改良型機器人假肢如何幫助截肢患者解決髖部和背部問題

研究人員開發了一種新的算法，該算法結合了兩種機器人假肢個性化流程，既能優化假肢的運動，又能首次幫助使用者的身體形成更自然的行走模式。這種新方法可用于幫助恢復和維持使用者運動的各個方面，旨在解決與截肢相關的健康挑戰。

該論文題為“通過雙層優化機器人膝關節假肢控制實現人機共生”，發表于《IEEE機器人學報》。

“旨在改善機器人假肢性能的算法并非新鮮事物，但這是第一個能夠全面改善與假肢交互的人的身體行為的算法，”該論文的共同第一作者兼通訊作者Varun Nalam表示。

“當人們膝蓋以上截肢時，會影響他們身體其他部位的活動方式，”北卡羅來納州立大學蘭佩聯合生物醫學工程系和北卡羅來納大學教堂山分校的助理研究教授納拉姆說道。

“這會導致腰痛、髖關節問題等等。迄今為止，機器人假肢主要致力于替代缺失關節的運動。例如，控制機器人假肢膝關節行為的軟件一直專注于優化假肢膝關節的運動。”

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新算法如何改善運動

“我們這項研究的目標是開發一種新算法，它可以實現兩個目標，”納拉姆說。“我們仍然希望確保假肢膝關節功能正常——但我們也希望確保用戶的身體能夠像截肢前一樣活動。這不僅能讓用戶擁有完整的腿部活動范圍，還能幫助避免腰痛、髖關節問題等。”

一名研究參與者正在測試一款采用新型算法的機器人假肢，該算法能夠改善假肢和使用者身體的運動性能。Credit: Varun Nalam, NC State University

這項新研究建立在之前的研究基礎上，研究人員開發了一種用于“調校”動力假肢膝關節的智能系統。該系統使患者能夠在幾分鐘內舒適地佩戴假肢行走，而如果由訓練有素的臨床醫生進行調校，則需要數小時。該系統是首個完全依靠強化學習來調校機器人假肢的系統。

“之前的研究通過強化學習算法實現了假肢的最佳控制，”論文資深作者、蘭佩關節系杰克遜家族杰出生物醫學工程教授黃海倫（Helen Huang）表示。

“然而，它只關注假肢本身的運動。在這項新研究中，我們在此基礎上開發了一種新的算法，該算法使用逆強化學習來解釋假肢和使用者的運動。”

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使用傳感器和研究參與者進行測試

該機器人假肢膝關節集成了傳感器來追蹤其運動。在概念驗證測試中，研究人員還重點關注了用戶的髖關節運動，并通過連接到佩戴者的傳感器進行監測。

“新算法本質上考慮了兩個關節的運動——假肢膝關節和用戶的髖關節——并調整假肢膝關節的行為，以幫助用戶展現其自然的髖關節運動，”納拉姆說道。

機器人假肢雙層優化過程的表示

“雖然我們在這項研究中重點關注髖關節運動，但該算法也可以用于幫助用戶進行軀干運動、對稱行走或其他方面的人體機能訓練，”黃說道。

為了測試新算法，研究人員招募了五名受試者：兩名受試者為膝上截肢者，三名受試者未截肢。

所有五名受試者在兩種不同條件下使用機器人假肢膝關節完成了一系列任務。在第一種條件下，膝關節由僅包含先前膝關節控制系統的軟件進行操作。在第二種條件下，軟件則整合了新的算法組合。

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研究結果及未來方向

“本次研究的主要發現是，引入新算法后，所有五名受試者的髖關節活動范圍均有所改善，這表明該算法能夠對髖關節健康產生積極影響，”Nalam說道。

“我們還發現，新算法改變了受試者的步態，表明用戶感覺運動更加自然。例如，他們在行走時步幅更大。”

“從實際應用角度來看，下一步將與臨床醫生合作，觀察該算法對用戶長期健康狀況的影響，”Huang說道。“我們也希望與生產機器人假肢的公司合作，探討將該方法集成到其軟件中可能遇到的問題。”

W. Liu, V. Nalam, J. Si and H. Huang, "Addressing Human-Robot Symbiosis via Bilevel Optimization of Robotic Knee Prosthesis Control," in IEEE Transactions on Robotics, doi: 10.1109/TRO.2025.3634368.

https://techxplore.com/news/2025-11-robotic-prosthetics-hip-problems-amputees.html

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