CN101405570A - 运动捕捉设备及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于具有N个接合段的结构的运动捕捉设备，其特征在于，所述设备包括：提供至少一条信息的第一装置(ML)，所述信息在连续的时刻t_k给出对于参照系中第一级的段的点的绝对加速度矢量(公式I)，k为大于或等于1的整数，以及设置在其它段上的第二测量装置(MD1，MDn)，所述第二测量装置在每一个时刻t_k为所述第1级到第N级的每一个段提供代表所述参照系中所述段的方位矢量(公式II)的测量值(M1，Mn)。本发明可以应用于生物力学分析、遥控操作和角色动画等。

Description

运动捕捉设备及相关方法

技术领域

本发明涉及一种运动捕捉设备及相关的运动捕捉方法。本发明还涉及一种运动再现设备及相关的运动再现方法。

背景技术

用于捕捉结构运动的设备是一种用于测量通过处理能够描述该结构运动的量的设备。例如，该结构可以是移动或不移动的人或机器人。

人体运动的捕捉是一种广泛用于许多应用的技术，例如生物力学分析、遥控操作、角色动画、生物工程学，等等。

运动捕捉设备的第一种类由包括两个不同部分的设备组成，其中将该设备的第一部分放置在移动物体上并且相对于所述物体的移动而固定该设备的第二部分。在该第一种类中，主要具有光学系统、电磁系统和超声系统。这些设备在精度方面有效。然而，这些设备的确具有一些缺点。因此，必须既在物体上又在物体所在的环境中安装设备。在所有情况下，这些系统具有短量程(与物理源的范围保持一致)和相当长的安装与校准阶段。它们的成本也非常高。

目前可能最多使用的该技术是基于光学，例如在专利申请US2003/0215130A1和US 2005/00883333A1中所描述的。这些系统使通过位于发生动作的场景周围的照相机拍摄的图像来重建身体的移动成为可能。将对于照相机高度可视的标识点设置在移动物体上。通过立体视学原理的处理提供每个标识点的3D(3D代表“三维”)位置。尽管如此，光学闭塞的问题很多，这使使用的照相机的最小数量很高。有些创造者提出减少这种类型的缺点，例如在标题为“Skeleton-BasedMotion Capture for Robust Reconstruction of Human Motion(用于人体运动的机器人重建的基于骨架的运动捕捉)”(L.Herda；P.Fua；R.Plankers；R.Boulic；D.Thalmann，Computer Graph Lab(LIG)，EPFL-web 01/2000)的文章中有所描述。其它创造者建议基于轮廓的处理方法，该轮廓通过将其与移动物体的模型相关而从单个照相机提取(参照“Marker-free Kinematic Skeleton Estimation from Sequences ofVolume Data(来自体积数据序列的免标识点的运动学骨架估计)″C.Theobalt；E.Aguiar；M.Magnor；H.Theisel；H-P.Seidel；MPInformatik)。

基于电磁学的系统重建设置在物体上的传感器的角度和位置。

与光学系统类似，超声系统找到发射者的位置。这两种技术与基于照相机的技术一样在空间上受到相同的限制。

设备的第二种类涉及设置在移动物体上的单个单元形式的设备。这是具有外骨骼设备的情况。这些设备使免于捕捉体积的限制成为可能，但是由于它们由设置在结构或人体上的机械铰接臂组成，所以这些设备是受限的。移动的重建使用铰接组件的段之间的角度测量值，而不是位置测量值。

近期，基于相当旧的原理(惯性单元原理)的系统在小于传统规模的规模上看到了曙光，特别是侧面为几厘米级别的规模(参照专利US 6 162 191)。将这些由角速度传感器(陀螺测试仪)组成的设备置于移动物体或移动人体上。假如对引起漂移的测量值进行数学积分一次，则角速度传感器提供旋转段的角度。加速度计乃至磁力计有时与陀螺测试仪相结合，从而只要移动减慢，其基于地磁和引力场的测量值就会重置方位的估计，从而抵消漂移。然而，如果保持加速度，则由于不再发生重置，所以快速移动的捕捉就会出现问题。另外，陀螺测试仪是一直难于使用、相当昂贵并且还对加速度具有一定灵敏度的传感器。

另一种方案(参照专利US 6 820 025)由与铰接的段并列且包括用于重建移动的陀螺测试仪的角度传感器组成。

法国专利申请FR 2 838 185描述了一种用于捕捉在参照系内移动的固体方位的设备。该运动捕捉设备由置于该固体上的轴向或矢量传感器产生的测量值而提供由该参照系中固体的移动参照系给出的至少一个方位角θ。所使用的传感器优选地为磁力计和加速度计。因而，在测量值M、参照系中表示的引力场G、参照系中表示的磁场H和方位角θ之间存在着等式(1)：

M＝F(θ，G，H)     (1)

因而，将分别由加速度计和磁力计产生的物理量的测量值M建模为函数F，所述函数代表相对于固体在其中移动的参照系，依附于该固体的参照系的旋转θ。

通过下面的等式(2)，由等式(1)得到方位角θ：

θ＝F^-1(M，G，H)   (2)

如果运动被加速，则新的等式(3)描述该系统，即：

M＝F(θ，a，G，H)  (3)

然后，未知数θ和未知数a形成了高维空间，其以实用的方式阻止了函数F的倒置。因此，不可能从等式(3)求解未知数θ和未知数a。因此，如果没有附加信息，在移动物体加速时或至少在移动物体的加速度不能被忽略时，该设备不允许方位角度的测量。这表现为缺点。

本发明不具有上述设备的缺点。

发明内容

这是因为本发明涉及一种用于捕捉结构的运动的设备，所述结构由N个连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段直到第N级的段彼此铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n(n＝2，…，N)级的段在铰接点P_n处与所述n-1级的段铰接，其特征在于，所述运动捕捉设备包括：

提供信息的第一装置，所述信息能够在连续的时刻t_k恢复参照系中所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量

其中k为大于或等于1的整数，

第二测量装置，其固定于所述第1级的段并且在每个时刻t_k提供代表所述参照系中所述第1级的段的方位矢量

的测量值，以及

辅助测量装置，其固定于n(n＝2，…，N)级中的每个段并且在每个时刻t_k提供代表所述第n级的段的方位矢量

的测量值。

根据本发明的辅助特征，所述第二测量装置和所述辅助测量装置由加速度计和提供统一物理场的测量值的传感器组成，所述统一物理场存在于所述结构在其中移动的空间中，并且该统一物理场具有在所述参照系中的已知方向。

根据本发明的另一辅助特征，所述第二测量装置和所述辅助测量装置进一步包括至少一个陀螺测试轴。

根据本发明的再一辅助特征，所述提供在所述参照系中的已知方向的统一物理场的测量值的传感器为磁力计。

根据本发明的又一辅助特征，所述提供在所述参照系中的已知方向的统一物理场的测量值的传感器为光电单元。

根据本发明的再一辅助特征，所述第一装置由速度测量仪组成，以使得所述能够恢复所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量的信息为所述点的速度。

根据本发明的再一辅助特征，所述第一装置由位置测量仪组成，以使得所述能够恢复所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量的信息为所述点的位置。

本发明还涉及一种用于再现结构的运动的设备，所述结构由N个连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n(n＝2，…，N)级的段在铰接点P_n处与所述第n-1级的段铰接，其特征在于，所述设备包括：

根据本发明的运动捕捉设备，其中第n级的段的所述辅助测量装置位于所述铰接点P_n附近，以使得可以将用于将所述第n级的段的辅助测量装置与所述铰接点P_n分离的距离认为是0，以及

计算装置，其在每个时刻t_k处执行：

a)通过由所述第一装置提供的信息计算所述参照系中的所述绝对加速度矢量

b)通过所述绝对加速度矢量

和代表所述第1级的段的所述方位矢量

的所述测量值计算在所述参照系中所述第1级的段的方位矢量

c)通过下列等式计算所述参照系中所述铰接点p_n的加速度矢量 ${\stackrel{\→}{a}}_n(n\≥2):$

${\stackrel{\→}{a}}_n={\stackrel{\→}{a}}_{n-1}+\left(\frac{d{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_{n-1}}{\mathrm{dt}}\right)\mathrm{\Λ}\stackrel{\→}{L_{n-1}}+{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_{n-1}\mathrm{\Λ}\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_{n-1}\mathrm{\Λ}\stackrel{\→}{L_{n-1}}\right)$

其中， ${\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_n=d\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\Θ}}}_n\right)/\mathrm{dt},$

为从所述铰接点p_n-1指向所述铰接点p_n的矢量并且其模数具有将所述铰接点p_n与所述铰接点p_n-1分离的距离的值，以及

d)通过所述加速度矢量

和代表所述第n级的段的所述方位的所述测量值计算所述第n级的段的所述方位矢量 ${\stackrel{\→}{\mathrm{\Θ}}}_n(n\≥2).$

本发明还涉及一种用于再现结构的运动的设备，所述结构由N个连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n(n＝2，…，N)级的段在铰接点P_n处与所述第n-1级的段铰接，其特征在于，所述设备包括：

根据本发明的运动捕捉设备，其中所述第n级的段的辅助测量装置远离所述铰接点p_n，以及

计算装置，其在每个时刻t_k处执行：

a)通过由所述第一装置提供的所述信息计算在所述参照系中的所述绝对加速度矢量

b)通过所述绝对加速度矢量

和代表所述第1级的段的所述方位矢量

的测量值计算在所述参照系中所述第1级的段的所述方位矢量

c)通过下列等式计算在所述参照系中所述铰接点p_n的加速度矢量 ${\stackrel{\→}{a}}_n(n\≥2):$

${\stackrel{\→}{a}}_n={\stackrel{\→}{a}}_{n-1}+\left(\frac{d{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_{n-1}}{\mathrm{dt}}\right)\mathrm{\Λ}\stackrel{\→}{L_{n-1}}+{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_{n-1}\mathrm{\Λ}\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_{n-1}\mathrm{\Λ}\stackrel{\→}{L_{n-1}}\right)$

其中， ${\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_n=d\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\Θ}}}_n\right)/\mathrm{dt},$

为从所述铰接点p_n-1指向所述铰接点p_n的矢量并且其模数具有将所述铰接点p_n与所述铰接点p_n-1分离的距离的值，以及，

d)通过所述加速度矢量

代表所述n级的段的方位的测量值(M_n)以及在先于所述时刻t_k的至少两个时刻处所述第n级的段的所述方位矢量，计算所述方位矢量 ${\stackrel{\→}{\mathrm{\Θ}}}_n(n\≥2)$ 和固定在所述第n级的段上的所述辅助测量装置的所述测量点的加速度矢量

使得

为：

其中，

为从所述铰接点p_n指向所述n级的段的所述辅助测量装置的矢量并且其模数基本上等于将所述铰接点p_n与所述第n级的段的所述辅助测量装置分离的距离。

根据本发明的附加特征，射频传输装置将代表由所述第一测量装置和所述第二测量装置提供的基本电信号传输到所述计算装置。

根据本发明的另一附加特征，所述射频传输装置包括接收所述基本电信号并且将代表该基本电信号的电信号转发到所述计算装置的中间单元。

根据本发明的再一附加特征，存储装置存储由所述第一测量装置和所述第二测量装置提供的测量值。

根据本发明的又一附加特征，所述存储装置位于所述结构上。

本发明还涉及：

根据独立权利要求14所述的运动捕捉方法，

根据独立权利要求18所述的运动再现方法，以及

根据独立权利要求19所述的运动再现方法。

根据本发明的基本测量设备由两种类型的传感器组成，其中的一种为加速度计。

优选地，通过用于捕捉固体旋转运动的设备产生基本测量设备，如在本申请人于2002年4月5日递交的公开号为FR 2 838 185的法国专利申请中描述的。因此，基本测量设备由一对(加速度计，传感器X)组成。

传感器X表示提供统一物理场的测量值的任意传感器，所述物理场存在于移动物体移动的空间中，该物理场的方向在参照系中是已知的或在参照位置处被测量。涉及传感器X的唯一约束是，首先传感器一定不对加速度敏感，并且其次，测量的物理场的方向与垂直的不同。因此，传感器X可以是用于测量地球磁场方向的磁力计。传感器X还可以是光电单元，其测量到达该单元的光强度。例如，如果光源是太阳，并且测量光强度时，日期、时间、经度和纬度是已知的，则绝对参照系中日光光线的入射角是可以预测的，并且因此，根据该设备相对于所述日光光线的方向产生的角度来调整该测量。因此，这也是测量角度的另一种方式。传感器X还可以由一个或多个用于辅助加速度计测量的陀螺测试轴组成。

第一装置可以由本地测量系统执行，所述第一装置提供能够恢复所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量

的信息。如果装置不可用于补偿重力加速度，则简单的加速度计是不适当的。在人体移动测量的具体情况中，本地测量系统可以有利地放置于人体的重力中心或其附近(例如，置于腰部)。

例如，本地测量系统可以是结合有微分电路的GPS类型(GPS代表“全球定位系统”)的设备。该GPS设备通过对位置数据求两次微分，能够随时了解携带其和微分电路的元件的位置，确定地理参照系中的绝对加速度。

本地测量系统也可以通过结合有微分电路的射频定位设备执行。射频定位设备需要使用指向标(ULB雷达(ULB代表超大带宽)，光学指向标，等等)。因此，射频定位设备会使本地测量系统的自主特性丢失。然而，他们确实证明了在首先定位指向标的场地(enclosure)中跟随移动时使用他们是非常有利的。使用射频系统还具有数据传输和位置测量的双重优势(特别是使用ULB设备的情况下)。正如在GPS设备的情况下，为了获得加速度测量值，对由射频定位设备提供的位置测量值进行两次微分。

导向的压力测量(管)直接与空气中的体速度相关。因此，可能沿三个轴确定压力测量仪固定于其上的段的速度矢量。通过对该速度测量值进行一次微分，获得加速度。

有利地，该运动捕捉设备相对于移动结构的层次结构可以是“动态的”。例如，在具有人的特点的结构的情况下(人或机器人)，这意味着可以将本地测量系统或系统ML置于脚、手、腰等处，或任意其它可以被当作刚性成分的人体部分。

在本发明的其它实施例中，提供信息的第一装置不是测量装置，该信息能够恢复所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量

其中公知的是，该段上的点在参照系中是固定的，事实上，不需要对这一段进行加速度测量。然后，可以将这一段有利地选择为第1级的段。因此，例如，提供能够恢复所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量

的信息的第一装置可以是存储装置，所述存储装置掌握在所述参照系中所述第1级的段上的点所占用的固定位置。

在剩余的描述中，通过不限定的实例，提供能够恢复所述第1级段的上的点的绝对加速度矢量

的信息的所述第一装置是固定于所述第1级的段的测量装置ML。认为该测量装置ML叠加在也固定于所述第1级的段的第二测量装置MD1上。在更普通的情况下，测量装置ML和MD₁彼此远离，可以随后将测量装置ML当作位于所述第1级的段和第0级的段之间的虚拟铰接点。

测量装置MD能够表现空闲状态的特性。于是，由设备MD提供的信号的变化低于阈值。一旦在一个点处检测到空闲状态，则该点在固定的参照系中极有可能是静止的(这是因为，尽管统一的直线运动与静止状态给出相同的结果，但这样的运动是不可能的并且难以保持)。在检测到静止的情况下，该结构的加速度为0并且能够检测到该静止状态。

然而有一些情况，其中铰接在特定的移动中是静止的。例如，行走中，每只脚交替短暂地处于静止的情况。在这种情况下，应用本发明的方法以使得所述第1级的段交替地为右脚或左脚。

在剩余的描述中，本发明将描述铰接结构的移动的捕捉和再现，所述铰接结构由一连串的段组成。然而，很清楚，本发明还可以应用于任意形式的任意非铰接的固体(于是，可以认为这是所述铰接结构的所述第1级的段)，或应用于由几组铰接段组成的复杂铰接结构。

附图说明

在参照附图对给出的优选实施例的解释中，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中：

图1象征性地描述了与本发明的运动捕捉设备相关的铰接结构的实例；

图2描述了在具有四个铰接段的结构的情况下根据本发明的运动捕捉设备的实例；

图3描述了设置有根据本发明的运动捕捉设备的两个连续的铰接段；

图4A描述了在本发明的上下文中使用的测量处理方法的特定情况的基本步骤；

图4B描述了普通情况下在本发明的上下文中使用的测量处理方法的基本步骤；

图5A描述了图4A中所示的测量处理方法的主要步骤的详细流程图；

图5B描述了图4B中所示的测量处理方法的主要步骤的详细流程图；

图6A象征性地示出了在上述的特定情况中为具有五个铰接段的结构的不同段获得的加速度和方位数据随时间的变化；

图6B示出了在所述普通情况下为具有铰接段的结构的不同段获得的加速度和方位数据的逐步计算结果；

图7A和图7B描述了根据本发明的运动再现设备的两个实施例。

在所有附图中，相同的附图标记代表相同的组件。

具体实施方式

图1描述了与本发明的运动捕捉设备相关的铰接结构的实例；

将例如人体或具有人的特点的机器人的结构分解为一组段，所述一组段是许多彼此铰接的固体组成部分。因而，将所有段分解为头段TE，颈段C，一组躯干段T1、T2、T3，一组左臂段BG1、BG2、BG3、BG4，一组右臂段BD1、BD2、BD3、BD4，一组左腿段JG1、JG2、JG3、JG4、JG5和一组右腿段JD1、JD2、JD3、JD4、JD5。

图2描述了设置有根据本发明的运动捕捉设备的铰接结构。例如，该结构是由分布在从肩膀到手的范围内的四个铰接段B₁、B₂、B₃、B₄组成的机器人臂。

B₁段设置有本地测量系统ML和基本方位测量设备MD₁。基本方位测量设备MD₁远离本地测量系统ML。本地测量系统ML的固定点和基本方位测量设备MD₁的固定点定义了模数为D₁的矢量

该矢量从ML指向MD₁。正如先前提到的，当固定第1级的段上的点时，该本地测量系统ML是不必要的，因为随后已知参照系中该点的加速度为0。

每个段B_n(n＝2，3，4)都设置有铰接点P_n，相邻段B_n-1在该铰接点处铰接。将基本方位测量设备MD_n置于每个段B_n上。该基本方位测量设备MD_n的固定点远离铰接点P_n，该基本方位测量设备MD_n的固定点与铰接点P_n定义模数为D_n的矢量

该矢量从P_n指向MD_n。

本发明的运动再现设备的功能是通过对第一段B₁加速度和方位的了解而逐步估计不同段的连续铰接点的加速度以及不同段彼此之间的角度。

在下面图表和论述中，n为段的属种索引或秩，k为属种时间增量索引，a_n为在固定参照系中第n级的段的铰接点P_n的加速度，并且θ_n为固定参照系中第n级的段的三维方位(3D方位)。为了方便起见，加速度a_n和方位θ_n在该专利申请中通常以标量形式表示。然而，必须注意的是，所有这些量在参照系中为三维矢量。

图3描述了配备有本发明的运动捕捉设备的移动结构的详细视图。段S_n在铰接点P_n处与段S_n-1铰接。将段S_n的长度看作距离L_n，所述距离L_n将铰接点P_n+1与铰接点P_n分离。同样，将段S_n-1的长度看作距离L_n-1，所述距离L_n-1将铰接点P_n与铰接点P_n-1分离。铰接点P_n-1和P_n定义从P_n-1指向P_n的矢量

并且其模数等于分离铰接点P_n和P_n-1的距离。铰接点P_n具有加速度a_n并且铰接点P_n-1具有加速度a_n-1。第n级的段和第n-1级的段上各自的设备MD_n和MD_n-1的测量点具有各自的加速度b_n和n_n-1。

在剩余的描述中，首先将介绍本发明的特定情况，其中矢量

是可以忽略的(于是，可以认为矢量是0矢量)，并且随后将介绍本发明的普通情况，其中矢量

是不能忽略的。

图4A描述了根据本发明的特定情况，即矢量

为0的情况，确定量和

的普遍原理。通过铰接点P_n-1的加速度代表第n-1级的段的矢量

和代表第n-1级的段的3D方位矢量的矢量

计算铰接点P_n的加速度

其根据运动合成法则为：

其中：

符号∧代表“矢积”运算符，并且

${\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_n=d\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\Θ}}}_n\right)/\mathrm{dt}$

加速度

为已知的量，然后可以基于等式(5)计算方位

${\stackrel{\→}{\mathrm{\Θ}}}_n=F^{-1}(M_n,{\stackrel{\→}{a}}_n,G,H)---\left(5\right)$

其中：

Mn代表位于第n级的段上的基本测量设备MD_n提供的测量值，

并且

G和H为在第n级的段处分别在参照系中测量的引力场和磁场。

等式(5)本身是已知等式，其对应于前面给出的等式(2)。

图4B描述了普通情况下在本发明的上下文中使用的测量处理方法的基本步骤。在普通情况下，将有关设备MD_n测量点的加速度

和的等式写为：

或者又写为：

然后，可以将量b_b(t_k)写为如下形式：

$b_n\left(t_k\right)=K({\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_n\left(t_k\right),{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Theta;}}}_n\left(t_{i<k}\right),{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Theta;}}}_n\left(t_k\right))$

然后，如先前在上述的特定情况下那样，通过等式(4)计算矢量

接下来，在时刻t_k，使用等式(6)计算矢量

和

${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Theta;}}}_n\left(t_k\right)=L^{-1}(M_n\left(t_k\right),\stackrel{\&RightArrow;}{a}\left(t_k\right),G,H,{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Theta;}}}_n\left(t_{i<k}\right))---\left(6\right)$

其中，函数L是组合函数F和函数K的函数：

$M_n\left(t_k\right)=F({\stackrel{\&RightArrow;}{b}}_n\left(t_k\right),G,H,{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Theta;}}}_n\left(t_k\right))$

$=L({\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_n\left(t_k\right),G,H,{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Theta;}}}_n\left(t_k\right),{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Theta;}}}_n\left(t_{i<k}\right))$

图5A描述了图4A中描述的测量处理方法的基本步骤的详细流程图。

图5A中描述的处理单元详述了量a_n(t_k)和θ_n(t_k)的计算，其在时刻t_k与第n级的段关联。通过下列的测量值或计算数据来确定第n级的段的量a_n(t_k)和θ_n(t_k)：

为三个不同的时刻t_k、t_k-1、t_k-2计算涉及第n-1级的段的加速度a_n-1(t_k)、a_n-1(t_k-1)和a_n-1(t_k-2)，并且

由测量设备MD_n-1在两个不同时刻t_k-1和t_k-2提供的测量值M_n-1(t_k-1)和M_n-1(t_k-2)，

在时刻t_k计算的第n-1级的段的方位θ_n-1(t_k)，以及

由基本测量设备MD_n在时刻t_k提供的测量值M_n(t_k)。

将量a_n-1(t_k-2)和M_n-1(t_k-2)应用于算子2，其使用等式(5)并且提供方位θ_n-1(t_k-2)。同样，将量a_n-1(t_k-1)和M_n-1(t_k-1)应用于算子2，其使用等式(5)并且提供方位θ_n-1(t_k-1)。

定义时间信息间隔Δt₂₁为：

Δt₂₁＝t_k-2-t_k-1，

接下来，将量θ_n-1(t_k-2)和θ_n-1(t_k-1)以及时间信息间隔Δt₂₁应用于用来计算量ω_n-1(t_k-1)的微分算子DIFF：

ω_n-1(t_k-1)＝(θ_n-1(t_k-2)-θ_n-1(t_k-1))/Δt₂₁。

然后，计算量ω_n-1(t_k)和d(ω_n-1(t_k))/dt：

通过微分算子DIFF计算量ω_n-1(t_k)：

ω_n-1(t_k)＝(θ_n-1(t_k-1)-θ_n-1(t_k))/Δt₁₀，其中θ_n-1(t_k-1)是前面计算过的量，θ_n-1(t_k)是已知的(先前计算过)，且Δt₁₀＝t_k-1-t_k，并且

通过微分算子DIFF计算量d(ω_n-1(t_k))/dt：

d(ω_n-1(t_k))/dt＝(ω_n-1(t_k-1)-ω_n-1(t_k))/Δt₁₀，其中ω_n-1(t_k-1)和ω_n-1(t_k)是前面计算过的量，并且Δt₁₀＝t_k-1-t_k。

然后，将量a_n-1(t_k)、ω_n-1(t_k)和d(ω_n-1(t_k))/dt应用于算子1，其使用等式(4)并且提供量a_n(t_k)。然后，将计算的量a_n(t_k)与已知的测量值M_n(t_k)应用于算子2，其使用等式(5)并且提供方位量θ_n(t_k)。

通过本发明的铰接运动捕捉设备获得的测量值的处理可以为移动结构的每个段确定其在铰接点处的加速度以及其在参照系中的方位。然后，可能描述例如在屏幕上该结构的运动。

如参考图5A清楚示出的，除了其它的以外，由与在先前时刻t_k-1和t_k-2的第n-1级的段相关的信息而推导出在时刻t_k处第n级的段的一对值[a_n(t_k)，θ_n(t_k)]的确定。因此，显然地，并非所有涉及结构的全部段的加速度和方位数据都可以由第一测量值得知。因此，在能够全面再现铰接运动之前，必须获得一定数量的测量值。

图5B描述了图4B中描述的测量处理方法的主要步骤的详细流程图。

除了参考图5A提及的数据之外，对于时刻t_k-1和t_k-2处的第n级的段，这里还由计算的方位θ_n(t_k-1)和θ_n(t_k-2)来确定与第n级的段相关的量

和

然后，将量a_n-1(t_k-2)、θ_n-1(t_k-3)、θ_n-1(t_k-4)和M_n-1(t_k-2)应用于算子2，其使用等式(6)并且提供方位θ_n-1(t_k-2)。同样，将量a_n-1(t_k-1)、θ_n-1(t_k-2)、θ_n-1(t_k-3)和M_n-1(t_k-1)应用于算子2，其使用等式(6)并且提供方位θ_n-1(t_k-1)。

然后，将量a_n-1(t_k)、ω_n-1(t_k)和d(ω_n-1(t_k))/dt应用于算子1，其使用等式(4)并且提供量a_n(t_k)。然后，将在时刻t_k前的两个时刻估计的方位θ_n(t_k-1)和θ_n(t_k-2)、计算的量a_n(t_k)和已知的测量样本M_n(t_k)应用于算子2，其使用等式(6)，其中前面通过算子DIFF给出过ω_n(t_k)和dω_n(t_k)：

ω_n(t_k)＝(θ_n(t_k-1)-θ_n(t_k))/Δt₁₀

d(W_n(t_k))/dt＝(W_n(t_k-1)-W(t_k))/Δt₁₀

其中，

W_n(t_k-1)＝(θ_n(t_k-2)-θ_n(t_k-1))/Δt₂₁

然后，算子2提供方位量θ_n(t_k)。

通过本发明的铰接运动捕捉设备获得的测量值的处理可以为移动结构的每个段确定其在铰接点处的加速度和其在参照系中的方位。然后，可能描述例如在屏幕上该结构的运动。

例如，如参考图5A清楚示出的，除了别的以外，由与在先前时刻t_k-1和t_k-2处第n-1级的段相关的信息，可以推导出在时刻t_k处第n级的段的一对值[a_n(t_k)，θ_n(t_k)]的确定。因此，显然地，并非与该结构的所有段相关的加速度和方位数据都可以由第一测量值得知。因此，在能够全面再现铰接运动之前，必须获得一定数量的测量值。

同样，在不认为矢量

为0的普通情况下，为了初始化该方法，必须知道第n级的段的两个先前连续的方位。例如，当该段稳定时，可以使用专利申请FR 2 838 185中描述的方法获得这些方位。另一方面，如前所示，在代表第n级的段方位的测量装置足够接近铰接点P_n的情况下，没有必要知道该第n级的段的两个先前连续的方位并且可以简化该方法。

图6A象征性地举例说明了在特定情况下，即将矢量

看作为0的情况下，对于具有五个铰接段的结构的不同段获得的加速度和方位数据随时间的变化。

在图6A中，横轴代表构成该结构的段的级n，并且纵轴代表连续测量时刻t_k。级n和时刻t_k的交叉点处指示在时刻t_k处对于第n级的段的已知量(加速度和方位)。这些量由测量数据和/或从测量数据推导出来的数据组成。

为了使图6A不过于复杂，由符号

代表量dθ_n/dt，并且由符号

代表量d²θ_n/dt²。另外还给出：

dθ_n(t_k)＝θ_n(t_k)-θ_n(t_k-1)，

dt(t_k)＝t_k-t_k-1，

d²θ_n(t_k)＝dθ_n(t_k)-dθ_n(t_k-1)，

dt²(t_k)＝t_k-t_k-1。

在时刻t₁，与该段相关的唯一已知量为：

a₁(t₁)，θ₁(t₁)

这些数据当然不足以描述该结构的运动。

在时刻t₂，与第1级到第5级的段相关的已知量为：

a₁(t₂)，θ₁(t₂)，dθ₁/dt(t₂)

这些数据还不足以描述该结构的运动。

在时刻t₃，与该段相关的已知量为：

a₁(t₃)，θ₁(t₃)，dθ₁/dt(t₃)，d²θ₁/dt²(t₃)，

a₂(t₃)，θ₂(t₃)。

这些数据还不足以描述该结构的运动。

在时刻t₄，已知量为：

a₁(t₄)，θ₁(t₄)，dθ₁/dt(t₄)，d²θ₁/dt²(t₄)，

a₂(t₄)，θ₂(t₄)，dθ₂/dt(t₄)。

这些数据还不足以描述该结构的运动。

在时刻t₅，已知量为：

a₁(t₅)，θ₁(t₅)，dθ₁/dt(t₅)，d²θ₁/dt²(t₅)，

a₂(t₅)，θ₂(t₅)，dθ₂/dt(t₅)，d²θ₂/dt²(t₅)，

a₃(t₅)，θ₃(t₅)。

这些数据还不足以描述该结构的运动。

在时刻t₆，与第1级到第5级的段相关的已知量分别为：

a₁(t₆)，θ₁(t₆)，dθ₁/dt(t₆)，d²θ₁/dt²(t₆)，

a₂(t₆)，θ₂(t₆)，dθ₂/dt(t₆)，d²θ₂/dt²(t₆)，

a₃(t₆)，θ₃(t₆)，dθ₃/dt(t₆)。

这些数据还不足以描述该结构的运动。

在时刻t₇，与第1级到第5级的段相关的已知量分别为：

a₁(t₇)，θ₁(t₇)，dθ₁/dt(t₇)，d²θ₁/dt²(t₇)，

a₂(t₇)，θ₂(t₇)，dθ₂/dt(t₇)，d²θ₂/dt²(t₇)，

a₃(t₇)，θ₃(t₇)，dθ₃/dt(t₇)，d²θ₃/dt²(t₇)，

a₄(t₇)，θ₄(t₇)。

这些数据还不足以描述该结构的运动。

在时刻t₈，已知量为：

a₁(t₈)，θ₁(t₈)，dθ₁/dt(t₈)，d²θ₁/dt²(t₈)，

a₂(t₈)，θ₂(t₈)，dθ₂/dt(t₈)，d²θ₂/dt²(t₈)，

a₃(t₈)，θ₃(t₈)，dθ₃/dt(t₈)，d²θ₃/dt²(t₈)，

a₄(t₈)，θ₄(t₈)，dθ₄/dt(t₈)。

在时刻t₉，已知量为：

a₁(t₉)，θ₁(t₉)，dθ₁/dt(t₉)，d²θ₁/dt²(t₉)，

a₂(t₉)，θ₂(t₉)，dθ₂/dt(t₉)，d²θ₂/dt²(t₉)，

a₃(t₉)，θ₃(t₉)，dθ₃/dt(t₉)，d²θ₃/dt²(t₉)，

a₄(t₉)，θ₄(t₉)，dθ₄/dt(t₉)，d²θ₄/dt²(t₉)，

a₅(t₉)，θ₅(t₉)。

这些数据可能完整地描述该结构的运动。如果对后来的时刻t₁₀和t₁₁继续给出表示，则为：

在时刻t₁₀，与第1级到第5级的段相关的已知量分别为：

a₁(t₁₀)，θ₁(t₁₀)，dθ₁/dt(t₁₀)，d²θ₁/dt²(t₁₀)，

a₂(t₁₀)，θ₂(t₁₀)，dθ₂/dt(t₁₀)，d²θ₂/dt²(t₁₀)，

a₃(t₁₀)，θ₃(t₁₀)，dθ₃/dt(t₁₀)，d²θ₃/dt²(t₁₀)，

a₄(t₁₀)，θ₄(t₁₀)，dθ₄/dt(t₁₀)，d²θ₄/dt²(t₁₀)，

a₅(t₁₀)，θ₅(t₁₀)，dθ₅/dt(t₁₀)；并且

在时刻t₁₁，与第1级到第5级的段相关的已知量分别为：

a₁(t₁₁)，θ₁(t₁₁)，dθ₁/dt(t₁₁)，d²θ₁/dt²(t₁₁)，

a₂(t₁₁)，θ₂(t₁₁)，dθ₂/dt(t₁₁)，d²θ₂/dt²(t₁₁)，

a₃(t₁₁)，θ₃(t₁₁)，dθ₃/dt(t₁₁)，d²θ₃/dt²(t₁₁)，

a₄(t₁₁)，θ₄(t₁₁)，dθ₄/dt(t₁₁)，d²θ₄/dt²(t₁₁)，

a₅(t₁₁)，θ₅(t₁₁)，dθ₅/dt(t₁₁)，d²θ₅/dt²(t₁₁)。

只要五个段(n＝5)的加速度和方位已知，即从时刻t₉开始，就可以完整地定义具有五段的结构的铰接运动。同样发现，例如对于有三个段(n＝3)的结构，从时刻t₅开始该三个段的加速度和方位已知。

因此，可能在整数n和整数k之间确定一种关系，所述关系解释了运动捕捉设备正确工作的事实，即为结构的所有段提供必要的加速度和方位信息。这种关系可以写为：

k＞2n-2

图6B举例说明了在普通情况下，对具有铰接段的结构的不同段获得的加速度和方位数据的逐步计算结果。下面描述了前三个段的加速度和方位数据的计算。

第一段的情况

第一步，使用测量值a₁(t_k)和M₁(t_k)，其分别对应于对第1段测量(或计算)(通过第一测量装置ML)的加速度和由第二测量装置(MD₁)提供的测量值。还利用了在先前时刻(t_k-1和t_k-2)给出(或计算)的第一段的方位θ₁(t_k-1)和θ₁(t_k-2)。

通过这四项信息，可能计算在时刻t_k处第1段的方位：θ₁(t_k)。

第二步，使用对第1段测量(或计算)(通过第一测量装置ML)的加速度a₁(t_k)，以及在先前步骤计算的第一段的方位θ₁(t_k)和先前时刻(t_k-1和t_k-2)给出(或计算)的θ₁(t_k-1)和θ₁(t_k-2)。使用这些量，可以计算铰接P2处的加速度a₂(t_k)。

第二段的情况

第一步，在时刻t_k使用在先前步骤计算的加速度a₂(t_k)和第二段的测量装置MD₂的测量值M₂(t_k)。还利用先前时刻(t_k-1和t_k-2)给出(或计算)的第二段的方位θ₂(t_k-1)和θ₂(t_k-2)。

通过这四项信息，可能计算在时刻t_k处第1段的方位θ₁(t_k)。

第二步，使用对第一段在第二步计算的加速度a₂(t_k)，以及在先前步骤计算的第二段的方位θ₂(t_k)和先前时刻(t_k-1和t_k-2)给出(或计算)的θ₂(t_k-1)和θ₂(t_k-2)。使用这些量，可以计算铰接P3处的加速度a₃(t_k)。

第三段的情况

执行与第二段相同的两个步骤，用索引4取代索引3，用索引3取代索引2并且用索引2取代索引1。

这将继续直到第N段：执行与第二段相同的两个步骤，用索引N+1取代索引3，用索引N取代索引2并且用索引N-1取代索引1。

在考虑过所有段之后，等待之后的时刻t_k以重新开始。

在普通情况下，值得注意的是，为了知道段在时刻t_k处的估计加速度，必须知道该同一段在先前两个时刻t_k-1和t_k-2处的加速度。因此，对于第一计算时刻，必须初始化在先前时刻的加速度值。出于这个目的，例如，可能进行静态测量，加速度对于所述静态测量很低并且可能因此被忽略；然后，随后可以如在专利申请FR 2 838 185中所述的那样计算角度。还可能使用其它装置初始化该角度(角度编码器，设置于应力初始位置，等等)。

图7A和图7B描述了根据本发明的运动再现设备的两个实施例。以矩形象征性地代表由n个铰接段组成的结构S。该结构S，例如为人和机器人，设置有一组设备MD_i(i＝1，2，……，n)和一组本地测量系统ML_j(j＝1，2，……，m)。如前所述，设备MD_i和系统ML_j分布于结构上。同样如前所述，尽管图7A和图7B示出了m个本地测量系统，但是本地测量的单个系统也能够满足来执行本发明。

在第一实施例(图7A)中，设备MD_i提供的测量值和本地测量系统ML_j提供的测量值通过各自的射频信号RD_i和RL_j传输到计算系统3，例如计算机。然后，运动再现设备包括射频传输装置。计算系统3设置有用于接收信号RD_i和RL_j的接收天线R。计算系统3还接收参照系中本地引力场的G值、参照系中本地磁场的H值和代表不同段的不同矢量(i＝1，2，……，n)的坐标以作为输入参数。

然后，计算系统3根据前面参考图5和图6所述的内容执行数据处理。然后，显示设备E，例如屏幕，显示铰接结构的运动。

图7B与图7A的不同之处在于，射频信号RD_i和RL_j不是直接传输给计算系统3，而是传输给固定到结构S的中间单元DEM。然后，该单元DEM将接收到的数据以射频信号RF的形式传输给计算系统3。

结构S上中间单元DEM的存在有利地使实施本发明的另一个实施例成为可能。这是因为，在结构S移动为与计算系统3具有很大距离的情况下，RF信号的范围可能会变差。于是，置于中间单元DEM中的存储卡能够记录信号RD_i和RL_j。一旦执行了移动，则通过读取记录在存储卡上的数据，可以在测量的捕捉之后执行数据处理。

Claims (19)

1.一种结构的运动捕捉设备，所述结构由N个连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n(n＝2，…，N)级的段在铰接点P_n处与所述第n-1级的段铰接，其特征在于，所述运动捕捉设备包括：

用于提供信息的第一装置(ML)，所述信息能够在连续的时刻t_k恢复在形成参照的参照系中的所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量

其中k为大于或等于1的整数，

第二测量装置(MD₁)，其固定于所述第1级的段并且在每个时刻t_k提供代表所述参照系中所述第1级的段的方位矢量

的测量值(M1)，以及

辅助测量装置(MD_n)，其固定于第n(n＝2，…，N)级的每一个段并且在每个时刻t_k提供代表所述第n级的段的方位矢量

的测量值。

2.根据权利要求1所述的运动捕捉设备，其中，所述第二测量装置(MD₁)和所述辅助测量装置(MD_n)由加速度计和用于提供统一物理场的测量值的传感器组成，所述统一物理场存在于所述结构在其中移动的空间中，并且具有所述参照系中的已知方向。

3.根据权利要求2所述的运动捕捉设备，其中，所述第二测量装置(MD₁)和所述辅助测量装置(MD_n)进一步包括至少一个陀螺度量轴。

4.根据权利要求2或3所述的运动捕捉设备，其中，用于提供具有所述参照系中的已知方向的统一物理场的测量值的传感器为磁力计。

5.根据权利要求2或3所述的运动捕捉设备，其中，用于提供具有所述参照系中的已知方向的统一物理场的测量值的传感器为光电单元。

6.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其中，所述第一装置(ML)为由速度测量仪组成的测量装置，以使得所述能够恢复所述第1级的段的绝对加速度矢量的数据项为所述点的速度。

7.根据权利要求1到5中的任意一项所述的设备，其中所述第一装置(ML)为由位置测量仪组成的测量装置，以使得所述能够恢复所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量的数据项为所述点的位置。

8.一种用于再现结构的运动的设备，所述结构由N个连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n(n＝2，…，N)级的段在铰接点P_n处与所述第n-1级的段铰接，其特征在于，所述设备包括：

根据权利要求1到7中的任意一项所述的运动捕捉设备，其中所述第n级的段的所述辅助测量装置(MD_n)位于所述铰接点P_n附近，以使得用于将第n级的段的辅助测量装置(MD_n)与所述铰接点P_n分离的距离被认为是0，以及

计算装置(3)，其在每个时刻t_k处执行下述动作：

a)根据由所述第一装置提供的信息计算所述参照系中的所述绝对加速度矢量

b)根据所述绝对加速度矢量

和代表所述第1级的段的所述方位矢量

的所述测量值(M1)计算在所述参照系中所述第1级的段的方位矢量

c)根据下列等式计算所述参照系中所述铰接点p_n的加速度矢量

${\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_n={\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_{n-1}+\left(\frac{d{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}}{\mathrm{dt}}\right)\mathrm{\&Lambda;}\stackrel{\&RightArrow;}{L_{n-1}}+{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}\mathrm{\&Lambda;}\left({\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}\mathrm{\&Lambda;}\stackrel{\&RightArrow;}{L_{n-1}}\right)$

其中， ${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_n=d\left({\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Theta;}}}_n\right)/\mathrm{dt},$

为从所述铰接点p_n-1指向所述铰接点p_n的矢量并且其模数将用于将所述铰接点p_n与所述铰接点p_n-1分离的距离作为其值，以及

d)根据所述加速度矢量

和代表所述第n级的段的所述方位的所述测量值(M_n)计算所述第n级的段的所述方位矢量

9.一种用于再现结构的运动的设备，所述结构由N个连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n(n＝2，…，N)级的段在铰接点P_n处与所述第n-1级的段铰接，其特征在于，所述设备包括：

根据权利要求1到7中的任意一项所述的运动捕捉设备，其中所述第n级的段的辅助测量装置(MD_n)远离所述铰接点p_n，以及

计算装置(3)，其在每个时刻t_k处执行下述动作：

a)根据由所述第一装置提供的所述信息计算在所述参照系中的所述绝对加速度矢量

b)根据所述绝对加速度矢量

和代表所述第1级的段的方位矢量

的测量值(M1)计算在所述参照系中所述第1级的段的所述方位矢量

c)根据下列等式计算在所述参照系中所述铰接点p_n的加速度矢量

${\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_n={\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_{n-1}+\left(\frac{d{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}}{\mathrm{dt}}\right)\mathrm{\&Lambda;}\stackrel{\&RightArrow;}{L_{n-1}}+{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}\mathrm{\&Lambda;}\left({\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}\mathrm{\&Lambda;}\stackrel{\&RightArrow;}{L_{n-1}}\right)$

其中， ${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_n=d\left({\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Theta;}}}_n\right)/\mathrm{dt},$

为从所述铰接点p_n-1指向所述铰接点p_n的矢量并且其模数将用于将所述铰接点p_n与所述铰接点p_n-1分离的距离作为其值，以及，

d)根据所述加速度矢量

代表所述n级的段的方位的测量值(M_n)以及在先于所述时刻t_k的至少两个时刻处所述第n级的段的所述方位矢量，计算所述方位矢量

和固定在所述第n级的段上的所述辅助测量装置的所述测量点的加速度矢量

使得

为：

其中，

为从所述铰接点p_n指向所述n级的段的所述辅助测量装置的矢量并且其模数基本上等于用于将所述铰接点p_n与所述第n级的段的所述辅助测量装置分离的距离。

10.根据权利要求8或9所述的运动再现设备，其中无线传输装置将代表由所述第一测量装置(ML)和所述第二测量装置(MD_n)提供的测量值的基本电信号(RD_n，RL_m)传输到所述计算装置(3)。

11.根据权利要求10所述的运动再现设备，其中所述传输装置包括接收所述基本电信号(RD₁，…，RD_x，RL₁，…，RL_y)并且将代表基本电信号的电信号(RF)重传到所述计算装置(3)的中间单元(DEM)。

12.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其中存储装置存储由所述第一测量装置(ML)和所述第二测量装置(MD_n)提供的测量值。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述存储装置位于所述结构上。

14.一种捕捉结构的运动的方法，所述结构由N个连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n(n＝2，…，N)级的段在铰接点P_n处与所述n-1级的段铰接，其特征在于，所述方法包括：

至少一个确定信息项的步骤，所述信息项能够在连续的时刻t_k恢复参照系中所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量

k为大于或等于1的整数，

至少一个测量步骤，在所述连续的时刻t_k的每一个时刻处测量代表所述参照系中所述第1级的段的方位矢量

以及

至少一个辅助测量步骤，对于n级中的每一段，在所述连续的时刻t_k的每一个时刻处辅助测量所述参照系中所述第n级的段的方位矢量

15.根据权利要求14所述的运动捕捉方法，其中所述代表所述参照系中所述第1级的段的所述方位矢量

的测量值以及所述代表所述第n级的段的所述方位矢量

的测量值分别为对统一场的测量值，所述统一场存在于所述结构在其中移动的所述空间中且具有所述参照系中的已知方向。

16.根据权利要求14或15所述的运动捕捉方法，其中所述能够恢复所述参照系中所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量

的信息为所述参照系中所述点的速度。

17.根据权利要求14或15所述的运动捕捉方法，其中所述能够恢复所述参照系中所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量的信息为所述参照系中所述点的位置。

18.一种用于再现结构的运动的方法，所述结构由N个连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n(n＝2，…，N)级的段在铰接点P_n处与所述第n-1级的段铰接，其特征在于，所述方法使用：

根据权利要求14到17中的任意一项所述的运动捕捉方法，以及

在每个时刻t_k处的计算：

a)根据能够恢复绝对加速度矢量

的测量值，计算所述参照系中的所述绝对加速度矢量

b)根据所述绝对加速度矢量

和代表所述第1级的段的所述方位矢量

的所述测量值(M₁)，计算所述参照系中所述第1级的段的所述方位矢量

c)根据下列等式，计算所述参照系中所述铰接点P_n的加速度矢量

${\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_n={\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_{n-1}+\left(\frac{d{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}}{\mathrm{dt}}\right)\mathrm{\&Lambda;}\stackrel{\&RightArrow;}{L_{n-1}}+{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}\mathrm{\&Lambda;}\left({\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}\mathrm{\&Lambda;}\stackrel{\&RightArrow;}{L_{n-1}}\right)$

其中， ${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_n=d\left({\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Theta;}}}_n\right)/\mathrm{dt},$

为从所述铰接点p_n-1指向所述铰接点p_n的矢量并且其模数将用于将所述铰接点p_n与所述铰接点p_n-1分离的距离作为其值，所述辅助测量值代表通过位于所述第n级的段上基本上位于所述铰接点P_n处的固定测量装置提供的所述方位矢量

以及

d)根据所述加速度矢量

和代表所述第n级的段的所述方位的所述测量值(M_n)，计算所述第n级的段的所述方位矢量

19.一种用于再现结构的运动的方法，所述结构由N个连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n(n＝2，…，N)级的段在铰接点P_n处与所述第n-1级的段铰接，其特征在于，所述方法包括：

根据权利要求14到17中的任意一项所述的运动捕捉方法，以及

在每个时刻t_k处的计算：

a)根据由所述第一装置提供的信息，计算在所述参照系中的所述绝对加速度矢量

b)根据所述绝对加速度矢量

和代表所述第1级的段的所述方位矢量

的测量值(M₁)，计算所述参照系中所述第1级的段的所述方位矢量

c)根据下列等式，计算所述参照系中所述铰接点P_n的加速度矢量

${\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_n={\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_{n-1}+\left(\frac{d{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}}{\mathrm{dt}}\right)\mathrm{\&Lambda;}\stackrel{\&RightArrow;}{L_{n-1}}+{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}\mathrm{\&Lambda;}\left({\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{n-1}\mathrm{\&Lambda;}\stackrel{\&RightArrow;}{L_{n-1}}\right)$

其中， ${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_n=d\left({\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&Theta;}}}_n\right)/\mathrm{dt},$

为从所述铰接点p_n-1指向所述铰接点p_n的矢量并且其模数将用于将所述铰接点p_n与所述铰接点p_n-1分离的距离作为其值，以及

d)根据所述加速度矢量代表所述第n级的段的所述方位的所述测量值(M_n)以及在先于所述时刻t_k的至少两个时刻处所述第n级的段的方位矢量，计算所述方位矢量

和固定在所述第n级的段上的所述辅助测量装置的所述测量点的加速度矢量使得

为：

其中，

为从所述铰接点p_n指向所述第n级的段的所述辅助测量装置的矢量并且其模数基本上等于用于将所述铰接点p_n与所述第n级的段的所述辅助测量装置分离的距离。

Images