等速人體肌力康復系統核心裝置研制

汪 燁，沈碧君，宋又廉

（上海電機學院 機械學院，上海 200245）

等速人體肌力康復系統核心裝置研制

汪 燁，沈碧君，宋又廉

（上海電機學院 機械學院，上海 200245）

針對用等速技術進行肌力測試和康復訓練問題，設計了一種等速肌力康復訓練機械裝置。它以調整液態油的流動阻力來產生與關節肌力矩相等的順應性阻抗力矩，能產生的阻力矩范圍大，不僅適合傷病人員肌力的恢復訓練，而且適合競技運動員增強肌力的訓練。

等速運動；康復；節流制動；節流閥

等速肌力測試和訓練技術（等速技術）是一項新的肌肉功能評價和訓練技術［1－4］，是目前國際上最先進的肌力測試、訓練方法。它在國際康復醫學領域已有相當廣泛的運用，并日益受到重視。20世紀70年代初，美國CYBEX公司制造出了第1臺等速儀器。早期的等速技術主要應用于體育運動方面，以后逐漸應用于臨床醫學，其中應用最為廣泛的是在康復醫學領域中。20世紀80年代后期，等速運動技術開始引入中國，主要針對其在運動員的肌力測試和訓練方面的應用研究。20世紀90年代后，國內部分大醫院相繼引進等速運動肌力測試和訓練系統，主要有Cybex和Kin－Con兩種類型。復旦大學附屬華山醫院康復醫學科運用Cybex－6000型等速肌力測試及訓練儀開展等速肌肉功能測試和訓練技術系列研究，如圖1所示。

圖1 Cybex－6000型等速肌力測試及訓練儀Fig.1 Isokinetic testing and training of muscle strength apparatus Cybex－6000

1 等速技術

等速運動是指在運動中肢體運動速度被強制恒定（等速）的一種運動形式，可借助特定的儀器預先設定在關節活動范圍內肢體運動的速度。無論受訓者用多大的力量，肢體運動的速度保持為設定值。受訓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。運動中，等速設備所提供的阻力與肌肉收縮產生的實際關節力矩相匹配，自動隨肌肉收縮力的變化而變化，為一種順應性阻力。這種順應性阻力使肌肉在整個關節活動處于不同角度的每一瞬間都能產生最大張力，有利于肌肉發揮最大收縮能力，從而達到最佳的訓練效果。

2 總體設計方案

等速肌力康復設備的核心是等速發生裝置。研發等速設備首先要完成等速發生裝置工作原理的研究，然后才能根據其原理進行技術設計。系統設計方案的選擇主要在于制動和控制方案的選擇，本系統采用液體受控流動實現等速運動的原理來實現［5－7］。

系統的受控物理量，即系統輸出是關節角速度，施加于系統的關節肌力可以看作是干擾力矩。等速裝置應在受控狀態下動態地產生與干擾力矩相等的補償力矩，以維持關節的等速轉運，等速系統控制原理如圖2所示。

根據流體力學中“液阻”原理，可通過可調節的液壓節流制動得到等速裝置所需要的可控制動力。本項目采用流體節流制動的技術方案實現等速運動，其原理如圖3所示。

在系統技術實現過程中，由于擺缸制造上的困難和高性能比例調速閥采購問題，擺缸以齒條缸代替，比例調速閥以比例換向－節流閥代替，系統的功能原理不變［8－9］，如圖4所示。

3 系統設計

3.1 機械部分設計

齒條活塞油缸－比例方向閥式等速肌力康復運動裝置結構如圖5所示。其可調擺桿采用可伸縮的套管結構，由旋鈕進行固定。可調擺桿的一端設有搭扣，另一端設有方孔，套在齒輪軸的方頭上與齒輪軸連接，傳遞扭矩和轉動。齒輪軸中部設置的齒輪與齒條活塞上部的齒條嚙合，將可調擺桿的轉動轉換為活塞的移動。與齒輪相鄰的2個軸段為滑動軸頸，其上設置第1自潤滑軸承和第2自潤滑軸承［10］，2個自潤滑軸承嵌設在集成塊內，用以支承齒輪軸。齒條活塞下部開有長槽，其內插有止轉螺釘，使齒條活塞在移動時不能轉動，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大皮帶輪，將齒輪軸的轉動通過“O”型截面的皮帶傳遞到小皮帶輪。小皮帶輪通過固定在其內孔中的尼龍套安裝在輪座上，輪座通過螺釘與集成塊固連。在小皮帶輪外端與尼龍套同軸的孔中插入光電編碼器的轉軸，并以平端緊定螺釘頂緊，使之與小皮帶輪一起轉動。光電編碼器通過定位凸臺與插入編碼器連接體的小端孔進行定位，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，保證光電編碼器與小皮帶輪同軸，使光電編碼器的轉軸能靈活轉動。油缸的兩端設有油缸端蓋，油缸端蓋內墊有“O”型密封圈。在集成塊上設有4個外置單向閥和比例方向閥，比例電磁鐵為閥的組成部分，與比例方向閥設置在一起。集成塊內設有將各個閥與油缸連接起來的油液通路，集成塊下部通過螺孔安裝在機座上，外加罩殼，構成比例方向閥式等速肌力康復運動裝置。可調擺桿的搭扣為尼龍搭扣軟帶或皮帶，自潤滑軸承為由聚四氟乙烯做成的自潤滑軸承。

圖5 齒條活塞油缸－比例方向閥式等速肌力康復運動裝置的結構示意圖Fig.5 Structure of piston rack cylinder－proportional direction valve pattern constant speed recovery device

3.2 控制部分設計

控制系統由計算機、虛擬測試軟件和數據采集卡等部分組成。利用LabVIEW 8.20的比例－積分－微分控制軟件包進行控制［11－12］，系 統控制原理如圖6所示。

選用NI公司的USB6211多功能數據采集卡，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；驅動器采用E－BM－AC型、快速插入式電子放大器，用于無閥芯位置反饋的單、雙電磁鐵的比例閥。該控制系統界面如圖7所示。

編碼器軸轉動時發出的脈沖信號通過電路接口進入計算機控制系統，得到瞬時的關節角位置和角速度。大皮帶輪帶動小皮帶輪傳動的增速作用可以提高測量的靈敏度和分辨力。壓力變送器通過孔道與受擠壓的液態油連通，測量油的壓力，并以電流信號通過電路接口傳入計算機，可得到瞬時的關節肌力矩。關節角位置、相應于各角位置的角速度以及肌力矩，這3個參數對評價關節肌力康復狀況具有重要的科學意義。

4 實驗與分析

設定系統角速度分別為20、40、80rad／s進行數據采集，形成曲線依次如圖8所示。

由實驗測試結果可見，關節角速度的設定只要在系統設計指標0.26～4.71rad／s范圍內，最大關節力矩在20～350N·m范圍內，關節角速度的偏差小于5%，系統就可以滿足預定的基本要求。

5 結 語

近年來，等速技術的研究漸多，其在運動員肌肉功能評價及肌肉訓練方面有較多優點，在體育和康復醫學領域具有廣闊的應用前景。齒條活塞油缸－比例方向閥式等速肌力康復運動裝置［13－16］

既適合病人的肌力恢復訓練，也適合運動員增強肌力訓練。系統結構簡單、制造成本低、易于推廣應用，但如何在大眾體育中應用等速設備訓練力量，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

國家高技術研究發展計劃（863）項目資助（2007AA041600）；上海市教育委員會重點學科資助（J51902）

汪 燁（1974－），男，副教授，專業方向為機電系統集成及智能控制技術，E－mail：wangye＠sdju.edu.cn