大擴(kuò)展比車載醫(yī)療方艙自動(dòng)支撐調(diào)平系統(tǒng)研制

孟曉東，鄭靜晨，李明，趙輝，閆翀，楊林波，徐冬

1.武警總醫(yī)院，北京 100039；2.南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽(yáng) 473006；3.南陽(yáng)二機(jī)車輛制造有限公司，河南 南陽(yáng) 473006

引言

十八大以來(lái)，我國(guó)對(duì)全民醫(yī)療保障體系提出了更高要求，為完善醫(yī)療下鄉(xiāng)、醫(yī)療扶貧及臺(tái)風(fēng)、地震、海嘯等突發(fā)重大自然災(zāi)害時(shí)快速醫(yī)療應(yīng)急機(jī)制，以及越來(lái)越多的國(guó)際醫(yī)療救援服務(wù)，使我國(guó)災(zāi)害醫(yī)學(xué)救援裝備技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)[1-2]，梳理制約現(xiàn)階段我國(guó)重大災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援移動(dòng)醫(yī)院運(yùn)行與發(fā)展，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有移動(dòng)式醫(yī)院裝備研究主要以集成創(chuàng)新和引進(jìn)創(chuàng)新為主，整體結(jié)構(gòu)與功能處于世界技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家中流水平[3]，自主創(chuàng)新和原始創(chuàng)造能力亟待提高，代表世界前沿技術(shù)的標(biāo)志性裝備亟待研發(fā)。該項(xiàng)目主要是針對(duì)我國(guó)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援移動(dòng)醫(yī)院方面的瓶頸，研發(fā)大擴(kuò)展比智能拓展車載方艙醫(yī)院[4]。

針對(duì)國(guó)內(nèi)外重大災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)大批量傷員面臨醫(yī)療救治的問(wèn)題，按照“第一時(shí)間把醫(yī)院送到災(zāi)害一線”的理念和“災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)三級(jí)醫(yī)療救治體系”架構(gòu)[5]，將先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備帶到災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字智能化技術(shù)、電氣自動(dòng)化控制技術(shù)，基于大擴(kuò)展比智能拓展車載方艙對(duì)“空運(yùn)投送、快速部署、快速展開(kāi)”的使命要求[6]，提出一種新型的自動(dòng)支撐調(diào)平系統(tǒng)，保證整車具有超大擴(kuò)展比，符合我國(guó)運(yùn)20航空運(yùn)輸要求，滿足車輛在高原、高寒、高濕熱等復(fù)雜環(huán)境的使用[7]。

該研究突破傳統(tǒng)液壓僅有四點(diǎn)調(diào)平的局限和不足，不僅底盤四點(diǎn)調(diào)平控制是純電動(dòng)支腿控制器控制，還配備滑道電動(dòng)展開(kāi)、支腿調(diào)平控制，控制系統(tǒng)完全自動(dòng)化、一體化，不僅使醫(yī)療方艙車的安全性、可靠性大大提升，保障各種精密醫(yī)療設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，全自動(dòng)一鍵調(diào)平更是簡(jiǎn)化了操作流程，擴(kuò)展效率更高，大大提升了自動(dòng)化效果，使得車載醫(yī)療方艙領(lǐng)域自動(dòng)化調(diào)平邁向新的一步[8]，電動(dòng)能源的清潔減少環(huán)境污染，也給大擴(kuò)展比智能拓展車載方艙今后的發(fā)展提供了更大的空間。

1 自動(dòng)支撐調(diào)平系統(tǒng)原理介紹及構(gòu)成

大擴(kuò)展比車載醫(yī)療方艙自動(dòng)支撐調(diào)平系統(tǒng)是新型的電動(dòng)自動(dòng)化支撐調(diào)平設(shè)計(jì)，所有支腿和滑道的伸縮都完全通過(guò)電氣自動(dòng)控制，每一級(jí)伸縮支腿都配備有小型電機(jī)，通過(guò)電機(jī)的工作螺旋上升或下降。大擴(kuò)展比智能拓展車載方艙底盤及各級(jí)滑道最外端均配有傾角傳感器[15]，用于測(cè)量水平角度，同時(shí)反饋數(shù)據(jù)給控制器，幫助控制器調(diào)整支腿高低，達(dá)到整車和大擴(kuò)展方艙的水平一致。

該系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：① 整車主支腿及滑道支腿擴(kuò)展調(diào)平系統(tǒng)；② 車前后部艙體大擴(kuò)展后支腿的調(diào)平系統(tǒng)；③ 信號(hào)指令支腿撤收系統(tǒng)。其中，車前后部艙體大擴(kuò)展后支腿的調(diào)平系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)最新研究。自動(dòng)支撐調(diào)平系統(tǒng)利用傾角反饋+模擬控制算法的找平模式；實(shí)現(xiàn)既可降低購(gòu)置找平系統(tǒng)產(chǎn)品或?qū)I(yè)開(kāi)發(fā)所需成本，又可增加產(chǎn)品附加性能并對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)的找平功能方案，達(dá)到一體化控制的目的。

2 自動(dòng)支撐調(diào)平系統(tǒng)原理介紹及構(gòu)成

2.1 整車主支腿及滑道支腿擴(kuò)展調(diào)平系統(tǒng)

2.1.1 整車主支腿調(diào)平系統(tǒng)控制

首先，為了保證系統(tǒng)在不同環(huán)境，不同地面情況下主支腿調(diào)平的有效使用，需要在主支腿伸出時(shí)先進(jìn)行虛腿調(diào)平。

虛腿調(diào)平通過(guò)壓力傳感器反饋，當(dāng)壓力反饋值大于設(shè)定參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)得到反饋并對(duì)主支腿調(diào)平。需要說(shuō)明的是，在不同的地面情況下運(yùn)行本系統(tǒng)，系統(tǒng)得到著地信號(hào)后，地面情況就已經(jīng)知道，以前調(diào)試得出的導(dǎo)軌的變形量和誤差量不會(huì)發(fā)生變化，所以支腿走出相應(yīng)的行程就可以適應(yīng)不同地形。

整車主支腿調(diào)平采取的控制原理方法為“四點(diǎn)支撐追逐式調(diào)平”[9]。其原理是指當(dāng)判斷出現(xiàn)最高支腿后，該最高支腿不動(dòng)，其余3個(gè)支腿同時(shí)上升，以最高支腿為準(zhǔn)，先達(dá)到水平角允許范圍一側(cè)的支腿先停止升高，另一水平角達(dá)到允許范圍后停止兩支腿的上升[10]。

設(shè)主支腿未展開(kāi)的前后中心軸為x軸，左右對(duì)稱為y軸，支腿展開(kāi)后，設(shè)各支腿坐標(biāo)為A（x0，y0，z0）、B（x1，y1，z1）、C（x2，y2，z2）、D（x3，y3，z3），其中根據(jù)雙軸傾斜傳感器的檢測(cè)結(jié)果，定義左右傾角α和前后傾角β均為正值的支腿坐標(biāo)A點(diǎn)，然后按順時(shí)針?lè)较驅(qū)⒏髦茸鴺?biāo)定義為B、C、D點(diǎn)。假設(shè)其中一個(gè)支腿底盤最高點(diǎn)為A，即以A固定，調(diào)整剩余B、C、D 3點(diǎn)，以達(dá)到最終水平一致。

利用公式假設(shè)A固定：若α＞0，β＞0，α↑，β↑

Bb=L1×tgα

Cc=Bb+L2×tgβ=Bb+Dd

Dd=L2×tgβ

其中，L1、L2、L3為AB、AC、AD距離，Bd、Cc、Dd為B、C、D根據(jù)A點(diǎn)支撐調(diào)整的垂直距離。

最終，通過(guò)傾角傳感器將整車底盤調(diào)整為水平，最高精度可達(dá)到±0.5°[11]。

載荷主支腿選用的為電動(dòng)支腿，與液壓支腿有較大優(yōu)勢(shì)，調(diào)平過(guò)程快速平穩(wěn)，精度高，擁有自鎖性能，超大靜載荷，能滿足醫(yī)療綜合處置車長(zhǎng)時(shí)間放置的要求。主支腿調(diào)平所使用的傾角傳感器需要安裝在車輛大梁上，安裝位置要求盡量靠近4個(gè)支腿的安裝中心。傾角傳感器配顯示傳感器，調(diào)平過(guò)程前中后可顯示車輛傾角，安裝位置，見(jiàn)圖1。

圖1 主支腿安裝位置和雙軸傾角傳感器安裝位置

2.1.2 滑道支腿擴(kuò)展調(diào)平控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)了電動(dòng)滑道支腿伸縮導(dǎo)軌的支腿調(diào)平。和以往只會(huì)將滑道支腿和底盤作為一個(gè)平面來(lái)單一調(diào)平作為區(qū)別[12]，該系統(tǒng)更為復(fù)雜和智能，車載醫(yī)療方艙的前后部多級(jí)滑道支腿都可作為獨(dú)立平面進(jìn)行單獨(dú)調(diào)平，最終系統(tǒng)將多個(gè)不同支腿平面與底盤平面調(diào)平一致。

大擴(kuò)展比智能拓展車載方艙前艙左右滑道為單級(jí)滑道，支腿位于滑道外端部，共4個(gè)支腿，后艙左右為三級(jí)大擴(kuò)容伸縮滑道，每個(gè)滑道上安裝3個(gè)支腿，每級(jí)滑道支腿均配有電動(dòng)支腿，傾角傳感器都安在各級(jí)滑道最外側(cè)。前后滑道支腿伸出設(shè)計(jì)圖，見(jiàn)圖2～3。

滑道伸出工作流程為：前艙和后艙一起工作作業(yè)，前艙左右滑道伸出完成后，電動(dòng)支腿開(kāi)始工作伸出，當(dāng)支腿著地后，通過(guò)左右兩端最外側(cè)的傾角傳感器同時(shí)進(jìn)行與整車底盤的水平角度調(diào)節(jié)反饋，當(dāng)左右兩個(gè)支腿與底盤水平一致后，前艙一級(jí)滑道調(diào)平結(jié)束。前艙滑道支腿自動(dòng)調(diào)平伸出流程，見(jiàn)圖4。

圖2 前支腿滑道伸出設(shè)計(jì)圖

圖3 后支腿滑道伸出設(shè)計(jì)圖

圖4 前艙滑道支腿伸出自動(dòng)調(diào)平圖

同時(shí)，后艙三級(jí)滑道也在逐級(jí)調(diào)平，首先當(dāng)一級(jí)滑道完全伸出后，一級(jí)支腿開(kāi)始伸出并進(jìn)行與車底盤進(jìn)行水平調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)完畢后，再伸出二級(jí)軌道，同樣二級(jí)支腿伸出完成后，與車底盤進(jìn)行水平調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)完畢，再伸出三級(jí)軌道，三級(jí)支腿按照同樣的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。后艙滑道支腿的調(diào)平伸出流程，見(jiàn)圖5。

車前后部左右大擴(kuò)容導(dǎo)軌支腿伸出完畢最終效果，見(jiàn)圖6?？梢钥吹郊t色標(biāo)注為8個(gè)傾角傳感器各分布在前后左右支腿的最外端，傳感器時(shí)刻保持通電狀態(tài)，檢測(cè)水平傾角變化，一旦達(dá)到失平狀態(tài)，傳感器反饋信號(hào)給系統(tǒng)報(bào)警，操作人員可根據(jù)接收的信息，通過(guò)信號(hào)指令調(diào)平相關(guān)支腿，以保證每一級(jí)的支腿水平平面與底盤平面保持一致。藍(lán)色標(biāo)注為道支腿電機(jī)，可以看到每級(jí)都有專門電機(jī)，各個(gè)電機(jī)工作不受影響，可以同時(shí)多點(diǎn)自動(dòng)調(diào)平，使系統(tǒng)更智能化。

圖5 后艙滑道支腿伸出自動(dòng)調(diào)平圖

圖6 車前后部左右大擴(kuò)容導(dǎo)軌支腿伸出效果圖

2.2 車前后部艙體大擴(kuò)展后支腿的調(diào)平系統(tǒng)

當(dāng)左右前后艙體擴(kuò)展開(kāi)后，艙體因重力作用，主支腿和各級(jí)滑道支腿肯定會(huì)有不同程度的傾角水平偏移，系統(tǒng)通過(guò)傾角傳感器反饋的數(shù)據(jù)對(duì)主支腿和滑道支腿進(jìn)行判斷，并逐級(jí)進(jìn)行對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整順序?yàn)椋褐髦日{(diào)平—前后一級(jí)支腿調(diào)平—后二級(jí)支腿調(diào)平—后三級(jí)支腿調(diào)平。系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷，當(dāng)傳感器反饋數(shù)據(jù)在水平位后，系統(tǒng)自動(dòng)停止調(diào)平，無(wú)需做完所有步驟。艙體大擴(kuò)展后支腿調(diào)平流程，見(jiàn)圖7。

2.3 信號(hào)指令支腿撤收系統(tǒng)

滑道縮回工作流程為：前艙左右支腿收回，前艙一級(jí)滑道收回。同時(shí)段，后艙左右第三級(jí)支腿收回后，后艙第三級(jí)開(kāi)始滑道收回，然后后艙左右二級(jí)支腿收回，后艙二級(jí)級(jí)滑道收回，最后，后艙左右一級(jí)支腿收回，后艙一級(jí)級(jí)滑道收回完畢。信號(hào)指令支腿撤收流程，見(jiàn)圖8。

3 大擴(kuò)展比車載醫(yī)療方艙自動(dòng)支撐調(diào)平系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于在車載醫(yī)療方艙設(shè)備上，并取得的非常好的顯著效果。全車配備車載控制器箱，可以通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)進(jìn)行主支腿調(diào)平和大擴(kuò)展滑道支腿調(diào)平。并且，方艙自動(dòng)支撐調(diào)平系統(tǒng)可與方艙多級(jí)擴(kuò)展系統(tǒng)進(jìn)行一體化的集成控制，通過(guò)無(wú)線遙控功能，實(shí)現(xiàn)整車一鍵式支撐、調(diào)平、擴(kuò)展等功能。另外，全車還自帶應(yīng)急發(fā)電機(jī)組及光伏發(fā)電設(shè)備，能在網(wǎng)電出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行應(yīng)急反應(yīng)，作為臨時(shí)供電電源使用，保護(hù)醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療手術(shù)不間斷進(jìn)行。

圖7 艙體大擴(kuò)展后支腿調(diào)平流程圖

圖8 信號(hào)指令支腿撤收系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)主要控制元件部分安裝在兩件標(biāo)準(zhǔn)4 U機(jī)箱，分別控制調(diào)平主支腿和滑道支腿，其中還包含主支腿一鍵調(diào)平和滑道支腿一鍵調(diào)平，充分實(shí)現(xiàn)電控自動(dòng)化作用?？刂撇僮骷稍诳刂朴|摸屏上，操作人員通過(guò)觸摸屏上進(jìn)行自動(dòng)支撐調(diào)平的控制。

4 總結(jié)

大擴(kuò)展比車載醫(yī)療方艙自動(dòng)支撐調(diào)平系統(tǒng)是純電控支腿調(diào)平系統(tǒng)，首次應(yīng)用在大擴(kuò)展比車載醫(yī)療方艙車上，該系統(tǒng)集成了整車調(diào)平、滑道擴(kuò)展、滑道調(diào)平等功能[13]，還具有虛腿監(jiān)測(cè)及消除技術(shù)。相對(duì)國(guó)內(nèi)其他液壓支腿調(diào)平，電動(dòng)支腿調(diào)平更智能化，能精準(zhǔn)反應(yīng)實(shí)時(shí)工況，及時(shí)調(diào)整支腿，使車輛始終保持水平角度；同時(shí)電控調(diào)平更加符合我國(guó)工業(yè)設(shè)備清潔化的環(huán)保要求，不會(huì)出現(xiàn)漏油泄油事故造成環(huán)境污染[14]。而針對(duì)大擴(kuò)展比車載醫(yī)療房艙自動(dòng)支撐調(diào)平系統(tǒng)的成功應(yīng)用，也給車載方艙設(shè)計(jì)提供了更多的技術(shù)選擇方案，該研制應(yīng)用的成功，也加強(qiáng)了車載醫(yī)療方艙在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下適應(yīng)性和安全可靠性[15-16]。

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