Validez de las técnicas de determinación de los ejes y centros articulares mediante IMU

Abstract

[ES] Las medidas de cinemática de los movimientos humanos se realizan mediante el uso de sistemas MoCap. El sistema más ampliamente utilizado en el análisis de movimientos es la videofotogrametría, cuyo principal inconveniente es que sólo puede emplearse en entornos controlados donde no se produzcan oclusiones. Además, su uso conlleva un alto coste y el prepro cesado de los datos que se adquieren imposibilita su uso en tiempo real. Con el fin de desarrollar una técnica alternativa sin estas limitaciones, en el presente traba jo se propone el uso de sensores inerciales como sistema de análisis de movimientos, validando su utilización para la determinación de centros y ejes articulares fijos. Para ello, se realizaron dos tipos de ensayos con una estructura de rótula y otra de bisagra. Durante los ensayos se midió el movimiento con un sistema MoCap basado en IMUs (Xsens), que es el propuesto para ser validado, y con videofotogrametría (Kinescan), usado como sistema de referencia. Puesto que para el cálculo de ejes y centros articulares con IMUs era necesario calcular la aceleración angular a partir de los datos registrados por estos dispositivos, se desarrollan dos métodos con los que obtenerla, el primero basado en derivación y el segundo en cálculos directos. Los errores cometidos por los IMUs respecto a las medidas de fotogrametría en el cálculo del CIR medio fueron de 1.75±0.11 cm y 7.43±0.12 cm, según el método de determinación de aceleración angular empleado. En el caso del EIR medio, la distancia máxima entre los ejes determinados con cada una de las aceleraciones angulares obtenidas fue de 2.07±0.77 cm y 1.59±0.15 cm, y su ángulo de desviación fue de 0.51±0.23º o y 5.60±0.25º o, respectivamente. De esta forma, se demuestra la posibilidad de emplear IMUs con este fin.

[EN] MoCap systems are used to measure the human motion kinematics. Video-photogrammetry is the most widely used system in motion analysis whose main drawback is that it can only be employed in controlled environments where there are no occlusions. Moreover, the use of this technique brings ab out high costs as well as the preprocessing of the input data makes its real-time use unfeasible. Since the aim of this study is to develop an alternative technique without these limitations, the use of inertial sensors is proposed as a motion analysis system, validating its use to determine fixed articular axis and centers. There were performed two types of test with a ball-and-so cket joint and a hinge joint structures. Motion was measured during test with a MoCap system based on IMUs (Xsens), which is the proposed technique to be validated, and with photogrammetry (Kinsecan), used as reference system. Angular acceleration required for both the joint axis and centers calculation using recorded data by IMUs was obtained by two different methods, the first one was based on derivation and the second one on direct calculations. In comparison to the reference system, errors in the mean CIR estimation by IMUs were 1.75 ± 0.11 cm and 7.43 ± 0.12 cm, depending on the method employed to calculate angular acceleration. In the case of EIR, the highest distance between the axis determined by each one angular acceleration obtained was 2.07 ± 0.77 cm and 1.59 ± 0.15 cm and its deviation angle was 0.51 ± 0.23º o and 5.60 ± 0.25º o, respectively. In this way, the possibility to use IMUs for this purpose is proved.