JP2017203760A

JP2017203760A - 幾何学的補正機能を有し、ｍｅｍｓモーションセンサーのサンプリングレートを超えて対象物の姿勢を測定するモーションセンサーシステム

Info

Publication number: JP2017203760A
Application number: JP2016105655A
Authority: JP
Inventors: 木村　岳; Takeshi Kimura; 岳木村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-11-16

Abstract

【課題】複数のＭＥＭＳモーションセンサーを立体配置することで、幾何学的自己補正機能を有し、かつＭＥＭＳモーションセンサー単体のサンプリングレートを上回るサンプリングレートを有する空間での姿勢を測定する装置を提供する。【解決手段】図１に示す様に、直方体の各面のような隣り合うＭＥＭＳモーションセンサー同士は直角に、対抗するＭＥＭＳモーションセンサー同士は平行となるように配置したＭＥＭＳモーションセンサーモジュールを用いることで、各ＭＥＭＳモーションセンサーの自己補正機能を有し、かつ本発明のＭＥＭＳモーションセンサーとしては、個々のＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリングレートを上回るサンプリングレートを実現する。また、運動する回転体の内部に本発明の装置を設置した場合、ＭＥＭＳ各速度センサーを用いず、ＭＥＭＳ加速度センサーだけで回転を評価できるので、ドリフトの影響を受けずに回転評価を行うことが出来る。【選択図】図１

Description

本発明は、それぞれ平行でない３面以上にＭＥＭＳモーションセンサーを固定したモジュールを用いることで、測定精度とサンプリングレートを向上する装置に関する。

ＭＥＭＳモーションセンサーは、ＭＥＭＳ加速度センサーとＭＥＭＳ角速度センサーとＭＥＭＳ地磁気センサーのうち２つ以上を組み合わせて、各センサーの出力値を計算して対象物の姿勢を推計するデバイスとして知られている。

ＭＥＭＳモーションセンサーは、構成する各センサーの計測値をそれぞれ出力することもできる。

近年スマートフォンやウェアラブルデバイスに使用されることが多くなり、価格の低下と性能の向上が進んだことで、ウェアラブルセンサーやマルチジャイロコプター等、広く使用されるようになっている。

ＭＥＭＳセンサーの特性として、温度や地球の自転、地磁気の影響を受けるために、各センサーの出力値は安定しないことがあり、姿勢情報として出力するヨーピッチロールにドリフトが生じることがある。

特許文献および非特許文献にあるように、ドリフトを低減するための方法は提案されている。

特開２００９−９２５８３（Ｐ２００９−９２５８３Ａ）特開平０６−１０２０４６

人間工学Ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．４（’１４）第１部：動作計測（２）−慣性センサによる動作計測−

本発明は、複数のＭＥＭＳモーションセンサーを幾何学的に固定配置したモジュールを構成し、これを使用することで、空間姿勢の測定精度を向上し、個々のＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリングレートを上回ることを実現する。

ＭＥＭＳモーションセンサーを構成する各センサーは、温度や地磁気や使用する緯度による影響を受けることがあり、出力値が不安定であったり、不確かであったりすることがある。その結果、各センサーの出力値に基づいて計算されるヨーピッチロールが不安定であったり、不確かであったりする。

ＭＥＭＳモーションセンサーの不安定さや不確かさを低減するための方法は提案されているが、十分に低減が出来ないことおよび低減するための信号処理手順が、姿勢情報を出力する頻度すなわちサンプリングレートを低下させてしまう問題がある。

特に、ＭＥＭＳ角速度センサーは、温度や自転の影響を強く受けるため、測定対象の回転運動を正しく測定することが難しい。

そこで本発明では、２つ以上のＭＥＭＳモーションセンサーを幾何学的に固定して配置し、順番に信号を読み取る仕組みを有するモジュールを用いることで、姿勢測定の結果の自己補正を行い、かつ個々のＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリングレートを超えた姿勢測定のサンプリングレートの実現を図る。

本発明は概観すると、図１のように、十分な処理能力を有するＭＰＵと、これにシリアルに接続された複数のＭＥＭＳモーションセンサーから構成される。十分な処理能力とは、ＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリングレートのセンサー個数倍の処理速度以上であること。つまり。各ＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリングレートをｍＨｘ、ＭＥＭＳモーションセンサーの個数をｎ個の場合、ＭＰＵの処理速度はｍ×ｎＨｚを十分に上回っていること。

複数のＭＥＭＳモーションセンサーは、図３に示すように、向かい合う面が並行で、隣り合う面が直角である６つの面の各面に固定することで、隣り合う面のＭＥＭＳモーションセンサー同士の配置各は直角に固定され、向かい合う面のモーションセンサー同時の配置角は並行に固定される。図３の各面に固定するＭＥＭＳセンサーの数は、１つ以上であり、各面に配置するＭＥＭＳセンサーの個数は同数とする。

図４に示すとおり、各ＭＥＭＳモーションセンサーが配置された隣り合った面に沿ってかつ１つ前の面と平行にならない面となるように固定した順番で、ＭＥＭＳモーションセンサーの出力を評価した場合、それぞれ次の面との幾何学的な相対的位相は直角であるので、常に隣り合った面とその前の面に対してそれぞれ直角で、その二つ前の面と平行であるので、これに基づいて常に各ＭＥＭＳモーションセンサーの誤差を評価することが出来る。

ＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリングレートを超えてモーションデータを得る場合には、順番にＭＥＭＳモーションセンサーを読み取る際に、すべてのＭＥＭＳモーションセンサーを読み取る間隔を等間隔とすることで、本発明の装置ではＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリングレートを超えたサンプリングレートが可能となる。ＭＥＭＳモーションセンサーを６つ使用した場合、図５に示すように、個々のＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリングレートの１／６の間隔で順番にＭＥＭＳモーションセンサーの出力を読み取ることで、本発明の装置は、個々のＭＥＭＳモーションセンサーの６倍のサンプリングレートで出力を得ることが出来る。

また、動く回転体の回転を測定する場合、図６に示すように、本発明の装置を、すべてのＭＥＭＳモーションセンサーが回転中心に位置しないように配置すれば、図７に示す通り、回転による加速度の変化を測定することで、ＭＥＭＳ加速度センサーの出力のみで回転体の回転運動を測定することが出来る。各ＭＥＭＳ加速度センサーが、回転体の球面状に配置できれば、回転軸の変化も評価することが出来る。この場合にはＭＥＭＳ加速度センサーのみであってもよい。

図８に示すように、対象物の姿勢を測定する際に、本発明の装置を２つ以上用いることで、１つ以上を測定空間の基準面、たとえば床に固定し、もう一つ以上を対象物に固定する。そして基準面に固定した装置と対象物に固定した装置の相対的な姿勢変化を算出することで、ＭＥＭＳモーションセンサーの外的要因による測定の不安定さをさらに低減することが出来る。

ＭＥＭＳモーションセンサーは、スマートフォンやウェアラブルデバイスに採用されることでデバイス単体の価格が下がり入手性が改善され、三次元空間での姿勢測定への活用が期待されているが、精度が十分でないこととサンプリングレートが低いことから、スポーツなどの高速な動作測定や、歩行解析などの解剖学的な測定には十分でないとされている。本発明では、比較的容易に入手できるＭＥＭＳモーションセンサーを複数同時に用いることで、バイオメカニクスや整形外科的な運動機能解析に適用できる測定方法が提供可能となる。

ＭＥＭＳモーションセンサーの幾何学的な配置の概念図本発明の外観を説明する概念図本発明で推奨するＭＥＭＳモーションセンサーの幾何学的配置を説明する図ＭＥＭＳモーションセンサーの読取順を説明する概念図複数のＭＥＭＳモーションセンサーを等間隔に読み取ることでサンプリングレートを高速化する概念図運動する球体の回転を測定するために本発明の装置を埋め込んだ場合の配置概念図運動する物体の回転を回転中心から偏心して配置した加速度計で測定する方法を説明する概念図測定空間において、測定対象と基準面にそれぞれ装置を固定することで精度を改善する方法を説明するための概念図ＭＥＭＳモーションセンサーの読取価の自己補正と通常の測定の手順を説明するフローチャート図本発明の装置の精度確認に使用した治具を説明する図図１０の治具を使用して本発明の装置の測定結果をグラフ表示した図。本グラフの対象装置の動作補償範囲９０度までの測定精度は高いと評価できる。本発明の装置を野球の硬式球の内部に配置して、投球したボールの回転を評価した測定値のグラフ。

本発明は、図３に示すようにＭＥＭＳモーションセンサーを幾何学的に固定したＭＥＭＳモーションセンサー群を用いて、個々のＭＥＭＳモーションセンサーの動作速度と精度を上回ることを意図した装置に関するものである。

ＭＥＭＳモーションセンサー配置部は、図３に示すように、各面に１つ以上同数のＭＥＭＳモーションセンサーが配置される。配置した幾何学的位相が明らかであれば、形状を制限するものではないが、自己補正計算手順を効率化し、設置性をよくするためには、立方体形状の各面６面に設置することが望ましい。

各面のＭＥＭモーションセンサーの読み取り順番は、図４に示す通り、隣り合う面でかつ一つ前の面と平行でない面である条件で決定し、常に決定した順番で読み取ることで、常に同じ自己補正計算手順を適用できるようにする。

本発明の装置を有効に利用できるのは、単体のＭＥＭＳモーションセンサーでは測定目的的に許容できないドリフトが発生する場合、または、単体のＭＥＭＳモーションセンサーでは追従できない動作速度である場合、または回転しながら運動する物体の回転をＭＥＭＳ角速度センサーのドリフトの影響を受けずに測定したい場合であるが、自己補正機能の利便性から、すべての測定で有効に利用できる。

本発明の装置を利用するについては、図４に示すようなＭＥＭＳモーションセンサーを６面に配置したＭＥＭＳモーションセンサーモジュールを使用する。直方体形状の配置の場合、隣り合うＭＥＭＳモーションセンサー同時はそれぞれ直角に、対抗する面のＭＥＭＳモーションセンサー同時はそれぞれ平行に固定されているので、同時に読み取った際に各ＭＥＭＳモーションセンサーの出力と幾何拘束の条件を突合することで、図８に示す通り、各ＭＥＭＳモーションセンサーの出力値を読み取り直後に補正できる。

測定中は、図５に示す様に各ＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリング間隔をＭＥＭＳモーションセンサーの個数で等分した間隔で、順番に読み取ることで、高速な測定を行う。

図９に示す様に、測定中に、定期的に幾何高速による自己補正を行う。これによって、高精度と高いサンプリングレートを維持することが出来る。

運動する回転体の回転測定を行う際には、本装置に装着されたＭＥＭＳモーションセンサーを回転中心から偏心して配置する。

図１０に示す多角柱様の治具の内面に本発明の装置を固定し、多角柱の開口面を鉛直にして転がし、本発明の装置による姿勢測定の出力を図１１に示す。図１０の状態から右方向に回転すると、回転動作角は、開始時０度、一面回転時１５度、２面回転時４５度、３面回転時９０度で、本発明の装置による測定と一致している。図１１に示す装置は動作補償範囲９０度までとしている。

本装置を硬式野球のボール内部に設置して、投球した場合の加速度値による回転状態を図１１に示す。図中爬行する曲線の山の数が回転数となる。

空間姿勢を高速かつ正確に測定することを実現した本発明の装置は、身体動作の測定に広く活用することが出来る。

スポーツメディカルおよびバイオメカニクスの領域では、高速で動作するアスリートの動作を、実際の競技環境で測定することが出来る。たとえばアイススケートのリンクやサッカーのフィールド、陸上競技のトラック、アルペンスキーのコースなど、これまで動画解析でも不可能であった、競技環境の選手の動作測定が可能となる。

リハビリテーションやロコモティブシンドローム対策としては、これまで高額なモーションキャプチャシステムや低精度な関節可動域測定装置に頼らざるを得なかった歩行解析などの動作評価が、本発明の装置を装着するだけで、簡便かつ高精度に行うことが可能となる。

１平面２とも平面３とも平行でない平面１

２平面１とも平面３とも平行でない平面２

３平面１とも平面２とも平行でない平面３

４平面１に固定したＭＥＭＳモーションセンサー１

５平面２に固定したＭＥＭＳモーションセンサー２

６平面３に固定したＭＥＭＳモーションセンサー３

７ＭＰＵ（中央演算装置）

８１番目のＭＥＭＳモーションセンサー

９２番目のＭＥＭＳモーションセンサー

１０ｎ−１番目のＭＥＭＳモーションセンサー

１１ｎ番目のＭＥＭＳモーションセンサー

１２１番目の面

１３２番目の面

１４３番目の面

１５４番目の面

１６５番目の面

１７６番目の面

１８１番目のＭＥＭＳモーションセンサー

１９２番目のＭＥＭＳモーションセンサー

２０３番目のＭＥＭＳモーションセンサー

２１４番目のＭＥＭＳモーションセンサー

２２５番目のＭＥＭＳモーションセンサー

２３６番目のＭＥＭＳモーションセンサー

２４最初の面から隣の面を図示

２５２番目の面から１番目の面と平行でない隣の面を図示

２６３番目の面から２番目の面と平行でない隣の面を図示

２７３番目の面から２番目の面と平行でない隣の面を図示。２６を異なる向きから説明。

２８４番目の面から３番目の面と平行でない隣の面を図示

２９５番目の面から４番目の面と平行でない隣の面を図示

３０ＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリング間隔（１／サンプリングレート）

３１１個のＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリング間隔をＭＥＭＳモーションセンサーの個数で等分割した間隔。この場合６個のＭＥＭＳモーションセンサーなので１個のＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリング間隔の１／６。

３２１番目のＭＥＭＳモーションセンサーの出力値

３３２番目のＭＥＭＳモーションセンサーの出力値

３４３番目のＭＥＭＳモーションセンサーの出力値

３５４番目のＭＥＭＳモーションセンサーの出力値

３６５番目のＭＥＭＳモーションセンサーの出力値

３７６番目のＭＥＭＳモーションセンサーの出力値

３８１番目のＭＥＭＳモーションセンサーの次の周期の出力値

３９本装置を埋め込んだ球体の概念図

４０球体に本装置を埋め込んだ状態の概念図

４１回転しながら移動する球体において、ＭＥＭＳ加速度センサーが検知する加速度が変化する遷移概念図

Claims

十分に高速なＭＰＵにより、２つ以上のＭＥＭＳモーションセンサーから等時間間隔で順番に信号を読み取ることで、ＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリング周波数を超えた空間姿勢測定を行う装置。
前記装置は、隣り合う面同士が直角に、向かい合う面同士が平行に配置された直方体上の立体の各面６面にそれぞれＭＥＭＳモーションセンサーを固定した場合、それぞれのＭＥＭＳモーションセンサーの幾何位相関係が既知であることで、それぞれのＭＥＭＳモーションセンサーが有する姿勢測定の誤差を、それぞれのＭＥＭＳモーションセンサーの出力信号から修正する機能を有する装置。
前記装置は、複数のＭＥＭＳモーションセンサーの信号を、ＭＰＵが等間隔に順番に読み取ることで、それぞれのＭＥＭＳモーションセンサーのサンプリングレートの、すべてのＭＥＭＳモーションセンサーの個数倍のサンプリングレートで、空間姿勢を測定することが出来る装置。
前期装置は、対象物の空間姿勢を測定する際に、測定空間内に、同装置を２個以上を同時に使用し、１個以上を基準面に固定し、１個以上を対象物に固定することで、基準面に対する対象物の空間姿勢測定の誤差を低減しようとする装置。