陳立春 婁亞濤

摘 要：市場(chǎng)上常見的上肢肌力訓(xùn)練器械主要具有的功能是被動(dòng)訓(xùn)時(shí)能提供負(fù)載，而且大部分是采用的人工加載負(fù)載，操作及設(shè)置不方便，在此基礎(chǔ)上，上肢肌力主被動(dòng)訓(xùn)練儀主要能夠提供主動(dòng)訓(xùn)練及被動(dòng)訓(xùn)練，并且采用電控技術(shù)控制電機(jī)及阻尼，同時(shí)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(dòng)；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(jì)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(dòng)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(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)等諸多領(lǐng)域，把先進(jìn)的智能機(jī)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(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

研究目的是為了縮短國(guó)內(nèi)醫(yī)療器械行業(yè)與國(guó)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(jìn)行有目的、有計(jì)劃的上肢訓(xùn)練；保證病人能從無(wú)運(yùn)動(dòng)能力到有一定的運(yùn)動(dòng)能力的訓(xùn)練過程。

1.2 研究對(duì)象簡(jiǎn)介

上肢肌力主被動(dòng)訓(xùn)練儀是一種適合于運(yùn)動(dòng)障礙患者的訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，智能輔助運(yùn)動(dòng)障礙患者進(jìn)行有針對(duì)性的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，達(dá)到促進(jìn)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(xiàng)目在研發(fā)過程中，項(xiàng)目組對(duì)速度配比進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，主要是為了滿足病人初期運(yùn)動(dòng)困難時(shí)，訓(xùn)練更舒適；項(xiàng)目組對(duì)設(shè)備負(fù)載產(chǎn)生源進(jìn)行了更換；使項(xiàng)目負(fù)載可靠、可控、更精確，方便病人按需求進(jìn)行訓(xùn)練。DAC調(diào)速設(shè)計(jì)技術(shù)； 2）阻尼設(shè)計(jì)技術(shù)；3）智能電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力技術(shù)；4）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。5）觸摸屏可視化控制顯示設(shè)計(jì)。

2 國(guó)內(nèi)外同類研究對(duì)比分析

2.1 歷史和現(xiàn)狀

我國(guó)為適應(yīng)21世紀(jì)社會(huì)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(duì)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(guó)護(hù)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(duì)護(hù)理理念產(chǎn)生了深刻影響，隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)的進(jìn)步和高新技術(shù)在診療工作中的運(yùn)用，臨床護(hù)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?？祻?fù)醫(yī)療工作要貼近病人、貼近臨床、貼近社會(huì)、提高質(zhì)量、體現(xiàn)人文關(guān)懷。

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

2.2 本研究與國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的不同

研究的是一種上肢肋力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練康復(fù)類醫(yī)療器械，本儀器有主動(dòng)，被動(dòng)，助力三種工作模式。被動(dòng)模式是針對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)障礙嚴(yán)重的病人，患者本身基本喪失自主運(yùn)動(dòng)能力，此時(shí)器械會(huì)帶動(dòng)病人上肢作曲伸運(yùn)動(dòng)，幫助病人上肢肌肉作運(yùn)動(dòng)，使病人慢慢有一定的運(yùn)動(dòng)能力。當(dāng)病人有一定的自主運(yùn)動(dòng)能力時(shí)可選擇助力模式，此模式要求病人自己作上肢曲伸運(yùn)動(dòng)，當(dāng)病人自主運(yùn)動(dòng)有團(tuán)難時(shí)，儀器起動(dòng)助力幫助病人運(yùn)動(dòng)，隨著病人上肢病情的好轉(zhuǎn)，可以加大運(yùn)動(dòng)助力，增加運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，幫助病人循序漸進(jìn)的康復(fù)。當(dāng)病人已基本恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力后，可通過主動(dòng)模式進(jìn)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(qiáng)度。

為了輔助訓(xùn)練偏癱病人進(jìn)行有目的，有計(jì)劃的上肢訓(xùn)練，特研發(fā)此項(xiàng)目；項(xiàng)目主要針對(duì)病人的上肢肌肉進(jìn)行；項(xiàng)目適用病人從0級(jí)肌力到5級(jí)肌力范圍，達(dá)到了病人從被動(dòng)訓(xùn)練，助力訓(xùn)練到主動(dòng)訓(xùn)練的過程。產(chǎn)品的科學(xué)意義是實(shí)現(xiàn)了精確設(shè)定病人訓(xùn)練的阻力，并且完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化反饋，從而達(dá)到輔助醫(yī)生制定科學(xué)的訓(xùn)練計(jì)劃。

項(xiàng)目研究的難點(diǎn)主要是如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載和動(dòng)力的連接，由于要保證相互連接而不干涉，單獨(dú)采用了特殊的連接結(jié)構(gòu)。由于實(shí)現(xiàn)了上述三個(gè)特點(diǎn)，這種組合結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到任何關(guān)于主被動(dòng)訓(xùn)練的系統(tǒng)中。

3 研究解決問題的原理

1）本項(xiàng)目主要是通過合理的設(shè)計(jì)手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)先進(jìn)的阻尼原件與動(dòng)力原件通過合適的組合連接，實(shí)現(xiàn)了病人主動(dòng)訓(xùn)練時(shí)的阻尼的準(zhǔn)確提供，病人被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)的電機(jī)動(dòng)力穩(wěn)定提供，同時(shí)讓主動(dòng)、助力、被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)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(jī)架）上安裝有動(dòng)力裝置；動(dòng)力裝置包括件3（電控阻尼器）、件5（離合器）、件6（無(wú)刷電機(jī)）通過機(jī)械機(jī)構(gòu)合理連接在一起，當(dāng)主動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，件3電控阻尼器起作用，件5（離合器）脫開，實(shí)現(xiàn)與電機(jī)不干涉；當(dāng)被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，件5（離合器）吸合，件3停止工作，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)；通過件4（多楔帶）傳動(dòng)連接上部件7（運(yùn)動(dòng)軸），件9（角度傳動(dòng)器）用來跟隨檢測(cè)角度變化；件8（軸承座）支撐件7運(yùn)動(dòng)軸；件7帶動(dòng)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(dá)到舒適的長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)；在運(yùn)動(dòng)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

該研究項(xiàng)目完成并實(shí)現(xiàn)了精確設(shè)定病人訓(xùn)練的阻力，并且完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化反饋，從而達(dá)到輔助醫(yī)生制定科學(xué)的訓(xùn)練計(jì)劃。項(xiàng)目主要針對(duì)病人的上肢肌肉進(jìn)行；適用病人從0級(jí)肌力到5級(jí)肌力范圍，達(dá)到了病人從被動(dòng)訓(xùn)練，助力訓(xùn)練到主動(dòng)訓(xùn)練的過程。

1）前臂支架調(diào)節(jié)范圍：260mm～420mm；2）被動(dòng)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(jí)可調(diào)節(jié)；3）主動(dòng)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(dòng)恢復(fù)原位；2）主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的阻力力矩設(shè)定分為1～16級(jí)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(dá)到指定角度，設(shè)備以設(shè)定的運(yùn)動(dòng)檔位帶動(dòng)患者到設(shè)定角度；項(xiàng)目中的難點(diǎn)主要是如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載和動(dòng)力的連接，由于要保證相互連接而不干涉，單獨(dú)采用了特殊的連接結(jié)構(gòu)。由于實(shí)現(xiàn)了下述三個(gè)特點(diǎn)，這種組合結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到任何關(guān)于主被動(dòng)訓(xùn)練的系統(tǒng)中。

4.1 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了病人的主動(dòng)訓(xùn)練、被動(dòng)訓(xùn)練和助力訓(xùn)練；

主動(dòng)訓(xùn)練主要是通過設(shè)定阻力，從而實(shí)現(xiàn)病人負(fù)力的訓(xùn)練；被動(dòng)訓(xùn)練主要采用電機(jī)通過一定的傳動(dòng)比帶動(dòng)病人進(jìn)行；助力訓(xùn)練是當(dāng)病人主動(dòng)訓(xùn)練無(wú)法達(dá)到訓(xùn)練目的時(shí)，增加電機(jī)動(dòng)力輔助病人實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練的目的。

4.2 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的管理

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

4.3 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了主被動(dòng)互不干擾

通過中間連接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了負(fù)載源和動(dòng)力源的有效連接。在需要負(fù)載時(shí)只提供運(yùn)動(dòng)負(fù)載，在需要?jiǎng)恿r(shí)，能準(zhǔn)確提供動(dòng)力。

研究的不足：通過該項(xiàng)目的實(shí)施及研究過程，發(fā)現(xiàn)在人體肢體康復(fù)過程中，無(wú)法自動(dòng)根據(jù)患者的運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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。

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