Design and development of a wearable system of multiple IMUs for the kinematic analysis of the human's lower limbs

In this thesis has been developed a wearable prototype composed of 7 IMUs able to provide for each IMU’s module, data of acceleration, angular velocity, magnetic field and orientation expressed in quaternion’s form, with a sample frequency up to 120Hz. An Android app has been implemented to receive via Bluetooth all data proving from the system developed and to save them into the internal memory of an Android’s device. The goal of this system consists of permitting a kinematic analysis of the human lower’s limbs outside of the laboratory environment allowing a practical method for the monitoring of daily-life activities and an easy and portable tool for the study of sport gestures directly on the training field. In particular the system’s development has been focused on the joints’ angles estimation through the use of opportune sensor’s fusion algorithms. Three different orientation’s filters have been implemented in the system, two found in literature and one built using methods implemented in the previous two algorithm and adopted in a Kalman filter structure. The tuning and the performances of theses filters have been evaluated with limited and controlled movements on a simulator test platform comparing the results obtained with an optoelectronic system considered the golden standard for the measures of kinematic variables. Preliminary tests have been done also positioning the developed system on subject’s lower limbs performing movements principally on the sagittal plane. Finally, the system has been used during long jump activities for testing its functionalities during an outdoor sport application in which the subject could execute complex and ample limb’s movements with wide displacements. The outdoor performances have been evaluate through the qualitative use of a high frame rate video camera opportunely synchronized with the multiple IMUs’ system.

In questa tesi è stato progettato ed implementato un sistema indossabile composto da 7 sensori IMU. Da ognuno di questi sensori è stato possibile ottenere dati triassiali di accelerazione, velocità angolare, campo magnetico e orientamento espresso in forma di quaternioni fino ad una frequenza di 120Hz. Un’App Android, inoltre, è stata sviluppata per ricevere via Bluetooth tutti i dati provenienti dal sistema e per salvare quest’ultimi all’interno della memoria del dispositivo Android usato. L’obiettivo di questo sistema consiste nel permettere un’analisi cinematica degli arti inferiori di un soggetto all'infuori di un laboratorio specializzato per l’analisi del movimento, fornendo quindi uno strumento che possa essere utile ad esempio per il monitoraggio dell’attività quotidiana o per l’analisi di attività sportive direttamente nella sede d’allenamento. In particolare lo sviluppo del sistema si è concentrato nella stima degli angoli dei giunti tramite l’uso di opportuni algoritmi di sensors’ fusion. Tre differenti filtri per la stima dell’orientamento sono stati implementati, due trovati in letteratura e uno sviluppato prendendo spunto da metodi usati nei due algoritmi precedenti ed adattati all’interno di una struttura basata sul filtro di Kalman. La sintonizzazione e le performance di questi filtri sono stati valutati eseguendo movimenti controllati su una opportuna struttura che simulasse un semplice movimento di flesso estensione. I risultati ottenuti sono stati confrontati, quindi, con i dati forniti da un sistema optoelettronico, sistema generalmente preso come riferimento di accuratezza per la misura di grandezze cinematiche. Test preliminari sono stati eseguiti anche ponendo i sensori direttamente sugli arti inferiori di un soggetto durante lo svolgimento di movimenti eseguiti prevalentemente all’interno del pino sagittale. Infine, il sistema è stato utilizzato durante prove di salto in lungo per valutare la sua funzionalità anche in attività in cui il soggetto potesse muoversi più liberamente eseguendo gesti motori più complessi e rapidi. Le performance di questa attività sono state valutate qualitativamente attraverso l’utilizzo di una video camera ad alta frequenza, sincronizzata con il sistema sviluppato.