[发明专利]一种可实现上、下肢单关节等速训练的方法

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：

l'₁cosθ_s+s'＝l'₂cosθ'₂+l'₃cosθ'₃

l'₁sinθ_s-h'＝l'₂sinθ'₂+l'₃sinθ'₃

θ'₂＝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θ'₃的表达式：

其中：

A＝l'₁cosθ_s+s'

B＝l'₁sinθ_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θ'₃的表达式：

其中：

C＝l'₁-l'₂cosθ_a

D＝l'₂sinθ_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可表示为：

等速训练的关节角度θ可表示为：