康复器械穿戴舒适性优化设计

康复器械是协助肢体功能障碍者康复的重要设备，器械本身的设计能直接影响到用户的使用体验和康复效果。随着康复医学的发展，传统的康复器械存在穿着不舒服等问题，容易造成皮肤破损、影响正常活动、诱发身体疲劳等情况，对康复训练产生极大负面影响。

当前的研究多是以某个方面的单个要素进行舒适性优化，整体协调适配性、安全性和动态舒适性的不足明显，在此提出一种基于使用场景和人因机制，建立以材料结构为关键技术点的人体特征建模 - 多目标优化设计 - 舒适性综合评价设计模式，并应用于康复器械的创新设计当中。

一、康复器械穿戴舒适性影响因素分析

（一）人体生理特征与个体差异

人体生理学特点为康复器械舒适的决定因素，包括肢体形态特点、皮肤特性及运动规律。同一类别的肢体形态参数差别较大，例如小腿截肢者随着康复训练，残肢形态会发生变化，使用固定形态的假肢接受腔，会引发压迫或过松；皮肤是人体接触面，在压力大、摩擦重及透气差的条件下容易出现血液循环障碍或者皮肤损伤等现象。人体的运动都具有多自由度且是非线性的，手臂关节不仅仅会做屈伸运动还会发生平移、形变等动作，器械运动和人体运动不匹配会带来阻力的增加，从而降低使用舒适度。

（二）材料物理特性与界面交互

康复器械材料本身的物理特性直接关系到穿戴舒适度，其重要的物理参数包含有弹性模量、摩擦系数、透气性、吸湿性及生物相容性等，它们代表了不同的属性：弹性模量决定了形变大小，弹性模量过大容易压迫肢体，过小不利于器械稳定；摩擦系数要适度，过大则妨碍动作完成，过小会造成安全隐患；透气性和吸湿性对皮肤有损害，出汗后如不能顺利排走，会导致汗水堆积产生不适；生物相容性也不容忽视，防止出现皮肤过敏等问题的发生。

（三）结构设计与动态适配性

结构设计影响着康复器械对人体的适配性以及动态性能，在静态情况下康复器械的外形要与人体肢体内在曲面相吻合，如脊柱矫形器的曲面需要和脊柱生理曲度相对应；在动态情况下，康复器械的关节轴心应当与人体关节轴心一致，例如膝关节支具的铰链轴心需要和人体膝关节的旋转轴保持一致。结构参数也很重要，比如带子宽度和松紧度过窄会造成局部压力过高，带子太宽会使活动受限；调节机构灵活程度可决定器械是否符合需要，比如腕关节矫形器需几档调节才能满足不同的康复需要。同时也要注意器材的轻量化，过重会影响肢体本身的受力，造成患者疲劳。

二、康复器械舒适性优化设计关键技术

（一）基于三维人体建模的个性化适配技术

个性化适配可以让康复器械更加舒适，使器械与人体形态相适应是达到目的的关键手段。通过三维扫描获得用户的肢体点云数据，再进行逆向工程建模，能够真实地呈现出肢体的几何特征，在此基础上设计器械结构可以优化接触面的贴合度，减少压力集中点。

对存在肢体形态动态变化情况下的残肢肿胀或肌肉萎缩等现象利用参数化建模，根据关键尺寸参数实时调节模型来适应康复各阶段；结合有限元分析仿真模拟界面压力分布，优化结构轮廓，保证压力峰值处于安全范围之内的同时也能够给患者提供稳定的支撑力。

（二）功能梯度材料的选型与复合设计

材料的选择使得达到均衡的舒适性与功能性成为可能，同时又能使器件的功能梯度材料、器件中运用智能材料能够达到动态优化的目的，实现三者的协同作用。

以假肢接受腔为例，根据功能梯度的原理，经过分层设计使得内部采用透气硅胶、中间层为高强聚乙烯、外层使用轻质碳纤维复合材料的不同性能匹配；通过利用形状记忆合金、电活性聚合物等智能材料，让康复器械满足不同的需求，在此基础上运用多材料复合技术提升支撑稳定性能、改善动态适应性及提高皮肤友好性。

（三）自适应结构与动态调节机制

自适应结构设计用柔性铰链代替刚性连接，利用材料的弹性形变实现肢体多自由度运动，膝关节支具柔性铰链在屈伸时可以发生形变，按照人体生理曲线的变化进行适应，减小了运动约束和附加阻力。动态调节是以传感器、执行器相结合来完成的。压力传感器采集接触面的压力分布情况，通过微处理器计算后驱动微型气泵或形状记忆合金执行器改变结构，舒缓高压力区；IMU 采集肢体运动的姿态信息并给出力学上的数据，保证器械跟随人体进行运动。

三、穿戴舒适性综合评估体系

（一）客观物理性能检测

客观检测是以量化的数据表征舒适度，从阵列式压力传感器测量的界面压力分布获得压迫风险评价指标：峰值、均值以及均匀性参数；用摩擦磨损试验机测试材料摩擦系数；用透气性测试仪测试材料空气透过率，保证皮肤呼吸。动态性能测试是模拟人体运动，比如机械臂带动器械做屈伸运动，从而得到运动时的阻力大小和结构的形变量等，进而评价其跟随性的好坏。长期使用性能测试是指通过加速老化实验来模拟材料的降解，通过服装穿着力学的试验评价衣料耐穿性，以此作为设计使用寿命的重要参考。

（二）主观穿戴体验评价

采取主客观相结合的方式收集用户体验评价。主观评价通过使用 VAS 量化压迫、束缚、闷热等关键体感指数至 0~10 分，并使用SD 量表评价易用性和观感满意度；客观评价借助 VAS 评价采用感知—量化的动态体验监测法，在行走、上下楼梯等典型的运动场景中收集实时反馈，分析不同使用环节带来的舒适度差异；并利用为期几周的穿戴试验收集其皮肤状态和疲劳度等多项指标，观测器械的长时舒适性和安全性。

（三）多维度综合评估模型

综合评估模型通过整合客观物理指标与主观体验数据，全面评价舒适性。运用层次分析法（AHP）确定指标权重，压力分布均匀性等核心指标占比更高；采用模糊综合评价法处理混合数据，划分舒适性等级。借助机器学习算法构建预测模型，输入人体、材料及结构参数即可输出舒适性评分，助力设计方案快速优化。最终形成标准化评估报告，精准定位短板并指明改进方向，推动设计迭代。

四、结论

康复器械穿戴舒适性优化设计是提升用户体验和康复效果的关键，需从人体特征、材料、结构等多维度考量。本文提出的 “个性化适配 - 材料复合 - 动态调节 - 综合评估” 技术体系，通过三维建模实现精准适配，运用功能梯度与智能材料平衡性能，借助自适应结构和动态调节提升舒适感，并经多维度评估保障方案有效性。

该体系为康复器械优化设计提供系统方案，能解决适配性差、动态体验不足等问题，推动康复辅助器具智能化、个性化发展。未来，随着生物力学建模与智能材料技术进步，舒适性设计将更精准满足用户需求，助力康复医学发展。

参考文献

[1] 林晓燕，陈志强。基于三维扫描的下肢康复器械个性化设计研究 [J]. 生物医学工程学杂志，2022, 39 (5): 876- 883.

[2] 赵宇飞，王丽娜。功能梯度材料在假肢接受腔中的应用与性能优化 [J]. 材料科学与工程学报，2023, 41 (2): 231- 237.

[3] 郭子健，刘芳。自适应膝关节支具的动态调节机制设计与试验 [J]. 机械工程学报，2023, 59 (8): 156- 164.

[4] 黄晓婷，张明远。康复器械穿戴舒适性评价指标体系的构建与应用 [J]. 中国康复医学杂志，2024, 39 (3): 321- 327.

[5] 杨明辉，谢雨欣。基于机器学习的上肢康复器械舒适性预测模型研究 [J]. 计算机应用与软件，2024, 41 (6): 189- 195.