CN108186288A - 一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法，通过控制末端牵引机构中的曲柄的运动规律，只要其曲柄角位移按照特定方法中所得的规律进行变化，即可实现下肢髋关节单独的等速训练。同理，按照本发明方法也可实现下肢膝关节的等速训练。上、下肢的运动多以矢状面为主，运动状态近似，故研究成果可通用，且在矢状面内肢体运动左右对称，故只研究其中一侧肢体运动状态即可，当然，将训练机及其调整机构移动至桌面，也可进行上肢的肩、肘关节单独的等速训练。

Description

一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法

技术领域：

本发明涉及一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法，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特定单关节等速训练，因此，研究一种简单可行的能实现上、下肢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简单可行的能实现上、下肢单关节等速训练的方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法，通过控制踏车式末端牵引机构的曲柄回转运动，来实现肢体关节的等速运动，按如下步骤进行。

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：大腿为l₁；小腿为l₂；曲柄为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：大臂为l₁；小臂为l₂；曲柄为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θ₂。

步骤二：建立运动方程并求解

在踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心与肢体之间的相对位移不变的情况下，

(1)依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

若对髋关节进行等速训练，则：θ_h角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

θ₂＝θ_h-θ_k

A＝l₁cosθ_h+s

B＝l₁sinθ_h+h

若对膝关节进行等速训练，则：θ_k角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

θ₂＝θ_h-θ_k

C＝l₁-l₂cosθ_k

D＝l₂sinθ_k

由此可得，曲柄的运动角度和下肢髋、膝关节的运动角度关系，在踏车式末端牵引机构的基础上，只要其曲柄角位移按照此种方法中所得的规律进行变化，即可实现下肢髋关节以及下肢膝关节单独的等速训练。

(2)依据笛卡尔直角坐标系2建立运动学方程：

l₁cosθ_s+s＝l₂cosθ₂+l₃cosθ₃

l₁sinθ_s-h＝l₂sinθ₂+l₃sinθ₃

θ₂＝θ_s+θ_a

若对肩关节进行等速训练，则：θ_s角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

A＝l₁cosθ_s+s

B＝l₁sinθ_s-h

若对肘关节进行等速训练，则：θ_a角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

C＝l₁-l₂cosθ_a

D＝l₂sinθ_a

由此可得，曲柄的运动角度和上肢肩、肘关节的运动角度关系，在踏车式末端牵引机构的基础上，只要其曲柄角位移按照此种方法中所得的规律进行变化，即可实现上肢肩关节以及上肢肘关节单独的等速训练。

规划等速训练关节角位移，建立坐标系，设：

ω_max为规划关节等速运动速度；t₀为起始时刻；t₀—t₁为关节加速运动阶段；t₁—t₂为关节等速运动阶段；t₂—t₃为关节减速运动阶段；t₃时刻关节活动度处于最值区域，角速度归零，开始进行反向运动；t₃—t₄为反向运动时关节加速运动阶段；t₄—t₅为反向运动时关节等速运动阶段；t₅—t₆为反向运动时关节减速运动阶段；t₀—t₆完成整个关节一个等速训练过程，不断循环往复完成肢体关节的等速训练；

角速度ω_max可表示为：

等速训练的关节角度θ可表示为：

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、下肢单关节进行等速训练方法。通过末端牵引机构，牵引肢体末端，进而实现肢体单关节的等速运动。该方法为根据关节活动规律，通过控制末端牵引机构中的曲柄的运动规律，来控制肢体单关节的运动，即实现肢体单关节的等速运动。只要其曲柄按照此种方法中所得的规律进行运动，即可实现下肢髋、膝关节单独的等速训练。

附图说明：

图1为笛卡尔直角坐标系1；图2为笛卡尔直角坐标系2；图3为规划的理想等速训练角速度曲线；图4为实施例中康健设备的结构示意图；图5实施例中人机模型图。

图中标号：1训练机，2圆盘式曲柄，3训练机架，4支撑辅具。

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：参见图4，以实现本发明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。

图4所示，该康健设备包括训练机1(踏车式末端牵引机构的一种)、圆盘式曲柄2、训练机架3、支撑辅具4(即脚踏)。其中圆盘式曲柄2可整周回转，且速度可控。

在末端执行机构上进行训练时，肢体各关节的运动规律与肢体末端的运动是有联系的，肢体末端受训练机的牵引，其运动变化规律受训练机曲柄转动的影响，即：肢体关节的运动是可以根据训练机曲柄的转动来控制的。上肢和下肢的运动规律一致，故实现关节等速训练的方法可通用。

通过控制踏车式末端牵引机构的曲柄回转运动，来实现肢体关节的等速运动。

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，如图1所示，设：大腿为l₁；小腿为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；本实施例中，曲柄与水平面夹角为θ₃。

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，如图2所示，设：大臂为l₁；小臂为l₂；曲柄为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θ₂。

步骤二：建立运动方程并求解

在踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心与肢体之间的相对位移不变的情况下，

(1)依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

若对髋关节进行等速训练，则：θ_h角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

θ₂＝θ_h-θ_k

A＝l₁cosθ_h+s

B＝l₁sinθ_h+h

若对膝关节进行等速训练，则：θ_k角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

θ₂＝θ_h-θ_k

C＝l₁-l₂cosθ_k

D＝l₂sinθ_k

由此可得，曲柄的运动角度和下肢髋、膝关节的运动角度关系，在踏车式末端牵引机构的基础上，只要其曲柄角位移按照此种方法中所得的规律进行变化，即可实现下肢髋关节以及下肢膝关节单独的等速训练。

(2)依据笛卡尔直角坐标系2建立运动学方程：

l₁cosθ_s+s＝l₂cosθ₂+l₃cosθ₃

l₁sinθ_s-h＝l₂sinθ₂+l₃sinθ₃

θ₂＝θ_s+θ_a

若对肩关节进行等速训练，则：θ_s角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

A＝l₁cosθ_s+s

B＝l₁sinθ_s-h

若对肘关节进行等速训练，则：θ_a角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

C＝l₁-l₂cosθ_a

D＝l₂sinθ_a

由此可得，曲柄的运动角度和上肢肩、肘关节的运动角度关系，在踏车式末端牵引机构的基础上，只要其曲柄角位移按照此种方法中所得的规律进行变化，即可实现上肢肩关节以及上肢肘关节单独的等速训练。

图3所示，规划等速训练关节角位移，建立坐标系，设：

ω_max为规划关节等速运动速度；t₀为起始时刻；t₀—t₁为关节加速运动阶段；t₁—t₂为关节等速运动阶段；t₂—t₃为关节减速运动阶段；t₃时刻关节活动度处于最值区域，角速度归零，开始进行反向运动；t₃—t₄为反向运动时关节加速运动阶段；t₄—t₅为反向运动时关节等速运动阶段；t₅—t₆为反向运动时关节减速运动阶段；t₀—t₆完成整个关节一个等速训练过程，不断循环往复完成肢体关节的等速训练；

角速度ω_max可表示为：

等速训练的关节角度θ可表示为：

由此可得，曲柄的运动角度和下肢髋关节的运动角度关系，在末端执行机构的基础上，只要其曲柄角位移按照此种方法中所得的规律进行变化，即可实现下肢髋关节单独的等速训练。同理，按照此种方法也可实现下肢膝关节的等速训练。上、下肢的运动多以矢状面为主，运动状态近似，故研究成果可通用，且在矢状面内肢体运动左右对称，故只研究其中一侧肢体运动状态即可，本方法中选取下肢左侧进行分析。当然，将训练机及其调整机构移动至桌面，也可进行上肢的肩、肘关节单独的等速训练。

Claims (2)

1.一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法，通过控制踏车式末端牵引机构的曲柄回转运动，来实现肢体关节的等速运动，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：大腿为l₁；小腿为l₂；曲柄为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：大臂为l₁；小臂为l₂；曲柄为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θ₂。

步骤二：建立运动方程并求解

在踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心与肢体之间的相对位移不变的情况下，

(1)依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

若对髋关节进行等速训练，则：θ_h角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

θ₂＝θ_h-θ_k

A＝l₁cosθ_h+s

B＝l₁sinθ_h+h

若对膝关节进行等速训练，则：θ_k角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

θ₂＝θ_h-θ_k

C＝l₁-l₂cosθ_k

D＝l₂sinθ_k

由此可得，曲柄的运动角度和下肢髋、膝关节的运动角度关系，在踏车式末端牵引机构的基础上，只要其曲柄角位移按照此种方法中所得的规律进行变化，即可实现下肢髋关节以及下肢膝关节单独的等速训练。

(2)依据笛卡尔直角坐标系2建立运动学方程：

l₁cosθ_s+s＝l₂cosθ₂+l₃cosθ₃

l₁sinθ_s-h＝l₂sinθ₂+l₃sinθ₃

θ₂＝θ_s+θ_a

若对肩关节进行等速训练，则：θ_s角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

A＝l₁cosθ_s+s

B＝l₁sinθ_s-h

若对肘关节进行等速训练，则：θ_a角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ₃的表达式：

其中：

C＝l₁-l₂cosθ_a

D＝l₂sinθ_a

由此可得，曲柄的运动角度和上肢肩、肘关节的运动角度关系，在踏车式末端牵引机构的基础上，只要其曲柄角位移按照此种方法中所得的规律进行变化，即可实现上肢肩关节以及上肢肘关节单独的等速训练。

2.根据权利要求1所述的一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法，其特征在于：

规划等速训练关节角位移，建立坐标系，设：

ω_max为规划关节等速运动速度；t₀为起始时刻；t₀—t₁为关节加速运动阶段；t₁—t₂为关节等速运动阶段；t₂—t₃为关节减速运动阶段；t₃时刻关节活动度处于最值区域，角速度归零，开始进行反向运动；t₃—t₄为反向运动时关节加速运动阶段；t₄—t₅为反向运动时关节等速运动阶段；t₅—t₆为反向运动时关节减速运动阶段；t₀—t₆完成整个关节一个等速训练过程，不断循环往复完成肢体关节的等速训练；

角速度ω_max可表示为：

等速训练的关节角度θ可表示为：

。