家用肘關(guān)節(jié)被動牽伸裝置設(shè)計分析

夏先均

（達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 達(dá)州635001）

0 引言

肘關(guān)節(jié)骨折是臨床較為常見的疾病，占所有骨關(guān)節(jié)損傷的首位。而骨折治療常采用切開復(fù)位內(nèi)固定，固定是骨折愈合的關(guān)鍵。但制動使關(guān)節(jié)周圍健康組織所受應(yīng)力下降，容易發(fā)生關(guān)節(jié)功能障礙。為防止術(shù)后粘連，改善肘關(guān)節(jié)功能，術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練是關(guān)鍵。通過康復(fù)訓(xùn)練能增加關(guān)節(jié)軟骨營養(yǎng)和代謝活動，有利于軟骨組織的再生和功能活動，清除關(guān)節(jié)內(nèi)壞死組織，加速關(guān)節(jié)軟骨和關(guān)節(jié)周圍組織（肌腱、韌帶）的損傷修復(fù)。關(guān)節(jié)活動可刺激軟骨細(xì)胞增生，也利于血液中未分化細(xì)胞向軟骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化，修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨，緩解關(guān)節(jié)創(chuàng)傷或術(shù)后引起的疼痛。為取得良好的康復(fù)訓(xùn)練效果，設(shè)計一種簡便的家庭、醫(yī)院兩用的康復(fù)器械十分必要。

1 方案設(shè)計

根據(jù)肘關(guān)節(jié)的生理功能，要恢復(fù)關(guān)節(jié)的活動度，必須牽引關(guān)節(jié)內(nèi)、外攣縮和粘連的組織韌帶等。為此我們要設(shè)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(tài)還需方便解除。能實現(xiàn)該運(yùn)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(jī)構(gòu)等。齒輪副傳動具有嚙合緊湊、傳動平穩(wěn)、傳動力矩大等優(yōu)點(diǎn)，但其傳動比受設(shè)計結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)，所以本設(shè)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(yōu)點(diǎn)，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(jié)構(gòu)簡單、加工方便、可自鎖等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計采用螺紋副傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計及原理

該方案完成后，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 康復(fù)機(jī)械原理圖

其工作原理為：螺桿9和軸套8組成螺紋副，當(dāng)螺桿9轉(zhuǎn)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(yùn)動及繞軸套上鉸鏈轉(zhuǎn)動，從而帶動上臂和前臂分別繞鉸鏈3和鉸鏈4轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)，使前臂滑塊6在前臂支架上自由滑動，達(dá)到一鍵解除的目的。

3 主要參數(shù)確定

螺紋副傳動的主要參數(shù)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(lián)接位置等。

3．1 前臂和上臂支撐架長度

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)相關(guān)尺寸規(guī)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(guān)節(jié)等部分，且綜合男性、女性通用問題，來設(shè)計選取上臂支撐架（從兩臂交點(diǎn)到末端距離）和前臂支撐架的長度。

3．2 鉸鏈聯(lián)接位置

確定鉸鏈聯(lián)接位置主要考慮兩點(diǎn)：省力和設(shè)計空間尺寸。從省力的角度看，鉸鏈應(yīng)該靠近臂的末端，即遠(yuǎn)離肘關(guān)節(jié)。而從設(shè)計空間尺寸看，鉸鏈需靠近肘關(guān)節(jié)。這是一對矛盾，而且前臂支架和鉸鏈的位置可調(diào)，所以沒有確定。但是為了傳動的穩(wěn)定，在鎖死手柄鎖死后傳動，一般要求兩臂鉸鏈聯(lián)接點(diǎn)對稱。應(yīng)綜合考慮這些情況來確定鉸鏈聯(lián)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(lián)接位置、支撐臂長度和運(yùn)動角度范圍決定。作螺紋傳動運(yùn)動簡圖及角度和螺紋長度關(guān)系曲線，計算出上臂支架的運(yùn)動范圍，從而確定螺紋副中螺桿的螺距及螺紋頭數(shù)。

4 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)總結(jié)

該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

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

（2）自鎖。轉(zhuǎn)動螺桿9，帶動上臂和前臂分別繞鉸鏈3和鉸鏈4轉(zhuǎn)動，改變上臂支架和前臂支架角度。由于螺紋的自鎖特性，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動到一定角度后，系統(tǒng)能自動鎖死，不需要其他任何鎖死結(jié)構(gòu)。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(guān)節(jié)的被動牽引康復(fù)。

（3）可以一鍵解除。在前臂滑軌與前臂支架設(shè)計有一個放松與鎖緊的旋鈕，系統(tǒng)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(zhuǎn)動螺桿9帶動上臂支架2與前臂支架5繞各自的鉸鏈轉(zhuǎn)動，正常牽引肘關(guān)節(jié)到我們所需要的角度。牽引一旦完成，拆除該系統(tǒng)與肘關(guān)節(jié)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(zhuǎn)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(yùn)動距離約為50mm，即螺桿需運(yùn)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(zhuǎn)動螺桿就很輕便。

（5）角度連續(xù)可調(diào)。該系統(tǒng)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(xù)性，使得上臂和前臂之間的角度連續(xù)可調(diào)。

（6）該系統(tǒng)的多個零件可以采用標(biāo)準(zhǔn)件，市場上就可以買到，其他多數(shù)零件設(shè)計、加工都很簡單，裝配方便，制造生產(chǎn)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(tǒng)在醫(yī)院與家庭的肘關(guān)節(jié)康復(fù)中都有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］張錦明，李麗偉，金峰．肘關(guān)節(jié)屈曲康復(fù)器的設(shè)計及應(yīng)用［J］．中國臨床康復(fù)，2005（22）

［2］馬國華，楊淼．韌帶斷裂及骨折后膝關(guān)節(jié)功能障礙的康復(fù)治療［J］．中國現(xiàn)代醫(yī)生，2009（1）

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