JP2004093373A - 位置姿勢測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】磁界の歪みに起因する測定誤差を低減でき、しかも小型で消費電力が少なく、任意の場所で使用できる位置姿勢測定装置を提供する。
【解決手段】送信コイル２０から放射された交流磁界を受信コイル３０で受信し、アンプ１１で増幅し、同期検波回路１２で信号発生器１０からの信号に基いて同期検波し、送信コイル２０から発生した磁界成分だけを検出し、Ａ／Ｄ変換回路１３で磁界データとしてプロセッサ４０へ送る。姿勢角センサ３１で受信コイル３０の送信コイル２０に対する姿勢角（ロール角とピッチ角とヨー角）を測定し、測定結果を姿勢データとしてプロセッサ４０へ送る。プロセッサ４０は姿勢データと磁界データとから送信コイル２０を基準とする受信コイル３０の位置と姿勢とを演算し、出力する。
【選択図】 図１
【解決手段】送信コイル２０から放射された交流磁界を受信コイル３０で受信し、アンプ１１で増幅し、同期検波回路１２で信号発生器１０からの信号に基いて同期検波し、送信コイル２０から発生した磁界成分だけを検出し、Ａ／Ｄ変換回路１３で磁界データとしてプロセッサ４０へ送る。姿勢角センサ３１で受信コイル３０の送信コイル２０に対する姿勢角（ロール角とピッチ角とヨー角）を測定し、測定結果を姿勢データとしてプロセッサ４０へ送る。プロセッサ４０は姿勢データと磁界データとから送信コイル２０を基準とする受信コイル３０の位置と姿勢とを演算し、出力する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は位置姿勢測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁界を利用して被測定物の位置や姿勢を検出する方法は、米国特許第３８６８５６５号、米国特許第４２８７８０９号等に開示されている。
【０００３】
これらの方法においては、互いに直交する３軸に設けられた送信コイルから発生した磁界を被測定物に取り付けられた互いに直交する３軸に設けられた受信コイルで検出し、その検出結果に基いて送信コイルに対する受信コイルの位置や姿勢を測定している。
【０００４】
しかし、この方法では、導電性金属の近傍で発生する渦電流によって磁界の歪みに起因する測定誤差が発生する。そのため、直流磁界を利用したり（米国特許第４８４９６９２号等参照）、渦電流の影響の小さい低周波数の磁界を利用したり、磁界歪みの補正マップを作成して測定誤差を補正したりする必要があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記方法には以下の問題点があった。
【０００６】
直流磁界を利用する方法の場合、地磁気等の周辺磁界の影響を大きく受けるため、コイル径を大きくしたり、大電流を流したりする必要があり、測定装置が大型化し、消費電流が増大する。
【０００７】
また、低周波数の磁界を利用する方法の場合、受信コイルに誘導される起電力は周波数に比例するため、コイル径を大きくしたり、大電流を流したりする必要があり、測定装置が大型化し、消費電流が増大する。
【０００８】
更に、磁界歪みの補正マップを作成する方法の場合、測定装置を特定の場所でしか使用できず、任意の場所で使用できない。
【０００９】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は磁界の歪みに起因する測定誤差を低減でき、しかも小型で消費電力が少なく、任意の場所で使用できる位置姿勢測定装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、三軸直交系をなす各軸に設けられて磁界を発生する３つのコイルを有する送信手段と、三軸直交系をなす各軸に設けられ、前記送信手段に発生する磁界を検出する３つのコイルを有する受信手段とを備え、前記送信手段及び前記受信手段のいずれか一方が被測定物に取り付けられる位置姿勢測定装置において、基準面に対する前記被測定物側の手段の姿勢角を検出する傾斜角検出手段と、前記受信手段の検出結果と前記傾斜角検出手段の検出結果とに基いて前記被測定物の位置及び姿勢を演算する演算手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
傾斜角検出手段の検出結果を既知として傾斜角検出手段の検出結果と受信手段の検出結果とから送信手段を基準とする被測定物の位置と姿勢又は受信手段を基準とする被測定物の位置と姿勢とを演算する。
【００１２】
請求項２記載に発明は、三軸直交系をなす各軸に設けられて磁界を発生する３つのコイルを有する送信手段と、被測定物に取り付けられ、三軸直交系をなす各軸に設けられて前記送信手段に発生する磁界を検出する３つのコイルを有する受信手段と、基準面に対する前記受信手段の姿勢角を検出する傾斜角検出手段と、前記受信手段の検出結果と前記傾斜角検出手段の検出結果とに基いて前記被測定物の位置及び姿勢を演算する演算手段とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
傾斜角検出手段の検出結果を既知として傾斜角検出手段の検出結果と被測定物に取り付けられた受信手段の検出結果とから送信手段を基準とする被測定物の位置と姿勢とを演算する。
【００１４】
請求項３記載に発明は、請求項２記載の位置姿勢測定装置において、前記送信手段が取り付けられ、前記基準面に対する前記送信手段の取付角度を調節可能な送信手段ホルダと、前記送信手段に設けられ、前記基準面に対する前記送信手段の取付角度を検出するホルダ取付角度検出手段と、前記演算手段によって求められた前記被測定物の位置及び姿勢を前記ホルダ取付角度検出手段の検出結果に基いて補正する補正手段とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
ホルダ取付角度検出手段で基準面に対する送信手段の取付角度を検出し、演算手段によって求められた被測定物の位置及び姿勢をホルダ取付角度検出手段の検出結果に基いて補正し、所望の基準座標に変換した位置及び姿勢信号を出力する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１はこの発明の第１実施形態に係る位置姿勢測定装置を示すブロック図である。
【００１８】
この位置姿勢測定装置は信号発生器１０とアンプ１１と同期検波回路１２とＡ／Ｄ変換回路１３と送信コイル（送信手段）２０と受信コイル（受信手段）３０と姿勢角センサ（傾斜角検出手段）３１とプロセッサ（演算手段）４０とを備える。
【００１９】
送信コイル２０は互いに直交する３軸に設けられた３つのコイルを有する。送信コイル２０のＸ軸及びＹ軸は水平面と平行である。
【００２０】
送信コイル２０に信号発生器１０から所定の信号が送られたとき、受信コイル３０の計測領域に対して送信コイル２０は交流磁界を作る。
【００２１】
受信コイル３０は互いに直交する３軸に設けられた３つのコイルを有する。この受信コイル３０は姿勢角センサ３１とともに被測定物Ｍに取り付けられている。
【００２２】
姿勢角センサ３１はジャイロと加速度計とを組み合わせた３軸ダイナミック姿勢角検出装置であり、送信コイル２０に対する受信コイル３０の姿勢角を検出する。
【００２３】
受信コイル３０の出力端子はアンプ１１の入力端子に接続され、アンプ１１の出力端子は同期検波回路１２の入力端子に接続され、同期検波回路１２の出力端子はＡ／Ｄ変換回路１３の入力端子に接続され、Ａ／Ｄ変換回路１３の出力端子はプロセッサ４０に接続されている。同期検波回路１２の入力端子には信号発生器１０の出力端子が接続され、同期信号が入力される。
【００２４】
送信コイル２０から放射された交流磁界を受信コイル３０で受信し、受信コイル３０の受信電流をアンプ１１で交流磁界の大きさに応じた電圧信号に変換して増幅し、その出力電圧を同期検波回路１２で信号発生器１０からの同期信号に基いて同期検波し、送信コイル２０から発生した磁界成分だけを検出する。更に、検出された信号はＡ／Ｄ変換回路１３でデジタル信号に変換され、磁界データとしてプロセッサ４０へ送られる。
【００２５】
同時に、姿勢角センサ３１は受信コイル３０の送信コイル２０に対する姿勢角を検出し、検出結果を姿勢データとしてプロセッサ４０へ送る。このとき、姿勢角としてロール角とピッチ角とヨー角とが姿勢角センサ３１からプロセッサ４０に送られる。
【００２６】
プロセッサ４０は姿勢データと磁界データとから送信コイル２０を基準とする受信コイル３０の位置と姿勢とを演算し、出力する。
【００２７】
プロセッサ４０では以下のように演算が行なわれる。
【００２８】
受信コイル３０で検出された磁界は数１で表される。
【００２９】
【数１】
【００３０】
また、磁界は受信コイル３０の位置及び姿勢、送信コイル２０と受信コイル３０との間の距離（レンジ）Ｒから下記の数２で表される。
【００３１】
【数２】
【００３２】
ここで、Ｍ、Ｈ及びＲはそれぞれ下記の数３、数４及び数５で表される。
【００３３】
【数３】
【数４】
【数５】
【００３４】
なお、レンジに対しては金属の影響が比較的小さいため、座標位置からではなく受信コイル３０で検出された磁界の大きさから直接に求める。
【００３５】
したがって、姿勢角を既知とした場合、下記の数６からＵ：（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）を得ることができるので、受信コイル３０の位置を数７として得ることができる。
【００３６】
【数６】
【数７】
【００３７】
次に、姿勢角センサ３１として傾斜センサ、加速度センサを用いた場合を説明する。
【００３８】
この場合には姿勢角としてロール角とピッチ角とが姿勢角センサ３１からプロセッサ４０に送られる。プロセッサ４０では受信コイル３０の出力から計算されたヨー角と姿勢角センサ３１で検出されたロール角及びピッチ角とに基いて送信コイルに対する受信コイルの位置と姿勢とを演算する。
【００３９】
プロセッサ４０では以下のように演算が行なわれる。
【００４０】
磁界は数１で表されるので、下記の数８からＵを得ることができる。
【００４１】
【数８】
【００４２】
ここで、数９であるが、Ｒ＝１としてＨを計算し正規直交化を施す。
【００４３】
【数９】
【００４４】
これにより、姿勢角（φ、θ、ψ）を得ることができる。
【００４５】
ヨー角ψと姿勢角センサ３１で測定されたロール角φ及びピッチ角θとを組み合わせることで、姿勢角を既知として位置を計算することができる。
【００４６】
この姿勢角は磁界の歪みに起因する誤差を含んでおり、数１０で表されるので、数１１からＴψを得ることができる。
【００４７】
【数１０】
【数１１】
【００４８】
ＴψはＺ軸回りの回転を定義するマトリクスであるので、数１２を用いて正規直交化を行ない、その結果を用いて数１３として新たに姿勢角を定義し直す。
【００４９】
【数１２】
【数１３】
【００５０】
この第１実施形態によれば、導電性金属や強磁性体の影響の小さいセンサを用いて受信コイル３０の送信コイル２０に対する姿勢角を測定し、この姿勢角を既知のものとして受信コイル３０の位置と姿勢とを計算するので、演算時における未知数を減少させることができ、磁界の歪みに起因する測定誤差を低減できる。また、コイル径を大きくしたり、大電流を流したりする必要がないので、測定装置の小型化、消費電力の低減を図ることができる。更に、磁界歪みの補正マップを作成する方法ではないので、測定装置を任意の場所で使用することができる。
【００５１】
なお、姿勢角センサ３１としては磁界のように導電性金属や強磁性体の影響を受けない又は影響の小さいものであれば、例えば光学式のものであってもよい。
【００５２】
また、上記実施形態では、送信コイル２０のＸ軸、Ｙ軸を水平面に平行としたが、送信コイルの姿勢を任意としてもよい。
【００５３】
図２はこの発明の第１実施形態の変形例に係る位置姿勢測定装置を示すブロック図、図３は送信コイルと受信コイルとの関係を説明する図である。
【００５４】
この変形例は送信コイル２０の姿勢角を検出する傾斜センサ２１を送信コイル２０に取り付けた点で第１実施形態と相違する。
【００５５】
この位置姿勢測定装置では、送信コイル２０の姿勢角θ０を傾斜センサ２１で検出し、姿勢角センサ３１で検出した受信コイル３０の姿勢角θ’を送信コイル２０に対する姿勢角θに変換する。図３において、姿勢角θ０ 、θ’は水平面（基準面）に対するＸ軸、Ｘ’軸の角度である。
【００５６】
このとき、送信コイル２０に対する受信コイル３０の姿勢を表す方向余弦Ｈは数１４から求めることができる。
【００５７】
【数１４】
【００５８】
この構成によって送信コイル２０を水平面に置けない場合に対応することができる。
【００５９】
図４（ａ），（ｂ）は誤差低減効果を確認するための試験条件を示す図であり、図４（ａ）は位置姿勢測定装置をＹ軸方向から見た図、図４（ｂ）はＺ軸方向から見た図である。
【００６０】
送信コイル２０の座標位置を（０，０，０）とし、受信コイル３０の座標位置を（Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ）として表している。送信コイル２０は水平面に平行に配置されている。
【００６１】
したがって、図４において、Ｘｒ は送信コイル２０と受信コイル３０のＸ軸方向の距離、Ｙｒ は送信コイル２０と受信コイル３０のＹ軸方向の距離、Ｚｒ は送信コイル２０と受信コイル３０のＺ軸方向の距離をそれぞれ示す。
【００６２】
図４（ａ）において、ｈｒ１，ｈｒ２，ｈｒ３，ｈｒ４及びｈｒ５はそれぞれ受信コイル３０の導電性金属シート５０からの高さを表し、受信コイル３０のＺ軸方向の位置だけが変化することを示している。
【００６３】
なお、この例ではｈｒ１，ｈｒ２，ｈｒ３，ｈｒ４及びｈｒ５をそれぞれ１ｃｍ，５ｃｍ，１０ｃｍ，１５ｃｍ及び２０ｃｍとした。
【００６４】
図５（ａ），（ｂ）及び図６（ａ），（ｂ）はこの発明に係る位置姿勢測定装置を用いたときの試験結果を示す図であり、図７（ａ），（ｂ）は従来の位置姿勢測定装置を用いたときの試験結果を示す図である。
【００６５】
図５はロール角、ピッチ角及びヨー角を姿勢角センサで検出して測定したときのグラフであり、図６はロール角及びピッチ角を姿勢角センサで検出して測定したときのグラフである。
【００６６】
図５（ａ）、図６（ａ）及び図７（ａ）において、横軸は受信コイルの導電性金属シートからの高さ（単位：ｃｍ）を示し、縦軸は位置誤差（単位：ｍ）を示す。
【００６７】
図５（ｂ）、図６（ｂ）及び図７（ｂ）において、横軸は受信コイルの導電性金属シートからの高さ（単位：ｃｍ）を示し、縦軸は姿勢誤差（単位：°）を示す。
【００６８】
図５（ａ），（ｂ）及び図６（ａ），（ｂ）から、この発明の実施形態の位置姿勢測定装置によって受信コイル３０の位置及び姿勢を検出したとき、金属シートによる磁界の歪みの影響が小さく、位置誤差及び姿勢誤差が従来の測定装置によって受信コイルの位置及び姿勢を検出したとき（図７（ａ），（ｂ）参照）より低減することがわかる。
【００６９】
ところで、上記位置姿勢測定装置では位置及び方向は送信コイル２０の座標基準で定義され、計測領域は半球状であり、送信コイル２０を設置面に対して傾けて設置することにより計測領域を広く確保することができるが、送信コイル２０を設置する場所に合わせて送信コイル２０の方向や高さを予め調整する必要があり、座標定義を変えることなく計測領域だけを簡単に調整することができない。
【００７０】
この調整作業を簡単にするためには、以下に述べる送信コイル台と組み合わせることが考えられる。
【００７１】
図８は送信コイル台を備える位置姿勢測定装置を示すブロック図、図９は送信コイルと基準面との関係を示す図である。
【００７２】
この位置姿勢測定装置は従来の位置姿勢測定装置に送信コイル台１６０を組み合わせた例である。
【００７３】
この位置姿勢測定装置は、信号発生器１１０とアンプ１１１と同期検波回路１１２とＡ／Ｄ変換回路１１３と送信コイル（送信手段）１２０と送信コイル台１６０と受信コイル（受信手段）１３０とプロセッサ（演算・補正手段）１４０とを備える。
【００７４】
送信コイル１２０は互いに直交する３軸に設けられた３つのコイルを有する。この送信コイル１２０は後述の送信コイル台１６０の送信コイルホルダ（送信手段ホルダ）１６１上に設けられている。
【００７５】
送信コイル１２０に信号発生器１１０から所定の信号が送られたとき、被測定物（図示せず）に取り付けられた受信コイル１２０に対して送信コイル１２０は計測領域（図９に点線で示した半円部分）となる半球状の交流磁界を作る。
【００７６】
受信コイル１３０は互いに直交する３軸に設けられた３つのコイルを有する。
【００７７】
受信コイル１３０の出力端子はアンプ１１１の入力端子に接続され、アンプ１１１の出力端子は同期検波回路１１２の入力端子に接続され、同期検波回路１１２の出力端子はＡ／Ｄ変換回路１１３の入力端子に接続され、Ａ／Ｄ変換回路１１３の出力端子はプロセッサ１４０に接続されている。同期検波回路１１２の入力端子には信号発生器１１０の出力端子が接続され、同期信号が入力される。
【００７８】
送信コイル１２０から放射された交流磁界を受信コイル１３０で受信し、受信コイル１３０の受信電流をアンプ１１１で交流磁界の大きさに応じた電圧信号に変換して増幅し、その出力電圧を同期検波回路１１２で信号発生器１１０からの信号に基いて同期検波し、送信コイル１２０から発生した磁界成分だけを検出する。更に、検出された信号はＡ／Ｄ変換回路１１３でデジタル信号に変換され、磁界データとしてプロセッサ１４０へ送られ、プロセッサ１４０で送信コイル１２０を基準とした位置及び方向を演算する。
【００７９】
更に、プロセッサ１４０は送信コイル台１６０から出力される送信コイル１２０の取付角度を用いて、所望の基準座標に変換した位置及び方向信号を出力する。
【００８０】
送信コイル１２０の取付角度を変えることによって計測領域を任意に調整することができる。
【００８１】
次に、送信コイル１２０の取付角度として１軸の傾斜角（チルト角度）と回転角（パン角度）とを検出する場合を説明する。
【００８２】
図１０は送信コイル台の一例を示す図であり、図１０（ａ）はチルト角度を検出する場合を示す図、図１０（ｂ）はパン角度を検出する場合を示す図、図１０（ｃ）は図１０（ｂ）のＡ矢視図である。
【００８３】
送信コイル台１６０はチルト角度を検出する第１のエンコーダ１６２とパン角度を検出する第２のエンコーダ１６３とを備え、送信コイル１２０は基準面（設置面）に対して傾斜可能であり、Ｚ軸回りに回転可能である。
【００８４】
送信コイル台１６０は送信コイル１２０の取付角度として第１のエンコーダ１６２で基準面に対する送信コイルのチルト角度βを検出し、第２のエンコーダ１６３で任意の基準位置に対するパン角度αを検出し、検出結果をプロセッサ１４０（図８参照）へ送る。
【００８５】
プロセッサ１４０は数１５を用いて演算処理を行ない、所望の基準座標に変換した位置及び方向信号を出力させる。
【００８６】
【数１５】
【００８７】
なお、上記した例では１軸の傾斜角（チルト角度）と回転角（パン角度）とを検出したが、使用条件によっていずれか一方だけを検出するようにしてもよい。
【００８８】
また、図１０（ａ）ではＸ軸方向のチルト角度を検出しているが、これに加えＹ軸方向のチルト角度を検出するようにしてもよい。
【００８９】
図１１は送信コイル台の他の例を示す図である。
【００９０】
この送信コイル台２６０は第１のエンコーダ１６２に代えて傾斜センサ２６４でチルト角度を検出する備える点で上記送信コイル台１６０と相違する。
【００９１】
傾斜センサ２６４を用いることによって常に水平面に対する傾斜角を検出することができるので、最終的に出力される位置及び方向信号も水平面を基準とすることができる。
【００９２】
なお、傾斜センサ２６４に代えて加速度センサを用いてもよい。
【００９３】
図１２はこの発明の第２実施形態に係る位置姿勢測定装置を示す概念図であり、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００９４】
この実施形態は送信コイル２０を送信コイル台２６０に取り付けた点で第１実施形態と相違する。
【００９５】
受信コイル３０のＸ’軸及びＹ’軸にはそれぞれロール角を検出する傾斜センサ３１ａ及びピッチ角を検出する傾斜センサ３１ｂが取り付けられている。
【００９６】
この受信コイル３０は例えばモーションキャプチャの入力装置として使用者の身体（被測定物）の所定の位置に取り付けられる。
【００９７】
送信コイル２０を取り付ける送信コイル台２６０の送信コイルホルダ２６１上のＸ軸上及びＹ軸上にはそれぞれロール角を検出する傾斜センサ２６４ａ及びピッチ角を検出する傾斜センサ２６４ｂが取り付けられている。傾斜センサ２６４ａと傾斜センサ２６４ｂとで請求項３記載のホルダ取付角度検出手段が構成される。
【００９８】
この実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、位置及び方向の座標定義を変えることなく使用者が簡単に計測領域を調整することができる。
【００９９】
なお、上記各実施形態では、受信コイル３０を被測定物に取り付け送信コイル２０を基準として受信コイルの姿勢を測定しているが、この発明の適用範囲はこれに限るものではなく、送信コイル２０を被測定物に取り付け受信コイル３０を基準として送信コイル２０の姿勢を測定するようにしてもよい。
【０１００】
【発明の効果】
以上に説明したように請求項１又は２記載の発明の位置姿勢測定装置によれば、磁界の歪みに起因する測定誤差を低減でき、しかも小型で消費電力が少なく、任意の場所で使用できる。
【０１０１】
請求項３記載の発明の位置姿勢測定装置によれば、位置及び方向の座標定義を変えることなく使用者が簡単に計測領域を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態に係る位置姿勢測定装置を示すブロック図である。
【図２】図２はこの発明の第１実施形態の変形例に係る位置姿勢測定装置を示すブロック図である。
【図３】図３は送信コイルと受信コイルとの関係を説明する図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は誤差低減効果を確認するための試験条件を示す図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）はこの発明に係る位置姿勢測定装置を用いたときの試験結果を示す図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）はこの発明に係る位置姿勢測定装置を用いたときの試験結果を示す図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ）は従来の位置姿勢測定装置を用いたときの試験結果を示す図である。
【図８】図８は送信コイル台を備える位置姿勢測定装置を示すブロック図である。
【図９】図９は送信コイルと基準面との関係を示す図である。
【図１０】図１０は送信コイル台の一例を示す図である。
【図１１】図１１は送信コイル台の他の例を示す図である。
【図１２】図１２はこの発明の第２実施形態に係る位置姿勢測定装置を示す概念図である。
【符号の説明】
２０ 送信コイル（送信手段）
２１，３１ａ，３１ｂ，２６４ａ，２６４ｂ 傾斜センサ
３０ 受信コイル（受信手段）
３１ 姿勢角センサ（傾斜角検出手段）
４０ プロセッサ（演算手段）
１４０ プロセッサ（演算・補正手段）
１６０，２６０ 送信コイル台
１６１，２６１ 送信コイルホルダ（送信手段ホルダ）
１６２ 第１のエンコーダ
１６３ 第２のエンコーダ
【発明の属する技術分野】
この発明は位置姿勢測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁界を利用して被測定物の位置や姿勢を検出する方法は、米国特許第３８６８５６５号、米国特許第４２８７８０９号等に開示されている。
【０００３】
これらの方法においては、互いに直交する３軸に設けられた送信コイルから発生した磁界を被測定物に取り付けられた互いに直交する３軸に設けられた受信コイルで検出し、その検出結果に基いて送信コイルに対する受信コイルの位置や姿勢を測定している。
【０００４】
しかし、この方法では、導電性金属の近傍で発生する渦電流によって磁界の歪みに起因する測定誤差が発生する。そのため、直流磁界を利用したり（米国特許第４８４９６９２号等参照）、渦電流の影響の小さい低周波数の磁界を利用したり、磁界歪みの補正マップを作成して測定誤差を補正したりする必要があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記方法には以下の問題点があった。
【０００６】
直流磁界を利用する方法の場合、地磁気等の周辺磁界の影響を大きく受けるため、コイル径を大きくしたり、大電流を流したりする必要があり、測定装置が大型化し、消費電流が増大する。
【０００７】
また、低周波数の磁界を利用する方法の場合、受信コイルに誘導される起電力は周波数に比例するため、コイル径を大きくしたり、大電流を流したりする必要があり、測定装置が大型化し、消費電流が増大する。
【０００８】
更に、磁界歪みの補正マップを作成する方法の場合、測定装置を特定の場所でしか使用できず、任意の場所で使用できない。
【０００９】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は磁界の歪みに起因する測定誤差を低減でき、しかも小型で消費電力が少なく、任意の場所で使用できる位置姿勢測定装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、三軸直交系をなす各軸に設けられて磁界を発生する３つのコイルを有する送信手段と、三軸直交系をなす各軸に設けられ、前記送信手段に発生する磁界を検出する３つのコイルを有する受信手段とを備え、前記送信手段及び前記受信手段のいずれか一方が被測定物に取り付けられる位置姿勢測定装置において、基準面に対する前記被測定物側の手段の姿勢角を検出する傾斜角検出手段と、前記受信手段の検出結果と前記傾斜角検出手段の検出結果とに基いて前記被測定物の位置及び姿勢を演算する演算手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
傾斜角検出手段の検出結果を既知として傾斜角検出手段の検出結果と受信手段の検出結果とから送信手段を基準とする被測定物の位置と姿勢又は受信手段を基準とする被測定物の位置と姿勢とを演算する。
【００１２】
請求項２記載に発明は、三軸直交系をなす各軸に設けられて磁界を発生する３つのコイルを有する送信手段と、被測定物に取り付けられ、三軸直交系をなす各軸に設けられて前記送信手段に発生する磁界を検出する３つのコイルを有する受信手段と、基準面に対する前記受信手段の姿勢角を検出する傾斜角検出手段と、前記受信手段の検出結果と前記傾斜角検出手段の検出結果とに基いて前記被測定物の位置及び姿勢を演算する演算手段とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
傾斜角検出手段の検出結果を既知として傾斜角検出手段の検出結果と被測定物に取り付けられた受信手段の検出結果とから送信手段を基準とする被測定物の位置と姿勢とを演算する。
【００１４】
請求項３記載に発明は、請求項２記載の位置姿勢測定装置において、前記送信手段が取り付けられ、前記基準面に対する前記送信手段の取付角度を調節可能な送信手段ホルダと、前記送信手段に設けられ、前記基準面に対する前記送信手段の取付角度を検出するホルダ取付角度検出手段と、前記演算手段によって求められた前記被測定物の位置及び姿勢を前記ホルダ取付角度検出手段の検出結果に基いて補正する補正手段とを備えていることを特徴とする。
【００１５】
ホルダ取付角度検出手段で基準面に対する送信手段の取付角度を検出し、演算手段によって求められた被測定物の位置及び姿勢をホルダ取付角度検出手段の検出結果に基いて補正し、所望の基準座標に変換した位置及び姿勢信号を出力する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１はこの発明の第１実施形態に係る位置姿勢測定装置を示すブロック図である。
【００１８】
この位置姿勢測定装置は信号発生器１０とアンプ１１と同期検波回路１２とＡ／Ｄ変換回路１３と送信コイル（送信手段）２０と受信コイル（受信手段）３０と姿勢角センサ（傾斜角検出手段）３１とプロセッサ（演算手段）４０とを備える。
【００１９】
送信コイル２０は互いに直交する３軸に設けられた３つのコイルを有する。送信コイル２０のＸ軸及びＹ軸は水平面と平行である。
【００２０】
送信コイル２０に信号発生器１０から所定の信号が送られたとき、受信コイル３０の計測領域に対して送信コイル２０は交流磁界を作る。
【００２１】
受信コイル３０は互いに直交する３軸に設けられた３つのコイルを有する。この受信コイル３０は姿勢角センサ３１とともに被測定物Ｍに取り付けられている。
【００２２】
姿勢角センサ３１はジャイロと加速度計とを組み合わせた３軸ダイナミック姿勢角検出装置であり、送信コイル２０に対する受信コイル３０の姿勢角を検出する。
【００２３】
受信コイル３０の出力端子はアンプ１１の入力端子に接続され、アンプ１１の出力端子は同期検波回路１２の入力端子に接続され、同期検波回路１２の出力端子はＡ／Ｄ変換回路１３の入力端子に接続され、Ａ／Ｄ変換回路１３の出力端子はプロセッサ４０に接続されている。同期検波回路１２の入力端子には信号発生器１０の出力端子が接続され、同期信号が入力される。
【００２４】
送信コイル２０から放射された交流磁界を受信コイル３０で受信し、受信コイル３０の受信電流をアンプ１１で交流磁界の大きさに応じた電圧信号に変換して増幅し、その出力電圧を同期検波回路１２で信号発生器１０からの同期信号に基いて同期検波し、送信コイル２０から発生した磁界成分だけを検出する。更に、検出された信号はＡ／Ｄ変換回路１３でデジタル信号に変換され、磁界データとしてプロセッサ４０へ送られる。
【００２５】
同時に、姿勢角センサ３１は受信コイル３０の送信コイル２０に対する姿勢角を検出し、検出結果を姿勢データとしてプロセッサ４０へ送る。このとき、姿勢角としてロール角とピッチ角とヨー角とが姿勢角センサ３１からプロセッサ４０に送られる。
【００２６】
プロセッサ４０は姿勢データと磁界データとから送信コイル２０を基準とする受信コイル３０の位置と姿勢とを演算し、出力する。
【００２７】
プロセッサ４０では以下のように演算が行なわれる。
【００２８】
受信コイル３０で検出された磁界は数１で表される。
【００２９】
【数１】
また、磁界は受信コイル３０の位置及び姿勢、送信コイル２０と受信コイル３０との間の距離（レンジ）Ｒから下記の数２で表される。
【００３１】
【数２】
ここで、Ｍ、Ｈ及びＲはそれぞれ下記の数３、数４及び数５で表される。
【００３３】
【数３】
なお、レンジに対しては金属の影響が比較的小さいため、座標位置からではなく受信コイル３０で検出された磁界の大きさから直接に求める。
【００３５】
したがって、姿勢角を既知とした場合、下記の数６からＵ：（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）を得ることができるので、受信コイル３０の位置を数７として得ることができる。
【００３６】
【数６】
次に、姿勢角センサ３１として傾斜センサ、加速度センサを用いた場合を説明する。
【００３８】
この場合には姿勢角としてロール角とピッチ角とが姿勢角センサ３１からプロセッサ４０に送られる。プロセッサ４０では受信コイル３０の出力から計算されたヨー角と姿勢角センサ３１で検出されたロール角及びピッチ角とに基いて送信コイルに対する受信コイルの位置と姿勢とを演算する。
【００３９】
プロセッサ４０では以下のように演算が行なわれる。
【００４０】
磁界は数１で表されるので、下記の数８からＵを得ることができる。
【００４１】
【数８】
ここで、数９であるが、Ｒ＝１としてＨを計算し正規直交化を施す。
【００４３】
【数９】
これにより、姿勢角（φ、θ、ψ）を得ることができる。
【００４５】
ヨー角ψと姿勢角センサ３１で測定されたロール角φ及びピッチ角θとを組み合わせることで、姿勢角を既知として位置を計算することができる。
【００４６】
この姿勢角は磁界の歪みに起因する誤差を含んでおり、数１０で表されるので、数１１からＴψを得ることができる。
【００４７】
【数１０】
ＴψはＺ軸回りの回転を定義するマトリクスであるので、数１２を用いて正規直交化を行ない、その結果を用いて数１３として新たに姿勢角を定義し直す。
【００４９】
【数１２】
この第１実施形態によれば、導電性金属や強磁性体の影響の小さいセンサを用いて受信コイル３０の送信コイル２０に対する姿勢角を測定し、この姿勢角を既知のものとして受信コイル３０の位置と姿勢とを計算するので、演算時における未知数を減少させることができ、磁界の歪みに起因する測定誤差を低減できる。また、コイル径を大きくしたり、大電流を流したりする必要がないので、測定装置の小型化、消費電力の低減を図ることができる。更に、磁界歪みの補正マップを作成する方法ではないので、測定装置を任意の場所で使用することができる。
【００５１】
なお、姿勢角センサ３１としては磁界のように導電性金属や強磁性体の影響を受けない又は影響の小さいものであれば、例えば光学式のものであってもよい。
【００５２】
また、上記実施形態では、送信コイル２０のＸ軸、Ｙ軸を水平面に平行としたが、送信コイルの姿勢を任意としてもよい。
【００５３】
図２はこの発明の第１実施形態の変形例に係る位置姿勢測定装置を示すブロック図、図３は送信コイルと受信コイルとの関係を説明する図である。
【００５４】
この変形例は送信コイル２０の姿勢角を検出する傾斜センサ２１を送信コイル２０に取り付けた点で第１実施形態と相違する。
【００５５】
この位置姿勢測定装置では、送信コイル２０の姿勢角θ０を傾斜センサ２１で検出し、姿勢角センサ３１で検出した受信コイル３０の姿勢角θ’を送信コイル２０に対する姿勢角θに変換する。図３において、姿勢角θ０ 、θ’は水平面（基準面）に対するＸ軸、Ｘ’軸の角度である。
【００５６】
このとき、送信コイル２０に対する受信コイル３０の姿勢を表す方向余弦Ｈは数１４から求めることができる。
【００５７】
【数１４】
この構成によって送信コイル２０を水平面に置けない場合に対応することができる。
【００５９】
図４（ａ），（ｂ）は誤差低減効果を確認するための試験条件を示す図であり、図４（ａ）は位置姿勢測定装置をＹ軸方向から見た図、図４（ｂ）はＺ軸方向から見た図である。
【００６０】
送信コイル２０の座標位置を（０，０，０）とし、受信コイル３０の座標位置を（Ｘｒ，Ｙｒ，Ｚｒ）として表している。送信コイル２０は水平面に平行に配置されている。
【００６１】
したがって、図４において、Ｘｒ は送信コイル２０と受信コイル３０のＸ軸方向の距離、Ｙｒ は送信コイル２０と受信コイル３０のＹ軸方向の距離、Ｚｒ は送信コイル２０と受信コイル３０のＺ軸方向の距離をそれぞれ示す。
【００６２】
図４（ａ）において、ｈｒ１，ｈｒ２，ｈｒ３，ｈｒ４及びｈｒ５はそれぞれ受信コイル３０の導電性金属シート５０からの高さを表し、受信コイル３０のＺ軸方向の位置だけが変化することを示している。
【００６３】
なお、この例ではｈｒ１，ｈｒ２，ｈｒ３，ｈｒ４及びｈｒ５をそれぞれ１ｃｍ，５ｃｍ，１０ｃｍ，１５ｃｍ及び２０ｃｍとした。
【００６４】
図５（ａ），（ｂ）及び図６（ａ），（ｂ）はこの発明に係る位置姿勢測定装置を用いたときの試験結果を示す図であり、図７（ａ），（ｂ）は従来の位置姿勢測定装置を用いたときの試験結果を示す図である。
【００６５】
図５はロール角、ピッチ角及びヨー角を姿勢角センサで検出して測定したときのグラフであり、図６はロール角及びピッチ角を姿勢角センサで検出して測定したときのグラフである。
【００６６】
図５（ａ）、図６（ａ）及び図７（ａ）において、横軸は受信コイルの導電性金属シートからの高さ（単位：ｃｍ）を示し、縦軸は位置誤差（単位：ｍ）を示す。
【００６７】
図５（ｂ）、図６（ｂ）及び図７（ｂ）において、横軸は受信コイルの導電性金属シートからの高さ（単位：ｃｍ）を示し、縦軸は姿勢誤差（単位：°）を示す。
【００６８】
図５（ａ），（ｂ）及び図６（ａ），（ｂ）から、この発明の実施形態の位置姿勢測定装置によって受信コイル３０の位置及び姿勢を検出したとき、金属シートによる磁界の歪みの影響が小さく、位置誤差及び姿勢誤差が従来の測定装置によって受信コイルの位置及び姿勢を検出したとき（図７（ａ），（ｂ）参照）より低減することがわかる。
【００６９】
ところで、上記位置姿勢測定装置では位置及び方向は送信コイル２０の座標基準で定義され、計測領域は半球状であり、送信コイル２０を設置面に対して傾けて設置することにより計測領域を広く確保することができるが、送信コイル２０を設置する場所に合わせて送信コイル２０の方向や高さを予め調整する必要があり、座標定義を変えることなく計測領域だけを簡単に調整することができない。
【００７０】
この調整作業を簡単にするためには、以下に述べる送信コイル台と組み合わせることが考えられる。
【００７１】
図８は送信コイル台を備える位置姿勢測定装置を示すブロック図、図９は送信コイルと基準面との関係を示す図である。
【００７２】
この位置姿勢測定装置は従来の位置姿勢測定装置に送信コイル台１６０を組み合わせた例である。
【００７３】
この位置姿勢測定装置は、信号発生器１１０とアンプ１１１と同期検波回路１１２とＡ／Ｄ変換回路１１３と送信コイル（送信手段）１２０と送信コイル台１６０と受信コイル（受信手段）１３０とプロセッサ（演算・補正手段）１４０とを備える。
【００７４】
送信コイル１２０は互いに直交する３軸に設けられた３つのコイルを有する。この送信コイル１２０は後述の送信コイル台１６０の送信コイルホルダ（送信手段ホルダ）１６１上に設けられている。
【００７５】
送信コイル１２０に信号発生器１１０から所定の信号が送られたとき、被測定物（図示せず）に取り付けられた受信コイル１２０に対して送信コイル１２０は計測領域（図９に点線で示した半円部分）となる半球状の交流磁界を作る。
【００７６】
受信コイル１３０は互いに直交する３軸に設けられた３つのコイルを有する。
【００７７】
受信コイル１３０の出力端子はアンプ１１１の入力端子に接続され、アンプ１１１の出力端子は同期検波回路１１２の入力端子に接続され、同期検波回路１１２の出力端子はＡ／Ｄ変換回路１１３の入力端子に接続され、Ａ／Ｄ変換回路１１３の出力端子はプロセッサ１４０に接続されている。同期検波回路１１２の入力端子には信号発生器１１０の出力端子が接続され、同期信号が入力される。
【００７８】
送信コイル１２０から放射された交流磁界を受信コイル１３０で受信し、受信コイル１３０の受信電流をアンプ１１１で交流磁界の大きさに応じた電圧信号に変換して増幅し、その出力電圧を同期検波回路１１２で信号発生器１１０からの信号に基いて同期検波し、送信コイル１２０から発生した磁界成分だけを検出する。更に、検出された信号はＡ／Ｄ変換回路１１３でデジタル信号に変換され、磁界データとしてプロセッサ１４０へ送られ、プロセッサ１４０で送信コイル１２０を基準とした位置及び方向を演算する。
【００７９】
更に、プロセッサ１４０は送信コイル台１６０から出力される送信コイル１２０の取付角度を用いて、所望の基準座標に変換した位置及び方向信号を出力する。
【００８０】
送信コイル１２０の取付角度を変えることによって計測領域を任意に調整することができる。
【００８１】
次に、送信コイル１２０の取付角度として１軸の傾斜角（チルト角度）と回転角（パン角度）とを検出する場合を説明する。
【００８２】
図１０は送信コイル台の一例を示す図であり、図１０（ａ）はチルト角度を検出する場合を示す図、図１０（ｂ）はパン角度を検出する場合を示す図、図１０（ｃ）は図１０（ｂ）のＡ矢視図である。
【００８３】
送信コイル台１６０はチルト角度を検出する第１のエンコーダ１６２とパン角度を検出する第２のエンコーダ１６３とを備え、送信コイル１２０は基準面（設置面）に対して傾斜可能であり、Ｚ軸回りに回転可能である。
【００８４】
送信コイル台１６０は送信コイル１２０の取付角度として第１のエンコーダ１６２で基準面に対する送信コイルのチルト角度βを検出し、第２のエンコーダ１６３で任意の基準位置に対するパン角度αを検出し、検出結果をプロセッサ１４０（図８参照）へ送る。
【００８５】
プロセッサ１４０は数１５を用いて演算処理を行ない、所望の基準座標に変換した位置及び方向信号を出力させる。
【００８６】
【数１５】
なお、上記した例では１軸の傾斜角（チルト角度）と回転角（パン角度）とを検出したが、使用条件によっていずれか一方だけを検出するようにしてもよい。
【００８８】
また、図１０（ａ）ではＸ軸方向のチルト角度を検出しているが、これに加えＹ軸方向のチルト角度を検出するようにしてもよい。
【００８９】
図１１は送信コイル台の他の例を示す図である。
【００９０】
この送信コイル台２６０は第１のエンコーダ１６２に代えて傾斜センサ２６４でチルト角度を検出する備える点で上記送信コイル台１６０と相違する。
【００９１】
傾斜センサ２６４を用いることによって常に水平面に対する傾斜角を検出することができるので、最終的に出力される位置及び方向信号も水平面を基準とすることができる。
【００９２】
なお、傾斜センサ２６４に代えて加速度センサを用いてもよい。
【００９３】
図１２はこの発明の第２実施形態に係る位置姿勢測定装置を示す概念図であり、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００９４】
この実施形態は送信コイル２０を送信コイル台２６０に取り付けた点で第１実施形態と相違する。
【００９５】
受信コイル３０のＸ’軸及びＹ’軸にはそれぞれロール角を検出する傾斜センサ３１ａ及びピッチ角を検出する傾斜センサ３１ｂが取り付けられている。
【００９６】
この受信コイル３０は例えばモーションキャプチャの入力装置として使用者の身体（被測定物）の所定の位置に取り付けられる。
【００９７】
送信コイル２０を取り付ける送信コイル台２６０の送信コイルホルダ２６１上のＸ軸上及びＹ軸上にはそれぞれロール角を検出する傾斜センサ２６４ａ及びピッチ角を検出する傾斜センサ２６４ｂが取り付けられている。傾斜センサ２６４ａと傾斜センサ２６４ｂとで請求項３記載のホルダ取付角度検出手段が構成される。
【００９８】
この実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、位置及び方向の座標定義を変えることなく使用者が簡単に計測領域を調整することができる。
【００９９】
なお、上記各実施形態では、受信コイル３０を被測定物に取り付け送信コイル２０を基準として受信コイルの姿勢を測定しているが、この発明の適用範囲はこれに限るものではなく、送信コイル２０を被測定物に取り付け受信コイル３０を基準として送信コイル２０の姿勢を測定するようにしてもよい。
【０１００】
【発明の効果】
以上に説明したように請求項１又は２記載の発明の位置姿勢測定装置によれば、磁界の歪みに起因する測定誤差を低減でき、しかも小型で消費電力が少なく、任意の場所で使用できる。
【０１０１】
請求項３記載の発明の位置姿勢測定装置によれば、位置及び方向の座標定義を変えることなく使用者が簡単に計測領域を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態に係る位置姿勢測定装置を示すブロック図である。
【図２】図２はこの発明の第１実施形態の変形例に係る位置姿勢測定装置を示すブロック図である。
【図３】図３は送信コイルと受信コイルとの関係を説明する図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は誤差低減効果を確認するための試験条件を示す図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）はこの発明に係る位置姿勢測定装置を用いたときの試験結果を示す図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）はこの発明に係る位置姿勢測定装置を用いたときの試験結果を示す図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ）は従来の位置姿勢測定装置を用いたときの試験結果を示す図である。
【図８】図８は送信コイル台を備える位置姿勢測定装置を示すブロック図である。
【図９】図９は送信コイルと基準面との関係を示す図である。
【図１０】図１０は送信コイル台の一例を示す図である。
【図１１】図１１は送信コイル台の他の例を示す図である。
【図１２】図１２はこの発明の第２実施形態に係る位置姿勢測定装置を示す概念図である。
【符号の説明】
２０ 送信コイル（送信手段）
２１，３１ａ，３１ｂ，２６４ａ，２６４ｂ 傾斜センサ
３０ 受信コイル（受信手段）
３１ 姿勢角センサ（傾斜角検出手段）
４０ プロセッサ（演算手段）
１４０ プロセッサ（演算・補正手段）
１６０，２６０ 送信コイル台
１６１，２６１ 送信コイルホルダ（送信手段ホルダ）
１６２ 第１のエンコーダ
１６３ 第２のエンコーダ
Claims (3)
- 三軸直交系をなす各軸に設けられて磁界を発生する３つのコイルを有する送信手段と、
三軸直交系をなす各軸に設けられ、前記送信手段に発生する磁界を検出する３つのコイルを有する受信手段とを備え、
前記送信手段及び前記受信手段のいずれか一方が被測定物に取り付けられる位置姿勢測定装置において、
基準面に対する前記被測定物側の手段の姿勢角を検出する傾斜角検出手段と、前記受信手段の検出結果と前記傾斜角検出手段の検出結果とに基いて前記被測定物の位置及び姿勢を演算する演算手段と
を備えていることを特徴とする位置姿勢測定装置。 - 三軸直交系をなす各軸に設けられて磁界を発生する３つのコイルを有する送信手段と、
被測定物に取り付けられ、三軸直交系をなす各軸に設けられて前記送信手段に発生する磁界を検出する３つのコイルを有する受信手段と、
基準面に対する前記受信手段の姿勢角を検出する傾斜角検出手段と、
前記受信手段の検出結果と前記傾斜角検出手段の検出結果とに基いて前記被測定物の位置及び姿勢を演算する演算手段と
を備えていることを特徴とする位置姿勢測定装置。 - 前記送信手段が取り付けられ、前記基準面に対する前記送信手段の取付角度を調節可能な送信手段ホルダと、
前記送信手段に設けられ、前記基準面に対する前記送信手段の取付角度を検出するホルダ取付角度検出手段と、
前記演算手段によって求められた前記被測定物の位置及び姿勢を前記ホルダ取付角度検出手段の検出結果に基いて補正する補正手段と
を備えていることを特徴とする請求項２記載の位置姿勢測定装置。
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Cited By (2)
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| CN109416255A (zh) * | 2016-07-18 | 2019-03-01 | 纳斯技术有限公司 | 目标物体在空间中定位装置 |
-
2002
- 2002-08-30 JP JP2002255299A patent/JP2004093373A/ja not_active Withdrawn
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| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20051101 |