王洪剛，康存鋒，陳康文，季源隆，浦秋然，張雷雨

（1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124；2.北京工業(yè)大學(xué)智能機(jī)電裝備研究所，北京 100124）

人體的小腿三頭肌由腓腸肌和比目魚(yú)肌構(gòu)成，是使踝關(guān)節(jié)跖屈的主要肌肉，起到屈小腿和上提足跟的作用。在人站立時(shí)，其能固定踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，防止身體前傾，維持人體姿勢(shì)平衡；在人走、跑、跳時(shí)，其對(duì)足跖屈蹬地產(chǎn)生前進(jìn)推動(dòng)力起到重要作用［1］。加強(qiáng)小腿三頭肌的訓(xùn)練對(duì)提高人的運(yùn)動(dòng)機(jī)能有很大的促進(jìn)作用［2］。大量臨床醫(yī)學(xué)研究表明，下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者通過(guò)在早期進(jìn)行手術(shù)和藥物治療、在后期進(jìn)行科學(xué)有效的肢體康復(fù)訓(xùn)練，可以盡早恢復(fù)下肢運(yùn)動(dòng)功能，提高關(guān)節(jié)、肌肉的靈敏度，改善肢體運(yùn)動(dòng)機(jī)能，并減少頻繁的局部痙攣［3-4］。

目前，日本、歐美國(guó)家已對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練儀器進(jìn)行了較深入的研究。他們結(jié)合康復(fù)訓(xùn)練儀器和康復(fù)醫(yī)學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了多種下肢康復(fù)訓(xùn)練儀器，如瑞士的LOKOMAT、德國(guó)的Haptic Walker，其在實(shí)際的康復(fù)訓(xùn)練應(yīng)用中取得了較好的效果。近年來(lái)，我國(guó)的康復(fù)醫(yī)學(xué)工程也得到了重視。任園園等［5］研究了肌內(nèi)效貼對(duì)縱跳動(dòng)力學(xué)特征及小腿肌肉活動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)肌內(nèi)效貼能使部分縱跳動(dòng)力學(xué)特征發(fā)生改變，對(duì)小腿內(nèi)側(cè)腓腸肌的活動(dòng)有促進(jìn)作用。鄭鑫鑫等［6］研究了采用深層肌肉振動(dòng)儀緩解小腿三頭肌運(yùn)動(dòng)性疲勞的即刻效應(yīng)，結(jié)果顯示，深層肌肉振動(dòng)對(duì)緩解小腿三頭肌疲勞有即刻效應(yīng)，且其對(duì)“主觀疲勞”的緩解優(yōu)于主動(dòng)牽伸。

筆者研究了滑塊搖桿機(jī)構(gòu)對(duì)小腿三頭肌康復(fù)的作用。滑塊搖桿機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之一，主要應(yīng)用于儀表、往復(fù)壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和牛頭刨床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)等［7］。滑塊搖桿機(jī)構(gòu)不僅可以應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)，在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域也可以發(fā)揮重要作用。滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器（按摩器件）是球形按摩盤，可以對(duì)小腿肌肉群進(jìn)行按壓，并在滑塊搖桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下沿小腿作線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)小腿肌肉群進(jìn)行康復(fù)和護(hù)理。本文進(jìn)行了滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并進(jìn)行了滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的按摩實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)優(yōu)化機(jī)構(gòu)，使其取得最優(yōu)的康復(fù)效果，以期為滑塊搖桿機(jī)構(gòu)對(duì)小腿三頭肌的康復(fù)和護(hù)理提供理論依據(jù)。

1 滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.1 滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)主要由踏板、滑塊、空間連桿、搖桿、滑桿和按摩盤等組成，如圖1所示。其中：踏板與滑塊固連并與機(jī)架構(gòu)成移動(dòng)副S21，為機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件；空間連桿與踏板鉸接構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副R32，與滑桿構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副R35；滑桿可沿?fù)u桿軸向平移構(gòu)成移動(dòng)副S54，搖桿鉸接在機(jī)架上構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副R41；末端執(zhí)行器為按摩盤，用來(lái)夾緊并按摩小腿肌肉群。該滑塊搖桿機(jī)構(gòu)將原動(dòng)件的移動(dòng)副S21轉(zhuǎn)化為搖桿的圓周運(yùn)動(dòng)；按摩盤通過(guò)螺釘固連在滑桿上，通過(guò)移動(dòng)副S54與轉(zhuǎn)動(dòng)副R41的組合運(yùn)動(dòng)，作半徑可變的圓周運(yùn)動(dòng)，即沿小腿作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；瑝K搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的使用場(chǎng)景如圖2所示。

圖1 滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)Fig.1 Slider rocker rehabilitation mechanism

圖2 滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的使用場(chǎng)景Fig.2 Application scenario of slider rocker rehabilitation mechanism

1.2 滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

建立滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖及坐標(biāo)系，如圖3所示。滑塊為原動(dòng)件，建立機(jī)構(gòu)的矢量方程為：

圖3 滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖及坐標(biāo)系Fig.3 Diagram and coordinate system of slider rocker rehabilitation mechanism

式中：l1為原點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)副R41到滑桿轉(zhuǎn)動(dòng)副R35的矢量表達(dá)；l2為空間連桿的矢量表達(dá)；s為滑塊水平位移的矢量表達(dá)；e為滑塊到原點(diǎn)坐標(biāo)垂直距離的矢量表達(dá)。

根據(jù)式（1），可得機(jī)構(gòu)的位移方程為：

式中：θ1為搖桿與x軸（水平坐標(biāo)軸）的夾角；θ2為空間連桿與x軸（水平坐標(biāo)軸）的夾角。

對(duì)式（2）求導(dǎo)，可得機(jī)構(gòu)的速度方程為：

式中：ω1為搖桿的角速度；ω2為空間連桿的角速度；v為滑塊的水平移動(dòng)速度。

對(duì)式（3）求導(dǎo)，可得機(jī)構(gòu)的加速度方程為：

式中：ε1為搖桿的角加速度；ε2為空間連桿的角加速度；a為滑塊的水平移動(dòng)加速度。

取e=70 mm，l2=384 mm，v可調(diào)，a也可調(diào)（暫定為勻速直線運(yùn)動(dòng)，a=0 mm/s2）。移動(dòng)副S54須適應(yīng)人的不同腿長(zhǎng)，則按照成年人的正常腿長(zhǎng)［8］，取l1=400 mm。

由式（1）至式（4）可知，通過(guò)調(diào)節(jié)v可以獲得搖桿的多種運(yùn)動(dòng)形式。與滑桿相連的按摩盤在移動(dòng)副S54與轉(zhuǎn)動(dòng)副R41組合運(yùn)動(dòng)的作用下，可形成不同的滑塊搖桿機(jī)構(gòu)對(duì)小腿三頭肌的按摩模式，以滿足使用者的不同需求。專業(yè)醫(yī)師、技師可以根據(jù)患者小腿肌肉群的損傷情況確定康復(fù)方案，通過(guò)設(shè)定滑塊的s、v、a來(lái)滿足康復(fù)方案的條件，并遵循循序漸進(jìn)的康復(fù)訓(xùn)練原則來(lái)達(dá)到早日康復(fù)的目的。因此，滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)可以代替人力對(duì)患者進(jìn)行有效的康復(fù)訓(xùn)練，可以大大節(jié)省人力，提高醫(yī)師、技師的工作效率。

傳統(tǒng)的物理康復(fù)治療方法存在效率低下、動(dòng)作控制不準(zhǔn)確、康復(fù)效果評(píng)估困難等問(wèn)題。采用康復(fù)訓(xùn)練儀器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)訓(xùn)練成為新的治療手段［9］。在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，其效率問(wèn)題是必須關(guān)注的［10-12］。提高小腿三頭肌的康復(fù)效率，對(duì)恢復(fù)患者的下肢肌力及步行功能和提高患者的生活質(zhì)量具有重要意義［13-14］。

1.3 滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

為研究滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，須分析機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件的位移、角速度和角加速度以及某些點(diǎn)的軌跡、速度和加速度［15］。利用MATLAB軟件進(jìn)行滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，求解搖桿的角度、角速度和角加速度隨滑塊位移的變化情況，從而間接得到按摩盤的角度、角速度和角加速度隨滑塊位移的變化情況。仿真初始值設(shè)定為：e=70 mm，v=20 mm/s，a=0 mm/s2，l1=400 mm，l2=384 mm。得到搖桿的角度、角速度和角加速度隨滑塊位移的變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)滑塊位移為700～800 mm時(shí)，搖桿的角速度和角加速度有大幅度的突變，這在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中可能會(huì)對(duì)小腿肌肉群造成一定的損傷。故應(yīng)控制滑塊位移，使其變化區(qū)間為200～700 mm，以保證滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的使用安全性。

圖4 搖桿的角度、角速度和角加速度隨滑塊位移的變化曲線Fig.4 Variation curve of angle,angular velocity and angular acceleration of rocker with slider displacement

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 表面肌電信號(hào)的測(cè)量方法

肌電信號(hào)（electromyogram，EMG）是伴隨肌肉活動(dòng)產(chǎn)生的一種生物電信號(hào)［16］。采集到的皮膚表面的肌電信號(hào)稱為表面肌電信號(hào)（surface EMG，SEMG），能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動(dòng)。SEMG的采集具有無(wú)創(chuàng)的優(yōu)點(diǎn)，其在手勢(shì)識(shí)別、智能假肢和康復(fù)機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是評(píng)估電生理的一種常用方法［17-18］。SEMG的識(shí)別通常是提取時(shí)域或頻域的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行模式識(shí)別，或者通過(guò)對(duì)SEMG建立時(shí)間序列模型來(lái)進(jìn)行分類［13］。

SEMG測(cè)量實(shí)驗(yàn)所用的儀器有Myoware肌肉電傳感器（思知瑞科技有限公司生產(chǎn)）、Arduino UNO R3開(kāi)發(fā)板、ECG（electrocardiogram，心電圖）電極貼片和筆記本電腦。采用Myoware肌肉電傳感器檢測(cè)肌肉電勢(shì)來(lái)反映肌肉活動(dòng)；采用亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司（Analog Devices，Inc.，ADI）生產(chǎn)的芯片AD8221對(duì)SEMG進(jìn)行可調(diào)放大，同時(shí)將經(jīng)過(guò)濾波和整流積分的SEMG傳到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog-digital converter，ADC）進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值（即ADC值）大小取決于所測(cè)肌肉的活動(dòng)量；將ADC值傳輸給筆記本電腦，采用Processing軟件處理信號(hào)并動(dòng)態(tài)顯示。

Myoware肌肉電傳感器和ECG電極貼片如圖5所示。

圖5 Myoware肌肉電傳感器和ECG電極貼片F(xiàn)ig.5 Myoware muscle electrical sensor and ECG electrode patch

2.2 小腿三頭肌表面肌電ADC值的測(cè)量

選擇10名男性大學(xué)生志愿者作為受試者。受試者年齡為19～21歲，身高為172.0～177.6 cm，體重為59.6～68.2 kg，體質(zhì)指數(shù)為19.3～22.5，均身體健康，無(wú)肌肉損傷；實(shí)驗(yàn)前2天內(nèi)未進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)。測(cè)量前刮除受測(cè)者小腿三頭肌周圍的體毛，用香皂清除污垢和油脂，并用75%酒精擦拭皮膚，以提高數(shù)據(jù)采集的可靠性［19-21］。小腿三頭肌表面肌電ADC值的測(cè)量如圖6所示。將肌肉電傳感器一端探測(cè)電極貼在小腿三頭肌的肌肉群中央，另一端探測(cè)電極沿著肌肉群延展方向（肌纖維長(zhǎng)軸方向）放置，2個(gè)電極的間距約為3.2 cm，參考電極則貼在膝關(guān)節(jié)側(cè)面無(wú)肌肉處。多次均勻按壓電極貼片，使其緊貼皮膚表面。

圖6 小腿三頭肌表面肌電ADC值的測(cè)量Fig.6 Measurement of surface EMG ADC value of triceps surae

將受試者分別編號(hào)為1，2，…，10。依次測(cè)量并記錄10位受試者未使用滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)時(shí)小腿三頭肌表面肌電ADC值，將其作為初始值。隨后受試者使用滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)，每隔1 s記錄在一個(gè)按摩周期內(nèi)（按摩盤從距腳踝之上約5 cm處出發(fā)至回到該處所需的時(shí)間）的ADC值。其中第1次出現(xiàn)的ADC峰值記為上行峰值，第2出現(xiàn)的ADC峰值記為下行峰值，一個(gè)周期結(jié)束后的ADC值為結(jié)束值。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1號(hào)受試者在一個(gè)按摩周期內(nèi)ADC值的波動(dòng)過(guò)程如圖7所示。由圖可知，ADC值從81逐步增加到第1個(gè)峰值868，并從第2個(gè)峰值873逐步遞減，并未呈跳躍式的變化。說(shuō)明滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)對(duì)小腿三頭肌的康復(fù)性刺激是緩和、有效的。

圖7 1號(hào)受試者在一個(gè)按摩周期內(nèi)ADC值的波動(dòng)過(guò)程Fig.7 Fluctuation process of ADC value of subject 1 in a massage cycle

10名受測(cè)者在一個(gè)按摩周期的始末ADC值和ADC峰值如表1所示。由表可知：在一個(gè)按摩周期的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，ADC值在較低水平（100以下）波動(dòng)，說(shuō)明小腿三頭肌處于放松狀態(tài)，無(wú)明顯肌電活動(dòng)；在整個(gè)按摩周期內(nèi)，ADC值存在上行峰值和下行峰值，在肌肉活躍水平（600以上）波動(dòng)，說(shuō)明肌肉有明顯、強(qiáng)烈的反應(yīng)。通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)顯著性水平為0.05時(shí)，ADC初始值與結(jié)束值之間的顯著性差異以及上行峰值與下行峰值之間的顯著性差異分別為p1=0.037<0.05，p2=0.018<0.05。據(jù)此可以得出，在一個(gè)按摩周期內(nèi)小腿三頭肌的肌電值有顯著變化，滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)對(duì)小腿三頭肌有明顯的刺激作用，對(duì)小腿肌肉有一定的康復(fù)和護(hù)理療效。

表1 受測(cè)者在一個(gè)按摩周期的始末ADC值和ADC峰值Table 1 ADC values of subject at the beginning,end and at the peak of a massage cycle

3 結(jié) 論

本研究建立了滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)的矢量方程，開(kāi)展了滑塊搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和MATLAB仿真，進(jìn)行了其對(duì)小腿三頭肌的按摩實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1）在滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)康復(fù)醫(yī)療的應(yīng)用中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)滑塊的位移精準(zhǔn)地確定按摩盤與水平面的夾角，從而確定按摩盤在小腿上的位置，進(jìn)而可以根據(jù)患者不同的康復(fù)需求提供精準(zhǔn)的康復(fù)動(dòng)作。

2）為保證滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)在使用過(guò)程中的安全性，滑塊的位移變化區(qū)間設(shè)置為200～700 mm。在后期的機(jī)構(gòu)優(yōu)化中，應(yīng)在滑塊距搖桿在機(jī)架上的轉(zhuǎn)動(dòng)副的最小、最大距離處添加限位，并適當(dāng)縮短機(jī)架長(zhǎng)度，以達(dá)到減材和減重的目的。

3）使用滑塊搖桿康復(fù)機(jī)構(gòu)后，小腿三頭肌的SEMG明顯改變，使用前后小腿三頭肌的肌電值有顯著性差異（p1=0.037<0.05），使用過(guò)程中肌電值的峰值有顯著性差異（p2=0.018<0.05），可見(jiàn)該機(jī)構(gòu)對(duì)小腿三頭肌有顯著、有效的康復(fù)性刺激，具有一定的康復(fù)療效。研究結(jié)果可為滑塊搖桿機(jī)構(gòu)在康復(fù)醫(yī)療中的應(yīng)用提供理論參考。