NOSLJIVI SENZORNI SISTEM ZA MERJENJE IN OCENJEVANJE VSTAJANJAŠlajpah, Sebastjan (Avtor) Kamnik, Roman (Mentor) nosljivi senzorni sisteminercialna merilna enotamerilni vložkirazširjeni Kalmanov filterkinematični modelmagnetne motnjevstajanjekinematični parametridinamični parametriasimetrijadolgotrajno gibanjeRazvoj in miniaturizacija senzornih tehnologij sta v zadnjih letih prinesla nabor novih aplikacij. Velik razmah uporabe so doživeli nosljivi senzorji, ki zaradi svoje majhne izdelave ter varčnega delovanja omogočajo spremljanje oseb v daljšem časovnem obdobju. Informacije, pridobljene z nosljivih senzorjev, so uporabne na področjih, ki se tičejo človeka samega ter njegovih navad: medicina, biomehanika, šport, sociologija, psihologija, tehnika. Med bolj uporabne nosljive senzorje spada kombinacija žiroskopa, pospeškometra ter magnetometra (t.i. inercialna merilna enota). Ker vsak senzor na merilni enoti meri svojo fizikalno veličino, z raznimi metodami senzornega združevanja iz več signalov pridobimo znanje o novi, lahko tudi neposredno nemerljivi veličini ali preprosto izboljšamo osnovno meritev senzorja. Ena izmed metod za ocenjevanja orientacije na podlagi merjenja inercialnih in magnetnih veličin je Kalmanov filter. Osnovni princip ocenjevanja orientacije med gibanjem temelji na integraciji kotne hitrosti. Ocenjena orientacija je nato v mirovanju popravljena glede na informacijo o izmerjenem gravitacijskem pospešku in magnetnem polju. V tem primeru je pospeškometer uporabljen kot inklinometer, pri čemer gravitacijska komponenta izmerjenega pospeška določa naklon, magnetometer pa je uporabljen kot kompas. Osnovni princip delovanja je problematičen v dveh primerih: i) med gibanjem, kadar pospeškometer meri vsoto dinamičnega in gravitacijskega pospeška, kar pri hitrih, dinamičnih gibih močno vpliva na napako, ter ii) v bližini feromagnetnih materialov, saj je referenčno magnetno polje Zemlje občutljivo na magnetne motnje. Za ocenjevanje orientacije posameznih segmentov telesa na podlagi inercialnih in magnetnih merjenj smo razvil metodo senzornega združevanja, ki temelji na razširjenem Kalmanovem filtru. Problem zaradi principa delovanja pospeškometra smo omilili z vpeljavo modela pospeškometra, ki vsebuje kinematične relacije med segmenti. Pri tem je izmerjen pospešek modeliran kot vsota znanega translacijskega pospeška vpetja, gravitacijskega pospeška ter pospeška zaradi kroženja. Slednji vsebuje v svojem zapisu kinematično relacijo, ki opisuje postavite merilne enote glede na točko vpetja. Podobno lahko opišemo tudi pospešek točke konca segmenta, ki obenem predstavlja tudi pospešek vpetja naslednjega segmenta. Z vpeljavo rekurzivne zasnove izračuna orientacij se problem poznavanja pospeška vpetja posameznega segmenta poenostavi na poznavanje pospeška vpetja samo prvega segmenta v kinematični verigi. Zemeljsko magnetno polje predstavlja referenčni vektor za določevanje orientacije okoli vertikalne osi. Slaba lastnost magnetnega polje je to, da je močno spremenljivo v bližini feromagnetnih materialov, kar izdatno poslabša oceno orientacije. Da bi se izognili vplivu popačenega magnetnega polja, smo predlagali metodo aktivne kompenzacije magnetnih motenj. Metoda temelji na ocenjevanju trenutne magnetne motnje na podlagi trenutnega in prejšnjega izmerjenega magnetnega polja ter spremembi orientacije med dvema zaporednima očitkoma. Izmerjeno magnetno polje je tako predstavljeno kot vsota zemeljskega magnetnega polja ter ocenjene magnetne motnje. Za spremljanje človeškega gibanja smo sestavili 7-segmentni model človeka, pri čemer je bil vsak segment opremljen s svojo inercialno merilno enoto. Na podlagi kinematične verige smo definirali rekurzivni izračun orientacij segmentov. Pri tem se za stopalo, ki je v kontaktu s tlemi, predvideva, da je prvi segment v kinematični verigi, obenem pa je njegov translacijski pospešek enak nič. Prvi segment je določen glede na obremenitve pod stopali, izmerjene z merilnimi vložki. Izmerjena interakcija pod stopali služi tudi kot vhod v rekurzivni Newton-Eulerjev izračun obremenitev v sklepih. Delovanje algoritma za ocenjevanje orientacije enega segmenta smo eksperimentalno ovrednotili. V ta namen smo uporabili enojno fizikalno nihalo, opremljeno z inercialno merilno enoto ter referenčnim merilnim sistemom. Analiza gibanja nihala je pokazala, da je srednja vrednost absolutne napake ocenjenih kotov manjša od 5◦. Vstajanje je samo po sebi kratkotrajno gibanje. V kolikor pa nas zanima gibanje, pri katerem je vstajanje samo eden izmed manevrov, je potrebno zagotoviti dolgoročno zanesljivost algoritma. Le-to smo testirali z eksperimentalno evalvacijo, ki je vključevala 15 minutno hojo na tekočem traku pri dveh različnih hitrostih hoje: 4 km/h ter 6 km/h. Slednja je predstavljala hitro, dinamično gibanje. Dodatno smo delovanje algoritma testirali še pri hoji na poligonu, ki je vključevala več vsakodnevnih manevrov: hojo po ravnih tleh, hojo po stopnicah ter obračanje. Primerjava ocenjenih ter referenčnih parametrov je pokazala, da je srednja vrednost absolutne napake okoli 5◦ ne glede na dinamiko gibanja, trajanje gibanja ali tip obravnavanega manevra. Analiza je tudi izpostavila, da napaka ocenjenih parametrov ni podvržena lezenju tekom trajanja meritev. Algoritem za kompenzacijo magnetnih motenj smo testirani na primeru enega segmenta. Meritve smo izvedli na enojnem fizikalnem nihalu, pri čemer smo za generiranje magnetnih motenj uporabili solenoidno tuljavo. Rezultati so pokazali velika odstopanja pri ocenjevanju orientacije brez vključene kompenzacije magnetnih motenj (napaka do 200◦), medtem ko je bilo delovanje algoritma z aktivno magnetno kompenzacijo ustrezno bolj natančno ne glede na jakost in smer magnetne motnje. Vstajanje je eden izmed najpogosteje izvedenih manevrov obenem pa predstavlja začetni gib večine ostalih načinov gibanja. Vzorec vstajanja zdravih oseb je simetričen med levo in desno stranjo, medtem ko je pri osebah z motnjami gibanja asimetričen. Analiza vstajanja oseb po transtibialni amputaciji je pokazala močno izraženo asimetrijo tako kinematičnih kot tudi dinamičnih parametrov. Pri vstajanju je bila zdrava stran pričakovano bolj obremenjena. Testiranje vpliva višine sedeža ter hitrosti vstajanja na asimetrijo ni pokazalo nobene statistično značilne povezave med začetnimi pogoji vstajanja in asimetrijo. Navedeno nakazuje, da na asimetrijo pri vstajanju vpliva predvsem način vstajanja, naučen po amputaciji. Nosljiv senzorni sistem smo uporabil za analizo vstajanja pacienta z diagnosticirano artrozo levega kolka s predvideno kirurško obravnavo. Pred operativnim posegom je bil vzorec vstajanja izrazito asimetričen, tako iz vidika kotov kot tudi navorov v sklepih. Oseba je z neenakomernim vzorcem vstajanja poskušala minimizirati bolečino v prizadetem sklepu. Analiza vstajanja tri mesece ter pol leta po operativnem posegu je pokazala statistično značilno zmanjšanje asimetrije med levo in desno stranjo. S tem eksperimentom smo potrdili primernost merilnega sistema za spremljanje uspešnosti operativnega posega kot tudi potek rehabilitacije. Nosljivi senzorni sistem, sestavljen iz inercialnih in magnetnih merilnih enot, merilnih vložkov ter ustreznih algoritmov senzorne integracije, predstavlja alternativno rešitev za merjenje kinematičnih in dinamičnih parametrov gibanja človeka z majhno napako (srednja vrednost napake kota < 5◦). Napaka je neodvisna od okolja merjenja, dinamike in tipa gibanja ter trajanja meritev. Z vključitvijo aktivne kompenzacije magnetnih motenj je sistem primeren za uporabo tudi v okolju z nehomogenim magnetnim poljem. V tem delu smo predstavili rešitvi dveh glavnih problemov ocenjevanja orientacije z inercialnimi in magnetnimi senzorji: i) večanje napake izhodne orientacije pri dolgotrajnih meritvah gibanja in ii) vpliv magnetnih motenj na oceno orientacije. S tem smo omogočili uporabo inercialnih in magnetnih senzorjev v vlogi natančnega merilnega inštrumenta, ki je primeren spremljanje in analizo gibanja človeka v klinični praksi, kot sistem za sprotno podajanje povratne informacije ter kot senzorni del regulacijske zanke nosljivih robotskih pripomočkov.20152015-05-29 10:45:00Doktorsko delo/naloga30809sl