以上の自転車を所有しているので、各自転車について、ケイデンス測定デバイスを購入し、取り付ける必要がある。更に、自転車にケイデンスメータを取り付けることは、厄介である。

本発明は、従来技術の欠点を解決するサイクリングケイデンスを測定するデバイス、サイクリングケイデンスを測定するデバイスを作動させる方法及びサイクリングケイデンスコンピュータプログラムを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様では、サイクリングケイデンスを測定するデバイスが提供される。デバイスは、当該デバイスの移動を検出し、移動に対応する動き信号を生成する動きセンサを含む。デバイスは更に、動き信号に基づいて、動きベースのケイデンスを決定するケイデンス決定ユニットを含む。デバイスは更に、デバイスを手首又は腕に取り付ける取付けユニットを含む。

上記欠点に対する解決策は、ケイデンスを、手首又は腕において測定することである。手首又は腕着用型デバイスは、自転車に取り付けられていないため、可動性が向上される。デバイスの手首又は腕への取付けは、取付けユニットを用いて行われる。取付けユニットは、例えばブレスレットを含む。しかし、デバイスは、腕時計に内蔵されていてもよい。したがって、サイクリストの手首又は腕に、腕時計ストラップによって取り付けられる。サイクリストが、時間的に変化する力を自転車のペダルに加えると、この力は、駆動方向における小さい時間変化加速度をもたらす。この時間変化加速度は、デバイスによって測定される。しかし、本発明は、屋外用自転車を駆動しながらのトレーニングに限定されない。即ち、屋内でのサイクリングの場合、順方向における加速度は存在しないが、小さい回転が優勢である。実際に、エルゴメータに乗って運動をしている人の手首又は腕に取り付けられているデバイスは、ペダルが回転するにつれて、少し回転する。したがって、重力を受ける加速度計では、これらの回転は、重力ベクトルの向きにおける小さい変化として測定可能である。デバイス内の例えば加速度計といった動きセンサは、ケイデンスに対応する腕又は手首の僅かな移動を捉える。検出されたこれらの僅かな移動に基づいて、動きセンサは、動き信号を生成する。動き信号は、例えば加速度の時間依存測定値に対応する。別の実施形態では、動き信号は、例えば旋回の時間依存測定値に対応する。以下により詳細に説明されるように、動き信号は、ケイデンス決定ユニットに供給される。ケイデンス決定ユニットは、動き信号を処理して、動きケイデンス、即ち、ケイデンスの近似値を計算する。この近似は、動き信号に基づいている。

本発明の一実施形態では、ケイデンス決定ユニットは、動き信号の周波数を使用することによって、動きベースのケイデンスを決定する。周波数ベースの技術の一例は、短期フーリエスペクトルに関連する。動き信号からケイデンスを決定するために、時間領域ではなく周波数領域を使用することは、周波数ベースの方法が、非周期的な動きに対してよりロバストであるという利点を有する。このような非周期的な動きは、例えば粗面上をサイクリングすることによって、又は、飲料水ボトルから飲む若しくはギアをシフトするといった腕又は手首の偶発的な移動によって引き起こされる。当業者には、周波数領域方法が、非周期的ノイズの存在下で周期的信号成分（即ち、ケイデンス）を十分に検出可能であることは知られている。

更なる実施形態では、ケイデンス決定ユニットは、動きベースのケイデンスを決定する前に、動き信号を低域通過フィルタリングする１つ以上の低域通過フィルタユニットを含む。道路面が粗い場合、（例えば加速度計といった）動きセンサは、相当な量のノイズを測定する。ノイズは、ケイデンスに関連する周期的信号成分を隠してしまう。この問題に対処する１つの可能性は、動き信号に、低域通過フィルタリングを適用することである。粗い道路面に起因するひずみは、主に高周波数（例えば２．５Ｈｚを上回る）にあり、非常に大きいため、低域通過フィルタリングは、凸凹の道路面から生じるノイズを十分に抑制することができる。好適には、動き信号は、低域通過フィルタリングに供給される前に分類される。即ち、動き信号の高周波成分が使用されて、活動のタイプ（例えばサイクリング又は歩行）が分類される。したがって、ケイデンス決定ユニットは、ケイデンスを決定するために異なるアルゴリズムを使用するか、又は、ケイデンスを決定することさえも控えてもよい（例えばケイデンスを決定することに意味がない場合、例えばユーザがオートバイ又はエスカレータに乗っている場合）。

更なる実施形態では、デバイスは更に、光学センサを含む。好適には、光学センサは、光源が皮膚に光を当てるように構成される。その後、反射、屈折及び／又は散乱された光が、光源から特定の距離において、例えば光ダイオードといった光検出器によって測定される。このような光学センサの例は、反射ｐｐｇ（フォトプレチスモグラフィ）を使用して、心拍数若しくはＳ_ｐＯ_２（パルスオキシメータ酸素飽和度）を測定するために通常使用されるセンサ、又は、レーザスペックルセンサである。光学センサは、動きセンサに内蔵されて、皮膚に対するデバイスの移動又は傾斜を測定する。特にデバイスの着用者が、ケイデンスと共に腕を動かし、デバイスが、腕／手首の周りに完全にぴったりと固定されていない場合、この移動／傾斜がケイデンスを示す。更に、動きセンサに加えて光学センサを提供することによって、また、光学センサを他の量（例えば心拍数）を決定するために使用することによって、サイクリング活動のより徹底的なモニタリングが可能である。

更なる実施形態では、光学センサは、光学信号を生成する。ケイデンス決定ユニットは、当該光学信号を受信する。ケイデンス決定ユニットは更に、光学信号のみに基づいて、光学信号ベースのケイデンスを決定するか、及び／又は、光学信号と動き信号との組み合わせに基づいて、組み合わされた光学信号−動きベースのケイデンスを決定する。

更なる実施形態では、ケイデンス決定ユニットは、心拍数信号を受信する。好適には、ケイデンス決定ユニットは更に、心拍数信号のみに基づいて、心拍数ベースのケイデンスを決定するか、及び／又は、ケイデンス決定ユニットは、心拍数信号と動き信号との組み合わせに基づいて、組み合わされた心拍数−動きベースのケイデンスを決定する。

更なる実施形態では、デバイスは、心拍数を測定し、心拍数に対応する心拍数信号を生成するセンサを含む。心拍数及びサイクリングケイデンスの両方を測定することは、心拍数とサイクリングケイデンスとが互いに容易に関連付け可能であるという利点を有する。これは、活動後に、両方のデータを比較することを望むサイクリストにとっては有用である。この場合、活動後に、２つのモニタリングデバイス（即ち、ケイデンスモニタと心拍数モニタ）を手動で同期させる必要がない。

更なる実施形態では、ケイデンス決定ユニットは、動き信号に基づいて、動きベースのケイデンスを決定するサイクリングケイデンスアルゴリズムユニットを含む。好適には、サイクリングケイデンスアルゴリズムユニットは、最初に、高周波ひずみを除去するために、信号を低域通過フィルタリングするアルゴリズムを使用する。次に、サイクリングケイデンスアルゴリズムユニットは、所与の時間間隔について、ｘ、ｙ及びｚ成分それぞれの平均値を求めることによって、重力の方向を計算する。次に、サイクリングケイデンスアルゴリズムユニットは、重力のＤＣ成分を排除しつつ、加速度の変化だけを観察するために、信号を高域通過フィルタリングする。最終的に、サイクリングケイデンスアルゴリズムユニットは、このように得られた信号を、駆動方向における時間変化加速度を表す１つの信号にまとめる。この信号は、オーバラップする信号セグメントの短期パワースペクトル密度（スぺクトログラム）が計算される。スペクトログラムにおけるピークが解析され、ケイデンスが決定される。このようなアルゴリズムを使用することによって、粗い道路の状況下でもケイデンスを依然として検出するために、信号及び信号処理のスマート組み合わせが実現される。

更なる実施形態では、動きセンサは、加速度計を含む。加速度計は、本発明における動きセンサの１つの可能な例である。今日では、小型デジタル加速度計が、手頃な値段で入手可能である。したがって、腕時計型デバイス内への加速度計の組み込みがより可能となっている。サイクリングケイデンスアルゴリズムユニットは更に、水平加速度成分を決定する。加速度計信号から水平加速度成分を選択することは、ひずみが垂直方向において最も優勢であるため、有利である。

更なる実施形態では、動きセンサは、ジャイロスコープ信号を生成するジャイロスコープを含む。特に、自転車に乗る人が、ケイデンスと共に腕の向きを変えるサイクリングスタイルでは、ケイデンスを導出するために、１つ以上のジャイロスコープが使用される。上記されたように、屋内サイクリングの場合、「駆動」方向における加速度は存在しないが、小さい回転が優勢である。実際に、エルゴメータに乗って運動をしている人の手首又は腕に取り付けられているデバイスは、ペダルが回転するにつれて、少し回転する。したがって、重力を受ける加速度計では、これらの回転は、重力ベクトルの向きにおける小さい変化として測定可能である。この回転は、ジャイロスコープによって決定される。

更なる実施形態では、動きセンサは更に、加速度計信号を生成する加速度計を含む。好適には、動き信号は、ジャイロスコープ信号及び加速度計信号を含む。好適には、ケイデンス決定ユニットは更に、ジャイロスコープ信号のみに基づいて、加速度計信号のみに基づいて、及び／又は、ジャイロスコープ信号及び加速度計信号の組み合わせに基づいて、動きベースのケイデンスを決定する。加速度計信号をジャイロスコープ信号と組み合わせることは、ケイデンスを導出するための信号全体を向上させる。即ち、レース用自転車を駆動する場合、当該自転車に乗る人は、ペダルに力を加えるときに、片側に少し傾く。したがって、デバイスは、サイクリストが片側に傾くことによって、その向きが変わり、更に、デバイスは、ペダルに加えられた力による加速度（例えば駆動方向における加速度）も検出する。両方の移動に関するセンサ情報を相関させることは、測定誤差に対しよりロバストである向上された信号につながる。

更なる実施形態では、デバイスは更に、１つ以上の環境パラメータを測定する環境測定ユニットを含む。更なる実施形態では、デバイスは更に、１つ以上の生理学的パラメータを測定する生理学測定ユニットを含む。このような環境パラメータ及び／又は生理学的パラメータの直接測定は、追加のモニタデバイスの必要を取り除くだけでなく、後からの同期が不要であるため、有用性も向上させる。更に、１つのデバイスだけがあることにより、よりコンパクトで、また、同時に、ユーザにとって関心のある多くのパラメータを測定できる構成が提供される。

更なる実施形態では、デバイスは、１つ以上の環境パラメータ及び／又は１つ以上の生理学的パラメータを測定する他の測定ユニットからの入力を受信する受信ユニットを含む。これらの他の測定ユニットは、自転車に設置されても、及び／又は、他のユーザが着用してもよい。例えばサイクリストから構成されるスポーツチームの各メンバーが、本発明によるデバイスを着用してもよい。個々のデバイスは、例えば道路面に起因するノイズに関する情報を交換することによって、互いに相互較正してもよい。また、所与のユーザについて、（例えば心拍数、ケイデンス等における）顕著な逸脱を検出したデバイスが、このことを、他のデバイスに通知し、これにより、各着用者に逸脱状態について警告される。したがって、個々の健康状態をモニタリングすることにより、安全性が高められる。

更なる実施形態では、１つ以上の環境パラメータは、高さ、温度、光強度、全地球測位、湿度、風及び／又は時間を含む。環境状態の全体像を有することは、例えばサイクリストの気分が悪くないかどうか、又は、トレーニングの結果が芳しくないのは、天候条件が良くないことによるのかどうかを分類するのに役立つ。更に、ユーザは、サイクリングした地図を記録し、自身の位置を、達成したサイクリングケイデンス又は他のパラメータに相関させてもよい。

更なる実施形態では、１つ以上の生理学的パラメータは、心拍数、血圧、心拍数の変動性、呼吸速度、皮膚コンダクタンス、皮膚温度、中核体温及び／又はＳ_ｐＯ_２（パルスオキシメータ酸素飽和度）を含む。生理学的状態の全体像を有することは、トレーニングをサイクリストの身体状態に個別に適応させるために使用される。例えばサイクリストは、自身の心拍数等を記録し、自身の生理学的パラメータをサイクリングケイデンスに相関させる。なお、Ｓ_ｐＯ_２センサは、腕又は手首着用型デバイスに組み込まれるのに適している。

更なる実施形態では、デバイスは更に、動き信号に基づいて、道路面の凸凹を決定する道路面モニタユニットを含む。道路における隆起、凸凹の舗道、スピードバンプ等は、センサ信号にノイズを与える。即ち、これらは、ケイデンスを導出し難くする。しかし、他方で、ノイズの多いセンサ信号は、道路の凸凹を決定するために使用される。即ち、ノイズ自体が、道路の凸凹に関する情報を与える。例えばマウンテンバイクに乗る人が、森の中で実際にトレーニングのどの部分を過ごしたのか、また、森に着いてそこから出るのにどれくらい時間がかかったのかを知りたいと思う場合がある。サイクリストが、走行中に速度を記録していたならば、速度の解釈をより意味のあるものにする。アスファルト上では、ケイデンスは、生の動き信号に顕著に存在するが、凸凹の舗道では、高周波成分が、生の動き信号にひずみをもたらす。したがって、腕又は手首着用型デバイスは、道路の凸凹を決定する（また好適には表示する）ように作られてよい。

更なる実施形態では、デバイスは更に、デバイス上でリアルタイムにサイクリングケイデンスを表示するディスプレイユニットを含む。この実施形態は、ユーザが、必要に応じて、自分自身の活動をほぼ常にモニタリングできるという更なる利点を含む。即ち、ディスプレイユニットのないデバイスでは、通常、後から読み出す必要があり、したがって、サイクリストは、サイクリング中の例えばサイクリングケイデンスといったトレーニングパラメータについて分からない。サイクリストに、これらのパラメータについて、例えば音によって知らせることは十分ではない。これは、道路上には、例えば通過する車から、又は、レース中であれば、観客からの音といった多くの音があり、サイクリストへのデータの正しい送信が損なわれる可能性があるからである。

更なる実施形態では、デバイスは更に、測定されたケイデンスを、サイクリングケイデンスを測定する別のデバイスに送信する送信ユニットを含む。ケイデンスを、サイクリングケイデンスを測定する別のデバイスに通信することは、トレーニングにおいて及び／又はレース中に一緒にこいでいるスポーツチームを調整するのに役立つ。

更なる実施形態では、デバイスは更に、サイクリングケイデンスデータを記憶する記憶ユニットを含む。記憶ユニットは、（例えば磁気テープ及び／又はハードディスクドライブといった）磁気記憶装置、（例えば磁気光学ドライブ及び／又は光学ディスクといった）光学記憶装置、及び／又は、（例えばＵＳＢフラッシュドライブ及び／又は固体ドライブといった）電気記憶装置を含んでよい。記憶ユニットを使用することによって、例えばデバイス自体上では計算能力が多く必要となり過ぎるより精巧なアルゴリズムによって、活動後のトレーニングデータの解析が容易になる。サイクリングケイデンスデータは、ケイデンスを、デバイスによってオン・ザ・フライで決定される時間又は平均値の関数として含む。サイクリングケイデンスデータは更に、個々の動き信号、心拍数信号、他の生理学的パラメータ及び／又は環境パラメータ等を含んでいてもよい。

更なる実施形態では、デバイスは更に、活動及び／又はエネルギー消費量を計算するために入力を供給する入力供給ユニットを含む。入力供給ユニットは、例えばサイクリングケイデンスアルゴリズムのアップデート及び／又は別のデバイスを用いて記録されたケイデンスデータ等を通信するための無線又は有線インターフェースを含む。したがって、デバイスは、（他のデバイスからのデータをインストールする可能性を提供することによって）後方互換性があるように準備され、及び／又は、（例えばサイクリングケイデンスアルゴリズムの最新バージョンをインストールすることによって）最新に維持される。

更なる実施形態では、デバイスは更に、動き信号からケイデンスが導出できない場合に、デバイスがケイデンスを導出不可であることを示すノイズインジケータユニットを含む。ノイズインジケータユニットは、デバイスがケイデンスを導出不可であることを、例えば音信号によって及び／又はデバイスのディスプレイ上又はデバイス上の照明要素（例えばＬＥＤ）を介して視覚信号によって示す。動き信号からケイデンスを導出できないという状況は、例えば道路における隆起によるノイズが強すぎて、サイクリングケイデンスを導出するための意味のある信号を生成できないという非常に凸凹の多い道路を含む。デバイスがケイデンスを導出不可であることを示すことによって、サイクリストが、サイクリングケイデンスの結果を得ることを期待して、数秒毎にデバイスをチェックしなくて済むようにする。デバイスがケイデンスを導出不可であることを示すことは更に、ケイデンス決定ユニットによる過剰の電力消費を回避するのにも役立つ。このような過剰の電力消費は、動き信号が、ケイデンスアルゴリズムを、多数の回数、適用した後でも、多くのノイズを含み、ケイデンス決定ユニットが、サイクリングケイデンスの意味のある値を依然として導出できない場合に生じる。

本発明の第２の態様では、サイクリングケイデンスを測定するデバイスを作動させる方法が提供される。当該方法は、デバイスを手首又は腕に取り付けるステップと、デバイスの移動を検出するステップと、移動に対応する動き信号を生成するステップと、動き信号に基づいて、動きベースのケイデンスを決定するステップとを含む。

本発明の第３の態様では、サイクリングケイデンスコンピュータプログラムが提供される。当該サイクリングケイデンスコンピュータプログラムは、本発明の第１の態様によるサイクリングケイデンスを測定するデバイスを制御するコンピュータ上で実行されると、本発明の第２の態様による作動方法のステップを、サイクリングケイデンスを測定する上記デバイスに行わせるプログラムコード手段を含む。

本発明の第４の態様によれば、サイクリングケイデンス解析コンピュータプログラムが提供される。当該サイクリングケイデンス解析コンピュータプログラムは、コンピュータに、１つ以上の動き信号に基づいて、動きベースのケイデンスを決定させるプログラムコード手段を含み、１つ以上の動き信号は、動きセンサの移動を示し、動きセンサは、当該移動に応えて１つ以上の動き信号を生成する。動きセンサは、移動中、ユーザの手首又は腕に取り付けられる。

請求項１のサイクリングケイデンスを測定するデバイス、請求項１４の作動方法、及び、請求項１５のサイクリングケイデンスコンピュータプログラムは、従属請求項に定義される実施形態と同様及び／又は同一の実施形態を有すると理解すべきである。

図１は、スポーツバイクに乗っているユーザによって着用されているサイクリングケイデンスを測定するデバイスの一実施形態を概略的及び例示的に示す。 図２は、スポーツウォッチに組み込まれた加速度計の基準軸の例を概略的及び例示的に示す。 図３は、ケイデンス決定ユニットの一実施形態を概略的及び例示的に示す。 図４は、駆動方向における帯域通過フィルタリングされた加速度のスペクトログラムの一例を概略的及び例示的に示す。 図５は、サイクリングケイデンスを測定するデバイスを作動させる方法の一実施形態を概略的及び例示的に示す。

本発明は、サイクリングケイデンスを測定するデバイス、サイクリングケイデンスを測定するデバイスを作動させる方法及びサイクリングケイデンスコンピュータプログラムに関する。デバイスは、デバイスの移動を検出し、移動に対応する動き信号を生成する（例えば加速度計といった）動きセンサと、動き信号に基づいて、サイクリングケイデンスを決定するケイデンス決定ユニットとを含む。デバイスは、サイクリストの腕又は手首に着用されてよい。デバイス内の動きセンサは、ケイデンスに対応する腕又は手首の僅かな移動を捉えることができる。任意選択的に、ノイズの多い信号からケイデンスを導出することができるアルゴリズムが適用される。本発明のこれらの及び他の態様は、以下に説明される実施形態から明らかとなり、また、それらを参照して説明される。

図１は、ケイデンスを測定する腕時計型デバイス１００を着用している、スポーツバイクに乗ったユーザの一例を示す。本発明では、このような腕時計型（又は他の手首若しくは腕着用型）デバイスが、サイクリングケイデンスを導出できるように作られる。デバイス１００は、一般にデバイス１００をユーザの腕又は手首１１０に取り付けるのに適しているアームバンド又はアームストラップ１２０を含む。

図２に示されるように、３Ｄ加速度計が、腕時計型（又は他の手首若しくは腕着用型）デバイス１００に組み込まれてもよい。図２は、スポーツウォッチに組み込まれた加速度計の基準軸の例を示す。各軸方向の動き信号ｘ、ｙ及びｚは、ケイデンス決定ユニット（以下に説明される）に通信される。

デバイス１００を着用している人が、ハンドルバーを持ちながらサイクリングしている場合、デバイス１００は、重力、並進力及び回転力といった幾つかの力を受ける。このことは、以下に更に説明される。

人が、時間的に変化する力をペダルに加えると、この力は、例えば駆動方向における小さい時間変化加速度をもたらす。駆動方向における時間変化加速度、したがって、並進力は、デバイス１００によって測定される。サイクリングのスタイルに応じて、自転車は更に、ペダルが回転するにつれて、左から右に、また、後ろに少し揺れる。左から右（及び後ろ）へのこの並進力は、駆動方向に垂直な水平方向における小さい時間変化加速度をもたらす。

屋内サイクリング（エルゴメータ）の場合、駆動方向又は左から右（及び後ろ）への並進力は、実質的には存在しない。この場合、小さい回転力が優勢である。エルゴメータに乗って運動をしている人の手首又は腕１１０に（取付けユニット１２０によって）取り付けられているデバイス１００は、ペダルが回転するにつれて、少し回転することが観察される。これらの回転の回転軸及び詳細な形状は、状況に応じて様々でありうるが、ある種の回転が常に観察される。重力を受ける加速度計では、これらの回転は、重力ベクトルの向きにおける小さい変化として測定可能である。

したがって、サイクリング中の人のケイデンス又はペダル周波数は、加速度計信号において、周期信号として観察可能である。周期性は、何らかの適切な方法で測定でき、ケイデンスを決定するために使用される。ケイデンスは、例えば毎分の回転数（ｒｐｍ）で表現される。

屋外でサイクリングする場合は、追加の問題が生じる。即ち、道路面が粗い場合、加速度計は、相当な量のノイズを測定し、これは、ケイデンスに関連する周期的信号成分を簡単に隠してしまう。ノイズは、例えば道路面にある隆起、小石又は他の平らでない構造に起因する。したがって、このような状況下でもケイデンスを依然として検出するために、信号及び信号処理のスマートな組み合わせが必要である。ここでは、３つの技術に言及する。これらの技術は、本発明によるケイデンス測定デバイスの１つ以上の実施形態の一部であってよい。

第１の技術は、加速度信号の低域通過フィルタリングに関する。粗い道路面に起因するひずみは、主に高周波数にあり、非常に大きいため、適切な低域通過フィルタリングが適用されなければならない。サイクリングケイデンスは、通常、毎分１５０回転（２．５Ｈｚのペダル周波数に対応する）を越えることはないため、１つの可能性は、２．５Ｈｚを上回る全ての周波数を除去することである。更に、アナログフロントエンドが、エイリアシングを阻止するという要件を満たすように注意する必要がある。つまり、様々な信号が区別できなくなることを回避するために、適切なサンプル周波数を選択することが有利である。即ち、ケイデンス信号のかなり高頻度の高調波と、振動からのかなり高頻度のノイズは、加速度信号の一部である。

第２の技術は、加速度計信号から水平加速度成分を選択することに関する。これは、凸凹の道路面から来るひずみは、垂直方向において最も優勢であるため、有利である。例えば小石又は穴は、自転車の垂直方向における小さい移動につながる。この移動は、通常、ペダル周波数に関連していない。重力の方向は、ある時間間隔に及ぶ平均加速度方向から既知であるため、水平及び垂直加速度は、座標系の適切な回転によって分離される。更に、サイクリストの腕は、少なくとも、駆動方向を略指し示していると想定される。したがって、腕が指し示している方向（図２におけるｙ方向）を、水平面上に投影することによって、駆動方向における水平加速度が得られる。

第３の技術は、短期フーリエスペクトル（スぺクトログラム）といった周期性を測定する周波数領域技術に関する。

図３に、ケイデンス決定ユニット３００の一実施形態が示される。動き信号ｘ、ｙ及びｚは、低域通過フィルタユニット３１０によって低域通過フィルタリングされて、（例えば平坦ではない道路面から生じる）高周波数のひずみが除去される。重力の方向は、好適には、オプションの重力ベクトル計算ユニット３１５によって計算される。当該ユニットは、所与の時間間隔について、ｘ、ｙ及びｚ成分それぞれの平均値を求める。次に、信号は、オプションの高域通過フィルタユニット３２０によって任意選択的に高域通過フィルタリングされて、重力の直流（ＤＣ）成分を排除しつつ、加速度の変化だけが観察される。これは、重力は変化せず、したがって、最大でも非常に低い周波数を有するからである。本明細書において説明される実施形態は、通常、約３０ｒｐｍを上回る周波数範囲における非常に小さい周期信号を探す。比較的大きいＤＣ成分を除去することは、通常、この検出処理を向上させる。周波数解析技術は、この大きいＤＣという条件が除去されることを好む。次に、オプションの信号合成器ユニット３３０を使用して、フィルタリングされた信号成分が、駆動方向における時間変化加速度を表す単一の信号にまとめられる。この信号は、スペクトログラム計算ユニット３４０に供給され、当該ユニット３４０において、当該信号は、オーバラップする信号セグメントの短期パワースペクトル密度（スぺクトログラム）が計算される。スペクトログラムにおけるピークが、サイクリングケイデンスアルゴリズムユニット３５０によって解析されて、ケイデンスが決定される。最後のステップは、スペクトログラムにおけるピーク追跡を含む。これは、（１）（例えば極大を探すアルゴリズムによって）ピーク位置を特定し、（２）見つけられたピーク位置を、ケイデンスに関連付けること（図４を参照）によって行われる。

図４に、駆動方向における帯域通過フィルタリングされた加速度の結果として得られるスペクトログラム４００の一例が示される。軸４１０は、時間軸（この例では、時間は、秒単位で示される）に対応し、軸４２０は、駆動方向における測定された帯域通過フィルタリングされた加速度に対応する。（軸４１０に沿った）各時間スライスについて、帯域通過フィルタリングされた信号における周波数成分が決定される。したがって、軸４２０は、ｒｐｍの単位で周波数を示す。ケイデンス自体及びその第２高調波は共に、スペクトログラムにおけるトレース（即ち、強調された帯状構造）として明確に視認できる。ピーク選択アルゴリズムが、スペクトログラムを解析し、基本周波数を決定し、ケイデンスが明らかになる。即ち、本実施形態では、基本周波数は、ケイデンスに等しい。水平方向の破線は、１００及び２００ｒｐｍにある。したがって、この例では、ケイデンスは１００ｒｐｍである。ここでは、１０００秒前の約５０秒の間隔及び１５００秒後の別の間隔において、トレースが全く見られない。これらの間隔は、例えばサイクリストがペダルをこいでいない時間、又は、サイクリストが（例えば依然としてペダルをこぎながら、飲料用ボトル又はキャンディバーを取るときに）ハンドルバーから手を放してペダルをこいでいる時間に対応する。

特に、自転車に乗る人が、ケイデンスと共に腕の向きを変えるサイクリングスタイルでは、ケイデンスを導出するために、１つ以上のジャイロスコープが使用されてもよい。この場合、ケイデンスは、１つ以上のジャイロスコープによって測定される向きの変化から導出される。好適には、加速度計信号は、ジャイロスコープ信号と組み合わされ、ケイデンスを導出するための向上された信号が得られる。

加速度計信号は、加速度計信号を、光学センサの信号と組み合わせることによって更に向上される。光学センサでは、光源が皮膚に光を当て、反射、屈折及び／又は散乱された光が、光源から特定の距離において、例えば光ダイオードである光検出器によって測定される。このような光学センサの例は、反射フォトプレチスモグラフィを使用して、心拍数若しくはＳ_ｐＯ_２（パルスオキシメータ酸素飽和度）を測定するために通常使用されるセンサ、又は、レーザスペックルセンサである。光学センサは、例えば皮膚に対するデバイスの移動又は傾斜を測定する。例えばデバイスの着用者が、ケイデンスと共に腕を動かし、デバイスが、腕／手首の周りに完全にぴったりと固定されていない場合、この移動／傾斜がケイデンスを示す。このような光学センサを使用して測定される第２の成分は、皮膚内及び場合によっては皮膚のすぐ下の血液量の変化である。心臓のポンプ作用によって生じる血流を除き、腕／手首における皮膚内及び皮膚のすぐ下の血液量は更に、筋肉及び腱の張力、腕の方向、及び、腕の動き（腕の動きは、血液のいわゆる「スロッシング」をもたらす）にも依存する。これらはすべて、サイクリングケイデンスと同じ周波数で変化する可能性がある。皮膚及び血液によって、様々な波長が吸収され、異なって散乱されるので、様々な波長の信号は（１つの波長だけを使用するのではなく）組み合わされることが好適である。更に、光検出器と光源との間の様々な距離が選択されてよい。ケイデンスを得るために、光学信号を、加速度計信号と組み合わせて使用することに加えて、光学信号は、ケイデンスを導出するために単独で使用されてもよい。更に別の実施形態では、光学信号は、ジャイロスコープと組み合わせて使用されてもよい。好適には、光学信号は更に、着用者の心拍数を導出するためにも使用される。

一実施形態では、加速度計を含む現在の腕時計又はブレスレットのハードウェアが使用され、上記されたようなアルゴリズムが追加されて、デバイス内の当該加速度計からケイデンスが導出される。任意選択的に、アルゴリズムは、光学信号を使用して、加速度計信号からのアーチファクトが更に低減される。好適には、ケイデンスは、ディスプレイ上にリアルタイムで表示される。心拍数、エネルギー消費量、時間及び場合によっては、他の生理学的若しくは環境的信号も、ディスプレイ上に（別のビューにおいて又は同じビューにおいて）表示されてもよい。データは、デバイスに記憶されてよい。データは、別のデバイスに送信されてもよい。

例えば非常に凸凹している道路に起因する信号ノイズは、ケイデンスを導出するのが極めて不可能となるほど強い場合がある。この場合、ディスプレイは、ケイデンスを表す数を表示するのではなく、デバイスがケイデンスを導出できないことを示してもよい。

道路における隆起、凸凹の舗道、スピードバンプ等は、センサ信号にノイズを与える。即ち、これらは、ケイデンスを導出し難くする。しかし、上記アルゴリズムは、ほとんどの場合、ケイデンスを導出することを依然として可能にする。しかし、凸凹の道路面からのノイズを抑制するように上記される論理は、逆に適用されてもよいことに留意されたい。つまり、ノイズ自体が、道路が凸凹していることを示す情報を与える。道路の構造は、幾つかの状況下において、興味深い場合がある。例えばマウンテンバイクに乗る人が、森の中で実際にトレーニングのどの部分を過ごしたのか、また、森に着いてそこから出るのにどれくらい時間がかかったのかを知りたいと思う場合がある。その人が、走行中に速度を記録していたならば、速度の解釈をより意味のあるものにする。アスファルト上では、ケイデンスは、生の加速度計信号に顕著に存在するが、凸凹の舗道では、高周波成分が明らかに、生の加速度計信号にひずみをもたらす。したがって、腕又は手首着用型デバイスは、道路が凸凹していることを表示するように作られてよい。しかし、道路が凸凹していることを導出する／示すデバイスは、腕／手首に取り付けられている必要はなく、身体の他の部分又は自転車に取り付けられていてもよい。

図５は、サイクリングケイデンスを測定するデバイス１００を作動させる方法５００の一実施形態を概略的及び例示的に示す。方法５００は、デバイス１００を手首又は腕１１０に取り付けることによって開始する（ステップ５１０）。更なるステップ５２０では、方法５００は、デバイス１００の移動を検出することを含む。更なるステップ５３０では、方法５００は、移動に対応する動き信号を生成することを含む。更なるステップ５４０では、方法５００は、動き信号に基づいて、動きベースのケイデンスを決定することを含む。

本発明の適用例は、サイクリングケイデンスを決定することにある。本発明の更なる適用例は、道路面の凸凹の尺度を決定することにある。

本発明は、光学式心拍数ウォッチに使用されてよく、当該ウォッチに、サイクリングケイデンス検出器が追加される。これに加えて、着用者の活動及びエネルギー消費量を追跡することにも関心がありうる。

センサ（加速度計、ジャイロスコープ、光学センサ）のあらゆる構成を、本発明による動きセンサと共に使用することができる。

動きセンサは、１つ以上の加速度計、１つ以上のジャイロスコープ及び／若しくは１つ以上の光学センサ、並びに／又は、これらのセンサの任意の組み合わせを含んでいてもよい。

上記実施形態では、加速度計を含む、サイクリングケイデンスを測定するデバイスデバイスの特定の構造が示されているが、本発明は、デバイスの特定の構造に限定されない。一実施形態では、デバイスは、加速度計を含まず、ジャイロスコープ及び／又は光学センサだけを含んでいてもよい。

開示された実施形態の他の変形態様は、図面、開示内容及び添付の請求項の検討から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解され、実施される。

請求項において、「含む」との用語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、また、「ａ」又は「ａｎ」との不定冠詞も、複数形を排除するものではない。

単一のユニット又は他のデバイスが、請求項に記載される幾つかのアイテムの機能を果たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されることだけで、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。

デバイスの移動を検出すること、動き信号に基づいて動きベースのケイデンスを決定すること、心拍数を測定すること、心拍数ベースのケイデンスを決定すること、組み合わされた心拍数−動きベースのケイデンスを決定すること、水平加速度成分を決定すること、１つ以上の環境パラメータを測定すること、１つ以上の生理学的パラメータを測定すること、道路面の凸凹を決定すること等といった１つ又は幾つかのユニット又はデバイスによって行われる決定は、任意の他の数のユニット又はデバイスによって行われてよい。例えばケイデンスの決定は、単一のユニット又は任意の他の数の様々なユニットによって行われてよい。上記方法によるサイクリングケイデンスを測定するデバイスの決定及び／又は制御は、コンピュータプログラムのプログラムコード手段及び／又は専用ハードウェアとして実現されてよい。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又はその一部として供給される光学記憶媒体又は固体媒体といった適切な媒体上に記憶及び／又は分散されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介するといった他の形式で分配されてもよい。

請求項における任意の参照符号は、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (11)

1. サイクリングケイデンスを測定するデバイスであって、
   前記デバイスの移動を検出し、前記移動に対応する動き信号を生成する動きセンサであって、前記動きセンサは、ジャイロスコープ信号を生成するジャイロスコープ及び加速度計信号を生成する単一の加速度計を含み、前記動き信号は、前記ジャイロスコープ信号及び前記加速度計信号の組み合わせを含む、動きセンサと、
   前記動き信号に基づいて、動きベースのケイデンスを決定するケイデンス決定ユニットと、
   前記デバイスを手首又は腕に取り付けるための取付けユニットと、
   を含む、デバイス。
2. 前記ケイデンス決定ユニットは、前記動き信号の周波数を使用することによって、前記動きベースのケイデンスを決定する、請求項１に記載のサイクリングケイデンスを測定するデバイス。
3. 前記ケイデンス決定ユニットは、前記動きベースのケイデンスを決定する前に、前記動き信号を低域通過フィルタリングする１つ以上の低域通過フィルタユニットを含む、請求項１に記載のサイクリングケイデンスを測定するデバイス。
4. 光学センサを更に含む、請求項１に記載のサイクリングケイデンスを測定するデバイス。
5. 前記光学センサは、光学信号を生成し、前記ケイデンス決定ユニットは、前記光学信号を受信し、前記ケイデンス決定ユニットは更に、前記光学信号のみに基づいて、光学信号ベースのケイデンスを決定するか、又は、前記ケイデンス決定ユニットは、前記光学信号と前記動き信号との組み合わせに基づいて、組み合わされた光学信号−動きベースのケイデンスを決定する、請求項４に記載のサイクリングケイデンスを測定するデバイス。
6. 心拍数を測定し、前記心拍数に対応する心拍数信号を生成するセンサを含む、請求項１に記載のサイクリングケイデンスを測定するデバイス。
7. 前記ケイデンス決定ユニットは、前記動き信号に基づいて、前記動きベースのケイデンスを決定するサイクリングケイデンスアルゴリズムユニットを含む、請求項１に記載のサイクリングケイデンスを測定するデバイス。
8. 前記サイクリングケイデンスアルゴリズムユニットは更に、水平加速度成分を決定する、請求項７に記載のサイクリングケイデンスを測定するデバイス。
9. １つ以上の環境パラメータを測定する環境測定ユニットを更に含むか、又は、１つ以上の生理学的パラメータを測定する生理学測定ユニットを更に含む、請求項１に記載のサイクリングケイデンスを測定するデバイス。
10. 前記動き信号に基づいて、道路面の凸凹を決定する道路面モニタユニットを更に含む、請求項１に記載のサイクリングケイデンスを測定するデバイス。
11. サイクリングケイデンスを測定するデバイスの作動方法であって、
    前記デバイスを手首又は腕に取り付けるステップと、
    前記デバイスの移動を検出するステップと、
    前記移動に対応する動き信号を生成するステップであって、前記動き信号は、前記デバイスと一体のジャイロスコープからのジャイロスコープ信号及び前記デバイスと一体の単一の加速度計からの加速度計信号の組み合わせを含む、ステップと、
    前記動き信号に基づいて、動きベースのケイデンスを決定するステップと、
    を含む、方法。

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