Il ruolo primario di un'unità di misura inerziale (IMU) nel rilevamento dello squat è quello di fungere da trigger temporale preciso e in tempo reale per i sistemi di controllo. Monitorando continuamente la velocità angolare e gli angoli di assetto dell'articolazione della caviglia, l'IMU consente al sistema di segmentare accuratamente il movimento dello squat in fasi distinte. Questa segmentazione è fondamentale per sincronizzare l'output meccanico del dispositivo con il movimento umano.
L'IMU colma il divario tra i dati di movimento grezzi e il controllo intelligente. Identificando la fase esatta di uno squat—discesa, permanenza in basso, salita o stazione eretta—garantisce che la coppia di assistenza venga applicata nel momento ottimale, massimizzando l'efficienza meccanica del dispositivo di assistenza.
La meccanica del rilevamento delle fasi
Monitoraggio della cinematica articolare
Per comprendere l'intento dell'utente, l'IMU si concentra sulla biomeccanica specifica dell'articolazione della caviglia.
Cattura dati in tempo reale sulla velocità angolare (quanto velocemente cambia l'angolo) e sugli angoli di assetto (l'orientamento del piede rispetto alla gamba o al terreno). Questi dati grezzi servono come input fondamentale per l'algoritmo di controllo.
Identificazione delle quattro fasi chiave
Utilizzando i dati cinematici della caviglia, il sistema di controllo può distinguere tra le quattro fasi distinte di uno squat.
- La fase di discesa: Rilevamento del movimento verso il basso mentre l'angolo della caviglia si chiude.
- La fase di permanenza in basso: Riconoscimento della pausa o stabilizzazione nel punto più basso dello squat.
- La fase di salita: Identificazione della spinta verso l'alto mentre l'angolo della caviglia si apre.
- La fase di stazione eretta: Conferma del ritorno a una posizione neutra e eretta.
Dal rilevamento al controllo
Il meccanismo di innesco temporale
Il valore principale dell'identificazione di queste fasi è la creazione di un meccanismo di innesco temporale.
Piuttosto che fornire un supporto costante e indiscriminato, il sistema attende specifiche transizioni di fase. I dati dell'IMU agiscono come segnale "via", indicando agli attuatori esattamente quando innestarsi o disinnestarsi in base alla fase attuale del movimento.
Massimizzare l'efficienza meccanica
L'efficienza nei dispositivi di assistenza si basa sulla fornitura di energia solo quando è utile.
Isolando la fase di salita dal resto del ciclo, il sistema garantisce che la coppia di assistenza venga erogata esclusivamente durante la porzione dello squat che richiede maggiore sforzo. Ciò evita sprechi di energia durante le fasi di discesa o statiche e garantisce che il movimento risulti naturale per l'utente.
Comprendere i compromessi
Deriva del sensore ed errore di accumulo
Sebbene gli IMU siano molto efficaci, sono suscettibili a errori cumulativi nel tempo, in particolare nel calcolo della postura o dell'orientamento.
Come notato in applicazioni più ampie, i dati degli accelerometri e dei giroscopi possono derivare. Per mantenere un'elevata precisione su lunghi cicli operativi, i sistemi richiedono spesso una correzione del magnetometro o algoritmi di filtraggio avanzati per compensare queste deviazioni.
Sensibilità al posizionamento
L'accuratezza del rilevamento delle fasi dipende fortemente dal posizionamento fisico del sensore.
Sebbene l'applicazione principale si basi sull'articolazione della caviglia, un montaggio improprio o uno spostamento del sensore possono introdurre rumore nelle letture della velocità angolare. Ciò può portare a un'identificazione errata della fase, causando l'innesco della coppia di assistenza troppo presto o troppo tardi.
Fare la scelta giusta per il tuo obiettivo
Per utilizzare efficacemente un IMU per il rilevamento dello squat, allinea la tua implementazione con i tuoi specifici obiettivi di controllo:
- Se la tua attenzione principale è l'accuratezza temporale: Dai priorità al montaggio preciso dell'IMU sull'articolazione della caviglia per acquisire i dati di velocità angolare più puliti per le transizioni di fase.
- Se la tua attenzione principale è l'efficienza del sistema: Affina i tuoi algoritmi per limitare rigorosamente l'applicazione della coppia alla fase di salita, garantendo un consumo energetico nullo durante le fasi di discesa e di stazione eretta.
L'IMU non è solo un sensore; è la porta logica che determina il successo dell'interazione uomo-macchina.
Tabella riassuntiva:
| Fase | Descrizione del movimento | Focus dati IMU | Azione del sistema di controllo |
|---|---|---|---|
| Discesa | Movimento verso il basso | Angolo della caviglia in chiusura | Monitoraggio senza coppia |
| Permanenza in basso | Stabilizzazione nel punto più basso | Velocità angolare zero | Preparazione per la salita |
| Salita | Spinta verso l'alto/Salita | Angolo della caviglia in apertura | Innesco della coppia di assistenza |
| Stazione eretta | Posizione neutra eretta | Angolo di assetto costante | Standby/Risparmio energetico |
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Riferimenti
- Prakyath Kantharaju, Myunghee Kim. Reducing Squat Physical Effort Using Personalized Assistance From an Ankle Exoskeleton. DOI: 10.1109/tnsre.2022.3186692
Questo articolo si basa anche su informazioni tecniche da 3515 Base di Conoscenza .
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