智能膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)

陳皓宇，趙東亮，李娜

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

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（Knee Osteoarthritis，KOA）是一種以膝關(guān)節(jié)軟骨的骨質(zhì)增生、破壞、變性及關(guān)節(jié)邊緣有骨贅形成等為特征的慢性關(guān)節(jié)病，臨床以關(guān)節(jié)僵硬、活動(dòng)不便等為常見(jiàn)特征[1]。根據(jù)流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示，我國(guó)60 歲以上老人中的49%以上都患有膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎，隨著人口老齡化進(jìn)程的加快，該病的患病率不斷增加[2]?，F(xiàn)階段骨性關(guān)節(jié)病的治療方法主要包括藥物治療、物理治療及手術(shù)置換關(guān)節(jié)等。但是藥物治療副作用較大，不宜長(zhǎng)期應(yīng)用；手術(shù)治療則導(dǎo)致患者創(chuàng)傷較大[3]。功能鍛煉是通過(guò)肢體活動(dòng)來(lái)預(yù)防、治療某些損傷性疾病，有助于機(jī)體功能恢復(fù)的一種方法，常被用于現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)中[4]。功能鍛煉通過(guò)增大膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍，有助于膝關(guān)節(jié)軟骨滑膜液的擴(kuò)散和滲透，消除膝關(guān)節(jié)周圍組織粘連，增強(qiáng)膝關(guān)節(jié)的代償能力與穩(wěn)定性，預(yù)防肌肉萎縮，提高患者的行為能力[5]。

目前，骨科功能鍛煉主要依靠醫(yī)師指導(dǎo)與患者自行訓(xùn)練，整個(gè)過(guò)程缺乏精確性與規(guī)范化，很難達(dá)到預(yù)期效果。本研究分析了市場(chǎng)上現(xiàn)有的膝關(guān)節(jié)康復(fù)鍛煉設(shè)備，并在本院專家、教授的長(zhǎng)期臨床治療經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了一種關(guān)于膝關(guān)節(jié)主動(dòng)與被動(dòng)模式的功能鍛煉設(shè)備。該設(shè)備的主要設(shè)計(jì)技術(shù)思路為：通過(guò)減速步進(jìn)電機(jī)、磁粉制動(dòng)器、電磁離合器、角度傳感器及MCU Stm32 芯片等，實(shí)現(xiàn)智能化主動(dòng)與被動(dòng)模式的功能鍛煉，以及模式之間的自由切換與治療參數(shù)的精準(zhǔn)設(shè)置等功能。

1 膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)

1.1 膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備的理論研究

該膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備通過(guò)對(duì)患者膝關(guān)節(jié)進(jìn)行輔助性鍛煉，達(dá)到對(duì)膝關(guān)節(jié)及其周圍組織肌肉功能治療的目的，因此在該膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備的設(shè)計(jì)研究初期，需要確定膝關(guān)節(jié)功能鍛煉的治療模式及相應(yīng)的受力、時(shí)間、角度范圍和角速度等指標(biāo)，同時(shí)對(duì)上述指標(biāo)的控制理論進(jìn)行分析研究。

1.1.1 膝關(guān)節(jié)功能的治療模式及相關(guān)參數(shù)

當(dāng)前研究表明，膝關(guān)節(jié)功能鍛煉的體位主要包括坐位鍛煉、仰臥位鍛煉、俯臥位鍛煉和站立位鍛煉等，其中站立位鍛煉需要患者具有足夠的力量與平衡保持能力，不適合膝關(guān)節(jié)病變較為嚴(yán)重的患者。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及對(duì)照試驗(yàn)表明，患者膝關(guān)節(jié)功能鍛煉的效果與每日鍛煉組數(shù)、每組鍛煉次數(shù)、每次鍛煉時(shí)長(zhǎng)均有密切關(guān)系。結(jié)合以上試驗(yàn)結(jié)論與臨床功能鍛煉經(jīng)驗(yàn)的調(diào)研，定義該設(shè)備的鍛煉組數(shù)與次數(shù)，均可在0～30 次范圍內(nèi)任意設(shè)定，單次鍛煉保持時(shí)長(zhǎng)可在3～10 s 內(nèi)任意設(shè)定，膝關(guān)節(jié)被動(dòng)鍛煉角速度可在0～5 °/s 內(nèi)任意設(shè)定[8-12]。

1.1.2 膝關(guān)節(jié)功能鍛煉動(dòng)力與阻力的產(chǎn)生

該膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)器與電磁離合器的工作模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備輸出動(dòng)力或阻力模式的切換。動(dòng)力部分由220 V 減速步進(jìn)電機(jī)提供，通過(guò)減速步進(jìn)電機(jī)自身減速比與蝸輪、蝸桿實(shí)現(xiàn)輸出扭矩的放大，提供足夠的驅(qū)動(dòng)力；阻力部分由磁粉制動(dòng)器提供，磁粉制動(dòng)器產(chǎn)生的阻力扭矩主要取決于輸入磁粉制動(dòng)器的激磁電流的大小。磁粉制動(dòng)器由傳動(dòng)單元（輸入軸）和從動(dòng)單元（輸出軸）合并而成。兩組單元之間的空間填有粒狀的磁粉（體積大約 40 μm3）。當(dāng)磁性線圈不導(dǎo)電時(shí)，扭矩不會(huì)從傳動(dòng)軸傳于從動(dòng)軸，但如將線圈電磁通電，就會(huì)因磁力的作用而吸引磁粉產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，在連續(xù)滑動(dòng)之間會(huì)把扭矩傳達(dá)。而其扭矩與激磁電流存在線性關(guān)系，即可通過(guò)調(diào)整激磁電流大小改變磁粉制動(dòng)器輸出的扭矩[11]。

膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備的活動(dòng)搖臂提供阻力的計(jì)算公式如下：

式中F為活動(dòng)搖臂提供給患者的阻力，單位為N；M為磁粉制動(dòng)器輸出的扭矩，單位為N·m；L則為患者踝關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的有效距離，單位為m。

1.2 膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)備主要由躺椅、腳輪、扶手和控制箱等部件組成。躺椅為設(shè)備主體；控制箱位于躺椅的坐墊下方；腳輪分別安裝在躺椅底盤的4 個(gè)角，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的支撐及自由移動(dòng)功能；扶手安裝在躺椅靠背兩側(cè)，既可在患者接受治療時(shí)供其支撐與扶靠，又可方便設(shè)備移動(dòng)時(shí)的推拉。

躺椅外觀類似于普通座椅，靠背設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)式，支撐角度可以根據(jù)患者需求或治療要求進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)可將靠背調(diào)整至與坐墊水平，便于仰臥或俯臥體位的治療需求?；顒?dòng)搖臂的轉(zhuǎn)軸，使其與躺椅坐墊的前端固定，控制、調(diào)整活動(dòng)搖臂與坐墊的夾角并保持該角度。根據(jù)不同的治療需求，亦可以控制活動(dòng)搖臂進(jìn)行繞軸運(yùn)動(dòng)，并調(diào)節(jié)其繞軸的角速度、提供的力矩，循環(huán)運(yùn)動(dòng)次數(shù)及活動(dòng)搖臂的角度保持時(shí)間，實(shí)現(xiàn)各類簡(jiǎn)單或復(fù)雜的功能鍛煉動(dòng)作。活動(dòng)搖臂兩側(cè)的末端分別設(shè)有兩個(gè)接口，用于安裝踝支撐桿或其他種類的固定夾具。

控制箱作為該設(shè)備的核心部分，內(nèi)部裝有減速步進(jìn)電機(jī)、蝸輪、蝸桿、電磁離合器、磁粉制動(dòng)器、同步帶輪組、活動(dòng)搖臂及其他零件。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：減速步進(jìn)電機(jī)的輸出軸安裝蝸桿，蝸輪與蝸桿相互嚙合，蝸輪內(nèi)孔裝有光軸1；光軸1 的一端通過(guò)軸承支座固定在箱體內(nèi)壁，另一端則固定在電磁離合器的主動(dòng)軸側(cè)內(nèi)孔；電磁離合器的從動(dòng)軸側(cè)內(nèi)孔安裝光軸2，光軸2 通過(guò)同步帶輪內(nèi)孔后嵌入磁粉制動(dòng)器內(nèi)孔；其余兩只同步帶輪則分別安裝于活動(dòng)搖臂的轉(zhuǎn)軸和角度測(cè)量結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸上；角度測(cè)量結(jié)構(gòu)中的同步帶輪內(nèi)孔安裝有光軸3，光軸3 的兩端均安裝于光軸軸承套的內(nèi)孔，兩只光軸軸承套安裝于固定支撐板，且能夠進(jìn)行垂直方向的移動(dòng)，光軸3 的其中一端與角度傳感器通過(guò)聯(lián)軸器相連，如圖1 所示。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)主要部分示意圖

1.3 膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備的控制原理

軟件控制主MCU Stm32 芯片通過(guò)PWM 端口的脈寬調(diào)制輸出不同的PWM 波，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)接收到的PWM 的占空比進(jìn)行減速步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。驅(qū)動(dòng)器與減速步進(jìn)電機(jī)之間是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的邏輯無(wú)環(huán)流控制，這就保證了減速步進(jìn)電機(jī)速度控制的精確性和穩(wěn)定性[12]，如圖2 所示。

圖2 減速步進(jìn)電機(jī)控制圖

軟件控制主MCU Stm32 芯片的DAC 單元模式輸出DAC 信號(hào)，DAC 信號(hào)控制電流控制單元，電流控制單元通過(guò)DAC 電壓信號(hào)的高低輸出不同的電流，以控制磁粉制動(dòng)器，進(jìn)而產(chǎn)生不同大小的阻力，如圖3 所示。

圖3 磁粉制動(dòng)器控制圖

1.4 膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備的主程序控制流程圖

該設(shè)備的主控程序如圖4 所示，其過(guò)程控制邏輯如下。（1）開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，主控電路板根據(jù)操作者的選擇判定電磁離合器是否吸合。（2）若電磁離合器進(jìn)行吸合，則減速步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，并正向旋轉(zhuǎn)；同時(shí)程序內(nèi)置計(jì)時(shí)器啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)；此時(shí)角度傳感器每間隔0.1 s 都會(huì)進(jìn)行一次角度判定，若判定角度達(dá)到所設(shè)定的角度值，則驅(qū)動(dòng)器發(fā)出反轉(zhuǎn)信號(hào)并驅(qū)動(dòng)減速步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，若判定角度未達(dá)到所設(shè)定角度值，則減速步進(jìn)電機(jī)保持當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，直至計(jì)時(shí)器倒計(jì)時(shí)完畢，驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)結(jié)束減速步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程并使其復(fù)位。（3）若電磁離合器未吸合，則磁粉制動(dòng)器得電，主控電路板根據(jù)操作者設(shè)定的阻力值將其轉(zhuǎn)化為DAC信號(hào)，并使電流控制單元控制磁粉制動(dòng)器即時(shí)的輸入電流；當(dāng)活動(dòng)搖臂被外力驅(qū)動(dòng)時(shí)，角度傳感器每間隔0.1 s 進(jìn)行一次角度判定，若判定角度達(dá)到設(shè)定的角度值，則計(jì)時(shí)器啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)，并在倒計(jì)時(shí)結(jié)束后使磁粉制動(dòng)器復(fù)位，若判定角度未達(dá)到設(shè)定的角度值，則計(jì)時(shí)器不啟動(dòng)，直至活動(dòng)搖臂被外力驅(qū)動(dòng)至設(shè)定的角度。

圖4 主程序控制流程圖

1.5 設(shè)備相關(guān)的技術(shù)參數(shù)

該設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如下：（1）活動(dòng)搖臂的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)范圍為0 ～5°/s；（2）活動(dòng)搖臂的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)范圍為-90°～150°（設(shè)活動(dòng)搖臂處于水平狀態(tài)為0°）；（3）功能鍛煉持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)范圍為0 ～99 min；（4）功能鍛煉單組運(yùn)動(dòng)循環(huán)次數(shù)調(diào)節(jié)范圍為0 ～30 次；（5）活動(dòng)搖臂提供的阻力范圍為0 ～15 kgf；（6）單次功能鍛煉的保持時(shí)長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍為3 ～10 s。以上所述參數(shù)需根據(jù)功能鍛煉模式與或患者的實(shí)際情況自行設(shè)定。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方法

2.1.1 阻力精準(zhǔn)度試驗(yàn)

設(shè)活動(dòng)搖臂的初始角度為-90°，通過(guò)緊固件將NK-200 型數(shù)顯式拉壓力計(jì)安裝在踝關(guān)節(jié)支撐桿上，拉壓力計(jì)與活動(dòng)搖臂呈垂直狀態(tài)，并使用拉壓力計(jì)對(duì)抗活動(dòng)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬治療過(guò)程，實(shí)驗(yàn)設(shè)定阻力值為8 kgf，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(guò)拉壓力計(jì)的上位機(jī)軟件記錄功能鍛煉過(guò)程并生成數(shù)據(jù)記錄。

2.1.2 角度范圍與角速度精準(zhǔn)度試驗(yàn)

設(shè)活動(dòng)搖臂的初始角度為-90°，并設(shè)定終點(diǎn)為0°，進(jìn)行10 次功能鍛煉，活動(dòng)搖臂的角速度，設(shè)定減速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速使其工作在3°/s，通過(guò)讀取秒表與上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)，記錄鍛煉過(guò)程并生成數(shù)據(jù)記錄。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

阻力精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示，角度范圍與角速度精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 8 kgf 的力值與持續(xù)時(shí)間

表2 3°/s 的角度行程與運(yùn)行時(shí)間

2.3 試驗(yàn)結(jié)論

在阻力精度實(shí)驗(yàn)中，力值持續(xù)時(shí)間都處于相對(duì)穩(wěn)定的水平，單次誤差最大為0.1 s，平均誤差為0.02 s，單次最大誤差百分比為1.25%。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7.8498 kgf，誤差為1.88%，單次最大誤差為3%。在角度范圍與角速度精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)活動(dòng)搖臂以3°/s 運(yùn)行時(shí)，其真實(shí)平均速度為3.009°/s，誤差為0.3%；單次最大過(guò)沖角度為0.9°，誤差為1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該設(shè)備以運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合骨科康復(fù)臨床需求，運(yùn)用精密機(jī)械設(shè)計(jì)、人工智能自動(dòng)化控制技術(shù)與PWM、PID 等現(xiàn)代控制理論與方法，研制一種集多功能、關(guān)節(jié)活動(dòng)度與靈活性訓(xùn)練于一體的智能化膝關(guān)節(jié)功能鍛煉設(shè)備，且實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化，顯著提高功能鍛煉的效果。該項(xiàng)目的實(shí)施不但為膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎提供一種安全有效且無(wú)副作用的綠色治療手段，而且為功能鍛煉療法的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，還可明顯減少醫(yī)護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提升工作效率、節(jié)省勞動(dòng)力成本，具有廣闊的市場(chǎng)前景，同時(shí)可創(chuàng)造更大的社會(huì)效益。