膝关节骨性关节炎康复辅具设计创新与实践

膝关节骨性关节炎（KOA）是老龄化背景下导致老年人致残的主要疾病之一，影响全球大量患者。现有治疗方法如药物和手术存在局限性，因此，开发非侵入性、个性化的运动辅具成为关键需求。本书通过步态分析、足压测试及运动辅具研发，为KOA患者提供科学的康复解决方案。
本书结合机械工程与康复医学，旨在突破KOA运动辅具技术瓶颈，推动国内康复设备自主研发。研究成果可助力国家健康老龄化战略，促进产学研结合，提升国产辅具市场竞争力，并实现成果产业化，造福KOA患者。

本书聚焦膝关节骨性关节炎（KOA）的康复辅具设计与应用，系统阐述了从基础理论到创新实践的完整技术路径。全书以KOA患者的病理特征和康复需求为核心，结合生物力学、材料科学及智能控制技术，深入探讨了无源穿戴式助力装置、能量俘获系统及主被动一体化康复设备的研发过程，旨在为临床康复提供个性化、智能化的解决方案。
本书兼具学术性与工程实践性，适合生物医学工程、康复医学及机械设计领域的研究者参考，也为智能康复装备的产业化提供了技术范本。

王旭鹏，博士，教授，博士研究生导师，陕西省高校青年杰出人才，现任西安理工大学艺术与设计学院院长，工业设计国家一流专业建设点负责人。主要从事机械系统动力学、运动生物力学、柔性传感与智能可穿戴技术、医工交叉创新设计与仿真等方面的研究，主持/参与国家级重点/一般项目、教育部项目、陕西省自然和陕西省社科等纵向项目20余项，科研院所委托横向项目20余项，出版专著2部，科研成果获得省级和厅局级二等奖5项（第1人），获得省级研究生教学成果二等奖1项（第1人），发表SCI等高水平论文70余篇，授权发明专利20余项，转化2项，兼任多个国内外SCI和核心期刊审稿人。

第1章绪论 001
1.1研究背景与意义 001
1.2研究目的 004
1.3国内外研究现状 005
1.3.1主动式KOA患者康复机器人 006
1.3.2被动式KOA患者康复机器人 009
1.3.3主被动一体式KOA患者康复机器人 015
1.4研究框架 020
参考文献 022

第2章人体下肢运动分析与步态实验测试 028
2.1人体下肢运动分析 028
2.1.1人体下肢生理结构 028
2.1.2人体解剖学分析 028
2.1.3下肢运动规律分析 030
2.1.4人体行走步态周期 031
2.1.5下肢生理参数和关节自由度 034
2.2人体下肢步态数据采集 034
2.2.1实验系统 035
2.2.2实验流程 038
2.2.3实验结果分析 041
2.3KOA康复需求分析 042
2.3.1KOA概述 042
2.3.2KOA患者的病理特征分析 042
2.3.3膝关节置换术前需求分析 043
2.3.4膝关节置换术后需求分析 043
2.3.5TKA概述 044
2.3.6TKA术后肌力训练 045
2.3.7TKA术后康复需求分析 047
2.4本章小结 047
参考文献 048

第3章无源穿戴式KOA助力与俘能装置研制 050
3.1无源穿戴式KOA助力与俘能装置设计 050
3.1.1设计元素与设计要求 050
3.1.2装置工作原理 054
3.1.3助力单元及俘能方式选择 056
3.1.4助力与俘能装置设计 064
3.1.5零件的有限元分析及装置效果展示 068
3.2无源穿戴式KOA助力与俘能装置仿真 071
3.2.1下肢动力学模型研究方法 071
3.2.2下肢数学模型构建 072
3.2.3下肢动力学仿真实验 078
3.3无源穿戴式KOA助力与俘能装置评价 080
3.3.1装置的安装与调试 080
3.3.2实验系统设计 081
3.3.3助力部分实验测试 082
3.3.4俘能部分实验测试 086
3.4本章小结 089
参考文献 090

第4章无源穿戴式KOA康复训练装置研制 091
4.1无源穿戴式KOA康复训练装置设计 091
4.1.1康复辅具设计原则与要求 091
4.1.2康复辅具方案构型 092
4.1.3康复辅具机构设计 093
4.2无源穿戴式KOA康复训练装置仿真 108
4.2.1动力学模型 108
4.2.2仿真验证与结果分析 113
4.3无源穿戴式KOA康复训练装置实验 117
4.3.1康复辅具加工 117
4.3.2肌电测试实验 117
4.3.3动作捕捉实验 121
4.3.4实验结果分析 122
4.4本章小结 127
参考文献 128

第5章动力型主被动一体化KOA康复装置研制 129
5.1KOA患者膝关节康复运动分析 129
5.1.1TKA术后膝关节康复运动分析 129
5.1.2康复动作仿真分析 135
5.2动力型主被动一体化KOA康复装置机械系统设计 138
5.2.1总体设计 138
5.2.2被动训练结构设计 142
5.2.3主动训练结构设计 145
5.3动力型主被动一体化KOA康复装置控制系统设计 146
5.3.1控制系统设计 146
5.3.2控制系统硬件设计 148
5.3.3控制系统软件设计 152
5.4动力型主被动一体化KOA康复装置功能性能验证 162
5.4.1数值模拟 163
5.4.2实验测试 168
5.5动力型刚柔混合膝关节辅助装置设计 178
5.5.1串联弹性驱动器和可变刚度机构的应用 178
5.5.2动力型刚柔混合膝关节辅助装置设计 179
5.6本章小结 183
参考文献 184

第6章总结与展望 185
6.1总结 185
6.2不足与展望 188