醫(yī)護(hù)輪椅爬樓梯軌道技術(shù)的圖形仿真與教學(xué)探討

摘 要：圖形仿真與教學(xué)探討有著一定的關(guān)聯(lián)。一方面，對(duì)醫(yī)護(hù)輪椅爬樓梯的軌道技術(shù)，進(jìn)行圖形仿真設(shè)計(jì)的分析，說(shuō)明該技術(shù)容易投入生產(chǎn)，以及產(chǎn)品走向市場(chǎng)，對(duì)現(xiàn)實(shí)醫(yī)護(hù)輪椅爬樓梯所遇到的問題，得到實(shí)際性的解決；另一方面，該圖形仿真設(shè)計(jì)的分析，對(duì)大學(xué)里醫(yī)療設(shè)備研究和開發(fā)的教學(xué)，起著探討的作用。

關(guān)鍵詞：醫(yī)護(hù)輪椅 軌道技術(shù) 圖形仿真設(shè)計(jì) 教學(xué)探討

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（a）-0237-03

目前，在中小城市里，樓層不高，只能依靠步行樓梯爬到相應(yīng)樓層的現(xiàn)象，還是比較多的，于是醫(yī)院在急救走路不便的病人時(shí)，為了克服步行樓梯帶來(lái)的問題而用了一些辦法，有的用兩人抬擔(dān)架的辦法，有的用兩人抬輪椅進(jìn)行摸索爬樓梯的辦法……但是效果都不理想，比如：受力過(guò)重的人會(huì)難以支撐的問題，效率低下的問題，容易造成病人激烈震動(dòng)的問題，都有待解決。該次圖形仿真也就是醫(yī)護(hù)輪椅爬樓梯的軌道技術(shù)，就是一個(gè)較好地解決方案，并且它在醫(yī)療設(shè)備的教學(xué)上，具有一定探討性的價(jià)值。

1 相關(guān)仿真圖

圖1～圖4都是用Pro ENGINEER按照1∶1進(jìn)行實(shí)物仿真設(shè)計(jì)。圖1主要是說(shuō)明該技術(shù)進(jìn)行實(shí)物生產(chǎn)和投入市場(chǎng)后，在現(xiàn)實(shí)中使用的效果及相關(guān)細(xì)節(jié)，當(dāng)然，如果人坐在醫(yī)護(hù)輪椅上，是要加上安全防護(hù)套；圖2主要是反映輪子在行駛過(guò)程中，受到鼓式剎車裝置與彈柱鎖的控制作用；圖3主要是介紹彈柱鎖運(yùn)動(dòng)的原理以及具有拆解維護(hù)性的作用；圖4主要是介紹手把運(yùn)動(dòng)的原理，以及通過(guò)鋼絲繩對(duì)鼓式剎車裝置和彈柱鎖的控制[1]。

2 醫(yī)護(hù)輪椅依靠軌道爬樓梯的整體分析

如圖1和圖2所示，樓梯上架著的雙軌道，除了自身受到樓梯接觸部分的支撐，還以4根大螺柱垂直于雙軌道的方向，通過(guò)內(nèi)置螺紋的空心柱旋轉(zhuǎn)定位，進(jìn)行輔助性地支撐，再加上雙軌道1和雙軌道2可以進(jìn)行靈活伸縮固定配合，如圖1的截面細(xì)節(jié)，以致雙軌道能夠?qū)ふ覙翘莞玫刂吸c(diǎn)，在面對(duì)凹凸不平的斜面樓梯時(shí)，就有效地解決雙軌道受到的支撐力不均勻，容易滑動(dòng)的現(xiàn)象；雙軌道的兩側(cè)都有與輪胎接觸的平面和與齒輪配合接觸的直齒條，醫(yī)護(hù)輪椅前部分的兩小輪，只有輪胎與雙軌道的輪胎接觸面接觸，而后部分的兩大輪，除了有輪胎與雙軌道的輪胎接觸面接觸以外，還有齒輪與雙軌道的直齒條配合接觸，如圖1中的細(xì)節(jié)1，而齒輪和輪胎上的支架是通過(guò)螺柱固定在一起，齒輪和輪胎具有共同轉(zhuǎn)動(dòng)的性能，這樣醫(yī)護(hù)輪椅在人為控制下，在斜面軌道上行駛時(shí)，輪胎主要是受力支撐的作用，而齒輪與直齒條的齒合轉(zhuǎn)動(dòng)主要是控制醫(yī)護(hù)輪椅前進(jìn)的速度，如果齒輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，輪胎也停止轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪會(huì)受到直齒條的阻礙，導(dǎo)致輪胎無(wú)法滑行，促使醫(yī)護(hù)輪椅無(wú)法前進(jìn)。安裝在醫(yī)護(hù)輪椅上的兩個(gè)剎車手把，通過(guò)各自的兩條鋼絲繩，其中一條控制鼓式剎車裝置（此裝置市場(chǎng)比較普遍，且剎車技術(shù)很成熟），可以控制醫(yī)護(hù)輪椅慢速均勻向前行駛，另一條則控制彈柱鎖，當(dāng)人的手放開先前緊夾壓的手把時(shí)，彈柱鎖在彈簧的作用下，都會(huì)把彈柱桿彈進(jìn)齒輪的彈柱鎖孔里，致使齒輪無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自鎖，促使醫(yī)護(hù)輪椅安全停下來(lái)，當(dāng)然，醫(yī)護(hù)輪椅快速行駛是除外，快速是很容易產(chǎn)生安全事故。

3 軌道的技術(shù)分析

3.1 常用軌道配置的整體尺寸與質(zhì)量

如圖1和圖2所示，一般樓梯的斜面長(zhǎng)度都在3 000 mm左右，本雙軌道1和雙軌道2都焊接齒高為10 mm的直齒條板塊，兩個(gè)雙軌道配合伸縮固定的范圍為2 300～3 600 mm，伸縮步長(zhǎng)為100 mm，板塊材料厚度為4 mm，兩個(gè)配合的雙軌道從左軌到右軌，截面寬度為750 mm，截面高度為79 mm，其中雙軌道1的長(zhǎng)度為2100 mm，雙軌道2的長(zhǎng)度為1 mm800 mm，雙軌道2的左軌和右軌的側(cè)壁上各有16個(gè)螺柱孔，都相對(duì)應(yīng)焊接上固定螺母，每?jī)蓚€(gè)螺柱孔的距離為100 mm，也就是伸縮步長(zhǎng)，如圖1的細(xì)節(jié)2，分別用8根螺柱即可固定裝配；頂部獨(dú)立的兩個(gè)無(wú)直齒條的轉(zhuǎn)動(dòng)軌道（起接引醫(yī)護(hù)輪椅輪子開向雙軌道的作用），長(zhǎng)度為300 mm；雙軌道2比雙軌道1多一個(gè)和自身同樣長(zhǎng)的焊接支撐板，如圖1的截面細(xì)節(jié)，該支撐板只是受力支撐的作用，故接觸底面可以沖壓多孔型，以減輕其重量。這就是對(duì)于斜面長(zhǎng)度為3 000 mm左右樓梯常用的軌道配置，考慮需要人為方便搬動(dòng)軌道和軌道受壓的原因，而型號(hào)為2014，密度為2.7000000e-06kg/mm3的廉價(jià)的鋁合金，遠(yuǎn)遠(yuǎn)輕于鋼鐵，但是又有著鋼鐵般的強(qiáng)度和硬度，常常被應(yīng)用于高強(qiáng)度和高硬度（包括高溫）的場(chǎng)合，故軌道材料選擇此種鋁合金。經(jīng)過(guò)Pro ENGINEER對(duì)上述的常用的軌道配置進(jìn)行模型分析，得出其質(zhì)量屬性為34 kg，這對(duì)于兩人靈活搬動(dòng)軌道爬上爬下樓梯的要求，已經(jīng)是很適合了。

3.2 面對(duì)復(fù)雜樓梯的解決方案

面對(duì)復(fù)雜的樓梯，如斜面凹凸不平和斜面長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的情況，這里都要設(shè)法解決。斜面凹凸不平，前面有提過(guò)；斜面長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，也就是超過(guò)常用軌道配置的3 600 mm，則考慮在雙軌道1的底部接上外加雙軌道，并用鈑金和螺柱螺母固定，外加雙軌道的長(zhǎng)度設(shè)有1 000 mm和2 100 mm兩類，其軌道上的細(xì)節(jié)和雙軌道1是一致，實(shí)質(zhì)上就是常用軌道配置中，雙軌道1底部的延伸，然后用兩根大螺柱配合在外加雙軌道頂部的內(nèi)置螺紋的空心柱上，起輔助性支撐的作用。用Pro ENGINEER進(jìn)行模擬分析，當(dāng)接上1 000 mm的外加雙軌道時(shí)，整個(gè)軌道的伸縮長(zhǎng)度為3 300～4 600 mm，質(zhì)量為44 kg，當(dāng)接上2 100 mm的外加雙軌道時(shí)，整個(gè)軌道的伸縮長(zhǎng)度為4 400 mm～5 700 mm，質(zhì)量為50.1 kg。

3.3 軌道的安全實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案

現(xiàn)實(shí)中，一般鋁合金輪椅的質(zhì)量大約為15 kg，這里設(shè)為25 kg，一般成年人的質(zhì)量大約為70 kg，這里設(shè)為100 kg，那么人坐在醫(yī)護(hù)輪椅上的總質(zhì)量則為125 kg。在受壓的情況下，軌道的安全實(shí)驗(yàn)測(cè)試，應(yīng)該找其脆弱點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。首先，讓鋁合金直齒條的齒厚方向，承受125 kg乘以10所得的壓力，具體是分別用不同的齒厚進(jìn)行受壓，記下齒條的變形情況，選取沒有變形的齒厚；其次，把不同厚度的鋁合金板塊制造成軌道，焊接上直齒條板塊，整個(gè)軌道用螺柱固定接好的長(zhǎng)度為5 700 mm，用6根大螺柱把軌道支起來(lái)，由于外加軌道的底部沒有設(shè)計(jì)大螺柱支撐，故在底部，需要用其他物體做輔助性支撐，其結(jié)果讓軌道平穩(wěn)懸空且軌道平面垂直于重力方向，最后把總質(zhì)量為125 kg的輪椅，放在軌道上面來(lái)回移動(dòng)，記下軌道的變形情況，選取沒有變形的板塊厚度，預(yù)測(cè)很接近4 mm。

4 彈柱鎖的技術(shù)分析

如圖3彈柱鎖結(jié)構(gòu)所示，在鋼絲繩拉動(dòng)的作用下拉動(dòng)彈柱桿，彈簧受壓進(jìn)行壓縮，彈柱桿往后移動(dòng)，此時(shí)醫(yī)護(hù)輪椅后輪支架上的彈柱桿離開齒輪上的彈柱鎖孔，齒輪和輪胎可以轉(zhuǎn)動(dòng)；在鋼絲繩松開拉動(dòng)的作用下，由于先前壓縮著的彈簧，在自身具有回復(fù)力的作用下，促使彈柱桿向前移動(dòng)，此時(shí)醫(yī)護(hù)輪椅后輪支架上的彈柱桿進(jìn)入齒輪的彈柱鎖孔，齒輪和輪胎停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)彈柱桿中部的螺柱和尾部的調(diào)節(jié)螺母被扭出時(shí)，彈柱桿連同焊接在一起的防轉(zhuǎn)桿和長(zhǎng)螺母，通過(guò)支架2上相對(duì)應(yīng)的組合孔被移出，活動(dòng)擋板直接在內(nèi)部卸下，此時(shí)可以進(jìn)行更換彈簧方面的維護(hù)。彈柱鎖的外部可以用薄片裝配。

5 剎車手把的技術(shù)分析

如圖1所示，兩個(gè)剎車手把被安裝在醫(yī)護(hù)輪椅上的兩個(gè)推桿上，分別由人的左右手控制，每個(gè)剎車手把都控制兩條鋼絲繩，這兩條鋼絲繩又分別控制彈柱鎖和鼓式剎車裝置。如圖4，當(dāng)剎車手把通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸向上移動(dòng)，也就是人的手緊抓壓剎車手把時(shí)，兩條鋼絲繩均通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)被拉動(dòng)，進(jìn)而拉動(dòng)彈柱鎖和鼓式剎車裝置的相關(guān)控制部件。鋼絲繩在彈柱鎖和鼓式剎車裝置的裝配要求，必須與圖4的技術(shù)同步，當(dāng)剎車手把向上移動(dòng)并進(jìn)入凹槽卡住時(shí)，彈柱鎖的彈柱桿離開彈柱鎖孔，也就是解鎖，醫(yī)護(hù)輪椅的后輪可以轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)凹槽設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上是解決該醫(yī)護(hù)輪椅能夠在平地上方便行駛的問題；當(dāng)剎車手把離開凹槽繼續(xù)向上移動(dòng)時(shí)，鼓式剎車裝置的彈簧在鋼絲繩的作用下進(jìn)行壓縮，其運(yùn)作原理與彈柱鎖相似，導(dǎo)致相關(guān)部件進(jìn)入剎車狀態(tài)，并馬上進(jìn)入臨界點(diǎn)，即樓梯斜面向下的滑動(dòng)力等于鼓式剎車裝置產(chǎn)生的與之相反的摩擦力，這時(shí)人很容易控制醫(yī)護(hù)輪椅在樓梯軌道上慢速均勻行駛；當(dāng)人松開剎車手把時(shí)，剎車手把自動(dòng)回到原來(lái)的狀態(tài)，鼓式剎車裝置復(fù)位，不起剎車的作用，彈柱鎖也實(shí)現(xiàn)自鎖的功能，這時(shí)醫(yī)護(hù)輪椅的后輪也停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

6 醫(yī)療設(shè)備的教學(xué)探討

大學(xué)教學(xué)的目的之一，是讓學(xué)生畢業(yè)進(jìn)入社會(huì)后，能夠把理論知識(shí)和技術(shù)帶進(jìn)社會(huì)實(shí)踐中去，并與社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合，然后通過(guò)社會(huì)實(shí)踐，把相關(guān)問題反饋于教學(xué)，從而促使教學(xué)的完善。醫(yī)療設(shè)備從原來(lái)的人工化，走向自動(dòng)化、信息化，將來(lái)還要走向智能化，圖形仿真技術(shù)的設(shè)計(jì)，雖然在此設(shè)計(jì)的是“醫(yī)護(hù)輪椅爬樓梯的軌道技術(shù)”，其主體屬于醫(yī)療設(shè)備的人工化，但輔助性設(shè)計(jì)方面畢竟是利用了信息化技術(shù)，如，Pro ENGINEER，對(duì)此類仿真軟件，將來(lái)還有望進(jìn)一步發(fā)展[2]，或許還可以實(shí)現(xiàn)智能化的仿真，我們可以從該圖形仿真設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)中，推廣到醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)，它的優(yōu)點(diǎn)使醫(yī)療設(shè)備的模型與功能實(shí)現(xiàn)模擬，可以事先跟客戶做友好的溝通，可以使研究與開發(fā)過(guò)程減少很多的錯(cuò)誤，從而提高生產(chǎn)效率。編程技術(shù)可以集成軟件，是信息化的主體，更是智能化不可跨越的階段，在現(xiàn)實(shí)的醫(yī)療設(shè)備開發(fā)中，很多人也因此只重視編程技術(shù)，忽略了圖形仿真技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)，從而造成很多不必要的麻煩。所以，圖形仿真在社會(huì)實(shí)踐中具有一定的作用，大學(xué)在面向醫(yī)療設(shè)備專業(yè)教學(xué)的方面，應(yīng)給予重視，牢牢抓住編程技術(shù)這個(gè)“核心”和圖形仿真技術(shù)這個(gè)“外殼”之間的關(guān)系[3]。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)醫(yī)護(hù)輪椅爬樓梯的軌道技術(shù)，進(jìn)行圖形仿真的分析和實(shí)驗(yàn)安全的測(cè)試，說(shuō)明了其在理論和實(shí)踐中，具有一定的可行性，值得生產(chǎn)。該圖形仿真技術(shù)，可以推廣到大學(xué)醫(yī)療設(shè)備專業(yè)的教學(xué)，使其和編程技術(shù)相結(jié)合，再應(yīng)用到社會(huì)醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)技術(shù)，進(jìn)而提高醫(yī)療設(shè)備研發(fā)的商業(yè)價(jià)值。

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