Análisis, calibración y optimización de sistemas de medición por coordenadas sin contacto. Aplicación a un sistema de análisis de movimiento humano

Resumen

El trabajo de la presente tesis se enmarca dentro de la metrología dimensional, y más en concreto, en la aplicación de la visión industrial a la medición y análisis del movimiento humano. La motivación del desarrollo de la presente tesis, es el aumento considerable en los últimos años, de la utilización de sistemas de análisis de movimiento humano . De entre estos los que destacan por ser los más precisos y exactos son los sistemas ópticos. Los sistemas ópticos de análisis de movimiento humano, son sistemas de medición por coordenadas sin contacto de alto rango, que se utilizan para medir las coordenadas tridimensionales de puntos clave respecto de un sistema de referencia a lo largo del tiempo. Como en cualquier sistema de medición por coordenadas, es fundamental conocer las características metrológicas de los resultados de estas medidas para conocer su calidad. De ahí la importancia de determinar los errores característicos que se producen en estos sistemas, para caracterizarlos como sistemas de medida calculando la incertidumbre y, en su caso, corrección a aplicar al resultado de una medición. Para determinar los errores característicos de sistemas de análisis de movimiento humano, se han creado procedimientos de caracterización temporal y espacial. El procedimiento de caracterización temporal, consiste en la caída por gravedad de una bola retro-reflectante a lo largo de una de las barras verticales centrales del calibrador, inmediatamente después del apagado de la luz (señal usada para determinar el fotograma de sincronización), o dejando que transcurra 1 minuto tras el apagado de la luz. El procedimiento de caracterización espacial consta de cuatro experimentos diferentes, realizados con una barra a la que se fijan una serie de marcadores colocados en posiciones medidas, y por tanto, conocidas. El primero es el de cuantificación del ruido residual de medida o experimento estático, la barra permanece quieta durante la captura. El segundo el de cuantificación de la exactitud horizontal, el individuo realiza un movimiento mientras transporta la barra manteniéndola en horizontal. El tercero el de cuantificación de la exactitud vertical, el individuo recorre el volumen calibrado con la barra en vertical. El cuarto el individuo permanece quieto en el centro del volumen calibrado y mueve la barra recorriendo todo el volumen de calibración. Uno de estos sistemas de análisis de movimiento humano, es el sistema óptico OrthoBio, que fue desarrollado en 1995, con la realización de un proyecto interdisciplinar llevado a cabo entre el Departamento de Ingeniería de Diseño y Fabricación de la Universidad de Zaragoza, y el Departamento de Fisiatría y Enfermería de dicha Universidad. Con los procedimientos de caracterización creados se pone a prueba el sistema OrthoBio. De la caracterización temporal se deduce que, no hay pérdidas de fotogramas durante el corte estudiado y que la diferencia de sincronismo entre las cámaras podría llegar en condiciones muy desfavorables hasta 0,15% por segundo. Este experimento podría servir para realizar una calibración con la bola previa a la captura, para determinar el error debido a la mala sincronización, y calcular así, el sincronismo a aplicar durante el gesto. De este modo se corrige el desfase por software y se aumenta la precisión de la triangulación. De la caracterización espacial se deduce que, la correcta disposición de las cámaras es un factor determinante en la exactitud de las medidas. Otros factores que influyen son: ¿el tipo de exploración de imagen utilizada, mejores resultados con imagen progresiva; ¿la velocidad de obturación y la exposición usada en la cámara para capturar los ensayos, mejores resultados al aumentar la velocidad de obturación y reducir la exposición; ¿el campo de captura grabado por la cámara, mejores resultados al reducir el campo de captura; ¿el número de cámaras utilizado en la digitalización, mejores resultados al aumentar el número de cámaras. También se observa que la velocidad con la que se ejecutan los movimientos, no tiene mucha influencia sobre la exactitud de las medidas. Así con las mejores condiciones, buena disposición de 3 cámaras, tipo de exploración progresiva a 25 fotogramas por segundo, velocidad de obturación de 1/4000, exposición -4 y movimientos lentos, los resultados obtenidos son: ¿para la exactitud lineal, el promedio del error medio está entre 0,42mm y 2,57mm y la variación, medida como desviación típica, entre 0,36mm y 2,47mm (para una distancia de 916,12mm) ¿para la exactitud angular, el promedio del error medio está entre 0,06º y 0,20º y la variación, medida como desviación típica, entre 0,1º y 0,13º (para un ángulo de 22º). La caracterización espacial también se prueba en el sistema comercial Vicon. Las condiciones de captura son 6 cámaras alrededor del volumen calibrado, tipo de exploración progresiva a 100 fotogramas por segundo. Los resultados obtenidos para los movimientos lentos son: ¿para la exactitud lineal, el promedio del error medio está entre 0,08mm y 0,76mm y la variación, medida como desviación típica, entre 0,09mm y 0,79mm (para una distancia de 940,30mm) ¿para la exactitud angular, el promedio del error medio está entre 0,03º y 0,26º y la variación, medida como desviación típica, entre 0,01º y 0,12º (para un ángulo de 25,57º). Para mejorar los resultados del sistema OrthoBio, se crea un procedimiento de optimización en dos etapas utilizando como método de calibración el propuesto por Tsai y un calibrador más sencillo al existente. En el procedimiento de calibración primero, se buscan estimaciones iniciales de los parámetros intrínsecos y extrínsecos, excepto de la distancia focal de cada cámara que se considera constante, y posteriormente, se hace una optimización no lineal de todos estos parámetros a la vez. El nuevo calibrador está formado por dos elementos, una pieza triangular plana con 4 marcadores retro-reflectantes, que sirve como anclaje del origen y sistema de referencia mundo y una barra de dimensión conocida con 2 marcadores retro-reflectantes en sus extremos. De nuevo se pone a prueba el sistema OrthoBio, y los resultados obtenidos para movimientos lentos son: ¿para la exactitud lineal, el promedio del error medio está por debajo de 0,87mm y la variación, medida como desviación típica, por debajo de 1,1mm (para una distancia de 916,12mm) La conclusión final es que el sistema OrthoBio optimizado, ha conseguido precisiones similares a las alcanzadas por los sistemas de análisis de movimiento humano ya existentes en el mercado. Para trabajos futuros se piensa estudiar la posibilidad de utilizar las nuevas cámaras digitales CCD con sincronismo externo y mayor frecuencia de captura, que permitan aumentar la precisión en los ensayos. Estas cámaras permiten trabajar con resoluciones de varios mega píxeles y frecuencias de captura que van desde 50 hasta varios cientos de imágenes por segundo, con lo que es posible alcanzar altas prestaciones con una elevada velocidad de proceso. Junto con estas cámaras se piensa usar como protocolo de comunicación, por ejemplo el FIRE Wire, que permite la transferencia de imágenes con un ancho de banda suficiente, y la simplificación de los procedimientos de captura y almacenamiento en PC de secuencias de imágenes de muy alta calidad. Además, el vertiginoso aumento de la velocidad de proceso y de la capacidad de almacenamiento de los PCs, hace que estos sistemas puedan seguir desarrollándose en plataformas de bajo coste.