家用機(jī)械式自重牽引儀的設(shè)計(jì)

羅彬賓

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州市高端制造裝備智能化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州 213164）

0 引言

數(shù)據(jù)顯示，近年來腰頸椎的發(fā)病率越來越高，而且其有著呈年輕化的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]，給很多個(gè)人或家庭帶來了很大的困擾。隨著科技的發(fā)展，社會(huì)分工的愈發(fā)細(xì)化，特別是互聯(lián)網(wǎng)的普及，人們?cè)陔娔X前工作或娛樂的時(shí)間越來越長。由于工作或娛樂的需要，很多相關(guān)人員不得不長時(shí)間保持某一姿勢(shì)工作，長年累月的積累導(dǎo)致各種腰頸椎問題。這些腰頸椎問題會(huì)嚴(yán)重地影響患者的身體健康和生活質(zhì)量[3]，嚴(yán)重的情況下，會(huì)讓患者的生活蒙上一層深深的陰影。對(duì)于每一個(gè)受腰頸椎問題困擾的患者來說，長時(shí)間持續(xù)的疼痛會(huì)讓其產(chǎn)生過度的恐懼[4-5]，不利于康復(fù)且會(huì)增加再次傷害的風(fēng)險(xiǎn)[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(dú)自頸椎牽引的風(fēng)險(xiǎn)很大，故本文僅從腰椎牽引出發(fā)討論如何設(shè)計(jì)牽引儀，并且患者在使用過程中一定要遵從醫(yī)囑。

1 設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)

臨床過程中牽引是一種很重要的輔助治療手段，醫(yī)護(hù)人員也往往使用牽引的方法來減輕患者的疼痛。由于每個(gè)牽引需求者都是不同的個(gè)體，對(duì)于不同個(gè)體的牽引需求者來說，每個(gè)個(gè)體的需求及適宜舒適度都是不一樣的，比如：1）患者有獨(dú)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?yàn)檩^長時(shí)間的牽引可能會(huì)讓患者百無聊賴，導(dǎo)致患者排斥牽引這種方式。而市面上存在的醫(yī)用或家用牽引儀基本上都是普適型的，無法針對(duì)牽引需求者做出適宜的調(diào)整，而且在牽引時(shí)需要他人的幫助，牽引過程中無人陪護(hù)的話可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)，并且長時(shí)間的牽引對(duì)患者的心理也是一種考驗(yàn)。一般來說，醫(yī)生通常會(huì)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(duì)痛楚是最低的，但是對(duì)于絕大多數(shù)患者來說，“靜吊”時(shí)其手臂的耐受時(shí)長是很有限的，一般普通人在很短暫的時(shí)間內(nèi)就會(huì)因?yàn)槿樗岬姆e聚，從而覺得手臂酸脹，導(dǎo)致無法堅(jiān)持，這樣其輔助治療效果就很差了，而且更進(jìn)一步地講患者從雙腳懸空到雙腳著地這個(gè)過程中，也就是“松落”過程中會(huì)對(duì)腰椎產(chǎn)生較大的沖擊，很有可能加重病情，得不償失，故本文針對(duì)這些狀況設(shè)計(jì)了這種家用機(jī)械式自重牽引儀[7]。

圖1“靜吊”

2 家用機(jī)械式自重牽引儀內(nèi)部傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)

一般來說，合適的傳動(dòng)方式有很多，如何選擇最為合理的傳動(dòng)方式非常重要，相對(duì)而言平面運(yùn)動(dòng)的傳遞更為簡(jiǎn)單一些，而空間運(yùn)動(dòng)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(yàn)，結(jié)合人體工程學(xué)，選擇了空間上運(yùn)動(dòng)的傳遞，圖2即是本文設(shè)計(jì)的家用機(jī)械式自重牽引儀內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖2所示，家用機(jī)械式自重牽引儀的內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由3組錐齒輪組、2組套桿、多個(gè)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(dòng)桿之間采用過盈配合，相對(duì)應(yīng)的圖3所示外部支撐的內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，且軸承固定在其中，改善整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)性能。結(jié)合圖3，那么圖2所示的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理是：使用者轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄帶動(dòng)錐齒組1-1，錐齒組1-1帶動(dòng)錐齒組1-2傳動(dòng)，然后由錐齒組1-2帶動(dòng)套桿1旋轉(zhuǎn)，由于限制了套桿1與傳動(dòng)桿1之間的相互轉(zhuǎn)動(dòng)，故其又帶動(dòng)傳動(dòng)桿1 旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)桿1旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)錐齒組2-1旋轉(zhuǎn)，錐齒2-1的旋轉(zhuǎn)就會(huì)帶動(dòng)錐齒2-2旋轉(zhuǎn)，然后通過傳動(dòng)桿2與套桿2的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)錐齒3-1和錐齒3-2旋轉(zhuǎn)，錐齒3-2的旋轉(zhuǎn)就會(huì)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，由于限制了升降桿的旋轉(zhuǎn)，那么絲桿的旋轉(zhuǎn)就會(huì)帶動(dòng)升降桿的上下升降而不是旋轉(zhuǎn)，升降桿的上下升降，會(huì)帶動(dòng)固定在其上的設(shè)施升降，達(dá)到設(shè)計(jì)需要的效果。這個(gè)家用機(jī)械式自重牽引儀的內(nèi)部傳動(dòng)簡(jiǎn)捷明了，可以將空間上任意方位的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為升降桿的升降運(yùn)動(dòng)，之所以如此設(shè)計(jì)是為了提升使用者的使用體驗(yàn)。

圖2 自重牽引儀的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖3 自重牽引儀的外部結(jié)構(gòu)概略圖

3 家用機(jī)械式自重牽引儀外部設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)牽引儀來說，良好的外部設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的家用機(jī)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(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)保持一致。如此設(shè)計(jì)的目的是：根據(jù)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(yè)距離，使每一位使用者自主調(diào)節(jié)牽引儀最適宜的工作狀態(tài)。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(yù)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(yè)高度（即工作臺(tái)相對(duì)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(yè)距離（即工作臺(tái)和搖柄到使用者的距離）也不同，可以調(diào)節(jié)橫向桿和橫向柱套的位置，以達(dá)到最適宜的作業(yè)距離；4）牽引儀上設(shè)置了工作臺(tái)，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(shí)間，這個(gè)過程很容易讓患者產(chǎn)生不良情緒，讓牽引過程變得難熬，工作臺(tái)的設(shè)置可以將這段時(shí)間變得更為輕松愉悅，甚至還能有效地用于辦公。

4 家用機(jī)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(dāng)患者需要“靜吊”時(shí)，患者將腋下束帶束在腋下，然后轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄通過錐齒組的傳動(dòng)，絲桿帶動(dòng)升降桿上升，升降桿帶動(dòng)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(fù)位解除神經(jīng)根受壓狀態(tài)，吸收神經(jīng)根的水腫，緩解因此狀況帶來的疼痛[8]。當(dāng)患者需要結(jié)束“靜吊”時(shí)，反向旋轉(zhuǎn)搖柄直到雙腳平穩(wěn)著地，然后自主解開腋下束帶，牽引需求者在整個(gè)過程中都可以獨(dú)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(zhuǎn)動(dòng)搖柄即可做到，對(duì)使用者的要求極低，在此過程中不會(huì)因?yàn)榧∪獾膭×铱嚲o而產(chǎn)生不適。這種設(shè)計(jì)不但很好地解決了使用者獨(dú)立完成牽引操作這個(gè)過程，而且更符合人體工程學(xué)，因?yàn)槠錉恳牧Χ仁鞘褂谜咦约罕旧淼拈L久以來早已適應(yīng)過的身體重力，不會(huì)因?yàn)闋恳Φ脑O(shè)置問題而導(dǎo)致使用者可能遭受的損傷。這種設(shè)計(jì)的額外益處是：由于其區(qū)別于絕大多數(shù)“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(hù)成本，大大提升了其使用價(jià)值。

5 家用機(jī)械式自重牽引儀的安全設(shè)計(jì)

一種產(chǎn)品的安全設(shè)計(jì)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(chǎn)品在使用壽命范圍內(nèi)能否正常工作，達(dá)到其特定的工作要求。對(duì)于人身安全問題，由于該產(chǎn)品無需特定的人員來操作它，使用者自己即可獨(dú)立完成整個(gè)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(biāo)志嚴(yán)令禁止使用頸部牽引，以消除潛在的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然即便是這樣也不能排除其警告被忽視，所以其潛在風(fēng)險(xiǎn)也不能完全消除，鑒于此種情況，我們可以從人體的構(gòu)造出發(fā)，對(duì)于使用者來說其脖頸的周長是遠(yuǎn)小于其腋下的周長的，基于這個(gè)條件，可以在腋下束帶上設(shè)置一圈壓力傳感器，當(dāng)使用者束緊腋下束帶時(shí)，這些壓力傳感器信號(hào)量足夠時(shí)，也就是其束緊周長夠長時(shí)牽引儀才能正常工作，否則將其自動(dòng)設(shè)置為鎖死狀態(tài)。至于其在使用壽命范圍內(nèi)能否正常工作，由于傳動(dòng)系統(tǒng)為齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)螺紋傳動(dòng)，而且螺紋傳動(dòng)僅需極小的力矩即可達(dá)到，因此傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題的狀況基本可以忽略，真正能讓其失效的風(fēng)險(xiǎn)來源于使用者的體重導(dǎo)致支撐柱和升降柱的折彎，所以只需要適當(dāng)提高支撐柱和升降柱的設(shè)計(jì)強(qiáng)度即可。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了家用機(jī)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(jìn)行牽引。這種牽引方式完美地契合患者的生理特征，而非經(jīng)驗(yàn)式的牽引力大小控制，對(duì)于患者而言更理想，大大地減小了因牽引力的設(shè)置而可能導(dǎo)致的牽引損傷；由于整個(gè)牽引的過程中使用者都處于“立式”狀態(tài)，那么就解放了其雙手和眼睛，使用者可以獨(dú)立地操作牽引儀并在工作臺(tái)上辦公或娛樂，消除了“臥式”牽引過程中所必需的陪護(hù)以及較長時(shí)間牽引導(dǎo)致的心理不適。