JP4291454B2 - 姿勢位置測定装置及び測定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、姿勢位置測定装置及び測定方法に係り、特に、一様磁界と線形勾配磁界を用いる3次元の位置及び姿勢を高速に測定できるようにした姿勢位置測定装置及び測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
3次元空間における物体の座標および姿勢の非接触計測は、人体運動のキャプチャ等のマンマシンインターフェースの基礎となる技術であり、重要性が増してきている。物体の姿勢と位置を同時検出する技術には、複数のカメラで撮りこまれた画像よりデータ処理を行う光学式と、物体に取り付けた磁気センサによりダイポール磁界発生装置からの磁界を測定する磁気式があり、モーションキャプチャ等に利用されている。
【0003】
光学式は、人体の測定すべき各部にマーカーを取り付け、これを複数のカメラで撮影し、得られたデータから3次元位置を計測する。磁気式を用いて計測する方法はいくつかあるが、その多くは、ダイポール磁界を用い、位置及び姿勢の検出に複雑な計算を要するものであった(F.H.Raab, E.B.Blood, T.O.Steiner, H.R.Jones: Magnetic Position Tracker.IEEE.Trans.,Vol.AES-15,NO.5,pp.709-717(1979)、及び、阿刀田、中村、富澤、横山、今田:計測自動制御学会論文集、Vol.34, NO.5, pp.445-453(1998)等参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来のような光学式の測定方法では、標点が重なったり陰に隠れた場合、正確なデータを得ることが困難である。一方、磁気式では、光学式のようにセンサの隠蔽によって困ることが無いものの、距離算出のための複雑な非線形方程式の計算を必要とするため、データ処理に時間がかかるという問題があった。なお、光学式の測定の場合も、同様に、データ処理に時間がかかっていた。
【0005】
本発明は、以上の点を鑑み、磁気式において一様磁界と線形勾配磁界とを用い、姿勢検出用に一様磁界を、位置検出用に線形勾配磁界を利用することで、磁界の大きさに関する簡単な一次方程式により姿勢と位置とを検出するようにして、データ処理を簡素化し、高速検出を可能とすることを目的とする。
【0006】
また、本発明は、ダイポール磁界を用いる方法に比べ、計算アルゴリズムが極めて容易となり、モーションキャプチャ等による3次元コンピュータグラフィックスの製作時間の短縮化を図るとともに、スポーツ医学、娯楽用ソフト製作などへの利用化を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の解決手段によると、
センサの姿勢及び位置を測定する姿勢位置測定装置であって、
第1の軸方向に一様磁界を発生する第1のコイルと、
第1の軸方向と直交する第2の軸方向に一様磁界を発生する第2のコイルと、
一対の角形コイルを有し、各々の前記角形コイルにそれぞれ逆方向に電流を流すことで、直交する3軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生する第3のコイルと
を備え、
前記第1及び第2のコイルで一様磁界を発生し、発生された一様磁界によりセンサの姿勢を測定し、
前記第3のコイルで3軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生し、発生された線形勾配磁界により、且つ、前記第1及び第2のコイルで発生された一様磁界により測定されたセンサの姿勢を用いて、センサの位置を測定する
姿勢位置測定装置が提供される。
【0008】
また、本発明の第2の解決手段によると、
磁界センサの姿勢及び位置を測定する姿勢位置測定方法であって、
第1の軸方向と、第1の軸方向に直交する第2の軸方向とに、それぞれ一様磁界を発生し、
発生された各々の一様磁界により磁界センサの姿勢を測定し、
一対の角形コイルにそれぞれ逆方向に電流を流すことで、直交する3軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生し、
発生された線形勾配磁界により、且つ、前記一様磁界により測定されたセンサの姿勢を用いて、磁界センサの位置を測定する
ようにした姿勢位置測定方法が提供される。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1に、座標系及び一様磁界の説明図を示す。図1(A)はグローバル座標系を、図1(B)はローカル座標系を図示している。
【0010】
図1(A)の座標系では、グローバル座標系を(X,Y,Z)座標系とし、図1(B)では、センサ1自身のローカル座標系を(U,V,W)座標系と定めた。図1(B)は、計測領域内の任意の場所に3軸磁界センサであるセンサ1を配置し、その感度軸を表す局所座標系であるローカル座標系(U,V,W)を表している。
【0011】
最初に、姿勢測定について説明する。本発明では、センサ1の姿勢計測のためにX軸とZ軸にそれぞれ平行な一様磁界hX、hZを利用する。この一様磁界hX、hZは、ヘルムホルツコイル形のコイル等によって発生させることができる。
【0012】
まず、Z軸に平行な一様磁界hZを発生させる。つぎに、このときの計測領域内の任意の位置に配置されたセンサ1により、センサ1の位置でのローカル座標系における磁界SZ=(huz,hvz,hwz)を計測する。これから、U,V,Wの各軸に付随する基底ベクトルのZ成分(auz,avz,awz)を次式によって求めることができる。同様にしてX軸に平行な一様磁界hXを発生させ、同様の計算によって、U,V,Wの各軸に付随する基底ベクトルのX成分(aux,avx,awx)を次式によって求める。
【0013】
【数1】
【0014】
また、センサ1の姿勢を表す行列Aは、次式の様に定まる。
【0015】
【数2】
【0016】
この姿勢行列Aの行列式|A|=1で、各列ベクトル式(aux,avx,awx)、(auz,avz,awz)及び求めるべき(auy,avy,awy)は、大きさ1で、互いに直交する性質を持つ。よって、以下のようなベクトルの外積の式(3)によって、基底ベクトルの直交関係から、実測により(1)及び(2)式で求めたX成分及びZ成分を用いて、Y成分(auy,avy,awy)を求めることができる。
【0017】
【数3】
【0018】
この姿勢行列Aを用いることにより、式(4)のように、ローカル座標系である(U,V,W)座標系で測定した磁界を、グローバル座標系である(X,Y,Z)座標系の成分に変換することができる。
【0019】
【数4】
【0020】
つぎに、位置測定について説明する。センサ1の位置決定には、大域的な線形勾配磁界を用いる。すなわち、位置についてのX成分はX軸方向に、Y成分はY軸方向に、Z成分はZ軸方向にその強度が直線的に変化するような磁界を用いる。
【0021】
図2に、X方向に勾配を持つ線形勾配磁界ghXの分布図を示す。この分布は、Y方向及びZ方向にそれぞれ勾配を持つ線形勾配磁界ghY、ghZについても同様である。このような線形勾配磁界は、直線上にある同値逆極性の一対の磁気ダイポールによってその中間領域・内部領域に生成することができる。このようにして得られる線形勾配磁界の対称点を改めて、グローバル座標系(X,Y,Z)の原点とすれば、線形勾配磁界ghXと位置Xの関係はghX=kXの関係にあり、線形勾配磁界ghXが求まれば、センサ1の位置のX成分を容易に算出することができる。なお、kはコイル定数とセンサ感度で決まる比例定数である。位置のY成分、Z成分も、同様に算出することができる。つまり、線形勾配磁界ghY、ghZにより、得られた磁場ベクトル成分と位置座標の各成分の比例関係により、センサ位置は容易に求めることができる。
【0022】
図3に、本発明に係る姿勢位置測定装置が備える各コイルの説明図を示す。図3(A)は、Z軸に一様磁界を発生させる第1のコイル10を、図3(B)は、X軸に一様磁界を発生させる第2のコイル20を、図3(C)は、線形勾配磁界を発生させる第3のコイル30を図示している。
【0023】
図3(A)及び(B)に図示されている2組のコイル(第1のコイル10、第2のコイル20)は、中央にもコイルが配置されており、計測領域にZ軸とX軸に平行な向きを持った2種類の一様磁界hX及びhZを発生させるものである。後述する実験及び計算のように、第1のコイル10及び第2のコイル20の各両端のコイルは、例えば、50ターン、中央のコイルは、例えば、31ターン(0.62倍)として、電流は同方向に流れるようにすることができる。
【0024】
図3(C)に図示されている線形勾配磁界を発生させる第3のコイル30は、両端に巻いた1対のコイルに互いに逆方向の電流を流すことにより線形勾配磁界を発生させるものである。このような1対の角形コイルにより、X、Y、Z軸の方向に線形勾配磁界を発生することができる。後述する実験及び計算では、この両端のコイルは、共に、例えば、20ターンであり、電流は互いに逆方向に流れる。コイルに流れる電流は、例えば、正弦波交流で周波数は50Hzであり、2組の一様磁界発生用コイルに流れる電流は、例えば、78mA、勾配磁界発生用コイルに流れる電流は、例えば、950mAとすることができる。発生した磁界は、測定領域内の任意の位置に配置されたフラックスゲート(例えば、感度10V/G、分解能2×10-5G、dc〜1kHz)によって測定した。なお、センサ1自身の向きは(U,V,W)=(0,0,1)、つまり、W方向がセンサ1の方向と定義した。
【0025】
なお、Z軸に一様磁界を発生させるコイル10と線形勾配磁界を発生させるコイル30は、共用しても良いし、別々にしてもよく、適宜の設計とすることができる。また、測定において各コイル10、20及び30に流す電流は、一度に流すのではなく、それぞれ別に流すこともできるが、各一様磁界及び線形勾配磁界は、第1、第2及び第3のコイル10、20及び30のいずれか又は全てを、時分割又は周波数分割により動作させることで磁界を発生し、磁界センサの姿勢又は位置又はこれら両方を適宜測定することもできる。さらには、第1又は第2のコイル10又は20の一方のみに電流を流し、1つの一様磁界を発生し、残りの一方に対する一様磁界を地磁気で代用しても良い。
【0026】
図4に、本発明に係る姿勢位置測定装置の構成図を示す。ここでは、図4の姿勢位置測定装置50は、立方体の形状をした枠をベースとしている。この姿勢位置測定装置50は、Z軸及びX軸に一様磁界を発生させる第1及び第2のコイル10、20、線形勾配磁界を発生させる第3のコイル30及びセンサ1を備える。姿勢位置測定装置50は、各コイル10、20、及び30に電流を流す正弦波発振器等の発振器OSCとパワーアンプに接続されている。また、センサ1は、姿勢位置測定装置50内に置かれ、その信号は、フラックスゲート磁束用アンプで増幅され、マルチメータで測定される。この枠には、図3(A)、(B)及び(C)のような3組のコイルが取り付けてある。なお、原理的には、一様磁界の向く軸の方向と、線形勾配磁界を規定する3つの軸方向は、共有しても、共有されなくても良い。
【0027】
つぎに、本発明に係る姿勢位置測定装置についての実験結果及び計算結果について説明する。
まず、一様磁界について説明する。
【0028】
図5に、一様磁界の磁界分布計算結果の説明図を示す。
センサ1の姿勢を計測するためには、計測領域内全域で磁界の方向ベクトルが一様でなければならず、この確認をする必要がある。そこで、センサ1が移動するためのレールを枠で作成し、X軸とZ軸に平行な一様磁界をそれぞれ発生したときの磁界のX,Y,Z成分を測定範囲−20≦X,Y,Z≦20で5cmごとに測定した。
【0029】
図6に、X軸一様磁界の均一性の特性図を示す。この図は、X軸に平行な一様磁界を発生したときの磁界のX成分を示す。X軸上を移動させた場合、対角線上に移動した場合の両方でほぼ一定であり、その誤差は1%未満であることが分かる。
【0030】
図7に、Z軸一様磁界の均一性の特性図を示す。この図は、Z軸に平行な一様磁界を発生したときの磁界の正規化されたZ成分を示しているが、図7と同様の結果が得られた。計測領域全域で磁界の方向ベクトルはほぼ一様であり、その一様性は姿勢計測において十分だということがわかる。
【0031】
つぎに、線形勾配磁界について説明する。
図8に、X座標と磁界ghXの関係についての計算結果の説明図を示す。
【0032】
この図は、1m四方の正方形コイル2組を、1m隔てて対向配置させて線形勾配磁界を発生したときのX座標とX成分ghXの関係についての計算結果を示している。X座標の位置が−20≦X≦20及び0≦Z≦20のときにXとghXが比例関係にあることが分かる。また、同範囲でZが変化してもグラフの勾配は一致している。これは、Yが変化しても同様である。このことからghXがXのみの関数であることが分かる。YとghY、ZとghZの関係も計算結果は同様の傾向が見られる。
【0033】
図9に、勾配磁界の磁界分布計算結果の説明図を示す。
図10では、線形勾配磁界のX成分とghXの関係説明図を、図11に、線形勾配磁界のZ成分とghZの関係説明図を示す。これらの図は、勾配磁界のX,Y,Z成分を測定範囲−20≦X,Y,Z≦20で5cmごとに計測し、それらの線形性を検証したものを示している。図10からわかるように、X座標とghXは比例関係にあり、YおよびZを変化させてもグラフの傾きはほぼ一致しており、ghXがXのみに依存した関数であるが分かる。角形コイルの対称性からY成分ghYにもghXと同様のことが言える。また、図11からもわかるように、Z座標とghZも比例関係にあり、ghZがZのみの関数であることが分かる。これにより、(4)式の関係が−20≦X,Y,Z≦20の範囲で十分成立することが確認できる。
【0034】
以下に、センサ1を任意の位置に任意の姿勢で配置し、その測定値を実際の位置および姿勢と比較した結果を示す。
実験1
設定値
センサ位置 (X,Y,Z)=(13,8,−5)
センサ姿勢 (aX,aY,aZ)=(1,0,0)
(センサがX正方向を向いている状態)
測定値
センサ位置 (X,Y,Z)=(12.9,7.7,−5.3)
センサ姿勢 (aX,aY,aZ)=(0.99,0.01,0.05)
実験2
測定値
センサ位置 (X,Y,Z)=(2.2,−6.7,0.6)
センサ姿勢 (aX,aY,aZ)=(−0.01,0.97,−0.23)
設定値
センサ位置 (X,Y,Z)=(1.5,−6,1)
センサ姿勢 (aX,aY,aZ)=(0,0.97,−0.25)
【0035】
以上の結果から、センサ1の姿勢に関して設定値と測定値はほぼ一致していることが分かる。一方、センサ1の位置に関しては1cm弱の誤差がみられたが、これは、今回実験に使用した3軸フラックスゲートの各軸のセンサが空間の同一点になく、これを同一点として取り扱った事が主な原因であると考えられる。このセンサ1の位置を標定すれば一層精度のよい測定が可能となる。
【0036】
【発明の効果】
本発明によると、磁気式において一様磁界と線形勾配磁界とを用い、姿勢検出用に一様磁界を、位置検出用に線形勾配磁界を利用することで、磁界の大きさに関する簡単な一次方程式により姿勢と位置とを同時に検出することができ、データ処理を簡素化し、高速検出を可能とすることができる。
【0037】
また、本発明によると、ダイポール磁界を用いる方法に比べ、計算アルゴリズムが極めて容易であり、モーションキャプチャ等による3次元コンピュータグラフィックスの製作時間の短縮化を図るとともに、スポーツ医学、娯楽用ソフト製作などへの利用化をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】座標系及び一様磁界の説明図。
【図2】X方向に勾配を持つ線形勾配磁界ghXの分布図。
【図3】本発明に係る姿勢位置測定装置が備える各コイルの説明図。
【図4】本発明に係る姿勢位置測定装置の構成図。
【図5】一様磁界の磁界分布計算結果の説明図。
【図6】X軸一様磁界の均一性の特性図。
【図7】Z軸一様磁界の均一性の特性図。
【図8】X座標と磁界ghXの関係についての計算結果の説明図。
【図9】勾配磁界の磁界分布計算結果の説明図。
【図10】線形勾配磁界のX成分とghXの関係説明図。
【図11】線形勾配磁界のZ成分とghZの関係説明図。
【符号の説明】
1 センサ
10 第1のコイル
20 第2のコイル
30 第3のコイル
50 姿勢位置測定装置
Claims (7)
- センサの姿勢及び位置を測定する姿勢位置測定装置であって、
第1の軸方向に一様磁界を発生する第1のコイルと、
第1の軸方向と直交する第2の軸方向に一様磁界を発生する第2のコイルと、
一対の角形コイルを有し、各々の前記角形コイルにそれぞれ逆方向に電流を流すことで、直交する3軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生する第3のコイルと
を備え、
前記第1及び第2のコイルで一様磁界を発生し、発生された一様磁界によりセンサの姿勢を測定し、
前記第3のコイルで3軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生し、発生された線形勾配磁界により、且つ、前記第1及び第2のコイルで発生された一様磁界により測定されたセンサの姿勢を用いて、センサの位置を測定する
姿勢位置測定装置。 - 前記センサは、3軸磁界センサであることを特徴とする請求項1に記載の姿勢位置測定装置。
- 前記第3のコイルは、前記第1又は第2のコイルの一部又は全部により共有されて構成することを特徴とする請求項1又は2に記載の姿勢位置測定装置。
- 磁界センサの姿勢及び位置を測定する姿勢位置測定方法であって、
第1の軸方向と、第1の軸方向に直交する第2の軸方向とに、それぞれ一様磁界を発生し、
発生された各々の一様磁界により磁界センサの姿勢を測定し、
一対の角形コイルにそれぞれ逆方向に電流を流すことで、直交する3軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生し、
発生された線形勾配磁界により、且つ、前記一様磁界により測定されたセンサの姿勢を用いて、磁界センサの位置を測定する
ようにした姿勢位置測定方法。 - 第1、第2及び第3のコイルのいずれか又は全てを、時分割又は周波数分割により動作させることで磁界を発生し、磁界センサの姿勢及び/又は位置を測定することを特徴とする請求項4に記載の姿勢位置測定方法。
- 第1又は第2の軸方向のいずれかの一様磁界として、地磁気を用いることを特徴とする請求項4又は5に記載の姿勢位置測定方法。
- 前記直交する3軸方向は、それぞれ第1の軸方向、第2の軸方向、及び、第1並びに第2の軸方向に直交する第3の軸方向であることを特徴とする請求項4乃至6のいずれかに記載の姿勢位置測定方法。
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