Headbanging Orkest met behulp van bewegingssensoren en wireless links

Bart Kuyken Wouter Verstichel
Nintendo Wii 2.0?

 
Hoe kan een gamer zich meer inleven in een computerspel? Hoe kan muzikaliteit bij kleuters gemeten worden? Hoe kunnen epilepsieaanvallen betrouwbaar en eenvoudig gedetecteerd worden zonder opzichter? En hoe kan dit alles gecombineerd worden door een en hetzelfde systeem?
 

Centraal in dit artikel staat het woord beweging. De uitdaging is om menselijke beweging eenvoudig en nauwkeurig in kaart te brengen.

Headbanging Orkest met behulp van bewegingssensoren en wireless links

Nintendo Wii 2.0?

 

Hoe kan een gamer zich meer inleven in een computerspel? Hoe kan muzikaliteit bij kleuters gemeten worden? Hoe kunnen epilepsieaanvallen betrouwbaar en eenvoudig gedetecteerd worden zonder opzichter? En hoe kan dit alles gecombineerd worden door een en hetzelfde systeem?

 

Centraal in dit artikel staat het woord beweging. De uitdaging is om menselijke beweging eenvoudig en nauwkeurig in kaart te brengen. De auteurs stellen als eerste een accuraat, eenvoudig en goedkoop platform voor dat de menselijke beweging op de milliseconde volgt en zijn gelijke niet kent: de HOP sensor.

 

Beweging ligt aan de basis van het menselijke handelen en is zo ruim dat elk systeem dat erin slaagt beweging te interpreteren ontelbaar veel toepassingen met zich meebrengt. Stel je voor dat een teken van je hand de muziek doet aanspringen. Of beter: dat je handen geen instrumenten nodig hebben om muziek te maken. Stel je voor dat je in de woonkamer een bal uittrapt en de virtuele keeper in je voetbalspel exact dezelfde beweging maakt. Dit artikel stelt geen gespecialiseerde toepassing voor  maar grijpt naar de basis en stelt een tastbaar systeem voor dat de start is van talloze bewegingstoepassingen.

 

Beweging meten?

Menselijke beweging opmeten klinkt heel vaag. Hoe kan je nu de beweging van een hand opmeten? Twee opties: ofwel zie je de hand, ofwel voel je de hand. Zo gaat het net bij elektronische systemen: ofwel is er een camera die de hand volgt, ofwel is er een toestel, een sensor op de hand bevestigd. Er zijn zoveel redenen om te gaan voor het tweede. Met een camera beperk je de ruimte waar je rondloopt en kan je nooit exact versnellingen en oriëntatie in cijfers brengen. Bij sensoren maakt het niet uit waar je je bevindt, je kan immers nooit uit beeld verdwijnen, en wordt de beweging steeds nauwkeurig opgemeten. Sensoren zijn in wezen elektronische zintuigen, die in alle maten, gewichten en soorten voorkomen. Zo zijn er sensoren die licht meten, vochtigheid, of in dit geval beweging.

 

De HOP sensor heeft twee essentiële meetinstrumenten: een accelerometer en een magnetometer: kleine, zwarte doosjes ter grootte van een oorbel, die minuscule, mechanische elementen verbergen. In de accelerometer of versnellingsmeter schuilt een gewicht, dunner dan een haar, dat ophangt aan veertjes.  Als je de chip kantelt zullen bepaalde veertjes meer uitrekken doordat het gewicht naar beneden wil hangen. Zoals een schietlood de richting van de zwaartekracht aanduidt, zal het gewicht ook steeds de richting van de zwaartekracht aanduiden. In de magnetometer zitten magnetische elementen die het magnetische veld van de aarde in drie dimensies detecteren. Een magnetometer is dus als het ware een drie-dimensioneel kompas.

 

De microcontroller of minicomputer op de HOP sensor abstraheert uit de richting van de zwaartekracht en het magnetische noorden de absolute oriëntatie van de hopsensor en dit honderd maal per seconde. Wanneer verschillende HOP sensoren op het lichaam aangebracht worden, kan de volledige houding van het menselijke lichaam gereconstrueerd worden op elk tijdstip.

 

Opbouw van het systeem

Nu komt echter de moeilijkheid: de beweging mag helemaal niet gehinderd worden. Het geheel moet dus zo klein mogelijk zijn en er mogen geen kabels over het lichaam lopen. Het systeem is bijgevolg volledig draadloos: een enkele ontvanger kan draadloos communiceren met vijftien HOP sensoren tegelijkertijd. De Nintendo Wii ondersteunt slechts vijf controllers tegelijkertijd [1].

 

De informatie van elke HOP sensor wordt via een mini-antenne naar de ontvanger verstuurd. De ontvanger kan aangesloten worden op elk lokaal netwerk en zelfs op het internet, zodat het aantal computers die de bewegingsinformatie gebruiken onbeperkt is. Zo kan bij wijze van spreken een danser in Gent gevolgd worden door een choreograaf in New York en een wetenschapper in Hong Kong.

 

Gebruiksvriendelijk

Een aantal eigenschappen maken de hopsensor zeer gebruiksvriendelijk. De herlaadbare batterij van de HOP sensor gaat veertig uur mee bij gameapplicaties, wat tien keer meer is dan concurrerende systemen die dezelfde functionaliteit aanbieden [2]. Bij medische toepassingen, kan de levensduur zelfs oplopen tot twee maanden omdat de opvolging minder intensief is.

 

De HOP sensor is zo ontworpen dat deze niet langer zoals andere elektronische toestellen bestaat uit een harde printplaat, maar uit een rubber, flex genaamd. Hierdoor neemt de HOP sensor de vorm van het lichaam aan. Doordat de sensor zoveel kleiner is dan een Wii controller - 3 cm op 5 cm - kan deze dus overal op het lichaam aangebracht worden.

 

Wat moet dat nu kosten?

Wanneer een technisch product op zoveel functionele vlakken gemaximaliseerd wordt, stijgt de kostprijs exponentieel. Niettegenstaande bleef een lage kostprijs voor de auteurs steeds een primaire ontwerpparameter waardoor de uiteindelijke prijs in het bereik ligt van een Wii controller, inclusief batterij en oplader. Academische systemen die een gelijkaardige functionaliteit beogen kosten minstens vijf tot tien keer meer [3].

 

Toepassingen

De HOP sensor leent zich uitstekend voor muzikale toepassingen. In het bijzonder op het IPEM - Instituut voor Psychoacoustica en Elektronische Muziek aan de Universiteit Gent - wordt een eerste versie van de HOP sensor al gedurende een jaar gebruikt in experimenten [4]. Via het bestuderen van de beweging bij kleuters in groep kan de muzikaliteit en het sociaal karakter van de kleuters in kaart gebracht worden.

 

Revalidatiecentra als Pulderbos kampen met problemen wanneer het gaat over het detecteren van epilepsieaanvallen bij kinderen [5]. Voorlopig worden camera’s in de slaapkamers geplaatst en houdt een verpleegkundige via een televisiescherm de verschillende kinderen in het oog. Regelmatig worden aanvallen gemist, wat het gevolg is van het grote aantal kinderen die worden gesuperviseerd. Een andere oplossing is noodzakelijk, die gevonden kan worden bij de HOP sensor: de aanvallen kunnen automatisch gedetecteerd worden zonder camera’s en opzichter. Omdat de ontvanger aangesloten is op het internet kunnen de gegevens van een mogelijke aanval verzonden worden naar een computer in het revalidatiecentrum. De kinderen in observatie kunnen in de toekomst thuis blijven.

 

Besluit

De HOP sensor, die oorspronkelijk ontwikkeld werd voor muzikale toepassingen, blijkt na een jaar onderzoek en ontwikkeling veel meer in zijn mars te hebben. Het systeem is uitgegroeid tot een platform dat aan de basis ligt van elke mogelijke bewegingstoepassing. Ook nu nog wordt het meetsysteem verder ontwikkeld aan het Gents universitair CMST - Centrum voor MicroSysteem Technologie - dat nauw samenwerkt met IMEC [6].

 

De HOP sensor laat andere gelijkaardige systemen ver achter zich op vlak van functionaliteit, innovatie, batterijlevensduur, draagbaarheid en kostprijs. Al deze eigenschappen maken van de HOP sensor een compleet en ongezien meetsysteem dat kan uitgroeien tot een belangrijke concurrent van huidige commerciële toepassingen.

Bibliografie

[1]www.wii.com

[2] www.infusionsystems.com

[3]recherche.ircam.fr/equipes/temps-reel/movement/flety/static.php?page=static050309-144808

[4] www.ipem.ugent.be

[5] www.cera-award.be/Projectfiche.aspx?projectid=109&type=noreply

[6] http://tfcg.elis.ugent.be/

 

Universiteit of Hogeschool
Burgelijk ingenieur elektrotechniek
Publicatiejaar
2008
Kernwoorden
Share this on: