随着“全民健身”的风靡,越来越多的大众群体开始走进健身房进行力量训练,研究表明,加强下肢肌肉的锻炼,能够有效地预防膝关节损伤及稳固膝关节,但据统计发现,绝大部分健身房中所配备的下肢训练器存在诸多安全隐患,其中器械工作力矩不符合人体下肢肌肉力矩与无法限制运动的速度尤为明显。膝关节在运动过程中,当肌肉处于输出能力薄弱位置时,膝关节被迫借力完成运动,超出其本身承受能力范围,或膝关节运动过快,过于激烈均会引发运动损伤,这与原本想要通过锻炼而强化膝关节的目的背道而驰,故针对能够提升膝关节安全的下肢训练器械的设计研发十分必要。本文采用文献综述法分析了膝关节的物理结构特征及运动损伤种类,发现造成膝关节损伤的主要原因是膝关节在运动中瞬时的应力过大或运动过于激烈,并同步采用调查法分析当前传统下肢训练器械安全隐患与建立实验法“等速肌力测试”研究人体膝关节肌群在不同运动速度中的力矩变化情况。通过建立传统器械的几何模型、数学模型得到其工作力矩曲线,并与实验中得到的人体肌肉运动力矩曲线相对比,发现当前传统器械存在的起始力矩过大的问题,以及得到慢速运动(60°/s)能够较好的锻炼下肢肌肉、并提升膝关节在运动中的安全的结论。根据其实验结论,在进行提升膝关节安全系数的下肢训练器设计中,通过“反求法”得到符合人体肌肉力矩的理想状态下器械的“力臂值”,建立几何模型、数学模型得到新的器械传统模式,该款新型下肢训练器能够解决传统器械起始力矩过大的问题,并且工作力矩非常接近肌肉力矩,同时在器械杠杆转轴上增设了“光电式转速传感器”以监测用户在运动过程中的速度,能够发出语音警报提示用户速度过快,双管齐下,显著提升了膝关节在运动中的安全。最后结合人机要素进行设计,提出新的下肢训练器的尺寸方案,并绘制出的草图与成品效果图。