传感器单元及运动分析装置 |
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| 申请号 | CN201310169348.9 | 申请日 | 2013-05-09 | 公开(公告)号 | CN103386191A | 公开(公告)日 | 2013-11-13 |
| 申请人 | 精工爱普生株式会社; | 发明人 | 佐藤政俊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种 传感器 单元及运动分析装置，无论安装夹具的种类如何，所述传感器单元均能够检测出计测对象的准确的运动。所述传感器单元包括：运动传感器（20），其对对象物的运动进行检测并输出检测值（12），且经由安装夹具而被安装在所述对象物上； 滤波器 （40），其接收所述检测值并使给定的频带通过，且能够对所述频带的截止 频率 进行变更；控制部（30），其对所述截止频率进行控制，所述控制部根据所述安装夹具的硬度而确定所述截止频率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种传感器单元，包括： |
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| 说明书全文 | 传感器单元及运动分析装置技术领域[0001] 本发明涉及一种传感器单元、及利用了该传感器单元的运动分析装置等。 背景技术[0002] 在对对象的运动进行检测的运动传感器中，存在所检测的运动的准确度根据向对象进行安装的安装方法而发生改变的可能性。在专利文献1的发明中，需要对运动进行检测的对象为进行挥击的人，通过直接将运动传感器佩戴在耳朵上，从而检测出人头部的准确的运动。 [0003] 但是，当对象为人时，存在不希望使运动传感器直接与肌肤接触的可能性。此外，当对象例如为高价的物品、贵重的物品时，有时会想要避免直接安装运动传感器。而且，在对象为于运动竞技中所使用的物品的情况下，有时也会在规则中禁止竞技中的运动传感器的安装，从而欲使装卸变得容易。在这种情况下，有时会经由安装夹具而将运动传感器安装在对象上，从而要求即使经由安装夹具也检测出准确的运动。 [0004] 安装夹具并不限于坚硬的固定用的器具。例如，当对象为人时，有时通过使人佩戴安装了运动传感器的手套，从而对该人的运动进行检测。此时，安装夹具为柔软的手套。安装夹具的材料存在根据检测运动的对象而发生改变，或者能够从多个材料中进行选择的可能性。 [0005] 在此，由于对象运动而产生的噪声也经由安装夹具而传递至运动传感器。例如，有时欲经由安装夹具而将运动传感器安装在滑冰鞋的刀刃上，从而对选手的运动进行检测。此时，由于冰的表面的细小的凹凸而产生的高频率的噪声将会传递到运动传感器中。 [0006] 但是，根据安装夹具的硬度，有时大部分的噪声会被安装夹具所吸收，有时噪声几乎不被吸收。因此，即使使用具备运动传感器和使预先确定的频带通过的滤波器的传感器单元，当改变安装夹具的种类时，有时也难以检测出计测对象的准确的运动。 [0007] 专利文献1：日本特开2009-125507号公报 发明内容[0008] 本发明是鉴于这种问题点而完成的。根据本发明的几个方式，能够提供一种无论安装夹具的种类如何均能够检测出计测对象的准确的运动的传感器单元、及利用了该传感器单元的运动分析装置，。 [0009] （1）本发明为一种传感器单元，包括：运动传感器，其经由安装夹具而被安装在对象物上；滤波器，其从所述运动传感器接收检测值，并使给定的频带通过，且能够对所述频带的截止频率进行变更；控制部，其对所述截止频率进行控制，所述控制部根据所述安装夹具的硬度而确定所述截止频率。 [0010] （2）在该传感器单元中，还可以采用如下方式，即，具备存储部，所述存储部中存储有根据安装夹具的硬度而确定了截止频率的表信息，所述控制部利用所述表信息而对所述截止频率进行控制。 [0011] 上述发明的传感器单元包括：运动传感器；滤波器，其从运动传感器接收检测值，并使给定的频带通过；控制部，其对截止频率进行控制。运动传感器例如为加速度传感器、角速度传感器等，且对由于作为计测对象的对象物的运动而产生的加速度、角速度等进行检测并输出检测值。对象物的运动是指，例如沿着运动传感器的轴的方向上的移动、或绕轴的旋转。另外，运动传感器可以包括多个种类的传感器。 [0012] 滤波器例如为带通滤波器，其接收来自运动传感器的检测值，并仅使指定的频带通过。滤波器可以为高通滤波器或低通滤波器。此时，滤波器的截止频率是可变的。并且，能够根据用于将运动传感器安装在对象上的安装夹具的种类，而对截止频率进行调节。 [0013] 通过对截止频率进行调节，从而能够适当地去除根据安装夹具的种类而有所不同的、传递至运动传感器中的噪声。因此，上述发明的传感器单元能够实现如下的传感器单元，即，无论安装夹具的种类如何，均能够检测出计测对象的准确的运动的传感器单元。 [0014] 在此，传感器单元被构成为，包括运动传感器和滤波器。因此，在如运动传感器和滤波器被封装化这样的传感器单元中，用于将运动传感器安装在对象上的安装夹具是指传感器单元的安装夹具。但是，传感器单元可以为，仅将运动传感器独立地安装在对象上的结构。 [0015] 此外，传感器单元包括控制部，所述控制部生成使截止频率进行变更的控制信号。控制部接收表示安装夹具的硬度的硬度信号。并且，可以利用确定了与安装夹具的硬度相对应的截止频率的表，来生成控制信号。 [0017] 在此，硬度信号既可以在传感器单元的内部生成，也可以从传感器单元的外部被给与。控制部可以利用确定了与安装夹具的硬度相对应的截止频率的表信息。表信息既可以被存储在控制部所包含的存储部中，也可以被存储在位于控制部的外部的存储部中。另外，虽然存储部可以包括RAM（随机存取存储器）或ROM（只读存储器），但其种类并不被限定于特定的物体。在包括ROM的情况下，可以在传感器单元的制造时写入表信息，而在包括RAM的情况下，可以在传感器单元的启动时，从传感器单元的外部写入表信息。 [0019] （4）在该传感器单元中，还可以采用如下方式，即，所述压力传感器为压电电阻型压力传感器。 [0020] 根据上述发明，为了控制部生成控制信号而接收的硬度信号为，来自压力传感器的压力值。压力传感器对安装夹具的压力进行计测。因此，无论传感器单元经由何种安装夹具而被安装在对象上，控制部均能够根据实测的安装夹具的压力而生成适当的控制信号。 [0023] （5）在该传感器单元中，还可以采用如下方式，即，包括操作部，所述操作部从所述传感器单元的外部接收所述安装夹具的硬度的信息，并向所述控制部输出所述硬度的信息。 [0024] 根据本发明，包括如下的操作部，所述操作部接收来自传感器单元的外部的信息并输出指示信号。因此，能够从传感器单元的外部，对与安装夹具的硬度相对应的截止频率进行指定。例如在预先确定了安装夹具的种类这样的情况下，在传感器单元中可以不包含压力传感器，从而能够抑制传感器单元的制造成本。另外，所接收到的信息例如可以为安装夹具的硬度的信息其本身，也可以为来自使用者的设定指示等间接的信息。 [0025] （6）在该传感器单元中，还可以采用如下方式，即，所述控制部在判断为所述安装夹具与预定的硬度相比较硬时，以使高频带侧的所述截止频率降低的方式而生成控制信号。 [0026] （7）在该传感器单元中，还可以采用如下方式，即，所述控制部在判断为所述安装夹具与预定的硬度相比较软时，以使低频带侧的所述截止频率降低的方式而生成控制信号。 [0027] 根据上述发明，控制部在判断为安装夹具与预定的硬度相比较硬时，以使高频带侧的截止频率降低的方式而生成控制信号。当安装夹具较硬时，高频的噪声容易传递到运动传感器中。此时，通过降低高频带侧的截止频率，从而能够降低噪声的影响而检测出计测对象的准确的运动。 [0028] 此外，可以采用如下方式，即，控制部在判断为安装夹具与预定的硬度相比较软时，以使低频带侧的截止频率降低的方式而生成控制信号。当安装夹具较软时，能够包括传递到运动传感器中的低频的运动，从而检测出计测对象的准确的运动。 [0029] 另外，各个预定的硬度可以通过事先的实验来确定，也可以通过利用了硬度的计算而求出。此外，也可以预先确定成为阈值的多个硬度，从而以多阶段的方式对截止频率进行调节。 [0030] （8）本发明为包括上述任一传感器单元的运动分析装置。 [0031] 根据本发明，能够实现如下的运动分析装置，即，无论传感器单元的安装夹具的种类如何，均能够检测出计测对象的准确的运动的运动分析装置。运动分析装置是指，被用于对例如高尔夫或网球的挥击、棒球的击球、花样滑冰的滑行、赛跑的跑步等进行分析，从而提高运动技能的装置。例如能够实现如下的运动分析装置，即，在将本发明的运动分析装置的传感器单元安装到花样滑冰的冰鞋上的情况下，能够去除由于表面的细小的凹凸而产生的高频的噪声，从而对准确的选手的运动进行分析。附图说明 [0032] 图1为本实施方式的传感器单元的框图。 [0033] 图2为表示高通滤波器的结构例的图。 [0034] 图3为表示低通滤波器的结构例的图。 [0035] 图4为本实施方式的传感器单元的接触剖视图。 [0036] 图5为表示压力传感器的结构例的图。 [0037] 图6为对压力传感器的隔膜进行说明的剖视图。 [0038] 图7为对压力传感器的检测压力的电路进行说明的图。 [0039] 图8为表示安装夹具的硬度与滤波器的特性之间的关系的图。 [0040] 图9为改变例的传感器单元的框图。 具体实施方式[0041] 下面，利用附图，对本发明的优选实施方式进行详细说明。另外，在下文中进行说明的实施方式并不是对权利要求书中所记载的本发明的内容不当地进行限定。此外，在下文中所说明的结构并不一定都是本发明的必要结构要件。 [0042] 1.传感器单元的结构 [0043] 图1为，一个优选实施方式的传感器单元10的框图。如图1所示，本实施方式的传感器单元10被构成为，包括运动传感器20、控制部30、滤波器40、压力传感器50、存储部70。传感器单元10经由安装夹具而被安装在运动传感器20的计测对象上。 [0044] 滤波器40包括HPF42（高通滤波器）和LPF44（低通滤波器），从而实现带通滤波器。 [0045] 运动传感器20例如为加速度传感器、角速度传感器等，且对由于作为计测对象（以下简称为对象）的人或物体的运动而产生的加速度、角速度等进行检测并输出检测值12。预定的运动是指，例如沿着运动传感器20的轴的方向上的移动、或绕轴的旋转。 [0046] 另外，运动传感器20可以包括多个种类的传感器。在本实施方式中，设定为，包括三轴的加速度传感器和三轴的角速度传感器，从而对对象的各种运动进行检测的运动传感器。对于检测值12而言，例如可以通过电压值的变化来表示所检测出的运动。 [0047] 滤波器40为带通滤波器，且接受来自运动传感器20的检测值12，并仅使指定的频带通过且作为输出信号14而输出。滤波器40通过组合高通滤波器（HPF42）和低通滤波器（LPF44）而构成带通滤波器。此时，HPF42的截止频率（对应于低频带侧的截止频率）、LPF44的截止频率（对应于高频带侧的截止频率）均根据来自控制部30的控制信号13而分别独立地发生变化。并且，由于控制信号13根据安装夹具（即，传感器单元10的安装夹具）的种类而发生变化，因此HPF42、LPF44的截止频率也被调节，其中，所述安装夹具用于将运动传感器20安装在对象上。 [0048] 通过对这些截止频率进行调节，从而能够适当地去除根据安装夹具的种类而有所不同的、被传递至运动传感器20中的噪声。因此，无论安装夹具的种类如何，传感器单元10均能够检测出对象的准确的运动。 [0049] 控制部30接收表示安装夹具的硬度的硬度信号15。并且，从存储部70接收表信息17，而生成控制信号13。该表信息17确定了与安装夹具的硬度相对应的截止频率。另外，将本实施方式的控制部30设定为CPU。 [0050] 压力传感器50对安装夹具的压力进行计测并输出压力值。由于压力值根据安装夹具的硬度而发生变化，因此来自压力传感器50的压力值成为硬度信号15。由于包括压力传感器50，从而能够对安装夹具的压力进行实测。因此，无论传感器单元10经由何种安装夹具而被安装在对象上，控制部30均能够根据通过实测而获得的硬度信号15，而生成适当的控制信号13。 [0051] 另外，压力传感器50为压电电阻型压力传感器。压电电阻型压力传感器能够利用半导体的制造技术来进行制造，并能够实现小型化且实施准确的检测。 [0052] 存储部70中存储了控制部30生成控制信号13所使用的表。此外，存储部70可以对用于执行CPU即控制部30生成控制信号13的运算处理的程序进行存储。存储部70被构成为，包括对这些数据或程序进行存储的RAM或ROM。 [0053] 2.滤波器的详细内容 [0054] 图2为，表示高通滤波器（HPF42）的结构例的图。来自运动传感器20的检测值12中，高于低频带侧的截止频率的频率成分通过HPF42。在此，低频带侧的截止频率fc1如以下的式（1）所示。 [0055] 数学式1 [0056] [0057] 在此，R1为根据控制信号13A（图1的控制信号13的一部分信号）而发生变化的可变电阻的电阻值。因此，控制部30能够根据控制信号13A，而对低频带侧的截止频率fc1进行调节。 [0058] 该可变电阻例如可以通过利用积分电路对控制信号13A进行积分，并设定为晶体管的栅极输入的方式而构成，也可以利用其他的电路而构成，其中，所述控制信号13A为，根据硬度信号15而生成的PWM（脉冲宽度调制）信号。 [0059] 例如，可以采用如下方式，即，控制部30在判断为安装夹具的硬度与预定的硬度相比较软时，以使低频带侧的截止频率fc1降低的方式而生成控制信号13A。此时，在输出信号14中甚至还包含在使用了柔软的安装夹具（例如，海绵或绒毯）的情况下传递至运动传感器20中的低频的运动，从而能够检测出对象的准确的运动。 [0060] 相反，可以采用如下方式，即，控制部30判断为安装夹具的硬度与预定的硬度相比较硬时，以使低频带侧的截止频率fc1增高的方式而生成控制信号13A。此时，能够减少经由较硬的安装夹具（例如，金属板或木板）而被传递至运动传感器20中的低频的噪声的影响。 [0061] 另外，控制部30可以根据控制信号13A而使C1发生变化，从而对低频带侧的截止频率fc1进行调节。此外，可以采用如下方式，即，预定的硬度通过利用作为安装夹具而使用的原料来进行实测，并根据噪声向运动传感器20传递的程度而确定。例如，可以采用如下方式，即，将预定的硬度确定为皮或毛毡等的硬度，并根据与该硬度相比较软还是较硬而生成不同的控制信号13A。 [0062] 图3为，表示低通滤波器（LPF44）的结构例的图。此时，在通过了HPF42的信号中，低于高频带侧的截止频率的频率成分通过LPF44。在此，高频带侧的截止频率fch如以下的式（2）所示。 [0063] 数学式2 [0064] [0065] 在此，R2为根据控制信号13B（图1的控制信号13的一部分信号）而发生变化的可变电阻的电阻值。因此，控制部30能够根据控制信号13B而对高频带侧的截止频率fch进行调节。另外，关于可变电阻的结构，既可以与HPF42相同，也可以与HPF42不同。此外，控制部30可以根据控制信号13B而使C2发生变化，从而对高频带侧的截止频率fch进行调节。 [0066] 例如，可以采用如下方式，即，控制部30在判断为安装夹具的硬度与预定的硬度相比较硬时，以使高频带侧的截止频率fch降低的方式而生成控制信号13B。 [0067] 此时，能够减少经由较硬的安装夹具而被传递至运动传感器20中的高频的噪声的影响，从而检测出对象的准确的运动。另外，关于预定的硬度，可以确定为与HPF42的情况相同。 [0068] 相反，可以采用如下方式，即，当判断为安装夹具的硬度与预定的硬度相比较软时，控制部30以使高频带侧的截止频率fch增高的方式而生成控制信号13B。此时，由于高频的噪声不易通过较软的安装夹具而传递至运动传感器20中，因此通过在输出信号14中包含较多的高频带成分，从而能够使所检测出的对象的运动更加准确。 [0069] 由HPF42和LPF44构成的滤波器40的特性如图8所示。对于来自滤波器40的输出信号14的电压（输出电压）与频率之间的关系，在安装夹具的硬度与预定的硬度相比较硬时，成为图8中的黑色部分那样。即，在与采样频率Fs相比非常低的频率处，设定了高频带侧的截止频率fch。此外，低频带侧的截止频率fc1也被设定得较高。 [0070] 另一方面，当安装夹具的硬度与预定的硬度相比较软时，成为图8的斜线部分那样。在高频带侧和低频带侧均能够通过的频带被扩大。即，当使用了不易传递噪声的、较软的安装夹具时，能够扩大可通过的频带，从而进一步检测出对象的准确的运动。 [0071] 3.压力传感器的详细内容 [0072] 为了根据安装夹具来选择适当的截止频率，需要硬度信号15是准确的。在此，在本实施方式的传感器单元10中，来自压力传感器50的压力值成为硬度信号15。由此，需要压力传感器50将安装夹具的硬度以压力值的形式准确地输出。 [0073] 在本实施方式的传感器单元10中，压力传感器50为压电电阻型压力传感器，从而能够实现小型化且实施准确的检测。 [0074] 图4为，表示本实施方式的传感器单元10经由安装夹具80而与对象物82（作为计测的对象，例如可以为人，但在本实施方式中设定为物体）接触的状态的剖视图。被包含在传感器单元10中的运动传感器20与安装夹具80接触，以能够准确地对对象物82的运动进行检测。并且，被包含在传感器单元10中的压力传感器50使隔膜52（参照图5）朝向安装夹具80，并以被压入到安装夹具80中的方式而与安装夹具80接触。 [0075] 图5为，作为压电电阻型压力传感器的压力传感器50的俯视图。压力传感器50具备受压部（隔膜52），并在隔膜52上形成有压电电阻。当对隔膜52施加压力时，电阻率将根据被施加在压电电阻上的应力而发生变化。利用这一点而对压力进行检测。 [0076] 图6为，表示对压力传感器50施加了压力P的状态的剖视图。此时，压力P为，通过安装夹具80压回压力传感器50而产生的力。在此，当安装夹具80较软时，由于安装夹具80如缓冲材料那样动作，因此压力P减小。即，通过对压力P进行测定，从而能够检测出安装夹具80的硬度。 [0077] 在此，再次参照图5。在图5中用长方形来表示的部件为压电电阻，各自的电阻值为Rx、Ry、Rz、Rw。通过该压电电阻来构成惠斯登电桥，例如在流通有恒定电流时，将获得与压力成比例的输出电位差。 [0078] 图7为，表示通过被形成于压力传感器50的隔膜52上的压电电阻而构成的惠斯登电桥的图。在惠斯登电桥中从恒定电流源流出有电流i。此时，通过对输出电位差Vo进行测定，从而能够得知来自安装夹具80的压力。即，能够得知安装夹具80的硬度。另外，输出电位差Vo依照下述的式（3）。 [0079] 数学式3 [0080] [0081] 如上文所述，在本实施方式的传感器单元10中，能够通过压力传感器50而对安装夹具80的硬度进行检测。此时，控制部30接收输出电位差Vo（压力值）以作为硬度信号15。并且，存储部70中存储有确定了与压力值相对应的截止频率的表。控制部30利用该表而能够高效地生成控制信号13。另外，存储部70所存储的表可以为确定了与压力值相对应的控制信号13的表。此时，控制部30能够更高效地生成控制信号13。 [0082] 如上文所述，本实施方式的传感器单元10能够按照所检测出的安装夹具80的硬度而使滤波器特性发生变化。即，能够实现如下的传感器单元，即，无论安装夹具80的种类如何，均能够检测出计测对象的准确的运动的传感器单元。 [0083] 4.改变例 [0084] 在此，之前的实施方式为，压力传感器50对安装夹具80的硬度进行实测的实施方式。但是，例如在预先确定了安装夹具80的种类这样的情况下，可从传感器单元10的外部进行指定的方式更为高效。此时，由于在传感器单元10中可以不包括压力传感器50，因此能够抑制传感器单元10的制造成本。 [0085] 如图9所示，在本改变例的传感器单元10中，包括如下的操作部60，以代替压力传感器50，所述操作部60接收来自传感器单元10的外部的指示并生成指示信号。操作部60将指示信号作为硬度信号16而输出。例如将安装夹具80的种类预先确定为（A）板、（B）皮或毛毡、（C）绒毯这三个种类。并且，经由皮的安装夹具80而将本改变例的传感器单元10安装在对象物82上的使用者，通过操作部60而指定（B）皮或毛毡，以作为对传感器单元10的指示。于是，控制部30接收作为硬度信号16的、使用者所指定的内容（即，安装夹具80为皮或毛毡的信息）。并且，控制部30能够生成适当的控制信号13。 [0087] 5.应用例 [0088] 本实施方式的传感器单元10例如能够理想地应用于运动分析装置中。运动分析装置是指，用于对例如高尔夫或网球的挥击、棒球的击球、花样滑冰的滑行、赛跑的跑步等进行分析，从而提高运动技能的装置。 [0089] 例如，即使在作为运动分析装置的一部分的传感器单元10经由硬质的安装夹具80而被安装在花样滑冰的冰鞋上的情况下，本应用例的运动分析装置能够消除由于表面的细小的凹凸而产生的高频的噪声，从而对准确的选手的运动进行分析。 [0090] 此外，例如在作为运动分析装置的一部分的传感器单元10经由海绵等的安装夹具80而被安装在高尔夫球杆或网球拍上的情况下，本应用例的运动分析装置能够使输出信号14中甚至还包含被传递至运动传感器20中的低频的运动，从而捕捉到高尔夫球杆或网球拍的准确的轨迹。 [0091] 并且，能够根据所获得的测定对象的准确的运动，而向选手示出提高选手的运动技能所需要的建议（例如，“在网球拍的下挥时存在向外侧方向的偏移，因此请夹紧腋窝来进行挥拍”等）。 [0092] 6.其他 [0093] 本发明包括与实施方式中所说明的结构实质上相同的结构（例如，功能、方法及结果相同的结构、或者目的以及效果相同的结构）。此外，本发明包括对实施方式中所说明的结构中的非本质的部分进行了替换的结构。此外，本发明包括能够获得与实施方式中所说明的结构相同的作用效果的结构，或者能够实现与在实施方式中说明的结构相同的目的的结构。此外，本发明包括在实施方式中所说明的结构上附加了公知技术的结构。 [0094] 符号说明 [0095] 10…传感器单元；12…检测值；13…控制信号；13A…控制信号；13B…控制信号；14…输出信号；15…硬度信号；16…硬度信号；20…运动传感器；30…控制部；40…滤波器； 50…压力传感器；52…隔膜；60…操作部；70…存储部；80…安装夹具；82…对象物。 |
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