《Journal of Bionic Engineering》：Advances in Wearable Sit-to-stand Exoskeleton Designs: A Systematic Review and Meta-analysis of Assistive Performance
坐立转换（STS）在力学上具有较高需求，但对独立功能至关重要，尤其对老年人和神经肌肉损伤个体而言。可穿戴STS装置是身体佩戴式辅助系统，包括刚性外骨骼和软体外骨骼衣，旨在减少STS转换过程中的肌肉用力。然而，现有综述对其辅助效能的定量证据有限，导致有效STS辅助背后的设计特征尚未得到充分探索。本系统综述与Meta分析综合了2010年至2025年间发表的54种系统设计，结合定性设计综合与基于肌电图（EMG）的定量分析，考察硬件配置与肌肉减负之间的关联。在35项效应量观察中，可穿戴STS系统实现了总体EMG降低20.79%（p < 0.01），其中动力-刚性系统降低37.27%。在动力-刚性系统内，站立相显示的肌肉减负显著低于整个STS周期（p < 0.01），而坐下相与整个周期之间未观察到显著差异（p = 0.192）。在所评估的肌肉中，股中间肌（63.70%）和臀大肌（47.80%）观察到相对较大的EMG降低。与传统假设相反，装置重量与辅助效能之间未发现统计学显著关联，单侧与双侧配置、不同关节策略以及健康与临床人群之间也未检测到显著差异（均p > 0.05）。研究结果支持动力-刚性辅助用于STS任务，并表明有效的肌肉减负可能无需增加结构复杂性即可实现，同时强调分别评估站立相和坐下相而非仅依赖整体STS性能的重要性。
1 引言
随着全球老龄化进程加速，外骨骼在医疗康复和辅助应用中受到越来越多的关注。在日常活动中，坐立转换（STS）被广泛认为是力学挑战最大的运动之一，需要约2.1–2.6 N·m/kg的峰值支撑力矩。STS在日常生活中也频繁执行，健康成年人每天完成该任务约六十次。这些高生物力学需求对老年人和神经肌肉损伤个体构成挑战。因此，基于外骨骼的物理辅助作为支持老年人日常活动的手段引起了越来越多的兴趣。
2010年之前，可穿戴STS辅助已通过不同的机械和控制方法得到探索。2005年，Kong和Jeon开发了一种肌腱驱动的下肢外骨骼助力装置，用于坐、站和行走，并使用肌电图（EMG）评估这些运动过程中提供的辅助。2009年，Robot Suit HAL进一步展示了可穿戴外骨骼辅助在完全截瘫患者站立中的应用，结合了体重支撑和姿势稳定性控制。近年来的研究使STS辅助的机械架构和驱动策略多样化，包括动力下肢外骨骼和软体辅助装置（通常称为外骨骼衣），以及被动辅助装置。虽然这些原型已证明减少肌肉用力的潜力，但各研究之间的辅助幅度差异显著。一些系统报告了生理需求的显著降低，而另一些则显示出相对有限的益处。
以往与坐立转换辅助相关的综述考察了面向产业工人的下肢姿态支撑外骨骼、用于STS和坐-走转换的软体机器人外骨骼衣，以及从系统层面审视STS系统。然而，这些综述未能在考察设计特征与辅助性能关系的同时联合考虑刚性外骨骼和软体外骨骼衣。因此，关于设计特征——特别是装置重量和驱动刚性——与辅助效能之间关联的定量证据仍然有限，且较轻系统必然产生更大肌肉减负的假设未通过系统定量综合得到充分检验。
本综述通过提供基于2010年至2025年发表文献的、涵盖刚性和软体架构的可穿戴STS外骨骼系统综述与Meta分析来填补这一空白。研究人员综合相关证据以阐明设计选择（如驱动方式、结构配置）和任务情境如何与辅助性能相关联。具体而言，采用定量Meta分析评估以EMG降低形式表现的辅助效能，并探索其对设计参数的敏感性，包括可用性和安全性等人因因素，目标是为未来STS外骨骼设计提供全面的设计指南。
2 方法
2.1 文献检索
本研究采用系统综述方法全面识别和分析与可穿戴STS外骨骼设计相关的研究发现。为确保准确性、相关性和可重复性，实施了标准化筛选流程。在Web of Science、Scopus和IEEE Xplore数字图书馆三个主要数据库中进行了全面文献检索，覆盖2010年1月1日至2025年10月1日期间。
检索策略采用布尔运算符结合核心关键词，如"exoskeleton"、"exosuit"、"wearable"、"sit-to-stand"及其缩写"STS"。为最大化检索覆盖范围，关键词进行了形态学扩展，包括复数形式、缩写和相关同义词。针对每个数据库实施了语法调整以提高检索精度。例如，在IEEE Xplore中，查询限制在"metadata"字段以减少不相关结果。
除数据库检索外，还对关键研究进行了手动引文追踪，以识别初步查询未捕获的相关文章。本综述按照系统综述和Meta分析首选报告项目（PRISMA）指南进行，确保选择和分析过程全程的透明性和方法学严谨性。
2.2 纳入标准
为确保本综述的可靠性、一致性和科学严谨性，在文献筛选前建立了明确的纳入和排除标准。
纳入标准包括：(1) 涉及设计用于辅助STS转换的可穿戴外骨骼或外骨骼衣的研究，即使STS不是主要焦点；(2) 包含特定外骨骼设计的实验验证或基于仿真的评估的所有研究（如人体试验、原型测试或肌肉骨骼建模）；(3) 以英文发表的全文文章。
排除标准包括：(1) 不涉及可穿戴外骨骼的研究（如固定机器人平台）；(2) 缺乏在已定义外骨骼系统上实施的研究，如无装置验证的理论控制框架或设计细节不足的研究；(3) 综述论文、非英文出版物或无全文可获取的研究。
这些标准确保综述仅聚焦于直接有助于STS任务辅助技术的实验性外骨骼设计研究。
2.3 筛选过程
筛选过程按照预定义的纳入标准分三个阶段进行。从三个主要数据库共检索到417条记录：Web of Science（n = 184）、Scopus（n = 112）和IEEE Xplore（n = 121）。去除57条重复记录后，剩余360条唯一记录进行初步筛选。根据纳入和排除标准审查标题和摘要，排除271项研究，主要因其聚焦于非可穿戴机器人系统。剩余89篇全文文章进行资格评估。其中39篇被排除，原因是未提供足够的设计和实施细节以可重复地提取技术变量，或报告的系统设计已由另一出版物代表。当多篇出版物描述同一设计时，保留最新或最全面的报告作为分析的主要来源。最终从数据库检索获得50项合格研究。通过手动引文追踪额外识别4条记录，最终共有54种独特系统设计纳入最终综合。整个筛选流程遵循PRISMA结构，确保综述过程的透明性、可重复性和可追溯性。
2.4 系统综述与定性数据综合
数据提取由作者独立进行，并组织为三个关键领域以对应分析框架：(1) 研究趋势与一般特征，涵盖出版元数据和目标人群；(2) 设计与驱动特征，详述结构配置、驱动类型（刚性、柔性、混合、无动力）和物理规格；(3) 实验与性能指标，包括受试者选择、任务方案、EMG测量和多维结果。研究的方法学进一步评估以确定定性综合的资格。使用专门为外骨骼研究改编的10项改良检查表进行评估。该验证工具广泛用于评估生物力学干预中随机和非随机研究的方法学质量。检查表优先考虑报告透明度（Q1–Q3）、数据完整性（Q7、Q9）和实验严谨性（Q4、Q5）。每项研究评分0至10分，分为高（7–10）、中（4–6）或低（0–3）。所有纳入研究均用于设计特征、实验配置和多维性能结果的定性综合。
2.5 定量数据综合与统计分析
为评估可穿戴系统的辅助效能，对纳入文献进行了定量综合。按照相同的研究方法学评估，识别出15项提供足够统计数据进行定量Meta分析的研究。
为考虑同一研究或受试者队列内报告多个效应量所产生的组内依赖性，采用线性混合效应模型（LMM）对这15项研究进行定量综合，以研究（Paper）作为随机截距。对于健康与临床人群的比较，模型纳入逆方差加权（1/variance）以考虑EMG效应估计精度的差异，同时将人群类型（健康vs.患者）作为固定因子直接检验基于EMG的肌肉减负在两类人群间是否存在差异。这些研究提供了35项由平均EMG降低（ΔEMG）定义的效应量观察。为适当考虑多结果报告（如单一队列内的多块肌肉、运动阶段或辅助条件），应用了不同的综合策略：分类亚组分析评估按各自因子水平分层的效应量，而装置重量的连续线性混合效应回归以单一聚合效应量代表每项原始研究以确保研究层面的代表性。该指标代表坐立转换实验期间EMG的平均百分比降低，计算公式为：ΔEMG(%) = 100 × (EMG
no-exo ? EMG
exo) / EMG
no-exo，其中EMG
exo和EMG
no-exo分别代表佩戴和不佩戴外骨骼时的肌肉激活。提取的EMG数据包括均方根（RMS）、平均整流值（ARV）和积分EMG（iEMG）。虽然这些指标涉及不同的绝对标度，但在本Meta分析中被认为可比，因为ΔEMG以每项研究内的相对百分比变化表示，从而归一化了单位差异。因此，正值（ΔEMG > 0）表示肌肉活动降低，意味着肌肉节省（或省力）效应。
进行了定量分析以确定辅助效能如何受设计因素（驱动类型、任务类型、系统配置、关节配置）和生物力学因素（肌肉类型、运动阶段、受试者类型）以及任何潜在交互效应的影响。装置重量与辅助效能之间的连续回归也在线性混合效应框架内进行。这些分析仅限于动力系统，因其在文献中占主导地位。尽管如此，还进行了更高层面的比较以观察动力系统与无动力系统之间辅助效能的差异。
3 结果
本节报告54项纳入研究的结果。结果分为两个主要部分：系统定性综合和定量Meta分析。在系统综合中，首先呈现综述中识别的当前研究趋势和人群特征。然后详细考察外骨骼设计特征，随后对用于评估这些设计的主要实验方法学进行定性综述。在Meta分析中，通过多维评估考察系统性能，然后聚焦于不同因素如何影响外骨骼的辅助效能。
3.1 研究趋势与一般样本特征
本节纳入54种独特系统设计，提供研究趋势、目标人群和外骨骼设计配置的全面定性综合。为确保证据基础的可靠性，对所有纳入研究进行了方法学质量评估。虽然识别出样本量小等常见局限性，但研究一致提供了明确的目标（Q1）和详细的装置描述（Q4），确保3.1–3.5节呈现的定性概述代表当前技术轨迹的稳健反映。
3.1.1 研究趋势
总体而言，自2015年以来可穿戴STS外骨骼系统的研究呈整体增长趋势，伴有年度间波动。2017年出现显著峰值（n = 7），可能反映了多个研究方向的同期涌现，包括STS特异性控制和力矩辅助、基于软体外骨骼衣的坐姿转换辅助，以及面向神经损伤个体的可穿戴康复外骨骼。这种多样化可能促进了该年出版活动的增加，尽管年度出版数量也可能受数据库覆盖范围、索引实践、检索边界和出版时间线的影响。
2017年的扩展也标志着可穿戴STS外骨骼设计更广泛转变的开始。早期研究主要聚焦于提供单关节力矩辅助的刚性动力原型。从2019年起，明显转向混合和柔性系统，同时出现了软界面或基于织物的外骨骼衣以及无动力设计。这些方法强调以用户为中心的设计，优先考虑舒适性、低质量和快速穿戴。最近，2025年以来的文献反映了动力刚性外骨骼研究活动的重新激增。这一趋势归因于主题的更广泛多样化，聚焦于以用户为中心的设计，如人体信号驱动驱动、能量自主架构和针对不同人群的用户特定辅助设计。大多数研究主要聚焦于建立装置的初步可行性以进行临床原型验证，以及评估外骨骼在支持老年人日常生活时减少肌肉骨骼劳损和伤害风险方面的性能。
3.1.2 目标人群
研究中发现了六个不同的目标人群，共54篇文章。详细分类显示下肢功能障碍（B组，37.0%）和老年人（A组，33.3%）构成主要人群。老年人组主要指健康老年人或具有年龄相关功能衰退但无特定诊断疾病的个体。神经系统疾病也占显著比例，包括脊髓损伤（C组，25.0%）和中风患者（D组，11.1%）。特定活动困难（E组，11.1%）代表患有神经肌肉疾病如多发性硬化症、杜氏肌营养不良和包涵体肌炎的患者。其他类别（F组，11.1%）涵盖临床组未覆盖的人群，包括健康成年人。
上述人群的复杂性进一步通过这些分类组的重叠交叉得以凸显。如维恩图所示，14.8%的研究（AB组）专门针对患有下肢功能障碍的老年人，1.9%的研究聚焦于具有特定活动困难的老年人（AE组），1.9%聚焦于同时具有特定活动困难和下肢功能障碍的老年人（ABE组）。
3.2 外骨骼一般设计特征
为阐明设计特征之间的相互关系，图4呈现了54项纳入研究的多维关联。统计分析揭示了三个关键维度的不同模式：系统配置、关节配置和任务类型。这些维度共同描述了结构架构、机械实施和功能目标如何在坐立转换辅助技术中协同演化。
第一个维度，系统配置，指辅助是双侧还是单侧传递。双侧配置占主导地位，占纳入研究的72.2%（39/54），通常设计为提供对称支撑。相比之下，单侧系统占研究的25.9%（14/54）。在临床上，这些单侧设计主要应用于偏瘫聚焦的研究，大多数配置针对右侧。
第二个维度，关节配置，描述驱动如何跨解剖关节分布。该维度受系统配置的强烈影响。在双侧系统中，多关节结构最为常见（26/39，66.7%），通常涉及协调的髋关节和膝关节驱动。相反，单侧系统主要简化为单关节驱动，85.7%（12/14）仅聚焦于膝关节，反映了在解决单侧损伤时简化机械复杂性的设计倾向。
最后一个维度，任务类型，反映系统设计的功能范围。研究被分类为独立坐立转换（STS，n = 25）或多任务系统（STS+其他，n = 29），后者将STS与行走或爬楼梯等附加功能结合。如图所示，这些功能目标直接影响关节参与特征。具体而言，专为STS优化的设计显示出对膝关节和髋关节辅助的平衡关注，踝关节参与相对较低。相反，多任务系统需要更大的机械复杂性，显著更高比例的设计纳入踝关节驱动以适应更广泛的运动需求。
3.3 通过驱动策略对外骨骼类型进行定性分析
可穿戴STS外骨骼的驱动策略分为五组：动力-刚性、动力-柔性、动力-混合、动力-未报告和无动力。在综述文献中，动力系统最为普遍，占纳入研究的93%（50/54）。这些系统按结构顺应性进一步区分为动力-刚性（45%）、动力-柔性（28%）和动力-混合（11%）架构，而动力-未报告系统占9%，无动力方案占少数（7%）。以下小节详述各类别的具体设计实施。
3.3.1 刚性驱动外骨骼
刚性驱动系统向下肢关节传递精确力。这些机制有助于减少代偿性肌肉用力并支持STS运动短时高负荷阶段的动态稳定性。因此，刚性系统被广泛采用于可穿戴STS外骨骼系统。无刷直流电机在这些设计中使用最多（65%），因其高力矩密度和耐久性，而有刷直流电机主要见于低成本康复原型。
力传递通常通过涉及电机、齿轮、滚珠丝杠和连杆的传动机制实现。传动装置通常针对特定功能需求进行定制设计。例如，滚珠丝杠提供机械优势和精确的力矩缩放，非常适合管理STS转换开始时的高伸展力矩。另一方面，行星和諧波齿轮促进紧凑的平面传动，使外骨骼能够向用户传递与矢状面运动对齐的精确力矩，同时确保高传动效率和低轮廓设计以最小化机械体积，代价是可能增加的反驱阻力。连杆机构被用于减轻人与外骨骼之间界面错位的影响。一些原型采用混合传动方案（如"滚珠丝杠+四杆机构+缆绳滑轮"）以结合不同传动类型的优势并平衡力矩精度与可穿戴性。
3.3.2 柔性驱动系统
虽然刚性驱动提供精度和可靠性，但其与身体的紧密物理耦合引发了对STS运动过程中舒适性和适应性的担忧。柔性驱动系统在驱动器与人体肢体之间引入顺应性，容纳对齐偏差并增强用户舒适性。
在顺应性方法中，串联弹性驱动器（SEA）最为普遍，顺应性由连接在驱动器上的扭转弹簧或线性弹簧提供。一个SEA设计实例采用双电机变速配置以在站立相和坐下相期间调节力矩。并联弹性驱动器（PEA）纳入被动弹性元件与电机分担负载也已被使用。例如，在KARE-1中，电机以气弹簧形式与弹性驱动器并联布置以抵消重力负载。这种配置降低了电机的峰值力矩需求，并通过减轻对主动重力补偿的需求简化了控制。
肌腱驱动驱动器是软体外骨骼（外骨骼衣）中另一种流行的柔性驱动机制，使用柔性织物、可塑聚合物和缆绳状肌腱结构。研究表明，双关节肌腱驱动外骨骼衣可提供协调的髋-膝伸展辅助和重力补偿，对用户自然运动学的干扰最小，同时实现STS期间膝关节功率降低达35%。类似地，软体髋部外骨骼衣在STS期间将平均EMG活动降低17.8%。
另一方面，由气动人工肌肉（PAM）驱动的外骨骼通常以提供STS任务所需的高力矩著称，报告的峰值力矩可达324 N·m。当与弹性驱动器集成时，这些外骨骼衣可将峰值EMG信号衰减约50%。另一种气动系统是真空驱动器，已显示能够将EMG激活降低多达45%。通过将适形服装与分布式驱动模块集成，动力软体外骨骼衣相比刚性系统可增强舒适性和适应性。
总体而言，柔性驱动展示了用户舒适性与STS转换所需高力矩需求之间的平衡，这反过来启发了混合设计，将刚性系统的精度与顺应性界面的人因优势相结合。
3.3.3 刚性-柔性混合系统
刚性-柔性混合系统将刚性系统的精度与软体驱动或功能性电刺激（FES）等其他设计方法相结合，以提高可穿戴STS外骨骼系统的能量效率、任务适应性和交互安全性。文献强调了两种主要协作范式：(i) 神经肌肉-机械耦合和(ii) 异质关节驱动。
在神经肌肉-机械耦合中，FES直接刺激目标肌肉以促进神经重塑和延缓肌肉退化，而外骨骼补偿FES力输出随时间的逐渐降低，后者源于舒适性或疲劳等用户相关因素。值得注意的实施包括FES结合机械关节锁定以提供主动结构支撑以减少上肢代偿，以及FES paired with串联弹性驱动器以降低膝关节力矩需求和管理疲劳。阻抗控制或迭代学习控制等控制算法在实验过程中动态调整FES与外骨骼电机力矩之间的比例。
在异质关节驱动中，刚性驱动和柔性驱动均被部署以适应STS转换的生物力学需求。例如，VariLeg原型在膝关节采用可变刚度驱动器，在髋关节采用刚性驱动，在承重期间实现高阻抗以维持姿势稳定性，在过渡运动期间实现顺应性冲击吸收。相反，Penzlin等人将髋关节的并联弹性驱动器与膝关节的刚性驱动器集成，优化循环运动中的能量使用，实现峰值力矩降低达31%、RMS功率降低达36%。
总体而言，混合系统将负载分配到不同驱动源，以在最需要的地方实现刚度和顺应性的灵活平衡。该方法能够有效适应峰值STS需求，同时增强舒适性和安全性。然而，这些益处伴随着协调和控制设计复杂性的增加。
3.3.4 无动力外骨骼
无动力外骨骼无需外部能源运行，通过弹簧、重力杠杆或弹性织物和复合材料等顺应性材料等被动机械结构提供辅助。这种方法强调简单性、轻量化和对自然运动的最小干扰。这些系统收集和重新分配能量，无需机电驱动的重量、复杂性或功率需求。实验研究表明，在某些情境下，无动力外骨骼可以实现与动力对应物相当的功能，包括降低净代谢率、增加峰值大腿角速度和降低氧消耗。
通常，无动力外骨骼相比动力对应物具有低质量（0.3–5 kg）和更高舒适性的优势，但代价是力矩产生显著较低。因此，无动力装置聚集在力矩和质量谱的低端，在STS任务中表现出有限的适应性，而动力系统可以跨越更宽的力矩范围，代价是总质量增加。无动力驱动的缺失将更大的重点放在被动机械设计与用户自然生物力学之间的兼容性上，涉及错位被动外骨骼的研究报告了坐姿转换期间代谢需求升高。
3.4 实验评估配置分析
在综述了不同外骨骼驱动机制之后，现在将注意力转向利用外骨骼进行STS转换的实验研究。为确保本综述内的一致性，在考察坐立转换与行走或楼梯协商等其他活动结合的研究中，仅提取和分析与坐立转换特别相关的实验数据和结论。此外，三篇论文为概念性或理论性质，聚焦于外骨骼辅助的可行性而未进行专门的STS实验。因此，它们被排除在本节呈现的统计分析之外。
3.4.1 受试者选择
在54项纳入研究中，共报告214人次参与者（98名男性、37名女性、79名未报告性别）。大多数参与者为健康成年人（n = 163，76.2%），因为大多数实验研究被用作外骨骼的初步概念验证。仅较小比例的参与者为中风和脊髓损伤等病理患者（n = 51，23.8%）。
3.4.2 实验任务
综述的实验研究聚焦于独立STS任务或嵌入涉及行走和爬楼梯等其他运动的更大实验研究中的STS任务。在独立STS任务方面，实验研究报告的成功率最低，仅45.8%（11/24）的研究报告参与者能够完成包括站立和坐下在内的整个STS周期。因此，独立STS装置的研究优先考虑上升站立相的力学，而坐下相的离心控制代表性不足。相比之下，将STS作为子任务的多任务系统表现出更高的成功率（84.0%，21/25）。这一趋势在涉及行走的方案中尤为明显，87.5%（21/24）的研究报告参与者能够完成完整周期。这很可能是因为行走方案固有地要求参与者能够完成完整的坐-站-坐转换以重置步态相位或启动运动。
3.4.3 评估指标与测量结果
可穿戴STS外骨骼系统的评估通常分为两个领域：生物力学性能和工效学相关结果。
生物力学性能包括运动学、动力学和EMG评估。鉴于其普遍性和重要性，EMG数据在Meta分析中单独分析。
运动学评估在几乎所有研究中都有报告，因为其易于量化和直观表示关节运动。研究人员通常量化关节角度变化以表征外骨骼干预下运动模式的改变。关节运动学的改变影响身体稳定性和STS转换过程中质心（CoM）的位移。
动力学评估最常依赖从测力板获得的地面反作用力（GRF）测量。一些研究进一步引入稳定裕度（MoS）作为平衡和动态稳定性的定量度量。人-外骨骼交互力，特别是关节错位产生的寄生力，在多項研究中被强调以评估机械兼容性和界面配合。六项研究采用力敏电阻（FSR）监测足底压力分布，而压力中心（CoP）轨迹被用于评估平衡控制性能。
生理指标报告频率较低。代谢成本在9.3%的研究中纳入，反映全身能量消耗并提供更全面的工作负荷评估。虽然STS任务持续时间短通常限制了可观察的代谢变化，但代谢结果仍是工作负荷降低的有意义指标。
工效学相关结果聚焦于可穿戴STS外骨骼系统的舒适性、可用性和用户接受度。舒适性和实用性的客观指标包括装置噪声水平和穿戴/脱卸时间。除这些客观测量外，若干研究纳入主观评估工具如Borg自觉用力评分（RPE）、系统可用性量表（SUS）和西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数（WOMAC）疼痛子量表以评估辅助STS任务期间的感知用力、可用性和不适。在临床层面，一些研究使用功能评估量表如Berg平衡量表（BBS）和中风康复运动评估（STREAM）来评估佩戴外骨骼时的平衡和运动功能。虽然这些工效学相关测量的报告频率低于生物力学指标，但它们提供了对真实世界功能影响和用户接受度的关键洞察，突显了实验室性能与实际部署之间的差距。
总体而言，当前评估方法学在整合客观生物力学和生理结果与主观指标方面已取得进展，以提供可穿戴STS外骨骼系统的全面评估。
3.5 STS外骨骼的有效性
坐立转换外骨骼的有效性已使用先前定义的生物力学性能、生理反应和工效学相关结果领域进行评估。
在生物力学领域内，运动学和动力学结果测量一致表明积极的机械辅助效应。多项研究报告了髋关节和膝关节力矩需求和关节功率输出的降低。在任务层面，STS持续时间通常缩短至1–5 s，姿势稳定性改善，角度波动限制在±5°以内。在临床人群中也观察到类似改善。例如，偏瘫膝关节外骨骼将STS时间缩短约9%并改善运动对称性。生物力学性能也受控制策略选择的影响。自动自对准关节和齿轮-连杆系统可以抑制寄生力，在某些情况下将人-机器人交互负载降低90%以上或将之维持在7 N以下。
生理结果（不包括EMG，其在3.6节单独分析）在各研究间表现出更大变异性。一些研究报告了动力（约1.7%）和无动力装置（约3.2 ± 1.5%）代谢成本的适度降低。然而，其他研究发现了"代谢惩罚"，即装置重量抵消了辅助益处。例如，一项仿真研究观察到全身代谢成本增加25.6%，而实证数据显示即使有辅助，代谢需求也仅恢复到无外骨骼基线。这些不一致突显了在短时STS任务中测量全身代谢的方法学挑战。
工效学相关结果在用户中总体为积极，但用户意见因评估方法和装置类型而异。对于无动力系统，感知用力未显示一致变化，可用性中位评分为66.3/100。该评分作为定量反例，表明"边缘"可接受性，略低于行业平均基准68，显示有进一步优化空间。对于动力系统，患者报告的疼痛降低约0.75至1分，感知困难降低0.25至1分（0–4量表），反映症状严重程度降低达25%。一份病例报告还注意到适度的功能增益（STREAM从11增至13，BBS从7增至10），且这些症状减轻在约一个月随访时持续存在。然而，相互矛盾的主观反馈，如研究报告的扭转不适和装置滑动，进一步说明了用户体验的异质性。总体而言，动力装置相比无动力装置可能在疼痛和感知困难方面具有优势，但效应量递增且研究间异质性使得难以对外骨骼得出强结论。
3.6 辅助效能的Meta分析
在定性概述之后，对提供足够统计数据（EMG的均值和标准差）的研究进行了有针对性的定量Meta分析。在本节中，辅助有效性使用表面肌电图评估，这是最常报告的生理指标，出现在约42%的研究中。表面EMG量化肌肉激活幅度，在STS外骨骼文献中主要应用于股四头肌群，包括股直肌（RF）、股外侧肌（VL）和股内侧肌（VM）。附加分析包括腘绳肌、臀大肌和胫骨前肌。仅少数研究检查了STS运动期间的躯干肌肉活动，监测竖脊肌以评估姿势稳定需求。
在综述纳入的54项研究中，15项提供了足够的EMG数据进行定量综合。从这些研究提取的35项效应量观察的分析表明，辅助干预的合并效应量具有高度统计学显著性（ΔEMG% = 20.79%，SE = 3.40，z = 6.12，95% CI：[13.88, 27.69]，p < 0.01），证实了这些系统的整体效能。研究间检测到高度异质性（I2 = 86.0%，τ2 = 417.66），反映了实验设计的多样性。
亚组分析结果显示驱动类型对辅助效能有显著主效应。驱动类型亚组间观察到显著差异（p < 0.01），动力-刚性驱动表现出最高效应量（37.27%，95% CI：[25.89, 48.65]），而无动力驱动未表现出统计学显著效应（-6.62%，p > 0.05，95% CI：[-37.42, 24.18]）。任务类型亚组间差异无统计学显著性（p = 0.345）。独立STS任务产生数值上更高的效应量（22.76%，k = 7，95% CI：[14.67, 30.84]），相比STS+其他组合任务（15.39%，k = 7，95% CI：[2.01, 28.77]）。单侧与双侧配置（p = 0.088）和关节驱动策略（p = 1.000）在整体辅助效能上未显示统计学显著差异。
为探究设计配置是否需要与任务特征对齐以实现最佳效能，进行了进一步的交互效应分析。鉴于纳入动力外骨骼研究的有限样本量（k = 14）以及为防止模型过拟合，本研究采用严格的假设驱动方法，仅检验"任务类型"与"驱动类型"之间的交互——这两个因素存在强交互的预期。这种耦合反映了动力系统辅助效能仅在独立STS任务中最为突出的协同效应。线性混合效应模型揭示这两个因素之间存在显著正交互（B = 34.526，p < 0.01）。
为进一步阐明该交互的性质，进行了Bonferroni校正的简单效应分析。由于仅纳入一项混合驱动研究，该条件被排除在分析之外。结果显示，对于动力-刚性驱动，STS（均值 = 53.33%，95% CI：[40.33, 66.33]）和STS+其他（均值 = 18.75%，95% CI：[4.79, 32.71]）任务之间的性能存在显著差异（p < 0.01）。相反，对于动力-柔性驱动，STS（均值 = 12.10%，95% CI：[3.41, 20.79]）和STS+其他（均值 = 12.04%，95% CI：[-1.92, 26.00]）任务之间未检测到统计学显著差异（p > 0.05）。此外，成对比较表明，在仅STS任务类别内，动力-刚性系统显著优于动力-柔性系统（p < 0.01）。即使在保守的Bonferroni校正后，这种优势仍然显著。这些发现提供了稳健证据，表明最佳外骨骼性能源于硬件刚性与任务特异性之间的策略性对齐。
为确保统计独立性并防止回归模型被任何单一装置不成比例地影响，在装置重量的线性混合效应回归中，每项原始研究以单一聚合效应量代表。在该精炼模型下，总佩戴重量与辅助效能之间未检测到统计学显著的线性关联（p = 0.140）。虽然没有检测到统计学显著的线性关系，但数据分布的描述性检查显示，较高的效能值主要落在1.0–5.0 kg范围内，这很可能反映了当前研究对轻量化和便携式架构的优先关注而非因果性能益处。在较高质量（超过10 kg）处95%置信区间的显著扩大是高质量样本稀缺的直接结果，而非特定的性能趋势。此外，纳入健康和临床人群的数据未提供跨不同用户人口学的统计学显著重量-效能关联的证据。
为进一步阐明辅助效能的生物力学意义和临床普适性，对肌肉类型、运动阶段和受试者类型进行了深入亚组分析。线性混合效应模型揭示不同肌肉群对辅助的反应存在显著差异（p < 0.01）。具体而言，除报告非特异性平均整流值（ARV）的亚组（1.08%，95% CI：-20.85至23.00，p > 0.05）外，所有特定肌肉亚组均表现出显著正辅助效应。在多个评估的下肢肌肉群中，股中间肌（VI：63.70%，95% CI：38.38至89.02）和臀大肌（GM：47.80%，95% CI：15.88至79.71）表现出最大的效应估计。
运动阶段也显著影响辅助效能（p < 0.01）。坐下相表现出EMG降低（30.89%，95% CI：15.48至46.30），数值上高于站立相（15.73%，95% CI：8.43至23.04），而整个STS周期显示估计降低为46.15%（95% CI：28.52至63.78）。成对比较显示站立相期间的肌肉减负显著低于整个STS周期报告的减负（p < 0.01），而坐下相与整个STS周期之间未检测到显著差异（p = 0.192）。虽然坐下相表现出数值上大于站立相的降低，但这两个阶段之间的直接比较未达到统计学显著性（p = 0.159）。尽管如此，这些发现强调了分别评估两个阶段的重要性，因为整体STS测量可能不足以捕捉阶段特异性辅助效能差异。关于受试者类型，健康参与者（21.83%，95% CI：14.15至29.52）与患者组（22.66%，95% CI：-1.37至46.68，p = 0.947）之间未观察到统计学显著的辅助效能差异。
4 讨论：挑战与未来方向
4.1 主要发现总结
本系统综述与Meta分析旨在考察可穿戴坐立转换（STS）外骨骼系统的辅助效能。系统综述的第一个目标是根据驱动策略、目标人群和实验配置等因素提供文献的定性概述以理解当前研究格局。识别了54种独特系统设计，主要聚焦于老年人（33.3%）和下肢功能障碍者（37.0%）。第二个目标是对研究进行Meta分析以确定不同设计因素如何影响外骨骼在降低肌肉活动方面的辅助效能，以肌电图（EMG）数据测量。纳入15项研究（35项效应量观察）的Meta分析揭示了外骨骼在降低肌肉活动方面的显著整体效应（p < 0.01）。具体而言，结果显示所分析的主要辅助配置中整体肌肉需求平均降低20.79%。此外，广泛的亚组分析确定驱动类型是方差的主要来源。亚组分析进一步揭示最显著的减负发生在主要抗重力伸肌中，股中间肌（VI）和臀大肌（GM）分别表现出相对较大的估计降低63.70%和47.80%。除肌肉活动降低外，定量数据显示辅助干预通过将STS持续时间缩短1至5秒并有效降低髋关节和膝关节的生物力矩需求来优化运动学性能。
虽然这些发现提供了效能的稳健证据，但必须承认若干方法学限制。虽然研究间观察到统计学异质性，但通过采用线性混合效应模型以研究（Paper）作为随机效应有效解决了该问题。该方法考虑了研究内数据依赖性并提高了合并估计的稳健性。虽然原始研究的样本量通常较小（N < 10），但这反映了新型STS外骨骼原型早期可行性研究的性质，这些发现为未来验证提供了有价值的基础。此外，由于当前文献中运动学和代谢数据报告不一致，本定量综合主要聚焦于肌肉需求（EMG）。未来原始研究应纳入多维分析以捕捉更广泛的功能结果。最后，虽然本综述限于英文出版物，未来综述可考虑其他语言的出版物以进一步增强数据的全球多样性和普适性。
这一发现挑战了许多研究的假设，即坐下是重力辅助的且固有地更容易，以及患者或老年人的坐下性能相比需要重力补偿的站立往往与健康个体相当。然而，生物力学研究表明坐下需要复杂的多平面神经肌肉控制（如膝关节横向和髋关节额状协调）并依赖离心收缩来调节下降动量，其区分老年人功能残疾的能力超过站立。这些观察强调坐下相是一个机械上具有挑战性的阶段，在评估STS辅助时不应被忽视。
值得注意的是，站立相期间的EMG降低显著低于整个STS周期（p < 0.01），而坐下相与整个STS周期无显著差异（p = 0.192）。这些发现表明仅整体STS测量可能不足以代表阶段特异性辅助效能。因此，未来原始研究应明确评估离心坐下相与向心站立相，以确定STS系统是否根据预期临床人群的需求在每个阶段提供有效辅助，而非仅依赖整体STS性能测量。这些观察还强调了阶段特异性辅助策略的潜在价值，以应对站立相和坐下相的不同需求，而非在整个STS周期应用相同策略。例如，根据临床需求，半单向辅助机制——主动支持上升同时在下降期间提供受控阻力——可能提供对称双向辅助的替代方案。
4.2 整体效能趋势：动力-刚性主导
Meta分析揭示驱动策略强烈影响辅助效能的上限。动力-刚性系统表现出最稳健且统计学显著的辅助效应量（37.27%，95% CI：[25.89, 48.65]），而无动力方案未检测到统计学显著的辅助效应（-6.62%，p > 0.05）。从临床角度看，动力系统对完全丧失独立活动能力的用户不可或缺，而无动力方案更适合具有残余肌力的用户，如老年人或仍能执行基本步行的康复后期患者。尽管刚性系统占主导地位，动力-柔性驱动也表现出对肌肉减负的显著效应（12.08%，95% CI：[3.26, 20.91]）。虽然该效应具有统计学显著性，但成对比较确认其显著低于动力-刚性系统（p < 0.01）。这表明通常优先考虑用户舒适性、低质量和运动学透明度的柔性设计，可作为具有残余肌力、需要轻量辅助的用户的可行替代方案，而非需要高力矩支撑的用户。
交互分析确认任务类型与驱动之间存在显著协同效应（p < 0.01），其中STS任务与动力-刚性驱动的组合表现出最强的辅助效应（均值 = 53.33%，95% CI：[40.33, 66.33]）。简单效应分析进一步确认刚性系统在STS任务中显著优于柔性系统（p < 0.01）。这一发现强调对于涉及高力矩输出和瞬时功率爆发的任务如STS，刚性连杆的高效力传递至关重要，而柔性或多功能设计可能因刚度不足而损害STS效能。
鉴于动力-刚性系统观察到更强的辅助效应，一个重要考虑是这些系统相关的额外质量是否抵消其机械优势。线性混合效应模型未检测到装置重量与辅助效能之间的统计学显著线性关系（p = 0.140），表明装置重量本身可能不是基于EMG的肌肉减负的显著预测因子。这表明辅助效能可能受驱动策略、机械架构和目标人群等附加因素的影响。
这一观察表明，在可穿戴系统的实际质量范围内，动力辅助的机械优势可能部分补偿装置引入的额外惯性。然而，当考虑代谢消耗时，装置质量的影响变得更加明显。虽然一些系统实现了1.7%–3.2%的代谢成本降低，但其他研究报告了"代谢惩罚"，即外骨骼的附加质量增加了氧消耗并可能抵消部分机械辅助益处。因此，未来动力-刚性系统应旨在最大化辅助效率同时最小化装置质量对人体运动和代谢需求的不利影响。
潜在策略包括先进控制方法，如最优阻抗控制和线性二次调节器，以改善外骨骼-用户兼容性。另一种策略涉及能量管理技术和节能机制，包括仿生弹性辅助、液压能量回收和飞轮基转换，可进一步提高外骨骼与用户之间的能量传递效率。同时，新兴智能材料，包括磁流变复合材料和可调结构织物，提供对用户运动的毫秒级适应性，支持对多样化任务的响应性。
外骨骼与肌肉活动之间的冲突也可能导致无动力系统整体辅助效应缺乏统计学显著性，基于特定研究的有限证据。虽然无动力装置降低臀大肌（GM）和股二头肌（BF）的活动，但它们增加股直肌（RF）和胫骨前肌（TA）的活动。这种额外肌肉做功可能抵消辅助益处，可能导致净性能降低。RF增加主要是为了在预伸展阶段"抵消"装置的恒定伸肌力矩，而TA增加是由于附加质量。为解决这一问题，未来无动力设计可使用低轮廓踝足外骨骼中的离合器基机制。通过仅在伸展阶段允许自动接合，此类设计可潜在地消除来自外骨骼的不期望干扰。
基于30% EMG降低阈值，五项研究被识别为高效能。在这五项研究中，出现了若干共同设计策略。第一，高效能装置通过将驱动器远端放置在胫骨上、背部或使用低轮廓真空袋将驱动器质量与运动节段解耦，避免大腿惯性损害快速膝关节伸展。第二，它们优先考虑可反驱传动如滚珠丝杠、四杆机构、肌腱缆绳或真空驱动器，允许用户主导运动而外骨骼跟随，这对短促爆发性STS运动至关重要。第三，它们在早期上升阶段（STS周期的20–40%，膝关节角度80–110°）提供短力矩爆发并在膝关节角度阈值处突然终止辅助或通过设计终止，而逐渐衰减延迟终止并降低净益处。第四，它们靶向单一主要肌肉群：刚性系统聚焦于股四头肌（膝伸肌），软体系统聚焦于臀大肌（髋伸肌）；多关节低力矩辅助分散能力且效果较差。第五，它们使用极简意图检测（单通道EMG、简单SVM四模式或两个IMU）而无需复杂状态机，而低效能设计缺乏其中一个或多个特征。
4.3 目标人群与人群特异性考虑
系统综述结果表明下肢功能障碍者（37.0%）和老年人（33.3%）代表STS外骨骼系统的主要目标人群。然而，定量亚组分析未检测到健康参与者（21.83%）与患者组（22.66%；p = 0.947）之间肌肉减负的统计学显著差异，表明在这个广泛分组层面上人群类型不是基于EMG的肌肉减负的显著调节因素。然而，鉴于患者亚组相对较小且纳入临床条件的异质性，这一发现应谨慎解释。
4.4 结构设计：简化与协同交互
本综述考虑了单侧和双侧设计。尽管单侧设计存在潜在不稳定性或不对称负载传递，亚组分析未检测到单侧与双侧配置之间（p = 0.088）或仅膝关节与多关节策略之间（p = 1.000）效能的统计学显著差异。这些发现表明更大的结构复杂性不一定转化为更大的肌肉减负。因此，当EMG降低是主要目标时，简化配置可能仍是可行的设计策略，尽管其更广泛的功能有效性需要考虑平衡、对称性、安全性、代偿性负载和功能独立性等结果。然而，这一结论必须与用户特异性相结合。例如，在双侧损伤用户中，单侧辅助可能对未辅助侧产生过度代偿负载，从而损害步态对称性。类似地，虽然仅膝关节辅助提供主要生物力学提升，但多关节支撑对于确保严重姿势不稳定患者的功能安全仍然必要。因此，架构的选择应通过定制化评估来确定，以协调机械简单性与临床安全性和用户人群。
4.5 任务场景与设计模块化的必要性
结果表明独立STS任务产生数值上更高的效应量（22.76%）相比STS+其他组合任务（15.39%），尽管该差异未达到统计学显著性（p = 0.345）。这一观察趋势表明当前用于STS辅助的可穿戴外骨骼设计可能难以同时满足站立（高力矩、低速度）和行走（低力矩、高速度）等其他任务的不同生物力学需求。为弥合这一差距，未来研究应转向模块化和硬件定制。而非采用单一固定结构，模块化设计范式应允许根据特定移动场景对组件进行物理重构。例如，为站立高力需求设计的刚性驱动模块可替换为轻量弹簧类组件以提高行走舒适性和速度。类似地，强化康复期间站立相所需的高力矩动力系统可与无动力弹性组件互换以用于日常使用。
这种以任务为中心的方法使硬件能够适应不同的用户需求，从STS训练到日常辅助移动，从而优化效率而无需非适应性多用途系统的重量惩罚。
4.6 评估指标与未来挑战：从生物力学到以人为中心的设计
Meta分析确认可穿戴STS外骨骼在降低肌肉负担方面具有显著效能——EMG降低的合并效应量为20.79%。然而，必须认识到肌肉用力的降低不等同于装置可用性改善或用户偏好增强。虽然EMG信号是目前最普遍的性能指标（用于42%的研究），但它不能全面捕捉辅助效能的所有方面，如用户体验。这一差距由Meyer等人所证实，他们发现虽然研究人员经常评估功能和性能，但往往忽视社会心理因素和情感反应如满意度，这些同样是技术辅助效能的重要设计标准，因为它们对于确保用户接受度和频繁使用是必要的。
解决这些社会心理考虑的一种方法是通过更以人为中心的用户与外骨骼之间的交互。最近的主要焦点是意图识别。传统机器学习技术如基于SVM的框架以及更近期的强化学习技术已被广泛采用以提高对用户意图的响应性。相比之下，评估用户舒适性的方法仍然不发达。当前文献已开始通过穿戴/脱卸时间和噪声水平等指标推断舒适性。虽然界面压力映射、热监测和瞳孔测量用于认知负荷等有前景的方法已被探索，但由于技术复杂性其应用仍然有限。此外，虽然职业外骨骼存在纵向实地研究，但STS系统的可比长期评估稀缺。最后，主观评估缺乏标准化。除Borg CR-10量表外，近期研究采用了SUS和基于WOMAC的评分。虽然一个月随访确认了持续改善，但量表类型和评分方法的不一致阻碍了跨研究可比性。
这突显了需要为可穿戴STS外骨骼系统量身定制的统一主观评估框架，未来研究旨在重新审视标准化用户评估基准以增强跨研究结果可比性。
5 结论
坐立转换（STS）对日常独立功能至关重要，但从膝关节施加高生物力学负荷。许多外骨骼已以减少肌肉用力为目标开发，但实现该目标的設計间普遍相似性仍不清楚。本系统综述（n = 54）和15项研究的Meta分析为可穿戴STS外骨骼的效能提供了初步定量证据，揭示显著的合并EMG降低（20.79%），其中动力-刚性系统相比无动力系统实现了更显著的降低。值得注意的是，在站立相、坐下相和整体STS阶段均观察到显著EMG降低。重要的是，站立相显著低于整个STS周期（p < 0.01），而坐下相与整个STS周期无显著差异（p = 0.192）。这表明整体STS效应主要由坐下相而非站立相主导。因此，两个阶段可能需要不同的辅助和控制策略。
此外，在可穿戴系统的实际重量范围内，未发现装置重量与辅助效能之间的统计学显著线性关联，表明辅助效能不能仅由质量解释，还受驱动策略和机械架构等因素影响。最后，简化配置与更复杂系统之间，或健康与患者人群之间，未检测到辅助效能的统计学显著差异。
基于这些发现，刚性架构在STS转换期间表现出明显优势，这可能与其精确力传递和有效管理瞬时功率爆发而不发生结构屈服的能力有关。未来发展应保留这些机械优势同时减少不必要的结构质量和复杂性。重要的是，站立相表现出显著低于整个STS周期的肌肉减负，而坐下相与整体周期无显著差异。这些发现强调了将STS视为两个机械上不同阶段而非仅依赖整体任务性能的重要性。因此，未来系统可能受益于阶段特异性或非对称辅助策略，其中辅助的幅度、时机或控制分别适应站立相和坐下相的需求。
为增强临床实用性，这种刚性基础还可纳入模块化架构，允许无缝集成超出STS的功能任务的扩展支撑。为满足用户功能需求，设计策略可优先考虑单侧膝关节辅助以保持机械简单性，同时在辅助效率和整体系统重量之间实现最佳平衡。最后，建立标准化评估框架对于实现跨研究的严格用户效能比较至关重要。总之，这些考虑可确保可穿戴STS外骨骼成功从实验室原型过渡为更广泛人群的实用工具。
