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，在長期直立行走的過程中需要支撐整個身體的重量及其沖擊帶來的載荷，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)被動運(yùn)動 （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)長期臥床休息來修復(fù)關(guān)節(jié)韌帶、 肌腱，但在長期研究中發(fā)現(xiàn)長時間的休息對膝關(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，為了縮短康復(fù)周期，應(yīng)及時、 合理安排康復(fù)鍛煉計劃，需要膝關(guān)節(jié)經(jīng)常運(yùn)動，保持運(yùn)動機(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。 研究證實，小腿鐘擺式運(yùn)動可以有效恢復(fù)膝關(guān)節(jié)活動功能，減輕疼痛程度，縮短住院時間[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)后患者每次鍛煉時間不能過長，并且這項工作對醫(yī)護(hù)人員體力消耗大的同時消耗時間也長。 然而我國康復(fù)技術(shù)人員十分缺乏，無法滿足廣大患者的康復(fù)需求，針對這種情況，急需一種自動化的膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)用于帶動小腿做鐘擺式運(yùn)動，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，故可以對不同的患者進(jìn)行差異化訓(xùn)練，以此來縮短康復(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)動分析

膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動主要是小腿繞膝關(guān)節(jié)的前后低速擺動。 膝關(guān)節(jié)擺動角度最大不能超過135°[5]，且此角度因人而異、 稍有不同，在設(shè)計康復(fù)機(jī)時需采用擺角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以適應(yīng)不同用戶； 小腿擺動速度不宜過快，完成一次擺動需要的最少時間定為2 s。 康復(fù)過程中小腿持續(xù)被動運(yùn)動方式為： 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)計出的產(chǎn)品在使用時方便、 舒適，實現(xiàn)預(yù)期功能的同時需要安全、 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)動的實現(xiàn)

由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可以把原動件的連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為從動件的往復(fù)擺動，而且結(jié)構(gòu)簡單、 易于制作，因此選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的往復(fù)運(yùn)動。 根據(jù)設(shè)計要求，曲柄旋轉(zhuǎn)一圈為一個行程，小腿擺動一次，一個行程輸出端擺動角度為0°～135°。

由搖桿輸出的擺動帶動小腿運(yùn)動，在擺動中往返均是工作行程，運(yùn)動速度相近，因此將該機(jī)構(gòu)設(shè)計為無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，最小傳動角是一個非常重要的參數(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 為曲柄長度、 b 為連桿長度、 c 為搖桿長度、 d 為機(jī)架長度、 ? 為搖桿擺角，則最小傳動角為

由式 （1） 可知，搖桿擺角的增大會使機(jī)構(gòu)的最小傳動角變小，傳力性能變差。 因此，設(shè)計的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿擺角不宜過大，設(shè)定最大為60°。為了能夠帶動小腿擺動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)一級齒輪增速機(jī)構(gòu)，其增速比為135/60=2.25，以擴(kuò)大擺動角度。 同時設(shè)置限位裝置限制搖桿的擺動范圍，使其絕對不能超過人體可承受的擺動角度。

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)的擺動角度與增速器傳動比決定了膝關(guān)節(jié)的擺動角度。

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

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

綜上分析，通過控制桿長可以控制搖桿擺動角度和擺動中心。 具體調(diào)整方式為： 由曲柄長度來控制擺動角度，由連桿長度來控制擺動中心。 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、 連桿長度的調(diào)節(jié)由調(diào)節(jié)螺栓實現(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)是一個滑車-橢圓形關(guān)節(jié)[5]，不是一個簡單的回轉(zhuǎn)中心，在運(yùn)動中轉(zhuǎn)動中心會產(chǎn)生瞬時變化，是一項多中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 如果小腿固定結(jié)構(gòu)采用簡單的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)不合理就會阻礙小腿的擺動。 為此，設(shè)計時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，腳放在腳踏板上，在膝關(guān)節(jié)擺動時，可通過彈簧的伸縮特性來解決小腿長度的細(xì)微變化，將小腿固定的同時保證了患者使用時的舒適性； 同時彈簧拉力可以作用在膝關(guān)節(jié)上，以模擬走路時膝關(guān)節(jié)的受力情況。 為了適應(yīng)不同患者的小腿長度，將腳踏板設(shè)計成可上下調(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 頁圖4。 由座椅和兩套對稱布置的小腿擺動機(jī)構(gòu)組成。 在每套小腿擺動機(jī)構(gòu)中，由調(diào)速電機(jī)通過減速器帶動曲柄轉(zhuǎn)動，由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)獲得搖桿的擺動，搖桿與大齒輪固連，一起轉(zhuǎn)動以帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，從而將擺角放大，最終獲得小腿擺動所需的擺角。 用調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速以控制小腿擺動頻率，使膝關(guān)節(jié)得到一個舒適的運(yùn)動速度。

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一定角度的情況，此時電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動，帶動小腿以固定的擺角往復(fù)擺動，連續(xù)工作至所需治療時間； 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的情況，控制電機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動帶動小腿運(yùn)動至一個難以忍受的角度，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，并將擺角逐漸擴(kuò)大，恢復(fù)至正常角度。

5 結(jié)束語

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)動轉(zhuǎn)換成小腿的往復(fù)擺動，為適應(yīng)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計了小腿固定結(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，并進(jìn)行了仿真分析，驗證了運(yùn)動的可行性。