Motion sensor in sporting equipment

本発明はスポーツ器具におけるモーションセンサに関する。

多くのスポーツにおいて、種々の器具が使用されている。 これらの器具は、大きく３つのクラスに分類される。 器具の第１のクラスは、所有物のマーカー又はシンボルとして機能する器具である。 そのような所有物のマーカーの典型的例には、ボールやディスク（円盤）がある。

器具の第２のクラスは、運動選手にとっての手持ち器具（エクステンション）である。 そのような運動選手の手持ち器具の典型的例には、クラブ、バット、ラケットなどがある。 人が運動選手として達成する成功は、手持ち器具の熟練した使用によって、また、手持ち器具と、所有物のマーカーやシンボルとの間の熟練したやりとりのコントロールによって、しばしば判断される。

スポーツ器具の第３のクラスは、スポーツ活動をモニタする器具である。 これには、速度計、歩数計、ストップウォッチなどがある。

例えば、ゴルフのゲームの際、ゴルファーは、ゴルフクラブを握り、ゴルフクラブをスイングしてゴルフボールを打つことにより、ゴルフボールを意図する方向に移動させる。 ゴルフボールが目標の穴から遠く離れている場合、例えば、ティーグラウンドからゴルフボールを打つ場合、ゴルファーは、ゴルフクラブを使用して大きな力でゴルフボールを叩き、そのボールに大きな速度を与えたいが、同時にそれでも、ゴルフボールが最終的に進む方向や距離も、出来る限り正確にコントロールしたい場合がある。 ゴルフボールが最終的に落ち着く場所は、インパクトの瞬間におけるゴルフクラブの速度、ゴルフボールに接触するクラブフェイスの位置、及び、インパクトの瞬間における目標に対するクラブフェイスの向きといった、種々の要因の影響を受ける。 それらの要因をモニタリングする機能は、ゴルフボールを効率的且つ正確に打つためのゴルファーの訓練や、ゴルフ器具の評価を行う際に、重要なフィードバックとなる。

ゴルフボールには窪み（ディンプル）が形成されているが、それは単なる美的理由から形成されているのではない。 ゴルフボールに窪みが形成されている主な目的は、空気力学的に優れた特性をゴルフボールの飛行に与えることにある。 例えば、ディンプルが適切な位置に配置されていれば、ある初期速度に対して、ゴルフボールは最適な距離を飛行することができる。 ゴルフクラブによるインパクトの瞬間にゴルフボールに加わるスピンは、空気力学的な力に影響を及ぼし、ゴルフボールが飛ぶ高さ、距離、及び、方向に影響を与える。 ゴルフボールに所望のスピンを与える技能は、ゴルフゲームにおける熟練者達にとって非常に重要な技能である。

熟練のゴルファーが練習する場合、ゴルファーは、ゴルフボールに対するゴルフクラブのインパクト状態に関する手がかりを求めて、ゴルフボールが飛んでゆくのを観察することがある。 また、ゴルフ器具やゴルフスイングマシンの非常に熱心な分析者は、高速ビデオカメラ、スピードガン、デジタルカメラ、高速ストロボ、及び、画像分析装置のような更に別のモニタツールを使用することもある。 こうしたツールを適切に使えば、ゴルフボールのインパクトや飛び始めに関する更なる情報を得ることができる。

ボールにスピンをかけることが重要なスポーツはゴルフだけではない。 実際、空中を進む投射物に関係するスポーツであれば、どのようなスポーツにおいても、スピン速度や進行方向は、競技に勝つための重要なファクタである。 例えば野球の場合、野球に非常に熟練したピッチャーは、野球ボールに特定タイプのスピンをかけることができる。 野球ボールの回転、及び、不均一な表面を有する野球ボールと空流との間の相互作用により、ピッチャーの手からバッターの近くに向かって野球ボールが移動する際に、その軌道を変化させることができる。 野球ボールにスピンをかけることによって、様々なカーブした軌道を描く野球ボールを投げることが可能である。 したがって、投球リリース時における野球ボールに加わる実際のスピンに関するフィードバックは、ピッチャーにとって非常に有用なフィードバックである。 同様に、フットボール、フリスビーディスク、及び、他の同様の器具に関する投射情報は、スポーツ器具の設計、評価、及び、使用における有用な情報となる。

本発明の一実施形態によれば、埋め込み光センサを有するスポーツ器具が得られる。 埋め込み光センサは、イメージアレイ及びナビゲーションエンジンを含む。 ナビゲーションエンジンは、イメージアレイによって生成された画像情報を受信し、画像間のオーバラップを求めるためにその画像情報に対して相関判定を実施し、動きを検出するために画像間のずれを判定する。

図１は、ボール１０に埋め込まれた光学モーションセンサ１１、光学モーションセンサ１２、及び、光学モーションセンサ１３を示している。 例えば、ボール１０は、ゲームやスポーツをプレイするときに使用される野球ボール、ゴルフボール、及び、その他のボールのようなスポーツ器具である。 光学モーションセンサ１１、１２及び１３は、それらが直交する２つの方向を指すようなボール１０の位置に配置される。 これにより、ボール１０の進行方向及び回転を検出及びモニタリングすることが可能になる。 あまり完全な情報が必要ではない場合、光学モーションセンサの数は減らしてもよい。 冗長情報が必要な場合は、更に別の光学モーションセンサを使用してもよい。

図２は光学モーションセンサのブロック図である。 イメージアレイ２１は、例えば、３２×３２のフォトディテクタアレイを使用して実施される。 あるいは、特定用途のための十分な情報を得るために必要となる画像分解能に応じて、他のアレイサイズを使用してもよい。 アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２２は、イメージアレイ２１からアナログ信号を受信し、その信号をデジタルデータに変換する。

自動利得制御装置（ＡＧＣ）２３は、ＡＤＣ２２から受信したデジタルデータを評価し、イメージアレイ２１内のシャッター速度や利得の調節を制御する。 これは例えば、イメージアレイ２１によって取り込まれる画像の飽和や露出不足を防止することによって行われる。

ナビゲーションエンジン２４は、ＡＤＣ２２からのデジタルデータを評価し、画像間のオーバラップを求めるための相関判定を実施し、動きを検出するために画像間のずれを判定する。 この相関判定は、例えば、畳み込みのような画像処理アルゴリズムを使用して実施され、又は、画像のずれを検出するための他の方法で実施される。 ナビゲーションエンジン２４は、出力２５に置かれるデルタｘ値を決定し、出力２６に置かれるデルタｙ値を決定する。 イメージアレイ２１、ＡＤＣ２２、及び、ナビゲーションエンジン２４は合わせて、ボール１０の動きをトラッキングするトラッキング装置を形成する。

コントローラ２８は、出力２５に置かれたデルタｘ値と、出力２６に置かれたデルタｙ値を受信する。 コントローラ２８は、トランシーバ２９を通じて、それらの値の表現をホストシステムに転送する。 出力２５に置かれたデルタｘ値、及び、出力２６に置かれたデルタｙ値は、ホストシステムに即座に、且つ連続的に送信してもよいし、あるいは、ホストシステムからの問い合わせに対する応答して後で送信するために記憶してもよい。

一般に、多くの用途では、かなり基本的な画像しか必要とされない。 例えば、回転するゴルフボールの赤道上に配置された光学モーションセンサは、通常、「空」と「陸」の交互パターンを観測するであろう。 検出パターンの周期は、ゴルフボールの回転速度を表わす。 そのため、特定の実施形態や用途によっては、所望の情報を得るために複雑な画像処理機能は必要とされない。

例えば、光学マウス内に存在する光学モーションセンサ技術は、イメージアレイ２１、ＡＤＣ２２、ＡＧＣ２３、及び、ナビゲーションエンジン２４を実施するように直接構成される場合がある。 光学マウスのこの標準的機能又は同様の機能がどのようにして実現されるかに関する詳しい情報については、例えば、米国特許第５，６４４，１３９号、米国特許第５，５７８，８１３号、米国特許第５，７８６，８０４号、及び／又は、米国特許第６，２８１，２１２Ｂ１号を参照して欲しい。

図２における各光学モーションセンサは完全に内蔵型であるが、１つのスポーツ器具において２以上の光学モーションセンサを実施する場合は、幾つかの機能を複数の光学モーションセンサ間で共有してもよい。

例えば、図３は、３つの光学モーションセンサの実施形態を示すブロック図である。 第１の光学モーションセンサのために、例えば、３２×３２のフォトディテクタアレイを使用して、イメージアレイ３１が実施される。 あるいは、特定用途にとって十分な情報を得るために必要となる画像分解能に応じて、他のアレイサイズを使用してもよい。 アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）３２は、イメージアレイ３１からアナログ信号を受信し、その信号をデジタルデータに変換する。

自動利得制御装置（ＡＧＣ）３３は、ＡＤＣ３２からデジタルデータを受信し、イメージアレイ３１内のシャッター速度や利得の調節を制御する。 これは例えば、イメージアレイ３１によって取り込まれる画像の飽和や露出不足を防止することによって行われる。

ナビゲーションエンジン３４は、ＡＤＣ３２からデジタルデータを受信し、画像間のオーバラップを求めるために相関判定を実施し、動きを検出するために画像間のずれを判定する。 ナビゲーションエンジン３４は、通信路３５に置かれるデルタｘ値及びデルタｙ値を決定する。

第２の光学モーションセンサのために、例えば３２×３２のフォトディテクタアレイを使用して、イメージアレイ４１が実施される。 あるいは、特定用途にとって十分な情報を得るために必要となる画像分解能に応じて、他のアレイサイズを使用してもよい。 アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）４２は、イメージアレイ４１からアナログ信号を受信し、その信号をデジタルデータに変換する。

自動利得制御装置（ＡＧＣ）４３は、ＡＤＣ４２から受信したデジタルデータを評価し、イメージアレイ４１内のシャッター速度や利得の調節を制御する。 これは例えば、イメージアレイ４１によって取り込まれる画像の飽和や露出不足を防止することによって行われる。

ナビゲーションエンジン４４は、ＡＤＣ４２からのデジタルデータを評価し、画像間のオーバラップを求めるための相関判定を実施し、動きを検出するために画像間のずれを判定する。 ナビゲーションエンジン４４は、通信路４５に置かれるデルタｘ値及びデルタｙ値を決定する。

第３の光学モーションセンサのために、例えば３２×３２のフォトディテクタアレイを使用して、イメージアレイ５１が実施される。 あるいは、特定用途にとって十分な情報を得るために必要となる画像分解能に応じて、他のアレイサイズを使用してもよい。 アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）５２は、イメージアレイ４１からアナログ信号を受信し、その信号をデジタルデータに変換する。

自動利得制御装置（ＡＧＣ）５３は、ＡＤＣ５２から受信したデジタルデータを評価し、イメージアレイ５１内のシャッター速度や利得の調節を制御する。 これは例えば、イメージアレイ５１によって取り込まれる画像の飽和や露出不足を防止することによって行われる。

ナビゲーションエンジン５４は、ＡＤＣ５２からのデジタルデータを評価し、画像間のオーバラップを求めるための相関判定を実施し、動きを検出するために画像間のずれを判定する。 ナビゲーションエンジン５４は、通信路５５に置かれるデルタｘ値及びデルタｙ値を決定する。

コントローラ３８は、データ通信路３５、データ通信路４５、及び、データ通信路５５に置かれたデルタｘ値及びデルタｙ値を受信する。 例えば、データ通信路３５、４５及び５５は、光学モーションセンサが埋め込まれたスポーツ器具内においてワイヤを使用して実施される。 あるいは、データ通信路３５、４５及び５５は、無線技術を使用して実施される。 コントローラ３８は、トランシーバ３９を介して、これらの値の表現をホストシステムに転送する。 各光学モーションセンサに関するデルタｘ値及びデルタｙ値の表現は、即座に、且つ連続的に転送してもよいし、あるいは、ホストコンピュータシステムからの問合せに応答して後で転送するために記憶してもよい。

図１は、ボールに埋め込まれた光学モーションセンサを示しているが、光学モーションセンサは、他のタイプのスポーツ器具に使用することも可能である。

例えば、図４は、バット６０に埋め込まれた光学モーションセンサ６１、光学モーションセンサ６２、及び、光学モーションセンサ６３を示している。 例えば、バット６０は、野球に使用されるタイプのバットである。 光学モーションセンサ６１、６２及び６３は、それらが直交する２つの方向を指すようなバット６０の位置に埋め込まれる。 これにより、バットの移動方向及び回転を検出及びモニタリングすることが可能になる。 もっと少ない情報しか必要ない場合、使用される光学モーションセンサの数は減らしてもよい。 冗長情報が必要な場合は、更に別の光学モーションセンサを使用してもよい。

例えば、図５は、ゴルフクラブヘッド７０の底部に埋め込まれた光学モーションセンサ７１を示している。 １つの光学モーションセンサで、クラブヘッド７０のスイング速度を検出及びモニタリングすることができる。 もっと完全な情報が欲しい場合は、使用される光学モーションセンサの数を増やしてもよい。 同様に、光学モーションセンサは、他のタイプのバット、スポーツラケット、パドルなどに埋め込むこともできる。

図６は、フットボール９３に埋め込まれた光学モーションセンサ９１及び光学モーションセンサ９２を示している。 また、図６は、フライングディスク９５に埋め込まれた光学モーションセンサ９７及び光学モーションセンサ９８を示している。 フットボール９３及びフライングディスク９５は、光学モニタを埋め込むことが可能な種々のタイプのボールやスポーツ器具の例として示したものである。

光学モーションセンサは、他のタイプのスポーツ器具に埋め込むことも可能である。 例えば、光学モーションセンサは、ビリヤードボール、及び／又は、プールスティック（キュー）に取り付けて、接触の質、及び／又は、回転特性（スピン又は「イングリッシュ」等）の検出に使用することもできる。 光学モーションセンサは、例えば、自転車の車輪、スケートボードの車輪、又は、インラインスケートの車輪のような車輪に取り付けて、車輪表面の速度のような動きの特性の検出に使用することもできる。 車輪に使用する場合、光学モーションセンサを埋め込むことにより、回転速度を直線速度に変換するためにタイヤの外周を正確に知らなくても、速度を絶対測定することができる。

図７は、スポーツ器具に埋め込まれた光学モーションディテクタからの情報を取得し、分析するためのトレーニングステーションを示している。 例えば、光学モーションセンサは、ボール８１やクラブ８２に埋め込まれる。 これらの光学モーションセンサは、プレイヤ８０がゴルフスイングを実施する際に、情報を収集する。 例えば、これらの光学モーションセンサがボール８１やクラブ８２に適切な位置及び向きに配置されていれば、それらは、クラブ８２とボール８１の間のインパクトの質を捕捉することができる。 光学モーションセンサは、インパクトの質を観測するような位置及び向きに配置される。 インパクトの質には例えば、インパクトが発生したときのクラブ上のインパクト位置における実際の速度、インパクトの直前におけるクラブ８２の速度、インパクト直後のクラブ８２に対するボール８１の速度、インパクトの最中並びに前後におけるボール８１に対するクラブフェイスの向き、などがある。

ホストシステム８３は、例えば支持体８４上に配置され、光学センサから情報を収集し、それを分析する。 例えば、ホストシステム８３は、無線通信機能を備えたラップトップコンピュータ、又は、携帯情報端末（ＰＤＡ）である。

スポーツ器具は、役者の動きを直接モニタリングするのにも使用することができる。 例えば、図８は、埋め込み光学センサ１０１、埋め込み光学センサ１０２、及び、埋め込み光学センサ１０３を備えたストラップ１００を示している。 ストラップ１００は、役者に光学センサを直接取り付け、役者の動きをモニタリングするためのものである。 例えば、ストラップ１００は、役者の腰、足首、脚、手首、額、胸、首などに取り付けられるようなサイズに形成される。 もっと多くのフィードバックが必要な場合、複数のストラップを使用してもよい。 同様に、光学センサは、役者の制服その他の衣服、並びに宝飾品に埋め込んでもよい。 このように、光学センサは、役者の動きに関するフィードバックを得る目的で、役者に直接取り付けられる。

例えば、体操選手、スケート選手、走者、ドライバ、ダンサー、俳優、演説者、シンガー、又は、他のタイプの役者に種々の光学センサを取り付けることにより、トレーニング中、又は、演技中の１以上のボディパーツの動きをトラッキングすることができる。 役者は人であってもよいが、例えば、騎手の訓練の際に使用される馬や、レースやショウのために訓練される犬のような、別のタイプの動物であってもよい。

光学センサは、演技のフィードバックを得る他に、他の目的にも使用することが可能である。 例えば、光学センサを警報システムに取り付けることにより、即座にフィードバック、及び／又は、警告を役者に与えることができる。 例えば、このフィードバックは、騎手が障害物を越えられるだけの速度で移動していないことや、長距離ジャンパーがジャンプが最大になる最適速度で移動していないこと、あるいは、砲丸投げ選手がスローイング距離が最大になる回転速度で回転していないことを示すものである場合がある。

上記の説明は、本発明の方法や実施形態を単に例として開示および記載したものである。 当業者には馴染みがあるように、本発明は、その思想や本質的な性質から外れることなく、他の特定の形態で実施することも可能である。 従って、本明細書の開示は、例示を目的としたものであり、発明の範囲を限定しようとするものではない。 本発明の範囲は特許請求の範囲によって規定される。

本発明の一実施形態による、ボールに埋め込まれた光学モーションセンサを示す図である。

本発明の一実施形態による、光学モーションセンサを示す略ブロック図である。

本発明の他の実施形態による、複数の光学モーションセンサを示す略ブロック図である。

本発明の一実施形態による、野球のバットに埋め込まれた光学モーションセンサを示す図である。

本発明の一実施形態による、ゴルフクラブのヘッドに埋め込まれた光学モーションセンサを示す図である。

本発明の一実施形態による、フットボール、及び、フリスビーフライングディスクのようなフライングディスクに埋め込まれた光学モーションセンサを示す図である。

本発明の一実施形態による、スポーツ器具に埋め込まれた光学モーションセンサから情報を取得し、分析するのに使用されるトレーニングステーションを示す図である。

本発明の一実施形態による、役者の動きをモニタリングするためのスポーツ器具を形成するストラップに埋め込まれた光学モーションセンサを示す図である。