JP6555149B2

JP6555149B2 - 演算装置、演算方法及び演算プログラム

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Publication number: JP6555149B2
Application number: JP2016025958A
Authority: JP
Inventors: 小也香内藤; 嘉一森; 一希笠井
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2019-08-07
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: JP2017146116A; US20180235515A1; WO2017141565A1; EP3418684A4; US10856772B2; EP3418684B1; CN107923741B; CN107923741A; EP3418684A1

Description

本発明は、人体の測定対象部位を測定した結果に基づいて、人体の演算対象部位の長さを演算する演算装置、そのような演算装置を用いた演算方法、及びそのような演算装置を実現するための演算プログラムに関する。

工場等の様々な作業現場においては、産業用ロボット等の機械と人とが協調して作業を行っている。人が機械と安全に協調作業を行うことを目的として、センサを用いて人の動作を検出するモーションセンシング等の技術が注目されている。

例えば、慣性センサを用いて人のモーションセンシングを行う場合には、予め人体の形状を模式化した人体モデルとして、被測定者の身体の形状を示す情報を記録しておく。そして、被測定者が動作を行う場合には、同様の慣性センサで身体を測定した結果と、予め記録しておいた人体モデルとに基づいて、被測定者の動作を演算する。例えば、特許文献１には、予め記憶させた人体モデルに基づいて、人体モデルの好適な動きを解析する運動指導装置が開示されている。特許文献１では、動作をセンサで測定するために、被測定者はセンサモジュールを装着する。

特開２０１３−２７６２９号公報

しかしながら、予め記録された人体モデルに対応するセンシングをするためには、記録されている人体モデルに適合する位置にセンサを取り付けなければならないが、体型に合わせて取付位置を調整することは困難である。また、作業前にセンサモジュールを取り付けて、都度人体モデルとすべき情報を取得し、人体モデルを演算して記録するのであれば、複雑な動作を要求することは作業性の低下に繋がる。更に、取付位置の調整及び事前の人体モデルに係る情報の取得を行わずに、規定の人体モデルを用いるとなると、動きを演算する精度が低下する。なお、特許文献１では、このような事前に人体モデルを取得する技術については、十分な開示をしていない。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、比較的簡単な動作で対象部位の長さを求めることが可能な演算装置の提供を主たる目的とする。

また、本発明は、本発明に係る演算装置を用いた演算方法の提供を他の目的とする。

また、本発明は、本発明に係る演算装置を実現するための演算プログラムの提供を更に他の目的とする。

上記課題を解決するために、本願記載の演算装置は、人体の測定対象部位を測定した結果に基づいて、人体の演算対象部位の長さを演算する演算装置であって、測定した結果に基づく前記人体の測定対象部位の位置及び姿勢の状態を示す状態情報を取得する状態情報取得部と、前記状態情報取得部が取得した位置及び姿勢に基づいて、測定対象部位の速度及び角速度を求め、人体の動作における回転中心から測定対象部位までを演算対象部位として長さを演算する演算部とを備えることを特徴とする。

また、前記演算装置において、前記演算部は、第１の回転中心から前記測定対象部位までを第１の演算対象部位として長さを演算する手段と、前記第１の回転中心及び前記測定対象部位の間にある第２の回転中心から前記測定対象部位までを第２の演算対象部位として長さを演算する手段と、前記第１の演算対象部位及び前記第２の演算対象部位の長さの差に基づいて、前記第１の回転中心から前記第２の回転中心までを第３の演算対象部位として長さを演算する手段とを備えることを特徴とする。

また、前記演算装置において、前記演算部は、前記状態情報に基づいて、前記回転中心から前記演算対象部位までの長さを半径とする円又は球を近似的に求めることにより、前記演算対象部位の長さを演算することを特徴とする。

また、前記演算装置において、前記演算部は、前記測定対象部位の位置を示す前記状態情報に基づいて、最小二乗法により前記演算対象部位の長さを演算することを特徴とする。

また、前記演算装置において、前記回転中心は、関節であることを特徴とする。

また、前記演算装置において、前記演算部は、演算の結果に基づいて前記人体の形状に関する人体モデルを生成することを特徴とする。

更に、本願記載の演算方法は、人体の測定対象部位を測定した結果に基づいて、人体の演算対象部位の長さを演算する演算方法であって、状態情報取得部が、測定した結果に基づく前記人体の測定対象部位の位置及び姿勢の状態を示す状態情報を取得する状態情報取得ステップと、演算部が、前記状態情報取得ステップにて取得した位置及び姿勢に基づいて、測定対象部位の速度及び角速度を求め、人体の動作における回転中心から測定対象部位までを演算対象部位として長さを演算する演算ステップとを含むことを特徴とする。

更に、本願記載の演算プログラムは、コンピュータに、人体の測定対象部位を測定した測定情報に基づいて、人体の演算対象部位の長さを演算させる演算プログラムであって、コンピュータに、測定した結果に基づく前記人体の測定対象部位の位置及び姿勢の状態を示す状態情報を取得する状態情報取得ステップと、取得した位置及び姿勢に基づいて、測定対象部位の速度及び角速度を求め、人体の動作における回転中心から測定対象部位までを演算対象部位として長さを演算する演算ステップとを実行させることを特徴とする。

本願記載の演算装置、演算方法及び演算プログラムは、測定対象部位を測定した結果に基づいて、人体の動作における回転中心から測定対象部位までを演算対象部位として長さを演算する。

本発明は、人体の測定対象部位を測定し、測定した結果に基づいて、人体の動作における回転中心から測定対象部位までを演算対象として長さを演算する。これにより、人体の動作を円運動等の運動に近似し、その半径として演算対象の長さを演算することができるので、被測定者は簡単な運動をするだけで、例えば、人体モデルとして使用可能な演算対象についての演算が可能である等、優れた効果を奏する。

本願記載の演算装置を用いたシステムの一例を概念的に示す説明図である。本願記載の演算装置及び装着装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。本願記載の演算装置及び装着装置の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。本願記載の演算装置を用いた演算方法においてモデル化した人体の一部を示す概念図である。本願記載の演算装置の第１演算処理の一例を示すフローチャートである。本願記載の演算装置の第２演算処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を具現化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

＜概要＞
先ず、本願記載の演算装置を用いたシステムの概要について説明する。図１は、本願記載の演算装置１を用いたシステムの一例を概念的に示す説明図である。本願記載の演算装置１は、例えば、所定の制御命令に従って作業する作業ロボット（以下、ロボットという）２と、ロボット２と協調して作業者が作業するＦＡ（Factory Automation）システム等のシステムにおいて、作業者に関する人体モデルの演算に用いられる。作業者は、身体の様々な測定対象部位、例えば、頭部、上腕、前腕、胸部、腹部、大腿、下腿等の測定対象部位に加速度センサ、ジャイロセンサ等の各種慣性センサを備える装着装置３を装着する。各種慣性センサを備える装着装置３は、対象者の身体の測定対象部位を測定し、測定した結果を示す各種測定情報を出力する。装着装置３に取り付けるセンサとしては、加速度センサ、ジャイロセンサ等の慣性センサの他、磁気センサ、圧力センサ等のセンサを用いることができる。なお、図１では、理解を容易にするため、装着装置３を装着した作業者において、慣性センサが位置する部位を白丸で示している。

演算装置１は、装着装置３及びロボット２からそれぞれ出力される各種情報を取得し、作業者の動作を検出するモーションセンシング等の技術において、作業者とロボット２との協調した作業を支援する。モーションセンシングに際し、予め作業者の形状を模式化した人体モデルが必要となる。演算装置１は、作業者が装着した装着装置３から、測定対象部位を測定した測定情報を取得し、人体モデルの構築に必要な作業者の演算対象部位についての演算を実行し、人体モデル用の情報である形状情報を演算する。演算装置１は、ロボット２を制御する制御用コンピュータ等のコンピュータを用いて構成されており、無線又は有線の通信方法により、装着装置３及びロボット２と通信可能に接続されており、各種情報及び信号の通信を行う。なお、演算装置１は、装着装置３及びロボット２と切り離し、後述する人体モデルの演算についてはオフラインで行うように設計することも可能である。

＜装置構成＞
次に、本願記載の各種装置の構成を、演算装置１を主として説明する。図２は、本願記載の演算装置１及び装着装置３のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。演算装置１は、制御部１０及び記録部１１を備え、更に装着装置３とのインターフェースとして、測定情報取得部１２を備えている。

制御部１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ及びレジスタ等のメモリを用いて構成されており、各種命令を実行することにより、装置全体を制御し、また、ロボット２に対して制御命令を出力する。

記録部１１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）等の不揮発メモリと、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発メモリと、ハードディスクドライブ、半導体メモリ等の記録媒体とを備えており、各種プログラム及び情報等のデータを記録している。また、記録部１１の記録領域には、制御用コンピュータ等のコンピュータを本発明に係る演算装置１として機能させる演算プログラムＰＧが記録されている。

更に、記録部１１の記録領域の一部は、作業者の身体の形状を模式化した人体モデルを記録する人体モデル記録部１１ａ等のデータベースとして用いられている。人体モデルとは、各作業者の身体について、上腕、前腕、大腿、下腿等の各種部位の長さ等の数値を用いて模式化した数値モデルである。人体モデル記録部１１ａには、作業者を特定する作業者特定情報（作業者ＩＤ）に対応付けて複数の作業者に関する人体モデルが記録される。なお、演算装置１が備える記録部１１の記録領域の一部を人体モデル記録部１１ａとして用いるのではなく、各種情報を記録するサーバコンピュータ等の記録装置を演算装置１に接続し、演算装置１に接続した記録装置の記録領域の一部を人体モデル記録部１１ａ等のデータベースとして用いても良い。即ち、人体モデル記録部１１ａ等のデータベースは、演算装置１が備える制御部１０にてアクセスし、記録及び読取可能な状態であれば、様々な形態に設計することが可能である。

測定情報取得部１２は、装着装置３から測定した結果を示す測定情報等の各種情報を取得するインターフェースである。

そして、制御用コンピュータ等のコンピュータは、記録部１１に記録された各種プログラム、例えば演算プログラムＰＧを読み取り、読み取った演算プログラムＰＧに含まれる状態情報の取得、状態情報に基づく演算対象部位の演算等の各種ステップを制御部１０の制御にて実行することにより、演算装置１として機能する。

装着装置３は、加速度センサ、ジャイロセンサ等の動作に関する情報を検出するセンサ類を用いた測定部、その他出力部等の各種構成を備えている。装着装置３に取り付けるセンサとしては、加速度センサ、ジャイロセンサの他、磁気センサ、圧力センサ等の各種センサを用いることができる。そして、装着装置３は、速度、角速度、加速度、角加速度、圧力、磁気等の物理量を測定部にて測定し、測定した結果を作業者の動作に関する測定結果を示す生データ等の測定情報として、出力部から演算装置１へ出力する。演算装置１は、速度、角速度、加速度、角加速度、圧力、磁気等の物理量を示す測定情報を測定情報取得部１２にて取得し、取得した測定情報に基づいて測定対象部位の状態を示す位置情報、姿勢情報等の状態情報を取得する。例えば、加速度センサが測定した加速度を２回積分することにより位置情報を算出することができる。なお、速度、角速度、加速度、角加速度、圧力、磁気等の物理量を示す測定情報に基づく、位置情報、姿勢情報等の状態情報の算出は、装着装置３及び演算装置１のどちらで演算するようにしても良い。

図３は、本願記載の演算装置１及び装着装置３の機能構成の一例を示す機能ブロック図である。演算装置１は、演算プログラムＰＧ等の各種プログラムを実行することにより、制御部１０の制御に基づき、状態情報取得部１０ａ、人体モデル演算部１０ｂ、人体動作演算部１０ｃ等の各種演算を実行する機能を実現する。なお、これら各種機能を実現する様々な演算部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration ）、ＶＬＳＩ（Very Large Scale Integration）等の半導体チップを用いたそれぞれ専用の回路として実装することも可能である。

状態情報取得部１０ａは、測定情報取得部１２が装着装置３から取得した速度、角速度、加速度、角加速度、圧力、磁気等の物理量を示す測定情報に基づいて、測定対象部位の位置情報、姿勢情報等の状態情報を演算により求めて取得する。なお、装着装置３が測定情報から位置情報、姿勢情報等の状態情報を演算し、演算装置１が状態情報を取得する場合、状態情報取得部１０ａは、取得した状態情報を以降の演算に用いる情報としてそのまま取得する。

人体モデル演算部１０ｂは、状態情報取得部１０ａが取得した位置情報、姿勢情報等の各種状態情報に基づいて、作業者の身体の形状を模式化した人体モデルを算出する演算を実行する。

人体動作演算部１０ｃは、状態情報取得部１０ａが取得した状態情報及び人体モデル記録部１１ａに記録されている人体モデルに基づいて、作業者の手、足等の身体の演算対象部位の動作状態を算出する演算を実行する。動作状態は、例えば、演算対象部位の位置、動作方向、所定時間後の予測位置、予測動作方向等の情報として算出される。

＜演算＞
次に、演算方法について説明する。図４は、本願記載の演算装置１を用いた演算方法においてモデル化した人体の一部を示す概念図である。本願で例示する演算方法では、作業者の測定対象部位を測定した測定情報を経時的に測定し、取得した測定情報から演算される状態情報に基づいて、回転中心となる位置から測定対象部位までの回転半径の長さを演算対象とする。回転中心となる位置は、肩関節、肘関節、橈骨手根関節（手首）、股関節、膝関節、距腿関節（踝）等の関節、その他腰、首等の部位である。測定対象部位となる位置は、装着装置３の慣性センサに対応する前述の頭部、上腕、前腕、胸部、腹部、大腿、下腿等の部位である。図４では、肩関節及び肘関節を回転中心とし、前腕の手首近傍を測定対象部位とした例を示している。

図４において、肩関節ｐ₀ を原点とした上腕の相対座標系をｐ₀ −ｘ₀ ｙ₀ ｚ₀ 、肘関節ｐ₁ を原点とした前腕の相対座標系をｐ₁ −ｘ₁ ｙ₁ ｚ₁ として示す。なお、それぞれの座標系は直交座標系である。また、任意にとった絶対座標系の原点に対し肩関節、肘関節、測定対象部位の位置情報は、それぞれｐ₀ （ｘ_p0,ｙ_p0,ｚ_p0）、ｐ₁（ｘ_p1,ｙ_p1,ｚ_p1）、ｐ_s （ｘ_S ,ｙ_S ,ｚ_S ）として示される。上腕の長さは、肩関節ｐ₀ から肘関節ｐ₁ までの長さｌ₁ として示される。肘関節ｐ₁ から手首近傍の測定対象部位ｐ_s までは、長さｌ₂ として示される。測定対象部位の位置が手首近傍である場合、長さｌ₂ は前腕の長さに近似される。そして、肩を中心に腕を回転させる動作を行った場合、測定対象部位の測定情報から演算される状態情報に基づいて、回転中心となる肩関節ｐ₀ から手首近傍の測定対象部位ｐ_s までの長さ（ｌ₁ ＋ｌ₂ ）が回転半径として演算対象となる。また、肘を中心に前腕を回転させる動作を行った場合、測定対象部位の測定情報から演算される状態情報に基づいて、回転中心となる肘関節ｐ₁ から手首近傍の測定対象部位ｐ_s までの前腕に近似される長さｌ₂ が回転半径として演算対象となる。更にこれらの演算結果である長さの差を演算することにより、肩関節ｐ₀ から肘関節ｐ₁ までで示される上腕の長さｌ₁ が演算対象となる。なお、ここでは回転中心に対して回転させる動作として示しているが、１回転、即ち、３６０度回転させる必要は無く、所定の角度内での往復動作、即ち、回転中心を中心とした揺動動作で良い。

演算方法は、回転中心をｐ（ｘ，ｙ，ｚ）とし、測定対象部位ｐ_s （ｘ_S ,ｙ_S ,ｚ_S ）までの演算対象の長さｌを半径とする円又は球を近似的に求める様々な方法を適用することができる。

最小二乗法を用いた位置情報に基づく演算方法の例について説明する。先ず、サンプリングとして、作業者が肩関節、肘関節等の回転中心を固定して腕、前腕等を回転させる動作を行い、その間、測定対象部位ｐ_s の位置を経時的に複数点（ｉ＝１，２，３，…）測定する。これにより、演算装置１は、測定対象部位ｐ_siの複数点の位置情報ｐ_si（ｘ_Si,ｙ_Si,ｚ_Si）を取得することができる。ここで、演算対象となる長さをｌとすると、回転動作は３次元の円又は球に近似できることから、回転中心ｐ、測定対象部位ｐ_s 及び長さｌは、下記式（１）の関係に近似することができる。

（ｘ_si−ｘ）²＋（ｙ_si−ｙ）²＋（ｚ_si−ｚ）²＝ｌ² …式（１）
但し、（ｘ，ｙ，ｚ）；回転中心ｐの座標
（ｘ_Si,ｙ_Si,ｚ_Si）；測定対象部位ｐ_siの位置情報
ｉ＝１，２，３，…
ｌ；回転中心ｐから測定対象部位ｐ_siまでの長さ（演算対象）

また、誤差をｅとすると、誤差ｅは下記式（２）のように示すことができる。

ｅ＝（ｘ_si−ｘ）²＋（ｙ_si−ｙ）²＋（ｚ_si−ｚ）²−ｌ² …式（２）
但し、ｅ；誤差

ここで、Ａ＝−２ｘ，Ｂ＝−２ｙ，Ｃ＝−２ｚ，Ｄ＝ｘ² ＋ｙ² ＋ｚ² −ｌ² となる代数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを定義すると、式（２）は、下記式（３）に変形することができる。

ｅ＝ｘ² ＋ｙ² ＋ｚ² ＋Ａｘ＋Ｂｙ＋Ｃｚ＋Ｄ …式（３）
但し、Ａ；−２ｘ
Ｂ；−２ｙ
Ｃ；−２ｚ
Ｄ；ｘ² ＋ｙ² ＋ｚ² −ｌ²

更に、誤差ｅの二乗和をＥとすると、最小二乗法より、下記式（４）を定義することができる。

Ｅ＝Σｅ² ＝Σ（ｘ² ＋ｙ² ＋ｚ² ＋Ａｘ＋Ｂｙ＋Ｃｚ＋Ｄ）² ＝０ …式（４）

ここで、ＥをＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄについて偏微分すると下記の式（５）〜式（８）となる。

∂Ｅ／∂Ａ＝０ …式（５）
∂Ｅ／∂Ｂ＝０ …式（６）
∂Ｅ／∂Ｃ＝０ …式（７）
∂Ｅ／∂Ｄ＝０ …式（８）

そして、式（５）〜式（８）を行列を用いて表し、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄについて解くと下記式（９）、式（１０）のようになる。

そして、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから演算対象となる部位の長さｌと、他の演算対象として回転中心ｐの座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することができる。このような演算方法を適用して、肩関節ｐ₀ から手首近傍の測定対象部位ｐ_s までの長さ（ｌ₁ ＋ｌ₂ ）と肩関節ｐ₀ の座標（ｘ_p0,ｙ_p0,ｚ_p0）とを算出する場合、作業者は肩を中心に肘を伸ばした状態で腕を回転させる動作を行う。そして、回転動作中の測定対象部位ｐ_s の測定結果に基づいて、回転中心を肩関節ｐ₀ として演算することにより、肩関節ｐ₀ から手首近傍の測定対象部位ｐ_s までの長さ（ｌ₁ ＋ｌ₂ ）と肩関節ｐ₀ の座標（ｘ_p0,ｙ_p0,ｚ_p0）とを算出することができる。同様にして、作業者は肘を中心に前腕を回転させる動作を行い、当該回転動作中の測定対象部位ｐ_s の測定結果に基づいて、回転中心を肘関節ｐ₁ として演算することにより、肘関節ｐ₁ から手首近傍の測定対象部位ｐ_s までの前腕の長さｌ₂ と肘関節ｐ₁ の座標（ｘ_p1,ｙ_p1,ｚ_p1）とを算出することができる。そして、（ｌ₁ ＋ｌ₂ ）からｌ₂ を減じることにより、前腕の長さｌ₁ を算出することができる。

なお、測定対象部位の測定結果に基づく状態情報から腕部の長さ等の演算対象部位を演算する方法は、位置情報から算出する方法に限らず、様々な演算方法を適用することができる。例えば、肘関節を回転中心として前腕を回転させた場合のように、回転中心ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）を中心に回転動作を行った場合、速度及び角速度の関係より、前腕等の測定対象部位の長さｌ及び回転中心ｐの座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することもできる。

即ち、先ず、測定対象部位ｐ_siの測定結果に基づく状態情報である位置情報（ｘ_si，ｙ_si，ｚ_si）及び姿勢情報（α_si，β_si，γ_si）を経時的に複数点（ｉ＝１，２，３，…）取得する。また、回転動作を行った場合におけるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の回転半径を、それぞれｒ_x，ｒ_y，ｒ_zとすると、測定対象部位ｐの位置情報（ｘ_s ，ｙ_s ，ｚ_s ）及び姿勢情報（α_s ，β_s ，γ_s）の微分を下記の式（１１）〜式（１３）として示すことができる。

ｄｘ_si／ｄｔ＝ｒ_x ｄα_si／ｄ_t ・・・式（１１）
ｄｙ_si／ｄｔ＝ｒ_y ｄβ_si／ｄ_t ・・・式（１２）
ｄｚ_si／ｄｔ＝ｒ_z ｄγ_si／ｄ_t ・・・式（１３）
但し、（ｘ_Si,ｙ_Si,ｚ_Si）；測定対象部位ｐ_siの位置情報ｉ＝１，２，３，…
（α_Si,β_Si,γ_Si）；測定対象部位ｐ_siの姿勢情報ｉ＝１，２，３，…
ｒ_x，ｒ_y，ｒ_z ；ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の回転半径

そして、式（１１）〜式（１３）を解くと下記式（１４）〜式（１７）のようになる。

ｌ＝（ｒ_x ² ＋ｒ_y ² ＋ｒ_z ² ）^1/2 ・・・式（１４）
ｘ＝ｘ_s −ｒ_x ・・・式（１５）
ｙ＝ｙ_s −ｒ_y ・・・式（１６）
ｚ＝ｚ_s −ｒ_z ・・・式（１７）

そして、演算対象となる部位の長さｌと、他の演算対象として回転中心ｐの座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することができる。このような演算方法を適用して、肩関節ｐ₀ から手首近傍の測定対象部位ｐ_s までの長さ（ｌ₁ ＋ｌ₂ ）及び肩関節ｐ₀ の座標（ｘ_p0,ｙ_p0,ｚ_p0）、肘関節ｐ₁ から手首近傍の測定対象部位ｐ_s までの前腕の長さｌ₂ 及び肘関節ｐ₁ の座標（ｘ_p1,ｙ_p1,ｚ_p1）、前腕の長さｌ₁ 等の演算対象部位を演算することができる。

＜処理構成＞
上記演算を実現する本願記載の演算装置１の処理について説明する。図５は、本願記載の演算装置１の第１演算処理の一例を示すフローチャートである。第１演算処理とは、作業者の測定対象部位を測定した測定情報を取得し、取得した測定情報から演算される状態情報に基づいて、演算対象部位を演算する処理である。

演算装置１が備える制御部１０は、演算プログラムＰＧ等の各種プログラムを実行することにより、第１演算処理を実行する。演算装置１の制御部１０は、装着装置３に測定を開始させる（Ｓ１０１）。ステップＳ１０１は、装着装置３に測定対象部位の速度、角速度、加速度、角加速度、圧力、磁気等の物理量の測定を開始させる処理であり、測定対象部位の測定を開始後、装着装置３からの測定情報の取得を開始し、また、装着装置３を装着した作業者に対して、所定の動作を行わせる報知を行う。所定の動作を行わせる報知とは、例えば、腕、前腕等の腕部の回転等の動作を行わせる画像の表示、表示灯の点灯、音声の出力等の出力処理を示す。

装着装置３による測定の開始後、制御部１０は、測定情報取得部１２にて、測定情報を経時的に複数回取得する（Ｓ１０２）。ステップＳ１０２において、装着装置３は、腕の回転、前腕の回転等の所定の動作を行っている作業者から、例えば、一定のサンプリング間隔で速度、角速度、加速度、角加速度、圧力、磁気等の物理量を継続して測定し、測定した結果として物理量を示す複数回分の測定情報を演算装置１へ出力する。演算装置１は、装着装置３から出力される測定情報を取得する。

制御部１０は、状態情報取得部１０ａにより、測定情報取得部１２が取得した測定情報に基づいて、測定対象部位の位置情報、姿勢情報等の状態情報を演算により求めて取得する（Ｓ１０３）。ステップＳ１０３は、測定情報取得部１２が取得した対象者の測定対象部位を測定した測定情報に基づいて、対象者の測定対象部位の位置情報、又は位置情報及び姿勢情報を状態情報として演算する処理である。なお、装着装置３が測定情報から状態情報を演算し、装着装置３から演算装置１へ出力した状態情報を、演算装置１が測定情報取得部１２を介して状態情報取得部１０ａにて取得するようにしても良い。

状態情報を取得した制御部１０は、人体モデル演算部１０ｂにて、演算対象部位の演算を行い（Ｓ１０４）、演算の結果に基づいて人体モデルを生成する（Ｓ１０５）。ステップＳ１０４の演算対象部位の演算とは、例えば、取得した状態情報に基づいて、作業者の動作における回転中心から測定対象部位までを演算対象部位とした長さを求める演算である。当該演算では、経時的に取得される複数の測定情報から演算される状態情報に基づいて、回転中心から演算対象部位までの長さを半径とする円又は球を、最小二乗法等の数学的方法を用いて近似的に求めることにより、演算対象部位の長さを演算する。詳細かつ具体的な演算の方法及び理論については、前述の演算に関する記載を参照するものとし、ここではその説明を省略する。そして、ステップＳ１０５にて、演算対象部位の長さ等の演算結果に基づいて人体モデルが生成される。

制御部１０は、人体モデルの演算が正常に行われたか、例えば、オーバーフロー等の異常が生じていないかを判定する（Ｓ１０６）。ステップＳ１０６において、人体モデルの演算が正常に行われたと判定した場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、制御部１０は、演算結果である人体モデルを人体モデル記録部１１ａに記録する（Ｓ１０７）。ステップＳ１０６において、人体モデルの演算が正常に行われていないと判定した場合（Ｓ１０６：ＮＯ）、制御部１０は、ステップＳ１０２へ戻り、測定情報の取得以降の処理を繰り返す。

このようにして、第１演算処理が実行される。第１演算処理は、上述の演算に関する記載において、肩関節ｐ₀ から手首近傍の測定対象部位ｐ_s までの長さ（ｌ₁ ＋ｌ₂ ）及び肩関節ｐ₀ の座標（ｘ_p0,ｙ_p0,ｚ_p0）、肘関節ｐ₁ から手首近傍の測定対象部位ｐ_s までの前腕の長さｌ₂ 及び肘関節ｐ₁ の座標（ｘ_p1,ｙ_p1,ｚ_p1）、前腕の長さｌ₁ 等の演算対象部位を演算する処理である。

図６は、本願記載の演算装置１の第２演算処理の一例を示すフローチャートである。第２演算処理とは、第１演算処理により演算した結果に基づいて、演算対象部位を演算する処理である。

演算装置１が備える制御部１０は、演算プログラムＰＧ等の各種プログラムを実行することにより、第２演算処理を実行する。演算装置１の制御部１０は、第１の回転中心から測定対象部位までを第１の演算対象部位として長さを演算する処理を実行する（Ｓ２０１）。ステップＳ２０１では、例えば、前述の第１演算処理により、第１の回転中心である肩関節から測定対象部位までの長さを第１の演算対象部位として演算する。

更に、制御部１０は、第１の回転中心及び測定対象部位の間にある第２の回転中心から測定対象部位までを第２の演算対象部位として長さを演算する処理を実行する（Ｓ２０２）。ステップＳ２０２では、例えば、前述の第１演算処理により、第２の回転中心である肘関節から測定対象部位までの長さを第２の演算対象部位として演算する。

そして、制御部１０は、第１の演算対象部位及び第２の演算対象部位の長さの差に基づいて、第１の回転中心から第２の回転中心までを第３の演算対象部位として長さを演算する処理を実行する（Ｓ２０３）。ステップＳ２０３では、例えば、ステップＳ２０１の演算結果である肩関節から測定対象部位までの長さから、ステップＳ２０２の演算結果である肘関節から測定対象部位までの長さを減じることにより、肩関節から肘関節までの長さとして示される上腕の長さを第３の演算対象部位として演算する。

そして、制御部１０は、演算により求めた各種演算対象部位の演算結果に基づく人体モデルを人体モデル記録部１１ａに記録する（Ｓ２０４）。

このようにして、第２演算処理が実行される。

以上のように本願記載の演算装置１等は、肩を中心とした回転動作、肘を中心とした回転動作等の簡単な動作を作業者が行うだけで、人体モデルとして使用可能な演算対象についての演算が可能である。簡単な動作を演算を行うことができるので、作業前に人体モデルに係る情報を取得することが可能であり、例えば、モーションセンシング等の技術に適用する場合に、高精度な人体モデルを取得することが可能となる。

本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、他の色々な形態で実施することが可能である。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。更に、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

例えば、前記実施形態では、手首近傍を測定対象部位とし、肩関節及び肘関節を回転中心として回転させる動作により、人体モデルに係る情報を取得する形態を示したが、本発明はこれに限るものではない。即ち、頭部、上腕、前腕、胸部、腹部、大腿、下腿等の様々な部位を測定対象部位とすることが可能であり、橈骨手根関節、股関節、膝関節、距腿関節、腰、首等の様々な部位を回転中心とした動作を行うことが可能である。

１演算装置
１０制御部
１０ａ状態情報取得部
１０ｂ人体モデル演算部
１０ｃ人体動作演算部
１１記録部
１１ａ人体モデル記録部
１２測定情報取得部
２ロボット
３装着装置
ＰＧ演算プログラム

Claims

人体の測定対象部位を測定した結果に基づいて、人体の演算対象部位の長さを演算する演算装置であって、
測定した結果に基づく前記人体の測定対象部位の位置及び姿勢の状態を示す状態情報を取得する状態情報取得部と、
前記状態情報取得部が取得した位置及び姿勢に基づいて、測定対象部位の速度及び角速度を求め、人体の動作における回転中心から測定対象部位までを演算対象部位として長さを演算する演算部と
を備えることを特徴とする演算装置。
請求項１に記載の演算装置であって、
前記演算部は、
第１の回転中心から前記測定対象部位までを第１の演算対象部位として長さを演算する手段と、
前記第１の回転中心及び前記測定対象部位の間にある第２の回転中心から前記測定対象部位までを第２の演算対象部位として長さを演算する手段と、
前記第１の演算対象部位及び前記第２の演算対象部位の長さの差に基づいて、前記第１の回転中心から前記第２の回転中心までを第３の演算対象部位として長さを演算する手段と
を備えることを特徴とする演算装置。
請求項１又は請求項２に記載の演算装置であって、
前記演算部は、
前記状態情報に基づいて、前記回転中心から前記演算対象部位までの長さを半径とする円又は球を近似的に求めることにより、前記演算対象部位の長さを演算する
ことを特徴とする演算装置。
請求項３に記載の演算装置であって、
前記演算部は、
前記測定対象部位の位置を示す前記状態情報に基づいて、最小二乗法により前記演算対象部位の長さを演算する
ことを特徴とする演算装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の演算装置であって、
前記回転中心は、関節である
ことを特徴とする演算装置。
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の演算装置であって、
前記演算部は、演算の結果に基づいて前記人体の形状に関する人体モデルを生成する
ことを特徴とする演算装置。
人体の測定対象部位を測定した結果に基づいて、人体の演算対象部位の長さを演算する演算方法であって、
状態情報取得部が、測定した結果に基づく前記人体の測定対象部位の位置及び姿勢の状態を示す状態情報を取得する状態情報取得ステップと、
演算部が、前記状態情報取得ステップにて取得した位置及び姿勢に基づいて、測定対象部位の速度及び角速度を求め、人体の動作における回転中心から測定対象部位までを演算対象部位として長さを演算する演算ステップと
を含むことを特徴とする演算方法。
コンピュータに、人体の測定対象部位を測定した測定情報に基づいて、人体の演算対象部位の長さを演算させる演算プログラムであって、
コンピュータに、
測定した結果に基づく前記人体の測定対象部位の位置及び姿勢の状態を示す状態情報を取得する状態情報取得ステップと、
取得した位置及び姿勢に基づいて、測定対象部位の速度及び角速度を求め、人体の動作における回転中心から測定対象部位までを演算対象部位として長さを演算する演算ステップと
を実行させることを特徴とする演算プログラム。