多功能椅式擔(dān)架的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

張 勇，王 榮，吳 希

隨著材料科學(xué)的發(fā)展和急救、災(zāi)害醫(yī)學(xué)模式的建立，擔(dān)架用材料不斷改進(jìn)，各種特種擔(dān)架也相繼問(wèn)世，其他類(lèi)型的擔(dān)架也競(jìng)相發(fā)展，形成了既有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，又有各自特色的發(fā)展局面[1]。由于災(zāi)害和意外傷病的不可預(yù)見(jiàn)性，無(wú)法在單個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)將各種特種擔(dān)架配備齊全，目前常用的有二折擔(dān)架、四折擔(dān)架和擔(dān)架車(chē)等傳統(tǒng)擔(dān)架為主。傳統(tǒng)擔(dān)架由于自身結(jié)構(gòu)及使用方法的限制，往往無(wú)法應(yīng)對(duì)復(fù)雜的救援環(huán)境，使救援無(wú)法及時(shí)、有效進(jìn)行[2]。

在灘涂、沙漠、草地、叢林及雪地等復(fù)雜環(huán)境下，由于特殊的地貌使機(jī)動(dòng)衛(wèi)生車(chē)輛無(wú)法抵近[3]，采用普通擔(dān)架救援時(shí)不利于救護(hù)人員的行走，易導(dǎo)致救護(hù)人員體力消耗增加、轉(zhuǎn)運(yùn)速度變慢、耽誤黃金救治時(shí)間等問(wèn)題。多功能椅式擔(dān)架具備一人背負(fù)或拖行、兩人搬運(yùn)的功能，能夠解決狹窄、陡峭、松軟、濕滑等地貌下傷員短途運(yùn)送的難題。

1 需求與問(wèn)題分析

1.1 各種地貌環(huán)境下問(wèn)題分析

多功能椅式擔(dān)架在灘涂、沙漠、草地、叢林及雪地等地貌環(huán)境下均應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注擔(dān)架傷員支撐面的防潮、滲水和快干性能，傷員捆綁和固定可靠連接問(wèn)題，避免傷員二次傷害問(wèn)題，及降低救援人員工作強(qiáng)度問(wèn)題。

在灘涂、沙漠和雪地地貌環(huán)境下還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注松軟地質(zhì)的通過(guò)性，防止拖行時(shí)擔(dān)架下陷引起阻力增大等問(wèn)題；在草地和叢林地貌環(huán)境下還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注防止擔(dān)架各組成部分與周邊草叢剮蹭問(wèn)題；在雪地地貌環(huán)境下還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注材料的耐低溫性能問(wèn)題，應(yīng)避免低溫情況下傷員與金屬件接觸，提升人機(jī)適應(yīng)性。

1.2 運(yùn)送模式分析

根據(jù)灘涂、沙漠、草地、叢林及雪地等復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)送傷員的需求，進(jìn)一步分析各種地貌環(huán)境下的最優(yōu)運(yùn)送模式。

在沙質(zhì)灘涂、草地、叢林和少量積雪的雪地等地貌環(huán)境下，地面較硬，人員能夠正常行走和奔跑，在這種環(huán)境下可采用單人背負(fù)或兩人抬行的方式進(jìn)行運(yùn)送。如果該環(huán)境下有道路或鄉(xiāng)間小道還可采用輪式拖行模式運(yùn)送傷員。

在泥質(zhì)灘涂、沙漠和大量積雪的雪地等地貌環(huán)境下，由于地面松軟，人員行走時(shí)腳部和腿部都會(huì)下陷，造成行走困難。在這種環(huán)境下無(wú)法單人背負(fù)傷員后行走，只能采用單人拖行或兩人抬運(yùn)的方式。在單人拖行時(shí)，移動(dòng)輪同樣會(huì)因下陷而增加阻力，使拖運(yùn)的工作強(qiáng)度大大增加。為了避免這一問(wèn)題，需采用雪橇式結(jié)構(gòu)，將移動(dòng)輪拆下，換裝滑板，以降低擔(dān)架對(duì)地面的壓強(qiáng)，防止擔(dān)架下陷，減輕摩擦力。

由于多功能椅式擔(dān)架需在各種地貌環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多種工作模式的運(yùn)送功能，還應(yīng)考慮不同工作模式的快速轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)思路

在多功能椅式擔(dān)架設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮各種地貌環(huán)境下的共性問(wèn)題和單一地貌環(huán)境下的特殊需求，通過(guò)不同功能模塊的組合配置適應(yīng)各種地貌環(huán)境特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合三種不同運(yùn)送模式的人機(jī)特點(diǎn)，主要從以下幾個(gè)方面入手，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能和性能要求：

1）圍繞一個(gè)基本型的組合背架，通過(guò)增減不同附件，實(shí)現(xiàn)不同地貌特點(diǎn)和運(yùn)輸方式的多功能組合，具備快速轉(zhuǎn)換功能。

2）針對(duì)每種地貌特點(diǎn)，開(kāi)展針對(duì)性設(shè)計(jì)，如積雪環(huán)境下的雪橇式擔(dān)架設(shè)計(jì)，如沙漠環(huán)境下的防砂塵設(shè)計(jì)等。

3）采用快速插接和折疊技術(shù)，確保多功能椅式擔(dān)架結(jié)構(gòu)靈巧，展開(kāi)和收攏轉(zhuǎn)換方便、快速，具有良好的操作性和快速收納功能。

4）優(yōu)先采用碳纖維復(fù)合材料和高強(qiáng)度鋁合金等優(yōu)質(zhì)材料，通過(guò)理論計(jì)算和有限元分析等方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)，便于單兵攜行。

5）通過(guò)人機(jī)工程設(shè)計(jì)，確保擔(dān)架具有良好的舒適性和安全性。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能椅式擔(dān)架采用快速接插組合的技術(shù)形式，可根據(jù)需要靈活組配。主要由背負(fù)裝置（圖中未示出）、組合背架、安全固定帶、隨不同使用方式配置的滑板、移動(dòng)輪等組成。如圖1所示。

3.1.1 背負(fù)裝置設(shè)計(jì)

背負(fù)裝置由腰帶、肩帶和胸帶等組成，每組帶子均能夠調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，起到重心調(diào)節(jié)和適應(yīng)不同體型人員背負(fù)的需要。在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)對(duì)背負(fù)裝置負(fù)荷的合理分布設(shè)計(jì)、與人體的良好貼合設(shè)計(jì)和重心調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)等措施，能夠降低背負(fù)人員的工作強(qiáng)度。

3.1.2 滑板設(shè)計(jì)

為了防止在泥質(zhì)灘涂、沙漠和積雪較深的雪地環(huán)境下?lián)芟孪莸膯?wèn)題，在拖行時(shí)需在擔(dān)架上安裝滑板，減小對(duì)地面的壓強(qiáng)，便于擔(dān)架在上述環(huán)境下的快速通行，減輕救援人員的工作強(qiáng)度。

滑板采用高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料，采用快速接插形式與組合背架進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)雪橇式擔(dān)架模式的快速轉(zhuǎn)換?；宕笮「鶕?jù)GJB 2873《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》中男子第95百分位數(shù)體重75kg[4]加上擔(dān)架自重10kg和積雪表面的一般抗壓能力3 500Pa進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)壓強(qiáng)計(jì)算公式得出滑板的支撐面積至少需要0.28平方米，實(shí)際單件滑板支撐面積尺寸為900mm（長(zhǎng)）×160mm（寬），兩塊滑板的總支撐面積為0.29平方米，滿(mǎn)足使用時(shí)不會(huì)下陷的需要。

為了方便滑板使用，滑板安裝接頭設(shè)有角度限位功能，在抬起擔(dān)架前滑板與擔(dān)架平行，便于將傷員抬至擔(dān)架上并固定；拖行時(shí)可抬起擔(dān)架，使擔(dān)架與滑板呈一定角度，便于拖行，如圖2所示。

圖2 滑板角度轉(zhuǎn)換示意圖

3.1.3 移動(dòng)輪設(shè)計(jì)

在草地、山地等環(huán)境下拖運(yùn)傷員時(shí)，可通過(guò)增加移動(dòng)輪減小擔(dān)架與地面的摩擦，減輕工作強(qiáng)度，加快通行速度，為傷員搶救爭(zhēng)取時(shí)間。移動(dòng)輪采用快速接插形式與組合背架進(jìn)行連接，和滑板采用同一個(gè)連接接口，簡(jiǎn)化組合背架的結(jié)構(gòu)。

移動(dòng)輪采用直徑75mm（3英寸）的優(yōu)質(zhì)聚氨酯固定輪，即保證了正常情況下地面的通過(guò)性，又避免了移動(dòng)輪過(guò)重的問(wèn)題。

3.2 組合化設(shè)計(jì)

多功能椅式擔(dān)架設(shè)計(jì)時(shí)以組合背架為基礎(chǔ)，根據(jù)不同使用環(huán)境和運(yùn)送方式的特點(diǎn)，通過(guò)增加功能模塊的方式開(kāi)展組合化設(shè)計(jì)。背負(fù)裝置與組合背架的組合能夠?qū)崿F(xiàn)多功能椅式擔(dān)架一人背負(fù)功能；滑板和組合背架的組合能夠?qū)崿F(xiàn)多功能椅式擔(dān)架雪地、沙漠和灘涂等松軟環(huán)境下一人拖行功能；移動(dòng)輪和組合背架的組合能夠?qū)崿F(xiàn)多功能椅式擔(dān)架硬質(zhì)地面環(huán)境下一人拖行功能；支腳組件、折疊把手和組合背架的組合能夠?qū)崿F(xiàn)多功能椅式擔(dān)架兩人搬運(yùn)的功能。

3.3 輕量化設(shè)計(jì)

多功能椅式擔(dān)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組件多，為了保證產(chǎn)品重量滿(mǎn)足要求，必須進(jìn)行精細(xì)的輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)理論計(jì)算和有限元分析等方法，對(duì)受力零件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和輕量化優(yōu)化，最終選用高強(qiáng)度鋁合金作為組合背架的材料，碳纖維作為滑板的材料，并對(duì)各部件設(shè)計(jì)重量進(jìn)行合理分配，詳見(jiàn)表1。

表1 多功能椅式擔(dān)架重量分配表

3.4 小型化設(shè)計(jì)

組合背架采用整體折疊結(jié)構(gòu)，擔(dān)架貯存或運(yùn)輸時(shí)可折疊收攏，用固定帶將滑板與組合背架捆綁在一起，整套擔(dān)架在野外救援時(shí)可由一人攜帶前往救援地，方便攜行。折疊后示意如圖3所示，折疊后擔(dān)架尺寸為1 083mm×450mm×139mm，折疊后的體積是折疊前的36%，有效減小了貯存體積。

圖3 擔(dān)架折疊示意圖

3.5 人機(jī)工程設(shè)計(jì)

在救援的過(guò)程中，如果救援產(chǎn)品沒(méi)有合理的設(shè)計(jì)，很有可能造成二次受傷，在應(yīng)急救援擔(dān)架上添加其他具有針對(duì)性的功能，緩解傷員的痛苦，為后續(xù)的救治提供良好的基礎(chǔ)[5]。在多功能椅式擔(dān)架主體結(jié)構(gòu)基本確定的情況下，進(jìn)一步開(kāi)展人機(jī)工程設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品細(xì)節(jié)更合理，使用更舒適。

3.5.1 頭枕設(shè)計(jì)

在擔(dān)架頭部位置設(shè)置頭枕，在組合成拖行和搬運(yùn)模式后可供傷員頭部倚靠并固定，提高傷員頭部舒適度，減少頭部沖擊。

3.5.2 輔助安全帶設(shè)計(jì)

多功能椅式擔(dān)架配備單獨(dú)的輔助安全帶，在拖行式和抬行式擔(dān)架使用時(shí)可根據(jù)需要配合使用，輔助安全帶可套于救援人員肩部，既能分擔(dān)傷員重量，又能防止擔(dān)架滑落。輔助安全帶設(shè)有長(zhǎng)度調(diào)節(jié)扣，能夠根據(jù)需要快速調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，滿(mǎn)足不同身高救援人員的使用需要。

3.5.3 與傷員的接口設(shè)計(jì)

多功能椅式擔(dān)架支撐面寬445mm、擔(dān)架總長(zhǎng)2 000mm，滿(mǎn)足GJB 2873《軍事裝備和設(shè)施的人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》中男子和女子第95百分位數(shù)身高、立姿臀寬和坐姿臀寬等人體尺寸的要求，通過(guò)安全固定帶與擔(dān)架進(jìn)行固定，能夠滿(mǎn)足正常情況下不同體型傷員的使用要求。

3.5.4 與救援人員的接口設(shè)計(jì)

1）背負(fù)式模式下，救援人員采用背負(fù)裝置背起擔(dān)架和傷員，背負(fù)裝置肩帶、腰帶和胸帶均具備長(zhǎng)度調(diào)節(jié)功能，能夠滿(mǎn)足不同體型救援人員的使用要求。

2）拖運(yùn)和抬行模式下，救援人員采用雙手握住擔(dān)架圓管，能夠適應(yīng)人體手握和抬運(yùn)的要求。

4 使用方式

組合背架可快速實(shí)現(xiàn)背負(fù)式到抬行式的功能轉(zhuǎn)換，單次轉(zhuǎn)換時(shí)間約為25s。拖行式可實(shí)現(xiàn)椅式擔(dān)架拖行和展開(kāi)式拖行兩種方式。移動(dòng)輪和滑板采用接插方式與組合背架進(jìn)行連接，并通過(guò)快卸銷(xiāo)進(jìn)行固定，結(jié)構(gòu)可靠，操作便捷，能夠?qū)崿F(xiàn)擔(dān)架不同工作模式間的快速轉(zhuǎn)換。通過(guò)采用裝卸動(dòng)作清除余砂的方法實(shí)現(xiàn)防砂塵問(wèn)題，使用時(shí)無(wú)需借助工具，徒手即可完成組裝和拆卸工作。各使用狀態(tài)示意如圖4所示。

圖4 各使用狀態(tài)示意圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)使用環(huán)境和傷員運(yùn)送模式的全面分析，多功能椅式擔(dān)架采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組合化、輕量化、小型化和人機(jī)工程等創(chuàng)新設(shè)計(jì)措施，申報(bào)了“一種多功能椅式擔(dān)架”[6]專(zhuān)利，實(shí)現(xiàn)了擔(dān)架不同功能的快速轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足灘涂、沙漠、草地、叢林及雪地等復(fù)雜環(huán)境下，一人背負(fù)或拖行、兩人搬運(yùn)的功能，能夠解決狹窄、陡峭、松軟、濕滑等地貌下傷員短途運(yùn)送的難題。