基于CPM 的膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

姜召軍，姚世京，楊寒松，孫婷婷，朱金達(dá)，李文忠，鄧 飛

（1.河北瑞華醫(yī)療器械有限公司，河北 石家莊 050022；2.石家莊碩和生物科技有限公司，河北 石家莊 050031；3.河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018）

膝關(guān)節(jié)是人體最復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，也是重要的關(guān)節(jié)之一，在長(zhǎng)期直立行走的過程中需要支撐整個(gè)身體的重量及其沖擊帶來(lái)的載荷，膝關(guān)節(jié)由于受力很大，很容易磨損、 功能退化，或因受力不當(dāng)而發(fā)生膝關(guān)節(jié)損傷，比如各種膝關(guān)節(jié)炎、 膝關(guān)節(jié)韌帶扭傷、 半月板損傷等。 在連續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng) （Continuous Passive Motion，CPM） 概念沒有提出前，人們普遍認(rèn)為膝關(guān)節(jié)術(shù)后患者應(yīng)長(zhǎng)期臥床休息來(lái)修復(fù)關(guān)節(jié)韌帶、 肌腱，但在長(zhǎng)期研究中發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的休息對(duì)膝關(guān)節(jié)痊愈是不利的。 膝關(guān)節(jié)受到傷病治療后的恢復(fù)過程很漫長(zhǎng)，為了縮短康復(fù)周期，應(yīng)及時(shí)、 合理安排康復(fù)鍛煉計(jì)劃，需要膝關(guān)節(jié)經(jīng)常運(yùn)動(dòng)，保持運(yùn)動(dòng)機(jī)能，防止粘連[1]。這就需要醫(yī)護(hù)人員輔助患者進(jìn)行重復(fù)的小腿鐘擺運(yùn)動(dòng)。 研究證實(shí)，小腿鐘擺式運(yùn)動(dòng)可以有效恢復(fù)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)功能，減輕疼痛程度，縮短住院時(shí)間[2]。但是在執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)由于腿部肌肉具有易疲勞的特性，術(shù)后患者每次鍛煉時(shí)間不能過長(zhǎng)，并且這項(xiàng)工作對(duì)醫(yī)護(hù)人員體力消耗大的同時(shí)消耗時(shí)間也長(zhǎng)。 然而我國(guó)康復(fù)技術(shù)人員十分缺乏，無(wú)法滿足廣大患者的康復(fù)需求，針對(duì)這種情況，急需一種自動(dòng)化的膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)用于帶動(dòng)小腿做鐘擺式運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行膝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。

膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)作為一種自動(dòng)化設(shè)備可以幫助患者進(jìn)行科學(xué)有效的康復(fù)治療，以解決國(guó)內(nèi)康復(fù)技術(shù)人員較少的問題[3-4]。膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)直接作用于人體，人與機(jī)器作為整體協(xié)同運(yùn)動(dòng)，故可以對(duì)不同的患者進(jìn)行差異化訓(xùn)練，以此來(lái)縮短康復(fù)周期，提升治療效果，大大提高患者康復(fù)的速度和質(zhì)量。

1 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析

膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)主要是小腿繞膝關(guān)節(jié)的前后低速擺動(dòng)。 膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)角度最大不能超過135°[5]，且此角度因人而異、 稍有不同，在設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)時(shí)需采用擺角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以適應(yīng)不同用戶； 小腿擺動(dòng)速度不宜過快，完成一次擺動(dòng)需要的最少時(shí)間定為2 s。 康復(fù)過程中小腿持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式為： 患者坐在椅子上，將大腿墊高，小腿自然懸垂，腳脫離地面，醫(yī)務(wù)人員一只手按住大腿，一只手握住腳踝，將患者小腿緩慢抬起到與大腿呈直線位置，再緩慢放下小腿，如此往復(fù)。 膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)需要符合人機(jī)工程學(xué)，從而使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品在使用時(shí)方便、 舒適，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的同時(shí)需要安全、 穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求，防止患者受到二次傷害。

2 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可以把原動(dòng)件的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)變換為從動(dòng)件的往復(fù)擺動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 易于制作，因此選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，曲柄旋轉(zhuǎn)一圈為一個(gè)行程，小腿擺動(dòng)一次，一個(gè)行程輸出端擺動(dòng)角度為0°～135°。

由搖桿輸出的擺動(dòng)帶動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)，在擺動(dòng)中往返均是工作行程，運(yùn)動(dòng)速度相近，因此將該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為無(wú)急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳力性能分析中，最小傳動(dòng)角是一個(gè)非常重要的參數(shù)，標(biāo)志著機(jī)構(gòu)傳力性能的好壞。 設(shè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中a 為曲柄長(zhǎng)度、 b 為連桿長(zhǎng)度、 c 為搖桿長(zhǎng)度、 d 為機(jī)架長(zhǎng)度、 ? 為搖桿擺角，則最小傳動(dòng)角為

由式 （1） 可知，搖桿擺角的增大會(huì)使機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角變小，傳力性能變差。 因此，設(shè)計(jì)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿擺角不宜過大，設(shè)定最大為60°。為了能夠帶動(dòng)小腿擺動(dòng)135°需要將搖桿的擺角放大135/60=2.25 倍，因此，在搖桿后串聯(lián)一級(jí)齒輪增速機(jī)構(gòu)，其增速比為135/60=2.25，以擴(kuò)大擺動(dòng)角度。 同時(shí)設(shè)置限位裝置限制搖桿的擺動(dòng)范圍，使其絕對(duì)不能超過人體可承受的擺動(dòng)角度。

膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)機(jī)構(gòu)見圖1。 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)角度與增速器傳動(dòng)比決定了膝關(guān)節(jié)的擺動(dòng)角度。

圖1 膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

通過分析可知曲柄長(zhǎng)度增加時(shí)，搖桿擺動(dòng)角度增大，擺動(dòng)中心不變。 但是搖桿的擺動(dòng)極限發(fā)生了變化，不能達(dá)到小腿伸直的角度，需要調(diào)節(jié)搖桿的擺動(dòng)中心。 通過控制連桿長(zhǎng)度改變搖桿擺角效果不理想，但可以通過控制連桿長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整擺動(dòng)中心。因此，可以通過調(diào)節(jié)螺栓和曲柄長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整擺動(dòng)角度，通過調(diào)節(jié)螺栓改變連桿長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整擺動(dòng)中心。

綜上分析，通過控制桿長(zhǎng)可以控制搖桿擺動(dòng)角度和擺動(dòng)中心。 具體調(diào)整方式為： 由曲柄長(zhǎng)度來(lái)控制擺動(dòng)角度，由連桿長(zhǎng)度來(lái)控制擺動(dòng)中心。 需要注意的是調(diào)整的擺角應(yīng)符合人機(jī)工程學(xué)。 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)模型見圖2。 其中，曲柄、 連桿長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)由調(diào)節(jié)螺栓實(shí)現(xiàn)。

圖2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)模型圖

3 小腿固定結(jié)構(gòu)

由于人體膝關(guān)節(jié)是一個(gè)滑車-橢圓形關(guān)節(jié)[5]，不是一個(gè)簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)中心，在運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)動(dòng)中心會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)變化，是一項(xiàng)多中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 如果小腿固定結(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不合理就會(huì)阻礙小腿的擺動(dòng)。 為此，設(shè)計(jì)時(shí)在腳踏板采用彈簧連接增加機(jī)構(gòu)的柔性（見圖3），小腿由綁帶放松地捆在小腿固定桿上，但小腿可以上下活動(dòng)，腳放在腳踏板上，在膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)時(shí)，可通過彈簧的伸縮特性來(lái)解決小腿長(zhǎng)度的細(xì)微變化，將小腿固定的同時(shí)保證了患者使用時(shí)的舒適性； 同時(shí)彈簧拉力可以作用在膝關(guān)節(jié)上，以模擬走路時(shí)膝關(guān)節(jié)的受力情況。 為了適應(yīng)不同患者的小腿長(zhǎng)度，將腳踏板設(shè)計(jì)成可上下調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)好位置后由鎖緊手輪固定。

圖3 小腿固定結(jié)構(gòu)

4 膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)模型建立

膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)的三維模型見第141 頁(yè)圖4。 由座椅和兩套對(duì)稱布置的小腿擺動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。 在每套小腿擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中，由調(diào)速電機(jī)通過減速器帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)獲得搖桿的擺動(dòng)，搖桿與大齒輪固連，一起轉(zhuǎn)動(dòng)以帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將擺角放大，最終獲得小腿擺動(dòng)所需的擺角。 用調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速以控制小腿擺動(dòng)頻率，使膝關(guān)節(jié)得到一個(gè)舒適的運(yùn)動(dòng)速度。

圖4 膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)三維模型總圖

康復(fù)機(jī)的工作模式可以分為兩種： 一是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)模式，適用于患者小腿可以正常擺動(dòng)一定角度的情況，此時(shí)電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小腿以固定的擺角往復(fù)擺動(dòng)，連續(xù)工作至所需治療時(shí)間； 二是斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)模式，適用于患者小腿難以大角度擺動(dòng)的情況，控制電機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)至一個(gè)難以忍受的角度，然后使電機(jī)反轉(zhuǎn)，將小腿放回，然后重復(fù)上述過程，使小腿在可以忍受的范圍內(nèi)擺動(dòng)，并將擺角逐漸擴(kuò)大，恢復(fù)至正常角度。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足膝關(guān)節(jié)患者康復(fù)治療的需求，基于CPM 設(shè)計(jì)了膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)，由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、 齒輪增速機(jī)構(gòu)將電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成小腿的往復(fù)擺動(dòng)，為適應(yīng)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了小腿固定結(jié)構(gòu)，最終完成了膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的三維模型設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)的可行性。