張弦

安徽省藥品審評查驗中心，合肥市，230051

0 引言

肌肉訓(xùn)練依據(jù)肌肉收縮的形態(tài)分為等長、等張與等速訓(xùn)練。等速肌力訓(xùn)練是指運(yùn)動過程中肌纖維收縮導(dǎo)致肌肉張力增加但運(yùn)動速度（角速度）恒定不變的訓(xùn)練方式。等速訓(xùn)練在各個關(guān)節(jié)角度都可以發(fā)揮最大肌力，在肌力測試和訓(xùn)練上具有客觀性、安全性和可重復(fù)性的特點，在運(yùn)動科學(xué)與康復(fù)醫(yī)學(xué)界已成為最佳肌力康復(fù)訓(xùn)練方式之一。

目前，等速肌力康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備絕大部分依靠進(jìn)口，如Cybex、Kin-com、Bio-dex和Lido等。但是，這些設(shè)備價格昂貴、操作復(fù)雜、技術(shù)封鎖、維護(hù)維修不方便，無法普及推廣。隨著我國慢病人數(shù)不斷增加和人口快速老齡化，對于科學(xué)、安全、高效的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備需求巨大，急需研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)和適合普及推廣的肌肉康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備。

針對上述應(yīng)用需求，筆者研究一種基于油阻的等速肌力康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，并對其準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證，為普及開展安全有效肌力康復(fù)訓(xùn)練提供裝備支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 等速肌力訓(xùn)練控制原理和實現(xiàn)策略

等速肌力訓(xùn)練包括三個階段，如圖1所示。第一階段是開始訓(xùn)練的加速階段；第二階段是保持設(shè)定角速度的勻速階段；第三階段是結(jié)束訓(xùn)練的減速階段。加速階段，設(shè)備產(chǎn)生的阻力應(yīng)小于主動肌力，使關(guān)節(jié)迅速加速至設(shè)定的角速度；勻速階段，設(shè)備應(yīng)動態(tài)產(chǎn)生與驅(qū)動肌力相等的阻力，即運(yùn)動方向合力為零，維持設(shè)定的角速度運(yùn)動；減速階段，設(shè)備產(chǎn)生的阻力與反向抗阻運(yùn)動肌肉收縮力共同作用，使關(guān)節(jié)迅速減速直至停止。因此，等速肌力訓(xùn)練設(shè)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(xùn)練速度曲線Fig.1 Ideal isokinetic muscle training speed curve

根據(jù)流體力學(xué)，液體流經(jīng)薄壁小孔時有較大流動阻力，處于紊流狀態(tài)，改變小孔尺寸使得通流面積不同，產(chǎn)生的流動阻力也不同。根據(jù)這一原理可以通過調(diào)整節(jié)流口大小得到等速裝置所需要的可控制動力。本系統(tǒng)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(xiàn)方法是：通過控制比例閥實現(xiàn)節(jié)流口尺寸調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)油的流動阻力目的，比例閥調(diào)節(jié)的依據(jù)是實時檢測的關(guān)節(jié)角速度?？刂圃恚鐖D2所示。

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

1.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

1.2.1 整體設(shè)計

基于油阻的等速肌力康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)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(tǒng)電路主要采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)PID算法控制；通信電路主要實現(xiàn)平板電腦和下位機(jī)通訊；位移傳感器主要實現(xiàn)位移采集并轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)活動角度；電源適配器主要是將市電轉(zhuǎn)化成12 V直流電，為整個系統(tǒng)提供電源。平板電腦實現(xiàn)數(shù)據(jù)展示、訓(xùn)練模式、速度、基本信息等參數(shù)設(shè)置。通過比例閥控制油缸輸出阻力，實現(xiàn)輸出阻力數(shù)字調(diào)節(jié)。系統(tǒng)框架，如圖3所示。

圖3 等速肌力康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備系統(tǒng)框架Fig.3 System block diagram of isokinetic muscle strength rehabilitation training equipment

1.2.2 等速機(jī)械裝置設(shè)計

基于油阻的等速肌力康復(fù)訓(xùn)練裝置原理，如圖4所示。其人體關(guān)節(jié)在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)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(jìn)行固定，即可實現(xiàn)推動油缸中的活塞進(jìn)行往返運(yùn)動，此時通過控制模塊調(diào)節(jié)比例閥使得油流動阻力等于肌肉推力即可實現(xiàn)等速運(yùn)動，即人體關(guān)節(jié)實現(xiàn)了等速運(yùn)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(qiáng)為p1，腔2的壓強(qiáng)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(xùn)練裝置效果，如圖5所示。

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

1.2.3 電控部分設(shè)計

本設(shè)計采用的是單片機(jī)為主控芯片，功耗小，性能穩(wěn)定。其輸出外設(shè)是比例閥，實時采集力、位移等數(shù)據(jù)并根據(jù)PID算法實時控制油阻實現(xiàn)等速運(yùn)動，主要電控部分設(shè)計如下：

（1）力傳感器電路：力傳感器輸出的差分信號首先經(jīng)過AD623進(jìn)行儀表放大，降低失調(diào)電壓，調(diào)整零點，之后經(jīng)過低通濾波器再進(jìn)入OP196進(jìn)行緩沖，最后進(jìn)入MCU進(jìn)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(jīng)過低通濾波去除噪音，再經(jīng)過軌到軌低電壓運(yùn)算放大器進(jìn)行穩(wěn)壓之后，輸出至高精度A/D進(jìn)行采集，然后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)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(jīng)過MCU輸出PWM信號，首先經(jīng)過信號調(diào)理模塊進(jìn)行電壓跟隨，將前級與后級隔離開，將信號輸出到TIP41，驅(qū)動比例閥進(jìn)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(shè)計：上電之后，系統(tǒng)將各個模塊初始化，等待上位機(jī)發(fā)送指令，先設(shè)置速度，然后根據(jù)信號采集結(jié)果判斷肌肉輸出力量并控制油流動阻力，同時實時上傳數(shù)據(jù)，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(jī)測試

2.1 儀器主要功能參數(shù)

自研儀器與進(jìn)口同類型產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)對比見表1，儀器基本功能和參數(shù)與進(jìn)口品牌相當(dāng)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)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(guān)節(jié)活動中肌肉收縮產(chǎn)生的最大力矩輸出，單位為牛頓-米(N.m)。PT值與運(yùn)動速度有關(guān)，隨運(yùn)動速度增加，PT值減小。PT值具有較高的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，被視為等速肌肉測試中核心技術(shù)指標(biāo)。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(yùn)動損傷，且膝關(guān)節(jié)運(yùn)動功能正常，受試者前一天未進(jìn)行大強(qiáng)度訓(xùn)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(shè)備作為對照設(shè)備，設(shè)定兩者訓(xùn)練速度為60o/s，受試者首先在自研試驗設(shè)備上訓(xùn)練測試，3～5 d之后再在對照設(shè)備上進(jìn)行對比訓(xùn)練測試，避免受試者肌肉疲勞的影響，保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗結(jié)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(guān)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(xùn)練過程中，自研儀器與進(jìn)口儀器峰力矩相關(guān)性r=0.89～0.92（P＜0.05），與參照進(jìn)口儀器測試均值最大誤差不超過5%；自研設(shè)備已達(dá)到進(jìn)口設(shè)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(jié)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(xùn)練設(shè)備，樣機(jī)測試結(jié)果表明：①通過電子比例閥調(diào)節(jié)油缸阻力，可以保證系統(tǒng)在訓(xùn)練過程中的峰力矩測量誤差小于5%，完全滿足肌肉康復(fù)訓(xùn)練的性能要求；②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成簡單，相對于傳統(tǒng)的電機(jī)阻力機(jī)構(gòu)，大幅度提升了系統(tǒng)的可靠性和降低設(shè)備成本，有利于設(shè)備的普及應(yīng)用；③系統(tǒng)采用平板電腦作為人機(jī)交互平臺，一方面簡化了信號控制系統(tǒng)，同時也方便進(jìn)一步升級用戶管理、智能化處方生成、訓(xùn)練趣味游戲和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。因此，筆者設(shè)計的油缸式等速肌力康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、等速效果好，在科學(xué)訓(xùn)練和康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。