Development of a low-cost wireless inertial system for gait analysis

The purpose of this thesis is the development of a low-cost inertial motion capture system. Such a system was requested by a group of researchers from the psychology department of the Berlin Technische Universität. It will be used in medical field application for the Gait Analysis of patients with degenerative diseases such as Parkinson. An inertial system is only one of the possible configuration of a Motion Capture system, namely the process of recording and digitising the movement of an object or a person. The most famous and most accurate motion tracking technique is optical, where the object is tracked through a triangulation procedure of different cameras. Instead, an inertial system guarantee less expensive instrumentation and an easier acquisition, but has lower accuracy. The gait parameters obtained with the inertial system are compared to the one achieved by the optical system, which is a landmark for the field of application. The inertial system was built connecting three main components: a micro-controller unit, an IMU and a battery. The final assembled system has been included in a 3D printed case. The gait parameters are calculated by the signals acquired by the IMU and sent wirelessly to a PC. In particular, the parameters required are temporal, mainly the recognition of the temporal phases inside a step, and spatial, for example the measure of the length of a step.

Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di un sistema inerziale a basso costo per la cattura del movimento. Tale sistema è stato richiesto da un gruppo di ricercatori del dipartimento di psicologia dell'università TU Berlin. Sarà usato in campo medico per effettuare analisi di camminata su pazienti con malattie degenerative quali il Parkinson. Un sistema inerziale è solo una delle possibili configurazioni di un sistema di acquisizione del movimento, precisamente il processo di registrare e digitalizzare il movimento di un oggetto o di una persona. Il sistema più famoso e più accurato di analisi del movimento è ottico, dove il tracciamento dell'oggetto avviene per mezzo della triangolazione di diverse telecamere. Un sistema inerziale garantisce un'acquisizione più semplice ed un costo della strumentazione più contenuto, ma ha in generale una minore accuratezza. I parametri di camminata ottenuti con il sistema inerziale sono comparati con quelli ottenuti tramite un sistema ottico, che è il punto di riferimento per questo campo di applicazione. Il sistema inerziale è stato costruito assemblando e saldando insieme tre componenti principali: un microcontrollore, un IMU ed una batteria. Il tutto è stato incluso in una scatola stampata in 3D. I parametri determinati dalla camminata saranno estratti dai segnali registrati dall'IMU e mandati via wireless al PC dove saranno salvati. In particolare i parametri richiesti sono di tipo temporale, principalmente la distinzione temporale delle diverse fasi all'interno di una passo, e spaziale, come la misura della lunghezza del passo.