Dans un système portable de détection de la démarche, les unités de mesure inertielle (IMU) positionnées sur la cuisse et le pied agissent comme des nœuds de détection distribués qui capturent la cinétique dynamique de la chaîne cinétique inférieure. L'unité montée sur le pied se concentre sur l'interaction avec le sol et la trajectoire de balancement, tandis que l'unité montée sur la cuisse capture la vitesse angulaire et l'orientation du haut de la jambe. En intégrant les données des deux emplacements, le système calcule les caractéristiques du mouvement relatif, qui sont essentielles pour distinguer les activités complexes telles que la marche sur terrain plat par rapport à la montée ou à la descente d'escaliers.
Idée clé La détection à point unique ne fournit souvent pas le contexte nécessaire pour identifier les modèles locomoteurs complexes. La véritable valeur d'une configuration à double capteur réside dans sa capacité à mesurer la différence relative entre les segments des membres, permettant une identification précise des activités telles que la montée d'escaliers qui dépendent d'une coordination spécifique du genou et de la hanche.
La fonction de l'IMU monté sur le pied
Le capteur situé sur le pied, souvent placé sur le dessus de la chaussure, sur le cou-de-pied ou sur le talon, sert de point de contact principal pour les données d'interaction avec le sol.
Capture des forces de réaction du sol
L'IMU du pied est idéalement positionné pour détecter l'impact immédiat du pied sur le sol. En détectant les pics d'accélération verticale, en particulier au moment de l'impact du talon, ce capteur fournit les données nécessaires pour segmenter avec précision le cycle de la démarche en pas distincts.
Quantification de la trajectoire de la phase de balancement
Pendant la période où le pied est hors du sol, l'IMU suit le mouvement du membre dans l'espace. À l'aide d'une combinaison d'accéléromètres et de gyroscopes, il quantifie les trajectoires de mouvement et les angles de posture sur 3 axes, cartographiant le chemin précis du pied avant le prochain contact.
La fonction de l'IMU monté sur la cuisse
Alors que le capteur du pied gère le contact avec le sol, le capteur de la cuisse fournit un contexte essentiel concernant l'orientation et le mouvement du haut de la jambe.
Mesure de la vitesse angulaire du membre supérieur
L'IMU de la cuisse capture la vitesse de rotation du fémur pendant le mouvement. Ces données de vitesse angulaire aident le système à comprendre la vitesse à laquelle la jambe se balance vers l'avant ou vers l'arrière, indépendamment du placement du pied.
Établissement de l'accélération axiale
Cette unité mesure l'accélération le long de l'axe de la cuisse. Ces données sont essentielles pour déterminer l'inclinaison du membre et la posture générale, servant de point de référence pour le mouvement qui se produit plus bas dans la jambe.
La synergie : pourquoi les deux capteurs sont nécessaires
L'avantage principal de l'utilisation de capteurs sur la cuisse et sur le pied est la capacité de dériver le "mouvement relatif", qui est supérieur à l'analyse de l'un ou l'autre capteur isolément.
Dérivation des caractéristiques du mouvement relatif
En synchronisant les données de la cuisse et du pied, le système peut calculer comment les deux segments se déplacent l'un par rapport à l'autre. Cela permet une évaluation indirecte de la cinématique et de la coordination de l'articulation du genou sans nécessiter de support mécanique restrictif.
Identification des schémas de démarche complexes
La marche simple peut souvent être détectée avec un seul capteur, mais les terrains complexes nécessitent plus de données. La combinaison des entrées de la cuisse et du pied permet au système de distinguer la marche sur terrain plat, la montée d'escaliers et la descente d'escaliers, car chaque activité produit une signature unique de mouvement relatif des membres.
Comprendre les limitations techniques
Bien que puissants, les systèmes basés sur IMU présentent des compromis inhérents qui doivent être gérés pour garantir l'intégrité des données.
Le défi de la dérive
Les IMU calculent la position et l'orientation en intégrant l'accélération et la vitesse angulaire au fil du temps, ce qui entraîne naturellement une "dérive" ou des erreurs cumulatives. Pour contrer cela, les systèmes doivent utiliser un magnétomètre pour fournir une référence d'orientation stable et corriger les calculs de posture.
Exigences de taux d'échantillonnage
La capture d'activités à haute dynamique, telles que l'impact intense d'une chute ou d'un saut, nécessite des taux d'échantillonnage élevés. Les capteurs à basse fréquence peuvent manquer les pics d'accélération associés à ces événements rapides, ce qui entraîne une évaluation inexacte des forces d'impact.
Faire le bon choix pour votre objectif
Selon les exigences spécifiques de votre projet, vous devriez privilégier différents aspects de la mise en œuvre de l'IMU.
- Si votre objectif principal est la segmentation du cycle de la démarche : Privilégiez le placement du capteur monté sur le pied, en particulier sur le centre du dessus de la chaussure, pour capturer avec sensibilité les pics d'accélération verticale lors de l'impact du talon.
- Si votre objectif principal est la reconnaissance d'activités complexes : Vous devez utiliser les capteurs de la cuisse et du pied pour capturer les caractéristiques du mouvement relatif nécessaires pour identifier la montée d'escaliers et les changements de terrain.
En exploitant les forces spécifiques des deux emplacements, cuisse et pied, vous transformez les données brutes du capteur en une carte haute fidélité de la locomotion humaine.
Tableau récapitulatif :
| Emplacement du capteur | Données principales capturées | Fonction clé dans l'analyse de la démarche |
|---|---|---|
| Monté sur le pied | Accélération verticale et trajectoire de balancement | Détecte l'impact du talon, l'interaction avec le sol et la segmentation des pas |
| Monté sur la cuisse | Vitesse angulaire et accélération axiale | Mesure la rotation du fémur, l'inclinaison du membre et l'orientation du haut de la jambe |
| Double capteur | Caractéristiques du mouvement relatif | Identifie les activités complexes (escaliers vs terrain plat) et la cinématique du genou |
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Références
- Yinxiao Lu, Xin Ma. Inertial Measurement Unit-Based Real-Time Adaptive Algorithm for Human Walking Pattern and Gait Event Detection. DOI: 10.3390/electronics12204319
Cet article est également basé sur des informations techniques de 3515 Base de Connaissances .
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