スポーツ動作計測に関する研究

スポーツ動作計測に関する研究

（A study on motion capture system of various sports using body-mounted inertial sensors）

弘前大学大学院理工学研究科 博士後期課程

博士論文

2013 ^年 12 ^月

北村 政嗣

第

_{章 序論}

第

章 無線慣性計測装置の開発

2.1

^{緒 言}

2.2

無 線 慣 性 計 測 装 置 の 概 要

2.3

ハ ー ド ウェア 構 成 と 試 作

2.4

ソ フ ト ウェア 構 成

2.5

試 作 機 の 動 作 実 験

2.5.1

単 体 で の 動 作 実 験

2.5.2

複 数 台 で の 動 作 実 験

2.5.3

動 作 実 験 に 対 す る 考 察

2.6

表 面 実 装 に よ る

^{の 小 型 化}

2.7

^{結 言}

第

章 投球時上肢の動作計測

i

3.1

^{緒 言}

3.2

^{計 測 原 理}

3.2.1

固 定 座 標 系 で の 加 速 度 導 出

3.2.2

セット ポ ジ ション 時 の

^{算 出 法}

3.2.3

前 腕 ，上 腕 お よ び 胸 部

^の

^{の 関 係}

肘 屈 曲 伸 転 軸 お よ び 肩 内 外 転 軸 の 推 定

3.2.5

初 期 姿 勢 導 出

3.2.6 FM

と 腕 お よ び 体 幹 の 関 係

3.2.7

前 腕 ，上 腕 お よ び 胸 部 の 軌 道 推 定 方 法

3.2.8

速 度 お よ び 位 置 修 正 方 法

3.3

^{実 験 方 法}

3.4

^{結 果}

3.5

^{考 察}

3.6

^{結 言}

第

章 ジャンプ時下肢の動作計測

^{緒 言}

4.2

^{計 測 原 理}

4.2.1

ジャン プ 動 作 推 定 方 法 概 要

4.2.2

初 期 姿 勢 推 定 方 法

4.2.3

運 動 中 の 姿 勢 推 定 方 法

4.2.4

各 関 節 角 度 の 定 義

4.3

^{実 験 方 法}

4.4

^{結 果}

4.5

^{考 察}

4.6

^{結 言}

第

_{章 結論}

参考文献

序論

計測環境を限定せずにヒト の動 作を 計測・解析する技術の確 立は，医療，福祉，健康，スポーツを含む様々な分野において重 要 と なって い る 。特 に ス ポ ー ツ 分 野 で は ，ア ス リ ー ト の 怪 我 や 故障を防ぐために，動作を定量的に分析し，その結果に基づい て動作の改善を行っていくことが必要 とな る

^{。現在，動作計} 測には光学式動作解析装置の利用が一般的である。光学式動作 解析装置は，測定対象を取り囲むように複数台の赤外線カメラ を設置し，測定対象の被験者の関節位置等に赤外線反射マーカ をテープなどで貼り付け，それぞれのカメラで撮影したマーカ の

次 元 座 標 を 利 用 す る こ と で ，

次 元 空 間 で の マ ー カ の 位 置

を

以下の誤差で測定することが可能であり，大規模病院，

大 学 な ど の 研 究 機 関 ，人 間 工 学 分 野 ，心 理 学 分 野 な ど ，幅 広 い 分野で利用されている。光学式動作解析装置を利用した例とし

1

て ，投 球 動 作 の 計 測 や ，投 球 障 害 の 診 断 が 行 わ れ て い る

^。 投 球 障 害 は ス ポ ー ツ 障 害 の

つ で あ り，そ の 主 な 原 因 は 適 切 で はない投球動作であるため，投球障害を予防するためには，適 切な投球動作の指導が不可欠である。このとき，投球動作の指 導には，腕の軌道推定や関節トルクの算出などを行う動作解析 が 有 用 で あ る 。し か し ，投 球 動 作 は 高 速 で あ り，市 販 の ビ デ オ カメラでは計測が困難であるため，専用の計測装置が必要とな る。現在，投球動作の解析に主に使用されている光学式動作解 析装置は，高額で取扱に専門的知識が必要とあるため，学校の 部活などでの利用は困難であり，さらに，計測に赤外線を使用す るため屋外は使用が困難

，マーカが外れやすい，複雑な動 作 を 行った り 障 害 物 が 存 在 し た り す る と ，マ ー カ が 撮 影 で き ず 動 作 計 測 が 不 可 能 と な る

な ど ，様々な 問 題 が 存 在 し て い る 。

一方，これまで身体に装着した加速度センサやジャイロ（角速

度センサ）といった慣性センサ，気圧センサ，地磁気センサ等を

利用した身体装着型動作計測装置の研究が行われている

^。

タイプの加速度センサは，弾性要素と粘性減衰要素によって

保持される質量に加速度が作用したとき，質量の慣性力による

変 位 を 材 料 の ひ ず み 量 や 電 気 容 量 の 変 化 と し て 捕 ら え る こ と

で ，物 体 に 作 用 す る 加 速 度 を 測 定 す る こ と が で き る 。ジャイ ロ

は，往復運動する振動素子が回転したときのコリオリ力を測定 することで，角速度を測定することができる。これらのセンサ を 使 用 し た 動 作 計 測 は ，前 述 の 光 学 式 装 置 と 比 較 し て ，簡 便 ， 安価，低拘束という利点を持つため，スポーツ分野はもちろん の こ と ，福 祉 ，理 学 療 法 分 野 等 か ら も 期 待 さ れ て お り，現 在 ま でに，ヒトの動作時の関節角度を推定する方法

^{や，行動・}

活 動 内 容 を 判 別 す る 方 法

，歩 行 時 の 歩 行 速 度 等 を 計 測 す る 方 法

が 報 告 さ れ て い る 。ま た ，近 年 の

技術の発展により，スマートフォンや 腕 時 計 な ど に も 組 み 込 む こ と が 可 能 と な る ほ ど 小 型・軽 量・高 精 度 化 が 進 ん で い る こ と か ら ，今 後 様々な 目 的 の た め ，あ ら ゆ る装置へ組み込まれることが予想される。このように，身体装 着 型 セ ン サ は 今 後 ま す ま す 広 く 利 用 さ れ る こ と が 予 想 さ れ る が ，高 速 な ス ポ ー ツ の

次 元 高 精 度 無 拘 束 動 作 計 測 に 関 し て は 以 下 の よ う な 問 題 点 が 存 在 す る 。

従来の計測システムは有線のため動 作計 測に悪 影響

慣性センサを利用してヒトの動作を計測するためには，身

体の上下肢に多数のセンサを装着し，測定データを記録す

る 必 要 が あ る が ，こ れ を

カ 所 の デ ー タ ロ ガ ー に 記 録 す る

ためには複数本の信号ケーブルが必要となるため，動作の

妨 げ と な る 可 能 性 が あ る 。

無線通信技術を用いた実時間でのデ ータ 送信は 困難

有線での計測が動作に悪影響を及ぼすという問題を解決す るためには，測定データの無線送信が考えられる。しかし，

高 サ ン プ リ ン グ 周 波 数 で は 単 位 時 間 当 た り に 計 測 さ れ る データ量が多く，更に測定箇所が増大すると，現在の無線通 信 技 術 を 利 用 し て も 実 時 間 で の デ ー タ 送 信 は 困 難 で あ る 。

高速なスポーツ動作の高精度計測に は工 夫が必 要

ス ポ ー ツ 動 作 は 歩 行 動 作 よ り も 高 速 で あ り，生 じ る 加 速 度 や角速度も広い範囲で発生することから，測定範囲の広い 慣性センサを使用して高サンプリング周波数で計測を行う 必要がある。一方で，測定範囲の広い慣性センサは

^比が 小さく電気的ノイズの影響を受けやすいため，動作が低速 の 時 に も 精 度 良 く 計 測 を 行 う た め に は 工 夫 が 必 要 で あ る 。

積分誤差の影響により高精度の経路 推定 が困難

慣性センサを利用して運動時の姿勢や移動経路を推定する た め に は ，加 速 度 や 角 速 度 の 数 値 積 分 が 必 要 であ る。し か し，高精度化が進む加速度センサやジャイロを利用しても，

回路のノイズやセンサドリフトなどによる積分誤差を完全

に 除 去 す る こ と は 不 可 能 で あ り，高 精 度 の 経 路 推 定 は 困 難 で あ る 。

そ こ で 本 論 文 で は ，身 体 装 着 型 慣 性 セ ン サ に よ る 高 速 な ス ポ ー ツ の

次 元 高 精 度 無 拘 束 動 作 計 測を 実現 す るこ と を目 的と し て ，高 速 動 作 に 対 応 す る 無 線 慣 性 計 測 装 置

を 作 成 し ，上 半 身 の 運 動 で あ る 投 球 動 作 お よ び 下 半 身 の 運 動 で あ る ジャン プ 動 作 を 計 測・解 析 す る

次 元 動 作 解 析 シ ス テ ム を 開 発 す る 。

ま ず，高 速 動 作 に 対 応 す る た め に ，高 い サ ン プ リ ン グ 周 波 数

を有し，測定範囲の広い慣性センサと，大容量のデータ記録領

域 を 有 す る

の 開 発 を 行 う。本 論 文 で は ，市 販 の セ ン サ モ

ジュールを統合し，新たな計測装置を設計，作成する。測定デー

タ の 扱 い に つ い て は ，

カ ー ド な ど の 小 型 ス ト レ ー ジ デ

バイスの高容量化と低価格化に伴い，大容量の測定データを実

時間で無線送信せず，装着型センサシステム内にデータを保存

する方法が実用的であると考えられる。このとき，身体各部に

装着したセンサの測定開始や終了などの制御は，無線で行うも

のとする。また，

対多の無線通信が可能なプロトコルを利用す

る こ と で ，速 い 通 信 速 度 を 必 要 と せ ず，か つ 装 着 さ れ た セ ン サ

の数に制限はなくなる。このような無線センサシステムを利用

す る こ と で ，高 速 な ス ポ ー ツ の

次 元 無 拘 束 動 作 計 測 が 可 能 に な る と 考 え る 。試 作 機 に よ り ハ ー ド ウェア お よ び ソ フ ト ウェア の評価を行った上で，試作機を基にして，大きさ

以下，質量

以下と小型軽量化を実現することを目指し，表 面実装基板を利用したセンサシステムを開発し，スポーツ動作 計 測 の 適 用 可 能 性 に つ い て 調 査 す る 。

本論文で対象とするスポーツ動作は，野球の投球動作時の上

半 身 の 動 作 と ，両 足 ジャン プ 時 の 下 半 身 の 動 作 と す る 。有 線 式

の 慣 性 セ ン サ に よ る 投 球 動 作 の 計 測 は，小 田 ら に よって 提 案 さ

れている

^{。本論文では，}

を利用して投球動作時の慣性

情報を測定するとともに，小田らの方法を適用して投球姿勢お

よび関節トルク推定を行い，

の適用可能性について調査

す る 。ま た ，ス ポ ー ツ 動 作 計 測 の 際 に は ，姿 勢 に 加 え ，身 体 が

空中に浮いているジャンプ時の経路や飛距離を正確に測定する

こ と が 重 要 で あ る 。こ れ ま で に ，ジャン プ 動 作 を 放 物 運 動 と 仮

定し，腰部に装着した加速度センサから求めた跳躍時間を使用

し て 垂 直 跳 び に お け る 跳 躍 高 を 算 出 す る 方 法

^{や ，メ ジャー}

によって実測した跳躍距離を利用して立ち幅跳びにおける跳躍

角 度 を 算 出 す る 方 法

が 提 案 さ れ て い る が ，い ず れ も 離 陸 時

と着陸時のセンサの高さが同じであるという仮定や，放物運動

を 仮 定 し て い る た め ，着 陸 時 の セ ン サ の 高 さ が 異 な る 場 合 や ， 姿勢変化による重心位置の移動，外力の作用による軌道の変化 に 対 し て は 正 確 な 軌 道 の 推 定 は 困 難 であった 。こ の 問 題 を 解 決 するためには身体加速度の積分が有効であるが，積分誤差の蓄 積 に よ り，推 定 経 路 に 大 き な 誤 差 が 生 じ る 可 能 性 が あ る 。一 方 佐川らは，足爪先に取り付けた慣性センサから効果的に積分誤 差 を 除 去 し て 歩 行 時 爪 先 の

次 元 軌 跡を 導出 す る方 法 を考 案し た

。そ こ で 本 論 文 で は ，そ の 方 法 を ジャン プ 動 作 の 計 測 に 応用するとともに，両脚の拘束条件，離陸時の速度ベクトルの 導出方法，足の接地状態に対応した姿勢推定などの新たなアル ゴ リ ズ ム を 提 案 し て ，立 ち 幅 跳 び を 行った 時 の 体 幹 と 下 肢 の 動 作 推 定 を 試 み る 。

本 研 究 は ，高 速 動 作 に 対 応 す る

の 開 発 を 行 い ，上 半 身

の 運 動 で あ る 投 球 動 作 と ，下 半 身 の 運 動 で あ る ジャン プ 動 作 の

動作計測法を構築することにより，身体装着型慣性センサによ

る 高 速 な ス ポ ー ツ の

次 元 高 精 度 無 拘束 動作 計 測を 実 現す るこ

とを目的とする。高精度である光学式動作解析装置の使用が困

難な環境で人間の経路や姿勢の計測が実現すれば，光学式モー

ション キャプ チャで は 困 難 な 屋 外 で の ス ポ ー ツ 動 作 の モ ニ タ リ

ングが可能となり，従来の光学式モーションキャプチャと比較し

て安価で取扱が簡便であるため，スポーツ動作のモニタリング が一般の病院や学校の部活動など広く普及することが期待され る 。そ し て ，パ フォー マ ン ス の 向 上 の 確 認 や 故 障 の 予 防 法 の 検 討 ，リ ハ ビ リ テ ー ション 効 果 の 確 認 な ど に 利 用 す る こ と で ，ス ポ ー ツ や 医 学 ，工 学 な ど の 様々な 分 野 に 貢 献 で き る と 考 え る 。

本 論 文 の 各 章 の 構 成 は 以 下 の 通 り で あ る 。

第

章 無線慣性計測装置の開発

身体装着型の無線慣性計測装置の開発について述べる。無 線 慣 性 計 測 装 置 の ハ ー ド ウェア 及 び ソ フ ト ウェア 開 発 を 行 い ，そ の 性 能 を 評 価 す る 。ま た ，試 作 機 を 基 に し て 表 面 実 装 に よ り 小 型 化 を 実 現 す る 。

第

章 投球時上肢の動作計測

慣性センサを使用して投球時の姿勢変化や軌道を推定する 方 法 を 用 い て ，屋 外 で の 投 球 動 作 計 測 に つ い て 述 べる 。人 間 の 上 肢 を

セ グ メ ン ト モ デ ル と し て モ デ ル 化 し ，体 幹 お よ び 前 腕・上 腕 に 装 着 し た 慣 性 セ ン サ の 加 速 度・角 速 度 よ り，投 球 時 の 姿 勢 変 化 や 軌 道 を 推 定 し て ，

^{の 適 用 可} 能 性 に つ い て 述 べ る 。

第

章 ジャンプ時下肢の動作計測

慣性センサを使用してジャンプ 時の 姿勢 変化 や軌 道を 推定 す る 方 法 を 提 案 す る 。人 間 の 下 肢 を

セ グ メ ン ト モ デ ル と してモデル化し，踵下に装着した圧力センサにより足の接 地 状 況 を 検 出 し ，体 幹 お よ び 両 側 の 大 腿・下 腿 に 装 着 し た 慣性センサの加速度・角速度より，ジャンプ時の姿勢変化や 軌道を推定する。また，光学式モーションキャプチャシステ ムとの同時計測実験により，本手法の計測精度評価を行う。

第

_{章 結論}

本論文の結果をまとめる。慣性センサにより人間の動作計

測 を 行 う 本 研 究 の 手 法 に よ り，臨 床 へ 応 用 さ せ る 可 能 性 に

つ い て 述 べ る 。

無線慣性計測装置の開発

2.1

_緒言

現 在 ，ス ポ ー ツ 等 の 動 作 計 測 に は モ ー ション キャプ チャの よ うな光学式動作解析装置の利用が一般的である。光学式動作解 析 装 置 は ，測 定 対 象 を 取 り 囲 む よ う に 複 数 台 の 赤 外 線 カ メ ラ を 設 置 し ，測 定 対 象 の 被 験 者 の 関 節 位 置 等 に 赤 外 線 反 射 マ ー カをテープなどで貼り付け，それぞれのカメラで撮影したマー カ の

次 元 座 標 を 利 用 す る こ と で ，各 時 刻 に お け る

^{次 元 空 間} でのマーカの位置を

以下の誤差で測定 する こと が可 能で あ る 。一 方 で ，光 学 式 動 作 解 析 装 置 は ，高 額 で 取 扱 に 専 門 的 知 識 が 必 要 で あ る た め ，学 校 の 部 活 な ど で の 利 用 は 困 難 で あ り，

さ ら に ，計 測 に 赤 外 線 を 使 用 す る た め 屋 外 は 使 用 が 困 難

^， マ ー カ が 外 れ や す い ，複 雑 な 動 作 を 行った り 障 害 物 が 存 在 し た り す る と ，マ ー カ が 撮 影 で き ず 動 作 計 測 が 不 可 能 と な る

^な

10

ど ，様々な 問 題 が 存 在 し て い る 。そ の た め ，身 体 に 装 着 し た 加 速度センサやジャイロ（角速度センサ）といった慣性センサ，気 圧センサ，地磁気センサ等を利用した身体 装着 型動 作計 測装置 の 研 究 が 行 わ れ て い る

。一 方 で ，身 体 装 着 型 の 装 置 を 利 用 し た 高 速 な ス ポ ー ツ の

次 元 高 精 度無 拘束 動 作計 測 を実 現す る 際 に は ，以 下 の よ う な 問 題 点 が 存 在 す る 。

従来の計測システムは有線のため動 作計 測に悪 影響

慣性センサを利用してヒトの動作を計測するためには，身 体 の 上 下 肢 に 多 数 の セ ン サ を 装 着 し ，測 定 デ ー タ を 記 録 す る 必 要 が あ る 。従 来 ，無 線 慣 性 計 測 装 置 は 一 般 的 で は な く，身 体 に 装 着 し た 慣 性 セ ン サ は

コ ン バ ー タ を 内 蔵 し たデータ計測用のコンピュータ とケ ーブ ルに より 有線 接続 されていたため，ケーブルによる拘束感により動作計測に 悪 影 響 を 及 ぼ す 点 や ，ケ ー ブ ル の 長 さ に よって 計 測 場 所 が 拘 束 さ れ る 点 が 問 題 で あった 。

高速なスポーツ動作の高精度計測に は工 夫が必 要

野球の投球動作において，例えば

^{での投球の場合} の

サ ン プ ル 間 の 手 先 の 移 動 量 は ，サ ン プ リ ン グ 周 波 数 が

^の場合は

^であり，

^の場合は

^である。

こ の こ と か ら ，野 球 の 投 球 動 作 の よ う な 高 速 動 作 では ，高

速 な 動 作 を 計 測 す る た め に は

と い う 高 サ ン プ リ ング 周 波 数 で の 計 測 が 必 要 で あ る 。ま た ，高 速 動 作 で は ，加 速 度や角速度は広い範囲で発生することから，測定範囲の広 い低感度タイプの慣性センサを使用する必要がある。一方，

低感度タイプの慣性センサは電気的ノイズの影響を受けや す い た め ，動 作 が 低 速 の 時 は ，狭 い 測 定 範 囲 を 高 精 度 で 計 測可能な高感度タイプの慣性センサを併用するなど，工夫 が 必 要 で あ る 。し か し ，計 測 す る 信 号 の 本 数 が 増 加 す る た め ，ケ ー ブ ル が 幅 が 太 く な り，重 量 が 増 す こ と で 拘 束 感 が 増 加 す る と い う 問 題 も あ る 。ま た ，当 時 市 販 さ れ て い た 無 線慣性計測装置では

程度のサンプリング周波数まで し か 利 用 で き ず，慣 性 セ ン サ の 測 定 範 囲 も 狭 く，ス ポ ー ツ 動 作 計 測 に は 不 適 で あった 。

無線通信技術を用いた実時間でのデ ータ 送信は 困難

慣性センサで計測したデータの無線送信を考える。例えば，

1

カ所の動作を測定する際，サンプリング周波数を

^と

し，測定範囲の異なる

^{軸加速度センサおよび}

^{軸ジャイロ}

を

^{種類利用し，}

の精度でデータロガーに測定データ

を無線送信する場合，無線通信速度は通信失敗が全くない

状 態 で も 最 低

程 度 必 要 で あ る 。測 定 箇 所 が さ ら

に増大すると，現在の無線通信技術を利用しても実時間で の デ ー タ 送 信 は 困 難 で あ る 。

そこで本章では，身体装着型慣性センサによる高速なスポー ツ の

次 元 高 精 度 無 拘 束 動 作 計 測 を 実現 する こ とを 目 的と して 開発した，無線慣性計測装置

WIMU)

^{について述べる。}

の仕様を決定し，作製した試作

機 に よ り ハ ー ド ウェア 及 び ソ フ ト ウェア の 評 価 を 行った 。ま た ， 試 作 機 を 基 に し て 表 面 実 装 に よ り 小 型 化 を 実 現 し た 。

2.2

無線慣性計測装置の概要

装 着 式 動 作 解 析 装 置 は ，慣 性 セ ン サ（ 加 速 度 セ ン サ・ジャイ ロ），センサからの信号を計測・保存するマイコン・メモリ，計 測制御のための無線通信モジュール

モ ジュー ル

に よって 構 成 さ れ る

^{と ，}

^{に よって 計 測} さ れ た デ ー タ を 処 理・解 析 す る コ ン ピュー タ シ ス テ ム か ら 構 成 される。計測された加速度と角速度を用いて数値計算を行うこ と で ，動 作 中 の

次 元 位 置 や 姿 勢 な ど を 推 定 す る 。

投球動作のような高速動作の場合，光学式動作解析装置のフ

レームレートに相当するサンプリング周波数は

^以上とい

う要求がある。また，動作に影響を与えないためには

^が

小 型・軽 量 で あ る 必 要 が あ り，ケ ー ブ ル に よ る 拘 束 感 は な る べ く 抑 え ら れ な け れ ば な ら な い 。さ ら に ，低 速 動 作 か ら 高 速 動 作 ま で ，広 い 範 囲 で の 加 速 度 お よ び 角 速 度 の 測 定 が 必 要 で あ る。これら全ての要求を満足するため，以下の仕様を実現する

を 開 発 す る 。

1.

計 測 の 開 始 と 終 了 は

モ ジュー ル に よって 制 御 さ れ る 。

慣性センサの計測データは高感度，低感度の両方ともマイ

コ ン で

変 換 し て 取 り 込 ま れ る 。

3.

^{加 速 度}

^{以 上 ，角 速 度}

以 上 に 対 応 。

4.

取 り 込 ま れ た デ ー タ は バ イ ナ リ 形 式 で

^{カ ー ド に 書} き 込 ま れ る 。

2.3

ハードウェア構成と試作

WIMU

の ハ ー ド ウェア 構 成 を

に 示 す。前 節 で 述 べ た 機 能 を 実 現 す る

を 開 発 す る た め ，マ イ コ ン は

^{社 の}

を 使 用 す る 。こ の マ イ コ ン は ，

^{ビット の}

変 換 に 使 用 で き る ピ ン は

^{本 で あ り，}

は

バイトである。また，このマイコンは電源電圧が

で あ り，

の 電 源 を 使 用 す る セ ン サ の 電 圧 を 直 接

^{変 換 す}

る こ と は で き ず，セ ン サ の 出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス も 無 視 で き な

い た め ，

に 示 す よ う に ，セ ン サ の 出 力 端 子 に ボ ル テ ー ジ

フォロ ア を 通 し た 後 で 抵 抗 に よ り 分 圧 し ，

以 下 に 電 圧 を

低 下 さ せ る 必 要 が あ る 。加 速 度 セ ン サ や ジャイ ロ は

^{軸 の デ ー}

タ を 計 測 す る た め ，

^{種 類 あ た り}

本 の 出 力 と な る 。ま た ，広

範囲で加速度や角速度を検出するセンサは検出感度が低く，ノ

イ ズ に よ る 影 響 が 大 き い た め ，検 出 範 囲 の 広 い セ ン サ と 検 出

感度が高いセンサを併用する必要がある。このことから，使用

す る

^{セ ン サ は}

種 類 の 加 速 度 セ ン サ と

種 類 の ジャイ ロ を 使

用 す る 。加 速 度 セ ン サ は 高 感 度 タ イ プ

^，

^{社 ，検 出 範 囲}

^{，感 度}

^，

^{軸 低 加 速 度}

センサ

^を

^{個と，低感度タイプ}

^，

社，検出範囲

^，感度

^，

^{軸高加速度センサ}

^を

^個

使 用 す る 。ジャイ ロ は 高 感 度 タ イ プ

，富 山 村 田 製 作

所 ，検 出 範 囲

^{，感 度}

^，

^{軸 圧 電 振 動}

ジャイロ

^{個と，低感度タイプ}

^，

^社，検出

範囲

^，感度

^，

^{軸ジャイロセンサ}

^を

個使用する。これらのセンサの出力数の合計は

^{本となる。一}

方 ，使 用 す る マ イ コ ン で は ，

変 換 用 の 入 力 ピ ン を

^{本 し か}

持っていない。そのため，

^入力

^{出力のマルチプレクサ}

を使用し，仮想的に入力を

本以上にする。ここでは，マルチ プ レ ク サ は マ イ コ ン の

変 換 入 力 の チャン ネ ル

^，

^，

^{に 接} 続し，入力を

本とする。センサで計測された電圧データはマ イ コ ン に よって

^{ビット で}

変 換 さ れ る た め ，

^{の デ ー タ} を

サ ン プ リ ン グ で 取 得 す る 場 合 の デ ー タ 量 は

^{秒 間 あ た} り

バ イ ト と な る 。こ れ を 無 線 で 通 信 す る 場 合 ，ス タ ー ト ビットやストップビットなどを考慮すると，転送速度は

以 上 必 要 で あ る た め ，

変 換 し た デ ー タ を 無 線 で 逐 次 送 信 す る の は 困 難 で あ る と 考 え る 。こ の た め ，

カ ー ド に デ ー タを書き込む方法を使用する。

^{モジュールは}

^規 格 に 準 拠 し た

^{社 の}

を 使 用 す る 。こ れ ま で 述 べ たハードウェア構成の回路を実際に組み立てた試作機の写真を

^{に ，部 品 表 を}

に 示 す。基 板 中 央 に マ イ コ ン を 配 置 し ，

カ ー ド に デ ー タ を 記 録 す る た め の カ ー ド ラ イ タ は基板右上，

モジュールは基板右下に配置した。写真左下に あ る の が ジャイ ロ セ ン サ で あ る

で ，そ の 右 隣 に あ る の は 他 の セ ン サ を 実 装 し た セ ン サ ユ ニット で あ る 。ま た ，写 真 右 側 に あ る の は 単

^{電 池 が}

本 入 る 電池 ケ ース で あり，こ れ を

個 直 列 に 接 続 し ，

端 子 レ ギュレ ー タ を 使 用 す る こ と で

^や

3.3[V]

の電圧を生成する。この試作機によってハードウェア並び

に次節で述べるソフトウェアに関して，動作検証を行った後に，

表 面 実 装 に よって 小 型 化 を 行 う。

Microcomputer microSD

MUX

sensors Voltage

divider

(Additional AD port)

3 7

4 9 8 10

1 6 RF module

3D Accelerometer High sensitivity 3D Accelerometer Low sensitivity

3D Gyroscope High sensitivity 3D Gyroscope Low sensitivity H/L

Fig.2.1: WIMUの ハ ー ド ウェア 構 成

+

sensor

Micro controller 220

390

Fig.2.2: 分 圧 回 路 。分 圧 比390/610

Battery

3D sensor RF module

Gyroscope

Microcontroller MicroSD

Fig.2.3: 動 作 検 証 の た め のWIMU試 作 機

Table.2.1: WIMU試 作 機 の 部 品 表

部 品 名 型 番 メ ー カ 仕 様

マ イ コ ン dsPIC33FJ128GP802 Microchip Technology

加 速 度 セ ン サ MMA7261QT Freescale Semiconductor ±5[G]

加 速 度 セ ン サ ADXL193 ANALOG DEVICES ±120[G]

ジャイ ロ ENC-03RC 富 山 村 田 製 作 所 ±300[deg/s]

ジャイ ロ MG3-01Ab MicroStone ±4000[deg/s]

RFモ ジュー ル XBee MaxStream

2.4

_{ソフトウェア構成}

Fig.2.4

^に

の 計 測 の 流 れ を 示 す。

は ，計 測 開 始 信 号 を 受 信 す る と ，

の 割 り 込 み に よ り 動 作 を 開 始 す る 。は じ め に

カ ー ド の 初 期 化 を 行 い ，計 測 デ ー タ を 記 録 す る ファイルを開き，計測のためのタイマー割り込みを開始させる。

1[ms]

のタイマー割り込みにより，マルチプレクサ

^を使用

して

^分の

変換を行い，情報量の圧縮などは行わず

に ，

^{あ た り}

バ イ ト の バ イ ナ リ デ ー タ と し て バッファに 一 時 保存し，バッファにデータが溜まったら

^{カードへの書き} 込 み を 行 う。

が 計 測 終 了 信 号 を 受 信 す る と ，タ イ マ ー 割 り 込 み を 停 止 さ せ て 計 測 を 終 了 す る 。

マ ル チ プ レ ク サ を 使 用 し て

分 の セ ン サ 出 力 の

^{変 換 を}

行 う 方 法 に つ い て 説 明 す る 。

に 示 す よ う に ，高 感 度 タ イ

プの加速度センサがチャンネル

^，

^，

に，高感度タイプのジャ

イ ロ が チャン ネ ル

^，

^，

に 接 続 さ れ て お り，チャン ネ ル

^{は 外}

部のセンサが接続可能な拡張入力である。また，マルチプレク

サ の 制 御 信 号 が

レ ベ ル の 時 は 低 感 度 の 加 速 度 セ ン サ，

^{レ ベ}

ルの時は低感度のジャイロの出力が選択されてチャンネル

^，

^，

に 入 力 さ れ る 。こ の た め ，ま ず，マ ル チ プ レ ク サ の 制 御 信 号

が

の 状 態 で ，チャン ネ ル

^{か ら}

^{ま で 順 に}

変 換 を 行い ，高

感 度 タ イ プ の 加 速 度 セ ン サ，高 感 度 タ イ プ の ジャイ ロ ，拡 張 入 力 ，低 感 度 の 加 速 度 セ ン サ，合 わ せ て

分 の セ ン サ の 出 力 を 取 り 込 む 。次 に ，マ ル チ プ レ ク サ の 制 御 信 号 を

^{と し て ，チャ} ンネル

^から

^まで順に

変換を行い，低感度のジャイロの出 力

分 を 取 り 込 む 。こ の 方 法 を 用 い る こ と で ，マ イ コ ン 単 体 では

^本である

変換用の入力を仮想的に

^{本に増やすこと} が 可 能 と な り，加 速 度 セ ン サ と ジャイ ロ に つ い て ，そ れ ぞ れ 高 感 度 タ イ プ と 低 感 度 タ イ プ で あ わ せ て

と ，拡 張 入 力 の

の 合 計

の 計 測 が 可 能 と な る 。

次に，計測データを一時保存するバッファについて説明する。

一 般 に ，記 憶 装 置 に デ ー タ の 書 き 込 み を 行って い る 間 に ，新 た

に計測したデータが書き込み中のデータを上書きすると，デー

タが正常に記録されない。そのため，

個のバッファを使用する

ダブルバッファ方式を採用する。一方のバッファに計測データを

溜 め て い き ，そ の バッファが 埋 まった ら ，計 測 デ ー タ を 溜 め る

バッファを 他 方 の バッファに 切 り 替 え ，空 き 時 間 を 見 つ け て 埋

まったバッファのデータを

カードに書き込む。マイコン

の

^が

バ イ ト で あ り，プ ロ グ ラ ム に 必 要 な 領 域 も あ る

こ と を 考 慮 し ，ダ ブ ル バッファと し て

バ イ ト の バッファを

個 使 用 す る 。

ビット の 精 度 で

チャン ネ ル の ア ナ ロ グ デ ー タ

を

のサンプリング周波数で計測すると，バッファへのテー タの蓄積速度は

である。一方，マイコンから

カ ー ド へ の デ ー タ 転 送 速 度 は

通 信 プ ロト コ ルの 仕 様よ り最 高

で あ る か ら ，お よ そ

と 見 積 も る こ と が で き る 。こ の こ と か ら ，測 定 デ ー タ の

カ ー ド へ の 転 送 速 度 は 十 分 で あ る と 考 え る 。

計 測 開 始 信 号 や 計 測 終 了 信 号 と いった

^{制 御 信 号 は}

^文 字の半角英字（

バイト）とした。試作機の動作実験では，計測 開始と計測終了の両方とも

とした。本研究ではターミナル エ ミュレ ー タ

に よ り シ リ ア ル 通 信 を 行った 。

WIMU

^{の開発環境は，}

^上で

^社の

^{を使用し，}

言語で記述したプログラム を

コンパイラによってコンパイルする。

^の設 定 は

^{社 の}

に よって 行 う。ま た ，

カードへの書き込みは

^社の

^{を 利 用 す} る 。こ の ラ イ ブ ラ リ を 使 用 す る こ と に よ り，

^{カ ー ド に}

形 式 で デ ー タ の 読 み 書 き を 行 う こ と が 可 能 と な る 。

RF

^{モジュールの}

^で

対多の通信を実現するため，送信側

の

の送信先アドレスには同一の

ID

内 で の ブ ロ ー ド キャス ト を 意 味 す る

を 設 定 し た 。ま

た，受信側の

^の

^{は送信側の}

^{と同一の値を設}

定 し た 。

! "$#

&%('

) *

+ ,

&

-

.

/

10 243 5

6 798;:<>=@?

A B

DC E

A B

F

A B

FDG

24H I

JKML N

F " OQP

R

S TVU

W$X Y Z

\[1]

Fig.2.4: デ ー タ 計 測 の フ ロ ー チャー ト

2.5

_{試作機の動作実験}

複数の

を用いて同時に計測を行い，開発した

^の 同時サンプリングに関する適応性を評価する。スタート及びス トップ 信 号 は ，

上 で キ ー ボ ー ド の

を 押 す こ と に よ り，

^{で接続された}

モジュールから送信される。今回はセ ン サ の キャリ ブ レ ー ション は 行 わ ず，デ ー タ シ ー ト に 記 載 さ れ て い る 感 度 と オ フ セット 電 圧 を 用 い る こ と で，セ ン サ の 出 力 電 圧 か ら 加 速 度 や 角 速 度 に 変 換 す る 。

2.5.1

_{単体での動作実験}

は じ め に ，

単 体 で の 動 作 確 認 を 行 う。

^{の 座 標 軸} の取り方は

のように定義する。計測する動作は次の通り で あ る 。

1. WIMU

を 机 の 上 に 静 止 さ せ る 。

2. WIMU

^{を持ち上げ，}

^軸回りに

度だけ回転させて，机に

2

^，

^{秒 ほ ど 置 く。}

3. 2.

^{の 動 作 を}

^{回 行 い ，}

^{軸 周 り に}

回 転 さ せ る 。

4. z

^{軸 回 り に}

度 だ け 回 転 さ せ て ，机 に

^，

^{秒 ほ ど 置 く。}

5. 4.

^{の 動 作 を}

^{回 行 い ，}

^{軸 周 り に}

回 転 さ せ る 。

このような動作を行った時の

^軸加速度

^，

^，

^を

^，

^軸 角速度

^，

^，

^を

に示す。各センサの校正値は

で示されるカタログ値を使用した。そのため，ゼロレベルが実 際 の 値 と 異 なって い る 。実 験 動 作 に 対 応 し て ，

軸 回 り の 角 速 度

^，

軸 回 り の 角 速 度

^{の 順 で}

回 ず つ ピ ー ク が 発 生 し ，そ の タ イ ミ ン グ で

軸 方 向 の 加 速 度

^と

軸 方 向 の 加 速 度

^{が 変} 化 し て い る こ と か ら ，加 速 度 セ ン サ と ジャイ ロ に つ い て ，そ れ ぞれ高感度タイプと低感度タイプであわせて

^{分の測定デー} タの保存と単体での動作が正常に行われていることが確認でき る 。ま た ，高 感 度 セ ン サ の 波 形 の ほ う が ，低 感 度 セ ン サ の 波 形 よ り も ノ イ ズ の 影 響 が 少 な い こ と が わ か る 。

また，シグナルジェネレータで生成した振幅

^，周期

の の こ ぎ り 波 を 全 て の チャン ネ ル に 接 続 す るこ と で，同 一 サ ン プル時刻における，任意のチャンネルにおける計測終了時刻と，

その次のチャンネルにおける計測終了時刻との間の時間差を意

味 す る ，チャン ネ ル 間 ス キュー を 測 定 し た 。チャン ネ ル

^{と チャ}

ンネル

^{で計測された波形を}

に示す。各時刻における

^つ

のチャンネル間の電圧の差の平均

^{であるため，こ}

の 間 の 時 間 差 は

∆t= T

V ×∆V

= 10[ms]

1[V] ×13.2[mV]

= 132[µs] (2.1)

と な り，チャン ネ ル 間 ス キュー は

7−1[ch] = 22[µs] (2.2)

と なった 。こ の こ と か ら ，

分 を 計 測 す る の に 要 す る 時 間 は

22[µs]×(13−1[ch]) = 264[µs] (2.3)

となる。これは，サンプリング周期の

^{と比較して充分に小}

さ い こ と か ら ，開 発 し た

は サ ン プ リ ン グ 周 波 数

^で

利 用 可 能 で あ る こ と が わ か る 。

Table.2.2: セ ン サ の 校 正 値

部 品 名 型 番 感 度 オ フ セット 電 圧

加 速 度 セ ン サ MMA7261QT 120[mV/G] 1.65[V]

加 速 度 セ ン サ ADXL193 18[mV/G] 120[V]

ジャイ ロ ENC-03RC 0.67[mV/deg/s] 1.35[V]

ジャイ ロ MG3-01Ab 0.2[mV/deg/s] 2.4[V]

x y z

WIMU

Fig.2.5: WIMUの 座 標 系

0 5 10 15 20 25 30

−4

−2 0 2

t[s]

a x[G]

0 5 10 15 20 25 30

−4

−2 0 2

t[s]

a y[G]

0 5 10 15 20 25 30

−4

−2 0 2

t[s]

a z[G]

High sensitivity sensor Low sensitivity sensor

+360 +270

+90 +180

+270 +180

+90

+360

Fig.2.6: 単 体 のWIMUで の 動 作 実 験(加 速 度)

0 5 10 15 20 25 30

−200 0 200 400 600

t[s]

ω x[deg/s]

0 5 10 15 20 25 30

−200 0 200 400 600

t[s]

ω y[deg/s]

0 5 10 15 20 25 30

−200 0 200 400 600

t[s]

ω z[deg/s]

High sensitivity sensor Low sensitivity sensor

+360 +90 +180 +270

90 180 270

Fig.2.7: 単 体 のWIMUで の 動 作 実 験(角 速 度)

0 5 10 15 1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

t[ms]

V[V]

CH1   CH7

Fig.2.8: チャン ネ ル 間 ス キュー の 確 認

2.5.2

_{複数台での動作実験}

次 に ，

^を

台 同 時 に 使 用 し た 場 合 に つ い て 調 査 す る 。 こ こ で は ，

^{台 の}

^{の 姿 勢}

セ ン サ の 座 標 軸 の 方 向

^{を 一 致} させ，

台を重ねたまま動作させることで，

^{台の間で計測され} る時間の差を調べる。計測動作は，単体での実験と同じ要領で

^軸，

^軸，

^{軸の順に回転を行う。}

^{カードの容量はどち} らの

^とも同じ

のものを使用した。高感度センサで計 測 さ れ た 加 速 度 を

，高 感 度 セ ン サ で 計 測 さ れ た 角 速 度 を

Fig.2.10

に示す。ここでグラフの線の色は別の

^{で計測され}

たデータを示している。単体の実験と同様に，加速度や角速度 が 計 測 さ れ て い る こ と を 確 認 で き る の で ，

台 同 時 に 使 用 可 能 で あ る と い え る 。

次 に ，

台 の 間 の 時 間 差 を 調 べ る 。こ こ で は

^{台 の}

^を

それぞれ

^，

^，

^{と呼ぶことにする。}

カ ー ド は ，

^{で は}

^{社 の}

^，

^と

^で

は

^{社 の}

の も の を 使 用 す る 。ま た ，投 球 時 の リ リ ー

ス 時 刻 を 測 定 す る リ リ ー ス セ ン サ の 代わ りに ，シ グ ナ ル ジェネ

レータを接続し，全ての

に同一の電圧波形を入力した時

の 計 測 波 形 を 調 べ る 。こ れ に よ り，各

間 で の 測 定 開 始 の

タ イ ミ ン グ や ，サ ン プ リ ン グ 周 波 数 の 差 を 調 査 で き る 。シ グ

ナ ル ジェネ レ ー タ で 生 成 し た 波 形 は

^{か ら}

ま で 変 化 す る

の の こ ぎ り 波 で あ る 。計 測 さ れ た 電 圧 波 形 を

^{に 示} す。

^上は

カードへの記録開始時刻が等しいと仮 定 し た 場 合 で あ る が ，

^{は 他 の}

^{と 比 べ て}

^以 上先に波形が表れている。同じ実験を

^{回行ったが，}

^で計 測された波形は他の

で計測された波形よりも常に

から

だけ早いことが確認された。実際には同一の波形で

あ る か ら ，こ の こ と は

の 計 測 開 始 時 刻 が 遅 れ て い る こ

と を 意 味 す る 。こ の 主 な 原 因 と し て 考 え ら れ る の は ，

カ ー ド の 容 量 が 異 な る た め ，カ ー ド の 初 期 化 に か か る 時 間 に

差が現れたということである。この問題の解決法は，次節で述

べる。一方，

^下は

カードへの記録終了時刻が等

しいと仮定した場合であるが，

^{回の実験で}

^回が

^以内の

差に収まり，最大でも

^{の差であった。また，}

^と他

の

間でのデータ数の一致は見られなかったが，

^と

の デ ー タ 数 は

^{回 の 実 験 で}

回 で 一 致 し た 。こ の こ と か

ら ，各

の サ ン プ リ ン グ 周 波 数 に 差 は な い と 考 え る 。

0 10 20 30 40 50 60

−2

−1 0 1

t[s]

a x[G]

0 10 20 30 40 50 60

−2

−1 0 1

t[s]

a y[G]

0 10 20 30 40 50 60

−2

−1 0 1

t[s]

a z[G]

WIMU1 WIMU2

Fig.2.9: 2台 のWIMUで の 動 作 実 験(加 速 度)

0 10 20 30 40 50 60

−300

−200

−100 0 100 200 300

t[s]

ω x[deg/s]

0 10 20 30 40 50 60

−200

−100 0 100 200 300 400

t[s]

ω y[deg/s]

0 10 20 30 40 50 60

−200

−100 0 100 200 300 400

t[s]

ω z[deg/s]

WIMU1 WIMU2

Fig.2.10: 2台 のWIMUで の 動 作 実 験(角 速 度)

30000 4000 5000 6000 7000 1

2 3 4

t[ms]

V[V]

30000 4000 5000 6000 7000

1 2 3 4

t[ms]

V[V]

終了時刻が同時と仮定

WIMU1 WIMU2 WIMU3  

WIMU1 WIMU2 WIMU3

Fig.2.11: 3台 のWIMUで の 動 作 実 験(同 期 調 査)

2.5.3

_{動作実験に対する考察}

複数の

を同時に使用した場合，複数の

^はほぼ同

時 刻 に 測 定 を 開 始・終 了 し ，セ ン サ で 計 測 し た デ ー タ を 取 得 で

きたことから，今回開発した

の回路及びプログラムを用

い る こ と で 投 球 動 作 を 計 測 で き る 可 能 性 が 高 い こ と が わ かっ

た 。し か し ，複 数 の

で ，計 測 開 始 時 刻 ，計 測 終 了 時 刻 の

どちらも一致していないという問題がある。計測開始時刻が遅

れ る 主 な 原 因 は 上 で 述 べ た よ う に ，

カ ー ド の 初 期 化 に

要 す る 時 間 が カ ー ド の 容 量 に 依 存 す る か ら で あ る 。そ の た め ，

初期化を行ってから改めて計測開始信号を送る方法を検討する

必要がある。また，計測終了時刻が一致しない原因として推測

さ れ る の は ，マ イ コ ン 側 が 受 信 成 功 し た こ と を コン ピュー タに

知らせるために無線通信を行っていることである。

^台の

^モ

ジュー ル

^{親 機}

^{か ら 複 数 の}

^{モ ジュー ル}

^{子 機}

に ブ ロ ー ド キャ

ストした場合，子機に到着する信号の子機間での時間差を測定

し た 結 果 ，

以 下 の 値 と なった 。一 方 ，こ の 時 の 親 機 と 子 機

の間の通信時間は

程度であった。このことから，数十ミリ

秒の時間差の原因は，親機と子機の通信が何度か発生している

ことが考えられる。そのため，センサが動作しているか確認す

る 必 要 が あ る 場 合 に は ，

モ ジュー ル に よ る 無 線 通 信 を 使 わ

ず に ，

を 点 灯 さ せ る な ど 別 の 方 法 を 選 択 す る 必 要 が あ る 。 こ れ ら の 考 察 よ り，

カ ー ド の 初 期 化 を 行った 後 に 改 め て 計 測 開 始 信 号 を 送 る 方 法 に 変 更 し ，計 測 開 始 時 に は

^モ ジュー ル に よ る 無 線 通 信 を 行 わ な い こ と で ，計 測 開 始 時 の 同 期 問題は解決された。また，計測開始に

^{，計測終了に}

^を使 用 し ，そ れ 以 外 の 文 字 に よ り ファイ ル 作 成 を 行 う こ と に し た 。

面の重力加速度によるキャリブレーション用のファイル作成に

c

を割り当てるなど，数種類の文字には特定の動作計測用の ファイ ル 名 を 設 定 し ，そ れ 以 外 の ア ル ファベット で は ，入 力 し た ア ル ファベット と 計 測 の 試 行 番 号 を 組 み 合 わ せ た ファイ ル 名

（ 例：

）と な る よ う に し た 。ファイ ル 名 と し て 試 行 番 号

のみ記録されている場合，複数回の計測を行う際に通信障害に

よ り 計 測 を 行 わ な かった

が 存 在 し た 場 合 ，何 回 目 の 試 行

において計測が行われなかったのかを特定することは困難であ

る 。一 方 ，入 力 し た ア ル ファベット と 計 測 の 試 行 番 号 を 組 み 合

わ せ た ファイ ル 名 と す る 方 法 に よ り，複 数 の

^{で 同 時 計 測}

を 行 う 時 に ，通 信 障 害 に よ り 計 測 を 行 わ な かった

^{が 存 在}

し た 場 合 で も ，何 回 目 の 試 行 に お い て 計 測 が 行 わ れ なかった の

かを特定することが容易となり，通信障害により計測が行われ

な かった 試 行 以 外 の デ ー タ を 確 保 す る こ と が 可 能 と な る 。