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)

0 引言

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。

1 設(shè)計(jì)思路

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

2 樣機(jī)驗(yàn)證

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。

3 結(jié)語(yǔ)

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。