近日，北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人研究所的丁希侖教授、張武翔教授、馮仰剛副教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合北京大學(xué)王啟寧教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王柳教授，在機(jī)器人領(lǐng)域知名期刊《IEEE Transactions on Robotics》上發(fā)表了題為“A Wearable Isokinetic Training Robot for Enhanced Bedside Knee Rehabilitation”的研究論文，丁希侖教授、張武翔教授、王啟寧教授、王柳教授和馮仰剛副教授為該文的共同通訊作者，馮仰剛副教授和胡興宇碩士為共同第一作者，北京航空航天大學(xué)為第一完成單位。
隨著膝關(guān)節(jié)損傷人群不斷增多，康復(fù)需求激增，為我國(guó)的醫(yī)療資源帶來(lái)挑戰(zhàn)。然而，膝關(guān)節(jié)損傷人群傷后或術(shù)后臥床時(shí)期很少有定量化康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備可用，傳統(tǒng)等速康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備體積巨大使用成本高昂，在此背景下，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種輕便的床旁等速抗阻訓(xùn)練機(jī)器人，并通過(guò)6例膝關(guān)節(jié)損傷患者的長(zhǎng)期康復(fù)訓(xùn)練試驗(yàn)驗(yàn)證了康復(fù)效果，一定程度上填補(bǔ)該領(lǐng)域的空白。
圖1. 床旁等速抗阻訓(xùn)練機(jī)器人總覽
其次，針對(duì)傳統(tǒng)等速設(shè)備關(guān)節(jié)無(wú)柔性的特點(diǎn)，創(chuàng)新地在等速訓(xùn)練機(jī)器人中加入變剛度機(jī)構(gòu)，提高人機(jī)交互柔順性和安全性。設(shè)計(jì)一種新穎的變剛度機(jī)構(gòu)，在保證輕便、緊湊的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較大的變剛度范圍（5.0-137.3Nm/rad）。同時(shí)研究不同的剛度對(duì)等速訓(xùn)練效果的影響，擬定了兼容患者人群差異的最優(yōu)剛度測(cè)定方法，為等速訓(xùn)練個(gè)性化提供了一種新思路。
此外，針對(duì)傳統(tǒng)等速設(shè)備能耗高的特點(diǎn)，基于動(dòng)態(tài)電能再生實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的等速控制，可顯著提升機(jī)器人續(xù)航（120°/s速度下可增加57.8%）。在等速訓(xùn)練機(jī)器人中引入動(dòng)態(tài)電能再生方法，在原有硬件基礎(chǔ)上幾乎不增加額外的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路，實(shí)現(xiàn)了等速控制，且回收了人體抗阻耗散的能量并儲(chǔ)存再給傳感和控制電路供電，從而延長(zhǎng)機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間，優(yōu)化了人機(jī)能量利用效率。
圖2. 長(zhǎng)期訓(xùn)練康復(fù)效果
為了評(píng)估所提出機(jī)器人的康復(fù)效果，6名膝關(guān)節(jié)損傷患者參加了為期3周共12次的長(zhǎng)期床旁等速康復(fù)訓(xùn)練。研究記錄了12次訓(xùn)練中等速肌力的增長(zhǎng)，進(jìn)而對(duì)比受試者峰值力矩、平均力矩、平均功和綜合指標(biāo)（CI）在訓(xùn)練前后的變化。結(jié)果顯示，訓(xùn)練后，受試者總體峰值力矩增長(zhǎng)為81.0%，平均力矩增長(zhǎng)101.4%，平均功增長(zhǎng)117.6%，綜合指標(biāo)增長(zhǎng)105.5%，均有顯著性提升。這些數(shù)據(jù)表明，機(jī)器人在促進(jìn)術(shù)后膝關(guān)節(jié)康復(fù)方面具有顯著效果。
綜上所述，本研究提出了一種面向膝關(guān)節(jié)損傷康復(fù)初期的床旁等速抗阻訓(xùn)練機(jī)器人。該機(jī)器人集成了緊湊的變剛度機(jī)構(gòu)，運(yùn)用動(dòng)態(tài)能量再生方法提升了機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)高效的床旁膝關(guān)節(jié)等速康復(fù)訓(xùn)練。
該研究合作單位包括北京大學(xué)第三醫(yī)院、航天智能院、北京理工大學(xué)、北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)新與轉(zhuǎn)化基金、北京理工大學(xué)高層次人才研究基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和寧波市“科創(chuàng)甬江2035”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等資助。
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https://ieeexplore.ieee.org/document/10930582
