3Dプリントマーカクラスターは、内部センサーデータと外部モーションキャプチャ環境との間の重要なインターフェースとして機能します。4つの固定された反射マーカーを備えた剛性クラスターに慣性計測ユニット（IMU）を取り付けることで、研究者はオプトエレクトロニックモーションキャプチャシステムがグローバル座標系内でのセンサーの正確な位置と向きを追跡できるようにします。
コアの要点 マーカクラスターは、ハイブリッドモーションキャプチャのための安定化された「真実のアダプター」として機能します。センサーと下の骨との間の相対的な動きによって引き起こされるデータエラーを除去し、正確な下肢関節運動学の計算に必要な高精度IMUからセグメントへのキャリブレーションを可能にします。
精密トラッキングのアーキテクチャ
2つのテクノロジーの架け橋
IMUは独自のローカルフレームでデータを記録しますが、光学カメラはグローバルルームフレームで記録します。3Dプリントクラスターは、これら2つのシステムを物理的に統合します。
グローバル座標系の確立
クラスターに4つの固定された反射マーカーを装備することで、光学カメラはデバイスのジオメトリにロックオンできます。
これにより、システムは、単なる内部加速度データではなく、グローバル環境に対するIMUの正確な向きと位置を決定できます。
安定したローカル参照の作成
4つのマーカーの固定配置は、センサーの周りに安定したローカル座標系を確立します。
これにより、被験者がキャプチャボリューム内をどのように移動しても、センサーの向きが一定に保たれる剛性定義が作成されます。
測定エラーの除去
皮膚の動きによるアーチファクトとの戦い
生体力学における最大の課題の1つは、動き中に皮膚が骨の上を滑ることです。
単一のマーカーを皮膚に直接取り付けると、「ぐらつき」のあるデータが生じ、下の骨の動きを不正確に反映することがよくあります。
信号干渉のフィルタリング
マーカーは皮膚に直接取り付けるのではなく、剛性のある3Dプリントクラスターに取り付けられているため、このセットアップは効果的にアーチファクト干渉をフィルタリングします。
これにより、歩行速度や重心軌道などの計算された指標が、実際の移動能力を反映し、軟部組織の振動を反映しないことが保証されます。
相対変位の固定
主な参照は、エラーがセンサーと骨セグメントとの間の相対変位から生じることが多いことを強調しています。
クラスター構成は、この不一致を最小限に抑え、センサーの動きが測定対象のセグメントに密接に結合されていることを保証します。
技術的制約の理解
キャリブレーションの依存性
強力ではありますが、このセットアップは特にIMUからセグメントへのキャリブレーションを容易にするように設計されています。
クラスターが高次元精度で印刷されていない場合、またはマーカーとIMUの間のオフセットが効果的に計算されていない場合、結果として得られる関節運動学は不正確になります。
システムの複雑さ
クラスターの使用は、オプトエレクトロニックカメラとIMUハードウェアの両方を必要とするハイブリッドセットアップを意味します。
これは、ソフトウェアが2つの異なるテクノロジーからのデータストリームを同期および融合する必要があるため、データ後処理の複雑さを増します。
目標に合わせた適切な選択
この構成が分析に必要かどうかを判断するには、特定のデータ要件を考慮してください。
- 主な焦点が関節運動学の場合：センサーデータを骨の動きにマッピングするために必要な高精度IMUからセグメントへのキャリブレーションを実行するには、剛性クラスターを使用する必要があります。
- 主な焦点が重心/移動能力の場合：クラスターを活用して皮膚のアーチファクトをフィルタリングし、軌道と速度のデータを安定して正確に保つ必要があります。
センサーを光学トラッキングの世界に剛性で結合することにより、ノイズの多い生のデータを人間の動きの決定的なモデルに変換します。
概要表：
| 特徴 | 歩行分析における機能 | 主な利点 |
|---|---|---|
| 剛性インターフェース | IMUローカルフレームとグローバルカメラフレームを統合 | 正確な空間的位置 |
| 4マーカジオメトリ | 安定したローカル座標系を確立 | 一貫したトラッキングジオメトリ |
| アーチファクトフィルタリング | 皮膚と骨の滑りによるデータノイズを低減 | 関節運動学の精度向上 |
| 真実のアダプター | IMUからセグメントへのキャリブレーションを容易にする | 信頼性の高い移動能力指標 |
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参考文献
- Gautier Grouvel, Stéphane Armand. A dataset of asymptomatic human gait and movements obtained from markers, IMUs, insoles and force plates. DOI: 10.1038/s41597-023-02077-3
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 .