绳索牵引式踝关节康复训练器的设计

于晓杰，张宇玲，徐鹏飞，赵展，邹任玲

（上海理工大学医疗器械与食品学院，上海200093）

1 引 言

踝关节是人体负重关节中距离地面最近的，全身负重最多的关节［1-2］，也是骨折最易发生的部位之一。踝关节的稳定性和灵活性是人体完成站立、行走、跳跑等动作的基本保障，同时也是本体感觉与平衡功能的反映。踝关节损伤若不及时诊治或者诊治不彻底，容易造成局部组织不能完全愈合和韧带恢复不了原来的状态，对踝关节稳定性造成严重影响。踝关节不稳定容易再次发生踝关节损伤，长期反复的踝关节损伤形成慢性踝关节不稳，影响正常步态［3-4］。正确有效的康复训练对踝关节的恢复具有重要的作用。然而，在进行临床康复治疗时，依旧以治疗师按摩、针灸、敷药等手工康复为主，这些方法耗时耗力，有的甚至需要一对一进行治疗。这样的康复治疗方式大大降低了医生的工作效率。因此，开发智能踝关节训练康复器，让患者在家正确、方便地进行康复训练变得十分重要。

在踝关节的康复训练中，有一种最简单易操作的毛巾训练法，利用毛巾固定脚掌，以一定的力度和方向拉动毛巾，达到训练踝关节和增强踝关节灵活性的目的。这种方法可以看做是最简单的绳索控制的训练方法。我们将绳索控制方法引入踝关节训练器中，设计了一款基于绳索控制的踝关节康复训练器。

该康复训练器采用绳索牵引，可拆卸、易操控，具有一定的实用价值和良好的应用前景。

2 踝关节康复训练器的机械结构设计

该踝关节康复训练器，包括支架机构（滑轮、张紧轮、双滑轮、滑轮支架、挂钩、底座、滑槽、万向轮），支撑机构（气压升降台、气压升降台抓盘、小腿托），驱动机构（电机组件、脚套、牵引绳、花篮螺丝收紧器、钢丝绳），运用电机带动绳索，通过滑轮改变方向带动踝关节运动。见图1。

图1 踝关节康复训练器整体结构图111滑轮、112张紧轮、113双滑轮、114滑轨、12滑轮支架、121挂钩、13底座、14滑槽、15万向轮、21气压升降台、22气压升降台抓盘、31小腿托、41电机组件、51脚套Fig 1 The overall structure of ankle rehabilitation apparatus

2.1 支架机构

康复训练器支架机构下面安装万向轮以方便训练器移动，滑轮支架可在底座上移动以方便的调整位置，且滑轮支架可拆卸，方便收纳。滑轮组采用双滑轮和单滑轮组合，张紧轮可以在滑轨上滑动以调节绳索的长度来适应不同的使用者跖屈背屈的活动度。支撑机构可以在滑槽上滑动以调节与使用者之间的间距。多个挂钩的设计可以根据使用者腿长选择不同的挂钩来提供不同运动档位，可以根据使用者的不同位置提供绳索不同的控制角度。同时配件和滑轮支架可以拆卸，方便放置。见图2。

图2 踝关节康复训练器拆卸图Fig 2 Disassembly graph of ankle rehabilitation apparatus

2.2 支撑机构

气压机构的气压升降台可自由调整小腿托上下位置，气压升降台抓盘能在滑槽上滑动，方便调整位置。小腿托采用气压控制可自由调整角度，并且小腿托上采用魔术贴固定使用者的小腿，使用方便且可以牢固的固定使用者的小腿。见图3。

图3 支撑机构图Fig 3 Support mechanism of ankle rehabilitation apparatus

2.3 驱动机构

电机组件包括电机、时间继电器和开关，可以实现正反转有规律的变换。脚套弧度的设计符合人体力学和人因工程学，贴合人体脚部形状，使用舒适。绳索采用张紧轮控制保证绳索一直处于张紧状态，可以有效地传递电机的力。花篮螺丝收紧器在内翻外翻模式下可以控制钢丝绳一直处于拉紧状态。见图4，图5。

图4 配件脚套结构示意图Fig 4 The structure diagram of training slipper

图5 配件绳索及花篮螺丝收紧器结构示意图A.牵引绳521，B.花篮螺丝收紧器522，C.钢丝绳523，D.花篮螺丝收紧器522与钢丝绳523连接的局部示意图Fig 5 The structure diagram ropes and turn buckles A.hauling rope，B.turn buckle，C.wirerope，D.Connection Diagram for B and C

3 控制系统设计

通过时间继电器控制电机［5-6］，保证电机有规律的正反转，实现踝关节运动的连续性，规律性。见图6。KT1、KT2作时间控制元件，中间继电器KA1、KA2起中间控制作用。合上电源开关Q和旋转开关S，这时时间继电器KT1得电，中间继电器KA1得电吸合。接触器KM1得电并吸合，电动机作正向限时运转。待延时时间到，时间继电器KT1常闭延时断开触点断开，使中间继电器KA1断电，其触点KA1断开，接触器KM1线圈断电，主触点KM1断开，电动机瞬时停止正转。

在时间继电器KT1常闭延时断开触点断开的同时，其常开延时闭合触点KT1闭合，反转中间继电器KA2暂时得电吸合，其常开触点闭合自锁，并使时间继电器KT2得电，反转接触器KM2得电并吸合，电动机作反向限时运转。

为适应不同肌力和活动度的使用者，电机采用变速电机。提供三种运动模式，快速，中速，慢速。第一种快速运动：为跖屈（内翻）最大角度到背屈（外翻）最大角度为20 s，停顿10 s，背屈（外翻）最大角度到跖屈（内翻）最大角度为20 s，停顿10 s，以此往复，该模式适用于踝关节功能较好的使用者；第二种中速运动，为跖屈（内翻）最大角度到背屈（外翻）最大角度为40 s，停顿10 s，背屈（外翻）最大角度到跖屈（内翻）最大角度为40 s，停顿10 s，以此往复；第三种，慢速运动，跖屈（内翻）最大角度到背屈（外翻）最大角度为60 s，停顿10 s，背屈（外翻）最大角度到跖屈（内翻）最大角度为60 s，停顿10 s，以此往复。

图6 控制系统示意图Fig 6 The schematic diagram of control system for ankle rehabilitation apparatus

4 踝关节康复训练器的控制实施方案

使用者通过小腿托固定小腿，脚掌穿入脚套内，通过滑轮支架和气压升降台的移动确定适合的位置，通过小腿托的旋转确定合适的角度，通过绳索的长度调节踝关节的运动范围，通过不同的接线方式确定踝关节运动的模式。

4.1 被动训练模式

4.1.1 跖屈背屈训练 绳索连接电机通过双滑轮和张紧轮连接于脚套上的挂钩上，电机启动带动绳索，然后由绳索带动脚套运动，实现跖屈背屈的康复运动。跖屈背屈的活动度最大允许值均为30°［7-8］。运用张紧轮在滑轨上的滑动调节绳索的长度以适应不同的使用者的跖屈背屈的活动度，并且张紧轮保证绳索一直处于张紧状态，可以很好的传递电机输出的力。见图7。

图7 跖屈背屈示意图A.背屈示意图，B.跖屈示意图，C.跖屈背屈对比示意图Fig 7 The schematic diagram of plan of ankle rehabilitation apparatus for plantar flexion and dorsiflexion A.dorsiflexion，B.plantar flexion，C.comparison of dorsiflexion and plantar flexion

4.1.2 内翻外翻训练 钢丝绳与花篮螺丝收紧器组合连接电机组件，穿过滑轮支架上的挂钩连接于脚套上的挂钩上，电机启动带动钢丝绳，钢丝绳带动脚套运动，实现内翻外翻的康复运动。连接不同位置的挂钩具有不同的活动度。内翻外翻的活动度最大允许值均为25°［9］，根据使用者活动度的不同调整花篮螺丝收紧器来调节钢丝绳的长度，配合适合的挂钩，调整适合使用者的内翻外翻的活动度。见图8。

图8 内翻外翻示意图A.内翻示意图，B.外翻示意图，C.内翻外翻对比示意图Fig 8 The schematic diagram of plan of ankle rehabilitation apparatus for varus and valgus A.varus，B.valgus，C.comparison of varus and valgus

如图4、5所示，配件包括脚套、钢丝绳和绳索。脚套根据人体力学和人因工程学进行设计，方便穿戴且便于固定脚掌，防止因脚掌移动对训练效果产生影响。钢丝绳连接在花篮螺丝收紧器上方便调节钢丝绳长度。绳索经过张紧轮，通过张紧轮在滑轨上的滑动调节长度且保证绳索始终保持在张紧状态。

4.2 主动抗阻训练模式

抗阻训练模式为在被动训练模式的基础上更换绳索，将牵引绳及绳索更换为弹性绳，去掉电机的连接，其它连接方式不变。以弹性绳的弹力作为训练的阻力，使用者克服弹力绳的阻力进行抗阻训练。调节弹力绳的弹力可以调节训练器的阻力以适应不同的使用者。见图9、图10。

图9 弹力绳示意图Fig 9 The schematic diagram of bungee cord

为了适合不同的使用者，本装置各处均采用可调性原则，方便调整位置和角度以适应个性化康复训练。

图10 抗阻训练跖屈背屈接线示意图Fig 10 The connection diagram of plantar flexion and dorsiflexion in active-resistive training

5 结论

该款康复训练器有三大特点，一是采用绳控系统（绳索与钢丝绳）进行被动康复训练和采用弹性绳进行抗阻康复训练。被动训练通过直流变速电机的转动带动绳索牵拉，分别实现踝关节的背屈、跖屈、内翻和外翻；通过钢丝绳牵拉和绳索双滑轮牵拉交替，实现踝关节双自由度康复训练；通过调节钢丝绳牵拉角度的大小实现不同范围的踝关节内翻和外翻运动；通过调整电机的运动模式可以调整使用者的运动速度。抗阻训练采用弹力绳的弹力提供阻力，调整弹力绳的弹力进行阻力的调整以适用不同肌力的抗阻训练。二是加工成本低廉，适用于广大使用者。本设计使用铝型材，电机，牵拉绳等配件加工组装，容易实现产业化；部件易于采购，机械组装十分简便，从而整体造价也比较便宜。三是可拆卸式的踝关节康复训练器，在展开的时候可满足使用者正常进行康复训练，拆卸时可节省空间。通过对该训练器的试用，制定匹配的训练计划，可以有效的改善使用者踝关节关节活动度，增强足部肌力，预防关节挛缩和肌肉萎缩，从而开辟了踝关节家庭康复训练的新通道。