Real-time motion tracking of kinematic chains is a key prerequisite in the control of, e.g., robotic actuators and autonomous vehicles and also has numerous biomechanical applications. In recent years, it has been shown that, by placing inertial sensors on segments that are connected by rotational joints, the motion of that kinematic chain can be tracked accurately. These methods specifically avoid using magnetometer measurements, which are known to be unreliable since the magnetic field at the different sensor locations is typically different. They rely on the assumption that the motion of the kinematic chain is sufficiently rich to assure observability of the relative pose. However, a formal investigation of this crucial requirement has not yet been presented, and no specific conditions for observability have so far been given. In this work, we present an observability analysis and show that the relative pose of the body segments is indeed observable under a very mild condition on the motion. We support our results by simulation studies, in which we employ a state estimator that neither uses magnetometer measurements nor additional sensors and does not impose assumptions on the accelerometer to measure only the direction of gravity, nor on the range of motion or degrees of freedom of the joints. We investigate the effect of the amount of excitation and of stationary periods in the data on the accuracy of the estimates. We then use experimental data from two mechanical joints as well as from a human gait experiment to validate the observability criterion in practice and to show that small excitation levels are sufficient for obtaining accurate estimates even in the presence of time periods during which the motion is not observable.


翻译:电动链的实时运动跟踪是控制运动链的关键先决条件,例如机器人动动器和自主飞行器,并且具有许多生物机械应用。近年来,通过将惯性传感器放置在交替接合连接的段段上,可以准确地跟踪运动链的运动。这些方法特别避免使用磁强计测量,因为不同传感器地点的磁场通常不同,因此已知这些测量是不可靠的。它们依赖于这样一种假设,即运动链的运动足够丰富,足以确保相对结构的可耐受性。然而,尚未对这一关键要求进行正式调查,而且迄今没有给出关于可耐性的具体条件。在这项工作中,我们提出易感性分析,并表明在运动的非常温和的条件下,机体部分的相对构成确实可以观察。我们通过模拟研究来支持我们的结果,在模拟研究中,我们使用的既不使用磁力计测量,也不使用额外的传感器,也不对精确度进行假设,但是,对于这一关键值的准确性要求尚未提出正式调查,因此,迄今为止没有给出关于可耐受性的具体条件。在联合测点数据中,我们只是从精确度的精确度的角度,我们通过联合测测算数据的范围,以便测测测测测算数据在时间的精确度的准确度的精确度的深度或测测算。我们测量数据的范围范围中,我们只能测测测测测测测测测测到时间的精确度的精确度的精确度的深度,以测量度范围是测量度范围范围。我们测量度的精确度范围,以测量度的精确度范围,以测量度的精确度,以测量度的精确度范围,以测量度的精确度范围是测量度,以测测测测测测算。我们测量度的深度和测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测测算。

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