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技術 人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置

出願人 株式会社第一興商
発明者 古舘宏幸桜井伸司
出願日 2001年7月26日 (19年3ヶ月経過) 出願番号 2001-225408
公開日 2003年2月4日 (17年9ヶ月経過) 公開番号 2003-033337
状態 特許登録済
技術分野 生体の呼吸・聴力・形態・血液特性等の測定 訓練用具 体操訓練用具
主要キーワード ステップ一 エネルギー代謝率 身体各部位 荷重検出信号 変位角度 ポリゴン形状 質量情報 直交座標軸
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年2月4日)のものです。
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図面 (3)

課題

任意の定置的な身体運動にともなうエネルギー消費量を、被験者の体重や身体各部位の複雑な運動を反映した運動エネルギーに基づいて推定できる装置を提供する。

解決手段

所定の撮影場所で定置的な身体運動をする被験者を複数台カメラで異なる方向から撮影する手段と、これらカメラで撮影された被験者の映像デジタルデータ化してコンピュータに取り込んで多眼ステレオ処理し、被験者の身体各部位の3次元変位を時系列データ化する動体分析手段と、この動体分析手段により得られた身体各部位の変位時系列データと、別途に取得した被験者の身体各部位の質量情報とに基づいて、身体各部位の運動エネルギーを積算する運動エネルギー積算手段と、この手段により求められた運動エネルギー値を被験者のエネルギー消費量に換算して出力する出力手段とを備えたエネルギー消費量推定装置としている。

概要

背景

人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置(エネルギー消費量推定装置)が特開2001−95969号公報(従来例1)や特開2000−70242号公報(従来例2)などに開示されている。従来例1のエネルギー消費量推定装置は、近年流行しているステップゲーム装置によるゲームを定置的な身体運動として、その運動に対するエネルギー消費量を推定するものである。このゲーム装置は、遊技者がゲームを開始させると、音楽音響出力されるとともに、遊技者が踏むべきステップを次々に指示した画像(ステップ指示画像)がディスプレイスクロール表示される。遊技者はこの指示画像に従って所定の台上でステップを踏む。台にはステップ位置を検出するためのセンサが内蔵されており、遊技者のステップ位置とタイミングとが表示指示中のステップ位置と一致すれば得点が計上されていく。従来例1のエネルギー消費量推定装置はステップを踏んだ回数計数しながら、ステップ一回分に消費するエネルギー加算してゲーム終了後にそのゲーム中に消費されたエネルギーを提示する。

従来例2に開示されているエネルギー消費量推定装置は、被験者の身体運動を撮影して腕や足などの身体各部位の移動量と移動速度を検出する。そして、移動量と移動速度から算出されるエネルギー代謝率に基づいてエネルギー消費量を推定している。

概要

任意の定置的な身体運動にともなうエネルギー消費量を、被験者の体重や身体各部位の複雑な運動を反映した運動エネルギーに基づいて推定できる装置を提供する。

所定の撮影場所で定置的な身体運動をする被験者を複数台カメラで異なる方向から撮影する手段と、これらカメラで撮影された被験者の映像デジタルデータ化してコンピュータに取り込んで多眼ステレオ処理し、被験者の身体各部位の3次元変位を時系列データ化する動体分析手段と、この動体分析手段により得られた身体各部位の変位時系列データと、別途に取得した被験者の身体各部位の質量情報とに基づいて、身体各部位の運動エネルギーを積算する運動エネルギー積算手段と、この手段により求められた運動エネルギー値を被験者のエネルギー消費量に換算して出力する出力手段とを備えたエネルギー消費量推定装置としている。

目的

そこで本発明は、任意の定置的な身体運動にともなうエネルギー消費量を、被験者の体重や身体各部位の複雑な運動を反映した運動エネルギーに基づいて推定できる装置を提供することを目的としている。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
3件

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請求項1

人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置であって、所定の撮影場所で定置的な身体運動をする被験者複数台カメラで異なる方向から撮影する手段と、これらカメラで撮影された被験者の映像デジタルデータ化してコンピュータに取り込んで多眼ステレオ処理し、被験者の身体各部位の3次元変位を時系列データ化する動体分析手段と、この動体分析手段により得られた身体各部位の変位時系列データと、別途に取得した被験者の身体各部位の質量情報とに基づいて、身体各部位の運動エネルギーを積算する運動エネルギー積算手段と、この手段により求められた運動エネルギー値を被験者のエネルギー消費量に換算して出力する出力手段とを備えたことを特徴とする。

請求項2

請求項1において、被験者の体重を検出する体重測定手段を備え、前記動体分析手段は、前記多眼ステレオ処理の過程で前記身体各部位の体積を推定し、前記運動エネルギー積算手段は、当該推定された身体各部位の体積と前記被験者の体重とに基づいて身体各部位の質量情報を取得することを特徴とする人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置。

技術分野

0001

この発明は身体運動によるエネルギー消費量を推定する装置に関し、具体的には定置的な身体運動を観察してエネルギー消費量を推定する装置に関する。

背景技術

0002

人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置(エネルギー消費量推定装置)が特開2001−95969号公報(従来例1)や特開2000−70242号公報(従来例2)などに開示されている。従来例1のエネルギー消費量推定装置は、近年流行しているステップゲーム装置によるゲームを定置的な身体運動として、その運動に対するエネルギー消費量を推定するものである。このゲーム装置は、遊技者がゲームを開始させると、音楽音響出力されるとともに、遊技者が踏むべきステップを次々に指示した画像(ステップ指示画像)がディスプレイスクロール表示される。遊技者はこの指示画像に従って所定の台上でステップを踏む。台にはステップ位置を検出するためのセンサが内蔵されており、遊技者のステップ位置とタイミングとが表示指示中のステップ位置と一致すれば得点が計上されていく。従来例1のエネルギー消費量推定装置はステップを踏んだ回数計数しながら、ステップ一回分に消費するエネルギー加算してゲーム終了後にそのゲーム中に消費されたエネルギーを提示する。

0003

従来例2に開示されているエネルギー消費量推定装置は、被験者の身体運動を撮影して腕や足などの身体各部位の移動量と移動速度を検出する。そして、移動量と移動速度から算出されるエネルギー代謝率に基づいてエネルギー消費量を推定している。

発明が解決しようとする課題

0004

従来例1のエネルギー消費量推定装置は、あらかじめ決められた身体運動(ステップ)に対するエネルギー消費量を算出している。そのため、手足を振ったり、上体ったりするような任意の身体運動に対するエネルギー消費量は推定できない。

0005

従来例2のエネルギー消費量推定装置は、運動エネルギーを身体各部位の移動距離と移動速度とに基づいて算出している。周知の通り、物体がある速度で運動しているとき、運動エネルギーは質量に比例して大きくなる。しかし、従来例2では被験者の体重、すなわち質量が全く反映されていない。そのため、正確なエネルギー消費量を推定することができない。さらに、従来例2では、身体各部位の並進運動にしか適用できず、回転運動に伴う運動エネルギーは無視されてしまう。

0006

そこで本発明は、任意の定置的な身体運動にともなうエネルギー消費量を、被験者の体重や身体各部位の複雑な運動を反映した運動エネルギーに基づいて推定できる装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0007

本発明は上記目的を達成するために成されたもので、人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置である。そして、第1の発明は、所定の撮影場所で定置的な身体運動をする被験者を複数台カメラで異なる方向から撮影する手段と、これらカメラで撮影された被験者の映像デジタルデータ化してコンピュータに取り込んで多眼ステレオ処理し、被験者の身体各部位の3次元変位を時系列データ化する動体分析手段と、この動体分析手段により得られた身体各部位の変位時系列データと、別途に取得した被験者の身体各部位の質量情報とに基づいて、身体各部位の運動エネルギーを積算する運動エネルギー積算手段と、この手段により求められた運動エネルギー値を被験者のエネルギー消費量に換算して出力する出力手段とを備えた人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置としている。

0008

第2の発明は、被験者の体重を検出する体重測定手段を備え、前記動体分析手段は、前記多眼ステレオ処理の過程で前記身体各部位の体積を推定し、前記運動エネルギー積算手段は、当該推定された身体各部位の体積と前記被験者の体重とに基づいて身体各部位の質量情報を取得することを特徴とする人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置。

発明を実施するための最良の形態

0009

本発明のエネルギー消費量推定装置は、定置的な身体運動に伴うエネルギー消費量を運動により身体各部位の3次元的な変位に伴う運動エネルギー値(J)をエネルギー消費量(Cal)に換算して出力する。

0010

===エネルギー消費量推定装置の構成===
図1は本発明の実施例におけるエネルギー消費量推定装置の概略構成図を示している。この装置1は、被験者10が定置的な身体運動を行う場所となるステージ2と、このステージ2上の被験者10を撮影するための複数台のCCDカメラ3と、これらカメラ3によって撮影された被験者の映像を取り込んでデジタル処理するなど各種情報処理を行って最終的に被験者の身体運動に伴う運動エネルギー値をエネルギー消費量に換算して出力するコンピュータ4とを備えている。

0011

この実施例において、ステージ2の床面には感圧センサ5が敷設され、運動中に被験者10が床面に掛け荷重に相当する電気信号荷重検出信号)を出力する。また、3台のCCDカメラ3が使用され、各カメラ3はステージ2外からステージ2内を撮影するように設置されている。そして、各カメラ3の光軸は、床面に平行な面をxy平面としたxyz直交座標軸にそれぞれ一致するように設定されている。

0012

コンピュータ4としては、ディスプレイやキーボードなどを付帯した一般的なパーソナルコンピュータが採用できる。そして、3台のカメラ3からの撮影映像や感圧センサ5からの荷重検出信号をサンプリングしてデジタルデータとして取り込むためのインタフェース実装している。

0013

本実施例のエネルギー消費量推定装置1は、以上の構成により、3台のカメラ3が撮影した映像と感圧センサ5からの荷重検出信号とをコンピュータ4に入力して処理し、ステージ2上で身体運動を行う被験者10が所定時間の間に消費した運動エネルギーを求め、その運動エネルギー値をエネルギー消費量に変換して出力する。

0014

===被験者のモデリング===
3台のカメラ3はそれぞれ被験者10の身体をxy・yz・zxの各平面に投影した映像を撮影し、コンピュータ4はこの各平面の映像データを多眼ステレオ処理することで、被験者10の3次元的な形状やサイズを記述するためのポリゴンデータを生成する。図2に多眼ステレオ処理によって生成される被験者10のポリゴンデータを概略図によって示した。本実施例では、頭の形状を球体、他の部位形状を円柱近似させ、全部で10の単純化された身体部位によって被験者の身体を表現している。

0015

===運動エネルギー===
コンピュータ4は、被験者10の撮影映像から被験者10のポリゴンデータを生成するとともに、被験者10が実際にステージ2上で身体運動をしたときの運動エネルギーを計算してエネルギー消費量を推定する。この実施例では、身体各部位を密度が均一な剛体と見なし、周知の運動エネルギーの方程式に当てはめて計算している。

0016

概略的には、まず、被験者10の身体の体積と体重とを取得して密度を計算する。そして、身体各部位の体積から各部位の質量を求める。サンプリング周期毎に身体各部位の位置を取得し、その位置の時系列的な変位を求めることで、身体各部位における重心の移動距離や回転運動に伴う変位角度などを取得する。本実施例では、身体各部の重心の移動距離をサンプリング周期除算して移動速度を求め、その移動速度と身体各部位の質量とから運動エネルギーを算出する。また、重心の移動を伴わない回転運動にも対応して、身体各部位における重心以外の点を特徴点として設定しておき、この特徴点の時系列的な変位によって回転運動の有無を検出し、回転運動の変位角度を求める。この変位角度をサンプリング周期で除算すれば角速度が算出される。また、身体部位のポリゴン形状と特徴点の変位とから慣性モーメントが求まり、回転運動に伴う運動エネルギーが算出できる。

0017

===被験者の身体測定===
身体各部位の質量を求めるために、まず、被験者10の体重を推定する。本実施例では、体重は感圧センサ5が出力する荷重検出信号に基づいて推定している。 実際に被験者10の体重を推定するためには、身体運動を開始する前に被験者10をステージ2上に静止させて立たせればよい。そのとき出力される荷重検出信号は体重をほぼ正確に表すことになる。あるいは、コンピュータ4が被験者10のポリゴンデータの時系列変位を監視し、被験者10が静止していると判断したときの荷重検出信号を取得することでも体重が推定できる。所定期間内に出力される荷重検出信号の平均値から体重を推定してもよい。

0018

つぎに被験者の体積を推定する。体積は、コンピュータ4が被験者のポリゴンデータの生成時に使用する座標系において、ある2点間の実際の距離が前もって分かっていれば求めることができる。例えば、ステージ上に所定の長さの線分を描いておいてもよいし、カメラ3によって撮影された画面上端下端、あるいは左端と右端とが、実際にどのくらいの長さに相当するのかを前もってコンピュータに入力しておいてもよい。そして、被験者のポリゴンデータに実際の寸法を対応付けすれば被験者の総体積が取得でき、その総体積を体重で除算すれば被験者の身体密度が算出される。

0019

===エネルギー消費量の推定===
コンピュータ4は、ステージ上に立つ被験者に身体運動を開始する旨の合図を音声や表示などによって出す。コンピュータ4は、この開始時点を起点として、3台のカメラ3からの撮影映像と感圧センサ5からの荷重検出信号を取得し、被験者10の体重と全身の体積の推定値を取得して身体密度を計算する。また、多眼ステレオ処理によって生成した被験者10の身体各部位のポリゴンデータから、身体各部位の体積を算出し、それに身体密度を乗算して各部位の質量を求める。そして、上述した運動エネルギーの算出方法に基づいて身体各部位についての運動エネルギーをサンプリング周期毎に算出し、その運動エネルギー値を身体運動の終了時点まで積算していく。

0020

身体運動の終了時点で、それまで積算した運動エネルギー値(J:ジュール)を熱量換算係数≒4.185で除算してエネルギー消費量(Cal:カロリー)を計算する。この計算値をエネルギー消費量の推定値としてコンピュータのディスプレイに表示出力する。

0021

===その他の実施例・変更例・補足===
上記実施例は、定置的な身体運動に伴うエネルギー消費量を「推定」している。しかし、スポーツ医学など学術的に運動エネルギーを評価するときには、エネルギー消費量を「測定」している。一般的には、被験者にチューブが接続されたマスクを装着させ、身体運動によって排出される呼気をそのチューブを介してエアバッグなどに案内して採取する。身体運動の過程で採取された呼気中二酸化炭素の量を分析し、呼吸によって消費された酸素の量を算出する。そして、その酸素が燃焼するときの熱量をエネルギー消費量としている。

0022

そこで、実施例のエネルギー消費量推定装置を使用して被験者に身体運動をさせながら、上記のエネルギー消費量測定系でエネルギー消費量を実測し、推定装置が算出した運動エネルギーとエネルギー消費量の実測値との相関関係から運動エネルギーをエネルギー消費量に変換する係数を求めておく。そうすることで、エネルギー消費量推定装置によって算出された運動エネルギーを実測値に近い精度でエネルギー消費量に換算することができる。

0023

上記実施例では感圧センサからの荷重検出信号に基づいて被験者の体重を求めていた。もちろん、体重をコンピュータのキーボードから直接数値入力することとしてもよい。

0024

身体の体積についても、身長をあらかじめ数値入力しておけば、その身長と身体各部位における長さの比に基づいて被験者の3次元的なサイズが取得でき、体積が計算できる。

0025

多眼ステレオ処理は、複数のカメラがそれぞれ撮影した映像に基づいて被写体の3次元的な形状やサイズを特定するものである。上記実施例では3台のカメラを使用していた。カメラの数が多いと被写体の正確な形状やサイズが特定できる反面、その処理に時間が掛かる。2台のカメラを使用すれば、正確さや隠線部分の処理が不安定になる可能性があるが動体を観察する用途ではリアルタイム処理がしやすい。もちろん、各カメラの設置位置や光軸なども上記実施例に限らず、例えば、同一直線上や同一平面上に複数のカメラを設置したり、各カメラの光軸が平行になるように設置したりするなど、適宜に設定してよい。

発明の効果

0026

本発明によれば、任意の定置的な身体運動にともなうエネルギー消費量を、被験者の体重や身体各部位の複雑な運動を反映した運動エネルギーに基づいて推定することができる。

図面の簡単な説明

0027

図1本発明の実施例におけるエネルギー消費量推定装置の概略構成図を示している。
図2上記実施例を構成するコンピュータが多眼ステレオ処理することで生成した被験者のポリゴンデータの概略図を示している。

--

0028

1エネルギー消費量推定装置
2ステージ
3CCDカメラ
4コンピュータ
5 感圧センサ

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