一种关节力量测试与抗阻训练一体仪的制作方法

本发明属于健康训练设备领域，具体是一种关节力量测试与抗阻训练一体仪。

背景技术：

为了响应和进一步实现国家2030健康中国计划和体医融合的大目标，那么精准的对不同人群(一般人群，病人，运动员)施行运动干预，通过科学化运动来预防和调控疾病是实现体医融合核心关键之中的一小步。实施运动干预时，通过频率，强度，时间，运动方式进行精细控制，通过有无氧运动的控制(vo2max％与hrmax％)，肌肉力量训练的阻力控制(1rm％)以及对柔韧性的控制三个方面进行运动干预实施，而在精准的测量身体关节力量的大小，从而精准控制关节训练阻力的大小，是实现肌肉阻力训练的关键所在。一般我们用1rm代表身体某一关节的最大力量，那么在运动训练和运动干预时，需要准确的测量和捕捉到关节的最大力量1rm，进而用1rmx％，即：最大力量的40％，50％，60％-100％(x为适合的百分比数)进行精准的控制关节力量抗阻训练的强度。

在确定出运动干预时，更适合特定人群或个人抗阻训练的强度从而实施干预性锻炼，然而现在没有一个固定的标尺来衡量阻抗训练的负荷到用多大的数值才算合适，据众多研究表明，锻炼时所用的肌肉力量训练强度会直接影响人体的生理代谢方式，进而会间接改变人体生理状态，不同阻力强度的肌力训练所带给机体的收益和效果是不同的。在现阶段的训练中大部分人群以为缺乏相关训练学知识，忽略了对运动强度的控制这一环节，导致肌肉抗阻训练中出现很多负面效果；强度过大导致的肌肉损伤，强度过小导致效果不佳甚至没有效果，实施患者运动干预时，强度控制就更加重要，尤其是针对于心血管患者的肌肉抗阻训练，强度过大会导致危险系数增。对于运动者来说，肌肉不同强度的阻力训练，所形成的肌肉的肌纤维类型的比例是不同的，不同运动项目所拥有的肌纤维比例也是不同的，因此，在肌力训练时，科学合理控制训练阻力的负荷大小是非常重要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种关节力量测试与抗阻训练一体仪。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种关节力量测试与抗阻训练一体仪，包括：

升降旋转座椅，其包含下底座、通过升降动力臂与下底座连接的上底座、设置于上底座表面的折叠座椅以及座椅旋转控制盘；

三维移动对焦底座，其分布于升降旋转座椅一侧，包含二维自动移动底座，所述二维自动移动底座上安装有壳体组件，所述二维自动移动底座可带动壳体组件在x、y轴上移动；

主机，其安装于壳体组件上方，所述主机包含主机外壳、设置于主机外壳表面的变速箱、安装于变速箱一侧的磁粉制动器和扭矩传感器以及安装于变速箱另一侧的角度传感器，所述磁粉制动器与变速箱输入端相连，所述变速箱的输出轴一端与角度传感器相连，另一端与扭矩传感器相连；

虚拟关节轴对焦器，其一端套装于与主机配套的主机轴上，另一端通过安装于其内部中心的激光灯发射红点光线，可照射在人体关节虚拟轴位置；

力臂，其安装于壳体组件一侧，所述力臂包含相邻式连接的手腕固定机构、上肢固定机构、下肢脚趾固定机构以及上身固定机构，用于对肢体关节与主机轴之间力进行转化和传导；以及

主控板，可采集角度传感器和扭矩传感器的数据，并将该数据通过算法发送给磁粉制动器合成力量参数。

优选的，所述升降动力臂用于带动上底座和折叠座椅进行上下移动，且上底座与座椅旋转控制盘进行电性连接。

优选的，所述二维自动移动底座由螺旋杆x、y轴和控速电机组组成，所述控速电机组包含两组电机，两组所述电机分别与螺旋杆x、y轴连接。

优选的，所述壳体组件包含下壳体和上壳体，且上下壳体之间通过设置升降臂连接。

优选的，所述磁粉制动器为变阻制动装置，通过调整控制磁粉制动器的电流，可使变速箱输出0-1200nm范围内任意扭矩的阻力。

优选的，所述上肢固定机构、下肢脚趾固定机构以及上身固定机构的组成结构相同。

优选的，所述上身固定机构包含旋钮、滑槽件、装配于滑槽件内预设滑槽的滑块、设置于滑块顶端的臂端以及粘合在臂端上的海绵，将所述旋钮旋转固定，所述旋钮上设置的轴垫可使臂端进行360°自由旋转。

与现有技术相比，本发明提供了一种关节力量测试与抗阻训练一体仪，具有如下有益效果：

本发明主要通过捕捉关节处开合不同角度的力量变化，从而精确的测试出主动肌力与对抗肌力的比率，能够分析出与此关节相关动作的协调程度；

通过测试左右关节的力量可以精确评估出身体左右力量的均衡度；

通过对捕捉到各关节开合角度的大小，可以模拟出不同角度对应的力量强度等级30％-100％函数曲线，并根据次函数曲线为关节提供所需任意强度的力量训练实施，能够实现对运动干预方案实施过程的精确控制。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的升降旋转座椅结构示意图；

图3是本发明的三维移动对焦底座结构示意图；

图4是本发明的主机结构示意图；

图5是本发明的虚拟关节轴对焦器结构示意图；

图6是本发明的力臂结构示意图；

图7是本发明的主控板结构示意图；

图8是本发明的电控流程框图；

图9是本发明中关节训练角度与相对应强度训练曲线图。

附图标记：1、升降旋转座椅；101、下底座；102、上底座；103、折叠座椅；104、座椅旋转控制盘；2、三维移动对焦底座；201、二维自动移动底座；202、下壳体；203、上壳体；3、主机；301、磁粉制动器；302、变速箱；303、角度传感器；304、扭矩传感器；305、主机外壳；4、虚拟关节轴对焦器；41、激光灯；5、力臂；51、手腕固定机构；52、上肢固定机构；53、下肢脚趾固定机构；54、上身固定机构；541、旋钮；542、滑槽件；543、滑块；544、臂端；545、海绵；6、主控板。

具体实施方式

以下结合附图1，进一步说明本发明一种关节力量测试与抗阻训练一体仪的具体实施方式。本发明一种关节力量测试与抗阻训练一体仪不限于以下实施例的描述。

本实施例给出一种关节力量测试与抗阻训练一体仪的具体结构，如图1-6所示，一种关节力量测试与抗阻训练一体仪，包括：

升降旋转座椅1，其包含下底座101、通过升降动力臂与下底座101连接的上底座102、设置于上底座102表面的折叠座椅103以及座椅旋转控制盘104；

三维移动对焦底座2，其分布于升降旋转座椅1一侧，包含二维自动移动底座201，二维自动移动底座201上安装有壳体组件，二维自动移动底座201可带动壳体组件在x、y轴上移动；

主机3，其安装于壳体组件上方，主机3包含主机外壳305、设置于主机外壳305表面的变速箱302、安装于变速箱302一侧的磁粉制动器301和扭矩传感器304以及安装于变速箱302另一侧的角度传感器303，磁粉制动器301与变速箱302输入端相连，变速箱302的输出轴一端与角度传感器303相连，另一端与扭矩传感器304相连；

上述主控采用stm32f103c8t6，采用adc采集角度传感器303和扭矩传感器304数据，并将数据通过算法发送给磁粉制动器301合成力量参数，用于体育测试；adc采集出数字量后通过合成公式得出要控制磁粉制动器301的dac参数；

设：角度传感器303测量角度为x；力臂5重力产生的阻力为z；主机3自身产生阻力为c，在角度x时扭矩传感器304测量的扭矩为y；在角度为x时，关节在反重力做功时产生的扭矩为y+z+c；在正向重力做功时则为y-z+c。

在x角度时，反重力做功训练时，所用的训练阻力分别为(y+z+c)×30％；(y+z+c)×40％；(y+z+c)×50％；(y+z+c)×60％；(y+z+c)×70％；(y+z+c)×80％；(y+z+c)×90％；(y+z+c)×100％；

在x角度时，正向重力做功训练时，所用训练阻力分别为(y-z+c)×30％；(y-z+c)×40％；(y-z+c)×50％；(y-z+c)×60％；(y-z+c)×70％；(y-z+c)×80％；(y-z+c)×90％；(y-z+c)×100％。

则：反重力做功训练时，磁粉制动器301的输出实际阻力换算公式为：[(y+z+c)*30到100％-z-c]/100＝12.75b；b为输给磁粉制动器301的电流值单位：a；因此，输入给磁粉制动器301的电流为b＝[(y+z+c)*30到100％-z-c]/(100×12.75)。

百分之30％的训练阻力强度时：给于磁粉制动器301输入电流为b＝[(y+z+c)×30％-z-c]/(100×12.75)；

百分之40％的训练阻力强度时：给于磁粉制动器301输入电流为b＝[(y+z+c)×40％-z-c]/(100×12.75)；

百分之50％的训练阻力强度时：给于磁粉制动器301输入电流为b＝[(y+z+c)×50％-z-c]/(100×12.75)；

百分之60％的训练阻力强度时：给于磁粉制动器301输入电流为b＝[(y+z+c)×60％-z-c]/(100×12.75)；

百分之70％的训练阻力强度时：给于磁粉制动器301输入电流为b＝[(y+z+c)×70％-z-c]/(100×12.75)；

百分之80％的训练阻力强度时：给于磁粉制动器301输入电流为b＝[(y+z+c)×80％-z-c]/(100×12.75)；

百分之90％的训练阻力强度时：给于磁粉制动器301输入电流为b＝[(y+z+c)×90％-z-c]/(100×12.75)；

百分之100％的训练阻力强度时：给于磁粉制动器301输入电流为b＝[(y+z+c)×100％-z-c]/(100×12.75)；

正向重力训练时，磁粉制动器301的输出实际阻力换算公式为为[(y-z+c)×30到100％+z-c]/100＝12.75b；b为输给磁粉制动器的电流值单位：a；因此，输入给磁粉制动器301的电流为b＝[(y-z+c)×30到100％+z-c]/(100×12.75)；

百分之30％的训练阻力强度时：给于磁粉制动器301的输入电流为：b＝[(y-z+c)×30％+z-c]/(100×12.75)；百分之40％的训练阻力强度时，给于磁粉制动器301的输入电流为b＝[(y-z+c)×40％+z-c]/(100×12.75)；

百分之50％的训练阻力强度时给于磁粉制动器301的输入电流为b＝[(y-z+c)×50％+z-c]/(100×12.75)，百分之60％的训练阻力强度时，给于磁粉制动器的输入电流为b＝[(y-z+c)×60％+z-c]/(100×12.75)；

百分之70％的训练阻力强度时给于磁粉制动器301的输入电流为b＝[(y-z+c)×70％+z-c]/(100×12.75)，

百分之80％的训练阻力强度时，给于磁粉制动器301的输入电流为b＝[(y-z+c)×80％+z-c]/(100×12.75)；

百分之90％的训练阻力强度时，给于磁粉制动器301的输入电流为b＝[(y-z+c)×90％+z-c]/(100×12.75)，

百分之100％的训练阻力强度时，给于磁粉制动器301的输入电流为b＝[(y-z+c)×100％+z-c]/(100×12.75)

虚拟关节轴对焦器4，其一端套装于与主机3配套的主机轴上，另一端通过安装于其内部中心的激光灯41发射红点光线，可照射在人体关节虚拟轴位置；

具体的，虚拟关节轴对焦器4一端套在主机轴上，另一端通过激光灯41发射红点光线，把激光灯放置在轴套的小孔内，能够精准的发射出光线，照射在人体关节虚拟轴位置，实现主机轴与虚拟关节轴的精准对焦。

力臂5，其安装于壳体组件一侧，力臂5包含相邻式连接的手腕固定机构51、上肢固定机构52、下肢脚趾固定机构53以及上身固定机构54，用于对肢体关节与主机轴之间力进行转化和传导；以及

主控板6，可采集角度传感器303和扭矩传感器304的数据，并将该数据通过算法发送给磁粉制动器301合成力量参数。

是行数升降旋转座椅1能够实现上下升降，它能变成靠背椅；使用者可以坐在上面，完成旋转的同时实现0度，90度以及180度的固定调节；还能变成躺椅，使用者可以躺在上面，最高承受重力为200kg。

可以辅助三维移动对焦底座2，对人体的左右踝关节，左右膝关节，左右胯关节，左右肩关节，左右肘关节以及左右腕关节的虚拟轴实现精准捕捉后，进行精准对焦。

三维移动对焦底座2能精准辅助主机做xyz轴的运动，对主机轴的轴心点实现与关节的虚拟轴进行基准对焦，虚拟关节轴对焦器4是与主机轴在同一直线上安装的，它能发射出聚光射线，辅助主机轴完成对身体各部位关节的对焦；

力臂5一端安装在主机轴上，另一端通过不同规格的辅助把手可以固定在，脚掌，腿腕，大腿根，上身，上臂下部，小臂以及手掌的精准位置，使力臂5随着人体关节的转动而转动；

将扭力传送到主机轴，主机轴传送给主机中的扭矩传感器304和角度传感器303，测出不同角度对应,关节的扭矩力，通过变速箱302和磁粉制动器301为主机轴提供一定程度的阻力，实现对力臂5的作用力，也完成特定关节训练在特定角度时所提供的最适关节训练强度的阻力。

对在运动生理学角度来讲，因关节的开合角度不同，力量会发生明显的变化，因此，对关节力量施加更精确的阻力训练，不单单是以关节的最大收缩力量为标准进行干预性抗阻训练；而要从关节的每个开合角度所对应的的关节肌肉力量入手，例如通过特定的测试测得关节在30度对应的最大力量为50nm,40度-60nm,50度-70nm；然后制定关节在特定角度所适合的关节阻力训练强度，则为30度50nmx％,40度-60nmx％,50度-70nmx％.从而为训练时提供可以随关节角度变化而变化的最适百分比的阻力训练强度，从而更精准的测量和监控肌肉抗阻训练和干预相关领域运动处方的实施。因此，我们团队经过深度考究，研发出多关节力量测试与抗阻训练一体仪，为更科学化的实施关节抗阻训练提供数据支撑和理论支撑，也为进一步实现针对于不同人群研究和制定出有关抗阻训练的科学化运动干预，提供更精准的标尺。

如图2所示，升降动力臂用于带动上底座102和折叠座椅103进行上下移动，且上底座102与座椅旋转控制盘104进行电性连接。

上述下底座101使整个座椅能够稳定的立于地面上，其中上面的长方形筒能放置升降动力臂在里面固定，上底座102能与下底座101相对，并能把升降动力臂稳固的封闭在里面。

升降动力臂能提供200kg的升降动力，并能带动上底座102和折叠座椅103进行上下移动，上底座102与座椅旋转控制盘104相连接，能完成360°旋转和0度，90度，180度，270度的固定角度调节，控制暂停，方便对人体各个关节与主机轴进行对焦；

座椅旋转控制盘104的最大称重为200kg，其上方与折叠座椅103相连接。折叠座椅103能变成直立的平板状和牢固的座椅状，使人体能够平躺在上面，也可以坐立在上面，并配合三维移动对焦底座2完成主机轴与人体关节虚拟轴的精准对焦。

如图3所示，二维自动移动底座201由螺旋杆x、y轴和控速电机组组成，控速电机组包含两组电机，两组电机分别与螺旋杆x、y轴连接。

如图3所示，壳体组件包含下壳体202和上壳体203，且上下壳体之间通过设置升降臂连接。

具体的，在上壳体203上端连接主机3，其三维移动对焦底座2的、y、z轴行程分别为180cm，50cm和80cm，能够让底座在行程范围内辅助主机轴与人体关节的虚拟轴行程精准对焦。

如图4所示，磁粉制动器301为变阻制动装置，通过调整控制磁粉制动器301的电流，可使变速箱302输出0-1200nm范围内任意扭矩的阻力。

具体的，磁粉制动器301为变阻制动装置，通过调整控制磁粉制动器301的电流，并与1：100的变速箱302输入端相连接，变速箱302的输出端则可以输出0-1200nm范围的任意扭矩的阻力，变速箱302的输出轴的一端与360°的角度传感器303相连接，另一端与动态的扭矩传感器304相连接，可以在主机轴转动的同时可以捕捉到主机轴转动的角度关节旋转角度和对应角度的最大扭矩。

在主机轴转动的同时捕捉到转动过程中的对应角度的最大扭矩，输入到电脑端记录相应的曲线变化，根据软件对其适宜关节角度的对应阻力，并调整磁粉制动器301的输入电流进行对应关节适宜训练阻力进行调控，从而提供关节在不同角度所需要的最适阻力，达到量化测量关节力量和定量强度控制进行训练的目的。

如图6所示，上肢固定机构52、下肢脚趾固定机构53以及上身固定机构54的组成结构相同。

如图6所示，上身固定机构54包含旋钮541、滑槽件542、装配于滑槽件542内预设滑槽的滑块543、设置于滑块543顶端的臂端544以及粘合在臂端544上的海绵545，将旋钮541旋转固定，旋钮541上设置的轴垫可使臂端544进行360°自由旋转。

力臂5是肢体关节与主机轴之间力的转化和传导部分，能把关节虚拟轴的扭矩转化成同等大小的主机轴的扭矩力，从而实现对特定关节轴心扭矩精确转换后，通过转动主机轴是主机精确捕捉的关节旋转时的扭矩力。

手腕固定机构51为手腕关节测试使用力臂，上肢固定机构52为肘关节和肩关节测试使用力臂，下肢脚趾固定机构53为髋关节与大腿活动肌群力测试，膝关节测试，踝关节测试使用力臂，上身固定机构54为胯关节与上身活动肌群力测试使用力臂。

除图6所示力臂外还有相关固定的绑带，并作为固定肢体某一部位的辅助部件，在此不多作叙述。

还包括软件设计部分，其软件界面包括usb串口连接，角度传感器303数据读取，扭矩传感器304数据读取，强度训练百分比档位控制，输出给磁粉制动器301的电压。

另外的，当期世界范围内来看德国的isomed2000等速肌力训练测试系统，美国的biodexsystem4等速性肌力评估系统与我们的仪器在有些功能上类似，其中isomed2000等速肌力训练测试系统主要应用于骨关节伤病和神经系统伤病的康复评定、运动系统和神经系统康复训练、偏瘫患者肌力测试与训练、不完全性脊髓损伤患者肌力测试与训练、四肢大关节肌肉测试、功能和疗效评价、运动的肌肉力量和耐力评价、运动系统伤病评价、预防运动创伤、提高肌力、辅助诊断。美国的biodexs4多关节等速力量测试及训练系统，是世界范围内市场使用广泛先进的力量测试训练系统，可以对人体上肢、下肢和躯干各关节进行标准化的测试和训练。而我们的关节力量测试与训练一体仪主要应用于关节力量的测试和监控运动处方力量训练的实施，主要测试的关节有腕，肘，肩，胯，膝，踝关节的力量测试与力量训练监控，能够测定出关节离心和向心收缩的各角度对应力量。关节力量测试与训练一体仪与德国的isomed2000等速肌力训练测试系统，美国的biodexsystem4等速性肌力评估系统相比，本发明研发的关节力量测试与训练一体仪能够对关节虚拟轴心点进行自动化对焦，对关节运动角度和力量的数据能够精准地进行捕捉，形成个具体角度对应的最大力量的1rmmax100％函数曲线，通过算法自动生成不同的关节训练阻力强度函数曲线如图8所示；

精确量化在训练过程中因关节角度变化而所对应使用的最合适的阻力，进而对肌肉力量进行更精准有效的训练。本仪器通过测试轴心扭矩能捕捉到关节力量的变化，还可以通过力臂的长度精确计算出力点实际的作用力，为实际的运动训练提供更有价值的参考。不论是在制造成本，还是在最后的销售成本上都要远远低于德国的isomed2000等速肌力训练测试系统，美国的biodexsystem4等速性肌力评估系统从成本和售价来看并不利于普及，因此，综合诸多因素，和中国现阶段的健康2030大背景下，要强有力做好和实现体医融合；我们需要更科学化，价格便宜利于普及的相关核心性测试仪器。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

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