一種骨骼牽引機構的設計和實現(xiàn)
目 錄
摘要……………………………………………………………………………………… 1
ABSTRACT……………………………………………………………………………… 2
1 緒論…………………………………………………………………………………… 3
1.1 課題研究的背景…………………………………………………………………… 3
1.2 牽引治療技術的理論基礎與技術應用…………………………………………… 4
1.3 骨骼牽引技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢………………………………………………… 7
1.4 課題研究的意義…………………………………………………………………… 8
1.5 論文的研究內容及擬解決問題…………………………………………………… 10
2 關于骨骼牽引機構的總體設計……………………………………………………… 11
2.1 骨骼牽引機構的設計基礎………………………………………………………… 11
2.2 人體的四肢模型研究分析………………………………………………………… 11
2.3 骨骼牽引機構的設計要求………………………………………………………… 14
2.4 骨骼牽引機構的設計方案………………………………………………………… 16
2.5 骨骼牽引機構的有限元分析……………………………………………………… 17
2.5.1 ANSYS軟件簡介…………………………………………………………………17
2.5.2 ANSYS有限元分析活動板的主要流程…………………………………………18
2.5.3 有限元分析建?！?22 3 關于骨骼牽引機構的詳細設計……………………………………………………… 24
3.1 骨骼牽引機構的具體方案………………………………………………………… 24
3.2 骨骼牽引機構零件結構圖分析…………………………………………………… 29
3.3 零件連接之間的配合制選擇與工藝分析………………………………………… 33
3.4 骨骼牽引機構電機的選型………………………………………………………… 34
4 骨骼牽引機構的安裝及調試………………………………………………………… 36
4.1 骨骼牽引機構的安裝……………………………………………………………… 36
4.2 骨骼牽引機構的調試……………………………………………………………… 36
5 總結、展望和心得…………………………………………………………………… 36
5.1 總結………………………………………………………………………………… 36
5.2 展望………………………………………………………………………………… 37
5.3 心得………………………………………………………………………………… 37
參考文獻………………………………………………………………………………… 39
附錄……………………………………………………………………………………… 41
42
摘 要
骨骼牽引機構的主要用途是用于幫助那些受傷進行手術后需要康復鍛煉的病人患者或者其他需要康復鍛煉的老年人，使這些受傷患者或者老年人恢復正?；顒拥囊环N現(xiàn)代醫(yī)療結構。由于此類機構主要的針對對象是受傷患者或者中老年人，所以這些結構的設計依據(jù)是根據(jù)人體的骨骼結構，再結合經典的醫(yī)學康復治療理論和機械設計中的相關原理，設計出一個能夠為病人帶來更好康復治療效果的機械結構。
要了解人體的肢體架構和一些醫(yī)學上的關于康復治療學的知識，并且更主要的是在這些理論的基礎上結合本專業(yè)機械工程的所學知識在各種要求的約束下設計出一個能夠符合使用要求的鍛煉結構，為病人等帶來一定的操作便利。需要對人體的四肢、脊椎、脊柱等部位進行一定的資料查閱，然后進行機構相關尺寸的設計，期間會結合現(xiàn)代病床的實際尺寸，設計出一個能夠使人體的肢體或關節(jié)實現(xiàn)牽引和拉伸功能的機構。
本課題整體方向偏于機械結構的設計，同時還需要對醫(yī)學領域的知識有一定的相關了解，然后對骨骼牽引機構進行數(shù)據(jù)計算和繪制，在對整個結構的材料、受力等進行可靠性的分析。
關鍵詞：醫(yī)療康復理論，機械設計，牽引拉伸機構，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
一種骨骼牽引機構的設計和實現(xiàn)
張亞飛 011115170
1 緒論
1.1 課題研究的背景
這些年來，中國的科學技術和研發(fā)能力的增長在全世界范圍內都是有目共睹的，與之帶來的是我國綜合國力穩(wěn)固提升，漸漸地我國穩(wěn)步走出以往的落后和停滯的發(fā)展狀況，已慢慢趕上其他各發(fā)達國家的腳步，無論在科技領域、醫(yī)學領域、重工業(yè)領域等，我國都已經取得了顯著的進步，并也取得了一定的成果，這一點在全世界范圍內都是不容置疑的。不過縱看整個發(fā)展過程，從客觀上來講，科技和國力縱然是在快速發(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。
在和平地進入二十一世紀后，世界各國都在飛速發(fā)展，當人類生活水平上升時，人口自然也是在穩(wěn)步上升之中，也逐漸成為一個不容忽視的問題。這些年來，中國仍然是世界第一大人口國家，我們所要面對的關于人口過多帶來的問題往往比其他國家更為嚴峻，而且問題也越發(fā)明顯。在諸類這些需要考慮的問題中，康復治療護理這類問題越來越突出，逐漸形成了一個需要關注的大類問題，而這個問題也是本次畢業(yè)設計課題所主要研究的對象。進入二十一世紀，我國人民生活水平質量已經有了顯著的提升，以往只出現(xiàn)在歐美國家的人口老齡化問題竟然也悄無聲息地出現(xiàn)在我國，眾所周知，人口一旦出現(xiàn)老齡化問題，疾病等問題會為醫(yī)療領域帶來很多的挑戰(zhàn)和問題，而在近些年，這些問題越發(fā)顯著，當問題被無限放大，自然而然也會引起社會各界相關人士的特別關注。也正是在這個大背景下，關于醫(yī)療護理機構的創(chuàng)立和建設也就逐漸開辦開來，主要用于研究護理結構的設計等問題，此次的畢業(yè)設計課題可想而知，也是在該大類的環(huán)境下衍生出來的一個問題。
顧名思義，牽引術療法是醫(yī)療康復領域中很常用的治療方法，簡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，進而達到復位或康復鍛煉的治療方法。根據(jù)相關文獻介紹，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生的摩擦力等作用力，通過特定的傳導裝置，將產生的牽引力傳遞到骨骼或關節(jié)各處，進而達到目的的一種方式，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（該部位必須滿足堅硬的前提條件），通過該鋼針的作用實現(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而達到目的的一種方式。
本次畢業(yè)設計主要討論研究的是骨骼牽引機構的設計和實現(xiàn)，主要涉及上述的皮牽引和骨牽引兩大類。通過對皮牽引的調研，對其技術有了一定的了解，也在此次過程中為設計出骨骼牽引機構提供了很多靈感。在現(xiàn)代醫(yī)療領域中，骨牽引的應用場合和應用環(huán)境很廣，也是這些年任新興的一種牽引技術，其參考的相關原理是，利用機構自身產生的正向牽引力和反向牽引拉力，對患者需康復治療的部位進行鍛煉修復和固定，也可以通過簡單的牽引力作用，對一些脆弱的關節(jié)處進行短鏈等。在治療康復過程中，骨牽引的產生的作用力較大，且持續(xù)使用的時間也較長，如果在有限范圍內能進行有效的調節(jié)，便能實現(xiàn)理想的牽引效果，幫助病人得到康復鍛煉。經過大量的實驗和臨床表明，骨牽引的治療療程一般要在6到8周左右，時間較長，考慮到使用長期性和使用安全性，這就要求病人不能長時間的只牽引一個部位，一個部位進行長時間的牽引拉伸后需要短暫的休息調整，以緩解疲勞。
在現(xiàn)代醫(yī)院的康復醫(yī)療過程中，骨骼牽引技術通常不是獨自發(fā)揮作用的，實際情況中，往往還與傳統(tǒng)中醫(yī)康復治療技術相配合，與之帶來的便是產生更加令人滿意的治療結果，為病人患者或者老年人帶來更好的康復醫(yī)療環(huán)境，為他們恢復正常生活提供可靠條件。
1.2 牽引治療技術的理論基礎與技術應用
正如前文所述，現(xiàn)代康復醫(yī)療技術是實現(xiàn)康復鍛煉和治療目的的一種治療方法。這種治療技術中的牽引力可通過手動施加或者機械電器裝置進行施加，通過以上方法將外力施加于患者的脊柱或者四肢，使脊柱或四肢關節(jié)組織發(fā)生一定的活動，達到適當?shù)臓恳屠熳饔?。牽引療法的治療作用包括：消除部分肌肉腫痛、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；緩解組織的各種粘連、牽引拉伸各韌帶關節(jié)；修復脊椎、脊柱后關節(jié)的異常突變，使脊柱上的相關錯位位置能夠盡快的復位；擴大各關節(jié)的活動范圍、改良或恢復脊柱的生理彎曲功能；擴大脊椎的間隙和增加椎間孔以及椎管面積，緩解椎間盤內的壓力，解除神經上的刺激和壓力；實現(xiàn)脊柱受傷時的制動，實現(xiàn)復位作用。
在患者病人進行手術過后的康復治療過程中，目前多使用的是牽引技術，主要用于牽引脆弱的關節(jié)等部位。而在康復保健過程中，多用到牽伸技術，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 牽引技術受力作用圖
圖1.2 牽引技術受力作用圖
保健康復過程中的牽伸技術的受力一般則為切向受力（如圖1.3）。
圖1.3 牽伸技術受力作用圖
通過上文的簡單介紹，在此對牽引技術的分類做一個匯總。現(xiàn)代的牽引技術有很多種，人們根據(jù)它們的一些特點進行了相關的分類，可以按照牽引技術作用的部位不同分類、按照牽引技術固定方式不同分類、作用時間的頻率不同分類、牽引工作時患者的位置不同分類、重量不同分類、牽引技術作用時間長短不同分類等。每種牽引技術都具有各自的獨到特點，但是各技術之間又具有緊密的聯(lián)系性，換句話說是相互包含、相關的一種特殊關系。
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“一種骨骼牽引機構的設計和實現(xiàn)”，顧名思義，則主要研究的是骨骼牽引。原理是通過設計合適的牽引方法，利用合適的受力分析和機械結構的相關運動實現(xiàn)所需要的功能。骨骼牽引技術的具體原理是，通過合適的位置放置受傷手術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，產生拉伸運動的效果，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動的一種傳統(tǒng)醫(yī)療技術。
為了能夠滿足骨骼牽引技術實現(xiàn)的要求，需要一定的裝備器械進行輔助。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。這是一種最為簡易的機構，但是足以實現(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。當受傷患者的肢體受損嚴重，則在沒有先進裝備幫助的不利條件下可進行相應的關節(jié)訓練，通過一定時間的鍛煉，便能恢復正常的活動。
在現(xiàn)在這個生活環(huán)境下，受傷都是難免的，而骨骼牽引技術則是不斷的發(fā)展，并且也已經有了飽和的趨勢，其在現(xiàn)代醫(yī)療康復領域的應用范圍也是越來越廣，這與經濟和科技的發(fā)展自然也是密不可分。縱看全國，各類大大小小的醫(yī)院都能夠獲得國家醫(yī)療基金會的大力支持，具備足夠的資金實力購買先進的醫(yī)療診斷設備和聘用專業(yè)的醫(yī)療康復專業(yè)學上的人才。除去病人患者術后進行的恢復治療以外，老齡化帶來的老年人需要康復保健的問題自然也不能夠被忽略，而在此處，骨骼牽引治療技術便能發(fā)揮他的最大優(yōu)勢。在現(xiàn)代生活中，一些比較受老年人歡迎的保健康復方法，有保健器械、運動器械、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的重視然后進行保健治療，其后果在他們步入老年后將會是不堪設想。如何完善解決這個苦惱多代人的問題一直讓先進的醫(yī)學家們頭痛不已，終于，先進的人們通過設計一些可放在家中的保健機構來解決，一經問世，便得到廣大上班族的熱烈歡迎?？萍紟淼陌l(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的一種。
1.3 骨骼牽引技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
眾所周知，國外的骨骼牽引技術的發(fā)展是世界牽引技術發(fā)展的源泉。國外的牽引技術多種多樣，適用的部位和方式也是不勝枚舉。隨著各國之間的交流日益緊密，牽引技術也逐漸傳到了中國。隨著這些年來牽引技術在我國的發(fā)展相當快，但是總的先進程度與國外相比還是遠遠落后，與先進發(fā)達國家保持著客觀的距離。
在我國醫(yī)療保健康復領域內，關于這一塊的技術還不夠先進，這方面的機械結構，骨骼牽引機構普遍采用手動操作、種類單一，康復治療效果往往難以滿足患者的需要，延緩病人恢復健康的最佳時機。這在傳統(tǒng)醫(yī)療器械競爭優(yōu)勢不良情況下的確是令國家、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檢測要求的日益嚴格，顯然傳統(tǒng)的醫(yī)療器械機構不能滿足各病人的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，醫(yī)療器械設備種類單一，不能滿足日益增多的病人康復治療的要求；第二：牽引機構中的裝夾機構功能簡單，僅能夠滿足少數(shù)病人肢體的安裝需要；第三：傳統(tǒng)的操作機構在使用時效率低，主要表現(xiàn)在為病人進行肢體的裝夾、調節(jié)不方便；第四，由于傳統(tǒng)醫(yī)療器械機構以啟動為主，所以無法控制病人的使用結果，并且產生的波動較大。 國內的各家公司企業(yè)也非?？粗剡@一塊領域的發(fā)展，不惜花下重金和人力進行這方面的研究?，F(xiàn)在的一些牽引機構雖然勉強能夠達到康復治療的目的，但在使用過程中產生的問題，比如能源消耗、人力消耗、實用操作不方便等問題非常突出，這些問題著實給人們提出了很大的考驗。如何才能設計出一款能夠提升工作質量和效率的牽引機構，這就需要廣大企業(yè)的相關人才進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口國外的機械機構，咱們必須將這類核心技術掌握在自己的手中，為我國需要幫助的人們提供最廉價和實際的治療，幫助他們恢復健康，過上正常人的生活。
進入二十一世紀以來，我國在醫(yī)療器械制造和創(chuàng)造行業(yè)中的發(fā)展勢頭很強，機械結構的研發(fā)也取得了一定的成果，在市場上占有了一定的份額，這都是國家、社會和各企業(yè)共同投入努力而得到的結果。但總體上，該機構的總體質量還是不夠硬，精度不夠高，病人所要求滿意的程度還遠遠未達到，很難達到高質量和高效率的完美統(tǒng)一。因此，對骨骼牽引機構的創(chuàng)新和研發(fā)制作是未來5-10年內的一項巨大趨勢，具有極其廣闊的市場前景，既出于對病人進行最好康復治療的考慮，也出于提高我國在該行業(yè)綜合競爭力的考慮，研發(fā)更加具有先進康復功能的骨骼牽引機構時不我待。
1.4 課題研究的意義
在傳統(tǒng)醫(yī)療學中，經典康復醫(yī)療技術學屬于其中的一大類。傳統(tǒng)的康復治療技術是幫助傷者、患者、殘疾人和老年人恢復他們的運動功能，進而達到康復治療的一門治療學科。隨著我國綜合國力的提升和人們生活質量的提高，傷病和疾病的發(fā)生率也隨之升高，先進的人們總是能夠注意到這些，進而研發(fā)出了牽引治療技術，隨著各地區(qū)的交流不斷加強，這種技術也被逐漸推廣。伴隨著時間的推移，這項新興技術也在不斷發(fā)展進步。牽引治療技術的目的是為了使病人患者能夠最妥善的康復治療，進而能夠盡快地脫離病痛的折磨，恢復普通正常人一樣的生活和工作，盡快融入告別已久的社會，并提高社會的生活能力，進一步改善生活的質量，享受生活的美好。隨著時間的推移，在21世紀初，康復治療技術的發(fā)展勢頭非常迅猛，當一項技術飛速發(fā)展時，與之呼應的相關職業(yè)也會層出不窮的出現(xiàn)，醫(yī)療康復診斷師便是其中的佼佼者，產生了極大的生機和活力，同時也反應出了對新興技術和新型職業(yè)人才的迫切需要，符合現(xiàn)代生活的發(fā)展。在病人患者在進行康復治療的過程中，除了主治醫(yī)師的正確指示以外，高精度高科技的相關治療儀器自然也是密不可分的，這將為病人的康復鍛煉和治療帶來事半功倍的效果。當醫(yī)生的正確指導和高精密的儀器完美配合，這對病人患者來說無疑將是一份雙保險。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)設計中逐步解決這個問題。
在進入二十一世紀伊始，我國已經慢慢地進入人口老齡化發(fā)展階段。據(jù)有關人員介紹，按照這個趨勢繼續(xù)發(fā)展下去，在2020年底，中國全國的老年人口（60歲以上）人次將會來到3.1億人次，約占全國總人口的19.1%。經過2018年的一次全國范圍內的普查結果顯示，全國一共有將近七千萬所現(xiàn)代型醫(yī)院，而在這些醫(yī)院中，能夠為病人帶來醫(yī)療和鍛煉的多功能床位不到130萬張，這一數(shù)字與全世界范圍內的發(fā)達國家相比是遠遠落后的，由此可見，醫(yī)療資源的匱乏和需求是時不我待的。綜合上文的一些可靠數(shù)據(jù)可到，我國如今在醫(yī)療領域上所面對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話題，當然還有很多諸如此類的問題，比如：具有該類技術的高級醫(yī)師數(shù)量不足、醫(yī)療設備不足等。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，必須抓緊行動起來，刻不容緩。
本課題的目的是設計一種骨骼牽引與拉伸治療機構,讓手術后的患者或者需要進行康復治療的病人可以更方便地進行受傷肢體或關節(jié)的牽引拉伸,使病人患者的患肢能夠得到最及時的康復治療。經過及時和恰當?shù)目祻湾憻挘够颊吣軌虮M快地健康生活，恢復正常的工作和學習狀態(tài)?？祻椭委熂夹g這項新興技術有著非常光明的前景和發(fā)展勢頭，該技術和機械發(fā)展反映了患者對康復治療這項技術的迫切要求。在醫(yī)療領域，康復治療是一個長期的時間段，在此期間不僅需要家人的悉心照顧、醫(yī)生護士的精心就診和照料，更加需要先進精密的儀器的治療，這就為這項技術的發(fā)展提供了強大的依據(jù)。該牽引機構的核心是使用步進主電機運轉帶動驅動連桿上下轉動進而帶動活動板（將患者需要進行康復鍛煉四肢置于活動板上）上下實現(xiàn)牽引，加之滑輪上的配重，進而使患肢得到適當?shù)臓恳憻挕?
我國致力于將醫(yī)學理論與機械理論相結合，設計出有助于需要康復治療的患者使用的牽引拉伸機構。目前，在我國骨骼牽引機構的應用越來越廣，也越來越現(xiàn)代化，而且國內對機械的使用要求也越來越高，對骨骼牽引機構的需求也越來越大。在我國醫(yī)療裝備系統(tǒng)中大多實行加速發(fā)展的同時，即設備投入運行后會進行大量應用。該骨骼牽引機構設計結構簡單、操作方便,解決了上、下肢能夠方便操作以達到牽引治療的難題，這一項技術在世界范圍內也是一個小小的突破。
1.5 論文的研究內容及擬解決問題
本論文選擇牽引方法中的骨牽引為主要的研究對象。骨牽引技術所用到的方法和具體原理在上文具有提及，簡單的來講，它的主要特點是骨骼牽引機構自身產生一定的牽引作用力，這個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鍛煉作用，對受損或者脆弱部位進行妥善的鍛煉、修復和固定，促進使用者的正?；謴汀Ｔ谡麄€畢業(yè)設計過程中，經過多次對骨骼牽引機構進行文獻調研和思考，總結了以下幾個特點和問題：
第一，需要考慮到設計出的骨骼牽引機構病人使用時的舒適程度問題。因為一般使用該機構的大多是手術后康復中的患者或者需要進行鍛煉的老年人，他們本身的身體就非常虛弱，而且康復治療的保健周期是一個非常漫長的過程，根據(jù)經驗，一般在7周左右，時間很長，這對于這些虛弱的人來說無疑是一種無法忍受的巨大負擔。基于這個無法避免的因素，在實際過程中必須將其考慮在內，并想出一定的解決辦法。第一：機構設計出來就必須首先要滿足它的設計要求，能夠實現(xiàn)對病人患者或者老年人受傷部位的鍛煉作用，幫助他們恢復將康，融入社會?？紤]到長時間的使用，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)學海綿或者墊子來實現(xiàn)，這是一個可行的辦法。
第二，是骨骼牽引機構的零件選材問題。因為骨骼牽引機構與一般的病床區(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，為了達到牽引功能，不能避免與人的肢體等關節(jié)部位進行接觸，所以機構的選材非常重要，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時間的發(fā)生接觸，且不會發(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，對于人體肢體的結構，尤其是關于骨骼部分的結構要有一定的了解，以便于在進行結構設計的時候進行合理的位置放置。在最終設計完成后，還需要進行調試，看看各零件之間有沒有干涉等，防止各個構件發(fā)生相互接觸干擾。
本次所設計出的骨骼牽引機構的主要面對對象為患者病人的四肢或者老年人的肢體，如何才能讓一個機構能夠同時實現(xiàn)多項功能，這或許也是學校為我們布置畢業(yè)設計的一個主要原因吧，通過列舉問題，然后再通過自己的思考和與導師、同學們的交流進而解決這些自己提出的問題，也是大學生們在大學學習生活中一個比較薄弱的緩解吧。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計過程中將之一個個解決。
2 關于骨骼牽引機構的總體設計
2.1 骨骼牽引機構的設計基礎
傳統(tǒng)的牽引治療方法是依靠專業(yè)的康復醫(yī)師的手工作業(yè)來實現(xiàn)的，這就要求醫(yī)師們有一定的實踐經驗和熟練的操作能力，這就要求對醫(yī)生的經驗和實踐能力要求很高，并且在這熱門行業(yè)，醫(yī)生往往供不應求。由于是人工施力，僅靠人的感覺對于施加力度的大小把握程度難免會有一些偏差。人們很早就意識到了這個棘手問題，但由于局限于當時經濟和科技，這個問題一直沒有解決。不過在現(xiàn)代，無論是經濟還是科學技術，都已經有了質的飛躍，各個相關行業(yè)都已經實現(xiàn)了貫通，好多領域里的知識都應用到了醫(yī)學上，其中機械設計和機械原理的貢獻量最大。骨骼牽引機構的設計便是醫(yī)學與機構學相結合相交叉交融的一個典型的機構代表。主要以經典醫(yī)學作為基礎，輔之以機械設計和機械原理的相關知識，進行相關結構的設計和現(xiàn)實，進而達到為病人康復治療的目的，同時由于采用的是機械的結構，自然而然還能同時解放人類的勞動力，最大程度的減輕醫(yī)生和醫(yī)師的負擔，更能保證康復治療的精度要求，是醫(yī)學史上不可磨滅的一項設計，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，有著相當重要的作用。肘關節(jié)則起到連接上肢中的大臂與小臂的作用，肘關節(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，就會發(fā)生變形受損，所以需要好好保護。上肢的幾個關節(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，起著保護作用，但其他幾個關節(jié)就相對來說比較脆弱。上肢內部結構是由骨骼、肌肉、血管、血液以及皮膚組成。下圖為人體上肢結構圖（如圖2.1）。
圖2.1 上肢結構圖
通過上肢的結構圖可以得知，上肢各個部分互相關聯(lián)。
由下圖清晰可見，肩關節(jié)的結構功能是能夠將人體上肢的大臂和人的軀體相連接。從結構上來看，連接大臂與軀體的肩關節(jié)的幾何形狀為橢球型，這種形狀的關節(jié)在人體整個結構中非常罕見，同樣膝關節(jié)也是這種形狀，具有自由活動和多方位調整能力。如圖所示，肩關節(jié)能實現(xiàn)三個方向的運動（如圖2.2）。
圖2.2 肩關節(jié)活動圖
肩關節(jié)的運動角度范圍和方向則見下表（如表2.1）。
表2.1 肩部關節(jié)的運動角度范圍和方向
運動方向
前屈
后伸
內收
外擺
旋內
旋外
運動角度
0-180°
0-50°
0-180°
0-180°
0-90°
0-40°
下肢在醫(yī)學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。而膝關節(jié)則起到支撐整個人體，即連接大腿與小腿的作用，之所以這樣說，是因為人體的重量幾乎全部作用于大腿，再作用于腳，膝關節(jié)起到連接這兩個部位的作用，所以受損傷的難易度可想而知。下肢內部結構可分為：骨骼、肌肉、血管、血液、相關神經和皮膚。下圖為人體下肢結構圖（如圖2.3）。
圖2.3 下肢結構圖
下直肌的主要組成部分包括很多種。其中，臀肌和髖肌為實現(xiàn)運動功能的肌肉，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實和強壯的幾個部位，非常有力強勁，起著支撐整個人體的作用。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動功能是密不可分的。下肢肌肉構成圖如下圖（如圖2.4）。
圖2.4 下肢肌肉構成圖
膝關節(jié)是人體眾多連接結構中最為復雜的一部分，主要作用為連接下肢中的大腿和小腿。由于其結構復雜，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節(jié)位置。因此，也有專門為治療膝關節(jié)而設計出的牽引機構，目的就是為了保護和治療人體關節(jié)中最為脆弱的這部分。在運動性能方面，膝關節(jié)也具有像肩關節(jié)一樣的運動性能，并且能夠實現(xiàn)多方面的運動，雖然也會產生很多的疼痛癥狀，但考慮到需要承受整個人體的重量，這些也就在所難免了。目前為止，關于膝關節(jié)處能夠產生的癥狀主要有：水腫、疼痛、軟組織硬化、功能性障礙等。
膝關節(jié)能夠實現(xiàn)兩個方向上的轉動，具體方向和角度范圍可見下圖（如圖2.5）。
圖2.5 膝關節(jié)的活動圖
而膝關節(jié)轉動能夠實現(xiàn)的每一個方向的角度范圍如下表所示（如表2.2）。
表2.2 膝關節(jié)運動的角度范圍
運動方向
曲屈
后伸
旋內
旋外
運動角度
0-135°
0-15°
0-30°
0-8°
2.3 骨骼牽引機構的設計要求
與傳統(tǒng)的醫(yī)療方法相比，現(xiàn)代牽引機構能夠解放醫(yī)生和病人患者，醫(yī)生可以利用牽引機構輔助自己對病人患者的康復治療活動，彌補傳統(tǒng)保健方法的不足。利用一定的醫(yī)療器械取代人的實際操作，能夠最大程度的避免醫(yī)生因為一些個人原因而不小心產生的技術和態(tài)度方面的失誤，如果發(fā)生這些失誤，會對病人患者造成無法挽回的痛苦。不過如果采用醫(yī)療機械進行這些操作，便能夠將這些失誤減小到最少，因為使用機器進行操作的精度非常的高，因此在很大程度上不會發(fā)生因為人類因為操作不當而產生的失誤。通過合理的添加配重物，進行精確的機器控制，進而達到最完善的康復鍛煉效果。
鑒于本次設計的骨骼牽引機構是使用當代適用較廣的器械裝備，要與患者的患肢直接接觸，所以需要考慮進內的問題是非常多的，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構的設計和實現(xiàn)，顧名思義，便是設計一種牽引機構，其適用對象是受傷進行手術過后的患者或者需要進行康復鍛煉的老年人，難免需要將這些人的肢體與機構中的某些零部件進行直接接觸，而在醫(yī)院中進行的牽引治療不是一個短暫的療程就能實現(xiàn)的，需要與機器進行長時間的接觸，所以對機構的零件材料以及機構產生拉伸作用的原理都需要有一定的了解。當然，這一些都是基于對人體的骨骼有詳細的了解以及能夠熟練的應用機械方面的相關理論知識。只有將這兩點妥善的結合，才能經過一定時間的調研和設計，最后在設計時間截止前設計出一個能夠符合任務書中要求的機構。
其次，由于骨骼牽引機構所面對的對象為一些病人和老年人，他們本來的身體狀況就比較虛弱，需要進行牽引的部位自然也是非常脆弱的，所以就必須將機構的可靠適用性考慮在內，比如，動力源裝置所能提供的最大功率必須在合適的可調節(jié)范圍內，運動板的活動范圍不能過大，這些條件都是為了符合人體的基本活動性能，避免因為運動的范圍和幅度過大，進而對病人的肢體或者老年人產生非常不必要的二次傷害。
再者，由于該類機構所適用的人口難免會有身高不同的區(qū)別，所以盡量需要設計一個能夠像醫(yī)院病床那樣，能夠上下?lián)u動，當然這個對于我們這些本科生來說自然有一定的難度，因為這其中涉及很多的機械原理的結構知識，唯一能說的就說我們真的是才疏學淺，但是我們能做到的便是盡全力設計出一個能夠將支撐桿能夠上下調節(jié)的機構，這樣變能夠靈活調節(jié)長桿的長度，進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鍛煉，恢復正常人的生活，盡快的融入久違的社會之中。
最后，這次設計的結構主要參考的雛形是樂都醫(yī)院的病床，因為這家醫(yī)院距離學校比較近，去實地進行考察自然也比較方便。在去進行實地的考察后，發(fā)現(xiàn)他們醫(yī)院病房的病床除了擁有一搬醫(yī)院病床的特點外，還具有一個非常顯著的特點，那就是巨大的病床居然具有可拆性的功能，這簡直是令人眼前一亮。，也為后期設計牽引機構提供了很大的靈感?？紤]到這類機構需要占據(jù)的實際面積很大，而且不可能一天二十四小時都在使用，所以如果某一天在沒有人使用的情況下，如果能夠將它們收縮然后放置起來那就回省出很大的空間來進行其他的事情。自然這也提出了一個很大的難題，如何設計才能達到這一效果呢？如何才讓讓這類機構進入家家戶戶中，在不需要使用的時候能夠進行靈活拆卸呢？畢竟空間面積對現(xiàn)代人來說是非常重要的。
2.4 骨骼牽引機構的設計方案
通過一段時間的關于機械和醫(yī)學上的調研以及文獻資料的檢索，對人體結構有了一定的了解。由于本次機構針對的部位為人體的四肢，在對人體四肢進行解剖學的分析過后，已經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構的整體結構設計。
根據(jù)相關醫(yī)療文獻和臨床實際的調研，決定將骨骼牽引機構設計為框型的形狀，通過固定板實現(xiàn)對被牽引部分的固定，被牽引肢體放于支撐板結構上的一塊活動板上，活動板下方通過驅動連桿與步進電機相連，通過步進電機提供動力，帶動驅動連桿進而實現(xiàn)活動板的上下活動，已達到幫助病人患者鍛煉和康復的作用。最上層設置圓柱扶手，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生的自然適當重力帶動肢體進行合適適當?shù)臓恳靹幼鳎M而達到理想的需要的效果。滑輪的設計主要是參考經典的醫(yī)療康復學理論，不過能夠實現(xiàn)主要的牽引活動的是整個機構的核心部分，通過步進電機帶動驅動連桿，連桿終端是活動板，這塊板上放置人的肢體部位，能夠上下活動。由于動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，具有易于調節(jié)，可靠性較高的特點，而且最大的輸出功率也是在人體極限所能承受的范圍內。病人和老年人本來就很脆弱了，如果在因為這些外部元素對他們產生二次傷害，是非常不值得和不必要的，所以要在設計之前將很多因素考慮進內，以保證萬無一失。骨骼牽引機構一次能夠實現(xiàn)的牽引部位有很多，不過主要能夠針對的對象不能太多，不然就變成多功能病床了，根據(jù)任務書中的要求，擬采用的適用對象為人體的四肢，本來任務書中還包括人的脊椎和腰椎，難度可想而知，在與老師進行一定的交流和訴苦之后，他同意使用對象只限于人的上下肢，這無疑是一個好消息，這能夠實現(xiàn)的方法自然有很多。具體的原理和設計方案在上述中均有談論。
2.5 骨骼牽引機構的有限元分析
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設計出的骨骼牽引機構進行系統(tǒng)仿真，并對某些結構進行一定的受力模型分析。綜合考慮，擬采用ANSYS軟件進行仿真和受力分析。
2.5.1 ANSYS軟件簡介
有限元分析是現(xiàn)代計算方法中一種新型的計算方法，在該領域，有著強勁的發(fā)展勢頭，其主要的研究對象是對于結構力學等來講的。它最早起源與上世界50年代，首先應用于連續(xù)動力學領域，是一種能夠準確分析動、靜態(tài)特性的一種數(shù)值分析方法。由于其實際的可操作性和便利性，其很快推廣到熱學、電學、磁學、流體力學等多個問題上。隨著科技的發(fā)展，有限元分析方法的計算軟件也是層出不窮，各企業(yè)公司都推出了各自的相關有限元分析軟件，根據(jù)以往關于此類的軟件分類，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。在進入二十一世紀的這幾年間，有限元軟件進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)領域使用者的廣泛好評，其中常見的有限元軟件有：Ansys、Abaqus、Algor、Femap/NX Nastran、FEPG等等。
在本科大二的學習過程中，計算機控制技術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際承載性，決定采用ANSYS這一新興軟件，這是一款源自德國一家企業(yè)公司的一款盛行于全球的分析軟件。能夠對各類機構進行有限元的分析，與傳統(tǒng)的Solidworks、AutoCAD、UG等統(tǒng)稱為當代最流行的幾款實用軟件。其所適用的領域也是非常廣泛，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械原理、計算機控制技術、工程力學等。
在普通的學習過程中，如果使用這款ANSYS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：對單元進行解答；
第五步：對裝配求解；
第六步：將所得方程組聯(lián)立求解；
第七步：對所得結果進行解釋并以一定形式輸出結果。
2.5.2 ANSYS有限元分析活動板的主要流程
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作為分析的主要對象，具體步驟見下圖（如圖2.7）。
圖2.7 ANSYS活動板分析流程圖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，軟件中已經明確顯示該活動板的結構性能，只需再進行一定的受力分析即可，操作步驟如下（如圖2.10）。
圖2.10 ANSYS活動板分析流程圖5
在上一步的基礎上，施加虛擬的受力，目的是測出這塊板受到最大重力時的變形情況等，見下圖（如圖2.11）。
圖2.11 ANSYS活動板分析流程圖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活動板分析流程圖7
到這一步基本的準備工作都已經進行完成，只需最后確定，然后導出所需的圖形即可，具體步驟見下圖（如圖2.13）。
圖2.13 ANSYS活動板分析流程圖8
查看結果（如圖2.14、2.15）。
圖2.14 ANSYS活動板分析結果圖1
圖2.15 ANSYS活動板分析結果圖2
2.5.3 有限元分析建模
由活動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矩形劃分為單元格形式（如圖2.16）。
圖2.16 活動板單位劃分圖
由上圖可見，每個單元格均有四個頂點在其周圍，利用離散數(shù)學的知識，每個節(jié)點的定向位移各自有著自己的分量，即撓度，公式為：
…………………………………………（2.1）
每個撓度所能產生的移動距離公式為：
…………………………………………（2.2）
每個節(jié)點所能產生的壓力為：
…………………………………………………………（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）
設為質量：
……………………………………………………（2.7）
………………………（2.8）
經上述分析，每個單元的矩陣形式可謂：
………（2.9）
以上為活動板有限元分析單元中撓度的計算以及具體公式，接下來則是關于各節(jié)點矩陣的位移等的計算過程以及公式：
由離散數(shù)學和線性代數(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，再經轉換帶入矩陣中，得：
……………………………………………………………………（2.12）
此處的B為變形量矩陣，具體公式如下：
………………………………………………………（2.13）
擴展公式為：
……………………（2.14）
經過有限次迭代，便可得到最終的活動板單元格每個單元的節(jié)點矩陣公式，如下：
…………………………………………………（2.15）
經過有限次的數(shù)據(jù)計算，將活動辦的具體尺寸，帶入可得位移為0.0064，該數(shù)值遠小于最大位移量，所以能夠得到結論，活動辦的受力以及運動范圍和能力軍能夠符合現(xiàn)實要求。
3 關于骨骼牽引機構的詳細設計
3.1 骨骼牽引機構的具體方案
在上一章總體介紹了該牽引機構的設計方案，本章則是詳細介紹具體的設計方案。
經過前期關于醫(yī)療保健學相關文獻的檢閱和關于本課程機械設計的一些概念的更加深日的理解，輔之以導師與研究生學長們的具體建議，最終確定了骨骼牽引機構的具體設計方案。
前期的準備工作為去醫(yī)院實地考察現(xiàn)代醫(yī)療病床的具體尺寸，得出以下結論：四根床桿長度為680mm，床面寬為510mm，具有床頭上下活動的功能。以上為病床的相關數(shù)據(jù)，接下來便是采集人體的相關數(shù)據(jù)。本次設計出的結構主要的面對對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)國家標準，對該年齡段的人的相關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，大腿長為480mm，小腿長為380mm，以上具體數(shù)據(jù)為經過相關檢閱后得到的具體數(shù)據(jù)，具有一定的現(xiàn)實可行性，完全可以基于以上數(shù)據(jù)進行骨骼牽引機構的具體設計。
在相關數(shù)據(jù)采集和確認完成后，便與導師談論設計理念和具體的想法，雖然過程比較較坎坷，充滿了磕磕碰碰，但結果卻是令人滿意，經過綜合考慮一些因素加上對于所指定的參考文獻的檢索以及與老師同學們的溝通交流后，便著手開始骨骼牽引機構的具體設計方案。
骨骼牽引機構主要是通過牽引的主架結構，將所要牽引的部位進行安置和固定，通過其主架結構前端的滑輪上的配重結構實現(xiàn)自然牽引。最上層設置圓柱扶手，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：
一個完整的結構，首先需要有一個堅實的結構基礎，傳統(tǒng)的結構一般以三角性的架構為主，因為堅固和穩(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構，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。由四根長桿、四個腳墊、一個圓柱扶手桿和兩塊扶手架組裝而成。長桿與腳墊采用過盈間隙配合進行裝配，腳墊具有鎖死功能，牢固可靠。扶手架與長桿之間并非焊接，而是利用扶手架上的凸臺與長桿中間鏤空的部分進行裝配，扶手桿與扶手架之間利用螺栓孔進行配合，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。主框架結構簡單合理，滿足工藝性要求。在設計完骨架部分后，便是往中間部位填塞東西，為了滿足簡單可操作的目的，在長桿上設有三個螺紋孔，且距離固定，目的便是為兩層的支撐板進行裝配用。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構，四個邊角有與螺紋孔嚙合的伸出桿件，中間有兩個燕尾槽和一塊鏤空的區(qū)域，這塊區(qū)域用來放置活動板，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行裝配，是為了滿足可拆性的要求。活動板也是一塊特殊的板，沒有固定的型號，需要按照圖紙進行加工制造，并且具有一定的精度要求。下層也是一塊支撐板，不過這塊板設計出來的目的比較明確，結構與上層板類似，功能為放置電機，電機具有一定的重量，這就對這層板的強度有一定的要求，板上設有螺紋孔，與標準電機進行裝配。電機還有電機附件，與驅動連桿相連，帶動上層活動板，進而起到上下活動的作用。下圖為最終設計出來的骨骼牽引機構的三維模型圖（如圖3.1）。
圖3.1 骨骼牽引機構三維模型圖
有了具體的設計方案支持加上一定時間的繪制，完成了最終的三維模型，不過一個完整的工藝并沒有結束，還是要對他的材料、性能、加工工藝等進行分析。
綜合考慮到設計方案的可行性要求，并且還有簡單、經濟的一些條件的限制，選擇較為廉價的一些材料。由于考慮到了框架結構的穩(wěn)定性和所需材料的多少，長桿、腳墊、圓柱