다축 관성 측정 장치(IMU)는 가속도계, 자이로스코프 및 자력계를 통합하여 실시간 공간 이동 매개변수를 기록하는 자율 데이터 캡처 시스템으로 기능합니다. 신발 테스트의 맥락에서 이들의 주요 역할은 보행 분석을 실험실의 제약에서 벗어나게 하는 것입니다. 높은 측정 자유도를 제공함으로써 연구원들은 실제 시나리오에서 장거리 보행 중 발 높이 및 질량 중심 이동과 같은 중요한 안정성 지표를 정량화할 수 있습니다.
핵심 통찰력: 전통적인 광학 시스템이 움직임을 포착하는 반면, IMU는 성능을 검증합니다. 이들은 통제된 환경뿐만 아니라 자연 환경에서 장기간 사용 중 신발의 성능을 포착하여 신발 안정성을 평가하기 위한 기술적 기반을 제공합니다.
IMU의 기술 구성
센서 통합
IMU는 단일 센서가 아니라 통합된 클러스터입니다.
가속도계, 자이로스코프 및 자력계를 결합함으로써 이러한 장치는 움직임에 대한 포괄적인 그림을 포착합니다. 이러한 융합을 통해 외부 카메라 없이 3차원 공간에서 신체 부위를 정밀하게 추적할 수 있습니다.
실시간 공간 추적
장치는 데이터를 즉시 처리하여 신체 부위의 궤적을 매핑합니다.
이 기능은 신발 분석에 필수적이며, 발과 발목의 미세한 움직임을 신발의 기계적 특성과 상관관계로 파악해야 합니다.
실험실 경계 허물기
광학적 한계 극복
전통적인 보행 분석은 실험실 기반 광학 모션 캡처 시스템에 의존합니다.
이 시스템은 매우 정확하지만 특정 캡처 볼륨으로 제한됩니다. IMU는 이러한 제약을 제거하여 무제한 거리와 다양한 지형에서 데이터를 수집할 수 있습니다.
장거리 데이터 수집
착용자의 피로가 누적되거나 지형이 변함에 따라 신발 안정성이 변하는 경우가 많습니다.
IMU는 장시간 동안 보행을 지속적으로 모니터링할 수 있습니다. 이를 통해 짧은 실험실 테스트에서 종종 놓치는 착용자의 보행 역학에 대한 신발의 누적 효과를 포착할 수 있습니다.
신발 안정성을 위한 중요 지표
발 높이 평가
IMU로 측정되는 주요 안정성 지표 중 하나는 발 높이입니다.
이 지표는 보행 주기 중 스윙 단계에서 발이 얼마나 높이 들어 올려지는지를 추적합니다. 발 높이의 변화는 신발 디자인이 넘어짐 위험이나 보행 효율에 어떤 영향을 미치는지 나타낼 수 있습니다.
질량 중심 이동
IMU를 통해 신체의 질량 중심 이동을 정밀하게 계산할 수 있습니다.
질량 중심의 이동을 모니터링함으로써 테스트 담당자는 신발이 균형과 자세를 얼마나 잘 지지하는지 평가할 수 있습니다. 이는 신발의 안정화 특성에 대한 직접적인 정량적 측정치를 제공합니다.
전략적 센서 배치
고충실도 수집 지점
정확한 데이터를 얻으려면 센서 배치가 필수적입니다.
고정밀 IMU는 일반적으로 신발의 발등 또는 뒤꿈치에 부착하거나 벨트를 통해 허리에 고정됩니다.
충격 및 중력 캡처
발에 배치하면 충격력을 직접 측정할 수 있습니다.
반대로 허리에 장착된 센서는 중력 중심의 변화를 추적합니다. 이러한 데이터 포인트는 함께 신발이 보행, 달리기 또는 점프 중에 충격을 관리하고 신체 안정성을 유지하는 방법에 대한 전체적인 그림을 만듭니다.
절충점 이해
교정 과제
IMU는 자유를 제공하지만 광학 시스템의 절대 위치 참조가 부족합니다.
정확도를 보장하려면 센서를 착용자의 뼈 부분에 정밀하게 교정해야 합니다. 센서가 뼈에 대해 상대적으로 이동하면(연부 조직 아티팩트) 데이터가 신뢰할 수 없게 됩니다.
하이브리드 솔루션
이러한 오류를 완화하기 위해 설정 단계에서 하이브리드 접근 방식이 자주 사용됩니다.
IMU는 반사 마커가 있는 3D 프린팅 마커 클러스터에 장착될 수 있습니다. 이를 통해 광학 시스템이 해부학적 구조에 대한 센서의 정확한 위치와 방향을 정의할 수 있습니다. 이 단계는 상대적 이동으로 인한 오류를 제거하여 현장에서 수집된 IMU 데이터가 운동학적으로 정확하도록 보장합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
신발 테스트 프로토콜의 특정 요구 사항에 따라 다음 응용 프로그램에 집중하세요.
- 주요 초점이 실제 검증인 경우: IMU를 배포하여 실험실 외부에서 신발의 성능을 이해하기 위해 장거리에서 안정성 데이터(발 높이 및 질량 중심)를 캡처합니다.
- 주요 초점이 충격 분석인 경우: 뒤꿈치 또는 발등에 IMU를 직접 부착하여 지면 반발력 및 충격 흡수에 대한 고충실도 데이터를 캡처합니다.
- 주요 초점이 운동학적 정밀도인 경우: 3D 프린팅 마커 클러스터를 사용한 하이브리드 설정을 활용하여 현장 테스트 전에 광학 시스템에 대해 IMU를 교정하여 관절 운동학 계산의 오류를 최소화합니다.
보행 분석을 고정된 위치에서 착용 가능한 방법론으로 전환함으로써 IMU는 더 안전하고 안정적인 신발을 설계하는 데 필요한 객관적인 데이터를 제공합니다.
요약 표:
| 기능 | 신발 테스트에서의 기능 | 캡처된 주요 지표 |
|---|---|---|
| 센서 융합 | 가속도계, 자이로스코프 및 자력계 결합 | 3D 신체 부위 추적 |
| 현장 테스트 | 보행 분석을 실험실 제약에서 해방 | 장거리 성능 |
| 안정성 분석 | 발과 지면의 관계 모니터링 | 발 높이 및 질량 중심 이동 |
| 배치 유용성 | 발등, 뒤꿈치 또는 허리에 고정 | 충격력 및 중력 변화 |
| 하이브리드 교정 | 3D 프린팅 마커 클러스터 사용 | 운동학적 정밀도 및 오류 감소 |
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참고문헌
- Yuji Hirano, Yasumoto Matsui. Preliminary gait analysis of frail versus older adults. DOI: 10.1589/jpts.36.87
이 문서는 다음의 기술 정보도 기반으로 합니다 3515 지식 베이스 .
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