JP3949731B2 - 位置と運動を測定するツール - Google Patents

Description

発明の分野
本発明はセンサー技術に関する。より特定的には本発明は空間内の物体の幾何学的位置と構造の測定に関する。本発明はロボット応用分野と人間の形状と運動を抽出することに適する。
好ましい応用分野は、人間の身体による移動の運動捕捉によって実行されるアニメーション分野である。
発明の背景
空間内の物体の位置、方位および表面形状を測定するために様々な技術が応用されてきた。
ロボット工学の分野では、後出の連結された部分を接合する様々なジョイントに存在する回転角度を測定することによって空間内にある１連の堅い連結された部分の位置を測定することが周知である（Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇらに発行された米国特許第５，５７６，７２７号を参照）。
人間とメカニズム間のインタフェースの分野では、回転式電位差計または歪み計に基づいた角度計を用いて、人体の部分同士間の角度関係を測定する（Ｅｄｗａｒｄｓらに発行された米国特許第５，１６３，２２８号を参照）。
米国特許第４，９８８，９８１号（Ｔｈｏｍａｓ Ｚｉｍｍｅｒｍａｎら）には、手袋によって担持される撓みセンサーの使用を含む、撓みセンサーを用いて身体位置を感知する手段が開示されている。このような手袋は広く使用され報告されている。報告された問題には、複数の自由度で発生する指の運動による反応の曖昧さや、手袋の手に対するはめ合いによる不正確さなどがある。手袋中に撓みセンサーを装備する類似の方法が米国特許第５，０９７，２５２号（Ｙ．Ｌ．Ｈａｒｖｉｌｌら）に報告されている。
２つの自由度を持つ指の関節の運動を感知するように設計された滑動可能な連結撓みセンサーが米国特許第５，３１６，０１７号に説明されている（Ｇｌｅｎｎ Ｅｄｗａｒｄｓら）。この滑動可能連結によってセンサーは、撓み中の取り付けポイント同士間の変動する距離に対処できる。
米国特許第５，５３３，５３１号（Ｇｌｅｎｎ Ｅｄｗａｒｄｓら）では、複数自由度接触センサーを用いて複数自由度を有する運動を分離して識別する方法が述べられているが；自由度は校正ルーチンで別々に発揮されるが、このルーチンは、分離した自由度信号を提供するために使用可能な検出済みの運動に反応するセンサーの出力同士間に数学的関係を提供する。類似の方法が米国特許第５，５３１，２５７号（Ｄｅｎｉｓｃｈ）に述べられているが、この方法では、別々の方向に広がった感知表面を持つ平行に搭載された３つの光ファイバセンサーを用いて、撓み構造体中の複数自由度における屈曲を解決している。しかしながら、出願済みのセンサー方法のどちらによる読み取り値でも曖昧さや検出不能をもたらす捻りを扱う方法を提案している文献はない。また、どの特許も、撓みを測定することだけに基づいて、長手方向に伸張した構造体の完全な位置と方位を測定するという問題を扱ってはいない。
撓みにおける回転には、基板の長手方向範囲に対して横断方向にある屈曲と、基板の長手方向と一致する軸の回りに発生する捻りと、が含まれる。この双方のタイプの屈曲が「撓み」と呼ばれる。
捻りは、かなりの断面積を持つシリンダ、ロッドおよび他の個体に基づいたセンサー構造体では通常は無視できる。しかしながら、平坦でリボン状の撓み物中に捻りの存在を測定すれば非常に本発明の長所が生かされる。このような撓み物は衣服に組み込むのに非常に便利である。
カリフォルニア州パロ・アルトのバーチャル・テクノロジー社（Ｖｅｒｔｕａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．ｏｆ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）は、親指の交差、手の平のアーチ、手首の曲がりや補助などを測定する、指関節の屈曲センサーや他のセンサーを組み込んだ計装繊維手袋を販売している。手袋とそのセンサーの空間内での位置はまた、手袋のリストバンドを６自由度の空間位置追跡メカニズムにカップリングさせることによって測定される。
カリフォルニア州サン・ホセのジェネラル・リアリティ社（Ｇｅｎｅａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｓａｎ Ｊｏｓｅ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）が販売している計装手袋は光ファイバ屈曲センサーを用いて、手袋の様々なポイントにおける屈曲を感知する。
アニメーションの分野では、運動捕捉手順を用いて、人体の位置と移動を記録している。ある方法では、人間の俳優の手足と身体に担持されている「目標」マーカーの空間内の位置を視覚的に捕捉するようになっている。別の方法では、人体を追ってその取る運動と位置を記録する信号を出力するメカニズムとして動作する「外骨格」機械的構造体を提供している。この場合、この外骨格を身体に安定的に搭載する能力によって正確度は限られる。このようなシステムの欠点は、機械的な外骨格の制限的で煩わしい点である。また、手足を完全に運動させたり、手足のあらゆる回転や微妙な複数自由度運動を可能とするような外骨格を構築することは不可能でないまでも非常に困難である。さらに、外骨格は一般的には測定される表面からかなりの距離を隔てており、このため不正確でかさばるものとなってしまう。
現在考えられている目標マーカー方法と外骨格方法は双方とも実現しようとすると複雑で不便である。物体の空間内での位置と幾何学的構成を便利に追跡して識別することができる軽量で邪魔にならない位置・運動感知デバイスが必要とされている。本発明は本書でこのような目的を提示する。
より特定的には本発明の１つの目的は、可撓性の基準プラットフォームであり、このプラットフォームの形状の変化が、このプラットフォームの完全な形状がセンサーの出力に基づいて計算できるようにセンサーによって感知される、分布されたこのようなセンサーを装備したプラットフォームを提供することである。
本発明の別の目的は、湾曲した物体の表面に実質的に合致するに十分適合的であり、その表面の形状に関する電子的に処理可能なデータを提供するセンサーとして動作する可撓性の計装部材を提供することである。
本発明による技法または測定に対する先行技術による特許と特許出願に関する関連参考資料には以下のものが含まれる：
（１） 計装手袋に関するＧＢ−Ａ−２，２３８，１１２
（２） シェルの成形方法に関するＤＥ−Ｃ−４２ ４０ ５３１
（３） 大型物体の変形の測定に関するＥＰ−Ａ−３４４ ３２２
物体の撓み、すなわち屈曲と捻りの状態を測定する様々な技術が存在する。この目的に特に適した便利な等級の技術は光ファイバに依存している。
Ｄｅｎｉｓｃｈに対する米国特許第５，３２１，２５７号には、外側ファイバ表面の１部分に吸光領域を備え、これによって、このような修正された領域における湾曲がファイバの全体的な光透過能力の変化によって遠隔的に検出されるような、修正型光ファイバが述べられている。この特許は、３次元空間内での屈曲を検出することが可能な修正型ファイバのクラスタの配置に付いて述べる（図１２）。
特許協力条約出願ＰＣＴ／ＣＡ９４／００３１４（ＷＯ ９４／２９６７１として１９９４年１２月２２日に公開されている）には、ループ状の光ファイバ導波管を用いて湾曲度を測定する方法が開示されている。このファイバはループ状となっていて、１８０度湾曲するループ状端内を通る出射波経路と戻り波経路となっている。このファイバの表面はループ状部分の湾曲に隣接してこの内部にある部分が処理されていて、自身を吸光性としている。ある構成では、処理されるのはループ状端の頂部平面に沿ったファイバ表面の側部である。ループ状端がこのように処理されると、ループの正常な平坦面から偏向したり通過したりする際に自身の湾曲状態を感知するようになる。このような撓みは、ファイバを通過する戻り光線の強度の変化によって遠隔的に検出することができる。これによって、そのループの領域の局所的な湾曲に対する尺度が与えられる。
本発明者によるこの手段に関するさらなる論文は「積層ビームループ」という題名で、１９９６年発行のＳＰＩＥの第２８３９巻の３１１〜３２２ページに述べられている。この論文の内容および上で参照した米国特許および公開されたＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＣＡ９４／００３１４はすべて参照してここに組み込まれる。
ループ状光ファイバセンサーは屈曲さらに、以下に説明する本発明に従えば、ループの配置とループに隣接したまたはその内部のファイバ表面の処理済みの吸光領域の位置に基づいて捻りも測定することができる。ファイバのループ状端における感知領域は、ファイバの所望の感度と直径よって３ミリから数センチ台の全長内に収めることができる。これによって、光ファイバの感知用ループ状端の湾曲の平均状態をサンプリングするための相応のスパンが得られる。
光ファイバ技術は、丈夫で柔らかく安価であるのでセンサーに使用するには便利である。空間内の物体の位置、その表面形状および表面形状の変化に関する遠隔情報を提供できる光ファイバベースのセンサーシステムに対する必要性が存在する。本発明はこのような必要性を提起する。
本発明はその一般的な形態で最初に述べ、次に特定の実施形態に関する実現について以下に述べる図面を参照して詳述する。これらの実施形態は本発明の原理とその実現方法を示すことを意図するものである。本発明はその最も広くより具体的な形態を述べ、次に、本明細書を含む個々の請求の範囲の各々についてさらに説明し、定義する。
発明の概要
１つの広い態様においては、本発明は：
（１） 少なくとも２自由度で屈曲することが可能な可撓性基板と；
（２） 基板にカップリングされ、また、この基板に沿って周知のそれぞれ屈曲センサーと捻りセンサーの離間間隔で置かれている離間された屈曲センサー手段と捻りセンサー手段であり、屈曲センサ手段と捻りセンサー手段が基板に取り付けられているそれぞれの位置で基板内に存在する屈曲と捻りの局所的状態を示す信号を提供する屈曲センサー手段と捻りセンサー手段と；
（３） 屈曲センサー手段と捻りセンサー手段にカップリングされていて、それから撓み信号を受信し、また、３次元空間内での基板の幾何学的構成に関するデータを提示するセンサーデータ処理手段と；
を備え、このセンサーデータ処理手段が、屈曲センサー手段と捻りセンサー手段によって提供された屈曲信号および捻り信号並びにこのようなセンサー同士間の離間間隔に基づいて基板の幾何学的構成を測定することによって動作することを特徴とする形状と構成を測定するツールである。
この発明は、可撓性であり、また望ましくは実質的に連続性で、非圧縮性で、非伸張性である支持基盤に沿った複数の離間間隔で湾曲度をサンプリングすることによって効力を発揮する。この基板はセンサーの担体として機能する。本発明は、すべてのセンサーの互いを基準とした位置が分かるような隣接したセンサーの位置を持つ支持基盤に沿った周知の間隔で位置付けされた屈曲センサー手段と捻りセンサー手段の位置を相互参照することに依存している。屈曲センサーおよび捻じりセンサーは全く異なっていてもよい。または、対となったセンサーが屈曲と捻りの双方の尺度となる信号を発生する。この後者の場合、対となったセンサーは、個別のセンサーの場合と同様に、屈曲センサー手段と捻りセンサー手段を備えていると言ってもよい。
基板の幾何学的構成を判断するために撓み状態を測定することは、基板内に存在する屈曲と捻りの双方の状態を測定することに基づいている。
撓みは、基板に取り付けられこの基板の全長に沿った周知の捻りセンサーと屈曲センサーの離間間隔で位置付けされた捻りセンサーと屈曲センサーによって測定される。これらによって、このようなセンサーが基板に取り付けられている位置における基板内に存在するねじ利と屈曲の局所的状態を示す信号が提供される。
屈曲は、基板の性質によって、基板の長手方向ディメンジョンに対して直角な１つまたは２つに軸のどちらかの回りで測定することが可能である。このように、ロープ状基板では、屈曲を直接的または間接的にこのような軸の回りで感知する必要がある。
制限された自由度でしか変形されない基板を提供することによって、必要とされるセンサーの数を減少させることができる。好ましい構成として、屈曲センサーと捻りセンサーを、リボン形態を持つ基板に固定してもよい。このような場合、屈曲センサーは単に、リボンの撓みをその許容屈曲モードで測定するために必要とされるにすぎない。これによって単位長さ当たり必要とされる屈曲センサーの数を減少させることができる。
リボンは、このリボンの長手方向ディメンジョンに対して横断方向にある軸の回りのその全長に沿って屈曲することができるだけの品目であるが、その一方では、リボンはこのような長手方向の回りに捻ることは自由である。このように、１つの屈曲センサーでリボンに沿った位置の屈曲を測定するに十分である。リボン状基板の角度測定構成の定義を全うするためには、捻りもまた、リボンの全長の長手方向範囲に沿った周知の間隔のところにある捻りセンサーで測定しなければならない。このような屈曲センサーと捻りセンサーはリボンに沿って高度に位置させても一緒に位置させてもよい。
基板が屈曲センサーと捻りセンサーの双方を用いるリボン状構成のものである場合でも、リボンの幾何学的構成を３次元空間内で自由に移動させ追跡することが可能である。これは、リボンは、捻ることができるので、そのリボンの部分をどの方向にも再方位付けすることができるからである。
別の構成として、屈曲センサーと捻りセンサーを、ロープに似た２屈曲自由度を持つ重ね可能なコアまたは基板に沿ってカップリングさせてもよい。このような応用例では、２つの屈曲センサーを各捻りセンサーに対して提供して、屈曲と捻りに対する感知度を平衡化させてもよい。
本発明のこの構成はまた同様に、リボンタイプのフォーマットの計装平坦テープをホースなどの円筒形の撓み物の外側または内側に張り付けて実現することも可能である。ホース状のキャリヤを用いる場合、センサー同士の通信はコア内を通過する。
撓みセンサーがキャリヤ基板の中立軸に沿って搭載されていれば本発明は大きな精度で目的を実行する。これは、２つの基板部分を、層同士間にセンサーを含んだ積層として組み立てることによってリボン構造体を作成すれば可能である。同様の可撓性を持つリボン層を用いることによって、センサーは中立軸に実質的に沿って位置付けされる。
光ファイバ技術に基づく屈曲センサー、特にループ状端型ファイバは、関連のファイバ端がすべて複数光ファイバ光源式の光感知・信号処理ユニットに接続した状態で、複数の位置における湾曲度をサンプリングするのに適している。屈曲センサーと捻りセンサーは、自身の適切な局所的な部分または領域をこのようなファイバ中を通過する光線に対して吸光性にされた光ファイバに基づいている。
リボン構造体の場合、センサーは、処理された部分が基板に取り付けられている位置でリボンの平面に平行に整合されている湾曲度敏感部分を持った光ファイバに基づいている。
屈曲を測定するには、処理済みの光ファイバの敏感な部分を、屈曲がその回りに発生する軸、例えばリボン構造体ンお全長に対して横断方向に伸張する軸を横切って存在するようにほぼ整合させてもよい。
ループ状端を用いる場合、各ループの表面の処理済みの吸光性部分はループの一方の半分側だけまたは、オプションとして両方の半分側に位置付けさせ、次にループの同じフェースに位置付けして屈曲度を測定してもよい。両方の側部を処理すると、ファイバの２つの処理済み部分が、ファイバによって送出される光線を、各処理済み部分が経験中の湾曲度の同じ局所的条件に基づいて変調する。これによって、「信号」のファイバ導波管内の光線の背景「キャリヤ」に対する比率が増加する。
捻りを測定するには、リボン構造体の長手方向の中線をまたがるループを持つループ状センサーを用いれば便利である。すなわち、光ファイバの表面を半分部分すなわちループの両側のフェースを処理して、中線の両方の側部を処理するようにする。このように処理されて位置付けされたループの部分は屈強に対しては逆に反応するが捻りに対しては累積的に反応するので、捻りを排他的に測定する。
ループ状センサーの場合、ループの中心の最も湾曲した部分を処理して光に対して非透過性にすることは必須の条件ではない。処理済み部分にとっては、ループ状端のモード濾過効果の恩典を享受するようにループ状端に近接していればそれで十分である。
信号処理を便利なものとするには、リボン基板を用いる場合、一箇所での捻りと屈曲の双方を、ループ状光ファイバーであってもなくてもよいが２つの屈曲センサーを用いて測定すればよい。この対となったそれぞれのセンサーの処理された部分の方向はリボン基板の長手方向中心線に対して実質的に同じ角度であれば望ましく、基板の長手方向ディメンジョンに対して４５度であれば望ましい。これによって２つのファイバを用いて、その出力を処理してその和信号と差信号を屈曲と捻りの尺度として抽出することによって一箇所での屈曲と捻りの双方を測定することができる。規準とされる角度方位によって信号処理が簡略化される。計算上で調節することによって、他の角度でもまた、広げられたセンサー対からの捻りと屈曲双方の値を提供することができる。センサーは通常は自身の線形範囲で操作されるので、その計算には通常は、高速自動計算に非常に適う一次方程式の和と差が含まれる。
以上の記述では、センサーが長手方向に分布した非伸張性のリボン状撓み物を集中的に述べたが、本発明は、非伸張性でなく、狭くなく、また、平坦でない撓み物に基づいた構造体も含んでいる。
分布したセンサー群を組み立てることによって、撓み感知領域が、支持ロープまたはリボン状基板に沿った場合のように線形だけではなく、可撓性キャリヤを基板としても非値イル領域上にも形成し得る。例えば、広い平坦形状は、センサー群がその領域にわたって分布しているゴムとファイバーシートなどの可撓性の平坦キャリヤという形態を持つ積層であってもよい。このセンサー群は屈曲センサーおよび捻りセンサーまたは、シートの形状を完全に示すことが可能な双方向性の屈曲センサーからなっていてもよい。各感知領域での湾曲の状態に関するデータを用いて、また、センサー同士間が分離していることを知って、信号検出システムはキャリヤの形状の説明を構築できる。キャリヤシートを未知の形状を持つ幾何学的表面と接触されれば、このような表面の形状を、少なくともシートとその表面が接触しているところでは測定することが可能である。
非平坦形状の別の例として、（例えば、大工工事中の線形距離測定用）従来の測定テープは疑似平坦形状であり、軸方向に平坦であるときは連続した横断方向屈曲部を有する。これによってテープに、剛性が大きくなり、テープがスプールに拘束されている（例えば、テープがそのホルダー中に巻き戻されているときなど）のでない限り、離れた軸方向位置に軸方向屈曲が集中する。この後者の場合、横断方向屈曲が解消され、テープの中心軸に沿った屈曲に変形される。横断方向屈曲の従来の形態は本発明にとっても可能な形態である。
非平坦形態の別の例として、ワイヤや螺旋状リブを埋め込んで捻りに抵抗する円筒形形状の基板またはキャリヤを用いてもよい。このような基板は捻りを許容することなく２自由度で屈曲する。この形態は、３次元位置と２自由度方位付け情報を決定するために使用できるだけである。
どんな形態でも、屈曲用のセンサーは捻りセンサーと同じ位置に置く必要はなく、屈曲センサーはその異なって方位付けされた屈曲感知センサーと（屈曲と捻りの双方が上述したように測定中でない限り）同じ位置に置く必要はない。これらにとっては、基板の構成を判断できるような周知の間隔で基板に沿って分布させれば十分である。
ここではほとんど非伸張性撓み物を参照したが、基板では伸張性は許容され得る。したがって、本発明による可能形態は、屈曲と多分捻りだけでなく伸張も測定される引っ張り可能な撓み物でもあり得る。伸張の程度は、撓みセンサー同士間の間隔が確かに分かるように検出しなければならない。伸張センサーには、伸張を感知する導電性エラストノマーが含まれることがある。便利なようにそして適合性を向上させるために、伸張の程度は、それを越えると撓み物が機能的に非伸張性となるような長さの小さな増加に制限される。
ここでは「基板」を撓みセンサー用のキャリヤとして述べたがが、「基板」という言葉はセンサーとの厳密な位置的関係を意味するにとどまらない。センサーは基板の外側表面上に置いてもよいが、センサーはまた基板の本体中に埋め込んだり包含させてもよい。基板にとっては、センサー用のキャリヤとして働き、そのセンサー内部の間隔と基板本体に対するその方位を保てば十分である。
この形状またはプロフィール測定ツールはその範囲の全体または１部にわたって拘束手段によって、その位置、形状、または空間内での方位を測定する身体または物体の１部にカップリングさせてもよい。したがって、このカップリングされた部分の位置、形状、方位および運動を示す情報を提供することが可能である。このような情報は、たとえ目的がカップリングされた部分に関するデータだけを獲得する場合であっても、カップリングされていない部分を含むセンサーの部分すべてから得られる。
本発明はその全長に沿ってそしてそれに関する位置的情報を提供するので、基板の１部分を、測定中の身体からその範囲の部分にわたってカップリングを外してもよい。センサーの少なくとも１部分を身体に取り付ければ、その身体のその部分の位置と方位をセンサー以外の基準ポイントに対して決定するに十分である。特定のセンサー同士間での不変比例信号などのカップリング済み部分の「署名」特徴を用いて、カップリングされた部分を識別して追跡することができる。
本発明は、蛇が筋感覚的にその尾に対する自身の頭部とその身体全体の位置が分かると同じことである。すべてのセンサーの他のセンサーに対する位置と方位は介在するセンサーの位置を相互参照することによって決定可能である。
この位置、方位および形状を測定するツールの部分を測定中の新他や物体からその全長の部分にわたってカップリングを外せるというこの機能は、本発明を人間形態の運動捕捉に用いる場合は特に利点となる。
本発明の形状測定ツールによる表面のセグメントをその全長に沿って等しく追跡するという機能のために、本発明は、その角度位置を測定する関節に対する計装ツールの精密位置を必要としない。このように、例えば、その位置が運動中は人間の手の上を移動する緩慢嵌合形状測定手袋は、本発明に従って実現した場合、それでも着用者の手の様々な関節の位置と方位に関する正確な出力信号を提供できる。
本発明の別の潜在的な応用分野は、接触と印加圧力に基づいて信号を入力する「キーボード」またはデバイスである。圧縮可能下支えに搭載されれば、リボンセンサー接触位置と印加圧力の度合いを示す出力を提供して、発生した捻りの量に従って台３の信号を提供できる。圧縮可能下支えの上に置かれた計装平坦配列は接触ポイントに関する２次元の位置情報を提供できる。あるポイントに印加される圧力の程度は、このような「キーボード」の使用者によって表されるさらなる次元を提供することができる。
前述の説明は本発明の主たる特徴とそのオプションとしての態様の１部分を要約したものである。本発明は、以下に述べる図面を参照した好ましい実施形態の説明を読めばさらに理解されよう。
図面の概要
図１は、基底端に対する遠位端の空間内の位置を決定可能な、ジョイントセンサーを装備した回転屈曲関節とリンクからなる平坦メカニズムの概略図であり；
図２は、さらなる回転捻りジョイントを持つ図１のメカニズムであり；
図３は、各回転屈曲ジョイントと結合した回転捻りジョイントを持つ図１のメカニズムであり；
図４は、メカニズム内に分離して配置された捻りジョイントと屈曲ジョイントを持つ図３のメカニズムであり；
図５は、屈曲センサーと捻りセンサーを担持するリボンの絵であり；
図６は、曲線に屈曲された図５のリボンの側面図であり；
図７は、屈曲センサーと捻りセンサーを担持する「ロープ」基板の図であり；
図８は、屈曲と捻りを示す空間内のリボンの絵であり；
図９は、上方表面が吸光性となるように処理された直線状光ファイバの側面図であり；
図１０は、屈曲状態にある図９のファイバの図であり；
図１１は、上方表面が吸光性となるように処理された平坦構成を持つループ状光ファイバの平面図であり；
図１２は、図１１の側面図であり；
図１３と１４は、ループ状端が湾曲した構成になっている図１１と１２に対応しており；
図１５と１６は、処理済み表面がループの半分だけである以外は図１１と１２に類似しており；
図１７は、図１５と１６のループ状ファイバの右端面図であり；
図１８、１９および２１は、ループの処理が対面する両側に施されている図１５、１６および１７のループ状ファイバの図であり；
図２０は、捻り構成での、図１８、１９および１のループ状ファイバの右端面図であり；
図２２Ａは、堅い本体上に休止している、波形形成されたリボンの側面図であり；
図２２Ｂは、第２の本体が上方から圧力を印加する以外は図２２Ａに類似しており；
図２２Ｃは、図２２Ａと２２Ｂにリボンを小鋸歯形状のリボンに修正した形態の図であり；
図２２Ｄは、平坦シートから切り出されたリボンセンサーの平面図であり；
図２２Ｅは、ヒンジセクションが薄い蛇形状の図であり；
図２２Ｆは、図２２Ｅの線Ａ−ＡまたはＢ−Ｂなどで切ったヒンジセクションの断面図であり；
図２２Ｇは、可撓性コンジット内に取り付けられた感知性リボンの図であり；
図２２Ｈは、図２２Ｇの配置の端面図であり；
図２３は、データ処理コンピュータとビデオディスプレイのための信号処理用オペアンプに接続されたテープ上の１つのネスティングされたループ状センサー対の図であり；
図２４は、未処理キャリヤの長さにおける図２３のテープの端断面図であり；
図２５は、処理済みのループ状センサー端のところの図２３のテープの端断面図であり；
図２６は、半剛性コンジットによって支えられている図２３のセンサーの絵であり；
図２７は、交差した再帰性動作をする屈曲センサーを持つリボンフォーマットセンサーの平面図であり；
図２８は、図２７の断面図であり；
図２９と２９Ａは、他方の配列に置かれて積層センサーを形成するリボン基板上の分布センサーの半分配列の平面図であり；
図３０は、積層センサーとして組み立てられた図２９と２９Ａの配列の断面図であり；
図３１は、双子のネスティングされたループ状センサー対を「Ｙ」構成となるように配置したリボンフォーマットセンサーの平面図であり；
図３２は、図３１の断面図であり；
図３３は、双子のネスティングされたループ状センサーを「Ｘ」構成となるように配置したリボンフォーマットセンサーの平面図であり；
図３４は、双子のネスティングされたループセンサーが線形配列されたリボンフォーマットセンサーの平面図であり；
図３５は、平坦配列を形成する図３４のセンサーのアセンブリの平面図であり；
図３６は、図３５の側面図であり；
図３７は、平坦配列を形成する図３３のセンサーのアセンブリの平面図であり；
図３８は、ビデオディスプレイ上に運動を捕捉するようにリボンタイプのセンサーを着用した人間の絵であり；
図３９は、可撓性感知リボンを腕の周りに巻いた、図３８の絵に類似の絵であり；
図４０は、リボンタイプセンサーをジョイスティックに応用したものの側面図である。
好ましい実施形態の説明
図１は、平行な軸を有する関節３で連結する堅い連結２の形態におけるメカニズム１を表す。それゆえこのメカニズム１は、単一平面上で自由に動きまたは屈曲する。その一端は基準点４に固定され、他端は端エフェクタ５を有してもよい。全ての関節３は、関節３の全ての角方位についての情報を与えるセンサー（図示せず）を持つように取付けられる。
センサーからの信号を処理し、各連結２の長さを知ることによって、基準点４に対する、端エフェクタ５までの空間的距離および端エフェクタ５の空間的位置を計算により決定することが可能である。
実際、全ての関節３の位置および特定の連結２上のそれらのあいだの配置を、補間法によって計算することができる。
堅い連結および関節メカニズムがあっても、不規則に曲折した表面を追跡するに足る高い能力をもつ形状または位置測定ツールを提供するのに十分なだけ、それらの部品数を増大させることは、従来可能ではなかった。さらに、図１のメカニズムは、単一の平面内での運動に限定されている。
図２は、回転位置を示すセンサーをさらに持つ追加的な「捻り」関節６を含む、図１に変更を加えたメカニズム２２を表す。この捻り関節６によって、端エフェクタ５は、図１のメカニズム１が制限されている平面の外で回転することが可能になり、それによって広大な三次元空間への接近が可能になる。
図３は、変更されたメカニズム２３の長さに沿って、屈曲関節３と同じ位置に配置されている多数の捻り関節６が設けられている、図２のメカニズム２２の一般化された拡張を示す。図４は、屈曲関節３および捻り関節６が、同じ位置に配置される必要無しに、メカニズム２４の長さに沿って配置されている、同様な一般化されたメカニズム２４を示す。
図３および４のメカニズムは、三次元内で湾曲する表面に即応する機械的能力を有する。しかしながら、堅い連結および機械的関節を用いても、そのような部品は、従来は、湾曲した表面を追跡できる高い能力をもった測定ツールを提供するに足るだけその数を増大させることができなかった。
再び図１を参照すると、各連結２の長さおよび各関節３の角度設定２６に基づく簡単な幾何学を用いて、基準点４に対する、端エフェクタ５および各関節３の二次元的位置を計算することが可能である。同様に、図２、３、４のメカニズム２２、２３、２４について、そのようなパラメータを、三次元空間内において計算することが可能である。これを示すために、記号ｘ、ｙおよびｚ座標が、これらの図の各々における端エフェクタ５に対応して与えられる。
その長さに沿って配分された一連の屈曲感知センサー１０、１１のためのキャリヤとして機能する可撓性基板８、２１を設けることによって、本発明は、この方法論を実行に移す。この基板は、図５、６に示されるように、角方位を示すセンサーからの受信信号に基づいて、物体の輪郭を引出すために、物体の外表面に対して適用されてもよい基準面２８を有してもよい。
もし測定される湾曲度および捻りが、鋭い勾配を帯びることが許されていないならば、または、センサーの間隔が、勾配を十分サンプリングするだけ十分小さいならば、基準面２８を伴う可撓性基板８を用いて湾曲度および捻りをサンプリングすることによって形状を測定するこの技法を適用することができる。センサーのこの間隔および個々の範囲が、センサー配列のための作業の許容範囲を決定する。
図５において、リボン８の形をした可撓性基板８に依存する、形状および位置測定ツール７が示される。「リボン」とは、ここでは原則的に伸びのない柔軟性材料の本体を表し、その長手方向のディメンジョン１２はその幅１３および深さ１４に比べてかなり長く、また幅１３は深さよりも十分大きいので、本体の屈曲は実質上、リボンの長手方向のディメンジョン１２を横断する軸１５，１５ａにたいする屈曲に限定される。しかしリボンは、自由に捻れる。このため、横断的な屈曲軸１５，１５ａは、平行である必要はない。
図８は、矢印が屈曲と捻りの双方を示しているリボン８の示している。
図５では、リボン基板８は自身の露出した表面９に沿って取り付けられた１連の分離して分布している屈曲センサー１０と捻りセンサー１１を有している。これらは本質的にポイント物体として略図として示されている。事実、このようなセンサー１０と１１はすべて、このようなセンサー１０と１１から信号を受信する信号処理ユニット（図５では図示せず）にカップリングされている。
図６では、図５のリボン８が、捻りの存在しない状態で１つの平面内で屈曲した場合の側面図で示されている。屈曲センサー１０に近接した２つのポイント１６と１７間の湾曲は中心１９の回りの円弧１８として近似され得る。この近似は、リボン８が良好に屈曲した、例えばリボン８が比較的一定の厚さ１４と撓み特性を有し、また、センサー１０が基板８に沿って十分濃密に分布している場合にまともな正確度を提供するに十分である。
ポイント１６と１７間での湾曲度は、これらの位置に置かれた屈曲センサー１０と１０によって測定されるポイント１６と１７における測定された湾曲の状態から推定できる。これらの湾曲が異なる場合、平均湾曲度すなわちさらに隣接した湾曲度の測定値に基づいた湾曲度を円弧１８の近似湾曲度としてもよい。
本質的にリボン８に沿って配分されたセンサーの分割である、アーク１８の湾曲度の値およびアーク長がわかると、引続く点１７の位置は、隣接点１６を照合して計算することができる。このタイプの相互照合計算法は、リボン８の基端から末端まで進めることができる。このような計算法は、空間内の全てのセンサー１０、１１の位置、それに加えて補間法によりリボン８上のいかなる中間位置の幾何学的値をも与える。
上記の説明は、簡潔化のために屈曲センサー１０のみを参照して行われた。同様な計算法を、捻りセンサー１１から受けたデータに実行して、三次元空間内での幾何学的データを与えることが可能である。
もし基板８の平坦な捻りのない部分が２つの平行な端部を有していれば、捻りが加えられたときに、その捻りは、端部間の角度の相違として定義される。また基板８が屈曲しているときには、捻りは、いわば、細い円筒状のドライブシャフトの長軸に沿ってその中に存在する、即ち捻りはシャフトの屈曲に際して不変である、と解釈される。こうなると、端ラインはもはや平行な平面上にはない。
もし、捻りだけが基板８の真っ直ぐな部分に加えられれば、屈曲を持った部分が来るまでは、その捻りは、長軸ライン１２の位置に影響を与えない。
基板の形状のモデルは上記の計算値に基づいてコンピュータで構築してもよい。モデルを視覚的に提示する便利な手段は、小さなサブ円弧セグメントを用いて円を連続して描き、これによって、直線状の円弧セグメントに対しても捻りもまた見えるようにすることである。内挿、平均化および他の従来の曲線はめ合い技法を用いることによってさらに洗練させてもよい。
図６に、上記の説明で定義したようなリボン基板８を基準として単純化する本発明を示す。図７に、見てよく分かるように、その全長に沿って分離して分布した屈曲センサー１０と捻りセンサー１１を持った「ロープ」２０を示す。さらに、このようなセンサーから受信した信号に基づいた類似の計算によって、このような完全に可撓性である基板の空間内での幾何学的方位を計算できる。「ロープ」２０を絵として示すと、実際に完全に可撓性である基板２１は、センサーを埋め込んだある長さを持つ押し出し成形されたゴムまたは可撓性のポリマー材料であり得る。この撓み物が中空のコアを有する場合、このようなコアを用いて撓みセンサーから信号を送るリード線を経路付けしてもよい。別の代替例は、電線をシールドするために用いられる長手方向に分割された波形チューブなどの円筒形チューブ内に「かご入れ」することである。これによって、基板がさらに扱いやすくなる、すなわち、物体の回りに屈曲される際に「躾がよくなる」のである。
さらなる代替例は、横断方向溝で処理されて、捻りに対する抵抗力を保持しながらも屈曲できるような矩形断面を持つロッドを用いたりして屈曲自由度が制限された基板を用いることである。このような「機械的な濾過」が存在するので、屈曲センサーを用いる必要があるだけである。
図６では、各捻りセンサー１１に対して２つの屈曲センサー１０が示されている。これは、１つの平面上ではなく２つの方向での屈曲が検出できるようにするためである。屈曲センサー１０が一緒に置かれているところが示されているが、これは必ずしも必要ではない。センサー１０と１１のすべてにとって、その信号値が他のセンサーの信号値と合成されて基板２１の幾何学的配置を計算できるように基板２１に沿って分布されるようにすれば十分である。
屈曲と捻りの測定に適するセンサーには：光ファイバの屈曲センサーと歪みセンサーと；力感知抵抗（ＦＳＲ）、屈曲感知抵抗（ＢＳＲ）および圧電センサーと一般的に呼ばれる屈曲と伸張に対する導電性エラストノマーセンサーと；ワイヤと半導体が結合した形態を含む電気歪みゲージと；および、容量、磁気および圧電的な方法を含む屈曲、伸張および捻りを測定することが可能な他のなんらかのセンサーと；が含まれる。
米国特許第５、３２１、２５７号およびＰＣＴ公開第ＷＯ９４／２９６７１号（出願ＰＣＴ／９４ＣＡ／００３１４）において述べられているような光ファイバーセンサーは、この適用によく適合する。なぜなら、これらのセンサーは、電磁的干渉に対して免疫力をもち、歪みの無いところでは撓みの中立軸内で機能するからである。これらの出版物に述べられている光ファイバーセンサーのタイプは、「屈曲強化ファイバー」として分類される。
屈曲強化ファイバーセンサー（ＢＥＦ）は、変更された区域に当たる光がコアから失われて戻って来ないように、コア・クラッディング境界面が処理され変更された区域内における、光ファイバーからの光の損失に基づいている。ＢＥＦセンサーにおいては、通常は真っ直ぐなファイバーは、光ファイバーが真っ直ぐに処理された区域をより突出させるように屈曲するときは光の損失が増大し、それ以外の仕方で光ファイバーが屈曲するときは減少するように、処理される。
真っ直ぐな３０および屈曲した３１ＢＥＦセンサーが、図９および１０にそれぞれ示される。頂部表面上の処理部分３２は、黒色で表される。形状は、ファイバー３０、３１を通って進行する光の強度の変化がファイバーの湾曲度に線形比例するように、設定される。出力は、真っ直ぐな形状については双極的である。処理区域の湾曲による変化は測定されて、それは３０００回であったが、それは未処理の光ファイバーの湾曲によって生じたものである。
ループ状センサーにおいては、処理は、光ファイバーループ３３の一方の面に施され（図１１および１２参照）、変化は、ループ３３がその平面３４から外れて外へ屈曲したときに起こる（図１３および１４参照）。図１１および１３における処理済みの表面３２が、斜線で示される。図１２および１４において、それは暗い線で表される。
図１５、１６および１７は、処理済みの区域３２が、逆向きに湾曲した３６領域に通じるループ３３の部分において現れる、ループ状センサー３５を示す。この逆向きに湾曲した領域３６は処理される必要が無い、しかしそれは任意である。尚、ループ３３の反対側の半分は未処理のままでよい。
ループ状センサーについては、処理能力および変調能力は特に高い。光ファイバー表面上の処理済み区域３２と堅いループとの結合は相乗効果をもたらす。ループが真っ直ぐなとき、近接する堅いループによって自由に通過しないモードにおいては、光ファイバーの頂部の処理済み区域３２は光の損失を際立たせ、光導体において堅い曲線の（および、それ故に損失の）ループ３３を導くペナルティは全くない。しかし、ループがその平面外に湾曲するときは、損失区域は、他の場合にはループ３３の周囲を自由に進行するモードと強く相互作用する。
ループ状センサーにおける更なる変形として、各々の対向表面部分の半分だけの上でループ３３を処理し、ループ３３の対向する半分の上の対向する面４７の上で処理することによって、２等分する中央のライン４６を有するループ３３内に、図１８〜２１に示すような捻りセンサーが形成されてもよい。そのように処理されたループ３３が、処理済み部分３２がはっきり分かるようにして、図１９〜２１に示される。もし、中線４６に対して上向きにまたは下向きに横断して屈曲されれば、処理済み表面３２は、相殺する正反対の効果をもつ。したがって、屈曲は感知されない。しかしながら、図２０に見られるように、ループ３３はその中線４６について捻れており、処理済み表面部分３２の変調効果は、捻りの大きさが増大した場合には、付加的なものである。
図２２Ａは、「波形の」構成におけるリボン８の側面図を示す。それは、力が加わらないで静止しているときは、多数のセンサー配置において繰り返される湾曲を伴って、自由度が１つの平面の外へ湾曲する。この場合、波状はセンサー対５０と同じ空間的同波数を有する。リボンは堅い本体５２の上で静止している。側面図の破線５３によって示される、その平均の軌跡は、堅い本体の形状を呈する。リボンのコンピュータによる画像は、外観のように見える。即ち空間的に湾曲する表面、しかしその平均位置および方位は、平均化された表面を残して湾曲を除去する平均化プロセスまたは空間的濾過プロセスによって求められる表面、のように見える。
図２２Ｂは、同様な波形リボン８、しかし今度は上から力を加えた第二の本体５４を伴ったリボンを示す。今度はコンピュータ画像は、圧力を加えられた領域における湾曲振幅の減少を示す。しかし、圧力負荷領域内および圧力負荷領域外の双方において、その下にある表面の形状についての情報をなお含んでいる。結合した圧力および形状センサーについては、センサーの間隔は、その圧力場または形状場が、測定された形状または圧力データの誤差を引起こすことなしに、どちらの本体が持ってもよい最小空間周波数を意味する。本体の空間的特徴は、センサー間隔の周波数よりも大きい空間周波数成分を持ってはならない。また湾曲はセンサー間隔と一致しなければならない。この規則は、写真の原理に類似している。それによると、写真乳剤の粒子径よりも小さい画像平面内の写真の特徴は有効でない。
このことは、湾曲前感知リボンを用いて圧力および形状の両方を測定する方法を明らかにする。図に示される湾曲が、形状および圧力情報を同時に得る唯一の手段ではないということは明らかである。例えば、リボンは、図２２Ｃの高さが誇張された立面図に示されるように、センサーの位置間における９０度の強い屈曲を伴う、捻りにおける通常の変形を有してもよいし、または湾曲してもよい。図２２Ｃの場合、圧力によって、影響されたセンサーからの屈曲信号が増大するが、空間周波数限界が満足されれば平均形状は影響されない。
図２２Ｄは、休止時には平面上にあるが側部から側部に移るに連れて「蛇紋岩」構成で波状になるように、平坦シートから切り出されたリボンセンサー８の平面図である。Ｘ印５６は、離間間隔を共有する、同じ位置に置かれた屈曲と捻りの感知対の場所を示す。場合によっては、これらの対を各直線状レッグの中心に置くだけで十分であり、これによって、必要とされるセンサーの数を減少させる。蛇紋岩形態に対する偏向には、ジグザグ形態と９０度回転形態があり、それぞれ三角形と矩形の波形に似ている。このような形態は繊維や他の素材にはめ合いされ、これらの素材は次に湾曲されたり屈曲されたりして、衣服や、座席カバーや、他の快適な表面を作る。図２２Ｄの形態は、捻られると、屈曲信号だけを発生する。その長軸に沿って屈曲されると、捻り信号が発生する。この点では、これは直線状リボンの逆の場合として動作する。
図２２Ｅに、すべてのところで堅いが、薄いヒンジセクションのところでは、捻り無しで屈曲だけできるように設計された蛇紋岩を示す。このヒンジセクションは、断面図２２Ｆに示すように基板を薄くすることによって形成される。ヒンジ部分には、箱形６０によって概略的に示される屈曲センサーが置かれる。図２２Ｅの蛇行形態は、屈曲のみのセンサーを用いるセンサー配列であるが、それでもなお、十分なディメンジョン情報をコンピュータに送ることができる。
図２２Ｇは、波形の壁をもち頂部にスリットを有する可撓性なプラスティック製のコンジット６１の側面図を示す。感知装置６２が、スリット内でコンジットに沿って、かつコンジットの外に取付けられる。図２２Ｈの端面図は、左に感知リボン６３および右にばね鋼の補強バンド６４を示す。両方ともコンジットの頂部におけるスリットから外に突き出ている。見えないが「Ｏ」リングが等間隔に配置されていて、コンジットが湾曲したときに、リボンおよび鋼バンドが、コンジットの外で作動するのを防ぐ。追加的なコンジットは二重の利点を持つ：それはセンサー位置間における湾曲の配分を助け、それゆえに、鋭い屈曲に起因する誤差を最小にする低パスの機械的フィルターとして働き、一方で全体にわたって自由な屈曲および捻りを可能にする；またそれは、リボンに対して、容易に補強を加えたり取り除いたりできる手段を可能にする。リボンおよびどんな補強バンドも、スリットにおいて、またコンジットの対向する内表面において、保持される。それらは、ゆえに、リボンの平面外の屈曲に関して、コンジットの中立軸にある。したがって、それらを屈曲させるために要する力は最小となり、リボン、バンド、およびコンジット間のずれは最小化される。
コンジットはまた、ワイヤまたはホースを構造体に付加する手段を提供する。
強度ベースのセンサーは、信号処理が非常に簡単なので低コストのアプリケーションにとって魅力的である。しかし、光導体内の強度は、測定量（湾曲度）以外の多くの事象の関数でもあり得る。望ましくない強度変調は以下の物を含む：
−光学的な結合における変化
−リード線の屈曲
−光源の経時変化
−光導体の経時変化
−光源および検出器に対する温度の影響。
ファイバー間の調整要求を低減する一つの技法は、個々のリード線の処理能力を調整するために局所的ポイントを摩耗したりまたは加熱することにって、「損失」区域を形成することである。
ループ状光ファイバーの技術は、対向する２つの積層ループを含む、光電子的なブリッジング技法を用いてこれらの障害を乗り越える。標準的な調整ループ状センサーの構成は、図２３に示され、そこにおいて、２つの「ネスティングされた」ループ３７が用いられる。
４本のリード線３８が、図２４に示すように、近接して平行に保持され、密封された積層構造内の平面内に配置される。これは、リード線の支配的な屈曲自由度を２から１に減少させる。１つのＬＥＤ光源４０が両方のループを照明するために用いられ、積分器４３を介して制御されて、ループの処理能力の総計を一定に保持する。制御された処理能力は、光学的および電子的信号（すなわち、ＬＥＤ、光ファイバー、フォトダイオードおよび増幅器）を含む。ＬＥＤ４０を制御するための一定総和の技法は同様に、光電子装置および光ファイバーへの経時変化および温度の影響、およびリード線の屈曲に起因する通常モードの変調を克服する。
しかしながら、測定量（湾曲度）は、図２５に見られるように、２つのループ３７が、対向する外に向けられた面４０、４１上において処理されるために、通常モードにはない。したがって与えられた屈曲は、一方における処理能力の増大、他方における減少を引起こす。信号は線形的であるため、オペアンプ４２において減算されて、湾曲度に比例しかつ通常モードの誤差に影響を受けない出力信号を生み出す。減算のために、その結果生み出される信号はまた、単一ループ３３からの信号の２倍の大きさをもつ。
その結果完成した感知システムは、１つのカッドオペアンプ４２を用いて高レベル電気出力を生成する、光電子調整ブリッジに行き着く。この回路は、通常モードの誤差を受付けない高レベルの出力信号を生成するように機能する。
実際的な低コストのセンサーは、中央１ｃｍ上のピンの周りにネスティングされたループ３７を形成し、その場で処理して損失区域を生成し、またその場で積層３９を成し、ループ３７およびリード線３８を平面内に保持することによって、製造することができる。リード３８は、自身を張力による緊張から保護するために、わずかに湾曲したまたは「波打った」パターンに配置してもよい。本リード線の最大長は５．５メートルと明示されているが、長くすることが可能である。ラテックスゴムの外層およびそれらのあいだの２つのポリウレタンコアフィルター４４の積層構造は、厚さ１．２ｍｍ×幅７ｍｍであり、ポリメチルメタクリレートのコアを伴った直径０．５ｍｍのファイバーを収容する。直径０．２５ｍｍのファイバー３８を用いれば、より小さな積層構造が可能である。標準的な、処理済みの感知区域３３の長さは、０．５ｍｍファイバーに対しては１２ｍｍであり、０．２５ｍｍファイバーに対しては６ｍｍである。典型的なセンサーを図２６に示す。
ループ状の捻りおよび屈曲センサーは、基板に沿って緊密に同位置に置かれるように、ネスト状に配置されでもよい。
ループ状のセンサーは詳述されたが、一方、基板に沿ったセンサーのある好都合な配置を、単純化されたシンボルを用いて図２７〜３０に示す。これらの「ホッケースティック様の」イメージ５０は、周知の方法による再帰モードで作用する反射端部５２を伴う処理済み屈曲促進ファイバーセンサー５１とみなしてよい。各画像５０の「ブレード」の部分５３は、処理されて、そのブレードの長さに対して角度をなす軸１５に関しての屈曲に敏感に反応するように配置される。
図２７において、センサーは、基板の中線５４上に横たわる感知部分５３に交差する形に配置される。分かりやすいように、リード線５５の図は省略されたキャリヤ部分を介在させて破断してある。しかしながら、センサーの各対からの信号は上述のようにオペアンプに供給されて、その和と差を抽出している。感知部分が同じフェース上（外向きまたは内向き）にあれば、信号の和は屈曲を測定し差は捻りを測定する。
図２７と２８は１つの基板８上で交差したセンサー対を示しているが、図２９と３０は部分的に計装した２つの基板８と８ａを示しており、これらは、センサーを中心にして積層物５６として組み立てられると、アセンブリ５６の中立軸に沿って位置させると便利な集積的な「基板」内に効果的に埋め込まれるセンサーを持つセンサーアセンブリ５６を形成する。
センサーブレード５３を一緒に基板８上で対として搭載する代わりに、各対の半分を図２９に示すように最初に置いて、図２９ａに示すようなループを持つ第２のほぼ同一な基板を第１の基板の上に置いてもよい。図２９と２９ａの処理済み表面は互いに反対側にあって、図２７と同じ構成を達成しなければならない。図２９と２９ａで同じフェース上を処理すると、オペアンプ４２の出力は屈曲と捻りを測定する際に反転される。
１つのセンサー対に堅さを加え、他方に屈曲するのを防ぐために、ゴム、プラスティックまたは金属のリボンを２つの基板間に置いてもよい。
２つの基板が一旦組立てられれば、その２つは、いっしょに積層されて、すべてのリード線が同じ端から出てゆくセンサーの２つのセットを与える。その結果できた積層構造５６の側面図を図３０に示す。光ファイバーを互いに直接隣接させるかわりに、ファイバーが通常のコアの基板の外にあるように基板８、８ａを結合してもよい。
もし同一の半基板が形成されれば、処理済み表面部分は、外側に向けて対向する。それでもやはり、各センサー対のそれぞれのメンバーの出力の和および差を求めることによって、捻りおよび屈曲の値が与えられる。
２つの外側の基板８をそれらの縁部５７のみに沿って接合することによって、内部スペース５８が形成され、その中に、各センサー５１のためのリード線５５をゆるい状態で配置してもよい。これによって、柔軟で、かつセンサーのリード線５５上に不必要な応力をかけるのを回避するツールが与えられる。
再帰的ファイバーセンサー５１について述べられたのと同じような仕方で、ループ状センサー３３は、基板８に沿って配分されてもよい。図３１および３３は、屈曲および捻りを同時に測定する、対になったネスティングされたループセンサーを同じ場所に配置するための２つのモードを示す。図３２は、そこにおいてループ３３が処理済み表面部分３２を担持する高くなった表面３２を示す、図３１を通る断面図である。
図３１で、ループ３３は広がった「Ｙ」構成で分離しているが；図３３では、その中線はその角度方位は広がっているが「Ｘ」構成で重なり合っている。
図３１と３３の双方において、ループ３３の中線４６は基板８の中線５４から外向きに角度付けされている。この角度５９は基板８の両側にあるセンサー３３に対して等しいのが望ましい。これによって、屈曲値と捻り値の双方を出力を合計することと加算することで得ることができる。角度５９が４５度であると、屈曲と捻りに対応する最大で直接的な信号強度が得られる。
図３４では、ネスティングされたループ状センサーのストリングが、リボン基板８上で線形に配置されているところが示されている。このネスティングされたループは屈曲センサーと捻りセンサーとが交互になっているか、または、各ネスティング対内で一方のセンサーが屈曲を測定し、他方のセンサーが捻りを測定するようにするかする。
センサーの平坦配列６０は、リボン基板のエッジを一緒に固定して、キャリヤシート８ａを形成することによって組み立ててもよい。これは、図３５と３７の平坦配列６０に、先行する図３４と３３に対応する２つの別々のフォーマットで示されている。こうする代わりに、図２９と３０と似たような仕方で、キャリヤとして動作する２つの可撓性シートにセンサーを固定してもよく、これらのシートは重ねて固定して、計装した平坦形状の感知ツールを形成してもよい。
本発明は、各対が集団的に屈曲および捻りを測定する、８個のセンサー対の平坦なテープ状の形態において、構築され明示されてきた。米国特許第５、５３１、２５７号、特許協力条約出願ＰＣＴ／ＣＡ９４／００３１４号、およびＳＰＩＥ条項ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２８３９、３１１−３２２ページ、１９９６年）の手続きにしたがって、直径０．２５ｍｍのファイバーにおけるループが、屈曲を感知するために形成され処理された。これらは、４５度での５ｃｍ毎の対になって、厚さ０．３２ｍｍ、幅１２ｍｍのラテックス製基板の長軸に貼られた。ファイバーの光損失部分は、基板から外方に向けられた；ループの頂点は、基板のエッジの内側で約１ｍｍである。センサーは対になり交差した形態であり、対向する光損失区域については、各ループの敏感な部分は基板の軸央に交差した。ループのリード線は、曲げられ軸方向に導かれて各基板の端を超えて、エッジに１ｍｍ以上は接近しない。
そのプロセスのあいだ、ファイバーリード線（図２５の３８）は順番に対をなしてオーガザイザカード上に保持される。各対からのファイバーは、発光ダイオード（ＬＥＤ）４０に結合された。一般に８個以上のファイバー３８が、同じＬＥＤによって光を当てられ得る。各対からの他方のファイバーは、フォトダイオード１個につき１つのファイバーとして、フォトダイオードに結合された。従来型のトランスインピーダンス増幅器６２は、フォトダイオード電流を電圧に変換した。これらの電圧は、加算および減算増幅器４２に供給された（または、迅速にデジタル化されてもよい）。アナログの加算値および減算値はデジタル化されて、更なる処理のためにコンピュータ６１に供給された。
較正手順
本発明の好ましい実施形態は、個々のセンサーの光度処理能力が湾曲度に線形比例して変化する範囲内で動作する光ファイバーセンサー対から成る。本発明が平坦な（湾曲が適用されない）場合には、全ての光度を等しくすることが望ましく、それゆえ、対についての和および差を取ると、すべての差がゼロになり、すべての和は、正の同一値になる。これは、コンピュータのオーバーヘッドを減少させ、屈曲および捻り出力間の最小の相互作用を保証する。
光度調整の便利な方法として、ファイバーの未処理部分を、弾力性を有するがしかし加えられた屈曲を保持するに足るだけの十分な強度を持つ、金属層および黒化エラストマーの間に挟み込むことによって、微少湾曲光ファイバー「レジスタ」が用いられてもよい。例えば、その挟み込みは、４×２０ｍｍの以下の層でできている：黒色ビニールテープ、黒色両面接着テープ、中央において２０ｍｍディメンジョンに沿ったファイバー、黒色ビニールテープ、および０．０１０インチの真鍮。光の信号は、これらの挟み込み内に収容され、全ての信号が最小値を取る、故に全てが等しくなるように調整するために屈曲させられた、ファイバーを通って送られてもよい。この調整方法は、広い限界内で繰り返される減少および反発を可能にし、故に、その調整は極めて正確であり得、初期の誤差を帳消しにする。
ひとたび個々のセンサーの値が等しくなると、そのときは、光センサーからのデジタル化された出力がコンピュータに運ばれてもよい。代替案としては、まず合計および差がアナログ形態で取られ、そしてこれらをコンピュータに送る。そうして、どちらの場合にも、コンピュータ内で、屈曲および捻り（または屈曲、屈曲または捻り）を表す値の較正に取り掛かる。
好ましい実施形態のセンサーが線形的であるので、和および差もまた線形的である。本発明の較正を行うためには、屈曲および捻りの範囲の各々の２点において、較正を行うだけでよい。リボンまたはテープ形態における屈曲について、本発明の較正を行う好ましい方法は、まずテープを平坦に置いて、屈曲値の全てをコンピュータ内でゼロに設定することである。そして、本発明は円筒状回転軸上における輪の形に形成することができ、利得（正および負の倍数詞）を、
コンピュータの全ての屈曲値が、回転軸の周囲において見られる均一な湾曲度に対応する一定値に等しくなるまで、各屈曲値に施こすことができる。オフセット（加算または減算された値）は施されていないので、テープが再び平坦に置かれたとき、コンピュータのテープ「画像」は、全てのゼロを含んでいる。
同様に、まず捻りの値が、テープを平坦にしたとき、ゼロに設定され、そしてテープが、真っ直ぐに保持され、かつ長軸の周りの異なる回転角度において、端を保持する固定部品を用いてその全長にわたって加えられた均一な捻りを有するとき、利得が施されてもよい。例としては、旋盤内における軸方向でのテープの取付け、および旋盤ヘッドの既知量の回転、があげられる。
捻りおよび屈曲の両方を同時に較正する好ましい方法は、まずテープが平坦に保持されているあいだに屈曲および捻りの値をゼロに設定し、それからテープを円筒状の回転軸の周りで均一な螺旋形に形成することである。螺旋は一定の湾曲度および一定の配分された捻りを持つので、利得が、全ての湾曲および別に全ての捻りに施されて、螺旋のコンピュータ画像を得る。
望ましい屈曲および捻りの全ての値は回転軸の情報からアプリオリに知ることができ、またそれらは相互に影響しないので、上記の回転軸に基づく較正手順はコンピュータ内で自動化されてもよい。その手順は、単純に、利得のルックアップ表を生成することである。そこでは、各屈曲信号について、屈曲信号×その割当てられた利得＝一定値、となり、捻りについても同様になる。
非線型なセンサーについても同様な手順が用いられるが、２つ以上の点が較正されなければならず、またより多くの回転軸およびより多くのステップを要する。
精度および精密
精密（分解能）は、長期的でない、ノイズ無しの分解可能限界として定義される。
精度は、長期的趨勢の存在化における、絶対尺度への測定可能限界として定義される。
本発明のプロトタイプバージョンに基づく実験的測定から決定された精密は、リボン基板の長さ１メートル当たり約１−３ｍｍであると確定された。各屈曲センサーについて０．０２の分解能に基づいた、またテープ１ｍ上での５ｃｍ間隔の２０個のセンサー対を用いた、精密の計算は、０．３５ｍｍ、ｒｍｓ＝０．０９ｍｍ（テープ１メートル当たり）という最悪の場合の値を与える。
主に長期の趨勢によって影響される絶対精度が、標準的センサーの、２ヶ月にわたる１％のドリフトの仮定のもとに計算された。１メートル、２０対のテープの場合について、最悪の場合の誤差として、０．５ｃｍ／月、およびｒｍｓ値として１．１ｍｍ／月を得た。一般に、誤差は加算しない。端点の位置への誤差の分布は、テープ部分について、固定された基準点に接近するほど大きくなる。
本発明は、図３８および３９の人間の運動捕獲アプリケーションにおける使用において述べられている。図３８において、リボンタイプのテープ基板が、着用者の上腕６３、前腕６４、および手６５に沿って搭載されている。センサーリード線６６は、信号６８をコンピュータ６９に供給する上着の上に都合よく搭載されているターミナルボックス６７内で終端となっている。機器を備えたテープは、身体の望ましい部分に接着テープ７０によって貼り付けられる。計算効率は好ましい位置と結び付いているかもしれないが、重要な接着ポイントがテープによって影響されることはない。
テープは、それが合致する表面、例えば前腕６４の形状を実際に測定することができる一方で、テープの経路設定のある部分について、手足の方位のみを抽出すれば十分である。手６５においては、方位のみならず形状についてのデータをも抽出してよい。
好都合なことに、ループ７１は、形状および方位測定部分の境界端の位置ではなくて、そこからデータを収集する必要のない肘および手首に形成されてもよい。これらの分離された部分７１は、まったく束縛されることなく自由に空間に伸長することができる。好都合にも、それらは着用者に快適さと動き易さを提供する。
図３９は、人の腕に貼られた、コンジット内の感知リボンを示す。その構成および目的は、リボンおよびコンジットが腕の周りに螺旋状に配置されるという点を除けば、図３８と同様である。感知リボン８は、可撓性を有し、腕の周りに巻付けられ、また少なくとも１本の指に貼り付けられるセンサー部分７３を有する。センサー部分７３は、例えばスイッチを作動させるときの、腕の動きを感知して測定する。これは、腕の表面を追跡するコンピュータ画像を生成する。そこでは画像は、閉じた体積のなんらかの要素を有する。この構成にコンジットは必要ではないが、それは曲線を滑らかにすることによって、必要とされるセンサーの数を減少させることができる。「棒状の指」をかたどるためのヒンジで動く連結を表す中央の表面または線が、画像から抽出されるだけではなく、画像はまた、膨らむ筋肉、または表面の体積または形状に結合した他の変化をかたどるために用いることもできる。同様にして、螺旋系のまたは湾曲した、または蛇行する形状が、他の身体または動物の部分、または他の全ての物理的本体の、体積を有するモデルを作り上げるために用いることができる。例えば、感知リボンは、息をする胴体の体積または形状への画像変換に用いることができる。
ターミナルボックス６７が、測定された表面の、空間内での位置、方位、および形状にたいしての基準点として機能する一方で、テープ上の全ての点が、等しく基準点として機能することができる。これは、鎖骨の上への骨の突出、またはその上をテープが通る襟首を含んでもよい。テープはその結果人間の骨格上の定義された位置として参照されるので、このことは運動捕捉テクノロジーにおけるひときわ優れた長所を提供する。
本発明の全ての応用とともに、コンピュータ６９からの出力は、空間内における形状測定ツールおよびそれが取付けられている表面の、幾何学的構成のビデオディスプレイ７２を提供することができる。
本発明の更なる使用例として、図４０は、アークまたは湾曲形態で配置される平坦な軸方向の撓み７８を描いている。それは、一端において基準７４表面によって支持され、自由端において、デカルトの位置決めおよび方位付け、即ちｘ、ｙ、ｚ位置、およびロール、ピッチ、ヨー方位を可能にする本体７５に、終端する。終端本体７５は、６つの自由度において位置信号７６を被制御システム、例えばロボットに送るための、操作用ジョイスティックとして機能する、スイッチまたはボタン付きのノブであってもよい。
結論
前述された議論は、どのようにして本発明が適用され使用されるかを示す特定の実施形態を叙述した。これらの実施形態は例示的なものであるにすぎない。本発明は、その最も広い観点において、およびより特定的な視点において、以下のクレームのなかで、さらに説明され定義される。
これらのクレーム、およびそこで使用される用語は、これまで述べてきた本発明の変更例の観点から理解されるべきである。それらはそのような変更例に限定されるものではなく、本発明およびここで行われた開示内容に含まれるものとして、本発明の全範囲を包括範囲に収めるものと理解されるべきである。

Claims (20)

1. （１）少なくとも２自由度で屈曲することが可能な可撓性基板と；
   （２）前記基板に対してカップリングされ、前記基板に沿った周知のそれぞれの屈曲センサー離間間隔と捻りセンサー離間間隔で位置付けされて、後出の屈曲センサー手段と捻りセンサー手段が前記基板にカップリングされているそれぞれの位置で前記基板内に存在する屈曲と捻りのそれぞれの局所的状態を示す撓み信号を提供する離間された屈曲センサー手段および捻りセンサー手段と；
   （３）前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段にカップリングされていて、それらから撓み信号を受信して、３次元空間における前記基板の幾何学的構成に関するデータを提示するセンサーデータ処理手段と；
   を備え、
   前記センサーデータ処理手段が、前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段によって提供された前記撓み信号から誘導された屈曲信号および捻り信号並びにこのようなセンサーの離間間隔に基づいて前記基板の幾何学的構成を決定することによって動作する；
   ことを特徴とする空間内での幾何学的構成に対応するデータを提供する測定ツール。
2. 前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段が、前記基板の全長に沿って共通の、そして共有の屈曲センサーと捻りセンサーの離間間隔で置かれていることを特徴とする請求項１に記載の測定ツール。
3. 前記基板の形状が長手方向ディメンジョンを有するリボンという形態であり、前記基板が、前記基板の長手方向ディメンジョンに対して横断方向の軸の回りのその全長に沿った屈曲に対しては制限されているが、このような長手方向ディメンジョンの回りの捻りに対しては自由であることを特徴とする請求項１に記載の測定ツール。
4. 前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段が、前記基板に沿った位置に一緒に置かれた屈曲センサーの対として提供され、また、個別に置かれ、これによって、それぞれの広がって交差している屈曲軸の回りに発生する屈曲を測定し、前記屈曲信号と捻り信号が、前記２つの一緒に置かれた屈曲センサーの出力を加算的に合成し、また、前記２つの一緒に置かれた屈曲センサーの出力から差を抽出することによって提供されることを特徴とする請求項１または３に記載の測定ツール。
5. （１）前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段が、自身の外側表面の処理済み表面が後出のファイバ内を通過する光線に対して吸光性とされて、自身の湾曲状態を感知するようにされた光ファイバを備え；
   （２）前記ファイバが逆転ループを有し、前記処理済み表面部分が前記ループの領域中に置かれ；
   （３）前記逆転ループが中線を画定し；
   （４）前記ループが前記基板に沿って対で搭載され、これによって、組み合わされた屈曲センサー手段と捻りセンサー手段を各対内で提供し、前記基板が表面を有し；
   （５）前記ループの平面が前記基板の平面と平行であり；
   （６）前記ループの中線が互いに広がった角度で方位付けされており；
   これによって、前記屈曲信号と捻り信号が、各対中の前記ループの出力を加算的に合成することによって、また、各対中の前記ループの出力から差値を抽出することによって得られることを特徴とする請求項１または３に記載の測定ツール。
6. 前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段が、自身の外側表面の処理済み表面部分が後出のファイバを通過する光線に対して吸光性とされて自身の湾曲状態を感知するようにされた光ファイバを備えることを特徴とする請求項１または３に記載の測定ツール。
7. 前記光ファイバが逆転ループを有し、前記ファイバが、前記ループの領域中で自身の湾曲状態を感知するようにされており、これによって前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段となっていることを特徴とする請求項６に記載の測定ツール。
8. 前記基板が長手方向ディメンジョンを持つリボンであり、前記捻りセンサー手段の前記逆転ループが二等分中線を画定し、前記ループの前記二等分中線が前記リボンの長手方向ディメンジョンと整合しており、前記ループが、前記基板の平面に平行に配置された表面を有し、また、前記ループから外向きに向けられており、さらに、各ループ上の前記処理済み表面部分が、両側半分だけの上の前記ファイバの外向き表面上およびこのような各ループの互いに反対側の外向き表面上に置かれていることを特徴とする請求項７に記載の測定ツール。
9. 前記屈曲センサー手段の前記ループがネスティングされた対として搭載されており、各対の２つのループ中の前記ファイバの前記処理済み表面部分が各ループ内の相補的で互いに反対側の外向きのフェース表面部分に置かれており、これによって、前記ネスティングされたループが共通の屈曲湾曲度変化を持ち、各対中のそれぞれのループを通過する光線の強度の値が反対方向に変化することを特徴とする請求項７に記載の測定ツール。
10. 前記ネスティングされた対中の前記ループの出力の差が屈曲湾曲度の尺度として前記センサーデータ処理手段に提供されることを特徴とする請求項９に記載の測定ツール。
11. 基準位置に対して測定される表面の３次元空間内での相対的な位置と方位を測定する構成監視基準表面を持つ幾何学的構成監視ツールであり、前記ツールが：
    （１）前記構成監視基準表面と基準位置を担持する３次元空間内で撓むことが可能な可撓性基板と；
    （２）角度変位センサーとして動作し、前記基板に沿って周知の間隔でそれぞれ離間されている複数の屈曲センサー手段と捻りセンサー手段と；
    を備え、
    前記基準位置に対する前記構成監視基準表面の３次元空間内での位置と方位が、前記基板に沿った自身のそれぞれの位置で前記角度変位センサーによって提供される角度変位の値とこのようなセンサーを離間している間隔の値とに基づいて幾何学的に決定することが可能である；
    ことを特徴とするツール。
12. 前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段が互いに散在していることを特徴とする請求項１１に記載のツール。
13. 前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段が互いに一緒の位置に置かれていることを特徴とする請求項１１に記載のツール。
14. 前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段が、広がった方向での屈曲を測定して、後出の屈曲センサーの出力の和と差から誘導された屈曲信号と捻り信号を提供するように位置付けされている２つの屈曲センサーを備えることを特徴とする請求項１３に記載のツール。
15. 前記基板が長手方向範囲を持つリボン状構成の構造体という形態であり、前記リボン状構造体が、その長手方向範囲に対して横断方向である軸の回りの撓みに対してはその全長に沿って自由であるが、前記リボンの前記長手方向範囲に平行な軸の回りの撓みに対しては抵抗することを特徴とする請求項１１、１２、１３または１４に記載のツール。
16. 互いを基準として測定される第１と第２の表面の空間内での相対的な位置と方位を測定するツールにおいて、前記ツールが：
    （１）測定される第１の表面に隣接して存在する形状監視基準表面の第１の部分と；
    （２）測定される第２の表面に隣接して存在する前記形状監視基準表面の第２の部分と；
    を備え、
    前記形状監視基準表面の前記第１と第２の部分が、前記形状監視基準表面の前記第１と第２の部分との接合部分以外は空間内で拘束されない前記監視ツールの中間部分の境界を定める；
    ことを特徴とする請求項１１、１２、１３、１４または１５に記載のツール。
17. 前記基板が前記基準表面を担持し、また、前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段を自身に固定しているシートという形態であることを特徴とする請求項１１、１２、１３または１４に記載のツール。
18. ３次元空間内で伸張する経路の空間的構成を定めるデータを提供する方法において、前記方法が：可撓性シートという形態の基板を画定される前記経路に沿った構成に合致させるステップと；画定される前記経路に沿ってこれに近接した事前決定された間隔で前記基板に取り付けられた複数の屈曲センサー手段と複数の捻りセンサー手段を提供するステップと；前記それぞれのセンサー手段からの屈曲信号と捻り信号を収集するステップと；前記信号を処理して３次元空間内の自身の範囲に沿った前記経路の空間的構成に関するデータを発生するステップと；を含み、前記信号を処理する前記ステップが、前記屈曲センサー手段と捻りセンサー手段からの屈曲信号と捻り信号を自身同士間の離間間隔と一緒に合成してこのようなデータを発生することによって動作することを特徴とする方法。
19. 前記基板が、長手方向ディメンジョンを有するリボンという形態であり、また、前記長手方向ディメンジョンに対して横断方向の軸の回りではその全長に沿って屈曲と、その長手方向ディメンジョンの回りの捻りに対して制限されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記センサーが、自身の外側表面の処理済み表面部分が後出のファイバ中を通過する光線に対して吸光性とされて、自身の湾曲状態を感知するようにされた光ファイバを備えることを特徴とする請求項１８または１９に記載の方法。

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