履帶式下樓急救車裝置

陳彥竹， 王 麗， 馬立帥， 楊詩雨， 楊清浩

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113006）

0 引言

現(xiàn)如今有大量高層住宅電梯的大小不足容納傳統(tǒng)擔(dān)架的平放[1]，隨著人口老齡化程度越來越嚴(yán)重[2]，突發(fā)性疾病致死的病例越來愈多， 并且此類疾病發(fā)病率趨于年輕化[3]。此外轉(zhuǎn)移心腦血管疾病等突發(fā)疾病病患時對轉(zhuǎn)移病患的方式有特殊要求，不可以使用蠻力要保持平穩(wěn)[4]，這給要求在搶救和運(yùn)輸時必須保持平躺的病患的急救工作帶來了很大的困難。

現(xiàn)存轉(zhuǎn)移病患的方式有人力輔助和機(jī)械輔助。 人力輔助有傳統(tǒng)擔(dān)架和分段式擔(dān)架[5]等，傳統(tǒng)擔(dān)架無法進(jìn)入狹小的電梯，且耗費(fèi)人力；手動分段式擔(dān)架需要人力拉拽，轉(zhuǎn)移質(zhì)心波動大，危險系數(shù)高；機(jī)械輔助有履帶式輪椅[6]等，雖能實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制下樓的功能，但無法滿足病患的平躺需求。因此一種既能滿足病患平躺需求，又能安全且快速下樓的裝置應(yīng)運(yùn)而生。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

如圖1 所示， 履帶式下樓車裝置總體結(jié)構(gòu)分為三部分，從上至下分別為承載裝置、支撐調(diào)平裝置和動力行走裝置。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 履帶式下樓車整體模型

（1）承載裝置。 如圖2 所示，上部分有承載架，其上運(yùn)用棘輪機(jī)構(gòu)制成的鎖扣巧妙地固定傳統(tǒng)擔(dān)架； 其兩側(cè)護(hù)欄內(nèi)設(shè)彈簧可折疊。

圖2 承載板

（2）支撐調(diào)平裝置。 如圖3 所示，中間部分有支撐和調(diào)平兩部分。

圖3 支撐調(diào)平裝置圖

支撐部分采用兩組直線電機(jī)，來支撐連接上、下兩部分裝置，并配合動力行走裝置與調(diào)平部分完成工作，解決重心前移問題。 調(diào)平部分為兩個水平調(diào)節(jié)器和四個直線電機(jī)相互配合，在工作過程中，水平感應(yīng)器感應(yīng)到支撐板與直線電機(jī)之間的角度變化， 前組直線電機(jī)會通過齒輪傳動迅速平穩(wěn)升降， 使上承載板水平。 在下樓調(diào)平過程中，利用渦輪蝸桿的自鎖功能可在直線電機(jī)與上、下兩部分鉸接處轉(zhuǎn)動至所需角度并固定。

（3）動力行走裝置。 如圖4 所示，下部分采用橡膠履帶，增加與樓梯之間的摩擦力的同時還起到減震作用，運(yùn)用電機(jī)控制履帶實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)動， 在下樓過程中通過電機(jī)制動和人力輔助減小速度，確保裝置能以安全速度下樓。在樓梯緩步臺轉(zhuǎn)彎過程中，四個輪子解除地面，后驅(qū)動輪提供動力，前萬向輪調(diào)節(jié)方向。

圖4 輪履轉(zhuǎn)換底盤

2 履帶式下樓急救車裝置設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1） 渦輪蝸桿可實(shí)現(xiàn)支撐桿與履帶部分連接處角度的固定。滿足急救過程中病患的平躺需求，并且該結(jié)構(gòu)的自鎖功能，保證裝置在工作過程中的安全和平穩(wěn)。

（2） 支撐板的軸承在緩步臺將病患旋轉(zhuǎn)180°到達(dá)下一個樓梯的起始點(diǎn)并繼續(xù)工作。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）電機(jī)提供動力和制動作用，控制履帶保持適當(dāng)?shù)陌踩俣取?/p>

（2）渦輪蝸桿自鎖功能使直線電機(jī)轉(zhuǎn)動至所需角度后固定， 保證與直線電機(jī)的接觸點(diǎn)不發(fā)生相對運(yùn)動來保障安全。

（3）通過水平調(diào)節(jié)器控制直線電機(jī)工作，使病患隨時保持水平。

3 履帶式下樓急救車裝置運(yùn)動轉(zhuǎn)換分析

3.1 對系統(tǒng)水平和工作狀態(tài)下的質(zhì)心位置分析

圖5 系統(tǒng)的質(zhì)心分布

如圖5（b）所示下樓狀態(tài)，θ 為樓梯坡度角，為保持水平，前直線電機(jī)組上升△h，后直線電機(jī)組的高度基本不變，為了方便質(zhì)心的計(jì)算，直線電機(jī)組的質(zhì)心可近似看作直角梯形；

則該系統(tǒng)在下樓狀態(tài)時的質(zhì)心為：

由式（1）和式（2）可知：

故質(zhì)心在緩步臺到下樓過程中質(zhì)心是向前并向上有稍微移動， 可以通過裝置的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)控制裝置的整體位置和人力輔助以達(dá)到質(zhì)心基本穩(wěn)定的作用。

3.2 對履帶接觸樓梯踏步斜面的臨界狀態(tài)分析

3.2.1 履帶接觸樓梯踏步斜面的不踏空條件分析

裝置在整個工作過程中，履帶接觸緩步臺和緩步臺接觸履帶時是系統(tǒng)最為危險的時間點(diǎn)，也是力學(xué)模型的臨界狀態(tài)，a 為樓梯踏步高度，b 為樓梯踏步寬度。 為保證履帶與樓梯踏步間不發(fā)生傾倒，踩空等事故，履帶在到達(dá)第一個臺階開始傾倒時并不踏空的條件下履帶半長L 應(yīng)滿足：

履帶能夠安全到達(dá)下一個臺階并不踏空，總長2L 需滿足：

根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 建筑樓梯的坡度不超過45°，可得以下約束條件：

所以履帶總長2L（含履帶間空隙）應(yīng)滿足：

3.2.2 履帶接觸樓梯踏步斜面的作用力分析

根據(jù)裝置爬樓梯過程中履帶與樓梯接觸的方式，分析履帶與樓梯的相互作用力[8]。圖6 為履帶爬樓梯與樓梯接觸的受力圖， 將履帶的受力均分解為履帶和樓梯接觸點(diǎn)的切向和法向的真實(shí)作用力，F(xiàn)1和N1分別表示裝置所受的等效牽引力和等效支撐力，F(xiàn)11和N11分別表示履帶機(jī)器人所受的真實(shí)牽引力和真實(shí)支撐力，fs表示履帶與樓梯的靜摩擦因素，θ 表示履帶與樓梯踏步間的夾角。

圖6 履帶與樓梯臺階受力分析

履帶棱與樓梯臺階不滑移（圖6a）的等效充分必要條件為：

履帶與臺階接觸不發(fā)生滑移（圖6b）的充分必要條件為：

4 履帶式下樓急救車裝置的特點(diǎn)

履帶式下樓急救車裝置具有結(jié)構(gòu)比較簡單， 成本較低廉等特點(diǎn)，以桿件為基礎(chǔ)，完成多構(gòu)件的配合，容易拆卸，方便后期維修。該裝置主要以電力提供動力和制動功能，機(jī)械間相互配合能夠解決高層病患保持安全、平穩(wěn)、平躺轉(zhuǎn)移至救護(hù)車的難題。

5 結(jié)論

針對現(xiàn)有的下樓轉(zhuǎn)移人員的方式具有不能滿足平躺需求、效率低和安全系數(shù)低等缺點(diǎn)，提出了專對急救轉(zhuǎn)移的履帶式下樓急救車裝置。

通過對裝置的質(zhì)心進(jìn)行分析， 保證裝置不會傾倒；對履帶與樓梯踏步間的受力分析及履帶的極限長度， 確定了履帶不發(fā)生滑移和不踏空的條件。

結(jié)合“機(jī)械控制設(shè)計(jì)”和“系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)”兩大主要控制功能確立整個裝置工作過程中的運(yùn)動機(jī)理， 保證整個轉(zhuǎn)移過程中的安全性和連續(xù)性。