汪烨，沈碧君，宋又廉
(上海电机学院 机械学院，上海200245)
摘要：针对用等速技术进行肌力测试和康复训练问题，设计了一种等速肌力康复训练机械装置。它以调整液态油的流动阻力来产生与关节肌力矩相等的顺应性阻抗力矩，能产生的阻力矩范围大，不仅适合伤病人员肌力的恢复训练，而且适合竞技运动员增强肌力的训练。
关键词：等速运动;康复;节流制动;节流阀
中图分类号：TH 789 文献标志码：A
等速肌力测试和训练技术(等速技术)是一项新的肌肉功能评价和训练技术[1-4]，是目前国际上最先进的肌力测试、训练方法。它在国际康复医学领域已有相当广泛的运用，并日益受到重视。20世纪70年代初，美国CYBEX公司制造出了第1台等速仪器。早期的等速技术主要应用于体育运动方面，以后逐渐应用于临床医学，其中应用最为广泛的是在康复医学领域中。20世纪80年代后期，等速运动技术开始引入中国，主要针对其在运动员的肌力测试和训练方面的应用研究。20世纪90年代后，国内部分大医院相继引进等速运动肌力测试和训练系统，主要有Cybex和Kin-Con两种类型。复旦大学附属华山医院康复医学科运用Cybex-6000型等速肌力测试及训练仪开展等速肌肉功能测试和训练技术系列研究，如图1所示。
1 等速技术
等速运动是指在运动中肢体运动速度被强制恒定(等速)的一种运动形式，可借助特定的仪器预先设定在关节活动范围内肢体运动的速度。无论受训者用多大的力量，肢体运动的速度保持为设定值。受训者的主观用力只能使肌肉张力提高、输出力矩增加，却不能改变速度。运动中，等速设备所提供的阻力与肌肉收缩产生的实际关节力矩相匹配，自动随肌肉收缩力的变化而变化，为一种顺应性阻力。这种顺应性阻力使肌肉在整个关节活动处于不同角度的每一瞬间都能产生最大张力，有利于肌肉发挥最大收缩能力，从而达到最佳的训练效果。
2 总体设计方案
等速肌力康复设备的核心是等速发生装置。研发等速设备首先要完成等速发生装置工作原理的研究，然后才能根据其原理进行技术设计。系统设计方案的选择主要在于制动和控制方案的选择，本系统采用液体受控流动实现等速运动的原理来实现[5-7]。
系统的受控物理量，即系统输出是关节角速度，施加于系统的关节肌力可以看作是干扰力矩。等速装置应在受控状态下动态地产生与干扰力矩相等的补偿力矩，以维持关节的等速转运，等速系统控制原理如图2所示。
根据流体力学中“液阻”原理，可通过可调节的液压节流制动得到等速装置所需要的可控制动力。本项目采用流体节流制动的技术方案实现等速运动，其原理如图3所示。
在系统技术实现过程中，由于摆缸制造上的困难和高性能比例调速阀采购问题，摆缸以齿条缸代替，比例调速阀以比例换向-节流阀代替，系统的功能原理不变[8-9]，如图4所示。
3 系统设计
3.1 机械部分设计
齿条活塞油缸-比例方向阀式等速肌力康复运动装置结构如图5所示。其可调摆杆采用可伸缩的套管结构，由旋钮进行固定。可调摆杆的一端设有搭扣，另一端设有方孔，套在齿轮轴的方头上与齿轮轴连接，传递扭矩和转动。齿轮轴中部设置的齿轮与齿条活塞上部的齿条啮合，将可调摆杆的转动转换为活塞的移动。与齿轮相邻的2个轴段为滑动轴颈，其上设置第1自润滑轴承和第2自润滑轴承[10]，2个自润滑轴承嵌设在集成块内，用以支承齿轮轴。齿条活塞下部开有长槽，其内插有止转螺钉，使齿条活塞在移动时不能转动，保证齿条与齿轮的正确啮合。齿轮轴上用锥头紧定螺钉固定一个大皮带轮，将齿轮轴的转动通过“O”型截面的皮带传递到小皮带轮。小皮带轮通过固定在其内孔中的尼龙套安装在轮座上，轮座通过螺钉与集成块固连。在小皮带轮外端与尼龙套同轴的孔中插入光电编码器的转轴，并以平端紧定螺钉顶紧，使之与小皮带轮一起转 动。光电编码器通过定位凸台与插入编码器连接体的小端孔进行定位，并以螺钉固定于编码器连接体上。编码器连接体大端有大孔，大孔与小端孔同轴，与轮座相配，确保编码器连接体与轮座同轴。同时，保证光电编码器与小皮带轮同轴，使光电编码器的转轴能灵活转动。油缸的两端设有油缸端盖，油缸端盖内垫有“O”型密封圈。在集成块上设有4个外置单向阀和比例方向阀，比例电磁铁为阀的组成部分，与比例方向阀设置在一起。集成块内设有将各个阀与油缸连接起来的油液通路，集成块下部通过螺孔安装在机座上，外加罩壳，构成比例方向阀式等速肌力康复运动装置。可调摆杆的搭扣为尼龙搭扣软带或皮带，自润滑轴承为由聚四氟乙烯做成的自润滑轴承。
3.2 控制部分设计
控制系统由计算机、虚拟 测试软 件和数据采集卡等部分组成。利用LabVIEW 8.20的比例-积分-微分 控 制 软 件 包 进 行 控 制[11-12]，系 统控制原理如图6所示。选用NI公司的USB6211多功能数据采集卡，USB总 线，分 辨 率 为16位，采 样 速 率 为400kS/s;比例阀选用Atos公司的QVHZO-A-06/12型;驱动器采用E-BM-AC型、快速插入式电子放大器，用于无阀芯位置反馈的单、双电磁铁的比例阀。该控制系统界面如图7所示。
编码器轴转动时发出的脉冲信号通过电路接口进入计算机控制系统，得到瞬时的关节角位置和角速度。大皮带轮带动小皮带轮传动的增速作用可以提高测量的灵敏度和分辨力。压力变送器通过孔道与受挤压的液态油连通，测量油的压力，并以电流信号通过电路接口传入计算机，可得到瞬时的关节肌力矩。关节角位置、相应于各角位置的角速度以及肌力矩，这3个参数对评价关节肌力康复状况具有重要的科学意义。
4 实验与分析
设定系统角速度分别为20、40、80rad/s进行数据采集，形成曲线依次如图8所示。
由实验测试结果可见，关节角速度的设定只要在系统设计指标0.26～4.71rad/s范围内，最大关节力矩在20～350N·m范围内，关节角速度的偏差小于5%，系统就可以满足预定的基本要求。
5 结 语
近年来，等速技术的研究渐多，其在运动员肌肉功能评价及肌肉训练方面有较多优点，在体育和康复医学领域具有广阔的应用前景。齿条活塞油缸-比例方向阀式等速肌力康复运动装置[13-16]既适合病人的肌力恢复训练，也适合运动员增强肌力训练。系统结构简单、制造成本低、易于推广应用，但如何在大众体育中应用等速设备训练力量，还尚待研究。
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作者简介：汪烨(1974-)，男，副教授，专业方向为机电系统集成及智能控制技术，E-mail：wangye@sdju.edu.cn
