繩索牽引式踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器的設(shè)計

于曉杰，張宇玲，徐鵬飛，趙展，鄒任玲

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093）

1 引 言

踝關(guān)節(jié)是人體負(fù)重關(guān)節(jié)中距離地面最近的，全身負(fù)重最多的關(guān)節(jié)［1-2］，也是骨折最易發(fā)生的部位之一。踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和靈活性是人體完成站立、行走、跳跑等動作的基本保障，同時也是本體感覺與平衡功能的反映。踝關(guān)節(jié)損傷若不及時診治或者診治不徹底，容易造成局部組織不能完全愈合和韌帶恢復(fù)不了原來的狀態(tài)，對踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定容易再次發(fā)生踝關(guān)節(jié)損傷，長期反復(fù)的踝關(guān)節(jié)損傷形成慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)，影響正常步態(tài)［3-4］。正確有效的康復(fù)訓(xùn)練對踝關(guān)節(jié)的恢復(fù)具有重要的作用。然而，在進行臨床康復(fù)治療時，依舊以治療師按摩、針灸、敷藥等手工康復(fù)為主，這些方法耗時耗力，有的甚至需要一對一進行治療。這樣的康復(fù)治療方式大大降低了醫(yī)生的工作效率。因此，開發(fā)智能踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練康復(fù)器，讓患者在家正確、方便地進行康復(fù)訓(xùn)練變得十分重要。

在踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練中，有一種最簡單易操作的毛巾訓(xùn)練法，利用毛巾固定腳掌，以一定的力度和方向拉動毛巾，達(dá)到訓(xùn)練踝關(guān)節(jié)和增強踝關(guān)節(jié)靈活性的目的。這種方法可以看做是最簡單的繩索控制的訓(xùn)練方法。我們將繩索控制方法引入踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練器中，設(shè)計了一款基于繩索控制的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器。

該康復(fù)訓(xùn)練器采用繩索牽引，可拆卸、易操控，具有一定的實用價值和良好的應(yīng)用前景。

2 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

該踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器，包括支架機構(gòu)（滑輪、張緊輪、雙滑輪、滑輪支架、掛鉤、底座、滑槽、萬向輪），支撐機構(gòu)（氣壓升降臺、氣壓升降臺抓盤、小腿托），驅(qū)動機構(gòu)（電機組件、腳套、牽引繩、花籃螺絲收緊器、鋼絲繩），運用電機帶動繩索，通過滑輪改變方向帶動踝關(guān)節(jié)運動。見圖1。

圖1 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器整體結(jié)構(gòu)圖111滑輪、112張緊輪、113雙滑輪、114滑軌、12滑輪支架、121掛鉤、13底座、14滑槽、15萬向輪、21氣壓升降臺、22氣壓升降臺抓盤、31小腿托、41電機組件、51腳套Fig 1 The overall structure of ankle rehabilitation apparatus

2.1 支架機構(gòu)

康復(fù)訓(xùn)練器支架機構(gòu)下面安裝萬向輪以方便訓(xùn)練器移動，滑輪支架可在底座上移動以方便的調(diào)整位置，且滑輪支架可拆卸，方便收納?；喗M采用雙滑輪和單滑輪組合，張緊輪可以在滑軌上滑動以調(diào)節(jié)繩索的長度來適應(yīng)不同的使用者跖屈背屈的活動度。支撐機構(gòu)可以在滑槽上滑動以調(diào)節(jié)與使用者之間的間距。多個掛鉤的設(shè)計可以根據(jù)使用者腿長選擇不同的掛鉤來提供不同運動檔位，可以根據(jù)使用者的不同位置提供繩索不同的控制角度。同時配件和滑輪支架可以拆卸，方便放置。見圖2。

圖2 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器拆卸圖Fig 2 Disassembly graph of ankle rehabilitation apparatus

2.2 支撐機構(gòu)

氣壓機構(gòu)的氣壓升降臺可自由調(diào)整小腿托上下位置，氣壓升降臺抓盤能在滑槽上滑動，方便調(diào)整位置。小腿托采用氣壓控制可自由調(diào)整角度，并且小腿托上采用魔術(shù)貼固定使用者的小腿，使用方便且可以牢固的固定使用者的小腿。見圖3。

圖3 支撐機構(gòu)圖Fig 3 Support mechanism of ankle rehabilitation apparatus

2.3 驅(qū)動機構(gòu)

電機組件包括電機、時間繼電器和開關(guān)，可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)有規(guī)律的變換。腳套弧度的設(shè)計符合人體力學(xué)和人因工程學(xué)，貼合人體腳部形狀，使用舒適。繩索采用張緊輪控制保證繩索一直處于張緊狀態(tài)，可以有效地傳遞電機的力?；ɑ@螺絲收緊器在內(nèi)翻外翻模式下可以控制鋼絲繩一直處于拉緊狀態(tài)。見圖4，圖5。

圖4 配件腳套結(jié)構(gòu)示意圖Fig 4 The structure diagram of training slipper

圖5 配件繩索及花籃螺絲收緊器結(jié)構(gòu)示意圖A.牽引繩521，B.花籃螺絲收緊器522，C.鋼絲繩523，D.花籃螺絲收緊器522與鋼絲繩523連接的局部示意圖Fig 5 The structure diagram ropes and turn buckles A.hauling rope，B.turn buckle，C.wirerope，D.Connection Diagram for B and C

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

通過時間繼電器控制電機［5-6］，保證電機有規(guī)律的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)運動的連續(xù)性，規(guī)律性。見圖6。KT1、KT2作時間控制元件，中間繼電器KA1、KA2起中間控制作用。合上電源開關(guān)Q和旋轉(zhuǎn)開關(guān)S，這時時間繼電器KT1得電，中間繼電器KA1得電吸合。接觸器KM1得電并吸合，電動機作正向限時運轉(zhuǎn)。待延時時間到，時間繼電器KT1常閉延時斷開觸點斷開，使中間繼電器KA1斷電，其觸點KA1斷開，接觸器KM1線圈斷電，主觸點KM1斷開，電動機瞬時停止正轉(zhuǎn)。

在時間繼電器KT1常閉延時斷開觸點斷開的同時，其常開延時閉合觸點KT1閉合，反轉(zhuǎn)中間繼電器KA2暫時得電吸合，其常開觸點閉合自鎖，并使時間繼電器KT2得電，反轉(zhuǎn)接觸器KM2得電并吸合，電動機作反向限時運轉(zhuǎn)。

為適應(yīng)不同肌力和活動度的使用者，電機采用變速電機。提供三種運動模式，快速，中速，慢速。第一種快速運動：為跖屈（內(nèi)翻）最大角度到背屈（外翻）最大角度為20 s，停頓10 s，背屈（外翻）最大角度到跖屈（內(nèi)翻）最大角度為20 s，停頓10 s，以此往復(fù)，該模式適用于踝關(guān)節(jié)功能較好的使用者；第二種中速運動，為跖屈（內(nèi)翻）最大角度到背屈（外翻）最大角度為40 s，停頓10 s，背屈（外翻）最大角度到跖屈（內(nèi)翻）最大角度為40 s，停頓10 s，以此往復(fù)；第三種，慢速運動，跖屈（內(nèi)翻）最大角度到背屈（外翻）最大角度為60 s，停頓10 s，背屈（外翻）最大角度到跖屈（內(nèi)翻）最大角度為60 s，停頓10 s，以此往復(fù)。

圖6 控制系統(tǒng)示意圖Fig 6 The schematic diagram of control system for ankle rehabilitation apparatus

4 踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器的控制實施方案

使用者通過小腿托固定小腿，腳掌穿入腳套內(nèi)，通過滑輪支架和氣壓升降臺的移動確定適合的位置，通過小腿托的旋轉(zhuǎn)確定合適的角度，通過繩索的長度調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)的運動范圍，通過不同的接線方式確定踝關(guān)節(jié)運動的模式。

4.1 被動訓(xùn)練模式

4.1.1 跖屈背屈訓(xùn)練 繩索連接電機通過雙滑輪和張緊輪連接于腳套上的掛鉤上，電機啟動帶動繩索，然后由繩索帶動腳套運動，實現(xiàn)跖屈背屈的康復(fù)運動。跖屈背屈的活動度最大允許值均為30°［7-8］。運用張緊輪在滑軌上的滑動調(diào)節(jié)繩索的長度以適應(yīng)不同的使用者的跖屈背屈的活動度，并且張緊輪保證繩索一直處于張緊狀態(tài)，可以很好的傳遞電機輸出的力。見圖7。

圖7 跖屈背屈示意圖A.背屈示意圖，B.跖屈示意圖，C.跖屈背屈對比示意圖Fig 7 The schematic diagram of plan of ankle rehabilitation apparatus for plantar flexion and dorsiflexion A.dorsiflexion，B.plantar flexion，C.comparison of dorsiflexion and plantar flexion

4.1.2 內(nèi)翻外翻訓(xùn)練 鋼絲繩與花籃螺絲收緊器組合連接電機組件，穿過滑輪支架上的掛鉤連接于腳套上的掛鉤上，電機啟動帶動鋼絲繩，鋼絲繩帶動腳套運動，實現(xiàn)內(nèi)翻外翻的康復(fù)運動。連接不同位置的掛鉤具有不同的活動度。內(nèi)翻外翻的活動度最大允許值均為25°［9］，根據(jù)使用者活動度的不同調(diào)整花籃螺絲收緊器來調(diào)節(jié)鋼絲繩的長度，配合適合的掛鉤，調(diào)整適合使用者的內(nèi)翻外翻的活動度。見圖8。

圖8 內(nèi)翻外翻示意圖A.內(nèi)翻示意圖，B.外翻示意圖，C.內(nèi)翻外翻對比示意圖Fig 8 The schematic diagram of plan of ankle rehabilitation apparatus for varus and valgus A.varus，B.valgus，C.comparison of varus and valgus

如圖4、5所示，配件包括腳套、鋼絲繩和繩索。腳套根據(jù)人體力學(xué)和人因工程學(xué)進行設(shè)計，方便穿戴且便于固定腳掌，防止因腳掌移動對訓(xùn)練效果產(chǎn)生影響。鋼絲繩連接在花籃螺絲收緊器上方便調(diào)節(jié)鋼絲繩長度。繩索經(jīng)過張緊輪，通過張緊輪在滑軌上的滑動調(diào)節(jié)長度且保證繩索始終保持在張緊狀態(tài)。

4.2 主動抗阻訓(xùn)練模式

抗阻訓(xùn)練模式為在被動訓(xùn)練模式的基礎(chǔ)上更換繩索，將牽引繩及繩索更換為彈性繩，去掉電機的連接，其它連接方式不變。以彈性繩的彈力作為訓(xùn)練的阻力，使用者克服彈力繩的阻力進行抗阻訓(xùn)練。調(diào)節(jié)彈力繩的彈力可以調(diào)節(jié)訓(xùn)練器的阻力以適應(yīng)不同的使用者。見圖9、圖10。

圖9 彈力繩示意圖Fig 9 The schematic diagram of bungee cord

為了適合不同的使用者，本裝置各處均采用可調(diào)性原則，方便調(diào)整位置和角度以適應(yīng)個性化康復(fù)訓(xùn)練。

圖10 抗阻訓(xùn)練跖屈背屈接線示意圖Fig 10 The connection diagram of plantar flexion and dorsiflexion in active-resistive training

5 結(jié)論

該款康復(fù)訓(xùn)練器有三大特點，一是采用繩控系統(tǒng)（繩索與鋼絲繩）進行被動康復(fù)訓(xùn)練和采用彈性繩進行抗阻康復(fù)訓(xùn)練。被動訓(xùn)練通過直流變速電機的轉(zhuǎn)動帶動繩索牽拉，分別實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的背屈、跖屈、內(nèi)翻和外翻；通過鋼絲繩牽拉和繩索雙滑輪牽拉交替，實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)雙自由度康復(fù)訓(xùn)練；通過調(diào)節(jié)鋼絲繩牽拉角度的大小實現(xiàn)不同范圍的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻和外翻運動；通過調(diào)整電機的運動模式可以調(diào)整使用者的運動速度。抗阻訓(xùn)練采用彈力繩的彈力提供阻力，調(diào)整彈力繩的彈力進行阻力的調(diào)整以適用不同肌力的抗阻訓(xùn)練。二是加工成本低廉，適用于廣大使用者。本設(shè)計使用鋁型材，電機，牽拉繩等配件加工組裝，容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；部件易于采購，機械組裝十分簡便，從而整體造價也比較便宜。三是可拆卸式的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器，在展開的時候可滿足使用者正常進行康復(fù)訓(xùn)練，拆卸時可節(jié)省空間。通過對該訓(xùn)練器的試用，制定匹配的訓(xùn)練計劃，可以有效的改善使用者踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)活動度，增強足部肌力，預(yù)防關(guān)節(jié)攣縮和肌肉萎縮，從而開辟了踝關(guān)節(jié)家庭康復(fù)訓(xùn)練的新通道。