JP6700546B2 - 負荷検出方法、負荷検出装置および負荷検出プログラム - Google Patents

Description

本発明は負荷検出方法、負荷検出装置および負荷検出プログラムに関する。

職業性疾病の１つとして、腰痛が知られている。例えば、腰痛は、重い荷物を持ち上げた場合に椎間板や筋肉などに急激な力が加わり損傷することで発症すると言われている。
また、人体の特定箇所に加わる負荷を測定する技術が提案されている。例えば、作業者の体幹に装着された角度センサと、作業者の足底に装着された荷重センサとにより検出された情報に基づいて、腰部に加わる負荷を算出する腰痛予防装置が提案されている。また、膝部と踵部とに３軸加速度計を装着させ、３軸加速度計から測定した加速度に基づいて算出された力積から膝部、踵部に加わる負荷量が計測される技術が提案されている。

特開２０１２−１８３２９１号公報 特開２０１２−１８３２９４号公報

上記の技術では、腰部、膝部、踵部といった人体における特定の部位に加わる負荷を測定できるのみであるという問題がある。
１つの側面では、本発明は、人体のどの部位でも負荷の有無を検出可能な負荷検出方法、負荷検出装置および負荷検出プログラムを提供することを目的とする。

１つの態様では、負荷検出方法が提供される。この負荷検出方法は、コンピュータが、人体に装着された加速度センサによる第１の測定結果に基づいて、人体の部位の傾きを示す第１の角度を算出し、加速度センサとは異なる種類の他のセンサによる人体の第２の測定結果に基づいて、部位の傾きを示す第２の角度を算出し、第１の角度と第２の角度との差分に基づいて、部位にかかる負荷の有無を判定する。

また、１つの態様では、負荷検出装置が提供される。この負荷検出装置は第１の算出部と第２の算出部と判定部とを有する。第１の算出部は、人体に装着された加速度センサによる第１の測定結果に基づいて、人体の部位の傾きを示す第１の角度を算出する。第２の算出部は、加速度センサとは異なる種類の他のセンサによる人体の第２の測定結果に基づいて、部位の傾きを示す第２の角度を算出する。判定部は、第１の角度と第２の角度との差分に基づいて、部位にかかる負荷の有無を判定する。

また、１つの態様では、負荷検出プログラムが提供される。この負荷検出プログラムは、コンピュータに、人体に装着された加速度センサによる第１の測定結果に基づいて、人体の部位の傾きを示す第１の角度を算出し、加速度センサとは異なる種類の他のセンサによる人体の第２の測定結果に基づいて、部位の傾きを示す第２の角度を算出し、第１の角度と第２の角度との差分に基づいて、部位にかかる負荷の有無を判定する、処理を実行させる。

１つの側面では、人体のどの部位でも負荷の有無を検出できる。

第１の実施の形態の負荷検出装置を示す図である。 第２の実施の形態の負荷検出システムを示す図である。 負荷検出装置のハードウェア例を示す図である。 被験者に加速度センサと反射マーカを装着させている状態を示す図である。 負荷検出装置の機能例を示す図である。 センサ角度の算出について示す図である。 負荷判定処理の概要を示す図である。 負荷の発生箇所を特定する処理について示す図である。 負荷判定処理の例を示すフローチャートである。 負荷の向きおよび大きさの算出について示す図である。 ２次元座標に変換する第１の方法を説明するための図である。 ２次元座標に変換する第２の方法を説明するための図である。 第３の実施の形態の負荷検出装置の機能例を示す図である。

以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態の負荷検出装置を示す図である。負荷検出装置１は、第１の算出部１ａ、第２の算出部１ｂ、判定部１ｃおよび演算部１ｄを有する。第１の算出部１ａ、第２の算出部１ｂ、判定部１ｃおよび演算部１ｄは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを含み得る。「プロセッサ」には、複数のプロセッサの集合（マルチプロセッサ）も含まれ得る。

負荷検出装置１は、被験者２の身体の部位２ａにかかる負荷の有無を検出する装置である。部位２ａは、例えば、被験者２の背中や肩など、被験者２の身体の任意の箇所とすることができる。

被験者２は、加速度センサ３を装着する。加速度センサ３は、例えば、３軸加速度センサである。この場合、加速度センサ３は、３軸方向に対する加速度の値を測定する。また、例えば、加速度センサ３は部位２ａに装着されてもよいし、あるいは、部位２ａの周囲の複数箇所に加速度センサ３が装着されてもよい。負荷検出装置１は、加速度センサ３による測定結果を取得することができる。

また、負荷検出装置１は、モーションキャプチャによる被験者２の身体の測定結果を取得することができる。図１では、撮像デバイス４と演算部１ｄとを含む光学式のモーションキャプチャシステム５が例示されている。撮像デバイス４は、被験者２を撮像する。演算部１ｄは、撮像デバイス４による測定値に基づいて、被験者２の身体に関する測定結果を出力する。

例えば、被験者２の部位２ａおよびその周辺に複数のマーカが装着され、撮像デバイス４は、これらのマーカを撮像する。なお、複数台の撮像デバイス４によって異なる位置から各マーカが撮像されてもよい。演算部１ｄは、撮像デバイス４による撮像結果に基づいて、各マーカの３次元空間上の位置を測定する。

なお、演算部１ｄの機能は、負荷検出装置１とは別の装置に実装されてもよい。また、撮像デバイス４としては、例えば、可視領域を撮像するデバイス、赤外領域を撮像するデバイス、これらを組み合わせた複合デバイスなどが用いられてもよい。さらに、モーションキャプチャシステム５としては、光学式のものに限らず、例えば、磁気センサを用いた磁気式などの他の方式を用いたシステムを利用することもできる。

第１の算出部１ａは、加速度センサ３による測定結果を取得する。第２の算出部１ｂは、モーションキャプチャシステム５による測定結果を取得する。これらの測定結果は、同じ時刻に測定されたものである。なお、第１の算出部１ａおよび第２の算出部１ｂは、これらの測定結果をリアルタイムで取得してもよいし、あるいは、記憶装置（図示せず）に蓄積された測定結果の中からこれらの測定結果を取得してもよい。

第１の算出部１ａは、加速度センサ３による測定結果に基づいて、部位２ａの傾きを示す第１の角度を算出する。例えば、第１の算出部１ａは、加速度センサ３が測定したｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の測定値に基づいて、重力の方向を基準とした第１の角度を算出する。第２の算出部１ｂは、モーションキャプチャシステム５による測定結果に基づいて、部位２ａの傾きを示す第２の角度を算出する。なお、第１の角度および第２の角度は、３次元空間上の角度であってもよいし、所定の基準平面上における角度であってもよい。

ここで、部位２ａが動いていないとき、加速度センサ３の測定結果には重力加速度成分のみが含まれ、運動加速度成分が含まれない。このような状態では、加速度センサ３の測定結果に基づく第１の角度には、誤差が発生しにくい。しかし、部位２ａが加速を伴って動いているとき、加速度センサ３の測定結果には重力加速度成分に加えて運動加速度成分も含まれる。このような状態では、第１の角度には、運動加速度成分による誤差が発生する。

一方、モーションキャプチャシステム５による測定結果に基づく第２の角度には、部位２ａが動いているか否かにかかわらず、誤差が発生しにくい。このため、第１の角度と第２の角度との差分が０でない場合には、部位２ａが動いており、第１の角度に運動加速度成分による誤差が発生していると推定される。

判定部１ｃは、このような第１の角度に生じ得る誤差を利用して、部位２ａに負荷がかかっているか否かを判定する。すなわち、判定部１ｃは、第１の角度と第２の角度との差分に基づいて、部位２ａにかかる負荷の有無を判定する。第１の角度と第２の角度とに差分がある場合、その原因は、運動加速度成分によるものである。第１の角度と第２の角度とに差分がある部位２ａには運動加速度が加わっているため、運動の第２の法則（Ｆ＝ｍａ：Ｆは力、ｍは質量、ａは運動加速度）から、部位２ａに負荷がかかっているといえる。このように、判定部１ｃは、第１の角度と第２の角度とに差分がある場合、部位２ａに負荷がかかっていると判定する。なお、負荷がかかっていると判定する部位２ａは、身体の特定の領域に限定してもよいし、広範囲な領域を示してもよい。

以上の第１の実施の形態によれば、負荷検出装置１は、加速度センサ３に基づく角度の算出誤差を利用することで、部位２ａにかかる負荷の有無を正確に判定することができる。また、加速度センサ３の測定値に基づく傾きと、モーションキャプチャによる測定値に基づく傾きは、被験者２の身体のどの部位でも検出可能である。したがって、負荷検出装置１は、このように傾きを検出可能な部位であれば、被験者２の身体のどの部位でも負荷の有無を判定することができる。

なお、上記の例では、モーションキャプチャシステム５による測定結果に基づく第２の角度が算出されているが、傾斜計などのセンサが計測した測定結果に基づいて第２の角度が算出されてもよい。

［第２の実施の形態］
図２は、第２の実施の形態の負荷検出システムを示す図である。負荷検出システムは、負荷検出装置１００、加速度センサ２００ａ，２００ｂ，・・・およびカメラ３００ａ〜３００ｄを含む。負荷検出装置１００、加速度センサ２００ａ，２００ｂ，・・・およびカメラ３００ａ〜３００ｄは、ネットワークを介して接続される。加速度センサの数は、２つに限定されない。カメラの数は、４つに限定されない。

負荷検出装置１００は、図１の負荷検出装置１の一例であり、加速度センサ２００ａ，２００ｂ，・・・は、図１の加速度センサ３の一例であり、カメラ３００ａ〜３００ｄは、図１の撮像デバイス４の一例である。

負荷検出装置１００は、加速度センサ２００ａ，２００ｂ，・・・およびカメラ３００ａ〜３００ｄから取得した情報を解析して、人体の部位に加わる負荷を検出する装置である。

加速度センサ２００ａ，２００ｂ，・・・は、被験者に装着される、いわゆる“ウェアラブルセンサ”である。また、加速度センサ２００ａ，２００ｂ，・・・は、重力方向を基準とした３軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサである。なお、３軸方向がどのように規定されるかについては後述する。

負荷検出装置１００とカメラ３００ａ〜３００ｄとにより、光学式モーションキャプチャシステムが構築される。光学式モーションキャプチャシステムでは、被験者に反射マーカ（以下、マーカという場合がある）が装着される。反射マーカに光を当て反射マーカから反射された光をカメラ３００ａ〜３００ｄが撮像する。負荷検出装置１００は、カメラ３００ａ〜３００ｄが撮像した情報を基に三角測量の原理を用いて、３次元空間における反射マーカの位置（３次元座標）を算出する。

図３は、負荷検出装置のハードウェア例を示す図である。負荷検出装置１００は、プロセッサ１０１、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０２、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）１０３、画像信号処理部１０４、入力信号処理部１０５、読み取り装置１０６および通信インタフェース１０７，１０７ａを有する。

プロセッサ１０１は、負荷検出装置１００全体を制御する。プロセッサ１０１は、複数のプロセッシング要素を含むマルチプロセッサであってもよい。プロセッサ１０１は、例えばＣＰＵ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなどである。また、プロセッサ１０１は、ＣＰＵ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどのうちの２以上の要素の組み合わせであってもよい。

ＲＡＭ１０２は、負荷検出装置１００の主記憶装置である。ＲＡＭ１０２は、プロセッサ１０１に実行させるＯＳのプログラムやアプリケーションプログラムの少なくとも一部を一時的に記憶する。また、ＲＡＭ１０２は、プロセッサ１０１による処理に用いる各種データを記憶する。

ＨＤＤ１０３は、負荷検出装置１００の補助記憶装置である。ＨＤＤ１０３は、内蔵した磁気ディスクに対して、磁気的にデータの書き込みおよび読み出しを行う。ＨＤＤ１０３には、ＯＳのプログラム、アプリケーションプログラム、および各種データが格納される。負荷検出装置１００は、フラッシュメモリやＳＳＤ（Solid State Drive）などの他の種類の補助記憶装置を備えてもよく、複数の補助記憶装置を備えてもよい。

画像信号処理部１０４は、プロセッサ１０１からの命令に従って、負荷検出装置１００に接続されたディスプレイ１１に画像を出力する。ディスプレイ１１としては、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）ディスプレイなど各種のディスプレイを用いることができる。負荷検出装置１００は、ディスプレイ１１を一体に備えてもよい。

入力信号処理部１０５は、負荷検出装置１００に接続された入力デバイス１２から入力信号を取得し、プロセッサ１０１に出力する。入力デバイス１２としては、マウスやタッチパネルなどのポインティングデバイスやキーボードなどの各種の入力デバイスを用いることができる。負荷検出装置１００には、複数の種類の入力デバイスが接続されてもよい。負荷検出装置１００は、入力デバイス１２を一体に備えてもよい。

読み取り装置１０６は、可搬型の記録媒体１３に記録されたプログラムやデータを読み取る装置である。記録媒体１３として、例えば、フレキシブルディスク（ＦＤ：Flexible Disk）やＨＤＤなどの磁気ディスク、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの光ディスク、光磁気ディスク（ＭＯ：Magneto-Optical disk）を使用できる。また、記録媒体１３として、例えば、フラッシュメモリカードなどの不揮発性の半導体メモリを使用することもできる。読み取り装置１０６は、例えば、プロセッサ１０１からの命令に従って、記録媒体１３から読み取ったプログラムやデータをＲＡＭ１０２またはＨＤＤ１０３に格納する。

通信インタフェース１０７は、ネットワークを介して、加速度センサ２００ａ，２００ｂ，・・・と通信を行う。通信インタフェース１０７ａは、ネットワークを介して、カメラ３００ａ〜３００ｄと通信を行う。通信インタフェース１０７，１０７ａは、有線通信インタフェースでもよいし、無線通信インタフェースでもよい。

図４は、被験者に加速度センサと反射マーカを装着させている状態を示す図である。被験者９００の背中には、背骨に沿って直線上に加速度センサと反射マーカが交互に装着される。例えば、被験者９００の背中には、上側から加速度センサ２００ａ、反射マーカ４００ａ、加速度センサ２００ｂ、反射マーカ４００ｂが順に装着される。反射マーカは、所定の間隔で装着される。例えば、所定の間隔とは、６ｃｍである。また、背骨を腰椎などの５つの領域に分けたそれぞれの領域の境目に少なくとも１つの反射マーカが装着されるようにしてもよい。加速度センサは、両側の反射マーカの中間の位置に装着される。なお、後述するように、本実施の形態では、反射マーカの位置が負荷の有無が検出される対象部位となる。

被験者９００は、加速度センサと反射マーカを装着した状態で何らかの動作を行う。負荷検出装置１００は、ネットワークを介して、動作中の被験者９００の背中に装着されている各加速度センサが測定した測定値を取得する。

なお、図４では、背中に加速度センサと反射マーカが装着されているが、他の部位に装着されてもよい。例えば、脇腹に沿って直線上に加速度センサと反射マーカが交互に装着されてもよい。

図５は、負荷検出装置の機能例を示す図である。負荷検出装置１００は、取得部１１０、センサ角度算出部１２０、モーションキャプチャ処理部１３０、座標変換部１４０、マーカ角度算出部１５０、負荷判定部１６０、負荷情報算出部１７０および履歴記憶部１８０を有する。

取得部１１０、センサ角度算出部１２０、モーションキャプチャ処理部１３０、座標変換部１４０、マーカ角度算出部１５０、負荷判定部１６０、負荷情報算出部１７０は、例えば、プロセッサ１０１が実行するプログラムのモジュールとして実装される。履歴記憶部１８０は、例えば、ＲＡＭ１０２またはＨＤＤ１０３に確保した記憶領域として実装される。

取得部１１０は、加速度センサ２００とカメラ３００とから同じ時刻に測定された測定値を取得する。なお、図５の加速度センサ２００は、加速度センサ２００ａ，２００ｂ，・・・を１つにまとめて示したものである。図５のカメラ３００は、カメラ３００ａ〜３００ｄを１つにまとめて示したものである。

取得部１１０は、リアルタイムに加速度センサ２００とカメラ３００とから測定値を取得しなくてもよい。例えば、一旦、加速度センサ２００とカメラ３００とから出力される測定値がＨＤＤ１０３に格納された後、取得部１１０は、ＨＤＤ１０３から同じ時刻に測定された加速度センサ２００とカメラ３００それぞれの測定値を取得する。

取得部１１０が加速度センサ２００から取得する測定値は、加速度センサ毎のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の加速度である。取得部１１０がカメラ３００から取得する情報は、各反射マーカを撮像した情報である。

センサ角度算出部１２０は、各加速度センサが測定した測定値を基に、各加速度センサが装着されている箇所の、被験者から見て左右方向および前後方向それぞれの傾斜角度を算出する。以下、加速度センサの装着箇所の傾斜角度を「センサ角度」と記載する場合がある。本実施の形態では、センサ角度は、加速度センサが装着された位置における背中の傾斜角度を示し、静止している場合、これは加速度センサ自体の傾斜角度と等価である。

なお、加速度センサが被験者に傾いた状態で装着されている場合、センサ角度算出部１２０は、左右方向の傾斜角度を補正したセンサ角度を算出する。加速度センサが被験者に傾いた状態で装着されていない場合、センサ角度算出部１２０は、算出された傾斜角度をそのままセンサ角度とする。

モーションキャプチャ処理部１３０は、カメラ３００から取得した情報を基に三角測量の原理を用いて、各反射マーカの位置（３次元座標）を算出する。なお、これ以後、反射マーカの位置を単に「マーカ位置」と記載する場合がある。

座標変換部１４０は、モーションキャプチャ処理部１３０が算出した各マーカ位置の３次元座標を２次元座標に変換する。具体的には、座標変換部１４０は、マーカ位置の３次元座標を、被験者の前後方向に沿った垂直な平面上の２次元座標と、被験者の左右方向に沿った水平な平面上の２次元座標とに変換する。

マーカ角度算出部１５０は、センサ角度算出部１２０によって算出されたセンサ角度と、座標変換部１４０によって算出されたマーカ位置の２次元座標の両方から、マーカ位置の傾斜角度をそれぞれ個別に算出する。以下、マーカ位置の傾斜角度を「マーカ角度」と記載する場合がある。本実施の形態では、マーカ角度は、反射マーカが装着された位置における背中の傾斜角度を示し、これは反射マーカ自体の傾斜角度と等価である。

マーカ角度算出部１５０は、センサ角度を補間演算し、マーカ位置の角度（マーカ角度）を算出する。具体的には、２つの加速度センサの間に反射マーカが存在するので、マーカ角度算出部１５０は、例えば、当該２つの加速度センサそれぞれの位置でのセンサ角度の平均をマーカ位置の角度とみなす。

また、マーカ角度算出部１５０は、各マーカ位置の２次元座標に基づいて、マーカ位置の角度（マーカ角度）を算出する。例えば、マーカ角度算出部１５０は、算出対象のマーカ位置の反射マーカと、これに隣接する反射マーカのそれぞれの２次元座標から、マーカ角度を算出する。

なお、モーションキャプチャ処理部１３０によって各マーカ位置の傾きが直接算出可能な場合もある。この場合、例えば、マーカ角度算出部１５０は、算出されたマーカ位置の傾きを左右方向と前後方向の各成分に分離する。マーカ角度算出部１５０は、分離された各成分を、上記の２次元座標に基づく左右方向および前後方向の傾きの代わりに出力する。

負荷判定部１６０は、マーカ位置毎に、センサ角度を基に算出されたマーカ角度と、２次元座標を基に算出されたマーカ角度とに差分があるか否かを判定する。角度に差分がある場合、原因は、運動加速度成分により生じた前者のマーカ角度の誤差によるものである。角度に差分があるマーカ位置には運動加速度が加わっているため、運動の第２の法則（Ｆ＝ｍａ：Ｆは力、ｍは質量、ａは運動加速度）から、マーカ位置に負荷が加えられているといえる。そのため、負荷判定部１６０は、角度に差分があるマーカ位置を負荷が加えられている箇所と判定する。負荷判定部１６０は、負荷が加えられている箇所の情報（マーカ番号など）を履歴記憶部１８０に格納する。また、角度に差分がない場合、負荷判定部１６０は、対応するマーカ位置には負荷が加えられていないと判定する。

なお、本実施の形態では負荷の測定箇所をマーカ位置としているが、センサ位置でもよい。具体的には、マーカ角度算出部１５０は、各マーカ位置の２次元座標に基づいて算出されたマーカ角度を補間演算し、センサ位置での角度を算出する。そして、センサ位置毎にセンサ角度と、マーカ角度を基に算出されたセンサ角度とに差分があるか否かを判定してもよい。

負荷情報算出部１７０は、負荷が加えられていると判定されたマーカ位置について、負荷の向きと大きさを算出する。負荷が加えられている向きは運動加速度の向きなので、負荷情報算出部１７０は、運動加速度の向きと大きさを、マーカ位置の周囲に装着された加速度センサの測定値に基づいて算出する。運動加速度の向きが、マーカ位置に加えられている負荷の向きとして出力される。また、運動の第２の法則から、運動加速度の大きさは、負荷の大きさを示す指標として出力される。

また、負荷情報算出部１７０は、負荷の大きさを、現時点で計測された運動加速度と過去に同じマーカ位置で計測された運動加速度の大きさとの比に基づき、過去の計測時での負荷に対する相対的な大きさとして出力してもよい。この場合、負荷情報算出部１７０は、過去に計測された運動加速度を履歴記憶部１８０から取得する。

履歴記憶部１８０は、各マーカ位置での負荷の計測結果の情報を記憶する。例えば、当該情報は、マーカ番号、負荷の有無、負荷の向き、運動加速度または負荷の大きさを含む。

なお、負荷検出装置１００による各センサ位置の負荷の計測は、一定間隔に設定された計測時刻毎に行われる。履歴記憶部１８０は、各計測時刻での負荷の計測結果の情報を蓄積する。蓄積された情報は、負荷情報算出部１７０が、負荷の大きさを相対的な値とし算出する際に利用される。

図６は、センサ角度の算出について示す図である。図６の右上側では、加速度センサ２００ａが被験者９００の背中に装着されていることを示している。
図６の左上側に示すように、加速度センサ２００ａは、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向のそれぞれに対する加速度を測定する。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は、重力ｇの方向に対する相対的な方向として検知される。

ｘ方向は、被験者９００の背中に対して前後方向に直交する方向を示し、ｙ方向は、被験者９００の背中に対して左右方向に直交する方向を示す。本実施の形態では、図６に示すように、ｘ方向については被験者９００の後側方向を正の方向とし、ｙ方向については被験者９００の右側方向を正の方向とする。ｚ方向は、被験者９００の背中に沿った方向を示す。本実施の形態では、図６に示すように、ｚ方向については被験者９００の上側方向を正の方向とする。

センサ角度算出部１２０は、加速度センサによる上記のような測定値に基づいてセンサ角度を算出する。上からｉ番目のセンサ位置でのセンサ角度としては、被験者９００の左右方向に対するセンサ角度θ_iS01と、被験者９００の前後方向に対するセンサ角度θ_iS02とが算出される。なお、ｉは１以上の整数であり、その最大値は加速度センサの個数である。

具体的には、図６の下側に示すように、前後方向に対するセンサ角度θ_iS02は、被験者９００の前後方向を含む垂直な平面における、鉛直上方向に対する角度として算出される。また、図示しないが、左右方向に対するセンサ角度θ_iS01は、被験者９００の左右方向を含む垂直な平面における、鉛直上方向に対する角度として算出される。なお、加速度センサの装着箇所が左右方向に対して傾いていない場合、左右方向に対する角度のずれは０°となる。

図７は、負荷判定処理の概要を示す図である。図７（ｉ）は、センサ位置とマーカ位置の例を示す。図７（ｉ）に示すように、被験者９００には加速度センサと反射マーカとが交互に装着される。本実施の形態では、背骨に沿って加速度センサと反射マーカとが装着される。

センサ角度算出部１２０は、各センサ位置に対応する加速度センサから取得した測定結果に基づいて、各センサ位置での傾斜角度（センサ角度）を算出する。図７（ｉｉ）は、各センサ位置で加速度センサによって測定された測定値を基にセンサ角度が算出されることを示している。

負荷の測定箇所はマーカ位置であることから、マーカ角度算出部１５０は、算出された各センサ位置でのセンサ角度に基づいて、各マーカ位置でのマーカ角度を補間演算により算出する。図７（ｉｉｉ）は、センサ角度を補間演算することでマーカ位置でのマーカ角度が算出されることを示している。マーカ角度は、例えば、対応する反射マーカの上下に存在する２つの加速度センサの位置におけるそれぞれのセンサ角度を平均した角度である。なお、実際には、上からｉ番目のマーカ位置のマーカ角度として、左右方向に対するマーカ角度θ_iS1と、前後方向に対するマーカ角度θ_iS2とが算出される。

これに加え、マーカ角度算出部１５０は、モーションキャプチャによる測定結果に基づく各マーカ位置の２次元座標を用いて、各マーカ位置でのマーカ角度を算出する。図７（ｖ）は、被験者９００に装着される反射マーカの位置のみを示している。図７（ｉｖ）は、マーカ角度算出部１５０により、各マーカ位置の２次元座標に基づいて、マーカ位置でのマーカ角度が算出されることを示している。なお、実際には、上からｉ番目のマーカ位置のマーカ角度として、左右方向に対するマーカ角度θ_iM1と、前後方向に対するマーカ角度θ_iM2とが算出される。

負荷判定部１６０は、図７（ｉｉｉ）のように算出されたマーカ角度と、図７（ｉｖ）のように算出された同じマーカ位置でのマーカ角度とを比較し、角度に差分があるか否かを判定する。負荷判定部１６０は、マーカ角度に差分があるマーカ位置を負荷が加えられている箇所と判定する。

図８は、負荷の発生箇所を特定する処理について示す図である。図８では例として、前後方向に対するマーカ角度についてのみ示す。
被験者の背中には、上から順に反射マーカ４００ａ，４００ｂ，４００ｃ，４００ｄが装着されている。図８（Ａ）は、センサ角度から算出したマーカ角度θ_iS2を示す。例えば、上から１番目の反射マーカ４００ａの位置での前後方向に対するマーカ角度は、「θ_1S2」と表される。図８（Ｂ）は、２次元座標に基づいて算出したマーカ角度θ_iM2を示す。例えば、上から１番目の反射マーカ４００ａの位置での前後方向に対するマーカ角度は、「θ_1M2」と表される。

ここで、ｉ番目のマーカ位置に負荷が加わっている場合、センサ角度に基づくマーカ角度θ_iS2には、動きによって生じる誤差が含まれる。この誤差は、ｉ番目のマーカ位置での加速度センサによる（仮想的な）測定値に、重力加速度成分だけでなく運動加速度成分が含まれることから生じる。一方、ｉ番目のマーカ位置についての２次元座標に基づくマーカ角度θ_iM2には、そのマーカ位置が動いているか否かに起因する誤差が発生しない。

そこで、負荷判定部１６０は、同じマーカ位置でのマーカ角度θ_iS2とマーカ角度θ_iM2との差分を算出する。差分が０でない場合、ｉ番目のマーカ位置には負荷が加えられていると推定できる。例えば、負荷判定部１６０は、１番目の反射マーカ４００ａの位置のマーカ角度θ_1S2とマーカ角度θ_1M2との差分を算出する。算出された差分が０でない場合、負荷判定部１６０は、反射マーカ４００ａの位置を負荷が加えられている箇所と特定する。

このようにして、負荷判定部１６０は、マーカ角度の差分が０でないマーカ位置を負荷が加えられている箇所として特定する。また、マーカ角度に差分がない場合、負荷判定部１６０は、対応するマーカ位置には負荷が加えられていないと判定する。

次に、負荷検出装置１００の処理の詳細について、フローチャートを用いて説明する。
図９は、負荷判定処理の例を示すフローチャートである。以下、図９に示す処理をステップ番号に沿って説明する。

（Ｓ１１）取得部１１０は、各加速度センサが時刻ｔに測定したｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の測定値を取得する。また、取得部１１０は、時刻ｔに各カメラが反射マーカを撮像した情報を取得する。

（Ｓ１２）センサ角度算出部１２０は、ステップＳ１１で取得した各加速度センサの測定値を基に、各加速度センサが装着されたセンサ位置についての左右方向および前後方向それぞれの傾斜角度を算出する。算出される傾斜角度は、重力の方向を基準とした角度として表される。上からｉ番目のセンサ位置での左右方向の傾斜角度φ_iS1、前後方向の傾斜角度φ_iS2は、それぞれ次の式（１−１），（１−２）に従って算出される。なお、Ｘ_iS，Ｙ_iS，Ｚ_iSは、それぞれｉ番目の加速度センサによるｘ方向、ｙ方向、ｚ方向についての加速度の測定値を示す。

（Ｓ１３）センサ角度算出部１２０は、傾斜角度φ_iS1，φ_iS2を補正することで、センサ角度θ_iS01，θ_iS02を算出する。この補正は、加速度センサが傾いた状態で被験者に装着された場合による誤差を低減するためのものである。ここでは、加速度センサのｙ方向が傾いた場合、すなわち、被験者の後側から見たときに加速度センサが左右方向に傾いた状態で装着された場合を想定して、左右方向の傾斜角度φ_iS1を補正する。

基準姿勢（すなわち、加速度センサが被験者に傾いていない状態で装着された場合）で加速度センサの左右方向の傾斜角度をφ_i01と表すと、左右方向、前後方向のセンサ角度θ_iS01，θ_iS02は、次の式（２）に従って算出される。
（θ_iS01，θ_iS02）＝（φ_iS1−φ_i01，φ_iS2） ・・・（２）
センサ平面と左右方向の面は平行であると仮定しているため、センサ角度θ_iS02と傾斜角度φ_iS2は、同じ角度になる。

（Ｓ１４）マーカ角度算出部１５０は、センサ角度を補間演算し、各マーカ位置での左右方向、前後方向のマーカ角度θ_iS1，θ_iS2を算出する。マーカ角度θ_iS1，θ_i
S2は、次の式（３−１），（３−２）に従って算出される。
θ_iS1＝（θ_iS01＋θ_(i+1)S01）／２ ・・・（３−１）
θ_iS2＝（θ_iS02＋θ_(i+1)S02）／２ ・・・（３−２）
このように、２つのセンサ位置でのセンサ角度に基づいて、マーカ位置でのマーカ角度が算出される。例えば、ｉ＝１の場合、マーカ角度算出部１５０は、加速度センサ２
００ａ，２００ｂの位置のセンサ角度を用いて、反射マーカ４００ａの位置のマーカ角度を算出する。なお、２つのセンサ角度からマーカ角度を算出するため、反射マーカ数は、加速度センサ数よりも１つ少ない。

また、他の方法として、マーカ角度算出部１５０は、例えば、各センサ角度の変化を関数によって近似し、その関数を用いてマーカ角度θ_iS1，θ_iS2を算出してもよい。
例えば、マーカ角度算出部１５０は、左右方向、前後方向それぞれについて、センサ位置とセンサ角度との関係を２次関数によって近似し、その２次関数を用いてマーカ角度θ_iS1，θ_iS2を算出する。

（Ｓ１５）モーションキャプチャ処理部１３０は、ステップＳ１１で取得した反射マーカを撮像した情報を基に、三角測量の原理を用いて、マーカ位置を示す３次元座標を算出する。

（Ｓ１６）座標変換部１４０は、算出した各マーカ位置の３次元座標を、被験者の左右方向および前後方向にそれぞれ対応する２次元座標に変換する。
ステップＳ１５，Ｓ１６の処理は、例えば、次のように行われる。カメラによって撮像される際、被験者は、モーションキャプチャにおいて定義される３次元座標系（マーカ座標系）における特定の方向を向くように配置される。例えば、この３次元座標系では、水平面上にｘ軸とｙ軸が設定され、鉛直方向にｚ軸が設定されているとする。そして、被験者は、ｘ軸の方向を向くように配置される。なお、この場合、ｙ軸は被験者の左右方向に伸びる。

ステップＳ１５では、ｉ番目のマーカ位置の３次元座標（Ｘ_iM，Ｙ_iM，Ｚ_iM）が算出される。ステップＳ１６において、座標変換部１４０は、左右方向に対応する２次元座標（Ｘ_iC1，Ｙ_iC1）として（Ｙ_iM，Ｚ_iM）を算出し、前後方向に対応する２次元座標（Ｘ_iC2，Ｙ_iC2）として（Ｘ_iM，Ｚ_iM）を算出する。

なお、ステップＳ１５，Ｓ１６では、後の図１１または図１２で説明する方法が用いられてもよい。
（Ｓ１７）マーカ角度算出部１５０は、ステップＳ１６で変換した各マーカ位置の２次元座標を基に、各マーカ位置のマーカ角度θ_iM1，θ_iM2を算出する。

例えば、ｉ番目のマーカ位置での前後方向についてのマーカ角度θ_iM2は、次の式（４−１），（４−２）に従って算出される。なお、式（４−１）はｉが２以上の場合の計算式であり、式（４−２）はｉ＝１の場合の計算式である。

式（４−２）で示すように、マーカ角度算出部１５０は、最上部（１番目）のマーカ位置のマーカ角度を２番目のマーカ位置のマーカ角度と同じものとみなす。
また、マーカ角度算出部１５０は、マーカ位置のマーカ角度θ_iM2を次の式（５−１），（５−２），（５−３）に従って算出してもよい。なお、式（５−１）はｉ＝マーカ数の場合、式（５−２）は２≦ｉ＜マーカ数の場合、式（５−３）はｉ＝１の場合の計算式である。

なお、ｉ番目のマーカ位置での左右方向についてのマーカ角度θ_iM1は、式（４−１），（４−２），（５−１），（５−２），（５−３）において、θ_iM2の代わりにθ_iM1を代入し、（Ｘ_iC2，Ｙ_iC2）の代わりに（Ｘ_iC1，Ｙ_iC1）を代入することで算出することができる。

（Ｓ１８）負荷判定部１６０は、マーカ位置毎に、センサ角度に基づくマーカ角度と２次元座標に基づくマーカ角度との差分を算出する。具体的には、負荷判定部１６０は、（θ_iS1−θ_iM1）および（θ_iS2−θ_iM2）を算出する。

（Ｓ１９）負荷判定部１６０は、角度に差分があるマーカ位置を負荷が加えられている箇所として特定する。
実際の処理としては、例えば、負荷判定部１６０は、ステップＳ１８において、左右方向および前後方向のそれぞれについてマーカ角度の差分の絶対値を算出し、ステップＳ１９において、算出された絶対値を所定の閾値と比較する。閾値は、０より大きい値に設定される。負荷判定部１６０は、左右方向と前後方向の少なくとも一方について、差分の絶対値が閾値を超える場合に、対応するマーカ位置に負荷が加えられていると判定する。

なお、ステップＳ１９で所定の閾値と比較する値は、マーカ位置における加速度ベクトルを考慮した値とされてもよい。例えば、負荷判定部１６０は、マーカ位置における重力加速度ベクトルＧ_eと、センサから算出したマーカの位置における加速度ベクトルＡ_rを用いて、「Ｇ_e・Ａ_r／（｜｜Ｇ_e｜｜・｜｜Ａ_r｜｜）」という式に従って値Ｈを算出する。マーカ位置における加速度ベクトルＡ_rは、例えば、マーカ位置を挟んだ両側のセンサ位置での加速度の測定値に基づく加速度ベクトルを、平均することで算出される。｜｜Ｇ_e｜｜，｜｜Ａ_r｜｜は、それぞれ重力加速度ベクトルＧ_eおよび加速度ベクトルＡ_rの大きさ（ノルム）を示す。ステップＳ１９では、負荷判定部１６０は、例えば、値Ｈに所定の重み係数を乗算した値と、上記の差分の絶対値とを加算した値と、上記の閾値とを比較することで、マーカ位置に負荷が加えられているかを判定する。

（Ｓ２０）負荷情報算出部１７０は、各ステップＳ１９で負荷が加えられていると特定されたマーカ位置について、負荷の向きと大きさを算出する。
なお、ステップＳ２０において負荷の相対的な大きさを算出するために履歴記憶部１８０内の過去の情報が参照される場合には、ステップＳ２０ではさらに次のような処理が行われる。負荷情報算出部１７０は、負荷の相対的な大きさを算出する過程で得られた運動加速度の値を、マーカ位置を示す識別情報および測定時刻と対応付けて履歴記憶部１８０に登録する。負荷情報算出部１７０は、すべてのマーカ位置について運動加速度の値を履歴記憶部１８０に登録する。ステップＳ１９で負荷が加えられていないと判定されたマーカ位置については、運動加速度＝０と登録される。

なお、以上の図９では、左右方向および前後方向の両方のマーカ角度を用いて処理が実行されたが、例えば、左右方向と前後方向の一方についてのマーカ角度を用いて処理が実行されてもよい。この場合、左右方向と前後方向の一方に対する負荷の有無を検出可能である。

ここで、ステップＳ２０の処理の具体例について、図１０を用いて説明する。
図１０は、負荷の向きおよび大きさの算出について示す図である。はじめに、負荷が加えられている向きは運動加速度の向きなので、負荷情報算出部１７０は、マーカ位置での運動加速度を算出する。運動加速度は、加速度センサの測定値に基づいて算出される。

例えば、負荷が加えられている箇所として、上からｉ番目の反射マーカ４００＿ｉが特定されているものとする。ここで、実際には、反射マーカ４００＿ｉの位置には加速度センサが搭載されていない。そこで、負荷情報算出部１７０は、反射マーカ４００＿ｉの位置での加速度センサによる加速度の仮想的な測定値（ｂ_x，ｂ_y，ｂ_z）を、そのマーカ位置の周囲の複数の加速度センサの測定値から補間演算によって算出する。例えば、測定値（ｂ_x，ｂ_y，ｂ_z）は、ｉ番目の加速度センサの測定値（Ｘ_iS，Ｙ_iS，Ｚ_iS）と、（ｉ＋１）番目の加速度センサの測定値（Ｘ_(i+1)S，Ｙ_(i+1)S，Ｚ_(i+1)S）との平均を、ｘ成分、ｙ成分、ｚ成分のそれぞれについて算出することで得られる。

図１０（Ａ）では、加速度センサの測定値についての座標系（センサ座標系）のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を、それぞれＸ_S、Ｙ_S、Ｚ_Sで表している。また、反射マーカの３次元座標についての座標系（マーカ座標系）のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を、それぞれＸ_M、Ｙ_M、Ｚ_Mで表している。マーカ座標系は、前述のように、モーションキャプチャにおいて定義される３次元座標系である。ここでは例として、マーカ座標系のＸ_M軸の方向は被験者の前方方向であり、Ｙ_M軸の方向は被験者の右方向であり、Ｚ_M軸の方向は鉛直上側方向であるものとする。

また、図１０（Ａ）に示すｂは、反射マーカ４００＿ｉの位置での加速度の測定値（ｂ_x，ｂ_y，ｂ_z）が示す全加速度ベクトルである。全加速度ベクトルｂには、重力加速度ベクトルｇの成分と運動加速度ベクトルａ’の成分とが含まれるため、ｂ＝ｇ＋ａ’という式で表すことができる。重力加速度ｇの向きと大きさは予めわかっているので、負荷情報算出部１７０は、全加速度ベクトルｂと重力加速度ベクトルｇのそれぞれの向きと大きさに基づき、ａ’＝ｂ−ｇという式によって運動加速度ａの向きと大きさを算出することができる。

ただし、図１０（Ａ）に示すようにセンサ座標系とマーカ座標系は異なるため、負荷情報算出部１７０は、センサ座標系の値である測定値（ｂ_x，ｂ_y，ｂ_z）を、マーカ座標系における測定値（ｂ_xM，ｂ_yM，ｂ_zM）に変換する。ここで、反射マーカ４００＿ｉがＹ_S軸を中心に角度θ_iM2だけ傾いているものとする。この場合、Ｙ_M軸はＹ_S軸と一致する。また、この角度θ_iM2は、反射マーカ４００＿ｉの２次元座標を基に算出されたマーカ角度である。

図１０（Ｂ）では、被験者の左右方向から見たときのセンサ座標系とマーカ座標系との関係を表している。マーカ座標系における測定値（ｂ_xM，ｂ_yM，ｂ_zM）は、次の式（６−１），（６−２），（６−３）によって表される。

負荷情報算出部１７０は、変換後の測定値（ｂ_xM，ｂ_yM，ｂ_zM）を用いて、次の式（７）に従って運動加速度ベクトルａ’を算出する。なお、重力加速度ベクトルｇは、（０，０，Ｇ）と表される。

式（７）から、運動加速度ａの向きと大きさを運動加速度ベクトルａ’の向きと大きさとしてそれぞれ算出することができる。負荷が加えられている向きは運動加速度の向きと同じなので、負荷情報算出部１７０は、式（７）が示すベクトルの向きを負荷が加えられている向きとして出力する。

また、負荷の大きさは、運動加速度と質量との乗算値として算出される。検出対象箇所の質量は予め決まる定数であり、各マーカ位置での質量を同一とみなすと、負荷情報算出部１７０は、負荷の大きさを示す指標として、式（７）から算出される運動加速度ａの大きさを出力することができる。

また、他の方法として、負荷情報算出部１７０は、負荷の大きさを示す指標を、前回の測定時刻と今回の測定時刻との相対的な大きさとして出力してもよい。具体的には、負荷情報算出部１７０は、履歴記憶部１８０を参照して、ステップＳ１９で特定したマーカ位置についての時刻（ｔ−１）での運動加速度の大きさ｜｜ａ（ｔ−１）｜｜を取得する。時刻（ｔ−１）での当該マーカ位置での負荷の大きさは、次の式（８−１）によって表される。
｜｜Ｆ（ｔ−１）｜｜＝ｍ・｜｜ａ（ｔ−１）｜｜ ・・・（８−１）
また、負荷検出対象の時刻ｔでの運動加速度の大きさ｜｜ａ（ｔ）｜｜を用いて、ステップＳ１９で特定したマーカ位置での時刻ｔの負荷は、次の式（８−２）によって表される。
｜｜Ｆ（ｔ）｜｜＝ｍ・｜｜ａ（ｔ）｜｜ ・・・（８−２）
負荷情報算出部１７０は、時刻ｔでの負荷の大きさを示す指標として、次の式（８−３）により、相対的な負荷の大きさ｜｜Ｆ（ｔ）｜｜／｜｜Ｆ（ｔ−１）｜｜を算出する。

なお、負荷情報算出部１７０は、負荷の大きさを示す指標として、運動加速度の代わりに力積や運動量を用いてもよい。
ところで、ステップＳ１６での各マーカ位置を示す３次元座標を２次元座標に変換する処理は、以下の２つの方法を用いて実行されてもよい。１つ目の方法について、図１１を用いて説明する。

図１１は、２次元座標に変換する第１の方法を説明するための図である。図１１では、モーションキャプチャにより、Ｘ_p，Ｙ_p，Ｚ_p軸によって表される３次元空間における各反射マーカの座標が特定されているものとする。Ｘ_p軸およびＹ_p軸は水平面に沿っており、Ｚ_p軸の方向は鉛直方向である。

座標変換部１４０は、主成分分析を用いて、各反射マーカのＸ_p，Ｙ_pの値（座標）の分散が最大となる固有ベクトルを算出する。図１１では、固有ベクトルをｑ₁で表している。例えば、図１１では、被験者がベクトルｑ₁の方向に前屈しているので、各反射マーカのＸ_p，Ｙ_pの値の分散が最大となる方向は、ベクトルｑ₁の向きである。この場合、各反射マーカは、ｑ₁−Ｚ_p平面に存在する。

ただし、被験者の動きが前後方向であるかはわからない。そこで、座標変換部１４０は、例えば、加速度センサによって検出された加速度変化が前後方向のみであると判定した場合に、各反射マーカはｑ₁−Ｚ_p平面に存在すると判定する。また、他の方法としては、被験者に前後方向にのみ動くように指示が与えられてもよい。

座標変換部１４０は、反射マーカ毎に、反射マーカのＸ_p，Ｙ_pの値と方向ｑ₁との内積を算出する。これにより、Ｘ_p，Ｙ_pの値（座標）が、ベクトルｑ₁上に射影される。座標変換部１４０は、各反射マーカを表した３次元座標について、算出した内積の値をＸ_iC2、Ｚ_pの値をＹ_iC2に設定した２次元座標（Ｘ_iC2，Ｙ_iC2）に変換する。
なお、以上の説明では被験者が前後方向に動いた場合について示したが、左右方向に動く場合でも同様の処理によって２次元座標に変換できる。ただし、上記の第１の方法では、左右方向と前後方向の一方に対応する２次元座標にのみ変換可能である。

次に、２つ目の方法について、図１２を用いて説明する。図１２は、２次元座標に変換する第２の方法を説明するための図である。図１２では、モーションキャプチャにより、Ｘ_r，Ｙ_r，Ｚ_r軸によって表される３次元空間における各反射マーカの座標が特定されているものとする。Ｘ_r軸およびＹ_r軸は水平面に沿っており、Ｚ_r軸の方向は鉛直方向である。

図１２では、背中以外に被験者の両肩にも反射マーカ４０１ａ，４０１ｂが装着される。また、反射マーカ４０１ａ，４０１ｂは、両肩以外の箇所に装着されてもよい。例えば、被験者の両腕に反射マーカ４０１ａ，４０１ｂが装着される。反射マーカ４０１ａ，４０１ｂは、背骨の位置よりも左右方向にずれた位置に装着される。

座標変換部１４０は、反射マーカ４０１ａ，４０１ｂをＸ_r−Ｙ_r平面に射影する。射影した反射マーカ４０１ａ，４０１ｂの位置をそれぞれ点Ｒ₁，Ｒ₂とする。座標変換部１４０は、原点Ｑから、点Ｒ₁，Ｒ₂を含む直線に直交するベクトルｑ₂を算出する。座標変換部１４０は、反射マーカ毎に、反射マーカのＸ_r，Ｙ_rの各成分の値とベクトルｑ₂との内積を算出する。これにより、Ｘ_r，Ｙ_rの値（座標）が、ベクトルｑ₂上に射影される。座標変換部１４０は、各反射マーカを表した３次元座標について、算出した内積の値をＸ_iC2、Ｚ_rの値をＹ_iC2に設定した、前後方向についての２次元
座標（Ｘ_iC2，Ｙ_iC2）に変換する。

また、座標変換部１４０は、Ｘ_r−Ｙ_r平面においてベクトルｑ₂に直交するベクトルｑ₃を算出する。座標変換部１４０は、反射マーカ毎に、反射マーカのＸ_r，Ｙ_rの値とベクトルｑ₃との内積を算出する。これにより、Ｘ_r，Ｙ_rの値（座標）が、ベクトルｑ₃上に射影される。座標変換部１４０は、各反射マーカを表した３次元座標について、算出した内積の値をＸ_iC1、Ｚ_rの値をＹ_iC1に設定した、左右方向についての
２次元座標（Ｘ_iC1，Ｙ_iC1）に変換する。

このように、２つの方法を用いて、各マーカ位置を示す３次元座標を２次元座標に変換することもできる。
第２の実施の形態によれば、加速度センサとモーションキャプチャとを用いて、被験者に加わる負荷の箇所を特定できる。そして、特定した箇所に加わる負荷の向きおよび負荷の大きさを特定できる。負荷の検出箇所は、傾きを算出可能な箇所であれば被験者の身体のどの箇所にも設定できる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態を説明する。前述の第２の実施の形態との相違する事項を主に説明し、共通する事項の説明を省略する。

第２の実施の形態では、加速度センサとモーションキャプチャとを用いて、被験者に加わる負荷の箇所を特定した。第３の実施の形態では、加速度センサと傾斜計とを用いて、被験者に加わる負荷の箇所を特定する機能を提供する。

第３の実施の形態では、加速度センサと傾斜計とが被験者に装着される。例えば、図４のように被験者９００の背中に複数の加速度センサが装着され、反射マーカに代えて傾斜計が装着される。すなわち、加速度センサと傾斜計とが、交互に装着される。

図１３は、第３の実施の形態の負荷検出装置の機能例を示す図である。負荷検出装置１００ａは、取得部１１０ａ、センサ角度算出部１２０、負荷判定部１６０ａ、負荷情報算出部１７０ａ、履歴記憶部１８０ａおよび角度算出部１９０を有する。負荷検出装置１００ａは、図３の負荷検出装置１００と同様のハードウェア構成によって実現される。また、負荷検出装置１００ａの通信インタフェース１０７ａは、ネットワークを介して、傾斜計と通信を行う。取得部１１０ａ、センサ角度算出部１２０、負荷判定部１６０ａ、負荷情報算出部１７０ａおよび角度算出部１９０は、例えば、負荷検出装置１００ａが備えるプロセッサ１０１が実行するプログラムのモジュールとして実装される。

取得部１１０ａは、加速度センサ２００と傾斜計５００とから同じ時刻に測定された測定値を取得する。傾斜計５００は、被験者に装着された複数の傾斜計を１つにまとめて示したものである。ここで、傾斜計５００は、２軸傾斜計でもよいし、３軸傾斜計でもよい。傾斜計５００が２軸傾斜計の場合、取得部１１０ａは、各傾斜計の装着箇所についての左右方向または前後方向の傾きを示す測定値を傾斜計毎に取得する。傾斜計５００が３軸傾斜計の場合、取得部１１０は、傾斜計毎にｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の測定値を取得する。

センサ角度算出部１２０は、第２の実施の形態と同様に、加速度センサ毎に取得された測定値を基に、各センサ位置での左右方向および前後方向のそれぞれの傾斜角度を算出する。センサ角度算出部１２０は、これらのうち左右方向の傾斜角度を補正することで、各センサ位置での左右方向および前後方向のそれぞれのセンサ角度を算出する。

角度算出部１９０は、センサ角度および傾斜計５００の測定値のそれぞれに基づいて、傾斜計５００の位置（以下、「傾斜計位置」と記載する場合がある）における角度を算出する。具体的には、角度算出部１９０は、第２の実施の形態のマーカ角度算出部１５０と同様の手順により、傾斜計位置における左右方向および前後方向のそれぞれの角度を、各センサ角度を補間演算することによって算出する。また、角度算出部１９０は、傾斜計５００が３軸傾斜計の場合、傾斜計毎に取得された測定値を基に、各傾斜計位置における左右方向および前後方向のそれぞれの角度を算出する。傾斜計が左右方向および前後方向のそれぞれの角度を直接出力する場合、角度算出部１９０は、取得部１１０ａによって取得されたそれらの角度をそのまま負荷判定部１６０ａに出力する。

ここで、傾斜計の測定値に基づく角度には、傾斜計の装着位置が動いていることによる誤差が生じない。そこで、負荷判定部１６０ａは、傾斜計位置毎に、センサ角度に基づく傾斜計位置の角度と、傾斜計の測定値に基づく傾斜計位置の角度とに差分があるか否かを判定する。角度に差分がある場合、原因は、運動加速度成分により生じた前者の角度の誤差によるものである。角度に差分がある傾斜計位置には運動加速度が加わっているため、運動の第２の法則（Ｆ＝ｍａ：Ｆは力、ｍは質量、ａは運動加速度）から、傾斜計位置に負荷が加えられているといえる。そのため、負荷判定部１６０ａは、角度に差分がある傾斜計位置を負荷が加えられている箇所と判定する。負荷判定部１６０ａは、負荷が加えられている箇所の情報（傾斜計番号など）を履歴記憶部１８０に格納する。

負荷情報算出部１７０ａは、負荷が加えられている向きと大きさを算出する。前述のように、傾斜計の測定値に基づく傾斜計位置の角度には、運動加速度による誤差が含まれないので、この角度は地上座標系の鉛直方向を基準とした正確な角度を示しているといえる。これはすなわち、傾斜計の測定値に基づく角度は、傾斜計位置における加速度センサの３次元座標系の、地上座標系に対する回転角度を示す。

そこで、負荷情報算出部１７０ａは、第２の実施の形態の負荷情報算出部１７０によるセンサ座標系のマーカ座標系への変換と同様の手順により、傾斜計の測定値に基づく角度を用いて、センサ座標系を地上座標系へ変換する。これにより、負荷情報算出部１７０ａは、第２の実施の形態と同様の手順で、傾斜計位置における加速度センサの仮想的な測定値に基づいて、傾斜計位置での運動加速度の向きと大きさを算出することができる。負荷情報算出部１７０ａは、第２の実施の形態の負荷情報算出部１７０と同様の手順で、運動加速度の向きと大きさから、傾斜計位置での負荷の向きと、負荷の大きさを示す指標とを出力する。

履歴記憶部１８０ａは、各傾斜計位置における運動加速度の大きさを、計測時刻毎に記憶する。記憶された運動加速度の大きさは、負荷情報算出部１７０ａが相対的な負荷の大きさを算出する際に参照される。

このように、第３の実施の形態によれば、加速度センサと傾斜計とを用いて、被験者に加わる負荷の箇所を特定できる。そして、特定した箇所に加わる負荷の向きおよび負荷の大きさを特定できる。第２の実施の形態と同様に、負荷の検出箇所は、傾きを算出可能な箇所であれば被験者の身体のどの箇所にも設定できる。

なお、第１の実施の形態の情報処理は、負荷検出装置１に用いられるプロセッサに、プログラムを実行させることで実現できる。第２，３の実施の形態の情報処理は、プロセッサ１０１にプログラムを実行させることで実現できる。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録できる。

例えば、プログラムを記録した記録媒体を配布することで、プログラムを流通させることができる。また、取得部１１０、センサ角度算出部１２０、モーションキャプチャ処理部１３０、座標変換部１４０、マーカ角度算出部１５０、負荷判定部１６０、負荷情報算出部１７０に相当する機能を実現するプログラムを別個のプログラムとし、各プログラムを別個に配布してもよい。取得部１１０、センサ角度算出部１２０、モーションキャプチャ処理部１３０、座標変換部１４０、マーカ角度算出部１５０、負荷判定部１６０、負荷情報算出部１７０の機能が別個のコンピュータにより実現されてもよい。図１３の取得部１１０ａ、センサ角度算出部１２０、角度算出部１９０、負荷判定部１６０ａおよび負荷情報算出部１７０ａについても同様である。コンピュータは、例えば、記録媒体に記録されたプログラムを、ＲＡＭ１０２やＨＤＤ１０３に格納し（インストールし）、当該記憶装置からプログラムを読み込んで実行してもよい。

１ 負荷検出装置
１ａ 第１の算出部
１ｂ 第２の算出部
１ｃ 判定部
１ｄ 演算部
２ 被験者
２ａ 部位
３ 加速度センサ
４ 撮像デバイス
５ モーションキャプチャシステム

Claims (8)

1. コンピュータが、
   人体に装着された加速度センサによる第１の測定結果に基づいて、前記人体の部位の傾きを示す第１の角度を算出し、
   撮像デバイスによる前記人体の第２の測定結果に基づいて、前記第１の角度と同じ座標系における前記部位の傾きを示す第２の角度を算出し、
   前記第１の角度と前記第２の角度との差分に基づいて、前記部位にかかる負荷の有無を判定する、
   負荷検出方法。
2. 前記第２の測定結果は、前記撮像デバイスを含むモーションキャプチャシステムによる測定結果である、請求項１に記載の負荷検出方法。
3. 前記部位に負荷がかかっていると判定した場合、前記第１の測定結果に基づく前記部位における加速度ベクトルと前記第２の角度とに基づいて、前記部位にかかる負荷の向きと負荷の大きさを示す指標とを算出する、請求項２に記載の負荷検出方法。
4. 前記向きおよび前記指標の算出では、前記第２の角度に基づいて前記第１の測定結果を前記第２の測定結果が定義される座標系の値に変換した第３の測定結果を算出し、前記第３の測定結果から重力加速度成分を除去して得られる運動加速度成分に基づいて前記向きおよび前記指標を算出する、請求項３に記載の負荷検出方法。
5. 前記第２の測定結果は、前記部位の位置を示す、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の負荷検出方法。
6. 前記第１の角度は、前記部位の周辺に装着された前記加速度センサによる前記第１の測定結果を補間演算して算出される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の負荷検出方法。
7. 人体に装着された加速度センサによる第１の測定結果に基づいて、前記人体の部位の傾きを示す第１の角度を算出する第１の算出部と、
   撮像デバイスによる前記人体の第２の測定結果に基づいて、前記第１の角度と同じ座標系における前記部位の傾きを示す第２の角度を算出する第２の算出部と、
   前記第１の角度と前記第２の角度との差分に基づいて、前記部位にかかる負荷の有無を判定する判定部と、
   を有する負荷検出装置。
8. コンピュータに、
   人体に装着された加速度センサによる第１の測定結果に基づいて、前記人体の部位の傾きを示す第１の角度を算出し、
   撮像デバイスによる前記人体の第２の測定結果に基づいて、前記第１の角度と同じ座標系における前記部位の傾きを示す第２の角度を算出し、
   前記第１の角度と前記第２の角度との差分に基づいて、前記部位にかかる負荷の有無を判定する、
   処理を実行させる負荷検出プログラム。
   

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