滑塊搖桿機構對小腿三頭肌康復的作用研究

王洪剛，康存鋒，陳康文，季源隆，浦秋然，張雷雨

（1.北京工業(yè)大學材料與制造學部，北京 100124；2.北京工業(yè)大學智能機電裝備研究所，北京 100124）

人體的小腿三頭肌由腓腸肌和比目魚肌構成，是使踝關節(jié)跖屈的主要肌肉，起到屈小腿和上提足跟的作用。在人站立時，其能固定踝關節(jié)和膝關節(jié)，防止身體前傾，維持人體姿勢平衡；在人走、跑、跳時，其對足跖屈蹬地產(chǎn)生前進推動力起到重要作用［1］。加強小腿三頭肌的訓練對提高人的運動機能有很大的促進作用［2］。大量臨床醫(yī)學研究表明，下肢運動功能障礙患者通過在早期進行手術和藥物治療、在后期進行科學有效的肢體康復訓練，可以盡早恢復下肢運動功能，提高關節(jié)、肌肉的靈敏度，改善肢體運動機能，并減少頻繁的局部痙攣［3-4］。

目前，日本、歐美國家已對下肢康復訓練儀器進行了較深入的研究。他們結合康復訓練儀器和康復醫(yī)學技術，設計并制作了多種下肢康復訓練儀器，如瑞士的LOKOMAT、德國的Haptic Walker，其在實際的康復訓練應用中取得了較好的效果。近年來，我國的康復醫(yī)學工程也得到了重視。任園園等［5］研究了肌內(nèi)效貼對縱跳動力學特征及小腿肌肉活動的影響，發(fā)現(xiàn)肌內(nèi)效貼能使部分縱跳動力學特征發(fā)生改變，對小腿內(nèi)側腓腸肌的活動有促進作用。鄭鑫鑫等［6］研究了采用深層肌肉振動儀緩解小腿三頭肌運動性疲勞的即刻效應，結果顯示，深層肌肉振動對緩解小腿三頭肌疲勞有即刻效應，且其對“主觀疲勞”的緩解優(yōu)于主動牽伸。

筆者研究了滑塊搖桿機構對小腿三頭肌康復的作用?；瑝K搖桿機構是應用最廣泛的傳動機構之一，主要應用于儀表、往復壓縮機、發(fā)動機曲軸和牛頭刨床橫向進給機構等［7］?；瑝K搖桿機構不僅可以應用于機械行業(yè)，在醫(yī)療康復領域也可以發(fā)揮重要作用。滑塊搖桿康復機構的末端執(zhí)行器（按摩器件）是球形按摩盤，可以對小腿肌肉群進行按壓，并在滑塊搖桿機構的驅動下沿小腿作線性往復運動，對小腿肌肉群進行康復和護理。本文進行了滑塊搖桿康復機構的結構及運動學分析，并進行了滑塊搖桿康復機構的按摩實驗，根據(jù)實驗結果來優(yōu)化機構，使其取得最優(yōu)的康復效果，以期為滑塊搖桿機構對小腿三頭肌的康復和護理提供理論依據(jù)。

1 滑塊搖桿康復機構的結構及運動學分析

1.1 滑塊搖桿康復機構的結構

滑塊搖桿康復機構主要由踏板、滑塊、空間連桿、搖桿、滑桿和按摩盤等組成，如圖1所示。其中：踏板與滑塊固連并與機架構成移動副S21，為機構的原動件；空間連桿與踏板鉸接構成轉動副R32，與滑桿構成轉動副R35；滑桿可沿搖桿軸向平移構成移動副S54，搖桿鉸接在機架上構成轉動副R41；末端執(zhí)行器為按摩盤，用來夾緊并按摩小腿肌肉群。該滑塊搖桿機構將原動件的移動副S21轉化為搖桿的圓周運動；按摩盤通過螺釘固連在滑桿上，通過移動副S54與轉動副R41的組合運動，作半徑可變的圓周運動，即沿小腿作直線往復運動。滑塊搖桿康復機構的使用場景如圖2所示。

圖1 滑塊搖桿康復機構Fig.1 Slider rocker rehabilitation mechanism

圖2 滑塊搖桿康復機構的使用場景Fig.2 Application scenario of slider rocker rehabilitation mechanism

1.2 滑塊搖桿康復機構的運動學分析

建立滑塊搖桿康復機構的簡圖及坐標系，如圖3所示。滑塊為原動件，建立機構的矢量方程為：

圖3 滑塊搖桿康復機構的簡圖及坐標系Fig.3 Diagram and coordinate system of slider rocker rehabilitation mechanism

式中：l1為原點轉動副R41到滑桿轉動副R35的矢量表達；l2為空間連桿的矢量表達；s為滑塊水平位移的矢量表達；e為滑塊到原點坐標垂直距離的矢量表達。

根據(jù)式（1），可得機構的位移方程為：

式中：θ1為搖桿與x軸（水平坐標軸）的夾角；θ2為空間連桿與x軸（水平坐標軸）的夾角。

對式（2）求導，可得機構的速度方程為：

式中：ω1為搖桿的角速度；ω2為空間連桿的角速度；v為滑塊的水平移動速度。

對式（3）求導，可得機構的加速度方程為：

式中：ε1為搖桿的角加速度；ε2為空間連桿的角加速度；a為滑塊的水平移動加速度。

取e=70 mm，l2=384 mm，v可調(diào)，a也可調(diào)（暫定為勻速直線運動，a=0 mm/s2）。移動副S54須適應人的不同腿長，則按照成年人的正常腿長［8］，取l1=400 mm。

由式（1）至式（4）可知，通過調(diào)節(jié)v可以獲得搖桿的多種運動形式。與滑桿相連的按摩盤在移動副S54與轉動副R41組合運動的作用下，可形成不同的滑塊搖桿機構對小腿三頭肌的按摩模式，以滿足使用者的不同需求。專業(yè)醫(yī)師、技師可以根據(jù)患者小腿肌肉群的損傷情況確定康復方案，通過設定滑塊的s、v、a來滿足康復方案的條件，并遵循循序漸進的康復訓練原則來達到早日康復的目的。因此，滑塊搖桿康復機構可以代替人力對患者進行有效的康復訓練，可以大大節(jié)省人力，提高醫(yī)師、技師的工作效率。

傳統(tǒng)的物理康復治療方法存在效率低下、動作控制不準確、康復效果評估困難等問題。采用康復訓練儀器進行運動功能的康復訓練成為新的治療手段［9］。在進行康復訓練時，其效率問題是必須關注的［10-12］。提高小腿三頭肌的康復效率，對恢復患者的下肢肌力及步行功能和提高患者的生活質(zhì)量具有重要意義［13-14］。

1.3 滑塊搖桿康復機構的運動仿真

為研究滑塊搖桿康復機構的運動，須分析機構中某些構件的位移、角速度和角加速度以及某些點的軌跡、速度和加速度［15］。利用MATLAB軟件進行滑塊搖桿康復機構的運動學和動力學仿真，求解搖桿的角度、角速度和角加速度隨滑塊位移的變化情況，從而間接得到按摩盤的角度、角速度和角加速度隨滑塊位移的變化情況。仿真初始值設定為：e=70 mm，v=20 mm/s，a=0 mm/s2，l1=400 mm，l2=384 mm。得到搖桿的角度、角速度和角加速度隨滑塊位移的變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，當滑塊位移為700～800 mm時，搖桿的角速度和角加速度有大幅度的突變，這在康復訓練過程中可能會對小腿肌肉群造成一定的損傷。故應控制滑塊位移，使其變化區(qū)間為200～700 mm，以保證滑塊搖桿康復機構的使用安全性。

圖4 搖桿的角度、角速度和角加速度隨滑塊位移的變化曲線Fig.4 Variation curve of angle,angular velocity and angular acceleration of rocker with slider displacement

2 實驗驗證

2.1 表面肌電信號的測量方法

肌電信號（electromyogram，EMG）是伴隨肌肉活動產(chǎn)生的一種生物電信號［16］。采集到的皮膚表面的肌電信號稱為表面肌電信號（surface EMG，SEMG），能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動。SEMG的采集具有無創(chuàng)的優(yōu)點，其在手勢識別、智能假肢和康復機器人等領域有著廣泛的應用，是評估電生理的一種常用方法［17-18］。SEMG的識別通常是提取時域或頻域的統(tǒng)計特征進行模式識別，或者通過對SEMG建立時間序列模型來進行分類［13］。

SEMG測量實驗所用的儀器有Myoware肌肉電傳感器（思知瑞科技有限公司生產(chǎn)）、Arduino UNO R3開發(fā)板、ECG（electrocardiogram，心電圖）電極貼片和筆記本電腦。采用Myoware肌肉電傳感器檢測肌肉電勢來反映肌肉活動；采用亞德諾半導體技術有限公司（Analog Devices，Inc.，ADI）生產(chǎn)的芯片AD8221對SEMG進行可調(diào)放大，同時將經(jīng)過濾波和整流積分的SEMG傳到模擬數(shù)字轉換器（analog-digital converter，ADC）進行A/D轉換，轉換后的數(shù)值（即ADC值）大小取決于所測肌肉的活動量；將ADC值傳輸給筆記本電腦，采用Processing軟件處理信號并動態(tài)顯示。

Myoware肌肉電傳感器和ECG電極貼片如圖5所示。

圖5 Myoware肌肉電傳感器和ECG電極貼片F(xiàn)ig.5 Myoware muscle electrical sensor and ECG electrode patch

2.2 小腿三頭肌表面肌電ADC值的測量

選擇10名男性大學生志愿者作為受試者。受試者年齡為19～21歲，身高為172.0～177.6 cm，體重為59.6～68.2 kg，體質(zhì)指數(shù)為19.3～22.5，均身體健康，無肌肉損傷；實驗前2天內(nèi)未進行劇烈運動。測量前刮除受測者小腿三頭肌周圍的體毛，用香皂清除污垢和油脂，并用75%酒精擦拭皮膚，以提高數(shù)據(jù)采集的可靠性［19-21］。小腿三頭肌表面肌電ADC值的測量如圖6所示。將肌肉電傳感器一端探測電極貼在小腿三頭肌的肌肉群中央，另一端探測電極沿著肌肉群延展方向（肌纖維長軸方向）放置，2個電極的間距約為3.2 cm，參考電極則貼在膝關節(jié)側面無肌肉處。多次均勻按壓電極貼片，使其緊貼皮膚表面。

圖6 小腿三頭肌表面肌電ADC值的測量Fig.6 Measurement of surface EMG ADC value of triceps surae

將受試者分別編號為1，2，…，10。依次測量并記錄10位受試者未使用滑塊搖桿康復機構時小腿三頭肌表面肌電ADC值，將其作為初始值。隨后受試者使用滑塊搖桿康復機構，每隔1 s記錄在一個按摩周期內(nèi)（按摩盤從距腳踝之上約5 cm處出發(fā)至回到該處所需的時間）的ADC值。其中第1次出現(xiàn)的ADC峰值記為上行峰值，第2出現(xiàn)的ADC峰值記為下行峰值，一個周期結束后的ADC值為結束值。

2.3 實驗結果分析

1號受試者在一個按摩周期內(nèi)ADC值的波動過程如圖7所示。由圖可知，ADC值從81逐步增加到第1個峰值868，并從第2個峰值873逐步遞減，并未呈跳躍式的變化。說明滑塊搖桿康復機構對小腿三頭肌的康復性刺激是緩和、有效的。

圖7 1號受試者在一個按摩周期內(nèi)ADC值的波動過程Fig.7 Fluctuation process of ADC value of subject 1 in a massage cycle

10名受測者在一個按摩周期的始末ADC值和ADC峰值如表1所示。由表可知：在一個按摩周期的開始和結束時，ADC值在較低水平（100以下）波動，說明小腿三頭肌處于放松狀態(tài)，無明顯肌電活動；在整個按摩周期內(nèi)，ADC值存在上行峰值和下行峰值，在肌肉活躍水平（600以上）波動，說明肌肉有明顯、強烈的反應。通過計算可知，當顯著性水平為0.05時，ADC初始值與結束值之間的顯著性差異以及上行峰值與下行峰值之間的顯著性差異分別為p1=0.037<0.05，p2=0.018<0.05。據(jù)此可以得出，在一個按摩周期內(nèi)小腿三頭肌的肌電值有顯著變化，滑塊搖桿康復機構對小腿三頭肌有明顯的刺激作用，對小腿肌肉有一定的康復和護理療效。

表1 受測者在一個按摩周期的始末ADC值和ADC峰值Table 1 ADC values of subject at the beginning,end and at the peak of a massage cycle

3 結 論

本研究建立了滑塊搖桿康復機構的矢量方程，開展了滑塊搖桿機構的運動學分析和MATLAB仿真，進行了其對小腿三頭肌的按摩實驗，得出如下結論：

1）在滑塊搖桿康復機構康復醫(yī)療的應用中，可以通過調(diào)節(jié)滑塊的位移精準地確定按摩盤與水平面的夾角，從而確定按摩盤在小腿上的位置，進而可以根據(jù)患者不同的康復需求提供精準的康復動作。

2）為保證滑塊搖桿康復機構在使用過程中的安全性，滑塊的位移變化區(qū)間設置為200～700 mm。在后期的機構優(yōu)化中，應在滑塊距搖桿在機架上的轉動副的最小、最大距離處添加限位，并適當縮短機架長度，以達到減材和減重的目的。

3）使用滑塊搖桿康復機構后，小腿三頭肌的SEMG明顯改變，使用前后小腿三頭肌的肌電值有顯著性差異（p1=0.037<0.05），使用過程中肌電值的峰值有顯著性差異（p2=0.018<0.05），可見該機構對小腿三頭肌有顯著、有效的康復性刺激，具有一定的康復療效。研究結果可為滑塊搖桿機構在康復醫(yī)療中的應用提供理論參考。