Улучшенное терминальное скользящее режимное управление для экзоскелетного устройства ходьбы: экспериментальное исследование и валидация

Помощь детям в более лёгкой ходьбе

Для многих детей с нарушениями моторики, такими как детский церебральный паралич, даже простой шаг требует огромных усилий и интенсивной терапии. Роботизированные ортезы для ног, известные как экзоскелеты, обещают более последовательную практику и уменьшают нагрузку на терапевтов. В этом исследовании рассматривается новый способ управления детским экзоскелетом для ходьбы, который позволяет безопасно, плавно и точно направлять ноги ребёнка, даже когда его движения нерегулярны, а аппаратная часть далека от идеала.

Чему стремится помочь роботическая ортеза

Детский экзоскелет — это носимая рама с приводными шарнирами, которая фиксируется у ребёнка на бёдрах, коленях и голеностопах. В данной работе исследователи используют устройство под названием LLESv2 в сочетании с ходунками на колёсах для поддержания равновесия. Цель — перемещать ноги ребёнка по траектории, имитирующей походку здорового 12‑летнего ребёнка, шаг за шагом, при этом сохраняя углы в суставах в пределах безопасных границ. Достичь этого в реальном времени сложно, потому что система должна справляться с суммарной массой и движением ребёнка и робота, малыми задержками в датчиках и приводах, а также с непредсказуемыми эффектами, такими как мышечная ригидность или лёгкое смещение ремней крепления.

Почему обычные методы управления недостаточны

Многие существующие экзоскелеты опираются на простые схемы управления, которые хорошо работают в чистых компьютерных моделях, но испытывают трудности при добавлении шума, трения и вариабельности пользователя. Малые несоответствия между математической моделью и реальным устройством могут перерасти в заметные ошибки слежения, когда шарниры робота отстают или превышают желаемую траекторию. Классические методы «скользящего режима» более устойчивы к неопределённостям, но они могут вызывать «дребезжание» приводов и реагировать слишком медленно, если система изначально далека от целевой траектории. Для ребёнка это может означать рывки или задержки в шагах, которые воспринимаются как неестественные и могут повлиять на комфорт и безопасность.

Более умный способ вести каждый шаг

Авторы предлагают улучшенный метод быстрого терминального скользящего режимного управления (IFTSM), адаптированный к детскому экзоскелету. Проще говоря, контроллер постоянно сравнивает текущие углы в суставах с желаемой походкой и вычисляет, с какой силой должны работать приводы, чтобы компенсировать расхождение. Новая схема регулирует скорость «приближения» к желаемому движению в зависимости от величины ошибки: она сильно вмешивается, когда экзоскелет далеко от цели, и плавно ослабляет усилия по мере приближения к правильной траектории. Математический анализ на основе функций, похожих на энергию, показывает, что при разумных пределах возмущений ошибки сходятся почти к нулю за конечное время, а не просто уменьшаются бесконечно медленно. Такая конструкция призвана сохранять движение одновременно отзывчивым и плавным, помогая избежать вибраций, характерных для более грубых схем скользящего режима.

Что показали эксперименты

Для проверки контроллера команда провела эксперименты с одним типично развивающимся 12‑летним ребёнком и одним 12‑летним ребёнком со спастическим детским церебральным параличом; оба использовали устройство LLESv2 в режиме пассивной помощи, когда экзоскелет ведёт движение. Для здорового ребёнка исследователи сравнили свой контроллер с несколькими известными методами, все настроенные при одинаковых условиях. Новый подход сократил ошибки слежения по суставам примерно на 40–65 процентов по сравнению со стандартными контроллерами и на 5–20 процентов по сравнению с более продвинутыми вариантами скользящего режима, при этом потребляя меньше электроэнергии и формируя более плавные управляющие команды для приводов. Для ребёнка с церебральным параличом исследование охватило 25 тренировочных сессий в течение нескольких месяцев. За этот период ошибки при следовании за эталонной здоровой походкой снизились примерно на 38% в тазобедренном суставе, на 49% в коленном и на 16% в голеностопе. Когда ребёнок позже ходил без экзоскелета, движения суставов показали умеренное смещение, порядка 10%, в сторону параметров здорового сверстника.

Что это означает и что дальше

Проще говоря, исследование демонстрирует, что новый метод управления способен приводить в действие детский экзоскелет для ходьбы точнее и мягче по сравнению с несколькими существующими стратегиями, в реальных условиях и с реальными детьми. Система удерживает направляемые шаги близкими к здоровому образцу, ограничивая резкие толчки и излишние энергозатраты, что важно для комфорта и безопасности. Работа не претендует на подтверждение медицинской эффективности или долговременного восстановления на основе этих ранних результатов; при всего двух участниках выводы в основном показывают практическую надёжность технологии. Для понимания того, как такие точно управляемые экзоскелеты могут вписаться в повседневную реабилитацию и способствовать более самостоятельной и уверенной ходьбе у детей, необходимы будущие исследования с большими группами и более богатыми клиническими оценками.

Цитирование: Narayan, J., Abbas, M., Randhawa, P. et al. Enhanced terminal sliding mode control for gait exoskeleton device: experimental investigation and validation. Sci Rep 16, 15403 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42670-1

Ключевые слова: детский экзоскелет, тренировка походки, детский церебральный паралич, роботизированная реабилитация, скользящее режимное управление