针对下肢功能障碍的简化式坐立转换机制的开发、优化与原型制作

　　康复用坐站辅助装置设计及验证：提出基于功能运动学与动力学设计的框架，通过四连杆机构建模和电驱动优化实现坐站转换。采用50%男性人体模型进行SOLIDWORKS运动学仿真，验证髋关节轨迹近圆形特性及安全稳定性（静态稳定裕度1，前倾临界减速度35.8m/s2）。设计参数包含大腿长度和体重，支持定制化制造。

　　

摘要

用于康复的坐立转换设备在设计上应简单、易于制造，并且方便行动不便的人使用。本文提出了一种设计框架和原型制作流程，旨在开发一种针对下肢功能障碍患者特定需求的辅助坐立转换机制。该研究结合了功能性运动学和动力学设计，以确保该机制适用于不同的人群。考虑到脊髓损伤（SCI）患者及其后续瘫痪所面临的关键挑战，设计理念特别考虑了这一群体的需求。针对肌肉瘫痪患者，提出了一种简化的圆形设计轨迹，并重点研究了电动驱动机制的合成。采用四杆连杆机构在矢状面上模拟该机制。确定了设备的功能属性，并进行了运动学分析，以确保在坐立转换过程中用户的舒适度。这是通过最小化执行器在升降过程中的移动距离来实现的。在施加边界条件后，确定了线性执行器的速度和加速度曲线。基于最小化电动执行器的位移，选择了最佳配置。使用基于第50百分位男性的身体模型进行了运动研究，利用SOLIDWORKS?中的运动研究模块验证了轨迹。最终合成了最佳的坐立转换连杆机构设计，并制作了相应的原型。该设计依赖于两个独立的人体测量参数：大腿长度和体重。通过人体模型模拟计算了用于升降的矢状面连杆，并进行了测试，以复制坐立转换动作。该原型在健康受试者身上进行了评估。一个关键的设计特点是支持结构的重新定位，从腋下移到了臀部，从而减少了用户的不适感并提高了人体工程学性能。运动研究表明，髋关节（H点）的轨迹几乎呈圆形曲线。使用人体模型进行的稳定性分析显示，静态稳定裕度为1，表明只有当减速超过35.8 m/s2时设备才会向前倾倒，这远高于典型的人体加速度——表明使用过程中设备是安全的。制作的原型展示了预期的坐立转换功能，并验证了设计方法。运动分析确认了人体工程学的髋部支撑和流畅的关节轨迹。虽然初步测试在健康受试者身上取得了成功，但建议进一步对脊髓损伤患者进行评估，以便进行最终调整。这项工作提出了一个成本效益高且可定制的框架，用于制造适用于不同体重和大腿长度变化的坐立转换辅助设备。

图形摘要