[논문 리뷰] Systematic Evaluation of Hip Exoskeleton Assistance Parameters for Enhancing Gait Stability During Ground Slip Perturbations

Maria T. Tagliaferri, Inseung Kang|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 21.

Prosthetics and Rehabilitation Robotics인용 수 0

한 줄 요약

연구는 미끄러짐 교란 동안 고관절 보형 토크의 크기와 지속 시간을 체계적으로 변화시키고, 지속 시간이 안정성 결과를 강하게 형성하며 최적 WBAM 개선을 위해 개인화가 필요하다는 상호작용을 유의하게 발견했다.

ABSTRACT

Falls are the leading cause of injury related hospitalization and mortality among older adults. Consequently, mitigating age-related declines in gait stability and reducing fall risk during walking is a critical goal for assistive devices. Lower-limb exoskeletons have the potential to support users in maintaining stability during walking. However, most exoskeleton controllers are optimized to reduce the energetic cost of walking rather than to improve stability. While some studies report stability benefits with assistance, the effects of specific parameters, such as assistance magnitude and duration, remain unexplored. To address this gap, we systematically modulated the magnitude and duration of torque provided by a bilateral hip exoskeleton during slip perturbations in eight healthy adults, quantifying stability using whole-body angular momentum (WBAM). WBAM responses were governed by a significant interaction between assistance magnitude and duration, with duration determining whether exoskeleton assistance was stabilizing or destabilizing relative to not wearing the exoskeleton device. Compared to an existing energy-optimized controller, experimentally identified stability-optimal parameters reduced WBAM range by 25.7% on average. Notably, substantial inter-subject variability was observed in the parameter combinations that minimized WBAM during perturbations. We found that optimizing exoskeleton assistance for energetic outcomes alone is insufficient for improving reactive stability during gait perturbations. Stability-focused exoskeleton control should prioritize temporal assistance parameters and include user-specific personalization. This study represents an important step toward personalized, stability-focused exoskeleton control, with direct implications for improving stability and reducing fall risk in older adults.

연구 동기 및 목표

• perturbations를 넘어 에너지 최적화에 의한 것이 아닌 보행 안정성 개선과 낙상 위험 감소를 동기화한다.
• 고관절 보형 토크의 크기와 지속 시간이 지상 미끄러짐 동안 전체 신체 각도 운동(WBAM)에 미치는 영향을 평가한다.
• 안정성 중심 매개변수를 에너지 최적 baselines와 벤치마킹한다.
• 피험자별 변이성과 perturbation 동안 사용자 인식 안정성을 정량화한다.

제안 방법

• 양측 고관절 보행 도구를 개발하여 한쪽 엉덩이당 sagittal-평면 토크 최대 18 Nm를 제공했다.
• 5가지 지속 시간과 5가지 크기의 시간 의존적 사다리꼴 토크 프로파일을 28개의 조건에서 적용했다.
• perturbations 중 안정성의 주요 지표로 WBAM을 16-세그먼트 마커리스 모델에서 측정했다.
• Radial Basis Function 보간을 사용하여 WBAM 대 크기 및 지속 시간의 연속 2차원 표면을 구성하고 CI 추정을 위한 부트스트랩 1000개 표면을 생성했다.
• 최고 성능의 매개변수 세트를 무보조(노-익소스켈레톤) 및 기저 에너지 컨트롤러와 비교하기 위해 피험자 내 통계 및 선형 혼합효과 모델을 사용했다.

Figure 1: Robotic hip exoskeleton designed to assist the user’s hip flexion and extension during locomotion. (A) Actuators located at each hip joint are controlled by an onboard microprocessor. Adjustable orthotic shells and pelvic strapping secure the device to the user. (B) A trapezoidal hip exten

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보조의 도움 크기와 지속 시간이 미끄러짐 교란 동안 WBAM 범위를 어떻게 상호작용하는가?
• RQ2 에너지 최적 basel ine 컨트롤러가 안정성에 효과적인가, 아니면 타이밍에 초점을 맞춘 개인화된 매개변수로 안정성을 개선할 수 있는가?
• RQ3 대상 간 최적 매개변수 영역은 어디이며 개인 간 일관성은 얼마나 되는가?
• RQ4 주관적 안정성 평가(OPUS)가 객관적 WBAM 기반 안정성 측정과 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 미끄러짐 동안 WBAM 범위는 보조의 도움의 크기와 지속 시간 사이의 유의한 상호작용에 의해 좌우된다.
• 최고 성능 매개변수는 노-익소스켈레톤 대비 WBAM 범위를 27.4±9.8% 감소시키고, 기저 컨트롤러 대비 WBAM 범위를 25.7±11.4% 감소시켰다.
• 대상 간 변동성이 상당했고, 최적 매개변수는 개인에 따라 크게 달랐다.
• 도움을 주는 지속 시간을 일반적으로 안정성을 개선하는 방향으로 증가시키되 어느 지점까지 지속 시간이 중요한 결정 요인으로 작용했다.
• 노선형으로 타이밍이 맞지 않는 굴곡 단계 상호작용으로 인해 기저 에너지 중심 컨트롤은 WBAM 감소에 대해 더 나쁘게 작용했다.
• 보간을 통해 이론상의 최적점을 생체 토크의 피크 15.9%와 교란 길이의 3.64배에서 찾았고, 부트스트랩 CI가 매개변수 불확실성(크기 CI: 10.1–21.6%; 지속 시간 CI: 3.48–3.72)을 시사했다.
• 피험자들은 최적 매개변수에서의 지각 안정성(OPUS 점수)이 비보조, 비익소스켈레톤, 기저 조건에 비해 더 높았다고 보고했다.

Figure 2: Experimental setup, protocol, and representative data. (A) Subjects experienced anteroposterior slip perturbations during treadmill walking while wearing the robotic exoskeleton. Anticipatory cues were minimized using noise-canceling headphones and visual-obscuring glasses. (B) The experim