用于地震救援的多功能擔架的設計與制作

劉一璇，陳子慧，曾玲麗，許 可，陳瀟冰，肖 偉，余善成

(1.南京醫科大學生物醫學工程與信息學院，江蘇 南京 210029；2.南京醫科大學康復醫學院，江蘇 南京 210029；3.東華大學機械工程學院，上海 201620；4.南京醫科大學藥學院，江蘇 南京 210029)

0 引言

擔架廣泛應用于運送暫時性喪失自我行走能力的病人、傷員等[1]。醫院、城市救援等應用場景相對固定，已經有各種各樣功能齊全的擔架供選擇。然而現有的擔架在應對地震等自然災害時則無法很好地滿足相對苛刻的需求[2]。國家應急管理部發布的2020年全國自然災害基本情況顯示，2020年各種自然災害共造成1.38億人次受災，591人因災死亡失蹤，589.1萬人次緊急轉移安置[3]。當地震等自然災害發生時，救護車往往因復雜的環境情況，如地面裂隙、巨石擋道、房屋坍塌等，無法直達救援現場。在搜救過程中，過于沉重、難以攜帶的擔架會增加救護難度，降低救援效率，給救護人員帶來極大的不便[4]。

不僅如此，在實施救援時，由于路面崎嶇、山體陡峭等原因，擔架在搬運過程中有傾倒的危險，這不僅會威脅傷病員在擔架上的安全，還有可能加重傷病員的病情，造成二次損傷[5]。而對于骨折、心臟病和顱腦損傷的病人，過度的搖晃甚至會危及生命。與此同時，自然災害產生的應激反應會使人們焦慮、寒戰、心慌，對傷員的生理和心理造成傷害[6]。

因此，提高手抬擔架的便攜性和穩定性，盡量避免救護過程中的二次損傷，減輕傷員的應激反應是研究設計的重點。目前，國內對于平衡擔架有一定研究，其中，鄧君等[8]設計的全自向平衡車，改善了傷員搬運路途顛簸的情況，實現了角度自動校正，但卻缺少對地形的適應性和行動的靈活度，造價也較為高昂。侯冰等[9]設計的基于角度傳感器的自平衡擔架中，首次將非線性PID引用到擔架平衡的領域，但基于電推桿及電機的結構限制，擔架較為沉重，難以攜帶。本文設計了一款用于地震中崎嶇路面及惡劣天氣條件時使用的平衡擔架，旨在減小擔架空間占量，便于攜帶，提高救援效率。

1 設計思路

本文設計的多功能擔架結構上采用3個大小依次遞增的框架，包括小框架、中框架、大框架及木榫連接處(見圖1)。小框架與中框架前后相連，中框架與大框架左右相連，木榫連接處的限制活動角度為35°(見圖2)，提高了手抬擔架的穩定性。收疊擔架時，中、小框架可向內側收縮，并采用卡扣進行固定，大框架兩端三等分點處放置可旋轉180°的活動配件，實現外部框架的折疊(見圖3)。經過收縮及折疊后，可以極大地縮小尺寸和占地面積，便于貯存、攜帶、轉運。

圖1 用于地震救援的多功能擔架外觀設計圖

圖2 連接處木榫的設計原理圖

圖3 可折疊設計原理及效果圖

為了提高在地震等自然災害場景下的可用性，擔架的整體重量原則上應盡可能輕，可采用碳纖維、鋁合金等材料。結合成本問題綜合評估，本設計采用鋁合金材料。鋁合金材料質量輕，密度為2.73×103kg/m3，材料強度高、剛度好，抗變形能力強，可在保證結構強度的前提下有效減輕搬運人員的負擔[9]。

人體承載部分采取編織式結構，內嵌非牛頓流體材料穩定層，外加尼龍綁帶。首先，編織帆布材料，形成疏松多孔、延展性大的支撐面，使受力點成分散狀態，增大其所能承受的重力。在帆布材料下附著一層非牛頓流體材料(見圖4)。非牛頓流體材料具有“剪切增稠”的特性[10]，有較好地吸收外界沖擊的能力，緩沖效果佳，保護性能好，可減少骨折、脊柱損傷病人遭遇二次傷害的可能性。此外，該材料為發泡環保材料，質量輕，可降解。

將編織好的帆布浸入聚酯纖維，在其表面形成一層疏水薄膜，有效解決了帆布吸水過重的問題。聚酯纖維是由有機二元酸和二元醇縮聚而成的聚酯經紡絲所得的合成高分子纖維，質地柔軟，疏水性能強，分子結構緊密，增強了帆布料的耐用性[11]。最后，在布料外層增加尼龍綁帶，固定患者的胸、腰、髖、膝部，增加制動效果，以達到增強傷員自身穩固性的作用。

圖4 人體承載部分的編制結構示意圖

自然災害產生的應激反應會使人們焦慮、寒戰、心慌，保持傷者體溫可以有效地降低應激反應。石墨烯是一種新型納米材料，具有導電快、導熱強、質地柔軟等特點[12]，在擔架布料內嵌以石墨烯復合材料為基礎的電膜片發熱裝置(見圖5)，通電后可將電能轉化成熱能，當溫度達到設定值后，其內部的電阻器件電阻值將增大，使電流減小，實現自限溫功能；其次，石墨烯復合材料具有可延展性、電阻率低、導熱系數高等特質，可快速升溫、節能省電，將熱量以輻射形式輸送至空間，使織料表面發熱均勻[13]。

圖5 石墨烯加熱裝置電路及封裝示意圖

2 樣機驗證

多功能擔架在結構上采用陀螺儀原理[14](見圖6)，遵循角動量守恒定律，具有特殊的定軸性和進動性，中心轉子外連接2個平衡環，3個轉軸兩兩正交，交點與中心轉子質心重合。理想狀態下，外力矩之合為零，中心轉子的角動量守恒，可維持較強的穩定性，最內側擔架盡可能保持水平狀態(見圖7)。在地勢起伏較大的情況下，最內側擔架可自適應調節平衡維持患者穩定。為防止因人體重心位置偏移造成擔架側翻過度，在木榫連接處的限制活動角度為35°，且在中、大框架之間以彈性帶相連，以達到較佳的穩定效果。

圖6 陀螺儀原理圖

圖7 理想目標狀態的效果圖

根據上述原理制作了簡易實物樣機(見圖8)，采取自身對照形式，最外側框架模擬普通框架，與最內側框架進行對照，利用水平儀進行測試。擔架水平放置時模擬平坦路面運輸傷員，一高一低放置時模擬地勢崎嶇路段運輸傷員，以重物模擬傷員，分別測量兩框架在有無重物(傷員)的情況下測定水平及高低放置時的偏轉度數(水平儀示數的變化值)，測量結果見表1。從表格的數據可以看出：在未放置重物時，擔架外框角度平均變化31.96°，內框角度僅平均變化5.50°；放置重物后，擔架外框角度平均變化32.82°，內框角度平均變化為13.71°。

圖8 擔架簡易實物圖

表1 擔架內、外框的角度變化結果單位：(°)

可以看出，無論放置重物與否，擔架內框的角度變化遠低于外框的角度變化，表明類陀螺儀結構可以有效增加擔架的水平穩定性。放置重物后，在外框角度變化基本相同的情況下，內框角度變化略有提升，可能是重物的質心與內框的偏差較大所致。

3 結語

本文基于陀螺儀原理設計制作了一款新型多功能擔架，多框架結構使得在外框角度大幅改變時內框角度僅略有變化，加強了人體承載部分的穩定性，適用于因地震等自然災害而導致的道路崎嶇場景下的救援工作，減少對傷者造成二次損傷。石墨烯加熱設計有利于保持傷者的體溫，減小應激反應，可折疊的輕質便攜設計有利于惡劣天氣下設備的運送及向救災一線的投放，提高救援效率。