輔助穿脫醫(yī)用防護(hù)裝置方艙的設(shè)計(jì)與有限元分析

宋泓炎，白金友，李鑫宇，楊雪東，劉陽(yáng)海，張宇航，崔有正*，侯昊良

（齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

引言

醫(yī)用防護(hù)服是醫(yī)護(hù)人員工作著裝，隔離病菌、有害超細(xì)粉塵、酸性溶液、鹽溶液，保持環(huán)境清潔。采用PP（聚丙烯，占總數(shù)的62%）無(wú)紡布材料，外覆防護(hù)服專用透氣膜，透氣性強(qiáng)，防靜電；較佳的防滲透性，在抗多種有機(jī)溶劑、酸堿腐蝕的同時(shí)，具有較高的耐沖擊性[3]。

在醫(yī)療護(hù)理中，要使醫(yī)生不被病菌感染，防護(hù)服非常重要。分秒必爭(zhēng)的工作環(huán)境決定了醫(yī)護(hù)人員必須要在很短的時(shí)間內(nèi)完成自身的防護(hù)工作全身心的投入到疫情防控中，所以能夠快速的穿脫防護(hù)服就是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[3]。

基于上述問(wèn)題，我們進(jìn)行了深入的討論和調(diào)研并設(shè)計(jì)了一款能幫助醫(yī)護(hù)人員快速穿脫防護(hù)服的輔助裝置。它既可以提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率，又能使醫(yī)護(hù)人員避免在穿脫過(guò)程中的意外感染。可以根據(jù)不同身高，體型的醫(yī)護(hù)人員，自動(dòng)識(shí)別，選擇準(zhǔn)確的尺碼，并且在脫下防護(hù)服時(shí)，可以找到準(zhǔn)確的位置，精準(zhǔn)的幫助醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行穿脫防護(hù)裝置。并且，使用過(guò)的防護(hù)裝置，經(jīng)過(guò)消毒后會(huì)自動(dòng)回收到衣柜附帶的垃圾箱內(nèi)，避免給環(huán)境帶來(lái)危害。

1 設(shè)計(jì)理念概述

我們?cè)O(shè)計(jì)的是一種輔助穿脫醫(yī)用防護(hù)裝置的方艙，設(shè)計(jì)理念是將輔助穿脫防護(hù)裝置的平臺(tái)與可移動(dòng)的方艙相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)用防護(hù)裝置的自動(dòng)穿脫和方艙的自由移動(dòng)，極大的減少了醫(yī)護(hù)人員穿脫防護(hù)裝置所浪費(fèi)的時(shí)間，并且減少了病毒傳播的可能性。設(shè)計(jì)輔助穿脫防護(hù)裝平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)更安全的更快捷的穿脫防護(hù)裝置。

利用自動(dòng)鞋套機(jī)，自動(dòng)手套機(jī)，全自動(dòng)穿脫防護(hù)服平臺(tái)結(jié)合，提高自動(dòng)化程度；設(shè)計(jì)懸掛底盤(pán)，合理分布各個(gè)機(jī)構(gòu)構(gòu)件，保證整體裝置的平衡和受力均勻。這種設(shè)計(jì)有效的減輕醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，讓醫(yī)護(hù)人員的工作更加舒適方便，可以普遍生產(chǎn)使用[4]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖及工作流程設(shè)計(jì)

輔助穿脫醫(yī)用防護(hù)裝置的方艙設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1、圖2，萬(wàn)向輪圖見(jiàn)圖3，此可輔助穿脫防護(hù)裝置的移動(dòng)方艙裝置的主要由機(jī)械臂、機(jī)械手、全自動(dòng)手套機(jī)、全自動(dòng)鞋機(jī)、頭套機(jī)、萬(wàn)向輪、扣領(lǐng)裝置、傳送帶、自動(dòng)消毒垃圾箱、全方位消毒裝置，自動(dòng)感應(yīng)門(mén)等組成。

圖1 一種輔助穿脫醫(yī)用防護(hù)裝置的可移動(dòng)方艙結(jié)構(gòu)圖

圖2 一種輔助穿脫醫(yī)用防護(hù)裝置的可移動(dòng)方艙

圖3 萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)圖

圖4 多功能護(hù)理型輪椅組合床工作流程

輔助穿脫醫(yī)用防護(hù)裝置的方艙可以實(shí)現(xiàn)輔助醫(yī)護(hù)人員自動(dòng)的穿脫醫(yī)用防護(hù)裝置，節(jié)約醫(yī)護(hù)人員穿脫防護(hù)服的時(shí)間，減少病毒在防護(hù)服穿脫過(guò)程中傳播的可能性，并且這種輔助穿脫醫(yī)用防護(hù)裝置的可移動(dòng)方艙還可以自由的移動(dòng)，可以使醫(yī)護(hù)人員在完成工作后及時(shí)的更換防護(hù)服，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在方艙內(nèi)全方位的消毒，避免病毒在方艙內(nèi)二次傳播。這種輔助穿脫醫(yī)用防護(hù)裝置的可移動(dòng)方艙有完善的垃圾處理系統(tǒng)，脫下廢棄的防護(hù)服可以自動(dòng)的送入消毒垃圾箱，避免出現(xiàn)污染問(wèn)題。

當(dāng)醫(yī)護(hù)人員進(jìn)入方艙內(nèi)，首先在第一層消毒室實(shí)現(xiàn)一次全方位消毒。消毒后醫(yī)護(hù)人員進(jìn)入到防護(hù)裝置穿脫室，站在全自動(dòng)鞋套機(jī)上，穿上消毒的鞋套，醫(yī)護(hù)人員站在自動(dòng)的穿脫的裝置上，將醫(yī)護(hù)人員的胳膊放在指定位置，機(jī)械手輔助人將袖子穿上，自動(dòng)的穿脫將防護(hù)服撐開(kāi)，醫(yī)護(hù)人員的頭部放入頭套機(jī)中，輔助醫(yī)護(hù)人員將防護(hù)服的頭套穿上，自動(dòng)穿脫的裝置下面的機(jī)械手開(kāi)始工作，輔助醫(yī)護(hù)人員將褲子套上，自動(dòng)穿脫裝置的扣緊裝置開(kāi)始工作，壓緊防護(hù)服，避免防護(hù)服出現(xiàn)下滑松動(dòng)的現(xiàn)象，醫(yī)護(hù)人員將手放入自動(dòng)手套機(jī)中，戴上防護(hù)手套，醫(yī)護(hù)人員從后面的無(wú)菌門(mén)中出去，避免原入口中病毒的感染，醫(yī)護(hù)人員工作完成后在從消毒門(mén)進(jìn)入，消毒后進(jìn)入防護(hù)裝置穿脫室，自動(dòng)裝置重復(fù)前面的過(guò)程，將防護(hù)裝置從醫(yī)護(hù)人員的身上脫下，醫(yī)護(hù)人員從后面的無(wú)菌室出去，無(wú)菌室中的紫外線消毒裝置對(duì)醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行二次消毒。

2.1 等效應(yīng)力分析

在solidworks 軟件中進(jìn)行三維建模，見(jiàn)圖5，在solidworks 進(jìn)行接下來(lái)的等效應(yīng)力分析。

圖5 機(jī)械手的三維模型

經(jīng)過(guò)等效應(yīng)力分析，應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖6，此機(jī)械手應(yīng)力最大值2.355 MPa 主要集中在機(jī)械手的根部。機(jī)械手的根部的等效應(yīng)力最大值小于普通碳鋼的屈服極限220 MPa，滿足行星齒輪符合強(qiáng)度要求。

圖6 應(yīng)力分布云圖

2.2 等效應(yīng)變分析

經(jīng)過(guò)等效應(yīng)變分析，應(yīng)變分布云圖見(jiàn)圖7，此機(jī)械手應(yīng)變最大值7.313e-11 mm/mm，主要集中在機(jī)械手的根部。機(jī)械手的根部等效應(yīng)變數(shù)值很小，機(jī)械手材料能夠滿足機(jī)械手在夾取防護(hù)服時(shí)對(duì)應(yīng)變的要求。

圖7 應(yīng)變分布云圖

2.3 總形變分析

經(jīng)過(guò)總形變分析，總形變分布云圖見(jiàn)圖8。此輪系最大整體變形量為1.906e-8 mm，變形主要發(fā)生在機(jī)械手頂部處，變形量較小，基本符合齒輪嚙合的理論變形趨勢(shì)，滿足機(jī)械手的強(qiáng)度和剛度需求。

圖8 總形變分布云圖

3 創(chuàng)新理念

在國(guó)內(nèi)還并未出現(xiàn)與防護(hù)服輔助脫穿產(chǎn)品，與我們產(chǎn)品相關(guān)的裝置，并沒(méi)有我們的防護(hù)服輔助脫穿方艙智能與環(huán)保，它對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也不如我們的防護(hù)服輔助脫穿方艙，而且其也不能達(dá)到較為真正意義上的全智能，需要較多的人為操作，現(xiàn)有的裝置，大都屬于開(kāi)放式的形式，有較大的安全隱患，容易在更換防護(hù)服時(shí)造成病毒感染，其也沒(méi)有較為完備的回收裝置，容易造成病毒外流和環(huán)境污染，從而會(huì)造成更嚴(yán)重的病毒傳播。因此就目前為止出現(xiàn)的防護(hù)服脫穿輔助裝置都已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在的工作環(huán)境。

4 結(jié)論

綜上所述，輔助穿脫醫(yī)用防護(hù)裝置的可移動(dòng)方艙可以實(shí)現(xiàn)輔助醫(yī)護(hù)人員自動(dòng)的穿脫醫(yī)用防護(hù)裝置，節(jié)約醫(yī)護(hù)人員穿脫防護(hù)服的時(shí)間，盡可能地減少病毒在防護(hù)服穿脫過(guò)程中傳播的可能性，解決了防護(hù)服的無(wú)菌及自動(dòng)化穿戴，為醫(yī)療器械的發(fā)展和研發(fā)開(kāi)辟了一條新途徑，此裝置可以讓醫(yī)護(hù)人員不用自己進(jìn)行如此繁瑣的流程，甚至在其中得到一段時(shí)間的休息，從而更好的提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率。并且可以很大程度上減少穿脫防護(hù)服過(guò)程中造成的病毒感染情況，使醫(yī)護(hù)人員可以更加全身心的投入到患者身上。本裝置實(shí)用性強(qiáng)，能夠適應(yīng)一般惡劣環(huán)境下的防護(hù)服無(wú)菌半自動(dòng)化穿戴，具有廣闊的市場(chǎng)前景與應(yīng)用價(jià)值[5]。