Le unità di misurazione inerziale (IMU) montate sulle scarpe fungono da input sensoriali necessari per sincronizzare l'assistenza robotica con il movimento umano. Questi sensori eseguono il rilevamento in tempo reale di eventi critici dell'andatura, in particolare il distacco delle dita e lo slancio a metà oscillazione. Identificando questi momenti istantaneamente, l'unità di controllo dell'esoscheletro può segmentare il ciclo di camminata e attivare le forze di assistenza esattamente quando l'utente ne ha bisogno.
La funzione principale di questi sensori è colmare il divario tra l'intenzione umana e l'azione robotica. Monitorando continuamente l'orientamento e l'accelerazione degli arti, consentono all'esoscheletro di fornire un supporto mirato alla flessione plantare durante la spinta e un'assistenza alla dorsiflessione durante lo slancio della gamba.
La meccanica del rilevamento dell'andatura
Indagine sulla tecnologia dei sensori
Per comprendere la funzione, è necessario prima comprendere l'hardware. Gli IMU ad alta precisione integrano tipicamente accelerometri triassiali, giroscopi e magnetometri.
Questi componenti interni lavorano insieme per acquisire dati cinematici 3D. Ciò consente al sistema di ricostruire il movimento e l'orientamento precisi del piede in tempo reale.
Identificazione degli eventi critici
L'utilità principale dell'IMU montato sulla scarpa è il rilevamento online di momenti specifici di un passo. Il sistema è programmato per cercare il distacco delle dita (quando il piede lascia il suolo) e lo slancio a metà oscillazione (quando la gamba si muove in avanti).
Questo rilevamento non è limitato a un arto sano. I sensori sono in grado di monitorare sia gli arti paretici (danneggiati) che non paretici, garantendo che il sistema si adatti a schemi di camminata asimmetrici spesso riscontrati nei contesti di riabilitazione.
Segmentazione in tempo reale
I dati grezzi sono di scarsa utilità senza contesto. I dati IMU vengono elaborati da algoritmi per segmentare il movimento continuo della camminata in fasi distinte.
Ciò crea una mappa dinamica in tempo reale del ciclo di andatura dell'utente. Il sistema di controllo utilizza questa mappa per determinare dove si trova l'utente nel suo passo in qualsiasi millisecondo.
Sincronizzazione delle forze di assistenza
Ottimizzazione della spinta
Una volta che l'IMU rileva l'evento di "distacco delle dita", l'esoscheletro attiva il supporto alla flessione plantare.
Ciò imita l'azione dei muscoli del polpaccio che spingono il piede verso il basso. Fornire assistenza in questo momento specifico massimizza la forza propulsiva, rendendo la camminata più efficiente dal punto di vista energetico per l'utente.
Sicurezza della fase di oscillazione
Dopo la spinta, l'IMU rileva la fase di "slancio a metà oscillazione". Al rilevamento, il sistema attiva il supporto alla dorsiflessione.
Questa assistenza solleva le dita dei piedi verso l'alto. Ciò è fondamentale per prevenire il "piede cadente" o inciampare, garantendo che il piede si sollevi in sicurezza mentre la gamba oscilla in avanti per il passo successivo.
Comprensione dei compromessi
Complessità algoritmica
Sebbene gli IMU forniscano dati cinematici oggettivi, l'output grezzo è complesso. Richiede algoritmi sofisticati per elaborare i dati di accelerazione e rotazione in un segnale pulito e utilizzabile.
Se gli algoritmi non riescono a ricostruire accuratamente il modello 3D, il sistema potrebbe interpretare erroneamente un movimento. Ciò richiede un'elevata efficienza computazionale per garantire che non vi sia alcun ritardo tra il rilevamento e l'azione.
Dipendenza dalla precisione del sensore
La qualità del controllo dipende interamente dalla precisione del sensore. Gli IMU di bassa qualità possono soffrire di "deriva" o rumore, portando a un rilevamento impreciso degli eventi.
Per mantenere la precisione temporale richiesta per la flessione plantare e la dorsiflessione, l'hardware deve utilizzare componenti ad alta precisione in grado di mantenere l'accuratezza per lunghi periodi di utilizzo.
Fare la scelta giusta per il tuo obiettivo
L'implementazione degli IMU montati sulle scarpe dipende fortemente dalle esigenze specifiche della tua applicazione di esoscheletro.
- Se il tuo obiettivo principale è l'efficienza energetica: Dai priorità all'accuratezza del rilevamento del distacco delle dita, poiché una temporizzazione precisa della flessione plantare fornisce il maggiore aumento di potenza all'utente.
- Se il tuo obiettivo principale è la sicurezza e la prevenzione delle cadute: Dai priorità alla sensibilità del rilevamento dello slancio a metà oscillazione per garantire che l'attuazione della dorsiflessione avvenga in modo affidabile per prevenire inciampi.
- Se il tuo obiettivo principale è la riabilitazione: Assicurati che i tuoi algoritmi di elaborazione possano gestire dati asimmetrici dagli arti paretici, poiché le loro firme cinematiche spesso differiscono dai normali schemi di andatura.
Il successo risiede nella scelta di sensori ad alta precisione in grado di convertire istantaneamente i dati grezzi di accelerazione in tempi di andatura attuabili.
Tabella riassuntiva:
| Componente/Funzionalità | Funzione negli esoscheletri morbidi | Beneficio per l'utente |
|---|---|---|
| Sensori triassiali | Acquisisce accelerazione e orientamento 3D | Ricostruzione precisa del movimento |
| Rilevamento del distacco delle dita | Attiva l'assistenza alla flessione plantare | Aumenta la forza propulsiva e l'efficienza |
| Rilevamento dello slancio a metà oscillazione | Attiva l'assistenza alla dorsiflessione | Previene il piede cadente e gli inciampi |
| Segmentazione dell'andatura | Mappatura in tempo reale delle fasi di camminata | Supporto robotico sincronizzato e adattivo |
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Riferimenti
- Lizeth H. Sloot, Conor J. Walsh. Effects of a soft robotic exosuit on the quality and speed of overground walking depends on walking ability after stroke. DOI: 10.1186/s12984-023-01231-7
Questo articolo si basa anche su informazioni tecniche da 3515 Base di Conoscenza .
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