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Tecnología en Biomecánica

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by

JE Munoz

on 12 April 2015

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Transcript of Tecnología en Biomecánica

Tecnología en Biomecánica
Para qué?
Se usa la tecnología en biomecánica como modelo que permite cuantificar el movimiento humano a través de la medición objetiva de tres tipos de variables:

Temporales
Cinemáticas
Cinéticas
Mediciones Cinemáticas
Análisis cualitativo que permite describir la calidad de los movimientos y gestos relacionados a una acción en particular
Mediciones Cinéticas
Un análisis cinético es aquel que se realiza tomando en consideración y describiendo las fuerzas que participan en el movimiento.
Medición del Tiempo
El tiempo permite ordenar los sucesos en secuencias, estableciendo un pasado, un futuro y un presente (al menos en mecánica clásica).
Segundos
FPS
Posición
Desplazamiento
Velocidad
Aceleración
Información Angular
Fuerza
Energía
Trabajo
Potencia
Tipos de señales
La mayoría de los parámetros biomecánicos varían con el tiempo.
Frecuencia de Muestreo
La frecuencia de muestreo de un instrumento indica que tan a menudo el instrumento registra una medida.
La persistencia de la visión fue un supuesto fenómeno visual descubierto por Joseph Plateau que demostraría como una imagen permanece en la retina humana una décima de segundo antes de desaparecer por completo
Una señal análoga es aquella que varía continuamente con el tiempo.

Una señal digital es aquella que es representada en intervalos de tiempo
Persistencia de la Visión
Visión Humana 10 FPS
James Cameron como Peter Jackson están filmando Avatar 2 y El Hobbit a unos 30 fotogramas por segundo

Sistemas Electromagnéticos
Arreglo de receptores que miden la relación espacial que tienen con un transmisor próximo. El transmisor genera un campo electromagnético a baja frecuencia, el cuál es detectado por los receptores y enviado a la estación de procesamiento.
Sistemas Electromecánicos
Son un conjunto de estructuras conectadas por potenciómetros o dispositivos de medición angular similares, localizados en las principales articulaciones del cuerpo.
Sistemas Ópticos
Es quizá el método de captura de movimiento más preciso y comercial. Consta de un arreglo de cámaras acopladas que permiten el registro de los datos de movimiento mediante técnicas de visión por computador.
Captura de Movimiento
(MoCap)
"Es el proceso de registrar un evento cinemático y traducirlo en términos matemáticos usables mediante el seguimiento de un número de puntos claves (joints) en el espacio registrados en el tiempo para combinarlos y obtener un modelo digital tridimensional".
Parent 2009.
Ventajas


Captura de movimiento en tiempo real que puede brindar realimentación
La posición y orientación de los datos están disponibles sin post-procesamiento.
Son menos costosos de otros sistemas.
Es posible realizar la multicaptura.
Los sensores nunca son ocluidos.
Desventajas


La sensibilidad de los receptores con los metales pueden generar datos irregulares.
El sistema es invasivo y suele incomodar al usuario.
Los sensores magnéticos tienen una frecuencia de muestreo menor que los sistemas ópticos
El área de captura es generalmente pequeña.
Es difícil cambiar la configuración de los marcadores.
Ventajas


El rango de captura puede ser muy extenso.
Los trajes electromecánicos son menos costosos que los sistemas ópticos invasivos y los sistemas magnéticos.
El traje es portable.
La recolección de datos en tiempo real es posible.
Los sensores nunca son ocluidos.
Es posible realizar multicaptura.
Desventajas


La frecuencia de muestreo es baja.
El sistema es "obstrusivo" debido a la cantidad de Hardware.
El modelo aplica constantes sobre las articulaciones humanas.
La configuración de los sensores es fija.
Muchos de estos sistemas no permiten calcular traslaciones globales sin un sensor magnético.
Ventajas


Los datos ópticos son muy precisos.
Pueden ser usados un gran conjunto de marcadores.
Es fácil cambiar la configuración de los marcadores.
Los usuarios no están limitados con cables.
La gran variedad de campos de aplicación posibles.
La frecuencia de muestreo es generalmente alta, lo que permite modelar movimientos complejos con mayor precisión.
Desventajas


Los datos ópticos requieren un extensivo post-procesamiento.
El hardware a menudo es costoso.
Pueden existir oclusiones en los marcadores y el registro será entonces erróneo.
Limitaciones y condiciones de uso en el ambiente debido a la sensibilidad de los sistemas ópticos con la luz.
División Sistemas Ópticos
De MoCap
Sistemas Invasivos
Sistemas No Invasivos
Basados en cámaras RGBD.
Sistemas de muy bajo costo.
Sistemas Portables.
No son necesarias condiciones de iluminación muy específicas
Uso de marcadores IR sobre el cuerpo.
Arreglo de cámaras opto-acopladas.
Sistema de elevados costos.
Requiere un ambiente controlado
Portabilidad limitada

Sensor Kinect como herramienta MoCap
Hipótesis
Estado del Arte
Metodología
Resultados
Brekel Kinect
MoCap File
Tipo de archivo de MoCap dividido en Jerarquías y Movimientos.
Análisis Angular de Euler
Modelo matemático que constituye una forma de dar una descripción numérica de cualquier rotación en un espacio 3D.
Sistema de Captura de Movimiento
Clínica de Dolor del Eje Cafetero
Patrones de Movimiento
Muchos de los movimientos humanos envuelven combinaciones de movimientos lineales y rotacionales; los movimientos complejos pueden ser representados mediante conexiones, partiendo de un modelo de multisegmentos del ejecutor de la acción, donde cada segmento del cuerpo es tratado como un cuerpo rígido.
Movimiento Lineal
Es en el cual todas las partes del cuerpo recorren la misma distancia en el mismo tiempo en la misma dirección.
Movimiento Angular
Geometría del Movimiento
El movimiento es descrito mediante un solo punto: el centro de masa
Posición Vs. Tiempo
Con el fin de analizar el movimiento relacionado a cada articulación, necesitamos registrar la posición del ejecutor en intervalos iguales de tiempo. Este gráfico se conoce como un gráfico de posición-tiempo y permite visualizar la tasa de cambio de la posición con el tiempo, lo cual es conocido como velocidad, a su vez, la tasa de cambio de la velocidad con respecto al tiempo es conocido como aceleración.
Ángulo-Tiempo
Los patrones de los ángulos de las articulaciones, son en general, mucho más importantes que los patrones de movimiento lineal porque ellos permiten una fascinante representación de los patrones de movimiento humano

Curvatura

Pendiente
Posición
Velocidad
Aceleración
Velocidad
Angular
Aceleración
Angular
Patrón Resultante
aceleración- velocidad-ángulo

http://engineeringsport.co.uk/2011/05/09/kinect-biomechanics-part-1/
El movimiento angular es mucho más complejo que el movimiento lineal y describe de mejor manera el movimiento humano. Los ángulos de las articulaciones son los ejemplos más importantes del movimiento angular
Ángulo-Ángulo
Un análisis biomecánico más profundo muestra una evidente coordinación entre las rotaciones de las articulaciones. La coordinación puede ser vista como “el manejo de muchos grados de libertad que participan en un movimiento”.
Coordinación en fase
Coordinación en fase con
punto de inflexión
Coordinación en anti-fase
Coordinación en anti-fase
con punto de inflexión
Coordinación desacoplada o de fase desplazada
Leyendo desde un punto “A” en sentido contrario de las manecillas del reloj, ambos ángulos están en flexión hasta “B”, entonces el ángulo 2 continua en flexión mientras el ángulo 1 se extiende. Desde “C” a “D”, ambos ángulos se extienden y finalmente el ángulo 1 se flexiona desde “D” hasta “A” mientras en ángulo 2 continua en extensión.
La coordinación en movimientos humanos reales es a menudo más compleja que este modelo de patrones básicos, como por ejemplo, el diagrama ángulo-ángulo cadera-rodilla para una zancada
No necesita dar vueltas entre gráficas de ángulo-tiempo
Se pueden emparejar los ángulos de las articulaciones con interesante facilidad para mostrar cómo varían
Estas gráficas muestran patrones de coordinación cualitativos, los cuales pueden facilitar comparaciones
Ventajas
Desventajas
Poco uso dentro de la comunidad de investigación en biomecánica.
No es claro en estos diagramas cuál de los dos sentidos se debe recorrer.
También se pierde la relación pendiente = velocidad, curvatura = aceleración de los diagramas temporales.
Equivalencia topológica
Plano de Fase
Concepto matemático basado en la noción que cualquier sistema puede ser graficado como diagramas de dos variables, en biomecánica, son un ángulo de una articulación y su velocidad angular.
Regla
Flexión: reducción
Extensión: aumento
Flexión=decremento angular
Extensión=incremento angular
La velocidad de flexión es negativa
La velocidad de extensión es positiva
Analizar en sentido de las manecillas del reloj
Fase Relativa
Si se resta el ángulo de fase de una de las articulaciones a la segunda articulación al mismo
instante
se obtiene la fase relativa, la cual es la variable que mejor expresa los cambios de coordinación del movimiento humano.
www.bodymotionlab.ca
Trabajos Futuros
Emotion Recognition
Kinect for Xbox One
Normalización Desplazamiento y
Velocidad Angular
Tópico de las ciencias computacionales que tiene el objetivo de interpretar los movimientos y gestos humanos mediante el uso de algoritmos computacionales
Interfaces Cerebro Computador (BCI)
Son dispositivos que permiten generar una comunicación directa entre los pensamientos de un usuario y un ordenador. Permiten la interacción del usuario mediante la interpretación de señales bioeléctricas generadas en el cerebro.
Relación con los videojuegos
Estas interfaces han venido revolucionando la forma en como interactuamos con los videojuegos. Los BCI Games son videojuegos en donde la interacción con el usuario se da a través de sus pensamientos o sus intenciones mentales.
www.hcigroup.tk
Games For Health
Los videojuegos para la salud (G4H) son juegos diseñados con fines específicos que van más allá del entretenimiento, son usados como terapia psicológica, el entrenamiento cognitivo o la rehabilitación física.
Reconocimiento de Gestos
Realidad Virtual
Inmersión del usuario en simulaciones del mundo real generadas a través de un ordenador. Suele concentrar su atención en estímulos visuales
Desde el 2012 el Grupo de Investigación y Desarrollo en Cultura de la Salud de la Universidad Tecnológica de Pereira acoge en su línea de trabajo de Motricidad, Discapacidad y Rehabilitación el desarrollo de sistemas e interfaces tecnológicas para el cuidado de la salud.
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