姿勢角検出装置
【課題】取付位置にずれが生じたときにも取付部位の姿勢角を正確に検出することができる姿勢角検出装置を提供する。
【解決手段】人体の部位１００の姿勢角を検出する姿勢角検出装置１０であって、姿勢角センサ２０と、移動量検出手段３１、３２と演算手段６０を備えている。姿勢角センサ２０は、人体の部位１００の表面に取り付けられ、自己の姿勢角を検出する。移動量検出手段３１、３２は、取付部位１００の表面を移動したときの姿勢角センサ２０の初期位置からの移動量を検出する。演算手段６０は、検出された姿勢角を検出された移動量に基づいて補正する。
【解決手段】人体の部位１００の姿勢角を検出する姿勢角検出装置１０であって、姿勢角センサ２０と、移動量検出手段３１、３２と演算手段６０を備えている。姿勢角センサ２０は、人体の部位１００の表面に取り付けられ、自己の姿勢角を検出する。移動量検出手段３１、３２は、取付部位１００の表面を移動したときの姿勢角センサ２０の初期位置からの移動量を検出する。演算手段６０は、検出された姿勢角を検出された移動量に基づいて補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、腕や頭などの人体の部位の姿勢角を検出する姿勢角検出装置に関する。なお、本明細書における姿勢角とは、絶対座標系に対する人体の部位の傾斜角を意味する。検出する姿勢角は、１軸周りのみであってよく、２軸周りあるいは３軸周りの姿勢角であってもよい。
【背景技術】
【０００２】
人体の部位の姿勢角を検出する姿勢角検出装置が知られている。姿勢角検出装置には、ジャイロや傾斜角センサが用いられる。例えば、特許文献１には、頭部に取り付けられ、その頭部の姿勢角を検出する姿勢角検出装置が記載されている。このような姿勢角検出装置によって、動作時における頭部の姿勢角の変化を検出し、人の動作を解析することができる。また、検出した姿勢角に基づいてロボット等への指令値を生成するなど、姿勢角検出装置はユーザインタフェイスとして活用することもできる。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−８１３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
姿勢角検出装置は、通常は、取付バンド等により人体に取り付けられる。姿勢角検出装置をボルトなどで人体に固定することはできない。従って、人が動作をすることによって姿勢角検出装置の取付位置がずれてしまうことがある。姿勢角検出装置の取付位置がずれてしまうと、取付部位の正確な姿勢角を検出することができないという問題があった。
本発明は、上記の実情に鑑みて創作されたものであり、取付位置にずれが生じても取付部位の姿勢角を正確に検出することができる姿勢角検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ずれが生じても人体部位の姿勢角を正確に検出するには、人体部位と姿勢角検出装置との相対姿勢角（すなわち、姿勢角のずれ）を検出し、検出した相対姿勢角に基づいて姿勢角検出装置で検出された姿勢角を補正すればよい。しかしながら、ジャイロや傾斜角センサ等の相対姿勢角検出手段を設けても、相対姿勢角検出手段にも取付位置のずれが生じてしまう可能性があるため、相対姿勢角を検出することは難しい。
本発明は、姿勢角検出装置が人体部位の表面上を移動してしまうことによって姿勢角が不正確になるという事実に着目する。本発明は、取付部位の表面を移動したときの姿勢角センサの初期位置からの移動量を直接に検出し、その移動量を姿勢角の補正に用いるという手法を採用する。長さの次元を有する移動量は、本来姿勢角の補正には用いられない。他方、直接に検出するのであるから、姿勢角センサの初期位置からの移動量は正確に検出できる。本発明は、長さの次元を有する移動量によって姿勢角を補正するという新規な発想によって、取付位置にずれが生じても人体部位の姿勢角を正確に検出する姿勢角検出装置を実現する。
【０００６】
本発明の姿勢角検出装置は、姿勢角センサと、移動量検出手段と、演算手段を備えている。姿勢角センサは、人体の部位の表面に取り付けられ、自己の姿勢角を検出する。移動量検出手段は、取付部位の表面を移動したときの姿勢角センサの初期位置からの移動量を検出する。演算手段は、姿勢角センサによって検出された姿勢角を移動量検出手段によって検出された移動量に基づいて補正する。
姿勢角センサは、前述したようにジャイロや傾斜センサであってよい。移動量検出手段は、コンピュータのマウスに用いられている技術を採用すればよい。移動量検出手段は、光学式マウスや機械式マウスのいずれの技術を採用してよい。コンピュータのマウスは、直交する２方向の移動量を夫々検出できる。マウスの技術を用いると、取付部位の表面における姿勢角センサの移動方向も検出できる。本明細書では、「移動量」という用語を、「移動方向」を含む意味で用いる。即ち「移動量」は、移動量ベクトルと換言してよい。
この姿勢角検出装置は、移動量検出手段によって、姿勢角センサの初期位置からの移動量を正確に検出することができる。この姿勢角検出装置は、正確に検出することのできる移動量に基づいて姿勢角を補正するので、取付位置がずれても人体部位の正確な姿勢角を出力できる。
【０００７】
姿勢角の補正は、一つには次のとおりである。移動量検出手段は、取付部位の表面に対する垂線周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角をさらに検出する。演算手段は、検出された姿勢角を検出されたずれ角に基づいて補正する。この姿勢角検出装置は、取付位置が前記の垂線周りにずれても人体部位の正確な姿勢角を出力できる。
【０００８】
姿勢角の補正は、一つには次のとおりであってもよい。姿勢角検出装置は、取付部位の断面形状を円形に近似したときのその円形の半径を記憶する記憶手段をさらに備えている。この場合、演算手段は、検出された移動量のうちの前記円形の周方向の成分と前記半径から、前記円形の中心軸周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角を算出し、検出された姿勢角を算出された前記中心軸周りのずれ角に基づいて補正する。
頭、腕、足、或いは胴体など、人体の部位の多くは円柱或いは球で近似することができる。したがって、人体部位の断面形状は、円形に近似することができる。このように、人体部位の断面形状を円形に近似すると、姿勢角センサが表面上を移動したときに、その円形断面の周方向に沿った移動量とその円形断面の半径から、その円形断面の中心軸周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角を算出できる。この姿勢角検出装置は、取付位置が円形断面の周方向にずれても人体部位の正確な姿勢角を出力できる。また、このように取付部位の断面形状を円形に近似することで、複雑な演算を用いることなく、姿勢角センサのずれ角を算出できる。したがって、姿勢角センサが検出する姿勢角を容易に補正することができる。
【０００９】
姿勢角の補正は、一つには次のとおりであってもよい。演算手段は、検出された移動量のうちの取付部位の長手方向に直交する方向の成分を抽出し、検出された姿勢角を抽出した前記直交方向の成分に基づいて補正する。
腕、足、或いは胴体など、人体の部位の多くは、例えば円柱のように、１方向に長く伸びる形状を備えている。このような部位に姿勢角センサが取り付けられている場合は、取付部位の長手方向に姿勢角センサが移動しても、その移動は平行移動とみなすことができる。平行移動は、姿勢角センサが検出する姿勢角に影響を与えない。この姿勢角センサは、検出された移動量から取付部位の長手方向に直交する方向の成分を抽出する。そして、抽出した直交方向の成分に基づいて姿勢角を補正する。このように、長手方向への移動を平行移動とみなし、移動量の直交方向の成分を姿勢角の補正に用いる（すなわち、移動量の長手方向の成分を姿勢角の補正に用いない）ことで、姿勢角をより簡単に補正することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の姿勢角検出装置によれば、姿勢角検出装置の取付位置がずれても取付部位の正確な姿勢角を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
下記に詳細に説明する実施例の姿勢角検装置は、以下の特徴をさらに備えている。
（特徴１）移動量検出手段は、異なる位置に配置されている複数の移動量センサを備えている。各移動量センサは、姿勢角センサに対する相対位置が固定されている。各移動量センサは、取付部位の表面を移動したときの自己の移動量を検出する。移動量検出手段は、各移動量センサの移動量から、姿勢角センサの初期位置からの移動量と、取付部位の表面に対する垂線周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角を算出する。
【実施例】
【００１２】
本発明の実施例に係る姿勢角検出装置について、図面を参照しながら説明する。実施例の姿勢角検出装置は、人の腕や脚等のように、１方向に伸びている部位に取り付けて使用される。図１は、姿勢角検出装置１０を取付部位１００（本実施例では腕）に取り付けた状態を示す外観図であり、図２は姿勢角検出装置１０の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、姿勢角検出装置１０は、本体１２と取付バンド９０を備えている。取付バンド９０によって、本体１２が取付部位１００に取り付けられている。図２に示す各構成部品は、本体１２に内蔵されている。
図２に示すように、姿勢角検出装置１０は、姿勢角センサ２０と、２つの移動量センサ３１、３２と、記憶装置４０と、リセットボタン５０と、演算装置６０と、アンテナ７０を備えている。
【００１３】
姿勢角検出装置１０の動作の説明で参照する座標系について説明する。図１のＸＹＺ座標系は、絶対座標系（地面に固定された座標系）を示している。図１のＸａＹａＺａ座標系は、姿勢角検出装置１０に固定された座標系を示しており、ＸｂＹｂＺｂ座標系は、取付部位１００に固定された座標系を示している。以下では、ＸａＹａＺａ座標系を装置固定座標系と称し、ＸｂＹｂＺｂ座標系を部位固定座標系と称する場合がある。図１では、装置固定座標系（ＸａＹａＺａ座標系）と部位固定座標系（ＸｂＹｂＺｂ座標系）が一致している状態を示している。装置固定座標系の原点は、移動量センサ３１と３２の中点３３に設定されている。Ｘａ軸は、原点３３から移動量センサ３２へ向かう方向に設定されており、Ｙａ軸は本体１２の下面（取付部位１００と接触する面）内でＸａ軸と直交する方向に設定されている。Ｚａ軸は、Ｘａ軸とＹａ軸に交差する方向に設定されている。Ｘｂ軸は、取付部位１００の周方向（湾曲方向）を向いており、Ｙｂ軸は、取付部位１００の長手方向を向いている。Ｚｂ軸は、取付部位１００の表面の垂線方向を向いている。装置固定座標系と部位固定座標系は、演算装置６０が認識している。
【００１４】
姿勢角センサ２０は、絶対座標系（ＸＹＺ座標系）の３軸周りの自己の姿勢角をする。具体的には姿勢角センサ２０は、３軸ジャイロと、ジャイロの出力を積分する積分器から構成されている。姿勢角センサ２０が検出する３軸周りの姿勢角を（θｘ、θｙ、θｚ）で表現する。後述するように、絶対座標系に対する姿勢角センサ２０の姿勢角は、絶対座標系から装置固定座標系への座標変換行列で表現される。姿勢角センサ２０には、従来公知の種々の３軸姿勢角センサを用いることができる。
【００１５】
移動量センサ３１、３２は、本体１２の下面（取付部位１００と接触する面）に設置されている。図１に示すように、移動量センサ３１、３２は、所定距離を隔てて配置されている。移動量センサ３１は、ＣＣＤやＬＥＤ等により構成されており、本体１２が取付部位１００の表面上を移動したときに、自己の移動量を光学的に検出する。移動量センサ３１は、取付部位１００の表面上でＸｂ軸が向いている方向とＹｂ軸が向いている方向の移動量をそれぞれ検出する。すなわち、移動量センサ３１は、移動方向を含めた移動量を検出する。移動量センサ３２も、移動量センサ３１と同様に構成されている。なお、移動量センサ３１、３２として、本体１２の移動に伴って取付部位の表面上を転がるボール等を備え、そのボールの回転量及び回転方向から、方向を含む移動量を検出するタイプのものを採用することもできる。
【００１６】
記憶装置４０には、種々のデータが記憶されている。データのひとつとして、記憶装置４０は、取付部位１００の半径ｒのデータを記憶している。より具体的には、半径ｒは、取付部位１００の形状を円柱で近似し、その近似した円柱の半径ｒである。取付部位１００の半径ｒのデータは、取付部位１００の形状に基づいて決定されており、予め作業者によって記憶装置４０に入力されている。なお、取付部位１００の半径のデータは、取付部位１００の形状に応じてその都度変更してもよいし、取付部位１００の形状に個体差がほとんど無いと考えられる場合には固定値としてもよい。
【００１７】
リセットボタン５０は、図１に示すように、本体１２の上面に設置されている。後に詳述するが、演算装置６０は、移動量センサ３１、３２が検出した移動量を記憶している。リセットボタン５０を押すと、演算装置６０は、記憶している移動量をゼロにリセットする。
【００１８】
演算装置６０は、姿勢角センサ２０と移動量センサ３１、３２と、記憶装置４０と、リセットボタン５０と、アンテナ７０に接続されている。演算装置６０は、移動量センサ３１、３２が検出する移動量に基づいて、姿勢角センサ２０が検出する姿勢角を補正する。
【００１９】
アンテナ７０は、演算装置６０が算出した補正後の姿勢角を、無線により図示しない外部装置（例えば、パソコン等）に送信する。
【００２０】
次に、姿勢角検出装置１０の動作について説明する。
まず、姿勢角検出装置１０を測定対象の人体部位に取り付ける。このとき、図１に示すように、移動量センサ３１、３２を結ぶ直線と直交する方向（装置座標系におけるＹａ軸の方向）が取付部位１００の長手方向と平行となるように取り付ける。
【００２１】
次に、リセットボタン５０を押す。前述したようにこのとき演算装置６０は、過去に移動量センサ３１、３２が検出した移動量をゼロにリセットする。同時に演算装置６０は、装置固定座標系に一致する座標系を新たな部位固定座標系として認識する（図１参照）。以下では、リセットボタン５０を押したときに新たに認識する部位固定座標系の原点を初期位置と称し、このときのＹｂ軸の方向を初期方向と称する。
【００２２】
リセットボタン５０を押した後、演算装置６０は、図３に示すフローチャートの処理を繰り返し実行する。なお、図４は、図３に示すフローチャートに従って演算装置６０が実行する処理を説明する概念図である。まず、図４を参照して、演算装置６０が実行する処理を概説する。図３のフローチャートの各処理については後に詳述する。
演算装置６０は、姿勢角センサ２０が検出する姿勢角（θｘ，θｙ，θｚ）を読み取る。そして、読み取った姿勢角（θｘ，θｙ，θｚ）に基づいて、絶対座標系（ＸＹＺ座標系）を装置固定座標系（ＸａＹａＺａ座標系）に変換する座標変換行列Ｔｓを算出する。座標変換行列Ｔｓは、姿勢角（θｘ，θｙ，θｚ）の関数として表される。すなわち、座標変換行列Ｔｓそのものが、絶対座標系に対する姿勢角検出装置１０の姿勢角を表している。
一方、演算装置６０は、移動量センサ３１、３２の検出値から、装置固定座標系と部位固定座標系の間の相対角度を算出する。相対角度は、装置固定座標系のＹａ軸と部位固定座標系のＹｂ軸がなす角度φと、装置固定座標系のＺａ軸と部位固定座標系のＺｂ軸がなす角度ψで表される。姿勢角検出装置１０は、取付部位１００の表面を移動するので、相対角度φは、取付部位１００の表面に対する垂線（Ｚｂ軸）周りの姿勢角検出装置１０のずれ角（初期位置からのずれ角）に相当する。相対角度ψは、姿勢角検出装置１０が取付部位１００の周方向（Ｘｂ軸の向く方向）に沿って移動したときのずれ角（初期位置からのずれ角）に相当する。相対角度ψは、取付部位１００の長手方向に沿って伸びる線（Ｙｂ軸）周りの姿勢角検出装置１０のずれ角と別言できる。
演算装置６０は、所定の周期で移動量センサ３１、３２の検出値を取り込み、それらを積分し、常に最新の相対角度φと相対角度ψを保持している。
【００２３】
次に、演算装置６０は、相対角度φとψに基づいて、装置固定座標系を部位固定座標系に変換する座標変換行列Ｔｂｓを算出する。即ち、座標変換行列Ｔｂｓは、相対角度φとψの関数として表現される。
次に、座標変換行列Ｔｓと座標変換行列Ｔｂｓから、絶対座標系（ＸＹＺ座標系）を部位固定座標系（ＸｂＹｂＺｂ座標系）に変換する座標変換行列Ｔｂを算出する。座標変換行列Ｔｂそのものが、絶対座標系に対する取付部位１００の姿勢角を意味する。即ち、座標変換行列Ｔｂは、姿勢角センサ２０が検出した姿勢角を相対角度φとψで補正した姿勢角を意味する。
以下、図３のフローチャートの各ステップについて説明する。
【００２４】
ステップＳ２では、演算装置６０は、姿勢角センサ２０が検出する姿勢角（θｘ，θｙ，θｚ）を読み取る。そして、読み取った姿勢角（θｘ，θｙ，θｚ）に基づいて、座標変換行列Ｔｓを算出する。座標変換行列Ｔｓは、以下の数式により算出される。
【００２５】
【数１】
なお、座標変換行列Ｔｓは、絶対座標系（ＸＹＺ座標系）を、Ｘ軸周りにθｘ度、Ｙ軸周りにθｙ度、Ｚ軸周りにθｚ度だけ回転させる回転行列である。
【００２６】
ステップＳ４では、演算装置６０は、移動量センサ３１、３２の検出値（すなわち、移動量と移動方向示すベクトル値）を所定のサンプリング周期で取得するとともに、それらを積分することによって、移動量センサ３１と３２のそれぞれの移動量を算出する。移動量センサ３１の移動量は、取付部位１００の表面における部位固定座標系のＸｂ軸に沿った移動量Ａ１と、Ｙｂ軸に沿った移動量Ｂ１で表される。以下、移動量センサ３１の移動量を２次元ベクトル（Ａ１，Ｂ１）で表現する。同様に、移動量センサ３２の移動量を、２次元ベクトル（Ａ２，Ｂ２）で表現する。２次元ベクトルで表される移動量は、移動量センサ３１、３２の移動方向も表している。
【００２７】
次に演算装置６０は、移動量（Ａ１，Ｂ１）及び（Ａ２，Ｂ２）に基づいて、本体１２の移動量（Ａ３，Ｂ３）を算出する。本体１２の移動量（Ａ３，Ｂ３）は、移動量センサ３１、３２の間の中点３３の位置で表される。また、演算装置６０は、移動量（Ａ１，Ｂ１）及び（Ａ２，Ｂ２）から、相対角度φとψを算出する（ステップＳ６）。
【００２８】
相対角度φの算出方法を説明する。例えば、図５に示すように、本体１２が初期位置（部位固定座標系の原点３３０）から移動している場合を考える。この場合、中点３３の現在の位置（装置固定座標系の原点）と初期位置３３０（部位固定座標系の原点）との差について、Ｙｂ軸方向の差が移動量Ａ３として算出され、Ｘｂ軸方向の差が移動量Ｂ３として算出される。また、Ｙｂ軸とＹａ軸がなす相対角度φが、取付部位の表面の垂線周りの姿勢角検出装置１０のずれ角として算出される。
本体１２の移動量（Ａ３，Ｂ３）は、移動量センサ３１、３２が検出する移動量（Ａ１，Ｂ１）と（Ａ２，Ｂ２）の平均値として算出される。
相対角度φは、以下の数式により算出される。
φ＝ｓｉｎ−１{（Ａ２−Ａ１）／Ｌ}
なお、記号Ｌは、移動量センサ３１、３２間の距離である。
【００２９】
相対角度ψの算出方法を説明する。相対角度ψは、本体１２の移動量（Ａ３，Ｂ３）と、半径ｒに基づいて算出する。
図６は、円柱形状に近似した取付部位１００を中心線Ｃ（取付部位１００の長手方向に伸びる軸）に沿って見た断面図を示している。図示するように、円柱形状に近似することで、取付部位１００の断面は円形として近似される。したがって、移動量Ｂ３は、取付部位１００の円周面上における本体１２の部位固定座標系原点３３０からの位置ずれを示す。この場合、本体１２が原点３３０に存在する場合に比べて、本体１２の姿勢角に相対角度ψだけのずれ角（取付部位１００の長手方向に沿ったＹｂ軸周りの回転ずれ）が生じる。この移動量Ｂ３により生じる姿勢角の相対角度ψは、以下のように算出される。
まず、演算装置６０は、記憶装置４０から取付部位１００の半径ｒを読み出す。半径ｒのデータは、予め記憶装置４０に入力されている。そして、以下の数式により相対角度ψを算出する。
ψ＝Ｂ３／ｒ
【００３０】
次に演算装置６０は、相対角度φとψに基づいて、装置固定座標系を部位固定座標系に変換する座標変換行列Ｔｂｓ算出をする（ステップＳ８）。座標変換行列Ｔｂｓは、相対角度φに基づく変換行列Ｔｂｓφと相対角度ψに基づく変換行列Ｔｂｓψを乗じた形式、即ち、Ｔｂｓ＝Ｔｂｓφ・Ｔｂｓψで求められる。変換行列Ｔｂｓψは、次の数式により求められる。
【００３１】
【数２】
変換行列Ｔｂｓψは、装置固定座標系を、部位固定座標系のＹｂ軸（即ち、取付部位１００の長手軸）の周りに角度ψだけ回転させる回転行列である。
【００３２】
変換行列Ｔｂｓφは、以下の数式により算出される。
【００３３】
【数３】
変換行列Ｔｂｓφは、装置固定座標系を、部位固定座標系のＺｂ軸（即ち、取付部位１００の表面の垂線）の周りに角度φだけ回転させる回転行列である。
【００３４】
変換行列ＴｂｓψとＴｂｓφから、演算装置６０は、以下の数式により座標変換行列Ｔｂｓを算出する。
Ｔｂｓ＝Ｔｂｓψ・Ｔｂｓφ
このように算出した座標変換行列Ｔｂｓは、装置固定座標系を部位固定座標系に変換する行列となる。
【００３５】
ステップＳ１０では、演算装置６０は、座標変換行列Ｔｓと座標変換行列Ｔｂｓに基づいて、座標変換行列Ｔｂを算出する。座標変換行列Ｔｂは、以下の数式により算出される。
Ｔｂ＝Ｔｓ・Ｔｂｓ
このように算出した座標変換行列Ｔｂは、絶対座標系を部位固定座標系に変換する行列となる。即ち、座標変換行列Ｔｂが、絶対座標系に対する取付部位１００の姿勢を表す。座標変換行列Ｔｂは、姿勢角検出装置１０の移動によるずれ角（装置固定座標系と部位固定座標系の間の相対角度φとψ）によって補正された取付部位１００の姿勢角を表す。
【００３６】
最後に演算装置６０は、算出した座標変換行列Ｔｂのデータをアンテナ７０から外部装置（パソコン等）に送信する（ステップＳ１２）。これによって、外部装置で取付部位１００の姿勢角が確認できる。
【００３７】
演算装置６０は、以上に説明した図３の処理を繰り返し実行する。したがって、取付部位１００の姿勢角を経時的に検出することができる。
【００３８】
以上に説明したように、本実施例の姿勢角検出装置１０は、本体１２の初期位置からの移動量（Ａ３，Ｂ３）に基づいて、姿勢角センサ２０が検出した姿勢角を補正する。したがって、本体１２の取付位置が初期位置からずれた場合にも、本体１２が初期位置に位置していたときに検出される姿勢角が算出される。本体１２の位置ずれの影響を受けることなく、正確に取付部位１００の姿勢角を検出することができる。
また、本実施例の姿勢角検出装置１０は、２つの移動量センサ３１、３２を備えている。そして、移動量センサ３１、３２の検出値に基づいて、本体１２の取付部位１００の表面上の垂線周りのずれ角（すなわち、相対角度φ）を算出する。このずれ角に基づいて姿勢角センサ２０が検出した姿勢角を補正するので、垂線周りのずれ角の影響を受けることなく、取付部位１００の姿勢角を正確に検出することができる。
また、本実施例の姿勢角検出装置１０は、取付部位１００の形状を円柱形状として近似する。したがって、本体１２の周方向への移動（すなわち、移動量Ｂ３）と取付部位１００の半径ｒに基づいて、そのずれ角ψを補正する変換行列Ｔｂｓψを算出することができる。このように、取付部位１００の形状を近似して演算を行うことで、取付部位１００の周方向における本体１２の位置ずれの補正を容易に行うことができる。したがって、高速で姿勢角を補正することができる。
また、このように取付部位１００の形状を円柱形状として近似するので、本体１２の長手方向への移動（すなわち、移動量Ａ３）は平行移動とみなすことができる。このため、姿勢角検出装置１０は、本体１２の移動量Ｂ３を用いて（即ち、移動量（Ａ３，Ｂ３）から移動量Ｂ３を抽出して）姿勢角を補正する。移動量Ａ３を姿勢角の補正に用いないので、姿勢角の補正がより容易となり、姿勢角の補正がより高速となる。
【００３９】
なお、上述した姿勢角検出装置１０では、本体１２が記憶装置４０、演算装置６０を備えていたが、これらの構成部品は、外部装置（例えば、パソコン等）に設置してもよい。すなわち、姿勢角センサ２０、移動量センサ３１、３２の検出値をアンテナ７０によって外部装置に送信し、外部装置の演算装置と記憶装置を用いて姿勢角の補正を行ってもよい。
【００４０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】姿勢角検出装置１０の外観図。
【図２】姿勢角検出装置１０のブロック図。
【図３】姿勢角を補正する処理を示すフローチャート。
【図４】姿勢角を補正する処理の概要を説明する図。
【図５】相対角度φを説明する図。
【図６】相対角度ψを説明する図。
【符号の説明】
【００４２】
１０：姿勢角検出装置
１２：本体
２０：姿勢角センサ
３１：移動量センサ
３２：移動量センサ
３３：装置固定座標系の原点
４０：記憶装置
５０：リセットボタン
６０：演算装置
７０：アンテナ
９０：取付バンド
１００：取付部位
３３０：部位固定座標系の原点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、腕や頭などの人体の部位の姿勢角を検出する姿勢角検出装置に関する。なお、本明細書における姿勢角とは、絶対座標系に対する人体の部位の傾斜角を意味する。検出する姿勢角は、１軸周りのみであってよく、２軸周りあるいは３軸周りの姿勢角であってもよい。
【背景技術】
【０００２】
人体の部位の姿勢角を検出する姿勢角検出装置が知られている。姿勢角検出装置には、ジャイロや傾斜角センサが用いられる。例えば、特許文献１には、頭部に取り付けられ、その頭部の姿勢角を検出する姿勢角検出装置が記載されている。このような姿勢角検出装置によって、動作時における頭部の姿勢角の変化を検出し、人の動作を解析することができる。また、検出した姿勢角に基づいてロボット等への指令値を生成するなど、姿勢角検出装置はユーザインタフェイスとして活用することもできる。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−８１３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
姿勢角検出装置は、通常は、取付バンド等により人体に取り付けられる。姿勢角検出装置をボルトなどで人体に固定することはできない。従って、人が動作をすることによって姿勢角検出装置の取付位置がずれてしまうことがある。姿勢角検出装置の取付位置がずれてしまうと、取付部位の正確な姿勢角を検出することができないという問題があった。
本発明は、上記の実情に鑑みて創作されたものであり、取付位置にずれが生じても取付部位の姿勢角を正確に検出することができる姿勢角検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ずれが生じても人体部位の姿勢角を正確に検出するには、人体部位と姿勢角検出装置との相対姿勢角（すなわち、姿勢角のずれ）を検出し、検出した相対姿勢角に基づいて姿勢角検出装置で検出された姿勢角を補正すればよい。しかしながら、ジャイロや傾斜角センサ等の相対姿勢角検出手段を設けても、相対姿勢角検出手段にも取付位置のずれが生じてしまう可能性があるため、相対姿勢角を検出することは難しい。
本発明は、姿勢角検出装置が人体部位の表面上を移動してしまうことによって姿勢角が不正確になるという事実に着目する。本発明は、取付部位の表面を移動したときの姿勢角センサの初期位置からの移動量を直接に検出し、その移動量を姿勢角の補正に用いるという手法を採用する。長さの次元を有する移動量は、本来姿勢角の補正には用いられない。他方、直接に検出するのであるから、姿勢角センサの初期位置からの移動量は正確に検出できる。本発明は、長さの次元を有する移動量によって姿勢角を補正するという新規な発想によって、取付位置にずれが生じても人体部位の姿勢角を正確に検出する姿勢角検出装置を実現する。
【０００６】
本発明の姿勢角検出装置は、姿勢角センサと、移動量検出手段と、演算手段を備えている。姿勢角センサは、人体の部位の表面に取り付けられ、自己の姿勢角を検出する。移動量検出手段は、取付部位の表面を移動したときの姿勢角センサの初期位置からの移動量を検出する。演算手段は、姿勢角センサによって検出された姿勢角を移動量検出手段によって検出された移動量に基づいて補正する。
姿勢角センサは、前述したようにジャイロや傾斜センサであってよい。移動量検出手段は、コンピュータのマウスに用いられている技術を採用すればよい。移動量検出手段は、光学式マウスや機械式マウスのいずれの技術を採用してよい。コンピュータのマウスは、直交する２方向の移動量を夫々検出できる。マウスの技術を用いると、取付部位の表面における姿勢角センサの移動方向も検出できる。本明細書では、「移動量」という用語を、「移動方向」を含む意味で用いる。即ち「移動量」は、移動量ベクトルと換言してよい。
この姿勢角検出装置は、移動量検出手段によって、姿勢角センサの初期位置からの移動量を正確に検出することができる。この姿勢角検出装置は、正確に検出することのできる移動量に基づいて姿勢角を補正するので、取付位置がずれても人体部位の正確な姿勢角を出力できる。
【０００７】
姿勢角の補正は、一つには次のとおりである。移動量検出手段は、取付部位の表面に対する垂線周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角をさらに検出する。演算手段は、検出された姿勢角を検出されたずれ角に基づいて補正する。この姿勢角検出装置は、取付位置が前記の垂線周りにずれても人体部位の正確な姿勢角を出力できる。
【０００８】
姿勢角の補正は、一つには次のとおりであってもよい。姿勢角検出装置は、取付部位の断面形状を円形に近似したときのその円形の半径を記憶する記憶手段をさらに備えている。この場合、演算手段は、検出された移動量のうちの前記円形の周方向の成分と前記半径から、前記円形の中心軸周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角を算出し、検出された姿勢角を算出された前記中心軸周りのずれ角に基づいて補正する。
頭、腕、足、或いは胴体など、人体の部位の多くは円柱或いは球で近似することができる。したがって、人体部位の断面形状は、円形に近似することができる。このように、人体部位の断面形状を円形に近似すると、姿勢角センサが表面上を移動したときに、その円形断面の周方向に沿った移動量とその円形断面の半径から、その円形断面の中心軸周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角を算出できる。この姿勢角検出装置は、取付位置が円形断面の周方向にずれても人体部位の正確な姿勢角を出力できる。また、このように取付部位の断面形状を円形に近似することで、複雑な演算を用いることなく、姿勢角センサのずれ角を算出できる。したがって、姿勢角センサが検出する姿勢角を容易に補正することができる。
【０００９】
姿勢角の補正は、一つには次のとおりであってもよい。演算手段は、検出された移動量のうちの取付部位の長手方向に直交する方向の成分を抽出し、検出された姿勢角を抽出した前記直交方向の成分に基づいて補正する。
腕、足、或いは胴体など、人体の部位の多くは、例えば円柱のように、１方向に長く伸びる形状を備えている。このような部位に姿勢角センサが取り付けられている場合は、取付部位の長手方向に姿勢角センサが移動しても、その移動は平行移動とみなすことができる。平行移動は、姿勢角センサが検出する姿勢角に影響を与えない。この姿勢角センサは、検出された移動量から取付部位の長手方向に直交する方向の成分を抽出する。そして、抽出した直交方向の成分に基づいて姿勢角を補正する。このように、長手方向への移動を平行移動とみなし、移動量の直交方向の成分を姿勢角の補正に用いる（すなわち、移動量の長手方向の成分を姿勢角の補正に用いない）ことで、姿勢角をより簡単に補正することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の姿勢角検出装置によれば、姿勢角検出装置の取付位置がずれても取付部位の正確な姿勢角を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
下記に詳細に説明する実施例の姿勢角検装置は、以下の特徴をさらに備えている。
（特徴１）移動量検出手段は、異なる位置に配置されている複数の移動量センサを備えている。各移動量センサは、姿勢角センサに対する相対位置が固定されている。各移動量センサは、取付部位の表面を移動したときの自己の移動量を検出する。移動量検出手段は、各移動量センサの移動量から、姿勢角センサの初期位置からの移動量と、取付部位の表面に対する垂線周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角を算出する。
【実施例】
【００１２】
本発明の実施例に係る姿勢角検出装置について、図面を参照しながら説明する。実施例の姿勢角検出装置は、人の腕や脚等のように、１方向に伸びている部位に取り付けて使用される。図１は、姿勢角検出装置１０を取付部位１００（本実施例では腕）に取り付けた状態を示す外観図であり、図２は姿勢角検出装置１０の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、姿勢角検出装置１０は、本体１２と取付バンド９０を備えている。取付バンド９０によって、本体１２が取付部位１００に取り付けられている。図２に示す各構成部品は、本体１２に内蔵されている。
図２に示すように、姿勢角検出装置１０は、姿勢角センサ２０と、２つの移動量センサ３１、３２と、記憶装置４０と、リセットボタン５０と、演算装置６０と、アンテナ７０を備えている。
【００１３】
姿勢角検出装置１０の動作の説明で参照する座標系について説明する。図１のＸＹＺ座標系は、絶対座標系（地面に固定された座標系）を示している。図１のＸａＹａＺａ座標系は、姿勢角検出装置１０に固定された座標系を示しており、ＸｂＹｂＺｂ座標系は、取付部位１００に固定された座標系を示している。以下では、ＸａＹａＺａ座標系を装置固定座標系と称し、ＸｂＹｂＺｂ座標系を部位固定座標系と称する場合がある。図１では、装置固定座標系（ＸａＹａＺａ座標系）と部位固定座標系（ＸｂＹｂＺｂ座標系）が一致している状態を示している。装置固定座標系の原点は、移動量センサ３１と３２の中点３３に設定されている。Ｘａ軸は、原点３３から移動量センサ３２へ向かう方向に設定されており、Ｙａ軸は本体１２の下面（取付部位１００と接触する面）内でＸａ軸と直交する方向に設定されている。Ｚａ軸は、Ｘａ軸とＹａ軸に交差する方向に設定されている。Ｘｂ軸は、取付部位１００の周方向（湾曲方向）を向いており、Ｙｂ軸は、取付部位１００の長手方向を向いている。Ｚｂ軸は、取付部位１００の表面の垂線方向を向いている。装置固定座標系と部位固定座標系は、演算装置６０が認識している。
【００１４】
姿勢角センサ２０は、絶対座標系（ＸＹＺ座標系）の３軸周りの自己の姿勢角をする。具体的には姿勢角センサ２０は、３軸ジャイロと、ジャイロの出力を積分する積分器から構成されている。姿勢角センサ２０が検出する３軸周りの姿勢角を（θｘ、θｙ、θｚ）で表現する。後述するように、絶対座標系に対する姿勢角センサ２０の姿勢角は、絶対座標系から装置固定座標系への座標変換行列で表現される。姿勢角センサ２０には、従来公知の種々の３軸姿勢角センサを用いることができる。
【００１５】
移動量センサ３１、３２は、本体１２の下面（取付部位１００と接触する面）に設置されている。図１に示すように、移動量センサ３１、３２は、所定距離を隔てて配置されている。移動量センサ３１は、ＣＣＤやＬＥＤ等により構成されており、本体１２が取付部位１００の表面上を移動したときに、自己の移動量を光学的に検出する。移動量センサ３１は、取付部位１００の表面上でＸｂ軸が向いている方向とＹｂ軸が向いている方向の移動量をそれぞれ検出する。すなわち、移動量センサ３１は、移動方向を含めた移動量を検出する。移動量センサ３２も、移動量センサ３１と同様に構成されている。なお、移動量センサ３１、３２として、本体１２の移動に伴って取付部位の表面上を転がるボール等を備え、そのボールの回転量及び回転方向から、方向を含む移動量を検出するタイプのものを採用することもできる。
【００１６】
記憶装置４０には、種々のデータが記憶されている。データのひとつとして、記憶装置４０は、取付部位１００の半径ｒのデータを記憶している。より具体的には、半径ｒは、取付部位１００の形状を円柱で近似し、その近似した円柱の半径ｒである。取付部位１００の半径ｒのデータは、取付部位１００の形状に基づいて決定されており、予め作業者によって記憶装置４０に入力されている。なお、取付部位１００の半径のデータは、取付部位１００の形状に応じてその都度変更してもよいし、取付部位１００の形状に個体差がほとんど無いと考えられる場合には固定値としてもよい。
【００１７】
リセットボタン５０は、図１に示すように、本体１２の上面に設置されている。後に詳述するが、演算装置６０は、移動量センサ３１、３２が検出した移動量を記憶している。リセットボタン５０を押すと、演算装置６０は、記憶している移動量をゼロにリセットする。
【００１８】
演算装置６０は、姿勢角センサ２０と移動量センサ３１、３２と、記憶装置４０と、リセットボタン５０と、アンテナ７０に接続されている。演算装置６０は、移動量センサ３１、３２が検出する移動量に基づいて、姿勢角センサ２０が検出する姿勢角を補正する。
【００１９】
アンテナ７０は、演算装置６０が算出した補正後の姿勢角を、無線により図示しない外部装置（例えば、パソコン等）に送信する。
【００２０】
次に、姿勢角検出装置１０の動作について説明する。
まず、姿勢角検出装置１０を測定対象の人体部位に取り付ける。このとき、図１に示すように、移動量センサ３１、３２を結ぶ直線と直交する方向（装置座標系におけるＹａ軸の方向）が取付部位１００の長手方向と平行となるように取り付ける。
【００２１】
次に、リセットボタン５０を押す。前述したようにこのとき演算装置６０は、過去に移動量センサ３１、３２が検出した移動量をゼロにリセットする。同時に演算装置６０は、装置固定座標系に一致する座標系を新たな部位固定座標系として認識する（図１参照）。以下では、リセットボタン５０を押したときに新たに認識する部位固定座標系の原点を初期位置と称し、このときのＹｂ軸の方向を初期方向と称する。
【００２２】
リセットボタン５０を押した後、演算装置６０は、図３に示すフローチャートの処理を繰り返し実行する。なお、図４は、図３に示すフローチャートに従って演算装置６０が実行する処理を説明する概念図である。まず、図４を参照して、演算装置６０が実行する処理を概説する。図３のフローチャートの各処理については後に詳述する。
演算装置６０は、姿勢角センサ２０が検出する姿勢角（θｘ，θｙ，θｚ）を読み取る。そして、読み取った姿勢角（θｘ，θｙ，θｚ）に基づいて、絶対座標系（ＸＹＺ座標系）を装置固定座標系（ＸａＹａＺａ座標系）に変換する座標変換行列Ｔｓを算出する。座標変換行列Ｔｓは、姿勢角（θｘ，θｙ，θｚ）の関数として表される。すなわち、座標変換行列Ｔｓそのものが、絶対座標系に対する姿勢角検出装置１０の姿勢角を表している。
一方、演算装置６０は、移動量センサ３１、３２の検出値から、装置固定座標系と部位固定座標系の間の相対角度を算出する。相対角度は、装置固定座標系のＹａ軸と部位固定座標系のＹｂ軸がなす角度φと、装置固定座標系のＺａ軸と部位固定座標系のＺｂ軸がなす角度ψで表される。姿勢角検出装置１０は、取付部位１００の表面を移動するので、相対角度φは、取付部位１００の表面に対する垂線（Ｚｂ軸）周りの姿勢角検出装置１０のずれ角（初期位置からのずれ角）に相当する。相対角度ψは、姿勢角検出装置１０が取付部位１００の周方向（Ｘｂ軸の向く方向）に沿って移動したときのずれ角（初期位置からのずれ角）に相当する。相対角度ψは、取付部位１００の長手方向に沿って伸びる線（Ｙｂ軸）周りの姿勢角検出装置１０のずれ角と別言できる。
演算装置６０は、所定の周期で移動量センサ３１、３２の検出値を取り込み、それらを積分し、常に最新の相対角度φと相対角度ψを保持している。
【００２３】
次に、演算装置６０は、相対角度φとψに基づいて、装置固定座標系を部位固定座標系に変換する座標変換行列Ｔｂｓを算出する。即ち、座標変換行列Ｔｂｓは、相対角度φとψの関数として表現される。
次に、座標変換行列Ｔｓと座標変換行列Ｔｂｓから、絶対座標系（ＸＹＺ座標系）を部位固定座標系（ＸｂＹｂＺｂ座標系）に変換する座標変換行列Ｔｂを算出する。座標変換行列Ｔｂそのものが、絶対座標系に対する取付部位１００の姿勢角を意味する。即ち、座標変換行列Ｔｂは、姿勢角センサ２０が検出した姿勢角を相対角度φとψで補正した姿勢角を意味する。
以下、図３のフローチャートの各ステップについて説明する。
【００２４】
ステップＳ２では、演算装置６０は、姿勢角センサ２０が検出する姿勢角（θｘ，θｙ，θｚ）を読み取る。そして、読み取った姿勢角（θｘ，θｙ，θｚ）に基づいて、座標変換行列Ｔｓを算出する。座標変換行列Ｔｓは、以下の数式により算出される。
【００２５】
【数１】
なお、座標変換行列Ｔｓは、絶対座標系（ＸＹＺ座標系）を、Ｘ軸周りにθｘ度、Ｙ軸周りにθｙ度、Ｚ軸周りにθｚ度だけ回転させる回転行列である。
【００２６】
ステップＳ４では、演算装置６０は、移動量センサ３１、３２の検出値（すなわち、移動量と移動方向示すベクトル値）を所定のサンプリング周期で取得するとともに、それらを積分することによって、移動量センサ３１と３２のそれぞれの移動量を算出する。移動量センサ３１の移動量は、取付部位１００の表面における部位固定座標系のＸｂ軸に沿った移動量Ａ１と、Ｙｂ軸に沿った移動量Ｂ１で表される。以下、移動量センサ３１の移動量を２次元ベクトル（Ａ１，Ｂ１）で表現する。同様に、移動量センサ３２の移動量を、２次元ベクトル（Ａ２，Ｂ２）で表現する。２次元ベクトルで表される移動量は、移動量センサ３１、３２の移動方向も表している。
【００２７】
次に演算装置６０は、移動量（Ａ１，Ｂ１）及び（Ａ２，Ｂ２）に基づいて、本体１２の移動量（Ａ３，Ｂ３）を算出する。本体１２の移動量（Ａ３，Ｂ３）は、移動量センサ３１、３２の間の中点３３の位置で表される。また、演算装置６０は、移動量（Ａ１，Ｂ１）及び（Ａ２，Ｂ２）から、相対角度φとψを算出する（ステップＳ６）。
【００２８】
相対角度φの算出方法を説明する。例えば、図５に示すように、本体１２が初期位置（部位固定座標系の原点３３０）から移動している場合を考える。この場合、中点３３の現在の位置（装置固定座標系の原点）と初期位置３３０（部位固定座標系の原点）との差について、Ｙｂ軸方向の差が移動量Ａ３として算出され、Ｘｂ軸方向の差が移動量Ｂ３として算出される。また、Ｙｂ軸とＹａ軸がなす相対角度φが、取付部位の表面の垂線周りの姿勢角検出装置１０のずれ角として算出される。
本体１２の移動量（Ａ３，Ｂ３）は、移動量センサ３１、３２が検出する移動量（Ａ１，Ｂ１）と（Ａ２，Ｂ２）の平均値として算出される。
相対角度φは、以下の数式により算出される。
φ＝ｓｉｎ−１{（Ａ２−Ａ１）／Ｌ}
なお、記号Ｌは、移動量センサ３１、３２間の距離である。
【００２９】
相対角度ψの算出方法を説明する。相対角度ψは、本体１２の移動量（Ａ３，Ｂ３）と、半径ｒに基づいて算出する。
図６は、円柱形状に近似した取付部位１００を中心線Ｃ（取付部位１００の長手方向に伸びる軸）に沿って見た断面図を示している。図示するように、円柱形状に近似することで、取付部位１００の断面は円形として近似される。したがって、移動量Ｂ３は、取付部位１００の円周面上における本体１２の部位固定座標系原点３３０からの位置ずれを示す。この場合、本体１２が原点３３０に存在する場合に比べて、本体１２の姿勢角に相対角度ψだけのずれ角（取付部位１００の長手方向に沿ったＹｂ軸周りの回転ずれ）が生じる。この移動量Ｂ３により生じる姿勢角の相対角度ψは、以下のように算出される。
まず、演算装置６０は、記憶装置４０から取付部位１００の半径ｒを読み出す。半径ｒのデータは、予め記憶装置４０に入力されている。そして、以下の数式により相対角度ψを算出する。
ψ＝Ｂ３／ｒ
【００３０】
次に演算装置６０は、相対角度φとψに基づいて、装置固定座標系を部位固定座標系に変換する座標変換行列Ｔｂｓ算出をする（ステップＳ８）。座標変換行列Ｔｂｓは、相対角度φに基づく変換行列Ｔｂｓφと相対角度ψに基づく変換行列Ｔｂｓψを乗じた形式、即ち、Ｔｂｓ＝Ｔｂｓφ・Ｔｂｓψで求められる。変換行列Ｔｂｓψは、次の数式により求められる。
【００３１】
【数２】
変換行列Ｔｂｓψは、装置固定座標系を、部位固定座標系のＹｂ軸（即ち、取付部位１００の長手軸）の周りに角度ψだけ回転させる回転行列である。
【００３２】
変換行列Ｔｂｓφは、以下の数式により算出される。
【００３３】
【数３】
変換行列Ｔｂｓφは、装置固定座標系を、部位固定座標系のＺｂ軸（即ち、取付部位１００の表面の垂線）の周りに角度φだけ回転させる回転行列である。
【００３４】
変換行列ＴｂｓψとＴｂｓφから、演算装置６０は、以下の数式により座標変換行列Ｔｂｓを算出する。
Ｔｂｓ＝Ｔｂｓψ・Ｔｂｓφ
このように算出した座標変換行列Ｔｂｓは、装置固定座標系を部位固定座標系に変換する行列となる。
【００３５】
ステップＳ１０では、演算装置６０は、座標変換行列Ｔｓと座標変換行列Ｔｂｓに基づいて、座標変換行列Ｔｂを算出する。座標変換行列Ｔｂは、以下の数式により算出される。
Ｔｂ＝Ｔｓ・Ｔｂｓ
このように算出した座標変換行列Ｔｂは、絶対座標系を部位固定座標系に変換する行列となる。即ち、座標変換行列Ｔｂが、絶対座標系に対する取付部位１００の姿勢を表す。座標変換行列Ｔｂは、姿勢角検出装置１０の移動によるずれ角（装置固定座標系と部位固定座標系の間の相対角度φとψ）によって補正された取付部位１００の姿勢角を表す。
【００３６】
最後に演算装置６０は、算出した座標変換行列Ｔｂのデータをアンテナ７０から外部装置（パソコン等）に送信する（ステップＳ１２）。これによって、外部装置で取付部位１００の姿勢角が確認できる。
【００３７】
演算装置６０は、以上に説明した図３の処理を繰り返し実行する。したがって、取付部位１００の姿勢角を経時的に検出することができる。
【００３８】
以上に説明したように、本実施例の姿勢角検出装置１０は、本体１２の初期位置からの移動量（Ａ３，Ｂ３）に基づいて、姿勢角センサ２０が検出した姿勢角を補正する。したがって、本体１２の取付位置が初期位置からずれた場合にも、本体１２が初期位置に位置していたときに検出される姿勢角が算出される。本体１２の位置ずれの影響を受けることなく、正確に取付部位１００の姿勢角を検出することができる。
また、本実施例の姿勢角検出装置１０は、２つの移動量センサ３１、３２を備えている。そして、移動量センサ３１、３２の検出値に基づいて、本体１２の取付部位１００の表面上の垂線周りのずれ角（すなわち、相対角度φ）を算出する。このずれ角に基づいて姿勢角センサ２０が検出した姿勢角を補正するので、垂線周りのずれ角の影響を受けることなく、取付部位１００の姿勢角を正確に検出することができる。
また、本実施例の姿勢角検出装置１０は、取付部位１００の形状を円柱形状として近似する。したがって、本体１２の周方向への移動（すなわち、移動量Ｂ３）と取付部位１００の半径ｒに基づいて、そのずれ角ψを補正する変換行列Ｔｂｓψを算出することができる。このように、取付部位１００の形状を近似して演算を行うことで、取付部位１００の周方向における本体１２の位置ずれの補正を容易に行うことができる。したがって、高速で姿勢角を補正することができる。
また、このように取付部位１００の形状を円柱形状として近似するので、本体１２の長手方向への移動（すなわち、移動量Ａ３）は平行移動とみなすことができる。このため、姿勢角検出装置１０は、本体１２の移動量Ｂ３を用いて（即ち、移動量（Ａ３，Ｂ３）から移動量Ｂ３を抽出して）姿勢角を補正する。移動量Ａ３を姿勢角の補正に用いないので、姿勢角の補正がより容易となり、姿勢角の補正がより高速となる。
【００３９】
なお、上述した姿勢角検出装置１０では、本体１２が記憶装置４０、演算装置６０を備えていたが、これらの構成部品は、外部装置（例えば、パソコン等）に設置してもよい。すなわち、姿勢角センサ２０、移動量センサ３１、３２の検出値をアンテナ７０によって外部装置に送信し、外部装置の演算装置と記憶装置を用いて姿勢角の補正を行ってもよい。
【００４０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】姿勢角検出装置１０の外観図。
【図２】姿勢角検出装置１０のブロック図。
【図３】姿勢角を補正する処理を示すフローチャート。
【図４】姿勢角を補正する処理の概要を説明する図。
【図５】相対角度φを説明する図。
【図６】相対角度ψを説明する図。
【符号の説明】
【００４２】
１０：姿勢角検出装置
１２：本体
２０：姿勢角センサ
３１：移動量センサ
３２：移動量センサ
３３：装置固定座標系の原点
４０：記憶装置
５０：リセットボタン
６０：演算装置
７０：アンテナ
９０：取付バンド
１００：取付部位
３３０：部位固定座標系の原点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体の部位の姿勢角を検出する姿勢角検出装置であって、
人体の部位の表面に取り付けられ、自己の姿勢角を検出する姿勢角センサと、
取付部位の表面を移動したときの姿勢角センサの初期位置からの移動量を検出する移動量検出手段と、
検出された姿勢角を検出された移動量に基づいて補正する演算手段と、
を備えていることを特徴とする姿勢角検出装置。
【請求項２】
移動量検出手段は、取付部位の表面に対する垂線周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角を検出し、
演算手段は、検出された姿勢角を検出されたずれ角に基づいて補正することを特徴とする請求項１に記載の姿勢角検出装置。
【請求項３】
取付部位の断面形状を円形に近似したときのその円形の半径を記憶する記憶手段をさらに備えており、
演算手段は、検出された移動量のうちの前記円形の周方向の成分と前記半径から、前記円形の中心軸周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角を算出し、検出された姿勢角を算出された前記中心軸周りのずれ角に基づいて補正することを特徴とする請求項１または２に記載の姿勢角検出装置。
【請求項４】
演算手段は、検出された移動量のうちの取付部位の長手方向に直交する方向の成分を抽出し、検出された姿勢角を抽出した前記直交方向の成分に基づいて補正することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の姿勢角検出装置。
【請求項１】
人体の部位の姿勢角を検出する姿勢角検出装置であって、
人体の部位の表面に取り付けられ、自己の姿勢角を検出する姿勢角センサと、
取付部位の表面を移動したときの姿勢角センサの初期位置からの移動量を検出する移動量検出手段と、
検出された姿勢角を検出された移動量に基づいて補正する演算手段と、
を備えていることを特徴とする姿勢角検出装置。
【請求項２】
移動量検出手段は、取付部位の表面に対する垂線周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角を検出し、
演算手段は、検出された姿勢角を検出されたずれ角に基づいて補正することを特徴とする請求項１に記載の姿勢角検出装置。
【請求項３】
取付部位の断面形状を円形に近似したときのその円形の半径を記憶する記憶手段をさらに備えており、
演算手段は、検出された移動量のうちの前記円形の周方向の成分と前記半径から、前記円形の中心軸周りの姿勢角センサの初期位置からのずれ角を算出し、検出された姿勢角を算出された前記中心軸周りのずれ角に基づいて補正することを特徴とする請求項１または２に記載の姿勢角検出装置。
【請求項４】
演算手段は、検出された移動量のうちの取付部位の長手方向に直交する方向の成分を抽出し、検出された姿勢角を抽出した前記直交方向の成分に基づいて補正することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の姿勢角検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２６５９１１（Ｐ２００９−２６５９１１Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１４２２１（Ｐ２００８−１１４２２１）
【出願日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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