基于油阻的等速肌力康復訓練設備的設計與驗證

張弦

安徽省藥品審評查驗中心，合肥市，230051

0 引言

肌肉訓練依據肌肉收縮的形態分為等長、等張與等速訓練。等速肌力訓練是指運動過程中肌纖維收縮導致肌肉張力增加但運動速度（角速度）恒定不變的訓練方式。等速訓練在各個關節角度都可以發揮最大肌力，在肌力測試和訓練上具有客觀性、安全性和可重復性的特點，在運動科學與康復醫學界已成為最佳肌力康復訓練方式之一。

目前，等速肌力康復訓練設備絕大部分依靠進口，如Cybex、Kin-com、Bio-dex和Lido等。但是，這些設備價格昂貴、操作復雜、技術封鎖、維護維修不方便，無法普及推廣。隨著我國慢病人數不斷增加和人口快速老齡化，對于科學、安全、高效的康復訓練設備需求巨大，急需研制具有自主知識產權和適合普及推廣的肌肉康復訓練設備。

針對上述應用需求，筆者研究一種基于油阻的等速肌力康復訓練設備，并對其準確性進行驗證，為普及開展安全有效肌力康復訓練提供裝備支撐。

1 系統設計

1.1 等速肌力訓練控制原理和實現策略

等速肌力訓練包括三個階段，如圖1所示。第一階段是開始訓練的加速階段；第二階段是保持設定角速度的勻速階段；第三階段是結束訓練的減速階段。加速階段，設備產生的阻力應小于主動肌力，使關節迅速加速至設定的角速度；勻速階段，設備應動態產生與驅動肌力相等的阻力，即運動方向合力為零，維持設定的角速度運動；減速階段，設備產生的阻力與反向抗阻運動肌肉收縮力共同作用，使關節迅速減速直至停止。因此，等速肌力訓練設備的核心是大范圍、迅速改變阻力的可控制制動裝置。

圖1 理想的等速肌力訓練速度曲線Fig.1 Ideal isokinetic muscle training speed curve

根據流體力學，液體流經薄壁小孔時有較大流動阻力，處于紊流狀態，改變小孔尺寸使得通流面積不同，產生的流動阻力也不同。根據這一原理可以通過調整節流口大小得到等速裝置所需要的可控制動力。本系統采用成本較低且制動力精確控制性較好的油阻方式，具體實現方法是：通過控制比例閥實現節流口尺寸調節，從而達到調節油的流動阻力目的，比例閥調節的依據是實時檢測的關節角速度。控制原理，如圖2所示。

圖2 控制原理框圖Fig.2 Block diagram of control principle

1.2 系統實現

1.2.1 整體設計

基于油阻的等速肌力康復訓練系統由硬件系統電路、比例閥、油缸、位移傳感器、力傳感器、平板電腦、電源適配器7個部分組成。硬件系統電路主要采集數據，實現PID算法控制；通信電路主要實現平板電腦和下位機通訊；位移傳感器主要實現位移采集并轉化為關節活動角度；電源適配器主要是將市電轉化成12 V直流電，為整個系統提供電源。平板電腦實現數據展示、訓練模式、速度、基本信息等參數設置。通過比例閥控制油缸輸出阻力，實現輸出阻力數字調節。系統框架，如圖3所示。

圖3 等速肌力康復訓練設備系統框架Fig.3 System block diagram of isokinetic muscle strength rehabilitation training equipment

1.2.2 等速機械裝置設計

基于油阻的等速肌力康復訓練裝置原理，如圖4所示。其人體關節在進行康復訓練時通過杠桿作用在力傳感器上，而力傳感器與油缸是通過螺絲進行固定，即可實現推動油缸中的活塞進行往返運動，此時通過控制模塊調節比例閥使得油流動阻力等于肌肉推力即可實現等速運動，即人體關節實現了等速運動。

圖4 等速裝置原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the principle of constant velocity device

圖4中腔1的壓強為p1，腔2的壓強為p2，腔體的橫截面積為S，作用在拉桿上的力為F，拉桿的速度為V，通道的阻力為R。等速訓練裝置效果，如圖5所示。

圖5 等速訓練裝置效果Fig.5 Effect picture of isokinetic training device

1.2.3 電控部分設計

本設計采用的是單片機為主控芯片，功耗小，性能穩定。其輸出外設是比例閥，實時采集力、位移等數據并根據PID算法實時控制油阻實現等速運動，主要電控部分設計如下：

（1）力傳感器電路：力傳感器輸出的差分信號首先經過AD623進行儀表放大，降低失調電壓，調整零點，之后經過低通濾波器再進入OP196進行緩沖，最后進入MCU進行采集。力傳感器硬件電路，如圖6所示。

圖6 力傳感器硬件電路Fig.6 Force sensor hardware circuit

（2）位移傳感器電路：位移信號首先經過低通濾波去除噪音，再經過軌到軌低電壓運算放大器進行穩壓之后，輸出至高精度A/D進行采集，然后將采集的數據發送到MCU。位移傳感器硬件電路，如圖7所示。

圖7 位移傳感器硬件電路Fig.7 Displacement sensor hardware circuit

（3）DAC電路：經過MCU輸出PWM信號，首先經過信號調理模塊進行電壓跟隨，將前級與后級隔離開，將信號輸出到TIP41，驅動比例閥進行動作。比例閥硬件電路，如圖8所示。

圖8 比例閥硬件電路Fig.8 Proportional valve hardware circuit

（4）軟件部分設計：上電之后，系統將各個模塊初始化，等待上位機發送指令，先設置速度，然后根據信號采集結果判斷肌肉輸出力量并控制油流動阻力，同時實時上傳數據，程序流程如圖9所示。

圖9 軟件程序流程Fig.9 Software program flow chart

2 樣機測試

2.1 儀器主要功能參數

自研儀器與進口同類型產品的主要技術參數對比見表1，儀器基本功能和參數與進口品牌相當。

表1 主要技術參數Tab.1 Main technical parameters

2.2 峰力矩有效性對比驗證

峰力矩（peak torque，PT）是在整個關節活動中肌肉收縮產生的最大力矩輸出，單位為牛頓-米(N.m)。PT值與運動速度有關，隨運動速度增加，PT值減小。PT值具有較高的準確性和可重復性，被視為等速肌肉測試中核心技術指標。本對比試驗選取10名受試者，其中男5名，女5名，受試者無運動損傷，且膝關節運動功能正常，受試者前一天未進行大強度訓練，表2為受試者具體信息。

表2 受試者基本信息Tab.2 Subject information

本試驗采用自身對照試驗，以瑞士ConTrex MJ設備作為對照設備，設定兩者訓練速度為60o/s，受試者首先在自研試驗設備上訓練測試，3～5 d之后再在對照設備上進行對比訓練測試，避免受試者肌肉疲勞的影響，保證試驗數據的準確性。試驗結果如表3和表4所示。

表3 試驗組和對照組平均峰力矩(N.m)Tab.3 The average peak torque of the experimrntal group and the control group

表4 試驗組和對照組峰力矩相關性Tab.4 Correlation of peak torque between experimental goup and control grou

由表3和表4可知在對比訓練過程中，自研儀器與進口儀器峰力矩相關性r=0.89～0.92（P＜0.05），與參照進口儀器測試均值最大誤差不超過5%；自研設備已達到進口設備的精度。并且自研儀器采用油缸動力，舒適度更高，成本更低。

3 討論與結論

基于油缸式阻力源，通過PID控制研制了一種等速下肢力量訓練設備，樣機測試結果表明：①通過電子比例閥調節油缸阻力，可以保證系統在訓練過程中的峰力矩測量誤差小于5%，完全滿足肌肉康復訓練的性能要求；②系統結構組成簡單，相對于傳統的電機阻力機構，大幅度提升了系統的可靠性和降低設備成本，有利于設備的普及應用；③系統采用平板電腦作為人機交互平臺，一方面簡化了信號控制系統，同時也方便進一步升級用戶管理、智能化處方生成、訓練趣味游戲和網絡互聯，具有較強的擴展性。因此，筆者設計的油缸式等速肌力康復訓練設備結構簡單、制造成本低、等速效果好，在科學訓練和康復醫學領域具有廣闊的應用前景。