康复医疗下肢外骨骼总体方案设计开题报告

1. 研究目的与意义

背景：

全球人口老龄化愈加严重，生活自理能力差、慢性病、心脑血管疾病、骨质病变等问题日益凸显，老年人群体的康复需求与日俱增，已成为康复医疗市场的主流群体之一；随着私人汽车的使用者增多，导致交通事故频繁发生，造成下肢残疾或者瘫痪的患者越来越多，市场需求量大。此外，现阶段康复医疗下肢外骨骼技术在国内外皆有着不错的成就，拥有广阔的应用和发展前景。

2. 课题关键问题和重难点

拟解决的关键问题：

1. 要求设计的机械结构既要具有一定的强度，又要尽可能的轻便，因此材料的选择非常关键。由于该机构的设计目的是康复医疗，使用者皆是下肢不利的患者，必须考虑到安全性问题，避免二次伤害。

2. 机械的构造需要足够简单，并且自由度和活动范围必须达到康复医疗所需要的条件，要使患者能够在穿戴下，顺利完成康复治疗过程中的训练动作，同时要考虑到患者的使用感受，使机械结构设计及系统与人体协调、舒适、实用。

3. 国内外研究现状（文献综述）

在目前的康复市场上，机器人辅助治疗方法是比较常见的。例如，针对脑血栓等人群的伤残处采用辅助性治疗，利用一些设备的相关功能模块来帮助训练等。其功能模式主要分为助力模式、被动模式、主动模式等^[1]。康复医疗下肢外骨骼是一种可以准确且重复地帮助病人进行康复训练的机械装置。能够解决很多传统康复治疗的弊端，实现长时间训练的目的。下肢康复外骨骼能够适应各种康复训练的要求，有利于患者联合康复训练和下肢关节训练，这也使得康复训练的效率有所提升。同时，该设备可应用于不同场所，例如，医院康复中心或者是家中。下肢康复外骨骼不仅可帮助患者进行康复，还能为我国外骨骼机器人提供实践经验，推动机器人技术的发展，同时也会为社会创造巨大的经济效益^[2]。

国外发展较早，并且一些企业在其技术开发及投资方面具有较大投入，积累了足够多的经验和多种较完善的方案，功能也趋向多元化。现阶段，国外已经取得了显著的成果：可以在康复训练的过程中，随时记录患者的情况，从情况中分析出数据，结合多样化的功能模块去选择适合患者且康复效果最佳的模式，实时地调整康复的参数；为了提高患者康复过程的互动感，有些康复设备结合运动实况模拟或VR技术实现现实场景的模拟训练，还有的加入脑电信号（EEG）和肌电信号（EMG）作为控制信号的主动康复模式。LokomatLokomal也许是当今世界上主动医疗康复外骨骼系统中性能表现最为优秀的一个，已实现了产业化，很多偏瘫研究机构已购买了此系统作为研究的平台；此外，日本HAL系列外骨骼医疗方面发展迅速，最早应用EMG控制方法，并在助老助残外骨骼研究方面占据领先地位；新加坡南洋理工大学Low教授等开发了基于ZMP稳定判据的人体下肢外骨骼LEE^[3]。

国内的研究因为起步较晚，经验不足，所以进度也较为缓慢，功能也并不完善。不过，我国清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学和中国科学院等科研院所还是在下肢外骨骼项目方面有所建树，最具有代表性的是哈尔滨工业大学开发的辅助性下肢康复训练机器人实现了对关节多自由度的驱动，采用被动的控制策略，通过带动患者进行被动的步态训练来达到最终的康复目的。

医疗下肢外骨骼的设计目的是控制外骨骼进行辅助人类康复行走，而仿真分析可以为实际模型提供理论依据，因此下肢外骨骼基本结构设计需要和动力学及理论计算联合仿真分析^[3]。图1为人体下肢骨骼示意图，图2为下肢外骨骼机构示意图。

图1人体下肢骨骼示意图^[5]

图2下肢外骨骼机构示意图^[6]

外骨骼是一种可以穿戴于人体外侧的机器人，融合了机构学、控制及传感等机器人学技术，可在人工操控下完成指定的动作任务，具有支撑、保护和运动等功能。国内外下肢康复训练设备主要针对两个方面进行研制：一是设备的结构设计，可以实现康复训练所需的关节旋转角度；二是对该机构的运动的控制系统设计，可以实现机构的轨迹规划和康复信息反馈^[4]。

表1关节自由度运动范围

下肢康复外骨骼通过精密可靠的机械结构发挥作用，各机构应遵循简单、安全、轻便、易操控的基本原则。从仿生学来讲，机械结构的自由度设计如果跟人体完全一致，那么外骨骼的动作就可以做到与穿戴者相互协调，然而机械结构所设计的自由度越少，外骨骼的运动控制将会越简便^[6]。关键关节自由度的运动大致范围见表1^［7］，在进行外骨骼结构设计时，应该在驱动装置运动范围许可的情况下尽量满足以上人体的运动自由度范围，酌情减少不必要的自由度。

参考文献

[1]RushikeshGholap, Sandeep Thorat, Abhijeet Chavan．Review ofcurrent developments in lower extremity exoskeleton systems [J]．Materials Today: Proceedings, 2022, 9: 177-184.

[2]房晓楠.迈步机器人：加速康复产业布局，助力患者重新行走［J］．机器人产业，2021，11（2）：66-71．

[3]王辉.多自由度下肢外骨骼康复机器人结构设计与控制策略的研究[D].山东：青岛科技大学硕士学位论文，2022.

[4]潘志超,徐秀林,肖阳.下肢康复机器人研究进展[J].中国康复理论与实践,2016,22(06):680-683.

[5]S.K. Hasan,Anoop K. Dhingra. Biomechanical design and control of an eight DOF human lowerextremity rehabilitation exoskeleton robot [J]．Resultsin Control and Optimization, 2022,7:1-32

[6]刘小龙，赵彦峻，葛文庆，等.医疗助力下肢外骨骼设计及动力学仿真分析[J].工程设计学报，2016，23（04）：327-332.

[7]李杨，李仲，管小荣，等.助力型人体下肢外骨骼研究综述[J].机械设计与制造工程，2020，49（06）：31-38.

4. 研究方案

1.在机械整体构造方面，需要设计与人体肢体相匹配的造型，其机械结构主要由大腿连杆、小腿连杆、足底平板、背板、躯干固定带以及腿部固定带等部分构成。这些均需要根据人体骨骼和关节对机械机构进行等效代换，参数对比，再加上对人体生物力学和运动学的分析，才能确定所需构件的尺寸，关节处的连接方式，保证自由度和各部件的活动范围与人体肢体足够协调。

2.在机构设计方面，对于病患康复要求来说，平衡性非常重要，所以机构要保证绝对对称、平衡；并且为了可用于不同的穿戴对象，机构必须具有一定的可伸缩性以满足系统一定程度的通用性。所以大腿和小腿需设计可调节措施，比如采用套接结构，丝杆结构设计。并在连接左右下肢的腰部框架上设置躯干固定带与腰部固定带，能够在穿戴过程中方便地将患者牢固的固定在外骨骼上。为使腰部框架与人体运动时保持一致，同样采用套接形式使杆的长度可调，即可适用于不同的患者。同时，为方便患者穿戴、脱卸，机械结构的设计要足够简单。

3.在材料选择方面，考虑到安全性问题，要对机构做运动学分析，构件应力分析。为减轻使用者负荷，机构要尽可能轻便，可选择轻质材料，所以考虑到整个机械系统的结构强度，各部件可以采用材质硬度高并且轻便的铝合金加工而成，而且铝合金材料具有良好的冷加工性、可焊性、耐腐蚀性，以及在强度合格的情况下可对构件进行打孔处理，以降低机械自重。

5. 工作计划

2023.1.02～2023.1.15 完成英文翻译，提交英文翻译给指导老师批阅。英文翻译经指导老师批阅合格并确认后，译文和原文均上传至“毕业设计管理系统”，译文封面用标准模板。查阅文献资料，撰写开题报告。

2023.1.16～2023.2.05 开题报告经指导老师批阅合格并确认后，开题报告封面用标准模板，上传至“毕业设计管理系统”。完成康复医疗下肢外骨骼总体方案设计。

2023.2.06～2023.2.26 完成开题报告审核。开始毕设课题的计算。完成康复医疗下肢外骨骼外形方案图。