dispositivo portatil para establecer la velocidad, la posicion y

DISPOSITIVO PORTATIL PARA ESTABLECER LA VELOCIDAD, LA
POSICION Y ACELERACION DE LA MARCHA HUMANA.
Esperanza Camargo Casallas, Enrique Yamid Garzón Gonzalez, Luz Helena Camargo
Abril de 2010, [email protected], [email protected], [email protected]
RESUMEN: El Análisis del movimiento humano
ha sido objeto de estudios durante las últimas décadas,
estos se realizan generalmente en laboratorios a través
del uso de técnicas de
videogrametria y
del
procesamiento de imágenes, esta técnica acarrea que el
análisis este supeditado a un laboratorio y no pueda ser
usado en cualquier entorno o situación cotidiana. El
proyecto desarrollado, permite capturar el movimiento
humano de los miembros inferiores, a partir de un arnés
provisto de acelerómetros ubicados estratégicamente. La
información suministrada por los acelerómetros es
procesada a través de un microcontrolador para
determinar la velocidad, la aceleración y
la posición
angular, variables necesarias para reconstruir el
movimiento.
Dicha información es visualizada en una
memoria LCD y almacenada en la memoria del
microcontrolador con la perspectiva de que esta
información pueda ser utilizada en futuras aplicaciones El
desarrollo de esta investigación Su desarrollo se realizó
dentro del grupo de investigación DIGITI de la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas.
PALABRAS
CLAVESAcelerómetros,
Cinemática de la marcha humana. Marcha,
Movimiento humano, Orientación,
1. INTRODUCCION
El método utilizado para el análisis de marcha
generalmente se
realiza con la captura del
movimiento a través de cámaras sincronizadas entre
ellas y conectadas a un computador, el cual a partir
de un software es el encargado de procesar y
analizar las imágenes capturadas para su posterior
análisis; la captura se realiza generalmente dentro
de un laboratorio bajo condiciones controladas,
estos espacios debe contar con características tales
como longitud limitada condiciones de iluminación
especiales, reflectores profesionales, aislamiento
del laboratorio y de la iluminación externa, entre
otras.
Aunque por este método se han realizado
aplicaciones
portátiles se requieren que las
cámaras se encuentren estáticas, de tal manera que
estas se encuentren limitadas a una longitud de
espacios, esto no permite la captura del movimiento
humano en situaciones cotidianas tales como
conducir,
subir o bajar escaleras, montar en
bicicleta o movimientos propios de un puesto de
trabajo.
A continuación se presenta el desarrollo de un
dispositivo portátil que a partir de acelerómetros
ubicados en una especie de arnés en las piernas del
individuo, se establecen las variables que implican
el movimiento de las articulaciones de las
extremidades inferiores, tales como posición,
velocidad de la cadencia del movimiento humano y
su respectiva aceleración.
El procesamiento de la señales de los sensores
se realiza en tiempo real lo que permite obtener una
adecuada visualización de las variables en una
LCD, así como de almacenar los datos obtenidos
en una memoria, para que puedan ser utilizados en
futuras aplicaciones.
2. CARACTERIZACION
MOVIMIENTO
DEL
2.1 Marcha Humana
La locomoción humana normal se ha
descrito como una serie de movimientos
alternantes, rítmicos, de las extremidades y del
tronco que determinan un desplazamiento hacia
delante del centro de gravedad [1].
El análisis cinemático describe los
movimientos del cuerpo en conjunto y los
movimientos relativos de las partes del cuerpo
durante las diferentes fases de marcha. Una pierna
está en fase de apoyo cuando está en contacto con
el suelo y está en fase de balanceo cuando no
contacta con el suelo.
Estas dos fases se van alternando de una
pierna a la otra durante la marcha tal como lo
muestra la figura [1].
Figura 1. Fases de la marcha
Las extremidades inferiores durante la
marcha tienen una gran variación en sus
articulaciones en los diferentes ciclos que
conciernen a la marcha.
2.2 Posición real de los acelerómetros a las
articulaciones de las extremidades inferiores
La instalación de los sensores se realizó en
cada articulación como se muestra en las figuras 3,
4 y 5, así como la calibración de los sensores, la
cual comienza con una posición ideal puesto que
las condiciones iníciales de cada sensor son de
gran importancia, la calibración se debe realizar con
las extremidades en reposo.
PIC18f4550 de alta gama. Este microcontrolador
ofrece la posibilidad de tener una velocidad de
procesamiento de significativamente alta (40MHz)
con el cual los resultados son óptimos tanto al
momento del procesamiento de las señales como
en la visualización de los datos.
3. ANALISIS E IMPLEMENTACION DE LOS
SENSORES
3.1 Acondicionamiento del sensor
Los sensores empleados para el desarrollo
del
dispositivo
son
los
acelerómetros
micromaquinados triaxiales MMA7260QT, sensores
de gran versatilidad que ofrecen una amplia gama
de aplicaciones. El acelerómetro cuenta con
diferentes salidas análogas el cada eje de
movimiento x, y, y z.
Un factor determinante para la selección de
este sensor es la sensibilidad
que ofrece
comparado con los demás, en la tabla 1 se muestra
la comparación de la sensibilidad de los sensores
MMA7260QT, con respecto a otros de la misma
gama.
Tabla 1. Sensibilidad del sensor
Sensor
Figura[2] visión frontal ubicación sensores
MMA7260QT
MMA7340L
MMA7330L
Sensibilidad
800mV/g
440mV/g
308mV/g
0G
-1G
+1G
1.65V
1.65V
1.40V
0.85V
1.21V
1.092V
2.45V
2.09V
1.70V
La sensibilidad en este sensor es
seleccionable esto se realiza ingresando valores
digitales en los pines de control (g-select1 y gselect2), estos valores amplían o reducen el rango
de medición del sensor así como su sensibilidad.
La tabla [2] muestra la relación entre los valores de
g-select su rango y su sensibilidad.
Figura[3] visión lateral izquierda ubicación
sensores
Para esta aplicación se estableció una
sensibilidad de 800mV/g, lo cual es conveniente
para el proceso de muestreo teniendo en cuenta
que durante el movimiento humano las velocidades
superiores a 14.7 m/s no se consideran marcha.
Tabla 2. Selección de la Sensibilidad del sensor
Pin- g-select2
Cada una de las fases de la marcha humana
tienen diferentes grados de posicionamiento, cada
grado de posicionamiento de la articulación es
sensado indirectamente con cada acelerómetro lo
que permite
obtener la posición de cada
articulación en el momento en que el individuo
comience el proceso de la marcha.
El proceso de muestreo de cada sensor ralentiza el
controlador, por lo que se utilizo el microcontrolador
0
0
1
1
Pin g-select1
0
1
0
1
Rango
0g-1.5g
0g- 2g
0g-4g
0g-6g
Sensibilidad
800mV/g
600mV/g
300mV/g
200mV/g
Los sensores de movimiento empleados
captan la variación de los grados en las distintas
articulaciones, de manera que se acopla un sensor
en cada una de las articulaciones de la extremidad
como la cadera, la rodilla y el tobillo y así poder
describir el movimiento del cuerpo y su cinemática
en la marcha. La figura 4 muestra el acople ideal de
cada uno de los sensores en una de las
articulaciones de las extremidades inferiores.
y la relación entre el ángulo y las
aceleraciones está definida finalmente por la
ecuación [ 3].
Ec. [3]
El sensor tiene más respuesta a cambio en
grados cuando el eje a sensar es perpendicular a la
fuerza gravitacional, cuando el eje es perpendicular
a la aceleración de la gravedad, el acelerómetro
experimenta aproximadamente 17.45mg por grado
de inclinación
Extremidad
Derecha
Posición de acople
del acelerómetro en
la extremidad
derecha
Figura 4. Acople de los sensores
3.2 Empleo del acelerómetro como sensor de
inclinación
La ubicación de cada uno de los sensores
es vertical con el fin de tener el eje y de cada uno
de los sensores paralelo a la aceleración de la
gravedad tal como los muestra la figura 5
3.3 Análisis Trigonométrico de los acelerómetros
Como se consideró anteriormente en la
ecuación [1] la componente en X está definida por el
seno del ángulo formado en la inclinación entre el
acelerómetro y el eje x, la componente Y está
definida por el coseno del ángulo formado entre la
inclinación y el eje y. Al mencionar que
y
se
define como el valor de la conversión después del
filtrado y de la calibración, los ángulos se definen
por las ecuaciones [4] y [4.1].
Ec. [4]
Ec. [4.1]
El ángulo resultante de la inclinación está
definido por la ecuación [5].
Ec. [5]
Fig. [5]: Inclinación de los acelerómetros y su
correspondiente trigonometría
Empleando trigonometría
básica se puede
conocer el ángulo de cada uno de los componentes.
Observando
la
grafica
anterior
podemos
comprender como existe una variación de la
aceleración estática del sensor respondiendo a la
inclinación, conociendo la aceleración en la
componente x y la aceleración en la componente y,
se deducen de las ecuaciones [1], y [1.1]
Ec. [1]
Ec. [1.1]
La combinación de estas dos componentes esta
dad por la ecuación 2
Ec. [2]
El uso de la las librerías matemáticas del
controlador es muy restringido con respecto a las
funciones trigonométricas lo que dificulta en gran
manera la obtención de los grados desde el sensor
frente a la respuesta del controlador. Sin embargo la
aplicación de conversiones con multiplicaciones de
factores constantes facilito en gran manera la tarea
para ello.
El resultado de la implementación del
algoritmo de orientación aplicado al acelerómetro
es mostrado en la tabla [3]
Tabla [3]. Respuesta del sensor a la inclinación.
Orientación
acelerómetr
o
Voltajes
de salida
Grados
Obtenido
s
0°
(posición
inicial de
todos los
acelerómetros
)
-90°
90°
Tal como lo muestra la tabla [3], el eje
donde se encuentra una variación significativa es
en el
eje x es por esto que la salida de cada
sensor y la entrada análoga en el controlador
tendrá una prioridad en el proceso de muestreo de
cada sensor. El cambio de la variable que señala
el grado de orientación estará dado por el sentido
de orientación del sensor.
3.4 Calibración de los sensores
La calibración se realiza mediante software
partiendo de los voltajes de salida de cada sensor,
se realiza un muestreo constante por lo que es
necesario que en el proceso de calibración del
sensor u objeto se encuentre en estado de reposo,
el muestreo permitirá que al experimentar una
variación; la diferencia entre la nueva variación y el
valor muestreado del offset entregará un valor de
aceleración positivo o negativo dependiendo de la
dirección del movimiento del objeto. En síntesis la
calibración es fundamental porque permite
establecer las condiciones iníciales en la que el
objeto se encuentra.
Este proceso se realiza a cada uno de los
sensores ubicados en cada una de las
articulaciones de las extremidades inferiores.
4. ESTIMACION DEL MOVIMIENTO
4.1 Posición angular de la marcha humana
Tras la implementación de los sensores en cada
articulación se observó que durante la marcha
diferentes ángulos son interpretados desde los
sensores por parte del controlador, estos ángulos no
superaron el rango de -90° a 90° lo que permite
definir el momento en que el individuo marca un
paso. Tras observar que en el momento en el cual
el pie no se encontraba en contacto con el suelo
(fase de balanceo), los sensores mostraban un dato
significativo en grados de posicionamiento del
tobillo, rodilla y cadera, se encontró que era una
manera viable para determinar el paso que el
individuo marcaba. La figura [6] muestra el grado de
posicionamiento en la fase de balanceo y la figura
[7] muestra el grado de posicionamiento en la fase
de apoyo.
Fig. [6] Posición angular de las articulaciones en
la fase de balanceo
Fig. [7]: Gráfica de posición angular de cada una
de las articulaciones en la fase de apoyo
Cabe
mencionar
que
los
grados
de
posicionamiento de cada sensor varían con
respecto a cada persona,
ya que la marcha
humana es un proceso aprendido influenciado por
factores medio ambientales [2] esto confirma que
cada individuo tiene una forma de marchar única e
irrepetible, en la tabla 4 se muestra el valor
promedio obtenido de la posición angular a partir de
los sensores.
Tabla4. Posición angular de las extremidades
inferiores.
FASE DE
BALANCEO
FASE DE APOYO
CADERA
-6
10
4
0
-7
-10
-5
RODILLA
-12
23
14
0
-15
-18
-21
TOBILLO
-39
-16
7
-6
-17
-23
-33
4.2
Velocidad de la marcha humana
Como
se mencionó anteriormente la
variación de los grados de posicionamiento de las
articulaciones permite obtener el momento en que el
individuo marca un paso. Mediante un algoritmo se
estableció la temporización de un paso a otro, esta
cuantificación permite tener el tiempo en el cual el
individuo realiza un paso durante la marcha. La
longitud del paso mide la distancia entre el dedo de
pie de apoyo y el talón de pie oscilante que contacta
el suelo.
Para este primer desarrollo, se estimo la
longitud del paso en 0.5 m y que estos eran iguales
entre derecha e izquierda. Las variaciones de
longitud poco perceptibles solo se pueden aclarar
en un laboratorio de análisis de marcha [1]. Esta
estimación es fundamental para conocer la
velocidad de la marcha humana, esta constante
junto al tiempo de marca del paso, permitió
establecer la ecuación [8].
transmisión requiere de una codificación la cual
permite identificar que dato se está enviando en
tiempo real, la tabla [5] expone cual es la
codificación para cada una de la posición de las
articulaciones y el orden de envío.
Articulación
Codificación
extremidades
#(valor del grado de
inferiores
posicionamiento)
Cadera Izquierda
C##I
Cadera Derecha
C##D
Rodilla Izquierda
R##I
Rodilla Derecha
R##D
Tobillo Izquierda
T##I
Tobillo Derecho
T##D
Tabla [5]. Codificación de las variables.
Ec. [8]
4.5 Visualización de las variables
La velocidad total del individuo al marchar
se determina al obtener el promedio entre la
velocidad del paso de la extremidad derecha y la
velocidad del paso de la extremidad izquierda tal
como lo muestra la ecuación [9].
Ec. [9]
El entorno de visualización de las diferentes
variables se caracteriza por el manejo de un
Display LCD alfanumérico de 20 X 4 esta
característica es de gran importancia debido a que
el amplio número de variables que se manipulan
requieren que se realice en un solo recuadro.
La interfaz del usuario tiene como fin desplegar
las variables de posición angular, velocidad de la
cadencia de la marcha, aceleración, y la codificación
de los datos a transmitir
4.3 Aceleración de la marcha humana
5.
La aceleración se define como la tasa de
variación de la velocidad por unidad de tiempo, en
este orden de ideas la variación de la velocidad se
tomó como diferencias sucesivas entre la velocidad
actual y la velocidad anterior del individuo en
movimiento, esta variación reflejaba la aceleración
instantánea que el individuo generaba al marchar,
la ecuación [10] explica cómo se estimó la
aceleración del individuo al marchar.
Ec. [10]
Se observó que al incrementar la marcha,
la aceleración instantánea reflejo un incremento de
magnitud estimada igual al cambio de ritmo de la
cadencia de los pasos.
RESULTADOS
El dispositivo obtenido es un dispositivo
portátil que permite la captura del movimiento de la
marcha y estimar la velocidad y la aceleración. El
dispositivo dispone de los sensores de manera
modular esto facilita el acople para el usuario final
en cada una de las extremidades inferiores.
Cada sensor junto a su conector se
diferencia con el fin de que en el momento de la
conexión el sensor corresponda a la articulación
correcta. La orientación de los acelerómetros en la
extremidad izquierda es contraria a la orientación de
los acelerómetros de la extremidad derecha. Con el
fin de obtener una posición física fija a cada
articulación por parte de los sensores; cada sensor
utiliza una banda de velcro lo que permite ajustar el
sensor a diferentes tamaños de las articulaciones de
las extremidades inferiores.
4.4 Codificación y transferencia de los datos
Con el fin de que el dispositivo tuviera la
posibilidad de encontrar una transferencia de datos
con otro controlador y la vez la compatibilidad de
estos, se estableció una codificación de los datos
de la posición angular de cada articulación de las
extremidades inferiores. Cada dato
para la
El Dispositivo tiene un consumo de corriente
de 0.1 A este factor facilita que la alimentación del
dispositivo se realice con baterías, para un uso
eficiente del dispositivo se recomienda que las
baterías sean recargables y de alta corriente
aproximadamente 800mAh.
La calibración del dispositivo se debe
realizar en completo reposo si esta condición no se
cumple no se puede garantizar que el dispositivo
mida las variables correctamente. La calibración se
realiza constantemente al momento en el que la
interfaz de usuario cambie de visualizar las
variables de posición a velocidad y viceversa.
Para la estimación de la velocidad y la
aceleración es recomendable que el usuario marque
significativamente el momento del paso durante la
marcha de no ser así el controlador no captará el
momento del paso en la marcha lo que traería
inconvenientes en la estimación de la velocidad y la
aceleración.
El funcionamiento del dispositivo no se
garantiza si el usuario se encuentra en ambientes
eléctricamente
hostiles
debido
a
que
la
manipulación de las señales de los sensores
tendrán
alteraciones significativas por el ruido
eléctrico.
6.
CONCLUSIONES
El dispositivo al tener sensores que permiten su
fácil traslado cumple con la expectativa de
portatibilidad. Esto podría implementarse en
laboratorios de análisis de marcha así como en
ambientes virtuales de 3D
El hecho de utilizar
acelerómetros como
sensores de inclinación facilitó el procesamiento de
las señales. Existía la posibilidad de implementar
algoritmos de integración numérica para obtener
desde la aceleración; la velocidad y posición del
sensor esto no fue muy conveniente debido a la
cantidad de sensores y al estricto filtraje que se
necesitaba es por ello que el recurso que ofrece el
acelerómetro como medidor de ángulos de
inclinación es de gran efectividad para la captura de
la posición de cada una de las articulaciones y por
ende de la velocidad y la aceleración del individuo
en la marcha humana.
Utilizar un controlador que ofrezca mayores
prestaciones y mayor velocidad de procesamiento
seria más eficiente para la aplicación al dispositivo
ya que el controlador utilizado presentó varios
inconvenientes por la gran exigencia a la que se
sometió ya que la estimación de la velocidad y de la
aceleración relacionada a la marcha humana
requirió de que el controlador simultáneamente
obtuviera la posición angular de la articulación.
Una comunicación inalámbrica desde el
controlador hacia un PC facilitaría el trabajo del
controlador y con ello un análisis más eficiente de
las variables en tiempo real de la marcha humana.
El uso de la las librerías matemáticas del
controlador es muy restringido con respecto a las
funciones trigonométricas lo que dificulta en gran
manera la obtención de los grados desde el sensor
frente a la respuesta del controlador. Sin embargo la
aplicación de conversiones con multiplicaciones de
factores constantes facilito en gran manera la tarea
para ello.
Se alcanzó obtener un dispositivo el cual
visualizaba la posición angular de cada una de las
articulaciones de las extremidades inferiores, el
cual usaba acelerómetros como sensores acoplados
a cada articulación de las extremidades lo cual
permite que el dispositivo sea portátil y que
mediante diversos procesos se estima la velocidad y
aceleración que experimenta un individuo en la
marcha humana.
Los problemas asociados al ruido eléctrico
presente en los conectores de los sensores se
solucionaron en gran manera por la implementación
de filtros recursivos empleados desde el
microcontrolador
7. REFERENCIAS
[1] "La marcha humana: biomecánica,
exploraciones, normas y alteraciones ".Eric
Viel,2002
[2] Datasheet MMA7260QT, freescale
semiconductor, versión 5, marzo de 2008.
[3] ”Measuring Tilt with Low-g Accelerometers”,
freescale semiconductor, mayo 2005
[4] Datasheet PIC18f4550, microchip, versión 2,
abril de 2007.
[5] Guided Time Warping for Motion Editing
Symposium on Computer Animation (SCA),
2007, pages 42-52.
[6] Interactive
Animation
of
Dynamic
Manipulation.
ACM
SIGGRAPH/EUROGRAPHICS Symposium
on Computer Animation (SCA), 2006, pages
195-203. Yeuhi Abe, Jovan Popović
[7] Practical Motion Capture in Everyday
Surroundings.
ACM
Transactions
on
Graphics 26(3), 2007, Article 35. Daniel
Vlasic,
Rolf
Adelsberger,
Giovanni
Vannucci, John Barnwell, Markus Gross,
Wojciech Matusik, Jovan Popović
[8] MARION Trew, Tony Everett, Fundamentos
del movimiento humano, 5 edicion, Edit
ELSEVIER 2006.
[9] STONE, Henry W., “Kinematic Modeling,
Identification and control of Robotic