JP5870656B2 - Trajectory calculation device and trajectory calculation method - Google Patents
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Description
本発明は、軌跡演算装置および軌跡演算方法に関する。 The present invention relates to a trajectory calculation device and a trajectory calculation method.
近年の健康ブームに伴い人の体の健康の度合いを計測することが流行している。その方法の一つとして、側屈やひねり運動における左右の運動方向での非対称性や、運動の軌跡の歪みなどを計測しようとするものがある。この方法では、人体上の任意の点の軌跡を演算するものである。そして、このような計測を携帯電話等の携帯装置を用いて実現しようとする際には、携帯装置に内蔵されているセンサ、すなわち慣性センサ、すなわち角速度計と加速度計を用いることで実現する場合がある。原理的には、角速度に関しては一回、加速度に関しては二回積分すれば角度や位置の時系列情報である軌跡を得ることができる。 With the recent health boom, it is popular to measure the degree of human health. One of the methods is to measure the asymmetry in the left and right movement direction in the lateral bending or twisting movement, the distortion of the movement locus, and the like. In this method, the locus of an arbitrary point on the human body is calculated. When such a measurement is to be realized using a portable device such as a mobile phone, it is realized by using a sensor built in the portable device, that is, an inertial sensor, that is, an angular velocity meter and an accelerometer. There is. In principle, if the angular velocity is integrated once and the acceleration is integrated twice, a trajectory that is time-series information of the angle and position can be obtained.
センサを用いて軌跡を求める方法は慣性航法と呼ばれ、一般には、船や飛行機、宇宙船などで使われている。慣性航法が採用される状況では、一般に、非常に高性能でセンサとしては高価なものを採用することが許される。そのような高性能なセンサは、ドリフトが小さく、分解能の高いものである。 A method for obtaining a locus using a sensor is called inertial navigation, and is generally used in ships, airplanes, spacecrafts, and the like. In situations where inertial navigation is employed, it is generally permitted to employ very high performance and expensive sensors. Such high performance sensors have low drift and high resolution.
しかし、前述のように人体上の任意の点の軌跡を計測しようとする場合、携帯装置に搭載するセンサはコストの観点から、ドリフトが大きく分解能が高くない安価なセンサが使用されることが多い。このようなセンサの分解能を考えてみると、たとえば±４Ｇが計測できる１０ビットの加速度センサでは、１ビットは７７ｍｍ／ｓ２となる。 However, when measuring the locus of an arbitrary point on the human body as described above, an inexpensive sensor that has a large drift and does not have high resolution is often used as a sensor mounted on a portable device from the viewpoint of cost. . Considering the resolution of such a sensor, for example, in a 10-bit acceleration sensor capable of measuring ± 4G, 1 bit is 77 mm / s 2 .
船や飛行機や宇宙船に搭載される高性能なセンサは高い分解能を有するとはいえ、ドリフトやノイズ、計測できる最小単位はゼロではない。つまり、長時間にわたり測定を続けると、ドリフトやノイズ、分解能の影響による誤差が現れる。そのため、高性能なセンサを搭載する乗物でも、ＧＰＳ、ビーコン、天体観測など慣性センサ以外のセンサを用いて定期的に補正を行うのが一般的である。 High-performance sensors mounted on ships, airplanes, and spacecraft have high resolution, but drift, noise, and the smallest unit that can be measured are not zero. In other words, if measurement is continued for a long time, errors due to the effects of drift, noise, and resolution appear. For this reason, it is common for a vehicle equipped with a high-performance sensor to periodically perform corrections using sensors other than inertial sensors such as GPS, beacons, and astronomical observations.
また、携帯装置でも慣性センサ以外のセンサを用いて軌跡を補正することも考えられる。すなわち、携帯装置の外にある適当な目印を観察してセンサの位置および／または姿勢を知ることである。しかし上述したように、人体上の任意の点の軌跡を携帯装置に搭載されるセンサを用いて計測しようとしても、センサの分解能は高くないため、かなりの頻度で補正をしなければ実用的にならないこと、適当な目印を所定の目的のためだけに携帯装置の外に設置することが困難なことなど、実現を妨げる要因がある。 It is also conceivable to correct the trajectory using a sensor other than the inertial sensor even in the portable device. That is, observing a suitable mark outside the portable device to know the position and / or posture of the sensor. However, as described above, even if an attempt is made to measure the trajectory of an arbitrary point on the human body using a sensor mounted on a portable device, the resolution of the sensor is not high. There are factors that hinder realization, such as failure to install, and it is difficult to place an appropriate mark outside the portable device only for a predetermined purpose.
また、３軸加速度センサと３軸角速度センサを組み合わせて、人体等の被測定物の動作解析を行うためのモーションキャプチャであって、測定精度を改良するアルゴリズムを用いて被測定物の位置の測定等を行うモーションキャプチャが知られている。その一例では、３軸角速度センサによって得られる角速度を積分した微小角に基づいて、３軸一括変換を行うことによって、被測定物の加速度を測定するデータ処理工程を含むアルゴリズムが提案されている。 Also, it is a motion capture for analyzing the motion of a measured object such as a human body by combining a three-axis acceleration sensor and a three-axis angular velocity sensor, and measuring the position of the measured object using an algorithm that improves the measurement accuracy The motion capture which performs etc. is known. In one example, an algorithm including a data processing step for measuring the acceleration of an object to be measured by performing three-axis batch conversion based on a minute angle obtained by integrating angular velocities obtained by a three-axis angular velocity sensor has been proposed.
たとえば、３軸加速度センサと３軸角速度センサを組み合わせて、ある離散時間ｎにおいて、被測定物の３軸加速度（Ｇｘｎ、Ｇｙｎ、Ｇｚｎ）と３軸角速度（ωｘｎ、ωｙｎ、ωｚｎ）が測定されるとする。これらのデータから、被測定物がその座標系内で運動する大地に固定された基準座標系の加速度（ＡＸｎ、ＡＹｎ、ＡＺｎ）を、
健康を目的とする運動における人体上の任意の点の軌跡を携帯装置に搭載するセンサを用いて計測する際には、船や飛行機などに適用される慣性航法とは異なる、二つの特徴が存在する。 When measuring the trajectory of any point on the human body during exercise for the purpose of health using a sensor mounted on a portable device, there are two features that differ from inertial navigation applied to ships, airplanes, etc. To do.
一つはリアルタイム性を必要としないことである。船や飛行機などに適用される慣性航法では時々刻々変化するその時点での位置姿勢を求めなくてはいけない。しかし、人体上の任意の点の軌跡を求めるには、一連の体操を行った後、今の動きがどのような軌跡を描いたのか知ることができれば良い。 One is that real-time properties are not required. In inertial navigation applied to ships, airplanes, etc., the position and orientation at that time must change. However, in order to obtain the trajectory of an arbitrary point on the human body, it is only necessary to know what trajectory the current movement has drawn after performing a series of gymnastic exercises.
もう一つは、ある程度誤差が許容されることである。健康の度合いの計測で重要なのは、左右対称な運動なら左右のバランスや移動中の本来の軌跡からのずれの量であり、ずれの具体的な角度や距離、何度であるとか何ｍｍ移動したか、という数値自体はあまり重要視されない。 Another is that an error is allowed to some extent. What is important in measuring the degree of health is the left / right balance and the amount of deviation from the original trajectory during movement if it is a symmetrical movement, and the specific angle and distance of the deviation, how many times it moved The number itself is not very important.
このような点を考慮すると、上のような３軸一括変換をする工程を含む方法では、計算量が多くなる可能性がある。
リアルタイム性を必要とせず、ある程度の誤差が許容されるような軌跡演算に適用可能なアルゴリズムとして、射的法またはシューティングメソッドと呼ばれる方法が知られている。この方法は、あらかじめ始点と終点が分かっている運動に対して途中経路がどのようなものであったかを算出するために好適である。あらかじめ始点と終点が分かっている運動には、例えば往復運動なら始点と終点の位置姿勢が等しい運動が含まれ、健康のための運動にはこのカテゴリに含まれるものが多い。
Considering such points, the method including the step of performing the three-axis batch conversion as described above may increase the amount of calculation.
A method called a shooting method or a shooting method is known as an algorithm applicable to a trajectory calculation that does not require real-time characteristics and allows a certain amount of error. This method is suitable for calculating what the intermediate path is for a motion whose start point and end point are known in advance. The movements whose start point and end point are known in advance include, for example, movements in which the position and orientation of the start point and end point are equal in the case of a reciprocating movement, and many movements for health are included in this category.
健康のための体操は、体を前後に動かす前屈や側面に倒す側屈など往復運動であり、素朴には、射的法が適用可能であるように見える。しかし現実的には健康のための体操を往復運動として扱うと、運動時間が長すぎるために、正確な計測ができないという問題があった。 Gymnastics for health are reciprocal movements such as forward bending to move the body back and forth and lateral bending to tilt to the side, and it seems that the ejaculation method can be applied to naive. However, in reality, when gymnastics for health is treated as a reciprocating motion, there is a problem that accurate measurement cannot be performed because the exercise time is too long.
老若男女を問わない様々なユーザを対象としたサービスを考えると、あまり激しい体操をさせることができない。そのため運動は往と復を合わせて６秒くらいである。実際に人体上の任意の点の軌跡を計測に使用され得る、±４Ｇが計測できる１０ビットの一般的な加速度センサの分解能が７７ｍｍ／ｓ２であることを考慮すると、６秒間に１．４ｍ以下で動くような運動は検出することができない。体操での人体上の点の移動距離は、せいぜい数十ｃｍ程度である。このような運動の軌跡を射的法を用いて求めようとしても、困難である。片道の３秒であれば、距離の分解能、すなわちそれ以下であると検出不能となる距離は３５ｃｍ程度となり、距離の分解能に関しては、たとえば±４Ｇが計測できる１０ビットの加速度センサを用いて軌跡を求めることが可能な距離となる。 Considering a service for various users, regardless of age or gender, it is not possible to exercise very intensely. Therefore, the exercise takes about 6 seconds for both going and returning. Considering that the resolution of a 10-bit general acceleration sensor capable of measuring ± 4G, which can actually be used to measure the locus of an arbitrary point on the human body, is 77 mm / s 2, it is 1.4 m in 6 seconds. Motion that moves in the following cannot be detected. The movement distance of points on the human body in gymnastics is at most about several tens of centimeters. It is difficult to obtain such a motion trajectory using a shooting method. If it is 3 seconds in one way, the distance resolution, that is, the distance that cannot be detected if it is less than that is about 35 cm. For the distance resolution, for example, a trajectory can be obtained using a 10-bit acceleration sensor that can measure ± 4G. The distance that can be obtained.
しかしながら、片道運動では終点を画定できず、射的法のアルゴリズムの適用が難しくなるという問題があった。
また、たとえば、±４Ｇが計測できる１０ビット程度の一般的な加速度センサの分解能では、体操などの運動に伴う人体上の点の軌跡を射的法を用いて求めようとしても、困難であるという問題があった。
However, in the one-way motion, the end point cannot be defined, and there is a problem that it is difficult to apply the shooting method algorithm.
In addition, for example, with a resolution of a general acceleration sensor of about 10 bits capable of measuring ± 4G, it is difficult to obtain a locus of points on the human body accompanying a movement such as gymnastics using a shooting method. There was a problem.
本発明の目的は、分解能が高くないセンサを用いて、健康のための体操のように所定の往復運動を含む体操の軌跡を射的法により求めることである。 An object of the present invention is to obtain a trajectory of a gymnastic exercise including a predetermined reciprocating motion by a shooting method like a gymnastic exercise for health by using a sensor having a low resolution.
本発明の実施形態にしたがう軌跡演算装置は、被測定物の回転によって表される運動の前後での姿勢の変化を求める軌道演算装置であって、前記運動の期間中の前記被測定物の所定の位置の加速度および角速度を得る測定手段と、前記運動の期間中の前記測定手段によって得られる加速度の変化から前記運動の前後の前記被測定物の所定の位置の傾斜の角度の２次元表現を得て、前記測定手段によって得られる前記運動期間中の角速度から、前記運動で最も回転角の大きい主軸に直交する軸に関する回転を無視したときの回転行列を求め、前記傾斜の角度の２次元表現に前記回転行列を作用させることによって前記運動の前後での前記姿勢の変化を回転角の３次元表現として得るプロセッサと、を含むことを特徴とする。 A trajectory calculation device according to an embodiment of the present invention is a trajectory calculation device that obtains a change in posture before and after a motion represented by rotation of a device under test, and is a predetermined operation of the device under test during the motion. A two-dimensional representation of an inclination angle of a predetermined position of the object to be measured before and after the movement based on a change in acceleration obtained by the measuring means during the movement, Obtaining a rotation matrix when ignoring the rotation about the axis orthogonal to the principal axis having the largest rotation angle in the movement from the angular velocity during the movement period obtained by the measuring means, and obtaining a two-dimensional representation of the inclination angle And a processor that obtains a change in the posture before and after the movement as a three-dimensional representation of a rotation angle by applying the rotation matrix to the movement matrix.
分解能が高くないセンサを用いて、健康のための体操のように所定の往復運動を含む体操の軌跡を射的法により求めることができる。 Using a sensor that does not have a high resolution, the trajectory of a gymnastic exercise including a predetermined reciprocating motion can be obtained by a shooting method like a gymnastic exercise for health.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明をする。尚、図中で類似の部分または類似の機能を果たす部分については、同一または類似の参照符号を付与して重複した説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, about the part which performs a similar part or a similar function in a figure, the same or similar reference code | symbol is provided and the overlapping description is abbreviate | omitted.
＜射的法の概略＞
図１は、本発明の実施形態による軌跡演算装置が適用される状況を示す図である。本発明では、所定の運動（体操）を行う間の軌跡を計測する人体密着型の軌跡演算装置において、加速度センサを用いて運動前後の重力方向を求めて回転角の２次元表現を得て、その値を、角速度センサより得られた体操の主回転軸に直交する軸を無視することによって３軸への配分を決定することで、射的法に用いる終端角度を得てセンサのドリフトをキャンセルして積分値を補正する方法およびそれを用いる装置が提供される。
<Outline of shooting method>
FIG. 1 is a diagram illustrating a situation in which a trajectory calculation device according to an embodiment of the present invention is applied. In the present invention, in a human body type trajectory calculation device that measures a trajectory while performing a predetermined exercise (gym exercise), a gravitational direction before and after exercise is obtained using an acceleration sensor to obtain a two-dimensional representation of a rotation angle, By ignoring the axis that is orthogonal to the main rotation axis of gymnastics obtained from the angular velocity sensor, the value is determined to be distributed to the three axes, thereby obtaining the terminal angle used in the shooting method and canceling the drift of the sensor. Thus, a method of correcting the integral value and an apparatus using the same are provided.
図１に示されているように、本発明の実施形態による軌跡演算装置（以下では、携帯装置とも呼ぶことがある）１０は、たとえば人体などの軟体である被測定物に搭載され、被測定物の運動の軌道を求めることを目的とする装置である。以下では、運動とは、主に健康のための運動を例に本発明の実施形態による軌跡演算方法および装置を説明するが、実施形態による方法および装置の適用範囲は健康のための運動には限定されない。 As shown in FIG. 1, a trajectory calculation device (hereinafter also referred to as a portable device) 10 according to an embodiment of the present invention is mounted on a measurement object that is a soft body such as a human body, and is measured. It is a device whose purpose is to determine the trajectory of an object's movement. In the following, the exercise will be described mainly by taking exercise for health as an example, and the trajectory calculation method and apparatus according to the embodiment of the present invention will be described. However, the scope of application of the method and apparatus according to the embodiment is not for exercise for health. It is not limited.
図１中の点Ｐ１は、往復運動を含む体操の往路の終点である。一般に、この点では人体の動きは一旦停止する。つまり、もし軌跡演算装置１０が角速度センサを含む場合、その角速度センサによって測定される角速度は、点Ｐ１では０となる。これは、図１に示されているような人体の体操に伴う軌跡演算装置１０の動きを、何らかの数値積分法を用いて求める際の境界条件の一つを与え得る。 Point P 1 in FIG. 1 is a forward of the end point of exercise including reciprocating. In general, the movement of the human body is temporarily stopped at this point. That is, if locus calculating unit 10 may include an angular velocity sensor, an angular velocity measured by the angular velocity sensor becomes 0 at point P 1. This can give one of the boundary conditions when the movement of the trajectory calculation apparatus 10 accompanying the physical exercises as shown in FIG. 1 is obtained using some numerical integration method.
図２ａ〜２ｃはそれぞれ、本発明の実施形態による軌跡演算装置が搭載される人体上の点の実際の軌道、実際の軌道に対して縮尺された軌道、および実際の軌道に対して歪みのある軌道を示す図である。 2a to 2c respectively show an actual trajectory of a point on a human body on which a trajectory calculation device according to an embodiment of the present invention is mounted, a trajectory scaled with respect to the actual trajectory, and a distortion with respect to the actual trajectory. It is a figure which shows an orbit.
携帯装置に搭載されるセンサを用いて、健康のための運動における人体上の任意の点の軌跡の計測では、
（１）リアルタイム性を必要としない、
（２）ある程度誤差が許容される、
という特徴がある。軌跡演算装置に搭載するセンサとしては、たとえば±４Ｇが計測できる１０ビットの加速度センサを用いることができる。±４Ｇが計測できる１０ビットの加速度センサでの１ビットは７７ｍｍ／ｓ２となる。
In the measurement of the trajectory of any point on the human body during exercise for health using the sensor mounted on the portable device,
(1) Does not require real-time performance,
(2) Some errors are allowed,
There is a feature. For example, a 10-bit acceleration sensor capable of measuring ± 4G can be used as a sensor mounted on the locus calculation device. One bit in a 10-bit acceleration sensor capable of measuring ± 4G is 77 mm / s 2 .
人体の健康の度合いを判定するためには、側屈やひねり運動における左右の運動方向での非対称性や、運動の軌跡の歪みなどが求まればよく、慣性航法が適用される状況のように、リアルタイム性が要求されない。つまり、一連の運動を行った後、その運動において人体上の任意の点がどのような軌跡を描いたのか知ることができれば良い。 In order to determine the degree of health of the human body, it is only necessary to obtain the asymmetry in the left and right movement directions in lateral bending and twisting movements, distortion of movement trajectory, etc., as in the situation where inertial navigation is applied Real-time performance is not required. In other words, after performing a series of exercises, it is only necessary to be able to know what locus a given point on the human body has drawn in the exercise.
また、健康の度合いの計測で重要なのは、左右対称な運動なら左右のバランスや移動中の本来の軌跡からのずれの量であり、ずれの具体的な角度や距離、何度であるとか何ｍｍ移動したか、という数値自体はあまり重要視されない。すなわち算出される軌跡は、図２に示されているように、実際の軌道に対して拡大や縮小、歪みがあってもかまわない。 What is important in measuring the degree of health is the left / right balance and the amount of deviation from the original trajectory during movement if it is a symmetrical movement. The specific angle and distance of the deviation, how many mm, etc. The value of whether it has moved is not considered as important. That is, the calculated trajectory may be enlarged, reduced, or distorted with respect to the actual trajectory as shown in FIG.
原理的に慣性センサの情報から軌跡を得るためには、角速度センサによって得られる結果を含むセンサ情報であれば１回、加速度センサからのセンサ情報であれば２回積分すればよい。しかし、これらのセンサ情報は、
（１）ドリフトによってゼロ点に対しオフセットがある
（２）分解能以下の角速度や加速度を検出できない
（３）加速度センサは重力加速度を検出する
といった事情から、実際はそのまま積分すると値が発散してしまうことがある。
In principle, in order to obtain the locus from the information of the inertial sensor, the sensor information including the result obtained by the angular velocity sensor may be integrated once, and the sensor information from the acceleration sensor may be integrated twice. However, these sensor information
(1) There is an offset with respect to the zero point due to drift. (2) Angular velocity and acceleration below the resolution cannot be detected. (3) The acceleration sensor detects gravitational acceleration. There is.
図３は、加速度センサによって得られた加速度を積分して位置を求めようとする際、積分誤差が発散する様子を示す図である。
図３に示されているように、加速度センサによって得られる加速度の時間変化から位置の変化を求めようとすると、時間に関して２回ほど積分する必要がある。そのため、センサの出力に含まれている電気的なノイズ、重力軸のずれ、温度など環境の変化に伴う静止出力の変動などに起因するわずかな誤差が時間に関する積分をするたびに蓄積し、位置の値が発散する場合がある。また、静止している場合にも、センサのドリフト現象が発生し、ドリフト現象によるオフセットは、位置の値が発散する原因の一つとなる。
FIG. 3 is a diagram illustrating how the integration error diverges when attempting to obtain the position by integrating the acceleration obtained by the acceleration sensor.
As shown in FIG. 3, when it is attempted to obtain a change in position from a time change in acceleration obtained by the acceleration sensor, it is necessary to integrate about twice with respect to time. For this reason, a slight error caused by electrical noise included in the sensor output, gravity axis deviation, or static output fluctuation due to environmental changes such as temperature, etc., accumulates every time integration is performed, The value of may diverge. Further, even when the sensor is at rest, the sensor drift phenomenon occurs, and the offset due to the drift phenomenon is one of the causes of the position value to diverge.
よって、適当な補正処理を行い、積分値が発散しなくなるようにしなければならない。補正方法には大きく二通りの方法がある。
一つ目はあらかじめ分かっている動き（通常は静止状態）のセンサ値を用いてオフセットや重力加速度の大きさや向きを求め、積分時にその分を考慮して計算する方法である。この手法は積分する時点で補正をかけるため、リアルタイムに積分結果を利用することができる。このため航空機やロボットなどの分野ではよく利用されている。しかし、計測前や計測中に一定時間、既知の動き、たとえば静止状態にとどまることを必要とする。これは航空機やロボットなど特定の分野では許容されるが、健康の度合いの計測しようとする際には、許容されにくい。
Therefore, an appropriate correction process must be performed so that the integral value does not diverge. There are two main correction methods.
The first is a method of calculating the magnitude and direction of offset and gravitational acceleration using sensor values of known motion (usually in a stationary state), and taking that into consideration during integration. Since this method applies correction at the time of integration, the integration result can be used in real time. For this reason, it is often used in the fields of aircraft and robots. However, it is necessary to stay in a known motion, for example, a stationary state, for a certain period of time before or during measurement. This is permitted in a specific field such as an aircraft or a robot, but is difficult to allow when trying to measure the degree of health.
もう一つは射的法またはシューティングメソッドと呼ばれる方法である。これはあらかじめ始点と終点が分かっている運動に対して途中経路がどのようなものであったかを算出するものである。あらかじめ始点と終点が分かっている運動には、例えば往復運動なら始点と終点の位置姿勢が等しい運動が含まれる。 The other is a method called a shooting method or a shooting method. This is to calculate what the intermediate path is for a motion whose start point and end point are known in advance. The motion whose start point and end point are known in advance includes, for example, a reciprocal motion in which the position and orientation of the start point and end point are equal.
射的法は始点と終点が決定している必要がある（実際は選択が適切であれば必ずしも始点と終点でなくてもかまわない)。このため適用対象として最適なものは往復運動である。往復運動では始点と終点が等しいため、始点および終点を原点にするなど適切に定めることができるためである。 In the shooting method, the start and end points need to be determined (in fact, if the selection is appropriate, the start and end points are not necessarily required). For this reason, the most suitable application object is a reciprocating motion. This is because the start point and the end point are the same in the reciprocating motion, so that the start point and the end point can be appropriately determined, for example.
図４は、本発明の実施形態による軌跡演算装置で採用される射的法の概略を示す図である。射的法（または、シューティングメソッド、シューティング法）は、微分方程式の境界値問題を解く方法の一つである。この方法では、条件が明示的に与えられた境界を始点として、与えられた境界条件以外の初期値を適当に仮定して微分方程式を積分して行き、別の境界の条件を満たすまで、仮定した初期値を修正する方法である。 FIG. 4 is a diagram showing an outline of a shooting method employed in the trajectory calculation apparatus according to the embodiment of the present invention. The shooting method (or shooting method or shooting method) is one of the methods for solving the boundary value problem of differential equations. In this method, starting from a boundary where a condition is explicitly given as a starting point, the initial value other than the given boundary condition is assumed appropriately, the differential equation is integrated, and the assumption is made until another boundary condition is satisfied. This is a method for correcting the initial value.
図４を参照しながら、射的法の概要を説明する。
図４ａは、運動区間の抽出を行う様子を示している。時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔ＝ｎΔｔ（ｎは正整数、Δｔは時間間隔）の間のセンサ信号（センサ出力）の時系列情報を速度情報として抽出する様子を示している。また時刻ｔ＝Ｔにおける境界条件として、このときの位置の値はＹであることが分かっているとする。
The outline of the shooting method will be described with reference to FIG.
FIG. 4a shows how to extract an exercise section. The time series information of the sensor signal (sensor output) between time t = 0 and time t = T = nΔt (n is a positive integer, Δt is a time interval) is shown as speed information. Further, it is assumed that the position value at this time is known to be Y as a boundary condition at time t = T.
次に、図４ｂに示されているように、時刻ｔ＝０における位置の値はｘ０と決められている。この値を初期値として、センサ出力を時間積分して、位置の値の時系列データを得る。多くの場合、この積分の結果としての時刻ｔ＝Ｔの値は、上述のような様々な原因によって、本来の値であるＹとは異なる値であるＺとなる。ＹとＺの差が誤差である。 Next, as shown in FIG. 4b, the position value at time t = 0 is determined to be x0. Using this value as an initial value, the sensor output is time-integrated to obtain time-series data of position values. In many cases, the value at time t = T as a result of this integration is Z, which is a value different from Y, which is the original value, due to various causes as described above. The difference between Y and Z is an error.
次に、図４ｃに示されているように、ＹとＺの誤差を補償するために、速度情報、すなわちセンサ信号の時系列情報に一定値Ｖ０を加えて修正された速度情報を得る。Ｖ０の符号は値Ｙと値Ｚの大小関係から決められても良い。 Next, as shown in FIG. 4c, in order to compensate for an error between Y and Z, speed information, that is, speed information corrected by adding a constant value V0 to the time-series information of the sensor signal is obtained. The sign of V0 may be determined from the magnitude relationship between the value Y and the value Z.
そして、図４ｄに示されているように、修正された速度情報を時間積分して、新たな位置の値の時系列データを得る。図４ｂおよび図４ｃに示されている処理を一度行っただけでは、時刻ｔ＝Ｔでの境界条件が所定の誤差の範囲内で満たさない場合、図４ｂおよび図４ｃに示されている処理を繰り返す。この処理の結果、時刻ｔ＝０における位置の値をｘ０、時刻ｔ＝Ｔにおける位置の値がＹとなる位置の時系列情報ｘｔ（ｔ＝０〜Ｔ）を得る。この位置の時系列情報ｘｔが軌跡に他ならない。 Then, as shown in FIG. 4d, the corrected speed information is time-integrated to obtain time-series data of new position values. If the boundary condition at time t = T is not satisfied within a predetermined error range by performing the process shown in FIGS. 4b and 4c once, the process shown in FIGS. 4b and 4c is performed. repeat. As a result of this processing, time-series information xt (t = 0 to T) of the position where the position value at time t = 0 is x0 and the position value at time t = T is Y is obtained. The time-series information xt at this position is nothing but a locus.
図４ａ〜４ｄでは、センサとして速度センサを用い、一回の積分で軌跡を得ている。速度センサでなく加速度センサを使う場合、時間に関する積分を二回行う。すなわちまずｔ＝０とＴにおける速度を定め、加速度センサから得た加速度の時系列情報に対し図４ｂ〜４ｄの処理を行い速度の時系列情報を得る。次にその速度の時系列情報に対して図４ａ〜４ｄの処理を行う。 4a to 4d, a speed sensor is used as a sensor, and a locus is obtained by one integration. If an acceleration sensor is used instead of a speed sensor, integration over time is performed twice. That is, first, the speed at t = 0 and T is determined, and the time series information of the acceleration obtained from the acceleration sensor is subjected to the processes of FIGS. 4b to 4d to obtain the time series information of the speed. Next, the processing of FIGS. 4a to 4d is performed on the time-series information of the speed.
体操は体を前後に動かす前屈や側面に倒す側屈など往復運動であり、一見簡単に射的法を適用できそうに見える。一般的な±４Ｇが計測できる１０ビットの加速度センサの分解能が７７ｍｍ／ｓ２であることを考慮すると、６秒間に１．４ｍ以下で動くような運動は検出することができない。体操での人体上の点の移動距離は、せいぜい数十ｃｍ程度である。このような運動の軌跡を射的法を用いて求めようとしても、困難である。 Gymnastics are reciprocating movements such as forward bending to move the body back and forth and side bending to tilt the side, and it seems that the shooting method can be applied easily at first glance. Considering that the resolution of a general 10-bit acceleration sensor capable of measuring ± 4G is 77 mm / s 2 , it is impossible to detect a motion that moves at 1.4 m or less in 6 seconds. The movement distance of points on the human body in gymnastics is at most about several tens of centimeters. It is difficult to obtain such a motion trajectory using a shooting method.
以下では、上記のようなセンサを用いても、射的法による軌跡の算出に利用可能な、所定の往復運動を含む体操の往路区間における終点の座標の値を得る方法およびそれを用いる装置について述べる。そのような方法および装置では、安価なセンサを用いつつも、射的法を用いて前屈、側屈、ひねりなどの体操のような往復運動を含む体操の軌跡を射的法により求めることである。 In the following, a method for obtaining a coordinate value of an end point in a forward section of a gymnastic exercise including a predetermined reciprocating motion that can be used for calculation of a trajectory by a shooting method even using the above-described sensor and an apparatus using the same State. In such a method and apparatus, while using an inexpensive sensor, a trajectory of gymnastic exercises including reciprocating motions such as forward bending, lateral bending, and twisting is obtained by a shooting method using a shooting method. is there.
（第一の実施形態）
図５〜１５を参照して、本発明の第一の実施形態について説明する。本実施形態では、上の射的法を、携帯装置に搭載するセンサを用いて人体上の任意の点の軌跡を求めることができる。
(First embodiment)
The first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the trajectory of an arbitrary point on the human body can be obtained using the above-mentioned shooting method using a sensor mounted on a portable device.
図５は、本発明の実施形態による軌跡演算装置が搭載される人体に固定されたｘｙｚ座標系を示す図である。
本実施形態では、人体に左手系直交座標系を固定する。原点を人体の股関節あたりに取り、ｘ軸と左手方向に、ｙ軸を頭頂方向に、ｚ軸を前方方向に取る。
FIG. 5 is a diagram illustrating an xyz coordinate system fixed to a human body on which a trajectory calculation apparatus according to an embodiment of the present invention is mounted.
In this embodiment, a left-handed orthogonal coordinate system is fixed to the human body. The origin is taken around the hip joint of the human body, the x axis and the left hand direction, the y axis in the parietal direction, and the z axis in the forward direction.
図６ａ〜６ｂは、本発明の第一の実施形態による軌跡演算装置が搭載される人体のモデルとしての人体リンクモデルを示す図である。
センサを含む携帯装置１０は、図６ａのように携帯装置が搭載される人体に固定された直交座標系の原点付近に装着される。より詳細には、図６ｂのように、携帯装置は、座標（０、ｈ、ｄ）に配置している。携帯装置１０には大きさがある。「携帯装置が位置（０、ｈ、ｄ）にある」と言った時、点（０、ｈ、ｄ）には、携帯装置の任意の点が配置され、たとえば、携帯装置の重心位置が配置されても良いし、携帯装置の表面上の一点が配置されても良い。
6a to 6b are views showing a human body link model as a human body model on which the trajectory calculation device according to the first embodiment of the present invention is mounted.
The portable device 10 including the sensor is mounted near the origin of an orthogonal coordinate system fixed to a human body on which the portable device is mounted as shown in FIG. 6a. More specifically, as shown in FIG. 6b, the portable device is arranged at coordinates (0, h, d). The portable device 10 has a size. When “the portable device is at position (0, h, d)”, an arbitrary point of the portable device is arranged at the point (0, h, d), for example, the center of gravity of the portable device is arranged. Alternatively, one point on the surface of the portable device may be arranged.
また、図６ｂに示されているように、ｘ軸回りの回転をφｘ、ｙ軸回りの回転をφｙ、ｚ軸回りの回転をφｚで表す。
以下では、座標または回転角の表記に（ｘ、ｙ、ｚ）と（φｘ、φｙ、φｚ）、または（ｘ、ｙ、ｚ）Ｔと（φｘ、φｙ、φｚ）Ｔ（記号“Ｔ”は行列またはベクトルの転置を表す。）を用い、ときとしてこれらの区別をせずに記載する。すなわち、たとえば（ｘ、ｙ、ｚ）と記載されていても、数学的演算の際には、（ｘ、ｙ、ｚ）Ｔと理解しないと演算が成立しない場合がある。そのような場合には、数学的演算が可能である表記であると理解する。
Further, as shown in FIG. 6b, rotation about the x axis is represented by φ x , rotation about the y axis is represented by φ y , and rotation about the z axis is represented by φ z .
Hereinafter, (x, y, z) and (φ x , φ y , φ z ), or (x, y, z) T and (φ x , φ y , φ z ) T (The symbol “ T ” represents transposition of a matrix or vector.), Sometimes described without distinction. That is, for example, even if (x, y, z) is described, the calculation may not be established unless it is understood as (x, y, z) T in the mathematical calculation. In such a case, it is understood that the notation is capable of mathematical operation.
第一の実施形態では、携帯装置１０が装着された人体の運動の軌跡を、常微分方程式の数値積分法の一つである射的法を用いて得る。特に、第一の実施形態では、分解能が必ずしも高くない安価なセンサを用いつつも、射的法に用いる終端角度を得てセンサのドリフトをキャンセルし、積分値を補正する方法およびそれを用いる装置が提供される。携帯装置１０の構成は、後に図１６を参照しながら説明する。 In the first embodiment, the trajectory of the movement of the human body on which the portable device 10 is worn is obtained using a shooting method that is one of the numerical integration methods of ordinary differential equations. In particular, in the first embodiment, while using an inexpensive sensor whose resolution is not necessarily high, a method for obtaining the terminal angle used in the shooting method, canceling the drift of the sensor, and correcting the integral value, and an apparatus using the same Is provided. The configuration of the portable device 10 will be described later with reference to FIG.
図７ａ〜ｃはそれぞれ、第一の実施形態による軌跡演算装置が搭載される人体が行う運動の例としての体を前方向に倒す前屈運動、横方向に倒す側屈運動、人体を貫く軸に関してひねるひねり運動を示す図である。健康診断はそれぞれ主要な運動方向にどれだけ動いたかとともに、主要回転軸に直交する一つの軸の動きを使って行う。直交軸は前屈の場合よじれ、側屈の場合前後のブレ、ひねりの場合左右のブレである。 7a to 7c respectively show a forward bending motion that tilts the body forward, a lateral bending motion that tilts laterally, and an axis that penetrates the human body as an example of a motion performed by the human body on which the trajectory calculation device according to the first embodiment is mounted. FIG. 6 shows a twisting motion with respect to. The health check is performed using the movement of one axis perpendicular to the main axis of rotation, along with how much it has moved in the main direction of movement. The orthogonal axis is twisted in the case of forward bending, blurring back and forth in the case of side bending, and blurring in the left and right in the case of twisting.
図７ａに示されているように、前屈運動では、ｘ軸回りの回転が主な動きであり、その次にｙ軸回りの運動があっても良い。つまり、ｘ軸回りの回転は、体をどれだけ体を前方に傾けたかを表す。したがって、前屈運動におけるｘ軸回りの回転角の大きさは、人の体の健康の度合いの一つを与える。一方、ｙ軸回りの回転は前屈運動の際にどれだけ体をよじったかを表す。一般には、体を直立させた状態から、前方に体を傾けるだけならば、体をよじる必要はない。よって、前屈運動でｙ軸回りの回転が測定されるということは、体の左右の対称性が破れている可能性があり、人の体の健康の度合いの一つを与える。 As shown in FIG. 7a, in the forward bending movement, rotation around the x axis is the main movement, and then there may be movement around the y axis. That is, the rotation around the x axis represents how much the body is tilted forward. Therefore, the magnitude of the rotation angle around the x-axis in the forward bending motion gives one of the degrees of human health. On the other hand, the rotation about the y-axis represents how much the body is twisted during the forward bending motion. Generally, if the body is simply tilted forward from a state where the body is upright, there is no need to twist the body. Therefore, the fact that the rotation about the y-axis is measured by the forward bending motion may break the symmetry of the left and right of the body, and gives one of the degrees of human health.
図７ｂに示されているように、側屈運動では、ｚ軸回りの回転が主な動きであり、その次にｘ軸回りの運動を注目する動きとしも良い。ｚ軸回りの回転は、直立した姿勢から真横に体を倒す運動を表す。したがって、側屈運動におけるｚ軸回りの回転角の大きさは、人の体の健康の度合いの一つを与える。体が左右対称であれば、ｚ軸回りの回転角の正の方向（体を直立させたときの回転角を０としたとき、回転角が正の値となる方向）と負の方向（回転角が負の値となる方向）の最大値がほぼ一致する。すなわち、側屈運動でのｚ軸回りの回転角の正負の最大値の絶対値の差は、人の体の健康の度合いの一つを与える。 As shown in FIG. 7b, the rotation around the z-axis is the main movement in the lateral bending movement, and the movement around the x-axis may be the next movement. The rotation around the z-axis represents the movement of tilting the body directly from an upright posture. Therefore, the magnitude of the rotation angle around the z-axis in lateral bending exercise provides one of the degrees of human health. If the body is bilaterally symmetric, the positive direction of the rotation angle around the z-axis (the direction in which the rotation angle is positive when the rotation angle when the body is upright is 0) and the negative direction (rotation) The maximum value in the direction in which the angle is negative is almost the same. That is, the difference between the absolute values of the positive and negative maximum values of the rotation angle around the z-axis in the lateral bending motion gives one of the degrees of human health.
また、図７ｂに示されているように、側屈運動では、ｚ軸回りの回転が主な動きであり、ｚ軸回りの回転の次にｘ軸回りの回転を注目する動きとしも良い。側屈運動は、体を真横に傾ける運動であるので、本来的には、体の前後の運動はない。つまり、側屈運動でのｘ軸回りの回転角の有無およびある場合の回転角の大きさは、人の体の健康の度合いの一つを与える。 Further, as shown in FIG. 7b, in the lateral bending motion, the rotation around the z-axis is the main movement, and the rotation around the x-axis may be the next movement focusing on the rotation around the z-axis. Since the lateral bending movement is a movement that tilts the body to the side, there is essentially no movement before and after the body. That is, the presence / absence of the rotation angle around the x-axis and the magnitude of the rotation angle in some cases give one of the health levels of the human body.
また、図７ｃに示されているように、ひねり運動では、ｙ軸回りの回転が主な動きであり、ｙ軸回りの回転の次にｚ軸回りの回転を注目する動きとしも良い。つまり、ひねり運動におけるｙ軸回りの回転角の大きさは、人の体の健康の度合いの一つを与える。また、側屈運動でのｚ軸回りの回転角の正負の最大値の絶対値の差は、人の体の健康の度合いの一つを与える。 Further, as shown in FIG. 7c, in the twisting motion, the rotation around the y-axis is the main motion, and the rotation around the z-axis may be followed by the rotation focusing on the y-axis. That is, the magnitude of the rotation angle around the y-axis in the twisting exercise gives one of the degrees of human health. Further, the difference between the absolute values of the positive and negative maximum values of the rotation angle around the z axis in the lateral bending motion gives one of the degrees of human health.
以上のことをまとめると表１のようになる。
次に、図８〜９を参照して、本発明の実施形態にしたがって、射的法を用いて軌跡演算装置が搭載される人体が運動を行ったとき、軌道演算装置の軌跡を求める際に、二次元情報を三次元情報に展開する必要性があることを説明する。 Next, referring to FIGS. 8 to 9, when the trajectory of the trajectory calculation device is obtained when the human body on which the trajectory calculation device is mounted is moved using the shooting method according to the embodiment of the present invention. Explain that there is a need to expand 2D information into 3D information.
図８ａは、本発明の実施形態による軌跡演算装置を加速度センサとして用いたときの運動の前後の傾斜の様子をグローバル座標において示す図、図８ｂは、本発明の実施形態による軌跡演算装置を加速度センサとして用いたときの運動の前後の傾斜の様子をローカル座標において示す図である。ここで、グローバル座標とは、軌跡演算装置が搭載される人体が置かれている空間に固定された座標であり、グローバル座標系では、軌跡演算装置１０自体も移動する。グローバル座標は絶対座標と呼ぶこともある。ローカル座標とは、軌跡演算装置１０に固定された座標である。 FIG. 8A is a diagram showing, in global coordinates, the state of inclination before and after exercise when the trajectory calculation device according to the embodiment of the present invention is used as an acceleration sensor, and FIG. 8B shows the acceleration of the trajectory calculation device according to the embodiment of the present invention. It is a figure which shows the mode of the inclination before and behind the exercise | movement when using as a sensor in a local coordinate. Here, the global coordinates are coordinates fixed in a space where a human body on which the trajectory calculation device is mounted is located, and the trajectory calculation device 10 itself moves in the global coordinate system. Global coordinates are sometimes called absolute coordinates. The local coordinates are coordinates fixed to the locus calculation device 10.
図９は、本発明の第一の実施形態による軌跡演算装置で採用される方法において、２次元情報を３次元情報に展開する必要性を説明する図である。
センサを装備した携帯装置１０の一面を図６ａのように胸骨を押さえつけて運動した場合、前屈運動や側屈運動など重力に対して傾く運動を行うと、人体に装着された携帯装置の加速度センサは運動によって移動し、運動に伴って生じる加速度（遠心力も含む）と重力方向の変化を検出する。往復運動の往路終了時点で体の動きが止まっていると考えると、加速度センサは重力方向のみをとらえた傾斜計として機能する。しかし、図８ｂに示されているように、姿勢の終点がピッチ、ロール、ヨーなどと表現できる３種類の角度が必要なのに対し、傾斜計として加速度センサを使った時に得られる角度は２種類だけである。図８ｂでは、ｘ軸、ｚ軸、ｙ軸の順に回転させる規則を採用しているので、２つの角度としてｘ軸回りの回転角ψｘとｚ軸回りの回転角ψｚによって重力方向の変化を表現している。
FIG. 9 is a diagram for explaining the necessity of developing two-dimensional information into three-dimensional information in the method employed in the trajectory calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
When one surface of the mobile device 10 equipped with the sensor is moved while pressing the sternum as shown in FIG. 6a, if the mobile device 10 is tilted with respect to gravity, such as a forward bending motion or a lateral bending motion, the acceleration of the mobile device mounted on the human body. The sensor moves by movement and detects acceleration (including centrifugal force) and change in the direction of gravity caused by the movement. Assuming that the body motion has stopped at the end of the reciprocation, the acceleration sensor functions as an inclinometer that captures only the direction of gravity. However, as shown in FIG. 8b, the posture end point requires three types of angles that can be expressed as pitch, roll, yaw, etc., whereas only two types of angles can be obtained when using an acceleration sensor as an inclinometer. It is. In FIG. 8 b, the rule of rotating in the order of the x-axis, z-axis, and y-axis is adopted, so the change in the direction of gravity depends on the rotation angle ψ x around the x-axis and the rotation angle ψ z around the z-axis as two angles. Is expressed.
このため、図９に示されているように、２次元の情報を３次元、すなわち３つの回転角に配分しなければならない。図６ｂに示されているように、加速度センサ、または加速度センサを含む携帯装置１０が装着された人体の運動は、ｘ軸回りの回転をφｘ、ｙ軸回りの回転をφｙ、ｚ軸回りの回転をφｚで表される。一方、図８ｂに示されているように、人体に装着された携帯装置の加速度センサ（または加速度センサ）における重力方向の変化は、ｘ軸回りの回転角ψｘとｚ軸回りの回転角ψｚによって表される。すなわち、（ψｘ、ψｚ）を（φｘ、φｙ、φｚ）に分配する必要がある。この分配方法は無数にあるが、３軸のうち一つの軸は回転しないと考え、残りの２軸に重力方向の変化から得た二次元情報を射影させる方法が一番シンプルである。ただし、この方法では、３つの軸のうちどの２軸に投影するか、つまり、どの軸には射影しないのか、を決定する必要がある。ここで、射影しない１つの軸は、その軸の回りの回転を無視するということを意味する。 For this reason, as shown in FIG. 9, two-dimensional information must be distributed to three dimensions, that is, three rotation angles. As shown in FIG. 6b, the motion of the human body to which the acceleration sensor or the portable device 10 including the acceleration sensor is attached is represented by φ x rotation about the x axis, φ y rotation about the y axis, and z axis. rotation about represented by phi z. On the other hand, as shown in FIG. 8b, the change in the gravity direction of the acceleration sensor (or acceleration sensor) of the portable device worn on the human body is caused by the rotation angle ψ x about the x axis and the rotation angle ψ about the z axis. represented by z . That is, it is necessary to distribute (ψ x, ψ z ) to (φ x , φ y , φ z ). There are an infinite number of distribution methods, but the simplest method is to project two-dimensional information obtained from changes in the direction of gravity onto the remaining two axes, assuming that one of the three axes does not rotate. However, in this method, it is necessary to determine which of the three axes is projected, that is, which axis is not projected. Here, one axis that is not projected means that rotation around that axis is ignored.
その射影しない１つの軸として、運動の種類に関わらず、携帯装置１０が搭載される人体の体幹を貫くグローバル座標でのｙ軸を採用することも考えられる。しかしながら、上の表１に示したように、運動によって主たる運動の動きの軸が異なるため、運動の種類に関わらずグローバル座標でのｙ軸を射影しない１つの軸として採用することは難しい。そこで、運動ごとに、その運動における回転を射影しない軸を決定する必要がある。 As one axis that is not projected, it is conceivable to adopt the y-axis in global coordinates that penetrates the trunk of the human body on which the portable device 10 is mounted, regardless of the type of exercise. However, as shown in Table 1 above, since the motion axis of the main motion differs depending on the motion, it is difficult to adopt it as one axis that does not project the y-axis in global coordinates regardless of the type of motion. Therefore, for each motion, it is necessary to determine an axis that does not project the rotation in that motion.
そのために、携帯装置１０を含む健康診断装置（図１６）から、携帯装置１０の利用者、つまり体操をする人に、前屈運動、側屈運動、またはひねり運動など運動の種類を指示し、その指示に基づいて無視する軸を決定しても良い。たとえば、前屈運動、側屈運動、ひねり運動に対してはそれぞれ、ｚ軸、ｙ軸、ｘ軸を無視するようにしても良い。 For that purpose, from the health diagnostic device (FIG. 16) including the portable device 10, the user of the portable device 10, that is, the person performing gymnastics, is instructed on the type of exercise such as forward bending exercise, lateral bending exercise, or twist exercise, An axis to be ignored may be determined based on the instruction. For example, the z-axis, y-axis, and x-axis may be ignored for forward bending, lateral bending, and twisting movements, respectively.
＜回転角の算出＞
以下では、図１１〜１２を参照して、運動の前後における携帯装置の回転角（φｘ、φｙ、φｚ）の算出について説明する。以下では、加速度センサで重力方向の時系列データ（ａｘｉ、ａｙｉ、ａｚｉ）および角速度の時系列データ（ｒｘｉ、ｒｙｉ、ｒｚｉ）を測定する。ここでｉは整数であり、離散的な時刻を示すインデックスである。また、運動期間はｉ＝０〜ｎで表される期間であるとする。微小時間をΔＴ秒とすれば、運動期間はｔ＝０〜Ｔ＝ｎΔＴ秒となる。ここではｉを整数として離散的な時刻を示すインデックスとしたが、連続的な時刻ｔ＝０〜Ｔを示しても良い。
<Calculation of rotation angle>
Below, with reference to FIGS. 11-12, calculation of the rotation angle ((phi) x , (phi) y , (phi) z ) of the portable apparatus before and behind an exercise | movement is demonstrated. In the following, time series data (a xi , a yi , a zi ) in the direction of gravity and time series data (r xi , r yi , r zi ) of angular velocity are measured with an acceleration sensor. Here, i is an integer and is an index indicating discrete time. The exercise period is a period represented by i = 0 to n. If the minute time is ΔT seconds, the exercise period is t = 0 to T = nΔT seconds. Here, i is an integer indicating an integer indicating discrete time, but continuous time t = 0 to T may be indicated.
図１０は、本発明の第一の実施形態による軌跡演算装置で採用される方法において、回転角の３次元表示を得る処理のフローチャートである。
図１０に示されている処理では、まず運動の主軸を求める。次に、主軸の方向を示すベクトルに行列、
In the process shown in FIG. 10, first, the principal axis of motion is obtained. Next, a matrix into a vector indicating the direction of the main axis,
また、運動期間の角速度の大きさの時系列データから主軸を検出し、運動が前屈運動、側屈運動、ひねり運動のいずれの運動なのかを判定し、表１の関係から直交軸を決定しても良い。
回転角を測定する前に、図６ｂに示されているように、人体の座標系と携帯端末１０の持つ座標系を一致させる必要があることである。
In addition, the main axis is detected from the time-series data of the magnitude of the angular velocity during the exercise period, it is determined whether the exercise is forward bending, side bending or twisting, and the orthogonal axis is determined from the relationship in Table 1. You may do it.
Before measuring the rotation angle, as shown in FIG. 6b, it is necessary to make the coordinate system of the human body and the coordinate system of the portable terminal 10 coincide with each other.
図１２は、人体の座標系と携帯装置の座標系を一致させる初期補正法について説明する図である。図１２において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で張られる座標系は人体に固定された座標系、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸で張られる座標系は携帯装置１０に固定された座標系である。 FIG. 12 is a diagram for explaining an initial correction method for matching the coordinate system of the human body with the coordinate system of the portable device. In FIG. 12, the coordinate system stretched by the X axis, Y axis, and Z axis is a coordinate system fixed to the human body, and the coordinate system stretched by the x axis, y axis, and z axis is a coordinate system fixed to the portable device 10. is there.
もし、携帯端末１０が加速度センサを含んでおり、加速度センサを傾斜計と扱えば、携帯端末１０がどのような傾きで体に装着しているか知ることができる。一般に、重力方向からは（ψｘ、ψｚ）の２つの角度（図１２の角度１および角度２）に関する情報しか得られないため、人体の座標系と携帯端末１０の持つ座標系の２つの座標系を一致させるのに必要な回転量を一意に決めることができない。しかし図６ｂのように端末の一面を胸骨に当てているため、胸骨に当てた端末面の法線（仮にｚ軸とする）は人の矢上面（ＹＺ平面）上にあると考えられる。そのため回転の際には、Ｘ軸回り、Ｚ軸回り、Ｙ軸回りの順で回転させるという約束を採用すれば、Ｙ軸回りの回転のズレは無視して、２つの座標系を一致させるような回転量を計算することができる。 If the mobile terminal 10 includes an acceleration sensor, and the acceleration sensor is handled as an inclinometer, it is possible to know what inclination the mobile terminal 10 is wearing on the body. In general, since only information on two angles (angle x and angle 2 in FIG. 12) of (ψ x, ψ z ) can be obtained from the direction of gravity, two coordinate systems of the human body and the coordinate system of the portable terminal 10 are obtained. The amount of rotation required to match the coordinate systems cannot be uniquely determined. However, since one surface of the terminal is applied to the sternum as shown in FIG. 6b, it is considered that the normal of the terminal surface applied to the sternum (assumed to be the z axis) is on the human arrow upper surface (YZ plane). For this reason, if the promise of rotating around the X axis, around the Z axis, and around the Y axis is adopted when rotating, the misalignment of the rotation around the Y axis is ignored and the two coordinate systems are matched. The amount of rotation can be calculated.
図１０のフローチャートで示されている処理において、求めるべき終点は全部で３つある。姿勢の終点Ｒｎ、速度の終点Ｖｎ、および位置の終点Ｐｎである。ここで、サブスクリプトは離散時間のインデックスである。このうち一番重要視されるのは姿勢の終点Ｒｎである。なぜならば、求める軌跡は、位置の軌跡データＰｉと姿勢の軌跡データＲｎ（ｉ＝０、１、２、…、ｎ）で構成される。 In the process shown in the flowchart of FIG. 10, there are three end points to be obtained. The posture end point R n , the speed end point V n , and the position end point P n . Here, the subscript is an index of discrete time. The most important of these is the posture end point Rn. This is because the trajectory to be obtained includes position trajectory data P i and posture trajectory data R n (i = 0, 1, 2,..., N).
ステップＳ１００では、加速度センサで重力方向の時系列データ（ａｘｉ、ａｙｉ、ａｚｉ）および角速度の時系列データ（ｒｘｉ、ｒｙｉ、ｒｚｉ）を測定する。ここでｉは整数であり、離散的な時刻を示すインデックスである。また、運動期間はｉ＝０〜ｎで表される期間であるとする。 In step S100, the time-series data (a xi , a yi , a zi ) in the direction of gravity and the time-series data (r xi , r yi , r zi ) of angular velocity are measured by the acceleration sensor. Here, i is an integer and is an index indicating discrete time. The exercise period is a period represented by i = 0 to n.
ステップＳ１０２では、運動前と運動後の重力方向（ａｘ０、ａｙ０、ａｚ０）および（ａｘｎ、ａｙｎ、ａｚｎ）からｘ軸回りの回転角ψｘとｚ軸回りの回転角ψｚを求める。 In step S102, the rotation angle ψ x about the x axis and the rotation angle ψ about the z axis from the gravity directions (a x0 , a y0 , a z0 ) and (a xn , a yn , a zn ) before and after the movement. Find z .
次のステップＳ１０４では、回転角算出処理を行う。この処理は図１１のフローチャートに示されている。
回転角算出処理が始まると、まず、ステップＳ２００で測定された角速度（ｒｘｉ、ｒｙｉ、ｒｚｉ）を時間に関して積分して、運動期間中の角度変化ρ＝（ρｘ、ρｙ、ρｚ）を求める：
When the rotation angle calculation process starts, first, the angular velocities (r xi , r yi , r zi ) measured in step S200 are integrated with respect to time, and the angle change ρ = (ρ x , ρ y , ρ during the exercise period). Find z ):
次に、ステップＳ２０２で運動の主軸と直行する軸Ｋを求める。運動の主軸は、ステップＳ２００で求めた角度変化ρ＝（ρｘ、ρｙ、ρｚ）で表される軸である。軸Ｋの方向を示すベクトル（Ｋｘ、Ｋｙ、Ｋｚ）は次式から求められる：
次に、ステップＳ２０４では、ステップＳ２０２で求められた軸Ｋの回りの回転を無視したときの回転行列Ｒを、次式を用いて求める。
次のステップＳ２０６では、ステップ２０４で求められた回転行列Ｒを（ψｘ、ψｚ）に施すことによって、回転角（φｘ、φｙ、φｚ）が得られる。すなわち、
このようにして、運動の主軸に直交する方向に関する回転を無視することによって、２つの回転角（ψｘ、ψｚ）を３つの回転角（φｘ、φｙ、φｚ）に分配することができる。 In this way, by ignoring the rotation in the direction perpendicular to the principal axis of motion, distributing the two rotation angles (ψ x, ψ z ) to the three rotation angles (φ x , φ y , φ z ) Can do.
また、±４Ｇが計測できる１０ビット程度のセンサなど分解能が高くないセンサを用いて、健康のための体操のように所定の往復運動を含む体操の軌跡を射的法によって求めるために用いられる往路区間における終点を得ることができる。 Further, a forward path used to obtain a trajectory of a gymnastic exercise including a predetermined reciprocating motion by a shooting method, such as a gymnastic exercise for health, using a sensor with low resolution such as a 10-bit sensor capable of measuring ± 4G. The end point in the section can be obtained.
＜射的法を用いた軌跡演算＞
以下では、図１４〜１５を参照して、射的法を用いた軌跡演算処理について説明する。図１４は、本発明の第一の実施形態による軌跡演算装置で採用される射的法を用いた軌跡演算方法の処理のフローチャート、図１５は本発明の第一の実施形態による軌跡演算装置で採用される射的法を用いた軌跡演算方法の処理における終端位置の算出処理を説明する図である。
<Trace calculation using the shooting method>
Below, with reference to FIGS. 14-15, the locus | trajectory calculation process using a shooting method is demonstrated. FIG. 14 is a flowchart of the process of the trajectory calculation method using the shooting method employed in the trajectory calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 15 is the trajectory calculation apparatus according to the first embodiment of the present invention. It is a figure explaining the calculation process of the terminal position in the process of the locus | trajectory calculation method using the adopted shooting method.
まず、Ｓ３００〜Ｓ３１６で、運動の往路の終点（図１の点Ｐ１）の座標を求める。
Ｓ３００では、加速度センサおよび角速度センサの読みの時系列データを取得する。各測定タイミングにおいて、加速度センサの読みは（ａｘ、ａｙ、ａｚ）、角速度センサの読みは（ｒｘ、ｒｙ、ｒｚ）と表される。ａｘ、ａｙ、ａｚはそれぞれ、ｘ軸まわり、ｙ軸回り、ｚ軸回りの信号から得られる値である。
First, in S300 to S316, the coordinates of the end point of movement (point P 1 in FIG. 1 ) are obtained.
In S300, time series data of reading of the acceleration sensor and the angular velocity sensor is acquired. At each measurement timing, the reading of the acceleration sensor is represented as (a x , a y , a z ), and the reading of the angular velocity sensor is represented as (r x , r y , r z ). a x , a y , and a z are values obtained from signals around the x axis, the y axis, and the z axis, respectively.
Ｓ３０２では、Ｓ３００で得られた加速度センサおよび角速度センサの読みから、運動区間を取り出す。その値を計算機システムで読み取るとなると読み取る間隔（サンプリング間隔）で離散化される。その間隔をΔＴとする。計算機システムは加速度センサおよび角速度センサを監視し運動が行われたか否かを判別し、運動が行われたと判断されると、その間の加速度や角速度をそれぞれ、配列（ａｘｉ、ａｙｉ、ａｚｉ）、（ｒｘｉ、ｒｙｉ、ｒｚｉ）に保存する。ここは運動開始時の加速度、角速度をａ０、ｒ０、運動開始後ｔ＝ｉ×ΔＴ秒後の加速度や角速度をとａｉ、ｒｉ、運動終了時（ｎΔＴ秒後）の加速度、角速度をａｎ、ｒｎとする。 In S302, the motion section is extracted from the readings of the acceleration sensor and the angular velocity sensor obtained in S300. When the value is read by the computer system, it is discretized at the reading interval (sampling interval). Let that interval be ΔT. The computer system monitors the acceleration sensor and the angular velocity sensor to determine whether or not the exercise has been performed. When it is determined that the exercise has been performed, the acceleration and the angular velocity during that time are respectively arrayed (a xi , a yi , a zi). ), (R xi , r yi , r zi ). Here, the acceleration and angular velocity at the start of motion are a0 and r0, the acceleration and angular velocity after t = i × ΔT seconds after the start of motion are ai and ri, and the acceleration and angular velocity at the end of the motion (after nΔT seconds) are an and rn. And
次の目標は、時刻ｔにおけるローカル座標から見たセンサ値ａｔ、ｒｔが、絶対座標系で見るとどのような値になっているかを求めるための回転行列Ｒｔの列を得ることである。Ｒｉの列を得る方法はＲ０＝Ｉｄ（恒等行列）として、順次角速度センサの値を積分していけばよい。しかし、単なる積分値は不正確なため、時刻ｔ＝Ｔ（＝ｎΔＴ）時の回転行列Ｒｎを、運動前後の重力方向の変化を用いて計算し、Ｒｎがその値にあうように射的法を適用させる必要がある。 The next goal is to obtain a column of the rotation matrix Rt for determining what values the sensor values at and rt viewed from the local coordinates at time t are when viewed in the absolute coordinate system. The method for obtaining the Ri column is to set R0 = Id (identity matrix) and sequentially integrate the values of the angular velocity sensors. However, since the simple integral value is inaccurate, the rotation matrix Rn at time t = T (= nΔT) is calculated using the change in the direction of gravity before and after the motion, and the shooting method is used so that Rn matches that value. Need to be applied.
そのため、まずは運動前後の重力方向の変化から、姿勢の変化を示す回転行列Ｑ２を求める処理を行う（図１５を参照）。ここで計算を簡便化するためＱ２は運動開始前の座標系から運動終了後の座標系への回転行列とする。一方Ｒｉは時刻ｔ＝ｉ×ΔＴ時点での座標系から絶対座標系への変換行列とする。運動開始前の座標系は任意に取ることができるため、それを絶対座標系と一致させておけば、Ｒｉは運動開始前のローカル座標系から時刻ｔ＝ｉ×ΔＴのローカル座標系への変換行列と考えることができる。すなわちＱ２・Ｒｎ＝Ｉｄという関係が成り立つ。 Therefore, first, a process for obtaining a rotation matrix Q2 indicating a change in posture is performed from a change in the direction of gravity before and after the exercise (see FIG. 15). Here, in order to simplify the calculation, Q2 is a rotation matrix from the coordinate system before the start of motion to the coordinate system after the end of motion. On the other hand, Ri is a transformation matrix from the coordinate system to the absolute coordinate system at time t = i × ΔT. Since the coordinate system before the start of motion can be arbitrarily taken, if it is made to coincide with the absolute coordinate system, Ri is converted from the local coordinate system before the start of motion to the local coordinate system at time t = i × ΔT. Think of it as a matrix. That is, the relationship Q2 · Rn = Id holds.
運動開始時の携帯装置１０のローカル座標系は絶対座標系と一致しない。そのずれはａ０の成分となって現れる。そこでステップＳ３０４でａ０をピッチとロールの２つの角度に変換する。すなわち、図１５に示されているように、ａ０を携帯装置１０に固定された座標系（Σ座標系）でのピッチ角ｐ０、ロール角ｒ０の２つの角度で表示する。 The local coordinate system of the mobile device 10 at the start of movement does not match the absolute coordinate system. The shift appears as a component of a0. In step S304, a0 is converted into two angles, pitch and roll. That is, as shown in FIG. 15, a0 is displayed with two angles of a pitch angle p0 and a roll angle r0 in a coordinate system (Σ coordinate system) fixed to the portable device 10.
次のステップＳ３０６では、ピッチ角ｐ０、ロール角ｒ０の２つの角度から回転行列Ｑ０を得る。このＱ０は運動開始前のローカル座標系のセンサ値を絶対座標系に変換するものである。この絶対座標系は、ｙ軸と重力方向が重なり、かつ ｙｚ平面が運動開始前のローカル座標系のｙｚ平面と一致する座標系である。 In the next step S306, the rotation matrix Q0 is obtained from the two angles of the pitch angle p0 and the roll angle r0. This Q0 converts the sensor value of the local coordinate system before the start of motion into an absolute coordinate system. This absolute coordinate system is a coordinate system in which the y-axis and the direction of gravity overlap, and the yz plane coincides with the yz plane of the local coordinate system before the movement starts.
ステップＳ３０８では、得られたＱ０に運動終了時点での加速度ａｎをかけると、絶対座標系から見た運動後の重力方向ｑ０が得られる。
次のステップＳ３１０では、ｑ０から、絶対座標（すなわち、ｙ軸と重力方向（加速度センサの運動前の読みをａ０とすると−ａ０方向）が重なり、かつ ｙｚ平面が運動開始前のローカル座標系のｙｚ平面と一致する座標系）での、ピッチ角ｐ０、ロール角ｒ０のそれぞれの表現ｐ１、ｒ１を求める。運動開始前はｙ軸と一致していた重力方向が運動終了後にｑ０に変化する回転は、ピッチ、ロール、ヨーの３つの軸を組み合わせると無限個の組み合わせがある。しかし仮にヨー軸が変化しないと考えると一意に決まるため、それらの値ｐ１、ｒ１を得る。なお、ここではヨー軸が変化しないと考えたが、これは別に他の軸でもかまわない。 In the next step S310, from q0, the absolute coordinate (that is, the y-axis and the gravitational direction (-a0 direction when the reading before the motion of the acceleration sensor is a0) overlaps), and the yz plane of the local coordinate system before the motion starts. Respective expressions p1 and r1 of the pitch angle p0 and the roll angle r0 in a coordinate system matching the yz plane) are obtained. There are infinite combinations of rotations in which the gravity direction, which coincides with the y-axis before the start of movement, changes to q0 after the end of the movement, when the three axes of pitch, roll, and yaw are combined. However, if it is determined that the yaw axis does not change, the values p1, r1 are obtained because they are uniquely determined. Here, it was considered that the yaw axis does not change, but other axes may be used.
次のステップＳ３１２では、ステップＳ３１０で求めたｐ１、ｒ１に回転行列Ｑ０−１をかけることで, 運動開始前から後へのローカル座標を基準とした角度の変化（ｐ２、ｙ２、ｒ２）を求める。 In the next step S312, the by multiplying the rotation matrix Q0 -1 to determined in step S310 p1, r1, obtain the reference angular changes the local coordinates (p2, y2, r2) of the front to back start motion .
ステップＳ３１４で、（ｐ２、ｙ２、ｒ２）を回転行列Ｑ２の形に変形する（図１５を参照）。
ステップＳ３１６では、ステップＳ３１４で求められた回転行列Ｑ２を携帯装置１０の運動前の座標（０、ｈ、ｄ）に、回転行列Ｑ２を作用させるにことによって、運動後の位置（図１の点Ｐ１）の座標Ｘｚを
In step S316, the rotation matrix Q2 obtained in step S314 is applied to the coordinates (0, h, d) before the movement of the portable device 10 by applying the rotation matrix Q2 (points in FIG. 1). P 1 ) coordinate Xz
次に、ステップＳ３１８〜Ｓ３４０で姿勢軌道の算出を行う。ここでの目標は、時刻ｔ＝ｉ×ΔＴ（ｉ＝０〜ｎ）におけるローカル座標から絶対座標への変換行列Ｒｉ（ｉ＝０〜ｎ）を得ることである。 Next, the posture trajectory is calculated in steps S318 to S340. The goal here is to obtain a transformation matrix Ri (i = 0 to n) from local coordinates to absolute coordinates at time t = i × ΔT (i = 0 to n).
まずステップＳ３１８で、計算機のメモリ空間上に回転行列Ｒｉ（ｉ＝０〜ｎ）の領域を用意し (一般的には構造体の配列にするであろう)、単位行列Ｉｄを代入し、回転行列Ｒｉを初期化する。 First, in step S318, an area of the rotation matrix Ri (i = 0 to n) is prepared in the memory space of the computer (generally an array of structures), and the unit matrix Id is substituted and rotated. The matrix Ri is initialized.
次に、ステップＳ３２０で、射的法における角速度センサのオフセット値も初期化する。すなわち、ｏ＝（０、０、０）とする。
ステップＳ３２２〜Ｓ３３２では、回転行列Ｒｉを積分する処理である。
ステップＳ３２２では、ループカウンタｉを１とする。
Next, in step S320, the offset value of the angular velocity sensor in the shooting method is also initialized. That is, o = (0, 0, 0).
Steps S322 to S332 are processes for integrating the rotation matrix Ri.
In step S322, the loop counter i is set to 1.
ステップＳ３２４では、時刻ΔＴ毎に角速度センサの値にオフセット値を足すことで、補正されたローカル座標から見た角速度値に変形し、それに回転行列Ｒｉをかけることで絶対座標系から見た角速度値ｏ１に変形する。すなわち、ｉ＝１〜ｎに対して、
ところで、回転行列Ｒｉはローカル座標から絶対座標への変換行列であるが、見方を変えると絶対座標系から見たローカル座標のｘ、ｙ、ｚ軸の向きを示す単位ベクトルを並べた行列と見ることもできる。すなわちｘ軸を示すベクトルをＷｘ＝（ｗｘｘ、ｗｘｙ、ｗｘｚ）とし、同様に ｙ軸、ｚ軸を示すベクトルもそれぞれ、Ｗｙ、Ｗｚとすると、Ｒｉ＝（Ｗｘ Ｔ、Ｗｙ Ｔ、Ｗｚ Ｔ）と書ける。たとえば、軸Ｌ（軸Ｌを示すベクトルもＬと書く）の回りに角速度ｌで回転したときの微小変異量は、Ｌ×ｌ（ここで×は外積を表すとする）と書くことができる。 By the way, the rotation matrix Ri is a conversion matrix from local coordinates to absolute coordinates, but when viewed from a different viewpoint, the rotation matrix Ri is viewed as a matrix in which unit vectors indicating the directions of the x, y, and z axes of the local coordinates viewed from the absolute coordinate system are arranged. You can also That is, if the vector indicating the x-axis is Wx = (w xx , w xy , w xz ), and the vectors indicating the y-axis and the z-axis are also Wy and Wz, respectively, R i = (W x T , W y T , W z T ). For example, the amount of minute variation when rotating around the axis L (the vector indicating the axis L is also written as L) at the angular velocity l can be written as L × l (where x represents an outer product).
ステップＳ３２６では、この考え方を用いて回転行列の微小変異量ｄＲを、
ステップＳ３２８では、ステップＳ３２６で求められた微小変異量ｄＲを時間について積分し、回転行列Ｒｉを
ステップＳ３３０では、ループカウンタｉの値を更新する。つまり、ループカウンタｉの値を１だけインクリメントする。
ステップ３３２では、ループカウンタｉの値がｎより大きいか否かを判定する。もし、この判定の結果がＹｅｓ、すなわち、ループカウンタｉの値がｎより大きければ、処理はステップＳ３３４に進む。もし、この判定の結果がＮｏ、すなわち、ループカウンタｉの値がｎより大きくなければ、処理はステップＳ３２４に戻る。
In step S330, the value of the loop counter i is updated. That is, the value of the loop counter i is incremented by 1.
In step 332, it is determined whether or not the value of the loop counter i is greater than n. If the result of this determination is Yes, that is, if the value of the loop counter i is greater than n, the process proceeds to step S334. If the result of this determination is No, that is, if the value of the loop counter i is not greater than n, the process returns to step S324.
もし、ステップ３３２での判定の結果がＹｅｓであれば、時刻ｔ＝Ｔにおける回転行列Ｒｎが求められている。このＲｎは運動終了の座標系を絶対座標系に変換する回転行列である。一方、先に求めたＱ２は絶対座標系を運動終了時の座標系に変換するものである。そのためＱ２とＲｎの積ＲＲは理想的には単位行列Ｉｄになるはずである。 If the result of determination in step 332 is Yes, a rotation matrix Rn at time t = T is obtained. This Rn is a rotation matrix for converting the coordinate system at the end of motion to an absolute coordinate system. On the other hand, the previously obtained Q2 is to convert the absolute coordinate system into the coordinate system at the end of the movement. Therefore, the product RR of Q2 and Rn should ideally be the unit matrix Id.
ステップＳ３３４では、Ｑ２とＲｎの積ＲＲを計算する。実際にはセンサのドリフト等によりＲＲは単位行列にはならず、積分値の誤差、つまり重力の変化から得られた運動前後の姿勢の変化Ｑ２とセンサを積分して得られた姿勢の変化の間にずれが現れる。 In step S334, a product RR of Q2 and Rn is calculated. Actually, RR does not become a unit matrix due to sensor drift, etc., but the error in the integral value, that is, the change in posture Q2 before and after the movement obtained from the change in gravity and the change in posture obtained by integrating the sensor. A gap appears between them.
射的法ではＲＲが単位行列になるような角速度センサのオフセットｏ１を求めたい。ＲＲは姿勢のずれ、誤差を示しているため、姿勢変化ＲＲから回転ベクトルｏ２とその変化量θを求め、θが発生しないようなオフセット値ｏ１を求めればよい。 In the shooting method, it is desired to obtain the offset o1 of the angular velocity sensor such that RR becomes a unit matrix. Since RR indicates a deviation or error in posture, the rotation vector o2 and its change amount θ are obtained from the posture change RR, and an offset value o1 that does not generate θ may be obtained.
ステップＳ３３６では、回転ベクトルｏ２とその変化量θを求める。具体的には、
ステップＳ３３８では、ステップＳ３３６で求められた変化量θが十分に小さいか否かを判定する。もし、この判定の結果がＹｅｓ、すなわち、変化量θが十分に小さければ、処理はステップＳ３４２に進む。もし、この判定の結果がＮｏ、すなわち、変化量θが十分に小さくなければ、ステップＳ３４２に進む。 In step S338, it is determined whether or not the change amount θ obtained in step S336 is sufficiently small. If the result of this determination is Yes, that is, if the change amount θ is sufficiently small, the process proceeds to step S342. If the result of this determination is No, that is, if the change amount θ is not sufficiently small, the process proceeds to step S342.
ステップＳ３４２では、オフセットの値ｏ１を更新する。具体的には、
なお本例ではθが十分小さいかどうかを大きなループ脱出の判断基準としたが、ステップＳ３２２〜Ｓ３３２を繰り返す回数（ループ回数）を予め決めて処理を行っても良い。ループ回数は、たとえば３回であっても良いが、３回に限定はされず、任意の数で良い。 In this example, whether or not θ is sufficiently small is used as a criterion for determining a large loop escape. However, the number of times (loop number) for repeating steps S322 to S332 may be determined in advance. The number of loops may be three, for example, but is not limited to three, and may be any number.
次に、ステップＳ３４２〜Ｓ３５８で速度軌跡の算出を行う。ここでの目標は、時刻ｔ＝ｉ×ΔＴ（ｉ＝０〜ｎ）における速度の時系列データＶｉ＝（Ｖｘｉ、Ｖｙｉ、Ｖｚｉ）（ｉ＝０〜ｎ）を加速度センサのデータの時系列（ａｘｉ、ａｙｉ、ａｚｉ）から得ることである。 Next, the speed trajectory is calculated in steps S342 to S358. The target here is the time series data V i = (V xi , V yi , V zi ) (i = 0 to n) of the acceleration sensor at time t = i × ΔT (i = 0 to n). Is obtained from the time series (a xi , a yi , a zi ).
ステップＳ３４４で、射的法における速度のオフセット値ｏも初期化する。すなわち、ｏ＝（０、０、０）とする。
ステップＳ３４６では、ループカウンタｉを１とする。
In step S344, the velocity offset value o in the shooting method is also initialized. That is, o = (0, 0, 0).
In step S346, the loop counter i is set to 1.
ステップＳ３４８では、時刻ΔＴ毎に加速度センサの値にオフセット量を足し、Ｒｉをかけることで、その時点での絶対座標系上での加速度ｏ１に変形する。すなわち、ｉ＝１〜ｎに対して、
ステップＳ３５０では、ステップＳ３４８で求められた微小変異量ｏ１を時間について積分し、速度Ｖｉを
ステップＳ３５２では、ループカウンタｉの値を更新する。つまり、ループカウンタｉの値を１だけインクリメントする。
ステップ３５４では、ループカウンタｉの値がｎより大きいか否かを判定する。もし、この判定の結果がＹｅｓ、すなわち、ループカウンタｉの値がｎより大きければ、処理はステップＳ３５６に進む。もし、この判定の結果がＮｏ、すなわち、ループカウンタｉの値がｎより大きくなければ、処理はステップＳ３４６に戻る。
In step S352, the value of the loop counter i is updated. That is, the value of the loop counter i is incremented by 1.
In step 354, it is determined whether or not the value of the loop counter i is larger than n. If the result of this determination is Yes, that is, if the value of the loop counter i is greater than n, the process proceeds to step S356. If the result of this determination is No, that is, if the value of the loop counter i is not greater than n, the process returns to step S346.
もし、ステップ３５４での判定の結果がＹｅｓであれば、時刻ｔ＝Ｔにおける速度Ｖｎが求められている。速度Ｖｎは、運動完了時の速度を示している。
ここで、運動は静止状態から開始し静止状態で終了したと想定しているため、速度Ｖｎは理想的には零ベクトルでなければならない。
If the result of determination in step 354 is Yes, the speed Vn at time t = T is obtained. The speed Vn indicates the speed at the time when the exercise is completed.
Here, since it is assumed that the motion starts from the stationary state and ends in the stationary state, the velocity Vn should ideally be a zero vector.
ステップＳ３５６にて速度Ｖｎが零ベクトルとみなせるかどうかを判定する。もし、この判定の結果がＹｅｓ、すなわち、速度Ｖｎが零ベクトルとみなせるならば、処理はステップＳ３６０に進む。もし、この判定の結果がＮｏ、すなわち、速度Ｖｎが零ベクトルとみなせなければ、処理はステップＳ３５８に進む。 In step S356, it is determined whether or not the velocity Vn can be regarded as a zero vector. If the result of this determination is Yes, that is, if the speed Vn can be regarded as a zero vector, the process proceeds to step S360. If the result of this determination is No, that is, if the speed Vn cannot be regarded as a zero vector, the process proceeds to step S358.
ステップＳ３５８では、オフセット値ｏの値を更新する。具体的には、
なお本例では速度Ｖｎが十分小さいかどうかを大きなループ脱出の判断基準としたが、ステップＳ３４６〜Ｓ３５２を繰り返す回数（ループ回数）を予め決めて処理を行っても良い。ループ回数は、たとえば３回であっても良いが、３回に限定はされず、任意の数で良い。 In this example, whether or not the speed Vn is sufficiently small is used as a criterion for determining a large loop escape. However, the number of times of repeating steps S346 to S352 (the number of loops) may be determined in advance. The number of loops may be three, for example, but is not limited to three, and may be any number.
次のステップＳ３６０〜Ｓ３６６では、位置の時系列データＸｉ＝（Ｘｘｉ、Ｘｙｉ、Ｘｚｉ）（ｉ＝０〜ｎ）を求める。それには、微小変異量ｏ１として、
次のステップＳ３６２では、ＸＸ＝Ｘｎ−Ｘｚを計算し、次のステップ３６４ではＸＸが十分に小さいか否かを判定する。もし、この判定の結果がＹｅｓ、すなわち、ＸＸが十分に小さいとみなせるならば、処理は終了する。もし、この判定の結果がＮｏ、すなわち、ＸＸが十分に小さいとみなせないならば、処理はステップＳ３６６に進む。 In the next step S362, XX = Xn−Xz is calculated, and in the next step 364, it is determined whether or not XX is sufficiently small. If the result of this determination is Yes, that is, if XX can be considered sufficiently small, the process ends. If the result of this determination is No, that is, if XX cannot be considered sufficiently small, the process proceeds to step S366.
ステップＳ３６６では、オフセット値ｏの値を更新する。具体的には、
このように、所定の運動（体操）を行う間の軌跡を計測する人体密着型の軌跡演算装置において、加速度センサを用いて運動前後の重力方向を求めて回転角の２次元表現を得て、その値を、角速度センサより得られた体操の主回転軸に直交する軸を無視することによって３軸への配分を決定することで、射的法に用いる終端角度を得てセンサのドリフトをキャンセルして積分値を補正することができる。 In this way, in the human body contact type trajectory calculation device that measures the trajectory during a predetermined exercise (gym exercise), the acceleration direction is used to obtain the gravitational direction before and after the exercise to obtain a two-dimensional representation of the rotation angle, By ignoring the axis that is orthogonal to the main rotation axis of gymnastics obtained from the angular velocity sensor, the value is determined to be distributed to the three axes, thereby obtaining the terminal angle used in the shooting method and canceling the drift of the sensor. Thus, the integral value can be corrected.
＜軌跡演算装置の構成図＞
図１６は、本発明の第一の実施形態による軌跡演算装置１０を含む健康診断装置の構成図である。
<Configuration diagram of trajectory calculation device>
FIG. 16 is a configuration diagram of a health diagnosis apparatus including the trajectory calculation apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
軌跡演算装置１０は、加速度センサ１００、角速度センサ１０２、マイクロコンピュータＡ２００を含む。軌跡演算装置１０は、マイクロコンピュータＢ３００、表示装置４００、入力装置５００、通信装置６００、記憶装置７００に接続され、これら全体で健康診断装置を形成する。マイクロコンピュータＡ２００とマイクロコンピュータＢ３００は、同一の構成を有していても良い。 The trajectory calculation device 10 includes an acceleration sensor 100, an angular velocity sensor 102, and a microcomputer A200. The trajectory calculation device 10 is connected to the microcomputer B300, the display device 400, the input device 500, the communication device 600, and the storage device 700, and forms a health diagnosis device as a whole. The microcomputer A200 and the microcomputer B300 may have the same configuration.
軌跡演算装置１０とマイクロコンピュータＢ３００は有線または無線によって電気的に接続されていても良いし、マイクロコンピュータＡ２００とマイクロコンピュータＢ３００の間のデータの通信は、ＵＳＢメモリなどを介した手動によるものであっても良い。 The trajectory calculation device 10 and the microcomputer B300 may be electrically connected by wire or wirelessly, and data communication between the microcomputer A200 and the microcomputer B300 is performed manually via a USB memory or the like. May be.
加速度センサ１００および角速度センサ１０２は、重力方向の時系列データ（ａｘｉ、ａｙｉ、ａｚｉ）および角速度の時系列データ（ｒｘｉ、ｒｙｉ、ｒｚｉ）を測定する。加速度センサ１００および角速度センサ１０２は、上記処理のステップＳ３００を行う。 The acceleration sensor 100 and the angular velocity sensor 102 measure time series data (a xi , a yi , a zi ) in the direction of gravity and time series data (r xi , r yi , r zi ) in the angular direction. The acceleration sensor 100 and the angular velocity sensor 102 perform step S300 of the above process.
マイクロコンピュータＡ２００は、入出力インタフェース（Ｉ／０）２００２、演算装置２００４、入出力インタフェース（Ｉ／０）２００４、メモリ２００８、プログラム２０１０を含んでいる。マイクとコンピュータＡ２００は、運動の期間中の加速度センサ１００によって得られる加速度の変化から運動の前後の被測定物の所定の位置の傾斜の角度の２次元表現を得て、角速度センサ１０２によって得られる運動期間中の角速度から、運動で最も回転角の大きい主軸に直交する軸に関する回転を無視したときの回転行列を求め、傾斜の角度の２次元表現に前記回転行列を作用させることによって運動の前後での前記姿勢の変化を回転角の３次元表現として得るプロセッサとして機能する。つまり、マイクロコンピュータＡ２００は、上記ステップＳ１００〜１０４、およびＳ３０２〜３６６の処理を行うように構成されている。 The microcomputer A200 includes an input / output interface (I / 0) 2002, an arithmetic unit 2004, an input / output interface (I / 0) 2004, a memory 2008, and a program 2010. The microphone and the computer A 200 obtain a two-dimensional representation of the angle of inclination of a predetermined position of the measured object before and after the exercise from the change in acceleration obtained by the acceleration sensor 100 during the exercise period, and obtain it by the angular velocity sensor 102. From the angular velocity during the movement period, obtain a rotation matrix when ignoring the rotation about the axis orthogonal to the main axis with the largest rotation angle in the movement, and apply the rotation matrix to the two-dimensional representation of the inclination angle before and after the movement. It functions as a processor that obtains the change in posture as a three-dimensional representation of the rotation angle. That is, the microcomputer A200 is configured to perform the processes in steps S100 to S104 and S302 to 366.
図１６には示されていないが、マイクロコンピュータＢ３００もマイクロコンピュータＡ２００と同様に、入出力インタフェース（Ｉ／０）、演算装置、入出力インタフェース（Ｉ／０）、メモリ、プログラムを含んでいる。 Although not shown in FIG. 16, similarly to the microcomputer A200, the microcomputer B300 includes an input / output interface (I / 0), an arithmetic unit, an input / output interface (I / 0), a memory, and a program.
本構成ではマイクロコンピュータＡ２００とマイクロコンピュータＢ３００は分離されているが一つのマイクロコンピュータであっても良い。またこれらは一つの携帯端末ではなく、センサからマイクロコンピュータＡ２００、マイクロコンピュータＡ２００からマイクロコンピュータＢ３００などを無線通信などにしてセンサ部分を携帯し演算は別の部分で行うという形態でも良い。 In this configuration, the microcomputer A200 and the microcomputer B300 are separated, but a single microcomputer may be used. In addition, these are not a single portable terminal, but may be configured such that the sensor is carried by the microcomputer A200, the microcomputer A200 to the microcomputer B300, etc. are wirelessly communicated, and the calculation is performed by another part.
入力装置５００から入力された指令はマイクロコンピュータＢ３００を経てマイクロコンピュータＡ２００に伝達され、マイクロコンピュータＡ２００は加速度センサ１００および角速度センサ１０２を用いて、運動に関するデータを計測する。加速度センサ１００および角速度センサ１０２にて取り込まれたデータは、マイクロコンピュータＡ２００のメモリ２００８内 に格納される。また、マイクロコンピュータＡ２００は運動が開始、完了したかを計測する。 A command input from the input device 500 is transmitted to the microcomputer A200 via the microcomputer B300, and the microcomputer A200 measures data relating to the motion using the acceleration sensor 100 and the angular velocity sensor 102. Data captured by the acceleration sensor 100 and the angular velocity sensor 102 are stored in the memory 2008 of the microcomputer A200. Further, the microcomputer A200 measures whether the exercise has started and completed.
マイクロコンピュータＡ２００によって、運動が完了したと判断されると運動区間を取り出し、上述の処理によって運動軌跡を求める。この処理はマイクロコンピュータＡ２００によって行われる。なお、この処理を演算装置２００４に行わせる命令を含むプログラム２０１０がメモリ２００８に収容されている。演算の結果は、マイクロコンピュータＢ３００に送られ、マイクロコンピュータＢ３００内で健康診断を行う。診断結果は表示装置４００を介して、ユーザに伝えられる。 When the microcomputer A200 determines that the exercise is completed, the exercise section is taken out and the exercise locus is obtained by the above-described processing. This process is performed by the microcomputer A200. Note that a program 2010 including an instruction for causing the arithmetic unit 2004 to perform this processing is stored in the memory 2008. The result of the calculation is sent to the microcomputer B300, and a health check is performed in the microcomputer B300. The diagnosis result is transmitted to the user via the display device 400.
通信装置６００は、ネットワーク８００に接続されている。ネットワーク８００には、図示されていないホストコンピュータ等が接続され、ログとして診断結果を記憶しても良い。診断結果は記憶装置７００に記憶されても良い。 Communication device 600 is connected to network 800. A host computer or the like (not shown) may be connected to the network 800, and the diagnosis result may be stored as a log. The diagnosis result may be stored in the storage device 700.
（第二の実施形態）
図１７を用いて、第二の実施形態について説明する。本実施形態では、第一の実施形態の加速度センサおよび角速度センサに加え、地磁気センサを用いる。
(Second embodiment)
The second embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, a geomagnetic sensor is used in addition to the acceleration sensor and the angular velocity sensor of the first embodiment.
地磁気センサは常に磁北を指すため、運動前後で向きが変化する。極点でない限り磁北と重力方向は異なるため、重力方向および磁北方向それぞれから２次元の情報を得ることができる。このようにして得られた４次元の情報から３次元の情報に圧縮する考え方を図１７ａ〜ｄに示す。実際には各センサは誤差（ノイズ）があるため、図１７のように矛盾なく圧縮させることは難しいが、ある程度の誤差を許容するなどの処理をすることで対応できる。また、鉄筋の建屋内などでは地磁気センサは必ずしも磁北を指すとは限らないが、本アルゴリズムでは重力ベクトルと異なるベクトルが得られれば良いだけなので利用することができる。 Because the geomagnetic sensor always points to magnetic north, the orientation changes before and after the movement. Unless it is a pole, magnetic north and the direction of gravity are different, so that two-dimensional information can be obtained from the direction of gravity and the direction of magnetic north. The concept of compressing the four-dimensional information obtained in this way into three-dimensional information is shown in FIGS. Actually, since each sensor has an error (noise), it is difficult to compress it without contradiction as shown in FIG. 17, but it can be dealt with by processing such as allowing a certain amount of error. Further, in a reinforcing bar building or the like, the geomagnetic sensor does not necessarily indicate magnetic north, but this algorithm can be used because it only needs to obtain a vector different from the gravity vector.
図１７ａは、運動の前後での重力方向および磁北方向の変化を示す図である。図１７ｂは、上述の第一の実施形態における処理と同様、重力の変化からｘ軸回りの回転角ψｘとｚ軸回りの回転角ψｚを求める図である。次に、図１７ｃのように、運動前の磁北方向を回転角ψｘとψｚだけ回転する。すると、図１７ｃの結果と、運動後の磁北方向は必ずしも一致しない。そこで、図１７ｄのように、ｙ軸回りに回転角ψｙだけ回転させることで、両者を一致させる。 FIG. 17a is a diagram showing changes in the gravity direction and magnetic north direction before and after the movement. FIG. 17B is a diagram for obtaining the rotation angle ψ x around the x axis and the rotation angle ψ z around the z axis from the change in gravity, as in the processing in the first embodiment described above. Next, as shown in FIG. 17c, to rotate the magnetic north direction of the pre-exercise by the rotation angle [psi x and [psi z. Then, the result of FIG. 17c and the magnetic north direction after exercise | movement do not necessarily correspond. Therefore, as shown in FIG. 17d, both are made to coincide by rotating about the y axis by the rotation angle ψ y .
このようにして、ｘ軸回りの回転角ψｘ、ｙ軸回りに回転角ψｙ、ｚ軸回りの回転角ψｚを求
めることができる。
In this way, the rotation angle [psi x of x axis, it is possible to determine the rotation angle [psi y, z axis of the rotation angle [psi z to y-axis.
（第三の実施形態）
図１８〜２０を参照して、第三の実施形態について説明する。
本実施形態にしたがう携帯装置１０には、カメラが搭載されている。カメラはΔＴ秒ごとに撮像する。
(Third embodiment)
A third embodiment will be described with reference to FIGS.
The mobile device 10 according to the present embodiment is equipped with a camera. The camera takes an image every ΔT seconds.
図１８に示されているように、カメラで撮影された画像の中に、その点の動きを追跡する特徴点を２点以上定める。特徴点としては、輝度の変化が大きい場所を選ぶことが好ましい。 As shown in FIG. 18, two or more feature points for tracking the movement of the point are determined in the image taken by the camera. As a feature point, it is preferable to select a place where a change in luminance is large.
ある時刻ｔ＝ｉ×ΔＴにおいて、特徴点を含む領域の画素上の座標（ｘ０、ｙ０）の初期位置からの移動距離ｘとカメラに固有の焦点距離ｆからカメラの焦点周りの回転角度φ１を求める。より詳細には、回転角度φ１は、
次に時刻ｔ＝ｉ×ΔＴにおける画像と時刻ｔ＝（ｉ＋１）×ΔＴにおける画像の特徴点付近の画像データの相関演算をする。相関値が最も高かった位置の座標を（ｘ１、ｙ１）として、時刻ｔ＝ｉ×ΔＴにおける処理と同様に、回転角度φ２を求める（図２０を参照）。 Next, a correlation calculation is performed between the image at time t = i × ΔT and the image data near the feature point of the image at time t = (i + 1) × ΔT. The coordinates of the position having the highest correlation value are set to (x1, y1), and the rotation angle φ2 is obtained in the same manner as the processing at time t = i × ΔT (see FIG. 20).
回転角度φ１と回転角度φ２の差は、ΔＴ秒間に特徴点が回転した角度を表す。
このような処理を繰り返すことによって、運動の前後における携帯装置の回転角（φｘ、φｙ、φｚ）を求めることができる。
The difference between the rotation angle φ1 and the rotation angle φ2 represents the angle at which the feature point has rotated for ΔT seconds.
By repeating such processing, the rotation angles (φ x , φ y , φ z ) of the portable device before and after exercise can be obtained.
図１９Ａ〜Ｃは、本実施形態による軌跡演算装置で採用される方法において、画像内から２点以上の特徴点を特定し、運動前後の特徴点の変位から３つの軸に関する回転角を算出する例を説明する図である。 19A to 19C show two or more feature points from the image in the method employed in the trajectory calculation apparatus according to the present embodiment, and calculate rotation angles about three axes from the displacement of the feature points before and after the motion. It is a figure explaining an example.
２つ以上の特徴点の動きを追跡することによって、３つの軸に関する回転角を求める。
なお、動きが大きい場合、運動前後で同一の特徴点をカメラ画像でとらえることはできないが、その場合は運動中数回にわたって特徴点を選択、移動量を検出という操作を繰り返しても良い。
By tracking the movement of two or more feature points, the rotation angle about three axes is determined.
If the movement is large, the same feature point cannot be captured by the camera image before and after the exercise. In this case, the operation of selecting the feature point and detecting the movement amount may be repeated several times during the exercise.
以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
被測定物の回転によって表される運動の前後での姿勢の変化を求める軌道演算装置であって、
前記運動の期間中の前記被測定物の所定の位置の加速度および角速度を得る測定手段と、
前記運動の期間中の前記測定手段によって得られる加速度の変化から前記運動の前後の前記被測定物の所定の位置の傾斜の角度の２次元表現を得て、前記測定手段によって得られる前記運動期間中の角速度から、前記運動で最も回転角の大きい主軸に直交する軸に関する回転を無視したときの回転行列を求め、前記傾斜の角度の２次元表現に前記回転行列を作用させることによって前記運動の前後での前記姿勢の変化を回転角の３次元表現として得るプロセッサと、
を含む軌道演算装置。
（付記２）
前記プロセッサは、前記回転角の３次元表現を用いて前記運動の終点の座標を得て、前記終点の座標を境界条件の一つとして射的法を用いて前記前記被測定物の所定の位置の軌跡を求める、付記１の軌跡演算装置。
（付記３）
前記測定手段が加速度センサおよび角速度センサである、付記１または２の軌跡演算装置。
（付記４）
前記測定手段が、加速度センサおよび地磁気センサである、付記１または２の軌跡演算装置。
（付記５）
前記測定手段は、撮像手段によって得られた画像を解析することによって加速度および角速度を得る、付記１または２の軌跡演算装置。
（付記６）
被測定物の回転によって表される運動の前後での姿勢の変化を求める軌道演算方法であって、
前記運動の期間中の前記被測定物の所定の位置の加速度および角速度を得ることと、
前記運動の期間中の前記測定手段によって得られる加速度の変化から前記運動の前後の前記被測定物の所定の位置の傾斜の角度の２次元表現を得ることと、
前記測定手段によって得られる前記運動期間中の角速度から、前記運動で最も回転角の大きい主軸に直交する軸に関する回転を無視したときの回転行列を求めることと、
前記傾斜の角度の２次元表現に前記回転行列を作用させることによって前記運動の前後での前記姿勢の変化を回転角の３次元表現として得ること、
を含む軌跡演算方法。
（付記７）
さらに、前記回転角の３次元表現を用いて前記運動の終点の座標を得て、前記終点の座標を境界条件の一つとして射的法を用いて前記前記被測定物の所定の位置の軌跡を求めること、を含む付記６の方法。
The following supplementary notes are further disclosed with respect to the embodiments including the above examples.
(Appendix 1)
A trajectory calculation device for obtaining a change in posture before and after the movement represented by the rotation of the object to be measured,
Measuring means for obtaining acceleration and angular velocity of a predetermined position of the object to be measured during the period of movement;
The exercise period obtained by the measurement means by obtaining a two-dimensional representation of the angle of inclination of the predetermined position of the object under measurement before and after the exercise from the change in acceleration obtained by the measurement means during the exercise period From the angular velocity in the middle, a rotation matrix when ignoring the rotation about the axis orthogonal to the principal axis having the largest rotation angle in the motion is obtained, and the rotation matrix is applied to the two-dimensional representation of the angle of the tilt to apply the rotation matrix. A processor for obtaining a change in the posture before and after as a three-dimensional representation of a rotation angle;
Orbital calculation device including
(Appendix 2)
The processor obtains the coordinates of the end point of the motion using a three-dimensional representation of the rotation angle, and uses a shooting method with the coordinates of the end point as one of boundary conditions to determine a predetermined position of the object to be measured. The trajectory calculation device according to appendix 1, wherein the trajectory is obtained.
(Appendix 3)
The trajectory calculation device according to appendix 1 or 2, wherein the measuring means is an acceleration sensor and an angular velocity sensor.
(Appendix 4)
The trajectory calculation device according to appendix 1 or 2, wherein the measuring means is an acceleration sensor and a geomagnetic sensor.
(Appendix 5)
The trajectory calculation device according to appendix 1 or 2, wherein the measurement unit obtains acceleration and angular velocity by analyzing an image obtained by the imaging unit.
(Appendix 6)
A trajectory calculation method for obtaining a change in posture before and after the movement represented by the rotation of the measured object,
Obtaining an acceleration and angular velocity of a predetermined position of the object to be measured during the period of movement;
Obtaining a two-dimensional representation of the angle of inclination of a predetermined position of the object under measurement before and after the movement from the change in acceleration obtained by the measuring means during the period of movement;
Obtaining a rotation matrix when ignoring the rotation about the axis orthogonal to the main axis having the largest rotation angle in the movement from the angular velocity during the movement period obtained by the measuring means;
Obtaining a change in the posture before and after the movement as a three-dimensional representation of the rotation angle by applying the rotation matrix to the two-dimensional representation of the inclination angle;
Trajectory calculation method including
(Appendix 7)
Furthermore, the coordinates of the end point of the motion are obtained using the three-dimensional representation of the rotation angle, and the trajectory of the predetermined position of the object to be measured using a shooting method with the end point coordinate as one of boundary conditions. The method of supplementary note 6 including calculating | requiring.
１００ 加速度センサ
１０２ 角速度センサ
２００ マイクロコンピュータＡ
２００ マイクロコンピュータＢ
４００ 表示装置
５００ 入力装置
６００ 通信装置
７００ 記憶装置
100 Acceleration sensor 102 Angular velocity sensor 200 Microcomputer A
200 Microcomputer B
400 Display device 500 Input device 600 Communication device 700 Storage device
Claims (6)
前記運動の期間中の前記被測定物の所定の位置の加速度および角速度を得る測定手段と、
前記運動の期間中の前記測定手段によって得られる加速度の変化から前記運動の前後の前記被測定物の所定の位置の傾斜の角度の２次元表現を得て、前記測定手段によって得られる前記運動の期間中の角速度から、前記運動で最も回転角の大きい主軸に直交する軸に関する回転を無視したときの回転行列を求め、前記傾斜の角度の２次元表現に前記回転行列を作用させることによって前記運動の前後での前記姿勢の変化を回転角の３次元表現として得るプロセッサと、
を含む軌道演算装置。 A trajectory calculation device for obtaining a change in posture before and after the movement represented by the rotation of the object to be measured,
Measuring means for obtaining acceleration and angular velocity of a predetermined position of the object to be measured during the period of movement;
A two-dimensional representation of the angle of inclination of the predetermined position of the object to be measured before and after the movement is obtained from the change in acceleration obtained by the measuring means during the movement period, and the movement obtained by the measuring means is obtained . From the angular velocity during the period, a rotation matrix when ignoring the rotation about the axis orthogonal to the main axis having the largest rotation angle in the movement is obtained, and the rotation matrix is applied to the two-dimensional representation of the inclination angle to thereby move the movement. A processor for obtaining a change in the posture before and after as a three-dimensional representation of a rotation angle;
Orbital calculation device including
前記運動の期間中の前記被測定物の所定の位置の加速度および角速度を得ることと、
前記運動の期間中の前記測定手段によって得られる加速度の変化から前記運動の前後の前記被測定物の所定の位置の傾斜の角度の２次元表現を得ることと、
前記測定手段によって得られる前記運動の期間中の角速度から、前記運動で最も回転角の大きい主軸に直交する軸に関する回転を無視したときの回転行列を求めることと、
前記傾斜の角度の２次元表現に前記回転行列を作用させることによって前記運動の前後での前記姿勢の変化を回転角の３次元表現として得ること、
を含む軌跡演算方法。 A trajectory calculation method for obtaining a change in posture before and after the movement represented by the rotation of the measured object,
Obtaining an acceleration and angular velocity of a predetermined position of the object to be measured during the period of movement;
Obtaining a two-dimensional representation of the angle of inclination of a predetermined position of the object under measurement before and after the movement from the change in acceleration obtained by the measuring means during the period of movement;
Obtaining a rotation matrix when ignoring the rotation about the axis orthogonal to the principal axis having the largest rotation angle in the movement from the angular velocity during the period of the movement obtained by the measuring means;
Obtaining a change in the posture before and after the movement as a three-dimensional representation of the rotation angle by applying the rotation matrix to the two-dimensional representation of the inclination angle;
Trajectory calculation method including
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