Development of a method for lower body motion tracking with inertial sensors

Human motion capture is a well-established tool, not only for rehabilitation clinics but also for biomechanics research and for sports training at all levels. Nowadays, optoelectronic systems are considered the gold standard to capture kinetic variables of the body, but they are expensive and require welltrained operators. Wearable sensors such as Inertial Motion Units (IMUs), could overcome the limits of traditional technology and open to new features like open-air acquisitions. The objective of this work is to create a method to compute the joint angles of the lower body during a gait test using an existing inertial system without a functional calibration. The method implements a Virtual Global reference frame which the IMUs could refer to. The subject simply aligns his anatomical axis to the frame to calibrate the system. The performances of the algorithm show good accuracy for the flexion-extension angles (RMSE below 3 degrees). Angles with a reduced range of motion have a higher variability of the error. The method is also capable of compensating the drift performing a new calibration pose.

Lo studio del movimento umano è una pratica consolidata, non solo nelle cliniche di riabilitazione, ma anche nella ricerca biomeccanica, o nell'allenamento sportivo di tutti i livelli. Al giorno d'oggi, i sistemi optoelettronici sono considerati il gold standard per misurare le variabili cinetiche del corpo umano, ma risultano costosi e richiedono operatori ben addestrati. Sensori indossabili come i sensori inerziali (IMU) potrebbero superare i limiti della tecnologia tradizionale e aprire a funzionalità innovative come le acquisizioni in esterna. L'obiettivo di questo lavoro è quello di creare un metodo per calcolare gli angoli articolari degli arti inferiori durante un test di cammino utilizzando un sistema inerziale esistente senza una calibrazione funzionale. Il metodo implementa un piano di riferimento globale virtuale in cui i sensori inerziali possono fare riferimento. Il soggetto allinea semplicemente il suo asse anatomico agli assi di calibrazione del sistema. Le prestazioni dell'algoritmo mostrano una buona precisione per gli angoli di estensione flessione (RMSE al di sotto dei 3 gradi). Gli angoli con un intervallo di movimento ridotto hanno una maggiore variabilità dell'errore. Il metodo è anche in grado di compensare il drift eseguendo una nuova posa di calibrazione.