一种辅助下肢康复的可穿戴装置设计开题报告

一．课题研究的社会背景

随着我国人口老龄化进程的加速，下肢行动不便已广泛成为老人面临的生活难题。据统计，全国大约有1000万的老人因为下肢肌肉衰老失去活性，而其中的很大一部分是因为得不到科学有效的下肢康复训练而导致的。专业的康复理疗师在我国人数较少，远不能适应社会需求，且服务价格昂贵。

二．国内外研究现状

辅助下肢康复的可穿戴装置通过机械结构带动患者下肢进行模拟正常行走动作，进而起到增强患者下肢肌肉活性的目的。它的研究和发展最早从欧美国家开始，我国对于辅助下肢康复的可穿戴装置的研究起步较晚，但依旧也是取得了骄人的成果。

1999年，苏黎士Balgrist医学院康复中心研究出一款名为LOKOMAT的下肢康复设备，该设备主要由两根机械腿组成，可以完成简单的辅助下肢伸展动作。2000年，德国柏林自由大学研究出Mechanical GaitTrainer(MGT)，该设备通过机架和绳索为人体提供支撑，患者只需站立在其踏板上，踏板的运动可以带动患者模拟正常行走，但是这种设备价格昂贵，通过机架和绳索提供支撑的方式往往会造成患者出现站立不稳的情况。此后相继出现了芝加哥大学的KineAssist、美国的AutoAmbulator、德国的LokoHelp等。

国内的高等院校，如上海交通大学、浙江大学、清华大学以及哈尔滨工程大学都取得了一些重要成果。上海交通大学的下肢康复机器人使用了微分式sEMG实时特征提取算法，配合丝杆螺母的使用，提高了动作准确性。浙江大学提出了一种基于肌电信号控制的辅助下肢康复装置设计，进一步提高了患者与设备之间的交互性。清华大学设计了一种可调节位姿的辅助下肢康复装置，该装置通过实时接收患者身体信息来调整位姿，使该装置对于患者更有针对性。哈尔滨工程大学也是取得了较好的科研成果，通过对驱动装置输入特定信号，可以模拟患者正常行走的步态，进而起到辅助下肢康复的目的。

目前，辅助下肢康复装置的结构设计部分已趋近成熟，多为仿照人体下肢骨骼的连接构造为基础的。但对于驱动装置的选择、传动系统的设计、运动控制算法以及多场景应用能力方面尚存在相应技术难题，相应在不久的未来，通过国内外科研工作者的共同努力，上述问题终将解决。

三．课题研究的目的和意义

医疗器械辅助医护人员为患者进行康复训练，可以降低人员工作强度，改善医护人员技术水平参差不齐的情况。辅助下肢康复的可穿戴装置以机械结构设计配合电子控制技术实现利于康复效果的理想运动轨迹为基础，同时符合人体工程学的要求，有较好的应用和市场前景。近年来研究热度不断提高，国内外出现了一些相关设计，但大都面临功能单一，建设成本复杂，难以根据患者身体状况调节锻炼强度的问题，所以辅助下肢康复的可穿戴装置的设计和相关理论研究依然具有极强的现实意义。

主要研究内容：

1. 下肢各关节的运动机理研究，确定关节自由度。

2. 人正常前进的一个步态的全过程中各关节的前后摆动幅度，主要肌肉所受力与力 矩变化以及各部位的协调运动情况研究。

3. 分析装置为实现辅助下肢康复功能所应具备的结构与运动特性。

4. 确定装置的基本运动原理图，进行动力学分析，研究方案的可行性。

5. 驱动装置的选择和传动系统的设计。

6. 装置的整体结构设计与各零部件的尺寸设计。

7. 考虑到患者的身高不同，需要在上述基础上研究长度调节机构的设计。

8. 其他辅助部分设计，主要包括：该装置与患者之间的连接方式的选择、安全保护电路的设计与装置在未来定期保养时的易拆性等。

9.对装置主要承载部件进行有限元刚度强度等校核。

10. 完成总体设计图纸，包括装配图和主要零件图。