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)訓(xùn)練器械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述在智能運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練器械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，人機(jī)工程學(xué)原理的重要性，并列舉至少三個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例。二、某上肢康復(fù)訓(xùn)練器械需要實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的伸展和彎曲動(dòng)作。請(qǐng)簡(jiǎn)述一種基于連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，說(shuō)明關(guān)鍵構(gòu)件的選型依據(jù)，并簡(jiǎn)述其工作原理。三、在設(shè)計(jì)一款用于下肢力量訓(xùn)練的智能康復(fù)器械時(shí)，需要選擇合適的材料。請(qǐng)對(duì)比說(shuō)明鋁合金和碳纖維復(fù)合材料作為主要結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析在選擇時(shí)需要考慮哪些因素。四、假設(shè)某康復(fù)訓(xùn)練器械需要集成加速度傳感器和肌電傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。請(qǐng)簡(jiǎn)述這兩種傳感器在結(jié)構(gòu)上如何進(jìn)行合理布局，以減少相互干擾并保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。五、請(qǐng)闡述在進(jìn)行智能康復(fù)訓(xùn)練器械的關(guān)鍵部件（如驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）強(qiáng)度有限元分析時(shí)，需要考慮哪些主要的邊界條件和載荷情況，以及分析結(jié)果通常用于解決哪些設(shè)計(jì)問(wèn)題。六、設(shè)計(jì)一款用于平衡訓(xùn)練的智能康復(fù)器械，需要考慮用戶的安全性和訓(xùn)練效果。請(qǐng)?zhí)岢鲋辽偃N結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的安全防護(hù)措施，并簡(jiǎn)述如何通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)平衡訓(xùn)練的目標(biāo)。七、請(qǐng)描述在智能運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練器械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何體現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)思想，并分析模塊化設(shè)計(jì)對(duì)器械的制造、維護(hù)和功能擴(kuò)展帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。八、針對(duì)一種特定的康復(fù)需求（如肩關(guān)節(jié)活動(dòng)度受限康復(fù)），請(qǐng)構(gòu)思一個(gè)智能康復(fù)訓(xùn)練器械的初步結(jié)構(gòu)概念方案。方案應(yīng)包括器械的基本結(jié)構(gòu)形式、實(shí)現(xiàn)康復(fù)目標(biāo)的核心機(jī)構(gòu)或技術(shù)思路，以及至少一個(gè)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)說(shuō)明。九、在智能康復(fù)訓(xùn)練器械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何協(xié)調(diào)機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛性、阻尼特性與智能控制部分（如反饋調(diào)節(jié)）之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)更有效的康復(fù)訓(xùn)練？請(qǐng)結(jié)合具體例子進(jìn)行闡述。十、隨著3D打印等增材制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)智能康復(fù)訓(xùn)練器械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了哪些新的可能性？請(qǐng)列舉至少two個(gè)方面的可能性，并簡(jiǎn)述其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上的優(yōu)勢(shì)。試卷答案一、人機(jī)工程學(xué)原理在智能運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練器械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，它確保器械的易用性、安全性和舒適性，從而提高康復(fù)訓(xùn)練的依從性和效果。具體應(yīng)用實(shí)例包括：1.根據(jù)不同康復(fù)階段和用戶體型設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)的支撐和固定裝置，確保穩(wěn)定性和適應(yīng)性。2.采用防滑、緩沖的材料和表面處理，減少訓(xùn)練過(guò)程中的摩擦和沖擊，保護(hù)用戶關(guān)節(jié)和皮膚。3.優(yōu)化操作界面（如控制按鈕、腳踏板等）的大小、位置和操作力，使其符合用戶的操作習(xí)慣和能力，降低學(xué)習(xí)難度和疲勞感。二、基于連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案：1.方案：采用雙連桿機(jī)構(gòu)（如平行四邊形機(jī)構(gòu)或變異平行四邊形機(jī)構(gòu)）驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。2.關(guān)鍵構(gòu)件選型依據(jù)：驅(qū)動(dòng)桿（輸入桿）可選用電機(jī)或液壓/氣動(dòng)缸，根據(jù)所需扭矩和速度選擇；連桿選用強(qiáng)度和剛度足夠的合金鋼或鋁合金，考慮輕量化需求；肘關(guān)節(jié)鉸鏈選用耐磨、高強(qiáng)度的軸承或齒輪副，確保運(yùn)動(dòng)順暢和耐用。3.工作原理：驅(qū)動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)或平移，通過(guò)連桿上的特定點(diǎn)或轉(zhuǎn)副，間接驅(qū)動(dòng)與肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的輸出構(gòu)件（如模擬手臂的連桿），從而實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的伸展和彎曲。通過(guò)調(diào)整連桿長(zhǎng)度和配置，可以設(shè)定肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和行程。三、鋁合金與碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)及選擇因素：1.鋁合金：*優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度重量比適中，良好的導(dǎo)熱性、易加工成型、成本相對(duì)較低、已有多年的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。*缺點(diǎn)：密度相對(duì)較大（不如碳纖維），在潮濕環(huán)境或某些化學(xué)介質(zhì)中可能腐蝕，剛度相對(duì)碳纖維較低。2.碳纖維復(fù)合材料：*優(yōu)點(diǎn)：極高的強(qiáng)度重量比，優(yōu)異的抗疲勞性能，低密度，良好的耐腐蝕性和耐溫性，可以設(shè)計(jì)成復(fù)雜的氣動(dòng)外形。*缺點(diǎn)：成本較高，加工工藝復(fù)雜，導(dǎo)電性差（需考慮傳感器干擾），沖擊韌性相對(duì)金屬較低。3.選擇因素：*康復(fù)器械的重量要求：對(duì)便攜性要求高的器械優(yōu)先考慮碳纖維。*剛度要求：承受較大載荷或需要高精度控制的器械可能需要碳纖維。*成本預(yù)算：鋁合金成本效益更高。*使用環(huán)境：考慮濕度、化學(xué)腐蝕等因素。*加工能力：是否有條件進(jìn)行復(fù)雜的復(fù)合材料加工。*生物相容性要求：最終與人體接觸的部件材料需滿足生物相容性。四、傳感器合理布局策略：1.加速度傳感器：應(yīng)盡量靠近需要監(jiān)測(cè)的運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)（如肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)），且其敏感軸應(yīng)與待測(cè)運(yùn)動(dòng)方向一致。對(duì)于多自由度運(yùn)動(dòng)，需根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系合理布置多個(gè)傳感器。應(yīng)避免緊鄰強(qiáng)振動(dòng)源或磁場(chǎng)干擾源放置。2.肌電傳感器（EMG）：應(yīng)緊密粘貼在目標(biāo)肌肉的肌腹上，且傳感器表面與肌肉纖維走向平行。注意避開(kāi)骨骼、神經(jīng)血管密集區(qū)域。為減少信號(hào)干擾，傳感器區(qū)域應(yīng)避免使用金屬物品，并與其他電子元件保持一定距離。3.通用原則：布局時(shí)需綜合考慮信號(hào)質(zhì)量、抗干擾能力、安裝便捷性、對(duì)用戶舒適性的影響以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素。必要時(shí)可使用屏蔽材料或設(shè)計(jì)屏蔽層保護(hù)敏感的電子元件和線路。五、有限元分析考慮因素及應(yīng)用：1.邊界條件：需模擬器械實(shí)際安裝方式（固定約束）、與用戶身體的接觸約束（如通過(guò)軟墊模擬的接觸壓力分布）、以及施加的外部載荷（如用戶體重、康復(fù)訓(xùn)練中的主動(dòng)/被動(dòng)阻力）、慣性載荷等。2.載荷情況：考慮靜態(tài)載荷（如自重、用戶靜息時(shí)的受力）、動(dòng)態(tài)載荷（如運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)）、周期性載荷（如康復(fù)訓(xùn)練中的重復(fù)性力量或阻力）、以及可能的異常載荷（如意外跌倒）。3.分析結(jié)果應(yīng)用：用于識(shí)別結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中區(qū)域，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以避免局部失效；評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體剛度和變形量，確保滿足精度要求；預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（振動(dòng)特性），避免共振；為材料選擇和尺寸優(yōu)化提供依據(jù)；進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)等。六、安全防護(hù)措施及平衡訓(xùn)練輔助設(shè)計(jì)：1.安全防護(hù)措施：*物理防護(hù)：器械邊緣和尖角進(jìn)行圓滑處理；運(yùn)動(dòng)部件（如連桿、傳動(dòng)軸）設(shè)置防護(hù)罩或安全光柵；配備緊急停止按鈕，且易于觸及。*結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：保證器械自身穩(wěn)固，防止傾倒；設(shè)計(jì)合理的重心，減少用戶操作時(shí)的晃動(dòng)。*防滑設(shè)計(jì)：用戶接觸的表面（如座椅、腳踏板）采用防滑材料。*限位設(shè)計(jì)：設(shè)置機(jī)械或電氣限位，防止用戶超出安全運(yùn)動(dòng)范圍。*用戶識(shí)別與狀態(tài)監(jiān)測(cè)：集成身份驗(yàn)證和用戶狀態(tài)（如心率、疲勞度）監(jiān)測(cè)，根據(jù)狀態(tài)調(diào)整訓(xùn)練或發(fā)出警報(bào)。2.平衡訓(xùn)練輔助設(shè)計(jì)：*不穩(wěn)定平臺(tái)：設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)傾斜角度或表面紋理的不穩(wěn)定支撐面。*減震與反饋：集成減震系統(tǒng)，模擬不平地面，增加挑戰(zhàn)性；或通過(guò)傳感器檢測(cè)姿態(tài)變化，提供實(shí)時(shí)反饋（如視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)提示）或自動(dòng)調(diào)整支撐面。*重心調(diào)整：設(shè)計(jì)可增減配重或調(diào)整重心位置的模塊。*多自由度平臺(tái)：設(shè)計(jì)可圍繞多個(gè)軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)，增加姿態(tài)控制難度。七、模塊化設(shè)計(jì)思想及優(yōu)勢(shì)：1.模塊化設(shè)計(jì)思想：將康復(fù)器械分解為具有獨(dú)立功能、標(biāo)準(zhǔn)化接口的子系統(tǒng)或功能模塊（如驅(qū)動(dòng)模塊、傳感模塊、控制模塊、用戶交互模塊、結(jié)構(gòu)基座模塊等），各模塊之間通過(guò)預(yù)定義的接口連接和通信。2.優(yōu)勢(shì)：*制造：模塊可獨(dú)立制造、測(cè)試，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，便于采用專業(yè)化、流水線生產(chǎn)。*維護(hù)：故障診斷和維修更便捷，可快速替換失效模塊，降低維護(hù)成本和時(shí)間。*功能擴(kuò)展與定制：可根據(jù)不同康復(fù)需求，靈活組合或增減模塊，快速開(kāi)發(fā)新功能或定制化產(chǎn)品。*升級(jí)：某些技術(shù)（如傳感器、控制器）升級(jí)時(shí)，只需更換相應(yīng)模塊，無(wú)需對(duì)整個(gè)器械進(jìn)行大規(guī)模改造。*庫(kù)存管理：標(biāo)準(zhǔn)化模塊便于庫(kù)存管理和物流。八、肩關(guān)節(jié)活動(dòng)度受限康復(fù)器械初步概念方案：1.結(jié)構(gòu)形式：設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)節(jié)高度和角度的支撐框架，用戶可坐或站式使用?？蚣苌霞煽沈?qū)動(dòng)多個(gè)自由度（如肩關(guān)節(jié)屈伸、內(nèi)收外展、內(nèi)外旋）的機(jī)械臂或外骨骼結(jié)構(gòu)。2.核心機(jī)構(gòu)/技術(shù)思路：*主動(dòng)輔助驅(qū)動(dòng)：使用小型電機(jī)或電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)或直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，提供輔助力量或阻力，幫助用戶完成全范圍或部分范圍的肩關(guān)節(jié)活動(dòng)。*阻力調(diào)節(jié)：設(shè)計(jì)可變阻力系統(tǒng)（如彈簧、電磁阻尼器），模擬不同強(qiáng)度的訓(xùn)練負(fù)荷。*傳感器監(jiān)測(cè)：集成角度傳感器（編碼器）監(jiān)測(cè)肩關(guān)節(jié)各自由度的運(yùn)動(dòng)范圍和角度，以及力傳感器監(jiān)測(cè)施加的力/力矩。3.關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)說(shuō)明（以主動(dòng)輔助驅(qū)動(dòng)臂為例）：*驅(qū)動(dòng)臂采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料（如碳纖維復(fù)合材料）制造，具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度。*關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)采用諧波減速器或RV減速器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高精度、低噪音的位置控制。*關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍可通過(guò)機(jī)械限位和電氣限位雙重保障，并設(shè)定在安全的肩關(guān)節(jié)生理范圍內(nèi)。*驅(qū)動(dòng)臂末端可設(shè)計(jì)成仿人肩部形態(tài)，或提供不同類(lèi)型的握持/接觸界面，適應(yīng)不同康復(fù)需求。九、機(jī)械結(jié)構(gòu)與智能控制的協(xié)調(diào)：1.協(xié)調(diào)原則：機(jī)械結(jié)構(gòu)是承載、運(yùn)動(dòng)和傳遞力的基礎(chǔ)，決定了器械的剛性、阻尼特性和運(yùn)動(dòng)極限；智能控制則負(fù)責(zé)感知狀態(tài)、決策指令和反饋調(diào)節(jié)。兩者需協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)安全、有效、個(gè)性化的康復(fù)目標(biāo)。2.協(xié)調(diào)方式：*結(jié)構(gòu)剛性提供基礎(chǔ)支撐：良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)剛性確保智能控制系統(tǒng)在輸出指令時(shí)，能夠穩(wěn)定、可靠地執(zhí)行運(yùn)動(dòng)或施加力，避免結(jié)構(gòu)變形影響康復(fù)效果或造成傷害。*結(jié)構(gòu)阻尼輔助控制：結(jié)構(gòu)自身的阻尼特性可以吸收部分沖擊和振動(dòng)，配合智能控制系統(tǒng)的力/位置控制算法，實(shí)現(xiàn)更平滑、更符合生理要求的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。智能系統(tǒng)可在線調(diào)整控制參數(shù)，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)阻尼的不足或過(guò)強(qiáng)。*結(jié)構(gòu)限制保障安全：機(jī)械結(jié)構(gòu)的限位設(shè)計(jì)是安全防護(hù)的第一道屏障。智能控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)位置、速度、力矩等狀態(tài)，與機(jī)械限位協(xié)同，在達(dá)到安全閾值時(shí)進(jìn)行預(yù)警或強(qiáng)制停止。*智能反饋優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：智能控制系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如關(guān)節(jié)角度、速度、肌電信號(hào)、用戶受力反饋）可用于評(píng)估當(dāng)前機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能（如精度、舒適度、易用性），為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。十、3D打印技術(shù)在智能康復(fù)器械設(shè)計(jì)中的可能性及優(yōu)勢(shì)：1.可能性一：復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)制造。利用3D打?。ㄓ绕涫嵌嗖牧洗蛴。┲圃炀哂袕?fù)雜內(nèi)部流道（如仿生血管結(jié)構(gòu)用于藥物緩釋或流體傳輸）、嵌入式功能單元（如微型傳感器、電路）的器械部件，這在傳統(tǒng)制造方法下難以實(shí)現(xiàn)。2.可能性二：個(gè)性化定制與輕量化設(shè)計(jì)?；谟脩舻腃T/MRI數(shù)據(jù)，3D打印可快速制造出完全符合個(gè)體解剖特征的定制化外骨骼、支具或內(nèi)固定裝置。通過(guò)優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，打印出在關(guān)鍵部位高剛度、在非關(guān)鍵部位輕量化的結(jié)構(gòu)，顯著減輕用戶負(fù)擔(dān)。3.優(yōu)勢(shì)：*設(shè)計(jì)自由度