(57)【要約】非常に小型化された電子データ捕捉システムは、装置の静的／動的な運動特性に影響せずに可動装置中へ埋設されることができるＭＥＭＳセンサを含んでいる。基本慣性磁気運動捕捉（ＩＭＭＣＡＰ）モジュールは、３軸ＭＥＭＳ加速度計、３軸ジャイロスコープ、３軸磁力計を提供するように構成されているＭＥＭＳセンサを有する３Ｄ印刷回路板からなり、これらはアナログ運動データをデジタルデータへ変換するために全てアナログデジタル変換器と通信し、クラシックな慣性測定と固定された外部基準系に関する空間的な方向（Ρ，Θ，Φ）と、直線運動（ｘ，ｙ，ｚ）および地球の磁場と重力場の既知の関係に関する初期の空間的方向における変化を決定する。ＩＭＭＣＡＰモジュールからのデータ流は各独立したＩＭＭＣＡＰモジュールと関連した各剛性軸に対して６つの自由度の時間列の再構成を可能にする。【選択図】図１０
2008529727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最初の方向の測定およびクラシックな慣性測定を行い、空間的な方向（Ρ，Θ，Φ）および直線運動（ｘ，ｙ，ｚ）における変化の測定を行う運動捕捉システムにおいて、
運動データを提供するＩＭＭＣＡＰモジュールと、
前記運動データを受信するために前記ＩＭＭＣＡＰモジュールと電気的に接続されているデジタル処理装置と、
前記運動データを解析し、それに応答してフィードバック信号を提供する手段とを具備している運動捕捉システム。
【請求項２】
さらに、前記運動データを予め定められた運動データセットと比較し、それに応答してフィードバック応答を発生する手段を具備している請求項１記載の運動捕捉システム。
【請求項３】
さらにメモリを具備し、前記予め定められた運動データセットは前記メモリ内に記憶されている請求項２記載の運動捕捉システム。
【請求項４】
前記メモリは不揮発性メモリである請求項３記載の運動捕捉システム。
【請求項５】
前記メモリはＥＥＰＲＯＭメモリである請求項４記載の運動捕捉システム。
【請求項６】
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールは磁力計、加速度計、ジャイロスコープから選択された２つの３軸センサを具備している請求項１記載の運動捕捉システム。
【請求項７】
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールは１つの３軸磁力計と１つの３軸加速度計を具備している請求項１記載の運動捕捉システム。
【請求項８】
前記ＩＭＭＣＡＰは前記３軸磁力計と前記３軸加速度計の動作に応答して運動データを発生する請求項７記載の運動捕捉システム。
【請求項９】
さらに１つの３軸ジャイロスコープを具備している請求項８記載の運動捕捉システム。
【請求項１０】
１つの３軸加速度計と、
１つの３軸磁力計とを具備しているＩＭＭＣＡＰモジュール。
【請求項１１】
さらに１つの３軸ジャイロスコープを具備している請求項１０記載のＩＭＭＣＡＰモジュール。
【請求項１２】
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールはさらにそれぞれ前記３軸加速度計および前記各３軸磁力計と電気接続されている調整回路を具備している請求項１０記載のＩＭＭＣＡＰモジュール。
【請求項１３】
前記調整回路はさらにローパスフィルタを具備している請求項１２記載のＩＭＭＣＡＰモジュール。
【請求項１４】
前記調整回路はさらに利得回路を具備している請求項１２記載のＩＭＭＣＡＰモジュール。
【請求項１５】
ＩＭＭＣＡＰモジュールを使用して運動を測定する方法において、
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールを初期化し、
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの運動に応答して運動データを発生し、
予め定められた特性について前記運動データを解析し、
前記解析に応答してフィードバック信号を発生するステップを含んでいる運動を測定する方法。
【請求項１６】
さらに、予め定められた運動データ範囲のグループから前記運動データの範囲を選択するステップを含んでいる請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
さらに、前記運動データを前記選択された予め定められた運動データ範囲と比較し、前記運動データが前記運動データ範囲外であるならば、エラー状態を発生させるステップを含んでいる請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
さらに、前記運動データをメモリに記憶し、
前記記憶された運動データを予め定められた運動データと比較し、前記比較に応答してエラーを発生させるステップを含んでいる請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
さらに、前記運動データを前記予め定められた運動データと同期する手段を含んでいる請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記運動データを同期する手段はさらに、前記運動データ中のトリガー事象を識別し、前記トリガー事象を前記予め定められた運動データ中の予め限定された事象と同期させるステップを含んでいる請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は運動感知装置の分野に関する。本発明は特に運動捕捉応用で使用するための単軸／多軸応用において６つの自由度プラス最初の空間方位慣性運動測定装置として有用であるが、それに限定されない。本発明はまた、最適の、または予め定められた運動と比較したとき、特定の運動に対する実時間の解析とフィードバックを行うのに有用である。
【背景技術】
【０００２】
近年、３次元空間において単軸または多軸の剛性体の６つの自由度の運動を感知することができる精巧な装置の開発に対する関心が高まっている。これらの運動コンポーネントを感知するために開発されている装置は、過去においてはかさばり、高電力で高価であった。例えば角度および直線運動を感知するために、ジャイロスコープおよび加速度計が典型的にほとんどの応用に必要な運動情報を提供するためにタンデムで使用されてきた。しかしながら、これらの装置はかさばり、高電力が必要で高価であるために好ましくない。
【０００３】
最近の装置の改良は従来の装置よりも必要とする電力が少なく、より正確で、大きさも小さくなるように行われている。しかしながら、これらのより現代の運動感知装置はまだかなり大型であり、結果として測定される装置へ一体化することがしばしば困難である。かさばったハードウェアの付加がその装置の動作または使用特性を変化するスポーツ装置の部品のような小さく軽量の装置の運動を測定することが望まれるとき、これは特に問題である。
【０００４】
小型化された運動感知装置における早期に行われた試みの１つが1988年１月にLaughlinに発行された米国特許第4,718,276号明細書（発明の名称“Angular motion sensor”）に開示されている。この‘276号明細書は角度運動センサのコア中の固体電極が、軸方向で隔てられた磁石間の環状フラックスギャップ内に閉じ込められている導電流体の本体を有することを開示している。電極の壁中のスロットの配置は慣性変位によって流体中に誘起された電流を周囲のコンポーネントへ変更し、これは出力信号が得られる出力巻線へ誘導結合される。
【０００５】
1988年11月にSparksに発行された米国特許第5,831,162号明細書（発明の名称“Silicon micromachined motion sensor and method of making”）で開示されているように、継続された運動感知コンポーネントの物理的寸法を減少する試みは、ジャイロスコープのようなシリコンミクロ機械加工された運動センサをチップレベルで製造し、真空包装する方法を開示している。この方法は感知チップにおいてトレンチで隔離された感知素子をミクロ機械加工し、感知素子を包囲するように回路チップを取り付ける工程を含んでいる。はんだバンプは回路チップを感知チップに取り付け、センサの真空包装を可能にするために気密密封を形成し、感知チップと回路チップを電気的に相互接続している。回路チップの包囲された表面上に形成された導電性のランナーは感知素子とその関連される感知構造を電気的に相互接続するように構成されている。
【０００６】
ＭＥＭＳコンポーネントを含む軽量の環状および線形運動センサについての最近の進歩は2003年１月にHartwellへ発行された米国特許第6,504,385号明細書（発明の名称“Three-axis motion sensor”）に開示されているような革新を生んだ。この‘385号明細書は半導体ウェハ構造の３次元の運動を検出するための超小型電子機械システム（ＭＥＭＳ）運動センサを開示している。
【０００７】
ＭＥＭＳ装置は上層、中層、下層を有し、屈曲によって中層に可動部または「ムーバー」が取り付けられ、この屈曲によってムーバーは層に関して３次元で移動することができる。ムーバーは隣接層上に位置される対向電極と共にキャパシタンスを生成するムーバー電極を有している。キャパシタンスはムーバーが移動するときに変化する。キャパシタンス検出器は電極から信号を受信し、キャパシタンスの変化に基づいてムーバーの運動を検出する。ＭＥＭＳ装置はムーバーの運動の特性を決定するため、検出されたキャパシタンスを処理する。ムーバーと対向電極は中層に平行なｘ−ｙ平面における動作を検出するためのｘ−ｙ電極と、ｘ−ｙ平面に直交方向の動作を検出するためのｚ電極とを備えている。
【０００８】
前記‘385号明細書の装置は３つの軸の自由度に対応して測定された信号を提供することができるが、装置の全体的な運動についてのレート情報を提供しない。
【０００９】
ＭＥＭＳセンサの継続的な進歩は2003年２月にReedsに発行された米国特許第6,513,380号明細書（発明の名称“MEMS sensor with single central anchor and motion-limiting connection geometry”）に提示されているようなセンサを含んでいる。
【００１０】
この‘380号明細書は、感知素子と、熱応力の影響を減少する中央のハブ状に配置されているセンサ素子を支持する単一のアンカーとを含んでいるＭＥＭＳセンサを開示している。通常、２以上のアンカーは感知素子の運動を適切に制限するために必要である。しかしながらこの‘380号明細書に開示されているアンカーは感知素子の運動を実質的に単一の自由度へ制限する接続形状を有している接続素子によって感知素子を支持している。
【００１１】
ＭＥＭＳセンサを運動捕捉装置へ組み込むことは、典型的な運動センサよりも非常に軽重量の解決策を提供する。しかしながら、この‘380号明細書の装置は他のセンサのジャイロスコープにより典型的に提供される方向性信号を考慮しておらず、したがって完全な運動センサコンポーネントとしては有用ではない。さらに、種々のＭＥＭＳコンポーネントの取り付け方法は測定されるアイテムへ組み込むことができる頑丈なセンサを提供しない。
【００１２】
運動センサに対する別の解決方法は2003年４月にFeyへ発行された米国特許第6,552,531号明細書（発明の名称“Method and circuit for processing signals for a motion sensor”）で開示されている。この‘531号明細書は運動情報を含んでいる入力パルスの少なくとも第１のシーケンスを発生するアクチブな運動センサについての信号を処理するための方法及び回路装置を開示している。少なくとも１つの集積フィルタ回路によって、パルス列の各入力パルスは積分され、関連される出力パルスは、出力パルスが入力パルスに関して時間遅延を有するように、予め決定可能な第１のしきい値が超過された後に積分された信号が予め決定可能な第２のしきい値を超過する期間中に発生される。結果として、遅延時間よりも短い期間の雑音は効率的に抑制される。
【００１３】
この‘531号明細書で教示されている雑音を最小にし、運動捕捉信号の品質を改良する方法はこの装置を高い変化レートを含む運動捕捉応用に対して非実用的にする。これは特に、その雑音許容度を改良するために遅延が必然的に感知装置へ組み込まれる場合に当てはまり、したがって迅速に移動するアイテムの運動情報を与えることに関してこの装置の反応を鈍くする。
【００１４】
運動を測定するために提案されているさらに最近の解決方法は2003年７月にWesselakへ発行された米国特許第6,584,846号明細書（発明の名称“Magnetic motion sensor”）で提示されている。この‘846号明細書は、磁界方向を有する基本的に均等な磁界を発生する運動磁石と、磁界内で固定した結合素子を有する磁気運動センサを開示しており、運動依存性の物理量は磁石が磁界方向に対して垂直に動くときに結合素子中に誘起され、その誘起された量が測定され、サンプリング素子により出力される。
【００１５】
この‘846号明細書に開示されている装置は測定可能な運動ベースの信号を発生することができるが、外部の磁界に対して非常に影響を受けやすい。その結果、この装置は磁界が時間にわたって変化するか、ユーザ間で変化する可能性がある場合には使用できない。
【００１６】
最も最近、米国特許出願第20040211258号明細書（発明の名称“Six degree-of-freedom micro-machined multi-sensor”）が2004年10月にGreenにより発行された。この‘258号明細書は加速感知の３軸、角度レート感知の３軸を単一の多センサ装置で提供する６つの自由度のミクロ機械加工された多センサを開示している。６つの自由度の多センサ装置は加速感知の２軸と、角度レート感知の１軸を提供する第１の多センササブ構造と、加速感知の第３の軸と、角度レート感知の第２及び第３の軸を提供する第２の多センササブ構造を含んでいる。第１および第２の多センササブ構造は６つの自由度の多センサ装置内でそれぞれの基板上に構成されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
前述の説明を考慮して、空間的な６つの自由度を感知することができ、携帯応用に適した比較的小さく軽量で低電力であり、比較的価格競争に耐える運動感知装置及びシステムを提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
装置の静止／動的な運動特性に影響せずにスポーツ装置のシャフトのような運動装置中へ埋設されることのできるＭＥＭＳ（マイクロ電子機械システム）センサを備えた非常に小型化された電子データ捕捉システムについて説明する。本発明の技術及び装置の応用はゴルフクラブ、野球のバット、テニスのラケット、ホッケーのスティック等を含むが、それらに限定されない。
【００１９】
好ましい実施形態では、本発明は特有の非常に小型化された３Ｄ印刷回路板（ＰＣＢ）上に設計された次のサブシステムからなる基本慣性磁気運動捕捉（ＩＭＭＣＡＰ）モジュールを含み、３軸ＭＥＭＳ加速度計、３軸ＭＥＭＳレートセンサ（ジャイロスコープ）、３軸ＭＥＭＳ磁力計、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）、全部で９個のＭＥＭＳセンサ用の適切なアナログ信号調節電子装置を含んでいる。さらに、埋設された温度センサはセンサデータが実時間および事後処理の両者において温度に関連される変化に対して修正されることを可能にする。
【００２０】
３軸加速度計およびレートセンサは固定された外部基準系に関する空間的な方向（Ρ，Θ，Φ）と、直線運動（ｘ，ｙ，ｚ）における変化を決定することができるクラシックな慣性測定装置を具備している。３軸加速度計と共に使用される３軸磁力計を付加すると、局部的な１ｇの重力ベクトルと局部的な磁気ベクトルに関する、ＩＭＭＣＡＰの絶対的な方向と、対応する軸を決定するための能力が与えられる。さらに、磁力計は、過剰な回転速度または大きな加速誘起ジャイロ出力誤差によりレートセンサが飽和する場合に、バックアップレートセンサとして作用する。
【００２１】
ＩＭＭＣＡＰモジュールは専用の局部的なマイクロプロセッサ（μＰ）の直接的な制御下で動作するように設計されている。各９個のＭＥＭＳセンサはアナログ電圧を発生し、これはＩＭＭＣＡＰ内に含まれるＡＤＣ、ＤＡＣ、アナログ信号処理を介して局部的なμＰの制御下で増幅され、濾波され、オフセット補正されなければならない。
【００２２】
ＩＭＭＣＡＰ機能の制御に加えて、局部マイクロプロセッサはさらに専用の無線周波数（ＲＦ）デジタルデータリンクを介して送信するためにＩＭＭＣＡＰにより発生されたデータ流をフォーマットする。最後に、ＤＣ−ＤＣ変換器と電圧調整器は単一の１次電池または２次電池からＩＭＭＣＡＰのアナログ及びデジタル素子とマイクロプロセッサにより必要とされる安定な電源電圧を提供する。
【００２３】
特別なＩＭＭＣＡＰ応用にしたがって、関連される支援電子装置は変化することができる。単一の剛性体、即ちゴルフのシャフト、テニスラケット、野球のバットの６ＤＯＦを捕捉するように設計された応用では、共通のフォーマットが組み込まれる可能性が最も高い。幾つかの実施形態では、ＩＭＭＣＡＰモジュールは機器中の残りの支援電子装置から独立したサブシステムであり、別の実施形態ではＩＭＭＣＡＰモジュールの基本的なコンポーネントが支援電子装置と共に単一のシステムに一体化される。機器からのデジタルＲＦデータ流は短い範囲のＩＳＭ帯域トランシーバを介して、運動測定システムの特定の応用のためのデータ流を処理するように設計された関連される電子パッケージへ送信される。例えば、本発明は幾つかの予め捕捉された運動ファイルに関する身体の運動に関する実時間情報を提供するための音響的、光学的または戦略的な生体フィードバックシステムを含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の優れた特徴と、本発明自体は両者ともその構造とその動作に関して、以下の説明を伴った添付図面から最良に理解され、類似の参照符合は類似の部分を示している。
【００２５】
本発明の運動捕捉システムの好ましい実施形態は、運動感知モジュールと、運動データを捕捉しそのデータを解析し実時間フィードバックまたは事後処理解析するマイクロプロセッサ制御インターフェースを含んでいる。以下さらに詳細に説明するように、本発明の運動捕捉システムには多数の応用が存在する。しかしながら、これらの種々の応用を説明するために、本発明のハードウェアの基本的説明を行う。
【００２６】
図１を最初に参照すると、本発明の運動捕捉システムの一部のブロック図が示されており、全体が100で示されている。運動捕捉システム100はマイクロプロセッサ104と電気的に接続されている慣性磁気運動捕捉システム（ＩＭＭＣＡＰ）モジュール102を含み、マイクロプロセッサ104はモジュール102へ制御信号を提供し、モジュール102から状態情報を受信して適切な動作を行う。ＩＭＭＣＡＰモジュール102内で発生されたアナログ出力信号は埋設されたアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）によって１２ビットのデジタル表示に内部で変換される。モジュール102からのデジタル化された信号は遠隔受信機（この図面では示されていない）へ送信されるようにマイクロプロセッサ104を介してＲＦトランシーバ108へ中継される。１対の低ドロップアウト電圧調整器106および110はＤＣ−ＤＣ変換器112および電池114から定電圧を供給し、それによって電池の寿命を最適にし、ＤＣ−ＤＣ変換器112により発生される雑音を減少させる。
【００２７】
図１に示されている運動捕捉システムに対する別の例として多センサシステムが図２を伴って提示されている。特に図２は本発明の運動捕捉システムの一部の別の実施形態のブロック図であり、全体を140で示されている。運動捕捉システム140はマイクロプロセッサ120と電気接続されたＩＭＭＣＡＰモジュール102を含んでいる。モジュール102からのデータはマイクロプロセッサ120により処理され、データ交換バス122に与えられる。多数のモジュール102とマイクロプロセッサ120が存在する好ましい実施形態では、これらの多数の装置からのデータはデータバス122で容易に交換されることができる。
【００２８】
マスターマイクロプロセッサ124は局部メモリ125に記憶するため、および／またはＲＦリンク126を介して受信機（この図面では図示せず）へ送信するためにデータをデータバス122から受信する。携帯用では、電池128は電圧をＤＣ−ＤＣ変換器130へ提供し、このＤＣ−ＤＣ変換器130は電力を運動捕捉システム1400へ提供する。付加的な低ドロップアウト調整器106はモジュール102での感知誤差を最小にするために特に重要である低雑音および定電圧レベルを確実にするために設けられることができる。
【００２９】
図３を参照すると、本発明の運動捕捉システムの受信機部分のブロック図が示されており、全体を200で示されている。受信機部分200は例えばマイクロプロセッサ202により処理するようにＲＦデータを遠隔運動捕捉センサアレイ100および140から受信するために多チャンネルケパブル（多重）ＲＦトランシーバ204および206と接続されているマイクロプロセッサ202の基本構造を含んでいる。
【００３０】
ユーザインターフェース208は運動捕捉システムの制御のために設けられ、ＬＣＤディスプレイ210と、例えばキーパッドまたはキーボードのようなデータ入力装置212を含むことができる。データバンク213はマイクロプロセッサ202に与えられ、サーキュラーメモリバッファのようなメモリを含むことができ、そのメモリは記憶および後の検索および解析のために１以上のＩＭＭＣＡＰモジュール102から運動データを受信する。また、ＦＬＡＳＨメモリのような永久メモリ216は運動捕捉データの記憶、または解析および／または比較のための予め定められたまたは最適な運動データを記憶するために設けられることができる。
【００３１】
モジュール102は本発明の慣性磁気運動捕捉（ＩＭＭＣＡＰ）センサのブロック図として図４に示されている。モジュール102はｘ軸ジャイロスコープ302、ｙ軸ジャイロスコープ304、ｚ軸ジャイロスコープ306のような方向感知ジャイロスコープアレイを含んでいる。さらにＸ、Ｙ、Ｚ軸加速度計308と310もまた設けられている。Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の磁力計312と314も設けられている。これらのセンサの出力はアナログ信号調整ハードウェア322、324、326、328、330、332、334、336、338により調整される。これらの信号調整装置の出力はアナログデジタル変換器320へ供給され、その出力はそれから（図１および２に示されているように）マイクロプロセッサ104へ伝送される。
【００３２】
磁気オフセット補正デジタルアナログ変換器316が磁気極性自己検査回路318と共に設けられてもよく、それによってＩＭＭＣＡＰモジュールの全体的な正確度における磁気センサおよび信号調整オフセット誤差（ダイナミックな磁界）の影響を最少にする。
【００３３】
好ましい実施形態として、図５はゴルフクラブにおける本発明の運動捕捉システムの例示的な実施形態を提示しており、全体を400で示されている。運動捕捉システム400はシャフトグリップまたはハンドル404を有するシャフト402と、ゴルフクラブのシャフト402のハンドル404側に取り付けられている運動センサ406を含んでいる。示されているように１対の取外し可能な取り付けクリップ408と410は運動センサ406をシャフト402へ取付けるために訓練期間中に使用されることができる。訓練期間が終了したとき、センサ406は容易にシャフト302から外され、それによってクラブをその通常の状態に戻す。
【００３４】
別の実施形態として、図６は全体を440で示されている本発明の運動捕捉システムの別の例示的な実施形態を示している。示されているように、運動捕捉システム440はグリップ444と共に形成されたシャフト442を含んでいる。内部ＩＭＭＣＡＰモジュール446はキャップ448を通してシャフト442内で受けられるような寸法にされ、ＯＮ−ＯＦＦスイッチ450が取り付けられることができる。モジュール446はシャフト442内で適切に隠蔽されるので、クラブの使用は制約されず、それによって練習及び運動捕捉目的に対して、機能的に等価のクラブを与える。この例ではゴルファーはクラブを変化されていないかのように扱うため最も正確な運動捕捉が行われることを可能にするので、これは特に有効である。
【００３５】
図７を参照すると、図５に示されている運動捕捉システムを使用するゴルファーの図が示されている。特にゴルファー500はＩＭＭＣＡＰモジュール504が取り付けられているゴルフクラブ502を使用している状態で示されている。モジュール504は６つの自由度を含むクラブから運動データを測定し、（有線接続を通してまたは）アンテナ510による無線接続を介してこの情報を制御装置508へ中継する。このデータはその後ゴルファー500に対して制御装置上に表示されるか、或いは解析されて既知または最適な運動に対して比較されることができる。
【００３６】
本発明の運動捕捉システムは図１または２および３のセンサ素子と共に使用されることができる。図７に示されているように、ヘッドセット512は可聴のフィードバック信号を提供するためにゴルファー500に与えられている。このフィードバック信号は運動データの解析および既知の、最適の、または選択された運動に対する比較に基づいて、制御装置508から配線またはＲＦリンクを介して受信されることができる。
【００３７】
図７はさらに、最適な運動が行われるまで、即ちシステムが将来の運動と比較して最適な運動を捕捉するときまでユーザが装置を使用して練習する訓練モードにおける本発明の使用のステップ１−５を列挙している。
【００３８】
図８を参照すると、多数の運動を捕捉するために図７の運動捕捉システムを使用するゴルファー500の図が示されている。運動センサ504はゴルファー500により動かされる期間中クラブ502に取り付けられており、運動データが捕捉され、ＲＦ信号を介して制御装置508のアンテナ510へ送信される。この運動データは後の運動解析と、既知の運動に対する比較または他のデータ解析のために受信され記憶される。示されているように、この運動データは制御装置508からＰＤＡ530またはＰＣコンピュータ532へアンテナ534と536を介してそれぞれ送信されることができる。
【００３９】
制御装置508により受信される運動データは将来の検索のために記憶されてもよく、またはゴルファーの運動における誤差、或いはゴルファーの運動における既知の、所望の、または最適な運動からの偏差に関する実時間のフィードバックをゴルファー500に与えるために実時間で解析されることもできる。さらにモジュール504から捕捉された運動データをアーカイブするためのステップ１−２が図８に示されている。このデータはまたＲＳ２３２またはＵＳＢインターフェースのような破線で示されている有線インターフェースを介して制御装置508からPDA530とＰＣ532へ送信されることもできる。
【００４０】
図９は本発明の運動捕捉システムの動作の「通常モード」を表すフローチャート600である。このフローチャートはシャフトマイクロプロセッサの手動のオン切換えによりステップ602で開始する。オンになると、ステップ604でシャフトマイクロプロセッサの初期化が開始し、それに続いてステップ606でＩＭＭＣＡＰモジュールの初期化が行われる。オンにされ安定すると、マイクロプロセッサはステップ608で、ＩＭＭＣＡＰデータ、温度データ、システムの自己検査用のその他のセンサデータのサンプリングを開始するためのコマンドをＩＭＭＣＡＰへ送信する。
【００４１】
ステップ610で自己検査が完了すると、マイクロプロセッサはステップ612でＡＤＣ変換器による変換のためにセンサデータのクロッキングを開始する。サンプルされると、運動データはステップ614で制御装置へ送信される。動作モードの更新がシャフトプロセッサによりリクエストされるならば、504において１０回の送信毎に一度、応答がステップ616で受信され、動作モードがステップ618で更新される。システムが通常モードであるならば、データサンプリングはステップ620で示されているように１００ｍｓの間隔で継続し、通常モードでなければ、システムは１５００ミリ秒の低速度のサンプル速度である低電力の待機モードにされ、制御はステップ608へ戻り、そのステップ608ではシステムは１５００ミリ秒のサンプル速度でＩＭＭＣＡＰデータ出力を再度チェックする。
【００４２】
図１０を参照すると、本発明の運動捕捉システムの「実時間」データ捕捉モードのフローチャートが示されており、全体が650で示されている。プロセス650は制御装置およびマイクロプロセッサの手作業のオン切換えによりステップ652で開始し、ステップ654のシステムの初期化へ継続する。初期化されると、システムはステップ656でＲＦデータパケットのようなシャフト運動データの受信を待機する。
【００４３】
データパケットがステップ656で受信されると、そのデータは解析され、その後の運動データ解析で使用されるようにセンサに関連されるプログラム変数を設定するためにパーズされる。このモードで実時間のフィードバックを行うために、実時間のセンサデータ流は記憶された基準運動ファイルと時間同期されなければならない。同期が660で実現され、662で確認されると、プロセッサは時間同期された実時間データを運動センサから受信する。
【００４４】
実時間データが運動センサから受信されるとき、時間同期された運動データは基準データと（同期され）比較され、運動誤差がステップ666で計算される。ステップ666からのこの誤差信号の振幅は予め定められた誤差振幅よりも大きい可能性があり、したがってステップ668で可聴エラートーンのような誤差信号を提供する。この誤差信号はＲＦリンクを介して或いは有線で現在の運動に関する直接的で特定の誤差情報をユーザのヘッドセットへ提供する。誤差フィードバックはステップ672で基準データの最後に続いて終了され、システムはステップ674で次の運動シーケンスを待機するようにそれ自体をリセットすることができる。
【００４５】
本発明の好ましい実施形態では、運動データの捕捉と、記憶された運動データに対する比較は実時間で実現され、それによってユーザに迅速なフィードバックを与える。代わりに、このデータは捕捉され、事後処理解析で後に解析されることができる。
【００４６】
例えば図１１は「事後処理」データ捕捉モードのフローチャートを含んでおり、全体を700で示されている。プロセス700は制御装置が手作業でオンに切り換えられるステップ702で開始し、システムはステップ704で初期化される。初期化されると、制御装置はステップ706でシャフトモジュールからのＲＦデータパケットの受信を待機する。シャフトモジュールからのデータはその後解析され、ステップ708でパーズされ、サーキュラーバッファ中に記憶される。
【００４７】
運動ファイル捕捉はステップ710で特定の事象についてレコードの最後を示すボールストライクの予め定められたデータ署名の検出によって終了される。トリガー事象が生じないならば、プロセスはステップ706に戻り、次のデータパケットが逐次的なサーキュラーバッファ中に記憶されるのを待機する。他方で、トリガー事象が生じたならば、運動データは後に解析するためにさらに永久的に記憶するように、ステップ714でＥＥＰＲＯＭデータからフラッシュメモリへ転送される。
【００４８】
本発明の運動捕捉システムはステップ716で解析のためにＰＣまたはＰＤＡへのＲＦまたはＵＳＢ転送を介して交換するために、および恐らくゴルファーの完璧なスイングの追求を助けるようにグラフィック表示するためにＥＥＰＲＯＭ中の運動データを提供することができる。
【００４９】
図１２を参照すると、本発明で使用される例示的な慣性磁気運動捕捉（ＩＭＭＣＡＰ）モジュールについてのコンポーネント位置及び相対的な構造を示すブロック図が示されており、全体を900で示されている。ＩＭＭＣＡＰモジュール900は３個の磁力計902、904、906と、３個の加速度計908、910、912と、３個のジャイロスコープ914、916、918とを含むことができる。さらに以下説明されているように、ある状況では本発明にジャイロスコープ914、916、918を含むことは必要ではないこともある。
【００５０】
好ましい実施形態では、モジュール900はフレキシブルな回路板上に形成され、したがって平坦で平面の構造でモジュールを製造することができ、モジュールの側面は組立て後には立方体状に形成される。これは製造価格を非常に簡単にし、製造の労力を最小にし、これはＸ、Ｙ、Ｚ軸センサの必要とされる３Ｄの直交方向を形成するために組み立てられる多回路板立方体によって得られた結果である。しかしながらこれは多回路板立方体が本発明により解決される挑戦に対する適切な解決策ではないことを示唆していない。将来の集積技術が全ての３つの直交軸が単一のＩＣパッケージ上に含まれることを可能にするときには、本発明の３Ｄ印刷回路板の要求は緩和されるであろう。
【００５１】
［ＭＥＭＳセンサベースの全身運動捕捉システム］  
本発明の別の実施形態として、非常に小型化された電子データ捕捉システムが考察され、実時間による３Ｄスペースを通して各独立した本体セグメントの空間的な方向及び変換、６つの自由度（ＤＯＦ）を測定し記録することができる。各本体セグメントの６ＤＯＦを本体セグメントの既知の関係と共に知ると、研究中の主体のコンピュータ生成表示を介して３Ｄスペースにおける身体全体の運動の再構成が可能である。このようなシステムの潜在的な応用はスポーツのリハビリテーションの運動解析から映画の特殊効果およびアニメーションまでの範囲にわたっている。
【００５２】
システムは図１に記載されているように多数のＩＭＭＣＡＰモジュールを含んでいる。ＩＭＭＣＡＰモジュールはＲＦ／ＩＲリンクを介して迅速に転送するため、或いは図２に示されているように後のダウンロード及び解析のために、ＩＭＵアレイからのデータ出力を調整し、処理し、記憶する単一の制御プロセッサモジュール（ＣＰＭ）へネットワーク化される。ＩＭＭＣＡＰ／ＣＰＭモジュールアレイは、剛性の身体セグメント、即ち頭、二の腕、前腕等に割当てられ取り付けられる各ＩＭＭＣＡＰモジュールと共に非常にコンプライアントなボディスーツへ一体化され、身体の軸の全体的なセットを監視するために単一のＣＰＭモジュールと約１６−２０個のＩＭＭＣＡＰモジュールを必要とする。
【００５３】
図２はシステム設計のブロック図を示している。単一のＣＰＭモジュールは各身体セグメントに固定された各１６−２０個のＩＭＭＣＡＰモジュールと共に背中の低部の通常の区域に位置されている。システムはボディスーツ中に埋設されている１つのワイヤの半二重または２つのワイヤの全二重の構内網（ＬＡＮ）を介してネットワーク化されている。ＣＰＭモジュールは付加的なワイヤによって電力を提供し、ＬＡＮを介して全てのＩＭＭＣＡＰの通信制御を提供する。
【００５４】
ＣＰＭモジュールのブロック図が図２の一部として示されている。図面はＣＰＭモジュールに組み込まれたサブシステムを示しており、
１）バッテリパックと、
２）ＤＣ−ＤＣ変換器と、
３）マイクロプロセッサと、
４）不揮発性メモリと、
５）ＲＦ／ＩＲ／結線の全／半二重直列データリンク（随意選択的）とからなる。
【００５５】
バッテリパックはシステムの電力を提供するために１乃至３個の１次または２次電池から構成されている。ＤＣ−ＤＣ変換器はＣＰＭモジュールを動作するための動作ＤＣ電圧を提供し、分配された電力を通信／電力ＬＡＮを介してＩＭＭＣＡＰモジュールへ提供する。ＣＰＭ中のマイクロプロセッサはデータ捕捉とＩＭＭＣＡＰモジュールからＣＰＭへの転送を同期するための制御ソフトウェアを動作させる。さらに、プロセッサは不揮発性メモリに局部記憶するためのデータと、ハードワイヤ接続またはＲＦ／ＩＲデータリンクを介してダウンロードする迅速または遅延されたデータをフォーマットする。ＣＭＰコンポーネントは所定のバッテリ容量に対して最大の動作時間を可能にするため低電力動作を選択される。
【００５６】
ＩＭＭＣＡＰモジュールのブロック図が図４に示されている。図面はＩＭＭＣＡＰモジュールへ組み込まれたサブシステムを示しており、
１）３軸ＭＥＭＳ加速度計と、
２）３軸ＭＥＭＳレートセンサ（ジャイロスコープ）と、
３）３軸ＭＥＭＳ磁力計と、
４）温度センサと、
５）マイクロ制御装置と、
６）アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と、
７）デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）と、
８）全部で９個のＭＥＭＳセンサ用のアナログ信号調整電子装置とからなる。
【００５７】
３軸加速度計とレートセンサは固定された外部座標系に関する空間的な方向（Ρ，Θ，Φ）と、直線運動（ｘ，ｙ，ｚ）における変化を決定することができるクラシックな慣性測定装置を具備している。３軸磁力計の付加は絶対的な方向を与えるため磁気の北に関するＩＭＵの絶対的方位および対応する身体軸を決定する能力を提供する。さらに、磁力計は過剰な回転レートのためにレートセンサが飽和した場合にバックアップレートセンサとして作用する。
【００５８】
各９個のＭＥＭＳセンサはＡＤＣ、ＤＡＣ、アナログ信号処理を介して局部マイクロ制御装置の制御下で、増幅され濾波され、オフセット補正されなければならないアナログ電圧を発生する。さらに、マイクロ制御装置はまたＣＰＭにより発生されたコマンドを実行し、ＣＰＭへデータ転送するためにＬＡＮを介してＣＰＭモジュールとインターフェースする。最後に、支援電子装置中に位置されるＤＣ−ＤＣ変換器および電圧調整器はＩＭＭＣＡＰのアナログおよびデジタル素子により必要とされる安定な電源電圧をＬＡＮに関連されるＤＣ電圧源から供給する。
【００５９】
［単および多軸運動捕捉のための慣性磁気運動捕捉（ＩＭＭＣＡＰ）センサアレイ］  
１）一般説明及び応用
本発明のさらに別の実施形態として、非常に小型化された無線電子データ捕捉システムが開示され、実時間による３Ｄスペースを通して単軸および多軸の剛性軸の空間的な方向及び変換、６つの自由度（ＤＯＦ）を測定し記録することができる。さらに最初の空間方位はまた地球の磁場と重力場を基準として決定されることができる。
【００６０】
ＩＭＭＣＡＰベースの運動捕捉システムはほとんどの任意のスポーツ活動、歩行／運動解析、動画の特殊効果、または仮想現実応用に適用可能であるが、ＩＭＭＣＡＰシステムをこの説明ではゴルフのスイング応用の文脈内で説明する。
【００６１】
ＩＭＭＣＡＰ技術のゴルフ産業応用は、解析、生体フィードバック訓練、または身体の運動全体を捕捉するためのクラブの適合のために、ゴルフのスイングの運動の実時間捕捉から多数のＩＭＭＣＡＰセンサを使用する身体運動全体の捕捉に及ぶ。ＩＭＭＣＡＰエネーブルシステムの主な利点は、与えられる非常に高い正確度に加えて、運動捕捉プロセスがゴルファーを不自然な環境に置くことを必要としないことである。ＩＭＭＣＡＰシステムはゴルファーが彼らが選択した普通の状態、即ちゴルフコース、パット練習場、またはゴルフ練習場で制約なしに練習／プレイすることを可能にする。自然および可変状態下でスイング／運動を行うことを可能にすることによって、スイング力学のより典型的で実際的な感覚が測定される。
【００６２】
現在のビデオベースのシステムは多数のカメラが非常に制約された空間容積内でスイングの軌道を観察することを可能にするために、ゴルファーが「不自然な」スタジオ環境に置かれることを必要とする。同様に、大きい静止スイング解析システムはゴルファーが単一点でシステムへ繋がれることを必要とする。
【００６３】
ＩＭＭＣＡＰセンサアレイモジュールはセンサの３Ｄ運動を許容し、したがって取り付けられる剛性体が実時間で捕捉され記録されることを可能にする多数の非常に小型化されたＭＥＭＳ（マイクロ電子機械システム）センサ素子から構成される。ＩＭＭＣＡＰセンサは応用に応じて完全なシステムに一体化されることができる。
【００６４】
以下、ゴルフ産業内で使用されるＩＭＭＣＡＰモジュールの特有の応用について簡単に説明する。
【００６５】
［訓練者の配置およびスイングの解析］  
このシステムはゴルフスイングの完全なスイング力学を捕捉し、ゴルファーが望ましいストロークの必要な“筋肉による記憶”を行うための特定のスイング軌道を練習することを可能にする実時間音響フィードバックを提供するように設計されている。練習セッションを開始する前に、以前に保存された基準スイング軌道は現在のスイング軌道を実時間で比較するために使用される。この基準スイングは現在の訓練セッションで使用され、後に再現され、所望ならば基準スイングになるように、ゴルファーによってまたはコーチによって決定または保存されることができる。ゴルファーがスイング軌道を練習するとき、現在のスイング軌道が基準と比較される。現在のスイング軌道が基準軌道から偏位しているならば、軌道が基準から逸脱する瞬間に音響トーンが発生され、そのトーンはスイングの誤差が大きくなる程その強度を増加する。ゴルファーが何等のトーンも発生せずにスイングを行うことができるならば、現在のスイング軌道は基準と同一である。訓練のターゲットとして、または任意の組み合わせで以下のスイングパラメータが使用されることができる。  
ａ）テンポと、
ｂ）スイング軌道と、
ｃ）顔面角度と、
ｄ）踵−つま先の角度と、
ｅ）ロフト角度と、
ｆ）照準点。
【００６６】
システム感度はゴルファーがスイングの一貫性において著しい誤差を変更することが可能で、その後ゴルファーが改良するにつれて感度を増加するように調節可能である。最終的に、ゴルファーは筋肉による記憶が強化されると、音響的なフィードバックの必要なく一貫してスイングを行うことができる。
【００６７】
直接的にゴルファーに対する音響トーンのフィードバックの代りとして、指導環境の文脈で使用される手持ち装置、Ｐａｌｍ  ＰｉｌｏｔまたはＰＤＡ上のグラフィックな誤差表示がある。現在のスイング軌道の解析に基づくスイングの改良は、新しいスイング「基準」が無線リンクを介してシステムへダウンロードされると教師が物理的に提示する必要なく行われるように生徒の教師により入力されることができる。無線リンクはまたシステムが使用単位の料金または料金ベースの訓練ウェブサイトからデータがアップ／ダウンロードされることを可能にするインターネットエネーブルされることを可能にする。
【００６８】
本発明のシステムは３乃至４ピースのシステムであり、構造に応じて以下のものから構成されることができる。  
１）ＩＭＭＣＡＰモジュールを組み込んだシャフト取り付け式無線機器と、
２）ベルト取り付け式無線制御／表示／デジタル信号処理（ＤＳＰ）装置と、
３）エラートーン発生／音響生体フィードバックのための無線ハンドセットと、
４）指導入力及びスイング変更のための随意選択的な無線ＰＤＡソフトウェア機器。
【００６９】
ＩＭＭＣＡＰおよび関連される支持電子装置、即ち電源、無線データリンク、マイクロプロセッサを含むシャフト取り付け式機器はＡＡバッテリと同様の大きさであり、約１０グラムの重量である。大量生産では、全てのシステムコンポーネント、特にシャフト取り付け式サブシステムは既に小さい現在の寸法／重量よりも非常に小型化されることができる。
【００７０】
このシステムは任意のタイプのゴルフクラブ／スイング訓練機器、即ちアイアンおよびウッドに適用可能であるが、音響フィードバック特性は高速度のスイング力学のために適切ではない。前述のＰＤＡディスプレイを使用する視覚的フィードバックシステムはゴルファーおよび／またはコーチによって使用される。
【００７１】
［クラブの適合］  
現在のクラブ適合状態は通常のプロショップでは任意の一貫したスイング力学測定能力がないために非常に原始的である。クラブのシャフト内でそのシャフトの上部近くに設置されることのできるＩＭＭＣＡＰベースのシステムが開発されている。このシステムはゴルファーが通常の方法で、即ち通常のゴルフのラウンドまたはゴルフの練習場／パット練習場でクラブを使用している間に、数百までのクラブスイングの３Ｄ力学を記録するように設計される。
【００７２】
変化された環境および状態におけるゴルフスイングを表す多数のスイング事象を記録することにより、ゴルファーの平均能力のさらに良好な評価が決定されることができる。この情報は適切なクラブの適合を決定するために不自然な環境における単一のスイングセットにしたがうのではなくゲーム全体にわたってゴルファーに対して最良にサービスするクラブの適合を可能にする。現在のシステムはストロークデータがプロショップのコンピュータで作動する機器ソフトウェアパッケージにダウンロードされるか、遠隔位置からの解析及び適合の推薦のためにインターネットを介してダウンロードされることを可能にする。この能力はさらに遠隔での適合のためプロショップに近くない見込みのあるクライアントへ試験クラブを送ることを可能にする。
【００７３】
現在、本発明はシャフト内に配置されることができるが、外部シャフトに取り付けられた外部装置として構成されることができる。
【００７４】
［全身運動解析］  
３Ｄクラブの運動力学に加えて、多数のＩＭＭＣＡＰモジュールを組み込むボディスーツ全体は身体の動き全体が解析のために捕捉されることを可能にする。詳細がＩＭＭＣＡＰモジュールにより与えられる全身／クラブシステムを見ることによって、ゴルフの身体力学の訓練が再評価される。
【００７５】
［動作理論］  
以下のサブシステムからなる基本的なＩＭＭＣＡＰモジュールは特有の非常に小型化された３Ｄ印刷回路板（ＰＣＢ）上に構成された。  
１）３軸ＭＥＭＳ加速度計と、
２）３軸ＭＥＭＳレートセンサ（ジャイロスコープ）と、
３）３軸ＭＥＭＳ磁力計と、
４）温度センサと、
５）アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と、
６）デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）と、
７）全部で９個のＭＥＭＳセンサ用のアナログ信号調整電子装置。
【００７６】
３軸加速度計とレートセンサは固定された外部座標系に関する空間的な方向（Ρ，Θ，Φ）と、直線運動（ｘ，ｙ，ｚ）における変化を決定することができるクラシックな慣性測定装置を具備している。
【００７７】
３軸加速度計と共に使用される３軸磁力計を付加することによって、局部的な１ｇの重力ベクトルと局部的な磁気ベクトルに関して、ＩＭＭＣＡＰの絶対的な方位と、対応する軸を決定する能力が与えられる。さらに、磁力計は、過剰な回転速度によりレートセンサが飽和する場合に、バックアップレートレートセンサとして作用する。最後に、埋設された温度センサは実時間及び事後処理の両者で温度で誘起したドリフトの補償を可能にする。
【００７８】
ＩＭＭＣＡＰモジュールは専用の局部的なマイクロプロセッサ（μＰ）の直接的な制御下で動作するように設計されている。９個の各ＭＥＭＳセンサはアナログ電圧を発生し、それはＩＭＭＣＡＰ内に含まれるＡＤＣ、ＤＡＣ、アナログ信号処理を介して局部的なμＰの制御下で増幅され、濾波され、オフセット補正されなければならない。
【００７９】
ＩＭＭＣＡＰ機能の制御に加えて、局部μＰはさらに専用の無線周波数（ＲＦ）デジタルデータリンクを介して送信するためにＩＭＭＣＡＰにより発生されたデータ流をフォーマットする。最後に、ＤＣ−ＤＣ変換器と電圧調整器は単一の１次または２次電池からＩＭＭＣＡＰのアナログ及びデジタル素子とμＰにより必要とされる安定な電源電圧を提供する。
【００８０】
特別なＩＭＭＣＡＰ応用に応じて、関連される支援電子装置は変化することができる。単一の剛性体、即ちゴルフのシャフト、テニスラケット、野球のバットの６ＤＯＦを捕捉するように設計された応用では、共通のフォーマットが組み込まれる可能性が最も高い。剛性体に取り付けられている低い質量の機器は以下のものからなることができる。  
１）基本的なＩＭＭＣＡＰモジュールと、
２）μＰと、
３）Ｒｆデータリンクと、
４）ＤＣ−ＤＣ変換器／電池。
【００８１】
幾つかの実施形態では、ＩＭＭＣＡＰモジュールは機器中の残りの支援電子装置からの独立したサブシステムであり、その他の実施形態ではＩＭＭＣＡＰモジュールの基本的なコンポーネントが支持電子装置を有する単一のシステム中に集積される。
【００８２】
機器からのデジタルＲＦデータ流は短い距離のＩＳＭ帯域トランシーバを介して、特定の応用のためのデータ流を処理するように設計された関連した電子パッケージへ送信される。例えば、前述したように音響的な生体フィードバックシステムであってもよいが、それに限定されない。
【００８３】
［単一及び多数のセグメントの運動捕捉システムのための慣性磁気ＭＥＭＳベースのセンサシステム］  
本発明の非常に小型化された多センサモジュールは原位置の外部基準座標システムに関して剛性体の絶対的な方向及び運動を感知することのできる慣性及び磁気センササブシステムから構成される。
【００８４】
このセンサシステムで意図している応用は、事後事象解析および表示を迅速に行うために、単一の剛性体、即ちゴルフのシャフトまたは野球のバット、或いは多数の剛性体、即ち多数の人体のセグメントの実時間の絶対的な運動を捕捉することである。
【００８５】
現在の運動捕捉システムは２つの異なるグループに入る。第１のグループは問題とする１以上の剛性体上の基準点の運動を事後処理のためにビデオテープへ記録するための多数の空間的に較正されたカメラに依存する。このビデオの事後処理は全てではないが６つの自由度（ＤＯＦ）のサブセットを抽出することができる。観察可能ではないＤＯＦの１例は長軸を中心とする下腕の回転またはシャフト軸を中心とするゴルフクラブの回転である。
【００８６】
第２のタイプは局部的な３メートル以下のパルス化された磁気「ビーコン」を、剛性体に取り付けられている磁気センサと合体することである。このシステムは全ての６つのＤＯＦを抽出することができるが、磁気センサ及び支援電子装置／ケーブルが非常に大きくなり、実時間の運動アニメーションと、運動捕捉には役立たない。
【００８７】
ここで説明する慣性磁気運動捕捉システム（ＩＭＭＣＡＰ）は外部の基準フレームに関する単一または多数の剛性体の６つのＤＯＦを説明するため地球の磁場と重力場の両者を伴って通常の慣性運動測定概念を使用する点で、前述の両システムに特有である。
【００８８】
通常の慣性測定装置（ＩＭＵ）は直交加速度計の３つの軸と、ジャイロスコープの３つの軸を含み、６つのＤＯＦを十分に感知する。ＩＭＵは直線運動と、スペースにおけるＸ、Ｙ、Ｚ運動と、３つの回転角度、即ちロール、ピッチ、ヨーを出力する。残念ながらこれらの６つのＤＯＦは予め知られた最初の開始位置／方向に関係し、最初の位置に対する参照以外の絶対的な位置／方向を生成することができない。
【００８９】
ＩＭＭＣＡＰシステムでは、この問題は磁力計の３つの付加的な軸と共に３つの軸の加速度計の出力を使用することにより部分的に克服される。剛性体が１ミリ秒程度の間、動いていないことが知られているならば、このセンサの組み合わせは地球の磁場と重力場に関する剛性体の絶対的な方位を生成する方位センサとして作用する。これらの磁場は相互に関して、および任意の外部基準系に関して安定で既知の方向を有する。この最初の方向が知られていると、絶対方向はＩＭＵを介して決定される。最初の方向は通常運動捕捉に適しているので、絶対初期変換は絶対位置及び方向を得るために外部基準に関して単一または多数のＩＭＭＣＡＰモジュールを既知の絶対Ｘ、Ｙ、Ｚ位置に配置することによって得られることができる。
【００９０】
典型的なＩＭＭＣＡＰモジュールは以下のサブシステムを含んでいる。  
１）３軸ＭＥＭＳ加速度計と、
２）３軸ＭＥＭＳジャイロスコープと、
３）３軸ＭＥＭＳ磁力計と、
４）温度センサと、
５）ＭＥＭＳセンサアレイ用のアナログ信号調整と、
６）ＭＥＭＳ出力用のアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と、
７）アナログ電圧調整と、
８）データ／制御入力／出力用のＲＦインターフェース（外部であることも随意）と、
９）埋設されたマイクロプロセッサ（外部であることも随意）と、
１０）マイクロバッテリ（外部であることも随意）。
【００９１】
サブシステム１−６を具備するＩＭＭＣＡＰモジュールは０．７インチ（１８ｍｍ）×０．３インチ（８ｍｍ）×０．４インチ（１０ｍｍ）のパッケージ寸法による既製のコンポーネントで製造されることができる。モジュールは用途特性集積回路（ＡＳＩＣ）および／またはダイレベルの多チップモジュール（ＭＣＭ）の使用によりその寸法を大幅に減少することができる。
【００９２】
本発明の２つの例示的な実施形態を以下説明するが、多くの明白な変形も可能であり、本発明の技術的範囲を逸脱せずに十分に考察されることができる。
【００９３】
［ゴルフスイングの運動捕捉］  
ＩＭＭＣＡＰモジュールをサブシステム７−９と一体化することによって、自蔵動力式の無線単軸運動捕捉装置がゴルフクラブのシャフトに対して実現されることができる。ＭＥＭＳセンサ技術を使用して可能になる極めて小さい寸法及び重量のために。運動捕捉装置は直接ゴルフのシャフトに対して、回転質量を最少するためにグリップ領域のすぐ下に取り付けられることができる。センサ信号の適切なサンプルレートはナイキスト規準と、測定される動作の周波数内容に基づいている。走査されたセンサ出力はデジタル化され、ＲＦインターフェースを介して外部電子装置へ送信され、実時間の生体フィードバック筋肉訓練の目的で使用されるか、および／または事後解析のために記憶される。コンピュータメモリに絶対的または相対的なストローク基準を記憶することにより、基準に関する以下の偏差を検出するために各ストローク事象は基準と比較されることができる。  
１）初期の顔面角度と、
２）時間の関数としての顔面角度またはバックストローク角度と、
３）時間の関数としてのつま先−踵の角度またはバックストローク角度と、
４）時間の関数としてのヘッドの速度またはバックストローク角度と、
５）ボールの衝突点におけるロフト角度と、
６）ストロークの開始からボールを打つまでの全部で６つのＤＯＦストローク力学。
【００９４】
この情報は筋肉による記憶および／または事象の事後解析のための生体フィードバック信号として実時間で利用されることができる。
【００９５】
［全身運動捕捉］  
多数のＩＭＭＣＡＰモジュール、即ち肢当り３つのモジュールとスピン／頭当り４つのモジュールの全部で１６個のモジュールを人体に取り付けることによって、全ての骨格の運動は歩行解析、特殊効果、またはスポーツ訓練応用のために捕捉されることができる。各ＩＭＭＣＡＰモジュールは非常にフレキシブルなボディスーツに一体化された「インテリジェントノード」へ結合される。１６個のノードはボディスーツに一体化されている埋設された４つのワイヤ電力／データバスを介して中央制御装置へネットワーク化される。中央制御装置はＩＭＭＣＡＰデータ流に対する同期、電力、外部インターフェースを提供する。
【００９６】
このシステムで集められたデータは原位置の評価、事後測定解析、または原位置および事後測定解析の両者の組み合わせのために運動捕捉データを受信することのできる基地局へ遠隔測定連結されることができる。この遠隔測定は前述したようにＲＦトランシーバを介してもよく、或いは技術で知られているように赤外線データリンクのような光学的送信を介してもよい。
【００９７】
［高速度応用］  
ＭＥＭＳジャイロ及び磁力計の両者を身体回転検出に使用することによって、各センサの欠点は部分的にまたは総合的に補償されることができる。
【００９８】
［角度回転の決定のためのジャイロ限定］  
全ての固体状態ジャイロはｍＶ／度／秒で回転速度ωに比例する電圧出力を発生する。これは時間ｔ＝０から時間ｔ＝Ｔまで軸を中心とする全回転が次式のようにジャイロ信号を積分することにより得られることを必要とする。
【数１】
2008529727.tif 000003
【００９９】
ωｇｙｒｏ（ｔ）信号は次式に示されている後続の重畳された信号からなる。  
ωgyro(t)＝(ωsignal(t) ± ωnoise(t)) ＋ (ωo ± ωoerror )            （１７）
ここで、ωｓｉｇｎａｌ（ｔ）は回転に応答して発生された真の信号であり、ωｎｏｉｓｅ（ｔ）は全ての線形の信号中に存在する帯域内のランダム雑音が存在することによる信号のランダム成分であり、ω０はセンサからのゼロ回転値であり、ωｏｅｒｒｏｒはω０が決定されたときのｔ＝０におけるωｎｏｉｓｅ（ｔ）の瞬間値を表している。（２）を回転による実際の信号を表すように並べ替えると、次式が得られる。  
ωsignal(t)＝(ωgyro(t) − ωo ± ωoerror(t=0) ) ± ωnoise(t)            （１８）
式（１８）を（１６）へ代入し、ωｎｏｉｓｅ（ｔ）がゼロになるように積分すると仮定すると、以下の簡単な結果が得られる。  
Θcalc(T)＝Θactual (T) ± Tωoerror(t=0)                 （１９）
先の式はジャイロにより測定されたとき計算された回転の不確実性が時間と共に増加し、所望の角度の正確度に基づいて、センサ出力が使用可能な有効時間を限定することを示唆している。ωｏｅｒｒｏｒ値は回転がゼロであることが知られるが、しかしこの平均時間が実際の応用により限定されるとき、信号帯域幅を限定し、幾らかの時間間隔にわたって多数の測定を平均することにより減少されることができる。
【０１００】
ＭＥＭＳジャイロの現世代の第２およびより深刻な限定は限定されたセンサのダイナミック範囲である。現在、ＭＥＭＳジャイロの実際的な上限は１２００゜／秒のオーダーであり、これは幾つかの運動捕捉応用では不十分であり、即ち野球のピッチャーの下腕の瞬間的な回転速度は状態によっては容易にこの限度を超える。この上限は特別な電子手段によりさらに増加されることができるが、ＭＥＭＳジャイロの限定されたダイナミック範囲によって低速度の感度をそれに関連して減少させる。
【０１０１】
要約すると、ＭＥＭＳ及びジャイロスコープの限定は補助的なレートセンサチャンネルの役目を行うジャイロを有する１次レートセンサとして磁力計を使用することにより克服されることができることが認識されよう。
【０１０２】
［磁力計ベースの角速度センサ］  
本発明の１実施形態では、３軸ジャイロを必要とせずに単に３軸加速度計および３軸磁力計を使用する応用が存在する。特に局部的な磁界は空間のある範囲にわたって一定であることが仮定されるならば、磁力計は微分ジャイロとして動作できる。これは磁力計／加速度計の組み合わせが慣性開始方向を与える組合せに加えて標準的な加速度計／ジャイロ慣性センサのように動作することを可能にする。唯一の警告は磁界が磁石の軸の内の１つと同軸であるとき特異性が存在し、軸に直角の平面に磁気成分が存在しないことである。これはほとんどの応用では問題ではなく、非常に価格、寸法、電力要求を減少できるが、３つの比較的大きなジャイロを除去することができる。
【０１０３】
ＩＭＭＣＡＰ磁力計はスペース中の身体の最初の空間的方向を決定するために加速度計と共に主として使用される。身体が任意の軸で加速されていないことが知られているならば、加速度計は重力計になり、身体の方向が地球の重力場に関して決定されることが可能になる。磁力計は地球磁場に関する身体の方向を決定する。この情報を組み合わせることにより、２つの外部磁界に関する絶対的な空間方向の決定が可能である。重要なことは、磁界の歪及びその後の方向誤差を避けるために磁力計に対して局部的な強磁性材料が存在しないことが必要である。
【０１０４】
前述のルールに加えて、磁力計は全ての３つの軸の差動レートセンサとして作用することができる。Ｚ軸を中心とする回転はＸ−Ｙ平面中の磁界ベクトルの回転を観察することによって導出されることができる。時間サンプルされたシステムでは、ＩＭＭＣＡＰ応用のようにＢＸＹ磁界ベクトルの角度は次式のようにＮ番目のサンプルにおいて決定される。  ΘZN＝tan-1(BXN/BYN)                （２０）
ここでΘＺＮはＸ軸に関するＢＸＹベクトル成分の角度である。  
次のサンプルは次式を生じる。  
ΘZ(N+1)＝tan-1(BX(N+1)/BY(N+1))                      （２１）
Ｚ軸を中心とする角速度は次式により決定される。
【０１０５】
ωZ＝(ΘZ(N+1) − ΘZN)/ Tsample                  （２２）
ここで、ωＺはサンプルＮからＮ＋１の時間にわたる平均角速度を表している。勿論、ωＸとωＹは類似の方法で発見される。システム雑音により、実際の角速度は以下のように表される。  
ωN＝ωNcalc ± ωNnoise                  （２３）
軸を中心とする全回転を決定するため、信号は時間Ｔにわたって積分される。  
Θ(T)＝T( Σ ωN ± Σ ωNnoise)          （２４）
雑音がランダムであり、ゼロに平均されるので、前述の結果は次式のようになり、
Θ(T)＝T Σ ωN                （２５）
非常に重要な結果は、ジャイロとは異なって、磁力計が変化速度または微分信号として回転速度を表すために、式４で見られた積分された誤差項がないことである。
【０１０６】
これは磁力計レートセンサが同等に重要な正確性を失わずに曖昧に使用されることができ、ジャイロとは異なってダイナミックな範囲問題が存在しないことを示唆している。磁力計レートセンサのダイナミック範囲はセンサ利得に関連されるジャイロとは異なって、センサの帯域幅、サンプルＮからＮ＋１への変化速度により決定される。磁力計の使用可能な帯域幅は２５Ｍｈｚを超え、これは人体のセグメントでは経験することのない途方もなく高い回転速度に等しくなる。
【０１０７】
磁力計レートセンサには２つの欠点が存在する。第１の欠点は数学的な特異性である。地球外磁場が任意のセンサ軸と整列されるならば、その軸を中心とする回転速度は決定されることができない。１例として、地球の磁場がＺ軸と整列されるならば、Ｘ−Ｙ平面に投影される磁界成分はなく、アークタンジェントの計算ができなくなる。
【０１０８】
これは２つの方法で処理されることができる。これは特異性が確かに存在するか否かを決定する、即ちＸとＹ成分はゼロであると判断される簡単なタスクである。このように決定されたならば、前述したようにこれが有効であり回転速度がセンサのダイナミック範囲を超えないならば、第１の解決方法はＺ軸の角度回転データについてのＭＥＭＳジャイロに戻る。ジャイロデータが短時間、即ち特異性がなくなるまで使用されるので、ωｏｅｒｒｏｒによる前述の誤差の累積は無視できる程度である。
【０１０９】
第２の解決方法はＦＩＦＯバッファにＮ個の先のサンプルを維持することによって特異性を外挿することである。特異性が存在することが決定されたならば、Ｎ個のサンプルは特異性がなくなるまで失われたデータを評価するため中次から高次の多項式への入力として使用されることができる。これは運動のダイナミック特性を与える数個を超える連続的なサンプルで特異性が存在する確率がある可能性がないならば合理的である。
【０１１０】
磁力計レートセンサに関連される第２の可能な問題は外部磁界歪に対する感度である。磁界の歪が２つのベクトル成分で等しくない変化を生じるならば、即ちＸとＹベクトル成分がＺ軸回転測定のため歪源を介して同じ割合で変化しないならば、計算されたＺ軸回転の誤差が生じる可能性がある。この効果の厳格さは最も可能性の高い場合に特定されるので、ここでは取り上げない。
【０１１１】
厳格さにかかわりなく、この歪状態は、任意の歪が常に総ベクトルの大きさの変化を伴うという事実により容易に検出される。任意の外部の強磁性材料は個々のベクトル成分の歪を生じるだけでなく、局部磁界強度または成分のベクトルの和に局部の既知の地球磁場の大きさを超過させる。検出されたならば、ジャイロは再び短い期間の回転データに対して使用される。
【０１１２】
要約すると、前述の２つのレートセンサは各個々のセンサの限定を克服することができることが認識されよう。十分なプロセッサ電力により、回転情報は長期の高い正確度の慣性運動捕捉のためにシームレスに提供するように十分に決定されるべきである。
【０１１３】
［別の応用］  
本発明を多くの応用について説明した。これらの応用は好ましい実施形態の例示であり、これらは適切な応用を単に示しており、本発明が使用されることのできる唯一の応用として考えられるべきではない。さらに、本発明の有望な応用は、ゴルフ、野球（バットおよび投球する手）、テニスホッケー、釣り、または任意のタイプの「ボールおよびスティック」のスポーツを含むが、それに限定されない。全ての応用が完全なセンサアレイを必要とするわけではないことに注意すべきである。差動レートセンサとして磁力計を使用することに関して特異性の問題が重要ではないならば、３ジャイロセンサは省かれることができる。これは特に野球、木製またはアルミニウム製のバットやカーボンファイバのテニスラケット等のように磁気歪問題が存在する可能性がない応用で当てはまる。
【０１１４】
３ジャイロが特定の実施形態に含まれないならば、システムは非常に廉価で、軽量で小型になる。さらに測定される運動が高速であり、実時間の生体フィードバックが使用されず、事後解析のみが使用される場合、磁力計の特異性が課題になる。事前及び事後の特異性データとの曲線の当てはめによって、失われたデータに対して非常に良好な外挿が可能である。実時間応用で必要とされるような事前特異性データだけを使用することは良好に適合しない。
【０１１５】
［データの同期］  
測定された運動データを既知の運動データと比較するため、実時間の生体フィードバック応用に必要とされる２つのタイプのデータ同期をここで説明する。
【０１１６】
［単一の変数］  
単一の変数の解析は、単一の特定の運動属性を時間に関して同期しようとする最も簡単なものである。基準運動誤差ファイルがフラッシュメモリに記憶されている基準運動ファイルから生成され、ＦＲＡＭサーキュラーバッファに転送され、これは実時間の生体フィードバックモード期間中には使用されない。ＦＲＡＭはサンプル毎に入来するデータを比較するための便利な一時的な記憶装置として使用される。
【０１１７】
１例として、誤差信号を発生するために角度位置と時間を比較しようと試みていると仮定する。基準運動ファイルデータはこのパラメータが生のデータの一部分ではないので、データから角度位置を計算しなければならない。計算されると、１×ＮアレイがＦＲＡＭ中に生成され、第１のエントリは同期トリガーである。応用の前に基準値を予め計算することによって、実時間処理の負担が２の係数だけ減少される。
【０１１８】
さらに処理の減少は現在の運動データに対して比較する前に、記憶されたデータをＩＭＭＣＡＰモジュールの現在の温度へ「正規化」することにより実現されることができる。このようにして、実時間のＩＭＭＣＡＰセンサデータ流は記憶された基準データが既に実時間ではなく調整されているので温度補償される必要はない。
【０１１９】
この方法により、プロセッサは単に実時間でデータ流からパラメータ値を計算する必要がある。パラメータが計算されると、これはＦＲＡＭ１×Ｎアレイの第１のエントリと比較される。逐次的なサンプルは一致が生じるまで第１のエントリに対して比較される。一致が生じると、１×Ｎ  ＦＲＡＭアレイへのインデックスはＭ＋１の実時間データ流とその後それぞれ比較するためにインクリメントされる。
【０１２０】
各比較はＭ番目の実時間データ値に対するＮ番目のＦＲＡＭアレイエントリの差に基づいて誤差値を生じる。この誤差と、感度のような他のパラメータとに基づいて実際のエラートーンが発生される。これは記録の最後がＦＲＡＭバッファに到達するまで継続する。
【０１２１】
付加的な速度がＦＲＡＭ  Ｎ×１アレイのブロックを局部的なＳＲＡＭへ移動することにより実現されることができる。これが必要とされるならば不明瞭であるが、可能性がある。
【０１２２】
［多数の変数］  
このモードでは、２以上の運動パラメータが時間に関して比較される。１例として、角速度と角度位置を時間に関して同時に比較しようとすることができる。このタイプの応用では、Ｎ番目のインクリメントの度に基準運動ファイルからの２つの計算されたエントリ、即ち角度位置及び角速度を有する２×Ｎアレイを生成する必要がある。
【０１２３】
実時間データが受信されるとき、Ｍ番目の角速度と角度位置が計算される。同期にいずれのパラメータが使用されるかにしたがって、このパラメータはＦＲＡＭ  ２×Ｎアレイの最初のエントリ、この場合では最も可能性が大きい角度位置と比較されるために使用される。
【０１２４】
同期されると、エラートーンの発生は、２つのエラー源を加重し適切なエラートーンを発生する選択されたアルゴリズムを介して決定されなければならない。簡単な２つの変数の例により、位置用に左耳、速度用に右耳の２つの独立したエラートーンを発生する。
【０１２５】
［フレキシブルな回路］  
応用に応じて、フレキシブルまたは剛性の回路板が使用されることができる。いずれの場合にも、コンポーネントはポットに収められ、機械的なローパスフィルタ、即ち硬い表面上に落ちても頑丈であるように部品周辺にある種の発泡体を有する可能性が最も大きい。
【０１２６】
［較正］  
初期の加速度計、磁力計、ジャイロの感度及びオフセットが製造時に決定され、不揮発性メモリ中に記憶される。温度補償係数もこのときに記憶されることができる。磁力計と加速度計センサの特性はよく知られているために、さらに使用時に１度の較正が必要とされる可能性はほとんどない。しかしながら、ＭＥＭＳジャイロの現在の状態は、前述したようにオフセットドリフトによる過剰な一体化の誤差を防止するため頻繁な較正を必要とする可能性が大きい。
【０１２７】
現在のジャイロオフセットは任意の応用の開始時に実行される「較正」モードにより決定されることができる。ＩＭＭＣＡＰモジュールを静止した状態にすることにより、慣性ジャイロオフセットの不確実性、即ち回転のないセンサ出力は、サンプル数の平方根により減少されるオフセットの不確実性を有する固定した期間にわたって、多数の測定を平均することにより非常に減少されることができる。
【０１２８】
さらに、磁力計は時間、温度、感度の変化と共にジャイロのオフセットドリフトをダイナミックに決定することができる。磁力計は同様にジャイロの信号範囲を拡張することができる。ジャイロは＋／−１５０度／秒の信号限度を有し、これは約６００度／秒まで拡張されることができる。回転速度がこの値を超えるならば、出力は飽和し、有効ではなくなる。差動レートセンサとして作用する磁力計はこのような制限をもたず、ジャイロの出力が飽和し、したがってそれらの信号における正確性を失ったならば、単に実時間磁力計データ流からレート情報を抽出するのに必要な付加デジタル信号処理を行うことによって作動（キックイン）することができる。
【０１２９】
ＩＭＭＣＡＰは形態が長方形の３Ｄ印刷回路板（「ボルグ」立方体）に形成されることができることも認識されるであろう。３Ｄ立方体の個々のパネルは平面形態で組み立てられるので、３Ｄ（ボルグ）立方体の物理的構造も非常に特有である。３Ｄ立方体（ボルグ立方体）は箱に類似しており、箱の下部、東西の側面、南北の側面を有し、箱の上部が北の側面に取り付けられている。ＩＣ及び幾つかの受動部品は平坦にされた箱の上面に取り付けられる。大部分の受動コンポーネントは箱の下面に存在する。箱が折りたたまれると、平坦にされた箱の上面は３Ｄ立方体の内側になり、内部の容量の約６５％が、３Ｄ立方体の外側になる下部を有するＩＣと受動部品により占有される。
【０１３０】
この特有の構造は３Ｄ立方体全体が約１９ｍｍ×１７ｍｍ×９ｍｍの寸法であることを可能にする。この寸法は現在入手可能な他の運動センサに比較してかなり小さい。
【０１３１】
測定される装置を有する打撃オブジェクトを通してＩＭＭＣＡＰモジュールに与えられることのできる高い周波数振動が可能であるので、運動センサコンポーネントをＩＭＭＣＡＰモジュール内に確実に固定することが有効である。例えばモジュール内のコンポーネントは最も頑丈なセンサを与えるためにポットに鋳造されることができ、誤差や高い加速度の期間における構造的損傷を最少にする。さらに、ＩＭＭＣＡＰセンサからの信号の多くの高周波数成分はローパスフィルタの適用によって低い周波数信号からセンサリードの出力へ適切に濾波されることを認識することが重要である。
【０１３２】
［設計の変更］  
本発明の特定の応用に応じて、３つの設計が考えられる。磁気干渉がないとき、即ち局部的な地球の磁場に乱れを起こすのに十分近くに外部強磁性材料がないならば、特異性が問題ではなく、或いは２つの応用で数学的に解かれることが可能であれば、加速度計／磁力計は選択構造である。第１に、限定されるが許容可能な正確度で特異性を置換するために先のデータから前方外挿を介して実時間で分解が行われることができる。その代わりに、事前／事後データによる外挿により、より大きな正確度で事後解析において分解が行われることができる。
【０１３３】
磁気の乱れが予測されるならば、加速度計／磁力計／ジャイロ構造が望ましい。ジャイロデータは数学的特異性および／または検出された磁気干渉の期間中に使用されることができる。ジャイロを断続的に使用することによって、雑音による誤差の累積は最小にされることができる。差動レートセンサとして使用される磁力計が約１３ビットの解像度を有し、ジャイロが生成する最良は１０Ｈｚ帯域幅で約８ビットである。開始方向が知られており、高い磁気干渉が予測されるならば、ジャイロの正確度が独立して許容可能に使用されるならば磁力計は必要とされない。
【０１３４】
好ましい実施形態では、本発明のシステムは磁力計レートセンサからジャイロへ切換えるときを知るのに十分スマートであるように、他の場所に位置されるプロセッサを有する全部で３つのセンサタイプを含んでいる。これによって、外部の強磁性材料からの磁気干渉がほぼ常に重ね合わせた結果的な磁界ベクトルを生じるので、地球磁場単独の磁気ベクトルを超えて増加し、結果的なベクトル方向が変化するとき容易に検出される。
【０１３５】
ここで示し、詳細が説明されているように特定の３軸レート及び位置感知運動捕捉システムは前述したような目的を得て利点を提供することが十分可能であるが、これは本発明の現在の好ましい実施形態の単なる例示であり、特許請求の範囲で記載した以外にここで示されている構造または設計の詳細に対して限定する意図はないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】濾波ハードウェアと、信号を無線周波数（ＲＦ）トランシーバへ提供するマイクロプロセッサと電気通信するための単軸慣性磁気運動捕捉センサアレイの基本的な構造を示している本発明の運動捕捉システムの一部のブロック図。
【図２】濾波ハードウェアと、信号を他の運動捕捉センサアレイとインターフェースするデータバスへ信号を提供するマイクロプロセッサと電気通信するための多軸慣性磁気運動捕捉センサアレイの基本的な構造を示している本発明の運動捕捉システムの一部の別の実施形態のブロック図。
【図３】マイクロプロセッサにより処理されデータ記憶を行うため単一または多数の遠隔運動捕捉センサアレイからデータを受信するための多数または単一のＲＦトランシーバと、システムの制御を行うためのユーザインターフェースとの基本的な構造を示している本発明の運動捕捉システムの一部のブロック図。
【図４】ジャイロスコープ、加速度計、磁力計をｘ、ｙ、ｚ軸に対して示し、図１および２に示されているマイクロプロセッサによって使用されるように各センサの出力が調整されサンプルされている本発明の慣性磁気運動捕捉センサのブロック図。
【図５】訓練期間中に使用される取外し可能な取り付け具として、例えばゴルフクラブのシャフトのハンドルに対して外部に、平行に設けられている本発明の運動捕捉システムの例示的な実施形態を示す図。
【図６】ゴルフクラブのシャフトのハンドルに対して内部に設けられ、それによって丁度一般的なクラブと同様に使用されることができるが、変化がクラブのユーザに気づかれずに使用される運動感知クラブを提供する本発明の運動捕捉システムの例示的な実施形態を示す図。
【図７】図５に示され、図１または２および３のセンサ素子と関連して使用される運動捕捉システムを使用し、最適な運動が行われるまで、即ちシステムが将来の運動と比較して最適な運動を捕捉するときまでユーザが装置を使用して練習する訓練モードにおける本発明の使用のステップを示しているゴルファーの図。
【図８】後の運動解析と、既知の運動または他のデータ解析との比較のために運動センサの多数の運動を捕捉するように図７の運動捕捉システムを使用するゴルファーの図。
【図９】シャフトマイクロプロセッサの初期化で開始し、運動データ制御装置の初期化とデータ捕捉モードへまたは待機モードへ進行する本発明の運動捕捉システムの「通常モード」動作のフローチャート。
【図１０】実時間フィードバック信号をユーザに提供し、この実時間の運動データを後の解析または既知の運動データとの比較のために制御装置へ中継するため、運動データの捕捉と、記憶された運動データに対する比較を示している本発明の運動捕捉システムの「実時間」データ捕捉モードのフローチャート。
【図１１】事象トリガーが感知され、運動データの捕捉と、後の解析のためＰＣまたはＰＤＡへ送信するためのデータのフォーマットとを停止するまでのサーキュラーバッファ中の運動データの捕捉を示している本発明の運動捕捉システムの「事後処理」データ捕捉モードのフローチャート。
【図１２】本発明で使用される例示的な慣性磁気運動捕捉（ＩＭＭＣＡＰ）モジュールのコンポーネント位置及び相対的な構造を示すブロック図。
【図１３】骨格の運動を足取り解析、特別な効果またはスポーツ訓練応用のために捕捉することができる全部で１６のモジュールを生じる１脚当り３のモジュールと、スピン／ヘッドにおける４モジュールとを有する人間の身体上の多数のＩＭＭＣＡＰモジュールシステムを示す図。
【図１】
2008529727.tif 000004
【図２】
2008529727.tif 000005
【図３】
2008529727.tif 000006
【図４】
2008529727.tif 000007
【図５】
2008529727.tif 000008
【図６】
2008529727.tif 000009
【図７】
2008529727.tif 000010
【図８】
2008529727.tif 000011
【図９】
2008529727.tif 000012
【図１０】
2008529727.tif 000013
【図１１】
2008529727.tif 000014
【図１２】
2008529727.tif 000015
【図１３】
2008529727.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月15日(2008.2.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最初の方向の測定およびクラシックな慣性測定を行い、空間的な方向（Ρ，Θ，Φ）および直線運動（ｘ，ｙ，ｚ）における変化の測定を行う運動捕捉システムにおいて、
運動データを提供する慣性磁気運動捕捉（ＩＭＭＣＡＰ）モジュールと、
前記運動データを受信するために前記ＩＭＭＣＡＰモジュールと電気的に接続されているデジタル処理装置と、
前記運動データを予め定められた運動データセットに対して比較する手段と、
前記運動データの予め定められた運動データセットに対する比較に基づいて、前記運動データを解析し、それに応答してフィードバック信号を提供する手段と、
前記運動データを前記予め定められた運動データセットに同期させる手段とを具備している運動捕捉システム。
【請求項２】
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールは前記運動データを無線で送信する請求項１記載の運動捕捉システム。
【請求項３】
さらにメモリを具備し、前記予め定められた運動データセットは前記メモリ内に記憶されている請求項１記載の運動捕捉システム。
【請求項４】
前記メモリは不揮発性メモリである請求項３記載の運動捕捉システム。
【請求項５】
前記メモリはＥＥＰＲＯＭである請求項４記載の運動捕捉システム。
【請求項６】
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールは磁力計、加速度計、ジャイロスコープから選択された２つの３軸センサを具備している請求項１記載の運動捕捉システム。
【請求項７】
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールは１つの３軸磁力計と１つの３軸加速度計を具備している請求項１記載の運動捕捉システム。
【請求項８】
前記ＩＭＭＣＡＰは前記３軸磁力計と前記３軸加速度計の動作に応答して運動データを発生する請求項７記載の運動捕捉システム。
【請求項９】
さらに１つの３軸ジャイロスコープを具備している請求項８記載の運動捕捉システム。
【請求項１０】
１つの３軸加速度計と、
１つの３軸磁力計と、
地球の重力場に関する前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの方位を決定するために前記加速度計からの出力を処理する手段と、
地球の磁場に関する前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの方位を決定するために前記加速度計からの出力を処理する手段と、
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの方位を決定するために地球の重力場に関する前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの前記方位と地球の磁場に関する前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの前記方位を処理する手段とを具備している慣性磁気運動捕捉（ＩＭＭＣＡＰ）モジュール。
【請求項１１】
さらに１つの３軸ジャイロスコープを具備している請求項１０記載のＩＭＭＣＡＰモジュール。
【請求項１２】
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールはさらにそれぞれ前記３軸加速度計および前記各３軸磁力計と電気接続されている調整回路を具備している請求項１０記載のＩＭＭＣＡＰモジュール。
【請求項１３】
前記調整回路はさらにローパスフィルタを具備している請求項１２記載のＩＭＭＣＡＰモジュール。
【請求項１４】
前記調整回路はさらに利得回路を具備している請求項１２記載のＩＭＭＣＡＰモジュール。
【請求項１５】
慣性磁気運動捕捉（ＩＭＭＣＡＰ）モジュールを使用して運動を測定する方法において、
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールを初期化し、
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの運動に応答して運動データを発生し、
予め定められた特性について前記運動データを解析し、
前記解析に応答してフィードバック信号を発生し、
前記運動データをメモリに記憶し、
前記記憶された運動データを予め定められた運動データと比較し、
前記比較に応答してエラーを発生させ、
前記運動データを前記予め定められた運動データと同期させるステップを含んでいる運動を測定する方法。
【請求項１６】
さらに、予め定められた運動データ範囲のグループから前記運動データの範囲を選択するステップを含んでいる請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
さらに、前記運動データを前記選択された予め定められた運動データ範囲と比較し、前記運動データが前記選択された予め定められた運動データの範囲外であるならば、エラー状態を発生させるステップを含んでいる請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記運動データと同期させる手段はさらに、前記運動データ中のトリガー事象を識別し、前記トリガー事象を前記予め定められた運動データ中の予め限定された事象と同期させるステップを含んでいる請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
さらに、３つの異なる方向に沿った加速度を測定するために前記ＩＭＭＣＡＰモジュール中に３つの加速度計を設け、
３つの異なる方向に沿った磁場を測定するために前記ＩＭＭＣＡＰモジュール中に３つの加速度計を設け、
地球の重力場に関する前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの方位を決定するために前記３つの加速度計からの出力を処理し、
地球の磁場に関する前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの方位を決定するために前記３つの磁力計からの出力を処理し、
前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの方位を決定するために地球の重力場に関する前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの前記方位と地球の磁場に関する前記ＩＭＭＣＡＰモジュールの前記方位とを処理するステップを含んでいる請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
運動センサの運動および方位におけるデータを測定するようにそれぞれ動作可能であり、（１）測定されたデータを処理しこれをデジタルセンサデータへ変換するためのマイクロプロセッサと、（２）デジタルセンサデータを出力するためのセンサ通信インターフェースとを具備している１以上の運動センサと、
（１）センサ通信インターフェースを介して１以上の運動センサと通信する制御装置通信インターフェースと、（２）１以上の運動センサからデジタルセンサデータを受信するための制御装置メモリとを具備し、
制御装置はデジタルセンサデータが受信されているとき、その受信されたデジタルセンサデータを実時間で処理し、それによって１以上の運動センサの測定された運動プロフィールを生成し、制御装置のマイクロプロセッサに記憶されている１以上の運動センサに対する基準運動プロフィールに対して測定された運動プロフィールを比較し、
制御装置は測定された運動プロフィールの基準運動プロフィールからの偏差を示すためにインジケータ信号を発生する運動感知システム。
【請求項２１】
各運動センサのセンサ通信インターフェースはデジタルセンサデータを伝送する無線ＲＦ信号を送信するＲＦインターフェースであり、
制御装置の通信インターフェースは無線でデータを送受信するＲＦインターフェースである請求項２０記載のシステム。
【請求項２２】
少なくとも２つの運動センサを有し、
少なくとも２つの運動センサと制御装置とは無線ＲＦネットワークを形成している請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
各運動センサはその各運動センサにおいて局部的な磁界ベクトルを測定するための３軸磁力計を具備し、
システムは局部的な地球の磁界ベクトルに関する各運動センサの回転の差動レートを測定するために、局部的な磁界において測定されたデータを処理するための機構を具備している請求項２０記載のシステム。
【請求項２４】
各運動センサは３軸磁力計からの回転についての測定された差動レートに加えて各運動センサの回転速度を測定するための３軸ジャイロスコープを具備し、
システムは３軸磁力計から回転について測定された差動レートを使用して、地球外磁界が３軸磁力計の３つの直交軸の任意の１つと整列されないとき運動センサの回転速度を示し、地球外磁界が３軸磁力計の３つの直交軸の任意の１つと整列されるとき３軸ジャイロスコープから測定された回転速度を選択するための機構を具備している請求項２３記載のシステム。
【請求項２５】
各運動センサはその各運動センサの回転速度を測定するための３軸ジャイロスコープを含んでおらず、
システムは地球外磁界が３軸磁力計の３つの直交軸の任意の１つと整列されないときの期間に運動センサの回転速度を評価するため、３軸磁力計から回転についての測定された差動レートのデータサンプルを使用するための機構を具備している請求項２３記載のシステム。
【請求項２６】
偏差が許容範囲を超えるとき、測定された運動プロフィールの基準運動プロフィールからの偏差について人に警報する警告信号を発生するためにインジケータ信号に応答する警報機構を具備している請求項２０記載のシステム。
【請求項２７】
警報信号はオーディオ信号である請求項２６記載のシステム。
【請求項２８】
警報信号は光信号である請求項２６記載のシステム。
【請求項２９】
制御装置はさらに解析及び処理するためにデジタルセンサデータを送出する通信リンクを具備している請求項２０記載のシステム。
【請求項３０】
運動センサの運動及び方位におけるデータを測定するように動作可能であり、各運動センサにおいて局部磁界ベクトルを測定するための３軸磁力計を具備する少なくとも１つの運動センサと、
運動センサの回転の差動レートを測定するために３軸磁力計からの局部磁界において測定されたデータを処理する機構とを具備している運動センサシステム。
【請求項３１】
運動センサは３軸磁力計からの回転についての測定された差動レートに加えて各運動センサの回転速度を測定するための３軸ジャイロスコープを具備し、
システムは３軸磁力計から回転について測定された差動レートを使用して、地球外磁界が３軸磁力計の３つの直交軸の任意の１つと整列されないとき運動センサの回転速度を示し、地球外磁界が３軸磁力計の３つの直交軸の任意の１つと整列されるとき３軸ジャイロスコープから測定された回転速度を選択するための機構を具備している請求項２０記載のシステム。
【請求項３２】
各運動センサはその各運動センサの回転速度を測定するための３軸ジャイロスコープを含んでおらず、
システムは、地球外磁界が３軸磁力計の３つの直交軸の任意の１つと整列されないときその期間中の運動センサの回転速度を評価するため、３軸磁力計から回転についての測定された差動レートのデータサンプルを使用するための機構を具備している請求項２０記載のシステム。
【請求項３３】
（１）３軸加速度計と、（２）３軸磁力計と、（３）３軸加速度計および３軸磁力計からのデータを含めた各運動センサからの測定されたデータを処理しこれをデジタルセンサデータへ変換するためのマイクロプロセッサと、（４）デジタルセンサデータを無線で出力するためのセンサＲＦ通信インターフェースとを具備する１以上の運動センサと、
（１）センサＲＦ通信インターフェースを介して１以上の運動センサと無線で通信する制御装置ＲＦ通信インターフェースと、（２）１以上の運動センサからデジタルセンサデータを受信するための制御装置メモリとを具備し、
制御装置は運動センサの回転の差動レートを測定するために３軸磁力計から局部磁界についての測定されたデータを処理し、１以上の運動センサについての測定された運動プロフィールを生成するために受信されたデジタルセンサデータを処理する運動感知システム。
【請求項３４】
制御装置は制御装置のマイクロプロセッサに記憶されている１以上の運動センサについての基準運動プロフィールに対して測定された運動プロフィールを比較し、測定された運動プロフィールの基準運動プロフィールからの偏差を示すためにインジケータ信号を発生するように動作する請求項３３記載のシステム。
【請求項３５】
制御装置はさらに解析及び処理のためにデジタルセンサデータを送出するための通信リンクを具備している請求項３３記載のシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
特別なＩＭＭＣＡＰ応用にしたがって、関連される支援電子装置は変化することができる。単一の剛性体、即ちゴルフのシャフト、テニスラケット、野球のバットの６ＤＯＦを捕捉するように設計された応用では、共通のフォーマットが組み込まれる可能性が最も高い。幾つかの実施形態では、ＩＭＭＣＡＰモジュールは機器中の残りの支援電子装置から独立したサブシステムであり、別の実施形態ではＩＭＭＣＡＰモジュールの基本的なコンポーネントが支援電子装置と共に単一のシステムに一体化される。機器からのデジタルＲＦデータ流は短い範囲のＩＳＭ（産業的、化学的および医学的）帯域トランシーバを介して、運動測定システムの特定の応用のためのデータ流を処理するように設計された関連される電子パッケージへ送信される。例えば、本発明は幾つかの予め捕捉された運動ファイルに関する身体の運動に関する実時間情報を提供するための音響的、光学的または戦略的な生体フィードバックシステムを含むことができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
好ましい実施形態では、本発明の１つの運動捕捉システムは運動感知モジュールと、運動データを捕捉しそのデータを解析し実時間フィードバックまたは事後処理解析するマイクロプロセッサ制御インターフェースを含んでいる。以下さらに詳細に説明するように、本発明の運動捕捉システムには多数の応用が存在する。しかしながら、これらの種々の応用を説明するために、本発明のハードウェアの基本的説明を行う。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
マスターマイクロプロセッサ124は局部メモリ125に記憶するため、および／またはＲＦリンク126を介して受信機（この図面では図示せず）へ送信するためにデータをデータバス122から受信する。携帯用では、電池128は電圧をＤＣ−ＤＣ変換器130へ提供し、このＤＣ−ＤＣ変換器130は電力を運動捕捉システム1400へ提供する。付加的な低ドロップアウト調整器106はモジュール102での感知誤差を最小にするために特に重要でありうる低雑音および定電圧レベルを確実にするために設けられることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
実時間データが運動センサから受信されるとき、既知の時間同期された運動データは基準データと（同期され）比較され、運動誤差がステップ666で計算される。ステップ666からのこの誤差信号の振幅は予め定められた誤差振幅よりも大きい可能性があり、したがってステップ668で可聴エラートーンのような誤差信号を提供する。この誤差信号はＲＦリンクを介して或いは有線で現在の運動に関する直接的で特定の誤差情報をユーザのヘッドセットへ提供する。誤差フィードバックはステップ672で基準データの最後に続いて終了され、システムはステップ674で次の運動シーケンスを待機するようにそれ自体をリセットすることができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
３軸加速度計とレートセンサは固定された外部座標系に関する空間的な方向（Ρ，Θ，Φ）と、直線運動（ｘ，ｙ，ｚ）における変化を決定することができるクラシックな慣性測定装置（ＩＭＵ）を具備している。３軸磁力計の付加は絶対的な方向を与えるため磁気の北に関するＩＭＵの絶対的方位および対応する身体軸を決定する能力を提供する。さらに、磁力計は過剰な回転レートのためにレートセンサが飽和した場合にバックアップレートセンサとして作用する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９８】
［角度回転の決定のためのジャイロ限定］  
全ての固体状態ジャイロはｍＶ／度／秒で回転速度ωに比例する電圧出力を発生する。これは時間ｔ＝０から時間ｔ＝Ｔまで軸を中心とする全回転が次式のようにジャイロ信号を積分することにより得られることを必要とする。
【数１】
2008529727.tif 000017
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９９】
ωｇｙｒｏ（ｔ）信号は次式に示されている後続の重畳された信号からなる。  
ωgyro(t)＝(ωsignal(t) ± ωnoise(t)) ＋ (ωo ± ωoerror )            （２）
ここで、ωｓｉｇｎａｌ（ｔ）は回転に応答して発生された真の信号であり、ωｎｏｉｓｅ（ｔ）は全ての線形の信号中に存在する帯域内のランダム雑音が存在することによる信号のランダム成分であり、ω０はセンサからのゼロ回転値であり、ωｏｅｒｒｏｒはω０が決定されたときのｔ＝０におけるωｎｏｉｓｅ（ｔ）の瞬間値を表している。（２）を回転による実際の信号を表すように並べ替えると、次式が得られる。  
ωsignal(t)＝(ωgyro(t) − ωo ± ωoerror(t=0) ) ± ωnoise(t)            （３）
式（３）を（１）へ代入し、ωｎｏｉｓｅ（ｔ）がゼロになるように積分すると仮定すると、以下の簡単な結果が得られる。  
Θcalc(T)＝Θactual (T) ± Tωoerror(t=0)                 （４）
先の式はジャイロにより測定されたとき計算された回転の不確実性が時間と共に増加し、所望の角度の正確度に基づいて、センサ出力が使用可能な有効時間を限定することを示唆している。ωｏｅｒｒｏｒ値は回転がゼロであることが知られるが、しかしこの平均時間が実際の応用により限定されるとき、信号帯域幅を限定し、幾らかの時間間隔にわたって多数の測定を平均することにより減少されることができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０４】
前述のルールに加えて、磁力計は全ての３つの軸の差動レートセンサとして作用することができる。Ｚ軸を中心とする回転はＸ−Ｙ平面中の磁界ベクトルの回転を観察することによって導出されることができる。時間サンプルされたシステムでは、ＩＭＭＣＡＰ応用のようにＢＸＹ磁界ベクトルの角度は次式のようにＮ番目のサンプルにおいて決定される。  ΘZN＝tan-1(BXN/BYN)                （５）
ここでΘＺＮはＸ軸に関するＢＸＹベクトル成分の角度である。  
次のサンプルは次式を生じる。  
ΘZ(N+1)＝tan-1(BX(N+1)/BY(N+1))                      （６）
Ｚ軸を中心とする角速度は次式により決定される。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０５】
ωZ＝(ΘZ(N+1) − ΘZN)/ Tsample                  （７）
ここで、ωＺはサンプルＮからＮ＋１の時間にわたる平均角速度を表している。勿論、ωＸとωＹは類似の方法で発見される。システム雑音により、実際の角速度は以下のように表される。  
ωN＝ωNcalc ± ωNnoise                  （８）
軸を中心とする全回転を決定するため、信号は時間Ｔにわたって積分される。  
Θ(T)＝T( Σ ωN ± Σ ωNnoise)          （９）
雑音がランダムであり、ゼロに平均されるので、前述の結果は次式のようになり、
Θ(T)＝T Σ ωN                （１０）
非常に重要な結果は、ジャイロとは異なって、磁力計が変化速度または微分信号として回転速度を表すために、式１０で見られた積分された誤差項がないことである。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０６】
これは磁力計レートセンサが正確性を失わずに曖昧に使用されることができることを示唆している。同様に重要なこととして、ジャイロとは異なって回転レートセンサとして磁力計を使用することに関係してダイナミックな範囲問題は存在しない。磁力計レートセンサのダイナミック範囲はセンサ利得に関連されるジャイロとは異なって、センサの帯域幅、サンプルＮからＮ＋１への変化速度により決定される。磁力計の使用可能な帯域幅は２５Ｍｈｚを超え、これは人体のセグメントでは経験することのない途方もなく高い回転速度に等しくなる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２８】
さらに、磁力計は時間、温度、感度の変化と共にジャイロのオフセットドリフトをダイナミックに決定することができる。磁力計は同様にジャイロの信号範囲を拡張することができる。ジャイロは＋／−１５０度／秒の信号限度を有し、これは約６００度／秒まで拡張されることができる。回転速度がこの限度を超えるならば、出力は飽和し、有効ではなくなる。差動レートセンサとして作用する磁力計はこのような制限をもたず、ジャイロの出力が飽和し、したがってそれらの信号における正確性を失ったならば、単に実時間磁力計データ流からレート情報を抽出するのに必要な付加デジタル信号処理を行うことによって作動（キックイン）することができる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３４】
磁気の乱れが予測されるならば、加速度計／磁力計／ジャイロ構造が望ましい。ジャイロデータは数学的特異性および／または検出された磁気干渉の期間中に使用されることができる。ジャイロを断続的に使用することによって、雑音による誤差の累積は最小にされることができる。差動レートセンサとして使用される磁力計が約１３ビットの解像度を有し、ジャイロが生成する最良の解像度は１０Ｈｚ帯域幅で約８ビットである。開始方向が知られており、高い磁気干渉が予測されるならば、独立して使用されるときジャイロの正確度が許容可能であるならば磁力計は必要とされない。
【国際調査報告】
2008529727.tif 000018
2008529727.tif 000019