3D打印标记集群是内部传感器数据与外部运动追踪环境之间的关键接口。通过将惯性测量单元（IMU）安装在具有四个固定反光标记的刚性集群上，研究人员可以使光电运动捕捉系统追踪传感器在全局坐标系中的精确位置和方向。
核心要点 标记集群充当混合运动捕捉系统的稳定“真实适配器”。它消除了传感器与下方骨骼之间相对运动引起的数据误差，从而实现了精确的IMU到节段校准，这是计算准确的下肢关节运动学所必需的。
精确追踪的架构
连接两种技术
IMU在其自身的局部坐标系中记录数据，而光学相机则在全局房间坐标系中记录数据。3D打印集群将这两个系统物理地统一起来。
建立全局坐标系
通过为集群配备四个固定的反光标记，光学相机可以锁定设备的几何形状。
这使得系统能够确定IMU相对于全局环境的精确方向和位置，而不仅仅是其内部加速度数据。
创建稳定的局部参考
四个标记的固定排列围绕传感器建立了一个稳定的局部坐标系。
这创建了一个恒定的传感器方向的刚性定义，无论受试者如何在捕捉区域内移动，该定义都保持不变。
消除测量误差
对抗皮肤运动伪影
生物力学中的最大挑战之一是运动过程中皮肤在骨骼上滑动。
将单个标记直接附着在皮肤上通常会导致“摇晃”的数据，无法准确反映下方的骨骼运动。
过滤信号干扰
由于标记安装在刚性的3D打印集群上，而不是直接安装在皮肤上，因此该设置有效地过滤了伪影干扰。
这确保了计算出的指标，如行走速度或重心轨迹，反映的是实际的运动能力，而不是软组织振荡。
固定相对位移
主要参考强调，误差通常源于传感器与骨骼节段之间的相对位移。
集群配置最大限度地减少了这种差异，确保传感器的运动与它所测量的节段紧密耦合。
理解技术限制
校准依赖性
尽管功能强大，但该设置专门用于促进IMU到节段的校准。
如果集群的尺寸精度不高，或者标记与IMU之间的偏移未被有效计算，则由此产生的关节运动学会出现错误。
系统复杂性
使用集群意味着需要光电相机和IMU硬件的混合设置。
这增加了数据后处理的复杂性，因为软件必须同步和融合来自两种不同技术的数据流。
为您的目标做出正确选择
要确定此配置是否对您的分析至关重要，请考虑您的具体数据要求：
- 如果您的主要关注点是关节运动学：您必须使用刚性集群来执行高精度的IMU到节段校准，以将传感器数据映射到骨骼运动。
- 如果您的主要关注点是重心/活动能力：您应该利用集群来过滤皮肤伪影，确保您的轨迹和速度数据保持稳定和准确。
通过将传感器与光学追踪世界刚性耦合，您可以将嘈杂的原始数据转化为人类运动的明确模型。
总结表：
| 特征 | 在步态分析中的功能 | 关键优势 |
|---|---|---|
| 刚性接口 | 统一IMU局部坐标系与全局相机坐标系 | 精确的空间方向 |
| 4标记几何结构 | 建立稳定的局部坐标系 | 一致的追踪几何 |
| 伪影过滤 | 减少皮肤与骨骼滑动引起的数据噪声 | 更高的关节运动学精度 |
| 真实适配器 | 促进IMU到节段的校准 | 可靠的活动能力性能指标 |
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参考文献
- Gautier Grouvel, Stéphane Armand. A dataset of asymptomatic human gait and movements obtained from markers, IMUs, insoles and force plates. DOI: 10.1038/s41597-023-02077-3
本文还参考了以下技术资料 3515 知识库 .