一種手動膝關節(jié)牽引治療儀設計

段惠斌，趙其星，王宏偉

（河北工程大學，河北 邯鄲 056038）

1 前言

醫(yī)療康復治療是目前發(fā)展處于萌芽階段，基于實際的需要，這里開發(fā)了一種膝關節(jié)牽引儀。很多人都患有膝關節(jié)的問題，其中一種常見問題是，當膝關節(jié)的受力變大，長時間站立會導致膝關節(jié)肌肉痙攣，壓迫膝關節(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致軟組織損傷，針對這些問題，本文設計一種機器，能夠輔助治療膝關節(jié)的損傷。

根據查閱的相關文獻，以及到河北工程大學附屬醫(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計膝關節(jié)牽引儀。采用手動方案設計膝關節(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。（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）牽引儀的質量輕，便于運輸。（4）牽引儀的可操作性強，減少了技術人員的參與，患者能夠自行在家完成相關的牽引，或者在醫(yī)院內自行完成治療。另外，選擇牽引架能夠保護膝關節(jié)周圍血液的運輸，這有利于膝關節(jié)周圍血淤起到化淤的作用，符合輔助治療的理念。

2 總體設計

在膝關節(jié)牽引儀的總體設計中，良好的設計準則至關重要，在保證膝關節(jié)牽引儀滿足使用準則的條件下，還要滿足結構要求，機構要合理、經濟效能好、擁有先進的技術、壽命長，可靠性高等優(yōu)點。在本設計中，要遵循以下三個設計準則：系統(tǒng)性原則、合理布局原則、全面評價原則。

根據以上設計原則，確定整體的設計方案采用的是患者平躺，將患者的膝關節(jié)處進行固定，執(zhí)行機構采用的是固定板進行固定，使用時在固定板的內部進行充氣即可完成固定。

在本設計中，整體的設計方案如圖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行固定，通過手臂搖動手輪將力矩傳遞到傳動機構，傳動機構將力矩傳遞到執(zhí)行機構，小腿隨著牽引儀的執(zhí)行機構移動，最終使膝關節(jié)處進行拉伸，同時，依靠固定機構能夠實現(xiàn)牽引儀的持續(xù)拉伸牽引。

圖1 膝關節(jié)牽引治療儀模型圖

3 執(zhí)行機構的設計

首先，根據實際的需求，要對牽引儀的執(zhí)行機構進行設想。執(zhí)行機構分為兩個小部分，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：

根據上述公式，最終計算出執(zhí)行機構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。整合設計的傳動結構和執(zhí)行結構，最終得到的結果如圖2所示。

4 傳動機構設計

根據任務書中的要求，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，在機械上，錐齒輪兩軸之間的交角一般為垂直關系。此外，根據使用要求，傳動軸的長度大約為70cm左右?；谙嚓P的機械設計，本設計采用如圖3傳動方案。

圖2 執(zhí)行機構固定部分設計效果圖

圖3 傳動方案的示意圖

傳動機構的整體設計完成后，對齒輪和軸進行計算，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，根據公式可以確定出傳動軸的最小直徑為：

此外，根據軸在實際使用的過程中與各個零件配合，以及軸的位置進行校正，最終確定軸的機構。最后，根據軸的受力特點，對軸的受力進行校核。

齒輪的設計：

在設計齒輪時，根據使用的條件對齒輪進行設計，首先，確定齒輪的最小分度圓直徑，計算的公式為：

根據設計手冊，確定出齒寬系數、區(qū)域系數、彈性影響系數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，然后，根據齒根彎曲強度計算齒輪的模數，計算公式為：

然后，對比兩次計算齒輪的模數，選擇比較大的模數作為傳動齒輪的模數。結合設計齒輪的傳動比，可以確定出齒輪的結構。

5 固定機構的設計

根據治療的要求，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，根據實際的需求，設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，在文中進行了敘述，最后，本設計中的固定裝置采用的是棘輪機構。

工作原理：該固定裝置的固定原理是為了在患者進行持續(xù)牽引的過程中提供方便。由于輸入軸的旋轉方向為逆時針（從左向右），從而會產生一個反向的旋轉力。而設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。其結構形式如圖4所示。

圖4 固定裝置裝配圖