Academic literature on the topic 'Calibrazione,Sensori Inerziali,IMU'

In questo elaborato di tesi viene descritto il progetto svolto all’interno di Turinsense EU Lab, fondata nel 2015 come sede di ricerca e sviluppo della start up californiana Turingsense Inc. Il settore di competenza dell'azienda è quello riguardante le tecnologie indossabili. Nello specifico, sfruttando un dispositivo con più sensori inerziali MEMS comunicanti tra loro con una rete wireless, Turingsense offre servizi per la creazione di sistemi integrati per il monitoraggio del movimento umano. L'obiettivo della tesi è quello di realizzare uno strumento di validazione del modello biomeccanico sviluppato da Turingsense per l'elaborazione dei dati acquisiti dai sensori. E' stato richiesto un dispositivo in grado di simulare i movimenti dell'arto superiore, che non debba necessariamente riprodurre in maniera fedele la struttura anatomica delle articolazioni, ma che permetta semplicemente a ciascuno dei segmenti di interesse (busto, braccio, avambraccio e polso) di assumere le posizioni e gli orientamenti di quelli umani. A tal fine è stato progettato e realizzato un prototipo di manipolatore interamente in plastica. Il prototipo realizzato è ora disponibile presso il laboratorio dell'azienda, che ha avviato la sperimentazione.

Lo sviluppo tecnologico di sistemi micro-elettro-meccanici (MEMS) ha rivoluzionato l’industria della sensoristica inerziale, rendendo possibile la produzione di grandi quantità ad un costo contenuto e consentendo l’impiego di unità di misurazione inerziali (IMU) per il mercato di massa. Attualmente però questi dispositivi non raggiungono un livello di accuratezza nella misurazione comparabile con quelli di alta gamma; necessitano infatti di una minuziosa procedura di calibrazione per poter ottenere prestazioni migliori. L’obiettivo di questa tesi è stato sviluppare un software per comandare un braccio robotico che consente e rende automatico il processo di calibrazione degli accelerometri e giroscopi di unità di misurazione inerziali (IMU). Sono stati inoltre sviluppati ed ottimizzati opportuni algoritmi di calibrazione che consentono di calcolare le relative matrici di calibrazione ed i vettori degli offset. In LabView®, è stata implementata una macchina a stati che consente di disporre il sensore nelle posizioni facenti parte del ‘Test Statico delle Sei Facce’. Con tale metodo, di volta in volta, viene allineato ciascun asse sensibile dell’IMU al vettore gravità e vengono acquisiti i segnali per un paio di minuti. Una volta acquisiti i dati l’algoritmo processa le informazioni e ricava la matrice di calibrazione per il fondoscala impostato. Basandosi su queste misurazioni, i parametri ottimali per la caratterizzazione del modello d’errore del sensore sono stati calcolati utilizzando la stima ai minimi quadrati. La procedura è stata validata calibrando diverse tipologie di sensori e valutandone le prestazioni pre-calibrazioni e post-calibrazioni.

L’obiettivo di questa tesi è la progettazione di un dispositivo che semplifichi e velocizzi la calibrazione delle unità di misura inerziali e magnetiche sviluppate da NCS Lab. Il sistema, con tre gradi di libertà, è in grado di stimolare ogni asse sensibile della Magnetic and Inertial Measurement Unit (MIMU) ed è pensato per eseguire la calibrazione in maniera autonoma di accelerometro, giroscopio e magnetometro; l’aspetto innovativo consiste proprio nella necessità di calibrare simultaneamente i tre tipi di sensori triassiali. I componenti elettronici deputati all'azionamento dei giunti, per i quali preliminarmente si è eseguita una valutazione quantitativa delle interferenze magnetiche prodotte, sono programmati per eseguire la sequenza di calibrazione garantendo, istante per istante, un feedback sull'orientamento raggiunto. Proprio la conoscenza dell’orientamento del sensore, nel sistema di riferimento fisso del dispositivo, riduce la complessità dell’algoritmo di calibrazione alla risoluzione ai minimi quadrati di un sistema lineare. La procedura è stata validata mediante l’ausilio di dati simulati per i tre tipi di sensori integrati, mentre una valutazione dei risultati su dati reali è stata possibile, per tempistiche legate allo sviluppo del dispositivo, per i soli accelerometro e magnetometro.

Nel seguente elaborato sono stati analizzati diversi articoli sull’utilizzo dei sensori inerziali per lo studio dei meccanismi degli infortuni alla caviglia. Il costo contenuto, le piccole dimensioni e il peso ridotto hanno permesso a questi strumenti di avere sempre una maggior applicazione all’interno degli studi di biomeccanica. A questi vantaggi si contrappone il fatto che generalmente offrono prestazioni minori rispetto a sistemi più costosi e complessi, quali stereofotogrammetria, nella stima della posizione del corpo. Nel primo capitolo verrà fornita una descrizione anatomica dell’articolazione della caviglia e dei principali infortuni in cui si può incombere in quella regione. Vengono introdotti, inoltre, i movimenti che permette l’articolazione e i muscoli interessati. Nello stesso capitolo vengono presentati i sensori inerziali, i loro componenti e gli errori a cui sono soggetti oltre che una descrizione degli altri strumenti che vengono utilizzati negli articoli (stereofotogrammetria, pedana di forza, elettromiografia). Nel secondo capitolo viene svolta l’analisi della letteratura, concentrandosi sul tipo di prova e come viene effettuata, gli atleti che hanno partecipato, come vengono utilizzati i sensori, dove vengono posizionati e i risultati ottenuti. Gli studi sono stati divisi in due gruppi in base al tipo di indagine: nel primo il focus era incentrato sull’instabilità che insorge in seguito ad un infortunio precedente, comunemente una distorsione, nel secondo invece sono stati raggruppati gli articoli che hanno studiato la dissipazione dell’energia a seguito dell’impatto con il terreno ed il ruolo della caviglia nel processo. Infine, nel capitolo conclusivo vengono espresse delle considerazioni generali sul lavoro svolto, su come sono stati utilizzati i sensori inerziali e la loro efficacia, ragionando brevemente anche su come possano essere utilizzati in futuro all’interno delle società sportive in pianta stabile.

La corsa è diventata uno sport molto diffuso tra la popolazione. Con l’utilizzo di dispositivi indossabili, gli atleti possono servirsi di tecnologie di sensori a basso costo al fine di migliorare le loro prestazioni, prevenire gli infortuni e migliorare la loro motivazione. Tra questi un ruolo significativo lo giocano gli IMU ovvero sensori che consistono in accelerometri 3D che misurano l’accelerazione lineare e giroscopi 3D che misurano la velocità angolare. Il collegamento di questi sensori con le diverse parti del corpo umano permette di calcolare e valutare vari parametri biomeccanici correlati alla corsa di resistenza, il fine di questa tesi, infatti, è quello di valutare gli aspetti biomeccanici della corsa di endurance in campo libero tramite gli IMU stessi. E’ stata fatta una ricerca online per parole chiave nel sito Scopus. E’ stato sviluppato un modulo di estrazione dei dati personalizzato basato su precedenti revisioni sistematiche nell’ambito trattato. La ricerca elettronica iniziale dei database selezionati ha prodotto 530 articoli pubblicati, di cui 17 sono stati selezionati per la revisione. La maggior parte degli articoli recensiti ha dimostrato un'alta qualità negli obiettivi di ricerca, nel design dello studio e nella descrizione dei sensori IMU, della loro posizione, della rilevazione dei risultati principali e delle conclusioni tratte. La quantificazione dei parametri spazio-temporali è stata ottenuta con approcci di misurazione diretta. Rispetto al tema trattato, in generale, l’analisi dei parametri effettuata risulta più che soddisfacente sebbene molti aspetti della biomeccanica della corsa siano ancora in fase di sviluppo.

L’attività svolta nasce dalla necessità di comprendere nel dettaglio tutti i fenomeni magnetici ed elettromagnetici che creano disturbi e mal funzionamenti nel prodotto finale. L’obbiettivo prefissato consiste nell’individuare le cause di tali eventi e proporre soluzioni per ridurli o eliminarli totalmente. Il lavoro svolto consiste nello studio del funzionamento dei sensori inerziali utilizzati, nella definizione delle componenti che generano campi magnetici, nell’elaborazione di una metodologia di raccolta dati e nella progettazione di strumenti di analisi efficaci. I risultati ottenuti hanno portato al raggiungimento dell’obbiettivo primario ma hanno evidenziato carenze nella strumentazione utilizzabile per effettuare test o analisi sperimentali. Per colmare tali mancanze è stato progettato un dispositivo di calibrazione seguendo i vincoli imposti dall’ azienda per soddisfare al meglio le richieste dei futuri utilizzatori.

La valutazione non invasiva della cinematica scapolo-toracica in relazione all'elevazione di omero svolge un ruolo centrale nell’analisi funzionale della spalla. La tecnologia IMMS (Inertial and Magnetic Measurement System) rappresenta un’alternativa low-cost rispetto ai sistemi optoelettronici marker-based per buona portabilità, indossabilità, libertà di movimento e flessibilità di utilizzo. Molti studi evidenziano, però, l'importanza di eseguire un’accurata procedura di calibrazione della scapola, per ridurre l’artefatto da tessuto molle nella ricostruzione del movimento osseo in entrambi i protocolli, sensor-based e marker-based. Questo lavoro di tesi valuta gli effetti di diversi tipi di calibrazione, distintamente nel protocollo ISEO e con la procedura CAST, adottando come indici di qualità le grandezze cinematiche ricavate in pose statiche a diversi angoli di elevazione di omero. L’esecuzione simultanea dei due protocolli permette di determinare l’accuratezza del protocollo biomeccanico ISEO nell’analisi cinematica della spalla rispetto al sistema stereofotogrammetrico, assunto come gold standard. Nel protocollo sensor-based le procedure di calibrazione tramite locator risultano più efficaci della tecnica standard. In particolare, gli errori prodotti dalla doppia calibrazione durante l’abduzione sono i più bassi per tutte le rotazioni di scapola e per tutti gli angoli di elevazione di omero valutati. Per la flessione, invece, tale metodo mostra solo vantaggi marginali. Per quanto riguarda l'implementazione su dati stereofotogrammetrici, la doppia calibrazione non fornisce risultati altrettanto positivi e significativamente diversi rispetto alla singola calibrazione. Questo studio sottolinea numerosi aspetti a vantaggio dell’utilizzo di protocolli sensor-based, ma ne evidenzia le criticità dovute all’influenza delle accelerazioni lineari nella stima dell’orientamento e la maggiore difficoltà nel misurare le piccole rotazioni a cui è soggetto il sensore.

Analisi cinematica delle fasi del nuoto, velocità in vasca e body roll attraverso l'uso di sensori inerziali. Implementazione di innovativi algoritmi di calcolo con l'utilizzo del filtro di Kalman 3D, matrici di rotazione e quaternioni per la determinazione dei parametri fondamentali del nuoto e della posizione del polso nel sistema di riferimento di torace. Confronto dei risultati ottenuti mediante i diversi algoritmi e loro validazione con quelli ottenuti con l'uso della stereofotogrammetria. Gli algoritmi possono essere generalizzati ad altri gesti motori.

Nell’era odierna dell’industria 4.0, nuove tipologie di robot collaborativi sono sempre più utilizzati all’interno dei processi di produzione, aumentandone l’efficienza. Tuttavia, questa interazione diretta innovativa tra uomo e robot introduce nuove esigenze per garantire una collaborazione in sicurezza. Infatti, questa tipologia di robot ha il bisogno di essere dotato di sistemi di percezione e di software che permettano all’operatore di compiere in sicurezza operazioni che richiedono sia sforzo fisico che capacità manuali, valutando il rischio ergonomico delle stesse. In questo contesto, l’obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo e la calibrazione di un sistema di cattura del movimento del corpo umano basato sull’utilizzo di sensori inerziali con un duplice obiettivo: fornire in tempo reale le informazioni necessarie al robot per determinare la posizione dell’operatore nello spazio di lavoro e permettere l’analisi dei movimenti articolari, fondamentali per implementare algoritmi di sicurezza, e valutare il rischio ergonomico. Il sistema è basato su hardware Motion Shadow, che consiste in una tuta sensorizzata con 17 unità di misura inerziale e 2 solette di pressione. Nella prima parte del lavoro è stato definito il modello cinematico del corpo umano e gli algoritmi di ricostruzione del movimento nello spazio tridimensionale. Nella seconda parte è stato studiato il problema della calibrazione dell’orientamento tra sensori inerziali e il corpo umano, elemento di particolare importanza per il corretto funzionamento del sistema di misura. Una volta analizzate le possibili soluzioni ed i risultati raccolti, sono state messe a punto due tipologie di procedure di calibrazione. Infine, il sistema e le procedure di calibrazione proposte sono state testate sperimentalmente e confrontate tra loro, per valutarne il corretto funzionamento e la loro accuratezza nel contesto applicativo della robotica collaborativa.

Il dead reckoning si suppone essere la più antica tecnica di navigazione sviluppata dall’uomo. Concettualmente basato sulla misura e successiva concatenazione degli spostamenti nel tempo, oggi viene applicato nella realizzazione di sistemi di navigazione basati su sensori inerziali (accelerometro e giroscopio) e altri sensori (magnetometro fra tutti), i quali permettono di ricavare velocità e direzione di spostamento istantanee. In questa tesi viene presentata una rassegna di alcuni tra i più moderni sistemi di dead reckoning e di pedestrian dead reckoning con riferimenti al posizionamento indoor. Si conclude che i primi sono destinati ad accumulare errore nel tempo ottenendo comunque ottimi risultati se realizzati con sensori costosi ma accurati, risultando invece addirittura inutilizzabili se basati su sensori particolarmente economici; l’impiego di altre tecnologie (GPS, Wi-Fi, Bluetooth...), spesso limitato dallo scenario di utilizzo, permette di ottenere un’elevata precisione anche in sistemi con sensori inerziali di bassa qualità. Tecniche di sensor fusion (filtri di Kalman, filtri a particelle...) si rendono indispensabili o almeno molto utili in ogni situazione. Per i sistemi di pedestrian dead reckoning, che altro non sono che sistemi di dead reckoning limitati a scenari di utilizzo in cui l’utente si sposta camminando, valgono sostanzialmente le stesse conclusioni già indicate. Alcuni accorgimenti, derivanti dalla possibilità di rilevare i passi e calcolarne la lunghezza, rendono possibile ottenere sistemi molto precisi senza servirsi di sensori di fascia alta. È quindi possibile realizzare sistemi di navigazione indipendenti dal contesto in grado di operare in assenza di GPS e riferimenti esterni. Il dead reckoning, però, non si limita a questo e può essere un valido contributo in sistemi più complessi che prevedano un’infrastruttura o, comunque, varie fonti di dati sulla posizione.