En un sistema portátil de detección de marcha, las Unidades de Medición Inercial (IMU) ubicadas en el muslo y el pie actúan como nodos de detección distribuidos que capturan la cinética dinámica de la cadena cinética inferior. La unidad montada en el pie se enfoca en la interacción con el suelo y la trayectoria del balanceo, mientras que la unidad montada en el muslo captura la velocidad angular y la orientación de la parte superior de la pierna. Al integrar datos de ambas ubicaciones, el sistema calcula características de movimiento relativo, que son esenciales para distinguir entre actividades complejas como caminar sobre terreno llano versus subir o bajar escaleras.
Idea Central La detección en un solo punto a menudo no proporciona el contexto necesario para identificar patrones locomotores complejos. El verdadero valor de una configuración de doble sensor radica en su capacidad para medir la diferencia relativa entre los segmentos de las extremidades, lo que permite la identificación precisa de actividades como subir escaleras que dependen de una coordinación específica de la rodilla y la cadera.
La Función de la IMU Montada en el Pie
El sensor ubicado en el pie, a menudo colocado en la parte superior del zapato, en el empeine o en el talón, sirve como punto de contacto principal para los datos de interacción con el suelo.
Captura de Fuerzas de Reacción del Suelo
La IMU del pie está posicionada de manera única para detectar el impacto inmediato del pie al tocar el suelo. Al detectar picos de aceleración vertical, particularmente en el momento del golpe de talón, este sensor proporciona los datos necesarios para segmentar con precisión el ciclo de marcha en pasos distintos.
Cuantificación de la Trayectoria de la Fase de Balanceo
Durante el período en que el pie está fuera del suelo, la IMU rastrea el movimiento de la extremidad a través del espacio. Utilizando una combinación de acelerómetros y giroscopios, cuantifica trayectorias de movimiento y ángulos de postura de 3 ejes, mapeando la ruta precisa del pie antes del siguiente contacto.
La Función de la IMU Montada en el Muslo
Mientras que el sensor del pie maneja el contacto con el suelo, el sensor del muslo proporciona un contexto crítico sobre la orientación y el movimiento de la parte superior de la pierna.
Medición de la Velocidad Angular de la Extremidad Superior
La IMU del muslo captura la velocidad de rotación del fémur durante el movimiento. Estos datos de velocidad angular ayudan al sistema a comprender la rapidez con la que la pierna se balancea hacia adelante o hacia atrás, independientemente de la posición del pie.
Establecimiento de la Aceleración Axial
Esta unidad mide la aceleración a lo largo del eje del muslo. Estos datos son vitales para determinar la inclinación de la extremidad y la postura general, sirviendo como punto de referencia para el movimiento que ocurre más abajo en la pierna.
La Sinergia: Por Qué Ambos Sensores Son Necesarios
La principal ventaja de usar sensores tanto en el muslo como en el pie es la capacidad de derivar el "movimiento relativo", que es superior al análisis de cada sensor de forma aislada.
Derivación de Características de Movimiento Relativo
Al sincronizar los datos del muslo y el pie, el sistema puede calcular cómo se mueven los dos segmentos en relación entre sí. Esto permite una evaluación indirecta de la cinemática y la coordinación de la articulación de la rodilla sin requerir un soporte mecánico restrictivo.
Identificación de Patrones de Marcha Complejos
La marcha simple a menudo se puede detectar con un solo sensor, pero los terrenos complejos requieren más datos. La combinación de las entradas del muslo y el pie permite al sistema distinguir entre caminar en llano, subir escaleras y bajar escaleras, ya que cada actividad produce una firma única de movimiento relativo de las extremidades.
Comprensión de las Limitaciones Técnicas
Si bien son potentes, los sistemas basados en IMU tienen compensaciones inherentes que deben gestionarse para garantizar la integridad de los datos.
El Desafío de la Deriva
Las IMU calculan la posición y la orientación integrando la aceleración y la velocidad angular a lo largo del tiempo, lo que naturalmente conduce a "deriva" o errores acumulativos. Para contrarrestar esto, los sistemas deben utilizar un magnetómetro para proporcionar una referencia de orientación estable y corregir los cálculos de postura.
Requisitos de la Tasa de Muestreo
Capturar actividades de alta dinámica, como el intenso impacto de una caída o un salto, requiere altas tasas de muestreo. Los sensores de baja frecuencia pueden perder los valores máximos de aceleración asociados con estos eventos rápidos, lo que lleva a una evaluación inexacta de las fuerzas de impacto.
Tomar la Decisión Correcta para su Objetivo
Dependiendo de los requisitos específicos de su proyecto, debe priorizar diferentes aspectos de la implementación de la IMU.
- Si su enfoque principal es la Segmentación del Ciclo de Marcha: Priorice la colocación del sensor montado en el pie, específicamente en el centro de la parte superior del zapato, para capturar sensiblemente los picos de aceleración vertical del golpe de talón.
- Si su enfoque principal es el Reconocimiento de Actividades Complejas: Debe utilizar sensores tanto en el muslo como en el pie para capturar las características de movimiento relativo necesarias para identificar la subida de escaleras y los cambios de terreno.
Al aprovechar las fortalezas específicas de las ubicaciones tanto en el muslo como en el pie, transforma los datos brutos del sensor en un mapa de alta fidelidad de la locomoción humana.
Tabla Resumen:
| Ubicación del Sensor | Datos Principales Capturados | Función Clave en el Análisis de Marcha |
|---|---|---|
| Montado en el pie | Aceleración vertical y trayectoria de balanceo | Detecta el golpe de talón, la interacción con el suelo y la segmentación del paso |
| Montado en el muslo | Velocidad angular y aceleración axial | Mide la rotación del fémur, la inclinación de la extremidad y la orientación de la parte superior de la pierna |
| Doble Sensor | Características de movimiento relativo | Identifica actividades complejas (escaleras vs. terreno llano) y cinemática de la rodilla |
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Referencias
- Yinxiao Lu, Xin Ma. Inertial Measurement Unit-Based Real-Time Adaptive Algorithm for Human Walking Pattern and Gait Event Detection. DOI: 10.3390/electronics12204319
Este artículo también se basa en información técnica de 3515 Base de Conocimientos .
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