JP2006276928A - 圧電式動作検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変形で自ら電力を発生する圧電素子を含む構造体を動作検出対象の動作要点部に取り付けて、人などの動作検出対象が送信装置などを駆動するための電源を身に付ける必要がない動作検出装置ないし方法を提供することである。
【解決手段】動作検出装置は、動作検出対象１の少なくとも１つの動作要点部２a〜２mに取り付けられる圧電素子を含む構造体と、動作検出対象１の動きによって圧電素子を含む構造体で発生する電力に基づく信号を受信するための受信手段６と、受信した信号から、動作検出対象１の動作要点部２a〜２mの動作情報を検出するための信号処理手段８を含む。圧電素子を含む構造体で発生する電力を光の信号に変換するための発光素子を設けて、受信手段を、発光素子からの光を受光するための受光器６としてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、人間の身体、動物、ロボットなどの動作検出対象の動きなどの動作情報を解析・検出する動作検出装置（モーションキャプチャーシステム）などに関するものである。

今日の動作検出装置は、磁気式と光学式の動作検出装置が主流となっている。磁気式は、磁場を発生させる発信器により使用者の動く空間を強力な磁場で覆い、体の関節部分に取り付けた磁気センサで空間の位置を割り出す方法である。一方、光学式は、使用者の関節部分に反射球であるマーカを取り付け、照明装置から一定間隔で赤外線を発光し、高速度高感度カメラでその反射光を捉えるもので、照明装置の発光ごとに同期を取ってマーカの位置が画像データとしてデータ処理装置へ取り込まれ、こうして取り込まれた画像は、画像処理をすることにより三次元データに変換される。

しかしながら、磁気式は、回りに金属があると空間の磁界が歪む恐れがあるといった懸念がある。一方、光学式は、高速度高感度カメラと同じ台数分だけ照明装置が必要であることや、マーカの移動位置を全体の画像として取り込むため、背景が画像に入らない様に、幕で覆われた空間が必要となるなど、装置が大掛かりになりやすいという懸念がある。

これらの課題を解決するために、無線送信装置を用いた提案がある（特許文献１参照）。この提案の装置では、身体の動作要点部の各々に複数のアンテナエレメントを取り付け、身体に着けた無線送信装置から、各アンテナエレメントを識別可能な無線信号を送出し、これを各アンテナから送出する。そして、この無線信号を周囲に配置した無線受信装置で受信し、各信号の受信電界強度から動作要点部の位置、動き、向きをデータ処理装置で計算し、こうして動きの自由度の高いリアルタイムのモーションキャプチャーを提供するものである。
特開２００１−２６５５２１号公報

しかしながら、この提案の装置では、無線送信装置そのものを使用者が背中に背負う必要があり、そして無線送信装置を駆動するための電源が必要である。また、使用者の周囲に複数の無線受信装置を配置する必要があり、装置が大掛かりになりやすい。

上記課題に鑑み、本発明にかかる動作検出装置は、動作検出対象の少なくとも１つの動作要点部に取り付けられる圧電素子を含む構造体と、動作検出対象の動きによって圧電素子を含む構造体で発生する電力に基づく信号を受信するための受信手段と、受信した信号から、動作検出対象の動作要点部の動作情報を検出するための信号処理手段を含むことを特徴とする。前記圧電素子を含む構造体で発生する電力を光の信号に変換するための発光素子を更に含み、前記受信手段は、発光素子からの光を受光するための受光器である様にもできる。

また、上記課題に鑑み、本発明にかかる動作検出方法は、動作検出対象の少なくとも１つの動作要点部に圧電素子を含む構造体を取り付け、動作検出対象の動きによって圧電素子を含む構造体で発生する電力に基づく信号を受信し、受信した信号を処理して、動作検出対象の動作要点部の動作情報を検出することを特徴とする。

本発明によれば、変形で自ら電力を発生する圧電素子を含む構造体を動作検出対象の動作要点部に取り付けて用いるので、人などの動作検出対象が送信装置などを駆動するための電源を身に付ける必要がなくなる。

以下、本発明の実施の形態を明らかにすべく、図１〜図７を参照して具体的な実施例について詳細に説明する。

（実施例１）
図１は本発明の実施例１による動作検出装置の全体構成を示したものである。この構成では、使用者１の動作要点部２a〜２mの各々に、圧電バイモルフ素子３（図１では図示せず）が取り付けられており、使用者１の前面首辺りのところに複数の発光素子４が取り付けられている。発光素子４は、使用者１の動きによって圧電バイモルフ素子３で発生する電力を光の信号に変換するためのものであり、発光素子４と圧電バイモルフ素子３はそれぞれケーブル１１（図１では図示せず）で結ばれている。発光素子４は、発光する光が衣服などに遮られないで、使用者１から離れた位置に設置された受光器６で受光できる様に、使用者１の衣服の上に取り付けられる。圧電バイモルフ素子３は、圧電モノモルフ素子などと比べると比較的大きな電力を取り出すことができる。

本実施例では、発光素子４には、発光ダイオード、特に高輝度の発光ダイオードを用いる。発光される光は、可視光線を用いてもよいし、照明条件によって可視光線を認識するのが難しい場合（日常生活ではよくあることである）や、発光している光が目障りであるなど不都合がある場合には、赤外線を使用するとよい。受光信号からどの動作要点部２a〜２mが動いているのかを容易に識別するために、動作要点部２a〜２mの各々の位置に応じて、対応する発光素子４から発光する光の波長を変えておくとよい。例えば、可視光線の場合には、右手（図１の動作要点部２cに相当）の動きに応じて青色発光ダイオードの発光素子４が発光し、左手（図１の動作要点部２hに相当）の動きに応じて赤色発光ダイオードの発光素子４が発光し、胸部（図１の動作要点部２lに相当）の動きに応じて緑色の発光ダイオードの発光素子４が発光する様にすれば、発光している色、すなわち光の波長からどの部位が動いているのかを受光側で知ることができる。

発光素子４からの光は、少なくとも１つの受光器６で受光された後、画像データとしてデータ処理装置７に送られ、信号処理部８で、動作要点部２a〜２mの動き、方向などの動作情報が算出される。受光器６には、ＣＣＤカメラや赤外線カメラなどが使用される。これらのカメラの向きは、駆動部９によって変更できる様になっており、使用者１が立っている位置を変えても発光素子４を追尾できる様になっている。この追尾は、例えば、カメラからの画像データを画像処理することによって可能であり、この画像処理を容易にするために、発光素子４を固定するプレート１５（図５参照）の色を、背景から区別できる色に設定するとよい。

データ処理装置７には、例えば、パソコンを用いることができ、信号処理部８には、例えば、DSP(Digital Signal Processor)やソフトウェアによる信号処理を用いることができる。この解析においては、例えば、各動作要点部の動作と発光素子の発光態様との対応関係を予め調べておいて、それをデータとしてメモリに記憶しておき、そして受信信号が入ってきたらそのデータに基づいて信号処理部８で信号処理して各動作要点部の動作を検出すればよい。

図２は圧電バイモルフ素子３と発光ダイオード４の配線を示す回路図である。圧電バイモルフ素子３は、図２に示す様に２枚の圧電素子１０を貼り合わせた構造を持つもので、圧電素子１０に変位が与えられると起電力が生じるものである。２枚の圧電素子１０（これらの分極方向は同じにしておく）を貼り合わせたものの両端を支持して中央部を上から押すと、上側の圧電素子１０が縮み下側の圧電素子１０が伸びる。そのため、上側の圧電素子１０の上下に生じる起電力の向きと、下側の圧電素子１０の上下に生じる起電力の向きは逆になり、全体として生じる起電力は、それぞれの圧電素子１０で生じる起電力の和となり、一定の方向を持つ（したがって、２つの発光ダイオード４の一方が発光する）。逆に、２枚の圧電素子１０を貼り合わせたものの両端を支持して中央部を下から押すと、上側の圧電素子１０が伸び下側の圧電素子１０が縮むため、全体として生じる起電力の向きは上記方向と逆向きになる（したがって、２つの発光ダイオード４の他方が発光する）。なお、圧電素子１０としては、圧電セラミックスが用いられる。

発光ダイオードは、図２に示す様に、２つの圧電素子１０からなる平面状の圧電バイモルフ素子３それぞれに対して２つの発光ダイオード４が設置される。２つの発光ダイオード４は、図２に示す様に、反対向きに設置されているため、圧電バイモルフ素子３が使用者１の動きにより一方の方向に変形すると、２つの発光ダイオードのうちの１つが発光し、続いてその反動で反対方向に変形して他方の発光ダイオードが一定間隔の後に発光する。使用者１の動きにより反対方向に変形すると、２つの発光ダイオードのうち上記最初に発光しなかったもう１つの発光ダイオードが発光し、続いて同じくその反動で反対方向に変形して他方の発光ダイオードが一定間隔の後に発光する。２つの発光素子４の光の波長を異なるものにすることで、発光波長の順序が異なるので、圧電バイモルフ素子３がどちらの方向に変形したかが分かる。また、変形の程度にしたがって、起電力の大きさすなわち発光強度及び発光間隔が変化するので、動きの大きさなどが分かる。結局、２つの発光ダイオードの発光態様により各動作要点部の動きの態様が判断できることになる。各動作要点部の空間的位置については、カメラからの画像データで確認できるので、こうして各動作要点部の位置や、動きの態様の動作情報を信号処理部で検出できる。図３に、１つの圧電バイモルフ素子３と２つの発光素子４をケーブル１１で結んだ図を示す。

使用者１の動作要点部２a〜２mには、図４に示す様な圧電バイモルフ素子３を用いた構造体を取り付けてもよい。圧電バイモルフ素子３の代わりに図４の様な圧電バイモルフ素子３を用いた構造体を用いると、より詳しく使用者１の動き、方向などの動作情報を知ることができる。図４（a）はこの構造体の各面を内側から見た正面図であり、図４（b）はこの構造体の中心部（ここに動体１２があると仮定する）を通る面での断面図である。

この構造体は、中空の空間構造体を形成する立方体の形をした筐体１３（立方体の陵の部分にのみ材料部がある骨組みである）の各面の開口部にスポンジ１４を嵌め込み、このスポンジ１４上に圧電素子１０を含む平面状の圧電バイモルフ素子３を固定したものであり、筐体１３の内部に、自由に運動する動体１２を入れた構造をしている。使用者１の動きに伴って中空の構造体が移動すると、筐体１３の内部にある動体１２が動いて圧電バイモルフ素子３に衝突して力を作用させるため、圧電バイモルフ素子３が変形しそこに起電力が生じる仕組みである。各動作要点部の動きにしたがって、どの圧電バイモルフ素子３にどの程度の勢いで動体１２が衝突するかがほぼ決まるので、その圧電バイモルフ素子３の変形の程度が変化して起電力の大きさも変化し、それに基づいて使用者の各動作要点部の動きなどが検出できることになる。

この様に、使用者１の動作要点部２a〜２mに、圧電バイモルフ素子３から構成される構造体を取り付けてモーションキャプチャーしてもよい。なお、図４の構造体を使用した場合、各面で２つの発光素子４が必要であるから、６面全部では１２個の発光素子４が必要となる。筐体１３内への動体１２の収容の仕方については、種々の変形が可能である。超高弾性率で超高強度の物理的特性に優れた繊維であるスーパー繊維で圧電バイモルフ素子３と動体１２を繋いで、圧電バイモルフ素子３に衝突しない様に動体１２を拘束した形態も可能である。この場合は、動体１２の動きにしたがって、スーパー繊維を介して圧電バイモルフ素子１２が変形させられる。また、筐体１３中に設けた３軸方向に伸びるパイプ中にそれぞれ動体１２を入れて、パイプ中の動体１２の動きにしたがって圧電バイモルフ素子１２が変形させられる形態も可能である。

使用者１の各動作要点部２a〜２mに、図４の圧電バイモルフ素子３を持つ構造体を用いた場合、例えば、図１の様に１３箇所の動作要点部をモーションキャプチャーのために使用したとすると、１２（個／構造体）×１３（構造体の数）＝１５６個の発光素子４が必要になる。図５は、プレート１５上に固定したこれらの発光素子４の正面図であり、１５６個の発光素子４が固定されている。各横一列の発光素子４は、それぞれ１つの圧電バイモルフ素子３の構造体とケーブル１１で結ばれており、プレート１５には全部で１３段の発光素子４が配置されている。各横一列は１２個の発光素子４で構成され、一番左の発光素子４と左から７番目の発光素子４は、構造体の１つの面上の圧電バイモルフ素子３の変形に対応して発光する様に配線されており、左から２番目の発光素子４と左から８番目の発光素子４は、構造体の別の１つの面上の圧電バイモルフ素子３の変形に対応して発光する様に配線されており、以下同様にして、１２個すべての発光素子４が圧電バイモルフ素子３を用いた構造体のそれぞれの面の変形に対応して発光する様に配線されている。プレート１５の材質は発光素子４を固定できる軽量のものが好ましく、例えば、プラスチックなどが用いられる。また、プレート１５の色は画像処理をする際に認識しやすい色を選択しておく。プレート１５の背面には、プレート１５を使用者１の衣服の上に固定するための仕組み、例えば、ピンなどが備わっている。さらに、発光素子４と圧電バイモルフ素子３を用いた構造体とを接続しているケーブル１１は、取り扱いを容易にするためにプレート１５の背面で１つにまとめられている。

図５の例では、１５６個の発光素子４をプレート１５上に固定しているが、圧電バイモルフ素子３と発光素子４との間の配線を論理回路などを用いて工夫して、複数の発光素子４の発光状態から、どの圧電バイモルフ素子３にどの様な態様でどの程度の起電力が生じているかが分かる様にして各動作要点部の動作情報を検出することで、プレート１５上に固定する発光素子４の数を減らすこともできる。

本実施例では、ケーブル１１を用いて、１箇所に並べて配置した発光素子４を発光させているが、ケーブル１１の代わりに光ファイバーを用いて発光素子４からの光を１箇所に集めてもよい。発光素子で発光される光が、この様に１箇所に集められていると、１つの受光器でも確実に受光できる様になる。

以上に述べた様に、本実施例では、ＣＣＤカメラや赤外線カメラなどである受光器６は、プレート１５上に固定された発光素子４から発せられる光を含む画像を取り込み、その画像データは、データ処理装置７内に設置された信号処理部８に送られる。そして、信号処理部８では、画像処理によりプレート１５の位置およびカメラの中心位置からのプレート１５のズレ量を算出する。もしズレ量があれば、駆動部９に制御信号を送り、そのズレをなくす様に受光部６の向きを制御する。また、信号処理部８では、発光素子４からの発光に対してパターン認識処理などの信号処理をすることによって、使用者１の動作要点部２a〜２mの動きなどを解析することができる。

本実施例においては、動作検出対象が無線装置を駆動するための電源を身に付ける必要がなく、動作検出対象の動きを無線（光）で伝達できるため、センサからの電気信号を受信器に伝達するためのケーブルと電源が不要となり、その結果、使用者の束縛感や違和感を軽減することができる。また、受信器が１つでも済むため、動作検出装置を小型にすることもできる。こうして、より動きの自由度の高い、小型の動作検出装置を提供できる。

（実施例２）
図６は、本発明の実施例２による動作検出装置の構成を示したものである。本実施例では、使用者１の動作要点部２a〜２mの各々に、実施例１とは異なり、圧電バイモルフ素子３と発光素子４が一体化されたもの（図６には図示せず）が取り付けられている。ここでも、発光素子４は、使用者１の動きによって圧電バイモルフ素子３で発生する電力を光の信号に変換するためのものである。この圧電バイモルフ素子３と発光素子４が一体化されたものは、発光素子４から発光される光が衣服などに遮られないで、使用者１から離れた位置に置かれた受光器６で受光できる様に、使用者１の衣服の上に取り付けられる。この構成では、圧電素子と発光素子を接続するケーブルが不要になる。

本実施例でも、発光素子４は、発光ダイオード、特に高輝度の発光ダイオードを用いる。発光される光は可視光線を用いるか、照明条件によって可視光線を認識するのが難しい場合や、発光している光が目障りであるなど不都合がある場合には、赤外線を使用する。受光信号からどの動作要点部２a〜２mが動いているのかを容易に識別するために、動作要点部２a〜２mに取り付ける圧電バイモルフ素子３の感度を、動作要点部２a〜２mごとに変えておいてもよい。この感度は、圧電バイモルフ素子３を構成する材料や大きさによって決められる。また、実施例１で説明した圧電バイモルフ素子３から構成される構造体を使用した場合には、動体１２の大きさや比重によっても感度が変わる。よって、動作要点部２a〜２mごとに、これらの組み合わせが異なる圧電バイモルフ素子３を使用することによって、例えば、出力強度の違いから、どの部位が動いているのか知ることができる。

発光素子４からの光は、受光器６で受光された後、画像データとしてデータ処理装置７に送られ、信号処理部８で、動作要点部２a〜２mの動きが算出される。この原理は、実施例１で説明した通りである。

ここでも、受光器６には、ＣＣＤカメラや赤外線カメラなどが使用され、使用者１の体全体もしくは上半身などの体の一部を捉える様に設定されている。これらのカメラは、駆動部９によってカメラの向きを変更できる様になっており、使用者１が立っている位置を変えても使用者１の体全体もしくは体の一部を追尾できる様になっている。この追尾は、例えば、人間の顔を追尾する画像処理技術を利用することによって可能である。この原理も、実施例１と同じである。

同じく実施例１で説明した様に、データ処理装置７には、例えば、パソコンを用いることができ、信号処理部８には、例えば、DSP(Digital Signal Processor)やソフトウェアによる信号処理を用いることができる。

図７は発光素子４と圧電バイモルフ素子３が一体化されたものの一例である。これは、実施例１で説明した図４で示した圧電バイモルフ素子３を用いた構造体１６と発光素子４を一体化したものであり、圧電バイモルフ素子３を用いた構造体を構成する筐体１３の外壁の１つに、１２個の発光素子４を配置したものである。これを使用者１の動作要点部２a〜２mに取り付ける際には、発光素子４が配置してある面が受光器６から見える位置に取り付ける。

以上の様に、受光器６は、使用者１の体全体もしくは上半身などの体の一部を写し出すことで、使用者１の動作要点部２a〜２mにそれぞれ取り付けられた発光素子４からの光を画像として取り込む。そして、その画像データは、データ処理装置７内に設置された信号処理部８に送られる。信号処理部８では画像処理により使用者１の顔の位置を算出し、使用者１の体全体もしくは上半身などの体の一部をカメラの中心に写し出す様にカメラの向きを変えるための制御信号を駆動部９に送る。また、信号処理部８では発光素子４からの発光に対してパターン認識処理などの信号処理をすることによって、使用者１の動作要点部２a〜２mの動きを解析することができる。

以上の実施例では発光素子を用いていたが、発光素子を使わず、圧電素子の起電力をそのまま電気配線で受信部に送って、信号処理をしてもよい。この場合は、配線が存在するので、使用者は多少不自由になるが、それでも電源は必要ないので従来のものよりは優れる。

本発明の実施例１による動作検出装置の構成を示す図。 圧電バイモルフ素子３と発光ダイオード４の配線例を示す回路図。 １つの圧電バイモルフ素子３と２つの発光素子４をケーブル１１で結んだ結線図。 圧電バイモルフ素子３を用いた構造体の一例の正面の様子と断面の様子を示す図。 プレート１５上に固定した発光素子４の構成例を示す正面図。 本発明の実施例２による動作検出装置の構成を示す図。 発光素子４と圧電バイモルフ素子３が一体化されたものの一例を示す斜視図。

符号の説明

１・・・動作検出対象（使用者）
２a〜２m・・・動作要点部
３、１６・・・圧電素子を含む構造体（圧電バイモルフ素子）
４・・・発光素子
６・・・受信手段（受光器）
７・・・データ処理装置
８・・・信号処理部（信号処理手段）
１０・・・圧電素子
１２・・・動体
１３・・・筐体

Claims (10)

1. 動作検出対象の少なくとも１つの動作要点部に取り付けられる圧電素子を含む構造体と、動作検出対象の動きによって前記圧電素子を含む構造体で発生する電力に基づく信号を受信するための受信手段と、受信した信号から、動作検出対象の動作要点部の動作情報を検出するための信号処理手段を含むことを特徴とする動作検出装置。
2. 前記圧電素子を含む構造体で発生する電力を光の信号に変換するための発光素子を更に含み、前記受信手段は、発光素子からの光を受光するための受光器である請求項１に記載の動作検出装置。
3. 前記圧電素子を含む構造体は、２枚の圧電素子を貼り合わせた構造を持つ圧電バイモルフ素子を有する請求項１または２に記載の動作検出装置。
4. 動作検出対象の動作要点部の各々に取り付けられた複数の圧電素子を含む構造体の感度が、動作要点部ごとに異なる様に構成されている請求項１または２に記載の動作検出装置。
5. 前記発光素子の発する光の波長が、動作検出対象の各々の動作要点部によって異なる様に構成されている請求項２に記載の動作検出装置。
6. 前記発光素子が発する光の波長が、赤外線領域にある請求項２に記載の動作検出装置。
7. 前記発光素子で発光される光が、１箇所に集められている請求項２に記載の動作検出装置。
8. 前記発光素子が、動作検出対象の動作要点部において発光する請求項２に記載の動作検出装置。
9. 動作検出対象の少なくとも１つの動作要点部に圧電素子を含む構造体を取り付け、動作検出対象の動きによって圧電素子を含む構造体で発生する電力に基づく信号を受信し、受信した信号を処理して、動作検出対象の動作要点部の動作情報を検出することを特徴とする動作検出方法。
10. 前記圧電素子を含む構造体で発生する電力を光の信号に変換して受信側に発信する請求項９に記載の動作検出方法。

Images