(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴部と前記胴部に関節部を介してつながる肢部とを含む検出対象物の前記胴部の軸心部分に装着され、前記軸心部分における並進運動及び回転運動を検出する第１のセンサと、
前記肢部の先端部分に装着され、前記先端部分における並進運動及び回転運動を検出する第２のセンサと、
前記検出された軸心部分における並進運動と前記先端部分における並進運動とを比較することによって、互いに共通する並進運動と各々独立した並進運動とを抽出する第１の抽出部と、
前記検出された軸心部分における回転運動と前記先端部分における回転運動とを比較することによって、互いに共通する回転運動と各々独立した回転運動とを抽出する第２の抽出部と、
前記検出対象物についての動作の判別の指標となる複数の動作のパターンを予め記憶する動作パターン記憶部と、前記予め記憶された複数の動作のパターンの中から、前記第１及び第２の抽出部による抽出結果に対応した動作のパターンを選出する動作パターン選出部と、を有し、前記第１及び第２の抽出部による抽出結果に基づいて、前記検出対象物の動作のパターンを判定する動作判定部と、を備え、
前記第１及び第２のセンサは、直交３軸方向における加速度を検出する加速度検出部と、直交３軸方向における角速度を検出する角速度検出部と、をそれぞれ備え、
前記第１の抽出部は、互いの前記加速度検出部でそれぞれ検出された直交３軸方向における加速度の向きを比較する並進方向比較部と、前記それぞれ検出された加速度の大きさを比較する並進量比較部と、を含み、
前記第２の抽出部は、互いの前記角速度検出部でそれぞれ検出された直交３軸方向における角速度の向きを比較する回転運動方向比較部と、前記それぞれ検出された角速度の大きさを比較する回転量比較部と、を含む、動作判別装置。
【請求項２】
胴部と前記胴部に関節部を介してつながる肢部とを含む検出対象物の前記胴部の軸心部分に装着され、前記軸心部分における並進運動及び回転運動を検出する第１のセンサと、
前記肢部の先端部分に装着され、前記先端部分における並進運動及び回転運動を検出する第２のセンサと、
前記検出された軸心部分における並進運動と前記先端部分における並進運動とを比較することによって、互いに共通する並進運動と各々独立した並進運動とを抽出する第１の抽出部と、
前記検出された軸心部分における回転運動と前記先端部分における回転運動とを比較することによって、互いに共通する回転運動と各々独立した回転運動とを抽出する第２の抽出部と、
前記検出対象物についての動作の判別の指標となる複数の動作のパターンを予め記憶する動作パターン記憶部と、前記予め記憶された複数の動作のパターンの中から、前記第１及び第２の抽出部による抽出結果に対応した動作のパターンを選出する動作パターン選出部と、を有し、前記第１及び第２の抽出部による抽出結果に基づいて、前記検出対象物の動作のパターンを判定する動作判定部と、
前記関節部を回転中心として前記先端部分が円弧状の移動軌跡をなすように前記肢部を変位させた場合の前記第２のセンサによる検出結果に基づいて、前記先端部分の位置に対する相対的な前記関節部の位置を算出する関節位置算出部と、
前記胴部を回転中心として前記先端部分が水平面上に円弧状の移動軌跡をなすように前記胴部及び前記肢部を共に変位させた場合の前記第１及び第２のセンサによる検出結果に基づいて、前記先端部分及び前記軸心部分のそれぞれの位置に対する相対的な前記胴部の前記回転中心となった軸心位置を算出する軸心位置算出部と、
を備える動作判別装置。
【請求項３】
前記関節部を回転中心として前記先端部分が円弧状の移動軌跡をなすように前記肢部を変位させた場合の前記第２のセンサによる検出結果に基づいて、前記先端部分の位置に対する相対的な前記関節部の位置を算出する関節位置算出部と、
前記胴部を回転中心として前記先端部分が水平面上に円弧状の移動軌跡をなすように前記胴部及び前記肢部を共に変位させた場合の前記第１及び第２のセンサによる検出結果に基づいて、前記先端部分及び前記軸心部分のそれぞれの位置に対する相対的な前記胴部の前記回転中心となった軸心位置を算出する軸心位置算出部と、
をさらに備える請求項１記載の動作判別装置。
【請求項４】
前記第１のセンサによる検出結果と前記関節位置算出部による算出結果とに基づいて、前記関節部における並進運動及び回転運動を検出する関節位置運動検出部と、
前記関節位置運動検出部による検出結果と前記第２のセンサによる検出結果とに基づいて、前記関節部の位置に対する相対的な前記先端部分の並進運動及び回転運動を検出する相対運動検出部と、
をさらに備える請求項２又は３に記載の動作判別装置。
【請求項５】
胴部と前記胴部に関節部を介してつながる肢部とを含む検出対象物の前記胴部の軸心部分に装着された第１のセンサが、前記軸心部分の並進運動及び回転運動を検出するステップと、
前記肢部の先端部分に装着された第２のセンサが、前記先端部分の並進運動及び回転運動を検出するステップと、
前記検出された軸心部分の並進運動と前記先端部分の並進運動とを比較することによって、互いに共通する並進運動と各々独立した並進運動とを第１の抽出部が抽出するステップと、
前記検出された軸心部分の回転運動と前記先端部分の回転運動とを比較することによって、互いに共通する回転運動と各々独立した回転運動とを第２の抽出部が抽出するステップと、
動作パターン記憶部に予め記憶された前記検出対象物についての動作の判別の指標となる複数の動作のパターンの中から、前記抽出された互いに共通する並進運動及び回転運動と前記各々独立した並進運動及び回転運動とに対応する動作のパターンを選出し、前記検出対象物の動作のパターンを判定するステップと、を有し、
前記第１及び第２のセンサは、直交３軸方向における加速度を検出する加速度検出部と、直交３軸方向における角速度を検出する角速度検出部と、をそれぞれ備え、
前記第１の抽出部は、互いの前記加速度検出部でそれぞれ検出された直交３軸方向における加速度の向きを比較する並進方向比較部と、前記それぞれ検出された加速度の大きさを比較する並進量比較部と、を含み、
前記第２の抽出部は、互いの前記角速度検出部でそれぞれ検出された直交３軸方向における角速度の向きを比較する回転運動方向比較部と、前記それぞれ検出された角速度の大きさを比較する回転量比較部と、を含む、動作判別方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、動作判別装置及び動作判別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラントの建設現場や保守現場では、優れた技能を持つ熟練された作業員の退職などによって世代交代が進み、技能の継承や訓練が急務となっている。経験の浅い作業員が現場に多数割り当てられた場合には、いわゆるヒューマンエラーの増加や作業品質の低下が懸念される。このような状況においても、現場での安全性や作業品質を確保するために、個々の作業員の技能レベルに応じた適切な訓練カリキュラムなどを提供する必要がある。例えば、実際に現場で働く作業員が、安全でない行動や禁止された作業を行った場合、これを検知して作業員本人に注意を促すことが効果的である。
【０００３】
この一方で、作業員が直接作業することが困難な環境、例えば高温、有毒ガス、高い線量の放射線などが発生する環境では、マスター・スレーブ・マニピュレータなどの操縦型ロボットや、自走式ロボットの活用が有効である。これらを遠隔操作するためには、周囲の環境に加えてロボット本体の姿勢を含めた動作の検出が必要となる。
【０００４】
作業員やロボットなどの検出対象物の動作の検出に有効な技術として、モーションキャプチャ技術が利用されている。今日のモーションキャプチャ技術は、赤外線カメラなどで撮影した映像を用いて検出対象物の動作を検出する方式や、また、検出対象物に加速度センサや角速度センサなどを装着することによって検出対象物の動作を検出する方式などが採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３６６８６６３号公報
【特許文献２】特開２００１−１９８１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、撮影した映像を利用する前者の動作検出方式は、作業員やロボットなどの検出対象物を、カメラなどを含む撮影機材で取り囲む必要があるため、検出対象物の移動可能範囲が制限される。したがって、プラントの工場内のような広範囲にわたって、検出対象物の移動を追跡する場合、工場内全体に多数の撮影機材を設置する必要がある。さらに、この方式は、人が立ち入ることができない空間に適用しようする場合、撮影機材の設置や調整が実質的に不可能となる。
【０００７】
一方、センサを利用する後者の動作検出方式は、全体として多数のセンサを検出対象物の各部に装着する必要があるため、センサの着脱に多大な労力を要する。また、マニピュレータなどの常設設備にセンサを装着する場合、保守管理に要する手間が増大することになる。以上の理由から、検出対象物の動作の検出にモーションキャプチャ技術を適用することは難しくなっている。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、検出対象物の動作を効率的に判別できる動作判別装置及び動作判別方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施の形態の動作判別装置は、第１及び第２のセンサ、第１及び第２の抽出部、並びに動作判定部を備える。第１のセンサは、胴部と前記胴部に関節部を介してつながる肢部とを含む検出対象物の前記胴部の軸心部分に装着され、前記軸心部分における並進運動及び回転運動を検出する。第２のセンサは、前記肢部の先端部分に装着され、前記先端部分における並進運動及び回転運動を検出する。第１の抽出部は、前記検出された軸心部分における並進運動と前記先端部分における並進運動とを比較することによって、互いに共通する並進運動と各々独立した並進運動とを抽出する。第２の抽出部は、前記検出された軸心部分における回転運動と前記先端部分における回転運動とを比較することによって、互いに共通する回転運動と各々独立した回転運動とを抽出する。動作判定部は、前記検出対象物についての動作の判別の指標となる複数の動作のパターンを予め記憶する動作パターン記憶部と、前記予め記憶された複数の動作のパターンの中から、前記第１及び第２の抽出部による抽出結果に対応した動作のパターンを選出する動作パターン選出部と、を有し、前記第１及び第２の抽出部による抽出結果に基づいて、前記検出対象物の動作のパターンを判定する。また、第１及び第２のセンサは、直交３軸方向における加速度を検出する加速度検出部と、直交３軸方向における角速度を検出する角速度検出部と、をそれぞれ備える。さらに、第１の抽出部は、互いの前記加速度検出部でそれぞれ検出された直交３軸方向における加速度の向きを比較する並進方向比較部と、前記それぞれ検出された加速度の大きさを比較する並進量比較部と、を含む。また、第２の抽出部は、互いの前記角速度検出部でそれぞれ検出された直交３軸方向における角速度の向きを比較する回転運動方向比較部と、前記それぞれ検出された角速度の大きさを比較する回転量比較部と、を含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、検出対象物の動作を効率的に判別できる動作判別装置及び動作判別方法を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る動作判別装置の構成を機能的に示すブロック図。
【図２】図１の動作判別装置が備える一部の構成を具体的に示すブロック図。
【図３】図１の動作判別装置が備える胴体部センサ及び肢部センサの装着位置を概略的に示す図。
【図４Ａ】図３の胴体部センサ及び肢部センサの並進運動に伴う変位の一例を上方からみた模式図。
【図４Ｂ】図４Ａとは異なる他の変位の例を示す模式図。
【図４Ｃ】図４Ａ、図４Ｂとは異なる他の変位の例を示す模式図。
【図５Ａ】図３の胴体部センサ及び肢部センサの回転運動に伴う変位の一例を上方からみた模式図。
【図５Ｂ】図５Ａとは異なる他の変位の例を示す模式図。
【図５Ｃ】図５Ａ、図５Ｂとは異なる他の変位の例を示す模式図。
【図６】図３の胴体部センサ及び肢部センサの変位の方向を説明するための図。
【図７Ａ】図６の胴体部センサ及び肢部センサの並進運動に対応した加速度の変化を示す図。
【図７Ｂ】図７Ａとは異なる他の加速度の変化を示す図。
【図７Ｃ】図７Ａ、図７Ｂとは異なる他の加速度の変化を示す図。
【図８Ａ】図６の胴体部センサ及び肢部センサの回転運動に対応した角速度の変化を示す図。
【図８Ｂ】図８Ａとは異なる他の角速度の変化を示す図。
【図８Ｃ】図８Ａ、図８Ｂとは異なる他の角速度の変化を示す図。
【図９】図１の動作判別装置による動作判別方法を示すフローチャート。
【図１０】第２の実施形態に係る動作判別装置の構成を機能的に示すブロック図。
【図１１】図１０の動作判別装置を用いた第１及び第２のキャリブレーション動作について説明するための図。
【図１２】図１１の第１のキャリブレーション動作を具体的に説明するための図。
【図１３】図１２の例とは異なる他の第１のキャリブレーション動作について説明するための図。
【図１４】図１１の第２のキャリブレーション動作の一例を平面方向からみた図。
【図１５】図１４とは異なる他の例を平面方向からみた図。
【図１６】図１４、図１５とは異なる他の例を平面方向からみた図。
【図１７】第３の実施形態に係る動作判別装置の構成を機能的に示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本実施形態の動作判別装置１０は、例えばプラント内で作業する作業者や作業ロボットなどの動作を判別するための装置である。この動作判別装置１０は、図１、図２に示すように、第１のセンサとしての胴体部センサ１１、第２のセンサとしての肢部センサ１２、第１の抽出部１５、第２の抽出部１６及び動作判定部１７を備えている。
【００１３】
ここで、図３に示すように、作業者の他、作業ロボットなどを例示できる検出対象物５０は、体幹部分となる胴体部（胴部）５１と、この胴体部５１に関節部（肩関節部）５３を介してつながる肢部としての腕部５２と、を有する。この腕部５２は、肘関節部５４を含む。
【００１４】
胴体部センサ１１は、図３に示すように、胴体部５１の体幹軸（例えば人体の背骨など）に沿った部位である軸心部分７１に装着されている。この胴体部センサ１１は、軸心部分７１（胴体部センサ装着部分）における並進運動（並進移動）及び回転運動を検出（計測）する。一方、肢部センサ１２は、肢部としての腕部５２の先端部分（例えば人体の手首など）７２に装着されている。肢部センサ１２は、腕部５２の先端部分７２（肢部センサ装着部分）における並進運動及び回転運動を検出する。
【００１５】
なお、以降の説明では、作業者や作業ロボットなどの上半身の動作の判別について例示するが、本実施形態は、これに代えて、作業者や作業ロボットなどの下半身の動作の判別にも適用可能である。つまり、図３の例では、肢部センサ１２を腕部５２に装着した例を示しているが、下半身の動作を判別する場合、肢部センサ１２を脚部（例えば人体の足首など）に装着してもよい。また、図３の例では、肢部センサ１２を左腕に装着した例を示しているが、右腕に装着してもよいし、さらには、左又は右の脚部に装着してもよい。
【００１６】
図１〜図３に示すように、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２は、直交３次元座標系（直交３次元空間上）の座標値を検出するものであり、上記した軸心部分７１及び先端部分７２の並進運動としては、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を基準とした軸方向に沿った移動量を取得し、軸心部分７１及び先端部分７２の回転運動としては、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を基準とした軸周りの回転量（回転角度）を取得する。
【００１７】
より具体的には、図２に示すように、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２は、例えば６軸センサを共に適用しており、加速度検出部１１ａ、１２ａ及び角速度検出部（ジャイロセンサ）１１ｂ、１２ｂをそれぞれ備えている。加速度検出部１１ａ、１２ａは、直交３軸方向（直交３軸座標系）における加速度を検出する。一方、角速度検出部１１ｂ、１２ｂは、直交３軸方向における角速度を検出する。
【００１８】
なお、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２は、上記した加速度及び角速度の値を直接計測する直接的計測手段、又は、これら加速度及び角速度の値を算出するために必要な数値を間接的に計測する間接的計測手段を有するものである。これらの計測手段を有するセンサとしては、主に慣性センサや３次元磁気センサなどが例示されるが、この限りではなく、カメラやデプスセンサを用いたモーションキャプチャ技術を利用してもよい。
【００１９】
図１〜図３に示すように、第１の抽出部１５は、胴体部センサ１１によって検出された胴体部５１の軸心部分（胴体部センサ装着部分）７１における並進運動と、肢部センサ１２によって検出された腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２における並進運動と、を比較することによって、互いに共通する並進運動と各々独立した並進運動とを抽出する。
【００２０】
一方、第２の抽出部１６は、胴体部センサ１１によって検出された胴体部５１の軸心部分７１における回転運動と、肢部センサ１２によって検出された腕部５２の先端部分７２における回転運動と、を比較することによって、互いに共通する回転運動と各々独立した回転運動とを抽出する。なお、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２側と第１及び第２の抽出部１５、１６側とは、例えば無線通信可能なネットワークなどを介して互いに接続されている。
【００２１】
第１及び第２の抽出部１５、１６について詳述すると、図１に示すように、第１の抽出部１５は、上記した互いに共通する並進運動を抽出する共通並進運動抽出部１５ａ及び上記した各々独立した並進運動を抽出する独立並進運動抽出部１５ｂとを備えている。一方、第２の抽出部１６は、上記した互いに共通する回転運動を抽出する共通回転運動抽出部１６ａ及び上記した各々独立した回転運動を抽出する独立回転運動抽出部１６ｂを備えている。
【００２２】
さらに、図１、図２に示すように、第１の抽出部１５の共通並進運動抽出部１５ａは、並進方向比較部１５ｃ及び並進量比較部１５ｄを有する。並進方向比較部１５ｃは、胴体部センサ１１の加速度検出部１１ａと肢部センサ１２の加速度検出部１２ａとによってそれぞれ検出された直交３軸方向における加速度の向きを比較する。より具体的には、並進方向比較部１５ｃは、加速度検出部１１ａ及び加速度検出部１２ａの各検出結果から二つの加速度ベクトルを取得し、二つの加速度ベクトルのなす角度が例えばゼロであるか否かの判定や、角度の差が例えば閾値内に収まっているか否かの判定を行う。つまり、並進方向比較部１５ｃは、二つの加速度ベクトルの方向（加速度の向き）の同一性を判定する。
【００２３】
一方、並進量比較部１５ｄは、上記した加速度検出部１１ａ及び加速度検出部１２ａによってそれぞれ検出された直交３軸方向における加速度の大きさを比較する。詳述すると、並進量比較部１５ｄは、例えば並進方向比較部１５ｃによって方向の同一性を認められた二つの加速度ベクトルどうしの各成分を比較し、共通する成分を特定（抽出）する。
【００２４】
一方、第２の抽出部１６の共通回転運動抽出部１６ａは、回転運動方向比較部１６ｃ及び回転量比較部１６ｄを有する。また、図１、図２に示すように、回転運動方向比較部１６ｃは、胴体部センサ１１の角速度検出部１１ｂと肢部センサ１２の角速度検出部１２ｂとによってそれぞれ検出された直交３軸方向における角速度の向きを比較する。より詳細には、回転運動方向比較部１６ｃは、角速度検出部１１ｂ及び角速度検出部１２ｂの各検出結果から回転運動の中心軸の単位ベクトルをそれぞれ取得し、二つの単位ベクトルのなす角度が例えばゼロであるか否かの判定や、角度の差が例えば閾値内に収まっているか否かの判定を行う。つまり、回転運動方向比較部１６ｃは、二つの単位ベクトルの方向（回転運動の中心軸の向き）の同一性を判定する。
【００２５】
一方、回転量比較部１６ｄは、上記した角速度検出部１１ｂ及び角速度検出部１２ｂによってそれぞれ検出された直交３軸方向における角速度の大きさを比較する。具体的には、回転量比較部１６ｄは、回転運動方向比較部１６ｃによって例えば方向の同一性を認められた二つの単位ベクトルに対応した回転運動どうしの各成分（運動要素）を比較し、共通する成分を特定（共通する回転運動の要素を抽出）する。
【００２６】
さらに、独立並進運動抽出部１５ｂは、図１、図３示すように、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２によりそれぞれ検出された検出対象物５０の軸心部分（胴体部センサ装着部分）７１及び先端部分（肢部センサ装着部分）７２における並進運動の要素から、共通並進運動抽出部１５ａによって抽出された互いに共通する並進運動の要素を差し引くことで、検出対象物５０の軸心部分７１及び先端部分７２がそれぞれ独立して動作した並進運動の要素を抽出する。
【００２７】
一方、独立回転運動抽出部１６ｂは、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２によりそれぞれ検出された検出対象物５０の軸心部分７１及び先端部分７２における回転運動の要素から、共通回転運動抽出部１６ａによって抽出された互いに共通する回転運動の要素を差し引くことで、検出対象物５０の軸心部分７１及び先端部分７２がそれぞれ独立して動作した回転運動の要素を抽出する。
【００２８】
ここで、上述した第１の抽出部１５の機能を以下の式１〜式４を用いて詳述する。まず、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２によってそれぞれ検出された並進運動（並進移動）は、次の式１、式２によって表すことが可能である。式１のｘbody、ｙbody、ｚbodyそれぞれは、胴体部センサ１１の加速度検出部１１ａの検出結果から得られたベクトル（加速度ベクトル）のｘ軸成分、ｙ軸成分、ｚ軸成分である。一方、式１のｘbody、ｙbody、ｚbodyそれぞれは、肢部センサ１２の加速度検出部１２ａの検出結果から得られたベクトルのｘ軸成分、ｙ軸成分、ｚ軸成分である。
【００２９】
【数１】
0006707327.tif 000002
【数２】
0006707327.tif 000003
【００３０】
並進方向比較部１５ｃは、並進運動の比較において、次の式３を用いて二つのベクトル（加速度ベクトル）のなす角度θを算出する。二つのベクトルの向きが一致する場合、算出された角度θはゼロになる。実際には加速度検出部１１ａ、１１ｂによる計測誤差などの要因で、角度θがゼロにならない場合も想定されるため、例えば角度の値が予め定めた閾値内に収まっている場合、並進方向比較部１５ｃは、二つのベクトルの向きが同一であると判定する。
【００３１】
【数３】
0006707327.tif 000004
【００３２】
次に、並進量比較部１５ｄは、以下の式４を用いて、検出対象物５０の軸心部分（胴体部センサ装着部分）７１及び先端部分（肢部センサ装着部分）７２についての互いに共通する並進移動を抽出する。つまり、並進量比較部１５ｄは、並進方向比較部１５ｃにより二つのベクトル（加速度ベクトル）の向きが同一である（角度θがゼロ又は閾値内にある）と判定された場合、さらに、加速度の計測値の±の符号（二つのベクトルの例えばｘ軸成分の進行方向）を確認し、符号が一致する場合は絶対値（加速度の大きさ）がより小さいものを共通する並進運動として抽出する。一方、符号が一致しない場合、並進量比較部１５ｄは、共通する並進運動は実行されていないと判定する。また、以下の式４では、ベクトルのｘ軸成分について例示しているが、他のｙ軸成分、ｚ軸成分についても、並進量比較部１５ｄは、同様の処理を行う。
【００３３】
【数４】
0006707327.tif 000005
【００３４】
なお、回転運動方向比較部１６ｃによる回転運動の中心軸（二つの単位ベクトル）の向きの比較についても、上記した式１〜式３と同様の式を利用して、回転運動の中心軸の向きの同一性を判定することができる。また、本実施形態では、単一の肢部センサ１２を装着している例を示しているが、複数の肢部センサ１２が装着される場合であっても同様の比較の処理を適用することができる。この場合、単一の胴体部センサの検出結果から得られたベクトルと、個々の肢部センサの検出結果から得られたベクトルと、が個別に比較されることになる。
【００３５】
次に、動作判定部１７の機能を図３、図４Ａ〜図４Ｃ、図５Ａ〜図５Ｃ、図６、図７Ａ〜図７Ｃ、図８Ａ〜図８Ｃに基づき説明する。図４Ａ〜図４Ｃは、並進運動についての動作のパターンを例示したものあって、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２の変位を、図３に示す検出対象物５０を上方からみた例を示している。なお、図４Ａ〜図４Ｃは、動作のパターンの判定の説明を容易にするために一方向への変位を例示している。
【００３６】
図４Ａの動作のパターンは、腕部５２のみが並進運動する場合、図４Ｂの動作のパターンは、胴体部５１のみが並進運動する場合、図４Ｃの動作のパターンは、胴体部５１及び腕部５２の両方が並進運動する場合を表している。詳述すると、図４Ａの動作のパターンでは、腕部５２のみが並進運動するので、胴体部センサ１１（軸心部分７１）の位置は変化せず、一方、肢部センサ１２（先端部分７２）は、位置１２ｃまで移動する。
【００３７】
また、図４Ｂの動作のパターンでは、胴体部５１のみが並進運動するため、胴体部センサ１１は、位置１１ｃまで移動し、肢部センサ１２も胴体部５１と一体となって並進運動するため、肢部センサ１２は、位置１２ｃまで移動する。さらに、図４Ｃの動作のパターンでは、肢部センサ１２は、胴体部５１と一体になって動作する並進運動に加えて、腕部５２も並進運動するため、肢部センサ１２は、位置１２ｄまで移動する。この図４Ｃの動作のパターンでは、図４Ｂの動作のパターンとは異なり、胴体部センサ１１（軸心部分７１）とは独立して、肢部センサ１２（先端部分７２）の位置が移動する。
【００３８】
図５Ａ〜図５Ｃは、回転運動についての動作のパターンを例示したものあって、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２の変位を、図３に示す検出対象物５０の上方からみた例を示している。図５Ａの動作のパターンは、腕部５２のみが回転運動する場合、図５Ｂの動作のパターンは、胴体部５１のみが回転運動する場合、図５Ｃの動作のパターンは、胴体部５１及び腕部５２の両方が回転運動する場合を表している。具体的には、図５Ａの動作のパターンでは、腕部５２のみが回転運動するので、胴体部センサ１１（軸心部分７１）の位置は変化せず、一方、肢部センサ１２（先端部分７２）の位置は、位置１２ｅまで移動する。ここで、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２は、回転運動を検出した際の検出結果の一つとして回転角度を得る。
【００３９】
また、図５Ｂの動作のパターンでは、胴体部５１のみが回転運動するため、胴体部センサ１１の姿勢は、姿勢１１ｄへと変化し、また、肢部センサ１２も胴体部５１と一体となって回転運動するため、肢部センサ１２は、姿勢を変化させつつ位置１２ｆまで移動する。この場合、肢部センサ１２の移動軌跡と胴体部センサ１１の移動軌跡とは、同心円上を移動する軌跡となり、これらの回転角度は等しくなる。
【００４０】
さらに、図５Ｃの動作のパターンでは、肢部センサ１２は、胴体部５１と一体になって動作する回転運動に加えて、腕部５２も回転運動するため、肢部センサ１２は、姿勢を変化させつつ位置１２ｇまで移動する。この図５Ｃの動作のパターンでは、図５Ｂの動作のパターンとは異なり、肢部センサ１２の移動軌跡と胴体部センサ１１の移動軌跡とは、同心円上を移動する軌跡にはならず、互いの回転角度も異なる。
【００４１】
次に、図６、図７Ａ〜図７Ｃ、図８Ａ〜図８Ｃについて説明する。図６は、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２の変位の方向を説明するための図である。なお、図６では、Ｘ、Ｙ、Ｚの直交３軸方向を図示している。また、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、各々異なる並進運動についての動作のパターンにそれぞれ対応した胴体部５１の軸心部分（胴体部センサ装着部分）７１及び腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２における加速度の時系列データを示す図である。さらに、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、各々異なる回転運動についての動作のパターンにそれぞれ対応した胴体部５１の軸心部分７１及び腕部５２の先端部分７２における角速度の時系列データを示す図である。
【００４２】
図７Ａの動作のパターンは、例えばＸ−Ｙ平面上で腕部５２のみを動作させる並進運動であるため、胴体部センサ１１ではＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とも加速度が変化せず、一方、肢部センサ１２ではＸ軸、Ｙ軸の成分のみ加速度の変化が検知される。また、図７Ｂの動作のパターンは、腕部５２が胴体部５１と一体となって動作する並進運動であるため、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２の双方において加速度の変化を検知され、検知された加速度の成分の軸及び加速度の大きさは等しくなる。さらに、図７Ｃの動作のパターンは、胴体部５１と腕部５２とが共に動作する並進運動であるため、肢部センサ１２で検出される加速度の値が、胴体部センサ１１で検出される加速度の値よりも大きな値となっている。
【００４３】
また、図８Ａの動作のパターンは、腕部５２のみを動作させる回転運動であるため、胴体部センサ１１では角速度が変化せず、一方、肢部センサ１２では角速度の変化が検知される。また、図８Ｂの動作のパターンは、腕部５２が胴体部５１と一体となって動作する回転運動であるため、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２の双方において角速度の変化が検知され、角速度の大きさは等しくなる。さらに、図８Ｃの動作のパターンは、胴体部５１と腕部５２とが共に動作する回転運動であるため、肢部センサ１２で検出される角速度の値が、胴体部センサ１１で検出される角速度の値よりも大きな値となっている。
【００４４】
ここで、図１に示すように、動作判定部１７は、動作パターン記憶部１７ａ及び動作パターン選出部１７ｂを備えている。動作パターン記憶部１７ａは、検出対象物５０についての動作の判別の指標となる複数の動作のパターン（すなわち、図４Ａ〜図４Ｃ、図５Ａ〜図５Ｃ、図７Ａ〜図７Ｃ、図８Ａ〜図８Ｃなどを用いて例示した複数の動作のパターン）を、例えば数値化（特徴量化）して予め記憶している。
【００４５】
一方、動作パターン選出部１７ｂは、動作パターン記憶部１７ａに予め記憶された複数の動作のパターンの中から、第１及び第２の抽出部１５、１６による抽出結果に対応した動作のパターンを選出（特定）する。具体的には、動作パターン選出部１７ｂは、検出対象物５０の胴体部５１の軸心部分（胴体部センサ装着部分）７１及び腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２において、前記抽出された互いに共通する並進運動及び回転運動と各々独立した並進運動及び回転運動とに対応する動作のパターンを生成する。
【００４６】
さらに、動作パターン選出部１７ｂは、この生成された動作のパターンを、予め記憶された複数の動作のパターンと照合し、照合の結果、適合した動作のパターンを選出（特定）する。つまり、このような動作パターン記憶部１７ａ及び動作パターン選出部１７ｂを有する動作判定部１７は、第１及び第２の抽出部１５、１６により抽出された互いに共通する並進運動及び回転運動と各々独立した並進運動及び回転運動とに基づいて、検出対象物５０の動作のパターンを判定する。
【００４７】
次に、本実施形態の動作判別装置１０による動作判別方法を、図９に示すフローチャートに基づき説明する。なお、図９では、開始から終了までワンススルーの形式で図示しているが、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２では、一定周期ごとに運動を検出し、その都度、図９中のＳ１〜Ｓ５の処理が実行される。
【００４８】
図９に示すように、胴体部センサ１１は、検出対象物５０の胴体部５１の軸心部分（胴体部センサ装着部分）７１における並進運動及び回転運動を検出する（Ｓ１）。一方、肢部センサ１２は、検出対象物５０の腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２における並進運動及び回転運動を検出する（Ｓ２）。
【００４９】
次に、第１の抽出部１５は、胴体部センサ１１によって検出された胴体部５１の軸心部分７１における並進運動と肢部センサ１２によって検出された腕部５２の先端部分７２における並進運動とを比較することによって、互いに共通する並進運動と各々独立した並進運動とを抽出する（Ｓ３）。
【００５０】
一方、第２の抽出部１６は、胴体部センサ１１によって検出された胴体部５１の軸心部分７１における並進運動と肢部センサ１２によって検出された腕部５２の先端部分７２における並進運動とを比較することによって、互いに共通する並進運動と各々独立した並進運動とを抽出する（Ｓ４）。さらに、動作判定部１７は、第１及び第２の抽出部１５、１６により抽出された互いに共通する並進運動及び回転運動と各々独立した並進運動及び回転運動とに基づいて、検出対象物５０の動作のパターンを判定する（Ｓ５）。
【００５１】
既述したように、本実施形態の動作判別装置１０によれば、検出対象物５０の胴体部５１及び腕部５２に装着した少なくとも２つのセンサを用いて、検出対象物５０の動作のパターンを効率的に判別することができる。これにより、多数のセンサを着脱する手間や作業者などが多数のセンサを装着した状態で作業する際の煩雑さを軽減できる。
【００５２】
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施形態を図１０〜図１６に基づき説明する。なお、図１０〜図１３において、図１、図３に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。
【００５３】
図１０に示すように、第２の実施形態の動作判別装置２０は、キャリブレーション（校正）機能を有するものであって、第１の実施形態の動作判別装置１０の構成に加え、関節位置算出部２１及び軸心位置算出部２２をさらに備えている。図１１〜図１３に示すように、関節位置算出部２１は、関節部（肩関節部５３又は肘関節部５４）を回転中心として腕部（肢部）５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２が円弧状の移動軌跡（移動軌跡２３又は移動軌跡２５）をなすように腕部（肢部）５２を変位させた場合の肢部センサ１２による検出結果に基づいて、腕部５２の先端部分７２の位置に対する相対的な関節部（肩関節部５３又は肘関節部５４）の位置を算出する。
【００５４】
言い換えると、関節位置算出部２１は、作業者や作業ロボットなどの検出対象物５０が第１のキャリブレーション動作を実行した際（腕部５２の先端部分７２が円弧状の移動軌跡をなすように腕部５２を変位させた際）に、肢部センサ１２によって検出された腕部５２の先端部分７２における実際の移動軌跡に基づいて、腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２と肩関節部５３との離間距離、及び、腕部５２の先端部分７２と肘関節部５４との離間距離、を推測（算出）する。
【００５５】
ここで、関節位置算出部２１の機能を図１１〜図１３に基づきさらに詳述する。図１２、図１３は、肩関節部５３又は肘関節部５４を回転中心として腕部５２を旋回させる第１のキャリブレーション動作をそれぞれ示している。図１２に示すように、肩関節部５３を回転中心とした第１のキャリブレーション動作は、作業者や作業ロボットなどの検出対象物５０が起立した状態で、伸展させた腕部５２を、肩関節部５３を回転中心として矢印Ｖ１（又はＶ２）方向に旋回させる。つまり、この動作は、回転中心となる肩関節部５３から腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２までの距離を回転半径とし、さらに先端部分７２が円弧状の移動軌跡２３を描く円運動となる。
【００５６】
一方、図１３に示すように、肘関節部５４を回転中心とした第１のキャリブレーション動作は、検出対象物５０が起立した状態で、肘関節部５４を回転中心として腕部５２を矢印Ｖ１（又はＶ２）方向に旋回させる。つまり、この動作は、回転中心となる肘関節部５４から腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２までの距離を回転半径とし、さらに先端部分７２が円弧状の移動軌跡２５を描く円運動となる。
【００５７】
このような第１のキャリブレーション動作の際に、関節位置算出部２１は、まず、肢部センサ１２による検出結果から、腕部５２における先端部分（肢部センサ装着部分）７２の３次元座標位置（直交３軸方向の座標位置）の時系列情報（円弧状の移動軌跡２３、２５）を得る。また、関節位置算出部２１は、円弧状の移動軌跡２３、２５上の複数箇所からそれぞれ法線方向に延びる複数のベクトルを求め、さらに、図１２、図１３に示すように、これらのベクトルどうしが交わる交点２４、２６をそれぞれ算出（検出）する。
【００５８】
さらに、関節位置算出部２１は、算出された交点２４、２６をそれぞれ肩関節部５３及び肘関節部５４の位置として認識（設定）する。また、関節位置算出部２１は、図１２、図１３に示すように、上述した回転半径を、腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２と肩関節部５３との離間距離、及び、腕部５２の先端部分７２と肘関節部５４との離間距離、として認識する。これにより、関節位置算出部２１は、図１２、図１３に示すように、肩関節部５３及び肘関節部５４と、腕部５２の先端部分７２と、の相対的な位置関係を取得する。
【００５９】
一方、図１０、図１１、図１４に示すように、軸心位置算出部２２は、胴体部５１を回転中心として腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２が水平面上に円弧状の移動軌跡２７をなすように胴体部５１及び腕部（肢部）５２を共に変位させた場合の胴体部センサ１１及び肢部センサ１２による検出結果に基づいて、腕部５２の先端部分７２及び胴体部５１の軸心部分（胴体部センサ装着部分）７１のそれぞれの位置に対する相対的な胴体部５１の前記回転中心となった軸心位置２８を算出する。
【００６０】
言い換えると、軸心位置算出部２２は、作業者や作業ロボットなどの検出対象物５０が第２のキャリブレーション動作を実行した際（水平面上に円弧状の移動軌跡２７をなすように胴体部５１及び腕部５２を共に変位させた際）に、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２によって検出された腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２と胴体部５１の軸心部分（胴体部センサ装着部分）７１との実際の各々の移動軌跡に基づいて、胴体部５１の前記回転中心となった軸心位置２８（作業者の体幹軸などの位置）と、腕部５２の先端部分７２と、の離間距離を算出する。また、これにより、軸心位置算出部２２は、関節位置算出部２１で算出された肩関節部５３の位置と実際の胴体部センサ装着部分（７１）との間の水平方向の離間距離を得る。
【００６１】
さらに、軸心位置算出部２２の機能を図１０、図１１、図１４〜図１６に基づき詳述する。第２のキャリブレーション動作は、図１０に示すように、検出対象物５０が腕部５２を水平に広げ、上半身部分を水平面上で矢印Ｈ１（又はＨ２）方向にひねる（旋回させる）動作である。つまり、この動作は、図１４に示すように、胴体部５１の体幹軸を回転中心として、肢部センサ１２の移動軌跡２７が水平面上で円弧を描く動作である。
【００６２】
ここで、図１４は、胴体部センサ１１が実際に装着されている胴体部５１の軸心部分７１と第２のキャリブレーション動作の回転中心となった胴体部５１の軸心位置２８とが一致している例を平面方向からみた図である。この場合、胴体部センサ１１で検出される運動は、前記回転中心を軸とする軸周りの回転運動のみである。さらに、胴体部センサ１１で検出されるこの回転運動の角速度は、肢部センサ１２で検出される回転運動の角速度と一致する。
【００６３】
図１５は、第２のキャリブレーション動作の回転中心（胴体部５１の軸心位置２８）を挟む位置に胴体部センサ１１と肢部センサ１２とが装着された例を示している。この場合、第２のキャリブレーション動作に伴い、胴体部センサ１１では並進運動も検出される。また、第２のキャリブレーション動作時の胴体部センサ装着部分と肢部センサ装着部分とは、回転中心を挟んで対向する位置関係となる。一方、図１６は、第２のキャリブレーション動作の回転中心（胴体部５１の軸心位置２８）と肢部センサ１２とで胴体部センサ１１を挟む位置に各センサが装着された例を示している。この場合も、第２のキャリブレーション動作に伴い、胴体部センサ１１では並進運動も検出される。また、第２のキャリブレーション動作時では、胴体部センサ装着部分を挟んで回転中心と肢部センサ装着部分とは、対向する位置関係となる。
【００６４】
つまり、軸心位置算出部２２は、このような第２のキャリブレーション動作時の胴体部センサ１１及び肢部センサ１２による検出結果に基づいて、関節位置算出部２１で算出された肩関節部５３の位置と実際の胴体部センサ装着部分（胴体部５１の軸心部分７１）との間の水平方向の離間距離（肩幅の半分の寸法値）を得ることが可能となる。
【００６５】
ここで、本実施形態の動作判別装置２０に対する比較例となる前記特許文献１の技術について概略的に説明する。特許文献１の技術は、いくつかのセンサを用いて人体の上半身の動作を検出するものであり、３次元磁気センサを背中の中心や頭部、両手首に装着し、個々のセンサ装着部分の相対位置の変化に基づき頭部や腕部の動作を推測する。これにより、特許文献１の技術は、肘や両肩にセンサを装着しなくても上半身の動作を実質的に検出できるため、必要となるセンサの数を削減することが可能である。
【００６６】
具体的には、特許文献１の技術は、まず、各関節の角度を変化させて身体におけるセンサ装着部分を変位させた後に、各関節の座標位置を算出し、さらに身体におけるセンサ装着部分の位置と実測された所定の座標位置との距離を測定している。次に、その測定結果に基づいて、実測位置に対し各関節の座標位置が接近したか否かを評価することで最終的な関節屈曲角度を決定する演算を行っている。この演算では、関節角度の推定結果を評価する際に身体の寸法が必要となる。そこで、特許文献１の技術では、頭部に装着されているセンサで検出した高さに基づいて身長を推測し、寸法情報を得ている。
【００６７】
しかしながら、特許文献１の技術は、体型の個人差やセンサ取り付けの位置ずれなどの影響によって、肩、肘の位置やそれらの離間距離などが実際の値とはかけ離れている可能性がある。また、上述した身体の寸法をある程度、正しく推測できたとしても、手首に装着したセンサにおける取り付けの位置ずれなどが要因となって、関節角度の推測結果にも誤差が生じることになる。特許文献１の技術は、これらの誤差が累積して行く結果となるため、身体の動作の検出精度の低下が懸念される。
【００６８】
これに対して、関節位置算出部２１及び軸心位置算出部２２を有する本実施形態の動作判別装置２０では、上述した第１又は第２のキャリブレーション動作を実行している状態で、胴体部センサ１１及び肢部センサ１２による検出結果に基づいて、図１２、図１３に示すように、肢部センサ１２が装着されている腕部５２の先端部分７２と肩関節部５３及び肘関節部５４との離間距離や、肩関節部５３の位置と胴体部５１の軸心位置２８（実際の胴体部センサ装着部分の位置）７１との水平方向の離間距離（言い換えれば、図１５、図１６に示した胴体部センサ５１の取り付けの位置ずれ）、などを得ることができる。したがって、本実施形態の動作判別装置２０によれば、作業者や作業ロボットなどの検出対象物５０の各部の寸法を別途測定する労力などを削減でき、また、センサ取り付けの位置ずれなどを当該動作判別装置２０本体が実質的に認識できるため、検出対象物５０における動作のパターンの判定精度を高めることが可能となる。
【００６９】
＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施形態を図１７に基づき説明する。なお、図１７中において、図１０に示した第２の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。
【００７０】
図１７に示すように、第３の実施形態の動作判別装置３０は、第２の実施形態の動作判別装置２０の構成に加え、関節位置運動検出部３１及び相対運動検出部３２をさらに備えている。関節位置運動検出部３１は、胴体部センサ１１による検出結果と関節位置算出部２１による算出結果（肩関節部５３の位置と実際の胴体部センサ装着部分の位置と離間距離など）とに基づいて、関節部（肩関節部５３及び肘関節部５４）における並進運動及び回転運動を検出する。一方、相対運動検出部３２は、上記した関節位置運動検出部３１による検出結果と肢部センサ１２による検出結果とに基づいて、関節部（肩関節部５３及び肘関節部５４）の位置に対する相対的な腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２の並進運動及び回転運動を検出する。
【００７１】
ここで、関節位置運動検出部３１によって検出される例えば肩関節部５３の並進運動は、下記の式５によって表現できる。
【００７２】
【数５】
0006707327.tif 000006
【００７３】
次に、肢部センサ１２によって検出される腕部５２の先端部分（肢部センサ装着部分）７２の並進運動を下記の式６とすると、肩関節部５３に対する肢部センサ装着部分の相対位置の変化（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、次の式７で表される。
【００７４】
【数６】
0006707327.tif 000007
【数７】
0006707327.tif 000008
【００７５】
上述したように、本実施形態の動作判別装置３０では、例えば肩関節部５３に対する肢部センサ装着部分の相対的な並進運動及び回転運動を検出する。したがって、動作判別装置３０では、作業者や作業ロボットなどの検出対象物５０における胴体部５１の運動と腕部５２の運動とを実質的に分離して検出することが可能となる。これにより、検出対象物５０についての動作のパターンの判定精度をより向上させることができる。
【００７６】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７７】
１０，２０，３０…動作判別装置、１１…胴体部センサ、１１ａ，１２ａ…加速度検出部、１１ｂ，１２ｂ…角速度検出部、１２…肢部センサ、１５…第１の抽出部、１５ａ…共通並進運動抽出部、１５ｂ…独立並進運動抽出部、１５ｃ…並進方向比較部、１５ｄ…並進量比較部、１６…第２の抽出部、１６ａ…共通回転運動抽出部、１６ｂ…独立回転運動抽出部、１６ｃ…回転運動方向比較部、１６ｄ…回転量比較部、１７…動作判定部、１７ａ…動作パターン記憶部、１７ｂ…動作パターン選出部、２１…関節位置算出部、２２…軸心位置算出部、２３，２５，２７…円弧状の移動軌跡、２４，２６…交点、２８…軸心位置（回転中心）、３１…関節位置運動検出部、３２…相対運動検出部、５０…検出対象物、５１…胴体部（胴部）、５２…腕部（肢部）、５３…関節部（肩関節部）、５４…関節部（肘関節部）、７１…胴体部の軸心部分、７２…腕部の先端部分。
【図１】
0006707327.tif 000009
【図２】
0006707327.tif 000010
【図３】
0006707327.tif 000011
【図４Ａ】
0006707327.tif 000012
【図４Ｂ】
0006707327.tif 000013
【図４Ｃ】
0006707327.tif 000014
【図５Ａ】
0006707327.tif 000015
【図５Ｂ】
0006707327.tif 000016
【図５Ｃ】
0006707327.tif 000017
【図６】
0006707327.tif 000018
【図７Ａ】
0006707327.tif 000019
【図７Ｂ】
0006707327.tif 000020
【図７Ｃ】
0006707327.tif 000021
【図８Ａ】
0006707327.tif 000022
【図８Ｂ】
0006707327.tif 000023
【図８Ｃ】
0006707327.tif 000024
【図９】
0006707327.tif 000025
【図１０】
0006707327.tif 000026
【図１１】
0006707327.tif 000027
【図１２】
0006707327.tif 000028
【図１３】
0006707327.tif 000029
【図１４】
0006707327.tif 000030
【図１５】
0006707327.tif 000031
【図１６】
0006707327.tif 000032
【図１７】
0006707327.tif 000033