LV15744B - Paņēmiens un ierīce stiepes un lieces deformēta objekta formas un orientācijas telpā noteikšanai - Google Patents

Abstract

Izgudrojums attiecas uz paņēmienu un ierīci objekta formas noteikšanai, izmantojot ar objektu savienotas speciālas struktūras ar integrētiem orientācijas sensoriem. Izmantotās struktūras pieļauj gan stiepes, gan lieces deformētu objektu formas noteikšanu. Potenciālās pielietojumu jomas ietver būvniecību, autobūvi, ķermeņa sensorus, veselības aizsardzību, robotiku u.c., kur nepieciešams noteikt laikā mainīgu objektu formu un monitorēt tās izmaiņas laikā, piemēram, cilvēka ķermeņa formu vingrojumu laikā, krūšu kurvja formu un diametru elpošanas laikā vai nesošās konstrukcijas formu tās slogošanas laikā.

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS

[001] Izgudrojums attiecas uz paņēmienu un ierīci ķermeņa formas noteikšanai, izmantojot ar ķermeni savienotas, elastīgas struktūras ar integrētiem orientācijas sensoriem. Elastīgās struktūras pieļauj gan stiepes, gan lieces deformētu ķermeņu formas noteikšanu. Potenciālās pielietojumu jomas ietver būvniecību, autobūvi, ķermeņa sensorus, veselības aizsardzību, robotiku u.c., kur nepieciešams noteikt ķermeņu formu un monitorēt tās izmaiņas laikā, piemēram, cilvēka ķermeņa formu vingrojumu laikā, krūšu kurvja diametru elpošanas laikā vai nesošās konstrukcijas formu tās slogošanas laikā.

Zināmais tehnikas līmenis

[002] Izgudrojums attiecas uz paņēmienu un ierīci deformējamu ķermeņu formas noteikšanai, izmantojot elektroniskus sensorus, kas savienoti ar ķermeni.

[003] Avotā [1] ir aprakstīts paņēmiens un ierīce trīs dimensiju (3D) ķermeņu formas noteikšanai, izmantojot orientācijas sensorus. Sensori ir pieguļoši ķermenim un nodrošina ar to orientāciju saistītās informācijas pārvēršanu elektriskajos signālos. Iegūstot un apstrādājot sensoru orientācijas signālus no vairākiem sensoru stiprinājuma punktiem ar iepriekš noteiktiem savstarpējiem attālumiem, tiek iegūta informācija par ķermeņa ģeometrisko formu. [004] Izgudrojums [2] papildina [1], sniedzot risinājumu ķermeņa formas rekonstrukcijai gadījumos, kuros, ķermenim deformējoties, mainās ķermenim piestiprināto sensoru savstarpējie attālumi.

[005] Izgudrojums [2] balstīts elastīgā materiālā ieaustu zigzag elementu izmantošanā, kas piekļaujas ķermenim vai daļai no tā.

[006] Cita tehnoloģija [3] ķermeņa 3D formas noteikšanai izmanto pieeju ar elastīgu struktūru, kas satur orientācijas sensorus un piekļaujas ķermeņiem ar dažādu formu.

[007] Vēl citas tehnoloģijas [4-5] izmanto materiālu pjezorezistīvās un pjezoelektriskās īpašības, lai noteiktu materiāla stiepes vai lieces deformācijas, ļaujot noteikt un analizēt arī ķermeņa formu.

Izgudrojuma mērķis un būtība

[008] Izgudrojuma mērķis ir elastīgu ķermeņu formas noteikšana, kad tie tiek pakļauti lieces un stiepes deformācijām, neizmantojot ārēju ārējo aprīkojumu, piemēram, attēlu kameras vai lāzera skenerus.

[009] Atšķirībā no tehnoloģijām [4-5], kas izmanto pjezoelektriskos un pjezorezistīvos sensorus, izgudrojums balstīts elektriskos orientācijas sensoros, kas ļauj iegūt augstāku precizitāti plašā ķermeņa formas izmaiņu diapazonā.

[010] Atšķirībā no tehnoloģijas [1], kur orientācijas sensori ir fiksēti uz ķermeņa, šajā izgudrojumā orientācijas sensori ir fiksēti uz elastīgām struktūrām, kas ar ķermeni fiksētas atsevišķos savienojuma punktos. Tādējādi stiepes deformāciju gadījumos attālumi starp savienojuma punktiem uz ķermeņa var mainīties noteiktās robežās, kuras nosaka elastīgās struktūras ģeometrija, neietekmējot attālumus starp sensoriem uz struktūras. Attiecīgi attālumus starp sensoriem uz struktūras nemainās, ķermeni pakļaujot stiepes deformācijām, un nav nepieciešami papildu sensori šī attāluma atkārtotai noteikšanai.

[011] Atšķirībā no tehnoloģijas [3], kurā formas noteikšanai izmantotas elastīgas struktūras ar nedeformējamiem, taisniem segmentiem, kas piekļaujas ķermenim, piedāvātajā izgudrojumā elastīga struktūra ir savienota ar ķermeni atsevišķos fiksētos punktos, pieļaujot, ka izgudrojuma lietošanas laikā ķermenis var tikt pakļauts stiepes un lieces deformācijām, kuras ar izgudrojuma palīdzību var noteikt.

[012] Atšķirībā no tehnoloģijas [2], kurā sensori ir fiksētās pozīcijās uz zigzag struktūras, kas visa iestrādāta (ieausta) elastīgā pamatē, kas piekļaujas ķermenim vai daļai no tā, šajā izgudrojumā elastīgā struktūra ar pamatni un ķermeni ir savienota tikai atsevišķos, fiksētos punktos. Šis modelis ir vienkāršāks ķermeņa formu raksturojošo koordinātu aprēķināšanai un rada mazākus ierobežojumus struktūras formas izvēlei, jo tai ir jāpiekļaujas ķermenim tikai fiksētajos savienojuma punktos.

Izgudrojuma īstenošanas piemēri

[013] Izgudrotā paņēmiena būtību vienkāršotā veidā atspoguļo shematiskā 1. zīmējumā, kur stiprinājuma punktos (2a) ar ķermeni (la), savienota lokana struktūra (4a) un, uz lokanās struktūras(4a) ir izvietoti elektriski orientācijas sensori (3), kuru savstarpējais attālums uz lokanās struktūras(4a) virsmas ir fiksēts.

[014] Lokanās struktūras (4a) forma un materiāli ir izvēlēti tā, lai tiktu nodrošināta pietiekama lokanība, neietekmējot ķermeņa (la) formas izmaiņas un raksturīgās fiziskās īpašības.

[015] Savienojuma punktos (2a) ķermenis (la) ir savienots ar lokano struktūru (4a), sasaistot lokanas struktūras (4a) formu raksturojošās koordinātes ar atbilstošajām ķermeņa (la) formu raksturojošajām koordinātēm.

[016] Struktūras (4a) uzbūve pieļauj, ka ķermeņa (la) virsmai liecoties vai stiepjoties, stiprinājuma punktu (2a) koordinātes var brīvi mainīties noteiktās robežās, saglabājot nemainīgu sensoru savstarpējos attālumus uz struktūras (2a).

[017] Ja orientācijas sensoru (3) savstarpējie attālumi ir zināmi, pēc sensoru orientācijas datiem lokanās struktūras (4a) formu un stiprinājuma punktu koordinātes var aprēķināt, izmantojot zināmās līniju interpolēšanas metodes.

[018] Kā elektriskos orientācijas sensorus (3) var izmantot akselerometrus, žiroskopus, magnetometrus vai šo sensoru kombinācijas. Izmantojot datu sapludināšanas algoritmus, no sensoru (3) elektriskajiem signāliem iegūst sensoru orientāciju aprakstošus leņķus un kvaternionus [6].

[019] Atšķirībā no [1], kur ķermenim piestiprinātie sensori (3) sniedz informāciju par ķermeņa ģeometriju sensora stiprinājuma vietā, šeit aprakstītajā metodē no sensoru datiem tiek noteiktas struktūras (4a), piestiprinājumu punktu (2a) koordinātes. Turklāt struktūras (4a) noteiktajās kustību robežās attālums starp struktūras piestiprinājuma punktiem (2a) var brīvi mainīties, pieļaujot ķermeņa (la) izstiepšanos un saraušanos.

[020] Šeit aprakstītam izgudrojumam tas dod priekšrocību, ka stiepjama ķermeņa (la) formas noteikšanai elektroniskajiem orientācijas sensoriem (3) nav nepieciešami papildu sensori orientācijas sensoru (3) savstarpējā attāluma noteikšanai, lai aprēķinātu ķermeņa (la) formu.

[021] Struktūrām (4a) var būt dažādas formas, piemēram, lauzta līnija, un tās var izvietot ne tikai uz līnijas, bet arī pa visu ķermeņa virsmu, ļaujot noteikt savienojuma punktu koordinātes uz visas ķermeņa virsmas. » s

[022] 2. zīmējumā ir attēlots piemērs izgudrotā paņēmiena un ierīces pielietošanai ķermeņa (2b) virsmas formas noteikšanai, izmantojot lauztas līnijas struktūras (4b), kurām ir kopīgi stiprinājuma punkti (2b). Kopīgajiem stiprinājuma punktiem (2b) ir iespējams iegūt vairākus stiprinājuma punkta koordināšu novērtējumus, kas attiecībā pret references punktu (2c) parādīti ar lauztas līnijas segmentiem (4bl), (4b2), izmantojot aprēķinos dažādu sensoru (3) datus. Precizitātes uzlabošanai šos novērtējumus ir iespējams papildus apstrādāt, piemēram, aprēķinot vidējo svērto vērtību.

[023] Struktūras (4a), (4b) var būt arī ķermenim pieguļošas vai integrētas ķermenī (la), (1b), kura forma tiek noteikta.

[024] Ierīce shematiskajos zīmējumos 1. un 2. parādīta ar elektronisku datu apstrādes bloku (8), kas paredzēts sensoru (3) signālu apstrādei, savienojuma punktu (2a), (2b) koordināšu noteikšanai un ķermeņa (la), (1b) virsmas punktu koordinātu iegūšanai.

[025] Lai nolasītu sensoru (3) mērījumus, ierīcē ir mērījumu savākšanas bloks (7), kas datus par sensoru mērījumiem nodod datu apstrādes blokam (8).

[026] Sensori (3) ir savienoti ar mērījumu savākšanas bloku (7), caur vadu vai bezvadu savienojumu (6). Elementi (5a) un (5b) apzīmē neobligāti nepieciešamās elektroniskās komponentes, kas iestrādātas struktūrās (4a), (4b), lai sensoru (3) mērījumus varētu caur savienojumu (6) nogādāt līdz mērījumu savākšanas blokam (7) un tālāk līdz datu apstrādes blokam (8).

[027] Izgudrojuma īstenošanas piemērs, attēlots 3.zīmējumā, paredzēts cilvēka (9) ķermeņa daļu formas, orientācijas un apkārtmēra monitoringam reālajā laikā. Izgudrojuma īstenošanas piemēra sistēma ir pieguļošs apģērbs (10) ar datu savākšanas un priekšapstrādes mezglu (16) un uz interesējošajām ķermeņa daļām pieguļošā apģērbā (10) iestrādātām vairākām lauztas līnijas formas stiepjamām struktūrām (20) ar inerciālo sensoru mezgliem (13).

[028] Stiepjamās struktūras (20) ir izgatavotas no fiksēta izmēra, nedeformējamiem, polimēra segmentiem (12), kas savienoti ar elastīga polimēra savienojumiem (11), veidojot lauztas līnijas formu. Apakšējos savienojumos ir izgriezti stiprinājuma caurumi (14), kas paredzēti struktūras piestiprināšanai pieguļošajam apģērbam (10) un savienojumu punktu (2a) izveidei.

[029] Cietajos segmentos (12) ir iestrādāti inerciālo sensoru mezgli (13), kas katrs satur trīs elektriskos sensorus - akselerometru, magnetometru un žiroskopu, un procesoru sensoru datu savākšanai, priekšapstrādei un tālākai pārsūtīšanai pa ar elastīgiem vadiem savienotu sensoru ķēdi uz datu savākšanas mezglu (16).

[030] Datu savākšanas mezgls (16) sastāv no mikrokontrollera (MCU) (17), kas, izmantojot vadu virknes interfeisus (18), veic sensoru datu ielasīšanu no vairākām elastīgajām struktūrām (20) ar virknē saslēgtiem sensoru mezgliem (13) reālajā laikā, barošanas bloka ar bateriju (19), kas nodrošina barošanas spriegumu gan (16), gan (13) mezgliem, un bezvadu raidītāja (15), kas nodrošina (17) savākto sensoru datu pārraidīšanu uz ārēju ierīci tālākai apstrādei.

[031] Izgudrojuma īstenošanas piemēra sistēmām ir vairāki pielietojumi sportā, medicīnā un rehabilitācijā, sniedzot informāciju par fizioloģiskajiem parametriem, kas ir saistīti ar valkātāja ķermeņa fizisko stāvokli [7].

[032] Izgudrojuma īstenošanas piemēra sistēmā papildus informācijai par ķermeņa daļu orientāciju, kas izmantojama ķermeņa kustību noteikšanai [8], tiek iegūta arī informācija par ķermeņa daļu formas un apkārtmēra izmaiņām laikā, kas saistītas, piemēram, ar elpošanas ritmu un muskuļu tonusu.

Zīmējumu saraksts

[033] 1. Zīmējumā parādīta ķermeņa formas stiepes un lieces deformācijas noteikšanas paņēmiena shēma.

[034] 2. Zīmējumā parādīts lauztas līnijas struktūras piemērs ķermeņa virsmas formas noteikšanai, izmantojot vairākus novērtējuma ceļus, kuri iespējami kopīgiem stiprinājuma punktiem.

[035] 3. Zīmējumā parādīts cilvēka ķermeņa daļu formai pieguļošs apģērbs, orientācijas un apkārtmēra monitoringam reālajā laikā, izmantojot elastīgā, lauztas līnijas formas struktūrā iestrādātus inerciālos sensorus.

Informācijas avoti

[1] Dāvid Dominique; Sprynski Nathalie, Method and Device For Acquisition of a Geometric Shape. United States Patent US20082118O8A1, filled 6 March, 2006, and issued 4 September, 2008.

[2] Dāvid Dominique; Roland Blanpain, Process and acquisition device of a deformable geometrical form, United States Patent US20080066334A1, filled 11 September, 2007, and issued 20 March, 2008.

[3] T. Hoshi, S. Ozaki and H. Shinoda, Three-Dimensional Shape Capture Sheet Using Distributed Triaxial Accelerometers, 2007 Fourth International Conference on Networked Sensing Systems, Braunschweig, Germany, 2007, pp. 207-212, doi: 10.1109/INSS.2007.4297421.

[4] Pasindu Lugoda, Leonardo A. Garcia-Garcia, Sebastien Richoz, Niko Munzenrieder, and Daniel Roggen. 2019. ShapeSense3D: textile-sensing and reconstruction of body geometries. In Adjunct Proceedings of the 2019 ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing and Proceedings of the 2019 ACM International Symposium on Wearable Computers (UbiComp/ISWC '19 Adjunct). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 133-136. DOI:https://doi.org/10.1145/3341162.3343846

[5] Brine, Jennifer Maria; Gailius, Marius; Gong, Nan-Wei; Ren, Tiegeng; Scarborough, Donna Susan. Body part motion analysis with wearable sensors. United States Patent US10758160B2, filled June 1, 2018, and issued 1 Sept, 2020.

[6] M. W. Givens and C. Coopmans,A Survey of Inertial Sensor Fusion: Applications in sUAS Navigation and Data Collection, 2019 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), 2019, pp. 1054-1060.[7] Brine, Jennifer Maria; Gailius, Marius; Gong, NanWei; Ren, Tiegeng; Scarborough, Donna Susan. Body part motion analysis with wearable sensors. United States Patent US10758160B2, filled June 1, 2018, and issued 1 Sept, 2020.

[7] Milosevic, B., Leardini, A. & Farella, E. Kinect and wearable inertial sensors for motor rehabilitation programs at home: State of the art and an experimental comparison. BioMed Eng OnLine 19, 25 (2020). https://doi.org/10.1186/sl2938-020-00762-7

[8] Ancans, A.; Greitans, M.; Cacurs, R.; Banga, B.; Rozentals, A. Wearable Sensor Clothing for Body Movement Measurement during Physical Activities in Healthcare. Sensors 2021, 21, 2068. https://doi.org/10.3390/s21062068

Claims (8)

1. Ierīce ķermeņa ģeometriskās formas un telpiskās orientācijas noteikšanai, kas satur lokanas struktūras (4a), (4b), kas ar ķermeni savienotas fiksētos stiprinājuma punktos (2a), (2b), elektriskos orientācijas sensorus (3), kas sniedz orientācijas informāciju par stiepjamo struktūru (4a), (4b) formu fiksētos sensoru atrašanās punktos, līdzekļus (5a), (5b) sensoru datu pārraidei uz mērījumu savākšanas bloku (7) un datu apstrādes bloku (8) caur savienojumu (6).

2. Ierīce atbilstoši 1. pretenzijai, kur orientācijas sensori (3) ietver akselerometru, žiroskopu vai magnetometru.

3. Ierīce atbilstoši 1. pretenzijai, kur struktūra (4a), (4b) satur nedeformējamus segmentus un elastīgus savienojuma punktus.

4. Ierīce atbilstoši 1. pretenzijai, kur stiprinājuma punkti (2a), (2b) reprezentē līniju uz ķermeņa virsmas.

» s

5. Ierīce atbilstoša no 1. līdz 4.pretenzijai, kur stiprinājuma punkti (2a), (2b) reprezentē ķermeņa virsmu.

6. Paņēmiens fizisku objektu ģeometriskās formas un telpiskās orientācijas noteikšanai, kas iekļauj sensoru (3) piestiprināšanu elastīgai struktūrai (4a), (4b) fiksētās lokācijās, kurās sensori dod elektriskus signālus atbilstoši elastīgās struktūras orientācijai sensoru stiprinājuma punktos, fiksētu stiprinājuma punktu (2a), (2b) izveidi starp elastīgo struktūru un ķermeni, sensoru un struktūras stiprinājuma punktu lokāciju noteikšanu attiecībā pret lokano struktūru, struktūras formu reprezentējošā modeļa izvēli, ķermeņa formu reprezentējošā modeļa izvēli, ķermeņa formu raksturojošo punktu telpisko koordinātu noteikšanu balstoties uz ķermeņa formas un elastīgās struktūras modeļu parametriem, sensoru signāliem, sensoru (3) un stiprinājuma punktu (2a), (2b) lokācijām uz struktūras.

7. Paņēmiens atbilstoši 6. pretenzijai, kur stiprinājuma punkti (2a), (2b) reprezentē līniju uz ķermeņa virsmas.

8. Paņēmiens atbilstoši 6. un 7. pretenzijai, kur stiprinājuma punkti (2a), (2b) reprezentē ķermeņa virsmu.