(57)【要約】【課題】検出装置の感度を今までの数倍に高め、発信装置と検出装置の双方を小型化し、発信装置と検出装置の位置方向の高精度検出を行うことができる物体追跡装置を提供する。【解決手段】物体追跡装置において、一つの基準信号から時分割でそれぞれ３つのコイル６，７，８に電流を流し３次元の直角座標軸方向に磁場を発生する発信装置９と、この発信装置９からの発生磁場並びに地磁気を検出する検出装置と、前記発信装置９の位置と方向、および前記検出装置の地磁気に対する向きを計算で求め、出力装置に前記発信装置９および前記検出装置が設けられる相対的に移動する物体の姿勢、計算結果を出力するコンピュータ２６とを具備する。【選択図】    図１
2004295443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）一つの基準信号から時分割でそれぞれ３つのコイルに電流を流し３次元の直角座標軸方向に磁場を発生する発信装置と、
（ｂ）該発信装置からの発生磁場並びに地磁気を検出する検出装置と、
（ｃ）前記発信装置の位置と方向、および前記検出装置の地磁気に対する向きを計算で求め、出力装置に前記発信装置および前記検出装置が設けられる相対的に移動する物体の姿勢、計算結果を出力するコンピュータとを具備することを特徴とする物体追跡装置。
【請求項２】
請求項１記載の物体追跡装置において、前記検出装置は３次元の直角座標軸方向に配置される、数百ｋＨｚ以上の周波数帯域をもつ磁場検出センサを具備することを特徴とする物体追跡装置。
【請求項３】
請求項２記載の物体追跡装置において、前記磁場検出センサはＭＩセンサ又はＭＲセンサであることを特徴とする物体追跡装置。
【請求項４】
請求項１記載の物体追跡装置において、前記検出装置の出力側に前記発信装置側の発振器からの信号に同期する同期信号生成器を具備することを特徴とする物体追跡装置。
【請求項５】
請求項４記載の物体追跡装置において、前記検出装置は磁場のＤＣ成分と発信装置からのＡＣ成分を同時に捉え、その出力側でマルチプレクサを介して、ＡＣ／ＤＣ分離器でＡＣ／ＤＣ成分の分離を行い、ＡＣ成分は平衡検波器による平衡検波を行い、該ＡＣ／ＤＣ信号に基づいて、前記発信装置の位置、向き、前記検出装置の向きを求めることを特徴とする物体追跡装置。
【請求項６】
請求項１記載の物体追跡装置において、前記物体は人の四肢であることを特徴とする物体追跡装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出装置から物体までの距離と物体の向きをリアルタイムで高精度に追跡表示し、検出側の姿勢も同時に表示する物体追跡装置に関するものである。例えば、四肢に有線の発信装置、検出装置を取り付ければ、リアルタイムでその動きを３次元で捉えることが可能であり、リハビリテーション、運動解析、コンピュータ入力支援装置、ゲーム等に応用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の物体追跡装置のブロック図である。この図において、下段が発信装置、上段が検出装置を示している。
【０００３】
図８において、４１〜４３はコイルセンサ、４４〜４６，５５〜５７は増幅器、４７，５４はマルチプレクサ、４８は包絡線検波器、４９は積分器、５０はＡＤ変換器、５１はコンピュータ（計算装置）、５２は応用機器（出力装置）、５３は発振器、５８〜６０は直交座標に配置されたコイルである。
【０００４】
かかる従来の物体追跡装置は、発信装置及び検出装置がテニスボールほどの大きさがあり、四肢に固定しようとすると自然な体の動きを妨げるという問題があった。これは、従来の検出装置側の回路において交流成分を包絡線検波器４８により包絡線検波しているので、感度を上げられず、発信装置側のコイル５８〜６０を大きくすることで、発信出力を大きくせざるを得なかったためである。また、検出装置自体が地上の座標系に対しどの方向を向いているかを直接検出することはできなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記状況に鑑みて、検出装置の感度を今までの数倍に高め、発信装置と検出装置の双方を小型化し、発信装置と検出装置の位置方向の高精度検出を行うことができる物体追跡装置を提供することを目的とする。
【０００６】
さらに、検出装置の位置方向検出のための磁場検出センサには、コイルを使用するのではなく、直流磁場成分も検出可能なＭＩセンサやＭＲセンサを使用することで、地磁気を測定し検出装置自体の向きを３次元的にリアルタイムで検出することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕物体追跡装置において、一つの基準信号から時分割でそれぞれ３つのコイルに電流を流し３次元の直角座標軸方向に磁場を発生する発信装置と、この発信装置からの発生磁場並びに地磁気を検出する検出装置と、前記発信装置の位置と方向、および前記検出装置の地磁気に対する向きを計算で求め、出力装置に前記発信装置および前記検出装置が設けられる相対的に移動する物体の姿勢、計算結果を出力するコンピュータとを具備することを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の物体追跡装置において、前記検出装置は３次元の直角座標軸方向に配置される、数百ｋＨｚ以上の周波数帯域をもつ磁場検出センサを具備することを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕記載の物体追跡装置において、前記センサはＭＩセンサ又はＭＲセンサであることを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔１〕記載の物体追跡装置において、前記検出装置の出力側に前記発信装置側の発振器からの信号に同期する同期信号生成器を具備することを特徴とする。
【００１１】
〔５〕上記〔４〕記載の物体追跡装置において、前記検出装置は磁場のＤＣ成分と発信装置からのＡＣ成分を同時に捉え、その出力側でマルチプレクサを介して、ＡＣ／ＤＣ分離器でＡＣ／ＤＣ成分の分離を行い、ＡＣ成分は平衡検波器による平衡検波を行い、このＡＣ／ＤＣ信号に基づいて、前記発信装置の位置、向き、前記検出装置の向きを求めることを特徴とする。
【００１２】
〔６〕上記〔１〕記載の物体追跡装置において、前記物体は人の四肢であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施例を示す物体追跡装置のブロック図であり、上段が検出装置、下段が発信装置の部分を示している。図２はその物体追跡装置の磁場発生のタイミング図、図３はその物体追跡装置の検出側信号検出のタイミング図である。
【００１５】
図１において、１は発振器、２，１９，２３はマルチプレクサ、３〜５，１３〜１５は増幅器、６〜８は直交座標に配置されたコイル、９は発信装置、１０〜１２は直流磁場成分から数百ｋＨｚ以上の周波数帯域を有する磁場検出センサであり、ここでは、直流磁場成分も検出可能なＭＩセンサやＭＲセンサを用いる。１６〜１８はＡＣ／ＤＣ分離器、２２は平衡検波器２０，積分器２１からなるロックインアンプ、２４はＡＣ／ＤＣ切替えＳＷ（スイッチ）、２５はＡＤ変換器、２６はコンピュータ（計算装置）、２７はそのコンピュータ２６の出力装置（モニター装置）などの応用機器である。
【００１６】
発信装置９側では、発振器１からの信号（周波数ｆ）は、図２に示すように、１Ｙ０、１Ｙ１、１Ｙ２のタイミングでマルチプレクサ２によって振り分けられ、それぞれ増幅器３，４，５へ分配される。さらに、増幅器３，４，５によって増幅された信号は、直交座標に配置されたそれぞれのコイル６，７，８から交流磁場を発生させる。図２に示す信号Ａは、コイル６，７，８から発生する信号のタイミングを表す。
【００１７】
磁場検出センサ１０，１１，１２は感受方向が直角座標軸に相当するようにそれぞれ配置され、地磁気からのＤＣ成分と発振器１のＡＣ成分を同時に捉え、それぞれ増幅器１３〜１５によって増幅される。増幅器１３〜１５によって増幅された信号は、ＡＣ／ＤＣ分離器１６〜１８によってＡＣ成分、ＤＣ成分に分離する。この後、ＡＣ成分はマルチプレクサ１９を介して平衡検波器２０、積分器２１を通り、ＡＣ／ＤＣ切替えＳＷ２４に導かれる。ＤＣ成分は、マルチプレクサ２３によってｘ，ｙ，ｚ各成分が切り替えられＡＣ／ＤＣ切替えＳＷ２４に導かれる。ＡＣ／ＤＣ切替えＳＷ２４を通ったＡＣ，ＤＣの信号成分は、ＡＤ入力信号のような波形となりマーカー１，マーカー２，マーカー３の最初の部分にＤＣのｘ，ｙ，ｚ成分が置かれ、各マーカーの交流ｘ，ｙ，ｚ成分が置かれる。これらの波形は、ＡＤ変換器２５によってデジタル信号となり、以下の観測値が、４８Ｈｚ毎にコンピュータ２６へ伝達される。
【００１８】
なお、Ｓｙｎｃは各データの取込み同期信号、Ｓｃａｎ  Ｓｔａｒｔは、一連の１２個の信号の取り込みの有効期間を示している。
【００１９】
Ｍｋ１（Ｈ１ｘ，Ｈ１ｙ，Ｈ１ｚ）      …（１）
Ｍｋ２（Ｈ２ｘ，Ｈ２ｙ，Ｈ２ｚ）      …（２）
Ｍｋ３（Ｈ３ｘ，Ｈ３ｙ，Ｈ３ｚ）      …（３）
Ｈｇ（Ｈｇｘ，Ｈｇｙ，Ｈｇｚ）        …（４）
上記式（１）〜（３）は、コイル６，７，８から発生する磁場を磁場検出センサ１０，１１，１２が捉えたベクトル値を示す。コイル６，７，８は、立方体にそれぞれのコイルの中心軸が直角となるように巻き付けられているため、コイル中心が同一点である。
【００２０】
また、上記式（４）は磁場検出センサ１０，１１，１２が捉えた地磁気成分を示す。
【００２１】
図３上で１サイクル分（１／４８ｓｅｃ＝２０．８３ｍｓｅｃ）のソフトの流れを示したのが図４である。すなわち、図４においては、（１）まず、発信装置のＸ成分の励磁、磁界センサによるＸ成分の測定、磁界センサによるＹ成分の測定、磁界センサによるＺ成分の測定をそれぞれ行う。（２）次に、発信装置のＹ成分の励磁、磁界センサによるＸ成分の測定、磁界センサによるＹ成分の測定、磁界センサによるＺ成分の測定をそれぞれ行う。（３）次に、発信装置のＺ成分の励磁、磁界センサによるＸ成分の測定、磁界センサによるＹ成分の測定、磁界センサによるＺ成分の測定をそれぞれ行う。（４）次に、▲１▼地磁気測定：センサ座標の回転行列の算出を行う。（５）次に、▲２▼３軸磁界センサの位置及び方向を求める。（６）最後に、▲３▼物体〔例えば、上腕（詳細は後述）〕に対するコイルの位置及び方向の表示を行う。
【００２２】
そこで、最小二乗法を用いた逆問題の解法により、図４（詳細には、対応した図７にて説明）を用い、上記式（１）〜（３）の値からコイル６〜８のコイル中心の座標位置とコイルの向きを磁場検出センサ１０，１１，１２側座標空間でコンピュータ２６により算出する。
【００２３】
また、上記式（４）から磁場検出センサ１０，１１，１２側座標空間の向きを地上座標空間に対する角度差としてコンピュータ２６により算出し、その取り付けられた磁場センサ１０，１１，１２がどの方角を向いているかを算出する。
【００２４】
この作業を連続して１／４８秒内に行っていく。
【００２５】
この数値からコンピュータ２６の出力装置（モニター装置）２７のモニター上に物体の位置と移動姿勢を表示し、さらに測定している物体の向きも地上の座標系に対してどういった向きになっているか３次元的に表示する。
【００２６】
次に、上記した物体追跡装置が利用者の腕部に適用された場合について説明する。
【００２７】
図５は本発明の実施例を示す物体追跡装置が利用者の腕部に装着された状態の模式図であり、さらにその中で▲１▼磁場検出センサ座標の回転行列算出、▲２▼上腕に対するコイルの位置・方向表示処理を行うソフトの流れを示したのが、図６、図７である。
【００２８】
図５に示すように上腕３５に検出装置３２が装着され、ひじ関節３６を挟んで下腕３７に発信装置３３が装着されるようにしている。
【００２９】
まず、図６について説明する。この図においては、概略以下のステップを有する。（１）検出電圧（Ｖ′ｅｘ，Ｖ′ｅｙ，Ｖ′ｅｚ）の測定を行う（ステップＳ１）。（２）次に、検出電圧（Ｖ′ｅｘ，Ｖ′ｅｙ，Ｖ′ｅｚ）の正規化を行う（ステップＳ２）。（３）次に、β（ｙ軸の回転角），γ（ｚ軸の回転角）の算出を行う（ステップＳ３）。（４）次に、変換行列の算出を行う（ステップＳ４）。（５）最後に、偏角Ｄと伏角Ｉの反映を行う（ステップＳ５）。
【００３０】
図６中のＶ′ｅｘ２  ，Ｖ′ｅｙ２  ，Ｖ′ｅｚ２  に相当する電圧が、図５におけるＨｇｘ，Ｈｇｙ，Ｈｇｚであり、これらの検出電圧の正規化を行った後、β、γの角度を算出する。ここで、β、γはｘ軸を地理上の真東、ｙ軸を地理上の真北、ｚ軸を鉛直上方においた時のｙ軸の回転角、ｚ軸の回転角に相当する。これらの変換行列式〔式（２．７）〕をマーカー、センサにかけてやることによって地上の座標系に対してどのような姿勢になるかがわかる。ただし、地理上の北と地磁気の示す北にはずれがあるため、実際には行列式〔式（２．８）〕をかけねばならない。
【００３１】
ここで、偏角Ｄは地磁気の示す北が地理上の北から東方向へどれだけずれているかを示し、伏角Ｉは水平方向から鉛直下方へどれだけずれているかを示す。これらの値は検出を行う地点の地球上の緯度、経度、高度によって異なる。
【００３２】
次に、図７について説明する。
【００３３】
Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ，θ，φ，ψ）は評価関数と称するもので、Ｂｍｉは各マーカーからｒ離れた位置にあるセンサから得られる磁束密度測定値、Ｂｃｉ（ｘ，ｙ，ｚ，θ，φ，ψ）は磁束密度の理論値〔式（１．６）〕である。式（１．２）が最小になるベクトルｐ（ｘ，ｙ，ｚ，θ，φ，ψ）が最小二乗法の解である。
【００３４】
評価関数Ｓがｐ（ｘ，ｙ，ｚ，θ，φ，ψ）で最小値をとれば、
【００３５】
【数１】
2004295443.tif 000003
を満たす。これはパラメータが６個（ｍ＝６）あれば６元１次の連立方程式となりニュートン法〔「最小二乗法による実験データ解析」中川徹、小柳義夫著  東京大学出版会  Ｐ９６〜Ｐ９９参照〕により、１階偏微分の方程式となり、式（１．３）となる。この連立方程式からｐ（ｌ）  を求め、さらに式（１．４）からｐ（ｌ＋１）  を求める。求めたベクトルｐは式（１．５）で判定を行い、εより小さな値に収束した時点でそのベクトルｐを解とする。
【００３６】
ここで式（１．４）のαは縮小因子と呼ばれるもので、αを小さくすれば安定して収束するが、収束は遅くなる。εは収束条件であり、真の値からの誤差を示す。
【００３７】
求めたマーカーの座標は地磁気から算出された回転行列、図６の式（２．８）が掛けられ、地上の座標系に対する姿勢が求まる。
【００３８】
また、測定および計算／表示は並列に処理が進められ、４８Ｈｚ毎にセンサ位置、マーカーの表示を繰り返す。
【００３９】
なお、本発明によれば、検出装置側に直流磁場成分から数百ｋＨｚ以上の周波数帯域をもつ磁場センサを用いることを特徴としている。
【００４０】
さらに、増幅器、マルチプレクサ、ＡＣ／ＤＣ信号分離回路と続く後段に平衡検波器を用いることを特徴としている。
【００４１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００４３】
（Ａ）直流磁場成分も検出可能な磁場検出センサ、例えばＭＩセンサやＭＲセンサを用いていることから、地球磁場の３次元成分を検出することで検出装置側の３次元の向きを検出することができる。
【００４４】
（Ｂ）平衡検波を用いることにより、感度を包絡線検波に比較して数倍上げることができ、位置、方向の高精度検出を行うことができる。
【００４５】
（Ｃ）発信装置の発信出力を小さくすることができるので、従来のものに比較して発信装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す物体追跡装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施例を示す物体追跡装置の磁場発生のタイミング図である。
【図３】本発明の実施例を示す物体追跡装置の検出側信号検出のタイミング図である。
【図４】本発明にかかる最小二乗法による逆問題解法のフローチャートである。
【図５】本発明の実施例を示す物体追跡装置が利用者の腕部に装着された状態の模式図である。
【図６】図５に示すセンサ座標の回転行列算出によるセンサの位置、方向の求め方の説明図である。
【図７】図５に示す上腕に対するコイルの位置・方向表示処理のフローチャートを示す図である。
【図８】従来の物体追跡装置のブロック図である。
【符号の説明】
１    発振器
２，１９，２３    マルチプレクサ
３〜５，１３〜１５    増幅器
６〜８    直交座標に配置されたコイル
９    発信装置
１０〜１２    磁場検出センサ
１６〜１８    ＡＣ／ＤＣ分離器
２０    平衡検波器
２１    積分器
２２    ロックインアンプ
２４    ＡＣ／ＤＣ切替えＳＷ（スイッチ）
２５    ＡＤ変換器
２６    コンピュータ（計算装置）
２７    応用機器〔出力装置（モニター装置）〕
３２    検出装置
３３    発信装置
３５    上腕
３６    ひじ関節
３７    下腕
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004295443.tif 000006
【図４】
2004295443.tif 000007
【図５】
2004295443.tif 000008
【図６】
2004295443.tif 000009
【図７】
2004295443.tif 000010
【図８】
2004295443.tif 000011