3D Printed Graded Porous Sensors for Soft Sensorized Insoles with Gait Phase & Ground Reaction Forces Estimation

要約

センサー化されたインソールは、日常生活の中で歩行研究と健康モニタリングを実行するためのツールを提供します。
これらのセンサー化されたインソールが受け入れられるには、快適で軽量である必要があります。
以前の研究では、センサー化されたインソールが可能であり、床反力と歩行サイクルの両方を推定できることがすでに実証されています。
ただし、これらは多くの場合、設計の自由度と柔軟性を制限する商用コンポーネントのアセンブリです。
この作業の中で、市販のインソールに埋め込まれた 4 つの 3D プリントされた多孔質 (泡のような) ピエゾ抵抗センサーを使用する可能性を調査します。
これらのセンサーは、ゴールデン スタンダードとして計装トレッドミルを使用して評価されました。
4 つのセンサーは、歩行サイクル中に予想される圧力分布の変化に沿って動作することが観察されました。
さらに、垂直方向および内側外側の床反力 (GRF) を推定できる Hammerstein-Wiener モデルが特定されました。
彼らの NRMSE フィットは、それぞれ平均 82% と 73% でした。
同様に、平均歩行周期の R^2 値は 0.98 と 0.99 で、正規化された RMS エラーは全体で 6% 未満でした。
これらの値は、市販の力感知抵抗器に基づく他のインソールと同等でしたが、コストは大幅に低かった (4 分の 1 以上安かった)。
これは、当社の 3D プリント センサーが、センサー化されたインソールの興味深いオプションになる可能性があることを示しています。
これらのセンサーを 3D プリントする利点は、設計の自由度が大幅に高まり、組み立てが減り、安価になることです。
ただし、複雑なセンサーのこの設計の自由度を活用し、前後の GRF を推定し、インソール全体を完全に 3D プリントするには、さらなる研究が必要です。

要約(オリジナル)

Sensorized insoles provide a tool to perform gait studies and health monitoring during daily life. These sensorized insoles need to be comfortable and lightweight to be accepted. Previous work has already demonstrated that sensorized insoles are possible and can estimate both ground reaction force and gait cycle. However, these are often assemblies of commercial components restricting design freedom and flexibility. Within this work, we investigate the feasibility of using four 3D-printed porous (foam-like) piezoresistive sensors embedded in a commercial insole. These sensors were evaluated using an instrumented treadmill as the golden standard. It was observed that the four sensors behaved in line with the expected change in pressure distribution during the gait cycle. In addition, Hammerstein-Wiener models were identified that were capable of estimating the vertical and mediolateral ground reaction forces (GRFs). Their NRMSE fits were on average 82% and 73%, respectively. Similarly, for the averaged gait cycle the R^2 values were 0.98 and 0.99 with normalized RMS errors overall below 6%. These values were comparable with other insoles based on commercial force sensing resistors but at a significantly lower cost (over four times cheaper). Thereby indicating that our 3D-printed sensors can be an interesting option for sensorized insoles. The advantage of 3D printing these sensors is that it allows for significantly more design freedom, reduces assembly, and is cheaper. However, further research is needed to exploit this design freedom for complex sensors, estimate the anteroposterior GRF, and fully 3D print the entire insole.

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