基于人机工程的下肢康复训练机器人可用性设计研究

摘要

随着社会的进步、科技的发展，人们生活水平提高，我国老龄化程度越来越严重。老龄人口患病率和肢体残障者对康复质量的诉求普遍提高，同时康复医师的短缺凸显了发展医疗康复器械的重要性。下肢康复训练机器人是针对下肢障碍患者进行下肢康复训练为目的的训练机器人。现存的下肢康复训练器械往往缺少人机工程学方面的研究与评价，而为用户提供安全、高效、符合人机工学的康复器械，是医疗康复器产品设计中急需解决的问题。
　　本文通过调查国内外下肢康复训练机器人的发展和现状，深入了解用户需求和市场现状，寻找现有下肢康复训练机器人所存在的问题。进而对人体的下肢结构和康复理论做进一步的分析研究。通过对下肢肌电信号和脉搏频率的提取实验证明了坐姿角度对下肢康复训练程度的影响。将实验结果作为评价依据运用到下肢康复产品的设计上，进而对产品进行优化设计。利用有限元仿真软件Ansys对下肢康复训练器的主要受力部位进行受力分析和疲劳安全系数分析，使下肢康复训练机器人易磨损和主要受力部位在使用过程中满足强度和刚度要求，确保下肢康复训练机器人的安全性。其次是基于CATIA的人机工程学模块，通过建立三维人体模型和下肢康复机器人模型，模拟人在使用康复训练机器人时的状态，并对人体模型工作空间、作业姿态、姿态作业强度进行评估和优化，从而验证设计的可行性和科学性。本文为下肢康复器械提供了设计依据，将主观和客观测试方法结合，提出一种对下肢康复训练机器人进行可用性评价的评价方法。也为今后相关的可用性评价研究提供了理论和技术的支撑。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 相关概念界定

1．2．1 人机工程学

1．2．2 可用性

1．2．3 下肢康复训练机器人

1．3．1 下肢康复器材的发展

1．3．2 国外研究现状

1．3．3 国内研究现状

1．3．4 康复机器人分类

1．3．5 存在的问题

1．4 课题研究目的及前景

1．4．1 课题研究目的

1．4．2 课题研究前景

1．5 本课题研究内容

第二章 下肢生物力学及生理结构分析

2．1 下肢生理解剖学特征

2．2 生物力学分析

2．3 下肢康复训练涉及的人体尺寸

2．4 本章小结

第三章 康复训练生理信号采集的人机实验

3．1．1 被试样本选择

3．1．2 实验仪器

3．1．3 实验步骤

3．1．4 生理信号预处理

3．1．5 数据分析方法

3．2 实验结果分析

3．3 本章小结

第四章 下肢康复训练机器人可用性设计

4．1 下肢康复训练机器人结构与功能分析

4．2 下肢康复训练机器人人机工程设计原则

4．3 用户调研及下肢康复训练作业姿势分析

4．4 下肢康复训练机器人设计定位

4．5 下肢康复训练机器人可用性设计

4．5．1 前期设计方案

4．5．2 最终方案确认

4．5．3 尺寸设计

4．5．4 人机界面设计

4．6 本章小结

第五章 基于人机的设计检验及评价

5．1 下肢康复训练机器人ANSYS受力分析

5．1．1 脚蹬ANSYS分析

5．1．2 座椅ANSYS分析

5．2 基于CATIA下肢康复训练机器人可用性评价

5．2．1 CATIA人机工程学设计与分析模块

5．2．2 人体模型的建立

5．2．3 下肢康复训练机器人的导入

5．2．4 人体模型工作空间分析

5．2．5 姿态评估

5．3 基于人机评价结果的设计修正

5．3．1 修正后姿态评估

5．3．2 修正后作业强度分析

5．4 本章小结

第六章 讨论与结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢