專利名稱：用于設備的自動定位的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于定位諸如顯示屏之類的設備的裝置和方法。
諸如視頻監(jiān)視器、儀表面板、防護隔板和顯示屏及其它顯示器之類的許多設備在應用時必須對于用戶保持可見或便于接近。這些設備可單獨使用或作為諸如醫(yī)學成像系統(tǒng)或機床之類的復雜系統(tǒng)的部件。當需要保持屏幕或其它設備可見時，用戶必須在規(guī)定區(qū)域內經(jīng)常改變位置。
特別是，視頻監(jiān)視器經(jīng)常在旋轉的或在樞軸上轉動的臺架上進行旋轉或被定位，或者可以利用剪形裝置、軛(yoke)或其它樣式的支架被移動到一個位置上。問題是用戶或其他人通常必須靠體力移動監(jiān)視器。如果移動是經(jīng)常性的，或者該監(jiān)視器或包括一個或多個監(jiān)視器的組件較重，就可能存在重復性勞損(RSI)的危險。無論如何，這都存在相當大的效率損失。
將監(jiān)視器或其它設備人工定位和重新定位在最佳位置處需要時間，用戶可能沒有這段時間或者這會中斷正在進行的工作。例如，如果需要兩只手來定位屏幕，或者如果操作者必須處于不方便的位置或必須將他或她的注意力從其它工作上移開，則移動視頻監(jiān)視器或其它設備不僅可能是相當不方便的，而且對于操作者、病人或其他人會產生嚴重的危險。
因此，在許多情況下，用戶在使用設備時必須不斷調整設備的位置，這不僅不便和低效，而且還會造成傷害用戶和其他人的危險。醫(yī)學系統(tǒng)經(jīng)常必須用雙手進行操作。當操作者移動時，監(jiān)視器或其它設備不移動。為了提高可視性的過勞會導致RSI，還可增加醫(yī)療過程所需的時間。
通過采用監(jiān)視器的自動定位可減少與工作有關的損失。特別是，臨床超聲具有人機工程學的缺陷。多達80％的超聲波醫(yī)師報告說在他們的職業(yè)生涯中RSI有時導致請假。約28％的人由于RSI離開了該行業(yè)。這不僅使人類付出極大的代價，而且還加重了有限的超聲波醫(yī)師供給的壓力，所以經(jīng)常有報告說工作時間更長而休息更少。診斷醫(yī)學超聲協(xié)會建議的“人機工程學設計的超聲設備”包括一個外部監(jiān)視器。
當前用于自動定位的系統(tǒng)能力有限，尤其是在設備如何被支撐、移動范圍以及調整位置并考慮障礙物的能力的方面的限制，且在解決這些問題方面并不十分有效。例如，兩個美國專利公開了利用有限移動來提供有限跟蹤用戶和視頻監(jiān)視器的系統(tǒng)。Jeong的美國專利no.6,348,928公開了一種系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中可視顯示單元能夠通過檢測體溫來跟隨觀察者向右或向左自動旋轉顯示屏。Hazra的美國專利no.6,311,141公開了一種用于顯示器的方法和裝置，其中確定和監(jiān)視在顯示器與觀察者之間的物理關系，且顯示器在桌面上旋轉或移動以保持該物理關系。
這樣的系統(tǒng)存在的問題是，由于在移動或觀察范圍內的障礙物或其它固有限制，通常不能獲得監(jiān)視器或其它設備的理想位置。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種在無需人的參與或關注的情況下將屏幕或其它設備移動到所需預定位置的裝置和方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種隨著屏幕或其它設備的用戶的移動而改變屏幕或其它設備的所需位置的裝置和方法。
本發(fā)明的這些和其它進一步的目的將通過考慮下面本發(fā)明的詳細描述而變得明顯。
根據(jù)本發(fā)明，對于使用的設備計算最接近最佳位置的可達到位置，并且從而在無需用戶參與或關注的情況下定位該設備。除其它原因外，由于無需用戶的交互操作，從而提高了效率和工效。
這些目的通過在本發(fā)明的一個方面中提供一種包括傳感器的裝置來實現(xiàn)，該傳感器檢測對象的存在和位置，并將該信息發(fā)送到可操作地連接到臂組件的處理器，該對象通常為系統(tǒng)的用戶。該裝置跟蹤用戶的位置，尤其是他或她的面部和/或眼睛的位置，從而自動定位屏幕以使用戶獲得最佳觀察。屏幕位置可按時間間隔或通過在更新發(fā)生前限定移動邊界來進行更新。
該傳感器典型地為利用可見光進行成像的攝影機。在其它的可選擇裝置中，對于該傳感器可使用紅外攝影機，盡管附加熱的特定標記可更易于識別遠處兩個可互換的用戶。該傳感器還可以是一個發(fā)射器，其通過例如電磁線圈陣列檢測和傳遞關于用戶的位置和方向信息?？梢允褂枚鄠€傳感器。
來自傳感器的信息被輸入到處理器子系統(tǒng)，該處理器子系統(tǒng)識別用戶的位置并確定該設備的最佳位置和方向。該處理器子系統(tǒng)可以處于分布式計算環(huán)境中。
該處理器為一個或多個計算機。其計算屏幕的位置以及臂組件將屏幕移動到該位置時所跟隨的路徑。該計算基于臂組件的控制機的致動器的能力、監(jiān)視器尺寸和附近禁止區(qū)域，例如墻壁、病人位置等。
可利用反向運動的計算來找到滿足機構的給定運動學模型的約束條件和一組在組成該機構的所選擇物體上的位置約束條件的連接位置變量的向量。
典型地，在向最接近最佳位置的可達到位置移動時，該裝置將簡單地把該設備定位在“連接界限”處。在更復雜的系統(tǒng)中，例如，如果人的面部轉動，則該系統(tǒng)可通過首先確定距離眼睛中心位置N英寸(例如令N＝18)之內的位置來計算位置。接下來計算眼睛的方向。如果頭部傾斜，可記錄眼睛角度。這限定了設備中心的最佳位置和方向以及該設備將要朝向的方向。此最佳位置(端點)可用于直接輸入到某些機器人系統(tǒng)中，或可計算反向運動。
臂組件是能夠在具有3-6自由度的三維空間內在結構上支撐和定位設備的單元。設備被連接到臂組件的一端。臂組件可由單點支撐，如柱、底腳、或墻板，以及臂組件。
例如，臂組件可以包括電機并利用電機的控制機進行定位，所述電機例如是伺服電機或步進電機。通常，這些機器或者通過引導單獨的電機“設定點”或者通過為末端執(zhí)行器提供位置而進行定位，由此，利用反向運動計算連接值。電機可以是旋轉的或棱柱形的，其繞軸轉動，或沿軸線性移動。
自由度是指定物體空間位置所需要的獨立參數(shù)。例如，鉸鏈門的空間位置可由一個參數(shù)即張角來設定。鉸鏈門因此具有一個自由度。在一片平坦草地上操作的割草機的位置可由相對于相互垂直的x和y軸的x和y位置坐標來設定。在平面上的割草機因此具有兩個自由度。在三維空間內物體的位置和方向可由指定的六個自由度設置，即三個位置坐標和三個方向角度。
能夠通過指定兩個至六個自由度來定位設備的機器人單元可以在市場上買到，并可有利地用作臂組件。用于具有多種相互作用自由度的機電式機械設備的控制和協(xié)調的技術是眾所周知的。例如，由Unimation，Inc.制造的商品名稱為PUMA 560的臂可將空間內的物體定位在由六個自由度指定的位置處。
臂組件還可擁有定位具有冗余自由度即六個以上自由度的設備的能力，盡管為了固定設備的位置和方向僅需要六個參數(shù)。
在一個實施例中，本發(fā)明是一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)跟蹤用戶的位置，特別是他或她的面部、頸部和/或眼睛的位置，從而屏幕自動定位其自身以使其處在用戶前面，而且通過屏幕為用戶提供最佳可能的人或物體的圖像。例如，該屏幕可定位成防止在手術過程產生的如血液或其它液體之類的物質擴散到操作者身上。該屏幕可以是透鏡和盾狀保護器(thyroid protector)，即鉛玻璃或其它材料的板，其在由診斷或干涉X線過程生成的輻射到達用戶之前吸收該輻放。屏幕位置可以每N秒或通過在更新發(fā)生前限定移動的邊界來進行更新。
紅外或其它接近檢測器可被提供來檢測在臂或設備附近存在的障礙物(如另一件設備)或除用戶以外的第二人。該檢測器可與控制機相連接以當障礙物或第二人在附近時防止臂和設備的移動。
本發(fā)明的這些和其它方面將從下面描述的實施例變得顯而易見，并通過參照下面描述的實施例進行闡明。
在附圖中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)視器臺架的實施例。
圖2是本發(fā)明的定位屏幕的方法的流程圖。
圖1示出體現(xiàn)本發(fā)明的監(jiān)視器臺架1。監(jiān)視器2被安裝在臂組件(在此為垂直臂)3上。臂組件3被支撐在柱4上。監(jiān)視器2上的傳感器5接收用戶7的圖像6，并將該圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器10。
傳感器5可以是集成于監(jiān)視器中的攝影機，由處理器10檢測圖像6并識別面部。監(jiān)視器2具有旋轉電機或高度調節(jié)電機。閱讀舒適的標稱距離如18英寸(約0.5米)通常是優(yōu)選的。監(jiān)視器理想地定位以使用戶的眼睛相對于屏幕居中。如果高度不可調，或高度為最大值，則屏幕可以向上或向下轉動角度以改進可視性。這于是假設監(jiān)視器具有附加的自由度。
在此簡單的實例中，多用戶工作空間內的監(jiān)視器2可只能自動調節(jié)高度。傳感器5檢測到下一個人是例如6’6”，且處理器10確定理想高度調整8為比中性位置高1英尺。然而，可能的移動范圍可以僅為+8英寸。在該情況下，監(jiān)視器將延伸8英寸，其為最近可達到位置。
在一個簡單的實例中，可以存儲預定位置的坐標。而后用戶識別可簡單地將設備位置設置在最近預定位置的位置和方向處。在此情況下，不發(fā)生自適應定位。
監(jiān)視器2在三維空間內還可具有更大的移動范圍，在另一種情況下，監(jiān)視器2甚至可“保持朝向”用戶，但當用戶接近時向后退，從而允許在完全不用雙手情況下的屏幕操作。監(jiān)視器的最佳觀察姿勢可包括距離和方向(典型地為“一直向前”、零度、0.5米)。必須測試移動范圍以確保監(jiān)視器具有有限的移動范圍，而不影響工作空間。
雖然傳感器5示出為嵌入在監(jiān)視器內的攝影機，但這并不是必需的。傳感器的位置也是無關緊要的，只要它的性能不被監(jiān)視器或其它周圍物體干擾。例如，作為傳感器的RF應答器具有與需要視線的攝影機不同的位置需要(例如對射頻干擾或RFI的敏感性)。
圖2是本發(fā)明的方法的流程圖。在圖2的實施例中，利用本發(fā)明的系統(tǒng)來定位監(jiān)視器或其它屏幕包括七個主要步驟。該過程開始于200。規(guī)定201放置監(jiān)視器的控制連接的允許位置(其可包括移動期間的中間位置)的最大窗口。此窗口有時被稱為工作包絡或構形空間。全部組合中的允許連接角的范圍確定了窗口。它們可以被預先規(guī)定，由技術人員手工輸入，或者通過移動組合中的連接并存儲連接角(如從編碼設備中)進行訓練。此計算可包括在局部區(qū)域中監(jiān)視器或傳感器(例如攝影機)以及任何經(jīng)常預期的機器的位置或限制。
利用觀察者或其它用戶的位置校準202傳感器。在校準傳感器時，利用一個或多個識別和確定人或物體坐標的算法處理傳感器數(shù)據(jù)，如下所述，以通過確定所識別觀察者在三維空間內的坐標來識別觀察者并放置該觀察者。理想地，對于本發(fā)明的許多實施例，觀察者的位置為眼睛中點的位置和方向。可以使用來自可佩帶傳感器(例如RF應答器)的位置的距離和/或方向偏移，或者觀察者的位置可直接從傳感器計算得出(例如從攝影機圖像計算眼睛位置)。
對于諸如醫(yī)學成像系統(tǒng)之類的應用，可對每個用戶規(guī)定舒適的監(jiān)視器距離。此外，重要的是屏幕不要過于頻繁地移動，這也可對每個用戶或情形的類型進行規(guī)定。
計算203用于監(jiān)視器的理想觀察位置。例如，在距離用戶18英寸或45cm且將屏幕頂端放置成與用戶眼睛中心對準的位置可認為是最佳的。
計算204最接近理想觀察位置的可達到位置。
利用控制機例如機器人的致動器將屏幕移動205到可達到位置。機器人將被限制停留在由步驟201所規(guī)定設置的工作包絡內。
計算206觀察者的位置并與重新定位標準進行比較207。指導208觀察者位置的重新計算，直到滿足209重新定位標準。例如，該標準可以是觀察者已經(jīng)移動一個大于所計算閾值的距離(Δx，Δy，Δz)或已經(jīng)旋轉一個大于所計算閾值的角度(Δrx，Δry或Δrz)。該重新定位標準還可基于已經(jīng)經(jīng)過例如5秒的最小或最大時間量。
如果滿足209重新定位標準，則基于修正的觀察者位置計算203理想觀察位置，并重復步驟204、205、206和207以設定和保持新的可達到位置。以下示例性重新定位標準確定用戶是否基本上已經(jīng)移動(對于此應用而言)以及監(jiān)視器是否最近未移動假設用戶的眼睛中央位置由x、y、z限定，如果(Δx2+Δy2+Δz2＞6)且(自上次移動以來的時間＞10秒)，則重新定位監(jiān)視器。
如果該位置位于監(jiān)視器的“達到”之外，則通過從監(jiān)視器位置直到可達到位置內的一個位置追蹤眼睛的位置來得到最近點。理想地，該追蹤為最小距離。對于多個連接角，該追蹤可通過利用臂和所連接的設備的“構形空間”中的最小距離進行計算，并利用一種方法進行模擬，該方法例如是在L.Dorst和K.Trovato的美國專利no.5,808,887，Animation of Path Planning中公開的路徑設計，該專利的內容在此作為參考被并入，并作為此處的一部分。
視覺系統(tǒng)已用于追蹤物體。所需的攝影機在目前并不昂貴。有許多用于從視頻序列追蹤物體的算法和技術。例如，由南加利福尼亞大學的機器人與智能系統(tǒng)學院出版的G.Medioni等人的“EventDetection and Analysis from Video Streams”中公開了從視頻流中提取移動物體軌跡的檢測和追蹤模塊。
在圖像幀中定位面部特征的姿勢識別系統(tǒng)可從下述中得知，例如J.B.Bishop等人的文章“Automatic Head and Face GestureRecognition”，技術報告no.FUTH TR001，其于2001年9月1日在Future of Technology and Health，LC，Iowa City，Iowa上發(fā)表。能夠不依賴于面部模樣而在視頻序列中識別面部的3-D面部識別方法公開于University of Maryland Center for Automation Research，College Park，Maryland and The Robotics Institute，CarnegieMellon University，Pittsburgh，Pennsylvania的V.Krüger等人的“Appearance-based 3-D Face Recognition from Video”。
還有另一種3-D面部識別方法是采用澳大利亞堪培拉SeeingMachines，Inc.的稱為“faceLABTM V1.1.”的商業(yè)產品。該產品不僅能夠追蹤頭部位置，而且能夠追蹤眼睛目光、眨眼和其它更為精細的行為。
Kent State University計算機科學系的Zhong Guo于2001年11月發(fā)表的題為“Object Detection and Tacking in Video”調查論文中列舉了許多用于物體檢測和跟蹤的方法，包括利用運動信息實現(xiàn)的可變形模板匹配和基于區(qū)域的物體跟蹤方法。
這些方法可以識別和提供感興趣區(qū)域的大致位置，包括諸如反射器或甚至人的面部之類的預定物體的位置和/或方向。還有公知的立體鏡和其它技術來確定物體離攝影機的距離。這些方法一般分析從兩個攝影機觀察到的圖像幾何形狀?？梢岳脝蝹€攝影機的圖像數(shù)據(jù)。例如，Daphna Weinshall，Mi-Suen Lee，Tomas Brodsky，MiroslavTrajkovic和Doron Feldman在2002年5月在哥本哈根發(fā)表在Proceedings7th European Conference of Computer Vision上的題為“New View Generation with a Bi-centric Camera”的文章中，已經(jīng)提出從單個未校準的攝影機收集到的2D視頻中提取3D信息的方法。
只利用位置(不用方向)，Tuttle在美國專利No.5,914,671中描述了一種用于定位攜帶便攜式無線應答機設備的個人的系統(tǒng)。其它無線電(RF)技術可用于識別人或其它物體的位置和方向。可以在市場上買到能夠計算小型接收器在空間移動時的位置和方向的部件。例如，可以從Colchester，Vermont的Polhemus，Inc.獲得名稱為ISOTRAKII的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電源、接收器、發(fā)射器和硬件及軟件，以生成和檢測磁場并計算位置和方向，以及與主計算機相連。該系統(tǒng)追蹤物體移動的六個自由度。
除上述方法之外，還有許多檢測物體位置的方法。從該信息可以計算人眼中點的相對位置的估計。
要定位的設備不限于視頻監(jiān)視器、其它顯示屏和防護屏。
該設備可以是在執(zhí)行任務期間跟隨用戶的移動的“協(xié)作設備”，例如是在手術期間相對于外科醫(yī)生的雙手或相對于器械保持適當位置的攝影機。例如，本發(fā)明還可以相對于收聽者的耳朵動態(tài)地移動揚聲器，或相對于雙手移動鍵盤，或移動電話托架和按鍵以與用戶的高度相匹配。
傳感器可以指示已有N(例如30)分鐘沒有人使用該系統(tǒng)，因此該設備移動到更為中性的位置，即讓下一個用戶更易配置的位置，或者移動到遠離呆在該區(qū)域內的人們的“休息”位置。
用戶具有從臂和設備移動的構形空間中去除區(qū)域的能力。
如果臂和設備在構形空間的某些區(qū)域內，則會在顯示屏上顯示警告標志或符號，例如閃動的邊界或警告。
處理器還可監(jiān)視用戶相對于物體的位置，并當用戶的位置已發(fā)生變化而有可能使顯示器擾亂用戶，特別是當用戶移動使得所顯示圖像的方向發(fā)生變化時，提供指示、警告提示或報警。
“包括”不排除其它元件或步驟?！耙弧被颉耙粋€”不排除多個。單個處理器或其它單元可實現(xiàn)權利要求書中所記載的幾個裝置的功能。
權利要求
1.一種裝置，包括設備；具有連接到固定支撐上的第一端和連接到該設備上的第二端的臂組件，所述臂組件具有用于定位該設備的致動裝置；被配置為檢測和提供關于該設備的檢測范圍內對象的信息的傳感器；以及處理所述信息的處理器，該處理器被配置為確定該對象的位置，確定該設備的第一位置并控制致動裝置以移動該臂組件，以將該設備定位在接近第一位置的第二位置處。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中第一位置和第二位置是相同的。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中處理器利用反向運動確定臂組件移動到第二位置的路徑。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中處理器利用路徑設計確定臂組件移動到第二位置的路徑。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中處理器利用反向運動確定第二位置。
6.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中固定支撐為單個點。
7.根據(jù)權利要求6所述的裝置，其中固定支撐為柱體。
8.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中設備為屏幕。
9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中屏幕為防護屏。
10.根據(jù)權利要求9所述的裝置，其中防護屏為透鏡和盾狀保護器。
11.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中屏幕為顯示屏。
12.根據(jù)權利要求11所述的裝置，其中顯示屏為視頻監(jiān)視器。
13.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中從兩個或多個預定位置選擇第二位置。
14.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中如果未檢測到對象，則處理器就使臂組件的致動裝置將設備移動至休息位置。
15.根據(jù)權利要求1所述的裝置還包括第二傳感器，該第二傳感器被配置為檢測對象以外的人的存在，并可操作地連接到臂組件上，以在檢測到任何所述對象以外的人時防止臂和設備的移動。
16.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中第一位置基于設備的最佳觀察被確定。
17.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中第一位置基于由對象對該設備的最佳使用而被確定。
18.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中第一位置基于由對象通過該設備進行的最佳觀察而被確定。
19.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中對象和設備的彼此相對位置被監(jiān)視，并且如果檢測到所述位置的某些變化就在屏幕上顯示警告。
20.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中對象和設備的彼此相對位置被監(jiān)視，并且如果檢測到所述位置的某些變化就啟動報警。
21.一種用于定位設備的方法，包括(a)計算允許位置的窗口(201)；(b)相對于第一用戶的位置校準傳感器(202)；(c)基于第一用戶的位置計算該設備的理想位置(203)；(d)在所述窗口內計算最接近理想位置的可達到位置(204)；以及(e)在允許位置的窗口內將該設備移動到可達到位置(205)。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，還包括在確定第一用戶位置之后根據(jù)采集的傳感器數(shù)據(jù)計算(206)第二用戶位置；將第二用戶位置與重新定位標準相比較；重復在確定第一用戶位置之后根據(jù)采集的傳感器數(shù)據(jù)計算(206)第二用戶位置并將第二用戶位置與重新定位標準相比較的步驟，直到滿足(209)重新定位標準；以及重復權利要求21的步驟(c)和(d)，以基于第二用戶位置和第二可達到位置計算該設備的第二理想位置；以及在允許位置窗口內將該設備移動至第二可達到位置(205)。
全文摘要
一種用于自動定位設備的裝置和方法。傳感器檢測用戶的位置。根據(jù)來自傳感器的信號，處理器確定使用該設備的理想位置。接著，計算用于支撐該設備的臂的移動的坐標以及用于將該設備定位在最接近理想位置的可達到位置的坐標，考慮到了約束條件，例如傳感器、致動器和移動該設備的電機、以及附近的障礙物比如墻的限制。調整臂以將該設備移動至可達到位置。該設備隨用戶的移動每隔一段時間進行重新定位。一旦未檢測到用戶，則該設備移動到默認位置。
文檔編號A61B19/00GK1720008SQ200380104986
公開日2006年1月11日 申請日期2003年11月24日 優(yōu)先權日2002年12月6日
發(fā)明者K·I·特羅瓦托 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司