摘要：随着中国人口老龄化，疾病和其他阻碍下肢运动的原因越来越多。下肢康复训练自行车作为一种辅助训练装置得到了广泛的应用。医学研究表明，通过人体下肢的被动训练，腿部神经可以再生，从而达到恢复行走的功能。然而如果采用人工辅助患者来进行康复训练，则同时需要几个护理人员协调工作，也极易由于疲劳产生运动不准确而达不到训练效果。因此采用康复训练自行车来辅助病人进行康复训练十分必要。首先确定下肢康复自行车的总体设计，然后开发其它部件，如固定腿部模块、灵活柔性模块。基于液压阻尼原理和下肢康复自行车被动训练中关节柔韧性不足的问题，设计一种灵活柔性模块，使其结合上变阻器和弹性元件，以提高关节处的灵活性，通过康复训练，帮助患者训练双腿力量，恢复身体健康。

关键词：下肢康复训练自行车;灵活柔性模块;康复训练

1绪论

医用康复自行车是工业自行车进化的产物。经济的快速发展，科技的日益进步，市场的多样化需求，不同专业领域的融合交叉越来越大，康复医学、生物力学、计算机学及材料学等诸多领域互相贯穿，医用康复自行车由此应运而生。

据统计，2015年60岁及以上人口达到2.22亿，占总人口的16.15%。预计到2020年，老年人口达到2.48亿，老龄化水平达到17.17%，其中80岁以上老年人口将达到3067万人;2025年，六十岁以上人口将达到3亿，成为超老年型国家届时许多下身存在障碍的老年人需要康复训练，从而下肢康复自行车市场巨大。 本文主要设计的康复训练自行车是一种可以在主动训练中实现阻力非线性变化的训练方式，及可以将患者的体重重量减少或者直接忽略，并且训练中施加的阻力要与患者自身运动有关，为了调节阻抗的大小也设计了调节阻抗结构;在被动训练中各关节处也通过添加阻尼模块实现运动时的舒适性，柔顺性。

2腿部训练模块设计

查阅人体下肢医学等方面相关文献，对下肢结构进行解剖学分析，确定固定患者腿模块的结构组成及各部分参数、关节类型、自由度数;绘制人体下肢结构示意图，对下肢结构进行正运动学分析。

2.1灵活柔性模块的设计

一方面，柔性模块需要实现主动训练时关节阻尼要求的非线性变化，达到“类似水上运动”的效果;另一方面，它需要在被动训练时为患者提供更柔和的驱动力。柔性模块主要由可变阻尼器和弹性元件组成。可变阻尼器基于液压阻尼原理，必须实现阻尼的可持续变化，并具有手动调节阻尼的功能。总体研究思路：查阅相关文献，发现目前下肢康复训练自行车存在不足，开展下肢康复训练自行车的设计与研究。首先确定下肢康复训练自行车的总体方案，明确各部分组成;其次，确定组成各部分的方案，确定相关技术指标，然后设计主要部件。

3下肢康复自行车总设计

下肢康复自行车旨在为下肢残疾者进行康复训练，并获取相应的运动参数进行康复效果评估。本文设计的下肢康复自行车可以对患者进行主动和被动训练。下肢康复训练自行车的整体结构，柔性模块、减重悬挂模块和跑步机模块组成。带动病人腿部移动;可为被动康复训练提供灵活性;减重悬挂模块的作用是减轻患者的体重，根据患者自身的恢复情况选择合适的模式;跑步机模块考虑到患者行走的难度和训练场地的空间限制，将患者安排在跑步机上模拟地面行走。

3.1下肢康复自行车的设计原则指标

下肢康复自行车主要是针对下肢运动障碍和具有一定行走能力的患者进行主动和被动康复训练，目的是帮助他们加快康复进程。因此，设计的下肢康复自行车的训练环境必须再现真实的行走场景。下肢康复训练自行车的整体设计应符合以下要求：

1.需要注意腿部的活动自由度。考虑到人体运动所涉及的自由度主要存在于矢状面，双腿行走机构在左右腿上分别有3个自由度，即髋部的屈/伸关节，以及膝关节的内部屈曲/伸展。踝关节的伸展、背屈/跖屈。

2.腿部训练可调节长度和承载能力。患者人群的身高存在差异，不可能为每个患者量身定制一套康复训练机构。这是不科学的，不经济的，不现实的。因此，康复训练对应大腿和小腿的长度应该是可调的，康复训练自行车可以覆盖85%以上的患者人群。因此，所提出的下肢康复自行车适用于身高160-179cm，体重不超过90kg的人群。

3.对关节灵活性的需求。据相关研究表明，人体行走时下肢关节处存在阻尼，阻尼呈非线性变化。为了在患者主动康复训练中增加关节阻尼变化要求，训练中的行走更贴近现实。同时，在被动训练中，腿部训练的驱动更加灵活。设计了柔性模块，安装在患者关节处，实现主动训练中关节阻尼的非线性变化，增加被动训练中驱动力的柔顺性。

3.2双腿固定模块设计方案

人体下肢的解剖结构包括大腿、小腿、足、髋、膝、踝关节 。髋关节有3个自由度，即矢状面屈/伸、冠状面内收/外展和水平面外旋/内旋;膝关节有1个自由度，矢状面内屈伸运动;踝关节有2个自由度，矢状面的跖屈/背屈，水平面的内翻/外翻。下肢康复自行车双腿固定模块的运动自由度选自矢状面的三个自由度，即髋关节屈/伸、膝关节屈/外展、踝关节跖屈/背屈。

通过了解人体下肢关节的医学知识，参考相关文献，确定人体行走时下肢关节的活动范围，根据下肢康复训练自行车设计方案确定整体结构，包括柔性模块、减重悬挂模块和底部跑步机模块。对不同身高人群的适应性，大小腿的长度必须可调;每个在髋关节、膝关节和踝关节处都有一个自由度，由伺服电机驱动，在髋关节和膝关节处安装了灵活的模块。在主动训练期间提供关节阻尼，在被动训练期间提供关节灵活性;只有伺服电机安装在踝关节处。减重悬挂模块减轻了患者的体重，从而减少了地面对下肢的作用力;底部跑步机模块模拟训练时在地面上行走。此次设计的下肢康复训练自行车具有如下特点：

1.固定患者腿具有3个自由度，结构设计符合人体。接头具有安全限位结构，安全可靠。

2.固定带长度可调节，适合身高的患者，覆盖大陆约的人口。

3.配备柔性模块，可在被动训练过程中通过弹性元件传递电机的扭矩，增加患者在训练过程中的舒适性减少不适。

由于人体下肢关节在行走时有一定的角度范围，超出活动范围会使患者受到二次伤害。因此，为了消除安全隐患，固定腿的关节处设计一个可以限位的小装置，对关节活动范围进行限制，避免在康复训练过程中超过人体关节活动范围的损伤。可以通过以下机制将膝关节的屈曲范围限制在 之间以防止在伺服不确定因素下人体关节的最大运动范围超过人体关节的最大运动范围而造成二次伤害。

结论

本文以下肢康复训练自行车为研究对象，根据人体各部位的长度与高度的比例、关节的运动范围，根据液压可变阻尼的工作原理，设计了可变阻尼器，包括可变阻尼器的主体结构设计、阻尼孔调节机构设计和固定叶片旋转。

参考文献

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