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明細書 :印加力推定装置及び方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5288375号 (P5288375)
公開番号 特開2010-066028 (P2010-066028A)
登録日 平成25年6月14日(2013.6.14)
発行日 平成25年9月11日(2013.9.11)
公開日 平成22年3月25日(2010.3.25)
発明の名称または考案の名称 印加力推定装置及び方法
国際特許分類 G01L   5/00        (2006.01)
FI G01L 5/00 F
G01L 5/00 Z
請求項の数または発明の数 9
全頁数 38
出願番号 特願2008-230353 (P2008-230353)
出願日 平成20年9月8日(2008.9.8)
新規性喪失の例外の表示 特許法第30条第1項適用 第13回 知能メカトロニクスワークショップ、社団法人 精密工学会、平成20年 9月 8日
審査請求日 平成23年8月16日(2011.8.16)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504136568
【氏名又は名称】国立大学法人広島大学
【識別番号】507234438
【氏名又は名称】公立大学法人県立広島大学
発明者または考案者 【氏名】田中 良幸
【氏名】辻 敏夫
【氏名】塩川 満久
個別代理人の代理人 【識別番号】100095407、【弁理士】、【氏名又は名称】木村 満
【識別番号】100138955、【弁理士】、【氏名又は名称】末次 渉
【識別番号】100151873、【弁理士】、【氏名又は名称】鶴 寛
【識別番号】100109449、【弁理士】、【氏名又は名称】毛受 隆典
審査官 【審査官】公文代 康祐
参考文献・文献 特開2007-315840(JP,A)
特開2001-235310(JP,A)
特開2005-326375(JP,A)
特開2002-056391(JP,A)
特開2002-126147(JP,A)
特開平05-081232(JP,A)
特開平09-307813(JP,A)
調査した分野 G01L 1/00
G01L 5/00
A63B 37/00
A63B 61/00
A63B 69/00
A63B 71/00
G01B 11/00
A61B 5/00
特許請求の範囲 【請求項1】
第1の物体に第2の物体が印加した力を推定する推定装置であって、
前記第2の物体の形状別に、前記第1の物体の変形量と前記第1の物体の剛性との関係を示す剛性情報を記憶する記憶手段と、
前記第2の物体と前記第1の物体との間に力が作用したときの前記第1の物体の画像を入力する画像入力手段と、
前記画像入力手段により入力された画像に基づいて、前記第1の物体の変形量と加速度とを計測する計測手段と、
前記画像入力手段により入力された画像に基づいて前記第2の物体の形状を特定し、特定した形状に対応する剛性情報と前記計測手段により計測された変形量とに基づいて、剛性による力を推測し、前記第1の物体の質量と加速度とに基づいて前記第1の物体の慣性力を求めることにより、前記第2の物体が前記第1の物体に印加した力を推定する推定手段と、
を備える印加力推定装置。
【請求項2】
前記推定手段は、変形量Xと変形の速度Vと第1の物体の加速度αを変数として有する所定の関数F=g(X,V,α)により、印加力Fを推定する、ことを特徴とする請求項1に記載の印加力推定装置。
関数g(X,V,α)は、次の例のように、対象とする物体の機械的な物理特性に応じて決定される関数K、B、Mの組み合わせである。
g(X,V,α)=K(X)・X+M・α
g(X,V,α)=K(X)・X+B(X,V)・V+M(X)・α
g(X,V,α)=K(X、V)+B(X,V)・V+M(X,V)・α
関数K、B、Mの形は、多項式関数をはじめとして、指数関数、対数関数、積分関数であり、またそれらの組み合わせとなる。
【請求項3】
前記推定手段は、数式(1)に基づいて、印加力を推定する、ことを特徴とする請求項1に記載の印加力推定装置。
F(t)=K(X(t))・X(t)+M・α(t) ...(1)
ここで、tは時間、F(t)は時間で変化する印加力、X(t)は変形量、K(X(t))は、X(t)で変化する第1の物体の剛性、Mは第1の物体の質量、α(t)は、時間で変化する第1の物体の加速度である。
【請求項4】
前記画像入力手段は、異なるタイミングで取得された前記第1の物体の複数の画像を入力し、
前記推定手段は、前記複数の画像から、前記第1の物体の加速度を求める、
ことを特徴とする請求項1、2又は3に記載の印加力推定装置。
【請求項5】
前記記憶手段は、前記第2の物体の形状別に、前記第1の物体の変形量と該第1の物体の粘性との関係を示す粘性情報を記憶し、
前記計測手段は、前記画像入力手段により入力された画像に基づいて、前記第1の物体の変形速度を求め、
前記推定手段は、前記第2の物体の形状を特定し、特定した形状に対応する剛性情報と前記計測手段により計測された変形量とに基づいて、剛性による力を推測し、特定した形状に対応する粘性情報と前記計測手段により計測された変形速度とに基づいて、粘性による力を推測し、前記第1の物体の質量と加速度とに基づいて前記第1の物体の慣性力を求め、求めた力を統合することにより、前記第2の物体が前記第1の物体に印加した力を推定する、
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の印加力推定装置。
【請求項6】
前記推定手段は、数式(2)に基づいて、印加力を推定する、ことを特徴とする請求項1に記載の印加力推定装置。
F(t)=K(X(t))・X(t)+B(X(t))・V(t)+M・α(t) ...(2)
ここで、tは時間、F(t)は時間で変化する印加力、K(X(t))は変形量Xで変化する第1の物体の剛性、B(X(t))は変形量Xで変化する第1の物体の粘性、Mは第1の物体の質量、α(t)は、時間で変化する第1の物体の加速度である。
【請求項7】
前記画像入力手段は、所定時間間隔で、前記第1の物体を連続撮影するカメラを備え、
前記推定手段は、前記カメラが取得した画像を解析することにより、前記第1の物体の変形量と加速度とを求める、ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の印加力推定装置。
【請求項8】
第1の物体に第2の物体が印加した力を推定する推定方法であって、
前記第2の物体の形状別に、前記第1の物体の変形量と前記第1の物体の剛性との関係を示す剛性情報を予め記憶し、
前記第2の物体と前記第1の物体との間に力が作用したときの前記第1の物体の画像を入力し、
入力した画像に基づいて、前記第1の物体の変形量と加速度とを判定するとともに、前記第2の物体の形状を特定し、
特定した形状に対応する剛性情報と判定された変形量とに基づいて、前記第1の物体の剛性と変形量に対応する力を推定し、
前記第1の物体の質量と判定した加速度とに基づいて前記第1の物体の慣性力を推定し、
推定した剛性と変形量に対応する力と推定した慣性力とに基づいて、前記第2の物体と前記第1の物体との間に作用した力を推定する、
印加力推定方法。
【請求項9】
コンピュータに、
第2の物体の形状別に、前記第2の物体と第1の物体との間に力が作用したときの前記第1の物体の変形量と前記第1の物体の剛性の関係を示す剛性情報を予め記憶し、
前記第2の物体と前記第1の物体との間に力が作用したときの前記第1の物体の画像を入力し、
入力した画像に基づいて、前記第1の物体の変形量と加速度とを判定するとともに、前記第2の物体の形状を特定し、
特定した形状に対応する剛性情報と判定された変形量とに基づいて、前記第1の物体の剛性と変形量に対応する力を推定し、
前記第1の物体の質量と判定した加速度とに基づいて前記第1の物体の慣性力を推定し、
推定した剛性と変形量に対応する力と推定した慣性力とに基づいて、前記第2の物体と前記第1の物体との間に作用した力を推定する、
処理を実行させるコンピュータプログラム。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、ボール等の物体に印加した力或いは物体からの反力を非接触で測定又は推定する装置と方法に関する。
【背景技術】
【0002】
サッカーの競技人口は世界で2億6000万人以上であり、世界最大のスポーツと言われている。その一方で、ヘディング時に脳震盪をおこしたり、キック時に足部を負傷してしまうといった問題が報告されている。ヘディングやキックなどのボールインパクト時に発生する力の計測が容易に可能となれば、サッカーにおける怪我の予防やトレーニングをはじめとし、使用者にとって蹴り易いボールの開発に役立つと考えられる。
【0003】
これまでにサッカーにおける衝撃力の解析評価を目的とした研究がいくつか報告されている。例えば、非特許文献1には、高速カメラを用いてキック時における足首の動作を撮影し、FEM(有限要素法;Finite Element Method)を用いて足首とボールに働く力を推定する技術が開示されている。
【0004】
また、非特許文献2には、Hertzの接触理論を用いてヘディング時の衝撃力を推定するシステムが開示されている。さらに、非特許文献3と4には、Hertzの接触理論を応用してキック力を推定する技術が開示されている。
【0005】

【非特許文献1】T. Asai, M. J. Carre, and S. J. Haake, "The curve kick of a football: impact with the foot," Japanese Journal of Biomechanics in Sports and Exercise, Vol. 3, No. 2, pp. 111-118, 1999.
【非特許文献2】R. Queen, P. Weinhold, D. Kirkendall, and B. Yu, "Theoretical study of the effect of ball properties on impact force in Soccer heading," Medicine and Science in sports and Exercise, Vol. 35, No. 12, pp. 2069-2076, 2003.
【非特許文献3】石井秀幸,丸山剛生,“サッカーのインサイドキックのインパクトにおけるボール挙動”,第19回日本バイオメカニクス学会大会論集, p. 49, 2006.
【非特許文献4】石井秀幸,丸山剛生,“インサイドキックにおけるインパクト中のボール変形量と衝撃力の解析”,スポーツ産業学研究, Vol. 17, No. 2, pp. 13-23, 2007.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
非特許文献1に開示された推定技術は、FEMを使用しているため、詳細な解析を行えるという利点を有するが、多くの解析時間を必要としてしまう。
【0007】
非特許文献2に開示されている推定手法は、任意半径の球状物体間の接触部分が円形、接触応力は接触円上に半球状に広がるという仮定の下、半径rの球状ボールが半径無限大の物体(平板)と接触した際に発生する力Fを、次式(1)~(3)に基づいて求める。
【0008】
F(t)=N(X)・X(t)3/2 ...(1)
N(x)=4・(√r)/[3・π・{((1-ρ)/(π・E(X))+(1-ρ)/π・E)}] ...(2)

(X)=2・K・R(X)/(π・r) ...(3)
【0009】
ただし、Xはボールの変形量、Rは接触断面の半径、Kはボールの剛性係数、E,Eはそれぞれボールと平板の弾性係数、ρ,ρはそれぞれのポアソン比を表す。ここで、ボールの剛性係数Kはボール圧縮時の最大侵入量Xmaxと力FmaxからK=Fmax/Xmaxとして求め、求めたKを用いてEを算出する。また、ボールのポアソン比ρは一般的なゴムのポアソン比を設定している。
【0010】
これらの多くのパラメータ値はボールの内圧や使用状況によって変化する。このため、この推定手法を、一般的なスポーツ環境に適用することは容易ではない。また、一般にこれらパラメータの真値を求めることは困難であり、パラメータ誤差によって力の推定精度が大きく損なわれてしまう。
【0011】
また、非特許文献3に開示されている手法は、次式(4)でインパクト力を推定する。
【数1】
JP0005288375B2_000002t.gif

...(4)
ここで、Mはボールの質量、Vb1はインパクト時のボールの初速度であり、tfとXはそれぞれボールと足の接触時間及びボール変形量である。この推定モデルは、ボールが足部内側の平面部と接触することを前提として構築されている。しかし、足部の先端や甲などの曲面部によるボールインパクト時の変形の形状と変化量は、平面部の場合とは異なる。このため、その差の程度によって印加力の推定精度が劣化する。
【0012】
このように、従来のインパクト力推定方法は、処理負担(負荷)が大きく、また、正確な推定が困難であった。
同様の問題は、サッカーボールを足で蹴る力を推定する場合に限定されず、バレーボールを打つときやレシーブするときにボールや手に加わる力や反力を推定する場合、バット、ラケット、クラブ等の道具でボールを打つ場合に、ボールや道具に加わる力や反力を推定する場合等にも同様に発生する。
【0013】
さらに、同様の問題は、ボールを打つ力・受ける力を推定する場合に限らず、複数の物体間で力が作用したときに、印加された力やその反力を推定する場合に、同様に発生する。
【0014】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、少ない処理量と負荷で、正確に物体に印加された力を推定できるようにすることを目的とする。
また、本発明は、物体の形状によらず、印加された力を正確に推定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上記の目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る印加力推定装置は、
第1の物体に第2の物体が印加した力を推定する推定装置であって、
前記第2の物体の形状別に、前記第1の物体の変形量と前記第1の物体の剛性との関係を示す剛性情報を記憶する記憶手段と、
前記第2の物体と前記第1の物体との間に力が作用したときの前記第1の物体の画像を入力する画像入力手段と、
前記画像入力手段により入力された画像に基づいて、前記第1の物体の変形量と加速度とを計測する計測手段と、
前記画像入力手段により入力された画像に基づいて前記第2の物体の形状を特定し、特定した形状に対応する剛性情報と前記計測手段により計測された変形量とに基づいて、剛性による力を推測し、前記第1の物体の質量と加速度とに基づいて前記第1の物体の慣性力を求めることにより、前記第2の物体が前記第1の物体に印加した力を推定する推定手段と、
を備える。
【0016】
前記推定手段は、例えば、変形量Xと変形の速度Vと第1の物体の加速度αを変数として有する所定の関数F=g(X,V,α)により、印加力Fを推定する。
ここで、関数g(X,V,α)は、次の例のように、対象とする物体の機械的な物理特性に応じて決定される関数K、B、Mの組み合わせである。
g(X,V,α)=K(X)・X+M・α
g(X,V,α)=K(X)・X+B(X,V)・V+M(X)・α
g(X,V,α)=K(X,V)+B(X,V)・V+M(X,V)・α
関数K、B、Mの形は、多項式関数をはじめとして、指数関数、対数関数、積分関数であり、またそれらの組み合わせとなる。
【0017】
また、前記推定手段は、例えば、数式(5)に基づいて、印加力を推定してもよい。
F(t)=K(X(t))・X(t)+M・α(t) ...(5)
ここで、tは時間、F(t)は時間で変化する印加力、X(t)は変形量、K(X(t))は変形量X(t)で変化する第1の物体の剛性、Mは第1の物体の質量、α(t)は、時間で変化する第1の物体の加速度である。
【0018】
前記画像入力手段は、異なるタイミングで取得された前記第1の物体の複数の画像を入力し、前記推定手段は、前記複数の画像から、前記第1の物体の加速度を求めてもよい。
【0019】
例えば、前記記憶手段は、前記第2の物体の形状別に、前記第1の物体の変形量と該第1の物体の粘性との関係を示す粘性情報を記憶し、前記計測手段は、前記画像入力手段により入力された画像に基づいて、前記第1の物体の変形速度を求め、前記推定手段は、前記第2の物体の形状を特定し、特定した形状に対応する剛性情報と前記計測手段により計測された変形量とに基づいて、剛性による力を推測し、特定した形状に対応する粘性情報と前記計測手段により計測された変形速度とに基づいて、粘性による力を推測し、前記第1の物体の質量と加速度とに基づいて前記第1の物体の慣性力を求め、求めた力を統合することにより、前記第2の物体が前記第1の物体に印加した力を推定する。
【0020】
前記推定手段は、例えば、数式(6)に基づいて、印加力を推定する。
F(t)=K(X(t))・X(t)+B(X(t))・V(t)+M・α(t)...(6)
ここで、tは時間、F(t)は時間で変化する印加力、K(X(t))は変形量Xで変化する第1の物体の剛性、B(X(t))は変形量Xで変化する第1の物体の粘性、Mは第1の物体の質量、α(t)は、時間で変化する第1の物体の加速度である。
【0021】
前記画像入力手段は、所定時間間隔で、前記第1の物体を連続撮影するカメラを備え、前記推定手段は、前記カメラが取得した画像を解析することにより、前記第1の物体の変形量と加速度とを求める、ように構成してもよい。
【0022】
また、この発明の印加力推定方法は、
第1の物体に第2の物体が印加した力を推定する推定方法であって、
前記第2の物体の形状別に、前記第1の物体の変形量と前記第1の物体の剛性との関係を示す剛性情報を予め記憶し、
前記第2の物体と前記第1の物体との間に力が作用したときの前記第1の物体の画像を入力し、
入力した画像に基づいて、前記第1の物体の変形量と加速度とを判定するとともに、前記第2の物体の形状を特定し、
特定した形状に対応する剛性情報と判定された変形量とに基づいて、前記第1の物体の剛性と変形量に対応する力を推定し、
前記第1の物体の質量と判定した加速度とに基づいて前記第1の物体の慣性力を推定し、
推定した剛性と変形量に対応する力とを推定した慣性力とに基づいて、前記第2の物体と前記第1の物体との間に作用した力を推定する、
ことを特徴とする。
【0023】
また、この発明のコンピュータプログラムは、
第2の物体の形状別に、前記第2の物体と第1の物体との間に力が作用したときの前記第1の物体の変形量と前記第1の物体の剛性の関係を示す剛性情報を予め記憶し、
前記第2の物体と前記第1の物体との間に力が作用したときの前記第1の物体の画像を入力し、
入力した画像に基づいて、前記第1の物体の変形量と加速度とを判定するとともに、前記第2の物体の形状を特定し、
特定した形状に対応する剛性情報と判定された変形量とに基づいて、前記第1の物体の剛性と変形量に対応する力を推定し、
前記第1の物体の質量と判定した加速度とに基づいて前記第1の物体の慣性力を推定し、
推定した剛性と変形量に対応する力と推定した慣性力とに基づいて、前記第2の物体と前記第1の物体との間に作用した力を推定する、
処理を実行させる。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、第2の物体の形状別に、第1の物体の変形量と剛性との関係を示すデータを記憶する。このため、第2の物体の形状によって変化する変形量と剛性との関係を両物体の間に作用する力の推定に適用できる。このため、より正確に力を推定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
(第1の実施の形態)
以下、本発明の実施形態に係る印加力推定方法について、サッカーボールを蹴ったときに、該サッカーボールに印加された力を推定する方法を例に説明する。
【0026】
本実施の形態においては、図1に示すように、インパクト時のボール11と足(シューズ)13との間にはたらく力F(t)を、ボールの機械特性と変形量X(t)、および運動加速度α(t)を用いて以下の数式(7)で表現する。
【0027】
F(t)=K(X)・X(t)+B(X)・V(t)+M・α(t) ...(7)
ここで、Xはボールの変形量、Vはボールの変形の速度(=dX/dt)、K(X)は変形量Xに応じて変化するボールの剛性、B(X)は変形量Xに応じて変化するボールの粘性、Mはボールの質量、αはインパクト中のボールの運動加速度を示す。
【0028】
ここで、K(X)・X(t)+B(X)・V(t) は、変形量Xの関数である剛性と粘性に起因する力、即ち、ボールの機械特性に基づく力を表す。また、M・α(t)は、ボールの運動加速度による力、即ち、慣性力を表す。
【0029】
K(X)とB(X)は、一例として数式(8)と数式(9)で表現することができる。
【0030】
【数2】
JP0005288375B2_000003t.gif

...(8)
ただし、aは重み係数であり、i = 0,1,2,…,nである。iは正の整数からなる数列に限らず、負を含めた整数の数列でもよい。さらには、負を含めた実数からなる数列としても良い。
【数3】
JP0005288375B2_000004t.gif

...(9)
ただし、b(i=0,1,2,…,m)は重み係数である。m=nでもよい。
【0031】
静止しているボールを圧縮する速度が緩やかな場合(V≒0)では、係数K(X) は計測した印加力Fと変形量Xを次式に最小二乗法でフィッティングをして、重み係数aを推定することで求めることができる。
F(t)=K(X)・X(t) ...(10)
【0032】
また、係数Bは、X≠0の圧縮において計測した印加力のうち、X≒0時からの増分ΔFと変形量Xを用いて、ΔF=Σb・Xが実測値と一致するようにbを求めることにより求めることができる。
【0033】
ボールの機械的特性を予め求めておけば、高速カメラ等でボールを連続撮像し、得られた画像を解析して、ボールの変形量Xと変形の速度V(dX/dt)、ボールの加速度αを計測するだけで、任意方向からのインパクトによってボールへ加わる力Fを推定(計測)することができる。
【0034】
さらに、ボールに衝突する物体の形状に応じた機械的特性を予め求めておくことにより、様々な種類のインパクト形状(ボールに力を印加する物体の形状)、例えば、サッカーボールを蹴る場合のインサイドキック、トゥーキック、インステップキックに対応した力の推定も可能となる。特に、ボールが大きな変形を伴うキックにおいては、平板との衝突を基本とする従来手法よりも高い精度で印加された力及びその反力として人体にかかる力を推定することができる。
【0035】
次に、式(7)を用いてボールに印加された力を推定する方法の推定手順を説明する。
1.ボール特性の取得
上述のように、本実施形態においては、(7)を用いて印加力を推定するためには、ボールの機械特性(剛性Kと粘性B)を事前に求めておく必要がある。そこで、以下、ボールの機械特性を求める手法について説明する。
【0036】
図2は、ボール特性を求めるためにボールを圧縮する圧縮装置100の構成を示す。
この圧縮装置100は、ステージ101と、ステージ101の一端に配置され、ボール11を支持する支持板102と、一自由度のスライダ(リニアテーブル)103と、スライダ103を制御するコンピュータ104とから構成される。スライダ103の先端には力センサ105が設置されており、スライダ103がボール11に印加している力を計測する。力センサ105には、異なった形状の押圧部材106が装着される。本実施形態においては、インステップキックとインサイドキックとを想定して、平板状押圧部材106aと、半円柱状押圧部材(直径:φ=10mm)106bと、先端が面取りされた円錐状押圧部材106cとが交換可能に装着される。
【0037】
スライダ103には、移動量(距離)を測定するエンコーダ107が配置されている。
【0038】
圧縮装置100の近傍には、高速カメラ111が配置されている。
力センサ105の側面とボール11の表面には、図2(b)に示すように、所定サイズのマーカ121,122が貼付されている。高速カメラ111は、図2(b)に示すように、マーカ121,122を含む画像を撮影可能な画角に設定されている。高速カメラ111の撮像画像は、撮影タイミングを特定する情報と共にコンピュータ104に供給される。
【0039】
2.ボール剛性の推定
次に、図2に示す圧縮装置100を用いて、ボール11の剛性Kを求める手順を、図6の手順図を用いて説明する。
まず、試合用に規定されている内圧(例えば、60kPa)に調整された計測対象のボール11を用意する。
【0040】
次に、力センサ105上に、平板状押圧部材106aを装着する。
続いて、平板状の支持板102と力センサ105に装着した平板状押圧部材106aとの間にボール11を配置し、支持板102とボール11、ボール11と平板状押圧部材106aとがそれぞれ、接触した状態に調整する。
【0041】
続いて、スライダ103をゆっくりとした一定速度(例えば、1.0mm/s)で移動させ、背面を支持板102で押さえた状態で、ボール11の中心線上を所定の最大押し込み量まで圧縮する。この間、ボール11の変形量をエンコーダ107で測定し、そのときに力センサ105が検出している力F1を、一定のサンプリング周期、例えば、1kHzで計測し、コンピュータ104内のメモリに記録する。また、高速カメラ111でも撮像し、コンピュータ104に供給する(ステップS101)。
【0042】
次に、力センサ105上に、半円柱状押圧部材106bを装着する。
続いて、スライダ103をゆっくりとした一定速度(例えば、1.0mm/s)で移動させ、背面を支持板102で押さえた状態で、ボール11の中心線上を所定の最大押し込み量まで圧縮する。この間、ボール11の変形量をエンコーダ107で測定し、そのときに力センサ105が検出している力F2を、一定のサンプリング周期、例えば、1kHzで計測し、コンピュータ104内のメモリに記録する。また、高速カメラ111でも撮像し、コンピュータ104に供給する(ステップS102)。
【0043】
次に、力センサ105上に、円錐状押圧部材106cを装着する。
続いて、スライダ103をゆっくりとした一定速度(例えば、1.0mm/s)で移動させ、背面を支持板102で押さえた状態で、ボール11の中心線上を所定の最大押し込み量まで圧縮する。この間、ボール11の変形量をエンコーダ107で測定し、そのときに力センサ105が検出している力F3を、一定のサンプリング周期、例えば、1kHzで計測し、コンピュータ104内のメモリに記録する。また、高速カメラ111でも撮像し、コンピュータ104に供給する(ステップS103)。
【0044】
こうして、コンピュータ104のメモリには、力Fと変形量Xとの関係が、押圧部材の形状別に格納される。
【0045】
次に、収集したデータに基づいて、剛性Kを求める手順を図6の手順図を参照しつつ説明する。
図3は、ボール11を圧縮した際に計測した変形量Xと印加力Fの時間波形の一例を示す。図3において、実線と破線と一点破線は、それぞれ、力センサ105の先端に取り付けた押圧部材106を平板状押圧部材106a、半円柱状押圧部材106b、円錐状押圧部材106cとしたときの結果である。
【0046】
エンコーダ107による変形量Xの測定値と高速カメラ111による変形量Xの測定値は、図4に例示するように、ほぼ一致する。従って、変形量Xと力Fの関係を求める場合には、いずれの結果を使用してもよい。
【0047】
上述の測定環境では、スライダ103の移動速度が遅いため、V=dX/dt=0とみなすことが可能であり、しかも、ボールの加速度α=0である。
従って、上述したように、数式(11)が成立する。
F(t)=K(X)・X(t) ...(11)
【0048】
コンピュータ104は、メモリに格納しておいたローディング(加圧)時の力Fと変形量Xのデータより、平板状押圧部材106aを使用したときの剛性K(X)を求め(ステップS104)、メモリに格納しておいたローディング(加圧)時の力Fと変形量Xのデータより、半円柱状押圧部材106bを使用したときの剛性K(X)を求め(ステップS105)、メモリに格納しておいたローディング(加圧)時の力Fと変形量Xのデータより、円錐状押圧部材106cを使用したときの剛性K(X)を求める(ステップS106)。
【0049】
図5(a)に示すように、力センサ105に平板状押圧部材106aを装着した場合、ボール11は、支持板102と平板状押圧部材106aとにより両側から平坦面により押圧される。このため、求められた剛性Kは、図5(b)に模式的に示すように、支持板102の押圧による剛性Kwallと平板状押圧部材106の押圧による剛性Kflatの和である。Kwall=Kflatかつ両端での変形量は等しくなるから、式(11)の右辺は2・Kflat(X/2)・X/2となる。従って、ボール11が一方向から平板により押圧された場合の剛性Kflatは、K(X/2)となる。そこで、コンピュータ104は、ステップS104で求めた剛性K(X/2)をKflatとして求める(ステップS107)。
【0050】
また、図5(c)に示すように、力センサ105に半円柱状押圧部材106bを装着した場合、ボール11は、支持板102と半円柱状押圧部材106bとにより両側から平坦面により押圧される。このため、求められた剛性Kは、図5(d)に模式的に示すように、支持板102の押圧による剛性Kwallと半円柱状押圧部材106bの押圧による剛性Kcylinderの和である。従って、ボール11が一方向から半円柱により押圧された場合の剛性Kcylinder=K-Kflatとなる。そこで、コンピュータ104は、ステップS105で求めた剛性KからステップS104で求めた剛性Kflatを減算することにより、剛性Kcylinder(X)を求める(ステップS108)。
【0051】
同様に、コンピュータ104は、ステップS106で求めた剛性KからステップS104で求めた剛性Kflatを減算することにより、剛性Kcone(X)を求める(ステップS109)。
【0052】
次に、コンピュータ104は、数式(8)、即ち、K=a・X+a・X+・・・+a・Xが、得られたKflat(X)に一致するように、重み係数a~aを最小二乗法などを用いて求め、ボール11の種類及び平板状押圧部材106aに対応付けて記憶する(ステップS110)。
【0053】
次に、コンピュータ104は、数式(8)が、得られたKcylinder(X)に一致するように、重み係数a~aを最小二乗法などを用いて求め、ボール11の種類及び半円柱状押圧部材106bに対応付けて記憶する(ステップS111)。
【0054】
さらに、コンピュータ104は、数式(8)が、得られたKcone(X)に一致するように、重み係数a~aを最小二乗法などを用いて求め、ボール11の種類及び円錐状押圧部材106cに対応付けて記憶する(ステップS112)。
【0055】
3.ボール粘性の測定
次に、数式(9)に示す粘性Bを求める方法を図7の手順図を参照しつつ説明する。
まず、力センサ105上に、平板状押圧部材106aを装着する。続いて、平板状の支持板102と力センサ105に装着した平板状押圧部材106aとの間にボール11を配置し、支持板102とボール11、ボール11と平板状押圧部材106aとがそれぞれ、接触した状態に調整する。
【0056】
続いて、スライダ103にパルス状に力を加えて移動させ、背面を支持板102で押さえた状態で、ボール11の中心線上を圧縮する。この間、ボール11の変形量をエンコーダ107で測定し、そのときに力センサ105が検出している力を、一定のサンプリング周期、例えば、1kHzで計測し、コンピュータ104内のメモリに記録する(ステップS201)。スライダ103に加える力は、例えば、0.15秒間で、100N程度である。
【0057】
次に、力センサ105に半円柱状押圧部材106bを装着し、スライダ103にパルス状に力を加えて移動させ、ボール11の変形量Xと印加されている力Fを計測し
記録する(ステップS202)。
【0058】
次に、力センサ105に円錐状押圧部材106cを装着し、スライダ103にパルス状に力を加えて移動させ、ボール11の変形量Xと印加されている力Fを計測して記録する(ステップS203)。
【0059】
続いて、ステップS201で記録したデータに基づいて、X≠0のエリアにおいて、圧縮により計測した印加力Fのうち、X≒0時からの増分ΔFと変形量Xとを求め、ΔF/Xを求めることにより、平板状押圧部材106aによる粘性B(X)を求める(ステップS204)。
【0060】
続いて、ステップS202で記録したデータに基づいて、X≠0のエリアにおいて、圧縮により計測した印加力Fのうち、X≒0時からの増分ΔFと変形量Xとを求め、ΔF/Xを求めることにより、半円柱状押圧部材106bによる粘性B(X)を求める(ステップS205)。
【0061】
続いて、ステップS203で記録したデータに基づいて、X≠0のエリアにおいて、圧縮により計測した印加力Fのうち、X≒0 時からの増分ΔFと変形量Xとを求め、ΔF/Xを求めることにより、円錐状押圧部材106cによる粘性B(X)を求める(ステップS206)。
【0062】
剛性と同様に、求められた粘性Bは、支持板102の押圧による粘性Bwallと平板状押圧部材106aの押圧による粘性Bflatの和である。Bwall=Bflatであるから、ボール11が一方向から平板により押圧された場合の粘性Bflatは、B/2となる。そこで、コンピュータ104は、ステップS203で求めた剛性B1(X)を1/2倍することにより、Bflat(X)を求める(ステップS207)。
【0063】
また、コンピュータ104は、ステップS205で求めた粘性BからステップS207で求めた粘性Bflatを減算することにより、粘性Bcylinder(X)を求める(ステップS208)。
【0064】
同様に、コンピュータ104は、ステップS206で求めた粘性BからステップS207で求めた粘性Bflatを減算することにより、粘性Kcone(X)を求める(ステップS209)。
【0065】
次に、コンピュータ104は、(9)に示す論理式B=b・X+b・X+・・・+b・Xが得られたBflat(X)に一致するように、重み係数b~bを最小二乗法などを用いて求め、ボール11の種類及び平板状押圧部材106aに対応付けて記憶する(ステップS210)。
【0066】
同様に、コンピュータ104は、(9)に示す論理式が得られたBcylinder(X)に一致するように、重み係数b~bを最小二乗法などを用いて求め、ボール11の種類及び半円柱状押圧部材106aに対応付けて記憶する(ステップS211)。
【0067】
なお、ステップS203を実行する前に、ステップS201~S203で測定されたF-Xにより、剛性K,K,Kを求め、ステップS104~S106で求められた剛性と比較し、ほぼ一致する場合には、変形の速度Vによる影響は無いか小さいとみなして、B=Bflat(X)=Bcylinder(X)=Bcone=0として以下のステップを省略してもよい。例えば、図8に示す特性の場合、低速で得られた剛性と高速で得られた剛性はほぼ一致しており、粘性を無視してもよい。
【0068】
次に、数式(7)を用いて、人間がボールを蹴った時にボールに与えた力を推定する印加力推定装置20について説明する。
【0069】
印加力推定装置20は、図9に示すように、カメラ21と、画像メモリ22と、画像処理部23と、メモリ24と、表示部25データと、データ入力部26と、操作部27と、データベース(DB)28と、制御部29と、を備える。
【0070】
カメラ21は、超高速撮像装置から構成され、例えば、1/1000秒に1コマのレートで画像を撮影し、その画像データを出力する。カメラ21には、ボールとこのボールを蹴る足とを撮影可能な画角が設定されている。
【0071】
画像メモリ22は、フラッシュメモリ、HDD(Hard Disk Drive)等から構成され、カメラ21で撮影された画像を格納する。
画像処理部23は、画像メモリ22に格納された各画像について、画像中のボールと足を判別し、撮影された画像中のボールの位置、ボールの変形の量X、ボールに接している部分の形状などを判別する。
【0072】
メモリ24は、制御部29の動作プログラムを記憶する。また、メモリ24は、制御部29のワークエリアとして機能する。
表示部25は、カメラ21で取得した画像や制御部29の処理結果を表示する。
【0073】
データ入力部26は、データ入力装置から構成され、各種データを入力する。 操作部27は、キーボードなどから構成され、各種の指示を制御部29に供給する。
【0074】
DB28は、各種係数テーブルを格納する。各テーブルは、例えば、ボールの識別情報(ID)と押圧部材106の形状別に、ボールの重量Mと重み係数aとbとを格納する。
例えば、DB28は、図10に例示するように、ボール別に重量Mを記憶し、さらに、ボールを蹴る部分の形状が平板状の場合と、半円柱状の場合(複数の径について)と、円錐状の場合(複数の径について)と、上述の工程で予め求められた重み係数aとbとを格納する。
【0075】
制御部29は、操作部27から入力されたデータに基づいて、ボールの種類を特定する。
制御部29は、画像処理部23から供給されたデータに基づいて、ボールを蹴った部分の形状が平板状、半円柱状、円錐状のいずれであるかを判別する。
さらに、制御部29は、ボールの種類とボールを蹴った部分の形状とに応じて、重量Mと重み係数aとbをDB28から読み出す。
【0076】
制御部29は、画像処理部23から供給されたデータに基づいて、各画像について、X,V(=dX/dt),αを求め、数式(7)に基づいて、力Fを計算し、メモリ24に格納する。
また、制御部29は、求めた力Fの履歴を、例えば、表示部25に表示する。
【0077】
次に、図9に示す印加力測定装置20の動作を説明する。
まず、ユーザは、図11に例示するように、ボール11とキッカーの足(シューズ)13に複数のマーカ15を貼付する。
次に、ボール11とその近傍が撮影されるようにカメラ21をセットする。また、操作部27より、ボールのIDを入力する。
次に、カメラ21を起動し、撮影を開始する。カメラ21は、一定時間周期でボール11とその近傍を撮影する。
【0078】
この状態で、被検出者は、図11に示すように、ボール11を蹴る。
画像メモリ22には、ボールを蹴る場面の連写画像が順次格納される。
【0079】
画像処理部23は、内部メモリに、ボールの形状・色などの情報を予め記憶しており、画像メモリ22に格納された画像を順次読み込み、人体とボールをパターンマッチング等により識別し、足とボールとが接触したタイミングをt=0とし、撮像された画像をを解析して、ボールを蹴る部分の形状を特定し、制御部29に通知する。例えば、画像処理部23は、インサイドキックの場合(図1のキックの場合)、ボールと足の接触部分の形状が平板状であることを判別し、インステップキックの場合(図11のキックの場合)、接触部分の形状が円柱状であることを判別し、トーキックの場合、円錐状であると判別する。
【0080】
続いて、画像処理部23は、各画像について、時刻tと、マーカ15の位置とを求め、制御部29に供給する。
例えば、撮影された連続する画像が図12(a)と(b)に示す画像であるとすれば、画像処理部23は、時刻tの画像中のボールの重心位置と各マーカ15の位置を特定し、続いて、時刻t+1の画像中のボールの重心位置を特定して、また、各マーカの位置を特定し、これらを制御部29に通知する。
【0081】
制御部29は、操作部27から入力されたデータに基づいて、ボールの種類を特定する。
制御部29は、画像処理部23から供給された複数のマーカ15の位置から、ボールの位置及び変形量Xを求める。さらに、制御部29は、ボールの種類と画像処理部23から通知されたボールを蹴った部分の形状とに応じて、重量Mと重み係数aiとbiをDB28から読み出す。
【0082】
制御部29は、画像処理部23から供給されたデータに基づいて、各画像について、X,V(=dX/dt),αを求める。
例えば、撮影された連続する画像が図12(a)と(b)に示す画像であるとすれば、制御部29は、まず、各画像中のマーカ15の位置関係より、ボール11の変形量Xを求める。さらに、画像の撮像周期と変化量Xの変化分から、変形の速度Vを求める。さらに、時刻...,t-1,t,t+1,...でのボール11の重心位置から、ボール11の加速度α(t)を求める。
【0083】
続いて、制御部29は、数式(7)に基づいて、力Fを計算し、メモリ24に格納する。このようにして、メモリ24には、時刻t、t+1,...での力Fの瞬時値が格納される。
制御部29は、求めた力Fの履歴を、例えば、表示部25に表示する。
【0084】
4.力推定精度の比較検証
本実施形態の有効性を判断するため、従来手法との力推定精度の比較検証実験を行った。なお、従来手法Iで用いるボールのパラメータは、半径を0.1095[m]、ポアソン比を0.5と設定した。また、本実験でボールと衝突する力センサ先端部の素材はアルミであることから、ボールを変形させる衝突物の弾性係数とポアソン比はそれぞれ72[GPa],0.33とした。
【0085】
図13と図14は、平板と半円柱で標準パネルボールとプロペラパネルボールを圧縮した時のボール剛性と印加力の推定を示す。図13、図14において、(a)は平板によるゆっくりとした圧縮に対する剛性Kと力センサにより測定された印加力Fと求められた剛性Kにより推定される力Fを示し、各図(b)は半円柱によるゆっくりとした圧縮に対する剛性Kと力センサにより測定された印加力Fと求められた剛性Kにより推定される力Fを示す。
【0086】
ボール剛性Kのグラフは、連続5試行のデータから推定した剛性の平均値(実線)と標準偏差(黒帯)を示している。推定した剛性Kのバラツキが少ないことを確認できる。また、図13、図14より、ボールの種類を問わず、押圧部材106を半円柱状押圧部材106bとした場合、各変形量Xにおける剛性Kは平板状押圧部材106aとした場合に比べ小さくなっている。
また、測定した変位X-印加力Fの関係(破線)と、本実施の形態の数式(7)に従って推定した圧縮力(実線)を示している。各条件において実線と破線がほぼ重なっていることから、ボールを圧縮する物体形状が異なる場合でも、印加された力を精度良く推定できることが確認できた。
【0087】
また、図15は、図2の実験環境でボールを平板で圧縮した条件下で、本実施形態と従来手法I(非特許文献2に開示されているHertzの接触理論に基づくQueenらの手法)と従来手法II(非特許文献3,4に開示されている手法)を用いてボールへの印加力を推定した結果を示す。図15(a)は標準パネルボールにおける印加力の実測時と推定値の時間波形を示し、図15(b)はその際の各手法による推定誤差の積算を示す。同様に、図15(c)はプロペラパネルボールにおける印加力の実測値と推定値の時間波形を示し、図15(d)はその際の各手法による推定誤差の積算を示す。これらの結果より、本実施形態の手法で推定した印加力波形は実測波形とほぼ一致しており、二つの従来手法よりも推定誤差が十分に小さいことが確認された。
【0088】
図16(a)、(c)は、半円柱状押圧部材106bによるボール圧縮時に、本実施形態の手法と従来手法Iで推定した印加力の時間波形と、実測値とを示す。また、(b)、(d)は、接触時間内で推定誤差自乗を積算した値の全5試行の平均と標準偏差を示す。図より、ボールの種類及び衝突物体の形状によらず、本実施形態の推定手法は従来手法Iよりも推定誤差が明らかに小さいことがわかる。従来手法Iでの誤差は、ボール変形の形状に対するボールの弾性係数とポアソン比に誤差が含まれるためと考えられる。
【0089】
図15、図16に示す結果から、ボールの変形形状にとらわれず、提案手法は従来手法I,IIよりも正確に印加力を推定できることが示された。
【0090】
5.自由落下実験における印加力推定
次に、任意速度で移動するボールに対する印加力の推定精度検証を目的として、自由落下運動をするボールと水平な床面との衝突力を本実施形態の手法と従来手法で推定計測した。なお、本実施形態の手法では平板での圧縮実験で推定した剛性を設定し、計測対象としたボールの粘性は小さいことから粘性項は省略した。また、衝突前からボールが運動していることから、従来手法IIついては数式(4)を数式(12)に置き換えた。
【数4】
JP0005288375B2_000005t.gif

・・・(12)
ここで、V, V はボールが床面に衝突する直前の速度と床面から離れた直後のボールの速度である。
【0091】
図17(a)に自由落下実験の概略図を示す。ボールが衝突する床にはアルミ製のフォースプレートが埋め込まれてあり、床面との衝撃力を高サンプリング周期(3kHz)にて計測した。また、ボールと床面との衝突の様子を高速カメラ(4kHz)で撮影した。ボール最下点と床面間の落下距離は、h=0.5[m],1.0[m]の2条件とした。そして、標準パネルボールとプロペラパネルボールの各ボールにおいて、3試行を行った。図17(b)は、標準パネルボールが高さ1[m]から自由落下をして床面と衝突した様子を高速カメラで撮影した一例であり、床面との接触開始からボールが最も変形するまでの連続画像を示している。ボール両端を固定した場合よりも衝突時間はさらに短いが、ボールが変形する様子が鮮明に観測できていることが確認された。
【0092】
さらに、図18(a)、(b)は、標準パネルボールの落下衝突におけるボールの変形量と変形速度、運動加速度の時間波形の一例を示す。ボール変形量Xは、ボール表面に貼り付けたマーカ位置と床面との相対距離から算出した。図より、ボールと床面との接触時間は約0.012[s]と極めて短いが、高速カメラはボールの変形状態が落下高さで異なる現象を捕らえている。また、ボール加速度が非常に大きいことから、ボールの慣性が衝撃力に大きく影響を与えることとなる。
【0093】
図18(a)は、落下高さh=1.0[m]の条件下で撮影した画像情報から抽出したボール変形量と加速度を用いて、本実施形態と従来手法で推定した衝撃力の時間波形である。提案手法の推定結果が、フォースプレートによる計測結果と最も近い。図18(b)は、各落下高さに対する提案手法と従来手法での力推定誤差の自乗を接触時間内で積算した結果であり、全3試行の平均及び標準偏差である。本実施形態の手法は従来手法Iよりも、ボールの種類及び落下高さにかかわらず推定誤差が大きく減少していることがわかる。また、従来手法IIと比較すると、ボール変形量が小さい落下高さ0.5[m]の場合では推定誤差に大きな差は見られないが、変形量が大きくなる落下高さ 1.0[m]では減少していることがわかる。これらの結果から、ボールが運動をした状態から変形をする場合でも、本実施形態の手法は従来手法と比較して同等以上の精度で印加力を推定計測できることが示された。
【0094】
6.キック力の推定計測
図19(a)に、キック力推定実験環境の概要図を示す。高速カメラで足部とボールに貼り付けた直径8[mm]のマーカをサンプリング4[kHz]で撮影し、インパクト時のボール変形と運動を算出した。被験者は、標準パネルボールを指定したキックの仕方(インステップキック、インサイドキック、トゥーキック)で、助走なしで前方へ蹴るように指示をした。各キックの仕方における試行回数は5回とした。
【0095】
図19(b)は、各キックにおいてインパクト開始時からのボールキックの様子を撮影した連続画像の一例である。キック力の推定で用いるボール変形量は、足先とボール側に付けた複数のマーカからボール変形領域に含まれない二点を選択し、以下の数式(13)で算出した。
X=√{(X-X+(y-y} ...(13)
ここで、(x,y),(x,y) は、それぞれ足部とボールに取り付けたマーカ15の位置座標である。
【0096】
図20(a)~(c)は、各キックにおけるインパクト開始時からボール変形量が最大になる区間のボール変形量Xと運動加速度α、そして推定したキック力の時間波形である。図20(a)より、各キックにおいて最大変形量に大きな違いはないものの、図20(b)に示すボール加速度の立ち上がりに着目すると、トゥーキックが他のキックに対して緩やかであることがわかる。足部先端ではインパクト時の接触面積が他のキックより小さく、ボール全体が移動を開始するまでに時間を要することになったと考えられる。図20(c)より、各キックによるボール変形と運動に対応したキック力が上手く推定できていることがわかる。各キックにおけるボールの変形形状に対応したボール剛性を用いることで、実際のキック力に近い力推定が実現できることが確認された。
【0097】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施の形態では、機械特性が既知のサッカーボールを機械特性が未知の足で蹴る力を推定する場合を主に説明した。この発明はこれに限定されず、図21に示すように、バット31でボール32を打つ場合に、バット31とボール32との間に働く力を推定する方法と装置にも適用可能である。
この場合、バット31又はボール32の機械的特性を形状(サイズ)別に予め求めておき、バット31とボール32とが接触しているときの連続写真を取得し、ボール又はバットのうち、機械特性が既知の物の変形量と位置を求めることにより、数式(7)により、力Fとその反力を求めることができる。
【0098】
同様に、機械特性が既知のバレーボールを打つときやレシーブするときに機械特性が未知の手や頭に加わる力や反力を推定する場合、ラケット、クラブ等の道具でボールを打つ場合に、ボールや道具に加わる力や反力を推定する場合等にも同様に適用可能である。
【0099】
また、ボールに働く力を推定する方法と装置に限定されない。例えば、図22に示すように、機械特性が既知のサンドバッグ41を機械特性が未知のグローブ42で打つ際の力を推定する場合等にも適用可能である。この場合、サンドバッグ41の機械的特性を、グローブ42の形状(サイズ)・材質別に予め求めておき、グローブ42とサンドバッグ41とが接触しているときの連続写真を取得し、サンドバッグ41の変形量と位置を求めることにより、数式(7)により、力Fとその反力を求めることができる。
【0100】
また、サイズが固定のもの同士の間に働く力に限らず、サイズが動的に変化するものとの間に作用する力を推定することも可能である。
例えば、図23(a)はエアバッグ(乗員保護補助装置)51に人体(例えば頭部)52が衝入したときに、人体に働く力Fを求める例を示す。
この場合、エアバッグの配置位置によって、エアバッグ自身のサイズ・形状と、衝突する人体のサイズと形状が異なってくる。例えば、フロントエアバッグ51ならば、図23(b)に概略的に示す、例えば、半円状の接触形状となり、サイド(カーテン)エアバッグ51ならば、図23(c)に概略的に示す平板状の接触形状となる。
【0101】
このため、例えば、エアバッグのタイプ別に、かつ、人体を模した形状毎に、エアバッグ51の変形量Xと剛性K及び粘性Bとの関係を求めて、コンピュータのメモリに格納しておく。なお、粘性Bは上述のように、無視することも可能である。
この際、エアバッグ51の剛性K及び粘性Bは、図23(d)に示すように、エアバッグ51の膨張度(大きさ)の関数となる。従って、エアバッグ51の膨張度(サイズ)毎に変形量Xと剛性K及び粘性Bを取得する。
【0102】
力Fを推定する際には、エアバッグ51のタイプを特定し、さらに、撮像画像を画像処理して、エアバッグ51のサイズ及び変形量Xと、人体52の接触部分の形状を判別し、対応する剛性Kと粘性Bを求める。
【0103】
そして、求められた変形量X、剛性K、粘性Bを上記数式(7)に適用して力Fを求める。
【0104】
このように、この発明は、図24に示すように、任意の機械特性が既知の物体61と機械特性が未知の物体62とが衝突、接触、押圧しあう場合等に、両者の間に働く力Fを推定する場合に広く適用可能である。即ち、物体62の形状別に、物体61の剛性・粘性を予め求めておき、物体61と62の連続撮像画像から、上記数式(7)を用いて、両者の間に働く力を推定する場合に広く適用可能である。
【0105】
さらに、この発明は、機械的特性が未知のもの同士が接触や衝突する場合に、両者の間で働く力を推定するために応用可能である。
この場合、例えば、図25に示すように、衝突する機械特性が未知の物体71と72との間に機械特性(剛性Kと粘性B)が既知の物体73を装着する。なお、物体73は、物体71,72よりも十分に柔らかいものとする。
各物体73については、接触する物体の形状別に、機械特性(剛性Kと粘性B)が予め求められている。
機械特性が未知の物体71と72との接触時に、連続撮影を行い、機械特性が既知の物体73の変形量を求めることにより、物体71と72との間に働いている力を求めることが可能である。
【0106】
これにより、例えば、図26(a)に示すように、機械特性が既知の物体81を指先82に装着し、他の物体83を押圧し、物体81の変形量を撮影して求めることにより、指先82に加わる力を推定することができる。
同様に、例えば、図26(b)に示すように、機械特性が既知の物体81を指先82に装着し、他の物体83を掴んだり、操る際に、物体81の変形量を撮影して求めることにより、指先82や物体81に加わる力を推定することができる。
【0107】
さらに、例えば、図27に示すように、格闘技を行う際に、機械特性が既知の物体91をグローブやシューズに装着し、打ったり、蹴ったりする際に、物体91の変形量を撮影して求めることにより、相手に加わる力を推定すること等も可能となる。
【0108】
また、図9では、カメラ21を備える印加力推定装置20を例示したが、カメラを備えず、データ入力部26から、他の撮像装置で連続撮影された映像を入力して、入力された映像に基づいて、印加力を推定する装置構成とすることも適用可能である。
また、画像処理部23と制御部29とで処理を分担したが、全ての処理を制御部29で行うようにしてもよい。
【0109】
印加力Fを推定するための演算式は、数式(7)に限定されるものではなく、変形量Xと変形の速度Vと、物体の加速度αを変数として有する適切な関数F=g(X,V,α)を適宜設定して使用可能である。
ここで、関数g(X,V,α)は、次の例のように、対象とする物体の機械的な物理特性に応じて決定される関数K、B、Mの組み合わせである。
g(X,V,α)=K(X)・X+Mα
g(X,V,α)=K(X)・X+B(X,V)・V+M(X)・α
g(X,V,α)=K(X,V)+B(X,V)・V+M(X,V)・α
関数K、B、Mの形は、多項式関数をはじめとして、指数関数、対数関数、積分関数であり、またそれらの組み合わせとなる。
【0110】
印加力推定装置20は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。たとえば、前記の動作を実行するためのコンピュータプログラムを、コンピュータが読みとり可能な記録媒体(フレキシブルディスク、CD(Compact Disc)-ROM、DVD(Digital Versatile Disc)-ROM等)に格納して配布し、当該コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、前記の処理を実行する音声入力装置を構成してもよい。また、インターネット等の通信ネットワーク上のサーバ装置が有する記憶装置に当該コンピュータプログラムを格納しておき、通常のコンピュータシステムがダウンロード等することで音声入力装置を構成してもよい。
【0111】
また、上述の各機能を、OS(オペレーティングシステム)とアプリケーションプログラムの分担、またはOSとアプリケーションプログラムとの協働により実現する場合などには、アプリケーションプログラム部分のみを記録媒体や記憶装置に格納してもよい。
【0112】
また、その他、具体的な細部構成等についても適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【0113】
【図1】ボールを蹴る様子を示す図である。
【図2】(a)と(b)は、ボールの機械的特性を測定するための圧縮装置の構成を示す図である。
【図3】ボールの変形量Xと印加した力の関係の一例を示す図である。
【図4】変形量Xの測定方法の差による誤差を例示する図である。
【図5】(a)~(d)は、ボールの剛性を説明する図である。
【図6】ボールの剛性を求める手順を説明するための手順図である。
【図7】ボールの粘性を求める手順を説明するための手順図である。
【図8】圧縮速度がボールの剛性に与える影響を説明するための図である。
【図9】本発明の一実施の形態に係る印加力推定装置の構成を示す図である。
【図10】図9の印加力推定装置のDBに格納されるボール別・押圧部材別に用意された機械特性を示すテーブルの例である。
【図11】ボールを蹴る様子と、ボールの変形量を求めるために配置されるマーカの例を示す図である。
【図12】カメラで撮影された画像の例を示す図である。
【図13】標準パネルボールの剛性と印加力との関係の例を示す図であり、(a)は、平板状押圧部材で押圧したときの剛性と力を示し、(b)は、半円柱状押圧部材で押圧したときの剛性と力を示す。
【図14】プロペラパネルボールの剛性と印加力との関係の例を示す図であり、(a)は、平板状押圧部材で押圧したときの剛性と力を示し、(b)は、半円柱状押圧部材で押圧したときの剛性と力を示す。
【図15】(a)は、平板状押圧部材で標準パネルボールを押圧したときにボールに加わる実際の力と推定値とを比較して示す図、(b)は推定値の誤差の程度を示す図、(c)は、平板状押圧部材でプロペラパネルボールを押圧したときにボールに加わる実際の力と推定値とを比較して示す図、(d)は推定値の誤差の程度を示す図である。
【図16】(a)は、半円柱状押圧部材で標準パネルボールを押圧したときにボールに加わる実際の力と推定値とを比較して示す図、(b)は推定値の誤差の程度を示す図、(c)は、半円柱状押圧部材でプロペラパネルボールを押圧したときにボールに加わる実際の力と推定値とを比較して示す図、(d)は推定値の誤差の程度を示す図である。
【図17】(a)は、自由落下によるボールへの印加力を推定する手法を説明する図であり、(b)は撮影画像の一例である。
【図18】(a)自由落下によるボールへの印加力を推定した結果と実測値とを比較して示す図であり、(b)は、誤差の程度を示す図である。
【図19】(a)は、キック力を推定する手法を説明する図であり、(b)は撮影画像の一例である。
【図20】変形量と、加速度と、キック力を推定した結果を示す図である。
【図21】この発明の適用例を示す図であり、バットとボールとの間に働く力を推定する方法を説明する図である。
【図22】この発明の適用例を示す図であり、サンドバッグとグローブとの間に働く力を推定する方法を説明する図である。
【図23】この発明の適用例を示す図であり、人体とエアバッグとの間に働く力を推定する方法を説明する図である。
【図24】この発明の一般的な概念を説明する図である。
【図25】この発明の他の概念を説明する図であり、機械特性が未知の物体同士の衝突・接触時に働く力を推定する方法を説明する図である。
【図26】この発明の他の概念を説明する図であり、指先に働く力を推定する方法を説明する図である。
【図27】この発明の他の概念を説明する図であり、格闘技のグローブやシューズに働く力を推定する方法を説明する図である。
【符号の説明】
【0114】
11 ボール
13 足
15 マーカ
20 印加力推定装置
21 カメラ
22 画像メモリ
23 画像処理部
24 メモリ
25 表示部
26 データ入力部
27 操作部
28 DB(データベース)
29 制御部
100 圧縮装置
101 ステージ
102 支持板
103 スライダ
105 力センサ
106(106a~106c) 押圧部材
111 高速カメラ
121,122 マーカ
図面
【図1】
0
【図3】
1
【図4】
2
【図6】
3
【図7】
4
【図8】
5
【図9】
6
【図10】
7
【図11】
8
【図12】
9
【図20】
10
【図23】
11
【図2】
12
【図5】
13
【図13】
14
【図14】
15
【図15】
16
【図16】
17
【図17】
18
【図18】
19
【図19】
20
【図21】
21
【図22】
22
【図24】
23
【図25】
24
【図26】
25
【図27】
26