Integrated Lower Limb Robotic Orthosis with Embedded Highly Oriented Electrospinning Sensors by Fuzzy Logic-Based Gait Phase Detection and Motion Control

外骨骼 步态 模糊逻辑 可穿戴计算机 模拟 运动捕捉 工程类 计算机科学 控制工程 人工智能 运动(物理) 嵌入式系统 生物 生理学
作者
Ming-Chan Lee,Cheng-Tang Pan,Jhih-Syuan Huang,Zheng-Yu Hoe,Yeong‐Maw Hwang
出处
期刊:Sensors [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:25 (5): 1606-1606
标识
DOI:10.3390/s25051606
摘要

This study introduces an integrated lower limb robotic orthosis with near-field electrospinning (NFES) piezoelectric sensors and a fuzzy logic-based gait phase detection system to enhance mobility assistance and rehabilitation. The exoskeleton incorporates embedded pressure sensors within the insoles to capture ground reaction forces (GRFs) in real-time. A fuzzy logic inference system processes these signals, classifying gait phases such as stance, initial contact, mid-stance, and pre-swing. The NFES technique enables the fabrication of highly oriented nanofibers, improving sensor sensitivity and reliability. The system employs a master–slave control framework. A Texas Instruments (TI) TMS320F28069 microcontroller (Texas Instruments, Dallas, TX, USA) processes gait data and transmits actuation commands to motors and harmonic drives at the hip and knee joints. The control strategy follows a three-loop methodology, ensuring stable operation. Experimental validation assesses the system’s accuracy under various conditions, including no-load and loaded scenarios. Results demonstrate that the exoskeleton accurately detects gait phases, achieving a maximum tracking error of 4.23% in an 8-s gait cycle under no-load conditions and 4.34% when tested with a 68 kg user. Faster motion cycles introduce a maximum error of 6.79% for a 3-s gait cycle, confirming the system’s adaptability to dynamic walking conditions. These findings highlight the effectiveness of the developed exoskeleton in interpreting human motion intentions, positioning it as a promising solution for wearable rehabilitation and mobility assistance.
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