家用機械式自重牽引儀的設計

羅彬賓

（常州信息職業技術學院常州市高端制造裝備智能化技術重點實驗室，江蘇常州 213164）

0 引言

數據顯示，近年來腰頸椎的發病率越來越高，而且其有著呈年輕化的發展趨勢[1-2]，給很多個人或家庭帶來了很大的困擾。隨著科技的發展，社會分工的愈發細化，特別是互聯網的普及，人們在電腦前工作或娛樂的時間越來越長。由于工作或娛樂的需要，很多相關人員不得不長時間保持某一姿勢工作，長年累月的積累導致各種腰頸椎問題。這些腰頸椎問題會嚴重地影響患者的身體健康和生活質量[3]，嚴重的情況下，會讓患者的生活蒙上一層深深的陰影。對于每一個受腰頸椎問題困擾的患者來說，長時間持續的疼痛會讓其產生過度的恐懼[4-5]，不利于康復且會增加再次傷害的風險[6]，所以如何消除或減輕患者的疼痛就顯得尤為重要。由于患者獨自頸椎牽引的風險很大，故本文僅從腰椎牽引出發討論如何設計牽引儀，并且患者在使用過程中一定要遵從醫囑。

1 設計出發點

臨床過程中牽引是一種很重要的輔助治療手段，醫護人員也往往使用牽引的方法來減輕患者的疼痛。由于每個牽引需求者都是不同的個體，對于不同個體的牽引需求者來說，每個個體的需求及適宜舒適度都是不一樣的，比如：1）患者有獨立完成牽引的意愿；2）患者的身高體重是不同的，所以牽引力量需因人而異；3）患者的胸背厚度是不同的；4）患者的手搖搖柄的舒適高度是不同的；5）患者有辦公娛樂的需求，因為較長時間的牽引可能會讓患者百無聊賴，導致患者排斥牽引這種方式。而市面上存在的醫用或家用牽引儀基本上都是普適型的，無法針對牽引需求者做出適宜的調整，而且在牽引時需要他人的幫助，牽引過程中無人陪護的話可能會導致不可預測的危險，并且長時間的牽引對患者的心理也是一種考驗。一般來說，醫生通常會建議腰椎患者日常多做圖1所示的“靜吊”的方式，也就是雙手抓住橫桿，雙腳懸空的方式和“倒行”等措施來緩解腰椎問題帶來的疼痛，而這些方法中“靜吊”的效果是最好的，且相對痛楚是最低的，但是對于絕大多數患者來說，“靜吊”時其手臂的耐受時長是很有限的，一般普通人在很短暫的時間內就會因為乳酸的積聚，從而覺得手臂酸脹，導致無法堅持，這樣其輔助治療效果就很差了，而且更進一步地講患者從雙腳懸空到雙腳著地這個過程中，也就是“松落”過程中會對腰椎產生較大的沖擊，很有可能加重病情，得不償失，故本文針對這些狀況設計了這種家用機械式自重牽引儀[7]。

圖1“靜吊”

2 家用機械式自重牽引儀內部傳動原理設計

一般來說，合適的傳動方式有很多，如何選擇最為合理的傳動方式非常重要，相對而言平面運動的傳遞更為簡單一些，而空間運動的傳遞就需要更多的考量。本文為了讓使用者有更好的使用體驗，結合人體工程學，選擇了空間上運動的傳遞，圖2即是本文設計的家用機械式自重牽引儀內部傳動機構。如圖2所示，家用機械式自重牽引儀的內部傳動機構是由3組錐齒輪組、2組套桿、多個軸承及螺紋升降桿等組成，其中圓錐齒輪和軸承與套桿或傳動桿之間采用過盈配合，相對應的圖3所示外部支撐的內部為中空結構，且軸承固定在其中，改善整個傳動機構的旋轉性能。結合圖3，那么圖2所示的傳動機構的工作原理是：使用者轉動搖柄帶動錐齒組1-1，錐齒組1-1帶動錐齒組1-2傳動，然后由錐齒組1-2帶動套桿1旋轉，由于限制了套桿1與傳動桿1之間的相互轉動，故其又帶動傳動桿1 旋轉，傳動桿1旋轉帶動錐齒組2-1旋轉，錐齒2-1的旋轉就會帶動錐齒2-2旋轉，然后通過傳動桿2與套桿2的旋轉帶動錐齒3-1和錐齒3-2旋轉，錐齒3-2的旋轉就會帶動絲桿旋轉，由于限制了升降桿的旋轉，那么絲桿的旋轉就會帶動升降桿的上下升降而不是旋轉，升降桿的上下升降，會帶動固定在其上的設施升降，達到設計需要的效果。這個家用機械式自重牽引儀的內部傳動簡捷明了，可以將空間上任意方位的旋轉運動轉化為升降桿的升降運動，之所以如此設計是為了提升使用者的使用體驗。

圖2 自重牽引儀的傳動機構

圖3 自重牽引儀的外部結構概略圖

3 家用機械式自重牽引儀外部設計

對于一個牽引儀來說，良好的外部設計不但方便使用，而且還能減輕或消除使用者在使用過程中的種種不良情緒，更重要的是還能提升其在使用過程中的愉悅感，讓使用者不排斥使用它。圖3所示便是本文設計的家用機械式自重牽引儀的概略圖，其由縱向立柱、縱向柱套、橫向桿、橫向柱套、支撐柱、升降柱及腋下束帶等組成，與圖2內部傳動機構保持一致。如此設計的目的是：根據牽引儀使用者不同的身高、體重、胸背厚度、舒適高度和適宜作業距離，使每一位使用者自主調節牽引儀最適宜的工作狀態。比如：1）使用者的身高不同，故腋下束帶的安裝位置也不同，可以預先將腋下束帶通過手旋螺栓3安裝在升降柱上合適高度的螺紋孔上；2）使用者的作業高度（即工作臺相對使用者的高度）不同，可以通過手旋螺栓1將縱向柱套固定在適宜的高度上；3）使用者的胸背厚度不同，因此舒適的作業距離（即工作臺和搖柄到使用者的距離）也不同，可以調節橫向桿和橫向柱套的位置，以達到最適宜的作業距離；4）牽引儀上設置了工作臺，可以放置筆記本電腦和茶水飲料等，兼顧辦公和娛樂。由于牽引過程需要較長的一段時間，這個過程很容易讓患者產生不良情緒，讓牽引過程變得難熬，工作臺的設置可以將這段時間變得更為輕松愉悅，甚至還能有效地用于辦公。

4 家用機械式自重牽引儀工作原理

如前所述，圖3是圖2自重牽引儀的外部支撐，圖3中的升降柱固定在圖2的升降桿上，當患者需要“靜吊”時，患者將腋下束帶束在腋下，然后轉動搖柄通過錐齒組的傳動，絲桿帶動升降桿上升，升降桿帶動升降柱上升，使其上升到適宜的高度，讓患者雙腳懸空，利用患者自身的重力拉伸腰椎，使其腰部肌肉放松，增加腰椎間隙和錐間孔使突出的髓核和纖維組織復位解除神經根受壓狀態，吸收神經根的水腫，緩解因此狀況帶來的疼痛[8]。當患者需要結束“靜吊”時，反向旋轉搖柄直到雙腳平穩著地，然后自主解開腋下束帶，牽引需求者在整個過程中都可以獨立完成，完全不需要借助他人的幫助，而且只需要極小的力轉動搖柄即可做到，對使用者的要求極低，在此過程中不會因為肌肉的劇烈繃緊而產生不適。這種設計不但很好地解決了使用者獨立完成牽引操作這個過程，而且更符合人體工程學，因為其牽引的力度是使用者自己本身的長久以來早已適應過的身體重力，不會因為牽引力的設置問題而導致使用者可能遭受的損傷。這種設計的額外益處是：由于其區別于絕大多數“臥式”牽引，徹底解放了使用者的雙手和眼睛，那么其在使用過程中完全消除了其他牽引方式所必需的陪護成本，大大提升了其使用價值。

5 家用機械式自重牽引儀的安全設計

一種產品的安全設計無外乎兩種，一種是在使用過程中是否能保障使用者的人身安全，另一種便是產品在使用壽命范圍內能否正常工作，達到其特定的工作要求。對于人身安全問題，由于該產品無需特定的人員來操作它，使用者自己即可獨立完成整個操作過程，故其完全摒棄了其頸椎部牽引的功能，并使用醒目的標志嚴令禁止使用頸部牽引，以消除潛在的風險。當然即便是這樣也不能排除其警告被忽視，所以其潛在風險也不能完全消除，鑒于此種情況，我們可以從人體的構造出發，對于使用者來說其脖頸的周長是遠小于其腋下的周長的，基于這個條件，可以在腋下束帶上設置一圈壓力傳感器，當使用者束緊腋下束帶時，這些壓力傳感器信號量足夠時，也就是其束緊周長夠長時牽引儀才能正常工作，否則將其自動設置為鎖死狀態。至于其在使用壽命范圍內能否正常工作，由于傳動系統為齒輪傳動轉螺紋傳動，而且螺紋傳動僅需極小的力矩即可達到，因此傳動系統出現問題的狀況基本可以忽略，真正能讓其失效的風險來源于使用者的體重導致支撐柱和升降柱的折彎，所以只需要適當提高支撐柱和升降柱的設計強度即可。

6 結語

本文設計了家用機械式自重牽引儀，利用患者自身懸空的重力（即患者長久以來最適宜的自身體重）進行牽引。這種牽引方式完美地契合患者的生理特征，而非經驗式的牽引力大小控制，對于患者而言更理想，大大地減小了因牽引力的設置而可能導致的牽引損傷；由于整個牽引的過程中使用者都處于“立式”狀態，那么就解放了其雙手和眼睛，使用者可以獨立地操作牽引儀并在工作臺上辦公或娛樂，消除了“臥式”牽引過程中所必需的陪護以及較長時間牽引導致的心理不適。