Ανάπτυξη πειραματικής διάταξης ασύρματων IMUs για αναγνώριση της συνάρτησης μεταφοράς του ανθρώπινου ποδιού κατά το βάδισμα - Δρογώσης, Ανάργυρος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2017)
Ένα πολύ ευρύ και πάντοτε επίκαιρο πεδίο έρευνας, ειδικά στην εποχή της ακμής της ρομποτικής, των προσθετικών μελών αλλά και των ιατρικών συσκευών, αποτελεί η μελέτη του δίποδου και δη του ανθρώπινου βαδίσματος. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για το βάδισμα του ανθρώπου παρουσιάζουν οι διάφορες φάσεις του και κυρίως ο τρόπος με τον οποίο το πέλμα έρχεται σε επαφή με το έδαφος. Η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών αλλά και η συνεχώς αυξανόμενη υπολογιστική ισχύς, επιτρέπουν την υλοποίηση καινοτόμων διατάξεων και αλγορίθμων ανάλυσης. To «Internet of Things», το «BLE», τα «Big Data» και οι «Wearable» συσκευές, αποτελούν τις βασικές επίκαιρες τεχνολογίες – λέξεις κλειδιά, των οποίων γίνεται χρήση στην παρούσα εργασία, για την ανάλυση του ανθρώπινου βαδίσματος, εστιάζοντας στην κρούση του πέλματος με το έδαφος (Heel Strike). Για το τεχνολογικό κομμάτι, διερευνήθηκε η χρήση τριών ασύρματων αισθητήριων συσκευών της Dialog Semiconductors, οι οποίες διαθέτουν γυροσκόπιο και επιταχυνσιόμετρο και επικοινωνούν ταυτόχρονα με ένα κινητό τηλέφωνο μέσω πρωτοκόλλου επικοινωνίας Bluetooth Low Energy (BLE). Για την φορητότητα της όλης διάταξης, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα μοντέλο εύκολης πρόσδεσης δυο αισθητήρων στα πέλματα και ενός στη μέση, ενώ για τη σύνδεση και ανάγνωση των αισθητήρων αναπτύχθηκε μια εφαρμογή κινητού τηλεφώνου στο περιβάλλον ανάπτυξης EvoThings. Για την αποθήκευση και ανάκτηση των μετρήσεων, δημιουργήθηκαν δυο διαφορετικές βάσεις δεδομένων, μια τεχνολογίας SQL ενσωματωμένη στον Η/Υ όπου γίνεται η ανάλυση, και μια τεχνολογίας No-SQL σε Cloud Server. Οι λήψεις των μετρήσεων έγιναν κατά το βάδισμα ανθρώπου πάνω σε ηλεκτρικό διάδρομο ρυθμιζόμενης ταχύτητας. Σε ότι αφορά το κομμάτι της ανάλυσης των δεδομένων, υλοποιήθηκε ένα σύνολο αλγορίθμων στο υπολογιστικό περιβάλλον Matlab. Ένας αλγόριθμος ανάκτησης επικοινωνεί με τη βάση δεδομένων και καταχωρεί τα αποθηκευμένα δεδομένα σε πίνακες για περαιτέρω ανάλυση. Στη συνέχεια, ένας ευριστικός αλγόριθμος αναγνωρίζει τα βασικά γεγονότα βαδίσματος (gait events) αναλύοντας τις μετρήσεις της γωνιακής ταχύτητας και των επιταχύνσεων, με αποτέλεσμα τη διακριτοποίηση του βαδίσματος σε τέσσερις βασικές φάσεις. Η τελική ανάλυση συσχετίζει τις επιταχύνσεις των πελμάτων και της μέσης κατά στη φάση του Heel Strike, κάνοντας χρήση των μεθόδων του System Identification Toolbox του Matlab. Η συνάρτηση μεταφοράς ενός απλοποιημένου μοντέλου ελατηρίου-αποσβεστήρα υποδεικνύει την τάξη του συστήματος. Επίσης, για την πληρότητα της εργασίας εξετάζονται συστήματα μεγαλύτερης τάξης ως προς την προσαρμογή τους στα πειραματικά δεδομένα. Τελικά, προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα όσον αφορά στην πολυπλοκότητα των μοντέλων που επιχειρούν να περιγράψουν το ανθρώπινο βάδισμα.