舱体支撑行走式X射线防护服的机械设计*

杨延波，袁丰华，胡元凯

（1.陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳712000；2.西安凯顿医药科技有限公司，陕西 西安710065）

0 引言

舱体支撑行走器是一款X射线防护服用来支撑包裹铅衣且具备活动功能的机械支架[1]，主要包括头盔、躯干、腰部和下肢4部分，如图1所示。其中，头盔、躯干和下肢的活动范围不大，设计应与人体基本尺寸吻合，满足舒适度要求即可；腰部的活动范围较大，灵活性较高，既要能调节支撑行走器的高低，又要能实现弯腰和直腰动作。舱体支撑行走器属于医疗设备的范畴，为满足人穿脱方便，避免手肘接触，还需设计一个后进式进舱装置，如图2所示。

图1 舱体支撑行走器机械支架的三维设计

图2 后进式进舱装置的三维设计

为满足上述要求，实现快速设计，课题组应用三维数字化设计技术，采用PTC Creo Parametric 3.0软件，对舱体支撑行走式X射线防护服的机械部分进行三维实体设计、装配设计和人机工学对比分析[2]。完成三维数字化设计后，采用CAXA电子图板2020软件进行零件图和装配图的设计，便于舱体支撑行走器后续的加工制造。

1 舱体支撑行走器的机械设计

1.1 下肢的设计

下肢主要起到支撑整个舱体支撑行走器重量的作用并留有双腿正常行走的运动空间。为实现舱体支撑行走器在平坦地面的行动自如，在下肢设计时安装了轮子。从三维实体到二维工程图，需按照零件的实体设计、组装设计、工程图设计的整个设计流程进行。其过程如下：1）在PTC Creo 3.0软件的实体设计模块中分别设计出立杆、弯杆、支撑杆、轮子等零件的三维实体；2）在组装设计模块中分别进行组装，如图3所示；3）在绘图模块中生成工程图并保存为dwg格式；4)在CAXA电子图板2020软件中打开dwg格式文件，调整绘图比例，添加图框和标题栏，设置标注格式并标注尺寸，如图4所示。后续零部件的三维实体设计和组装设计完成后，可参考上述过程并最终形成符合标准的二维工程图[3]。

图3 下肢的三维设计

图4 下肢的工程图

1.2 腰部的设计

腰部是舱体支撑行走器的关键部位。其不仅能调节支撑行走器的高度，满足不同身高人员的着装要求，还需留有富余空间满足不同体型人员的正常使用。在设计中，使用了气弹簧装置，用来调节机械装置的高低，如图5所示。为实现适度弯腰和直腰动作功能，设计中使用拉力弹簧装置，用来协助弯腰和直腰动作，如图6所示。

图5 气弹簧的设计及组装

图6 拉力弹簧的设计及组装

1.3 躯干的设计

躯干的主要功能是保持舱体支撑行走器的稳定并起到支撑包裹铅衣重量的作用，如图7所示。同时，为满足人员穿脱方便，避免手肘接触，该设计主要采用后开舱式装置，如图2所示。

图7 躯干的三维设计

1.4 头盔的设计

头盔不仅要防护人的面部和头部免受X射线辐射，还要满足透气性、便捷性和舒适性要求。在设计中，增加头盔顶的开窗，实现散热透气；增加防护面罩，实现视野开阔。听觉功能同时也应不受影响，如图8所示[4]。

图8 头盔的设计

2 舱体支撑行走器的人机工程分析

工业设计主要解决人—物之间的关系，研发新产品应重点考虑人在使用时的舒适性、合理性和便捷性，以期达到人使用设备的安全需求。舱体支撑行走器在设计上应考虑人员操作要符合人机工程学，增加产品的亲和力[5]。设计时要按照人机工学原理，根据大众群体身高的尺寸标准，满足不同身高和体型的通用性原则，以期适应各类人群的身高、胖瘦的尺寸。利用PTC Creo Parametric 3.0软件的Pro/E Mankin模块测试舱体支撑行走器的设计是否满足人机工学的要求。其过程如下：1）打开组装好的舱体支撑行走器的三维模型；2）插入Pro/E Mankin库的Mankin组件；3）对该Mankin组件进行组件定位，使舱体支撑行走器放置在该人体模型组件中。经对比分析，该舱体支撑行走器机械部分的外形、结构、尺寸、比例等符合大众人群的身高和体型，如图9 a和9 b所示。

图9 Pro/E Mankin模块进行人机工学对比

3 舱体支撑行走器的制造

舱体支撑行走器机械部分的制造材料主要为25 mm×25 mm、壁厚2 mm的矩形管材，O20 mm、壁厚2 mm的圆形管材。根据工程图纸准确下料后，采用焊接、螺栓联接等机械加工方式进行制造安装。同时，将气弹簧、拉簧、直线导轨等机械标准件按照图纸尺寸和要求进行生产并组装[6]。舱体支撑行走器的外部为包裹铅衣，内部为内衬材料，机械部分介于两者之间，主要起到支撑包裹铅衣重量的作用。舱体支撑行走器组装后的实物效果如图10所示。

图10 舱体支撑行走器的实物组装

4 总结

舱体支撑行走式X射线防护服的机械设计参照了机械外骨骼的原理，沉重的包裹铅衣和头盔等物体的重量由舱体支撑行走器的机械部分来承担。运用三维数字化设计技术，结合人机工学原理，实现防护服的机械部分的快速设计，同时实现无需承重、行动自如、动作灵活的功能。既保证了人员的正常工作，又实现了对身体的全面防护，满足工作人员的实际需要，保证了人员的身体健康，具有广阔的市场应用前景。