多軸慣性計測ユニット（IMU）は、加速度計、ジャイロスコープ、磁力計を統合してリアルタイムの空間移動パラメータを記録する自律データキャプチャシステムとして機能します。フットウェアテストの文脈では、その主な役割は歩行分析を実験室の制約から解放することです。高い測定自由度を提供することで、研究者は実際のシナリオでの長距離歩行中に、足のクリアランスや重心の変位などの重要な安定性指標を定量化できます。
コアインサイト：従来の光学システムは動きをキャプチャしますが、IMUはパフォーマンスを検証します。これらは、制御された設定だけでなく、自然環境での長時間の使用中に靴がどのように機能するかをキャプチャすることにより、靴の安定性を評価するための技術的基盤を提供します。
IMUの技術構成
センサー統合
IMUは単一のセンサーではなく、統合されたクラスターです。
加速度計、ジャイロスコープ、磁力計を組み合わせることで、これらのユニットは動きの包括的な像をキャプチャします。この融合により、外部カメラなしで3次元空間での身体部分の正確な追跡が可能になります。
リアルタイム空間追跡
デバイスはデータを瞬時に処理して、身体部分の軌跡をマッピングします。
この機能は、足と足首の微細な動きを靴の機械的特性と相関させる必要があるフットウェア分析に不可欠です。
実験室の境界を打ち破る
光学的な限界の克服
従来の歩行分析は、実験室ベースの光学式モーションキャプチャシステムに依存しています。
これらのシステムは非常に正確ですが、特定のキャプチャボリュームに制限されています。IMUはこの制約を排除し、無制限の距離と多様な地形でのデータ収集を可能にします。
長距離データ収集
着用者が疲労したり、地形が変化したりすると、靴の安定性はしばしば変化します。
IMUは、長期間にわたる歩行の連続監視を可能にします。これにより、短い実験室でのトライアルでは見逃されがちな、靴が着用者の歩行力学に与える累積効果を捉えることができます。
フットウェアの安定性に関する重要な指標
足のクリアランスの評価
IMUによって測定される主な安定性指標の1つは足のクリアランスです。
この指標は、歩行サイクルのスイングフェーズ中に足がどれだけ高く持ち上がるかを追跡します。クリアランスの変化は、靴のデザインが転倒リスクや歩行効率にどのように影響するかを示す可能性があります。
重心の変位
IMUにより、体の重心の変位を正確に計算できます。
重心のシフトを監視することで、テスターは靴がバランスと姿勢をどれだけうまくサポートしているかを評価できます。これは、靴の安定化特性の直接的な定量的測定値を提供します。
戦略的なセンサー配置
高忠実度収集ポイント
正確なデータを取得するには、センサーの配置は譲れません。
高精度IMUは通常、靴の甲またはかかと、またはベルトを介して腰に固定されます。
衝撃と重力のキャプチャ
足に配置すると、衝撃力の直接測定が可能になります。
逆に、腰に取り付けられたセンサーは重心の変化を追跡します。これらのデータポイントを組み合わせることで、靴が歩行、ランニング、またはジャンプ中に衝撃をどのように管理し、身体の安定性を維持するかについての包括的なビューが作成されます。
トレードオフの理解
キャリブレーションの課題
IMUは自由を提供しますが、光学システムのような絶対的な位置参照がありません。
精度を確保するには、センサーを着用者の骨セグメントに正確にキャリブレーションする必要があります。センサーが骨に対して相対的にシフトした場合（軟部組織アーチファクト）、データは信頼できなくなります。
ハイブリッドソリューション
これらのエラーを軽減するために、セットアップフェーズ中にハイブリッドアプローチがよく使用されます。
IMUは、反射マーカーを備えた3Dプリントされたマーカークラスターに取り付けられる場合があります。これにより、光学システムが解剖学的構造に対するセンサーの正確な位置と向きを定義できます。このステップにより、相対的な変位によるエラーが排除され、フィールドで収集されたIMUデータが運動学的に正確であることが保証されます。
目標に合った適切な選択
フットウェアテストプロトコルの特定の要件に応じて、次のアプリケーションに焦点を当ててください。
- 主な焦点が実際の検証である場合：IMUを展開して、長距離にわたる安定性データ（足のクリアランスと重心）をキャプチャし、靴がラボ外でどのように機能するかを理解します。
- 主な焦点が衝撃分析である場合：IMUをかかとまたは甲に直接固定して、地面反力と衝撃吸収に関する高忠実度データをキャプチャします。
- 主な焦点が運動学的な精度である場合：3Dプリントされたマーカークラスターを使用したハイブリッドセットアップを利用して、フィールドテストの前に光学システムに対してIMUをキャリブレーションし、関節運動学計算のエラーを最小限に抑えます。
歩行分析を固定された場所からウェアラブルな方法論に移行することにより、IMUは、より安全で安定したフットウェアを設計するために必要な客観的なデータを提供します。
概要表：
| 特徴 | フットウェアテストにおける機能 | キャプチャされる主要指標 |
|---|---|---|
| センサーフュージョン | 加速度計、ジャイロスコープ、磁力計を組み合わせる | 3D身体部分追跡 |
| フィールドテスト | 歩行分析を実験室の制約から解放する | 長距離パフォーマンス |
| 安定性分析 | 足と地面の関係を監視する | 足のクリアランスと重心の変位 |
| 配置ユーティリティ | 甲、かかと、または腰に固定される | 衝撃力と重力のシフト |
| ハイブリッドキャリブレーション | 3Dプリントされたマーカークラスターを使用する | 運動学的な精度とエラー削減 |
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参考文献
- Yuji Hirano, Yasumoto Matsui. Preliminary gait analysis of frail versus older adults. DOI: 10.1589/jpts.36.87
この記事は、以下の技術情報にも基づいています 3515 ナレッジベース .