《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Plantar-pressure-guided support-plate position control for a walker-assisted lower-limb rehabilitation exoskeleton
编辑推荐：
引言：保持适当的足-地接触对于助行器辅助的下肢外骨骼训练至关重要。过大的足底载荷可能增加初始接触冲击和作动器负载，而过度的卸载可能减少摩擦接触和接触稳定性。被动弹簧支撑可以提供冲击缓冲，但不能根据步态相位或足底压力反馈调整支撑工作点。
方法：本研究提出了一种
引言：保持适当的足-地接触对于助行器辅助的下肢外骨骼训练至关重要。过大的足底载荷可能增加初始接触冲击和作动器负载，而过度的卸载可能减少摩擦接触和接触稳定性。被动弹簧支撑可以提供冲击缓冲，但不能根据步态相位或足底压力反馈调整支撑工作点。
方法：本研究提出了一种多区域足底压力引导的位置控制方法，用于助行器辅助下肢外骨骼的支撑力调节板。该系统将固定刚度弹簧与垂直丝杠驱动的调节板相结合。通过融合每只仪表化足上的18个压力传感器单元信号获得总足底压力，并将其作为主要反馈变量。区域足底压力和压力中心用于支持步态相位识别和接触状态估计。采用与相位相关的足底压力目标带作为工程约束，以维持稳定的足-地接触。实验包括三名健康男性参与者在无弹簧、被动弹簧和所提控制三种条件下进行低速框架辅助行走。
结果与讨论：在所提控制条件下，峰值总足底压力为0.687±0.015 BW，比无弹簧条件低21.2%，比被动弹簧条件低6.7%。相对于无弹簧条件，加载率从9.02±0.53降至2.56±0.07 BW/s，初始接触冲击冲量从0.143±0.009降至0.064±0.002 BW·s。髋-膝作动器电能从38.95±2.20降至27.24±1.54 J/步态周期。在计入垂直轴作动器能量后，测得的总作动器电能为30.60±1.68 J/步态周期，仍低于两种对照条件。这些初步结果表明，足底压力反馈可以调节支撑板位置，衰减接触冲击，并在低速助行器辅助行走中降低测得的机器人作动器功耗。
论文解读：基于足底压力反馈的助行器辅助下肢康复外骨骼支撑板位置控制研究
一、研究背景与问题
下肢康复外骨骼旨在为步行功能受损的用户提供重复性、可控且可量化的步态辅助。近年来，穿戴式和移动式下肢康复机器人在机械设计、轨迹跟踪、交互控制和辅助行走等方面取得了显著进展。对于躯干控制能力较弱或独立平衡能力有限的患者，助行器辅助架构提供了额外的物理支撑边界。然而，这种架构虽然提高了操作安全性，也改变了人体、外骨骼和地面在支撑期内的载荷交换方式。因此，助行器辅助外骨骼不仅需要评估关节运动跟踪性能，还应关注足底接触状态、垂直支撑行为和作动器功耗。
体重支撑已被广泛研究用于减少步态训练中的下肢载荷。缆绳驱动、移动式和主动调节式体重支撑系统能够在平地或跑步机训练中提供卸载和保护。这些系统表明垂直支撑可以改善步态练习的可行性，但也揭示了控制权衡问题：纯被动支撑虽然能吸收部分冲击，但无法适应步态相位或个体差异；而缺乏接触状态反馈的主动调节则可能导致支撑期卸载不足或过度卸载而削弱足-地接触。足底压力提供了足-地接触结果的直接测量手段。现代压力鞋垫通常使用多个传感单元，可以计算总足底压力、区域压力和压力中心。然而，单一压力传感单元容易受到局部接触变化和鞋垫放置位置的影响，需要融合所有压力单元信号以获得鲁棒的控制反馈。
二、研究方法与技术
研究人员提出了一种多区域足底压力引导的位置控制方法，用于助行器辅助下肢外骨骼的支撑力调节板。该系统由固定刚度弹簧和垂直丝杠驱动调节板组成，实现了主动-被动混合支撑。该研究对足底压力信号的采集、融合和处理是核心技术路线。具体而言，该系统使用杭州冠图电子科技提供的分布式柔性薄膜阵列采集模块构建18单元足底压力传感模块，利用STM32控制器通过CAN、UART、RS485或模拟采集链路获取传感器信号，MATLAB进行信号处理与目标位置计算，LabVIEW实现显示与记录。研究人员开发了基于死区比例积分控制器的位置控制算法，以总足底压力与相位相关目标带的偏差作为反馈，生成支撑板的低频位置调节指令。此外还引入了一个基于门控循环单元的辅助补偿分支，用于适应个体体重差异和短期步态模式变化。实验在低速框架辅助行走条件下，对三名健康男性参与者在无弹簧、被动弹簧和所提控制三种条件下进行了工程可行性评估。
三、研究结果
（一）足底压力控制结果：在无弹簧条件下，总足底压力峰值在加载响应期和趾离地前较高。被动弹簧缓冲降低了压力，但响应在部分步态周期内仍超出目标带。所提控制条件下的总足底压力峰值较无弹簧条件降低21.2%，较被动弹簧条件降低6.7%；加载率分别降低71.6%和64.7%；初始接触冲击冲量从无弹簧条件下的0.143 BW·s降至0.064 BW·s。足跟、足中和前足区域在承重中依次贡献，区域间载荷连续传递，带外持续时间和外侧压力中心偏移也均低于对照组。
（二）髋-膝关节载荷与能耗：所提控制条件下的峰值绝对髋关节力矩从无弹簧条件的18.19 N·m降至12.46 N·m，峰值绝对膝关节力矩从19.09 N·m降至13.38 N·m。髋-膝作动器电能为27.24 J/步态周期，比无弹簧条件低30.1%，比被动弹簧条件低15.9%。计入垂直轴作动器能量后，测得的总作动器电能为30.60 J/步态周期，仍比无弹簧条件低21.4%，比被动弹簧条件低5.6%。
四、讨论与结论
所提位置控制方法通过压力带约束产生了更平滑的初始接触压力上升，加载率和冲击冲量的降低幅度大于峰值压力的降低幅度，表明该响应并非简单均匀地降低足-地载荷，而是在保留足底载荷和摩擦接触的同时衰减了瞬态冲击。多区域压力融合和COP估计同时捕捉了载荷幅值和位置信息。能耗结果明确了支撑板调节机制的贡献：垂直轴作动器引入了可测量的电能成本，但髋-膝作动器功耗的降低超过了额外垂直轴能耗。该研究将能量边界明确定义为所记录驱动通道的电气功率，排除了再生回收、弹簧储能释放、控制器电子器件和人体制代谢能耗等成分。这些初步结果支持了基于足底压力反馈的调节板位置控制在衰减初始接触冲击和降低测得作动器负载同时保持连续足底接触方面的工程可行性。
