交互式腿部按压康复训练装置的设计与试验评估.pdf

Aug.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年8 月Vol.40No.8第40 卷第8 期机计设械交互式腿部按压康复训练装置的设计与试验评估高振兴，王兴一，孙前来3（1.山西科技学院文旅康养学院，山西晋城048000;2.太原科技大学体育学院，山西太原030024;3.太原科技大学电子信息工程学院，山西太原030024)摘要：大学生体育训练中腿部肌肉拉伤频发，传统一对一的康复训练方式强度大、效率低。基于此现状，文中引入虚拟训练模式，采用气动调节位姿的方式，设计了一种交互式腿部按压康复训练装置，该装置具有被动训练、主动训练和游戏训练3 种模式。为检测该技术的可行性和装备的可用性，招募志愿者对该装置进行了康复训练试验。试验结果表明：所有志愿者均对康复效果表示满意，该设备满足大学生腿部肌肉拉伤的康复训练需求，为腿部康复训练设备的研制提供理论依据。关键词：腿部康复；体育机械；康复训练；虚拟环境中图分类号：G818.3;TH69文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 3 54(2 0 2 3)0 8-0 0 6 3-0 6Design and experimental evaluation of interactive leg compression andrehabilitation training deviceGAO Zhenxing,WANG Xingyi?,SUN Qianlai3(1.School of Culture Tourism and Health Care,Shanxi Institute of Science and Technology,Jincheng 048000;2.School of Physical Education,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024;3.School of Electronic Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024)Abstract:Muscle strains in the legs are frequent in college students physical training,and the traditional one-on-one rehabili-tation training method is labor-intensive and inefficient.In this article,the virtual training method is introduced and an interactiveleg compression and rehabilitation training device characterized by pneumatic adjustment of posture is developed.This device hasthree modes:passive training,active training,and game training.In order to verify whether the technology is feasible and the equip-ment is practical,the volunteers are recruited to engage in the rehabilitation training experiments.The results show that all the volun-teers are satisfied with the rehabilitation effect.It is shown that this device meets the rehabilitation training needs of college studentswho suffer from leg muscle strains,and provides theoretical basis for the development of leg rehabilitation training equipment.Key words:leg rehabilitation;sports machinery;rehabilitation training;virtual environment在体育训练中，运动员腿部肌肉拉伤时有发生，快速康复对运动员取得竞赛成绩至关重要。康复训练包括3 个阶段：被动恢复阶段、过渡恢复阶段和主动恢复阶段。在被动恢复阶段，采用被动训练方式保持肢体*收稿日期：2 0 2 2-10-2 5；修订日期：2 0 2 3-0 2-16基金项目：山西省教学改革创新项目（J20221590）运动功能，减少肌肉萎缩2 。在过渡恢复阶段，运动员在被动训练模式下，能对装置主动施加作用力，以增强训练难度,促进腿部肌肉恢复3 。在主动恢复阶段,运动员在设备阻力作用下，执行特定的康复训练任务，提64计机设械第40 卷第8 期高康复训练的挑战性，使肌肉力量快速增加4目前的康复训练模式主要是由专人一对一训练,工作强度较大、效率较低,康复训练效果主要由理疗师水平决定5-6 康复训练装备的研制已经成为国内外研究的热点。Metrailler等7 开发的坐卧式外骨骼下肢康复机器人MotionMaker，可以完成下肢髋膝踝关节的曲伸运动。德国RehaStim公司的GT-1康复机器人系统8 是一种步态训练器材，旨在通过提供重复运动来增强步态能力。以上腿部康复装置均由预编程序控制运动轨迹,动作活动范围受限。刘洪涛9 研制的卧式腿部康复装置借助自行车脚的原理设计，可同时锻炼关节、膝关节及踝关节等，训练过程中逐步增加脚轴的阻尼以增大训练难度，完成康复过程。该机构的缺点在于康复训练动作较为单一，各关节活动幅度较小。康复训练者的积极参与可以提高康复效果10-1将游戏和虚拟现实引人康复训练对大学生康复训练者有重大影响，因为游戏和虚拟现实可以激发青少年与虚拟环境的实时互动，延长训练的持续时间12-15。针对体育训练中运动员腿部拉伤肌肉康复需求，引人虚拟环境训练模式，设计一种交互式腿部按压康复训练装置，通过虚拟环境中实时交互式训练状态，提高康复训练者的参与积极性，并开展康复训练试验研究，以验证可行性与实用性，为腿部肌肉康复训练装备的研制提供参考。1装置结构与.工作原理1.1装置结构交互式腿部按压康复训练装置采用气动方式调节位姿变化，主要由可调座椅模块、踏板角度调节装置、视觉反馈显示器及机架等构成，装置结构如图1所示。其中，踏板角度调节装置由杠杆、气缸、踏板、力传感器及角度传感器等构成468(a)主视图3495678(b)俯视图1视觉反馈显示器；2 力传感器；3 踏板；4杠杆；5气缸；6座椅模块；7 气动装置；8 机架；9 角度传感器图1交互式腿部按压康复训练装置1.2工作原理康复训练者坐在座椅模块上，双手置于扶手，双脚固定在踏板上（图2）。调整座椅和踏板位姿至舒适位置，其中座椅可前、后、上、下调节；踏板通过杠杆机构与气缸相连，踏板压力通过杠杆传递给气缸，推动气缸伸缩，向气缸内的压缩空气又通过杠杆控制踏板的位姿，与气缸压缩空气的动力相互作用，气缸的压力和方向由比例阀和方向阀控制。力传感器位于踏板下方，用于检测腿部施加在踏板上的力，将力的大小控制在康复训练者能够承受的范围内。角度传感器具有磁性，吸附于杠杆机构，用于测量和记录踏板绕旋转轴的绝对角度。视觉反馈屏幕安装在用户面前，实时显示性能变量（力和角度）和特定训练场景。视觉反馈显示器座椅模块力传感器角度传感器气缸图2交互式腿部按压康复训练装置系统为了安全，设一个急停按钮和一个手动制动器，可使踏板在最大范围内保持安全运动。此外，该装置可调节康复训练中力的最大值，如果达到该值，设备将停止运行。1.3主要技术参数该装置主要针对大学体育竞技训练中，腿部肌肉拉伤需康复训练的学生。结合其身高、体质量及腿部肌肉拉伤的特点，该装置需满足身高1.6 0 1.9 0 m青年大学生运动员的要求，能够承受不小于2 0 0 0 N的力，交互式腿部按压康复训练装置的主要技术参数如表1所示。652023年8 月高振兴，等：交互式腿部按压康复训练装置的设计与试验评估表1#装置主要技术参数项目参数结构形式气缸控制式外形尺寸（长宽高）/mm2.5001000 x1350力传感器精度（KD140.1kN）/%0.1角度传感器精度（MDFM20U9405/C360）/%0.25踏板调整角度/（）045气缸推动力/N23282关键部件设计2.1座椅模块的参数设计与选型座椅尺寸设计主要参数如图3 所示。靠背倾角椅面倾角座深座宽图3座椅设计相关参数结合人机工程学确定合理的座椅参数，保证训练者的人体脊椎曲线更接近于正常生理脊椎曲线16 ，舒适坐姿下人体的各关节角度应满足图4所示的角度。按照青年大学生的身体特征,座高应为3 8 0 48 0 mm,座宽为49 0 550 mm，座深为42 0 59 0 mm，靠背高度为320340mm，靠背宽度为2 0 0 3 0 0 mm，靠背倾角为525，座椅倾角为0 5,5100,20;150235;800,90;9004115;1000,120;85095图4舒适坐姿下人体的关节角度根据以上参数，座椅模块选择AutoFull傲风公司的“征服者”座椅，安装在汽车座椅支撑机构上，该支撑机构可以向前、后、上、下4个方向移动，以适应不同体型使用者。训练前，按使用者体型调整座椅和踏板之间的距离，以获得安全舒适的坐姿。2.2踏板角度调节装置的设计踏板角度调节装置用于位置控制，根据使用者小腿长及大腿长b决定基本尺寸，其作用原理如图5所示，受力方程如式（1）所示。踏板使用者a6杠杆座椅铰接点气缸FC图5踏板角度调节装置Flcos-F,l,sin=0(1)式中：F脚踏板受力，N；F.气缸施加的力，N；1踏板至铰接点距离，m；气缸至铰接点距离，m；踏板与杠杆之间的夹角；气缸与杠杆之间的夹角。气缸压力和方向由比例阀和方向阀控制，比例阀和方向阀与数据采集模块连接，并通过USB数据线由工程软件LabVIEW控制，如图6 所示性能参数训练游戏USB使用者操作界面力、视觉反馈显示器位置控制数据存储模块压缩目标压力空气气动装置出比例阀气缸压力控制图6踏板角度调节装置控制图踏板角度调节装置采用杠杆机构控制角度，由线性气缸提供推拉动力，可在1MPa压缩空气中提供2328N的力。为了测量力和位置，该装置有2 个力传感器和2 个角度传感器。力传感器（KD140.1kN，精66计设机第40 卷第8 期械度：0.1%）安装在踏板后面，直接测量使用者脚部施加的力。角度传感器（MDFM20U9405/C360，精度：0.25%）磁吸在杠杆上，用于测量和记录踏板旋转角度。2.3训练模式设计文中提出的康复训练装备旨在促进青年大学生体育训练中腿部肌肉拉伤的康复训练。该设备设计3 种不同的训练模式：(1)被动训练设备在自动模式下由气缸带动踏板按预定义的轨迹运行（即正弦信号或矩形信号），使用者随设备被动训练。设计该模式的主要目的是增加被训者的腿部运动范围，减少膝关节挛。(2)主动训练设备在力控制模式下运行，被训者执行特定任务，由气缸经杠杆向腿部提供阻力，提高挑战性。此训练模式的目的是增加肌肉的力量和协调性，主要用于恢复水平较高的受训者。(3)游戏模式此模式下，受训者用腿控制游戏，该设备提供阻力。该模式会分散受训者对运动本身的注意力，从而延长训练时长。同样，该模式适用于恢复水平较高的受训者17 O位置反馈控制系统是为了精确控制肢体上的预定义轨迹，由闭环位置控制系统实现（图7）。位置控制器对比标定角度和实际角度，并连续计算目标气压，将其传输到比例阀。比例阀有一个内部压力控制器，可将气缸中的空气压力维持在目标压力值附近。力反馈控制系统旨在维持标定力与踏板实际作用力之间的平衡（图7）。与位置控制系统类似，力控制系统是一个闭环控制系统。将标定力和踏板实际力对比后，将力对应的目标气压传至比例阀，压力控制器向气缸提供压缩空气，并在踏板上产生平衡踏板实际力的反力。在位置控制系统和力控制系统中,左、右侧踏板都是单独控制的标定位置标定压力控制阀位置力控制器压力控制器比例阀控制实际压力气缸控制踏板干扰因素实际位置力+实际位置/力图7位置/力控制回路2.4训练游戏设计为了给受训者提供一个有趣的训练环境,开发了两种不同的游戏：太空射击和乒乓球。游戏在跨平台游戏引擎（Unity3D）上运行，而训练设备设置为主动电阻训练模式（力控制器）。太空射击和乒乓球游戏都使用角度传感器进行控制。在太空射击游戏中，训练者操纵航天器躲避或击落太空落石,航天器的位置和方向由左右踏板角度落差确定。乒乓游戏需康复训练者控制两个球拍击打乒乓球，且球不落地，为无休止游戏模式，可单人训练。两个球拍分别由左、右踏板控制。3试验与方法3.1试验对象试验对象选择原则：山西科技学院和太原科技大学大一至大四学生；体育训练尤其是长跑训练中至少一条腿部肌肉有拉伤。排除原则：半年内有骨科手术；腿部有未愈合的皮肤病20名有腿部肌肉损伤的大学体育生参与了此研究，康复训练者年龄在18 2 5岁之间。3.2试验方法康复训练者坐于座椅，双脚固定在踏板上。根据康复训练者的身高调整座椅位置,以最大膝角（)确定康复训练者腿部的运动范围，装置保存该数据，并自动为不同康复训练者匹配合适的位置，如图8 所示。在设备软、硬件校准后，进行被动训练、主动训练及游戏模式的方式依次开展康复训练试验。图：试验测试图3.3试验结果及分析3.3.1康复训练者体验满意度及分析康复训练者完成训练后，通过问卷调查评估每位672023年8 月高振兴，互式腿部按压康复训练装置的设计与试验评估康复训练者的训练效果和满意度。2 0 名康复训练者的VAS评价统计结果如表2 所示。所有康复训练者均认为使用交互式腿部肌肉拉伤康复训练装备进行训练的效果令人满意（装置趣味性的VAS70）。只有1名康复训练者报告在训练期间出现疼痛或不适，所有康复训练者报告其希望继续使用训练设备（继续训练意愿的VAS70）表2康复训练者满意度统计表VAS分值项目名称最低分最高分均分+标准差30316970装置的趣味性709077.59.6004装置的舒适性1010072.542.7103装置的训练强度2010062.535112继续训练意愿8010092.59.6004装置的总体印象7090808.2004注：VAS值3 0，表示不满意；3 1VAS值6 9，表示基本满意，VAS值7 0，表示满意。3.3.2性能参数及分析训练装置在训练期间监测并记录性能数据，包括施加在踏板上的力、脚的位置和气缸执行器中的气压。使用工程软件LabVIEW实时记录数据，并输人MAT-LAB软件对每个康复训练者进行评估分析。图9 和图10显示了被动训练与主动训练模式下的运动参数，被动训练模式下，踏板角度及踏板受力按标定参数被动进行，大小基本保持与标定参数一致。主动训练模式下，左右脚同时施力，抵抗标定参数的变化，总体而言，主动模式下,左右踏板的参数与标定参数差距较大，训练更具有挑战性2015(。)/1050-5一标定角度一左踏板角度一右踏板角度-10051015 2025 30354045 50时间/s(a)踏板角度100806040N/2002040一标定力一左踏板力一右踏板力60-8005101520253035404550时间/s(b)踏板受力图9被动训练模式下康复训练者定义轨迹2015(。)/1050-5标定角度一左踏板角度一右踏板角度-1005101520253035404550时间/s(a)踏板角度40200-20Z-40力-6 0-80-100一标定力一左踏板力一右踏板力-120-14005101520253035404550时间/s(b)踏板受力图10主动训练模式运动轨迹4结果与讨论文中开发了一种可用于腿部肌肉拉伤康复训练装置，并招募2 0 名腿部肌肉拉伤的大学体育生作为康复训练者进行康复试验。结果表明：该设备具有技术可行性和可用性。该训练设备基于气动执行器（气缸），需要足够的气压，因此采用单级压缩机提供压缩空气。另外，使用气缸能够使整机布局更为紧凑，并增加更多控制方式。力和位置控制由力传感器和角度传感器监测,并动态反馈康复训练者的操作状态，对准确规划和分析康复训练者的康复进度具有重要意义。该设备在不同训练模式下表现出准确性和鲁棒性，显示出高度的可控性，提供适合体育健儿腿部肌肉康复训练的力。文中采用的游戏模式较为简单，提供虚拟环境给康复训练者开展锻炼。与当前最先进的游戏和虚拟现实场景18 相比，此模式相对单调。然而，尽管该装置提供的两个游戏很简单，但所有康复训练者在训练过程中都表现出浓厚兴趣和高度享受，延长了训练时间。总体来说，康复训练者认可设备的交互性及独立训练左、右腿的适用性。虽然文中的研究有助于确定该装置的技术可行性，但仍需进一步评估临床疗效，这将涉及增加软件来监测和评估康复训练者的康复进展，以及进行对照临68计设机第40 卷第8 期械床研究的必要性，评估与类似设备标准治疗相比的有效性。5结论文中提出了一种交互式腿部按压康复训练装置，并通过试验研究评估了该装置的技术可行性和可用性。从技术可行性和康复训练者满意度两方面来看，该康复训练装备能够满足运动员腿部肌肉康复训练的需求，所提出的训练模式是可行的，结果是令人满意的。参考文献1Murie-Fernandez M,Irimia P,Martinez-Vila E,et al.Reha-bilitation after 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