DISPOSITIVO PORTATIL PARA ESTABLECER LA VELOCIDAD, LA POSICION Y ACELERACION DE LA MARCHA HUMANA.

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1 DISPOSITIVO PORTATIL PARA ESTABLECER LA VELOCIDAD, LA POSICION Y ACELERACION DE LA MARCHA HUMANA. Esperanza Camargo Casallas, Enrique Yamid Garzón Gonzalez, Luz Helena Camargo Abril de 2010, ecamargoc@udistrital.edu.co, eygarzong@udistrital.edu.co, lhcamargoc@udistrital.edu.co RESUMEN: El Análisis del movimiento humano ha sido objeto de estudios durante las últimas décadas, estos se realizan generalmente en laboratorios a través del uso de técnicas de videogrametria y del procesamiento de imágenes, esta técnica acarrea que el análisis este supeditado a un laboratorio y no pueda ser usado en cualquier entorno o situación cotidiana. El proyecto desarrollado, permite capturar el movimiento humano de los miembros inferiores, a partir de un arnés provisto de acelerómetros ubicados estratégicamente. La información suministrada por los acelerómetros es procesada a través de un microcontrolador para determinar la velocidad, la aceleración y la posición angular, variables necesarias para reconstruir el movimiento. Dicha información es visualizada en una memoria LCD y almacenada en la memoria del microcontrolador con la perspectiva de que esta información pueda ser utilizada en futuras aplicaciones El desarrollo de esta investigación Su desarrollo se realizó dentro del grupo de investigación DIGITI de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. PALABRAS CLAVES- Acelerómetros, Cinemática de la marcha humana. Marcha, Movimiento humano, Orientación, 1. INTRODUCCION El método utilizado para el análisis de marcha generalmente se realiza con la captura del movimiento a través de cámaras sincronizadas entre ellas y conectadas a un computador, el cual a partir de un software es el encargado de procesar y analizar las imágenes capturadas para su posterior análisis; la captura se realiza generalmente dentro de un laboratorio bajo condiciones controladas, estos espacios debe contar con características tales como longitud limitada condiciones de iluminación especiales, reflectores profesionales, aislamiento del laboratorio y de la iluminación externa, entre otras. Aunque por este método se han realizado aplicaciones portátiles se requieren que las cámaras se encuentren estáticas, de tal manera que estas se encuentren limitadas a una longitud de espacios, esto no permite la captura del movimiento humano en situaciones cotidianas tales como conducir, subir o bajar escaleras, montar en bicicleta o movimientos propios de un puesto de trabajo. A continuación se presenta el desarrollo de un dispositivo portátil que a partir de acelerómetros ubicados en una especie de arnés en las piernas del individuo, se establecen las variables que implican el movimiento de las articulaciones de las extremidades inferiores, tales como posición, velocidad de la cadencia del movimiento humano y su respectiva aceleración. El procesamiento de la señales de los sensores se realiza en tiempo real lo que permite obtener una adecuada visualización de las variables en una LCD, así como de almacenar los datos obtenidos en una memoria, para que puedan ser utilizados en futuras aplicaciones. 2. CARACTERIZACION DEL MOVIMIENTO 2.1 Marcha Humana La locomoción humana normal se ha descrito como una serie de movimientos alternantes, rítmicos, de las extremidades y del tronco que determinan un desplazamiento hacia delante del centro de gravedad [1]. El análisis cinemático describe los movimientos del cuerpo en conjunto y los movimientos relativos de las partes del cuerpo durante las diferentes fases de marcha. Una pierna está en fase de apoyo cuando está en contacto con el suelo y está en fase de balanceo cuando no contacta con el suelo. Estas dos fases se van alternando de una pierna a la otra durante la marcha tal como lo muestra la figura [1]. Figura 1. Fases de la marcha

2 Las extremidades inferiores durante la marcha tienen una gran variación en sus articulaciones en los diferentes ciclos que conciernen a la marcha. 2.2 Posición real de los acelerómetros a las articulaciones de las extremidades inferiores La instalación de los sensores se realizó en cada articulación como se muestra en las figuras 3, 4 y 5, así como la calibración de los sensores, la cual comienza con una posición ideal puesto que las condiciones iníciales de cada sensor son de gran importancia, la calibración se debe realizar con las extremidades en reposo. PIC18f4550 de alta gama. Este microcontrolador ofrece la posibilidad de tener una velocidad de procesamiento de significativamente alta (40MHz) con el cual los resultados son óptimos tanto al momento del procesamiento de las señales como en la visualización de los datos. 3. ANALISIS E IMPLEMENTACION DE LOS SENSORES 3.1 Acondicionamiento del sensor Los sensores empleados para el desarrollo del dispositivo son los acelerómetros micromaquinados triaxiales MMA7260QT, sensores de gran versatilidad que ofrecen una amplia gama de aplicaciones. El acelerómetro cuenta con diferentes salidas análogas el cada eje de movimiento x, y, y z. Un factor determinante para la selección de este sensor es la sensibilidad que ofrece comparado con los demás, en la tabla 1 se muestra la comparación de la sensibilidad de los sensores MMA7260QT, con respecto a otros de la misma gama. Tabla 1. Sensibilidad del sensor Figura[2] visión frontal ubicación sensores Sensor Sensibilidad 0 G -1G +1G MMA7260QT 800mV/g 1.65V 0.85V 2.45V MMA7340L 440mV/g 1.65V 1.21V 2.09V MMA7330L 308mV/g 1.40V 1.092V 1.70V La sensibilidad en este sensor es seleccionable esto se realiza ingresando valores digitales en los pines de control (g-select1 y g- select2), estos valores amplían o reducen el rango de medición del sensor así como su sensibilidad. La tabla [2] muestra la relación entre los valores de g-select su rango y su sensibilidad. Figura[3] visión lateral izquierda ubicación sensores Cada una de las fases de la marcha humana tienen diferentes grados de posicionamiento, cada grado de posicionamiento de la articulación es sensado indirectamente con cada acelerómetro lo que permite obtener la posición de cada articulación en el momento en que el individuo comience el proceso de la marcha. El proceso de muestreo de cada sensor ralentiza el controlador, por lo que se utilizo el microcontrolador Para esta aplicación se estableció una sensibilidad de 800mV/g, lo cual es conveniente para el proceso de muestreo teniendo en cuenta que durante el movimiento humano las velocidades superiores a 14.7 m/s no se consideran marcha. Tabla 2. Selección de la Sensibilidad del sensor Pin- g-select2 Pin g-select1 Rango Sensibilidad 0 0 0g-1.5g 800mV/g 0 1 0g- 2g 600mV/g 1 0 0g-4g 300mV/g 1 1 0g-6g 200mV/g Los sensores de movimiento empleados captan la variación de los grados en las distintas articulaciones, de manera que se acopla un sensor en cada una de las articulaciones de la extremidad

3 como la cadera, la rodilla y el tobillo y así poder describir el movimiento del cuerpo y su cinemática en la marcha. La figura 4 muestra el acople ideal de cada uno de los sensores en una de las articulaciones de las extremidades inferiores. Extremidad Derecha y la relación entre el ángulo y las aceleraciones está definida finalmente por la ecuación [ 3]. Ec. [3] El sensor tiene más respuesta a cambio en grados cuando el eje a sensar es perpendicular a la fuerza gravitacional, cuando el eje es perpendicular a la aceleración de la gravedad, el acelerómetro experimenta aproximadamente 17.45mg por grado de inclinación Figura 4. Acople de los sensores Posición de acople del acelerómetro en la extremidad derecha 3.2 Empleo del acelerómetro como sensor de inclinación La ubicación de cada uno de los sensores es vertical con el fin de tener el eje y de cada uno de los sensores paralelo a la aceleración de la gravedad tal como los muestra la figura Análisis Trigonométrico de los acelerómetros Como se consideró anteriormente en la ecuación [1] la componente en X está definida por el seno del ángulo formado en la inclinación entre el acelerómetro y el eje x, la componente Y está definida por el coseno del ángulo formado entre la inclinación y el eje y. Al mencionar que y se define como el valor de la conversión después del filtrado y de la calibración, los ángulos se definen por las ecuaciones [4] y [4.1]. Ec. [4] Ec. [4.1] El ángulo resultante de la inclinación está definido por la ecuación [5]. Fig. [5]: Inclinación de los acelerómetros y su correspondiente trigonometría Empleando trigonometría básica se puede conocer el ángulo de cada uno de los componentes. Observando la grafica anterior podemos comprender como existe una variación de la aceleración estática del sensor respondiendo a la inclinación, conociendo la aceleración en la componente x y la aceleración en la componente y, se deducen de las ecuaciones [1], y [1.1] Ec. [5] El uso de la las librerías matemáticas del controlador es muy restringido con respecto a las funciones trigonométricas lo que dificulta en gran manera la obtención de los grados desde el sensor frente a la respuesta del controlador. Sin embargo la aplicación de conversiones con multiplicaciones de factores constantes facilito en gran manera la tarea para ello. El resultado de la implementación del algoritmo de orientación aplicado al acelerómetro es mostrado en la tabla [3] Tabla [3]. Respuesta del sensor a la inclinación. Ec. [1] Ec. [1.1] Orientación acelerómetr o Voltajes de salida Grados Obtenido s La combinación de estas dos componentes esta dad por la ecuación 2 Ec. [2] 0 (posición inicial de todos los acelerómetros )

4 Tal como lo muestra la tabla [3], el eje donde se encuentra una variación significativa es en el eje x es por esto que la salida de cada sensor y la entrada análoga en el controlador tendrá una prioridad en el proceso de muestreo de cada sensor. El cambio de la variable que señala el grado de orientación estará dado por el sentido de orientación del sensor. Fig. [6] Posición angular de las articulaciones en la fase de balanceo 3.4 Calibración de los sensores La calibración se realiza mediante software partiendo de los voltajes de salida de cada sensor, se realiza un muestreo constante por lo que es necesario que en el proceso de calibración del sensor u objeto se encuentre en estado de reposo, el muestreo permitirá que al experimentar una variación; la diferencia entre la nueva variación y el valor muestreado del offset entregará un valor de aceleración positivo o negativo dependiendo de la dirección del movimiento del objeto. En síntesis la calibración es fundamental porque permite establecer las condiciones iníciales en la que el objeto se encuentra. Este proceso se realiza a cada uno de los sensores ubicados en cada una de las articulaciones de las extremidades inferiores. 4. ESTIMACION DEL MOVIMIENTO 4.1 Posición angular de la marcha humana Tras la implementación de los sensores en cada articulación se observó que durante la marcha diferentes ángulos son interpretados desde los sensores por parte del controlador, estos ángulos no superaron el rango de -90 a 90 lo que permite definir el momento en que el individuo marca un paso. Tras observar que en el momento en el cual el pie no se encontraba en contacto con el suelo (fase de balanceo), los sensores mostraban un dato significativo en grados de posicionamiento del tobillo, rodilla y cadera, se encontró que era una manera viable para determinar el paso que el individuo marcaba. La figura [6] muestra el grado de posicionamiento en la fase de balanceo y la figura [7] muestra el grado de posicionamiento en la fase de apoyo. Fig. [7]: Gráfica de posición angular de cada una de las articulaciones en la fase de apoyo Cabe mencionar que los grados de posicionamiento de cada sensor varían con respecto a cada persona, ya que la marcha humana es un proceso aprendido influenciado por factores medio ambientales [2] esto confirma que cada individuo tiene una forma de marchar única e irrepetible, en la tabla 4 se muestra el valor promedio obtenido de la posición angular a partir de los sensores. Tabla4. Posición angular de las extremidades inferiores. FASE DE BALANCEO FASE DE APOYO CADERA RODILLA TOBILLO Velocidad de la marcha humana Como se mencionó anteriormente la variación de los grados de posicionamiento de las articulaciones permite obtener el momento en que el individuo marca un paso. Mediante un algoritmo se estableció la temporización de un paso a otro, esta cuantificación permite tener el tiempo en el cual el

5 individuo realiza un paso durante la marcha. La longitud del paso mide la distancia entre el dedo de pie de apoyo y el talón de pie oscilante que contacta el suelo. Para este primer desarrollo, se estimo la longitud del paso en 0.5 m y que estos eran iguales entre derecha e izquierda. Las variaciones de longitud poco perceptibles solo se pueden aclarar en un laboratorio de análisis de marcha [1]. Esta estimación es fundamental para conocer la velocidad de la marcha humana, esta constante junto al tiempo de marca del paso, permitió establecer la ecuación [8]. Ec. [8] La velocidad total del individuo al marchar se determina al obtener el promedio entre la velocidad del paso de la extremidad derecha y la velocidad del paso de la extremidad izquierda tal como lo muestra la ecuación [9]. Ec. [9] 4.3 Aceleración de la marcha humana La aceleración se define como la tasa de variación de la velocidad por unidad de tiempo, en este orden de ideas la variación de la velocidad se tomó como diferencias sucesivas entre la velocidad actual y la velocidad anterior del individuo en movimiento, esta variación reflejaba la aceleración instantánea que el individuo generaba al marchar, la ecuación [10] explica cómo se estimó la aceleración del individuo al marchar. Ec. [10] Se observó que al incrementar la marcha, la aceleración instantánea reflejo un incremento de magnitud estimada igual al cambio de ritmo de la cadencia de los pasos. 4.4 Codificación y transferencia de los datos Con el fin de que el dispositivo tuviera la posibilidad de encontrar una transferencia de datos con otro controlador y la vez la compatibilidad de estos, se estableció una codificación de los datos de la posición angular de cada articulación de las extremidades inferiores. Cada dato para la transmisión requiere de una codificación la cual permite identificar que dato se está enviando en tiempo real, la tabla [5] expone cual es la codificación para cada una de la posición de las articulaciones y el orden de envío. Articulación extremidades inferiores Cadera Izquierda Cadera Derecha Rodilla Izquierda Rodilla Derecha Tobillo Izquierda Tobillo Derecho Codificación #(valor del grado de posicionamiento) C##I C##D R##I R##D T##I T##D Tabla [5]. Codificación de las variables. 4.5 Visualización de las variables El entorno de visualización de las diferentes variables se caracteriza por el manejo de un Display LCD alfanumérico de 20 X 4 esta característica es de gran importancia debido a que el amplio número de variables que se manipulan requieren que se realice en un solo recuadro. La interfaz del usuario tiene como fin desplegar las variables de posición angular, velocidad de la cadencia de la marcha, aceleración, y la codificación de los datos a transmitir 5. RESULTADOS El dispositivo obtenido es un dispositivo portátil que permite la captura del movimiento de la marcha y estimar la velocidad y la aceleración. El dispositivo dispone de los sensores de manera modular esto facilita el acople para el usuario final en cada una de las extremidades inferiores. Cada sensor junto a su conector se diferencia con el fin de que en el momento de la conexión el sensor corresponda a la articulación correcta. La orientación de los acelerómetros en la extremidad izquierda es contraria a la orientación de los acelerómetros de la extremidad derecha. Con el fin de obtener una posición física fija a cada articulación por parte de los sensores; cada sensor utiliza una banda de velcro lo que permite ajustar el sensor a diferentes tamaños de las articulaciones de las extremidades inferiores. El Dispositivo tiene un consumo de corriente de 0.1 A este factor facilita que la alimentación del dispositivo se realice con baterías, para un uso eficiente del dispositivo se recomienda que las baterías sean recargables y de alta corriente aproximadamente 800mAh.

6 La calibración del dispositivo se debe realizar en completo reposo si esta condición no se cumple no se puede garantizar que el dispositivo mida las variables correctamente. La calibración se realiza constantemente al momento en el que la interfaz de usuario cambie de visualizar las variables de posición a velocidad y viceversa. Para la estimación de la velocidad y la aceleración es recomendable que el usuario marque significativamente el momento del paso durante la marcha de no ser así el controlador no captará el momento del paso en la marcha lo que traería inconvenientes en la estimación de la velocidad y la aceleración. El funcionamiento del dispositivo no se garantiza si el usuario se encuentra en ambientes eléctricamente hostiles debido a que la manipulación de las señales de los sensores tendrán alteraciones significativas por el ruido eléctrico. 6. CONCLUSIONES El dispositivo al tener sensores que permiten su fácil traslado cumple con la expectativa de portatibilidad. Esto podría implementarse en laboratorios de análisis de marcha así como en ambientes virtuales de 3D El hecho de utilizar acelerómetros como sensores de inclinación facilitó el procesamiento de las señales. Existía la posibilidad de implementar algoritmos de integración numérica para obtener desde la aceleración; la velocidad y posición del sensor esto no fue muy conveniente debido a la cantidad de sensores y al estricto filtraje que se necesitaba es por ello que el recurso que ofrece el acelerómetro como medidor de ángulos de inclinación es de gran efectividad para la captura de la posición de cada una de las articulaciones y por ende de la velocidad y la aceleración del individuo en la marcha humana. Utilizar un controlador que ofrezca mayores prestaciones y mayor velocidad de procesamiento seria más eficiente para la aplicación al dispositivo ya que el controlador utilizado presentó varios inconvenientes por la gran exigencia a la que se sometió ya que la estimación de la velocidad y de la aceleración relacionada a la marcha humana requirió de que el controlador simultáneamente obtuviera la posición angular de la articulación. Una comunicación inalámbrica desde el controlador hacia un PC facilitaría el trabajo del controlador y con ello un análisis más eficiente de las variables en tiempo real de la marcha humana. El uso de la las librerías matemáticas del controlador es muy restringido con respecto a las funciones trigonométricas lo que dificulta en gran manera la obtención de los grados desde el sensor frente a la respuesta del controlador. Sin embargo la aplicación de conversiones con multiplicaciones de factores constantes facilito en gran manera la tarea para ello. Se alcanzó obtener un dispositivo el cual visualizaba la posición angular de cada una de las articulaciones de las extremidades inferiores, el cual usaba acelerómetros como sensores acoplados a cada articulación de las extremidades lo cual permite que el dispositivo sea portátil y que mediante diversos procesos se estima la velocidad y aceleración que experimenta un individuo en la marcha humana. Los problemas asociados al ruido eléctrico presente en los conectores de los sensores se solucionaron en gran manera por la implementación de filtros recursivos empleados desde el microcontrolador 7. REFERENCIAS [1] "La marcha humana: biomecánica, exploraciones, normas y alteraciones ".Eric Viel,2002 [2] Datasheet MMA7260QT, freescale semiconductor, versión 5, marzo de [3] Measuring Tilt with Low-g Accelerometers, freescale semiconductor, mayo 2005 [4] Datasheet PIC18f4550, microchip, versión 2, abril de [5] Guided Time Warping for Motion Editing Symposium on Computer Animation (SCA), 2007, pages [6] Interactive Animation of Dynamic Manipulation. ACM SIGGRAPH/EUROGRAPHICS Symposium on Computer Animation (SCA), 2006, pages Yeuhi Abe, Jovan Popović [7] Practical Motion Capture in Everyday Surroundings. ACM Transactions on Graphics 26(3), 2007, Article 35. Daniel Vlasic, Rolf Adelsberger, Giovanni Vannucci, John Barnwell, Markus Gross, Wojciech Matusik, Jovan Popović [8] MARION Trew, Tony Everett, Fundamentos del movimiento humano, 5 edicion, Edit ELSEVIER [9] STONE, Henry W., Kinematic Modeling, Identification and control of Robotic