FR2987735A1 - Procede d'identification des parametres geometriques d'une structure articulee et d'un ensemble de reperes d'interet disposes sur ladite structure - Google Patents

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

Procédé d'identification des paramètres géométriques d'une structure articulée et d'un ensemble de repères d'intérêt disposés 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 30 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 35 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 15 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 : 20 - 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 25 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. 30 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 35 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 5 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 10 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 15 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 20 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. 25 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 30 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 35 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 25 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 30 l'équation Mat- PosLong - Ac, a; -) tif mal) dans laquelle : - Mat totm' 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 =an_ e capreur 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 30 axe passant par une articulation. 5 P F s o;.- Fos F os Lt PosL (mg 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 lo 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. 15 Avantages La présente invention a pour principal avantage d'identifier précisément et de manière automatique, rapide et pratique des paramètres 20 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. 25 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 30 illustrent des exemples de mise en oeuvre 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 35 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 30 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 : 35 - 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, 102. 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 15 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 20 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 25 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. 30 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 35 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 5 déterminer un modèle prédictif des mesures des capteurs appartenant à l'ensemble de capteurs 401, 401a, 402, 402a, 403, 403a. Différentes variantes pour réaliser les étapes 201 et 203 sont illustrées dans la suite de la description. 10 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 MatRI4RT des repères d'intérêt 101 par rapport au repère fixe lié à la Terre (RT, 104). 15 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 20 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. 25 Dans ce cas, la première étape 201, 202 qui permet d'identifier la matrice cible MatFu4Rs consiste à adopter des postures ou poses prédéfinies et donc, connues en tant que MatRsR-r et donc, par transitivité des matrices de rotations la matrice MatFu4Rs : MatFiDjiS = MatRDjiT x (MatRSjiT) 1 30 La seconde étape 203 consiste à effectuer des gestes et à analyser la mesure accélérométrique en exploitant la connaissance de MatFu4R-r et MatFu4Rs 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 5 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. 10 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. 15 La figure 3c représente l'organigramme des traitements d'un 2ème mode de réalisation dans lequel on dispose d'un moyen de mesure de l'orientation MatFicjv, 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 20 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 3ème mode de 25 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 MatFu4Rs 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 30 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 35 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 5 (X,Y,Z) 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 10 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. 15 La figure 3e représente l'organigramme des traitements d'un 4ème mode de réalisation de l'invention dans lequel on dispose d'un moyen de mesurer l'orientation MatRsRT 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 20 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 25 identifier la matrice de rotation MatRDRT 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. 30 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 35 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 oeuvre 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 Developpement 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) : MesureAccelero posture = R _ orientation * GO HO -1 0 * GO MesureMagnetoPosture 1 = R _ orientation * 1 0 0 MesureAccelero posture 2 = R _ orientation * 0 0 1 0 -1 o MesureMagneto posture 2 = R _ orientation * 1 0 0 * HO 0 1_ Où : l'accéléromètre magnétomètre o MesureAccelero posturek désigne une mesure prise par lorsque le corps occupe la posture kE 11, ; o MesureMagneto pos' k désigne une mesure prise par le lorsque le corps occupe la posture kE 11, ; o Ù> désigne le champ gravitationnel terrestre; o 12 désigne le champ magnétique terrestre; o (GH) désigne l'angle entre ù> et ir ; 0 sin (GH) et HO = désignent respectivement les valeurs o GO = 1 cos (GH)_ des champs ù> et ir dans une position initiale donnée et mesurée dans le repère du capteur; o R _orientation 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 R _orientation et les valeurs de sin (GH) et cos(GH). Pour cela, les calculs suivants sont effectués : 20 MesureAccelero Posture MesureAccelero Posture MesureMagneto posture MesureMagneto p', MesureAccelero postorei 1 OMesureAccelero postorei0 MesureAccelero posture 2 2= OMesureAccelero posture 20 MesureMagneto posture 1 OMesureMagneto posture 10 MesureMagneto posture 2 2= OMesureMagneto posture 211 Il vient : sin (GH) = moyenne PesureAccelero po'u' lx MesureMagneto posture 10,11MesureAccelero p',' 2 x MesureMagneto p'' 2 0: cos (GH) = moyenne (MesureAccelero p',' iEMesureMagneto p',' 1, MesureAccelero posture 2 EMesureMagneto po',,, 2 ) On note que la première expression (sin(GH)) est une moyenne des produits 5 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 R _orientation est déterminée par : 10 Mat =[MesureAccelero posture 1,MesureMagneto p''rei,MesureMagneto posture 2 1 -1 0 sin (GH ) 0 R _ orientation = Mat * 0 0 -sin (GH) 1 cos (GH) cos (GH) Cette donnée est alors incluse dans le modèle de mesures des capteurs sous forme de triplet angles.

15 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 20 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 25 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 30 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 boitiers, 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 20 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: Ba= moyenne(Uconstant(Magi)) éa dOa dt 25 Où : o mag, désigne la mesure prise par le magnétomètre du capteur ie {1,2,3} ; o Uconstant désigne une fonction qui retourne l'axe de rotation obtenu par 30 le procédé décrit dans le brevet E P1985233 déjà cité; o moyenne désigne une fonction qui retourne la moyenne arithmétique. On a alors, pour i =1,2,3 : MesureAcceleroX,i = R *lja2 Où : R1 = distance(base épaule,capteuri)x R2 = distance(base épaule,capteur2)x =longueur(épaule)x + distance(base bras,capteur2)x R3 = distance(base épaule,capteur3)x = longueur(épaule)x + longueur (bras)x + distance(coude, capteur3) x 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 10 l'articulation reliant l'épaule au bras, l'ensemble bras-avant-bras étant maintenu tendu durant la rotation. On définit: Ob = moyenne(Uconstant(Magi)) i=2,3 _ d Ob b dt 15 On a alors, pour i = 2,3 : MesureAccelerobx = Ri* éb2 + G* sin (Ob Avec: R2 = distance(base bras,capteur2)x R3 = distance(base bras,capteur3)x 20 =longueur(bras)x + distance(coude,capteur3)x 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 25 à l'avant-bras, c'est-à-dire le coude, l'ensemble épaule-bras étant maintenu tendu durant la rotation. On définit: 8, = moyenne(Uconstant(Magi)) i=3 - dB = c dt On a alors: MesureAccelerox3= R3 * «2 + G *sin (88, Avec: R3 = distance(coude,capteur3)x 1 0 En utilisant les relations ci-dessus, les équations suivantes peuvent être déduites : A 2 ua ) ( MesureAcceleroxb sin (Ob ) * G Positionx2= distance(base bras,capteur2)x éb2 Positionx3= distance(coude,capteur3)x = MesureAccelero sin ( Be )* G" «2 Enfin, les longueurs des segments peuvent être estimées selon la composante X : Longueur,"=longueur(épaule)x = distance(base épaule, base bras)x MesureAcceleroa X,2 Positionx,2 ija2 Longueurx2=longueur(bras)x = distance(base bras,coude)x MesureAcceleroa ija2 X,3 LongueurX1- Positionx,3 MesureAccelerob 15 r MesureAccelero," a Position i= distance(base épaule,capteuri)x ob2 X ,3 Positionx,3 Pour la deuxième longueur, il est préférable d'évaluer la moyenne des deux équations ci-dessus pour améliorer la qualité de l'estimation. Il peut être procédé de même sur les autres axes du corps, de façon à définir 5 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 lo 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 15 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, 20 on utilise le modèle de mesures représenté par l'équation suivante : ro 2 Terre7, Mes _Acc = capteur RTerre* c GO apteur cc _ensemble ensemble at)) En effet, nous disposons des mesures accélérométrique Mes acc et de la représentation du mouvement grâce à l'étape 2 de la présente invention.

25 Nous pouvons donc construire le vecteur Acc,'. _ '' grâce à l'égalité : Accsansb.(t) = - GO, p.é, Cap Nous pouvons aussi construire la matrice mat grâce à l'égalité : Et sinon _Tc pte. i., 0 0 0 li = 0 0 0 0 0 Une fois, c'est matrice construite, il ne reste plus qu'à résoudre le problème des moindres carrés suivant : frnttot Pos.L.c9 10 Avec co.pren,- Mat,,,,r(t CCiL3 cpte - 20 - capteu »,-..ca;Liteu Avec si i est dans la chaine entre l'origine du squelette et le segment j PosL_-J 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 15 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 20 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 pseudostatiques 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 15 réalisation de l'invention. Ils ne limitent en aucune manière le champ de l'invention qui est défini par les revendications qui suivent.

Claims (17)

1. REVENDICATIONS1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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 duditensemble de capteurs sur ledit segment en sortie d'un algorithme minimisant les erreurs entre valeurs mesurées et valeurs prédites.
10. 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. 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. 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 Mcit_ osn = dans laquelle : - Mat totm' est une matrice de dimension (i, j) dont les coefficients sont calculés par la formule - L'accélération sans base à l'instant t est calculée par la formule GGreapré,-e erepère c
13. 13. Procédé selon l'une des revendications 11 à 12, caractérisé en ce que 25 ladite chaîne articulée est une partie d'un corps humain ou d'une structure humanoïde.
14. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les configurations de ladite chaîne articulée sont déterminées par 30 exécution d'au moins N gestes successifs prédéfinis, chaque geste Mert''.,,, cipte.ur apt PosLo - PosLong est le vecteurn'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. 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. 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. 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.