可拆卸自平衡担架床的研究与设计

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近年来，全球范围内自然灾害、意外事故和公共安全事件频发l1。在各种灾难灾害中，救援救助历来是人们所关心的问题，担架则是救援过程中运送伤者的重要医疗工具。通常，在灾难灾害现场，道路凹凸不平，救护人员抬着担架行走时担架的平稳性难以得到保证日。此外，在城市中，人们大都居住在高楼大厦里，当发生如中风等无法自主移动的严重病情时，救护人员也需利用担架实施救助，对于没有电梯的楼房，经楼梯搬运病人极易产生倾斜甚至倾覆。

救护初期，搬运过程中的过度倾斜，不仅会增加伤病员的痛苦，还会造成伤病员的病情恶化，很容易给伤病员造成二次伤害，使得救援的效率大打折扣，尤其是对于骨折、内伤和内出血的伤病员，甚至会危及其生命安全四。因此，抢救危重伤病员时，让其保持正确的身体姿势是很重要的。对于骨折的病人，应保持-种放松的体位以减轻对骨骼的压迫。对于心跳呼吸骤停的病人，应平卧于硬木板床上，避免头颈躯干扭曲。此外，静脉注射时担架的倾斜可能导致静脉注射管中漏入空气，给伤病员带来生命危险 。如何使担架避免倾斜保持平稳，减少二次伤害，成为救援工作的-大难题。 目前普遍使用的普通手抬担架，很难满足特殊诚下的救援工作，因此研究操作简单、便于携带的自平衡担架以提高救援效率是非常重要的。

目前为止，国内外对自平衡担架的研究还较少，-般都集中在救护设备和救护车辆方面。如某解放军医院研制了-种上坡下坡时需人力手动调节担架角度的手动担架平衡运送车四，某医科大学研制了应用步进电机、滚珠丝杠等机电设备的救护车平衡病床l3l。

现有自平衡装置重量大，结构复杂，不利于救护人员携带和快速布置，安全稳定性有待提高。为此，研究了-种可拆卸的、能自动保持平衡的担架床，可作为担架、输液治疗床和临时手术床使用，具有成本低、质量轻、结构简单以及携带方便等特. 。该担架床适合在野外、楼道以及其它地势不平的救援现场使用。

2功能分析与系统规划可拆卸自平衡担架床的主要任务是在特殊环境下实现伤病员的平稳运送，避免过度倾斜，减少伤病员所受到的二次伤害。为来稿 日期：2012-04-07基金项目：首都医学发展基金(20092098)作者简介：靳 飞，(1988-)，男，山东，在读硕士研究生，主要研究方向：机器人机构；高学山，(1966-)，男，(回)，山东，教授，博士，博士生导师，主要研究方向：机器人技术70 靳 飞等： 拆卸自平衡担架床的研究与设计 第2期达到上述目标，担架床应具有承载病人、角度调整、减震缓冲、快速装拆等基本功能，担架床机械结构简图，如图1所示。主要包括外侧固定支撑担架、内侧可调节担架、连杆机构和床腿等。

图1担架床机械结构简图Fig.1 Mechanical Structure Schematic Diagram of the Stretcher Bed其中，外侧固定支撑担架把内侧可调节担架、连杆机构和床腿连接在-起，是担架床的基本骨骼”。当伤病员平躺于内侧可调节担架上时，内侧可调节担架起承载病人的作用。连杆机构具有自动调整角度的功能，连杆机构中含原动件，原动件在控制系统的控制下动作，带动连杆机构进行实时的角度调整。床腿内固定有弹簧装置，具有减震缓冲的功能。此外，各部分结构可实现快速装拆。

担架床系统结构图，如图2所示，可拆卸自平衡担架床是-个包含机械结构和电气控制的机电-体化系统。

图2担架床系统结构图Fig.2 Block Diagram of the Stretcher Bed System2.1机械结构为了在救护过程中保证对伤员的平稳性要求，采用连杆机构的原理，使担架具有调节倾斜角度的功能，机构应主动补偿担架角度的变化。此外，为了提高担架床的稳定性，应尽量保证机构尺寸和质量分布的对称l生，包括沿摆动轴线方向上和垂直摆动轴线方向上机构的几何尺寸对称和质量均布[61。

基于这-思想，在担架床机械结构构建中确立了以下基本原则：(1)质量均分原则；(2)尺寸最小原则；(3)机构最优原则。

2.2控制系统采用闭环反镭制原理，基于检测偏差。纠正偏差”的原则，将控制系统设计成闭环反镭制系统 。与开环控制系统相比，闭环控制系统虽然结构相对复杂，但是其抗干扰能力强，在输入标定精度-致的情况下，可以用精度不高的元件和装置组成较高精度的控制系统，合理设计控制器，可使系统满足各种不同性能指标的要求。

3机械结构设计3.1连杆机构的设计在普通担架的基础上增加电动推杆～两者组合便衍化出可拆卸的自平衡担架床的连杆机构原理图，如图3所示。其中，可调节担架、竖直支架和电动推杆之间由多个运动副连接。

简化I 图3连杆机构原理图Fig。3 Schematic Diagram ofthe Linkage Mechanism连杆机构的自由度计算可由下式表达为：F3n-2 -P4 (1)式中：F /'5、 -自由度、活动构件个数、5级副个数和4级副个数旧。

分析连杆机构可知：n5，即可调节担架、两个电动推杆的推杆部分、两个电动推杆的导管部分； 7，即五个转动副，两个移动副P4-0，即无四级副，将上述数值代入公式(1)，则：3n-2/'5-P4l (2)(a) (b) (c)图4最佳安装尺寸Fig.4 Optimal Mounting Dimensions即该机构的自由度为1，所以该机构有确定的运动。为了提高担架床的负载能力与安全可靠性，在连杆机构中使用两个电动推杆。当两电动推杆同时动作，即-推-拉时，由于左右对称且速度相同，可视为只有-个原动件，所以根据运动链成为机构的条件可知，在电动推杆为原动件的情况下，原动件的数目等于运动链的自由度数，此运动链成为机构。担架床使用的电动推杆规格为推力 IO00N的 24V直流电动推杆，电动推杆行程为200mm，最短为310mm，最长为510mm。若实现(±3O)o的平衡调节，经过对机构的综No.2Feb.2013 机械设计与制造 71合分析，最佳安装尺寸，如图4所示。设 、y正分别为推杆E安装孑L到主轴的水平距离、推杆下安装孔到主轴的垂直 巨离和推杆的伸缩长度， 、y交 处为主轴，两推杆左右对称安装，当右侧推杆分别收缩到3lOmm、410turn、510ram时，左侧推杆分别伸长到 510ram、410mm、510ram，且xy问的夹角分别为60。、90O 120。。

因为 、l，、构成闭合的三角形，所以x、Y、L满足余弦方程：c0so.X2 Yy2-L2- (3)当XY间夹角 为60。、90、120。时， 、 、L分别满足的条件，如表 1所示。

衰 1预定角度处的推杆长度和机构尺寸方程Tab.1 Length of Motorized Faders and the DimensionFunction at the Predetermined Angles当XY的尺寸同时满足①②③三个方程所组成的方程组时，此时的机构安装尺寸为最佳安装尺寸。由于方程组含两个未知数 、l，，含三个方程，故该方程组无精确解，可通过最小三乘法来求最优解。令：z-( -co 。) ( --cos90)(2 -cosl20) ㈩即转化为求当函数z-f(x，l，)取最小值时X、y的值。初选 E(200，2000)、y∈(200，2000)，利用Matlab作出函数2 ，y)的曲面图，如图5(a)所示，函数z ，y)的最小值出现在X∈(200，500)、Y∈(200，500)区间内。同理，再选 E(200，500)、YE(200，500)，则可确定最小值位于 X∈(200，400)、Y∈(200，400)问内，如图5(b)所示。

(a) (b)图5函数 Zf(X，I，)曲面图Fig.5 Surface Charts of Function Zf(X，Y)在区间X E(200，400)、y E(200，400)内对函数zf(x，y)求f粤：0偏导，并求解如下方程组： (5)0 l则求得最优解结果为：X341.25 mm；Y241.48 mm。即推杆上安装孔到主轴的水平距离为341.25ram、推杆下安装孔到主轴的垂直距离为241.48ram。对上述计算的数值进行校验。当 341.25 1/111、Y241.48 mm，L分别为310ram、410ram、510ram时，由 c。s-1( )得值，如表2所示。

采2推杆不同长度时XY间夹角0Tab.2 0 Angles Of XY with Diferent Faders Length由计算结果可知，61.5。 60。，87.7。-9O。，121.4。 120。，所以在实际机构设计时选取的X、y值是合理的。当担架摆动到时，如图4(a)、图4(c)所示，两推杆各自长度为：j ·：、/ 二 3。3·9m (6)： 507.1mm即两电动推杆的长度分别为303.9mm和507.1mm。

3.2整体结构的设计如图6所示，担架床的结构主要由主担架和自平衡调节平台组成。其中，主担架包括帆布和主担架杆，可单独使用也可与自平衡调节平台组合使用。自平衡调节平台包括内侧可调节担架和外侧固定支撑担架，内侧可调节担架绕两轴承所确定的主轴来回摆动，外侧固定支撑担架静止不动，只起支撑和减震的作用。

调节(a)整体图主担架婪 霪橐(b)爆破图图6担架床的三维结构Fig.6 Three-Dimension Structure of the Stretcher BedNo.2Feb.2013 机 械设 计 与制 造 736总结针对伤员救护中因地势颠簸不平对伤员造成的二次损伤和运送平稳性等问题，提出并设计了-种用于在野外、楼道以及其它地势不平的诚下救助伤病员的可拆卸式的白平衡担架床，通过系统规划、机械结构设计、控制系统设计和实验研究 ，验证了技术方法的有效性。通过课题研究，这种担架床的优点在于：(1)采用包含电动推杆的连杆机构，实现了机构的简洁化，采用可拆卸的整体结构并设计了携带箱，使担架床便于携带，提高了救援效率。

(2)采用闭环反镭制原理 ，设计了 自平衡控制系统 ，利用高精度倾角传感器实时检测担架床倾斜角度 ，利用高性能 ARM控制器控制电动推杆动作，满足了伤病员在救护运送过程中其姿态平稳性的要求。在楼梯上搬运的实验证明，担架床的平衡功能良好。