一種骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
目 錄
摘要……………………………………………………………………………………… 1
ABSTRACT……………………………………………………………………………… 2
1 緒論…………………………………………………………………………………… 3
1.1 課題研究的背景…………………………………………………………………… 3
1.2 牽引治療技術(shù)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)應(yīng)用…………………………………………… 4
1.3 骨骼牽引技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)………………………………………………… 7
1.4 課題研究的意義…………………………………………………………………… 8
1.5 論文的研究?jī)?nèi)容及擬解決問題…………………………………………………… 10
2 關(guān)于骨骼牽引機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)……………………………………………………… 11
2.1 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)………………………………………………………… 11
2.2 人體的四肢模型研究分析………………………………………………………… 11
2.3 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求………………………………………………………… 14
2.4 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案………………………………………………………… 16
2.5 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的有限元分析……………………………………………………… 17
2.5.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介…………………………………………………………………17
2.5.2 ANSYS有限元分析活動(dòng)板的主要流程…………………………………………18
2.5.3 有限元分析建模………………………………………………………………… 22 3 關(guān)于骨骼牽引機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)……………………………………………………… 24
3.1 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的具體方案………………………………………………………… 24
3.2 骨骼牽引機(jī)構(gòu)零件結(jié)構(gòu)圖分析…………………………………………………… 29
3.3 零件連接之間的配合制選擇與工藝分析………………………………………… 33
3.4 骨骼牽引機(jī)構(gòu)電機(jī)的選型………………………………………………………… 34
4 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的安裝及調(diào)試………………………………………………………… 36
4.1 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的安裝……………………………………………………………… 36
4.2 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的調(diào)試……………………………………………………………… 36
5 總結(jié)、展望和心得…………………………………………………………………… 36
5.1 總結(jié)………………………………………………………………………………… 36
5.2 展望………………………………………………………………………………… 37
5.3 心得………………………………………………………………………………… 37
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………… 39
附錄……………………………………………………………………………………… 41
42
摘 要
骨骼牽引機(jī)構(gòu)的主要用途是用于幫助那些受傷進(jìn)行手術(shù)后需要康復(fù)鍛煉的病人患者或者其他需要康復(fù)鍛煉的老年人，使這些受傷患者或者老年人恢復(fù)正?；顒?dòng)的一種現(xiàn)代醫(yī)療結(jié)構(gòu)。由于此類機(jī)構(gòu)主要的針對(duì)對(duì)象是受傷患者或者中老年人，所以這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)是根據(jù)人體的骨骼結(jié)構(gòu)，再結(jié)合經(jīng)典的醫(yī)學(xué)康復(fù)治療理論和機(jī)械設(shè)計(jì)中的相關(guān)原理，設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠?yàn)椴∪藥砀每祻?fù)治療效果的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
要了解人體的肢體架構(gòu)和一些醫(yī)學(xué)上的關(guān)于康復(fù)治療學(xué)的知識(shí)，并且更主要的是在這些理論的基礎(chǔ)上結(jié)合本專業(yè)機(jī)械工程的所學(xué)知識(shí)在各種要求的約束下設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠符合使用要求的鍛煉結(jié)構(gòu)，為病人等帶來一定的操作便利。需要對(duì)人體的四肢、脊椎、脊柱等部位進(jìn)行一定的資料查閱，然后進(jìn)行機(jī)構(gòu)相關(guān)尺寸的設(shè)計(jì)，期間會(huì)結(jié)合現(xiàn)代病床的實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠使人體的肢體或關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)牽引和拉伸功能的機(jī)構(gòu)。
本課題整體方向偏于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)有一定的相關(guān)了解，然后對(duì)骨骼牽引機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和繪制，在對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的材料、受力等進(jìn)行可靠性的分析。
關(guān)鍵詞：醫(yī)療康復(fù)理論，機(jī)械設(shè)計(jì)，牽引拉伸機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集
The Design and Implementation of a Bone Traction Mechanism
ABSTRACT
As the name implies, the main purpose of skeletal traction mechanism is to help those injured patients who need rehabilitation exercise after surgery or other elderly people who need rehabilitation exercise, so that these injured patients or elderly people return to normal activities of a modern medical structure. Because the main target of such institutions is injured patients or middle-aged and elderly people, the design of these structures is based on the skeletal structure of the human body, combined with the classical theory of medical rehabilitation treatment and the relevant principles of mechanical design, to design a mechanical structure that can bring better rehabilitation effect to patients. My major is mechanical engineering. After some research, it involves mechanical design, mechanical principle, computer principle, computer control technology, electrical and electronic technology, energy and dynamics foundation, finite element analysis.
During the 17-week graduation design process, we need to consult a large number of literature, including some relevant literature at home and abroad, and then to understand the body structure and some medical knowledge about rehabilitation therapy, and more importantly, on the basis of these theories, combined with the knowledge of mechanical engineering in this major under the constraints of various requirements to design a can. Exercise structure that meets the requirements of use will bring some convenience to patients. During the period, the actual size of the modern hospital bed will be combined. A mechanism is designed to enable the human limbs to achieve traction and stretching functions. Its functional principle will be discussed in detail in the last few chapters, but all of these are based on meeting the needs of patients. The skeletal traction mechanism not only can achieve traction and stretching activities, but also has simple exercise function.
Generally speaking, this project is more difficult. The overall direction of this project is deviated from the design of mechanical structure. At the same time, it needs to have a certain understanding of the knowledge in the medical field. Then it calculates and draws the data of skeletal traction mechanism, carries on the reliability analysis of the material and force of the whole structure, and finally designs the pull that meets the use conditions when everything is available. Leading mechanism, then corresponding to draw the required parts and assembly drawings, get real-time data, complete the graduation project.
Key words: Medical rehabilitation theory, mechanical design, traction and extension mechanism, data collection
一種骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
張亞飛 011115170
1 緒論
1.1 課題研究的背景
這些年來，中國(guó)的科學(xué)技術(shù)和研發(fā)能力的增長(zhǎng)在全世界范圍內(nèi)都是有目共睹的，與之帶來的是我國(guó)綜合國(guó)力穩(wěn)固提升，漸漸地我國(guó)穩(wěn)步走出以往的落后和停滯的發(fā)展?fàn)顩r，已慢慢趕上其他各發(fā)達(dá)國(guó)家的腳步，無論在科技領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、重工業(yè)領(lǐng)域等，我國(guó)都已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，并也取得了一定的成果，這一點(diǎn)在全世界范圍內(nèi)都是不容置疑的。不過縱看整個(gè)發(fā)展過程，從客觀上來講，科技和國(guó)力縱然是在快速發(fā)展，但其反方向的另一面，其帶來的副作用自然也正在被無限放大，必須將這些與之帶來的副作用正視起來，不容忽略。
在和平地進(jìn)入二十一世紀(jì)后，世界各國(guó)都在飛速發(fā)展，當(dāng)人類生活水平上升時(shí)，人口自然也是在穩(wěn)步上升之中，也逐漸成為一個(gè)不容忽視的問題。這些年來，中國(guó)仍然是世界第一大人口國(guó)家，我們所要面對(duì)的關(guān)于人口過多帶來的問題往往比其他國(guó)家更為嚴(yán)峻，而且問題也越發(fā)明顯。在諸類這些需要考慮的問題中，康復(fù)治療護(hù)理這類問題越來越突出，逐漸形成了一個(gè)需要關(guān)注的大類問題，而這個(gè)問題也是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題所主要研究的對(duì)象。進(jìn)入二十一世紀(jì)，我國(guó)人民生活水平質(zhì)量已經(jīng)有了顯著的提升，以往只出現(xiàn)在歐美國(guó)家的人口老齡化問題竟然也悄無聲息地出現(xiàn)在我國(guó)，眾所周知，人口一旦出現(xiàn)老齡化問題，疾病等問題會(huì)為醫(yī)療領(lǐng)域帶來很多的挑戰(zhàn)和問題，而在近些年，這些問題越發(fā)顯著，當(dāng)問題被無限放大，自然而然也會(huì)引起社會(huì)各界相關(guān)人士的特別關(guān)注。也正是在這個(gè)大背景下，關(guān)于醫(yī)療護(hù)理機(jī)構(gòu)的創(chuàng)立和建設(shè)也就逐漸開辦開來，主要用于研究護(hù)理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等問題，此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題可想而知，也是在該大類的環(huán)境下衍生出來的一個(gè)問題。
顧名思義，牽引術(shù)療法是醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域中很常用的治療方法，簡(jiǎn)單來講就是利用牽引作用力和反牽引作用力作用于骨折處或者其他需要治療處，進(jìn)而達(dá)到復(fù)位或康復(fù)鍛煉的治療方法。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，傳統(tǒng)的牽引方法可分為以下三類：皮牽引、骨牽引、兜帶牽引。其中，皮牽引是用貼于受傷肢體皮膚上的膠布或包捆于患者皮膚上的牽引帶，通過膠布或布帶與人體肌膚之間產(chǎn)生的摩擦力等作用力，通過特定的傳導(dǎo)裝置，將產(chǎn)生的牽引力傳遞到骨骼或關(guān)節(jié)各處，進(jìn)而達(dá)到目的的一種方式，基于這種牽引方式這種典型的特征也將該牽引稱為“間接性牽引”。其次，骨牽引，顧名思義，是將鋼針穿入骨骼的一些需要治療的部位（該部位必須滿足堅(jiān)硬的前提條件），通過該鋼針的作用實(shí)現(xiàn)直接牽引骨骼的效果，基于這種特征這種牽引方法又被稱為“直接牽引”。最后，兜帶牽引是利用布帶或海綿兜帶，再兜住身體突出部位施加牽引力進(jìn)而達(dá)到目的的一種方式。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要討論研究的是骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，主要涉及上述的皮牽引和骨牽引兩大類。通過對(duì)皮牽引的調(diào)研，對(duì)其技術(shù)有了一定的了解，也在此次過程中為設(shè)計(jì)出骨骼牽引機(jī)構(gòu)提供了很多靈感。在現(xiàn)代醫(yī)療領(lǐng)域中，骨牽引的應(yīng)用場(chǎng)合和應(yīng)用環(huán)境很廣，也是這些年任新興的一種牽引技術(shù)，其參考的相關(guān)原理是，利用機(jī)構(gòu)自身產(chǎn)生的正向牽引力和反向牽引拉力，對(duì)患者需康復(fù)治療的部位進(jìn)行鍛煉修復(fù)和固定，也可以通過簡(jiǎn)單的牽引力作用，對(duì)一些脆弱的關(guān)節(jié)處進(jìn)行短鏈等。在治療康復(fù)過程中，骨牽引的產(chǎn)生的作用力較大，且持續(xù)使用的時(shí)間也較長(zhǎng)，如果在有限范圍內(nèi)能進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，便能實(shí)現(xiàn)理想的牽引效果，幫助病人得到康復(fù)鍛煉。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和臨床表明，骨牽引的治療療程一般要在6到8周左右，時(shí)間較長(zhǎng)，考慮到使用長(zhǎng)期性和使用安全性，這就要求病人不能長(zhǎng)時(shí)間的只牽引一個(gè)部位，一個(gè)部位進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的牽引拉伸后需要短暫的休息調(diào)整，以緩解疲勞。
在現(xiàn)代醫(yī)院的康復(fù)醫(yī)療過程中，骨骼牽引技術(shù)通常不是獨(dú)自發(fā)揮作用的，實(shí)際情況中，往往還與傳統(tǒng)中醫(yī)康復(fù)治療技術(shù)相配合，與之帶來的便是產(chǎn)生更加令人滿意的治療結(jié)果，為病人患者或者老年人帶來更好的康復(fù)醫(yī)療環(huán)境，為他們恢復(fù)正常生活提供可靠條件。
1.2 牽引治療技術(shù)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)應(yīng)用
正如前文所述，現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)療技術(shù)是實(shí)現(xiàn)康復(fù)鍛煉和治療目的的一種治療方法。這種治療技術(shù)中的牽引力可通過手動(dòng)施加或者機(jī)械電器裝置進(jìn)行施加，通過以上方法將外力施加于患者的脊柱或者四肢，使脊柱或四肢關(guān)節(jié)組織發(fā)生一定的活動(dòng)，達(dá)到適當(dāng)?shù)臓恳屠熳饔谩恳煼ǖ闹委熥饔冒ǎ合糠旨∪饽[痛、緩和痙攣狀況；改善人體血液循環(huán)、解除水腫和治療炎癥，有利于損傷的組織恢復(fù)；緩解組織的各種粘連、牽引拉伸各韌帶關(guān)節(jié)；修復(fù)脊椎、脊柱后關(guān)節(jié)的異常突變，使脊柱上的相關(guān)錯(cuò)位位置能夠盡快的復(fù)位；擴(kuò)大各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍、改良或恢復(fù)脊柱的生理彎曲功能；擴(kuò)大脊椎的間隙和增加椎間孔以及椎管面積，緩解椎間盤內(nèi)的壓力，解除神經(jīng)上的刺激和壓力；實(shí)現(xiàn)脊柱受傷時(shí)的制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)位作用。
在患者病人進(jìn)行手術(shù)過后的康復(fù)治療過程中，目前多使用的是牽引技術(shù)，主要用于牽引脆弱的關(guān)節(jié)等部位。而在康復(fù)保健過程中，多用到牽伸技術(shù)，主要作用于人體的脊椎、脊柱和腰間椎，作用力通常為軸向的作用力（如圖1.1，1.2）。
圖1.1 牽引技術(shù)受力作用圖
圖1.2 牽引技術(shù)受力作用圖
保健康復(fù)過程中的牽伸技術(shù)的受力一般則為切向受力（如圖1.3）。
圖1.3 牽伸技術(shù)受力作用圖
通過上文的簡(jiǎn)單介紹，在此對(duì)牽引技術(shù)的分類做一個(gè)匯總?，F(xiàn)代的牽引技術(shù)有很多種，人們根據(jù)它們的一些特點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)的分類，可以按照牽引技術(shù)作用的部位不同分類、按照牽引技術(shù)固定方式不同分類、作用時(shí)間的頻率不同分類、牽引工作時(shí)患者的位置不同分類、重量不同分類、牽引技術(shù)作用時(shí)間長(zhǎng)短不同分類等。每種牽引技術(shù)都具有各自的獨(dú)到特點(diǎn)，但是各技術(shù)之間又具有緊密的聯(lián)系性，換句話說是相互包含、相關(guān)的一種特殊關(guān)系。
在上述的幾類牽引中，最為常見的是以下幾類：脊椎牽引、脊柱牽引、腰椎牽引和骨骼牽引。而本次畢業(yè)論文課題為“一種骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)”，顧名思義，則主要研究的是骨骼牽引。原理是通過設(shè)計(jì)合適的牽引方法，利用合適的受力分析和機(jī)械結(jié)構(gòu)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)所需要的功能。骨骼牽引技術(shù)的具體原理是，通過合適的位置放置受傷手術(shù)過后患者的患肢或者老年人的肢體，利用一端的配重物，將患者上下牽引牽伸的活動(dòng)，產(chǎn)生拉伸運(yùn)動(dòng)的效果，是一種能夠幫助病人的患者或者老年人的肢體更加靈活運(yùn)動(dòng)的一種傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)。
為了能夠滿足骨骼牽引技術(shù)實(shí)現(xiàn)的要求，需要一定的裝備器械進(jìn)行輔助。一半最為常見的牽引輔助支架，其組成部分為：定滑輪、連桿、配重物。這是一種最為簡(jiǎn)易的機(jī)構(gòu)，但是足以實(shí)現(xiàn)牽引拉伸的要求了。使用者可以利用這些材料自己組建一個(gè)建議的輔助支架用以完成牽引功能，并且具有一定的使用安全性，可以放心使用。當(dāng)受傷患者的肢體受損嚴(yán)重，則在沒有先進(jìn)裝備幫助的不利條件下可進(jìn)行相應(yīng)的關(guān)節(jié)訓(xùn)練，通過一定時(shí)間的鍛煉，便能恢復(fù)正常的活動(dòng)。
在現(xiàn)在這個(gè)生活環(huán)境下，受傷都是難免的，而骨骼牽引技術(shù)則是不斷的發(fā)展，并且也已經(jīng)有了飽和的趨勢(shì)，其在現(xiàn)代醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也是越來越廣，這與經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展自然也是密不可分?？v看全國(guó)，各類大大小小的醫(yī)院都能夠獲得國(guó)家醫(yī)療基金會(huì)的大力支持，具備足夠的資金實(shí)力購買先進(jìn)的醫(yī)療診斷設(shè)備和聘用專業(yè)的醫(yī)療康復(fù)專業(yè)學(xué)上的人才。除去病人患者術(shù)后進(jìn)行的恢復(fù)治療以外，老齡化帶來的老年人需要康復(fù)保健的問題自然也不能夠被忽略，而在此處，骨骼牽引治療技術(shù)便能發(fā)揮他的最大優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)代生活中，一些比較受老年人歡迎的保健康復(fù)方法，有保健器械、運(yùn)動(dòng)器械、人工推拿等。而在現(xiàn)代都市的生活壓力不斷增大的背景下，一些工作族竟然也出現(xiàn)了關(guān)節(jié)不同受損程度的損傷狀況，這是非常常見的，但是如果不能得到及時(shí)的重視然后進(jìn)行保健治療，其后果在他們步入老年后將會(huì)是不堪設(shè)想。如何完善解決這個(gè)苦惱多代人的問題一直讓先進(jìn)的醫(yī)學(xué)家們頭痛不已，終于，先進(jìn)的人們通過設(shè)計(jì)一些可放在家中的保健機(jī)構(gòu)來解決，一經(jīng)問世，便得到廣大上班族的熱烈歡迎。科技帶來的發(fā)展有目共睹，但人工的按摩推拿方法現(xiàn)今仍是最受老年人和上班族們歡迎的，一個(gè)禮拜得到一次這樣的按摩治療，其效果不言而喻。這些推拿按摩自然也是牽引拉伸技術(shù)的一種。
1.3 骨骼牽引技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
眾所周知，國(guó)外的骨骼牽引技術(shù)的發(fā)展是世界牽引技術(shù)發(fā)展的源泉。國(guó)外的牽引技術(shù)多種多樣，適用的部位和方式也是不勝枚舉。隨著各國(guó)之間的交流日益緊密，牽引技術(shù)也逐漸傳到了中國(guó)。隨著這些年來牽引技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展相當(dāng)快，但是總的先進(jìn)程度與國(guó)外相比還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，與先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家保持著客觀的距離。
在我國(guó)醫(yī)療保健康復(fù)領(lǐng)域內(nèi)，關(guān)于這一塊的技術(shù)還不夠先進(jìn)，這方面的機(jī)械結(jié)構(gòu)，骨骼牽引機(jī)構(gòu)普遍采用手動(dòng)操作、種類單一，康復(fù)治療效果往往難以滿足患者的需要，延緩病人恢復(fù)健康的最佳時(shí)機(jī)。這在傳統(tǒng)醫(yī)療器械競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)不良情況下的確是令國(guó)家、政府、醫(yī)院頭疼的事情，但隨著各種醫(yī)療器械種類的不斷增加和對(duì)檢測(cè)要求的日益嚴(yán)格，顯然傳統(tǒng)的醫(yī)療器械機(jī)構(gòu)不能滿足各病人的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，醫(yī)療器械設(shè)備種類單一，不能滿足日益增多的病人康復(fù)治療的要求；第二：牽引機(jī)構(gòu)中的裝夾機(jī)構(gòu)功能簡(jiǎn)單，僅能夠滿足少數(shù)病人肢體的安裝需要；第三：傳統(tǒng)的操作機(jī)構(gòu)在使用時(shí)效率低，主要表現(xiàn)在為病人進(jìn)行肢體的裝夾、調(diào)節(jié)不方便；第四，由于傳統(tǒng)醫(yī)療器械機(jī)構(gòu)以啟動(dòng)為主，所以無法控制病人的使用結(jié)果，并且產(chǎn)生的波動(dòng)較大。 國(guó)內(nèi)的各家公司企業(yè)也非常看重這一塊領(lǐng)域的發(fā)展，不惜花下重金和人力進(jìn)行這方面的研究?，F(xiàn)在的一些牽引機(jī)構(gòu)雖然勉強(qiáng)能夠達(dá)到康復(fù)治療的目的，但在使用過程中產(chǎn)生的問題，比如能源消耗、人力消耗、實(shí)用操作不方便等問題非常突出，這些問題著實(shí)給人們提出了很大的考驗(yàn)。如何才能設(shè)計(jì)出一款能夠提升工作質(zhì)量和效率的牽引機(jī)構(gòu)，這就需要廣大企業(yè)的相關(guān)人才進(jìn)行不斷的努力探索和研究了。綜合考慮，我們不能單純一味地進(jìn)口國(guó)外的機(jī)械機(jī)構(gòu)，咱們必須將這類核心技術(shù)掌握在自己的手中，為我國(guó)需要幫助的人們提供最廉價(jià)和實(shí)際的治療，幫助他們恢復(fù)健康，過上正常人的生活。
進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，我國(guó)在醫(yī)療器械制造和創(chuàng)造行業(yè)中的發(fā)展勢(shì)頭很強(qiáng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的研發(fā)也取得了一定的成果，在市場(chǎng)上占有了一定的份額，這都是國(guó)家、社會(huì)和各企業(yè)共同投入努力而得到的結(jié)果。但總體上，該機(jī)構(gòu)的總體質(zhì)量還是不夠硬，精度不夠高，病人所要求滿意的程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到，很難達(dá)到高質(zhì)量和高效率的完美統(tǒng)一。因此，對(duì)骨骼牽引機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新和研發(fā)制作是未來5-10年內(nèi)的一項(xiàng)巨大趨勢(shì)，具有極其廣闊的市場(chǎng)前景，既出于對(duì)病人進(jìn)行最好康復(fù)治療的考慮，也出于提高我國(guó)在該行業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的考慮，研發(fā)更加具有先進(jìn)康復(fù)功能的骨骼牽引機(jī)構(gòu)時(shí)不我待。
1.4 課題研究的意義
在傳統(tǒng)醫(yī)療學(xué)中，經(jīng)典康復(fù)醫(yī)療技術(shù)學(xué)屬于其中的一大類。傳統(tǒng)的康復(fù)治療技術(shù)是幫助傷者、患者、殘疾人和老年人恢復(fù)他們的運(yùn)動(dòng)功能，進(jìn)而達(dá)到康復(fù)治療的一門治療學(xué)科。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升和人們生活質(zhì)量的提高，傷病和疾病的發(fā)生率也隨之升高，先進(jìn)的人們總是能夠注意到這些，進(jìn)而研發(fā)出了牽引治療技術(shù)，隨著各地區(qū)的交流不斷加強(qiáng)，這種技術(shù)也被逐漸推廣。伴隨著時(shí)間的推移，這項(xiàng)新興技術(shù)也在不斷發(fā)展進(jìn)步。牽引治療技術(shù)的目的是為了使病人患者能夠最妥善的康復(fù)治療，進(jìn)而能夠盡快地脫離病痛的折磨，恢復(fù)普通正常人一樣的生活和工作，盡快融入告別已久的社會(huì)，并提高社會(huì)的生活能力，進(jìn)一步改善生活的質(zhì)量，享受生活的美好。隨著時(shí)間的推移，在21世紀(jì)初，康復(fù)治療技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭非常迅猛，當(dāng)一項(xiàng)技術(shù)飛速發(fā)展時(shí)，與之呼應(yīng)的相關(guān)職業(yè)也會(huì)層出不窮的出現(xiàn)，醫(yī)療康復(fù)診斷師便是其中的佼佼者，產(chǎn)生了極大的生機(jī)和活力，同時(shí)也反應(yīng)出了對(duì)新興技術(shù)和新型職業(yè)人才的迫切需要，符合現(xiàn)代生活的發(fā)展。在病人患者在進(jìn)行康復(fù)治療的過程中，除了主治醫(yī)師的正確指示以外，高精度高科技的相關(guān)治療儀器自然也是密不可分的，這將為病人的康復(fù)鍛煉和治療帶來事半功倍的效果。當(dāng)醫(yī)生的正確指導(dǎo)和高精密的儀器完美配合，這對(duì)病人患者來說無疑將是一份雙保險(xiǎn)。在常見的治療過程中，由于人或器械造成的失誤所引起的二次傷害也極為常見，需要引起一定的重視，并在日后的研發(fā)設(shè)計(jì)中逐步解決這個(gè)問題。
在進(jìn)入二十一世紀(jì)伊始，我國(guó)已經(jīng)慢慢地進(jìn)入人口老齡化發(fā)展階段。據(jù)有關(guān)人員介紹，按照這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)展下去，在2020年底，中國(guó)全國(guó)的老年人口（60歲以上）人次將會(huì)來到3.1億人次，約占全國(guó)總?cè)丝诘?9.1%。經(jīng)過2018年的一次全國(guó)范圍內(nèi)的普查結(jié)果顯示，全國(guó)一共有將近七千萬所現(xiàn)代型醫(yī)院，而在這些醫(yī)院中，能夠?yàn)椴∪藥磲t(yī)療和鍛煉的多功能床位不到130萬張，這一數(shù)字與全世界范圍內(nèi)的發(fā)達(dá)國(guó)家相比是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后的，由此可見，醫(yī)療資源的匱乏和需求是時(shí)不我待的。綜合上文的一些可靠數(shù)據(jù)可到，我國(guó)如今在醫(yī)療領(lǐng)域上所面對(duì)的壓力是不言而喻的，如何為病人帶來平等和完善的治療條件是我們這些年來不能回避的一個(gè)話題，當(dāng)然還有很多諸如此類的問題，比如：具有該類技術(shù)的高級(jí)醫(yī)師數(shù)量不足、醫(yī)療設(shè)備不足等。如何才能夠讓正常人或老年人告別傷病的困擾，盡快恢復(fù)正常人的生活是我們研發(fā)目的的重中之重，必須抓緊行動(dòng)起來，刻不容緩。
本課題的目的是設(shè)計(jì)一種骨骼牽引與拉伸治療機(jī)構(gòu),讓手術(shù)后的患者或者需要進(jìn)行康復(fù)治療的病人可以更方便地進(jìn)行受傷肢體或關(guān)節(jié)的牽引拉伸,使病人患者的患肢能夠得到最及時(shí)的康復(fù)治療。經(jīng)過及時(shí)和恰當(dāng)?shù)目祻?fù)鍛煉，使患者能夠盡快地健康生活，恢復(fù)正常的工作和學(xué)習(xí)狀態(tài)?？祻?fù)治療技術(shù)這項(xiàng)新興技術(shù)有著非常光明的前景和發(fā)展勢(shì)頭，該技術(shù)和機(jī)械發(fā)展反映了患者對(duì)康復(fù)治療這項(xiàng)技術(shù)的迫切要求。在醫(yī)療領(lǐng)域，康復(fù)治療是一個(gè)長(zhǎng)期的時(shí)間段，在此期間不僅需要家人的悉心照顧、醫(yī)生護(hù)士的精心就診和照料，更加需要先進(jìn)精密的儀器的治療，這就為這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的依據(jù)。該牽引機(jī)構(gòu)的核心是使用步進(jìn)主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)連桿上下轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)活動(dòng)板（將患者需要進(jìn)行康復(fù)鍛煉四肢置于活動(dòng)板上）上下實(shí)現(xiàn)牽引，加之滑輪上的配重，進(jìn)而使患肢得到適當(dāng)?shù)臓恳憻挕?
我國(guó)致力于將醫(yī)學(xué)理論與機(jī)械理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)出有助于需要康復(fù)治療的患者使用的牽引拉伸機(jī)構(gòu)。目前，在我國(guó)骨骼牽引機(jī)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣，也越來越現(xiàn)代化，而且國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械的使用要求也越來越高，對(duì)骨骼牽引機(jī)構(gòu)的需求也越來越大。在我國(guó)醫(yī)療裝備系統(tǒng)中大多實(shí)行加速發(fā)展的同時(shí)，即設(shè)備投入運(yùn)行后會(huì)進(jìn)行大量應(yīng)用。該骨骼牽引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,解決了上、下肢能夠方便操作以達(dá)到牽引治療的難題，這一項(xiàng)技術(shù)在世界范圍內(nèi)也是一個(gè)小小的突破。
1.5 論文的研究?jī)?nèi)容及擬解決問題
本論文選擇牽引方法中的骨牽引為主要的研究對(duì)象。骨牽引技術(shù)所用到的方法和具體原理在上文具有提及，簡(jiǎn)單的來講，它的主要特點(diǎn)是骨骼牽引機(jī)構(gòu)自身產(chǎn)生一定的牽引作用力，這個(gè)力是為了施加到病人患者或者老年人的脆弱肢體上，也即骨骼部位，能夠起到一定的康復(fù)鍛煉作用，對(duì)受損或者脆弱部位進(jìn)行妥善的鍛煉、修復(fù)和固定，促進(jìn)使用者的正常恢復(fù)。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過多次對(duì)骨骼牽引機(jī)構(gòu)進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研和思考，總結(jié)了以下幾個(gè)特點(diǎn)和問題：
第一，需要考慮到設(shè)計(jì)出的骨骼牽引機(jī)構(gòu)病人使用時(shí)的舒適程度問題。因?yàn)橐话闶褂迷摍C(jī)構(gòu)的大多是手術(shù)后康復(fù)中的患者或者需要進(jìn)行鍛煉的老年人，他們本身的身體就非常虛弱，而且康復(fù)治療的保健周期是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過程，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般在7周左右，時(shí)間很長(zhǎng)，這對(duì)于這些虛弱的人來說無疑是一種無法忍受的巨大負(fù)擔(dān)?；谶@個(gè)無法避免的因素，在實(shí)際過程中必須將其考慮在內(nèi)，并想出一定的解決辦法。第一：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出來就必須首先要滿足它的設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)病人患者或者老年人受傷部位的鍛煉作用，幫助他們恢復(fù)將康，融入社會(huì)。考慮到長(zhǎng)時(shí)間的使用，就如病床一樣，就要保證一定的使用舒適，方法可以采用醫(yī)學(xué)海綿或者墊子來實(shí)現(xiàn)，這是一個(gè)可行的辦法。
第二，是骨骼牽引機(jī)構(gòu)的零件選材問題。因?yàn)楣趋罓恳龣C(jī)構(gòu)與一般的病床區(qū)別特別大，基本都是完全暴露在外面，不加任何的被子或者衣服，為了達(dá)到牽引功能，不能避免與人的肢體等關(guān)節(jié)部位進(jìn)行接觸，所以機(jī)構(gòu)的選材非常重要，且值得深層次的考慮。首先所選材料必須要能夠滿足能與人體長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)生接觸，且不會(huì)發(fā)生過敏等不良情況，其次材料制成的板件要有一定的剛性和韌性，能夠承受一定范圍的牽引力。
第三，對(duì)于人體肢體的結(jié)構(gòu)，尤其是關(guān)于骨骼部分的結(jié)構(gòu)要有一定的了解，以便于在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候進(jìn)行合理的位置放置。在最終設(shè)計(jì)完成后，還需要進(jìn)行調(diào)試，看看各零件之間有沒有干涉等，防止各個(gè)構(gòu)件發(fā)生相互接觸干擾。
本次所設(shè)計(jì)出的骨骼牽引機(jī)構(gòu)的主要面對(duì)對(duì)象為患者病人的四肢或者老年人的肢體，如何才能讓一個(gè)機(jī)構(gòu)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能，這或許也是學(xué)校為我們布置畢業(yè)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要原因吧，通過列舉問題，然后再通過自己的思考和與導(dǎo)師、同學(xué)們的交流進(jìn)而解決這些自己提出的問題，也是大學(xué)生們?cè)诖髮W(xué)學(xué)習(xí)生活中一個(gè)比較薄弱的緩解吧。正所謂，千里之行，始于足下，既然提出了這些問題，就讓我打開腦洞著力在以后的設(shè)計(jì)過程中將之一個(gè)個(gè)解決。
2 關(guān)于骨骼牽引機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)
2.1 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
傳統(tǒng)的牽引治療方法是依靠專業(yè)的康復(fù)醫(yī)師的手工作業(yè)來實(shí)現(xiàn)的，這就要求醫(yī)師們有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和熟練的操作能力，這就要求對(duì)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐能力要求很高，并且在這熱門行業(yè)，醫(yī)生往往供不應(yīng)求。由于是人工施力，僅靠人的感覺對(duì)于施加力度的大小把握程度難免會(huì)有一些偏差。人們很早就意識(shí)到了這個(gè)棘手問題，但由于局限于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)和科技，這個(gè)問題一直沒有解決。不過在現(xiàn)代，無論是經(jīng)濟(jì)還是科學(xué)技術(shù)，都已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，各個(gè)相關(guān)行業(yè)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了貫通，好多領(lǐng)域里的知識(shí)都應(yīng)用到了醫(yī)學(xué)上，其中機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理的貢獻(xiàn)量最大。骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)便是醫(yī)學(xué)與機(jī)構(gòu)學(xué)相結(jié)合相交叉交融的一個(gè)典型的機(jī)構(gòu)代表。主要以經(jīng)典醫(yī)學(xué)作為基礎(chǔ)，輔之以機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而達(dá)到為病人康復(fù)治療的目的，同時(shí)由于采用的是機(jī)械的結(jié)構(gòu)，自然而然還能同時(shí)解放人類的勞動(dòng)力，最大程度的減輕醫(yī)生和醫(yī)師的負(fù)擔(dān)，更能保證康復(fù)治療的精度要求，是醫(yī)學(xué)史上不可磨滅的一項(xiàng)設(shè)計(jì)，為人們帶來了很多的便利，并且能夠滿足使用要求。
2.2 人體的四肢模型研究分析
人體的四肢是人體密不可分的組成部分。
由下圖清晰可見，上肢的組成部分可分為：肩部、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、手腕和手。肩部起到了將上肢與人體的頸部、胸部和背部相連接，有著相當(dāng)重要的作用。肘關(guān)節(jié)則起到連接上肢中的大臂與小臂的作用，肘關(guān)節(jié)處非常脆，有著突出的骨蓋，是人體極易受損的幾大部位之一，受損的情況在現(xiàn)實(shí)生活中極為常見。手腕則起到將人體小臂與首先連接的作用，也是極易受損的部分，一旦受到過大的外力作用，就會(huì)發(fā)生變形受損，所以需要好好保護(hù)。上肢的幾個(gè)關(guān)節(jié)部位在日常生活中非常容易受到傷害，而大臂和小臂上具有一定的肌肉，起著保護(hù)作用，但其他幾個(gè)關(guān)節(jié)就相對(duì)來說比較脆弱。上肢內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由骨骼、肌肉、血管、血液以及皮膚組成。下圖為人體上肢結(jié)構(gòu)圖（如圖2.1）。
圖2.1 上肢結(jié)構(gòu)圖
通過上肢的結(jié)構(gòu)圖可以得知，上肢各個(gè)部分互相關(guān)聯(lián)。
由下圖清晰可見，肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)功能是能夠?qū)⑷梭w上肢的大臂和人的軀體相連接。從結(jié)構(gòu)上來看，連接大臂與軀體的肩關(guān)節(jié)的幾何形狀為橢球型，這種形狀的關(guān)節(jié)在人體整個(gè)結(jié)構(gòu)中非常罕見，同樣膝關(guān)節(jié)也是這種形狀，具有自由活動(dòng)和多方位調(diào)整能力。如圖所示，肩關(guān)節(jié)能實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)（如圖2.2）。
圖2.2 肩關(guān)節(jié)活動(dòng)圖
肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度范圍和方向則見下表（如表2.1）。
表2.1 肩部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度范圍和方向
運(yùn)動(dòng)方向
前屈
后伸
內(nèi)收
外擺
旋內(nèi)
旋外
運(yùn)動(dòng)角度
0-180°
0-50°
0-180°
0-180°
0-90°
0-40°
下肢在醫(yī)學(xué)上指的是人體腹部以下的各部位。由下圖清晰可見，下肢的組成為：臀部、胯部、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、足部。胯部起到連接下肢與人體腹部及以上各部位的作用，面積較大。而膝關(guān)節(jié)則起到支撐整個(gè)人體，即連接大腿與小腿的作用，之所以這樣說，是因?yàn)槿梭w的重量幾乎全部作用于大腿，再作用于腳，膝關(guān)節(jié)起到連接這兩個(gè)部位的作用，所以受損傷的難易度可想而知。下肢內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：骨骼、肌肉、血管、血液、相關(guān)神經(jīng)和皮膚。下圖為人體下肢結(jié)構(gòu)圖（如圖2.3）。
圖2.3 下肢結(jié)構(gòu)圖
下直肌的主要組成部分包括很多種。其中，臀肌和髖肌為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能的肌肉，主要起到連接人體腹部以上部位和以下部分的作用。這部分的肌肉有著一定的厚度，不易受損。而大腿肌和小腿肌則是人體最為結(jié)實(shí)和強(qiáng)壯的幾個(gè)部位，非常有力強(qiáng)勁，起著支撐整個(gè)人體的作用。相比而言，下肢肌比上肢肌更加粗壯有力，這與維持人體直立行走的運(yùn)動(dòng)功能是密不可分的。下肢肌肉構(gòu)成圖如下圖（如圖2.4）。
圖2.4 下肢肌肉構(gòu)成圖
膝關(guān)節(jié)是人體眾多連接結(jié)構(gòu)中最為復(fù)雜的一部分，主要作用為連接下肢中的大腿和小腿。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用頻率高，而且需要承受極大的重量，所以是最容易受到損傷的一處關(guān)節(jié)位置。因此，也有專門為治療膝關(guān)節(jié)而設(shè)計(jì)出的牽引機(jī)構(gòu)，目的就是為了保護(hù)和治療人體關(guān)節(jié)中最為脆弱的這部分。在運(yùn)動(dòng)性能方面，膝關(guān)節(jié)也具有像肩關(guān)節(jié)一樣的運(yùn)動(dòng)性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多方面的運(yùn)動(dòng)，雖然也會(huì)產(chǎn)生很多的疼痛癥狀，但考慮到需要承受整個(gè)人體的重量，這些也就在所難免了。目前為止，關(guān)于膝關(guān)節(jié)處能夠產(chǎn)生的癥狀主要有：水腫、疼痛、軟組織硬化、功能性障礙等。
膝關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，具體方向和角度范圍可見下圖（如圖2.5）。
圖2.5 膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)圖
而膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)的每一個(gè)方向的角度范圍如下表所示（如表2.2）。
表2.2 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度范圍
運(yùn)動(dòng)方向
曲屈
后伸
旋內(nèi)
旋外
運(yùn)動(dòng)角度
0-135°
0-15°
0-30°
0-8°
2.3 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求
與傳統(tǒng)的醫(yī)療方法相比，現(xiàn)代牽引機(jī)構(gòu)能夠解放醫(yī)生和病人患者，醫(yī)生可以利用牽引機(jī)構(gòu)輔助自己對(duì)病人患者的康復(fù)治療活動(dòng)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)保健方法的不足。利用一定的醫(yī)療器械取代人的實(shí)際操作，能夠最大程度的避免醫(yī)生因?yàn)橐恍﹤€(gè)人原因而不小心產(chǎn)生的技術(shù)和態(tài)度方面的失誤，如果發(fā)生這些失誤，會(huì)對(duì)病人患者造成無法挽回的痛苦。不過如果采用醫(yī)療機(jī)械進(jìn)行這些操作，便能夠?qū)⑦@些失誤減小到最少，因?yàn)槭褂脵C(jī)器進(jìn)行操作的精度非常的高，因此在很大程度上不會(huì)發(fā)生因?yàn)槿祟愐驗(yàn)椴僮鞑划?dāng)而產(chǎn)生的失誤。通過合理的添加配重物，進(jìn)行精確的機(jī)器控制，進(jìn)而達(dá)到最完善的康復(fù)鍛煉效果。
鑒于本次設(shè)計(jì)的骨骼牽引機(jī)構(gòu)是使用當(dāng)代適用較廣的器械裝備，要與患者的患肢直接接觸，所以需要考慮進(jìn)內(nèi)的問題是非常多的，以下變列舉一些比較典型的必須考慮的要求：
首先，本次課題為一種骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，顧名思義，便是設(shè)計(jì)一種牽引機(jī)構(gòu)，其適用對(duì)象是受傷進(jìn)行手術(shù)過后的患者或者需要進(jìn)行康復(fù)鍛煉的老年人，難免需要將這些人的肢體與機(jī)構(gòu)中的某些零部件進(jìn)行直接接觸，而在醫(yī)院中進(jìn)行的牽引治療不是一個(gè)短暫的療程就能實(shí)現(xiàn)的，需要與機(jī)器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的接觸，所以對(duì)機(jī)構(gòu)的零件材料以及機(jī)構(gòu)產(chǎn)生拉伸作用的原理都需要有一定的了解。當(dāng)然，這一些都是基于對(duì)人體的骨骼有詳細(xì)的了解以及能夠熟練的應(yīng)用機(jī)械方面的相關(guān)理論知識(shí)。只有將這兩點(diǎn)妥善的結(jié)合，才能經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)研和設(shè)計(jì)，最后在設(shè)計(jì)時(shí)間截止前設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠符合任務(wù)書中要求的機(jī)構(gòu)。
其次，由于骨骼牽引機(jī)構(gòu)所面對(duì)的對(duì)象為一些病人和老年人，他們本來的身體狀況就比較虛弱，需要進(jìn)行牽引的部位自然也是非常脆弱的，所以就必須將機(jī)構(gòu)的可靠適用性考慮在內(nèi)，比如，動(dòng)力源裝置所能提供的最大功率必須在合適的可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)板的活動(dòng)范圍不能過大，這些條件都是為了符合人體的基本活動(dòng)性能，避免因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的范圍和幅度過大，進(jìn)而對(duì)病人的肢體或者老年人產(chǎn)生非常不必要的二次傷害。
再者，由于該類機(jī)構(gòu)所適用的人口難免會(huì)有身高不同的區(qū)別，所以盡量需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠像醫(yī)院病床那樣，能夠上下?lián)u動(dòng)，當(dāng)然這個(gè)對(duì)于我們這些本科生來說自然有一定的難度，因?yàn)檫@其中涉及很多的機(jī)械原理的結(jié)構(gòu)知識(shí)，唯一能說的就說我們真的是才疏學(xué)淺，但是我們能做到的便是盡全力設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠?qū)⒅螚U能夠上下調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，這樣變能夠靈活調(diào)節(jié)長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度，進(jìn)而最大程度的滿足不用要求的使用者使用，使他們盡早的得到最為有效的康復(fù)鍛煉，恢復(fù)正常人的生活，盡快的融入久違的社會(huì)之中。
最后，這次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)主要參考的雛形是樂都醫(yī)院的病床，因?yàn)檫@家醫(yī)院距離學(xué)校比較近，去實(shí)地進(jìn)行考察自然也比較方便。在去進(jìn)行實(shí)地的考察后，發(fā)現(xiàn)他們醫(yī)院病房的病床除了擁有一搬醫(yī)院病床的特點(diǎn)外，還具有一個(gè)非常顯著的特點(diǎn)，那就是巨大的病床居然具有可拆性的功能，這簡(jiǎn)直是令人眼前一亮。，也為后期設(shè)計(jì)牽引機(jī)構(gòu)提供了很大的靈感?？紤]到這類機(jī)構(gòu)需要占據(jù)的實(shí)際面積很大，而且不可能一天二十四小時(shí)都在使用，所以如果某一天在沒有人使用的情況下，如果能夠?qū)⑺鼈兪湛s然后放置起來那就回省出很大的空間來進(jìn)行其他的事情。自然這也提出了一個(gè)很大的難題，如何設(shè)計(jì)才能達(dá)到這一效果呢？如何才讓讓這類機(jī)構(gòu)進(jìn)入家家戶戶中，在不需要使用的時(shí)候能夠進(jìn)行靈活拆卸呢？畢竟空間面積對(duì)現(xiàn)代人來說是非常重要的。
2.4 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案
通過一段時(shí)間的關(guān)于機(jī)械和醫(yī)學(xué)上的調(diào)研以及文獻(xiàn)資料的檢索，對(duì)人體結(jié)構(gòu)有了一定的了解。由于本次機(jī)構(gòu)針對(duì)的部位為人體的四肢，在對(duì)人體四肢進(jìn)行解剖學(xué)的分析過后，已經(jīng)有了一些自己的見解和看法，于是便著手開始了骨骼牽引機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
根據(jù)相關(guān)醫(yī)療文獻(xiàn)和臨床實(shí)際的調(diào)研，決定將骨骼牽引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為框型的形狀，通過固定板實(shí)現(xiàn)對(duì)被牽引部分的固定，被牽引肢體放于支撐板結(jié)構(gòu)上的一塊活動(dòng)板上，活動(dòng)板下方通過驅(qū)動(dòng)連桿與步進(jìn)電機(jī)相連，通過步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)連桿進(jìn)而實(shí)現(xiàn)活動(dòng)板的上下活動(dòng)，已達(dá)到幫助病人患者鍛煉和康復(fù)的作用。最上層設(shè)置圓柱扶手，方便病人患者的肢體放置，為病人帶來便利。在上層支撐板前端設(shè)有滑輪，滑輪的作用是醫(yī)生可以在滑輪上加上砝碼等配重，然后系上繩索，繩索的終端捆在患者或者老年人的肢體上，原理是通過砝碼等重物產(chǎn)生的自然適當(dāng)重力帶動(dòng)肢體進(jìn)行合適適當(dāng)?shù)臓恳靹?dòng)作，進(jìn)而達(dá)到理想的需要的效果。滑輪的設(shè)計(jì)主要是參考經(jīng)典的醫(yī)療康復(fù)學(xué)理論，不過能夠?qū)崿F(xiàn)主要的牽引活動(dòng)的是整個(gè)機(jī)構(gòu)的核心部分，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)連桿，連桿終端是活動(dòng)板，這塊板上放置人的肢體部位，能夠上下活動(dòng)。由于動(dòng)力源裝置的選擇很多，之前有考慮過采用液壓裝置，但液壓裝置的自身中量很大，而且占用面積也很大，并且最主要的問題是不能靈活地調(diào)節(jié)液壓能，一不注意就有可能造成無法挽回的后果。所以綜合考慮還是采用比較常見的電擊裝置，具有易于調(diào)節(jié)，可靠性較高的特點(diǎn)，而且最大的輸出功率也是在人體極限所能承受的范圍內(nèi)。病人和老年人本來就很脆弱了，如果在因?yàn)檫@些外部元素對(duì)他們產(chǎn)生二次傷害，是非常不值得和不必要的，所以要在設(shè)計(jì)之前將很多因素考慮進(jìn)內(nèi)，以保證萬無一失。骨骼牽引機(jī)構(gòu)一次能夠?qū)崿F(xiàn)的牽引部位有很多，不過主要能夠針對(duì)的對(duì)象不能太多，不然就變成多功能病床了，根據(jù)任務(wù)書中的要求，擬采用的適用對(duì)象為人體的四肢，本來任務(wù)書中還包括人的脊椎和腰椎，難度可想而知，在與老師進(jìn)行一定的交流和訴苦之后，他同意使用對(duì)象只限于人的上下肢，這無疑是一個(gè)好消息，這能夠?qū)崿F(xiàn)的方法自然有很多。具體的原理和設(shè)計(jì)方案在上述中均有談?wù)摗?
2.5 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的有限元分析
根據(jù)老師所給的要求，本節(jié)主要用一款有限元分析軟件用以對(duì)設(shè)計(jì)出的骨骼牽引機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并對(duì)某些結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的受力模型分析。綜合考慮，擬采用ANSYS軟件進(jìn)行仿真和受力分析。
2.5.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介
有限元分析是現(xiàn)代計(jì)算方法中一種新型的計(jì)算方法，在該領(lǐng)域，有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，其主要的研究對(duì)象是對(duì)于結(jié)構(gòu)力學(xué)等來講的。它最早起源與上世界50年代，首先應(yīng)用于連續(xù)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，是一種能夠準(zhǔn)確分析動(dòng)、靜態(tài)特性的一種數(shù)值分析方法。由于其實(shí)際的可操作性和便利性，其很快推廣到熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)問題上。隨著科技的發(fā)展，有限元分析方法的計(jì)算軟件也是層出不窮，各企業(yè)公司都推出了各自的相關(guān)有限元分析軟件，根據(jù)以往關(guān)于此類的軟件分類，主要可以分成線下有限元分析軟件、小型有限元分析軟件、公司用有限元分析軟件和大型有限元分析軟件等幾款。在進(jìn)入二十一世紀(jì)的這幾年間，有限元軟件進(jìn)行了多代的完善與妥善發(fā)展，取得的成果也是 不言而喻，各種有限元軟件品牌都受到各行業(yè)領(lǐng)域使用者的廣泛好評(píng)，其中常見的有限元軟件有：Ansys、Abaqus、Algor、Femap/NX Nastran、FEPG等等。
在本科大二的學(xué)習(xí)過程中，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的老師為我們介紹過ABAQUS和ANSYS兩款有限元分析軟件，考慮到本人電腦的實(shí)際承載性，決定采用ANSYS這一新興軟件，這是一款源自德國(guó)一家企業(yè)公司的一款盛行于全球的分析軟件。能夠?qū)Ω黝悪C(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元的分析，與傳統(tǒng)的Solidworks、AutoCAD、UG等統(tǒng)稱為當(dāng)代最流行的幾款實(shí)用軟件。其所適用的領(lǐng)域也是非常廣泛，例如在航空航天、船舶制造等行業(yè)均有涉及，其所參考的原理包括機(jī)械原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、工程力學(xué)等。
在普通的學(xué)習(xí)過程中，如果使用這款A(yù)NSYS有限元分析軟件，其基本的操作步驟有以下七步：
第一步：輸入問題及確定定義域；
第二步：將值域離散化；
第三步：確定因變量和系統(tǒng)控制方法；
第四步：對(duì)單元進(jìn)行解答；
第五步：對(duì)裝配求解；
第六步：將所得方程組聯(lián)立求解；
第七步：對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行解釋并以一定形式輸出結(jié)果。
2.5.2 ANSYS有限元分析活動(dòng)板的主要流程
首先是將在SolidWorks軟件打開物理模型，具體路徑為File→import→PARA，然后選擇即將要分析的零件圖形。第一部的具體過程見下圖（如圖2.6）。
圖2.6 ANSYS活動(dòng)板分析流程圖1
第二步的具體操作為在Preferences界面GUI中選擇structural作為分析的主要對(duì)象，具體步驟見下圖（如圖2.7）。
圖2.7 ANSYS活動(dòng)板分析流程圖2
第三步主要是添加一些參考要素，具體流程為見下圖（如圖2.8）。
圖2.8 ANSYS活動(dòng)板分析流程圖3
確定零件的材料屬性，主要包括材料的彈性模量等，操作過程如下圖（如圖2.9）。
圖2.9 ANSYS活動(dòng)板分析流程圖4
這一步主要是網(wǎng)格的劃分工作，軟件中已經(jīng)明確顯示該活動(dòng)板的結(jié)構(gòu)性能，只需再進(jìn)行一定的受力分析即可，操作步驟如下（如圖2.10）。
圖2.10 ANSYS活動(dòng)板分析流程圖5
在上一步的基礎(chǔ)上，施加虛擬的受力，目的是測(cè)出這塊板受到最大重力時(shí)的變形情況等，見下圖（如圖2.11）。
圖2.11 ANSYS活動(dòng)板分析流程圖6
確定受力的大小以及方向，具體的方向和受力操作見下圖（如圖2.12）。
圖2.12 ANSYS活動(dòng)板分析流程圖7
到這一步基本的準(zhǔn)備工作都已經(jīng)進(jìn)行完成，只需最后確定，然后導(dǎo)出所需的圖形即可，具體步驟見下圖（如圖2.13）。
圖2.13 ANSYS活動(dòng)板分析流程圖8
查看結(jié)果（如圖2.14、2.15）。
圖2.14 ANSYS活動(dòng)板分析結(jié)果圖1
圖2.15 ANSYS活動(dòng)板分析結(jié)果圖2
2.5.3 有限元分析建模
由活動(dòng)板的幾何圖形清晰可得，為一塊不規(guī)則的矩形，利用等比例劃分的方法將這個(gè)矩形劃分為單元格形式（如圖2.16）。
圖2.16 活動(dòng)板單位劃分圖
由上圖可見，每個(gè)單元格均有四個(gè)頂點(diǎn)在其周圍，利用離散數(shù)學(xué)的知識(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定向位移各自有著自己的分量，即撓度，公式為：
…………………………………………（2.1）
每個(gè)撓度所能產(chǎn)生的移動(dòng)距離公式為：
…………………………………………（2.2）
每個(gè)節(jié)點(diǎn)所能產(chǎn)生的壓力為：
…………………………………………………………（2.3）
…………………………………………（2.4）
由有限元分析可得其撓度函數(shù)具體公式為：
…………………………………………………………………………………………（2.5）
其中，
…………………（2.6）
設(shè)為質(zhì)量：
……………………………………………………（2.7）
………………………（2.8）
經(jīng)上述分析，每個(gè)單元的矩陣形式可謂：
………（2.9）
以上為活動(dòng)板有限元分析單元中撓度的計(jì)算以及具體公式，接下來則是關(guān)于各節(jié)點(diǎn)矩陣的位移等的計(jì)算過程以及公式：
由離散數(shù)學(xué)和線性代數(shù)公式：
…………………………………（2.10）
其中變量X我們這樣表述，
………………………………………………（2.11）
如果能將上市中的X帶入第一部分的撓度函數(shù)中，再經(jīng)轉(zhuǎn)換帶入矩陣中，得：
……………………………………………………………………（2.12）
此處的B為變形量矩陣，具體公式如下：
………………………………………………………（2.13）
擴(kuò)展公式為：
……………………（2.14）
經(jīng)過有限次迭代，便可得到最終的活動(dòng)板單元格每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)矩陣公式，如下：
…………………………………………………（2.15）
經(jīng)過有限次的數(shù)據(jù)計(jì)算，將活動(dòng)辦的具體尺寸，帶入可得位移為0.0064，該數(shù)值遠(yuǎn)小于最大位移量，所以能夠得到結(jié)論，活動(dòng)辦的受力以及運(yùn)動(dòng)范圍和能力軍能夠符合現(xiàn)實(shí)要求。
3 關(guān)于骨骼牽引機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)
3.1 骨骼牽引機(jī)構(gòu)的具體方案
在上一章總體介紹了該牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，本章則是詳細(xì)介紹具體的設(shè)計(jì)方案。
經(jīng)過前期關(guān)于醫(yī)療保健學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)的檢閱和關(guān)于本課程機(jī)械設(shè)計(jì)的一些概念的更加深日的理解，輔之以導(dǎo)師與研究生學(xué)長(zhǎng)們的具體建議，最終確定了骨骼牽引機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方案。
前期的準(zhǔn)備工作為去醫(yī)院實(shí)地考察現(xiàn)代醫(yī)療病床的具體尺寸，得出以下結(jié)論：四根床桿長(zhǎng)度為680mm，床面寬為510mm，具有床頭上下活動(dòng)的功能。以上為病床的相關(guān)數(shù)據(jù)，接下來便是采集人體的相關(guān)數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)主要的面對(duì)對(duì)象為病人患者和中老年人，年齡一般取在35-60歲之間，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該年齡段的人的相關(guān)肢體尺寸都有精確的分類，具體如下：平均身高為172cm，大臂245mm，小臂310mm，大腿長(zhǎng)為480mm，小腿長(zhǎng)為380mm，以上具體數(shù)據(jù)為經(jīng)過相關(guān)檢閱后得到的具體數(shù)據(jù)，具有一定的現(xiàn)實(shí)可行性，完全可以基于以上數(shù)據(jù)進(jìn)行骨骼牽引機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)。
在相關(guān)數(shù)據(jù)采集和確認(rèn)完成后，便與導(dǎo)師談?wù)撛O(shè)計(jì)理念和具體的想法，雖然過程比較較坎坷，充滿了磕磕碰碰，但結(jié)果卻是令人滿意，經(jīng)過綜合考慮一些因素加上對(duì)于所指定的參考文獻(xiàn)的檢索以及與老師同學(xué)們的溝通交流后，便著手開始骨骼牽引機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方案。
骨骼牽引機(jī)構(gòu)主要是通過牽引的主架結(jié)構(gòu)，將所要牽引的部位進(jìn)行安置和固定，通過其主架結(jié)構(gòu)前端的滑輪上的配重結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自然牽引。最上層設(shè)置圓柱扶手，方便病人患者的肢體放置，為病人帶來便利。接下來具體介紹：
一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)，首先需要有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般以三角性的架構(gòu)為主，因?yàn)閳?jiān)固和穩(wěn)定，為了求同存異，加上日常生活中老年人使用的橫椅的靈感，決定采用矩形的主框架結(jié)構(gòu)，既能夠起到支撐和固定的作用，而且能夠有效地節(jié)省材料。由四根長(zhǎng)桿、四個(gè)腳墊、一個(gè)圓柱扶手桿和兩塊扶手架組裝而成。長(zhǎng)桿與腳墊采用過盈間隙配合進(jìn)行裝配，腳墊具有鎖死功能，牢固可靠。扶手架與長(zhǎng)桿之間并非焊接，而是利用扶手架上的凸臺(tái)與長(zhǎng)桿中間鏤空的部分進(jìn)行裝配，扶手桿與扶手架之間利用螺栓孔進(jìn)行配合，由于主要起到讓使用者支撐和扶持的作用，所以必須具有一定的可靠性。主框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，滿足工藝性要求。在設(shè)計(jì)完骨架部分后，便是往中間部位填塞東西，為了滿足簡(jiǎn)單可操作的目的，在長(zhǎng)桿上設(shè)有三個(gè)螺紋孔，且距離固定，目的便是為兩層的支撐板進(jìn)行裝配用。支撐板，顧名思義，就是用來放置一定的東西的。第一層支撐板乃是一塊特殊的結(jié)構(gòu)，四個(gè)邊角有與螺紋孔嚙合的伸出桿件，中間有兩個(gè)燕尾槽和一塊鏤空的區(qū)域，這塊區(qū)域用來放置活動(dòng)板，燕尾槽中用來放置固定板，即擋板，之所以選用燕尾槽來與擋板進(jìn)行裝配，是為了滿足可拆性的要求。活動(dòng)板也是一塊特殊的板，沒有固定的型號(hào)，需要按照?qǐng)D紙進(jìn)行加工制造，并且具有一定的精度要求。下層也是一塊支撐板，不過這塊板設(shè)計(jì)出來的目的比較明確，結(jié)構(gòu)與上層板類似，功能為放置電機(jī)，電機(jī)具有一定的重量，這就對(duì)這層板的強(qiáng)度有一定的要求，板上設(shè)有螺紋孔，與標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)進(jìn)行裝配。電機(jī)還有電機(jī)附件，與驅(qū)動(dòng)連桿相連，帶動(dòng)上層活動(dòng)板，進(jìn)而起到上下活動(dòng)的作用。下圖為最終設(shè)計(jì)出來的骨骼牽引機(jī)構(gòu)的三維模型圖（如圖3.1）。
圖3.1 骨骼牽引機(jī)構(gòu)三維模型圖
有了具體的設(shè)計(jì)方案支持加上一定時(shí)間的繪制，完成了最終的三維模型，不過一個(gè)完整的工藝并沒有結(jié)束，還是要對(duì)他的材料、性能、加工工藝等進(jìn)行分析。
綜合考慮到設(shè)計(jì)方案的可行性要求，并且還有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的一些條件的限制，選擇較為廉價(jià)的一些材料。由于考慮到了框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和所需材料的多少，長(zhǎng)桿、腳墊、圓柱