基于用户偏好的行走中人类在环调节髋部外骨骼辅助

帮助人们更轻松地行走

想象能够像调节耳机音量一样轻松地调整可穿戴行走辅助装置。本研究探讨人们是否能够仅凭自身感觉、而不是依赖复杂实验室设备，快速教会一种机器人髋部装置以一种感觉良好且更省能量的方式帮助他们行走。

一个位于髋部的机器人助手

研究者使用了一种髋部外骨骼——一套重量轻的框架，髋部处装有电机，在受试者在跑步机上行走时为腿部运动提供辅助。研究团队没有让工程师预先编程设备应何时推或拉，而是给每位行者一个小型手持控制器。通过它，他们可以调整步态周期中四个关键时刻，即外骨骼改变方向或提供最强帮助的时间点。受试者面前的屏幕显示了简单的辅助曲线，以便他们看到所做改变如何影响感受到的支持。

让用户自己调节支援

共有十一名无行走障碍的成年人参与。经过短暂熟悉后，每人带着外骨骼行走并使用控制器探索不同的辅助模式。研究人员要求他们搜索整个可能范围，并选出感觉最好且似乎能降低自己努力程度的模式。没有固定的时间限制。平均而言，参与者尝试了约三十种不同设置，并大约用了十一分钟决定找到了他们偏好的辅助方式。有趣的是，他们几乎总是一次只改变一个时点，表明他们采取的是谨慎的、逐步的搜索，而非随机试错。

无需繁复计算也能省能

尽管行者仅依赖自身感觉，他们的选择在能量节约上得到了可测量的回报。当外骨骼采用个体偏好的时序模式时，与佩戴同一设备但未提供有益扭矩的情况相比，行走的能量成本平均下降了约17%。考虑到设备自身增加的重量，这仍然意味着与不佩戴设备相比有明显的降低。研究者随后将四个时点分别提前或延后调整。这些改变即便相当大，也几乎未改变能量节省，表明用户选择的模式不仅有效，对小幅时序误差也具有一定的宽容度。

对用户而言控制感的变化

除了能量使用，研究团队还想知道使用外骨骼如何影响人们对自己动作掌控感的体验。在以零辅助或其调好的辅助模式行走后，参与者对几项关于他们是否感到自己在引导动作的陈述进行了评分。如预期，当设备不主动提供帮助时，人们感觉更有控制感。然而即便在只有部分辅助的情况下，得分也明显下降，表明设备的推拉改变了行者对运动归属感的体验。这提示未来的设计应在物理益处与运动自然感之间找到平衡。

这一方法为何重要

本研究表明，让用户凭感觉调节髋部外骨骼可以快速产生个性化的行走辅助，能将能量成本降低到与耗时更长的实验室驱动方法相当的水平。不同个体偏好的设置差异很大，强调了需要个体化调整而非一刀切的方案。由于该方法速度快且不需笨重的测量设备，它有望使外骨骼在老年人、康复患者以及日常使用者中更具实用性。研究结果还指向将来将用户反馈与智能算法结合的系统，使行走辅助不仅适应身体，也适应每个人希望如何移动的方式。

引用: Schäfer, N., Zhao, G., Li, B. et al. User preference-based human-in-the-loop tuning of exoskeleton assistance during walking. npj Biomed. Innov. 3, 32 (2026). https://doi.org/10.1038/s44385-026-00085-7

关键词: 髋部外骨骼, 行走辅助, 用户调节, 人类在环, 代谢成本