(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサの姿勢及び位置を測定する姿勢位置測定装置であって、
第１の軸方向に一様磁界を発生する第１のコイルと、
第１の軸方向と直交する第２の軸方向に一様磁界を発生する第２のコイルと、
一対の角形コイルを有し、各々の前記角形コイルにそれぞれ逆方向に電流を流すことで、直交する３軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生する第３のコイルと
を備え、
前記第１及び第２のコイルで一様磁界を発生し、発生された一様磁界によりセンサの姿勢を測定し、
前記第３のコイルで３軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生し、発生された線形勾配磁界により、且つ、前記第１及び第２のコイルで発生された一様磁界により測定されたセンサの姿勢を用いて、センサの位置を測定する
姿勢位置測定装置。
【請求項２】
前記センサは、３軸磁界センサであることを特徴とする請求項１に記載の姿勢位置測定装置。
【請求項３】
前記第３のコイルは、前記第１又は第２のコイルの一部又は全部により共有されて構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の姿勢位置測定装置。
【請求項４】
磁界センサの姿勢及び位置を測定する姿勢位置測定方法であって、
第１の軸方向と、第１の軸方向に直交する第２の軸方向とに、それぞれ一様磁界を発生し、
発生された各々の一様磁界により磁界センサの姿勢を測定し、
一対の角形コイルにそれぞれ逆方向に電流を流すことで、直交する３軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生し、
発生された線形勾配磁界により、且つ、前記一様磁界により測定されたセンサの姿勢を用いて、磁界センサの位置を測定する
ようにした姿勢位置測定方法。
【請求項５】
第１、第２及び第３のコイルのいずれか又は全てを、時分割又は周波数分割により動作させることで磁界を発生し、磁界センサの姿勢及び／又は位置を測定することを特徴とする請求項４に記載の姿勢位置測定方法。
【請求項６】
第１又は第２の軸方向のいずれかの一様磁界として、地磁気を用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の姿勢位置測定方法。
【請求項７】
前記直交する３軸方向は、それぞれ第１の軸方向、第２の軸方向、及び、第１並びに第２の軸方向に直交する第３の軸方向であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の姿勢位置測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、姿勢位置測定装置及び測定方法に係り、特に、一様磁界と線形勾配磁界を用いる３次元の位置及び姿勢を高速に測定できるようにした姿勢位置測定装置及び測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３次元空間における物体の座標および姿勢の非接触計測は、人体運動のキャプチャ等のマンマシンインターフェースの基礎となる技術であり、重要性が増してきている。物体の姿勢と位置を同時検出する技術には、複数のカメラで撮りこまれた画像よりデータ処理を行う光学式と、物体に取り付けた磁気センサによりダイポール磁界発生装置からの磁界を測定する磁気式があり、モーションキャプチャ等に利用されている。
【０００３】
光学式は、人体の測定すべき各部にマーカーを取り付け、これを複数のカメラで撮影し、得られたデータから３次元位置を計測する。磁気式を用いて計測する方法はいくつかあるが、その多くは、ダイポール磁界を用い、位置及び姿勢の検出に複雑な計算を要するものであった(F.H.Raab, E.B.Blood, T.O.Steiner, H.R.Jones: Magnetic Position Tracker.IEEE.Trans.,Vol.AES-15,NO.5,pp.709-717(1979)、及び、阿刀田、中村、富澤、横山、今田：計測自動制御学会論文集、Vol.34, NO.5, pp.445-453(1998)等参照)。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のような光学式の測定方法では、標点が重なったり陰に隠れた場合、正確なデータを得ることが困難である。一方、磁気式では、光学式のようにセンサの隠蔽によって困ることが無いものの、距離算出のための複雑な非線形方程式の計算を必要とするため、データ処理に時間がかかるという問題があった。なお、光学式の測定の場合も、同様に、データ処理に時間がかかっていた。
【０００５】
本発明は、以上の点を鑑み、磁気式において一様磁界と線形勾配磁界とを用い、姿勢検出用に一様磁界を、位置検出用に線形勾配磁界を利用することで、磁界の大きさに関する簡単な一次方程式により姿勢と位置とを検出するようにして、データ処理を簡素化し、高速検出を可能とすることを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、ダイポール磁界を用いる方法に比べ、計算アルゴリズムが極めて容易となり、モーションキャプチャ等による３次元コンピュータグラフィックスの製作時間の短縮化を図るとともに、スポーツ医学、娯楽用ソフト製作などへの利用化を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、
センサの姿勢及び位置を測定する姿勢位置測定装置であって、
第１の軸方向に一様磁界を発生する第１のコイルと、
第１の軸方向と直交する第２の軸方向に一様磁界を発生する第２のコイルと、
一対の角形コイルを有し、各々の前記角形コイルにそれぞれ逆方向に電流を流すことで、直交する３軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生する第３のコイルと
を備え、
前記第１及び第２のコイルで一様磁界を発生し、発生された一様磁界によりセンサの姿勢を測定し、
前記第３のコイルで３軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生し、発生された線形勾配磁界により、且つ、前記第１及び第２のコイルで発生された一様磁界により測定されたセンサの姿勢を用いて、センサの位置を測定する
姿勢位置測定装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の第２の解決手段によると、
磁界センサの姿勢及び位置を測定する姿勢位置測定方法であって、
第１の軸方向と、第１の軸方向に直交する第２の軸方向とに、それぞれ一様磁界を発生し、
発生された各々の一様磁界により磁界センサの姿勢を測定し、
一対の角形コイルにそれぞれ逆方向に電流を流すことで、直交する３軸方向にそれぞれ勾配をもつ線形勾配磁界を発生し、
発生された線形勾配磁界により、且つ、前記一様磁界により測定されたセンサの姿勢を用いて、磁界センサの位置を測定する
ようにした姿勢位置測定方法が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に、座標系及び一様磁界の説明図を示す。図１（Ａ）はグローバル座標系を、図１（Ｂ）はローカル座標系を図示している。
【００１０】
図１（Ａ）の座標系では、グローバル座標系を（Ｘ,Ｙ,Ｚ）座標系とし、図１（Ｂ）では、センサ１自身のローカル座標系を（Ｕ,Ｖ,Ｗ）座標系と定めた。図１（Ｂ）は、計測領域内の任意の場所に３軸磁界センサであるセンサ１を配置し、その感度軸を表す局所座標系であるローカル座標系（Ｕ,Ｖ,Ｗ）を表している。
【００１１】
最初に、姿勢測定について説明する。本発明では、センサ１の姿勢計測のためにＸ軸とＺ軸にそれぞれ平行な一様磁界ｈＸ、ｈＺを利用する。この一様磁界ｈＸ、ｈＺは、ヘルムホルツコイル形のコイル等によって発生させることができる。
【００１２】
まず、Ｚ軸に平行な一様磁界ｈＺを発生させる。つぎに、このときの計測領域内の任意の位置に配置されたセンサ１により、センサ１の位置でのローカル座標系における磁界ＳＺ＝（ｈｕｚ,ｈｖｚ,ｈｗｚ)を計測する。これから、Ｕ,Ｖ,Ｗの各軸に付随する基底ベクトルのＺ成分（ａｕｚ,ａｖｚ,ａｗｚ）を次式によって求めることができる。同様にしてＸ軸に平行な一様磁界ｈＸを発生させ、同様の計算によって、Ｕ,Ｖ,Ｗの各軸に付随する基底ベクトルのＸ成分（ａｕｘ,ａｖｘ,ａｗｘ）を次式によって求める。
【００１３】
【数１】
0004291454.tif 000002
【００１４】
また、センサ１の姿勢を表す行列Ａは、次式の様に定まる。
【００１５】
【数２】
0004291454.tif 000003
【００１６】
この姿勢行列Ａの行列式｜Ａ｜＝１で、各列ベクトル式（ａｕｘ,ａｖｘ,ａｗｘ）、（ａｕｚ,ａｖｚ,ａｗｚ）及び求めるべき（ａｕｙ,ａｖｙ,ａｗｙ）は、大きさ１で、互いに直交する性質を持つ。よって、以下のようなベクトルの外積の式（３）によって、基底ベクトルの直交関係から、実測により（１）及び（２）式で求めたＸ成分及びＺ成分を用いて、Ｙ成分（ａｕｙ,ａｖｙ,ａｗｙ）を求めることができる。
【００１７】
【数３】
0004291454.tif 000004
【００１８】
この姿勢行列Ａを用いることにより、式（４）のように、ローカル座標系である（Ｕ,Ｖ,Ｗ）座標系で測定した磁界を、グローバル座標系である（Ｘ,Ｙ,Ｚ）座標系の成分に変換することができる。
【００１９】
【数４】
0004291454.tif 000005
【００２０】
つぎに、位置測定について説明する。センサ１の位置決定には、大域的な線形勾配磁界を用いる。すなわち、位置についてのＸ成分はＸ軸方向に、Ｙ成分はＹ軸方向に、Ｚ成分はＺ軸方向にその強度が直線的に変化するような磁界を用いる。
【００２１】
図２に、Ｘ方向に勾配を持つ線形勾配磁界ｇｈＸの分布図を示す。この分布は、Ｙ方向及びＺ方向にそれぞれ勾配を持つ線形勾配磁界ｇｈＹ、ｇｈＺについても同様である。このような線形勾配磁界は、直線上にある同値逆極性の一対の磁気ダイポールによってその中間領域・内部領域に生成することができる。このようにして得られる線形勾配磁界の対称点を改めて、グローバル座標系（Ｘ,Ｙ,Ｚ）の原点とすれば、線形勾配磁界ｇｈＸと位置Ｘの関係はｇｈＸ＝ｋＸの関係にあり、線形勾配磁界ｇｈＸが求まれば、センサ１の位置のＸ成分を容易に算出することができる。なお、ｋはコイル定数とセンサ感度で決まる比例定数である。位置のＹ成分、Ｚ成分も、同様に算出することができる。つまり、線形勾配磁界ｇｈＹ、ｇｈＺにより、得られた磁場ベクトル成分と位置座標の各成分の比例関係により、センサ位置は容易に求めることができる。
【００２２】
図３に、本発明に係る姿勢位置測定装置が備える各コイルの説明図を示す。図３（Ａ）は、Ｚ軸に一様磁界を発生させる第１のコイル１０を、図３（Ｂ）は、Ｘ軸に一様磁界を発生させる第２のコイル２０を、図３（Ｃ）は、線形勾配磁界を発生させる第３のコイル３０を図示している。
【００２３】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に図示されている２組のコイル（第１のコイル１０、第２のコイル２０）は、中央にもコイルが配置されており、計測領域にＺ軸とＸ軸に平行な向きを持った２種類の一様磁界ｈＸ及びｈＺを発生させるものである。後述する実験及び計算のように、第１のコイル１０及び第２のコイル２０の各両端のコイルは、例えば、５０ターン、中央のコイルは、例えば、３１ターン（０.６２倍）として、電流は同方向に流れるようにすることができる。
【００２４】
図３（Ｃ）に図示されている線形勾配磁界を発生させる第３のコイル３０は、両端に巻いた１対のコイルに互いに逆方向の電流を流すことにより線形勾配磁界を発生させるものである。このような１対の角形コイルにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の方向に線形勾配磁界を発生することができる。後述する実験及び計算では、この両端のコイルは、共に、例えば、２０ターンであり、電流は互いに逆方向に流れる。コイルに流れる電流は、例えば、正弦波交流で周波数は５０Ｈｚであり、２組の一様磁界発生用コイルに流れる電流は、例えば、７８ｍＡ、勾配磁界発生用コイルに流れる電流は、例えば、９５０ｍＡとすることができる。発生した磁界は、測定領域内の任意の位置に配置されたフラックスゲート（例えば、感度10V/G、分解能2×10-5G、dc〜1kHz）によって測定した。なお、センサ１自身の向きは（Ｕ,Ｖ,Ｗ）=（０,０,１）、つまり、Ｗ方向がセンサ１の方向と定義した。
【００２５】
なお、Ｚ軸に一様磁界を発生させるコイル１０と線形勾配磁界を発生させるコイル３０は、共用しても良いし、別々にしてもよく、適宜の設計とすることができる。また、測定において各コイル１０、２０及び３０に流す電流は、一度に流すのではなく、それぞれ別に流すこともできるが、各一様磁界及び線形勾配磁界は、第１、第２及び第３のコイル１０、２０及び３０のいずれか又は全てを、時分割又は周波数分割により動作させることで磁界を発生し、磁界センサの姿勢又は位置又はこれら両方を適宜測定することもできる。さらには、第１又は第２のコイル１０又は２０の一方のみに電流を流し、１つの一様磁界を発生し、残りの一方に対する一様磁界を地磁気で代用しても良い。
【００２６】
図４に、本発明に係る姿勢位置測定装置の構成図を示す。ここでは、図４の姿勢位置測定装置５０は、立方体の形状をした枠をベースとしている。この姿勢位置測定装置５０は、Ｚ軸及びＸ軸に一様磁界を発生させる第１及び第２のコイル１０、２０、線形勾配磁界を発生させる第３のコイル３０及びセンサ１を備える。姿勢位置測定装置５０は、各コイル１０、２０、及び３０に電流を流す正弦波発振器等の発振器ＯＳＣとパワーアンプに接続されている。また、センサ１は、姿勢位置測定装置５０内に置かれ、その信号は、フラックスゲート磁束用アンプで増幅され、マルチメータで測定される。この枠には、図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）のような３組のコイルが取り付けてある。なお、原理的には、一様磁界の向く軸の方向と、線形勾配磁界を規定する３つの軸方向は、共有しても、共有されなくても良い。
【００２７】
つぎに、本発明に係る姿勢位置測定装置についての実験結果及び計算結果について説明する。
まず、一様磁界について説明する。
【００２８】
図５に、一様磁界の磁界分布計算結果の説明図を示す。
センサ１の姿勢を計測するためには、計測領域内全域で磁界の方向ベクトルが一様でなければならず、この確認をする必要がある。そこで、センサ１が移動するためのレールを枠で作成し、Ｘ軸とＺ軸に平行な一様磁界をそれぞれ発生したときの磁界のＸ,Ｙ,Ｚ成分を測定範囲−２０≦Ｘ,Ｙ,Ｚ≦２０で５ｃｍごとに測定した。
【００２９】
図６に、Ｘ軸一様磁界の均一性の特性図を示す。この図は、Ｘ軸に平行な一様磁界を発生したときの磁界のＸ成分を示す。Ｘ軸上を移動させた場合、対角線上に移動した場合の両方でほぼ一定であり、その誤差は１%未満であることが分かる。
【００３０】
図７に、Ｚ軸一様磁界の均一性の特性図を示す。この図は、Ｚ軸に平行な一様磁界を発生したときの磁界の正規化されたＺ成分を示しているが、図７と同様の結果が得られた。計測領域全域で磁界の方向ベクトルはほぼ一様であり、その一様性は姿勢計測において十分だということがわかる。
【００３１】
つぎに、線形勾配磁界について説明する。
図８に、Ｘ座標と磁界ｇｈＸの関係についての計算結果の説明図を示す。
【００３２】
この図は、１ｍ四方の正方形コイル２組を、１ｍ隔てて対向配置させて線形勾配磁界を発生したときのＸ座標とＸ成分ｇｈＸの関係についての計算結果を示している。Ｘ座標の位置が−２０≦Ｘ≦２０及び０≦Ｚ≦２０のときにＸとｇｈＸが比例関係にあることが分かる。また、同範囲でＺが変化してもグラフの勾配は一致している。これは、Ｙが変化しても同様である。このことからｇｈＸがＸのみの関数であることが分かる。ＹとｇｈＹ、ＺとｇｈＺの関係も計算結果は同様の傾向が見られる。
【００３３】
図９に、勾配磁界の磁界分布計算結果の説明図を示す。
図１０では、線形勾配磁界のＸ成分とｇｈＸの関係説明図を、図１１に、線形勾配磁界のＺ成分とｇｈＺの関係説明図を示す。これらの図は、勾配磁界のＸ,Ｙ,Ｚ成分を測定範囲−２０≦Ｘ,Ｙ,Ｚ≦２０で５ｃｍごとに計測し、それらの線形性を検証したものを示している。図１０からわかるように、Ｘ座標とｇｈＸは比例関係にあり、ＹおよびＺを変化させてもグラフの傾きはほぼ一致しており、ｇｈＸがＸのみに依存した関数であるが分かる。角形コイルの対称性からＹ成分ｇｈＹにもｇｈＸと同様のことが言える。また、図１１からもわかるように、Ｚ座標とｇｈＺも比例関係にあり、ｇｈＺがＺのみの関数であることが分かる。これにより、（４）式の関係が−２０≦Ｘ,Ｙ,Ｚ≦２０の範囲で十分成立することが確認できる。
【００３４】
以下に、センサ１を任意の位置に任意の姿勢で配置し、その測定値を実際の位置および姿勢と比較した結果を示す。
実験１
設定値
センサ位置  （Ｘ,Ｙ,Ｚ）＝（１３,８,−５）
センサ姿勢  （ａＸ,ａＹ,ａＺ）＝（１,０,０）
（センサがＸ正方向を向いている状態）
測定値
センサ位置  （Ｘ,Ｙ,Ｚ）＝（１２.９,７.７,−５.３）
センサ姿勢  （ａＸ,ａＹ,ａＺ）＝（０.９９,０.０１,０.０５）
実験２
測定値
センサ位置  （Ｘ,Ｙ,Ｚ）＝（２.２,−６.７,０.６)
センサ姿勢  （ａＸ,ａＹ,ａＺ）＝（−０.０１,０.９７,−０.２３）
設定値
センサ位置  （Ｘ,Ｙ,Ｚ）＝（１.５,−６,１）
センサ姿勢  （ａＸ,ａＹ,ａＺ）＝（０,０.９７,−０.２５）
【００３５】
以上の結果から、センサ１の姿勢に関して設定値と測定値はほぼ一致していることが分かる。一方、センサ１の位置に関しては１ｃｍ弱の誤差がみられたが、これは、今回実験に使用した３軸フラックスゲートの各軸のセンサが空間の同一点になく、これを同一点として取り扱った事が主な原因であると考えられる。このセンサ１の位置を標定すれば一層精度のよい測定が可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によると、磁気式において一様磁界と線形勾配磁界とを用い、姿勢検出用に一様磁界を、位置検出用に線形勾配磁界を利用することで、磁界の大きさに関する簡単な一次方程式により姿勢と位置とを同時に検出することができ、データ処理を簡素化し、高速検出を可能とすることができる。
【００３７】
また、本発明によると、ダイポール磁界を用いる方法に比べ、計算アルゴリズムが極めて容易であり、モーションキャプチャ等による３次元コンピュータグラフィックスの製作時間の短縮化を図るとともに、スポーツ医学、娯楽用ソフト製作などへの利用化をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】座標系及び一様磁界の説明図。
【図２】Ｘ方向に勾配を持つ線形勾配磁界ｇｈＸの分布図。
【図３】本発明に係る姿勢位置測定装置が備える各コイルの説明図。
【図４】本発明に係る姿勢位置測定装置の構成図。
【図５】一様磁界の磁界分布計算結果の説明図。
【図６】Ｘ軸一様磁界の均一性の特性図。
【図７】Ｚ軸一様磁界の均一性の特性図。
【図８】Ｘ座標と磁界ｇｈＸの関係についての計算結果の説明図。
【図９】勾配磁界の磁界分布計算結果の説明図。
【図１０】線形勾配磁界のＸ成分とｇｈＸの関係説明図。
【図１１】線形勾配磁界のＺ成分とｇｈＺの関係説明図。
【符号の説明】
１    センサ
１０  第１のコイル
２０  第２のコイル
３０  第３のコイル
５０  姿勢位置測定装置
【図１】
0004291454.tif 000006
【図２】
0004291454.tif 000007
【図３】
0004291454.tif 000008
【図４】
0004291454.tif 000009
【図５】
0004291454.tif 000010
【図６】
0004291454.tif 000011
【図７】
0004291454.tif 000012
【図８】
0004291454.tif 000013
【図９】
0004291454.tif 000014
【図１０】
0004291454.tif 000015
【図１１】
0004291454.tif 000016