輔助穿脫醫(yī)用防護裝置方艙的設計與有限元分析

宋泓炎，白金友，李鑫宇，楊雪東，劉陽海，張宇航，崔有正*，侯昊良

（齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

引言

醫(yī)用防護服是醫(yī)護人員工作著裝，隔離病菌、有害超細粉塵、酸性溶液、鹽溶液，保持環(huán)境清潔。采用PP（聚丙烯，占總數(shù)的62%）無紡布材料，外覆防護服專用透氣膜，透氣性強，防靜電；較佳的防滲透性，在抗多種有機溶劑、酸堿腐蝕的同時，具有較高的耐沖擊性[3]。

在醫(yī)療護理中，要使醫(yī)生不被病菌感染，防護服非常重要。分秒必爭的工作環(huán)境決定了醫(yī)護人員必須要在很短的時間內(nèi)完成自身的防護工作全身心的投入到疫情防控中，所以能夠快速的穿脫防護服就是一個亟待解決的問題[3]。

基于上述問題，我們進行了深入的討論和調(diào)研并設計了一款能幫助醫(yī)護人員快速穿脫防護服的輔助裝置。它既可以提高醫(yī)護人員的工作效率，又能使醫(yī)護人員避免在穿脫過程中的意外感染。可以根據(jù)不同身高，體型的醫(yī)護人員，自動識別，選擇準確的尺碼，并且在脫下防護服時，可以找到準確的位置，精準的幫助醫(yī)護人員進行穿脫防護裝置。并且，使用過的防護裝置，經(jīng)過消毒后會自動回收到衣柜附帶的垃圾箱內(nèi)，避免給環(huán)境帶來危害。

1 設計理念概述

我們設計的是一種輔助穿脫醫(yī)用防護裝置的方艙，設計理念是將輔助穿脫防護裝置的平臺與可移動的方艙相結(jié)合，可以實現(xiàn)醫(yī)用防護裝置的自動穿脫和方艙的自由移動，極大的減少了醫(yī)護人員穿脫防護裝置所浪費的時間，并且減少了病毒傳播的可能性。設計輔助穿脫防護裝平臺，實現(xiàn)更安全的更快捷的穿脫防護裝置。

利用自動鞋套機，自動手套機，全自動穿脫防護服平臺結(jié)合，提高自動化程度；設計懸掛底盤，合理分布各個機構(gòu)構(gòu)件，保證整體裝置的平衡和受力均勻。這種設計有效的減輕醫(yī)護人員的負擔，讓醫(yī)護人員的工作更加舒適方便，可以普遍生產(chǎn)使用[4]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖及工作流程設計

輔助穿脫醫(yī)用防護裝置的方艙設計結(jié)構(gòu)圖見圖1、圖2，萬向輪圖見圖3，此可輔助穿脫防護裝置的移動方艙裝置的主要由機械臂、機械手、全自動手套機、全自動鞋機、頭套機、萬向輪、扣領裝置、傳送帶、自動消毒垃圾箱、全方位消毒裝置，自動感應門等組成。

圖1 一種輔助穿脫醫(yī)用防護裝置的可移動方艙結(jié)構(gòu)圖

圖2 一種輔助穿脫醫(yī)用防護裝置的可移動方艙

圖3 萬向輪結(jié)構(gòu)圖

圖4 多功能護理型輪椅組合床工作流程

輔助穿脫醫(yī)用防護裝置的方艙可以實現(xiàn)輔助醫(yī)護人員自動的穿脫醫(yī)用防護裝置，節(jié)約醫(yī)護人員穿脫防護服的時間，減少病毒在防護服穿脫過程中傳播的可能性，并且這種輔助穿脫醫(yī)用防護裝置的可移動方艙還可以自由的移動，可以使醫(yī)護人員在完成工作后及時的更換防護服，同時可以實現(xiàn)在方艙內(nèi)全方位的消毒，避免病毒在方艙內(nèi)二次傳播。這種輔助穿脫醫(yī)用防護裝置的可移動方艙有完善的垃圾處理系統(tǒng)，脫下廢棄的防護服可以自動的送入消毒垃圾箱，避免出現(xiàn)污染問題。

當醫(yī)護人員進入方艙內(nèi)，首先在第一層消毒室實現(xiàn)一次全方位消毒。消毒后醫(yī)護人員進入到防護裝置穿脫室，站在全自動鞋套機上，穿上消毒的鞋套，醫(yī)護人員站在自動的穿脫的裝置上，將醫(yī)護人員的胳膊放在指定位置，機械手輔助人將袖子穿上，自動的穿脫將防護服撐開，醫(yī)護人員的頭部放入頭套機中，輔助醫(yī)護人員將防護服的頭套穿上，自動穿脫的裝置下面的機械手開始工作，輔助醫(yī)護人員將褲子套上，自動穿脫裝置的扣緊裝置開始工作，壓緊防護服，避免防護服出現(xiàn)下滑松動的現(xiàn)象，醫(yī)護人員將手放入自動手套機中，戴上防護手套，醫(yī)護人員從后面的無菌門中出去，避免原入口中病毒的感染，醫(yī)護人員工作完成后在從消毒門進入，消毒后進入防護裝置穿脫室，自動裝置重復前面的過程，將防護裝置從醫(yī)護人員的身上脫下，醫(yī)護人員從后面的無菌室出去，無菌室中的紫外線消毒裝置對醫(yī)護人員進行二次消毒。

2.1 等效應力分析

在solidworks 軟件中進行三維建模，見圖5，在solidworks 進行接下來的等效應力分析。

圖5 機械手的三維模型

經(jīng)過等效應力分析，應力分布云圖見圖6，此機械手應力最大值2.355 MPa 主要集中在機械手的根部。機械手的根部的等效應力最大值小于普通碳鋼的屈服極限220 MPa，滿足行星齒輪符合強度要求。

圖6 應力分布云圖

2.2 等效應變分析

經(jīng)過等效應變分析，應變分布云圖見圖7，此機械手應變最大值7.313e-11 mm/mm，主要集中在機械手的根部。機械手的根部等效應變數(shù)值很小，機械手材料能夠滿足機械手在夾取防護服時對應變的要求。

圖7 應變分布云圖

2.3 總形變分析

經(jīng)過總形變分析，總形變分布云圖見圖8。此輪系最大整體變形量為1.906e-8 mm，變形主要發(fā)生在機械手頂部處，變形量較小，基本符合齒輪嚙合的理論變形趨勢，滿足機械手的強度和剛度需求。

圖8 總形變分布云圖

3 創(chuàng)新理念

在國內(nèi)還并未出現(xiàn)與防護服輔助脫穿產(chǎn)品，與我們產(chǎn)品相關的裝置，并沒有我們的防護服輔助脫穿方艙智能與環(huán)保，它對環(huán)境的適應能力也不如我們的防護服輔助脫穿方艙，而且其也不能達到較為真正意義上的全智能，需要較多的人為操作，現(xiàn)有的裝置，大都屬于開放式的形式，有較大的安全隱患，容易在更換防護服時造成病毒感染，其也沒有較為完備的回收裝置，容易造成病毒外流和環(huán)境污染，從而會造成更嚴重的病毒傳播。因此就目前為止出現(xiàn)的防護服脫穿輔助裝置都已經(jīng)不能適應現(xiàn)在的工作環(huán)境。

4 結(jié)論

綜上所述，輔助穿脫醫(yī)用防護裝置的可移動方艙可以實現(xiàn)輔助醫(yī)護人員自動的穿脫醫(yī)用防護裝置，節(jié)約醫(yī)護人員穿脫防護服的時間，盡可能地減少病毒在防護服穿脫過程中傳播的可能性，解決了防護服的無菌及自動化穿戴，為醫(yī)療器械的發(fā)展和研發(fā)開辟了一條新途徑，此裝置可以讓醫(yī)護人員不用自己進行如此繁瑣的流程，甚至在其中得到一段時間的休息，從而更好的提高醫(yī)護人員的工作效率。并且可以很大程度上減少穿脫防護服過程中造成的病毒感染情況，使醫(yī)護人員可以更加全身心的投入到患者身上。本裝置實用性強，能夠適應一般惡劣環(huán)境下的防護服無菌半自動化穿戴，具有廣闊的市場前景與應用價值[5]。