一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置及其方法，包括施力结构、托架结构，还包括生物力信号检测单元、控制单元，其中生物力信号检测单元包括表面电极片、信号调理器、数据采集及控制系统、位置指示用的行程开关、角度传感器，该行程开关由磁性开关和接近开关组成，控制单元包括计算机、比例流量阀、比例压力阀、开关阀、电磁换向阀、可编程控制器。本发明可准确地把握患膝关节的康复程度，并以此为根据确定康复训练方案中的驱动力/阻尼力以及训练的角度及角速度，具有良好的科学性，避免了以往的完全依赖医护人员的个人经验来制定康复方案的弊端。
【专利说明】一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于可应用于膝关节损伤患者手术后进行康复训练技术，特别是一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置及其方法。
【背景技术】
[0002]膝关节是人体中承担支承和运动功能的重要关节。如果膝关节在发生损伤或医疗手术后的康复期内不能及时得到有效的锻炼，则极易造成膝关节部位的粘连和肌肉萎缩，从而大大限制膝关节的运动能力，严重的甚至会造成关节部分功能的永久缺损。因此，现代康复医学认为，术后及时对膝关节进行适度、有效的康复锻炼，对恢复膝关节功能具有非常重要的作用。
[0003]对膝关节康复器械的基本要求主要集中在两个方面:安全性和有效性。安全性是指康复器械在对患膝进行康复训练时，不能对患膝产生二次伤害；有效性是指康复器械不仅要具有对关节灵活性的锻炼，而且要具有对关节关联肌肉及韧带进行必要的拉伸锻炼及肌力恢复的功能。因此膝关节康复器应同时满足柔顺性好、被动-主动训练相结合的功能要求。
[0004]目前,市场上在售的膝关节康复训练器(一般称为CPM机，Continuous PassiveMotion)基本上都是采用电机+机械传动机构的刚性结构驱动形式，由电机带动机械传动机构运动，从而带动患者肢体运动(美国专利US6325770B1和US6221033B1、中国专利200410006254.0等)，这种驱动方式往往无法根据患膝的不同康复阶段灵活地施加驱动力，或改变康复训练的角度，因此极易对膝关节造成二次伤害。虽然有不少学者对此进行了改进(中国专利200910031938.9)，也增加了一些智能控制的环节，但刚性驱动方式导致的安全性差的弊端没有从根本上得以根除。中国专利200410077721.9利用Mckibben型气动人工肌肉这种柔性驱动元件作为膝关节康复器的驱动元件，大大提高了康复器的训练安全性。但这种康复器只能对患者实施被动训练，无法满足主动训练的要求。同时，由于Mckibben型气动肌肉的有效行程较短，使得该康复训练装置所能提供的训练角度较小，无法实现膝关节康复训练中的大角度运动。
[0005]针对上述的这些问题，前期我们提出了一种双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置(专利号:201010146310.6)，利用了无杆气缸+推力大行程气动柔性驱动器的柔性驱动方案，在驱动行程的末端对抗安装了一对气动柔性驱动器，利用该驱动器的柔顺性保证屈膝-伸膝两个方向的膝关节康复训练的安全性，同时，通过控制气缸不同气腔以及不同气动柔性驱动器的供/排气，为患膝在不同的康复进程中提供被动训练、主动训练等多种不同的训练方式。但前期研制的这种康复器，虽然能够实现相应的康复训练，但训练之后在不同的训练阶段的训练力和训练角度是根据医师的个人经验给定的，一定程度上影响了康复训练的效果。
[0006]为了更为科学地对患膝进行康复训练，需要一种能对不同康复对象或者同一对象不同康复阶段的实际康复状态进行科学客观地评价、并以此为根据制定科学有效的康复方案、以期达到最佳康复效果的康复器械。根据这一思路，前期我们对膝关节关联肌肉的生物力信号的检测、处理、评估及控制方法等进行了相关的理论研究工作(南京理工大学硕士论文:基于表面肌电信号的膝关节康复机器人控制技术研究，作者:王士允)。但是如何通过相关技术来实现以及将这些研究用于康复训练在目前公开的文献中还未能解决这些技术问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置及其方法，可适用于膝关节损伤患者术后进行康复训练，可实时检测患膝在康复训练过程中屈膝用力时膝关节关联肌肉产生的肌肉生物力信号，并将该信号进行反馈，用于确定在被动训练时的驱动力或主动训练时的阻尼力的变刚度控制方法，从而实现对膝关节康复训练的智能控制，以期达到最佳的康复训练效果。
[0008]实现本发明目的的技术解决方案为:
[0009]一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置，包括施力结构、托架结构，施力结构包括无杆气缸、第一气动柔性驱动器、第二气动柔性驱动器、滑动副，滑动副由杆件和滑块组成；托架结构包括大腿杆、小腿杆，小腿杆与大腿杆之间构成转动副；还包括生物力信号检测单元、控制单元，其中生物力信号检测单元包括表面电极片、信号调理器、数据采集及控制系统、位置指示用的行程开关、角度传感器，该行程开关由磁性开关和接近开关组成，控制单元包括计算机、比例流量阀、比例压力阀、开关阀、电磁换向阀、可编程控制器；
[0010]所述的第一气动柔性驱动器、第二气动柔性驱动器各连接一个比例流量阀，无杆气缸的两个气口分别连接一个比例流量阀，各比例流量阀连接一个比例压力阀，各比例压力阀连接一个开关阀，各开关阀均与电磁换向阀连接，比例流量阀、比例压力阀、开关阀和电磁换向阀通过气管连通；`
[0011]表面电极片与信号调理器通过数据线连接，可编程控制器分别与计算机、磁性开关、接近开关、角度传感器、开关阀、电磁换向阀通过数据线相连，数据采集及控制系统分别与计算机、信号调理器、比例压力阀、比例流量阀通过数据线相连；两个以上的磁性开关安装于无杆气缸的缸体外表面的凹槽内，磁性开关放置的位置可沿无杆气缸轴线方向在气缸的行程范围内可调，用于检测康复训练时无杆气缸的活塞的行程位置；在滑动副的杆件两侧设置接近开关，角度传感器设置在大腿杆和与小腿杆之间的转动副处，并与该转动副同心。
[0012]一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练方法，在双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置上进行，在进行康复训练时将表面电极片贴于受训下肢相应的肌肉处，以测试康复训练过程中由于肌肉收缩产生的生物力，该生物力信号通过数据传输线传送给信号调理器进行信号的放大及滤波处理，并由数据采集及控制系统采集处理后的信号，数据采集及控制系统对信号调理器处理后的信号进行模/数转换后传送给计算机，计算机对生物力信号进行特征值RMS提取、信号强弱的分析和评估，数据采集及控制系统将计算机下达的控制指令进行数/模转换后发送给比例流量阀和比例压力阀，比例流量阀和比例压力阀根据计算机给出的控制指令控制阀的开口程度，以便控制供气流量和供气压力的大小；通过可编程控制器控制开关阀和电磁换向阀相应电磁铁的通断情况来控制阀的开闭，从而控制相应气动支路的通断，以便控制康复训练的过程。
[0013]本发明与现有技术相比，其显著优点:(1)通过对训练过程中患膝关节关联肌肉的生物力信号的实时检测，可准确地把握患膝关节的康复程度，并以此为根据确定康复训练方案中的驱动力/阻尼力以及训练的角度及角速度，具有良好的科学性，避免了以往的完全依赖医护人员的个人经验来制定康复方案的弊端。(2)通过对供气压力的有效控制，可实现对末端的气动柔性驱动器的刚度进行循序渐进的控制，以满足被动训练初期要求康复器柔顺性好、刚度低、以避免对患膝关节造成二次伤害，而随着康复进程的推进对其柔顺性不断减弱的要求，即被动训练初期要求柔顺性好，随着康复进程的推进，对柔顺性的要求不断减弱。(3)根据肌力的恢复程度，通过控制排气流量，可以方便地实现主动训练过程中对阻尼力的控制，以达到最佳的康复训练效果。
[0014]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置的机械结构示意图。
[0016]图2为本发明的E向局部放大示意图。
[0017]图3为本发明的控制系统的组成示意图。
[0018]图4为利用本发明进行康复训练时的流程示意图。
[0019]图5为气动柔性驱动器动刚度随供气压力的变化曲线。
[0020]图6为气动柔性驱动器螺旋弹性管每一层的截面几何示意图。
【具体实施方式】
[0021]结合图1、图2和图3，本发明带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置，包括施力结构、托架结构、生物力信号检测单元、控制单元。其中施力结构包括底板1、无杆气缸
2、滑台3、第一气动柔性驱动器4 (由初始截面为扁平状的螺旋弹性管33构成)、导杆5、第二气动柔性驱动器6 (由初始截面为扁平状的螺旋弹性管33构成)、固定支架7、联接件8、可移动支架9、滑动副10 ;托架结构包括大腿杆11、大腿托板12、小腿杆13、小腿托板14、脚托架15、联接杆16、T型连接件17、L型杆18、第一调节装置19和第二调节装置20 ;生物力信号检测单元包括表面电极片21 (个数根据需要选取)、信号调理器22、数据采集及控制系统23、位置检测和指示用的行程开关(包括磁性开关25和接近开关26，个数根据需要选取)、角度传感器27。控制单元包括计算机24，比例流量阀28、比例压力阀29、开关阀30、电磁换向阀31、可编程控制器32。 [0022]无杆气缸2固定在底板I上，在滑台3上沿无杆气缸2行程方向的两侧边缘处对称安装有两个固定支架7，两个固定支架7之间沿气缸行程方向安装有导杆5，该导杆5的轴线与无杆气缸2活塞的轴线平行，导杆5上从L (左)向R (右)方向依次安装有第二气动柔性驱动器6、可移动支架9和第一气动柔性驱动器4，两对滑动副10对称放置在滑台3沿无杆气缸2行程方向的中心线的两侧，且滑动副10的滑动方向与无杆气缸2活塞的行程方向平行；滑动副10由杆件和滑块组成，其中，杆件的两端分别固定在两个固定支架7上，滑块固定在可移动支架9上。可移动支架9在与气缸行程方向垂直的方向的两侧分别固联有T型连接件17，两个T型连接件17上各自联接有小腿杆13，两个小腿杆13之间联接有联接杆16，联接杆16上安装有脚托架15，两个小腿杆13和联接杆16之间设置有杆件长度调节装置19，两个小腿杆13之间设有材质柔软的小腿托板14。可移动支架9与T型连接件17之间、小腿杆13与大腿杆11之间以及大腿杆11与L型杆18之间构成转动副。两个大腿杆11之间设有材质柔软的大腿托板12，两个L型杆18分别固定在底板I的两侧，并设置有杆件长度调节装置20。
[0023]所述的第一气动柔性驱动器(4)、第二气动柔性驱动器(6)各连接一个比例流量阀，无杆气缸(2)的两个气口分别连接一个比例流量阀，各比例流量阀(四个)连接一个比例压力阀，各比例压力阀(四个)连接一个开关阀，各开关阀(四个)均与电磁换向阀(31)连接，比例流量阀(28)、比例压力阀(29)、开关阀(30)和电磁换向阀(31)通过气管连通；共构成4条气动支路，由气源装置供给压缩空气。其中两条气动支路与无杆气缸2的两个气口连接，另外两条气动支路分别连接第一气动柔性驱动器4和第二气动柔性驱动器6。
[0024]表面电极片(21)与信号调理器(22)通过数据线连接，可编程控制器(32)分别与计算机(24)、磁性开关(25)、接近开关(26)、角度传感器(27)、开关阀(30)、电磁换向阀
(31)通过数据线相连，数据采集及控制系统(23)分别与计算机(24)、信号调理器(22)、t匕例压力阀(29)、比例流量阀(28)通过数据线相连；两个以上(个数根据需要确定)的磁性开关(25)安装于无杆气缸(2)的缸体外表面的凹槽内，磁性开关(25)放置的位置可沿无杆气缸(2)轴线方向在气缸的行程范围内可调，用于检测康复训练时无杆气缸(2)的活塞的行程位置；在滑动副(10)的杆件两侧设置接近开关(26)，角度传感器(27)设置在大腿杆(11)和与小腿杆(13)之间的转动副处 ，并与该转动副同心。
[0025]结合图4，本发明带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练方法，在上述双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置上进行，在进行康复训练时将表面电极片(21)贴于受训下肢相应的肌肉处，以测试康复训练过程中由于肌肉收缩产生的生物力，该生物力信号通过数据传输线传送给信号调理器(22 )进行信号的放大及滤波处理，并由数据采集及控制系统
(23)采集处理后的信号，数据采集及控制系统(23)对信号调理器(22)处理后的信号进行模/数转换后传送给计算机(24)，计算机(24)对生物力信号的特征值进行提取(例如提取信号的均方根值RMS)、信号强弱的分析和评估，数据采集及控制系统(23)将计算机(24)下达的控制指令(例如:判断RMS值是否超过所设定的阈值，若RMS值小于所设定的阈值，则维持上一次的控制信号不变，反之，若RMS值大于所设定的阈值，则增加相应的控制信号电压值)进行数/模转换(关于数据采集及控制系统23实现模/数、数/模转换功能可以采用研华公司的采集及控制板卡)后发送给比例流量阀(28)和比例压力阀(29)，比例压力阀(29)和比例流量阀(28)可根据计算机(24)发出的控制指令控制阀的开口程度，以便控制供气压力或供气流量。对电磁换向阀(31)和开关阀(30)，通过可编程控制器(32)可以控制阀电磁铁的通断来控制阀的开闭，以便控制相应气动支路的通断。
[0026]下面结合图1~6说明本发明的具体实施过程:
[0027]一、被动训练
[0028]患肢在康复的初期进行膝关节被动训练时，首先将康复器中的无杆气缸2和气动柔性驱动器置于初始位置。将需要训练的下肢置于本发明提出的膝关节康复训练装置的托架结构上并进行必要的固定，将一组表面电极片21分别贴于下肢中大腿和小腿肌肉群的各块肌肉处。开启各电源、气源和计算机控制系统。给定初始的供气压力和供气流量控制信号。同时，控制电磁换向阀31左边的电磁铁和与无杆气缸2相连接的2个开关阀30的电磁铁通电，保证无杆气缸2的Pl 口进气，P2 口排气(如图3所示)，无杆气缸2上的滑台3向图3所示的右向运动，通过滑台3带动托架结构中的大腿杆11、小腿杆13等构成的连杆机构进行运动，从而带动患膝关节进行屈膝动作。进行屈膝训练；当磁性开关25检测到无杆气缸向右运动到位后，将到位检测信号发送给可编程控制器32，可编程控制器32发出下一条控制指令，控制与无杆气缸2相连接的2个开关阀30的电磁铁断电、与第一气动柔性驱动器4和第二气动柔 性驱动器6相连接的2个开关阀30的电磁铁通电，保证第一气动柔性驱动器4充气、第二气动柔性驱动器6排气，滑台3继续向右运动完成屈膝训练的末端行程。当滑动副10中的滑块接触到设置在滑动副10杆件右端的接近开关26时，或者采集到的肌肉生物力信号达到了事先设定的阈值上限，则屈膝过程结束。接近开关26或计算机24发检测信号至可编程控制器32，可编程控制器32继续发出下一条控制指令，控制电磁换向阀31左边的电磁铁断电、右边的电磁铁通电、与第一气动柔性驱动器4和第二气动柔性驱动器6相连接的2个开关阀30的电磁铁通电状态不变，保证第二气动柔性驱动器6充气、第一气动柔性驱动器4排气，开始伸膝动作。当滑动副10中的滑块接触到设置在滑动副10杆件左端的接近开关26时，接近开关26发检测信号至可编程控制器32，可编程控制器32继续发出下一条控制指令，控制与第一气动柔性驱动器4和第二气动柔性驱动器6相连接的2个开关阀30的电磁铁断电、与无杆气缸2相连接的2个开关阀30的电磁铁通电，保证无杆气缸2的P2 口进气，Pl 口排气，继续完成伸膝动作，直至磁性开关25检测到无杆气缸向左的运动到位，一个训练行程结束，并等待可编程控制器32发出下一个训练循环的指令。
[0029]由计算机24发出的供气压力和供气流量控制信号可以控制在屈膝训练过程中供给无杆气缸2或第一气动柔性驱动器4的供气压力和流量，从而控制驱动力和速度的大小。屈膝过程中，各表面电极片21检测肌电信号，检测信号经信号调理器22进行放大、滤波等处理，由数据采集及控制系统23采集并进行模/数转换后传送给计算机24，计算机中的软件处理系统对采集到的信号进行特征值提取、信号强弱分析评估后(例如:判断RMS值是否达到0.5)，下达下一次康复训练的控制指令。如此循环，即可进行患膝的被动康复训练。
[0030]二、主动训练
[0031 ] 首先开启各电源和计算机控制系统，可编程控制器32发出初始控制指令，控制电磁换向阀31右边的电磁铁以及所有的开关阀30的电磁铁通电，保证本发明中的无杆气缸2的右腔室及第二气动柔性驱动器6处于充气的状态、无杆气缸2的左腔室及第一气动柔性驱动器4处于排气的状态、康复器处于左端的初始位置。将需要训练的下肢置于本发明提出的膝关节康复训练装置的托架结构上并进行必要的固定，将一组表面电极片21分别贴于下肢中大腿和小腿肌肉群的各块肌肉处。给定初始的供气压力和供气流量控制信号。接着，可编程控制器32发出下一条控制信号，控制电磁换向阀31右边的电磁铁断电、左边的电磁铁通电。计算机24发出控制信号，以控制与无杆气缸2的Pl 口相连及与气动柔性驱动器4相连的比例压力阀29的供气压力(该供气压力越小，主动训练时患膝的主动施力应该越大，康复训练的最后阶段该供气压力为O)和与无杆气缸2的Pl 口相连及与气动柔性驱动器4相连的比例流量阀28的供气流量(此时，比例流量阀28的阀口置于最大)，同时，计算机24发出的控制信号还要控制与无杆气缸2的P2 口相连以及与气动柔性驱动器6相连的比例流量阀28的排气流量的大小(该排气流量越大，主动训练时需克服的阻尼力越小；反之，该排气流量越小，主动训练时需克服的阻尼力越大)和与无杆气缸2的P2 口相连以及与气动柔性驱动器6相连的比例压力阀29 (此时，比例压力阀29的阀口置于最大)。患肢在进行康复进程中的主动训练时，主动用力去克服康复器所施加的阻尼力完成屈膝动作，以达到对关节关联肌肉锻炼的目的。在主动训练过程中，各表面电极片21检测肌电信号，检测信号经信号调理器22进行放大、滤波等处理，由数据采集及控制系统23采集并进行模/数转换后传送给计算机24，计算机中的软件处理系统对采集到的信号进行特征值提取并进行信号强弱的分析评估。若采集到的信号达到了事先设定的阈值上限，或者磁性开关25检测到了到位信号，则控制电磁换向阀31右边电磁铁通电、左边电磁铁断电，保证无杆气缸2的P2 口进气、Pl 口排气,第二气动柔性驱动器6进气、第一气动柔性驱动器4排气,完成伸膝动作。同时，计算机24根据前一训练周期中检测到的肌电信号的大小，确定并下达下一次康复训练的控制指令。如此循环，即可进行患膝的主动康复训练。(参考文献:南京理工大学硕士论文:基于表面肌电信号的膝关节康复机器人控制技术研究，作者:王士允)
[0032]三、气动柔性驱动器变刚度的控制
[0033]本发明在屈膝行程的末端采用了气动柔性驱动器，通过控制气动柔性驱动器的供气压力，可以改变气动柔性驱动器的刚度，以满足患膝不同康复程度时对康复器变刚度的要求。其变刚度的方法是:气动柔性驱动器的动刚度Kd为静刚度I和气压刚度K,之和。
【权利要求】
1.一种带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练装置，包括施力结构、托架结构，施力结构包括无杆气缸(2)、第一气动柔性驱动器(4)、第二气动柔性驱动器(6)、滑动副(10)，滑动副(10)由杆件和滑块组成；托架结构包括大腿杆(11)、小腿杆(13)，小腿杆(13)与大腿杆(11)之间构成转动副；其特征在于还包括生物力信号检测单元、控制单元，其中生物力信号检测单元包括表面电极片(21)、信号调理器(22)、数据采集及控制系统(23)、位置指示用的行程开关、角度传感器(27)，该行程开关由磁性开关(25)和接近开关(26)组成，控制单元包括计算机(24)、比例流量阀(28)、比例压力阀(29)、开关阀(30)、电磁换向阀(31)、可编程控制器(32)； 所述的第一气动柔性驱动器(4)、第二气动柔性驱动器(6)各连接一个比例流量阀，无杆气缸(2)的两个气口分别连接一个比例流量阀，各比例流量阀连接一个比例压力阀，各比例压力阀连接一个开关阀，各开关阀均与电磁换向阀(31)连接，比例流量阀(28)、比例压力阀(29 )、开关阀(30 )和电磁换向阀(31)通过气管连通； 表面电极片(21)与信号调理器(22)通过数据线连接，可编程控制器(32)分别与计算机(24)、磁性开关(25)、接近开关(26)、角度传感器(27)、开关阀(30)、电磁换向阀(31)通过数据线相连，数据采集及控制系统(23)分别与计算机(24)、信号调理器(22)、比例压力阀(29)、比例流量阀(28)通过数据线相连；两个以上的磁性开关(25)安装于无杆气缸(2)的缸体外表面的凹槽内，磁性开关(25)放置的位置可沿无杆气缸(2)轴线方向在气缸的行程范围内可调，用于检测康复训练时无杆气缸(2)的活塞的行程位置；在滑动副(10)的杆件两侧设置接近开关(26)，角度传感器(27)设置在大腿杆(11)和与小腿杆(13)之间的转动副处，并与该转动副同心。
2.—种带生物 力反馈的可变刚度膝关节康复训练方法，其特征在于在双向柔性的膝关节主-被动康复训练装置上进行，在进行康复训练时将表面电极片(21)贴于受训下肢相应的肌肉处，以测试康复训练过程中由于肌肉收缩产生的生物力，该生物力信号通过数据传输线传送给信号调理器(22)进行信号的放大及滤波处理，并由数据采集及控制系统(23)采集处理后的信号，数据采集及控制系统(23 )对信号调理器(22 )处理后的信号进行模/数转换后传送给计算机(24)，计算机(24)对生物力信号进行特征值RMS提取、信号强弱的分析和评估，数据采集及控制系统(23)将计算机(24)下达的控制指令进行数/模转换后发送给比例流量阀(28)和比例压力阀(29)，比例流量阀(28)和比例压力阀(29)根据计算机(24)给出的控制指令调节供气流量和供气压力的大小；通过可编程控制器(32)控制开关阀(30)和电磁换向阀(31)相应电磁铁的通断情况，对气动回路进行顺序动作控制，以便控制康复训练的过程。
3.根据权利要求2所述的带生物力反馈的可变刚度膝关节康复训练方法，其特征在于在驱动行程的末端通过比例流量阀(28)和比例压力阀(29)控制第一气动柔性驱动器(4)或第二气动柔性驱动器(6)的供气压力，改变气动柔性驱动器的刚度，以满足不同康复阶段对康复器变刚度的要求，即气动柔性驱动器的动刚度Kd为静刚度&和气压刚度K,之和:
【文档编号】A61H1/00GK103690333SQ201310726754
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】滕燕, 李小宁, 高帅, 王士允 申请人:南京理工大学