Seguimiento de movimiento con sensores inerciales/magnéticos

El seguimiento del movimiento humano es un tema de plena actualidad en el campo de la interacción hombre-máquina debido a su amplia gama de aplicaciones y al desarrollo de la tecnología Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) que da lugar a sensores de movimiento más pequeños y baratos.

Actualmente, la mayoría de las aplicaciones están en la realidad virtual, como los videojuegos. Por ejemplo, las consolas Nintendo Wii, Microsoft Xbox 360 y la Sony PlayStation 3 tienen juegos basados en sistemas de reconocimiento y seguimiento del movimiento. Según datos de VGChartz, el total de ventas de estos tres productos alcanzan los 60, 28 y 29 millones de consolas en los últimos tres años. Se espera un aumento de estas cifras cada vez que aparece un nuevo videojuego.

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Además de las aplicaciones en videojuegos, la aplicación de seguimiento del movimiento humano es una técnica prometedora en cuanto a rehabilitación y cuidados a distancia. Con esta técnica, el paciente puede ser atendido y ayudado por un médico que no se encuentre con él a través de Internet en una interacción en tiempo real. El paciente puede hacer en casa los ejercicios que el doctor le pida. En un terminal remoto, el médico puede diagnosticar y aconsejar basándose en el movimiento del paciente en tiempo real. Aporta, por lo tanto, una gran comodidad al paciente.

Podemos encontrar más aplicaciones, por ejemplo, en el teatro, la creación de películas o en el aprendizaje y perfeccionamiento de deportes. En el teatro, un foco inteligente podría seguir el movimiento de un actor en el escenario en tiempo real. En el cine, un ordenador puede generar avatares que imiten el movimiento de un modelo humano usando técnicas de seguimiento del movimiento. En deportes, como por ejemplo en el aprendizaje del golf, estas técnicas pueden ser muy útiles para corregir la postura y movimientos incorrectos. Además, las técnicas de seguimiento del movimiento pueden ser usadas para controlar a un robot en entornos peligrosos, como por ejemplo en una exploración espacial, un robot puede imitar el movimiento humano para revisar un equipo o repararlo.

De acuerdo con la biomecánica, el cuerpo humano puede ser dividido en al menos 15 partes independientes como cabeza, región de la clavícula, región de las caderas, parte superior de las piernas, parte inferior de las piernas, pies, parte superior de los brazos, parte inferior de los brazos y manos. Cada parte está modelada como un cuerpo rígido en un espacio 3D. De este modo, el movimiento humano puede ser capturado mediante el seguimiento de las posiciones de cada una de estas partes rígidas. Para determinar la posición de cada una de las partes rígidas en un escenario 3D, se tienen en cuenta dos indicaciones: la orientación y el desplazamiento. La orientación puede ser deducida de las rotaciones, tales como cabeceo, inclinación y vuelco, mientras que el desplazamiento es la distancia relativa desde el punto base. Por ejemplo, si la región del torso y clavícula es tomada como punto base, todos los desplazamientos de las demás partes rígidas se deciden de acuerdo con su orientación y longitud. Por lo tanto, la función crítica para el seguimiento de un cuerpo rígido es determinar su orientación.

Para registrar el movimiento humano existen diferentes mecanismos, como el seguimiento mecánico, el seguimiento magnético, el seguimiento por vídeo, el seguimiento óptico, y los sistemas de seguimiento inerciales/magnéticos. Cada uno de estos mecanismos tiene sus ventajas, pero también sus defectos. El seguimiento mecánico es preciso pero bastante engorroso al hacer los movimientos inflexibles. El seguimiento magnético es más flexible, pero en él interfieren fácilmente los objetos metálicos próximos. El seguimiento por vídeo u óptico es flexible, pero requiere que haya suficiente luz y cámaras alrededor del escenario donde se encuentra el objeto a seguir. El desarrollo reciente de sensores MEMS supera la mayoría de los obstáculos mencionados al fijar los sensores al cuerpo a seguir. La tecnología MEMS permite la creación de dispositivos electromecánicos muy pequeños usando técnicas de fabricación de semiconductores. Un giroscopio MEMS de 3 ejes es un dispositivo inercial para detectar la rotación en el espacio 3D mediante la medición del ángulo de giro, pero tiene un problema inherente de deriva progresiva y ello limita su uso independiente. Para combatirlo, se puede usar de forma complementaria un acelerómetro de 3 ejes y un magnetómetro de 3 ejes. El acelerómetro funciona basándose en la segunda ley de Newton (F=ma, donde F es la fuerza, m es la masa, y a es la aceleración).

En condiciones de equilibrio o casi equilibrio, la salida puede ser aproximada por la gravedad, por lo que es posible usar un acelerómetro de 3 ejes para la estimación de la inclinación. Sin embargo, no resulta posible realizar la estimación del acimut usando ese mismo acelerómetro, para lo cual es necesario añadir un magnetómetro de 3 ejes, que funciona midiendo la dirección del campo magnético de la tierra.
Aunque los sensores MEMS inerciales/magnéticos resultan prometedores en el seguimiento de un cuerpo rígido, para el seguimiento del movimiento humano se necesitan más de 15 nodos empotrados, incluyendo cada uno un acelerómetro de 3 ejes, un magnetómetro de 3 ejes y un giroscopio de 3 ejes. Por consiguiente, la comunicación será el siguiente desafío, con restricciones de tiempo real y fiabilidad para estos nodos. Aún más, para superar las limitaciones de las conexiones con cables, las tecnologías inalámbricas como Bluetooth, WiFi o ZigBee serían más deseables aunque conllevan nuevas complicaciones, como la sincronización, las colisiones, el desvanecimiento del canal de radio, etc. Además, el muestreo en tiempo real, los algoritmos de fusión de datos y el uso de baterías en los nodos establecerán limitaciones en cuanto a rendimiento y eficiencia energética de los procesadores empotrados y el sistema operativo en tiempo real para lograr un sistema práctico.
Actualmente, Gradiant está trabajando en diversas líneas de investigación que tratan de mejorar las técnicas de seguimiento del movimiento con sensores MEMS inerciales/magnéticos basados en comunicaciones inalámbricas, así como en la combinación de estos sensores con cámaras para superar las actuales limitaciones técnicas de cada una de las tecnologías mencionadas.

 

 

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