JPH09229667A - 回転関節構造物の動作計測装置および方法 - Google Patents
回転関節構造物の動作計測装置および方法Info
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- JPH09229667A JPH09229667A JP8040894A JP4089496A JPH09229667A JP H09229667 A JPH09229667 A JP H09229667A JP 8040894 A JP8040894 A JP 8040894A JP 4089496 A JP4089496 A JP 4089496A JP H09229667 A JPH09229667 A JP H09229667A
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- Japan
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- acceleration
- movable member
- arm
- sensor
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- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
- User Interface Of Digital Computer (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【構成】 ジャイロセンサおよび加速度センサを含むセ
ンサユニット１２１〜１２６をアームに取り付け、コン
ピュータ２８は、ジャイロセンサからの回転角速度信号
および加速度センサからの加速度信号のデータに基づい
てそのアームの回転角度を計算する。 【効果】 ジャイロセンサと加速度センサとを用いてア
ームの角度を計測するようにしているため、オクルージ
ョンや周囲磁界の影響なく、高精度にかつリアルタイム
に計測することができる。
ンサユニット１２１〜１２６をアームに取り付け、コン
ピュータ２８は、ジャイロセンサからの回転角速度信号
および加速度センサからの加速度信号のデータに基づい
てそのアームの回転角度を計算する。 【効果】 ジャイロセンサと加速度センサとを用いてア
ームの角度を計測するようにしているため、オクルージ
ョンや周囲磁界の影響なく、高精度にかつリアルタイム
に計測することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は回転関節構造物の動作
計測装置および方法に関し、特にたとえばマンマシンイ
ンタフェースや手話認識等において人間の特に腕や頭等
の関節系の動作を計測しまたは認識する、動作計測装置
および方法に関する。
計測装置および方法に関し、特にたとえばマンマシンイ
ンタフェースや手話認識等において人間の特に腕や頭等
の関節系の動作を計測しまたは認識する、動作計測装置
および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の動作計測または認識のために幾
つかの方法が提案されていて、その１つは画像処理を用
いる方法であり、他の方法では磁気センサを用いて位置
および姿勢を検出する。
つかの方法が提案されていて、その１つは画像処理を用
いる方法であり、他の方法では磁気センサを用いて位置
および姿勢を検出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前者の従来技術では、
非接触式であるという利点があるものの、オクルージョ
ン，対象物の抽出，トラッキング等の問題があり、デー
タ処理が複雑で、リアルタイム計測は困難である。ま
た、後者の従来技術では、周囲の磁界環境に影響され
る、計測範囲が限られる等の問題がある。
非接触式であるという利点があるものの、オクルージョ
ン，対象物の抽出，トラッキング等の問題があり、デー
タ処理が複雑で、リアルタイム計測は困難である。ま
た、後者の従来技術では、周囲の磁界環境に影響され
る、計測範囲が限られる等の問題がある。
【０００４】それゆえに、この発明の主たる目的は、回
転関節構造物においてリアルタイムに精度よく可動部材
の動作を計測できる、動作計測装置および方法を提供す
ることである。
転関節構造物においてリアルタイムに精度よく可動部材
の動作を計測できる、動作計測装置および方法を提供す
ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、回転可能
な関節および関節から延びる可動部材を含む回転関節構
造物において可動部材の動作を計測する動作計測装置で
あって、可動部材に取り付けられるジャイロセンサ、可
動部材に取り付けられる加速度センサ、およびジャイロ
センサからの角速度信号および加速度センサからの加速
度信号のデータに基づいて可動部材の角度を計算する計
算手段を備える、動作計測装置である。
な関節および関節から延びる可動部材を含む回転関節構
造物において可動部材の動作を計測する動作計測装置で
あって、可動部材に取り付けられるジャイロセンサ、可
動部材に取り付けられる加速度センサ、およびジャイロ
センサからの角速度信号および加速度センサからの加速
度信号のデータに基づいて可動部材の角度を計算する計
算手段を備える、動作計測装置である。
【０００６】第２の発明は、回転関節を介して連結され
た複数の可動部材を含む回転関節構造物において複数の
可動部材のそれぞれにジャイロセンサおよび加速度セン
サを取り付け、そのセンサからの信号に基づいて複数の
可動部材の動作を計測する方法であって、(a) 複数のジ
ャイロセンサおよび加速度センサから角速度および加速
度のデータを取り込み、(b) 着目可動部材の角加速度を
計算し、(c) 角速度および加速度ならびに角加速度を着
目可動部材の加速度方程式に代入し、そして(d) 着目可
動部材の角度を計算する、方法である。
た複数の可動部材を含む回転関節構造物において複数の
可動部材のそれぞれにジャイロセンサおよび加速度セン
サを取り付け、そのセンサからの信号に基づいて複数の
可動部材の動作を計測する方法であって、(a) 複数のジ
ャイロセンサおよび加速度センサから角速度および加速
度のデータを取り込み、(b) 着目可動部材の角加速度を
計算し、(c) 角速度および加速度ならびに角加速度を着
目可動部材の加速度方程式に代入し、そして(d) 着目可
動部材の角度を計算する、方法である。
【０００７】
【作用】第１発明では、計算手段が角速度および加速度
のデータに基づいて可動部材の回転関節に対する角度を
計算する。ただし、可動部材が別の可動部材に取り付け
られた回転関節に連結されている場合には、計算手段
は、別の可動部材の角度，角速度および角加速度ならび
に当該可動部材の角速度，加速度および角加速度に基づ
いてその可動部材の角度を計算する。
のデータに基づいて可動部材の回転関節に対する角度を
計算する。ただし、可動部材が別の可動部材に取り付け
られた回転関節に連結されている場合には、計算手段
は、別の可動部材の角度，角速度および角加速度ならび
に当該可動部材の角速度，加速度および角加速度に基づ
いてその可動部材の角度を計算する。
【０００８】第２の発明でも、同様にして、着目可動部
材の角速度および加速度ならびに角加速度をその着目可
動部材の加速度方程式に代入して着目可動部材の角度を
計算する。
材の角速度および加速度ならびに角加速度をその着目可
動部材の加速度方程式に代入して着目可動部材の角度を
計算する。
【０００９】
【発明の効果】この発明によれば、ジャイロセンサと加
速度センサとを用いて可動部材の角度を計測するように
しているため、オクルージョンや周囲磁界の影響なく、
高精度にかつリアルタイムに可動部材の動作を計測する
ことができる。この発明のその他の目的と特徴は図面を
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。
速度センサとを用いて可動部材の角度を計測するように
しているため、オクルージョンや周囲磁界の影響なく、
高精度にかつリアルタイムに可動部材の動作を計測する
ことができる。この発明のその他の目的と特徴は図面を
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。
【００１０】
【実施例】図１に示す動作計測装置１０は、人間の腕に
取り付けられた複数（この実施例では６つ）のセンサユ
ニット１２１，１２２，１２３，１２４，１２５および
１２６を含み、実施例では、マンマシンインタフェース
または手話認識装置として用いられる。センサユニット
１２１および１２４は右上腕および左上腕に、センサユ
ニット１２２および１２５は右下腕および左下腕に、そ
してセンサユニット１２３および１２６は右手甲および
左手甲に、それぞれ、取り付けられる。なお、センサユ
ニット１２１〜１２６は同じものでよい。そこで、以下
では、特に指定する場合を除き、センサユニット１２と
して説明することがある。
取り付けられた複数（この実施例では６つ）のセンサユ
ニット１２１，１２２，１２３，１２４，１２５および
１２６を含み、実施例では、マンマシンインタフェース
または手話認識装置として用いられる。センサユニット
１２１および１２４は右上腕および左上腕に、センサユ
ニット１２２および１２５は右下腕および左下腕に、そ
してセンサユニット１２３および１２６は右手甲および
左手甲に、それぞれ、取り付けられる。なお、センサユ
ニット１２１〜１２６は同じものでよい。そこで、以下
では、特に指定する場合を除き、センサユニット１２と
して説明することがある。
【００１１】センサユニット１２は、図２に示すよう
に、ハウジング１４とその中に収納されたジャイロセン
サ１６および加速度センサ１８とを含み、ハウジング１
４にはバンド２０が取り付けられる。ジャイロセンサ１
６は、たとえば圧電型ジャイロであり、回転角速度を検
出する。加速度センサ１８は加速度を検出する。バンド
２０は、センサユニット１２を上述のように腕の各部に
装着するために用いられる。
に、ハウジング１４とその中に収納されたジャイロセン
サ１６および加速度センサ１８とを含み、ハウジング１
４にはバンド２０が取り付けられる。ジャイロセンサ１
６は、たとえば圧電型ジャイロであり、回転角速度を検
出する。加速度センサ１８は加速度を検出する。バンド
２０は、センサユニット１２を上述のように腕の各部に
装着するために用いられる。
【００１２】図１に示す回転動作計測装置１０は、さら
に、たとえば電波や光などを利用する無線送信機２２を
含み、無線送信機２２には有線によって各センサユニッ
ト１２が接続される。無線送信機２２は各センサユニッ
ト１２から送られてきた回転角速度信号および加速度信
号を無線で、無線受信機２４に送信する。無線受信機２
４にはＡ／Ｄボード２６が接続され、Ａ／Ｄボード２６
が回転角速度信号および加速度信号をそれぞれの信号デ
ータに変換する。Ａ／Ｄボード２６からの回転角速度デ
ータおよび加速度データは、コンピュータ２８に入力さ
れる。
に、たとえば電波や光などを利用する無線送信機２２を
含み、無線送信機２２には有線によって各センサユニッ
ト１２が接続される。無線送信機２２は各センサユニッ
ト１２から送られてきた回転角速度信号および加速度信
号を無線で、無線受信機２４に送信する。無線受信機２
４にはＡ／Ｄボード２６が接続され、Ａ／Ｄボード２６
が回転角速度信号および加速度信号をそれぞれの信号デ
ータに変換する。Ａ／Ｄボード２６からの回転角速度デ
ータおよび加速度データは、コンピュータ２８に入力さ
れる。
【００１３】ただし、無線送信機２２および無線受信機
２４に代えて、有線送信機および有線受信機が用いられ
てもよいことは勿論である。また、Ａ／Ｄボード２６
は、無線または有線送信機２２に設けられてもよく、ま
たコンピュータ２８に内蔵されてもよい。図３は図１に
示す人間の腕および手をモデル化した一例である。たと
えば、右腕を例に挙げれば、図３において、右肩が回転
関節Ｊ0 として示され、その肩すなわち回転関節Ｊ0 か
ら右上腕が延びる。右上腕先端に肘すなわち回転関節Ｊ
1がある。肘すなわち右上腕先端から右下腕が延びる。
右下腕の先端に手首すなわち回転関節Ｊ2 がある。そし
て、回転関節Ｊ0 から回転関節Ｊ1 までの長さがＬ 1 で
示され、回転関節Ｊ1 から回転関節Ｊ2 までの長さがＬ
2 で示されている。回転関節Ｊ1 とセンサユニット１２
１すなわちＳ1 までの距離はｎ1 であり、回転関節Ｊ2
とセンサユニット１２２すなわちＳ2 までの距離はｎ2
で示される。なお、θ1 およびθ2 はそれぞれ上腕およ
び下腕の回転角度を示す。
２４に代えて、有線送信機および有線受信機が用いられ
てもよいことは勿論である。また、Ａ／Ｄボード２６
は、無線または有線送信機２２に設けられてもよく、ま
たコンピュータ２８に内蔵されてもよい。図３は図１に
示す人間の腕および手をモデル化した一例である。たと
えば、右腕を例に挙げれば、図３において、右肩が回転
関節Ｊ0 として示され、その肩すなわち回転関節Ｊ0 か
ら右上腕が延びる。右上腕先端に肘すなわち回転関節Ｊ
1がある。肘すなわち右上腕先端から右下腕が延びる。
右下腕の先端に手首すなわち回転関節Ｊ2 がある。そし
て、回転関節Ｊ0 から回転関節Ｊ1 までの長さがＬ 1 で
示され、回転関節Ｊ1 から回転関節Ｊ2 までの長さがＬ
2 で示されている。回転関節Ｊ1 とセンサユニット１２
１すなわちＳ1 までの距離はｎ1 であり、回転関節Ｊ2
とセンサユニット１２２すなわちＳ2 までの距離はｎ2
で示される。なお、θ1 およびθ2 はそれぞれ上腕およ
び下腕の回転角度を示す。
【００１４】ただし、図３のモデルでは、図１の手の甲
に装着されたセンサユニット１２３は省略した。そし
て、図３においては、検証のために、回転関節Ｊ0 は固
定であって、下腕の先端がモータＭによって動かされる
場合を想定している。つまり、モータＭは、たとえば直
流モータであり、モータＭに結合された半径ｒの円板の
一箇所に下腕の先端部を連結してモータＭを回転するこ
とによって、下腕の先端位置を変化させる。したがっ
て、モータＭの回転角度に基づいて計算することによっ
て各腕の角度θ1 およびθ2 の実際値を知ることがで
き、その実際値と、センサユニットからの信号に基づい
て以下に説明する方法に従って検出した角度θ 1 および
θ2 とのずれを求めることによって、この実施例の検出
精度を検証することができる。
に装着されたセンサユニット１２３は省略した。そし
て、図３においては、検証のために、回転関節Ｊ0 は固
定であって、下腕の先端がモータＭによって動かされる
場合を想定している。つまり、モータＭは、たとえば直
流モータであり、モータＭに結合された半径ｒの円板の
一箇所に下腕の先端部を連結してモータＭを回転するこ
とによって、下腕の先端位置を変化させる。したがっ
て、モータＭの回転角度に基づいて計算することによっ
て各腕の角度θ1 およびθ2 の実際値を知ることがで
き、その実際値と、センサユニットからの信号に基づい
て以下に説明する方法に従って検出した角度θ 1 および
θ2 とのずれを求めることによって、この実施例の検出
精度を検証することができる。
【００１５】ここで、図３モデル例を参照して、図１実
施例のセンサユニット１２からの信号によって上腕や下
腕の回転関節における回転角度が検出ないし計測できる
ことを加速度運動方程式に従って説明する。いま着目し
ている腕等（アーム）のセンサユニット１２の取付部位
に生じる全加速度ａは、数１で示される。
施例のセンサユニット１２からの信号によって上腕や下
腕の回転関節における回転角度が検出ないし計測できる
ことを加速度運動方程式に従って説明する。いま着目し
ている腕等（アーム）のセンサユニット１２の取付部位
に生じる全加速度ａは、数１で示される。
【００１６】
【数１】ａ＝ａp ＋ａs ＋ａg ＝ｆ（θ，θｖ，θａ） ａp ：着目アームのローカル原点の動作によって生じる
加速度 ａs ：着目アームのローカル動作によって生じる加速度 ａg ：重力加速度 θ ：着目アームの角度 θｖ：着目アームの角速度 θａ：着目アームの角加速度 数１において、θｖはセンサユニット１２からのジャイ
ロセンサ１６から得られるデータである。θａは以下に
述べるようにして計算によって求めることができる。そ
のため、これらの成分θｖおよびａを検出し、角加速度
θａを計算することによって、着目アームの回転角度θ
を検出することができる。他方、原点位置やアーム長さ
等、図３でいえば回転関節Ｊ0 の位置および長さＬ1 ，
Ｌ2 等は既知である。したがって、角度θがわかれば、
当該アームの姿勢や位置が計測できる。以下により詳細
に説明する。
加速度 ａs ：着目アームのローカル動作によって生じる加速度 ａg ：重力加速度 θ ：着目アームの角度 θｖ：着目アームの角速度 θａ：着目アームの角加速度 数１において、θｖはセンサユニット１２からのジャイ
ロセンサ１６から得られるデータである。θａは以下に
述べるようにして計算によって求めることができる。そ
のため、これらの成分θｖおよびａを検出し、角加速度
θａを計算することによって、着目アームの回転角度θ
を検出することができる。他方、原点位置やアーム長さ
等、図３でいえば回転関節Ｊ0 の位置および長さＬ1 ，
Ｌ2 等は既知である。したがって、角度θがわかれば、
当該アームの姿勢や位置が計測できる。以下により詳細
に説明する。
【００１７】図３において回転関節Ｊ0 から延びるアー
ム（第１アーム）の加速度ａ1 は、数１に従って数２で
与えられる。
ム（第１アーム）の加速度ａ1 は、数１に従って数２で
与えられる。
【００１８】
【数２】 ａ1 ＝ａ11s ＋ａ11g ＝ａ11c ＋ａ11g ただし、以下もすべて同様であるが、添字における２桁
の数字はいずれもアーム番号を指示するが、前の数字は
そのアームが受けるそれ以前のアームの番号であり、後
の数字はそのアームの番号である。つまり、ａijのと
き、アームｉのローカル動作によってアームｊに生じる
加速度を示すことになる。ただし、第１アームの例でい
えば、それ以前にアームはないので、添字は「11」とな
る。また、添字のアルファベット「s 」は着目アームの
ローカル動作によって生じる加速度であり、本モデルの
場合、回転成分と遠心成分からなる。「g 」は重力加速
度であり、「c 」は遠心加速度を示す。そして、数２に
おいては、第１アームに回転加速度がないので、右辺第
１項は遠心加速度のみとなる。
の数字はいずれもアーム番号を指示するが、前の数字は
そのアームが受けるそれ以前のアームの番号であり、後
の数字はそのアームの番号である。つまり、ａijのと
き、アームｉのローカル動作によってアームｊに生じる
加速度を示すことになる。ただし、第１アームの例でい
えば、それ以前にアームはないので、添字は「11」とな
る。また、添字のアルファベット「s 」は着目アームの
ローカル動作によって生じる加速度であり、本モデルの
場合、回転成分と遠心成分からなる。「g 」は重力加速
度であり、「c 」は遠心加速度を示す。そして、数２に
おいては、第１アームに回転加速度がないので、右辺第
１項は遠心加速度のみとなる。
【００１９】数２を図３に示すパラメータで表現する
と、数３が得られる。
と、数３が得られる。
【００２０】
【数３】ａ1 ＝（Ｌ1 −ｎ1 ）×θｖ1 2＋ｇsin θ1 数３において、「ｎ1 」および「ｇ」は既知であり、
「θｖ1 」はセンサユニット１２のジャイロセンサ１６
から与えられるため、数３を変形することによって第１
アームの角度θ1 を検出することができる。
「θｖ1 」はセンサユニット１２のジャイロセンサ１６
から与えられるため、数３を変形することによって第１
アームの角度θ1 を検出することができる。
【００２１】次に、第１アームの回転関節Ｊ1 から延び
る第２アームのセンサユニット取付部位に生じる加速度
ａ2 は数１に従って数４で与えられる。
る第２アームのセンサユニット取付部位に生じる加速度
ａ2 は数１に従って数４で与えられる。
【００２２】
【数４】 ａ2 ＝ａ12p ＋ａ22S ＋ａ22g ＝ａ12r ＋ａ12c ＋ａ22c ＋ａ22g 数４における各項は数５で与えられる。
【００２３】
【数５】ａ12r ＝−Ｌ1 ×θａ1sinθ2 ａ12c ＝θｖ1 2（Ｌ2 −ｎ2 ＋Ｌ1cosθ2 ） ａ22c ＝（Ｌ2 −ｎ2 ）×θｖ2 2 ａ22g ＝−ｇsin （θ2 −θ1 ） したがって、数４に数５を代入すると、数６が得られ
る。
る。
【００２４】
【数６】ａ2 ＝−Ｌ1 ×θａ1sinθ2 ＋θｖ1 2（Ｌ2 −
ｎ2 ＋Ｌ1cosθ2 ）＋（Ｌ2 −ｎ2 ）θｖ2 2 −ｇsin
（θ2 −θ1 ） なお、第２アームの角加速度は数７によって求めること
ができる。
ｎ2 ＋Ｌ1cosθ2 ）＋（Ｌ2 −ｎ2 ）θｖ2 2 −ｇsin
（θ2 −θ1 ） なお、第２アームの角加速度は数７によって求めること
ができる。
【００２５】
【数７】θｖ1 ＝θｖG1 θｖG2 2 ＝（θｖ1 −θｖ2 ）2 ＝（θｖG1−θｖ2 ）
2 θｖ2 ＝θｖG1−SGN （θｖG2）√（θｖG2 2 ） ただし、θｖG1は第１アームのセンサユニットのジャイ
ロセンサ１６から得られる角速度データであり、θｖG2
は第２アームのセンサユニットのジャイロセンサ１６か
ら得られる角速度データである。また、SGN （ｘ）は、
ｘの符号のみを取り出す関数を表す。
2 θｖ2 ＝θｖG1−SGN （θｖG2）√（θｖG2 2 ） ただし、θｖG1は第１アームのセンサユニットのジャイ
ロセンサ１６から得られる角速度データであり、θｖG2
は第２アームのセンサユニットのジャイロセンサ１６か
ら得られる角速度データである。また、SGN （ｘ）は、
ｘの符号のみを取り出す関数を表す。
【００２６】他方、数６の各項において、「Ｌ1 」は既
知であり、「θｖ1 」は第１アームに取り付けられたセ
ンサユニット１２のジャイロセンサ１６から与えられる
データ（θｖG1）であり、「θ1 」は先に数３に従って
求められているため、数６を変形すれば、第２アームの
角度θ2 が計測できる。この一連の計算をコンピュータ
２８が実行する。すなわち、コンピュータ２８は、図４
で示すステップＳＴ１およびＳＴ２において、Ａ／Ｄボ
ード２６（図１）を介して、各センサユニット１２から
の角速度データおよび加速度データを取り込む。そし
て、ステップＳＴ３において、着目アームの番号を設定
する。第１アームであれば、「ｉ＝１」とする。
知であり、「θｖ1 」は第１アームに取り付けられたセ
ンサユニット１２のジャイロセンサ１６から与えられる
データ（θｖG1）であり、「θ1 」は先に数３に従って
求められているため、数６を変形すれば、第２アームの
角度θ2 が計測できる。この一連の計算をコンピュータ
２８が実行する。すなわち、コンピュータ２８は、図４
で示すステップＳＴ１およびＳＴ２において、Ａ／Ｄボ
ード２６（図１）を介して、各センサユニット１２から
の角速度データおよび加速度データを取り込む。そし
て、ステップＳＴ３において、着目アームの番号を設定
する。第１アームであれば、「ｉ＝１」とする。
【００２７】ついで、ステップＳＴ４において、先に述
べた数７に従って、第ｉアームの角加速度を計算する。
そして、次のステップＳＴ５において、ステップＳＴ１
およびＳＴ２で取り込んだ角速度データおよび加速度デ
ータならびにステップＳＴ４で計算した角加速度データ
を数１〜数６に示す加速度方程式に代入するとともに、
ステップＳＴ６において、第ｉアームの角度等を計算す
る。
べた数７に従って、第ｉアームの角加速度を計算する。
そして、次のステップＳＴ５において、ステップＳＴ１
およびＳＴ２で取り込んだ角速度データおよび加速度デ
ータならびにステップＳＴ４で計算した角加速度データ
を数１〜数６に示す加速度方程式に代入するとともに、
ステップＳＴ６において、第ｉアームの角度等を計算す
る。
【００２８】その後、コンピュータ２８は、ステップＳ
Ｔ７においてアーム番号ｉを更新し、ステップＳＴ８に
おいて更新したアーム番号が計測すべきアーム数を超え
たかどうか判断する。したがって、アーム番号が計測す
べきアーム数を超えるまで、ステップＳＴ１〜ＳＴ７を
繰り返し実行する。最後に、ステップＳＴ９において、
先に求めた角度θや既知の原点位置および長さ等のデー
タに基づいて、全体動作を認識する。ただし、認識方法
は認識すべき対象に最適の方法を採用すればよい。少な
くとも、上述のようにして各アームの角度θが計測ない
し検出できれば、各アームの姿勢あるいは位置を求める
ことは簡単である。
Ｔ７においてアーム番号ｉを更新し、ステップＳＴ８に
おいて更新したアーム番号が計測すべきアーム数を超え
たかどうか判断する。したがって、アーム番号が計測す
べきアーム数を超えるまで、ステップＳＴ１〜ＳＴ７を
繰り返し実行する。最後に、ステップＳＴ９において、
先に求めた角度θや既知の原点位置および長さ等のデー
タに基づいて、全体動作を認識する。ただし、認識方法
は認識すべき対象に最適の方法を採用すればよい。少な
くとも、上述のようにして各アームの角度θが計測ない
し検出できれば、各アームの姿勢あるいは位置を求める
ことは簡単である。
【００２９】図１実施例を図３モデルで検証した結果を
図５に示す。ただし、図６および図７は比較のために計
測した結果を示す。人間の基本動作及びセンサ特性を考
慮した代表シミュレーション条件を以下に示す。動作範
囲は鉛直平面内とし，センサの取付精度誤差はないもの
とした。直流モータによる関節Ｊ2 の関節Ｊ3 まわりの
速度を１８０°／ｓとし，初速から終速まで一定速度と
した。シミュレーション動作は図５の図中に示した始点
から時計回りに３周、手先を回転させたものとした。手
先（関節Ｊ2 ）の回転半径ｒは０．１ｍである。第１ア
ームの長さＬ1 および第２アームの長さＬ2 はそれぞれ
０．２８ｍおよび０．２４ｍであり、センサ自体の誤差
成分はＤＣドリフト成分，ランダムノイズ成分および感
度誤差の３種類に分類し，ジャイロセンサ１６の場合は
それぞれ３°／ｓ，２°／ｓおよび５％とし、加速度セ
ンサ１８の場合はそれぞれ０．０１ｍ／ｓ2 ，０．０１
ｍ／ｓ2 および２％とした。
図５に示す。ただし、図６および図７は比較のために計
測した結果を示す。人間の基本動作及びセンサ特性を考
慮した代表シミュレーション条件を以下に示す。動作範
囲は鉛直平面内とし，センサの取付精度誤差はないもの
とした。直流モータによる関節Ｊ2 の関節Ｊ3 まわりの
速度を１８０°／ｓとし，初速から終速まで一定速度と
した。シミュレーション動作は図５の図中に示した始点
から時計回りに３周、手先を回転させたものとした。手
先（関節Ｊ2 ）の回転半径ｒは０．１ｍである。第１ア
ームの長さＬ1 および第２アームの長さＬ2 はそれぞれ
０．２８ｍおよび０．２４ｍであり、センサ自体の誤差
成分はＤＣドリフト成分，ランダムノイズ成分および感
度誤差の３種類に分類し，ジャイロセンサ１６の場合は
それぞれ３°／ｓ，２°／ｓおよび５％とし、加速度セ
ンサ１８の場合はそれぞれ０．０１ｍ／ｓ2 ，０．０１
ｍ／ｓ2 および２％とした。
【００３０】図５がシミュレーションによって算出した
手先円の軌跡である。これとの比較のために、図６はジ
ャイロセンサだけを用いた場合を示し、図７は加速度セ
ンサだけを用いた場合を示す。中央の細い円が正しい軌
跡で、まわりの太い線がそれぞれの計測法による軌跡で
ある。これらの図から明らかなように，ジャイロセンシ
ング（図６）の場合、積分誤差が顕著である。特に，直
流ドリフト成分に基づく積分誤差であるため、計測時間
が長くなればなる程、誤差は大きくなる。加速度センシ
ング（図７）の場合、先の数式における幾つかのパラメ
ータを無視して計算している分、大きな誤差が生じてい
る。これに対して，実施例の計測装置の場合、センサ自
体の誤差による軌跡誤差はあるものの、積分系誤差もな
く、精度よく計測できている。
手先円の軌跡である。これとの比較のために、図６はジ
ャイロセンサだけを用いた場合を示し、図７は加速度セ
ンサだけを用いた場合を示す。中央の細い円が正しい軌
跡で、まわりの太い線がそれぞれの計測法による軌跡で
ある。これらの図から明らかなように，ジャイロセンシ
ング（図６）の場合、積分誤差が顕著である。特に，直
流ドリフト成分に基づく積分誤差であるため、計測時間
が長くなればなる程、誤差は大きくなる。加速度センシ
ング（図７）の場合、先の数式における幾つかのパラメ
ータを無視して計算している分、大きな誤差が生じてい
る。これに対して，実施例の計測装置の場合、センサ自
体の誤差による軌跡誤差はあるものの、積分系誤差もな
く、精度よく計測できている。
【００３１】手先を３周した時点での最大軌跡誤差は、
それぞれ、０．０８９ｍ（図６）、０．１６９ｍ（図
７）および０．０６１ｍ（図５）であった。このことか
ら、この発明の実施例によれば、各アームの位置および
姿勢を高精度に計測することができることがわかった。
なお、上述の実施例では、水平面内の可動部材の動作で
は、重力加速度が検出できないので、このような特殊な
場合には、ジャイロセンサからの角度データを積分して
水平回転角度を計算するようにすればよい。
それぞれ、０．０８９ｍ（図６）、０．１６９ｍ（図
７）および０．０６１ｍ（図５）であった。このことか
ら、この発明の実施例によれば、各アームの位置および
姿勢を高精度に計測することができることがわかった。
なお、上述の実施例では、水平面内の可動部材の動作で
は、重力加速度が検出できないので、このような特殊な
場合には、ジャイロセンサからの角度データを積分して
水平回転角度を計算するようにすればよい。
【００３２】さらに、上述の実施例では鉛直面での運動
方程式を用いたが、三角関数による簡単な角度変換を用
いれば、任意の平面内での可動部材の角度を求めること
ができる。また、上述の実施例では、各センサユニット
に含まれるジャイロセンサおよび加速度センサはともに
１関節１軸のセンサとして構成したが、１関節３軸のセ
ンサを用いれば、３次元動作を計測することができるこ
とはいうまでもない。
方程式を用いたが、三角関数による簡単な角度変換を用
いれば、任意の平面内での可動部材の角度を求めること
ができる。また、上述の実施例では、各センサユニット
に含まれるジャイロセンサおよび加速度センサはともに
１関節１軸のセンサとして構成したが、１関節３軸のセ
ンサを用いれば、３次元動作を計測することができるこ
とはいうまでもない。
【００３３】そして、この発明は、上述の手話認識装置
の他、バーチャルリアリティの入力装置，ゲーム機の操
作器，コンピュータグラフィックを利用した物体マニピ
ュレーション等に利用可能であるばかりでなく、ダンス
や音楽演奏あるいは演奏指揮動作の記録または認識装置
としても利用できる。つまり、図１実施例において可動
部材が足であり、その足の動作計測に用いる場合には、
回転関節Ｊ0 が股関節となり、回転関節Ｊ1 が膝、回転
関節Ｊ2 が足首に相当することになる。また、可動部材
が頭の場合には、回転関節Ｊ0 が首である。
の他、バーチャルリアリティの入力装置，ゲーム機の操
作器，コンピュータグラフィックを利用した物体マニピ
ュレーション等に利用可能であるばかりでなく、ダンス
や音楽演奏あるいは演奏指揮動作の記録または認識装置
としても利用できる。つまり、図１実施例において可動
部材が足であり、その足の動作計測に用いる場合には、
回転関節Ｊ0 が股関節となり、回転関節Ｊ1 が膝、回転
関節Ｊ2 が足首に相当することになる。また、可動部材
が頭の場合には、回転関節Ｊ0 が首である。
【図１】この発明の一実施例の回転動作計測装置の一例
を示す図解図である。
を示す図解図である。
【図２】図１実施例のセンサユニットを示す図解図であ
る。
る。
【図３】図１実施例をモデル化した図解図である。
【図４】図１実施例においてコンピュータの動作手順を
示すフロー図である。
示すフロー図である。
【図５】図１実施例を図３モデルで検証したときの軌跡
を示す図解図である。
を示す図解図である。
【図６】比較のためにジャイロセンサだけを用いて計測
したときの軌跡を示す図解図である。
したときの軌跡を示す図解図である。
【図７】比較のために加速度センサだけを用いて計測し
たときの軌跡を示す図解図である。
たときの軌跡を示す図解図である。
１０ …動作計測装置 １２ …センサユニット １６ …ジャイロセンサ １８ …加速度センサ ２８ …コンピュータ
Claims (3)
- 【請求項１】回転可能な関節および前記関節から延びる
可動部材を含む回転関節構造物において前記可動部材の
動作を計測する動作計測装置であって、 前記可動部材に取り付けられるジャイロセンサ、 前記可動部材に取り付けられる加速度センサ、および前
記ジャイロセンサからの角速度信号および前記加速度セ
ンサからの加速度信号のデータに基づいて前記可動部材
の角度を計算する計算手段を備える、動作計測装置。 - 【請求項２】前記関節は別の可動部材に連結されてい
て、 前記計算手段は、前記別の可動部材の角度，角速度およ
び角加速度ならびに前記可動部材の角速度，加速度，角
加速度に基づいて前記可動部材の前記角度を計算する、
請求項１記載の動作計測装置。 - 【請求項３】回転関節を介して連結された複数の可動部
材を含む回転関節構造物において前記複数の可動部材の
それぞれにジャイロセンサおよび加速度センサを取り付
け、そのセンサからの信号に基づいて前記複数の可動部
材の動作を計測する方法であって、 (a) 前記複数のジャイロセンサおよび加速度センサから
角速度および加速度のデータを取り込み、 (b) 着目可動部材の角加速度を計算し、 (c) 前記角速度および前記加速度ならびに角加速度を着
目可動部材の加速度方程式に代入し、そして (d) 前記着目可動部材の角度を計算する、方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8040894A JPH09229667A (ja) | 1996-02-28 | 1996-02-28 | 回転関節構造物の動作計測装置および方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8040894A JPH09229667A (ja) | 1996-02-28 | 1996-02-28 | 回転関節構造物の動作計測装置および方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09229667A true JPH09229667A (ja) | 1997-09-05 |
Family
ID=12593226
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8040894A Withdrawn JPH09229667A (ja) | 1996-02-28 | 1996-02-28 | 回転関節構造物の動作計測装置および方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09229667A (ja) |
Cited By (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001198110A (ja) * | 2000-01-18 | 2001-07-24 | Microstone Corp | 身体動作センシング装置 |
| JP2003024287A (ja) * | 2001-07-12 | 2003-01-28 | Shin Sangyo Souzou Kenkyu Kiko | 身体状態の監視装置 |
| JP2003070855A (ja) * | 2001-09-03 | 2003-03-11 | Yaskawa Electric Corp | 下肢駆動装置 |
| KR20040046803A (ko) * | 2002-11-28 | 2004-06-05 | 이원진 | 가속도계를 이용한 이동형 보행특성 분석 시스템 |
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| JP2005346016A (ja) * | 2004-06-07 | 2005-12-15 | Willway:Kk | 挙手検知機、およびこれを用いた挙手検知システム |
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| JP2006340903A (ja) * | 2005-06-09 | 2006-12-21 | Sony Corp | 行動認識装置、方法およびプログラム |
| KR100661112B1 (ko) * | 2005-01-22 | 2006-12-22 | (주)컨텍 | 재활치료가 필요한 대상의 평형기능 측정, 진단 및 훈련시스템 |
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| JP2020507382A (ja) * | 2017-02-01 | 2020-03-12 | コンセンサス オーソペディックス インコーポレイテッド | 関節の理学療法及びリハビリテーションをモニタするためのシステム及び方法 |
| WO2023106382A1 (ja) * | 2021-12-10 | 2023-06-15 | 京セラ株式会社 | 情報処理装置、電子機器、情報処理システム、情報処理方法及びプログラム |
-
1996
- 1996-02-28 JP JP8040894A patent/JPH09229667A/ja not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20030506 |