Sensores Inerciales para la Estimación de Ángulos de Rotación en Biomecánica

Abstract

La biomecánica, disciplina de la ciencia que combina los principios de la mecánica con los fenómenos biológicos para analizar los movimientos del cuerpo humano y su interacción con el entorno, representa una rama de la ciencia que ha evolucionado a lo largo de la historia para comprender y optimizar el rendimiento humano proporcionando una visión profunda y cuantitativa de la mecánica del movimiento. El presente estudio se adentra en la biomecánica con un enfoque específico para obtener la orientación de dispositivos inerciales con el objetivo de calcular ángulos de rotación en las articulaciones del cuerpo humano. El estudio de estos movimientos permite llevar a cabo un análisis detallado de la dinámica corporal y desempeña un papel esencial en la mejora del rendimiento, la rehabilitación y la prevención de lesiones. Las unidades de medición inercial se han convertido en herramientas fundamentales en biomecánica debido a su capacidad para registrar datos de aceleración y velocidad angular con alta precisión. Estos datos son de vital importancia para comprender la mecánica de los movimientos corporales y diseñar intervenciones terapéuticas y programas de entrenamiento más efectivos. Por ejemplo, en el ámbito deportivo, estos dispositivos son esenciales en el análisis y optimización del rendimiento en atletas. Los datos capturados permiten evaluar con precisión la técnica de un corredor, un ciclista, un nadador o un jugador de fútbol, lo que lleva a ajustes específicos en su entrenamiento. Para abordar este desafío, este trabajo se enfoca en la utilización de sistemas microelectromecánicos, dispositivos que combinan sensores inerciales como los acelerómetros y los giroscopios, entre otros. Estos dispositivos han revolucionado la forma en que se capturan y analizan los datos biomecánicos, al proporcionar mediciones en tiempo real de la orientación y el movimiento del cuerpo en condiciones no invasivas. Para lograr este objetivo, se abordan los siguientes temas de manera detallada. En primer lugar, se introduce el concepto de sistema microelectromecánico, base tecnológica del funcionamiento de sensores inerciales de dimensiones muy reducidas. Estos dispositivos, que integran componentes mecánicos y electrónicos a una escala microscópica, son los responsables de medir aceleraciones y velocidades angulares. Posteriormente, se introducen los acelerómetros y giroscopios, sensores inerciales cuyos fundamentos teóricos, de diseño y principios de funcionamiento serán analizados en profundidad, lo que permitirá comprender cómo se transforman las fuerzas físicas en señales eléctricas interpretables. Finalmente, se presentan las unidades de medición inercial como dispositivos que combinan los sistemas de sensores previamente estudiados. Estos dispositivos se encargan de fusionar los datos de aceleración y velocidad angular para calcular la orientación de un objeto en el espacio tridimensional. Una vez afianzados los conceptos que permiten entender el funcionamiento de un sistema de medición inercial básico, se propone el diseño y desarrollo de un modelo sobre el que se realizan una serie de ensayos en los que se llevan a la práctica los métodos y procedimientos que permiten obtener una aproximación cercana a los ángulos de rotación buscados. Esta información resulta de un interés fundamental a la hora de cuantificar y analizar los parámetros de estudio relativos a las rotaciones articulares en diferentes aplicaciones biomecánicas, como la evaluación de la marcha o el análisis de la postura.

Biomechanics, the scientific discipline that combines the principles of mechanics and biological phenomena to analyse the movements of the human body and its interaction with the environment, is a branch of science that has evolved throughout history to understand and optimise human performance by providing a deep and quantitative insight into the mechanics of movement. The present study deals with biomechanics with a specific approach to calculate the angles of rotation in the joints of the human body from the alignment of inertial devices. The study of these movements enables a detailed analysis of body dynamics and plays an essential role in performance improvement, rehabilitation and injury prevention. Inertial measurement units have become fundamental tools in biomechanics due to their ability to record acceleration and angular velocity data accurately. These data is crucial for understanding the mechanics of body movements and developing more effective therapeutic interventions and training programmes. In the field of sports, for example, these devices are essential for analysing and optimising the performance of athletes. The data collected enables a precise assessment of the technique of a runner, a cyclist, a swimmer or a football player and leads to specific adjustments to training. To address this challenge, this work focuses on the use of microelectromechanical systems, which combine inertial sensors such as accelerometers and gyroscopes, among others. These devices have revolutionised the way biomechanical data is captured and analysed by providing real-time measurements of body orientation and motion under noninvasive conditions. In order to achieve this goal, the following topics are covered in detail. Firstly, microelectromechanical systems are introduced, which form the technological basis for the operation of very small inertial sensors. These devices, which integrate mechanical and electronic components on a microscopic level, are responsible for measuring accelerations and angular velocities. Subsequently, accelerometers and gyroscopes, inertial sensors whose theoretical foundations, design and operating principles will be analysed in depth, will be introduced, which will enable understanding how physical forces are transformed into interpretable electrical signals. Finally, inertial measurement units are presented as devices that combine the previously studied sensor systems. These devices are responsible for fusing acceleration and angular velocity data to calculate the orientation of an object in three-dimensional space. Once the concepts that make it possible to understand the operation of a basic inertial measurement system are established, the design and development of a model is proposed, on which a series of tests are carried out, putting into practise the methods and procedures that provide an accurate approximation of the rotation angles of interest. This information is essential for quantifying and analysing study parameters related to joint rotations in various biomechanical applications, such as gait assessment or postural analysis.