(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの固体要素と、前記少なくとも２つの固体要素をつなぐ少なくとも１つの関節を備えた関節チェーンの運動を表す情報を決定するための自律システムであって、前記自律システムは、
前記関節チェーンの前記少なくとも２つの別個の固体要素素上に固定して取り付けられた測定装置であって、少なくとも２つの測定装置間の距離を決定するための信号を、送受信する少なくとも２つの測定装置と、
前記少なくとも２つの測定装置間で送受信された信号の測定値に基づき、前記少なくとも２つの測定装置間の距離を決定する距離決定手段と、
前記距離決定手段より伝送された距離に基づき、前記関節チェーンの運動を表す情報を計算する計算手段と
を具えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記距離決定手段及び前記計算手段が、前記関節チェーンに取り付けられる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも２つの測定装置の１つは、送信器であり、他の１つは受信器である、請求項１あるいは２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４】
前記計算手段によって使用される補足的な測定値を供給する、少なくとも１つの加速度計、及び／又は１つのジャイロ旋回計、及び／又は１つの磁力計を又備える請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記測定装置の少なくとも１つは、光学装置（ＤＩＳＰ１＿１、ＤＩＳＰ２＿１、ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、ＤＩＳＰ３＿２、ＤＩＳＰ１＿３、ＤＩＳＰ２＿３、ＤＩＳＰ３＿３、ＤＩＳＰ４＿３）である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記計算手段（ＣＡＬＣ）により供給された、前記関節チェーンの運動を表わす前記情報を記憶すること、及び前記少なくとも２つの測定装置間の距離を直接記憶することに適した、前記関節チェーンに取り付けられる記憶手段（ＭＥＭ）を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
少なくとも１つの関節に対し、前記関節につながれた固体要素に取り付けられる全ての前記測定装置に関する、測定装置と前記関節を隔てる距離の合計が最大であるように、前記測定装置（ＤＩＳＰ１＿１、ＤＩＳＰ２＿１、ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、ＤＩＳＰ３＿２、ＤＩＳＰ１＿３、ＤＩＳＰ２＿３、ＤＩＳＰ３＿３、ＤＩＳＰ４＿３）が、前記関節チェーンの前記固体要素（ＥＳ１＿１、ＥＳ２＿１、ＥＳ１＿２、ＥＳ２＿２、ＥＳ３＿２、ＥＳ１＿３、ＥＳ２＿３、ＥＳ３＿３、ＥＳ４＿３）に取り付けられる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
同一の固体要素上に設置される２つの測定装置間の距離が最大であるように、前記測定装置（ＤＩＳＰ１＿１、ＤＩＳＰ２＿１、ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、ＤＩＳＰ３＿２、ＤＩＳＰ１＿３、ＤＩＳＰ２＿３、ＤＩＳＰ３＿３、ＤＩＳＰ４＿３）が、前記関節チェーンの前記固体要素（ＥＳ１＿１、ＥＳ２＿１、ＥＳ１＿２、ＥＳ２＿２、ＥＳ３＿２、ＥＳ１＿３、ＥＳ２＿３、ＥＳ３＿３、ＥＳ４＿３）に取り付けられる、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記関節チェーンが２つの関節につながれた固体要素を含み、少なくとも１つの測定装置（ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、ＤＩＳＰ３＿２、ＤＩＳＰ１＿３、ＤＩＳＰ２＿３、ＤＩＳＰ３＿３、ＤＩＳＰ４＿３）が実質的に前記固体要素の中央に設置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記関節チェーンの固体要素当たり、及び前記固体要素につながれた関節の自由度当たり、少なくとも１つの測定装置を備え、前記チェーンが閉じた部分を持たず、次の関係：ＮＥＱ≧ＮＶＡＲ
が実証され、ここで、
ＮＥＱが、距離の測定値に対し、前記関節チェーンの関節により動かされる各セグメントの端部の、未知の位置変数をリンクさせる方程式の数を表わし、そして
ＮＶＡＲが、前記未知の位置変数の数を表わすように、
前記測定装置（ＤＩＳＰ１＿１、ＤＩＳＰ２＿１、ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、ＤＩＳＰ３＿２、ＤＩＳＰ１＿３、ＤＩＳＰ２＿３、ＤＩＳＰ３＿３、ＤＩＳＰ４＿３）が前記固体要素上に設置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
少なくとも２つの測定装置を備える関節につながれた少なくとも１つの固体要素を含み、前記測定装置が前記関節と直線をなすことを避けるように、前記固体要素上に設置される
請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
関節につながれた少なくとも１つの固体要素を含み、そして少なくとも３つの測定装置を備え、前記測定装置が前記関節と平面を形成するのを避けるように、前記固体要素上に設置される請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
関節チェーンの１つの固体要素当たり、及び当該１つの固体要素につながれた関節の回転の１自由度当たり、当該１つの固体要素に、少なくとも１つの測定装置が設置され、
関節を装置につないでいるベクトルが、前記関節を他の測定装置につないでいるベクトルに対して一次独立であるように、前記測定装置が前記固体要素上に設置される請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記測定装置（ＤＩＳＰ１＿１、ＤＩＳＰ２＿１、ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、ＤＩＳＰ３＿２、ＤＩＳＰ１＿３、ＤＩＳＰ２＿３、ＤＩＳＰ３＿３、ＤＩＳＰ４＿３）が、測定可能な最大のしきい値距離を含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記関節チェーンの運動を表わす情報、又は前記記憶手段内に記憶されている決定された前記少なくとも２つの測定装置間の距離を伝送するために、前記関節チェーンに取り付けられた伝送手段（ＴＲ）もまた備える、請求項６〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記測定装置（ＤＩＳＰ１＿１、ＤＩＳＰ２＿１、ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、ＤＩＳＰ３＿２、ＤＩＳＰ１＿３、ＤＩＳＰ２＿３、ＤＩＳＰ３＿３、ＤＩＳＰ４＿３）、及び／又は前記計算手段（ＣＡＬＣ）、及び／又は前記記憶手段（ＭＥＭ）、及び／又は前記伝送手段（ＴＲ）が、前記関節チェーンとして考えられる生体に対して動作するために適している、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
少なくとも２つの固体要素と、前記少なくとも２つの固体要素をつなぐ少なくとも１つの関節を備えた関節チェーンの運動を表す情報を決定するための自律システムに適用される方法であって、当該方法は、
前記関節チェーンの少なくともの２つの別個の固体要素素上に、少なくとも２つの測定装置を固定して取り付けるステップと、
前記固定して取り付けられた少なくとも２つの測定装置間で、当該少なくとも２つの測定装置間の距離を決定するための信号を、送受信するステップと、
前記少なくとも２つの測定装置間で送受信された信号の測定値に基づき、前記少なくとも２つの測定装置間の距離を決定するステップと、
前記決定された前記少なくとも２つの測定装置間の距離が伝送されて、伝送された前記少なくとも２つの測定装置間の距離に基づき、前記関節チェーンの運動を表す情報を計算するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節チェーンの運動を表わす情報を決定するための自律的システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット又は人間のような関節チェーンの運動を捕捉することは、多くの用途、例えば生体力学解析、遠隔操作、仮想の人物のアニメーション、又は関節チェーンが通常腕、前腕及び手を含む上肢である、動作によるマンマシン・インターフェースにおいて使用される技術である。
【０００３】
１つが動いている物体上に置かれ、もう１つが物体の運動に対して固定されている、２つの異なった部分を備える装置が存在する。このタイプの装置は材料を物体上、及び物体の環境中に同時に設置することを必要とし、それは、これら各種の材料の間に障害物がある場合に問題を生じ、そしてそのような装置の範囲を制限する。設置時間及び較正時間が長く、費用もかかる。
【０００４】
物体の運動シーケンスの周囲全体に置かれるカメラによって見られる画像に基づいて、物体の運動の再構成を可能にする、例えば米国特許出願公開第２００３／０２１５１３０Ａ１号明細書、及び米国特許出願公開第２００５／００８８３３３３Ａ１号明細書において記述されているような、光学に基づく非常に広範囲の装置もまた存在する。非常に目立つマーカーが、移動する物体上に置かれる。コンピュータ・ツールによって行われるプロセスは、立体視法の原理を通して各マーカーの三次元又は３Ｄにおける位置の決定を可能にする。しかしながら、使用されるカメラの最小数量を大きくする、光学的吸蔵の問題が多く残る。
【０００５】
或る著者たちは、例えば"Ｓｋｅｌｅｔｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｒｏｂｕｓｔ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｕｍａｎ Ｍｏｔｉｏｎ"（Ｌ．Ｈｅｒｄａ； Ｐ．Ｆｕａ； Ｒ．Ｐｌａｎｋｅｒｓ； Ｒ．Ｂｏｕｌｉｃ； Ｄ．Ｔｈａｌｍａｎｎ， Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈ ｌａｂ （ＬＩＧ）， ＥＰＦＬ−ｗｅｂ ０１／２０００）という文献に記載のように、このタイプの欠点を軽減することを提案している。他の著者たちは、例えば"Ｍａｒｋｅｒ−ｆｒｅｅ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ Ｓｋｅｌｅｔｏｎ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｏｆ Ｖｏｌｕｍｅ Ｄａｔａ"（Ｃ．Ｔｈｅｏｂａｌｔ； Ｅ．Ａｇｕｉａｒ； Ｍ．Ｍａｇｎｏｒ； Ｈ．Ｔｈｅｉｓｅｌ； Ｈ−Ｐ．Ｓｅｉｄｅｌ； ＭＰＩ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｋ）という文献において、移動する物体のモデルをそこに関連付けることにより、単一のカメラから取り出されたシルエットに基づく処理方法を提案している。
【０００６】
しかしながら、例えこれらの欠点が軽減されるとしても、それらは残る。
【０００７】
電磁気学に基づくシステムは、物体上に置かれるセンサーの角度及び位置を再構築する。
【０００８】
光学システムと同様に、超音波システムは送信器の位置を見つける。これら２つの技術は、カメラに基づくシステムのように、同じくスペースの制限に悩まされる。
【０００９】
別の装置は、関節の所に置かれる角度センサーによって取得される、角度の測定値に基づく動きの再構築を用いる、外骨格のような動く物体又は身体の上に置かれる、単一のブロックにある。これらの装置は、動きの捕捉のスペース的な制限から解放されることを可能にする。しかしながら、これらの装置は、構造物又は人間の上に置かれる機械的な関節式の腕及び／又は脚を備えるが、これらは相当に重くて扱いにくいため、束縛となる。
【００１０】
例えば、仏国特許出願公開第２８９７６８０号明細書において記述されている他の装置は、ジャイロ旋回計、加速度計、又は磁力計のような慣性磁力式センサーを使用し、そして関節チェーンの完全な動きの再構築を可能にする、関節チェーンのセグメント間の角度計算又は固体要素を用いる。それは製作が容易な装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０２１５１３０Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／００８８３３３３Ａ１号明細書
【特許文献３】仏国特許出願公開第２８９７６８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の１つの目的は、より小さくてより単純な、前述の装置の代替案を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１つに態様によれば、
少なくとも２つの固体要素と、前記少なくとも２つの固体要素をつなぐ少なくとも１つの関節を備えた関節チェーンの運動を表す情報を決定するための自律システムであって、前記自律システムは、
前記関節チェーンの前記少なくとも２つの別個の固体要素素上に固定して取り付けられた測定装置であって、少なくとも２つの測定装置間の距離を決定するための信号を、送受信する少なくとも２つの測定装置と、
前記少なくとも２つの測定装置間で送受信された信号の測定値に基づき、前記少なくとも２つの測定装置間の距離を決定する距離決定手段と、
前記距離決定手段より伝送された距離に基づき、前記関節チェーンの運動を表す情報を計算する計算手段と
を具える。
【００１４】
そのようなシステムは自律的であり、光学的吸蔵又は、外側では困難とされる可視マーカーの目視検出の問題に悩まされない。さらに、そのようなシステムは安価であり、その使用における障害は非常に限定的である。
【００１５】
１つの実施形態によれば、２つの測定装置間距離を測定するための信号を送受信する前記２つの測定装置の少なくとも１つは、問題の測定装置を他の測定装置から隔てている距離を決定する距離決定手段を含む。この場合、測定装置によって供給される測定値は、直接的には距離測定値である。
【００１６】
１つの実施形態によれば、２つの測定装置を隔てている少なくとも１つの距離を決定する距離決定手段は、これらの測定装置とは別個である。この場合、２つの測定装置の少なくとも１つは、遠く離れた距離決定手段へ測定値（無線、光学、ビデオ又はその他の信号）を伝送しなければならない。
【００１７】
１つの実施形態によれば、  少なくとも２つの測定装置の１つは、送信器であり、他の１つは受信器である。
【００１８】
送信器および受信器によって送信／受信される信号（無線、光学、ビデオ又はその他の信号）は、そのようなものとしての、距離の測定に使用され得る。距離は高周波パルスの検出用、及び到着時間の差又はＴＤＯＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）の推定用、あるいは受信信号の強度表示の推定用、もしくは到着時間又はＴＯＡ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ａｒｒｉｖｅｌ）の推定用のモードにより計算される。
【００１９】
さらに、距離測定ユニットは有利にも、達成されるべき精度レベルの設定点を無線により受信し得る。確かに、関節チェーンの再構築は、幾何学的構成自体に依存する調整を有する。従って、システムの性能を改善するため、この精度レベルを上向きに調整すること、又はシステムの電力消費量、及びシステムの製作費用を低減するために、下向きに調整することが可能である。
【００２０】
最後に、測定装置で測定される前述の測定値（無線、光学、ビデオ又はその他の信号）は機上搭載のものよりも大きな計算能力を含むことが可能な、近くの可動ユニットに直接伝送され得る。
【００２１】
１つの実施形態において、システムはまた計算手段により使用される補足的な測定値を供給する、少なくとも１つの加速度計、及び／又は１つのジャイロ旋回計、及び／又は１つの磁力計を含む。
【００２２】
測定装置で測定される測定値（無線、光学、ビデオ又はその他の信号）は静的なデータであり、一方でジャイロ旋回計又は加速度計による慣性測定値は動的データであり、すなわち角速度及び加速度のような、運動の一次及び二次のパラメータを用いる。これらの測定値は、従って運動のより良い再構築のためには非常に補足的である。磁力計に関しては、それは各点に対して、地球の磁界の方向である、宇宙における固定された方向に対する傾斜の情報を与える。
【００２３】
１つの実施形態において、システムは、２つの測定装置間距離を測定するための、光学装置としての測定装置を含む。
【００２４】
それゆえ、供給される距離は無線周波数装置によって供給されるものよりも正確である。
【００２５】
１つの実施形態において、システムは前記関節チェーンに取り付けられる記憶手段を備え、その記憶手段は、前記計算手段により供給される前記関節チェーンの運動を表わす前記情報を記憶すること、又は前記予め決定された２つの測定装置間距離を直接記憶することに適する。
【００２６】
情報は、従って運動の経験に基づいた利用のため、或いは、例えば表示及び／又は解析のために運動を表わす測定値を利用する、又は２つの測定装置間距離に基づいて、関節チェーンの運動の再構築を可能にする計算手段を備える、外部ステーションへのリアルタイム伝送のために記憶され得る。
【００２７】
例えば、前記２つの測定装置間距離測定用の測定装置は、１つの関節に対し、前記関節につながれた固体要素に取り付けられる全ての測定装置に関する、測定装置と関節を隔てる距離の合計が最大であるように、前記関節チェーンの前記固体要素上に固定して取り付けられる。
【００２８】
与えられた数の測定装置に関して、システムの精度は最大化される。
【００２９】
例えば、前記２つの測定装置間距離測定用の２つの測定装置は、同一の固体要素上に設置されるこれら２つの測定装置相互間の距離が最大であるように、前記関節チェーンの前記固体要素に取り付けられる。
【００３０】
例えば、前記関節チェーンは少なくとも３つの固体要素を含む。２つの関節につながれた前記関節チェーンの１つの固体要素は、実質的に前記固体要素の中央に設置された２つの測定装置間距離測定用の測定装置を備える。
【００３１】
これは固体要素がそこにつながれる、２つの関節からの距離を最大限にするための妥協である。この実施形態は、費用を制限するために固体要素当たりに１つの測定装置を持つことが望まれるとき、とりわけ価値がある。
【００３２】
１つの実施形態において、システムは関節チェーンの固体要素当たり、及び固体要素につながれた関節の回転又は並進の自由度当たり、少なくとも１つの測定装置を備え、前記チェーンは閉じた部分を持たず、前記２つの測定装置間距離測定用の測定装置は次の関係：
ＮＥＱ≧ＮＶＡＲ
が実証されるように、固体要素上に設置される。
ここで、
ＮＥＱは、距離の測定値に対し、関節チェーンの関節により動かされる各セグメントの端部の、未知の位置変数をリンクさせる方程式の数を表わし、そして
ＮＶＡＲは、前記未知の位置変数の数を表わす。
【００３３】
１つの実施形態において、システムは関節チェーンの１つの固体要素当たり、及び固体要素につながれた関節の回転の自由度当たり、１つの固定要素上に少なくとも１つの測定装置が設置される。
【００３４】
例えば、システムは関節につながれた少なくとも１つの固体要素を含み、関節が２つの自由度を持つ場合に、１つの固体要素上に少なくとも２つの測定装置が設置される。
【００３５】
例えば、システムは関節につながれた少なくとも１つの固体要素を含み、関節が３つの自由度を持つ場合に、１つの固体要素上に少なくとも３つの測定装置が設置される。
【００３６】
従って、これは関節の自由度の数に関係なく、そして特にシステムの関節が回転における３つの自由度を有するときに動作可能な構成を与える。
【００３７】
１つの実施形態において、前記２つの測定装置間距離測定用の測定装置は、測定可能な最大しきい値距離を備える。
【００３８】
従って、記憶及び処理する測定値の数を制限し、システムの電力消費量を制限することが可能である。
【００３９】
１つの実施形態において、システムは前記関節チェーンの運動、又は前記記憶手段内に記憶される２つの測定装置間距離を表わす情報を伝送するため、前記関節チェーンに取り付けられる伝送手段もまた備える。
【００４０】
従ってこれらの情報を、関節チェーンの運動を再構築できる、外部又は機上の電子制御ユニットに伝送することが可能である。
【００４１】
１つの実施形態において、前記２つの測定装置間距離測定用の測定装置及び／又は前記計算手段、及び／又は前記記憶手段、及び／又は前記伝送手段は、前記関節チェーンとして考えられる生体において動作するのに適する。
【００４２】
本発明は人間又は動物の体に適用可能である。
【００４３】
本発明の別の態様によれば、少なくとも２つの固体要素と、前記少なくとも２つの固体要素をつなぐ少なくとも１つの関節を備えた関節チェーンの運動を表す情報を決定するための自律システムに適用される方法であって、当該方法は、
前記関節チェーンの少なくともの２つの別個の固体要素素上に、少なくとも２つの測定装置を固定して取り付けるステップと、
前記固定して取り付けられた少なくとも２つの測定装置間で、当該少なくとも２つの測定装置間の距離を決定するための信号を、送受信するステップと、
前記少なくとも２つの測定装置間で送受信された信号の測定値に基づき、前記少なくとも２つの測定装置間の距離を決定するステップと、
前記決定された前記少なくとも２つの測定装置間の距離が伝送されて、伝送された前記少なくとも２つの測定装置間の距離に基づき、前記関節チェーンの運動を表す情報を計算するステップと
を含む。
【００４４】
本発明は限定されない例として記述され、添付図により例示されている、幾つかの実施形態を学ぶことにより、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の１つの態様によるシステムの１つの実施形態を概略的に例示する。
【図２】本発明の１つの態様による別の実施形態を概略的に例示する。
【図３】本発明の１つの態様による別の実施形態を概略的に例示する。
【図４ａ】本発明の１つの態様による、関節チェーンの運動の再構築を概略的に例示する。
【図４ｂ】本発明の１つの態様による、関節チェーンの運動の再構築を概略的に例示する。
【図４ｃ】本発明の１つの態様による、関節チェーンの運動の再構築を概略的に例示する。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図１は本発明の１つの態様による、関節チェーンＣＡ＿１の運動を表わす情報を決定するための、自律システムを備える第１の関節チェーンＣＡ＿１を示す。第１の関節チェーンＣＡ＿１は２つの固体要素、この場合、固体セグメントＥＳ１＿１とＥＳ２＿１、及び１つの自由度を有する第１関節ＡＲＴ１＿１を含む。１つの変形として、関節チェーンの固体要素は任意の形状であってもよい。
【００４７】
第１の関節チェーンＣＡ＿１において、第１の固体要素ＥＳ１＿１は２つの測定装置間距離測定用の第１の測定装置ＤＩＳＰ１＿１を備え、第２の固体要素ＥＳ２＿１は２つの測定装置間距離測定用の第２の測定装置ＤＩＳＰ２＿１を備える。
【００４８】
従ってシステムは、第１と第２の測定装置ＤＩＳＰ１＿１とＤＩＳＰ２＿１を隔てる距離ｄ１２＿１の決定を可能にする。
【００４９】
測定装置ＤＩＳＰ１＿１とＤＩＳＰ２＿１、及び本発明の出願において記述されている全てのこれらの測定装置は、例えば無線パルス又はエコー・レーダー式の、又は伝播時間、受信した強度に基づく受信及び距離計算による、あるいは赤外線、ビデオ又は電磁式のドップラー効果による、距離決定のための非接触原理を用いる。
【００５０】
この距離ｄ１２＿１は、例えば無線伝送で、２つの測定装置ＤＩＳＰ１＿１とＤＩＳＰ２＿１の１つ、又は両方により、第１の関節チェーンＣＡ＿１上に設置される計算モジュールＣＡＬＣに送られる。計算モジュールＣＡＬＣは、２つの測定装置間距離測定用の測定装置ＤＩＳＰ１＿１とＤＩＳＰ２＿１により伝送された測定値に基づき、第１の関節チェーンＣＡ＿１の運動を表わす情報を計算できる。これらの情報は、全てを隔てている距離か、又は２つの測定装置間距離の賢明に選定された部分か、又は関節チェーンの運動の状態を表わす計算された情報であり得る。
【００５１】
例えば、２つの測定装置の１つは送信器であり、もう一方は計算モジュールにつながれた、又はそれを備える受信器であり得る。
【００５２】
各測定装置は受動的又は能動的のいずれかであり得る。例えばレーダー式のシステムの場合、送信装置は能動的であり、反射器のみで構成されるその他の測定装置は受動的である。
【００５３】
これらの情報は、記憶モジュールＭＥＭ内に記憶されることができ、そして実質的にリアルタイムで、又は第１の関節チェーンＣＡ＿１の運動終了後に、伝送モジュールＴＲにより、例えば第１の関節チェーンＣＡ＿１の運動をこれらの情報に基づいて再構築又は決定できる、外部の電子制御ユニットに伝送され得る。人間又は人型ロボットの場合、実施される後処理は、歩くか走る人間又は人型ロボットの足の姿勢、及び従って全体の運動を検出可能にするモデルを組み込み得る。本システムは、関節チェーンの点の位置の定義を可能にするシステムと組み合わせて用いられ得る。
【００５４】
図１の例において、２つの測定装置ＤＩＳＰ１＿１とＤＩＳＰ２＿１は、全ての測定装置ＤＩＳＰ１＿１とＤＩＳＰ２＿１に対して、そこに測定装置ＤＩＳＰ１＿１、ＤＩＳＰ２＿１が取り付けられている固体要素ＥＳ１＿１、ＥＳ２＿１につながれた関節ＡＲＴ１＿１から、測定装置ＤＩＳＰ１＿１、ＤＩＳＰ２＿１を隔てている距離の合計が最大であるように設置される。
【００５５】
１つの変形として、計算モジュールＣＡＬＣ、及び／又は記憶モジュールＭＥＭ、及び／又は伝送モジュールＴＲは、２つの測定装置間距離の測定装置ＤＩＳＰ１＿１内に結合され得るか又は組み込まれ得る。
【００５６】
図１ａのシステム上の比較において例示されているように、そこで関節チェーンは２つの固体要素、この場合固体要素ＥＳ１＿１ａ及びＥＳ２＿１ａと、１つの自由度を有する第１の関節ＡＲＴ１＿１ａを含む。計算モジュールＣＡＬＣ、記憶モジュールＭＥＭ、及び伝送モジュールＴＲは同じであり、それゆえ同様に参照記号を付けられている。図１ａにおいて、２つの測定装置ＤＩＳＰ１＿１ａとＤＩＳＰ２＿１ａは関節ＡＲＴ１＿ａの近くに置かれている。
【００５７】
また、同様に考えられる測定の不確かさに関して、図１の測定装置ＤＩＳＰ１＿１及びＤＩＳＰ２＿１が図１ａの測定装置ＤＩＳＰ１＿１ａ及びＤＩＳＰ２＿１ａと同様である場合、図１ａの距離ｄ１２＿１ａにおける誤差は図１の距離ｄ１２＿１における誤差と同じである。しかしながら、図１ａの距離ｄ１２＿１ａと図１の距離ｄ１２＿１において同じ値を有する誤差は、測定装置ＤＩＳＰ１＿１ａとＤＩＳＰ２＿１ａが関節ＡＲＴ＿１ａの近くに置かれているため、図１の場合の対応する角度誤差に比べて、図１ａの場合には、より大きな対応する角度誤差を示唆する。
【００５８】
１つの変形として、関節ＡＲＴ１＿１が２つの自由度を持った場合、２つの測定装置が、固体要素ＥＳ１＿１とＥＳ１＿２の各々の上に置かれるであろう。この変形は、あらゆる関節チェーンの２つの角自由度を有するあらゆる関節に適用される。
【００５９】
１つの変形として、関節ＡＲＴ１＿１が３つの自由度を持った場合、３つの測定装置が、固体要素ＥＳ１＿１とＥＳ１＿２の各々の上に置かれるであろう。この変形は、あらゆる関節チェーンの３つの自由度を有するあらゆる関節に適用される。
【００６０】
一般に、膝又は肘のような人体の関節は、１つの自由度を有する関節として考えられ、まれにしか２つの自由度を有する関節として考えられない。
【００６１】
図２は本発明の１つの態様による、関節チェーンＣＡ＿２の運動を表わす情報を決定するための、自律システムを備えた第２の関節チェーンＣＡ＿２を示す。第２の関節チェーンＣＡ＿２は、３つの固体要素、この場合、固体要素ＥＳ１＿２、ＥＳ２＿２及びＥＳ３＿２と、１つの自由度を有する第１の関節ＡＲＴ１＿２及び第２の関節ＡＲＴ２＿２とを備える。１つの変形として、関節チェーンの固体要素は任意の形状であってもよい。
【００６２】
第２の関節チェーンＣＡ＿２において、第１の固体要素ＥＳ１＿２は第１の２つの測定装置間距離測定用の測定装置ＤＩＳＰ１＿２を含み、第２の固体要素ＥＳ２＿２は第２の２つの測定装置間距離測定用の測定装置ＤＩＳＰ２＿２を含み、第３の固体要素ＥＳ３＿２は第３の２つの測定装置間距離測定用の測定装置ＤＩＳＰ３＿２を含む。従って本システムは、第１と第２の測定装置ＤＩＳＰ１＿２とＤＩＳＰ２＿２、第１と第３の測定装置ＤＩＳＰ１＿２とＤＩＳＰ３＿２、及び第２と第３の測定装置ＤＩＳＰ２＿２とＤＩＳＰ３＿２をそれぞれ隔てている距離、ｄ１２＿２、ｄ１３＿２、及びｄ２３＿２の決定を可能にする。
【００６３】
これらの距離ｄ１２＿２、ｄ１３＿２、及びｄ２３＿２は、例えば無線伝送により、２つの内の１つ又は両方によって、第２の関節チェーンＣＡ＿２上に置かれ得る計算モジュールＣＡＬＣに送られる。計算モジュールＣＡＬＣは、２つの測定装置間距離の測定装置ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、及びＤＩＳＰ３＿２により伝送される測定値に基づき、第２の関節チェーンＣＡ＿２の運動を表わす情報を計算できる。
【００６４】
これらの情報は記憶モジュールＭＥＭに記憶され、実質的にリアルタイムで、又は第２の関節チェーンＣＡ＿２の運動の終了後に、記憶伝送モジュールＴＲによって、これらの情報に基づき第２の関節チェーンＣＡ＿２の運動を再構築又は決定できる、例えば外部の電子制御ユニットへ伝送され得る。人間又は人型ロボットの場合、実施される後処理は、歩くか走る人間又は人型ロボットの足の姿勢、及び従って全体の運動を検出可能にするモデルを組み込み得る。
【００６５】
図２の例において、３つの測定装置ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、及びＤＩＳＰ３＿２は、全ての装置ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、及びＤＩＳＰ３＿２に対して、そこに測定装置ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、及びＤＩＳＰ３＿２が取り付けられている、固体要素ＥＳ１＿２、ＥＳ２＿２、ＥＳ３＿２につながれた関節ＡＲＴ１＿２、ＡＲＴ２＿２の測定装置ＤＩＳＰ１＿２、ＤＩＳＰ２＿２、ＤＩＳＰ３＿２を隔てている距離の合計が最大であるように設置される。
【００６６】
上記で一般的なやり方で既に提起された１つの変形において、関節ＡＴＲ１＿２及びＡＲＴ２＿２が２つの自由度を持つべき場合、２つの測定装置が、固体要素ＥＳ１＿２、ＥＳ２＿２、及びＥＳ３＿２の各々の上に設置されるであろう。
【００６７】
上記で一般的なやり方で既に提起された別の変形において、関節ＡＴＲ１＿２及びＡＲＴ２＿２が３つの自由度を持つべき場合、３つの測定装置が、固体要素ＥＳ１＿２、ＥＳ２＿２、及びＥＳ３＿２の各々の上に設置されるであろう。
【００６８】
図３は、第３の関節チェーンＣＡ＿３が１つの自由度を有する関節ＡＴＲ１＿３、ＡＲＴ２＿３、及びＡＲＴ３＿３を介して、次の順序でつながれている４つの固体要素ＥＳ１＿３、ＥＳ２＿３、ＥＳ３＿３、及びＥＳ４＿３を含む、本発明の１つの態様によるシステムの一実施形態を示す。
【００６９】
関節チェーンの固体要素は、任意の形状であってもよい。
【００７０】
第３の関節チェーンＣＡ＿３において、第１の固体要素ＥＳ１＿３は第１の測定装置ＤＩＳＰ１＿３を備え、第２の固体要素ＥＳ２＿３は第２の測定装置ＤＩＳＰ２＿３を備え、第３の固体要素ＥＳ３＿３は第３の測定装置ＤＩＳＰ３＿３を備え、そして第４の固体要素ＥＳ４＿３は第４の測定装置ＤＩＳＰ４＿３を備える。従って本システムは、第１と第２の測定装置ＤＩＳＰ１＿３とＤＩＳＰ２＿３、第１と第３の測定装置ＤＩＳＰ１＿３とＤＩＳＰ３＿３、第１と第４の測定装置ＤＩＳＰ１＿３とＤＩＳＰ４＿３、第２と第３の測定装置ＤＩＳＰ２＿３とＤＩＳＰ３＿３、第２と第４の測定装置ＤＩＳＰ２＿３とＤＩＳＰ４＿３、及び第３と第４の測定装置ＤＩＳＰ３＿３とＤＩＳＰ４＿３をそれぞれ隔てている距離、ｄ１２＿３、ｄ１３＿３、ｄ１４＿３、ｄ２３＿３、ｄ２４＿３、及びｄ３４＿３の決定を可能にする。
【００７１】
これらの距離ｄ１２＿３、ｄ１３＿３、ｄ１４＿３、ｄ２３＿３、ｄ２４＿３、及びｄ３４＿３は、例えば無線伝送により、関係する２つの測定装置の内の１つ又は両方によって、第３の関節チェーンＣＡ＿３上に置かれている計算モジュールＣＡＬＣに送られる。計算モジュールＣＡＬＣは、２つの測定装置間距離測定用の測定装置ＤＩＳＰ１＿３、ＤＩＳＰ２＿３、ＤＩＳＰ３＿３、及びＤＩＳＰ４＿３により伝送された測定値に基づいて、第３の関節チェーンＣＡ＿３の運動を表わす情報を計算できる。
【００７２】
これらの情報は、記憶モジュールＭＥＭ内に記憶されることができ、そして実質的にリアルタイムで、又は第３の関節チェーンＣＡ＿３の運動終了後に、伝送モジュールＴＲにより、例えば第３の関節チェーンＣＡ＿３の運動をこれらの情報に基づいて再構築又は決定できる、外部の電子制御ユニットに伝送され得る。人間又は人型ロボットの場合、実施される後処理は、歩くか走る人間又は人型ロボットの足の姿勢、及び従って全体の運動を検出可能にするモデルを組み込み得る。
【００７３】
図３の例において、４つの測定装置ＤＩＳＰ１＿３、ＤＩＳＰ２＿３、ＤＩＳＰ３＿３、及びＤＩＳＰ４＿３は、それぞれ実質的に固体要素ＥＳ１＿３、ＥＳ２＿３、ＥＳ３＿３、及びＥＳ４＿３の中央に設置される。１つの変形として、測定装置ＤＩＳＰ１＿３とＤＩＳＰ４＿３は関節ＡＲＴ１＿３とＡＲＴ３＿３の末端部に設置され得る。
【００７４】
前述の例示的実施形態において、２つの測定装置間距離測定用の各測定装置を隔てている距離は、測定装置とは異なる距離決定手段により決められ得ることが注目されるであろう。これらの距離決定手段は、そのとき少なくとも１つの測定装置により供給された測定値を用いる。これらの距離決定手段は、従って測定装置から遠くにあることができる。これらの距離決定手段は、関節チェーン上又は関節チェーンから遠くに置かれ得る。
【００７５】
関節チェーンの１つの固体要素当たり、及び固体要素につながれた関節の回転における１自由度当たり、当該１つの固体要素に、少なくとも１つの測定装置が設置される。
【００７６】
関節は必ずしも回転における３つ以下の自由度だけではなく、並進における３つ以下の自由度もまた有することも考え得る。
【００７７】
閉じた部分のない、そして関節チェーンの固体要素当たり、及び固体要素につながれた関節の回転又は並進における自由度当たり、少なくとも１つの測定装置を備える関節チェーンに関して、測定装置は次の関係が実証されるように、固体要素上に設置される：ＮＥＱ≧ＮＶＡＲ 
ここで、
ＮＥＱは、距離の測定値に対し、関節チェーンの関節により動かされる各セグメントの端部の、未知の位置変数をリンクさせる方程式の数を表わし、そして
ＮＶＡＲは、前記未知の位置変数の数を表わす。
幾何学的関係ＮＥＱの数は：
【数１】
0005807290.tif 000002
で表すことができ、ＮＣＡＰＴは関節チェーン上に存在する測定装置の総数である。さらに、決定されるべき位置の変数の数量ＮＶＡＲは：
【数２】
0005807290.tif 000003
で表すことができ、ＮＡは関節チェーンの関節の数、ＮＤＤＬｉは各関節の自由度の数である。関節の自由度の数は、１〜６の範囲、すなわち回転において３つ以下、並進において３つ以下である。
【００７８】
ＮＥＱ＝ＮＶＡＲである特定の場合、可能な解法を幾つか有することができ、どれが正しいものかを容易に決定できる。ＮＥＱ＞ＮＶＡＲのとき、関節チェーンの位置を再構築するために単一の解法が決定される。
【００７９】
前述の全ての実施形態において、計算モジュールＣＡＬＣにより生成され、伝送モジュールＴＲにより伝送される関節チェーンの運動を表わす情報に基づいた、外部の電子制御ユニットによる関節チェーンの運動の再構築において、図４ａ、４ｂ、及び４ｃに例示されるように、関節によって接続されるそれぞれの固体要素につながれた２つの装置を隔てる、装置間距離だけを考慮に入れることが可能である。
【００８０】
図４ａは、人間又は人型ロボットに設置される２つの装置間距離測定用の測定装置により供給された、測定値に基づいて測定又は決定された距離を例示している。
【００８１】
図４ｂは外部電子ユニットのために役立つ、又は関節チェーンの運動を再構築する目的で、カルマン・フィルター、最適化、又はニューラルネットワークと共に使用するために、計算モジュールＣＡＬＣに対し直接的に他の実施形態において役立つ、計算モジュールＣＡＬＣにより計算された情報を例示している。
【００８２】
関節チェーンの姿勢又は配置を定義する状態は、有利なことにオイラー角、カルダン角、又は四元数のような、関節の回転を定義する座標である。装置の位置Ｐｒ＝（ｐｒｘ，ｐｒｙ，ｐｒｚ）は、関節チェーンの既知あるいは基準の姿勢に対して、測定又は推定されねばならない。装置の座標は、そのとき関節の回転の関数Ｐ＝ＭＰｒ＝（ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ）として書かれ、Ｍは基準の姿勢から推定されるべき姿勢へ移動することを可能にする、可変の回転マトリックスである（固体要素当たり１つのマトリックスが存在する）。２つの測定装置間距離は次の関係：ｄ１２２＝（ｐｘ１−ｐｘ２）２＋（ｐｙ１−ｐｙ２）２＋（ｐｚ１−ｐｚ２）２による位置に関連付けて考えられる。２つの測定装置間距離が分ると、各マトリックスＭの反転は、各関節の自由度の数に関する、及び肘の角度が１８０°のみ変化するような関節ストッパーに関する知識を用いることができる。それは例えば収束を加速するか、又はセンサーの数の最小化を可能にすることにより、反転を助け得る。角度の集合の形で一旦姿勢が推定されると、必要ならばそこから関節チェーンの任意の点の座標を推定することが可能である。
【００８３】
姿勢を定義する状態は、測定装置の位置又は固体要素の或る特定の点の位置であり得る（しかし、そのとき関節構造の知識は必ずしも使用されない）。この場合、これらの位置は、例えば三角形分割による距離に基づいて推定される。これらの推定位置に基づき、関節チェーンの全体姿勢は次に、例えば自由度の数及び関節ストッパーに関する知識を考慮に入れることにより決定される。
【００８４】
最後に、図４ｃは運動の再構築を例示しており、関節チェーンとして考えられる体が、相互に関節でつながった固体要素の集合へと分割される、グラフィックの表現を用いて仮想的に表示している。
【００８５】
全ての固体要素は、例えば図４ｃに示すように、頭ＴＥ、首Ｃ、体幹の固体要素の集合Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、左腕の固体要素の集合ＢＧ１、ＢＧ２、ＢＧ３、ＢＧ４、右腕の固体要素の集合ＢＤ１、ＢＤ２、ＢＤ３、ＢＤ４、左脚の固体要素の集合ＪＧ１、ＪＧ２、ＬＧ３、ＪＧ４、ＪＧ５、及び右脚の固体要素の集合ＪＤ１、ＪＤ２、ＪＤ３、ＪＤ４、ＪＤ５として表わされ得る。
【００８６】
外部の電子制御ユニットは、計算モジュールＣＡＬＣにより供給される情報に基づき、関節チェーンの様々な固体要素間の角度を推定することにより、関節チェーンの運動を視覚的に再構築及びシミュレートできる。
【００８７】
人体の場合、臀部と同様に肩は、しばしば３つの自由度を有する関節として考えられ、膝と同様に肘は、１つの自由度を有する関節として考えられる。また、２つの測定装置間距離、及び測定装置と関節との間の距離を最大にするように、うまく分布した少なくとも３つ又は４つの測定装置を胴体に、そして３つ又は４つを臀部に設置すること、及び１つの測定装置を肩と肘の間の腕の中央、大腿部の中央、手首、及び足首に設置することは有用である。
【００８８】
本発明は、関節チェーンの運動を表わす情報決定のための自律システムを安価に提案することを可能にする。
【図１】
0005807290.tif 000004
【図２】
0005807290.tif 000005
【図３】
0005807290.tif 000006
【図４ａ】
0005807290.tif 000007
【図４ｂ】
0005807290.tif 000008
【図４ｃ】
0005807290.tif 000009