下肢残疾患者辅助康复智能交互系统设计

论文总字数：23325字

摘 要

本文设计一款能够帮助下肢残疾人进行康复训练及辅助行走的智能交互系统，从工业设计角度出发，结合人机工程学和交互设计理论指导，在造型、结构、交互逻辑及产品可用性上着手，探究腿部残疾的人性化具体需求，设计出外骨骼产品的主体结构，实现的交互控制引导显示界面演示与自动化机器的初步交互方式，并实现硬件与交互的整合演示。

利用Cinema 4D软件建立动态人机步态参数，利用外骨骼机器人的结构特性，巧妙运用昆虫的仿生学特征利用外部结构支撑体重，并利用驱动机构实现辅助行走的同时进行康复，用最为贴近真实人体行走的方式,利用更先进友好的交互方式，恢复患者应有的正常步态方式，辅助患者进行正常的行走活动，并进一步康复逐渐摆脱康复用具。

最后，基于人机步态参数建立便于患者学习的三维模型，根据患者训练状况以直观的形式显示于模型界面中。并利用Sketch建立了一套可供医护人员使用的监控交互界面，在Principle软件中实现了界面的动态展示。

关键词：外骨骼机器人、康复设备、医疗器械、人机交互、界面设计

ABSTRACT

In this thesis, an intelligent interactive system is designed to help lower limb disabled people to carry out rehabilitation training and assist walking. From the perspective of industrial design, combined with ergonomics and interactive design theory, we start with modeling, structure, interaction logic and product availability. To explore the specific needs of humanized leg disability, design the main structure of the exoskeleton product, realize the interactive control to guide the display interface and the initial interaction mode of the automated machine, and realize the integrated demonstration of hardware and interaction.

Using Cinima 4D software to establish dynamic human gait parameters, using the structural characteristics of the exoskeleton robot, clever use of the bionic characteristics of insects to support the weight with external structure, and using the driving mechanism to achieve assisted walking while recovering, with the most close to the real human walking The way, using a more advanced and friendly interaction, restore the normal gait mode that the patient should have, assist the patient to carry out normal walking activities, and further recover from the rehabilitation equipment.

Finally, based on the human gait parameters, a three-dimensional model for patient learning is established, which is displayed in the model interface in an intuitive form according to the patient training status. And using Sketch to establish a monitoring interactive interface for medical staff, the dynamic display of the interface is realized in the Principle software.

KEY WORDS: exoskeleton robot, rehabilitation equipment, medical equipment, human-computer interaction, interface design

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ……………………………………………………………………………… Ⅱ

摘 要 1

ABSTRACT 2

第一章 绪论 4

1.1引言 4

1.2康复机器人形态研究现状 4

1.3康复设备交互设计现状 6

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 7

第二章 康复外骨骼结构设计 8

2.1 外骨骼设计目标 8

2.2 人机数据搭建 9

2.3 外骨骼结构设计 13

第三章 康复智能交互系统设计 16

3.1 人机交互方案选定 16

3.2 患者与康复设备交互方式 17

3.3 交互界面设计 19

结论 24

参考文献 25

致 谢 28

第一章 绪论

1.1引言

当今下肢医疗康复训练主要包含了针对骨折患者、存在肌肉萎缩并发症的患者、神经系统损伤患者、肌腱撕裂或拉伤患者、关节置换术患者等人群的术后锻炼^[1]。其中，骨折患者康复中需要对患部骨骼进行加强辅以适当的肌肉训练防止长期卧床引起肌肉萎缩。肌腱撕裂、关节置换患者需要在康复中逐步摆脱护理人员辅助而逐渐加大负荷。神经系统损伤者由于会逐渐丧失行走能力，会伴随平衡能力失调、步态异常等并发症，需要进行神经肌肉反馈的重建^[2-4]。

可穿戴式辅助机器人也通常被称为机械外骨骼，目前研究主要用于军事单兵辅助、工业装配辅助和医疗行业，随着世界老龄化现象逐年加剧，医疗机器人也广泛运用于老年人群体中。

1.2康复机器人形态研究现状

除了传统的采用护理人员辅助并保护患者进行直接的行走训练外，目前较为先进的康复手段还有悬吊运动训练（SET）^[5]卧式康复机器人^[6]、站立式康复机器人^[7]、外骨骼式机器人等^[8]等。SET训练主要是将患者利用器械悬吊，减轻，并分部位锻炼肌肉，虽然价格低廉，但无法实现辅助行走功能；卧式康复机器人、直立式康复机器人则是基于类似踏步机或划船机式器材，固定住患者身体并利用主动或被动方式训练患者的肢体运动，此种训练器械多为体型巨大的自动化设备或简单的利用连杆实现的踏步机式训练。外骨骼机器人作为较为新型的康复手段，巧妙运用昆虫的仿生学特征利用外部结构支撑体重，并利用驱动机构实现辅助行走的同时进行康复，是最为实用并符合真实锻炼条件的一种康复手段。故本项目期望运用外骨骼机器人的方式，实现针对下肢残疾患者康复交互系统的总体设计。

外骨骼式康复机器人的形态设计中，较为成熟的是Lokomat 或LOPES等公司研发的跑步机式康复机器人（Treadmill-based exoskeleton robots）^[10]。如图1中Lokomat康复机器人是医疗器械行业最早一批研发出的机器人，是由瑞士苏黎世大学医学院、Hocoma公司、苏黎世联邦理工学院以及德国 Woodway 联合开发的步态训练机器人,Lokomat将人体由悬吊机构吊在一个跑步机上，再固定了患者腰部和背部，腰部和大腿相连的机构由电机辅助下肢运动，由于直接接触模拟行走的地面，下肢得到更接近于自然行走的步态的同时，由上部悬吊装置和腰部分担患者对于地面的压力，可以说是解决了传统康复中无法模拟正常行走的痛点，但由于其设备尺寸过大，并且并没有实现“辅助行走”这一功能，只是单纯提供了原地踏步的康复训练器材，故还需将其进一步简化。基于脚底末端的执行器装置（Footplates based end-effector devices）是一种较为新型的康复设备，以Gait Trainer GTI (Reha-Stim, Germany)和Haptic Walker为例^[11]，类似于上述的跑步机模式模拟，此类设备采用了更为复杂的连杆连接到患者脚步，能够更加标准的模拟人真实行走的步态而不简简单单模拟地面相对人体的移动。这种踏步机式的康复机器人可以有效的减少行走过程中对患者下肢的冲击，并且可控参数非常多，可以轻易对步态、上下楼梯、上坡下坡，甚至跑步进行模拟^[12]。

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