EP2822462A1 - Procede d'identification des parametres geometriques d'une structure articulee et d'un ensemble de reperes d'interet disposes sur ladite structure - Google Patents

Procede d'identification des parametres geometriques d'une structure articulee et d'un ensemble de reperes d'interet disposes sur ladite structure

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Publication number
EP2822462A1
EP2822462A1 EP13707661.8A EP13707661A EP2822462A1 EP 2822462 A1 EP2822462 A1 EP 2822462A1 EP 13707661 A EP13707661 A EP 13707661A EP 2822462 A1 EP2822462 A1 EP 2822462A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
segment
sensors
rotation
linked
movement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13707661.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Grenet
Christelle Godin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Movea SA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Movea SA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Movea SA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Movea SA
Publication of EP2822462A1 publication Critical patent/EP2822462A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb
    • A61B5/1116—Determining posture transitions
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb
    • A61B5/1121—Determining geometric values, e.g. centre of rotation or angular range of movement
    • A61B5/1122—Determining geometric values, e.g. centre of rotation or angular range of movement of movement trajectories
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb
    • A61B5/1126—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb using a particular sensing technique
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
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    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0219—Inertial sensors, e.g. accelerometers, gyroscopes, tilt switches
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2270/00—Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/04—Force
    • F04C2270/041—Controlled or regulated

Definitions

  • the present invention relates to a method for identifying the geometric parameters of an articulated structure and a set of reference marks arranged on said structure, using a suitable measurement system.
  • the evaluated information is as follows:
  • the biomechanical parameters of the articulated structure eg lengths of segments.
  • the invention is applicable, for example, without this list being limited to the following functions:
  • Benchmarks of interest are usually points where one is interested in kinetic parameters.
  • the present invention proposes to treat both these problems together without resorting to the methods of the prior art which consist mainly of directly measuring the lengths of the segments of the articulated structure (for example, using a tape measure or the using a complex optical system, ...), to take into account a morphological model making it possible to simulate the dynamics of said structure articulated and to locate the markers of interest on the segments also by direct measurement of their position and their orientation.
  • the method comprises associating a distributed measurement system on said structure, system comprising sensors fixed integrally to the segment of said structure instead of the points of the landmarks of interest to extract the desired information described above.
  • the articulated structure is biomechanical and one wishes to evaluate the length of its segments
  • a motion measurement system is disposed on the articulated structure and it is desired to identify their position and orientation, the previously defined reference points of interest are those of each measuring element of the system; this system serves both the measurement of the movement and the identification of the geometrical parameters making it possible to characterize the segments of the structure and the position of reference marks of interest with respect thereto;
  • - Said measurement system comprises at least one accelerometer.
  • the invention discloses a method for determining the position of a set of sensors in a frame linked to a segment of an articulated chain, said set of sensors comprising at least one accelerometer and being integral with said articulated chain.
  • said method being characterized in that it comprises: a first step of determining the orientation of a marker linked to the set of sensors relative to the marker linked to said segment for at least one selected configuration of said articulated chain; a second step of estimating the movement of said marker linked to the set of sensors in the terrestrial frame during at least one movement of said segment; a third step of calculating said position of said set of sensors in the frame linked to said segment, said third stage receiving as input the estimation of the movement of said marker linked to the sensor at the output of the second stage and the measurements of said accelerometer during said less a movement.
  • the first step comprises a first sub-step of calculating a first matrix of passage of said reference frame linked to the set of sensors to a grounded reference frame and a second substep of calculating a second matrix of passage of said land-bound mark to a mark related to said segment.
  • the first calculation sub-step uses at least one measurement of at least one second sensor of said set of sensors, said second sensor being able to provide measurements of at least one physical field that is substantially uniform in time and in time. space or speed of rotation.
  • the first calculation step further comprises a substep of computation prior to said first substep during which a third transition matrix is calculated between a moving marker and said marker linked to the earth, said third matrix
  • the passageway is either selected or determined from measurements of at least one substantially uniform physical field in time and space or measurements of the rotational speed of said moving mark relative to said earth-bound mark.
  • the first step is performed for at least two configurations of said articulated chain.
  • a first substep of determining a substantially invariant axis of rotation of said segment is carried out prior to the first step.
  • the second step uses the outputs of at least one sensor selected from the group comprising the accelerometer and a second sensor of said set of sensors, said second sensor being able to provide measurements of at least one substantially uniform physical field in time and space or speed of rotation.
  • said at least one movement of the segment is a rotation of substantially invariant axis.
  • a predictive model is used of the outputs of the accelerometer chosen as a function of the type of movement of said segment and the position of said set of sensors on said output segment is calculated. an algorithm that minimizes errors between measured values and predicted values.
  • said articulated chain comprises at least N segments, N being greater than or equal to two.
  • the method of the invention further comprises a step during which the length of at least one segment of said articulated chain is calculated.
  • the calculation of a segment i inserted in an articulated chain comprising j segments, j being greater than 1 and i is performed by solving the equation in which:
  • said articulated chain is a part of a human body or a humanoid structure.
  • the configurations of said articulated chain are determined by executing at least N predefined successive gestures, each gesture allowing only a rotation of all or part of the segments of said chain in a single plane around a single passing axis. by an articulation connecting two segments, the segments other than the two said segments remaining aligned during said rotation, so that rotations of segments are performed around at least N distinct axes.
  • N> 3, a first segment corresponding to a shoulder, a second segment corresponding to an arm connected to the shoulder and a third segment corresponding to a forearm connected to the arm by an elbow
  • the execution of predefined gestures including, in order: a rotation of the entire body about a vertical axis (105) comparable to the axis of the body, the shoulder-arm-forearm assembly being held taut in a horizontal plane during the rotation of the body about said axis, and; a rotating the arm-forearm assembly about a horizontal axis (205) and passing through the joint connecting the shoulder to the arm, the arm-forearm assembly being held taut during said rotation, and; a rotation of the forearm about a horizontal axis (305) and passing through the elbow connecting the arm to the forearm, the shoulder-arm assembly being held taut during said rotation.
  • each rotation of segments is performed around an axis passing through an articulation.
  • the invention also discloses a system for determining the position of a set of sensors in a frame linked to a segment of an articulated chain, said set of sensors comprising at least one accelerometer and being integral with said articulated chain, said system characterized in that it comprises a first module for determining the orientation of a marker linked to the set of sensors to said marker linked to said segment for at least one configuration of said articulated chain; a second module for estimating the movement of said marker linked to the set of sensors in the terrestrial frame during at least one movement of said segment; a third module for calculating said position of said set of sensors in the frame linked to said segment, said third module receiving as input the estimation of the movement of said reference frame linked to the sensor at the output of the second module and the measurements of said accelerometer during said at least a movement.
  • the present invention has the main advantage of accurately and automatically identifying, fast and practical critical geometric parameters of an articulated structure and a plurality of reference marks.
  • the invention is particularly advantageous because it expresses the estimation of said parameters in the form of a linear least squares problem, the calculation of the estimate is therefore explicit and optimal.
  • FIG. 1 specifies the pins used in the description of the present invention
  • FIG. 2 represents a general flowchart of the treatments in several embodiments of the invention
  • FIGS. 3a to 3e represent different variants of the invention in several of its embodiments
  • FIG. 4 illustrates the articulated structure (human being in the figure) equipped with a set of devices and the associated measurement system which will make it possible to identify the geometrical parameters of the structure and the devices whose markers are the reference marks of interest;
  • FIG. 5 illustrates a first movement of a human being carrying sensors of a measuring system whose markers are the reference marks of interest, in one embodiment of the invention
  • FIG. 6 illustrates a second movement of a human being carrying sensors of a measuring system whose markers are the reference marks of interest, in one embodiment of the invention. ;
  • FIG. 7 illustrates a third movement of a human being carrying sensors of a measuring system whose markers are the reference marks of interest, in one embodiment of the invention.
  • the articulated structure is composed of at least one first segment that can be movable in space.
  • the following segments are attached one after the other in the form of a tree that can have several branches.
  • the measurement system comprises sensors, arranged on the segments of the articulated structure, whose marks are the reference points of interest.
  • the present invention aims a method using:
  • the sensors of the fitted measurement system comprising at least one accelerometer
  • FIG. 1 specifies the pins used in the description of the present invention.
  • R D is the index of interest, 101.
  • the sensors used to perform the measurements will be placed on the reference of interest, at least for the time of the measurement.
  • the terms "reference of interest” or “reference linked to the set of sensors” will be alternately used to designate the reference 101.
  • Rs is the segment-related landmark, 02.
  • Rg is the landmark linked to the center of gravity of the body, 103.
  • R T is the fixed marker, 104.
  • the fixed marker is for example linked to the Earth.
  • FIG. 2 shows a general flowchart of the treatments in several embodiments of the invention.
  • This orientation can be a directly accessible datum or it can be determined in one or more configurations of the articulated structure, as illustrated later in the description.
  • the articulated structure is also made to perform at least one more or less simple movement, in order to obtain measurements of the orientation and position parameters of the reference frame linked to the set of sensors that are available, so as to solve the equation of the movements that are made and to deduce the estimate of the parameters that characterize the position of the set of sensors in the frame of the segment.
  • either the orientation of the sensor assembly is directly fixed in the segment marker 103, or the orientation of the sensor assembly is determined.
  • the references 401, 401a, 402, 402a, 403, 403a of Figure 4 in the reference fixed reference, 104, making the articulated structure take one or more configurations, which determine said orientation, and thus a matrix of passage between the reference mark 101 and the mark 104, then a marker matrix 104 is determined at mark 102.
  • the structure is made to articulated at least one movement for which it is possible to determine a predictive model of the measurements of the sensors belonging to the set of sensors 401, 401a, 402, 402a, 403, 403a.
  • Figure 3a is shown the flowchart of the treatments of Figure 2 in a first embodiment.
  • the set of sensors comprises a means for measuring the orientation Benchmarks of interest 101 relative to the fixed land-bound landmark (RT, 104).
  • Different sensors are able to provide measurements with respect to substantially invariant fields in time and space (gravity, the earth's magnetic field) or with respect to a fixed reference in the reference numeral 104, such as magnetic sensors optical, acoustic or radiofrequency positioned in the set of sensors or on a fixed base in connection with a fixed base relative to the mark 104 or with sensors positioned in the set of sensors.
  • gyrometers are able to provide this information.
  • Magnetometers are also capable of playing this role, as well as optical, acoustic or radiofrequency means.
  • the first step 201, 202 that identifies the target matrix consists of adopting predefined postures or poses and therefore, known as and therefore, by transitivity of the matrices of rotations the matrix
  • the second step 203 consists in taking gestures and analyzing the accelerometric measurement by exploiting the knowledge of in order to estimate the parameters of lengths and distances, by relying on the law of composition of the movements which links the accelerations of the various points concerned.
  • the third step 204 of estimating the position parameters of the set of sensors on the segment is explained later in the description.
  • FIG. 3d represents the flowchart of the treatments of an embodiment in which the orientation of the reference mark 101 is already available in the reference mark 102, where a means is available. to measure said orientation. A matrix is then determined which makes it possible to go directly from the reference of interest to the mark of the segment,
  • the second step 203 consists of performing protocol movements, for which the trajectory of all the segments equipped ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) must be imposed independently of the time or the speed profile of execution.
  • the accelerometric data measured over time during this gesture is then elastically approximated (elastic time deformation) of the expected measurement model linked to the predefined trajectory, for example by an error minimization or maximization of the likelihood ratio operation having as variables the desired parameters.
  • the third step 204 (which may optionally be simultaneous in step 203) for estimating the position parameters of the set of sensors on the segment is explained later in the description.
  • Figure 3e shows the flowchart of processing of a 4 th embodiment of the invention in which has a means to measure the orientation
  • the same means as used in the embodiment of FIG. 3a may be suitable, for example, for optical systems, ultrasonic systems or any other system which has fixed base in the land reference.
  • the first step 201, 202 consists in making protocol movements, with a substantially invariant axis of rotation, so that using a measuring system comprising at least one accelerometer, the rotation matrix can be identified and thus reduced to in the first case above.
  • the third step 204 of estimating the position parameters of the set of sensors on the segment is explained later in the description.
  • Figure 4 illustrates a particular case where the articulated structure (400) is a human being who is equipped on only part of his body: left shoulder and arms.
  • the shoulder as well as the arm and forearm are respectively equipped with the devices (401a, 402b, 403b) and at the same locations the sensors of said measurement system (401, 402, 403).
  • Figure 5 illustrates a first movement of a human carrying sensors (401, 402, 403) of a measurement system, in one embodiment of the invention.
  • all the devices shown in FIG. 4 and the measurement system are combined and consist of sensors associating accelerometers and magnetometers (Embodiment illustrated in FIG. 3b).
  • the applicants used sensors 401, 402 and 403 marketed by one of the applicants under the trade name MotionPod and which each combine a triax accelerometer with a triaxial magnetometer.
  • MotionPod marketed by one of the applicants under the trade name MotionPod and which each combine a triax accelerometer with a triaxial magnetometer.
  • Motion Controller a box commonly called Motion Controller, this box being connected to a computer via a USB link. The case and the computer are not shown in the figure.
  • the data is usable on the computer through a programming interface that the applicants market under the trade name Smart Motion Development Kit (SMDK).
  • SMDK Smart Motion Development Kit
  • the SMDK programming interface allows to obtain raw and calibrated measurements of a MotionPod, or to obtain an estimation of the orientation of a MotionPod.
  • the method for identifying geometric parameters comprises a step of evaluating the orientation of the sensors.
  • this exemplary embodiment (FIGS. 5, 6, 7)
  • the larger the series the better the accuracy. Only one measurement is sufficient if the magnetic field is perfectly known and if the orientation of the segment is determined exactly, but this is not the case in human movements.
  • the body is first placed in a posture called "posture 1" which corresponds to the reference posture, that is to say with all angles to 0. Then it is turned (for example) 90 ° clockwise to reach the posture called "posture 2". It is then known that the sensors 401, 402 and 403 measure (the equations being valid for all these sensors):
  • Or refers to a measurement taken by the accelerometer when the body occupies the posture ;
  • o denotes the Earth's magnetic field
  • o is the angle between ; designate the values of the fields
  • the first expression is an average of the vector products of the measurements of the sensors used and that the second expression (cos (GH)) is an average of the dot products. measurements of the sensors used.
  • the rotation matrix is determined by:
  • This data is then included in the measurement model of the sensors in the form of angle triplet.
  • a step is made to evaluate the lengths of the segments and the positions of the sensors on the segments by means of a gesture protocol. This step relies in particular on an algorithm aiming at reducing the number of degrees of freedom by allowing only plane rotations along constant axes, in order to exploit the a priori knowledge of the constant vector to solve the system.
  • the method for detecting a substantially invariant axis of rotation described in the patent EP1985233 already cited makes it possible, using only the measurements of the magnetometers under the condition of plane motion to which the structure of the sensors is constrained, to find the movement, that is to say to deduce the axis of rotation in the magnetometer and the accelerometer, as well as to deduce the angle of rotation.
  • This makes it possible to validate the evaluation of the orientation of the sensors carried out in the previous step and even to refine it.
  • This also makes it possible to verify that the orientation of the different sensors is the same, that is to say that the axis of rotation calculated from the measurements of the accelerometer is identical to that calculated from the measurements of the magnetometer. undergoing the same movement plan. If this is not the case, it is necessary to carry out an identification of the box geometric parameters, that is to say an identification of the relative geometrical parameters of the relative orientation of the magnetometer and the accelerometer.
  • the accelerometer measurements are used to determine the distance of each sensor to the axis of rotation.
  • the measurements are transformed in the expected reference thanks to the orientation matrices evaluated during the previous step, in order to work with respect to the segments of the body and not with respect to the sensors.
  • the identification of the geometrical parameters must be made in the order in which they are described in the present exemplary embodiment.
  • the axes of rotation naturally pass through the joints of the body. It is therefore necessary to define a protocol to excite enough axes to determine the three components of the vectors lengths and positions.
  • FIG. 5 illustrates a rotation of the entire body about a vertical axis 505 assimilable to the axis of the body, the shoulder-arm-forearm assembly being held taut in a horizontal plane during the rotation of the body around the body.
  • o is the measurement taken by the sensor magnetometer ;
  • o denotes a function that returns the axis of rotation obtained by the method described in patent EP1985233 already cited;
  • o denotes a function that returns the arithmetic mean.
  • FIG. 6 illustrates a rotation of the arm-forearm assembly about a horizontal axis 605, perpendicular to the plane of the figure and passing through the articulation connecting the shoulder to the arm, the arm-forearm assembly being held taut during rotation.
  • FIG. 7 illustrates a rotation of the forearm about a horizontal axis 705, perpendicular to the plane of the figure and passing through the articulation connecting the arm to the forearm, that is to say the elbow, the shoulder-arm assembly being held taut during rotation.
  • This method is advantageous because it expresses the estimate as a linear least squares problem, so calculating the estimate is explicit and optimal.
  • the measurement model is advantageously solved, even if only a small number of gyrometers are available to complete the measurements of accelerometers and magnetometers, by calculating pseudo-static states which can to be substituted, each time the system is in a pseudo-static state, with the values calculated by a state observer of the Kalman type.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de identification des paramètres géométriques de dispositifs comprenant chacune au moins un accéléromètre, chaque centrale étant disposée sur un segment d'un corps articulé. Ledit procédé comprend des étapes d'évaluation de valeurs de paramètres caractérisant l'orientation et la position de chaque capteur dans le repère de chaque segment et de la longueur de chaque segment, dans un repère dudit segment, en utilisant des configurations et des mouvements prédéterminés de la structure. Le procédé de l'invention permet de fournir à un dispositif de capture des mouvements dudit corps des mesures qui autorise une fiabilité plus grande desdites mesures.

Description

PROCEDE D'IDENTIFICATION DES PARAMETRES GEOMETRIQUES D'UNE STRUCTURE ARTICULEE ET D'UN ENSEMBLE DE REPERES D'INTERET
DISPOSES SUR LADITE STRUCTURE Domaine technique :
La présente invention concerne un procédé d'identification des paramètres géométriques d'une structure articulée et d'un ensemble de repères d'intérêt disposés sur ladite structure, à l'aide d'un système de mesures adapté. Les informations évaluées sont les suivantes :
- Les positions et orientations des repères d'intérêt par rapport à la structure ;
Les paramètres biomécaniques de la structure articulée (par exemple les longueurs des segments).
L'invention est applicable, par exemple, sans que cette liste soit limitative aux fonctions suivantes:
Caractériser précisément un système de mesures appliqué sur la structure articulée. Les repères d'intérêt sont alors ceux des dispositifs de mesure qui instrumentent la structure.
Mesurer des paramètres cinétiques d'une structure solide (articulée ou non). Les repères d'intérêt sont généralement les points où l'on s'intéresse aux paramètres cinétiques.
Capturer le mouvement d'un corps articulé (domaines de la médecine, du cinéma d'animation, du sport ou encore des jeux vidéo, de la recherche en analyse biomécanique, en robotique, ...).
Art antérieur et problème technique :
Les champs d'application dans lesquels on utilise des structures articulées sont en expansion. On peut citer par exemple la biomécanique humaine ou animale et la robotique. Dans ces domaines, deux types d'informations sont critiques :
- La géométrie de la structure articulée
La position et l'orientation d'un ensemble de repères d'intérêt (où l'on a disposé par exemple des mesures de température, des mesures cinétiques, ...)
La présente invention propose de traiter conjointement ces deux problématiques sans recourir aux procédés de l'art antérieur qui consistent principalement à mesurer directement les longueurs des segments de la structure articulée (par exemple, à l'aide d'un mètre ruban ou à l'aide d'un système optique complexe, ...), à prendre en compte un modèle morphologique permettant de simuler la dynamique de ladite structure articulée et à localiser les repères d'intérêt sur les segments également par mesure directe de leur position et de leur orientation.
Résumé de l'invention
Le procédé consiste à associer un système de mesures réparti sur ladite structure, système comportant des capteurs fixés solidairement au segment de ladite structure en lieu des points des repères d'intérêt pour en extraire les informations souhaitées décrites ci-dessus. Dans la suite du document, nous illustrerons principalement l'invention sur un exemple d'application dans lequel :
La structure articulée est biomécanique et l'on souhaite évaluer la longueur de ses segments ;
Un système de mesures de mouvement est disposé sur la structure articulée et on souhaite identifier leur position et orientation, les repères d'intérêt précédemment définis sont ceux de chaque élément de mesure du système ; ce système sert à la fois à la mesure du mouvement et à l'identification des paramètres géométriques permettant de caractériser les segments de la structure et la position de repères d'intérêt par rapport à ceux-ci ;
- Ledit système de mesures comprend au moins un accéléromètre.
Reprise des revendications :
A cet effet, l'invention divulgue un procédé de détermination de la position d'un ensemble de capteurs dans un repère lié à un segment d'une chaîne articulée, ledit ensemble de capteurs comprenant au moins un accéléromètre et étant solidaire de ladite chaîne articulée, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend : une première étape de détermination de l'orientation d'un repère lié à l'ensemble de capteurs par rapport au repère lié audit segment pour au moins une configuration choisie de ladite chaîne articulée ; une deuxième étape d'estimation du mouvement dudit repère lié à l'ensemble de capteurs dans le repère terrestre au cours d'au moins un mouvement dudit segment ; une troisième étape de calcul de ladite position dudit ensemble de capteurs dans le repère lié audit segment, ladite troisième étape recevant en entrée l'estimation du mouvement dudit repère lié au capteur en sortie de la deuxième étape et les mesures dudit accéléromètre au cours dudit au moins un mouvement. Avantageusement, la première étape comprend une première sous-étape de calcul d'une première matrice de passage dudit repère lié à l'ensemble de capteurs à un repère lié à la terre et une deuxième sous-étape de calcul d'une deuxième matrice de passage dudit repère lié à la terre à un repère lié audit segment.
Avantageusement, la première sous-étape de calcul utilise au moins une mesure d'au moins un deuxième capteur dudit ensemble de capteurs, ledit deuxième capteur étant apte à fournir des mesures d'au moins un champ physique sensiblement uniforme dans le temps et dans l'espace ou de vitesse de rotation.
Avantageusement, la première étape de calcul comprend en outre une sous-étape de calcul préalable à ladite première sous-étape au cours de laquelle on calcule une troisième matrice de passage entre un repère en mouvement et ledit repère lié à la terre, ladite troisième matrice de passage étant soit choisie soit déterminée à partir de mesures d'au moins un champ physique sensiblement uniforme dans le temps et dans l'espace ou des mesures de la vitesse de rotation dudit repère en mouvement par rapport audit repère lié à la terre .
Avantageusement, la première étape est effectuée pour au moins deux configurations de ladite chaîne articulée.
Avantageusement, préalablement à la première étape, on réalise une première sous- étape de détermination d'un axe sensiblement invariant de rotation dudit segment. Avantageusement, la deuxième étape utilise les sorties d'au moins un capteur choisi dans le groupe comprenant l'accéléromètre et un deuxième capteur dudit ensemble de capteurs, ledit deuxième capteur étant apte à fournir des mesures d'au moins un champ physique sensiblement uniforme dans le temps et dans l'espace ou de vitesse de rotation.
Avantageusement, au cours de la deuxième étape, ledit au moins un mouvement du segment est une rotation d'axe sensiblement invariant..
Avantageusement, au cours d'au moins les deuxième et troisième étapes, on utilise un modèle prédictif des sorties de l'accéléromètre choisi en fonction du type du mouvement dudit segment et on calcule la position dudit ensemble de capteurs sur ledit segment en sortie d'un algorithme minimisant les erreurs entre valeurs mesurées et valeurs prédites. Avantageusement, ladite chaîne articulée comprend au moins N segments, N étant supérieur ou égal à deux.
Avantageusement, le procédé de l'invention comprend en outre une étape au cours de laquelle on calcule la longueur d'au moins un segment de ladite chaîne articulée.
Avantageusement, le calcul d'un segment i inséré dans une chaîne articulée comprenant j segments, j étant supérieur à 1 et à i, est effectué en résolvant l'équation dans laquelle :
- est une matrice de dimension (i, j) dont les coefficients sont calculés par la formule
- PosLong est le vecteur
- L'accélération sans base à l'instant t est calculée par la formule
Avantageusement, ladite chaîne articulée est une partie d'un corps humain ou d'une structure humanoïde.
Avantageusement, les configurations de ladite chaîne articulée sont déterminées par exécution d'au moins N gestes successifs prédéfinis, chaque geste n'autorisant qu'une rotation de tout ou partie des segments de ladite chaîne dans un plan unique autour d'un axe unique passant par une articulation reliant deux segments, les segments autres que les deux dits segments restant alignés durant ladite rotation, de telle sorte que des rotations de segments sont exécutées autour d'au moins N axes distincts.
Avantageusement, N>=3, un premier segment correspondant à une épaule, un deuxième segment correspondant à un bras relié à l'épaule et un troisième segment correspondant à un avant-bras relié au bras par un coude, l'exécution de gestes prédéfinis incluant, dans l'ordre: une rotation du corps tout entier autour d'un axe (105) vertical assimilable à l'axe du corps, l'ensemble épaule-bras-avant-bras étant maintenu tendu dans un plan horizontal durant la rotation du corps autour dudit axe, et; une rotation de l'ensemble bras-avant-bras autour d'un axe (205) horizontal et passant par l'articulation reliant l'épaule au bras, l'ensemble bras-avant-bras étant maintenu tendu durant ladite rotation, et; une rotation de l'avant-bras autour d'un axe (305) horizontal et passant par le coude reliant le bras à l'avant-bras, l'ensemble épaule-bras étant maintenu tendu durant ladite rotation.
Avantageusement, chaque rotation de segments est exécutée autour d'un axe passant par une articulation. L'invention divulgue également un système de détermination de la position d'un ensemble de capteurs dans un repère lié à un segment d'une chaîne articulée, ledit ensemble de capteurs comprenant au moins un accéléromètre et étant solidaire de ladite chaîne articulée, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend un premier module de détermination de l'orientation d'un repère lié à l'ensemble de capteurs audit repère lié audit segment pour au moins une configuration de ladite chaîne articulée ; un deuxième module d'estimation du mouvement dudit repère lié à l'ensemble de capteurs dans le repère terrestre au cours d'au moins un mouvement dudit segment ; un troisième module de calcul de ladite position dudit ensemble de capteurs dans le repère lié audit segment, ledit troisième module recevant en entrée l'estimation du mouvement dudit repère lié au capteur en sortie du deuxième module et les mesures dudit accéléromètre au cours dudit au moins un mouvement.
Avantages :
La présente invention a pour principal avantage d'identifier précisément et de manière automatique, rapide et pratique des paramètres géométriques critiques d'une structure articulée et d'une pluralité de repères d'intérêt. Dans certains de ses modes de réalisation, l'invention est particulièrement avantageuse car elle exprime l'estimation desdits paramètres sous la forme d'un problème des moindres carrés linéaire, le calcul de l'estimé est donc explicite et optimal.
Résumé des figures :
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des figures suivantes qui illustrent des exemples de mise en œuvre du procédé selon la présente invention :
- La figure 1 précise les repères utilisés dans la description de la présente invention ; - La figure 2 représente un organigramme général des traitements dans plusieurs modes de réalisation de l'invention ;
- Les figures 3a à 3e représentent différentes variantes de l'invention dans plusieurs de ses modes de réalisation ;
- La figure 4 illustre la structure articulée (être humain sur la figure) équipée d'un ensemble de dispositifs et du système de mesures associé qui permettra d'identifier les paramètres géométriques de la structure et des dispositifs dont les repères sont les repères d'intérêt ;
- La figure 5 illustre un premier mouvement d'un être humain portant des capteurs d'un système de mesure dont les repères sont les repères d'intérêt, dans un mode de réalisation de l'invention ;
- La figure 6 illustre un deuxième mouvement d'un être humain portant des capteurs d'un système de mesure dont les repères sont les repères d'intérêt, dans un mode de réalisation de l'invention. ;
- La figure 7 illustre un troisième mouvement d'un être humain portant des capteurs d'un système de mesure dont les repères sont les repères d'intérêt, dans un mode de réalisation de l'invention.
Description de l'invention à partir des figures :
La structure articulée est composée d'au moins un premier segment qui peut être mobile dans l'espace. Les segments suivants sont rattachés les uns à la suite des autres sous forme d'arbre pouvant comporter plusieurs branches.
Le système de mesures comporte des capteurs, disposés sur les segments de la structure articulée, dont les repères sont les repères d'intérêt.
La présente invention vise un procédé utilisant :
Des moyens de mesure de l'orientation des repères d'intérêt, des capteurs du système de mesures ou des segments,
- Les capteurs du système de mesures portés comprenant au moins un accéléromètre,
Des gestes à effectuer ;
pour en extraire :
La position et l'orientation des repères d'intérêt sur chaque segment,
- Le cas échéant, la longueur de chaque segment.
La figure 1 précise les repères utilisés dans la description de la présente invention. RD est le repère d'intérêt, 101. Les capteurs permettant d'effectuer les mesures seront placés sur le repère d'intérêt, au moins pour le temps de la mesure. Dans la suite de la description, on utilisera alternativement pour désigner la référence 101 les expressions « repère d'intérêt » ou de « repère lié à l'ensemble de capteurs ».
Rs est le repère lié au segment, 02.
Rg est le repère lié au centre de gravité du corps, 103.
RT est le repère fixe, 104. Le repère fixe est par exemple lié à la Terre.
La figure 2 représente un organigramme général des traitements dans plusieurs modes de réalisation de l'invention .
Il s'agit de déterminer les paramètres qui caractérisent la position et l'orientation des repères d'intérêt par rapport aux segments qui constituent les branches de la structure articulée.
Pour cela, il faut d'abord déterminer l'orientation du repère lié à l'ensemble de capteurs (ou repère d'intérêt), 101 par rapport au repère du segment 102. Cette orientation peut être une donnée directement accessible ou elle peut être déterminée dans une ou plusieurs configurations de la structure articulée, comme illustré plus loin dans la description.
On fait également effectuer à la structure articulée au moins un mouvement plus ou moins simple, pour obtenir des mesures des paramètres d'orientation et de position du repère lié à l'ensemble de capteurs dont on dispose, de manière à résoudre l'équation des mouvements qui sont effectués et d'en déduire l'estimation des paramètres qui caractérisent la position de l'ensemble de capteurs dans le repère du segment.
Ainsi, selon l'invention, au cours d'une première étape 201 , 202, soit on fixe l'orientation de l'ensemble de capteur directement dans le repère du segment 103, soit on détermine l'orientation de l'ensemble de capteurs (par exemple les références 401 , 401a, 402, 402a, 403, 403a de la figure 4) dans le repère le repère fixe, 104, en faisant prendre à la structure articulée une ou plusieurs configurations, qui permettent de déterminer ladite orientation, et donc une matrice de passage entre le repère 101 et le repère 104, puis on détermine une matrice de passage du repère 104 au repère 102. Ensuite, dans un mode de réalisation, au cours d'une étape 203, on fait effectuer à la structure articulée au moins un mouvement pour lequel on peut déterminer un modèle prédictif des mesures des capteurs appartenant à l'ensemble de capteurs 401 , 401 a, 402, 402a, 403, 403a.
Différentes variantes pour réaliser les étapes 201 et 203 sont illustrées dans la suite de la description. Sur la figure 3a est représenté l'organigramme des traitements de la figure 2 dans un premier mode de réalisation.
L'ensemble de capteurs (références 401 , 401a, 402, 402a, 403, 403a de la figure 4) comprend un moyen de mesure de l'orientation des repères d'intérêt 101 par rapport au repère fixe lié à la Terre (RT, 104). Différents capteurs sont capables de fournir des mesures par rapport à des champs sensiblement invariants dans le temps et dans l'espace (la gravité, le champ magnétique terrestre) ou bien par rapport à une référence fixe dans le repère 104 , tels que des capteurs magnétiques, optiques, acoustiques ou radiofréquences positionnés dans l'ensemble de capteurs ou sur une base fixe en liaison avec un base fixe par rapport au repère 104 ou avec des capteurs positionnés dans l'ensemble de capteurs. Par exemple, les gyromètres sont capables de fournir cette information. Les magnétomètres sont également capables de jouer ce rôle, ainsi que des moyens optiques, acoustiques ou radiofréquences.
Dans ce cas, la première étape 201 , 202 qui permet d'identifier la matrice cible consiste à adopter des postures ou poses prédéfinies et donc, connues en tant que et donc, par transitivité des matrices de rotations la matrice
:
La seconde étape 203 consiste à effectuer des gestes et à analyser la mesure accélérométrique en exploitant la connaissance de afin d'estimer les paramètres de longueurs et distances, en s'appuyant sur la loi de composition des mouvements qui relie les accélérations des différents points concernés.
La troisième étape 204 d'estimation des paramètres de position de l'ensemble de capteurs sur le segment est expliquée plus loin dans la description.
Certains cas particuliers, illustrés par l'organigramme des traitements de la figure 3b, obligent à ajouter des contraintes sur le type de mouvements. Par exemple, l'emploi des magnétomètres comme moyens de mesure des orientations contraint les gestes à respecter un axe de rotation sensiblement invariant. On utilise alors un algorithme dit de « U constant » pour résoudre les équations des mouvements comme expliqué plus loin dans la description. Un tel algorithme est divulgué dans la demande EP1985233 appartenant aux demandeurs de la présente" demande. Les configurations et mouvements à faire effectuer par la structure articulée sont illustrés dans les modes de réalisation décrits en commentaires aux figures 5, 6 et 7. La figure 3c représente l'organigramme des traitements d'un 2eme mode de réalisation dans lequel on dispose d'un moyen de mesure de l'orientation , R' étant un
repère quelconque dont on connaît le mouvement dans le repère fixe RT ou qu'on est capable de fixer. Cela nous permet de nous ramener au cas précédent pour les étapes 203 et 204. Par exemple, un système d'antennes directives portées d'une part au niveau du centre de masse (R'), et d'autre part au niveau des repères d'intérêt permet de suivre les mouvements du repère R' par rapport au repère de la terre, 104. La figure 3d représente l'organigramme des traitements d'un 3 mode de réalisation dans lequel on dispose déjà de l'orientation du repère 101 dans le repère 102. où on dispose d'un moyen de mesurer ladite orientation. On détermine alors une matrice qui permet de passer directement du repère d'intérêt au repère du segment,
ce qui réalise la première étape 201 , 202 du procédé de l'invention. Par exemple, on peut utiliser les moyens cités en dans la demande de brevet EP1985233 appartenant aux demandeurs de la présente demande, déjà citée. Ces moyens peuvent ne comporter qu'un accéléromètre ou, de fait les mêmes capteurs que ceux du système de mesures de l'invention. On détermine selon cette invention, au moins deux axes de rotation sensiblement invariants du segment instrumenté par le ou les capteurs. Les mouvements de rotation sont déterminés comme sensiblement invariants par rapport à un ou plusieurs seuils choisis par l'utilisateur du système.
La seconde étape 203 consiste à effectuer des mouvements protocolaires, pour lesquels il faut imposer la trajectoire de tous les segments équipés (Χ,Υ,Ζ) indépendamment du temps ou du profil de vitesse d'exécution. La donnée accélérométrique mesurée au cours du temps pendant ce geste est alors rapprochée élastiquement (déformation élastique du temps) du modèle de mesure attendu lié à la trajectoire prédéfinie par exemple par une opération de minimisation d'erreur ou de maximisation du rapport de vraisemblance ayant comme variables les paramètres recherchés.
La troisième étape 204 (qui peut le cas échéant être simultanée à l'étape 203) d'estimation des paramètres de position de l'ensemble de capteurs sur le segment est expliquée plus loin dans la description.
La figure 3e représente l'organigramme des traitements d'un 4eme mode de réalisation de l'invention dans lequel on dispose d'un moyen de mesurer l'orientation du segment dans le repère fixe lié à la Terre, 103. Les mêmes moyens que ceux utilisés dans le mode de réalisation de la figure 3a peuvent convenir, par exemple, des systèmes optiques, des systèmes ultrasonores ou tout autre système qui dispose d'une base fixe dans le repère lié à la Terre.
La première étape 201 , 202 consiste à effectuer des mouvements protocolaires, d'axe de rotation sensiblement invariant, de sorte qu'à l'aide de système de mesure comportant au moins un accéléromètre, on puisse identifier la matrice de rotation et se ramener ainsi au premier cas ci-dessus.
La troisième étape 204 d'estimation des paramètres de position de l'ensemble de capteurs sur le segment est expliquée plus loin dans la description.
La figure 4 illustre un cas particulier où la structure articulée (400) est un être humain qui est équipé sur une partie seulement de son corps : épaule et bras gauches. L'épaule ainsi que le bras et l'avant-bras sont équipés respectivement des dispositifs (401a,402b , 403b) et, aux mêmes endroits les capteurs dudit système de mesures (401 , 402, 403). La figure 5 illustre un premier mouvement d'un être humain portant des capteurs (401 , 402, 403) d'un système de mesure, dans un mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, l'ensemble des dispositifs représentés sur la figure 4 et le système de mesures sont confondus et sont constitués de capteurs associant des accéléromètres et des magnétomètres (Mode de réalisation illustré sur la figure 3b). Dans cet exemple de mise en œuvre de l'invention permettant de calibrer un ensemble de trois capteurs 401 , 402 et 403 liés à trois segments que sont l'épaule d'une personne, à laquelle est attaché le capteur 401 , le bras de la personne, auquel est attaché le capteur 402, et enfin l'avant-bras de la personne, auquel est attaché le capteur 403. Pour le présent exemple de réalisation de l'invention, les demandeurs ont utilisé des capteurs 401 , 402 et 403 commercialisés par l'un des demandeurs sous la dénomination commerciale MotionPod et qui combinent chacun un accéléromètre triaxe avec un magnétomètre triaxe. Chacun des capteurs 401 , 402 et 403 transmets ses données via une liaison radio à un boîtier communément appelé Motion Controller, ce boîtier étant relié à un ordinateur par une liaison USB. Le boîtier et l'ordinateur ne sont pas représentés sur la figure. Les données sont exploitables sur l'ordinateur grâce à une interface de programmation que les demandeurs commercialisent sous la dénomination commerciale Smart Motion Développement Kit (SMDK). L'interface de programmation SMDK permet soit d'obtenir des mesures brutes et calibrées d'un MotionPod, soit d'obtenir une estimation de l'orientation d'un MotionPod.
Dans la suite de la présente demande, les termes capteur, ou MotionPod seront utilisés de manière indifférenciée pour désigner les éléments 401 , 402 et 403 représentés sur les figures 4, 5, 6 et 7.
Préalablement à l'utilisation du système ainsi constitué par les capteurs 401 , 402 et 403 ?, par exemple pour capturer les mouvements de l'ensemble à trois segments épaule-bras-avant-bras de la personne, il faut évaluer le changement de repère entre le repère du solide que constitue chaque segment et le repère du capteur attaché audit segment. Ainsi, il faut évaluer le changement de repère entre le repère de l'épaule et le capteur 401 , le changement de repère entre le repère du bras et le capteur 402, ainsi que le changement de repère entre le repère de l'avant-bras et le capteur 403. Il faut également évaluer les changements de repère entre les différents segments. C'est l'objet du procédé d'identification des paramètres géométriques selon l'invention. Dans le présent exemple de réalisation, il s'agit d'abord d'évaluer l'orientation de chacun des capteurs 401 , 402 et 403 par rapport au segment auquel est attaché ledit capteur en utilisant le moyen de mesure de l'orientation et éventuellement des gestes protocolaires (voir les différents modes de réalisation décrits ci-dessus en commentaires aux figures 3a à 3e). Il s'agit ensuite d'évaluer la position de chacun des capteurs 401 , 402 et 403 par rapport au segment auquel est attaché ledit capteur sous la forme d'un vecteur position. Il s'agit également d'évaluer la longueur de chacun des trois segments sous la forme d'un vecteur longueur. Il faut noter que la position des capteurs pourrait être mesurée à la règle, mais l'estimation obtenue s'avérerait alors trop grossière, en outre seule la composante suivant la longueur de chacun des segments, référencée X sur les figures 5, 6 et 7, peut réellement être évaluée par cette méthode manuelle.
Le procédé d'identification des paramètres géométriques selon l'invention comporte une étape d'évaluation de l'orientation des capteurs. Dans cet exemple de réalisation (figures 5, 6, 7), il s'agit notamment de donner au corps une série de postures statiques prédéfinies et de comparer les mesures réelles à des valeurs théoriques, ceci afin de déterminer les paramètres d'orientation. Plus la série est grande, meilleure est la précision. Une seule mesure est suffisante si le champ magnétique est parfaitement connu et si l'orientation du segment est déterminée exactement, mais ce n'est pas le cas dans les mouvements humains.
Ainsi, par exemple, le corps est d'abord placé dans une posture dite « posture 1 » qui correspond à la posture de référence, c'est-à-dire avec tous les angles à 0. Puis il est tourné (par exemple) de 90° dans le sens horaire, pour atteindre la posture dite « posture 2 ». On sait alors que les capteurs 401 , 402 et 403 mesurent (les équations étant valables pour tous ces capteurs) :
Où : désigne une mesure prise par l'accéléromètre lorsque le corps occupe la posture ;
désigne une mesure prise par le magnétomètre lorsque le
corps occupe la posture ;
désigne le champ gravitationnel terrestre;
o désigne le champ magnétique terrestre;
o désigne l'angle entre ; désignent respectivement les valeurs des champs
dans une position initiale donnée et mesurée dans le repère du capteur; désigne la matrice de rotation à identifier.
En effet, par convention l'axe Z est porté par la verticale et est orienté vers le bas. Plusieurs grandeurs sont à déterminer : la matrice d'orientation et les valeurs de . Pour cela, les calculs suivants sont effectués :
Il vient
On note que la première expression (sin(GH)) est une moyenne des produits vectoriels des mesures des capteurs utilisés et que la deuxième expression (cos(GH)) est une moyenne des produits scalaires. des mesures des capteurs utilisés. Enfin, la matrice de rotation est déterminée par :
Cette donnée est alors incluse dans le modèle de mesures des capteurs sous forme de triplet angles. Pour poursuivre l'identification des paramètres géométriques dans ce mode de réalisation, on réalise une étape d'évaluation des longueurs des segments et des positions des capteurs sur les segments grâce à un protocole de gestes. Cette étape repose notamment sur un algorithme visant à réduire le nombre de degrés de liberté en n'autorisant que des rotations planes suivant des axes constants, ceci afin d'exploiter la connaissance a priori du vecteur constant pour résoudre le système.
Dans un premier temps, le procédé de détection d'un axe de rotation sensiblement invariant décrit dans le brevet EP1985233 déjà cité permet, en utilisant uniquement les mesures des magnétomètres sous la condition de mouvement plan à laquelle on contraint le structure des capteurs, de retrouver le mouvement, c'est-à-dire de déduire l'axe de rotation dans le repère du magnétomètre et de l'accéléromètre, ainsi que de déduire l'angle de rotation. Cela permet de valider l'évaluation de l'orientation des capteurs effectuée à l'étape précédente et même de l'affiner. Cela permet aussi de vérifier que l'orientation des différents capteurs est bien la même, c'est-à-dire que l'axe de rotation calculé à partir des mesures de l'accéléromètre est identique à celui calculé à partir des mesures du magnétomètre subissant le même mouvement plan. Si ce n'est pas le cas, il faut effectuer une identification des paramètres géométriques boîtiers, c'est-à-dire une identification des paramètres géométriques relative de l'orientation relative du magnétomètre et de l'accéléromètre.
Dans un deuxième temps, les mesures des accéléromètres sont utilisées pour déterminer la distance de chaque capteur à l'axe de rotation. Les mesures sont transformées dans le repère attendu grâce aux matrices d'orientation évaluées durant l'étape précédente, ceci afin de travailler par rapport aux segments du corps et non pas par rapport aux capteurs. L'identification des paramètres géométriques doit être faite dans l'ordre dans lequel elles sont décrites dans le présent exemple de réalisation. Les axes de rotation passent naturellement par les articulations du corps. Il faut donc définir un protocole pour exciter suffisamment d'axes afin de déterminer les trois composantes des vecteurs longueurs et positions.
La figure 5 illustre une rotation du corps tout entier autour d'un axe 505 vertical assimilable à l'axe du corps, l'ensemble épaule-bras-avant-bras étant maintenu tendu dans un plan horizontal durant la rotation du corps autour de l'axe A1. On définit:
Où :
o désigne la mesure prise par le magnétomètre du capteur ;
o désigne une fonction qui retourne l'axe de rotation obtenu par le procédé décrit dans le brevet EP1985233 déjà cité;
o désigne une fonction qui retourne la moyenne arithmétique.
On a alors, pour :
Où :
La figure 6 illustre une rotation de l'ensemble bras-avant-bras autour d'un axe 605 horizontal, perpendiculaire au plan de la figure et passant par l'articulation reliant l'épaule au bras, l'ensemble bras-avant-bras étant maintenu tendu durant la rotation. On définit:
On a alors, pour :
Avec: La figure 7 illustre une rotation de l'avant-bras autour d'un axe 705 horizontal, perpendiculaire au plan de la figure et passant par l'articulation reliant le bras à l'avant- bras, c'est-à-dire le coude, l'ensemble épaule-bras étant maintenu tendu durant la rotation. On définit: On a alors:
Avec:
En utilisant les relations ci-dessus, les équations suivantes peuvent être déduites
Enfin, les longueurs des segments peuvent être estimées selon la composante X :
Pour la deuxième longueur, il est préférable d'évaluer la moyenne des deux équations ci-dessus pour améliorer la qualité de l'estimation.
II peut être procédé de même sur les autres axes du corps, de façon à définir les autres composantes des vecteurs longueurs et positions.
Tout en restant dans le cadre de la présente invention, on peut également faire effectuer à la structure articulée des mouvements moins contraints que ceux utilisés dans les modes de réalisation des figures 5, 6 et 7. Dans ces cas, on ne pourra pas appliquer les modèles prédictifs des mesures simplifiés utilisés dans ces modes de réalisation. Il sera cependant possible d'appliquer les différentes étapes du procédé de l'invention, étant entendu que la 3ème étape du procédé d'estimation des paramètres fera appel à un modèle prédictif des mesures plus complexe, par exemple celui décrit dans la demande de brevet déposée le même jour que la présente demande par les mêmes demandeurs ayant le même inventeur et ayant pour titre « PROCEDE D'IDENTIFICATION DES PARAMETRES GEOMETRIQUES D'UNE STRUCTURE ARTICULEE ET D'UN ENSEMBLE DE REPERES D'INTERET DISPOSES SUR LADITE STRUCTURE ». Selon cette invention, on utilise le modèle de mesures représenté par l'équation suivante :
En effet, nous disposons des mesures accélérométrique et de la représentation du mouvement grâce à l'étape 2 de la présente invention. Nous pouvons donc construire le vecteur grâce à l'égalité : Nous pouvons aussi construire la matrice grâce à l'égalité :
Avec si i est dans la chaîne entre l'origine du squelette et le segment j
Et sinon
Une fois, c'est matrice construite, il ne reste plus qu'à résoudre le problème des moindres carrés suivant :
Avec
Une fois PosLong estimé, il ne reste plus qu'à collecter les paramètres suivant la disposition donnée dans l'équalité précédente.
Cette méthode est avantageuse car elle exprime l'estimation sous la forme d'un problème des moindres carrés linéaire, le calcul de l'estimé est donc explicite et optimal.
Selon cette invention (demande de brevet déposée le même jour que la présente demande par les mêmes demandeurs ayant le même inventeur et ayant pour titre « PROCEDE D'IDENTIFICATION DES PARAMETRES GEOMETRIQUES D'UNE STRUCTURE ARTICULEE ET D'UN ENSEMBLE DE REPERES D'INTERET DISPOSES SUR LADITE STRUCTURE »), on résout avantageusement le modèle de mesure, même si l'on ne dispose que d'un nombre réduite de gyromètres pour compléter les mesures d'accéléromètres et de magnétomètres, en calculant des états pseudo-statiques qui peuvent être substitués, chaque fois que le système est dans un état pseudo-statique, aux valeurs calculées par un observateur d'états du type Kalman. Ces étapes du procédé de l'invention sont mises en oeuvre de manière logicielle, certaines parties du logiciel pouvant être embarquées dans les capteurs, d'autres pouvant être implantées sur un micro-contrôleur, un micro-processeur, ou un micro- ordinateur connecté au système de capteurs. Ces capacités de traitement sont des circuits ordinaires, connectés et configurés pour effectuer les traitements décrits ci- dessus.
Les exemples décrits ci-dessus sont donnés à titre d'illustration de modes de réalisation de l'invention. Ils ne limitent en aucune manière le champ de l'invention qui est défini par les revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détermination de la position d'un ensemble de capteurs dans un repère (102) lié à un segment d'une chaîne articulée, ledit ensemble de capteurs comprenant au moins un accéléromètre et étant solidaire de ladite chaîne articulée, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend :
■ Une première étape (202) de détermination de l'orientation d'un repère (101 ) lié à l'ensemble de capteurs par rapport au repère (102) lié audit segment pour au moins une configuration choisie de ladite chaîne articulée,
■ Une deuxième étape (203) d'estimation du mouvement dudit repère lié à
l'ensemble de capteurs dans le repère terrestre (104) au cours d'au moins un mouvement dudit segment,
■ Une troisième étape (204) de calcul de ladite position dudit ensemble de
capteurs dans le repère lié audit segment, ladite troisième étape recevant en entrée l'estimation du mouvement dudit repère lié au capteur en sortie de la deuxième étape et les mesures dudit accéléromètre au cours dudit au moins un mouvement.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la première étape comprend une première sous-étape de calcul d'une première matrice de passage dudit repère lié à l'ensemble de capteurs à un repère lié à la terre et une deuxième sous-étape de calcul d'une deuxième matrice de passage dudit repère lié à la terre à un repère lié audit segment.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première sous-étape de calcul utilise au moins une mesure d'au moins un deuxième capteur dudit ensemble de capteurs, ledit deuxième capteur étant apte à fournir des mesures d'au moins un champ physique sensiblement uniforme dans le temps et dans l'espace ou de vitesse de rotation.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première étape de calcul comprend en outre une sous-étape de calcul préalable à ladite première sous-étape au cours de laquelle on calcule une troisième matrice de passage entre un repère en mouvement et ledit repère lié à la terre, ladite troisième matrice de passage étant soit choisie soit déterminée à partir de mesures d'au moins un champ physique sensiblement uniforme dans le temps et dans l'espace ou des mesures de la vitesse de rotation dudit repère en mouvement par rapport audit repère lié à la terre .
5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la première étape est effectuée pour au moins deux configurations de ladite chaîne articulée.
6. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, préalablement à la première étape, on réalise une première sous-étape de détermination d'un axe sensiblement invariant de rotation dudit segment.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la deuxième étape utilise les sorties d'au moins un capteur choisi dans le groupe comprenant l'accéléromètre et un deuxième capteur dudit ensemble de capteurs, ledit deuxième capteur étant apte à fournir des mesures d'au moins un champ physique sensiblement uniforme dans le temps et dans l'espace ou de vitesse de rotation.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, au cours de la deuxième étape, ledit au moins un mouvement du segment est une rotation d'axe sensiblement invariant..
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, au cours d'au moins les deuxième et troisième étapes, on utilise un modèle prédictif des sorties de l'accéléromètre choisi en fonction du type du mouvement dudit segment et on calcule la position dudit ensemble de capteurs sur ledit segment en sortie d'un algorithme minimisant les erreurs entre valeurs mesurées et valeurs prédites.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite chaîne articulée comprend au moins N segments, N étant supérieur ou égal à deux.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape au cours de laquelle on calcule la longueur d'au moins un segment de ladite chaîne articulée.
12. Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce que le calcul d'un segment i inséré dans une chaîne articulée comprenant j segments, j étant supérieur à 1 et à i, est effectué en résolvant l'équation
dans laquelle :
- est une matrice de dimension (i, j) dont les coefficients sont calculés par la formule
- PosLong est le vecteur
- L'accélération sans base à l'instant t est calculée par la formule
13. Procédé selon l'une des revendications 11 à 12, caractérisé en ce que ladite chaîne articulée est une partie d'un corps humain ou d'une structure humanoïde.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les configurations de ladite chaîne articulée sont déterminées par exécution d'au moins N gestes successifs prédéfinis, chaque geste n'autorisant qu'une rotation de tout ou partie des segments de ladite chaîne dans un plan unique autour d'un axe unique passant par une articulation reliant deux segments, les segments autres que les deux dits segments restant alignés durant ladite rotation, de telle sorte que des rotations de segments sont exécutées autour d'au moins N axes distincts.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que N>=3, un premier segment correspondant à une épaule, un deuxième segment correspondant à un bras relié à l'épaule et un troisième segment correspondant à un avant-bras relié au bras par un coude, l'exécution de gestes prédéfinis incluant, dans l'ordre:
- une rotation du corps tout entier autour d'un axe (105) vertical assimilable à l'axe du corps, l'ensemble épaule-bras-avant-bras étant maintenu tendu dans un plan horizontal durant la rotation du corps autour dudit axe, et;
- une rotation de l'ensemble bras-avant-bras autour d'un axe (205) horizontal et passant par l'articulation reliant l'épaule au bras, l'ensemble bras-avant-bras étant maintenu tendu durant ladite rotation, et; - une rotation de l'avant-bras autour d'un axe (305) horizontal et passant par le coude reliant le bras à l'avant-bras, l'ensemble épaule-bras étant maintenu tendu durant ladite rotation.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que chaque rotation de segments est exécutée autour d'un axe passant par une articulation.
17. Système de détermination de la position d'un ensemble de capteurs dans un repère lié à un segment d'une chaîne articulée, ledit ensemble de capteurs comprenant au moins un accéléromètre et étant solidaire de ladite chaîne articulée, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend :
■ Un premier module (202) de détermination de l'orientation d'un repère lié à l'ensemble de capteurs audit repère lié audit segment pour au moins une configuration de ladite chaîne articulée,
■ Un deuxième module (203) d'estimation du mouvement dudit repère lié à
l'ensemble de capteurs dans le repère terrestre au cours d'au moins un mouvement dudit segment,
■ Un troisième module (204) de calcul de ladite position dudit ensemble de
capteurs dans le repère lié audit segment, ledit troisième module recevant en entrée l'estimation du mouvement dudit repère lié au capteur en sortie du deuxième module et les mesures dudit accéléromètre au cours dudit au moins un mouvement.
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