(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個の磁気双極子からなる磁気マーカと、同一直線上に配置された少なくとも３個の２軸ベクトル磁気センサとから構成され、前記磁気マーカが発生する磁場を前記２軸３個の磁気センサで検出し、得られた６個の磁界データを用い、計測可能領域を前記磁気センサが配置されている線分を１辺とする直方体に制限することによって、連立非線形方程式の解の一意性が成り立つようにし、計測区間を限定して６次連立非線形方程式を解くことにより、前記磁気マーカの中心位置及び方向ベクトルを求める姿勢・位置検出装置であって、前記６次連立非線形方程式の解法は反復法で、一回目の計算においては初期値を限定空間にあるものとして解き、その後の演算においては前回の計算結果を初期値として反復法で解くことにより、前記磁気マーカの運動を追跡するように演算を行うことを特徴とする位置・姿勢検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の位置・姿勢検出装置において、前記２軸ベクトル磁気センサの中心位置が等間隔であり、前記中央の磁気センサの中心を通り、前記磁気センサが配置されている直線と直交する平面について各軸の配置が対称であることを特徴とする位置・姿勢検出装置。
【請求項３】
請求項１記載の位置・姿勢検出装置において、前記磁気マーカを、前記複数の磁気センサの各軸の計測値の大きさが理論的に同じなるように設置し、それを利用して前記磁気センサの校正を行うことを特徴とする位置・姿勢検出装置。
【請求項４】
請求項１記載の位置・姿勢検出装置によって得られた磁気マーカの位置・姿勢の検出結果を２次元座標のＸ座標、Ｙ座標へ変換することによって、コンピュータの入力装置であるマウスと同等の機能を持たせることを特徴とする位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置。
【請求項５】
請求項４記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記２軸ベクトル磁気センサの中心位置が等間隔であり、前記中央の磁気センサの中心を通り、前記磁気センサが配置されている直線と直交する平面について各軸の配置が対称であることを特徴とする位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置。
【請求項６】
請求項４記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記磁気マーカを、前記複数の磁気センサの各軸の計測値の大きさが理論的に同じなるように設置し、それを利用して前記磁気センサの校正を行うことを特徴とする位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置。
【請求項７】
請求項４記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記２軸ベクトル磁気センサをノート型パソコンの画面周辺に配置することを特徴とする位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置。
【請求項８】
請求項４記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記２軸ベクトル磁気センサを配置したコンピュータ本体に対して、操作者に装着する磁気マーカを用いて無配線で前記コンピュータの入力を行うことを特徴とする位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置。
【請求項９】
請求項４記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記磁気マーカを前記操作者の手に装着することを特徴とする位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置。
【請求項１０】
請求項９記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記磁気マーカを前記操作者の指に装着することを特徴とする位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記磁気マーカは指輪状の微小磁石であることを特徴とする位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記磁気マーカは指輪状の交流磁性マーカであることを特徴とする位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置・姿勢検出装置及びコンピュータ情報入力装置に係り、特に磁気マーカを用いた位置及び姿勢の検出装置及びそれを用いたコンピュータ情報入力装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は従来のマウスを有するコンピュータ情報入力装置の模式図である。
【０００３】
この図において、１０１はパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣ）本体、１０２はコンピュータの表示装置（ＰＣ画面）、１０３はコンピュータへのデータ入力用キーボード、１０４はリード線、Ｍはマウス、ＭＡはマウスＭのボタンである。
【０００４】
従来のコンピュータ入力装置、特にリード線１０４で接続されたマウスＭは、操作者がマウス本体を手で保持し、底面を机上などの平面上で移動させ、指でマウスＭのボタンＭＡを押下げることにより入力を行うようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなマウスの操作方法は健常者にとっては大きな負担にはならないが、障害者、特に手部、腕部に障害を持つ人にとっては負担が大きく、機能を十分に活かせない可能性もある。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑みて、障害者、特に手部、腕部に障害を持つ人であっても容易に操作することができる位置・姿勢検出装置及びそれを用いたコンピュータ情報入力装置を提供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〕位置・姿勢検出装置において、１個の磁気双極子からなる磁気マーカと、同一直線上に配置された少なくとも３個の２軸ベクトル磁気センサとから構成され、前記磁気マーカが発生する磁場を前記２軸３個の磁気センサで検出し、得られた６個の磁界データを用い、計測可能領域を前記磁気センサが配置されている線分を１辺とする直方体に制限することによって、連立非線形方程式の解の一意性が成り立つようにし、計測区間を限定して６次連立非線形方程式を解くことにより、前記磁気マーカの中心位置及び方向ベクトルを求める姿勢・位置検出装置であって、前記６次連立非線形方程式の解法は反復法で、一回目の計算においては初期値を限定空間（計測区間）にあるものとして解き、その後の演算においては前回の計算結果を初期値として反復法で解くことにより、前記磁気マーカの運動を追跡するように演算を行うことを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の位置・姿勢検出装置において、前記２軸ベクトル磁気センサの中心位置が等間隔であり、前記中央の磁気センサの中心を通り、前記磁気センサが配置されている直線と直交する平面について各軸の配置が対称であることを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕記載の位置・姿勢検出装置において、前記磁気マーカを、前記複数の磁気センサの各軸の計測値の大きさが理論的に同じなるように設置し、それを利用して前記磁気センサの校正を行うことを特徴とする。
【００１０】
〔４〕位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置であって、上記〔１〕記載の位置・姿勢検出装置によって得られた磁気マーカの位置・姿勢の検出結果を２次元座標のＸ座標、Ｙ座標へ変換することによって、コンピュータの入力装置であるマウスと同等の機能を持たせることを特徴とする。
【００１１】
〔５〕上記〔４〕記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記２軸ベクトル磁気センサの中心位置が等間隔であり、前記中央の磁気センサの中心を通り、磁気センサが配置されている直線と直交する平面について各軸の配置が対称であることを特徴とする。
【００１２】
〔６〕上記〔４〕記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記磁気マーカを、前記複数の磁気センサの各軸の計測値の大きさが理論的に同じなるように設置し、それを利用して前記磁気センサの校正を行うことを特徴とする。
【００１３】
〔７〕上記〔４〕記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記２軸ベクトル磁気センサをノート型パソコンの画面周辺に配置することを特徴とする。
【００１４】
〔８〕上記〔４〕記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記２軸ベクトル磁気センサを配置したコンピュータ本体に対して、操作者に装着する磁気マーカを用いて無配線で前記コンピュータの入力を行うことを特徴とする。
【００１５】
〔９〕上記〔４〕記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記磁気マーカを前記操作者の手に装着することを特徴とする。
【００１６】
〔１０〕上記〔９〕記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記磁気マーカを前記操作者の指に装着することを特徴とする。
【００１７】
〔１１〕上記〔１０〕記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記磁気マーカは指輪状の微小磁石であることを特徴とする。
【００１８】
〔１２〕上記〔１１〕記載の位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置において、前記磁気マーカは指輪状の交流磁性マーカであることを特徴とする。
【００１９】
【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。
【００２０】
まず、磁気マーカの位置及び姿勢の検出原理について詳細に説明する。
【００２１】
初めに、磁気マーカとして磁気モーメントがＭである磁気双極子を考える。この磁気双極子の中心から変位ｒの点における磁気ポテンシャルΦは、
Φ＝Ｍ・ｒ／４πμ0 ｒ3                                     …（１）
となる。磁場の強さＨと磁気ポテンシャルΦの間には、
Ｈ＝−ｇｒａｄΦ                                            …（２）
という関係があるので、これに代入すると、
【００２２】
【数１】
0003964167.tif 000002
【００２３】
となり、これを磁束密度Ｂとの関係に置き換えることで磁気マーカの位置を決定する基本方程式、
【００２４】
【数２】
0003964167.tif 000003
【００２５】
が得られる。
【００２６】
次に、３軸ベクトル磁気センサを２個使って、１個の磁気マーカの位置を決定することを考える。そこで、上記方程式（４）を直交座標表現する。磁気マーカの位置座標を（ｘs ，ｙs ，ｚs ）、その磁気モーメントをＭ＝（ｘm ，ｙm ，ｚm ）とする。磁気モーメントの大きさｍ＝‖Ｍ‖は既知の定数である。この磁気マーカの位置座標と方向ベクトルを求めることが問題である。そこで、相異なる２点に各軸が座標軸に一致するように３軸ベクトル磁気センサが配置されているものとする。その位置座標を（ｘi ，ｙi ，ｚi ），ｉ＝１，２とし、そこにおいて計測された磁束密度を（ｂix，ｂiy，ｂiz），ｉ＝１，２とする。すると、基本方程式（４）より、
【００２７】
【数３】
0003964167.tif 000004
【００２８】
が成り立つ。ここで、
ｒi ＝（ｘi −ｘs ，ｙi −ｙs ，ｚi −ｚs ）                …（６）
ｒi ＝〔（ｘi −ｘs ）2 ＋（ｙi −ｙs ）2 ＋（ｚi −ｚs ）2 〕1/2 …（７）
としている。上記式（５）を展開すると、
【００２９】
【数４】
0003964167.tif 000005
【００３０】
となる。ここで、（ｘi ，ｙi ，ｚi ），（ｂix，ｂiy，ｂiz），ｉ＝１，２を既知の定数と考えて、右辺から左辺を引くことによって、
ｆj （ｘs ，ｙs ，ｚs ，ｘm ，ｙm ，ｚm ）
＝０，ｊ
＝１，２，３，４，５，６                                  …（１１）
という６次元連立非線形方程式が得られる。ここで、解の存在と一意性が保証され、かつ解に十分近い初期値が与えられれば、これを反復法で解くことができる。
【００３１】
よって、２軸ベクトル磁気センサを３個使って、１個の磁気マーカの位置を決定することを考える。相異なる３点に各軸が座標軸に一致するように２軸ベクトル磁気センサが配置されているものとする。その位置座標を（ｘi ，ｙi ，ｚi ），ｉ＝１，２，３とし、そこにおいて計測された磁束密度を（ｂix，ｂiy，ｂiz），ｉ＝１，２，３とする。これにより、上記式（８），（９），（１０）においてｉ＝１，２，３と置き換えた９つの方程式が得られるが、２軸ベクトル磁気センサという制約から磁束密度の成分の中の２つの成分しか計測することができない。
【００３２】
したがって、９つの中の６つのみが有効な方程式となる。これら６つの有効な方程式によって６次元連立非線形方程式が得られる。解の存在と一意性が保証され、かつ解に十分近い初期値が与えられれば、これを反復法で解くことができる。
【００３３】
次に、２軸ベクトル磁気センサを３個使って、１個の磁気マーカの位置を決定する場合の解の存在と一意性を保証できる磁気センサ配置について考える。
【００３４】
図１は本発明の第１実施例を示す磁気センサの配置例を示す図である。
【００３５】
Ｘ，Ｙ，Ｚ直交座標軸上の原点位置に第１の磁気センサ１、その位置を通る同一の直線である、ここではＸ軸上に所定距離を隔てて第２の磁気センサ２、更に、第３の磁気センサ３を配置する。
【００３６】
そこで、位置・姿勢を計測可能な領域４内に磁気マーカ５を配置することにより、磁気マーカ５の位置・姿勢を追跡し計測することができる。
【００３７】
図１に示すように、３個の磁気センサ１，２，３をすべてＸ軸上に配置する。このとき、磁気マーカ５が存在する領域を、図１に示すように３個の磁気センサが作る線分を１辺とする直方体（計測可能な領域）４に制限することによって、６次元連立非線形方程式の解の存在と一意性を保証することができる。このとき適当な初期値を与えれば反復法によって解を求めることができる。
【００３８】
図２は本発明の第２実施例を示す磁気センサの校正を示す図である。
【００３９】
この図において、１１は第１の磁気センサ、１２は第２の磁気センサ、１３は磁気マーカである。
【００４０】
この図に示すように、２軸ベクトル磁気センサを使う場合、磁気マーカを２個の磁気センサ１１，１２の各軸の計測値の大きさが理論的に同じになるように設置し、それを利用して磁気センサの校正を行うことについて考える。
【００４１】
図２に示すように、２個の磁気センサ１１，１２と磁気マーカ１３の同一平面上対称の配置であって、各軸の磁束密度の成分が等しくなるものが存在し、かつこの配置は磁気マーカの磁気モーメントの大きさによらずに定まる。
【００４２】
この配置を利用して、磁気マーカ１３の磁気モーメントの大きさが大雑把に分かっていれば、磁気センサの校正をすることができる。
【００４３】
このように調整することによって、磁気モーメントの大きさが不正確であれば、磁気センサの計測値の磁束密度は不正確であるが、磁気マーカ１３の位置座標と方向ベクトル（姿勢）は正確に求めることができる。
【００４４】
次に、上記した位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置について説明する。
【００４５】
図３は本発明の第３実施例を示す位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置の模式図であり、ノート型パソコンに適用した例を示している。
【００４６】
この図において、２１はノート型パソコン、２２はそのノート型パソコン２１の画面、２３，２４，２５はその画面の周辺に配置される磁界センサ、２６は操作者の手に装着された磁気マーカであり、この磁気マーカ２５の位置及び姿勢（ベクトルの方向）を計測して、その位置・姿勢の検出結果を２次元座標のＸ座標、Ｙ座標へ変換することによって、コンピュータの入力装置であるマウスと同等の機能を持たせることができる。
【００４７】
図４は本発明の第４実施例を示す位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置の模式図である。
【００４８】
この図において、３１はパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣ）本体、３２はコンピュータの表示装置（ＰＣ画面）、３３はコンピュータへのデータ入力用キーボード、３４，３５，３６は磁界センサ、３７は操作者Ａの指に装着されるマウスに代わる磁気マーカである。
【００４９】
三次元空間内の計測可能な領域に存在する磁気マーカ（交流マーカ又は微小磁石でもよい）３７は、ＰＣ３１側に装備される３個の磁界センサ３４，３５，３６を用いれば、その位置を特定することができる。この機能をＰＣ３１の情報入力装置であるマウスに代わって用いる。例えば、一定の平面に投影した磁気マーカ３７の座標をＰＣ画面３２上のカーソル位置とすれば、操作者Ａの指などに磁気マーカ３７を取り付けることにより、容易に平面位置の入力ができる。なお、ここで、磁気マーカ３７は指輪状の微小磁石とすることができる。
【００５０】
また、従来のマウスにおいて不可欠なクリック動作は、あらかじめ定めた速度以上で磁気マーカ３７の位置の変移が発生した場合などを設定しておけば、指輪状の極めて小さな磁気マーカ３７でマウスの基本動作を実現することができる。
【００５１】
図５はその磁気マーカの全体構成例を示す図、図６はその並列共振回路図、図７はその磁気マーカのコイルの形状を示す図である。
【００５２】
これらの図において、４１は基板、４２はＡＣコア、４３はボタン電池であり、そのＡＣコア４２は、円柱状磁性体（フェライト磁心）４２Ａとその円柱状磁性体４２Ａに巻回される多層の巻線４２Ｂからなる。
【００５３】
ここで、磁気マーカ（ＡＣコア）３７の大きさは、指先等の身体の先端部位に配置することを予定して、全体では１７ｍｍ×１７ｍｍ×３０ｍｍの直方体になるようにし、この中に直径７ｍｍ、長さ１２ｍｍの円柱状コイル、ボタン電池４３、Ｒin，Ｌ，Ｃr からなる共振回路４５を一体化することにした。
【００５４】
また、本発明では磁気マーカとセンサ間の距離を１００ｍｍの点における磁界強度がセンサモジュールの感度限界である１ｍＯｅ以上となるようにした。電池は、起電力が１．５Ｖ、電流容量が１０５ｍＡｈ、寸法が１１．６ｍｍφ×５．４ｍｍである市販のボタン電池（ＬＲ４４、ＴＤＫ  Ｃｏｒｐ．）を２個直列に使用するようにした。この電池と発振回路を組み合わせて、コイルへの印加電圧を２Ｖ、供給電流を１５０ｍＡとすれば磁気マーカに３０分以上ほぼ安定に電力を供給できることを実験により確認した。
【００５５】
図６では、コイルとコンデンサにより構成される並列共振回路４５を表したものである。コイルへ最大の電流を通電するため、コンデンサとコイルを並列に接続し、供給電流以上の電流がコイルに流れるようにした。
【００５６】
図７に示すように、磁気マーカは円柱状磁性体４２Ａの周辺部に多層の巻線４２Ｂを施す構造であり、中心軸の長さは１２ｍｍ、磁性体および巻線を含めた半径を７ｍｍと一定とし、導線は磁性体表面全体に均等に巻いた。磁性体の半径をｒm 、導線の直径をｒw とした。
【００５７】
図８は計算のフローチャートである。
【００５８】
発生磁界はソレノイドコイルを流れる電流によりコイル端部に生じる磁界強度を計算し、さらに端部から外部への磁界強度をビオサバール則により求めた。磁性体はμr ＝２５００のフェライト磁心（トーキンＴＥＩ１２．５−ＢＨ２）を用いた。導体の体積占積率は実験的に求めた０．４３を用いた。さらに磁性体の反磁界、導線の表皮効果による銅損、フェライトの鉄損を考慮した。並列共振回路はコイルに並列にコンデンサを接続し、外部から一定電圧２Ｖを印加する条件で、コイルに流れる電流および周辺の発生磁界を計算した。計算された中から、共振時の抵抗を１３．３Ωとなる寸法の条件および磁界強度を求めた。この方法により計算した磁界強度は作成した磁束密度とほぼ一致し、この計算プログラムの妥当性が示された。
【００５９】
なお、上記実施例においては、円柱状磁性体を用いるようにしたが、これに代えて、磁性体を含まず導線のみを巻回した空心の磁気マーカとするようにしてもよい。
【００６０】
上記したように、本発明によれば、一般に流通している安価な地磁気計測用２軸磁気センサを使うことにより、１個のマーカを計測する磁気マーカ方式モーションキャプチャ装置を従来のマウスやディジタイザに代わるコンピュータの３次元座標入力装置として安価に供給することができる。また、その直線構造により、ノートパソコン等の携帯型情報機器あるいは液晶ディスプレイの内部に埋め込むことができる。
【００６１】
また、マーカは微小永久磁石のみであり、これまでのマウス等の情報入力機器の中では最軽量であるため、ユーザの負担が小さく、任意の位置での入力操作が可能である。
【００６２】
さらに、マーカはコード、バッテリーが不要であるため、低コストで任意の位置での使用が可能である。
【００６３】
センサ部分を平面構造、軽量に構成することができ、コンピュータ、キーボード、ディスプレイ等入力機器の表面に取り付けることやこれらに一体化した構成が可能であるため、入力装置としての別機器を構成する必要がない。
【００６４】
マウスパッドが不要である。
【００６５】
マウスの回転部分が不要である。
【００６６】
３次元マウスを容易に適用可能であり、一本の指のみの動きを直感的に扱いやすい。
【００６７】
マーカ１個あたり５自由度（位置座標、姿勢）の計測可能、位置情報（二自由度）＋何がしかの情報を使用可能である。
【００６８】
精密入力でなければ、地磁気の多少の変動に対しても入力操作は可能である。
【００６９】
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。
【００７０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００７１】
（Ａ）操作者が保持する部分が従来のものに比較して小型で軽量である。
【００７２】
（Ｂ）空間位置を検出するため、机上などの設置、操作を行うスペースが不必要となり、取扱いが容易である。
【００７３】
（Ｃ）操作時の負担が少なく、手部以外の部位に装着して操作することも可能である。例としては、頭部、例えば額に装着し首の動きによりマーカを移動させることで入力することができる。すなわち、腕部などに障害を持つ人でも、腕部以外の可動部位にマーカを取り付けて、コンピュータの操作が可能になる。
【００７４】
本発明により、コンピュータ操作の簡易化や、今後登場が予想される３次元デスクトップＯＳなどへの対応など技術的改善が期待できる。また、身障者にも使いやすいコンピュータ入力装置の実現などにより、医療・福祉分野への応用も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す磁気センサの配置例を示す図である。
【図２】本発明の第２実施例を示す磁気センサの校正を示す図である。
【図３】本発明の第３実施例を示す位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置の模式図である。
【図４】本発明の第４実施例を示す位置・姿勢検出装置を用いたコンピュータ情報入力装置の模式図である。
【図５】本発明の第４実施例における磁気マーカの全体構成例を示す図である。
【図６】本発明の第４実施例における磁気マーカの並列共振回路図である。
【図７】本発明の第４実施例における磁気マーカのコイルの形状を示す図である。
【図８】本発明の第４実施例を示すコイルの形状の計算のフローチャートである。
【図９】従来のコンピュータ情報入力装置の模式図である。
【符号の説明】
１，１１    第１の磁気センサ
２，１２    第２の磁気センサ
３    第３の磁気センサ
４    位置・姿勢を計測可能な領域
５，１３    磁気マーカ
２１    ノート型パソコン
２２    ノート型パソコンの画面
２３，２４，２５，３４，３５，３６    画面の周辺に配置される磁界センサ
２６    操作者の手に装着された磁気マーカ
３１    パーソナルコンピュータ本体（ＰＣ）
３２    コンピュータの表示装置（ＰＣ画面）
３３    データ入力用キーボード
３７    操作者Ａの指に装着される磁気マーカ
４１    基板
４２    ＡＣコア
４３    ボタン電池
４２Ａ    円柱状磁性体（フェライト磁心）
４２Ｂ    多層の巻線
４５    共振回路
【図１】
0003964167.tif 000006
【図２】
0003964167.tif 000007
【図３】
0003964167.tif 000008
【図４】
0003964167.tif 000009
【図５】
0003964167.tif 000010
【図６】
0003964167.tif 000011
【図７】
0003964167.tif 000012
【図８】
0003964167.tif 000013
【図９】
0003964167.tif 000014