一種上肢肌力主被動訓練儀的研究

陳立春 婁亞濤

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

關鍵詞：上肢；主被動；肢體康復；肌力訓練

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、信息技術的發展和生命科學的興起，推動了肢體康復學科的發展，肢體康復訓練系統貫穿了康復醫學、生物力學、機械學、機械力學等諸多領域，把先進的智能機電設備技術引入到四肢康復訓練中已經成為了國際機器人領域的一個研究熱點。

研究目的是為了縮短國內醫療器械行業與國外技術水平的差異，給偏癱等病人提供可靠，穩定的輔助設備，輔助偏癱病人進行有目的、有計劃的上肢訓練；保證病人能從無運動能力到有一定的運動能力的訓練過程。

1.2 研究對象簡介

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

1.3 研究需要解決的關鍵技術

該研究項目在研發過程中，項目組對速度配比進行了相應的調整，主要是為了滿足病人初期運動困難時，訓練更舒適；項目組對設備負載產生源進行了更換；使項目負載可靠、可控、更精確，方便病人按需求進行訓練。DAC調速設計技術； 2）阻尼設計技術；3）智能電動轉向助力技術；4）機械結構設計技術。5）觸摸屏可視化控制顯示設計。

2 國內外同類研究對比分析

2.1 歷史和現狀

我國為適應21世紀社會發展需要，康復醫學已得到迅速發展。近十幾年來，人們對康復醫學服務的迫切需求，使得康復醫療設備需求劇增。中國護理事業發展規劃綱要（2005～2010年）提出：現代醫學模式和新的健康觀念對護理理念產生了深刻影響，隨著醫學科學的進步和高新技術在診療工作中的運用，臨床護理專業技術水平顯著提高，康復醫療在急危重癥、疑難癥患者的救治方面發揮著重要作用。康復醫療工作要貼近病人、貼近臨床、貼近社會、提高質量、體現人文關懷。

現在市場中的上肢康復產品，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，而且訓練強度不能根據病人的能力進行調，本產品新增被動模式和助力模式，通過儀器帶動病人運動，讓病人慢慢恢復自主運動能力，可以通過調節運動阻力的大小，對不同階段的病人制定不同訓練強度的治療方案。

2.2 本研究與國內相關產品的不同

研究的是一種上肢肋力運動訓練康復類醫療器械，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，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。當病人已基本恢復運動能力后，可通過主動模式進行康復后鞏固訓練，可根據病人情況選擇不同的訓練強度。

為了輔助訓練偏癱病人進行有目的，有計劃的上肢訓練，特研發此項目；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練，助力訓練到主動訓練的過程。產品的科學意義是實現了精確設定病人訓練的阻力，并且完全實現了數字化反饋，從而達到輔助醫生制定科學的訓練計劃。

項目研究的難點主要是如何實現負載和動力的連接，由于要保證相互連接而不干涉，單獨采用了特殊的連接結構。由于實現了上述三個特點，這種組合結構可以應用到任何關于主被動訓練的系統中。

3 研究解決問題的原理

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

2）設備到位后，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）通過機械機構合理連接在一起，當主動訓練時，件3電控阻尼器起作用，件5（離合器）脫開，實現與電機不干涉；當被動訓練時，件5（離合器）吸合，件3停止工作，實現被動運動；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（轉臂），病人將手肘放在件15（肘托），調節件13（調節螺釘）伸縮件12（伸縮臂）達到舒適的長度；通過件11（液晶顯示屏）來設置訓練參數；件11以通過調節件12實現上下調節；在運動過程中，為了保證安全，設備設置了件16（急停開關）來停止電機運轉。

4 結論

該研究項目完成并實現了精確設定病人訓練的阻力，并且完全實現了數字化反饋，從而達到輔助醫生制定科學的訓練計劃。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練，助力訓練到主動訓練的過程。

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

4.1 產品實現了病人的主動訓練、被動訓練和助力訓練；

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

4.2 產品實現了數字化的管理

通過設定負載源的電流，達到預定的訓練阻力，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，負載的數值在訓練過程中不會變化。項目配備了電機的工作采樣采集，方便了解病人被動訓練康復的情況。

4.3 產品實現了主被動互不干擾

通過中間連接機構實現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，發現在人體肢體康復過程中，無法自動根據患者的運動能力進行運動訓練的調節及改變。現在世界范圍內伺服技術不斷完善，如果將伺服技術加入到設備的研發中，設備將具有更好的智能化和適應性。

參考文獻

[1]燕鐵生，梁維松.《現代康復治療學》，2012年11月1日，廣東科技出版社

[2]劉剛，王志強，房建成《永磁無刷直流電機控制技術與應用》2008-04-01機械工業出版社