醫(yī)用DR胸片架立柱俯仰機構(gòu)的設計

李立峰，沈景鳳，王葉滔

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海200093；2.上海電動工具研究所，上海201703）

0 引 言

醫(yī)用X光機系統(tǒng)由懸吊架系統(tǒng)、升降床和胸片架立柱組成。此系統(tǒng)的組合使用可滿足病人各種體位的檢查，極大的方便了患者的檢查。作為醫(yī)療類器械，考慮到對人體的影響，對其結(jié)構(gòu)和精度要求都比較高。胸片架立柱是醫(yī)用X光機的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)的合理性直接影響X光片的拍攝效果。增加的俯仰機構(gòu)降低了X光的對焦難度，提高了準確性，對其它結(jié)構(gòu)的精度要求有所降低。它既增加了機構(gòu)的靈活性又降低了生產(chǎn)成本，為醫(yī)用X光機的使用起到了推動作用。

1 俯仰機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計及工作原理

一般胸片架立柱只裝有滑車軌道，只能實現(xiàn)上下調(diào)節(jié)的作用，沒有角度調(diào)節(jié)。當病人做檢查的時候，需要其保持一定的體位，這給病重尤其是行動不便的病人帶來痛苦，增加了醫(yī)生檢查的難度。本課題設計的俯仰機構(gòu)可以在-20°～90°之間的任意角度實現(xiàn)拍片，極大降低了對患者的體位要求，給醫(yī)生的診斷也帶來了方便。該俯仰機構(gòu)集電動、手動于一體，以電動推桿或手動為動力源，由帶有鎖緊裝置的單滑動副的四連桿機構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)精巧。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 俯仰機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖2為電動／手動俯仰機構(gòu)的運動簡圖。電動俯仰機構(gòu)的工作原理為：離合器與電磁鐵同時通電，離合器吸合，電動機通過離合器驅(qū)動電動推桿，同時，電磁鐵通過細鋼絲繩帶動兩塊自鎖板，使其處于平行狀態(tài)，自鎖機構(gòu)打開，胸片盒在電動推桿的作用下上下翻轉(zhuǎn)，當斷電或碰到行程開關(guān)后，電磁鐵失電，自鎖板在輔助彈簧的作用下與圓柱直線導軌形成一定角度，滑動副自鎖，使片盒停留在任意位置。手動俯仰機構(gòu)工作原理與電動推桿式的不同點是：不給電動推桿通電，使離合器始終處于失電狀態(tài)，通過手動給片盒施加作用力。機構(gòu)自鎖過程如下：在電動推桿或人手帶動胸片盒上下翻轉(zhuǎn)的過程中，電磁鐵吸合使上下兩塊帶孔自鎖鋼板成平行狀態(tài)，滑動副處于自由狀態(tài)，運動軌跡就是胸片盒圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。當電動推桿在任意位置停止運動，這時電磁鐵同時斷開，帶孔自鎖鋼板在彈簧的作用下向兩邊撐開，滑動副中滑桿與兩塊帶孔鋼板分別形成一定角度自鎖，從而使胸片架在旋轉(zhuǎn)過程中達到任意位置鎖定的目的。

圖2 俯仰機構(gòu)的運動簡圖

2 電動推桿的設計

2.1 電動推桿的推力設計

由于醫(yī)療器械必須絕對安全可靠，為此必須對機構(gòu)進行理論分析與設計計算，不能設計錯誤，對病人造成傷害。

根據(jù)IEC標準要求，手動操作力不得大于50 N，電動推桿推力亦不應過大。而電動推桿推力與片盒的重量、電動推桿的支點位置和初始狀態(tài)，以及電動推桿與片盒之間的相對位置有關(guān)。由圖2可知，俯仰機構(gòu)是一個四連桿機構(gòu)，忽略轉(zhuǎn)動副及滑動副的摩擦，同時電動推桿運動速度較低，故系統(tǒng)慣性亦可不計，則可認為機構(gòu)在整個過程中為靜平衡狀態(tài)，電動推桿的推力全部用于克服反力矩［1］。

機構(gòu)簡化后的受力分析如圖3所示，其中，AC為電動推桿，BC為胸片盒。簡化后電動推桿推力為F，片盒重量為W，F(xiàn)作用在BC的中點，BC桿的長度為L，A、B兩支點的水平距離為l，垂直距離為h，根據(jù)圖3得平衡方程

式中，-20°≤β≤90°。

根據(jù)實際的需要，俯仰機構(gòu)的初始設計尺寸數(shù)據(jù)為L=150 mm，l=190 mm，h=242 mm，W=10 kg，β=-20°，α=126.07°，依據(jù)上述尺寸討論在俯仰過程中，推桿力F與β的關(guān)系或F與α的關(guān)系。

（1）電動推桿擺角α

由式（1）得電動推桿擺角α隨β的變化規(guī)律，如圖4所示。

圖3 俯仰機構(gòu)簡化后受力分析圖

圖4 電動推桿擺角函數(shù)α(β)圖

由圖4可知，隨著片盒運動角度的增加，電動推桿的運動角由大到小然后又變大，β=-20°及β=90°時，α≈126°，β=25°時，α≈112.5°為最小角度。這表明電動推桿的擺角成對稱變化，電動推桿所受載荷的大小和方向變化較小。

（2）電動推桿推力F隨β的變化

那是一把綠柄白刃的刀，不知何時握在了女子的手中。刀刃準確地割入了土狼的脖頸，隨著噴涌而出的鮮血，土狼的身子摔落在了女子的身側(cè)。

由圖5中曲線可知，力F隨β由負到正的變化而呈現(xiàn)由負到正的變化，并且其曲線相對光滑，因此，推桿推力是均勻變化的，其最大推力取決于始末位置時α數(shù)值的合理選擇。由圖5可得：電動推桿的初始推力為30 N。其所需最大推力約為90 N。

圖5 推力函數(shù)F(β)圖

2.2 電動推桿支點位置設計

根據(jù)機構(gòu)的實際模型可知，電動推桿的輸出驅(qū)動力與鉸鏈c在胸片盒上的位置及鉸鏈A的位置有關(guān)，支點位置的合理設計對電動推桿的推力有較大影響，由圖6可知支點位置對電動推桿推力的影響是通過影響α角的變化來實現(xiàn)的［1，2］。通過函數(shù)曲線可知F隨著α角的變化而呈對稱變化，并且變化幾乎為線性。這說明力F與α角成正相關(guān)，只要保證β角在-20°～90°范圍內(nèi)變化時，α角為對稱變化，并且變化范圍越小，力F的變化就越小并且越趨于平緩。

圖6 推力函數(shù)F(α)圖

角α與L、h及l(fā)有關(guān)。當L及β不變時h與l成正相關(guān)。從理論上來說，隨著h、l成比例的增加，α角受β的影響就越來越小，并且其變化范圍也相對減小，但由于空間要求的限制，h、l的變化范圍也受到限制，另外，隨著h、l的增加，電動推桿的行程將會大大增加。綜合考慮電動推桿的行程及型號確定h、l的合適值。

3 制動裝置的自鎖原理分析

3.1 自鎖結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)給定

圓柱直線導軌為不銹鋼材料，直徑為16 mm，鎖緊板為Q235A材料，壁厚為6 mm，圓柱直線導軌和自鎖板孔之間的靜摩擦因數(shù)為u=0.15。

3.2 自鎖結(jié)構(gòu)受力分析

（1）自鎖板受力分析

自鎖運動副為間隙配合，并忽略構(gòu)件變形［3］。此自鎖制動裝置為對稱結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)雙向制動。取其一自鎖板為研究對象，自鎖板實現(xiàn)自鎖時的受力分析如圖7所示。在不計自身重力的情況下，自鎖板受到5個力的作用：圓柱直線導軌對A部分的支持力FAN，對A部分的靜摩擦力FAf，圓柱直線導軌對B部分的支持力FBN，對B部分的靜摩擦力FBf，支架對自鎖板的壓力F1。根據(jù)自鎖板受力的平衡條件，得：

以A點為轉(zhuǎn)軸，力矩平衡得：

根據(jù)靜摩擦有FAf≤uFAN，F(xiàn)Bf≤uFBN。由式（2）、（3）知FAf=FBf≤uFBN，有FBf=F1／2。代入式（4）得到：

得FBN=F1L／H，再將FBN代入FBf≤ufBN，有

F1／2≤u F1L／H，整理得：（2uL-H）F1≥0

在沒有外力作用于圓柱直線導軌時，F(xiàn)1=0，此時輔助彈簧起到支撐作用，自鎖板保持平衡，不會滑動以及轉(zhuǎn)動。

當有主動外力作用時，F(xiàn)1＞0，因此，根據(jù)其平衡條件（2 u L-H）≥0，得L≥H／（2 u），即在滿足L≥H／（2 u）時，無論主動外力多大，自鎖板都會自鎖［4］。

圖7 摩擦板受力圖

本結(jié)構(gòu)受力分析通過摩擦角以及全約束力來進行驗證，已知材料為鋼，故摩擦角Φm=arctan 0.15=8.5°。tanΦA=FAf／FAN，tanΦB=FBf／FBN。由摩擦力的性質(zhì)可知，全約束力只能在摩擦角之內(nèi)才可以實現(xiàn)自鎖，即靜摩擦力總是小于等于最大靜摩擦力［5］。如果A、B兩點的靜摩擦力達到最大時，ΦA和ΦB也達到最大值Φm，則上面兩式同為：tanΦm=Ff／FN（FN=FAN=FBN，F(xiàn)f=FAf=FBf），即u=tanΦm。在處于臨界狀態(tài)時，F(xiàn)1、FA和FB三力的作用線交于一處，根據(jù)三力平衡的匯交條件可知滑動副達到平衡條件。如圖8所示，tanΦm=MO／OE=MN／（2OE）=H／（2Lm），則有Lm=H／（2tanΦm）=H／（2 u）。此關(guān)系式驗證了前面推導的自鎖條件。

圖8 摩擦板全約束受力圖

（2）結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸的校核

根據(jù)實際結(jié)構(gòu)測得：D=16 mm，H=6 mm，L=40 mm。代入公式L≥H／（2u）得

L=40＞H／（2u）=6／（2×0.15）=20

故此結(jié)構(gòu)的設計完全滿足自鎖條件。

（3）圓柱直線導軌的受力分析

為了便于分析，對圓柱直線導軌和自鎖板進行整體受力分析。其受力分析圖如圖9所示，作用力F0為輸入外力，作用力F1為支撐座對自鎖板的反作用力，作用力FKN與FJN為直線軸承的支反力，直線軸承與圓柱直線導軌間為滾動摩擦，摩擦力遠遠小于自鎖板的摩擦力，故可忽略不計。由平衡條件可以得

故無論輸入外力F0多大，只要滿足上面自鎖條件，自鎖板即可起到剎車作用。

圖9 圓柱直線導軌和自鎖板整體受力圖

4 總 結(jié)

本文論述了醫(yī)用胸片架的俯仰機構(gòu)設計，其中包括該機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計、電動推桿支點設計及鎖緊裝置的設計。該機構(gòu)中的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)是借鑒廣泛用于挖掘機翻斗及雷達天線的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。該四桿結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、運動簡潔、工作可靠等特點。本設計優(yōu)化了電動推桿的安裝位置，降低了操作力，提高了效率。另外，鎖緊機構(gòu)采用自鎖原理，與四桿結(jié)構(gòu)相結(jié)合實現(xiàn)鎖緊功能，結(jié)構(gòu)新穎可靠。該結(jié)構(gòu)應用在胸片架產(chǎn)品的設計中，經(jīng)過了多項試驗驗證，也可以應用于其它具有翻轉(zhuǎn)功能的產(chǎn)品中。

［1］許平勇，曹鵬舉.平行桿翻轉(zhuǎn)舉升機構(gòu)及液壓缸鉸支點設計［J］.起重運輸機械，2008，（5）：23-26.

［2］郭衛(wèi)東，黃 斌，沙佳杰，韓先國.翻轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動力的優(yōu)化及Adams仿真驗證［J］.計算機輔助工程，2013，（5）：29-30.

［3］趙 挺，陳 鋼.導向機構(gòu)移動副不發(fā)生自鎖的條件設計法［J］.機械研究與應用，2014，（3）：148-149.

［4］王潤勇.滑動物體自鎖分析的幾種方法比較［J］.唐山學院學報，2004，（6）：75-76.

［5］魯同文.靜摩擦與腳扣的自鎖現(xiàn)象探討［J］.物理教師，2005，（11）：34-35.