FR3142246A1 - Method for estimating the evolution of a speed of a measuring point - Google Patents
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Abstract
Ce procédé (1320) d’estimation de l’évolution d’une vitesse d’un point de mesure durant un intervalle de déplacement comprend l’intégration aval (1322) de paramètres de déplacement du point de mesure acquis par un dispositif inertiel durant l’intervalle de déplacement, en prenant comme valeur initiale de la vitesse une valeur de la vitesse au début de l’intervalle de déplacement, l’intégration amont (1324) des paramètres de déplacement, en prenant comme valeur initiale de la vitesse une valeur de la vitesse à la fin de l’intervalle de déplacement, et le calcul (1326) de la vitesse estimée par fusion des intégrations amont et aval. Figure pour l’abrégé : Fig. 7This method (1320) for estimating the evolution of a speed of a measurement point during a movement interval comprises the downstream integration (1322) of movement parameters of the measurement point acquired by an inertial device during the interval. movement interval, taking as initial value of the speed a value of the speed at the start of the movement interval, the upstream integration (1324) of the movement parameters, taking as initial value of the speed a value of the speed at the end of the movement interval, and calculating (1326) the estimated speed by merging the upstream and downstream integrations. Figure for abstract: Fig. 7
Description
La présente invention concerne le domaine de l’estimation de l’évolution de la vitesse linéaire d’un point à partir de mesures effectuées au moyen d’un dispositif inertiel.The present invention relates to the field of estimating the evolution of the linear speed of a point from measurements carried out using an inertial device.
L’invention concerne également l’estimation de la trajectoire d’un point d’intérêt appartenant à un membre d’une personne à partir de mesures effectuées au moyen d’un dispositif inertiel, et l’utilisation d’une telle estimation pour évaluer et analyser un effort exercé par ledit membre, en particulier lorsque ce membre est un membre supérieur.The invention also relates to the estimation of the trajectory of a point of interest belonging to a limb of a person from measurements carried out by means of an inertial device, and the use of such an estimation to evaluate and analyze an effort exerted by said limb, in particular when this limb is an upper limb.
Pour une personne, mouvoir ses membres supérieurs dépend de l’utilisation et de la coordination de plusieurs muscles. L'analyse des mouvements d’un individu peut donc être utilisée pour caractériser son état de forme physique, et notamment la force musculaire que ce dernier est capable de développer. Cette force musculaire est susceptible de varier en fonction de nombreux facteurs tels que l'état de forme de l'individu, son âge, son entraînement physique, ou la prise d'un traitement affectant son efficacité musculaire.For a person, moving their upper limbs depends on the use and coordination of several muscles. The analysis of an individual's movements can therefore be used to characterize their physical fitness, and in particular the muscular strength that the latter is capable of developing. This muscular strength is likely to vary according to many factors such as the individual's fitness, their age, their physical training, or the taking of a treatment affecting their muscular efficiency.
L'évolution des mouvements d’un individu au cours du temps peut être représentative de l'évolution de son état de forme physique, en particulier dans le cas d'un individu atteint d'une maladie neuromusculaire ou neuro-dégénérative. Ces maladies, telles que la Dystrophie Musculaire de Duchenne (DMD), se traduisent par une réduction des capacités musculaires de l'individu au fur et à mesure de la progression de la maladie. Cela conduit à une perte de motricité des malades concernés.The evolution of an individual's movements over time can be representative of the evolution of their physical fitness, particularly in the case of an individual suffering from a neuromuscular or neurodegenerative disease. These diseases, such as Duchenne Muscular Dystrophy (DMD), result in a reduction in the individual's muscular capacities as the disease progresses. This leads to a loss of motor skills in the affected patients.
On connaît de WO 2019/243609 une méthode d’analyse de la foulée d’un piéton en marche, destinée à caractériser l’évolution de son état de forme, à partir de mesures effectuées au moyen d’un dispositif inertiel attaché à la cheville du piéton. Une telle méthode, peu invasive, trouve une application toute particulière dans le suivi de maladies neuromusculaires ou neuro-dégénératives. Elle n’est cependant adaptée au suivi de telles maladies que tant que l’individu conserve une motricité suffisante de ses membres inférieurs. Lorsque l’individu n’est plus en état de marcher, typiquement parce que la maladie est à un stade avancé, une méthode alternative est nécessaire pour permettre le suivi de la maladie.WO 2019/243609 discloses a method for analyzing the stride of a walking pedestrian, intended to characterize the evolution of his fitness, from measurements taken using an inertial device attached to the pedestrian's ankle. Such a method, which is minimally invasive, finds a very particular application in the monitoring of neuromuscular or neurodegenerative diseases. However, it is only suitable for monitoring such diseases as long as the individual retains sufficient motor skills in his lower limbs. When the individual is no longer able to walk, typically because the disease is at an advanced stage, an alternative method is necessary to allow the disease to be monitored.
Un consensus est ainsi apparu dans la communauté scientifique sur la nécessité de pouvoir quantifier précisément la fonction motrice des membres supérieurs d’individus atteints de maladies neuromusculaires ou neuro-dégénératives. Ce consensus a conduit à l’émergence de plusieurs méthodes d’évaluation de cette fonction motrice.A consensus has thus emerged in the scientific community on the need to be able to precisely quantify the motor function of the upper limbs of individuals suffering from neuromuscular or neurodegenerative diseases. This consensus has led to the emergence of several methods for evaluating this motor function.
La grande majorité de ces méthodes d’évaluation est constituée de méthodes traditionnelles fondées sur des échelles fonctionnelles évaluées par des cliniciens professionnels dans des environnements contrôlés. L’individu est typiquement invité à se rendre dans un établissement hospitalier où on lui demande d’accomplir certains mouvements et, en fonction de la réussite ou de l’échec de ces mouvements, le clinicien attribue un score de motricité. Ces méthodes incluent par exemple :
- l’échelle de Brooke (Brooke, M H et al. “Clinical investigation in Duchenne dystrophy: 2. Determination of the "power" of therapeutic trials based on the natural history.”Muscle & nervevol. 6,2 (1983): 91-103. doi:10.10002/mus.880060204),
- l’échelle révisée des membres supérieurs (mieux connue sous l’acronyme RULM, de l’anglais « Revised Upper Limb Module ») (Mazzone, Elena S et al. “Revised upper limb module for spinal muscular atrophy: Development of a new module.”Muscle & nervevol. 55,6 (2017): 869-874. doi:10.10002/mus.25430), et
- l’échelle de performance des membres supérieurs (mieux connue sous l’acronyme PULM, de l’anglais « Performance of Upper Limb Module ») (Mayhew, Anna G et al. “Performance of Upper Limb module for Duchenne muscular dystrophy.”Developmental medicine and child neurologyvol. 62,5 (2020): 633-639. doi:10.1111/dmcn.14361).
- the Brooke scale (Brooke, MH et al. “Clinical investigation in Duchenne dystrophy: 2. Determination of the “power” of therapeutic trials based on the natural history.” Muscle & nerve vol. 6,2 (1983): 91-103. doi:10.10002/mus.880060204),
- the revised upper limb module (RULM) scale (Mazzone, Elena S et al. “Revised upper limb module for spinal muscular atrophy: Development of a new module.” Muscle & nerve vol. 55,6 (2017): 869-874. doi:10.10002/mus.25430), and
- the Performance of Upper Limb Module (PULM) scale (Mayhew, Anna G et al. “Performance of Upper Limb module for Duchenne muscular dystrophy.” Developmental medicine and child neurology vol. 62,5 (2020): 633-639. doi:10.1111/dmcn.14361).
Ces méthodes présentent cependant plusieurs inconvénients : elles sont contraignantes pour le patient, en l’obligeant à se déplacer jusqu’à un centre hospitalier, et leur résultat peut varier en fonction de l’état de forme du patient le jour de l’évaluation et de l’évaluateur.However, these methods have several drawbacks: they are restrictive for the patient, requiring them to travel to a hospital, and their results may vary depending on the patient's state of health on the day of the assessment and the assessor.
Récemment, d’autres méthodes sont apparues, fondées sur l’utilisation des technologies de l’information. La plupart utilisent l’analyse de données enregistrées dans un environnement contrôlé, typiquement en milieu hospitalier, au moyen d’un système de capture optique sous le contrôle d’un professionnel de santé, comme décrit par exemple dans Han, J.J. et al. “Reachable workspace and performance of upper limb (PUL) in duchenne muscular dystrophy.”Muscle & nervevol. 53 (2016): 545-554. doi:10.10002/mus.24894. Ces méthodes souffrent cependant de la plupart des inconvénients déjà identifiés pour les méthodes traditionnelles, notamment parce qu’elles sont contraignantes pour le patient et produisent des résultats variant en fonction de l’état de forme du patient le jour de l’évaluation.Recently, other methods have emerged, based on the use of information technologies. Most use the analysis of data recorded in a controlled environment, typically in a hospital setting, using an optical capture system under the control of a health professional, as described for example in Han, JJ et al. “Reachable workspace and performance of upper limb (PUL) in duchenne muscular dystrophy.” Muscle & nerve vol. 53 (2016): 545-554. doi:10.10002/mus.24894. However, these methods suffer from most of the drawbacks already identified for traditional methods, in particular because they are restrictive for the patient and produce results that vary depending on the patient's fitness level on the day of the assessment.
Pour résoudre ces problèmes, il a été recherché des solutions destinées à permettre l’évaluation de la fonction motrice des membres supérieurs sur des durées d’acquisition longues, dans la vie quotidienne des patients, le plus souvent au moyen de mesures réalisées par des dispositifs inertiels attachés aux membres supérieurs. Ces dispositifs inertiels devant répondre à des contraintes de poids, d’encombrement et d’autonomie particulièrement exigeantes pour permettre leur portabilité, ils sont composés de capteurs de type MEMS. De tels capteurs présentent cependant une dérive temporelle importante qui complique fortement le suivi de mouvements au moyen des mesures retournées par ces capteurs.To solve these problems, solutions have been sought to enable the assessment of the motor function of the upper limbs over long acquisition times, in the daily lives of patients, most often by means of measurements carried out by inertial devices attached to the upper limbs. These inertial devices must meet particularly demanding constraints of weight, size and autonomy to allow their portability, they are composed of MEMS type sensors. However, such sensors have a significant time drift which greatly complicates the monitoring of movements using the measurements returned by these sensors.
Pour contourner cette difficulté, il a été proposé dans WO 2017/129890 de n’évaluer la fonction motrice des membres supérieurs que pour des mouvements très spécifiques, lorsque le coude est posé immobile sur une surface et que le mouvement du poignet, auquel est attaché le dispositif inertiel, suit un arc de cercle centré sur le coude. Cette solution ne donne cependant pas entière satisfaction, dans la mesure où de nombreux mouvements des membres supérieurs ne sont pas pris en compte dans cette évaluation de la fonction motrice.To circumvent this difficulty, it was proposed in WO 2017/129890 to assess the motor function of the upper limbs only for very specific movements, when the elbow is placed motionless on a surface and the movement of the wrist, to which the inertial device is attached, follows an arc of a circle centered on the elbow. However, this solution is not entirely satisfactory, since many movements of the upper limbs are not taken into account in this assessment of motor function.
Il a également été proposé dans El-Gohary, Mahmoud, et James McNames. “Shoulder and elbow joint angle tracking with inertial sensors.”IEEE transactions on bio-medical engineeringvol. 59,9 (2012): 2635-41. doi:10.11009/TBME.2012.2208750 de combiner un modèle cinématique du membre supérieur aux mesures acquises par deux dispositifs inertiels positionnés l’un sur le bras, l’autre sur l’avant-bras, pour compenser la dérive des capteurs. Cette solution, qui utilise plusieurs dispositifs inertiels, est cependant peu adaptée à un usage quotidien, car trop invasive.It has also been proposed in El-Gohary, Mahmoud, and James McNames. “Shoulder and elbow joint angle tracking with inertial sensors.” IEEE transactions on bio-medical engineering vol. 59,9 (2012): 2635-41. doi:10.11009/TBME.2012.2208750 to combine a kinematic model of the upper limb with measurements acquired by two inertial devices positioned one on the arm, the other on the forearm, to compensate for sensor drift. This solution, which uses several inertial devices, is however poorly suited to daily use, because it is too invasive.
Il a enfin été proposé dans Villeneuve, Emma et al. “Reconstruction of Angular Kinematics From Wrist-Worn Inertial Sensor Data for Smart Home Healthcare.”IEEE Access, 5 (2017): 2351-2363. doi:10.11009/access.2016.2640559 d’estimer la cinématique du poignet d’une personne à partir de mesures fournies par de simples accéléromètres portés au niveau dudit poignet, grâce à l’utilisation d’un filtre particulaire et à l’imposition de contraintes liées au respect d’un modèle biomécanique du membre supérieur de la personne. Cependant, si cette méthode permet d’estimer la cinématique du poignet sans utiliser de gyromètre, elle ne permet pas de résoudre le problème de la dérive temporelle des capteurs.Finally, it was proposed in Villeneuve, Emma et al. “Reconstruction of Angular Kinematics From Wrist-Worn Inertial Sensor Data for Smart Home Healthcare.” IEEE Access , 5 (2017): 2351-2363. doi:10.11009/access.2016.2640559 to estimate the kinematics of a person's wrist from measurements provided by simple accelerometers worn at the wrist, using a particle filter and imposing constraints related to the respect of a biomechanical model of the person's upper limb. However, if this method allows to estimate the kinematics of the wrist without using a gyrometer, it does not solve the problem of the temporal drift of the sensors.
D’autres difficultés rencontrées dans l’évaluation de la fonction motrice des membres supérieurs au moyen de dispositifs inertiels sont que les mouvements des membres supérieurs sont bien plus variés et difficiles à reconnaître que ceux des membres inférieurs et que, à la différence de ces derniers, les mouvements des membres supérieurs sont souvent liés non seulement à leur propre activité musculaire, mais aussi à l’activité musculaire d’autres parties du corps, notamment du tronc ou des membres inférieurs.Other difficulties encountered in assessing upper limb motor function using inertial devices are that upper limb movements are much more varied and difficult to recognize than lower limb movements and that, unlike the latter, upper limb movements are often related not only to their own muscular activity, but also to muscular activity in other parts of the body, particularly the trunk or lower limbs.
Un objectif de l’invention est de permettre le suivi de la forme physique d’un individu au cours du temps. Un autre objectif est de permettre une bonne estimation, en milieu non-contrôlé et sur une longue durée, des efforts physiques réalisés par un membre supérieur d’une personne pour des mouvements variés. D’autres objectifs sont de minimiser le caractère invasif des dispositifs utilisés pour réaliser cette estimation, et d’améliorer la qualité des estimations déduites des mesures d’un dispositif inertiel.One objective of the invention is to enable the monitoring of an individual's physical fitness over time. Another objective is to enable a good estimation, in an uncontrolled environment and over a long period, of the physical efforts made by an upper limb of a person for various movements. Other objectives are to minimize the invasive nature of the devices used to perform this estimation, and to improve the quality of the estimates deduced from the measurements of an inertial device.
A cet effet, l’invention a pour objet, selon un premier aspect, un procédé d’estimation de l’évolution d’une vitesse linéaire d’un point de mesure durant un intervalle de déplacement, le procédé étant mis en œuvre par une unité de traitement de données et comprenant les étapes suivantes :
- détermination d’une vitesse initiale et d’une vitesse finale du point de mesure respectivement au début et à la fin de l’intervalle de déplacement,
- estimation de l’évolution d’une vitesse du point de mesure durant l’intervalle de déplacement, ladite estimation comprenant :
- l’intégration aval de paramètres de déplacement du point de mesure acquis par un dispositif inertiel durant l’intervalle de déplacement, en prenant comme valeur initiale de la vitesse la valeur de la vitesse initiale,
- l’intégration amont des paramètres de déplacement, en prenant comme valeur initiale de la vitesse la valeur de la vitesse finale, et
- le calcul de la vitesse estimée par fusion des intégrations amont et aval.
- determination of an initial speed and a final speed of the measuring point respectively at the beginning and at the end of the movement interval,
- estimation of the evolution of a speed of the measurement point during the displacement interval, said estimation comprising:
- downstream integration of displacement parameters of the measurement point acquired by an inertial device during the displacement interval, taking as the initial value of the speed the value of the initial speed,
- the upstream integration of the displacement parameters, taking as the initial value of the speed the value of the final speed, and
- the calculation of the estimated speed by merging the upstream and downstream integrations.
L’invention a aussi pour objet, selon un deuxième aspect, un procédé d’estimation d’une trajectoire, sur un intervalle de déplacement, d’un point d’intérêt appartenant à un membre d’une personne, le procédé étant mis en œuvre par une unité de traitement de données et comprenant les étapes suivantes :
- estimation de l’évolution, durant l’intervalle de déplacement, d’une vitesse d’un point de mesure solidaire du point d’intérêt au moyen d’un procédé selon le premier aspect,
- estimation de l’évolution d’une orientation du point de mesure durant l’intervalle de déplacement, et
- estimation de la trajectoire du point d’intérêt durant l’intervalle de déplacement à partir de la vitesse et de l’orientation du point de mesure estimées,
- estimation of the evolution, during the movement interval, of a speed of a measurement point integral with the point of interest by means of a method according to the first aspect,
- estimation of the evolution of an orientation of the measurement point during the displacement interval, and
- estimation of the trajectory of the point of interest during the movement interval from the estimated speed and orientation of the measurement point,
le point d’intérêt étant de préférence choisi parmi un point d’un avant-bras de la personne et un point d’une jambe de la personne.the point of interest preferably being chosen from a point on a forearm of the person and a point on a leg of the person.
Selon des modes de réalisation particuliers de l’invention, le procédé d’estimation de trajectoire présente également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) :
- l’estimation de la trajectoire comprend les étapes suivantes :
- calcul de plusieurs trajectoires candidates par application de la vitesse et de l’orientation estimées à différentes paires de configurations de départ et d’arrivée d’un modèle biomécanique du membre,
- évaluation d’une compatibilité de chaque trajectoire candidate avec le modèle biomécanique, et
- sélection de la trajectoire candidate présentant la meilleure compatibilité ;
- le point d’intérêt est un point d’un avant-bras appartenant à un membre supérieur de la personne, chaque configuration de départ du modèle biomécanique du membre étant définie par une paire d’angles de départ formée d’un premier angle de départ entre l’avant-bras et la verticale et d’un deuxième angle de départ entre le bras et la verticale et chaque configuration d’arrivée du modèle biomécanique du membre étant définie par une paire d’angles d’arrivée formée d’un premier angle d’arrivée entre l’avant-bras et la verticale et d’un deuxième angle d’arrivée entre le bras et la verticale ;
- pour chaque configuration de départ ou d’arrivée du modèle biomécanique du membre :
- le premier angle de départ, respectivement d’arrivée, est déduit de l’orientation du point de mesure au début, respectivement à la fin, de l’intervalle de déplacement, et
- le deuxième angle de départ, respectivement d’arrivée, est inférieur au premier angle de départ, respectivement d’arrivée ;
- il existe, pour chaque valeur de deuxième angle de départ inférieure au premier angle de départ et chaque valeur de deuxième angle d’arrivée comprise dans un intervalle prédéterminé, une paire de configurations de départ et d’arrivée pour laquelle une trajectoire candidate est calculée ;
- l’intervalle prédéterminé est constitué par un intervalle compris entre 0° et la valeur du premier angle d’arrivée, ou par un intervalle angulaire autour d’un angle βtvérifiant la relation suivante :
- trajectory estimation includes the following steps:
- calculation of multiple candidate trajectories by applying the estimated speed and orientation to different pairs of starting and finishing configurations of a biomechanical model of the limb,
- assessment of the compatibility of each candidate trajectory with the biomechanical model, and
- selection of the candidate trajectory presenting the best compatibility;
- the point of interest is a point on a forearm belonging to an upper limb of the person, each starting configuration of the biomechanical model of the limb being defined by a pair of starting angles formed by a first starting angle between the forearm and the vertical and a second starting angle between the arm and the vertical and each arrival configuration of the biomechanical model of the limb being defined by a pair of arrival angles formed by a first arrival angle between the forearm and the vertical and a second arrival angle between the arm and the vertical;
- for each starting or finishing configuration of the biomechanical model of the limb:
- the first starting angle, respectively arrival angle, is deduced from the orientation of the measuring point at the beginning, respectively at the end, of the displacement interval, and
- the second angle of departure, respectively of arrival, is less than the first angle of departure, respectively of arrival;
- there exists, for each second departure angle value less than the first departure angle and each second arrival angle value within a predetermined interval, a pair of departure and arrival configurations for which a candidate trajectory is calculated;
- the predetermined interval is constituted by an interval between 0° and the value of the first angle of arrival, or by an angular interval around an angle β t verifying the following relation:
dans laquelle :
- L est la longueur du bras du membre supérieur,
- βiest la valeur du deuxième angle de départ dans la configuration de départ appartenant à la même paire que la configuration d’arrivée,
- tiest l’instant de début de l’intervalle de déplacement,
- tfest l’instant de fin de l’intervalle de déplacement,
-
- l est la distance entre le coude du membre supérieur et le point de mesure,
-
-
-
- L is the length of the arm of the upper limb,
- β i is the value of the second departure angle in the departure configuration belonging to the same pair as the arrival configuration,
- t i is the start time of the displacement interval,
- t f is the end time of the movement interval,
-
- l is the distance between the elbow of the upper limb and the measuring point,
-
-
-
les vecteurs
- l’intervalle angulaire s’étend sur moins de 20°, de préférence sur moins de 15°, par exemple sur sensiblement 10° ; et
- le calcul de chaque trajectoire candidate comprend les étapes suivantes :
- intégration aval de la vitesse estimée, en prenant comme position initiale la position du point de mesure dans la configuration de départ,
- intégration amont de la vitesse estimée, en prenant comme position initiale la position du point de mesure dans la configuration d’arrivée, et
- calcul de la trajectoire candidate par fusion des intégrations amont et aval ;
- the angular interval extends over less than 20°, preferably over less than 15°, for example over substantially 10°; and
- The calculation of each candidate trajectory includes the following steps:
- downstream integration of the estimated speed, taking as initial position the position of the measuring point in the starting configuration,
- upstream integration of the estimated speed, taking as initial position the position of the measurement point in the arrival configuration, and
- calculation of the candidate trajectory by merging the upstream and downstream integrations;
L’invention a également pour objet, selon un troisième aspect, un procédé d’évaluation d’un effort exercé par un membre d’une personne, le procédé étant mis en œuvre par une unité de traitement de données et comprenant les étapes suivantes :
- estimation d’une trajectoire d’un point d’intérêt appartenant au membre sur au moins un intervalle de déplacement primaire au moyen d’un procédé selon le deuxième aspect,
- évaluation, à partir de la trajectoire et de l’évolution de vitesse estimées, d’un effort primaire exercé par le membre durant le ou chaque intervalle de déplacement primaire.
- estimating a trajectory of a point of interest belonging to the member over at least one primary displacement interval by means of a method according to the second aspect,
- evaluation, from the estimated trajectory and speed evolution, of a primary effort exerted by the member during the or each primary movement interval.
Selon des modes de réalisation particuliers de l’invention, le procédé d’évaluation d’effort présente également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) :
- le procédé comprend les étapes supplémentaires suivantes :
- déduction, à partir des paramètres de déplacement acquis durant l’intervalle de déplacement primaire, d’une composante rotationnelle d’une énergie cinétique primaire acquise par au moins une portion du membre durant l’intervalle de déplacement primaire, l’effort primaire étant fonction de ladite composante rotationnelle de l’énergie cinétique primaire,
- détermination d’une relation entre l’effort primaire et la composante rotationnelle de l’énergie cinétique primaire,
- estimation de l’évolution d’une orientation d’un point de mesure solidaire du point d’intérêt durant au moins un intervalle de déplacement secondaire,
- déduction, à partir de paramètres de déplacement acquis par le dispositif inertiel durant un intervalle de déplacement secondaire, d’une composante rotationnelle d’une énergie cinétique secondaire acquise par ladite au moins une portion du membre durant l’intervalle de déplacement secondaire,
- évaluation, à partir de la relation déterminée et de la composante rotationnelle de l’énergie cinétique secondaire, d’un effort secondaire exercé par le membre durant le ou chaque intervalle de déplacement secondaire ; et
- le procédé comprend, pour chacun des intervalles de déplacement primaire(s) et secondaire(s) :
- l’estimation de l’évolution, durant l’intervalle de déplacement primaire ou secondaire, d’une vitesse d’un point de mesure solidaire du point d’intérêt au moyen d’un procédé selon le premier aspect,
- le calcul de plusieurs trajectoires candidates par application de la vitesse et de l’orientation estimées à différentes paires de configurations de départ et d’arrivée d’un modèle biomécanique du membre,
- l’évaluation d’une compatibilité de chaque trajectoire candidate avec le modèle biomécanique, et
- la vérification, pour chaque intervalle de déplacement primaire ou secondaire, du caractère acceptable de la compatibilité d’au moins une trajectoire candidate,
- The method includes the following additional steps:
- deduction, from the displacement parameters acquired during the primary displacement interval, of a rotational component of a primary kinetic energy acquired by at least a portion of the member during the primary displacement interval, the primary force being a function of said rotational component of the primary kinetic energy,
- determination of a relationship between the primary effort and the rotational component of the primary kinetic energy,
- estimation of the evolution of an orientation of a measurement point attached to the point of interest during at least one secondary displacement interval,
- deduction, from displacement parameters acquired by the inertial device during a secondary displacement interval, of a rotational component of a secondary kinetic energy acquired by said at least one portion of the member during the secondary displacement interval,
- evaluation, from the determined relationship and the rotational component of the secondary kinetic energy, of a secondary effort exerted by the member during the or each secondary displacement interval; and
- the method comprises, for each of the primary and secondary displacement intervals:
- estimating the evolution, during the primary or secondary displacement interval, of a speed of a measurement point integral with the point of interest by means of a method according to the first aspect,
- the calculation of several candidate trajectories by applying the estimated speed and orientation to different pairs of starting and finishing configurations of a biomechanical model of the limb,
- the evaluation of the compatibility of each candidate trajectory with the biomechanical model, and
- the verification, for each primary or secondary displacement interval, of the acceptable nature of the compatibility of at least one candidate trajectory,
la trajectoire du point d’intérêt n’étant estimée que lorsqu’au moins une trajectoire candidate a une compatibilité acceptable.the trajectory of the point of interest being estimated only when at least one candidate trajectory has acceptable compatibility.
L’invention a encore pour objet, selon un quatrième aspect, un procédé d’analyse d’un effort exercé par un membre d’une personne, le procédé étant mis en œuvre par une unité de traitement de données et comprenant les étapes suivantes :
- a) estimation, pour plusieurs intervalles de déplacement d’un point d’intérêt du membre survenus au cours d’une période prédéterminée, d’un effort exercé par ledit membre au moyen d’un procédé selon le troisième aspect,
- b) détermination de la valeur d’au moins une grandeur statistique, calculée sur l’ensemble formé par les efforts estimés, représentative d’un état de forme de la personne.
- (a) estimating, for several intervals of displacement of a point of interest of the member occurring during a predetermined period, a force exerted by said member by means of a method according to the third aspect,
- b) determination of the value of at least one statistical quantity, calculated on the set formed by the estimated efforts, representative of a state of fitness of the person.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, le procédé d’analyse d’effort présente également la caractéristique suivante :
- le procédé comprend la répétition des étapes a) et b) pour plusieurs périodes prédéterminées et l’observation de l’évolution de la ou chaque grandeur statistique à travers les différentes périodes prédéterminées.
- the method comprises repeating steps a) and b) for several predetermined periods and observing the evolution of the or each statistical quantity across the different predetermined periods.
L’invention a encore pour objet, selon un cinquième aspect, un procédé de suivi de l’état de forme d’une personne, comprenant l’analyse d’un effort exercé par un membre de la personne au moyen un procédé d’analyse selon le quatrième aspect et la déduction d’un état de forme de la personne à partir de ladite analyse.The invention also relates, according to a fifth aspect, to a method for monitoring the fitness level of a person, comprising the analysis of an effort exerted by a limb of the person by means of an analysis method according to the fourth aspect and the deduction of a fitness level of the person from said analysis.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, le procédé de suivi présente également la caractéristique suivante :
- le procédé comprend l’administration d’un traitement à la personne, et l’évaluation d’une efficacité du traitement à partir de l’état de forme déduit.
- the method comprises administering a treatment to the person, and evaluating an effectiveness of the treatment from the deduced fitness state.
L’invention a enfin pour objet, selon respectivement un cinquième, un sixième et un septième aspects de l’invention :
- un équipement comprenant un dispositif inertiel pour l’acquisition de paramètres de déplacement d’un point de mesure durant au moins un intervalle de déplacement, et une unité de traitement de données configurée pour estimer, à partir des paramètres de déplacement acquis par le dispositif inertiel, par la mise en œuvre d’un procédé selon l’un quelconque des premier, deuxième et troisième aspects, au moins l’un de : l’évolution d’une vitesse du point de mesure durant l’intervalle de déplacement, une trajectoire, sur l’intervalle de déplacement, d’un point d’intérêt solidaire du point de mesure, et un effort exercé par un membre d’une personne auquel appartient le point d’intérêt ;
- un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour la mise en œuvre d’un procédé selon l’un quelconque des premier, deuxième, troisième, quatrième et cinquième aspects lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur ; et
- un moyen de stockage lisible par un équipement informatique sur lequel est stocké un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour la mise en œuvre d’un procédé selon l’un quelconque des premier, deuxième et troisième aspects lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
- equipment comprising an inertial device for acquiring movement parameters of a measurement point during at least one movement interval, and a data processing unit configured to estimate, from the movement parameters acquired by the inertial device, by implementing a method according to any one of the first, second and third aspects, at least one of: the evolution of a speed of the measurement point during the movement interval, a trajectory, over the movement interval, of a point of interest integral with the measurement point, and a force exerted by a limb of a person to which the point of interest belongs;
- a computer program product comprising code instructions for implementing a method according to any of the first, second, third, fourth and fifth aspects when said program is executed by a computer; and
- a storage medium readable by computer equipment on which is stored a computer program product comprising code instructions for implementing a method according to any one of the first, second and third aspects when said program is executed by a computer.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
- la
- la
- la
- la
- la
- la
- la
- la
- la
- la
- there
- there
- there
- there
- there
- there
- there
- there
- there
- there
L’équipement 10 représenté sur la
On rappelle ici que, sur le plan anatomique, un membre supérieur tel que le membre supérieur 12 est constitué de trois segments : le bras 25, articulé au tronc 26 par l’épaule 27, l’avant-bras 22, articulé au bras 25 par le coude 28, et la main 29, articulée à l’avant-bras 22 par le poignet 30. Ici et dans la suite, c’est dans ce sens que ces termes sont utilisés, le terme « bras » étant en particulier utilisé pour désigner uniquement le segment du membre supérieur compris entre le coude et l’épaule et non, comme dans le langage courant, la totalité du membre supérieur.It is recalled here that, anatomically, an upper limb such as the upper limb 12 is made up of three segments: the arm 25, articulated to the trunk 26 by the shoulder 27, the forearm 22, articulated to the arm 25 by the elbow 28, and the hand 29, articulated to the forearm 22 by the wrist 30. Here and hereinafter, it is in this sense that these terms are used, the term “arm” being in particular used to designate only the segment of the upper limb between the elbow and the shoulder and not, as in common language, the entire upper limb.
Le dispositif de mesure 20 est solidaire de l’avant-bras 22 du membre supérieur 12, c’est-à-dire qu’il présente, dans le référentiel terrestre, un mouvement sensiblement identique à celui de l’avant-bras 12. Il est en particulier placé entre le coude 28 (exclus) et le poignet 30 (inclus), par exemple, comme représenté, sensiblement sur le poignet 30.The measuring device 20 is secured to the forearm 22 of the upper limb 12, that is to say that it presents, in the terrestrial frame of reference, a movement substantially identical to that of the forearm 12. It is in particular placed between the elbow 28 (excluded) and the wrist 30 (included), for example, as shown, substantially on the wrist 30.
En référence à la
Le support 31 est typiquement constitué par un boîtier.The support 31 is typically constituted by a housing.
L’organe d’attache 32 est ici constitué par un bracelet, par exemple à bande autoagrippante, adapté pour enserrer l’avant-bras 22 et permettre la liaison solidaire. En variante (non représenté), l’organe d’attache 32 est constitué par tout élément permettant une liaison solidaire avec l’avant-bras 22.The attachment member 32 is here constituted by a bracelet, for example with self-gripping strip, adapted to encircle the forearm 22 and allow the integral connection. Alternatively (not shown), the attachment member 32 is constituted by any element allowing an integral connection with the forearm 22.
Le dispositif inertiel 33 comprend un gyromètre 40 pour mesurer une vitesse angulaire du dispositif de mesure 20 selon un système de trois axes orthogonaux définissant un repère mobile (Rm) solidaire du dispositif de mesure 20, c’est-à-dire mesurer les trois composantes d’un vecteur de vitesse angulaire dans ledit repère mobile (Rm). On comprend ainsi que le gyromètre 40 est typiquement constitué d’un ensemble de trois gyromètres associés chacun à un des trois axes, en particulier en tri-axe (i.e. chacun apte à mesure une des trois composantes du vecteur de vitesse angulaire).The inertial device 33 comprises a gyrometer 40 for measuring an angular speed of the measuring device 20 according to a system of three orthogonal axes defining a moving frame (R m ) integral with the measuring device 20, i.e. measuring the three components of an angular speed vector in said moving frame (R m ). It is thus understood that the gyrometer 40 is typically made up of a set of three gyrometers each associated with one of the three axes, in particular in tri-axis (i.e. each capable of measuring one of the three components of the angular speed vector).
De préférence, le repère mobile (Rm) est choisi de sorte que l’un de ses axes soit colinéaire à l’avant-bras 22 lorsque le dispositif de mesure 20 est porté. Ici et dans la suite, on définit le repère mobile (Rm) comme étant un repère orthogonal direct formé d’un triplet d’axes, représenté sur la
- un axe U colinéaire à l’avant-bras 22 et orienté vers la main 29,
- un axe V orthogonal à l’axe à l’axe U, et
- un axe W orthogonal aux axes U et V.
- a U axis collinear with the forearm 22 and oriented towards the hand 29,
- a V axis orthogonal to the U axis, and
- a W axis orthogonal to the U and V axes.
Le dispositif inertiel 33 comprend également un accéléromètre 42 pour mesurer une accélération du dispositif de mesure 20 selon un système de trois axes orthogonaux définissant un repère mobile solidaire du dispositif de mesure 20, lequel est avantageusement le même que le repère mobile (Rm) du gyromètre 40. En d’autres termes, l’accéléromètre est apte à mesurer les trois composantes d’un vecteur accélération dans ledit repère mobile. On comprend ainsi que l’accéléromètre 42 est typiquement constitué d’un ensemble de trois accéléromètres associés chacun à un des trois axes, en particulier en tri-axe (i.e. chacun apte à mesure une des trois composantes du vecteur accélération). Ces accéléromètres sont sensibles aux forces extérieures, y compris gravitationnelles, appliquées sur le dispositif inertiel 33, et permettent de mesurer une accélération spécifique.The inertial device 33 also comprises an accelerometer 42 for measuring an acceleration of the measuring device 20 according to a system of three orthogonal axes defining a mobile reference frame integral with the measuring device 20, which is advantageously the same as the mobile reference frame (R m ) of the gyrometer 40. In other words, the accelerometer is capable of measuring the three components of an acceleration vector in said mobile reference frame. It is thus understood that the accelerometer 42 is typically made up of a set of three accelerometers each associated with one of the three axes, in particular in tri-axis (i.e. each capable of measuring one of the three components of the acceleration vector). These accelerometers are sensitive to external forces, including gravitational forces, applied to the inertial device 33, and make it possible to measure a specific acceleration.
L’unité de traitement de données 34 est configurée pour déduire des mesures du dispositif inertiel 33 une orientation, une vitesse linéaire et une position d’un point de mesure solidaire du dispositif de mesure 20, par exemple constitué par l’origine du repère mobile (Rm) du gyromètre 40 et de l’accéléromètre 42. Elle est également configurée pour estimer une vitesse linéaire et une position du centre de gravité de l’avant-bras 22. Elle est encore configurée pour évaluer et analyser les efforts des muscles du membre supérieur 12.The data processing unit 34 is configured to deduce from the measurements of the inertial device 33 an orientation, a linear speed and a position of a measurement point integral with the measurement device 20, for example constituted by the origin of the mobile reference frame (R m ) of the gyrometer 40 and the accelerometer 42. It is also configured to estimate a linear speed and a position of the center of gravity of the forearm 22. It is further configured to evaluate and analyze the efforts of the muscles of the upper limb 12.
A cet effet, l’unité de traitement de données 34 est, dans l’exemple représenté, constituée par une machine programmable, telle qu’un DSP («Digital Signal Processor» en anglais) ou un microcontrôleur. Elle comprend un processeur ou CPU («Central Processing Unit» en anglais) 44 et une mémoire 46 de type RAM («Random Access Memory» en anglais) et/ou ROM («Read Only Memory» en anglais). Le processeur 44 est configuré pour exécuter des instructions chargées dans la mémoire 46. Lorsque le dispositif de mesure 20 est mis sous tension, le processeur 44 est capable de lire dans la mémoire 46 des instructions et de les exécuter. Ces instructions forment un programme d’ordinateur causant la mise en œuvre, par le processeur 44, de certaines étapes d’un procédé 1000 (
En variante (non représentée), l’unité de traitement de données 34 est constituée par une machine ou un composant dédié, tel qu’un FPGA («Field-Programmable Gate Array» en anglais) ou un ASIC («Application-Specific Integrated Circuit» en anglais).Alternatively (not shown), the data processing unit 34 is constituted by a machine or a dedicated component, such as an FPGA (“ Field-Programmable Gate Array ”) or an ASIC (“ Application-Specific Integrated Circuit ”).
L’unité de traitement de données 34 comprend par ailleurs une mémoire tampon 48 pour le stockage temporaire d’informations nécessaires à la mise en œuvre du procédé 1000.The data processing unit 34 further comprises a buffer memory 48 for the temporary storage of information necessary for the implementation of the method 1000.
Le système de communication 36 est configuré pour mettre en œuvre une communication sans fil à courte portée par exemple Bluetooth ou Wi-Fi (en particulier dans l’exemple représenté avec le capteur de mouvement 24) et/ou pour se connecter à un réseau mobile (typiquement UMTS/LTE/5G) pour une communication à longue distance. En variante (non représentée), le système de communication 36 est par exemple une connectique filaire (typiquement USB) pour transférer les données du module de stockage 38 à un autre module de stockage, typiquement d’un serveur (non représenté).The communication system 36 is configured to implement short-range wireless communication, for example Bluetooth or Wi-Fi (in particular in the example shown with the motion sensor 24) and/or to connect to a mobile network (typically UMTS/LTE/5G) for long-distance communication. Alternatively (not shown), the communication system 36 is, for example, a wired connection (typically USB) to transfer data from the storage module 38 to another storage module, typically a server (not shown).
Par exemple le système de communication 36 est configuré pour recevoir du capteur de mouvement 24 des données de déplacement d’au moins un membre inférieur de la personne 14 et/ou pour transmettre les données d’analyse à un dispositif externe pour présentation à un opérateur humain, typiquement pour affichage sur un écran.For example, the communication system 36 is configured to receive from the motion sensor 24 movement data of at least one lower limb of the person 14 and/or to transmit the analysis data to an external device for presentation to a human operator, typically for display on a screen.
Optionnellement, le dispositif de mesure 20 comprend également un réseau de magnétomètres (non représentés) liés au support 31, c’est-à-dire qu’ils présentent chacun un mouvement sensiblement identique à celui du support 31 dans le référentiel terrestre, et espacés spatialement les uns des autres. Chaque magnétomètre est un magnétomètre tri-axes propre à mesurer un champ magnétique selon trois axes. A cet effet, chaque magnétomètre est typiquement constitué par trois magnétomètres mono-axe (non représentés) orientés selon des axes sensiblement perpendiculaires entre eux. Ces axes sont de préférence les mêmes que ceux du système de trois axes orthogonaux du gyromètre 40 et/ou de l’accéléromètre 42.Optionally, the measuring device 20 also comprises a network of magnetometers (not shown) linked to the support 31, that is to say that they each have a movement substantially identical to that of the support 31 in the terrestrial frame of reference, and spatially spaced from each other. Each magnetometer is a three-axis magnetometer capable of measuring a magnetic field along three axes. For this purpose, each magnetometer is typically constituted by three single-axis magnetometers (not shown) oriented along axes substantially perpendicular to each other. These axes are preferably the same as those of the system of three orthogonal axes of the gyrometer 40 and/or the accelerometer 42.
Le réseau de magnétomètres est propre, du fait de sa géométrie particulière, à autoriser la détermination, à chaque instant de mesure des magnétomètres, d’un gradient spatial du champ magnétique mesuré, en particulier des coefficients de ce gradient selon chacun des axes U, V, W du repère mobile (Rm) lié au support 31. Chaque coefficient dudit gradient est par exemple déterminé par une méthode utilisant les mesures vectorielles du champ magnétique réalisées par les magnétomètres, associée à des méthodes d'optimisation du type moindre carré ou filtre médian ou associée aux propriétés intrinsèques du champ magnétique décrites par les équations de Maxwell. Cependant toute autre méthode classique adaptée pour calculer les coefficients du gradient spatial du champ magnétique convient.The network of magnetometers is suitable, due to its particular geometry, for allowing the determination, at each measurement time of the magnetometers, of a spatial gradient of the measured magnetic field, in particular of the coefficients of this gradient along each of the axes U, V, W of the moving frame (R m ) linked to the support 31. Each coefficient of said gradient is for example determined by a method using the vector measurements of the magnetic field carried out by the magnetometers, associated with optimization methods of the least square or median filter type or associated with the intrinsic properties of the magnetic field described by Maxwell's equations. However, any other conventional method adapted to calculate the coefficients of the spatial gradient of the magnetic field is suitable.
L’unité de traitement de données 34 est alors typiquement configurée pour déterminer la vitesse linéaire du point de mesure, sur certaines phases de déplacement, par mise en œuvre du procédé décrit dans EP 2 541 199.The data processing unit 34 is then typically configured to determine the linear speed of the measuring point, over certain displacement phases, by implementing the method described in EP 2 541 199.
Dans l’exemple décrit ci-dessus, l’unité de traitement 34 du dispositif de mesure 20 est montée sur le support 31. En variante (non représentée), au moins une partie de l’unité de traitement de données 34 est déportée, par exemple dans un terminal mobile (non représenté) et/ou dans un serveur distant (non représenté). En d’autres termes, au moins une partie des étapes du procédé 1000 est effectuée par un terminal mobile et/ou un serveur distant. Le système de communication 36 est alors configuré pour envoyer au terminal mobile et/ou au serveur distant les données du dispositif inertiel 33 et, le cas échéant, du réseau de magnétomètre du premier dispositif de mesure 20.In the example described above, the processing unit 34 of the measuring device 20 is mounted on the support 31. Alternatively (not shown), at least part of the data processing unit 34 is remote, for example in a mobile terminal (not shown) and/or in a remote server (not shown). In other words, at least part of the steps of the method 1000 is performed by a mobile terminal and/or a remote server. The communication system 36 is then configured to send to the mobile terminal and/or the remote server the data from the inertial device 33 and, where appropriate, from the magnetometer network of the first measuring device 20.
De retour à la
On rappelle ici que, sur le plan anatomique, un membre inférieur tel que le membre inférieur 50 est constitué de trois segments : la cuisse 51, articulée au tronc 26 par la hanche 52, la jambe 53, articulé à la cuisse 51 par le genou 54, et le pied 55, articulé à la jambe 53 par la cheville 56. Ici et dans la suite, c’est dans ce sens que ces termes sont utilisés, le terme « jambe » étant en particulier utilisé pour désigner uniquement le segment du membre supérieur compris entre le genou et la cheville et non, comme dans le langage courant, la totalité du membre inférieur.It is recalled here that, anatomically, a lower limb such as the lower limb 50 is made up of three segments: the thigh 51, articulated to the trunk 26 by the hip 52, the leg 53, articulated to the thigh 51 by the knee 54, and the foot 55, articulated to the leg 53 by the ankle 56. Here and hereinafter, it is in this sense that these terms are used, the term “leg” being in particular used to designate only the segment of the upper limb between the knee and the ankle and not, as in common language, the entire lower limb.
Le capteur de mouvement 24 est en particulier solidaire de la jambe 53 du membre inférieur 50, c’est-à-dire qu’il présente, dans le référentiel terrestre, un mouvement sensiblement identique à celui de la jambe 53. Il est en particulier placé entre le genou 54 (exclus) et la cheville 56 (inclus), par exemple, comme représenté, sensiblement sur la cheville 56.The motion sensor 24 is in particular secured to the leg 53 of the lower limb 50, that is to say that it presents, in the terrestrial frame of reference, a movement substantially identical to that of the leg 53. It is in particular placed between the knee 54 (excluded) and the ankle 56 (included), for example, as shown, substantially on the ankle 56.
En variante, le capteur de mouvement 24 est fixé à un fauteuil roulant 58 sur lequel est assise la personne 14.Alternatively, the motion sensor 24 is attached to a wheelchair 58 in which the person 14 is seated.
En référence à la
Le support 61 est typiquement constitué par un boîtier.The support 61 is typically constituted by a housing.
L’organe d’attache 62 est ici constitué par un bracelet, par exemple à bande autoagrippante, adapté pour enserrer la jambe 53 et permettre la liaison solidaire. En variante (non représenté), l’organe d’attache 62 est constitué par tout élément permettant une liaison solidaire avec la jambe 53.The attachment member 62 is here constituted by a bracelet, for example with self-gripping strip, adapted to enclose the leg 53 and allow the integral connection. Alternatively (not shown), the attachment member 62 is constituted by any element allowing an integral connection with the leg 53.
Le gyromètre 63 est apte à mesurer une vitesse angulaire du capteur de mouvement 24 selon un système de trois axes orthogonaux définissant un repère mobile solidaire du capteur de mouvement 24, c’est-à-dire mesurer les trois composantes d’un vecteur de vitesse angulaire dans ledit repère mobile. On comprend ainsi que le gyromètre 63 est typiquement constitué d’un ensemble de trois gyromètres associés chacun à un des trois axes, en particulier en tri-axe (i.e. chacun apte à mesure une des trois composantes du vecteur de vitesse angulaire).The gyrometer 63 is capable of measuring an angular speed of the motion sensor 24 according to a system of three orthogonal axes defining a mobile reference frame integral with the motion sensor 24, i.e. measuring the three components of an angular speed vector in said mobile reference frame. It is thus understood that the gyrometer 63 is typically made up of a set of three gyrometers each associated with one of the three axes, in particular in tri-axis (i.e. each capable of measuring one of the three components of the angular speed vector).
L’unité de traitement de données 64 est configurée pour déduire des mesures du gyromètre 63 des phases de mouvement et des phases d’immobilité du capteur de mouvement 24. A cet effet, l’unité de traitement de données 64 est typiquement configuré pour comparer la norme de la vitesse angulaire mesurée par le gyromètre 63 avec un seuil, et pour définir les phases durant lesquelles cette norme est inférieure au seuil comme étant des phases d’immobilité et les phases durant lesquelles cette norme est inférieure au seuil comme étant des phases de mouvement.The data processing unit 64 is configured to deduce from the measurements of the gyrometer 63 the movement phases and the immobility phases of the motion sensor 24. For this purpose, the data processing unit 64 is typically configured to compare the norm of the angular speed measured by the gyrometer 63 with a threshold, and to define the phases during which this norm is lower than the threshold as being immobility phases and the phases during which this norm is lower than the threshold as being movement phases.
L’unité de traitement de données 64 est, dans l’exemple représenté, constituée par une machine programmable, telle qu'un DSP («Digital Signal Processor» en anglais) ou un microcontrôleur. Elle comprend un processeur ou CPU («Central Processing Unit» en anglais) 74 et une mémoire 76 de type RAM («Random Access Memory» en anglais) et/ou ROM («Read Only Memory» en anglais). Le processeur 74 est configuré pour exécuter des instructions chargées dans la mémoire 76. Lorsque le capteur de mouvement 24 est mis sous tension, le processeur 74 est capable de lire dans la mémoire 76 des instructions et de les exécuter. Ces instructions forment un programme d'ordinateur causant la mise en œuvre, par le processeur 74, d’un procédé de détection d’un déplacement du capteur de mouvement 24.The data processing unit 64 is, in the example shown, constituted by a programmable machine, such as a DSP ( Digital Signal Processor ) or a microcontroller. It comprises a processor or CPU ( Central Processing Unit ) 74 and a memory 76 of the RAM ( Random Access Memory ) and/or ROM ( Read Only Memory ) type. The processor 74 is configured to execute instructions loaded into the memory 76. When the motion sensor 24 is powered up, the processor 74 is capable of reading instructions from the memory 76 and executing them. These instructions form a computer program causing the processor 74 to implement a method for detecting a movement of the motion sensor 24.
En variante (non représentée), l’unité de traitement de données 64 est constituée par une machine ou un composant dédié, tel qu'un FPGA («Field-Programmable Gate Array» en anglais) ou un ASIC («Application-Specific Integrated Circuit» en anglais).Alternatively (not shown), the data processing unit 64 is constituted by a machine or a dedicated component, such as an FPGA (“ Field-Programmable Gate Array ”) or an ASIC (“ Application-Specific Integrated Circuit ”).
L’unité de traitement de données 64 comprend par ailleurs une mémoire tampon 78 pour le stockage temporaire d’informations nécessaires à la détection du déplacement du capteur de mouvement 24.The data processing unit 64 further comprises a buffer memory 78 for the temporary storage of information necessary for detecting the movement of the motion sensor 24.
Le système de communication 66 est configuré pour mettre en œuvre une communication sans fil à courte portée par exemple Bluetooth ou Wi-Fi (en particulier dans l’exemple représenté avec le dispositif de mesure 20) et/ou pour se connecter à un réseau mobile (typiquement UMTS/LTE/5G) pour une communication à longue distance. En variante (non représentée), le système de communication 66 est par exemple une connectique filaire (typiquement USB) pour transférer les données du module de stockage 68 à un autre module de stockage, typiquement d’un serveur (non représenté).The communication system 66 is configured to implement short-range wireless communication, for example Bluetooth or Wi-Fi (in particular in the example shown with the measuring device 20) and/or to connect to a mobile network (typically UMTS/LTE/5G) for long-distance communication. Alternatively (not shown), the communication system 66 is, for example, a wired connection (typically USB) to transfer data from the storage module 68 to another storage module, typically a server (not shown).
Par exemple le système de communication 66 est configuré pour transmettre les instants de début et de fin des phases d’immobilité au dispositif de mesure 20 et/ou à un dispositif externe, typiquement un téléphone mobile ou un serveur.For example, the communication system 66 is configured to transmit the start and end times of the immobility phases to the measuring device 20 and/or to an external device, typically a mobile telephone or a server.
Un procédé 1000 mis en œuvre par l’équipement 10 va maintenant être décrit, en référence aux Figures 4 à 8.A method 1000 implemented by the equipment 10 will now be described, with reference to Figures 4 to 8.
Comme visible sur la Figure 4, le procédé 1000 débute par une étape 1002 d’acquisition de paramètres de déplacement du point de mesure. Lors de cette étape, le dispositif inertiel 33 acquiert l’accélération
L’étape 1002 fait suite à un démarrage du dispositif de mesure 20 et dure typiquement jusqu’à une extinction du dispositif de mesure 20.Step 1002 follows a start-up of the measuring device 20 and typically lasts until a shutdown of the measuring device 20.
Le procédé 1000 comprend encore, suite à l’étape 1002 ou, plus exactement, suite à l’acquisition de vecteurs d’accélération
Par exemple, l’étape 1004 comprend la détection, par l’unité de traitement 34, de phases d’immobilité du dispositif de mesure 20, suivie de la mesure de l’accélération durant lesdites phases d’immobilité. La détection des phases d’immobilité est typiquement réalisée par comparaison de la norme de la vitesse de rotation
S’il résulte de cette déduction que l’axe U pointe vers la main 29, alors le repère mobile (Rm) est maintenu. Si, au contraire, l’axe U pointe vers le coude 28, alors le repère mobile (Rm) est réorienté (il est typiquement pivoté de 180° autour de son axe V ou de son axe W) de sorte que l’axe U pointe vers la main 29.If it follows from this deduction that the U axis points towards hand 29, then the moving frame (R m ) is maintained. If, on the contrary, the U axis points towards elbow 28, then the moving frame (R m ) is reoriented (it is typically rotated 180° around its V axis or its W axis) so that the U axis points towards hand 29.
Parallèlement aux étapes 1002 et 1004, le procédé 1000 comprend également une étape 1006 de détection de phases d’immobilité des membres inférieurs de la personne 14, suivie d’une étape 1008 de transmission des instants de début et de fin de ces phases d’immobilité au dispositif de mesure 20.In parallel with steps 1002 and 1004, the method 1000 also comprises a step 1006 of detecting phases of immobility of the lower limbs of the person 14, followed by a step 1008 of transmitting the start and end times of these phases of immobility to the measuring device 20.
Lors de l’étape 1006, l’unité de traitement 64 du capteur de mouvement 24 compare typiquement la norme de la vitesse de rotation mesurée par le gyromètre 63 avec un seuil, et détermine les phases d’immobilité comme étant les périodes durant lesquelles ladite norme est inférieure au seuil.In step 1006, the processing unit 64 of the motion sensor 24 typically compares the rotation speed standard measured by the gyrometer 63 with a threshold, and determines the immobility phases as being the periods during which said standard is lower than the threshold.
Ensuite, lors de l’étape 1008, le capteur de mouvement 24 transmet au dispositif de mesure 20, via les systèmes de communication 66, 36, les instants de début et de fin des phases d’immobilité ainsi détectées.Then, during step 1008, the motion sensor 24 transmits to the measuring device 20, via the communication systems 66, 36, the start and end times of the immobility phases thus detected.
Les étapes 1004 et 1008 sont suivies d’une étape 1100 de sélection de périodes d’intérêt des paramètres acquis. Lors de cette étape 1100, l’unité de traitement 34 du dispositif de mesure 20 identifie les périodes comprises entre les instants de début et de fin des phases d’immobilité des membres inférieurs comme formant des périodes d’intérêt des paramètres acquis et sélectionne ces périodes. Les accélérations
Puis, pour chaque période d’intérêt, le procédé 1000 comprend une étape 1200 de détermination d’une vitesse linéaire du point de mesure à divers instants de la période d’intérêt. Lors de cette étape 1200, l’unité de traitement 34 détermine la vitesse linéaire du point de mesure lors de certaines phases.Then, for each period of interest, the method 1000 comprises a step 1200 of determining a linear speed of the measurement point at various times of the period of interest. During this step 1200, the processing unit 34 determines the linear speed of the measurement point during certain phases.
Lesdites phases sont par exemple des phases d’immobilité du dispositif de mesure 20 que l’unité de traitement 34 détecte et pour lesquelles elle détermine une vitesse linéaire nulle du point de mesure lors de ces phases. Ces phases d’immobilité sont typiquement détectées par comparaison de la norme de la vitesse de rotation
De préférence, lesdites phases incluent également des phases d’immobilité du coude 28, que l’unité de traitement 34 détecte lorsque le mouvement du point de mesure est une rotation pure de rayon égal à la distance entre le point de mesure et le coude 28. La vitesse linéaire du point de mesure se détermine alors aisément, de manière connue de l’homme du métier.Preferably, said phases also include phases of immobility of the elbow 28, which the processing unit 34 detects when the movement of the measuring point is a pure rotation of radius equal to the distance between the measuring point and the elbow 28. The linear speed of the measuring point is then easily determined, in a manner known to those skilled in the art.
Avantageusement, lesdites phases incluent encore des phases durant lesquelles la vitesse linéaire du point de mesure est déterminée au moyen de données autres que celle fournies par le dispositif inertiel 33. Ces autres données sont par exemple constituées de données de mesure de gradient du champ magnétique fournies par le réseau de magnétomètre. Les phases durant lesquelles la vitesse linéaire du point de mesure est déterminée incluent alors des phases de stationnarité du champ magnétique ambiant, l’unité de traitement 34 mettant alors en œuvre le procédé décrit dans WO 2019/016474 pour déterminer la vitesse linéaire du point de mesure durant ces phases.Advantageously, said phases also include phases during which the linear speed of the measurement point is determined by means of data other than that provided by the inertial device 33. These other data consist, for example, of magnetic field gradient measurement data provided by the magnetometer network. The phases during which the linear speed of the measurement point is determined then include phases of stationarity of the ambient magnetic field, the processing unit 34 then implementing the method described in WO 2019/016474 to determine the linear speed of the measurement point during these phases.
Les phases durant lesquelles la vitesse linéaire du point de mesure est déterminée sont espacées les unes des autres par des intervalles temporels durant lesquels la vitesse linéaire du point de mesure n’est pas a priori connue. Le procédé 1000 comprend, pour chacun de ces intervalles, une étape 1300 d’estimation d’un effort exercé par les muscles du membre supérieur durant cet intervalle.The phases during which the linear speed of the measurement point is determined are spaced from each other by time intervals during which the linear speed of the measurement point is not a priori known. The method 1000 comprises, for each of these intervals, a step 1300 of estimating an effort exerted by the muscles of the upper limb during this interval.
Cette étape 1300 est mise en œuvre par l’unité de traitement 34.This step 1300 is implemented by the processing unit 34.
En référence à la Figure 5, l’étape 1300 comprend une première sous-étape 1310 d’estimation de l’évolution d’une orientation du point de mesure durant l’intervalle. Par « orientation du point de mesure », on comprend ici et dans la suite une orientation du repère mobile (Rm) dans un repère inertiel terrestre (Ri) ayant un axe confondu avec la verticale, tel que la vitesse angulaire
- un axe Z confondu avec la verticale,
- un axe X horizontal, et
- un axe Y horizontal formant avec les axes X et Z un repère orthogonal X, Y, Z direct.
- a Z axis coincident with the vertical,
- a horizontal X axis, and
- a horizontal Y axis forming with the X and Z axes a direct orthogonal X, Y, Z reference frame.
L’orientation du point de mesure peut être donnée par une matrice de rotation (notée R), un quaternion d’orientation (noté Q), ou des angles d’Euler (roulis φ, tangage θ, lacet ψ). Ces trois notations étant équivalentes, on les utilise indifféremment dans ce document.The orientation of the measurement point can be given by a rotation matrix (denoted R), an orientation quaternion (denoted Q), or Euler angles (roll φ, pitch θ, yaw ψ). These three notations being equivalent, they are used interchangeably in this document.
On sait en effet notamment que la formule donnant la matrice de passage du référentiel inertiel (Ri) au référentiel mobile (Rm) à partir des angles d'Euler s’écrit :We know in particular that the formula giving the transition matrix from the inertial frame (R i ) to the mobile frame (R m ) from the Euler angles is written:
En référence à la
Lors de cette sous-étape 1312, l’unité de traitement 34 détermine tout d’abord une orientation de départ du point de mesure à un instant de départ t0lors duquel l’avant-bras 22 et donc le dispositif de mesure 20 est considéré immobile. Cette détermination est typiquement effectuée à partir des mesures d’accélération, l’accélération mesurée
dans laquelle :
On notera que cette équation n’est pas totalement déterministe et laisse des degrés de liberté sur certaines composantes de la matrice de rotation R(t0). Cela s’explique par le fait que l’angle de lacet ψ(t0) à l’instant de départ t0est de peu d’importance pour la suite des calculs et que l’axe X peut donc être fixé de manière arbitraire. Par exemple, l’axe X est choisi de sorte que l’angle de lacet ψ(t0) à l’instant de départ t0soit nul, c’est-à-dire de sorte que la matrice de rotation à l’instant de départ t0résolve l’équation supplémentaire suivante :Note that this equation is not fully deterministic and leaves degrees of freedom on some components of the rotation matrix R(t 0 ). This is because the yaw angle ψ(t 0 ) at the starting time t 0 is of little importance for the rest of the calculations and the X axis can therefore be set arbitrarily. For example, the X axis is chosen so that the yaw angle ψ(t 0 ) at the starting time t 0 is zero, i.e. so that the rotation matrix at the starting time t 0 solves the following additional equation:
dans laquelle :
-
-
-
-
- ∧ est l’opérateur produit vectoriel.
-
-
-
-
- ∧ is the vector product operator.
De préférence, l’instant de départ t0est égal à l’instant initial ti; l’orientation initiale est alors égale à l’orientation de départ. En variante, l’instant de départ t0est antérieur à l’instant initial ti, l’orientation initiale étant alors déduite de l’orientation de départ par intégration aval des mesures fournies par le gyromètre 40. Par « intégration aval », on entend ici et dans la suite que l’intégration est réalisée en temps positif, avec une valeur initiale choisie dans le passé.Preferably, the starting time t 0 is equal to the initial time t i ; the initial orientation is then equal to the starting orientation. Alternatively, the starting time t 0 is prior to the initial time t i , the initial orientation then being deduced from the starting orientation by downstream integration of the measurements provided by the gyrometer 40. By “downstream integration” is meant here and hereinafter that the integration is carried out in positive time, with an initial value chosen in the past.
La sous-étape 1312 est suivie d’une sous-étape 1313 d’intégration aval de l’orientation mesurée sur la base de l’orientation initiale.Substep 1312 is followed by a substep 1313 of downstream integration of the measured orientation on the basis of the initial orientation.
Lors de cette sous-étape 1313, l’unité de traitement 34 produit une première estimation Rfde l’orientation du point de mesure à chaque instant d’échantillonnage tkde l’intervalle par intégration des mesures de vitesse de rotation antérieures à l’instant tk, en prenant comme valeur initiale l’orientation initiale à l’instant ti.During this sub-step 1313, the processing unit 34 produces a first estimate R f of the orientation of the measurement point at each sampling instant t k of the interval by integrating the rotation speed measurements prior to the instant t k , taking as initial value the initial orientation at the instant t i .
De préférence, cette détermination comprend la mise en œuvre d’un filtre estimateur d’état linéaire (filtre Luenberger, filtre de Kalman, etc.) ou non-linéaire (filtre de Kalman étendu, observateur invariant, etc.). Dans la présente description, on décrit la mise en œuvre d’un filtre de Kalman étendu, mais l’homme du métier saura transposer à d’autres filtres.Preferably, this determination comprises the implementation of a linear state estimator filter (Luenberger filter, Kalman filter, etc.) or non-linear (extended Kalman filter, invariant observer, etc.). In the present description, the implementation of an extended Kalman filter is described, but those skilled in the art will be able to transpose to other filters.
La mise en œuvre dudit filtre de Kalman étendu comprend tout d’abord une étape de prédiction, lors de laquelle, l’unité de traitement 34 utilise la formule suivante :The implementation of said extended Kalman filter firstly comprises a prediction step, during which the processing unit 34 uses the following formula:
dans laquelle tk-1est l’instant d’échantillonnage précédant immédiatement l’instant d’échantillonnage tk, et
En notant
L'équation est donnée ici pour une matrice de rotation mais une équation différentielle équivalente existe entre quaternion d'attitude et vitesse angulaire.The equation is given here for a rotation matrix but an equivalent differential equation exists between attitude quaternion and angular velocity.
En parallèle, l’unité de traitement 34 modifie, par linéarisation de l'équation différentielle, une matrice de covariance estimant la covariance entre chaque état du filtre.In parallel, the processing unit 34 modifies, by linearization of the differential equation, a covariance matrix estimating the covariance between each state of the filter.
L’étape de prédiction est suivie d’une étape de mise à jour.The prediction step is followed by an update step.
Cette étape de mise à jour utilise le fait que l'accélération
On sait de plus que l'accélération
A partir de la matrice de rotation
La différence entre le champ de gravité estimé et le champ de gravité terrestre réel s'écrit alors :The difference between the estimated gravity field and the actual Earth gravity field is then written as:
Cette différence, qui doit être en moyenne nulle, est utilisée pour le recalage de l’orientation lors de l’étape de mise à jour.This difference, which must be zero on average, is used for orientation recalibration during the update step.
Par ailleurs, en linéarisant cette formule, on parvient à calculer le gain de Kalman et par suite de mettre à jour l'état et la matrice de covariance. La mise à jour de la matrice de covariance repose sur l'hypothèse que les erreurs dues aux capteurs et aux approximations sont modélisées comme un bruit de distribution gaussienne. La variance est estimée en mesurant le bruit des capteurs au repos et à partir d'hypothèses sur les mouvements effectués par l'avant-bras 22.Furthermore, by linearizing this formula, we can calculate the Kalman gain and consequently update the state and the covariance matrix. The update of the covariance matrix is based on the assumption that the errors due to the sensors and the approximations are modeled as Gaussian distribution noise. The variance is estimated by measuring the noise of the sensors at rest and from assumptions on the movements made by the forearm 22.
On obtient ainsi une première estimation de l’orientation du point de mesure à chaque instant d’échantillonnage tkde l’intervalle.We thus obtain a first estimate of the orientation of the measurement point at each sampling instant t k of the interval.
La sous-étape 1313 est suivie d’une sous-étape 1314 de détermination d’une orientation finale du point de mesure à un instant final tfde fin de l’intervalle.Substep 1313 is followed by a substep 1314 of determining a final orientation of the measurement point at a final time t f at the end of the interval.
Lors de cette sous-étape 1314, l’unité de traitement 34 détermine tout d’abord une orientation de référence du point de mesure à un instant de référence trlors duquel l’avant-bras 22 et donc le dispositif de mesure 20 est considéré immobile. Cette détermination est typiquement effectuée à partir des mesures d’accélération, l’accélération mesurée γ(tr) étant égale à l’opposé du champ gravitationnel :
dans laquelle :
Cette équation permet d’obtenir le roulis et le tangage à l’instant de référence tr, qui sont donnés par les formules suivantes :This equation allows us to obtain the roll and pitch at the reference instant t r , which are given by the following formulas:
dans lesquelles
L’angle de lacet ψ(tr), lui, est fixé de sorte à être égal à l’angle de lacet obtenu par intégration aval des mesures de vitesse de rotation depuis l’instant de départ t0jusqu’à l’instant de référence tr.The yaw angle ψ(t r ) is set so as to be equal to the yaw angle obtained by downstream integration of the rotation speed measurements from the starting time t 0 to the reference time t r .
De préférence, l’instant de référence trest égal à l’instant final tf ; l’orientation finale est alors égale à l’orientation de référence. En variante, l’instant de référence trest postérieur à l’instant final tf, l’orientation finale étant alors déduite de l’orientation de référence par intégration amont des mesures fournies par le gyromètre 40. Par « intégration amont », on entend ici et dans la suite que l’intégration est réalisée en temps négatif, avec une valeur initiale choisie dans le futur.Preferably, the reference time tris equal to the final time tf ; the final orientation is then equal to the reference orientation. Alternatively, the reference time tris after the final time tf, the final orientation then being deduced from the reference orientation by backward integration of the measurements provided by the gyrometer 40. By “backward integration” we mean here and hereinafter that the integration is carried out in negative time, with an initial value chosen in the future.
La sous-étape 1314 est suivie d’une sous-étape 1315 d’intégration amont de l’orientation mesurée sur la base de l’orientation finale.Substep 1314 is followed by a substep 1315 of upstream integration of the measured orientation on the basis of the final orientation.
Lors de cette sous-étape 1315, l’unité de traitement 34 produit une deuxième estimation Rbde l’orientation du point de mesure à chaque instant d’échantillonnage tkde l’intervalle par intégration des mesures de vitesse de rotation postérieures à l’instant tk, en prenant comme valeur initiale l’orientation finale à l’instant tf.During this sub-step 1315, the processing unit 34 produces a second estimate R b of the orientation of the measurement point at each sampling instant t k of the interval by integrating the rotation speed measurements subsequent to the instant t k , taking as initial value the final orientation at the instant t f .
De préférence, cette détermination comprend la mise en œuvre d’un filtre estimateur d’état linéaire (filtre Luenberger, filtre de Kalman, etc.) ou non-linéaire (filtre de Kalman étendu, observateur invariant, etc.). Dans la présente description, on décrit la mise en œuvre d’un filtre de Kalman étendu, mais l’homme du métier saura transposer à d’autres filtres.Preferably, this determination comprises the implementation of a linear state estimator filter (Luenberger filter, Kalman filter, etc.) or non-linear (extended Kalman filter, invariant observer, etc.). In the present description, the implementation of an extended Kalman filter is described, but those skilled in the art will be able to transpose to other filters.
Cette mise en œuvre est sensiblement identique à celle de l’étape d’intégration aval 1313 décrite ci-dessus, avec les différences suivantes :
- la formule utilisée dans l’étape de prédiction est la suivante :
- the formula used in the prediction step is:
dans laquelle tk+1est l’instant d’échantillonnage suivant immédiatement l’instant d’échantillonnage tk, et
- l’équation différentielle donnant la matrice
- the differential equation giving the matrix
En substance, ces différences peuvent se résumer ainsi : là où l’intégration aval utilise des estimations antérieures pour l’étape de prédiction du filtre de Kalman étendu, l’intégration amont utilise, elle, des estimations postérieures.In essence, these differences can be summarized as follows: while forward integration uses prior estimates for the prediction step of the extended Kalman filter, backward integration uses posterior estimates.
On obtient ainsi une deuxième estimation de l’orientation du point de mesure à chaque instant d’échantillonnage tkde l’intervalle.We thus obtain a second estimate of the orientation of the measurement point at each sampling instant t k of the interval.
La sous-étape 1310 se conclut par une sous-étape 1316 de fusion des intégrations amont et aval, lors de laquelle une estimation finale de l’orientation du point de mesure à chaque instant d’échantillonnage tkde l’intervalle est calculée par interpolation linéaro-sphérique des première et deuxième estimations :Sub-step 1310 concludes with a sub-step 1316 of merging the upstream and downstream integrations, during which a final estimate of the orientation of the measurement point at each sampling instant t k of the interval is calculated by linear-spherical interpolation of the first and second estimates:
où :
De retour à la
En référence à la
Lors de cette sous-étape 1322, l’unité de traitement 34 produit une première estimation Vfde la vitesse linéaire du point de mesure à chaque instant d’échantillonnage tkde l’intervalle par intégration des mesures d’accélération et de vitesse de rotation antérieures à l’instant tk, en prenant comme valeur initiale une vitesse initiale à l’instant ti. Cette vitesse initiale est égale à la vitesse linéaire du point de mesure à la fin d’une phase pour laquelle la vitesse linéaire a été déterminée durant l’étape 1200 et qui précède immédiatement l’intervalle.During this sub-step 1322, the processing unit 34 produces a first estimate V f of the linear speed of the measurement point at each sampling instant t k of the interval by integrating the acceleration and rotation speed measurements prior to the instant t k , taking as an initial value an initial speed at the instant t i . This initial speed is equal to the linear speed of the measurement point at the end of a phase for which the linear speed was determined during the step 1200 and which immediately precedes the interval.
La première estimation de la vitesse linéaire du point de mesure est estimée de manière itérative à chaque instant d’échantillonnage tk, en partant du plus ancien, au moyen de la formule suivante :The first estimate of the linear velocity of the measurement point is estimated iteratively at each sampling time t k , starting from the oldest, using the following formula:
dans laquelle
où :
On obtient ainsi une première estimation de la vitesse linéaire du point de mesure durant l’intervalle.This gives a first estimate of the linear speed of the measuring point during the interval.
La sous-étape 1322 est suivie d’une sous-étape 1324 d’intégration amont des paramètres de déplacement sur la base de la vitesse linéaire à la fin de l’intervalle.Substep 1322 is followed by a substep 1324 of backward integration of the displacement parameters based on the linear speed at the end of the interval.
Lors de cette sous-étape 1324, l’unité de traitement 34 produit une deuxième estimation Vbde la vitesse linéaire du point de mesure à chaque instant d’échantillonnage tkde l’intervalle par intégration des mesures d’accélération et de vitesse de rotation postérieures à l’instant tk, en prenant comme valeur initiale une vitesse finale à l’instant tf. Cette vitesse finale est égale à la vitesse linéaire du point de mesure au début d’une phase pour laquelle la vitesse linéaire a été déterminée durant l’étape 1200 et qui succède immédiatement l’intervalle.During this sub-step 1324, the processing unit 34 produces a second estimate V b of the linear speed of the measurement point at each sampling time t k of the interval by integrating the acceleration and rotation speed measurements subsequent to the time t k , taking as an initial value a final speed at the time t f . This final speed is equal to the linear speed of the measurement point at the start of a phase for which the linear speed was determined during the step 1200 and which immediately follows the interval.
La deuxième estimation de la vitesse linéaire du point de mesure est estimée de manière itérative à chaque instant d’échantillonnage tk, en partant du plus récent, au moyen de la formule suivante :The second estimate of the linear velocity of the measurement point is estimated iteratively at each sampling time t k , starting from the most recent, using the following formula:
dans laquelle
où :
On obtient ainsi une deuxième estimation de la vitesse linéaire du point de mesure durant l’intervalle.This gives a second estimate of the linear speed of the measurement point during the interval.
La sous-étape 1320 se conclut par une sous-étape 1326 de fusion des intégrations amont et aval, lors de laquelle une estimation finale de la vitesse linéaire du point de mesure à chaque instant d’échantillonnage tkde l’intervalle est calculée par interpolation linéaire des première et deuxième estimations :Substep 1320 concludes with a substep 1326 of merging the upstream and downstream integrations, during which a final estimate of the linear speed of the measurement point at each sampling time t k of the interval is calculated by linear interpolation of the first and second estimates:
où :
On obtient ainsi une estimation de l’évolution de l’orientation et une estimation de l’évolution de la vitesse linéaire du point de mesure durant l’intervalle.This gives an estimate of the change in orientation and an estimate of the change in linear speed of the measurement point during the interval.
De retour à la
Ce référentiel inertiel de calcul est par exemple le même que le référentiel inertiel (Ri) utilisé pour l’estimation de l’orientation et de la vitesse linéaire. En variante, ce référentiel inertiel de calcul est tout autre référentiel inertiel et de préférence un référentiel ayant :
- un premier axe Z confondu avec la verticale,
- un deuxième axe X, horizontal, orienté suivant la direction dans laquelle pointait l’axe du repère mobile (Rm) colinéaire à l’avant-bras 22 lorsque ledit axe a présenté l’orientation la plus horizontale de l’intervalle, et
- un troisième axe Y, horizontal, formant avec les premier et deuxième axes un repère orthogonal X, Y, Z direct.
- a first Z axis coincident with the vertical,
- a second X axis, horizontal, oriented in the direction in which the axis of the mobile reference frame (R m ) collinear with the forearm 22 pointed when said axis presented the most horizontal orientation of the interval, and
- a third Y axis, horizontal, forming with the first and second axes a direct orthogonal X, Y, Z reference frame.
Les orientations R(tk) et les vitesses
La sous-étape 1330 est elle-même suivie d’une sous-étape 1340 de calcul de trajectoires candidates pour le centre de gravité de l’avant-bras 22.Sub-step 1330 is itself followed by a sub-step 1340 of calculating candidate trajectories for the center of gravity of the forearm 22.
Ce calcul est basé sur un modèle biomécanique 100 du membre supérieur 12, représenté sur la
Comme visible sur cette Figure, le modèle biomécanique 100 comprend un premier segment 102 présentant une extrémité libre 104. Il comprend également un deuxième segment 106 articulé par une première 108 de ses extrémités 108, 110, via une première liaison rotule 112, à une extrémité proximale 114 du premier segment 102 opposée à l’extrémité libre 104, et articulé par sa deuxième extrémité 110, via une deuxième liaison rotule 1116, à un point fixe.As visible in this Figure, the biomechanical model 100 comprises a first segment 102 having a free end 104. It also comprises a second segment 106 articulated by a first 108 of its ends 108, 110, via a first ball joint 112, to a proximal end 114 of the first segment 102 opposite the free end 104, and articulated by its second end 110, via a second ball joint 1116, to a fixed point.
Le premier segment 102 modélise l’avant-bras 22 du membre supérieur 12. Il est constitué par un cylindre ayant un rayonret une longueurlégale à la distance entre le dispositif de mesure 20 et le coude 28. Il forme avec la verticale Z un premier angle primaire α modélisant un angle de l’avant-bras 22 avec la verticale, et avec le plan (X, Z) un premier angle secondaire ζ (non représenté) modélisant un angle de l’avant-bras 22 avec ledit plan.The first segment 102 models the forearm 22 of the upper limb 12. It is constituted by a cylinder having a radius r and a length l equal to the distance between the measuring device 20 and the elbow 28. It forms with the vertical Z a first primary angle α modeling an angle of the forearm 22 with the vertical, and with the plane (X, Z) a first secondary angle ζ (not shown) modeling an angle of the forearm 22 with said plane.
Le deuxième segment 106 modélise le bras 25 du membre supérieur 12. Il est constitué par un cylindre ayant une longueur L égale à la longueur dudit bras 25. Il forme avec la verticale un deuxième angle primaire β modélisant un angle du bras 25 avec la verticale, et avec le plan (X, Z) un deuxième angle secondaire η (non représenté) modélisant un angle du bras 25 avec ledit plan.The second segment 106 models the arm 25 of the upper limb 12. It is constituted by a cylinder having a length L equal to the length of said arm 25. It forms with the vertical a second primary angle β modeling an angle of the arm 25 with the vertical, and with the plane (X, Z) a second secondary angle η (not shown) modeling an angle of the arm 25 with said plane.
Chacun des segments 102, 106 est rigide, c’est-à-dire qu’il n’est pas incurvable. De préférence, au moins un des segments 102, 106 est extensible. Si les deux segments 102, 106 sont extensibles, ces extensions sont avantageusement contraintes de sorte à être égales l’une à l’autre.Each of the segments 102, 106 is rigid, i.e. it is not bendable. Preferably, at least one of the segments 102, 106 is extensible. If both segments 102, 106 are extensible, these extensions are advantageously constrained so as to be equal to each other.
Le centre de gravité CGde l’avant-bras 22 est placé sur le premier segment 102, à une distance de l’articulation 112 sensiblement égale à la demi-longueur de l’avant-bras 22.The center of gravity C G of the forearm 22 is placed on the first segment 102, at a distance from the joint 112 substantially equal to half the length of the forearm 22.
Le modèle biomécanique 100 a ainsi une pluralité de configurations possibles, chacune définie par les valeurs des premiers angles primaire α et secondaire ζ et les valeurs des deuxièmes angles primaire β et secondaire η.The biomechanical model 100 thus has a plurality of possible configurations, each defined by the values of the first primary α and secondary ζ angles and the values of the second primary β and secondary η angles.
Lors de la sous-étape 1340, une trajectoire candidate est calculée pour chacune d’une pluralité de paires de configurations de départ et d’arrivée 130, 132 du modèle biomécanique 100, représentées sur la
En référence à la
Lors de la sous-étape 1342, le premier angle primaire au départ αiest déduit de l’orientation du point de mesure à l’instant initial ti, au moyen de la formule suivante :In sub-step 1342, the first primary angle at the start α i is deduced from the orientation of the measurement point at the initial time t i , using the following formula:
dans laquelle
où Rt(ti) est la transposée de la matrice de rotation à l’instant initial tiet
Lors de la sous-étape 1344, le premier angle primaire à l’arrivée αfest déduit de l’orientation du point de mesure à l’instant final tf, au moyen de la formule suivante :In substep 1344, the first primary angle on arrival α f is deduced from the orientation of the measuring point at the final time t f , using the following formula:
dans laquelle
où Rt(tf) est la transposée de la matrice de rotation à l’instant final tfet
Ces sous-étapes 1342, 1344 sont représentées comme étant mises en œuvre l’une à la suite de l’autre. En variante, elles sont mises en œuvre parallèlement l’une à l’autre.These sub-steps 1342, 1344 are shown as being implemented one after the other. Alternatively, they are implemented in parallel with each other.
Les sous-étapes 1342, 1344 sont suivies d’une sous-étape 1346 de calcul d’un déplacement du coude 28. En variante, elles sont mises en œuvre parallèlement à cette sous-étape 1346.Sub-steps 1342, 1344 are followed by a sub-step 1346 of calculating a displacement of the elbow 28. Alternatively, they are implemented in parallel with this sub-step 1346.
Lors de la sous-étape 1346, l’unité de traitement 34 calcule un déplacement
où
La sous-étape 1340 comprend encore, suite à la sous-étape 1342, une sous-étape 1348 de détermination d’une plage de valeurs de départ du deuxième angle primaire β compatibles avec la valeur au départ αidu premier angle primaire α.Sub-step 1340 also comprises, following sub-step 1342, a sub-step 1348 for determining a range of starting values of the second primary angle β compatible with the starting value α i of the first primary angle α.
De préférence, cette sous-étape 1348 comprend :
- la comparaison de la norme du déplacement
- la comparaison avec la valeur 1 de la différence entre le cosinus de la valeur au départ αidu premier angle primaire α et le rapport de la norme du déplacement
- the comparison of the displacement norm
- the comparison with the value 1 of the difference between the cosine of the initial value α i of the first primary angle α and the ratio of the displacement norm
On a alors différents cas de figure :
- si a norme du déplacement
- si la norme du déplacement
- if the displacement standard
- if the displacement standard
En variante, la sous-étape 1348 comprend une seule de ces comparaisons, le choix de la plage [0, αi] ou [0, αi+δ] dépendant alors du résultat de cette seule comparaison. En variante encore, la sous-étape 1348 ne comprend aucune comparaison et la plage de valeurs de départ compatibles est directement déterminée comme étant égale à la plage [0, αi].Alternatively, substep 1348 comprises only one of these comparisons, the choice of the range [0, α i ] or [0, α i + δ] then depending on the result of this single comparison. Alternatively, substep 1348 does not comprise any comparison and the range of compatible starting values is directly determined as being equal to the range [0, α i ].
La sous-étape 1348 est suivie d’une sous-étape 1350 de construction d’une configuration de départ du modèle biomécanique 100.Substep 1348 is followed by a substep 1350 of constructing a starting configuration of the biomechanical model 100.
Cette sous-étape 1350 comprend la sélection 1352 d’une valeur de départ βidu deuxième angle primaire β à l’intérieur de la plage de valeurs de départ compatibles.This sub-step 1350 comprises the selection 1352 of a starting value β i of the second primary angle β within the range of compatible starting values.
Pour construire la configuration de départ du modèle biomécanique 100, il est ainsi attribué au premier angle primaire α la valeur de départ αiet au deuxième angle primaire β la valeur de départ βi.To construct the starting configuration of the biomechanical model 100, the first primary angle α is thus assigned the starting value α i and the second primary angle β is assigned the starting value β i .
La sous-étape 1350 est suivie d’une sous-étape 1354 d’intégration aval de la vitesse linéaire estimée V sur la base de la configuration de départ.Substep 1350 is followed by a substep 1354 of downstream integration of the estimated linear speed V on the basis of the initial configuration.
Lors de cette sous-étape 1354, l’unité de traitement 34 produit une première estimation Pf(tk) de la position du point de mesure à chaque instant d’échantillonnage tkde l’intervalle par intégration des estimations de la vitesse linéaire V du point de mesure antérieures à l’instant tk, en prenant comme valeur initiale une position initiale Pidu point de mesure à l’instant ti. Cette position initiale est donnée par la formule suivante :During this sub-step 1354, the processing unit 34 produces a first estimate P f (t k ) of the position of the measurement point at each sampling instant t k of the interval by integrating the estimates of the linear speed V of the measurement point prior to the instant t k , taking as initial value an initial position P i of the measurement point at the instant t i . This initial position is given by the following formula:
dans laquelle :
- L est la longueur du bras 25,
- l est la distance entre le dispositif de mesure 20 et le coude 28,
-
- Qiest une matrice de rotation correspondant à une rotation autour de l’axe vertical Z convertissant le vecteur unitaire
- L is the length of the arm 25,
- l is the distance between the measuring device 20 and the elbow 28,
-
- Q i is a rotation matrix corresponding to a rotation around the vertical Z axis converting the unit vector
La première estimation de la position du point de mesure est estimée à chaque instant d’échantillonnage tkau moyen de la formule suivante :The first estimate of the position of the measuring point is estimated at each sampling time t k using the following formula:
On obtient ainsi une première estimation de la trajectoire du point de mesure durant l’intervalle.This gives us a first estimate of the trajectory of the measurement point during the interval.
Parallèlement à cette sous-étape 1354, la sous-étape 1340 comprend une sous-étape 1355 de détermination d’une plage de valeurs d’arrivée du deuxième angle primaire β compatibles avec la valeur de départ βidudit angle β et/ou avec la valeur d’arrivée αfdu premier angle primaire α.In parallel with this sub-step 1354, the sub-step 1340 comprises a sub-step 1355 of determining a range of arrival values of the second primary angle β compatible with the starting value β i of said angle β and/or with the arrival value α f of the first primary angle α.
De préférence, cette sous-étape 1355 comprend :
- la comparaison de la norme du déplacement
- la comparaison avec la valeur 1 de la somme entre le cosinus de la valeur à l’arrivée αfdu premier angle primaire α et le rapport de la norme du déplacement
- the comparison of the displacement norm
- the comparison with the value 1 of the sum between the cosine of the arrival value α f of the first primary angle α and the ratio of the displacement norm
On a alors différents cas de figure :
- si la norme du déplacement
- if the displacement standard
-
si la norme du déplacement
En variante, la sous-étape 1355 comprend une seule de ces comparaisons, le choix de l’intervalle angulaire centré sur l’angle βtou de la plage [0, αi+ε] dépendant alors du résultat de cette seule comparaison. En variante encore, la sous-étape 1355 ne comprend aucune comparaison et la plage de valeurs de départ compatibles est directement déterminée comme étant égale à l’intervalle angulaire centré sur l’angle βt.Alternatively, substep 1355 comprises only one of these comparisons, the choice of the angular interval centered on the angle β t or the range [0, α i + ε] then depending on the result of this single comparison. Alternatively again, substep 1355 does not comprise any comparison and the range of compatible starting values is directly determined as being equal to the angular interval centered on the angle β t .
La sous-étape 1355 est suivie d’une sous-étape 1356 de construction d’une configuration d’arrivée du modèle biomécanique 100.Substep 1355 is followed by a substep 1356 of constructing an arrival configuration of the biomechanical model 100.
Cette sous-étape 1356 comprend la sélection 1357 d’une valeur d’arrivée βfdu deuxième angle primaire β à l’intérieur de la plage de valeurs d’arrivée compatibles.This substep 1356 comprises the selection 1357 of an arrival value β f of the second primary angle β within the range of compatible arrival values.
Pour construire la configuration d’arrivée du modèle biomécanique 100, il est ainsi attribué au premier angle primaire α la valeur d’arrivée αfet au deuxième angle primaire β la valeur d’arrivée βf.To construct the arrival configuration of the biomechanical model 100, the arrival value α f is thus assigned to the first primary angle α and the arrival value β f is assigned to the second primary angle β.
La sous-étape 1356 est suivie d’une sous-étape 1358 d’intégration amont de la vitesse linéaire estimée V sur la base de la configuration d’arrivée.Substep 1356 is followed by a substep 1358 of upstream integration of the estimated linear speed V on the basis of the arrival configuration.
Lors de cette sous-étape 1358, l’unité de traitement 34 produit une deuxième estimation Pb(tk) de la position du point de mesure à chaque instant d’échantillonnage tkde l’intervalle par intégration des estimations de la vitesse linéaire V du point de mesure postérieures à l’instant tk, en prenant comme valeur initiale une position finale Pfdu point de mesure à l’instant final tf. Cette position initiale est donnée par la formule suivante :During this sub-step 1358, the processing unit 34 produces a second estimate P b (t k ) of the position of the measurement point at each sampling instant t k of the interval by integrating the estimates of the linear speed V of the measurement point subsequent to the instant t k , taking as initial value a final position P f of the measurement point at the final instant t f . This initial position is given by the following formula:
dans laquelle :
- L est la longueur du bras 25,
- l est la distance entre le dispositif de mesure 20 et le coude 28,
-
- Qfest une matrice de rotation correspondant à une rotation autour de l’axe vertical Z convertissant le vecteur unitaire
- L is the length of the arm 25,
- l is the distance between the measuring device 20 and the elbow 28,
-
- Q f is a rotation matrix corresponding to a rotation around the vertical Z axis converting the unit vector
La deuxième estimation de la position du point de mesure est estimée à chaque instant d’échantillonnage tkau moyen de la formule suivante :The second estimate of the position of the measuring point is estimated at each sampling time t k using the following formula:
On obtient ainsi une deuxième estimation de la trajectoire du point de mesure durant l’intervalle.This gives a second estimate of the trajectory of the measurement point during the interval.
La sous-étape 1340 se conclut par une sous-étape 1359 de fusion des intégrations amont et aval, lors de laquelle une estimation finale de la position du point de mesure à chaque instant d’échantillonnage tkde l’intervalle est calculée par interpolation linéaire des première et deuxième estimations :Sub-step 1340 concludes with a sub-step 1359 of merging the upstream and downstream integrations, during which a final estimate of the position of the measurement point at each sampling instant t k of the interval is calculated by linear interpolation of the first and second estimates:
où :
On obtient ainsi une estimation finale de la trajectoire du point de mesure durant l’intervalle pour la paire de configurations de départ et d’arrivée.This gives a final estimate of the trajectory of the measurement point during the interval for the pair of departure and arrival configurations.
De cette estimation finale de la trajectoire du point de mesure, l’unité de traitement 34 déduit aisément une trajectoire candidate du centre de gravité CG, cette trajectoire étant composée d’un ensemble de positions candidates aux instant tkdéduites des estimations finales des positions du point de mesure au moyen de la formule suivante :From this final estimate of the trajectory of the measurement point, the processing unit 34 easily deduces a candidate trajectory of the center of gravity C G , this trajectory being composed of a set of candidate positions at time t k deduced from the final estimates of the positions of the measurement point by means of the following formula:
dans laquelle d est la distance du centre de gravité CGau point de mesure et
où Rt(tk) est la transposée de la matrice de rotation à l’instant d’échantillonnage tket
Les sous-étapes 1356, 1358 et 1359 sont répétées pour chaque valeur d’arrivée βfcomprise dans la plage de valeurs compatibles déterminée lors de la sous-étape 1355 et les sous-étapes 1350, 1354, 1355, 1356, 1358 et 1359 sont répétées pour chaque valeur de départ βicomprise dans la plage de valeurs compatibles déterminée lors de la sous-étape 1348. On notera que, par « chaque valeur comprise dans la plage », on entend un ensemble de valeurs discrètes espacées les unes des autres d’un pas prédéterminé, par exemple sensiblement égal à 0,1°.Substeps 1356, 1358 and 1359 are repeated for each arrival value β f included in the range of compatible values determined during substep 1355 and substeps 1350, 1354, 1355, 1356, 1358 and 1359 are repeated for each departure value β i included in the range of compatible values determined during substep 1348. It will be noted that, by “each value included in the range”, is meant a set of discrete values spaced from each other by a predetermined step, for example substantially equal to 0.1°.
Ainsi, pour chaque valeur de départ βicomprise dans la plage de valeurs compatibles déterminée lors de la sous-étape 1348 et pour chaque valeur d’arrivée βfcomprise dans la plage de valeurs compatibles déterminée lors de la sous-étape 1355, il existe une paire de configurations de départ et d’arrivée pour laquelle une trajectoire candidate du centre de gravité CGest calculée.Thus, for each starting value β i included in the range of compatible values determined during substep 1348 and for each arrival value β f included in the range of compatible values determined during substep 1355, there exists a pair of starting and arrival configurations for which a candidate trajectory of the center of gravity C G is calculated.
De retour à la
Lors de cette sous-étape 1360, l’unité de traitement 34 évalue une compatibilité de chaque trajectoire candidate avec le modèle biomécanique 100. Cette compatibilité est typiquement évaluée au moyen d’une fonction de coût qui est fonction des déformations que le suivi de la trajectoire candidate impose au modèle biomécanique 100. Typiquement, la compatibilité est inversement proportionnelle au résultat de la fonction de coût : par exemple, dans le cas où le segment 106 (qui correspond au bras 25) est extensible, la fonction de coût peut être la différence entre le maximum d’extension du segment 106 et la longueur L, la compatibilité étant inversement proportionnelle à ladite différence. En variante, la fonction de coût est ainsi construite que la compatibilité augmente avec le résultat de la fonction de coût.During this sub-step 1360, the processing unit 34 evaluates a compatibility of each candidate trajectory with the biomechanical model 100. This compatibility is typically evaluated by means of a cost function which is a function of the deformations that the tracking of the candidate trajectory imposes on the biomechanical model 100. Typically, the compatibility is inversely proportional to the result of the cost function: for example, in the case where the segment 106 (which corresponds to the arm 25) is extensible, the cost function can be the difference between the maximum extension of the segment 106 and the length L, the compatibility being inversely proportional to said difference. Alternatively, the cost function is constructed in such a way that the compatibility increases with the result of the cost function.
La sous-étape 1360 est suivie d’une sous-étape 1365 de sélection de la trajectoire candidate présentant la meilleure compatibilité.Substep 1360 is followed by a substep 1365 of selecting the candidate trajectory presenting the best compatibility.
Lors de cette sous-étape 1365, l’unité de traitement 34 sélectionne la trajectoire candidate dont le résultat de la fonction de coût traduit la meilleure compatibilité, c’est-à-dire dont le résultat est le plus faible (lorsque la compatibilité est inversement proportionnelle au résultat de la fonction de coût) ou le plus élevé (lorsque la compatibilité augmente avec le résultat de la fonction de coût).During this sub-step 1365, the processing unit 34 selects the candidate trajectory whose result of the cost function reflects the best compatibility, that is to say whose result is the lowest (when the compatibility is inversely proportional to the result of the cost function) or the highest (when the compatibility increases with the result of the cost function).
La sous-étape 1365 est suivie d’une sous-étape 1370 de vérification du caractère acceptable de la compatibilité de la trajectoire sélectionnée.Substep 1365 is followed by a substep 1370 of verifying the acceptable nature of the compatibility of the selected trajectory.
Lors de cette sous-étape 1370, l’unité de traitement 34 compare le résultat de la fonction de coût de la trajectoire sélectionnée avec un seuil prédéterminé, ledit seuil étant choisi de telle façon que la comparaison du résultat de la fonction de coût de la trajectoire sélectionnée avec ledit seuil traduise le caractère acceptable ou non de la compatibilité de la trajectoire sélectionnée. Typiquement, ledit seuil est choisi de sorte que la compatibilité de la trajectoire sélectionnée soit considérée comme acceptable si et seulement si le résultat de la fonction de coût est inférieur au seuil (lorsque la compatibilité est inversement proportionnelle au résultat de la fonction de coût) ou supérieur au seuil (lorsque la compatibilité augmente avec le résultat de la fonction de coût).In this sub-step 1370, the processing unit 34 compares the result of the cost function of the selected trajectory with a predetermined threshold, said threshold being chosen such that the comparison of the result of the cost function of the selected trajectory with said threshold reflects the acceptable or unacceptable nature of the compatibility of the selected trajectory. Typically, said threshold is chosen such that the compatibility of the selected trajectory is considered acceptable if and only if the result of the cost function is lower than the threshold (when the compatibility is inversely proportional to the result of the cost function) or higher than the threshold (when the compatibility increases with the result of the cost function).
Pour chaque intervalle, que nous appellerons dans la suite « intervalle primaire », pour lequel la compatibilité de la trajectoire sélectionnée est acceptable, la sous-étape 1370 est suivie d’une sous-étape 1372 de validation de la trajectoire sélectionnée. La trajectoire sélectionnée constitue dès lors une estimation validée de la trajectoire du centre de gravité CGdurant ledit intervalle primaire.For each interval, which we will call in the following "primary interval", for which the compatibility of the selected trajectory is acceptable, the sub-step 1370 is followed by a sub-step 1372 of validation of the selected trajectory. The selected trajectory therefore constitutes a validated estimate of the trajectory of the center of gravity C G during said primary interval.
La sous-étape 1372 est suivie d’une sous-étape 1374 de déduction d’une composante rotationnelle de l’énergie cinétique de l’avant-bras 22 durant l’intervalle primaire.Substep 1372 is followed by a substep 1374 of deducing a rotational component of the kinetic energy of the forearm 22 during the primary interval.
Lors de cette sous-étape 1374, l’unité de traitement 34 déduit des mesures de vitesse de rotation durant l’intervalle primaire une composante rotationnelle Ek,rd’une énergie cinétique massique acquise par l’avant-bras 22 durant l’intervalle primaire. Cette composante rotationnelle est typiquement obtenue au moyen de la formule suivante :During this sub-step 1374, the processing unit 34 deduces from the rotational speed measurements during the primary interval a rotational component E k,r of a mass kinetic energy acquired by the forearm 22 during the primary interval. This rotational component is typically obtained by means of the following formula:
dans laquelle :
La sous-étape 1374 est suivie d’une sous-étape 1376 d’évaluation d’un effort primaire Wpexercé par le membre supérieur 12 durant l’intervalle primaire.Substep 1374 is followed by a substep 1376 of evaluating a primary force W p exerted by the upper limb 12 during the primary interval.
Lors de cette étape l’unité de traitement 34 évalue ledit effort primaire Wpà partir de la trajectoire et de l’évolution de vitesse linéaire estimées, typiquement au moyen de la formule suivante :During this step, the processing unit 34 evaluates said primary force W p from the estimated trajectory and linear speed evolution, typically using the following formula:
dans laquelle :
- Ek,rest la composante rotationnelle de l’énergie cinétique massique acquise par l’avant-bras 22 durant l’intervalle primaire mentionnée plus haut,
- Ek,test une composante translationnelle de l’énergie cinétique massique acquise par l’avant-bras 22 durant l’intervalle primaire, donnée par la formule suivante :
- E k,r is the rotational component of the mass kinetic energy acquired by the forearm 22 during the primary interval mentioned above,
- E k,t is a translational component of the mass kinetic energy acquired by the forearm 22 during the primary interval, given by the following formula:
dans laquelle :
-
-
- Epest une énergie potentielle massique acquise par l’avant-bras 22 durant l’intervalle primaire, donnée par la formule suivante :
-
-
- E p is a mass potential energy acquired by the forearm 22 during the primary interval, given by the following formula:
dans laquelle :
- g est la norme du champ gravitationnel
- z(tf) est la coordonnée verticale du centre de gravité CGà la fin de l’intervalle primaire, et
- z(ti) est la coordonnée verticale du centre de gravité CGau début de l’intervalle primaire.
- g is the norm of the gravitational field
- z(t f ) is the vertical coordinate of the center of gravity C G at the end of the primary interval, and
- z(t i ) is the vertical coordinate of the center of gravity C G at the beginning of the primary interval.
La sous-étape 1376 est encore suivie d’une sous-étape 1378 de détermination d’une relationfentre effort primaire Wpet composante rotationnelle Ek,rde l’énergie cinétique acquise par l’avant-bras 22 durant chaque intervalle primaire. Cette relationfest typiquement déterminée par régression, de préférence une régression linéaire, sur l’ensemble des couples (effort primaire Wp, composante rotationnelle de l’énergie cinétique Ek,r) obtenus pour les différents intervalles primaires.Substep 1376 is further followed by a substep 1378 of determining a relationship f between primary force W p and rotational component E k,r of the kinetic energy acquired by the forearm 22 during each primary interval. This relationship f is typically determined by regression, preferably a linear regression, on all the couples (primary force W p , rotational component of the kinetic energy E k,r ) obtained for the different primary intervals.
Pour chaque intervalle, que nous appellerons dans la suite « intervalle secondaire », pour lequel la compatibilité de la trajectoire sélectionnée n’est pas acceptable, la sous-étape 1370 est suivie d’une sous-étape 1382 de rejet des trajectoires candidates. Aucune des trajectoires candidates n’est alors considérée comme une estimation valide de la trajectoire du centre de gravité CGdurant ledit intervalle secondaire.For each interval, which we will call in the following "secondary interval", for which the compatibility of the selected trajectory is not acceptable, the sub-step 1370 is followed by a sub-step 1382 of rejection of the candidate trajectories. None of the candidate trajectories is then considered as a valid estimate of the trajectory of the center of gravity C G during said secondary interval.
La sous-étape 1382 est suivie d’une sous-étape 1384 de déduction d’une composante rotationnelle de l’énergie cinétique de l’avant-bras 22 durant l’intervalle secondaire.Substep 1382 is followed by a substep 1384 of deducing a rotational component of the kinetic energy of the forearm 22 during the secondary interval.
Lors de cette sous-étape 1384, l’unité de traitement 34 déduit des mesures de vitesse de rotation durant l’intervalle secondaire une composante rotationnelle Ek,rde l’énergie cinétique acquise par l’avant-bras 22 durant l’intervalle secondaire. Cette composante rotationnelle est typiquement obtenue au moyen de la formule déjà évoquée pour l’étape 1374.During this sub-step 1384, the processing unit 34 deduces from the rotation speed measurements during the secondary interval a rotational component E k,r of the kinetic energy acquired by the forearm 22 during the secondary interval. This rotational component is typically obtained by means of the formula already mentioned for step 1374.
La sous-étape 1384 est suivie d’une sous-étape 1386 d’évaluation d’un effort secondaire Wsexercé par le membre supérieur 12 durant l’intervalle secondaire.Substep 1384 is followed by a substep 1386 of evaluating a secondary force W s exerted by the upper limb 12 during the secondary interval.
Lors de cette étape l’unité de traitement 34 évalue ledit effort primaire Wsà partir de la composante rotationnelle Ek,rde l’énergie cinétique acquise par l’avant-bras 22 durant l’intervalle secondaire et de la relationfentre effort primaire Wpet composante rotationnelle Ek,rde l’énergie cinétique acquise par l’avant-bras 22 déterminée lors de la sous-étape 1378. Typiquement, l’unité de traitement 34 évalue l’effort primaire Wsau moyen de la formule suivante :During this step, the processing unit 34 evaluates said primary force W s from the rotational component E k,r of the kinetic energy acquired by the forearm 22 during the secondary interval and from the relationship f between primary force W p and rotational component E k,r of the kinetic energy acquired by the forearm 22 determined during sub-step 1378. Typically, the processing unit 34 evaluates the primary force W s by means of the following formula:
L’étape 1300 est répétée pour chaque intervalle temporel de la période d’intérêt durant lequel la vitesse linéaire du point de mesure n’est pas a priori connue et qui est compris entre deux phases pour lesquelles la vitesse linéaire du point de mesure a été déterminée lors de l’étape 1200.Step 1300 is repeated for each time interval of the period of interest during which the linear speed of the measurement point is not a priori known and which is between two phases for which the linear speed of the measurement point was determined during step 1200.
Les étapes 1200 et 1300 sont répétées pour chaque période d’intérêt comprise dans une période prédéterminée. Cette période prédéterminée a typiquement une durée supérieure à une semaine et, avantageusement, inférieure à trois mois.Steps 1200 and 1300 are repeated for each period of interest included in a predetermined period. This predetermined period typically has a duration greater than one week and, advantageously, less than three months.
Suite à cette répétition des étapes 1200, 1300, le procédé 1000 comprend une étape 1400 de détermination de la valeur d’une grandeur statistique, calculée sur l’ensemble formé par les efforts primaires Wpet/ou secondaires Wsévalués pour les divers intervalles temporels compris dans la période prédéterminée, représentative d’un état de forme de la personne 14 sur ladite période prédéterminée.Following this repetition of steps 1200, 1300, the method 1000 comprises a step 1400 of determining the value of a statistical quantity, calculated on the set formed by the primary efforts W p and/or secondary efforts W s evaluated for the various time intervals included in the predetermined period, representative of a state of form of the person 14 over said predetermined period.
Lors de cette étape 1400, l’unité de traitement 34 réalise un calcul statistique sur l’ensemble formé par les efforts primaires Wpet/ou secondaires Wsévalués pour les divers intervalles temporels compris dans la période prédéterminée. Typiquement, l’unité de traitement 34 calcule une moyenne et/ou un percentile de ces efforts, par rapport à l'ensemble des efforts évalués pour la période prédéterminée. Par exemple, l’unité de traitement 34 calcule le 50epercentile, qui correspond à la médiane, le 80epercentile, le 95epercentile, le 99epercentile, ou toute autre valeur de percentile des efforts évalués pour la période prédéterminée.During this step 1400, the processing unit 34 performs a statistical calculation on the set formed by the primary efforts W p and/or secondary efforts W s evaluated for the various time intervals included in the predetermined period. Typically, the processing unit 34 calculates an average and/or a percentile of these efforts, relative to all of the efforts evaluated for the predetermined period. For example, the processing unit 34 calculates the 50th percentile, which corresponds to the median, the 80th percentile, the 95th percentile, the 99th percentile, or any other percentile value of the efforts evaluated for the predetermined period.
De préférence, l’unité de traitement 34 sélectionne la grandeur statistique dans une gamme de percentiles prédéterminée, en particulier une gamme de percentiles élevée, c’est-à-dire de percentiles supérieurs au 70epercentile. En effet, ces percentiles élevés sont représentatifs de l'effort maximal et de la puissance musculaire maximale que la personne 14 est capable de développer, car ils reflètent les mouvements les plus rapides et/ou les plus longs d’un individu, la vitesse et la durée des mouvements des membres supérieurs étant contraintes par l’état de force musculaire. Ces percentiles élevés sont donc particulièrement sensibles à l’état de forme de la personne 14.Preferably, the processing unit 34 selects the statistical quantity from a predetermined percentile range, in particular a high percentile range, i.e. percentiles greater than the 70th percentile. Indeed, these high percentiles are representative of the maximum effort and the maximum muscular power that the person 14 is capable of developing, because they reflect the fastest and/or longest movements of an individual, the speed and duration of the movements of the upper limbs being constrained by the state of muscular strength. These high percentiles are therefore particularly sensitive to the state of fitness of the person 14.
Avantageusement, la grandeur statistique est constituée par le 99epercentile des efforts évalués pour la période prédéterminée.Advantageously, the statistical quantity is constituted by the 99th percentile of the efforts evaluated for the predetermined period.
En option, l’étape 1400 comprend la sélection d’au moins une autre grandeur statistique représentative d’un état de forme de la personne 14 sur la période prédéterminée.Optionally, step 1400 comprises the selection of at least one other statistical quantity representative of a state of fitness of the person 14 over the predetermined period.
Les étapes 1002 à 1400 sont répétées pour plusieurs périodes prédéterminées. L’unité de traitement 34 produit ainsi un ensemble de valeurs de la grandeur statistique représentative de l’état de forme de la personne 14 sur plusieurs périodes prédéterminées.Steps 1002 to 1400 are repeated for several predetermined periods. The processing unit 34 thus produces a set of values of the statistical quantity representative of the fitness state of the person 14 over several predetermined periods.
Suite à cette répétition des étapes 1002 à 1400, le procédé 1000 comprend une étape 1500 d’observation de l’évolution de la grandeur statistique à travers les différentes périodes prédéterminées. L’état de forme de la personne 14 peut ainsi être suivi.Following this repetition of steps 1002 to 1400, the method 1000 comprises a step 1500 of observing the evolution of the statistical quantity across the different predetermined periods. The fitness level of the person 14 can thus be monitored.
Avantageusement, ce suivi de l’état de forme de la personne 14 est utilisé pour déterminer l’efficacité d’un traitement administré à la personne 14.Advantageously, this monitoring of the fitness level of the person 14 is used to determine the effectiveness of a treatment administered to the person 14.
Grâce à l’exemple de réalisation décrit ci-dessus, il est ainsi possible de suivre au cours du temps la forme physique d’un individu ne pouvant pas se servir de ses membres inférieurs, avec peu de contraintes pour l’individu. Ce suivi est en particulier rendu possible en milieu non contrôlé et sur de longues périodes, ce qui permet d’avoir un suivi fidèle de l’état de forme réel de l’individu.Thanks to the example of implementation described above, it is thus possible to monitor over time the physical fitness of an individual who cannot use his lower limbs, with few constraints for the individual. This monitoring is particularly made possible in an uncontrolled environment and over long periods, which allows for faithful monitoring of the individual's actual fitness level.
L’exemple de réalisation permet également une bonne estimation, en milieu non-contrôlé et sur une longue durée, des efforts physiques réalisés par un membre supérieur d’une personne pour des mouvements variés. Il permet encore d’améliorer la qualité des estimations, notamment de vitesse linéaire et de position, déduites des mesures d’un dispositif inertiel, en particulier lorsque ce dispositif inertiel est attaché à un membre d’un individu.The embodiment also allows a good estimation, in an uncontrolled environment and over a long period, of the physical efforts made by an upper limb of a person for various movements. It further allows the quality of the estimations to be improved, in particular of linear speed and position, deduced from the measurements of an inertial device, in particular when this inertial device is attached to a limb of an individual.
On notera que, bien que la description ci-dessus se concentre sur un exemple de réalisation dans lequel le dispositif de mesure 20 est attaché à un membre supérieur 12 d’une personne 14, les efforts évalués étant ceux de ce membre supérieur 12, l’invention s’étend également à un procédé d’évaluation des efforts d’un membre inférieur d’un individu, le dispositif de mesure 20 étant alors attaché à la jambe de ce membre inférieur. L’homme du métier saura sans peine faire les adaptations nécessaires.It will be noted that, although the above description focuses on an exemplary embodiment in which the measuring device 20 is attached to an upper limb 12 of a person 14, the efforts evaluated being those of this upper limb 12, the invention also extends to a method for evaluating the efforts of a lower limb of an individual, the measuring device 20 then being attached to the leg of this lower limb. Those skilled in the art will easily be able to make the necessary adaptations.
Claims (15)
- détermination (1200) d’une vitesse initiale et d’une vitesse finale du point de mesure respectivement au début et à la fin de l’intervalle de déplacement,
- estimation (1320) de l’évolution d’une vitesse du point de mesure durant l’intervalle de déplacement, ladite estimation comprenant :
- l’intégration aval (1322) de paramètres de déplacement du point de mesure acquis par un dispositif inertiel (32) durant l’intervalle de déplacement, en prenant comme valeur initiale de la vitesse la valeur de la vitesse initiale,
- l’intégration amont (1324) des paramètres de déplacement, en prenant comme valeur initiale de la vitesse la valeur de la vitesse finale, et
- le calcul (1326) de la vitesse estimée par fusion des intégrations amont et aval.
- determining (1200) an initial speed and a final speed of the measuring point respectively at the start and at the end of the displacement interval,
- estimation (1320) of the evolution of a speed of the measurement point during the displacement interval, said estimation comprising:
- downstream integration (1322) of displacement parameters of the measurement point acquired by an inertial device (32) during the displacement interval, taking as initial value of the speed the value of the initial speed,
- the upstream integration (1324) of the displacement parameters, taking as the initial value of the speed the value of the final speed, and
- the calculation (1326) of the speed estimated by merging the upstream and downstream integrations.
- estimation (1320) de l’évolution, durant l’intervalle de déplacement, d’une vitesse d’un point de mesure solidaire du point d’intérêt au moyen d’un procédé selon la revendication 1,
- estimation (1310) de l’évolution d’une orientation du point de mesure durant l’intervalle de déplacement, et
- estimation de la trajectoire du point d’intérêt durant l’intervalle de déplacement à partir de la vitesse et de l’orientation du point de mesure estimées,
- estimation (1320) of the evolution, during the movement interval, of a speed of a measurement point integral with the point of interest by means of a method according to claim 1,
- estimation (1310) of the evolution of an orientation of the measurement point during the displacement interval, and
- estimation of the trajectory of the point of interest during the movement interval from the estimated speed and orientation of the measurement point,
- calcul (1340) de plusieurs trajectoires candidates par application de la vitesse et de l’orientation estimées à différentes paires de configurations de départ et d’arrivée (130, 132) d’un modèle biomécanique (100) du membre (12),
- évaluation (1360) d’une compatibilité de chaque trajectoire candidate avec le modèle biomécanique, et
- sélection (1365) de la trajectoire candidate présentant la meilleure compatibilité.
- calculating (1340) several candidate trajectories by applying the estimated speed and orientation to different pairs of starting and finishing configurations (130, 132) of a biomechanical model (100) of the limb (12),
- evaluation (1360) of the compatibility of each candidate trajectory with the biomechanical model, and
- selection (1365) of the candidate trajectory presenting the best compatibility.
- le premier angle de départ (αi), respectivement d’arrivée (αf), est déduit de l’orientation du point de mesure au début, respectivement à la fin, de l’intervalle de déplacement, et
- le deuxième angle de départ (βi), respectivement d’arrivée (βf), est inférieur au premier angle de départ (αi), respectivement d’arrivée (αf).
- the first starting angle (α i ), respectively arrival angle (α f ), is deduced from the orientation of the measuring point at the beginning, respectively at the end, of the displacement interval, and
- the second starting angle (β i ), respectively arrival angle (β f ), is less than the first starting angle (α i ), respectively arrival angle (α f ).
dans laquelle :
- L est la longueur du bras (25) du membre supérieur,
- βiest la valeur du deuxième angle de départ (βi) dans la configuration de départ (130) appartenant à la même paire que la configuration d’arrivée (132),
- tiest l’instant de début de l’intervalle de déplacement,
- tfest l’instant de fin de l’intervalle de déplacement,
-
- l est la distance entre le coude (28) du membre supérieur et le point de mesure,
-
-
-
in which:
- L is the length of the arm (25) of the upper limb,
- β i is the value of the second departure angle (β i ) in the departure configuration (130) belonging to the same pair as the arrival configuration (132),
- t i is the start time of the displacement interval,
- t f is the end time of the movement interval,
-
- l is the distance between the elbow (28) of the upper limb and the measuring point,
-
-
-
- intégration aval (1354) de la vitesse estimée, en prenant comme position initiale la position du point de mesure dans la configuration de départ (130),
- intégration amont (1358) de la vitesse estimée, en prenant comme position initiale la position du point de mesure dans la configuration d’arrivée (132), et
- calcul (1359) de la trajectoire candidate par fusion des intégrations amont et aval.
- downstream integration (1354) of the estimated speed, taking as initial position the position of the measuring point in the starting configuration (130),
- upstream integration (1358) of the estimated speed, taking as initial position the position of the measurement point in the arrival configuration (132), and
- calculation (1359) of the candidate trajectory by merging the upstream and downstream integrations.
- estimation d’une trajectoire d’un point d’intérêt appartenant au membre (12) sur au moins un intervalle de déplacement primaire au moyen d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 8,
- évaluation (1376), à partir de la trajectoire et de l’évolution de vitesse estimées, d’un effort primaire exercé par le membre (12) durant le ou chaque intervalle de déplacement primaire.
- estimating a trajectory of a point of interest belonging to the member (12) over at least one primary displacement interval by means of a method according to any one of claims 2 to 8,
- evaluation (1376), from the estimated trajectory and speed evolution, of a primary force exerted by the member (12) during the or each primary displacement interval.
- déduction (1374), à partir des paramètres de déplacement acquis durant l’intervalle de déplacement primaire, d’une composante rotationnelle d’une énergie cinétique primaire acquise par au moins une portion du membre (12) durant l’intervalle de déplacement primaire, l’effort primaire étant fonction de ladite composante rotationnelle de l’énergie cinétique primaire,
- détermination (1378) d’une relation entre l’effort primaire et la composante rotationnelle de l’énergie cinétique primaire,
- estimation (1310) de l’évolution d’une orientation d’un point de mesure solidaire du point d’intérêt durant au moins un intervalle de déplacement secondaire,
- déduction, à partir de paramètres de déplacement acquis par le dispositif inertiel (32) durant un intervalle de déplacement secondaire, d’une composante rotationnelle d’une énergie cinétique secondaire acquise par ladite au moins une portion du membre (12) durant l’intervalle de déplacement secondaire,
- évaluation, à partir de la relation déterminée et de la composante rotationnelle de l’énergie cinétique secondaire, d’un effort secondaire exercé par le membre (12) durant le ou chaque intervalle de déplacement secondaire.
- deduction (1374), from the displacement parameters acquired during the primary displacement interval, of a rotational component of a primary kinetic energy acquired by at least a portion of the member (12) during the primary displacement interval, the primary force being a function of said rotational component of the primary kinetic energy,
- determination (1378) of a relationship between the primary effort and the rotational component of the primary kinetic energy,
- estimation (1310) of the evolution of an orientation of a measurement point attached to the point of interest during at least one secondary displacement interval,
- deducing, from displacement parameters acquired by the inertial device (32) during a secondary displacement interval, a rotational component of a secondary kinetic energy acquired by said at least one portion of the member (12) during the secondary displacement interval,
- evaluation, from the determined relationship and the rotational component of the secondary kinetic energy, of a secondary force exerted by the member (12) during the or each secondary displacement interval.
- l’estimation (1320) de l’évolution, durant l’intervalle de déplacement primaire ou secondaire, d’une vitesse d’un point de mesure solidaire du point d’intérêt au moyen d’un procédé selon la revendication 1,
- le calcul (1340) de plusieurs trajectoires candidates par application de la vitesse et de l’orientation estimées à différentes paires de configurations de départ et d’arrivée (130, 132) d’un modèle biomécanique (100) du membre (12),
- l’évaluation (1360) d’une compatibilité de chaque trajectoire candidate avec le modèle biomécanique (100), et
- la vérification (1370), pour chaque intervalle de déplacement primaire ou secondaire, du caractère acceptable de la compatibilité d’au moins une trajectoire candidate,
- estimating (1320) the evolution, during the primary or secondary displacement interval, of a speed of a measurement point integral with the point of interest by means of a method according to claim 1,
- calculating (1340) several candidate trajectories by applying the estimated speed and orientation to different pairs of starting and finishing configurations (130, 132) of a biomechanical model (100) of the limb (12),
- the evaluation (1360) of a compatibility of each candidate trajectory with the biomechanical model (100), and
- the verification (1370), for each primary or secondary displacement interval, of the acceptable nature of the compatibility of at least one candidate trajectory,
- a) estimation, pour plusieurs intervalles de déplacement d’un point d’intérêt du membre (12) survenus au cours d’une période prédéterminée, d’un effort exercé par ledit membre (12) au moyen d’un procédé (1300) selon l’une quelconque des revendications 9 à 11,
- b) détermination (1400) de la valeur d’au moins une grandeur statistique, calculée sur l’ensemble formé par les efforts estimés, représentative d’un état de forme de la personne (14).
- a) estimation, for several intervals of displacement of a point of interest of the member (12) occurring during a predetermined period, of a force exerted by said member (12) by means of a method (1300) according to any one of claims 9 to 11,
- b) determination (1400) of the value of at least one statistical quantity, calculated on the set formed by the estimated efforts, representative of a state of fitness of the person (14).
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