ウェアラブル歩行検出システムにおいて、太ももと足に配置された慣性計測ユニット（IMU）は、下肢キネティックチェーンの動的な運動学的データを捉える分散型センサーノードとして機能します。足に取り付けられたユニットは地面との相互作用とスイング軌道に焦点を当て、太ももに取り付けられたユニットは上腿部の角速度と姿勢を捉えます。両方の位置からのデータを統合することにより、システムは相対的な運動特性を計算します。これは、平地での歩行と階段昇降のような複雑な活動を区別するために不可欠です。
コアインサイト 単一点でのセンシングでは、複雑な運動パターンを特定するために必要なコンテキストを提供できないことがよくあります。デュアルセンサーセットアップの真の価値は、肢節間の相対的な差を測定する能力にあり、特定の膝と股関節の協調に依存する階段昇降のような活動の正確な特定を可能にします。
足に取り付けられたIMUの機能
足に取り付けられたセンサー—しばしば靴の上部、甲、またはかかとに配置されます—は、地面との相互作用データの主要な接点として機能します。
地面反力（Ground Reaction Forces）の捕捉
足のIMUは、足が地面に着地した瞬間の衝撃を検出するユニークな位置にあります。特に着地時に垂直加速度のピークを検知することにより、このセンサーは歩行サイクルを明確な歩行に正確に分割するために必要なデータを提供します。
スイング期軌道の定量化
足が地面から離れている期間中、IMUは肢の空間内での動きを追跡します。加速度計とジャイロスコープの組み合わせを使用して、次の着地前の足の正確な経路をマッピングする運動軌道と3軸姿勢角を定量化します。
太ももに取り付けられたIMUの機能
足のセンサーが地面との接触を処理する一方で、太もものセンサーは上腿部の姿勢と動きに関する重要なコンテキストを提供します。
上肢の角速度の測定
太もものIMUは、運動中の大腿骨の回転速度を捉えます。この角速度データは、足の位置に関係なく、脚が前後にどれだけ速くスイングしているかをシステムが理解するのに役立ちます。
軸方向加速度の確立
このユニットは、太ももの軸に沿った加速度を測定します。このデータは、肢の傾きと全体的な姿勢を決定するために不可欠であり、脚の下部で発生する動きの基準点として機能します。
相乗効果：両方のセンサーが必要な理由
太ももと足の両方にセンサーを使用する主な利点は、「相対的な動き」を導き出す能力であり、これはどちらか一方のセンサーを単独で分析するよりも優れています。
相対的な運動特性の導出
太ももと足からのデータを同期することにより、システムは2つのセグメントが互いにどのように動くかを計算できます。これにより、制限的な機械式ブレースを必要とせずに、膝関節の運動学と協調の評価を間接的に行うことができます。
複雑な歩行パターンの特定
単純な歩行は単一のセンサーで検出できることが多いですが、複雑な地形ではより多くのデータが必要です。太ももと足からの入力の組み合わせにより、システムは平地歩行、階段昇り、階段下りを区別できます。なぜなら、各活動は相対的な肢の動きのユニークなシグネチャを生成するからです。
技術的な限界の理解
強力である一方で、IMUベースのシステムには固有のトレードオフがあり、データの整合性を確保するために管理する必要があります。
ドリフトの課題
IMUは、時間とともに加速度と角速度を統合することによって位置と姿勢を計算するため、自然に「ドリフト」または累積誤差が生じます。これを相殺するために、システムは磁力計を使用して安定した姿勢参照を提供し、姿勢計算を修正する必要があります。
サンプリングレートの要件
転倒やジャンプの激しい衝撃のような高ダイナミックな活動を捉えるには、高いサンプリングレートが必要です。低周波センサーは、これらの急速なイベントに関連するピーク加速度値を見逃し、衝撃力の不正確な評価につながる可能性があります。
目標に合わせた適切な選択
プロジェクトの特定の要件に応じて、IMU実装のさまざまな側面を優先する必要があります。
- 歩行サイクルセグメンテーションが主な焦点の場合：足に取り付けられたセンサーの配置、特に靴の上部中央に配置することを優先し、着地時の垂直加速度のピークを敏感に捉えます。
- 複雑な活動認識が主な焦点の場合：階段昇降や地形の変化を特定するために必要な相対的な運動特性を捉えるために、太ももと足の両方のセンサーを使用する必要があります。
太ももと足の両方の配置の特定の強みを活用することにより、生のセンサーデータを人間の歩行の高忠実度マップに変換します。
概要表：
| センサーの配置 | 主に捉えられるデータ | 歩行分析における主な機能 |
|---|---|---|
| 足に取り付けられた | 垂直加速度とスイング軌道 | 着地、地面との相互作用、歩行セグメンテーションを検出 |
| 太ももに取り付けられた | 角速度と軸方向加速度 | 大腿骨の回転、肢の傾き、上腿部の姿勢を測定 |
| デュアルセンサー | 相対的な運動特性 | 複雑な活動（階段 vs. 平地）と膝関節の運動学を特定 |
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