家用机械式自重牵引仪的设计

罗彬宾

（常州信息职业技术学院常州市高端制造装备智能化技术重点实验室，江苏常州 213164）

0 引言

数据显示，近年来腰颈椎的发病率越来越高，而且其有着呈年轻化的发展趋势[1-2]，给很多个人或家庭带来了很大的困扰。随着科技的发展，社会分工的愈发细化，特别是互联网的普及，人们在电脑前工作或娱乐的时间越来越长。由于工作或娱乐的需要，很多相关人员不得不长时间保持某一姿势工作，长年累月的积累导致各种腰颈椎问题。这些腰颈椎问题会严重地影响患者的身体健康和生活质量[3]，严重的情况下，会让患者的生活蒙上一层深深的阴影。对于每一个受腰颈椎问题困扰的患者来说，长时间持续的疼痛会让其产生过度的恐惧[4-5]，不利于康复且会增加再次伤害的风险[6]，所以如何消除或减轻患者的疼痛就显得尤为重要。由于患者独自颈椎牵引的风险很大，故本文仅从腰椎牵引出发讨论如何设计牵引仪，并且患者在使用过程中一定要遵从医嘱。

1 设计出发点

临床过程中牵引是一种很重要的辅助治疗手段，医护人员也往往使用牵引的方法来减轻患者的疼痛。由于每个牵引需求者都是不同的个体，对于不同个体的牵引需求者来说，每个个体的需求及适宜舒适度都是不一样的，比如：1）患者有独立完成牵引的意愿；2）患者的身高体重是不同的，所以牵引力量需因人而异；3）患者的胸背厚度是不同的；4）患者的手摇摇柄的舒适高度是不同的；5）患者有办公娱乐的需求，因为较长时间的牵引可能会让患者百无聊赖，导致患者排斥牵引这种方式。而市面上存在的医用或家用牵引仪基本上都是普适型的，无法针对牵引需求者做出适宜的调整，而且在牵引时需要他人的帮助，牵引过程中无人陪护的话可能会导致不可预测的危险，并且长时间的牵引对患者的心理也是一种考验。一般来说，医生通常会建议腰椎患者日常多做图1所示的“静吊”的方式，也就是双手抓住横杆，双脚悬空的方式和“倒行”等措施来缓解腰椎问题带来的疼痛，而这些方法中“静吊”的效果是最好的，且相对痛楚是最低的，但是对于绝大多数患者来说，“静吊”时其手臂的耐受时长是很有限的，一般普通人在很短暂的时间内就会因为乳酸的积聚，从而觉得手臂酸胀，导致无法坚持，这样其辅助治疗效果就很差了，而且更进一步地讲患者从双脚悬空到双脚着地这个过程中，也就是“松落”过程中会对腰椎产生较大的冲击，很有可能加重病情，得不偿失，故本文针对这些状况设计了这种家用机械式自重牵引仪[7]。

图1“静吊”

2 家用机械式自重牵引仪内部传动原理设计

一般来说，合适的传动方式有很多，如何选择最为合理的传动方式非常重要，相对而言平面运动的传递更为简单一些，而空间运动的传递就需要更多的考量。本文为了让使用者有更好的使用体验，结合人体工程学，选择了空间上运动的传递，图2即是本文设计的家用机械式自重牵引仪内部传动机构。如图2所示，家用机械式自重牵引仪的内部传动机构是由3组锥齿轮组、2组套杆、多个轴承及螺纹升降杆等组成，其中圆锥齿轮和轴承与套杆或传动杆之间采用过盈配合，相对应的图3所示外部支撑的内部为中空结构，且轴承固定在其中，改善整个传动机构的旋转性能。结合图3，那么图2所示的传动机构的工作原理是：使用者转动摇柄带动锥齿组1-1，锥齿组1-1带动锥齿组1-2传动，然后由锥齿组1-2带动套杆1旋转，由于限制了套杆1与传动杆1之间的相互转动，故其又带动传动杆1 旋转，传动杆1旋转带动锥齿组2-1旋转，锥齿2-1的旋转就会带动锥齿2-2旋转，然后通过传动杆2与套杆2的旋转带动锥齿3-1和锥齿3-2旋转，锥齿3-2的旋转就会带动丝杆旋转，由于限制了升降杆的旋转，那么丝杆的旋转就会带动升降杆的上下升降而不是旋转，升降杆的上下升降，会带动固定在其上的设施升降，达到设计需要的效果。这个家用机械式自重牵引仪的内部传动简捷明了，可以将空间上任意方位的旋转运动转化为升降杆的升降运动，之所以如此设计是为了提升使用者的使用体验。

图2 自重牵引仪的传动机构

图3 自重牵引仪的外部结构概略图

3 家用机械式自重牵引仪外部设计

对于一个牵引仪来说，良好的外部设计不但方便使用，而且还能减轻或消除使用者在使用过程中的种种不良情绪，更重要的是还能提升其在使用过程中的愉悦感，让使用者不排斥使用它。图3所示便是本文设计的家用机械式自重牵引仪的概略图，其由纵向立柱、纵向柱套、横向杆、横向柱套、支撑柱、升降柱及腋下束带等组成，与图2内部传动机构保持一致。如此设计的目的是：根据牵引仪使用者不同的身高、体重、胸背厚度、舒适高度和适宜作业距离，使每一位使用者自主调节牵引仪最适宜的工作状态。比如：1）使用者的身高不同，故腋下束带的安装位置也不同，可以预先将腋下束带通过手旋螺栓3安装在升降柱上合适高度的螺纹孔上；2）使用者的作业高度（即工作台相对使用者的高度）不同，可以通过手旋螺栓1将纵向柱套固定在适宜的高度上；3）使用者的胸背厚度不同，因此舒适的作业距离（即工作台和摇柄到使用者的距离）也不同，可以调节横向杆和横向柱套的位置，以达到最适宜的作业距离；4）牵引仪上设置了工作台，可以放置笔记本电脑和茶水饮料等，兼顾办公和娱乐。由于牵引过程需要较长的一段时间，这个过程很容易让患者产生不良情绪，让牵引过程变得难熬，工作台的设置可以将这段时间变得更为轻松愉悦，甚至还能有效地用于办公。

4 家用机械式自重牵引仪工作原理

如前所述，图3是图2自重牵引仪的外部支撑，图3中的升降柱固定在图2的升降杆上，当患者需要“静吊”时，患者将腋下束带束在腋下，然后转动摇柄通过锥齿组的传动，丝杆带动升降杆上升，升降杆带动升降柱上升，使其上升到适宜的高度，让患者双脚悬空，利用患者自身的重力拉伸腰椎，使其腰部肌肉放松，增加腰椎间隙和锥间孔使突出的髓核和纤维组织复位解除神经根受压状态，吸收神经根的水肿，缓解因此状况带来的疼痛[8]。当患者需要结束“静吊”时，反向旋转摇柄直到双脚平稳着地，然后自主解开腋下束带，牵引需求者在整个过程中都可以独立完成，完全不需要借助他人的帮助，而且只需要极小的力转动摇柄即可做到，对使用者的要求极低，在此过程中不会因为肌肉的剧烈绷紧而产生不适。这种设计不但很好地解决了使用者独立完成牵引操作这个过程，而且更符合人体工程学，因为其牵引的力度是使用者自己本身的长久以来早已适应过的身体重力，不会因为牵引力的设置问题而导致使用者可能遭受的损伤。这种设计的额外益处是：由于其区别于绝大多数“卧式”牵引，彻底解放了使用者的双手和眼睛，那么其在使用过程中完全消除了其他牵引方式所必需的陪护成本，大大提升了其使用价值。

5 家用机械式自重牵引仪的安全设计

一种产品的安全设计无外乎两种，一种是在使用过程中是否能保障使用者的人身安全，另一种便是产品在使用寿命范围内能否正常工作，达到其特定的工作要求。对于人身安全问题，由于该产品无需特定的人员来操作它，使用者自己即可独立完成整个操作过程，故其完全摒弃了其颈椎部牵引的功能，并使用醒目的标志严令禁止使用颈部牵引，以消除潜在的风险。当然即便是这样也不能排除其警告被忽视，所以其潜在风险也不能完全消除，鉴于此种情况，我们可以从人体的构造出发，对于使用者来说其脖颈的周长是远小于其腋下的周长的，基于这个条件，可以在腋下束带上设置一圈压力传感器，当使用者束紧腋下束带时，这些压力传感器信号量足够时，也就是其束紧周长够长时牵引仪才能正常工作，否则将其自动设置为锁死状态。至于其在使用寿命范围内能否正常工作，由于传动系统为齿轮传动转螺纹传动，而且螺纹传动仅需极小的力矩即可达到，因此传动系统出现问题的状况基本可以忽略，真正能让其失效的风险来源于使用者的体重导致支撑柱和升降柱的折弯，所以只需要适当提高支撑柱和升降柱的设计强度即可。

6 结语

本文设计了家用机械式自重牵引仪，利用患者自身悬空的重力（即患者长久以来最适宜的自身体重）进行牵引。这种牵引方式完美地契合患者的生理特征，而非经验式的牵引力大小控制，对于患者而言更理想，大大地减小了因牵引力的设置而可能导致的牵引损伤；由于整个牵引的过程中使用者都处于“立式”状态，那么就解放了其双手和眼睛，使用者可以独立地操作牵引仪并在工作台上办公或娱乐，消除了“卧式”牵引过程中所必需的陪护以及较长时间牵引导致的心理不适。