Stimare la postura del corpo usando sensori di pressione sui piedi

Stimare come è posizionato il corpo umano e gli Angoli delle Articolazioni è importante in diversi settori come la robotica, l'interazione uomo-computer e la biomeccanica. Queste informazioni aiutano i robot a lavorare con le persone, migliorano il modo in cui interagiamo con i computer e aiutano a capire il movimento umano per scopi sportivi o medici.

#Importanza di Stimare la Postura e gli Angoli delle Articolazioni

Nella robotica, sapere la posizione e i movimenti di una persona è fondamentale. Ad esempio, se una persona sta lavorando accanto a un robot, quest'ultimo deve capire con precisione la postura e i movimenti della persona. Allo stesso modo, per i dispositivi robotici indossabili, è necessario che questi dispositivi sappiano come si muove l'utente per controllarli in modo efficace.

Nell'interazione uomo-computer, capire i movimenti di una persona può migliorare il modo in cui ci rapportiamo ai computer. Tecnologie come la realtà virtuale (VR) e la realtà aumentata (AR) dipendono dal riconoscere i movimenti del corpo per creare un'esperienza immersiva. Riconoscendo come si muovono gli utenti e dove guardano, queste tecnologie possono migliorare le interazioni.

La biomeccanica si concentra su come si muove e funziona il corpo. Negli sport, nella riabilitazione e nella medicina, è fondamentale stimare con precisione la postura e gli angoli delle articolazioni. Queste informazioni possono aiutare a valutare come le persone eseguono attività fisiche e possono portare a una migliore diagnosi e trattamento di infortuni legati al movimento.

#Tipi di Sensori per Stimare gli Angoli delle Articolazioni e le Posture

Diversi tipi di sensori vengono utilizzati per misurare gli angoli delle articolazioni e la postura del corpo. Generalmente, questi sensori rientrano in due categorie: sensori a contatto (o indossabili) e sensori senza contatto.

I metodi senza contatto includono i sistemi di cattura del movimento che utilizzano telecamere per tracciare i movimenti, di solito con marcatori riflettenti. Anche se possono fornire misurazioni precise, questi sistemi tendono a essere costosi, richiedono ambienti controllati e possono avere problemi di occlusione dove parti del corpo bloccano i sensori.

Un altro metodo senza contatto è l'uso di telecamere per stimare le pose del corpo attraverso analisi visive. Anche se questi metodi sono più piccoli e flessibili rispetto ai tradizionali sistemi di cattura del movimento, possono avere difficoltà in condizioni non ideali, come scarsa illuminazione o quando la persona indossa indumenti non testurizzati.

D'altra parte, i sensori a contatto e indossabili possono fornire letture accurate senza essere influenzati dalle condizioni ambientali. Tuttavia, di solito devono essere posizionati direttamente sulle articolazioni, il che può risultare scomodo o difficile da fare correttamente.

#Il Sistema Proposto

Questo studio si concentra su un nuovo sistema che utilizza la distribuzione della pressione del piede per stimare la postura del corpo e gli angoli delle articolazioni. I sensori sono posizionati solo sulla parte inferiore del piede, che è la parte del corpo che fa contatto con il suolo. Questo metodo si differenzia dai sistemi precedenti perché i sensori non devono essere posizionati vicino alle articolazioni, permettendo un uso più libero.

La stima si basa su un metodo chiamato regressione lineare multivariata. In questo approccio, i dati dai Sensori di pressione sul piede vengono utilizzati per prevedere gli angoli delle caviglie, delle ginocchia, delle anche e della postura generale del corpo.

#Impostazione Sperimentale

L'esperimento ha coinvolto diverse condizioni per vedere quanto bene funzionava il sistema. I partecipanti hanno eseguito esercizi di accovacciamento naturali mentre stavano in piedi su un sensore di pressione che registrava la distribuzione della pressione del piede. I dati da questi sensori, insieme ai dati della cattura del movimento che tracciavano gli angoli del corpo, sono stati analizzati.

Ci sono state tre condizioni durante gli esperimenti:

1. Nessun oggetto posizionato tra il piede e il sensore di pressione.
2. Una piastra di gomma posizionata tra il piede e il sensore.
3. Una piastra di plastica posizionata tra il piede e il sensore.

I partecipanti hanno ricevuto istruzioni su come eseguire gli esercizi di accovacciamento, e i dati sono stati raccolti durante i loro movimenti.

#Raccolta e Elaborazione dei Dati

I dati sulla distribuzione della pressione del piede e i dati della cattura del movimento sono stati raccolti simultaneamente mentre i partecipanti eseguivano i loro esercizi di accovacciamento. I dati sulla pressione raccolti variavano nella loro campionatura, quindi i dati sono stati regolati per garantire coerenza.

Dopo il processo di raccolta dei dati, è stato utilizzato un modello di regressione lineare multivariata per stimare gli angoli e la postura del corpo in base ai dati sulla pressione del piede. Questo metodo è stato scelto per il suo approccio diretto e la capacità di fornire risultati interpretabili senza necessità di alta potenza computazionale rispetto a modelli complessi di machine learning.

#Risultati e Scoperte

I risultati hanno indicato che il sistema proposto potrebbe stimare con precisione la postura del corpo e gli angoli delle articolazioni a partire dai dati sulla pressione del piede. In particolare, il sistema ha raggiunto un'alta accuratezza con un coefficiente di determinazione (R²) di circa 0.9. Questo suggerisce che il metodo può prevedere in modo affidabile gli angoli delle articolazioni in base alla distribuzione della pressione del piede.

Confrontando le condizioni sperimentali, è stato riscontrato che l'accuratezza delle stime era significativamente influenzata dalla presenza delle piastre di gomma e plastica. Quando queste piastre erano utilizzate, l'accuratezza delle stime diminuiva. Ciò suggerisce che la struttura del piede gioca un ruolo nel modo in cui il sistema può fare previsioni.

#Discussione dei Risultati

I risultati degli esperimenti mostrano che usare solo la pressione del piede può fornire una buona stima di come è posizionato il corpo e come sono angolate le diverse articolazioni. L'accuratezza più alta quando non è stato usato alcun oggetto intermedio suggerisce che le proprietà naturali del piede migliorano la capacità del sistema di misurare i movimenti del corpo.

Lo studio indica anche che la forma complessa e le caratteristiche del piede umano possono fornire informazioni utili per stimare la postura e gli angoli delle articolazioni. Questa scoperta sottolinea l'importanza della morfologia del piede nella comprensione di come si muove il corpo.

#Implicazioni

Il metodo proposto ha il potenziale di essere utilizzato in varie applicazioni pratiche. Ad esempio, potrebbe essere integrato in scarpe intelligenti che aiutano a monitorare la postura di una persona mentre cammina o si allena, fornendo feedback in tempo reale per migliorare le prestazioni fisiche o prevenire infortuni.

Inoltre, poiché il sistema si basa esclusivamente su un singolo sensore di pressione posizionato sul piede, semplifica il processo di monitoraggio degli angoli delle articolazioni. Questo potrebbe portare a dispositivi indossabili più comodi e pratici che raccolgono dati sui movimenti senza la necessità di più sensori attaccati a diverse parti del corpo.

#Lavori Futuri

La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sull'applicazione di questo metodo a una gamma più ampia di movimenti oltre all'accovacciamento per vedere come si comporta in varie attività. Inoltre, ulteriori indagini potrebbero esplorare se l'approccio funzioni per movimenti non naturali e come diverse posizioni del piede possano influenzare le misurazioni.

#Conclusione

Lo studio evidenzia l'efficacia dell'uso dei dati sulla distribuzione della pressione del piede per stimare la postura del corpo umano e gli angoli delle articolazioni. I risultati aprono nuove strade per sviluppare sistemi semplificati ed efficaci per monitorare e migliorare il movimento umano. Questo potrebbe portare a tecnologie migliorate nella salute, nella riabilitazione, negli sport e nella robotica, beneficiando in ultima analisi vari utenti fornendo metodi accurati e non invasivi per monitorare e migliorare le prestazioni fisiche.