等速人體肌力康復(fù)系統(tǒng)核心裝置研制

汪 燁，沈碧君，宋又廉

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245）

等速人體肌力康復(fù)系統(tǒng)核心裝置研制

汪 燁，沈碧君，宋又廉

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245）

針對(duì)用等速技術(shù)進(jìn)行肌力測(cè)試和康復(fù)訓(xùn)練問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種等速肌力康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械裝置。它以調(diào)整液態(tài)油的流動(dòng)阻力來(lái)產(chǎn)生與關(guān)節(jié)肌力矩相等的順應(yīng)性阻抗力矩，能產(chǎn)生的阻力矩范圍大，不僅適合傷病人員肌力的恢復(fù)訓(xùn)練，而且適合競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員增強(qiáng)肌力的訓(xùn)練。

等速運(yùn)動(dòng)；康復(fù)；節(jié)流制動(dòng)；節(jié)流閥

等速肌力測(cè)試和訓(xùn)練技術(shù)（等速技術(shù)）是一項(xiàng)新的肌肉功能評(píng)價(jià)和訓(xùn)練技術(shù)［1－4］，是目前國(guó)際上最先進(jìn)的肌力測(cè)試、訓(xùn)練方法。它在國(guó)際康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已有相當(dāng)廣泛的運(yùn)用，并日益受到重視。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)CYBEX公司制造出了第1臺(tái)等速儀器。早期的等速技術(shù)主要應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)方面，以后逐漸應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)，其中應(yīng)用最為廣泛的是在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中。20世紀(jì)80年代后期，等速運(yùn)動(dòng)技術(shù)開始引入中國(guó)，主要針對(duì)其在運(yùn)動(dòng)員的肌力測(cè)試和訓(xùn)練方面的應(yīng)用研究。20世紀(jì)90年代后，國(guó)內(nèi)部分大醫(yī)院相繼引進(jìn)等速運(yùn)動(dòng)肌力測(cè)試和訓(xùn)練系統(tǒng)，主要有Cybex和Kin－Con兩種類型。復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科運(yùn)用Cybex－6000型等速肌力測(cè)試及訓(xùn)練儀開展等速肌肉功能測(cè)試和訓(xùn)練技術(shù)系列研究，如圖1所示。

圖1 Cybex－6000型等速肌力測(cè)試及訓(xùn)練儀Fig.1 Isokinetic testing and training of muscle strength apparatus Cybex－6000

1 等速技術(shù)

等速運(yùn)動(dòng)是指在運(yùn)動(dòng)中肢體運(yùn)動(dòng)速度被強(qiáng)制恒定（等速）的一種運(yùn)動(dòng)形式，可借助特定的儀器預(yù)先設(shè)定在關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍內(nèi)肢體運(yùn)動(dòng)的速度。無(wú)論受訓(xùn)者用多大的力量，肢體運(yùn)動(dòng)的速度保持為設(shè)定值。受訓(xùn)者的主觀用力只能使肌肉張力提高、輸出力矩增加，卻不能改變速度。運(yùn)動(dòng)中，等速設(shè)備所提供的阻力與肌肉收縮產(chǎn)生的實(shí)際關(guān)節(jié)力矩相匹配，自動(dòng)隨肌肉收縮力的變化而變化，為一種順應(yīng)性阻力。這種順應(yīng)性阻力使肌肉在整個(gè)關(guān)節(jié)活動(dòng)處于不同角度的每一瞬間都能產(chǎn)生最大張力，有利于肌肉發(fā)揮最大收縮能力，從而達(dá)到最佳的訓(xùn)練效果。

2 總體設(shè)計(jì)方案

等速肌力康復(fù)設(shè)備的核心是等速發(fā)生裝置。研發(fā)等速設(shè)備首先要完成等速發(fā)生裝置工作原理的研究，然后才能根據(jù)其原理進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇主要在于制動(dòng)和控制方案的選擇，本系統(tǒng)采用液體受控流動(dòng)實(shí)現(xiàn)等速運(yùn)動(dòng)的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)［5－7］。

系統(tǒng)的受控物理量，即系統(tǒng)輸出是關(guān)節(jié)角速度，施加于系統(tǒng)的關(guān)節(jié)肌力可以看作是干擾力矩。等速裝置應(yīng)在受控狀態(tài)下動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生與干擾力矩相等的補(bǔ)償力矩，以維持關(guān)節(jié)的等速轉(zhuǎn)運(yùn)，等速系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

根據(jù)流體力學(xué)中“液阻”原理，可通過(guò)可調(diào)節(jié)的液壓節(jié)流制動(dòng)得到等速裝置所需要的可控制動(dòng)力。本項(xiàng)目采用流體節(jié)流制動(dòng)的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)等速運(yùn)動(dòng)，其原理如圖3所示。

在系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于擺缸制造上的困難和高性能比例調(diào)速閥采購(gòu)問(wèn)題，擺缸以齒條缸代替，比例調(diào)速閥以比例換向－節(jié)流閥代替，系統(tǒng)的功能原理不變［8－9］，如圖4所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

齒條活塞油缸－比例方向閥式等速肌力康復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。其可調(diào)擺桿采用可伸縮的套管結(jié)構(gòu)，由旋鈕進(jìn)行固定。可調(diào)擺桿的一端設(shè)有搭扣，另一端設(shè)有方孔，套在齒輪軸的方頭上與齒輪軸連接，傳遞扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪軸中部設(shè)置的齒輪與齒條活塞上部的齒條嚙合，將可調(diào)擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為活塞的移動(dòng)。與齒輪相鄰的2個(gè)軸段為滑動(dòng)軸頸，其上設(shè)置第1自潤(rùn)滑軸承和第2自潤(rùn)滑軸承［10］，2個(gè)自潤(rùn)滑軸承嵌設(shè)在集成塊內(nèi)，用以支承齒輪軸。齒條活塞下部開有長(zhǎng)槽，其內(nèi)插有止轉(zhuǎn)螺釘，使齒條活塞在移動(dòng)時(shí)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，保證齒條與齒輪的正確嚙合。齒輪軸上用錐頭緊定螺釘固定一個(gè)大皮帶輪，將齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)“O”型截面的皮帶傳遞到小皮帶輪。小皮帶輪通過(guò)固定在其內(nèi)孔中的尼龍?zhí)装惭b在輪座上，輪座通過(guò)螺釘與集成塊固連。在小皮帶輪外端與尼龍?zhí)淄S的孔中插入光電編碼器的轉(zhuǎn)軸，并以平端緊定螺釘頂緊，使之與小皮帶輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)。光電編碼器通過(guò)定位凸臺(tái)與插入編碼器連接體的小端孔進(jìn)行定位，并以螺釘固定于編碼器連接體上。編碼器連接體大端有大孔，大孔與小端孔同軸，與輪座相配，確保編碼器連接體與輪座同軸。同時(shí)，保證光電編碼器與小皮帶輪同軸，使光電編碼器的轉(zhuǎn)軸能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。油缸的兩端設(shè)有油缸端蓋，油缸端蓋內(nèi)墊有“O”型密封圈。在集成塊上設(shè)有4個(gè)外置單向閥和比例方向閥，比例電磁鐵為閥的組成部分，與比例方向閥設(shè)置在一起。集成塊內(nèi)設(shè)有將各個(gè)閥與油缸連接起來(lái)的油液通路，集成塊下部通過(guò)螺孔安裝在機(jī)座上，外加罩殼，構(gòu)成比例方向閥式等速肌力康復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置?？烧{(diào)擺桿的搭扣為尼龍搭扣軟帶或皮帶，自潤(rùn)滑軸承為由聚四氟乙烯做成的自潤(rùn)滑軸承。

圖5 齒條活塞油缸－比例方向閥式等速肌力康復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of piston rack cylinder－proportional direction valve pattern constant speed recovery device

3.2 控制部分設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、虛擬測(cè)試軟件和數(shù)據(jù)采集卡等部分組成。利用LabVIEW 8.20的比例－積分－微分控制軟件包進(jìn)行控制［11－12］，系 統(tǒng)控制原理如圖6所示。

選用NI公司的USB6211多功能數(shù)據(jù)采集卡，USB總線，分辨率為16位，采樣速率為400kS／s；比例閥選用 Atos公司的 QVHZO－A－06／12型；驅(qū)動(dòng)器采用E－BM－AC型、快速插入式電子放大器，用于無(wú)閥芯位置反饋的單、雙電磁鐵的比例閥。該控制系統(tǒng)界面如圖7所示。

編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)出的脈沖信號(hào)通過(guò)電路接口進(jìn)入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，得到瞬時(shí)的關(guān)節(jié)角位置和角速度。大皮帶輪帶動(dòng)小皮帶輪傳動(dòng)的增速作用可以提高測(cè)量的靈敏度和分辨力。壓力變送器通過(guò)孔道與受擠壓的液態(tài)油連通，測(cè)量油的壓力，并以電流信號(hào)通過(guò)電路接口傳入計(jì)算機(jī)，可得到瞬時(shí)的關(guān)節(jié)肌力矩。關(guān)節(jié)角位置、相應(yīng)于各角位置的角速度以及肌力矩，這3個(gè)參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)肌力康復(fù)狀況具有重要的科學(xué)意義。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

設(shè)定系統(tǒng)角速度分別為20、40、80rad／s進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，形成曲線依次如圖8所示。

由實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，關(guān)節(jié)角速度的設(shè)定只要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)0.26～4.71rad／s范圍內(nèi)，最大關(guān)節(jié)力矩在20～350N·m范圍內(nèi)，關(guān)節(jié)角速度的偏差小于5%，系統(tǒng)就可以滿足預(yù)定的基本要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，等速技術(shù)的研究漸多，其在運(yùn)動(dòng)員肌肉功能評(píng)價(jià)及肌肉訓(xùn)練方面有較多優(yōu)點(diǎn)，在體育和康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。齒條活塞油缸－比例方向閥式等速肌力康復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置［13－16］

既適合病人的肌力恢復(fù)訓(xùn)練，也適合運(yùn)動(dòng)員增強(qiáng)肌力訓(xùn)練。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、易于推廣應(yīng)用，但如何在大眾體育中應(yīng)用等速設(shè)備訓(xùn)練力量，還尚待研究。

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Development of Key Device for Isokinetic Human Muscle Rehabilitation System

WANG Ye，SHEN Bijun，SONG Youlian
（School of Mechanical，Shanghai Dianji University，Shanghai 200245，China）

This paper proposes an isokinetic technique for muscle strength test and rehabilitation training.The design of a mechanical device for isokinetic muscle rehabilitation training is described.It makes the compliance impedance torque equal to the joint muscle torque by adjusting liquid oil flow resistance.The mechanical device can produce a large range of resistance moment for both injured muscle strength training and muscle strength training of athletes.

isokinetics；rehabilitation；throttling brake；throttle

TH 789

A

2095－0020（2011）05－0306－05

2011－09－08

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目資助（2007AA041600）；上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科資助（J51902）

汪 燁（1974－），男，副教授，專業(yè)方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)集成及智能控制技術(shù)，E－mail：wangye＠sdju.edu.cn