CN112426660A - 运动反馈装置及等速训练方法 - Google Patents

运动反馈装置及等速训练方法 Download PDF

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    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
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Abstract

本发明提供一种运动反馈装置及等速训练方法，该装置包括，坐式蹬腿训练器，其包括踏板、座椅、负载和钢索，使用者踩踏踏板，踏板在其运动轨迹上直线往复运动；编码器，编码器的码盘随着踏板的运动而转动，编码器将码盘的角位移转化为脉冲信号；单片机将编码器输出的脉冲信号转化为长度及速度信息，经由串行接口传送给计算机；计算机将其转化为光标位移。本发明所述的运动反馈装置及等速训练方法能够在无外力帮助的情况下，实现精准康复训练，提高康复训练效率。

Description

运动反馈装置及等速训练方法
技术领域
本发明涉及康复训练领域，且特别涉及一种运动反馈装置及等速训练方法。
背景技术
在中国平均每12秒钟会有1个人因为中风(脑溢血、脑梗塞)而倒下，医院患者太多、康复周期太长，患者无法长期住院治疗，只能够回家休养。如果中风患者能长期接受专业康复训练，那么90％的人可以恢复步行，30％的人可以从事轻度的工作，而不进行康复，对应的几率只有6％、5％。
由此可见，康复治疗对于中风患者十分重要，通过使用康复训练器械进行训练治疗也成为了国内外研究的热点之一，但是传统的康复治疗需要有专业的人士来辅佐患者进行训练，却仍然不能更加精准的做到标准动作，不仅需要大量的时间精力，而且还很耗费人力，康复训练效果不够显著。
因此，如何提供一种不需要专业人士辅助，且能够进行精准康复训练的装置，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决至少部分上述技术问题，本发明提一种运动反馈装置，该装置包括：
坐式蹬腿训练器，其包括踏板、座椅、负载和钢索，所述钢索一端设置在所述踏板上，所述钢索的另一端设置在所述负载上；使用者坐在所述座椅上踩踏所述踏板，所述踏板在踩踏作用力和所述负载的重力作用下在其运动轨迹上直线往复运动；
编码器，其包括在所述钢索带动下转动的码盘；所述编码器将所述码盘的角位移转化为脉冲信号；
单片机，将所述脉冲信号转化为数字量，所述数字量包括所述钢索通过所述码盘的长度值和速度值；
计算机，所述计算机用于计算所述使用者的训练标准位移；所述计算机将所述数字量转化为光标位移。
在某些实施方式中，所述的运动反馈装置中，所述钢索通过所述码盘的长度值和速度值等于所述踏板运动的长度值Δlx和速度值Δlx'；
lx＝Δlx+l0 (1)
Δlx'＝l'x (2)
其中，lx表示在水平方向上，所述使用者髋关节与脚部间的距离；lx'表示，在水平方向上，所述使用者脚部的运动速度；l0表示所述踏板未运动时，水平方向上，所述使用者髋关节与脚部间的初始距离。
在某些实施方式中，所述的运动反馈装置中，所述训练标准位移是所述计算机利用所述使用者的肢体参数、预期角速度和l3计算得到；
所述预期角速度是指所述使用者设定的预期膝关节角速度；
所述肢体参数是指所述使用者大腿长度值和所述使用者小腿长度值；
l3表示竖直方向上，所述使用者踩踏所述踏板时其脚部与其髋关节的距离值。
在某些实施方式中，所述的运动反馈装置中，所述计算机利用下述公式，计算所述预期角速度用对应的lx'数值；
Figure BDA0002630759260000021
Figure BDA0002630759260000022
Figure BDA0002630759260000031
其中，l1表示使用者大腿长度值，l2表示使用者小腿长度值，θ表示使用者大腿与小腿之间的夹角，即膝关节角度，l表示使用者髋关节与脚部的距离，θ′表示使用者膝关节角速度。
在某些实施方式中，所述的运动反馈装置中，该装置还包括显示器，
所述计算机将所述踏板进行直线往复运动的幅度等比例作为使用者位移幅度显示在所述显示器上；所述训练标准位移按照所述角速度所对应lx'数值所表示的速度值在所述使用者位移幅度上移动；所述光标位移按照所述踏板运动的实时位置相对应地显示在所述使用者位移幅度上。
在某些实施方式中，所述的运动反馈装置中，所述编码器上设置有同步轮，所述钢索带动所述同步轮转动，所述同步轮带动所述码盘转动。
本发明另一方面还利用上述运动反馈装置进行等速训练的方法，该方法包括：
步骤一、计算机计算训练标准位移；
步骤二、使用者踩踏坐式蹬腿训练器的踏板，所述踏板直线往复运动过程中带动编码器的码盘转动，所述编码器将码盘的角位移转化为脉冲信号；
步骤三、单片机将所述脉冲信号转化为数字量，所述数字量包括所述钢索通过所述码盘的长度值和速度值；
步骤四、计算机将所述数字量转化为光标位移；
所述计算机将所述踏板进行直线往复运动的幅度等比例作为使用者位移幅度显示在显示器上；所述训练标准位移按照所述角速度所对应的lx'数值作为速度，所述训练标准位移在所述位移幅度上移动；所述光标位移按照所述使用者踩踏所述踏板运动的实时位置相对应地显示在所述使用者位移幅度上；当所述光标位移与所述训练标准位移同步移动时，则使用者当前运动为等速训练，当所述光标位移与所述训练标准位移移动不同步时，则使用者当前运动不是等速训练。
在某些实施例中，所述的等速训练方法中，所述计算机根据使用者的肢体参数、使用者设定的预期角速度和l3计算得到训练标准位移；
所述肢体参数包括使用者大腿长度值、使用者小腿长度值、使用者髋关节与脚部的高度差和使用者膝关节角度。
在某些实施例中，所述的等速训练方法中，所述计算机等比例得到所述位移幅度的具体过程为：
获得所述踏板的可踩踏的最大距离，所述计算机将所述最大距离按照第一比例缩小作为最大位移幅度显示在所述显示器上；
所述使用者踩踏所述踏板至该使用者能蹬踏的最远距离，所述计算机计算所述最远距离与所述最大距离的比值；
按照所述比值，在所述最大位移幅度得到与所述最远距离相对应的位移幅度；
所述计算机将所述位移幅度按照第二比例放大作为所述使用者位移幅度显示在所述显示器上。
在某些实施例中，所述的等速训练方法中，还包括所述计算机在所述显示器上显示所述预期角速度值和所述使用者踩踏所述踏板的实时速度。
有益效果：
1.本发明所述的运动反馈装置及等速训练方法，计算出踏板运动对应的光标位移，并显示训练标准位移，使用者踩动踏板令屏幕上的光标位移与训练标准位移一致，进而达到关节等速训练的效果。本发明能够在无外力帮助的情况下，实现精准康复训练，提高康复训练效率。
2.本发明所述的运动反馈装置及等速训练方法，能够为不同使用者提供具有针对性的康复训练指导，康复效果好。
3.本发明所述的运动反馈装置及等速训练方法，在显示器上以竞技的方式显示光标位移与标准训练位移关系，增强训练的趣味性，提高使用者参与训练的积极性，提高康复效果。
4.本发明所述的运动反馈装置，结构简单，生产成本低，使用方便。
附图说明
图1是本发明其中一个实施方式中所述的等速训练方法流程图。
图2是使用者使用本发明所述的运动反馈装置的身体姿态图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“和/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
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。
如图1所示，本发明提供一种运动反馈装置，其中，该装置包括：
坐式蹬腿训练器，其包括踏板、座椅、负载和钢索，所述钢索一端设置在所述踏板上，所述钢索的另一端设置在所述负载上；使用者坐在所述座椅上踩踏所述踏板，所述踏板在踩踏作用力和所述负载的重力作用下在其运动轨迹上直线往复运动；
编码器，其包括在所述钢索带动下转动的码盘；所述编码器将所述码盘的角位移转化为脉冲信号；
单片机，将所述脉冲信号转化为数字量，所述数字量包括所述钢索通过所述码盘的长度值和速度值；
计算机，所述计算机用于计算所述使用者的训练标准位移；所述计算机将所述数字量转化为光标位移。
不同使用者计算不同的训练标准位移，使用者在使用本发明所述的装置时，踩踏踏板，使得踏板在其运动轨迹上直线往复运动，踏板带动钢索运动，钢索带到码盘转动，编码器将码盘的角位移转化为脉冲信号，单片机将脉冲信号转化为长度及速度信息，计算机将长度及速度信息转化为光标位移，光标位移与训练标准位移进行比较，当光标位移与训练标准位移同步移动时，则该运动节点的运动训练为等速训练，否则不是等速训练。本装置能够针对不同使用者的特异性，对每个使用者进行精准康复训练行康复训练，训练效果好。同时，本装置结构简单，使用方便，生产成本低。
上述方案中，所述钢索通过所述码盘的长度值和速度值等于所述踏板运动的长度值Δlx和速度值Δlx'；
lx＝Δlx+l0 (1)
Δlx'＝l'x (2)
其中，lx表示在水平方向上，所述使用者髋关节与脚部间的距离；lx'表示，在水平方向上，所述使用者脚部的运动速度；l0表示所述踏板未运动时，水平方向上，所述使用者髋关节与脚部间的初始距离。
上述方案中，所述训练标准位移是所述计算机利用所述使用者的肢体参数、预期角速度和l3计算得到；所述预期角速度是指所述使用者设定的预期膝关节角速度；所述肢体参数是指所述使用者大腿长度值和所述使用者小腿长度值；l3表示竖直方向上，所述使用者踩踏所述踏板时其脚部与其髋关节的距离值。
上述方案中，所述计算机利用下述公式，计算所述预期角速度对应的lx'数值；
l2＝l1 2+l2 2-2l1l2cos(θ) (1)
Figure BDA0002630759260000071
Figure BDA0002630759260000072
其中，l1表示使用者大腿长度值，l2表示使用者小腿长度值，θ表示使用者大腿与小腿之间的夹角，即膝关节角度，l表示使用者髋关节与脚部的距离，θ′表示使用者膝关节角速度。
利用上述公式，将θ′用lx'表示时。l1、l2、l3可以通过测量得出；根据1式计算出l的长度，再根据2式通过勾股定理计算出lx的长度，得出lx与θ的关系。对lx进行求导得出lx'与θ′的关系。
所述计算机利用下述公式，将所述预期角速度用对应的lx'数值表示时；
使用者将参数l1、l2、l3、lx0输入给计算机，计算机通过2式计算出l0，即l初始长度。其中，lx0为初始状态(使用者未使用本装置)下使用者髋关节与脚部的距离。
将l0带入1式得出θ0，即膝关节初始角度。
给定期望的角速度，就可以知道任一时刻关节的角度，通过2式可以计算出任一时刻lx的长度，也就是踏板的训练标准位移。
当踏板运动至最远位移时，钢索随着踏板运动至最远位移，拉扯负载，负载被钢索带动向上位移；当踏板从最远位移往最近位移运动时，负载受重力向下位移，钢索进行回复运动，钢索随着踏板向最近位移运动。
使用者踩动踏板拉动钢索，使贴合钢索的编码器的码盘转动，编码器将所述码盘的角位移转化为脉冲信号，并将脉冲信号输入给单片机，单片机将脉冲信号的个数转化为钢索通过码盘的长度。
上述方案中，该装置还包括显示器，所述计算机将所述踏板进行直线往复运动的幅度等比例作为使用者位移幅度显示在所述显示器上；所述训练标准位移按照所述角速度所对应的lx'数值作为速度值在所述使用者位移幅度上移动；所述光标位移按照所述踏板运动的实时位置相对应地显示在所述使用者位移幅度上。
在所述显示器上，所述训练标准位移和所述光标位移可以通过不同颜色的形状或图案进行显示，也可以是不同的卡通形象，增强康复训练的趣味性。不同使用者，可以选择不同的不同类别的图标，
上述方案中，所述编码器上设置有同步轮，所述钢索带动所述同步轮转动，所述同步轮带动所述码盘转动。
如图2所示，本发明另一方面还提供一种利用上述运动反馈装置进行等速训练的方法，其中，该方法包括：
步骤一、计算机计算训练标准位移；
步骤二、使用者踩踏坐式蹬腿训练器的踏板，所述踏板直线往复运动过程中带动编码器的码盘转动，所述编码器将码盘的角位移转化为脉冲信号；
步骤三、单片机将所述脉冲信号转化为数字量，所述数字量包括所述钢索通过所述码盘的长度值和速度值；
步骤四、计算机将所述数字量转化为光标位移；
所述计算机将所述踏板进行直线往复运动的幅度等比例作为使用者位移幅度显示在显示器上；所述训练标准位移按照所述角速度所对应的lx'数值作为速度，所述训练标准位移在所述位移幅度上移动；所述光标位移按照所述使用者踩踏所述踏板运动的实时位置相对应地显示在所述使用者位移幅度上；当所述光标位移与所述训练标准位移同步移动时，则使用者当前运动为等速训练，当所述光标位移与所述训练标准位移移动不同步时，则使用者当前运动不是等速训练。
所述训练标准位移是根据使用者肢体参数、训练预期角速度和l3计算得到的，计算机就给出一个踏板的训练标准位移移动速度，训练时使用者按照显示屏显示的训练标准位移的移动速度进行运动，即使得显示器上显示光标位移的运动速度与训练标准位移移动速度相同，在位移幅度上处于同步运动，就可以达到膝关节等速的训练目的。
上述方案中，所述肢体参数包括使用者大腿长度值、使用者小腿长度值、使用者髋关节与脚部的高度差和使用者膝关节角度。
上述方案中，该方法还包括：所述计算机等比例得到所述位移幅度的具体过程为：
获得所述踏板的可踩踏的最大距离，所述计算机将所述最大距离按照第一比例缩小作为最大位移幅度显示在所述显示器上；
所述使用者踩踏所述踏板至该使用者能蹬踏的最远距离，所述计算机计算所述最远距离与所述最大距离的比值；
按照所述比值，在所述最大位移幅度得到与所述最远距离相对应的位移幅度；
所述计算机将所述位移幅度按照第二比例放大作为所述使用者位移幅度显示在所述显示器上。
所述踏板的实时距离是根据钢索拉出的长度确定的，单片机将脉冲信号转化为数字信号时，利用脉冲信号计算钢索通过的长度lΔx。
lΔx的计算公式为：
lΔx＝x·la (1)
Figure BDA0002630759260000101
其中，x表示钢索划过同步轮时通过的脉冲数，la表示编码器发一个脉冲对应的长度，R表示同步轮的直径，N表示码盘的线数。
上述方案中，还包括所述计算机在所述显示器上显示所述预期角速度值和所述使用者踩踏所述踏板的实时速度。
所述踏板的第一移动距离等于所述钢索的第二移动距离，所述数字量中包括所述钢索通过所述码盘的长度值即为所述第二移动距离，利用所述第二移动距离可以得到所述踏板的实时距离。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

Claims (10)

1.一种运动反馈装置，其中，该装置包括：
坐式蹬腿训练器，其包括踏板、座椅、负载和钢索，所述钢索一端设置在所述踏板上，所述钢索的另一端设置在所述负载上；使用者坐在所述座椅上踩踏所述踏板，所述踏板在踩踏作用力和所述负载的重力作用下在其运动轨迹上直线往复运动；
编码器，其包括在所述钢索带动下转动的码盘；所述编码器将所述码盘的角位移转化为脉冲信号；
单片机，将所述脉冲信号转化为数字量，所述数字量包括所述钢索通过所述码盘的长度值和速度值；
计算机，所述计算机用于计算所述使用者的训练标准位移；所述计算机将所述数字量转化为光标位移。
2.根据权利要求1所述的运动反馈装置，其中，所述钢索通过所述码盘的长度值和速度值等于所述踏板运动的长度值Δlx和速度值Δlx′；
lx＝Δlx+l0 (1)
Δlx'＝l'x (2)
其中，lx表示在水平方向上，所述使用者髋关节与脚部间的距离；lx'表示，在水平方向上，所述使用者脚部的运动速度；l0表示所述踏板未运动时，水平方向上，所述使用者髋关节与脚部间的初始距离。
3.根据权利要求2所述的运动反馈装置，其中，所述训练标准位移是所述计算机利用所述使用者的肢体参数、预期角速度和l3计算得到；
所述预期角速度是指所述使用者设定的预期膝关节角速度；
所述肢体参数是指所述使用者大腿长度值和所述使用者小腿长度值；
l3表示竖直方向上，所述使用者踩踏所述踏板时其脚部与其髋关节的距离值。
4.根据权利要求3所述的运动反馈装置，其中，所述计算机利用下述公式，计算得到所述预期角速度对应的lx'数值；
l2＝l1 2+l2 2-2l1l2cos(θ) (3)
Figure FDA0002630759250000021
Figure FDA0002630759250000022
其中，l1表示使用者大腿长度值，l2表示使用者小腿长度值，θ表示使用者大腿与小腿之间的夹角，即膝关节角度，l表示使用者髋关节与脚部的距离，θ′表示使用者膝关节角速度。
5.根据权利要求4所述的运动反馈装置，其中，该装置还包括显示器，
所述计算机将所述踏板进行直线往复运动的幅度等比例作为使用者位移幅度显示在所述显示器上；
所述训练标准位移按照所述角速度所对应lx'数值所表示的速度值在所述使用者位移幅度上移动；所述光标位移按照所述踏板运动的实时位置相对应地显示在所述位移幅度上。
6.根据权利要求4所述的运动反馈装置，其中，所述编码器上设置有同步轮，所述钢索带动所述同步轮转动，所述同步轮带动所述码盘转动。
7.一种利用根据权利要求1至6任一项所述的运动反馈装置进行等速训练的方法，其中，该方法包括：
步骤一、计算机计算训练标准位移；
步骤二、使用者踩踏坐式蹬腿训练器的踏板，所述踏板直线往复运动过程中带动编码器的码盘转动，所述编码器将码盘的角位移转化为脉冲信号；
步骤三、单片机将所述脉冲信号转化为数字量，所述数字量包括所述钢索通过所述码盘的长度值和速度值；
步骤四、计算机将所述数字量转化为光标位移；
所述计算机将所述踏板进行直线往复运动的幅度等比例作为使用者位移幅度显示在显示器上；所述训练标准位移以所述角速度所对应lx'数值所表示的速度值，在所述位移幅度上移动；所述光标位移按照所述使用者踩踏所述踏板运动的实时位置相对应地显示在所述使用者位移幅度上；当所述光标位移与所述训练标准位移同步移动时，则使用者当前运动为等速训练，当所述光标位移与所述训练标准位移移动不同步时，则使用者当前运动不是等速训练。
8.根据权利要求7所述的等速训练方法，其中，所述计算机根据使用者的肢体参数、使用者设定的预期角速度和l3计算得到训练标准位移；
所述肢体参数包括使用者大腿长度值、使用者小腿长度值、使用者髋关节与脚部的高度差和使用者膝关节角度。
9.根据权利要求7所述的等速训练方法，其中，
所述计算机等比例得到所述位移幅度的具体过程为：
获得所述踏板的可踩踏的最大距离，所述计算机将所述最大距离按照第一比例缩小作为最大位移幅度显示在所述显示器上；
所述使用者踩踏所述踏板至该使用者能蹬踏的最远距离，所述计算机计算所述最远距离与所述最大距离的比值；
按照所述比值，在所述最大位移幅度得到与所述最远距离相对应的位移幅度；
所述计算机将所述位移幅度按照第二比例放大作为所述使用者位移幅度显示在所述显示器上。
10.根据权利要求9所述的等速训练方法，其中，还包括所述计算机在所述显示器上实时显示所述预期角速度值和所述使用者踩踏所述踏板的实时速度。
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