惯性测量单元（IMU）在深蹲检测中的主要作用是作为控制系统的精确、实时的时序触发器。通过持续监测脚踝关节的角速度和姿态角，IMU使系统能够将深蹲运动准确地分割成不同的阶段。这种分割对于使设备的机械输出与人体运动同步至关重要。
IMU弥合了原始运动数据与智能控制之间的差距。通过识别深蹲的确切阶段——下降、底部停留、上升或站立——它确保了在最佳时机施加辅助扭矩，从而最大限度地提高了辅助设备的机械效率。
阶段检测的力学原理
监测关节运动学
为了理解用户的意图，IMU专注于脚踝关节的特定生物力学。
它捕获关于角速度（角度变化的速度）和姿态角（脚相对于腿或地面的方向）的实时数据。这些原始数据是控制算法的基础输入。
识别四个关键阶段
利用脚踝的运动学数据，控制系统可以区分深蹲的四个不同阶段。
- 下降阶段：检测脚踝角度减小的下行运动。
- 底部停留阶段：识别深蹲最低点处的暂停或稳定。
- 上升阶段：检测脚踝角度增大的上行驱动。
- 站立阶段：确认恢复到中立、直立的位置。
从检测到控制
时间触发机制
识别这些阶段的主要价值在于创建一个时间触发机制。
系统不是提供持续、不加区分的支持，而是等待特定的阶段转换。IMU数据充当“启动”信号，根据运动的当前阶段告知执行器何时精确地接合或分离。
最大限度地提高机械效率
辅助设备的效率依赖于仅在有用时才输送能量。
通过将上升阶段与周期的其余部分隔离开来，系统确保辅助扭矩仅在深蹲的耗力部分输送。这可以防止在下降或静态阶段浪费能量，并确保运动对用户来说感觉自然。
理解权衡
传感器漂移和累积误差
虽然IMU非常有效，但它们容易随着时间的推移产生累积误差，尤其是在计算姿势或方向时。
正如在更广泛的应用中所指出的，加速度计和陀螺仪的数据可能会发生漂移。为了在较长的运行周期内保持高精度，系统通常需要磁力计校正或先进的滤波算法来补偿这些偏差。
放置敏感性
阶段检测的准确性在很大程度上取决于传感器的物理放置。
虽然主要应用依赖于脚踝关节，但传感器安装不当或移动可能会给角速度读数引入噪声。这可能导致错误的阶段识别，导致辅助扭矩过早或过晚触发。
为您的目标做出正确选择
为了有效地利用IMU进行深蹲检测，请将您的实现与特定的控制目标保持一致：
- 如果您的主要重点是时序精度：优先将IMU精确安装在脚踝关节上，以捕获最干净的角速度数据以进行阶段转换。
- 如果您的主要重点是系统效率：优化您的算法，严格将扭矩应用限制在上升阶段，确保在下降和站立阶段零能耗。
IMU不仅仅是一个传感器；它是决定人机交互成功与否的逻辑门。
总结表：
| 阶段 | 运动描述 | IMU数据焦点 | 控制系统动作 |
|---|---|---|---|
| 下降 | 下行运动 | 脚踝角度减小 | 监测，不施加扭矩 |
| 底部停留 | 最低点稳定 | 角速度为零 | 准备上升 |
| 上升 | 上行驱动/起身 | 脚踝角度增大 | 触发辅助扭矩 |
| 站立 | 中立直立位置 | 姿态角恒定 | 待机/节能 |
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参考文献
- Prakyath Kantharaju, Myunghee Kim. Reducing Squat Physical Effort Using Personalized Assistance From an Ankle Exoskeleton. DOI: 10.1109/tnsre.2022.3186692
本文还参考了以下技术资料 3515 知识库 .
