WO2004072579A1

WO2004072579A1 - 姿勢検出装置の誤差補正方法及び動作計測装置

Info

Publication number: WO2004072579A1
Application number: PCT/JP2004/001611
Authority: WO
Inventors: Ryosuke Shibasaki; Yusuke Konishi; Hiroshi Kanasugi; Nobuyuki Yoshida
Original assignee: Akebono Brake Industry Co., Ltd.
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2004-08-26
Also published as: US20060161363A1; EP1593931A4; JP2004264060A; US7233872B2; EP1593931A1

Abstract

本発明は、モーションキャプチャシステムにおけるセンサの誤差を補正するものである。加速度センサにより、静止した初期状態で重力方向Ｇ１を検出しておく。このＧ１が示す方向は、ドリフト現象が生じなければ、常に不変であるはずだが、実際は、座標軸上で加速度センサを取り付けた移動体が移動すると、経時的にドリフト現象により徐々にその方向が変わってしまう。そこで、任意の時間が経過した時点で、加速度センサを静止させて重力方向を検出し、このときの検出データから判定される真性な重力方向と、ドリフト現象により影響を受けた重力方向Ｇ１とを比較して、両者のずれをドリフト現象による誤差とみなし、その誤差を検出値から減算することで、測定値の誤差を補正する。重力方向と同様に、座標における全ての方向についても同じ誤差があったものとして同様に補正すれば、より正確な動作計測が可能となる。

Description

明細書姿勢検出装置の誤差補正方法及び動作計測装置

技術分野

本発明は、いわゆるモーションキヤプチヤシステムに関し、人やその他の動く物体に付属させたセンサからのデータに基づいて、当該対象の動作を計測するシステムであり、さらには、当該システムに利用する動作検出装置に係り、特に、その検出データの補正方法に特徴を有するものである。背景技術

人体などの動作を計測する従来技術は、計測対象から離れたところにセンサを設置し計測する方法（遠隔計測による方法）と、計測対象そのものにセンサなどを取り付け、外部からの信号などに頼らずに動作を計測する方法（自律的計測による方法）に分けられる。

遠隔計測による方法はさらに光学画像センサを利用する方法（例えば、特開 2 0 0 0— 1 8 2 0 5 8号公報、特開 2 0 0 2— 8 0 4 3号公報、特開平 1 0— 7 4 2 4 9号公報）や、磁気センサを利用する方法などがある。

遠隔計測による方法は、外部に設置されたセンサが有効な空間内でしか計測できないため計測範囲が限定される。また、センサの種類によってはセンサを設置できない空間がある。例えば LEDなどを目印に光学画像センサでトラッキングをする方法は明るい屋外では利用できない。また赤外光などを当て計測対象者に付けられたマ一力をトラツキングする方法（例えば、 VICON Vicon Motion Systems社）でも同様に屋外では利用できない。磁気センサ（例えば、 Motion Star ASCENSION社）を利用するケースでは磁気の変動する環境では計測できない。

一方、自律的な計測による方法は、計測できる範囲に制約がないという長所を有する。計測方法としては、ワイヤの伸び縮みやバーのなす角度の変化、あるいは四肢などに取り付けられたセンサ間の相対距離を測るものなど機械式と呼ばれるものであり（例えば、 Gypsy Spice社）、いずれも関節の角度を計測するという点で共通している。

いずれも関節毎に上記のセンサを取り付ける必要があり、関節の動き自体を制約することが多い。またセンサそのものが大型になるため、外見上の違和感も大きく、屋外での利用には適さない。また角度計測の精度が低く、高精度の動作計測には十分ではない。

ところで、近年、半導体の微細加工技術の進歩により MEMS慣性センサと呼ばれる加速度センサや角速度センサがリーズナブノレな価格で入手可能になった。 MEMS慣性センサで構成される小型慣性計測装置は、航空機などの姿勢制御などに用いられる従来の'廣性航法装置やジャイロと比較して精度的には劣るが、小型、軽量であるという特徴を有している。

したがって、身体に装着して人の姿勢を計測することも不可能でなくなった。しかし、 †貫性センサの出力から移動距離や方向を算出するには、加速度センサの場合で 2回、角速度センサの場合で 1回の積分を行う必要がある。そのため、センサの出力にのる電気的なノイズ、重力軸のずれ、温度など周囲の環境の変化に伴う静止出力の変動などに起因するわずかな誤差が時間的に蓄積し、静止している場合においても計測位置のドリフト現象が発生する。このドリフトを補正する方法としては、超音波や磁気、光などの外部の信号を利用するやり方が一般的である。例えば、モーシヨントラッキング（米国特許第 6， 1 7 6， 8 3 7号明細書、'米国特許第 6 , 4 7 4 , 1 5 9号明細書参照）では、身体の向きや位置を検出する装置や人の姿勢をコンピュータ内の仮想空間に再現するへッドマウントディスプレイ装置を、慣性計測装置の誤差を超音波で補正するシステムで実現している。しかしこのような方法は、結果的に先に述べた遠隔計測による方法同様に空間的な制約が生じる。 f貫性センサのみで人体の関節角を計測する試みもある（特開平 1 1—3 2 5 8 8 1号公報参照）力関節の両端にできるだけ接近させてセンサを装着しなければならないという制約があり、手や足など使用できる箇所が限られたものである。

人体の動作を計測することが多くの分野で必要とされている。経営工学では作業員の作業動作を詳細に計測分析することで、作業効率向上を図ろうという例がある。またコンピュータグラフィックスでは、人間の動きをよりリアルに表現するために、人間動作を精度よく計測することが必要となる。医療分野ではリハビリテーションなどの過程で患者の動作がどのように改善されるのかを定量的に把握するために動作の計測を正確に行うことが必要になる。このように人体動作の計測システムは様々の利用が期待されており、すでにいくつかの計測システムが開発されてきている。しかし、計測にあたっては計測対象となる人間の行動を制約せざるをえないシステムが大半である。また計測コストも非常に高いものが少なくない。

本発明は、このようなことを踏まえて、前記ような計測位置のドリフト現象を補正することができ、計測対象となる人間に関して、動作の内容や動作の場所 (例えば、屋内に限らず屋外の自由空間）などの制約ができるだけ小さく、かつ効率的な計測ができるシステムを提案する。発明の開示

加速度センサゃ角速度センサは、入力加速度や入力角速度がゼ口のときの出力電圧を、一般に零点電圧というが、先に述べたように、この零点電圧はセンサの環境温度等の外乱の影響によって変動するため、累積的に誤差が蓄積し、所定の時間が経過すると、本来の実データとは全く異なる状態を示す値のデータを示す結果となつてしまう。このようなドリフト現象を補正するため、本発明は、加速度センサがどんな状態でも重力方向を検出できることに着眼した。

すなわち、加速度センサにより、静止した初期状態で重力方向 G 1を検出しておく。この G 1が示す方向は、前記のようなドリフト現象が生じなければ、常に不変であるはずだが、実際は、座標軸上で加速度センサを取り付けた移動体が移動すると、経時的にドリフト現象により徐々にその方向が変わってきてしまう。

そこで、任意の時間が経過した時点で、前記加速度センサを静止させて重力方向を検出し、このときの検出データから判定される真性な重力方向と、ドリフト現象により影響を受けた重力方向 G 1とを比較して、両者のずれをドリフト現象による誤差とみなし、その誤差を検出値から減算することで、測定値の誤差を補正する。このとき、補正の対象となるのは、重力方向だけでなく、座標における全ての方向である。例えば、 3軸の角速度センサをさらに備えた場合、その角速度センサにより計測される値も、前記誤差に応じて修正する。すなわち、 XY Zの方向において、重力方向が Yであるならば、 Y方向の修正に伴い、 X、 Z方向も修正する。これは、 2次元の座標でも同様である。

本発明の方法は、少なくとも重力方法を検出できる加速度センサを備えた位置検出装置や姿勢検出装置に利用でき、さらに、モーションキヤプチヤシステム（動作測定装置）に適用可能である。本発明では、加速度センサや角速度センサなどからの出力により、例えば、ベタトル方向を算出し、計測対象の姿勢ひいては座標上の位置を計測し、その動きを最終的に計測することができる。

このような装置では、加速度センサと角速度センサからの出力値に従って、特定座標系の位置や姿勢を計測し、当該各センサを取り付けた移動体の動作を検出するにあたり、コンピュータ上に、前記加速度センサにより、静止した初期状態で重力方向を検出し、装置の座標系における移動に伴って初期重力方向も移動させて移動後の重力方向を計測する移動後重力方向計測手段、任意の時間が経過した時点で、前記加速度センサが静止した状態で重力方向を計測する静止時重力方向計測手段、静止時重力方向計測手段で計測された静止状態重力方向とこれまでの移動により移動後重力方向計測手段によつて計測された移動後重力方向とを比較して、両者の差分を検出する誤差検出手段、この誤差検出手段で得た差分に応じて、移動体の動作や位置を特定すべき計測データを補正する補正手段、などが機能実現手段として、プログラムにより実現される。

モーションキヤプチヤシステムでは、加速度センサ、角速度センサを備えた検出ユニットを備え、この検出ユエットを、計測対象の主要ポイントに取付ける。計測対象が、人体やロボットアームなどのように、関節を中心に回動するアームを有する場合、アームの中間点に取付けておく。

システムは、データを処理するコンピュータを有し、このコンピュータにおいて、予め特定の座標系を設定しておく、座標系は 2次元でも 3次元でもよいが、人体の動作など現実世界の物体動作を計測するにはやはり 3次元座標系であることが好ましい。

予め、座標系上での測定対象の基本姿勢を定義しておき、その定義上にさらに、センサ取付け位置を特定しておく。その位置を基本となる原点として、測定対象の動作に従って得られる位置データの変位を加えていけば、測定対象が基本姿勢からどのように移動したのかがわかる。すなわち動作測定が可能となる。センサからの値に誤差がなければ、動作は正確に測定される。し力し、前記のように温度変化等による出力変動に伴って、ドリフト現象が生じる。例えば、 X軸方向を示す出力として、出力 0 Vが定義されていたとする。ところが、その後の温度変化により、本来の 0であるべき出力が + 2 Vとなってしまったとしょう。すると、本来は + 2 v の値が X軸を示すべきところ、 0 Vが X軸方向であると定義されているわけであるから、計測データから判断される X軸方向は、本来の X軸方向より一 2 V分ずれてしまうことになる。このようなドリフト現象の積み重ねにより、経時的にみると、測定される動作は、本来の姿から大きく離れてしまう。

そこで、本発明の方法を適用し、そのずれを補正する。

地球上において重力方向は常に一定であるとすれば、静止状態の加速度センサで検出される重力方向は、常に計測したときの値が重力方向を正確に示していることを意味する。すなわち、ある時点で計測した重力方向の加速度センサ出力値が Y 1 であり、これを始点として累積演算される所定時間経過後の重力方向 Y 1 ' とし、また、所定時間経過した後の静止状態の加速度センサの出力が Y 2であるとした場合、 Y 1 ' も Y 2もその時点で本来同一の重力方向を示しているはずである。

してみると、仮に、 Y 2—Y 1 ' k ( k≠0 )とするならば、センサ出力値にドリフト現象による誤差が生じたことが理解できる。そこで、すべての方向に、このような誤差 kが生じたものとして、この誤差 kを考慮して、 3軸の全ての方向で誤差 kを差し引いて、本来の姿に戻す。

なお、本発明で、センサからの出力は、有線でコンピュータに取り込む方式であつてもよいが、好ましくは、センサユエットに発信器を設けるとともに、コンビュータ側に受信器を設け、センサ出力を無線にてコンピュータに取り込むようにすることが、測定対象の動作を束縛することなく、好的である。

本発明では、 3軸加速度センサと 3軸角速度センサとを備えた 3軸方向の動作計測装置による移動体の動作計測方法により好適に適用できる。

ここでは、移動体を構成するフレームもしくはフレーム相当部位とセンサ座標系の相対的な位置関係を特定して移動体にセンサを装着し、世界座標系との位置関係のわかっている初期姿勢を取り、装置を初期化し、また、初期姿勢情報に基づくセンサ座標系に対する初期重力方向を加速度センサで求めておき、回転されたセンサ座標系の方向と角速度センサとフレームとの相対的な位置関係を使つて、フレームの方向を求め、原点を始点にして、各フレームの方向と長さから、隣接するフレーム接合部である関節の位置を決め、既に決まった関節位置と、フレームの方向と長さから隣接する関節の位置を決めることで、フレームがどのように動いたかを計測し、同時に、移動体の動作とともに、角速度センサが回転すると、初期重力方向も相対的に回転するので、センサ座標系において初期重力の方向もセンサの回転に伴つて回転させることで、重力方向 G 1を計算しておき、移動体が静止したとき、 3 軸加速度センサで重力方向 G 2を計測し、移動後の所定時間経過後の重力方向 G 1 と、静止時の重力方向 G 2とを比較し、その差分から誤差を求め、この誤差情報から、角速度センサのドリフト誤差の時間変化特性に応じて、誤差変化パラメータを求め、誤差変化パラメータに従って、以後の移動体の動作計測データを補正する。なお、以上の各方法や装置においてさらに、磁気方位センサを備え、磁気方位センサで初期の磁気方向を検出し、移動体の移動に伴って、初期の磁気方向も移動させ、その後の任意の時間が経過した時点で磁気方位センサにより磁気方向を計測し、前記した移動後の磁気方向と任意時間経過後の磁気方向との差異から、誤差を測定し、前記加速度センサにより重力方向での誤差計測に併せて、誤差を修正するようにすると、より精度が上がる。

ここで、移動体を人体とし、フレームを骨格とすると人体の動作計測を行うことができる。

人体の動作を計測対象とする場合、本発明では、頭部、四肢（左右上腕、左右前腕、左右手背、左右大腿、左右下腿、左右足背）や胴体（背中、腰）などに小型の 3軸加速度センサと 3軸ョーレートセンサからなる小型 6自由度'!¹貫性計測装置を体に装着することで、頭部や四肢、胴体など人体の各部位のなす相対角度を計測し、人体動作を正確に計測，再現する。本方式は自律的な計測の範疇に入り、センサさえ付けておけばどのような環境下でも利用でき、計測空間に制限はない。すなわち屋外、屋内などすベての空間で自由に行動する人間の動作を計測できる。

また、関節毎に取付けるのではなく、頭部や四肢、胴体のそれぞれの部位に一つづっセンサをサポータ等の固定器具で固定するだけで計測できることから、装着するセンサの個数も、関節角計測による方法に比べておさえることができ、また関節動作の自由を制約しない。センサそのものは小型化可能であるため、装着も容易でめる。

したがって、次のような用途に応用可能である。

1 ) 工場や建設現場で働く作業者の動作解析

作業員の動作を解析して無理や無駄のない動き作業手順や作業環境を構築することにより、生産効率の向上や作業者の身体に無理のかからない安全衛生的標準動作の構築ができる。

2 ) 危険作業に伴う異常検知

原子力発電所、製鉄所の溶鉱炉、ガスタンク内清掃、食品センターの冷蔵庫内作業、炭鉱、トンネル、地下鉄、洞窟探検調査などに関する作業は人命に関わる危険が伴う。よって、異常をできるだけ早く察知し迅速に対応する必要がある。し力し、これらの作業場所は密閉空間であったり、特殊な装備がなければ近づくことができない特殊環境であったり、異常を検知するカメラやセンサなどのインフラが構築不可能或いは使用できない場合が多い。装着型人体動作計測システムにより、人体の動きを計測することで状況把握や異常検知を行うことができる。 3 ) コンピュータグラフィックス用 3次元情報の取得

さまざまな人間の動作をいろいろな環境下で 3次元的に計測することができ、関節の動きに対する制約が少ないため、よりリアルな動作を CGにより再現できる。また、人体動作入力型のゲーム用にも応用可能である。

4 ) 医療用及ぴスポーツ用向け 3次元データ取得

介護 ' リハビリテーション .作業 (姿勢）の状態を計測し数値化する。患者の動作を計測することにより、治療効果の確認や進展状況を定量的に把握し最適医療を支援するシステム。スポーツ選手やダンサーの 3次元的動作解析、テクニック等の向上を支援するシステム。

なお、上記のような加速度センサと角速度センサとを有する動作検出装置を人体に取り付けるにあたっては、人体の肢体へのセンサの取り付け角、人体動作計測の基準となる外部座標系とセンサとの相対的な位置関係を、前記加速度センサから得られる重力方向と基準となる人体の特定姿勢との相対関係から求めるようにすることが人体への動作検出装置の取り付けを容易にする。 δ 本発明は、上記のように構成したことで、ドリフト現象による誤差を適宜訂正できるので、より正確な動作測定を行うことができる。図面の簡単な説明

図 1は、加速度センサと角速度センサを備えたコンバインセンサを示す図図 2は、加速度センサの回路図

図 3は、コンバインセンサからの出力を示す回路図

図 4は、 6自由度センサボックスと基板の配置を示す図

図 5は、センサボックスを取り付ける身体部位を示す図

図 6は、センサ座標系と世界座標系の関連付けを示す図

図 7は、各節点（関節）の座標の計算方法を示す図

図 8は、人体の動作計測手順を示すフローチャート図

図 9は、計測データの補正方法を示すフローチャート図

図 1 0は、センサボックス取り付け箇所とローカル座標 ·世界座標を示す図図 1 1は、角度変換データを示す図

図 1 2は、下肢の動作アニメーションを示す写真図

図 1 3は、センサ軸の回転変化を示す図

図 1 4は、スケルトンモデルと世界座標を示す図

図 1 5は、骨方向べクトルを示す図

図 1 6は、積分手順簡略図

図 1 7は、付加制約条件図発明を実施するための最良の形態以下、本発明の実施の形態を添付した図面に基いて説明する。

まず、本実施形態で用いるセンサユニットは、 3軸加速度及び 3軸角速度の出力を持つ小型 6自由度慣性計測装置（以下、 6自由度センサボックスという）である。この 6自由度センサボックスは、加速度センサと角速度センサとを組合せたコンバインセンサを 3つ用いて構成したものであり、コンバインセンサは、図 1に示したように、プリント基板に対し平行方向の加速度 Gxを検出する加速度センサと、プリント基板に対し垂直方向の加速度 Gzを検知する加速度センサ素子と、 y軸周りの角速度を検知する角速度センサ素子 1個とをプリント基板上に配置した構成である。

図 2に、前記加速度センサを示す。この加速度センサ素子は VTI社製の半導体容量型で、プリモールド成形でパッケージ化された容量式低加速度センサであり、半導体微細加工技術によりシリコン基板上に加速度によって変位を生じる微小な錘を作製し、移動可能な錘（可動電極）と固定電極とのギャップの変化を静電容量の変化として読み取る静電容量型である。実施例で示した VTI社の静電容量型以外でも、シリコンセンシングシステムズ社、アナログデバイス社の静電容量型の素子、日立金属（株）製のピエゾ抵抗型素子などが利用できるが、これらに限定されるものではない。

角速度センサの詳細な構成は、図示しないが、ここでは、 BEI社製のダブル音叉振動子型クォーツ方式の角速度センサを用いている。角速度センサとしては、振動している物体に加速度が加わると、振動方向に垂直のコリオリカが発生する現象を利用し圧電セラミックなどの振動子を用いる振動ジャイロなどがある。実施例で示した BEI社の振動式音叉型のほかにも、音片振動子型（三菱電機、村田製作所）、振動子リング型 (シリコンセンシングシステムズ社) などがあり利用できる。

図 3は、コンバインセンサの回路で、端子（4)に 5 V ( 4 . 7 5〜5 . 2 5 V) の直流電圧を印加して駆動される。端子 (2)は接地され、端子 (3)には、 l O O k Q以上の抵抗が接続され、端子（1)には、 2 0 以上の抵抗が接続されている。そして、端子 (3)から、角速度が 1 0 0 以上の抵抗端子間の電圧値として出力され、端子 (1)から、加速度が 2 0 k Ω以上の抵抗端子間の電圧値として出力されるようになつている。

図 4に、実験に使用した 6自由度センサボックスの構成を示す。このセンサボックスは、前記したコンバインセンサ基板 3枚を図のように立体的に配置し、互いに直行した 3軸角速度おょぴ 3軸加速度の出力が得られるように構成した。基板（1)からは 1 軸角速度（ョ一）と X軸加速度を、基板 (2)からは 1軸角速度（ロール）と y軸、 _Z 軸加速度を、基板 (3)からは 1軸角速度（ピッチ）を電圧出力として取り出した。各センサからの出力は、ナショナルインスツルメンス社製の AD変換カード DAQCard-6024Eでノート型 PCに取り込んだ。

このように構成した 6自由度センサボックスを複数用意し、肢体に取り付ける。図 5において、園はセンサボックスの取付け位置を示しており、その位置は、基本的に肢体の関節間であり、 Y軸が骨格の各骨の方向に沿うように設置する。

6自由度センサボックスに口一カル座標系を設定する。次にそれぞれの方向角を、外部の基準座標系（世界座標）に対して求める。

その際人体の構造は骨格モデルにより表現されるとする（図 6 )。骨格モデルは、予め、コンピュータ上に骨■関節クラスのオブジェクトを作成し、それらを人体クラスのオブジェクトに登録することで作成される。

そして、 6自由度センサボックスの Y軸方向を骨に沿うように設置する。これにより、 6自由度センサボッタスからは骨格を構成する各骨の方向角が与えられることになる。

骨の長さをあらかじめ計測しておくことで骨の方向べクトルが求められる。なお、骨の長さは、関節間の長さで代用する。図 7に示したように、さらに計算の起点を任意の節点（関節）上、或いは骨上に決めることで、起点節点から各節点の座標を骨の方向べクトルを順次足しあわせていくことで求めることができる。図 7では、一方の股関節を起点に、ベタトルを求めていく。

ここで以下のような問題点が生じる。

センサと四肢との間の初期取り付け角を正確に求めること、およびセンサと外部の基準座標系との位置関係を正確に求めることが正確な計測には必要である。しかし、センサの計測軸と四肢などの方向との相対角度を直接計測することは容易ではない。

ョーレートセンサによる角度計測は計測誤差が累積し、時間経過と共に精度が劣化する。これをドリフト誤差というが、計測途中でドリフト誤差を補正する工夫をする必要がある。

そこで、本発明ではそれぞれ以下のような解決策を与えている。

センサの取り付け角などの正確な計測については、 3軸加速度センサを利用することで重力方向を検知することができるので、これを利用する。基準となる座標系は重力方向が一つの軸に一致しているので、重力方向からセンサの取り付け角に関する制約条件を得ることができる。

これに加えて重力方向と直角する方向（方向角）を与える必要があるが、これはセンサを装着後、特定の方向に向かって直立する、椅子に座るなど、外部の基準座標系と四肢や胴体の相対的な方向角がわかるような姿勢を取ることで、方向角を決めることができる。同時に四肢や胴体とセンサとの相対的な取り付け角も求めることができる。

さらに、磁気方位センサを組み合わせておなじ手順を行うことでより精度よく推定することができる。

以上と同様に動作の途中に適当な静止姿勢を何種類か入れ、そのたびに 3軸加速度センサにより重力方向を検知することで、ドリフト誤差を補正する。

あるいは、 3軸加速度センサ . ョーレートセンサにさらに磁気方位センサを組み合わせておなじ手順を行うことでより精度よく推定することができる。

次に、図 8、図 9に、本発明による人体の動作計測と、その補正方法について説明する。

図 8で、まず、ステップ 1で、人体を構成する骨格（骨）とセンサ座標系の相対的な位置関係がわかるように、人体にセンサを装着する。次いで、ステップ 2で、世界座標系との位置関係のわかっている初期姿勢を取り、センサを初期化する。この初期姿勢情報は、メモリに格納しておく（ステップ 3 ) 。なお、前提として、人体モデルは上記したようにコンピュータ上に予め設定されている。

この初期化が完了した後、ステップ 4で計測を開始する。

ここでは、まず、 3軸角速度センサから得られる各速度計測値を誤差変化パラメータに基づき補正の上、センサ座標系を回転させる（ステップ 5 ) 。計測当初は誤差変化パラメータは 0であるから、捕正はない。 .

次いで、回転されたセンサ座標系の方向とセンサと骨との相対的な位置関係を使つて、骨の方向を求める（ステップ 6 ) 。さらに、ステップ 7で、原点を始点にして、各骨の方向と長さから、隣接する関節の位置を決める。そして、ステップ 8で、既に決まった関節位置と、骨の方向と長さから隣接する関節の位置を決める。この操作は、全ての関節位置を求め終わるまで繰り返し実行される（ステップ 9、 1 0 )。以上により、腕や脚がどのように動いたかが計測される（ステップ 1 1 ) 。すると、時間ステップが進められ（ステップ 1 2 ) 、時間ステップが予め特定しておいた計測時間に達すると、計測時間終了となり（ステップ 1 3 ) 、一連の動作計測が完了する。一方、ステップ 1 3で、計測時間が終了していないとき、ステップ 5に戻り、ステップ 5から 1 2までを操り返し実行する。

図 9に示したフローチャートでは、図 8の計測において、経時的に蓄積されるドリフト現象による誤差を補正するための誤差変化パラメータを求める。

ここでは、図 8のルーチンの実行中において、メモリに格納してある初期姿勢情報を取り込み、この初期姿勢からセンサ座標系に対する初期重力方向を求めておく (ステップ 2 1 ) 。人体の動作とともに、センサが回転すると、初期重力方向も相対的に回転するので、センサ座標系において初期重力の方向もセンサの回転に伴つて回転させることで、重力方向を計算する（ステップ 2 2 ) 。この結果得られる所定時間経過後の重力方向は、前記したドリフト現象により、誤差を含む値となっている。

この間、計測中に人体が停止すると、プログラムは、静止状態に入ったことを示す信号を受信する（ステップ 3 1 ) 。静止状態になったことを示す信号は、例えば、以下のようにして生成される。静止状態になると、センサからの出力信号は、変動のない、あるいはあったとしても、きわめて少ない変動幅となり、そこで、その出力時間が所定時間連続したとき、静止していると判断し、静止状態信号を発する。静止状態となった場合、 3軸加速度センサから重力方向を計測する（ステップ 3 2 ) 。ここで計測される重力方向は、何らの加工もされていないわけであるから、真性の値で特定される。

そこで、ステップ 2 2で特定された所定時間経過後の重力方向と、ステップ 3 2 で特定された真性重力方向とを比較し、その差分から誤差を求める（ステップ 4 1 )。そして、この実際の誤差情報から、角速度センサのドリフト誤差の時間変化特性

(例えば、時間に対して線形に誤差が蓄積する）に応じて、誤差変化パラメータ（例えば、時間に対する誤差蓄積速度）を求める（ステップ 4 2 ) 。

誤差変化パラメータをメモリに格納し（ステップ 4 3 ) 、図 8のステップ 5での補正に供する。

図 8、図 9のルーチンによれば、静止の都度、誤差変化パラメータを求め、計測の都度、その誤差変化パラメータによる計測誤差の補正を行うので、常時誤差が補正されて動作が計測され、より正確な人体動作の測定が可能となる。

く実施例 >

次に、下半身の動きを計測し、人が椅子に座る動作をコンピュータ上に再現した具体例を示す。

1 ) 実験装置

前記したように、加速度 2軸 +ョーレート 1軸からなるコンバインセンサ基板を 3枚用い、加速度センサおよぴョーレートセンサ力 ^次元的に互いに直行するように配置した加速度 3軸 +ョーレート 3軸の出力が得られるセンサボックスを作製し使用した。各センサからの出力は、ナショナルインスツルメンス社製の AD変換カード

DAQCard-6024Eでノート型 PCに取り込んだ。

2 ) センサボックスの取り付け

5個の小型センサボックスをサポータあるいはマジックテープ（登録商標）を用いて図 1 0に示す各部（腰、左右大腿、左右下腿）に取り付けた。

なお、図 1 0で、〇はジョイント（関節部分）、園はセンサボックスである。センサボックスは、実際の骨には取り付けられないので、例えば、左右大腿の外側部、左右下腿の外側部など、人体の外面に取り付けた。

3 ) 計測

3軸加速度センサの出力から重力方向を検知することにより、センサボッタスの取り付け角および時間的に蓄積するドリフト誤差を補正するため、周期的に直立姿勢で静止するポーズをとつた。

まず、（1)直立姿勢で静止初期状態を取る。次に、（2)直立姿勢からひざを曲げて椅子に座る動作を連続して 3回繰り返す。再び (3)直立姿勢で約 15秒間静止する。その後 (2)、（3)の動作を繰り返し終了した。

4 ) 計算処理とアニメーション化

各センサボックスのョ一レートセンサの出力を積分し、角度に変換したデータを図示する（図 1 1 ) 。

それぞれの角度データをもとに計測動作を先のフロ一チヤ一トに従って処理し、アニメーション化した様子を図 1 2に示す。図 1 2において、上段は立った状態、中段は中腰の状態、下段は椅子に座った状態を示す。

以上の例を、さらに詳細に説明する。

まず、軸加速度センサから検出される重力方向とョーレートセンサから積算される角度との関連について説明する。

図 1 3にセンサ軸の回転変化の状態を示すが、ここでは、 3軸加速度計の軸とョーレートセンサの軸は正しくキヤリブレーションされているものとする。

<t = 0 (初期状態のとき）〉

世界座標系（Χ,Υ,Ζ) をそれぞれ（_ao, ,y₀) だけ回転させると e_x0,e_y0,_ez0 (センサ座標系）になるとする。つまり、

X ：世界座標系上のベタトル

Ts ：センサ座標系で表現されるべクトル

X = R(a„fi„Y_Q)-Ys (式 A) または、

Ys = R-^l(a₀, _o,r₀)-X (式 B)

R (a₀,i3_0;y₀) は回転行列。ここではロール角（ α )，ピッチ角（ ) ,ョ一角（ γ )の順に回すとする。 Rし..）を以下の様に定義する。

R(a^,r) = R_r-R R_a

(I 0 0 、 cos/? 0 sin βヽ ,cos -sin^

R = 0 cosa •sin a

sin cosy 0

0 sin a cos a -sin β 0 cos β V 0 0 1

(式 1) 世界座標系上での重力方向は（0,0,-1)となる。これは (式 B)からセンサ座標系上では ,0、

0 (式 2)

、— 1ノ

この時、 3軸加速度センサの出力ベクトルを長さ 1に正規化しておく。加速度センサ出力べクトルを

As_y \As\=\ (式 3)

ノ _ί=0

とすると、 = s となるはずである。例えば、センサ座標系の回転角がロール角しかなく、ピッチ、ョ一角ともにゼロとすると、

、

(式 4)

となり、ひを重力ベクトルから求めることが可能なことがわかる。し力し、ョ一角のみの回転とすると

,0、

0 (式 5)

、― 1ノ、ノ

となり、 γ (ョ一角）は決まらない。これは、ョ一角成分が回転マトリクス

R-¹ (αο,βο,Ύο) の ζ軸成分にあたる列に含まれないからである。つまり (式 6)

で表現されるロール角、ピッチ角のみの関数ということになる。

すなわち、ョ一角の情報がなく初期値のョ一角は決まらないため、別途決める必要がある。この方法については初期値設定の項で述べる。

<t=Atだけ時間が経過したとき >

1;=Δ1;のときの、ョーレートを

( ，^ f)とすると、 t=0 からの間の回転角は、

(式 7)

となる。このとき t=0の時のョーレートはゼロであるとしている。また、これを

(Δαい ΔΑ,Δ ) (式 8) とおく。

ョーレートはセンサ座標軸のまわりに世界座標がまわる形になる。つまり

(式 9)

Xs = R一、 (Δα, Αβ, A )-Xs = R~^l ( a, Αβ, Αγ) · R— ¹ (α_ΰ,β₀,γ₀)·Χ

t=kt ί=0 この時の直力方向べクトルは ο、

Xs_s： R一¹ (Δα,ΔΑ Δ, 一¹ ("₀， ,₀) 0 (式 1 0 )

t=At

、― 1ノ

Xs„は Δ γの情報を含んでいるのでキヤリブレーシヨンができる。

ί=Δί

つまり、

^Ls は t = A tにおける 3軸加速度センサからの出力値 (単位べクトル) 以上のことから、加速度計の出力から ο; ο, ;3 ₀, Δ α , Δ ]3 , Δ 7はキヤリブレーションができることがわかる。ただし、 γ ₀は別途与えなければならない。その方法に関しては初期値設定の項で述べる。

<誤差補正方法 >

ついで、計測にあたっての初期設定と誤差捕正方法について説明する。図 14にスケルトンモデルと世界座標を示すが、初期状態設定は、スケルトンモデルと世界座標との関係においてなされる。初期状態を設定する上では以下の 3つのことを仮定する。

口各センサは骨格モデルの各「骨」に正しく取り付けられている。

例えば、センサローカル座標系のひとつの軸べクトルと骨の方向が正しく一致している。ただし、一致している以外の 2つの軸ベクトルはどちらを向いているかわからない。

口各「骨」の長さは予め計測されている。

□ 「初期状態」となるある種の姿勢を被験者にとらせることができる。との時、以下のような条件が成立していると考える。 1. GH // KL (腰の骨と両足先の骨が平行）

2. GH // BC (腰の骨と両足先の骨が平行）

3. BDM (腕)， CFN (腕)， GIK (足）， HJL (足）， AEQ (背骨）が直線

4. BC (肩）〃GH (腰）〃KL (足先） II床

※簡略化のため、両足、両腕、背骨は床に垂直としても良い

以上の仮定から成立する初期状態は次の 2つの要件を満たさなければならない。〇第 1の要件：骨格モデル中の全ての「骨」の向き（その骨に取り付けられたセンサの座標系の世界座標に対する向き：図 1 4 )を決定することができる。

〇第 2の要件：全ての骨の角度が確定したとき各節点の 3次元座標を計算することができる。

第 1の要件に関しては、全ての骨の初期ョ一角を決められるようにしなければならない。

(方法 1) 上記の初期姿勢の時に、全ての骨のョ一角を別途計測する。あるいは、ョ一角が決まるような初期姿勢をとる。

(方法 2) 第 2の要件と組み合わせて決める方法。ただし、部分的にし力使用できなレ、。第 2の要件について。図 1 5のように骨の傾きしかわからないということは、方向ベクトノレ（Δ χ, A y, Δ ζ)しかわからないということである。

し力し、ユーザは各節点、 3次元座標値を必要とするため、必ず初期値 (座標初期値-各骨の長さ等が必要となる。この初期値を与えるのが初期姿勢である。

ただし、初期値は別々の場所でも与えることができる。

例えば、図 1 6の積分手順簡略図のように、両足 (P,Q)のついた場所を予め決めておく（積分原点)。 P,Qから上昇した腰のところ（G,H)で、幾何学的な制約を満たさなければいけない（例えば GH//KL、 GH=40cmなど）。「骨」のべクトルの向きに順次積分していき、各節点の位置を決めることができる。このときも、やはり GH//BCは必要な条件となる。

さらなる条件付加として、図 1 7のように、手を棒 (紐でも可）の上におくことで、手の座標地を足に対して相対的に決めることができる。また、その値を腕部分の初期ョ一角を決める制約条件として使用できる。

<動作中の補正の方法 > 動作中の捕正については、捕正法 1を主として適用するが、捕正法 2を補助的な方法として併用することができる。

く補正法 1〉

動作の途中に「静止状態」を入れ、重力方向を参照することで補正が可能となる。） t=0の時の回転量 (初期回転量）を（0；₀, ₀,₇0)とする。

0から（Δ _{α ι},Δ ^,Δ _l) 回転させた間を t=Atとし、そこからさらに（Δひ ₂，Δ i3₂, Δ γ₂) 回転させた時間を t=2Atとする。以降この繰り返しである。

t=2 Atのとき、世界座標系上において Ί と表される点（ベクトル）がセンサ座標系から見て（センサ座標系で表して）どのような点 (ベクトノレ） Ysに見える力、を求める式は以下のようになる。

^R^-1 (α, β, )は（ 2)軸上でのべクトル回転マトリタス。

R— ¹ (Δ ₂

t= Λ¾ , Δ,₂ ) . R— ¹ (Δ "い , Δ ）. R— 。 , ,。） ·

… （式 1 1) t=N - Atのときは回転マトリクスを繰り返し乗じる。

このとき、加速度センサからの重力データは以下のようになる _c

Xs R-^x (Αα₂ Αβ₂ ,Αχ₂)- R— ¹ (Δα, , Αβ_λ ,Α_Ά)- R— ¹ (な。 ,β₀, ₀)·

t=2At

(式 12) 式 1 2 の下線部分（*)は初期状態での 3 軸加速度センサの出力単位べクトルである。 ίを正規化された加速度計の出力べクトル (重力方向）とする。また、この式を一般化すると、 ¹ (Δα,- Αβ, , Α_Ά )) · R— ¹ (α₀ ,Α, )· 0

、

式（1 3)には γ。が含まれないので (付随資料参照)， γ。は重力方向からはキヤリブレートできない。

ドリフト項については、ドリフトが時間に比例して積み上がると仮定する。

つまり、 a ( t) = ao+ a tの類である。

これをョーレートに直すと、

Αα_; =Αα.+ΑΟ_α+ε_α ■ · ■ (式 1 4)

Α . ：真のョーレート

AC_a ：一定の大きさの誤差（一方向）

ε_α ：平均ゼロのランダム誤差成分

同様に

Αβ_ί =Αβ_ί+Α€_β+ε_β

Ar_i =Ar_i+AC_r+s_r

更にこれらを近似して、

Δα, « Aa_t + AC_a

Αβ_ί «Δ^. + Ο_β - · - (式 1 5)

« Αγ_ί + AC_r

式 1 5より、ドリフト項を含んだ回転角における重力方向べク

変化が以下の様に一般化できる.

X =(Π ¹ (Δ¾ + Δ , ΔΑ + Δ , A + AC_y )) · R- ¹ ( 。 ,β₀,γ

k

、一 1ノ

(式 1 6) 式 1 6の重力べクトル変化の結果 ¾と、同時点での加速度計の出力べクトル ¾ (真値）との差をとる。

(Ax、

(差べクトル） = H y (式 1 7 )

= 1 〜 Ν まで（静止状態にある限り）式 1 7に示される差べクトルの 2乗和

を最小にする様に， , ΑΟ_β， AC. , α。，。を決めなければならない。

ただし、 y ₀はこの方法では決めることはできず、初期値設定により決めなければならない。

ぐ補正法 2〉

「静止」している時には、全ての軸周りの（真の）ョーレート、すなわちョーレートセンサの出力はゼロになる。

つまり、「静止状態」（おそらく数秒であろう）でのョーレート出力値は上記の

Δ C _α, Δ C _β, Δ C _γに等しくなるはずである。この情報を付加的に利用して補正の精度の向上や、捕正結果のチェックを行うことができる。産業上の利用性

本宪明は、人やその他の動く物体の動作を計測するシステムであり、工場や建設現場で働く作業者の動作分析、危険作業に伴う異常検知、人間動作を C Gにより再現する場合等、広い分野での利用が可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 少なくとも加速度センサを備え、所定座標系における姿勢および/または位置を検出する検出装置において、

前記加速度センサにより、静止した初期状態で重力方向を検出し、検出装置の座標系における移動に伴って初期重力方向も移動させて移動後の重力方向を計算する一方、任意の時間が経過した時点で、前記加速度センサを静止させて重力方向を計測し、このとき計測された静止状態重力方向と、座標系における移動後の重力方向とを比較して、両者のずれを誤差とみなし、その誤差に基づいて座標系での計測値を補正することを特徴とする、姿勢の検出装置における誤差補正方法。

2 . 加速度センサと角速度センサとを有し、これらセンサからの出力値に従って、特定座標系の姿勢およぴ Zまたは位置を計測し、当該各センサを取り付けた移動体の動作を検出する移動体の動作検出装置において、

前記加速度センサにより、静止した初期状態で重力方向を検出し、検出装置の座標系における移動に伴って初期重力方向も移動させて移動後の重力方向を計測する移動後重力方向計測手段と、

任意の時間が経過した時点で、前記加速度センサが静止した状態で重力方向を計測する静止時重力方向計測手段と、

静止時重力方向計測手段で計測された静止状態重力方向とこれまでの移動により移動後重力方向計測手段によつて計測された移動後重力方向とを比較して、両者の差分を検出する誤差検出手段と、

この誤差検出手段で得た差分に応じて、移動体の動作や位置を特定すべき計測データを補正する補正手段と、

を備えたことを特徴とする移動体の動作検出装置。

3 . 前記加速度センサは、 3軸加速度センサであり、前記角速度センサは、 3軸角速度センサであることを特徴とする請求項 2記載の動作検出装置。

4 . 加速度センサと角速度センサとを有し、これらセンサからの出力値に従って、特定座標系の姿勢およびノまたは位置を計測し、当該各センサを取り付けた移動体の動作を検出する移動体の動作検出装置を人体に取り付けるにあたって、人体の肢体へのセンサの取り付け角、人体動作計測の基準となる外部座標系とセンサとの相対的な位置関係を、前記加速度センサから得られる重力方向と基準となる人体の特定姿勢との相対関係から求めることを特徴とする、人体への動作検出装置の取り付け方法。

5 . 3軸加速度センサと 3軸角速度センサとを備えた 3軸方向の動作計測装置による動作計測方法であり、

移動体を構成するフレームもしくはフレーム相当部位とセンサ座標系の相対的な位置関係を特定して移動体にセンサを装着し、

世界座標系との位置関係のわかっている初期姿勢を取り、装置を初期化し、また、初期姿勢情報に基づくセンサ座標系に対する初期重力方向を加速度センサで求めておき、

回転されたセンサ座標系の方向と角速度センサとフレームとの相対的な位置関係を使って、フレームの方向を求め、原点を始点にして、各フレームの方向と長さから、隣接するフレーム接合部である関節の位置を決め、既に決まった関節位置と、フレームの方向と長さから隣接する関節の位置を決めることで、フレームがどのように動いたかを計測し、同時に、移動体の動作とともに、角速度センサが回転すると、初期重力方向も相対的に回転するので、センサ座標系において初期重力の方向もセンサの回転に伴って回転させることで、重力方向 G 1を計算しておき、移動体が静止したとき、 3軸加速度センサで重力方向 G 2を計測し、移動後の所定時間経過後の重力方向 G 1と、静止時の重力方向 G 2とを比較し、その差分から誤差を求め、この誤差情報から、角速度センサのドリフト誤差の時間変化特性に応じて、誤差変化パラメータを求め、誤差変化パラメータに従って、以後の移動体の動作計測データを補正することを特徴とする移動体の動作計測方法。

6 . 磁気方位センサを備え、磁気方位センサで初期の磁気方向を検出し、移動体の移動に伴って、初期の磁気方向も移動させ、その後の任意の時間が経過した時点で磁気方位センサにより磁気方向を計測し、前記した移動後の磁気方向と任意時間経過後の磁気方向との差異から、誤差を測定し、前記加速度センサにより重力方向での誤差計測に併せて、誤差を修正することとを特徴とする請求項 1または 5記載の方法。