单腿多自由度下肢康复机器人设计

赵新宇 艾雯 张一诺

摘 要：本文所提出的是一款下肢康复机器人，该产品可以辅助下肢肌力障碍患者进行康复训练，以此来达到下肢肌力康复的目的，首先对下肢康复机器人的国内外研究现状进行分析和研究，然后基于人体工程学，对人体下肢进行生物力学分析，最后运用感性工学对多自由度下肢康复机器人进行外观设计。

关键词：下肢康复机器人;人机工程学;感性工学

随着我国人口老龄化阶段的加速以及由于交通事故等外在因素的增多，下肢肌力障碍患者的人数也在急剧增加，因此，为老年人或其他肌力障碍患者提供性能优越的康复辅助器具已成为整个社会重点关注的问题之一。随着经济的发展，下肢康复辅具有着前所未有的发展前景。本文即从适老化和大健康角度来引入一款新型的下肢康复机器人，来帮助下肢肌力障碍患者进行下肢肌力的康复训练，让患者在未来更好的融入正常的日常生活中。

1 国内外下肢康复辅具研究现状

近几年来，我国国家康复辅具研究中心、清华大学、燕山大学等科研机构及高校、企业共同参与组织并承担了诸多国家科技支撑计划以及863计划项目课题，例如燕山大学王洪波教授及其團队所研发的坐卧式下肢康复机器人，具有两条外骨骼机械腿，三个自由度，能实现多个康复训练动作。国外的日本筑波大学山海嘉之教授所开发的HAL系列下肢运动辅助外骨骼，它采用了角度传感器、肌电信号传感器和地面接触力传感器等传感设备来获得外骨骼和操作者的状态信息。

2 下肢生物力学及生理结构分析

人体下肢的主要关节有三个，分别为髋关节、膝关节与踝关节，三个关节的协同合作会产生推动人体前进的效果，如表1所示为各个关节的运动方式及运动范围。

3 基于感性工学的下肢康复机器人设计

3.1 样本案例的筛选

通过新闻报道、康复医疗杂志、设计比赛以及网络调研等渠道，收集大量的下肢康复医疗器具的图片，共收集到样本图片120张，运用KJ法对120张样本进行评估分析，将外观形态相似的图片进行分类及编号，最后分组预览，得到最具有代表性的10个样本案例。

3.2 感性意象词汇的收集与筛选

通过网络期刊、文献、和实地访谈等方式，从形态、色彩和材质三个方面，搜集可以描述轮椅特征的感性意象词汇，剔除重复的词汇，建立感性意象词汇库。最终确定了6对感性意象词汇对。

3.3 语义差异法的应用及数据分析

建立五阶语义差异量表，将筛选出来的10个样本案例与6对感性意象词汇对组成调查问卷，让受测者对每个样本案例的每一对感性意象词汇进行评价，从左至右依次为-2，-1，0，1，2五种程度。再根据调查问卷所获得的反馈结果，对样本案例的得分评价进行统计和计算，计算其平均值，如表2所示。

由以上数据可知，现有市场上的产品造型，其形态，大多以沉重的和方正的为主，是因为产品自身在运行的过程中，需要给予患者足够的安全感，不宜过于轻巧，但过于方正，又会增加患者因触碰受伤的风险，因此，应掺杂少许较为圆润的元素。在色彩方面，现有产品的颜色搭配都过于单一，应在主体颜色基调相对简约的同时，添加一些辅助颜色。材质方面，由于康复辅具类产品的结构大多较为复杂，并且要充分考虑到产品的安全性，因此其材质应选用强度较高的刚性材料。

4 设计实践

基于上文的分析研究，设计出一款单腿多自由度下肢康复训练机器人。为了避免产品主体机构过于复杂，也为了降低产品自身的制造成本，因此采取单腿机构来协助患者进行康复训练，主机与腿部连接部分，设有卡扣装置，打开卡扣，横向翻转180°便可以实现另一侧腿部的康复训练。此外，腿部训练机构共包含三个自由度，各个关节内部具有相应的限位装置，以防止患者在进行康复训练的同时，因为机器意外运转所产生的二次伤害。在穿戴材料内部，包裹着生物电磁贴片，在进行康复训练的过程中可以对患者的下肢肌肉产生刺激作用。另外，在产品主机身设有电子显示屏，更加直观的显示患者自身的各项数据，相关医护人员可以根据显示的数据进一步模拟新的训练计划，帮助患者更好的进行下肢康复训练。产品效果图如下图所示。

参考文献：

[1]王秋惠，魏玉坤，刘力蒙.康复机器人研究与应用进展[J].包装工程，2018，39（18）：83-89.

[2]林木松.坐卧式下肢康复机器人机械设计及虚拟训练系统开发[D].秦皇岛：燕山大学，2017.

[3]周志勇.基于感性工学的护理床设计研究[J].包装工程，2016，37（12）：102-105.

[4]苏建宁.感性工学及其在产品设计中的应用研究[J].西安交通大学学报，2004（1）：60-63.

作者简介：赵新宇（1995-），男，蒙古族，内蒙古赤峰人，研究生在读，研究方向：工业设计工程。