作品名稱：“齊魯鐵骨”全國首創外骨骼康復裝備
學校名稱：青島黃海學院
參賽隊伍：努力變優秀3隊
參賽學生：宋子龍 趙和龍 文思碩
指導老師：李華光 安菲菲
目前我國失能、半失能老人大致為4063萬人，預計2030~2050年將達到9000多萬（不包括持牌殘疾人和因交通、工傷事故致殘的3000余萬人士）。每10萬人運動障礙患者中再次發病率為60%～80%。
本產品主要針對于失去下肢機能等人群而設計的一款智能康復外骨骼，主要由步進電機、肌松檢測器、陀螺儀、物聯網技術、GPRS無線通訊技術、鋁合金材料構成。采用solidworks軟件進行三維建模,并對核心支撐部件進行應力學分析，仿真結果表明:設備實現下肢康復訓練，研制初代模型機并開始進行實際測試。用戶群體：主要針對于失去下肢機能、運動受限等人群。國外從20世紀60年代就開始對外骨骼助力機器人技術進行研究。國際上外骨骼康復機器人明星企業主要有以色列的Rewalk公司、美國的Ekso和Indego公司、日本的Cyberdyne公司和新西蘭的Rex公司。其中，Rewalk公司的外骨骼康復機器人采用了體感芯片，捕捉患者的肢體動作，幫助行走，通過電池驅動關節部位的電機，組成電動腿部結構，在行走過程中可以感應患者重心的變化，模仿自然行走的步態，并能根據實際情況控制步行速度。Ekso公司的產品兼顧輕量化和耐用性，在關鍵的部位大量采用了鋁合金、鈦合金、碳纖維等金屬和復合材料，另外系統還內嵌了高精度的感應器、微型驅動馬達、擬人關節，以及運行速度快的中央處理器和強大的軟件系統，整套系統采用鋰電池供電，標配的電池包多達四組，每組都可以提供4~6小時的電力。Cyberdyne的產品采用模塊化設計，降低了使用成本；通過在皮膚上粘貼肌電傳感器識別用戶的意圖，控制伺服電機產生和肌肉收縮力相等的扭矩，使助力機器人的運動近似匹配人體肌肉系統，？從而驅動助力機器人系統做相應的動作。Rex？的產品無需用助行器、拐杖，無論站立還是行走，都能夠解放使用者的雙手，從而讓肩膀承受最低限度的壓力。另外從產業化方面來看，Rewalk、Ekso、Indego的產品已獲得CE標識和FDA批準，率先進入了歐美市場，無疑走在了市場化的前列；Cyberdyne？的產品已獲得CE標識，正在申請FDA認證，緊隨其后；Rex的產品目前正在申請CFDA進入中國市場國外外骨骼康復機器人雖然實現產業化，但對國內實行技術壟斷，產品價格昂貴、助力效率偏低、協調性較差，不利于產品的推廣使用。我們一直在努力；我們刻苦專研，研制高端前沿外骨骼康復醫療設備，為推動中國康復醫療行業的發展，讓患者享受最好的康復醫療技術而奮斗不息。我們一直在踐行；提升多元化的售后服務、醫療機構的康復醫療水平，讓患者跑最少的路花最少的錢享受最好的康復醫療服務。
作品內容簡介
在康復中心、老年人社區智能外骨骼康復裝備可按照不同人的腿型、腿長調整產品自身長度，穿戴后，自動
運行程序，電機帶動舵機運作，通過舵機的轉動帶動外骨骼機器的整體運作。根據安裝在產品上的藍牙模塊通過
語音識別、數據處理，來與產品使用者進行直走、轉彎、起立、下蹲等動作；當產品使用者吐字不清晰或有語言
障礙時，采用陀螺儀通過人體感應，手動控制直走、轉彎、起立、下蹲等動作；工作過程中，如果出現舵機卡死
、電機電量不足時；產品會強行運轉到合適人體位置時停止，以產品使用者的安全為首要考慮。
1.研制背景及意義
在世界人口中，大約15%的人有某種形式的殘疾，造成全球殘疾率估計數上升的原因是：人口老齡化和慢性
疾病迅速蔓延，近年來老齡化問題嚴重，全球范圍內老齡化國家日益增多。全球老年人口基數大，且腿腳大多不
便。而且老年人的患病幾率極高，我國由于中風而導致終身殘疾、行動困難的老年人有很多。同時殘疾人口也不
可忽視，我國脊髓損傷患者以及行走不便患者數量較大并呈逐年上升趨勢，其中包括偏癱、截癱病患以及行走不
便的人，使得助老助殘問題日益成為一個重大的社會問題，但目前的一些康復設備無法滿足這一巨大的需求。
一 方面，同時解決老年人行走不便，腿腳不靈活，幫助老年人鍛煉，以達到預防老年人腿部肌肉萎縮、維持
腿部力量的功能且可以讓腿腳不便的老人穩健行走，讓老人擺脫拐杖，讓家屬放心獨自外出；另一方面，可以幫
助失去行動能力的人們重新恢復行走能力，使其回歸正常的生活，擁有自理能力，減輕家庭負擔。
2.設計方案
要解決患者四肢康復治療問題、老年人行走不便，幫助老年人正常生活，預防肌肉萎縮，肌肉退化，實現
下肢康復治療，其控制系統關鍵要解決以下幾個問題：
（1）設備使用者上肢承重問題
設計柔性可穿戴式膝關節保護外骨骼，用于實現人體運動過程中膝關節負載減重及行走助力功能. 根據人體生物力
學特點，使用固體各向同性材料懲罰（SIMP）模型與有限元分析設計柔性外骨骼膝關節，該柔性關節在行走運動
支撐期具有剛性，能夠減輕膝關節體重負載，在擺動期柔性較強，能適應人體生理關節運動特性，不對膝關節造成
額外載荷. 在柔性可穿戴式膝關節外骨骼結構的基礎上，配套設計行走助力模塊，研究相應的助力控制方法可以實
現步行助力. 性能測試實驗表明，單側膝關節保護外骨骼最大能減輕110 N的膝關節負載，外骨骼結構自身質量為
639 g，減重比大；帶行走助力模塊的外骨骼系統質量為4.8 kg，能實現步行運動的助力功能。
（2）安全保護能力
通過機械或從結構上產生緩沖效果，維持關節穩定；提供肌肉主動刺激，以保護關鍵和軟組織，為了保證柔性
外骨骼系統在工作過程中安全穩定，需要進行實時監控，黨超出安全裕度時，及時向穿戴者傳送信號并報警，并按
照導入的安全規則，對系統進行控制。分別在醫師方面、患者方面和設備方面設計了不同的操作使用方式，并對其
配置，搭建， 使用管理有著嚴格的要求。規范了康復機器人的使用方法，為了確保系統的萬無一失，還必須要在底
層設有機械和電路的硬限位，使外骨骼在檢測到關節到達機械限位時，能夠自動切斷電源或使關節以反向緩慢運動
回到安全初始位置，避免傷害操作者。
（3）設備方便快捷的操作系統
口令控制混合拼接矩陣信號切換
CREATOR快捷智能語音控制系統可以對混合拼接矩陣切換器進行語音口令控制。支持WEB頁面直接控制矩陣信號
源矩陣切換，拼接預案調用，信號上墻等操作并且實時監測矩陣的在線狀態和信號源在線狀態檢測;支持語音口令
控制矩陣的信號切換、模式調用、信號切換上屏等操作。智能語音控制系統兼容網絡型中央控制系統，支持語音口
令控制中控系統，對中控系統控制的主要內容有：話筒設備的麥克風打開、關閉；燈光的開啟和關閉，生意的大小
調節，第三方系統包括高清混合拼接矩陣設備、網絡型中控主機設備等，支持語音口令控制分布系統的視頻與音頻
的綁定、IPC網絡健康攝像機的云臺控制，拼接模式的保存和調用等操作。
