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?？梢愿鶕?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，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合，提高自動化程度；設計懸掛底盤，合理分布各個機構構件，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)結構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構圖見圖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構圖

圖2 一種輔助穿脫醫(yī)用防護裝置的可移動方艙

圖3 萬向輪結構圖

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)在方艙內全方位的消毒，避免病毒在方艙內二次傳播。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，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]。