Wrist-tracking system with a single IMU: real-time motion tracking for virtual-reality rehabilitation exercises

Stroke is the main cause of death and disability among the elderly. Rehabilitation is necessary in order to recover entirely or partially motor skills, but at the same time, it can be a long and tedious process. The aim of the thesis is to make the rehabilitation process less monotonous and boring by introducing virtual reality to it. That is why we decided to create an "exergame", which is a game designed to perform exercises. To do so we created a single-IMU position tracking system that is able to detect the position of the wrist of the patient and that is integrated into our game, developed in Unity so that the patient has visual feedback of the position of his arm. In fact, there is a correspondence between the position of the real wrist in the space and the position of the wrist in the game. The game developed is a space shuttle that moves in the vertical direction, as the player moves his arm upwards and downwards, and he has to avoid asteroids coming horizontally from the right part of the screen. In order to calculate the position from an IMU we have to perform numerical integration twice starting from the acceleration signal. This process creates a huge error in terms of drift and we have to use some methods to reduce it. The methods used were filtering, the use of threshold on acceleration or velocities values, and a combination of the two methods together. After the individuation of a working method, we validated our results by comparing the detected trajectory with a known one performed by TIAgo, an assistive robot. We also compared the results with a three-IMU tracking system and evaluated the advantages and disadvantages of both systems.

L'ictus è una delle principali cause di morte e disabilità tra gli anziani. La riabilitazione è necessaria per il recupero intero o parziale delle abilità motorie, ma allo stesso tempo può essere un processo molto lungo e noioso. Lo scopo della tesi è quello di rendere la riabilitazione un processo meno monotono e noioso, introducendo la realtà virtuale in essa. Per questo motivo abbiamo creato un "exergame", ovvero un gioco volto a svolgere esercizi. Per sviluppare questo gioco abbiamo creato un systema di rilevamento della posizione utilizzando una singola IMU, in grado di calcolare la posizione del polso del paziente e integrandolo nel nostro gioco, sviluppato in Unity, così che il paziente abbia un feedback visivo della posizione del proprio braccio. Infatti, c'è una corrispondenza tra la posizione del braccio nello spazio reale e la posizione del braccio nel gioco. Il gioco consiste in una navicella spaziale che si muove nella direzione verticale a seconda che il giocatore muova il braccio verso l'alto o verso il basso, e che deve evitare gli asteroidi proveniente orizzontalmente. Per calcolare la posizione dalla IMU dobbiamo eseguire l'integrazione numerica due volte a partire dal segnale di accelerazione. Questo processo crea un grosso errore in termini di deriva e dobbiamo individuare dei metodi per ridurlo. I metodi utilizzati sono il filtraggio, l'utilizzo di soglie sull'accelerazione e velocità, e una combinazione dei due metodi insieme. Dopo aver individuato un metodo funzionante, abbiamo validato i risultati comparando la traiettoria rilevata con una traiettoria conosciuta eseguita da TIAGo, un robot assistivo. I risultati sono anche stati comparati con un sistema utilizzante tre IMU e sono stati valutati i vantaggi e gli svantaggi di entrambi i metodi.