多轴惯性测量单元 (IMU) 作为独立的數據採集系統，整合了加速度计、陀螺仪和磁力计，以记录实时的空间运动参数。在鞋类测试的背景下，它们的主要作用是将步态分析从实验室的限制中解放出来。通过提供高度的测量自由度，它们使研究人员能够在真实世界场景中进行长距离行走时量化关键的稳定性指标，例如步幅高度和质心位移。
核心见解：虽然传统的光学系统可以捕捉运动，但 IMU 验证性能。它们通过捕捉鞋子在自然环境中的长期使用表现，而不仅仅是在受控环境中的表现，为评估鞋类稳定性提供了技术基础。
IMU 的技术组成
传感器集成
IMU 不是单个传感器；它们是集成集群。
通过结合加速度计、陀螺仪和磁力计，这些单元可以捕捉全面的运动画面。这种融合使得无需外部摄像头即可在三维空间中精确跟踪身体部位。
实时空间跟踪
该设备即时处理数据，以绘制身体部位轨迹图。
此功能对于鞋类分析至关重要，因为脚踝的微小运动必须与鞋子的机械性能相关联。
打破实验室界限
克服光学限制
传统的步态分析依赖于基于实验室的光学运动捕捉系统。
虽然这些系统非常精确，但它们仅限于特定的捕捉范围。IMU 消除了这一限制，允许在无限距离和各种地形上收集数据。
长距离数据收集
随着穿着者疲劳或地形变化，鞋类稳定性通常会发生变化。
IMU 能够对步态进行长时间的连续监测。这捕捉了鞋类对穿着者行走力学产生的累积效应，而实验室的短期试验通常会忽略这一点。
鞋类稳定性的关键指标
评估步幅高度
IMU 测量的主要稳定性指标之一是步幅高度。
该指标跟踪步态摆动阶段脚抬起的距离。步幅高度的变化可能表明鞋子设计如何影响绊倒风险或行走效率。
质心位移
IMU 能够精确计算身体的质心位移。
通过监测质心的变化，测试人员可以评估鞋子在支撑平衡和姿势方面的效果。这提供了鞋子稳定性能的直接量化测量。
战略性传感器放置
高保真采集点
为了获得准确的数据，传感器放置是不可协商的。
高精度 IMU 通常固定在鞋子的内侧或后跟，或通过腰带固定在腰部。
捕捉冲击和重力
放置在脚部可以测量直接的冲击力。
相反，固定在腰部的传感器会跟踪重力中心的变化。总而言之，这些数据点共同构成了一个整体视图，展示了鞋子在行走、跑步或跳跃过程中如何管理冲击和维持身体稳定性。
理解权衡
校准挑战
虽然 IMU 提供了自由度，但它们缺乏光学系统的绝对位置参考。
为确保准确性，必须将传感器精确校准到穿着者的骨骼部位。如果传感器相对于骨骼移动（软组织伪影），则数据将变得不可靠。
混合解决方案
为减轻这些错误，通常在设置阶段采用混合方法。
IMU 可以安装在带有反光标记的3D 打印标记集群上。这允许光学系统定义传感器相对于解剖结构的精确位置和方向。此步骤消除了由相对位移引起的不确定性，确保现场收集的 IMU 数据在运动学上是准确的。
根据您的目标做出正确的选择
根据您的鞋类测试协议的具体要求，请关注以下应用：
- 如果您的主要重点是现实世界验证：部署 IMU 以在长距离内捕捉稳定性数据（步幅高度和质心），以了解鞋子在实验室外的表现。
- 如果您的主要重点是冲击分析：将 IMU 直接固定在后跟或内侧，以捕捉有关地面反作用力和减震的高保真数据。
- 如果您的主要重点是运动学精度：在现场测试之前，使用带有 3D 打印标记集群的混合设置，通过光学系统校准 IMU，确保关节运动学计算中的不确定性最小。
通过将步态分析从固定位置转移到可穿戴方法，IMU 提供了工程设计更安全、更稳定的鞋类所需的客观数据。
摘要表：
| 特征 | 在鞋类测试中的功能 | 捕捉的关键指标 |
|---|---|---|
| 传感器融合 | 结合加速度计、陀螺仪和磁力计 | 3D 身体部位跟踪 |
| 现场测试 | 将步态分析从实验室限制中解放出来 | 长距离性能 |
| 稳定性分析 | 监测脚与地面的关系 | 步幅高度和质心位移 |
| 放置实用性 | 固定在内侧、后跟或腰部 | 冲击力和重力变化 |
| 混合校准 | 使用 3D 打印标记集群 | 运动学精度和不确定性降低 |
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参考文献
- Yuji Hirano, Yasumoto Matsui. Preliminary gait analysis of frail versus older adults. DOI: 10.1589/jpts.36.87
本文还参考了以下技术资料 3515 知识库 .