使用 3D 打印类泡沫传感器的软鞋垫用于估计三维地面反作用力
机器人学
2025-03-13 v2
摘要
传感鞋垫为日常活动中的步态研究与健康监测提供了工具。要让用户接受此类鞋垫，它们需舒适且轻便。已有工作表明使用鞋垫估计地面反作用力（GRFs）是可行的。然而，这些往往是商用组件的组装，限制了设计自由与定制化。本工作中，我们研究使用四个 3D 打印的软类泡沫传感器来实现鞋垫传感。这些传感器结合 Hammerstein-Wiener 模型的系统辨识来估计三维 GRFs，并与作为黄金标准的仪器化跑台所得数值进行比较。观察到四个传感器在步态周期中的压力分布预期变化一致。此外，辨识出的（个性化）Hammerstein-Wiener 模型展现出最佳的估计性能（垂直、内外侧与前后向 GRFs 平均 RMS 误差 9.3%、R^2=0.85、平均绝对误差（MAE）7%）。从而表明这些传感器能较合理地估计所得三维力。九名参与者的结果可与使用商用 FSRs 结合机器学习的其他工作相媲美或优于之。辨识模型随时间估计性能下降，但在一周后平均仍保持 11.35% RMS 与 8.6% MAE，且 Hammerstein-Wiener 模型在第 2 至第 7 天间看似一致。这些结果显示，使用 3D 打印软压阻类泡沫传感器结合系统辨识，是面向需柔软性、轻量及定制化应用（如可穿戴（力）传感器）的可行途径。
引用
@article{arxiv.2303.04719,
title = {Soft insoles for estimating 3D ground reaction forces using 3D printed foam-like sensors},
author = {Nick Willemstein and Saivimal Sridar and Herman van der Kooij and Ali Sadeghi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2303.04719},
year = {2025}
}
备注
Improved story, addition of more participants, results expanded but conclusions unchanged