氣動技術在下肢聯動康復訓練儀上的應用

儲杰，鄒任玲上海理工大學醫療器械與食品學院，上海　200093

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氣動技術在下肢聯動康復訓練儀上的應用

儲杰，鄒任玲
上海理工大學醫療器械與食品學院，上海200093

［摘要］目的為消除下肢康復訓練儀因電動驅動機構引起的運動機械感，該研究將氣動技術應用于下肢康復訓練儀，使患者的康復訓練更為舒適，并提供主被動相結合的康復訓練模式，增強偏癱患者的主動康復意識。方法通過機械結構、氣動驅動力、聯動運動模式控制三方面的研究，來完成氣動技術應用于下肢康復訓練儀的整體設計，并通過微型氣動驅動實驗來驗證設計的可行性。結果微型實驗證明氣動驅動力可代替電動驅動力完成康復訓練所需的驅動力，得出驅動負載率β約為67.3%。結論在氣動技術的應用下，康復運動由勻速運動轉為變速率運動，運動更具柔順性。

［關鍵詞］康復儀器；氣動驅動；關聯處理；主觀訓練

鄒任玲（1971.9-），女，湖南平江人，博士，副教授，主要研究方向：康復醫療儀器研制、光學生物傳感器研究、醫療器械檢測。

據統計，目前我國每年新發腦卒中的人數超過200萬，發病率位居世界第一，而腦卒中是引起患者偏癱的主要原因。臨床研究表明，偏癱患者在進行康復治療后，對其促進肢體恢復，改善其生活質量具有重要的臨床意義［1-2］。

近年來，下肢康復醫療儀器都到了大力發展，但應用于臨床的康復訓練儀主要采用電動驅動方式，以ContinuousPassiveMotion（下肢CPM康復儀）為例，該設備驅動結構部件多，機械結構故障率高，康復運動機械感強，康復運動舒適度還有待提升［3-4］。如今，氣動技術被應用于多種醫療康復設備中［5］，與電機驅動相比較，氣動驅動在安全性、柔順性、輕巧性等方面都有優勢［6］，將氣動技術應用于下肢康復訓練儀，以氣動驅動替代電動驅動，來提升下肢康復訓練儀的工作效率，同時醫療場所普遍具有壓縮空氣、氧氣等高壓氣源，能方便提供氣動驅動所需的氣源［7］。該研究研究設計一種運用氣動技術的下肢聯動康復裝置，來簡化機械結構和克服電動驅動帶來的機械感強、機械故障率高的缺點。同時為偏癱患者提供一種主被動相結合的聯動康復運動模式，增強肢體運動功能及協調性［8-9］，為下肢康復訓練提供一種新思路。

1　方法

該研究中，基于偏癱患者的聯動訓練是借助健側下肢向患側下肢傳遞運動信息的過程，聯動模式分為交替和同步兩種，交替聯動是在健側下肢做膝關節彎曲與伸展的運動過程中，患側下肢在健側肢的帶動下延遲做相應運動，交替實現康復訓練，交替運動模擬的是人體踏步訓練。同步聯動是健側膝關節在做彎曲伸展運動過程中，患側膝關節同時做相同運動，完成同屈同伸的運動過程，同步運動模擬人體下蹲起立訓練。設計目標：①要完成氣動驅動對電動驅動的替換；②要形成雙側下肢的聯動運動結構。在設計方法上：①從機械結構完成驅動元件的替換；②計算氣動驅動力選用合適的氣動元件；③完成聯動運動模式控制實現主被動相結合的康復訓練模式。

1.1機械結構設計

儀器整體機械結構設計分為三大部分（如圖1）：床體、下肢結構（分為左、右兩側下肢）、氣動驅動結構。床體為基礎結構，下肢結構為下肢運動區域，氣缸驅動結構實現氣傳動過程中的下肢聯動運動。整體結構長200 cm，寬70 cm，高80 cm。

圖1　整體機械結構

床體主要分為兩大部分，上半身部分使用綿材質，供患者躺臥。下半身部分為鋼結構構成，結構上方用于安裝左右兩側下肢外骨骼結構，下方用于安裝氣缸結構。

下肢結構設計基于下肢CPM康復儀，將原有的電動驅動部件去除，僅保留機械外骨骼運動結構。驅動點仍處于中間槽內，做直線往復運動。根據人機運動學參數可知，下肢屈伸運動過程中關節運動以矢狀面運動為主，設計中將踝關節、膝關節運動范圍分別控制在-20～30°與0～140°范圍之間［10］，確保儀器在使用過程中的安全性。

氣動結構主要以2根氣缸元件為主，另有部分輔助配件。氣缸的關鍵部件有缸體、活塞、氣孔等（如圖2）。活塞在缸體內移動，并與驅動點配合連接，將活塞平移運動與下肢結構運動進行關聯，從而實現氣缸運動帶動下肢運動的目的。

圖2　無桿氣缸連接示意圖

氣缸固定于床體下端，氣缸活塞與驅動點關聯后，使用輔助配件將雙側氣缸的氣孔進行相互連接，使氣體成為傳動介質，關聯左、右下肢的運動。同時在每兩個氣孔連接管路上裝有氣閥，在氣閥的控制下，使氣孔之間形成不一樣的通路模式，從而實現不同的聯動運動模式。

1.2氣動驅動力計算

在完成機械結構設計后，有效的氣動驅動力是實現正常運動的關鍵所在。氣動驅動力的計算主要是為了確定工作氣壓和缸徑等參數，從而選用合適的氣缸元件。在氣缸中，氣壓與力的關系滿足計算公式：P（壓強）=F（力）/S（作用面積）。按照一般患者體重70 kg為例，假設單側下肢在運動過程中需要承受35 kg的重量，約等于350 N的力。氣缸理論推力計算如下：Ft=A·P

式中：Ft為氣缸理論輸出力（N）；A為氣缸腔內活塞面積（m2）；p為氣缸工作壓力（Pa），工作壓力是指氣壓在不斷增加的過程中，當輸出力小于驅動力時，氣體做壓縮運動，不產生驅動運動，在氣體不斷壓縮的過程中，氣壓不斷增高，直到輸出力大與驅動力時，氣缸才進行正常運動，此時的氣壓即為工作氣壓。

在氣缸缸徑的選擇上，假設氣缸工作壓力為0.4 Mpa。缸徑計算過程：m=35 kg；g=9.8 N/kg；P=0.4 mpa；Ft=mg=35×9.8=343 N

氣缸直徑大于33.15 mm，在氣缸內氣壓大于0.4 mpa的情況下，即可負載下肢屈伸所需承受的力。

氣缸是將氣壓能轉換為機械能的氣動執行元件，氣缸在進行直線往復運動中具有其結構優勢，能有效替代電動驅動做直線運動。又因無桿氣缸沒有活塞桿，所以氣缸腔體活塞兩端的面積相同，在不同方向運動過程中，所受到和輸出的力相同，并且無桿氣缸較其他氣缸具有長運動行程的優勢。固無桿氣缸是最合適本設計的氣動驅動元件。

1.3聯動運動控制設計

聯動運動過程，是將氣體做為力的傳動介質，實現力從健側下肢向患側下肢傳遞的過程。通過氣閥控制，使氣缸氣孔之間形成不一樣的連接狀態，實現交替和同步兩種聯動運動模式。

如圖3所示，在交替聯動過程中，僅氣路開關閥A1、A2打開，氣缸A、B同側端氣孔相通，以氣缸活塞為分界線，將內部氣路分割為2個密閉空間，當氣缸活塞向右側運動時，氣缸內氣壓、體積等參數為了達到平衡位置，氣缸B的活塞向左側運動，兩側氣缸活塞做相對方向運動，形成交替運動的狀態。在同步聯動過程中，僅開關閥C1、C2打開，氣孔間交叉相通，內部氣路同樣形成兩個密閉空間，當氣缸A的活塞向左側運動時，氣體流動方向發生了變化，從而氣缸B的活塞同樣向左側運動，雙側氣缸活塞做同向運動，形成同步運動狀態。整個聯動過程中，健側下肢作為力的輸出端，通過氣缸將輸出力轉化為氣壓能，再將氣壓能轉化為力，在患側下肢端進行輸出。在聯動傳動過程中，實現患者在主動與被動相結合的狀態下，進行下肢聯動康復訓練。

圖3　氣缸連接結構

2　結果

設計結果的驗證還需由實驗來證實，關鍵在于氣動驅動力的驗證。為保證氣動驅動的有效應用，進行了氣動聯動微型實驗。實驗目的：①要模擬聯動運動過程中力的傳遞；②要驗證驅動力的有效輸出。微型實驗材料有：無桿氣缸、開關閥、節流閥、氣路三通、氣管等。另有測量設備：力的測量設備彈簧測力計、氣壓的測量設備耐震壓力表。實驗方法：將兩根氣缸按照設計要求安裝連接，將一側氣缸作為驅動端，另側氣缸作為接收端。在接收端連接有氣壓表（用于測量氣缸內氣壓大小）、測力計（與氣缸活塞相連測量輸出力）。實驗步驟：在驅動端對氣缸加壓，觀察接收端活塞的運動過程，記錄氣壓表和測力計的數據。同一氣壓值測量10次力的數據，求平均值作為實驗數據。實驗數據如表1。

表1　氣缸驅動模擬實驗數據

根據氣缸負載率β公式：β=氣缸的實際負載F/（氣缸的理論輸出力Ft）×100%計算平均值得出負載率β= 67.3%，有32.7%的力因外界因素被損耗。實驗結果也有力證明了氣缸能有效完成力的驅動，達到電動驅動的效果。

同時，在實驗過程中，觀察到接收端活塞的運動速度與驅動力的大小成反比，負載力越小運動速度越快，負載力越大運動速度越慢，成變速率運動過程，變速率的大小與驅動力大小成正比，運動是由快到慢的過程。

3　討論與總結

基于氣動技術的下肢聯動康復訓練儀在機械結構設計上，簡化了下肢CPM康復儀的電動元器件（電機、馬達、傳動裝置等），使用無桿氣缸作為氣動元件，在結構上更為簡單，使用操作也更為簡便。

氣體具有可壓縮性的特點，可以為患者提供柔順、舒適的康復體驗。在電動驅動下肢CPM康復儀中，為穩定運動速度，儀器設計中使用反饋電路控制電機轉速［11］，所以無論患者感受度如何，運動阻力增加或減小，儀器在整個康復過程中始終保持穩定的速度，這也是機械感強的原因所在。但在氣動驅動過程中，假設氣壓為0.2 mpa，輸出力等于251.2 N，若正常康復運動所需的驅動力為250 N，此時儀器處于正常運動狀態，在實際康復訓練過程中患者因不適感或其他因素影響時均會使驅動負載發生變化，當負載大于輸出力時，康復運動變會停止，在氣體進一步壓縮、氣壓逐漸升高的過程中，輸出力隨之增加，輸出力再次大于負載后，康復運動將從靜止向運動狀態做緩慢變換，其過程是柔順的線性變化，是微型實驗中也印證了此運動過程，所以氣動技術能將患者的運動阻力實時反應在整個康復訓練過程中，消除了電動驅動恒定移速下的機械感。

同時，儀器通過氣缸形成的聯動結構為腦卒中偏癱患者提供了更多的康復訓練模式，患者可以做單側下肢膝關節屈伸運動，也可以做雙側下肢同步、交替屈伸運動。聯動運動模式中主動與被動運動相結合，驅動力來自健側下肢的主動運動，患側下肢在力的作用下完成被動運動。這種主被動相結合的康復訓練模式，能強化患者主動康復的意愿，提高康復治療效果［12-13］。

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Application of Pneumatic Technology in Lower Limb Rehabilitation Training Instrument

CHU Jie，ZOU Ren-ling
College of Medical Devices and Food Science，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093 China

[Abstract]Objective In order to eliminate the sense of motion caused by the lower limb rehabilitation training instrumenusingelectric drive，in this paper，we research and design an application of pneumatic drive for lower limb rehabilitation training instrument，to make the patient's rehabilitation training more comfortable，and providerehabilitation modalitycombination of active and passive to enhance the consciousness of active rehabilitation in patients with hemiplegia. Methods Through the three aspects design of mechanical structure，pneumatic driving force，linkage motion mode control，to make sure that pneumatic technology is applied to the rehabilitation training instrument of the lower limb，and through micro pneumatic driving experimentverify the feasibility of the design. Results Experimental resultsshowpneumatic driving force can be used instead of electric driving force，and the driving load rate βis about 67.3%. Conclusion The uniform speed rehabilitation exerciseis transformed intovariable speed rehabilitation exercise，make feeling ofthe rehabilitation exercise become more comfortable.

[Key words]Rehabilitation equipment；Pneumatic drives；Associative processing；Subjective testing

收稿日期：（2015-10-09）

［作者簡介］儲杰（1986.9-），男，上海奉賢人，在職研究生，助理工程師，主要從事醫療設備的維修與管理。

DOI：10.16659/j.cnki.1672-5654.2016.01.054

［中圖分類號］R318

［文獻標識碼］A

［文章編號］1672-5654（2016）01（a）-0054-04