一種上肢肌力主被動訓(xùn)練儀的研究

陳立春 婁亞濤

摘 要：市場上常見的上肢肌力訓(xùn)練器械主要具有的功能是被動訓(xùn)時能提供負載，而且大部分是采用的人工加載負載，操作及設(shè)置不方便，在此基礎(chǔ)上，上肢肌力主被動訓(xùn)練儀主要能夠提供主動訓(xùn)練及被動訓(xùn)練，并且采用電控技術(shù)控制電機及阻尼，同時采用觸摸屏技術(shù)，讓操控更加直觀方便，使設(shè)備更加任性化。

關(guān)鍵詞：上肢；主被動；肢體康復(fù)；肌力訓(xùn)練

1 緒論

1.1 研究背景及目的意義

從20世紀80年代開始，微電子學(xué)、信息技術(shù)的發(fā)展和生命科學(xué)的興起，推動了肢體康復(fù)學(xué)科的發(fā)展，肢體康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機械學(xué)、機械力學(xué)等諸多領(lǐng)域，把先進的智能機電設(shè)備技術(shù)引入到四肢康復(fù)訓(xùn)練中已經(jīng)成為了國際機器人領(lǐng)域的一個研究熱點。

研究目的是為了縮短國內(nèi)醫(yī)療器械行業(yè)與國外技術(shù)水平的差異，給偏癱等病人提供可靠，穩(wěn)定的輔助設(shè)備，輔助偏癱病人進行有目的、有計劃的上肢訓(xùn)練；保證病人能從無運動能力到有一定的運動能力的訓(xùn)練過程。

1.2 研究對象簡介

上肢肌力主被動訓(xùn)練儀是一種適合于運動障礙患者的訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用計算機控制技術(shù)，智能輔助運動障礙患者進行有針對性的運動訓(xùn)練，達到促進障礙患者早日康復(fù)的目的。

1.3 研究需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

該研究項目在研發(fā)過程中，項目組對速度配比進行了相應(yīng)的調(diào)整，主要是為了滿足病人初期運動困難時，訓(xùn)練更舒適；項目組對設(shè)備負載產(chǎn)生源進行了更換；使項目負載可靠、可控、更精確，方便病人按需求進行訓(xùn)練。DAC調(diào)速設(shè)計技術(shù)； 2）阻尼設(shè)計技術(shù)；3）智能電動轉(zhuǎn)向助力技術(shù)；4）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。5）觸摸屏可視化控制顯示設(shè)計。

2 國內(nèi)外同類研究對比分析

2.1 歷史和現(xiàn)狀

我國為適應(yīng)21世紀社會發(fā)展需要，康復(fù)醫(yī)學(xué)已得到迅速發(fā)展。近十幾年來，人們對康復(fù)醫(yī)學(xué)服務(wù)的迫切需求，使得康復(fù)醫(yī)療設(shè)備需求劇增。中國護理事業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要（2005～2010年）提出：現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式和新的健康觀念對護理理念產(chǎn)生了深刻影響，隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)的進步和高新技術(shù)在診療工作中的運用，臨床護理專業(yè)技術(shù)水平顯著提高，康復(fù)醫(yī)療在急危重癥、疑難癥患者的救治方面發(fā)揮著重要作用。康復(fù)醫(yī)療工作要貼近病人、貼近臨床、貼近社會、提高質(zhì)量、體現(xiàn)人文關(guān)懷。

現(xiàn)在市場中的上肢康復(fù)產(chǎn)品，主要針對有一定運動能力的病人，對病人進行一些運動治療，但對基本喪失運動能力的病人不能幫助他們進行康復(fù)，而且訓(xùn)練強度不能根據(jù)病人的能力進行調(diào)，本產(chǎn)品新增被動模式和助力模式，通過儀器帶動病人運動，讓病人慢慢恢復(fù)自主運動能力，可以通過調(diào)節(jié)運動阻力的大小，對不同階段的病人制定不同訓(xùn)練強度的治療方案。

2.2 本研究與國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的不同

研究的是一種上肢肋力運動訓(xùn)練康復(fù)類醫(yī)療器械，本儀器有主動，被動，助力三種工作模式。被動模式是針對上肢運動障礙嚴重的病人，患者本身基本喪失自主運動能力，此時器械會帶動病人上肢作曲伸運動，幫助病人上肢肌肉作運動，使病人慢慢有一定的運動能力。當病人有一定的自主運動能力時可選擇助力模式，此模式要求病人自己作上肢曲伸運動，當病人自主運動有團難時，儀器起動助力幫助病人運動，隨著病人上肢病情的好轉(zhuǎn)，可以加大運動助力，增加運動強度，幫助病人循序漸進的康復(fù)。當病人已基本恢復(fù)運動能力后，可通過主動模式進行康復(fù)后鞏固訓(xùn)練，可根據(jù)病人情況選擇不同的訓(xùn)練強度。

為了輔助訓(xùn)練偏癱病人進行有目的，有計劃的上肢訓(xùn)練，特研發(fā)此項目；項目主要針對病人的上肢肌肉進行；項目適用病人從0級肌力到5級肌力范圍，達到了病人從被動訓(xùn)練，助力訓(xùn)練到主動訓(xùn)練的過程。產(chǎn)品的科學(xué)意義是實現(xiàn)了精確設(shè)定病人訓(xùn)練的阻力，并且完全實現(xiàn)了數(shù)字化反饋，從而達到輔助醫(yī)生制定科學(xué)的訓(xùn)練計劃。

項目研究的難點主要是如何實現(xiàn)負載和動力的連接，由于要保證相互連接而不干涉，單獨采用了特殊的連接結(jié)構(gòu)。由于實現(xiàn)了上述三個特點，這種組合結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到任何關(guān)于主被動訓(xùn)練的系統(tǒng)中。

3 研究解決問題的原理

1）本項目主要是通過合理的設(shè)計手臂運動機構(gòu)，同時對國內(nèi)先進的阻尼原件與動力原件通過合適的組合連接，實現(xiàn)了病人主動訓(xùn)練時的阻尼的準確提供，病人被動訓(xùn)練時的電機動力穩(wěn)定提供，同時讓主動、助力、被動訓(xùn)練時相互隔離，互不影響。

2）設(shè)備到位后，將件1（安全靜音腳輪）鎖死；件2（機架）上安裝有動力裝置；動力裝置包括件3（電控阻尼器）、件5（離合器）、件6（無刷電機）通過機械機構(gòu)合理連接在一起，當主動訓(xùn)練時，件3電控阻尼器起作用，件5（離合器）脫開，實現(xiàn)與電機不干涉；當被動訓(xùn)練時，件5（離合器）吸合，件3停止工作，實現(xiàn)被動運動；通過件4（多楔帶）傳動連接上部件7（運動軸），件9（角度傳動器）用來跟隨檢測角度變化；件8（軸承座）支撐件7運動軸；件7帶動件14（轉(zhuǎn)臂），病人將手肘放在件15（肘托），調(diào)節(jié)件13（調(diào)節(jié)螺釘）伸縮件12（伸縮臂）達到舒適的長度；通過件11（液晶顯示屏）來設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)；件11以通過調(diào)節(jié)件12實現(xiàn)上下調(diào)節(jié)；在運動過程中，為了保證安全，設(shè)備設(shè)置了件16（急停開關(guān)）來停止電機運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

該研究項目完成并實現(xiàn)了精確設(shè)定病人訓(xùn)練的阻力，并且完全實現(xiàn)了數(shù)字化反饋，從而達到輔助醫(yī)生制定科學(xué)的訓(xùn)練計劃。項目主要針對病人的上肢肌肉進行；適用病人從0級肌力到5級肌力范圍，達到了病人從被動訓(xùn)練，助力訓(xùn)練到主動訓(xùn)練的過程。

1）前臂支架調(diào)節(jié)范圍：260mm～420mm；2）被動訓(xùn)練模式：1）肘關(guān)節(jié)屈伸角度設(shè)置：0°～90°可任意輸入；2）訓(xùn)練速度分1～8級可調(diào)節(jié)；3）主動訓(xùn)練模式：1）肘關(guān)節(jié)屈伸角度設(shè)置：0°～90°可任意設(shè)置，設(shè)備自動恢復(fù)原位；2）主動運動的阻力力矩設(shè)定分為1～16級可調(diào)節(jié)。4）助力訓(xùn)練模式：（1）肘關(guān)節(jié)屈伸角度設(shè)置：0°～90°可任意設(shè)置；（2）助力功能：患者未能夠達到指定角度，設(shè)備以設(shè)定的運動檔位帶動患者到設(shè)定角度；項目中的難點主要是如何實現(xiàn)負載和動力的連接，由于要保證相互連接而不干涉，單獨采用了特殊的連接結(jié)構(gòu)。由于實現(xiàn)了下述三個特點，這種組合結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到任何關(guān)于主被動訓(xùn)練的系統(tǒng)中。

4.1 產(chǎn)品實現(xiàn)了病人的主動訓(xùn)練、被動訓(xùn)練和助力訓(xùn)練；

主動訓(xùn)練主要是通過設(shè)定阻力，從而實現(xiàn)病人負力的訓(xùn)練；被動訓(xùn)練主要采用電機通過一定的傳動比帶動病人進行；助力訓(xùn)練是當病人主動訓(xùn)練無法達到訓(xùn)練目的時，增加電機動力輔助病人實現(xiàn)訓(xùn)練的目的。

4.2 產(chǎn)品實現(xiàn)了數(shù)字化的管理

通過設(shè)定負載源的電流，達到預(yù)定的訓(xùn)練阻力，負載精度能達到0.1N；由于負載是由電氣控制的，控制準確性更高，且由于負載的特定工作原理，負載的數(shù)值在訓(xùn)練過程中不會變化。項目配備了電機的工作采樣采集，方便了解病人被動訓(xùn)練康復(fù)的情況。

4.3 產(chǎn)品實現(xiàn)了主被動互不干擾

通過中間連接機構(gòu)實現(xiàn)了負載源和動力源的有效連接。在需要負載時只提供運動負載，在需要動力時，能準確提供動力。

研究的不足：通過該項目的實施及研究過程，發(fā)現(xiàn)在人體肢體康復(fù)過程中，無法自動根據(jù)患者的運動能力進行運動訓(xùn)練的調(diào)節(jié)及改變。現(xiàn)在世界范圍內(nèi)伺服技術(shù)不斷完善，如果將伺服技術(shù)加入到設(shè)備的研發(fā)中，設(shè)備將具有更好的智能化和適應(yīng)性。

參考文獻

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[2]劉剛，王志強，房建成《永磁無刷直流電機控制技術(shù)與應(yīng)用》2008-04-01機械工業(yè)出版社