多模式柔顺膝关节康复器设计及力分析

　　0 引言

　　近年来，由于交通事故、人口老龄化、人们生活习惯改变等，膝关节损伤人群数量激增。现代康复医学认为，为了最大限度地恢复关节功能，增加肌力，缩短康复时间，膝关节损伤后应尽早进行康复训炼，且训练过程应该是从被动、助动到主动的柔顺可控的过程。膝关节康复训练器械的研发已越来越受到人们的重视。自加拿大医生 Salter RB 在 20 世纪 70 年代提出了关节持续被动运动( continuous passive motion，CPM) 的概念后，人们就开始了对持续被动训练装置( 简称 CPM 机) 的研制。早期的 CPM 机一般由电动机驱动，通过曲柄连杆机构帮助膝关节做伸 - 屈训练。由于采用了刚性驱动方式，使用这类 CPM 机时极易出现因施力不当或训练角度过大而造成的膝关节二次伤害; 而且早期的 CPM 机只能提供被动训练模式，患者得不到主动的肌力锻炼，康复效果并不理想。

　　针对这些问题，国内外的研究人员进行了相关研究。例如: 哈尔滨工程大学研制的基于电动机驱动的卧式下肢康复机器人[3]可提供多种康动练模式; 瑞士 Swortec 公司研发的 Motion Maker 智能型康复机器人可将神经肌肉电刺激作用于主 - 被动的运动再学习系统，具有被动、助动、主动的多训练功能[4]。但这些膝关节康复器依然没有从根本上解决刚性驱动方式带来的弊端。气动肌肉由于具有良好的柔顺性和安全性，近年来在医疗康复领域得到了广泛的应用。德国学者利用 Mckibben 型气动肌肉研制的MoreGait 下肢康复器[5]具有良好的柔顺性，在患者感到疼痛并产生抗力时可自动进行退让; 美国密歇根大学[6]研制的柔顺下肢康复器通过采集人体生物电信号对气动肌肉进行控制。但是，由于 Mckibben 型气动肌肉的收缩变形率较小，这一类下肢康复器的训练角度都比较小，难以很好地满足膝关节较大行程范围的训练要求。

　　本文提出了一种由无杆气缸 + 气动柔性驱动器构成的复合驱动技术方案，有效解决了单纯由 Mckibben 型气动肌肉作为驱动装置时康复器行程小的问题。设计了康复器的机械结构和控制系统，并进行了输出力分析。所研制的膝关节康复器具有良好的柔顺性，可满足膝关节被动、助动、主动等多种训练模式的要求。

　　1 膝关节康复器的设计要求

　　康复器设计应符合膝关节的活动特征，满足康复训练中对被动、助动、主动等不同训练模式的要求，以及各康复训练阶段中对关节运动范围、速度、作用力的不同要求，具体为:

　　1) 被动训练阶段: 由外力带动膝关节运动，特别应强调对人体的安全性，训练过程必须柔顺、缓慢、平稳，避免出现冲击性动作对患者造成二次伤害。训练应在无痛或微痛的范围内进行，伸屈膝运动范围一般为 0° ～ 90°，角速度控制在 0°/s ～4°/s 之间。