In einem tragbaren Gangerkennungssystem fungieren Inertial Measurement Units (IMUs), die am Oberschenkel und Fuß positioniert sind, als verteilte Sensorknoten, die die dynamische Kinetik der unteren kinetischen Kette erfassen. Die am Fuß befestigte Einheit konzentriert sich auf die Bodeninteraktion und die Schwungbahn, während die am Oberschenkel befestigte Einheit die Winkelgeschwindigkeit und Orientierung des oberen Beins erfasst. Durch die Integration von Daten von beiden Standorten berechnet das System relative Bewegungseigenschaften, die für die Unterscheidung zwischen komplexen Aktivitäten wie Gehen auf ebenem Boden im Vergleich zum Auf- oder Absteigen von Treppen unerlässlich sind.
Kern Erkenntnis Einzelpunktmessungen liefern oft nicht den Kontext, der zur Identifizierung komplexer Bewegungsmuster erforderlich ist. Der wahre Wert eines Dual-Sensor-Setups liegt in seiner Fähigkeit, die relative Differenz zwischen Gliedmaßensegmenten zu messen, was eine präzise Identifizierung von Aktivitäten wie Treppensteigen ermöglicht, die auf spezifischer Knie- und Hüftkoordination beruhen.
Die Funktion der am Fuß befestigten IMU
Der am Fuß befindliche Sensor – oft am Schuh-Obermaterial, am Rist oder an der Ferse platziert – dient als primärer Kontaktpunkt für die Erfassung von Bodeninteraktionsdaten.
Erfassung von Bodenreaktionskräften
Die Fuß-IMU ist einzigartig positioniert, um den unmittelbaren Aufprall des Fußes auf dem Boden zu erkennen. Durch die Erfassung von vertikalen Beschleunigungsspitzen, insbesondere im Moment des Fersenauftritts, liefert dieser Sensor die Daten, die zur genauen Segmentierung des Gangzyklus in einzelne Schritte erforderlich sind.
Quantifizierung der Schwungbahn
Während der Periode, in der der Fuß vom Boden abgehoben ist, verfolgt die IMU die Bewegung der Gliedmaße durch den Raum. Mithilfe einer Kombination aus Beschleunigungsmessern und Gyroskopen quantifiziert sie Bewegungsbahnen und 3-Achsen-Haltungswinkel und kartiert den genauen Weg des Fußes vor dem nächsten Auftritt.
Die Funktion der am Oberschenkel befestigten IMU
Während der Fußsensor den Bodenkontakt handhabt, liefert der Oberschenkelsensor kritische Kontextinformationen über die Orientierung und Bewegung des oberen Beins.
Messung der Winkelgeschwindigkeit der oberen Gliedmaße
Die Oberschenkel-IMU erfasst die Rotationsgeschwindigkeit des Femurs während der Bewegung. Diese Winkelgeschwindigkeitsdaten helfen dem System zu verstehen, wie schnell sich das Bein vorwärts oder rückwärts schwingt, unabhängig von der Fußplatzierung.
Ermittlung der axialen Beschleunigung
Diese Einheit misst die Beschleunigung entlang der Achse des Oberschenkels. Diese Daten sind entscheidend für die Bestimmung der Neigung der Gliedmaße und der Gesamthaltung und dienen als Referenzpunkt für die Bewegung, die weiter unten am Bein stattfindet.
Die Synergie: Warum beide Sensoren notwendig sind
Der Hauptvorteil der Verwendung von Sensoren sowohl am Oberschenkel als auch am Fuß ist die Fähigkeit, „relative Bewegung“ abzuleiten, was der Analyse jedes Sensors isoliert überlegen ist.
Ableitung relativer Bewegungseigenschaften
Durch die Synchronisierung der Daten von Oberschenkel und Fuß kann das System berechnen, wie sich die beiden Segmente relativ zueinander bewegen. Dies ermöglicht eine indirekte Beurteilung der Kniegelenkskinematik und -koordination, ohne dass eine einschränkende mechanische Orthese erforderlich ist.
Identifizierung komplexer Gangmuster
Einfaches Gehen kann oft mit einem einzelnen Sensor erkannt werden, aber komplexe Terrains erfordern mehr Daten. Die Kombination von Oberschenkel- und Fußeingaben ermöglicht es dem System, zwischen Gehen auf ebenem Boden, Treppensteigen und Treppenabsteigen zu unterscheiden, da jede Aktivität eine einzigartige Signatur relativer Gliedmaßenbewegungen erzeugt.
Verständnis technischer Einschränkungen
Obwohl leistungsfähig, weisen IMU-basierte Systeme inhärente Kompromisse auf, die verwaltet werden müssen, um die Datenintegrität zu gewährleisten.
Die Drift-Herausforderung
IMUs berechnen Position und Orientierung durch Integration von Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit über die Zeit, was naturgemäß zu „Drift“ oder kumulativen Fehlern führt. Um dem entgegenzuwirken, müssen Systeme ein Magnetometer verwenden, um eine stabile Orientierungsreferenz bereitzustellen und Haltungsberechnungen zu korrigieren.
Anforderungen an die Abtastrate
Die Erfassung von hochdynamischen Aktivitäten, wie z. B. dem intensiven Aufprall eines Sturzes oder Sprungs, erfordert hohe Abtastraten. Sensoren mit niedriger Frequenz können die Spitzenbeschleunigungswerte verpassen, die mit diesen schnellen Ereignissen verbunden sind, was zu einer ungenauen Bewertung der Aufprallkräfte führt.
Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen
Abhängig von den spezifischen Anforderungen Ihres Projekts sollten Sie verschiedene Aspekte der IMU-Implementierung priorisieren.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Gangzyklussegmentierung liegt: Priorisieren Sie die Platzierung des am Fuß befestigten Sensors, insbesondere in der Mitte des Schuh-Obermaterials, um vertikale Beschleunigungsspitzen beim Fersenauftritt empfindlich zu erfassen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Erkennung komplexer Aktivitäten liegt: Sie müssen sowohl Oberschenkel- als auch Fußsensoren verwenden, um die relativen Bewegungseigenschaften zu erfassen, die zur Identifizierung von Treppensteigen und Geländewechseln erforderlich sind.
Durch die Nutzung der spezifischen Stärken von Oberschenkel- und Fußplatzierungen wandeln Sie Rohsensor-Daten in eine hochauflösende Karte der menschlichen Fortbewegung um.
Zusammenfassungstabelle:
| Sensorstandort | Primäre erfasste Daten | Hauptfunktion bei der Ganganalyse |
|---|---|---|
| Am Fuß befestigt | Vertikale Beschleunigung & Schwungbahn | Erkennt Fersenauftritt, Bodeninteraktion und Schrittsegmentierung |
| Am Oberschenkel befestigt | Winkelgeschwindigkeit & axiale Beschleunigung | Misst Femurrotation, Gliedmaßenneigung und Orientierung des oberen Beins |
| Dual-Sensor | Relative Bewegungseigenschaften | Identifiziert komplexe Aktivitäten (Treppen vs. ebener Boden) und Kniekinematik |
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