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，基于實際的需要，這里開發(fā)了一種膝關(guān)節(jié)牽引儀。很多人都患有膝關(guān)節(jié)的問題，其中一種常見問題是，當(dāng)膝關(guān)節(jié)的受力變大，長時間站立會導(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，往往會因為各種意外導(dǎo)致軟組織損傷，針對這些問題，本文設(shè)計一種機(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，針對這個疑問，本文探討采用手動方案來設(shè)計膝關(guān)節(jié)牽引儀。采用手動方案設(shè)計膝關(guān)節(jié)牽引儀擁有以下優(yōu)點：（1）該牽引儀控制簡單，可操作性強(qiáng)。（2）牽引儀的成本較低，針對需要長時間輔助治療的患者，可以購買，在家即可操作。（3）牽引儀的質(zhì)量輕，便于運輸。（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)周圍血液的運輸，這有利于膝關(guān)節(jié)周圍血淤起到化淤的作用，符合輔助治療的理念。

2 總體設(shè)計

在膝關(guān)節(jié)牽引儀的總體設(shè)計中，良好的設(shè)計準(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，可靠性高等優(yōu)點。在本設(shè)計中，要遵循以下三個設(shè)計準(zhǔn)則：系統(tǒng)性原則、合理布局原則、全面評價原則。

根據(jù)以上設(shè)計原則，確定整體的設(shè)計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，使用時在固定板的內(nèi)部進(jìn)行充氣即可完成固定。

在本設(shè)計中，整體的設(shè)計方案如圖1所示。

工作原理：實現(xiàn)牽引治療時，先將人的身體和小腿進(jìn)行固定，通過手臂搖動手輪將力矩傳遞到傳動機(jī)構(gòu)，傳動機(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，最終使膝關(guān)節(jié)處進(jìn)行拉伸，同時，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

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

由空間自由度計算的公式：

根據(jù)上述公式，最終計算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)在牽引的過程中總共只有1個自由度，即在水平方向左右移動。整合設(shè)計的傳動結(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 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)任務(wù)書中的要求，這里擬采用的是錐齒輪-傳動桿作為傳動方案。采用斜齒輪傳動能夠很好地改變力的傳遞方向。在工業(yè)上，錐齒輪通常是用來傳遞兩個相交軸間的動力，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，傳動軸的長度大約為70cm左右。基于相關(guān)的機(jī)械設(shè)計，本設(shè)計采用如圖3傳動方案。

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定部分設(shè)計效果圖

圖3 傳動方案的示意圖

傳動機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計完成后，對齒輪和軸進(jìn)行計算，該計算的過程參考的是齒輪常用的計算方法。

針對軸的計算，首先，要確定軸的最小直徑，根據(jù)公式可以確定出傳動軸的最小直徑為：

此外，根據(jù)軸在實際使用的過程中與各個零件配合，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，對軸的受力進(jìn)行校核。

齒輪的設(shè)計：

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

根據(jù)設(shè)計手冊，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算齒輪的模數(shù)，然后，根據(jù)齒根彎曲強(qiáng)度計算齒輪的模數(shù)，計算公式為：

然后，對比兩次計算齒輪的模數(shù)，選擇比較大的模數(shù)作為傳動齒輪的模數(shù)。結(jié)合設(shè)計齒輪的傳動比，可以確定出齒輪的結(jié)構(gòu)。

5 固定機(jī)構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)治療的要求，在使用牽引儀時，患者可能需要持續(xù)的牽引，在設(shè)計時，需要滿足患者的需求，每次牽引的時間大致為15～20分鐘。為此，根據(jù)實際的需求，設(shè)計時需要考慮到如何固定。針對固定裝置在使用過程中遇到的問題，在文中進(jìn)行了敘述，最后，本設(shè)計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)牽引的過程中提供方便。由于輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向為逆時針（從左向右），從而會產(chǎn)生一個反向的旋轉(zhuǎn)力。而設(shè)計的齒輪軸和卡盤兩者的齒輪是相互卡死的。在使用的過程中，只需要將卡盤放下即可，患者需要放松的時候，只需要將卡盤抬起即可。其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 固定裝置裝配圖