增强型终端滑模控制用于步态外骨骼装置：实验研究与验证

帮助儿童更轻松行走

对于许多患有运动障碍（如脑性瘫痪）的儿童来说，仅仅迈出一步就可能需要巨大的努力和精心的治疗。被称为外骨骼的机器人护腿承诺提供更持续的一致练习并减轻治疗师的负担。本研究探索了一种用于儿童步行外骨骼的新控制方式，以便在儿童运动不规则且硬件存在不完美情况时，仍能安全、平滑并准确地引导其腿部运动。

机器人护腿的目标

儿童外骨骼是一种可穿戴的框架，带有带驱动关节，可固定在儿童的髋部、膝部和踝部。在这项工作中，研究人员使用名为 LLESv2 的设备，并配合带轮行走辅助器以保持平衡。目标是让儿童的腿按模仿健康 12 岁儿童的运动模式逐步移动，同时将关节角度保持在安全范围内。实时实现这一目标具有挑战性，因为系统必须应对儿童与机器人共同的重量与运动、传感器与电机的小延迟，以及诸如肌肉僵硬或绑带轻微不对准等不可预测的影响。

为何普通控制方法不够

许多现有外骨骼依赖在干净计算机仿真中表现良好的简单控制方案，但当噪声、摩擦和用户差异出现时便捉襟见肘。数学模型与真实设备之间的小偏差会放大成明显的跟踪误差，使机器人的关节落后或超越期望轨迹。经典的“滑模”方法对不确定性更具鲁棒性，但可能导致电机抖动，并在系统远离目标运动时反应过慢。对于儿童而言，这可能表现为生硬或延迟的步伐，既不自然又可能影响舒适性与安全性。

更智能的步态引导方式

作者提出了一种针对儿童外骨骼的改进快速终端滑模（IFTSM）控制方法。简单来说，该控制器持续比较实际关节角与期望步态，并计算电机应施加的力以弥补差异。新方案根据误差大小调整“加速”向目标运动的速度：当外骨骼偏离目标较远时给予强烈响应，接近正确轨迹时则温和收敛。基于类能量函数的数学分析表明，只要扰动在合理范围内，误差将在有限时间内收缩到近零，而不是仅仅无限制地慢慢靠近。此设计旨在兼顾响应性与平滑性，帮助避免粗糙滑模方法中常见的振荡行为。

实验结果

为测试该控制器，团队在一名发育正常的 12 岁儿童和一名患有痉挛性脑性瘫痪的 12 岁儿童身上进行了实验，两者都在被动辅助模式下使用 LLESv2，由外骨骼主导运动。对于健康儿童，研究人员将新控制器与若干知名方法在相同条件下比较。与标准控制器相比，新方法将关节跟踪误差大约减少了 40% 至 65%，与更高级的滑模变体相比减少约 5% 至 20%，同时使用更少的电力并产生更平滑的电机指令。对于脑性瘫痪儿童，研究在数月内随访了 25 次训练。期间，跟踪健康参考步态的误差在髋关节约下降 38%、膝关节约下降 49%、踝关节约下降 16%。当该儿童后来不佩戴外骨骼行走时，其关节运动朝向健康同龄人的方向发生了约 10% 的适度改变。

意义与后续方向

简而言之，研究表明在真实条件和真实儿童身上，新控制方法能比多种现有策略更准确且更平和地驱动儿童步行外骨骼。该系统在将引导步态保持接近健康模式的同时限制突然冲击和不必要的能耗，这对舒适性和安全性很重要。该工作并不声称基于这些早期结果可得出医疗益处或长期康复结论；仅有两名参与者意味着这些发现主要表明该技术在实践中运行可靠。需要在更大样本量和更丰富临床指标的后续研究，以评估此类精细控制外骨骼如何融入日常康复，以及它们是否能在长期内帮助儿童获得更独立、自信的步行能力。

引用: 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

关键词: 儿童外骨骼, 步态训练, 脑性瘫痪, 机器人康复, 滑模控制