WO2004091399A1 - Method and independent device for the determination of the relative position of two objects moving on a plane or in space - Google Patents

Method and independent device for the determination of the relative position of two objects moving on a plane or in space Download PDF

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WO2004091399A1
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Universite De La Mediterranee Etablissement Public D'enseignement Superieur Et De Recherche
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Abstract

The invention relates to an independent device for the determination of the relative position of two objects or bodies moving on a plane or in space, for example of application in the kymographic analysis of gait, characterised in comprising at least two complementary devices (1, 3, 2, 4), for carrying out a measurement of the length of the straight line between two reference points (D, G), respectively attached to two objects when placed at a distance from each other and for the measurement of at least one angle for said straight line with relation to a plane from which at least one end of said straight line extends.

Description

Procédé et dispositif autonome pour la détermination de la position relative de deux objets en mouvement, dans un plan ou dans l'espace.Autonomous method and device for determining the relative position of two moving objects, in a plane or in space.
La présente invention concerne un procédé et un dispositif autonome pour la détermination de la position relative de deux objets ou organes en mouvement, dans un plan ou dans l'espace.The present invention relates to a method and an autonomous device for determining the relative position of two objects or organs in motion, in a plane or in space.
Le procédé et le dispositif autonome selon l'invention sont plus particulièrement utilisables dans les applications où l'on souhaite analyser le mouvement d'un ensemble d'au moins deux objets en déplacement alterné l'un par rapport à l'autre. Cependant, pour simplifier la présentation de l'art antérieur, on se réfère essentiellement, dans l'exposé qui suit, à des applications de posturologie ou d'études de la marche. D'autre part, dans un but de concision, le procédé et le dispositif autonome de l'invention sont uniquement décrits ci-après en se référant à leur application avantageuse à l'analyse kymographique de la marche.The method and the autonomous device according to the invention are more particularly usable in applications where it is desired to analyze the movement of a set of at least two objects in alternating movement with respect to each other. However, to simplify the presentation of the prior art, reference is essentially made, in the following description, to posturology or gait studies applications. On the other hand, for the sake of brevity, the method and the autonomous device of the invention are only described below with reference to their advantageous application to kymographic analysis of walking.
L'analyse kymographique de la marche est basée sur la mesure cinématique d'un ou de plusieurs points du corps d'un être vivant pendant sa locomotion. Elle a pour objet de déterminer les paramètres spatio-temporels de la marche tels que la vitesse, la longueur d'enjambée, la cadence, l'asymétrie des pas, les phases d'appui, le balancement, etc, par exemple dans le but d'effectuer un bilan de la fonction locomotrice d'un sujet.The kymographic analysis of walking is based on the kinematic measurement of one or more points of the body of a living being during its locomotion. Its purpose is to determine the spatio-temporal parameters of walking such as speed, stride length, cadence, asymmetry of steps, support phases, swinging, etc., for example for the purpose assess the locomotor function of a subject.
Pour bien mettre en évidence l'intérêt du procédé et du dispositif autonome selon l'invention, il est bon de rappeler l'art antérieur dans le domaine de la marche. Parmi les systèmes connus on peut citer : A - L'analyse vidéo-kymographique (systèmes Elite®, Vicon® etc.) . Une ou plusieurs caméras placées dans le champ d'évolution du sujet captent les images de cibles réfléchissantes collées sur le corps du sujet. Un logiciel d'acquisition et de traitement détermine les coordonnées desdites cibles. Ce type de dispositif a l'avantage de laisser libre de tout mouvement le sujet. Mais présente les inconvénients suivants : - Faible fréquence d'acquisition tributaire du nombre d'images par secondesTo clearly highlight the advantage of the method and of the autonomous device according to the invention, it is useful to recall the prior art in the field of walking. Among the known systems, one can cite: A - Video-kymographic analysis (Elite®, Vicon® systems, etc.). One or more cameras placed in the subject's evolution field capture the images of reflective targets stuck on the subject's body. Acquisition and processing software determines the coordinates of said targets. This type of device has the advantage of allowing the subject to move freely. But has the following drawbacks: - Low acquisition frequency dependent on the number of images per second
- Champ d'évolution limité (quelques mètres)- Limited evolution field (a few meters)
- Logiciel de traitement complexe - Procédure de calibration délicate- Complex processing software - Delicate calibration procedure
- Le problème de masquage des cibles implique l'utilisation de plusieurs caméras.- The problem of masking targets involves the use of several cameras.
- Très coûteux ; etc.- Very expensive ; etc.
Parmi les dispositifs qui relèvent de l'analyse d'image on peut citer :Among the devices that come under image analysis, we can cite:
• Le brevet US 4631676 de James W.Pugh du 23 décembre 1986 qui décrit une méthode d'analyse de la marche basée sur le principe décrit ci-dessus. Les marqueurs réfléchissants sont disposés sur les principales articulations (chevilles, genoux, hanches) du sujet.• US patent 4631676 of James W. Pugh of December 23, 1986 which describes a method of gait analysis based on the principle described above. The reflective markers are placed on the main joints (ankles, knees, hips) of the subject.
• Le brevet US 6438255 de Jon R.Lesniak du 20 août 2002 divulgue une variante certes intéressante en ce que les cibles sont des points de température sur le corps du sujet obtenus par irradiation sur toute partie du corps à étudier. Une caméra thermique permet de suivre lesdits points au cours de leur évolution. Cependant les inconvénients sont ceux inhérents à l'analyse vidéo-kymographique. o Le brevet US 4813436 de Jan C.Au du 21 mars 1989 décrit un système analytique de la marche utilisant une ou plusieurs caméras pour analyser les déplacements de marqueurs réfléchissants disposés sur les articulations. Les appuis des pieds au sol ainsi que la distribution des forces sont mesurés à l'aide de sandales à surface piezzo-sensibles.• Patent US 6438255 by Jon R. Lesniak of August 20, 2002 discloses an admittedly interesting variant in that the targets are temperature points on the subject's body obtained by irradiation on any part of the body to be studied. A thermal camera makes it possible to follow said points during their evolution. However, the disadvantages are those inherent in video-kymographic analysis. o Patent US 4813436 by Jan C. On March 21, 1989 describes a gait analysis system using one or more cameras to analyze the movements of reflective markers placed on the joints. The supports of the feet on the ground as well as the distribution of the forces are measured using sandals with piezo-sensitive surface.
B - Tapis de marche à cellules piezzo-sensiblesB - Treadmill with piezo-sensitive cells
Le sujet évolue sur un tapis de marche capable de fournir grâce à une matrice de cellules piezzo-sensibles l'empreinte électronique de chaque pas. Ce dispositif présente les inconvénients suivants :The subject evolves on a treadmill capable of providing, thanks to a matrix of piezo-sensitive cells, the electronic imprint of each step. This device has the following drawbacks:
- Surface d'évolution très restreinte.- Very limited development area.
- Mauvaise résolution spatiale et dynamique- Poor spatial and dynamic resolution
- Logiciel de traitement très complexe - Solution coûteuse. Etc.- Very complex processing software - Expensive solution. Etc.
C - Les systèmes d'analyse utilisant des capteurs inertielsC - Analysis systems using inertial sensors
Les accéléromètres permettent d'effectuer des mesures de la dynamique d'un système. Des capteurs sont disposés sur les parties du corps dont on veut connaître leur accélération au cours du temps. Ces systèmes d'analyse ne sont pas en principe assujettis à des contraintes de référentiel. Le champ d'évolution est quasi infini. Ils présentent cependant les inconvénients suivants :Accelerometers are used to measure the dynamics of a system. Sensors are placed on the body parts you want know their acceleration over time. These analysis systems are not in principle subject to benchmark constraints. The field of evolution is almost infinite. However, they have the following drawbacks:
- Aucune mesure statique n'est possible ; il n'est donc pas possible de déterminer au repos la position relative des pieds ;- No static measurement is possible; it is therefore not possible to determine at rest the relative position of the feet;
- La détermination mathématique de la position du capteur dans l'espace nécessite une double intégration du signal d'accélération qui n'est connue qu'à une constante près. En outre, cette double intégration introduit des dérives importantes dues essentiellement à l'imprécision des capteurs piézo-électriques et des amplificateurs. Pour cette raison, la position ne peut être déterminée qu'à court terme.- The mathematical determination of the position of the sensor in space requires a double integration of the acceleration signal which is known only to a constant. In addition, this double integration introduces significant drifts mainly due to the imprecision of piezoelectric sensors and amplifiers. For this reason, the position can only be determined in the short term.
Parmi les dispositifs qui relèvent de la mesure de l'accélération on peut citer :Among the devices that fall under the measurement of acceleration, we can cite:
• Le brevet Européen EP 1 066 793 A2 de FYFE, Kenneth R, FYFE, Kipling W., ROONEY, James K. du 4 Juillet 2000.• European patent EP 1 066 793 A2 from FYFE, Kenneth R, FYFE, Kipling W., ROONEY, James K. of July 4, 2000.
• Le brevet US 2002/0040601 A1 de FYFE, Kenneth R, FYFE, Kipling W., ROONEY, James K. 11 Avril 2002.• US patent 2002/0040601 A1 by FYFE, Kenneth R, FYFE, Kipling W., ROONEY, James K. April 11, 2002.
D - Locomètre à fils Des fils fins sont attachés, à une extrémité, aux pieds (chevilles) du sujet.D - Locometer with wires Fine wires are attached, at one end, to the feet (ankles) of the subject.
L'autre extrémité s'enroule à la manière d'un moulinet autour de l'axe de rotation d'un ou de plusieurs potentiomètres ou de compte-tours. Les corps des potentiomètres sont attachés à une base fixée au sol. Pendant la marche, la traction des fils entraîne en rotation les potentiomètres qui comptabilisent un nombre de tours proportionnel à la distance parcourue. Ce type de dispositif est particulièrement simple, précis, fiable et peu coûteux. Il présente cependant les inconvénients suivants :The other end is wound like a reel around the axis of rotation of one or more potentiometers or tachometer. The bodies of the potentiometers are attached to a base fixed to the ground. While walking, the traction of the wires drives the potentiometers in rotation, which record a number of turns proportional to the distance traveled. This type of device is particularly simple, precise, reliable and inexpensive. However, it has the following drawbacks:
- Champ d'évolution limité (quelques mètres)- Limited evolution field (a few meters)
- Marche rectiligne, dans l'axe des dévidoirs, imposée - Ambiguïté directionnelle. Une traction du fils peut s'obtenir de diverses façons.- Straight line, in line with the reels, imposed - Directional ambiguity. A pull of the wire can be obtained in various ways.
- L'écartement des pieds n'est pas mesuré, etc.- The distance between the feet is not measured, etc.
Les différents systèmes d'analyse de la marche décrits ci-dessus rapportent leurs mesures directement à un référentiel fixe généralement attaché à l'espace d'évolution. L'invention a notamment pour objet un procédé et un dispositif autonome embarqué capables de solutionner les problèmes précédemment exposés, sans faire appel aux lois de la dynamique qui régissent les forces et les accélérations.The various gait analysis systems described above relate their measurements directly to a fixed frame of reference generally attached to the evolution space. The subject of the invention is in particular a method and an on-board autonomous device capable of solving the problems described above, without calling upon the laws of dynamics which govern forces and accelerations.
Selon la présente invention, ce but est atteint grâce à un procédé suivant lequel on effectue, alternativement, des mesures relatives sur chaque objet ou organe, l'autre objet ou organe étant pris comme référentiel de mesure.According to the present invention, this object is achieved by a method according to which relative measurements are carried out on each object or organ, the other object or organ being taken as the measurement reference system.
Selon un exemple avantageux de mise en œuvre de ce procédé référentiel relatif, on mesure la longueur de la droite qui relie deux points de référence attribués, respectivement, à chacun des deux objets ou organes en mouvement, et on détermine la position de chacun de ces derniers par rapport à cette droite.According to an advantageous example of implementation of this relative referential method, the length of the straight line which connects two reference points allocated, respectively, to each of the two objects or organs in motion is measured, and the position of each of these is determined. last with respect to this line.
Selon l'application très intéressante de l'invention à l'analyse kymographique de la marche, on mesure d'une part la longueur de la droite qui relie deux points de référence attachés respectivement aux pieds droit et gauche du sujet et, d'autre part, les angles entre ladite droite et chacun des deux pieds, de sorte à obtenir, sans ambiguïté, la position relative au sol des deux pieds. On démontrera par la suite que l'on peut aussi reconstruire la trajectoire de la succession des appuis de pieds qui caractérisent la marche.According to the very interesting application of the invention to the kymographic analysis of walking, one measures on the one hand the length of the line which connects two reference points attached respectively to the right and left feet of the subject and, on the other hand, the angles between said straight line and each of the two feet, so as to obtain, without ambiguity, the position relative to the ground of the two feet. We will show later that we can also reconstruct the trajectory of the succession of foot supports that characterize walking.
Le dispositif autonome selon l'invention est remarquable en ce qu'il comprend deux appareils complémentaires capables d'effectuer, d'une part, la mesure de la longueur de la chute qui sépare deux points de référence attribués, respectivement, aux deux objets, lorsqu'ils sont placés à distance l'un de l'autre, et, d'autre part, la mesure d'au moins un angle de cette droite par rapport à un plan dont est issue au moins l'une des extrémités de ladite droite.The autonomous device according to the invention is remarkable in that it comprises two complementary devices capable of carrying out, on the one hand, the measurement of the length of the fall which separates two reference points assigned, respectively, to the two objects, when they are placed at a distance from each other, and, on the other hand, the measurement of at least one angle of this straight line with respect to a plane from which at least one of the ends of said line originates right.
Un des gros avantages de l'invention réside dans le fait que le champ d'évolution est quasi illimité. Un autre avantage est inhérent à la précision de toute mesure différentielle. Elle est en effet bien meilleure lorsqu'elle est relative que lorsqu'elle résulte d'une différence de mesure absolues.One of the big advantages of the invention lies in the fact that the field of evolution is almost unlimited. Another advantage is inherent in the accuracy of any differential measurement. It is indeed much better when it is relative than when it results from an absolute difference in measurement.
Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description qui suit et des dessins annexés dans lesquels :The aims, characteristics and advantages above, and others still, will emerge more clearly from the description which follows and from the appended drawings in which:
La figure 1a est une représentation schématique au sol de la position relative de deux objets désignés par G et D qui sont aussi les origines de leurs référentiels. A partir de la mesure de la droite GD de longueur I qui relie lesdits référentiels et des angles et β on peut déduire les cordonnées de D dans le référentiel de G et les coordonnées de G dans le référentiel de D. Si on se réfère à un repère cartésien orthonormé d'origine G avec un axe des abscisses porté par la normale au grand coté de l'objet G et un axe des ordonnées parallèle à ce grand coté, la mesure e est l'abscisse de D et d est l'ordonnée de D dans le référentiel de G.FIG. 1a is a diagrammatic representation on the ground of the relative position of two objects designated by G and D which are also the origins of their reference systems. From the measurement of the line GD of length I which connects said reference frames and angles and β we can deduce the coordinates of D in the referential of G and the coordinates of G in the referential of D. If we refer to an orthonormal Cartesian coordinate system of origin G with an abscissa axis carried by the normal to the large side of the object G and a parallel ordinate axis at this long side, the measure e is the abscissa of D and d is the ordinate of D in the referential of G.
La figure 1b représente un exemple de chronogramme montrant de façon simplifiée l'évolution des variables α , β et I au cours du temps et de la distance parcourue par chaque pied d'un sujet au cours d'une marche normale. La position relative des pieds dans la phase de double appui (les deux pieds sont au contact du sol) est signalée par des plateaux où α et β sont maximums en valeur absolue, leur dérivée est alors nulle. Dans cette illustration, les pieds évoluent parallèlement de sorte que I est minimum quand α = β = 0.FIG. 1b represents an example of a chronogram showing in a simplified way the evolution of the variables α, β and I over time and the distance traveled by each foot of a subject during a normal walk. The relative position of the feet in the double support phase (the two feet are in contact with the ground) is indicated by plates where α and β are maximum in absolute value, their derivative is then zero. In this illustration, the feet move in parallel so that I is minimum when α = β = 0.
La figure 2a représente les objets « G et D » auxquels sont rattachés respectivement les angles orientés α et β et la convention de leur signe. Avec cette convention, on identifie aisément le pied d'appui comme celui où son angle attaché croit en valeur algébrique alors que celui du pied en mouvement décroît.FIG. 2a represents the objects “G and D” to which the oriented angles α and β are respectively attached and the convention of their sign. With this convention, we easily identify the support foot as that where its attached angle increases in algebraic value while that of the moving foot decreases.
La figure 2b représente les positions relatives des objets « G et D ». L'objet D fait un angle α + β selon le sens trigonométrique par rapport à l'objet « G ». Les signes de α et β étant déterminés selon la convention de la figure 2a. La figure 3 représente un exemple de placements successifs selon deux trajectoires en arcs de cercles des objets « G et D » en déplacement alterné qui prennent leurs origines dans un repère absolu confondu au départ avec celui de G. L'évolution des objets « G et D » s'effectue dans cet exemple selon les X croissants. Les mesures successives des vecteurs espace et des angles attachés aux placements relatifs des objets « G et D » permettent de calculer les vecteurs espace liés au référentiel absolu de G ou de D.FIG. 2b represents the relative positions of the objects “G and D”. The object D makes an angle α + β according to the trigonometric direction compared to the object "G". The signs of α and β being determined according to the convention of FIG. 2a. FIG. 3 represents an example of successive placements according to two trajectories in arcs of circles of objects “G and D” in alternating displacement which take their origins in an absolute reference point confused at the start with that of G. The evolution of objects “G and D ”is performed in this example according to the increasing X's. The successive measurements of the space vectors and of the angles attached to the relative placements of the objects “G and D” make it possible to calculate the space vectors linked to the absolute reference frame of G or D.
La figure 4 montre la méthode de détermination des coordonnées successives de G et de D dans un repère absolu permettant ainsi de retracer la trajectoire des objets « G et D » La figure 5 illustre une méthode de détermination selon l'invention des positions relatives des objets « G et D » à l'aide de deux transmetteurs (1 et 2 ) et de deux récepteurs (3 et 4 ) à ultrasons. Dans cet exemple, les transmetteurs et les récepteurs sont placés avec un écartement (e) connu respectivement sur les objets G et D. Les transmetteurs 1 et 2 émettent des trains d'ondes ultrasonores en séquence qui sont reçus par les récepteurs 3 et 4 . Les temps de vol du train d'onde émis par le transmetteur 1 permettent de mesurer les distances respectives entre 1 et 3 et de 1 et 4. Tandis que, quand le transmetteur 2 est activé ce sont les distances entre 2 et 3 et entre 2 et 4 qui sont mesurées. De ces quatre mesures, il est aisé de déterminer sans ambiguïté la position relative des objets « G et D ». Dans cette illustration, le cercle C1 , le lieu d'égale distance R1 entre 1 et 3 coupe le cercle C2 de rayon R2 qui est la distance entre 2 et 3. La position de 3 par rapport à l'objet G, est déterminée sans ambiguïté. En appliquant la même méthode sur 4, on détermine entièrement la position de D par rapport à G.FIG. 4 shows the method for determining the successive coordinates of G and D in an absolute coordinate system thus making it possible to retrace the trajectory of the objects “G and D”. FIG. 5 illustrates a method according to the invention for determining the relative positions of the objects "L and R" using two transmitters (1 and 2) and two ultrasonic receivers (3 and 4). In this example, the transmitters and receivers are placed with a known distance (e) respectively on objects G and D. Transmitters 1 and 2 emit ultrasonic wave trains in sequence which are received by receivers 3 and 4. The times of flight of the wave train emitted by the transmitter 1 make it possible to measure the respective distances between 1 and 3 and 1 and 4. While, when the transmitter 2 is activated, the distances are between 2 and 3 and between 2 and 4 which are measured. From these four measurements, it is easy to unambiguously determine the relative position of the objects “G and D”. In this illustration, the circle C1, the place of equal distance R1 between 1 and 3 intersects the circle C2 of radius R2 which is the distance between 2 and 3. The position of 3 relative to the object G, is determined without ambiguity. By applying the same method on 4, we fully determine the position of D with respect to G.
La figure 6 montre une autre méthode de détermination selon l'invention de la position relative des objets « G et D » basée sur la mesure de champ magnétique émis par un transmetteur 5 embarqué. Les senseurs magnétiques 6 et 7 sont capables de mesurer leur position relative dans les 6 degrés de liberté de l'espace par rapport au transmetteur 5. La position relative du senseur 7 par rapport au senseur 6 par exemple, est aisément déduite par un calcul de différence des coordonnées, rapportées à 5, de 6 et 7.FIG. 6 shows another method of determining according to the invention the relative position of objects “G and D” based on the measurement of magnetic field emitted by an on-board transmitter 5. The magnetic sensors 6 and 7 are capable of measuring their relative position in the 6 degrees of freedom of space relative to the transmitter 5. The relative position of the sensor 7 relative to the sensor 6 for example, is easily deduced by a calculation of difference in coordinates, referred to 5, 6 and 7.
Les figures 7, 8 et 9 représentent respectivement une vue de dessus, une vue de face, et un mode de fixation d'un dispositif selon l'invention, particulièrement bon marché, destiné à l'étude d'une marche rectiligne avec un écartement constant des pieds. Dans ces conditions, un seul angle (α ou β) est nécessaire pour calculer les caractéristiques des pas à partir du signe et de l'amplitude de l'angle ( β dans cet exemple). La biellette 15 radiale à l'axe 14 du codeur angulaire 13 s'aligne par rotation autour de 14 dans la direction de la tension du fil élastique 12 attaché aux extrémités 11 et 14. La figure 7 montre deux positions du pied gauche par rapport au pied droit : une position en arrière de G avec un angle βi < 0 et une position en avant avec un angle β > 0. d1 représente la longueur du pas droit par rapport au pied gauche et d2 la longueur du pas gauche par rapport au pied droitFigures 7, 8 and 9 respectively represent a top view, a front view, and a method of fixing a device according to the invention, particularly inexpensive, intended for the study of a rectilinear step with a spacing constant feet. Under these conditions, a single angle (α or β) is necessary to calculate the characteristics of the steps from the sign and the amplitude of the angle (β in this example). The rod 15 radial to the axis 14 of the angular encoder 13 is aligned by rotation around 14 in the direction of the tension of the elastic thread 12 attached to the ends 11 and 14. FIG. 7 shows two positions of the left foot relative to the right foot: a position behind G with an angle βi <0 and a position forward with an angle β> 0. d1 represents the length of the right step with respect to the left foot and d2 the length of the left step with respect to the foot law
La figure 10 représente l'allure simplifiée de l'évolution de l'angle β, de sa dérivée et des pas en fonction du temps. La figure 11 représente une réalisation plus sophistiquée que celle de la figure 7 en ce qu'elle permet grâce à deux codeurs angulaires (13g et 13d) respectivement solidaires du pied gauche et du pied droit, d'avoir les angles α et β. Cette réalisation s'applique au cas d'une marche à écartement des pieds maintenu constant selon une trajectoire quelconque.FIG. 10 represents the simplified shape of the evolution of the angle β, its derivative and the steps as a function of time. FIG. 11 represents a more sophisticated embodiment than that of FIG. 7 in that it allows, thanks to two angular encoders (13g and 13d) respectively secured to the left foot and the right foot, to have the angles α and β. This embodiment applies in the case of a step with the feet apart kept constant along any trajectory.
Les figures 12 et 13 représentent une vue de dessus et une vue de face d'un dispositif selon l'invention capable de fournir, une droite 12 matérialisée par le fil inextensible 12 de longueur mesurable I et les angles α et β. Dans cette réalisation, le boîtier 8 (attaché au pied gauche) porte un codeur angulaire de l'angle α ,13g et un compte-fil 18. Ces deux dispositifs collaborent pour fournir d'une part la longueur du fil débité autour de la poulie 16 sous l'action d'une traction du boîtier 9 et d'autre part l'angle α entre le fil tendu grâce au ressort de rappel 19 et le boîtier 8. Le boîtier 9 porte le codeur angulaire de l'angle β, 13d. L'ensemble (8 et 9) constitue une réalisation selon l'invention particulièrement bon marché capable de mesurer les caractéristiques de la marche en toutes circonstances.Figures 12 and 13 show a top view and a front view of a device according to the invention capable of providing, a straight line 12 materialized by the inextensible wire 12 of measurable length I and the angles α and β. In this embodiment, the housing 8 (attached to the left foot) carries an angular encoder of the angle α, 13g and a wire counter 18. These two devices collaborate to supply on the one hand the length of the wire delivered around the pulley 16 under the action of a traction of the housing 9 and on the other hand the angle α between the tensioned wire thanks to the return spring 19 and the housing 8. The housing 9 carries the angular encoder of the angle β, 13d . The assembly (8 and 9) constitutes a particularly inexpensive embodiment according to the invention capable of measuring the characteristics of walking in all circumstances.
On se reporte auxdits dessins pour décrire des exemples intéressants, bien que nullement limitatifs, de mise en œuvre du procédé et de réalisation du dispositif autonome de détermination de la position relative de deux objets, selon l'invention.Reference is made to said drawings to describe interesting examples, although in no way limitative, of implementation of the method and production of the autonomous device for determining the relative position of two objects, according to the invention.
Comme indiqué précédemment, on décrit ci-après, dans un but de simplification, uniquement des applications de l'invention à l'analyse kymographique de la marche. Dans ces conditions, les mots "pied droit" et "pied gauche" utilisés dans la suite du présent exposé n'ont aucun caractère restrictif, l'invention pouvant s'appliquer à l'analyse kymographique d'autres organes ou d'autres objets en mouvement.As indicated above, for the sake of simplification, only applications of the invention to kymographic gait analysis are described below. Under these conditions, the words "right foot" and "left foot" used in the remainder of this description have no restrictive nature, the invention being able to apply to the kymographic analysis of other organs or other objects moving.
Si on représente, pour simplifier les pieds par deux rectangles (figure 1a), appelons : I la longueur de la droite qui les relie par les points G et D, α l'angle de ladite droite avec la droite normale à l'axe longitudinal du pied gauche au point G et β l'angle avec la droite normale à l'axe longitudinal du pied droit au point D.If we represent, to simplify the feet by two rectangles (Figure 1a), call: I the length of the line which connects them by points G and D, α the angle of said line with the line normal to the longitudinal axis from the left foot to point G and β the angle with the right normal to the longitudinal axis of the right foot to point D.
La distance d entre deux appuis de pieds (longueur du pas) est donnée par la formule : d = l.sinus(α). L'écartement e entre les deux pieds est donné par e = l.cosinus(α). Le graphe de la figure 1b illustre à l'aide d'un chronogramme de quatre pas le principe d'obtention du parcours en fonction du temps, des points D et G respectivement attachés au pied droit et gauche. L'homme de l'art comprendra sans peine qu'il suffit des trois paramètres (I, α et β) pour avoir à tout instant la projection au sol de la disposition relative des deux pieds, en cumulant les pas, on détermine aisément la distance parcourue par chaque pied et le trajet du marcheur. Mais il est aisé de transposer dans l'espace, il suffit de définir et de mesurer pour cela deux autres angles qui sont les angles de tangage (autour de l'axe transversal du pied) et de roulis (autour de l'axe longitudinal du pied). Les angles des appuis au sol (α ou β) étant les angles de lacet (autour de la droite perpendiculaire au plan défini par l'axe longitudinal et l'axe transversal).The distance d between two feet supports (step length) is given by the formula: d = l.sinus (α). The distance e between the two feet is given by e = l.cosinus (α). The graph in Figure 1b illustrates using a timing diagram of four steps the principle of obtaining the course as a function of time, points D and G respectively attached to the right and left foot. Those skilled in the art will readily understand that the three parameters (I, α and β) are sufficient to have the projection on the ground of the relative arrangement of the two feet at any time, by combining the steps, the distance traveled by each foot and the walker's path. But it is easy to transpose in space, it suffices to define and measure for this two other angles which are the angles of pitch (around the transverse axis of the foot) and roll (around the longitudinal axis of the foot). The angles of the ground supports (α or β) being the yaw angles (around the straight line perpendicular to the plane defined by the longitudinal axis and the transverse axis).
L'origine de l 'invention tire en effet son idée des caractéristiques de la marche chez le bipède par exemple qui s'effectue selon des phases séquentielles et cadencées. Le pas : c'est l'action de faire passer l'appui du corps d'un pied à l'autre. L'enjambée du pied droit s'appui sur le pied gauche et réciproquement. De sorte, qu'un seul pied est en mouvement pendant que l'autre est en appui. C'est cette particularité qui permet de retracer le trajet du marcheur à partir de mesures relatives. Il suffit de définir au départ les origines des référentiels des deux pieds par rapport à un référentiel lié à l'espace d'évolution (le sol par exemple). Partant de ces considérations, le référentiel de mesure n'est pas nécessairement attaché à une base fixe. Il peut être embarqué.The origin of the invention indeed draws its idea from the characteristics of walking in the biped for example which is carried out according to sequential and cadenced phases. The step: it is the action of passing the support of the body from one foot to the other. The stride of the right foot rests on the left foot and vice versa. So that only one foot is in motion while the other is in support. It is this peculiarity which makes it possible to trace the walker's path from relative measurements. It suffices to define at the outset the origins of the reference systems for both feet in relation to a reference system linked to the evolution space (the ground for example). Based on these considerations, the measurement reference system is not necessarily attached to a fixed base. It can be shipped.
Afin de démontrer la faisabilité du procédé selon l'invention, nous adopterons la convention (figure 2a) suivante : dans le repère d'un des deux pieds, l'angle (α ou β) de la droite géométrique qui relie l'autre pied est compté positif dans ledit repère si ladite droite est dirigée vers l'avant pied. Il est compté négatif si ladite droite est dirigée vers le talon. Avec cette convention, chaque nouveau pas (appui en cours), réalise avec le pied d'appui un angle α + β. Dans l'exemple de la figure 2b, le pied d'appui est gauche et le pied en cours est droit ; α est positif et β est négatif, de valeur absolue supérieure à celle de α. Le pied droit est donc en rotation dans le sens anti-trigonométrique par rapport au pied gauche.In order to demonstrate the feasibility of the method according to the invention, we will adopt the following convention (Figure 2a): in the reference frame of one of the two feet, the angle (α or β) of the geometric line which connects the other foot is counted positive in said reference if said straight line is directed towards the forefoot. It is counted negative if the said straight line is directed towards the heel. With this convention, each new step (pressing in progress), realizes with the support foot an angle α + β. In the example in FIG. 2b, the support foot is left and the current foot is right; α is positive and β is negative, with an absolute value greater than that of α. The right foot is therefore rotated anti-trigonometrically in relation to the left foot.
Dans son évolution, le marcheur, réalise une suite de vecteur-espaces Vi (figure 3) dont l'origine part du pied d'appui et l'extrémité aboutit au pied en cours. La succession desdits vecteurs détermine le trajet. Chaque vecteur- espace Vi est parfaitement déterminé selon l'invention dans le repère de son origine. La méthode pour déterminer les coordonnées de chaque vecteur dans un référentiel absolu (attaché au sol par exemple) est donnée figure 4. Dans cette illustration, le repère du pied d'appui gauche (d'origine G0) est confondu, mais pas nécessairement avec le référentiel absolu. Le vecteur G0D0 a pour coordonnées (abscisse et ordonnée) xd0, yd0 mesurées par les données de la longueur dudit vecteur (module) et de l'angle α0. Le vecteur DoG^ a pour coordonnées x'0 et y'0 dans son repère d'origine. Ledit repère est en rotation d'un angle R_ = α0 + βo par rapport au repère du vecteur précédent, dans ce cas, c'est aussi par rapport au repère absolu. Les coordonnées de G_ dans le repère absolu sont données par les relations suivantes de transformation de repère bien connues (translation + rotation) : xg-i = xd0 + xOcosR yOsinR-i y i = yd0 + x'0sinRι+ yOcosR-iIn its evolution, the walker realizes a series of vector-spaces Vi (figure 3) whose origin starts from the support foot and the end leads to the foot in Classes. The succession of said vectors determines the path. Each vector-space Vi is perfectly determined according to the invention in the reference frame of its origin. The method for determining the coordinates of each vector in an absolute frame of reference (attached to the ground for example) is given in FIG. 4. In this illustration, the reference mark of the left support foot (of origin G 0 ) is confused, but not necessarily with the absolute benchmark. The vector G 0 D 0 has the coordinates (abscissa and ordinate) xd 0 , yd 0 measured by the data of the length of said vector (module) and of the angle α 0 . The vector DoG ^ has the coordinates x ' 0 and y' 0 in its original coordinate system. Said coordinate system is in rotation by an angle R_ = α 0 + βo with respect to the coordinate system of the preceding vector, in this case, it is also with respect to the absolute coordinate system. The coordinates of G_ in the absolute coordinate system are given by the following well-known coordinate transformation relations (translation + rotation): xg-i = xd 0 + xOcosR yOsinR-i yi = yd 0 + x ' 0 sinRι + yOcosR-i
La même méthode de transformation s'applique pour le vecteur dD-i dont le repère d'origine est en rotation de , + β, par rapport au repère du vecteur DoGi et en rotation de R2 = R, +α-ι + β_ = 0 + β0 +a_ + βi par rapport au référentiel absolu. Il vient : xdi = xgι + X'ICOSR2- y'1sinR2 ydi = ygi + x'ιSinR2+ y'1cosR2 The same transformation method applies for the vector dD-i whose original coordinate system is in rotation of, + β, compared to the coordinate system of the vector DoGi and in rotation of R 2 = R, + α-ι + β_ = 0 + β 0 + a_ + βi with respect to the absolute referential. It comes: xdi = xgι + X ' I COSR 2 - y' 1 sinR 2 ydi = ygi + x'ιSinR 2 + y ' 1 cosR 2
La méthode récursive décrite ci-dessus permet donc de tracer le lieu géométrique des extrémités des vecteurs successifs dans un référentiel déterminé, et donc de connaître le trajet du marcheur. Par ailleurs, toutes les caractéristiques de la marche (vitesse, longueur d'enjambée, cadence, asymétrie des pas, phases d'appui, balancement etc.) sont aussi mesurées. Dans un tout autre domaine que l'étude de la marche, il peut être intéressant de rechercher les contours d'une surface ou d'une forme libre. Il suffirait pour cela de déplacer les objets « G et D » de façon alternée le long du contour à évaluer. Une application des principes ci-dessus est le système selon l'invention qui consiste en au moins deux dispositifs solidaires aux deux (ou plus) objets dont on veut connaître les positions relatives. Pour simplifier nous raisonnerons sur les positions relatives de deux solides dans un plan - le sol par exemple-. Mais il est aisé de transposer dans l'espace, il suffit de définir et de mesurer pour cela deux autres angles. L'ensemble des deux dispositifs coopèrent pour mesurer, d'une part, la longueur de la droite qui les relie et, d'autre part, la mesure d'au moins un angle de la dite droite par rapport à un plan dont est issu une des extrémités de la droite. Dans plusieurs variantes de réalisation de l'invention, la droite est immatérielle (Laser, Ultrasons, faisceau hertzien, champ magnétique etc.), elle est déterminée par un procédé sans fil de triangulation ou de télémétrie, comprenant au moins un transmetteur ou émetteur et au moins un récepteur des ondes émises par ce dernier. Dans l'un des modes de mise en œuvre du procédé et du dispositif autonome selon l'invention (figure 5), on fixe, par un procédé adéquat non représenté, deux transmetteurs ultrasons 1 et 2, avec une disposition et un écartement connus e, sur l'un des deux solides ( G dans cette représentation). Sur l'autre solide D, on fixe, avec une disposition et un écartement connus deux détecteurs ultrasons 3 et 4, fonctionnant aux mêmes fréquences que les transmetteurs 1 et 2. Dans cette réalisation, les émissions ultrasonores des transmetteurs 1 et 2 sont activées en séquence. Les détecteurs 3 et 4 reçoivent les émissions alternées de 1 et 2. Pendant le temps d'émission du transmetteur 1 , on mesure par un des procédés bien connu de télémétrie (mesure du temps de parcourt ou de déphasage entre le signal émis et le signal reçu), les distances entre 1 et 3 et entre 1 et 4. Pendant le temps d'émission du transmetteur 2, on mesure les distances entre 2 et 3 et entre 2 et 4. Grâce à ce principe de mesure, on connaît sans ambiguïté la position relative des détecteurs 3 et 4 par rapport aux transmetteurs 1 et 2. Un calcul simple permet alors d'en déduire la droite géométrique reliant les deux solides et les angles qu'elle définit par rapport à ceux-ci. Pour souligner la non-ambiguïté de la mesure, traçons le cercle C1 , lieu géométrique d'égale distance R1 entre le transmetteur 1 et le récepteur 3 . Traçons le cercle C2 de rayon R2 représentant la distance entre 1 et 4. Le point de coupure des cercles C1 et C2 permet de déterminer la position du récepteur 3. La même méthode permet aussi de déterminer la position du récepteur 4. Pour une variante de la réalisation précédente, intégrant un dispositif permettant la mesure des angles dans deux directions de l'espace dans une application différente que celle de l'invention, on pourra se référer utilement à la publication : R. Rollero, M. Oυaknine et al. Ultrasonic Two-Axis Rotation Detector, IEEE Transactions On Biomédical Engineering. Vol. 37. No. 5. May 1990 p 450-457.The recursive method described above therefore makes it possible to trace the geometrical location of the ends of the successive vectors in a determined reference frame, and therefore to know the path of the walker. In addition, all the characteristics of walking (speed, stride length, cadence, asymmetry of steps, support phases, swaying, etc.) are also measured. In a whole other field than the study of walking, it may be interesting to research the contours of a surface or a free form. It would suffice for this to move the objects “G and D” alternately along the contour to be evaluated. An application of the above principles is the system according to the invention which consists of at least two devices integral with the two (or more) objects whose relative positions are to be known. To simplify we will reason on the relative positions of two solids in a plane - the ground for example-. But it is easy to transpose in space, it suffices to define and measure for this two other angles. The set of two devices cooperate to measure, on the one hand, the length of the straight line which connects them and, on the other hand, the measurement of at least one angle of said straight line with respect to a plane from which comes one end of the line. In several alternative embodiments of the invention, the straight line is immaterial (laser, ultrasound, radio beam, magnetic field, etc.), it is determined by a wireless triangulation or telemetry method, comprising at least one transmitter or transmitter and at least one receiver of the waves emitted by the latter. In one of the modes of implementation of the method and of the autonomous device according to the invention (FIG. 5), two ultrasonic transmitters 1 and 2 are fixed, by a suitable method not shown, with a known arrangement and spacing e , on one of the two solids (G in this representation). On the other solid D, two ultrasonic detectors 3 and 4 are fixed, with a known arrangement and spacing, operating at the same frequencies as the transmitters 1 and 2. In this embodiment, the ultrasonic emissions of the transmitters 1 and 2 are activated by sequence. The detectors 3 and 4 receive the alternating emissions of 1 and 2. During the transmission time of the transmitter 1, one measures by one of the well-known telemetry methods (measurement of the travel time or phase shift between the transmitted signal and the signal received), the distances between 1 and 3 and between 1 and 4. During the transmission time of the transmitter 2, the distances between 2 and 3 and between 2 and 4 are measured. Thanks to this measurement principle, we know without ambiguity the relative position of the detectors 3 and 4 with respect to the transmitters 1 and 2. A simple calculation then makes it possible to deduce therefrom the geometric line connecting the two solids and the angles which it defines with respect to these. To underline the unambiguity of the measurement, let us trace the circle C1, geometric place of equal distance R1 between the transmitter 1 and the receiver 3. Let us trace the circle C2 of radius R2 representing the distance between 1 and 4. The cut-off point of the circles C1 and C2 makes it possible to determine the position of the receiver 3. The same method also makes it possible to determine the position of the receiver 4. For a variant of the previous embodiment, incorporating a device allowing the measurement of angles in two directions of space in a different application than that of the invention, reference may usefully be made to the publication: R. Rollero, M. Oυaknine et al. Ultrasonic Two-Axis Rotation Detector, IEEE Transactions On Biomedical Engineering. Flight. 37. No. 5. May 1990 p 450-457.
Dans une autre variante de réalisation particulièrement sophistiquée, pour laquelle on voudrait connaître par exemple, à tout instant, chez un marcheur, les 6 degrés de liberté des deux pieds (3 translations et 3 rotations), on pourra avantageusement tirer profit des dispositifs du commerce tels que le système de mesure de position et d'orientation « The Flock of Birds® » de la société Ascention Technology Corporation (USA) dont le principe de mesure est basé sur la transmission d'un champ magnétique puisé qui est simultanément mesuré par un ou plusieurs senseurs. Chaque senseur calcule indépendamment sa position et son orientation . Cependant, le rayon d'action d'un tel système est limité à environ 1 ,5 mètres, et le transmetteur est trop lourd pour être fixé à l'un des deux pieds. Il peut néanmoins soit être porté par le sujet, par exemple au niveau de la ceinture, soit être porté par un dispositif se déplaçant avec le sujet - sur un chariot par exemple-. Ainsi embarqué à une distance inférieure à son rayon d'action, le système peut aisément déterminer selon les principes évoqués ci-dessus, les paramètres ( droite et angles) nécessaires à l'analyse de la marche. La figure 6 illustre la méthode de détermination desdits paramètres. Le transmetteur 5 est porté par le sujet. Les senseurs 6 et 7 sont fixés respectivement aux pieds G et D. A tout instant, le dispositif mesure les coordonnées et les rotations des senseurs 6 et 7 par rapport au transmetteur 5. Afin de mieux comprendre la méthode, nous raisonnerons dans une projection au sol. La longueur I de la droite GD est donnée par Pythagore :
Figure imgf000013_0001
Les angles suivants sont calculés par les relations trigonométriques :In another particularly sophisticated variant, for which we would like to know for example, at any time, in a walker, the 6 degrees of freedom of the two feet (3 translations and 3 rotations), we can advantageously take advantage of commercial devices such as the position and orientation measurement system "The Flock of Birds®" from Ascention Technology Corporation (USA), the measurement principle of which is based on the transmission of a pulsed magnetic field which is simultaneously measured by a or more sensors. Each sensor independently calculates its position and orientation. However, the range of such a system is limited to about 1.5 meters, and the transmitter is too heavy to be attached to one of the two feet. It can nevertheless either be carried by the subject, for example at the level of the belt, or be carried by a device moving with the subject - on a trolley for example-. Thus on board at a distance less than its radius of action, the system can easily determine, according to the principles mentioned above, the parameters (line and angles) necessary for the analysis of walking. FIG. 6 illustrates the method for determining said parameters. The transmitter 5 is carried by the subject. The sensors 6 and 7 are fixed respectively to the feet G and D. At all times, the device measures the coordinates and the rotations of the sensors 6 and 7 relative to the transmitter 5. In order to better understand the method, we will reason in a projection at ground. The length I of the line GD is given by Pythagoras:
Figure imgf000013_0001
The following angles are calculated by the trigonometric relationships:
Figure imgf000013_0002
Figure imgf000013_0002
Le dispositif magnétique est, comme nous l'avons dit, capable de mesurer 3 angles de l'espace pour chaque senseur. Il fournit donc : φg et φd qui représentent respectivement la rotation du senseur 6 et 7 par rapport au transmetteur 5. Ces angles étant orientés, et, selon les conventions établies précédemment, on vérifiera sans peine les relations suivantes : =θg-φg β ?—=-&(£._-θd+φd) Les trois éléments (I, α, β ) ainsi calculés, le mode de détermination de la trajectoire est le même que celui déjà explicité précédemment.The magnetic device is, as we said, capable of measuring 3 angles of space for each sensor. It therefore provides: φg and φd which respectively represent the rotation of the sensor 6 and 7 with respect to the transmitter 5. These angles being oriented, and, according to the conventions established previously, we will easily verify the following relationships: = θg-φg β? - = - & (£ ._- θd + φd) The three elements (I, α, β) thus calculated, the method of determining the trajectory is the same as that already explained above.
Dans les exemples de réalisation qui vont suivre, la droite géométrique est matérialisée, elle relie mécaniquement les solides G et D tout en autorisant l'expression de leur mouvement. Leurs réalisations selon l'invention sont de complexité croissante selon les exigences de l'analyse et des conditions expérimentales de la marche.In the examples of embodiment which follow, the geometric line is materialized, it mechanically connects the solids G and D while allowing the expression of their movement. Their embodiments according to the invention are of increasing complexity according to the requirements of the analysis and of the experimental conditions of walking.
Ainsi, si les conditions expérimentales imposent au sujet une marche rectiligne avec un écartement des pieds constant- la consigne étant par exemple de poser les pieds le long de deux bandes parallèles, d'écartement e, marquées au sol-, il suffira de connaître un seul des deux angles (α ou β), puisqu'ils sont égaux (angles alternes internes), pour déterminer les paramètres dynamiques de chaque pas. Dans ce cas, la longueur du pas d = e.tangente(α). Les alternances de signes de (α ou β) marquent les changements de pas. Dans ces conditions, la figure 7 (vue de dessus) et la figure 8 (vue de face) illustrent un mode de réalisation selon l'invention particulièrement bon marché. Selon ce mode d'exécution, on dispose de deux supports. Le support 8 est par exemple fixé au pied gauche et le support 9 au pied droit. Le mode de fixation n'est pas précisé ici, mais il peut s'agir par exemple d'une bande adhésive 10 ou tout autre moyen rapide et commode comme une bande auto-aggripante de type Velcro (Marque déposée). Pour cette utilisation, l'emplacement de fixation au pied est, de préférence, le talon tel qu'il est figuré (figure 9), mais pas nécessairement , les bords internes des pieds peuvent aussi convenir. Les supports 8 et 9 sont, par exemple constitués par des équerres en tôle ou en matière plastique suffisamment rigide. L'équerre 8 supporte, sur son fond horizontal, une tige 11 montée libre en rotation ou fixe. Ladite tige n'a, dans ce mode de réalisation, qu'un rôle de point d'ancrage. L'équerre 9 supporte un dispositif électronique 13 solidaire en rotation d'un organe rotatif tel qu'un axe 14 et capable de fournir un signal, par exemple électrique, proportionnel à l'angle de rotation de l'axe 14 par rapport au corps du dispositif électronique 13. Ledit dispositif peut, par exemple, être un codeur optique angulaire, un gyroscope électronique, un potentiomètre ou tout autre dispositif codant un angle de rotation. La tige 11 et l'axe de rotation 14 sont réunis par un fil 12 extensible qui peut être un élastique dont la tension est suffisante pour définir une droite sans entraver le mouvement de 8 et 9, de sorte que si on déplace dans le sens antéro-postérieur un support (8 ou 9) par rapport à l'autre, le fil 12, de par sa tension, entraîne en rotation l'axe 14 jusqu'à l'obtention de l'alignement de son point d'attache sur la biellette 15 solidaire dudit axe. Cet alignement est facilité par ladite biellette fixée transversalement sur l'axe 14 et qui a pour fonction d'accroître le couple de rotation et vaincre les frottements dudit axe. La figure 7 montre la position de deux appuis du pied gauche par rapport au pied droit qui réalisent les angles β-, (négatif) et β2 (positif) mesurés par le codeur angulaire 13. Les graphes de la figure 10 montrent clairement que l'on peut dissocier le pas du pied droit :dj= e.tangente(β1) et le pas du pied gauche : d2=e.tangente(β2), en s'aidant de l'alternance de l'angle β et de celui de sa dérivée β'. Les phases stables d'appui coïncident en effet avec les phases où la dérivée β'= 0.Thus, if the experimental conditions impose on the subject a rectilinear walk with a constant spacing of the feet - the instruction being for example to pose the feet along two parallel strips, of spacing e, marked on the ground -, it will suffice to know a only one of the two angles (α or β), since they are equal (internal alternate angles), to determine the dynamic parameters of each step. In this case, the length of the tangent step (α). The alternations of signs of (α or β) mark the changes of step. Under these conditions, Figure 7 (top view) and Figure 8 (front view) illustrate an embodiment according to the invention particularly inexpensive. According to this embodiment, there are two supports. The support 8 is for example fixed to the left foot and the support 9 to the right foot. The method of attachment is not specified here, but it may for example be an adhesive strip 10 or any other quick and convenient means such as a Velcro type self-gripping strip (registered trademark). For this use, the location for attachment to the foot is preferably the heel as shown (Figure 9), but not necessarily, the internal edges of the feet may also be suitable. The supports 8 and 9 are, for example constituted by brackets made of sheet metal or of sufficiently rigid plastic. The bracket 8 supports, on its horizontal bottom, a rod 11 mounted free in rotation or fixed. Said rod has, in this embodiment, only a role of anchor point. The bracket 9 supports an electronic device 13 integral in rotation with a rotary member such as an axis 14 and capable of providing a signal, for example electrical, proportional to the angle of rotation of the axis 14 relative to the body of the electronic device 13. Said device can, for example, be an optical angular encoder, an electronic gyroscope, a potentiometer or any other device encoding an angle of rotation. The rod 11 and the axis of rotation 14 are joined by an extensible wire 12 which can be an elastic whose tension is sufficient to define a straight line without hampering the movement of 8 and 9, so that if we move in the antero-posterior direction a support (8 or 9) relative to the other, the wire 12, by its tension, rotates the axis 14 until the alignment of its attachment point on the rod 15 secured to said axis is obtained. This alignment is facilitated by said link fixed transversely to the axis 14 and which has the function of increasing the torque and overcoming the friction of said axis. Figure 7 shows the position of two supports of the left foot relative to the right foot which realize the angles β-, (negative) and β 2 (positive) measured by the angular encoder 13. The graphs of figure 10 clearly show that l '' we can dissociate the step of the right foot: dj = tangent (β 1 ) and the step of the left foot: d 2 = tangent (β 2 ), using the alternation of the angle β and that of its derivative β '. The stable support phases indeed coincide with the phases where the derivative β '= 0.
Dans une variante de la réalisation précédente, les dispositifs 8 et 9 sont identiques. Cette variante (figure 11) intéresse l'analyse d'une marche selon une trajectoire quelconque mais avec un écartement des pieds maintenu constant. Les codeurs 13g du support 8 et 13d du support 9 coopèrent pour donner les angles α et β à partir desquels on pourra déterminer la translation et la rotation d'un pied par rapport à l'autre. Pour une analyse de la marche sans aucune contrainte imposée au sujet, il est nécessaire de compléter la variante précédente, selon l'invention, par un dispositif capable de fournir à la demande et de mesurer la longueur de fil 12 nécessaire à la liaison des deux dispositifs (8 et 9) tout en assurant une tension mécanique suffisante pour mettre en rotation les codeurs angulaires 13g et 13d. L'une des solutions serait d'utiliser un fil extensible dont les propriétés électriques sont modifiées lorsqu'il est étiré. Les fils en mousse de carbone par exemple voient leur résistance électrique augmenter avec la traction. Une autre solution est d'enrouler le fil 12 qui est souple fin mais non élastique, autour d'une bobine capable de dévider une longueur de fil nécessaire tout en le maintenant en tension grâce à un mécanisme de rappel qui peut être par exemple un ressort spiral ou un moteur à couple constant. En montant ladite bobine sur l'axe d'un codeur angulaire, d'un compte-tours ou d'un potentiomètre, on peut déduire la longueur de fil dévidé. La variante de la figure 12 (vue de dessus) et la figure 13 (vue de face) illustre un exemple de réalisation selon lequel le fil 12 est rembobiné autour d'une bobine 16 qui est solidaire de l'axe 17 d'un codeur angulaire 18 capable de mesurer un nombre de tours et un angle résiduel proportionnels à la longueur de fil dévidé. Le fil 12 est maintenu en tension grâce à un ressort spiral 19 qui exerce un couple qui s'oppose à son débobinage. Ledit ressort est fixé sur l'axe 17 à son extrémité centrale, et au corps de 18 à son extrémité périphérique. A sa sortie, le fil 12 est guidé dans une direction radiale à l'axe 17 par un guide 20 solidaire du codeur angulaire 18. Le corps du codeur angulaire 18 est libre en rotation sur le support 8 grâce à un second codeur angulaire 13g dont l'axe de rotation 21 est fixé au fond du support 8. Les corps du codeur 18 et du codeur 13g sont solidaires par un mode de liaison quelconque représenté par la plaque 22. Les forces latérales exercées sur le guide par la tension du fil 12 entraîne en rotation le corps du codeur 18 tel que le fil 12 soit toujours tendu dans la même direction que la tangente de son point de décollement sur la bobine 16. Une variation de tension dans la direction du fil, n'entraîne en rotation que l'axe 17, une modification de la direction du fil entraîne en rotation les corps des codeurs 13g et 18 par rapport à l'axe 21. La réalisation selon l'invention décrite ci-dessus est capable en fournissant les 3 paramètres (I, α et β) de permettre une analyse non restrictive de la marche. In a variant of the previous embodiment, the devices 8 and 9 are identical. This variant (Figure 11) concerns the analysis of a walk along any trajectory but with a distance of the feet kept constant. The coders 13g of the support 8 and 13d of the support 9 cooperate to give the angles α and β from which it is possible to determine the translation and the rotation of one foot relative to the other. For a gait analysis without any constraint imposed on the subject, it is necessary to complete the previous variant, according to the invention, by a device capable of supplying on demand and measuring the length of wire 12 necessary for the connection of the two devices (8 and 9) while ensuring sufficient mechanical tension to rotate the angular encoders 13g and 13d. One solution would be to use an extensible wire whose electrical properties are modified when it is stretched. Carbon foam wires, for example, see their electrical resistance increase with traction. Another solution is to wind the wire 12, which is flexible, fine but not elastic, around a spool capable of unwinding a length of wire required while keeping it in tension by means of a return mechanism which may be, for example, a spring. balance spring or constant torque motor. By mounting said coil on the axis of an angle encoder, a tachometer or a potentiometer, one can deduce the length of unwound wire. The variant of FIG. 12 (top view) and FIG. 13 (front view) illustrates an exemplary embodiment according to which the wire 12 is rewound around a coil 16 which is integral with the axis 17 of an encoder angular 18 capable of measuring a number of turns and a residual angle proportional to the length of unwound wire. The wire 12 is kept in tension by a spiral spring 19 which exerts a torque which opposes its unwinding. Said spring is fixed on the axis 17 at its central end, and to the body of 18 at its peripheral end. At its exit, the wire 12 is guided in a radial direction to the axis 17 by a guide 20 secured to the angular encoder 18. The body of the angular encoder 18 is free to rotate on the support 8 thanks to a second angular encoder 13g of which the axis of rotation 21 is fixed to the bottom of the support 8. The bodies of the encoder 18 and of the encoder 13g are secured by any type of connection represented by the plate 22. The lateral forces exerted on the guide by the tension of the wire 12 rotates the body of the encoder 18 such that the wire 12 is always stretched in the same direction as the tangent of its detachment point on the coil 16. A change in tension in the direction of the wire, only causes the l axis 17, a modification of the direction of the wire causes the bodies of the encoders 13g and 18 to rotate relative to the axis 21. The embodiment according to the invention described above is capable of providing the 3 parameters (I, α and β) to allow an analysis no n restrictive of walking.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour la détermination de la position relative de deux objets ou organes en mouvement, dans un plan ou dans l'espace, par exemple applicable à l'analyse kymographique de la marche, caractérisé en ce que l'on effectue, alternativement, des mesures sur chaque objet ou organe, l'autre objet ou organe étant pris comme référentiel de mesure.1. Method for determining the relative position of two objects or organs in motion, in a plane or in space, for example applicable to the kymographic analysis of walking, characterized in that one performs, alternatively, measurements on each object or organ, the other object or organ being taken as the measurement reference system.
2. Dispositif autonome pour la détermination de la position relative de deux objets ou organes en mouvement, dans un plan ou dans l'espace, par exemple applicable à l'analyse kymographique de la marche, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux appareils complémentaires (1 , 3 ; 2, 4 ; 8, 9) capables d'effectuer, d'une part, la mesure de la longueur de la droite qui sépare deux points de référence (D, G) attachés, respectivement, aux deux objets, lorsque ceux-ci sont placés à distance l'un de l'autre, et, d'autre part, la mesure d'au moins un angle (α, β) de cette droite par rapport à un plan dont est issue au moins l'une des extrémités de ladite droite.2. Autonomous device for determining the relative position of two objects or organs in motion, in a plane or in space, for example applicable to the kymographic analysis of walking, characterized in that it comprises at least two complementary devices (1, 3; 2, 4; 8, 9) capable of carrying out, on the one hand, the measurement of the length of the straight line which separates two reference points (D, G) attached, respectively, to the two objects, when these are placed at a distance from each other, and, on the other hand, the measurement of at least one angle (α, β) of this straight line with respect to a plane from which the minus one of the ends of said straight line.
3. Procédé référentiel relatif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on mesure la longueur de la droite (D-G) qui relie deux points de référence (D,3. relative reference method according to claim 1, characterized in that the length of the straight line (D-G) which connects two reference points (D,
G) attribués, respectivement, à chacun des deux objets ou organes en mouvement, et on détermine la position de chacun de ces derniers par rapport à cette droite.G) assigned, respectively, to each of the two objects or organs in motion, and the position of each of these is determined relative to this straight line.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on mesure, d'une part, la longueur de la droite (D-G) qui relie deux points de référence (D, G) attachés, respectivement, aux deux objets ou organes, par exemple au pied droit et au pied gauche d'un sujet, et, d'autre part, les angles (α, β) formés entre ladite droite et chacun desdits pieds.4. Method according to claim 3, characterized in that one measures, on the one hand, the length of the line (DG) which connects two reference points (D, G) attached, respectively, to the two objects or organs , for example at the right foot and the left foot of a subject, and, on the other hand, the angles (α, β) formed between said right and each of said feet.
5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'on mesure la longueur de la droite (D-G) au moyen d'appareils télémétriques complémentaires comprenant au moins un transmetteur (1 , 2) et au moins un détecteur (3, 4) fixés, respectivement, aux objets ou corps en mouvement. 5. Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that the length of the straight line (DG) is measured by means of complementary telemetric devices comprising at least one transmitter (1, 2) and at least one detector (3, 4) fixed, respectively, to moving objects or bodies.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'on mesure la longueur de la droite (D-G) au moyen d'appareils télémétriques complémentaires comprenant deux transmetteurs (1, 2) et deux détecteurs (3, 4) fixés, respectivement, avec une position et un écartement déterminé (e) aux objets ou corps en mouvement, les transmetteurs (1 , 2) émettant en alternance et chaque récepteur (3, 4) étant accordé en fréquence à l'un desdits transmetteurs (1 , 2).6. Method according to any one of claims 3 to 5, characterized in that the length of the straight line (DG) is measured by means of complementary telemetric devices comprising two transmitters (1, 2) and two detectors (3 , 4) fixed, respectively, with a determined position and spacing (e) to moving objects or bodies, the transmitters (1, 2) transmitting alternately and each receiver (3, 4) being tuned in frequency to one of said transmitters (1, 2).
7. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'on mesure la longueur de la droite (D-G) au moyen d'un fil (12) de longueur variable reliant les objets ou organes en mouvement, et en ce que l'on constate les variations de longueur de ce fil au moyen d'au moins un appareil (13-14) fixé à au moins l'un des objets ou organes et capable de mesurer des variations de longueur.7. Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that the length of the straight line (DG) is measured by means of a wire (12) of variable length connecting the objects or organs in motion, and in that there are variations in the length of this wire by means of at least one device (13-14) attached to at least one of the objects or organs and capable of measuring variations in length.
8. Dispositif autonome selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits appareils complémentaires comprennent, d'une part, un émetteur ou transmetteur (1 , 2) d'ondes lumineuses, ou d'ondes ultrasoniques, ou d'ondes hertziennes, ou de champs magnétiques et, d'autre part, au moins un récepteur (3, 4) accordé audit transmetteur, permettant de générer une droite immatérielle (D-G) entre émetteur et récepteur.8. Autonomous device according to claim 2, characterized in that said complementary devices comprise, on the one hand, a transmitter or transmitter (1, 2) of light waves, or ultrasonic waves, or radio waves, or magnetic fields and, on the other hand, at least one receiver (3, 4) tuned to said transmitter, making it possible to generate an immaterial line (DG) between transmitter and receiver.
9. Dispositif autonome selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits appareils complémentaires comprennent au moins deux transmetteurs ou émetteurs espacés (1 , 2) et au moins deux récepteurs espacés (3, 4), lesdits transmetteurs étant assujettis à un dispositif permettant de les activer alternativement.9. Autonomous device according to claim 2, characterized in that said complementary devices comprise at least two spaced transmitters or transmitters (1, 2) and at least two spaced receivers (3, 4), said transmitters being subject to a device making it possible to activate them alternately.
10. Dispositif autonome suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un fil (12) de longueur variable, dont les extrémités sont fixées auxdits appareils complémentaires (8, 9), l'un au moins de ces appareils étant agencé pour mesurer les variations de longueur dudit fil lorsqu'il est tendu. 10. Autonomous device according to claim 2, characterized in that it comprises a wire (12) of variable length, the ends of which are fixed to said complementary devices (8, 9), at least one of these devices being arranged for measuring the variations in length of said wire when it is stretched.
11. Dispositif autonome selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'une des extrémités du fil (12) est fixée à un organe rotatif (14) d'un dispositif i électronique (13) connu en soi, capable de coder un angle de rotation.11. Autonomous device according to claim 10, characterized in that one of the ends of the wire (12) is fixed to a rotary member (14) of an electronic device (13) known per se, capable of coding an angle of rotation.
12. Dispositif autonome suivant la revendication 11 , caractérisé en ce que chaque extrémité du fil (12) est fixée à l'organe rotatif d'un dispositif (13g, 13d) capable de coder un angle de rotation.12. Autonomous device according to claim 11, characterized in that each end of the wire (12) is fixed to the rotary member of a device (13g, 13d) capable of coding an angle of rotation.
13. Dispositif autonome selon la revendication 11 , caractérisé en ce que l'organe rotatif est constitué par une bobine (16) montée sur l'axe rotatif (17) d'un codeur angulaire (18) et sur laquelle peut s'enrouler le fil (12), cette bobine étant assujettie à un moyen permettant de dévider une longueur dudit fil (12) tout en le maintenant en tension grâce à un mécanisme de rappel (19), le corps du codeur angulaire (18) étant libre en rotation et étant muni d'un guide entre lequel passe le fil (12) à sa sortie de la bobine (16).13. Autonomous device according to claim 11, characterized in that the rotary member is constituted by a coil (16) mounted on the rotary axis (17) of an angular encoder (18) and on which can be wound wire (12), this reel being subject to a means allowing a length of said wire (12) to be unwound while keeping it in tension by means of a return mechanism (19), the body of the angular encoder (18) being free to rotate and being provided with a guide between which passes the wire (12) at its outlet from the coil (16).
14. Dispositif autonome suivant la revendication 13, caractérisé en ce que le moyen de tension et de rappel du fil (12) est constitué par un ressort spiral (19) fixé, d'une part, à l'axe (17) du codeur angulaire (18) par l'intermédiaire de son extrémité centrale et, d'autre part, au corps dudit codeur angulaire (18) par l'intermédiaire de son extrémité périphérique. 14. Autonomous device according to claim 13, characterized in that the wire tensioning and return means (12) consists of a spiral spring (19) fixed, on the one hand, to the axis (17) of the encoder angular (18) via its central end and, on the other hand, to the body of said angular encoder (18) via its peripheral end.
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