特開 2016-211911 姿勢検出装置、姿勢検出方法及び姿勢検出プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-211911(P2016-211911A)

(43)【公開日】2016年12月15日

(54)【発明の名称】姿勢検出装置、姿勢検出方法及び姿勢検出プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01B 21/22 20060101AFI20161118BHJP

【ＦＩ】

   G01B21/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-94015(P2015-94015)

(22)【出願日】2015年5月1日

(71)【出願人】

【識別番号】515119893

【氏名又は名称】株式会社知能機械研究所

(71)【出願人】

【識別番号】391022614

【氏名又は名称】学校法人幾徳学園

(74)【代理人】

【識別番号】100112760

【弁理士】

【氏名又は名称】柴田 五雄

(72)【発明者】

【氏名】兵頭 和人

(72)【発明者】

【氏名】登坂 博和

【テーマコード（参考）】

2F069

【Ｆターム（参考）】

2F069AA83

2F069AA93

2F069BB04

2F069BB40

2F069DD25

2F069GG04

2F069GG41

2F069GG64

(57)【要約】      （修正有）

【課題】簡易に、複数の部位間における３次元姿勢の関係を、精度を確保しつつ検出することができる姿勢検出装置、方法を提供する。
【解決手段】慣性センサ１１０_j（ｊ＝１〜３）が、装着された部位の基準座標系に対する姿勢を検出し、四元数ｑ_jとして出力する。四元数ｑ₁，ｑ₂，ｑ₃を受け、相対姿勢導出部１２０が、絶対値が「１」の正規化四元数Ｎｑ₁，Ｎｑ₂，Ｎｑ₃を算出した後、それらの共役四元数（Ｎｑ₁）^*，（Ｎｑ₂）^*，（Ｎｑ₃）^*を算出する。相対姿勢導出部１２０が、（Ｎｑ₁）^*・Ｎｑ₂を算出することにより、慣性センサ１１０₁の装着部位に対する慣性センサ１１０₂の装着部位の相対姿勢を反映した正規化四元数Ｎｑ₁₂を算出する。相対姿勢導出部１２０が、（Ｎｑ₂）^*・Ｎｑ₃を算出することにより、慣性センサ１１０₂の装着部位に対する慣性センサ１１０₃の装着部位の相対姿勢を反映した正規化四元数Ｎｑ₂₃を算出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１対象物の第１部位に装着され、前記第１部位に固有の３次元座標系である第１座標系において定義される第１方向を基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、前記第１部位の前記第１方向回りの回転角の１成分を検出する第１検出部と；
第２対象物の第２部位に装着され、前記第２部位に固有の３次元座標系である第２座標系において定義される第２方向を前記基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、前記第２部位の前記第２方向回りの回転角の１成分を検出する第２検出部と；
前記第１検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、前記第１検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第１四元数の共役四元数と、前記第２検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、前記第２検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第２四元数との四元数積を算出することにより、前記第１部位に対する前記第２部位の姿勢情報を導出する相対姿勢導出部と；
を備えることを特徴とする姿勢検出装置。

【請求項2】

前記第１対象物と前記第２対象物とは同一物である、ことを特徴とする請求項１に記載の姿勢検出装置。

【請求項3】

前記第１部位の一方の端部と、前記第２部位の一方の端部とは、第１関節機構を介して接続されている、ことを特徴とする請求項２に記載の姿勢検出装置。

【請求項4】

前記第２部位の他方の端部と、一方の端部とが第２関節機構を介して接続された第３部位に装着され、前記第３部位に固有の３次元座標系である第３座標系において定義される第３方向を前記基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、前記第３部位の前記第３方向回りの回転角の１成分を検出する第３検出部を更に備え、
前記相対姿勢導出部は、前記第２四元数の共役四元数と、前記第３検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、前記第３検出部により検出された１成分をスカラ部の１成分とする第３四元数との四元数積を算出することにより、前記第２部位に対する前記第３部位の姿勢情報を導出する、
ことを特徴とする請求項３に記載の姿勢検出装置。

【請求項5】

前記同一物は手部である、ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の姿勢検出装置。

【請求項6】

第１対象物の第１部位に装着され、前記第１部位に固有の３次元座標系である第１座標系において定義される第１方向を基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、前記第１部位の前記第１方向回りの回転角の１成分を検出する第１検出部と；第２対象物の第２部位に装着され、前記第２部位に固有の３次元座標系である第２座標系において定義される第２方向を前記基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、前記第２部位の前記第２方向回りの回転角の１成分を検出する第２検出部と；を備える姿勢検出装置において使用される姿勢検出方法であって、
前記第１検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、前記第１検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第１四元数の共役四元数を算出する第１算出工程と；
前記共役四元数と、前記第２検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、前記第２検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第２四元数との四元数積を算出することにより、前記第１部位に対する前記第２部位の姿勢情報を導出する第２算出工程と；
を備えることを特徴とする姿勢検出方法。

【請求項7】

姿勢検出装置が有するコンピュータに、請求項６に記載の姿勢検出方法を実行させる、ことを特徴とする姿勢検出プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、姿勢検出装置、姿勢検出方法及び姿勢検出プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、人体等の構造体の３次元姿勢の検出は、スポーツフォームの動作分析、スポーツ医療、リハビリテーション患者の生活活動分析、ロボット技術開発等の様々な分野において行われてきている。また、こうした３次元姿勢の検出結果は、アニメーションやゲームなどのキャラクターに人間らしい動きを再現させるためにも利用されている。このように、構造体の３次元姿勢の検出は、広範囲な分野において行われている。

【0003】

かかる構造体の３次元姿勢の検出の一つの技術として、対象部位（例えば、人体の頭部）の複数の所定位置に、赤外線を点滅発光する発光手段をマーカとして固定する技術が提案されている（特許文献１参照：以下、「従来例１」と呼ぶ）。この従来例１の技術では、対象部位を含む赤外線画像を撮影し、当該赤外線画像を用いて発光手段の３次元位置情報を検出する。そして、当該検出結果に基づいて、３次元空間における対象部位の姿勢を検出するようになっている。

【0004】

また、構造体の３次元姿勢の検出の一つの技術として、深度データを利用する技術も提案されている（特許文献２参照：以下、「従来例２」と呼ぶ）。この従来例２の技術では、深度センサに基づいて、頭部のトラッキング、手のトラッキング、姿勢推定等を行うようになっている。

【0005】

さらに、関節機構を介して接続された部位間の姿勢の関係を曲げセンサにより検出する技術が提案されている（特許文献３参照：以下、「従来例３」と呼ぶ）。この従来例３の技術では、曲げセンサが、手指の伸びる方向に沿って当該手指の関節を跨ぐように配置される。そして、曲げセンサによる検出結果に基づいて、関節機構を介して接続された部位間の姿勢関係を取得するようになっている。

【0006】

また、部位間の姿勢の関係を検出する技術ではないが、車両等の３次元姿勢を検出する技術として、四元数（クォータニオン）を利用する技術も提案されている（特許文献４参照：以下、「従来例４」と呼ぶ）。この従来例４の技術では、車両に設けられた車速センサ、２軸加速度センサ及び１軸ジャイロセンサによる検出結果に基づいて、基準座標系（グローバル系）における車両の３次元姿勢を算出するのに際して、四元数の演算子を用いるようになっている。

【0007】

なお、３次元の姿勢の検出や制御に際して四元数を利用することは広く行われており、近年においては、装着された部位の３次元姿勢の検出結果を四元数表現する慣性センサ素子が市販されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００７−１２７５３６号公報

【特許文献2】特表２００７−５１４２１１号公報

【特許文献3】特開２００９−１１２５７８号公報

【特許文献4】特開２００９−０５３０３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述した従来例１の技術では、対象部位の３次元姿勢がいかなる姿勢であっても、マーカから射出された光を検出することができるようになっていなければ、マーカを見失う（いわゆるロストマーカ）問題が発生し得る。かかるロストマーカの問題を発生させないためには、対象部位を隈なく取り囲むように光検出器を配置することが必要となる。この結果、簡易に、対象部位の３次元姿勢を検出できるとはいいがたかった。

【0010】

また、上述した従来例２の技術では、深度センサと対象部位とが正対した場合には、検出精度が著しく低下する。このため、３次元姿勢の精度を確保するためには、検出方向が互いに異なる深度センサを用意することが必要であった。こうした場合には、複数の深度センサによる検出結果の解析も複雑なものとなってしまう。この結果、簡易に、対象部位の３次元姿勢を、検出精度を確保しつつ検出できるとはいいがたかった。

【0011】

また、上述した従来例３の技術では、１軸回りの回転姿勢は検出することが可能であるが、複数軸のそれぞれの軸回りの回転姿勢は検出するが困難である。この結果、対象部位の様々な３次元姿勢を検出できるとはいいがいたい。

【0012】

また、上述した従来例４の技術では、対象物における部位間の姿勢変化を考慮せずに、対象物の基準座標系における３次元姿勢を検出する。この結果、従来例４の技術のみでは、複数の部位間における３次元姿勢の関係を検出することはできない。

【0013】

このため、簡易に、複数の部位間における３次元姿勢の関係を検出することができる技術が望まれている。かかる要請に応えることが、本発明が解決すべき課題の一つとして挙げられる。

【0014】

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、簡易に、複数の部位間における３次元姿勢の関係を、検出精度を確保しつつ検出することができる姿勢検出装置、姿勢検出方法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】

【0015】

本発明の姿勢検出装置は、第１対象物の第１部位に装着され、前記第１部位に固有の３次元座標系である第１座標系において定義される第１方向を基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、前記第１部位の前記第１方向回りの回転角の１成分を検出する第１検出部と；第２対象物の第２部位に装着され、前記第２部位に固有の３次元座標系である第２座標系において定義される第２方向を前記基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、前記第２部位の前記第２方向回りの回転角の１成分を検出する第２検出部と；前記第１検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、前記第１検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第１四元数の共役四元数と、前記第２検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、前記第２検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第２四元数との四元数積を算出することにより、前記第１部位に対する前記第２部位の姿勢情報を導出する相対姿勢導出部と；を備えることを特徴とする姿勢検出装置である。

【0016】

この姿勢検出装置では、第１対象物の第１部位に装着された第１検出部が、第１部位に固有の３次元座標系である第１座標系において定義される第１方向を基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、第１部位の第１方向回りの回転角の１成分を検出する。また、第２対象物の第２部位に装着された第２検出部が、第２部位に固有の３次元座標系である第２座標系において定義される第２方向を基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、第２部位の第２方向回りの回転角の１成分を検出する。

【0017】

次に、相対姿勢導出部が、第１検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、第１検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第１四元数を生成する。また、相対姿勢導出部が、第２検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、第２検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第２四元数を生成する。引き続き、相対姿勢導出部が、第１四元数の共役四元数と第２四元数とをこの順で乗算した四元数積を算出する。かかる四元数積は、第１部位に対する第２部位の３次元相対姿勢の情報となっている。

【0018】

したがって、本発明の姿勢検出装置によれば、第１部位に対する第２部位の３次元相対姿勢を、検出精度を確保しつつ検出することができる。

【0019】

本発明の姿勢検出装置では、前記第１対象物と前記第２対象物とを同一物とすることができる。この場合には、同一構造体における２つの部位間における３次元相対姿勢を検出することができる。例えば、同一の人体の異なる部位間の相対姿勢を検出することができる。

【0020】

ここで、前記第１部位の一方の端部と、前記第２部位の一方の端部とは、第１関節機構を介して接続されているとしてもよい。この場合には、第１関節機構を利用して行われる第１部位に対する第２部位の運動により変化する第１部位に対する第２部位の相対姿勢を検出することができる。例えば、人体の上腕に対する下腕の相対姿勢を検出することができる。

【0021】

さらに、前記第２部位の他方の端部と、一方の端部とが第２関節機構を介して接続された第３部位に装着され、前記第３部位に固有の３次元座標系である第３座標系において定義される第３方向を前記基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、前記第３部位の前記第３方向回りの回転角の１成分を検出する第３検出部を更に備え、前記相対姿勢導出部は、前記第２四元数の共役四元数と、前記第３検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、前記第３検出部により検出された１成分をスカラ部の１成分とする第３四元数との四元数積を算出することにより、前記第２部位に対する前記第３部位の姿勢情報を導出する構成とすることができる。

【0022】

この場合には、第３部位に装着された第３検出部が、第３部位に固有の３次元座標系である第３座標系において定義される第３方向を基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、第３部位の第３方向回りの回転角の１成分を検出する。次に、相対姿勢導出部が、第３検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、第３検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第３四元数を生成する。引き続き、相対姿勢導出部が、第２四元数の共役四元数と第３四元数とをこの順で乗算した四元数積を算出する。かかる四元数積は、第２部位に対する第３部位の３次元相対姿勢の情報となっている。このため、第１部位に対する第２部位の３次元相対姿勢に加えて、第２部位に対する第３部位の３次元相対姿勢を検出することができる。

【0023】

なお、第１対象物と第２対象物とを同一物とする場合には、前記同一物を手部とすることができる。この場合には、指の曲がりに対応する当該指の構成部位間における相対姿勢を検出することができる。

【0024】

本発明の姿勢検出方法は、第１対象物の第１部位に装着され、前記第１部位に固有の３次元座標系である第１座標系において定義される第１方向を基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、前記第１部位の前記第１方向回りの回転角の１成分を検出する第１検出部と；第２対象物の第２部位に装着され、前記第２部位に固有の３次元座標系である第２座標系において定義される第２方向を前記基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、前記第２部位の前記第２方向回りの回転角の１成分を検出する第２検出部と；を備える姿勢検出装置において使用される姿勢検出方法であって、前記第１検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、前記第１検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第１四元数の共役四元数を算出する第１算出工程と；前記共役四元数と、前記第２検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、前記第２検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第２四元数との四元数積を算出することにより、前記第１部位に対する前記第２部位の姿勢情報を導出する第２算出工程と；を備えることを特徴とする姿勢検出方法である。

【0025】

この姿勢検出方法では、第１算出工程において、第１検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、第１検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第１四元数の共役四元数を算出する。引き続き、第２算出工程において、第１四元数の共役四元数と、第２検出部により検出された３成分をベクトル部の成分とし、第２検出部により検出された１成分をスカラ部の成分とする第２四元数とを、この順で乗算した四元数積を算出する。かかる四元数積は、第１部位に対する第２部位の３次元相対姿勢の情報となっている。

【0026】

したがって、本発明の姿勢検出方法によれば、第１部位に対する第２部位の３次元相対姿勢を、検出精度を確保しつつ検出することができる。

【0027】

本発明の姿勢検出プログラムは、姿勢検出装置が有するコンピュータに、本発明の姿勢検出方法を実行させる、ことを特徴とする姿勢検出プログラムである。この姿勢検出プログラムを、姿勢検出装置が有するコンピュータに実行させることにより、姿勢検出装置により、上述した本発明の姿勢検出方法を実施することができる。

【発明の効果】

【0028】

以上説明したように、本発明の姿勢検出装置によれば、簡易に、複数の部位間における３次元姿勢の関係を、検出精度を確保しつつ検出することができる。また、本発明の姿勢検出方法を姿勢検出装置が使用することにより、簡易に、複数の部位間における３次元姿勢の関係を、検出精度を確保しつつ検出することができる。また、本発明の姿勢検出プログラムを姿勢検出装置が有するコンピュータが実行することにより、簡易に、複数の部位間における３次元姿勢の関係を、検出精度を確保しつつ検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の一実施形態に係る姿勢検出装置の構成を示す図である。

【図2】図１の構成要素の配置例を説明するための図である。

【図3】図１の相対姿勢導出部の処理を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、本発明の一実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面においては、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0031】

［本実施形態で利用する原理］
まず、本実施形態で利用する原理について説明する。

【0032】

なお、以下の説明においては、「ｑ」との記載は、四元数を表しているものとする。この四元数ｑは、周知のように、４つの成分を有している。このため、四元数の表記に際しては、「ｑ（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｗ）」とも記載する。ここで、「（Ｘ，Ｙ，Ｚ）」をベクトル成分Ｖ（ｑ）とも呼び、「Ｗ」をスカラ成分Ｓ（ｑ）と呼ぶものとする。

【0033】

また、四元数ｑ₁と四元数ｑ₂との積は、やはり四元数となっている。そして、四元数同士の積については、交換法則が、一般には成立しない。

【0034】

また、四元数ｑの共役四元数を「ｑ^*」と表記するものとする。この共役四元数ｑ^*を成分表示すると、（−Ｘ，−Ｙ，−Ｚ，Ｗ）となる。そして、四元数ｑと共役四元数ｑ^*との積の値は、次の（１）で表される。
ｑ・ｑ^*＝ｑ^*・ｑ＝Ｘ²＋Ｙ²＋Ｚ²＋Ｗ² …（１）
ここで、（ｑ・ｑ^*）^1/2を四元数ｑの絶対値と呼び、｜ｑ｜と記すものとする。

【0035】

このため、絶対値が「１」の正規化四元数Ｎｑが、次の（２）式により算出される。
Ｎｑ＝ｑ／｜ｑ｜ …（２）

【0036】

さて、特定部位に対する固有の３次元座標系において定義される特定方向を、基準３次元座標系において表現した場合の３成分をベクトル成分Ｖ（ｑ）とし、特定部位の当該特定方向回りの回転角をスカラ成分Ｓ（ｑ）とする四元数ｑは、当該特定部位の基準３次元座標における姿勢に対応している。こうして基準３次元座標における特定部位の姿勢に対応する四元数を用いることにより、３次元オイラー角を用いる場合に生じ得るジンバルロックの発生を回避することができるようになっている。

【0037】

かかる基準３次元座標における特定部位の姿勢に対応する四元数による表現を行った場合の第１部位の姿勢に対応する四元数が「ｑ₁」であり、第２部位の姿勢に対応する四元数が「ｑ₂」であったとする。この場合、第１部位に対する第２部位の相対姿勢の四元数を「ｑ₁₂」とすると、次の（３）式が成立する。
ｑ₂＝ｑ₁・ｑ₁₂ …（３）

【0038】

（３）式の両辺に左側から四元数ｑ₁の共役四元数ｑ₁^*を乗じると、次の（４）式の通りとなる。
ｑ₁^*・ｑ₂＝ｑ₁^*・ｑ₁・ｑ₁₂＝｜ｑ₁｜²・ｑ₁₂ …（４）

【0039】

このため、第１部位に対する第２部位の相対姿勢を反映した四元数ｑ₁₂と、第１部位の姿勢を反映した四元数ｑ₁及び第２部位の姿勢を反映した四元数ｑ₂との関係は、次の（５）式で表される通りとなる。
ｑ₁₂∝ｑ₁^*・ｑ₂ …（５）

【0040】

なお、正規化四元数Ｎｑ₁，Ｎｑ₂を用いると、次の（６）式により、第１部位に対する第２部位の相対姿勢を反映した正規化四元数Ｎｑ₁₂が算出される。
Ｎｑ₁₂＝（Ｎｑ₁^*）・Ｎｑ₂ …（６）

【0041】

［構成］
次に、一実施形態に係る姿勢検出装置の構成について説明する。

【0042】

図１に示されるように、本実施形態に係る姿勢検出装置１００は、慣性センサ１１０₁〜１１０₃を備えている。また、姿勢検出装置１００は、相対姿勢導出部１２０を備えている。

【0043】

上記の慣性センサ１１０_j（ｊ＝１〜３）のそれぞれは、対応する部位に固有の３次元座標系において定義される特定方向を基準３次元座標系において表現した場合の３成分、及び、対応する部位の特定方向回りの回転角の１成分を検出する。そして、検出された当該３成分をベクトル成分Ｖ（ｑ_j）とし、検出された当該１成分をスカラ成分Ｓ（ｑ_j）とする四元数ｑ_jを相対姿勢導出部１２０へ送る。

【0044】

なお、慣性センサ１１０_jとしては、検出結果を四元数として出力する市販の慣性センサを採用することができる。

【0045】

上記の相対姿勢導出部１２０は、慣性センサ１１０₁〜１１０₃から送られた四元数ｑ₁〜ｑ₃を受ける。そして、相対姿勢導出部１２０は、四元数ｑ₁〜ｑ₃に基づいて、慣性センサ１１０₁〜１１０₃に対応する部位間の相対姿勢を導出する。そして、相対姿勢導出部１２０は、導出された相対姿勢の情報ＡＴＤを、無線通信を利用して情報処理装置２００へ送信する。

【0046】

なお、相対姿勢導出部１２０による相対姿勢の導出処理については、後述する。

【0047】

図２には、慣性センサ１１０₁〜１１０₃及び相対姿勢導出部１２０の配置位置がしめされている。この図２に示されるように、慣性センサ１１０₁は、人の手部ＨＮＤの手背部に装着される。また、慣性センサ１１０₂は、示指の基節骨対応部位に装着される。また、慣性センサ１１０₃は、示指の中節骨対応部位に装着される。さらに、相対姿勢導出部１２０は、手首部の背面側に装着される。

【0048】

なお、本実施形態では、慣性センサ１１０_j（ｊ＝１〜３）と相対姿勢導出部１２０とは、配線部材ＷＲ_jにより接続されている。そして、慣性センサ１１０_jは、検出結果である四元数ｑ_jを、配線部材ＷＲ_jを介して相対姿勢導出部１２０へ送るようになっている。

【0049】

［動作］
次に、上記のように構成された姿勢検出装置１００の動作について、相対姿勢導出部１２０により行われる相対姿勢の導出処理に主に着目して説明する。

【0050】

なお、慣性センサ１１０_j（ｊ＝１〜３）のそれぞれは既に動作を開始しており、検出結果である四元数ｑ_jを逐次相対姿勢導出部１２０へ送っているものとする。

【0051】

こうした状況のもとで、相対姿勢導出部１２０により行われる相対姿勢の導出処理が行われる。かかる相対姿勢の導出処理では、図３に示されるように、まず、ステップＳ１１において、相対姿勢導出部１２０が、四元数ｑ₁〜ｑ₃を取得する。

【0052】

引き続き、ステップＳ１２において、相対姿勢導出部１２０が、慣性センサ１１０₁の装着部位に対する慣性センサ１１０₂の装着部位の相対姿勢を反映した四元数ｑ₁₂を算出する。また、相対姿勢導出部１２０が、慣性センサ１１０₂の装着部位に対する慣性センサ１１０₃の装着部位の相対姿勢を反映した四元数ｑ₂₃を算出する。

【0053】

かかる算出に際して、相対姿勢導出部１２０は、まず、次の（７）〜（９）式により、正規化四元数Ｎｑ₁，Ｎｑ₂，Ｎｑ₃を算出する。
Ｎｑ₁＝ｑ₁／｜ｑ₁｜ …（７）
Ｎｑ₂＝ｑ₂／｜ｑ₂｜ …（８）
Ｎｑ₃＝ｑ₃／｜ｑ₃｜ …（９）

【0054】

引き続き、相対姿勢導出部１２０は、正規化四元数Ｎｑ₁，Ｎｑ₂，Ｎｑ₃の共役四元数（Ｎｑ₁）^*，（Ｎｑ₂）^*，（Ｎｑ₃）^*を算出する。そして、相対姿勢導出部１２０は、次の（１０），（１１）式により、正規化四元数Ｎｑ₁₂，Ｎｑ₂₃を算出する。
Ｎｑ₁₂＝（Ｎｑ₁）^*・Ｎｑ₂ …（１０）
Ｎｑ₂₃＝（Ｎｑ₂）^*・Ｎｑ₃ …（１１）

【0055】

こうして、ステップＳ１２の処理が終了すると、処理はステップＳ１３へ進む。このステップＳ１３では、相対姿勢導出部１２０が、算出された四元数Ｎｑ₁₂，Ｎｑ₂₃を、慣性センサ１１０₁の装着部位に対する慣性センサ１１０₂の装着部位の相対姿勢、及び、慣性センサ１１０₂の装着部位に対する慣性センサ１１０₃の装着部位の相対姿勢の情報ＡＴＤとして、情報処理装置２００へ送る。

【0056】

次いで、ステップＳ１４において、相対姿勢導出部１２０が、新たな四元数ｑ₁〜ｑ₃を取得する。引き続き、ステップＳ１５において、相対姿勢導出部１２０が、上述したステップＳ１２の場合と同様にして、新たな正規化四元数Ｎｑ₁₂，Ｎｑ₂₃を算出する。そして、ステップＳ１６において、相対姿勢導出部１２０が、ステップＳ１５において新たに算出された正規化四元数Ｎｑ₁₂，Ｎｑ₂₃を、新たな相対姿勢の情報ＡＴＤとして、情報処理装置２００へ送る。

【0057】

こうして、ステップＳ１６の処理が終了すると、処理はステップＳ１４へ戻る。以後、ステップＳ１４〜Ｓ１６の処理が繰り返される。この結果、慣性センサ１１０₁の装着部位に対する慣性センサ１１０₂の装着部位の相対姿勢、及び、慣性センサ１１０₂の装着部位に対する慣性センサ１１０₃の装着部位の相対姿勢が逐次検出され、検出結果が逐次、相対姿勢の情報ＡＴＤとして、情報処理装置２００へ送られる。

【0058】

以上説明したように、本実施形態では、慣性センサ１１０₁が、手部ＨＮＤの手背部位の基準３次元座標系に対する姿勢を検出し、検出結果を四元数ｑ₁として出力する。また、慣性センサ１１０₂が、示指の基節骨対応部位の基準３次元座標に対する姿勢を検出し、検出結果を四元数ｑ₂として出力する。さらに、慣性センサ１１０₃が、示指の中節骨対応部位の基準３次元座標に対する姿勢を検出し、検出結果を四元数ｑ₃として出力する。

【0059】

これらの四元数ｑ₁，ｑ₂，ｑ₃を受けると、相対姿勢導出部１２０が、絶対値が「１」の正規化四元数Ｎｑ₁，Ｎｑ₂，Ｎｑ₃を算出した後、正規化四元数Ｎｑ₁，Ｎｑ₂，Ｎｑ₃の共役四元数（Ｎｑ₁）^*，（Ｎｑ₂）^*，（Ｎｑ₃）^*を算出する。そして、相対姿勢導出部１２０が、上述した（１０），（１１）式により、慣性センサ１１０₁の装着部位に対する慣性センサ１１０₂の装着部位の相対姿勢を反映した正規化四元数Ｎｑ₁₂、及び、慣性センサ１１０₂の装着部位に対する慣性センサ１１０₃の装着部位の相対姿勢を反映した正規化四元数Ｎｑ₂₃を算出する。

【0060】

したがって、本実施形態によれば、手背部位に対する示指の基節骨対応部位の相対姿勢、及び、示指の基節骨対応部位に対する示指の中節骨対応部位の相対姿勢を、簡易に、検出精度を確保しつつ検出することができる。

【0061】

［実施形態の変形］
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

【0062】

例えば、上記の実施形態では、慣性センサ１１０_mの装着部位に対する慣性センサ１１０_nの装着部位の相対姿勢を反映した正規化四元数Ｎｑ_mnを、（Ｎｑ_m）^*・Ｎｑ_ｎを算出することにより求めるようにした。これに対し、慣性センサ１１０_mの装着部位に対する慣性センサ１１０_nの装着部位の相対姿勢を反映した四元数を、（ｑ_m）^*・ｑ_ｎを算出することにより求めるようにしてもよい。

【0063】

また、人の手部における手背部位に対する示指の基節骨対応部位の相対姿勢、及び、示指の基節骨対応部位に対する示指の中節骨対応部位の相対姿勢を検出するようにした。これに対し、示指に代えて、又は、示指と併せて、他の指について、実施形態と同様の姿勢検出を行うようにしてもよい。

【0064】

また、人体における任意の複数の部位間に関する相対姿勢を検出するようにしてもよい。また、人以外の構造体、例えばロボット等の任意の複数の部位間の相対姿勢を検出するようにしてもよい。さらに、同一の構造体における任意の複数の部位間に関する相対姿勢を検出するのではなく、異なる複数の物体における部位間に関する相対姿勢を検出するようにしてもよい。

【0065】

また、上記の実施形態では、慣性センサと相対姿勢導出部とを有線接続するようにしたが、無線通信を利用して接続するようにしてもよい。

【0066】

また、上記の実施形態では、相対姿勢導出部を手首部に装着するようにしたが、人体の他の部位に装着するようにしてもよい。

【0067】

さらに、相対姿勢導出部を人体等の構造体から離隔した位置に配置するようにしてもよい。こうした場合には、情報処理装置の機能の一部として、相対姿勢導出部の機能を実装するようにしてもよい。

【0068】

なお、相対姿勢導出部を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えた演算手段としてのコンピュータとして構成し、予め用意されたプログラムを当該コンピュータで実行することにより、上記の実施形態における相対姿勢導出部の機能を実行するようにしてもよい。このプログラムはハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、当該コンピュータによって記録媒体から読み出されて実行される。また、このプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬型記録媒体に記録された形態で取得されるようにしてもよいし、インターネットなどのネットワークを介した配信の形態で取得されるようにしてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0069】

以上説明したように、本発明の姿勢検出装置は、第１部位に対する第２部位の相対姿勢を検出する姿勢検出装置に適用できる。また、本発明の姿勢検出方法は、姿勢検出装置が第１部位に対する第２部位の相対姿勢を検出する際に使用される方法に適用できる。また、本発明の姿勢検出プログラムは、第１部位に対する第２部位の相対姿勢を検出する際に、姿勢検出装置が有するコンピュータが実行するプログラムに適用できる。

【符号の説明】

【0070】

１００…姿勢検出装置、１１０₁…慣性センサ（第１検出部）、１１０₂…慣性センサ（第２検出部）、１１０₃…慣性センサ（第３検出部）、１２０…相対姿勢導出部、２００…情報処理装置。

【図1】

【図2】

【図3】