家用肘关节被动牵伸装置设计分析

夏先均

（达州职业技术学院，四川 达州635001）

0 引言

肘关节骨折是临床较为常见的疾病，占所有骨关节损伤的首位。而骨折治疗常采用切开复位内固定，固定是骨折愈合的关键。但制动使关节周围健康组织所受应力下降，容易发生关节功能障碍。为防止术后粘连，改善肘关节功能，术后康复训练是关键。通过康复训练能增加关节软骨营养和代谢活动，有利于软骨组织的再生和功能活动，清除关节内坏死组织，加速关节软骨和关节周围组织（肌腱、韧带）的损伤修复。关节活动可刺激软骨细胞增生，也利于血液中未分化细胞向软骨细胞转化，修复关节软骨，缓解关节创伤或术后引起的疼痛。为取得良好的康复训练效果，设计一种简便的家庭、医院两用的康复器械十分必要。

1 方案设计

根据肘关节的生理功能，要恢复关节的活动度，必须牵引关节内、外挛缩和粘连的组织韧带等。为此我们要设计2个活动臂，这2个活动臂将与前臂和上臂固定，能在0°～140°范围自由屈曲，并在任意角度固定或锁死，这种固定状态还需方便解除。能实现该运动的主要方案有齿轮副传动、蜗轮蜗杆副传动、螺纹副传动和平面四杆机构等。齿轮副传动具有啮合紧凑、传动平稳、传动力矩大等优点，但其传动比受设计结构和空间限制，一般每级传动比不宜大于7，且加工、装配精度要求较高，无自锁机构，所以本设计未采用。蜗轮蜗杆副传动具有传动比大、可自锁、加工成本低等优点，要省力则要求具有很高的传动比，故体积大。螺纹副传动具有结构简单、加工方便、可自锁等优点，本设计采用螺纹副传动机构实现。

2 系统设计及原理

该方案完成后，系统原理如图1所示。

图1 康复机械原理图

其工作原理为：螺杆9和轴套8组成螺纹副，当螺杆9转动时，轴套8上下滑动，带动上臂支撑臂1和前臂支撑臂7上下运动及绕轴套上铰链转动，从而带动上臂和前臂分别绕铰链3和铰链4转动，改变上臂支架和前臂支架角度。同时，通过解除前臂滑块6的锁死机构，使前臂滑块6在前臂支架上自由滑动，达到一键解除的目的。

3 主要参数确定

螺纹副传动的主要参数包括螺纹行程、支撑臂长度、前臂和上臂支撑架长度及铰链联接位置等。

3．1 前臂和上臂支撑架长度

根据人机工程学相关尺寸规定（GB／T10000—1988），取适中身材，成年男性（18～60岁，以下同）前臂长237mm，成年女性为213mm；成年男性上臂长313mm，成年女性为284mm。考虑到上臂长包含肩关节等部分，且综合男性、女性通用问题，来设计选取上臂支撑架（从两臂交点到末端距离）和前臂支撑架的长度。

3．2 铰链联接位置

确定铰链联接位置主要考虑两点：省力和设计空间尺寸。从省力的角度看，铰链应该靠近臂的末端，即远离肘关节。而从设计空间尺寸看，铰链需靠近肘关节。这是一对矛盾，而且前臂支架和铰链的位置可调，所以没有确定。但是为了传动的稳定，在锁死手柄锁死后传动，一般要求两臂铰链联接点对称。应综合考虑这些情况来确定铰链联接位置。

3．3 支撑臂长度

由铰链位置及前臂和上臂支撑架长度可以确定支撑臂的长度。

3．4 螺纹副

螺纹行程由上臂铰链联接位置、支撑臂长度和运动角度范围决定。作螺纹传动运动简图及角度和螺纹长度关系曲线，计算出上臂支架的运动范围，从而确定螺纹副中螺杆的螺距及螺纹头数。

4 系统优点总结

该系统具有如下优点：

（1）可旋转角度大。转动螺杆9，可以带动上臂和前臂在0°～180°范围内转动，而人的上臂和前臂屈伸角度一般在0°～140°之间，该系统能充分满足使用要求。

（2）自锁。转动螺杆9，带动上臂和前臂分别绕铰链3和铰链4转动，改变上臂支架和前臂支架角度。由于螺纹的自锁特性，当系统运动到一定角度后，系统能自动锁死，不需要其他任何锁死结构。这样就能较长时间地使上臂和前臂保持在该屈伸角度，有利于肘关节的被动牵引康复。

（3）可以一键解除。在前臂滑轨与前臂支架设计有一个放松与锁紧的旋钮，系统工作时锁紧该旋钮，使前臂支架与前臂滑轨之间的移动副失效。此时，转动螺杆9带动上臂支架2与前臂支架5绕各自的铰链转动，正常牵引肘关节到我们所需要的角度。牵引一旦完成，拆除该系统与肘关节的固定，放松前臂滑轨上的锁紧旋钮，滑块6可以在前臂支架5上自由滑动，就可以自由地收折该装置。

（4）传动比大，省力。螺杆采用普通传动螺纹，取螺纹螺距P＝1．5mm，采用双头，即螺杆旋转一圈，轴套上升3mm，上臂和前臂之间夹角在0°～140°变化时，单边变化范围0°～70°，螺纹副运动距离约为50mm，即螺杆需运动50／3＝16．7圈，所以传动比为16．7×360／70＝85．9。由于传动比大，转动螺杆就很轻便。

（5）角度连续可调。该系统是通过螺纹传动来改变上臂与前臂之间的夹角，由于螺纹传动的连续性，使得上臂和前臂之间的角度连续可调。

（6）该系统的多个零件可以采用标准件，市场上就可以买到，其他多数零件设计、加工都很简单，装配方便，制造生产价格就很便宜。材料可以采用塑料或铝合金板料，重量就很轻。

综上所述，该系统在医院与家庭的肘关节康复中都有广阔的应用前景。

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［3］芦铭，刘志成．老年骨科康复器械4款设计［J］．中国组织工程研究与临床康复，2008（44）