一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201810116284.9	申请日：	20180206
公开号：	CN108186288A	公开日：	20180622
当前法律状态：		有效性：	审查中
法律详情：
IPC分类号：	A61H1/02	主分类号：	A61H1/02
申请人：	合肥工业大学
发明人：	王勇,齐方宇,陈建军,陆益民,刘正士
地址：	230009 安徽省合肥市屯溪路193号
优先权：	CN201810116284A
专利代理机构：	合肥市上嘉专利代理事务所(普通合伙)	代理人：	胡东升
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内容摘要

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。

权利要求书

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l；小腿为l；曲柄为l，与水平面夹角为θ，转速为ω；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，大腿与水平面夹角为θ，小腿与水平面夹角为θ；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l；小臂为l；曲柄为l，与水平面夹角为θ，转速为ω；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，大臂与水平面夹角为θ，小臂与水平面夹角为θ。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：lcosθ+s＝lcosθ+lcosθlsinθ+h＝lsinθ+lsinθ若对髋关节进行等速训练，则：θ角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ的表达式：其中：θ＝θ-θA＝lcosθ+sB＝lsinθ+h若对膝关节进行等速训练，则：θ角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ的表达式：其中：θ＝θ-θC＝l-lcosθD＝lsinθ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：lcosθ+s＝lcosθ+lcosθlsinθ-h＝lsinθ+lsinθθ＝θ+θ若对肩关节进行等速训练，则：θ角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ的表达式：其中：A＝lcosθ+sB＝lsinθ-h若对肘关节进行等速训练，则：θ角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得θ的表达式：其中：C＝l-lcosθD＝lsinθ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为规划关节等速运动速度；t为起始时刻；t—t为关节加速运动阶段；t—t为关节等速运动阶段；t—t为关节减速运动阶段；t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；t—t为反向运动时关节加速运动阶段；t—t为反向运动时关节等速运动阶段；t—t为反向运动时关节减速运动阶段；t—t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可表示为：等速训练的关节角度θ可表示为：。

说明书

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θk，大腿与水平面夹角为θh，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θa，大臂与水平面夹角为θs，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：

l1cosθh+s＝l2cosθ2+l3cosθ3

l1sinθh+h＝l3sinθ3+l2sinθ2

若对髋关节进行等速训练，则：θh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＝θh-θk

A＝l1cosθh+s

B＝l1sinθh+h

若对膝关节进行等速训练，则：θk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＝θh-θk

C＝l1-l2cosθk

D＝l2sinθk

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：

l1cosθs+s＝l2cosθ2+l3cosθ3

l1sinθs-h＝l2sinθ2+l3sinθ3

θ2＝θs+θa

若对肩关节进行等速训练，则：θs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＝l1cosθs+s

B＝l1sinθs-h

若对肘关节进行等速训练，则：θa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-l2cosθa

D＝l2sinθa

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：

ωmax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ωmax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θk，大腿与水平面夹角为θh，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θa，大臂与水平面夹角为θs，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：

l1cosθh+s＝l2cosθ2+l3cosθ3

l1sinθh+h＝l3sinθ3+l2sinθ2

若对髋关节进行等速训练，则：θh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＝θh-θk

A＝l1cosθh+s

B＝l1sinθh+h

若对膝关节进行等速训练，则：θk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＝θh-θk

C＝l1-l2cosθk

D＝l2sinθk

(2)依据笛卡尔直角坐标系2建立运动学方程：

l1cosθs+s＝l2cosθ2+l3cosθ3

l1sinθs-h＝l2sinθ2+l3sinθ3

θ2＝θs+θa

若对肩关节进行等速训练，则：θs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＝l1cosθs+s

B＝l1sinθs-h

若对肘关节进行等速训练，则：θa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-l2cosθa

D＝l2sinθa

图3所示，规划等速训练关节角位移，建立坐标系，设：

角速度ωmax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。

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810116284.9 (22)申请日 2018.02.06 (71)申请人合肥工业大学地址 230009 安徽省合肥市屯溪路193号 (72)发明人王勇齐方宇陈建军陆益民刘正士 (74)专利代理机构合肥市上嘉专利代理事务所 (普通合伙) 34125 代理人胡东升 (51)Int.Cl. A61H 1/02(2006.01) (54)发明名称一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法 (57)摘要本发明公开了一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法，。

2、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。权利要求书3页说明书7页附图3页 CN 108186288 A 2018.06.22 CN 108186288 A 1.一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法，通过控。

3、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 3，转速为3；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 k，大腿与水平面夹角为 h，小腿与水平面夹角为 2；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。

4、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 3，转速为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 a，大臂与水平面夹角为 s，小臂与水平面夹角为 2。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： l1cos h+sl2cos 2+l3cos 3 l1sin h+hl3sin 3+l2sin 2 若对髋关节进行等速训练，则： h角度因。

5、进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的表达式：其中： 2 h- k Al1cos h+s Bl1sin h+h 若对膝关节进行等速训练，则： k角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的表达式：其中： 2 h- k Cl1-l2cos k Dl2sin 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权利要求书 1/3 页 2 CN 108186288 A 2 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： l。

6、1cos s+sl2cos 2+l3cos 3 l1sin s-hl2sin 2+l3sin 3 2 s+ a 若对肩关节进行等速训练，则： s角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的表达式：其中： Al1cos s+s Bl1sin s-h 若对肘关节进行等速训练，则： a角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的表达式：其中： Cl1-l2cos a Dl2sin 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。

7、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： max为规划关节等速运动速度； t0为起始时刻； t0t1为关节加速运动阶段； t1t2为关节等速运动阶段； t2t3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； t3t4为反向运动时关节加速运动阶段； t4t5为反向运动时关节等速运动阶段； t5t6为反向运动时关节减速运动阶段； t0t6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max可表示为：权利要求书 2/3 。

8、页 3 CN 108186288 A 3 等速训练的关节角度可表示为：。权利要求书 3/3 页 4 CN 108186288 A 4 一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法技术领域： 0001 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： 0002 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。

9、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： 0003 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。 0004 本发明解决技术问题采用如下技术方案： 0005 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。 0006 步骤一：建立人体与踏车式末端牵引机构运动模型 0007 将人体下肢左侧简化成一个多。

10、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 3，转速为3；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 k，大腿与水平面夹角为 h，小腿与水平面夹角为 2； 0008 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 3，转速为3；踏车式末端牵引机构的曲柄回转中心。

11、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 a，大臂与水平面夹角为 s，小臂与水平面夹角为 2。 0009 步骤二：建立运动方程并求解 0010 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， 0011 (1)依据笛卡尔直角坐标系1建立运动学方程： 0012 0013 l1cos h+sl2cos 2+l3cos 3 0014 l1sin h+hl3sin 3+l2sin 2 0015 若对髋关节进行等速训练，则： h角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的说明书 1/7 页 5 CN 10。

12、8186288 A 5 表达式： 0016 0017 其中： 0018 2 h- k 0019 Al1cos h+s 0020 Bl1sin h+h 0021 若对膝关节进行等速训练，则： k角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的表达式： 0022 0023 0024 其中： 0025 2 h- k 0026 Cl1-l2cos k 0027 Dl2sin k 0028 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。 0029 。

13、(2)依据笛卡尔直角坐标系2建立运动学方程： 0030 0031 l1cos s+sl2cos 2+l3cos 3 0032 l1sin s-hl2sin 2+l3sin 3 0033 2 s+ a 0034 若对肩关节进行等速训练，则： s角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的表达式： 0035 0036 其中： 0037 Al1cos s+s 0038 Bl1sin s-h 0039 若对肘关节进行等速训练，则： a角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的表达式： 0040 说明书 2/7 页 6 CN 108186288 A 6 0041 0042 其中。

14、： 0043 Cl1-l2cos a 0044 Dl2sin a 0045 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。 0046 规划等速训练关节角位移，建立坐标系，设： 0047 max为规划关节等速运动速度； t0为起始时刻； t0t1为关节加速运动阶段； t1t2 为关节等速运动阶段； t2t3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； t3t4为反向运动时关节加速运动阶段； t4t。

15、5为反向运动时关节等速运动阶段； t5t6为反向运动时关节减速运动阶段； t0t6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； 0048 角速度max可表示为： 0049 0050 等速训练的关节角度可表示为：说明书 3/7 页 7 CN 108186288 A 7 0051 0052 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在： 0053 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，。

16、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： 0054 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。 0055 图中标号： 1训练机， 2圆盘式曲柄， 3训练机架， 4支撑辅具。 0056 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： 0057 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。

17、2016104588308的健身器材。 0058 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。 0059 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。 0060 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。 0061 步骤一：建。

18、立人体与踏车式末端牵引机构运动模型 0062 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 3，转速为3；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，说明书 4/7 页 8 CN 108186288 A 8 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 k，大腿与水平面夹角为 h，小腿与水平面夹角为 2；本实施例中，曲柄与水平面夹角为 3。 0063 将人体上肢左侧简化成一个多刚体运动系。

19、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 3，转速为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 a，大臂与水平面夹角为 s，小臂与水平面夹角为 2。 0064 步骤二：建立运动方程并求解 0065 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， 0066 (1)依据笛卡尔直角坐标系1建立运动学方程： 0067 0068 l1cos h+sl2cos 2+。

20、l3cos 3 0069 l1sin h+hl3sin 3+l2sin 2 0070 若对髋关节进行等速训练，则： h角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的表达式： 0071 0072 其中： 0073 2 h- k 0074 Al1cos h+s 0075 Bl1sin h+h 0076 若对膝关节进行等速训练，则： k角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的表达式： 0077 0078 0079 其中： 0080 2 h- k 0081 Cl1-l2cos k 0082 Dl2sin k 0083 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，。

21、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。 0084 (2)依据笛卡尔直角坐标系2建立运动学方程： 0085 0086 l1cos s+sl2cos 2+l3cos 3 0087 l1sin s-hl2sin 2+l3sin 3 说明书 5/7 页 9 CN 108186288 A 9 0088 2 s+ a 0089 若对肩关节进行等速训练，则： s角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的表达式： 0090 0091 其中： 0092 Al1cos s+s 0093 Bl1sin 。

22、s-h 0094 若对肘关节进行等速训练，则： a角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得 3的表达式： 0095 0096 0097 其中： 0098 Cl1-l2cos a 0099 Dl2sin a 0100 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。 0101 图3所示，规划等速训练关节角位移，建立坐标系，设： 0102 max为规划关节等速运动速度； t0为起始时刻； t0t1为关节加速运动阶段； t1t2 为关节等。

23、速运动阶段； t2t3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； t3t4为反向运动时关节加速运动阶段； t4t5为反向运动时关节等速运动阶段； t5t6为反向运动时关节减速运动阶段； t0t6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； 0103 角速度max可表示为： 0104 说明书 6/7 页 10 CN 108186288 A 10 0105 等速训练的关节角度可表示为： 0106 0107 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。

24、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。说明书 7/7 页 11 CN 108186288 A 11 图1 图2 说明书附图 1/3 页 12 CN 108186288 A 12 图3 图4 说明书附图 2/3 页 13 CN 108186288 A 13 图5 说明书附图 3/3 页 14 CN 108186288 A 14 。

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