CN111671432A - 惯性传感器的安装姿势推测方法 - Google Patents

惯性传感器的安装姿势推测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可适当地推测对象者的测量对象部位与安装在其的惯性传感器之间的相对的姿势关系的惯性传感器的安装姿势推测方法。在安装有惯性传感器(10)的对象者(P)的大腿部等测量对象部位的静止状态下检测加速度向量(↑Vs1)，进而，在将所述测量对象部位的(Yb)轴方向维持成与垂直方向正交的方向，并使对象者进行运动以使所述测量对象部位的姿势在环绕(Yb)轴的方向上变化的状态下，检测加速度向量(↑Vs2)。根据加速度向量(↑Vs1)、加速度向量(↑Vs2)的外积向量(↑V)，确定在传感器坐标系(CSs)中观察，测量对象部位的(Yb)轴方向为哪个方向。

Description

惯性传感器的安装姿势推测方法
技术领域
本发明涉及一种推测包含角速度传感器的惯性传感器对于对象者的安装姿势的方法。
背景技术
以往，例如如在专利文献1、专利文献2中所见，已知有如下的技术：先将包含加速度传感器或角速度传感器的惯性传感器安装在对象者(人)的腰、腿等测量对象部位，当对象者运动时，利用惯性传感器对测量对象部位的加速度或角速度进行测量，由此观测对象者的运动状态(例如参照专利文献1、专利文献2)。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本专利第6319446号
专利文献2：日本专利特开2016-112106号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
然而，为了根据由安装在测量对象部位的惯性传感器所检测的加速度或角速度，观测例如在所述测量对象部位的哪个方向产生了加速度、或在所述测量对象部位的哪个方向产生了角速度，必须事先确定所述测量对象部位与安装在其的惯性传感器之间的相对的姿势关系(惯性传感器相对于测量对象部位的安装姿势)。
另一方面，通常难以将惯性传感器以规定的姿势高精度地安装在人即对象者的测量对象部位。而且，就朝测量对象部位上安装惯性传感器的容易性等的观点而言，理想的是惯性传感器相对于测量对象部位的安装姿势的自由度高。
因此，期望一种可适当地推测(确定)测量对象部位与安装在其的惯性传感器之间的相对的姿势关系的方法。此处，作为所述方法，通常考虑利用地磁的方法。然而，地磁容易受到环境的影响，因此在所述利用地磁的方法中，难以以高可靠性稳定地推测测量对象部位与惯性传感器之间的相对的姿势关系。
另外，在所述专利文献1、专利文献2中，记载有进行与惯性传感器的姿势相关的校正的技术，但所述技术并非推测测量对象部位与惯性传感器之间的相对的姿势关系的技术。
本发明是鉴于所述背景而成者，其目的在于提供一种可适当地推测对象者的测量对象部位与安装在其的惯性传感器之间的相对的姿势关系的方法。
[解决问题的技术手段]
为了达成所述目的，本发明的惯性传感器的安装姿势推测方法是推测安装在对象者的测量对象部位的惯性传感器与所述测量对象部位之间的相对的姿势关系的方法，所述惯性传感器包含可检测事先对所述惯性传感器设定的作为三维坐标系的传感器坐标系的各坐标轴方向的加速度的加速度传感器，所述惯性传感器的安装姿势推测方法包括：
第一工序，将事先对所述测量对象部位设定的作为规定的方向的第一方向维持成与垂直方向正交的方向，并在使所述测量对象部位静止的状态下，利用所述加速度传感器来检测第一加速度向量，所述第一加速度向量是包含所述传感器坐标系的三个坐标轴方向各自的加速度的组的加速度向量；
第二工序，将所述测量对象部位的所述第一方向维持成与所述第一工序中的方向相同的方向，并使所述对象者进行运动，以使所述测量对象部位的姿势在环绕所述第一方向的轴的方向上变化；
第三工序，在所述第二工序中的一个以上的采样时刻，利用所述加速度传感器来检测第二加速度向量，所述第二加速度向量是包含所述传感器坐标系的三个坐标轴方向各自的加速度的组、且方向与所述第一加速度向量不同的加速度向量；以及
第四工序，根据在由所述第三工序所检测到的一个以上的第二加速度向量的各个、与由所述第一工序所检测到的第一加速度向量的外积运算中算出的一个以上的外积向量，确定表示在所述传感器坐标系中观察，所述测量对象部位的所述第一方向为哪个方向的第一姿势数据(第一发明)。
根据所述本发明，在所述第一工序中，如所述那样在使测量对象部位静止的状态下检测第一加速度向量，在所述第三工序中，在正在所述第二工序中如所述那样进行测量对象部位的运动的状态下，检测第二加速度向量，因此所述第一加速度向量及第二加速度向量变成与所述第一方向正交或大致正交者。
因此，在第二加速度向量的各个与第一加速度向量的外积运算中算出的外积向量变成与所述第一方向一致或大致一致的方向的向量。因而，在所述第四工序中，可根据在第三工序中所算出的一个以上的外积向量，确定表示在传感器坐标系中观察，测量对象部位的第一方向为哪个方向的第一姿势数据。
因此，根据第一发明，可适当地确定(推测)关于对象者的测量对象部位的第一方向相对于惯性传感器为哪个方向的相对的姿势关系。
在所述第一发明中，优选在所述第二工序中使所述对象者进行的运动是依次进行使所述测量对象部位的姿势在环绕所述第一方向的轴的方向的正转方向及反转方向中的一个方向上变化、及在另一个方向上变化的运动，在所述第三工序中检测的第二加速度向量至少包含如下的加速度向量，即所述测量对象部位在环绕所述第一方向的轴的姿势的变化方向切换的时机的加速度向量(第二发明)。
据此，可使所述切换的时机的加速度向量的方向变成比较明显地与所述第一加速度向量的方向不同的方向。进而，可算出可靠性高的外积向量作为与第一方向一致或大致一致的方向的向量。进而，可提高根据所述外积向量来确定第一方向的可靠性。
在所述第一发明或第二发明中，优选在所述测量对象部位为所述对象者的腿的小腿部或大腿部，并且所述第一方向为所述对象者的左右方向的情况下，在所述第二工序中使所述对象者进行的运动是至少包含使所述腿屈伸，以使所述腿的大腿部或小腿部的姿势在俯仰方向上变化的运动(第三发明)。
据此，在所述第二工序中，可容易且稳定地实现将对象者的腿的小腿部或大腿部的第一方向维持成固定，并使对象者进行运动，以使所述大腿部或小腿部的姿势在环绕所述第一方向的轴的方向上变化。进而，在所述第三工序中，可适当地实现检测与第一方向正交的方向的第二加速度向量。进而，能够以高可靠性确定与对象者的腿的大腿部或小腿部相关的所述第一姿势数据。
而且，在所述第一发明或第二发明中，优选在所述测量对象部位为所述对象者的上身，并且所述第一方向为所述对象者的左右方向的情况下，在所述第二工序中使所述对象者进行的运动是至少包含使所述对象者的所述上身在俯仰方向上倾斜的运动(第四发明)。
据此，在所述第二工序中，可容易且稳定地实现将对象者的上身的第一方向维持成固定，并使对象者进行运动，以使所述上身的姿势在环绕所述第一方向的轴的方向上变化。因此，在所述第三工序中，可适当地实现检测与第一方向正交的方向的第二加速度向量。进而，能够以高可靠性确定与对象者的上身相关的所述第一姿势数据。
而且，在所述第一发明～第四发明中，优选进而包括：第五工序，使所述对象者进行使所述测量对象部位静止的运动，以将事先对所述测量对象部位设定的作为与所述第一方向不同的方向的第二方向维持成垂直方向；第六工序，在所述第五工序中的一个以上的采样时刻，利用所述加速度传感器来检测所述传感器坐标系的三个坐标轴方向各自的加速度的组；以及第七工序，根据在所述第五工序中所检测到的一组以上的加速度的组，确定表示在所述传感器坐标系中观察，所述测量对象部位的所述第二方向为哪个方向的第二姿势数据(第五发明)。
据此，在所述第六工序中所检测的加速度与垂直方向的重力加速度一致或大致一致，而且，所述垂直方向是测量对象部位的所述第二方向在所述第五工序中被维持成固定的方向。因而，在所述第七工序中，可根据在第六工序中所检测到的一组以上的加速度的组，确定表示在传感器坐标系中观察，测量对象部位的所述第二方向为哪个方向的第二姿势数据。
因此，根据第五发明，可适当地确定(推测)关于对象者的测量对象部位的第二方向相对于惯性传感器为哪个方向的相对的姿势关系。
在所述第五发明中，优选在所述测量对象部位为所述对象者的腿的小腿部或大腿部或者上身的情况下，所述第二方向是在所述对象者以直立姿势起立的状态、或使所述对象者的身体靠在形状固定的物体上并静止的状态下，可朝向垂直方向的方向(第六发明)。
据此，可容易地实现所述第五工序中的对象者的状态。
在所述第五发明或第六发明中，优选进而包括：第八工序，根据在所述第四工序中所确定的所述第一姿势数据、及在所述第七工序中所确定的所述第二姿势数据，确定表示在所述传感器坐标系中观察，与所述第一方向及第二方向正交的第三方向为哪个方向的第三姿势数据，在所述第八工序中，将通过由所述第一姿势数据表示的所述第一方向的向量、与由所述第二姿势数据表示的所述第二方向的向量的外积运算所获得的向量确定为所述第三姿势数据(第七发明)。
据此，可通过由已确定的第一姿势数据表示的第一方向的向量、与由已确定的第二姿势数据表示的第二方向的向量的外积运算，而容易地确定表示在传感器坐标系中观察，测量对象部位的与第一方向及第二方向正交的第三方向为哪个方向的第三姿势数据。
而且，通过确定分别表示测量对象部位的第一方向、第二方向及第三方向这三个方向的第一姿势数据、第二姿势数据及第三姿势数据，而确定测量对象部位与惯性传感器之间的空间的姿势关系，例如可将在传感器坐标系中观察到的任意的向量变换成在对测量对象部设定的三维坐标系中观察到的向量。
附图说明
图1是应用了本发明的实施方式(第一实施方式及第二实施方式)的系统的整体的构成图。
图2是表示图1的系统中包括的惯性传感器与传感器坐标系的立体图。
图3是表示第一实施方式中的推测对象者的测量对象部位的身体侧坐标系CSb的坐标轴Zb的方向的处理的流程图。
图4是表示为了第一实施方式中的推测对象者的测量对象部位的身体侧坐标系CSb的坐标轴Yb的方向的处理而执行的对象者的动作的图。
图5是表示第一实施方式中的推测对象者的测量对象部位的身体侧坐标系CSb的坐标轴Yb的方向的处理的流程图。
图6是例示由图5的流程图的步骤12的处理所检测的加速度的经时变化的图表。
图7是表示为了第二实施方式中的推测对象者的测量对象部位的身体侧坐标系CSb的坐标轴Zb或坐标轴Xb的方向的处理而执行的对象者的坐下状态的图。
图8是表示为了第二实施方式中的推测对象者的腿的测量对象部位的身体侧坐标系CSb的坐标轴Yb的方向的处理而执行的对象者的动作的图。
图9是表示为了第二实施方式中的推测对象者的上身的测量对象部位的身体侧坐标系CSb的坐标轴Yb的方向的处理而执行的对象者的动作的图。
符号的说明
P：对象者
10：惯性传感器
11：角速度传感器
12：加速度传感器
CSs：传感器坐标系
具体实施方式
[第一实施方式]
以下，参照图1～图6对本发明的第一实施方式进行说明。参照图1，在本实施方式中，在对象者P(省略手臂的图示)的多个测量对象部位分别安装有惯性传感器10(i)(i＝1、2、…)。例如，将对象者P的上身的上部与腰部(上身的下部)、及各腿的大腿部与小腿部分别设为测量对象部位，经由未图示的带等适当的安装构件，分别将惯性传感器10(1)、惯性传感器10(2)、惯性传感器10(3)、惯性传感器10(4)以与所述测量对象部位一体地活动的方式，安装在各个测量对象部位。
另外，惯性传感器10(1)、惯性传感器10(2)、惯性传感器10(3)、惯性传感器10(4)的各个也可以是例如步行辅助装置等安装在对象者P的装备中包括的传感器。在以后的说明中，当无需对惯性传感器10(1)、惯性传感器10(2)、惯性传感器10(3)、惯性传感器10(4)的各个进行区分时，仅称为惯性传感器10。
如图2所示，各惯性传感器10在其框体10a内包含角速度传感器11与加速度传感器12。角速度传感器11是在事先对各惯性传感器10设定(定义)的作为三维坐标系(三轴正交坐标系)的传感器坐标系CSs的各坐标轴Xs、Ys、Zs的方向(环绕各坐标轴Xs、Ys、Zs的方向)上，可检测所述惯性传感器10中产生的角速度的公知的构成的传感器。而且，加速度传感器12是在所述传感器坐标系CSs的各坐标轴Xs、Ys、Zs(以后，有时分别称为Xs轴、Ys轴、Zs轴)的方向上，可检测惯性传感器10中产生的并进加速度(包含起因于重力的加速度成分)的公知的构成的传感器。
另外，图2中所示的传感器坐标系CSs的各坐标轴Xs、Ys、Zs的方向是例示性的方向，各惯性传感器10中的传感器坐标系CSs的各坐标轴Xs、Ys、Zs的方向可通过设计来任意地设定。例如，Zs轴方向与Xs轴方向或Ys轴方向也可以与图示例调换。
而且，各惯性传感器10搭载有未图示的无线通信机，可与外部的测量处理装置20进行无线通信。所述测量处理装置20例如可包含个人计算机、智能电话、平板终端、或者专用的测定器等。并且，测量处理装置20通过与各惯性传感器10的通信，可从各惯性传感器10随时获取角速度传感器11及加速度传感器12各自的检测数据。
另外，例如也可以经由安装在对象者P的中继器来进行各惯性传感器10与测量处理装置20之间的通信。在此情况下，各惯性传感器10与中继器之间的通信也可以是有线通信。进而，测量处理装置20也可以是可安装在对象者P者、或者测量处理装置20也可以是步行辅助装置等安装在对象者P的装备中包括的装置。在这些情况下，各惯性传感器10与测量处理装置20之间的通信也可以是有线通信。
在对象者P的各测量对象部位，例如如图1中例示的那样，事先设定(定义)作为三维坐标系(三轴正交坐标系)的身体侧坐标系CSb(i)(i＝1、2、…)。
具体而言，在安装有惯性传感器10(1)的对象者P的上身的上部，例如设定有身体侧坐标系CSb(1)，所述身体侧坐标系CSb(1)将所述上身的上部的前后方向、所述上身的上部的左右方向、及所述上身的上部的躯干轴方向设为三个坐标轴Xb、Yb、Zb各自的方向。
而且，在安装有惯性传感器10(2)的腰部(上身的下部)，例如设定有身体侧坐标系CSb(2)，所述身体侧坐标系CSb(2)将所述腰部的前后方向、所述腰部的左右方向、及所述腰部的躯干轴方向设为三个坐标轴Xb、Yb、Zb各自的方向。
而且，在安装有惯性传感器10(3)的各腿的大腿部，例如设定有身体侧坐标系CSb(3)，所述身体侧坐标系CSb(3)将所述大腿部的前后方向、所述大腿部的左右方向、及所述大腿部的长边方向设为三个坐标轴Xb、Yb、Zb各自的方向。
而且，在安装有惯性传感器10(4)的各腿的小腿部，例如设定有身体侧坐标系CSb(4)，所述身体侧坐标系CSb(4)将所述小腿部的前后方向、所述小腿部的左右方向、及所述小腿部的长边方向设为三个坐标轴Xb、Yb、Zb各自的方向。
因而，在本实施方式中，各测量对象部位的身体侧坐标系CSb(i)(i＝1、2、…)以如下方式设定：在对象者P以直立姿势在水平的地面上起立的状态(图1中所示的状态)下的各测量对象部位的姿势状态中，身体侧坐标系CSb(i)的三个坐标轴Xb、Yb、Zb(以后，有时分别称为Xb轴、Yb轴、Zb轴)的方向与对象者P的前后方向、左右方向、垂直方向(重力方向)分别一致或大致一致。
在以后的说明中，当无需对身体侧坐标系CSb(1)、身体侧坐标系CDb(2)、身体侧坐标系CSb(3)、身体侧坐标系CSb(4)的各个进行区分时，仅称为身体侧坐标系CSb。另外，各身体侧坐标系CSb的各坐标轴Xb、Yb、Zb的方向可通过设计而任意地设定。例如，各身体侧坐标系CSb的Zb轴方向与Xb轴方向或Yb轴方向也可以与所述例调换。
在如以上那样具有惯性传感器10(i)(i＝1、2、…)及测量处理装置20的系统中，测量处理装置20可使用由各惯性传感器10所得的角速度及加速度的检测数据，观测对象者P的上身及各腿的运动状态。例如，在对象者P的步行等运动时，可观测在各测量对象部位的哪个方向产生了何种程度的加速度、或所述加速度的方向或大小如何经时变化、或各测量对象部位的姿势在哪个方向上以何种程度的角速度变化、或所述角速度的方向或大小如何经时变化等。
进而，例如也可以根据各惯性传感器10的角速度及加速度的检测数据，通过捷联式的运算处理等，依次推测在全局坐标系(对象者P的运动环境中所设定的世界坐标系)中观察到的各测量对象部位的姿势。
在此情况下，从各惯性传感器10获得的检测数据是在所述各惯性传感器10的传感器坐标系CSs中观察到的角速度或加速度的检测数据，因此在如所述那样观测对象者P的运动状态方面，必须先确定各测量对象部位的身体侧坐标系CSb与安装在所述测量对象部位的惯性传感器10的传感器坐标系CSs之间的相对的姿势关系(换言之，各测量对象部位与安装在其的惯性传感器10的相对的姿势关系)。
另一方面，当将各惯性传感器10安装在对象者P的测量对象部位时，通常难以以如下方式将所述惯性传感器10安装在测量对象部位，即，使所述测量对象部位的身体侧坐标系CSb与惯性传感器10的传感器坐标系CSs之间的相对的姿势关系(各测量对象部位与惯性传感器10的相对的姿势关系)高精度地符合所期望的姿势关系。
因此，在本实施方式中，执行在观测对象者P的运动状态之前，事先确定(推测)各测量对象部位的身体侧坐标系CSb与安装在所述测量对象部位的惯性传感器10的传感器坐标系CSs之间的相对的姿势关系的处理。
具体而言，执行推测各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的各坐标轴Xb、Yb、Zb的方向从安装在所述测量对象部位的惯性传感器10的传感器坐标系CSs观察为哪个方向的处理(以后，称为坐标轴方向推测处理)。
在此情况下，如以下这样进行针对各身体侧坐标系CSb的三个坐标轴Xb、Yb、Zb中的坐标轴Zb的坐标轴方向推测处理。即，在此坐标轴方向推测处理中，对象者P如图1所示，以直立姿势起立并静止。另外，此时，也可以通过适当的治具或陪伴者来辅助对象者P的起立状态，以极力不使横向的力作用于对象者P。
在对象者P如所述那样以直立姿势起立并静止的状态下，测量处理装置20对各测量对象部位执行图3的流程图中所示的处理。具体而言，在步骤1中，测量处理装置20在规定时间的期间，通过各测量对象部位的惯性传感器10的加速度传感器12，以规定的采样周期依次检测所述惯性传感器10的传感器坐标系CSs的各坐标轴方向的加速度的组(换言之，所述惯性传感器10中产生的加速度向量的各坐标轴Xs、Ys、Zs的方向的成分的组)。
由此，在对象者P以直立姿势起立并静止的状态下，测量处理装置20针对各测量对象部位，获取多个采样时刻的惯性传感器10的加速度向量(在所述惯性传感器10的传感器坐标系CSs中观察到的加速度向量)的检测数据。
接下来，在步骤2中，测量处理装置20针对各测量对象部位，执行对在惯性传感器10的传感器坐标系CSs中观察到的加速度向量的多个检测数据进行平均化的处理。即，测量处理装置20算出各测量对象部位的惯性传感器10的传感器坐标系CSs的各坐标轴Xs、Ys、Zs的方向的加速度的检测值的平均值，由此算出包含所述各坐标轴Xs、Ys、Zs的方向的加速度平均值的组的平均加速度向量↑As_ave。另外，在本说明书中，附加有“↑”的参照符号表示向量。
此处，在步骤1中所检测到的加速度向量是在对象者P以直立姿势起立并静止的状态下，由各惯性传感器10的加速度传感器12所检测到的加速度向量，因此所述加速度向量与垂直方向的重力加速度的向量一致或大致一致。并且，在本实施方式中，在对象者P以直立姿势起立并静止的状态下，各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的各坐标轴Xb、Yb、Zb中的坐标轴Zb的方向(Zb轴方向)与垂直方向一致或大致一致。
因而，可针对各测量对象部位，将在步骤2中所算出的平均加速度向量↑As_ave的方向看作表示如下的方向，即在各测量对象部位的惯性传感器10的传感器坐标系CSs中观察到的所述测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向。
因此，测量处理装置20接下来在步骤3中，针对各测量对象部位，将在步骤2中所算出的平均加速度向量↑As_ave的方向作为所述测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向，确定(推测)变换矩阵R(CSb→CSs)的与Zb轴对应的列的成分，所述变换矩阵R用于进行从所述身体侧坐标系CSb朝所述测量对象部位的惯性传感器10的传感器坐标系CSs的向量的坐标变换。
如下式(1)所示，所述变换矩阵R(CSb→CSs)是将在身体侧坐标系CSb中观察到的任意的向量(αxb、αyb、αzb)T的坐标变换成在传感器坐标系CSs中观察到的向量(αxs、αys、αzs)T的三阶矩阵。另外，αxb、αyb、αzb分别是指身体侧坐标系CSb的坐标轴Xb、坐标轴Yb、坐标轴Zb各自的方向的值，αxs、αys、αzs分别是指传感器坐标系CSs的坐标轴Xs、坐标轴Ys、坐标轴Zs各自的方向的值，上标“T”是指转置。另外，变换矩阵R(CSb→CSs)的各列的向量(e11、e21、e31)T、向量(e12、e22、e32)T、向量(e13、e23、e33)T分别为单位向量。而且，变换矩阵R(CSb→CSs)的转置矩阵R(CSb→CSs)T变成用于进行从传感器坐标系CSs朝身体侧坐标系CSb的坐标变换的变换矩阵R(CSs→CSb)(＝R(CSb→CSs)的逆矩阵)。
[数学式1]
Figure BDA0002391842330000071
在此情况下，变换矩阵R(CSb→CSs)的与Zb轴对应的列是变换矩阵R(CSb→CSs)之中，在式(1)的右边，与向量(αxb、αyb、αzb)T的第三成分αzb(Zb轴方向的成分)相关的列，即第三列。并且，当针对各测量对象部位，将在步骤2中所算出的平均加速度向量↑As_ave的方向看作所述测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向时，平均加速度向量↑As_ave变成与(e13、e23、e33)T成比例的向量，所述(e13、e23、e33)T是将(0、0、1)T代入式(1)的右边的(αxb、αyb、αzb)T中所算出的向量。
因此，在步骤3中，测量处理装置20通过下式(2a)或下式(2b)来算出各测量对象部位的变换矩阵R(CSb→CSs)的第三列的向量(e13、e23、e33)T。即，测量处理装置20针对各测量对象部位，将平均加速度向量↑As_ave变换成单位向量，由此算出变换矩阵R(CSb→CSs)的第三列的向量(e13、e23、e33)T。
另外，是否通过式(2a)、式(2b)的任一式来算出第三列的向量(e13、e23、e33)T取决于将传感器坐标系CSs及身体侧坐标系CSb各自的各坐标轴的正方向设定成各坐标轴的方向的哪个方向。
[数学式2]
Figure BDA0002391842330000081
或
Figure BDA0002391842330000082
由此，针对各测量对象部位，推测(确定)变换矩阵R(CSb→CSs)的与Zb轴对应的列的成分。在本实施方式中，如所述那样进行针对各身体侧坐标系CSb的坐标轴Zb的坐标轴方向推测处理。
另外，在本实施方式中，各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向相当于本发明中的第二方向，变换矩阵R(CSb→CSs)的第三列的向量(e13、e23、e33)T相当于本发明中的第二姿势数据。
接下来，如以下这样进行针对各身体侧坐标系CSb的三个坐标轴Xb、Yb、Zb中的例如坐标轴Yb的坐标轴方向推测处理。即，在此坐标轴方向推测处理中，如图4所示，对象者P首先在以各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向(对象者P的左右方向)变成与垂直方向正交的方向(水平方向)的方式起立的状态(时刻t0的状态)下静止。所述静止状态是对象者P执行后述的弯腰动作及恢复动作之前的状态。另外，所述静止状态下的对象者P的姿势状态也可以不必是以直立姿势起立的状态。例如，对象者P的上身也能够以某种程度前倾、或者各腿也可以在俯仰方向(环绕对象者P的左右方向的轴的方向)上以某种程度弯曲。
在对象者P如所述那样起立并静止的状态下，测量处理装置20执行图5的流程图的步骤11的处理。在所述步骤11中，测量处理装置20通过各测量对象部位的惯性传感器10的加速度传感器12，检测所述惯性传感器10的传感器坐标系CSs的各坐标轴方向的加速度的组(换言之，所述惯性传感器10中产生的加速度向量的各坐标轴Xs、Ys、Zs的方向的成分的组)，并将所述经检测的加速度向量作为基准加速度向量↑As1来存储保持。所述基准加速度向量↑As1相当于由作用于惯性传感器10的重力所产生的加速度向量，且为与垂直方向(重力方向)一致或大致一致的方向的向量。并且，所述基准加速度向量↑As1相当于本发明中的第一加速度向量。
另外，也可以在对象者P起立并静止的状态下，例如将通过所述图3的步骤1、步骤2的处理所求出的平均加速度向量↑As_ave设定为基准加速度向量↑As1。
接下来，如图4所示，对象者P从步骤11中的静止状态(时刻t0的状态)进行弯腰动作，所述弯腰动作一边使上身在俯仰方向上前倾，一边使两腿在俯仰方向上弯曲(详细而言，以使各腿的大腿部及小腿部的姿势在俯仰方向上变化的方式使两腿弯曲)，接下来，从通过所述弯腰动作而已弯腰的状态(时刻t1的状态)执行恢复动作，所述恢复动作使上身、以及各腿的大腿部及小腿部的姿势朝与弯腰动作相反的方向变化，由此恢复成以直立姿势起立的状态(时刻t2的状态)。另外，在此情况下，也可以通过陪伴者或适当的治具等来辅助对象者P的所述弯腰动作及恢复动作。而且，对象者P也可以缓慢地进行这些动作。
在对象者P如所述那样进行运动的同时，测量处理装置20针对各测量对象部位，执行图5的流程图的从步骤12起的处理。具体而言，在步骤12中，测量处理装置20在对象者P的运动中，通过各测量对象部位的惯性传感器10的加速度传感器12，以规定的采样周期依次检测所述惯性传感器10的传感器坐标系CSs的各坐标轴方向的加速度的组(换言之，所述惯性传感器10中产生的加速度向量的各坐标轴Xs、Ys、Zs的方向的成分的组)。
由此，测量处理装置20在对象者P依次进行所述弯腰动作及恢复动作的运动中，针对各测量对象部位，依次获取惯性传感器10的加速度向量(在所述惯性传感器10的传感器坐标系CSs中观察到的加速度向量)的检测数据。在此情况下，当缓慢地进行了所述弯腰动作及恢复动作时，加速度向量的各坐标轴Xs、Ys、Zs的方向的成分的检测值例如以如图6的图表中例示的那样的波形模式经时变化。
测量处理装置20如所述那样依次获取加速度向量的检测数据，并在步骤13中执行如下的处理：针对各测量对象部位，根据所述加速度向量的检测数据的时间序列，检测对象者P的动作的切换时机(从弯腰动作朝恢复动作的转变时机)。换言之，所述切换时机是各测量对象部位的姿势的变化方向(俯仰方向上的正转方向或反转方向)切换的时机。
在所述步骤13中，测量处理装置20例如针对各测量对象部位，对加速度向量的各坐标轴方向的成分的检测数据实施低通特性的滤波处理后，确定任一个坐标轴方向的成分的检测值从增加转变成减少、或从减少转变成增加的时机(所述检测值取得极值的时机)，并将所述时机作为对象者P的动作的切换时机来检测。
另外，例如也可以在对象者P的弯腰动作及恢复动作的结束后，根据由加速度向量的各坐标轴方向的成分的检测数据的时间序列表示的波形(各坐标轴方向的成分的经时变化的波形)，检测所述切换时机。或者，也可以根据由惯性传感器10的角速度传感器11所检测的角速度向量的方向的变化，检测切换时机。
接下来，在步骤14中，测量处理装置20针对各测量对象部位，通过作为在所述切换时机所检测到的加速度向量的运动时加速度向量↑As2、与在所述步骤11中所检测到的基准加速度向量↑As1的外积运算，而算出与这些向量↑As1、向量↑As2正交的外积向量↑V。另外，运动时加速度向量↑As2相当于本发明中的第二加速度向量。
此处，在步骤12中所检测的加速度向量是在对象者P从在步骤11中起立的状态，依次进行所述弯腰动作及恢复动作的运动状态下，由各惯性传感器10的加速度传感器12所检测的加速度向量，因此所述加速度向量的方向在对象者P的弯腰动作及恢复动作各自的运动中，被保持成与对象者P的左右方向正交或大致正交的状态。因而，针对各测量对象部位，在所述切换时机所检测到的运动时加速度向量↑As2、及所述基准加速度向量↑As1均变成各测量对象部位的身体侧坐标系CSb之中，与作为对象者P的左右方向的坐标轴的Yb轴的方向正交或大致正交的方向的向量。
而且，在切换时机所检测到的运动时加速度向量↑As2是重力加速度与伴随对象者P的运动的运动加速度的合成加速度，因此所述运动时加速度向量↑As2的方向变成与基准加速度向量↑As1的方向(大致垂直方向)不同的方向。
因此，针对各测量对象部位，通过所述切换时机的运动时加速度向量↑As2与基准加速度向量↑As1的外积运算所算出的外积向量↑V的方向与各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向一致或大致一致。
因而，可针对各测量对象部位，将在步骤14中所算出的外积向量↑V的方向看作表示如下的方向，即在各测量对象部位的惯性传感器10的传感器坐标系CSs中观察到的所述测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向。
因此，测量处理装置20接下来在步骤15中，针对各测量对象部位，将在步骤14中所算出的外积向量↑V的方向作为所述测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向，决定所述变换矩阵R(CSb→CSs)的与Yb轴对应的列的成分。
在此情况下，变换矩阵R(CSb→CSs)的与Yb轴对应的列是变换矩阵R(CSb→CSs)之中，在所述式(1)的右边，与向量(αxb、αyb、αzb)T的第二成分αyb(Yb轴方向的成分)相关的列，即第二列。并且，当针对各测量对象部位，将在步骤14中所算出的外积向量↑V的方向看作所述测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向时，外积向量↑V变成与(e21、e22、e23)T成比例的向量，所述(e21、e22、e23)T是将(0、1、0)T代入所述式(1)的右边的(αxb、αyb、αzb)T中所算出的向量。
因此，在步骤13中，测量处理装置20通过下式(3a)或下式(3b)来算出各测量对象部位的变换矩阵R(CSb→CSs)的第二列的向量(e12、e22、e32)T。即，测量处理装置20将各测量对象部位的外积向量↑V变换成单位向量，由此算出变换矩阵R(CSb→CSs)的第二列的向量(e12、e22、e32)T。
另外，是否通过式(3a)、式(3b)的任一式来算出第二列的向量(e12、e22、e32)T取决于将传感器坐标系CSs及身体侧坐标系CSb各自的各坐标轴的正方向设定成各坐标轴的方向的哪个方向。
[数学式3]
Figure BDA0002391842330000101
或
Figure BDA0002391842330000102
由此，针对各测量对象部位，推测(确定)变换矩阵R(CSb→CSs)的与Yb轴成分对应的列的成分。另外，在步骤14中所算出的外积向量↑V也可以是单位向量，在此情况下，只要将所述外积向量↑V直接确定为第二列的向量(e12、e22、e32)T即可。在本实施方式中，如所述那样进行针对各身体侧坐标系CSb的坐标轴Yb的坐标轴方向推测处理。
另外，在本实施方式中，各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向相当于本发明中的第一方向，变换矩阵R(CSb→CSs)的第二列的向量(e12、e22、e32)T相当于本发明中的第一姿势数据。
接下来，如以下这样进行针对各身体侧坐标系CSb的三个坐标轴Xb、Yb、Zb中的剩余的坐标轴Xb的坐标轴方向推测处理。即，在此坐标轴方向推测处理中，测量处理装置20将变换矩阵R(CSb→CSs)的与Xb轴成分对应的第一列的向量(e11、e21、e31)T作为单位向量来求出，所述单位向量与如所述那样求出的第二列的向量(e12、e22、e32)T及第三列的向量(e13、e23、e33)T正交。在此情况下，具体而言，通过第二列的向量(e12、e22、e32)T与第三列的向量(e13、e23、e33)T的外积运算(向量积的运算)，而算出第一列的向量(e11、e21、e31)T。
另外，在本实施方式中，各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Xb轴方向相当于本发明中的第三方向，变换矩阵R(CSb→CSs)的第一列的向量(e11、e21、e31)T相当于本发明中的第三姿势数据。
在本实施方式中，如以上所说明的那样，针对各测量对象部位，求出变换矩阵R(CSb→CSs)的各列的成分。由此，针对各测量对象部位，通过变换矩阵R(CSb→CSs)，确定传感器坐标系CSs与身体侧坐标系CSb之间的相对的姿势关系(换言之，惯性传感器10与测量对象部位之间的相对的姿势关系)。
在此情况下，关于与各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的坐标轴Zb相关的坐标轴方向推测处理，使用对象者P以直立姿势起立的状态下的加速度的检测数据来进行。并且，在对象者P以直立姿势起立的状态下，可将作为各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的一个坐标轴方向的Zb轴方向比较稳定地保持成与垂直方向一致或大致一致的状态。因而，可针对各测量对象部位，以高可靠性确定表示在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向的变换矩阵R(CSb→CSs)的列向量(第三列的向量)。
而且，关于与各测量对象部位中的在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的坐标轴Yb相关的坐标轴方向推测处理，使用在对象者P起立并静止的状态下所检测到的基准加速度向量↑As1、及在对象者P依次进行所述弯腰动作及恢复动作的状态的一个时机(在本实施方式中，所述切换时机)所检测到的运动时加速度向量↑As2来进行。
在此情况下，在对象者P起立并静止的状态下所检测的基准加速度向量↑As1高精度地变成垂直方向的向量(与对象者P的左右方向正交的向量)。而且，在对象者P依次进行所述弯腰动作及恢复动作的运动状态下，可将各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向比较稳定地保持成与对象者P的左右方向一致或大致一致的状态，并且可将在所述运动状态下所检测的加速度向量(包含↑As2)的方向比较稳定地保持成和与对象者P的左右方向正交的方向一致或大致一致的状态。因而，可针对各测量对象部位，使在所述步骤14中所算出的外积向量↑V的方向高精度地与各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向一致。进而，可针对各测量对象部位，以高可靠性确定表示在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向的变换矩阵R(CSb→CSs)的列向量(第二列的向量)。
而且，在本实施方式中，可通过进行一次所述弯腰动作及紧随其后的恢复动作，而对所有测量对象部位实施与坐标轴Yb相关的坐标轴方向推测处理。
进而，针对各测量对象部位，根据如所述那样确定的其他两个列向量(第二列及第三列的向量)，通过外积运算来求出表示在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的Xb轴方向的变换矩阵R(CSb→CSs)的列向量(第一列的向量)，因此也能够以高可靠性确定表示在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的Xb轴方向的变换矩阵R(CSb→CSs)的列向量(第一列的向量)。
[第二实施方式]
接下来，参照图7～图9对本发明的第二实施方式进行说明。另外，本实施方式仅坐标轴方向推测处理的一部分与所述第一实施方式不同，因此省略与第一实施方式相同的事项的说明。
在所述第一实施方式中，为了推测各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向，使对象者P以直立姿势起立，而且，为了推测Yb轴方向，使对象者P进行弯腰动作及恢复动作。相对于此，本实施方式是如下的实施方式：在对象者P坐在能够以各腿的大腿部的长边方向大致变成水平的方式坐下的设置物，例如椅子Chr上的状态下，可推测各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的两个坐标轴方向。另外，在本实施方式中，椅子Chr是本发明中的“形状固定的物体”的一例，对象者P坐在椅子Chr上的状态相当于使对象者P的身体靠在“形状固定的物体”上的状态。
在本实施方式中，如以下这样进行针对对象者P的测量对象部位之中，各腿的大腿部以外的各测量对象部位(上身的上部、腰部及各腿的小腿部)的身体侧坐标系CSb的坐标轴Zb的坐标轴方向推测处理、及针对各腿的大腿部的身体侧坐标系CSb(CSb(3))的坐标轴Xb的坐标轴方向推测处理。
在此坐标轴方向推测处理中，例如如图7所示，对象者P在以上身与各腿的小腿部朝垂直方向直立、且各腿的大腿部在椅子Chr的座面上朝水平方向延伸的方式坐在椅子Chr上的状态下静止。另外，此时，也可以通过适当的治具或陪伴者来辅助对象者P的上身的起立状态，以极力不使横向的力作用于对象者P的上身。
在对象者P如所述那样坐在椅子Chr上的状态下，测量处理装置20与第一实施方式同样地执行所述步骤1的处理(通过各惯性传感器10的加速度传感器12来检测加速度的处理)，进而执行所述步骤2的处理，由此针对各测量对象部位，算出平均加速度向量↑As_ave。
此处，在对象者P如所述那样坐在椅子Chr上的状态下，关于对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位，身体侧坐标系CSb的Zb轴方向与垂直方向(重力方向)一致或大致一致。因此，测量处理装置20针对对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位，在执行所述步骤2的处理后，与第一实施方式同样地执行所述步骤3的处理，由此确定所述变换矩阵R(CSb→CSs)的与Zb轴对应的列(第三列)的成分。即，测量处理装置20针对对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位，通过所述式(2a)或式(2b)的运算处理，而算出变换矩阵R(CSb→CSs)的第三列的向量(e13、e23、e33)T。
另一方面，在对象者P如所述那样坐在椅子Chr上的状态下，关于对象者P的各腿的大腿部，身体侧坐标系CSb(CSb(3))的Xb轴方向与垂直方向(重力方向)一致或大致一致。因此，测量处理装置20针对对象者P的各腿的大腿部，将在所述步骤2中所算出的平均加速度向量↑As_ave的方向作为所述大腿部的身体侧坐标系CSb(CSb(3))的Xb轴方向，确定(推测)所述变换矩阵R(CSb→CSs)的与Xb轴对应的列的成分。
在此情况下，变换矩阵R(CSb→CSs)的与Xb轴对应的列为第一列，因此如下式(4a)或下式(4b)所示，测量处理装置20将针对大腿部所求出的平均加速度向量↑As_ave变换成单位向量，由此算出变换矩阵R(CSb→CSs)的第一列的向量向量(e11、e21、e31)T。
另外，是否通过式(4a)、式(4b)的任一式来算出第一列的向量(e11、e21、e31)T取决于将传感器坐标系CSs及身体侧坐标系CSb各自的各坐标轴的正方向设定成各坐标轴的方向的哪个方向。
[数学式4]
Figure BDA0002391842330000131
或
Figure BDA0002391842330000132
在本实施方式中，如所述那样进行针对对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位(上身的上部、腰部及各腿的小腿部)的身体侧坐标系CSb的坐标轴Zb的坐标轴方向推测处理、及针对各腿的大腿部的身体侧坐标系CSb的坐标轴Xb的坐标轴方向推测处理。
另外，在本实施方式中，关于对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位，所述测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向相当于本发明中的第二方向，变换矩阵R(CSb→CSs)的第三列的向量(e13、e23、e33)T相当于本发明中的第二姿势数据。而且，关于各腿的大腿部，所述大腿部的身体侧坐标系CSb的Xb轴方向相当于本发明中的第二方向，变换矩阵R(CSb→CSs)的第一列的向量(e11、e21、e31)T相当于本发明中的第二姿势数据。
接下来，例如，如以下这样进行针对对象者P的各腿的测量对象部位(大腿部、小腿部)的身体侧坐标系CSb的坐标轴Yb的坐标轴方向推测处理。即，在此坐标轴方向推测处理中，如图8所示，对象者P首先在以各腿的大腿部及小腿部各自的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向(对象者P的左右方向)变成与垂直方向正交的方向(水平方向)的方式，坐在椅子Chr上的状态(时刻t10的状态)下静止。所述静止状态是对象者P执行后述的抬腿动作及收腿动作之前的状态。另外，在所述静止状态下，对象者P的各腿的小腿部或上身也可以相对于垂直方向倾斜。而且，对象者P的各腿的大腿部也可以相对于水平方向倾斜。
在对象者P如所述那样坐在椅子Chr上并静止的状态下，测量处理装置20与第一实施方式同样地，分别针对各腿的大腿部及小腿部执行所述图5的流程图的步骤11的处理。由此，分别针对各腿的大腿部及小腿部，将由惯性传感器10的加速度传感器12所检测到的加速度向量(由重力所产生的垂直方向的加速度向量)设定为基准加速度向量↑As1。
另外，也可以在对象者P坐在椅子Chr上并静止的状态下，分别针对各腿的大腿部及小腿部，例如将通过所述图3的步骤1、步骤2的处理所求出的平均加速度向量↑As_ave设定为基准加速度向量↑As1。
接下来，如图8所示，对象者P从步骤11中的静止状态(时刻t10的状态)，进行使两腿以环绕髋关节在俯仰方向上旋转的方式上升的抬腿动作，接下来，从通过所述抬腿动作而使两腿已上升的状态(时刻t11的状态)，执行通过与抬腿动作相反的动作(在俯仰方向上的动作)，将两腿放下而恢复成原来的状态(时刻t12的状态)的收腿动作。另外，在此情况下，也可以通过陪伴者或适当的治具等来辅助对象者P的所述抬腿动作及收腿动作。而且，对象者P也可以缓慢地进行这些动作。
在对象者P如所述那样进行各腿的运动的同时，测量处理装置20与第一实施方式同样地，分别针对各腿的大腿部及小腿部执行所述图5的流程图的步骤12～步骤15的处理。另外，在此情况下，在步骤13中所检测的切换时机是从各腿的抬腿动作朝收腿动作的切换的时机。
在此情况下，在对象者P正分别执行抬腿动作或收腿动作的状态下，各腿的大腿部及小腿部各自的惯性传感器10中产生的加速度向量的方向被保持成和与对象者P的左右方向正交的方向一致或大致一致的状态。进而，关于各腿的大腿部及小腿部，在步骤14中所算出的外积向量↑V的方向分别与身体侧坐标系CSb的Yb轴方向一致或大致一致。因而，通过执行图5的流程图中所示的处理，可适当地确定(推测)所述变换矩阵R(CSb→CSs)的与Yb轴对应的列的成分。
接下来，例如，如以下这样进行针对对象者P的上身的测量对象部位(上身的上部、腰部)的身体侧坐标系CSb的坐标轴Yb的坐标轴方向推测处理。即，在此坐标轴方向推测处理中，例如如图9所示，对象者P首先在以上身的上部及腰部各自的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向(对象者P的左右方向)变成与垂直方向正交的方向(水平方向)的方式，坐在椅子Chr上的状态(时刻t20的状态)下静止。所述静止状态是对象者P执行后述的上身前倾动作及上身恢复动作之前的状态。另外，在所述静止状态下，与所述抬腿动作的开始前的静止状态同样地，对象者P的各腿的小腿部或上身也可以相对于垂直方向倾斜。而且，对象者P的各腿的大腿部也可以相对于水平方向倾斜。
在对象者P如所述那样坐在椅子Chr上并静止的状态下，测量处理装置20与第一实施方式同样地，分别针对对象者P的上身的上部及腰部执行所述图5的流程图的步骤11的处理。由此，分别针对上身的上部及腰部，将由惯性传感器10的加速度传感器12所检测到的加速度向量(由重力所产生的垂直方向的加速度向量)设定为基准加速度向量↑As1。
另外，也可以在对象者P坐在椅子Chr上并静止的状态下，分别针对上身的上部及腰部，例如将通过所述图3的步骤1、步骤2的处理所求出的平均加速度向量↑As_ave设定为基准加速度向量↑As1。
接下来，如图9所示，对象者P从步骤11中的静止状态(时刻t20的状态)，进行使上身在俯仰方向上前倾的上身前倾动作，接下来，从通过所述上身前倾动作而使上身已前倾的状态(时刻21的状态)，执行使上身在俯仰方向上后倾而恢复成原来的状态(时刻t22的状态)的上身恢复动作。另外，在此情况下，也可以通过适当的治具或陪伴者等来辅助对象者P的所述上身前倾动作及上身恢复动作。而且，对象者P也可以缓慢地进行这些动作。
在对象者P如所述那样进行上身的运动的同时，测量处理装置20与第一实施方式同样地，分别针对上身的上部及腰部执行所述图5的流程图的步骤12～步骤15的处理。另外，在此情况下，在步骤13中所检测的切换时机是从上身前倾动作朝上身恢复动作的切换的时机。
在此情况下，在对象者P分别执行上身前倾动作或上身恢复动作的状态下，上身的上部及腰部各自的惯性传感器10中产生的角速度向量的方向被保持成和与对象者P的左右方向正交的方向一致或大致一致的状态。进而，关于各腿的大腿部及小腿部，在步骤14中所算出的外积向量↑V的方向分别与身体侧坐标系CSb的Yb轴方向一致或大致一致。因而，通过执行图5的流程图中所示的处理，可适当地确定(推测)所述变换矩阵R(CSb→CSs)的与Yb轴对应的列的成分。
另外，对象者P也可以同时执行所述抬腿动作及上身前倾动作，并且同时执行所述收腿动作及上身恢复动作。在此情况下，可针对各腿的大腿部及小腿部、以及上身的上部及腰部的各个测量对象部位，同时执行图5的流程图中所示的处理。
而且，在本实施方式中，对象者P的各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向相当于本发明中的第一方向，变换矩阵R(CSb→CSs)的第二列的向量(e12、e22、e32)T相当于本发明中的第一姿势数据。
接下来，如以下这样进行针对对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位(上身的上部、腰部及各腿的小腿部)的身体侧坐标系CSb的坐标轴Xb的坐标轴方向推测处理、及针对各腿的大腿部的身体侧坐标系CSb(CSb(3))的坐标轴Zb的坐标轴方向推测处理。
即，在针对对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位(上身的上部、腰部及各腿的小腿部)的身体侧坐标系CSb的坐标轴Xb的坐标轴方向推测处理中，测量处理装置20与第一实施方式同样地，通过与各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Yb轴对应的第二列的向量(e12、e22、e32)T、和与Zb轴对应的第三列的向量(e13、e23、e33)T的外积运算(向量积的运算)，而算出与Xb轴对应的第一列的向量(e11、e21、e31)T。由此，确定对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Xb轴方向(在传感器坐标系CSs中观察到的方向)。
另一方面，测量处理装置20针对对象者P的各腿的大腿部，将变换矩阵R(CSb→CSs)的与Zb轴成分对应的第三列的向量(e13、e23、e33)T作为单位向量来求出，所述单位向量与如所述那样针对所述大腿部求出的第一列的向量(e11、e21、e31)T及第二列的向量(e12、e22、e32)T正交。具体而言，通过第一列的向量(e11、e21、e31)T与第二列的向量(e12、e22、e32)T的外积运算(向量积的运算)，而算出第三列的向量(e13、e23、e33)T。
另外，在本实施方式中，关于对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位，所述测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Xb轴方向相当于本发明中的第三方向，变换矩阵R(CSb→CSs)的第一列的向量(e11、e21、e31)T相当于本发明中的第三姿势数据。而且，关于各腿的大腿部，所述大腿部的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向相当于本发明中的第三方向，变换矩阵R(CSb→CSs)的第三列的向量(e13、e23、e33)T相当于本发明中的第三姿势数据。
在本实施方式中，如以上所说明的那样，针对各测量对象部位，求出变换矩阵R(CSb→CSs)的各列的成分。由此，与第一实施方式同样地，针对各测量对象部位，通过变换矩阵R(CSb→CSs)，确定传感器坐标系CSs与身体侧坐标系CSb之间的相对的姿势关系(换言之，惯性传感器10与测量对象部位之间的相对的姿势关系)。
在此情况下，关于与对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的坐标轴Zb相关的坐标轴方向推测处理、及与各腿的大腿部的身体侧坐标系CSb的坐标轴Xb相关的坐标轴方向推测处理，使用对象者P如图7所示那样坐在椅子Chr上的状态下的加速度的检测数据来进行。并且，在对象者P的所述坐下状态下，可将各腿的大腿部以外的各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向、及各腿的大腿部的身体侧坐标系CSb的Xb轴方向比较稳定地保持成与垂直方向(重力方向)一致或大致一致的状态。
因而，针对各腿的大腿部以外的各测量对象部位，分别能够以高可靠性确定表示在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向的变换矩阵R(CSb→CSs)的列向量(第三列的向量)。而且，针对各腿的大腿部，能够以高可靠性确定表示在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的Xb轴方向的变换矩阵R(CSb→CSs)的列向量(第一列的向量)。
而且，关于与测量对象部位之中，各腿的大腿部及小腿部各自的在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的坐标轴Yb相关的坐标轴方向推测处理，使用在对象者P坐在椅子Chr上并静止的状态下所检测到的基准加速度向量↑As1，及在对象者P依次进行所述抬腿动作及收腿动作的状态的规定的时机(在本实施方式中，抬腿动作及收腿动作的切换时机)所检测到的加速度向量↑As2、或在对象者P依次进行所述上身前倾动作及上身恢复动作的状态的规定的时机(在本实施方式中，上身前倾动作及上身恢复动作的切换时机)所检测到的加速度向量↑As2来进行。
在此情况下，在对象者P坐在椅子Chr上并静止的状态下所检测的基准加速度向量↑As1高精度地变成垂直方向的向量(与对象者P的左右方向正交的向量)。而且，在对象者P依次进行所述抬腿动作及收腿动作的运动状态下，可将各腿的大腿部及小腿部各自的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向比较稳定地保持成与对象者P的左右方向一致或大致一致的状态，并且可将在所述运动状态下所检测的加速度向量(包含↑As2)的方向比较稳定地保持成和与对象者P的左右方向正交的方向一致或大致一致的状态。
同样地，在对象者P依次进行所述上身前倾动作及上身恢复动作的运动状态下，可将上身的上部及腰部各自的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向比较稳定地保持成与对象者P的左右方向一致或大致一致的状态，并且可将在所述运动状态下所检测的加速度向量(包含↑As2)的方向比较稳定地保持成和与对象者P的左右方向正交的方向一致或大致一致的状态。
因而，与第一实施方式同样地，可针对各测量对象部位，使在所述步骤14中所算出的外积向量↑V的方向高精度地与各测量对象部位的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向一致。进而，可针对各测量对象部位，以高可靠性确定表示在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的Yb轴方向的变换矩阵R(CSb→CSs)的列向量(第二列的向量)。
进而，针对对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位，根据如所述那样确定的其他两个列向量(第二列及第三列的向量)，通过外积运算来求出表示在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的Xb轴方向的变换矩阵R(CSb→CSs)的列向量(第一列的向量)。因而，针对对象者P的各腿的大腿部以外的各测量对象部位，也能够以高可靠性确定表示在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的Xb轴方向的变换矩阵R(CSb→CSs)的列向量(第一列的向量)。
而且，针对对象者P的各腿的大腿部，根据如所述那样确定的其他两个列向量(第一列及第二列的向量)，通过外积运算来求出表示在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向的变换矩阵R(CSb→CSs)的列向量(第三列的向量)。因而，针对对象者P的各腿的大腿部，也能够以高可靠性确定表示在传感器坐标系CSs中观察到的身体侧坐标系CSb的Zb轴方向的变换矩阵R(CSb→CSs)的列向量(第三列的向量)。
进而，在本实施方式中，可在对象者P的坐下状态下获取用于坐标轴方向推测处理的加速度的检测数据，因此难以取得直立姿势状态的对象者P(例如儿童、或腿力弱的人等)也可以容易地应用。
另外，本发明并不限定于以上所说明的第一实施方式或第二实施方式，也可以采用其他实施方式。以下对几个其他实施方式进行说明。
在所述各实施方式中，一边进行使对象者P的上身或各腿的测量对象部位的姿势在俯仰方向上变化的运动，一边针对各测量对象部位，通过各测量对象部位的惯性传感器10，检测具有与在对象者P的静止状态下所检测到的基准加速度向量↑As1不同的方向的加速度向量↑As2，并使用所述加速度向量↑As2与基准加速度向量↑As1，确定在传感器坐标系CSs中观察到的各测量对象部位的坐标轴Yb(左右方向的坐标轴)的方向。
作为替代，例如也可以一边进行使对象者P的上身或各腿的测量对象部位的姿势在横摇方向(环绕对象者P的前后方向的轴的方向)上变化的运动，一边针对各测量对象部位，通过各测量对象部位的惯性传感器10来检测加速度向量↑As2，所述加速度向量↑As2在俯仰方向上具有与在对象者P的静止状态下所检测到的基准加速度向量↑As1不同的方向，将所述加速度向量↑As2与基准加速度向量↑As1的外积向量的方向看作在传感器坐标系CSs中观察到的各测量对象部位的坐标轴Xb(前后方向的坐标轴)的方向，确定所述坐标轴Xb的方向。
在此情况下，作为所述横摇方向的运动，例如可采用使上身朝左右倾斜移动的运动、使各腿环绕髋关节朝左侧或右侧甩出的运动等。而且，在此情况下，各测量对象部位的Yb轴方向例如也可以通过所述变换矩阵R(CSb→CSs)的表示Zb轴方向的第三列的向量(其可与所述各实施方式同样地确定)、与表示Xb轴方向的第一列的向量的外积运算来确定。
而且，检测用于确定各测量对象部位的Yb轴方向的加速度向量↑As2的对象者P的运动也可以针对各测量对象部位个别地进行。
而且，在所述实施方式中，作为关于各测量对象部位的在俯仰方向上具有与基准加速度向量↑As1(由重力所产生的加速度向量)不同的方向的加速度向量↑As2，使用在对象者P的动作的切换时机所检测到的加速度向量。
但是，在对象者P的运动中获取的加速度向量↑As2例如也可以是在所述切换时机的附近的其他时刻所检测到的加速度向量。进而，也可以在对象者P的运动中，针对各测量对象部位，例如在所述切换时机的附近的期间(或者，预测惯性传感器10中产生的加速度向量变成与基准加速度向量↑As1不同的方向的期间)的多个采样时刻检测加速度向量，并且求出所述多个加速度向量的各个与基准加速度向量↑As1的外积向量，将对所述多个外积向量的方向进行平均化所得的方向确定为身体侧坐标系CSb的Yb轴方向。或者，例如也可以将根据所述多个外积向量，通过例如主成分分析的处理所获得的第一主成分的固有向量的方向确定为身体侧坐标系CSb的Yb轴方向。
如所述那样确定Yb轴方向的方法在如下的情况下也一样，即一边进行测量对象部位的横摇方向的运动，一边检测加速度向量↑As2，并利用所述加速度向量↑As2与基准加速度向量↑As1来确定Xb轴方向的情况。
而且，测量对象部位并不限定于对象者P的上身、或各腿，例如也可以在对象者P的手臂设定测量对象部位。在此情况下，例如可根据使具有测量对象部位的手臂朝垂直下方垂下的状态下的加速度的检测数据，确定手臂的上下方向(长边方向)的坐标轴方向。而且，例如可利用在使具有测量对象部位的手臂环绕肩关节在俯仰方向上朝前方或后方甩出的运动的执行中所检测加速度向量、及在所述运动开始前的静止状态下所检测的加速度向量(基准加速度向量)，确定手臂的左右方向的坐标轴方向。而且，例如可利用在使具有测量对象部位的手臂环绕肩关节在横摇方向上朝右侧或左侧甩出的运动的执行中所检测的加速度向量、及在所述运动开始前的静止状态下所检测的加速度向量(基准加速度向量)，确定手臂的前后方向的坐标轴方向。
而且，在所述各实施方式中，惯性传感器10是包含角速度传感器11及加速度传感器12的传感器，但也可以是不包含角速度传感器11的传感器。
而且，在所述第二实施方式中，在对象者P坐在椅子Chr上并静止的状态下，使测量对象部位的身体坐标系Cb的一个坐标轴朝向垂直方向，执行针对所述坐标轴的坐标轴方向推测处理。但是，为了可使测量对象部位的身体坐标系Cb的一个坐标轴朝向垂直方向并静止，也可以使对象者P的身体的适当的部位抵接在椅子Chr以外的其他物体(形状固定的物体)上，在此状态下，执行针对所述测量对象部位的身体坐标系Cb的一个坐标轴(朝向垂直方向的坐标轴)的坐标轴方向推测处理。

Claims (7)

1.一种惯性传感器的安装姿势推测方法，其是推测安装在对象者的测量对象部位的惯性传感器与所述测量对象部位之间的相对的姿势关系的方法，所述惯性传感器包含能够检测事先对所述惯性传感器设定的作为三维坐标系的传感器坐标系的各坐标轴方向的加速度的加速度传感器，所述惯性传感器的安装姿势推测方法，其特征在于，包括：
第一工序，将事先对所述测量对象部位设定的作为规定的方向的第一方向维持成与垂直方向正交的方向，并在使所述测量对象部位静止的状态下，利用所述加速度传感器来检测第一加速度向量，所述第一加速度向量是包含所述传感器坐标系的三个坐标轴方向各自的加速度的组的加速度向量；
第二工序，将所述测量对象部位的所述第一方向维持成与所述第一工序中的方向相同的方向，并使所述对象者进行运动，以使所述测量对象部位的姿势在环绕所述第一方向的轴的方向上变化；
第三工序，在所述第二工序中的一个以上的采样时刻，利用所述加速度传感器来检测第二加速度向量，所述第二加速度向量是包含所述传感器坐标系的三个坐标轴方向各自的加速度的组、且方向与所述第一加速度向量不同的加速度向量；以及
第四工序，根据在由所述第三工序所检测到的一个以上的第二加速度向量的各个、与由所述第一工序所检测到的第一加速度向量的外积运算中算出的一个以上的外积向量，确定表示在所述传感器坐标系中观察，所述测量对象部位的所述第一方向为哪个方向的第一姿势数据。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器的安装姿势推测方法，其特征在于，
在所述第二工序中使所述对象者进行的运动是依次进行使所述测量对象部位的姿势在环绕所述第一方向的轴的方向的正转方向及反转方向中的一个方向上变化、及在另一个方向上变化的运动，在所述第三工序中检测的第二加速度向量至少包含如下的加速度向量，即所述测量对象部位在环绕所述第一方向的轴的姿势的变化方向切换的时机的加速度向量。
3.根据权利要求1或2所述的惯性传感器的安装姿势推测方法，其特征在于，
所述测量对象部位是所述对象者的腿的小腿部或大腿部，
所述第一方向是所述对象者的左右方向，
在所述第二工序中使所述对象者进行的运动是至少包含使所述腿屈伸，以使所述腿的大腿部或小腿部的姿势在俯仰方向上变化的运动。
4.根据权利要求1或2所述的惯性传感器的安装姿势推测方法，其特征在于，
所述测量对象部位是所述对象者的上身，
所述第一方向是所述对象者的左右方向，
在所述第二工序中使所述对象者进行的运动是至少包含使所述对象者的所述上身在俯仰方向上倾斜的运动。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的惯性传感器的安装姿势推测方法，其特征在于，还包括：
第五工序，使所述对象者进行使所述测量对象部位静止的运动，以将事先对所述测量对象部位设定的作为与所述第一方向不同的方向的第二方向维持成垂直方向；
第六工序，在所述第五工序中的一个以上的采样时刻，利用所述加速度传感器来检测所述传感器坐标系的三个坐标轴方向各自的加速度的组；以及
第七工序，根据在所述第五工序中所检测到的一组以上的加速度的组，确定表示在所述传感器坐标系中观察，所述测量对象部位的所述第二方向为哪个方向的第二姿势数据。
6.根据权利要求5所述的惯性传感器的安装姿势推测方法，其特征在于，
所述测量对象部位是所述对象者的腿的小腿部或大腿部或者上身，
所述第二方向是在所述对象者以直立姿势起立的状态、或使所述对象者的身体靠在形状固定的物体上并静止的状态下，能够朝向垂直方向的方向。
7.根据权利要求5或6所述的惯性传感器的安装姿势推测方法，其特征在于，还包括：
第八工序，根据在所述第四工序中所确定的所述第一姿势数据、及在所述第七工序中所确定的所述第二姿势数据，确定表示在所述传感器坐标系中观察，与所述第一方向及第二方向正交的第三方向为哪个方向的第三姿势数据，在所述第八工序中，将通过由所述第一姿势数据表示的所述第一方向的向量、与由所述第二姿势数据表示的所述第二方向的向量的外积运算所获得的向量确定为所述第三姿势数据。
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