JP2000292111A - 姿勢位置測定装置及び測定方法 - Google Patents
姿勢位置測定装置及び測定方法Info
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- JP2000292111A JP2000292111A JP11094720A JP9472099A JP2000292111A JP 2000292111 A JP2000292111 A JP 2000292111A JP 11094720 A JP11094720 A JP 11094720A JP 9472099 A JP9472099 A JP 9472099A JP 2000292111 A JP2000292111 A JP 2000292111A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 姿勢と位置を同時に検出することによりデー
タ処理を簡素化し、高速検出を可能とする。 【解決手段】 姿勢位置測定装置５０内の計測領域に３
軸磁界センサであるセンサ１を配置する。２組の第１及
び第２のコイル１０及び２０により、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ｈ
Ｚをそれぞれ発生させる。一様磁界により、センサ１の
ローカル座標系（Ｕ,Ｖ,Ｗ）で測定した磁界を、グロー
バル座標系（Ｘ,Ｙ,Ｚ）に変換して姿勢を測定する。両
端に巻いた１対のコイルである第３のコイル３０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、位置を測定する。
タ処理を簡素化し、高速検出を可能とする。 【解決手段】 姿勢位置測定装置５０内の計測領域に３
軸磁界センサであるセンサ１を配置する。２組の第１及
び第２のコイル１０及び２０により、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ｈ
Ｚをそれぞれ発生させる。一様磁界により、センサ１の
ローカル座標系（Ｕ,Ｖ,Ｗ）で測定した磁界を、グロー
バル座標系（Ｘ,Ｙ,Ｚ）に変換して姿勢を測定する。両
端に巻いた１対のコイルである第３のコイル３０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、位置を測定する。
Description
【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。
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。
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.J
ones: Magnetic Position Tracker.IEEE.Trans.,Vol.AE
S-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, N
O.5, pp.445-453(1998)等参照)。
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.J
ones: Magnetic Position Tracker.IEEE.Trans.,Vol.AE
S-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, N
O.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。
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。
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。
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、直交する３軸方向
に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のコイルで発生された磁界によりセンサの
姿勢を測定し、前記第３のコイルで発生された磁界によ
りセンサの位置を測定する姿勢位置測定装置を提供す
る。
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、直交する３軸方向
に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のコイルで発生された磁界によりセンサの
姿勢を測定し、前記第３のコイルで発生された磁界によ
りセンサの位置を測定する姿勢位置測定装置を提供す
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、直
交する３軸方向に線形勾配磁界を発生し、発生された線
形勾配磁界により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を提供する。
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、直
交する３軸方向に線形勾配磁界を発生し、発生された線
形勾配磁界により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を提供する。
【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。
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。
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ｈ Ｘ、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。
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ｈ Ｘ、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,ａ
ｗｘ）を次式によって求める。
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,ａ
ｗｘ）を次式によって求める。
【００１３】
【数１】
【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。
式の様に定まる。
【００１５】
【数２】
【００１６】この姿勢行列Ａの行列式｜Ａ｜＝１で、各
列ベクトル式（ａｕｘ,ａｖｘ,ａｗ ｘ）、（ａｕｚ,ａ
ｖｚ,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。
列ベクトル式（ａｕｘ,ａｖｘ,ａｗ ｘ）、（ａｕｚ,ａ
ｖｚ,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】
【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。
（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】
【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。
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。
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。
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。
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、９５０
ｍＡ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。
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、９５０
ｍＡ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。
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３
０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。
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３
０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。
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。
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。
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。
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。
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。
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ｇｈ
Ｘ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５ｃ
ｍ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。
明図を示す。図１０では、線形勾配磁界のＸ成分とｇｈ
Ｘ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５ｃ
ｍ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）＝（−０.０１,０.９
７,−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）
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）＝（−０.０１,０.９
７,−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。
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。
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。
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。
【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。
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。
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。
【図１１】線形勾配磁界のＺ成分とｇｈＺの関係説明
図。
図。
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
Claims (8)
- 【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、 直交する３軸方向に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のコイルで発生された磁界によりセン
サの姿勢を測定し、前記第３のコイルで発生された磁界
により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、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軸方向に勾配磁界を発生することを特
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】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乃至３のいずれかに記載の姿勢位置
測定装置。 - 【請求項５】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、 直交する３軸方向に線形勾配磁界を発生し、 発生された線形勾配磁界により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６】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５に記載の姿勢位置測定
方法。 - 【請求項７】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５又
は６に記載の姿勢位置測定方法。 - 【請求項８】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
５乃至７のいずれかに記載の姿勢位置測定方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09472099A JP4291454B2 (ja) | 1999-04-01 | 1999-04-01 | 姿勢位置測定装置及び測定方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000292111A true JP2000292111A (ja) | 2000-10-20 |
| JP4291454B2 JP4291454B2 (ja) | 2009-07-08 |
Family
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|---|---|---|---|
| JP09472099A Expired - Fee Related JP4291454B2 (ja) | 1999-04-01 | 1999-04-01 | 姿勢位置測定装置及び測定方法 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2005037386A (ja) * | 2003-07-01 | 2005-02-10 | Ge Medical Systems Global Technology Co Llc | 単一コイル送信機を使用する電磁追跡システム及び方法 |
| JP2006527841A (ja) * | 2003-06-16 | 2006-12-07 | ソシエテ ド テクノロジー ミシュラン | 地磁界によるタイヤとホイールの組立体の回転数の検出 |
| WO2008096856A1 (ja) * | 2007-02-09 | 2008-08-14 | Asahi Kasei Emd Corporation | 空間情報検出システム及びその検出方法並びに空間情報検出装置 |
| JP2008275395A (ja) * | 2007-04-26 | 2008-11-13 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 位置姿勢検出システム及びその検出方法並びに位置姿勢検出装置 |
| JP2009216424A (ja) * | 2008-03-07 | 2009-09-24 | Kobe Steel Ltd | 磁石位置測定方法および磁場測定装置 |
| CN102590764A (zh) * | 2012-03-02 | 2012-07-18 | 中国医学科学院生物医学工程研究所 | 一种兆赫兹脉冲弱磁场检测实验系统及信号处理系统 |
| CN103995239A (zh) * | 2014-05-09 | 2014-08-20 | 北京航空航天大学 | 一种磁场梯度参数测量新方法 |
| CN106226630A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-12-14 | 卢俊文 | 一种铁路系统低频交流磁场测试系统 |
| WO2018235481A1 (ja) * | 2017-06-21 | 2018-12-27 | 朝日インテック株式会社 | 磁気式の方位・位置測定装置 |
| JP2020148629A (ja) * | 2019-03-13 | 2020-09-17 | 株式会社東芝 | センサチップ |
| CN113928428A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-01-14 | 杭州容大智造科技有限公司 | 一种用于记录货运过程中货箱运动的记录系统 |
| CN118671670A (zh) * | 2024-08-13 | 2024-09-20 | 中国科学技术大学 | 用于标定三轴线圈装置的属性参数的方法、装置和系统 |
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-
1999
- 1999-04-01 JP JP09472099A patent/JP4291454B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| WO2008096856A1 (ja) * | 2007-02-09 | 2008-08-14 | Asahi Kasei Emd Corporation | 空間情報検出システム及びその検出方法並びに空間情報検出装置 |
| JP4875110B2 (ja) * | 2007-02-09 | 2012-02-15 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 空間情報検出システム及びその検出方法並びに空間情報検出装置 |
| JP2008275395A (ja) * | 2007-04-26 | 2008-11-13 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 位置姿勢検出システム及びその検出方法並びに位置姿勢検出装置 |
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| CN103995239B (zh) * | 2014-05-09 | 2016-10-05 | 北京航空航天大学 | 一种磁场梯度参数测量新方法 |
| CN103995239A (zh) * | 2014-05-09 | 2014-08-20 | 北京航空航天大学 | 一种磁场梯度参数测量新方法 |
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| WO2018235481A1 (ja) * | 2017-06-21 | 2018-12-27 | 朝日インテック株式会社 | 磁気式の方位・位置測定装置 |
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| CN110869707B (zh) * | 2017-06-21 | 2022-02-25 | 朝日英达科株式会社 | 磁式方位·位置测量装置 |
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