CN108095978B - 一种可实现上、下肢双关节等速训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现上、下肢双关节等速训练方法，提出了一种可实现上、下肢双关节进行等速训练方法。通过具有能够整周回转的曲柄结构的末端牵引装置如踏车式训练机，牵引肢体末端，进而实现肢体关节的等速运动。该方法为根据关节活动规律，通过控制末端牵引机构的曲柄回转中心与肢体关节：肩关节或髋关节的相对位移的变化运动，来控制肢体关节的运动，即实现肢体双关节的等速运动。

Description

一种可实现上、下肢双关节等速训练方法

技术领域：

本发明涉及一种可实现上、下肢双关节等速训练方法，属于康复医疗和运动健身领域。

背景技术：

社会老龄化程度日益加深、脑卒中、脊髓损伤等原因导致肢体功能运动降低，甚至全部丧失，严重影响了生活质量。康复治疗是恢复运动功能的有效途径，等速技术是国际上一项较为先进的肌力功能评价和康复技术，对于使用者，能够在保障安全的前提下高效地恢复和改善肢体功能，但等速训练装置大多被国外技术封锁，且产品大多毕竟笨重、售价高昂，产品功能也都仅针对单关节等速训练，因此，研究一种简单可行的可实现上、下肢双关节等速训练的方法具有深远的现实意义。

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可实现上、下肢双关节等速训练方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种可实现上、下肢双关节等速训练方法，通过控制踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心与肢体关节：肩关节或髋关节的相对位移的变化运动，来实现肢体双关节的等速运动：

步骤一：建立人体与踏车式末端牵引机构运动模型

将人体下肢左侧简化成一个多刚体运动系统，以踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心为原点，建立笛卡尔直角坐标系1，设：大腿长为l₁；小腿长为l₂；曲柄长为l₃，与水平面夹角为θ₃，转速为ω₃；踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心低于人体髋关节水平面，距人体髋关节水平距离s，竖直距离h；大腿和小腿之间的夹角即膝关节角度为θ_k，大腿与水平面夹角为θ_h，小腿与水平面夹角为θ₂；

将人体上肢左侧简化成一个多刚体运动系统，以踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心为原点，建立笛卡尔直角坐标系2，设：大臂长为l′₁；小臂长为l′₂；曲柄长为l′₃，与水平面夹角为θ′₃，转速为ω′₃；踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心高于人体肩关节水平面，距人体肩关节水平距离s′，竖直距离h′；大臂和小臂之间的夹角即肘关节角度为θ_a，大臂与水平面夹角为θ_s，小臂与水平面夹角为θ′₂；

步骤二：建立运动方程并求解

在曲柄转速不变的情况下：

(1)根据笛卡尔直角坐标系1建立运动学方程：

l₁cosθ_h+s＝l₂ cosθ₂+l₃ cosθ₃

l₁sinθ_h+h＝l₃ sinθ₃+l₂ sinθ₂

其中：θ₃＝ω₃t，θ₂＝θ_h-θ_k，θ_h、θ_k角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得s、h的表达式：

s＝l₂ cos(θ_h-θ_k)+l₃ cosθ₃-l₁ cosθ_h

h＝l₂ sin(θ_h-θ_k)+l₃ sinθ₃-l₁ sinθ_h

由此可得，只要踏车式末端牵引机构和下肢髋关节的水平距离s以及竖直距离h按照该规律变化，即可实现膝、髋关节同时的等速训练；

(2)依据笛卡尔直角坐标系2建立运动学方程：

l′₁ cosθ_s+s′＝l′₂ cosθ′₂+l′₃ cosθ′₃

l′₁ sinθ_s-h′＝l′₂ sinθ′₂+l′₃ sinθ′₃

其中：θ′₂＝θ_s+θ_a，θ′₃＝ω′₃t，θ_s、θ_a角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得s′、h′的表达式：

s′＝l′₂ cosθ′₂+l′₃ cosθ′₃-l′₁ cosθ_s

h′＝l′₁ sinθ_s-l′₂ sinθ′₂-l′₃ sinθ′₃

由此可得，只要踏车式末端牵引机构和上肢肩关节的水平距离s′以及竖直距离h′按照该规律变化，即可实现肩、肘关节同时的等速训练。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明提出了一种可实现上、下肢双关节进行等速训练方法。通过末端牵引机构如踏车式训练机，牵引肢体末端，进而实现肢体关节的等速运动。该方法为根据关节活动规律，通过控制末端牵引机构的曲柄回转中心与肢体关节：肩关节或髋关节的相对位移的变化运动，来控制肢体关节的运动，即实现肢体双关节的同时等速运动。

附图说明：

图1为笛卡尔直角坐标系1的系统简图；图2为笛卡尔直角坐标系2的系统简图；图3为康健设备的结构示意图；图4为水平运动机构、调节机构及训练机的连接关系结构示意图；图5为使用康健设备时的人机模型图，其中，A为训练机曲柄回转轴心；B为肢体末端即踝关节；C为下肢膝关节；D为下肢髋关节；E为上肢肩关节；F为上肢肘关节；G为上肢末端即腕关节；DC长为l₁；BC长为l₂；AB为曲柄，长度为l₃，转速为ω₃；训练机距人体髋关节水平距离s，竖直距离h，θ_k为膝关节角度，θ_h为大腿与水平面夹角。

图中标号：1训练机，2支撑架，3座椅，4座椅底架，5电机，6丝杠，7导轨，11滑块，12圆盘式曲柄，13支撑辅具，31靠背，32坐垫本体。

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：

参见图3和图4，以实现本发明中下肢等速训练的某种康健设备为例进行说明，当然，也可以采用2017102408979的康健设备或2016104588308的健身器材等。

本发明中：座椅3的高度可调节，训练机固定在一滑块11上，可进行水平位移。

图3、4所示，该康健设备包括训练机1和调节装置，调节装置带动训练机水平位移的水平运动机构；

训练机1固定设于水平运动机构的滑块11上；

在水平运动机构的两侧设有支撑架2以及由支撑架2支撑的座椅3。

水平运动机构包括电机5、丝杠6、导轨7以及滑块11，丝杠的一端通过联轴器与电机5的输出轴连接，另一端与滑块11的中部连接形成螺旋副，导轨7用于对滑块支撑、导向。

训练机1(踏车式末端牵引机构的一种)包括底部支撑、圆盘式曲柄12、支撑辅具13(即脚踏)；

底部支撑设置于滑块11上，以底部支撑为承载体设有驱动单元，圆盘式曲柄12由驱动单元驱动转动，支撑辅具13通过连杆设于圆盘式曲柄的两侧盘面上。

座椅3具有靠背31以及坐垫本体32。

通过控制踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心与肢体关节：肩关节或髋关节的相对位移的变化运动，来实现肢体双关节的等速运动：

步骤一：建立人体与踏车式末端牵引机构运动模型

将人体下肢左侧简化成一个多刚体运动系统，以踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心为原点，如图1所示，建立笛卡尔直角坐标系1，设：大腿长为l₁；小腿长为l₂；曲柄长为l₃，与水平面夹角为θ₃，转速为ω₃；踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心低于人体髋关节水平面，距人体髋关节水平距离s，竖直距离h；大腿和小腿之间的夹角即膝关节角度为θ_k，大腿与水平面夹角为θ_h，小腿与水平面夹角为θ₂；

将人体上肢左侧简化成一个多刚体运动系统，以踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心为原点，如图2所示，建立笛卡尔直角坐标系2，设：大臂长为l′₁；小臂长为l′₂；曲柄长为l′₃，与水平面夹角为θ′₃，转速为ω′₃；踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心高于人体肩关节水平面，距人体肩关节水平距离s′，竖直距离h′；大臂和小臂之间的夹角即肘关节角度为θ_a，大臂与水平面夹角为θ_s，小臂与水平面夹角为θ′₂；

步骤二：建立运动方程并求解

在曲柄转速不变的情况下：

(1)根据笛卡尔直角坐标系1建立运动学方程：

l₁ cosθ_h+s＝l₂ cosθ₂+l₃ cosθ₃

l₁ sinθ_h+h＝l₃ sinθ₃+l₂ sinθ₂

其中：θ₃＝ω₃t，θ₂＝θ_h-θ_k，θ_h、θ_k角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得s、h的表达式：

s＝l₂ cos(θ_h-θ_k)+l₃ cosθ₃-l₁ cosθ_h

h＝l₂ sin(θ_h-θ_k)+l₃ sinθ₃-l₁ sinθ_h

由此可得，只要踏车式末端牵引机构和下肢髋关节的水平距离s以及竖直距离h按照该规律变化，即可实现膝、髋关节同时的等速训练；

(2)依据笛卡尔直角坐标系2建立运动学方程：

l′₁ cosθ_s+s′＝l′₂ cosθ′₂+l′₃ cosθ′₃

l′₁ sinθ_s-h′＝l′₂ sinθ′₂+l′₃ sinθ′₃

其中：θ′₂＝θ_s+θ_a，θ′₃＝ω′₃t，θ_s、θ_a角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得s′、h′的表达式：

s′＝l′₂ cosθ′₂+l′₃ cosθ′₃-l′₁ cosθ_s

h′＝l′₁ sinθ_s-l′₂ sinθ′₂-l′₃ sinθ′₃

由此可得，只要踏车式末端牵引机构和上肢肩关节的水平距离s′以及竖直距离h′按照该规律变化，即可实现肩、肘关节同时的等速训练。

Claims (1)

1.一种可实现上、下肢双关节等速训练方法，通过控制踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心与肢体关节：肩关节或髋关节的相对位移的变化运动，来实现肢体双关节的等速运动，其特征在于：

步骤一：建立人体与踏车式末端牵引机构运动模型

将人体下肢左侧简化成一个多刚体运动系统，以踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心为原点，建立笛卡尔直角坐标系1，设：大腿长为l₁；小腿长为l₂；曲柄长为l₃，与水平面夹角为θ₃，转速为ω₃；踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心低于人体髋关节水平面，距人体髋关节水平距离s，竖直距离h；大腿和小腿之间的夹角即膝关节角度为θ_k，大腿与水平面夹角为θ_h，小腿与水平面夹角为θ₂；

将人体上肢左侧简化成一个多刚体运动系统，以踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心为原点，建立笛卡尔直角坐标系2，设：大臂长为l'₁；小臂长为l'₂；曲柄长为l'₃，与水平面夹角为θ'₃，转速为ω'₃；踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心高于人体肩关节水平面，距人体肩关节水平距离s'，竖直距离h'；大臂和小臂之间的夹角即肘关节角度为θ_a，大臂与水平面夹角为θ_s，小臂与水平面夹角为θ'₂；

步骤二：建立运动方程并求解

在曲柄转速不变的情况下：

(1)根据笛卡尔直角坐标系1建立运动学方程：

l₁cosθ_h+s＝l₂cosθ₂+l₃cosθ₃

l₁sinθ_h+h＝l₃sinθ₃+l₂sinθ₂

其中：θ₃＝ω₃t，θ₂＝θ_h-θ_k，θ_h、θ_k角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得s、h的表达式：

s＝l₂cos(θ_h-θ_k)+l₃cosθ₃-l₁cosθ_h

h＝l₂sin(θ_h-θ_k)+l₃sinθ₃-l₁sinθ_h

由此可得，只要踏车式末端牵引机构和下肢髋关节的水平距离s以及竖直距离h按照该规律变化，即可实现膝、髋关节同时的等速训练；

(2)依据笛卡尔直角坐标系2建立运动学方程：

l'₁cosθ_s+s'＝l'₂cosθ'₂+l'₃cosθ'₃

l'₁sinθ_s-h'＝l'₂sinθ'₂+l'₃sinθ'₃

其中：θ'₂＝θ_s+θ_a，θ'₃＝ω'₃t，θ_s、θ_a角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得s'、h'的表达式：

s'＝l'₂cosθ'₂+l'₃cosθ'₃-l'₁cosθ_s

h'＝l'₁sinθ_s-l'₂sinθ'₂-l'₃sinθ'₃

由此可得，只要踏车式末端牵引机构和上肢肩关节的水平距离s'以及竖直距离h'按照该规律变化，即可实现肩、肘关节同时的等速训练。

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