外骨骼辅助康复系统设计开题报告
本课题主要面向因下肢运动功能障碍而需要进行康复训练的用户群体，通过对目标群体的行为特征、康复需求、生活状态以及心理期望的深入调研分析，提取康复功能模块，借助外骨骼智能控制技术，结合人机交互、形态审美、技术可行等要素，从设计学角度构建外骨骼辅助康复系统，解决目标群体从坐到站、从站到走的康复，实现穿戴的便利性、康复的科学性、运行的可靠性、产品的整体性、形态的审美性、技术的可行性，市场的接受度等要求。
- 文献综述
可穿戴外骨骼机器人最早出现于科幻小说中，属于可穿戴式的动力机甲，可大幅度提高单兵作战的能力。随着科技的进步，可穿戴式外骨骼机器人研究逐渐成为热门。目前大多数学者认为，可穿戴式外骨骼机器人是一种特殊机器人，一种并联在人体上的机电一体化装置，能够伴随人体一起运动，帮助增强人体力量。结合机械结构、驱动系统及传感装置穿戴于人体，组成一个提供运动辅助的机器人系统，提高人体相关部位的运动及负载能力[1]。穿戴在使用者下肢外部的外骨骼系统可为使用者提供诸如助力、保护、身体支撑等功能，穿戴式助力装置是一个崭新的研究领域，国内外许多机构正在积极投入研究[2]。
现有的可穿戴外骨骼机器人基本可以概括为以下几类：
- 康复型外骨骼机器人，其服务对象为因神经系统受创或其他原因导致运动障碍的患者，这种类型的外骨骼可以辅助或替代医护人员帮助患者进行康复训练，同时维持一定的关节活动频率，改善肌力、肌肉协调性，刺激受损神经自我修复。
- 辅助型外骨骼机器人，其服务对象为生理机能衰退的老年人和因患病而导致肌肉功能衰退或萎缩的病人。辅助型外骨骼与增强型外骨骼相比，增强人体生理机能的能力较低，更加考虑到了老年人与患者的生理组织承受能力和安全性等因素。
- 增强型外骨骼机器人，其服务对象生理机能正常。目前主要应用与军事领域，辅助士兵、增强他们的物理能力，进而增强单兵作战能力。
外骨骼机器人主要由动力源、传动机构、控制器、检测装置和外骨骼机构5部分组成[3]，其关键技术包括：
- 设计合理的结构。下肢外骨骼助行机器人属于辅助设备，因此它的机械设计以及自由度分配应当与人体的生理结构及运动形式相匹配，满足使用舒适的要求。在此基础上，还应当满足不同穿戴者的尺寸要求，方便使用者自主调节尺寸，以使人穿戴舒适、运动灵活。
- 高速高效的驱动。下肢外骨骼助行机器人需要保持与穿戴者动作一致，因此要尽量选取体积小、重量轻、功耗低、功率输出大的驱动器，同时也应满足快速响应、精度高、惯性低及安全性高等特点。
- 自身供给的能源。下肢外骨骼机器人想要实现大范围的移动，必须搭载可自给的能源。同时应满足体积小、重量轻、清洁环保、高效运行等要求。
- 优质轻便的材料。由于下肢外骨骼机器人属于可穿戴设备，要与使用者保持行动一致，因此材质必须轻便，同时要具有足够的强度与韧性，以承受人体重量以及与地面的碰撞。
- 灵敏智能的控制系统。下肢外骨骼助行机器人需要实现与穿戴者的行动统一，最大程度地减小二者之间的互相干涉作用，因此其控制系统必须灵敏智能，能够检测到穿戴者的行动意图并及时提供合适的助力。
目前针对中风后患者的临床康复治疗偏重于下肢运动功能的康复训练，对于上肢功能与手功能的康复训练重视程度不够。现有的常规康复训练由医护人员手工进行，而与下肢康复训练相比，上肢康复治疗所需的康复训练更多，也更为精细。因此，中风后大部分患者会出现上肢与手功能损伤。
上肢外骨骼机器人的出现，意味着患者可以通过它实现自主康复训练，能够大量节省医疗资源。同时因为机器人本身属于机电一体化装置，患者能够通过控制机器人工作系统实现精度更高、更加可控的康复训练。
下肢运动功能丧失属于最严重的运动功能损伤，一方面会增加患者生理上的痛苦，另一方面会使患者情绪低落，丧失康复信心。
以脑卒中患者为例，这类患者下肢运动障碍主要表现为肌力下降、肌张力异常、步态不对称、重心转移障碍、各关节活动受限等[4]。运动障碍严重影响患者的日常生活活动能力，因此康复训练的重要目标之一就是帮助患者恢复行走能力。然而脑卒中急性期由于收到身体虚弱、肌力和平衡功能等因素的影响，步行训练较为困难；即使至恢复期，由于存在异常运动模式，难以完成正常生理步态的步行训练。
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