主－被动关节康复训练中的柔顺技术基础研究

膝关节发生损伤或医疗手术后的康复期，及时进行康复训练对恢复关节功能十分重要。使用传统CPM机对膝关节进行持续被动运动是目前常用的康复训练方法，但存在两大不足：一是传统CPM机采用电机＋机械传动的刚性结构，易对病人造成二次伤害；二是传统CPM机只能对关节实现被动训练，缺乏对肌肉肌力的锻炼，影响康复效果。本课题将提出关节康复训练的主－被动理论，并对关节主－被动康复训练中的柔顺技术进行基础研究，探索利用气动技术的气动复合柔顺驱动器柔顺驱动的运动机理，建立柔顺驱动器动态理论模型，通过对气体压力、流量等对柔顺驱动刚度影响规律的研究，探索气动复合柔顺驱动器多驱动间的最优耦合。在此基础上提出气动复合柔顺驱动器变刚度控制理论模型。最后，在对康复训练末端执行器运动学和动力学分析的基础上，利用变刚度理论模型，研究康复训练末端基于阻抗的力自适应控制技术。通过上述研究，以期推动柔顺驱动技术在医疗康复领域的应用。

对受伤膝关节进行及时有效的康复训练是恢复关节功能、加快康复速度的有效临床干预手段。传统的CPM（Continuous passive motion）康复器多属于刚性驱动，安全性差，只能实现被动训练，而使用Mckibben型气动肌肉的康复器虽柔顺性好，但训练角度小。本项目研究并提出了一种柔顺主-被动可控关节康复训练新技术，并对主-被动康复训练中的柔顺技术进行了基础研究工作，取得了以下研究成果：1）提出了无杆气缸+气动柔性驱动器的复合柔顺驱动新技术方案，满足了膝关节康复中大行程和柔顺驱动的双重要求。2）研发了新型推力大行程气动柔性驱动器，并对该驱动器的静态工作特性和动态工作特性进行了深入的理论建模研究，得到了柔性驱动器的输出力物理模型。对该气动柔性驱动器进行的特性试验结果表明：气动柔性驱动器的输出力在同一供气压力下，随工作长度增大而减小，呈近似线性关系；同一工作长度下，随供气压力增大而增大，成近似线性关系，但存在迟滞现象。3）对气动柔性驱动器的刚度理论进行了深入的基础研究，分析并建立了气动柔性驱动器的静态刚度和动态刚度数学模型。研究表明：供气压力是影响气动柔性驱动器刚度的主要因素。工作长度一定时，气动柔性驱动器的静态刚度随供气压力的增大而增大；供气压力一定时，静态刚度随工作长度的增大而减小，但减小的幅度不大；动态刚度为静态刚度与气压刚度之和，在本项目试验条件下，气压刚度约为静态刚度的1/10~1/7左右。4）提出了基于生物力信号反馈的膝关节康复器变刚度控制策略，并对膝关节关联肌肉的表面肌电信号的采集、提取、分析技术进行了深入的研究。对5名被试对象进行的测试结果表明：被动训练中，肌肉的表面肌电信号随膝关节弯曲角度增大而增大；不同康复程度中的表面肌电信号变化明显。主动训练中，阻尼力越大，肌肉的表面肌电信号越大。5）完成了柔顺主-被动膝关节康复器样机的制作，并研发了康复器的控制系统。提出了基于表面肌电信号的变刚度阈值控制策略，试验结果表明：当设定阈值为0.4时，膝关节弯曲角度可达62°；当阈值为0.5时，膝关节弯曲角度可达78°。所开发的膝关节康复器可以较好地完成对膝关节的柔性驱动。 项目研究结果对关节康复中的柔顺驱动技术发展具有较好的推动作用。