基于ANYBODY 騎行仿真的康復(fù)訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)

摘要：由于傳統(tǒng)騎行訓(xùn)練裝置運(yùn)動(dòng)軌跡極限值偏低，導(dǎo)致下肢康復(fù)訓(xùn)練效果不足，為了滿足膝關(guān)節(jié)術(shù)后患者康復(fù)訓(xùn)練需求，提出一種能實(shí)現(xiàn)類三角形運(yùn)動(dòng)軌跡特點(diǎn)的可變曲柄下肢騎行訓(xùn)練裝置，滿足用戶康復(fù)訓(xùn)練需求。通過分析用戶人群特征與需求，發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)缺口與不同用戶群體痛點(diǎn)，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合人體下肢生理結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特性，在Anybody環(huán)境下模擬得到相關(guān)肌群激活程度，進(jìn)而分析不同曲柄參數(shù)條件下騎行運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)角（Pos）、關(guān)節(jié)角速度（Vel）以及肌肉激活程度（Activity）變化，得出裝置騎行訓(xùn)練活動(dòng)范圍等關(guān)鍵參數(shù)，依據(jù)魯棒模型完成數(shù)學(xué)模型建立與計(jì)算，為裝置設(shè)計(jì)提供理論支撐。本文所提出的能實(shí)現(xiàn)類三角形運(yùn)動(dòng)軌跡的可變曲柄下肢騎行訓(xùn)練裝置，通過肌電實(shí)驗(yàn)得出其較類圓形運(yùn)動(dòng)軌跡的裝置而言，能使下肢主要肌群肌肉激活程度提高。從功能與結(jié)構(gòu)入手，運(yùn)用逆動(dòng)力學(xué)分析與肌電實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，系統(tǒng)地提出了人體康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)思路、方法及流程，有助于完善康復(fù)訓(xùn)練裝置體系，增強(qiáng)康復(fù)訓(xùn)練效能，為同類型康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)、仿真及性能驗(yàn)證提供參考。

關(guān)鍵詞：AnyBody；騎行訓(xùn)練裝置；可變曲柄；sEMG；輔助康復(fù)

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2024）23-0075-05

引言

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（KOA， Knee osteoarthritis）是一種復(fù)雜的退行性關(guān)節(jié)病，會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)周圍肌力顯著衰退、下肢協(xié)調(diào)性降低，給患者日常生活帶來了嚴(yán)重影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國40 歲以上人群KOA 患病率已高達(dá)21.51%[1]，KOA 病情發(fā)展具有不可逆性，晚期時(shí)需要進(jìn)行重建性治療以及開展針對(duì)性康復(fù)訓(xùn)練才能使患者下肢功能恢復(fù)[2]，當(dāng)前康復(fù)輔具可以有效替代醫(yī)師完成部分康復(fù)治療訓(xùn)練內(nèi)容，從而有效減輕醫(yī)護(hù)人員負(fù)擔(dān)，并且康復(fù)輔具擁有成本低、效果評(píng)估客觀的優(yōu)勢(shì)，在此背景下康復(fù)輔具研究發(fā)展迅速，目前已經(jīng)成為下肢康復(fù)訓(xùn)練的重要形式之一[3]。但傳統(tǒng)康復(fù)輔具種類單一、使用不便、使用成本較高[4]，大多需要患者到專業(yè)醫(yī)療中心進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，會(huì)對(duì)患者造成較大的心理與經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[5]。針對(duì)現(xiàn)有痛點(diǎn)，本文將在人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究基礎(chǔ)上，將仿真模擬與肌電實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，轉(zhuǎn)化用戶需求為設(shè)計(jì)要點(diǎn)，進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)，并通過可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，完成主客觀設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。

一、市場(chǎng)調(diào)研與需求分析

（一）使用環(huán)境劃分

根據(jù)使用環(huán)境可以將康復(fù)訓(xùn)練裝置劃分為家庭康復(fù)、醫(yī)療設(shè)施康復(fù)與老年護(hù)理康復(fù)3 種類別。得益于互聯(lián)網(wǎng)+ 醫(yī)療模式的推廣，通過遠(yuǎn)程康復(fù)指導(dǎo)和在線監(jiān)測(cè)，越來越多的患者在家中也能完成康復(fù)訓(xùn)練，便攜、易操作的家庭康復(fù)訓(xùn)練裝置逐漸受到市場(chǎng)青睞；醫(yī)院和康復(fù)中心依然是康復(fù)訓(xùn)練裝置的主要使用場(chǎng)景，這些機(jī)構(gòu)對(duì)康復(fù)設(shè)備的功能性、穩(wěn)定性和效果有著更高的要求，需要更加高精尖與針對(duì)性的康復(fù)訓(xùn)練裝置；作為老年人康復(fù)的重要場(chǎng)所，老年護(hù)理機(jī)構(gòu)對(duì)于下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的需求不斷增加，許多養(yǎng)老院和護(hù)理中心正在配備專業(yè)的康復(fù)設(shè)備，以提升服務(wù)水平。老年護(hù)理機(jī)構(gòu)對(duì)于康復(fù)設(shè)備的需求特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、安全可靠、適合老年人使用。

（二）市場(chǎng)環(huán)境分析

國際知名品牌如強(qiáng)生、飛利浦、GE 醫(yī)療、西門子等，一直在中國市場(chǎng)占據(jù)著較多市場(chǎng)份額，這些企業(yè)憑借先進(jìn)的技術(shù)和品牌影響力，贏得了不少高端用戶的青睞。近些年，國內(nèi)市場(chǎng)上也涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備制造企業(yè)，如邁瑞醫(yī)療、魚躍醫(yī)療、新華醫(yī)療等，這些企業(yè)通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品優(yōu)化，逐漸提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。通過市場(chǎng)調(diào)研，對(duì)國內(nèi)市場(chǎng)排名較前的醫(yī)療設(shè)備制造公司及其主要研發(fā)方向進(jìn)行整理，見表1。 可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)市場(chǎng)相關(guān)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展更傾向于醫(yī)學(xué)治療及器械耗材方面，康復(fù)訓(xùn)練裝置的研發(fā)則較少被行業(yè)巨頭們所重視，側(cè)面反映了我國市場(chǎng)對(duì)于康復(fù)裝置需求量大，市場(chǎng)前景廣闊。

（三）用戶需求分析

出于使用者不同需求，可將下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的使用人群進(jìn)行分類，從各自角度分析其特征、需求以及對(duì)康復(fù)訓(xùn)練裝置的期望，結(jié)果如表2。通過分析發(fā)現(xiàn)患者的主要需求圍繞下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)度恢復(fù)以及肌力訓(xùn)練，需要裝置能夠快速有效地幫助其完成下肢康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容。醫(yī)護(hù)人員的主要需求則集中在操作便捷、評(píng)估提醒功能的添加方面，對(duì)裝置的操作邏輯、界面設(shè)計(jì)以及軟件系統(tǒng)要求較高。

通過市場(chǎng)調(diào)研與需求分析可以發(fā)現(xiàn)近些年來家庭康復(fù)市場(chǎng)發(fā)展迅速，但大型醫(yī)療器械公司相關(guān)研發(fā)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)更多針對(duì)醫(yī)院與康復(fù)中心，一定程度上忽視了家庭康復(fù)環(huán)境的使用需求，造成了市場(chǎng)空缺。需要設(shè)計(jì)一款針對(duì)家庭使用環(huán)境的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，其需滿足患者對(duì)下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)度以及肌力恢復(fù)的需求，并且要考慮裝置的成本與便捷性，減輕使用者經(jīng)濟(jì)與心理壓力。

二、基于AnyBody的下肢生物力學(xué)仿真

康復(fù)訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)過程中需要不斷采集、應(yīng)用人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)相關(guān)參數(shù)，從而保障所設(shè)計(jì)裝置的運(yùn)行規(guī)律與尺寸參數(shù)符合人體結(jié)構(gòu)，滿足使用者對(duì)下肢關(guān)節(jié)的活動(dòng)度以及肌力訓(xùn)練的需求，并且能夠避免對(duì)人體造成二次傷害的可能性?，F(xiàn)有康復(fù)訓(xùn)練裝置的開發(fā)設(shè)計(jì)流程中包含著大量的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)制作與人體生理參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)（如肌電信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)與動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)），需要經(jīng)過不斷地優(yōu)化迭代后才能完成裝置設(shè)計(jì)，并且在該過程中無法避免的會(huì)受到被試者樣本差異的干擾，造成所采集數(shù)據(jù)的不匹配進(jìn)而影響設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算。

仿真模擬在現(xiàn)有裝置設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用廣泛，相關(guān)軟件開發(fā)、學(xué)習(xí)平臺(tái)搭建已較為完善，對(duì)于使用者要求較低，可以較為快速地學(xué)習(xí)并使用仿真模擬軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)的獲取，使設(shè)計(jì)者無需全程應(yīng)用肌電或者其他設(shè)備也可以完成較為科學(xué)合理的裝置研發(fā)與設(shè)計(jì)，有效替代部分實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，降低康復(fù)訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)的成本與門檻。人體參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)需要肌電與動(dòng)作捕捉系統(tǒng)配合，每組實(shí)驗(yàn)之間被試者狀態(tài)、參數(shù)等都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用仿真模擬手段可以有效排除人體參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)過程中的干擾項(xiàng)，更加簡(jiǎn)單直觀地獲得裝置參數(shù)設(shè)置與人體運(yùn)動(dòng)相關(guān)規(guī)律。并且可以有效降低裝置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)優(yōu)化階段的成本與時(shí)間，通過多次仿真模擬可以得到單一變量下的裝置運(yùn)行參數(shù)與人體反饋結(jié)果，對(duì)于裝置研發(fā)效率將具有明顯提升。

相較于傳統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)開發(fā)流程而言，以仿真模擬為主的設(shè)計(jì)方法可以有效降低康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)難度與成本，將其與工業(yè)設(shè)計(jì)方法有機(jī)結(jié)合起來可以獲得更加合理可靠的裝置設(shè)計(jì)方案，從而解決現(xiàn)有問題。AnyBody 仿真軟件（AnyBody v7.4，AnyBody TechnologyA/S，丹麥）能夠模擬人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，提供詳細(xì)的肌骨模型參數(shù)及分析結(jié)果，為下肢康復(fù)裝置的設(shè)計(jì)提供有力支持。

（一）仿真模型建立

AnyBody 軟件提供了豐富的模型庫和驅(qū)動(dòng)算法， 可以完成對(duì)人體常規(guī)運(yùn)動(dòng)的仿真與分析。在建模過程中， 混合使用AnyMuscleModel 模型與Hill 模型，確保數(shù)據(jù)輸出的準(zhǔn)確性，同時(shí)縮短仿真周期。仿真參數(shù)設(shè)置如表3 所示。

在AnyBdoy 軟件環(huán)境下進(jìn)行騎行仿真實(shí)驗(yàn)，需要調(diào)整騎行姿態(tài)人體模型位置角度使得其與騎行訓(xùn)練使用條件相近，建立騎行運(yùn)動(dòng)人體模型，進(jìn)行模擬仿真。

（二）騎行運(yùn)動(dòng)仿真模擬

通過設(shè)置關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，建立騎行運(yùn)動(dòng)仿真模型，進(jìn)行參數(shù)化仿真試驗(yàn)，以不同曲柄長度（70mm、100mm、140mm、170mm）和曲柄轉(zhuǎn)速（25r/min）進(jìn)行仿真，導(dǎo)出膝關(guān)節(jié)角度、角速度及各肌肉激活程度數(shù)據(jù)，如圖1。

由騎行運(yùn)動(dòng)仿真模擬可知：骨骼肌激活程度與膝關(guān)節(jié)角度存在強(qiáng)相關(guān)性，屈伸運(yùn)動(dòng)對(duì)下肢主要肌群（如股四頭肌、腘繩?。┯酗@著刺激作用。通過將不同曲柄長度下各肌群的激活程度數(shù)據(jù)整合，得到動(dòng)作時(shí)間與肌肉激活程度曲線圖，如圖2 所示。

仿真結(jié)果顯示，膝關(guān)節(jié)角度最大值出現(xiàn)在1.1s，角速度最大值與最小值分別出現(xiàn)在0.4s 與1.6s。膝關(guān)節(jié)角度最大值隨曲柄長度增加而增加，角速度變化也隨之呈現(xiàn)正相關(guān)。將肌肉激活程度數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理后得到激活程度與時(shí)間關(guān)系變化曲線，如圖3 所示。

不同曲柄長度下的仿真結(jié)果顯示，曲柄長度越長，肌肉激活程度越高，以股二頭肌和股內(nèi)側(cè)肌為例，激活程度在曲柄長度增加時(shí)顯著提升。

研究結(jié)果表明：騎行運(yùn)動(dòng)中的膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)對(duì)肌肉激活能力強(qiáng)，通過相應(yīng)訓(xùn)練動(dòng)作可以有效地激活下肢肌群；曲柄長度與股二頭肌、股四頭肌等肌群的激活程度關(guān)聯(lián)度高，曲柄長度增加顯著提高了肌肉激活程度。結(jié)合仿真模擬結(jié)果，可對(duì)最終設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行展望：開發(fā)一種曲柄長度可自主調(diào)節(jié)、單電機(jī)驅(qū)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)類三角形運(yùn)動(dòng)軌跡的騎行康復(fù)訓(xùn)練裝置。裝置功能可被概括為3 點(diǎn)：（1）靈活性，能夠根據(jù)患者具體需求調(diào)節(jié)曲柄長度，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡；（2）安全性，確保裝置在使用過程中不會(huì)對(duì)患者造成新的傷害；（3）高效性，通過科學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，使裝置能夠有效激活下肢主要肌群，提升康復(fù)訓(xùn)練效果。

三、下肢騎行訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)

為了更好地滿足患者和醫(yī)護(hù)人員的需求，提升康復(fù)效果，本文提出了一種基于騎行裝置的下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備設(shè)計(jì)方案。選擇騎行裝置作為設(shè)計(jì)載體的理由如下：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，騎行裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于制造和維護(hù)。（2）運(yùn)行穩(wěn)定，騎行裝置在運(yùn)行過程中能夠提供平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，減少不必要的震動(dòng)和沖擊，有助于防止二次傷害。（3）接受程度較高，騎行運(yùn)動(dòng)是一種廣泛接受的鍛煉方式，患者對(duì)其有較高的接受度和依從性。（4）相關(guān)研究較多，騎行裝置的相關(guān)軟件和交互研究較為豐富，為后續(xù)的改良設(shè)計(jì)提供了充足的理論和實(shí)踐支持。

（一）裝置原理

骨骼肌力的增強(qiáng)是康復(fù)訓(xùn)練的核心目標(biāo)，因此設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮如何通過運(yùn)動(dòng)裝置有效激活和增強(qiáng)下肢肌力。前文提到的市場(chǎng)需求和用戶需求分析表明，現(xiàn)有康復(fù)輔具在靈活性和個(gè)性化方面存在不足。因此，設(shè)計(jì)一種可調(diào)節(jié)的、基于騎行運(yùn)動(dòng)的康復(fù)裝置，可以有效填補(bǔ)這一空白。具體裝置設(shè)計(jì)方案為一種曲柄長度可自主調(diào)節(jié)、單電機(jī)驅(qū)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)類三角形運(yùn)動(dòng)軌跡的騎行康復(fù)訓(xùn)練裝置。該裝置能夠在下肢運(yùn)動(dòng)可達(dá)域極限值范圍內(nèi)，通過改變曲柄長度來實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)軌跡?，F(xiàn)有的曲柄長度調(diào)節(jié)機(jī)制包括滑動(dòng)調(diào)節(jié)、齒輪組連桿機(jī)構(gòu)、電動(dòng)缸、氣缸等。經(jīng)過分析，選擇齒輪連桿機(jī)構(gòu)將曲柄長度與下肢姿態(tài)相關(guān)聯(lián)，可以有效避免體積大和復(fù)雜控制功能的問題，裝置結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

（二）人機(jī)尺寸

為確保裝置運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合人體下肢結(jié)構(gòu)，使用者能夠舒適有效地完成康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作，將從功能角度出發(fā)進(jìn)行裝置參數(shù)計(jì)算，以人機(jī)工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)人體尺寸及運(yùn)動(dòng)范圍作為基礎(chǔ)進(jìn)行尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)。依據(jù)魯棒模型簡(jiǎn)化人體下肢結(jié)構(gòu)，將下肢尺寸、關(guān)節(jié)角活動(dòng)度等參數(shù)代入，建立騎行運(yùn)動(dòng)下肢數(shù)學(xué)模型，模擬康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作進(jìn)行推演，得出最適宜的裝置尺寸參數(shù)，如圖5、6 所示。

將騎行康復(fù)輔具曲柄長度與角度作為輸入量，可以計(jì)算得出人體下肢各關(guān)節(jié)角度，從而確定人體下肢姿態(tài)。其中曲柄旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)設(shè)為（xcr，ycr）、腳踏與人體連接位點(diǎn)坐標(biāo)為（xp，yp）。

式中：

Lt——大腿長度/mm；Ls——小腿長度/mm；Lcr——曲柄長度/mm；θ1——大腿與水平面夾角/deg；θ2——小腿與水平面夾角/deg；θ3——曲柄與水平面夾角/deg。

通過AnyBody 仿真模擬數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)分析可知，康復(fù)訓(xùn)練過程中下肢運(yùn)動(dòng)范圍與肌肉激活程度正相關(guān)，結(jié)合下肢運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型合理推算，康復(fù)訓(xùn)練軌跡越接近下肢運(yùn)動(dòng)軌跡極限值，則肌肉激活程度越高，膝關(guān)節(jié)角活動(dòng)范圍也增大，從而滿足肌力以及膝關(guān)節(jié)角度的康復(fù)訓(xùn)練需求。

曲柄實(shí)際長度為O 點(diǎn)到C 點(diǎn)距離，則曲柄總長Lcr 與θcr 之間的函數(shù)關(guān)系為：

式中：θcr——曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度/deg。

（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

騎行訓(xùn)練裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪組、傳動(dòng)桿、滑軌滑塊、拉簧、腳踏以及機(jī)架組成，如圖7 所示。

下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)需要滿足改善關(guān)節(jié)活動(dòng)度和增強(qiáng)肌肉力量的功能，協(xié)助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。裝置需確保不同下肢參數(shù)的患者均可安全、有效地進(jìn)行訓(xùn)練，按照功能可將裝置劃分為支撐結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、阻尼結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4 部分：支撐結(jié)構(gòu)由機(jī)架組成，提供支撐和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保耐用性和穩(wěn)定性，支持患者進(jìn)行騎行訓(xùn)練；裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由齒輪組與連桿組成，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換并維持運(yùn)動(dòng)的方向和速度，確保裝置運(yùn)行的平穩(wěn)和有效性，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可將單電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為類三角形運(yùn)動(dòng)軌跡輸出，從而滿足下肢康復(fù)訓(xùn)練需求；在曲柄上設(shè)置拉簧作為阻尼機(jī)構(gòu)，滿足不同姿態(tài)下的阻抗訓(xùn)練需求，拉簧還能作為人體與裝置之間緩沖，降低二次傷害的可能性；采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)提供動(dòng)力和控制運(yùn)動(dòng)，其控制簡(jiǎn)單、響應(yīng)快，滿足使用者對(duì)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與精確控制的使用需求。通過各結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置能夠?yàn)榛颊咛峁┌踩?、有效的?xùn)練環(huán)境，助力康復(fù)過程。

四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證裝置性能，將分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與實(shí)物驗(yàn)證對(duì)比分析。首先在SolidWorks 中將虛擬樣機(jī)與人體簡(jiǎn)化模型匹配，能夠得到下肢關(guān)節(jié)角度、角速度等參數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8。

將實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組關(guān)節(jié)角度與角速度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后可知：膝關(guān)節(jié)角度變化曲線中實(shí)驗(yàn)組角度變化范圍更廣，主要變化范圍發(fā)生在伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)組膝關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)范圍提高了8.9%。通過對(duì)應(yīng)膝關(guān)節(jié)角速度變化關(guān)系則可得知，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組角速度變化曲線線形相近，幅值相仿，偏差處于合理范圍內(nèi)，證明該裝置運(yùn)行過程符合康復(fù)訓(xùn)練安全需求，不會(huì)對(duì)患者下肢造成二次傷害。

裝置性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)將使用對(duì)照組實(shí)驗(yàn)方式，以類三角形運(yùn)動(dòng)軌跡可變曲柄下肢康復(fù)輔具作為實(shí)驗(yàn)組、曲柄長度固定類圓運(yùn)動(dòng)軌跡的常規(guī)騎行康復(fù)輔具作為對(duì)照組，利用肌電系統(tǒng)分別采集兩組被試者康復(fù)訓(xùn)練過程中下肢股四頭肌、腘繩肌和腓腸肌激活程度，并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)過程如圖9、10 所示。

分析積分肌電值（IEMG）結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組肌肉的IEMG 值明顯大于對(duì)照組數(shù)據(jù)，并且相關(guān)肌群的肌電信號(hào)幅值、最大值、最小值等均比對(duì)照組肌電信號(hào)有著較大提升，可以證明裝置在肌肉激活程度方面對(duì)于下肢主要肌群有著更明顯作用，并且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中所采集到的肌電信號(hào)波動(dòng)規(guī)律，與裝置運(yùn)行周期契合。在實(shí)驗(yàn)過程中被試者均無下肢不適，實(shí)驗(yàn)裝置的啟停、反向以及調(diào)速等功能正常實(shí)現(xiàn)，以上結(jié)論可有效證明裝置的可行性。

結(jié)論

在老齡化社會(huì)背景下，膝骨關(guān)節(jié)炎（KOA）等下肢功能障礙的患病率屢創(chuàng)新高，醫(yī)療從業(yè)人員需要應(yīng)對(duì)不斷增加的患者需求和醫(yī)療挑戰(zhàn)。如何幫助這些醫(yī)護(hù)人員減輕工作壓力，已成為設(shè)計(jì)師們需要認(rèn)真思考的問題。文章深入研究了TKA 術(shù)后患者的需求及康復(fù)裝置的研發(fā)現(xiàn)狀，提出了結(jié)合逆動(dòng)力學(xué)仿真模擬的康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)思路與方法流程。針對(duì)傳統(tǒng)康復(fù)裝置種類單一、使用成本高的問題，通過迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)了可變曲柄下肢騎行訓(xùn)練裝置。這種裝置不僅有助于減輕患者負(fù)擔(dān)，還能提高康復(fù)訓(xùn)練效能，在相同訓(xùn)練周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高程度下肢肌群激活，從而滿足主被動(dòng)階段轉(zhuǎn)換時(shí)患者肌力康復(fù)訓(xùn)練需求。

基金項(xiàng)目：教育部青年基金（21XJC760003）、陜西省青年杰出人才支持計(jì)劃配套基金（106-451420001）、裝備預(yù)研共用技術(shù)和領(lǐng)域基金（106-418321001）

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