Κινηματική και δυναμική μελέτη του ανθρώπινου βηματισμού μέσω ανάλυσης εικόνας

Τσίντζηρα, Κωνσταντίνα; Tsintzira, Konstantina

dc.contributor.author	Τσίντζηρα, Κωνσταντίνα	el
dc.contributor.author	Tsintzira, Konstantina	en
dc.date.accessioned	2024-05-31T09:32:07Z
dc.date.available	2024-05-31T09:32:07Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59595
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27291
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Gait analysis	en
dc.subject	Image analysis	en
dc.subject	Kinematic analysis of biped	en
dc.subject	Dynamic analysis of biped	en
dc.title	Κινηματική και δυναμική μελέτη του ανθρώπινου βηματισμού μέσω ανάλυσης εικόνας	el
dc.title	Kinematic and dynamic study of human gait through image analysis	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.classification	Μηχανική	el
heal.classification	Ανάλυση Βάδισης	el
heal.classification	Robotics	en
heal.classification	Mechanics	en
heal.classification	Gait Analysis	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-02-23
heal.abstract	Αυτή η μελέτη παρουσιάζει ένα δισδιάστατο μοντέλο πολλαπλών τμημάτων για τα κάτω άκρα του σώματος, με σκοπό την κινηματική και δυναμική μελέτη του ανθρώπινου βηματισμού κατά τη διάρκεια ενός πλήρους κύκλου βάδισης, βασισμένο μόνο σε μετρημένα κινηματικά δεδομένα. Για την συγκεκριμένη εφαρμογή η μέτρηση των κινηματικών δεδομένων πραγματοποιείται με απλά καταγραφικά μέσα και την χρήση ανοικτών λογισμικών για την ανίχνευση του σώματος, χωρίς να περιλαμβάνεται η χρήση αντανακλαστικών δεικτών κατά την ανίχνευση. Τα κινηματικά δεδομένα αφού επεξεργαστούν κατάλληλα προς αφαίρεση θορύβου, εισάγονται στο μηχανικό μοντέλο προκειμένου να προσδιοριστούν τα μήκη των επιμέρους τμημάτων του και να υπολογιστεί το εύρος κίνησης των αρθρώσεων του. Η μελέτη της κίνησης των αρθρώσεων του μοντέλου πραγματοποιήθηκε μέσω της αντίστροφης κινηματικής, η οποία εξασφάλισε αξιόπιστα δεδομένα, όπως προέκυψε ύστερα από σύγκριση με αντίστοιχα από το σύστημα VICON. Η διαδικασία των υπολογισμών αντίστροφης δυναμικής αποκλίνει σημαντικά από τις συνηθισμένες εφαρμογές καθώς δεν περιλαμβάνει την χρήση δυναμοδάπεδων για την μέτρηση των δυνάμεων και ροπών εδάφους. Κατά την φάση μονής στήριξης οι υπολογισμοί αρκέστηκαν στην χρήση των εξισώσεων Newton Euler. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος απροσδιοριστίας κατά τη φάση της διπλής υποστήριξης, εφαρμόστηκε μια υπόθεση γραμμικής μεταβολής των αντιδράσεων του εδάφους, κατά την οποία το σωματικό βάρος μεταβαίνει σταδιακά από το ένα πόδι στο άλλο. Το μοντέλο προσέφερε λογικές εκτιμήσεις για τις δυνάμεις και τις ροπές στο οβελιαίο επίπεδο. Η αξιοπιστία του μοντέλου επικυρώθηκε ύστερα από εφαρμογή του σε δεδομένα που έχουν ληφθεί από κάμερες VICON. Τα εντοπιζόμενα σφάλματα οφείλονται πιθανότατα σε σφάλματα στα κινηματικά δεδομένα λόγω λανθασμένης ανίχνευσης της κίνησης του σώματος. Αποδείχτηκε οτι κρίσιμο παράγοντα για τους παραπάνω υπολογισμούς αποτελεί η μέθοδος καταγραφής και τα μέσα που θα χρησιμοποιηθούν, όπως επίσης και η επεξεργασία των αρχικών δεδομένων. Σε κάθε περίπτωση έγινε εμφανές οτι η σύγκριση των αποτελεσμάτων της μελέτης με δεδομένα από πλάκες πίεσης είναι ποιοτική, καθώς τα συγκρινόμενα μεγέθη προέρχονται από διαφορετικά άτομα και άρα η μελέτη υπόκειται στην ιδιαιτερότητα της βάδισης του κάθε εξεταζόμενου. Η παρούσα εργασία, παρά τις δυνατότητες για βελτίωση, αναδεικνύει με τα επιτεύγματά της τον κρίσιμο ρόλο που μπορεί να διαδραματίσει η ρομποτική στην ανάλυση του ανθρώπινου βηματισμού. Με την θέσπιση νέων θεμελίων, δημιουργεί ένα πλαίσιο για μια πιο απλή και οικονομικά προσιτή διαδικασία ανάλυσης βάδισης, ανοίγοντας τον δρόμο για πειράματα χωρίς χωρικούς περιορισμούς. Η εμβάθυνση στην ανάλυση της κινηματικής και δυναμικής συμπεριφοράς του ανθρώπου ανοίγει νέες προοπτικές στην κατανόηση του βηματισμού, ενισχύοντας τις έρευνες για τη δημιουργία δίποδων ρομπότ, ικανών να αναπαραστήσουν πλήρως την ανθρώπινη κίνηση. Οι εφαρμογές της εργασίας εκτείνονται από την εξέλιξη των μεθόδων ανάλυσης βάδισης έως την δημιουργία εξωσκελετικών ρομπότ που θα υποστηρίζουν την ανθρώπινη κίνηση, ακόμα και τη βελτίωση της κίνησης στην εικονική πραγματικότητα.	el
heal.abstract	This study introduces a two-dimensional model for the lower extremities of the human body, aiming at the kinematic and dynamic analysis of human gait during a complete walking cycle, based solely on measured kinematic data. For this specific application, kinematic data is acquired using simple recording devices and open-source software for body motion detection, without the use of reflective markers during tracking. After appropriately processing the kinematic data to remove noise, it is input into the mechanical model to determine segment lengths and calculate the range of motion for joint angles. The joint motion analysis of the model was conducted using inverse kinematics, ensuring reliable data as validated through comparison with VICON system data. The process of inverse dynamics calculations significantly deviates from conventional torque tracking applications, as it does not involve force plate data for measuring ground reaction forces and moments. During the single support phase, calculations relied on a set of Newton Euler equations. To address the indeterminacy issue in the double support phase, a linear ground reactions was applied variation assumption for, where body weight gradually transitions from one foot to the other. The model provided reasonable estimations for forces and moments in the sagittal plane. Model reliability was validated by testing with data captured by VICON cameras. Observed errors were likely due to inaccuracies in kinematic data resulting from incorrect body motion detection. It was evident that the recording method and data processing significantly influenced the outcomes. In each case, the comparison of study results with pressure plate data was qualitative, as the compared metrics originated from different individuals, making the study subject to the specificity of each participant’s walking pattern. Despite the potential for improvement, the present work highlights with its achievements the critical role that robotics can play in human gait analysis. By establishing new foundations, it creates a framework for a simpler and more affordable gait analysis procedure, paving the way for experiments without spatial constraints. Deepening the analysis of human kinematic and dynamic behaviour opens up new perspectives in the understanding of gait, boosting research into the creation of bipedal robots capable of fully reproducing human movement. The applications of the work range from the development of gait analysis methods to the creation of exoskeletal robots that support human movement, and even the improvement of movement in virtual reality.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Πουλακάκης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου. Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου και Ρυθμίσεως Μηχανών και Εγκαταστάσεων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	118 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false