北京理工大学 下肢康复机器人设计研究

王秉奇　巩超

办学特色

我校工业设计专业成立于1984年。是国内高等院校中最早设立的工业设计专业之一。目前，本专业是教育部工业设计教学指导委员会委员单位、中国工业设计协会理事单位和北京市特色专业建设单位，2012年获批为工业和信息化部重点专业。

2002年学校以工业设计专业为基础，成立设计与艺术学院，并发展壮大成为多学科，多方向的设计与艺术学院。本专业通过多年探索和实践，形成了完备的培养模式和鲜明的专业特色。目前设有本科学位课程、硕士学位课程，以及博士学位课程等多层次的工业设计教学建制。在2022年公布的软科专业排名中，我院产品设计专业被评为A+专业、全国排名第4，工业设计专业被评为A类专业。2021年产品设计专业获批国家一流专业建设点，工业设计专业获批北京市一流专业建设点。

下肢康复机器人设计研究

设计者：王秉奇

指导老师：巩超

院校：北京理工大学

作者阐述：对下肢康复机器人的应用场景、紧急故障、人机交互和固定方式进行模块化创新设计。第一，设计一款具有变形功能的多场景康复支架，适应卧床、坐姿以及步态模拟的场景，通过与下肢外骨骼的配合使用，帮助用户完成康复训练，使核心部件重复使用，从而降低成本。第二，预先设计紧急急停按钮来快速处理紧急情况。预先设计满足人机交互的部件来适应人体的不同身高、体型、肌肉活动和关节活动，并契合真实运动状态，最终提高产品的可用性和使用体验。第三，将纯绷带设计改良为有孔透气结构，将硬质弹性材料在保证力学强度的基础上打出适量的孔，从而增大透气性，减少用户出汗，解决旧有材料支撑力不足但要求强压力的问题，避免患者经常出现的压伤和挫伤等疾病。

指导老师 巩超

巩超，北京理工大学设计与艺术学院副教授、博士生导师，主要研究方向为工业设计、交互設计。中国工业设计协会信息与交互设计专业委员会（IIDC）成员、中国人类功效学会设计工效学分会委员、北京城市副中心工业设计人才工作站特聘专家。

导师点评：此毕业设计通过融合模型的研究方法，针对脑卒中患者使用的下肢康复机器人出现的问题展开研究与设计。存在的问题主要有以下两点：首先是目前高端康复市场的产品是以下肢外骨骼为核心的多种康复机器人，而低端康复市场的产品是电动脚轮和床边康复装备等单一设备，没有应用到下肢外骨骼；其次是脑卒中患者在医院期间可使用多种设备进行运动康复，出院后在家使用多种康复机器人康复时存在成本高、使用不方便和挫伤压伤等问题。基于此，此毕业设计的研究目的是：首先，将下肢外骨骼的应用范围扩大至低端家用康复市场；其次，提升产品易用性，来减少康复训练对人体的伤害。整体上，本项目可以为高效医疗康复技术应用于产品设计提供新的思路。

为提高设计过程中机会把握和需求提取中技术实施的可行性和患者需求的满意度，提出了一种用户需求导向融合模型，来指导下肢康复机器人产品设计。基于这个模型，此毕业设计的研究方法是：第一，通过社会－经济－技术分析模式定位潜在市场机会；第二，结合层次分析法进行核心需求提炼并计算权重；第三，通过质量功能展开方法分析存在于工程因素之间的矛盾；第四，利用TRIZ描述、判别和解决上述矛盾，并转化为设计建议。运用多理论融合的方法对下肢康复机器人设计进行指导，提出技术矛盾和对应设计要求。

依照前述设计要求，在应用场景、调节方式、紧急故障、固定方式和人机交互方面对下肢康复机器人进行模块化创新设计。此毕业设计主要解决以下三个问题：第一，将有源的下肢外骨骼配合无源的多功能康复支架在卧床、坐姿和站立步态模拟的不同场景上应用，使核心部件重复使用从而降低成本；第二，将纯绷带设计改良为有孔透气的结构，缓解患者经常出现的压伤挫伤等疾病；第三，预先设计紧急急停和满足人机交互的部件，提高产品的可用性和使用体验。

此毕业设计的主要研究成果包括：第一，提出了用户需求导向融合模型；第二，将该方法应用于有源的下肢外骨骼和无源的多功能康复支架配合使用的设计实践中，使下肢外骨骼技术应用于低端家用康复市场，为患者出院后采用更有效康复训练方式提供选择。