楊延波，袁豐華，胡元?jiǎng)P

（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(jì)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(jì)一個(gè)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(jì)

圖2 后進(jìn)式進(jìn)艙裝置的三維設(shè)計(jì)

為滿足上述要求，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)，課題組應(yīng)用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jì)、裝配設(shè)計(jì)和人機(jī)工學(xué)對比分析[2]。完成三維數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jì)，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(jì)

1.1 下肢的設(shè)計(jì)

下肢主要起到支撐整個(gè)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(jì)時(shí)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(jì)、組裝設(shè)計(jì)、工程圖設(shè)計(jì)的整個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)模塊中分別設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)和組裝設(shè)計(jì)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(jì)

圖4 下肢的工程圖

1.2 腰部的設(shè)計(jì)

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(jì)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(jì)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(jì)及組裝

圖6 拉力彈簧的設(shè)計(jì)及組裝

1.3 軀干的設(shè)計(jì)

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(shí)，為滿足人員穿脫方便，避免手肘接觸，該設(shè)計(jì)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(jì)

1.4 頭盔的設(shè)計(jì)

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(jì)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(shí)也應(yīng)不受影響，如圖8所示[4]。

圖8 頭盔的設(shè)計(jì)

2 艙體支撐行走器的人機(jī)工程分析

工業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)時(shí)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(jì)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(shí)，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(jì)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(jì)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(jì)，同時(shí)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。