辅助残疾宠物站立行走智能穿戴式设备的设计

1. 引言

近年国内宠物行业发展迅速，2024 年城镇犬猫消费市场规模超过3000 亿，与此同时中国宠物数量也已经超过了1.15 亿只[1]。宠物医疗临床也随着宠物饲养数量的增加以及宠物寿命的延长，犬类疾病逐年增多，且发生种类越来越多样。犬后肢瘫痪是最常见的老年犬的病证之一，常见原因有腰椎损伤、外伤、妊娠瘫痪、离子紊乱、神经炎等。宠物医疗作为仅次于宠物食品消费规模的第二大产业，其中以智能设备增长速度最快[2]。据《2022中国宠物医疗行业白皮书》数据显示：骨科设备需求占到宠物医疗器械市场需求总量的 17% 。现阶段市场上后肢辅助器因功能单一以及价格高昂等因素，对于普遍的家庭而言还有相当大的门槛，且传统铁制支撑架只能满足犬体不活动状态下的肢体支撑，无法完成关节活动以及奔跑的自然状态，无柔软度以及轻便性，具有使用笨重、通用性不强的特点。

因此，制作一款小型轻便、可折叠并且便宜的犬类后肢辅助器来解决犬类由于残疾不能自主迈步的问题，可以提高宠物狗的生活质量，同时也可以分担一部分宠物主人的责任和压力。本项目从多方面入手，通过对宠物狗的残疾部分进行研究、对宠物狗的步幅、步频、步距和腿部力量等进行对比，针对宠物狗的实际情况来进行产品的优化，并保证其与宠物狗的运动协同性；在机械设计方面利用模块化设计将弹簧伸缩机构以及螺丝联动设计作为调节装置，可以根据宠物狗的现实情况来进行及时调节；在可持续化设计上，采用的主体框架材料为回收率为 90% 以上的回收型铝合金材料，外部包裹的材料也是无毒可自然降解的环保材质，在选取材料时就可以减少对环境的污染。

2. 相关领域研究现状

国内宠物市场规模持续扩大，宠物主人对于犬类辅助器具的需求量不断增加，为行业发展提供充足动力；与此同时政策层面对犬类辅助器具生产制造端的支持也使行业享受政策东风。一方面，一些国内大型企业加大对犬类辅助器具方面的投入，积极引入国外先进的技术和人才，采用更先进设计理念，比如，某企业研发出一款基于物联网技术、大数据分析的智能动物肢体辅助器具产品，可以将动物步态信息全部传输到手机 APP 端，并以此为基础，精准地判断出该只动物需要怎样的治疗手段[3]；可孚医疗通过不断地添加新产品线，进军宠物市场，例如目前已经有基础型后肢轮椅和配套的各种定制化支具。另一方面，国内的各大高校与科研机构也开始重视犬类康复辅助器具的研发工作，中国农业大学开展了基于3D 打印的犬用支具研究项目。但我国目前还没有在兽医康复方面建立完善的体系，犬类康复仍处于初级阶段，没有太多临床病例供参考。

国外的研究重点是对辅助器力学上的优化和智能化、人性化改进。日本的研究者提出了柔性外骨骼，外骨骼材质为记忆合金材料，但不能负 的负载[4] 美国的Ra Allen Manufacturing 及 Kurgo UK 推出的犬用轮椅都是采取了轻量化铝合 顾承载能力及舒适性。德国 Ottobock 公司以人类假肢动作为例，在腿部支具 的压力更小。除此之外，随着 3D 打印技术的发展，个性化定制的辅 新的希望，如荷兰的一家公司就在其官网推出了“ScantoFit”定制化服务，可以在48 小时内将针对顾客爱宠量身打造的辅助装置送达到顾客手中。

3. 设计成果

产品偏向于简约轻量风的设计风格，整体上更加偏于宠物友好型，使用柔和的圆角以及暖色系的色彩，从而降低宠物带时的抗拒心理；从功能层面来讲，注重“支撑+运动”的一体化，把机械结构和控制系统的结合应用作为设计的技术途径；以模块化设计为技术路线基础，并加入可调式伸缩弹簧、固定扣等配件进行不同的腿型适配。

3.1 设计方案

（1）产品外观：外观为流线型，更有利于宠物使用，框架表面经过了阳极氧化处理，有耐磨防刮功能，选择颜色为浅灰色搭配，加上宠物爪印或者花纹等装饰，可使视觉更具吸引力，让宠物感到更加亲切，并且不易让宠物产生反感情绪。如图1 所示。

图1 设计图

（2）结构交互界面：模块化框架由主支撑腿、可调节伸缩杆与快拆式绑带组成，单腿可独立调节长度，适配体重5-15kg 的中小型犬；关节处采用连杆机构，配合硅胶垫片，实现0-120°灵活弯曲。

（3）核心功能与技术实现：安装有微型压力传感器和陀螺仪，可以采集宠物步态数据，并且能根据 AI 算法和数据动态调整支撑力；采用可充电锂电池，一次充满电能够待机12 个小时左右，具有防水、防泥、方便清理等功能。

3.2 细节说明

（1）材料选择：采用铝框架、挤压成型，成本降低 30%，接触层 TPU 材料通过生物相容性检测，无致敏性，外层采用可降解聚酯纤维面料，使用寿命终了后可自然分解或清除。

（2）人机交互设计：绑带使用魔术贴、卡扣的方式固定，佩戴的时间可以缩进30s 之内，APP 界面极简设计，通过 APP 的一键切换模式进入“日常行走”或“康复训练”的模式之中，同时还可生成运动数据报告，并且有综合AI 的分析与判断，辅助饲主的正确判断和护理。

4. 结论与展望

本设计为一台体积小、重量轻、便于折叠、价格低廉、能满足运输携带需求的犬类残疾后肢辅助器。

根据目前结果显示，设计依然有限。

（1）技术层面：恶劣环境下传感器精度误差大，AI 算法不能很好地适应大犬只的步伐，锂电池仅能供电12 小时，在一些特殊的应用环境中存在不足。

（2）成本控制：核心传感器是买来的而不是自己做的；可定制化的 3D 扫描服务较贵；面向用户的产品定价接近于其价格敏感的上限（200 元）。

（3）用户接受度：部分宠物有短时间内接受穿戴设备的问题，在长期使用中还有优化外观及穿戴舒适度的可能。

后续研究将侧重以下3 点：

（1）技术迭代：加大国产高精度传感器和边缘计算技术的研发力度，强化算法泛化性能；研究石墨烯电池以增加续航能力。

（2）功能扩展：提供健康诊断、发布社交、分享为一体的宠物康复社区生态。

（3）产业协作：集合一些材料厂家一起将核心部件做便宜，并且设立区域性 3D 扫描服务平台来实现规化的定制生产。

参考文献

[1] 林闻，黄星榕.“宠”出来的新消费[N].福建日报，2024-05-28（3）：2.

[2] 王兵.中国宠物市场的发展现状及趋势分析[J].贵州畜牧兽医，2023，47（02）：6-8.

[3] 狄和双，代明武，刘忠慧，蒋珊珊，王丽华，李晨风，李峥，余亚楠.犬髌骨脱位的诊疗与分析[J].中国畜牧兽医文摘，2017，33（11）：202-203.

[4] 杨建楠，黄彬，谷小军，等.形状记忆合金力学行为与应用综述[J].固体力学学报，2021，42（04）：345-375.

基金项目：大学生科技创新创业训练计划项目：一种辅助站立与行走的残疾宠物智能穿戴式设备设计与研究（项目编号：X202411439025）