Development and Validation of a Modular Sensor-Based System for Gait Analysis and Control in Lower-Limb Exoskeletons

要約

外骨格ハードウェア技術の急速な進歩により、評価の成功と正確な制御は依然として困難です。
この研究では、高度なセンサー技術とファジーロジックを利用して、下肢外骨格の生体力学的評価と制御を強化するためのモジュール式センサーベースのシステムを紹介します。
私たちは、研究室に限定されている現在の生体力学的評価法の限界を超え、外骨格制御システムの高コストと複雑さに対処することを目指しています。
このシステムは、慣性測定ユニット、力感知抵抗器、ロードセルを計器付き松葉杖と 3D プリントしたインソールに統合しています。
これらのコンポーネントは、前後圧力中心や松葉杖地面反力などの包括的な生体力学的データを取得するために、独立して、または集合的に機能します。
このデータは、リアルタイムの歩行位相推定と外骨格制御のためにファジー論理アルゴリズムを使用して中央ユニットを通じて処理されます。
3 人の参加者による検証実験では、ゴールドスタンダードのモーション キャプチャおよびフォース プレート技術に対してベンチマークを行い、信頼性の高い歩行位相検出と正確な生体力学的測定に対する当社のシステムの機能を実証しました。
この研究は、私たちの設計をオープンソースで提供し、費用対効果の高い技術を統合することにより、ウェアラブルロボット工学を進歩させ、外骨格研究におけるより広範な革新と採用を促進します。

要約(オリジナル)

With rapid advancements in exoskeleton hardware technologies, successful assessment and accurate control remain challenging. This study introduces a modular sensor-based system to enhance biomechanical evaluation and control in lower-limb exoskeletons, utilizing advanced sensor technologies and fuzzy logic. We aim to surpass the limitations of current biomechanical evaluation methods confined to laboratories and to address the high costs and complexity of exoskeleton control systems. The system integrates inertial measurement units, force-sensitive resistors, and load cells into instrumented crutches and 3D-printed insoles. These components function both independently and collectively to capture comprehensive biomechanical data, including the anteroposterior center of pressure and crutch ground reaction forces. This data is processed through a central unit using fuzzy logic algorithms for real-time gait phase estimation and exoskeleton control. Validation experiments with three participants, benchmarked against gold-standard motion capture and force plate technologies, demonstrate our system’s capability for reliable gait phase detection and precise biomechanical measurements. By offering our designs open-source and integrating cost-effective technologies, this study advances wearable robotics and promotes broader innovation and adoption in exoskeleton research.

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