O papel principal de uma Unidade de Medição Inercial (IMU) na deteção de agachamento é funcionar como um gatilho de tempo preciso e em tempo real para sistemas de controlo. Ao monitorizar continuamente a velocidade angular e os ângulos de atitude da articulação do tornozelo, a IMU permite que o sistema segmente com precisão o movimento de agachamento em fases distintas. Esta segmentação é crucial para sincronizar a saída mecânica do dispositivo com o movimento humano.
A IMU preenche a lacuna entre os dados brutos de movimento e o controlo inteligente. Ao identificar a fase exata de um agachamento — descida, permanência inferior, subida ou em pé — garante que o torque de assistência é aplicado no momento ideal, maximizando a eficiência mecânica do dispositivo de assistência.
A Mecânica da Deteção de Fases
Monitorização da Cinemática Articular
Para compreender a intenção do utilizador, a IMU foca-se na biomecânica específica da articulação do tornozelo.
Captura dados em tempo real sobre velocidade angular (a rapidez com que o ângulo muda) e ângulos de atitude (a orientação do pé em relação à perna ou ao solo). Estes dados brutos servem como entrada fundamental para o algoritmo de controlo.
Identificação das Quatro Fases Principais
Utilizando os dados cinemáticos do tornozelo, o sistema de controlo pode distinguir entre os quatro estágios distintos de um agachamento.
- A Fase de Descida: Deteção do movimento descendente à medida que o ângulo do tornozelo fecha.
- A Fase de Permanência Inferior: Reconhecimento da pausa ou estabilização no ponto mais baixo do agachamento.
- A Fase de Subida: Identificação do impulso ascendente à medida que o ângulo do tornozelo abre.
- A Fase de Em Pé: Confirmação do retorno a uma posição neutra e ereta.
Da Deteção ao Controlo
O Mecanismo de Gatilho de Tempo
O valor principal da identificação destas fases é criar um mecanismo de gatilho de tempo.
Em vez de fornecer suporte constante e indiscriminado, o sistema espera por transições de fase específicas. Os dados da IMU atuam como o sinal "vá", dizendo aos atuadores exatamente quando engatar ou desengatar com base no estágio atual do movimento.
Maximizando a Eficiência Mecânica
A eficiência em dispositivos de assistência depende da entrega de energia apenas quando é útil.
Ao isolar a fase de subida do resto do ciclo, o sistema garante que o torque de assistência é entregue apenas durante a porção do agachamento que exige esforço. Isto evita o desperdício de energia durante as fases de descida ou estática e garante que o movimento parece natural para o utilizador.
Compreendendo as Compensações
Deriva do Sensor e Erro de Acumulação
Embora as IMUs sejam altamente eficazes, são suscetíveis a erros cumulativos ao longo do tempo, particularmente no cálculo da postura ou orientação.
Conforme observado em aplicações mais amplas, os dados de acelerómetros e giroscópios podem sofrer deriva. Para manter alta precisão em ciclos operacionais longos, os sistemas geralmente requerem correção de magnetómetro ou algoritmos de filtragem avançados para compensar esses desvios.
Sensibilidade à Colocação
A precisão da deteção de fases depende fortemente da colocação física do sensor.
Embora a aplicação principal se baseie na articulação do tornozelo, uma montagem inadequada ou o deslocamento do sensor podem introduzir ruído nas leituras de velocidade angular. Isto pode levar a uma identificação incorreta da fase, fazendo com que o torque de assistência seja acionado muito cedo ou muito tarde.
Fazendo a Escolha Certa para o Seu Objetivo
Para utilizar eficazmente uma IMU na deteção de agachamento, alinhe a sua implementação com os seus objetivos de controlo específicos:
- Se o seu foco principal for a Precisão do Tempo: Priorize a montagem precisa da IMU na articulação do tornozelo para capturar os dados de velocidade angular mais limpos para transições de fase.
- Se o seu foco principal for a Eficiência do Sistema: Refine os seus algoritmos para limitar estritamente a aplicação de torque à fase de subida, garantindo zero consumo de energia durante as fases de descida e em pé.
A IMU não é apenas um sensor; é a porta lógica que determina o sucesso da interação humano-máquina.
Tabela Resumo:
| Fase | Descrição do Movimento | Foco dos Dados da IMU | Ação do Sistema de Controlo |
|---|---|---|---|
| Descida | Movimento descendente | Ângulo do tornozelo a fechar | Monitorizar sem torque |
| Permanência Inferior | Estabilização no ponto mais baixo | Velocidade angular zero | Preparar para a subida |
| Subida | Impulso ascendente/Subir | Ângulo do tornozelo a abrir | Gatilho de torque de assistência |
| Em Pé | Posição neutra e ereta | Ângulo de atitude constante | Em espera/Poupança de energia |
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Referências
- Prakyath Kantharaju, Myunghee Kim. Reducing Squat Physical Effort Using Personalized Assistance From an Ankle Exoskeleton. DOI: 10.1109/tnsre.2022.3186692
Este artigo também se baseia em informações técnicas de 3515 Base de Conhecimento .
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