新型膝关节用CPM机的结构设计.docx

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新型膝关节用CPM机的结构设计

摘要

CPM康复机技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术，是机电一体化技术在医学领域的新应用。

下肢膝关节康复机是其中的一种，它可以模拟正常人的膝关节屈伸姿态，对下肢有运动障碍的病人进行有效的下肢康复训练。

本课题的主要研究内容是设计一种能满足康复用的CPM机。

本课题的主要研究内容是设计一种具有虚拟髋关节轴特征的CPM机。

本文介绍了康复下肢膝关节康复机技术在国内外发展现状和应用情况，并对下肢膝关节康复器CPM机的机械结构进行分析设计。

设计出的双平行四边形结构，满足了设计要求.

本文还简要介绍了膝关节康复器的运动学模型，对结构进行了运动学分析。

在此基础上，对下肢膝关节康复机的屈伸机构的运动情况进行了动画仿真，为最优设计提供理论依据。

关键词：

CPM，膝关节，双平行四边形，康复

Abstract

Rehabilitativemachinetechnologyisanewonethathasbeendevelopedrapidlyinrecentyears,whichrepresentstheapplicationsofMechanotronicsTechnologyinthemedicalfield.HorizontallimbsrehabilitativeisoneofthiskindofMechanotronicsTechnology.Itcansimulatethemotionofnormalhuman'slayinggestureandgivethepatientshealingtrainingwhichwillhelpthemtorecoverfromillness.Themaintopicofthisstudyisdesigningakindrehabilitationmachinewhichcanmeettheneedafterkneesurgery.Themaintopicofthisstudyisdesigningakindrehabilitationmachinewhichhasavirtualhipshaftfeatures

Thepaperatfirstsystematicallyoverviewsthedevelopingandapplicationsituationofrehabilitativemachine,andputsforwardtheoverallstructureschemeforhorizontallowerlimbsrehabilitativemachine.Thedoubleparallelogramstructurethatdesignedcanmeetthedesignrequirements.

Inaddition，thekinematicsmodelsandthekinematicalanalysisoftheLowerLimbsRehabilitativemachineareintroducedconcisely.Onthisfoundation，themovementprocessofthegait’sequipmentissimulated，whichprovidesthetheoreticbasisofoptimizationdesigning.

KeywordsCPM,kneejoint，doubleparallelogram，recovery

毕业设计任务…………………………………………………………………………Ⅰ

摘要……………………………………………………………………………………Ⅱ

Abstract………………………………………………………………………………Ⅱ

第一章绪论……………………………………………………………………………1

1.1研究背景及意义……………………………………………………………1

1.2国内外在膝关节康复器械方面的研究现状………………………………2

1.2.1卧式CPM机……………………………………………………2

1.2.2立式下肢辅助康复机构………………………………………5

1.2.3论文的主要研究工作…………………………………………8

第二章CPM概述………………………………………………………………………9

2.1CPM仪器……………………………………………………………………9

2.2作用机制……………………………………………………………………9

2.3优点…………………………………………………………………………9

2.4临床应用范围………………………………………………………………9

第三章膝关节康复器的总体方案研究……………………………………………11

3.1膝关节康复器的基本功能要求……………………………………………11

3.2总体结构方案………………………………………………………………11

3.3方案分析与设计……………………………………………………………13

第四章CPM机的结构设计……………………………………………………………16

4.1具体结构设计要求…………………………………………………………16

4.2各个主要部件的机械结构设计与校核……………………………………16

4.2.1人体参数分析…………………………………………………16

4.2.2大小腿托架受力分析…………………………………………19

4.3传动机构设计………………………………………………………………20

4.3.1各种螺旋传动特点及应用……………………………………20

4.3.2滑动螺旋传动设计……………………………………………21

4.3.3丝杠的校核……………………………………………………25

4.3.4康复器的驱动方式选择………………………………………26

4.4两个底座的设计……………………………………………………………29

4.5大小腿托架杆的设计………………………………………………………31

4.6角度调节板的设计…………………………………………………………32

4.7滚动轴承的选择……………………………………………………………34

4.7.1轴承的选用原则………………………………………………34

4.7.2CPM机轴承的选择……………………………………………36

第五章结论…………………………………………………………………………37

谢辞…………………………………………………………………………………38

参考文献……………………………………………………………………………39

第一章绪论

1.1研究背景及意义

膝关节是人体最复杂的关节,在临床和体育运动中经常发生各种损伤。

对膝关节及其周围骨或软组织的治疗和手术,常可导致膝关节内、外粘连和僵直,影响膝关节功能恢复,上述问题也是在膝关节康复治疗时候面对的主要的棘手问题。

20世纪70年代加拿大骨科专家Salter经过大量实验提出了CPM的概念[1]。

它是利用专门器械使关节进行持续较长时间的缓慢的被动运动,使治疗和康复相结合,可以有效防止关节粘连,对关节内软骨的再生与修复有促进作用,有利于肢体功能的恢复。

自从1978年临床应用后,经过20年的发展,该技术现在广泛应用于医学、体育等领域,引起了越来越多的关注。

膝关节CPM机对膝关节的康复有很大的效果。

在传统关节治疗的过程中，通常病人长时间不运动，把关节固定在一个位置，这有肯能造成关节或组织的粘连和挛缩，导致关节僵化、畸形等，影响关节的正常功能，留下后遗症，给患者的工作和生活带来不便。

随着科技的进步，越来越多的医学领域的专家认为，术后进行早期锻炼、及时进行系统的康复治疗则可以减少胡杜绝这些后遗症，所以康复一起越来越多应用于医学康复领域。

使用肢体功能康复器来代替护理员对患者实施被动运动训练，对减轻人工劳动强度、即及时使患者的的关节运动幅度和能力得到保持和恢复具有重要意义。

虽然器械不可能像护理人员那样让患者的肢体做各种各样复杂的运动，但只要能做到几种主要的运动，就能保持和恢复关节运动的幅度，有利于恢复患者肢体的主要运动功能。

持续被动运动（ContinuousPassiveMotion，简称CPM）是目前关节损伤患者术后康复训练的重要方法。

它是在20世纪70年代初的时候由Salter等人提出并且发明的，在80年代初期专门用在膝关节人工关节置换术后来练习关节活动度，后来被更多的人认识到它的重要性，更广泛地应用在各种膝关节手术之后。

使用CPM机进行关节术后功能训练是比较成熟的康复训练方法。

但目前的CPM康复训练器械多是机械-电机式的，以这种方式来驱动关节，位置精度可以达到很高，但为患者提供的多是刚性、被动的运动和锻炼，并且在运动中由于人体大腿和支撑大腿的支架相互摩擦增加了训练过程中患者的痛苦，实现关节的安全运动较困难。

但现有的大多数下肢关节康复器都存在着大腿托架回转中心与人体髋关节转动点不重合的问题，致使运动过程中病员下肢关节压力增大，以及皮肤在康复器上滑移、擦动，给病员带来额外伤痛。

针对这个问题的改进方案往往是将康复器设计成具有单侧大腿支架的结构，这是由于病员下身会阴部位的干涉而无法在该部位设置铰接点；这种类型的康复器使用时要经常在左、右两边调整变换，给使用带来不便；且由于采用不对称的单边支撑结构，易造成器械变形。

专利ZL94227560.8提出了应用双平行四边形机构和谐波传动机构的改进方法，使病员髋关节转动点与双平行四边形的虚铰接点重合，以避免机构运动时对人体的干涉和皮肤损伤。

该技术从原理上有了显著进步，但并没有彻底解决上述问题，因为对于不同的病员，由于身体特征的差异，其髋关节转动点位置是不同的，康复训练器设计时必须考虑如何适应这种差别；另外，由于双平行四边形的虚铰接点是看不到的，如何确定人与训练器的相互位置尚缺乏有效的手段。

本课题旨在研究开发一种具有髋关节轴特征的膝关节康复训练器，课题的研究将具有良好的学术意义和实际应用前景。

1.2国内外在膝关节康复器械方面的研究现状

随着科技进步和人民生活水平的提高，人类平均寿命逐渐延长，老龄入口逐渐增多，随着年纪的增长，人的骨骼、关节往往会因为退化或长期使用导致磨损，而骨骼的退化和磨损会导致他们行动不便，或者由于脑血管疾病会导致一定程度的偏瘫症状；交通工具的增多，由交通事故造成的肢体损伤的人数也在逐渐增加。

医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和药物治疗外，正确科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用，所以康复机构逐渐成了研究热点。

国内外对于肢体康复器特别是下肢康复器的研究开发做了大量工作，并且取得了较大进展，部分分机构也得到了广泛应用。

下肢康复机构按患者的康复训练姿势分类，可以分为两大类：

卧式CPM机和立式下肢辅助康复器。

1.2.1卧式CPM机

目前使用最多的下肢康复装置多是卧式CPM机，与下肢的贴合方式采用搭放式，患者术后可以采用卧姿，将下肢放在CPM机构上进行训练。

CPM的概念是于20世纪70年代由加拿大骨科专家Salter经过大量实验提出。

它是利用专门器械（由机构或电子装置带动或维持部分肢体的运动）使关节进行持续较长时间的缓慢的被动运动，使治疗和康复相结合，可缓解疼痛，改善关节活动范围，防止关节挛缩和粘连。

对关节内软骨的再生与修复有促进作用，有利于肢体功能的恢复。

对于术后肢体持续运动的训练方式，CPM机训练是较为成熟的方法。

CPM的发展经过了三次历史性阶段，1975年Salter经过试验和临床研究后首次提出CPM的概念。

1982年Coutts等将CPM装置应用在人体康复训练上。

1992年，McInnes等开始了前瞻性的研究，探讨CPM在不同情况下的应用效果。

目前，CPM技术在我国已被骨科康复街普遍接受，适用范围也越来越广。

图1.1是一种卧式膝关节CPM机，在使用过程中，患者下肢搭放在机构上面，通过软性捆绑带将患者下肢与机构相贴合，使得下肢能够在机构的带动下完成相应的弯曲和伸展训练动作。

图1.1膝关节CPM机

目前市场上大部分的下肢康复器均采用此种结构方式，由于其采用CPM训练方式，所以称之为CPM机，图1.2为一般的CPM机的结构原理图。

其工作原理为：

机构采用电机做为驱动器，通过丝杠传动，改变电机的转动为螺母的直线运动，由于螺母与连杆3固连，所以连杆3做平动，连杆3作为连杆机构的主动杆，通过连杆1带动连杆2做旋转运动，所以连杆3做平动，连杆3作为连杆机构的主动杆，通过连杆1带动连杆2做旋转运动，这样连杆1与连杆2就会产生相对旋转运动，当患者把下肢放在机构上就可以带动膝关节转动。

图1.2CPM机的结构原理图

患者需要康复训练的时候，躺在床上将病退放在机构上，小腿放在连杆1的位置，大腿放在连杆2的位置，电机转动带动丝杠转动，从而带动丝杠上的螺母移动，连杆3在螺母的作用下做平移运动，带动连杆1和2运动从而使膝关节弯曲和伸展。

这种机构多以卧式为主，患者躺在病床上就可以进行训练，非常方便，只需将推放在机构上，在机构带动下便可完成相应动作，所以在康复领域应用较为普遍，较多应用于膝关节手术后的康复训练。

电机的无级转速和转向功能，使得机构可以实现较大范围的形成，而且定位精度较高。

对卧式CPM机的研制，国外的研究比较成熟和深入。

图1.3为德国生产的主动活动器CAMOPED。

它的工作原理是以健康腿的运动带动患腿进行屈伸运动，从而帮助患腿的被动训练，能够有效地帮助患者恢复其肢体感觉，因此患者的协调功能也能得到更早的恢复。

其特点是运用新型材料重量轻，结构简单，便于携带与放置，已实现产品化。

图1.3主动活动器CAMOPED

图1.4为NicholasJLondon等研制的小型CPM设备“CPMlite”。

它由小型电马达驱动，并可收纳至旅行包中，整机重量只有3.5kg，非常方便实用。

此装置与其他CPM机相比，成本较低廉，能够满足大多数患者的康复需求。

图1.4小型CPM设备CPMlite

在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但康复机器研究仍处于起步阶段，近几年我国康复工程在这方面取得的一些进展，特别是技术含量不太高的产品（如康复器械），填补了国内下肢康复器的研究的空白，但还是以简易型康复训练器械的产品较多。

图1.5是浙江金华公司的下肢关节康复器。

图1.6为宝华达系列下肢康复器。

图1.5浙江金华下肢康复器图1.6宝华达系列下肢康复器

医学专家姬永琴、李晓玲、陈晚英等进行了下肢CPM机得改进与应用，根据患肢大腿及小腿的长度，调节CPM机杆的长度，使患肢脚到膝关节距离与脚套到机架夹角的距离相等。

王广欣等提出了含有变刚度结构的下肢挂接康复训练器，通过机械方式实现刚度变化。

其变刚度设计局限于机械方式，没有克服机械-电机传动方式的缺点。

以上所有这些探索仅局限与局部结构调整和设计的优化上，不能克服传统CPM设备固有的缺点。

1.2.2立式下肢辅助康复机构

立式下肢辅助康复机构多采用穿戴方式，此装置可以穿在患者下肢上，能够与腿部紧密贴合。

机构中与下肢贴合的部分一般采用材质较轻、软性的材料，与腿部结合紧密，所以能够实现较精确的角度控制。

其穿戴式的结构使得训练灵活，在站立、坐着、躺着的姿势下都可以进行康复训练。

此类研究中驱动器较多选择气动人工肌肉和气缸，能够提供一定的柔顺性，安全性相对高一点。

但由于气动人工肌肉和气缸行程较短的原因，使得此类康复机构能够实现的康复角度相对较小，不能满足大角度的康复要求，所以多用在步态训练和助残应用中。

此类装置穿戴比较复杂麻烦，不太方便实用。

由于气动肌肉的特殊结构，其非线性和气体的可压缩性使得对气动人工肌肉的研究比较困难复杂，鉴于实验室的研究条件，对气动人工肌肉的研究还是国外较深入，所以对此类穿戴式康复机构的研究也多见于国外学者成果之中。

如图1.7所示机构，它是模仿人类下肢的肌肉工作方式开发的机构。

此结构中使用了四根气动人工肌肉模仿促使膝关节的弯曲和伸展的生物肌肉，在试验中通过采集生物肌肉的肌电流来控制气动人工肌肉，它是结合了人类自身的生物控制功能和人工的机械控制技术，主要对膝关节的弯曲伸展动作和下肢的站立、坐着等各种姿态进行控制。

此技术非常先进和复杂，但对生物肌电的研究还处在发展阶段，所以此发明还处在实验室研究阶段，没有被广泛推广。

图1.7基于生物肌电技术的PMA驱动的下肢辅助装置

如图1.8的膝关节辅助机构，以气缸作为驱动器。

传感器采集生物肌肉的肌电流，通过一定规则的计算，预测膝关节将来的动作所需要的转矩，用此转矩作为参考来可能告知气缸的输出力，从而辅助膝关节将来的各种动作。

此结构与人腿贴合密切，控制精度高，但穿戴较麻烦，而且分左右腿，不适合术后的康复需求，只能用来辅助患者膝关节的动作。

图1.8基于生物肌电技术的下肢辅助器

如图1.9所示的下肢训练装置，完全以气动人工肌肉作为驱动器驱动膝关节和踝关节的弯曲和伸展动作。

在工作的时候，分主-辅机构，健康的下肢穿戴主机构，患病的下肢穿戴辅助机构，主机构先动作，通过测量膝关节和踝关节这一旋转过程的力矩，来控制辅助机构中的气动人工肌肉，使之产生相同的力矩，从而达到和健康下肢相同的弯曲角度。

此控制方法非常巧妙，而且使用气动人工肌肉，对于康复训练来讲非常安全。

a）膝关节弯曲b）膝关节伸展

图1.9穿戴式主辅结构下肢训练装置

图1.10膝关节-踝关节-脚部矫正装置用来恢复下肢的步态训练。

矫正器的驱动器基于生物机械原理，能够以机械方式模仿正常下肢步态运动中个关节的运动参数。

通过预先确定各关节的目标步态训练参数，通过各关节的驱动器，驱动下肢按正常步态脚部训练。

图1.10步态矫正器

立式下肢辅助康复机构由于多采用穿戴式，和人体的贴合较紧密，机构的弯曲角度等同于人体关节的弯曲角度，能够实现精确的控制，而且多采用气动人工肌肉或气缸作为驱动器，柔顺性较好，能够满足和人接触时的安全性。

由于康复姿势的限制，立式的下肢辅助康复机构并不能用于术后的康复，而且能够达到的康复角度很小，所以多用于辅助康复训练。

但穿戴式机构一般较复杂，而且要区分左右腿，穿戴麻烦，不太实用。

1.2.3论文的主要研究工作

本课题是针对市场上现有膝关节CPM机存在的实际问题，设计出一种具有虚拟髋关节轴特征的新型膝关节康复器。

其需要解决的问题为：

设计出下肢关节康复训练器，其特征在于能适应不同病员身体特征，实现病员髋关节转动点与训练器大腿托架转动中心准确重合，并且调节直观、简便。

并对整机的尺寸样式等的设计符合人机工程学要求，最大可能地提高康复训练效果和人体舒适度。

第二章CPM概述

CPM主要用于防止制动引起的关节挛缩,促进关节软骨、韧带和肌腱的修复,改善局部血液淋巴循环,促进肿胀、疼痛等症状的消除,最终目的是配合康复治疗,促进肢体功能的恢复。

2.1　CPM仪器

目前已有多种类型的CPM机,如下肢CPM机、上肢CPM机和手指CPM机[2]。

这些CPM机主要由3部分构成:

肢体托架、电机及传动部分和控制系统。

控制系统可调控关节运动范围的大小,关节正常运动范围内运动弧的位置和关节运动的频率。

大多数病人对CPM的顺应性好,病人感到舒适。

2.2　作用机制

a）刺激具有双重分化能力的细胞向关节软骨转化　骨膜和软骨膜源于中胚层组织,其未分化的骨原细胞具有成骨和成软骨的双重分化能力,CPM可刺激骨原细胞向关节软骨分化。

b）缓解滑膜关节损伤后的自身免疫性损害　关节软骨损伤后,软骨这一封闭的抗原外露,与关节液反应产生抗体,形成抗原抗体复合物,进一步损伤关节软骨。

CPM引起持续的关节活动,增加关节液代谢,有利于清除抗原抗体复合物,缓解这种物质引起的损伤。

c）缓解关节损伤或手术后的疼痛　CPM引起关节不断的平稳的运动,刺激了周围神经中的粗纤维,通过闸门控制机制产生镇痛作用。

d）促进局部血液循环,改善关节软骨的营养和代谢　成人软骨的营养来自滑液,因此正常的滑膜和经关节的血液循环对软骨的生存至关重要。

CPM可促进局部血液循环,改善局部营养代谢,有利于软骨的修复和愈合。

2.3优点

由于CPM的镇痛、改善局部血液循环和促进多能中胚细胞分化的作用,使它具有无痛苦、迅速消肿、损伤迅速愈合、促进关节软骨修复和避免关节粘连、关节僵硬和退行性创伤性关节炎等优点。

2.4　临床适应范围

CPM适应范围很广,对于大多数关节及邻近组织的病损,在固定较为可靠的情况下均可应用,最主要的是术后早期应用。

CPM能消除关节周围组织粘连,促进关节周围肌腱韧带的修复,减少关节粘连、僵硬的发生,恢复关节屈伸功能。

具体的应用范围有:

骨关节骨折内固定术后；

各种原因致关节粘连挛缩松解术后；

肢（指）体的关节囊切除,关节肌腱、韧带重建或修补术后；

各种原因所致的关节变形矫形术后,滑膜病变、赘生物切除术后；

关节成形术后,各种异体人工假体置换术后。

第三章膝关节康复器的总体方案研究

3.1膝关节康复器的基本功能要求

康复训练按肌肉用力方式分为被动运动、半主动运动和主动运动。

被动运动：

患者完全不用力，肌肉不收缩，肢体处于放松状态，完全靠外力的帮助来完成的运动。

半主动运动：

在外力的辅助下，通过患者主动收缩肌肉来完成的运动。

也可以在运动的整个过程中，主动和被动方式相互交替使用，例如一般过程采用主动运动，另一半过程采用被动运动。

主动运动：

不需要辅助力，完全由患者主动用力收缩肌肉，克服外部阻力来完成的运动。

然而，经过对市场及医院使用的膝关节CPM机的调查，结合医护工作者对关节康复手段和疗效的长期研究，总结现有CPM机有如下缺陷：

下肢关节康复器都存在着大腿托架回转中心与人体髋关节转动点不重合的问题，致使运动过程中病员下肢关节压力增大，以及皮肤在康复器上滑移、擦动，给病员带来额外伤痛。

针对CPM机得这一康复缺点，课题提出了新型CPM机得设计要求，那么就需要克服现有CPM机的缺点。

对新型膝关节康复器的功能要求为：

设计的CPM机大腿托架回转中心要与人体髋关节转动点重合，避免患者大腿在康复器上滑移擦动。

使患者腿部运动平稳。

在康复器应用的过程中，对其也有具体的运动参数要求。

参考骨科专家的意见，膝关节在康复的过程中，其弯曲角度在被动的情况下需要达到

的训练要求，并且要求在运动过程中角速度不能太大。

康复器往复一次用时限制在2min-8min。

所以要针对以上参数要求对康复器的结构进行合理的设计。

3.2总体结构方案

膝关节康复器主要负责膝关节的弯曲和伸展动作，通过控制器的输入参数来控制膝关节的转角大小和转动速度。

实现对膝关节角度的控制，首先要确定对膝关节角度的定义。

本设计中对膝关节弯曲角度定义如下：

当下肢处于伸直状态，大腿，小腿、膝关节在一条直线上的位置定义为

，小腿距离其零度位置的角度

为膝关节的弯曲角度，也是膝关节的转动角度。

示意图如图3.1所示：

图3.1

膝关节结构主要是由股骨、胫骨、半月板及髌骨组成，外部被肌肉、韧带所包覆、固定。

膝关节的运动相当复杂，不仅必须承担人体大部分重量和吸收人体运动时所产生的冲击负荷，还必须与骨骼、肌肉、韧带互动，以产生复杂的运动来保持膝关节运动的稳