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利用最小二乘与力学建模估计假肢接受腔中的法向与剪切界面压力

文章摘要

该论文提出一个测试平台,用于在稀疏压力传感条件下评估机械模型对假肢接受腔界面压力的解释能力,并采用两阶段凸最小二乘法识别准静态弹簧-质量接触模型的参数。

来源arXiv Robotics作者: Axel Gonz\'alez Cornejo, Tianhao Yu, Chi Hwan Lee, Edgar Bol\'ivar-Nieto
利用最小二乘与力学建模估计假肢接受腔中的法向与剪切界面压力
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这篇由Axel González Cornejo等四位作者完成的论文《Towards Estimating Normal and Shear Interface Pressures in Prosthetic Sockets via Least Squares and Mechanics Modeling》于2026年6月2日提交至arXiv,归类为机器人学(cs.RO),ACM分类为I.2.9与J.3,论文编号arXiv:2606.04222,DOI为10.48550/arXiv.2606.04222,提交人为Edgar Bolívar-Nieto,全文约13,514 KB。

研究背景方面,作者指出假肢接受腔的适配目前仍主要依赖人工与反复迭代,缺乏客观的适配评价指标。造成这一困境的重要原因之一,是残肢与接受腔界面长期真实生活中的压力数据不足。传统压力传感器存在随时间漂移的问题,而且只能在接受腔内稀疏的位置上采集法向压力,遗漏了生物力学分析中的关键成分——剪切力。虽然已有部分传感器能够同时报告法向与剪切界面应力,但由于测量中的串扰(crosstalk),这两类分量往往难以解耦。作者认为,一条可行的路径是开发能够对现有测量进行增强的模型。

为此,本文搭建了一个测试平台,用于在稀疏压力传感条件下评估模型性能。该平台采用两类互补的验证信号:其一是通过人工残肢传递、并以正交坐标系表示的全局力旋量(global wrench),即总力与总力矩;其二是由稀疏传感集群测得的局部界面载荷,即在每个仪器化位置上以右手定则正交坐标系解耦出的法向与剪切压力分量,每个传感集群由四个电容传感通道组成。

需要说明的是,本文并不追求给出全场压力估计,而是着重呈现一套分析流程,用于在受控条件下量化候选力学模型对全局测量与局部测量的解释能力。研究者评估了一个准静态弹簧—质量接触模型,并通过两阶段凸最小二乘问题辨识其参数。

在静态加载下的验证结果表明,对常数偏置项进行估计可以减少力旋量通道中的稳态偏移,并改善与局部测量的一致性。进一步的帕累托前沿敏感性分析则展示了在引入偏置项后,全局目标与局部目标之间的权衡关系会如何变化。这些结果为未来在稀疏传感条件下借助力学模型补充压力测量、进而推动假肢接受腔客观适配评价奠定了基础。

展开要点与分析

文章情报

研究者进阶

要点

  • 开发了一个测试平台,通过全局力旋量和局部界面载荷两种验证信号评估模型性能。
  • 采用准静态弹簧-质量接触模型,并通过两阶段凸最小二乘问题识别参数。
  • 估计常数偏置项可减少力旋量通道的稳态偏移并改善与局部测量的一致性。
  • 帕累托前沿敏感性分析揭示了全局与局部目标之间的权衡如何随偏置项变化。

要点与分析由自动化流程生成,可能有误,请结合原始来源核实。