JP5233000B2 - 動き測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、動き測定装置に関し、特にたとえば、理学療法向けの診断機器に適用され、センサからの加速度データおよび角速度データに基づいて対象者の動き（腕上げ量など）を測定する、動き測定装置に関する。

背景技術としては、広くモーションキャプチャと呼ばれる手法が存在する。従来のモーションキャプチャは、光学式，磁気式および慣性方式に区別される。

光学式の一例が非特許文献１に開示されている。この背景技術は、反射素材を人体に貼り付け、これを複数のカメラで撮影しつつ追跡して、それらの３次元位置から体全体の姿勢を算出する手法である。一般的に、精度を上げるためには多くのカメラと広い計測空間が必要であり、また、計測の準備と調整に時間を要するため、非常に高価な設備となる。

磁気式の一例が非特許文献２に開示されている。この背景技術は、磁界を発信するアンテナとそれを受信する小型アンテナによって、小型アンテナの位置と姿勢を計測する手法である。しかし一般には、精度が低く、また金属などの影響を受けやすいので、実用性は低い。

慣性式の一例が非特許文献３〜５に開示されている。この背景技術は、加速度センサ，角速度センサおよび地磁気センサを組み合わせ、角速度センサの出力を時間積分して姿勢を算出しつつ、地磁気センサによって水平方向を、加速度センサによって重力方向をそれぞれ検出し、検出結果に基づいて積分結果をリセットする手法である。リセットは、積分時間が長くなるにつれて増大するドリフトを抑制するのに役立つ。この手法によれば、高い精度で計測が行え、また、センサ部分を１つのユニットに集約することが可能である。一方で、複雑な計算を要するために、センサに高性能のＰＣを接続する必要があり、容易には小型化に至らない。センサユニットもそれなりの大きさで、これとＰＣとを有線で接続する必要がある。
Ｖｉｃｏｎ（http://www.crescentvideo.co.jp/vicon/） Ｐｏｌｈｅｍｕｓ（http://www.polhemus.com/） ＮＥＣトーキン製３Ｄモーションセンサ（http://www.nec-tokin.com/product/3d/index.html） トキメック製ＶＳＡＳ−２ＧＭ（http://www.tokimec.co.jp/sensor/vsas/index.html） クレアクト社ＩｎｔｅｒＣｕｂｅ２／３（http://www.creact.co.jp/jpn/intersense/inertiacube.html）

それゆに、この発明の主たる目的は、新規な動き測定装置を提供することである。

この発明の他の目的は、コンパクトな構成で精度の高い測定が行える、動き測定装置を提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の構成を採用した。なお、括弧内の参照符号および補足説明などは、本発明の理解を助けるために後述する実施の形態との対応関係を示したものであって、本発明を何ら限定するものではない。

第１の発明に従う動き測定装置は、角速度センサおよび加速度センサから角速度および加速度をそれぞれ繰り返し取得する取得手段、取得手段によって取得された角速度を積算する積算手段、および積算手段の積算結果を取得手段によって取得された加速度が加速度条件を満足したときリセットするリセット手段を備える。

第１の発明では、角速度センサ（５２）が角速度を、加速度センサ（５０）が加速度をそれぞれ計測している。動き測定装置（１０）では、取得手段（Ｓ３）が角速度センサおよび加速度センサから角速度および加速度をそれぞれ繰り返し取得する。取得された角速度は積算手段（Ｓ７）によって積算され、この積算結果は、取得された加速度が加速度条件を満足したときリセット手段（Ｓ１５）によってリセットされる。

第１の発明によれば、積算結果のリセットを加速度に基づいて行うので、地磁気センサから地磁気を取得しなくても、角速度センサおよび加速度センサからの角速度および加速度だけで精度の高い動き測定が行える。

第２の発明に従う動き測定装置は、第１の発明に従属し、取得手段によって取得された角速度は複数の角速度成分を含み、積算手段は角速度成分毎に積算を行う。

第２の発明では、取得された角速度が複数の角速度成分を含んでおり、積算は角速度成分毎に行われる。

なお、好ましい実施例では、角速度は３つの角速度成分αＸ，αＹおよびαＺを含んでいる。ここでＸ，ＹおよびＺは、各センサユニットに固定された座標系に従う。

第３の発明に従う動き測定装置は、第１または第２の発明に従属し、取得手段によって取得された加速度は複数の加速度成分を含み、取得手段によって取得された加速度の絶対値を算出する算出手段をさらに備える。

第３の発明では、取得された加速度が複数の加速度成分を含んでおり、算出手段は、取得された加速度の絶対値、つまり複数の加速度成分からなる加速度ベクトルの大きさを算出する。

なお、好ましい実施例では、加速度は３つの加速度成分ａＸ，ａＹおよびａＺを含んでおり、加速度の絶対値｜ａ｜として加速度ベクトル（ａＸ，ａＹ，ａＺ）の大きさ√（ａＸ^２＋ａＹ^２＋ａＺ^２）が算出される。

第４の発明に従う動き測定装置は、第３の発明に従属し、加速度条件は、加速度成分に関する加速度成分条件、および加速度の絶対値に関する加速度絶対値条件を含み、リセット手段は、取得手段によって取得された加速度に含まれる特定の加速度成分が加速度成分条件を満足し、かつ算出手段の算出結果が加速度絶対値条件を満足したときリセットを行う。

第４の発明では、加速度条件には、加速度成分に関する加速度成分条件と、加速度の絶対値に関する加速度絶対値条件とが含まれる。積算結果のリセットが行われるタイミングは、取得された加速度に含まれる特定の加速度成分が加速度成分条件を満足し、かつ算出された加速度絶対値が加速度絶対値条件を満足したときである。

なお、好ましい実施例では、対象者の上腕の動きを測定するが、ここでの加速度成分条件は上腕が真下つまり重力方向を向くという条件（たとえば−０．１ｍＧ＜ａＺ＜０．１ｍＧで一定時間安定）を含み、加速度絶対値条件は上腕が静止するという条件（たとえば９６５ｍＧ＜｜ａ｜＜９９５ｍＧで一定時間安定）を含む。

第４の発明によれば、このような２つの加速度条件に基づいてリセットを行うことで、適切なタイミングでのリセットが可能となり、測定精度が高まる。

第５の発明に従う動き測定システムは、角速度および加速度を繰り返し計測する第１センサユニット、および少なくとも第１センサユニットの計測結果に基づいて動きを測定する動き測定装置を備え、動き測定装置は、第１センサユニットによって計測された角速度を積算する第１積算手段、および第１積算手段の積算結果を第１センサユニットによって計測された加速度が加速度条件を満足したときリセットする第１リセット手段を含む。

第５の発明に従う動き測定システム（１００）では、第１センサユニット（１２ａ〜１２ｃの１つ）が角速度および加速度を繰り返し計測し、動き測定装置（１０）は少なくとも第１センサユニットの計測結果に基づいて動きを測定する。

動き測定装置では、第１センサユニットによって計測された角速度が第１積算手段（Ｓ７）によって積算されていく。この積算結果は、第１センサユニットによって計測された加速度が加速度条件を満足したとき、第１リセット手段（Ｓ１５）によってリセットされる。

第５の発明によれば、積算結果のリセットを加速度に基づいて行うので、地磁気センサを用いなくても、角速度および加速度を計測する第１センサユニットセンサだけで、精度の高い動き測定が行える。

第６の発明に従う動き測定システムは、第５の発明に従属し、角速度および加速度を繰り返し計測する第２センサユニットをさらに備え、動き測定装置は、第２センサユニットによって計測された角速度を積算する第２積算手段、および第２積算手段の積算結果を第２センサユニットによって計測された加速度が加速度条件を満足したときリセットする第２リセット手段をさらに含む。

第６の発明では、動き測定システムは、角速度および加速度を繰り返し計測する第２センサユニット（１２ａ〜１２ｃの他の１つ）をさらに備える。動き測定装置では、第２センサユニットによって計測された角速度が第２積算手段（Ｓ７）によって積算されていく。この積算結果は、第２センサユニットによって計測された加速度が加速度条件を満足したとき、第２リセット手段（Ｓ１５）によってリセットされる。

第６の発明によれば、少なくとも第１センサユニットおよび第２センサユニットを用い、そしてリセットをセンサユニット毎に行うので、測定精度の向上が可能となる。

第７の発明に従う動き測定システムは、第６の発明に従属し、動き測定装置は、第１センサユニットによって計測された角速度および第２センサユニットによって計測された角速度の少なくとも一方に座標系変換処理を施す座標系変換手段をさらに備える。

第７の発明では、第１センサユニットによって計測された角速度および第２センサユニットによって計測された角速度の少なくとも一方に対して、座標系変換手段（Ｓ４）による座標系変換処理が施される。

なお、好ましい実施例では、各センサユニットによって計測された角速度に対して、当該センサユニットに固定された座標系（ＸＹＺ座標系）から静止座標系（ｘｙｚ座標系）への座標系変換処理が施される。他の実施例では、一方のセンサユニットに対して、当該センサユニットに固定された座標系から他方のセンサユニットに固定された座標系への座標系変換処理が施される。

第７の発明によれば、センサユニット間で座標系を共通化することで、第１センサユニットの計測結果および第２センサユニットの計測結果に基づく測定（加減算などの演算を含む）が可能となる。

第８の発明に従う動き測定システムは、第７の発明に従属し、第１センサユニットおよび第２センサユニットの各々は計測結果に共通のタイムスタンプを付与し、動き測定装置は少なくとも第１センサユニットの計測結果および第２センサユニットの計測結果に基づいて測定を行う。

第８の発明によれば、第１センサユニットの計測結果および第２センサユニットの計測結果に共通のタイムスタンプを付与するので、計測結果の間で同期を取ることが可能となり、より精度の高い測定が行える。

第９の発明に従う動き測定装置は、第５〜第８のいずれかの発明に従属し、第１センサユニットおよび第２センサユニットの各々と動き測定装置とは計測結果を無線で送受信する。

第１０の発明に従う制御プログラム（６２）は、動き測定装置（１０）のプロセッサ（２２）に、角速度センサ（５２）および加速度センサ（５０）から角速度および加速度をそれぞれ繰り返し取得する取得ステップ（Ｓ３）、取得ステップによって取得された角速度を積算する積算ステップ（Ｓ７）、および積算ステップの積算結果を取得ステップによって取得された加速度が加速度条件を満足したときリセットするリセットステップ（Ｓ１５）を実行させる。

第１０の発明でも、第１の発明と同様に、地磁気センサから地磁気を取得しなくても、角速度センサおよび加速度センサからの角速度および加速度だけで精度の高い動き測定が行える。

この発明によれば、コンパクトな構成で、精度の高い動き測定を行うことができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１を参照して、この発明の一実施例である診断システム１００は、ｂｌｕｅｔｏｏｔｈによる無線通信機能を各々が有するＰＣ（診断装置）１０およびセンサユニット１２ａ〜１２ｃを含む。ＰＣ１０の構成例を図２に、センサユニット１２ａ〜１２ｃの構成例を図３にそれぞれ示す。なお、センサユニット１２ａ〜１２ｃは共通の構成を有しており、これらを互いに区別する必要がない場合には“センサ１２”のように略記する。

図２を参照して、ＰＣ１０は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール２０，ＣＰＵ２２，ＲＯＭ２４，ＲＡＭ２６，ＬＣＤモニタ２８およびキー入力装置３０を備える。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール２０は、アンテナ２０ａを通してセンサ１２との間で無線通信を行う。具体的には、ＣＰＵ２２からのコマンドデータをセンサ１２に送信し、また、センサ１２からの加速度データおよび角速度データを受信してＣＰＵ２２に与える。

ＣＰＵ２２は、ＰＣ１０の全体制御に加え、各種のデータ処理を行う。ＣＰＵ２２には現時刻データを出力する時計２２Ｔが含まれており、制御または処理では時計２２Ｔの出力が適宜参照される。

ＲＯＭ２４は、不揮発性メモリであり、ＣＰＵ２２の動作に必要なプログラムおよびデータを記憶している。ＲＡＭ２６は、ＣＰＵ２２が動作するためのワークメモリまたはバッファメモリとして機能する。

ＬＣＤモニタ２８は、ＣＰＵ２２によるデータ処理の結果などを表示する。キー入力装置３０は、ユーザによるキー入力操作を受け付け、これに該当するコマンドをＣＰＵ２２に与える。

図３を参照して、センサ１２は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール４０，ＣＰＵ４２，ＲＯＭ４４，ＲＡＭ４６，ＬＥＤ４８，加速度センサ５０，角速度センサ５２，充電回路５４およびバッテリ５６を備える。なお、ＲＯＭ４４およびＲＡＭ４６は、ここではＣＰＵ４２に内蔵されているが、外付けでもよい。

Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール４０は、アンテナ４０ａを通してＰＣ１０との間で無線通信を行う。具体的には、加速度センサ５０および角速度センサ５２からＣＰＵ４２を介して与えられる加速度データおよび角速度データをＰＣ１０に送信し、また、ＰＣ１０からのコマンドデータを受信してＣＰＵ４２に与える。

ＣＰＵ４２は、センサ１２の全体制御を行う。ＲＯＭ４４は、不揮発性メモリであり、ＣＰＵ４２の動作に必要なプログラムおよびデータを記憶している。ＲＡＭ４６は、ＣＰＵ４２が動作するためのワークメモリまたはバッファメモリとして機能する。ＬＥＤ４８は、このセンサ１２の状態を表示するために設けられており、たとえば通信中，通信待ち受け中および充電中であることをそれぞれ示す青色，緑色および橙色ＬＥＤを含む。

加速度センサ５０は、互いに垂直なＸ，ＹおよびＺの３軸（図４参照：後述）について加速度を検出し、検出結果を示す加速度データつまり（ａＸ，ａＹ，ａＺ）をＣＰＵ４２に与える。ＣＰＵ４２は、現時刻データを繰り返し出力する時計４２Ｔを含み、与えられた加速度データに時計４２Ｔの出力に基づくタイムスタンプ（ｔ）を付与する。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール４０へはこのタイムスタンプ付きの加速度データつまり（ａＸ，ａＹ，ａＺ，ｔ）が与えられ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール４０は与えられた加速度データをＰＣ１０へと送信する。

角速度センサ５２は、Ｘ，ＹおよびＺの３軸について軸周りの角速度を検出し、検出結果（αＸ，αＹおよびαＺ）を示す角速度データをＣＰＵ４２に与える。ＣＰＵ４２は、加速度データに対しても時計４２Ｔの出力に基づくタイムスタンプを付与する。そして、タイムスタンプ付きの角速度データつまり（αＸ，αＹ，αＺ，ｔ）もまた、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール４０からＰＣ１０へと送信される。

ここで、ＰＣ１０側の時計２２Ｔとセンサ１２側の時計４２Ｔとは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信を利用した修正処理を通じて、互いに同期した状態に保たれる。すなわち、たとえばＣＰＵ４２が時計４２Ｔの時刻を定期的にＣＰＵ２２に通知し、ＣＰＵ２２は、通知された時刻を時計２２Ｔの時刻と比較して、誤差が検出されたときこれを修正する。

センサ１２の各コンポーネントへの電源は、バッテリ５６によって供給される。充電回路５４は、バッテリ５６に充電用電源を供給する。

センサ１２はまた、所定形状かつ小型に成型されたプラスチック等からなるハウジングを含む。このようなハウジングの一例を図４に示す。図４のハウジング１２Ｈは、３９×３６．５×１０ｍｍの直方体形状を有する。センサ１２の各コンポーネント（充電回路５４およびバッテリ５６も含む）は、以下ではハウジング１２Ｈに収納されるものとする。このとき、加速度センサ５０および角速度センサ５２の各々は、Ｚ軸がハウジング１２Ｈの主面ｍｆと垂直になり、そしてＸ軸およびＹ軸がハウジング１２Ｈの第１側面ｓｆ１および第２側面ｓｆ２とそれぞれ垂直になるような向きに収納される。

以上のように構成された診断システム１００は、たとえば理学療法のための診断業務に図５の要領で適用される。図５を参照して、互いに垂直なｘ，ｙおよびｚの３軸は静止座標系に従い、ｚ軸は重力方向と平行である。センサユニット１２ａおよび１２ｂは対象者の一方上腕に、センサユニット１２ｃは対象者の胸に、それぞれ装着される。したがって、センサユニット１２ａおよび１２ｂの各々からは上腕の動きに応じた加速度データおよび角速度データが送信され、センサユニット１２ｃからは胴体の動きに応じた加速度データおよび角速度データが送信される。

ＰＣ１０は、センサユニット１２ａ〜１２ｃの各々と通信可能な場所に設置され、図示しない理学療法士などによって操作される。ＰＣ１０では、センサユニット１２ａ〜１２ｃからの加速度データおよび角速度データに基づいて、角速度を積算する処理，積算結果（角度）をリセットする処理，および角度に基づいて腕上げ量を算出する処理などが実行される。

なお、ここでいう腕上げ量は、図５に示すように、胴体の軸に対する上腕の軸の角度であり、たとえば静止座標系で（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）のように記述される。これに時間成分を付した（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ，Ｔ）を“腕上げ量データ”と呼ぶ。センサユニット１２ａ〜１２ｃからの生データ（加速度データおよび角速度データ）は、それぞれに固定された座標系（ＸＹＺ座標系）に従うため、前述の一連の処理に先立って静止座標系（ｘｙｚ座標系）への変換処理を行うことが必要である。

より詳しくは、センサユニット１２ａおよび１２ｂの各々は、たとえば、対象者が腕を下ろした状態で、Ｚ軸（主面ｍｆの法線）が対象者から見て真横（左右方向）を向き、かつＹ軸（第２側面ｓｆ２の法線）が真下（重力方向）を向くように装着される。この結果、Ｘ軸は正面（前後方向）を向く。センサユニット１２ｃは、たとえば、対象者が直立した状態で、Ｚ軸が真ん前を向き、かつＹ軸が真下を向くように装着される。この結果、Ｘ軸は真横（右方向）を向く。

ところで、対象者がリラックスしている状態では一般に、胴体の軸および上腕の軸はいずれも重力方向を向いており、わずかに前後左右に振れるだけである。

このため、リラックス状態では、センサユニット１２ａおよび１２ｂの各々からのＺ方向の加速度ａＺが概ね“０”を示す（たとえば−０．１＜ａＺ＜０．１）と共に、加速度の絶対値√（ａＸ^２＋ａＹ^２＋ａＺ^２）が重力加速度の近傍で安定する（たとえば９６５ｍＧ＜｜ａ｜＜９９５ｍＧ）。リセット処理、つまり角度成分Ａｘ，ＡｙおよびＡｚを“０”に初期化する処理は、この状態が検出されたタイミングで実行される。以下、具体例により説明する。

図６には、対象者が腕を真横に上げ下げする場合のセンサユニット１２ａによる計測結果，および計測結果から算出される角度がグラフで示される。図６を参照して、太線のグラフはＺ方向の加速度ａＺを示し、細線のグラフはＸ軸周りの角速度αＸを示す。角速度αＸの積算結果つまりＸ軸周りの角度については、リセット補正無しおよびリセット補正有りの２つの場合を鎖線および点線の２本のグラフで示す。一方、図７のグラフは、図６の場合における加速度の絶対値｜ａ｜を示す。

図６および図７に共通して、横軸の数値は時刻ｔ（タイムスタンプ）を、縦軸の数値は加速度（単位：ｍＧ）をそれぞれ示す。対象者は、当初（ｔ＝４５２３０ｍ秒）腕を下ろしており（リラックス状態）、計測終了（ｔ＝４５２５０ｍ秒）まのでの間に腕を真横に上げ下げする運動を３往復分行っている。

図６および図７を参照して、当初、加速度ａＺ，角速度，角度（リセット補正無し）および角度（リセット補正有り）はいずれも“０”を示し、加速度絶対値｜ａ｜は９８０ｍＧの近傍（９６５ｍＧ＜｜ａ｜＜９９５ｍＧ）で安定している。

加速度ａＺはその後、腕が上がるにつれて減少し、真横を向く前後で−７００ないし−９００ｍＧとなる。そして、腕が下がるにつれて増加し、真下を向いたとき“０”に戻る。これが最初の１往復分の運動に対応する加速度ａＺの変化であり、２往復目以降も同様の変化が繰り返される。

加速度絶対値｜ａ｜は、腕上げ開始に応答して大きく変動（±９０ｍＧ）した後、徐々にその振幅を減じていく。そして、動きが上昇から降下に転ずるとき再び大きく変動し、腕が下がり切るとリラックス状態となって再び９８０ｍＧの近傍（９６５ｍＧ＜｜ａ｜＜９９５ｍＧ）で安定する。２往復目以降も同様の変化が繰り返される。

角速度は、腕上げ開始当初減少し、その後増加に転じて、腕下げに移行するとき最大となる。そして再び減少し、腕下げ終了後“０”に戻る。２往復目以降も同様の変化が繰り返される。

角度（リセット補正無し）は、腕が上がるにつれて減少し、ピーク位置で最小となる。その後、腕が下がるにつれて増加するが、真下を向く前に“０”に戻り、真下を向いたときには“０”よりも大きな値を示している。２往復目以降も同様の変化が繰り返されるが、真下を向いた時点の角度値は、１往復目完了時よりも２往復目完了時のほうが大きく、２往復目完了時よりも３往復目完了時のほうがさらに大きい。

ここで、角速度の積算値である角度は本来、腕下げ終了時“０”に戻るはずである。そうならないのは、センサ１２のノイズに起因するオフセットが正の方向に蓄積していくためである。したがって、適切なタイミングで角度をリセットしなければ、時間の経過につれて角度誤差（ドリフト）が増大していく結果となる。

角度（リセット補正有り）は、１往復目の完了直前までは角度（リセット補正無し）と同様に変化するが、その完了時“０”にリセットされる。２往復目以降も同様の変化が繰り返される。こうして、１往復毎にリセット補正を行うことで、角度誤差を１往復期間で生じる値以下に抑えることができる。

リセット補正を行うタイミングは、対象者が腕を下ろしてリラックス状態となったときである。対象者の状態がリラックス状態であるか否かは、Ｚ方向の加速度ａＺおよび加速度絶対値｜ａ｜に基づいて判定される。

具体的には、（１）Ｚ方向の加速度が概ね“０”であり、かつ（２）加速度絶対値が重力加速度の近傍で安定したとき、リラックス状態になったと判定し、リセット処理を実行する。

診断システム１００で診断を行うときのＰＣ１０側のメモリマップを図８に示す。図８を参照して、ＲＡＭ２６は、プログラム記憶領域６０およびデータ記憶領域７０を含む。プログラム記憶領域６０には座標系変換プログラム６１，角度演算プログラム６２，腕上げ量演算プログラム６４，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ制御プログラム６６および入出力制御プログラム６８などが記憶され、データ記憶領域には生データつまり加速度データ（ａＸ，ａＹ，ａＺ，ｔ）および角速度データ（αＸ，αＹ，αＺ，ｔ）７１ａ，変換角速度データつまり座標系変換後の角速度データ（αｘ，αｙ，αｚ，ｔ）７１ｂ，センサユニット１２ａ〜１２ｃにそれぞれ割り当てられた角度データ（Ａｘ，ＡｙおよびＡｚ，Ｔ）７２〜７６，および腕上げ量データ（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ，Ｔ）７８などが記憶される。

座標系変換プログラム６１は、センサユニット１２ａ〜１２ｃからの角速度データ（αＸ，αＹ，αＺ，ｔ）７１ａに静止座標系への座標系変換処理を施す。角度演算プログラム６２は、変換角速度データ（αｘ，αｙ，αｚ，ｔ）７１ｂに基づく角度演算をセンサユニット毎に行い、角度データ７２〜７６を演算結果で更新するためのプログラムである。腕上げ量演算プログラム６４は、角度データ７２〜７６に基づく腕上げ量演算を行い、腕上げ量データ７８を演算結果で更新するためのプログラムである。

Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ制御プログラム６６は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール２０を制御してセンサユニット１２ａ〜１２ｃとの間で近距離無線通信を行うためのプログラムである。入出力制御プログラム６８は、キー入力装置３０による入力操作を受け付け、かつ演算結果をＬＣＤモニタ２８を通じて出力するためのプログラムである。

図９には角度演算プログラム６２に対応するフローチャートが、図１０には腕上げ量演算プログラム６４に対応するフローチャートがそれぞれ示される。図９の角度演算処理はセンサユニット毎に実行され、これらと並行して図１０の腕上げ量演算処理も実行される。すなわちＣＰＵ２２は、３つのセンサユニット１２ａ〜１２ｃのための３つの角度演算処理と、これら３つの演算結果に基づく腕上げ量演算処理との４つの処理を並列的に実行する。

センサユニット１２ａのための角度演算は、たとえば次の手順で行われる。図９を参照して、最初のステップＳ１では、角度データ７２を初期化する。これによって、角速度成分Ａｘ，ＡｙおよびＡｚならびに時間成分Ｔの各々に初期値“０”がセットされる。次のステップＳ３では、センサユニット１２ａから加速度データ（ａＸ，ａＹ，ａＺ，ｔ）および角速度データ（αＸ，αＹ，αＺ，ｔ）を取得する。そしてステップＳ４で、取得された角速度データの角速度成分αＸ，αＹおよびαＺに対して、センサユニット１２に固定された座標系（ＸＹＺ座標系）から静止座標系（ｘｙｚ座標系）への座標系変換処理を施す。なお、取得された加速度データの加速度成分に対しても、ここで座標系変換処理を施して構わない。

続く一連のステップＳ５〜Ｓ１５では、取得データに基づいて、時間更新，角速度積算，加速度絶対値算出，角度リセットなどの処理が実行される。詳しくは、ステップＳ５で時間成分Ｔにタイムスタンプｔをセットし、ステップＳ７では角度成分Ａｘ，ＡｙおよびＡｚに角速度成分αｘ，αｙおよびαｚをそれぞれ加算する。

ステップＳ９では、Ｚ方向の加速度ａＺが“０”であるか否か、すなわち前述の条件（１）が満足されたか否かを判別し、ＮＯであればステップＳ３に戻る。ａＺの値が概ね“０”たとえば“０±５ｍＧ”の範囲内であれば、ステップＳ９でＹＥＳと判別して、ステップＳ１１に移る。

ステップＳ１１では、加速度絶対値｜ａ｜（＝√（ａＸ^２＋ａＹ^２＋ａＺ^２）を算出する。そしてステップＳ１３で、｜ａ｜の値が重力加速度９８０ｍＧの近傍で安定したか否か、すなわち前述の条件（２）が満足されたか否かをさらに判別する。ここでＮＯであれば、直ちにステップＳ３に戻る。

一方、｜ａ｜の値が重力加速の近傍（たとえば“９８０±１５ｍＧ”の範囲内）にあり、かつこのような状態が所定期間（たとえば０．５秒）以上継続すると、ステップＳ１３でＹＥＳと判別し、ステップＳ１５に移る。ステップＳ１５では、角度成分Ａｘ，ＡｙおよびＡｚをリセットする。時間成分Ｔはリセットされない。その後、ステップＳ３に戻る。なお、ステップＳ３〜Ｓ１５のループは、たとえば１／１００秒周期で実行される。

センサユニット１２ｂのための角度演算およびセンサユニット１２ｃのための角度演算もまた、上記と同様の手順で行われる。したがって、３つのセンサユニット１２ａ〜１２ｃに対応する角度データ７２〜７６は、対象者がリラックス状態となる度にリセットされる結果となる。なお、リセット処理はセンサユニット毎に実行されるので、リセットのタイミングが角度データ７２〜７６の間で厳密に一致するわけではない。

腕上げ量演算は、たとえば次の手順で行われる。図１０を参照して、最初のステップＳ３１では、腕上げ量データ７８を初期化する。これによって、角度成分Ｂｘ，ＢｙおよびＢｚならびに時間成分Ｔの各々に初期値“０”がセットされる。次のステップＳ３３では、データ記憶領域７０から角度データ７２〜７６を取得する。そしてステップＳ３５で、角度データ７２および７４（つまり上腕に装着された２つのセンサユニット１２ａおよび１２ｂからの角度データ）を成分毎に平均する。

次のステップＳ３７では、角度データ７２および７４の平均値と、角度データ７６（つまり胸に装着されたセンサユニット１２ｃからの角度データ）とに基づいて、体の軸に対する上腕の軸の角度（つまり正味の腕上げ量）を算出する。そしてステップＳ３９で、腕上げ量データ７８を算出結果に基づいて更新した後、ステップＳ３３に戻る。なお、ステップＳ３３〜Ｓ３９のループは、たとえば１／３０秒周期で実行される。

ＬＣＤモニタ２８には、こうして更新される腕上げ量データ７８を示すグラフ、たとえば図６に点線で示した角度（リセット補正有り）のグラフが表示される。オフセットの蓄積が抑制されたグラフを参照することで、より的確な診断が可能となる。

なお、上で挙げた座標軸の方向や、リラックス状態判別時の閾値，ループの実行周期といった数値は、いずれも一例であり、必要に応じて変更される。

以上から明らかなように、この実施例の診断システム１００では、センサユニット１２ａ〜１２ｃの各々が角速度および加速度を計測している。ＰＣ１０（ＣＰＵ２２）は、センサユニット１２ａ〜１２ｃの各々から角速度および加速度を繰り返し取得し（Ｓ３）、取得された角速度を積算し（Ｓ７）、そして積算結果を取得された加速度が加速度条件を満足したときリセットする（Ｓ１５）。このように、角速度の積算値を加速度に基づいてリセットするので、地磁気センサを用いることなく精度の高い動き測定が行える。

より特定的には、取得された角速度は３つの角速度成分αＸ，αＹおよびαＺを含んでおり、積算は角速度成分毎に行われる。なお、取得された角速度は各センサユニットに固定された座標系に従うため、積算に先立って、静止座標系への座標系変換処理が実行される。取得された加速度もまた３つの加速度成分ａＸ，ａＹおよびａＺを含んでおり、ＰＣ１０はさらに、取得された加速度の絶対値｜ａ｜つまり加速度ベクトル（ａＸ，ａＹ，ａＺ）の大きさを算出する。

加速度条件は、加速度成分に関する加速度成分条件（たとえば−０．１＜ａＺ＜０．１）、および加速度の絶対値に関する加速度絶対値条件（たとえば９６５ｍＧ＜｜ａ｜＜９９５ｍＧ）を含む。リセットは、取得された加速度に含まれる特定の加速度成分（たとえばＺ成分）が加速度成分条件を満足し、かつ算出された加速度絶対値が加速度絶対値条件を満足したとき行われる。これにより、加速度の積算値つまり角度を適切なタイミングでリセットすることができ、測定精度が高まる。

また、センサユニット１２ａ〜１２ｃの計測結果には共通のタイムスタンプ（ｔ）が付与され、ＰＣ１０はセンサユニット１２ａ〜１２ｃの計測結果に基づいて動き測定を行う。共通のタイムスタンプを付与したことで、計測結果の間で同期を取ることが可能となり、高い精度の測定を行える。

なお、この実施例では、センサユニット１２ａ〜１２ｃによって計測された３つの角速度の各々に対して、当該センサユニットに固定された座標系から静止座標系への座標系変換処理を施したが、たとえば、センサユニット１２ａおよび１２ｂによって計測された２つの角速度の各々に対して、当該センサユニットに固定された座標系からセンサユニット１２ｃに固定された座標系への座標系変換処理を施してもよい。

なお、この実施例では、センサユニット１２ａ〜１２ｃとして３軸のセンサを用いたが、計測対象によっては２軸または１軸のセンサを用いることも可能である。

なお、この実施例では、リセットをセンサユニット毎に行ったが、測定対象によっては共通のタイミングで行ってもよい。センサユニットの数は、１個または２個でもよく、４個以上でも構わない。センサユニットの数が多いほど、測定精度の向上や複雑な動きへの対応が容易になる。

なお、この実施例では、角速度の積算および積算結果のリセットをＰＣ１０側で行ったが、センサ１２側でこれらを行ってもよい。この場合、ＰＣ１０は、加速度条件が満足されたか否かを判別し、満足されたときリセット命令を発行する。センサ１２は、角速度の積算を行い、ＰＣ１０からリセット命令が発行されたとき積算結果をリセットする。

なお、この実施例では、角度データに基づいて腕上げ量を算出したが、加速度データ，角速度データおよび角度データを用いることで、様々な動き量の測定が可能である。どのような動きを測定するにしろ、コンパクトな構成で精度の高い測定を行うことができる。

この発明の一実施例である診断システムの構成を示すブロック図である。 図１のシステムに適用される診断装置（ＰＣ）の構成を示すブロック図である。 図１のシステムに適用されるセンサユニットの構成を示すブロック図である。 センサユニットの外観およびこれに固定された座標軸を示す図解図である。 図１のシステムの診断業務への適用例を示す図解図である。 図１のシステムによる計測結果の一例を示す図解図である。 図１のシステムによる計測結果の他の一例を示す図解図である。 診断装置に適用されるメモリマップを示す図解図である。 診断装置のＣＰＵ動作の一部を示すフロー図である。 診断装置のＣＰＵ動作の他の一部を示すフロー図である。

符号の説明

１０ …診断装置
１２ａ〜１２ｃ …センサユニット
２０，４０ …Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール
２２，４２ …ＣＰＵ
２２Ｔ，４２Ｔ …時計
２６，５６ …ＲＡＭ
５０ …加速度センサ
５２ …角速度センサ

Claims (12)

1. 角速度センサおよび加速度センサから角速度および加速度をそれぞれ繰り返し取得する取得手段、
   前記取得手段によって取得された角速度を積算する積算手段、および
   前記積算手段の積算結果を前記取得手段によって取得された加速度が加速度条件を満足したときリセットするリセット手段を備え、
   前記取得手段によって取得された加速度は複数の加速度成分を含み、
   前記取得手段によって取得された加速度の絶対値を算出する算出手段をさらに備え、
   前記加速度条件は、加速度成分に関する加速度成分条件、および加速度の絶対値に関する加速度絶対値条件を含み、
   前記リセット手段は、前記取得手段によって取得された加速度に含まれる特定の加速度成分が前記加速度成分条件を満足し、かつ前記算出手段の算出結果が前記加速度絶対値条件を満足したときリセットを行う、動き測定装置。
2. 前記特定の加速度成分は重力方向の加速度成分であり、前記加速度条件は重力方向の加速度成分が所定範囲で一定時間安定するという条件を含み、前記加速度絶対値条件は加速度の絶対値が所定範囲で一定時間安定するという条件を含む、請求項１記載の動き測定装置。
3. 前記取得手段によって取得された角速度は複数の角速度成分を含み、
   前記積算手段は角速度成分毎に積算を行う、請求項１または２記載の動き測定装置。
4. 角速度および加速度を繰り返し計測する第１センサユニット、および
   少なくとも前記第１センサユニットの計測結果に基づいて動きを測定する動き測定装置を備え、
   前記動き測定装置は、
   前記第１センサユニットによって計測された角速度を積算する第１積算手段、および
   前記第１積算手段の積算結果を前記第１センサユニットによって計測された加速度が加速度条件を満足したときリセットする第１リセット手段を含み、
   前記第１センサユニットによって計測された加速度は複数の加速度成分を含み、
   前記動き測定装置は、前記第１センサユニットによって計測された加速度の絶対値を算出する第１算出手段をさらに含み、
   前記加速度条件は、加速度成分に関する加速度成分条件、および加速度の絶対値に関する加速度絶対値条件を含み、
   前記第１リセット手段は、前記第１センサユニットによって計測された加速度に含まれる特定の加速度成分が前記加速度成分条件を満足し、かつ前記第１算出手段の算出結果が前記加速度絶対値条件を満足したときリセットを行う、動き測定システム。
5. 前記特定の加速度成分は重力方向の加速度成分であり、前記加速度条件は重力方向の加速度成分が所定範囲で一定時間安定するという条件を含み、前記加速度絶対値条件は加速度の絶対値が所定範囲で一定時間安定するという条件を含む、請求項４記載の動き測定装置。
6. 角速度および加速度を繰り返し計測する第２センサユニットをさらに備え、
   前記動き測定装置は、
   前記第２センサユニットによって計測された角速度を積算する第２積算手段、および
   前記第２積算手段の積算結果を前記第２センサユニットによって計測された加速度が加速度条件を満足したときリセットする第２リセット手段をさらに含み、
   前記第２センサユニットによって計測された加速度は複数の加速度成分を含み、
   前記動き測定装置は、前記第２センサユニットによって計測された加速度の絶対値を算出する第２算出手段をさらに含む、請求項４記載の動き測定システム。
7. 前記加速度条件は、加速度成分に関する加速度成分条件、および加速度の絶対値に関する加速度絶対値条件を含み、
   前記第２リセット手段は、前記第２センサユニットによって計測された加速度に含まれる特定の加速度成分が前記加速度成分条件を満足し、かつ前記第２算出手段の算出結果が前記加速度絶対値条件を満足したときリセットを行う、請求項６記載の動き測定システム。
8. 前記動き測定装置は、前記第１センサユニットによって計測された角速度および前記第２センサユニットによって計測された角速度の少なくとも一方に座標系変換処理を施す座標系変換手段をさらに備える、請求項６記載の動き測定システム。
9. 前記第１センサユニットおよび前記第２センサユニットの各々は計測結果に共通のタイムスタンプを付与し、
   前記動き測定装置は少なくとも前記第１センサユニットの計測結果および前記第２センサユニットの計測結果に基づいて測定を行う、請求項８記載の動き測定システム。
10. 前記第１センサユニットおよび前記第２センサユニットの各々と前記動き測定装置とは計測結果を無線で送受信する、請求項４〜９のいずれかに記載の動き測定装置。
11. 動き測定装置のプロセッサに、
    角速度センサおよび加速度センサから角速度および加速度をそれぞれ繰り返し取得する取得ステップ、
    前記取得ステップによって取得された角速度を積算する積算ステップ、および
    前記積算ステップの積算結果を前記取得ステップによって取得された加速度が加速度条件を満足したときリセットするリセットステップを実行させ、
    前記取得ステップによって取得された加速度は複数の加速度成分を含み、
    前記プロセッサに前記取得ステップによって取得された加速度の絶対値を算出する算出ステップをさらに実行させ、
    前記加速度条件は、加速度成分に関する加速度成分条件、および加速度の絶対値に関する加速度絶対値条件を含み、
    前記リセットステップは、前記取得ステップによって取得された加速度に含まれる特定の加速度成分が前記加速度成分条件を満足し、かつ前記算出ステップの算出結果が前記加速度絶対値条件を満足したときリセットを行う、制御プログラム。
12. 前記特定の加速度成分は重力方向の加速度成分であり、前記加速度条件は重力方向の加速度成分が所定範囲で一定時間安定するという条件を含み、前記加速度絶対値条件は加速度の絶対値が所定範囲で一定時間安定するという条件を含む、請求項１１記載の動き測定装置。

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