基于ANYBODY 騎行仿真的康復訓練裝置設計

摘要：由于傳統騎行訓練裝置運動軌跡極限值偏低，導致下肢康復訓練效果不足，為了滿足膝關節術后患者康復訓練需求，提出一種能實現類三角形運動軌跡特點的可變曲柄下肢騎行訓練裝置，滿足用戶康復訓練需求。通過分析用戶人群特征與需求，發現市場缺口與不同用戶群體痛點，明確設計目標，結合人體下肢生理結構與運動特性，在Anybody環境下模擬得到相關肌群激活程度，進而分析不同曲柄參數條件下騎行運動的關節角（Pos）、關節角速度（Vel）以及肌肉激活程度（Activity）變化，得出裝置騎行訓練活動范圍等關鍵參數，依據魯棒模型完成數學模型建立與計算，為裝置設計提供理論支撐。本文所提出的能實現類三角形運動軌跡的可變曲柄下肢騎行訓練裝置，通過肌電實驗得出其較類圓形運動軌跡的裝置而言，能使下肢主要肌群肌肉激活程度提高。從功能與結構入手，運用逆動力學分析與肌電實驗對比分析，系統地提出了人體康復訓練裝置的設計思路、方法及流程，有助于完善康復訓練裝置體系，增強康復訓練效能，為同類型康復訓練裝置的設計、仿真及性能驗證提供參考。

關鍵詞：AnyBody；騎行訓練裝置；可變曲柄；sEMG；輔助康復

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）23-0075-05

引言

膝關節骨性關節炎（KOA， Knee osteoarthritis）是一種復雜的退行性關節病，會導致膝關節周圍肌力顯著衰退、下肢協調性降低，給患者日常生活帶來了嚴重影響。據統計我國40 歲以上人群KOA 患病率已高達21.51%[1]，KOA 病情發展具有不可逆性，晚期時需要進行重建性治療以及開展針對性康復訓練才能使患者下肢功能恢復[2]，當前康復輔具可以有效替代醫師完成部分康復治療訓練內容，從而有效減輕醫護人員負擔，并且康復輔具擁有成本低、效果評估客觀的優勢，在此背景下康復輔具研究發展迅速，目前已經成為下肢康復訓練的重要形式之一[3]。但傳統康復輔具種類單一、使用不便、使用成本較高[4]，大多需要患者到專業醫療中心進行康復訓練，會對患者造成較大的心理與經濟負擔[5]。針對現有痛點，本文將在人體運動生物力學研究基礎上，將仿真模擬與肌電實驗相結合，轉化用戶需求為設計要點，進行裝置設計，并通過可行性實驗驗證，完成主客觀設計評價。

一、市場調研與需求分析

（一）使用環境劃分

根據使用環境可以將康復訓練裝置劃分為家庭康復、醫療設施康復與老年護理康復3 種類別。得益于互聯網+ 醫療模式的推廣，通過遠程康復指導和在線監測，越來越多的患者在家中也能完成康復訓練，便攜、易操作的家庭康復訓練裝置逐漸受到市場青睞；醫院和康復中心依然是康復訓練裝置的主要使用場景，這些機構對康復設備的功能性、穩定性和效果有著更高的要求，需要更加高精尖與針對性的康復訓練裝置；作為老年人康復的重要場所，老年護理機構對于下肢康復訓練裝置的需求不斷增加，許多養老院和護理中心正在配備專業的康復設備，以提升服務水平。老年護理機構對于康復設備的需求特點是操作簡便、安全可靠、適合老年人使用。

（二）市場環境分析

國際知名品牌如強生、飛利浦、GE 醫療、西門子等，一直在中國市場占據著較多市場份額，這些企業憑借先進的技術和品牌影響力，贏得了不少高端用戶的青睞。近些年，國內市場上也涌現出了一批優秀的康復訓練設備制造企業，如邁瑞醫療、魚躍醫療、新華醫療等，這些企業通過不斷的技術創新和產品優化，逐漸提高了市場競爭力。通過市場調研，對國內市場排名較前的醫療設備制造公司及其主要研發方向進行整理，見表1。 可以發現國內市場相關醫療產業發展更傾向于醫學治療及器械耗材方面，康復訓練裝置的研發則較少被行業巨頭們所重視，側面反映了我國市場對于康復裝置需求量大，市場前景廣闊。

（三）用戶需求分析

出于使用者不同需求，可將下肢康復訓練裝置的使用人群進行分類，從各自角度分析其特征、需求以及對康復訓練裝置的期望，結果如表2。通過分析發現患者的主要需求圍繞下肢關節活動度恢復以及肌力訓練，需要裝置能夠快速有效地幫助其完成下肢康復訓練內容。醫護人員的主要需求則集中在操作便捷、評估提醒功能的添加方面，對裝置的操作邏輯、界面設計以及軟件系統要求較高。

通過市場調研與需求分析可以發現近些年來家庭康復市場發展迅速，但大型醫療器械公司相關研發與產品設計更多針對醫院與康復中心，一定程度上忽視了家庭康復環境的使用需求，造成了市場空缺。需要設計一款針對家庭使用環境的下肢康復訓練裝置，其需滿足患者對下肢關節活動度以及肌力恢復的需求，并且要考慮裝置的成本與便捷性，減輕使用者經濟與心理壓力。

二、基于AnyBody的下肢生物力學仿真

康復訓練裝置設計過程中需要不斷采集、應用人體運動生物力學相關參數，從而保障所設計裝置的運行規律與尺寸參數符合人體結構，滿足使用者對下肢關節的活動度以及肌力訓練的需求，并且能夠避免對人體造成二次傷害的可能性。現有康復訓練裝置的開發設計流程中包含著大量的實驗樣機制作與人體生理參數采集實驗（如肌電信號采集實驗與動作捕捉實驗），需要經過不斷地優化迭代后才能完成裝置設計，并且在該過程中無法避免的會受到被試者樣本差異的干擾，造成所采集數據的不匹配進而影響設計參數的計算。

仿真模擬在現有裝置設計過程中應用廣泛，相關軟件開發、學習平臺搭建已較為完善，對于使用者要求較低，可以較為快速地學習并使用仿真模擬軟件進行產品設計相關參數的獲取，使設計者無需全程應用肌電或者其他設備也可以完成較為科學合理的裝置研發與設計，有效替代部分實物樣機實驗，降低康復訓練裝置設計的成本與門檻。人體參數采集實驗需要肌電與動作捕捉系統配合，每組實驗之間被試者狀態、參數等都會影響實驗結果，使用仿真模擬手段可以有效排除人體參數采集實驗過程中的干擾項，更加簡單直觀地獲得裝置參數設置與人體運動相關規律。并且可以有效降低裝置設計數據優化階段的成本與時間，通過多次仿真模擬可以得到單一變量下的裝置運行參數與人體反饋結果，對于裝置研發效率將具有明顯提升。

相較于傳統裝置設計開發流程而言，以仿真模擬為主的設計方法可以有效降低康復訓練裝置的設計難度與成本，將其與工業設計方法有機結合起來可以獲得更加合理可靠的裝置設計方案，從而解決現有問題。AnyBody 仿真軟件（AnyBody v7.4，AnyBody TechnologyA/S，丹麥）能夠模擬人體運動生物力學，提供詳細的肌骨模型參數及分析結果，為下肢康復裝置的設計提供有力支持。

（一）仿真模型建立

AnyBody 軟件提供了豐富的模型庫和驅動算法， 可以完成對人體常規運動的仿真與分析。在建模過程中， 混合使用AnyMuscleModel 模型與Hill 模型，確保數據輸出的準確性，同時縮短仿真周期。仿真參數設置如表3 所示。

在AnyBdoy 軟件環境下進行騎行仿真實驗，需要調整騎行姿態人體模型位置角度使得其與騎行訓練使用條件相近，建立騎行運動人體模型，進行模擬仿真。

（二）騎行運動仿真模擬

通過設置關節驅動函數，建立騎行運動仿真模型，進行參數化仿真試驗，以不同曲柄長度（70mm、100mm、140mm、170mm）和曲柄轉速（25r/min）進行仿真，導出膝關節角度、角速度及各肌肉激活程度數據，如圖1。

由騎行運動仿真模擬可知：骨骼肌激活程度與膝關節角度存在強相關性，屈伸運動對下肢主要肌群（如股四頭肌、腘繩肌）有顯著刺激作用。通過將不同曲柄長度下各肌群的激活程度數據整合，得到動作時間與肌肉激活程度曲線圖，如圖2 所示。

仿真結果顯示，膝關節角度最大值出現在1.1s，角速度最大值與最小值分別出現在0.4s 與1.6s。膝關節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正相關。將肌肉激活程度數據進行整合處理后得到激活程度與時間關系變化曲線，如圖3 所示。

不同曲柄長度下的仿真結果顯示，曲柄長度越長，肌肉激活程度越高，以股二頭肌和股內側肌為例，激活程度在曲柄長度增加時顯著提升。

研究結果表明：騎行運動中的膝關節屈伸運動對肌肉激活能力強，通過相應訓練動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聯度高，曲柄長度增加顯著提高了肌肉激活程度。結合仿真模擬結果，可對最終設計目標進行展望：開發一種曲柄長度可自主調節、單電機驅動、實現類三角形運動軌跡的騎行康復訓練裝置。裝置功能可被概括為3 點：（1）靈活性，能夠根據患者具體需求調節曲柄長度，優化運動軌跡；（2）安全性，確保裝置在使用過程中不會對患者造成新的傷害；（3）高效性，通過科學設計和優化，使裝置能夠有效激活下肢主要肌群，提升康復訓練效果。

三、下肢騎行訓練裝置設計

為了更好地滿足患者和醫護人員的需求，提升康復效果，本文提出了一種基于騎行裝置的下肢康復訓練設備設計方案。選擇騎行裝置作為設計載體的理由如下：（1）結構簡單，騎行裝置的機械結構相對簡單，便于制造和維護。（2）運行穩定，騎行裝置在運行過程中能夠提供平穩的運動軌跡，減少不必要的震動和沖擊，有助于防止二次傷害。（3）接受程度較高，騎行運動是一種廣泛接受的鍛煉方式，患者對其有較高的接受度和依從性。（4）相關研究較多，騎行裝置的相關軟件和交互研究較為豐富，為后續的改良設計提供了充足的理論和實踐支持。

（一）裝置原理

骨骼肌力的增強是康復訓練的核心目標，因此設計需重點考慮如何通過運動裝置有效激活和增強下肢肌力。前文提到的市場需求和用戶需求分析表明，現有康復輔具在靈活性和個性化方面存在不足。因此，設計一種可調節的、基于騎行運動的康復裝置，可以有效填補這一空白。具體裝置設計方案為一種曲柄長度可自主調節、單電機驅動、實現類三角形運動軌跡的騎行康復訓練裝置。該裝置能夠在下肢運動可達域極限值范圍內，通過改變曲柄長度來實現不同的運動軌跡。現有的曲柄長度調節機制包括滑動調節、齒輪組連桿機構、電動缸、氣缸等。經過分析，選擇齒輪連桿機構將曲柄長度與下肢姿態相關聯，可以有效避免體積大和復雜控制功能的問題，裝置結構原理如圖4所示。

（二）人機尺寸

為確保裝置運動規律符合人體下肢結構，使用者能夠舒適有效地完成康復訓練動作，將從功能角度出發進行裝置參數計算，以人機工程學標準人體尺寸及運動范圍作為基礎進行尺寸參數的設計。依據魯棒模型簡化人體下肢結構，將下肢尺寸、關節角活動度等參數代入，建立騎行運動下肢數學模型，模擬康復訓練動作進行推演，得出最適宜的裝置尺寸參數，如圖5、6 所示。

將騎行康復輔具曲柄長度與角度作為輸入量，可以計算得出人體下肢各關節角度，從而確定人體下肢姿態。其中曲柄旋轉中心坐標設為（xcr，ycr）、腳踏與人體連接位點坐標為（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 仿真模擬數據及實驗分析可知，康復訓練過程中下肢運動范圍與肌肉激活程度正相關，結合下肢運動數學模型合理推算，康復訓練軌跡越接近下肢運動軌跡極限值，則肌肉激活程度越高，膝關節角活動范圍也增大，從而滿足肌力以及膝關節角度的康復訓練需求。

曲柄實際長度為O 點到C 點距離，則曲柄總長Lcr 與θcr 之間的函數關系為：

式中：θcr——曲柄轉動角度/deg。

（三）結構設計

騎行訓練裝置由驅動電機、傳動齒輪組、傳動桿、滑軌滑塊、拉簧、腳踏以及機架組成，如圖7 所示。

下肢康復訓練裝置的設計需要滿足改善關節活動度和增強肌肉力量的功能，協助患者進行康復訓練。裝置需確保不同下肢參數的患者均可安全、有效地進行訓練，按照功能可將裝置劃分為支撐結構、傳動結構、阻尼結構和驅動結構4 部分：支撐結構由機架組成，提供支撐和結構強度，確保耐用性和穩定性，支持患者進行騎行訓練；裝置傳動機構由齒輪組與連桿組成，負責轉換并維持運動的方向和速度，確保裝置運行的平穩和有效性，傳動機構可將單電機勻速轉動轉化為類三角形運動軌跡輸出，從而滿足下肢康復訓練需求；在曲柄上設置拉簧作為阻尼機構，滿足不同姿態下的阻抗訓練需求，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；采用直流電機作為驅動機構，負責提供動力和控制運動，其控制簡單、響應快，滿足使用者對于轉速調節與精確控制的使用需求。通過各結構協同工作，下肢康復訓練裝置能夠為患者提供安全、有效的訓練環境，助力康復過程。

四、實驗驗證

為了驗證裝置性能，將分別進行運動學仿真與實物驗證對比分析。首先在SolidWorks 中將虛擬樣機與人體簡化模型匹配，能夠得到下肢關節角度、角速度等參數，并進行對比分析，如圖8。

將實驗組和對照組關節角度與角速度變化數據進行對比分析后可知：膝關節角度變化曲線中實驗組角度變化范圍更廣，主要變化范圍發生在伸展運動時，實驗組膝關節角運動范圍提高了8.9%。通過對應膝關節角速度變化關系則可得知，實驗組與對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，證明該裝置運行過程符合康復訓練安全需求，不會對患者下肢造成二次傷害。

裝置性能驗證實驗將使用對照組實驗方式，以類三角形運動軌跡可變曲柄下肢康復輔具作為實驗組、曲柄長度固定類圓運動軌跡的常規騎行康復輔具作為對照組，利用肌電系統分別采集兩組被試者康復訓練過程中下肢股四頭肌、腘繩肌和腓腸肌激活程度，并進行數據對比分析，實驗過程如圖9、10 所示。

分析積分肌電值（IEMG）結果可知，實驗組肌肉的IEMG 值明顯大于對照組數據，并且相關肌群的肌電信號幅值、最大值、最小值等均比對照組肌電信號有著較大提升，可以證明裝置在肌肉激活程度方面對于下肢主要肌群有著更明顯作用，并且整個實驗過程中所采集到的肌電信號波動規律，與裝置運行周期契合。在實驗過程中被試者均無下肢不適，實驗裝置的啟停、反向以及調速等功能正常實現，以上結論可有效證明裝置的可行性。

結論

在老齡化社會背景下，膝骨關節炎（KOA）等下肢功能障礙的患病率屢創新高，醫療從業人員需要應對不斷增加的患者需求和醫療挑戰。如何幫助這些醫護人員減輕工作壓力，已成為設計師們需要認真思考的問題。文章深入研究了TKA 術后患者的需求及康復裝置的研發現狀，提出了結合逆動力學仿真模擬的康復訓練裝置的設計思路與方法流程。針對傳統康復裝置種類單一、使用成本高的問題，通過迭代優化設計流程，設計了可變曲柄下肢騎行訓練裝置。這種裝置不僅有助于減輕患者負擔，還能提高康復訓練效能，在相同訓練周期內實現更高程度下肢肌群激活，從而滿足主被動階段轉換時患者肌力康復訓練需求。

基金項目：教育部青年基金（21XJC760003）、陜西省青年杰出人才支持計劃配套基金（106-451420001）、裝備預研共用技術和領域基金（106-418321001）

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