[发明专利]一种可实现上、下肢关节等速训练方法

权利要求书

1.一种可实现上、下肢单关节等速训练方法，通过控制踏车式末端牵引机构中曲柄长度的变化，来实现肢体单关节的等速训练，其特征在于：

步骤一：建立人体与踏车式末端牵引机构简化运动模型

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1.1，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1.2，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

(1)根据笛卡尔直角坐标系1.1建立运动学方程：

l₁cosθ_h+s＝l₂cosθ₂+l₃cosθ₃

l₁sinθ_h+h＝l₃sinθ₃+l₂sinθ₂

其中：θ₃＝ω₃t，θ_h＝θ_k+θ₂；

若对膝关节进行等速训练，由此可解得曲柄长度l₃的表达式：

其中：

A＝l₁-l₂cosθ_k

B＝l₂sinθ_k

若对髋关节进行等速训练，由此可解得曲柄长度l₃的表达式：

由此可得，只要踏车式末端牵引机构的曲柄长度l₃按照该规律变化，即可实现下肢膝关节、髋关节单独的等速训练；

(2)依据笛卡尔直角坐标系1.2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，θ_s角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得曲柄长度l'₃的表达式：

若对肘关节进行等速训练，θ_a角度因进行等速训练，数值已知，由此可解得曲柄长度的表达式：

其中：

A＝l'₁-l'₂cosθ_a

B＝l'₂sinθ_a

由此可得，只要踏车式末端牵引机构的曲柄长度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。

2.一种可实现上、下肢双关节等速训练方法，通过控制踏车式末端牵引机构中曲柄长度以及曲柄的运动规律的变化，实现上肢或者下肢两个关节的同时等速训练，其特征在于：

步骤一：建立人体与踏车式末端牵引机构简化运动模型

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2.1，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2.2，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

(1)若下肢两个关节同时进行等速训练，根据笛卡尔直角坐标系2.1建立运动学方程:

l₁cosθ_h+s＝l₂cosθ₂+l₃cosθ₃

l₁sinθ_h+h＝l₃sinθ₃+l₂sinθ₂

其中：θ₂＝θ_h-θ_k

由此可解得曲柄长度和曲柄转角的表达式：

由此可得，只要踏车式末端牵引机构的曲柄长度以及踏车式末端牵引机构的曲柄转动按照该规律变化，即可实现下肢膝、髋关节同时的等速训练；

(2)若上肢两个关节同时进行等速训练，根据笛卡尔直角坐标系2.2建立运动矢量方程：

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