2025年大學(xué)《智能體育工程》專業(yè)題庫——智能運動康復(fù)輔助機(jī)器人設(shè)計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在智能運動康復(fù)輔助機(jī)器人中，用于評估患者關(guān)節(jié)活動范圍（ROM）的主要傳感器類型是？A.力矩傳感器B.位移/角度傳感器C.壓力傳感器D.電流傳感器2.對于需要精細(xì)控制手部或肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的患者，以下哪種機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式可能更適用？A.輪式移動平臺式B.軌道固定式C.外骨骼式D.機(jī)械臂式3.康復(fù)機(jī)器人人機(jī)交互界面設(shè)計中，優(yōu)先考慮的因素是？A.機(jī)器人的美觀度B.患者操作舒適度和安全性C.控制系統(tǒng)的復(fù)雜度D.機(jī)器人的制造成本4.以下哪項技術(shù)不是實現(xiàn)康復(fù)機(jī)器人自主識別患者動作狀態(tài)常用的方法？A.機(jī)器視覺與模式識別B.藍(lán)牙信標(biāo)定位C.傳感器融合D.運動生理信號分析5.在康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，PID控制器的核心優(yōu)勢在于？A.無需大量計算資源B.能夠有效抑制系統(tǒng)噪聲C.具有較強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性D.實現(xiàn)非線性控制效果6.針對下肢康復(fù)，康復(fù)機(jī)器人提供的主要訓(xùn)練模式通常不包括？A.等速肌力訓(xùn)練B.關(guān)節(jié)活動度訓(xùn)練C.平衡能力訓(xùn)練D.有氧心肺功能訓(xùn)練7.選擇康復(fù)機(jī)器人驅(qū)動器時，首要考慮的因素通常是？A.驅(qū)動器的響應(yīng)速度B.驅(qū)動器的功率密度C.驅(qū)動器的品牌知名度D.驅(qū)動器的控制精度8.康復(fù)機(jī)器人對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練效果評估時，以下哪個指標(biāo)最能反映患者的功能改善？A.機(jī)器人的運行時間B.機(jī)器人的能耗C.患者的疼痛程度減輕和運動功能提升D.機(jī)器人的重復(fù)定位精度9.為了避免康復(fù)訓(xùn)練過程中對患者造成二次傷害，康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)必須具備的重要功能是？A.自動加速功能B.安全邊界檢測與碰撞避免C.最大負(fù)荷輸出能力D.遠(yuǎn)程監(jiān)控功能10.將可穿戴傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器人運動數(shù)據(jù)與患者生理信號（如EMG）相結(jié)合進(jìn)行康復(fù)評估，體現(xiàn)了？A.人工智能的應(yīng)用B.系統(tǒng)工程的方法C.傳感器融合技術(shù)D.控制理論的應(yīng)用二、簡答題（每題5分，共30分）1.簡述康復(fù)機(jī)器人設(shè)計時需要考慮的主要醫(yī)學(xué)相關(guān)因素。2.簡述選擇康復(fù)機(jī)器人傳感器時需要考慮的關(guān)鍵性能指標(biāo)。3.簡述康復(fù)機(jī)器人人機(jī)交互設(shè)計的基本原則。4.簡述康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的反饋控制機(jī)制及其作用。5.簡述外骨骼式康復(fù)機(jī)器人相比其他類型機(jī)器人的主要優(yōu)缺點。6.簡述康復(fù)機(jī)器人設(shè)計完成后進(jìn)行性能評估時需要考慮的主要方面。三、計算題與分析題（共50分）1.（15分）某康復(fù)機(jī)器人需要為患者設(shè)計一套上肢肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練模塊。假設(shè)要求該模塊能驅(qū)動肩關(guān)節(jié)完成前屈、后伸、內(nèi)收、外展的動作，活動范圍分別為前屈90°，后伸30°，內(nèi)收30°，外展60°。請簡述設(shè)計該模塊時需要考慮的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，并說明至少兩種不同的驅(qū)動方式及其優(yōu)缺點。2.（15分）假設(shè)你正在設(shè)計一個用于下肢步態(tài)康復(fù)的智能機(jī)器人輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要根據(jù)患者的實時運動狀態(tài)調(diào)整支撐力或提供助力。請簡述該系統(tǒng)可能采用的傳感器類型及其作用，并簡述一種可能的控制策略，說明如何利用傳感器信息和控制策略實現(xiàn)安全的步態(tài)康復(fù)輔助。3.（20分）設(shè)計一個用于腕部精細(xì)動作康復(fù)的輔助機(jī)器人系統(tǒng)方案。請闡述該系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)（針對特定康復(fù)需求），選擇合適的機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式（如外骨骼、機(jī)械臂等），簡述關(guān)鍵功能模塊（如感知模塊、控制模塊、交互模塊）的設(shè)計思路，并討論該設(shè)計方案在安全性、有效性及人機(jī)交互方面的考慮。試卷答案一、選擇題1.B2.D3.B4.B5.C6.D7.B8.C9.B10.C二、簡答題1.答：主要醫(yī)學(xué)相關(guān)因素包括：康復(fù)對象的傷病類型與程度、目標(biāo)康復(fù)功能（如關(guān)節(jié)活動度、肌力、平衡、協(xié)調(diào)等）、康復(fù)訓(xùn)練原理與方法、患者安全與舒適度要求、臨床療效評估標(biāo)準(zhǔn)等。解析思路：此題考察對康復(fù)醫(yī)學(xué)知識在機(jī)器人設(shè)計中的應(yīng)用理解。設(shè)計必須圍繞患者的康復(fù)需求進(jìn)行，考慮其傷病的具體情況和康復(fù)目標(biāo)，確保安全和有效。2.答：關(guān)鍵性能指標(biāo)包括：測量范圍與分辨率、精度與重復(fù)性、靈敏度、線性度、響應(yīng)時間、抗干擾能力（如抗噪聲、抗電磁干擾）、功耗、尺寸重量、可靠性與壽命等。解析思路：此題考察對傳感器選型標(biāo)準(zhǔn)的掌握。傳感器性能直接影響到康復(fù)機(jī)器人獲取信息的準(zhǔn)確性和可靠性，需要根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的指標(biāo)。3.答：基本原則包括：安全性（防誤操作、緊急停止）、易用性（界面直觀、操作簡便）、舒適性（減少疲勞、適配不同用戶）、反饋性（清晰顯示狀態(tài)、指導(dǎo)信息）、可定制性（適應(yīng)個體差異）等。解析思路：此題考察人機(jī)工程學(xué)在康復(fù)機(jī)器人設(shè)計中的應(yīng)用。良好的交互設(shè)計能提升用戶體驗和康復(fù)效果，需要特別關(guān)注患者的特殊性。4.答：反饋控制機(jī)制是指通過傳感器檢測系統(tǒng)輸出（或狀態(tài)），將其與期望輸出（或參考值）進(jìn)行比較，根據(jù)誤差信號調(diào)整輸入，以減小誤差，使系統(tǒng)輸出趨于期望值的過程。其作用是提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和抗干擾能力。解析思路：此題考察控制理論基礎(chǔ)。反饋控制是機(jī)器人控制的核心，用于實現(xiàn)對運動軌跡、力度等的精確控制，確?？祻?fù)訓(xùn)練的有效性和安全性。5.答：優(yōu)點：可穿戴，不限制患者部分日?；顒?，提供外部支撐和助力，可增強(qiáng)肌力或耐力，促進(jìn)神經(jīng)肌肉功能恢復(fù)。缺點：可能存在穿戴舒適度問題，設(shè)計需考慮散熱、重量、電池續(xù)航，可能影響患者的自然運動模式，成本較高。解析思路：此題考察對外骨骼式機(jī)器人的優(yōu)缺點比較。需要從其結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用場景出發(fā)，分析其相對其他類型的優(yōu)勢和局限性。6.答：主要方面包括：功能性（是否滿足預(yù)設(shè)康復(fù)目標(biāo)、訓(xùn)練模式多樣性），安全性（緊急停止、碰撞檢測、力控），舒適性（重量、散熱、貼合度），易用性（操作界面、人機(jī)交互），數(shù)據(jù)采集與評估（傳感器精度、數(shù)據(jù)記錄與分析能力），臨床有效性（對比傳統(tǒng)康復(fù)、患者功能改善程度）等。解析思路：此題考察對康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)評估的全面性理解。評估需從技術(shù)、功能、用戶體驗和最終效果等多個維度進(jìn)行。三、計算題與分析題1.答：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計問題：需考慮運動副設(shè)計（選擇合適的關(guān)節(jié)類型）、傳動方式（減速比、精度）、結(jié)構(gòu)剛性、自由度配置、重量分布、材料選擇、密封性（防塵防水）、尺寸限制等。驅(qū)動方式：*電機(jī)直接驅(qū)動（如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)）：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、控制精度高。缺點是可能需要較大的減速比、散熱問題、直接承載負(fù)載可能對電機(jī)壽命有影響。*液壓/氣動驅(qū)動：優(yōu)點是輸出力/力矩大、結(jié)構(gòu)相對簡單、可輕松實現(xiàn)大范圍運動。缺點是控制精度相對較低、響應(yīng)速度較慢、有泄漏風(fēng)險、需要專門的能源系統(tǒng)。解析思路：計算題部分考察具體設(shè)計細(xì)節(jié)。首先回答通用設(shè)計考慮，然后針對肩關(guān)節(jié)康復(fù)，選擇兩種典型的驅(qū)動方式并分析其優(yōu)缺點，結(jié)合運動范圍和康復(fù)需求進(jìn)行說明。2.答：傳感器類型及其作用：*關(guān)節(jié)角度傳感器（編碼器）：測量患者關(guān)節(jié)實時角度，用于確定運動位置和范圍。*力/力矩傳感器：測量機(jī)器人末端或患者身體接觸點施加的力或力矩，用于實現(xiàn)等速訓(xùn)練、提供助力/阻力或檢測碰撞。*運動學(xué)傳感器（IMU）：測量患者身體姿態(tài)或肢體的加速度、角速度，用于輔助步態(tài)分析或姿態(tài)評估。*（可選）生理信號傳感器（EMG）：評估肌肉活動狀態(tài)，用于生物反饋訓(xùn)練?？刂撇呗允纠ɑ诹?角度反饋的阻抗控制）：系統(tǒng)實時檢測患者關(guān)節(jié)角度和作用力。設(shè)定目標(biāo)運動軌跡（如步態(tài)周期）。根據(jù)當(dāng)前角度與目標(biāo)角度的誤差，調(diào)整機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩。同時，根據(jù)檢測到的力，控制機(jī)器人的“剛度”或“阻尼”，在患者主動運動時提供適當(dāng)?shù)妮o助或阻力，在患者無力時給予支撐，確保運動流暢且在安全范圍內(nèi)。解析思路：分析題考察系統(tǒng)設(shè)計原理。首先列舉可能的傳感器類型并說明其作用，然后設(shè)計一個具體的控制策略（如阻抗控制），解釋如何利用傳感器信息實現(xiàn)康復(fù)輔助功能，體現(xiàn)安全性和有效性。3.答：設(shè)計目標(biāo)：針對腕部骨折后或神經(jīng)損傷導(dǎo)致腕部活動受限、肌力減弱的患者，提供可重復(fù)、低強(qiáng)度的被動/主動輔助運動，恢復(fù)腕關(guān)節(jié)的活動范圍和部分功能，減輕患者疼痛，預(yù)防關(guān)節(jié)僵硬。機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式：選擇外骨骼式。原因：可穿戴，允許患者進(jìn)行部分日?；顒?；能提供外部支撐和約束，保證運動軌跡和力度；易于實現(xiàn)人機(jī)力交互。關(guān)鍵功能模塊設(shè)計思路：*感知模塊：使用彎曲傳感器或力傳感器檢測患者手腕的主動運動意圖和力量；使用角度傳感器測量腕關(guān)節(jié)的實時角度和活動范圍。*控制模塊：采用基于傳感器反饋的控制策略（如力控或阻抗控制），根據(jù)患者主動運動的力度和角度，自動調(diào)整機(jī)器人的輔助力或阻力，實現(xiàn)柔和、安全的康復(fù)訓(xùn)練。具備緊急停止功能。*交互模塊：設(shè)計簡潔直觀的操作界面，顯示訓(xùn)練參數(shù)和狀態(tài)；提供聲音或觸覺反饋，引導(dǎo)患者運動。安全性、有效性及人機(jī)交互考慮：*安全性：結(jié)構(gòu)輕便、表面光滑、具備碰撞檢測和力限制功能、緊急停止按鈕