【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出装置から物体までの距離と物体の向きをリアルタイムで高精度に追跡表示し、検出側の姿勢も同時に表示する物体追跡装置に関するものである。例えば、四肢に有線の発信装置、検出装置を取り付ければ、リアルタイムでその動きを３次元で捉えることが可能であり、リハビリテーション、運動解析、コンピュータ入力支援装置、ゲーム等に応用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の物体追跡装置のブロック図である。この図において、下段が発信装置、上段が検出装置を示している。
【０００３】
図８において、４１〜４３はコイルセンサ、４４〜４６，５５〜５７は増幅器、４７，５４はマルチプレクサ、４８は包絡線検波器、４９は積分器、５０はＡＤ変換器、５１はコンピュータ（計算装置）、５２は応用機器（出力装置）、５３は発振器、５８〜６０は直交座標に配置されたコイルである。
【０００４】
かかる従来の物体追跡装置は、発信装置及び検出装置がテニスボールほどの大きさがあり、四肢に固定しようとすると自然な体の動きを妨げるという問題があった。これは、従来の検出装置側の回路において交流成分を包絡線検波器４８により包絡線検波しているので、感度を上げられず、発信装置側のコイル５８〜６０を大きくすることで、発信出力を大きくせざるを得なかったためである。また、検出装置自体が地上の座標系に対しどの方向を向いているかを直接検出することはできなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記状況に鑑みて、検出装置の感度を今までの数倍に高め、発信装置と検出装置の双方を小型化し、発信装置と検出装置の位置方向の高精度検出を行うことができる物体追跡装置を提供することを目的とする。
【０００６】
さらに、検出装置の位置方向検出のための磁場検出センサには、コイルを使用するのではなく、直流磁場成分も検出可能なＭＩセンサやＭＲセンサを使用することで、地磁気を測定し検出装置自体の向きを３次元的にリアルタイムで検出することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕物体追跡装置において、一つの基準信号から時分割でそれぞれ３つのコイルに電流を流し３次元の直角座標軸方向に磁場を発生する発信装置と、この発信装置からの発生磁場並びに地磁気を検出する検出装置と、前記発信装置の位置と方向、および前記検出装置の地磁気に対する向きを計算で求め、出力装置に前記発信装置および前記検出装置が設けられる相対的に移動する物体の姿勢、計算結果を出力するコンピュータとを具備することを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の物体追跡装置において、前記検出装置は３次元の直角座標軸方向に配置される、数百ｋＨｚ以上の周波数帯域をもつ磁場検出センサを具備することを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕記載の物体追跡装置において、前記センサはＭＩセンサ又はＭＲセンサであることを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔１〕記載の物体追跡装置において、前記検出装置の出力側に前記発信装置側の発振器からの信号に同期する同期信号生成器を具備することを特徴とする。
【００１１】
〔５〕上記〔４〕記載の物体追跡装置において、前記検出装置は磁場のＤＣ成分と発信装置からのＡＣ成分を同時に捉え、その出力側でマルチプレクサを介して、ＡＣ／ＤＣ分離器でＡＣ／ＤＣ成分の分離を行い、ＡＣ成分は平衡検波器による平衡検波を行い、このＡＣ／ＤＣ信号に基づいて、前記発信装置の位置、向き、前記検出装置の向きを求めることを特徴とする。
【００１２】
〔６〕上記〔１〕記載の物体追跡装置において、前記物体は人の四肢であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施例を示す物体追跡装置のブロック図であり、上段が検出装置、下段が発信装置の部分を示している。図２はその物体追跡装置の磁場発生のタイミング図、図３はその物体追跡装置の検出側信号検出のタイミング図である。
【００１５】
図１において、１は発振器、２，１９，２３はマルチプレクサ、３〜５，１３〜１５は増幅器、６〜８は直交座標に配置されたコイル、９は発信装置、１０〜１２は直流磁場成分から数百ｋＨｚ以上の周波数帯域を有する磁場検出センサであり、ここでは、直流磁場成分も検出可能なＭＩセンサやＭＲセンサを用いる。１６〜１８はＡＣ／ＤＣ分離器、２２は平衡検波器２０，積分器２１からなるロックインアンプ、２４はＡＣ／ＤＣ切替えＳＷ（スイッチ）、２５はＡＤ変換器、２６はコンピュータ（計算装置）、２７はそのコンピュータ２６の出力装置（モニター装置）などの応用機器である。
【００１６】
発信装置９側では、発振器１からの信号（周波数ｆ）は、図２に示すように、１Ｙ０、１Ｙ１、１Ｙ２のタイミングでマルチプレクサ２によって振り分けられ、それぞれ増幅器３，４，５へ分配される。さらに、増幅器３，４，５によって増幅された信号は、直交座標に配置されたそれぞれのコイル６，７，８から交流磁場を発生させる。図２に示す信号Ａは、コイル６，７，８から発生する信号のタイミングを表す。
【００１７】
磁場検出センサ１０，１１，１２は感受方向が直角座標軸に相当するようにそれぞれ配置され、地磁気からのＤＣ成分と発振器１のＡＣ成分を同時に捉え、それぞれ増幅器１３〜１５によって増幅される。増幅器１３〜１５によって増幅された信号は、ＡＣ／ＤＣ分離器１６〜１８によってＡＣ成分、ＤＣ成分に分離する。この後、ＡＣ成分はマルチプレクサ１９を介して平衡検波器２０、積分器２１を通り、ＡＣ／ＤＣ切替えＳＷ２４に導かれる。ＤＣ成分は、マルチプレクサ２３によってｘ，ｙ，ｚ各成分が切り替えられＡＣ／ＤＣ切替えＳＷ２４に導かれる。ＡＣ／ＤＣ切替えＳＷ２４を通ったＡＣ，ＤＣの信号成分は、ＡＤ入力信号のような波形となりマーカー１，マーカー２，マーカー３の最初の部分にＤＣのｘ，ｙ，ｚ成分が置かれ、各マーカーの交流ｘ，ｙ，ｚ成分が置かれる。これらの波形は、ＡＤ変換器２５によってデジタル信号となり、以下の観測値が、４８Ｈｚ毎にコンピュータ２６へ伝達される。
【００１８】
なお、Ｓｙｎｃは各データの取込み同期信号、Ｓｃａｎ Ｓｔａｒｔは、一連の１２個の信号の取り込みの有効期間を示している。
【００１９】
Ｍｋ１（Ｈ１ｘ，Ｈ１ｙ，Ｈ１ｚ） …（１）
Ｍｋ２（Ｈ２ｘ，Ｈ２ｙ，Ｈ２ｚ） …（２）
Ｍｋ３（Ｈ３ｘ，Ｈ３ｙ，Ｈ３ｚ） …（３）
Ｈｇ（Ｈｇｘ，Ｈｇｙ，Ｈｇｚ） …（４）
上記式（１）〜（３）は、コイル６，７，８から発生する磁場を磁場検出センサ１０，１１，１２が捉えたベクトル値を示す。コイル６，７，８は、立方体にそれぞれのコイルの中心軸が直角となるように巻き付けられているため、コイル中心が同一点である。
【００２０】
また、上記式（４）は磁場検出センサ１０，１１，１２が捉えた地磁気成分を示す。
【００２１】
図３上で１サイクル分（１／４８ｓｅｃ＝２０．８３ｍｓｅｃ）のソフトの流れを示したのが図４である。すなわち、図４においては、（１）まず、発信装置のＸ成分の励磁、磁界センサによるＸ成分の測定、磁界センサによるＹ成分の測定、磁界センサによるＺ成分の測定をそれぞれ行う。（２）次に、発信装置のＹ成分の励磁、磁界センサによるＸ成分の測定、磁界センサによるＹ成分の測定、磁界センサによるＺ成分の測定をそれぞれ行う。（３）次に、発信装置のＺ成分の励磁、磁界センサによるＸ成分の測定、磁界センサによるＹ成分の測定、磁界センサによるＺ成分の測定をそれぞれ行う。（４）次に、▲１▼地磁気測定：センサ座標の回転行列の算出を行う。（５）次に、▲２▼３軸磁界センサの位置及び方向を求める。（６）最後に、▲３▼物体〔例えば、上腕（詳細は後述）〕に対するコイルの位置及び方向の表示を行う。
【００２２】
そこで、最小二乗法を用いた逆問題の解法により、図４（詳細には、対応した図７にて説明）を用い、上記式（１）〜（３）の値からコイル６〜８のコイル中心の座標位置とコイルの向きを磁場検出センサ１０，１１，１２側座標空間でコンピュータ２６により算出する。
【００２３】
また、上記式（４）から磁場検出センサ１０，１１，１２側座標空間の向きを地上座標空間に対する角度差としてコンピュータ２６により算出し、その取り付けられた磁場センサ１０，１１，１２がどの方角を向いているかを算出する。
【００２４】
この作業を連続して１／４８秒内に行っていく。
【００２５】
この数値からコンピュータ２６の出力装置（モニター装置）２７のモニター上に物体の位置と移動姿勢を表示し、さらに測定している物体の向きも地上の座標系に対してどういった向きになっているか３次元的に表示する。
【００２６】
次に、上記した物体追跡装置が利用者の腕部に適用された場合について説明する。
【００２７】
図５は本発明の実施例を示す物体追跡装置が利用者の腕部に装着された状態の模式図であり、さらにその中で▲１▼磁場検出センサ座標の回転行列算出、▲２▼上腕に対するコイルの位置・方向表示処理を行うソフトの流れを示したのが、図６、図７である。
【００２８】
図５に示すように上腕３５に検出装置３２が装着され、ひじ関節３６を挟んで下腕３７に発信装置３３が装着されるようにしている。
【００２９】
まず、図６について説明する。この図においては、概略以下のステップを有する。（１）検出電圧（Ｖ′ｅｘ，Ｖ′ｅｙ，Ｖ′ｅｚ）の測定を行う（ステップＳ１）。（２）次に、検出電圧（Ｖ′ｅｘ，Ｖ′ｅｙ，Ｖ′ｅｚ）の正規化を行う（ステップＳ２）。（３）次に、β（ｙ軸の回転角），γ（ｚ軸の回転角）の算出を行う（ステップＳ３）。（４）次に、変換行列の算出を行う（ステップＳ４）。（５）最後に、偏角Ｄと伏角Ｉの反映を行う（ステップＳ５）。
【００３０】
図６中のＶ′ｅｘ２ ，Ｖ′ｅｙ２ ，Ｖ′ｅｚ２ に相当する電圧が、図５におけるＨｇｘ，Ｈｇｙ，Ｈｇｚであり、これらの検出電圧の正規化を行った後、β、γの角度を算出する。ここで、β、γはｘ軸を地理上の真東、ｙ軸を地理上の真北、ｚ軸を鉛直上方においた時のｙ軸の回転角、ｚ軸の回転角に相当する。これらの変換行列式〔式（２．７）〕をマーカー、センサにかけてやることによって地上の座標系に対してどのような姿勢になるかがわかる。ただし、地理上の北と地磁気の示す北にはずれがあるため、実際には行列式〔式（２．８）〕をかけねばならない。
【００３１】
ここで、偏角Ｄは地磁気の示す北が地理上の北から東方向へどれだけずれているかを示し、伏角Ｉは水平方向から鉛直下方へどれだけずれているかを示す。これらの値は検出を行う地点の地球上の緯度、経度、高度によって異なる。
【００３２】
次に、図７について説明する。
【００３３】
Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ，θ，φ，ψ）は評価関数と称するもので、Ｂｍｉは各マーカーからｒ離れた位置にあるセンサから得られる磁束密度測定値、Ｂｃｉ（ｘ，ｙ，ｚ，θ，φ，ψ）は磁束密度の理論値〔式（１．６）〕である。式（１．２）が最小になるベクトルｐ（ｘ，ｙ，ｚ，θ，φ，ψ）が最小二乗法の解である。
【００３４】
評価関数Ｓがｐ（ｘ，ｙ，ｚ，θ，φ，ψ）で最小値をとれば、
【００３５】
【数１】
を満たす。これはパラメータが６個（ｍ＝６）あれば６元１次の連立方程式となりニュートン法〔「最小二乗法による実験データ解析」中川徹、小柳義夫著 東京大学出版会 Ｐ９６〜Ｐ９９参照〕により、１階偏微分の方程式となり、式（１．３）となる。この連立方程式からｐ（ｌ） を求め、さらに式（１．４）からｐ（ｌ＋１） を求める。求めたベクトルｐは式（１．５）で判定を行い、εより小さな値に収束した時点でそのベクトルｐを解とする。
【００３６】
ここで式（１．４）のαは縮小因子と呼ばれるもので、αを小さくすれば安定して収束するが、収束は遅くなる。εは収束条件であり、真の値からの誤差を示す。
【００３７】
求めたマーカーの座標は地磁気から算出された回転行列、図６の式（２．８）が掛けられ、地上の座標系に対する姿勢が求まる。
【００３８】
また、測定および計算／表示は並列に処理が進められ、４８Ｈｚ毎にセンサ位置、マーカーの表示を繰り返す。
【００３９】
なお、本発明によれば、検出装置側に直流磁場成分から数百ｋＨｚ以上の周波数帯域をもつ磁場センサを用いることを特徴としている。
【００４０】
さらに、増幅器、マルチプレクサ、ＡＣ／ＤＣ信号分離回路と続く後段に平衡検波器を用いることを特徴としている。
【００４１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００４３】
（Ａ）直流磁場成分も検出可能な磁場検出センサ、例えばＭＩセンサやＭＲセンサを用いていることから、地球磁場の３次元成分を検出することで検出装置側の３次元の向きを検出することができる。
【００４４】
（Ｂ）平衡検波を用いることにより、感度を包絡線検波に比較して数倍上げることができ、位置、方向の高精度検出を行うことができる。
【００４５】
（Ｃ）発信装置の発信出力を小さくすることができるので、従来のものに比較して発信装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す物体追跡装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施例を示す物体追跡装置の磁場発生のタイミング図である。
【図３】本発明の実施例を示す物体追跡装置の検出側信号検出のタイミング図である。
【図４】本発明にかかる最小二乗法による逆問題解法のフローチャートである。
【図５】本発明の実施例を示す物体追跡装置が利用者の腕部に装着された状態の模式図である。
【図６】図５に示すセンサ座標の回転行列算出によるセンサの位置、方向の求め方の説明図である。
【図７】図５に示す上腕に対するコイルの位置・方向表示処理のフローチャートを示す図である。
【図８】従来の物体追跡装置のブロック図である。
【符号の説明】
１ 発振器
２，１９，２３ マルチプレクサ
３〜５，１３〜１５ 増幅器
６〜８ 直交座標に配置されたコイル
９ 発信装置
１０〜１２ 磁場検出センサ
１６〜１８ ＡＣ／ＤＣ分離器
２０ 平衡検波器
２１ 積分器
２２ ロックインアンプ
２４ ＡＣ／ＤＣ切替えＳＷ（スイッチ）
２５ ＡＤ変換器
２６ コンピュータ（計算装置）
２７ 応用機器〔出力装置（モニター装置）〕
３２ 検出装置
３３ 発信装置
３５ 上腕
３６ ひじ関節
３７ 下腕[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an object tracking device that tracks and displays the distance from a detection device to an object and the direction of the object with high accuracy in real time, and also displays the posture on the detection side at the same time. For example, if a wired transmitting device and a detecting device are attached to the limbs, it is possible to capture the movement in three dimensions in real time, and it can be applied to rehabilitation, motion analysis, computer input support devices, games and the like.
[0002]
[Prior art]
FIG. 8 is a block diagram of a conventional object tracking device. In this figure, the lower part shows the transmitting device, and the upper part shows the detecting device.
[0003]
8, 41 to 43 are coil sensors, 44 to 46, 55 to 57 are amplifiers, 47 and 54 are multiplexers, 48 is an envelope detector, 49 is an integrator, 50 is an AD converter, and 51 is a computer (calculation). Device, 52 is an applied device (output device), 53 is an oscillator, and 58 to 60 are coils arranged in rectangular coordinates.
[0004]
Such a conventional object tracking device has a problem that the transmitting device and the detecting device are as large as a tennis ball, and if they are to be fixed to the limbs, they hinder natural movement of the body. This is because the envelope component of the AC component is detected by the envelope detector 48 in the conventional detection device side circuit, so that the sensitivity cannot be increased, and the transmission output is increased by increasing the coils 58 to 60 on the transmission device side. Because it had to be larger. Further, it has not been possible to directly detect in which direction the detection device itself faces the coordinate system on the ground.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above situation, the present invention can increase the sensitivity of the detection device to several times higher than before, downsize both the transmission device and the detection device, and perform highly accurate detection of the position direction of the transmission device and the detection device. It is an object of the present invention to provide a device for tracking an object.
[0006]
Furthermore, instead of using a coil as a magnetic field detection sensor for detecting the position and direction of the detection device, an MI sensor or MR sensor that can also detect a DC magnetic field component is used to measure terrestrial magnetism and detect the detection device itself. The purpose of the present invention is to detect the direction of the object three-dimensionally in real time.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the above object,
[1] In an object tracking device, a transmitting device that generates a magnetic field in the direction of a three-dimensional rectangular coordinate axis by applying current to three coils in a time-division manner from one reference signal, and detects a generated magnetic field and geomagnetism from the transmitting device. And the position and direction of the transmitting device, and the orientation of the detecting device with respect to the geomagnetism are calculated, and the output device is provided with the transmitting device and the detecting device. And a computer that outputs
[0008]
[2] The object tracking device according to [1], wherein the detection device includes a magnetic field detection sensor having a frequency band of several hundred kHz or more, which is arranged in a three-dimensional rectangular coordinate axis direction.
[0009]
[3] The object tracking device according to [1], wherein the sensor is an MI sensor or an MR sensor.
[0010]
[4] The object tracking device according to [1], further comprising a synchronization signal generator on the output side of the detection device, the synchronization signal generator being synchronized with a signal from an oscillator of the transmission device side.
[0011]
[5] In the object tracking device according to [4], the detection device simultaneously captures the DC component of the magnetic field and the AC component from the transmission device, and outputs the AC / DC signal to the AC / DC separator via a multiplexer on the output side. The DC component is separated, the AC component is subjected to balanced detection by a balanced detector, and the position and orientation of the transmitting device and the orientation of the detecting device are obtained based on the AC / DC signal.
[0012]
[6] The object tracking device according to the above [1], wherein the object is a human limb.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0014]
FIG. 1 is a block diagram of an object tracking apparatus according to an embodiment of the present invention. The upper part shows a detecting device, and the lower part shows a transmitting device. FIG. 2 is a timing chart of the magnetic field generation of the object tracking device, and FIG. 3 is a timing diagram of the detection side signal detection of the object tracking device.
[0015]
In FIG. 1, 1 is an oscillator, 2, 19, and 23 are multiplexers, 3 to 5, 13 to 15 are amplifiers, 6 to 8 are coils arranged in orthogonal coordinates, 9 is a transmitting device, and 10 to 12 are DC magnetic field components. This is a magnetic field detection sensor having a frequency band of several hundred kHz or more, and here, an MI sensor or an MR sensor capable of detecting a DC magnetic field component is used. 16-18 are AC / DC separators, 22 is a lock-in amplifier comprising a balanced detector 20 and an integrator 21, 24 is an AC / DC switching SW (switch), 25 is an AD converter, and 26 is a computer (calculation device) , 27 are applied devices such as an output device (monitor device) of the computer 26.
[0016]
On the transmitting device 9 side, the signal (frequency f) from the oscillator 1 is distributed by the multiplexer 2 at the timing of 1Y0, 1Y1, 1Y2 as shown in FIG. Further, the signals amplified by the amplifiers 3, 4, 5 generate an alternating magnetic field from the respective coils 6, 7, 8 arranged in orthogonal coordinates. The signal A shown in FIG. 2 represents the timing of the signal generated from the coils 6, 7, 8.
[0017]
The magnetic field detection sensors 10, 11, and 12 are arranged so that the sensing directions correspond to rectangular coordinate axes, and simultaneously capture a DC component from geomagnetism and an AC component of the oscillator 1, and are amplified by amplifiers 13 to 15, respectively. The signals amplified by the amplifiers 13 to 15 are separated into AC and DC components by AC / DC separators 16 to 18. After that, the AC component passes through the balanced detector 20 and the integrator 21 via the multiplexer 19 and is guided to the AC / DC switching SW 24. The DC component is switched between the x, y, and z components by the multiplexer 23 and is guided to the AC / DC switching SW 24. The AC and DC signal components that have passed through the AC / DC switch SW24 have a waveform like an AD input signal, and the DC x, y, and z components are placed at the first portions of the markers 1, 2, and 3, respectively. The x, y, z components of the marker are placed. These waveforms are converted into digital signals by the AD converter 25, and the following observation values are transmitted to the computer 26 every 48 Hz.
[0018]
Note that Sync indicates a synchronization signal for capturing each data, and Scan Start indicates a valid period for capturing a series of 12 signals.
[0019]
Mk1 (H 1x , H 1y , H 1z ) (1)
Mk2 (H 2x , H 2y , H 2z ) (2)
Mk3 (H 3x , H 3y , H 3z ) (3)
Hg (H gx , H gy , H gz ) (4)
The above equations (1) to (3) indicate vector values obtained by the magnetic field detection sensors 10, 11, and 12 capturing the magnetic field generated from the coils 6, 7, and 8. Since the coils 6, 7, and 8 are wound around the cube so that the center axes of the coils are at right angles, the coil centers are at the same point.
[0020]
Equation (4) shows the geomagnetic component detected by the magnetic field detection sensors 10, 11, and 12.
[0021]
FIG. 4 shows the flow of software for one cycle (1/48 sec = 20.83 msec) in FIG. That is, in FIG. 4, (1) first, excitation of the X component of the transmitting device, measurement of the X component by the magnetic field sensor, measurement of the Y component by the magnetic field sensor, and measurement of the Z component by the magnetic field sensor are performed. (2) Next, excitation of the Y component of the transmitting device, measurement of the X component by the magnetic field sensor, measurement of the Y component by the magnetic field sensor, and measurement of the Z component by the magnetic field sensor are performed. (3) Next, excitation of the Z component of the transmitting device, measurement of the X component by the magnetic field sensor, measurement of the Y component by the magnetic field sensor, and measurement of the Z component by the magnetic field sensor are performed. (4) Next, (1) Geomagnetic measurement: The rotation matrix of the sensor coordinates is calculated. (5) Next, (2) the position and direction of the three-axis magnetic field sensor are obtained. (6) Finally, (3) the position and direction of the coil with respect to the object [for example, the upper arm (details will be described later)] are displayed.
[0022]
Then, by solving the inverse problem using the least squares method, the coils of the coils 6 to 8 are calculated from the values of the above equations (1) to (3) using FIG. 4 (to be described in detail with reference to FIG. 7). The computer 26 calculates the coordinate position of the center and the direction of the coil in the coordinate space on the magnetic field detection sensor 10, 11, 12 side.
[0023]
In addition, the computer 26 calculates the direction of the magnetic field detecting sensors 10, 11, and 12 from the above equation (4) as an angle difference with respect to the ground coordinate space, and the attached magnetic field sensors 10, 11, and 12 determine which direction. Calculate whether it is suitable.
[0024]
This operation is continuously performed within 1/48 seconds.
[0025]
From this numerical value, the position and the movement posture of the object are displayed on the monitor of the output device (monitor device) 27 of the computer 26, and the direction of the object being measured is determined in any direction with respect to the coordinate system on the ground. Or three-dimensionally.
[0026]
Next, a case where the above-described object tracking device is applied to a user's arm will be described.
[0027]
FIG. 5 is a schematic view showing a state in which the object tracking device according to the embodiment of the present invention is mounted on a user's arm, and further includes (1) calculation of a rotation matrix of magnetic field detection sensor coordinates, and (2) upper arm. 6 and 7 show the flow of the software for performing the coil position / direction display processing for.
[0028]
As shown in FIG. 5, the detecting device 32 is mounted on the upper arm 35, and the transmitting device 33 is mounted on the lower arm 37 with the elbow joint 36 interposed therebetween.
[0029]
First, FIG. 6 will be described. This figure has the following steps. (1) The detection voltages (V'ex, V'ey, V'ez) are measured (step S1). (2) Next, the detected voltages (V'ex, V'ey, V'ez) are normalized (step S2). (3) Next, β (rotation angle of y axis) and γ (rotation angle of z axis) are calculated (step S3). (4) Next, a transformation matrix is calculated (step S4). (5) Finally, the declination D and the dip I are reflected (step S5).
[0030]
The voltages corresponding to V′ex 2 , V′ey 2 , and V′ez 2 in FIG. 6 are Hgx, Hgy, and Hgz in FIG. 5. After normalizing these detection voltages, β, γ Is calculated. Here, β and γ correspond to the rotation angle of the y-axis and the rotation angle of the z-axis when the x-axis is geographically east, the y-axis is geographically north, and the z-axis is vertically upward. By applying these transformation matrices [Equation (2.7)] to markers and sensors, it is possible to determine what attitude the posture will be with respect to the ground coordinate system. However, since there is a gap between the geographic north and the north indicated by the geomagnetism, the determinant [Equation (2.8)] must be actually applied.
[0031]
Here, the declination D indicates how much the north indicated by the geomagnetism is shifted from the geographical north to the east, and the dip I indicates how far the vertical is shifted from the horizontal to the vertical. These values vary depending on the latitude, longitude, and altitude on the earth where the detection is performed.
[0032]
Next, FIG. 7 will be described.
[0033]
S (x, y, z, θ, φ, ψ) is called an evaluation function, and Bmi is a measured value of magnetic flux density obtained from a sensor at a position r away from each marker, and Bci (x, y, z, θ, φ, ψ) are theoretical values of the magnetic flux density [Equation (1.6)]. The vector p (x, y, z, θ, φ, ψ) that minimizes the equation (1.2) is the solution of the least squares method.
[0034]
If the evaluation function S takes the minimum value at p (x, y, z, θ, φ, ψ),
[0035]
(Equation 1)
Meet. If there are six parameters (m = 6), the system becomes a six-dimensional linear equation, and the Newton method (see "Experimental Data Analysis by Least Square Method" by Toru Nakagawa and Yoshio Koyanagi, see The University of Tokyo Press, pp. 96-99) It becomes an equation of the first-order partial differential, and becomes equation (1.3). P (l) is determined from the simultaneous equations, and p (l + 1) is further determined from equation (1.4). The obtained vector p is determined by Expression (1.5), and when the value converges to a value smaller than ε, the vector p is used as a solution.
[0036]
Here, α in equation (1.4) is called a reduction factor. If α is reduced, convergence is stabilized, but convergence is slowed. ε is a convergence condition and indicates an error from a true value.
[0037]
The obtained coordinates of the marker are multiplied by the rotation matrix calculated from the geomagnetism and the equation (2.8) in FIG. 6 to obtain the attitude with respect to the ground coordinate system.
[0038]
The measurement and calculation / display are performed in parallel, and the display of the sensor position and the marker is repeated every 48 Hz.
[0039]
According to the present invention, a magnetic field sensor having a frequency band of several hundred kHz or more from a DC magnetic field component is used on the detection device side.
[0040]
Further, a balanced detector is used in a subsequent stage following an amplifier, a multiplexer, and an AC / DC signal separation circuit.
[0041]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0042]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0043]
(A) Since a magnetic field detection sensor that can also detect a DC magnetic field component, for example, an MI sensor or an MR sensor, is used, the three-dimensional direction of the detection device side is detected by detecting the three-dimensional component of the terrestrial magnetic field. Can be.
[0044]
(B) By using balanced detection, sensitivity can be increased several times as compared with envelope detection, and highly accurate detection of position and direction can be performed.
[0045]
(C) Since the transmission output of the transmission device can be reduced, the size of the transmission device can be reduced as compared with the conventional device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an object tracking device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart of a magnetic field generation of the object tracking device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a timing chart of detection of a detection side signal of the object tracking device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart of an inverse problem solving method using the least squares method according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a state in which the object tracking device according to the embodiment of the present invention is mounted on a user's arm.
6 is an explanatory diagram of a method of obtaining a sensor position and direction by calculating a rotation matrix of sensor coordinates shown in FIG. 5;
7 is a view showing a flowchart of a coil position / direction display process for the upper arm shown in FIG. 5;
FIG. 8 is a block diagram of a conventional object tracking device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oscillator 2, 19, 23 Multiplexer 3-5, 13-15 Amplifier 6-8 Coil 9 arrange | positioned at orthogonal coordinates Transmission device 10-12 Magnetic field detection sensor 16-18 AC / DC separator 20 Balance detector 21 Integrator 22 Lock-in amplifier 24 AC / DC switch SW
25 AD converter 26 Computer (calculation device)
27 Applied equipment [output device (monitor device)]
32 detecting device 33 transmitting device 35 upper arm 36 elbow joint 37 lower arm
