一种新型机器人手杖速度调控方案：改善步长对称性的地面行走康复新策略

《Scientific Reports》：A novel scheme for speed variation of a robotic cane to improve step length symmetry during overground walking

为解决脑卒中患者步长不对称(Step Length Symmetry, SLS)这一康复难题，研究人员开发了一种基于机器人触觉手杖(Haptic Cane, HC)的速度变异方法(Speed Variation Method, SVM)，通过正弦波速度曲线生成间歇性拉力/推力。研究发现，在24名健康受试者和1名卒中患者的实验中，正相(P)和正负相组合(PN) SVM能显著改善SLS比值（健康受试者从0.00±0.02提升至0.04±0.03，卒中患者从-0.13±0.00改善至-0.04±0.01），同时维持骨盆倾斜RMS值（p<0.001），表明该方案可在不影响行走平衡的前提下提升步态对称性。

　　

在脑卒中康复领域，步态不对称犹如一道顽固的屏障，阻碍着患者重返正常生活的步伐。当左右脚步长出现显著差异时，不仅会破坏行走平衡，增加跌倒风险，还会导致能量消耗异常升高，长期更可能对肌肉骨骼系统造成二次伤害。传统分体式跑步机训练虽能改善步长对称性，但其高昂成本和空间限制使得临床普及困难重重。更关键的是，这种器械训练与患者日常的真实行走环境存在显著差异，难以实现康复效果的直接转化。

面对这一挑战，来自韩国庆尚国立大学和光州科学技术研究院的联合研究团队独辟蹊径，将目光投向了地面行走康复设备。在《Scientific Reports》最新发表的研究中，他们开发了一种基于机器人触觉手杖的创新性速度调控方案，试图在更贴近现实的环境下破解步态不对称难题。

研究团队的核心创新在于速度变异方法的设计灵感。他们观察到，当患者使用传统手杖以恒定速度行走时，产生的力交互作用呈现不规则"山形"波动，这种非正弦波模式难以有效调控步态。为此，团队设计了三种SVM模式：正相速度曲线在步长较短侧腿的脚跟触地时产生拉力，负相曲线则产生推力，而正负相组合则兼具两种作用。这种设计巧妙避开了直接力控制可能带来的系统不稳定问题，通过速度变化间接生成所需的交互力。

关键技术方法方面，研究采用了一款经过改良的单自由度机器人触觉手杖，配备155毫米直径驱动轮和三维力传感器，可实时监测用户与设备间的交互力。系统集成基于力敏电阻的压力鞋垫，用于精准检测步态支撑期与摆动期。运动捕捉采用惯性测量单元系统，以100Hz频率记录骨盆、大腿、小腿和脚部的运动轨迹。实验设计包含健康受试者（24人）与卒中患者（1人）两组，分别在不同SVM模式下进行地面行走测试，通过比较步长对称性比值、骨盆倾斜均方根等参数评估干预效果。

健康受试者实验结果

数据分析显示，握持手杖的手侧（左手或右手）对各项参数均无显著影响（p>0.05）。在步速方面，正相SVM使行走速度从1.20±0.09 m/s显著提升至1.26±0.09 m/s（p<0.001），而正负相组合模式的速度增加幅度略低于纯正相模式。交互力测量证实了SVM的有效性：正相和正负相组合模式产生的拉力峰值达到13.46±3.88 N，显著高于恒定速度条件下的5.52±2.14 N（p<0.001）。

最令人鼓舞的是步长对称性的改善。与正常行走相比，正相和正负相SVM使左侧步长显著增加，SLS比值从0.00±0.03提升至0.04±0.03（p<0.001）。尤为重要的是，尽管施加了相当大的交互力（最大推力5.18±4.06 N），骨盆前后和内外侧的倾斜均方根值均未出现显著变化，表明该方案在改善对称性的同时保持了行走稳定性。

卒中患者试点测试

对一名左侧偏瘫卒中患者的测试结果与健康受试者趋势相似，但展现出一些独特特征。在偏好速度条件下，正负相SVM使步速从0.88±0.03 m/s提升至0.96±0.01 m/s， stride length（步幅）从1.19±0.02米增加至1.29±0.00米。SLS比值从基线-0.13±0.00改善至-0.04±0.01，同时摆动相对称性也得到提升（从0.11±0.03改善至0.07±0.02）。值得注意的是，快速行走条件（偏好速度增加20%）下的改善效果更为明显，提示速度参数与SVM模式间存在协同效应。

讨论与意义

本研究的重要发现在于，机器人手杖基于速度变异的方法能够同时改善步长对称性和行走速度，且不破坏平衡控制。与分体式跑步机仅通过改变双腿速度比来调整步态模式不同，HC-SVM方案通过提供与特定步态相位同步的体感反馈，同时作用于感觉传入和运动传出信号通路，这可能为卒中康复带来更全面的效益。

特别值得关注的是卒中患者对基线手杖速度和负相SVM的敏感性。研究表明，快速行走条件下的正负相组合模式能产生最佳对称性改善效果，这为个体化康复方案制定提供了重要参考。此外，该设备在测试过程中未引发任何不良事件或不稳定情况，患者表现出良好的接受度和信心。

尽管试点测试样本量有限，但研究成果为低成本地面行走康复提供了新思路。相较于分体式跑步机，这款单自由度机器人手杖造价低廉、便于临床推广，且能在更接近日常生活的环境中进行训练，有望提高康复效果的泛化能力。

未来研究将聚焦于三大方向：一是扩大卒中患者样本量，验证SVM方案在不同残疾程度患者中的普适性；二是开发自适应控制器，根据用户需求动态调整速度曲线参数；三是深入探究对称性改善与能量消耗间的关联性，评估康复效果的实际功能意义。

这项研究的意义不仅在于提出了一种新型康复技术，更在于开创了基于自然行走环境的对称性训练新模式。通过将复杂的步态调控转化为直观的力交互体验，该方案有望帮助更多卒中患者重拾行走的对称与优雅，在康复道路上迈出更加坚实而平衡的步伐。