使用一脚安装的惯性测量单元进行冲击感知脚部运动重建和坡道/楼梯检测
Yisen Wang1, Katherine H Fehr1, Peter G Adamczyk1
1Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI 53706, USA.
Sensors (Basel, Switzerland)
|March 13, 2024
概括
这项研究引入了一种新的动力学模型,以使用可穿戴的惯性测量单元 (IMU) 传感器改进运动重建. 改进的方法减少了高度漂移,并在步态分析过程中准确确定地形类型.
科学领域:
- 生物力学 生物力学
- 可穿戴式传感器技术
- 机器人技术 机器人技术 机器人技术
背景情况:
- 实验室外的步态分析需要从可穿戴传感器准确的运动重建.
- 基于惯性测量单元 (IMU) 的足迹轨迹重建面临来自传感器噪音,漂移和有限带宽的挑战.
- 基于错误状态卡尔曼波器 (ESKF) 的行人死亡计算 (PDR) 等现有方法在漂移和准确性方面存在局限性.
研究的目的:
- 通过减少高度漂移和提高准确性来增强基于IMU的足迹轨迹重建.
- 开发一种新的动力学模型,将整合速度错误分为加速偏差和脚跟冲击垂直速度错误.
- 为了使可靠的地形确定 (地面平面,坡道,楼梯) 与运动重建一起.
主要方法:
- 开发了一种新的动力学模型来分割集成速度错误.
- 增强基于IMU的集成重建,使用新的动态模型.
- 将拟议的方法与基于ESKF的PDR和标准集成方法进行比较,使用来自六名受试者的数据,包括一个假肢使用者.
主要成果:
- 在运动重建过程中实现显著降低高度漂移.
- 通过值模型输出证明了精确的地形确定 (平面地面,坡道,楼梯).
- 报告的每步的平均高度误差为0.03±0.08厘米 (水平),0.95±0.37厘米 (坡道) 和1.27±1.22厘米 (楼梯).
结论:
- 拟议的动力模型显著提高了基于IMU的运动重建质量,特别是减少了高度漂移.
- 该方法可靠地区分平面地面,坡道和楼梯,增强可穿戴传感器用于步态分析的实用性.
- 这种方法为平地行走提供了很大的重建改进,并在坡道和楼梯上获得了适度的收益.
