Multi-Axis Inertial Measurement Units (IMUs) fungieren als autonome Datenerfassungssysteme, die Beschleunigungsmesser, Gyroskope und Magnetometer integrieren, um räumliche Bewegungsparameter in Echtzeit aufzuzeichnen. Im Kontext des Schuh-Testings besteht ihre Hauptaufgabe darin, die Ganganalyse aus den Beschränkungen des Labors zu befreien. Durch ein hohes Maß an Messfreiheit ermöglichen sie es Forschern, kritische Stabilitätsmetriken – wie Fußfreiheit und Schwerpunktverlagerung – bei Langstreckenwanderungen in realen Szenarien zu quantifizieren.
Kernbotschaft: Während traditionelle optische Systeme Bewegungen erfassen, validieren IMUs die Leistung. Sie bieten die technische Grundlage für die Bewertung der Schuhstabilität, indem sie erfassen, wie sich der Schuh bei längerer Nutzung in natürlichen Umgebungen verhält, und nicht nur in kontrollierten Umgebungen.
Die technische Zusammensetzung von IMUs
Sensorintegration
IMUs sind keine einzelnen Sensoren; sie sind integrierte Cluster.
Durch die Kombination von Beschleunigungsmessern, Gyroskopen und Magnetometern erfassen diese Einheiten ein umfassendes Bild der Bewegung. Diese Fusion ermöglicht die präzise Verfolgung von Körpersegmenten im dreidimensionalen Raum ohne externe Kameras.
Echtzeit-Raumverfolgung
Das Gerät verarbeitet Daten sofort, um die Flugbahn von Körpersegmenten abzubilden.
Diese Fähigkeit ist für die Schuh-Analyse unerlässlich, bei der die Mikrobewegungen von Fuß und Knöchel mit den mechanischen Eigenschaften des Schuhs korreliert werden müssen.
Die Grenzen des Labors überwinden
Überwindung optischer Einschränkungen
Die traditionelle Ganganalyse basiert auf laborbasierten optischen Motion-Capture-Systemen.
Obwohl diese Systeme hochpräzise sind, sind sie auf ein bestimmtes Erfassungsvolumen beschränkt. IMUs beseitigen diese Einschränkung und ermöglichen die Datenerfassung über unbegrenzte Distanzen und auf vielfältigen Geländen.
Datenerfassung über lange Distanzen
Die Schuhstabilität ändert sich oft, wenn der Träger ermüdet oder sich das Gelände verschiebt.
IMUs ermöglichen die kontinuierliche Überwachung des Gangs über lange Zeiträume. Dies erfasst die kumulative Auswirkung des Schuhs auf die Gehmechanik des Trägers, was bei kurzen Labortests oft übersehen wird.
Kritische Metriken für die Schuhstabilität
Bewertung der Fußfreiheit
Einer der primären Stabilitätsindikatoren, der von IMUs gemessen wird, ist die Fußfreiheit.
Diese Metrik verfolgt, wie hoch der Fuß während der Schwungphase eines Schrittes angehoben wird. Änderungen der Fußfreiheit können darauf hinweisen, wie das Schuhdesign das Stolperrisiko oder die Geheffizienz beeinflusst.
Schwerpunktverlagerung
IMUs ermöglichen die präzise Berechnung der Schwerpunktverlagerung des Körpers.
Durch die Überwachung der Schwerpunktverlagerung können Tester beurteilen, wie gut ein Schuh das Gleichgewicht und die Körperhaltung unterstützt. Dies liefert ein direktes quantitatives Maß für die stabilisierenden Eigenschaften des Schuhs.
Strategische Platzierung der Sensoren
Hochauflösende Erfassungspunkte
Um genaue Daten zu erhalten, ist die Platzierung der Sensoren nicht verhandelbar.
Hochpräzise IMUs werden typischerweise am Spann oder an der Ferse des Schuhs oder über einen Gürtel an der Taille befestigt.
Erfassung von Aufprall und Schwerkraft
Die Platzierung am Fuß ermöglicht die direkte Messung von Aufprallkräften.
Umgekehrt verfolgen an der Taille montierte Sensoren Änderungen des Schwerpunkts. Zusammen ergeben diese Datenpunkte ein ganzheitliches Bild davon, wie der Schuh Stöße absorbiert und die Körperstabilität beim Gehen, Laufen oder Springen aufrechterhält.
Verständnis der Kompromisse
Die Kalibrierungsherausforderung
Während IMUs Freiheit bieten, fehlt ihnen die absolute Positionsreferenz optischer Systeme.
Um die Genauigkeit zu gewährleisten, muss der Sensor präzise auf die Knochensegmente des Trägers kalibriert werden. Wenn sich der Sensor relativ zum Knochen verschiebt (Artefakt durch Weichgewebe), werden die Daten unzuverlässig.
Die Hybridlösung
Um diese Fehler zu mildern, wird in der Einrichtungsphase oft ein hybrider Ansatz verwendet.
Eine IMU kann auf einem 3D-gedruckten Marker-Cluster mit reflektierenden Markern montiert werden. Dies ermöglicht es einem optischen System, die genaue Position und Ausrichtung des Sensors relativ zur Anatomie zu definieren. Dieser Schritt eliminiert Fehler, die durch relative Verschiebungen verursacht werden, und stellt sicher, dass die im Feld gesammelten IMU-Daten kinematisch genau sind.
Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen
Je nach den spezifischen Anforderungen Ihres Schuh-Testprotokolls konzentrieren Sie sich auf die folgenden Anwendungen:
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Validierung in der realen Welt liegt: Setzen Sie IMUs ein, um Stabilitätsdaten (Fußfreiheit und Schwerpunkt) über lange Distanzen zu erfassen, um zu verstehen, wie sich der Schuh außerhalb des Labors verhält.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Aufprallanalyse liegt: Befestigen Sie IMUs direkt an der Ferse oder am Spann, um hochauflösende Daten über Bodenreaktionskräfte und Stoßabsorption zu erfassen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf kinematischer Präzision liegt: Verwenden Sie eine Hybridlösung mit 3D-gedruckten Marker-Clustern, um die IMU vor dem Feldtest mit einem optischen System zu kalibrieren und so minimale Fehler bei der Berechnung der Gelenkkinematik zu gewährleisten.
Durch die Verlagerung der Ganganalyse von einem festen Standort zu einer tragbaren Methodik liefern IMUs die objektiven Daten, die für die Entwicklung sichererer, stabilerer Schuhe erforderlich sind.
Zusammenfassungstabelle:
| Merkmal | Funktion beim Schuh-Testing | Erfasste Schlüsselmetrik |
|---|---|---|
| Sensorfusion | Kombiniert Beschleunigungsmesser, Gyroskop und Magnetometer | 3D-Körpersegment-Tracking |
| Feldtests | Befreit die Ganganalyse von Laborbeschränkungen | Leistung über lange Distanzen |
| Stabilitätsanalyse | Überwacht die Beziehung zwischen Fuß und Boden | Fußfreiheit & Schwerpunktverlagerung |
| Platzierungsnutzen | Befestigt an Spann, Ferse oder Taille | Aufprallkräfte & Schwerpunktverschiebungen |
| Hybridkalibrierung | Verwendet 3D-gedruckte Marker-Cluster | Kinematische Präzision & Fehlerreduzierung |
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Referenzen
- Yuji Hirano, Yasumoto Matsui. Preliminary gait analysis of frail versus older adults. DOI: 10.1589/jpts.36.87
Dieser Artikel basiert auch auf technischen Informationen von 3515 Wissensdatenbank .