唐耕 ，陳子晗 ，李玉榕 1 福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州市， 350108 福建省醫(yī)療器械和醫(yī)藥技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州市， 350108

0 引言

各種肌肉骨骼系統(tǒng)病損以及周圍神經(jīng)病損常導(dǎo)致患者的肌力減弱、肌肉功能障礙等，影響肢體運(yùn)動(dòng)功能。肌力訓(xùn)練就是運(yùn)用各種訓(xùn)練模式逐步增強(qiáng)肌肉力量和肌肉耐力，改善肢體運(yùn)動(dòng)功能，同時(shí)肌力訓(xùn)練具有預(yù)防各種骨關(guān)節(jié)疾病及術(shù)后患者的肌肉萎縮，促進(jìn)肌肉功能恢復(fù)的作用。臨床肌力訓(xùn)練比較多的用于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傷病治療、康復(fù)治療的早期和中期，使受損肌肉更早恢復(fù)。在膝關(guān)節(jié)手術(shù)后加大患側(cè)股四頭肌肌力訓(xùn)練，可以糾正膝關(guān)節(jié)周圍股四頭肌和腘繩肌兩組肌肉肌力的不平衡，并將肌力不平衡的程度降到最低，利于膝關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)[1]。腰背軀干肌的肌力大小同慢性下腰痛有直接關(guān)系，通過標(biāo)準(zhǔn)的軀干腰背肌的肌力訓(xùn)練，可以提高軀干肌腰背肌的肌力，緩解下腰痛的癥狀[2]。

肘關(guān)節(jié)作為參與人體上肢運(yùn)動(dòng)的重要關(guān)節(jié)，其運(yùn)動(dòng)功能的保障與人們?nèi)粘Ｉ罨顒?dòng)能力密切相關(guān)[3]。通過醫(yī)學(xué)理論的研究和臨床醫(yī)學(xué)的實(shí)踐證明，肘關(guān)節(jié)受損患者除了早期的手術(shù)和必要的藥物治療外，正確合理的康復(fù)訓(xùn)練能夠有效恢復(fù)和提高肢體運(yùn)動(dòng)功能。盡早對(duì)患者采取康復(fù)訓(xùn)練能夠在維持患肢關(guān)節(jié)活動(dòng)度、防止關(guān)節(jié)攣縮等方面起到作用，明顯提高患者最終運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)效果[4]。

肌力訓(xùn)練有等長(zhǎng)、等張、被動(dòng)與等速四種訓(xùn)練模式。等長(zhǎng)訓(xùn)練是指訓(xùn)練中肢體固定于一定角度，肌肉收縮時(shí)肌纖維長(zhǎng)度不變，但肌張力增加，此時(shí)并不產(chǎn)生關(guān)節(jié)活動(dòng)；等張訓(xùn)練是指訓(xùn)練中阻力恒定，肌肉收縮使肌纖維長(zhǎng)度改變，產(chǎn)生明顯的關(guān)節(jié)活動(dòng)；被動(dòng)訓(xùn)練是指訓(xùn)練中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度一旦預(yù)先設(shè)定，肢體的運(yùn)動(dòng)始終在某一預(yù)定的速度下進(jìn)行；等速訓(xùn)練是指訓(xùn)練中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度一旦預(yù)先設(shè)定，無論訓(xùn)練者肌肉收縮產(chǎn)生多大的張力，肢體的運(yùn)動(dòng)始終在某一預(yù)定的速度下進(jìn)行，肌肉張力大小的變化并不能使肢體產(chǎn)生加速或減速[5]。

目前我國(guó)肌力訓(xùn)練設(shè)備都依賴進(jìn)口，如Cybex、Kin-con、Biodex、IsoMed等，高昂的價(jià)格和維護(hù)費(fèi)用使得只有少數(shù)城市的中心醫(yī)院配備，且單次使用成本居高不下。因此，研制開發(fā)成本低、適合家庭應(yīng)用的多模式肘關(guān)節(jié)肌力訓(xùn)練裝置不僅具有重要的社會(huì)意義，也具有廣泛的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益[6]。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多模式肘關(guān)節(jié)肌力訓(xùn)練裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多模式肘關(guān)節(jié)肌力訓(xùn)練裝置基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of multi-mode elbow joint muscle strength training device

本裝置組成包括計(jì)算機(jī)、控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、諧波減速器、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、軸承、承托支架、溫度傳感器、角度傳感器。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器、溫度傳感器安裝在控制柜內(nèi)。扭矩傳感器分為底座和轉(zhuǎn)軸，底座通過諧波減速器與伺服電機(jī)連接，承托支架通過聯(lián)軸器和軸承與轉(zhuǎn)軸固定連接，肘關(guān)節(jié)通過承托支架帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，扭矩傳感器通過轉(zhuǎn)軸和底座之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來測(cè)量肘關(guān)節(jié)力矩。諧波減速器體積小，減速比大，用于放大伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。溫度傳感器用于檢測(cè)控制柜內(nèi)溫度，保護(hù)裝置。角度傳感器安裝于扭矩傳感器上方，利用磁性編碼器原理檢測(cè)承托支架角度。

系統(tǒng)控制器選用myRIO-1900，該控制器是一種用來設(shè)計(jì)控制、機(jī)器人和機(jī)電一體化系統(tǒng)的便攜式可重配置I/O的嵌入式設(shè)備，使用LabView編程，能提供數(shù)字、模擬輸入和輸出以及音頻和電源輸出，并且能通過USB連接到主機(jī)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用ESCON 50/5，該伺服驅(qū)動(dòng)器是脈寬調(diào)制控制器。首先通過全橋整流電路進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電，再經(jīng)過PWM逆變器變頻來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。

諧波減速器選用Harmonic，CSF-17-100-2UHLW，該諧波減速器是靠波傳動(dòng)發(fā)生器裝配上柔性軸承使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的齒輪，用于放大伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩[7]。

扭矩傳感器選用TQ-664F1，該扭矩傳感器采用應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)，在彈性軸上組成應(yīng)變橋，向應(yīng)變橋提供電源即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)，將該應(yīng)變信號(hào)放大后，經(jīng)過壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與扭應(yīng)變成正比的電壓信號(hào)[8]。

溫度傳感器選用LM35D，該溫度傳感器輸出電壓與攝氏溫度成比例，靈敏度10 mV/oC，工作溫度為0～100oC，精度±1oC。

角度傳感器選用AS5048A，該角度傳感器通過磁電阻效應(yīng)將變化著的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，在外加電勢(shì)的作用下，變化的電阻值轉(zhuǎn)化成電壓的變化，經(jīng)過后續(xù)信號(hào)處理電路的處理，模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量功能[9]。

多模式肘關(guān)節(jié)肌力訓(xùn)練裝置信號(hào)連接關(guān)系，如圖2所示。

圖2 多模式肘關(guān)節(jié)肌力訓(xùn)練裝置信號(hào)連接關(guān)系Fig.2 Signal connection of multi-mode elbow joint muscle strength training device

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 命令參數(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)多模式肘關(guān)節(jié)肌力訓(xùn)練裝置時(shí)，需要設(shè)置幫助、啟停參數(shù)、運(yùn)動(dòng)模式、電機(jī)方向和訓(xùn)練速度等命令參數(shù)來控制裝置的運(yùn)行，命令參數(shù)以（幀頭-命令類型-參數(shù)數(shù)值-幀尾）的字符串形式發(fā)送，幀頭和幀尾分別為5aa5和3cc3。還需要對(duì)命令的長(zhǎng)度和幀頭以及幀尾的完整進(jìn)行綜合判斷來確定命令的真?zhèn)危缓髮⒆址械拿铑愋秃兔顓?shù)分別讀取并存儲(chǔ)。

2.2 上傳參數(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)信號(hào)采集模塊時(shí)，扭矩信號(hào)和角度信號(hào)不可或缺。另外，為了延長(zhǎng)硬件使用年限即肌力訓(xùn)練裝置的使用壽命，對(duì)硬件運(yùn)行時(shí)的監(jiān)控溫度也十分注重。因?yàn)榕ぞ?、溫度和角度都是從傳感器中獲取并最終上傳，于是將其統(tǒng)稱為上傳參數(shù)，上傳參數(shù)是以（上傳數(shù)據(jù)類型 上傳參數(shù)）的字符串格式發(fā)送。

（1）溫度信號(hào)采集模塊

從串口讀取溫度傳感器的輸出電壓信號(hào)，由于輸出電壓與攝氏溫度呈線性比例關(guān)系，對(duì)電壓信號(hào)乘以100即可獲得攝氏溫度。

（2）角度信號(hào)采集模塊

關(guān)閉角速度傳感器的片選信號(hào)Csn，由于Csn變低電平信號(hào)，SPI被激活，程序讀取角度傳感器輸出信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為角度值：

角度傳感器測(cè)量精度為13位，測(cè)量范圍為-180o～180o，XA是角速度傳感器輸出的13位數(shù)字量，A是為了儀器校零而添加的補(bǔ)償常量角，通過多次試驗(yàn)測(cè)試，設(shè)置為-174.4o，利用中值濾波器使角度值平穩(wěn)輸出，最后開啟片選信號(hào)Csn，由于Csn變高電平，程序停止讀取角度傳感器輸出信號(hào)。

（3）扭矩信號(hào)采集模塊

從串口讀取扭矩傳感器的輸出電壓信號(hào)UT，并對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，電壓信號(hào)通過設(shè)計(jì)的采樣頻率為100 Hz、低通截止頻率為20 Hz的5階Butterworth濾波器來使扭矩傳感器輸出電壓信號(hào)平穩(wěn)，然后通過電壓范圍0～10 V和扭矩測(cè)量范圍0～±50 N.m將濾波后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為扭矩值以及因?yàn)榕ぞ氐恼?fù)性，將扭矩值減50 N.m來確定扭矩的零點(diǎn)，另外還需要零漂移補(bǔ)償扭矩值B來補(bǔ)償轉(zhuǎn)換后的扭矩值來使得扭矩傳感器的扭矩校準(zhǔn)為零（TQ-664F扭矩傳感器的零漂補(bǔ)償扭矩值B為0.5%）。

3 伺服控制系統(tǒng)及控制算法

伺服電機(jī)具有位置伺服、速度伺服、轉(zhuǎn)矩伺服三種控制方式，本肌力訓(xùn)練裝置采用速度伺服控制方式。速度伺服控制系統(tǒng)如圖3所示。通過閉環(huán)控制，保證電機(jī)轉(zhuǎn)速不變。負(fù)載增大時(shí)，電機(jī)輸出力矩增大；負(fù)載減小時(shí)，電機(jī)輸出力矩減小[10]。

圖3 速度伺服控制系統(tǒng)Fig.3 Speed servo control system

被動(dòng)訓(xùn)練模式下，肌力訓(xùn)練裝置通過承托支架帶動(dòng)訓(xùn)練者肘關(guān)節(jié)以恒定速度在指定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

等速訓(xùn)練模式下，肌力訓(xùn)練裝置提供的阻力矩是一種自適應(yīng)性力矩，始終與訓(xùn)練者肌肉收縮產(chǎn)生的肘關(guān)節(jié)主動(dòng)力矩相等，維持訓(xùn)練速度不變。

等長(zhǎng)訓(xùn)練模式下，肌力訓(xùn)練裝置使承托支架固定在訓(xùn)練者指定位置。

等張訓(xùn)練模式下，訓(xùn)練者訓(xùn)練前設(shè)置阻力矩大小，開始訓(xùn)練時(shí)，肌力訓(xùn)練裝置輸出所設(shè)置的恒定阻力矩，由訓(xùn)練者肘關(guān)節(jié)帶動(dòng)承托支架運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過程包括加速運(yùn)動(dòng)和減速運(yùn)動(dòng)兩個(gè)階段：

（1）加速運(yùn)動(dòng)：由訓(xùn)練者主動(dòng)驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過設(shè)定阻力級(jí)別實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)帶動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的難度調(diào)整。

（2）減速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)肘關(guān)節(jié)與裝置交互力突然降低，即人手離開設(shè)備時(shí)，裝置應(yīng)穩(wěn)定較快地減速至停止。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

多模式肘關(guān)節(jié)肌力訓(xùn)練裝置實(shí)物，如圖4所示。

圖4 多模式肘關(guān)節(jié)肌力訓(xùn)練裝置實(shí)物Fig.4 Actual item of multi-mode elbow joint muscle training device

多模式肘關(guān)節(jié)肌力訓(xùn)練裝置主控界面如圖5所示。

在主控界面上點(diǎn)擊開始按鈕進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，點(diǎn)擊停止按鈕結(jié)束康復(fù)訓(xùn)練；可以選擇被動(dòng)、等速、等張、等長(zhǎng)等四種康復(fù)訓(xùn)練模式；可以設(shè)置承托支架轉(zhuǎn)動(dòng)角度（-120o～ 120o）、阻力級(jí)別、訓(xùn)練速度；可以顯示實(shí)時(shí)角度—時(shí)間、速度—時(shí)間、扭矩—時(shí)間曲線和控制柜內(nèi)溫度。

圖5 多模式肘關(guān)節(jié)肌力訓(xùn)練裝置主控界面Fig.5 Control interface of multi-mode elbow joint muscle training device

4.1 被動(dòng)訓(xùn)練模式測(cè)試

設(shè)置承托支架轉(zhuǎn)動(dòng)角度為-120o～ 120o，分別在設(shè)定訓(xùn)練速度為4o/s、12o/s、20o/s、28o/s的條件下測(cè)試，承托支架速度波動(dòng)率分別為6.7%，4.8%，4.6%和3.8%；在常用設(shè)定速度范圍（0～30）o/s內(nèi)，速度波動(dòng)在7%以內(nèi)，符合被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練裝置要求。

4.2 等速訓(xùn)練模式測(cè)試

設(shè)置承托支架轉(zhuǎn)動(dòng)角度為-120o～ 120o，分別在設(shè)定訓(xùn)練速度為4o/s、12o/s、20o/s、28o/s的條件下測(cè)試，承托支架速度波動(dòng)率分別為7%，6.3%，5.8%和5%；在常用設(shè)定速度范圍（0～30）o/s內(nèi)，速度波動(dòng)率不超過7%，符合等速康復(fù)訓(xùn)練裝置要求。

4.3 等張訓(xùn)練模式測(cè)試

設(shè)置阻力級(jí)別為4 N.m、6 N.m、8 N.m、10 N.m的條件下進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)訓(xùn)練者肘關(guān)節(jié)作用力大于設(shè)定阻力級(jí)別時(shí)，訓(xùn)練者肘關(guān)節(jié)帶動(dòng)承托支架加速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)訓(xùn)練者肘關(guān)節(jié)作用力小于設(shè)定阻力級(jí)別時(shí)，訓(xùn)練者肘關(guān)節(jié)帶動(dòng)承托支架減速運(yùn)動(dòng)，符合等張康復(fù)訓(xùn)練裝置要求。

4.4 等長(zhǎng)訓(xùn)練模式測(cè)試

設(shè)置訓(xùn)練角度設(shè)定值為20o、40o、60o、80o的條件下進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)承托支架到達(dá)訓(xùn)練角度設(shè)定值后，保持靜止，可以實(shí)時(shí)顯示訓(xùn)練者肘關(guān)節(jié)力矩值，符合等長(zhǎng)康復(fù)訓(xùn)練裝置要求。

5 結(jié)論

通過LabView為上位機(jī)界面控制伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)具有被動(dòng)、等速、等長(zhǎng)與等張四種訓(xùn)練模式的康復(fù)訓(xùn)練裝置，主要參數(shù)滿足要求，訓(xùn)練者體驗(yàn)良好。下一步主要對(duì)裝置啟動(dòng)摩擦力較大等機(jī)械方面的問題進(jìn)行研究和改善。