(57)【要約】【課題】  歩行動作の際に大腿部の動作を三次元座標上の動きとして算出することができる運動測定装置を提供する。【解決手段】  大腿部に取付けられた角速度センサ１２から得られた３軸の角速度成分からクォータニオンｑを算出し、加速度センサ１３から得られた３軸の加速度成分からクォータニオンｚを算出する。カルマンフィルタによって、角速度成分のクォータニオンｑを、加速度成分のクォータニオンｚで補正する。さらに、カルマンフィルタで補正されたクォータニオンを回転行列に変換する。大腿部に設定されたベクトルの基準ベクトルに回転行列を与えることで、現時点での前記ベクトルの回転動作を三次元上の情報として得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行動作部に設置される角速度センサおよび加速度センサを有する運動測定装置において、
前記角速度センサは互いに直交する３軸方向の角速度成分を検知し、前記加速度センサは互いに直交する３軸方向の加速度成分を検知するものであり、
前記角速度成分の検知信号と、前記加速度成分の検知信号と、が与えられる演算部が設けられ、
前記演算部では、前記角速度成分の検知信号と前記加速度成分の検知信号とから、前記歩行動作部の動作がベクトルの動作として算出されることを特徴とする運動測定装置。
【請求項２】
前記演算部では、３軸方向の前記角速度成分をクォータニオンに変換するステップおよび３軸方向の前記加速度成分をクォータニオンに変換するステップと、加速度成分から変換された前記クォータニオンを観測値とし、角速度成分から変換された前記クォータニオンを、カルマンフィルタを適用して補正するステップ、とを有し、
前記カルマンフィルタで補正されたクォータニオンから回転行列を算出し、前記回転行列から、前記ベクトルが求められる請求項１記載の運動測定装置。
【請求項３】
基準ベクトルを設定し、歩行動作では、前記基準ベクトルを基準とし、前記回転行列を用いて、現在のベクトルが求められる請求項２記載の運動測定装置。
【請求項４】
基準姿勢を設定し、前記加速度センサの検知信号によって前記基準ベクトルと前記基準姿勢との関係が求められ、この関係から前記ベクトルと現在の姿勢との関係、および前記基準姿勢と現在の姿勢との関係が求められる請求項３記載の運動測定装置。
【請求項５】
前記角速度センサと前記加速度センサが大腿部に設けられ、演算対象となる前記ベクトルが、大腿骨と平行で且つ膝関節に向けられて設定される請求項１ないし４のいずれかに記載の運動測定装置。
【請求項６】
前記角速度センサと前記加速度センサが下腿部にも設けられ、下腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号と、大腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号とから、下腿部の動作がベクトルの動作として算出される請求項５記載の運動測定装置。
【請求項７】
前記角速度センサと前記加速度センサが足部にも設けられ、足部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号と、下腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号とから、足部の動作がベクトルの動作として算出される請求項６記載の運動測定装置。
【請求項８】
ベクトルの先端部の軌跡が三次元座標上で立体的に求められる請求項１ないし７のいずれかに記載の運動測定装置。
【請求項９】
ベクトルの先端部の軌跡を平面に投影した動作軌跡が求められる請求項１ないし７のいずれかに記載の運動測定装置。
【請求項１０】
互いに直交する３つの平面に動作軌跡が投影される請求項９記載の運動測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサと加速度センサを使用して歩行動作部の動作を測定する運動測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、歩行特性評価システムに関する発明が記載されている。この歩行特性評価システムは、人間の歩行特性、特に歩行が困難な患者などにおける三次元歩行特性を無拘束で長時間測定し、病状や治療効果の診断に利用する情報を得るというものである。
【０００３】
この歩行特性評価システムは、複数の身体装着型センサと携帯型データ記録器と解析装置とから構成されている。身体装着型センサによって、足の加速度と角速度が測定される。
【０００４】
加速度と角速度の測定データは解析装置で演算される。この演算は、角速度波形から一歩分の遊脚状態が探索され、遊脚状態が探索されると、足の姿勢・フレームマトリクスが計算される。この計算は、加速度として検出された重力加速度を利用して行われる。さらに、遊脚開始後の測定角速度からサンプリング周期中のフレームマトリクスの回転量が求められ、測定加速度の座標変換および積分が行われる。
【０００５】
加速度の座標変換と積分が行われた後に、遊脚終了時とその後の立脚時のフレームマトリクスが一致するように、遊脚時のフレームマトリクスが修正される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１１０３９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された歩行測定評価システムは、加速度データと角速度データとが、それぞれオイラー角の測定情報として得られ、オイラー角の測定情報を用いて、フレームマトリクス手法で足の姿勢を算出している。フレームマトリクス手法は、３軸の加速度成分から３次元加速度行列を求め、３軸の角速度成分から３次元加速度行列の回転量を算出するというものである。
【０００８】
この計算手法では、固有ベクトル（固有関数）が複数存在するために、物理量の算出の際に縮退が発生するため、演算に時間を要することになり、また３次元の歩行事象などを算出する際に誤差が大きくなる欠点がある。
【０００９】
また、特許文献１に記載された歩行測定評価システムで得られる算出結果は、爪先の移動距離の変化などであり、この算出結果から、歩行動作部が三次元空間内でどのように動いているかを立体的に把握することが困難である。
【００１０】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、歩行動作を迅速な演算で算出でき、さらに、測定結果から、歩行動作部が三次元空間内でどのように動いているかを立体情報として容易に把握できる運動測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、歩行動作部に設置される角速度センサおよび加速度センサを有する運動測定装置において、
前記角速度センサは互いに直交する３軸方向の角速度成分を検知し、前記加速度センサは互いに直交する３軸方向の加速度成分を検知するものであり、
前記角速度成分の検知信号と、前記加速度成分の検知信号と、が与えられる演算部が設けられ、
前記演算部では、前記角速度成分の検知信号と前記加速度成分の検知信号とから、前記歩行動作部の動作がベクトルの動作として算出されることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の運動測定装置は、前記演算部では、３軸方向の前記角速度成分をクォータニオンに変換するステップおよび３軸方向の前記加速度成分をクォータニオンに変換するステップと、加速度成分から変換された前記クォータニオンを観測値とし、角速度成分から変換された前記クォータニオンを、カルマンフィルタを適用して補正するステップ、とを有し、
前記カルマンフィルタで補正されたクォータニオンから回転行列を算出し、前記回転行列と重力方向ベクトルから、前記ベクトルが求められる。
【００１３】
本発明の運動測定装置は、基準ベクトルが設定され、歩行動作では、前記基準ベクトルを基準とし、前記回転行列を用いて、現在のベクトルが求められるものである。
【００１４】
本発明の運動測定装置は、基準姿勢が設定され、前記加速度センサによって前記基準姿勢と前記基準ベクトルとの関係が求められ、この関係から前記ベクトルと現在の姿勢との関係、および前記基準姿勢と現在の姿勢との関係 が求められるものである。
【００１５】
本発明の運動測定装置は、前記角速度センサと前記加速度センサが大腿部に設けられ、演算対象となる前記ベクトルが、大腿骨と平行で且つ膝関節に向けられて設定されるものである。
【００１６】
本発明の運動測定装置は、前記角速度センサと前記加速度センサが下腿部にも設けられ、下腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号と、大腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号とから、下腿部の動作がベクトルの動作として算出されるものとすることが可能である。
【００１７】
さらに、前記角速度センサと前記加速度センサが足部にも設けられ、足部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号と、下腿部における角速度成分の検知信号および加速度成分の検知信号とから、足部の動作がベクトルの動作として算出されるものとすることが可能である。
【００１８】
さらに、本発明の運動測定装置では、ベクトルの先端部の軌跡を三次元座標上で立体的に求めることが可能である。また、ベクトルの先端部の軌跡を平面に投影した動作軌跡が求められるものであり、さらには、互いに直交する３つの平面に動作軌跡が投影される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の運動測定装置は、３軸方向の角速度成分と３軸方向の加速度成分から、歩行動作部の動作がベクトルの動作として算出されるため、歩行動作部の動きを三次元座標上で立体的に把握することができる。
【００２０】
本発明の運動測定装置では、３軸方向の角速度成分をクォータニオンに変換し、３軸方向の加速度成分をクォータニオンに変換し、このクォータニオンから回転行列を求めている。例えば、重力方向ベクトルまたは加速度センサの検知出力に基づいて求めた歩行動作部のベクトルを基準ベクトルに設定し、その後、回転行列を適用することによって、現在の歩行動作部のベクトルが基準ベクトルに対してどのような回転状態となっているかを比較的容易に算出することが可能である。
【００２１】
歩行動作部の動作をベクトルの立体的な動作として把握することにより、人の歩行動作に適用した場合に、健常者の歩行動作と運動機能障害者の歩行動作との比較測定などが可能となり、運動機能障害者の治療やリハビリに有効に活用できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態での運動測定装置の処理ステップを示すブロック図、
【図２】本発明の運動測定装置が人体の大腿部に装着された状態を示す構成図、
【図３】一人の被験者の大腿部の歩行動作を、ベクトルの先端部の三次元軌跡として表した三次元線図、
【図４】複数人の被験者の大腿部の歩行動作を、ベクトルの先端部の三次元軌跡として表した三次元線図、
【図５】図４の三次元軌跡をｘ−ｙ座標に投影した二次元線図、
【図６】図４の三次元軌跡をｚ−ｙ座標に投影した二次元線図、
【図７】図４の三次元軌跡をｘ−ｚ座標に投影した二次元線図、
【図８】健常者と歩行機能障害者とのベクトル軌跡の違いを比較するｘ−ｚ座標の二次元線図
【図９】本発明の運動測定装置が人体の大腿部と下腿部および足部に装着された発展例を示す構成図、
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態の運動測定装置１０は、歩行動作部の動作を測定するものである。以下の実施の形態では、運動測定装置１０によって、人体の歩行動作部が測定される場合を例として説明する。
【００２４】
図２には、歩行中の人体１が模式的に示されている。人体の歩行動作部は、腰部（体幹部）２、大腿部３、下腿部４、足部５に大別されるが、この実施の形態では、大腿部３に慣性センサＳｔが固定されている。図２では、慣性センサＳｔが大腿部３の前部に取付けられているが、大腿部３の運動を的確に検出できる位置であれば、慣性センサＳｔは大腿部３のどの部位でどの向きに取付けられていてもよい。大腿部３の動きを測定して被験者の歩行状態を把握するためには、両脚の大腿部３に慣性センサＳｔが取り付けられていることが好ましい。ただし、以下においては、説明を簡潔にするために、図２に示すように、左脚の大腿部３に取付けられた慣性センサＳｔのみに着目し、左脚の大腿部３の動作の解析について説明する。
【００２５】
本発明の実施の形態の運動測定装置１０は、前記慣性センサＳｔと演算部１１とで構成されている。慣性センサＳｔからの検知出力は演算部１１に与えられる。演算部１１はＣＰＵとメモリとから構成されている。演算部１１は、人体１に装着されるものであってもよいし、人体１から離れた位置にあって、慣性センサＳｔからの検知出力が有線または無線で演算部１１に伝達されるものであってもよい。
【００２６】
図１は、運動測定装置１０の処理ステップを示すブロック図である。
慣性センサＳｔは、角速度センサ１２と加速度センサ１３とから構成されており、角速度センサ１２の検知出力ωと加速度センサ１３の検知出力ａが演算部１１に与えられ、演算部１１では、図１に示すステップ１（ＳＴ１）からステップ６（ＳＴ６）に示す演算処理が行われる。
【００２７】
角速度センサ１２は、例えば振動型ジャイロスコープであり、コリオリ力を利用して角速度が検知される。角速度センサ１２では、互いに直交する３軸方向（３軸回り）の角速度成分（ωｘ、ωｙ、ωｚ）が検知される。加速度センサ１３は、例えば質量が可撓性の支持部に支持されており、加速度による質量の変位が支持部の撓み量として圧電素子などで検知される。加速度センサ１３で、互いに直交する３軸方向の加速度成分（ａｘ、ａｙ、ａｚ）が検知される。
【００２８】
図１に示す演算処理では、大腿部３の動作がベクトルの動作として算出される。すなわち、大腿部３の動作が、この大腿部３に設定されたベクトルｅＴの立体的な回転動作として表現される。大腿部３の歩行動作を三次元情報として正確に把握するためには、ベクトルｅＴは、大腿部３の大腿骨と平行で、その基部が大腿部３の付け根である股関節に向けられ、ベクトルｅＴの先部が、大腿部３と下腿部４との境界の膝関節に向けられることが好ましい。
【００２９】
図２に示すように、ｘ−ｙ−ｚの三次元座標は、ｙ軸方向を重力方向に設定し、ｚ軸方向を被験者である人体１の歩行方向に設定し、ｘ軸方向をy軸及びｚ軸と直交する方向に設定する。
【００３０】
前記三次元座標上でのベクトルｅＴを測定するために、まず、前記三次元座標の座標軸をもとに基準ベクトルｅＴ０を設定する。次に、大腿部３の基準姿勢と基準ベクトルとの関係を加速度センサ１３の検知出力より求める。その後の歩行動作では、基準ベクトルｅＴ０を基準として、それぞれの時刻でのクォータニオン、及び、回転行列を求めることでベクトルｅＴを求める。そして、基準姿勢と基準ベクトルとの関係をもとに、ベクトルｅＴから大腿部３の姿勢を測定することができる。図２に示す例では、被験者の静止直立姿勢を基準姿勢とし、図２のy軸方向を基準ベクトルｅＴ０に設定し、加速度センサ１３で検知される大腿骨の傾斜角度から基準姿勢と基準ベクトルｅＴ０との関係を求めている。なお 、重力方向に対する大腿骨の傾斜角度を測定し、加速度センサ１３で検知される大腿骨の傾斜角度との差を求めることで、基準姿勢と基準ベクトルｅＴ０との関係を求めてもよい。
【００３１】
図１に示す演算部１１の演算処理のステップ１（ＳＴ１）では、角速度センサ１２で検知された３軸方向の角速度成分の全てに基づいてクォータニオンが算出される。クォータニオンはｑ（ｑ０，ｑ１，ｑ２，ｑ３）で表される４次元ベクトルであり、「ｑ０」は角度成分θを意味し、「ｑ１」「ｑ２」「ｑ３」は、回転軸の成分を意味している。
【００３２】
３軸方向の角速度成分からのクォータニオンｑの算出は、クォータニオンの時間変化を積分することで行われ、時間発展の式により求められる。図１に示すブロック図に示す処理ステップは、例えば１０ｍ秒周期で繰り返される。ある時刻をｋとすると、次のサンプリング時刻ｋ＋１において、角速度成分から求められるクォータニオンｑｋ＋１は、以下の数１で表される。
【００３３】
【数１】
2016043092.tif 000003
【００３４】
上記において、ωｘｋ、ωｙｋ、ωｚｋは、時刻ｋにおいて角速度センサ１２から得られた３軸の（３軸回りの）角速度成分である。Δｔはサンプリング時間である。
【００３５】
ＳＴ２では、加速度センサ１３で測定された３軸の加速度成分（ａｘ，ａｙ，ａｚ）から求められる時刻ｋにおけるクォータニオンｚｋを算出する。ａｋは、時刻ｋにおいて３軸の加速度成分から求められた重力加速度であり、ａ０は、ベクトルｅＴが基準ベクトルｅＴ０に一致している場合に検知される重力加速度である。θｋは、重力の加速度ａｋ，ａ０を測定することで得られる回転量であり、Ａｋは、時刻ｋにおける回転軸である。
【００３６】
時刻ｋにおいて、加速度成分から求められるクォータニオンｚｋは、以下の数２で表される。
【００３７】
【数２】
2016043092.tif 000004
【００３８】
なお、ＳＴ１とＳＴ２のクォータニオンへの変換処理は、どちらが先に行われてもよいし、同時のステップとして処理されてもよい。
【００３９】
角速度成分からクォータニオンｑを算出する際に、時間発展の式が積分になるため、角速度センサ１２のオフセットドリフトが累積されることになり、角速度成分から求められるクォータニオンｑには、累積した誤差が含まれる。そこで、図１に示すＳＴ３では、角速度成分から算出されたクォータニオンｑにカルマンフィルタを適用し、このときに、加速度成分から算出したクォータニオンｚを観測値とすることで、誤差の修正が行われる。
【００４０】
すなわち、図１に示すＳＴ３では、数３に示す角速度成分から求められるクォータニオンの状態式と、数４に示す加速度成分から求められる クォータニオンの観測式の空間モデルから、カルマンフィルタにおいて以下の数５に示すように、予測値の補正が行なわれる。
【００４１】
【数３】
2016043092.tif 000005
【００４２】
【数４】
2016043092.tif 000006
【００４３】
【数５】
2016043092.tif 000007
【００４４】
数３におけるｗはプロセス雑音、数４におけるｖは観測雑音（測定雑音）を示す。数５におけるＫは、数３の状態式に対するカルマンゲイン、すなわち角速度成分から得られたクォータニオンｑの補正における カルマンゲインを示している。カルマンフィルタでは、プロセス雑音に関係する値と観測雑音に関係する値とに基づく雑音比によってカルマンゲインＫが決定される。例えば、前記雑音比が小さいほどカルマンゲインＫが大きくなり、雑音比が大きくなるとカルマンゲインＫが小さくなるように設定される。図１と数５では、カルマンフィルタにより推定されたクォータニオンがハット付き のｑで表現されている。
【００４５】
なお、雑音比は、雑音比が小さいほどカルマンゲインＫが小さくなり、雑音比が大きくなるとカルマンゲインＫが大きくなるように設定することもできる。
【００４６】
図１に示す演算部１１の演算処理のＳＴ５では、カルマンフィルタで補正されたクォータニオンｑ（ハット付き）を回転行列Ｒに変換する。回転行列Ｒは、以下の数６で表される。数６におけるｑ０，ｑ１，ｑ２，ｑ３は、カルマンフィルタで補正されたクォータニオンの構成要素であり、前述のように「ｑ０」は角度θ成分を意味し、「ｑ１」「ｑ２」「ｑ３」は、回転軸の成分を意味している。
【００４７】
【数６】
2016043092.tif 000008
【００４８】
図２に示すｘ−ｙ−ｚ座標内に現れるベクトルｅＴは、基準ベクトルｅＴ０を数６に 示す回転行列Ｒによって回転させたものに相当している。したがって、図１に示すＳＴ５において、数６に示す回転行列Ｒへの変換を例えば１０ｍ秒間隔で行えば、１０ｍ秒毎のベクトルｅＴを求めることができる。
【００４９】
ＳＴ５において、ベクトルｅＴが求められると、ＳＴ６では、ベクトルｅＴの軌跡を求めることができる。ここでのベクトルｅＴの軌跡とは、腰部２と大腿部３との境界に位置する股関節を原点とするベクトルｅＴの先端部の軌跡であり、この先端部の軌跡は、股関節位置を原点としたときの大腿部３と下腿部４との境界に位置する膝関節の移動軌跡と相似になる。この移動軌跡を知ることで、被験者の股関節位置を原点としたときの膝関節位置の移動軌跡を、三次元座標上の立体データとして容易に求めることが可能になる。
【００５０】
図３と図４には、前記慣性センサＳＴを大腿部３に固定した被験者が歩行動作を行ったときに、図１に示す演算部１１で演算されたベクトルｅＴの先端部の移動軌跡（股関節位置を原点としたときの膝関節位置の移動軌跡と相似 ）を、ｘ−ｙ−ｚ上の三次元座標上で示している。
【００５１】
図３と図４のＨＣ（heel contact）は、歩行途中で足部５の踵が着地したときのベクトルｅＴの先端部の位置を示している。演算部１１では、例えば加速度センサ１３で検知される加速度が所定のしきい値を超えたとき（所定値以上の衝撃を受けたとき）に、踵が着地したと認識する。図３と図４では、ＨＣと認識されたときのベクトルｅＴの先部の位置が白丸で示されている。
【００５２】
図３の線図は、健常者を被験者とし、同一人の被験者の３歩分の歩行動作において測定されたベクトルｅＴの先端部の移動軌跡を重ねあわせたものである。図３には、歩行動作時のベクトルｅＴの先端部の移動方向が矢印で示されている。図３の三次元座標は、マイナスｚが走行方向の後方を示している。図３によれば、ＨＣではベクトルｅＴの先端部すなわち膝が腰部２よりもやや前方に位置しており、その後、立脚期で膝が後方へ動いてから、遊脚期に膝が 前方へ動くことが立体的に把握できる。
【００５３】
図４は、三人の健常者１と健常者２および健常者３を被験者とし、同様にして歩行動作を測定したものである。図４では健常者１のＨＣのみが白丸で示されている。図５は、図４に示すベクトルｅＴの先端部の軌跡をｘ−ｙ平面に投影した二次元グラフである。図６はｚ−ｙ平面に投影した二次元グラフであり、図７はｘ−ｚ平面に投影した二次元グラフである。
【００５４】
本発明の実施の形態の運動測定装置１０は、カルマンフィルタで修正されたクォータニオンを回転行列Ｒに変換している。この回転行列Ｒを基準ベクトルｅＴ０に適用することによってベクトルｅＴを求めることができる。図２に示すように、ベクトルｅＴは大腿部３において大腿骨と平行で先端部が膝関節に向くように設定されているものであるため、ベクトルｅＴから大腿部の立体的な動作を理解できる。また、ベクトルｅＴの先端部の軌跡を知ることができるため、膝関節位置の動きを三次元座標上で把握することが可能となる。
【００５５】
したがって、運動測定装置１０を使用して、健常者が歩行したときの膝関節位置の動きと、運動機能障害者が歩行したときの膝関節位置の動きとを比較することによって、運動機能障害者の診断に使用することが可能である。また運動機能障害者が電気刺激を受けながら歩行するときの膝関節位置の移動軌跡を、電気刺激を与えていないときの歩行動作や健常者の歩行動作と比較することなどが可能である。
【００５６】
図８は、図７と同様に、ベクトルｅＴの先端部の軌跡をｘ−ｚ平面に投影したものであるが、被験者は図７に示した健常者３人とさらに運動機能障害者（片麻痺者）１名としている。図８から、運動機能障害者が歩行するときのベクトルｅＴの先端部の軌跡はｘ軸方向に膨らんでおり、いわゆるぶん回し歩行となっているのを把握できる。
【００５７】
図９は、本発明の発展的な他の実施の形態を示している。
図９に示す実施の形態では、人体１の腰部（体幹部）２、大腿部３、下腿部４、足部５のそれぞれの動作を測定できるようにしている。腰部２に慣性センサＳｂが固定され、大腿部３に慣性センサＳｔが固定され、下腿部４に慣性センサＳｓが固定され、足部５に慣性センサＳｆが固定されている。慣性センサＳｂ，Ｓｓ，Ｓｆのそれぞれは、大腿部３に固定された慣性センサＳｔと同様に、角速度センサ１２と加速度センサ１３を有している。
【００５８】
慣性センサＳｂにより、人体１の背骨に沿うベクトルｅＢが設定される。下腿部４にベクトルｅＳが設定され、足部にベクトルｅＦが設定される。ベクトルｅＳは下腿骨と平行に設定され、ベクトルｅＳの先部はくるぶしに向けられる。ベクトルｅＦは足部５の裏体部と平行に設定され、ベクトルｅＦの先部はつま先に向けられる。
【００５９】
ここで、下腿部４に固定された慣性センサＳｓの検知出力に着目すると、慣性センサＳｓから得られる角速度成分と加速度成分は、下腿部４のみの動作によるものではなく、大腿部３の動作と下腿部４の動作とが合成されたものである。よって、慣性センサＳｓから得られる角速度成分と加速度成分のみを用い、図１に示したのと同じフローでクォータニオンから回転行列を求め、これによりベクトルの回転を求めたとしても、求められたものは、ベクトルｅＳのみの回転動作を表すのではなく、ベクトルｅＳの回転動作とベクトルｅＴの回転動作とが合成されたものとなる。
【００６０】
そこで、慣性センサＳｓから得られる角速度成分と加速度成分を用いてクォータニオンから回転行列を求め、回転行列を適用してベクトルの回転を求めたときに、その計算結果から、慣性センサＳＴの検知出力に基づいて測定されたベクトルｅＴの動作の成分を除去することで、下腿部４に設定されたベクトルｅＳのみの回転動作を算出できる。
【００６１】
その算出の一例としては、数７に示すように、下腿部４の姿勢を示すクータニオンｑＳを回転行列ＲＳに変換し、これを下腿部４の基準ベクトルｅＳ０に適用することで、下腿部４のベクトルｅＳを算出する。ここで、大腿部３の動作による影響を排除するために、大腿部３の姿勢を示すクォータニオンｑＴの逆クォータニオンｑＴ−１を算出し、これを回転行列ＲＴ−１に変換する。回転行列ＲＴ−１を下腿部４のベクトルｅＳに適用する（積算する）ことで、下腿部４の動作のみを示すベクトルｅＳ´を求めることが可能になる。
【００６２】
【数７】
2016043092.tif 000009
【００６３】
さらに、足部５に設定されたベクトルｅＦを算出するときには、足部のクォータニオンを回転行列に変換することより、基準ベクトルｅＦ０に対するベクトルｅＦを算出する。次に、下腿部４の姿勢を示すクォータニオンｑＳの逆クォータニオンｑＳ−１を算出し、これを回転行列ＲＳ−１に変換する。回転行列ＲＳ−１を足部５のベクトルｅＦに適用する（積算する）ことで、足部５の動作のみを示すベクトルｅＦ´を求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
前記実施の形態では、運動測定装置１０によって人体の歩行動作を測定することを基本として発明が説明されているが、本発明は、いわゆるロボットの歩行動作部や義足の歩行動作部の動作測定、さらには各種機械の三次元動作の角度測定に使用することが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１  人体
２  腰部
３  大腿部
５  足部
１０  運動測定装置
１１  演算部
１２  角速度センサ
１３  加速度センサ
ｅＢ，ｅＴ，ｅＳ，ｅＦ  ベクトル
ｑ，ｚ  クォータニオン
【図１】
2016043092.tif 000010
【図２】
2016043092.tif 000011
【図３】
2016043092.tif 000012
【図４】
2016043092.tif 000013
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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