北京理工大學　下肢康復機器人設計研究

王秉奇　鞏超

辦學特色

我校工業設計專業成立于1984年。是國內高等院校中最早設立的工業設計專業之一。目前，本專業是教育部工業設計教學指導委員會委員單位、中國工業設計協會理事單位和北京市特色專業建設單位，2012年獲批為工業和信息化部重點專業。

2002年學校以工業設計專業為基礎，成立設計與藝術學院，并發展壯大成為多學科，多方向的設計與藝術學院。本專業通過多年探索和實踐，形成了完備的培養模式和鮮明的專業特色。目前設有本科學位課程、碩士學位課程，以及博士學位課程等多層次的工業設計教學建制。在2022年公布的軟科專業排名中，我院產品設計專業被評為A+專業、全國排名第4，工業設計專業被評為A類專業。2021年產品設計專業獲批國家一流專業建設點，工業設計專業獲批北京市一流專業建設點。

下肢康復機器人設計研究

設計者：王秉奇

指導老師：鞏超

院校：北京理工大學

作者闡述：對下肢康復機器人的應用場景、緊急故障、人機交互和固定方式進行模塊化創新設計。第一，設計一款具有變形功能的多場景康復支架，適應臥床、坐姿以及步態模擬的場景，通過與下肢外骨骼的配合使用，幫助用戶完成康復訓練，使核心部件重復使用，從而降低成本。第二，預先設計緊急急停按鈕來快速處理緊急情況。預先設計滿足人機交互的部件來適應人體的不同身高、體型、肌肉活動和關節活動，并契合真實運動狀態，最終提高產品的可用性和使用體驗。第三，將純繃帶設計改良為有孔透氣結構，將硬質彈性材料在保證力學強度的基礎上打出適量的孔，從而增大透氣性，減少用戶出汗，解決舊有材料支撐力不足但要求強壓力的問題，避免患者經常出現的壓傷和挫傷等疾病。

指導老師 鞏超

鞏超，北京理工大學設計與藝術學院副教授、博士生導師，主要研究方向為工業設計、交互設計。中國工業設計協會信息與交互設計專業委員會（IIDC）成員、中國人類功效學會設計工效學分會委員、北京城市副中心工業設計人才工作站特聘專家。

導師點評：此畢業設計通過融合模型的研究方法，針對腦卒中患者使用的下肢康復機器人出現的問題展開研究與設計。存在的問題主要有以下兩點：首先是目前高端康復市場的產品是以下肢外骨骼為核心的多種康復機器人，而低端康復市場的產品是電動腳輪和床邊康復裝備等單一設備，沒有應用到下肢外骨骼；其次是腦卒中患者在醫院期間可使用多種設備進行運動康復，出院后在家使用多種康復機器人康復時存在成本高、使用不方便和挫傷壓傷等問題。基于此，此畢業設計的研究目的是：首先，將下肢外骨骼的應用范圍擴大至低端家用康復市場；其次，提升產品易用性，來減少康復訓練對人體的傷害。整體上，本項目可以為高效醫療康復技術應用于產品設計提供新的思路。

為提高設計過程中機會把握和需求提取中技術實施的可行性和患者需求的滿意度，提出了一種用戶需求導向融合模型，來指導下肢康復機器人產品設計。基于這個模型，此畢業設計的研究方法是：第一，通過社會－經濟－技術分析模式定位潛在市場機會；第二，結合層次分析法進行核心需求提煉并計算權重；第三，通過質量功能展開方法分析存在于工程因素之間的矛盾；第四，利用TRIZ描述、判別和解決上述矛盾，并轉化為設計建議。運用多理論融合的方法對下肢康復機器人設計進行指導，提出技術矛盾和對應設計要求。

依照前述設計要求，在應用場景、調節方式、緊急故障、固定方式和人機交互方面對下肢康復機器人進行模塊化創新設計。此畢業設計主要解決以下三個問題：第一，將有源的下肢外骨骼配合無源的多功能康復支架在臥床、坐姿和站立步態模擬的不同場景上應用，使核心部件重復使用從而降低成本；第二，將純繃帶設計改良為有孔透氣的結構，緩解患者經常出現的壓傷挫傷等疾病；第三，預先設計緊急急停和滿足人機交互的部件，提高產品的可用性和使用體驗。

此畢業設計的主要研究成果包括：第一，提出了用戶需求導向融合模型；第二，將該方法應用于有源的下肢外骨骼和無源的多功能康復支架配合使用的設計實踐中，使下肢外骨骼技術應用于低端家用康復市場，為患者出院后采用更有效康復訓練方式提供選擇。