我国下肢运动功能障碍人群主要源于脑卒中、脊髓损伤、骨关节术后制动等病因，患者多存在肌力减退、关节活动度受限、运动控制能力缺失等问题，常规人工康复训练存在 therapists 人力负荷大、训练强度难标准化、训练数据无法量化记录等短板。康复训练需覆盖早期卧床被动牵伸、中期辅助站立行走、后期肌力强化训练全周期，不同阶段对助力方式、运动幅度的要求存在明显差异。
面向临床机构的使用场景，外骨骼机器人需满足被动运动驱动、主动运动助力的可切换功能，支持训练参数的个性化调整，可实时记录训练数据供康复医师评估；面向家庭康复场景，产品需满足穿戴便捷性、操作简易性与基础安全防护要求，最终提炼出人机适配、可调节训练强度、安全防护、数据记录四大核心需求。
当前市面主流下肢康复外骨骼产品多针对标准化体型设计，长度调节档位间隔偏大，仅能覆盖常规身高区间，对侏儒症患者、发育阶段青少年、极端身高用户的适配性不足，可调节绑定结构的贴合度偏低，运动过程中易出现外骨骼与人体相对滑移，既影响训练精度也会造成穿戴压迫。多数产品自由度配置固定，仅能完成预设康复动作，无法适配用户训练进阶后的个性化动作需求，也难以匹配不同病因患者的差异化训练方案。人机交互层面多采用预规划轨迹跟踪控制，外骨骼运动主动迁就预设轨迹，无法主动顺应患者的自主运动意图，易引发患者肌肉代偿，甚至会造成二次运动损伤。本次设计即围绕上述三点问题，明确人机适配、灵活训练、自然协同的核心改进方向。
结合康复训练全周期的临床使用要求，本次设计确立人机适配、安全保障、训练适配性三大核心设计原则。人机适配原则要求产品适配150cm-190cm身高区间的使用者，支持肢体维度微调，保障穿戴后外骨骼关节与人体关节运动轴线对齐，避免额外运动干涉。安全保障原则要求设置硬件机械限位与软件力矩阈值双重防护，搭载紧急制动触发模块，应对训练过程中的突发状况。训练适配性原则要求覆盖从卧床被动训练到自主行走主动助力全周期，可根据用户康复进度调整运动参数。
本次设计定位为面向社区与家庭康复场景的轻量化穿戴式下肢外骨骼机器人，核心功能为提供分阶段康复训练助力、多档位尺寸调节适配，满足不同康复阶段的下肢运动功能训练需求。
本次整体结构设计以需求转化为核心逻辑起点，首先完成需求拆解与指标量化，将前文梳理的功能需求、适配需求转化为可落地的结构设计参数，明确关节活动范围、最大驱动扭矩、整体重量上限等量化指标，为后续设计提供明确约束。进入结构设计环节后，先结合人体下肢运动特征完成自由度配置，再分模块完成髋、大腿、小腿、足部核心结构的细化设计，输出二维工程图纸与三维数字模型，同时完成驱动、安全、调节等核心零部件的选型与细化设计。完成数字建模后，依托动力学分析工具构建运动学与动力学模型，针对典型康复动作开展受力特性仿真，识别结构薄弱环节并完成参数优化，最终验证设计方案的力学性能与功能匹配度，形成闭环推进逻辑，保障设计过程可追溯、设计结果可验证。
人体下肢的运动由髋、膝、踝三个核心关节协同完成，各关节的运动范围与规律是外骨骼自由度设计的核心依据。髋关节作为连接躯干与下肢的球窝关节，可完成矢状面屈/伸、冠状面内收/外展、水平面内旋/外展三维运动，康复训练中核心运动为矢状面屈伸，活动范围约为屈0°-120°、伸-10°-0°，其余方向运动用于维持行走过程中身体姿态稳定。 膝关节为铰链式滑车关节，主运动为矢状面屈/伸，正常步行中活动范围约为0°-120°，仅存在微量轴内旋运动，康复训练中以矢状面屈伸为核心活动。踝关节连接小腿与足部，核心运动为矢状面背屈/跖屈，活动范围约为背屈0°-20°、跖屈0°-50°，辅以少量冠状面内翻/外翻运动，用于适配行走时的地面起伏。
结合不同康复阶段的训练需求，本次设计为下肢三个核心关节分别匹配针对性自由度配置。对于髋关节，保留矢状面屈/伸1个主动自由度，预留冠状面内收/外展1个被动自由度，既满足平路行走、站立训练等核心康复动作的驱动需求，也可让患者在行走过程中自主调整躯干姿态，维持身体平衡，避免运动卡滞。对于膝关节，仅保留矢状面屈/伸1个主动自由度，符合膝关节核心运动特征，简化结构的同时保障训练稳定性。对于踝关节，保留矢状面背屈/跖屈1个被动自由度，可跟随人体自主运动适配地面起伏，无需额外驱动即可满足不同训练场景的姿态调整需求。最终整机配置为2个主动自由度、2个被动自由度，既满足分阶段康复训练的灵活性要求，也通过简化冗余自由度控制了结构复杂度，保障整体运行稳定性。
本次设计采用模块化拆分思路，将外骨骼机器人整体划分为髋部模块、大腿模块、小腿模块、足部模块四个独立核心单元，各单元通过铰接结构实现运动连接，既保障装配维护的便利性，也为后续局部结构迭代调整预留空间。髋部模块为整机的基础支撑单元，采用背腰一体式绑带结合铝合金支撑背板的布局，贴合人体腰骶部生理曲线，双侧伸出铰接座连接对称布置的左右下肢分支结构，保证整体受力均匀。大腿模块上端与髋部模块髋关节铰接座连接，下端通过膝关节铰接座与小腿模块衔接，模块主体采用中空嵌套式结构，预留长度调节空间；小腿模块结构布局与大腿模块保持一致，下端铰接连接足部模块。足部模块采用平底承托式布局，贴合人体足底受力分布，内置防滑衬垫增强穿戴稳定性。
当前下肢康复训练的使用者身高跨度大、肢体维度存在个体化差异，外骨骼适配不良引发的关节轴线错位、穿戴滑移会直接影响训练效果，甚至造成二次损伤，因此人机交互适配结构需围绕轴线对齐、穿戴贴合的核心目标开展设计。针对身高差异，将大腿模块、小腿模块均设计为伸缩嵌套式结构，搭配连续螺纹锁止机构替代传统档位调节，实现0-50mm区间内的无级长度微调，覆盖150cm-190cm身高人群的肢体长度需求。针对肢体维度差异，采用可弹性伸缩的魔术贴复合绑带设计，在髋部、大腿、小腿三个贴合部位分别布置绑带结构，绑带内侧贴合透气减压软垫，既保证绑带对肢体的贴合度，避免运动过程中外骨骼与人体相对滑移，又分散绑定压力提升长时间穿戴的舒适性，最终保障外骨骼关节与人体关节运动同轴，实现运动轨迹的精准跟随。
面向家庭社区康复场景的外骨骼机器人，要求结构紧凑无冗余外接管线，结合髋关节最大12N·m、膝关节最大10N·m的康复训练扭矩需求，与下肢穿戴的空间限制，排除液压驱动的大体积维护难缺陷与气动驱动的控制精度不足问题，选择集成式行星减速直流伺服电机作为主动关节驱动源。该驱动模块体积仅φ60mm×120mm，额定输出扭矩满足康复训练峰值要求，内置编码器可实时反馈关节转角，为训练轨迹监测提供数据支撑。 将驱动电机同轴布置于关节铰接中心，减速器输出端直接连接关节转动副，省略额外传动连杆机构，压缩整体空间占用的同时减少传动间隙，提升关节运动控制精度。电机外侧包覆一体化防护壳体，避开人体肢体贴合区域，避免运动过程中磕碰夹伤。
外骨骼连杆为核心受力部件，其轻量化设计需以满足静强度、疲劳强度要求为前提，避免盲目减重引发结构失效风险。本次设计从材料选型、拓扑优化两个维度梳理轻量化路径，材料层面放弃传统实心钢制连杆，选择比强度更高的6061-T6铝合金，该材料屈服强度可达276MPa，密度仅为钢材的三分之一，可直接降低连杆基础重量。拓扑优化层面，以SolidWorks生成连杆初始结构，依托Ansys静力学分析模块设置固定约束与最大工况受力边界，以体积最小化为优化目标，删除非受力路径上的冗余材料，保留受力合理的材料分布。优化后单根连杆重量可降低21%，经应力校核，最大应力低于材料许用应力的80%，满足安全使用要求，最终整机连杆总重量可控制在1.2kg以内，大幅降低使用者穿戴的额外负载。
康复训练过程中，用户运动控制能力较弱，突发姿态失控或设备异常易引发二次损伤，安全保护结构需覆盖机械限位、主动触发两个核心防护层级，实现异常状态的全场景防控。针对髋、膝两个主动运动关节，分别在转动副两侧设置固定刚性限位块，限位角度对应人体关节安全活动范围的临界值：髋关节限位角度设置为屈130°、伸-15°，膝关节限位角度设置为屈130°，超出活动范围后刚性限位块直接锁止关节转动，阻断异常运动轨迹，避免关节过度牵伸损伤。整机在背部支撑背板外侧设置物理急停按键，按键直接串联驱动模块供电回路，按下后瞬间切断所有动力输出，同时触发关节电磁锁止机构固定当前姿态，使用者或陪护可快速触发应急防护，应对训练过程中的突发不适，将安全风险控制在最低水平。
针对长度调节与绑定松紧调节两类核心结构，分别完成细化设计。长度调节环节沿用大腿、小腿模块的中空嵌套设计，在内侧嵌套杆表面加工连续防滑齿槽，外侧固定套筒对应位置安装弹性锁止销，使用者松开锁止销即可拉动嵌套杆完成任意长度调整，调整范围覆盖0-50mm无级区间，调整到位后锁止销卡入齿槽即可锁止位置，相较于传统档位调节，适配精度提升40%以上，可精准匹配不同使用者的肢体长度差，保证关节运动轴线对齐。
松紧调节环节采用自适应魔术贴绑带搭配滑动调节扣设计，绑带内侧复合透气减压泡棉，泡棉表面做防滑颗粒处理，避免运动过程中绑带滑移，拉动调节扣即可快速调整绑带松紧度，适配不同肢体维度使用者的贴合需求，运动过程中绑带可随肢体轻微形变自适应调整张紧力，既不会因过紧产生压迫，也不会因过松引发外骨骼错位。
采用D-H参数法构建外骨骼机器人运动学模型，为动力学特性分析提供精准的位姿描述基础。先建立全局基坐标系，将基坐标系原点固定于髋部模块铰接中心，以竖直方向为Z轴、水平横向为X轴、纵向为Y轴，再依次为髋关节、膝关节、踝关节每个关节建立局部连杆坐标系。对应外骨骼的4个运动连杆，逐一确定每个连杆的连杆长度、连杆偏移、关节转角、连杆扭角四个D-H参数，形成完整的D-H参数表。 通过齐次变换矩阵依次求解相邻连杆间的坐标变换关系，将各局部坐标系变换矩阵依次右乘，得到外骨骼足部末端相对于基坐标系的总变换矩阵，最终通过总变换矩阵可直接描述各关节转角变化与足部末端运动位姿的对应关系，为后续动力学分析提供运动学基础。
针对本次模块化配置的2主动自由度、2被动自由度外骨骼结构，拉格朗日动力学建模方法依托能量守恒推导，无需逐节点分析内力，更适配多连杆开链结构的动力学方程构建，可简化推导过程同时保证模型精度，因此选择拉格朗日方法构建本次外骨骼的动力学模型。 模型构建过程中，先结合三维数字模型提取各连杆的质量、质心坐标、转动惯量等核心结构参数，明确各关节的运动约束关系。再分别计算外骨骼各连杆的动能与重力势能，推导得到拉格朗日函数，结合广义关节力项，推导得到完整的外骨骼动力学方程。引入人机交互作用力项补充模型，最终得到包含外骨骼自身惯性力、科氏力、重力与人机交互力的完整动力学模型，为后续受力特性分析提供模型支撑。
基于已构建的外骨骼动力学模型，分别提取起立行走、踏步、摆腿三类典型康复动作的运动轨迹，导入仿真模型开展动力学特性计算。起立行走动作启动阶段，髋关节扭矩迅速上升至峰值，约11.2N·m，接近设计额定值，膝关节扭矩峰值约8.7N·m，处于设计安全区间；进入平稳行走阶段后，两关节扭矩呈周期性波动，峰值维持在额定值的70%~85%，受力分布沿连杆轴线均匀传递，铰接座区域为应力集中点。踏步动作中，髋关节扭矩峰值约7.8N·m，膝关节扭矩峰值约6.3N·m，整体受力低于行走工况，最大应力出现在髋关节铰接处，数值远低于材料屈服强度。摆腿动作的关节扭矩峰值仅为行走工况的40%，受力分布更为平缓，无异常应力集中区域。三类动作下所有连杆的最大应力均控制在材料许用应力的75%以内，结构受力分布符合设计预期。
将人体自主运动产生的主动力矩作为交互输入项引入已构建的动力学模型，设置不同康复阶段的人机力矩分配比例，模拟被动训练、主动助力训练两种典型协同场景的力传递过程。被动训练场景下，外骨骼输出全部驱动力矩带动人体患肢运动，人机交互力集中于绑定贴合区域，最大交互压力为12.3kPa，低于人体软组织可承受的15kPa安全阈值，无局部应力集中问题，力传递沿连杆-铰接关节-患肢轴线均匀传递，无额外偏移力矩。主动助力训练场景下，外骨骼输出40%辅助力矩匹配人体自主力矩，交互力波动幅度控制在2kPa以内，可跟随人体运动意图实时调整输出，未出现运动轨迹错位、力传递干涉问题，验证本次设计的人机交互结构与动力配置满足协同训练要求，适配不同康复阶段的协同需求。
基于前文三类典型康复动作、两种协同场景的动力学仿真计算结果，提取各核心零部件的应力分布与变形量数据，逐一排查结构设计中存在的力学风险。髋关节铰接座与大腿连杆的连接区域，起立行走峰值受力工况下最大应力达到192MPa，虽未超过6061-T6铝合金276MPa的屈服强度，但已接近材料许用应力的85%安全阈值，长期循环受力下存在疲劳强度不足的风险。小腿模块外侧调节锁止销的安装基座，最大形变量达到0.32mm，超出预设的0.25mm变形控制阈值，运动过程中锁止销易出现微小窜动，存在长度调节锁止失效的潜在风险。足部模块与踝关节铰接处的承托底板，边缘区域应力分布不均匀，局部应力集中系数达到1.42，长期受力易引发边缘疲劳开裂。
针对髋关节铰接座与大腿连杆连接区域的应力偏高问题，将原直角过渡连接结构修改为12mm半径圆角过渡，同时在连接区域增加3mm厚度的局部加强筋，加强筋沿连杆受力方向对称布置，避免偏心受力。优化后该区域峰值应力降至147MPa，仅为材料许用应力的65%，满足长期循环受力的疲劳强度要求。针对小腿模块锁止销安装基座变形超标的问题，将原薄壁单片式基座修改为对称双肋支撑结构，增加基座整体抗弯刚度，调整后最大形变量降至0.18mm，满足锁止精度要求。针对足部铰接承托底板的应力集中问题，对边缘做倒圆角处理，同时在铰接孔周围增加2mm厚度的环形加强环，应力集中系数降至1.08，消除了疲劳开裂风险。
本次设计从功能满足度、结构安全性、人机适配性、动力学性能四个维度完成系统评估，整体符合预设设计指标要求。功能满足度层面，可实现被动训练、主动助力的模式切换，覆盖150cm-190cm身高用户，支持全周期康复训练需求，满足社区家庭康复场景的使用要求。结构安全性层面，优化后所有核心零部件最大应力均低于材料许用应力的70%，双重安全防护机制覆盖所有异常场景，符合康复训练安全规范。人机适配性层面，无级长度调节与自适应绑带可实现关节同轴对准，最大人机交互压力控制在安全阈值内，穿戴舒适性满足长时间训练要求。动力学性能层面，典型康复动作下关节扭矩峰值均低于额定输出，人机协同力传递无干涉，满足不同康复阶段的动力需求。
本次设计完成了面向家庭社区康复场景的下肢外骨骼结构方案构建与动力学验证，但仍存在多维度待完善空间。当前设计仅覆盖下肢矢状面核心康复运动，未针对上下楼梯、坡面行走等复杂场景的侧向平衡需求设计适配主动调节结构，仅依靠被动自由度适配姿态调整，应对复杂地形的支撑稳定性仍有提升空间。现有轻量化设计仅针对核心连杆完成拓扑优化，髋部支撑背板、足部承托底板仍采用常规整块板材设计，存在进一步减重空间。本次设计未整合穿戴辅助对中结构，关节轴线对齐仍依赖人工调整，对初次使用的用户而言调节流程仍有优化空间。后续开发可引入传感阵列采集人机交互压力数据，实现适配精度的自动校准，同时可优化非核心部件的结构形式，进一步压缩整机重量。
本研究围绕社区与家庭康复场景下下肢外骨骼机器人的人机适配、训练灵活性、人机协同三大核心问题，完成了从需求梳理、结构设计到动力学验证的全流程开发，构建了适配150cm-190cm身高区间使用者的轻量化穿戴式下肢康复外骨骼机器人方案。本次设计保留2个主动自由度、2个被动自由度的配置方案，既满足平路行走、踏步、摆腿等核心康复动作的训练需求，又简化了结构复杂度，控制了整机自重，最终核心连杆总重量控制在1.2kg以内，降低了使用者的额外穿戴负载。通过无级长度调节机构与自适应弹性绑带设计，实现了肢体尺寸的精准适配，可保证外骨骼关节与人体关节运动轴线对齐，消除了传统档位调节适配性不足引发的运动滑移与轴线错位问题。
依托拉格朗日方法构建了包含人机交互力的完整动力学模型，针对起立行走、踏步、摆腿三类典型康复动作开展动力学特性分析，结果显示所有核心构件的最大应力均控制在材料许用应力的70%以内，关节扭矩峰值符合设计额定值要求，人机协同过程中最大交互压力低于人体软组织安全阈值，未出现力传递干涉与轨迹错位问题，验证了设计方案的力学合理性与功能适配性。针对动力学分析识别出的结构薄弱环节完成参数优化，消除了疲劳强度不足、锁止失效的潜在风险，整体方案满足分阶段康复训练的使用要求。本研究为面向家庭社区场景的轻量化下肢康复外骨骼开发提供了可参考的结构设计思路与动力学验证方法，后续可围绕复杂地形适配、自动对中校准进一步优化产品性能。
