(57)【要約】      （修正有）【課題】光学式モーションキャプチャを利用して、センサーモジュールの位置精度を向上させる。【解決手段】光学式モーションキャプチャ３と、少なくとも３軸ジャイロセンサーを備えたセンサーモジュール２と、を備えた動作計測において、センサーモジュール２と同一剛体上に光学式マーカー１を設け、センサーモジュール２に対する光学式マーカー１の位置関係が記憶されており、センサーモジュール２の座標値を、位置関係と、光学式マーカー１の座標値と、センサーモジュール２の姿勢情報と、を用いて取得する。【選択図】図１
2015227813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学式モーションキャプチャと、
少なくとも３軸ジャイロセンサーを備えたセンサーモジュールと、
を備えた動作計測において、
センサーモジュールと同一剛体上に光学式マーカーを設け、前記センサーモジュールに対する前記光学式マーカーの位置関係が記憶されており、
前記センサーモジュールの座標値を、前記位置関係と、前記光学式マーカーの座標値と、前記センサーモジュールの姿勢情報と、を用いて取得する、
センサーモジュール位置の取得方法。
【請求項２】
前記センサーモジュールの世界座標系における座標値を、前記位置関係、前記光学式モーションキャプチャによって取得された世界座標系における前記光学式マーカーの座標値、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報を用いて取得した変換情報を用いて取得する、
請求項１に記載のセンサーモジュールの位置の取得方法。
【請求項３】
センサーモジュール座標系を世界座標系に一致させた時のセンサーモジュールの姿勢情報が得られており、前記変換情報は、前記姿勢情報と、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報と、を用いて取得される、
請求項２に記載のセンサーモジュールの位置の取得方法。
【請求項４】
前記光学式マーカーは、前記センサーモジュール上に装着されている、請求項１〜３いずれか１項に記載のセンサーモジュールの位置の取得方法。
【請求項５】
センサーモジュール座標系における前記光学式マーカーの座標値は、
前記センサーモジュールの３つ以上の異なる姿勢において、各姿勢における変換情報を、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報を用いて取得し、
各姿勢において、前記センサーモジュールから前記光学式マーカーへの距離が同一であることを利用して取得する、請求項２〜４いずれか１項に記載のセンサーモジュールの位置の取得方法。
【請求項６】
光学式モーションキャプチャと、
少なくとも３軸ジャイロセンサーを備えたセンサーモジュールと、
を備えた動作計測システムにおいて、
センサーモジュールと同一剛体上に設けた光学式マーカーと、
前記センサーモジュールに対する前記光学式マーカーの位置関係を記憶する記憶手段と、
前記センサーモジュールの座標値を、前記位置関係と、前記光学式マーカーの座標値と、前記センサーモジュールの姿勢情報と、を用いて取得する演算手段と、
を備えた、センサーモジュール位置の取得装置。
【請求項７】
前記演算手段は、前記センサーモジュールの世界座標系における座標値を、前記位置関係、前記光学式モーションキャプチャによって取得された世界座標系における光学式マーカーの座標値、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報を用いて取得した変換情報を用いて取得する、
請求項６に記載のセンサーモジュールの位置の取得装置。
【請求項８】
センサーモジュール座標系を世界座標系に一致させた時のセンサーモジュールの姿勢情報を記憶する記憶手段と、
前記姿勢情報と、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報と、を用いて前記変換情報を計算する手段と、
を備えた、請求項７に記載のセンサーモジュールの位置の取得装置。
【請求項９】
前記光学式マーカーは、前記センサーモジュール上に装着されている、請求項６〜８いずれか１項に記載のセンサーモジュールの位置の取得装置。
【請求項１０】
センサーモジュール座標系における光学式マーカーの座標値は、
前記センサーモジュールの３つ以上の異なる姿勢において、各姿勢における変換情報を、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報を用いて取得する手段と、
各姿勢において、前記センサーモジュールから前記光学式マーカーへの距離が同一であることを利用して、センサーモジュール座標系における光学式マーカーの座標値を演算する手段と、
によって取得する、請求項６〜９いずれか１項に記載のセンサーモジュールの位置の取得装置。
【請求項１１】
光学式モーションキャプチャと、
少なくとも３軸ジャイロセンサーを備えたセンサーモジュールと、
を備えた動作計測において、
同一剛体上に１つのセンサーモジュールと１つの光学式マーカーを設け、前記センサーモジュールに対する前記光学式マーカーの位置関係が記憶されており、
前記センサーモジュールの座標値を、前記位置関係と、前記光学式モーションキャプチャによって取得された前記光学式マーカーの座標値と、前記センサーモジュールの３軸ジャイロセンサーによって取得された前記センサーモジュールの姿勢情報と、を用いて推定し、
前記剛体の位置が、前記推定されたセンサーモジュールの座標値から得られ、前記剛体の傾きが、前記センサーモジュールの３軸ジャイロセンサーによって取得された姿勢情報から得られる、
動作計測方法。
【請求項１２】
光学式モーションキャプチャと、
少なくとも３軸ジャイロセンサーを備えたセンサーモジュールと、
を備えた動作計測システムにおいて、
同一剛体上に設けた１つのセンサーモジュール及び１つの光学式マーカーと、
前記センサーモジュールに対する前記光学式マーカーの位置関係を記憶する手段と、
前記センサーモジュールの座標値を、前記位置関係と、前記光学式モーションキャプチャによって取得された前記光学式マーカーの座標値と、前記センサーモジュールの３軸ジャイロセンサーによって取得された前記センサーモジュールの姿勢情報と、を用いて推定する手段と、
前記剛体の位置が、前記推定されたセンサーモジュールの座標値から得られ、前記剛体の傾きが、前記センサーモジュールの３軸ジャイロセンサーによって取得された姿勢情報から得られる、
動作計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサーモジュールの位置の取得方法及び装置に係り、詳しくは、光学式モーションキャプチャによる動作計測と慣性センサーモジュールによる動作計測とを同時行うことで、センサーモジュールのより正確な位置情報を取得する技術に関するものである。このような慣性センサーモジュールとしては、９軸センサー、６軸センサーを例示することができる。
【背景技術】
【０００２】
三次元動作分析の計測方式としては、光学式モーションキャプチャ（典型的には、赤外線反射方式が採用される）による動作分析システムが良く知られている。光学式モーションキャプチャでは、複数の光学マーカー（赤外線反射マーカー）を被験者の所定部位に取り付け、複数のカメラで被験者の動作を撮影することで、光学マーカーの移動軌跡から被験者の動作を計測する。光学式モーションキャプチャシステムは、医療、スポーツ、ロボティックス、コンピュータグラフィックス等の分野で広く用いられている。
【０００３】
一方、加速度センサーやジャイロスコープ等の慣性センサーを用いて動作計測を行うことも知られており、近年、６軸センサー（３軸加速度センサー、３軸ジャイロスコープを備えたセンサーモジュール）や９軸センサー（３軸加速度センサー、３軸ジャイロスコープ、３軸地磁気センサーを備えたセンサーモジュール）を用いた動作分析が行われ始めている。
【０００４】
９軸センサー等のセンサーモジュールを用いて位置を推定する場合には、初期位置に対して、センサーモジュールの加速度センサーによって取得された加速度を２回積分した値を足し合わせていく必要があるため、誤差が累積されてしまい、位置の精度が光学式モーションキャプチャに比べて劣る傾向にある。
【０００５】
一方、光学式モーションキャプチャによる動作分析は、位置の計測精度は６軸センサーや９軸センサーよりも良いという特徴があるが、光学マーカーがカメラから見えている必要があるため、動作によっては、多くのカメラ台数が必要になり、必要なコストが上昇するというデメリットがある。
【０００６】
ここで、光学式モーションキャプチャの動作分析と、慣性センサーを用いた動作分析を組み合わせることで、それぞれの長所を活かした相乗的な計測を行うことが期待される。しかしながら、単に被験者に光学式モーションキャプチャ用の光学マーカーと９軸センサー等のセンサーモジュールを取り付けただけでは、得られる計測データが増加するだけであり、両システムの欠点を解決することはできない。光学式モーションキャプチャと慣性センサーによる計測をいかに協働させて、有効な同時計測を行うかが重要である。
【０００７】
光学式モーションキャプチャと慣性センサーによる計測を同時に行うという視点は、特許文献１に記載されているが、その開示内容は、光学式モーションキャプチャ装置と慣性センサーの双方からの情報を同期させる手段を提供するものに留まる。
【特許文献１】特開２０１３−１９２５９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、光学式モーションキャプチャとセンサーモジュールによる同時計測を有効に用いるための手段を提供するものであり、特に、光学式モーションキャプチャを利用して、センサーモジュールの位置精度を向上させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明が採用した第１の技術手段は、
光学式モーションキャプチャと、
少なくとも３軸ジャイロセンサーを備えたセンサーモジュールと、
を備えた動作計測において、
センサーモジュールと同一剛体上に光学式マーカーを設け、前記センサーモジュールに対する前記光学式マーカーの位置関係が記憶されており、
前記センサーモジュールの座標値を、前記位置関係と、前記光学式マーカーの座標値と、前記センサーモジュールの姿勢情報と、を用いて取得する、
センサーモジュール位置の取得方法、である。
１つの態様では、前記センサーモジュールの世界座標系における座標値を、前記位置関係、前記光学式モーションキャプチャによって取得された世界座標系における前記光学式マーカーの座標値、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報を用いて取得した変換情報を用いて取得する。
１つの態様では、センサーモジュール座標系を世界座標系に一致させた時のセンサーモジュールの姿勢情報が得られており、前記変換情報は、前記姿勢情報と、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報と、を用いて取得される。
【００１０】
１つの態様では、センサーモジュール座標系における前記光学式マーカーの座標値は、
前記センサーモジュールの３つ以上の異なる姿勢において、各姿勢における変換情報を、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報を用いて取得し、
各姿勢において、前記センサーモジュールから前記光学式マーカーへの距離が同一であることを利用して取得する。
【００１１】
本発明が採用した第２の技術手段は、
光学式モーションキャプチャと、
少なくとも３軸ジャイロセンサーを備えたセンサーモジュールと、
を備えた動作計測システムにおいて、
センサーモジュールと同一剛体上に設けた光学式マーカーと、
前記センサーモジュールに対する前記光学式マーカーの位置関係を記憶する記憶手段と、
前記センサーモジュールの座標値を、前記位置関係と、前記光学式マーカーの座標値と、前記センサーモジュールの姿勢情報と、を用いて取得する演算手段と、
を備えた、センサーモジュール位置の取得装置、である。
１つの態様では、前記演算手段は、前記センサーモジュールの世界座標系における座標値を、前記位置関係、前記光学式モーションキャプチャによって取得された世界座標系における光学式マーカーの座標値、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報を用いて取得した変換情報を用いて取得する。
１つの態様では、当該装置は、
センサーモジュール座標系を世界座標系に一致させた時のセンサーモジュールの姿勢情報を記憶する記憶手段と、
前記姿勢情報と、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報と、を用いて前記変換情報を計算する手段と、
を備えている。
【００１２】
センサーモジュール座標系における光学式マーカーの座標値は、
前記センサーモジュールの３つ以上の異なる姿勢において、各姿勢における変換情報を、前記センサーモジュールのジャイロセンサーによって取得された回転情報を用いて取得する手段と、
各姿勢において、前記センサーモジュールから前記光学式マーカーへの距離が同一であることを利用して、センサーモジュール座標系における光学式マーカーの座標値を演算する手段と、
によって取得する。
【００１３】
本発明が採用した第３の技術手段は、
光学式モーションキャプチャと、
少なくとも３軸ジャイロセンサーを備えたセンサーモジュールと、
を備えた動作計測において、
同一剛体上に１つのセンサーモジュールと１つの光学式マーカーを設け、前記センサーモジュールに対する前記光学式マーカーの位置関係が記憶されており、
前記センサーモジュールの座標値を、前記位置関係と、前記光学式モーションキャプチャによって取得された前記光学式マーカーの座標値と、前記センサーモジュールの３軸ジャイロセンサーによって取得された前記センサーモジュールの姿勢情報と、を用いて推定し、
前記剛体の位置が、前記推定されたセンサーモジュールの座標値から得られ、前記剛体の傾きが、前記センサーモジュールの３軸ジャイロセンサーによって取得された姿勢情報から得られる、
動作計測方法、である。
【００１４】
本発明が採用した第４の技術手段は、
光学式モーションキャプチャと、
少なくとも３軸ジャイロセンサーを備えたセンサーモジュールと、
を備えた動作計測システムにおいて、
同一剛体上に設けた１つのセンサーモジュール及び１つの光学式マーカーと、
前記センサーモジュールに対する前記光学式マーカーの位置関係を記憶する手段と、
前記センサーモジュールの座標値を、前記位置関係と、前記光学式モーションキャプチャによって取得された前記光学式マーカーの座標値と、前記センサーモジュールの３軸ジャイロセンサーによって取得された前記センサーモジュールの姿勢情報と、を用いて推定する手段と、
前記剛体の位置が、前記推定されたセンサーモジュールの座標値から得られ、前記剛体の傾きが、前記センサーモジュールの３軸ジャイロセンサーによって取得された姿勢情報から得られる、
動作計測システム、である。
【００１５】
上記第１〜第４の技術手段について、以下の態様を採用することができる。
１つの態様では、前記センサーモジュールは、加速度センサーを含んでいる。後述する実施形態では、前記センサーモジュールは、３軸加速度センサー、３軸ジャイロスコープ、３軸地磁気センサーを備えた９軸センサーである。
１つの態様では、前記光学式マーカーは、前記センサーモジュール上に装着されている。
１つの態様では、前記光学式マーカーと前記センサーモジュールは、同一剛体上に離間して装着されている。
光学式マーカーをセンサーモジュール上に装着する場合において、一度取得した位置関係を記憶部に記憶しておけば、同一のセンサーモジュール上の同一位置に光学式マーカーを装着する場合には、記憶されている値を用いてもよい。
また、センサーモジュールの設計時に、センサーモジュールの位置（センサー座標系の原点）が取得されており、センサーモジュールの形状・寸法、センサーモジュールに装着された光学式マーカーの寸法（マーカーの中心位置）、センサーモジュールの外形に対する光学式マーカーの取付位置が判っているような場合に、センサーモジュール座標系における前記光学式マーカーの座標値を計算で精度良く取得できる場合もあり得る。
【００１６】
本発明に係る動作計測システムの基本的なハードウェアは、光学式モーションキャプチャを構成するものとして光学式マーカー、複数のカメラ、コンピュータであり、センサーモジュールによる動作計測を構成するものとして、９軸センサー等のセンサーモジュール、コンピュータとなる。動作計測システムに用いられるコンピュータは１台でも複数台でもよい。各フレームで時系列に取得された計測データ（カメラ画像、加速度データ、角速度データ等）はコンピュータの記憶部に記憶され、コンピュータの演算部において計測データを用いて所定の演算が実行され、演算結果は記憶部に記憶される。記憶部にはまた、計測に先立って取得した情報が記憶されている。
光学式マーカーとしては、赤外線反射マーカーや赤外線ＬＥＤを例示することができる。
後述する実施形態では、計算に用いられる各種情報を主として行列で示しているが、行列表現は１つの態様に過ぎないものであり、各種情報を他の表現形式で規定することが可能であることが当業者に理解される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、同一の剛体に慣性センサーモジュールと光学式マーカー（補正用マーカー）を取り付け、これらの位置関係を利用することで、センサーモジュールの位置情報を精度良く取得することができる。
センサーモジュールが加速度センサーを備えている場合には、加速度データを用いて当該センサーモジュールの位置情報を取得可能であるが、その位置精度は一般に光学式モーションキャプチャに比べて劣り、光学式モーションキャプチャで取得される位置情報を用いることで、センサーモジュールの位置情報を補正し、位置精度を向上させることができる。
【００１８】
また、センサーモジュールの位置精度を向上させるために同一剛体上に光学式マーカーが設けられるわけであるが、このセンサーモジュールのジャイロセンサーを用いて、光学式マーカーが設けられた剛体の姿勢・方向を取得することができる。
すなわち、マーカー側の視点から考えると、光学式マーカー１つの場合には、光学式マーカーを取り付けた剛体の方向を決定することはできないのに対して、動作計測において、ジャイロセンサーが加わることにより、光学式マーカー３個未満であっても剛体の方向を決めることができるようになり、赤外線反射マーカー等の光学式マーカーを利用した動作計測に新たな機能が追加されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】光学式モーションキャプチャによる動作計測とセンサーモジュールによる動作計測の同時計測を示す概念図である。
【図２】センサーモジュール上に装着された補正用マーカーを示す。
【図３】同一の剛体リンク上に離間して装着された補正用マーカーとセンサーモジュールを示す。
【図４】９軸センサーのセンサー座標系と世界座標系との一致に用いられる治具を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［Ａ］光学式モーションキャプチャによる動作計測とセンサーモジュールによる動作計測
［Ａ−１］光学式モーションキャプチャシステムによる動作計測
光学式モーションキャプチャシステムは、被験者の複数の所定部位（頭、首、肩、肘、手首等）や道具等に装着した複数の光学式マーカー１（例えば、赤外線反射マーカー）と、光学式マーカー１を装着した被験者の運動を複数角度から同時に撮影する複数台のカメラ３と、各カメラ３で取得したマーカーの画像情報中のマーカーの二次元位置を再構成して当該マーカーの三次元位置を計算し、光学式マーカーの三次元位置と身体の三次元モデルから身体の各部位の三次元位置（被験者の姿勢）を取得する処理部と、計測データや計測データに基づいて計算されたデータを記憶する記憶部と、処理部による処理結果（被験者の姿勢の時系列データとして取得される運動データ）等を表示する表示部と、からなる。
【００２１】
処理部、記憶部、表示部は、コンピュータ（例えば、入力部、出力部、演算部、記憶部、表示部等を備える汎用コンピュータ）４から構成され、具体的には、カメラ３によって取得された画像情報および画像処理部で計算された情報を記憶する記憶部、画像情報や測定結果、分析結果を表示する表示部、画像情報に対して画像処理を施すための画像処理部、光学式マーカー１の三次元位置の時系列データを計算する演算部を備えている。
【００２２】
［Ａ−２］センサーモジュールを用いた動作計測システム
センサーモジュールを用いた動作計測システムは、被験者の所定部位に装着した９軸センサー２と、９軸センサー２からの計測データを受信する受信機（図示せず）と、受信機で得られた各種データに基づく計算を実行するコンピュータ４と、から構成される。９軸センサー２は、３軸加速度センサー、３軸ジャイロスコープ、３軸地磁気センサー、制御部（ＭＣＵ等）、バッテリ、無線通信機能（ブルートゥース等）を備えたセンサーモジュールである。センサーモジュールは、被験者の身体の所定部位（例えば、左上腕、右上腕、左前腕、右前腕、左手首、右手首、体幹等）や道具等に装着される。加速度データ、角速度データは、地磁気データは、各センサーモジュールが持つ通信機能を介してデータ蓄積・計算用コンピュータ４に送信され、計測データを解析し運動を再構成する。
【００２３】
コンピュータ４は、受信機より得たセンサーデータを保存し、被験者の姿勢を再構成して、動作分析を行う。コンピュータ４は、入力部、出力部、演算部、記憶部、表示部等を備える汎用コンピュータから構成することができる。入力部から入力されたセンサーデータ（加速度データ、角速度データ、地磁気データ）は記憶部に記憶され、演算部によって所定の計算が実行されて（例えば、加速度データの積分による位置情報、角速度データの積分による角度情報）、計算結果は記憶部に記憶されると共に、必要に応じて、出力部から出力、あるいは／および表示部で表示される。光学式モーションキャプチャによる計測と９軸センサー２による計測を同期して実行し、同期して計測データを取得することで、各時刻（フレーム）において、光学式マーカー１の位置情報と、９軸センサー２から取得される各データが対応して得られ、記憶部に記憶される。
【００２４】
［Ｂ］光学式モーションキャプチャを用いた９軸センサーの位置情報の取得
［Ｂ−１］概要
９軸センサーはその加速度センサーにより計測された加速度データを用いて位置情報を取得することができるが、位置情報を取得するためには加速度データを２回積分した値を足し合わせていく必要があるため、誤差が累積されてしまい、位置の精度が光学式モーションキャプチャに比べて劣る傾向にある。そこで、光学式モーションキャプチャを利用して、隠れ光学式マーカー１の位置情報取得に用いられる９軸センサー２の位置精度を向上させることを考える。図３、図４に示すように、補正用の光学式マーカー１´を用意し、補正用マーカー１´と同一剛体（体節等）５上に９軸センサー２を設け、９軸センサー２に対する補正用マーカー１´の位置関係を記憶しておき、その位置関係を用いて、補正用マーカー１´の位置情報（光学式モーションキャプチャで取得する）から９軸センサー２の位置情報を取得する。図３に示す態様では、補正用マーカー１´は、所定の剛体（体節等）に設けた９軸センサー２上に装着されており、９軸センサー２を所定の剛体に取り付けることで、９軸センサー２と補正用マーカー１´は同一の剛体に設けられる。図４に示す態様では、補正用マーカー１´と９軸センサー２は、同一の剛体（体節等）５上に離間して装着されている。位置関係が一意に決定されていれば、補正用マーカー１´と９軸センサー２は、接触していても、離間していてもよい。
【００２５】
［Ｂ−２］センサーの位置とマーカーの位置関係の決定
補正用マーカー１´を９軸センサー２と同一剛体（体節等）５に固定した状態で、９軸センサー２を回転させて９軸センサー２のジャイロセンサーを用いて回転行列を取得する。この回転情報を用いて、計測前に９軸センサー２の位置と補正用マーカー１の位置関係を決定し、記憶部に記憶しておく。計測の前に９軸センサーの位置と補正用マーカーの位置関係を決定するための計算について以下に述べる。ここで上記位置関係を規定する求めたい値は
2015227813.tif 000003
である。
【００２６】
第nフレームでの、９軸センサーの世界座標系における座標値を
2015227813.tif 000004
とする（この値は未知数である。）。ここでは、より精度の高い９軸センサーの位置情報を取得することを目的とし、９軸センサーの位置情報の取得に、当該９軸センサーの加速度センサーから得られる加速度データを用いない。
【００２７】
第nフレームでの、絶対座標系から９軸センサー座標系への変換行列を
2015227813.tif 000005
とする。この変換行列は、センサー座標系を世界座標系に一致させた時（較正時）の９軸センサーの姿勢情報を記憶しておき、この姿勢情報と、９軸センサーのジャイロセンサーによって時刻ｔｎで取得された回転行列と、を用いて計算することができる。
【００２８】
第nフレームでの、補正用マーカーの世界座標における座標値を
2015227813.tif 000006
とする。補正用マーカーの世界座標系における座標値は、光学式モーションキャプチャのカメラ画像から取得することができる。
【００２９】
世界座標系と９軸センサーの座標系を一致させ、９軸センサーの位置を原点に位置させた際の補正用マーカーの座標値を
2015227813.tif 000007
とする。この値はセンサー座標系における補正用マーカーの位置と同義であり、この値も未知数である。
【００３０】
このとき次の関係が成り立っている。
2015227813.tif 000008
となる。この時、右辺は補正用マーカーが原点に来るように移動したときの９軸センサーの位置になる。
【００３１】
第iフレーム、第jフレーム、第kフレームにおいて、原点から補正用マーカーまでの距離は一定であることから次の関係が成り立つ。
2015227813.tif 000009
この連立方程式を解くことで、センサー座標系における補正用マーカーの座標値
2015227813.tif 000010
を求めることができる。
【００３２】
要約すると、センサーモジュール（９軸センサー）座標系における補正用マーカーの座標値は、
前記センサーモジュール（９軸センサー）の３つ以上の異なる姿勢において、各姿勢における変換情報（変換行列）を、前記センサーモジュール（９軸センサー）のジャイロセンサーによって取得された回転情報（回転行列）を用いて取得し、
各姿勢において、前記センサーモジュール（９軸センサー）から前記補正用マーカーへの距離が同一であることを利用して取得する。
計算は、コンピュータ４の演算部によって実行され、計算結果は、コンピュータ４の記憶部に記憶される。
【００３３】
［Ｂ−３］補正用マーカー位置を用いた９軸センサーの位置の取得
計測中に９軸センサー２の位置精度向上用に取り付けた補正用マーカー１´がカメラで撮影される時に、次のような計算を行って、９軸センサー２の座標値を計算する。計測中の補正用マーカー１´の位置から９軸センサー２の座標値を計算するときの計算式は次のようになる。
【００３４】
求める９軸センサーの絶対座標系での位置を
2015227813.tif 000011
とする。
【００３５】
センサー座標系における補正用マーカーの位置を
2015227813.tif 000012
とする。この位置情報は、［Ｂ−２］で取得されている。
【００３６】
補正用マーカーの絶対座標系での位置を
2015227813.tif 000013
とする。補正用マーカーの三次元座標値は、光学式モーションキャプチャによって取得される。
【００３７】
絶対座標系から９軸センサーのセンサー座標系への変換行列を
2015227813.tif 000014
とすると
2015227813.tif 000015
より
2015227813.tif 000016
となる。
計算は、コンピュータ４の演算部によって実行され、計算結果は、コンピュータ４の記憶部に記憶される。
変換行列Ｍｗ→ｓの計算の１つの態様を［Ｄ］に記載する。
【００３８】
［Ｃ］同一剛体上に設けた１つの光学式マーカーと１つの９軸センサーを用いた動作計測
［Ｃ−１］概要
本実施形態では、光学式マーカー（赤外線反射マーカー）と、ジャイロセンサーを含むセンサー（９軸センサー）を 同一剛体上に乗せるということにより、新たな機能を持つセンサーを提供するものである。すなわち、本実施形態では、９軸センサーの位置を精度よく検出でき、また、単一の赤外線反射マーカーでは剛体の方向（姿勢・向き）を検出できないのに対して、剛体の方向の検出が可能となる。９軸センサー側からの視点で見ると、光学式マーカーが新たに取り付けられることによって、「センサーの位置を精度よく決定することが難しい９軸センサーの位置精度が向上される」ことを意味し、一方、光学式マーカー側の視点で見ると、ジャイロセンサーを備えた９軸センサーを取り付けることにより、「剛体上に取りつた光学式マーカー１個では、剛体の方向を決めることができないが、ジャイロセンサーが加わることにより光学式マーカーが１個であっても剛体の方向を決めることができる」ことを意味する。
【００３９】
本実施形態に係る動作計測は、以下のように規定することができる。
光学式モーションキャプチャと、
少なくとも３軸ジャイロセンサーを備えたセンサーモジュール（９軸センサー）と、
を備えた動作計測において、
同一剛体上に１つのセンサーモジュール（９軸センサー）と１つの光学式マーカーを設け、前記センサーモジュール（９軸センサー）に対する前記光学式マーカーの位置関係が記憶されており、
前記センサーモジュール（９軸センサー）の座標値を、前記位置関係と、前記光学式モーションキャプチャによって取得された前記光学式マーカーの座標値と、前記センサーモジュール（９軸センサー）の３軸ジャイロセンサーによって取得された前記センサーモジュール（９軸センサー）の姿勢情報と、を用いて推定し、
前記剛体の位置が、前記推定されたセンサーモジュール（９軸センサー）の座標値から得られ、前記剛体の傾きが、前記センサーモジュール（９軸センサー）の３軸ジャイロセンサーによって取得された姿勢情報から得られる。
【００４０】
［Ｃ−２］アプリケーションの具体例
椅子からの立ち上がりの際の体幹の動きを測定するような場合には体幹を１つの剛体として捉える必要がある。体幹を１つの剛体として捉えたいような計測の場合には、３軸の傾きを光学式マーカーのみの計測によって計測するのは難しい。通常、光学式マーカーは骨のランドマークに取り付けるが、体幹には骨がたくさんあるため、同一体節上の３つのランドマークを選択して光学式マーカーを取り付け、それによって体節の上下・左右・前後軸を決めるのが難しい。例えば、左右肩峰・第七頸椎にマーカーを取り付け、その面を水平面とすることは可能であるが、左右片峰は第七頸椎とは独立に動かすことができてしまい正確な水平面を表すことができない。また、左右胸鎖関節と第七頸椎であれば、同一剛体とみなすことはできるが、この３点から作られる平面は水平面と一致しない。
【００４１】
これに対して、１つの９軸センサー＋１つの光学式マーカー（補正用マーカー）のセットを脊椎等に取り付けることで、体幹の傾きと位置が分かる。この９軸センサーと光学式マーカーのセットを脊椎等に取り付けると、椅子からの立ち上がり時の体幹の上下軸・左右軸・前後軸周りの角度を求めることができると同時に脊椎等の位置の時間変化も同時に分かる。本発明は、光学式モーションキャプチャの動作分析と、慣性センサーを用いた動作分析を組み合わせることで、それぞれの長所を活かした相乗的な計測を行うものであり、以下に述べるような手法の不具合を解消でき、有利な手法を提供する。
【００４２】
第七頸椎と肩峰に光学式マーカー・第七頸椎に９軸センサーを取り付けた例を挙げる。この時に、第七頸椎に単純に９軸センサーを取り付け、その上に光学式マーカーを取り付けただけで、それぞれから計測されたデータ（光学式マーカーの座標、９軸センサーの計測データ）のみを用いて動作計測を行うことも考えられるが、光学式マーカーの位置は９軸センサーの位置と同じではないので、本発明のように９軸センサーの位置を推定した場合に比べて、光学式マーカーの座標値は９軸センサーの大きさの分だけ正しい位置からずれた位置になる。肩峰がどの程度、前に出ているかの情報を得るために、第七頸椎と左右肩峰の作る角度を計測すると、単純に光学式マーカーを９軸センサーに張り付けただけでは、推定した９軸センサーの座標値を用いた場合に比べて後方に光学式マーカーが位置することとなり、９軸センサーを付けない場合に比べて光学式マーカーの位置が後方の位置となる。そのため、誤差要因となる。
【００４３】
［Ｄ］絶対座標系から９軸センサー座標系への変換行列をＭｗ→ｓの決定
［Ｄ−１］概要
９軸センサーの座標系と世界座標系（三次元動作分析の座標系）は一致していないため、計測前に座標系を一致させるための較正作業が必要となる。計測前に図５に示すような治具６を使って、各９軸センサーの座標系と世界座標系（カメラ座標系）との間の関係を計算するための変換行列を作成する。治具６は、平面視長方形状を有し、上面６０には、縦横方向に間隔を存して方形状の凹部６１が形成されており、各凹部６１に９軸センサー２を嵌め込むようになっている。この治具６には直角三角形の頂点を形成するように３つの光学式マーカー１Ａ、１Ｂ、１Ｃが３つ設けてある。３つのマーカー１Ａ、１Ｂ、１Ｃの作る直角三角形の直角の点につけられたマーカー１Ａと長辺側につけられたマーカー１Ｂの方向を一つ目の軸とし、直角の点につけられたマーカー１Ａと短辺側につけられたマーカー１Ｃの方向をもう一つの軸とする。この軸をそれぞれ、前後軸・左右軸とすると、９軸センサー２の前後軸・左右軸をこの治具６の前後軸・左右軸と一致するように置く。前後軸と左右軸が決まっているため、上下軸は計算により求めることができる。
【００４４】
［Ｄ−２］
あるタイミングで、光学式モーションンキャプチャによる動作計測と、９軸センサー２による動作計測を同時に行う。３つのマーカー１Ａ、１Ｂ、１Ｃの座標値をそれぞれ
2015227813.tif 000017
とし、
2015227813.tif 000018
とするとき、
2015227813.tif 000019
が３つのマーカー１Ａ、１Ｂ、１Ｃの回転行列となる。この時に９軸センサー２から得られる回転行列をＲsとする（Ｒsはセンサー内で直接計算されて出力される）。
【００４５】
上記の作業によって、９軸センサー２の座標系からマーカー１Ａ、１Ｂ、１Ｃの座標系に変換する行列
2015227813.tif 000020
は
2015227813.tif 000021
となる。ここで、rは図５の治具を用いて行列を作成するために用いるデータを取得する参照となるフレームを意味する添え字である。
上記の行列とフレーム番号nで取得されたセンサーの回転行列を
2015227813.tif 000022
としたとき、
フレーム番号ｎにおける９軸センサーのセンサー座標系から世界座標系に変換する行列
2015227813.tif 000023
は
2015227813.tif 000024
となり、世界座標系から９軸センサーのセンサー座標系への変換行列は
2015227813.tif 000025
となる。
【００４６】
このように、計測前の較正において、センサーモジュール（９軸センサー）座標系を世界座標系に一致させた時のセンサーモジュール（９軸センサー）の姿勢情報を求めておき、前記姿勢情報と、前記センサーモジュール（９軸センサー）のジャイロセンサーによって取得された回転情報（回転行列）と、を用いて、センサーモジュール（９軸センサー）座標系と世界座標系間の変換情報（変換行列）が取得される。
【００４７】
９軸センサー座標系を世界座標系に一致させるための９軸センサーの軸（上下・前後・左右の軸）の較正手法は、上記の治具６を用いる手法には限定されず、当業者において他の手法が適宜採用し得るものである。例えば、世界座標系の左右と前後に線を引いておき、図６の治具からマーカーを外したうえで、治具の長辺と世界座標系の前後軸、治具の短辺と世界座標系の左右軸を合わせたうえで、センサーのオフセット取得機能を使用して、センサーの座標系をマーカーの座標系を一致させることも可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  光学式マーカー
１´  補正用の光学式マーカー
２  ９軸センサー
３  カメラ
４  コンピュータ
５  剛体
【図１】
2015227813.tif 000026
【図４】
2015227813.tif 000027
【図２】
2015227813.tif 000028
【図３】
2015227813.tif 000029