I sensori inerziali: cosa sono e a cosa servono

03

OTTOBRE, 2019

Training New technologies

Ogni volta che presentiamo i nostri prodotti Riablo, Kari e Back in Action arriviamo sempre a spiegare che cosa si nasconda all’interno di quelle strane e piccole scatolette che vengono indossate sulle varie parti del corpo e che magicamente misurano i movimenti del paziente: sono i sensori inerziali, meglio noti anche come IMU (Inertial Measurement Unit).

Per dirla in poche parole e comprensibili da tutti, i sensori inerziali sono degli oggetti che permettono di misurare angoli nello spazio e, mettendo insieme le misure tra loro, di misurare angoli di articolazioni o giunzioni. Collegando i sensori al corpo con delle fasce elastiche e inviando i dati via Bluetooth a un laptop o a un tablet, i software di CoRehab ricostruiscono con estrema precisione i movimenti dell’utente, dando quell’effetto di magia e di estrema semplicità che rende i nostri prodotti così utili per chi li usa. Ma andiamo con ordine e cerchiamo di spiegare cosa ci sta dietro a quelle strane scatolette chiamate IMU.

In principio, la tecnologia alla base degli IMU veniva usata principalmente nel settore aeronautico e navale e permette ancora oggi, grazie ad elementi di misura come accelerometri e giroscopi, di controllare e correggere le tre accelerazioni angolari di beccheggio, rollio e imbardata. Adesso, i sensori inerziali si possono trovare anche nelle automobili, in particolare nei sistemi di controllo elettronico della stabilità, meglio noti come ESP. 

Recentemente, i sensori inerziali sono stati implementati come componenti elettronici di dimensioni estremamente ridotte e inclusi in moltissimi oggetti per la misurazione di movimenti come smartphone o smartwatch. Ovviamente, esistono sensori inerziali di diversa qualità e di diverso costo che permettono misurazioni di qualità diverse, ma non ne parleremo in questo post. 

Un sensore inerziale moderno è composto da tre unità di misura: un accelerometro 3D, un giroscopio 3D e un magnetometro 3D.

Cerchiamo di conoscere questi oggetti più da vicino e di capire come sia possibile che siano usati oggi nell’analisi del movimento e in riabilitazione con grande efficacia. In questo modo sarà anche più chiaro capire da cosa deriva quella specie di magia alla base della nostra azienda e dei nostri prodotti.

L’accelerometro è un sensore di misura che permette di conoscere l’orientamento nello spazio rispetto alla gravità terrestre dell’oggetto nel quale è posizionato. Per capire come funziona un accelerometro, basta pensare a un cubo al cui interno si trova una pallina di ferro. Orientando il cubo in modo diverso, la pallina andrà a spingere su una o più facce proprio a causa della forza di gravità. Immaginiamo di nominare tre facce del cubo attigue con X, Y, Z e le lore opposte con -X, -Y e -Z (proprio come gli assi cartesiani).  Se la palla è appoggiata solo su una faccia, supponiamo la faccia -Z come in figura, potremmo dire che tutta la forza di gravità pesa su quella faccia, mentre non pesa su X e Y. Ruotando il cubo, si sposterà anche la palla al suo interno per attrazione del campo gravitazionale e cambieranno le componenti sulle varie facce. 

Ecco, se si riesce a leggere elettronicamente la forza impressa ad ognuna delle facce si riesce anche a conoscere l’orientamento del cubo (o dell’oggetto che lo contiene) nello spazio rispetto alla forza di gravità. 

Il giroscopio è un sensore diverso che misura velocità angolari grazie a un dispositivo ben più complesso e che non dipende strettamente dalla gravità terrestre; per questo motivo, sofisticati giroscopi sono usati anche nei viaggi spaziali per conoscere in modo meccanico se l’astronave sta mantenendo la rotta assegnata in assenza di punti di riferimento, viaggi in cui uno scostamento di pochi decimi di grado a milioni di chilometri di distanza può voler dire un errore madornale. Il principio del giroscopio è basato sulla legge di conservazione del momento angolare, cosa già troppo complicata per lo scopo di questo articolo e che lasciamo a chi ha voglia di approfondire ulteriormente. Fondamentalmente, quando un sensore inerziale si muove e ruota, il giroscopio ci fa sapere di quanto ha ruotato con dei semplici calcoli matematici. In sostanza, il giroscopio si usa per misurare velocità angolari e quindi anche spostamenti angolari.

Infine il magnetometro, o bussola, forse il più semplice da raccontare ma anche quello che dà più grattacapi a chi lo usa. Il magnetometro infatti è un sensore che misura l’intensità del campo magnetico terrestre e quanto ci si scosta dal nord magnetico, con la problematica che se vicino al sensore ci sono delle masse magnetiche o semplicemente metalliche il sensore verrà attratto anche da quelle, fornendo delle misure errate. 

In realtà, la matematica aiuta chi come noi di CoRehab vuole usare i sensori inerziali per fare analisi del movimento corporeo. Mettendo insieme questi tre sensori con alcuni algoritmi (filtri) particolarmente sofisticati, si riesce ad ottenere un orientamento dell’oggetto nello spazio molto accurato e che anzi l’orientamento si auto-corregge via via che si misura. Alcuni dei sensori inerziali presenti sul mercato forniscono delle misure molto accurate del proprio orientamento, espresse in quaternioni, uno strano oggetto matematico che permette di ridurre al minimo gli errori di misura nel calcolo dell’orientamento nello spazio.

Insomma, fino a che si tratta di misure angolari, con una discreta conoscenza della materia si possono ottenere delle informazioni molto accurate.

Noi di CoRehab ci siamo subito messi alla prova e abbiamo chiesto a una istituzione dell’analisi del movimento, l’Ingegner Leardini e il suo laboratorio dell’Istituto Ortopedico Rizzoli, di confrontare le nostre misure con il loro gold standard durante alcuni movimenti umani. Risultato?  Una sovrapposizione quasi perfetta tra le nostre misure con dispositivi da poche centinaia di euro e un apparecchiatura estremamente costosa, come testimoniato dalla importante pubblicazione dell’ingegner Leardini e del suo team.

I sensori di CoRehab sono poi accoppiati a dei software interattivi che permettono a chi li usa di avere un’informazione accurata e in tempo reale sul proprio movimento, consentendo delle correzioni istantanee fondamentali in qualsiasi percorso riabilitativo, come accade in Riablo o in Kari.  

Il sensore inerziale non può però facilmente essere usato per calcolare spostamenti o distanze, perché a ricavare distanze espresse in mm o cm da movimenti angolari o accelerazioni si ottengono errori grossolani, o, come si dice in gergo, le misure derivano.

Ma noi, nonostante questo, ci siamo cimentati nella misurazione di salti o nell’analisi del cammino con i nostri sensori con ottimi risultati, ma di questo parleremo un’altra volta.  

Speriamo che adesso quelle scatolette magiche, che alcuni chiamano elettrodi, altri GPS oppure semplicemente “cosi”, assumano un significato più chiaro. 

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