CZ32959U1 - MoCap marker - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení umožňující měření lineárního a úhlového zrychlení při nahrávání pohybu skutečného objektu a jeho převedení na digitální model u tzv. hybridního MoCap systému.

Dosavadní stav techniky

MoCap systémy se dělí podle dané technologie na optické, gyro-akcelerometrické, mechanické, elektromagnetické a akustické.

Optické MoCap systémy jsou považovány za zlatý standard měření. Jejich hlavní výhodou je přesnost měření polohy markéru za pomocí kamer umožňujících měření v infračervené oblasti. Mezi tyto systémy patří např. systém Vicon a Qualisys. Jako markéry se nejčastěji využívají kulaté markéry o průměru přibližně 10 mm, jejichž povrch odráží IR záření generované polem diod umístěných na jednotlivých kamerách měřícího systému. Namísto těchto tzv. pasivních markérů je možné využít i markérů aktivních, které sami generují IR záření. Výhodou je zejména schopnost automatického určení názvu markéru s ohledem na stav. Nevýhodou těchto systémů je především jejich cena a omezení měření na místnost, kde je daný systém instalovaný.

Optické motion capture - MoCap systémy poskytují nezbytné informace pro kinematickou analýzu pohybu těla, případně jeho segmentů. Uplatnění pro klinickou praxi nacházejí zejména při analýze pohybu jako je analýza chůze (Pfister, A. 2014), v rehabilitačním procesu např. po cévní mozkové příhodě (Rueda, M.F. 2012) a analýze rovnováhy např. v rámci tzv. posturální analýzy (Clark, R.A. 2012). Široké využití dále nacházejí v herním a filmovém průmyslu (King, B.A. 2007).

Hlavním problémem optických MoCap systémů je zakrytí pasivního markéru v průběhu měření např. při složitých typech pohybu, jako je lezení po čtyřech, chůze do schodů, jízdě na rotopedu apod. V případě, že se jedná o systém využívající tzv. pasivní markéry je potřeba opětovně manuálně označovat názvy markérů, jelikož systém není schopen rozpoznat markéry při současném zakrytí více než jednoho markéru. Toto tzv. čištění dat je časově velice náročné.

Gyro-akcelerometrické systémy umožňují měřit lineární a úhlové zrychlení, resp. úhlovou rychlost ve všech třech osách pohybu. Na základě těchto informací je následně možné dopočítat změnu polohy. Díky tomu jsou funkční i v případě zakrytí a nejsou závislé na použití ve specializované místnosti. Mezi tyto systémy patří např. Xsens. Nevýhodou je zejména tzv. integrační chyba, která často znemožňuje kontinuální měření po delší čas.

Hybridním systémem využívajícím optické markéry a inerciální měřící jednotku - Inertial measurement unit (IMU) - se zabývá firma ART - Advance Realtime Tracking, která představila Hybrid Suit. Tento systém však pouze měří paralelní data, která nejsou využívána pro potřeby substituce v případě zakrytí markéru.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny MoCap markérem optického MoCap systému opatřeným prvky pro uchycení na segment těla, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že obsahuje reflexní markér kulovitého tvaru o průměru 30 až 50 mm, ve kterém je umístěna IMU jednotka pro měření lineárního a úhlového zrychlení propojená s výpočetní

- 1 CZ 32959 U1 technikou propojenou s optickým MoCap systémem pro určení polohy ve fázi zakrytí MoCap markéru a/nebo přiřazení názvu MoCap markéru po jeho opětovném zobrazení optickým MoCap systémem.

K IMU jednotce je s výhodou připojena napájecí baterie. MoCap markér může být opatřen jednotkou Bluethoot pro spojení s výpočetní technikou. IMU jednotka je ve výhodném provedení opatřena zařízením pro měření devíti stupňů volnosti.

Navrhovaný systém umožňuje za pomoci gyro-akcelerometrického senzoru resp. tzv. IMU Inertial measurement unit, automatické přiřazení názvu markéru a dále poskytnout data o poloze markéru v průběhu jeho zakrytí. Nevýhodou navrhovaného řešení je navýšení průměru reflexního markéru z důvodu potřeby umístění IMU.

Systém navrhovaného hybridního MoCap markéru je unikátní v možnosti jeho použití pro libovolný MoCap systém. Díky miniaturizaci 6-DOF bezdrátových senzorů je možné umístění do samotného optického markéru. V současné době se na trhu nevyskytuje podobný systém. Odborné publikace se pak zaměřují zejména na porovnání stávajících systémů, avšak ne na jejich využití pro potřeby substituce naměřených dat optických systémů MoCap.

Pro určení polohy markéru se v případě zakrytí využívají data z IMU. Veškeré zpracování probíhá offline na PC za pomoci příslušného algoritmu. Jako vstup slouží poslední známá poloha a vektor pohybu markéru před jeho zakrytím, která je získána z optického MoCap systému a IMU. Následně je poloha markéru určena na základě integrace měřených hodnot. To má za následek integrační chybu, která má za následek možnost využití pouze u časově krátkých v řádech sekund zakrytí markéru.

Objasnění výkresů

MoCap markér podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde na obr. 1 je schématicky znázorněn příkladný MoCap markér v axonometrickém pohledu a na obr. 2 je znázorněno schéma zapojení Mocap markéru a optického MoCap systému.

Příklady uskutečnění technického řešení

Hybridní MoCap markér 1 sestává z IMU jednotky 1,2 MetaMotionC Board, která je umístěna do reflexního markéru 1,1 o průměru 40 mm. Celý systém měření využívá hybridní MoCap markér 1, který je umístěn na příslušný anatomický bod/segment těla. Data jsou přenášena za využití standardu Bluetooth 2 do výpočetní techniky 3, ve které jsou data z MoCap markéru 1 a optického MoCap systému 4 zpracována a použita pro určení polohy ve fázi zakrytí MoCap markéru 1 pro optická MoCap systém 4 a přiřazení názvu MoCap markéru 1 po jeho opětovném určení zobrazení optickým MoCap systémem 4.

Navrhované technické řešení využívá reflexní markér 1,1 o průměru 40 mm spolu s IMU jednotkou 1,2 MetaMotionC Board společnosti Mbientlab. Tato IMU jednotka 1.2 je umístěna do reflexního markéru 1,1, přičemž napájení je zajištěno standardní knoflíkovou baterií CR2032. Data jsou bezdrátově pomocí Bluetooth 2 přenášena do výpočetní techniky 3, kde jsou následně uložena a zpracována.

-2CZ 32959 U1

Průmyslová využitelnost

Zařízení nalezne využití u MoCap systémů využívající reflexních markérů v případech, kdy je potřeba přesně měřit lineární a úhlové zrychlení markéru a v případech, kdy dochází k zakrytí markéru v průběhu měření.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (4)

1. MoCap markér (1) optického MoCap systému (4) opatřený prvky pro uchycení na segment těla, vyznačující se tím, že obsahuje reflexní markér (1.1) kulovitého tvaru o průměru 30 až 50 mm, ve kterém je umístěna IMU jednotka (1.2) pro měření lineárního a úhlového zrychlení propojená s výpočetní technikou (3) propojenou s optickým MoCap systémem (4) pro určení polohy ve fázi zakrytí MoCap markéru (1) a/nebo přiřazení názvu MoCap markéru (1) po jeho opětovném zobrazení optickým MoCap systémem (4).

2. MoCap markér (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že k IMU jednotce (1.2) je připojena napájecí baterie.

3. MoCap markér (1) podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že je opatřen jednotkou Bluethoot (2) pro spojení s výpočetní technikou (3).

4. MoCap markér (1) podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že IMU jednotka (1.2) je opatřena zařízením pro měření 9 stupňů volnosti.