CN104856834B - 一种肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法，按如下步骤进行：步骤一：建立150cm，160cm，170cm，180cm四种不同身高使用者与康健椅训练机构的人机连杆等效模型；利用多刚体系统动力学方法，简化成在人体矢状面内的十二杆或十一杆的变胞机构；步骤二：利用仿真软件对步骤一所建立的十二杆或十一杆的变胞机构进行人机仿真；得出上述四种不同身高的人群在训练机构不同的工作位置下的肢体关节活动度数据和变化曲线；根据所得数据和曲线建立数据库：根据使用者规划的关节活动度和使用者身高这两个参数，查找步骤二建立的数据库，即可得到不同身高下，康健椅的工作位置。

Description

一种肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法

技术领域：

本发明涉及一种肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法，属于康复与健身器械领域。

背景技术：

近年来，由生理机能衰退、中风偏瘫、脊髓损伤等原因导致的肢体运动功能障碍的患者数量越来越多，通过简单的医疗设备或人工康复护理对其进行康复治疗，已经远不能满足他们的需求。芜湖天人智能机械有限公司的在先申请：一种肢体协调运动康健椅(2014101227578、2014201477507)或可折叠、可变轨的上下肢协调运动训练椅(2013204135066)，旨在为这些康复者提供个性化的康复训练。针对不同身高的使用人群，由于肢体尺寸以及肢体的健康状况不同，需要的训练轨迹和训练幅度也不尽相同，这就需要将康健椅的训练机构调节到合适的工作位置来满足使用者要求。因此，针对不同身高人群康健椅工作位置的确定十分有必要。

发明内容：

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法，对于不同身高的使用人群，康健椅工作位置的确定方法是：建立四种典型身高的不同使用者与康健椅等效人机模型，通过机构仿真得出使用者在康健椅不同工作位置下肢体主要关节活动度曲线和数据，然后从规划的关节活动度出发，查找仿真得出的曲线和数据，确定康健椅的工作位置。对于规划训练幅度下康健椅工作位置确定方法是：采用机构优化设计的方法得出不同训练幅度下康健椅的工作位置。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法，按如下步骤进行：

步骤一：建立150cm，160cm，170cm，180cm四种不同身高使用者与康健椅训练机构的人机连杆等效模型；利用多刚体系统动力学方法，简化成在人体矢状面内的十二杆或十一杆的变胞机构；

步骤二：利用仿真软件对步骤一所建立的十二杆或十一杆变胞机构进行人机仿真；得出上述四种不同身高的人群在训练机构不同的工作位置下的肢体关节活动度数据和变化曲线；根据所得数据和曲线建立数据库：

身高150cm，康健椅有两个工作位置：β＝10°,β＝20°；

身高160cm，康健椅有四个工作位置：β＝10°,β＝20°,β＝30°,β＝40°；

身高170cm，康健椅有五个工作位置：β＝20°，β＝30°，β＝40°，β＝50°，β＝60°；身高180cm，康健椅有六个工作位置：β＝20°，β＝30°，β＝40°，β＝50°，β＝60°，β＝70°；

上述β为康健椅中连架杆与水平面夹角；

步骤三：根据使用者规划的关节活动度和身高这两个参数，查找步骤二建立的数据库，即可得到不同身高下，康健椅的工作位置。

所述运动康健椅包括：

座椅架，设于所述座椅架上部的座椅，设于所述座椅架两侧的机架，设于座椅架下部的主传动装置和从传动装置，所述主传动装置和从传动装置的两侧分别设置有外伸的主动轴、辅助轴，在所述座椅架两侧对称分布有两个八杆肢体训练机构或两个七杆肢体训练机构；

所述八杆肢体训练机构包括曲柄、第一连杆、第二连杆、连架杆、第三连杆、摇杆、滑块、机架；所述曲柄的一端与主动轴固联，所述第一连杆的首端与所述曲柄铰接形成转动副，中部与所述第二连杆首端铰接形成转动副，所述第二连杆的末端与所述连架杆首端铰接形成转动副，所述连架杆的末端与所述辅助轴固联，所述第三连杆的一端与所述第一连杆铰接形成转动副，另一端与所述摇杆的底端铰接形成转动副，所述摇杆的中部与所述滑块铰接形成转动副，所述滑块与所述机架形成移动副，滑块在所述机架上的位置随调。

在所述第一连杆上安装有脚部支撑，在所述摇杆的上端安装有手柄。

所述七杆肢体训练机构包括曲柄、第一连杆、第二连杆、连架杆、第三连杆、摇杆、机架；所述曲柄的一端与主动轴固联，所述第一连杆的首端与所述曲柄铰接形成转动副，中部与所述第二连杆首端铰接形成转动副，所述第二连杆的末端与所述连架杆首端铰接形成转动副，所述连架杆的末端与所述辅助轴固联，所述第三连杆的一端与所述第一连杆铰接形成转动副，另一端与所述摇杆的底端铰接形成转动副，所述摇杆的中部与滑块铰接形成转动副，所述滑块与所述机架固联；或所述摇杆的中部直接与所述机架铰接形成转动副。

所述曲柄或为圆盘或为杆件，曲柄与所述第一连杆的首端铰接形成的转动副的位置随调。

所述摇杆上安装有套筒，所述手柄的杆件设置在所述套筒内，手柄在套筒内转动和移动进行角度和高度的调节，并可锁紧定位。

所述主动轴由所述主传动装置驱动，所述辅助轴由所述从传动装置驱动。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

申请人的在先申请：一种肢体协调运动康健椅(授权公告号CN203763459U)、肢体运动健身和康复椅(授权公告号CN302925142S)或可折叠、可变轨的上下肢协调运动训练椅(2013204135066)目前在国内外属于新型的肢体运动康健椅，但对于不同身高的使用者，以及规划不同的关节活动度的使用者来说，康健椅的工作位置的确定很重要。本发明提出的这种工作位置的确定方法具有智能，准确等优点。这种康建椅工作位置的确定方法，能使康建椅满足不同身高使用者的康复训练要求，有利于肢体具有运动功能障碍的康复者的科学训练。

附图说明：

图1为康健椅的主视图；图2为康健椅中八杆肢体训练机构的结构示意图；图3为人-机连杆模型图；图4为康复训练机构工作位置确定策略流程图；图5为康复训练机构方案图；图6为机构参数化模型图。

图中标号：1 曲柄，2 第一连杆，3 第二连杆，4 连架杆，5 第三连杆，6 摇杆，7 机架，8 脚部支撑，9 手柄，10 辅助轴，12 主动轴，14 座椅，18 座椅架，19 主传动装置，20从传动装置，21 滑块，22 套筒，23 转动接头。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式：

实施例：参见附图，肢体协调运动康健椅，其包括座椅架18，设于所述座椅架上部的座椅14，设于所述座椅架两侧的机架7，设于座椅架下部的主传动装置19和从传动装置20，主传动装置19和从传动装置20的两侧分别设置有外伸的主动轴12、辅助轴10，在座椅架两侧对称分布有两个八杆肢体训练机构或两个七杆肢体训练机构；

八杆肢体训练机构包括曲柄1、第一连杆2、第二连杆3、连架杆4、第三连杆5、摇杆6、滑块21、机架7；曲柄5的一端与主动轴12固联，第一连杆2的首端与曲柄1铰接形成转动副，中部与第二连杆3首端铰接形成转动副，第二连杆3的末端与连架杆4首端铰接形成转动副，连架杆4的末端与辅助轴10固联，第三连杆5的一端与第一连杆2铰接形成转动副，另一端与摇杆6的底端铰接形成转动副，摇杆6的中部与滑块21铰接形成转动副，滑块21与机架7形成移动副，滑块21在机架7上的位置随调。

在所述第一连杆2上安装有脚部支撑8，在摇杆6的上端安装有手柄9。

所述七杆肢体训练机构包括曲柄1、第一连杆2、第二连杆3、连架杆4、第三连杆5、摇杆6、机架7；所述曲柄5的一端与主动轴12固联，所述第一连杆2的首端与所述曲柄1铰接形成转动副，中部与所述第二连杆3首端铰接形成转动副，所述第二连杆3的末端与所述连架杆4首端铰接形成转动副，所述连架杆4的末端与所述辅助轴10固联，所述第三连杆5的一端与所述第一连杆2铰接形成转动副，另一端与所述摇杆6的底端铰接形成转动副，所述摇杆6的中部与滑块21铰接形成转动副，所述滑块21与所述机架7固联；或所述摇杆6的中部直接与所述机架7铰接形成转动副。

具体设置中，曲柄1或为圆盘或为杆件，曲柄与第一连杆2的首端铰接形成的转动副的位置随调。

摇杆6上安装有套筒22，手柄9的杆件设置在套筒22内，手柄在套筒22内转动和移动进行角度和高度的调节，并可锁紧定位。

主动轴12由主传动装置19驱动，辅助轴10由从传动装置20驱动。

座椅14能在座椅架18上前后移动并定位，座椅14的椅背角度可以调节并定位，可以适应不同身高人群在不同训练阶段和不同坐姿下对腿部和手部的运动幅度的要求。

滑块21与机架7形成的移动副，可以沿着直线移动，也可以沿着圆弧移动，调节的方法或是通过手动调节或是通过自动调节改变滑块在机架上的位置，具体或通过螺钉实现，或通过丝杠导轨移动实现，或通过推杆实现。

滑块21位置的改变可以调节摇杆6的运动轨迹和幅度，使得手柄的运动可以适应更广的人群和训练范围，满足不同身高、不同训练阶段和不同姿态的手部训练需求。

曲柄1为圆盘，过圆心沿径向方向开有长条槽，曲柄1和第一连杆2形成的转动副即转动接头23，能够在长条槽内移动并定位，从而调节曲柄的长度即回转半径，方便调节手部和脚部的运动幅度。

手柄9可在套筒2内转动和移动并定位，从而进行角度和高度的调节，便于手部的运动调节。

座椅架18和机架7无相对运动。

经主传动装置19将动力传给主动轴12，主传动装置19为减速器和电机的组合，该减速器或为带传动或为齿轮传动或为链传动或为它们的组合。辅助轴10的转动由从传动装置20驱动，从传动装置或为减速器和电机的组合或为线性致动器，该减速器或为带传动或为齿轮传动或为链传动或为它们的组合，图中，采用线性制动器作为从传动装置20，其一端与座椅架18铰接成转动副，另一端与辅助轴10的固联杆铰接成转动副。通过线性制动器的伸长和缩短来实现连架杆4的角度变化。具体实施中，线性制动器可采用大银微系统股份有限公司的推力线性制动器，型号选用LAN，LAS，LAM等系列线性制动器。

使用中，根据训练对象的身体参数和训练要求，调整座椅的前后位置和靠背的角度、连架杆4的角度、曲柄1的长度、滑块21的位置和手柄9的角度和高度。座椅可以采用汽车座椅，前后移动和靠背的转动可以手动，也可以电动，座椅位置和靠背角度调好后，保持不动。连架杆4的角度调节好后，保持连架杆4不动。调节好滑块21在机架7的位置后，保持滑块21在机架7上的位置不动。训练者上肢两只手分别与左右手柄9接触，下肢的两只脚分别与左右两只脚部支撑8接触。主动轴12通过电机和减速装置驱动曲柄1整周回转。曲柄1带动手柄9、脚部支撑8按预定的轨迹和速度运动，达到训练目的；若支撑的手柄(脚部支撑8)的运动轨迹不在使用者的适宜运动范围内，可先移动座椅位置，调节靠背的角度，再将连架杆4转动到一定角度或移动滑块21到一定位置，以实现相应范围的位置调整，使得手柄、脚部支撑的运动轨迹在使用者的适宜运动范围内，从而也可以满足不同人群、不同阶段和不同坐姿的训练需求。为了实现更复杂的运动形式，可以让连架杆4、滑块21和曲柄1同时转动。

若在主传动装置19内置阻力装置如磁控轮、摩擦轮、电机阻力等，可以控制阻力矩的大小，为主动训练提供阻力，实现在规定轨迹的主动运动中进行力量训练的目的；结合电机的被动训练，从而可以满足主被动训练的需要。

若要实现同步训练模式，则可调节左右八杆肢体训练机构的曲柄1，使之初始相位相同，若要实现异步训练模式，则可调节左右八杆肢体训练机构的曲柄1，使之初始相位相差180度。

滑块21与机架7形成的移动副，也可以演变为转动副，滑块21演变为转臂，转臂一端与机架形成转动副，另一端与摇杆6形成转动副；转臂转动的调节方法或通过手动调节或通过自动调节改变其在机架7上的位置；具体或通过螺钉来调节定位，或通过蜗轮蜗杆转动实现，或通过推杆实现。

曲柄1、第一连杆2可以分别和连架杆4、第二连杆3的位置互换。

康健椅的工作位置确定过程中，连架杆的4的工作位置(与水平面形成的角度)最为关键，另外曲柄的伸出长度、脚踏所处位置也很关键，连架杆的工作位置(与水平面夹角β)涉及到康复训练者的上下肢、各关节的活动度，进而直接影响康复训练效果，本发明中，康健椅的各部件工作位置的确定方法，按如下步骤进行：

步骤一：建立150cm，160cm，170cm，180cm四种不同身高使用者与康健椅训练机构的人机连杆等效模型；利用多刚体系统动力学方法，简化成在人体矢状面内的十一杆的变胞机构；

步骤二：利用仿真软件对步骤一所建立的十一杆变胞机构进行人机仿真；得出上述四种不同身高的人群在训练机构不同的工作位置下的肢体关节活动度数据和变化曲线；根据所得数据和曲线建立数据库：

1.身高150cm人机仿真数据：

表1.身高1500mm使用者肢体关节活动度(单位：度)

2.身高160cm人机仿真数据：

表2 身高1600mm使用者肢体关节活动度(单位：度)

3.身高170cm人机仿真数据

表3 身高1700mm使用者肢体关节活动度(单位：度)

4.身高180cm人机仿真数据

表4 身高1800mm使用者肢体主要关节活动度(单位：度)

身高150cm，康健椅有两个工作位置：β＝10°,β＝20°；

身高160cm，康健椅有四个工作位置：β＝10°,β＝20°,β＝30°,β＝40°；

身高170cm，康健椅有五个工作位置：β＝20°，β＝30°，β＝40°，β＝50°，β＝60°；

身高180cm，康健椅有六个工作位置：β＝20°，β＝30°，β＝40°，β＝50°，β＝60°，β＝70°；

上述β为康健椅中连架杆4与水平面夹角，即连架杆4朝向辅助轴的一端与水平面形成的夹角；

步骤三：根据图4所示，进行工作位置的调节。以身高1700mm的下肢运动功能障碍康复训练者为例：首先根据康复师建议，确定康复者处在的具体康复阶段。假设康复处在软瘫期，需要对髋关节、膝关节进行全范围康复训练。由于髋关节与膝关节是耦合的，对一个关节进行规划即可。假设规定髋关节活动度为0-45°范围内训练，通过身高1700mm这个参数，以及规划的髋关节活动度45°，可以查查阅表3，满足此训练要求的工作位置有两种β＝40°,50°，β角即连架杆4与水平面的夹角，调整好工作位置，即可开始进行科学的训练。

另一种工作位置确定方法，是根据规划训练幅度来确定康健椅的工作位置，确定方法按照如下步骤进行，结合图6，

步骤一：建立模型，采用Pro/E软件建立训练机构骨架参数模型。利用建立的机构参数模型，仿真得出末端类步态轨迹曲线，轨迹上点AB之间的距离，即为康复训练轨迹幅度。通过规划AB之间的距离，可设定特定的训练幅度。

步骤二：创建机构的测量参数。按照如下的关系式进行创建。

式(1)中：max_Dx、min_Dx---脚踏点X方向位置最大值、最小值

max_Dy、min_Dy----脚踏点Y方向最大值、最小值。

步骤三：构造机构的目标函数。

目标函数

式(2)中v_m，max_v_d，min_v_d分别为曲柄旋转一周内脚踏点D点的最大速度，最小速度和平均速度，便于等速训练。

步骤四：利用优化设计求解出三种训练幅度下康健椅的工作位置。

因此，当规划训练幅度为500mm时，此时应将曲柄调节至95mm，连架杆与水平面夹角角度为20度；当规划训练幅度为400mm时，此时应将曲柄调节至85mm，连架杆与水平面夹角角度为30.度。当规划训练幅度为300mm时，此时应将曲柄调节至75mm，连架杆与水平面夹角角度为60度。

Claims (6)

1.一种肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法，其特征在于按如下步骤进行：

步骤一：建立150cm，160cm，170cm，180cm四种不同身高使用者与康健椅训练机构的人机连杆等效模型；利用多刚体系统动力学方法，简化成在人体矢状面内的十二杆或十一杆的变胞机构；

步骤二：利用仿真软件对步骤一所建立的十二杆或十一杆机构进行人机仿真；得出上述四种不同身高的人群在训练机构不同的工作位置下的肢体关节活动度数据和变化曲线；根据所得数据和曲线建立数据库：

身高150cm，康健椅有两个工作位置：β＝10°,β＝20°；

身高160cm，康健椅有四个工作位置：β＝10°,β＝20°,β＝30°,β＝40°；

身高170cm，康健椅有五个工作位置：β＝20°，β＝30°，β＝40°，β＝50°，β＝60°；

身高180cm，康健椅有六个工作位置：β＝20°，β＝30°，β＝40°，β＝50°，β＝60°，β＝70°；

上述β为康健椅中连架杆与水平面夹角；

步骤三：根据使用者规划的关节活动度和使用者身高这两个参数，查找步骤二建立的数据库，即可得到不同身高下，康健椅的工作位置。

2.根据权利要求1所述的一种肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法，其特征在于，所述运动康健椅包括：

座椅架(18)，设于所述座椅架上部的座椅(14)，设于所述座椅架两侧的机架(7)，设于座椅架下部的主传动装置(19)和从传动装置(20)，所述主传动装置(19)和从传动装置(20)的两侧分别设置有外伸的主动轴(12)、辅助轴(10)，在所述座椅架两侧对称分布有两个八杆肢体训练机构或两个七杆肢体训练机构；

所述八杆肢体训练机构包括曲柄(1)、第一连杆(2)、第二连杆(3)、连架杆(4)、第三连杆(5)、摇杆(6)、滑块(21)、机架(7)；所述曲柄(5)的一端与主动轴(12)固联，所述第一连杆(2)的首端与所述曲柄(1)铰接形成转动副，中部与所述第二连杆(3)首端铰接形成转动副，所述第二连杆(3)的末端与所述连架杆(4)首端铰接形成转动副，所述连架杆(4)的末端与所述辅助轴(10)固联，所述第三连杆(5)的一端与所述第一连杆(2)铰接形成转动副，另一端与所述摇杆(6)的底端铰接形成转动副，所述摇杆(6)的中部与所述滑块(21)铰接形成转动副，所述滑块(21)与所述机架(7)形成移动副，滑块在所述机架上的位置随调，

在所述第一连杆(2)上安装有脚部支撑(8)，在所述摇杆(6)的上端安装有手柄(9)。

3.根据权利要求2所述的肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法，其特征在于：

所述七杆肢体训练机构包括曲柄(1)、第一连杆(2)、第二连杆(3)、连架杆(4)、第三连杆(5)、摇杆(6)、机架(7)；所述曲柄(5)的一端与主动轴(12)固联，所述第一连杆(2)的首端与所述曲柄(1)铰接形成转动副，中部与所述第二连杆(3)首端铰接形成转动副，所述第二连杆(3)的末端与所述连架杆(4)首端铰接形成转动副，所述连架杆(4)的末端与所述辅助轴(10)固联，所述第三连杆(5)的一端与所述第一连杆(2)铰接形成转动副，另一端与所述摇杆(6)的底端铰接形成转动副，所述摇杆(6)的中部与滑块(21)铰接形成转动副，所述滑块(21)与所述机架(7)固联；或所述摇杆(6)的中部直接与所述机架(7)铰接形成转动副。

4.根据权利要求3所述的肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法，其特征在于，所述曲柄(1)或为圆盘或为杆件，曲柄与所述第一连杆(2)的首端铰接形成的转动副的位置随调。

5.根据权利要求2所述的肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法，其特征在于，所述摇杆(6)上安装有套筒(22)，所述手柄(9)的杆件设置在所述套筒(22)内，手柄在套筒(22)内转动和移动进行角度和高度的调节，并可锁紧定位。

6.根据权利要求2所述的肢体协调运动康健椅工作位置的确定方法，其特征在于，所述主动轴(12)由所述主传动装置(19)驱动，所述辅助轴(10)由所述从传动装置(20)驱动。