一种骨骼牵引机构的设计和实现

一种骨骼牵引机构的设计和实现1目 录摘要 1ABSTRACT 21 绪论 31.1 课题研究的背景 31.2 牵引治疗技术的理论基础与技术应用 41.3 骨骼牵引技术的发展现状和趋势 71.4 课题研究的意义 81.5 论文的研究内容及拟解决问题 102 关于骨骼牵引机构的总体设计 112.1 骨骼牵引机构的设计基础 112.2 人体的四肢模型研究分析 112.3 骨骼牵引机构的设计要求 142.4 骨骼牵引机构的设计方案 162.5 骨骼牵引机构的有限元分析 172.5.1 ANSYS 软件简介172.5.2 ANSYS 有限元分析活动板的主要流程 182.5.3 有限元分析建模 22 3 关于骨骼牵引机构的详细设计 243.1 骨骼牵引机构的具体方案 243.2 骨骼牵引机构零件结构图分析 293.3 零件连接之间的配合制选择与工艺分析 333.4 骨骼牵引机构电机的选型 344 骨骼牵引机构的安装及调试 364.1 骨骼牵引机构的安装 364.2 骨骼牵引机构的调试 365 总结、展望和心得 365.1 总结 36一种骨骼牵引机构的设计和实现25.2 展望 375.3 心得 37参考文献 39附录 41一种骨骼牵引机构的设计和实现1摘 要骨骼牵引机构的主要用途是用于帮助那些受伤进行手术后需要康复锻炼的病人患者或者其他需要康复锻炼的老年人，使这些受伤患者或者老年人恢复正常活动的一种现代医疗结构。由于此类机构主要的针对对象是受伤患者或者中老年人，所以这些结构的设计依据是根据人体的骨骼结构，再结合经典的医学康复治疗理论和机械设计中的相关原理，设计出一个能够为病人带来更好康复治疗效果的机械结构。要了解人体的肢体架构和一些医学上的关于康复治疗学的知识，并且更主要的是在这些理论的基础上结合本专业机械工程的所学知识在各种要求的约束下设计出一个能够符合使用要求的锻炼结构，为病人等带来一定的操作便利。需要对人体的四肢、脊椎、脊柱等部位进行一定的资料查阅，然后进行机构相关尺寸的设计，期间会结合现代病床的实际尺寸，设计出一个能够使人体的肢体或关节实现牵引和拉伸功能的机构。本课题整体方向偏于机械结构的设计，同时还需要对医学领域的知识有一定的相关了解，然后对骨骼牵引机构进行数据计算和绘制，在对整个结构的材料、受力等进行可靠性的分析。关键词：医疗康复理论，机械设计，牵引拉伸机构，数据采集一种骨骼牵引机构的设计和实现2The Design and Implementation of a Bone Traction MechanismABSTRACTAs 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一种骨骼牵引机构的设计和实现3一种骨骼牵引机构的设计和实现张亚飞 0111151701 绪论1.1 课题研究的背景这些年来，中国的科学技术和研发能力的增长在全世界范围内都是有目共睹的，与之带来的是我国综合国力稳固提升，渐渐地我国稳步走出以往的落后和停滞的发展状况，已慢慢赶上其他各发达国家的脚步，无论在科技领域、医学领域、重工业领域等，我国都已经取得了显著的进步，并也取得了一定的成果，这一点在全世界范围内都是不容置疑的。不过纵看整个发展过程，从客观上来讲，科技和国力纵然是在快速发展，但其反方向的另一面，其带来的副作用自然也正在被无限放大，必须将这些与之带来的副作用正视起来，不容忽略。在和平地进入二十一世纪后，世界各国都在飞速发展，当人类生活水平上升时，人口自然也是在稳步上升之中，也逐渐成为一个不容忽视的问题。这些年来，中国仍然是世界第一大人口国家，我们所要面对的关于人口过多带来的问题往往比其他国家更为严峻，而且问题也越发明显。在诸类这些需要考虑的问题中，康复治疗护理这类问题越来越突出，逐渐形成了一个需要关注的大类问题，而这个问题也是本次毕业设计课题所主要研究的对象。进入二十一世纪，我国人民生活水平质量已经有了显著的提升，以往只出现在欧美国家的人口老龄化问题竟然也悄无声息地出现在我国，众所周知，人口一旦出现老龄化问题，疾病等问题会为医疗领域带来很多的挑战和问题，而在近些年，这些问题越发显著，当问题被无限放大，自然而然也会引起社会各界相关人士的特别关注。也正是在这个大背景下，关于医疗护理机构的创立和建设也就逐渐开办开来，主要用于研究护理结构的设计等问题，此次的毕业设计课题可想而知，也是在该大类的环境下衍生出来的一个问题。顾名思义，牵引术疗法是医疗康复领域中很常用的治疗方法，简单来讲就是利用牵引作用力和反牵引作用力作用于骨折处或者其他需要治疗处，进而达到复位或康复锻炼的治疗方法。根据相关文献介绍，传统的牵引方法可分为以下三类：皮牵一种骨骼牵引机构的设计和实现4引、骨牵引、兜带牵引。其中，皮牵引是用贴于受伤肢体皮肤上的胶布或包捆于患者皮肤上的牵引带，通过胶布或布带与人体肌肤之间产生的摩擦力等作用力，通过特定的传导装置，将产生的牵引力传递到骨骼或关节各处，进而达到目的的一种方式，基于这种牵引方式这种典型的特征也将该牵引称为“间接性牵引”。其次，骨牵引，顾名思义，是将钢针穿入骨骼的一些需要治疗的部位（该部位必须满足坚硬的前提条件），通过该钢针的作用实现直接牵引骨骼的效果，基于这种特征这种牵引方法又被称为“直接牵引”。最后，兜带牵引是利用布带或海绵兜带，再兜住身体突出部位施加牵引力进而达到目的的一种方式。本次毕业设计主要讨论研究的是骨骼牵引机构的设计和实现，主要涉及上述的皮牵引和骨牵引两大类。通过对皮牵引的调研，对其技术有了一定的了解，也在此次过程中为设计出骨骼牵引机构提供了很多灵感。在现代医疗领域中，骨牵引的应用场合和应用环境很广，也是这些年任新兴的一种牵引技术，其参考的相关原理是，利用机构自身产生的正向牵引力和反向牵引拉力，对患者需康复治疗的部位进行锻炼修复和固定，也可以通过简单的牵引力作用，对一些脆弱的关节处进行短链等。在治疗康复过程中，骨牵引的产生的作用力较大，且持续使用的时间也较长，如果在有限范围内能进行有效的调节，便能实现理想的牵引效果，帮助病人得到康复锻炼。经过大量的实验和临床表明，骨牵引的治疗疗程一般要在 6 到 8 周左右，时间较长，考虑到使用长期性和使用安全性，这就要求病人不能长时间的只牵引一个部位，一个部位进行长时间的牵引拉伸后需要短暂的休息调整，以缓解疲劳。在现代医院的康复医疗过程中，骨骼牵引技术通常不是独自发挥作用的，实际情况中，往往还与传统中医康复治疗技术相配合，与之带来的便是产生更加令人满意的治疗结果，为病人患者或者老年人带来更好的康复医疗环境，为他们恢复正常生活提供可靠条件。1.2 牵引治疗技术的理论基础与技术应用正如前文所述，现代康复医疗技术是实现康复锻炼和治疗目的的一种治疗方法。这种治疗技术中的牵引力可通过手动施加或者机械电器装置进行施加，通过以上方法将外力施加于患者的脊柱或者四肢，使脊柱或四肢关节组织发生一定的活动，达到适当的牵引和拉伸作用。牵引疗法的治疗作用包括：消除部分肌肉肿痛、缓和痉挛状况；改善人体血液循环、解除水肿和治疗炎症，有利于损伤的组织恢复；缓解组织的各种粘连、牵引拉伸各韧带关节；修复脊椎、脊柱后关节的异常突变，使脊一种骨骼牵引机构的设计和实现5柱上的相关错位位置能够尽快的复位；扩大各关节的活动范围、改良或恢复脊柱的生理弯曲功能；扩大脊椎的间隙和增加椎间孔以及椎管面积，缓解椎间盘内的压力，解除神经上的刺激和压力；实现脊柱受伤时的制动，实现复位作用。在患者病人进行手术过后的康复治疗过程中，目前多使用的是牵引技术，主要用于牵引脆弱的关节等部位。而在康复保健过程中，多用到牵伸技术，主要作用于人体的脊椎、脊柱和腰间椎，作用力通常为轴向的作用力（如图 1.1，1.2）。图 1.1 牵引技术受力作用图图 1.2 牵引技术受力作用图一种骨骼牵引机构的设计和实现6保健康复过程中的牵伸技术的受力一般则为切向受力（如图 1.3）。图 1.3 牵伸技术受力作用图通过上文的简单介绍，在此对牵引技术的分类做一个汇总。现代的牵引技术有很多种，人们根据它们的一些特点进行了相关的分类，可以按照牵引技术作用的部位不同分类、按照牵引技术固定方式不同分类、作用时间的频率不同分类、牵引工作时患者的位置不同分类、重量不同分类、牵引技术作用时间长短不同分类等。每种牵引技术都具有各自的独到特点，但是各技术之间又具有紧密的联系性，换句话说是相互包含、相关的一种特殊关系。在上述的几类牵引中，最为常见的是以下几类：脊椎牵引、脊柱牵引、腰椎牵引和骨骼牵引。而本次毕业论文课题为“一种骨骼牵引机构的设计和实现”，顾名思义，则主要研究的是骨骼牵引。原理是通过设计合适的牵引方法，利用合适的受力分析和机械结构的相关运动实现所需要的功能。骨骼牵引技术的具体原理是，通过合适的位置放置受伤手术过后患者的患肢或者老年人的肢体，利用一端的配重物，将患者上下牵引牵伸的活动，产生拉伸运动的效果，是一种能够帮助病人的患者或者老年人的肢体更加灵活运动的一种传统医疗技术。为了能够满足骨骼牵引技术实现的要求，需要一定的装备器械进行辅助。一半最为常见的牵引辅助支架，其组成部分为：定滑轮、连杆、配重物。这是一种最为简易的机构，但是足以实现牵引拉伸的要求了。使用者可以利用这些材料自己组建一个建议的辅助支架用以完成牵引功能，并且具有一定的使用安全性，可以放心使用。当受伤患者的肢体受损严重，则在没有先进装备帮助的不利条件下可进行相应的关一种骨骼牵引机构的设计和实现7节训练，通过一定时间的锻炼，便能恢复正常的活动。在现在这个生活环境下，受伤都是难免的，而骨骼牵引技术则是不断的发展，并且也已经有了饱和的趋势，其在现代医疗康复领域的应用范围也是越来越广，这与经济和科技的发展自然也是密不可分。纵看全国，各类大大小小的医院都能够获得国家医疗基金会的大力支持，具备足够的资金实力购买先进的医疗诊断设备和聘用专业的医疗康复专业学上的人才。除去病人患者术后进行的恢复治疗以外，老龄化带来的老年人需要康复保健的问题自然也不能够被忽略，而在此处，骨骼牵引治疗技术便能发挥他的最大优势。在现代生活中，一些比较受老年人欢迎的保健康复方法，有保健器械、运动器械、人工推拿等。而在现代都市的生活压力不断增大的背景下，一些工作族竟然也出现了关节不同受损程度的损伤状况，这是非常常见的，但是如果不能得到及时的重视然后进行保健治疗，其后果在他们步入老年后将会是不堪设想。如何完善解决这个苦恼多代人的问题一直让先进的医学家们头痛不已，终于，先进的人们通过设计一些可放在家中的保健机构来解决，一经问世，便得到广大上班族的热烈欢迎。科技带来的发展有目共睹，但人工的按摩推拿方法现今仍是最受老年人和上班族们欢迎的，一个礼拜得到一次这样的按摩治疗，其效果不言而喻。这些推拿按摩自然也是牵引拉伸技术的一种。1.3 骨骼牵引技术的发展现状和趋势众所周知，国外的骨骼牵引技术的发展是世界牵引技术发展的源泉。国外的牵引技术多种多样，适用的部位和方式也是不胜枚举。随着各国之间的交流日益紧密，牵引技术也逐渐传到了中国。随着这些年来牵引技术在我国的发展相当快，但是总的先进程度与国外相比还是远远落后，与先进发达国家保持着客观的距离。在我国医疗保健康复领域内，关于这一块的技术还不够先进，这方面的机械结构，骨骼牵引机构普遍采用手动操作、种类单一，康复治疗效果往往难以满足患者的需要，延缓病人恢复健康的最佳时机。这在传统医疗器械竞争优势不良情况下的确是令国家、政府、医院头疼的事情，但随着各种医疗器械种类的不断增加和对检测要求的日益严格，显然传统的医疗器械机构不能满足各病人的要求，主要体现在以下几个方面：第一，医疗器械设备种类单一，不能满足日益增多的病人康复治疗的要求；第二：牵引机构中的装夹机构功能简单，仅能够满足少数病人肢体的安装需要；第三：传统的操作机构在使用时效率低，主要表现在为病人进行肢体的装夹、调节不方便；第四，由于传统医疗器械机构以启动为主，所以无法控制病人的使用一种骨骼牵引机构的设计和实现8结果，并且产生的波动较大。 国内的各家公司企业也非常看重这一块领域的发展，不惜花下重金和人力进行这方面的研究。现在的一些牵引机构虽然勉强能够达到康复治疗的目的，但在使用过程中产生的问题，比如能源消耗、人力消耗、实用操作不方便等问题非常突出，这些问题着实给人们提出了很大的考验。如何才能设计出一款能够提升工作质量和效率的牵引机构，这就需要广大企业的相关人才进行不断的努力探索和研究了。综合考虑，我们不能单纯一味地进口国外的机械机构，咱们必须将这类核心技术掌握在自己的手中，为我国需要帮助的人们提供最廉价和实际的治疗，帮助他们恢复健康，过上正常人的生活。进入二十一世纪以来，我国在医疗器械制造和创造行业中的发展势头很强，机械结构的研发也取得了一定的成果，在市场上占有了一定的份额，这都是国家、社会和各企业共同投入努力而得到的结果。但总体上，该机构的总体质量还是不够硬，精度不够高，病人所要求满意的程度还远远未达到，很难达到高质量和高效率的完美统一。因此，对骨骼牵引机构的创新和研发制作是未来5-10年内的一项巨大趋势，具有极其广阔的市场前景，既出于对病人进行最好康复治疗的考虑，也出于提高我国在该行业综合竞争力的考虑，研发更加具有先进康复功能的骨骼牵引机构时不我待。1.4 课题研究的意义在传统医疗学中，经典康复医疗技术学属于其中的一大类。传统的康复治疗技术是帮助伤者、患者、残疾人和老年人恢复他们的运动功能，进而达到康复治疗的一门治疗学科。随着我国综合国力的提升和人们生活质量的提高，伤病和疾病的发生率也随之升高，先进的人们总是能够注意到这些，进而研发出了牵引治疗技术，随着各地区的交流不断加强，这种技术也被逐渐推广。伴随着时间的推移，这项新兴技术也在不断发展进步。牵引治疗技术的目的是为了使病人患者能够最妥善的康复治疗，进而能够尽快地脱离病痛的折磨，恢复普通正常人一样的生活和工作，尽快融入告别已久的社会，并提高社会的生活能力，进一步改善生活的质量，享受生活的美好。随着时间的推移，在 21 世纪初，康复治疗技术的发展势头非常迅猛，当一项技术飞速发展时，与之呼应的相关职业也会层出不穷的出现，医疗康复诊断师便是其中的佼佼者，产生了极大的生机和活力，同时也反应出了对新兴技术和新型职业人才的迫切需要，符合现代生活的发展。在病人患者在进行康复治疗的过程中，除了主治医师的正确指示以外，高精度高科技的相关治疗仪器自然也是密不可分的，一种骨骼牵引机构的设计和实现9这将为病人的康复锻炼和治疗带来事半功倍的效果。当医生的正确指导和高精密的仪器完美配合，这对病人患者来说无疑将是一份双保险。在常见的治疗过程中，由于人或器械造成的失误所引起的二次伤害也极为常见，需要引起一定的重视，并在日后的研发设计中逐步解决这个问题。在进入二十一世纪伊始，我国已经慢慢地进入人口老龄化发展阶段。据有关人员介绍，按照这个趋势继续发展下去，在 2020 年底，中国全国的老年人口（60 岁以上）人次将会来到 3.1 亿人次，约占全国总人口的 19.1%。经过 2018 年的一次全国范围内的普查结果显示，全国一共有将近七千万所现代型医院，而在这些医院中，能够为病人带来医疗和锻炼的多功能床位不到 130 万张，这一数字与全世界范围内的发达国家相比是远远落后的，由此可见，医疗资源的匮乏和需求是时不我待的。综合上文的一些可靠数据可到，我国如今在医疗领域上所面对的压力是不言而喻的，如何为病人带来平等和完善的治疗条件是我们这些年来不能回避的一个话题，当然还有很多诸如此类的问题，比如：具有该类技术的高级医师数量不足、医疗设备不足等。如何才能够让正常人或老年人告别伤病的困扰，尽快恢复正常人的生活是我们研发目的的重中之重，必须抓紧行动起来，刻不容缓。本课题的目的是设计一种骨骼牵引与拉伸治疗机构,让手术后的患者或者需要进行康复治疗的病人可以更方便地进行受伤肢体或关节的牵引拉伸,使病人患者的患肢能够得到最及时的康复治疗。经过及时和恰当的康复锻炼，使患者能够尽快地健康生活，恢复正常的工作和学习状态。康复治疗技术这项新兴技术有着非常光明的前景和发展势头，该技术和机械发展反映了患者对康复治疗这项技术的迫切要求。在医疗领域，康复治疗是一个长期的时间段，在此期间不仅需要家人的悉心照顾、医生护士的精心就诊和照料，更加需要先进精密的仪器的治疗，这就为这项技术的发展提供了强大的依据。该牵引机构的核心是使用步进主电机运转带动驱动连杆上下转动进而带动活动板（将患者需要进行康复锻炼四肢置于活动板上）上下实现牵引，加之滑轮上的配重，进而使患肢得到适当的牵引锻炼。我国致力于将医学理论与机械理论相结合，设计出有助于需要康复治疗的患者使用的牵引拉伸机构。目前，在我国骨骼牵引机构的应用越来越广，也越来越现代化，而且国内对机械的使用要求也越来越高，对骨骼牵引机构的需求也越来越大。在我国医疗装备系统中大多实行加速发展的同时，即设备投入运行后会进行大量应用。该骨骼牵引机构设计结构简单、操作方便,解决了上、下肢能够方便操作以达到一种骨骼牵引机构的设计和实现10牵引治疗的难题，这一项技术在世界范围内也是一个小小的突破。1.5 论文的研究内容及拟解决问题 本论文选择牵引方法中的骨牵引为主要的研究对象。骨牵引技术所用到的方法和具体原理在上文具有提及，简单的来讲，它的主要特点是骨骼牵引机构自身产生一定的牵引作用力，这个力是为了施加到病人患者或者老年人的脆弱肢体上，也即骨骼部位，能够起到一定的康复锻炼作用，对受损或者脆弱部位进行妥善的锻炼、修复和固定，促进使用者的正常恢复。在整个毕业设计过程中，经过多次对骨骼牵引机构进行文献调研和思考，总结了以下几个特点和问题：第一，需要考虑到设计出的骨骼牵引机构病人使用时的舒适程度问题。因为一般使用该机构的大多是手术后康复中的患者或者需要进行锻炼的老年人，他们本身的身体就非常虚弱，而且康复治疗的保健周期是一个非常漫长的过程，根据经验，一般在 7 周左右，时间很长，这对于这些虚弱的人来说无疑是一种无法忍受的巨大负担。基于这个无法避免的因素，在实际过程中必须将其考虑在内，并想出一定的解决办法。第一：机构设计出来就必须首先要满足它的设计要求，能够实现对病人患者或者老年人受伤部位的锻炼作用，帮助他们恢复将康，融入社会。考虑到长时间的使用，就如病床一样，就要保证一定的使用舒适，方法可以采用医学海绵或者垫子来实现，这是一个可行的办法。第二，是骨骼牵引机构的零件选材问题。因为骨骼牵引机构与一般的病床区别特别大，基本都是完全暴露在外面，不加任何的被子或者衣服，为了达到牵引功能，不能避免与人的肢体等关节部位进行接触，所以机构的选材非常重要，且值得深层次的考虑。首先所选材料必须要能够满足能与人体长时间的发生接触，且不会发生过敏等不良情况，其次材料制成的板件要有一定的刚性和韧性，能够承受一定范围的牵引力。第三，对于人体肢体的结构，尤其是关于骨骼部分的结构要有一定的了解，以便于在进行结构设计的时候进行合理的位置放置。在最终设计完成后，还需要进行调试，看看各零件之间有没有干涉等，防止各个构件发生相互接触干扰。本次所设计出的骨骼牵引机构的主要面对对象为患者病人的四肢或者老年人的肢体，如何才能让一个机构能够同时实现多项功能，这或许也是学校为我们布置毕业设计的一个主要原因吧，通过列举问题，然后再通过自己的思考和与导师、同学们的交流进而解决这些自己提出的问题，也是大学生们在大学学习生活中一个比较薄一种骨骼牵引机构的设计和实现11弱的缓解吧。正所谓，千里之行，始于足下，既然提出了这些问题，就让我打开脑洞着力在以后的设计过程中将之一个个解决。2 关于骨骼牵引机构的总体设计2.1 骨骼牵引机构的设计基础传统的牵引治疗方法是依靠专业的康复医师的手工作业来实现的，这就要求医师们有一定的实践经验和熟练的操作能力，这就要求对医生的经验和实践能力要求很高，并且在这热门行业，医生往往供不应求。由于是人工施力，仅靠人的感觉对于施加力度的大小把握程度难免会有一些偏差。人们很早就意识到了这个棘手问题，但由于局限于当时经济和科技，这个问题一直没有解决。不过在现代，无论是经济还是科学技术，都已经有了质的飞跃，各个相关行业都已经实现了贯通，好多领域里的知识都应用到了医学上，其中机械设计和机械原理的贡献量最大。骨骼牵引机构的设计便是医学与机构学相结合相交叉交融的一个典型的机构代表。主要以经典医学作为基础，辅之以机械设计和机械原理的相关知识，进行相关结构的设计和现实，进而达到为病人康复治疗的目的，同时由于采用的是机械的结构，自然而然还能同时解放人类的劳动力，最大程度的减轻医生和医师的负担，更能保证康复治疗的精度要求，是医学史上不可磨灭的一项设计，为人们带来了很多的便利，并且能够满足使用要求。2.2 人体的四肢模型研究分析人体的四肢是人体密不可分的组成部分。由下图清晰可见，上肢的组成部分可分为：肩部、大臂、肘关节、小臂、手腕和手。肩部起到了将上肢与人体的颈部、胸部和背部相连接，有着相当重要的作用。肘关节则起到连接上肢中的大臂与小臂的作用，肘关节处非常脆，有着突出的骨盖，是人体极易受损的几大部位之一，受损的情况在现实生活中极为常见。手腕则起到将人体小臂与首先连接的作用，也是极易受损的部分，一旦受到过大的外力作用，就会发生变形受损，所以需要好好保护。上肢的几个关节部位在日常生活中非常容易受到伤害，而大臂和小臂上具有一定的肌肉，起着保护作用，但其他几个关节就相对来说比较脆弱。上肢内部结构是由骨骼、肌肉、血管、血液以及皮肤组成。下图为人体上肢结构图（如图 2.1）。一种骨骼牵引机构的设计和实现12图 2.1 上肢结构图通过上肢的结构图可以得知，上肢各个部分互相关联。由下图清晰可见，肩关节的结构功能是能够将人体上肢的大臂和人的躯体相连接。从结构上来看，连接大臂与躯体的肩关节的几何形状为椭球型，这种形状的关节在人体整个结构中非常罕见，同样膝关节也是这种形状，具有自由活动和多方位调整能力。如图所示，肩关节能实现三个方向的运动（如图 2.2）。图 2.2 肩关节活动图肩关节的运动角度范围和方向则见下表（如表 2.1）。一种骨骼牵引机构的设计和实现13表 2.1 肩部关节的运动角度范围和方向运动方向 前屈 后伸 内收 外摆 旋内 旋外运动角度 0-180 0-50 0-180 0-180 0-90 0-40下肢在医学上指的是人体腹部以下的各部位。由下图清晰可见，下肢的组成为：臀部、胯部、大腿、膝关节、小腿、足部。胯部起到连接下肢与人体腹部及以上各部位的作用，面积较大。而膝关节则起到支撑整个人体，即连接大腿与小腿的作用，之所以这样说，是因为人体的重量几乎全部作用于大腿，再作用于脚，膝关节起到连接这两个部位的作用，所以受损伤的难易度可想而知。下肢内部结构可分为：骨骼、肌肉、血管、血液、相关神经和皮肤。下图为人体下肢结构图（如图 2.3）。图 2.3 下肢结构图下直肌的主要组成部分包括很多种。其中，臀肌和髋肌为实现运动功能的肌肉，主要起到连接人体腹部以上部位和以下部分的作用。这部分的肌肉有着一定的厚度，不易受损。而大腿肌和小腿肌则是人体最为结实和强壮的几个部位，非常有力强劲，起着支撑整个人体的作用。相比而言，下肢肌比上肢肌更加粗壮有力，这与维持人体直立行走的运动功能是密不可分的。下肢肌肉构成图如下图（如图 2.4）。一种骨骼牵引机构的设计和实现14图 2.4 下肢肌肉构成图膝关节是人体众多连接结构中最为复杂的一部分，主要作用为连接下肢中的大腿和小腿。由于其结构复杂，使用频率高，而且需要承受极大的重量，所以是最容易受到损伤的一处关节位置。因此，也有专门为治疗膝关节而设计出的牵引机构，目的就是为了保护和治疗人体关节中最为脆弱的这部分。在运动性能方面，膝关节也具有像肩关节一样的运动性能，并且能够实现多方面的运动，虽然也会产生很多的疼痛症状，但考虑到需要承受整个人体的重量，这些也就在所难免了。目前为止，关于膝关节处能够产生的症状主要有：水肿、疼痛、软组织硬化、功能性障碍等。膝关节能够实现两个方向上的转动，具体方向和角度范围可见下图（如图 2.5）。图 2.5 膝关节的活动图而膝关节转动能够实现的每一个方向的角度范围如下表所示（如表 2.2）。一种骨骼牵引机构的设计和实现15表 2.2 膝关节运动的角度范围运动方向 曲屈 后伸 旋内 旋外运动角度 0-135 0-15 0-30 0-82.3 骨骼牵引机构的设计要求与传统的医疗方法相比，现代牵引机构能够解放医生和病人患者，医生可以利用牵引机构辅助自己对病人患者的康复治疗活动，弥补传统保健方法的不足。利用一定的医疗器械取代人的实际操作，能够最大程度的避免医生因为一些个人原因而不小心产生的技术和态度方面的失误，如果发生这些失误，会对病人患者造成无法挽回的痛苦。不过如果采用医疗机械进行这些操作，便能够将这些失误减小到最少，因为使用机器进行操作的精度非常的高，因此在很大程度上不会发生因为人类因为操作不当而产生的失误。通过合理的添加配重物，进行精确的机器控制，进而达到最完善的康复锻炼效果。鉴于本次设计的骨骼牵引机构是使用当代适用较广的器械装备，要与患者的患肢直接接触，所以需要考虑进内的问题是非常多的，以下变列举一些比较典型的必须考虑的要求： 首先，本次课题为一种骨骼牵引机构的设计和实现，顾名思义，便是设计一种牵引机构，其适用对象是受伤进行手术过后的患者或者需要进行康复锻炼的老年人，难免需要将这些人的肢体与机构中的某些零部件进行直接接触，而在医院中进行的牵引治疗不是一个短暂的疗程就能实现的，需要与机器进行长时间的接触，所以对机构的零件材料以及机构产生拉伸作用的原理都需要有一定的了解。当然，这一些都是基于对人体的骨骼有详细的了解以及能够熟练的应用机械方面的相关理论知识。只有将这两点妥善的结合，才能经过一定时间的调研和设计，最后在设计时间截止前设计出一个能够符合任务书中要求的机构。其次，由于骨骼牵引机构所面对的对象为一些病人和老年人，他们本来的身体状况就比较虚弱，需要进行牵引的部位自然也是非常脆弱的，所以就必须将机构的可靠适用性考虑在内，比如，动力源装置所能提供的最大功率必须在合适的可调节范围内，运动板的活动范围不能过大，这些条件都是为了符合人体的基本活动性能，避免因为运动的范围和幅度过大，进而对病人的肢体或者老年人产生非常不必要的二次伤害。一种骨骼牵引机构的设计和实现16再者，由于该类机构所适用的人口难免会有身高不同的区别，所以尽量需要设计一个能够像医院病床那样，能够上下摇动，当然这个对于我们这些本科生来说自然有一定的难度，因为这其中涉及很多的机械原理的结构知识，唯一能说的就说我们真的是才疏学浅，但是我们能做到的便是尽全力设计出一个能够将支撑杆能够上下调节的机构，这样变能够灵活调节长杆的长度，进而最大程度的满足不用要求的使用者使用，使他们尽早的得到最为有效的康复锻炼，恢复正常人的生活，尽快的融入久违的社会之中。最后，这次设计的结构主要参考的雏形是乐都医院的病床，因为这家医院距离学校比较近，去实地进行考察自然也比较方便。在去进行实地的考察后，发现他们医院病房的病床除了拥有一搬医院病床的特点外，还具有一个非常显著的特点，那就是巨大的病床居然具有可拆性的功能，这简直是令人眼前一亮。，也为后期设计牵引机构提供了很大的灵感。考虑到这类机构需要占据的实际面积很大，而且不可能一天二十四小时都在使用，所以如果某一天在没有人使用的情况下，如果能够将它们收缩然后放置起来那就回省出很大的空间来进行其他的事情。自然这也提出了一个很大的难题，如何设计才能达到这一效果呢？如何才让让这类机构进入家家户户中，在不需要使用的时候能够进行灵活拆卸呢？毕竟空间面积对现代人来说是非常重要的。2.4 骨骼牵引机构的设计方案通过一段时间的关于机械和医学上的调研以及文献资料的检索，对人体结构有了一定的了解。由于本次机构针对的部位为人体的四肢，在对人体四肢进行解剖学的分析过后，已经有了一些自己的见解和看法，于是便着手开始了骨骼牵引机构的整体结构设计。根据相关医疗文献和临床实际的调研，决定将骨骼牵引机构设计为框型的形状，通过固定板实现对被牵引部分的固定，被牵引肢体放于支撑板结构上的一块活动板上，活动板下方通过驱动连杆与步进电机相连，通过步进电机提供动力，带动驱动连杆进而实现活动板的上下活动，已达到帮助病人患者锻炼和康复的作用。最上层设置圆柱扶手，方便病人患者的肢体放置，为病人带来便利。在上层支撑板前端设有滑轮，滑轮的作用是医生可以在滑轮上加上砝码等配重，然后系上绳索，绳索的终端捆在患者或者老年人的肢体上，原理是通过砝码等重物产生的自然适当重力带动肢体进行合适适当的牵引拉伸动作，进而达到理想的需要的效果。滑轮的设计主一种骨骼牵引机构的设计和实现17要是参考经典的医疗康复学理论，不过能够实现主要的牵引活动的是整个机构的核心部分，通过步进电机带动驱动连杆，连杆终端是活动板，这块板上放置人的肢体部位，能够上下活动。由于动力源装置的选择很多，之前有考虑过采用液压装置，但液压装置的自身中量很大，而且占用面积也很大，并且最主要的问题是不能灵活地调节液压能，一不注意就有可能造成无法挽回的后果。所以综合考虑还是采用比较常见的电击装置，具有易于调节，可靠性较高的特点，而且最大的输出功率也是在人体极限所能承受的范围内。病人和老年人本来就很脆弱了，如果在因为这些外部元素对他们产生二次伤害，是非常不值得和不必要的，所以要在设计之前将很多因素考虑进内，以保证万无一失。骨骼牵引机构一次能够实现的牵引部位有很多，不过主要能够针对的对象不能太多，不然就变成多功能病床了，根据任务书中的要求，拟采用的适用对象为人体的四肢，本来任务书中还包括人的脊椎和腰椎，难度可想而知，在与老师进行一定的交流和诉苦之后，他同意使用对象只限于人的上下肢，这无疑是一个好消息，这能够实现的方法自然有很多。具体的原理和设计方案在上述中均有谈论。2.5 骨骼牵引机构的有限元分析根据老师所给的要求，本节主要用一款有限元分析软件用以对设计出的骨骼牵引机构进行系统仿真，并对某些结构进行一定的受力模型分析。综合考虑，拟采用ANSYS 软件进行仿真和受力分析。2.5.1 ANSYS 软件简介有限元分析是现代计算方法中一种新型的计算方法，在该领域，有着强劲的发展势头，其主要的研究对象是对于结构力学等来讲的。它最早起源与上世界 50 年代，首先应用于连续动力学领域，是一种能够准确分析动、静态特性的一种数值分析方法。由于其实际的可操作性和便利性，其很快推广到热学、电学、磁学、流体力学等多个问题上。随着科技的发展，有限元分析方法的计算软件也是层出不穷，各企业公司都推出了各自的相关有限元分析软件，根据以往关于此类的软件分类，主要可以分成线下有限元分析软件、小型有限元分析软件、公司用有限元分析软件和大型有限元分析软件等几款。在进入二十一世纪的这几年间，有限元软件进行了多代的完善与妥善发展，取得的成果也是 不言而喻，各种有限元软件品牌都受到各行业领域使用者的广泛好评，其中常见的有限元软件有：Ansys、Abaqus、Algor、Femap/NX Nastran 、FEPG 等等。一种骨骼牵引机构的设计和实现18在本科大二的学习过程中，计算机控制技术的老师为我们介绍过 ABAQUS 和ANSYS 两款有限元分析软件，考虑到本人电脑的实际承载性，决定采用 ANSYS 这一新兴软件，这是一款源自德国一家企业公司的一款盛行于全球的分析软件。能够对各类机构进行有限元的分析，与传统的 Solidworks、 AutoCAD、UG 等统称为当代最流行的几款实用软件。其所适用的领域也是非常广泛，例如在航空航天、船舶制造等行业均有涉及，其所参考的原理包括机械原理、计算机控制技术、工程力学等。在普通的学习过程中，如果使用这款 ANSYS 有限元分析软件，其基本的操作步骤有以下七步：第一步：输入问题及确定定义域；第二步：将值域离散化；第三步：确定因变量和系统控制方法；第四步：对单元进行解答；第五步：对装配求解；第六步：将所得方程组联立求解；第七步：对所得结果进行解释并以一定形式输出结果。2.5.2 ANSYS 有限元分析活动板的主要流程首先是将在 SolidWorks 软件打开物理模型，具体路径为 FileimportPARA，然后选择即将要分析的零件图形。第一部的具体过程见下图（如图 2.6）。图 2.6 ANSYS 活动板分析流程图 1一种骨骼牵引机构的设计和实现19第二步的具体操作为在 Preferences 界面 GUI 中选择 structural 作为分析的主要对象，具体步骤见下图（如图 2.7）。图 2.7 ANSYS 活动板分析流程图 2第三步主要是添加一些参考要素，具体流程为见下图（如图 2.8）。图 2.8 ANSYS 活动板分析流程图 3确定零件的材料属性，主要包括材料的弹性模量等，操作过程如下图（如图2.9）。一种骨骼牵引机构的设计和实现20图 2.9 ANSYS 活动板分析流程图 4这一步主要是网格的划分工作，软件中已经明确显示该活动板的结构性能，只需再进行一定的受力分析即可，操作步骤如下（如图 2.10）。图 2.10 ANSYS 活动板分析流程图 5在上一步的基础上，施加虚拟的受力，目的是测出这块板受到最大重力时的变形情况等，见下图（如图 2.11）。一种骨骼牵引机构的设计和实现21图 2.11 ANSYS 活动板分析流程图 6确定受力的大小以及方向，具体的方向和受力操作见下图（如图 2.12）。图 2.12 ANSYS 活动板分析流程图 7到这一步基本的准备工作都已经进行完成，只需最后确定，然后导出所需的图形即可，具体步骤见下图（如图 2.13）。一种骨骼牵引机构的设计和实现22图 2.13 ANSYS 活动板分析流程图 8查看结果（如图 2.14、2.15）。图 2.14 ANSYS 活动板分析结果图 1一种骨骼牵引机构的设计和实现23图 2.15 ANSYS 活动板分析结果图 22.5.3 有限元分析建模由活动板的几何图形清晰可得，为一块不规则的矩形，利用等比例划分的方法将这个矩形划分为单元格形式（如图 2.16）。图 2.16 活动板单位划分图由上图可见，每个单元格均有四个顶点在其周围，利用离散数学的知识，每个节点的定向位移各自有着自己的分量，即挠度，公式为： ()(1,234)fxiyfwfyx（2.1）一种骨骼牵引机构的设计和实现24每个挠度所能产生的移动距离公式为：1234TeTT（2.2）每个节点所能产生的压力为：1234fixiyVFM， ， ，（2.3） 1234TTTFF（2.4）由有限元分析可得其挠度函数具体公式为： 223223312345678910112wxyxyxyxyxy（2.5）其中， 222324578911323689103wxxyxyxy（2.6）设为质量： 00,xyab（2.7） 1234ewNNN（2.8）经上述分析，每个单元的矩阵形式可谓：一种骨骼牵引机构的设计和实现25 22(1)()8)1(1,234()iiiii iiiiixi iiiiNbia （2.9）以上为活动板有限元分析单元中挠度的计算以及具体公式，接下来则是关于各节点矩阵的位移等的计算过程以及公式：由离散数学和线性代数公式：22Txyxwzyx（2.10）其中变量 X 我们这样表述，222Twwxyx（2.11）如果能将上市中的 X 带入第一部分的挠度函数中，再经转换带入矩阵中，得：eB（2.12）此处的 B 为变形量矩阵，具体公式如下：ijmp（2.13）扩展公式为： 222,Ti iwwBNjmpaba （2.14）经过有限次迭代，便可得到最终的活动板单元格每个单元的节点矩阵公式，如下：一种骨骼牵引机构的设计和实现261TekabBDd（2.15）经过有限次的数据计算，将活动办的具体尺寸，带入可得位移为 0.0064，该数值远小于最大位移量，所以能够得到结论，活动办的受力以及运动范围和能力军能够符合现实要求。3 关于骨骼牵引机构的详细设计3.1 骨骼牵引机构的具体方案在上一章总体介绍了该牵引机构的设计方案，本章则是详细介绍具体的设计方案。经过前期关于医疗保健学相关文献的检阅和关于本课程机械设计的一些概念的更加深日的理解，辅之以导师与研究生学长们的具体建议，最终确定了骨骼牵引机构的具体设计方案。前期的准备工作为去医院实地考察现代医疗病床的具体尺寸，得出以下结论：四根床杆长度为 680mm，床面宽为 510mm，具有床头上下活动的功能。以上为病床的相关数据，接下来便是采集人体的相关数据。本次设计出的结构主要的面对对象为病人患者和中老年人，年龄一般取在 35-60 岁之间，根据国家标准，对该年龄段的人的相关肢体尺寸都有精确的分类，具体如下：平均身高为 172cm，大臂 245mm，小臂 310mm，大腿长为 480mm，小腿长为 380mm，以上具体数据为经过相关检阅后得到的具体数据，具有一定的现实可行性，完全可以基于以上数据进行骨骼牵引机构的具体设计。在相关数据采集和确认完成后，便与导师谈论设计理念和具体的想法，虽然过程比较较坎坷，充满了磕磕碰碰，但结果却是令人满意，经过综合考虑一些因素加上对于所指定的参考文献的检索以及与老师同学们的沟通交流后，便着手开始骨骼牵引机构的具体设计方案。骨骼牵引机构主要是通过牵引的主架结构，将所要牵引的部位进行安置和固定，通过其主架结构前端的滑轮上的配重结构实现自然牵引。最上层设置圆柱扶手，方便病人患者的肢体放置，为病人带来便利。接下来具体介绍：一个完整的结构，首先需要有一个坚实的结构基础，传统的结构一般以三角性的一种骨骼牵引机构的设计和实现27架构为主，因为坚固和稳定，为了求同存异，加上日常生活中老年人使用的横椅的灵感，决定采用矩形的主框架结构，既能够起到支撑和固定的作用，而且能够有效地节省材料。由四根长杆、四个脚垫、一个圆柱扶手杆和两块扶手架组装而成。长杆与脚垫采用过盈间隙配合进行装配，脚垫具有锁死功能，牢固可靠。扶手架与长杆之间并非焊接，而是利用扶手架上的凸台与长杆中间镂空的部分进行装配，扶手杆与扶手架之间利用螺栓孔进行配合，由于主要起到让使用者支撑和扶持的作用，所以必须具有一定的可靠性。主框架结构简单合理，满足工艺性要求。在设计完骨架部分后，便是往中间部位填塞东西，为了满足简单可操作的目的，在长杆上设有三个螺纹孔，且距离固定，目的便是为两层的支撑板进行装配用。支撑板，顾名思义，就是用来放置一定的东西的。第一层支撑板乃是一块特殊的结构，四个边角有与螺纹孔啮合的伸出杆件，中间有两个燕尾槽和一块镂空的区域，这块区域用来放置活动板，燕尾槽中用来放置固定板，即挡板，之所以选用燕尾槽来与挡板进行装配，是为了满足可拆性的要求。活动板也是一块特殊的板，没有固定的型号，需要按照