膝关节骨性关节炎（Knee Osteoarthritis,KOA）是一种以关节软骨变性、破坏及骨质增生为特征的慢性关节病，其病理特征涉及关节软骨、骨质和关节滑膜等多个组织的退行性改变。随着全球人口老龄化进程加速和现代生活方式的改变，KOA的发病率呈现显著增长趋势，并突破传统认知中的年龄限制，逐渐向年轻群体蔓延。流行病学调查显示，我国60岁以上人群中KOA发病率已超过40%（女性）和20%（男性），而全球范围内受此疾病困扰的患者数量更是突破一亿大关。
KOA患者普遍存在膝关节疼痛、肿胀、晨僵、关节畸形及股四头肌萎缩等症状，严重时可导致关节功能障碍甚至残疾，不仅造成患者日常活动受限、劳动能力丧失，还会引发抑郁、焦虑等心理问题，对个人生活质量、家庭经济负担及社会医疗体系都构成巨大挑战。在医学治疗领域，针对终末期KOA患者，人工全膝关节置换术（Total Knee Arthroplasty,TKA）已成为消除关节疼痛、重建膝关节功能的核心治疗手段。然而手术成功仅是康复过程的起点，术后康复训练的质量直接决定最终疗效。
传统康复理念强调术后静置修复，通过石膏固定等方式维持关节稳定，但长期制动容易引发组织粘连、肌肉萎缩、骨质疏松等并发症，甚至导致退行性关节炎复发。随着康复医学研究的深入，现代康复理念已发生根本性转变：术后当日即可启动康复训练，需遵循被动?半主动?完全主动的渐进式训练原则，通过柔顺可控的运动刺激促进血液循环、防止组织粘连、增强肌肉力量。研究表明，科学规范的康复训练可使患者运动功能恢复周期缩短至6周～6个月，显著优于传统静养模式。这一医学认知的革新推动着康复训练装备的研发热潮，如何通过技术创新实现精准化、智能化康复训练，成为国内外研究者共同关注的焦点。
本书旨在探索一种结合康复运动与下肢运动辅具的创新干预方式，以期为KOA患者提供更为全面和个性化的康复解决方案。具体目标如下：
设计并制造适用于轻中度KOA患者的运动辅具，从有源和无源两个维度出发，满足不同康复阶段的需求。
进行临床验证，通过对比使用运动辅具前后患者的疼痛程度、关节功能、肌肉力量及生活质量等指标，评估辅具的实际效果。
优化康复辅具的适应性，确保其能够根据患者个体差异进行动态调整，实现从被动训练到主动训练的平滑过渡。
针对KOA等下肢常见疾病的运动康复，现有的康复辅具包含手杖、助行器、矫形鞋和机器人等。随着新技术、新方法融入康复辅具设计，其种类也在不断丰富。根据驱动方式的不同，康复辅具可分为主动式、被动式和主被动一体式三大类。
主动式康复机器人以患者的运动意识与自身肌力为主导，适宜KOA患者发病前期或术后有一定肌力时使用。
坐卧式康复机器人：如奥克兰大学设计的Nustep四肢联动脚踏板机器人，通过手脚配合实现四肢关节训练。
外骨骼站立式康复机器人：如日本筑波大学研制的下肢外骨骼机器人HAL，利用EMG信号实现主动型训练。
被动式康复机器人以康复机器人带动患者运动为主，适宜患者术后使用。
坐卧式康复机器人：如比利时根特大学设计的Tergumed腰椎训练设备，通过增加训练阻力实现特定部位康复。
外骨骼式康复机器人：如韩国汉阳大学开发的CPM膝关节外骨骼，用于术后保持正确姿势。
主被动一体式康复机器人可根据患者康复阶段调整训练模式。
坐卧式康复机器人：如德国不来梅大学设计的Full?leg和Free?Knee概念机，方便患者从被动训练过渡到主动训练。
牵引站立式康复机器人：如瑞士苏黎世巴尔格里斯特大学医院研制的Lokomat线驱动步态矫形器，通过生物反馈实现精准康复。
本书围绕膝关节骨性关节炎康复辅具的设计与实践展开，主要内容如下。
人体下肢运动分析与步态实验测试：通过动作捕捉系统采集步态数据，为康复辅具设计提供生物力学依据。
无源穿戴式KOA助力与俘能装置研制：结合卷簧储能与压电俘能技术，实现能量循环利用。
无源穿戴式KOA康复训练装置研制：针对TKA术后患者设计模块化辅具，满足不同康复阶段需求。
动力型主被动一体化KOA康复装置研制：融合机械系统与控制系统，实现智能化康复训练。
智能康复辅具的普及应用将产生多重正向效应：
对患者个体：缩短30%～50%的康复周期，帮助患者更早恢复工作能力，减少经济损失。
对医疗系统：提升康复师工作效率3～5倍，缓解专业人才短缺压力。
对环保与国防：能量自给系统减少电池污染，增强型外骨骼在军事领域具有战略价值。
本书通过多学科交叉融合，系统阐述了膝关节康复辅具的设计原理、技术实现与临床验证，旨在为康复医学、生物力学及机械工程领域的研究者与实践者提供参考。随着材料科学、人工智能等技术的持续突破，智能康复辅具有望在未来十年内实现临床普及，为改善数亿患者的生命质量、应对老龄化社会挑战提供关键技术支撑。
本书稿在撰写过程中，西北工业大学在读博士生刘刊、已毕业硕士生霍东锋、魏宇辰等提供了大力支持。此外，国内外同行已发表文献中的研究方法、研究成果也是本书的重要资料和组成部分，在此对相关人员一并表示感谢。
由于编写时间有限、编写经验不足，书中难免存在疏漏之处，恳请广大读者予以批评指正，以便共同进步。
著者
2025年6月
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
书单推荐
