家用肘關節被動牽伸裝置設計分析

夏先均

（達州職業技術學院，四川 達州635001）

0 引言

肘關節骨折是臨床較為常見的疾病，占所有骨關節損傷的首位。而骨折治療常采用切開復位內固定，固定是骨折愈合的關鍵。但制動使關節周圍健康組織所受應力下降，容易發生關節功能障礙。為防止術后粘連，改善肘關節功能，術后康復訓練是關鍵。通過康復訓練能增加關節軟骨營養和代謝活動，有利于軟骨組織的再生和功能活動，清除關節內壞死組織，加速關節軟骨和關節周圍組織（肌腱、韌帶）的損傷修復。關節活動可刺激軟骨細胞增生，也利于血液中未分化細胞向軟骨細胞轉化，修復關節軟骨，緩解關節創傷或術后引起的疼痛。為取得良好的康復訓練效果，設計一種簡便的家庭、醫院兩用的康復器械十分必要。

1 方案設計

根據肘關節的生理功能，要恢復關節的活動度，必須牽引關節內、外攣縮和粘連的組織韌帶等。為此我們要設計2個活動臂，這2個活動臂將與前臂和上臂固定，能在0°～140°范圍自由屈曲，并在任意角度固定或鎖死，這種固定狀態還需方便解除。能實現該運動的主要方案有齒輪副傳動、蝸輪蝸桿副傳動、螺紋副傳動和平面四桿機構等。齒輪副傳動具有嚙合緊湊、傳動平穩、傳動力矩大等優點，但其傳動比受設計結構和空間限制，一般每級傳動比不宜大于7，且加工、裝配精度要求較高，無自鎖機構，所以本設計未采用。蝸輪蝸桿副傳動具有傳動比大、可自鎖、加工成本低等優點，要省力則要求具有很高的傳動比，故體積大。螺紋副傳動具有結構簡單、加工方便、可自鎖等優點，本設計采用螺紋副傳動機構實現。

2 系統設計及原理

該方案完成后，系統原理如圖1所示。

圖1 康復機械原理圖

其工作原理為：螺桿9和軸套8組成螺紋副，當螺桿9轉動時，軸套8上下滑動，帶動上臂支撐臂1和前臂支撐臂7上下運動及繞軸套上鉸鏈轉動，從而帶動上臂和前臂分別繞鉸鏈3和鉸鏈4轉動，改變上臂支架和前臂支架角度。同時，通過解除前臂滑塊6的鎖死機構，使前臂滑塊6在前臂支架上自由滑動，達到一鍵解除的目的。

3 主要參數確定

螺紋副傳動的主要參數包括螺紋行程、支撐臂長度、前臂和上臂支撐架長度及鉸鏈聯接位置等。

3．1 前臂和上臂支撐架長度

根據人機工程學相關尺寸規定（GB／T10000—1988），取適中身材，成年男性（18～60歲，以下同）前臂長237mm，成年女性為213mm；成年男性上臂長313mm，成年女性為284mm?？紤]到上臂長包含肩關節等部分，且綜合男性、女性通用問題，來設計選取上臂支撐架（從兩臂交點到末端距離）和前臂支撐架的長度。

3．2 鉸鏈聯接位置

確定鉸鏈聯接位置主要考慮兩點：省力和設計空間尺寸。從省力的角度看，鉸鏈應該靠近臂的末端，即遠離肘關節。而從設計空間尺寸看，鉸鏈需靠近肘關節。這是一對矛盾，而且前臂支架和鉸鏈的位置可調，所以沒有確定。但是為了傳動的穩定，在鎖死手柄鎖死后傳動，一般要求兩臂鉸鏈聯接點對稱。應綜合考慮這些情況來確定鉸鏈聯接位置。

3．3 支撐臂長度

由鉸鏈位置及前臂和上臂支撐架長度可以確定支撐臂的長度。

3．4 螺紋副

螺紋行程由上臂鉸鏈聯接位置、支撐臂長度和運動角度范圍決定。作螺紋傳動運動簡圖及角度和螺紋長度關系曲線，計算出上臂支架的運動范圍，從而確定螺紋副中螺桿的螺距及螺紋頭數。

4 系統優點總結

該系統具有如下優點：

（1）可旋轉角度大。轉動螺桿9，可以帶動上臂和前臂在0°～180°范圍內轉動，而人的上臂和前臂屈伸角度一般在0°～140°之間，該系統能充分滿足使用要求。

（2）自鎖。轉動螺桿9，帶動上臂和前臂分別繞鉸鏈3和鉸鏈4轉動，改變上臂支架和前臂支架角度。由于螺紋的自鎖特性，當系統運動到一定角度后，系統能自動鎖死，不需要其他任何鎖死結構。這樣就能較長時間地使上臂和前臂保持在該屈伸角度，有利于肘關節的被動牽引康復。

（3）可以一鍵解除。在前臂滑軌與前臂支架設計有一個放松與鎖緊的旋鈕，系統工作時鎖緊該旋鈕，使前臂支架與前臂滑軌之間的移動副失效。此時，轉動螺桿9帶動上臂支架2與前臂支架5繞各自的鉸鏈轉動，正常牽引肘關節到我們所需要的角度。牽引一旦完成，拆除該系統與肘關節的固定，放松前臂滑軌上的鎖緊旋鈕，滑塊6可以在前臂支架5上自由滑動，就可以自由地收折該裝置。

（4）傳動比大，省力。螺桿采用普通傳動螺紋，取螺紋螺距P＝1．5mm，采用雙頭，即螺桿旋轉一圈，軸套上升3mm，上臂和前臂之間夾角在0°～140°變化時，單邊變化范圍0°～70°，螺紋副運動距離約為50mm，即螺桿需運動50／3＝16．7圈，所以傳動比為16．7×360／70＝85．9。由于傳動比大，轉動螺桿就很輕便。

（5）角度連續可調。該系統是通過螺紋傳動來改變上臂與前臂之間的夾角，由于螺紋傳動的連續性，使得上臂和前臂之間的角度連續可調。

（6）該系統的多個零件可以采用標準件，市場上就可以買到，其他多數零件設計、加工都很簡單，裝配方便，制造生產價格就很便宜。材料可以采用塑料或鋁合金板料，重量就很輕。

綜上所述，該系統在醫院與家庭的肘關節康復中都有廣闊的應用前景。

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