鞋载惯性测量单元（IMU）是同步机器人辅助与人体运动所必需的传感输入。这些传感器可实时检测关键步态事件，特别是脚趾离地和摆动中期。通过即时识别这些时刻，外骨骼的控制单元可以分割行走周期，并在用户需要时触发辅助力。
这些传感器的核心功能是弥合人类意图与机器人动作之间的差距。通过持续监测肢体方向和加速度，它们使外骨骼能够在蹬离时提供有针对性的跖屈支撑，并在腿部摆动时提供背屈辅助。
步态检测的力学原理
传感器技术研究
要理解其功能，首先必须了解硬件。高精度IMU通常集成了三轴加速度计、陀螺仪和磁力计。
这些内部组件协同工作，捕获3D运动学数据。这使得系统能够实时重建脚部的精确运动和方向。
识别关键事件
鞋载IMU的主要作用是在步态周期中在线检测特定时刻。系统被编程为检测脚趾离地（脚离开地面时）和摆动中期（腿部向前移动时）。
这种检测不仅限于健康肢体。传感器能够监测偏瘫（受损）和非偏瘫肢体，确保系统能够适应康复环境中常见的非对称行走模式。
实时分割
如果没有上下文，原始数据几乎没有用处。IMU数据由算法处理，将连续的行走运动分割成不同的阶段。
这创建了用户步态周期的动态、实时地图。控制系统使用此地图来确定用户在任何给定毫秒内的步态所处的位置。
辅助力同步
优化蹬离
一旦IMU检测到“脚趾离地”事件，外骨骼就会触发跖屈支撑。
这模仿了小腿肌肉向下蹬脚的动作。在这一特定时刻提供辅助可以最大化推进力，使用户行走更节能。
保障摆动阶段
蹬离后，IMU会检测到“摆动中期”阶段。检测到后，系统会启动背屈支撑。
这种辅助会向上抬起脚趾。这对于防止“足下垂”或绊倒至关重要，确保腿部在向前摆动以进行下一步时，脚部能够安全地离开地面。
理解权衡
算法复杂性
虽然IMU提供客观的运动学数据，但原始输出非常复杂。它需要复杂的算法来将加速度和旋转数据处理成干净、可用的信号。
如果算法未能准确重建3D模型，系统可能会误解运动。这需要高计算效率，以确保检测和动作之间没有延迟。
对传感器精度的依赖
控制质量完全取决于传感器的精度。低质量的IMU可能会出现“漂移”或噪声，导致事件检测不准确。
为了保持跖屈和背屈所需的精确时序，硬件必须使用高精度组件，这些组件能够在使用过程中长期保持准确性。
为您的目标做出正确选择
鞋载IMU的实施在很大程度上取决于您的外骨骼应用的具体需求。
- 如果您的主要重点是能量效率：优先考虑脚趾离地检测的准确性，因为精确的跖屈时序可以为用户提供最大的动力提升。
- 如果您的主要重点是安全和防跌倒：优先考虑摆动中期检测的灵敏度，以确保背屈驱动可靠发生，防止绊倒。
- 如果您的主要重点是康复：确保您的处理算法能够处理来自偏瘫肢体的非对称数据，因为它们的运动学特征通常与健康步态模式不同。
成功在于选择高精度传感器，这些传感器能够立即将原始加速度数据转换为可操作的步态时序。
汇总表：
| 组件/特性 | 在软性外骨骼中的功能 | 对用户的益处 |
|---|---|---|
| 三轴传感器 | 捕获3D加速度和方向 | 精确的运动重建 |
| 脚趾离地检测 | 触发跖屈辅助 | 提高推进力和效率 |
| 摆动中期检测 | 触发背屈辅助 | 防止足下垂和绊倒 |
| 步态分割 | 实时映射行走阶段 | 同步、自适应的机器人支撑 |
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参考文献
- Lizeth H. Sloot, Conor J. Walsh. Effects of a soft robotic exosuit on the quality and speed of overground walking depends on walking ability after stroke. DOI: 10.1186/s12984-023-01231-7
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