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课程设计

下肢康复助行器结构设计

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课程设计_下肢康复助行器结构设计

摘要

针对下肢功能障碍患者行走稳定性不足的临床问题，本设计开发了一款轻量化、可调节的下肢康复助行器，旨在提供步态辅助与承重支持。研究基于人体步态生物力学分析，精确提取步态周期关键参数；通过材料力学理论计算优化6061-T6铝合金支架结构，确保强度与轻量化平衡；创新设计弹簧-阻尼动态调节机构，实现步态自适应匹配；利用SolidWorks完成三维建模，并通过有限元仿真验证100kg承重条件下的结构可靠性。设计成果显示：支架质量严格控制在8kg以内，步长调节范围覆盖50cm至85cm（适应身高150cm–180cm人群），最大应力142.3MPa显著低于铝合金屈服强度245MPa，助行器可稳定适应0.8m/s–1.2m/s步速变化。该设计成功解决了传统助行器动态适应性缺失的痛点，其核心创新在于阻尼系统与步态周期的实时匹配机制，大幅提升了行走安全性和康复效率，具有广阔的临床推广价值与产业化潜力。

关键词

下肢康复助行器；人体步态分析；铝合金支架；弹簧阻尼机构；结构仿真验证

第一章引言

1.1课题背景与意义

全球人口老龄化趋势加速，下肢功能障碍患者数量持续攀升。据世界卫生组织（WHO）2022年全球残疾报告[1]显示，65岁以上老年人群中，下肢运动障碍患病率高达18.7%，年均新增患者超过2300万。此类患者常因肌肉萎缩、关节损伤或神经病变导致行走稳定性差，易引发跌倒事故，二次损伤风险增加40%以上[2]。传统助行器如简易拐杖或刚性框架式设备，普遍存在动态适应性不足的缺陷：其结构设计僵化，无法随步态周期变化实时调整支撑力度，在支撑相易造成足部下沉，在摆动相则阻碍腿部自然摆动，显著降低康复训练效果[3]。本设计聚焦解决这一关键问题，通过研发具备步态自适应能力的轻量化助行器，可有效提升患者行走安全性，减少康复周期内跌倒事件发生率，同时优化肌肉激活模式，促进神经肌肉功能重建。从社会价值看，该设备有望降低家庭照护负担与医疗支出，契合“健康中国2030”规划对康复辅具普惠化的要求，具有深远的公共卫生意义。

1.2国内外现状简述

国内康复助行器市场以基础型产品为主导，典型代表如单臂拐杖式助行器（市场占有率65%以上）[4]。此类设备结构简单、成本低廉（单价500–1000元），但存在显著局限：采用刚性支撑框架，缺乏步态调节功能；高度调节范围窄（仅40–70cm），难以适配不同身高患者；材料多选用普通碳钢，支架质量普遍超过12kg，便携性差，长期使用易导致上肢疲劳[5]。反观国际高端市场，ReWalkRobotics与EksoBionics推出的智能外骨骼助行器代表了技术前沿，其集成电机驱动与传感器网络，可实现步态主动辅助[6]。然而，此类产品存在三大瓶颈：一是结构复杂度高（零部件超200件），导致故障率上升；二是成本极其昂贵（ReWalk售价52万元，Ekso达48万元），远超普通患者承受能力；三是依赖外部电源与软件系统，室内适用性受限，无法满足日常居家康复需求[7]。近3年研究趋势表明，轻量化材料与被动式智能调节机构成为研发热点。《JournalofRehabilitationEngineering》2023年综述指出[8]，采用6061-T6铝合金替代钢材可减重40%以上，结合弹簧-阻尼机械调节方案，能在成本控制（目标2000元）与功能可靠性间取得最佳平衡，此类设计已占新申报专利的57%。

1.3设计任务与目标

本课程设计的核心任务是完成一款承重能力达100kg的下肢康复助行器结构设计，重点集成步态周期自适应调节功能，解决动态支撑与轻量化矛盾。具体设计目标量化如下：支架总质量严格控制在10kg以内（目标值≤8kg），以减轻患者上肢负荷；步长调节范围需覆盖50cm至85cm，满足150cm–180cm身高人群需求；弹簧-阻尼机构的阻尼系数可调范围设定为0–50N·s/m，确保匹配0.5m/s–1.5m/s步速变化；结构安全系数不低于1.5，最大工作应力须低于材料屈服强度。设计过程需严格遵循YY/T1103-2020《助行器具要求》行业标准[9]，同时兼顾制造可行性与成本控制，确保方案具备工程落地潜力。

1.4报告结构安排

本报告采用系统化设计流程展开论述。第二章详细剖析用户功能与性能需求，明确设计边界条件；第三章提出总体设计方案，通过多方案比