《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Effects of an actuated ankle exoskeleton on walking stability in healthy adults: a controlled laboratory study
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背景：踝关节外骨骼被广泛用于降低步行代谢成本，但其对无扰动步态期间步行稳定性的影响仍理解不足。步行稳定性可用互补指标表征，包括步幅间变异性、全局时间组织和局部动态稳定性。理解驱动式踝关节外骨骼系统如何影响这些不同层面的步态稳定性，对可穿戴机器人装置的安全设计与
背景：踝关节外骨骼被广泛用于降低步行代谢成本，但其对无扰动步态期间步行稳定性的影响仍理解不足。步行稳定性可用互补指标表征，包括步幅间变异性、全局时间组织和局部动态稳定性。理解驱动式踝关节外骨骼系统如何影响这些不同层面的步态稳定性，对可穿戴机器人装置的安全设计与控制至关重要。
方法：18名健康成人在跑步机上以恒定速度1.1 m/s按随机交叉设计分别佩戴与不选配驱动式双侧踝关节外骨骼行走。空间时间变异性通过步长、步宽和支撑相比的系数 of variation（CoV）量化；全局步态稳定性通过步长时间去趋势波动分析（DFA）评估；局部动态稳定性通过躯干、髋、大腿、小腿和足的最大李雅普诺夫指数（MLE）计算。采用配对样本双尾t检验比较条件。
结果：佩戴踝关节外骨骼行走导致步幅间空间时间变异性增加，表现为步长CoV（p＜0.001）和支撑相比CoV（p＝0.005）升高，而平均步长和步宽不变；平均支撑相比在外骨骼条件下降低（p＜0.001）。全局步态稳定性在两种条件间无差异，表明长距离时间步态组织保留。小腿（p＜0.001）和足（p＝0.019）的局部动态稳定性增加。
结论：驱动式踝关节外骨骼在稳态步行中于多个层面改变步态控制。步长和支撑相比的步幅间变异性增加，但全局步态稳定性不变；小腿和足的局部动态稳定性增加，提示踝关节水平辅助在靠近被辅助关节处产生节段特异性效应。这些发现应解释为佩戴外骨骼与接受主动辅助的联合效应，而非单纯跖屈辅助的孤立效应，可为步行中外骨骼稳定性相关设计与控制提供依据。
研究背景方面，下肢可穿戴外骨骼被用于康复、移动支持、工业工效和性能增强，其中踝关节外骨骼因踝在向前推进、机械能量传递和平衡控制中的核心作用受到关注。被动与驱动式踝关节外骨骼均可通过支持跖屈力矩和站立期机械功降低步行代谢成本，但外骨骼会改变肢体力学、感觉反馈和神经运动控制策略，因此其无扰动步行稳定性效应仍存在重要问题。步行稳定性不能用单一指标表征：变异性指标如系数 of variation（CoV）反映步幅间波动，去趋势波动分析（DFA）反映步长时间的长程时间相关性，最大李雅普诺夫指数（MLE，local dynamic stability 的量化指标，表示状态空间邻近轨迹发散速率）反映节段级局部动态稳定性。现有踝关节外骨骼研究多关注能量与力学，少数研究提示辅助时机、功率大小、控制器设计和稳定性构念会导致不同稳定性结果，因此需要在健康成人中同时用互补方法评估无扰动步行的多层面稳定性，为后续康复与日常辅助应用建立基线。
研究人员在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》发表该研究，纳入18名无神经或肌肉骨骼损伤的健康成人，女性6名，年龄24.9±2.9岁，身高1.79±0.06 m，体重70.8±9.0 kg，采用平衡交叉设计，条件为佩戴驱动式双侧踝关节外骨骼（EXO）与不佩戴（noEXO）。外骨骼为对称3自由度结构，背屈、内翻/外翻和内收/外旋为被动自由度，跖屈由缆绳驱动主动辅助，中央驱动单元置于髋带附近，双侧外骨骼重2.4 kg，中央单元重3.3 kg，峰值扭矩目标20 Nm，实际应用峰值扭矩16.7±5.8 Nm，即0.24±0.09 Nm/kg，推进期提供跖屈辅助。
关键技术方法上，研究人员使用16相机200 Hz运动捕捉系统记录全身三维运动，49个解剖标志点加12个集群标记降低软组织伪影，标记轨迹以10 Hz四阶巴特沃斯低通滤波；从80步提取步长、步宽、支撑相比并计算均值与CoV；对120个连续步的步长时间做DFA，窗口长度Δn为4至60，取双对数斜率得到DFA-α；对躯干、髋、大腿、小腿和足的垂直位移时间序列用假近邻法确定嵌入维数m，用平均互信息首局部最小确定时间延迟τ，按Rosenstein算法计算短程MLE（λ），比较窗口为0至0.5个步周期；统计采用Kolmogorov–Smirnov正态性检验与配对样本双尾t检验，效应量用Cohen’s d。
研究结果如下。
空间时间变异性：研究人员发现EXO条件仅平均支撑相比显著降低（p＜0.001，d＝?1.54），平均步长和步宽不变；步长CoV（p＜0.001，d＝1.20）与支撑相比CoV（p＝0.005，d＝0.77）升高。结论为外骨骼改变步幅间控制但未改变整体空间时间形态，增加变异性可能反映神经运动噪声，也可能反映 altered task constraints 下的灵活控制，不能仅凭CoV判断不稳定。
全局稳定性：DFA-α在EXO与noEXO间无差异，数值处于0.5至1之间，表示持续自相似步时间波动。结论为外骨骼未改变步时间长程时间组织，局部推离调整未破坏全局步态时间结构。
局部稳定性：小腿λ降低（p＜0.001，d＝?1.47），足λ降低（p＝0.019，d＝?0.61），表示小腿和足的局部动态稳定性增加；躯干、髋和大腿无显著变化。结论为踝关节水平辅助的效应集中在靠近被辅助关节的远侧节段，腰挂驱动单元附加质量可能影响近侧节段动态，但本研究未显示髋和躯干稳定性被显著改变。
讨论部分总结：研究人员指出，10分钟适应后平均参数和能量结果通常稳定，但本研究未评估更长暴露，增加变异性是否随使用时间下降、维持或变化仍未知。 stance ratio 降低可由外骨骼在终末站立期和预摆动期提供跖屈辅助、协助push-off并促使站立向摆动更早转换来解释，但这不是孤立跖屈辅助效应，而是装置质量、惯性与主动辅助的净响应。DFA结果与前人步时间长程相关性在辅助下保留的研究一致，说明全局时间组织可与空间时间变异性和局部稳定性变化并存。MLE结果与前人远侧节段局部稳定性受踝辅助影响的结论一致，近侧节段未受影响则与设备结构和腰挂驱动单元有关。
结论部分翻译：在稳态步行中，驱动式踝关节外骨骼在多个层面对步态控制进行改变。虽然步长和支撑相比的步幅间变异性增加，但全局步态稳定性保持不变。小腿和足的局部动态稳定性增加，提示靠近被辅助关节的踝关节水平辅助具有节段特异性效应。然而，这些发现应解释为佩戴外骨骼与接受主动辅助的联合效应，而不是跖屈辅助的孤立效应。这些结果为踝关节外骨骼在步行中稳定性相关效应方面的设计与控制提供了见解。
