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基于在线增量学习的定制腕带关节角度估计
Joint Angle Estimation with Customized Wristband Based on Online Incremental Learning

作者: Shuo Wang, Xiaobin Chen, Xiaoming Tao
arXiv: 2605.29771v1
分类: cs.RO
📝 论文摘要
智能可穿戴技术在人机交互、运动及健康监测领域发挥着日益重要的作用。为确保佩戴舒适性与实用性,运动监测通常采用柔性可穿戴传感器形式。然而,当前众多关于可穿戴传感器的研究应用较为简单,难以适应不同情境。本研究提出一种基于在线增量学习方法的定制腕带系统,用于估计腕关节角度。该估计方法包含两个阶段:第一阶段通过在线学习,依据佩戴者手腕运动特征更新模型,并融合惯性测量单元实时数据作为基准真值;第二阶段则仅利用腕带对腕关节角度进行估计。换言之,模型训练在数据采集过程中完成,使得训练后的模型可直接用于后续角度估计。该方法在应对测试配置差异(如同一受试者左右手腕、同一手腕佩戴位置偏差乃至不同受试者差异)所导致的数据漂移方面具有优势。结果表明,传感器在应变变化下表现出良好性能,且所提系统在不同场景下的腕关节轨迹估计误差约为15度。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 智能可穿戴技术在人机交互与健康监测中日益重要,但现有软体传感器应用**过于简化**,难以适应不同场景 - 需要解决因测试配置变化(如左右手腕、佩戴位置偏移、不同受试者)导致的**数据漂移(data drift)** 问题 - 研究背景:柔体可穿戴传感器虽舒适实用,但缺乏自适应能力,无法在真实多变环境中稳定估计关节角度
🔧 核心方法
- 提出**两阶段估计方法**:第一阶段利用**在线学习(online learning)**,结合IMU提供的真实数据更新模型,捕捉佩戴者手腕运动特征 - 第二阶段仅使用定制腕带中的软体传感器进行**腕关节角度估计(wrist joint angle estimation)**,无需外部辅助设备 - 模型训练在数据采集过程中同步完成,后续可直接用于角度预测,形成**端到端(end-to-end)** 的在线自适应流程
💡 核心创新
- **首创在线增量学习框架** 应用于柔体腕带传感器,在数据采集阶段动态更新模型,实现**自适应数据漂移(data drift adaptation)** - **双重适应能力**:同一模型可适应左右手腕、佩戴位置偏差以及不同受试者等**多种测试配置变化**,无需重新训练 - **计算效率高**:无需离线重训练,模型在线更新后即可用于实时估计,降低了部署成本
🏆 总体贡献
- 为柔体可穿戴传感器提供了一种**在线自适应** 的关节角度估计新范式,提升了实际应用中的鲁棒性 - 在多种变化场景下,腕关节轨迹估计误差约为**15度**,验证了系统的有效性 - 推动了**智能腕带(wristband)** 在运动监测与人机交互中的实用化进程,为后续研究提供了可复现的基准