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Sensori Inerziali

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I sensori inerziali sono strumenti costituiti da giroscopi, accelerometri e magnetometri. Questi sensori derivano dalla tecnologia che viene utilizzata sugli aerei per garantire il corretto mantenimento dell’orizzontalità in volo (Attitude and Heading Reference System – AHRS), hanno infatti la capacità di studiare il movimento nei tre piani dello spazio (movimenti di Roll, Pitch e Yaw). […]

Sensori Inerziali
26 maggio 2021

I sensori inerziali sono strumenti costituiti da giroscopi, accelerometri e magnetometri.

Questi sensori derivano dalla tecnologia che viene utilizzata sugli aerei per garantire il corretto mantenimento dell’orizzontalità in volo (Attitude and Heading Reference System – AHRS), hanno infatti la capacità di studiare il movimento nei tre piani dello spazio (movimenti di Roll, Pitch e Yaw).

MEMS

La miniaturizzazione di questi sensori è accreditata al genio di un italiano, al secolo Bruno Murari, che ha studiato e prodotto dei piccolissimi sensori inerziali chiamati MEMS (Micro electromechanical systems). Grazie a queste micro e nano tecnologie è possibile gestire video game di ultima generazione (Guderian et al., 2010), smartphone e molte altre strumentazioni, di cui tante utili alla valutazione funzionale in Biomeccanica.

Cercando di riassumere al massimo il complesso funzionamento dello strumento, si può dire che, in linea di massima, gli accelerometri sono usati per determinare su quale asse sia direzionata la gravità e la forza agente sul sistema, i sensori magnetici forniscono informazioni circa l’orizzontalità dello strumento e infine i sensori complementari, i giroscopi, vengono utilizzati per eliminare l’accumulo di dati derivante dalle continue correzioni dell’orientamento, ottenuto dagli altri sensori (tutto ciò attraverso il calcolo delle velocità di rotazione dello strumento).

I sensori inerziali per la cattura del movimento possono lavorare singolarmente o in forma complessa e articolata tra loro, formando dei veri e propri sistemi di acquisizione del movimento, senza l’uso di filmati (Figura 22).

Figura 22 – Esempio di strumentazione composta da sensori inerziali in forma articolata che vengono fissati intorno al bacino e agli arti inferiori del soggetto, creando così un avatar che si muove secondo i dati catturati dalla sensoristica. Il movimento dell’avatar è sincronizzato con la piattaforma pressoria fornendo dati pressori, dinamici e cinematici (immagine scattata durante una fiera espositiva).

Campi di Applicazione

Il campo di applicazione di questa tecnologia è molto vasto, si hanno applicazioni

  • nella robotica,
  • nell’industria,
  • negli sport motoristici,
  • nelle realtà virtuali,
  • nell’animazione,
  • nella biomeccanica,
  • nell’ergonomia,
  • nelle scienze motorie,
  • nella riabilitazione e rieducazione,
  • nella valutazione funzionale e
  • nel miglioramento della performance sportiva.

Sono dei sistemi sicuramente molto precisi, ma di contro, hanno costi elevati e complessità dell’analisi, sebbene negli ultimi anni si assista alla comparsa di sistemi sempre più gestibili.

La letteratura scientifica indica questa tipologia di strumenti come validi alleati per lo studio del movimento (Saber-Sheikh et al., 2010; McDonald et al., 2011) seppur sottolineando che tali strumentazioni possano risentire di distorsioni del campo magnetico, indotte da attrezzature usate dal soggetto come protesi, deambulatori o sedie a rotelle (Kendell, 2009).

In questi ultimi anni, la letteratura ha incrementato in maniera notevole lo studio della sensoristica inerziale e le applicazioni sono le più disparate. Per avere un’idea del fenomeno è sufficiente collegarsi al motore di ricerca web scientifico più famoso (pubmed.gov) e digitare le parole chiave “Inertial Motion Unit” o “Inertial Sensor”.

Il quantitativo di produzione scientifica in questo ambito è vertiginosamente aumentato progressivamente intorno al 2010, con un tasso di crescita sempre maggiore fino ad oggi (Figura 23).

Figura 23 – Numero di articoli per anno su PubMed degli ultimi 30 anni per le voci di ricerca “Inertial Motion Unit” e “Inertial Sensor” (accesso eseguito il 26/12/2018).

Accelerometri?

Spesso i sensori inerziali vengono chiamati, erroneamente, solamente con il nome di accelerometri. Sebbene non sia assolutamente corretto, questo nome rispecchia il componente più importante per lo studio delle forze durante il momento.

Gli accelerometri sono degli strumenti che misurano in maniera diretta l’accelerazione, sia di natura lineare che angolare. Il principio generale su cui si basano entrambe le tipologie di accelerometri (lineari o angolari) è quello di una massa nota che viene vincolata a una molla e che può muoversi solo lungo l’asse (sensibile) della molla (accelerometro linerare) o può ruotare su di essa (accelerometro angolare).

Una volta che la deformazione della molla viene calibrata attraverso una forza nota, ogni successiva deformazione verrà letta come una variazione dell’accelerazione della massa nota, calcolandone quindi questo parametro in forma diretta (Dal Monte et al., 2000).

Attualmente, il principio della molla è molto superato, ma resta molto utile per capire il funzionamento dello strumento.

Da molti anni ormai si utilizzano materiali piezoelettrici molto sensibili e capaci di caricarsi elettricamente se compressi dalla massa presente nell’accelerometro (Figura 24) oppure altre tecnologie di recente costruzione e in continua evoluzione.

Figura 24 – Schema costruttivo generico di un accelerometro

Accelerometri Attuali

La stragrande maggioranza degli accelerometri che vengono usati oggi sono di natura triassiale, in passato alcune strumentazioni di valutazione funzionale integravano segnali provenienti da accelerometri monoassiali ma, con lo sviluppo della tecnologia e il relativo abbattimento dei costi, questa categoria di accelerometri è stata gradualmente soppiantata da quelli triassiali.

Questi ultimi permettono, senza dubbio, delle analisi più complete e forniscono delle precise indicazioni su come si stia evolvendo il sistema in moto.

Va sottolineato che durante l’utilizzo pratico di accelerometri triassiali è fondamentale posizionare lo strumento in maniera nota, per risalire poi a posteriori alla direzione del movimento che viene registrato (Figura 25); per questa ragione le aziende costruttrici indicano sempre il corretto posizionamento dello strumento.

Figura 25 – Esempio degli errori derivanti da un errato posizionamento dell’accelerometro per la valutazione del ROM articolare del capo in un movimento di inclinazione. A: strumento posizionato correttamente, il movimento di inclinazione a destra del capo viene letto correttamente dal sensore e il grafico risultante coincide con la realtà del movimento svolto. B: strumento posizionato sotto sopra e ruotato di 180° sul piano frontale, il movimento di inclinazione a destra del capo viene letto in maniera opposta e quindi il grafico risultante mostra un capo inclinato a sinistra. L’esempio mostrato evidenzia la necessità di un corretto setting di analisi ma ancor più l’obbligo professionale, da parte dell’operatore, di conoscere queste procedure.

Dove Vengono Usati

In ambito di analisi del movimento, i sensori inerziali trovano molte applicazioni come, ad esempio, per le valutazioni del passo, delle capacità di sprint, del salto, della stabilità, dell’attività svolta in campo dai giocatori, dell’attività fisica giornaliera e del ROM articolare (Adach et al., 2005; Rowlands, 2007; Kavanagh et al., 2008; Picerno et al., 2008; McCurdy et al., 2010; Garatachea et al., 2010; Gebruers et al., 2010; McNamara et al., 2010; Montgomery et al., 2010; Picerno et al., 2011; Kim et al., 2013; Jones et al., 2014; Sparger et al., 2015; MacDonald et al., 2017; Lee et al., 2018).

Infatti, oltre alla misurazione diretta dell’accelerazione, questi sistemi sono in grado di fornire una serie di parametri indiretti del movimento, sia di natura cinematica che dinamica, offrendo una visione molto vasta del movimento studiato.

I limiti e ciò che discrimina uno strumento da un altro risiedono prevalentemente nella “pulizia” del segnale; questi strumenti, infatti, risentono molto di “rumori” e disturbi del segnale che vengono corretti con una complessa matematica di fondo che spesso pone dei limiti nell’utilizzo.

Articolo tratto dal libro Biomeccanica® Principi di Biomeccanica e applicazioni della Video Analisi al movimento umano
vincitore del premio letterario CONI

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