气动肌肉驱动的膝关节康复训练装置等速运动实验研究

气动肌肉驱动的膝关节康复训练装置等速运动实验研究 气动肌肉驱动的膝关节康复训练装置等速 运动实验研究 液压与气动2008年第9期 气动肌肉驱动的膝关节康复训练装置 等速运动实验研究 刘靖’,李笑’,夏虹,关婷 ExperimentalResearchesonIsokineticMotionofKnee—joint RehabilitationTrainingDeviceDrivenbyPneumaticMuscleActuator LIUJing,LIXiao,XIAHon,GUANYlng~ (1.广东工业大学机电工程学院,广东广州510006;2.广州军区广州总医院,广东广州510010) 摘要:设计了气动肌肉驱动的膝关节康复训练装置,用质量块模拟不同人群小腿质量,对其进行了等速 持续被动运动和等速主动抗阻运动实验研究.实验结果表明,该装置能够实现不同人群膝关节的等速持续被动 运动和等速主动抗阻运动训练,运动速度和角度范围均可调,其施加于肢体的阻力可随着患者用力的大小而变 化,具有良好的柔顺性. 关键词:气动肌肉;持续被动运动;主动抗阻运动;等速运动;膝关节 中图分类号:TH138文献标识码:B文章编号:1000-4858(2008)09—0001—03 1引言 传统的肢体康复治疗器械以电机或气缸作为驱 动器,驱动病人关节运动,虽位置控制精度较高,但柔 性差,容易造成关节的损伤.气动肌肉是一种新型的 驱动器,不仅安全柔顺,力/重量比大,而且其力/长 度特性与生物肌肉的力/长度特性极为相似,因此,以 气动肌肉驱动的肢体康复治疗器械更加符合人的生 理特点.但是近年来国内外开展的基于气动肌肉驱动 的肢体康复治疗器械的研究,主要围绕手臂或手部器 械进行,而气动肌肉驱动的下肢康复治疗器械却鲜见 研究报道. 肢体康复治疗器械可帮助病人进行持续被动运 动(CPM,continuouspassivemotion)~Jl[练和主动抗阻运 动(ARM,activeresistancemotion)~Jll练.前者用外力强 制伸展和屈曲关节以消除粘滞,渐进地扩大患者的关 节活动范围.后者要求患者主动参与运动,使关节和 周围相关肌腱得到锻炼,增强力量.在主动运动训练 中,又以等速运动训练肌力康复效果最佳,其基本概 念是:?锻炼时器械施加于运动肢体的阻力随患者用 力的大小而变化,且时刻与之相等;?由医生根据患 者关节的康复情况渐进地指定允许的关节运动角速 度,康复锻炼时无论患者如何用力,关节始终只能在 指定速度下伸展和屈曲.等速康复法保证了关节不致 受损,且在关节运动的所有角度都能发挥最大肌肉 力. 本文采用气动肌肉作为驱动器,设计了下肢膝关 节康复训练装置,并进行了膝关节等速CPM和等速 ARM的研究. 2关节静态数学模型 气动肌肉跟生物肌肉一样只能产生收缩力,根据 气动肌肉的特点和生物关节的运动机理,本文采用一 对气动肌肉组成了膝关节的驱动装置,其模型如图1 所示. 当两个肌肉的压力向相反方向变化时,一个气动 肌肉收缩,另一个伸长,从而带动关节臂运动.本文以 质量为m的质量块来模拟人体小腿质量,以质量为M 的质量块对链轮轴心所产生的力矩来模拟人体小腿 的主动力矩.以人坐姿时关节臂处于自然下垂状态作 为关节臂初始零点位置,此时两根肌肉初始压力均为 ,且两个气动肌肉的长度相等.设气动肌肉的收缩 收稿日期:2008-03—30 基金项目:广东省科技项目(2006B12901008) 作者简介:刘靖(1982一),男,湖南涟源人,硕士研究生,主要 从事机电液气一体化技术的研究工作. 2008年第9期液压与气动2 1.2气动肌肉3.链轮4.质量块m5.质量块M6.关节臂 图1膝关节驱动模型 率为s.当一根气动肌肉的压力增加卸,而另一根压力 降低卸时,关节臂带动质量块m转动角度0,此时气 动肌肉1,2的收缩率分别为: 0兀R sl.+—(1180L)’”.【) s:s.一(2)一一 式中,R为链轮半径;L.为气动肌肉的初始长度. 气动肌肉1,2的输出力分别为【1]: = (Po+?.p)【口(1一,.)一b】(3) = (P.+Ap)[a(1一,)一b](4) 式中,口,b为气动肌肉的参数. 气动肌肉1,2对链轮轴心的合力矩为: = (一)R(5) 质量块m对链轮轴心的力矩为: ===一mgLsin0(6) 式中,L为质量块m重心与链轮轴心的垂直距离. 质量块M对链轮轴心的力矩为: =~MgR(7) 式中,当质量块M位于图1实线位置时取+,位于图1 虚线位置时取一. 在等速运动状态下,若忽略惯性力,粘性力和摩 擦力等因素的影响,则关节臂在任意角度下的力矩平 衡方程为: 十十五=0(8) 对式(8)进行分析得出: (1)在等速CPM中,M=0,则=一90,气动肌 肉的合力矩与质量块对链轮轴心的力矩大小相等,方 向相反; (2)在伸展等速ARM(0.,90.)中,M#0,>0, <0;在屈曲等速ARM(90.一0.)中,M#0,<0,>0, 气动肌肉的合力矩随着质量块m的力矩及质量 块M的力矩的变化而变化,且力矩与T2的合力 矩始终与大小相等,方向相反. 3实验研究 根据以上分析,本文设计了下肢膝关节康复训练 实验装置,并进行了等速CPM和等速ARM的研究, 前者主要研究其运动角度范围及等速运动特性;后者 主要研究其等速运动特性及其力矩变化.实验装置组 成如图2所示,其主要参数见表1. 计算机 t? 数据采集卡 J I—I ,I(. |/3kX-n2 1.2气动肌肉3.链轮4.质量块m5.质量块M6.关节臂 7.角度传感器8.拉力传感器9.比例压力阀 图2实验装置图 表1实验装置主要参数 名称参数 计算机Pentiumm450,RAM256M 气动肌肉MAS.20一N500一AA—MCGK,初始 直径:20mm,初始长度:50cm, 最高工作压力:0.6MPa 比例压力阀vY1100—2,输入电压信号:0—5v DC,输入电源:24VDC,最高 工作压力:0.88MPa,应答时间: <0.03S 角度传感器NSRA,可检测角度:0一120., 精度:1% 拉力传感器CFBLS,检测范围:0—200kg, 精度:0.3% 数据采集卡PCI.1711,采样速率:100kHz, 16路单端模拟量输入;2路12 位模拟量输出 其他参数R=3Cm.,J=15cm 3.1等速CPM研究 图3为等速CPM实验曲线.在实验中,根据人体 下肢质量估算,将质量为2kg,3kg,4kg的质量块m 分别置于关节臂上,模拟不同体重人群下肢小腿的质 3液压与气动2008年第9期 80 .60 , 4o 20 0 90 85 .\80 ?75 70 65 60蓁t/st/s 060*,940*,9 图3等速CPM实验曲线 量,采用PID控制方法控制气动肌肉驱动质量块m跟 踪不同周期的三角坡信号运动,并在质量块质量为3 kg时,对其角度范围进行调节. 从图3a,3b可看出,当质量块m为2kg,3kg时, 气动肌肉可驱动质量块m在0.,90.范围内实现不 同的等速CPM,当质量块m为4kg时,运动角度范围 有所减小,这是因负载偏大造成的.在上述运动过程 中,等速误差均较小,在行程端点运动较平缓,具有较 好的柔性.由图3c,3d还可看出,在对运动角度进行 预设定后,气动肌肉可驱动质量块在预定的角度范围 内运动. 3.2等速ARM研究 图4为等速ARM实验曲线.ARM要求患者主动 参与运动,本文将质量块M置于图1实线和虚线两个 不同的位置所产生的力矩来模拟人体小腿的伸展力 矩和屈曲力矩,并通过改变质量块M的质量来模拟人 体小腿的主动力矩的变化.由气动肌肉驱动3kg的质 量块m跟踪三角坡信号运动,在运动过程中对两根气 动肌肉所产生的拉力进行测试.本实验分伸展f0., 9O.)和屈曲(90.,0.)两部分进行,质量块m对链轮 轴心的力矩数据通过对相同条件下进行等速CPM 时测试气动肌肉的合力矩获得. 图4中,l为l和之和的负值.由图4a,4c看 出,在ARM中,可基本实现等速运动.由图4b,4d可 看出,在上述运动过程中,气动肌肉的合力矩可顺 应质量块m的力矩及质量块M的力矩的变化 而变化,且气动肌肉的合力矩l与质量块m的力矩 的力矩和,即ARM的阻力矩,始终与M的主动力 矩近似相等. 4结论 80 70 60 50 40 30 80 70 .60 50 40 30 t/s a)伸展角度曲线 02468 t/s c)屈曲角度曲线 6 - 一 2 4 0,. b)伸展力矩曲线 304050607080 0,o d)屈曲力矩曲线 图4等速ARM实验曲线 本文设计了基于气动肌肉驱动的下肢膝关节康 复训练装置,并对其进行了模拟实验研究,实验研究 表明: (1)该装置可实现不同人群膝关节的等速CPM 训练,运动速度和角度范围可根据患者的不同需要进 行调节; (2)该装置可实现不同人群膝关节的等速ARM 训练,在运动过程中,气动肌肉所产生的力矩能顺应 人体小腿重力矩及主动力矩的变化而变化,且气动肌 肉产生的力矩与人体小腿重力矩之和始终与人腿主 动力矩相等,具有较好的顺应性; (3)在行程端点运动平缓,无冲击,具有较好的柔 性,可实现安全可靠的康复训练; (4)由于存在气动肌肉非线性,下肢重量大,重心 变化大等因素,还需采用有效的控制方法改善其控制 特性. 参考文献: ChouCP,HannafordB.Staticanddynamiccharacteristicsof [1】 mckibbenpneumaticartificialmuscles阁.SanDiego:IEEE Conf.onRoboticsandAutomation.1994. [2】宋又廉.用于等速关节肌力康复的流体装置研究[J1.上海 电机学院学报,2005. [3】黄雨,等.气动人工肌肉驱动关节PID位置控制研究[J】_液 压与气动,2003(4). [4】隋立明,等.气动肌肉及其构成的关节模型研究[JJ.机械设 计与研究,2002(12). [5】隋立明,等.气动肌肉结构参数的分析与设计[J1.液压与气 动,2003(1o1.