2025年大學(xué)《智能體育工程》專業(yè)題庫(kù)——智能運(yùn)動(dòng)康復(fù)器械設(shè)計(jì)與開發(fā)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共30分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.在設(shè)計(jì)用于下肢康復(fù)的智能助行器時(shí)，選擇傳感器的主要目的是（）。A.監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度B.測(cè)量用戶關(guān)節(jié)角度和步態(tài)參數(shù)C.評(píng)估周圍空氣濕度D.確定助行器的最佳銷售渠道2.下列哪種材料不適合用于需要長(zhǎng)期與人體皮膚直接接觸的康復(fù)器械內(nèi)部件？（）A.醫(yī)用級(jí)硅膠B.聚丙烯塑料C.聚乙烯醇纖維D.軟質(zhì)熱塑性彈性體3.當(dāng)康復(fù)訓(xùn)練需要模擬不穩(wěn)定的地面時(shí)，智能康復(fù)器械應(yīng)優(yōu)先考慮采用哪種控制策略？（）A.純位控模式B.固定阻力模式C.自適應(yīng)反饋控制模式D.開環(huán)恒流控制模式4.以下哪項(xiàng)技術(shù)通常不直接用于肌電信號(hào)（EMG）的預(yù)處理階段？（）A.濾波（如帶通濾波）B.放大C.解卷積D.滾動(dòng)平均5.為確?？祻?fù)器械的安全性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須優(yōu)先考慮的因素是（）。A.器械的智能化程度B.器械的制造成本C.器械的美觀程度D.器械電氣部件的防護(hù)等級(jí)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性6.以下哪個(gè)指標(biāo)是評(píng)估步態(tài)恢復(fù)效果的關(guān)鍵參數(shù)？（）A.用戶的心率B.器械的電池續(xù)航時(shí)間C.步伐頻率和對(duì)稱性D.器械的重量7.在康復(fù)器械的人機(jī)交互設(shè)計(jì)中，以下哪項(xiàng)原則強(qiáng)調(diào)操作簡(jiǎn)便、減少用戶疲勞？（）A.一致性原則B.容錯(cuò)性原則C.簡(jiǎn)潔性原則D.可定制性原則8.將康復(fù)數(shù)據(jù)（如關(guān)節(jié)活動(dòng)度、肌力）上傳至云端進(jìn)行分析，主要體現(xiàn)了智能康復(fù)器械的哪個(gè)特點(diǎn)？（）A.自動(dòng)化B.連接化C.模塊化D.智能化9.設(shè)計(jì)一款智能平衡訓(xùn)練墊時(shí)，核心的技術(shù)挑戰(zhàn)可能在于（）。A.墊子的透氣性B.如何實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地感知和響應(yīng)用戶的重心變化C.墊子的顏色選擇D.墊子的便攜性10.根據(jù)醫(yī)療器械法規(guī)，以下哪種類型的康復(fù)器械通常需要更嚴(yán)格的審批流程？（）A.體外診斷設(shè)備B.按壓式按摩器C.用于骨折固定的外固定器D.運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)用品二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題）1.簡(jiǎn)述在設(shè)計(jì)康復(fù)器械時(shí)，人機(jī)工程學(xué)需要考慮哪些關(guān)鍵因素？2.解釋什么是康復(fù)器械的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并舉例說明其在康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用。3.簡(jiǎn)述使用肌電信號(hào)（EMG）控制康復(fù)器械的基本原理。4.智能康復(fù)器械相比傳統(tǒng)康復(fù)器械有哪些顯著優(yōu)勢(shì)？三、計(jì)算題（共10分。請(qǐng)列出計(jì)算步驟并給出最終結(jié)果）假設(shè)設(shè)計(jì)一款智能下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，要求用戶在進(jìn)行膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻力能根據(jù)關(guān)節(jié)角度自動(dòng)變化，以模擬真實(shí)行走過程中的關(guān)節(jié)阻力特性。已知用戶膝關(guān)節(jié)最大屈伸角度范圍為0°至135°，對(duì)應(yīng)需要提供的最大阻力為50N。請(qǐng)簡(jiǎn)述如何設(shè)計(jì)一個(gè)基于角度傳感器的簡(jiǎn)單阻力控制算法，要求當(dāng)關(guān)節(jié)角度為0°時(shí)阻力為0N，當(dāng)關(guān)節(jié)角度為135°時(shí)阻力為50N?？梢约僭O(shè)角度傳感器輸出為0V對(duì)應(yīng)0°，3.3V對(duì)應(yīng)135°。四、設(shè)計(jì)分析題（共30分。請(qǐng)根據(jù)要求進(jìn)行分析和論述）現(xiàn)需為一例偏癱患者設(shè)計(jì)一款智能上肢康復(fù)訓(xùn)練手套，該手套需具備以下功能：1.能夠檢測(cè)手指的彎曲角度。2.能夠提供漸進(jìn)式阻力，幫助患者進(jìn)行手指屈伸訓(xùn)練。3.能夠?qū)⒂?xùn)練數(shù)據(jù)（如最大彎曲角度、訓(xùn)練次數(shù)）傳輸?shù)绞謾C(jī)APP上。請(qǐng)就以下方面進(jìn)行分析和論述：1.為實(shí)現(xiàn)手指角度檢測(cè)，手套內(nèi)部件可能采用哪些傳感器方案？分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。2.為實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式阻力提供，手套可能采用哪些執(zhí)行器方案？分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景。3.在設(shè)計(jì)手指執(zhí)行器時(shí)，需要重點(diǎn)考慮哪些人機(jī)工程學(xué)因素？4.手套與手機(jī)APP之間的數(shù)據(jù)傳輸可能采用哪些技術(shù)方案？比較不同方案的優(yōu)劣。5.在該手套的設(shè)計(jì)中，如何體現(xiàn)“智能”特性？（例如，可以考慮阻力調(diào)節(jié)策略、訓(xùn)練指導(dǎo)、異常提醒等方面進(jìn)行論述）試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.C5.D6.C7.C8.B9.B10.C二、簡(jiǎn)答題1.設(shè)計(jì)康復(fù)器械時(shí)，人機(jī)工程學(xué)需要考慮的關(guān)鍵因素包括：生理因素（如尺寸、力量、耐力、感知能力）、心理因素（如認(rèn)知負(fù)荷、學(xué)習(xí)曲線、用戶偏好）、功能因素（如任務(wù)效率、易用性、安全性）、環(huán)境因素（如使用環(huán)境、可維護(hù)性）以及社會(huì)因素（如社會(huì)接受度、文化差異）。需要確保器械適應(yīng)用戶，減少用戶疲勞，提高使用效率和安全性。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)的輸出反饋到輸入端，用于調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)狀態(tài)，使其達(dá)到期望值。在康復(fù)器械中，例如，使用力傳感器檢測(cè)用戶施加的力，控制器根據(jù)目標(biāo)力量與實(shí)際力量的差值，調(diào)整執(zhí)行器（如電機(jī)）輸出，從而精確控制康復(fù)訓(xùn)練中的阻力或運(yùn)動(dòng)模式，并根據(jù)用戶的實(shí)時(shí)表現(xiàn)調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)。3.使用肌電信號(hào)（EMG）控制康復(fù)器械的基本原理是：首先，通過表面電極采集用戶肌肉活動(dòng)產(chǎn)生的微弱電信號(hào)；然后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理，提取特征參數(shù)（如幅度、頻率）；接著，將特征參數(shù)與預(yù)設(shè)的控制邏輯或算法（如模式識(shí)別、反饋控制）相結(jié)合；最后，根據(jù)算法的輸出指令控制康復(fù)器械的執(zhí)行器（如電機(jī)、氣動(dòng)裝置），驅(qū)動(dòng)器械執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作或提供特定的訓(xùn)練反饋。4.智能康復(fù)器械相比傳統(tǒng)康復(fù)器械的優(yōu)勢(shì)顯著，包括：個(gè)性化訓(xùn)練——可根據(jù)用戶能力數(shù)據(jù)和康復(fù)計(jì)劃調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋——能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生理和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并提供即時(shí)反饋，增強(qiáng)訓(xùn)練效果和用戶參與度；遠(yuǎn)程康復(fù)指導(dǎo)——支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和專家指導(dǎo)，突破地域限制；數(shù)據(jù)化管理——收集和分析用戶數(shù)據(jù)，為康復(fù)評(píng)估和效果跟蹤提供依據(jù)；增強(qiáng)互動(dòng)性——可能集成游戲化元素或虛擬現(xiàn)實(shí)，提高訓(xùn)練趣味性；智能化輔助——利用AI進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警或自適應(yīng)調(diào)整。三、計(jì)算題算法設(shè)計(jì)思路：由于角度與阻力成線性關(guān)系，可采用簡(jiǎn)單的線性映射算法。定義角度范圍A_min=0°,A_max=135°對(duì)應(yīng)阻力R_min=0N,R_max=50N。傳感器電壓V_in在[0V,3.3V]范圍內(nèi)線性對(duì)應(yīng)角度[0°,135°]。計(jì)算步驟：1.將傳感器電壓V_in轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的角度Angle：Angle=(V_in/3.3V)*135°2.將計(jì)算得到的Angle線性映射到阻力R：R=((Angle-A_min)/(A_max-A_min))*(R_max-R_min)+R_min代入A_min,A_max,R_min,R_max：R=((Angle-0°)/(135°-0°))*(50N-0N)+0NR=(Angle/135°)*50N3.最終阻力控制算法為：R=(V_in/3.3V)*50N最終結(jié)果：根據(jù)上述算法，輸入電壓V_in直接線性換算得到對(duì)應(yīng)的阻力R(單位：牛頓)。四、設(shè)計(jì)分析題1.實(shí)現(xiàn)手指角度檢測(cè)的傳感器方案及其優(yōu)缺點(diǎn)：*旋轉(zhuǎn)型電位器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，輸出電壓與旋轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系。缺點(diǎn)是存在機(jī)械磨損，壽命有限，易受振動(dòng)干擾，精度一般。*應(yīng)變片傳感器：將應(yīng)變片粘貼在手指關(guān)節(jié)的柔性基板上，手指彎曲引起應(yīng)變片電阻變化，通過惠斯通電橋測(cè)量電阻變化，間接推算角度。優(yōu)點(diǎn)是體積小，可貼合復(fù)雜曲面，非接觸式測(cè)量相對(duì)干擾小。缺點(diǎn)是信號(hào)處理相對(duì)復(fù)雜，線性度和精度受材料和工藝影響。*壓力傳感器陣列：通過測(cè)量手指各部位壓力分布變化來推斷關(guān)節(jié)角度。優(yōu)點(diǎn)是非侵入式，可提供豐富的觸覺信息。缺點(diǎn)是算法復(fù)雜度高，成本較高，對(duì)特定壓力分布敏感。*慣性測(cè)量單元（IMU）：使用包含加速度計(jì)和陀螺儀的IMU固定在手指上，通過姿態(tài)解算算法估計(jì)手指角度。優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)量角速度和角加速度，適用于動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)捕捉。缺點(diǎn)是成本較高，需要進(jìn)行傳感器融合和標(biāo)定，對(duì)初始姿態(tài)和磁場(chǎng)干擾敏感。*光學(xué)編碼器（如CCD或紅外傳感器）：通過測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)的位置變化來計(jì)算角度。優(yōu)點(diǎn)是精度高，非接觸。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本較高，可能受光照和環(huán)境遮擋影響。2.實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式阻力提供的執(zhí)行器方案及其優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景：*電磁阻尼器/電機(jī)：通過改變電流或磁場(chǎng)產(chǎn)生阻尼力或直接提供扭矩。優(yōu)點(diǎn)是控制靈活，可精確調(diào)節(jié)阻力大小和特性（如線性或非線性），功率密度高。缺點(diǎn)是可能較重，需要電源和控制電路。適用于需要精確控制阻力和提供較大范圍調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，如肘、肩關(guān)節(jié)訓(xùn)練。*氣壓/液壓缸：利用氣壓或液壓系統(tǒng)產(chǎn)生阻力。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可提供較大的力。缺點(diǎn)是響應(yīng)速度可能較慢，控制精度相對(duì)較低，需要?dú)?液壓源。適用于需要較大阻力且對(duì)精度要求不是特別高的場(chǎng)合，如下肢蹬踏訓(xùn)練。*恒力彈簧/彈性帶：利用彈性元件提供與位移或角度相關(guān)的阻力。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，阻力特性直觀（如虎克定律）。缺點(diǎn)是阻力調(diào)節(jié)不連續(xù)，難以實(shí)現(xiàn)精確的漸進(jìn)式變化，尺寸和重量可能較大。適用于需要模擬特定運(yùn)動(dòng)阻力特性的訓(xùn)練。*電磁離合器：通過電磁原理接合或斷開阻力源（如飛輪）。優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速和精確的阻力調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)是可能存在機(jī)械磨損，需可靠控制。適用于需要快速啟動(dòng)、停止或平滑調(diào)節(jié)阻力的場(chǎng)合。3.設(shè)計(jì)手指執(zhí)行器時(shí)需重點(diǎn)考慮的人機(jī)工程學(xué)因素：*體積與重量：執(zhí)行器應(yīng)盡可能小巧輕便，避免給用戶手指帶來過大負(fù)擔(dān)或不適。*舒適度：外形和觸感應(yīng)貼合手指自然形態(tài)，材料應(yīng)親膚、透氣、無過敏風(fēng)險(xiǎn)。*防護(hù)性：需具備一定的防水防塵能力，保護(hù)內(nèi)部電子元件，并防止運(yùn)動(dòng)部件傷及用戶。*操作直觀性：阻力調(diào)節(jié)方式應(yīng)簡(jiǎn)單易懂，符合用戶習(xí)慣。*力反饋感：提供的阻力應(yīng)感覺自然、舒適，并能準(zhǔn)確反映執(zhí)行器的狀態(tài)。*能源消耗：電池續(xù)航能力需滿足單次訓(xùn)練需求，充電方便。*易清潔消毒：考慮到衛(wèi)生需求，材料應(yīng)易于清潔和消毒。4.手套與手機(jī)APP之間的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方案及其優(yōu)劣比較：*藍(lán)牙（Bluetooth）：短距離無線連接，功耗相對(duì)較低，技術(shù)成熟，設(shè)備普及率高。優(yōu)點(diǎn)是連接方便，成本不高。缺點(diǎn)是傳輸距離短（通常10-15米），在數(shù)據(jù)量較大或傳輸速率要求高時(shí)可能存在延遲或穩(wěn)定性問題。*Wi-Fi：傳輸速率高，傳輸距離遠(yuǎn)。優(yōu)點(diǎn)是可傳輸大量數(shù)據(jù)，不受基站覆蓋限制。缺點(diǎn)是功耗相對(duì)較高，對(duì)手機(jī)電量影響較大，連接設(shè)置可能較復(fù)雜，需要網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。*NFC/QR碼：近距離無線通信或光學(xué)識(shí)別。優(yōu)點(diǎn)是配對(duì)簡(jiǎn)單快速。缺點(diǎn)是傳輸速率低（NFC），NFC需支持設(shè)備較多，QR碼需要用戶視線對(duì)準(zhǔn)且占用屏幕空間。適用于小數(shù)據(jù)量傳輸或初始配對(duì)。*藍(lán)牙Mesh：允許多個(gè)手套節(jié)點(diǎn)相互連接形成網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展傳輸范圍。優(yōu)點(diǎn)是可覆蓋更大區(qū)域。缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)建立和維護(hù)相對(duì)復(fù)雜，功耗可能更高。比較結(jié)果：對(duì)于本應(yīng)用場(chǎng)景，若數(shù)據(jù)量不大（角度、次數(shù)等），首選藍(lán)牙，因其功耗、成本和易用性均衡。若需傳輸更復(fù)雜的數(shù)據(jù)或更高分辨率的數(shù)據(jù)，且用戶手機(jī)支持，也可考慮低功耗Wi-Fi。5.智能特性體現(xiàn)：*個(gè)性化阻力調(diào)節(jié)：根據(jù)用戶實(shí)時(shí)表現(xiàn)（如角度、速度）或預(yù)設(shè)計(jì)劃，自動(dòng)調(diào)整阻力大小和模式，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)訓(xùn)練。*運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別與指導(dǎo)：利用傳感器數(shù)據(jù)（如角度、速度曲線）識(shí)別用戶手指運(yùn)動(dòng)模式，與標(biāo)準(zhǔn)模式對(duì)比，提供實(shí)時(shí)語音或視覺反饋，糾正錯(cuò)誤動(dòng)作