劉一璇,陳子慧,曾玲麗,許 可,陳瀟冰,肖 偉,余善成
(1.南京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與信息學(xué)院,江蘇 南京 210029;2.南京醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院,江蘇 南京 210029;3.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 201620;4.南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院,江蘇 南京 210029)
擔(dān)架廣泛應(yīng)用于運(yùn)送暫時(shí)性喪失自我行走能力的病人、傷員等[1]。醫(yī)院、城市救援等應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)固定,已經(jīng)有各種各樣功能齊全的擔(dān)架供選擇。然而現(xiàn)有的擔(dān)架在應(yīng)對(duì)地震等自然災(zāi)害時(shí)則無(wú)法很好地滿足相對(duì)苛刻的需求[2]。國(guó)家應(yīng)急管理部發(fā)布的2020年全國(guó)自然災(zāi)害基本情況顯示,2020年各種自然災(zāi)害共造成1.38億人次受災(zāi),591人因?yàn)?zāi)死亡失蹤,589.1萬(wàn)人次緊急轉(zhuǎn)移安置[3]。當(dāng)?shù)卣鸬茸匀粸?zāi)害發(fā)生時(shí),救護(hù)車往往因復(fù)雜的環(huán)境情況,如地面裂隙、巨石擋道、房屋坍塌等,無(wú)法直達(dá)救援現(xiàn)場(chǎng)。在搜救過(guò)程中,過(guò)于沉重、難以攜帶的擔(dān)架會(huì)增加救護(hù)難度,降低救援效率,給救護(hù)人員帶來(lái)極大的不便[4]。
不僅如此,在實(shí)施救援時(shí),由于路面崎嶇、山體陡峭等原因,擔(dān)架在搬運(yùn)過(guò)程中有傾倒的危險(xiǎn),這不僅會(huì)威脅傷病員在擔(dān)架上的安全,還有可能加重傷病員的病情,造成二次損傷[5]。而對(duì)于骨折、心臟病和顱腦損傷的病人,過(guò)度的搖晃甚至?xí)<吧?。與此同時(shí),自然災(zāi)害產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)會(huì)使人們焦慮、寒戰(zhàn)、心慌,對(duì)傷員的生理和心理造成傷害[6]。
因此,提高手抬擔(dān)架的便攜性和穩(wěn)定性,盡量避免救護(hù)過(guò)程中的二次損傷,減輕傷員的應(yīng)激反應(yīng)是研究設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于平衡擔(dān)架有一定研究,其中,鄧君等[8]設(shè)計(jì)的全自向平衡車,改善了傷員搬運(yùn)路途顛簸的情況,實(shí)現(xiàn)了角度自動(dòng)校正,但卻缺少對(duì)地形的適應(yīng)性和行動(dòng)的靈活度,造價(jià)也較為高昂。侯冰等[9]設(shè)計(jì)的基于角度傳感器的自平衡擔(dān)架中,首次將非線性PID引用到擔(dān)架平衡的領(lǐng)域,但基于電推桿及電機(jī)的結(jié)構(gòu)限制,擔(dān)架較為沉重,難以攜帶。本文設(shè)計(jì)了一款用于地震中崎嶇路面及惡劣天氣條件時(shí)使用的平衡擔(dān)架,旨在減小擔(dān)架空間占量,便于攜帶,提高救援效率。
本文設(shè)計(jì)的多功能擔(dān)架結(jié)構(gòu)上采用3個(gè)大小依次遞增的框架,包括小框架、中框架、大框架及木榫連接處(見(jiàn)圖1)。小框架與中框架前后相連,中框架與大框架左右相連,木榫連接處的限制活動(dòng)角度為35°(見(jiàn)圖2),提高了手抬擔(dān)架的穩(wěn)定性。收疊擔(dān)架時(shí),中、小框架可向內(nèi)側(cè)收縮,并采用卡扣進(jìn)行固定,大框架兩端三等分點(diǎn)處放置可旋轉(zhuǎn)180°的活動(dòng)配件,實(shí)現(xiàn)外部框架的折疊(見(jiàn)圖3)。經(jīng)過(guò)收縮及折疊后,可以極大地縮小尺寸和占地面積,便于貯存、攜帶、轉(zhuǎn)運(yùn)。
圖1 用于地震救援的多功能擔(dān)架外觀設(shè)計(jì)圖
圖2 連接處木榫的設(shè)計(jì)原理圖
圖3 可折疊設(shè)計(jì)原理及效果圖
為了提高在地震等自然災(zāi)害場(chǎng)景下的可用性,擔(dān)架的整體重量原則上應(yīng)盡可能輕,可采用碳纖維、鋁合金等材料。結(jié)合成本問(wèn)題綜合評(píng)估,本設(shè)計(jì)采用鋁合金材料。鋁合金材料質(zhì)量輕,密度為2.73×103kg/m3,材料強(qiáng)度高、剛度好,抗變形能力強(qiáng),可在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下有效減輕搬運(yùn)人員的負(fù)擔(dān)[9]。
人體承載部分采取編織式結(jié)構(gòu),內(nèi)嵌非牛頓流體材料穩(wěn)定層,外加尼龍綁帶。首先,編織帆布材料,形成疏松多孔、延展性大的支撐面,使受力點(diǎn)成分散狀態(tài),增大其所能承受的重力。在帆布材料下附著一層非牛頓流體材料(見(jiàn)圖4)。非牛頓流體材料具有“剪切增稠”的特性[10],有較好地吸收外界沖擊的能力,緩沖效果佳,保護(hù)性能好,可減少骨折、脊柱損傷病人遭遇二次傷害的可能性。此外,該材料為發(fā)泡環(huán)保材料,質(zhì)量輕,可降解。
將編織好的帆布浸入聚酯纖維,在其表面形成一層疏水薄膜,有效解決了帆布吸水過(guò)重的問(wèn)題。聚酯纖維是由有機(jī)二元酸和二元醇縮聚而成的聚酯經(jīng)紡絲所得的合成高分子纖維,質(zhì)地柔軟,疏水性能強(qiáng),分子結(jié)構(gòu)緊密,增強(qiáng)了帆布料的耐用性[11]。最后,在布料外層增加尼龍綁帶,固定患者的胸、腰、髖、膝部,增加制動(dòng)效果,以達(dá)到增強(qiáng)傷員自身穩(wěn)固性的作用。
圖4 人體承載部分的編制結(jié)構(gòu)示意圖
自然災(zāi)害產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)會(huì)使人們焦慮、寒戰(zhàn)、心慌,保持傷者體溫可以有效地降低應(yīng)激反應(yīng)。石墨烯是一種新型納米材料,具有導(dǎo)電快、導(dǎo)熱強(qiáng)、質(zhì)地柔軟等特點(diǎn)[12],在擔(dān)架布料內(nèi)嵌以石墨烯復(fù)合材料為基礎(chǔ)的電膜片發(fā)熱裝置(見(jiàn)圖5),通電后可將電能轉(zhuǎn)化成熱能,當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值后,其內(nèi)部的電阻器件電阻值將增大,使電流減小,實(shí)現(xiàn)自限溫功能;其次,石墨烯復(fù)合材料具有可延展性、電阻率低、導(dǎo)熱系數(shù)高等特質(zhì),可快速升溫、節(jié)能省電,將熱量以輻射形式輸送至空間,使織料表面發(fā)熱均勻[13]。
圖5 石墨烯加熱裝置電路及封裝示意圖
多功能擔(dān)架在結(jié)構(gòu)上采用陀螺儀原理[14](見(jiàn)圖6),遵循角動(dòng)量守恒定律,具有特殊的定軸性和進(jìn)動(dòng)性,中心轉(zhuǎn)子外連接2個(gè)平衡環(huán),3個(gè)轉(zhuǎn)軸兩兩正交,交點(diǎn)與中心轉(zhuǎn)子質(zhì)心重合。理想狀態(tài)下,外力矩之合為零,中心轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量守恒,可維持較強(qiáng)的穩(wěn)定性,最內(nèi)側(cè)擔(dān)架盡可能保持水平狀態(tài)(見(jiàn)圖7)。在地勢(shì)起伏較大的情況下,最內(nèi)側(cè)擔(dān)架可自適應(yīng)調(diào)節(jié)平衡維持患者穩(wěn)定。為防止因人體重心位置偏移造成擔(dān)架側(cè)翻過(guò)度,在木榫連接處的限制活動(dòng)角度為35°,且在中、大框架之間以彈性帶相連,以達(dá)到較佳的穩(wěn)定效果。
圖6 陀螺儀原理圖
圖7 理想目標(biāo)狀態(tài)的效果圖
根據(jù)上述原理制作了簡(jiǎn)易實(shí)物樣機(jī)(見(jiàn)圖8),采取自身對(duì)照形式,最外側(cè)框架模擬普通框架,與最內(nèi)側(cè)框架進(jìn)行對(duì)照,利用水平儀進(jìn)行測(cè)試。擔(dān)架水平放置時(shí)模擬平坦路面運(yùn)輸傷員,一高一低放置時(shí)模擬地勢(shì)崎嶇路段運(yùn)輸傷員,以重物模擬傷員,分別測(cè)量?jī)煽蚣茉谟袩o(wú)重物(傷員)的情況下測(cè)定水平及高低放置時(shí)的偏轉(zhuǎn)度數(shù)(水平儀示數(shù)的變化值),測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。從表格的數(shù)據(jù)可以看出:在未放置重物時(shí),擔(dān)架外框角度平均變化31.96°,內(nèi)框角度僅平均變化5.50°;放置重物后,擔(dān)架外框角度平均變化32.82°,內(nèi)框角度平均變化為13.71°。
圖8 擔(dān)架簡(jiǎn)易實(shí)物圖
表1 擔(dān)架內(nèi)、外框的角度變化結(jié)果單位:(°)
可以看出,無(wú)論放置重物與否,擔(dān)架內(nèi)框的角度變化遠(yuǎn)低于外框的角度變化,表明類陀螺儀結(jié)構(gòu)可以有效增加擔(dān)架的水平穩(wěn)定性。放置重物后,在外框角度變化基本相同的情況下,內(nèi)框角度變化略有提升,可能是重物的質(zhì)心與內(nèi)框的偏差較大所致。
本文基于陀螺儀原理設(shè)計(jì)制作了一款新型多功能擔(dān)架,多框架結(jié)構(gòu)使得在外框角度大幅改變時(shí)內(nèi)框角度僅略有變化,加強(qiáng)了人體承載部分的穩(wěn)定性,適用于因地震等自然災(zāi)害而導(dǎo)致的道路崎嶇場(chǎng)景下的救援工作,減少對(duì)傷者造成二次損傷。石墨烯加熱設(shè)計(jì)有利于保持傷者的體溫,減小應(yīng)激反應(yīng),可折疊的輕質(zhì)便攜設(shè)計(jì)有利于惡劣天氣下設(shè)備的運(yùn)送及向救災(zāi)一線的投放,提高救援效率。