薄膜压力传感器充当外骨骼与地面之间的传感界面。它们持续监测地面反作用力及其在脚踏板上的具体分布，以准确识别用户的步态相位。这种实时数据是自适应阻抗控制的基础输入，使系统能够在脚部与地面稳定接触的那一刻实现机械自稳定。
通过将物理压力转化为数字逻辑，这些传感器使外骨骼能够区分稳定站立（支撑相）和运动（摆动相），确保仅在安全且机械有效时才提供辅助。
步态检测的力学原理
监测地面反作用力
这些传感器的主要职责是实时测量地面反作用力 (GRF)。
它们不仅仅是检测“接触”，而是量化外骨骼末端与行走表面之间接触的强度。
这些数据使系统能够确认用户是否牢固站立，而不仅仅是碰到障碍物。
识别压力中心
除了简单的力测量，这些传感器还能跟踪压力中心 (CoP) 的变化。
通过分析重量在脚上的分布情况，系统可以确定步态周期转换的确切时刻。
这种区分对于区分支撑相（承重）和摆动相（腿向前摆动）至关重要。
实现自适应控制逻辑
驱动有限状态机
压力数据直接输入外骨骼的控制逻辑，通常结构化为有限状态机 (FSM)。
系统使用特定的阈值——例如，检测到力超过 20N 持续一段时间——来验证状态更改。
这确保了控制器仅在环境物理条件保证稳定时才过渡到“支撑”状态。
触发稳定性机制
一旦传感器确认了稳定的支撑相，外骨骼就会启动其安全功能。
这可能包括激活锁定机制或通过自适应阻抗控制来调整腿部的刚度。
如果没有这种传感器的确认，激活这些锁可能会导致用户在行走过程中绊倒或冻结。
理解权衡
校准灵敏度
外骨骼的有效性完全取决于压力阈值的精确校准。
如果阈值设置得太低，系统可能会在摆动期间出现“误报”并错误地锁定腿部。
相反，如果阈值设置得太高，系统可能在用户最需要支撑时无法启动支撑，从而导致不稳定。
响应延迟
虽然薄膜传感器通常速度很快，但总系统延迟包括处理信号和驱动机械锁的时间。
设计人员必须确保从“检测到压力”到“激活稳定性”之间的时间对用户来说是无法察觉的。
任何显著的延迟都可能破坏行走过程中的自然节奏，使外骨骼感觉像是一种负担而不是一种工具。
为您的目标做出正确选择
为了优化单腿外骨骼的性能，您必须根据特定的操作优先级来调整传感器集成。
- 如果您的主要重点是最大程度的安全：优先考虑更高的压力阈值和持续时间检查，以确保锁定机制仅在用户处于完全稳定、静态位置时才启动。
- 如果您的主要重点是流畅的移动性：专注于压力中心 (CoP) 的高频采样，以即时触发自适应阻抗变化，从而在步态之间实现更平滑的过渡。
这些传感器的最终价值不仅在于检测压力，还在于赋予外骨骼与人类操作员同步移动所需的“感知能力”。
总结表：
| 关键作用 | 功能机制 | 系统优势 |
|---|---|---|
| 步态相位检测 | 监测地面反作用力 (GRF) | 区分支撑相和摆动相 |
| 稳定性控制 | 跟踪压力中心 (CoP) | 触发自适应阻抗和锁定机制 |
| 系统逻辑 | 输入有限状态机 (FSM) | 防止误触发并确保安全的状态转换 |
| 用户同步 | 高频压力采样 | 确保无缝、自然的运动节奏 |
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参考文献
- Mohammadhadi Sarajchi, Konstantinos Sirlantzis. Design and Control of a Single-Leg Exoskeleton with Gravity Compensation for Children with Unilateral Cerebral Palsy. DOI: 10.3390/s23136103
本文还参考了以下技术资料 3515 知识库 .
