基于油阻的等速肌力康复训练设备的设计与验证

张弦

安徽省药品审评查验中心，合肥市，230051

0 引言

肌肉训练依据肌肉收缩的形态分为等长、等张与等速训练。等速肌力训练是指运动过程中肌纤维收缩导致肌肉张力增加但运动速度（角速度）恒定不变的训练方式。等速训练在各个关节角度都可以发挥最大肌力，在肌力测试和训练上具有客观性、安全性和可重复性的特点，在运动科学与康复医学界已成为最佳肌力康复训练方式之一。

目前，等速肌力康复训练设备绝大部分依靠进口，如Cybex、Kin-com、Bio-dex和Lido等。但是，这些设备价格昂贵、操作复杂、技术封锁、维护维修不方便，无法普及推广。随着我国慢病人数不断增加和人口快速老龄化，对于科学、安全、高效的康复训练设备需求巨大，急需研制具有自主知识产权和适合普及推广的肌肉康复训练设备。

针对上述应用需求，笔者研究一种基于油阻的等速肌力康复训练设备，并对其准确性进行验证，为普及开展安全有效肌力康复训练提供装备支撑。

1 系统设计

1.1 等速肌力训练控制原理和实现策略

等速肌力训练包括三个阶段，如图1所示。第一阶段是开始训练的加速阶段；第二阶段是保持设定角速度的匀速阶段；第三阶段是结束训练的减速阶段。加速阶段，设备产生的阻力应小于主动肌力，使关节迅速加速至设定的角速度；匀速阶段，设备应动态产生与驱动肌力相等的阻力，即运动方向合力为零，维持设定的角速度运动；减速阶段，设备产生的阻力与反向抗阻运动肌肉收缩力共同作用，使关节迅速减速直至停止。因此，等速肌力训练设备的核心是大范围、迅速改变阻力的可控制制动装置。

图1 理想的等速肌力训练速度曲线Fig.1 Ideal isokinetic muscle training speed curve

根据流体力学，液体流经薄壁小孔时有较大流动阻力，处于紊流状态，改变小孔尺寸使得通流面积不同，产生的流动阻力也不同。根据这一原理可以通过调整节流口大小得到等速装置所需要的可控制动力。本系统采用成本较低且制动力精确控制性较好的油阻方式，具体实现方法是：通过控制比例阀实现节流口尺寸调节，从而达到调节油的流动阻力目的，比例阀调节的依据是实时检测的关节角速度。控制原理，如图2所示。

图2 控制原理框图Fig.2 Block diagram of control principle

1.2 系统实现

1.2.1 整体设计

基于油阻的等速肌力康复训练系统由硬件系统电路、比例阀、油缸、位移传感器、力传感器、平板电脑、电源适配器7个部分组成。硬件系统电路主要采集数据，实现PID算法控制；通信电路主要实现平板电脑和下位机通讯；位移传感器主要实现位移采集并转化为关节活动角度；电源适配器主要是将市电转化成12 V直流电，为整个系统提供电源。平板电脑实现数据展示、训练模式、速度、基本信息等参数设置。通过比例阀控制油缸输出阻力，实现输出阻力数字调节。系统框架，如图3所示。

图3 等速肌力康复训练设备系统框架Fig.3 System block diagram of isokinetic muscle strength rehabilitation training equipment

1.2.2 等速机械装置设计

基于油阻的等速肌力康复训练装置原理，如图4所示。其人体关节在进行康复训练时通过杠杆作用在力传感器上，而力传感器与油缸是通过螺丝进行固定，即可实现推动油缸中的活塞进行往返运动，此时通过控制模块调节比例阀使得油流动阻力等于肌肉推力即可实现等速运动，即人体关节实现了等速运动。

图4 等速装置原理示意图Fig.4 Schematic diagram of the principle of constant velocity device

图4中腔1的压强为p1，腔2的压强为p2，腔体的横截面积为S，作用在拉杆上的力为F，拉杆的速度为V，通道的阻力为R。等速训练装置效果，如图5所示。

图5 等速训练装置效果Fig.5 Effect picture of isokinetic training device

1.2.3 电控部分设计

本设计采用的是单片机为主控芯片，功耗小，性能稳定。其输出外设是比例阀，实时采集力、位移等数据并根据PID算法实时控制油阻实现等速运动，主要电控部分设计如下：

（1）力传感器电路：力传感器输出的差分信号首先经过AD623进行仪表放大，降低失调电压，调整零点，之后经过低通滤波器再进入OP196进行缓冲，最后进入MCU进行采集。力传感器硬件电路，如图6所示。

图6 力传感器硬件电路Fig.6 Force sensor hardware circuit

（2）位移传感器电路：位移信号首先经过低通滤波去除噪音，再经过轨到轨低电压运算放大器进行稳压之后，输出至高精度A/D进行采集，然后将采集的数据发送到MCU。位移传感器硬件电路，如图7所示。

图7 位移传感器硬件电路Fig.7 Displacement sensor hardware circuit

（3）DAC电路：经过MCU输出PWM信号，首先经过信号调理模块进行电压跟随，将前级与后级隔离开，将信号输出到TIP41，驱动比例阀进行动作。比例阀硬件电路，如图8所示。

图8 比例阀硬件电路Fig.8 Proportional valve hardware circuit

（4）软件部分设计：上电之后，系统将各个模块初始化，等待上位机发送指令，先设置速度，然后根据信号采集结果判断肌肉输出力量并控制油流动阻力，同时实时上传数据，程序流程如图9所示。

图9 软件程序流程Fig.9 Software program flow chart

2 样机测试

2.1 仪器主要功能参数

自研仪器与进口同类型产品的主要技术参数对比见表1，仪器基本功能和参数与进口品牌相当。

表1 主要技术参数Tab.1 Main technical parameters

2.2 峰力矩有效性对比验证

峰力矩（peak torque，PT）是在整个关节活动中肌肉收缩产生的最大力矩输出，单位为牛顿-米(N.m)。PT值与运动速度有关，随运动速度增加，PT值减小。PT值具有较高的准确性和可重复性，被视为等速肌肉测试中核心技术指标。本对比试验选取10名受试者，其中男5名，女5名，受试者无运动损伤，且膝关节运动功能正常，受试者前一天未进行大强度训练，表2为受试者具体信息。

表2 受试者基本信息Tab.2 Subject information

本试验采用自身对照试验，以瑞士ConTrex MJ设备作为对照设备，设定两者训练速度为60o/s，受试者首先在自研试验设备上训练测试，3～5 d之后再在对照设备上进行对比训练测试，避免受试者肌肉疲劳的影响，保证试验数据的准确性。试验结果如表3和表4所示。

表3 试验组和对照组平均峰力矩(N.m)Tab.3 The average peak torque of the experimrntal group and the control group

表4 试验组和对照组峰力矩相关性Tab.4 Correlation of peak torque between experimental goup and control grou

由表3和表4可知在对比训练过程中，自研仪器与进口仪器峰力矩相关性r=0.89～0.92（P＜0.05），与参照进口仪器测试均值最大误差不超过5%；自研设备已达到进口设备的精度。并且自研仪器采用油缸动力，舒适度更高，成本更低。

3 讨论与结论

基于油缸式阻力源，通过PID控制研制了一种等速下肢力量训练设备，样机测试结果表明：①通过电子比例阀调节油缸阻力，可以保证系统在训练过程中的峰力矩测量误差小于5%，完全满足肌肉康复训练的性能要求；②系统结构组成简单，相对于传统的电机阻力机构，大幅度提升了系统的可靠性和降低设备成本，有利于设备的普及应用；③系统采用平板电脑作为人机交互平台，一方面简化了信号控制系统，同时也方便进一步升级用户管理、智能化处方生成、训练趣味游戏和网络互联，具有较强的扩展性。因此，笔者设计的油缸式等速肌力康复训练设备结构简单、制造成本低、等速效果好，在科学训练和康复医学领域具有广阔的应用前景。