Запечатлевая движение,
Создавая истории

Недавно команда профессора Ван Вея из Научно-исследовательского центра биомедицинской инженерии Чунцинского университета связи и телекоммуникаций опубликовала статью под названием «Эффекты динамической ошибки несоответствия IMU и сегмента на оценку угла колена в трех степенях свободы при ходьбе и беге» в журнала SENSORS, индексированном в SCI. В статье представлен новый алгоритм для динамического выравнивания инерционных измерительных устройств (IMU) с сегментами конечностей.

Фон

Технология захвата движений играет важную роль в таких областях, как реабилитация, спортивные соревнования, взаимодействие человека и компьютера и распознавание личностей. Получение точных измерений углов суставов является важным критерием в различных приложениях.

Использование ИМУ для получения данных о позе конечностей включает преобразования между глобальной координатной системой, координатной системой датчика и координатной системой конечности. Точность выравнивания между координатной системой ИМУ и координатной системой конечности (ИМУ-к-сегменту, I2S) определяет точность выходных данных сенсора в качестве представления движения соединенной конечности. Это делает процесс калибровки ключевым шагом в вычислении углов суставов человека.

В настоящее время методы выравнивания инерциальных измерительных устройств (IMU) с телом включают ручное выравнивание, предварительное выравнивание перед движением, дополнительное слияние данных и выравнивание на основе моделей движения. Среди них динамические методы выравнивания, основанные на моделях движения, не требуют специализированного персонала или дополнительного оборудования и могут устранять ошибки в процессе движения.

Схематическая диаграмма ИМУ и выравнивания координат конечностей

Исследовательский контент

На основе модели ограничений движения исследовательская группа разработала алгоритм оптимизации роя частиц с дискретными значениями (DPSO) с кросс-фактором для выполнения динамического выравнивания. Используя параметры динамического выравнивания, они вычислили три степени свободы для углов суставов человека на основе кватернионов.

Кроме того, намеренно вводя ошибки, исследователи изучили влияние несоответствия IMU на расчеты углов суставов во время ходьбы (3 км/ч), легкого бега (6 км/ч) и обычного бега (9 км/ч). Они исследовали различные кинематические различия, лежащие в основе этих эффектов.

Валидация алгоритма

Для проверки эффективности алгоритма вычисления углов суставов исследовательская группа использовала оптическую систему захвата движения NOKOV с субмиллиметровым разрешением для получения информации о реальном положении конечностей. Три неколлинеарных маркера были размещены на ногах испытуемых для определения жестких тел и отслеживались камерами оптического захвата движения. Программное обеспечение захвата движения NOKOV собирало данные о вращательном положении для каждого сегмента конечности и вычисляло углы суставов с тремя степенями свободы, используя данные захвата движения. Эти значения затем были сопоставлены с углами суставов, основанными на данных ИМУ.

Система захвата движения NOKOV была использована для получения информации о реальном положении конечностей.

Результаты показывают, что в трех сценариях движения среднеквадратичная ошибка (RMSE) углов суставов колеблется от 1,2 до 5,2 градусов. Алгоритм вычисления углов суставов демонстрирует хорошую производительность, а ошибки несовпадения между ИМУ и конечностями при различных движениях подтверждают соответствующие кинематические различия в движениях человека.

Сравнение данных углов суставов ИМУ с данными оптической системы захвата движения

Библиография:

Цзянь С., Ян Y., Мао Х., Ян D., Ванг У. Влияние динамической ошибки несоосности IMU на оценку угла колена с тремя степенями свободы при ходьбе и беге. Сенсоры. 2022; 22(22):9009.