艙體支撐行走式X射線防護(hù)服的機(jī)械設(shè)計*

楊延波，袁豐華，胡元凱

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽712000；2.西安凱頓醫(yī)藥科技有限公司，陜西 西安710065）

0 引言

艙體支撐行走器是一款X射線防護(hù)服用來支撐包裹鉛衣且具備活動功能的機(jī)械支架[1]，主要包括頭盔、軀干、腰部和下肢4部分，如圖1所示。其中，頭盔、軀干和下肢的活動范圍不大，設(shè)計應(yīng)與人體基本尺寸吻合，滿足舒適度要求即可；腰部的活動范圍較大，靈活性較高，既要能調(diào)節(jié)支撐行走器的高低，又要能實(shí)現(xiàn)彎腰和直腰動作。艙體支撐行走器屬于醫(yī)療設(shè)備的范疇，為滿足人穿脫方便，避免手肘接觸，還需設(shè)計一個后進(jìn)式進(jìn)艙裝置，如圖2所示。

圖1 艙體支撐行走器機(jī)械支架的三維設(shè)計

圖2 后進(jìn)式進(jìn)艙裝置的三維設(shè)計

為滿足上述要求，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計，課題組應(yīng)用三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，采用PTC Creo Parametric 3.0軟件，對艙體支撐行走式X射線防護(hù)服的機(jī)械部分進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計、裝配設(shè)計和人機(jī)工學(xué)對比分析[2]。完成三維數(shù)字化設(shè)計后，采用CAXA電子圖板2020軟件進(jìn)行零件圖和裝配圖的設(shè)計，便于艙體支撐行走器后續(xù)的加工制造。

1 艙體支撐行走器的機(jī)械設(shè)計

1.1 下肢的設(shè)計

下肢主要起到支撐整個艙體支撐行走器重量的作用并留有雙腿正常行走的運(yùn)動空間。為實(shí)現(xiàn)艙體支撐行走器在平坦地面的行動自如，在下肢設(shè)計時安裝了輪子。從三維實(shí)體到二維工程圖，需按照零件的實(shí)體設(shè)計、組裝設(shè)計、工程圖設(shè)計的整個設(shè)計流程進(jìn)行。其過程如下：1）在PTC Creo 3.0軟件的實(shí)體設(shè)計模塊中分別設(shè)計出立桿、彎桿、支撐桿、輪子等零件的三維實(shí)體；2）在組裝設(shè)計模塊中分別進(jìn)行組裝，如圖3所示；3）在繪圖模塊中生成工程圖并保存為dwg格式；4)在CAXA電子圖板2020軟件中打開dwg格式文件，調(diào)整繪圖比例，添加圖框和標(biāo)題欄，設(shè)置標(biāo)注格式并標(biāo)注尺寸，如圖4所示。后續(xù)零部件的三維實(shí)體設(shè)計和組裝設(shè)計完成后，可參考上述過程并最終形成符合標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖[3]。

圖3 下肢的三維設(shè)計

圖4 下肢的工程圖

1.2 腰部的設(shè)計

腰部是艙體支撐行走器的關(guān)鍵部位。其不僅能調(diào)節(jié)支撐行走器的高度，滿足不同身高人員的著裝要求，還需留有富余空間滿足不同體型人員的正常使用。在設(shè)計中，使用了氣彈簧裝置，用來調(diào)節(jié)機(jī)械裝置的高低，如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)適度彎腰和直腰動作功能，設(shè)計中使用拉力彈簧裝置，用來協(xié)助彎腰和直腰動作，如圖6所示。

圖5 氣彈簧的設(shè)計及組裝

圖6 拉力彈簧的設(shè)計及組裝

1.3 軀干的設(shè)計

軀干的主要功能是保持艙體支撐行走器的穩(wěn)定并起到支撐包裹鉛衣重量的作用，如圖7所示。同時，為滿足人員穿脫方便，避免手肘接觸，該設(shè)計主要采用后開艙式裝置，如圖2所示。

圖7 軀干的三維設(shè)計

1.4 頭盔的設(shè)計

頭盔不僅要防護(hù)人的面部和頭部免受X射線輻射，還要滿足透氣性、便捷性和舒適性要求。在設(shè)計中，增加頭盔頂?shù)拈_窗，實(shí)現(xiàn)散熱透氣；增加防護(hù)面罩，實(shí)現(xiàn)視野開闊。聽覺功能同時也應(yīng)不受影響，如圖8所示[4]。

圖8 頭盔的設(shè)計

2 艙體支撐行走器的人機(jī)工程分析

工業(yè)設(shè)計主要解決人—物之間的關(guān)系，研發(fā)新產(chǎn)品應(yīng)重點(diǎn)考慮人在使用時的舒適性、合理性和便捷性，以期達(dá)到人使用設(shè)備的安全需求。艙體支撐行走器在設(shè)計上應(yīng)考慮人員操作要符合人機(jī)工程學(xué)，增加產(chǎn)品的親和力[5]。設(shè)計時要按照人機(jī)工學(xué)原理，根據(jù)大眾群體身高的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，滿足不同身高和體型的通用性原則，以期適應(yīng)各類人群的身高、胖瘦的尺寸。利用PTC Creo Parametric 3.0軟件的Pro/E Mankin模塊測試艙體支撐行走器的設(shè)計是否滿足人機(jī)工學(xué)的要求。其過程如下：1）打開組裝好的艙體支撐行走器的三維模型；2）插入Pro/E Mankin庫的Mankin組件；3）對該Mankin組件進(jìn)行組件定位，使艙體支撐行走器放置在該人體模型組件中。經(jīng)對比分析，該艙體支撐行走器機(jī)械部分的外形、結(jié)構(gòu)、尺寸、比例等符合大眾人群的身高和體型，如圖9 a和9 b所示。

圖9 Pro/E Mankin模塊進(jìn)行人機(jī)工學(xué)對比

3 艙體支撐行走器的制造

艙體支撐行走器機(jī)械部分的制造材料主要為25 mm×25 mm、壁厚2 mm的矩形管材，O20 mm、壁厚2 mm的圓形管材。根據(jù)工程圖紙準(zhǔn)確下料后，采用焊接、螺栓聯(lián)接等機(jī)械加工方式進(jìn)行制造安裝。同時，將氣彈簧、拉簧、直線導(dǎo)軌等機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件按照圖紙尺寸和要求進(jìn)行生產(chǎn)并組裝[6]。艙體支撐行走器的外部為包裹鉛衣，內(nèi)部為內(nèi)襯材料，機(jī)械部分介于兩者之間，主要起到支撐包裹鉛衣重量的作用。艙體支撐行走器組裝后的實(shí)物效果如圖10所示。

圖10 艙體支撐行走器的實(shí)物組裝

4 總結(jié)

艙體支撐行走式X射線防護(hù)服的機(jī)械設(shè)計參照了機(jī)械外骨骼的原理，沉重的包裹鉛衣和頭盔等物體的重量由艙體支撐行走器的機(jī)械部分來承擔(dān)。運(yùn)用三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，結(jié)合人機(jī)工學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)防護(hù)服的機(jī)械部分的快速設(shè)計，同時實(shí)現(xiàn)無需承重、行動自如、動作靈活的功能。既保證了人員的正常工作，又實(shí)現(xiàn)了對身體的全面防護(hù)，滿足工作人員的實(shí)際需要，保證了人員的身體健康，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。