智能化多功能膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備的研制

【作 者】 陳皓宇，趙東亮，李娜

河南省洛陽正骨醫(yī)院（河南省骨科醫(yī)院）生物醫(yī)學(xué)工程研究室，洛陽市，471000

0 引言

功能鍛煉是通過肢體活動(dòng)來預(yù)防及治療某些損傷性疾病，幫助機(jī)體恢復(fù)功能的一種方法，這種方法常用于現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)，其中包括膝關(guān)節(jié)微屈伸運(yùn)動(dòng)、股四頭肌收縮練習(xí)、蹬車鍛煉和不負(fù)重位直腿抬高鍛煉等[1]。研究表明關(guān)于膝關(guān)節(jié)的功能鍛煉，患者體位與訓(xùn)練參數(shù)均是影響恢復(fù)效果的重要因素，其中訓(xùn)練參數(shù)又以膝關(guān)節(jié)抗阻力量、活動(dòng)速度、角度、時(shí)間最為重要[2]。若想智能、自動(dòng)、精準(zhǔn)地控制這些參數(shù)，須通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣控制設(shè)計(jì)達(dá)到目標(biāo)[3]。

據(jù)世界衛(wèi)生組織（World Health Organization,WHO）統(tǒng)計(jì)，在全世界年齡大于60歲的人群中，有9.6%的男性和18.0%的女性患有膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎，在我國(guó)，60歲以上的老人患病率高達(dá)49%。隨著人口老齡化程度的加快，這種疾病會(huì)不斷增加[4]。而研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外膝關(guān)節(jié)的功能鍛煉設(shè)備大多數(shù)以持續(xù)被動(dòng)鍛煉或外骨骼輔助為主，其鍛煉模式與訓(xùn)練參數(shù)設(shè)置較為單一，若同時(shí)需要多種模式的綜合治療，則需要經(jīng)常更換設(shè)備，操作、實(shí)施較為煩瑣[5-6]。

目前國(guó)內(nèi)患者數(shù)不斷增加，康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)師數(shù)量不足，康復(fù)醫(yī)療體系發(fā)展不全面，研究開發(fā)一種多功能膝關(guān)節(jié)鍛煉康復(fù)設(shè)備勢(shì)在必行。根據(jù)王森[7]的調(diào)查與研究，數(shù)據(jù)表明人體在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，膝關(guān)節(jié)的屈曲角度不盡相同，其最大范圍約為0～120°。以此作為膝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備的核心設(shè)計(jì)理論依據(jù)，能夠保證該設(shè)備在坐姿、仰臥與俯臥等多種姿勢(shì)中均滿足屈曲角度活動(dòng)需求，同時(shí)該設(shè)備集合了多種功能鍛煉模式為一體，可實(shí)現(xiàn)多種訓(xùn)練參數(shù)設(shè)置與精準(zhǔn)控制[8]。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能化多功能膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備主要由控制箱、可調(diào)節(jié)座椅、活動(dòng)搖臂組成?？烧{(diào)節(jié)座椅在JK-GST-01型號(hào)股四頭肌訓(xùn)練椅的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改裝，分為座椅與靠背兩部分，座椅的后方設(shè)置有延長(zhǎng)出坐墊的方鋼管，而靠背的下側(cè)設(shè)置有由方鋼套管焊接而成的三角形結(jié)構(gòu)，這兩部分可通過套管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同角度的組裝。當(dāng)其組裝為靠椅時(shí)，腰靠?jī)A角為100°，符合人體工效學(xué)要求；當(dāng)其組裝為床時(shí)，床面與地面保持水平[9]。如圖1和圖2所示。

控制箱位于上述可調(diào)節(jié)座椅的右側(cè)，箱體上方設(shè)置有一塊觸摸屏，觸摸屏下方設(shè)置有開關(guān)按鈕與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕；控制箱內(nèi)部由減速電動(dòng)機(jī)、磁粉制動(dòng)器、電磁離合器、主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、傳動(dòng)軸、同步帶輪組以及控制系統(tǒng)等組成。減速電動(dòng)機(jī)為L(zhǎng)inix YN100-200/104JB100G1542型，其額定功率為200 W，自帶1∶100減速比的減速箱，最大可輸出40 N·m的扭矩；電磁離合器采用DLD-40型內(nèi)軸承掛耳干式離合器，其額定傳遞扭矩為40 N·m。磁粉制動(dòng)器型號(hào)為FZ-A-50，其在24 V 1.8 A的條件下最大可輸出50 N·m的扭矩。減速電動(dòng)機(jī)安裝于控制箱內(nèi)的底板，其輸出軸與主動(dòng)軸通過傘齒輪連接；主動(dòng)軸的一端通過軸承支座安裝于控制箱體內(nèi)左側(cè)壁，另一端則嵌入電磁離合器的輸入端并緊固；從動(dòng)軸的一端與電磁離合器的輸出端緊固，另一端通過軸承支座安裝于控制箱體內(nèi)右側(cè)壁，軸中部安裝有第一同步帶輪；磁粉制動(dòng)器安裝于減速電動(dòng)機(jī)右側(cè)，其輸出軸安裝有第二同步帶輪；傳動(dòng)軸位于控制箱體的中部，右端通過軸承支座安裝在箱體內(nèi)右側(cè)壁上，左端則穿過軸承支座與箱體左側(cè)壁露出在外，軸中部安裝有第三同步帶輪；同步帶連接此3只同步帶輪；控制箱底板的4個(gè)角各安裝有一腳輪，便于控制箱的移動(dòng)。

活動(dòng)搖臂分為左右對(duì)稱兩部分，兩部分結(jié)構(gòu)完全相同，均由固定桿、旋轉(zhuǎn)桿與踝關(guān)節(jié)支撐桿組成。固定桿與旋轉(zhuǎn)桿的主體均為方鋼管；固定桿的一端焊接有軸承座，另一端則安裝在可調(diào)節(jié)座椅上；旋轉(zhuǎn)桿的一端焊接有旋轉(zhuǎn)軸，可與固定桿上的軸承座緊固；踝關(guān)節(jié)支撐桿通過套管的方式安裝在旋轉(zhuǎn)桿的另一端；左右兩踝關(guān)節(jié)支撐桿可以通過裝卸聯(lián)軸器來選擇是由單腿還是由雙腿參與功能鍛煉。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件框架如圖3所示。主控電路板的核心可編程邏輯控制器（programmable logic controller,PLC）選用Siemens公司的SIMATIC S7-200 SMART，角度傳感器的型號(hào)為DYL618T，其角度測(cè)量量程為0～360°，讀取數(shù)據(jù)間隔為0.1 s?？刂葡到y(tǒng)整體分為兩種工況：①操作者使用工控觸摸屏下達(dá)指令，電磁離合器吸合，則該狀態(tài)下磁粉制動(dòng)器斷電，減速電動(dòng)機(jī)得電。角度傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活動(dòng)搖臂與水平面的夾角角度，并將其測(cè)量值轉(zhuǎn)化為0～10 V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過模擬量模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給PLC。PLC通過此信號(hào)反饋的當(dāng)前角度值與操作者所設(shè)定的角度值進(jìn)行對(duì)比，控制減速電動(dòng)機(jī)的啟停與換向。②操作者使用工控觸摸屏下達(dá)指令，電磁離合器斷開，則磁粉制動(dòng)器得電，減速電動(dòng)機(jī)斷電。PLC根據(jù)操作者輸入的阻力值大小，將其轉(zhuǎn)換為0～10 V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入磁粉制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器通過此信號(hào)輸出相應(yīng)大小的激磁電流，磁粉制動(dòng)器可根據(jù)激磁電流大小來輸出相應(yīng)的扭矩[10]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)備的軟件系統(tǒng)采用STEP 7-Micro/WIN SMART軟件進(jìn)行編程，當(dāng)系統(tǒng)程序初始化之后，操作者選擇主動(dòng)模式或被動(dòng)模式來確定啟動(dòng)相應(yīng)子程序。若選定模式為被動(dòng)模式，操作者只需為患者設(shè)定各項(xiàng)訓(xùn)練參數(shù)并啟動(dòng)程序，設(shè)備便會(huì)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行階段，患者跟隨活動(dòng)搖臂的動(dòng)作即可開始相應(yīng)的功能鍛煉；若選定模式為主動(dòng)模式，操作者在設(shè)定所有訓(xùn)練參數(shù)并啟動(dòng)程序后，患者需要自身發(fā)力，程序會(huì)即時(shí)根據(jù)患者的鍛煉狀況做出判定與反饋，當(dāng)患者無法完成全部功能鍛煉流程時(shí)，程序得采取強(qiáng)制措施結(jié)束。軟件系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

工控觸摸屏選用了Siemens公司的S7-200 SMART V3 700IE作為人機(jī)界面，主要包括主動(dòng)模式界面與被動(dòng)模式界面。

本設(shè)備的主動(dòng)模式界面如圖5所示，可顯示當(dāng)前傾角，坐位伸膝、直腿抬高與俯臥屈膝3種模式的當(dāng)前鍛煉次數(shù)、總鍛煉次數(shù)與鍛煉時(shí)的阻力大小。當(dāng)前傾角即活動(dòng)搖臂與水平面之間的夾角。如需設(shè)定或更改總鍛煉次數(shù)時(shí)，可直接點(diǎn)擊“設(shè)定次數(shù)”方框內(nèi)的綠色數(shù)字，此時(shí)會(huì)彈出數(shù)字鍵盤，在鍵盤上輸入相應(yīng)的數(shù)字并點(diǎn)擊回車鍵，即可設(shè)定總運(yùn)動(dòng)次數(shù)；同理適用于設(shè)定阻力值大小。3種模式均擁有單獨(dú)的開關(guān)按鈕，點(diǎn)擊“坐位伸膝”模式開關(guān)按鈕時(shí)，按鈕顯示凹陷，同時(shí)設(shè)備將根據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)入“坐位伸膝”模式功能鍛煉；再次點(diǎn)擊此按鈕時(shí)，按鈕顯示凸起，同時(shí)結(jié)束“坐位伸膝”模式功能鍛煉。此操作模式同樣適用于“直腿抬高”與“俯臥屈膝”兩種功能鍛煉模式。界面中還設(shè)置有“手動(dòng)正轉(zhuǎn)”與“手動(dòng)反轉(zhuǎn)”按鈕，當(dāng)點(diǎn)擊“手動(dòng)正轉(zhuǎn)”按鈕時(shí)，按鈕顯示凹陷，同時(shí)活動(dòng)搖臂將繞軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，若旋轉(zhuǎn)過程中再次點(diǎn)擊按鈕，按鈕顯示凸起，活動(dòng)搖臂立即停止旋轉(zhuǎn)；若未再次點(diǎn)擊按鈕，活動(dòng)搖臂將會(huì)旋轉(zhuǎn)至0°位置并自動(dòng)停止；點(diǎn)擊“手動(dòng)反轉(zhuǎn)”按鈕時(shí)，按鈕顯示凹陷，同時(shí)活動(dòng)搖臂將繞軸進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，若旋轉(zhuǎn)過程中再次點(diǎn)擊按鈕，按鈕顯示凸起，活動(dòng)搖臂立即停止旋轉(zhuǎn)；若未再次點(diǎn)擊按鈕，活動(dòng)搖臂將會(huì)旋轉(zhuǎn)至-90°位置并自動(dòng)停止。

本設(shè)備的被動(dòng)模式界面如圖6所示，可顯示上述3種鍛煉模式的已運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，并可設(shè)定3種鍛煉模式的總運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)與活動(dòng)搖臂的終點(diǎn)角度，其參數(shù)設(shè)置方法同主動(dòng)模式。被動(dòng)模式界面的其余功能與設(shè)定操作方式均與主動(dòng)模式界面相同，不再贅述。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在本設(shè)備的研究初期，即確定其能夠精準(zhǔn)控制所設(shè)定的各項(xiàng)訓(xùn)練參數(shù)為核心目標(biāo)。此次實(shí)驗(yàn)將選擇“坐位伸膝”功能鍛煉模式進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練參數(shù)的采集與分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

3.1.1 主動(dòng)模式實(shí)驗(yàn)方法

啟用座椅模式，開啟設(shè)備并選擇“主動(dòng)模式”，點(diǎn)擊“手動(dòng)反轉(zhuǎn)”按鈕使活動(dòng)搖臂處于-90°，即“坐位伸膝”功能鍛煉模式的初始位置，活動(dòng)搖臂到位后再次點(diǎn)擊“手動(dòng)反轉(zhuǎn)”按鈕使其彈起。此時(shí)將數(shù)顯式拉壓力計(jì)NK-200型通過緊固件安裝在踝關(guān)節(jié)支撐桿上，拉壓力計(jì)與活動(dòng)搖臂的旋轉(zhuǎn)桿呈垂直狀態(tài)。同時(shí)將實(shí)驗(yàn)人員的右腳腳踝與拉壓力計(jì)的感應(yīng)端綁定，杜絕實(shí)驗(yàn)過程中腳踝與拉壓力計(jì)松脫的意外。該模式功能鍛煉阻力值設(shè)定為8 kgf（1 kgf≈9.8 N），進(jìn)行5次循環(huán)，保持時(shí)長(zhǎng)為程序預(yù)設(shè)定的8 s，通過拉壓力計(jì)的上位機(jī)軟件記錄功能鍛煉過程并生成力值變化曲線。

3.1.2 被動(dòng)模式實(shí)驗(yàn)方法

啟用座椅模式，開啟設(shè)備并選擇“被動(dòng)模式”，點(diǎn)擊“手動(dòng)反轉(zhuǎn)”按鈕使活動(dòng)搖臂處于-90°，即“坐位伸膝”功能鍛煉模式的初始位置，活動(dòng)搖臂到位后再次點(diǎn)擊“手動(dòng)反轉(zhuǎn)”按鈕使其彈起。此時(shí)將博世DNM 60 L專業(yè)型數(shù)字傾角水平尺固定在活動(dòng)搖臂的旋轉(zhuǎn)桿上，水平尺與旋轉(zhuǎn)桿呈平行狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)人員將右腳腳踝置于踝關(guān)節(jié)支撐桿上方并綁定，以防松脫。設(shè)定活動(dòng)搖臂的終點(diǎn)為0°，進(jìn)行15次功能鍛煉，活動(dòng)搖臂的角速度通過設(shè)定減速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速旋鈕使其工作在3°/s的速度下，通過讀取秒表與傾角水平尺的數(shù)據(jù)并記錄鍛煉過程。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

主動(dòng)模式8 kgf的力值變化曲線如圖7所示，被動(dòng)模式3°/s的角度行程與運(yùn)行時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在主動(dòng)模式功能鍛煉中，阻力保持時(shí)間都處于相對(duì)穩(wěn)定的水平，單次誤差最大為0.3 s，平均誤差為0.06 s，單次最大誤差百分比為3.75%，小于研究設(shè)計(jì)初期提出的誤差5%。而在阻力保持時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)設(shè)定阻力值為8 kgf時(shí)，真實(shí)阻力值的平均值為7.849 6 kgf，誤差為1.88%，單次最大誤差為3%。在被動(dòng)模式功能鍛煉中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄與計(jì)算，可得出當(dāng)活動(dòng)搖臂以3°/s運(yùn)行時(shí)，其真實(shí)平均速度為3.006°/s，誤差為0.2%；單次最大過沖角度為0.9°，誤差為1%。

3.4 基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的探究

（1）設(shè)定阻力值與真實(shí)阻力值的誤差。

本設(shè)備的阻力扭矩是由磁粉制動(dòng)器的輸出軸提供的，但該扭矩通過同步帶輪組傳遞至活動(dòng)搖臂時(shí)會(huì)因傳動(dòng)效率造成一定的扭矩?fù)p失[11]，且活動(dòng)搖臂的自重也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響；實(shí)驗(yàn)人員在抗阻的過程中因腿部肌肉與關(guān)節(jié)的輕微顫動(dòng)，會(huì)造成力值曲線的波動(dòng)。

（2）角度與角速度的誤差。

減速電動(dòng)機(jī)在工作原理上不適合過于頻繁的正反轉(zhuǎn)換向，且自身對(duì)轉(zhuǎn)速精度控制不佳；角度傳感器的采樣率較為平庸，且采集到的信號(hào)通過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換后再進(jìn)入PLC，增加了延遲。所以在相對(duì)高速的情況下，過沖現(xiàn)象就會(huì)比較明顯，也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際角速度偏大。

3.5 臨床使用效果

邀請(qǐng)?jiān)诒驹航邮芟リP(guān)節(jié)康復(fù)治療的數(shù)名患者試用本膝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備，根據(jù)患者的病情分為兩組，A組：基本無自主活動(dòng)能力的患者；B組：有一定自主活動(dòng)能力的患者。根據(jù)病情需要，A組患者采用被動(dòng)模式鍛煉，B組患者采用主動(dòng)模式鍛煉，每一名患者的活動(dòng)時(shí)間與強(qiáng)度均謹(jǐn)遵醫(yī)囑。對(duì)于A組患者，經(jīng)過本設(shè)備的鍛煉，有效地?cái)U(kuò)大了膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度范圍，促進(jìn)了血液循環(huán)，對(duì)于筋肉粘連與肌肉萎縮也有一定的預(yù)防效果，對(duì)于肌無力患者康復(fù)效果較為顯著；對(duì)于B組患者則采用本院特有的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，觀測(cè)其基于平地、臺(tái)階等環(huán)境下的步態(tài)與肌力水平，患者經(jīng)鍛煉后，均有不同程度恢復(fù)水平的提升，在臺(tái)階環(huán)境下的步態(tài)平穩(wěn)程度有較大改善。

4 結(jié)論

本研究制造了一款多功能智能化膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備，旨在幫助膝關(guān)節(jié)病變患者進(jìn)行多樣化且針對(duì)性的功能鍛煉，同時(shí)使鍛煉過程自動(dòng)化、精準(zhǔn)化。實(shí)驗(yàn)過后探究了本設(shè)備目前的不足，并將繼續(xù)研究與完善本設(shè)備作為今后的目標(biāo)。同時(shí)本設(shè)備的研制為功能鍛煉療法的推廣應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)，減輕醫(yī)護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提升工作效率、節(jié)約勞動(dòng)成本，具有廣闊的市場(chǎng)前景，同時(shí)創(chuàng)造更大的社會(huì)效益。