气动肌肉驱动的膝关节康复训练装置等速运动实验研究

　　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, continuous passive motion)训练和主动抗阻运动(ARM, active resistance motion)训练。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：① 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;② 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 的质量块来模拟人体小腿质量，以质量为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。设气动肌肉的收缩率为。当一根气动肌肉的压力增加，而另一根压力降低时，关节臂带动质量块 m 转动角度，此时气动肌肉 1、2 的收缩率分别为：

　　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-。

　　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：

　　对式(8)进行分析得出：