JP2008029428A

JP2008029428A - 動作検出装置

Info

Publication number: JP2008029428A
Application number: JP2006203941A
Authority: JP
Inventors: Hideki Nakamura; 秀樹中村; Masaharu Kitado; 正晴北堂; Kazunori Kidera; 和憲木寺
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】被検出物の微小な動作を検出できる動作検出装置を提供することにある。
【解決手段】動作検出装置１は、人体９に装着され、３軸の加速度を検出する加速度検出手段２と、該加速度検出手段２より取得したある時点における人体の第１加速度ベクトル、及び前記ある時点から所定時間経過した時点の人体の第２加速度ベクトルを元に、第１加速度ベクトルと第２加速度ベクトルとの間の角度θを算出する角度算出手段３１と、該角度算出手段３１で算出した角度θを元に、人体９の動作を検出する動作検出手段３２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体等の被検出物の動作を検出する動作検出装置に関するものである。

従来から、人体等の被検出物に装着されて、被検出物の動作を検出するための動作検出装置が提供されており、この種の動作検出装置としては、振動センサや加速度センサを用いた歩数計や、歩行計、活動量計等がある。

また、動作検出装置としては、特許文献１に挙げられるものがあり、特許文献１の動作検出装置は、重力方向及び重力方向に垂直な進行方向の２軸の加速度を検出する２軸加速度計を有して人体に装着される端末機と、端末機から伝送されるデータを元に人体の動作を検出する監視機とを備えている。

ここで、監視機は、端末機の２軸加速度計より得た各軸の加速度値の変化の大きさ（つまり微分値の大きさ）を元にして、人体の動作を検出するように構成されている。
特開２００４−８１６３２号公報（図１参照）

上記特許文献１の動作検出装置は、歩行時等の大きな動作時には、２軸加速度計より得られる各軸の加速度値の変化が大きく、良好な動作検出を行うことができていた。

しかしながら、上記特許文献１のように、動作の検出に加速度ベクトルの大きさの微分値を用いるものや、加速度ベクトルのノルムを用いるものでは、次のような問題が生じていた。すなわち、睡眠時や安静時等の微小な動作時では、２軸加速度計より得られる各軸の加速度値のうち重力加速度に由来しない加速度成分が、重力加速度に比べて小さくなるため、加速度の変化がノイズ等によって埋もれてしまい、動作を正確に検出できなくなっていた。

本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、被検出物の微小な動作を検出できる動作検出装置を提供することにある。

上記の問題を解決するために、請求項１の動作検出装置の発明では、被検出物に装着され、少なくとも２軸の加速度を検出する加速度検出手段と、該加速度検出手段より取得したある時点における被検出物の第１加速度ベクトル、及び前記ある時点から所定時間経過した時点の被検出物の第２加速度ベクトルを元に、第１加速度ベクトルと第２加速度ベクトルとの間の角度を算出する角度算出手段と、該角度算出手段で算出した角度を元に、被検出物の動作を検出する動作検出手段とを備えていることを特徴とする。

請求項２の動作検出装置の発明では、請求項１の構成に加えて、角度算出手段は、第１加速度ベクトルを元に算出した逆正接の値と、第２加速度ベクトルを元に算出した逆正接の値との差を、前記角度として算出するように構成されていることを特徴とする。

請求項３の動作検出装置の発明では、請求項１の構成に加えて、角度検出手段は、第１加速度ベクトルと第２加速度ベクトルとの差分ベクトルの大きさを重力加速度の大きさで除算した値を、前記角度として算出するように構成されていることを特徴とする。

請求項４の動作検出装置の発明では、請求項１の構成に加えて、角度検出手段は、第１加速度ベクトルと第２加速度ベクトルとの差分ベクトルの大きさを、前記角度として算出するように構成されていることを特徴とする。

請求項１〜４の動作検出装置の発明は、加速度検出手段より取得したある時点における被検出物の第１加速度ベクトル、及び前記ある時点から所定時間経過した時点の被検出物の第２加速度ベクトルを元に、第１加速度ベクトルと第２加速度ベクトルとの間の角度を算出し、この算出した角度を元に被検出物の動作を検出するので、被検出物の動作が微小で重力加速度に由来しない加速度ベクトルの各成分の値が小さく、加速度ベクトルのノルムや、加速度ベクトルの大きさの微分値（差）では、加速度に殆ど変化が現れないような場合でも、加速度の変化を加速度ベクトルの回転として得ることができ、これにより、被検出物の微小な動作を検出できるという効果を奏する。

以下に、図１及び図２を参照して、本発明の動作検出装置の実施形態について説明する。

（実施形態１）
本実施形態の動作検出装置１は、図１（ｂ）に示すように、被検出物である人体９に装着されるものであって、図１（ａ）に示すように、３軸の加速度を検出する加速度検出手段２と、演算処理手段３と、出力手段４とを備えている。

加速度検出手段２は、例えば、小型で低消費電力なＭＥＭＳ（Micro ElectroMechanical Systems）を利用したピエゾ抵抗型の３軸の加速度センサであり、互いに垂直な３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）の各加速度値をアナログ出力するように構成されている。尚、加速度検出手段２としては、互いに垂直な２軸の各加速度値をアナログ出力する所謂２軸の加速度センサであってもよい。また尚、１軸の加速度センサを複数用いることで、３軸の加速度センサや２軸の加速度センサと同等な出力が得られるように構成したものを用いてもよい。

演算処理手段３は、例えばマイクロコンピュータ等であり、加速度検出手段２の出力（各軸の加速度値）をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段３０と、Ａ／Ｄ変換手段３０で取得したある時点ｔ_１における人体９の第１加速度ベクトルａ_１＝（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）、及び前記ある時点ｔ_１から所定時間経過した時点ｔ_２における人体９の第２加速度ベクトルａ_２＝（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）を元に、第１加速度ベクトルａ_１と第２加速度ベクトルａ_２との間の角度θを算出する角度算出手段３１と、該角度算出手段３１で算出した角度θを元に、人体９の動作を検出する動作検出手段３２とをソフトウェア等によって実現している。

Ａ／Ｄ変換手段３０は、加速度検出手段２の出力を所定のサンプリング周期でサンプリングしてＡ／Ｄ変換して角度算出手段３１に出力するものである。

角度算出手段３１は、Ａ／Ｄ変換手段３０を経て加速度検出手段２より取得した第１加速度ベクトルａ_１と、第２加速度ベクトルａ_２との間の角度θを算出するように構成されているものであり、以下に角度θの算出方法について図２を参照して説明する。尚、以下の説明では、説明の簡略化のために、ｚ軸方向の値が非常に小さく、各加速度ベクトルａ_１，ａ_２をｘｙ平面上の加速度ベクトルに近似できるとして、各加速度ベクトルａ_１，ａ_２のｘ，ｙ軸方向の値のみを用いて角度θの算出を行う場合について説明する。つまり、以下の説明では、第１加速度ベクトルａ_１＝（ｘ_１，ｙ_１）とし、第２加速度ベクトルａ_２＝（ｘ_２，ｙ_２）としている。

第１加速度ベクトルａ_１＝（ｘ_１，ｙ_１）である場合、この第１加速度ベクトルａ_１とｘ軸正方向との間の角度θ_１は、逆正接（アークタンジェント）を用いれば、次式（１）で表すことができる。但し、πは円周率であり、ｍは整数である。

また、第２加速度ベクトルａ_２＝（ｘ_２，ｙ_２）である場合、この第２加速度ベクトルａ_２とｘ軸正方向との間の角度θ_２は、逆正接（アークタンジェント）を用いれば、次式（２）で表すことができる。但し、ｎは整数である。

ここで、第１加速度ベクトルａ_１を検出した時点ｔ_１と、第２加速度ベクトルａ_２を検出した時点ｔ_２との間の時間が微小な時間であれば、角度θは大きく変化しないと考えられるため、ｍ，ｎともに１であるとして問題ない。したがって、角度θは、次式（３）で表すことができる。

以上述べたように、角度算出手段３１は、第１加速度ベクトルａ_１を元に算出した逆正接の値θ_１と、第２加速度ベクトルａ_２を元に算出した逆正接の値θ_２との差を、角度θとして算出し、この算出結果を、動作検出手段３２に出力するように構成されている。尚、θを絶対値で示してもよい。

動作検出手段３２は、角度算出手段３１により算出された角度θを元にして、被検出物である人体９の動作の検出を行うように構成されている。例えば、角度θが、所定の閾値以上となった際に、人体９が動作を行ったと判断し、その結果を出力手段４に出力する。

出力手段４は、例えば、動作検出手段３２で検出した人体９の動作を表示する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）や、ＬＥＤ等を有する表示手段（図示せず）や、ＰＣ等の外部装置（図示せず）に伝送するための通信手段（図示せず）等を備えている。

以上述べたように、本実施形態の動作検出装置１によれば、加速度検出手段２より取得したある時点ｔ_１における人体９の第１加速度ベクトルａ_１、及び時点ｔ_１から所定時間経過した時点ｔ_２のおける人体９の第２加速度ベクトルａ_２を元に、第１加速度ベクトルａ_１と第２加速度ベクトルａ_２との間の角度θを算出し、この算出した角度θを元に人体９の動作を検出するので、人体９の動作が微小で加速度検出手段２より得られる加速度ベクトルの重力加速度に由来しない各成分の値が小さく、加速度ベクトルのノルムや、加速度ベクトルの大きさの微分値（差）では、加速度に殆ど変化が現れないような場合でも、加速度の変化を加速度ベクトルの回転として得ることができ、これにより、被検出物の微小な動作を検出できるという効果を奏する。

尚、本実施形態では、被検出物として人体９の例を示しているが、被検出物は、人体９に限られるものではなく、動物等の生物であってもよいし、他の物体等であってもよく、自由に選択することができる。

（実施形態２）
本実施形態の動作検出装置は、上記実施形態１の動作検出装置１と同様に、３軸の加速度を検出する加速度検出手段２と、演算処理手段３と、出力手段４とを備えているが、演算処理手段３の角度算出手段３１の構成が上記実施形態１と異なっており、その他の構成については上記実施形態１と同様である。

すなわち、本実施形態の角度算出手段３１は、上記実施形態１と同様に、Ａ／Ｄ変換手段３０を経て加速度検出手段２より取得した第１加速度ベクトルａ_１＝（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）と、第２加速度ベクトルａ_２＝（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）との間の角度θを算出するように構成されているが、その算出方法が異なっており、以下に本実施形態の角度算出手段３１における角度θの算出方法について説明する。

本実施形態の角度θの算出方法では、第１加速度ベクトルａ_１と第２加速度ベクトルａ_２の差分ベクトルａ_ｓを用いる。ここで、差分ベクトルａ_ｓは、次式（４）で表される。

ここで、検出する動作が微小な動作であると考えると、各加速度ベクトルａ_１，ａ_２の大きさ|ａ_１|，|ａ_２|は、重力加速度ベクトルｇの大きさ|ｇ|に近似することができ、この場合、差分ベクトルａ_ｓの大きさ|ａ_ｓ|は、角度θを用いて次式（５）のように表すことができる。

また、微小な変化であれば、θ<<１と考えることができ、この場合、ｓｉｎθ≒θと近似することができる。したがって、上記式（５）は、次式（６）のように表すことができる。

したがって、角度θは、次式（７）により与えられる。

以上述べたように、角度検出手段３１は、第１加速度ベクトルａ_１＝（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）と第２加速度ベクトルａ_２＝（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）との差分ベクトルａ_ｓの大きさ|ａ_ｓ|を重力加速度ベクトルｇの大きさ|ｇ|で除算した値を、第１加速度ベクトルａ_１と第２加速度ベクトルａ_２との間の角度θとして算出するように構成されている。

したがって、本実施形態の動作検出装置によれば、上記実施形態１と同様に、加速度検出手段２より取得したある時点ｔ_１における人体９の第１加速度ベクトルａ_１、及び時点ｔ_１から所定時間経過した時点ｔ_２のおける人体９の第２加速度ベクトルａ_２を元に、第１加速度ベクトルａ_１と第２加速度ベクトルａ_２との間の角度θを算出し、この算出した角度θを元に人体９の動作を検出するので、人体９の動作が微小で加速度検出手段２より得られる加速度ベクトルの重力加速度に由来しない各成分の値が小さく、加速度ベクトルのノルムや、加速度ベクトルの大きさの微分値（差）では、加速度に殆ど変化が現れないような場合でも、加速度の変化を加速度ベクトルの回転として得ることができ、これにより、被検出物の微小な動作を検出できるという効果を奏する。

ところで、重力加速度ｇの大きさ|ｇ|は、一般に既知の値であるから、第１加速度ベクトルａ_１と第２加速度ベクトルａ_２との間の角度θに、重力加速度ベクトルｇの大きさ|ｇ|を乗じた値を、第１加速度ベクトルａ_１と第２加速度ベクトルａ_２との間の角度Θとして採用してもよい。このようにすれば、重力加速度ベクトルｇの大きさ|ｇ|による除算を省略することができ、これによりハードウェア構成を簡略化でき、製造コストの低減を図ることが可能となる。尚、このとき、当然ながら、動作検出手段３２で用いる閾値は、θに対応するものではなく、Θに対応するものを用いる。

尚、第１加速度ベクトルａ_１と第２加速度ベクトルａ_２との間の角度θの算出方法としては、上記の例に限られるものではなく、例えば内積を計算することにより角度θの値を得るようにしてもよい。

（ａ）は、実施形態１の動作検出装置のブロック図であり、（ｂ）は、動作検出装置の装着状態を示す説明図である。角度θの算出方法の説明図である。

符号の説明

１動作検出装置
２加速度検出手段
３１角度算出手段
３２動作検出手段
９人体

Claims

被検出物に装着され、少なくとも２軸の加速度を検出する加速度検出手段と、該加速度検出手段より取得したある時点における被検出物の第１加速度ベクトル、及び前記ある時点から所定時間経過した時点の被検出物の第２加速度ベクトルを元に、第１加速度ベクトルと第２加速度ベクトルとの間の角度を算出する角度算出手段と、該角度算出手段で算出した角度を元に、被検出物の動作を検出する動作検出手段とを備えていることを特徴とする動作検出装置。
角度算出手段は、第１加速度ベクトルを元に算出した逆正接の値と、第２加速度ベクトルを元に算出した逆正接の値との差を、前記角度として算出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の動作検出装置。
角度検出手段は、第１加速度ベクトルと第２加速度ベクトルとの差分ベクトルの大きさを重力加速度の大きさで除算した値を、前記角度として算出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の動作検出装置。
角度検出手段は、第１加速度ベクトルと第２加速度ベクトルとの差分ベクトルの大きさを、前記角度として算出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の動作検出装置。