艙體支撐行走式X射線防護服的機械設計*

楊延波，袁豐華，胡元凱

（1.陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽712000；2.西安凱頓醫藥科技有限公司，陜西 西安710065）

0 引言

艙體支撐行走器是一款X射線防護服用來支撐包裹鉛衣且具備活動功能的機械支架[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，設計應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，既要能調節支撐行走器的高低，又要能實現彎腰和直腰動作。艙體支撐行走器屬于醫療設備的范疇，為滿足人穿脫方便，避免手肘接觸，還需設計一個后進式進艙裝置，如圖2所示。

圖1 艙體支撐行走器機械支架的三維設計

圖2 后進式進艙裝置的三維設計

為滿足上述要求，實現快速設計，課題組應用三維數字化設計技術，采用PTC Creo Parametric 3.0軟件，對艙體支撐行走式X射線防護服的機械部分進行三維實體設計、裝配設計和人機工學對比分析[2]。完成三維數字化設計后，采用CAXA電子圖板2020軟件進行零件圖和裝配圖的設計，便于艙體支撐行走器后續的加工制造。

1 艙體支撐行走器的機械設計

1.1 下肢的設計

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動空間。為實現艙體支撐行走器在平坦地面的行動自如，在下肢設計時安裝了輪子。從三維實體到二維工程圖，需按照零件的實體設計、組裝設計、工程圖設計的整個設計流程進行。其過程如下：1）在PTC Creo 3.0軟件的實體設計模塊中分別設計出立桿、彎桿、支撐桿、輪子等零件的三維實體；2）在組裝設計模塊中分別進行組裝，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，調整繪圖比例，添加圖框和標題欄，設置標注格式并標注尺寸，如圖4所示。后續零部件的三維實體設計和組裝設計完成后，可參考上述過程并最終形成符合標準的二維工程圖[3]。

圖3 下肢的三維設計

圖4 下肢的工程圖

1.2 腰部的設計

腰部是艙體支撐行走器的關鍵部位。其不僅能調節支撐行走器的高度，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。在設計中，使用了氣彈簧裝置，用來調節機械裝置的高低，如圖5所示。為實現適度彎腰和直腰動作功能，設計中使用拉力彈簧裝置，用來協助彎腰和直腰動作，如圖6所示。

圖5 氣彈簧的設計及組裝

圖6 拉力彈簧的設計及組裝

1.3 軀干的設計

軀干的主要功能是保持艙體支撐行走器的穩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，該設計主要采用后開艙式裝置，如圖2所示。

圖7 軀干的三維設計

1.4 頭盔的設計

頭盔不僅要防護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。在設計中，增加頭盔頂的開窗，實現散熱透氣；增加防護面罩，實現視野開闊。聽覺功能同時也應不受影響，如圖8所示[4]。

圖8 頭盔的設計

2 艙體支撐行走器的人機工程分析

工業設計主要解決人—物之間的關系，研發新產品應重點考慮人在使用時的舒適性、合理性和便捷性，以期達到人使用設備的安全需求。艙體支撐行走器在設計上應考慮人員操作要符合人機工程學，增加產品的親和力[5]。設計時要按照人機工學原理，根據大眾群體身高的尺寸標準，滿足不同身高和體型的通用性原則，以期適應各類人群的身高、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計是否滿足人機工學的要求。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。經對比分析，該艙體支撐行走器機械部分的外形、結構、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模塊進行人機工學對比

3 艙體支撐行走器的制造

艙體支撐行走器機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。根據工程圖紙準確下料后，采用焊接、螺栓聯接等機械加工方式進行制造安裝。同時，將氣彈簧、拉簧、直線導軌等機械標準件按照圖紙尺寸和要求進行生產并組裝[6]。艙體支撐行走器的外部為包裹鉛衣，內部為內襯材料，機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物效果如圖10所示。

圖10 艙體支撐行走器的實物組裝

4 總結

艙體支撐行走式X射線防護服的機械設計參照了機械外骨骼的原理，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械部分來承擔。運用三維數字化設計技術，結合人機工學原理，實現防護服的機械部分的快速設計，同時實現無需承重、行動自如、動作靈活的功能。既保證了人員的正常工作，又實現了對身體的全面防護，滿足工作人員的實際需要，保證了人員的身體健康，具有廣闊的市場應用前景。