一種手動(dòng)膝關(guān)節(jié)牽引治療儀設(shè)計(jì)

段惠斌，趙其星，王宏偉

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

1 前言

醫(yī)療康復(fù)治療是目前發(fā)展處于萌芽階段，基于實(shí)際的需要，這里開(kāi)發(fā)了一種膝關(guān)節(jié)牽引儀。很多人都患有膝關(guān)節(jié)的問(wèn)題，其中一種常見(jiàn)問(wèn)題是，當(dāng)膝關(guān)節(jié)的受力變大，長(zhǎng)時(shí)間站立會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)肌肉痙攣，壓迫膝關(guān)節(jié)的軟組織。另外，在人們的日常生活中，往往會(huì)因?yàn)楦鞣N意外導(dǎo)致軟組織損傷，針對(duì)這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種機(jī)器，能夠輔助治療膝關(guān)節(jié)的損傷。

根據(jù)查閱的相關(guān)文獻(xiàn)，以及到河北工程大學(xué)附屬醫(yī)院與醫(yī)生交流得知，常用的輔助治療方案為牽引治療，需要治療的患者往往是需要輔助治療，并且有一定的行為能力，因此，針對(duì)這個(gè)疑問(wèn)，本文探討采用手動(dòng)方案來(lái)設(shè)計(jì)膝關(guān)節(jié)牽引儀。采用手動(dòng)方案設(shè)計(jì)膝關(guān)節(jié)牽引儀擁有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）該牽引儀控制簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。（2）牽引儀的成本較低，針對(duì)需要長(zhǎng)時(shí)間輔助治療的患者，可以購(gòu)買(mǎi)，在家即可操作。（3）牽引儀的質(zhì)量輕，便于運(yùn)輸。（4）牽引儀的可操作性強(qiáng)，減少了技術(shù)人員的參與，患者能夠自行在家完成相關(guān)的牽引，或者在醫(yī)院內(nèi)自行完成治療。另外，選擇牽引架能夠保護(hù)膝關(guān)節(jié)周?chē)旱倪\(yùn)輸，這有利于膝關(guān)節(jié)周?chē)倨鸬交俚淖饔茫陷o助治療的理念。

2 總體設(shè)計(jì)

在膝關(guān)節(jié)牽引儀的總體設(shè)計(jì)中，良好的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則至關(guān)重要，在保證膝關(guān)節(jié)牽引儀滿足使用準(zhǔn)則的條件下，還要滿足結(jié)構(gòu)要求，機(jī)構(gòu)要合理、經(jīng)濟(jì)效能好、擁有先進(jìn)的技術(shù)、壽命長(zhǎng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，要遵循以下三個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：系統(tǒng)性原則、合理布局原則、全面評(píng)價(jià)原則。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，確定整體的設(shè)計(jì)方案采用的是患者平躺，將患者的膝關(guān)節(jié)處進(jìn)行固定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是固定板進(jìn)行固定，使用時(shí)在固定板的內(nèi)部進(jìn)行充氣即可完成固定。

在本設(shè)計(jì)中，整體的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

工作原理：實(shí)現(xiàn)牽引治療時(shí)，先將人的身體和小腿進(jìn)行固定，通過(guò)手臂搖動(dòng)手輪將力矩傳遞到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將力矩傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，小腿隨著牽引儀的執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)，最終使膝關(guān)節(jié)處進(jìn)行拉伸，同時(shí)，依靠固定機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)牽引儀的持續(xù)拉伸牽引。

圖1 膝關(guān)節(jié)牽引治療儀模型圖

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

首先，根據(jù)實(shí)際的需求，要對(duì)牽引儀的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)想。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為兩個(gè)小部分，一個(gè)小部分的作用是夾持固定，另一個(gè)部分是傳動(dòng)。針對(duì)夾持部分，由于夾持的是腿部，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先考慮的就是可伸縮的夾持裝置。

由空間自由度計(jì)算的公式：

根據(jù)上述公式，最終計(jì)算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)在牽引的過(guò)程中總共只有1個(gè)自由度，即在水平方向左右移動(dòng)。整合設(shè)計(jì)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)，最終得到的結(jié)果如圖2所示。

4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)書(shū)中的要求，這里擬采用的是錐齒輪-傳動(dòng)桿作為傳動(dòng)方案。采用斜齒輪傳動(dòng)能夠很好地改變力的傳遞方向。在工業(yè)上，錐齒輪通常是用來(lái)傳遞兩個(gè)相交軸間的動(dòng)力，在機(jī)械上，錐齒輪兩軸之間的交角一般為垂直關(guān)系。此外，根據(jù)使用要求，傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度大約為70cm左右。基于相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用如圖3傳動(dòng)方案。

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定部分設(shè)計(jì)效果圖

圖3 傳動(dòng)方案的示意圖

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)完成后，對(duì)齒輪和軸進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算的過(guò)程參考的是齒輪常用的計(jì)算方法。

針對(duì)軸的計(jì)算，首先，要確定軸的最小直徑，根據(jù)公式可以確定出傳動(dòng)軸的最小直徑為：

此外，根據(jù)軸在實(shí)際使用的過(guò)程中與各個(gè)零件配合，以及軸的位置進(jìn)行校正，最終確定軸的機(jī)構(gòu)。最后，根據(jù)軸的受力特點(diǎn)，對(duì)軸的受力進(jìn)行校核。

齒輪的設(shè)計(jì)：

在設(shè)計(jì)齒輪時(shí)，根據(jù)使用的條件對(duì)齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先，確定齒輪的最小分度圓直徑，計(jì)算的公式為：

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，確定出齒寬系數(shù)、區(qū)域系數(shù)、彈性影響系數(shù)以及大小齒輪的疲勞極限。初步確定出齒輪的分度圓直徑后需要計(jì)算齒輪的模數(shù)，然后，根據(jù)齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算齒輪的模數(shù)，計(jì)算公式為：

然后，對(duì)比兩次計(jì)算齒輪的模數(shù)，選擇比較大的模數(shù)作為傳動(dòng)齒輪的模數(shù)。結(jié)合設(shè)計(jì)齒輪的傳動(dòng)比，可以確定出齒輪的結(jié)構(gòu)。

5 固定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)治療的要求，在使用牽引儀時(shí)，患者可能需要持續(xù)的牽引，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要滿足患者的需求，每次牽引的時(shí)間大致為15～20分鐘。為此，根據(jù)實(shí)際的需求，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到如何固定。針對(duì)固定裝置在使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，在文中進(jìn)行了敘述，最后，本設(shè)計(jì)中的固定裝置采用的是棘輪機(jī)構(gòu)。

工作原理：該固定裝置的固定原理是為了在患者進(jìn)行持續(xù)牽引的過(guò)程中提供方便。由于輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針（從左向右），從而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的旋轉(zhuǎn)力。而設(shè)計(jì)的齒輪軸和卡盤(pán)兩者的齒輪是相互卡死的。在使用的過(guò)程中，只需要將卡盤(pán)放下即可，患者需要放松的時(shí)候，只需要將卡盤(pán)抬起即可。其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 固定裝置裝配圖