超轻型反相扭矩对称机器人髋关节外骨骼：提升步行效率的创新突破

《Scientific Reports》：Ultra-lightweight robotic hip exoskeleton with anti-phase torque symmetry for enhanced walking efficiency

为解决现有外骨骼在紧凑性、重量和可用性方面的不足，研究人员开展 “超轻型机器人髋关节外骨骼助力步行效率提升” 的研究。通过实验，发现该外骨骼可有效辅助步态，提高老年人步行速度等指标，还能降低年轻人步行代谢成本，为外骨骼应用提供新方向。

　　在科技飞速发展的当下，机器人外骨骼成为了康复医疗和人体机能增强领域的热门研究方向。它就像给人类的身体 “开挂”，能帮助人们更好地行走、活动。然而，目前的外骨骼却存在诸多问题。一方面，虽然它们在一定程度上降低了步行能耗，为老年人、中风患者、帕金森病患者等提供了帮助，但主要还局限于实验室和医院等受控环境下的康复治疗，难以在日常生活中广泛应用。另一方面，现有的外骨骼在紧凑性、重量和可用性方面表现不佳，就像背着沉重的 “包袱”，使用起来十分不便。因此，研发更实用、更轻便的外骨骼迫在眉睫。

韩国 WIRobotics 的机器人研发团队的研究人员为了解决这些问题，开展了关于超轻型机器人髋关节外骨骼的研究。他们设计出了一种极为轻便紧凑的单执行器髋关节外骨骼，该外骨骼在步行辅助方面效果显著。这一研究成果发表在《Scientific Reports》上，为外骨骼的发展开辟了新道路。

研究人员在这项研究中运用了多个关键技术方法。首先，基于人体步态力学原理，设计了独特的单执行器髋关节外骨骼（WIM），其结构紧凑，能有效辅助髋关节运动。其次，采用自适应延迟输出反馈控制（Adaptive DOFC）算法，仅依靠单个传感器和执行器，就能适应多种步态模式。此外，通过招募 9 名健康的老年志愿者和 3 名年轻成年人，分别进行户外步行锻炼实验和代谢测量实验，以此评估外骨骼的效果。

研究结果主要体现在以下几个方面：

• 反相髋关节扭矩对称性：研究人员对比分析了不同速度下步行时髋关节、膝关节和踝关节的扭矩轨迹反相对称性误差。结果发现，髋关节的反相扭矩对称性误差（0.13 Nm/kg）相对较小，且在不同步行速度下都能保持稳定的反相扭矩对称性。这表明在设计髋关节外骨骼时，可以充分利用这一特性来辅助髋关节扭矩。
• 对步态质量的影响：经过为期四周的步行锻炼计划，参与者的多项步态质量指标都有显著改善。在 10 米步行测试（10MWT）中，步行速度从平均 1.18 ± 0.16 m/s 提升到 1.34 ± 0.14 m/s，提高了 14.8%；6 分钟步行测试（6MWT）中，步行速度从 1.24 ± 0.11 m/s 提升到 1.36 ± 0.07 m/s，提高了 10.6% 。计时起立 - 行走测试（TUG）的完成时间从 11.73 ± 2.84 s 减少到 8.60 ± 1.13 s，缩短了 24.5%；四方步测试（FSST）的完成时间从 14.32 ± 3.90 s 减少到 11.35 ± 2.41 s，缩短了 19.6% 。除功能性伸手测试（FRT）距离的变化不具有统计学意义外，其他功能评估项目都有显著改善，短身体性能电池测试（SPPB）得分提高了 18.7% 。
• 对下肢肌肉力量的影响：锻炼计划结束后，参与者的踝关节力量有明显提升。踝背屈力量从 8.27 ± 2.08 kgf 增加到 13.78 ± 3.35 kgf，提高了 75.4%；踝跖屈力量从 10.71 ± 2.79 kgf 增加到 14.81 ± 2.57 kgf，提高了 43.8% 。而髋关节和膝关节的近端力量变化较小。
• 对步态效率的影响：对 3 名年轻成年人的补充研究表明，这款重 1.6 kg 的髋关节外骨骼可降低步行代谢成本。在水平跑步机上行走时，使用外骨骼的净代谢成本（2.48 ± 0.05 kcal/min）比不使用时（2.88 ± 0.19 kcal/min）降低了 13.6 ± 3.2% 。

研究结论和讨论部分指出，该单执行器外骨骼在步行过程中能有效辅助髋关节屈伸。对于老年人而言，它在步行速度、平衡能力等方面带来的改善，与双执行器髋关节外骨骼效果相当，且达到了临床上有意义的差异标准，这表明外骨骼干预对老年人的步态速度有显著提升，对增强老年人的步行锻炼效果具有重要意义。同时，外骨骼还能提高老年人的下肢力量，尤其是踝关节力量，这可能是因为它对髋关节的支持增加了步长和速度，进而刺激了踝关节肌肉。此外，对年轻成年人的实验也表明，该外骨骼可降低不同地面条件下的代谢能量消耗。从可用性角度来看，这款外骨骼的设计更便于老年人操作和佩戴，其灵活可调节的结构能适应不同体型的用户，且具有良好的存储和便携性。不过，该研究也存在一些局限性，例如没有设置无外骨骼步行锻炼的对照组，实验样本数量较少等。未来的研究需要扩大样本量，涵盖更多年龄群体和不同的锻炼方案，进一步验证该外骨骼在步态代谢、运动学、动力学和肌肉力量等方面的改善效果。但总体而言，这项研究成果为机器人髋关节外骨骼在实际生活中的广泛应用奠定了坚实基础，有望为更多需要帮助的人带来便利和希望。