下肢离轴运动训练装置和系统的制作方法

专利名称：下肢离轴运动训练装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及运动训练及肌肉骨骼损伤预防和康复领域。
背景技术：
下肢肌肉骨骼损伤往往由于过度的娱体活动导致。其中膝关节是最常见的受伤 部位，并以前十字交叉韧带损伤最为普遍(Lauder et al. ， Am J Prev. Med. ，18 :118-128， 2000)。例如美国每年前十字交叉韧带撕裂患者约在8至25万人，其中康复和治疗带来的 治疗费用近IO亿美元(Griffin et al. Am J Sports Med. 34， 1512-32);尤其是在以下肢旋 转运动为主的15至25岁的人群中，此类损伤的发生率为最高(Griffin etal. ， J Am Acad Orthop Surg. 8， 141-150， 2000)。由于下肢在矢状面内有足够的运动自由度(如膝关节弯 曲/伸展，脚踝背屈/跖屈)，所以运动者通常不容易因矢状面运动而导致肌肉骨骼损伤。 然而，在副轴(或称离轴)上的运动中，例如膝关节外翻/内翻(即内转/外转)、绕胫骨长 轴的内/外旋转、踝关节内翻/外翻及内转/外转等，相应的关节自由度有限，所以超负荷 或超运动范围的下肢离轴运动通常是导致下肢肌肉骨骼和韧带损伤的主要原因。例如前十 字交叉韧带损伤就是此类下肢旋转和外翻活动运动中最常见的一类损伤。
因此，提高运动者下肢离轴运动的神经肌肉控制能力(例如，控制胫骨旋转/膝关 节内外翻)，从而减少/避免肌肉骨骼和韧带损伤，显得尤为重要。然而，现有的训练器械 (如椭圆机、跑步机、登梯机)主要是针对下肢在矢状面内的运动而设计；在做下肢运动的 同时，由于其结构的局限性，使用者根本无法得到有针对性的在离轴方向上(如膝关节外 翻/内翻、胫骨内外旋转、踝关节内翻/外翻及内转/外转)的下肢控制训练。如果对于另 外一种单独训练下肢离轴运动的方法和装置(例如在坐姿下训练小腿旋转或内外翻)，由 于下肢在做此种单独离轴运动训练的同时，缺乏在矢状面内的相应的功能性运动，所以其 训练可能不切实际或者效果很低。

发明内容
所以，当下肢进行在矢状面内运动(步进/跑步)的同时，强调特定的下肢复合离 轴运动训练，对于预防下肢肌肉骨骼损伤和伤后康复显得尤为重要。本发明所述的装置和 训练方法就是针对此下肢复合训练理论而做出的创新设计。 根据本发明，提供了一种下肢离轴运动训练装置，用于安装在矢状面运动训练设 备的运动部分上以使运动者的下肢在所述矢状面运动训练设备上进行矢状面运动的同时 进行离轴运动，所述下肢离轴运动训练装置包括基座、安装在基座上的离轴运动产生部、以 及由离轴运动产生部支撑的脚容纳部，所述离轴运动产生部包括以下两者中至少一个离 轴旋转产生部，用于使脚容纳部产生离轴旋转运动；和离轴滑动产生部，用于使脚容纳部产 生离轴滑动运动。换言之，离轴运动产生部可以只包括离轴旋转产生部，可以只包括离轴滑 动产生部，也可以包括离轴旋转产生部和离轴滑动产生部两者。 在此，离轴旋转产生部和离轴滑动产生部可以在运动者的作用下使脚容纳部产生
4离轴运动，此时运动者的下肢主动施力，离轴运动产生部可以被动跟随其运动并且可以在 运动过程中产生特定的被动阻力。离轴旋转产生部和离轴滑动产生部也可以通过电机等对 脚容纳部主动施加离轴运动驱动力，此时离轴运动产生部主动施力，运动者的下肢要根据 此力的变化作出特定的离轴运动。 优选地，离轴旋转产生部使脚容纳部产生绕内旋/外旋转动轴(PD轴，下面将详细 解释)的离轴旋转运动。优选地，离轴滑动产生部使脚容纳部产生沿垂直于矢状面的方向 (即下肢侧向滑动方向或ML轴，下面将详细解释)的离轴滑动运动。还提供了一种下肢离 轴运动训练系统，包括提供下肢矢状面运动的矢状面运动训练设备、安装在所述矢状面运 动训练设备上的上述下肢离轴运动训练装置、用于记录运动者下肢运动信息的机械电子装 置、和用于显示所记录的下肢运动信息的显示器。 根据本发明的离轴训练装置和系统旨在帮助提高使用者下肢离轴运动(包括小 腿的内转/外转，内翻/外翻，中间外侧及前后方向上的滑动，以及这些下肢运动的组合) 的神经肌肉控制能力，从而降低下肢肌肉骨骼和韧带损伤的发生率及帮助损伤后的康复。 比如，在实际上，由于坐姿下做单独的胫骨旋转或是额状面内翻/外翻抵抗阻力的运动，与 其下在矢状面上功能性负重活动没有紧密联系，所以训练效果很有限。因此，离轴训练结配 合下肢矢状面运动，是本发明中提出的重要的离轴训练方法理论。这种训练方法可以使训 练更加实际有效。在实际应用中，本发明的离轴训练装置和方法可以附加在各种提供矢状 面运动的练习器械上(如椭圆机、登梯机、运动自行车和蹬腿机等)，从而简单方便地实现 所述复合的下肢离轴训练。


图1A示出对人体基本轴与基本面的定义； 图1B示出膝关节运动的局部坐标系； 图2A示出根据本发明第一实施例的下肢离轴运动训练装置； 图2B示出结合了图2A所示下肢离轴运动训练装置的椭圆机； 图3示出在图2B所示椭圆机上训练时的组合运动机制； 图4A示出根据本发明第二实施例的下肢离轴运动训练装置； 图4B示出结合了图4A所示下肢离轴运动训练装置的椭圆机； 图5A示出根据本发明第三实施例的下肢离轴运动训练装置； 图5B示出通过旋钮调节旋转阻力的图5A所示训练装置； 图5C示出通过电机调节旋转阻力的图5A所示训练装置； 图5D示出改变弹簧组弹性系数的组合方法； 图6A、6B和6C示出根据本发明第四实施例的下肢离轴运动训练装置； 图7示出根据本发明第五实施例的下肢离轴运动训练装置； 图8A、8B示出根据本发明第六实施例的下肢离轴运动训练装置； 图9示出根据本发明的带有运动反馈的下肢离轴训练和评估系统。
具体实施例方式
对人体基本轴与基本面的定义
由于本发明的独特结构与人体肢体运动的自由度紧密相关，为了更清楚和准确的
说明本发明的功能结构，首先对人体的运动平面和膝踝关节的自由度作一界定。 轴和面是描述人体器官形态，尤其是叙述关节运动时的常用术语。对人体可定义
三个相互垂直的轴，即垂直轴(Z)、矢状轴(Y)和额状轴(X)。依据上述三个轴，对人体还
可定义相互垂直的三个面，即矢状面Pl、额状面P2和水平面P3。 根据人体解剖学，如图1A，生理平面和X-Y-Z坐标轴系统的定义如下。
人体基本面包括 (1)矢状面P1指沿身体前后径所作的与地面垂直的切面。其中，通过正中线的矢 状面称为正中面。正中线指沿身体前、后面所作的垂线，其将人体分为左、右相等的两部分， 也称为人体的前、后正中线。
(2)额状面P2指沿身体左右径所作的与地面垂直的切面，又称为冠状面。
(3)水平面P3指横断身体而与地面平行的切面，又称为横切面。
人体基本轴包括 (1)额状轴横贯身体、垂直通过矢状面的轴，又称为冠状轴；并将由人体从左指 向右的水平轴定义为X轴方向。 (2)矢状轴前、后贯穿身体、垂直通过额状面的轴；并将由人体从后指向前的水 平轴定义为Y轴方向。 (3)垂直轴纵贯身体，垂直通过水平面的轴；并将由人体从下指向上的垂直轴定 义为Z轴方向。 为了更清楚的说明膝踝关节的运动，进而在图1B中以右下肢为例定义膝关节运 动的局部坐标系。其中01是右膝关节转动轴心，02是右踝关节转动轴心，03是右髋关节转 动轴心。
内旋/外旋转动轴(PD轴)沿胫骨轴向方向的转动轴，纵贯胫骨由踝关节指向膝
关节定义为正方向。小腿和脚沿此轴的转动定义为下肢内旋/外旋运动R3。
内翻/外翻转动轴(AP轴)前、后贯穿膝关节，由后指向前定义为正方向。小腿
和脚沿此轴的转动定义为下肢内翻/外翻运动R2。下肢沿此轴的平移滑动定义为下肢前后
滑动S2。 屈曲/伸展转动轴与侧向滑动方向(ML轴)横贯膝关节、垂直通过矢状面的轴， 由腿内侧指向外侧定义为正方向。小腿和脚沿此轴的转动定义为下肢屈曲/伸展运动Rl， 下肢沿此轴的平移滑动定义为下肢侧向滑动Sl。
为方便描述，对说明书和权利要求中使用的术语定义如下。 矢状面运动在平行于矢状面Pl的平面内的下肢运动。包括仅沿平行于ML轴的 下肢髋关节、膝关节和踝关节旋转运动。例如下肢的屈曲和伸展。
离轴(或称副轴)运动包括沿AP轴或PD轴的下肢髋关节、膝关节和踝关节旋转 运动，以及沿AP轴或ML轴的下肢髋关节、膝关节和踝关节平移滑动。例如膝关节外翻/内 翻、胫骨内/外旋转、踝关节内翻/外翻、踝关节内旋/外旋。
下肢离轴运动训练装置 本发明提供了一系列复合式的下肢离轴运动(旋转和侧向滑动)训练装置，其可 以安装在多种仅提供下肢矢状面运动的训练器械上以与其组合使用。这种下肢离轴训练装置的关键功能是可以在下肢进行矢状面运动的同时，为运动者提供一个复合的离轴方向上 的下肢强化训练。此装置可以与例如椭圆机、登梯机、跑步机、运动自行车和蹬腿机等的多 种训练器械组合使用。下面仅以实现旋转机制的椭圆机作为示例进行说明。
第一实施例 图2A和2B示出根据本发明第一实施例的下肢离轴运动训练装置20，其能够实现 沿PD轴的离轴旋转运动。 根据该第一实施例的下肢离轴运动训练装置20取代椭圆机1000上传统的踏板结 构而安装在椭圆机1000的运动部分1001上，通过结合椭圆机训练的旋转机制，实现在矢状 面步进/跑步运动过程中的小腿可控旋转。该训练装置20包括基座220，基座220安装在 运动部分1001上。使用者两脚分别站在左右两个训练装置20的脚板(或脚容纳部)203 上。通过转盘202，两脚可在胫骨旋转方向(沿PD轴212)上做离轴运动。使用者的鞋通过 鞋头套204和内外侧鞋扣206被固定在脚板203上(也可采用类似滑雪板的固定装置安在 转盘上)。当使用者将两脚放在脚板203上后，鞋头套204可以将使用者的鞋的头部固定 住。然后，使用者通过旋转四个旋钮205使内外侧鞋扣206内部的卡头逐渐夹紧使用者的 鞋的两侧。这样的结构，使鞋既紧固在脚板203上，可跟随转盘202自由转动；而且可以在 需要时，使使用者很方便的脱离脚板203 (图2A和图2B)，避免下肢意外损伤。
左右转盘既可自由转动，也在由皮带产生的摩擦力条件下转动(图2A)。摩擦力 大小可以从没有摩擦(转盘的自由旋转)调节到足可以锁死转盘202的强度。转盘锁死的 情况对应于常规的椭圆机的模式。如图2A，使用者通过顺时针转动调节旋钮200，带动内部 的螺杆(未示出)转动，螺杆的转动带动螺母向后滑动。由于螺母与皮带201 —端固定在 一起，螺母的向后滑动就将皮带201向后张紧，皮带201与转盘202之间的摩擦力也随之增 加。使用者如果逆时针转动调节旋钮200，则皮带201逐渐变松，皮带201与转盘202之间 的摩擦力也随之减小。通过此皮带张紧装置，使用者可以通过旋钮来调节皮带201包裹转 盘202外围的松紧程度，从而实现对离轴转动训练的阻力调节。另外，松开皮带201后，脚 板203和转盘202可以在没有阻力的自由转动模式下工作。 在基座220上还设有限位突起207，用于在转盘202旋转到极限旋转位置时与脚板 203下方的相应限位装置(未示出)接合，从而使脚板203停止进一步旋转，以确保运动者 的安全。 如图2B所示，线缆210 —端连接在滑轮209圆心上，另一端与线性位置传感器211 连接。当滑轮209在斜轨208上移动时，线缆210的长度发生变化，线性位置传感器211就 测量出此长度变化，并由此可以得出对应的椭圆运动周期。0%相当于滑轮在倾斜轨道208 上的最高位置，一个整周期对应一个步态周期。结合记录下来的周期，测量得到的肌肉电信 号可以用来评估下肢特定肌肉活跃状态。图3示出结合椭圆机训练的旋转机制，其中当下 肢进行矢状面运动301 (步进/跑步)的同时，强调特定的下肢复合离轴运动300的训练。 研究人员可以观察到哪些肌肉是在何种椭圆运动方式和运动阶段被激活，并进一步研究胫 骨旋转/内外翻运动(复合离轴运动)、椭圆方向运动(矢状面内的下肢运动)和滑道208 的坡度对下肢肌肉活动的影响。
第二实施例 图4A和4B示出根据本发明第二实施例的下肢离轴运动训练装置40。下肢离轴运
7动训练装置40与前面实施例的区别在于，第一实施例中使用皮带和调节旋钮来实现阻力 调节机构不同，而第二实施例中使用可控离合器(如电磁离合器400)作为阻力调节机构。 如图4A所示，一个电磁离合器400的定子固定在基板401上，该电磁离合器400的转子与 脚板203固定在一起。根据电磁离合器的工作原理，加载在电磁离合器400上的电流与其 转子和定子之间产生的电磁阻力成正比，由此可以通过控制加载在电磁离合器400上的电 流来调节在脚板203上产生的转动阻力。使用者可以通过提高电流，来提高加载在脚板203 上的转动阻力；通过降低电流，来减小加载在脚板203上的转动阻力。如图4B所示，电磁离 合器控制的训练装置40同样可以结合矢状面下的椭圆运动来进行椭圆机上的旋转训练。
第三实施例 图5A示出根据本发明第三实施例的下肢离轴运动训练装置，该下肢离轴运动训 练装置与前面实施例的区别仅在于阻力调节机构的不同。 如图5A所示，脚板203和转盘202的向外旋转和向内旋转的阻力分别受到一组弹 簧506、507的控制。以转盘202向右旋转(箭头540所示方向)为例，弹簧组506的前固 定端504连接在线缆500的一端，线缆500的另一端连在转盘202上的固定位置502 ;弹簧 组506的后固定端508通过调节机构连接在转盘202或电机510上。当使用者的脚带动脚 板203和转盘202向箭头540所示方向转动时，线缆500将拉伸弹簧组506，使弹簧的伸长 量增加；此时由于弹簧伸长而产生的力通过线缆500被施加在转盘202上，其方向是阻碍 转盘202向箭头540所示方向转动的方向。因此，当使用者的脚试图向箭头540所示方向 转动时，会受到一个由弹簧组506产生的离轴转动阻力。同理，当使用者的脚试图向与箭头 540所示相反的方向转动时，会受到一个由弹簧组507产生的离轴转动阻力。根据此结构， 脚板203向内旋转及向外旋转的阻力可分别调节。另外，松开线缆500和501后，脚板203 可以在没有阻力的自由转动模式下工作。 弹簧组506和507所悬挂的弹数数量是可以选择的。如图5D，使用者可以悬挂一 根弹簧520，或两根弹簧521，或是三根弹簧523，或者更多根弹簧。通过此方法，装置可以构 造具有不同弹性系数的弹簧组506和507。于是，在转盘转动时，脚板就可以产生具有不同 阻力变化系数的离轴旋转运动。 另外，如图5B和5C，弹簧组506和507的初始张紧力可以通过旋钮200或电机510 牵拉其后固定端508和509来实现。如图5B，使用者通过顺时针转动旋钮200，带动内部一 螺杆转动，螺杆的转动带动螺母向后滑动；螺母分别与弹簧组后固定端508和509固定在一 起，从而将其向后拉动，弹簧组506和507的初始张紧力也随之增加。使用者如果逆时针转 动旋钮200，则弹簧组后固定端向让弹簧松弛的方向移动，弹簧组506和507的初始张紧力 也随之减小。通过此弹簧组张紧装置，使用者可以通过旋钮来调节弹簧组的初始松紧程度， 从而实现对初始阻力的调节。如图5C，旋钮200的转动功能也可以由电机510所取代。固 定在底板的电机510带动内部一螺杆转动，驱动与上文所述相同的弹簧组拉伸机构，从而
实现初始阻力的电动调节。
第四实施例 图6A、6B和6C示出根据本发明第四实施例的下肢离轴运动训练装置，该下肢离轴 运动训练装置与前面实施例的区别在于阻力调节机构和转盘的不同。该训练装置包括多个 (图中示出三个)同心的具有不同直径的转盘。在此，该训练装置也可以只包括一个直径随高度连续变化的截头锥状转盘。 根据第四实施例，脚板203向内旋转及向外旋转的阻力控制由单个弹簧的不同固 定位置来调节。如图6A、6B、6C，以箭头540所示方向的旋转为例，线缆600的一端与弹簧 604相连，另一端选择固定在具有不同直径的转盘620、630或640上。以图6A为例，线缆 600的另一端固定在大直径的转盘620上的位置602处。当使用者的脚带动脚板203和转 盘620向箭头540所示方向转动时，线缆600将拉伸弹簧604，使弹簧的伸长量增加；此时 由于弹簧伸长而产生的力通过线缆600被施加在转盘620上，其方向是阻碍转盘向箭头540 方向转动的方向。同理，当使用者的脚试图向与箭头540所示相反的方向转动时，会感受到 一个由弹簧605产生的离轴转动阻力。根据此结构，脚板203向内旋转及向外旋转的阻力 可分别调节。另外，松开线缆600和601后，脚板203可以在没有阻力的自由转动模式下工 作。 通过把线缆600的另一端与具有不同直径的转盘620、630或640相连，可以调节 作用在转盘上的阻力变化系数或称旋转紧度。当脚板203向箭头540所示方向转动某一角 度a时，大直径转盘620(如图6A)较之小直径转盘640 (如图6C)，会使弹簧604产生更大 的伸长量，这也意味着弹簧将生成较大的旋转阻力也即较高的旋转紧度。因此，当使用者需 要较大旋转阻力作用于离轴训练时，可以将固定端602或603固定在大直径转盘620上；当 使用者需要较小旋转阻力作用于离轴训练时，可以将固定端602或603固定在小直径转盘 640上。 弹簧604和605的初始张紧力的调节可以通过与第三实施例(如图5B和5C)相 同的牵拉结构实现。调节旋钮200或电机510可以通过如上文所述(如图5B和5C)的相 同牵拉结构和方法，来牵拉弹簧的后固定端606和607。
第五实施例 图7示出根据本发明第五实施例的下肢离轴运动训练装置，该下肢离轴运动训练 装置与前面实施例的区别在于阻力调节机构的不同。脚板203向内旋转及向外旋转阻力控 制通过调节弹簧前端的连接部位来实现。如图7所示，弹簧702的一端与线缆706相连，其 另一端710可以有选择地固定在转盘202的不同张力调节点720上；线缆706的另一端通 过缆索导向器704后与调节端708相连。在另一转动方向上，也设有由相似的弹簧701、缆 索导向器703、线缆705、调节端707构成的调节机构。 当使用者需要调节在转动时的阻力变化时，可以将固定端710调节到一个位置 720处，并将固定端709也调节到另一个位置720处。这样在转盘202转动过程中，两根弹 簧701和702会产生不同的伸长量。其中缆索导向器704和703的作用是在转盘202转动 和弹簧伸縮过程中，可以始终限制线缆706和705的滑动位置。根据此结构，脚板203向内 旋转及向外旋转的阻力可分别调节。另外，松开线缆705和706后，脚板203可以在没有阻 力的自由转动模式下工作。
第六实施例 图8A和8B示出根据本发明第六实施例的下肢离轴运动训练装置，其能够实现沿 ML轴的离轴侧向滑动运动。 该下肢离轴运动训练装置通过基座900安装在椭圆机的运动部分上，同样通过结 合椭圆机训练的旋转机制，实现在矢状面步进/跑步运动过程中的下肢侧向滑动。
在该下肢离轴运动训练装置中，用于实现离轴侧向滑动的主要结构包括直线滑 动机构(滑动轨道905、909，滑动块906、908)、弹簧组903、904和张力调节固定板901、902。 如图8A和8B，脚板203与滑动板907固定在一起；滑动板907前后分别与直线滑动机构中 的滑动块908 (前面)和906 (后面)固定在一起。两滑动块可以分别在滑动轨道905和909 中沿箭头910所示方向(ML轴方向)侧向滑动。滑动轨道905和909分别固定在基座900 的前后端。弹簧组903和904的一端分别连接在滑动板907两侧，另一端分别连接在张力 调节固定板901和902上。张力调节固定板901和902都固定在基座900上，但其固定位 置可以调整。通过调整张力调节固定板在侧向上的不同位置，可以调整弹簧组的初始长度。
由于弹簧组分别固定在滑动板907两侧，所以它们可以分别对滑动板施加一个沿 ML轴的侧向滑动的力。当使用者的脚产生一个离轴侧向滑动的运动时，由于弹簧伸长量发 生变化，他/她会感受到来自脚板203的弹簧力。通过分别将张力调节固定板901和902 固定在不同的位置，可以对脚板203产生在左右两侧不对称的侧向滑动力。
在实际使用中，也可以只安装一侧的弹簧组904。在这种情况下，调节相应张力调 节固定板的位置，可以对脚板203产生在左右两侧对称的侧向滑动力。当不安装任何弹簧 组时，脚板可以在没有侧向滑动阻力的情况下运动。 弹簧组903和904所悬挂的弹簧数量是可以选择的。如图5D，使用者可以悬挂一 根弹簧520，或两根弹簧521，或是三根弹簧523，或者更多根弹簧。通过此方法，装置可以构 造具有不同弹性系数的弹簧组903和904。于是在脚板侧向滑动时，脚板就可以产生具有不 同阻力变化系数的滑动。 另外，在前面各实施例中用于控制脚板内外旋转刚性的装置都可以用来控制脚板 内外侧方向的滑动紧度。例如脚板内侧和外侧方向的滑动紧度能够通过安置在脚板内外侧 的弹簧来控制和调整。两侧的弹簧可以对称或不对称，这取决于在训练中所需的训练方向。
根据本发明，可以在上述各实施例的基础上进行各种改进和组合。例如，可以提供 一种组合进行沿PD轴的离轴旋转运动和沿ML轴的离轴滑动运动的训练装置，可以通过在 基座上设置侧向滑动机构，然后在侧向滑动机构上设置旋转基座，并在旋转基座上设置旋 转机构(如转盘或电磁离合器)。当然，也可以先设置旋转机构，再在旋转机构上设置侧向 滑动机构。例如，在使用弹簧的上述各实施例中都是利用弹簧拉伸的作用来产生阻力，但也 可以使用压縮弹簧以利用压縮力来产生阻力。例如，在使用弹簧的上述各实施例中可以用 所产生阻力与速度成比例的阻尼器来代替所产生阻力与位移成比例的弹簧，也能产生相似 的效果。也可以将弹簧和阻尼器叠加并排使用。又例如，也可以利用电机来主动驱动旋转 机构或滑动机构来产生各种离轴旋转运动和离轴滑动运动包括模拟弹簧和阻尼器特性，以 更好地控制训练效果。 下肢离轴运动训练装置的使用方法 由于下肢关节在矢状面内有足够的运动自由度(如膝关节弯曲/伸展，脚踝背屈 /跖屈)，通常不容易因矢状面运动而导致肌肉骨骼损伤。然而，在副轴(或称离轴)上的 运动(如膝关节外翻/内翻，即内转/外转，胫骨旋转，踝关节内翻/外翻)关节的运动范 围有限；超负荷或超运动范围的离轴运动，则容易导致肌肉骨骼损伤。因此提高离轴运动的 神经肌肉控制(例如，控制胫骨旋转/膝关节外翻)，以减少/避免肌肉骨骼受伤显得尤为 重要。
训练过程中，使用者在椭圆步进/跑步运动的同时，双脚分别站立在根据本发明 的下肢离轴运动训练装置上。离轴运动的阻力可以根据训练的模式和个人的需要进行调 节。 第一种使用方法离轴运动(旋转或侧向滑动)功能被锁住(转动阻力无穷大)。 此模式下的运动等同于传统意义上的椭圆跑步机训练。使用者下肢只参与在矢状面内的运 动，并不能得到所述强化的离轴训练功能。此种使用方法，仅用于运动开始时的热身和结束 时的放松。 第二种使用方法在旋转或侧向滑动阻力的辅助下，保持下肢在离轴运动(旋转 或侧向滑动)方向上的稳定性。离轴训练装置可以在某一选定的阻力条件下旋转或侧向滑 动。在此种运动条件下，使用者在进行矢状面内的椭圆跑步运动的同时，下肢还可以在相应 离轴方向上进行旋转或侧向滑动。因此，使用者需要对自身下肢在离轴方向上的摆动(扰 动)加以控制，控制其脚板203在相应离轴方向上的稳定性，否则其下肢在矢状面内运动将 无法正常完成或受到影响。所选定的旋转或侧向滑动阻力将辅助下肢的稳定，减少在离轴 方向上的摆动(扰动)。因此，当此阻力向小调节时，下肢离轴训练难度提高，系统对下肢在 离轴方向上的强化训练难度也相对提高。 第三种使用方法在无阻力的旋转或侧向滑动条件下，保持下肢在离轴方向上的
稳定性。离轴训练装置可以旋转或侧向滑动在无阻力条件下。在此种运动条件下，使用者在
进行矢状面内的椭圆跑步运动的同时，下肢还可以在离轴方向上作自由旋转或侧向滑动。
因此，使用者需要对自身下肢在离轴方向上的摆动(扰动)加以更高要求的控制，控制其脚
板203在相应离轴方向上的稳定性，否则其下肢在矢状面内运动将无法正常完成或受到影
响。较之第二种使用方法，这种训练凡方法对使用者的下肢训练的强度要求更高。
第四种使用方法克服不对称(偏心)的旋转或侧向滑动力，保持下肢在相应离
轴方向上的稳定性。离轴训练装置可以产生一个不对称(偏心)的旋转或侧向滑动力。例
如，离轴训练装置产生一个向内旋转的力，如果使用者下肢不对抗此力，离轴训练装置将向
内扭转下肢，从而影响正常的下肢在矢状面内的运动。所以，在这种运动条件下，使用者被
要求向外旋转下肢，克服向内旋转的力，将下肢依然保持在正确的稳定位置。 比较已有在坐姿下提供下肢离轴训练的装置，此装置的设计特点在于，在左右侧
下肢及双脚之间有在矢状面内的相对运动的同时，使用者下肢进行附加的离轴运动。在此，
两侧下肢及双脚的矢状面运动可以是相互关联的(如椭圆机上的运动)，也可以是相对独立的。
下肢离tt运动训练系统的飽成和功能: 在根据本发明的离轴训练装置的基础上，还提出一个带有运动反馈的下肢离轴训 练和评估系统。如图9所示，此系统包括可以提供下肢矢状面运动训练的平台1000和附 加的离轴运动训练装置805 ;用于记录使用者下肢运动信息的机械电子装置；和用来显示 下肢运动信息的显示器803。其中，机械电子装置可以包括摄像头802，也可以包括记录使 用者下肢运动信息的其他机械电子装置，例如力矩传感器或电机编码器等等。
当使用者做下肢矢状面运动的同时，需要对离轴方向上的运动进行控制。脚板203 的位置信息可以由附加的位置传感器800测量，同时使用者的下肢运动姿态也被摄像头 802记录下来。这些实时的运动反馈数据通过显示器803显示在屏幕上。使用者在做下肢离轴运动的同时，可以通过显示器803看到自己下肢的姿态和脚转动804的反馈信息。此 下肢姿态反馈信息有助于使用者在运动过程中检查自身下肢的运动姿态，适当调整下肢运 动，纠正不正确的动作。如果需要反馈更精确的小腿旋转和内外翻的角度和侧向移动信息， 则需要在小腿上佩戴一个膝关节三维角度传感器801来测量膝关节转动信息。
通过该系统可以有选择性地强化训练下肢特定肌肉群。 胭绳肌群和腓肠肌是与膝关节运动相关的肌肉群。在控制胫骨沿PD轴内外旋转 和沿AP轴的内外翻转的运动中，它们发挥着主要作用。因此，在复合有离轴旋转-滑动的 矢状面训练中，所发明的下肢离轴运动训练装置主要是对这两个肌群起强化训练作用，这 也是现有运动训练装置所欠缺的训练功能。举例来说，胭绳肌群中的股二头肌和内侧腓肠 肌对胫骨沿PD轴向外旋转运动起着主要作用。如果训练前使用者被诊断出需要加强其胫 骨沿PD轴向外转的下肢控制，则离轴运动训练装置将会生成能够强化这些肌肉的特定训 练模式；另一方面，通过离轴运动训练装置加强胭绳肌群中的半腱肌和外侧腓肠肌的训练 是为了增强使用者对胫骨沿PD轴内转的控制。另外，为了提高使用者对下肢离轴控制的准 确性，离轴运动训练装置可以强化主縮肌和拮抗肌的使用。在这种需求下，胭绳肌群中的股 二头肌和内侧腓肠肌，以及半腱肌和外侧腓肠肌都需要通过所述离轴训练装置进行离轴强 化训练，只是在选择内外侧训练的模式和程度上有所不同。负责髋关节外翻和旋转的肌肉 群(例如臀大肌和臀中肌) 一方面控制着髋关节的自由运动，另一方面又在稳定整个膝关 节在旋转和内外翻运动中起着至关重要的作用。因此，为了改善下肢包括膝关节的稳定性， 复合有矢状面运动的离轴训练装置可以用于对这些臀部肌肉群的训练。在如上所述的训练 策略中，使用者可以通过实时生物反馈信息804来矫正自身下肢的运动，如图9。根据实际 需要，可以利用肌肉信号记录设备记录下使用者下肢的实时肌肉活动情况，并将肌肉活动 信息反馈给使用者，让其知道是否使用了正确的肌肉来控制下肢离轴运动。
训练之前的评估和诊断对于训练模式和难度的选择有很好的指导作用。使用者对 小腿离轴运动(旋转/内外翻)的控制能力和膝关节的几何生理结构，这些训前评估结果 都对离轴训练的选择有着很重要的指导意义。 离轴训练装置的旋转阻力可以根据训练之前的评估/诊断和特定的训练方向作 出相应地改变。例如，如果受试者小腿向外旋转的能力较弱(如高度松弛/不稳定、肌肉无 力、本体感受不敏感和/或反应慢)，那么在旋转/滑动椭圆机上的离轴训练则会强调小腿 外旋转的训练。根据这种需要，所发明的离轴运动训练装置可以提供两种特殊的外旋训练 模式。(1)减小离轴装置在外旋方向上的转动阻力，使用者被要求在做矢状面运动的同时， 要努力保持下肢在外旋方向上的稳定性，即使此时离轴装置由于小的阻力而很容易造成下 肢外旋扰动。(2)增加离轴装置在内旋方向上的偏心阻力，使用者被要求在做矢状面运动的 同时，要努力对抗此向内旋转的偏心阻力，努力将下肢外旋到所要求的正确位置。另外，可 以相应延长小腿外旋转运动的训练时间。 总之，在复合有离轴运动的矢状面的运动(如椭圆运动)中，离轴训练装置的训 练难度从易开始设置，在确保使用者可以承受的程度内，可以尽可能大的提高训练难度， 从而激励使用者最大程度地参与到离轴训练中。出于运动安全的考虑，需要时可采用简易 肩-胸安全带加强使用者在运动中的安全。
1权利要求
一种下肢离轴运动训练装置，用于安装在矢状面运动训练设备的运动部分上以使运动者的下肢在所述矢状面运动训练设备上进行矢状面运动的同时进行离轴运动，所述下肢离轴运动训练装置包括基座、安装在基座上的离轴运动产生部、以及由离轴运动产生部支撑的脚容纳部，所述离轴运动产生部包括以下两者中至少一个离轴旋转产生部，用于使脚容纳部产生离轴旋转运动；和离轴滑动产生部，用于使脚容纳部产生离轴滑动运动。
2. 根据权利要求1所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述离轴旋转产生部包括电磁宦A哭 问n琉o
3. 根据权利要求1所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述离轴旋转产生部包括可旋 转的转盘。
4. 根据权利要求3所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述离轴旋转产生部还包括调 节所述转盘旋转时所受阻力的阻力调节机构。
5. 根据权利要求4所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述阻力调节机构包括与所述 转盘摩擦接合的皮带和用于调节皮带张力的调节装置。
6. 根据权利要求4所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述阻力调节机构包括设置在 所述转盘两侧的第一和第二弹簧组以及用于将第一和第二弹簧组分别连接至所述转盘的 线缆。
7. 根据权利要求4所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述阻力调节机构包括设置在 所述转盘两侧的第一和第二弹簧以及用于将第一和第二弹簧分别连接至所述转盘的线缆。
8. 根据权利要求4所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述阻力调节机构包括分别连 接到所述转盘两侧的第一和第二弹簧。
9. 根据权利要求8所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述第一和第二弹簧分别连接 到所述转盘上的多个位置之一 。
10. 根据权利要求6-9中任一项所述的下肢离轴运动训练装置，其中通过电机或旋钮 调节弹簧的初始张力。
11. 根据权利要求6或7所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述转盘包括不同直径的 多个同心部分，所述阻力调节机构的线缆连接至所述多个同心部分中所选的一个。
12. 根据权利要求1所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述离轴滑动产生部包括可 相对滑动接合的滑动块和滑轨。
13. 根据权利要求1所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述离轴滑动产生部还包括 调节进行所述离轴滑动运动时所述脚容纳部所受阻力的阻力调节装置。
14. 根据权利要求13所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述阻力调节装置包括弹簧 或者阻尼器。
15. 根据权利要求1-9、 12-14中任一项所述的下肢离轴运动训练装置，其中所述离轴 旋转产生部和所述离轴滑动产生部中所述至少一个由电机驱动来产生离轴旋转运动或离 轴滑动运动。
16. —种下肢离轴运动训练系统，包括提供下肢矢状面运动的矢状面运动训练设备、安 装在所述矢状面运动训练设备上的根据权利要求1-15中任一项所述的下肢离轴运动训练 装置、用于记录运动者下肢运动信息的机械电子装置、和用于显示所记录的下肢运动信息的显示器。
全文摘要
本发明提供了一种下肢离轴运动训练装置，用于安装在矢状面运动训练设备的运动部分上以使运动者的下肢在该矢状面运动训练设备上进行矢状面运动的同时进行离轴运动，该训练装置包括基座、安装在基座上的离轴运动产生部、以及由离轴运动产生部支撑的脚容纳部。该离轴运动产生部包括以下两者中至少一个离轴旋转产生部，用于使脚容纳部产生离轴旋转运动；和离轴滑动产生部，用于使脚容纳部产生离轴滑动运动。还提供了一种包括该训练装置的反馈训练系统。在使用者进行矢状面内的下肢运动的同时，本发明能提供在离轴方向上的下肢复合运动训练。通过此独特的训练可以更有效的改善使用者下肢的离轴控制能力，减少下肢损伤和指导伤后康复。
文档编号A63B23/08GK101766889SQ200910263709
公开日2010年7月7日 申请日期2009年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者任宇鹏, 张立群 申请人:雷哈博泰克有限责任公司