北航：首款无源等速抗阻膝关节康复机器人

随着老龄化社会进程的不断加速，康复需求呈现出持续攀升的态势。然而，传统康复治疗方式面临资源分配不均、价格高昂、使用不便等诸多挑战。在此背景下，低成本、高便捷性的居家康复模式正逐渐成为未来康复领域的重要发展方向。3月8日，机械工程及自动化学院机器人研究所的丁希仑教授、张武翔教授、冯仰刚副教授团队，联合中国科学技术大学近代力学系王柳特任教授，在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上在线发表了题为“Power-free knee rehabilitation robot for home-based isokinetic training”的研究论文，提出了首款无源等速抗阻膝关节康复机器人。这一创新成果打破了传统大型商用等速康复设备仅能在医院使用的限制，在居家康复领域展现出广阔的应用前景。丁希仑教授、张武翔教授、王柳教授和冯仰刚副教授为该文的共同通讯作者，冯仰刚副教授和吴昊洋博士为共同第一作者，北京航空航天大学为第一完成单位。

图1.等速抗阻设备对比

现有的商用等速训练设备普遍存在体积庞大、重量沉重、能耗高等问题。这些弊端使其使用场景被限制在大型医院或康复中心，难以契合居家康复的实际需求。如今，随着人们对居家康复的便捷性与高效性的追求日益强烈，轻量化、便携式等速训练设备的需求正呈现出迅猛增长的态势。

研究团队提出了首款无源等速抗阻机器人，该机器人专为居家康复场景设计。相较于传统商用大型等速训练设备，提出了适应于无源等速抗阻机器人动态能量再生方法，摒弃了传统设备中的能量模块和供电电源，从而降低了设备的体积和重量，提升了整体的集成度。

图2.无源特性实验结果

为了全面评估无源等速抗阻机器人的性能，研究团队招募了10名健康受试者和10名膝关节术后患者参与了无源特性实验。实验结果显示，尽管个体肌肉力量存在差异，但是所有受试者的再生功率/消耗功率的比值均大于1，这一结果充分展示了该机器人在不同康复场景中，针对不同身体状况的用户，均能稳定提供无源等速训练的能力。

图3.肌肉轮廓变化临床实验

为了评估所提出机器人的康复效果，10名膝关节术后受试者参加了为期6周、每周两次的康复临床训练。研究通过核磁共振扫描检测受试者大腿横截面积(cross-sectional area, CSA)在训练前后的变化，并记录了12次训练中等速肌肉力量的变化。结果显示，训练后，受试者股四头肌的CSA显著增加，平均增长为2.92±1.46 cm²，增长率为5.93%±3.3%。同时，腘绳肌的CSA也明显增加，平均增长为2.42±1.25 cm²，增长率为10.27%±5.5%。这些数据表明，该机器人在促进术后膝关节康复方面具有显著效果。

图4.肌力变化临床实验结果

受试者不仅表现出显著的形态学改变，其股四头肌（抬腿）和腘绳肌（收腿）的肌肉力量也显著增强。平均来看，股四头肌的肌肉力量提升了70%，腘绳肌的肌肉力量提升了84%。具体而言，抬腿和收腿的平均力矩分别从训练前的30.6±9.6N·m和24.6±10.4N·m，显著提升至训练后的51.9±16.4N·m和45.1±8.6N·m。这些数据进一步验证了该机器人在增强肌肉力量和促进功能恢复方面的显著效果。

图5.康复效果对比

在训练效果的对比中，相比于商用等速训练机器人，在相同的训练持续时间和周期条件下，本研究提出的无源等速抗阻机器人展现出优异的训练效果：其训练后大腿横截面积的增长率达到5.9%，高于传统商用设备的3.7%；在抬腿扭矩提升方面，该机器人提升幅度为70%，超过传统商用设备的35.9%。

综上所述，本研究提出了首款无源等速抗阻膝关节康复机器人。该机器人运用动态能量再生方法，无需外界电源，即可实现高效的膝关节等速康复训练，无源特性实验验证了其无源设计的有效性。临床试验表明，该机器人的康复效果达到/超过现有商用等速设备。

合作单位有北医三院、华西医院、航天智能院、上海交大和北京大学，相关研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、宁波市“科创甬江2035”重点研发计划等资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57578-z