專利名稱：拓撲和運動測量工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)，具體地說，本發(fā)明涉及測量物體在空間中的幾何位置和構(gòu)形，本發(fā)明適合于機器人應(yīng)用以及提取人的幾何和運動參數(shù)。
較佳的應(yīng)用是通過對人體運動的運動捕獲而實現(xiàn)的卡通制作領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可以采用多種不同技術(shù)來測量物體在空間的位置、取向和表面形狀。
在機器人領(lǐng)域中，通過測量一系列剛性鏈接元件在各種接點上出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)角度確定這些鏈接元件在空間的位置已眾所周知，參見授予Rosenberg等人的美國專利5,576,727。
在人與機器之間接口的領(lǐng)域中，采用基于旋轉(zhuǎn)電位計或應(yīng)變儀的角度計來測量人體各部位之間的角度關(guān)系，參見授予Edwards等人的美國專利5,163,228。
美國專利4,988,981(Thomas Zimmerman等人)揭示了一種利用撓曲傳感器，包括利用手套所攜帶的撓曲傳感器傳感人體位置的裝置。這種手套已經(jīng)廣泛使用和報道。據(jù)報道，問題包括由于在多個自由度上出現(xiàn)手指運動所造成的響應(yīng)的不確定性，以及由于手套與手的配合而造成的其它不精確度。美國專利5,097,252(Y.L.Harvill等人)報道了在手套中提供撓曲傳感的類似方法。
美國專利5,316,017(Glenn Edwards等人)描述了專為對手指關(guān)節(jié)點活動的兩個自由度進行傳感而設(shè)計的可滑動連桿撓曲傳感器?？苫瑒舆B桿允許傳感器適應(yīng)在撓曲期間在固定點之間的可變距離。
美國專利5,533,531(Glenn Edwards等人)解決了利用多個自由度(DOF)接觸式傳感器分離和識別具有多個自由度的運動在定標(biāo)過程中分別運用這些自由度DOF，它們提供傳感器響應(yīng)于已檢測運動的輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，這些檢測運動能夠被用于提供分別的DOF信號。美國專利5,531,257(Danisch)進一步涉及一種類似方法，其中，采用三個平行安裝的其傳感表面以不同方向展開的光纖傳感器解決在彎曲結(jié)構(gòu)中多個DOF的彎曲。然而，參考文獻中既沒有一個提到涉及處理的方法，扭轉(zhuǎn)會引起上述專利傳感器方法中任何一種的讀數(shù)模糊度或者不能檢測。也沒有一個專利涉及僅基于撓曲測量來確定縱向延伸結(jié)構(gòu)的整個位置和取向的問題。
彎曲中的旋轉(zhuǎn)包括橫穿基板縱向范圍上的彎曲；和繞與基板縱向范圍重合的軸產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)。這兩種類型的彎曲看作是“撓曲”。
在基于圓柱體、棒體、和其它具有較大截面尺寸的固體的傳感器結(jié)構(gòu)中，扭轉(zhuǎn)通常忽略不計。然而，測量在平的鋼帶形撓曲中存在的扭轉(zhuǎn)可能是十分有利的。這種撓曲對于加入到衣服中是十分方便的。
Virtual技術(shù)公司將裝有手指關(guān)節(jié)上的彎曲傳感器和測量拇指交叉、手掌弓形、手腕撓曲和手腕附加運動的其它傳感器的纖維手套投放市場。通過將腕帶耦合到6個自由度的空間位置跟蹤機構(gòu)上，手套及其傳感器在空間的位置也是可以測量的。
General Reality公司投放市場的裝備手套依賴于感測手套各點處彎曲的光纖彎曲傳感器。
在卡通制作領(lǐng)域中，采用活動捕獲過程來記錄人體的位置和運動。一種方法涉及直觀地捕獲戴在演員四肢和軀干上的“目標(biāo)”標(biāo)記在空間的位置。另一種方法是提供一個“骨胳”機械結(jié)構(gòu)，用作遵循人體所假設(shè)的運動和位置和提供記錄其信號的機構(gòu)。然而，準(zhǔn)確度受骨胳保持穩(wěn)定安裝到人體上的能力限制。這種系統(tǒng)的困難是機械骨胳的收縮和笨重本性。此外，不是不可能，但是很難建造允許全部四肢運動或能夠計入所有四肢旋轉(zhuǎn)和其它微妙的多個自由度四肢運動的骨胳。再有，骨胳通常從測量表面移開一大段距離，導(dǎo)致它們不夠準(zhǔn)確和更加笨重。
目前想到的目標(biāo)標(biāo)識和骨胳兩種方法在它們實施中是復(fù)雜和不方便的。需要一種重量輕、沒有阻礙的位置和運動敏感裝置，它能夠方便地跟蹤和識別目標(biāo)在空間中的位置和幾何構(gòu)形。在這里，本發(fā)明可實現(xiàn)這一目的。
更具體地說，本發(fā)明的目的是提供一種裝備有分布傳感器的可撓曲參考平臺，這里，傳感器以這樣的方式感測平臺的形狀變化，即通過基于傳感器輸出的計算能夠發(fā)現(xiàn)平臺的整個形狀。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種有裝備的可撓曲構(gòu)件，它足以順應(yīng)與彎曲物體的表面基本共形，傳感器的作用是提供該表面形狀的可處理的電子學(xué)數(shù)據(jù)。
目前，存在多種不同的測量物體中撓曲即彎曲和扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)技術(shù)。特別適合于這種目的的一類常用技術(shù)依賴于光纖。
授予Danisch的美國專利5,321,257描述了一種改進光纖，在一部分光纖外表面上設(shè)置吸收光的區(qū)域，由此，由光纖的總體光傳輸能力的變化可以遠距離檢測在這一改進區(qū)域處的曲率。該專利描述了部署許多能夠在三維空間檢測彎曲的改進光纖(

圖12)。
2000年4月12日 申請日期1998年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月17日
發(fā)明者李·達尼斯奇 申請人:加拿大宇航局