Brevet FR2868281A1 — publié le 20051007

PROCEDE DE DETERMINATION DES MOUVEMENTS D'UNE PERSONNE DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un procédé de détermination des mouvements d'une personne. Les applications de tels procédés à des fins de surveillance ou de suivi d'une activité sont nombreuses. L'une d'elles, importante pour l'invention même si elle n'est pas limitative, est la surveillance de malades. Il est alors important non seulement de disposer de la situation dans l'espace d'une personne, mais aussi d'indications concernant sa posture voire son activité ou son état physiologique pour aider à détecter un état de danger et à intervenir avec moins de risque d'inutilité. La surveillance s'exerce par un capteur lié à la personne (qu'on appellera aussi "le porteur" dans ce texte), souvent collé à la poitrine. Il comprend souvent des détecteurs d'accélération dont l'intégration des signaux donne la position de la personne ou des indications physiologiques comme de respiration ou de battement du coeur. Le mouvement de la personne peut être connu en position et aussi en orientation, d'après les inclinaisons successives communiquées au capteur. Le brevet français 2 838 185 décrit un procédé de détermination de l'orientation d'un capteur pouvant être placé sur un solide et notamment sur une personne, estimée par des angles dits de tangage, de roulis, et de lacet, mesurés à partir d'un repère fixe. 2868281 2 Le capteur comprend des magnétomètres et des accéléromètres. Il est alors naturel d'utiliser un repère fixe comportant un axe dirigé vers le Nord magnétique local, un axe dirigé vers l'Est magnétique et un troisième axe dirigé vers le sol. Le procédé d'estimation de l'orientation du capteur comporte une optimisation mathématique convergeant vers l'orientation mesurée. On introduit un repère mobile lié au capteur. Le capteur fournit à chaque instant la mesure du champ magnétique et du champ de pesanteur dans le repère mobile. On recherche alors une rotation donnant cette mesure d'après la valeur du champ magnétique exprimée dans le repère fixe. Cette rotation peut s'exprimer en une composition de trois rotations élémentaires d'angles d'Euler, tels que ceux de roulis, tangage et lacet pour parvenir aux mesures du capteur. Ce procédé est répété sans cesse à de petits intervalles de temps. Les inconvénients d'un tel procédé sont que l'interprétation des résultats pour déduire la conduite du porteur du capteur n'est pas facile. De plus, le capteur est généralement posé par la personne même qui le porte, avec une incertitude par rapport à une orientation souhaitée, ce qui rend l'interprétation des résultats d'orientation encore plus difficile. Enfin, les mouvements réels sont complexes et rapides en ce sens qu'ils font varier généralement et de façon rapide plusieurs des angles d'Euler du capteur à la fois. La convergence peut alors devenir difficile; des instabilités importantes sont fréquentes dans la pratique. On a donc recherché à améliorer les procédés antérieurs pour rendre les indications d'orientation de la personne mieux exploitables. Les nouveaux angles que fournira le capteur seront associés à des postures physiques du porteur. Ils exprimeront l'inclinaison latérale de la personne, son inclinaison longitudinale et une direction vers laquelle la personne est tournée. Il sera ainsi plus facile de déterminer le 10 genre d'activité du porteur. Un autre aspect de l'invention consiste en une calibration de la position du capteur même s'il a été mal placé à l'origine: il suffit d'effectuer une première mesure quand le porteur prend une posture conventionnelle qui lui est imposée; les indications d'origine données par le capteur correspondent à cette posture conventionnelle. D'autres aspects de l'invention seront maintenant décrits en liaison aux figures. La figure 1 illustre la place du capteur sur la personne porteuse, la figure 2 le capteur dans son ensemble, la figure 3 le système de traitement, les figures 4 et 5 des relations entre deux repères de mouvements et la figure 6 un organigramme. La figure 1 montre que le capteur, portant la référence 2, est placé sur la poitrine d'un porteur 1. Il pourrait être placé sur l'abdomen ou à d'autres endroits. Le capteur 2 est miniature, ce qui lui permet d'être porté avec confort. Les axes Xo, Yo et Zo définissent un repère fixe et sont dirigés vers le Nord magnétique, l'Est magnétique et le sol; X0 et Yo sont 2868281 4 par définition horizontaux et Zo vertical. Un autre repère est lié au capteur 2, l'axe X2 étant dirigé vers la droite du porteur, l'axe Z2 vers les pieds et l'axe Y2 vers sa poitrine. Le procédé connu conduit à mesurer les angles ramenant le repère lié au capteur 2 au repère fixe en procédant par une rotation autour de l'axe Z2 d'un angle de lacet, puis par une rotation autour de l'axe Y2 (déplacé par la rotation de lacet) d'un angle de roulis, puis par une rotation de l'axe X2 (déplacé lui aussi) d'un angle de tangage. D'après la figure 2, le capteur 2 peut comporter un boîtier 3 contenant trois accéléromètres portant tous la référence 4, trois magnétomètres portant tous la référence 5 et un système de traitement 6 auquel accéléromètres 4 et magnétomètres 5 sont reliés par des fils de manière à lui fournir leurs signaux. Les accéléromètres 4 mesurent chacun une composante d'accélération du mouvement de la poitrine du porteur 1 dans un des axes X2, Y2 et Z2 respectivement en fonction de la direction de la gravité ; les magnétomètres 5 font de même en fonction de la direction du champ magnétique terrestre. Le capteur 2 est maintenu à une orientation constante contre la peau ou un habit du porteur 1 par de la colle, une couture, une bande de serrage, ou tout autre moyen convenable. La figure 3 montre que les signaux issus des accéléromètres 4 ou des magnétomètres 5 passent chacun par un module de normalisation 7 et sont transmis à des modules de calcul 8 qui calculent, selon l'art connu, les angles de tangage, de roulis et de 2868281 5 lacet exprimant les rotations entre les repères X0, Yo et Zo, et X2r Y2 et Z2. On s'intéresse maintenant aux aspects plus caractéristiques de l'invention. Le module de calcul 8 complète les calculs indiqués cidessus pour exprimer les positions d'axes X1, Y1 et Z1 d'un autre repère, lié au porteur 1. L'axe X1 est dans l'alignement de ses épaules et dirigé vers la droite, l'axe Y1 est dirigé vers sa poitrine (vers l'arrière), et l'axe Z1 est dans l'allongement du tronc et dirigé vers le bas. Il est à noter que si le capteur 2 e st bien placé, les axes respectifs des repères 1 et 2 sont parallèles. Le fonctionnement de l'invention n'est pas compromis si cette condition n'est pas respectée. On définit ensuite trois nouveaux angles pour caractériser la posture du porteur 1. Leur situation est illustrée par les figures 4 et 5. L'angle 0 est défini entre l'axe de la verticale et l'axe Z1 et exprime l'inclinaison du porteur 1; il est proche de 0 en station droite, de + 90 à l'allongement sur le ventre et de -90 à l'allongement sur le dos. L'angle d'inclinaison latérale ou angle de twist te est défini entre l'axe X1 des épaules et la verticale; il est égal à 90 si la personne porteuse se tient droite ou si, par exemple, elle se penche vers l'avant, inférieur à 90 si la personne se penche vers la droite et supérieur à 90 si elle se penche vers la gauche. Sa valeur peut varier entre 0 et 180 . Cet angle peut indiquer si la personne se tient sur le côté droit, le côté gauche, le dos ou le ventre quand elle est allongée. Le troisième angle d'orientation de la personne exprime la direction vers laquelle elle est tournée. Il s'agit d'un angle d'azimut cp que fait la projection de l'axe X1 des épaules dans le plan horizontal avec l'axe X0 pointant au Nord magnétique. Ces trois angles ressemblent respectivement aux angles de tangage, de roulis et de lacet conformes à l'art connu. Il importe cependant de remarquer, pour comprendre l'invention, que ces angles ne prennent des valeurs semblables que pour des mouvements simples de la personne mais deviennent différents pour les mouvements complexes rencontrés en pratique et qui impliquent des couplages. Plus précisément, les calculs des angles traditionnels peuvent être représentés dans le calcul matriciel suivant qui permet d'établir la relation matricielle entre le repère fixe et le repère lié au capteur 2: crou * clac stan * srou * clac - ctan * srou * clac" + ctan * slac + stan * slac R 3x3 = - crou * slac - stan * srou * slac ctan * srou * slac + ctan * clac + stan * clac srou - stan * crou ctan * crou J Où c et s désignent le cosinus et le sinus, et rou, tan et lac les roulis, le tangage et le lacet: par exemple, crou signifie cos (roulis); où (lacet, tangage, roulis) = arg min [121[R3x3 0 [â/R p H/RZ 0 R3x3 H/Ro et 1.1 désigne la norme euclidienne, ö et H le champ de gravité et le champ magnétique, et /Ro et /R2 leur expression dans les repères Ro et R2. D'après l'invention, les nouveaux angles 5 peuvent être exprimés par les formules suivantes: Icos 0 = ctan *crou cos yr = -ctan *srou *clac + stan * slac tan (p = [stan * srou * clac + ctan * slac] / [crou * clac] pour des relations analogues entre G/R1 et H/R1 par rapport à G/Ro et H/Ro L'organigramme de la figure 6 représente l'étape supplémentaire ajoutée à la portion 9 par rapport à la portion connue 10. Il représente aussi une étape de calibration 11 qu'on va maintenant décrire. Elle permet de passer du repère du capteur 2 au repère de la personne porteuse 1 et consiste en une estimation des angles séparant ces repères. On suppose que le porteur attache le capteur 2 sur sa poitrine et que le capteur 2 ne bouge plus ensuite. On demande à la personne 1 de se tenir droite, contre un mur par exemple, pendant une ou deux secondes, ou éventuellement couchée à terre dans une direction connue. L'orientation du repère de la personne 1 par rapport au repère fixe est alors parfaitement connue, et des mesures préliminaires entreprises avec le capteur 2 donnent l'orientation du repère lié au capteur 2 X2, Y2, Z2 dans le repère fixe X0, Yo, Zo. On en déduit alors facilement l'orientation du repère lié à la personne 1 X1i Y1, Z1 par rapport au repère lié au capteur 2 puisque les positions mutuelles du repère 2868281 8 fixe et du repère lié à la personne 1 sont connues. Cette différence d'orientation est utilisée comme correctif de toutes les extensions ultérieures du repère lié à la personne porteuse. Une autre façon de calibrer le dispositif utiliserait un second capteur d'orientation, analogue au précédent mais utilisé pour donner des orientations dans le repère fixe Ro. Le second capteur d'orientation est lié à une pièce telle qu'une règle droite, de préférence avec un axe principal de mesure dans la direction de la règle. La personne porteuse 1 étant à une posture stable, assise par exemple, on pose la règle sur certains endroits choisis du corps pour en déduire la position des axes anatomiques du repère lié à la personne R1 à ce moment dans le repère fixe Ro. Ces endroits de pose de la règle peuvent être le sommet de la colonne vertébrale (la règle étant verticale) et l'axe des épaules (la règle étant horizontale). L'orientation du capteur 2 par rapport à la personne 1 qui le porte peut être déduite en disposant des mesures du capteur 2 à ce moment et de leur comparaison avec celles de l'autre capteur. Ce procédé de calibration peut donner de meilleurs résultats que le précédent. L'invention peut être utilisée avec tous les genres de capteurs connus, comprenant des combinaisons variées de magnétomètres, d'accéléromètres, de gyromètres ou d'autres moyens; elle peut compléter des procédés où l'orientation du capteur est représentée par des quaternions connus de l'homme du métier plutôt que par des angles d'Euler. 2868281 9 Des essais en clinique ont démontré que le procédé conforme à l'invention permettait des interprétations commodes de mouvements usuels de patients et de changement de posture entre les stations debout, assise et couchée. Une application remarquable du procédé sera probablement l'analyse d'équilibre: des essais ont démontré qu'il fournissait des résultats sensibles aux conditions de l'équilibre et aux perturbations, provenant de la posture ou d'éléments extérieurs, et qu'il permettait donc de reconnaître ou même de distinguer certaines de ces perturbations. De plus, les mouvements de rétablissement de l'équilibre peuvent être mesurés avec précision et analysés. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de détermination des mouvements d'une personne, comprenant une mesure d'orientation d'un capteur (1) lié à la personne (2) , donnant trois angles d'orientation du capteur par rapport à une référence fixe, caractérisé en ce qu'il comprend une correction des angles pour donner trois angles de posture (0, y, (p) exprimant une inclinaison latérale de la personne, une inclinaison longitudinale de la personne et une direction vers laquelle la personne est tournée. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un étalonnage préliminaire entre le capteur et la personne, par une comparaison des angles d'orientation du capteur et de valeurs desdits angles de posture pour une posture conventionnelle imposée à la personne. 3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un étalonnage préliminaire entre le capteur et la personne par une comparaison des angles d'orientation du capteur et d'angles d'orientations, mesurés d'après une référence fixe, d'un autre capteur d'orientation lié à une pièce posée à des endroits déterminés sur le corps de la personne. 4 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur comprend des accéléromètres. 5 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capteur comprend des magnétomètres. 6 ) Procédé selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le capteur comprend des gyromètres. 7 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les angles d'orientation du capteur sont des angles d'Euler. 8 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les angles d'orientation du capteur sont exprimés par des quaternions.